CN109921644A - 具有二次侧控制的返驰式转换器 - Google Patents

具有二次侧控制的返驰式转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有二次侧控制的返驰式转换器，包含：一变压器，具有一次侧绕组与二次侧绕组，一次侧绕组用以接收一输入电压，二次侧绕组耦合至一次侧绕组并与一整流电路连接；整流电路包含一输出电容，提供一输出电压；一整流开关单元，与二次侧绕组和输出电容串接，提供一整流路径及一开关路径；一个二次侧控制电路，用以侦测整流电路输出电压或电流值，根据输出电压或电流与预设值的差值控制整流开关单元状态；一个一次侧切换装置，连接至一次侧绕组的一端；一辅助绕组与二次侧绕组耦合，用以提供一次侧控制电路操作电源以及侦测二次侧整流开关单元状态；一个一次侧控制电路，用以根据辅助绕组侦测的二次侧输出状态以控制一次侧切换装置。

Description

具有二次侧控制的返驰式转换器
技术领域
本发明涉及一返驰式转换器，特别是关于一种具有二次侧控制的返驰式转换器。
背景技术
电源转换器广泛的应用于提供电子装置运作所需的电压以及负载电流，特别是于具有高度集中的通讯或计算机设备中。这些电源供应器通常需要提供于一小体积或尺寸下高输出功率，由于此类电源供应装置需要于有限空间输出高密度功率，因此电源供应器的转换效率以及如何降低于操作过程中的热耗能的产生也为此类电源供应器设计的重点。
返驰式转换器(flyback converter)是应用极为广泛的电源拓朴之一。由于返驰转换器具有高效率、低损耗、小尺寸、零件数目少、以及成本低等优点，因此被广泛的作为各种电子产品的电源装置。返驰式转换器一般是用于直流-直流(DC-DC)转换以驱动一具有变压器隔离输入、输出的输出负载，一输入整流(rectifier)电路可以被用于交流-直流(AC-DC)应用上。常见的返驰式转换器包括一输入电路以及一输出电路，输入电路与输出电路经由一变压器耦合，一光耦合器连接输出电路输出端与控制器输入端作为回授信号调节。输入电路包含一晶体管开关组件以及一控制器用以调节脉冲宽度(PWM)，晶体管连接至初级侧线圈绕组的一端以及控制器的输出端，一回授输入端连接至一光耦合器的一端，一次侧开关被开启以磁化变压器一次侧绕组，当一次侧开关被关闭时电力将被转移至二次侧电路，一连接至二次侧线圈的二极管可以允许电流流至负载。于转换器的系统输出侧输出端连接一光耦合器(optical coupler)用以隔离输入与输出电路并传输输出电压信号回到控制器。
上述的返驰式转换器电路，利用光耦合器的回馈控制功能来调节输出电压，但是光耦合器的物理特性无可避免的会影响系统的操作稳定性以及耐用性。举例而言，光电耦合器的耦合效率会反映系统输出电压的精确度，更进一步，额外的电气组件需要被加入以配合光耦合器的运作，因此需要额外的成本以及空间。
为了解决上述问题，美国专利案US 7385163提出利用一个二次侧控制器来控制一次侧的开关装置，以提供一个更精准以及可靠的电源输出系统。
参考图1A所示，包括一个输入电路1、一个变压器11以及一输出电路2。输入电路1包括一个或多个开关装置13，一输入端以及一输出端；输入电路1的输入端连接至一输入电压Vin，输入电路1的输出端连接至变压器11。变压器11包含一个一次侧线圈绕组以及一个二次侧线圈绕组，一次侧线圈绕组连接至一个开关装置13使其能根据二次侧线圈绕组的电压变化进行控制开关装置的开启/关闭状态。
控制器的第一控制端CTL1与第二控制端CTL2间有三种状态变化，分别是电阻性负载连接、短路及开路。控制器在输出电压Vout大于目标电压时，使其第一控制端CTL1与第二控制端CTL2间形成电阻性负载一段时间，阻止开关组件被激发导通，使得现有的切换电源装置停止自激发转换，避免输出电压Vout继续上升；在输出电压Vout小于目标电压时，使其第一控制端CTL1与第二控制端CTL2间形成短路状态一段时间，导致开关组件被激发导通，使得现有的切换电源装置开始自激发转换，以提升输出电压Vout；于其他时候，使其第一控制端CTL1与第二控制端CTL2间形成开路状态，避免现有的切换电源装置的操作受到干扰。
但是前面所述的切换电源转换装置有以下缺点：
(1) 设计者难以决定控制器的第一控制端CTL1与第二控制端CTL2间形成电阻性时的电阻值为多少才能阻止开关组件被导通；
(2) 控制器的第一控制端CTL1与第二控制端CTL2间形成电阻性负载连接状态时的电阻值容易因制程、温度等改变而飘移。
由输入电路1所输入的能量经由变压器转换至输出电路2的输出端输出电压Vout，如图1A所示，输出电路还包含一个控制器21用以侦测输出电压与预设电压的差值并且回送至一次侧线圈绕组作为判别用回馈电压差。对侦测到的回授电压差反应，一次侧线圈绕组利用脉冲宽度调变(PWM)方式控制开关组件的开启/关闭状态以稳定输出电压。
过去十年来，用于可携式电子装置，例如智能型手机或平板计算机上的功率消耗日渐增加，其原因为这些装置上拥有日益加大的屏幕尺寸以及高功能处理器，因而用于这些移动装置的电池也增大，也需要用更多的电力来对其充电。传统上，这些装置是用一5伏特电源供应器充电线路最大电流限制为2安培，此一限制限缩了能被转移的电力，使得充电时间变得极为冗长。如果可以提高操作电压，即使电流受限，仍将会有更多电力转移至电子装置的电池上。因此，市面上已推出几种快速充电的通用协议(protocols)，并开发出能以较高电压(7-12伏特)以及使用通用串行总线(Universal Serial Bus; USB)线路的充电装置。
请参考图1B所示，其显示一个现有的交流-直流(AC-DC)电源供应器用于快速充电的应用上，其具有返驰式转换电路拓朴，于一次侧绕组输入电路包含一个晶体管开关组件101与一次侧绕组103连接、以及一个一次侧控制器105，此一次侧控制器是利用准谐振模式提供高效率控制。于二次侧输出电路，一个连接至二次侧绕组107的金氧半场效晶体管(MOSFET) 109取代二极管可以允许电流流至负载，其利用一个同步整流控制器111来监控夸过金氧半场效晶体管(MOSFET) 109的电压以决定何时启动金氧半场效晶体管(MOSFET)109，并且利用另一个二次侧控制器113用作USB电源输送。其中用于USB电源输送的二次侧控制器113与一次侧控制器105之间是通过光耦合器115作为隔离输入与输出电路，并通过其传输输出电压信号回到一次侧控制器105。
简而言之，以上所列举的返驰式转换器虽然各具有不同特点但仍然存在缺失待改善，如使用光耦合器做二次侧回授控制所产生额外的电气组件需求；以二次侧控制器控制一次侧的开关装置，但是由于牵涉到其电流回路需经过控制器内部，会进一步增加控制器电路于IC制程上的困难。
为解决上述的问题，亟需一种新的二次侧控制的返驰式转换器设计。
发明内容
一种具有二次侧控制的返驰式转换器，包含：一变压器，具有一次侧绕组与二次侧绕组，一次侧绕组被配置用以接收一输入电压，二次侧绕组耦合至一次侧绕组以及与一整流电路连接以产生直流输出电压；整流电路包含：一输出电容，提供一个输出电压；一整流开关单元，与二次侧绕组和输出电容串接，提供一整流路径及一开关路径；一个二次侧控制电路，被配置用以侦测整流电路输出电压或电流值，根据输出电压或电流与预设值的差值控制整流开关单元状态；一个一次侧切换装置，连接至一次侧绕组的一端，其在导通与不导通间切换；一辅助绕组与二次侧绕组耦合，被配置用以提供一次侧控制电路操作电源以及侦测二次侧整流开关单元状态；一个一次侧控制电路，被配置用以根据该辅助绕组侦测的二次侧输出状态以控制该一次侧切换装置。
上述二次侧控制电路还包含USB通信接口支持快速充电。
上述辅助绕组的极性与所述二次侧绕组的极性相同而且与一次侧绕组的极性相反。
上述二次侧控制电路还连接一电压侦测电路，用以侦测输出电压。
上述二次侧控制电路还连接一电流侦测电路，用以侦测输出电流。
上述一次侧控制电路支持多模式控制，能够提供于不同负载条件下做不同控制模式切换。
上述多模式控制包含于重载时采用的连续导通模式，于中等负载时采用的准谐振模式(Quasi-resonant；QR)，于极轻载时进入的绿能模式或跳频模式，无负载时进入的突发模式。
上述整流开关单元是一个金氧半场效晶体管(MOSFET)。
上述一次侧切换装置是一个金氧半场效晶体管(MOSFET)。
上述电压侦测电路为一个与输出电容并联的分压电路。
附图说明
如下所述的对本发明的详细描述与实施例的示意图，应使本发明更被充分的理解；然而，应可理解此仅限于作为理解本发明应用的参考，而非限制本发明于一特定实施例之中。
图1A显示一个电路示意图，说明一个现有的自激返驰式切换电源转换装置；
图1B显示一个电路示意图，说明现有的用于快速充电的应用上具有返驰式转换电路拓朴的交流-直流(AC-DC)电源转换装置；
图2显示一个电路示意图，说明本发明所提出的具有二次侧控制的返驰式切换电源转换器。
附图中的符号说明：
1 输入电路；2 输出电路；11 变压器；13 开关装置；21 控制器；101 晶体管开关组件；103 一次侧绕组；105 一次侧控制器；107 二次侧绕组；109 金氧半场效晶体管；111 同步整流控制器；113 二次侧控制器；115 光耦合器；201 桥式整流器；203输入电容；205 变压器；207 一次侧开关晶体管；209 二次侧整流开关晶体管；211 输出电容；213 一次侧控制电路；215 二次侧控制电路；225 RCD缓冲电路；227 电流侦测电路；229 电压侦测电路；231辅助绕组。
具体实施方式
此处将针对本发明具体实施例及其观点加以详细描述，此类描述为解释本发明的结构或步骤流程，其是用于说明而并非用以限制本发明的申请专利范围。因此，除说明书中的具体实施例与较佳实施例外，本发明也可广泛施行于其他不同的实施例中。以下借由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可借由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的功效性与其优点。且本发明也可借由其他具体实施例加以运用及实施，本说明书所阐述的各项细节也可基于不同需求而应用，且在不悖离本发明的精神下进行各种不同的修饰或变更。
传统的返驰式转换器需借由转换器的系统输出侧输出端连接一光耦合器(optical coupler)，用以隔离输入与输出电路并传输输出电压信号回到控制器。因为其利用光耦合器的回馈控制功能来调节输出电压，但是光耦合器的物理特性无可避免的会影响系统的操作稳定性以及耐用性。举例而言，光电耦合器的耦合效率会反映系统输出电压的精确度，更进一步，额外的电气组件需要被加入以配合光耦合器的运作，因此需要额外的成本以及空间。
有鉴于此，本发明所提出的具有二次侧控制的返驰式转换器，可以移除上述光耦合器回路。参照图2所示，其电路主要构成包括由来自市电输入的输入电压通过桥式整流器201与输入电容203滤波后，整流成直流电压后输出至变压器205的输入端。一次侧绕组Np与二次侧绕组Ns经由一组变压器205耦合且两者极性相反，返驰式电源转换器主要涵盖了由一个一次侧开关晶体管207、一个二次侧整流开关晶体管209取代原有的续流二极管作为整流开关单元、一组变压器205以及一个输出电容211组成的功率级(power stage)，借由一个一次侧控制电路(control circuit)213控制一次侧开关晶体管207的导通与否，配合二次侧整流开关晶体管209和输出电容211所组成的整流输出电路，即可得到直流(DC)电压的输出，其中的二次侧整流开关晶体管209是通过一个二次侧控制电路215来控制，其中上述的一次侧开关晶体管207和二次侧整流开关晶体管209，以一较佳实施例而言可以是金氧半场效晶体管(MOSFET)。一个LC电路储存且滤波直流输出电压Vo，一RCD缓冲电路225跨接一次侧绕组。辅助绕组231，一端接地、另一端串接一个二极管然后电性连接至VCC接脚，提供一次侧控制电路操作所需电源，辅助绕组231通过电压器与二次侧绕组耦合，其极性与二次侧绕组的极性相同；结合电阻R1、R2的分压线路连接至DEG接脚，用以侦测上述的一次侧控制电路213的输入、输出状态，提供过压保护以及决定对一次侧开关晶体管207的操作模式控制。
一个电流侦测电路227连接一次侧开关晶体管（一次侧金氧半场效晶体管(MOSFET)）207的汲极以及CS接脚作为侦测一次侧开关晶体管（一次侧金氧半场效晶体管(MOSFET)）207电流信号用。
本发明所提供的具有二次侧控制的返驰式转换器，二次侧以一个二次侧整流开关晶体管209取代原有的二极管并且和输出电容211所组成的整流输出电路，其中的二次侧整流开关晶体管209是通过一个二次侧控制电路215来控制。本发明所提供的具有二次侧控制电路215的返驰式转换器，除了具有调节输出电压功能外也提供支持USB快速充电的功能，通过二次侧控制电路215提供的D+、D-、CC1及CC2通信脚位使得其能以较高电压(7-12伏特)使用USB线路的充电装置，具备支持USB Type-C快充的功能。其工作原理描述如后。
如图2所显示的二次侧整流开关晶体管209是通过一个二次侧控制电路215来控制，二次侧整流开关晶体管209可以由二次侧控制电路215控制其状态为正、负电流或是关闭状态。通过与连接于二次侧控制电路215的VFB脚位的电压侦测电路侦测，其为一个与输出电容并联的分压电路，可以侦测到输出电压Vo；同样的通过串接于ISET接脚以及输出电容的电阻可以侦测到输出电流Io。
当耦合至整流输出电路的输出电压Vo或电流Io低于原先预设电压或电流值时，二次侧控制电路215的SROUT接脚端为高位准，于是二次侧整流开关晶体管209被开启，二次侧绕组对输出充电，如此会导致位于一次侧的辅助绕组231处于高位准状态，一次侧控制电路213由电压侦测电路229通过DEG脚位收到指示信号以开启一次侧开关晶体管207，使得输出电压或电流达到预设值，其中辅助绕组231通过电压器与二次侧绕组耦合，其极性与二次侧绕组的极性相同。当二次侧输出电压高于预设值，二次侧控制电路215可以经由控制二次侧开关晶体管的电流方向为负的状态，对输出端降低阻抗，即由输出电容将能量转移至二次侧绕组使得输出回到预设值位。于其他时候，控制二次侧整流开关晶体管209形成开路状态，避免现有的切换电源装置的操作受到干扰。
本发明的电源供应转换器提供一个由金氧半场效晶体管(MOSFET)取代整流二极管、具有二次侧控制的电源供应转换器，其电流回路不会通过二次侧控制器内部。
另外，本发明所提供的一次侧控制电路213其本身支持多模式控制，能提供于不同负载条件下做不同控制模式切换，例如于重载时采用连续导通模式，于中等负载时采用准谐振模式(Quasi-resonant；QR)，于极轻载时进入绿能模式或跳频模式，提供降频，无负载时进入突发模式，进而达到最佳转换效率。
本发明与先前技术比较具有下列优点：
(1) 提供一个由金氧半场效晶体管(MOSFET)管取代整流二极管、具有二次侧控制的电源供应转换器，电流回路不会通过二次侧控制器内部；
(2) 于电路设计上光耦合装置可以移去，进而节省成本；
(3) 二次侧控制器支持USB快速充电的功能，而且快充应用二次侧设定电压电流后因控制端在二次侧可以更精准控制；
(4) 一次侧控制电路其本身支持多模式控制，能提供于不同负载条件下做不同控制模式切换以达到最佳转换效率。
本文所述的“一实施例”或“一个实施例”意指被包含在至少一实施例中的实施例所述的一特定特征、结构和特性。因此，本文通篇中的各处的语句“在一实施例”或“在一个实施例”不一定意指相同实施例，但可能指向同一实施例。此外，从本文揭示的内容可知，在一个或多个实施例中，如已知该项技艺者所知，特定的特征、结构或特性可以用任何适当方式结合。在未脱离本发明申请专利范围较广的情况下，说明书可以做各种修正，且上述详细多可作为支撑。本发明并不仅限定于特定形式、图式以及如说明书揭露的详细信息。因此，说明书与图式可作为一种描述说明，而非用以限制本发明。
本发明并未局限在此处所描述的特定细节特征。在本发明的精神与范畴下，与先前描述和图式相关的许多不同的发明变更是可被允许的。因此，本发明将由所附的专利申请范围来包含其所可能的修改变更，而非由上方描述来界定本发明的范畴。

Claims (10)

1.一种具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，包含：
一变压器，具有一次侧绕组与二次侧绕组，该一次侧绕组被配置用以接收一输入电压,该二次侧绕组耦合至该一次侧绕组以及与一整流电路连接以产生直流输出电压；
该整流电路包含：一输出电容，提供一个输出电压；
一整流开关单元，与该二次侧绕组和该输出电容串接，提供一整流路径及一开关路径；
一个二次侧控制电路，被配置用以侦测该整流电路输出电压或电流值，根据该输出电压或电流与预设值的差值控制该整流开关单元状态；
一个一次侧切换装置，连接至该一次侧绕组的一端，该一次侧切换装置在导通与不导通间切换；
一辅助绕组与该二次侧绕组耦合，被配置用以提供该一次侧控制电路操作电源以及侦测二次侧整流开关单元状态；
一个一次侧控制电路，被配置用以根据该辅助绕组侦测的二次侧输出状态以控制该一次侧切换装置。
2.根据权利要求1所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述二次侧控制电路还包含USB通信接口支持快速充电。
3.根据权利要求1所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述辅助绕组的极性与所述二次侧绕组的极性相同而且与一次侧绕组的极性相反。
4.根据权利要求1所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述二次侧控制电路还连接一电压侦测电路，用以侦测输出电压。
5.根据权利要求1所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述二次侧控制电路还连接一电流侦测电路，用以侦测输出电流。
6.根据权利要求1所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述一次侧控制电路支持多模式控制，能够提供于不同负载条件下做不同控制模式切换。
7.根据权利要求6所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述多模式控制包含于重载时采用的连续导通模式，于中等负载时采用的准谐振模式，于轻载时进入的绿能模式或跳频模式，无负载时进入的突发模式。
8.根据权利要求1所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述整流开关单元是一个金氧半场效晶体管。
9.根据权利要求1所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述一次侧切换装置是一个金氧半场效晶体管。
10.根据权利要求4所述的具有二次侧控制的返驰式转换器，其特征在于，其中所述电压侦测电路为一个分压电路。
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