TW497327B - Simple flyback synchronous rectifier power supply - Google Patents

Description

497327 五 、發明說明（1) ()發明技術領域： 本發明係有關於一 态，主要係運用雷、、六 日 型返馳式同牛Μ — 同牛„ „ 電/;,L偵測器偵測-4 ο ν整流電源供應 问步開關之工作時 一次側電户I ▼ 器。 下才間，提供-高效率之、，大小，以控制 手之逐驰式電源供應 (二）發明技術背景： 爾來，由於功率切拖 “同轉換器電路拓樸，技術之進步，加上 Μ崙已經成為電源供應器之主 使得切換式電源供 态設備及電子儀器等產品，不斷推：φ尤其現今電腦、電 應器之穩定、輕巧、高效率及低 靳，皆需求電源供 源供應器成為電源供應器之技術主漭’更加使得切換式電 有關『同步整流法』之使用， (SWltChlng PQ· Supply)之技術領域 3 式 ^ 供 2 年。並已經非常廣泛地運用在高 早已仃之有 而，一般而士，鬥牛敕、古士夕 羊之電源供應器上。然 諧振式（Resonant)等轉換器中；誠如圖—並/ 專利第5,991，171號專利案之運用同步整流法的習用為：國 術。於該圖一之習用技術中，揭露將同步整流控 Rectifier Control 122)運用於順向式直流對直流轉換哭 497327 五、發明說明（2) (Forward DC-to-DC Converter)之中。然而，並無將同步 整流法運用於返馳式（F lyback)之電源供應器中。 另煩請參閱圖二，圖二係為美國專利第5，9 91，1 7 2號 案之習用技術，其中主要係揭露一返馳式轉換器（F 1 y b a c k Converter)係具有功因改良及減少切換損失之技術。然而 由圖二所示，我們可以明顯地得知該技術係運用一零交越 偵測器（Zero-Crossing Detector)之元件，進而控制返馳 式轉換Is中切換開關（S W)之切換操作。顯然，該圖二並非 運用同步整流技術於返馳式轉換器中，其作法將會增加切 換開關（SW)驅動線路之複雜度，並且其控制手段乃僅在於 一次側端，而該圖二之迴授偵測訊號係以電壓分壓之方式 作迴授；此二點，亦將不同於本發明所使用之電流迴授I 位控制以及二次側電流偵測之方式。 經由上述圖一 圖 之習用技術說明可知，將同步敫 流技術運用於返驰式轉換器中之技術幾乎沒有。此乃因2 返馳式電源供應器之電路特性，非常容易受到寄生電容箄 電路π件本身操作時之干擾，使電流切換波形趨於複雜， 進而造成取得同步控制訊號更加困難。所以在返馳式電源 中運用同步整流之技術者不多。另一方自，亦有部 为業者或研究人Μ採用非f複雜之控制方式解決之。缺 而.，對於一返馳式之切換式電源供應器（Flyback .、

Swltchlng Power Supply)而言，其應用範圍主要是在

第5頁 外7327 五、發明說明（3) 價位及電路設計簡單等考量下。所以，採用複雜之控制電 路並不合適，所以至今尚無人使用同步整流技術運用於量 產型之返馳式電源供應器上。緣此，本發明將提出一簡易 且低成本之解決方法，有效將同步整流技術運用於返馳式 轉換裔之，以合量產之需。 (三）發明之簡要說明： 本發明係提供一簡易型返馳式同步整流電源供應器， =要係在返驰式轉換器中，配合運用電流偵測器與同步整 机電路之作用，偵測返馳式轉換器中變壓器之二次側電流 大小以控制同步整流電路輸出訊號之脈寬，進而控制同步 開關之工作時間，有效提高電源供應器之效率。 攸执=ϊί i本發明之主要目的在於能夠提供一低價位、電 #二^簡f之返馳式電源供應器，藉由控制同步開關之工 生了二，此有效大幅降低二極體之跨接電壓，降低切換損 接之飧ί Ϊ if止二次側電流回擊之作用，以及達成簡化連 、、、吏衣造更為容易，能有效降低製作成本。

步敕ίΐΐ成上述之目㈤，本發明所述之簡易型返馳式同 夕整流電源供應5|，孫台4工 、U 換雷 σ 糸匕括一供應之電源以及一返馳式切 換電路，該返馳式切換雷攸 、切 出古相 。占 、 、 係接收該供應之電源，以切換 冋、°犰。该返驰式切換電路連接有變壓器，該變壓器

第6頁 五、發明說明（4) 之鬲頻訊號，其二 ’其輸出至負載； 電路的輔助電源。 相連接，之後該同 且同時連接至同步 體之兩端，當該輸 該輸出二極體之電 壓。此外，該輸出 主電源端，其輸出 出濾波電容者。 測器，用以偵測流 流訊號轉換至該同 ’藉以改變同步驅 之工作時間而達成 跨接之二極體的跨 易電路之電源供應 一次側連接該返馳式 次側為雙輪出方式，一吳電路所切換出 另一為次電源端，甘為主輪出電源端 其提供同步觸發整流 該同步整流電路 步整流電路輸出— 夂電流偵測電路 開關。該同步開關則‘：：電壓訊號並 出二極體導通時，= ~接於輸出二極 流改道，•而大C導通，使 二極體，夕―極體之跨接電 往 其輸入端為該變 _ 端連接負載端，誃 口口 一-人側之 Λ負載女而則並連接有輸 因為該負載電汉 # # t^ t ^ s/丨L路仅串接有電流偵 電概，則可將偵測到之負盤雷 步整流電路中與預，之負載電 動電壓訊號之脈寬，淮而故以r/乍比#乂 η半道、s , 見進而改、交同步開關 ίϋ ::此可以減少該同步開關所 =電£及切換損失’而為一高效率、簡 (五）發明詳細說明： 本發明係提供一簡易型返馳 、、六 主要之電路牟Μ4 —、c 飞U 乂 i机電源供應器， ，、構係δ又计在返馳式轉換器電路拓樸中，配合 497327 五、發明說明（5) J以備測器與同步整流電路之作用’谓測返馳式轉換 时中义壓器之二次側電流大小以控制同步整产 、 寬，進而控制同步開關之工作時間達成同步i通！1 源樹少’並減少切換損*，有效提高電 樣 首先，煩請參閱圖三，圖三所示係為本發明實施例之 電路方塊與元件之連接示意圖。其中主要係包括有· 一供應之電源Vsource以及一返馳式切換電路20()，該返馳 式切換電路係接收該供應之電源Vsource，以切換出高頻 訊號Vin以及初級電流Iin。該返馳式切換電路2〇〇係=連 接於一變壓器T1，一般而言，就返馳式轉換器之基本拓樸 ，構來說，該變壓器T1係為返馳式轉換器中之主要變壓、 為’用以將一次側之能量轉換至二次側。其中該變壓器丁工 一次側連接於該返馳式切換電路2〇 〇所切換出之高頻訊號 Vin以及初級電流Iin，其二次側為雙輸出方式，一為主^電 源端其電流為主電流lm，另一為次電源端其電流為次電流 I sb。其繞線方式係為中間抽頭之方式，繞線而成。另於 lm與Isb之間則連接有濾波電容以，而兩輸出1[1]與131)之共 同端其電流為總電流It。因為I sb很小，所以11可看作與 m 對於所述之次電源端，則係再連接有一同步整流電路 3 0 0，其間連接有二極體D1元件。該同步整流電路3 〇 〇另與 五、發明說明（6) ---- 電流偵測電路4〇0相連接，之後該同步整流電路3〇〇輸出 同步驅動電壓訊號Vs並且同時連接至同步開關M1。該同步 開關Μ1 ’於本發明實施例中，係採用一 n型金氧半場效電 晶體（MOSFET)所達成者。該同步開關M1之汲源極則係跨接 於輸出二極體D2之兩端，當該輸出二極體D2導通時，=產 生同步導通之作用，使該輸出二極體D2之電流改道，能夠 大幅減少輸出二極體D2之跨接電壓。此外，該輸出二極體 D 2 ’其輸入端為該變壓器τ丨二次側之主電源端I爪，其輸出 j連接負載端（Load) 5 00，該負載端5〇〇則並連接有輸出電 容C 〇者。 另方面，13亥負載端5 0 0係串接有一電流偵測器4 〇 ο， =偵測流經負載之電&，將偵測到之負載電流訊號轉換 ”、、之迴授電流’並且連接至該同步整流電路3〇〇中盥預、 ,,電流準位lb作比較，藉以改變同步驅動電壓訊號;s之 脈：’進而改變同步開關M1之工作時間， 同：開_所跨接之二極_上的上： 及導通損★’形成為一高效率、簡易電路之電換 關於圖三所示電路中，各主I -四，圖四係為本發明實施例皮形=閱圖 to-tl之時段’該返馳式切換電路2 00中：切H J中 時，該返馳式切換電糊開線: 供開關為截止（〇pF)，電 497327 五、發明說明（7) 流I in立即降為零電流，此時變壓器π 旦 換至二次側，主電流11}]立即轉為高準 ^里由—…次側轉 運作時，各波形*轉態切換時，會有阻^ 際電路 因為本發明使用了準彳 _ 振盪之偽形，但 * 羊位比#乂為，可以避開錯誤動作—妳 過正確判斷的訊號即是同步整流電路300所輸出之%區二

動電壓訊號Vs，其由雯車仿鏟施士、古、、隹y 之问步•辱S 導通。 、自零卓位轉換成南準位，使同步開關Ml 之後該Im呈線性下降，一直下降至零電流。此經 由電流偵測器40 0偵測電流111}若小於一預設之基準 時，則同步驅動電壓訊號“立即下降為零。因此，該同步 驅動電壓訊號Vs之方波脈寬係可依主電流Im與基準^流之 比較而，行同步控制。所以該同步開關M1之工作時間^即 方波脈寬）是可以同步調雙，使其於輸出二極體D2導通時 即產生同步導通，將流經輸出二極體D2之電流改道，是以 在同步開關之金氧半場效電晶體於内阻很小之時，可以使 輸出二極體D 2之跨接電壓大幅下降，同時降低功率消耗。 煩請進一步參閱圖五，圖五係為本發明實施例中針對 圖三中同步開關其工作之進一步詳細波形示意圖。其中該 主電流I m輸出的時段為t l -12，若同步開關的導通時間落 在11 -12之一段時段的話，I m則會產生回擊電流I b p，此 一反向電流之現象會產生消耗功率，引起危險，而習用技 術之困難正是如此。對於習用技術中，其同步整流之方式

第10頁 497327 案號 89114974 補充I日_ 修正 五、發明說明（8) 無法在返馳式轉換器線路中正確地產生一個與主電流I m同 步之控制訊號，所以往往產生金氧半場效電晶體（MOSFET) 開關不完整之情形，進而產生不必要之困擾與功率消耗。 其中必須注意的是該調變後之V s方波，其時間間隔必須小 於總電流I t之時間間隔，藉以確保同步開關之開關動作正 常。本發明藉由一電流準位I b之比較，將同步訊號正確鎖 在11至t 2之内，有效改善習用技術之缺失。 有關圖三所示各電路方塊的進一步說明，煩請參閱圖 六，該圖六所示係為本發明實施例中針對圖三所示之進一 步詳細電路連接圖。其中V s 〇 u r c e 供應之電源，乃係由V 1 之市電電源經由橋式整流而成。該返驰式切換電路2 0 0則 係包括有切換開關S 1 ，其閘極端連接有閘極控制電路 2 0 5，於本發明實施例中係以一閘極控制用之積體電路 (1C， 如MC 3 8 44 A者）連接電路元件而完成者。該閘極控制 電路2 0 5另連接有負載迴授電路210者。對於本發明所述之 電流偵測器4 0 0在本實施例中主要係以一比流器（C T )而完 成者，另外，亦可以採用霍爾元件之電流感測器而達成電 流偵測之作用。另對於所述之同步整流電路，則係以一比 較器之積體電路而達成，如使用LM311之類的1C。 另一方面，有關本發明中所述之同步整流電路3 0 0與 預設之電流準位I b (圖四所示）作比較，藉以改變同步開關 Μ 1之工作時間之方式中；其主要之電流準位I b設定方式描 述如下：由於本發明實施例之電路中，所使用之比較器的

第11頁 2001.12.14.011 497327 案號 89114974 (> p If, 7 V，阜 修正 月 修正

"W 五、發明說明（9) 積體電路係為採用L Μ 3 1 1之I C元件，其内部設有平衡線 路，可以調整其比較輸入的偏壓（offset)，其調整值為正 負2 5 m V，I C的第5及第6支接腳為調整腳，本發明即使其偏 向一方，即正2 5 m V，這樣輸入便自然形成一個偏壓，也即 是本電路中之電流準位I b設定，本發明中之I b設定準位只 耍數mV即可正常工作，所以使用LM3 1 1的内部調整即能滿 足其需要。 根據正式實驗証實，以圖六為主的一部1 2伏特、輸出 6 0瓦之返馳式電源供應器，原本只有8 1 %的效率，加上本 發明後馬上提升至8 9 %，效果非常明顯。

第11-1頁 2001. 12. 14.012 497327 圖式簡單說明 (四）圖式之簡要說明： 圖一係為習用技術之美國專利第5，9 9 1，1 7 1號案中主 要電路示意圖。 圖二係為習用技術之美國專利第5, 991，172號案中主 要電路不意圖。 圖三係為本發明實施例之主要電路方塊與元件之連接 示意圖。 圖四係為本發明實施例之主要元件波形示意圖。 圖五係為本發明實施例中針對圖三中同步開關的電壓 及電流進一步詳細波形示意圖。 圖六係為本發明實施例中針對圖三所示之進一步詳細 電路連接圖。 圖號說明： 122 同步整流控制（Sync· Rectifier Control) 2 0 0 返馳式切換電路 3 0 0 同步整流電路 40 0電流偵測器 5 0 0負載

第13頁 497327 圖式簡單說明 2 0 5 閘極控制電路 T1 變壓器 I s b 次電流 V s 同步驅動電壓訊號 Im 主電流 Μ1同步開關 Co輸出電容 I bp 回擊電流 2 1 0負載迴授電路 D1 二極體 C1電容 V s 〇 u r c e 供應之電源 I t 總電流 D 2輸出二極體 I f 迴授電流

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Claims (1)

1. 497327 _案號89114974 年月日 修正 六、申請專利範圍 (六）申請專利範圍 βΐ 03 | - ·* ' - ..... ii r r imJ 括 包 係 器 應 供 源 電 流 整 步 同 式， 驰路 返·，電 型源換 易電切 簡之式 種應馳 一供返 頻 高 二 出 換 切 源 電 之 應 供 該 收 接 係 中 路 電 換 切 式 驰 返 該 於 1gu # 訊 關 開 換 切 一 有 括 包 系 高 之 出 換 切 所 路 ;電 路換 電切 授式 迴馳 之返 β玄 JJI=口 負接 一連 有側 接次 連一 係其 诗 ， 一 路器 與電壓 變 制 控 之 極 閘 該 而 路 電 制 控 之 極 閘 關 QMU mm 換 切 區 焉 式 方 出 輸 雙 為 側 另 端 源 電 主 為 其 路 電 測 偵 流 一^6- 與 端 源 次 於 接 -\gc 次·，其 二端， 其源路 ，電電 號次流 訊為整 頻一步 同 步跨 同係 1 ， 為關 出開 輸步 同 - 至 接 4^1.} 而 -lgb 訊 壓 電 區 焉 當 端 兩 之 體 極二 出 輸 於 接 •，體 關極 開二 步出 同輸 改 流 電 之 體 極二 出 輸； 該壓 使電 ，接 通跨 導之 步體 同極 生二 產少 能減 ，幅 時大 通， 導道 端容 源電 電出 主輸 之有 側連 次並 二則 器端 壓載 變負 該該 為， 端端 / β JYe\- 輸負 其接 4tnc ，璉 體端 極出 二輸 出其 輸 ，與 流中 電路 之電 載流 負整 經步 流同 測該 偵至 以換 ，轉 端號 訊 負流 接載 串負 ，之 器到. 測測 伯偵 流將 電 訊 壓同 電成 動達。 驅，失 步間損 同時換 變作切 改工及 以之壓 藉關電 ，開接 較步跨 比同之 作變體 位改極 準而二 流進少 電，減 之寬以 設脈， 預之通 一號導 第15頁 497327 案號 89114974

   修正 六、申請專利範圍 2 ·如申請專利範圍第1項所述之簡易型返馳式同步整流電 源供應器，其中所述變壓器二次側之雙輸出，係以中間 抽頭之繞線方式完成。 3. 如申請專利範圍第1項所述之簡易型返馳式同步整流電 源供應器，其中所述之同步整流電路係以一具有比較輸 入偏壓（offset)比較器之積體電路而完成者。 4. 如申請專利範圍第1項所述之簡易型返馳式同步整流電 源供應器，其中所述之同步開關，·係以N型金氧半場效 電晶體（N type M0SFET)所組成者。 5 .如申請專利範圍第1項所述之簡易型返馳式同步整流電 源供應器，其中所述之電流偵測器係以比流器（C T)之元 件所完成者。 6 .如申請專利範圍第1項所述之簡易型返馳式同步整流電 源供應器，其中所述之電流偵測器係以霍爾元件之電流 感應器所完成者。

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