TW201427257A - 主動箝制電路 - Google Patents

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Abstract

一種主動箝制電路，用於反馳式功率轉換器。主動箝制電路包括功率電晶體、電容器、高側電晶體驅動器、電荷泵電路、以及控制器。功率電晶體與電容器串聯以形成主動箝制器。主動箝制器與反馳式功率轉換器的變壓器的一次側線圈並聯。高側電晶體驅動器用來驅動功率電晶體。電荷泵電路耦接電壓源以及高側電晶體驅動器，以提供電源供應至高側電晶體驅動器。控制器產生控制信號來控制高側電晶體驅動器。控制信號根據變壓器的去磁化時間而產生。

Description

主動箝制電路
本發明係關於一種主動箝制電路，其用於操作在非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)以及連續電流模式(continuous current mode，CCM)的反馳式功率轉換器。
功率轉換器可操作在較高的切換頻率下，以減小其變壓器的尺寸。此相關習知技術可以一些專利文件中得知，例如，名稱為”Clamped Continuous Flyback Power Converter”且編號為5,570,278的美國專利、名稱為”Offset Resonance Zero Voltage Switching Flyback Converter”且編號為6,069,803的美國專利，以及名稱為”Active-clamp circuit for quasi-resonant flyback power converter”且編號為20110305048的美國申請案。
因此，本發明的目的在於藉由將變壓器的漏電感能量(leakage inductance’s energy)循環來提高功率轉換器的效率。
本發明提供一種主動箝制電路，用於反馳式功率轉換器。主動箝制電路包括功率電晶體、電容器、高側電晶體驅動器、電荷泵電路、以及控制器。功率電晶體與電容器串聯以形成主動箝制器。主動箝制器與反馳式功率轉換器的變壓器的一次側線圈並聯。高側電晶體驅動器用來驅動功率電晶體。電荷泵電路 耦接電壓源以及高側電晶體驅動器，以提供電源供應至高側電晶體驅動器。控制器產生控制信號來控制高側電晶體驅動器。控制信號根據變壓器的去磁化時間而產生。
第1圖：
10‧‧‧變壓器
15‧‧‧電容器
20‧‧‧主要功率電晶體
25‧‧‧二極體
30‧‧‧功率電晶體
35‧‧‧二極體
40‧‧‧整流器
45‧‧‧電容器
50‧‧‧高側電晶體驅動器
60‧‧‧整流器
65‧‧‧電容器
70‧‧‧二極體
75‧‧‧電荷泵電容器
80、81‧‧‧電阻器
100‧‧‧脈寬調變控制器(PWM)
NA‧‧‧輔助線圈
NP‧‧‧一次側線圈
NS‧‧‧二次側線圈
S1‧‧‧切換信號
S2‧‧‧控制信號
VCC‧‧‧電壓源
VFB‧‧‧回授信號
VIN‧‧‧電壓
VO‧‧‧輸出電壓
VS‧‧‧檢測信號
第2圖：
100‧‧‧脈寬調變控制器
110‧‧‧比較器
111‧‧‧正反器
113‧‧‧反向器
115‧‧‧及閘
120‧‧‧振盪電路(OSC)
200‧‧‧電路
CK‧‧‧時脈信號
PLS‧‧‧脈波信號
RMP‧‧‧斜坡信號
S1‧‧‧切換信號
S2‧‧‧控制信號
VCC‧‧‧電壓源
VFB‧‧‧回授信號
VS‧‧‧檢測信號
第3圖
120‧‧‧振盪電路
125‧‧‧電容器
131、135‧‧‧電流源
132、136‧‧‧開關
141、142、145‧‧‧比較器
151、152‧‧‧反及閘
156、157‧‧‧反向器
158‧‧‧反及閘
CK、CKB‧‧‧時脈信號
PLS‧‧‧脈波信號
RMP‧‧‧斜坡信號
VH、VL‧‧‧觸發點電壓
VM‧‧‧臨界電壓
第4圖：
CK‧‧‧時脈信號
PLS‧‧‧脈波信號
RMP‧‧‧斜坡信號
VH、VL‧‧‧觸發點電壓
VM‧‧‧臨界電壓
第5圖：
200‧‧‧電路
211‧‧‧比較器
215‧‧‧反及閘
241‧‧‧電晶體
242‧‧‧定電流源
247‧‧‧開關
250‧‧‧電容器
251‧‧‧電容器
260‧‧‧緩衝放大器
263、264‧‧‧電阻器
270‧‧‧比較器
271‧‧‧反向器
275‧‧‧及閘
280‧‧‧正反器
300‧‧‧脈波產生器
352‧‧‧延遲電路
PLS‧‧‧脈波信號
RST‧‧‧重置信號
S1‧‧‧切換信號
S2‧‧‧控制信號
SD‧‧‧放電時間信號
SLP‧‧‧傾斜信號
SLS‧‧‧位準偏移信號
SMP‧‧‧取樣信號
VCC‧‧‧電壓源
VS‧‧‧檢測信號
VT‧‧‧臨界值
第6A、6B圖：
300‧‧‧脈波產生器
310‧‧‧電流源
321‧‧‧反向器
322‧‧‧電晶體
325‧‧‧電容器
327‧‧‧反向器
329‧‧‧及閘
IN‧‧‧信號
OUT‧‧‧輸出脈波信號
TP‧‧‧輸出脈波信號OUT的脈寬期間
第7A、7B圖：
352‧‧‧延遲電路
360‧‧‧電流源
361‧‧‧反向器
362‧‧‧電晶體
365‧‧‧電容器
369‧‧‧及閘
INPUT‧‧‧信號
OUTPUT‧‧‧輸出信號
TB‧‧‧延遲時間
第8、9圖：
S1‧‧‧切換信號
S2‧‧‧控制信號
TD‧‧‧延遲時間
TDS‧‧‧放電時間(去磁化時間)
TON‧‧‧切換信號S1的開啟時間
TX‧‧‧期間
VS‧‧‧檢測信號
第1圖表示根據本發明一實施例的反馳式功率轉換器。
第2圖表示第1圖的反馳式功率轉換器中的脈寬調變控制器。
第3圖表示第2圖脈寬調變控制器中的振盪電路。
第4圖表示第3圖的振盪電路中，斜坡信號、時脈信號、以及脈波信號的波形。
第5圖表示第2圖脈寬調變控制器中的電路。
第6A圖表示第5圖的電路中的脈波產生器。
第6B圖表示第6A圖的脈波產生器的信號波形。
第7A圖表示第5圖的電路中的延遲電路。
第7B圖表示第7A圖的延遲電路的主要信號波形。
第8圖表示在連續電流模式下(CCM)的切換信號、控制信號、以及檢測信號的波形。
第9圖表示在非連續電流模式(DCM)下的切換信號、控制信號、以及檢測信號的波形。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1圖係表示根據本發明一實施例的反馳式功率轉換器。在此實施例中，第1圖的功率轉換器為反馳式功率轉換器。電晶體(也稱為主要功率電晶體)20耦接變壓器10的一次側線圈NP，以切換該一次側線圈NP。二極體25與電晶體20並聯。電晶體20用來切換變壓器10，以透過耦接變壓器10的二次側線圈NS的整流器40與電容器45來調整在功率轉換器的輸出端上的輸出電壓VO。脈寬調變(pulse width modulation)控制器(PWM)100產生切換信號S1，其用來驅動電晶體20。切換信號S1係根據回授信號VFB所產生。此回授信號VFB與功率轉換器的輸出電壓VO相關連。變壓器10具有輔助線圈NA，用以透過耦接輔助線圈NA的整流器60以及電容器65來產生電壓源VCC。電壓源VCC提供電力給脈寬調變控制器100。電阻器80與81耦接輔助線圈NA以產生檢測信號VS，且檢測信號VS耦合至脈寬調變控制器100。檢測信號VS表示變壓器10的反射信號。此反射信號具有在變壓器10的去磁化期間(demagnetized period)內的輸出電壓VO的資訊。功率電晶體30與電容器15串聯以形成一主動箝制器。此主動箝制器與變壓器10的一次側線圈NP並聯。二極體35與功率電晶體30並聯，高側電晶體驅動器50用來驅動功率電晶體30。電荷泵電路耦接電壓源VCC以及高側電晶體驅動器50，以提供電源供應給高側電晶體驅動器50。電荷泵電路係由耦接電壓源VCC的二極體70以及與二極體70串聯的電容器(又稱為電荷泵電容器)75所組成。脈寬調變控制器100產生控制信號S2(第2圖所示)，用以控制高側電晶體驅動器50。控制信號S2係根據變壓器10的放電時間(去磁化時間)所產生。一旦切換信號S1關閉(turned off)，控制信號S2將開啟(turned on)。 檢測信號VS係用來檢測變壓器10的放電時間。控制信號S2的脈寬短於變壓器10的放電時間。在此實施例中，主動箝制電路至少係由功率電晶體30、電容器15、高側電晶體驅動器50、二極體70、電容器75、以及脈寬調變控制器100所組成。
第2圖係表示根據本發明一實施例的脈寬調變控制器100。脈寬調變控制器100包括振盪電路(OSC)120，其產生時脈信號CK、斜坡信號RMP、以及脈波信號PLS。時脈信號CK透過反向器113、正反器111、以及及閘115來開啟切換信號S1。比較器110比較斜坡信號RMP以及回授信號VFB以產生一信號來關閉切換信號S1，藉此實現脈寬調變。脈波信號PLS、檢測信號VS、以及切換信號S1耦接電路200，以用來產生控制信號S2。
第3圖係表示根據本發明一實施例的振盪電路120。電流源131與135係分別透過開關132與136來對電容器125進行充電與放電。斜坡信號RMP產生於電容器125。斜坡信號RMP更耦接比較器141、142、與145。比較器141具有觸發點電壓(trip-point voltage)VH。比較器142具有觸發點電壓VL。比較器145具有臨界電壓VM，其中，這些電壓的位準比較為VH>VM>VL。
反及閘151與152形成箝制電路，其接收比較器141與142的輸出信號。此箝制電路以及反向器156與157一起操作來產生時脈信號CK與CKB，其中，時脈信號CK透過反向器157而反向於時脈信號CKB。時脈信號CK係實施來控制開關136，以對電容器125進行放電。時脈信號CKB則是用來控制開關132，以對電容器152充電。比較器145的輸出信號以其時脈信號CK實施至反及閘158以產生脈波信號PLS。
第4圖係表示斜坡信號RMP、時脈信號CK、以及脈波信號PLS的波形。當斜坡信號在兩觸發點電壓VL及VH之間時，脈波信號PLS致能；當斜坡信號RMP下降小於臨界電壓VM且在臨界電壓VM至觸發點電壓VL之間時，脈波信號PLS被除能。
第5圖係表示根據本發明一實施例的電路200。一旦切換信號S1關閉(邏輯低位準)，電容器250將由定電流源242充電且產生傾斜信號SLP。當切換係號S1開啟(邏輯高位準)，電容器250將透過電晶體241放電。當檢測信號VS低於臨界值VT時，比較器211將產生放電時間信號SD。當功率轉換器操作在非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)時，放電時間信號SD表示變壓器10的放電時間的期間。透過反及閘215以及脈波產生器300，放電時間信號SD以及脈波信號PLS用來產生取樣信號SMP以控制開關247，藉以將電容器250的傾斜信號PLS取樣至電容器251。電容器251的信號位準表示變壓器10的放電時間的期間。當功率轉換器操作在連續電流模式(continuous current mode，CCM)時，脈波信號PLS用來判定放電時間。連續電流模式是表示在下一切換週期開始之前，變壓器沒有完全地去磁化。因此，脈波信號PLS係用來在切換信號S1開啟之前產生取樣信號SMP。
另，切換信號S1又透過反向器271、延遲電路(DLY)352、以及正反器280來產生控制信號S2。因此，當切換信號S1關閉時，控制信號S2將在一延遲時間後開啟。電容器251透過緩衝放大器260以及電阻器263以及264來產生位準偏移信號SLS。比較器270比較位準移位信號SLS以及傾斜信號SLP，以在變壓器10的放電時間結束之前產生重置信號RST。重置信號RST以及脈波信號PLS透 過及閘275以及正反器280來關閉控制信號S2。
第6A圖以及第6B圖係表示脈波產生器300的電路以及信號波形。脈波產生器300包括電流源310、反向器321、電晶體322、電容器325、反向器327、以及及閘329。電流源310對電容器325充電。電晶體322用來使電容器325放電。信號IN透過反向器321來控制電晶體322。信號IN更耦接及閘329的一輸入端。及閘329的另一輸入端透過反向器327耦接電容器235。在及閘329的輸出端上產生出脈波信號OUT。輸出脈波信號OUT的脈寬係由電流源321的電流以及電容器325的電容值所決定。在此實施例中，輸入信號IN係提供自第5圖所示的反及閘315的輸出端，且輸出脈波信號OUT係提供來作為第5圖所示的取樣信號SMP。在第6A圖中，輸出脈波信號OUT的脈寬的期間係由TP來表示，如第6B圖所示。
第7A圖以及第7B圖係表示延遲電路352的電路以及信號波形。延遲電路352包括電流源360、反向器361、電晶體362、電容器365、以及及閘369。信號INPUT提供至反向器361以及及閘369的一輸入端。反向器362的輸出端耦接電晶體362的閘極。電晶體362的汲極以及電容器的一端耦接及閘369的另一輸入端，更耦接電流源360。電晶體362的源極以及電容器365的另一端耦接接地端。輸出信號OUTPUT產生於閘極369的輸出端。信號OUTPUT係根據信號INPUT的上升緣而在一延遲時間TB(顯示於第6B圖)後致能。延遲時間TB係根據電流源360所提供的電流值以及電容器365的電流值來決定。在此實施例中，輸入信號IN係提供自第5圖所示的反向器271的輸出端，且輸出脈波信號OUTPUT係提供至第5圖的正反器280。
第8圖係表示在連續電流模式下(CCM)的切換信號S1、控制信號S2、以及檢測信號VS的波形。當切換信號S1關閉時，控制信號S2將在一延遲時間TD後開啟。延遲時間TD的期間係由第5圖中的延遲電路352所決定。控制信號S2的脈寬僅是放電時間(去磁化時間)TDS的期間的一百分比。此百分比以及期間TX係由第5圖中電阻器263以及264的衰減比例所決定。如第8圖所示，在放電時間(去磁化時間)TDS結束之前，控制信號S2關閉。換句話說，在變壓器10完全地去磁化之前，控制信號S2關閉。期間TON係表示切換信號S1的開啟時間。
第9圖係表示在非連續電流模式(DCM)下的切換信號S1、控制信號S2、以及檢測信號VS的波形。當切換信號S1關閉時，控制信號S2將在延遲時間TD之後開啟。延遲時間TD的期間係由第5圖中的延遲電路352所決定。控制信號S2的脈寬僅是放電時間(去磁化時間)TDS的期間的一百分比。此百分比以及期間TX係由第5圖中電阻器263以及264的衰減比例所決定。如第9圖所示，在放電時間(去磁化時間)TDS結束之前，控制信號S2關閉。換句話說，在變壓器10完全地去磁化之前，控制信號S2關閉。期間TON係表示切換信號S1的開啟時間。
根據上述實施例，先前切換週期的放電時間(去磁化時間)的期間決定了控制信號S2的脈寬。此外，對於連續電流模式以及非連續電流模式而言，在切換信號S1的開啟之前，控制信號S2將關閉。功率轉換器的效率的提高可藉由將變壓器的漏電感能量(leakage inductance’s energy)循環至功率轉換器的輸出來實現。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。
10‧‧‧變壓器
15‧‧‧電容器
20‧‧‧主要功率電晶體
25‧‧‧二極體
30‧‧‧功率電晶體
35‧‧‧二極體
40‧‧‧整流器
45‧‧‧電容器
50‧‧‧高側電晶體驅動器
60‧‧‧整流器
65‧‧‧電容器
70‧‧‧二極體
75‧‧‧電荷泵電容器
80、81‧‧‧電阻器
100‧‧‧脈寬調變控制器(PWM)
NA‧‧‧輔助線圈
NP‧‧‧一次側線圈
NS‧‧‧二次側線圈
S1‧‧‧切換信號
S2‧‧‧控制信號
VCC‧‧‧電壓源
VFB‧‧‧回授信號
VIN‧‧‧電壓
VO‧‧‧輸出電壓
VS‧‧‧檢測信號

Claims (7)

  1. 一種主動箝制電路，用於一反馳式功率轉換器，包括：一功率電晶體，與一電容器串聯以形成一主動箝制器，其中，該主動箝制器與該反馳式功率轉換器的一變壓器的一次側線圈並聯；一高側電晶體驅動器，驅動該功率電晶體；一電荷泵電路，耦接一電壓源以及該高側電晶體驅動器，以提供一電源供應至該高側電晶體驅動器；以及一控制器，產生一控制信號來控制該高側電晶體驅動器；其中，該控制信號根據該變壓器的一去磁化時間而產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝制電路，其中，該控制器更產生一切換信號以控制該反馳式功率轉換器的一主要功率電晶體，藉此對該反馳式功率轉換器的一輸出電壓進行調整，以及該主要功率電晶體用來切換該便壓器的該一次側線圈。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之主動箝制電路，其中，一旦該切換信號關閉，該控制信號在一延遲時間後開啟。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝制電路，其中，該控制信號的脈寬係根據該變壓器的該去磁化時間來決定。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝制電路，其中，該控制信號的脈寬為該變壓器的該去磁化時間的一百分比。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝制電路，其中，在 該變壓器完全地去磁化之前，該控制信號關閉。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝制電路，其中，該電荷泵電路包括：一二極體，耦接該電壓源；以及一電荷泵電容器，與該二極體串聯；其中，該電荷泵電容器耦接該高側電晶體驅動器。
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