TW402689B - Circuit arrangement to determine the output power of a switching power supply - Google Patents

Description

402683 A 7 H? 經滴部中央標隼局員工消费合作社印製 五、發明説明 ( 1 ) 本 發 明 是 有 關 一 種 決 定 切 換 式 電 源 供 應 器 (s w i t C h i ng 1 PO w e Γ S U PP ly)之輸出功率所用之電路配置。 1 I 切 換 式 電 源 供 應 器 之 特 徵 是 ； 其 可 供 m 一 種 盡 可 能 和 請 1 負 載 無 關 之 已 調 整 的 定 值 直 流 電 壓 〇 其 輸 出 功 率 可 包 含 先 閱 1 讀 I 較 大 之 範 圍 0 例 如 電 視 機 用 之 切 換 式 電 源 供 應 器 之 輸 出 背 1 1 之 Ϊ 功 率 範 圍 可 達 5 瓦 (W)至 1 5 0瓦 〇 在 較 小 之 輸 出 功 率 時 須 意 經 常 調 整 一 種 較 小 之 切 換 ifcB 頻 率 以 便 使 切 換 功 率 最 小 或 使 事 項 1 / 再 1 電 視 機 之 電 路 阻 件 接 通 或 斷 開 〇 1 本 裝 切 換 式 電 源 供 應 器 之 DsS£ 瞬 間 功 率 必 須 在 —- 次 側 測 量 且 以 頁 1 適 當 之 方 式 進 行 以 便 控 制 頻 率 或 電 路 組 件 〇 決 定 功 率 之 1 1 一 種 簡 αα 単 方 式 是 ： 藉 由 測 量 用 電 阻 來 測 量 開 關 式 電 晶 體 1 中 之 主 電 流 〇 功 率 是 和 此 種 電 流 之 平 方 成 bb 例 〇 由 於 此 1 1 訂 1 種 電 流 之 大 小 亦 和 頻 率 以 及 輪 入 電 壓 有 很 大 之 關 偽 » 此 種 功 率 測 定 之 方 式 是 很 不 正 確 的 〇 1 本 發 明 之 巨 的 是 提 供 種 電 路 配 置 9 藉 此 種 電 路 9 則 1 1 能 以 簡 易 之 方 式 來 決 定 切 換 式 電 源 供 應 器 之 輸 出 功 率 值。 1 依 據 本 發 明 9 上 逑 百 的 是 以 具 有 申 請 專 利 範 圍 第 1 項 1% 特 擻 之 電 路 配 置 來 達 成 〇 1 1 本 發 明 之 電 路 配 置 所 具 有 之 優 點 是 ： 藉 此 種 電 路 5 則 ί I 可 定 W 換 式 電 源 供 應 器 之 輸 出 功 率 值 而 和 頻 率 以 及 輸 1 1 1 入 電 壓 無 關 〇 I 1 此 外 ， 此 種 電 路 配 置 在 電 路 技 術 上 之 較 少 之 費 用 是 一 1 種 優 點 〇 1 1 此 種 電 路 配 置 可 供 應 -3 - 種 和 切 換 式 電 源 供 應 器 之 輸 出 1 1 1 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) 格（210X 297公货） 40268S Λ7

IP 五、發明説明（> ) 功率成比例之電壓。此種電壓例如可施加至一個或多個 比較器上，比較器能以簡易之方式對所期望之功能（例如 ，頻率）進行轉換。 本發明之電路配置的能量儲存器最好以電容器構成。 積分元件可對此種施加於其上之電壓進行積分，其最好 是由R C -元件構件。其時間持性可藉由電阻之大小及R C -元件之電容值來調整。 本發明此種測量功率用之電路配置可應用在多種技術 中。當頻率之切換是和功率有關且只以較小之磁滯 (hysterisis)來進行切換時，例如，在備用-突發式操 作（Standby- Burst Operation)時，則最好是使用本發 明之電路配置。本發明之電路配置的其它應用情況是可 用在所謂暫時性之高負載操作中。在切換式電源供應器 之功率範圍中須確定一種已測得之輸出功率所需之臨界 值，其只允許短暫地被超越。超越此種臨界值一段較長 之時間時，則保護電路開始發生作用，其例如可切斷 (turn off)此切換式電源供應器。因此可達到一種較高 之可靠度，這是因為在持绩性之過載時藉由此種切斷作 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 私衣 訂 丨線」—— 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 耗定 項 消性 。η颶 熱續計片附 之連設卻各 生之來冷圍 産小率之範 所極功小利 對對峰較專 為針尖及請 因需之器申 是只暫壓在 這器短變述 C ，應對之敘 險本供針小式 危成源是較形 之省電不用之 災節式而使利 火可換計許有 生是切設允它 發點種行可其 止優此進又明 防它 士S率樣發 可其而功這本 用· 量值 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) /\4坭格（210X297公犮） A7 B7

40268S 五、發明説明（今） 中。 本發明以下將依據圖式及實施例作詳細描述。圖式簡

I 單説明如下： .第]圖在功率測量中電壓及電流對時間之關偽圖。 .第2圖本發明之電路配置。 第3圖在不同頻率時變壓器之放電電流。 在切換式電源供應器中，流經變壓器主線圈之電流已 知是藉一種開關（switch)式電晶體來進行截，切（chop)。 通常是使用功率M0SFET作為開關式電晶體。第la圖顯示 一種切換式電源供應器之此種開關式電晶體之汲極電壓 。在導通期間（其由時間t 〇至t i且此期間切換式電源供 應器之變壓器被充電），汲極電壓Ud實際上是Q伏特。 在時間t i和t 2之間的放電期間t E，汲極電壓可達到數 百伏特。在放電期間t e ,切換式電源供應器之變壓器被 放電。在切換式電源供應器之一週期中，變壓器可經由 主側而以固定之能量來充電，其隨後可再將此能量發送 至二次側。 第1 b圖中所顯示的是句換式電源供應器中變壓器之充 電電流和放電電流。在開關式電晶體導通直至時間t i之 這段期間充電電流由〇安培上升，在時間t i時此開關式 電晶體截止（off)。在隨後之放電期間，變壓器之 放電電流在時間t 2時又下降至0安培。奮開關式電晶體 之汲極電壓又下降至〇伏特時，則變壓器又重新充電。 在變壓器放電和隨後之充電之間的此段暫停期間（P a u s e ) 本紙張尺度適川中1¾¾¾.:標中（（、NS ) Λ4規格（210X297公f ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

； ^ !---W-,'-裝------訂------線 I 經滅部中次標卑局兗T,消於合0^1印t A7 B7 402683 五、發明説明（4 可以是不同的且依據此切換式電源供應器之輸出功率而 定。

I 電功率W —般是依據下式計算： (1) W = \u{t) I{t) dt 切換式電源供應器之輸出電壓是可調整的。輸出電壓 之大小盡可能和所發生之功率無關而總是保持定值。其 適用下述之關偽式： 2) U(t) = ^fconst ' 方程式⑴因此可簡化成下列： ^3) W^U konst] mdt 電功率P依據下式計算： άί 由於切換式電源供應器之放電電流是鋸齒狀的（已如上 所述）旦具有一段暫停期間，功率測量因此是藉由變壓器 中各別所儲存之能量來達成。 由於彎壓器之充電時間和電源電壓有關，因此須一起 t虜電源電壓以進行功率之測量。在變壓器之放電期間 tE來測量功率是較簡單的。此時變壓器之電壓是定值的 。變壓器之能量含量W在放電期間即為放電電流ITr (t)曲線下方之面積。在第lb圖中此種面積是以斜線表示 。就整個切換式電源供應器之週期而言，變壓器之能量 在此種週期中亦是表示切換式電源供應器之功率大小。 藉由多個週期中這些面積之平均值，則吾人可得到此種 切換式電源供應器在這些週期中的平均功率。 -6 - 本纸張尺度进州中國K家標彳（rNS ) Λ4規格（2)0X297公势） ^---^--------I 裝------訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經？;"部屮呔^準而只-7-消费合作牡印$^ 40268S A7 B7 五、發明説明（，） 依據第2圖所示測量功率用之電路配置具有一個能量 儲存器C1以及一個積分元件IG。在此一實施例中負載電

I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 容器c 1作為能量儲存器用，其連接在電流源S Q和參考電 位（例如，接地）之間。設有一種R C-元件以作為積分元 件，其中電阻R 2是連接在電流源S Q和此電路配置之輸出 0 U T之間。R C -元件之積分電容是連接在輸出0 U T和參考 電位之間。此外，定值電流源S Q是經由電晶體T Μ而與參 位柑連接，使得在以電壓Ust來對電晶體ΤΜ之控制端 作適當之控制時，電流源S Q之電流可引導至參考電位中。 電流源S Q最好是以定電流源構成，其可供應一種定值 之電流I而和連接於其上之負載無關。 電晶體T Μ之控制電壓Ust對時間之較佳關偽围同樣是顯 示在第2圖中。在放電期間tE此控制電壓Ust等於0 ， 電晶體T Μ因此是截止的（〇 f f )。在放電期間t e以外的各 時間點時此控制電壓Ust不等於Q且須進行測量，使電晶 體TM導通。 放電期間t E例如能以比較器電路在不需很高費用之情 況下即可測得。放電期間即為切換週期（c y c 1 e )所在之此 種時間，此期間切換式電源供應器之開關式電晶體之汲 極電壓超過一固定之臨界值。 在放電期間t E ,負載電容器C 1藉由定值電流I所充電 ，使C 1上之電壓U以斜坡（r a m p )形式1升。在放電期 間t E結束時之時間t 2時，負載電容器C 1經由電晶體T 而快速地放電《第1C圖中負載電容器C1上之電壓對時間之 -7 - 本紙张尺度诚川中囚囤家標彳（（'NS ) /\4规枋（210X 297公f )

40268S Λ7 Η7 五、發明説明（k ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 關偽是以粗黑之實線來表示。上述之充電和放電過程在 切換式電源供應器之每一週期中重複地進行。負載電容 器C1上之電壓U el即是藉由連接於其後之積分元件IG來 積分。在積分電容器C2上之電壓即為此電路配置之 輸出0 UT端之輸出電壓且是和此切換式電源供應器之平均 功率成比例。電壓可直接傳送至比較器（如本文開 頭所述），以便例如可起動一種固定之操作模式。 由霄阻R2和積分電容器C2所構成之RC-元件最好設計 成高歐姆值，因此，由於流經電阻R 2之電流，則負載電 容器C1上之電壓Ue；L不會發生錯誤。RC-元件之此種時 間特性是由積分電容器C 2和電阻R 2之大小所決定。 在放電期間tE ,電晶體TM是截止的。電流源SQ之電流 I使負載電容器C1充電。負載電容器C1上之電壓是由積 分元件IG所積分，使積分電容器C 2上之電壓是和切換式 電源供應器之平均功率成比例。 在放電期間t E之後（即，時間點t 2之後），負載電容 器C1經由導通之電晶體TM而放電。隨後之充電過程亦和 負載電容C1之先前已達成之負載狀態無關。 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 第3圖是在相同輸出功率和二個不同頻率丨1和〖2時 變壓器之放電電流iTri和ΙΤ3Γ2對時間之關偽圖。頻率 是頻率fi之4倍。三角形之面積值分別表示放電期 間tE儲存在變壓器中之能量。在頻率時，在放電週 期中所儲存之能量在頻率f2時所儲存能量之4倍。在頻 率f i時以虛線所表示之三角形面積分別是與頻率f 2時 之各三角形中之一的面積相等。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) ΛΊ现格（210X 297公垃） Λ7 Η 7 會個是之電 功 中二 1TG流 。均 程此Τ件直的平 過在ΪΙ元種同是 均率1分此相示 平功 U 積。是表 間均 在示言不 時平 。表而並 之 。|1!倍線率流 行關 Η 二虛頻電 進無Iff之以種電 所率fl2是二放 期頻率Tr壓此器 週和頻^1電對壓 倍而在1;;!流且變 4 積然 U 直率 ： 或面雖 _ 之功是 期之 ，f 上均的 週同等MC2平知 時 値相相 ？ 器種認 4 生亦f2容一可 由産中為電示人 經別積率分表吾 各面頻積壓 402689 五、發明説明（？ 率之大小。本發明之電路配置即須考慮此種情況。 監視器（monitor)用之切換式電源供應器通常是與其掃 瞄頻率同步，以便使切換式電源供應器之干擾之耦合至 螢光幕之程度保持很小。掃瞄頻率之頻率範圍依據已調 整之解析度和監視器之圖像重声頻率而言通常是介於30 Kflz(仟赫）和110仟赫之間。監視器用之此種切換式電源 供應器必須設計成可用於此種頻率範圍中。功率極限 (1 i m i t)在此種切換式電源供應器中大部份是由於一次側 之脈波電流由於開關式電晶體之存在而限制於一種與切 換頻率有關之最高值處。 當可流經此種切換式電源供應器之功率須保持在無危 險性之定值時，則上述之最高值在較高之切換頻率時須 小於在較低之切換頻率時。若此種最高值在最低之切換 頻率時已固定地被調整妥當，則可使用之功率在較高之 切換頻率時相對於較低之頻率時是會增加的。這樣會造 成組件之過熱，因此在錯誤情況時會有發生火災之危險 性。 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4%格（210X297公浼） ；---：--^ I---ί —裝-----^--訂 i--^----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消资合作社印製 402689 A7 B7 五、發明説明（方） 此種切換式電源供應器在最大可能之可使用之功率上 之熱學設計需要相對較大尺寸之組件，因此是較貴的。

I 利用本發明之電路配置，則可在切換式電源供應器之 一次側進行一種與頻率無關之功率測量，以便達成一種 功率上之限制。 參考符號説明 U D .....汲極電壓 C 1.....能量儲存器 SQ.....電流源 C2.....積分電容器 Τ Μ .….電晶體 IG.....積分元件 R 2.....電阻 -10- 本纸张尺度iSj川中國Β家標呤（C'NS ) Λ4规格（2丨ΟΧ297公漦） ^^^^1 flun υ^ϋ m^i ^nn —Hit \ nn a^l^—1 ϋι^ϋ— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

1. y-\ ir- JT-.J 二 402689 A8 B8 C8 D8 _侧方 f ·· _._—---------------- _六、申請專利範圍 第87 113410號「決定切換式電源供應器之輸出功率所用之 (89年1月修正） t 月d日所提之 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 圖 電路配置」專利案 1. 一種決定切換式電源供應器之輸出功率所用之電路配 置，切換式電源供應器具有變壓器，以能量供應此變 壓器之一次側，變壓器在放電期間（tE)可將能量發送 至二次侧，其特擻為具有： -一個能量儲存器（C1),其在放電期間（tE)可經由定 值電流源（SQ)來充電且在其餘之時間可經由開關（TM) 來放電， -一個積分元件（IG),其與能量儲存器相連接，電壓 經由能量儲存器（C1)而被積分且輸出至輪出端（OUT) 以作為切換式電源供應器之輸出功率值。 2·如申請專利範圍第1項之電路配置，其中能量儲存器 是以負載電容器（C1)構成。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之電路配置，其中積分 元件（IG)具有一種由電阻（R2)和積分電容器（C2)所構 成之RC-元件。 4. 如申請專利範圍第2項之電路配置，其中定值電流源 (SQ)是與負載電容器（C1)以及電阻（R2)相連接且須連 接於開關（T Μ )，使得在開關（T Μ )閉合時定值電流源 (SQ)之電流可引導至接地端。 5. 如申請專利範圍第3項之電路配置，其中定值電流源 (S Q )是與負載電容器（C 1 )以及電阻（R 2 )相連接且須連 接於開關（ΤΜ>,使得在開關（ΤΜ)閉合時定值電流源 (SQ)之電流可引導至接地端^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 卜訂 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） y-\ ir- JT-.J 二 402689 A8 B8 C8 D8 _侧方 f ·· _._—---------------- _六、申請專利範圍 第87 113410號「決定切換式電源供應器之輸出功率所用之 (89年1月修正） t 月d日所提之 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 圖 電路配置」專利案 1. 一種決定切換式電源供應器之輸出功率所用之電路配 置，切換式電源供應器具有變壓器，以能量供應此變 壓器之一次側，變壓器在放電期間（tE)可將能量發送 至二次侧，其特擻為具有： -一個能量儲存器（C1),其在放電期間（tE)可經由定 值電流源（SQ)來充電且在其餘之時間可經由開關（TM) 來放電， -一個積分元件（IG),其與能量儲存器相連接，電壓 經由能量儲存器（C1)而被積分且輸出至輪出端（OUT) 以作為切換式電源供應器之輸出功率值。 2·如申請專利範圍第1項之電路配置，其中能量儲存器 是以負載電容器（C1)構成。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之電路配置，其中積分 元件（IG)具有一種由電阻（R2)和積分電容器（C2)所構 成之RC-元件。 4. 如申請專利範圍第2項之電路配置，其中定值電流源 (SQ)是與負載電容器（C1)以及電阻（R2)相連接且須連 接於開關（T Μ )，使得在開關（T Μ )閉合時定值電流源 (SQ)之電流可引導至接地端。 5. 如申請專利範圍第3項之電路配置，其中定值電流源 (S Q )是與負載電容器（C 1 )以及電阻（R 2 )相連接且須連 接於開關（ΤΜ>,使得在開關（ΤΜ)閉合時定值電流源 (SQ)之電流可引導至接地端^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 卜訂 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）