TWI393336B - 返馳式交換電源供應器及其控制方法 - Google Patents

Description

返馳式交換電源供應器及其控制方法

本發明係有關於一種返馳式交換電源供應器及其控制方法，尤指一種可根據電流調整機制調整工作頻率之返馳式交換電源供應器及其控制方法。

返馳式交換式電源供應器(Flyback Switching Power Supply,SPS)具有高效率、低耗損、小尺寸及重量輕等優點，因此已被廣泛地用以作為各種電子產品的電源轉換裝置。請參考第1圖，第1圖為習知返馳式電源供應器100之示意圖。整流電路102及濾波電容105係用來對交流電源供應器101之交流輸入電壓Vac執行整流濾波處理以產生輸入電壓Vin。變壓器120包含初級繞組121、次級繞組122及輔助繞組123，其中初級繞組121係用以接收輸入電壓Vin。整流濾波電路170用來對次級繞組122感應之前置輸出電壓執行整流濾波處理，以產生輸出電壓饋送至負載195。輸出電壓另可經由回授電路140之訊號處理，以產生回授訊號回授至開關控制電路130。

電源產生電路190係用來根據輔助繞組123之感應電流產生電源電壓Vcc供應至開關控制電路130。一般而言，控制訊號Sc之工作頻率係大致由開關控制電路130根據流經外接之電流設定電阻Rx的頻率設定電流If所設定。如圖所示，因為電流設定電阻 Rx多為固定的一電阻，所以工作頻率大致上也是一定值。

依據本發明之實施例，其揭露一種返馳式交換電源供應器，包含有一變壓器、一開關、一開關控制電路以及一調整電路。該變壓器包含一初級繞組、一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產生一輸出電壓。該開關與該初級繞組串接，用以控制流經該初級繞組之一電流。該開關控制電路具有一頻率控制端，大致工作於一工作頻率，用以控制該開關，而該工作頻率係受控於流經該頻率控制端之一頻率設定電流。該調整電路耦接於該輔助繞組與該頻率控制端之間，用以根據該輔助繞組所產生之一感應電流調整該頻率設定電流。

依據本發明之實施例，其另揭露一種控制方法，適用於一返馳式交換電源供應器。該返馳式交換電源供應器包含有一變壓器及一開關控制電路。該變壓器包含一初級繞組、一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產生一輸出電壓，該輔助繞組用以產生一感應電壓。該開關控制電路具有一頻率控制端，大致工作於一工作頻率，用以控制流經該初級繞組之一電流，而該工作頻率係受控於流經該頻率控制端之一頻率設定電流。該控制方法係先以該輔助繞組所產生之一感應電流調整該頻率設定電流，再根據被調整之該頻率設定電流調整該工作頻率。

為讓本發明更顯而易懂，下文依本發明之返馳式交換電源供應器及其控制方法，特舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。

第2圖為本發明返馳式電源供應器之較佳實施例示意圖。如第2圖所示，返馳式電源供應器200包含整流電路202、濾波電容205、變壓器220、開關225、整流濾波電路270、回授電路240、調整電路250、電源產生電路290、以及開關控制電路230。第2圖之實施例與第1圖之先前技術之間，可以發現的差異有，第2圖具有一調整電路250，耦接於輔助繞組223與開關控制電路230之間。業界具有通常知識者可知，第2圖中的整流電路202、濾波電容205、變壓器220、開關225、整流濾波電路270、回授電路240、電源產生電路290、以及開關控制電路230，其功能以及/或結構，可以類似、等效或是相同於第1圖中的整流電路102、濾波電容105、變壓器120、開關125、整流濾波電路170、回授電路140、電源產生電路190、以及開關控制電路130。

在第2圖所示的較佳實施例中，回授電路240包含光耦合模組245，所以回授訊號Sfb係以光耦合模式被傳送至開關控制電路230，用以在輸入端與輸出端之間達到電性隔離的目的。

第2圖中之開關控制電路230具有頻率控制端231，控制訊號Sc之工作頻率係受控於流經頻率控制端231之頻率設定電流If。電流設定電阻Rx耦接於頻率控制端231與接地端之間，用以提供大致固定之電流Ix。

調整電路250耦接於輔助繞組223與頻率控制端231之間，用以根據感應電流Isa提供調整電流Iad。如第2圖所示，頻率設定電流If係為內定電流Ix與調整電流Iad之合成電流。換句話說，調整電流Iad即用來調整頻率設定電流If，並據以調整控制訊號Sc之工作頻率。調整電路250包含二極體251、第一調整電阻Rad1、稽納二極體253、電容254以及第二調整電阻Rad2。如第2圖所示，二極體251、第一調整電阻Rad1及稽納二極體253係耦合為一串接電路，亦即，串接電路之各元件的前後耦接次序並不影響電路操作。低通濾波器(low－pass filter)，譬如電容254，可以耦接於串接電路與接地端之間，用來執行低通濾波處理。第二調整電阻Rad2耦接於頻率控制端231與電容254之間，用以控制調整電流Iad之電流值，因此第二調整電阻Rad2與電流設定電阻Rx的電阻比例可用來設計調整電路250對工作頻率的調整能力。

二極體251使調整電路250於開關225開啟時，感應電壓Vsa至少為負電壓時，才得以調整頻率設定電流If。稽納二極體253之反向崩潰稽納電壓係用以設定一負臨界電壓Vth。當輔助繞組223產生之感應電壓Vsa為低於負臨界電壓Vth之負電壓時， 二極體251順向導通，且稽納二極體253逆向崩潰導通，配合電容254、第一調整電阻Rad1及第二調整電阻Rad2之濾波與電流調節處理而產生調整電流Iad，並進而調整頻率設定電流If以調整控制訊號Sc之工作頻率。此外，控制訊號Sc之最低工作頻率可由電流設定電阻Rx之阻抗所設定，用以避免因工作頻率太低而導致變壓器220發生鐵心飽和現象。控制訊號Sc之最高工作頻率可由第二調整電阻Rad2與電流設定電阻Rx之並聯阻抗而定。

第3圖為第2圖之返馳式電源供應器200運作於連續模式之相關訊號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。在第3圖中，由上往下的訊號分別為控制訊號Sc、次級繞組222之次級電流Is、輔助繞組223之感應電壓Vsa、開關跨壓V_DS 、以及開關225之開關電流I_DS 。請參考第3圖及第2圖，當具低準位電壓之控制訊號Sc使開關225截止時，開關電流I_DS 係為零，此時感應電壓Vsa幾乎維持在一第一正電壓；開關跨壓V_DS 幾乎維持在一第二正電壓，對電容292充電並對開關控制電路230供電；而次級電流Is則從一高電流逐漸下降至一低電流。當具高準位電壓之控制訊號Sc使開關225導通時，開關跨壓V_DS 之第二正電壓會先導致開關電流I_DS 之一突波電流，其後開關跨壓V_DS 降為零，而開關電流I_DS 則依初級繞組221之初級電流Ip而從一第一電流逐漸上昇至一第二電流，此時感應電壓Vsa幾乎維持在一負電壓，至於次級電流Is則因二極體271的逆向阻流作用而幾乎維持在零電流。如第3圖所示，於返馳式電源供應器200運作於連續模式狀況下，突波電 流所導致的切換功率損耗，相對於開關225導通時之開關電流I_DS 由第一電流至第二電流所導致的損耗，並不顯著。

第4圖為第2圖之返馳式電源供應器200運作於非連續模式之相關訊號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。請參考第4圖及第2圖，當具低準位電壓之控制訊號Sc使開關225截止之後，開關電流I_DS 係為零，此時感應電壓Vsa先大致維持在電壓Vsa1，而開關跨壓V_DS 先大致維持在電壓V_DS 1，次級電流Is則從一高電流逐漸下降至零電流，然後於時間區段△T1內維持在零電流。在次級電流Is為零電流的時間區段△T1內，會發生諧振現象使感應電壓Vsa及開關跨壓V_DS 振盪，而且在振盪的第一週期中，感應電壓Vsa及開關跨壓V_DS 均會先快速下降。當感應電壓Vsa因振盪而快速下降至低於負臨界電壓Vth時，如前所述，因二極體251與稽納二極體253的導通，調整電路250會些許地增加調整電流Iad，也就些許地提高頻率設定電流If，進而提高開關控制電路230之工作頻率。若感應電壓Vsa越低，則被調整之工作頻率會越高。當工作頻率被提高時，具低準位電壓之控制訊號Sc將會提前切換至高準位電壓。於設計上，可以適當地透過改變調整電路250中的元件特徵值，像是電阻值等，使開關225在開關跨壓V_DS 約於振盪第一週期的波谷附近提前導通。亦即，開關225係在開關跨壓V_DS 的低電壓狀況下導通，因此可顯著降低切換功率損耗。因為，在開關225即將導通之瞬間，越低的開關跨壓V_DS 便意味著越小的突波電流，也意味著越小的切換功率損耗。

第5圖為第1圖之返馳式電源供應器100運作於非連續模式之相關訊號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。在第5圖中，由上往下的訊號分別為控制訊號Sc、次級繞組122之次級電流Is、輔助繞組123之感應電壓Vsa、開關125之開關跨壓V_DS 、以及開關125之開關電流I_DS 。請參考第5圖及第1圖，當具低準位電壓之控制訊號Sc使開關125截止後，開關電流I_DS 係為零，此時感應電壓Vsa先大致維持在電壓Vsa2，而開關跨壓V_DS 先大致維持在電壓V_DS 2，次級電流Is則從一高電流逐漸下降至零電流，然後於時間區段△T2內維持在零電流。在次級電流Is為零電流的時間區段△T2內，會發生諧振現象使感應電壓Vsa及開關跨壓V_DS 振盪。在返馳式電源供應器100的運作中，開關控制電路130係提供固定工作頻率之控制訊號Sc。如第5圖所示，開關125由導通至截止的切換點可能發生在振盪波峰附近，亦即，開關125係在開關跨壓V_DS 的高電壓狀況下導通，如此會產生很大的突波電流，進而導致很高的切換功率損耗。

由上述可知，相較於習知返馳式電源供應器100，本發明返馳式電源供應器200在非連續模式的電路運作中，可動態調整開關由截止至導通的切換點，可以使開關225之切換點發生在振盪波谷附近，因而達到顯著降低切換功率損耗的目的。

在第2圖所示的實施例中，根據稽納二極體253之反向崩潰 稽納電壓所設定之負臨界電壓Vth，係用以在輸入電壓Vin為相對高電壓與感應電壓Vsa在震盪狀況下，感應電壓Vsa的震盪幅度會比較大，感應電壓Vsa才會產生足夠的負電壓來致能調整電路250產生調整電流Iad以降低切換功率損耗。在輸入電壓Vin為相對低電壓狀況下，切換功率損耗並不顯著，所以可以選擇不執行任何電路操作以降低切換功率損耗。在另一實施例中，返馳式電源供應器200的稽納二極體253係可省略，意味著不論輸入電壓Vin的高低，只要運作於非連續模式，調整電路即被致能以降低切換功率損耗。

從第4圖中的波形也可以看出，當開關225開啟導通時，感應電壓Vsa也是低於負臨界電壓Vth，所以，調整電路250還是會產生調整電流Iad，對頻率設定電流If產生影響，也產生頻率補償的動作。電容254與第一調整電阻Rad1可以看似一個低通濾波器。一旦開關225的開啟導通時間太小，或是工作週期(duty cycle)太小，則調整電流Iad1，因為低通濾波器的存在，的值也會比較小。電容254與第一調整電阻Rad1的值，可以確定較接近滿載輸出，或是工作週期(duty cycle)比較大時，才會產生比較大的調整電流Iad，做出明顯地頻率補償動作。在另一實施例中，電容254可以去除，而第一調整電阻Rad1可以短路，意味著不論工作週期的大小，都會進行類似或是相同的頻率補償動作。在另一實施例中，第2圖中的稽納二極體253、電容254可以去除，而第一調整電阻Rad1可以短路。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何具有本發明所屬技術領域之通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200‧‧‧返馳式電源供應器

101、201‧‧‧交流電源供應器

102、202‧‧‧整流電路

105、205‧‧‧濾波電容

120、220‧‧‧變壓器

121、221‧‧‧初級繞組

122、222‧‧‧次級繞組

123、223‧‧‧輔助繞組

125、225‧‧‧開關

130、230‧‧‧開關控制電路

140、240‧‧‧回授電路

170、270‧‧‧整流濾波電路

190、290‧‧‧電源產生電路

195、295‧‧‧負載

231‧‧‧頻率控制端

245‧‧‧光耦合模組

250‧‧‧調整電路

251、271、291‧‧‧二極體

253‧‧‧稽納二極體

254、272、292‧‧‧電容

Iad‧‧‧調整電流

I_DS ‧‧‧開關電流

If‧‧‧頻率設定電流

Ip‧‧‧初級電流

Is‧‧‧次級電流

Isa‧‧‧感應電流

Ix‧‧‧內定電流

Rad1‧‧‧第一調整電阻

Rad2‧‧‧第二調整電阻

Rx‧‧‧電流設定電阻

Sc‧‧‧控制訊號

Sfb‧‧‧回授訊號

Vac‧‧‧交流輸入電壓

Vcc‧‧‧電源電壓

V_DS ‧‧‧開關跨壓

V_DS 1、V_DS 2、Vsa1、Vsa2‧‧‧ 電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Vsa‧‧‧感應電壓

Vth‧‧‧負臨界電壓

△T1、△T2‧‧‧時間區段

第1圖為習知返馳式電源供應器之示意圖。

第2圖為本發明返馳式電源供應器之較佳實施例示意圖。

第3圖為第2圖之返馳式電源供應器運作於連續模式之相關訊號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。

第4圖為第2圖之返馳式電源供應器運作於非連續模式之相關訊號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。

第5圖為第1圖之返馳式電源供應器運作於非連續模式之相關訊號波形示意圖，其中橫軸為時間軸。

200‧‧‧返馳式電源供應器

201‧‧‧交流電源供應器

202‧‧‧整流電路

205‧‧‧濾波電容

220‧‧‧變壓器

221‧‧‧初級繞組

222‧‧‧次級繞組

223‧‧‧輔助繞組

225‧‧‧開關

230‧‧‧開關控制電路

231‧‧‧頻率控制端

240‧‧‧回授電路

245‧‧‧光耦合模組

250‧‧‧調整電路

251、271、291‧‧‧二極體

253‧‧‧稽納二極體

254、272、292‧‧‧電容

270‧‧‧整流濾波電路

290‧‧‧電源產生電路

295‧‧‧負載

Iad‧‧‧調整電流

I_DS ‧‧‧開關電流

If‧‧‧頻率設定電流

Ip‧‧‧初級電流

Is‧‧‧次級電流

Isa‧‧‧感應電流

Ix‧‧‧內定電流

Rad1‧‧‧第一調整電阻

Rad2‧‧‧第二調整電阻

Rx‧‧‧電流設定電阻

Sc‧‧‧控制訊號

Sfb‧‧‧回授訊號

Vac‧‧‧交流輸入電壓

Vcc‧‧‧電源電壓

V_DS ‧‧‧開關跨壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Vsa‧‧‧感應電壓

Claims (14)

1. 一種返馳式交換電源供應器，包含有：一變壓器，包含一初級繞組、一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產生一輸出電壓；一開關，與該初級繞組串接，控制流經該初級繞組之一電流；一開關控制電路，具有一頻率控制端，大致工作於一工作頻率，用以控制該開關，其中該工作頻率係受控於流經該頻率控制端之一頻率設定電流；一電源產生電路，包含串接之一濾波電容及一二極體，該二極體之一陽極耦接於該輔助繞組，其中該濾波電容包含一第一端耦接於地，及一第二端耦接於該開關控制電路，以根據一感應電流產生一供應至該開關控制電路的電源電壓；以及一調整電路，包含一接收端耦接於該輔助繞組及該二極體之該陽極，及一調整端耦接於該頻率控制端，用來根據該輔助繞組所產生之該感應電流調整該頻率設定電流。
2. 如請求項1所述之返馳式交換電源供應器，其中該輔助繞組產生一感應電壓，當該感應電壓低於一負臨界電壓時，該調整電路調整該頻率設定電流。
3. 如請求項1所述之返馳式交換電源供應器，另包含： 一電流設定電阻，耦接於該頻率控制端與一電源線之間，用以設定該頻率設定電流為一預設值。
4. 如請求項1所述之返馳式交換電源供應器，其中該調整電路包含：串接之一二極體、一第一電阻以及一稽納二極體，其中，該稽納二極體與該二極體係用以設定該負臨界電壓，該第一電阻用以大略設定該頻率設定電流之一調整量。
5. 如請求項1所述之返馳式交換電源供應器，其中該調整電路包含：一二極體，耦接於該輔助繞組；以及一低通濾波器(low-pass filter)，耦接於該二極體與該頻率控制端之間。
6. 如請求項5所述之返馳式交換電源供應器，其中該調整電路另包含：一第一電阻以及一稽納二極體，與該二極體相串接於該輔助繞組與該低通濾波器之間。
7. 如請求項5所述之返馳式交換電源供應器，其中該調整電路另包含：一第二電阻，耦接於該頻率控制端與該低通濾波器之間。
8. 如請求項5所述之返馳式交換電源供應器，其中該低通濾波器包含：一電容，耦接於該頻率控制端與一電源線之間。
9. 如請求項1所述之返馳式交換電源供應器，另包含：一回授電路，用來根據該輸出電壓產生一回授電壓饋入至該開關控制電路。
10. 一種控制方法，適用於一返馳式交換電源供應器，該返馳式交換電源供應器包含有：一變壓器，包含一初級繞組、一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產生一輸出電壓，該輔助繞組用以產生一感應電壓；以及一開關控制電路，具有一頻率控制端，大致工作於一工作頻率，用以控制流經該初級繞組之一電流，其中該工作頻率係受控於流經該頻率控制端之一頻率設定電流；該控制方法包含有：偵測該感應電壓以產生該輔助繞組上之一感應電流；以該感應電流調整該頻率設定電流；以及根據被調整之該頻率設定電流調整該工作頻率。
11. 如請求項10所述之控制方法，另包含： 根據被調整之該工作頻率控制流經該初級繞組之該電流。
12. 如請求項10所述之控制方法，另包含：當該感應電壓大於一第一預設值時，以該感應電流對該開關控制電路供電。
13. 如請求項12所述之控制方法，其中以該感應電流調整該頻率設定電流之步驟包含：當該感應電壓小於比該第一預設值小之一第二預設值時，以該感應電流調整該頻率設定電流。
14. 如請求項10所述之控制方法，其中以該感應電流調整該頻率設定電流之步驟包含：當該感應電壓為一負電壓時，以該感應電流調整該頻率設定電流。