CN219643802U - 返驰式电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型实施例提供一种返驰式电源转换器。该返驰式电源转换器，其特征在于，包含有：变压器，具有主绕组、次级侧绕组以及辅助绕组，其中该辅助绕组具有顺向端连接至输入接地线；主功率开关，该主功率开关与该主绕组串接在输入电源线与该输入接地线之间；电源控制器，控制该主功率开关，具有电源端；整流二极管、斩波开关、以及储能电感，串接在该电源端以及该辅助绕组的逆向端之间；以及操作电源电容，连接在该电源端以及该输入接地线之间，提供该电源控制器的操作电源。

Description

返驰式电源转换器
技术领域
本实用新型大致涉及返驰式电源转换器，尤其涉及可以有效率地提供一电源控制器所需的一操作电源的返驰式电源转换器。
背景技术
返驰式电源转换器的架构简单，广受一般电源业界所采用，可以提供位于初级侧的市电输入与次级侧的被供电负载之间的电气隔绝，同时又可以提供大范围的输出电压。
返驰式电源转换器可以作为USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)的电源供应器。因为USB的PD(power delivery，电源传输)协议对于输出电压支持加大，要求输出电源可以切换调控于5V到20V这样4倍的输出电压范围。4倍输出电压范围，可以通过返驰式电源转换器来支持。
但是，4倍输出电压范围，这样大范围的输出电压变化，往往也带来其他技术方面的挑战。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种控制方法，适用于一返驰式电源转换器。该返驰式电源转换器包含有一变压器，具有一主绕组以及一辅助绕组。该主绕组与一主功率开关串联在一输入电源线与一输入接地线之间。该输入电源线上具有一输入电源。该辅助绕组具有一顺向端连接至该输入接地线。该返驰式电源转换器还包含有一整流二极管、一斩波开关、以及一储能电感，串接在一电源端以及该辅助绕组的一逆向端之间。该返驰式电源转换器还包含有一操作电源电容，连接在该电源端以及该输入接地线之间。该控制方法包含有：开启该主功率开关一开启时间；以及，在该开启时间内，开启该斩波开关，以使该输入电源，通过该变压器、该整流二极管、该斩波开关以及该储能电感，对该操作电源电容充电。
本实用新型实施例提供一种返驰式电源转换器。该返驰式电源转换器包含有一变压器、一主功率开关、一电源控制器、一整流二极管、一斩波开关、一储能电感、以及一操作电源电容。该变压器具有一主绕组、一次级侧绕组以及一辅助绕组。该辅助绕组具有一顺向端连接至一输入接地线。该主功率开关与该主绕组串接在一输入电源线与该输入接地线之间。该电源控制器，控制该主功率开关，具有一电源端。该整流二极管、该斩波开关、以及该储能电感串接在该电源端以及该辅助绕组的一逆向端之间。该操作电源电容连接在该电源端以及该输入接地线之间，提供该电源控制器的一操作电源。
本实用新型实施例提供一种控制方法，适用于一返驰式电源转换器。该返驰式电源转换器包含有一变压器、一电源控制器、一主功率开关、一斩波开关、一储能电感、以及一操作电源电容。该控制方法包含有：开启该主功率开关一开启时间，以增加该变压器的电磁能；以及，在该开启时间内，开启该斩波开关，通过该变压器、该斩波开关、与该储能电感，对该操作电源电容充电，以建立一操作电源，供电给给该电源控制器。该电源控制器控制该主功率开关。
附图说明
图1与图2显示返驰式电源转换器。
图3显示依据本实用新型所实施的一返驰式电源转换器。
图4A-4D分别显示操作在模式M1-M4下，图3中的一些信号波形。
图5与图6显示两种控制方法。
【符号说明】
100、200、300返驰式电源转换器
102、202、302电源控制器
112、212、312顺向端
306连接点
314逆向端
500、600控制方法
502、504、506、508、602、606、608步骤
BK降压转换器
CO输出电容
CVCC1、CVCC2、CVCC3操作电源电容
DA、DA3整流二极管
DF飞轮二极管
GNDI输入接地线
Η电磁能
IDS检测电流
ILF电流
LA1、LA2、LA3辅助绕组
LDO1线性稳压器
LF储能电感
LIN输入电源线
LP1、LP2、LP3主绕组
LS1、LS2、LS3次级侧绕组
M1、M2、M3、M4模式
SF控制信号
SW主功率开关
SSW驱动信号
SWF斩波开关
t11、t12、t13时间点
TCYC1、TCYC2、TCYC3、TCYC4开关周期
TF1、TF2、TF3变压器
TOFF1、TOFF2、TOFF3、TOFF4关闭时间
TON1、TON2、TON3、TON4开启时间
TSF脉冲宽度
V304电压信号
VCC1、VCC2、VCC3操作电源电压
VCC1、VCC2、VCC3操作电源
VIN电源端
VLIN输入电源电压
VLIN输入电源
VOUT输出电压
VO输出电源
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为返驰式电源转换器(flyback power converter)100。串接在输入电源线LIN与输入接地线GNDI之间有主绕组LP1与主功率开关SW。变压器TF1包含有相电感耦合的主绕组LP1、次级侧绕组LS1与辅助绕组LA1。当主功率开关SW开启呈现短路时，输入电源线LIN上的输入电源VLIN通过主绕组LP1增加变压器TF1的电磁能。当主功率开关SW关闭呈现开路时，通过次级侧绕组LS1，变压器TF1的电磁能释放，而建立输出电源VO，具有输出电压VOUT。因此，返驰式电源转换器100将输入电源线LIN上的输入电源VLIN，转换为跨于输出电容CO上的输出电源VO。输入电源线LIN与输入接地线GNDI可以为一桥式整流器的两个整流输出，而桥式整流器的两个输入连接到一交流市电。为了支持USB PD协议，图1中的输出电压VOUT可以切换调控在5V到20V这样4倍的输出电压范围。
从图1可以得知，当次级侧绕组LS1对输出电容CO充电时，次级侧绕组LS1的跨压大约会等于输出电压VOUT，而提供给电源控制器102的操作电源电压VCC1大约会比例于输出电压VOUT。因此，当输出电压VOUT变化4倍时，意味着操作电源电压VCC1也会有4倍的变化。
在图1中，操作电源电容CVCC1作为能量存储，提供操作电源VCC1，其具有操作电源电压VCC1，给电源控制器102的电源端VIN。电源控制器102需要有适当的操作电源VCC1，来提供电源控制器102正常操作时所需要的电能。举例来说，操作电源VCC1的操作电源电压VCC1至少需要12V，电源控制器102才能够正常地开启主功率开关SW。如果操作电源电压VCC1的最低值是12V，出现在输出电压VOUT为最低电压时，那意味着在输出电压VOUT符合USB PD，上升到最高电压(最低电压的4倍)时，操作电源电压VCC1大约会是48V。这表示电源控制器102需要能够耐受到约50V，相关工艺将会相当昂贵。
为了降低图1的电源控制器102的工艺成本，图2举例在辅助绕组LA2与电源控制器202的电源端VIN之间，插入线性稳压器(Low dropout，LDO)LDO1，来限制操作电源VCC2的操作电源电压VCC2。举例来说，线性稳压器LDO1可以限制操作电源电压VCC2不大于20V，因此电源控制器202可以采用耐受20V的工艺来制作就可以。但是线性稳压器LDO1在工作时，尤其在大电压跨压时，会损耗相当多的电能，对于图2中返驰式电源转换器200的电能转换效率，会有不良的影响。
图3为依据本实用新型所实施的返驰式电源转换器300。返驰式电源转换器300、200、100彼此之间相同或是相似之处，可以通过先前解说而得知，不再累述。与返驰式电源转换器200、100的辅助绕组LA1与LA2不同的，返驰式电源转换器300中的变压器TF3，其中的辅助绕组LA3，连接的极性方向相反。辅助绕组LA1与LA2的顺向端112与212(有打点的那一端)连接到整流二极管DA，而辅助绕组LA3的顺向端312(有打点的那一端)连接到输入接地线GNDI。
从辅助绕组LA3的逆向端314(没有打点的那一端)开始，到电源控制器302的电源端VIN之间，依序串接有整流二极管DA3、斩波开关SWF、以及储能电感LF。连接点306连接了斩波开关SWF与储能电感LF。飞轮二极管DF连接在连接点306与输入接地线GNDI之间。操作电源电容CVCC3作为能量存储，直接提供操作电源VCC3，其具有操作电源电压VCC3，给电源控制器302的电源端VIN。电源控制器302提供驱动信号SSW与控制信号SF，分别控制主功率开关SW与斩波开关SWF。
斩波开关SWF、飞轮二极管DF、以及储能电感LF这样的组合，可以视为降压转换器(buck converter)BK，用来对操作电源电容CVCC3充电，产生操作电源VCC3，其具有操作电源电压VCC3。降压转换器BK的输入电源由辅助绕组LA3的电压信号V304，通过整流二极管DA3整流后来提供。换句话说，只有当电压信号V304大于操作电源电压VCC3时，降压转换器BK才能正常工作，用来对操作电源电容CVCC3充电。
图4A到图4D分别显示操作在模式M1-M4下，图3中的一些信号波形。每个图4A-4D，由上到下，显示有提供给主功率开关SW的驱动信号SSW、在逆向端304上的电压信号V304、流经主功率开关SW的检测电流IDS、变压器TF3所存储的电磁能Η、流经储能电感LF的电流ILF、以及提供给斩波开关SWF的控制信号SF。
图4A中的开关周期TCYC1显示操作电源电容CVCC3如何被充电。驱动信号SSW在时间点t11开启了主功率开关SW，在时间点t12关闭了主功率开关SW，定义了从t11到t12的开启时间TON1。在时间点13，驱动信号SSW又开启了主功率开关SW，所以开关周期TCYC1结束。从t12到t31的这段时间定义为关闭时间TOFF1。开关周期TCYC1由开启时间TON1与TOFF1所构成。控制信号SF大约在时间点t12，或是在时间点t12后一预定时间，关闭斩波开关SWF，如同图4A所示。
在开启时间TON1内，电压信号V304为一正值，大致反映跨于主绕组LP3上的跨压，大约是输入电源电压VLIN。举例来说，假定主绕组LP3、次级侧绕组LS3、辅助绕组LA3的圈数分别是NP3、NS3与NA3，在开启时间TON1内，电压信号V304大约会维持在VLIN*NA3/NP3。
在开启时间TON1内，电压信号V304高于操作电源电压VCC3。斩波开关SWF在开启时间TON1内维持开启。因此，降压转换器BK从辅助绕组LA3汲取电流，不但对操作电源电容CVCC3充电，也增加储能电感LF的电磁能。因此，电流ILF随着时间而增加。换句话说，在开启时间TON1内，通过变压器TF3、整流二极管DA3、斩波开关SWF以及储能电感LF，输入电源VLIN对操作电源电容CVCC3充电，以建立操作电源VCC3，供电给电源控制器302
在开启时间TON1内，输入电源VLIN需要供应辅助绕组LA3被降压转换器BK所汲取的电能，也通过主绕组LP3增加变压器TF3的电磁能Η，所以检测电流IDS与电磁能Η线性的增加。在图4A中，为了方便说明，检测电流IDS与电磁能Η并列在一起。在开启时间TON1内，检测电流IDS超过电磁能Η的部分，比例于电流ILF。举例来说，ILF＝(IDS–H)＊NP3/NA3。
关闭时间TOFF1开始时，次级侧绕组LS2的跨压被输出电压VOUT所箝制，电磁能Η通过次级侧绕组LS3而释放给输出电容CO，储能电感LF所存储的电磁能也通过飞轮二极管DF对操作电源电容CVCC3释放。因此，在图4中的关闭时间TOFF1中，电磁能Η与电流ILF一开始都随着时间而减少。
在关闭时间TOFF1内，因为主功率开关SW关闭，所以检测电流IDS保持为0A。
如同图4A中的关闭时间TOFF1所示，电压信号V304一开始时转变为一负值，大致反映跨于次级侧绕组LS3上的跨压(约为输出电压VOUT)。举例来说，在关闭时间TOFF1开始时，电压信号V304大约会维持在-VOUT*NA3/NS3。在电磁能Η释放到为0后，变压器TF3与一些元件寄生电容构成电感电容震荡电路，因此，电磁能Η与电压信号V304开始震荡，直到下一个开关周期的开始，如同图4A所示。
电流ILF在开启时间TON1内，随着时间而上升。电流ILF从关闭时间TOFF1开始，随着时间而减少，直到等于0A。电流ILF可以对操作电源电容CVCC3充电，提高操作电源电压VCC3。
图4B中的开关周期TCYC2显示操作电源电容CVCC3如何停止被充电。开关周期TCYC2跟开关周其TCYC1的主要差异，在于开关周期TCYC2内，斩波开关SWF一直维持关闭。因此，在开关周期TCYC2内，电流ILF一直维持为0电流，没有对操作电源电容CVCC3充电。也因为电流ILF一直维持为0，在开启时间TON2内，图4B中检测电流IDS大约就是等于电磁能Η。
图4C中的开关周期TCYC3显示操作电源电容CVCC3如何被充电。开关周期TCYC3的控制信号SF，显示了斩波开关SWF在整个开关周期TCYC3内，一直维持开启。因为电压信号V304只有在开启时间TON3大于操作电源电压VCC3，所以，在开关周期TCYC3内，检测电流IDS与电流ILF的信号波形，都跟开关周期TCYC1中的检测电流IDS与电流ILF信号波形一样。
图4D中的开关周期TCYC4显示操作电源电容CVCC3如何在开启时间TON4的部分时间被充电。图4D中，控制信号SF的脉冲宽度TSF小于开启时间TON4，而脉冲宽度TSF表示斩波开关SWF的开启时间。相较于图4A中的开关周期TCYC1，图4D中的电流ILF在斩波开关SWF关闭后，就从一峰值开始下降。检测电流IDS也在斩波开关SWF关闭后，就迅速降到等于电磁能Η。
在一实施例中，电源控制器302可以采用模式M1-M3，来粗略地控制操作电源电压VCC3。图5显示一种电源控制器302所采用的控制方法500。在步骤502，电源控制器302比较操作电源电压VCC3与20V。如果操作电源电压VCC3大于20V，步骤506将返驰式电源转换器300操作在图4B的模式M2，不对操作电源电容CVCC3充电。因此，操作电源电压VCC3将会随着时间能量的损耗，而渐渐的降低。在步骤504，电源控制器302比较操作电源电压VCC3与12V。如果操作电源电压VCC3小于12V，步骤508将返驰式电源转换器300操作在图4A的模式M1或图4C的模式M3，在开启时间TON1或TON3时，固定对操作电源电容CVCC3充电，拉高操作电源电压VCC3。如果操作电源电压VCC3在12V到20V之间，返驰式电源转换器300可能操作在模式M1、M2、M3其中之一。控制方法500可以大约地维持操作电源电压VCC3在12V到20V之间。
在一实施例中，电源控制器302可以采用图4D的模式M4，来相对准确地调控操作电源电压VCC3。图6显示一种电源控制器302所采用的控制方法600。控制方法600以控制信号SF作为一脉冲宽度调制信号，来控制斩波开关SWF，使得操作电源电压VCC3大约调控于15V。在步骤602，电源控制器302比较操作电源电压VCC3与15V。如果操作电源电压VCC3大于15V，步骤606将返驰式电源转换器300操作在模式M4，且减少控制信号SF的脉冲宽度TSF，减少提供给操作电源电容CVCC3的电能。如果步骤602发现操作电源电压VCC3小于15V，步骤608将返驰式电源转换器300操作在模式M4，且增加控制信号SF的脉冲宽度TSF，增加提供给操作电源电容CVCC3的电能。控制方法600可以比较准确地调控操作电源电压VCC3在15V。
图5与图6中，控制方法500与600都可以将操作电源电压VCC3控制在低于20V，因此，电源控制器302只要能够耐受20V就可以。如此，电源控制器302可以采用比较简单并便宜的工艺制作。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，凡依本实用新型权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种返驰式电源转换器，其特征在于，包含有：
变压器，具有主绕组、次级侧绕组以及辅助绕组，其中该辅助绕组具有顺向端连接至输入接地线；
主功率开关，该主功率开关与该主绕组串接在输入电源线与该输入接地线之间；
电源控制器，控制该主功率开关，具有电源端；
整流二极管、斩波开关、以及储能电感，串接在该电源端以及该辅助绕组的逆向端之间；以及
操作电源电容，连接在该电源端以及该输入接地线之间，提供该电源控制器的操作电源。
2.如权利要求1所述的返驰式电源转换器，其特征在于，该整流二极管、该斩波开关、以及该储能电感依序串接在该辅助绕组的逆向端与该电源端之间，且该返驰式电源转换器另具有飞轮二极管，连接在该储能电感与该输入接地线之间。
3.如权利要求1所述的返驰式电源转换器，其特征在于，该电源控制器提供脉冲宽度调制信号，来控制该斩波开关，以使该操作电源调控在预设电压值。
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