TW519789B - Simplified fly-back synchronous rectifying power supply - Google Patents

Description

各種不同轉換哭電路扣媸肩關元件製程技術之進步，加上 應器已經成為電源供L哭J變化運用，使得切換式電源供 器設備及電子儀界耸^ =主要技術，尤其現今電腦、電 應器之穩定:古：二不斷推陳出新’皆需求電源供 源供應器成A雷$ # ^率及低成本，更加使得切換式電 :攻為電源供應器之技術主流。

Power ^『Γ 馳式電源供應器（Fly_Back SwitchinS 供庫之1^』甘之電路係為一被廣泛使用於低成本電源 HSU基本架構如圖-所示，㈣-所示係為 夕二= 式電源供應器。《中T1係為返馳式轉換器 、交垄器，係負責將電能由該主變壓器之初級線圈轉換 至次級線圈。當電源Vs〇Urce進入後，先經由返驰式切換 電路2 0 0切換出一高頻方波訊號¥丨η以及初級電流丨丨^，再 連接至主變慶器Τ1之初級線圈（電壓為v i η)。該主變壓器 Τ1之次級線圈（電壓為vt)係連接一般簡單之整流輸出濾波 電路’由二極體D1與電容c〇所組成，再連接至負載50 0。 圖一之主要工作原理，可以分為不連續導通模式以及連續 導通模式兩部分加以討論。

第4頁 519789 五、發明說明（2) 闽續導通模式作一說明，煩請參閱圖二， 回一糸，、、、兄口二之一般返馳式電路相關波形圖。於時間 t。時、，該返馳式切換電路2〇〇輸出一電壓Ηη至主變壓器 T1之初級線圈中。此時為強迫切換，是以電壓v i n以及V七 之變化速度、（dv/dt)很大，而不會產生過多的切換延遲 (Delay)。以及此時輸入電流丨in成一線性增加之勢，直到 時間t i時，該返馳式切換電路2 〇 〇切換截止v丨n之輸入電 壓訊號，且成一高輸出阻抗之狀態。此時先前儲存於主變 壓器T1中之電流能量無法於初級線圈中流動，是以將能量 轉移至-人級線圈而輸出能量’該能量如圖二中所示之I ^波 形’其電流值之變化乃為隨時間之增加而遞減，直至t 2 為止。 然而’我們必須注意的是在此不連續導通模式 (Discontinuous Conduction Mode)下，主變壓器T1 之輸 入電流I i η以及次級線圈輸出電流丨t皆為由零值電流啟始 或結束，此一現象乃係因為該電流It呈一自然截止（Turn 0 f f )之狀態（由最大值線性遞減至零值），是以該主變壓器 T1之兩側跨接電壓Vi η以及vt將會因為寄生電容電感之干 擾’進而產生振鈴（Ringing)之現象，如圖二中Vt之由高 準位轉換為低準位時之震盪。此乃因為於此振鈴發生之時 間’由主變壓器T1之一、次級線圈線圈看入，則v丨η以及 V t皆呈咼阻抗狀態。如此，於寄生電容及電感中之能量將 不易導引出來，因此我們可以觀察出該V t電壓變化於時間 %至％之間有很大之干擾，並且電壓vt之下降，往往會

第5頁 519789 五、發明說明（3) 落後（D e 1 a y)電流11很多。是以，我們若欲以主變壓器τ 1 中之電壓訊號作為同步整流之控制訊號，則將非常困難。 另 方面，配合圖二之所不，針對一般之返驰式電源 供應器之連續導通模式（Continuous Conduction Mode)作 一說明。該圖三中係當電流11線性遞減而未到達零值時， 該輸入電壓V i η即進入下一切換狀態，則如此導通模式即 為連續導通模式。反之，對照於圖二所示，該圖二所示 之11乃已經是為零值一段時間後，該輸入電壓ν丨η才進 '入 下一切換狀態，是以該圖二係為一不連續模式。 然而，該圖三所示之連續導通模式之切換過程中係 一強迫切換之情形，即I i η電流非並從零值開始、j t電流'、 亦非為於零值結束，所以主變壓器71次級線圈電壓Vt 昇與下降波形能與I in及11:等電流一樣地快速改變，此 時，若以同步整流之方式控制輸出至負載的訊號，係 執行正常操作。 乂 經由上述之返驰式電源供應器之背景說明分析，可 知·知同步整流方式係可以有效運用於連續導通模式 (Continuous Conduct ion Mode)中。然而，若是運用於 連續導通模式中則有困難。是以原母案之簡易型返馳式 步整流電源供應器（申請日為：民國八十九年七月二十七 日，申請案號：891 1 4974)，即提出一可以運用於不連 導，，式之返馳式電路，能夠有效解決以電壓訊號作為、 步玉^之控制訊號之困難。該原母案主要之電路元件 接方式，煩請參閱四。 咬

519789 五、發明說明（4) 該圖四所揭示之原母案，乃係提供 同步整流電源供應器、，主要係藉由運用返馳二換=式 20。之配合使用電流偵測器400與同步路 用，而偵測主變壓器T1之次級線圈雷、、六丄 作 整流電路3 0 0輸出訊號v s之脈寬，進 】以控制同步 源供應器之效率，並具有防止次級線=，有效提高電 以及達成簡化連接之線路使製造更，擊，作用， 作成本。對於更進一步相關詳細電路=，旎有效降低製 閱原母案之說明書内容。 東路技術說明，則煩請參 然而，該原母案仍有需進—步改 一般實用之電源供應器的操作狀能並 处。主要係由於 -個模式下，_改變時則電;;持固f於 連續導通或是不連續導通之模式。例:^吩θ被改熒為 峰值較低而可能由連續導通模式$ 2 :載4，電流11 之亦然。並且當原母案操作通模、反 步開關釋放能量，是以切換開關Y、強一白放Λ之路徑給該同 現象及切換損失產生開。關於強迫切換時會有延遲 所以本發明追加案即針對卜一 以同時適用於不連續導通而提出-個可 流控制的返驰式電源供應器式與連續導通模式中之同步整 (三）發明之簡要說明··

叫789 五、發明說明（5) 本發明係提 追加案，主要係 時’同步開關截 原母案能夠在切 快速地截止（〇 u t 損失。並且本發 時’亦能夠比原 同步開關導通時 本發明追加 簡單之返驰式電 加速路徑，以及 力口速地截止或導 續導通模式中。 案之簡化設計， & % ’更能有效 為了達成上 驰式同步整流電 ^外’更包括加 $器之次級線圈 問極端。此加速 輿一加速導通二 成’主要係提供 $ ’其中該加速 力°迷該同步開關 供一簡易型返馳式同步整流電源供應器之 進二步改善原母案運用於連續導通模式 止時所產生之延遲現象與能量損失，使得 換開關強迫切換下，使該同步開關能夠更 0f f) ’以避免延遲現象產生並減少能量 明追加案之同步開關於導通（Turn 〇n) 母案之同步開關的導通時間要快，以加速 間’此為本發明追加案之主要目的。 案之另一目的為提供一低價位、電路設計 源供應器’僅於原母案中增加同步開關之 設置緩衝器，即可使原母案之同步開關能 通’藉以同時適用於連續導通模式與不連 並於不增加過多之元件情形下，維持原母 較之於其他習用返馳式電源供應器之先前 降低製作成本。 述之目的，本發明追加案所述之簡易型返 源供應器，除了原母案所述之所有連接元 入有一加速路徑，其一端係連接於該主變 的次電源端，另一端連接至該同步開關之 路徑之組成’主要係由一加速截止二極體 極體之相對接（即N極對N極相接）所連接而 給該同步開關進一步加速截止與導通之作 導通二極體係更併聯有一電容，用以作為 之切換速度者。

第8頁 五 發明說明（6) 型電晶體相ΐ :妾ί :包有U器，係由-N型電晶體與P ，且連接至該同ί整;r電:=;兩=基極端相連 曰曰體之射極端相連接至該同 ： °亥P、N型電 步開關者。另夕卜 二開關的閘極鈿’卩驅動該同 速截止二極體盘加速亥電日曰士體之集極端則是連接至該加 ^ 、加速導通二極體所相對接之連拯赴^ =器以型電晶體與加速路徑相連接，而ρϊ;ϊ體= 極h則連接於該輸出二極體之ρ極端。 $曰曰體之集 ^於前述之加速路徑，彳以分為加速充電 加速：t止等兩種路徑。對於加速充電導通，i要伟心 的?上極體與所併聯之電容，以及所連接之 晶體連接至該同步開關之問極端，進而行成同 ί:兮i = 電導通路徑。另一方®，加速放電截：則 加速截止二極體以及與加速導通二極體所併聯 二、。“ 7L件連接，而形成一同步開關之快速放電截止路 如此即可有效改善原母案運用於連續導通模式時之同 二開關截止之延遲現象，且本發明追加案於不增加過多、 稷雜之元件下，仍然保有原母案之設計簡化及製造 低之優點。 今平乂 (五）發明詳細說明： 本發明係為簡易型返驰式同步整流電源供應器追加 ’主要針對申請案第8 9 1 1 4 9 7 4號發明案技術之進一步的

第9頁 519789 五、發明說明（7) 再毛明，使原母案之運用領域能更加為完備。主要係用以 改善原母案運用於連續導通模式（c〇ntinu〇us c〇nducti〇n

Mode) k，該同步開關截止時所產生之延遲現象與能量損 失，使得原母案能夠在切換開關強迫切換情形下，使該同 步開關能夠更快速地截止（Cut 〇ff )，以避免延遲現象產 生並減少能量損失。更進一步而言，本發明追加案之同步 開關=導通（Turn On)時，亦能夠比原母案之同步開關的 導通柃間要快，以加速同步開關之導通時間，有效增進原 母案之操作效率，使原母案能同時運用於不連續導通模式 (Discontinuous Conduction Mode)與連續導通模式 (Continuous Conduction Mode)中。 首先，煩請參閱圖五，圖五係為本發明追加案之電路 連接示意圖，相較於圖四所示之原母案電路圖，則圖五 本發明追加案之電路元件，同樣包括有：一電源供應 Vs〇Urce以及一返馳式切換電路2〇〇，該返驰式切換電路 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2〇〇如同原母案，同樣係 連接於一主變壓器T1，就返馳式轉換器之一般基本拓樸姓 構來說，該主變壓器T1係為返驰式轉換器中之主要主變= 器，用以將初級線圈之能量轉換至次級線圈。 於圖五中，該主變壓器T1初級線圈連接於該返馳 換電路20 0所切換出之高頻訊號Vin以及初級電流丨in，发 次級線圈為雙輸出方式，一為主電源端其電流為主電、、/、

Im，其電壓係為Vt ;另一為次電源端其電流為次電流以

第10頁 519789 五、發明說明（8) 式係為中間抽頭之方式，繞線而成。另於 樣連接有滤波電容π，而兩輸出im與1sb 電流為總電流it。因編报小，所以it可看 Λ於門次連電接源右端Vsb ’同樣係再連接有一同步整流電路 是連接至—緩衝器（Buffer)310 : 乂正机電路_之輸出則 了緩:ίί，广1母案之所示，本發明追加案中係多增加 :1:(Buffer)310與加速路徑（元件D5、C5、D6)之設 -欠級i圈=^速路徑’其一端連接於該主變M器T1之 -人、，及線圈的次電源端Vsb，另一端連接至原母案之 端：該加逮路徑主要係由一加速截止二極 ^、車、導通一極體D5 極相對接（即為N極對N極相接） Ϊίί:ΐ，連接點⑽，主要係提供給該同步開義力 -電容該加速導通二極體D5係併聯有 量釋放與增加充；可加速同步開隨放電之能 型電’主要係由一n型電晶體卩嗜 =曰日體Qp相串接而成’該P、N型電晶體Qn、Qp之基 N型雷矣，且連接至該同步整流電路3〇〇之輸出端，以及P而 上電晶體之射極端相連接，並連接至該同 以連壓訊號V"N型電晶體如之^ 連接至忒加速截止二極體D6與一加速導通二極體恥所 第11頁 519789 五、發明說明（9) 相對接之連接點~，即為歲

Qp之集極端則連接於該於、^速路徑相連接，而p型電晶體 緩衝器3 1 〇之設置。 一極體D 2之P極端，如此完成 如上述電路所示，发 併聯之電容C5，以及所^ 糸由該加速導通二極體D5與所 連接至該同步開關M1之f之緩衝器31 〇中的N型電晶體如 電導通路徑。另—方f極端而形成一同步開關之快速充 加速導通二極體所併聯之截=極舰以及與 同步開關之快速放電截止路=。5#兩凡件連接，而形成一 係連：U ί 示之電路中，該同步驅動電壓訊號。 f中 > 係採用—N型金氧半場效電晶體（MOSFET)所達成 同步開義之汲源極’同樣係跨接於輸出二極_ =兩知，當該輸出二極體D2導通時，能產生同步導通之作 用，使該輸出二極體D2之電流改道，能夠大幅減少輸出二 極fD2之跨接電壓。此外，該輸出二極體〇2，其輸入端（p 極端）為該主變壓器T1次級線圈之主電源端電流丨m，其輸 出知r連接負載端（L〇ad)500 ’該負載端500則並連接有輸出 電容Co者。 # 如同圖四原母案之所示，該圖五之負載端5 〇 〇係串接 有一電流偵測器400，用以偵測流經負載之電流，將偵測 到之負載電流訊號轉換為I f之迴授電流，並且連接至該同 步整流電路300中與預設之電流準位作比較，藉以進一步 改變同步驅動電壓訊號V s之脈寬，進而改變同步開關M丨之 第12頁 519789 五、發明說明（10) 電以：少；同步開_所跨接之二極_2 5侵电座以及兀件切換及 U股以 率、簡易電路之電源供應器。 、 > 成為一高效 母荦追加案，主要係將原母案加以改進，使斤 =案犯更加適用於連續導通模式中， 使原 式，則於原母案中有所詳述。所以，於，而蜍通模 操作於連續導通模式中之運用，II配合。 吕兒明。斟旛私同τ α Λ 干/反化圖再洋加 ^對應於圖五所不之電路元件，1中夂士西4 / 煩請參閱圖六之所示。 /、中各主要波形圖則 τ Φ 圖八之所不’當時間為t °時，初級線圈電壓V i η為 正電壓，該返馳式切換電路2〇〇對主變壓器η充電。此… 時，初級線圈電流I in會由Imin而漸漸線性遞增，此 次級線圈電壓vt則呈一負向極性使次級線圈總電流u為〇 值。當到達時間t!時，該返驰式切換電路2 〇 〇由導通轉為 截止，使電流Iin立即變成〇值。此時電流It成為Imax之後 慢慢下降，呈一線性遞減。直至時間“時，該返馳式切 換電路200再次對主變壓器^充電，這時電流丨in會又變為 I m i η而漸漸線性遞增，如此週而復始。 然而，將圖六對照於圖五之各電路元件操作情形，當 時間為t Q至t i時，該次級線圈電壓vt為反向電壓，電流胃 It為0值。該電流偵測器400並無偵測到電流，所以沒有輸 出訊號予該同步整流電路3 0 0，該同步整流電路3 〇 〇即無輸 出訊號給緩衝器3 0 0。所以同步開關Μ1之閘極上並無足以 令其導通之電壓，則同步開關成斷路截止（Cut Of f)之狀

第13頁 519789 五、發明說明（11) 態’此時並無電流輸出至負載5 〇 〇。 圖六中當时間至t i時，該返馳式切換電路2 〇 〇之切換 7G件由導通轉為截止，該主變壓器n之次級線圈電壓vt以 及次級線圈之總電流I t會急速上升。同時該電流偵測器 400測得大電流讯旒，通知該同步整流電路3〇〇輸出一驅動 電壓’經由緩衝器3 1 〇之射極連接點而產生一同步驅動電 壓δίΐ號V s使違同步開關μ 1導通。此時，次級線圈之次電源 端電壓Vsb經由該加速導通二極體D5及所併聯之電容C5， 而同時提供該緩衝器310中之N、P型電晶體如、qp元件操 作時所需的電源。其中電流經由該N型電晶體Qn之集極、 射極而流至該同步開關Ml之閘極以進行充電，能有效加速 該同步開關Μ1之閘極驅動電壓的上昇速度，使該同步開關 Μ1快速導通，即為形成本發明追加案之一快速充電導通路 徑。 另一方面，圖六中當時間到達12時，該返馳式切換 電路200之切換元件由截止轉為導通，該主變壓器T1之次 級線圈電壓V t以及次級線圈之總電流11會快速改變極性。 此時，該電流偵測器4 0 0所偵測到之電流值變成零，並且 使得該同步整流電路3 0 〇停止輸出驅動電壓至緩衝器31 〇。 所以緩衝器31 0並沒有輸出同步驅動訊號v s給該同步開關 Ml之閘極，進而使同步開關M1進入截止（Cut 〇f f )狀態。 而由於同步整流電路30 0之反應至同步開關Ml之閘極過程 會有延遲（Del ay)現象，此時該加速導通二極體D5所併聯 之電容C5與加速截止二極體D6等兩元件所形成之一放電路

五、發明說明（12) 位’可提供該同步問β諸彳 加逮同步開關之截止速卢p極忐夠快速地將能量釋放， 之-快速能量釋放之；ί截=徑即為形成本發明追加案 本發明追加案之淮一半▲ 七所示係為本發明追加幸=、，、田電路’煩請參閱圖七，圖 細電路連接H ^ f加案中針對圖五所示電路之進一步詳 在於所增加之加速路同於原母案者’ 3!〇等電路元件，則^ Α件 〇6等）以及緩衝器 細揭露。今圖七分之詳細電路已經於圖五中詳 中：元侔U 之其他電路元件，係同於原母案 閘極她括返馳式切換電路20 0中之切換開關S1，其 採用閘極控制電路2°5;以及電流偵測器所 :.;=(ct);另外亦可採用霍爾元件之電流感測器 ριΙ 電抓偵測之作用。對於所述之同步整流電路300， :δ樣係以-比較器之積體電路而達成，如使用 頰的IC。 根據正式實驗証實，以圖七為主的一部丨2伏特、輸出 瓦之返驰式電源供應器，先前之原母案於連續導通模式 了 ’原本只有85%的效率，加上本發明後馬上提升至9〇%， 效果非常明顯。 綜上所述’本發明之一簡易逛返馳式同步整流電源供 應器’能夠提供一低價位、線路設計簡單以及減少功率消 耗之返馳式電源供應器。充份顯示出本發明之目的及功效 上均深富實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前 市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利之要件，爰 第15頁 i 519789 五、發明說明（13) 依法提出申請。 唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵 蓋之範圍内，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至 禱0

519789 圖式簡單說明 (四）圖式之簡要說明： 圖一係為習用一般返驰式電源供應器之基本電路架 圖。 圖二係為配合圖一之電路元件操作於不連續導通模 (Discontinuous Conduction Mode)之波形示 ^ 圖三係為配合圖一之電路元件操作於連續導通模式 (Continuous Conduction Mode)之波形示意圖 圖四係為原母案第89 1 1 4974號申請案之主要電^元 圖。 圖五係為本發明追加案之電路連接示意圖。 圖六係為本發明追加案之操作於連續導通模式下的 意圖 " 圖七係為本發明追加案 電路連接圖。 圖號說明： 中針對圖五所示電路之進 構連接 式 I圖。 〇 件連接 波形示 步詳細 2 0 0 返驰式切換電路 2 1 〇負載迴授電路 3 1 0緩衝器 500負載 T1 主變壓器 D5 加速導通二極體

Isb次電流 V s同步驅動電壓訊號 v i n初級線圈電壓 ~ 2 0 5閘極控制電路 3 0 0同步整流電路 4 〇 0電流偵測器 D1二極體 D6加速截止二極體 Cl 、 C5電容

Vs〇Urce供應之電源 V t 次級線圈電壓 519789

第18頁

Claims (1)

1. 519789 六、申請專利範圍 (^、）申清專利範園 1 · 一種簡易型返制7斗、 係包 括： 馳式同步整流電源供應器追加 電源供應； 返馳式切換電路，桩 頻訊號：接收-電源之供應，並切換輪出一高 主變壓器’其初級線圈連接該返 之高頻訊號，甘a & ^ 挟電路所切換出 4山:Ϊ其次級線圈為雙輸出方式，-為主電源 鈿，另一為次電源端； 為主電源 同步整流電路，其連接於社 鈐屮A 一 π半、 ；μ。人電源端與電流偵測器，其 輸出為冋步驅動電壓訊號， . 同步開關，係跨接於輪出_托挪 要至同步開關， 導11睥，炉漆體之兩端，當輸出二極體 ^ , Aa ^ 使該輸出二極體之電流改 道’大巾田減 >、二極體之跨接電壓； 輸出 '一極體’其輸入端真兮士料 山^ ^ τ山1而馬口亥主變壓器次級線圈之主電源 女而，其輸出立而連接負載端，兮A ^ ^ ^ 5亥負載端則並連有輸出電 容； 電流偵測器’串接於負載端，以偵測流經負載之電流， 係將所债測到之負載電流訊號轉換至該同步整流電路 中與一預成之電抓準位作比較，以改變同步驅動電壓 訊號之脈寬:進而改變該同步開關之工作時間，達成 同步導通，以減少忒輸出二極體之跨接電壓及切換損 失； 加速路徑，其一端連接於該主變壓器之次級線圈的次電

   519789 六、申請專利範圍 源端，另一端連接至該同步開關之閘極端， 速截止二極體盥一加竦導iS _ & 係由一加 接而杰Γ —極體之N極相對接所逯 Ϊ用1ί要係提供給該同步開關加速截止與導通之 4作，，/、中該加速導通二極體係併聯有一雷六· 緩衝器，係由_Ν型電晶體與ρ =, 流電路之輸出端，以及卜_以/^^同步整 搵，廿、击& 主电日日體之射極端相逯 f 並連接至該同步開關的閘極端， 集極端則連接至該加速截止二極體與一』/電曰曰體之 型雷曰^隹連接為與速路徑相連接，而Ρ 上述端則連接於該輸出二極體之P極端； 以及所遠接，係由該加速導通二極體與所併聯之電容， 極端而开^之ί:器中的Ν型電晶體至該同步開關之閘 速截=體= =充電導通路徑；另由該加 一# /、加速導通一極體所併聯之雷交望^ 2如申社^利=^成一同步開關之快速放電截止路徑。以 i以η員所述之簡易型返驰式同步整流電 壓哭之I f ^式切換電路由導通轉為截止時，該主變 升：同::ί Ϊ!電壓以及次級線圈之總電流會急迷上 流電路=二="L偵測器測得大電流訊號’通知該同步整 此時，由緩衝器使該同步開關導通， 及所併聯之雷*，次電源端電壓經由該加速導通二極體 9 备，而同時提供該緩衝器之N、p型電晶體 第20頁 :件J :所需的r二其中電流經晶體 力咖同步開關之閑極駆以；以進行ΐ電：能有致 開關快速導通。 動電堡的上昇速度，使該同步 如申請專利範圍第1項所述之綷 源供應器追加一，丨中所：二型返驰式同步整流電 庐，在#兮π gU 之同步開關之快速放電截止路 4工’係當邊返馳式切換電敗Λ 给 壓器之次級線圈電壓以轉為導通時，該主變 極性，此時，該電流二之總電；會急速改變 並且使得該同步整流電路；止於：到之電W值變成零， 痛V A缒输哭*么认，1 了止輸出驅動電壓給緩衝器， 輸出同，驅動訊號至該同步開關之閑 C；處2； m半pq日日 戠止狀怨’由於同步整流電聘 極過程會有延遲，此時該加速導 ϊΐ: 電容與加速截止二極體兩元件所形咸 之一放電路徑，可摇徂好m μ u ^ &曰Μ #，λm ^同步開關之閘極能夠快速地網 月匕篁釋放加速同步開關之截止速度。