TW201414167A - 結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器及其運作方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器及其運作方法，其中所述之控制器係包含：一變壓器、一開關單元、一負載偵測單元及一控制單元，且變壓器具有一次側繞圈及二次側繞圈。所述之二次側繞圈並聯於一負載，開關單元電性耦接於一次側繞圈，以及負載偵測單元電性耦接於開關單元並用以偵測負載現象。控制單元電性耦接於開關單元與負載偵測單元之間，並依據所偵測之負載現象切換於準諧振運作模式與連續導通運作模式之間。

Description

結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器及其運作 方法

本發明係大體上關於控制器及其運作方法，特別係關於具有準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，並依據負載現象切換準諧振運作模式及連續導通運作模式兩種模式間之運作方法。

隨著時代的進步，電子產品已經廣泛的應用於人類的生活之中。然而，由於能源短缺的問題日益嚴重之故，人們越來越重視電子產品的使用效率。

反馳式轉換器(Flyback Converter)具有成本低、電路架構簡單、並且容易達到多組輸出等優點，經常被使用於輔助電源設計上以供應整個系統之電源需求。

反馳式轉換器的電路架構係屬於具有隔離特性的升降壓轉換器電路，並利用磁性元件產生磁電感以儲存及釋放磁能，達到能量轉換之目的。

傳統之應用於反馳式轉換器之控制器係藉由開關元件(例如：電晶體元件等)切換於連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)與不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)間之方式運作，舉例而言，利用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制技術等硬性切換方式來進行切換。然而，以此方式進行切換時，會於反馳式轉換器中之功率開關(例如：電晶體元件等)存在寄生元件、以及變壓器中存在寄生電感等問題，因此，導 致功率開關於切換瞬間電壓或電流不為零等現象。並且，由於電壓或電流的瞬間變化，還會產生大量的雜訊干擾等現象。

因此，逐漸發展出以柔性切換方式之準諧振反馳轉換器(Quasi-Resonant Flyback Converter)。所謂之柔性切換方式，係指當半導體開關元件執行導通或截止的短暫期間中，減少流過開關上的電流或減少開關兩端的電壓，達到減少開關切換時的損失，並抑制湧浪電流(Surge Current)的產生。也因此，與應用於傳統之反馳式轉換器之控制器的連續導通模式及不連續導通模式相比，準諧振反馳轉換器於開關導通時的切換損耗更低，因而能達到提高效率並降低元件溫度之效果。然而，僅利用準諧振反馳轉換器運作時，變壓器之利用率仍然有所限制，且變壓器之體積亦相當巨大。

本發明提出結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，無載至標準載之間時，控制器係以準諧振模式控制，標準載至最大載之間時，控制係以連續導通運作模式控制，此控制方式增加變壓器的利用率，並可有效地縮小變壓器的體積。

因此，本發明之目的在於增加變壓器之利用率；以及，本發明之另一目的在於有效地縮小變壓器的體積。

為了達到上述之目的，本發明提供一種結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，其包含：一變壓器、 一開關單元、一負載偵測單元及一控制單元，且變壓器具有一次側繞圈及二次側繞圈。所述之二次側繞圈並聯於一負載，開關單元電性耦接於一次側繞圈，以及負載偵測單元電性耦接於開關單元並用以偵測負載現象。控制單元電性耦接於開關單元與負載偵測單元之間，並依據所偵測之負載現象切換於準諧振運作模式與連續導通運作模式之間。

此外，本發明亦提供一種結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之運作方法，係包含下列步驟：首先，偵測連接於控制器之一負載現象；及依據此負載現象切換控制器之運作模式於準諧振運作模式及連續導通運作模式之間。

於本發明之一些實施例中，所述之開關單元係為場效電晶體，特別係為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。

於本發明之一些實施例中，所述之控制單元係為積體電路(Integrated Circuit,IC)晶片。

於本發明之一些實施例中，所述之控制器係應用於反馳轉換器。

於本發明之一些實施例中，當所偵測之負載現象為電流時，則負載偵測單元係包含：一電阻及一電流偵測電路，其中電阻串聯連接於開關單元，且電流偵測電路之一端連接至電阻與開關單元之間，而另一端連接於控制單元。於本發明之另一些實施例中，當所偵測之負載現象為功率 時，則負載偵測單元係為一功率偵測電路，其一端連接至開關單元，而另一端連接於控制單元。

於本發明之一些實施例中，當負載現象為無載至標準載之間時，係將控制器切換至準諧振運作模式；及當負載現象為標準載至最大載之間時，係將控制器切換至連續導通運作模式。其中，所述之準諧振運作模式係為改變工作周期並改變頻率之運作方式；及連續導通運作模式係為改變工作周期並固定頻率之運作方式。

另外，於本發明之一些實施例中，所述之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器進一步包含一零交叉偵測電路，係連接於控制單元。因此，於準諧振運作模式下，降低開關切換於截止至導通下的切換損失。

綜上所述，本發明所揭露之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器及其運作方法係致使控制器同時具有準諧振運作模式及連續導通運作模式，並透過切換控制器於準諧振運作模式與連續導通運作模式間，以達到於連續導通運作模式下增加變壓器利用率，並於準諧振運作模式下減少開關切換於截止至導通下的切換損失。

下方之詳細說明係包含本發明之實施例等實施方式之範例並搭配圖式來進行說明，這些圖式應理解為範例之說明，而非用以限制本發明。同樣地，使用於此之圖式元件符號於一或多個「實施例」係用以理解包含於本發明中至少一實施方式所描述之特定架構、結構或特徵。因此，如 「於一實施例中」或「於另一實施例中」等用語在此係用以描述本發明之各種不同實施例及實施方式，而非必須參照於同一實施例，不過，這些實施例亦不應視為彼此相互排斥。

之後所詳細描述之實施例及細節係包含圖式之說明，其可被描述於下方之一些實施例中或全部實施例中，係如同在此所呈現發明概念之其他潛在之實施例或實施方式。本發明之實施例的概述係提供如下之詳細說明，並請參照圖式來說明。

本發明之主要觀點係為結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器及其運作方法，主要係依據負載現象來切換於兩種模式間。透過偵測負載現象判定負載為輕載或重載的方式來將轉換器切換於連續導通運作模式及準諧振運作模式間。當偵測負載現象為輕載時，則令控制器以準諧振運作模式運作，反之，當偵測負載現象為重載時，則令控制器以連續導通運作模式運作。如此，則可除去兩種模式之缺點，並保留其優點。

更佳的是，結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器更可以提高其內部之變壓器利用率，以及可以有效地縮小變壓器之體積。

首先，請參閱第1圖，係顯示本發明之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之一實施例之架構示意圖。其中，控制器100係包含：一變壓器101、一開關單元103、一負載偵測單元105及一負載109。

變壓器101具有一次側繞圈1011及二次側繞圈1013，負載109並聯於二次側繞圈1013，且開關單元103電性耦接於一次側繞圈1011。並且，負載偵測單元105電性耦接與開關單元103及控制單元107，以及控制單元107電性耦接與開關單元103。

在此須說明的是，於此圖式中僅繪示與本發明相關之重要元件，是為了讓圖式達到簡潔、明確之目的，因此，其他相關輔助元件並未繪製於此圖式中。然而，對於本領域中具有通常知識者而言，理應可藉由本發明所揭露之圖式輕易理解此圖式中尚具有其他之輔助元件，並得以據以實施。

本發明之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之運作方法請參閱第2圖所示之流程示意圖來說明。

首先，連接一負載109至控制器100(步驟201)。

在此須說明的是，於本發明中，所述負載109係可為任一種電子產品(例如：手機或電腦等)，透過本發明所揭露之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器以獲取電能。因此，在此所述之負載109並非固定之負載量，而是隨著不同電子產品而會有所變動。此外，即使是相同之電子產品，在進行不同之運作下其負載量亦會發生變動，因此，於本發明中所描述之負載109之種類僅用以說明，而非用以限制。

接著，偵測負載現象(步驟203)，於此步驟中，即為利 用負載偵測單元105來偵測連接於控制器100之負載現象。

開關單元103與負載偵測單元105電性耦接，且開關單元103連接於變壓器101之一次側繞圈1011，因此，負載偵測單元105則可於控制器100運作時，同步偵測負載109之負載現象。

並且，負載偵測單元105電性耦接於控制單元107，因此，負載偵測單元105所偵測到之負載現象則會傳送至控制單元107。

於本發明之一些實施例中，所述之控制單元107係為積體電路(Integrated Circuit,IC)晶片，但並不以此為限。

因此，控制單元107會依據負載偵測單元105所偵測之負載現象來判定控制器100之運作模式(步驟205)。

當負載現象為無載至標準載之間(步驟207)，則控制單元107就會切換開關單元103於準諧振運作模式(步驟209)。反之，當負載現象為標準載至最大載之間(步驟211)，則控制單元107就會切換開關單元103於連續導通運作模式(步驟213)。

於本實施例中，所述之準諧振運作模式係為改變工作周期並改變頻率之運作方式；以及連續導通運作模式係為改變工作周期並固定頻率之運作模式。

因此，控制器100透過負載偵測單元105偵測負載109之負載現象，並將所偵測之負載現象傳送至控制單元107，由控制單元107依據負載現象為無載至標準載之間，則切換開關單元103為準諧振運作模式，以提昇整體電路 效能；而負載現象為標準載至最大載之間時，則切換開關單元103為連續導通運作模式，用以降低一次側繞圈1011之電流峰值，並且降低對鐵心磁通密度的影響進而提升變壓器101之利用率。

舉例而言，若變壓器101於準諧振運作模式提供標準輸出功率，則切換至連續導通運作模式時，變壓器101會於相同的體積下提供更大功率。因此，透過結合準諧振運作模式及連續導通運作模式即可有效地提升變壓器101之利用率。

接著，請參閱第3圖，係顯示結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之另一實施例之架構示意圖。於本實施例中，控制器300係應用於一反馳式轉換器。

需說明的是，控制器300與第1圖所示之相同或相似元件，為了讓說明簡潔、清楚，在此則不再贅述。

控制器300大致上包含一變壓器301、場效電晶體303、功率偵測電路305、控制單元307、負載309及零交叉偵測電路(Zero Crossing Detection Circuit)311。

其中，變壓器301與第1圖所示之變壓器101相同，亦具有一次側繞圈3011及二次側繞圈3013。於本實施例中，二次側繞圈3013係與二極體D1及電容C1串聯連接，而負載309則與電容C1並聯連接。

再者，一次側繞圈3011之一端耦接於場效電晶體303，而另一端則耦接於電容C2。

場效電晶體303與第1圖所示之開關單元103係為相 似之開關元件。於本發明之一些實施例中，所述場效電晶體303係為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。

另外，功率偵測電路305與第1圖所示之負載偵測單元105則為相似之元件。因此，功率偵測電路305則可用以偵測負載309之功率。再者，控制單元307則與第1圖所示之控制單元107係為相似之元件，同樣地，功率偵測電路305之一端連接於場效電晶體303，而另一端則連接於控制單元307。

因此，功率偵測電路305所偵測到負載309之功率則會傳送至控制單元，則控制單元307即依據所偵測到之功率來決定負載309為無載至標準載之間、或是標準載至最大載之間。舉例而言，若控制器之無載至標準載之間，則當功率偵測電路305偵測到標準載以下的功率時，控制單元307就會令控制器300透過場效電晶體303切換至準諧振運作模式下運作，而當功率偵測電路305偵測到最大負載下的功率時，控制單元307會令控制器300透過場效電晶體303切換至連續導通運作模式下運作。

另外，零交叉偵測電路311電性耦接於控制單元307。其中，零交叉偵測電路311主要偵測開關於截止時的跨壓電壓波谷，進而將開關導通，可降低切換損失。於本實施例中，零交叉偵測電路311主要是於準諧振運作模式時所應用。也就是說，藉由波谷切換達到減少切換損失之效果。

於本實施例中，零交叉偵測電路311亦電性連接一二 極體D2及另一一次側繞圈。然而，須說明的是，在此所述之二極體D2及另一一次側繞圈等電子元件，對於本領域中具有通常知識者而言，皆可依據實際需求而增加其他元件、或刪減，而不應有所限制。

因此，控制器300透過功率偵測電路305偵測負載309之負載功率，並將所偵測之負載功率傳送至控制單元307，由控制單元307依據負載功率判定為無載至標準載之間時，切換場效電晶體303至準諧振運作模式，於此模式中，係具有零交叉偵測電路降低切換損失；而判定負載功率為標準載至最大載之間時，切換場效電晶體303至連續導通運作模式，用以降低一次側繞圈3011之電流峰值，並且降低對鐵心磁通密度的影響進而提升變壓器301之利用率。

接著，請參閱第4圖，係顯示本發明之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之再一實施例之架構示意圖。於本實施例中，控制器400與第3圖所示之控制器300相同或相似之元件，為了簡潔、明確之故，則不再贅述，僅敘述差異之處。

於本實施例中，所述之控制器400係應用於一反馳式轉換器。

控制器400大致上包含一變壓器401、場效電晶體403、電阻4051、電流偵測電路4053、控制單元407、負載409及零交叉偵測電路411。

其中，變壓器401與第1圖所示之變壓器101及第3 圖所示之變壓器301相同，亦具有一次側繞圈4011及二次側繞圈4013。於本實施例中，與第3圖所示之控制器300相同，二次側繞圈4013係與二極體D1’及電容C1’串聯連接，而負載409則與電容C1’並聯連接。

再者，一次側繞圈4011之一端耦接於場效電晶體403，而另一端則耦接於電容C2’。

場效電晶體403與第3圖所示之場效電晶體303係為相同之開關元件。於本發明之一些實施例中，所述之場效電晶體403係為金氧半場效電晶體，但並不以此為限。

於本實施例中，對應於第1圖所示之負載偵測單元105之功能，係由電阻4051及電流偵測電路4053之組合所達成。其中，電阻4051係串聯於場效電晶體403，且電流偵測電路4053之一端連接至電阻4051與場效電晶體403之間，而另一端連接於控制單元407。

因此，於本實施例中，透過電流偵測電路4053量測電阻4051之電流，可推得負載409之電流狀況(即負載現象)，之後，在將此電流狀況傳送至控制單元407，並由控制單元407判定控制器400此電流狀況為無載至標準載之間、或是標準載至最大載之間，依據判定之結果，透過場效電晶體403切換於準諧振運作模式與連續導通運作模式之間。

其中，控制單元407與第1圖所示之控制單元107及第3圖所示之控制元件307係為相似之元件，在此則不再贅述。

另外，零交叉偵測電路411電性耦接於控制單元407。其中，零交叉偵測電路411係與第3圖所示之零交叉偵測電路311為相似之元件，則不再贅述。因此，藉由零交叉偵測電路411於準諧振運作模式下，以降低一次側開關元件(即場效電晶體407)之切換損失，甚至可以降低二次側之整流元件之切換損失。

同樣地，於本實施例中，零交叉偵測電路411亦電性連接一二極體D2’及另一一次側繞圈。並且，須說明的是，在此所述之二極體D2’及另一一次側繞圈等電子元件，對於本領域中具有通常知識者而言，皆可依據實際需求而增加其他元件、或刪減，而不應有所限制。

因此，控制器400透過電阻4051與電流偵測電路4053之組合偵測負載409之負載電流，並將所偵測之負載電流傳送至控制單元407，由控制單元407依據負載電流判定為無載至標準載之間時，切換場效電晶體403至準諧振運作模式；而判定負載功率為標準載至最大載之間時，切換場效電晶體403至連續導通運作模式，用以降低一次側繞圈4011之電流峰值，並且降低對鐵心磁通密度的影響進而提升變壓器401之利用率。

綜上所述，本發明所揭露之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器及其運作方法係令控制器同時具有準諧振運作模式及連續導通運作模式，並透過切換控制器於準諧振運作模式與連續導通運作模式間，以達到於連續導通運作模式下增加變壓器利用率，並於準諧振運作模 式下提高整體電路效能。更佳的是，亦可有效地縮小變壓器之體積，以達到縮小整體控制器之體積之效果。

除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。

100‧‧‧控制器

101‧‧‧變壓器

1011‧‧‧一次側繞圈

1013‧‧‧二次側繞圈

103‧‧‧開關單元

105‧‧‧負載偵測單元

107‧‧‧控制單元

109‧‧‧負載

201~213‧‧‧步驟

300‧‧‧控制器

301‧‧‧變壓器

3011‧‧‧一次側繞圈

3013‧‧‧二次側繞圈

303‧‧‧場效電晶體

305‧‧‧功率偵測電路

307‧‧‧控制單元

309‧‧‧負載

311‧‧‧零交叉偵測電路

400‧‧‧控制器

401‧‧‧變壓器

4011‧‧‧一次側繞圈

4013‧‧‧二次側繞圈

403‧‧‧場效電晶體

4051‧‧‧電阻

4053‧‧‧電流偵測電路

407‧‧‧控制單元

409‧‧‧負載

411‧‧‧零交叉偵測電路

第1圖係顯示本發明之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之一實施例之架構示意圖。

第2圖係顯示本發明之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之運作方法之流程示意圖。

第3圖係顯示本發明之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之另一實施例之架構示意圖。

第4圖係顯示本發明之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之再一實施例之架構示意圖。

100‧‧‧控制器

101‧‧‧變壓器

1011‧‧‧一次側繞圈

1013‧‧‧二次側繞圈

103‧‧‧開關單元

105‧‧‧負載偵測單元

107‧‧‧控制單元

109‧‧‧負載

Claims (10)

1. 一種結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，係包含：一變壓器，具有一一次側繞圈與一二次側繞圈，其中該二次側繞圈係並聯一負載；一開關單元，電性耦接於該一次側繞圈；一負載偵測單元，電性耦接於該開關單元，並用以偵測該負載之一現象；及一控制單元，電性耦接於該開關單元與該負載偵測單元之間，並依據所偵測之該負載之該現象切換於準諧振運作模式與連續導通運作模式之間。
2. 如請求項第1項所述之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，其中該開關單元係為一金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。
3. 如請求項第1項所述之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，其中當所偵測該負載之該現象為電流時，該負載偵測單元包含：一電阻，串聯連接於該開關單元；及一電流偵測電路，其一端連接至該電阻與該開關單元之間，及另一端連接於該控制單元。
4. 如請求項第1項所述之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，其中當所偵測該負載之該現象為功率時，則該負載偵測單元為一功率偵測電路，其一端連接至該開關單元，及另一端連接於該控制單元。
5. 如請求項第1項所述之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，進一步包含：一零交叉偵測電路，電性耦接於該控制單元。
6. 如請求項第1項所述之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，其中該控制單元係為一積體電路(Integrated Circuit,IC)晶片。
7. 如請求項第1項所述之結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器，其中該結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器係應用於一反馳式轉換器。
8. 一種結合準諧振運作模式及連續導通運作模式之控制器之運作方法，係包含下列步驟：偵測連接於該控制器之一負載現象；及依據該負載現象切換該控制器之運作模式於準諧振運作模式及連續導通運作模式之間。
9. 如請求項第8項所述之運作方法，其中當該負載現象為 無載至標準載之間時，係切換至準諧振運作模式；及當該負載現象為標準載至最大載之間時，係切換至連續導通運作模式。
10. 如請求項第8項所述之運作方法，其中該準諧振運作模式係為改變工作周期並改變頻率之運作方式；及該連續導通運作模式係為改變工作周期並固定頻率之運作方式。