CN202840929U - 反驰式电源转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种反驰式电源转换装置，此装置包括功率晶体管、电流检测器、脉宽信号产生器以及电流限幅器。功率晶体管耦接输入电压，并接收脉宽调制信号。电流检测器检测功率晶体管流出的电流并据此产生检测电压。脉宽信号产生器根据检测电压与标准电压的比较结果来产生脉宽调制信号。电流限幅器根据功率晶体管的导通时间来产生标准电压。

Description

反驰式电源转换装置

技术领域

本实用新型有关于一种反驰式电源转换装置的结构，特别是有关于一种可稳定输出功率的反驰式电源转换装置。

背景技术

在现有的反驰式电源转换装置中，对于功率晶体管上所产生的电流都会设置一个控管的机制，以防止过电流(over current)现象的发生。

现有的反驰式电源转换装置，会通过检测功率晶体管上电流大小来产生检测电压，并利用检测电压来与预先设定的标准电压做比较。这个标准电压是根据临界值来产生的，临界值则是根据功率晶体管所允许产生的最大电流来设定的。以下请参照图1，图1示出现有的反驰式电源转换装置的检测电压的波形图。由图1的示出可以清楚得知，当根据检测功率晶体管上电流大小来产生检测电压VCS不小于标准电压VCL时，反驰式电源转换装置启动限流机制。但由于反驰式电源转换装置内部电路所造成的延迟效应，限流机制检测电压VCS不小于标准电压VCL后的延迟时间td才有效的被启动。此时，检测电压VCS已经超过标准电压VCL一个偏移电压dV。换句话说，功率晶体管上电流超过了其所被允许产生的最大电流。

实用新型内容

本实用新型提供一种反驰式电源转换装置，在电流限制现象发生时，有效降低发生输出功率过高的可能性。

本实用新型提供一种反驰式电源转换装置，工作在不连续导通状态(DCM)或边界导通状态(BCM)，包括功率晶体管、电流检测器、脉宽信号产生器以及电流限幅器。功率晶体管具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接输入电压，其控制端接收脉宽调制信号。电流检测器串接在功率晶体管的第二端与参考接地电压间。电流检测器检测功率晶体管的第二端流出的电流并据此产生检测电压。脉宽信号产生器耦接电流检测器以及功率晶体管，根据检测电压与标准电压的比较结果来产生脉宽调制信号。电流限幅器耦接脉宽信号产生器，根据功率晶体管的导通时间来产生标准电压。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器接收一时脉信号，上述导通时间根据时脉信号来获得。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器提供的上述的标准电压的大小随导通时间变长而增大。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器设定多个时间点，以及对应这些时间点的多个基准电压。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器查找出导通时间以及邻近导通时间的这些时间点的其中的二邻近时间点，并根据这些邻近时间点、对应这些邻近时间点的基准电压以及导通时间来计算出标准电压。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器根据上述的脉宽信号产生器的一延迟时间、一临界值及导通时间来获得标准电压，其中临界值是根据功率晶体管所允许产生的最大电流来设定。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器针对临界值与延迟时间及导通时间进行一算数运算以获得标准电压。在本实用新型的一实施例中，上述的标准电压VPK为临界值，t为导通时间，td为延迟时间。

在本实用新型的一实施例中，上述的反驰式电源转换装置还包括一变压器和一整流器。变压器的一次侧藕接在功率晶体管接收输入电压的路径间，整流器藕接在变压器的二次侧，并用以产生一输出电压。

在本实用新型的一实施例中，上述的整流器包括一二极管合一电容。二极管样机藕接至变压器的二次侧，电容的第一端藕接在二极管的阴极，第二端藕接至参考接地电压。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流检测器包括一电阻，串接在功率晶体管的第二端以及参考接地电压间。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器包括一步阶信号产生器、一电阻和一电容。步阶信号产生器接收并根据脉宽调制信号来产生在一第一电压与一第二电压间转态的一步阶信号，电阻的一端接收步阶信号，另一端产生标准电压，电容串接在电阻产生标准电压的端点以及参考接地电压间。

在本实用新型的一实施例中，步阶信号产生器包括第一乘法器和第二乘法器。第一乘法器，针对第一电压与脉宽调制信号进行乘法运算，第二乘法器，其输出端耦接到第一乘法器的输出端，第二乘法器针对第二电压与脉宽调制信号的反向进行乘法运算，其中，第一乘法器及第二乘法器的乘法结果在第一及第二乘法器相耦接的端点上相加，并产生步阶信号。

在本实用新型的一实施例中，上述的电流限幅器包括多个电流源，这些电流源的第一端共同接收一操作电压；多个电流开关，这些电流开关分别串接在这些电流源的第二端以及电流限幅器的输出端间，这些电流开关分别受控于多个控制信号来导通或断开；一重置开关，串接在电流限幅器的输出端以及参考接地电压间，受控于重置信号来导通或断开；以及一电容，串接在电流限幅器的输出端以及参考接地电压间，其中，电流限幅器的输出端产生标准电压。

基于上述，本实用新型提供电流限幅器，在反驰式电源转换装置中，提供一个根据功率晶体管的导通时间变化的标准电压。如此一来，反驰式电源转换装置所进行比较的标准电压将随着时间而递增，有效降低因反驰式电源转换装置中的电路延迟所造成的输出电流过大的现象，有效稳定反驰式电源转换装置的输出功率。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出现有的反驰式电源转换装置的检测电压的波形图；

图2A示出本实用新型一实施例的反驰式电源转换装置200的示意图；

图2B示出标准电压VCL与导通时间变化的关系图；

图2C示出本实用新型另一实施例的标准电压VCL与导通时间变化的关系图；

图3示出本实用新型另一实施例的反驰式电源转换装置300的示意图；

图4A示出本实用新型另一实施例的反驰式电源转换装置400的示意图；

图4B示出本实用新型实施例的电流限幅器420一实施方式的示意图；

图4C示出本实用新型实施例的电流限幅器420另一实施方式的示意图；

图4D示出图4C实施方式的动作波形图。

附图标记说明：

200、300、400：反驰式电源转换装置；

210、310、410：脉宽信号产生器；

220、320、420：电流限幅器；

230、330、430：电流检测器；

250、350、450：整流器；

311、411：振荡器；

412：逻辑门；

413：SR锁存器；

421：步阶信号产生器；

CMP1、CMP2：比较器；

VFB：反馈电压；

T1：变压器；

PT：功率晶体管；

VCS：检测电压；

VPK：临界值；

td：延迟时间；

dV：偏移电压；

VIN：输入电压；

VOUT：输出电压；

PWM、PWMB：脉宽调制信号；

GND：参考接地电压；

ICS：电流；

VCL：标准电压；

CLK：时脉信号；

tON1、tON2：时间；

TA1～TA3：时间点；

VCL1～VCL3：基准电压；

S、Q、R：端点；

R1、R2：电阻；

C1、C2、C3：电容；

D1：二极管；

I1～In：电流源；

CK1～CKn：控制信号；

SW1～SWn：电流开关；

SR：重置开关；

VDD：操作电压；

V1、V2：电压；

MUX1、MUX2：乘法器；

VSTP：步阶信号。

具体实施方式

请参照图2A，图2A示出本实用新型一实施例的反驰式电源转换装置200的示意图。反驰式电源转换装置200包括变压器T1、功率晶体管PT、脉宽信号产生器210、电流限幅器220、电流检测器230以及整流器250。功率晶体管PT具有第一端、第二端以及控制端，其第一端通过变压器T1耦接到输入电压VIN，其控制端耦接到脉宽信号产生器210以接收脉宽调制信号PWM。电流检测器230串接在功率晶体管PT的第二端与参考接地电压GND间，在本实施例中，电流检测器230为电阻R1，电阻R1串接在功率晶体管PT与参考接地电压GND间，电流检测器230检测功率晶体管PT的第二端所流出的电流ICS，并根据电流ICS的电流大小，来产生检测电压VCS。

脉宽信号产生器210耦接电流检测器230以及功率晶体管PT。脉宽信号产生器210则是根据检测电压VCS与标准电压VCL的比较结果来产生脉宽调制信号PWM。标准电压VCL由电流限幅器220所产生，电流限幅器220耦接至脉宽信号产生器210以及电流检测器230。电流限幅器220根据反驰式电源转换装置200的导通时间来产生标准电压VCL。也就是说，电流限幅器220所产生的标准电压VCL可以随功率晶体管PT的导通时间来改变的。

在本实施例中，电流限幅器220会根据导通时间的递增，来递增所提供的标准电压VCL的电压大小。请同时参照图2B，图2B示出标准电压VCL与导通时间变化的关系图。在反驰式电源转换装置200刚开始启动的初期(导通时间等于时间tON1时)，电流限幅器220会提供较小的标准电压VCL给脉宽信号产生器210，随着导通时间的增加，在导通时间等于时间tON2时，电流限幅器220会提升所提供的标准电压VCL至脉宽信号产生器210。由图2B可以得知，若当导通时间等于时间tON1时，检测电压VCS开始超越标准电压VCL，而在经过延迟时间td后，检测电压VCS几乎等于临界值VPK时，功率晶体管PT恰好有效的被切断，进以使电流ICS有效被限制在安全值以下。

另外，若在导通时间等于时间tON2时，检测电压VCS开始超越标准电压VCL，而在经过延迟时间td后，检测电压VCS上升至几乎等于临界值VPK时，功率晶体管PT恰好有效的被切断，进而使电流ICS有效被限制在安全值以下。

附带一提的，临界值VPK是一个预先设定的固定数值。

在本实施例中，标准电压VCL可以根据临界值VPK、导通时间以及延迟时间td来计算获得。请对应参照图2A，由图2A的电路可以得知，在不连续导通状态(DCM)以及边界导通状态(BCM)的反驰式的电源转换装置中，检测电压VCS可以用如下数学式(1)来表示：

$\mathrm{VCS}=\mathrm{ICS}*R1=\frac{\mathrm{VIN}}{L}*t*R1---\left(1\right)$

其中L为变压器T1一次侧的电感值，t等于导通时间。

另外，临界值VPK可以由数学式(2)来表示：

$\mathrm{VPK}=\frac{\mathrm{VIN}*(t+\mathrm{td})}{L}*R1---\left(2\right)$

其中，t为导通时间，临界值VPK则等于功率晶体管所允许通过的最大电流与电阻R1的乘积。

在发生过电流限制时，结合数学式(1)及(2)，并在发生过电流限制时检测电压VCS等于标准电压VCL，可以换算出数学式(3)，如下所示：

$\mathrm{VCL}=\mathrm{VPK}*\frac{t}{t+\mathrm{td}}---\left(3\right)$

电流限幅器220则可以根据数学式(3)来根据导通时间t来产生标准电压VCL。

以下请参照图2C，图2C示出本实用新型另一实施例的标准电压VCL与导通时间变化的关系图。其中，电流限幅器220可以不需要提供根据导通时间而连续变化的标准电压VCL，而改提供片段线性变化的标准电压VCL。具体来说明，电流限幅器220可以设定多个时间点TA1～时间点TA3，并根据上述的数学式(3)分别计算出对应时间点TA1～时间点TA3的基准电压VCL1～基准电压VCL3。再通过将基准电压VCL1～基准电压VCL3进行连线以建立片段线性的标准电压VCL曲线。

电流限幅器220，也可以根据导通时间以及邻近该导通时间的时间点TA1～时间点TA3的其中的二邻近时间点并根据邻近时间点TA1～时间点TA3、对应邻近时间点TA1～时间点TA3的基准电压VCL1～基准电压VCL3以及导通时间来利用例如内差法的方式，来计算出所要提供的标准电压VCL。

请重新参照图2A，变压器T1的一次侧耦接在功率晶体管PT接收输入电压VIN的路径间，变压器T1的二次侧并用以产生输出电压VOUT。整流器250包括二极管D1以及电容C1。二极管D1的阳极耦接至变压器T1的二次侧。电容C1的第一端耦接二极管D1的阴极，电容C1的第二端耦接至参考接地电压GND。

请参照图3，图3示出本实用新型另一实施例的反驰式电源转换装置300的示意图。反驰式电源转换装置300包括变压器T1、功率晶体管PT、脉宽信号产生器310、电流限幅器320、电流检测器330以及整流器350。电流限幅器320所接收的时脉信号CLK，是由内建在脉宽信号产生器310中的振荡器311所提供。附带一提的，振荡器311所提供的时脉信号CLK也用以作为脉宽信号产生器310产生脉宽调制信号PWM的根据。

图4A示出本实用新型另一实施例的反驰式电源转换装置400的示意图。反驰式电源转换装置400包括变压器T1、功率晶体管PT、脉宽信号产生器410、电流限幅器420、电流检测器430以及整流器450。本实施例中，脉宽信号产生器410包括振荡器411、比较器CMP1、比较器CMP2、逻辑门412以及SR锁存器413。比较器CMP1以及比较器CMP2接收检测电压VCS，并分别针对检测电压VCS与反馈电压VFB以及标准电压VCL进行比较。逻辑门412接收比较器CMP1以及比较器CMP2的输出以进行逻辑运算，本实施例中逻辑门412可以为或门。

SR锁存器413具有重置端R、设定端S以及输出端Q，SR锁存器413的重置端R耦接逻辑门412的输出端，SR锁存器413的设定端S耦接振荡器411以接收时脉信号CLK，SR锁存器413的输出端Q则产生脉宽调制信号PWM。

以下请参照图4B，图4B示出本实用新型实施例的电流限幅器420一实施方式的示意图。电流限幅器420包括步阶信号产生器421、电阻R2以及电容C2。步阶信号产生器421接收并根据脉宽调制信号PWM来产生在第一电压V1与第二电压V2间转态的步阶信号VSTP。举例来说，第一电压V1大于第二电压V2，并且在脉宽调制信号PWM为逻辑高准位时，步阶信号VSTP等于第一电压V1，相对的，当脉宽调制信号PWM转态为逻辑低准位时，步阶信号VSTP对应转态为第二电压V2。

电阻R2的一端接收步阶信号VSTP，其另一端产生标准电压VCL，电容C2则串接在电阻R2产生标准电压VCL的端点以及参考接地电压GND间。其中，通过电阻R2以及电容C2的延迟效果，标准电压VCL对应脉宽调制信号PWM由逻辑低准位转态到逻辑高准位时，会由第二电压V2逐渐上升到第一电压V1。而标准电压VCL的上升速率可以由电阻R2及电容C2的乘积来决定。

步阶信号产生器421包括乘法器MUX1以及乘法器MUX2，乘法器MUX1用以针对第一电压V1与脉宽调制信号PWM进行乘法运算，乘法器MUX2则用以针对第二电压V2与脉宽调制信号PWM的反向进行乘法运算。

以下请参照图4C，图4C示出本实用新型实施例的电流限幅器420另一实施方式的示意图。电流限幅器420包括电流源I1～电流源In、电流开关SW1～电流开关SWn、重置开关SR以及电容C3。电流源I1～电流源In的第一端共同接收操作电压VDD。电流开关SW1～电流开关SWn分别串接在电流源I1～电流源In的第二端以及电流限幅器420的输出端间。电流开关SW1～电流开关SWn分别受控于多个控制信号CK1～控制信号CKn以导通或断开。重置开关SR串接在电流限幅器420的输出端以及参考接地电压GND间，重置开关SR受控于重置信号(脉宽调制信号PWM的反向脉宽调制信号PWMB)以导通或断开。电容C3串接在电流限幅器420的输出端以及参考接地电压GND间。其中，电流限幅器420的输出端产生标准电压VCL。

关于电流限幅器420的动作方式则请参照图4D，图4D示出图4C实施方式的动作波形图。其中，本实施方式通过改变电流开关SW1～电流开关SWn的被导通的数量，来改变流过电容C3的电流大小，并从而改变标准电压VCL的上升斜率。其中，在初始时，电流开关SW1～电流开关SWn全部被导通并使标准电压VCL以最大的斜率上升。接着，随着时间的增加而逐一断开电流开关，并使标准电压VCL的上升斜率降低。如此一来，电流限幅器420就可以有效的产生片段线性的标准电压VCL。

最后，当脉宽调制信号PWM为逻辑低准位时，可以通过导通重置开关SR来使电容C3进行放电，并使标准电压VCL下降至等于参考接地电压GND。

综上所述，本实用新型利用提供根据功率晶体管的导通时间来提供不同的标准电压，并使脉宽信号产生器根据随功率晶体管的导通时间而改变的标准电压来进行是否执行限流动作的依据。如此一来，反驰式电源转换装置的输出功率可以稳定的得到控制，不会产生因电路延迟所产生的输出功率过大的现象。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种反驰式电源转换装置，其特征在于，工作在不连续导通状态或边界导通状态，包括：

一功率晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接一输入电压，其控制端接收一脉宽调制信号；

一电流检测器，串接在该功率晶体管的第二端与一参考接地电压间，检测该功率晶体管的第二端流出的电流并据此产生一检测电压；

一脉宽信号产生器，耦接该电流检测器以及该功率晶体管，根据该检测电压与一标准电压的比较结果来产生该脉宽调制信号；以及

一电流限幅器，耦接该脉宽信号产生器，根据该功率晶体管的一导通时间来产生该标准电压。

2.根据权利要求1所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器接收一时脉信号，其中该导通时间根据该时脉信号来获得。

3.根据权利要求2所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器提供的该标准电压的大小随该导通时间变长而增大。

4.根据权利要求1所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器设定多个时间点，以及对应该些时间点的多个标准电压。

5.根据权利要求4所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器查找出该导通时间以及邻近该导通时间的该些时间点的其中的二邻近时间点，该电流限幅器并根据该些邻近时间点、对应该些邻近时间点的标准电压以及该导通时间来计算出该标准电压。

6.根据权利要求1所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器根据该脉宽信号产生器的一延迟时间、一临界值及该导通时间来获得该标准电压，其中该临界值是根据该功率晶体管所允许产生的最大电流来设定。

7.根据权利要求6所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器针对该临界值与该延迟时间及该导通时间进行一算术运算以获得该标准电压。

8.根据权利要求6所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该标准电压

VPK为该临界值，t为该导通时间，td为该延迟时间。

9.根据权利要求1所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，还包括：

一变压器，其一次侧耦接在该功率晶体管接收该输入电压的路径间；以及

一整流器，耦接该变压器的二次侧，并用以产生一输出电压。

10.根据权利要求9所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该整流器包括：

一二极管，其阳极耦接至该变压器的二次侧；以及

一电容，其第一端耦接该二极管的阴极，该电容的第二端耦接至该参考接地电压。

11.根据权利要求1所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流检测器包括：

一电阻，串接在该功率晶体管的第二端以及该参考接地电压间。

12.根据权利要求1所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器包括：

一步阶信号产生器，耦接该脉宽信号产生器，接收并根据该脉宽调制信号来产生在一第一电压与一第二电压间转态的一步阶信号；

一电阻，耦接该步阶信号产生器，其一端接收该步阶信号，另一端产生该标准电压；以及

一电容，串接在该电阻产生该标准电压的端点以及该参考接地电压间。

13.根据权利要求12所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该步阶信号产生器包括：

一第一乘法器，耦接该脉宽信号产生器，针对该第一电压与该脉宽调制信号进行乘法运算；以及

一第二乘法器，其输出端耦接到该第一乘法器的输出端，该第二乘法器针对该第二电压与该脉宽调制信号的反向进行乘法运算，

其中，该第一乘法器及该第二乘法器的乘法结果在该第一及第二乘法器相耦接的端点上相加，并产生该步阶信号。

14.根据权利要求1所述的反驰式电源转换装置，其特征在于，该电流限幅器包括：

多个电流源，该些电流源的第一端共同接收一操作电压；

多个电流开关，该些电流开关分别串接在该些电流源的第二端以及该电流限幅器的输出端间，该些电流开关分别受控于多个控制信号来导通或断开；

一重置开关，串接在该电流限幅器的输出端以及该参考接地电压间，受控于该重置信号来导通或断开；以及

一电容，串接在该电流限幅器的输出端以及该参考接地电压间，

其中，该电流限幅器的输出端产生该标准电压。

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