TW201014139A - Flyback switching power supply and control method thereof - Google Patents

Description

201014139 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種返馳式交換電源供應器及其控制方 法，尤指一種可根據電流調整機制調整工作頻率之返馳式交換 電源供應器及其控制方法。 【先前技術】 © 返馳式交換式電源供應器(Flyback Switching Power Supply， SPS)具有高效率、低耗損、小尺寸及重量輕等優點，因此已被廣 泛地用以作為各種電子產品的電源轉換裝置。請參考第i圖，第i 圖為習知返馳式電源供應器1〇〇之示意圖。整流電路1〇2及濾波 電容105係用來對交流電源供應器1〇1之交流輸入電壓Vac執行 整流濾波處理以產生輸入電壓Vin。變壓器120包含初級繞組 121、次級繞組122及輔助繞組123，其中初級繞組121係用以接 ❹ 收輸入電壓Vin。整流濾波電路170用來對次級繞組122感應之前 置輸出電壓執行整流濾波處理，以產生輸出電壓饋送至負載195。 輸出電壓另可經由回授電路140之訊號處理，以產生回授訊號回 授至開關控制電路130。 電源產生電路190係用來根據辅助繞組U3之感應電流產生 電源電壓VCC供應至開關控制電路130。一般而言，控制訊號Sc 之工作頻率係大致由開關控制電路130根據流經外接之電流設定 * 電阻Rx的頻率設定電流If所設定。如圖所示’因為電流設定電阻 201014139

Rx多為固定的一電阻，所以工作頻率大致上也是一定值。 【發明内容】 依據本發明之實施例’其揭露一種返驰式交換電源供應器， 包含有一變壓器、一開關、一開關控制電路以及一調整電路。該 變壓器包含一初級繞組、一次級繞組及一辅助繞組，其中該初級 繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產生一輸出電壓。該 〇 開關與該初級繞組串接，用以控制流經該初級繞組之一電流。該 開關控制電路具有一頻率控制端，大致工作於一工作頻率，用以 控制該開關，而該工作頻率係受控於流經該頻率控制端之一頻率 設定電流。該調整電路辆接於該辅助繞組與該頻率控制端之間， 用以根據該輔助繞組所產生之一感應電流調整該頻率設定電流。 依據本發明之實施例，其另揭露一種控制方法，適用於一返 ⑩馳式交換電源供應器。該返馳式交換電源供應器包含有一變壓器 及一開關控制電路。該變壓器包含—初級繞組、—次級繞組及一 輔助繞組，其中該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用 來產生-輸出龍，輔職組肋產生—錢電壓。該開_ 制電路具有—解控繼，大致玉作於-卫作鮮，用以控制流 、’Ά級繞組之―電流，而該卫作頻率係受控於流經該頻率控制 端之-辭設定概。該㈣方法係先⑽_繞_產生之一 感應電流調整該頻率設定電流，再根據被調整之該頻率設定電流 * 調整該工作頻率。 8 201014139 【實施方式】 為讓本發明更顯而易懂，下文依本發明之返馳式交換電 源供應器及其控制方法，特舉實施例配合所附圖式作詳細說 明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。 第2圖為本發明返馳式電源供應器之較佳實施例示意圖。如 Q 第2圖所示，返驰式電源供應器200包含整流電路202、濾波電容 205、變壓器220、開關225、整流濾波電路270、回授電路240、 調整電路250、電源產生電路290、以及開關控制電路230。第2 圖之實施例與第1圖之先前技術之間，可以發現的差異有，第2 圖具有一調整電路250 ’耦接於辅助繞組223與開關控制電路230 之間。業界具有通常知識者可知，第2圖中的整流電路202、滤波 電容205、變壓器220、開關225、整流濾波電路270、回授電路 Q 240、電源產生電路290、以及開關控制電路23〇，其功能以及/或 結構，可以類似、等效或是相同於第1圖中的整流電路1〇2、滤波 電容105、變壓器120、開關125、整流濾波電路170、回授電路 M0、電源產生電路190、以及開關控制電路13〇。 在第2圖所示的較佳實施例中，回授電路24〇包含光麵合模 組245 ’所以回授訊號Sfb係以光耦合模式被傳送至開關控制電路 230，用以在輸入端與輸出端之間達到電性隔離的目的。 201014139 第2圖中之開關控制電路23〇具有頻率控制端，控制訊 號Sc之工作頻率係受控於流經頻率控制端231之頻率設定電流

If。電流设疋電阻Rx耦接於頻率控制端231與接地端之間，用以 提供大致固定之電流Ιχ。 調整電路250搞接於輔助繞組223與頻率控制端231之間， 用以根據感應電流Isa提供調整電流Iad。如第2圖所示，頻率設 ❹定電流江係為内定m與調整電流lad之合成電流。換句話說， 調整電流lad即用來調整頻率設定職If，並據以娜控制訊號 Sc之工作頻率。調整電路25〇包含二極體251、第一調整電阻 RacH、稽納二極體253、電容254以及第二調整電阻Rad2。如第 2圖所示，二極體25卜第一調整電阻!^^及稽納二極體2幻係 輛合為-串接電路，亦即’串接電路之各元件的前後输次序並 不影響電路操作。低通濾波器(l〇w_passfilter)，譬如電容Μ*，可 ❹喃接於串接電路與接地端之間’用來執行低通遽波處理。第二 調整電阻Rad2耦接於頻率控制端231與電容254之間，用以控制 調整電流lad之電流值，因此第二調整電阻尺&(12與電流設定電阻 Rx的電阻比例可用來設計調整電路25〇對工作頻率的調整能力。 二極體251使調整電路250於開關225開啟時，感應電壓 Vsa至少為負電壓時，才得以調整頻率設定電流If。稽納二極體 253之反向崩潰稽納電壓係用以設定一負臨界電壓。當輔助繞 組223產生之感應電壓Vsa為低於負臨界電壓vth之負電壓時， 201014139 二極體251順向導通，且稽納二極體253逆向崩潰導通，配合電 容254、第一調整電阻Radi及第二調整電阻Rad2之濾波與電流 調節處理而產生調整電流lad’並進而調整頻率設定電流If以調整 控制訊號Sc之工作頻率。此外，控制訊號Sc之最低工作頻率可 由電流設定電阻Rx之阻抗所設定，用以避免因工作頻率太低而導 致變壓器220發生鐵心飽和現象。控制訊號&之最高工作頻率可 由第二調整電阻Rad2與電流設定電阻之並聯阻抗而定。 ❹ 第3圖為第2圖之返馳式電源供應器測運作於連續模式之 相關訊號波形示意圖，其中橫轴為時間軸。在第3圖中，由上往 下的訊號分別為控制訊號Sc、次級繞組222之次級電流Is、辅助 繞組223之感應電壓Vsa、開關跨壓Vds、以及開關225之開關電 流Ids。請參考第3圖及第2圖，當具低準位電壓之控制訊號& 使開關225截止時，開關電流Ids係為零，此時感應電廢—幾乎 ❹維持在-第-正電壓；開關跨壓Vds幾乎維持在—第二正電壓， 對，容292充電並對開關控制電路23〇供電；而次級電流^則從 -冋電歧漸下降至m當具高雜電壓之控綱號Sc使 開關225導通時，開關跨壓Vds之第二正電壓會先導致開關電流 Ids之-突波電流，其後開關跨麗Vds降為零，而開關電流&則 依初級繞組221之初級電流Ip而從一第一電流逐漸上昇至一第二 電流’此時感應電麼Vsa幾乎維持在一負電壓，至於次級電流k 則因二極體271的逆向阻流作用而幾乎維持在零電流。如第3圖 ，所^於祕式魏供絲運作於連賴式総下，突波電 31 201014139 流所導致的切換功率損耗，相對於開關225導通時之開關電流工 由第-電流至第二電流所導致的損耗，並不顯著。 Ds 第4圖為第2圖之返馳式電源供應器2⑻運作於非連續模 之相關訊號波形示；t®，其巾橫軸树_。請參考第*圖及第2 圖’當具低準位電壓之控制訊號Sc使開關225截止之後，開關電 流IDS係為零，此時感應電壓Vsa先大致維持在電壓Vsa卜而開 ❹關跨壓Vds先大致維持在電壓VDS卜次級電流18則從一高電流逐 漸下降至零電流，然後於時間區段ΔΤ1内維持在零電流。在^級 電流Is為零電流的時間區段ΔΤ1内，會發生諧振現象使感應電壓 Vsa及開關跨壓vDS振盪，而且在振盪的第一週期中，感應電壓 Vsa及開關跨壓Vds均會先快速下降。當感應電壓Vsa因振盈而快 速下降至低於負臨界電壓Vth時，如前所述，因二極體251與稽 納一極體253的導通，調整電路250會些許地增加調整電流ia(j， ❿也就些許地提高頻率設定電流If，進而提高開關控制電路23〇之 工作頻率。若感應電壓Vsa越低，則被調整之工作頻率會越高。 當工作頻率被提高時，具低準位電壓之控制訊號Sc將會提前切換 至兩準位電壓。於設計上，可以適當地透過改變調整電路250中 的70件特徵值，像是電阻值等，使開關225在開關跨壓VDS約於 振蓋第一週期的波谷附近提前導通。亦即，開關225係在開關跨 壓vds的低電壓狀況下導通，因此可顯著降低切換功率損耗。因 為’在開關225即將導通之瞬間，越低的開關跨壓％8便意味著 - 越小的突波電流，也意味著越小的切換功率損耗。 12 201014139 第5圖為第1圖之返馳式電源供應器100運作於非連續模式 之相關訊號波形示意圖’其中橫軸為時間軸。在第5圖中，由上 往下的訊號分別為控制訊號Sc、次級繞組122之次級電流、辅 助繞組123之感應電壓Vsa、開關125之開關跨壓vDS、以及開關 125之開關電流IDS。請參考第5圖及第！圖，當具低準位電壓之 控制訊號Sc使開關125戴止後，開關電流I〇s係為零，此時感應 © 電壓Vsa先大致轉在電壓Vsa2，_關聰Vds先大致維持在 電壓VDS2，次級電流Is則從一高電流逐漸下降至零電流，然後於 時間區段△ T2内維持在零電流。在次級電流Is為零電流的時間區 段△ T2内’會發生諧振現象使感應電壓Vsa及開關跨壓&振盡。 在返馳式電源供應器1〇〇的運作中，開關控制電路13〇係提供固 定工作頻率之控制訊號&。如第5圖所示，開關125由導通至截 止的切換點可能發生在振盪波峰附近，亦即，開關125係在開關 〇 跨壓VDS的高電壓狀況下導通，如此會產生很大的突波電流，進 而導致很高的切換功率損耗。 由上述可知’相較於習知返驰式電源供應器1〇〇，本發明返 驰式電源供應器200在非連續模式的電路運作中，可動態調整開 關由載止至導通的切換點，可以使開關225之切換點發生在振盪 波谷附近’因而達到顯著降低切換功率損耗的目的。 - 在第2圖所示的實施例中，根據稽納二極體253之反向崩潰 13 201014139 稽納電壓所設定之負臨界電壓Vth，係用以在輸入電壓vin為相對 冋賴賊應電壓Vsa在紐総下，錢、電壓Vsa的震盘幅度 會比較大，感應電壓Vsa才會產生足夠的負電壓來致能調整電路 250產生調整電流Iad以降低切換功率損耗。在輸入電壓術為相 對低電壓狀況下’切換功率損耗並不顯著，所以可以選擇不執行 任何電路操作以降低切換功率損耗。在另一實施例中，返馳式電 源供應器200的稽納二極體253係可省略，意味著不論輸入電壓 © Vln的同低’只要運作於非連續献’調整電路即被雜以降低切 換功率損耗。 從第4圖中的波形也可以看出，當開關225開啟導通時，感 應電壓Vsa也疋低於負臨界電壓乂出，所以，調整電路還是會 產生調整電流lad ’對鮮設定電流1£*產生影響，也產生頻率補償 ，動作電谷254與第一調整電阻Radl可以看似一個低通滤波 ❹ 11旦開關225的開啟導通時間太小，或是工作週期(dutycycle) 太小’咖整驗IacH ’㈣錢紐n的存在，雜也會比較 J電谷254與第-調整電阻Radl的值，可以確定較接近滿載輸 出或疋工作週期(dutycycle)比較大時，彳會產生比較大的調整電 流1ad，做出明顯地頻率補償動作。在另一實施例中，電容254可 以去除’而第-調整電阻Radl可以短路，意味著不論工作週期的 大j都會進行類似或是相同的頻率補償動作。在另一實施例中， 第2圖中的稽納二極體253、電容254可以去除，而第一調整電阻 Radi可以短路。 201014139 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發 明任何具有本發明所屬技術領域之通常知識者，在不脫離本發 明之精神和範圍内，當可作各種更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 〇 第1圖為習知返馳式電源供應器之示意圖。 第2圖為本發明返馳式電源供應器之較佳實施例示意圖。 第3圖為第2圖之返馳式電源供應器運作於連續模式之相關訊號 波形示意圖，其中橫軸為時間軸。 第4圖為第2圖之返馳式電源供應器運作於非連續模式之相關訊 號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。 第5圖為第1圖之返馳式電源供應器運作於非連續模式之相關訊 φ 號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。 【主要元件符號說明】 100 、 200 返馳式電源供應器 101 、 201 交流電源供應器 102 、 202 整流電路 105 > 205 濾波電容 120 > 220 變壓器 121 > 221 初級繞組 15 201014139

122 ' 222 次級繞組 123 ' 223 輔助繞組 125 ' 225 開關 130 ' 230 開關控制電路 140 ' 240 回授電路 170 、 270 整流濾波電路 190 ' 290 電源產生電路 195 、 295 負載 231 頻率控制端 245 光耦合模組 250 調整電路 251'271 > 291 二極體 253 稽納二極體 254'272> 292 電容 lad 調整電流 Ids 開關電流 If 頻率設定電流 Ip 初級電流 Is 次級電流 Isa 感應電流 lx 内定電流 Radi 第一調整電阻 16 201014139

Rad2 第二調整電阻 Rx 電流設定電阻 Sc 控制訊號 Sfb 回授訊號 Vac 交流輸入電壓 Vcc 電源電壓 Vds 開關跨壓 VdsI、Vds2、 電壓 Vsal、Vsa2 Vin 輸入電壓 Vsa 感應電壓 Vth 負臨界電壓 △ ΤΙ、ΔΤ2 時間區段 ❿ 17

Claims (1)

1. 201014139 十、申請專利範圍： 1. 一種返馳式交換電源供應器，包含有： 一變壓器，包含一初級繞組、一次級繞組及一輔助繞組，其中 該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產生一 輸出電壓； 一開關，與該初級繞組串接，控制流經該初級繞組之一電流； 0 —開’制電路，具有—頻率控綱’大致王作於-工作頻 率，用以控制該開關，其中該工作頻率係受控於流經該頻 率控制端之一頻率設定電流；以及 一調整電路’祕於該_敝與鋪率控制端之間，用來根 據該辅助繞組所產生之一感應電流調整該頻率設定電流。 2.如請求項1所述之返馳式交換電源供應器，其中該輔助繞組產 纟-感麟壓’當該賴低於—貞臨界賴時，該調整電 路調整該頻率設定電流。 3·如請求項1所述之返馳式交換電職應器，另包含： 1流設定電阻’耦接於賴率㈣端與—電喊之間，用以 設定該頻率設定電流為一預設值。 4.如請求項1所述之返馳式交換電源供絲，其中該調整電路包 含： 串接之一二極體、一第一電阻以及—稽納二極體，其中，該稽 18 201014139 納二極體與該二極體係用以設定該負臨界電壓，該第一電 阻用以大略設定該頻率設定電流之一調整量。 5. 如請求項1所述之返馳式交換電源供絲，射該調整電路包 含： 一二極體’耦接於該辅助繞組；以及 低通濾波器(l〇w_pass fllter)，耦接於該二極體與該頻率栌 © 端之間。 卫 6. 如請求項5所述之返馳式交換電源供應器，其巾該調整 包含： -第-電阻以及―稽納二極體，麟二極體接於該 組與該低财波ϋ之間。 氣 ❹ 7.如睛求項5所述之返馳式交換電源供應器 ，其中該調整電路另 包含- 一第一電阻’麵接於該頻率控制端與該低通濾波器之間。 8’如％求項5所述之返赋交換電源供應器，其中該低通據波器 包含： -電容’ _於該辭控綱與—電源線之間。 、 如％求項1所述之返馳式交換電源供應器，另包含： 19 201014139 一電源產生電路，耦接於該辅助繞組與該開關控制電路之間， 以該感應電流產生一電源電壓，供應至該開關控制電路。 10.如請求項1所述之返馳式交換電源供應器，另包含： 一回授電路’用來根據該輸出電壓產生一回授電壓饋入至該開 關控制電路。 ❹11.-種控制方法，適用於—返喊交換電源供應^，該返驰式交 換電源供應器包含有： 一變壓器，包含一初級繞組、一次級繞組及一辅助繞組，其中 該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產生一 輸出電壓’該輔助繞組用以產生一感應電壓；以及 一開關控制電路，具有一頻率控制端，大致工作於一工作頻 率，用以控制流經該初級繞組之一電流，其中該工作頻率 ❹ 係受控於流經該頻率控制端之一頻率設定電流； 該控制方法包含有： 以該辅助繞組所產生之一感應電流調整該頻率設定電 流；以及 根據被調整之該頻率設定電流調整該工作頻率。 12，如請求項11所述之控制方法另包含： 根據被調整之該工作頻率控制流經該初級繞組之該電流。 20 201014139 13.如請求項11所述之控制方法，另包含： 當該感應電壓大於U設值時，m域應電流對該開關控 制電路供電。 14·如請求項13所述之控制方法’纟中以該輔助繞組所產生之該 感應電流調整该頻率设定電流之步驟包含： 當該感應電壓小於比該第-預設值小之一第二預設值時，以該 感應電流調整該頻率設定電凉^ Μ，如請求項11所述之㈣妓’其中以該卿繞組所產生之該 感應電流調整該頻率設定電流之步驟包含： 當該感應tMm壓時’ μ感應電流調整該頻率設定電 流。

   圖式：