CN202261007U - 切换式电源供应器及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种切换式电源供应器及其控制电路，其中该切换式电源供应器包含：一功率级电路，包括至少一个功率晶体管开关，通过功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压；一脉宽调变讯号产生器，根据输出电压产生一脉宽调变讯号；一过电流判断电路，比较一电流感测讯号与一设定值以产生一过电流检查讯号；以及一讯号调整电路，根据过电流检查讯号调整一脉宽调变讯号以产生一开关讯号，由此控制功率级电路中功率晶体管开关的开启次数或频率。

Description

切换式电源供应器及其控制电路

技术领域

本实用新型涉及一种切换式电源供应器及其控制电路，特别是指一种能避免于电源启动初期有过大的涌入电流(inrush current)的切换式电源供应器及其控制电路。

背景技术

返驰(flyback)式电源供应器是一种利用变压器来转换电压的隔离式电源供应器，其能量的储存及转换是通过对变压器中线圈的充电及放电。图1显示现有技术的AC-DC返驰式电源供应器电路示意图，切换式电源供应器10主要包含一电压转换电路14及一控制电路15，其中电压转换电路14将输入端的输入电压Vin，经由其变压器11转换而对输出端供应输出电压Vout；又控制电路15会侦测并驱动电压转换电路14，以正确并稳定地转换电压。该变压器11包含一次侧绕组与二次侧绕组，一般把与一次侧绕组连接的电路称为一次侧电路、与二次侧绕组连接的电路称为二次侧电路，二次侧电路与一次测电路之间通过光耦合电路12来传递讯号，以将回授讯号COMP传送给控制电路15。控制电路15产生一开关讯号Vgate，用以控制功率晶体管开关13，并侦测通过该功率晶体管开关13的输入电流Iin，其侦测方式是使输入电流Iin经过一电阻Rcs，而控制电路15撷取电阻Rcs上的电压，作为一次侧输入电流感测讯号Vcs。

然而，此种电源供应器10在启动的瞬间，因输出端的输出电压Vout无法马上达到规格要求，因此电路回授控制机制将使功率晶体管开关13的责任周期(duty cycle)调整至最大，如此使得一次侧产生了许多的涌入电流，进而有可能烧毁功率晶体管开关13及其它元件。通过对照下列关系式(1)、(2)及图2可以说明涌入电流造成节点A上电压Vcs越来用高的原因：

$\mathrm{\ΔIin}\∝\frac{\mathrm{Vin}}{\mathrm{Lp}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{\ΔIout}\∝\frac{\mathrm{Vout}}{\mathrm{Ls}}\∝n^2\·\frac{\mathrm{Vout}}{\mathrm{Lp}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

其中ΔIin为输入电流变化量；Lp为一次侧线圈电感量；ΔIout为输出电流变化量；Ls为二次侧线圈电感量；Vout为输出电压；n为变压器一次侧比二次侧的圈数比。对照关系式(1)与式(2)可以观察得知，在启动时，因输出电压Vout很低但输入电压Vin已正常供应，因此ΔIin会大于ΔIout，因此V_CS电压会越来越高，相关波形如图2所示。

图2显示图1中开关讯号Vgate及节点A上电压Vcs的波形图。在电源供应器10被启动的瞬间，控制电路15输出的开关讯号Vgate周期性地持续开启功率晶体管开关13。且输出电压Vout亦尚在建立中而处于较低的电压位准，电压Vcs会因输入电流Iin增加而不断升高。图中电压Vcs的增加量Δ1反应关系式(1)的输入电流变化量ΔIin增加而成正比，即Δ1∝ΔIin；又其电压Vcs的减少量Δ2反应关系式(2)的输出电流变化量ΔIout增加而成正比，即Δ2∝ΔIout。每次功率晶体管开关13被开启，因Δ1＞Δ2，电压Vcs会越来越高，如图2所示。

为了抑制上述涌入电流的影响，可在电源供应器上增加一软启动(soft start)电路。一般软启动电路使软启动时间增长，而让电源电压可以较缓和的上升。然而，软启动电路往往无法有效抑制涌入电流，却依然造成输入电流Iin及电压Vcs过大，将可能导致电源供应器的电流侦测电阻及功率晶体管等元件所承受的电流过大而毁损的情况。

有鉴于以上所述，本实用新型即针对现有技术的不足，提出一种能避免于电源启动初期有过大的涌入电流的切换式电源供应器及其控制电路，以改善电流过大而毁损电流侦测电阻及功率晶体管等元件的问题，且并不需要使用耗费面积的电路。

发明内容

本实用新型目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种切换式电源供应器。

本实用新型的另一目的在于，提出一种切换式电源供应器的控制电路。

为达上述目的，本实用新型提供了一种切换式电源供应器，包含：一功率级电路，包括至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将一输入电压转换为一输出电压；一脉宽调变讯号产生器，根据该输出电压产生一脉宽调变讯号；一过电流判断电路，比较一电流感测讯号与一设定值以产生一过电流检查讯号，表示是否发生过电流状况；以及一讯号调整电路，根据该过电流检查讯号调整该脉宽调变讯号或一时脉讯号以产生一开关讯号，由此控制该功率级电路中功率晶体管开关的开启时机。

在一种较佳实施型态中，该过电流判断电路包括一比较器，用以比较该电流感测讯号与该设定值。

在一种较佳实施型态中，该讯号调整电路包括一门电路，该门电路接受该过电流检查讯号及该脉宽调变讯号或该时脉讯号而产生该开关讯号。

在另一实施型态中，该讯号调整电路包括：一计数器，与该过电流判断电路耦接，根据一时脉讯号，计算该过电流检查讯号表示发生过电流状况的周期数，当该周期数到达一计数设定值则改变其输出位准；一正反器，与该过电流判断电路及该计数器耦接，当该过电流检查讯号表示未发生过电流状况时，产生第一输出，当该过电流检查讯号表示发生过电流状况时，产生第二输出，且当该计数器到达一计数设定值时，则回复为第一输出；以及一门电路，接受该正反器输出及该脉宽调变讯号或该时脉讯号而产生该开关讯号。

所述切换式电源供应器可为AC-DC切换式电源供应器或DC-DC切换式电源供应器。

就另一个观点言，本实用新型提供了一种切换式电源供应器的控制电路，根据一切换式电源供应器中电流感测讯号以控制该切换式电源供应器中功率晶体管开关，将一输入电压转换为一输出电压，该控制电路包含：一过电流判断电路，比较该电流感测讯号与一设定值以产生一过电流检查讯号，表示是否发生过电流状况；以及一讯号调整电路，根据该过电流检查讯号调整一脉宽调变讯号或一时脉讯号以产生一开关讯号，由此控制功率级电路中功率晶体管的开启时机。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1标出现有技术的AC-DC切换式电源供应器电路示意图；

图2标出图1中开关讯号Vgate及节点A上电压Vcs的波形图；

图3标出本实用新型切换式电源供应器的一个实施例；

图4标出本实用新型控制电路中过电流判断电路及讯号调整电路的一个具体实施例；

图5标出本实用新型电源供应器的讯号的波形图；

图6A与6B标出降压型切换式电源供应器的示意电路图；

图7A与7B标出升压型切换式电源供应器的示意电路图；

图8A与8B标出升降压型切换式电源供应器的示意电路图；

图9A与9B标出升降压型切换式电源供应器的示意电路图；

图10A与10B标出升反压型切换式电源供应器的示意电路图。

图中符号说明

10        切换式电源供应器

11        变压器

12        光耦合电路

13        功率晶体管开关

14        电压转换电路

15        控制电路

30        切换式电源供应器

34        电压转换电路

35        控制电路

351       过电流判断电路

352       讯号调整电路

3521      计数器

3522      SR正反器

3523      与门

354       时脉讯号产生器

356       脉宽调变讯号产生器

6a～10b   切换式电源供应器

OC        过电流检查讯号

CLK       时脉讯号

COMP      回授讯号

Vh        设定值

Vcs       电流感测讯号

Iin       输入电流

Rcs       电阻

Vin       输入电压

Iout      输出电流

Vout      输出电压

Vgate     开关讯号

具体实施方式

图3标出本实用新型切换式电源供应器的一个实施例。本实用新型可适用于任何AC-DC或DC-DC切换式电源供应器而不限于图1所示的AC-DC切换式电源供应器。无论是AC-DC或DC-DC切换式电源供应器皆有产生电流感测讯号的机制。如图所示，切换式电源供应器30的电压转换电路34所产生的电流感测讯号Vcs，会输入控制电路35中的过电流判断电路351。过电流判断电路351将此电流感测讯号Vcs与一设定值Vh比较，以判断是否超过该设定值Vh，并产生一过电流检查讯号OC。讯号调整电路352根据过电流检查讯号OC，调整一脉宽调变(PWM)讯号或时脉产生器354所产生的一时脉讯号CLK(可择一调整或二者皆调整)以产生一开关讯号Vgate，由此控制电压转换电路34的功率级电路中功率晶体管开关(图未示，请参见图1及图6A～10B)的开启时机(时点、脉宽或频率)。脉宽调变讯号产生器356根据电压转换电路34的回授讯号COMP产生上述脉宽调变讯号。例如：该开关讯号Vgate会暂时减少功率晶体管开关的开启次数，或瞬间降低功率晶体管开关的开启频率，如此电流感测讯号Vcs会得到合适的抑制，以避免过电流的发生。

图4标出本实用新型控制电路中过电流判断电路及讯号调整电路的一个具体实施例。此实施例中，过电流判断电路351为一比较器。当电流感测讯号Vcs低于设定值Vh，则表示过电流尚未发生，因此过电流检查讯号OC为低位准。此时，讯号调整电路352中SR正反器3522的S＝0。又计数器3521亦尚未开始计数，故SR正反器3522的R＝1、Q＝0及QN＝1。当QN维持于1，表示开关讯号Vgate受PWM讯号所控制，亦即若PWM讯号为高位准，则门电路3523(本实施例中为与门)输出开关讯号Vgate为高位准，若PWM讯号为低位准，则与门3523输出开关讯号Vgate为低位准，如图5所示。

参见图5并如前所述，若开关讯号Vgate于时脉讯号CLK的每个周期都开启功率晶体管开关，电流感测讯号Vcs会越来越高。但当电流感测讯号Vcs高于设定值Vh，则表示过电流可能发生，因此过电流判断电路351输出的过电流检查讯号OC转为高位准。此时，讯号调整电路352中SR正反器3522的S＝1，使得SR正反器3522的反相输出QN＝0，与门3523输出的开关讯号Vgate为低位准，而不再受PWM讯号所控制。又计数器3521会开始计数，且未达到计数器的计数设定值时其输出仍为0，直到到达预设计数值后，计数器3521输出高位准，重设SR正反器3522，而使SR正反器3522的R＝1、Q＝0及QN＝1，这时，因QN＝1，开关讯号Vgate又恢复受PWM讯号所控制。图5的实施例中，计数器的计数设定值为1，因此当过电流检查讯号OC转为高位准时，经过一个时脉周期之后，开关讯号Vgate就又恢复受PWM讯号所控制。于开关讯号Vgate维持为低位准的期间，电压转换电路34的功率级电路中功率晶体管开关未被重复开启，因此如图所示，电流感测讯号Vcs被抑制而不会越来越高。计数器3521的计数设定值或判断过电流是否发生的设定值Vh皆可以根据切换式电源供应器30的需求、规格及其它设定匹配而定。此外，在图5实施例中计数值为1，因此开关讯号Vgate停止了一个周期；对于同样目的(使开关讯号Vgate停止一个周期)，亦可改以调整时脉讯号的频率来达成之，亦即若将时脉讯号的频率减半，即等于使开关讯号Vgate停止一个周期，若将时脉讯号的频率减为1/3，即等于使开关讯号Vgate停止两个周期，依此类推。

上述实施例中，切换式电源供应器30不限于可为AC-DC切换式电源供应器(AC-DC converter)，亦可为DC-DC切换式电源供应器(DC-DC converter)。举例而言，AC-DC切换式电源供应器例如可如图1所示的现有技术中的切换式电源供应器10；而DC-DC切换式电源供应器例如可为图6A与6B所示的降压型(Buck)切换式电源供应器(6a、6b)、图7A与7B所示的升压型(Boost)切换式电源供应器(7a、7b)、图8A与8B所示的升降压(Buck-Boost)切换式电源供应器(8a、8b)、图9A与9B所示的升降压(Buck-Boost)切换式电源供应器(9a、9b)、图10A与10B所示的升反压(Inverter-Boost)切换式电源供应器(10a、10b)。

以上已针对较佳实施例来说明本实用新型，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本实用新型的内容，并非用来限定本实用新型的权利范围。在本实用新型的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，正反器不限于SR正反器3521，亦可为其它形式的正反器；再如，以高位准表示的讯号意义，亦可改以低位准来表示，并在电路中做相应的修改，例如比较器351的正负输入端可作相应的变换、与门3523改为其它合适的门电路等等。因此，所有各种等效变化，均应包含在本实用新型的范围之内。

Claims (10)

1.一种切换式电源供应器，其特征在于，包含：

一功率级电路，包括至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将一输入电压转换为一输出电压；

一脉宽调变讯号产生器，根据该输出电压产生一脉宽调变讯号；

一过电流判断电路，比较一电流感测讯号与一设定值以产生一过电流检查讯号，表示是否发生过电流状况；以及

一讯号调整电路，根据该过电流检查讯号调整该脉宽调变讯号或一时脉讯号以产生一开关讯号，由此控制该功率级电路中功率晶体管开关的开启时机。

2.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其特征在于，该过电流判断电路包括一比较器，用以比较该电流感测讯号与该设定值。

3.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其特征在于，该讯号调整电路包括一门电路，该门电路接受该过电流检查讯号及该脉宽调变讯号或该时脉讯号而产生该开关讯号。

4.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其特征在于，该讯号调整电路包括：

一计数器，与该过电流判断电路耦接，根据一时脉讯号，计算该过电流检查讯号表示发生过电流状况的周期数，当该周期数到达一计数设定值则改变其输出位准；

一正反器，与该过电流判断电路及该计数器耦接，当该过电流检查讯号表示未发生过电流状况时，产生第一输出，当该过电流检查讯号表示发生过电流状况时，产生第二输出，且当该计数器到达一计数设定值时，则回复为第一输出；以及

一门电路，接受该正反器输出及该脉宽调变讯号或该时脉讯号而产生该开关讯号。

5.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其特征在于，该切换式电源供应器为AC-DC切换式电源供应器或DC-DC切换式电源供应器。

6.一种切换式电源供应器的控制电路，根据一切换式电源供应器中一电流感测讯号以控制该切换式电源供应器中至少一功率晶体管开关，将一输入电压转换为一输出电压，其特征在于，该控制电路包含：

一过电流判断电路，比较该电流感测讯号与一设定值以产生一过电流检查讯号，表示是否发生过电流状况；以及

一讯号调整电路，根据该过电流检查讯号调整一脉宽调变讯号或一时脉讯号以产生一开关讯号，由此控制该功率级电路中功率晶体管开关的开启时机。

7.如权利要求6所述的切换式电源供应器的控制电路，其特征在于，该过电流判断电路包括一比较器，用以比较该电流感测讯号与该设定值。

8.如权利要求6所述的切换式电源供应器的控制电路，其特征在于，该讯号调整电路包括一门电路，该门电路接受该过电流检查讯号及该脉宽调变讯号或该时脉讯号而产生该开关讯号。

9.如权利要求6所述的切换式电源供应器的控制电路，其特征在于，该讯号调整电路包括：

一计数器，与该过电流判断电路耦接，根据一时脉讯号，计算该过电流检查讯号表示发生过电流状况的周期数，当该周期数到达一计数设定值则改变其输出位准；

一正反器，与该过电流判断电路及该计数器耦接，当该过电流检查讯号表示未发生过电流状况时，产生第一输出，当该过电流检查讯号表示发生过电流状况时，产生第二输出，且当该计数器到达一计数设定值时，则回复为第一输出；以及

一门电路，接受该正反器输出及该脉宽调变讯号或该时脉讯号而产生该开关讯号。

10.如权利要求6所述的切换式电源供应器的控制电路，其特征在于，还包含一脉宽调变讯号产生器，根据该输出电压而产生该脉宽调变讯号。

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