TWI401865B - 偵測電源轉換器電路之輸出電壓之控制電路及其方法 - Google Patents

Description

偵測電源轉換器電路之輸出電壓之控制電路及其方法

本發明相關於一種電源轉換器電路，尤指一種偵測電源轉換器電路之輸出電壓之控制電路。

請參考第1圖，第1圖為先前技術之電源轉換器電路10之示意圖。電源轉換器電路10為返馳式(flyback)電源轉換器電路，包含變壓器11、功率開關12、二極體13以及電容14。變壓器11包含一次側線圈NP、二次側線圈NS以及輔助側線圈NA，一次側線圈NP電性連接於輸入電壓VIN，輔助側線圈NA電性連接於電阻15以及電阻16所形成之分壓電路，以產生變壓器11之反射電壓VDET。功率開關12由驅動電壓VPWM所控制，用來調整電源轉換器電路10之輸出電壓以及輸出電流。

請參考第2圖，第2圖為第1圖之電源轉換器電路之操作波形圖。當驅動電壓VPWM將功率開關12導通時(邏輯高準位)，即產生一次側電流IP，將能量儲存在變壓器11之中，電源轉換器電路在這個階段之波形如第2圖之週期T1所示。一次側電流IP的峰值IP1可表示為式(1)：

其中LP是變壓器11的一次側線圈NP的電感值，TON是驅動電壓VPWM的導通時間。

當驅動電壓VPWM將功率開關12截止時(邏輯低準位)，儲存在變壓器11中的能量釋放到變壓器11的二次側，並且經由二極體13釋放到電源轉換器電路之輸出端，產生二次側電流IS，電源轉換器電路在這個階段之波形如第2圖之週期T2所示。二次側電流IS的峰值IS1可表示為式(2)，變壓器11之放電時間TDS可表示為式(3)，也代表二次側電流IS之放電時間：

其中VO為電源轉換器電路之輸出電壓，VF為二極體13之順向偏壓，LS為變壓器11之二次側線圈NS之電感值。

同時，在變壓器11之輔助側線圈NA上產生一輔助電壓VAUX，輔助電壓VAUX與反射電壓VDET之關係可表示為式(4)：

同時，儲存在變壓器11中的能量將對功率開關12之寄生電容CJ充電，寄生電容CJ之兩端將產生一電壓VDS，可表示為式(5)示：

其中VIN是電源轉換器電路的輸入電壓，TNA、TNP以及TNS分別是變壓器11的輔助側線圈NA、一次側線圈NP以及二次側線圈NS的線圈匝數，R1和R2分別是電阻15以及電阻16的電阻值。

當儲存在變壓器11中的能量被完全釋放時，二次側電流IS下降為零，電源轉換器電路在這個階段之波形如第2圖之週期T3所示。電壓VDS在週期TQ結束時下降到谷底電壓，電壓VDS的下降斜率由一次側線圈NS之電感與功率開關13之寄電容所產生之諧振頻率所決定。當電壓VDS開始下降時，輔助電壓VAUX便開始減少。輔助電壓VAUX跟電壓VDS相關，可由式(6)表示：

因此，從驅動電壓VPWM的下降緣到輔助電壓VAUX的下降轉角可得到式(2)中的放電時間TDS。

一般電源轉換器電路必須在一次側和二次側之間提供電氣絕緣，若是利用二次側之回授電路來偵測輸出電壓，則需要使用光耦合器。另一方面，由於電源轉換器電路之控制器會利用變壓器之輔助側線圈來提供電源，而輔助側之電壓與二次側之電壓具有一定比例。因此，電源轉換器電路之控制器根據輔助側之電壓來調整電源轉換器電路之輸出電壓以及輸出電流可免除光耦合器以及二次側之回授電路。

因此，本發明之一目的在於提供一種電源轉換器電路之輸出電壓之控制電路。

本發明係提供一種電源轉換器電路之控制電路，該電源轉換器電路包含一功率開關以及一變壓器，該控制電路包含一電壓至電流轉換器、一第一電容、一第一遲滯比較器以及一開關。該電壓至電流轉換器用來接收該變壓器之一反射電壓，以產生一電流訊號。該第一電容電性連接於該電壓至電流轉換器，用來接收該電流訊號，以產生一磁通電壓。該第一遲滯比較器電性連接於該電容，用來將該磁通電壓與一第一參考電壓以及一第二參考電壓進行比較，以產生一第一比較電壓。該開關電性連接於該電壓至電流轉換器，用來根據該功率開關之一驅動電壓以及該第一比較電壓對該反射電壓進行取樣。

本發明另提供一種偵測電源轉換器電路之輸出電壓之方法，包含：提供一包含一變壓器以及一功率開關之電源轉換器電路；利用一電壓至電流轉換器接收該變壓器之一反射電壓，以產生一電流訊號；將該電流訊號通過一第二電容產生一磁通電壓；利用一第一遲滯比較器將該磁通電壓與一第一參考電壓以及一第二參考電壓進行比較，以產生一第一比較電壓；以及根據該第一比較電壓以及該功率開關之驅動電壓控制一開關以對該反射電壓進行取樣。

請參考第3圖，第3圖為本發明之電源轉換器電路20之示意圖。電源轉換器電路20為返馳式(flyback)電源轉換器電路，包含變壓器21、二極體23、電容24以及控制器30。變壓器21包含一次側線圈NP、二次側線圈NS以及輔助側線圈NA。一次側線圈NP電性連接於輸入電壓VIN，二次側線圈NS電性連接於二極體23以及電容24，用來產生輸出電壓，輔助側線圈NA可產生輔助電壓VAUX，並且電性連接於二極體31以及電容32，用來提供控制器30所需之電源。控制器30包含VDD、SWD、GND、ZCD、IST、ISN等六個針腳(pin)。針腳ZCD電性連接於電阻25以及電阻26所形成之分壓電路，用來接收變壓器21之反射電壓VDEF。針腳IST電性連接於電容33以及電阻34，用來控制輸出電流。針腳ISN電性連接於電阻35，用來偵測輸出電流。針腳SWD電性連接於一次側線圈NP，用來調整電源轉換器電路20之輸出電壓以及輸出電流。

請參考第4圖，第4圖為本發明之控制器30之電路方塊圖。控制器30包含電壓至電流轉換器71、電容72、電阻73、磁滯比較器74、開關75、反或閘76、電容77、運算放大器41、運算放大器42、輸出電流控制單元43、前緣遮蔽(leading edge blanking,LEB)單元44、運算放大器45、磁滯比較器51、時序單元52、SR正反器61、緩衝器62以及功率開關63。電壓至電流轉換器71接收ZCD電壓產生電流訊號I，電容72接收電流訊號I產生磁通電壓VFX，磁通電壓VFX用來表示變壓器21之磁通密度(flux density)的變化。電阻73接收電壓訊號I產生針腳ZCD所接收之反射電壓。磁滯比較器74將磁通電壓VFX與參考電壓1V/1.1V進行比較以產生第一比較電壓，反或閘76接收第一比較電壓以及驅動電壓VPWM以產生開關訊號S1，開關75根據開關訊號S1對反射電壓進行取樣，以作為回授電壓VFB，並利用電容77保持回授電壓VFB。運算放大器41用來對回授電壓VFB與參考電壓3V進行比較，運算放大器42用來對IST電壓與參考電壓3V進行比較，輸出電流控制單元43根據運算放大器41以及運算放大器42產生之比較電壓VCMP控制輸出電流，輸出電流控制單元43設定之輸出電流如式(7)所示：

I*=MAX {(VCMP -0.6)/4,0.25}　(7)

運算放大器45之負輸入端電性連接於輸出電流控制單元43，用來接收設定之輸出電流I*，運算放大器45之正輸入端通過前緣遮蔽單元44接收輸出電流所產生之ISN電壓，其中前緣遮蔽單元44可防止功率開關導通時產生之不穩定電壓。SR正反器61之重設(RESET)端接收運算放大器45之輸出以產生將功率開關63截止之訊號。另一方面，磁滯比較器51將反射電壓與參考電壓0.4V進行比較，磁滯比較器51之比較結果通過時序單元52輸出到SR正反器61之設定(SET)端，以產生將功率開關63導通之訊號，其中時序單元52用來提供時序控制。最後，SR正反器61之輸出通過緩衝器62產生驅動電壓VPWM。

在本發明實施例中，控制器30根據磁通電壓VFX來偵測變壓器21之輸出電壓。控制器30之針腳ZCD接收變壓器21之反射電壓，ZCD電壓通過電壓至電流轉換器71產生電流訊號I，電流訊號I對電容72充電及放電所產生之磁通電壓VFX可代表變壓器21之磁通密度的變化。當功率開關63導通時，變壓器21之一次側線圈NP漸漸有電流流過，此時能量會儲存於變壓器21中。由於一次側線圈NP與二次側線圈NS極性是相反的，此時二極體23會被逆向偏壓，所以沒有能量轉移至負載，輸出之能量由電容24提供。在功率開關63導通的期間，一次側線圈NP之電流會線性增加，此時在變壓器21之磁通密度會從剩磁增加到工作峰值。當功率開關63截止時，一次側線圈NP之電流會降為零。當磁通密度向負方向改變時，在變壓器21上之電壓極性將會反轉，並使得二極體23導通，此時儲存在變壓器之能量會通過二極體23傳送到電容24以及負載上。在功率開關63截止的期間，二次側線圈NP之電流會由最大值下降到零，而磁通密度會從工作峰值下降到原本的剩磁。因此，控制器30根據此時的反射電壓將被保持作為回授電壓VFB。

請參考第5圖，第5圖為第4圖之電壓波形圖。ZCD電壓可用來表示功率開關63導通時之訊號以及變壓器之反射電壓。當驅動電壓VPWM將功率開關63導通時(邏輯高準位)，即產生一次側電流IP，將能量儲存在變壓器21之中，此時磁通電壓VFX由1V開始上升。當驅動電壓VPWM將功率開關63截止時(邏輯低準位)，儲存在變壓器21中的能量釋放到變壓器21之二次側，並且經由二極體23釋放到電源轉換器電路之輸出端，產生二次側電流IS，此時ZCD電壓轉換為正值，磁通電壓VFX開始下降，開關75被導通開始對反射電壓進行取樣。當磁通電壓VFX下降到參考電壓1.1V以下時，開關75截止，所以此時的反射電壓將被保持作為回授電壓VFB。當儲存在變壓器21中的能量被完全釋放時，二次側電流IS下降為零。隨著二次側電流IS的消失，ZCD電壓開始下降並在零電壓附近產生振盪，由於前緣遮蔽單元44的保護，功率開關63將在ZCD電壓在經過一預定時間後再次被導通。

綜上所述，本發明之電源轉換器電路利用變壓器之磁通密度變化來偵測輸出電壓。一種電源轉換器電路之控制電路包含一電壓至電流轉換器、一電容以及一開關。該電源轉換器電路包含一變壓器以及一功率開關。該電壓至電流轉換器接收該變壓器之一反射電壓產生一電流訊號。該電流訊號通過該電容產生一磁通電壓。該電源轉換器電路之控制電路根據該磁通電壓以及該功率開關之驅動電壓控制該開關以對該反射電壓進行取樣，作為該變壓器之回授電壓。在本發明之實施例中，以返馳式(flyback)電源轉換器電路作說明，但本發明利用變壓器之磁通密度變化來偵測輸出電壓之方法可適用於各種電源轉換器電路。此外，本發明之電源轉換器電路之控制器根據變壓器之輔助側線圈之電壓來偵測電源轉換器電路之輸出電壓，可免除光耦合器以及二次側之回授電路。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20．．．電源轉換器電路

11、21．．．變壓器

12、63．．．功率開關

13、23、31．．．二極體

14、24、32、33、72、77．．．電容

15、16、25、26、34、35、73．．．電阻

30．．．控制器

41、42、45．．．運算放大器

43．．．輸出電流控制單元

71．．．電壓至電流轉換器

51、74．．．磁滯比較器

52．．．時序單元

61．．．SR正反器

62．．．緩衝器

75．．．開關

76．．．反或閘

44．．．前緣遮蔽單元

NP．．．一次側線圈

NS．．．二次側線圈

NA．．．輔助側線圈

VIN．．．輸入電壓

VAUX．．．輔助電壓

VDET．．．反射電壓

VPWM．．．驅動電壓

CJ．．．寄生電容

VDS．．．功率開關電壓

IP．．．一次側電流

IS．．．二次側電流

VFB．．．回授電壓

VCMP．．．比較電壓

第1圖為先前技術之電源轉換器電路之示意圖。

第2圖為第1圖之電源轉換器電路之操作波形圖。

第3圖為本發明之電源轉換器電路之示意圖。

第4圖為本發明之控制器之方塊示意圖。

第5圖為第4圖之電壓波形圖。

30．．．控制器

41、42、45．．．運算放大器

43．．．輸出電流控制單元

44．．．前緣遮蔽單元

51、74．．．磁滯比較器

52．．．時序單元

61．．．SR正反器

62．．．緩衝器

63．．．功率開關

71．．．電壓至電流轉換器

72、77．．．電容

73．．．電阻

75．．．開關

76．．．反或閘

VPWM．．．驅動電壓

VFB．．．回授電壓

VCMP．．．比較電壓

ZCD、ISN、SWD．．．針腳

Claims (10)

1. 一種電源轉換器電路之控制電路，該電源轉換器電路包含一功率開關以及一變壓器，該控制電路包含：一電壓至電流轉換器，用來接收該變壓器之一反射電壓，以產生一電流訊號；一第一電容，電性連接於該電壓至電流轉換器，用來接收該電流訊號，以產生一磁通電壓；一第一遲滯比較器，電性連接於該電容，用來將該磁通電壓與一第一參考電壓以及一第二參考電壓進行比較，以產生一第一比較電壓；以及一開關，電性連接於該電壓至電流轉換器，用來根據該功率開關之一驅動電壓以及該第一比較電壓對該反射電壓進行取樣。
2. 如請求項1所述之電源轉換器電路之控制電路，其中該反射電壓係由該變壓器之一輔助側線圈所提供。
3. 如請求項1所述之電源轉換器電路之控制電路，另包含：一電阻，電性連接於該電壓至電流轉換器，用來接收該電流訊號，以產生該反射電壓。
4. 如請求項1所述之電源轉換器電路之控制電路，另包含： 一反或閘，電性連接於該第一遲滯比較器，用來接收該第一比較電壓以及該驅動電壓以產生一開關訊號。
5. 如請求項1所述之電源轉換器電路之控制電路，另包含：一第二電容，電性連接於該開關，用來保持該反射電壓以產生一回授電壓。
6. 如請求項5所述之電源轉換器電路之控制電路，另包含：一第二磁滯比較器，電性連接於該電壓至電流轉換器，用來將該反射電壓與一第三參考電壓進行比較；一時序單元，電性連接於該第二磁滯比較器，用來提供時序控制；一SR正反器，具有一設定(SET)端電性連接於該時序單元，一重設(RESET)端以及一輸出端；一緩衝器，電性連接於該SR正反器之輸出端以及該功率開關；一第一運算放大器，具有一正輸入端、一負輸入端以及一輸出端電性連接於該SR正反器之重設端；一第二運算放大器，電性連接於該開關，用來將該回授電壓與一第四參考電壓進行比較，以產生一第二比較電壓；一第三運算放大器，用來將一設定電流之電壓值與該第四參考電壓進行比較，以產生該第二比較電壓；一輸出電流控制單元，電性連接於該第一運算放大器之負輸入端，用來根據該第二比較電壓產生該設定電流；以及 一前緣遮蔽(leading edge blanking,LEB)單元，電性連接於該功率開關以及該第一運算放大器之正輸入端。
7. 一種偵測電源轉換器電路之輸出電壓之方法，包含：提供一包含一變壓器以及一功率開關之電源轉換器電路；利用一電壓至電流轉換器接收該變壓器之一反射電壓，以產生一電流訊號；將該電流訊號通過一第一電容產生一磁通電壓；利用一第一遲滯比較器將該磁通電壓與一第一參考電壓以及一第二參考電壓進行比較，以產生一第一比較電壓；以及根據該第一比較電壓以及該功率開關之驅動電壓控制一開關以對該反射電壓進行取樣。
8. 如請求項7所述之方法，另包含：將一分壓電路電性連接於該變壓器之一輔助側線圈以產生該反射電壓。
9. 如請求項7所述之方法，另包含：當該磁通電壓大於該第一參考電壓且該驅動電壓將該開關截止時，將該開關導通；以及當該磁通電壓小於該第二參考電壓時，將該開關截止。
10. 如請求項7所述之方法，另包含： 利用一第二電容保持該反射電壓以產生一回授電壓。