TWI331441B - Pulse-width-modulation control circuit and switching-mode power converter with primary-side feedback control - Google Patents

Description

1331441 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種切換式(switching-mode)電源轉換器及脈寬 調變(pulse width modulation; PWM)控制電路，特別是關於一種應 用於一次側(Primary-side)迴授控制的切換式電源轉換器及脈寬調 _變控制電路。 【先前技術】 『第1圖』所示係習知的反馳式轉換器(flybackconverter)100 ，來自交流電壓源101提供的交流電壓VAC經電磁干擾(Electr〇_ Magnetic Interference; EMI)濾波器 102 及橋式整流器（bridge

• rectlfier)104濾波及整流後得到具有漣波的直流輸入電壓Vi，輕合 „ 至全尾為TX的久側繞組(primary-side winciing)Lp，功率開關SW - 與變壓器TX的一次側繞組Lp串聯，控制器i〇6輸出脈寬調變信 號Vpwm切換功率開關SW ’以轉換輸入電壓vi至變壓器τχ的 二次侧(secondary-side)產生輸出電壓ν〇。電阻汜與變壓器τχ的 次侧繞組Lp串聯，用以偵測—次側繞組電流Ιρ。為了調節 5 丄斗1 i之初始值保持在輪出端；該運算處理單元將該感測電壓之峯值 、、~初始值’產生一感測電壓變化量；該轉導電路耦接至該運 處一單元之輪出端’將該感測電壓變化量轉換為一電流訊號； 該誤差放大ϋ具有二輪人端’其—輸人端紐該電流訊號及該迴 授電壓，另一輪入端耦接至一固定參考電壓，該誤差放大器產生 ® 一誤差信號；該脈寬調變產生器根據該誤差信號決定該脈寬調變 信號的責任週期。 【實施方式】 『第2(a)圖』顯示本發明第一實施例的切換式電源轉換器20 ，來自交流電壓源202提供的交流電壓VAC經ΕΜΙ濾波器204及 • 橋式整流器206產生直流輸入電壓Vi，耦合至變壓器TX的一次 __ 側繞組Lp，功率開關SW與變壓器TX的一次側繞組Lp串聯， - PWM產生器214產生脈寬調變信號Vpwm來切換功率開關sw， 將輪入電壓Vi轉換為輸出電壓Vo。 『第2(b)圖』顯示『第2(a)圖』中脈寬調變信號Vpwm、一次 側繞組電流Ip及二次側繞組電流Is在不連續導通模式 8 1331441 (Discontinuous Conduction Mode ; DCM)的波形圖。 在F第2(b)圖』中波形200b表示脈寬調變信號Vpwm，波形 202b表示一次侧繞組電流Ip，波形204b表示二次側繞組電流Is 。在脈寬調變信號Vpwm的責任期間(on_dutyperiod)Ton，功率開 關SW導通’ 一次側繞組電流Ip從0逐漸增加至臬值Value)IpK ’一次側繞組Lp因此儲存能量 [公式1]

LP χ Ιρκ2 = \ Lp(^ χ Ton)2 = |x x W 其中vi為一次側繞組化上的跨壓。在脈寬調變信號Vpwm的非 責任期間(off-dutyperi〇d)T〇ff，功率開關sw關，儲存在一次側 繞組LP的能量傳翻二次側敝Ls，耻二次側繞組電流^從 峰值ISK逐漸減少到0。與二次側繞組連接的二極體切用來整流 > ^^^^^(fonvard voltage)^ Vf , Ro , b為二次側繞組電流Is的平均值，跨在輸㈣容C。的電壓為輸 出電㈣。在非責任期間撼，變壓器τχ的二次側消耗能量為

Vox I ox T〇f f+1〇2 X R〇x T〇f f+ι〇χ Ύ 〇ίί [公式2] 9 1331441 實際上一次側繞組Lp儲存的能量係傳遞給二次側繞組Ls及 一次側的輔助繞組Laux，但是輔助繞組Laux消耗的能量非常小 ，故可以忽略不計。公式1等於公式2 ,均除以T〇ff可得 [公式3] [公式4] V〇xIo+Io2xRo+I〇xVf = IxI!!xI^ 2 Lp Toff 又因為二次側繞組Ls上的跨壓 V2=V〇+I〇xR〇+Vf 公式3除以Ιο，代入公式4可得 V2=Vo+I〇xRo+Vf=-xZLxTon2 xJ_ 2 Lp Toff I〇 [公式 5] 由公式5可知’當二次側平均電流I〇因為負載增加而增加時，二 φ 次側繞組“上的跨壓V2及輸出電壓Vo都將下降，反之則上升。 輔助繞組Laux在麵器τχ的一次側，其繞組電流工紐經二 .極體D2整流’對電容ci充電產生直流之迴授電壓Vfb，輔助繞 組Laux上的跨壓 V3=Vf2+Vfb [公式6] 其中，電M Vf2為二極體D2的順向偏壓。假設繞組Lp、Ls及w 1331441 的匝數比為nl : n2 : n3，則二次侧繞組電堅 V2=(n2/n3)xV3=NxV3 [公式7] ' 其中，N為二次側繞組Ls對輔助繞組Laux的阻數比 • 電阻W及Μ串聯，可視為電阻分懲器，跨在電阻们的電 壓 Vfbl，Vfbl=Vfbx[R2/(Rl+R2)] • 電流制電阻〜與—次側繞組LP串聯，可將_次側繞組電 流Ip轉換為感測電壓Vcs。 脈寬調變控制電路包含-取樣保持電路跡—轉導電路 240、-誤差放大器212以及一脈寬調變產生器214。取樣保持電 路220包含MOS電晶體221及224、電容222及225、一緩衝器 # (buffer)223 以及一反相器 226。 • 姐細變錢外麵騎輯轉位時(如『師)目』之Ton) .’由於電晶體221導通’感測電壓vcs傳遞至電容222充電，當 脈寬調變信號Vp_轉為邏輯低準位時(如『第_』之丁_ ’電晶體221關閉，使得電容222的取樣電壓為-次側繞組電流 勺雜IPK (如第2(b)圖』所不)乘上電流感測電阻^，即感測 11 1331441.

Vfb也升高。 再由公式13可推導出輸出雷 也將隨Vfb升高而上升， 可以抵消因二次側平均電⑸。增知所造成的下降。 『第3(a)圖』顯示本發明筮一 〜只施例的切換式電源轉換器30 ，『第聊』顯示『第3⑷圖』中脈寬調變信號Vp贿、-次側 繞組電流IP及二次側繞组電流Is在連續導通模式 —观齡；CCM)的波_。在『第職』中波形憑 表示脈寬調變信號VPWm，波形鳩表示一次側繞组電流XP，波 形遍表示二次側繞組電流Is。在脈寬調變信號Vpwm的責任期 間Ton ’功率開關SW導通，一次側繞組電流Ip從初始值&逐漸 増加至茶值IPK ’在脈寬調變信號Vpwm的非責任期間T〇ff，功率 開關SW酬，儲存在-次側繞組Lp白勺能量傳遞到二次側繞組 Ls，因此二次側繞組電流Is從峯值Isk逐漸減少到 與本發明的第-實施例相比較，第二實施例的脈寬調變控制 電路300增加一取樣保持電路330及一運算處理單元35〇。取樣保 持電路330與樣保持電路220相比較，取樣保持電路33〇增加— 單發(one罐衝產生電路331;在該脈㉝變信號一由邏 輯低準位轉纖高準⑽，雄331製卜短的脈衝， 取樣保持電路现彻該短脈衝對感測轉％作初始值取樣後 ，將感測電叙懈Μ蝴㈣，崎權初始值Vp。 正㈣『請W』_順心；《轉電請與本發明 的第-實施例_樣，繼輸❹峨^繼I;運算 處理單元爾該感測電壓之峯值νρκ減去該初始值^ ’產生一 P電壓變化量；轉導電路在第二實施例中_該運算處 理早元350之輪出端，將該感測電壓變化量轉換為電流&。

馨在本發明的第二實施例中，將該感測電壓變化量轉換為電流IX ，對於切換式電轉換器操作在連續導通模式時，更能達到精確 - 控制的效果。 雖然本發批前述之實施觸露如上，然其並翻以限定本發 明。在不雜本發明之精神和範_，所為之更賴顺，均屬 本發明之翻賴關。_本發_界定之保圍請參考所 附之申請專利範圍。 15 1331441 【圖式簡單說明】 第1圖係習知的反馳式轉換器； 次側繞組電流及二 第2⑷圖顯示本發明的第一實施例的切換式電源轉換器； 第2_顯示第2⑻圖中脈寬調變信號、 次側繞組電流的波形圖； 次侧繞組電流及. 第3⑻圖顯示本發_第二實施例的切換式電源轉換器；及 第调圖顯TF第3(a)g[巾脈寬調變信號、 次側繞組電流的波形圖。 【主要元件符號說明】 100 反馳轉換器 101 交流電壓源 102 EMI濾波器 104 橋式整流器 106 控制器 108 光耦合器 110 穩壓調整器 16 1331441 200b 脈寬調變信號的波形 202b 一次側繞組電流的波形 204b 二次側繞組電流的波形 20 切換式電源轉換器 200 脈寬調變控制電路 202 交流電壓源 204 EMI濾波器 206 橋式整流器 212 誤差放大器 214 PWM產生器 220 取樣保持電路 221、224 電晶體 222 > 225 電容 223 緩衝器 240 轉導電路 30 切換式電源轉換器 17 1331441 300 脈寬調變控制電路 300b 脈寬調變信號的波形 302b 一次側繞組電流的波形 304b 二次侧繞組電流的波形 330 取樣保持電路 331 單發脈衝產生電路 350 運算處理單元

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Claims (1)

1. 作峯值取樣，該脈寬調變信號轉為邏輯低準位時再將感測電壓 之峯值保持在輸出端。 6.如申喑專利範圍第4項之脈寬調變控制電路，其中該第二取樣 保持電路包含—單瓶衝產生電路，在舰寬調變信號由邏輯 低準轉為邏輯高準位時，該單發脈衝產生電路製造一脈衝， 該第二取樣保持電路該脈衝對域測龍細始值取樣 後’將感測電壓之初始值鱗在輸出端。 如申請專糊第4項之脈寬調觸電路，其中該迴授麵 經由1时麵錢後，輪赵麟錢大n之-輪入端 .一種具有—:欠側迴授㈣的顺式電__，包含： 一變壓器，其具有一次側结 _ 技 〜、、一-人側繞組以及一輔助 繞組’其中該辅助繞組之電 由整流翻直流的迴授雷 壓； U 該功率開關受一脈 -功率開關’與該一次側繞級串聯 寬調變信號切換； 22 田成感測電阻’配置於該功率開關與接地之間，將該 一次側繞組之電流轉換為-感測電壓； 取樣保持電路，對該感測電壓作輋值取樣後，再將該 感測電壓之峯值保持在輸出端； 路缺至該取樣保持電路之輸出端，將該感 測電壓之雜雜為—電流訊號； %錢大益，具，二輸入端，其—輸人端缺該電流 訊號及該迴授電壓，另—輸人端缺至―固定參考電壓，該誤 差放大器產生—誤差信號；以及 I調變信 脈見"周文產生器’根據該誤差信號決定該脈 號的責任週期。 9.如申請專利範圍第8項之切換式電源轉換器，更包含—電阻分 覆器，其中該迴授電壓經由該電阻分壓器分壓後，再轉接至該 誤差放大器之—輸入端。 ^帽袖㈣8奴_輸細，㈣取樣保持 。路利用挪_變信號麵料準㈣縣相電屋作峯 23 1331441. 仏該脈見5周變信號轉為趣輯低準位時再將感測電慶之峯 值保持在輪出端。 11. 一種具有一次側迴授控制的切換式電源轉換器，包含： 又壓裔’其具有-次側繞組、二次側綠組以及一輔助 繞組，其中該辅助繞組之電塵經由整流後輸出一直流的迴授電 壓； 一功率開關，與該一次側繞έ %、、且串聯，該功率開關受一脈 寬調變信號切換； 一電流感測電阻，配置於 、5λ力率開關與接地之間，將該 -次侧繞組之電鱗換為—感測電壓； 一第一取樣保持電路，f 野茲感測電壓作峯值取樣後，再 將感測電壓之峯值保持在輪出端. 一弟一取樣保持電路， 子該感測電壓作初始值取樣後， 再將感測電壓之初始值料在輪出端； -運异處理單元，將 钱測電壓之峯值減去該初始值， 產生一感測電壓變化量； 24 1331441. 一轉導電路，耦接至該運算處 早兀之褕出端，將該感 測電壓變化量轉換為一電流訊號； -誤差放大器，具有二輸人端，其—輸入端輪該電流 訊號及該迴授電歷，另一輸入端轉接± —固定參考電屢，該誤 差放大器產生一誤差信號， ·以及 一脈兔调變產生器，根撐該誤¥ e — 很像；戌反k旒決定該脈寬調變信 號的責任週期。 12.如申請專利範圍第u項之切換式電_換器，更包含一電阻 分壓器’其中該迴授糕經由該電阻分塵器分壓後，再竊接至 該誤差放大器之—輪入端。

   13. 如申。月專利乾圍第U項之切換式電轉換器，其中該第一取 仏ί’、持電路該脈_變錢鱗輯高準㈣對該感測電 、乍峯值取樣，該脈寬爾信簡為邏輯低準㈣再將感測電 &之峯值保持在輪出端。 月專第11項之切換式電源轉換器，其中該第二取 '、寺電路包含—早發蘭產生魏，在舰寬婦信號由邏 25 13314.41

   輯低準位轉為邏輯高準位時，該單發脈衝產生電路製造一脈衝 ，該第二取樣保持電路利用該脈衝對該感測電壓作初始值取樣 後，將感測電壓之初始值保持在輸出端。 26