CN112952927A - 占空比限制电路、具有其的电源供应器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种占空比限制电路、具有其的电源供应器及其操作方法，具有占空比限制电路的电源供应器包括：转换电路、驱动电路、控制单元及占空比限制电路。占空比限制电路将控制信号进行充放电而产生控制电压，且根据控制电压与阈值电压而判断是否关断电源供应器的功率开关，以通过阈值电压限制功率开关的最大占空比。

Description

占空比限制电路、具有其的电源供应器及其操作方法
技术领域
本发明是有关一种具有占空比限制电路的电源供应器、占空比限制电路及其操作方法，特别涉及一种限制电源供应器的功率开关在一个周期中导通时间的电源供应器、占空比限制电路及其操作方法。
背景技术
在电源供应器的技术领域中，电源供应器内部通常以切换式转换电路(例如但不限于，BUCK、BOOST、FLYBACK等转换电路)作为电源供应器主要的电源转换电路。切换式转换电路的特点在于，必须要通过控制单元控制转换电路中主回路的功率开关切换导通而使得切换式转换电路能够将输入电源转换为输出电源。因此，若功率开关损毁的状况发生时，电源供应器即无法正常的供应输出电源至负载。
由于上述的原因，在电源供应器发生异常时，针对功率开关的保护尤其重要。具体而言，在电源供应器发生异常时，控制单元可能会因为误判断(例如但不限于，电流检测元件损坏、短路或测量仪器问题而检测到错误的电压、输入电源或输出电源异常等因素)而提供占空比错误的控制信号。当占空比过大时，会导致功率开关导通的时间过长而容易造成功率开关过热而损毁，进而造成电源供应器烧机的风险。
因此，如何设计出一种具有占空比限制电路的电源供应器、占空比限制电路及其操作方法，利用占空比限制电路限制功率开关的占空比，以避免功率开关导通时间过长而过热损毁的状况，乃为本公开发明人所欲行研究的重要课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明是提供一种具有占空比限制电路的电源供应器，以克服现有技术的问题。因此，本发明的具有占空比限制电路的电源供应器包括：转换电路，包括功率开关，功率开关通过切换导通而将输入电源转换为输出电源。驱动电路，驱动功率开关。控制单元，耦接驱动电路，且提供控制信号至驱动电路。及占空比限制电路，耦接驱动电路。其中，占空比限制电路将控制信号进行充放电而产生控制电压，且根据控制电压与阈值电压而判断是否关断功率开关，以通过阈值电压限制功率开关的最大占空比。
为了解决上述问题，本发明是提供一种占空比限制电路，以克服现有技术的问题。因此，本发明的占空比限制电路耦接电源供应器的控制单元与驱动电路，驱动电路根据控制单元提供的控制信号驱动功率开关，占空比限制电路包括：充放电电路，接收控制信号。比较单元，耦接充放电电路。及开关单元，耦接比较单元与驱动电路。其中，充放电电路将控制信号进行充放电而产生控制电压，且比较单元根据控制电压与阈值电压而判断是否导通开关单元，以通过开关单元控制驱动电路关断功率开关而限制功率开关的最大占空比。
为了解决上述问题，本发明是提供一种占空比限制电路的操作方法，以克服现有技术的问题。因此，本发明的占空比限制电路的操作方法包括下列步骤：(a)将电源供应器的控制单元的控制信号进行充放电而产生控制电压。(b)根据控制电压与阈值电压而判断是否关断电源供应器的功率开关。及(c)当控制电压大于阈值电压时，控制电源供应器的驱动电路关断功率开关，以通过阈值电压限制功率开关的最大占空比。
为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1为本发明具有占空比限制电路的电源供应器的电路方框图；
图2A为本发明占空比限制电路及其第一种耦接方式的电路方框图；
图2B为本发明占空比限制电路及其第二种耦接方式的电路方框图；
图3为本发明具有占空比限制电路的电源供应器的波形图；及
图4为本发明占空比限制电路的操作方法流程图。
附图标记说明：
100、100’…电源供应器
1…转换电路
12…功率开关
Rs…电流检测电阻
2…驱动电路
Q1…第一开关
Q2…第二开关
3…控制单元
4…占空比限制电路
42…充放电电路
422…充电电路
R1…电阻
C…储能元件
424…放电电路
Qr…释能开关
R…阻抗元件
44…比较单元
A1…第一输入端
A2…第二输入端
Out…输出端
46…开关单元
X…第一端
Y…第二端
Z…控制端
G…接地点
200…负载
Vin…输入电源
Vo…输出电源
Vcc…工作电压
Vc…控制电压
Vr…阈值电压
Sc…控制信号
Sd…禁能信号
Sa…比较信号
T1～T4…周期
t1、t2…时段
(S200)～(S600)…步骤
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：
请参阅图1为本发明具有占空比限制电路的电源供应器的电路方框图。电源供应器100包括转换电路1、驱动电路2、控制单元3及占空比限制电路4，且转换电路1包括通过切换导通而将输入电源Vin转换为输出电源Vo的功率开关12。电源供应器100将输出电源Vo提供给负载200，以供应负载200运行所需的电力。控制单元3耦接转换电路1与驱动电路2，且根据输出电源Vo的反馈而提供控制信号Sc至驱动电路2，使驱动电路2根据控制信号Sc驱动功率开关12切换导通。其中，控制单元3通过调整控制信号Sc的占空比而控制电源供应器100稳定地提供输出电源Vo。占空比限制电路4耦接驱动电路2及控制单元3，且根据控制信号Sc而提供禁能信号Sd限制功率开关12在一个周期中导通的时间，其最大的导通时间即为最大占空比。
具体而言，本发明的主要目的在于，避免在电源供应器100发生异常时，控制单元3错误地提供占空比过高的控制信号Sc(意即，在一个周期中，导通的时间过长)至功率开关12而造成功率开关12因导通时间过长而过热损毁的状况。因此，本发明利用占空比限制电路4限制功率开关12的最大的导通时间(意即，最大占空比)，以避免功率开关12在任何情况下，因导通时间过长而过热损毁的状况。进一步而言，占空比限制电路4接收控制信号Sc，且将控制信号Sc进行充放电而产生控制电压。然后，占空比限制电路4根据控制电压与阈值电压(threshold voltage)判断是否通过禁能信号Sd控制驱动电路2而关断功率开关12。其中，阈值电压即为对应功率开关12最大占空比的电压，在控制电压大于阈值电压时，代表控制信号Sc的占空比已大于功率开关12的最大占空比。因此，占空比限制电路4判断控制电压大于阈值电压时，占空比限制电路4利用禁能信号Sd控制驱动电路2关断功率开关12。详细的电路操作请参考后面段落说明。由于本发明重点在电源供应器100中转换电路1内部功率开关12的占空比限制方式，故图2A及图2B的实施例仅呈现转换电路1中与功率开关控制相关的电路(包含功率开关12、驱动电路2、控制单元3及占空比限制电路4)，转换电路1中其他部分的电路则省略。
请参阅图2A为本发明占空比限制电路及其第一种耦接方式的电路方框图，复配合参阅图1。为方便说明，本实施例是以具有隔离变压器的电源供应器100作为范例，但不以此为限。换言之，电源供应器100内部的转换电路1可为其他种类的转换器架构。电源供应器100的变压器初级侧耦接功率开关12与电流检测电阻Rs，且接收输入电源Vin。驱动电路2耦接控制单元3与功率开关12之间，且占空比限制电路4耦接驱动电路2。驱动电路2包括第一开关Q1与第二开关Q2，第一开关Q1的第一端X耦接工作电压Vcc，且第一开关Q1的第二端Y耦接第二开关Q2的第二端Y并耦接功率开关12的控制端。第二开关Q2的第一端X耦接接地点G，且第一开关Q1与第二开关Q2的控制端Z耦接控制单元3，以接收控制信号Sc。具体而言，控制信号Sc的第一电平会导通第一开关Q1，且关断第二开关Q2，使得工作电压Vcc经由第一开关Q1导通功率开关12。反之，控制信号Sc的第二电平会关断第一开关Q1，且导通第二开关Q2，使得功率开关12的控制端耦接接地点G而关断。其中，工作电压Vcc可由控制单元3提供或由外部电源供应。
占空比限制电路4包括充放电电路42、比较单元44及开关单元46，且比较单元44耦接充放电电路42与开关单元46。充放电电路42耦接控制单元3，且开关单元46耦接第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y(意即开关单元46耦接功率开关12的控制端)。充放电电路42包括充电电路422与放电电路424，且充电电路422耦接控制单元3与比较单元44，放电电路424耦接充电电路422。具体而言，充电电路422包括电阻R1与储能元件C，且放电电路424包括释能开关Qr与阻抗元件R。电阻R1的一端耦接控制单元3且接收控制信号Sc，电阻R1的另一端耦接储能元件C的一端。释能开关Qr包括第一端X、第二端Y及控制端Z，且释能开关Qr的第二端Y耦接电阻R1的另一端与储能元件C的一端，控制端Z耦接电阻R1的一端与控制单元3。释能开关Qr的第一端X耦接阻抗元件R的一端，且阻抗元件R的另一端耦接储能元件C的另一端与接地点G。其中，储能元件C例如但不限于可为电容等存储能量的元件，若以成本及设计复杂度为考量，电容则为优选的储能元件C。阻抗元件R例如但不限于可为电阻等具有消耗能量的元件，若以成本及设计复杂度为考量，电阻则为优选的阻抗元件R。
进一步而言，当控制信号Sc为第一电平(在本实施例中为高电平)时，第一电平的控制信号Sc会对储能元件C充电而产生控制电压Vc，且电阻R1限制对储能元件C充电的电流(以储能元件C为电容而言，第一电平的控制信号Sc会对储能元件C充电而产生电容充电波形的控制电压Vc)。此时，由于释能开关Qr的第二端Y接收控制电压Vc，且控制端Z接收第一电平的控制信号Sc，使得释能开关Qr关断而致使放电电路424为断路。因此，当控制信号Sc处于第一电平的时间越长时，则储能元件C所产生的控制电压Vc的电压峰值越高，反之则越低。所以，利用此电压峰值即可得知控制信号Sc处于第一电平的时间的长短。当控制信号Sc为第二电平(在本实施例中为低电平)时，释能开关Qr的第二端Y接收控制电压Vc，且控制端Z接收第二电平的控制信号Sc，使得释能开关Qr导通而致使放电电路424形成一放电路径。此时，储能元件C所存储的控制电压Vc由释能开关Qr、阻抗元件R的路径释能(放电)。因此，在控制信号Sc的每个周期，充放电电路42皆进行充电与放电，而产生相应于控制信号Sc处于第一电平的时间长短的控制电压Vc。
比较单元44包括第一输入端A1、第二输入端A2与输出端Out，且第一输入端A1耦接电阻R1与储能元件C，以接收控制电压Vc。第二输入端A2接收阈值电压Vr，且输出端Out提供比较信号Sa至开关单元46的控制端Z。开关单元46的第一端X耦接第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y，且开关单元46的第二端Y耦接接地点G。当控制电压Vc小于阈值电压Vr时，比较单元44所提供的比较信号Sa关断开关单元46，且当控制电压Vc大于阈值电压Vr时，比较单元44所提供的比较信号Sa导通开关单元46。
当开关单元46被关断时，第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y至接地点G的路径为断路。使得第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y不会被耦接至接地点G。因此，在控制信号Sc为第一电平时的工作电压Vcc能够提供至功率开关12的控制端而使得功率开关12被导通。所以，功率开关12的导通与否随着控制信号Sc的电平变动而切换(意即，开关单元46所提供的禁能信号Sd不禁能驱动电路2，以使驱动电路2根据控制信号Sc驱动功率开关12)。当开关单元46被导通时，第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y被耦接至接地点G。因此，在控制信号Sc为第一电平时，原本提供给功率开关12控制端的工作电压Vcc被拉至接近地电位而无法导通功率开关12，使得功率开关12被关断(意即，开关单元46所提供的禁能信号Sd禁能驱动电路2，以通过禁能驱动电路2而关断功率开关12)。所以，在开关单元46导通时，无论控制信号Sc的电平为何，皆无法通过驱动电路2控制功率开关12。因此，利用开关单元46导通第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y至接地点G的路径而限制功率开关12的最大占空比。
请参阅图2B为本发明占空比限制电路及其第二种耦接方式的电路方框图，复配合参阅图1～2A。本实施例的电源供应器100’与图2A的电源供应器100差异在于，开关单元46的第一端X耦接第一开关Q1与第二开关Q2的控制端Z。当开关单元46被关断时，第一开关Q1与第二开关Q2的控制端Z至接地点G的路径为断路。使得第一开关Q1与第二开关Q2的控制端Z不会被耦接至接地点G。因此，第一电平的控制信号Sc能够通过导通第一开关Q1而导通功率开关12。所以，功率开关12的导通与否随着控制信号Sc的电平变动而切换。当开关单元46被导通时，第一开关Q1与第二开关Q2的控制端Z被耦接至接地点G。因此，第一电平的控制信号Sc被拉至接近地电位而无法导通第一开关Q1，使得功率开关12被关断。所以，在开关单元46导通时，无论控制信号Sc的电平为何，皆无法通过驱动电路2控制功率开关12。因此，利用开关单元46导通第一开关Q1与第二开关Q2的控制端Z至接地点G的路径而限制功率开关12控制信号的最大占空比。
值得一提，由于本实施例的开关单元46的第一端X耦接第一开关Q1与第二开关Q2的控制端Z。因此，在开关单元46导通时，第一开关Q1与第二开关Q2是无法被控制信号Sc驱动的，其恰巧与图2A实施例的第一开关Q1与第二开关Q2相反。所以相较于图2A实施例的耦接方式，本实施例的耦接方式可以达到降低电源供应器100’功率消耗的技术效果。
请参阅图3为本发明具有占空比限制电路的电源供应器的波形图，复配合参阅图1～2B。控制信号Sc在周期T1～T2时的占空比较小，且在周期T3～T4时的占空比较大。在控制信号Sc为第一电平(意即高电平)时，第一电平的控制信号Sc会对储能元件C(电容)充电而产生控制电压Vc，而第二电平(意即低电平)的控制信号Sc导通释能开关Qr而使控制电压Vc被释能。然后，比较单元44将控制电压Vc与阈值电压Vr进行比较。由于周期T3～T4时控制信号Sc的占空比较大，因此储能元件C充电的时间较久使得电压峰值较高。进一步造成在周期T3～T4中，t1、t2时段的控制电压Vc大于阈值电压Vr，使得比较单元44在时段t1、t2提供高电平的比较信号Sa导通开关单元46，使开关单元46所提供的禁能信号Sd禁能驱动电路2。因此，在时段t1、t2时驱动电路2被禁能而使得功率开关12在时段t1、t2时被关断。所以比较图3的控制信号Sc与功率开关12控制端所收到的信号可明显地看出功率开关12控制端信号的占空比被限制在最大占空比以下，使得占空比限制电路4具有屏蔽大于最大占空比的控制信号Sc的效果。
请参阅图4为本发明占空比限制电路的操作方法流程图，复配合参阅图1～3。其方法首先包括：占空比限制电路将控制单元的控制信号进行充放电而产生控制电压(S200)。当控制信号Sc为第一电平时，第一电平的控制信号Sc会对充电电路422的储能元件C充电而产生控制电压Vc，且当控制信号Sc为第二电平时，放电电路424的释能开关Qr导通而使得储能元件C所存储的控制电压Vc由释能开关Qr、阻抗元件R的路径快速释能。然后，占空比限制电路根据控制电压与阈值电压而判断是否关断功率开关(S400)。占空比限制电路4的比较单元44接收控制电压Vc与阈值电压Vr，且根据控制电压Vc与阈值电压Vr而提供比较信号Sa至开关单元46。当控制电压Vc小于阈值电压Vr时，比较单元44所提供的比较信号Sa关断开关单元46，且当控制电压Vc大于阈值电压Vr时，比较单元44所提供的比较信号Sa导通开关单元46。
最后，当控制电压大于阈值电压时，占空比限制电路控制驱动电路关断功率开关(S600)。当开关单元46被关断时，第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y至接地点G的路径为断路。所以，功率开关12的导通与否随着控制信号Sc的电平变动而切换(意即，开关单元46所提供的禁能信号Sd不禁能驱动电路2，以使驱动电路2根据控制信号Sc驱动功率开关12)。当开关单元46被导通时，第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y至接地点G的路径导通。因此，在控制信号Sc为第一电平时，功率开关12的控制端(即第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y)信号被拉低至不足以导通功率开关12，使得功率开关12被关断(意即，开关单元46所提供的禁能信号Sd禁能驱动电路2，以通过禁能驱动电路2而关断功率开关12)。因此，利用开关单元46导通第一开关Q1与第二开关Q2的第二端Y至接地点G的路径而限制功率开关12控制端信号的最大占空比。其中，可通过将第一电平的控制信号Sc耦接接地点G或将驱动电路2的驱动端(即功率开关12的控制端)耦接接地点G而达到禁能驱动电路2的效果。
综上所述，本发明的实施例的主要优点与技术效果在于，通过本发明的占空比限制电路耦接电源供应器的控制单元与驱动电路，即可通过占空比限制电路的运行而避免在电源供应器发生异常时，控制单元错误地提供占空比过高的控制信号至电源供应器的功率开关而造成功率开关因导通时间过长而过热损毁的状况。
而，以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本公开的权利要求。此外，在权利要求和说明书中提到的特征可以分别单独地或按照任何组合方式来实施。

Claims (19)

1.一种具有占空比限制电路的电源供应器，包括：
一转换电路，包括一功率开关，该功率开关通过切换导通而将一输入电源转换为一输出电源；
一驱动电路，驱动该功率开关；
一控制单元，耦接该驱动电路，且提供一控制信号至该驱动电路；及
一占空比限制电路，耦接该驱动电路；
其中，该占空比限制电路将该控制信号进行充放电而产生一控制电压，且根据该控制电压与一阈值电压而判断是否关断该功率开关，以通过该阈值电压限制该功率开关的一最大占空比。
2.如权利要求1所述的电源供应器，其中该占空比限制电路判断该控制电压大于该阈值电压时，该占空比限制电路控制该驱动电路关断该功率开关。
3.如权利要求1所述的电源供应器，其中该占空比限制电路包括：
一充放电电路，接收该控制信号；
一比较单元，耦接该充放电电路；及
一开关单元，耦接该比较单元与该驱动电路；
其中，该充放电电路根据该控制信号进行充放电而产生该控制电压，且该比较单元根据该控制电压与该阈值电压而判断是否导通该开关单元，以通过该开关单元控制该驱动电路关断该功率开关。
4.如权利要求3所述的电源供应器，其中该控制电压大于该阈值电压时，该比较单元通过导通该开关单元使该驱动电路关断该功率开关。
5.如权利要求3所述的电源供应器，其中该充放电电路包括：
一充电电路，耦接该控制单元与该比较单元；及
一放电电路，耦接该充电电路；
其中，该控制信号的一第一电平使该充电电路进行充电而产生该控制电压，且该控制信号的一第二电平使该放电电路对该控制电压进行放电。
6.如权利要求5所述的电源供应器，其中该放电电路包括：
一释能开关，耦接该充电电路；及
一阻抗元件，耦接该释能开关；
其中，该第二电平的该控制信号导通该释能开关，使该控制电压通过该阻抗元件释能。
7.如权利要求1所述的电源供应器，其中该驱动电路包括：
一第一开关，耦接一工作电压与该控制单元；及
一第二开关，耦接该第一开关、该控制单元及一接地点；
其中，该控制信号的一第一电平导通该第一开关，且关断该第二开关，使该工作电压导通该功率开关；该控制信号的一第二电平关断该第一开关，且导通该第二开关，使该功率开关的一控制端耦接该接地点而关断。
8.如权利要求7所述的电源供应器，其中该占空比限制电路耦接该控制单元，且根据该控制电压判断是否将该第一电平的该控制信号耦接该接地点。
9.如权利要求7所述的电源供应器，其中该占空比限制电路耦接该功率开关的该控制端，且根据该控制电压判断是否将该功率开关的该控制端耦接该接地点。
10.一种占空比限制电路，耦接一电源供应器的一控制单元与一驱动电路，该驱动电路根据该控制单元提供的一控制信号驱动一功率开关，该占空比限制电路包括：
一充放电电路，接收该控制信号；
一比较单元，耦接该充放电电路；及
一开关单元，耦接该比较单元与该驱动电路；
其中，该充放电电路将该控制信号进行充放电而产生一控制电压，且该比较单元根据该控制电压与一阈值电压而判断是否导通该开关单元，以通过该开关单元关断该功率开关而限制该功率开关的一最大占空比。
11.如权利要求10所述的占空比限制电路，其中该控制电压大于该阈值电压时，该比较单元通过导通该开关单元使该驱动电路关断该功率开关。
12.如权利要求10所述的占空比限制电路，其中该充放电电路包括：
一充电电路，耦接该控制单元与该比较单元；及
一放电电路，耦接该充电电路；
其中，该控制信号的一第一电平使该充电电路进行充电而产生该控制电压，且该控制信号的一第二电平使该放电电路对该控制电压进行放电。
13.如权利要求12所述的占空比限制电路，其中该放电电路包括：
一释能开关，耦接该充电电路；及
一阻抗元件，耦接该释能开关；
其中，该第二电平的该控制信号导通该释能开关，使该控制电压通过该阻抗元件释能。
14.如权利要求10所述的占空比限制电路，其中该开关单元耦接该控制单元，且根据该控制电压判断是否将该控制信号耦接一接地点。
15.如权利要求10所述的占空比限制电路，其中该开关单元耦接该功率开关，且根据该控制电压判断是否将该功率开关的一控制端耦接一接地点。
16.一种占空比限制电路的操作方法，包括下列步骤：
(a)将一电源供应器的一控制单元的一控制信号进行充放电而产生一控制电压；
(b)根据该控制电压与一阈值电压而判断是否关断该电源供应器的一功率开关；及
(c)当该控制电压大于该阈值电压时，控制该电源供应器的一驱动电路关断该功率开关，以通过该阈值电压限制该功率开关的一最大占空比。
17.如权利要求16所述的占空比限制电路的操作方法，其中步骤(a)还包括：
(a1)根据该控制信号的一第一电平进行充电而产生该控制电压，且根据该控制信号的一第二电平对该控制电压进行放电。
18.如权利要求17所述的占空比限制电路的操作方法，其中步骤(a1)还包括：
根据该控制电压判断是否将具该第一电平的该控制信号耦接一接地点使该驱动电路关断该功率开关。
19.如权利要求17所述的占空比限制电路的操作方法，其中步骤(a1)还包括：
根据该控制电压判断是否将该功率开关的一控制端耦接一接地点使该驱动电路关断该功率开关。
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