TW201703413A - 以反馳式架構為基礎的電源轉換裝置 - Google Patents

Abstract

一種電源轉換裝置，其包括反馳式電源轉換電路、控制晶片以及偵測輔助電路。反馳式電源轉換電路用以對輸入電壓進行轉換，藉以產生直流輸出電壓。控制晶片用以產生脈寬調變訊號以控制反馳式電源轉換電路的運作。偵測輔助電路於脈寬調變訊號的致能期間內輔助控制晶片透過多功能偵測接腳取得第一偵測電壓，藉以根據第一偵測電壓執行過電流偵測。此外，偵測輔助電路於脈寬調變訊號的禁能期間內輔助控制晶片透過多功能偵測接腳取得第二偵測電壓，藉以根據第二偵測電壓執行谷值電壓偵測。

Description

以反馳式架構為基礎的電源轉換裝置

本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種以反馳式架構為基礎(flyback-based)的電源轉換裝置。

電源轉換裝置(power conversion apparatus)主要的用途乃是將電力公司所提供之高壓且低穩定性的輸入電壓(input voltage)轉換成適合各種電子裝置(electronic device)使用的低壓且穩定性較佳的直流輸出電壓(DC output voltage)。因此，電源轉換裝置廣泛地應用在電腦、辦公室自動化設備、工業控制設備以及通訊設備等電子裝置中。

現今電源轉換裝置中的控制架構(control structure)大多採用脈寬調變控制晶片(pulse width modulation control chip,PWM control chip)。而且，為了要保護電源轉換裝置免於受到過電壓(over voltage,OV)以及過電流(over current,OC)等等的現象而損毀，現今脈寬調變控制晶片大多會設置獨立的多只偵測接腳(detection pin)以各別執行過電流保護(OCP)、谷值電壓偵測 (valley voltage detection)以及過電壓保護(OVP)等偵測保護機制。換言之，現今脈寬調變控制晶片的單一只偵測接腳頂多只能對應到一種相關的功能偵測而已，因此在現今的脈寬調變控制晶片的架構下整體的成本難以降低。

有鑒於此，本發明提供一種以反馳式架構為基礎(flyback-based)的電源轉換裝置，藉以解決先前技術所述及的問題。

本發明的電源轉換裝置包括反馳式電源轉換電路、控制晶片以及偵測輔助電路。反馳式電源轉換電路用以接收輸入電壓，並且反應於脈寬調變訊號而對輸入電壓進行轉換，藉以產生直流輸出電壓，並且將直流輸出電壓提供給負載。控制晶片耦接反馳式電源轉換電路，用以產生脈寬調變訊號以控制反馳式電源轉換電路的運作，其中控制晶片具有多功能偵測接腳(multi-function detection pin)。偵測輔助電路耦接反馳式電源轉換電路與控制晶片的多功能偵測接腳。偵測輔助電路於脈寬調變訊號的致能期間內輔助控制晶片透過多功能偵測接腳取得第一偵測電壓，藉以根據第一偵測電壓執行過電流偵測。偵測輔助電路於脈寬調變訊號的禁能期間內輔助控制晶片透過多功能偵測接腳取得第二偵測電壓，藉以根據第二偵測電壓執行谷值電壓偵測。

在本發明一實施例中，控制晶片包括控制主體電路、過 電流偵測電路以及谷值電壓偵測電路。控制主體電路用以作為控制晶片的運作核心，並且反應於電源供應需求而產生脈寬調變訊號。過電流偵測電路耦接於多功能偵測接腳與控制主體電路之間，用以於脈寬調變訊號的致能期間，反應於第一偵測電壓而執行過電流偵測，並據以提供第一偵測結果給控制主體電路，其中控制主體電路反應於第一偵測結果而決定是否啟動過電流保護機制。谷值電壓偵測電路耦接於多功能偵測接腳與控制主體電路之間，用以於脈寬調變訊號的禁能期間，反應於第二偵測電壓而執行谷值電壓偵測，並據以提供第二偵測結果給控制主體電路，其中控制主體電路反應於第二偵測結果而決定是否致能脈寬調變訊號。

在本發明一實施例中，於脈寬調變訊號的致能期間內，過電流偵測電路比較第一偵測電壓與過電流參考電壓，若過電流偵測電路判定第一偵測電壓大於等於過電流參考電壓，則發出指示發生過電流之第一偵測結果，以及若過電流偵測電路判定第一偵測電壓小於過電流參考電壓，則發出指示未發生過電流之第一偵測結果。

在本發明一實施例中，當控制主體電路接收到指示發生過電流的第一偵測結果時，控制主體電路啟動過電流保護機制，藉以停止輸出脈寬調變訊號，以及當控制主體電路接收到指示未發生過電流的第一偵測結果時，控制主體電路關閉過電流保護機制，藉以恢復輸出脈寬調變訊號。

在本發明一實施例中，於脈寬調變訊號的禁能期間內，谷值電壓偵測電路比較第二偵測電壓與谷值參考電壓，若谷值電壓偵測電路判定第二偵測電壓大於等於谷值參考電壓，則發出指示未發生諧振之第二偵測結果，以及若谷值電壓偵測電路判定第二偵測電壓小於谷值參考電壓且達到預設期間，則發出指示發生諧振之第二偵測結果。

在本發明一實施例中，當控制主體電路接收到指示未發生諧振的第二偵測結果時，控制主體電路將脈寬調變訊號維持於禁能準位，以及當控制主體電路接收到指示發生諧振的第二偵測結果時，控制主體電路將脈寬調變訊號調整至致能準位。

在本發明一實施例中，控制主體電路更依據脈寬調變訊號的頻率來定義遮蔽期間，控制主體電路於遮蔽期間內不進行依據第二偵測結果判斷是否調整脈寬調變訊號的準位的動作。

在本發明一實施例中，控制晶片更具有回授接腳。控制晶片從回授接腳取得關聯於負載狀態的回授電壓，並且控制晶片更包括壓控震盪電路。壓控震盪電路用以依據回授電壓產生時脈調整訊號，使得控制主體電路依據時脈調整訊號調整脈寬調變訊號的頻率，其中控制主體電路更依據時脈調整訊號設定遮蔽期間的長度。

在本發明一實施例中，控制晶片更包括過電壓偵測電路。過電壓偵測電路耦接於多功能偵測接腳與控制主體電路之間，用以於脈寬調變訊號的禁能期間，反應於第二偵測電壓而執 行過壓/欠壓偵測，並據以提供第三偵測結果給控制主體電路，其中控制主體電路反應於第三偵測結果而決定是否啟動過壓/欠壓保護機制。

在本發明一實施例中，於脈寬調變訊號的禁能期間內，過電壓偵測電路判斷第二偵測電壓是否位於工作電壓範圍內，若過電壓偵測電路判定第二偵測電壓位於工作電壓範圍外，則發出指示發生過壓/欠壓之第三偵測結果，以及若過電壓偵測電路判定第二偵測電壓位於工作電壓範圍內，則發出指示未發生過壓/欠壓之第三偵測結果。

在本發明一實施例中，當控制主體電路接收到指示發生過壓/欠壓的第三偵測結果時，控制主體電路啟動過壓/欠壓保護機制，藉以停止輸出脈寬調變訊號，以及當控制主體電路接收到指示未發生過壓/欠壓的第三偵測結果時，控制主體電路關閉過壓/欠壓保護機制，藉以恢復輸出脈寬調變訊號。

在本發明一實施例中，過電壓偵測電路會在延遲期間後才進行判斷第二偵測電壓是否位於工作電壓範圍的動作。

在本發明一實施例中，過電壓偵測電路更依據取樣時脈訊號以預設時間間隔取樣第二偵測電壓，並且判斷取樣到的第二偵測電壓是否位於工作電壓範圍內，再依據判斷結果而產生計數值，其中過電壓偵測電路比較計數值與臨界值，若過電壓偵測電路判定計數值達到臨界值，則發出指示發生過壓/欠壓之第三偵測結果，以及若過計數值未達到臨界值，則發出指示未發生過壓/欠 壓之第三偵測結果。

在本發明一實施例中，反馳式電源轉換電路包括變壓器、功率開關、第一電阻、第一二極體、電容以及第二二極體。變壓器具有主線圈、次線圈以及輔助線圈，其中主線圈的異名端用以接收輸入電壓，輔助線圈的異名端耦接第一接地端，並且次線圈的異名端耦接第二接地端。功率開關其第一端耦接主線圈的童明端，且其控制端耦接控制晶片以接收脈寬調變訊號。第一電阻的第一端耦接功率開關的第二端以及多功能偵測接腳，且第一電阻的第二端耦接至第一接地端。第一二極體的陽極耦接次線圈的同名端，且第一二極體的陰極輸出直流輸出電壓。電容耦接於第一二極體的陰極與第二接地端之間。第二二極體的陽極耦接輔助線圈的同名端，且第二二極體的陰極輸出直流系統電壓給控制晶片。

在本發明一實施例中，偵測輔助電路包括第三二極體以及第二電阻。第三二極體的陽極耦接輔助線圈的同名端與第二二極體的陽極。第二電阻的第一端耦接第三二極體的陰極，且第二電阻的第二端耦接多功能偵測接腳。

基於上述，本發明實施例提出的電源轉換裝置，其可通過偵測輔助電路的作用，藉由共用同一只多功能偵測接腳的配置方式，令控制晶片可同時實現多種不同的控制及偵測保護功能。如此一來，控制晶片之單一只多功能偵測接腳不僅可對應到多種相關的功能偵測及控制方式，更可最終地降低控制晶片整體的成 本。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧電源轉換裝置

110‧‧‧反馳式電源轉換電路

120‧‧‧控制晶片

122‧‧‧控制主體電路

124‧‧‧過電流偵測電路

126‧‧‧谷值電壓偵測電路

128‧‧‧過電壓偵測電路

129‧‧‧壓控震盪電路

130‧‧‧偵測輔助電路

140‧‧‧回授電路

C1、Cout‧‧‧電容

Cf‧‧‧濾波電容

Ct‧‧‧計數值

CLKa‧‧‧時脈調整訊號

CLKs‧‧‧取樣時脈訊號

D1、D2、D3‧‧‧二極體

DET1、DET2、DET3‧‧‧偵測結果

D_PIN‧‧‧驅動接腳

FB_PIN‧‧‧回授接腳

GND1、GND2‧‧‧接地端

GND_PIN‧‧‧接地接腳

LD‧‧‧負載

M_PIN‧‧‧多功能偵測接腳

Na‧‧‧輔助線圈

Np‧‧‧主線圈

Ns‧‧‧次線圈

PC‧‧‧光耦合器

P_PIN‧‧‧電源接腳

Q‧‧‧功率開關

R1、R2、R3、R4、R5‧‧‧電阻

Rf‧‧‧濾波電阻

U1‧‧‧穩壓器

Spwm‧‧‧脈寬調變訊號

T‧‧‧變壓器

Tdly‧‧‧延遲期間

Tg‧‧‧預設時間間隔

Ton‧‧‧脈寬調變訊號的致能期間

Toff‧‧‧脈寬調變訊號的禁能期間

Tp‧‧‧預設期間

Tsh‧‧‧遮蔽期間

Vaux‧‧‧輔助電壓

Vd‧‧‧偵測電壓

Vd1‧‧‧第一偵測電壓

Vd2‧‧‧第二偵測電壓

Vdsamp‧‧‧取樣電壓

Vfb‧‧‧回授電壓

Vov‧‧‧上限電壓

Vuv‧‧‧下限電壓

Vvalley‧‧‧谷值參考電壓

VCC‧‧‧直流系統電壓

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧直流輸出電壓

VR‧‧‧工作電壓範圍

Vref‧‧‧過電流參考電壓

圖1為本發明一實施例的電源轉換裝置的示意圖。

圖2為依照圖1之一實施例的電源轉換裝置的電路示意圖。

圖3為本發明一實施例的控制晶片的功能方塊示意圖。

圖4A為本發明一實施例的電源轉換裝置於功率開關導通期間之等效電路示意圖。

圖4B為本發明一實施例的電源轉換裝置於功率開關截止期間之等效電路示意圖。

圖5A為本發明一實施例的電源轉換裝置的訊號時序示意圖。

圖5B為本發明另一實施例的電源轉換裝置的訊號時序示意圖。

為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1為本發明一實施例的電源轉換裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例的電源轉換裝置100係以反馳式架構為基礎(flyback-based)，其中電源轉換裝置100包括反馳式電源轉換電路110、控制晶片120以及偵測輔助電路130。

在本實施例中，反馳式電源轉換電路110用以接收輸入電壓VIN，並且反應於來自控制晶片120的脈寬調變訊號(pulse width modulation signal,PWM signal)Spwm而對輸入電壓VIN進行電源轉換，藉以產生直流輸出電壓VOUT與直流系統電壓(DC system voltage)VCC，其中直流輸出電壓VOUT會被提供給一負載(未繪示)並且直流系統電壓VCC會並提供作為控制晶片120的供電來源。

控制晶片120耦接反馳式電源轉換電路110，其可用以操作於反馳式電源轉換電路110所產生的直流系統電壓VCC下，並且反應於所述負載的電源供應需求而產生脈寬調變訊號Spwm以控制反馳式電源轉換電路110的運作。其中，控制晶片120具有多只接腳，例如多功能偵測接腳(multi-function detection pin)M_PIN、回授接腳(feedback pin)FB_PIN等，控制晶片120可從所述接腳分別接收電源轉換裝置100的運作資訊，藉以做為調整所輸出的脈寬調變訊號Spwm的依據。

偵測輔助電路130耦接反馳式電源轉換電路110與控制晶片120的多功能偵測接腳M_PIN，其可用以輔助控制晶片120擷取關聯於反馳式電源轉換電路110的運作狀態資訊(例如輸入 電壓VIN及電路諧振情形等)。

此外，在本實施例中，電源轉換裝置100還可選擇性地包括回授電路140。回授電路140耦接於控制晶片120的回授接腳FB_PIN與反馳式電源轉換電路110的輸出端之間，其可用以取樣二次側之輸出端上的直流輸出電壓VOUT，並且將取樣到的電壓資訊耦合回一次側以提供給控制晶片120，使得控制晶片120可根據回授接腳FB_PIN上的電壓而判斷與反馳式電源轉換電路110之輸出端耦接的負載的負載狀態，並據以調整脈寬調變訊號Spwm的禁/致能期間。

更清楚來說，圖2為依照圖1之一實施例的電源轉換裝置的電路示意圖。請合併參照圖1與圖2，本實施例的電源轉換裝置100例如用以驅動負載LD，其中負載LD可例如為任何類型之電子裝置，本發明不對此加以限制。

在本實施例中，反馳式電源轉換電路110包括變壓器T、功率開關Q(圖式係繪示為N型功率開關為例，但不僅限於此)、電阻R1、二極體D1與D2以及輸出電容Cout。控制晶片120具有驅動接腳D_PIN、多功能偵測接腳M_PIN、回授接腳FB_PIN、電源接腳P_PIN以及接地接腳GND_PIN。偵測輔助電路130包括二極體D3、電阻R2、濾波電阻Rf以及濾波電容Cf。回授電路140包括電阻R3、R4、R5、C1、穩壓器U1以及光耦合器PC。

在反馳式電源轉換電路110中，變壓器T具有主線圈(primary winding)Np、次線圈(secondary winding)Ns以及輔 助線圈(auxiliary winding)Na。在本實施例中，一次側電路(主線圈Np與輔助線圈Na的一側)是以接地端GND1作為電壓參考點，並且二次側電路(次線圈Ns的一側)則是以接地端GND2作為電壓參考點。其中，接地端GND1與GND2可以是相同或不同的接地面，本發明不對此加以限制。

變壓器T的主線圈Np的同名端(common-polarity terminal，即打點處)耦接功率開關Q，並且變壓器T的主線圈Np的異名端(opposite-polarity terminal，即未打點處)用以接收輸入電壓VIN。變壓器T的次線圈Ns的同名端耦接二極體D1，並且變壓器T的次線圈Ns的異名端耦接至二次側的接地端GND2。變壓器T的輔助線圈Na的同名端耦接二極體D2與D3，並且變壓器T的輔助線圈Na的異名端則耦接至一次側的接地端GND1。

功率開關Q的第一端(於此為汲極)耦接變壓器T的主線圈Np的同名端，功率開關Q的第二端(於此為源極)耦接電阻R1的第一端，並且功率開關Q的控制端(於此為閘極)則用以接收來自控制晶片120的脈寬調變訊號Spwm。

電阻R1的第一端耦接功率開關Q的第二端，並且電阻R1的第二端耦接接地端GND1。二極體D1的陽極(anode)耦接變壓器T的次線圈Ns的同名端，並且二極體D1的陰極(cathode)則用以產生直流輸出電壓VOUT以提供給負載LD。輸出電容Cout的第一端耦接二極體D1的陰極，並且輸出電容Cout的第二端則 耦接至接地端GND2。二極體D2的陽極耦接變壓器T之輔助線圈Na的同名端，並且二極體D2的陰極則用以產生直流系統電壓VCC。

在控制晶片120中，其驅動接腳D_PIN耦接至功率開關Q的控制端，藉以提供脈寬調變訊號Spwm來控制功率開關Q的導通/截止。控制晶片120的多功能偵測接腳M_PIN耦接電阻Rf的第一端，藉以接收偵測電壓Vd。控制晶片120的回授接腳FB_PIN耦接至回授電路140的輸出端以接收指示負載LD狀態的回授電壓Vfb。控制晶片120的電源接腳P_PIN耦接至二極體D2的陰極以接收直流系統電壓VCC。控制晶片120的接地接腳GND_PIN則耦接至接地端GND1。

在偵測輔助電路130中，二極體D3的陽極耦接變壓器T的輔助線圈Na的同名端。電阻R2的第一端耦接二極體D3的陰極，並且電阻R2的第二端耦接多功能偵測接腳M_PIN。濾波電阻Rf的第一端耦接電阻R2的第二端與多功能偵測接腳M_PIN，並且濾波電阻Rf的第二端耦接電阻R1的第一端。濾波電容Cf的第一端耦接濾波電阻Rf的第一端、電阻R2的第二端以及多功能偵測接腳M_PIN，並且濾波電容Cf的第二端耦接接地端GND1。在本實施例中，電阻R1上的電壓可透過由濾波電阻Rf與濾波電容Cf所組成的低通濾波電路(low pass filter)，被反應在濾波電容Cf與濾波電阻Rf的第一端上，以作為偵測電壓Vd提供給控制晶片120。

在回授電路140中，電阻R3的第一端耦接二極體D1的陰極與負載LD。電阻R4的第一端耦接電阻R3的第二端，並且電阻R4的第二端耦接接地端GND2。電阻R5的第一端耦接光耦合器PC之輸入側的第一端，並且電阻R5的第二端耦接電阻R3的第一端。穩壓器U1耦接於光耦合器PC之輸入側的第二端與接地端GND2之間，並且穩壓器U1的控制端耦接電阻R3的第二端與電阻R4的第一端(即，節點NC)，並且反應於節點NC上的電壓進行穩壓操作。電容C1耦接於穩壓器U1的第一端與控制端之間。其中，光耦合器PC會協同於穩壓器U1的運作而依據直流輸出電壓VOUT在其輸出側產生關聯於負載LD之負載狀態的回授電壓Vfb給控制晶片120，以令控制晶片120可依據回授電壓Vfb作為控制功率開關Q的依據。於此，回授電路僅係示例性的架構，本發明不僅限於此。

詳細而言，在電源轉換裝置100處於正常運作下，控制晶片120會反應於負載LD的電源供應需求而對應地產生脈寬調變訊號Spwm以控制反馳式電源轉換電路110的運作。在此條件下，當功率開關Q反應於控制晶片120所產生的脈寬調變訊號Spwm而導通(turned on)時，輸入電壓VIN會跨接於變壓器T的主線圈Np，以至於變壓器T的主線圈Np的電感電流會線性增加而進行儲能。與此同時，在次線圈Ns側，由於受到二極體D1的逆向偏壓阻隔，所以變壓器T的次線圈Ns將無電流通過。另外，在輔助線圈Na側，由於受到二極體D2與D3的逆向偏壓阻隔，所以 變壓器T的輔助線圈Na也無電流通過。

另一方面，當功率開關Q反應於控制晶片120所產生的脈寬調變訊號Spwm而截止(turned off)時，基於楞次定律(Lenz's law)，變壓器T的主線圈Np所儲存的能量會轉移至變壓器T的次線圈Ns與輔助線圈Na。與此同時，由於二極體D1處於順向偏壓導通，所以轉移至變壓器T的次線圈Ns的能量將會對輸出電容Cout進行充電，並且供應直流輸出電壓VOUT給負載(電子裝置)。另外，轉移至變壓器T的輔助線圈Na的能量將會透過二極體D2而供應直流系統電壓VCC給控制晶片120。

由此可知，基於控制晶片120所產生的脈寬調變訊號PWM而交替地導通與截止功率開關Q的運作方式，電源轉換裝置100即可持續地供應直流輸出電壓VOUT與直流系統電壓VCC。

於此附帶一提的是，本實施例的偵測輔助電路130雖以繪示包括有二極體D3為例，但本發明不以此為限。二極體D3是用以提供較佳之逆向電流阻絕的作用，在其他範例實施例中，不包含二極體D3之偵測輔助電路130架構(即，電阻R2直接耦接至輔助線圈Na的同名端)同樣可以實現阻絕逆向電流並且輔助控制晶片120取得對應的偵測電壓Vd的功能。

除此之外，在本實施例中，透過偵測輔助電路130的作用，控制晶片120可僅依據偵測電壓Vd在脈寬調變訊號Spwm之致能期間與禁能期間下的變化，即可判斷出電源轉換裝置100是否有過電流、過電壓、低電壓或電路諧振等情形發生。

具體而言，偵測輔助電路130會於脈寬調變訊號Spwm的致能期間內輔助控制晶片120透過多功能偵測接腳M_PIN取得第一偵測電壓Vd1，藉以令控制晶片120可根據第一偵測電壓Vd1執行過電流偵測。另一方面，偵測輔助電路130會於脈寬調變訊號Spwm的禁能期間內輔助控制晶片120透過多功能偵測接腳M_PIN取得第二偵測電壓Vd2，藉以令控制晶片120可根據第二偵測電壓Vd2執行谷值電壓偵測。

基此，本實施例的控制晶片120僅需透過單一的多功能偵測接腳M_PIN即可同時實現多種不同的電源偵測及保護的控制機制。如此便可在不增加控制晶片120之接腳數量的前提下，確保電源轉換裝置100的運作穩定性。

底下先以圖3來說明控制晶片120的功能配置，再搭配圖4A與圖4B的等效電路來具體說明電源轉換裝置100在脈寬調變訊號Spwm的致能期間與禁能期間內的運作。其中，圖3為本發明一實施例的控制晶片的功能方塊示意圖。

請先參照圖3，本實施例的控制晶片120包括控制主體電路122、過電流偵測電路124、谷值電壓偵測電路126、過電壓偵測電路128以及壓控震盪電路129。

控制主體電路122用以作為控制晶片120的運作核心，並且反應於電源供應需求而產生脈寬調變訊號Spwm。

過電流偵測電路124耦接於多功能偵測接腳M_PIN與控制主體電路122之間。過電流偵測電路124會在脈寬調變訊號 Spwm的致能期間內被啟用(enable)，藉以反應於第一偵測電壓Vd1而執行過電流偵測，並據以提供指示是否發生過電流之偵測結果DET1給控制主體電路122。藉此，控制主體電路122即可反應於偵測結果DET1而決定是否啟動過電流保護機制。

谷值電壓偵測電路126耦接於多功能偵測接腳M_PIN與控制主體電路122之間。谷值電壓偵測電路126會在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間內被啟用，藉以反應於第二偵測電壓Vd2而執行谷值電壓偵測，並據以提供指示諧振情形之偵測結果給控制主體電路122。藉此，控制主體電路122即可反應於偵測結果DET2而決定是否致能脈寬調變訊號Spwm，從而導通或截止功率開關Q。

過電壓偵測電路128耦接於多功能偵測接腳M_PIN與控制主體電路122之間。過電壓偵測電路128會在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間內被啟用，藉以反應於第二偵測電壓Vd2而執行過壓/欠壓偵測，並據以提供指示直流輸出電壓VOUT是否位於額定的工作電壓範圍內之偵測結果DET3給控制主體電路122。藉此，控制主體電路122即可反應於偵測結果DET3而決定是否啟動過壓/欠壓保護機制。

壓控震盪電路129耦接於回授接腳FB_PIN與控制主體電路122之間。壓控震盪電路129可用以依據從回授接腳FB_PIN所接收到的回授電壓Vfb來產生一對應的時脈調整訊號CLKa，使得控制主體電路122可依據時脈調整訊號CLKa來調整脈寬調變訊 號Spwm的頻率。換言之，由於回授電壓Vfb的大小係指示負載LD的輕重，因此控制主體電路122是可以依據負載LD的輕重而決定脈寬調變訊號Spwm的頻率。

舉例來說，在負載LD操作在重載的情況下，壓控震盪電路129會依據較高的回授電壓Vfb而對應的產生頻率較高的時脈調整訊號CLKa，使得控制主體電路122依據時脈調整訊號CLKa而將脈寬調變訊號Spwm的頻率調高；相反地，在負載LD操作在輕載的情況下，壓控震盪電路129則會依據較低的回授電壓Vfb而對應的產生頻率較低的時脈調整訊號CLKa，使得控制主體電路122依據時脈調整訊號CLKa而將脈寬調變訊號Spwm的頻率調低。

除此之外，在一範例實施例中，控制主體電路122還可依據壓控振蕩電路129所產生的時脈調整訊號CLKa來設定一段遮蔽期間，使得控制主體電路122可根據負載狀態來調變谷值電壓偵測的動作，從而降低整體電源轉換的功率浪費。此部份容後再述。

底下以圖4A與圖4B的等效電路架構搭配圖5A的訊號時序來說明電源轉換裝置100在功率開關Q的導通期間(即，脈寬調變訊號Spwm的致能期間Ton)與截止期間(即，脈寬調變訊號Spwm的截止期間Toff)的等效電路及運作。其中，圖4A為本發明一實施例的電源轉換裝置於功率開關導通期間之等效電路示意圖。圖4B為本發明一實施例的電源轉換裝置於功率開關截止期 間之等效電路示意圖。圖5A為本發明一實施例的電源轉換裝置的訊號時序示意圖。

請同時參照圖2、圖4A及圖5A，在脈寬調變訊號Spwm的致能期間Ton內(於此例如為高準位之期間，但不僅限於此)，功率開關Q會反應於致能的脈寬調變訊號Spwm而導通。此時，電源轉換裝置100會在輸入電壓VIN與接地端GND1之間，經由變壓器T的主線圈Np、功率開關Q以及電阻R1形成一導通路徑。主線圈Np會反應於輸入電壓VIN與接地端GND1之間的壓差而儲能，從而令流經此導通路徑的電感電流逐漸上升。與此同時，電阻R1上的電壓也會反應於逐漸上升的電流而在脈寬調變訊號Spwm的致能期間Ton內逐漸上升。

除此之外，在脈寬調變訊號Spwm的致能期間Ton內，輔助線圈Na會感應於主線圈Np的跨壓而產生為負壓的輔助電壓Vaux，其中輔助電壓Vaux之電壓值係依據輸入電壓VIN與主線圈Np和輔助線圈Na之間的線圈比所決定。於此，負壓的輔助電壓Vaux會使得二極體D2與D3處於逆向偏壓的狀態，從而造成偵測輔助電路130可等效為開路。基此，濾波電阻Rf的第一端會反應於電阻R1上的電壓變化而產生對應的第一偵測電壓Vd1並且傳遞到控制晶片120。

另外，在控制晶片120中，谷值電壓偵測電路126以及過電壓偵測電路128會在脈寬調變訊號Spwm的致能期間Ton內被停用(disable)，而僅有過電流偵測電路124會繼續運作。因此， 電源轉換裝置100在脈寬調變訊號Spwm的致能期間Ton的等效電路可如圖4A所示。

具體而言，在脈寬調變訊號Spwm的致能期間Ton內，過電流偵測電路124會比較第一偵測電壓Vd1與過電流參考電壓Vref。若過電流偵測電路124判定第一偵測電壓Vd1大於等於過電流參考電壓Vref，則表示此時可能有過電流的情形發生。故此時過電流偵測電路124會發出指示發生過電流之偵測結果DET1給控制主體電路122。當控制主體電路122接收到指示發生過電流的偵測結果DET1時，控制主體電路122會啟動過電流保護機制，藉以停止輸出脈寬調變訊號Spwm(亦即，將脈寬調變訊號Spwm切換至禁能準位\低準位)。

另一方面，若過電流偵測電路124判定第一偵測電壓Vd1小於過電流參考電壓Vref，則表示此時並無過電流的情形發生。故此時過電流偵測電路124會發出指示未發生過電流之偵測結果DET1給控制主體電路122。當控制主體電路122接收到指示未發生過電流的偵測結果DET1時，控制主體電路122會關閉過電流保護機制。

在本發明一範例實施例中，所述過電流偵測電路124可以利用比較器(未繪示)的架構來實現，但本發明不僅限於此。更具體地說，在以比較器實現過電流偵測電路124的實施範例下，比較器的正輸入端可通過多功能偵測接腳M_PIN耦接至濾波電阻Rf的第一端，藉以接收第一偵測電壓Vd1，並且比較器的負輸入 端可接收過電流參考電壓Vref。基此，比較器即可依據第一偵測電壓Vd1與過電流參考電壓Vref的比較結果產生對應的偵測結果DET1給控制主體電路122。

另一方面，在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間Toff內(於此例如為低準位之期間，但不僅限於此)，功率開關Q會反應於禁能的脈寬調變訊號Spwm而截止。此時，變壓器T的主線圈Np所儲存的能量會轉移至變壓器T的次線圈Ns與輔助線圈Na，使得二極體D1反應於次線圈Ns的跨壓而處於順向偏壓導通的狀態，並且使得二極體D2與D3反應於輔助電壓Vaux而處於順向偏壓導通的狀態。

換言之，在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間Toff內，偵測輔助電路130可被等效為耦接於輔助線圈Na與多功能偵測接腳M_PIN之間的電阻R2，因此第二偵測電壓Vd2是由輔助電壓Vaux對電阻R1及濾波電阻Rf之和(即，R1+Rf)與R2之分壓所決定。

另外，在控制晶片120中，過電流偵測電路124會在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間Toff內被停用，而僅有谷值電壓偵測電路126及過電壓偵測電路128會繼續運作。因此，電源轉換裝置100在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間Toff的等效電路可如圖4B所示。

其中，在變壓器T的主線圈Np所儲存的能量轉移結束之前，第二偵測電壓Vd2會反應於輔助電壓Vaux而維持在一穩定電壓值上。所述穩定電壓值係依據直流輸出電壓VOUT之電壓值與 次線圈Ns和輔助線圈Na之間的線圈比所決定。

在此期間內，過電壓偵測電路128可依據關聯於直流輸出電壓VOUT之第二偵測電壓Vd2的大小來判斷電源轉換裝置100的運作是否有過壓或欠壓的問題。

具體而言，過電壓偵測電路128可在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間Toff內判斷第二偵測電壓Vd2是否位於工作電壓範圍VR內，其中所述工作電壓範圍VR是依據上限電壓Vov與下限電壓Vuv所定義出(數值可由設計者自行設計，本發明不以此為限)。若過電壓偵測電路128判定第二偵測電壓Vd2大於上限電壓Vov或小於下限電壓Vuv(亦即，位於工作電壓範圍VR外)，則過電壓偵測電路128會發出指示發生過壓/欠壓之偵測結果DET3。此時控制主體電路122會反應於所接收到的偵測結果DET3而啟動過壓/欠壓保護機制，藉以停止輸出脈寬調變訊號Spwm，或調降脈寬調變訊號Spwm的頻率。

相反地，若過電壓偵測電路128在脈寬調變訊號Spwm的禁能期間Toff內判定第二偵測電壓Vd2位於工作電壓範圍VR內，則過電壓偵測電路128會發出指示未發生過壓/欠壓之偵測結果DET3，使得控制主體電路122反應於所接收到的偵測結果而關閉過壓/欠壓保護機制，藉以恢復輸出脈寬調變訊號Spwm。

附帶一提的是，在本發明的一實施範例中，為了避免在功率開關Q切換期間所可能產生的過衝(overshoot)或下衝(undershoot)電壓而造成過電壓偵測電路128發生誤判，所述過 電壓偵測電路128可經設定而在一延遲期間Tdly(可由設計者依設計考量自行定義，本發明不以此為限)後才進行判斷第二偵測電壓Vd2是否位於工作電壓範圍VR內的動作，藉以提高過壓/欠壓偵測的準確性。但本發明不僅限於此。

接著，在變壓器T的主線圈Np所儲存的能量轉移結束之後，主線圈Np和功率開關Q的寄生電容與主線圈Np中的電感將會開始產生諧振，並且主線圈Np上的諧振訊號會被感應至次線圈Ns側與輔助線圈Na側，使得第二偵測電壓Vd2的電壓波形在峰值(peak)與谷值(valley)之間來回震盪之訊號形式。

在此期間內，為了降低功率開關Q因諧振所造成的切換損耗(switching loss)，谷值電壓偵測電路126可通過判斷第二偵測電壓Vd2是否小於一谷值參考電壓Vvalley的方式來得知電源轉換裝置100是否發生諧振，其中控制主體電路122會在電源轉換裝置100開始發生諧振並且諧振訊號到達谷值時致能功率開關Q，藉以提高電源轉換裝置100的轉換效率。

更具體地說，谷值電壓偵測電路126會比較第二偵測電壓Vd2與谷值參考電壓Vvalley。若谷值電壓偵測電路126判定第二偵測電壓Vd2大於等於谷值參考電壓Vvalley，則表示電源轉換裝置100尚未發生諧振(或稱諧振訊號尚未到達谷值)，因此谷值電壓偵測電路126會發出指示未發生諧振之偵測結果DET2。當控制主體電路122接收到指示未發生諧振的偵測結果DET2時，控制主體電路122會將脈寬調變訊號Spwm維持於禁能準位/低準位。

一般而言，在第二偵測電壓Vd2發生諧振的情況下，由於輔助線圈Na的異名端耦接至接地端GND1，因此反應至第二偵測電壓Vd2的諧振訊號中，低於接地端GND1準位的訊號將會被箝位在接地端GND1的準位。如此一來，谷值電壓偵測電路126僅能根據第二偵測電壓Vd2低於谷值參考電壓Vvalley時，判斷諧振訊號即將降至谷值，而並無法直接判斷出真正的谷值。

因此，在本實施例中，谷值電壓偵測電路126會基於諧振頻率(可依據主線圈Np和功率開關Q的寄生電容值與主線圈Np中的電感值得出)而計算出諧振訊號的谷值出現的時間，並將此時間做為預設時間Tp。其中，谷值電壓偵測電路126會在判定第二偵測電壓Vd2小於谷值參考電壓Vvalley且達到預設期間Tp時，才發出指示發生諧振之偵測結果DET2，使得控制主體電路122反應於偵測結果DET2而將脈寬調變訊號Spwm調整至致能準位/高準位，如此便可在諧振訊號趨近於谷值時切換功率開關Q。

除此之外，為了避免在輕載時因為諧振頻率較高，使得脈寬調變訊號Spwm過於頻繁的切換而造成功率浪費，在本發明的一範例實施例中，控制主體電路122還可依據脈寬調變訊號Spwm的頻率來定義遮蔽期間(如Tsh)，其中控制主體電路122會在所定義出的遮蔽期間Tsh內不進行依據偵測結果DET2判斷是否調整脈寬調變訊號Spwm的準位的動作。

舉例來說，如圖5A所示，本實施例的控制主體電路122可依據壓控震盪電路129所產生的時脈調整訊號CLKa而定義出 遮蔽期間Tsh。由於在遮蔽期間Tsh內，控制主體電路122不會依據偵測結果DET2來調整脈寬調變訊號Spwm的準位，因此脈寬調變訊號Spwm不會在第二偵測電壓Vd2的第一個波谷時即切換為致能準位，而是會在遮蔽期間Tsh之後，才依據第二偵測電壓Vd2的第二個波谷位置來將脈寬調變訊號Spwm切換為致能準位，藉以導通功率開關Q。藉此，控制主體電路122即可基於負載LD的輕重來決定要在諧振訊號的第幾個波谷時才進行功率開關Q的切換。

圖5B為本發明另一實施例的電源轉換裝置的訊號時序示意圖。請同時參照圖4B與圖5B，為了提高過電壓偵測的準確性，本實施例的過電壓偵測電路128可進一步地依據一取樣時脈訊號CLKs以一預設時間間隔Tg來取樣第二偵測電壓Vd2，其中過電壓偵測電路128會判斷取樣到的第二偵測電壓Vd2是否位於工作電壓範圍VR內，再依據判斷結果產生一計數值Ct。過電壓偵測電路128會在計數值Ct達到一臨界值時判定直流輸出電壓VOUT發生過壓/欠壓，並且據以產生對應的偵測結果DET3給控制主體電路122。

舉例來說，過電壓偵測電路128會在取樣時脈訊號CLKs致能時對第二偵測電壓Vd2進行取樣，並且得到一取樣電壓Vdsamp。過電壓偵測電路128會將取樣電壓Vdsamp分別與上限電壓Vov及下限電壓Vuv進行比較，藉以判斷取樣電壓Vdsamp是否位於工作電壓範圍VR內。

如圖5B所示，假設本實施例係將判定過電/欠壓發生之臨界值設定為3。在脈寬調變訊號Spwm的第一至第三個週期中，過電壓偵測電路128會判定取樣電壓Vdsamp大於上限電壓Vov，並且在每一週期中逐步將計數值Ct從0累計至3。

在脈寬調變訊號Spwm的第一與第二個週期中，由於計數值Ct還未達到臨界值，故於此期間內過電壓偵測電路128仍會產生指示未發生過壓/欠壓的偵測結果DET3給控制主體電路122。因此，控制主體電路122於此期間內還不會觸發過壓/欠壓保護機制。

當計數值Ct達到3時，過電壓偵測電路128會判定直流輸出電壓VOUT發生過壓，並且產生指示發生過壓的偵測結果DET3給控制主體電路122，使得控制主體電路122反應於偵測結果DET3而觸發過壓保護機制，藉以停止輸出脈寬調變訊號Spwm，或者調降脈寬調變訊號Spwm的頻率，直至第二偵測電壓Vd2再次降回工作電壓範圍VR內(具體作法並不再此限)。

於此值得一提的是，雖然上述實施例皆係以同時應用三種不同的電源保護機制(過電流偵測、過電壓偵測、谷值電壓偵測)作為範例來說明，但本發明不僅限於此。在其他實施例中，所述電源轉換裝置100亦可僅應用過電流偵測與谷值電壓偵測的電源保護機制，而不利用同一只多功能偵測接腳M_PIN來實現過電壓偵測。換言之，只要是透過偵測輔助電路的作用，以同一只多功能偵測接腳M_PIN來同時實現過電流偵測與谷值電壓偵測的 電源轉換裝置，皆屬本發明所欲保護之範疇，於此合先敘明。

綜上所述，本發明實施例提出的電源轉換裝置，其可通過偵測輔助電路的作用，藉由共用同一只多功能偵測接腳的配置方式，令控制晶片可同時實現多種不同的控制及偵測保護功能。如此一來，控制晶片之單一只多功能偵測接腳不僅可對應到多種相關的功能偵測及控制方式，更可最終地降低控制晶片整體的成本。

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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電源轉換裝置

110‧‧‧反馳式電源轉換電路

120‧‧‧控制晶片

130‧‧‧偵測輔助電路

140‧‧‧回授電路

FB_PIN‧‧‧回授接腳

M_PIN‧‧‧多功能偵測接腳

Spwm‧‧‧脈寬調變訊號

VCC‧‧‧直流系統電壓

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧直流輸出電壓

Claims (17)

1. 一種電源轉換裝置，包括：一反馳式電源轉換電路，用以接收一輸入電壓，並且反應於一脈寬調變訊號而對該輸入電壓進行轉換，藉以產生一直流輸出電壓，並且將該直流輸出電壓提供給一負載；一控制晶片，耦接該反馳式電源轉換電路，用以產生該脈寬調變訊號以控制該反馳式電源轉換電路的運作，其中該控制晶片具有一多功能偵測接腳(multi-function detection pin)；以及一偵測輔助電路，耦接該反馳式電源轉換電路與該控制晶片的該多功能偵測接腳，其中，該偵測輔助電路於該脈寬調變訊號的一致能期間內輔助該控制晶片透過該多功能偵測接腳取得一第一偵測電壓，藉以根據該第一偵測電壓執行一過電流偵測，以及該偵測輔助電路於該脈寬調變訊號的一禁能期間內輔助該控制晶片透過該多功能偵測接腳取得一第二偵測電壓，藉以根據該第二偵測電壓執行一谷值電壓偵測。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中該控制晶片包括：一控制主體電路，用以作為該控制晶片的一運作核心，並且反應於一電源供應需求而產生該脈寬調變訊號；一過電流偵測電路，耦接於該多功能偵測接腳與該控制主體電路之間，用以於該脈寬調變訊號的該致能期間，反應於該第一 偵測電壓而執行該過電流偵測，並據以提供一第一偵測結果給該控制主體電路，其中該控制主體電路反應於該第一偵測結果而決定是否啟動一過電流保護機制；以及一谷值電壓偵測電路，耦接於該多功能偵測接腳與該控制主體電路之間，用以於該脈寬調變訊號的該禁能期間，反應於該第二偵測電壓而執行該谷值電壓偵測，並據以提供一第二偵測結果給該控制主體電路，其中該控制主體電路反應於該第二偵測結果而決定是否致能該脈寬調變訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述的電源轉換裝置，其中於該脈寬調變訊號的該致能期間內，該過電流偵測電路比較該第一偵測電壓與一過電流參考電壓，若該過電流偵測電路判定該第一偵測電壓大於等於該過電流參考電壓，則發出指示發生過電流之該第一偵測結果，以及若該過電流偵測電路判定該第一偵測電壓小於該過電流參考電壓，則發出指示未發生過電流之該第一偵測結果。
4. 如申請專利範圍第3項所述的電源轉換裝置，其中當該控制主體電路接收到指示發生過電流的該第一偵測結果時，該控制主體電路啟動該過電流保護機制，藉以停止輸出該脈寬調變訊號，以及當該控制主體電路接收到指示未發生過電流的該第一偵測結果時，該控制主體電路關閉該過電流保護機制，藉以恢復輸出該脈寬調變訊號。
5. 如申請專利範圍第2項所述的電源轉換裝置，其中於該脈寬調變訊號的該禁能期間內，該谷值電壓偵測電路比較該第二偵 測電壓與一谷值參考電壓，若該谷值電壓偵測電路判定該第二偵測電壓大於等於該谷值參考電壓，則發出指示未發生諧振之該第二偵測結果，以及若該谷值電壓偵測電路判定該第二偵測電壓小於該谷值參考電壓且達到一預設期間，則發出指示發生諧振之該第二偵測結果。
6. 如申請專利範圍第5項所述的電源轉換裝置，其中當該控制主體電路接收到指示未發生諧振的該第二偵測結果時，該控制主體電路將該脈寬調變訊號維持於一禁能準位，以及當該控制主體電路接收到指示發生諧振的該第二偵測結果時，該控制主體電路將該脈寬調變訊號調整至一致能準位。
7. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置，其中該控制主體電路更依據該脈寬調變訊號的頻率來定義一遮蔽期間，該控制主體電路於該遮蔽期間內不進行依據該第二偵測結果判斷是否調整該脈寬調變訊號的準位的動作。
8. 如申請專利範圍第7項所述的電源轉換裝置，其中該控制晶片更具有一回授接腳，該控制晶片從該回授接腳取得關聯於一負載狀態的一回授電壓，並且該控制晶片更包括：一壓控震盪電路，用以依據該回授電壓產生一時脈調整訊號，使得該控制主體電路依據該時脈調整訊號調整該脈寬調變訊號的頻率，其中該控制主體電路更依據該時脈調整訊號設定該遮蔽期間的長度。
9. 如申請專利範圍第2項所述的電源轉換裝置，其中該控制 晶片更包括：一過電壓偵測電路，耦接於該多功能偵測接腳與該控制主體電路之間，用以於該脈寬調變訊號的該禁能期間，反應於該第二偵測電壓而執行一過壓/欠壓偵測，並據以提供一第三偵測結果給該控制主體電路，其中該控制主體電路反應於該第三偵測結果而決定是否啟動一過壓/欠壓保護機制。
10. 如申請專利範圍第9項所述的電源轉換裝置，其中於該脈寬調變訊號的該禁能期間內，該過電壓偵測電路判斷該第二偵測電壓是否位於一工作電壓範圍內，若該過電壓偵測電路判定該第二偵測電壓位於該工作電壓範圍外，則發出指示發生過壓/欠壓之該第三偵測結果，以及若該過電壓偵測電路判定該第二偵測電壓位於該工作電壓範圍內，則發出指示未發生過壓/欠壓之該第三偵測結果。
11. 如申請專利範圍第10項所述的電源轉換裝置，其中當該控制主體電路接收到指示發生過壓/欠壓的該第三偵測結果時，該控制主體電路啟動該過壓/欠壓保護機制，藉以停止輸出該脈寬調變訊號，以及當該控制主體電路接收到指示未發生過壓/欠壓的該第三偵測結果時，該控制主體電路關閉該過壓/欠壓保護機制，藉以恢復輸出該脈寬調變訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述的電源轉換裝置，其中該過電壓偵測電路會在一延遲期間後才進行判斷該第二偵測電壓是否位於該工作電壓範圍的動作。
13. 如申請專利範圍第9項所述的電源轉換裝置，其中該過電壓偵測電路更依據一取樣時脈訊號以一預設時間間隔取樣該第二偵測電壓，並且判斷取樣到的該第二偵測電壓是否位於一工作電壓範圍內，再依據判斷結果而產生一計數值，其中該過電壓偵測電路比較該計數值與一臨界值，若該過電壓偵測電路判定該計數值達到該臨界值，則發出指示發生過壓/欠壓之該第三偵測結果，以及若該過計數值未達到該臨界值，則發出指示未發生過壓/欠壓之該第三偵測結果。
14. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中該反馳式電源轉換電路包括：一變壓器，具有一主線圈、一次線圈以及一輔助線圈，其中該主線圈的異名端用以接收該輸入電壓，該輔助線圈的異名端耦接一第一接地端，並且該次線圈的異名端耦接一第二接地端；一功率開關，其第一端耦接該主線圈的同名端，且其控制端耦接該控制晶片以接收該脈寬調變訊號；一第一電阻，其第一端耦接該功率開關的第二端以及該多功能偵測接腳，且其第二端耦接至該第一接地端；一第一二極體，其陽極耦接該次線圈的同名端，且其陰極輸出該直流輸出電壓；一輸出電容，耦接於該第一二極體的陰極與該第二接地端之間；以及一第二二極體，其陽極耦接該輔助線圈的同名端，且其陰極 輸出一直流系統電壓給該控制晶片。
15. 如申請專利範圍第14項所述的電源轉換裝置，其中該偵測輔助電路包括：一第二電阻，其第一端耦接該輔助線圈的同名端與該第二二極體的陽極，且其第二端耦接該多功能偵測接腳。
16. 如申請專利範圍第14項所述的電源轉換裝置，其中該偵測輔助電路更包括：一濾波電阻，耦接於該多功能偵測接腳與該第一電阻的第一端之間；以及一濾波電容，其第一端耦接該濾波電阻的第一端、該第二電阻的第二端以及該多功能偵測接腳，且其第二端耦接該第一接地端。
17. 如申請專利範圍第16項所述的電源轉換裝置，其中該偵測輔助電路包括：一第三二極體，與該第二電阻相互串接，其中該第三二極體的陽極耦接該輔助線圈的同名端與該第二二極體的陽極，並且該第三二極體的陰極耦接該第二電阻的第一端。