CN117118190A - 返驰式电源转换器的控制方法以及电源控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种返驰式电源转换器的控制方法以及电源控制器，适用于一初级侧控制的返驰式电源转换器。该返驰式电源转换器具有相互隔离的一初级侧以及一次级侧。该电源控制器包含有一采样器、一补偿电路、一脉冲宽度调制器、以及一电压限制器。该采样器对于该初级侧的一反馈电压采样，产生一采样电压，该采样电压可反映位于该次级侧的一输出电压。该补偿电路比较该采样电压与一目标电压，以产生一补偿电压。该脉冲宽度调制器依据该补偿电压，提供一驱动信号，以控制一主功率开关。该电压限制器用以限制该反馈电压在一预设状态。该预设状态关联于该采样电压。
Description
技术领域
本发明大致涉及一种用于返驰式电源转换器的控制方法与电源控制器，尤其涉及可以让初级侧控制的返驰式电源转换器能更准确地检测输出电压的控制方法与电源控制器。
背景技术
返驰式电源转换器以架构简单，且具有直流隔离(galvanic isolation)的初级侧与次级侧，非常受到中低功率的交直流电源转换器所广泛采用。返驰式电源转换器中位于初级侧的电源控制器，控制初级侧的一输入电源对一变压器的储能，之后才把存储在变压器中的能量，释放到次级侧，在次级侧建立一输出电压。储能的量必须被调节控制，来稳定输出电压。
一般返驰式电源转换器可能由两种不同的控制方式所操作：初级侧控制(primaryside regulation，PSR)与次级侧控制(secondary side regulation，SSR)。PSR是初级侧的电源控制器检测变压器位于初级侧的反射电压，来间接的检测位于次级侧的输出电压，具以调节变压器储能的量。SSR是在次级侧采用额外的电路来检测输出电压，然后通过隔离元件，像是光耦合器、电容、或是额外的变压器，将检测结果传给位于初级侧的电源控制器，电源控制器才具以调节储能的量。
相较之下，PSR所需要的电路元件，少于SSR所需要的电路元件。只是，在PSR中，反射电压要正确地反映次级侧的输出电压，是需要在许多适当地条件下才会成立。如何能够在初级侧正确地检测到次级侧的输出电压，是许多PRS返驰式电源转换器所追求的目标。
发明内容
本发明实施例提供一种控制方法，适用于初级侧控制的一返驰式电源转换器，具有相互隔离的一初级侧以及一次级侧，包含有：在该初级侧接收一反馈电压；提供一驱动信号，关闭一主功率开关；在该主功率开关关闭后，限制该反馈电压在一预设状态，其中，该预设状态关联于一采样电压；在一采样时间点，对该反馈电压进行采样，以更新该采样电压，该采样电压可反映位于该次级侧的一输出电压；以及，依据该采样电压，提供该驱动信号，控制该主功率开关。
本发明实施例提供一种电源控制器，适用于一初级侧控制的返驰式电源转换器。该返驰式电源转换器具有相互隔离的一初级侧以及一次级侧。该电源控制器包含有一采样器、一补偿电路、一脉冲宽度调制器、以及一电压限制器。该采样器对于该初级侧之一反馈电压采样，产生一采样电压，该采样电压可反映位于该次级侧的一输出电压。该补偿电路比较该采样电压与一目标电压，以产生一补偿电压。该脉冲宽度调制器依据该补偿电压，提供一驱动信号，以控制一主功率开关。该电压限制器用以限制该反馈电压在一预设状态。该预设状态关联于该采样电压。
附图说明
图1为采用PSR的一返驰式电源转换器。
图2显示一电源控制器。
图3显示图1与2中的一些信号波形。
图4显示依据本发明所实施的一电源控制器。
图5举例显示一电压限制器。
图6显示图4与5中可能的一些信号波形。
图7举例显示一电压限制器。
【符号说明】
100 返驰式电源转换器
102、102a、102b 电源控制器
162 采样器
164 补偿电路
166 脉冲宽度调制器
180、180a、180b 电压限制器
182 运算放大器
184 开关
186、188 比较器
190、192开关
CCOM 补偿电容
COUT 输出电容
CS 电流检测端
DO 整流二极管
DRV 驱动端
FB 反馈端
ISEC 次级侧电流
LA 辅助绕组
LP 初级侧绕组
LS 次级侧绕组
GM 跨导器
GNDIN 输入接地线
GNDOUT 输出接地线
PRM 初级侧
R1、R2 分压电阻
RCS 电流检测电阻
SCLP 箝制信号
SDRV 驱动信号
SEC 次级侧
SW1 主功率开关
tsam 采样时间点
TDIS 释能时间
TF 变压器
TFRE 自由时间
TOFF 关闭时间
TON 开启时间
TSH 采样脉冲
VAUX 绕组电压
VCOM 补偿电压
VCS 电流检测信号
VFB 反馈电压
VIN 输入电压
VOUT 输出电压
VREF 目标电压
VSAM 采样电压
具体实施方式
在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的元件，且为本领域技术人员可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考虑，相同的符号的元件将不再重述。
图1为采用PSR的返驰式电源转换器100，具有隔离的初级侧PRM与次级侧SEC。在初级侧PRM，变压器TF的初级侧绕组LP、主功率开关SW1、以及电流检测电阻RCS串联在输入电压VIN与输入接地线GNDIN之间。电源控制器102提供驱动信号SDRV，开关主功率开关SW1。在次级侧SEC，整流二极管DO与变压器TF的次级侧绕组LS串联在输出电压VOUT与输出接地线GNDOUT之间。在初级侧PRM，变压器TF还有辅助绕组LA。辅助绕组LA的一端具有绕组电压VAUX。连接在辅助绕组LA的两端之间的有分压电阻R1与R2，构成一分压电路，用来提供反馈电压VFB给电源控制器102的反馈端FB。
当驱动信号SDRV开启主功率开关SW1，提供一短路时，为开启时间TON，输入电压VIN与输入接地线GNDIN对初级侧绕组LP储能，也是对变压器TF储能。当驱动信号SDRV开启主功率开关SW1关闭时，为关闭时间TOFF，存储在变压器TF的电磁能，可以释放并转换为流经次级侧绕组LS的次级侧电流ISEC，通过整流二极管DO，对输出电容COUT充电，来建立输出电压VOUT，提供电源给负载(未显示)。
图2显示电源控制器102a，可以做为图1中的电源控制器102。电源控制器102a具有采样器162、补偿电路164、以及脉冲宽度调制器166。采样器162对反馈电压VFB采样，产生采样电压VSAM。补偿电路164具有跨导器GM以及补偿电容CCOM。跨导器GM比较采样电压VSAM与目标电压VREF，用以对补偿电容CCOM充电或是放电，来产生补偿电压VCOM。脉冲宽度调制器166依据补偿电压VCOM与在电流检测端CS上的电流检测信号VCS，来提供驱动信号SDRV，其通过驱动端DRV，控制主功率开关SW1的开启时间TON或是开关频率。举例说，如果采样电压VSAM高于目标电压VREF，意味着当下输出电压VOUT偏高，所以补偿电压VCOM降低，脉冲宽度调制器166缩短开启时间TON，减少存放在变压器TF中的电磁能，也减少了对电容COUT所提供的能量，使得输出电压VOUT得以降低。
图3显示的信号波形，由上而下，分别代表了图2中驱动信号SDRV、图1的次级侧电流ISEC、图2中的理想反馈电压VFB、图2的采样器162所产生的采样脉冲TSH、以及图2中3个现实中可能发生的反馈电压VFB。
驱动信号SDRV开启主功率开关SW1时，为开启时间TON；驱动信号SDRV关闭主功率开关SW1时，为关闭时间TOFF，如同图3所示。在关闭时间TOFF开始时，变压器TF开始释放其存储的电磁能，次级侧电流ISEC对输出电容COUT充电。在次级侧电流ISEC大于0A的这一段时间，可以是变压器TF的释能时间TDIS，如同图3所示。在一些实施例中，释能时间TDIS也可以是关闭时间TOFF开始之后，到反馈电压VFB快速下降前的时间。在释能时间TDIS内，理想的反馈电压VFB大约都为一个定值，可以反映输出电压VOUT，因此采样器162大约在采样脉冲TSH出现的采样时间点tsam，对反馈电压VFB采样，来更新或产生图2中的采样电压VSAM，等同于用来检测输出电压VOUT。
但是，如同图3所显示的，现实中可能发生的反馈电压VFB，在释能时间TDIS内，并不是如同理想的反馈电压VFB，都是稳定在一个定值。实际可能发生的反馈电压VFB，在释能时间TDIS一开始时，可能因为寄生的电阻、电感与电容，会产生有缓慢爬升、上下震荡、突然过高等现象，且需要一段很长时间后，才会稳定在理论上的那个定值，如同图3中3个实际可能发生的反馈电压VFB所显示的。因此，采样脉冲TSH所定义的采样时间点tsam就很重要了。如果采样时间点tsam在反馈电压VFB还没有稳定就发生，那所得到的采样电压VSAM就无法正确的反映输出电压VOUT，也就无法正确地稳定输出电压VOUT。而且，在某些状况下，释能时间TDIS本来就不够长到足以让反馈电压VFB到稳定，这种状况下，不论采样时间点tsam定义在释能时间TDIS内的任何时候，采样电压VSAM根本就无法反映输出电压VOUT。
图4显示依据本发明所实施的电源控制器102b，可以做为图1中的电源控制器102。图4与图2相同或是相似的部分，可以参照先前图2的教导而得知，不再累述。相较于图2的电源控制器102a，图4的电源控制器102b额外有电压限制器180，连接至反馈端FB，依据采样电压VSAM，控制反馈电压VFB。电压限制器180限制反馈电压VFB在一预设状态，而这预设状态关联于采样电压VSAM。
图5举例显示电压限制器180a。电压限制器180a具有运算放大器182与开关184。运算放大器182作为一电压随耦器(voltage follower)，当作采样电压VSAM的一缓冲器。开关184连接至运算放大器182的一输出。简单地说，电压限制器180a可以限制反馈电压VFB的预设状态：使得反馈电压VFB大约等于采样电压VSAM。箝制信号SCLP在箝制时间TCLP中，开启开关184，让运算放大器182将反馈电压VFB拉至采样电压VSAM。
图6显示图4与5中可能的一些信号波形。由上而下，分别代表了图4中驱动信号SDRV、图1的次级侧电流ISEC、图4中的理想反馈电压VFB、图4的采样器162所产生的采样脉冲TSH、图4中3个实际可能发生的反馈电压VFB、以及箝制信号SCLP。图6与图3相同或是相似的部分，可以参照先前图3的教导而得知，不再累述。相较于图3，图6中3个实际可能发生的反馈电压VFB，可以比较快地达到稳定状态，之后所得到的采样电压VSAM，能够比较忠实的反映输出电压VOUT。从图6的箝制信号SCLP的波形可知，箝制时间TCLP大约随着关闭时间TOFF开始后不久就开始。而在箝制时间TCLP与采样时间点tsam之间，为自由时间TFRE。如同图6中3个实际可能发生的反馈电压VFB所示，在箝制时间TCLP内，电压限制器180a限制反馈电压VFB在大约等于采样电压VSAM。之后，在自由时间TFRE内，反馈电压VFB不再被电压限制器180a所控制，反馈电压VFB可以自由忠实反映当下的输出电压VOUT，所以采样器162在采样时间点tsam所更新的采样电压VSAM，可以比较准确的检测输出电压VOUT。
在一实施例中，箝制时间TCLP与自由时间TFRE的长度都大约是释能时间TDIS的三分之一。在一实施例中，电源控制器102b在一关闭时间内检测变压器TF的释能时间TDIS，并记录其长度LEN，而在下一开关周期中，关闭时间TOFF开始的1/3*LEN时间内当作箝制时间TCLP，用电压限制器180a限制反馈电压VFB。
尽管图5中的电压限制器180a只有在箝制时间TCLP内才限制反馈电压VFB，但本发明不限于此。图7举例显示电压限制器180b，具有比较器186、188与开关190、192。简单地说，电压限制器180b大约把反馈电压VFB限制在一个预设的范围之内，而这预设的范围包含有采样电压VSAM。举例来说，这预设的范围是采样电压VSAM正负0.5V之内。当反馈电压VFB高过采样电压VSAM有0.5V时，比较器186开启开关190，把反馈电压VFB下拉；当反馈电压VFB低于采样电压VSAM有0.5V时，比较器188开启开关192，把反馈电压VFB上拉。所以，当电压限制器180b制动时，反馈电压VFB将被限制在采样电压VSAM正负0.5V之内。举例来说，电压限制器180b只有在采样时间点tsam之前的关闭时间TOFF，对反馈电压VFB调控；其他时间电压限制器180b都不对反馈电压VFB调控。电压限制器180b也可以预先的将反馈电压VFB拉到采样电压VSAM附近，能够让反馈电压VFB快速地反映输出电压VOUT。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种控制方法，适用于初级侧控制的返驰式电源转换器，具有相互隔离的初级侧以及次级侧，包含有：
在该初级侧接收反馈电压；
提供驱动信号，关闭主功率开关；
在该主功率开关关闭后，限制该反馈电压在预设状态，其中，该预设状态关联于采样电压；
在采样时间点，对该反馈电压进行采样，以更新该采样电压，该采样电压可反映位于该次级侧的输出电压；以及
依据该采样电压，提供该驱动信号，控制该主功率开关。
2.如权利要求1所述的控制方法，包含有：
在该主功率开关关闭后，使得该反馈电压大约等于该采样电压。
3.如权利要求1所述的控制方法，包含有：
在该主功率开关关闭后箝制时间内，限制该反馈电压在该预设状态；
其中，该箝制时间早于该采样时间点。
4.如权利要求3所述的控制方法，其中，该箝制时间大约比例于前开关周期的关闭时间。
5.如权利要求3所述的控制方法，其中，该返驰式电源转换器包含有变压器，该变压器包含有初级侧绕组、次级侧绕组、以及辅助绕组，以及，该反馈电压由该辅助绕组通过分压电路所提供。
6.一种电源控制器，适用于初级侧控制的返驰式电源转换器，该返驰式电源转换器具有相互隔离的初级侧以及次级侧，该电源控制器包含有：
采样器，对于该初级侧的反馈电压采样，产生采样电压，该采样电压可反映位于该次级侧的输出电压；
补偿电路，比较该采样电压与目标电压，以产生补偿电压；
脉冲宽度调制器，依据该补偿电压，提供驱动信号，以控制主功率开关；以及
电压限制器，用以限制该反馈电压在预设状态；
其中，该预设状态关联于该采样电压。
7.如权利要求6所述的电源控制器，其中，该电压限制器用以将该反馈电压拉至该采样电压。
8.如权利要求6所述的电源控制器，其中，该电压限制器包含有：
运算放大器以及开关，该开关连接至该运算放大器的输出；
其中，该开关在箝制时间内开启，可以使得该反馈电压大约等于该采样电压。
9.如权利要求8所述的电源控制器，其中，该箝制时间大约比例于前开关周期的关闭时间。
10.如权利要求6所述的电源控制器，其中，该电压限制器用以将该反馈电压限制在预设范围，且该预设范围包含有该采样电压。
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