CN1909350A - 锁相装置及具锁相装置的切换式控制器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种锁相装置及具锁相装置的切换式控制器，使用在一切换式电源供应器中，于一切换开关截止时，用来锁相该切换开关上所产生的共振电压信号的谷底电压，进而于谷底电压下导通该切换开关，以达成柔性切换并改善切换式电源供应器的系统效率。

Description

锁相装置及具锁相装置的切换式控制器

技术领域

本发明关于一种锁相装置及具锁相装置的切换式控制器，尤指一种使用在切换式电源供应器中，用来锁相一切换开关上所产生的共振电压信号的谷底电压的装置及控制器。

背景技术

切换式电源供应器是用来将未调整的电源转换成可稳定调整的电压或电流。切换式电源供应器主要包含一变压器或一磁性元件，其具有一次侧绕组与二次侧绕组，用来提供电气隔离。一切换开关耦接至变压器的一次侧绕组，用来控制一次侧绕组到二次侧绕组间功率的传送。切换式电源供应器操作在高频，可以减少体积与重量。然而，切换开关的切换动作会产生切换损失与电磁干扰(EMI)。

图1为现有的返驰式电源供应器。图2为图1的工作波形示意图。如图1所示，切换开关Q₁使用于切换变压器T₁，并且控制变压器T₁一次侧绕组N_P与二次侧绕组N_S间功率的传送。当控制信号V_G控制切换开关Q₁导通时，能量储存于变压器T₁。当控制信号V_G控制切换开关Q₁截止时，储存于变压器T₁的能量将透过整流器D₀释放至返驰式电源供应器的输出。同时，依据返驰式电源供应器的输出电压V₀与变压器T₁的匝数比，在变压器T₁的一次侧绕组N_P产生反射电压V_R。

因此，当切换开关Q₁截止时，跨于切换开关Q₁上的电压V_D等于输入电压V_IN加上反射电压V_R。跨于切换开关Q₁上的电压V_D储能在切换开关Q₁的寄生电容C_j上。在一放电时间T_DS之后，变压器T₁的储能完全地释放出来，寄生电容C_j上所储存的能量透过变压器T₁的一次侧绕组N_P传回至输入电压V_IN。此时，寄生电容C_j与变压器T₁的一次侧绕组N_P的电感L_P组成一共振组件(resonanttank)，其共振频率f_R可以由下面公式(1)表示：

$f_R=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_p\×C_j}}---\left(1\right)$

在共振的这段期间，寄生电容C_j上所储存的能量将来回地传送到变压器T₁的一次侧的电感L_P。一延迟时间T_q为寄生电容C_j上的端电压V_D从峰值电压开始放电到谷底电压的时间。延迟时间T_q为一准共振(quasi-resonant)的时间。延迟时间T_q可以由下面公式(2)表示：

$T_q=\frac{1}{4\×f_R}---\left(2\right)$

复参考图2，现有的返驰式电源供应器使用的切换开关Q₁会在高压下进行切换动作，而产生切换损失，同时共振期间更会产生电磁干扰。假使能够在寄生电容C_j端电压V_D处于谷底电压期间导通切换开关Q₁，如此即可以在较低的切换开关Q₁的端电压下进行切换，以减少切换损失与降低电磁干扰，可达成柔性切换并改善电源转换器的系统效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种锁相装置，使用在一切换式电源供应器中，于一切换开关截止时，用来锁相比例于该切换开关上所产生的共振电压信号的一待测信号的波峰值，进而于共振电压信号处于谷底电压下导通该切换开关，以达成柔性切换并改善切换式电源供应器的系统效率。

本发明为一种锁相装置，包括有一取样单元，受控于一启始信号，经一第一延迟时间后对该待测信号进行取样，以得到一第一取样电压，再经过一第二延迟时间后对一待测信号进行取样，以得到一第二取样电压；一比较单元连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，再经过比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号；该上下计数信号被传送到一连接于该比较单元的上下计数单元，该上下计数单元接收上下计数信号后，输出一调整信号；一延迟电路连接于该上下计数单元，由一电流源串接一电容组成，该电流源受控于该调整信号，用以改变输出电流的大小，以对该电容进行充电动作，充电时间即为该第一延迟时间；一延迟控制电路连接于该延迟电路，受控于该启始信号，以对该电容放电，并比较该电容上的充电电压值，以输出一控制信号；当第一取样电压与第二取样电压相近时，判断该待测信号已经到达波峰值。

另外本发明还指出一种具锁相装置的切换式控制器，使用于一切换式电源供应器中，于一切换开关截止时，取得一启始信号，受控于该启始信号，用以检测比例于该切换开关上所产生的一共振电压信号的一待测信号的波峰值，进而输出一控制信号导通该切换开关，包括有：一启始信号产生单元，透过一电阻用来接收该共振电压信号，比较运算该共振电压信号与一临界电压，用以输出该启始信号；一电流转电压单元，连接于该电阻，将流过该电阻上的电流转换成为比例于该共振电压信号的该待测信号；一取样单元，连接于该启始信号产生单元与该电流转电压单元，受控于该启始信号，经一第一延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第一取样电压，再经过一第二延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第二取样电压；一比较单元，连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号；一上下计数单元，连接于该比较单元，接收该上下计数信号，输出一调整信号；一延迟电路，由一电流源串接一电容组成，该电流源受控于该调整信号，以改变电流值，并对该电容进行充电动作，充电时间即为该第一延迟时间；及一延迟控制电路，连接于该延迟电路，受控于该启始信号与一切换信号，透过一放电开关的导通用以对该电容放电，并比较该电容上的充电电压值，以输出该控制信号；其中，当该第一取样电压与该第二取样电压相近时，判断该待测信号已经到达波峰值。

附图说明

图1为现有的返驰式电源供应器；

图2为图1的工作波形示意图；

图3为本发明较佳实施例的切换式电源供应器电路示意图；

图4为本发明较佳实施例的具有锁相装置的切换式控制装置电路方块示意图；

图5为本发明较佳实施例的锁相装置电路方块示意图；

图6为本发明最佳实施例的锁相装置的工作波形示意图；及

图7A到图7C为本发明最佳实施例的锁相装置的峰值电压锁相工作波形示意图。

图号说明

现有技术：

切换开关Q₁               变压器T_R

整流器D₀                 输出电压V₀

输入电压V_IN              寄生电容C_j

本发明：

光耦合器45                切换式控制装置50

正反器53                  输出电路54

比较器55                  电阻R₅₆

偏移电压V₅₇              脉宽产生电路90

锁相装置100               电流转电压单元102

运算放大器1022            启始信号产生单元104

取样单元106               取样信号产生器1062

上下计数单元107           比较单元108

延迟控制电路1090          延迟电路1091

反相器1092                反及闸1094

比较器1096    正反器320、330    反相器325、335

具体实施方式

请参考图3，为本发明较佳实施例的切换式电源供应器电路示意图。切换式控制装置50至少包含反馈端FB、电流检测端CS、输入端VS与输出端OUT。输出端OUT产生驱动信号V_PWM用以驱动切换开关Q₁。切换开关Q₁用以切换一变压器T_R(或一磁性元件)，并且在电流感测电阻R_S上产生切换电流信号V_CS。变压器T_R包含一次侧绕组N_P、二次侧绕组N_S与辅助绕组N_A。一次侧绕组N_P耦接至切换开关Q₁。二次侧绕组N_S透过整流器D₀与输出电容C₀耦接至切换式电源供应器的输出。

辅助绕组N_A透过另一整流器D_A与电容C_ST用以提供电源给切换式控制装置50。电阻R_A耦接于辅助绕组N_A与切换式控制装置50的输入端VS之间。光耦合器45透过电阻R_K与稳压器Z_K耦接至切换式电源供应器的输出端以取得输出电压V₀，并输出反馈信号V_FB到切换式控制装置50的反馈端FB。切换式控制装置50接收反馈信号V_FB与切换电流信号V_CS，用以输出一切换信号S_W与一驱动信号V_PWM，以稳定调整切换式电源供应器的输出电压V₀。

配合图3，请参考图4，为本发明较佳实施例的具有锁相装置的切换式控制装置电路方块示意图。具有锁相装置的切换式控制装置50包含有一电流转电压单元102、一启始信号产生单元104、一锁相装置100及一脉宽产生电路90。在具有锁相装置的切换式控制装置50的输入端VS，启始信号产生单元104透过电阻R_A耦接至变压器T_R的辅助绕组N_A，以接收电压信号V_A，用以检测比例于该切换开关上所产生的共振电压信号，然后与一临界电压V_X进行比较运算，用以输出一启始信号S_DS。

电流转电压单元102也透过电阻R_A耦接至变压器T_R的辅助绕组N_A，以取得电压信号V_A。电流转电压单元102中的运算放大器1022的正端(+)接收参考电压V_REF，其负端(-)耦接至电阻R_A，其输出端则控制晶体管Q₄的栅极，且晶体管Q₄的源极耦接至电阻R_A。如此，具有锁相装置的切换式控制装置50的输入端VS或电阻R_A上的最小电压会被稳压在参考电压V_REF。电流镜电路由晶体管Q₂与Q₃所组成，晶体管Q₂透过晶体管Q₄耦接至电阻R_A，晶体管Q₃进一步连接有一电阻R₃。电流转电压单元102将流过该电阻R_A上的电流I_AS转换成为比例于电压信号V_A的一待测信号V_M，该待测信号V_M由晶体管Q₃输出电流I₃到电阻R₃上所产生的压降。

脉宽产生电路90至少包含一正反器53、一比较器55、一电阻R₅₆及一偏移电压V₅₇。电阻R₅₆耦接至具有锁相装置的切换式控制装置50的反馈端FB，用来上拉反馈信号V_FB至高电位。比较器55的正端(+)透过偏移电压V₅₇接收反馈信号V_FB。偏移电压V₅₇对于反馈信号V_FB提供准位位移。比较器55的负端(-)耦接至具有锁相装置的切换式控制装置50的电流感测端CS，接收切换电流信号V_CS，并且达成脉宽调变控制。比较器55的输出端耦接至正反器53的重置端R。正反器53的输出端Q输出切换信号S_W，且透过一输出电路54产生驱动信号V_PWM。

锁相装置100连接于电流转电压单元102、启始信号产生单元104及脉宽产生电路90，于切换开关Q₁截止时，受控于启始信号S_DS，用来检测待测信号V_M的波峰值，进而输出一控制信号S_N至正反器53的时脉端CK，以控制正反器53的输出端Q输出的切换信号S_W，进而导通切换开关Q₁。锁相装置100依据变压器T_R的辅助绕组N_A上所产生的电压信号V_A以启用正反器53的输出端Q输出的切换信号S_W。辅助绕组N_A上所产生的电压信号V_A正比于跨于切换开关Q₁上的电压V_D。因此，透过锁相装置100的锁相操作，依据跨于切换开关Q₁上的谷底电压使得切换开关Q₁导通。

请配合图4，参考图5，为本发明较佳实施例的锁相装置电路方块示意图。锁相装置100包括有一取样单元106、一比较单元108、一上下计数单元107、一延迟电路1091及一延迟控制电路1090。取样单元106连接于该启始信号产生单元104与该电流转电压单元102，受控于启始信号产生单元104输出的启始信号S_DS，经一第一延迟时间T_P后，对电流转电压单元102输出的待测信号V_M进行取样，以得到一第一取样电压V₁，再经过一第二延迟时间T_D1后，对该待测信号V_M进行取样，以得到一第二取样电压V₂。

比较单元108连接于该取样单元106，接收该第一取样电压V₁与该第二取样电压V₂，并且比较运算该第一取样电压V₁与该第二取样电压V₂后输出一上下计数信号UP/DOWN。上下计数单元107连接于该比较单元108，接收该上下计数信号UP/DOWN，并输出一调整信号S_A。

一延迟电路1091连接于该上下计数单元107，由一电流源I_S串接一电容C₃组成，该电流源I_S受控于该调整信号S_A，以改变电流值，并对该电容C₃进行充电动作，充电时间即为该第一延迟时间T_P。一延迟控制电路1090连接于该延迟电路1091，受控于该启始信号S_DS与一切换信号S_W，透过一放电开关S₃的导通用以对该电容C₃放电，并比较该电容C₃上的充电电压值，以输出该控制信号S_N。综上所述，当第一取样电压V₁与第二取样电压V₂相近时，判断该待测信号V_M已经到达波峰值。当该第一取样电压V₁小于该第二取样电压V₂时，该上下计数单元107控制该电流源I_S减少电流值，用以延长该第一延迟时间T_P。反之，该上下计数单元107控制该电流源I_S增加电流值，用以缩短该第一延迟时间T_P。

上述说明中，延迟控制电路1090至少包含一比较器1096、放电开关S₃、反相器1092与反及闸1094。反及闸1094的第一端接收启始信号S_DS，其第二端透过反相器1092接收切换信号S_W，其输出端控制放电开关S₃的导通或截止。放电开关S₃导通用以对电容C₃进行放电。比较器1096的正端(+)耦接至电容C₃。一临界电压V_y供应比较器1096的负端(-)。当放电开关S₃截止，并且电容C₃上的电压受到电流源I_S充电而高于临界电压V_y时，比较器1096输出高电位的控制信号S_N。电流源I_S与电容C₃决定启始信号S_DS与控制信号S_N之间的第一延迟时间T_P。

请复参考图5，取样单元106包含取样信号产生器1062，用以输出第一取样信号S_Q1与第二取样信号S_Q2。取样信号产生器1062由正反器320、330与反相器325、335所组成。正反器320与330的时钟脉冲端CK接收启始信号S_DS。正反器320的重置端R透过反相器325接收切换信号S_W。正反器330的重置端R透过反相器335接收驱动信号V_PWM。同时配合参考图4，驱动信号V_PWM由切换信号S_W透过输出电路54的传输延迟所产生，因此驱动信号V_PWM的相位会与切换信号S_W相差第二延迟时间T_D1。所以，取样信号产生器1062会依据启始信号S_DS启用，且间隔第二延迟时间T_D1先后输出第一取样信号S_Q1与第二取样信号S_Q2。

取样单元106还包括有一第一取样开关S₁耦接到电流转电压单元102的电阻R₃与第一电容C₁之间，第一取样开关S₁受控于第一取样信号S_Q1，用来撷取该待测信号V_M，并于该第一电容C₁上产生第一取样电压V₁；及一第二取样开关S₂耦接到电流转电压单元102的电阻R₃与第二电容C₂之间，第二取样开关S₂受控于第二取样信号S_Q2，用来撷取该待测信号V_M，并于该第二电容C₂上产生第二取样电压V₁。

比较单元108的负端(-)耦接至第一电容C₁，其正端(+)透过偏移电压V_OFT耦接至第二电容C₂。比较单元108接收第一取样电压V₁与第二取样电压V₂，进而比较输出上下数信号UP/DOWN。接着，上下计数单元107接收上下数信号UP/DOWN，当切换信号S_W在切换开关Q₁上的谷底电压之前导通(即在该待测信号V_M的波峰值之前)，上下数信号UP/DOWN将启用上下计数单元107向上计数。当切换信号S_W在切换开关Q₁上的谷底电压之后导通(即在该待测信号V_M的波峰值之后)，上下数信号UP/DOWN将启用上下计数单元107向下计数。

配合图4，请参考图6，为本发明最佳实施例的锁相装置的工作波形示意图。依据流过电阻R_A上电流I_AS产生晶体管Q₃的电流I₃。电流I₃可以表示为：

$I_3=I_2=\frac{V_{\mathrm{REF}}-V_A}{R_A}---\left(3\right)$

其中I₂为晶体管Q₂的电流；R_A为电阻R_A的电阻值。V_A为变压器T_R的辅助绕组N_A上的电压。

启始信号产生单元104耦接至辅助绕组N_A上，接收电压信号V_A，用以输出启始信号S_DS。当电压信号V_A低于临界电压V_X时，启始信号S_DS为启用(高电位)。同时，流过电阻R_A上的电流I_AS透过晶体管Q₂与Q₃所组成的电流镜电路，于晶体管Q₃输出电流I₃。电流I₃流到电阻R₃上以产生比例于电压信号V_A的待测信号V_M。以电压信号V_A的波形来看，谷底电压V_V是负电压，这表示电流I_AS的电流方向是由切换式控制装置50的输入端VS流向辅助绕组N_A上，所以待测信号V_M的峰值电压即为电压信号V_A的谷底电压。

配合图5，请参考图7A到图7C，为本发明最佳实施例的锁相装置的峰值电压锁相工作波形示意图。当启始信号S_DS为启用(高电位)，且在第一延迟时间T_P之后，取样单元106中的取样信号产生器1062产生第一取样信号S_Q1，然后再经第二延迟时间T_D1产生第二取样信号S_Q2。第一取样信号S_Q1与第二取样信号S_Q2分别地控制第一取样开关S₁与第二取样开关S₂，从待测信号V_M取得第一取样电压V₁与第二取样电压V₂。当第二取样电压V₂高于第一取样电压V₁时，第一延迟时间T_P将会增加。当第二取样电压V₂并未高于第一取样电压V₁时，第一延迟时间T_P将会减少。当该第一取样电压V₁与该第二取样电压V₂相近时，判断该待测信号V_M已到达波峰值。

由于切换开关Q₁上的电压波形等比例于变压器T_R的辅助绕组N_A上的电压波形，当判断切换开关Q₁上的电压V_D为谷底电压时，也代表变压器T_R的辅助绕组N_A上的电压信号V_A为谷底电压，同时也代表待测信号V_M已到达波峰值，此时锁相装置100输出控制信号S_N控制切换开关Q₁导通。

如此，本发明所述的一种锁相装置，可于一切换开关截止时，用来锁相比例于该切换开关上所产生的共振电压信号的一待测信号的波峰值，进而于共振电压信号处于谷底电压下导通该切换开关，用来改善切换式电源供应器的切换损失与电磁干扰，以达成柔性切换并改善切换式电源供应器的系统效率。

以上所述，仅为本发明最佳之一的具体实施例的详细说明与图式，但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其权利要求范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本案的权利要求范围。

Claims (8)

1、一种锁相装置，受控于一启始信号，用来检测一待测信号的波峰值，进而输出一控制信号，包括有：

一取样单元，受控于该启始信号，经一第一延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第一取样电压，再经过一第二延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第二取样电压；

一比较单元，连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号；

一上下计数单元，连接于该比较单元，接收该上下计数信号，输出一调整信号；

一延迟电路，连接于该上下计数单元，由一电流源串接一电容组成，该电流源受控于该调整信号，以改变电流值，并对该电容进行充电动作，充电时间即为该第一延迟时间；及

一延迟控制电路，连接于该延迟电路，受控于该启始信号与一切换信号，透过一放电开关的导通用以对该电容放电，并比较该电容上的充电电压值，以输出该控制信号；

其中，当该第一取样电压与该第二取样电压相近时，判断该待测信号已经到达波峰值。

2、如权利要求1所述的锁相装置，其特征在于，该取样单元进一步接收一驱动信号与该切换信号，依据该驱动信号与该切换信号的相位差，用以决定该第二延迟时间。

3、如权利要求1所述的锁相装置，其特征在于，该第一取样电压小于该第二取样电压时，该上下计数单元控制该电流源减少电流值，用以延长该第一延迟时间。

4、如权利要求1所述的锁相装置，其特征在于，该第一取样电压大于该第二取样电压时，该上下计数单元控制该电流源增加电流值，用以缩短该第一延迟时间。

5、一种具锁相装置的切换式控制器，使用于一切换式电源供应器中，于一切换开关截止时，取得一启始信号，受控于该启始信号，用以检测比例于该切换开关上所产生的一共振电压信号的一待测信号的波峰值，进而输出一控制信号导通该切换开关，包括有：

一启始信号产生单元，透过一电阻用来接收该共振电压信号，比较运算该共振电压信号与一临界电压，用以输出该启始信号；

一电流转电压单元，连接于该电阻，将流过该电阻上的电流转换成为比例于该共振电压信号的该待测信号；

一取样单元，连接于该启始信号产生单元与该电流转电压单元，受控于该启始信号，经一第一延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第一取样电压，再经过一第二延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第二取样电压；

一比较单元，连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号；

一上下计数单元，连接于该比较单元，接收该上下计数信号，输出一调整信号；

一延迟电路，由一电流源串接一电容组成，该电流源受控于该调整信号，以改变电流值，并对该电容进行充电动作，充电时间即为该第一延迟时间；及一延迟控制电路，连接于该延迟电路，受控于该启始信号与一切换信号，透过一放电开关的导通用以对该电容放电，并比较该电容上的充电电压值，以输出该控制信号；

其中，当该第一取样电压与该第二取样电压相近时，判断该待测信号已经到达波峰值。

6、如权利要求5所述的具锁相装置的切换式控制器，其特征在于，该取样单元进一步接收一驱动信号与该切换信号，依据该驱动信号与该切换信号的相位差，用以决定该第二延迟时间。

7、如权利要求5所述的具锁相装置的切换式控制器，其特征在于，该第一取样电压小于该第二取样电压时，该上下计数单元控制该电流源减少电流值，用以延长该第一延迟时间。

8、如权利要求5所述的具锁相装置的切换式控制器，其特征在于，该第一取样电压大于该第二取样电压时，该上下计数单元控制该电流源增加电流值，用以缩短该第一延迟时间。

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