CN1746806A - 一次侧控制电源供应器的切换式控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其包含有一回授合成单元、一波形产生单元、一功率限制单元、一振荡器与一切换讯号产生单元；回授合成单元接收电源供应器的一次侧的供应电压，输出一回授讯号，而波形产生单元接收供应电压与振荡器产生的一锯齿波讯号，输出一功率限制准位，功率限制单元接收功率限制准位与电源供应器的一感测讯号，输出一功率限制讯号；切换讯号产生单元接收功率限制讯号、感测讯号、回授讯号与振荡器产生的一振荡讯号，输出一切换讯号，控制该电源供应器的输出电压、输出电流与输出功率。

Description

一次侧控制电源供应器的切换式控制装置

技术领域：

本发明是有关于一种切换式控制装置，特别是关于一种一次侧控制切换式电源供应器的切换式控制装置，其是一次侧控制电源供应器的输出电压、输出功率与输出电流。

背景技术：

按，切换式电源供应器具有高效率、体积小与重量轻等优点，故已广泛地应用在许多电子设备与电脑。典型的切换式电源供应器通常包含有一切换式控制装置、一功率开关、一变压器与一回授控制电路，回授控制电路是用来侦测电源供应器的二次侧的输出电压和输出电流，该回授控制电路是透过如光耦合器的隔离元件连接到切换式控制装置，以构成回授回路。

请参考图1，为习知电源供应器的电路图；当输入电源V_IN开始供电时，透过串联的一启动电阻R_ST开始对一启动电容C_ST进行充电，直到一供应电压V_CC达到一切换式控制装置5的启动电压，紧接着，切换式控制装置5的一切换讯号产生单元54开始输出一切换讯号V_PWM来驱动一功率开关Q₁以进行切换一变压器T₁。经过启动程序后，供应电压V_CC是由变压器T₁的辅助绕组N_A透过一整流器D_A所提供。

复参考图1，习知电源供应器藉由在变压器T₁的二次侧设置一光耦合器O₁，用以达成变压器T₁的一、二次侧隔离，光耦合器O₁的输入端受一电阻R_K与一稽纳二极体Z₁的稽纳电压驱动，使输出端产生一回授讯号V_FB，而传输至切换讯号产生单元54，以形成回授控制电路。回授讯号V_FB决定切换讯号V_PWM的导通时间t_ON，即决定电源供应器的输出功率。此外，一电晶体Q₂结合一电流感测电阻R_O，用以决定电源供应器的最大输出电流I_O。当输出电流I_O增加，并且跨于电流感测电阻R_O两端的电压超过该电晶体Q₂的接面电压如0.7V，电晶体Q₂将导通，以减少回授讯号V_FB，如此即可降低切换讯号V_PWM的导通时间t_ON，因而使得电源供应器的输出电流I_O被限制为一定值。

虽然先前的电路能够用来稳定调整电源供应器的输出电压V_O与输出电流I_O，但是在不去除光耦合器O₁与二次侧回授控制电路的情况下，要达到缩小电源控制器的体积是很困难的。再者，用于定电流输出的电流感测电阻R_O会造成增加电源供应器的功率损耗。

复参考图1，在电源供应器中，输出功率限制是用于过载与短路保护，电源供应器藉由一检知电阻R_S与功率开关Q₁串联，以决定最大输出功率。实现的方法是将该检知电阻R_S的一感测讯号V_CS传输到切换式控制装置5的一功率限制比较器53的负端，当该感测讯号V_CS大于功率限制准位V_M时，该切换讯号产生单元54将周期性地调整切换讯号V_PWM的导通时间t_ON，并且也将限制电源供应器的最大输出功率。

切换讯号产生单元54包含有一比较器542、一及闸544与一正反器546，比较器542比较运算回授讯号V_FB与感测讯号V_CS，以输出一调变讯号V_PO，调变讯号V_PO传送到及闸544，其逻辑运算功率限制比较器53输出的一功率限制讯号V_OC与调变讯号V_PO，输出一重置讯号V_RST至正反器546，正反器546接收重置讯号V_RST及一振荡器56的一振荡讯号CLK，而输出切换讯号V_PWM到功率开关Q₁，控制电源供应器的输出电压、输出电流与输出功率。

储存于变压器T₁的激磁电感上的能量ε可由下式表示：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}\×L_P\×I_P^2=P_O\×T---\left(1\right)$

其中，I_P与L_P分别为变压器T₁的一次侧电流与激磁电感值；P_O为电源供应器的输出功率；T为变压器T₁的切换周期。上述变压器T₁的一次侧电流I_P可表示为如下：

$I_P=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×t_{\mathrm{ON}}---\left(2\right)$

其中，V_IN为输入电源；t_ON为该切换讯号V_PWM的导通时间。

由上述第(1)和(2)式可知电源供应器的输出功率P_O可表示为如下：

$P_O=\frac{L_p}{2\×T}\×I_p^2=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×t_{\mathrm{ON}}^2}{2\×L_P\×T}---\left(3\right)$

由方程式第(3)式可得知电源供应器的输出功率P_O随着输入电源V_IN的改变而产生变化。当考虑到安规(safety)时，电源供应器的输入电源V_IN的电压范围是由交流电90伏特(90Vac)到264伏特(264Vac)，较高的输入电压(264Vac)，其输出功率限制通常高于较低的输入电压(90Vac)的输出功率限制，而高低电压的输入电源V_IN之间往往有数倍的差异。在实务的应用上，不同的输入电源V_IN应有相同的输出功率限制。习用的电源供应器虽然透过回授控制电路可自动地调整切换讯号V_PWM的导通时间t_ON，而使得输出功率保持固定值，即当感测讯号V_CS高于最大功率限制准位V_M时，此时切换讯号V_PWM的最大导通时间t_ON将受到限制。但是受到切换讯号产生单元54的传输延迟时间t_d影响，较高的输入电源V_IN与较低的输入电源V_IN的最大输出功率将会有一定的差异，如此当电源供应器的输入电源V_IN较高时，电源供应器将输出较大的功率，而会使得电源供应器的电子元件必须承受较高的功率，将会容易产生损坏的情形，进而降低电源供应器的使用寿命。

请参考图2，为习知切换讯号相对于高低输入电源的功率限制准位的波形图；当输入电源V_IN为高电压时，将产生斜率较陡的感测讯号V_CS，HV，所以斜率较陡的感测讯号V_CS，HV与最大功率限制准位V_M进行比较后，该切换讯号产生单元54所产生的切换讯号V_PWM的导通时间t_ON1较短。当输入电源V_IN为低电压时，将产生斜率较缓的感测讯号V_CS，LV，所以斜率较缓的感测讯号V_CS，LV与最大功率限制准位V_M进行比较后，切换讯号产生单元54所产生的切换讯号V_PWM的导通时间t_ON2较长。

当感测讯号V_CS高于最大功率限制准位V_M的瞬间，该切换讯号产生单元54的切换讯号V_PWM会受到传输延迟的影响，并不会立即截止，而需经过一段传输延迟时间t_d后才会截止，在该传输延迟时间t_d之内，功率开关Q₁持续导通，即电源供应器将继续输出功率。因此，实际的切换讯号V_PWM的导通时间t_on等于t_on+t_d。由图2所示可知，在相同的传输延迟时间t_d下，当输入电源V_IN为较高电压时，实际的功率限制准位V_M，HV较高，而输入电源V_IN为较低电压时，实际的功率限制准位V_M，LV较低于V_M，HV。

实际的输出功率如下式所示：

$P_O=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×{(t_{\mathrm{ON}}+t_d)}^2}{2\×L_P\×T}---\left(4\right)$

比较方程式第(3)与(4)式可知，由于受到传输延迟时间t_d的影响，使得激磁电流比理论值多上(V_IN/L_P)*t_d。因此，在输入高电压之输入电源V_IN时，将会有较大的功率限制准位，而输出较高的功率。虽然该传输延迟时间t_d很短，通常介于250ns到300ns的范围，但是因较高的操作频率的该切换周期T较小，所以该传输延迟时间t_d所造成的影响更形加剧。

因此，本发明即在针对上述问题而提出一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其可不必使用光耦合器、二次侧回授控制电路与电流感测电阻，即可控制电源供应器的输出电压与输出电流，如此可减少电源供应器的元件数目，进而减少电源供应器的体积以及制作成本。此外，本发明更可达到宽广的输入电压范围下有相同的输出功率限制。

发明内容：

本发明的主要目的，在于提供一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其是藉由一次侧控制电源供应器，而可控制电源供应器的输出电压与输出电流，以减少电源供应器的元件数目、缩小体积与节省制造成本。

本发明的另一目的，在于提供一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其是藉由波形产生单元，于宽广的输入电压范围下达成相同的输出功率限制的目的。

本发明一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其包含有一回授合成单元、一波形产生单元、一功率限制单元、一振荡器与一切换讯号产生单元，回授合成单元接收电源供应器的一次侧的一供应电压，输出一回授讯号，波形产生单元则接收供应电压与振荡器产生的一锯齿波讯号，输出与一功率限制准位，供应电压与电源供应器的输出电压成比例，功率限制单元接收功率限制准位与电源供应器的一感测讯号，输出一功率限制讯号至切换讯号产生单元，切换讯号产生单元亦接收感测讯号、回授讯号与振荡器产生的一振荡讯号，输出一切换讯号，控制该电源供应器的输出电压、输出功率与输出电流。

附图说明：

图1为习知电源供应器的电路图；

图2为习知切换讯号相对于高低输入电源的功率限制准位的波形图；

图3为本发明实施例的电路图；

图4为本发明实施例的调整单元与回授合成单元的电路图；

图5为本发明实施例的波形产生单元的电路图；

图6为本发明实施例的功率限制波形单元的电路图；

图7为本发明的功率限制准位相对于供应电压的曲线图；

图8本发明的功率限制准位相对于切换讯号的波形图。

图号说明：

5切换式控制装置        53功率限制比较器

54切换讯号产生单元     542比较器               544及闸

546正反器              56振荡器                6切换式控制装置

61调整单元             611电晶体               612电晶体

613电晶体              614电晶体               615电晶体

62回授合成单元         621电晶体               622电晶体

623电晶体            624电晶体            625第一运算放大器

626第一电晶体        627电晶体            628电晶体

629电晶体            63功率限制单元       64切换讯号产生单元

642比较器            644及闸              646正反器

65波形产生单元       651第三运算放大器    652第三电晶体与

653右电晶体          654左电晶体          66振荡器

670电晶体            671电晶体            672第二电晶体

675第二运算放大器    676稽纳二极体

68功率限制波形单元

681电晶体            682电晶体            683转换单元

685电晶体            686电晶体            C_ST启动电容

CLK振荡讯号          D_A整流器            I₁第一电流

I₂第二电流          I₃第三电流          I₄第四电流

I₅第五电流          I₆第六电流          I₈第八电流

I_B比例电流          I_C电源电流          I_F汲极电流

I_FB回授电流          I_O输出电流          I_L调整电流

I_LMT功率限制电流     I_R参考电流          I_SAW锯齿波电流

I_T限制电流源         I_TH锯齿波限制电流   I_VCC供应电流

I_X第一电流源         N_A辅助绕组          N_S二次侧绕组

O₁光耦合器           Q₁功率开关          Q₂电晶体

R₁第一电阻           R₂第二电阻          R₃第三电阻

R₄第四电阻           R₅第五电阻          R₆第六电阻

R₇第七电阻          R₈第八电阻             R_S检知电阻

R_ST启动电阻         R_K电阻                 R_O电流感测电阻

T₁变压器            t_d延迟时间             t_ON1导通时间

t_ON2导通时间        V_A辅助绕组电压         V_CC供应电压

V_CS感测讯号         V_CS，HV感测讯号         V_CS，LV感测讯号

V_FB回授讯号         V_IN输入电源            V_LMT功率限制准位

V_M功率限制准位      V_M，HV功率限制准位      V_M，LV功率限制准位

V_O输出电压          V_OC功率限制讯号        V_PO调变讯号

V_PWM切换讯号         V_R参考电压             V_RST重置讯号

V_SAW锯齿波讯号       Z₁稽纳二极体

实施方式：

兹为使贵审查员对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明，说明如后：

请参考图3，为本发明实施例的电路图；本发明是不需使用光耦合器与二次侧回授控制电路，图示中的V_A与V_S分别为变压器T₁的一次测绕组即辅助绕组N_A与二次侧绕组N_S的电压，辅助绕组N_A透过整流器D_A提供供应电压V_CC，二次侧绕组电压V_S与辅助绕组电压V_A可表示为：

$V_S=N_S\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

$V_A=N_A\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

其中N_S为变压器T₁的二次侧绕组的匝数；φ为变压器T₁的磁通量；N_A为变压器T₁的辅助绕组的匝数。

由上述的方程式第(5)和(6)式可得：

$V_A=\frac{N_A}{N_S}\×V_S---\left(7\right)$

由上述方程式第(7)式可以得知，辅助绕组电压V_A与变压器T₁的二次侧绕组电压V_S成正比，由于辅助绕组电压V_A会随着二次侧绕组电压V_S变动而改变，所以藉由侦测变压器T₁的一次侧电压即辅助绕组电压V_A，即可以得知电源供应器的输出电压。

复参考图3，本发明的切换式控制装置6包含有一调整单元61、一回授合成单元62、一功率限制单元63、一切换讯号产生单元64、一波形产生单元65与一振荡器66。调整单元61、回授合成单元62与波形产生单元65接收供应电压V_CC，调整单元61与回授合成单元62相连接，回授合成单元62的输出端连接至切换讯号产生单元64，回授合成单元62是根据供应电压V_CC的改变而产生一正比例的回授电流I_FB(如图4所示)，该回授电流I_FB相对地产生回授讯号V_FB，以控制切换讯号V_PWM的导通时间t_ON。

当输出电流I_O增加，变压器T₁的二次侧绕组电压V_S与辅助绕组电压V_A降低，供应电压V_CC亦相对降低，回授电流I_FB将会随着减少，而回授讯号V_FB将会增加，该回授讯号V_FB增加将使得切换讯号V_PWM的导通时间t_ON增加，以提高电源供应器的供应电压V_CC与输出电压V_O。相反地，当输出电流I_O减少，变压器T₁的二次侧绕组电压V_S与辅助绕组电压V_A将会增加，而供应电压V_CC会随着增加，使得回授电流I_FB增加，而回授讯号V_FB会降低，该回授讯号V_FB降低将使得切换讯号V_PWM的导通时间t_ON减少，以降低电源供应的供应电压V_CC与输出电压V_O。

当负载变动时，流经变压器T₁的辅助绕组N_A的电流会随着变动，该电流的变化量会在整流器D_A与辅助绕组N_A上产生不同的电压降，如此将影响侦测输出电压V_O的精确度，本发明藉由调整单元61解决上述问题，让辅助绕组N_A与整流器D_A上的电压降保持为一定值。调整单元61产生一调整电流I_L(如图4所示)，是用以补偿回授电流I_FB的变化量，调整电流I_L与回授电流I_FB是成反比例，如此可保持流经整流器D_A与辅助绕组N_A的供应电流I_VCC为一固定的电流值，该定值的供应电流I_VCC可使得负载于变动时，整流器D_A与辅助绕组N_A上的电压降保持为一定值，如此可提高透过辅助绕组N_A侦测输出电压V_O的精确度。

复参考图3，切换讯号产生单元64连接至回授合成单元62、功率限制单元63、振荡器66与功率开关Q₁，切换讯号产生单元64是接收感测讯号V_CS、回授讯号V_FB、功率限制讯号V_OC与振荡讯号CLK，以输出切换讯号V_PWM到功率开关Q₁；功率限制单元63为比较器，其运算感测讯号V_CS率限制准位V_LMT，输出功率限制讯号V_OC。

切换讯号产生单元64包含有一比较器642、一及闸644与一正反器646，比较器642连接至回授合成单元62、功率限制单元63与切换式控制装置6的侦测端SENSE，用以接收回授讯号V_FB与感测讯号V_CS，同时比较运算回授讯号V_FB与感测讯号V_CS，用以产生调变讯号V_PO并传送到及闸644，该及闸644更连接至功率限制单元63，用以接收功率限制讯号V_OC，及闸644逻辑运算功率限制讯号V_OC与调变讯号V_PO，输出重置讯号V_RST至正反器646的一重置端(R)，正反器646的一输入端(D)与一时脉端(CK)更分别接收有供应电压V_CC与振荡器66发送的振荡讯号CLK，用以产生切换讯号V_PWM，并藉由一输出端(Q)传输至功率开关Q₁的控制端。

上述说明中，正反器646为一D型正反器，当电源供应器的输出端发生过大功率时，及闸644逻辑运算输出至D型正反器的重置端(R)的重置讯号V_RST，将驱使D型正反器调整输出端(Q)输出的切换讯号V_PWM，达成周期性截止切换讯号V_PWM，该D型正反器可由SR型正反器或者JK型正反器替代。

请参考图4，为本发明实施例的调整单元与回授合成单元的电路图；本发明的回授合成单元62包含有一参考电流产生电路、复数电流镜、一回授电流产生电路与一第四电阻R₄；该参考电流产生电路，包括有一第一运算放大器625、一第一电晶体626与一第一电阻R₁，用以转换一参考电压V_R为定值的一参考电流I_R；复数电流镜包含有一第一电流镜，其包括有电晶体623、624；一第三电流镜，其包括有电晶体628、629；一第四电流镜，其包括有电晶体621、622；一第五电流镜，其包括有电晶体670、71；回授电流产生电路包括有一稽纳二极体676、一第二电阻R₂、一第三电阻R₃、一第二运算放大器675与一第二电晶体672，用以产生一回授电流I_FB。

第一运算放大器625的正端接收参考电压V_R，而第一运算放大器625的输出端连接至第一电晶体626的闸极，第一电晶体626的源极连接至第一运算放大器625的负端；第一电阻R₁连接至第一电晶体626的源极与接地端之间，第一电晶体626的汲极产生定值的参考电流I_R；电晶体623、624的闸极和电晶体623与第一电晶体626的汲极相连接，电晶体623、624的源极皆连接至供应电压V_CC；电晶体628、629的闸极与电晶体624、628的汲极相连接，电晶体628、629的源极皆连接至接地端；电晶体621、622的闸极与电晶体621、629、670的汲极相连接，电晶体621、622的源极皆连接至供应电压V_CC。

复参考图4，电晶体670、671的源极连接至供应电压V_CC，电晶体670、671的闸极与电晶体671的汲极相连接至第二电晶体672的汲极；第二电晶体672的汲极电流为回授电流I_FB，第二电晶体672的闸极连接至第二运算放大器675的输出端，第二电晶体672的源极连接至第二运算放大器675的负端，第二电阻R₂连接至第二电晶体672的源极与接地端之间，第三电阻R₃连接至第二运算放大器675的正端与接地端之间，稽纳二极体676的阳极连接至第二运算放大器675的正端，稽纳二极体676的阴极连接至供应电压V_CC；第四电阻R₄连接至电晶体622的汲极与接地端之间，用以转换电晶体622的汲极电流I_F为回授讯号V_FB。

定值的参考电流I_R是藉由第一运算放大器625的参考电压V_R所产生，该定值的参考电流I_R可表示为I_R＝V_R/R₁；第一电流镜是由定值的参考电流I_R映射出一第一电流I₁，第三电流镜是由第一电流I₁映射出一第三电流I₃。当输出电压V_O随着负载变动而改变时，变压器T₁的辅助绕组N_A将产生对应的供应电压V_CC，回授电流I_FB可以表示为：

$I_{\mathrm{FB}}=\frac{\mathrm{Vcc}-V_z}{R_2}---\left(8\right)$

其中V_Z为稽纳二极体676的电压。

由上式可知，回授电流I_FB是随着供应电压V_CC的变动成正比例的改变，当供应电压V_CC随着负载增加而降低时，回授电流I_FB将根据方程式第(8)式所示而降低；第五电流镜是由回授电流I_FB映射出一第五电流I₅，由于第三电流I₃为定值，所以回授电流I_FB下降相对于第五电流I₅下降时，依据I₄＝I₃-I₅使得第四电流I₄增加；第四电流镜是由第四电流I₄映射出汲极电流I_F，该第四电阻R₄转换该汲极电流I_F为回授讯号V_FB。因此，因为第四电流I₄增加，所以汲极电流I_F亦提高，而回授讯号V_FB将随之增加。回授讯号V_FB增加使得切换讯号V_PWM的导通时间t_ON也增加，即提高输出电压V_O。相反的，由于负载降低使得输出电压V_O增加时，回授电流I_FB将会增加，回授讯号V_FB将会降低使得切换讯号V_PWM的导通时间t_ON也减少，以降低输出电压V_O。

复参考图3，变压器T₁的辅助绕组N_A所产生的电压V_A将透过整流器D_A整流，对切换式控制装置6提供供应电压V_CC，辅助绕组电压V_A是依据负载的变动而改变，也就是不同的负载将使得辅助绕组N_A上产生不同的电压，辅助绕组电压V_A所产生的变动的电压，将造成回授电流I_FB与供应电流I_VCC随之改变，变动的供应电流I_VCC将在整流器D_A与辅助绕组N_A上产生不同的电压降，如此对于侦测辅助绕组电压V_A的准确度，将会有极大的影响。为了避免在整流器D_A与辅助绕组N_A上产生不同的电压降，必须使得供应电流I_VCC为定值。

复参考图4，本发明是藉由调整单元61产生调整电流I_L，用以补偿回授电流I_FB的变化量，也就是说，当回授电流I_FB随着供应电压V_CC的变动而成比例改变时，该调整单元61是会使调整电流I_L随回授电流I_FB的变动而成反比例调变，使得供应电流I_VCC保持为定值，调整单元61包含有复数电流镜，其包含有一第二电流镜，包括有电晶体623、627；一第六电流镜，其包括有电晶体671、613；一第七电流镜，其包括有电晶体611、612；一第八电流镜，其包括有电晶体614、615。

电晶体627的闸极连接至电晶体623的闸极，电晶体613、627的源极连接至供应电压V_CC，电晶体611、615、627的汲极是与电晶体611、612的闸极相连接；电晶体614、615的闸极是与电晶体613、614的汲极相连接，电晶体611、612、614、615的源极皆连接至接地端，电晶体612的汲极连接至供应电压V_CC；电晶体613的闸极连接至电晶体671的闸极。

第六电流镜是由回授电流I_FB映射出一第六电流I₆，第二电流镜是由定值参考电流I_R映射出第二电流I₂，第八电流镜是由第六电流I₆映射出第八电流I₈，第七电流镜是由第二电流I₂与第八电流I₈相减的电流值映射出调整电流I_L，该调整电流I_L可表示为：

I_L＝N₇(I₂-N₈×I₆)                       (9)

其中，N₇与N₈别表示第七电流镜与第八电流镜的比例，因为第六电流镜是由回授电流I_FB映射出六电流I₆，所以方程式第(9)式可表示为：

I_L＝N₇(I₂-N₈×N₆×I_FB)                   (10)

其中，N₆为第六电流镜的比例。

由图4可得知供应电流I_VCC可表示为I_VCC＝I_FB+I_L，且依据方程式第(10)式得知，当回授电流I_FB增加时，调整电流I_L将随之降低，反之当回授电流I_FB下降时，调整电流I_L将随之增加。因此设置调整电流I_L可使得供应电流I_VCC保持为定值，以避免整流器D_A与辅助绕组N_A上产生不同的电压降，而影响到侦测辅助绕组电压V_A的准确度。

请参考图5，为本发明实施例的波形产生单元的电路图；该波形产生单元65，包含有一电源电流产生电路、一第八电阻R₈、一第一电流源I_X、一功率限制波形单元68与第九电流镜，其包括有一右电晶体653与一左电晶体654；右电晶体653与左电晶体654的源极相连接，右电晶体653、左电晶体654的闸极与左电晶体654、第三电晶体652的汲极相连接；第八电阻R₈连接至右电晶体653的汲极与接地端之间；第一电流源I_X连接至供应电压V_CC与右电晶体653、左电晶体654的源极之间；功率限制波形单元68连接至供应电压V_CC与右电晶体653的汲极之间，功率限制波形单元68并与振荡器66连接，接收振荡器66的一锯齿波讯号V_SAW，用以输出一功率限制电流I_LMT。

其中，该电源电流产生电路包含一第五电阻R₅、一第六电阻R₆、一第三运算放大器651、一第三电晶体652与一第七电阻R₇；第五电阻R₅连接至供应电压V_CC与第三运算放大器651的正端之间，第六电阻R₆连接至第三运算放大器651的正端与接地端之间，第三运算放大器651的输出端连接至第三电晶体652的闸极，第三运算放大器651的负端连接至第三电晶体652的源极，第七电阻R₇连接至第三电晶体652的源极与接地端之间，第三电晶体652的汲极产生的汲极电流为一电源电流I_C。

复参考图5，供应电压V_CC经过第五电阻R₅与第六电阻R₆分压后的电压讯号，透过电源电流产生电路将该电压讯号转换成正比于供应电压V_CC的电源电流I_C，其可表示为：

$I_C=\frac{\mathrm{Vcc}}{R_7}\×\left(\frac{R_6}{R_5+R_6}\right)---\left(11\right)$

第九电流镜是由电源电流I_C在右电晶体653的汲极映射出一比例电流I_B，而第一电流源I_X可表示为：

I_X＝I_B+I_C                            (12)

复参考图5，该功率限制波形单元68连接于供应电压V_CC与第九电流镜之间和该振荡器66，接收该锯齿波讯号V_SAW与该供应电压V_CC，产生一功率限制电流I_LMT，该功率限制电流I_LMT与比例电流I_B相加后，再透过第八电阻R₈在右电晶体653的汲极产生一功率限制准位V_LMT，其系可表示为：

V_LMIT＝I_B×R₈+I_LMT×R₈                  (13)

假设I_B＝I_C，由上述方程式第(11)式取代I_B，功率限制讯号V_LMT可表示为：

$V_{\mathrm{LMIT}}=(\frac{R_8}{R_7}\×\frac{R_6}{R_5+R_6}\×V_{\mathrm{CC}})+I_{\mathrm{LMT}}\×R_8---\left(14\right)$

已知电源供应器的输出功率为输出电压与输出电流的乘积，因此，若能适当的调变电源供应器的输出功率，则将可达成定电流的要求。假使电源供应器于满载时的输出功率为P_O1＝V_O×I_O，当电源供应器的输出电流大于设定值时，电源供应器将进入定电流模式，把输出电流箝制在设定值，直到输出电压降为原设定电压的一半，即输出电压在V_O与0.5V_O的范围内时，将箝制输出电流在设定值，因此，当输出电流视为定值，输出电压降为原来的一半，可以得到输出功率为P_O2＝0.5×V_O×I_O。

藉由能量转换的关系，电源供应器的输出功率P_O可以表示为：

P_O＝(1/2)×L_P×I_P ²×f                 (15)

其中L_P为变压器T₁的一次侧激磁电感值；I_P为变压器T₁的一次侧电流；f为切换频率。若P_O1与P_O2的一次侧峰值电流分别为I_P1与I_P2，则I_P1与I_P2必须满足下示：

$\frac{P_{O1}}{P_{O2}}=\frac{V_O{I}_O}{0.5V_O{I}_O}=\frac{\frac{1}{2}{L}_P\·I_{P1}^2\·f}{\frac{1}{2}{L}_P\·I_{P2}^2\·f}---\left(16\right)$

由方程式第(16)式可得：

I_P2＝0.707×I_P1                       (17)

其中I_P1为最大输出电流的一次侧电流。

参考上述可知，当输出电压降为原来一半，藉由限制一次侧电流为最大输出电流情形的一次侧电流的0.707倍，即可以达成定电流输出。由上述可知，若想在输出电压为V_O与0.5V_O的范围内将输出电流箝制在设定值，则需调变切换式控制器内部的功率限制准位。

请参考图6，为本发明实施例的功率限制波形单元的电路图；该功率限制波形单元68包含有一转换单元683、一第十电流镜、一第十一电流镜、一限制电流源I_T与第一电流I₁，转换单元683连接该振荡器66，接收锯齿波讯号V_SAW，并将锯齿波讯号V_SAW的电压值等比例转换成一锯齿波电流I_SAW，I_SAW＝V_SAW/R_A，R_A为转换单元683的电阻值。第十电流镜连接转换单元683，接收该锯齿波电流I_SAW，该第十电流镜包含有电晶体681与电晶体682，电晶体681与电晶体682的闸极系相连接并与电晶体681的汲极和转换单元683相连接。转换单元683输出锯齿波电流I_SAW流入电晶体681的汲极，并且在电晶体682的汲极映射产生一锯齿波限制电流I_TH，I_TH＝N₁₀×I_SAW，N₁₀为第十电流镜的比例。电晶体681与电晶体682的源极相连接，并且又连接到限制电流源I_T。因此，第十电流镜输出的锯齿波限制电流I_TH的最大电流值是由限制电流源I_T所限制，N₁₀×I_SAW I_T。

第十一电流镜包含有电晶体685与电晶体686。电晶体685与电晶体686的源极连接到供应电压V_CC。电晶体685与电晶体686的闸极相连接并与电晶体685、682的汲极和回授合成单元62的第一电流镜的第一电流I₁相连接(如图4所示)，该第一电流I₁是由该参考电流I_R所映射产生。锯齿波限制电流I_TH与第一电流I₁流入电晶体685的汲极，并且在电晶体686的汲极映射产生功率限制电流I_LMT。该功率限制电流I_LMT＝N₁₁×(I_TH+I₁)，N₁₁为第十一电流镜的比例。

请参考图7，为本发明的功率限制准位相对于供应电压的曲线图；其为电源供应器输出定值的输出电流时，功率限制准位V_LMT相对于供应电压V_CC的曲线图。依据方程式第(15)式与第(16)式，可以决定图7上的曲线，当输出电压为V_O，且输出电流为定值电流I_O时，功率限制准位V_LMT为V_X，此时供应电压为V_CC；当输出电压为0.5V_O，且输出电流为定值电流I_O时，功率限制准位V_LMT为0.707V_X，此时供应电压为0.5V_CC。

复参考图5，假设 $K_X=\frac{R_8}{R_7}\×\frac{R_6}{R_5+R_6},$ 并且K_Y＝I_LMT×R₈，由上述可知功率限制讯号V_LMT＝V_X与V_LMT＝0.707V_X分别对应于供应电压V_CC与0.5V_CC，从方程式第(14)式可得知：

V_CC×K_x+K_y＝V_X                       (18)

0.5V_CC×K_x+K_y＝0.707V_X               (19)

复参考图5，本发明藉由波形产生单元65可产生功率限制准位V_LMT，依据方程式第(18)式与第(19)式，功率限制准位V_LMT可依据适当地选择K_X与K_Y，即恰当选择第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇与第八电阻R₈电阻值与功率限制电流I_LMT，即可以产生功率限制准位V_LMT。当供应电压为V_CC时，功率限制准位V_LMT被箝制在电压V_X，最大输出功率受到限制。

本发明所提出的波形产生单元65在不需要侦测输入电压，即可应用于输出功率限制。当电源供应器的感测讯号V_CS高于该功率限制准位V_LMT时，该切换式控制装置将周期性地截止切换讯号V_PWM。如图8所示，本发明的波形产生单元65所产生的功率限制准位V_LMT具有斜率，非如习用般为固定的值。

当电源供应器的输入电源为高输入电压时，电源供应器将产生斜率较陡的感测讯号V_CS，HV，其会受到一个较低的功率限制讯号V_LMT所制约。而当电源供应器的输入电源为低输入电压时，电源供应器将产生斜率较缓的感测讯号V_CS，HV，其会受到一个较高的功率限制讯号V_LMT所制约。一旦感测讯号V_CS，HV或V_CS，LV高于该功率限制准位V_LMT时，该切换讯号V_PWM即将截止。

本发明的波形产生单元65所产生的功率限制准位V_LMT，主要当输入电压较高时，功率限制就会较低，当输入电压较低时，功率限制就会较高，如此加上传输延迟时间t_d后，对于较低的输入电压与较高的输入电压来说，可以达到一相同的输出功率限制。此外，当电源供应器的输入电压过低时(brownout condition)，为了防止输出电流过大与限制输出功率，以保护电源供应器，该波形产生单元65产生的功率限制准位V_LMT，亦可限制过低输入电压，所产生的感测讯号V_CS，BO，以限制电源供应器的输出功率。

综上所述，本发明提出一次侧控制电源供应器的切换式控制装置6，包含有调整单元61与回授合成单元62，并结合变压器T₁的辅助绕组N_A，以稳定调整电源供应器的输出电压为一定值，再者，本发明提出的切换式控制装置6更包含有波形产生单元65，以达成输出功率限制，并且使输出电流为一定值。本发明提出的切换式控制装置6透过一次侧控制电路，可稳定调整输出电压与提供一定值的输出电流，如此即可不需要在变压器T₁的二次侧设置回授控制电路，因而达到降低电源供应器的零件数目、体积与成本。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及原理的等变化与修饰，均应包含于本发明的申请专利范围内。

Claims (12)

1、一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，包含有：

一振荡器，产生一振荡讯号与一锯齿波讯号；

一回授合成单元，接收该电源供应器的一次侧的一供应电压，输出一回授讯号，该供应电压与该电源供应器的输出电压成比例；

一波形产生单元，接收该供应电压与该锯齿波讯号，输出一功率限制准位；

一功率限制单元，接收该功率限制准位与该电源供应器的一感测讯号，输出一功率限制讯号；

一切换讯号产生单元，接收该振荡讯号、该功率限制讯号、该感测讯号与该回授讯号，输出一切换讯号，控制该电源供应器的输出电压、输出电流与输出功率。

2、如申请专利范围第1项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该回授合成单元包含有：

一参考电流产生电路，接收定值的一参考电压，输出定值的一参考电流；

一第一电流镜，映射该参考电流，产生一第一电流；

一第三电流镜，映射该第一电流，产生一第三电流；

一回授电流产生电路，接收该供应电压，产生一回授电流；

一第五电流镜，映射该回授电流，产生一第五电流；

一第四电流镜，映射一第四电流，产生一汲极电流，该第四电流为该第五电流与该第三电流的差值；

一第四电阻，转换该汲极电流，产生该回授讯号。

3、如申请专利范围第2项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该参考电流产生电路包含有：

一第一电阻，一端连接于一接地端；

一第一运算放大器，其包括有一正端、一负端与一输出端，该正端接收该参考电压；

一第一电晶体，其包括有一源极、一闸极与一汲极，该源极连接于该第一运算放大器的该负端与该第一电阻的另一端，该闸极连接于该第一运算放大器的该输出端，该汲极输出定值的该参考电流。

4、如申请专利范围第2项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该回授电流产生电路包含有：

一基纳二极体，其包括有一阳极与一阴极，该阴极接收该供应电压；

一第二运算放大器，其包括有一正端、一负端与一输出端，该正端连接于该基纳二极体的该阳极；

一第二电阻，一端连接于一接地端；

一第三电阻，一端连接于该接地端，另一端连接于该第二运算放大器的该正端；

一第二电晶体，其包括有一源极、一闸极与一汲极，该源极连接于该第二运算放大器的该负端与该第二电阻的另一端，该闸极连接于该第二运算放大器的该输出端，该汲极输出该回授电流。

5、如申请专利范围第1项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该波形产生单元包括有：

一电源电流产生电路，接收该供应电压，输出一电源电流；

一第九电流镜，映射该电源电流，产生一比例电流；

一功率限制波形单元，连接于该供应电压与该第九电流镜之间和该振荡器，接收该锯齿波讯号与该供应电压，产生一功率限制电流；

一第一电流源，连接于该供应电压与该第九电流镜之间；

一第八电阻，连接于该第九电流镜与一接地端之间，转换该功率限制电流与该比例电流，产生该功率限制准位。

6、如申请专利范围第5项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该电源电流产生电路包括有：

一第五电阻，一端连接于该供应电压；

一第三运算放大器，其包括有一正端、一负端与一输出端，该正端连接于该第五电阻的另一端；

一第六电阻，一端连接于一接地端，另一端连接于该第三运算放大器的该正端；

一第七电阻，一端连接于该接地端；

一第三电晶体，其包括有一源极、一闸极与一汲极，该源极连接于该第三运算放大器的该负端与该第七电阻的另一端，该闸极连接于该第三运算放大器的该输出端，该汲极输出该电源电流。

7、如申请专利范围第5项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该功率限制波形单元包括有：

一转换单元，连接于该振荡器，接收该锯齿波讯号，比例转换该锯齿波讯号的电压值为一锯齿波电流；

一第十电流镜，连接至该转换单元，接收该锯齿波电流并将该锯齿波电流映射产生一锯齿波限制电流；

一限制电流源，连接至该第十电流镜，限制该第十电流镜产生该锯齿波限制电流，该锯齿波限制电流最大值为该限制电流源；

一第十一电流镜，连接至该供应电压、该第十电流镜与该回授合成单元，接收该锯齿波限制电流与该回授合成单元的一第一电流，并映射该锯齿波限制电流与该第一电流的总和，产生该功率限制电流。

8、如申请专利范围第5项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该第九电流镜包括有一右电晶体与一左电晶体，该右电晶体的一源极与该左电晶体的一源极相连接，并与该第一电流源相连接，该左电晶体的一汲极与该左电晶体的一闸极和该右电晶体的一闸极相连接，并与该电源电流产生电路相连接，接收该电源电流，该右电晶体的一汲极输出该比例电流，并连接于该功率限制波形单元与该第八电阻。

9、如申请专利范围第1项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该功率限制单元为一比较器。

10、如申请专利范围第1项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该切换讯号产生单元包括有：

一比较器，接收该回授合成单元输出的该回授讯号与该电源供应器的该感测讯号，输出一调变讯号；

一及闸，接收该调变讯号与该功率限制单元输出的该功率限制讯号，输出一重置讯号；

一正反器，接收该供应电压、该振荡讯号与该重置讯号，输出该切换讯号。

11、如申请专利范围第1项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该回授合成单元更连接有一调整单元，该调整单元接收该供应电压与该回授合成单元的一回授电流与定值的一参考电流，产生一调整电流，该回授电流随着该供应电压变动而改变，该调整电流补偿该回授电流，使该供应电压的一供应电流为固定值。

12、如申请专利范围第11项所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置，其中该调整单元包括有：

一第二电流镜，映射定值的该参考电流，产生定值的一第二电流；

一第六电流镜，映射该回授电流，产生一第六电流；

一第八电流镜，映射该第六电流，产生一第八电流；

一第七电流镜，映射该第二电流与该第八电流的电流差值，产生该调整电流。

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