TW202341623A - 反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法 - Google Patents

反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法 Download PDF

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Abstract

本案提供一種反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法,其中反激式電路包含變壓器、主開關、鉗位電容、鉗位開關及副邊整流單元。變壓器包含原邊繞組及副邊繞組,原邊繞組與副邊繞組的匝數比為K,且K為正數。主開關與原邊繞組串聯後接收輸入電壓。鉗位電容及鉗位開關串聯後與原邊繞組並聯。副邊整流單元與副邊繞組串聯後提供輸出電壓至負載。控制方法包含:在K與輸出電壓的乘積大於等於輸入電壓時,控制鉗位開關在主開關的連續N個開關週期內導通M次,其中1=<M<N,且M及N為整數。

Description

反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法
本案係關於反激式電路及其控制方法,尤指一種反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法。
近年來,隨著電源適配器的小型化發展,對於效率的要求越來越高。
當電源適配器採用準諧振反激式電路時,在低壓輸入時可以通過主開關的寄生電容和變壓器的激磁電感諧振而實現主開關的零電壓開通,但是當輸入電壓較高時無法通過諧振實現主開關的零電壓開通。為了解決這一問題, 通常會採用有源鉗位。有源鉗位分為互補有源鉗位和非互補有源鉗位。非互補有源鉗位因其在輕載及高壓輸入滿載時的高效率而受到青睞。當採用非互補有源鉗位時,雖然在低壓輸入時無需導通鉗位開關便能實現主開關的零電壓導通,但是如果不導通鉗位開關會導致鉗位電容能量累積而過壓,因此在低壓輸入的情況下鉗位開關也要導通一段時間。由於低壓輸入時導通鉗位開關僅為了釋放鉗位電容上多餘的能量,所以鉗位開關需要導通的時間很短。但由於芯片制程問題,導致鉗位開關每次導通的最小導通時間有一定限制,無法實現僅釋放鉗位電容上能量所需的最短時間,且現有控制方式中鉗位開關在主開關的每一開關週期均導通,因此電路中會產生一額外負電流,從而導致峰值電流和有效值電流增大,因而使磁芯損耗及導通損耗增加,降低了低壓滿載時的效率。由此可知,針對採用非互補有源鉗位的反激式電路而言,提高效率的主要障礙在於低壓滿載時的效率。
因此,如何發明一種可改善上述習知技術的反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法,實為目前迫切之需求。
本案之目的在於提供一種反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法,其可通過減少原邊之鉗位開關的導通次數而減少其總導通時間,有效減少因鉗位開關導通所產生的額外負電流,從而降低磁芯損耗及導通損耗,以提升低壓時的效率。
為達上述目的,本案提供一種適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法,其中反激式電路包含變壓器、主開關、鉗位電容、鉗位開關及副邊整流單元。變壓器包含原邊繞組及副邊繞組,原邊繞組與副邊繞組的匝數比為K,且K為正數。主開關與原邊繞組串聯後接收輸入電壓。鉗位電容及鉗位開關串聯後與原邊繞組並聯。副邊整流單元與副邊繞組串聯後提供輸出電壓至負載。控制方法包含:在K與輸出電壓的乘積大於等於輸入電壓時,控制鉗位開關在主開關的連續N個開關週期內導通M次,其中1=<M<N,且M及N為整數。
為達上述目的,本案另提供一種反激式電路,包含變壓器、主開關、鉗位電容、鉗位開關及副邊整流單元。變壓器包含原邊繞組及副邊繞組,其中原邊繞組與副邊繞組的匝數比為K,且K為正數。主開關與原邊繞組串聯後接收輸入電壓。鉗位電容及鉗位開關串聯後與原邊繞組並聯。副邊整流單元與副邊繞組串聯後提供輸出電壓至負載。在K與輸出電壓的乘積大於等於輸入電壓時,鉗位開關在主開關的連續N個開關週期內導通M次,其中1=<M<N,且M及N為整數。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化,其皆不脫離本案的範圍,且其中的說明及圖示在本質上系當作說明之用,而非用以限制本案。
第1圖為本案較佳實施例之反激式電路的電路結構示意圖。如第1圖所示,反激式電路1包含變壓器11、鉗位電容C1、鉗位開關S1、主開關S2及副邊整流單元12。於第1圖中,原邊電流為Ip,副邊電流為Is,流經鉗位電容C1的電流為IC1。變壓器11包含原邊繞組111及副邊繞組112,其中原邊繞組111與副邊繞組112的匝數比為K,且K為正數。主開關S2與原邊繞組111串聯後接收輸入電壓Vin。鉗位開關S1與鉗位電容C1串聯後與原邊繞組111並聯連接。副邊整流單元12與副邊繞組112串聯後提供輸出電壓Vo至負載,其中副邊整流單元12可為但不限於主動開關。另外,第1圖中的Lk為變壓器11的漏感,Lm為變壓器11的勵磁電感。
適用於反激式電路1之鉗位開關S1的控制方法詳細說明如下。
鉗位開關S1導通之作用主要在於實現主開關S2的零電壓導通及釋放鉗位電容C1中的能量。在K與輸出電壓Vo的乘積大於等於輸入電壓Vin時 (即在輸入電壓Vin較低的條件下),即便鉗位開關S1不導通亦可實現主開關S2的零電壓導通,故鉗位開關S1的導通頻率及時長僅需足以釋放鉗位電容C1中的能量即可。因此,於此輸入電壓Vin較低的條件下,控制鉗位開關S1在主開關S2的連續N個開關週期內導通M次,其中1=<M<N,且M及N為整數。藉此,可通過減少鉗位開關S1的導通次數而減少鉗位開關S1的總導通時間,有效減少因鉗位開關S1導通所產生的額外負電流,從而降低磁芯損耗及導通損耗,以提升低輸入電壓時的效率。
於一些實施例中,在K與輸出電壓Vo的乘積大於等於輸入電壓Vin時,控制鉗位開關S1在主開關S2的連續四個開關週期內僅導通一次,即M/N=1/4。於一些實施例中,為了在足以釋放鉗位電容C1中的能量的前提下盡可能減少額外負電流,當輸出電壓Vo、輸入電壓Vin及K中至少一者改變時,可對應通過改變M及/或N來調整M/N的值。舉例而言,當輸出電壓Vo增大時,可對應減小M/N。
另外,在K與輸出電壓Vo的乘積小於輸入電壓Vin時 (即在輸入電壓Vin比較高的條件下),則判斷K與輸出電壓Vo的乘積和輸入電壓Vin的差值的絕對值 (即 |K*Vo-Vin|) 是否小於一默認值。若判斷結果為是,則控制鉗位開關S1在主開關S2的連續N個開關週期內導通M次,而若判斷結果為否,則控制鉗位開關S1在主開關S2的每一開關週期內皆導通一次。
隨著負載大小變化,反激式電路1的工作模式亦將隨之變化。於一些實施例中,反激式電路1在負載大於等於一閾值時工作於臨界模式 (即臨界斷續模式),反激式電路1在負載小於該閾值時工作於斷續模式。第2A圖及第2B圖分別例示出反激式電路1工作於臨界模式及斷續模式時的工作波形。於第2A圖及第2B圖中,Vds為主開關S2兩端的電壓,Dri_S1為鉗位開關S1的驅動訊號,Dri_S2為主開關S2的驅動訊號。於第2A圖及第2B圖的示例中,鉗位開關S1在主開關S2的連續8個開關週期內導通1次,即M/N=1/8,但實際上並不以此為限。例如第3A圖及第3B圖所示,鉗位開關S1亦可在主開關S2的連續4個開關週期內導通1次,即M/N=1/4。在鉗位開關S1不導通的開關週期中,漏感能量為鉗位電容C1充電,以將能量存儲於鉗位電容C1中,而待鉗位開關S1導通時,則釋放鉗位電容C1中的能量,從而回收漏感能量。
請參閱第1圖及第4圖,其中第4圖為第2A圖中之部分時間段的波形示意圖。當反激式電路1工作於臨界模式時,於鉗位開關S1導通的開關週期 (此處開關週期指主開關S2的開關週期) 中,首先,控制主開關S2導通,且主開關S2的導通時間為TS2,此時為勵磁電感Lm存儲能量。主開關S2關斷後,副邊整流單元12導通,以給變壓器11退磁,其中副邊整流單元12的導通時間為T12。副邊整流單元12關斷後,檢測變壓器11是否已退磁結束,其中退磁檢測時間為Tdem。在檢測到變壓器11退磁結束後,控制鉗位開關S1導通,以釋放鉗位電容C1中的能量,其中鉗位開關S1的導通時間為TS1。鉗位開關S1關斷後,經過鉗位開關S1及主開關S2之間的死區時間Tdead便結束此開關週期。此外,於鉗位開關S1不導通的開關週期中,在檢測到變壓器11退磁結束後,經過一段延遲時間Tdelay便結束此開關週期。
請參閱第1圖及第5圖,其中第5圖為第2B圖中之部分時間段的波形示意圖。當反激式電路1工作於斷續模式時,於鉗位開關S1導通的開關週期 (此處開關週期指主開關S2的開關週期) 中,首先,主開關S2導通,同時為勵磁電感Lm存儲能量。主開關S2關斷後,副邊整流單元12導通,以給變壓器11退磁。副邊整流單元12關斷後 (即在變壓器11退磁後),主開關S2兩端的電壓Vds震盪,以實現降頻,並藉此提升輕載時的效率,其中電壓Vds震盪的峰值遞減,且電壓Vds的震盪時間Tblank的長度取決於所需的降頻幅度。鉗位開關S1在主開關S2兩端的電壓Vds震盪至波峰時導通,以釋放鉗位電容C1中的能量。鉗位開關S1關斷後,經過鉗位開關S1及主開關S2之間的死區時間Tdead便結束此開關週期。此外,於鉗位開關S1不導通的開關週期中,在主開關S2兩端的電壓Vds震盪所需時長後,經過一段延遲時間Tdelay便結束此開關週期。
於一些實施例中,如第1圖所示,反激式電路1還包含輔助繞組AUX,且如第4圖及第5圖所示,輔助繞組AUX兩端的電壓Vaux與主開關S2兩端的電壓Vds具有相同的波形形狀,但電壓Vaux的大小較小,故電壓Vaux更易於檢測。因此,實際上在進行檢測時 (例如退磁檢測),可檢測電壓Vaux而非電壓Vds。
綜上所述,本案提供一種反激式電路及適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法,其可通過減少原邊之鉗位開關的導通次數而減少其總導通時間,有效減少因鉗位開關導通所產生的額外負電流,從而降低磁芯損耗及導通損耗,以提升低壓時的效率。
須注意,上述僅是為說明本案而提出的較佳實施例,本案不限於所述的實施例,本案的範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術的人士任施匠思而為諸般修飾,然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。
1:反激式電路 11:變壓器 111:原邊繞組 112:副邊繞組 C1:鉗位電容 S1:鉗位開關 S2:主開關 12:副邊整流單元 Ip:原邊電流 Is:副邊電流 IC1:流經鉗位電容的電流 Vin:輸入電壓 Vo:輸出電壓 Lk:漏感 Vds:主開關S2漏源極之間電壓 Dri_S1、Dri_S2:驅動訊號 Lm:勵磁電感 TS2:主開關的導通時間 T12:副邊整流單元的導通時間 Tdem:退磁檢測時間 TS1:鉗位開關的導通時間 Tdead:死區時間 Tdelay:延遲時間 Tblank:震盪時間 AUX:輔助繞組 Vaux:輔助繞組電壓
第1圖為本案較佳實施例之反激式電路的電路結構示意圖。
第2A圖及第2B圖分別例示出反激式電路1工作於臨界模式及斷續模式時的工作波形。
第3A圖及第3B圖分別例示出第2A圖及第2B圖之變化例。
第4圖為第2A圖中之部分時間段的波形示意圖。
第5圖為第2B圖中之部分時間段的波形示意圖。
1:反激式電路
11:變壓器
111:原邊繞組
112:副邊繞組
C1:鉗位電容
S1:鉗位開關
S2:主開關
12:副邊整流單元
Ip:原邊電流
Is:副邊電流
IC1:流經鉗位電容的電流
Vin:輸入電壓
Vo:輸出電壓
Lk:漏感
Lm:勵磁電感
AUX:輔助繞組

Claims (14)

  1. 一種適用於反激式電路之鉗位開關的控制方法,其中反激式電路包含一變壓器、一主開關、一鉗位電容、一鉗位開關及一副邊整流單元,該變壓器包含一原邊繞組及一副邊繞組,該原邊繞組與該副邊繞組的匝數比為K,且K為正數,該主開關與該原邊繞組串聯後接收一輸入電壓,該鉗位電容及該鉗位開關串聯後與該原邊繞組並聯,該副邊整流單元與該副邊繞組串聯後提供一輸出電壓至一負載,該控制方法包含: 在K與該輸出電壓的乘積大於等於該輸入電壓時,控制該鉗位開關在該主開關的連續N個開關週期內導通M次,其中1=<M<N,且M及N為整數。
  2. 如請求項1所述之控制方法,還包含:當該輸出電壓、該輸入電壓和K中至少一者改變時,對應調整M/N。
  3. 如請求項1所述之控制方法,還包含:在K與該輸出電壓的該乘積小於該輸入電壓時,判斷該乘積與該輸入電壓的差值的絕對值是否小於一默認值,若判斷結果為是,則控制該鉗位開關在該主開關的連續N個該開關週期內導通M次,而若判斷結果為否,則控制該鉗位開關在該主開關的每一該開關週期內皆導通一次。
  4. 如請求項1所述之控制方法,其中該控制方法還包含:在該負載大於等於一閾值時控制該反激式電路工作於臨界模式,在該負載小於該閾值時控制該反激式電路工作於斷續模式。
  5. 如請求項4所述之控制方法,其中在該反激式電路工作於該臨界模式時,該控制方法還包含:於該鉗位開關導通的該開關週期內,控制該鉗位開關在該變壓器退磁後導通,以釋放該鉗位電容中的能量。
  6. 如請求項4所述之控制方法,其中在該反激式電路工作於該斷續模式時,該控制方法還包含:於該鉗位開關導通的該開關週期內,控制該鉗位開關在該主開關兩端的電壓震盪至波峰時導通,以釋放該鉗位電容中的能量。
  7. 如請求項1所述之控制方法,其中在K與該輸出電壓的乘積大於等於該輸入電壓時,該控制方法控制該鉗位開關在該主開關的連續四個該開關週期內僅導通一次。
  8. 一種反激式電路,包含: 一變壓器,包含一原邊繞組及一副邊繞組,其中該原邊繞組與該副邊繞組的匝數比為K,且K為正數; 一主開關,與該原邊繞組串聯後接收一輸入電壓; 一鉗位電容及一鉗位開關,串聯後與該原邊繞組並聯;以及 一副邊整流單元,與該副邊繞組串聯後提供輸出電壓至一負載, 其中,在K與該輸出電壓的乘積大於等於該輸入電壓時,該鉗位開關在該主開關的連續N個開關週期內導通M次,其中1=<M<N,且M及N為整數。
  9. 如請求項8所述之反激式電路,其中當該輸出電壓、該輸入電壓和K中至少一者改變時,對應調整M/N。
  10. 如請求項8所述之反激式電路,其中在K與該輸出電壓的該乘積小於該輸入電壓時,若該乘積與該輸入電壓的差值的絕對值小於一默認值,則該鉗位開關在該主開關的連續N個該開關週期內導通M次,而若該乘積與該輸入電壓的該差值的該絕對值大於等於該默認值,則該鉗位開關在該主開關的每一該開關週期內皆導通一次。
  11. 如請求項8所述之反激式電路,其中該反激式電路在該負載大於等於一閾值時工作於臨界模式,該反激式電路在該負載小於該閾值時工作於斷續模式。
  12. 如請求項11所述之反激式電路,其中在該反激式電路工作於該臨界模式時,於該鉗位開關導通的該開關週期內,該鉗位開關在該變壓器退磁後導通,以釋放該鉗位電容中的能量。
  13. 如請求項11所述之反激式電路,其中在該反激式電路工作於該斷續模式時,於該鉗位開關導通的該開關週期內,該鉗位開關在該主開關兩端的電壓震盪至波峰時導通,以釋放該鉗位電容中的能量。
  14. 如請求項8所述之反激式電路,其中在K與該輸出電壓的乘積大於等於該輸入電壓時,該鉗位開關在該主開關的連續四個該開關週期內僅導通一次。
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