TWI446700B - 功率轉換器電路及其相關系統 - Google Patents

Description

功率轉換器電路及其相關系統

本發明關於電子電路，且尤關於AC/DC(交流對直流)功率轉換器。

隨著電子技術的精進，高效率及穩定操作已成為重要的設計考量。隔離變壓器(isolation transformer)可用於轉接器、充電器、及/或其他需要高安全層級的系統。此種系統能包括彼此以隔離變壓器隔開的初級側電路及次級側電路。

系統的操作包括定電流充電控制程序及定電壓控制程序。來自系統之輸出電壓與輸出電流的關係係繪示於圖1。於間隔B期間，負載被充電。當輸出電壓V_o 小於輸出電壓臨限值V_th 時，變壓器保持輸出電流I_o 在上臨限值I_th 附近而同時改變輸出電壓V_o 以將輸出電壓V_o 增加到輸出電壓臨限值V_th 。結果，控制係根據間隔B期間的定電流。於間隔A期間，當輸出電壓達到輸出電壓臨限值V_th 時，變壓器進入一般操作模式，其中當輸出電流I_o 改變時，輸出電壓V_o 被保持著。為獲得定電流控制，在輸出端的電流被監控且在初級側的開關基於被監控的輸出電流而以回授的方式受到控制。

典型而言，藉由以光耦合器獲得信號而使用在次級側的電流監控電路於電流控制。然而，此種實施結構上複雜、耗能且無效率。不使用次級側監控的其他電流監控電路典型上使用基於監控在初級側電路的輸入電壓、輸出二極體導通期間、以及峰值電流限制的複雜模型。於是，需要具高效率及低結構複雜性的改良式控制電路。

【發明內容及實施方式】

本文揭露AC/DC轉換器及操作的相關方法的實施例。以下敘述的一些細節(例如此等電路組件的範例電路及範例值)係提供來以足以讓熟習此技藝之人士實施、製造及使用的方式說明以下實施例及方法。此處所使用的“電流源”可意指電流源或電流槽。然而，幾個以下所述之細節及優點可能在實施該技術之特定實施例及方法時不需要。因此，相關技藝之一般人士將了解到該技術可有具有額外元件的其他實施例、及/或可有不具有以下參照圖2-4所示及敘述之特性的其他實施例。

圖2係根據本發明實施例之AC/DC轉換器的示意圖。圖2所示之大部分電路組件可整合於單一矽晶粒上。在一些實施例中，矽晶粒外部的變壓器亦可用於AC/DC轉換器中。該變壓器可包括初級繞組102及一或多個次級繞組，例如，次級繞組104及106。在其他實施例中，變壓器可包含未顯示於圖2的額外的繞組，如稍後參照圖4更詳細說明者。

如圖2所示，輸入AC信號可施加於輸入埠108及110，且在整流及濾波後於次級繞組104或106其中之一提供輸出信號。為容易說明，不是所有AC/DC功率轉換器的組件都顯示。例如，AC/DC功率轉換器亦可在次級繞組104及106的一或二個包括額外的二極體、電容器、及/或其他電氣組件。

低壓降電壓調整器110提供經調整的DC電壓到振盪器112、電晶體114與116的射極、以及電晶體118的射極。電晶體114、116及118可包括PNP電晶體及/或其他型式的電晶體。一具有回授電壓V_FB 的回授信號在輸入埠122被提供。該回授信號可由數種技術產生且可表示被提供到負載的電壓。

一種該回授信號經由來影響電晶體123的切換的方法係藉由改變振盪器112的頻率。在圖2所示的實施例中，電晶體123是一nMOSFET(n型金氧半場效電晶體)。振盪器112的輸出是一序列的脈衝，其中回授信號影響該等脈衝被產生的速率(頻率)。該回授信號亦可藉改變峰值電流限制及/或其他操作參數來影響電晶體123的切換，端視該回授信號電壓是否超過一臨限值而定。在其他實施例中，電晶體123亦可包括JFET、雙極電晶體、及/或其他適合型式的電晶體。

在特定實施例中，峰值電流限制係由在節點150處產生的電壓所設定。若該回授電壓大於該臨限值(在圖2中以V_TH 標示)且是在給比較器134的正輸入埠的電壓，則開關125的臂連接到地。結果，回授信號不影響峰值電流限制。若回授信號的電壓小於V_TH ，則開關125的臂連接到減法功能單元136的輸出。結果，回授信號直接影響峰值電流限制。

回授信號可以各種方式影響振盪器112的頻率。就圖2中的特定實施例而言，運算放大器126、電晶體128、電阻器130以及電晶體114及116的組合響應回授電壓V_FB 而提供電流給振盪器112。諸元件的此一組合可被視為跨導(trans-conductance)緩衝器。運算放大器126偏壓電晶體128的基極使得在節點132的電壓實質上等於回授電壓。流經電晶體128的集極電流實質上等於被電阻器130的電阻分壓要與回授電壓成比例的回授電壓。此電流被電晶體114及116反射進振盪器112。供應到振盪器112的電流可調整其頻率。

當回授電壓小於臨限值V_TH ，即V_FB ＜V_TH ，比較器134設定開關125使得其臂連接到減法功能單元136的輸出。減法功能單元136提供具有電壓K-V_FB 的信號到運算放大器138的正(非反相)輸入埠，其中K是適當選擇之大於臨限值V_TH 的常數，使得K-V_FB 對於V_FB ＜V_TH 而言是正的。運算放大器138偏壓電晶體140的基極，故在節點142的電壓實質上等於K-V_FB 。於是，流經電晶體140的集極電流與電壓K-V_FB 成比例，且此電流被電晶體118與120反射到電阻器144，故在電晶體120中的射極電流實質上與K-V_FB 成比例。

提供進電阻器144與146的電流總和等於自電流源148提供的電流。如上述，當V_FB ＜V_TH 時，提供到電阻器144的電流與K-V_FB 成比例。在V_FB 方面增加，K-V_FB 則減少，導致供應進電阻器144的電流方面的減少，導致供應進電阻器146的電流方面的增加。在供應電阻器146的電流方面的增加導致在節點150的電壓方面的增加，節點150連接到運算放大器152的負(反相)輸入埠。因此，在節點150的電壓跟隨回授電壓的電壓，因為在回授電壓方面的增加導致在節點150的電壓方面的增加，以及在回授電壓方面的減少導致在在節點150的電壓方面的減少，假設是V_FB ＜V_TH 。

將於以下更詳細說明者，在某些實例中，在節點150產生的電壓設定峰值電流限制，故增加在運算放大器152的負輸入埠的電壓導致初級繞組102的峰值電流限制方面的增加，此導致耦合到圖2之AC/DC轉換器的負載的峰值電流限制方面的增加。

在繪示的實施例中，電晶體123的切換受控於AND閘154的輸出。到AND閘154的其中之一輸入埠係連接到S-R NOR閘閂鎖器124的Q輸出埠。另一到AND閘154的輸入埠係連接到溫度過熱保護(OTP：Over Temperature Protection)功能單元156，使得若一測量出的溫度值超過某溫度臨限值，則電晶體123的切換可失效(disabled)。雖然未顯示於圖2中，但AND閘154可包括連接到其他功能單元額外的輸入埠，使得任何一種此等功能單元可藉提供一低位準邏輯信號到AND閘154而使電晶體123的切換失效。為清楚之目的，足以假設AND閘154除了連接到S-R NOR閘閂鎖器124的Q輸出埠以外的所有輸入埠均保持在高位準邏輯信號。利用此假設，電晶體123的切換係由S-R NOR閘閂鎖器124的Q輸出埠所提供的邏輯信號來決定。

前緣遮蔽(LEB：Leading Edge Blanking)功能單元158減緩由切換電晶體123所造成的信號突波(spike)影響運算放大器152。當電晶體123斷開時，LEB 158提供一低電壓到運算放大器152的正輸入埠，使得低信號被提供到S-R NOR閘閂鎖器124的R輸入埠。當電晶體123被導通時，LEB 158在變成有用之前被斷開一段非常短的時間。結果，被提供到運算放大器152的正輸入埠之電壓可以I _DS R _ON 表示，其中I _DS 是當電晶體123被導通(排除任何突波)時流經電晶體123的電流，且R _{O N} 是電晶體123的導通電阻。讓V _DS 標示此電壓，所以V _DS =I _{D S} R _ON 。運算放大器152比較V _DS 與在節點150的電壓，所以當V _DS 大於在節點150的電壓時，高位準邏輯信號被提供到S-R NOR閘閂鎖器124的R輸入埠，且當V _DS 小於在節點150的電壓時，低位準邏輯信號被提供到S-R NOR閘閂鎖器124的R輸入埠。當回授電壓大於臨限值時，V_FB ＞V_TH ，所有來自電流源148的電流被供應進電阻器146，使得在節點150的電壓被固定。因此，峰值電流限制不受到回授電壓的影響。

圖3顯示四個波形，解釋以上說明。從圖3的上到下，此等波形為：施加到S-R NOR閘閂鎖器124的S輸入埠的振盪器112的輸出電壓，標示為“S”；在S-R NOR閘閂鎖器124的Q輸出埠的電壓，標示為“Q”；施加到運算放大器152的正輸入埠的電壓，標示為“V₊ ”；以及在S-R NOR閘閂鎖器124的R輸入埠的電壓，標示為“R”。此等電壓波形並不必然成比例繪製，但被繪製來說明他們彼此間的相對關係。

就在T₁ 之前的時間，所有的電壓波形處於低狀態。在時間T₁ 時，在S輸入埠的電壓從低變成高狀態，此致使Q輸出上升，如箭頭202所指出者。當Q輸出上升時，電晶體123被導通，提昇被施加到運算放大器152之正輸入埠的電壓V₊ ，如箭頭204所標示者。當電壓V₊ 上升到在節點150以虛線205表示的電壓時，運算放大器152輸出高位準邏輯信號到S-R NOR閘閂鎖器124的R輸入埠，如箭頭206所指出者。利用提供到R輸入埠的高位準邏輯信號，Q輸出埠處於低狀態，致使電晶體123斷開，如箭頭208所指出者。前述程序根據振盪器112的頻率自行重覆，其中圖3顯示在時間T₂ 再度開始此程序的另一循環。

當回授電壓小於臨限值V_TH 時，因為在輸入埠122的回授電壓增加，在節點150產生的電壓增加，所以圖3中的臨限值線205上升。就上升的回授電壓而言，電壓V₊ 在T₁ 之後的稍後的時間達到臨限值。結果，當在運算放大器152輸出一高位準邏輯信號到閂鎖器124的R輸入埠之前電晶體123被導通時，一更大量的電流被允許流經電晶體123。結果，Q輸出埠處於高狀態持續一段較長的時間，且電晶體123的工作週期較大。因此，假設回授電壓不大於提供給比較器134的正輸入埠的臨限值，則圖3之電路的峰值電流限制隨著回授電壓增加而增加。

圖2的AC/DC功率轉換器電路可被視為雙模電路，其中在第一模式中，峰值電流限制隨著回授電壓增加而增加，且在第二模式中，峰值電流限制不會隨時間的函數而改變，如圖4所示之狀態圖所繪示者。如圖4所示，方框302表示峰值電流限制隨著增加的回授電壓而增加的模式(或狀態)，方框304表示峰值電流限制保持恆定的模式(或狀態)。當回授電壓大於臨限值時，從模式302移動到304的狀態改變事件係以箭頭306指出。當回授電壓小於或等於臨限值時，從模式304移動到302的狀態改變事件係以箭頭308指出。

應要注意的是，圖4所繪示的特定實施例可包括某些改變。例如，當回授電壓大於臨限值時，電路在模式304。若回授電壓接著要減少使得其會等於臨限值，則該電路的狀態(模式)可能不會改變，即使在理論上會滿足由箭頭308所指出的事件。可以設計某些實施例使得當回授電壓大於或等於該臨限值時，發生由箭頭306所指出的事件，而當回授電壓小於該臨限值時，發生由箭頭308所指出的事件。實際上，該臨限值可隨著時間稍微改變。

對於某些實施例而言，會有磁滯，所以當回授電壓大於第一臨限值時，發生由箭頭306所指出的事件，而當回授電壓小於比第一臨限值小的第二臨限值時，發生由箭頭308所指出的事件。當在模式302時，等於該第一臨限值的回授電壓可致使該電路保持在模式302或轉移到模式304，而在模式304時，等於第二臨限值的回授電壓可致使該電路保持在模式304或轉移到模式302。

圖5係倂入根據本發明實施例在圖2中的AC/DC轉換器的系統的示意圖。在圖5中，圖2中的AC/DC轉換器的組件被封裝於功能單元402中。負載係以電阻器404來表示。如圖5所示，回授電壓係由包含耦合到繞組410之電阻器406與408的電阻分壓器所提供。其他實施例可直接從繞組得到回授電壓。

在圖5的特定實施例中，顯示包含繞著芯416的繞組102、104及410的變壓器。繞組102通常係指初級繞組，因為其直接耦合到含有二極體418、420、422及424的全波整流電橋。雖然繞組412及414可被稱為次級繞組，因為他們與初級繞組102的相互耦合。

變壓器芯416可被視為將圖5所示之電路示意圖分成左手區及右手區。用來標示左手側的接地連接的符號係與用來標示右手側的接地連接的符號不同。作為一特定例子，標示412的接地連接符號係與標示414的接地連接符號不同。此二不同型式的接地連接為不同的接地系統，所以該電路示意圖的左手側的接地連接不電氣連接到該電路示意圖的右手側的接地連接。

雖然不需要使用二個接地系統，且有些實施例可能的確只需要一個接地系統，所以在左手側的接地連接亦電氣連接到在右手側的接地連接，可以有某些使用二種不同接地系統的實施例。例如，使用二種電氣隔離的接地系統可滿足某種消費者安全規範，因為以負載404表示的消費者裝置係與左手側的組件電氣隔離，其中此等組件的某些組件係耦合到在110到120VAC範圍內或者在220到240VAC範圍內的電壓的家用插座。

結果，圖5中電路示意圖的左手側可稱為初級側，因為初級繞組102係與左手側的接地系統有關。電路示意圖的右手側可稱為次級側。因此，繞組412並不電氣連接到繞組104，雖然二者之間可以有相互的耦合。由包含電阻器406與408之電阻分壓器所產生的回授電壓係與初級側的接地系統有關。結果，當使用二種接地系統時，左手側與右手側之間有電氣隔離。

對前述實施例可從事種種修改。例如，到LEB 158的輸入可連接到電晶體123的源極，而其依次可連接到接地的感測電阻器。就此一實施例而言，提供到運算放大器152的正輸入埠的電壓是I _DS R ，其中R 是該感測電阻器的電阻。

在此揭露內容中要了解的是，“A 連接到B ”的意義在於A 與B 彼此以導電結構電氣連接，所以就有興趣的信號頻寬內的頻率、電阻、電容及被該導電結構感應的電感而言可以各自被忽略，其中A 或B 例如可以是，但不侷限於節點、裝置端子、或埠。舉例來說，相較於有興趣的信號頻寬而相對短的傳輸線(例如微波傳輸帶(micro-strip))，可以被設計以導入相對小的阻抗，使得在該傳輸線的各端有電氣接觸的二個裝置可被視為彼此互相連接。

在此揭露內容中亦要了解的是，“A 耦合到B ”的意義在於A 或B 如上述彼此互相連接，或是，雖然A 與B 可能不如上述彼此互相連接，但有一同時連接到A 及B 的裝置或電路，使得在該二元件A 或B 的其中一者的一適當定義的電壓或電流對該二元件的另一者的一適當定義的電壓或電流有影響。舉例來說，A 可以是微波結構的一埠而B 可以是該微波結構的第二埠，其中在埠A 及B 的電壓(被定義為分別在埠A 及B 的橫向電場)彼此是轉移函數的關係。雖然該微波結構可感應不可忽略的阻抗，但元件A 及B 可被視為彼此互相耦合。

由上述，應體認到本揭露內容的特定實施例己於此為說明之目的加以描述，但可從事種種修改而不脫離本揭露內容。於特定實施例前後文中描述之本揭露內容的特定態樣可在其他實施例中結合或排除。並非所有的實施例必然需要顯示落入本揭露內容範疇內的此等優點。因此，除了所附之申請專利範圍外的本揭露內容並不受到限制。

102．．．初級繞組

104．．．次級繞組

106．．．次級繞組

108．．．輸入埠

110．．．低壓降電壓調整器/輸入埠

112．．．振盪器

114．．．電晶體

116．．．電晶體

118．．．電晶體

120．．．電晶體

122．．．輸入埠

123．．．電晶體

124．．．S-R NOR閘閂鎖器

125．．．開關

126．．．運算放大器

128．．．電晶體

130．．．電阻器

132．．．節點

134．．．比較器

136．．．減法功能單元

138．．．運算放大器

140．．．電晶體

142．．．節點

144．．．電阻器

146．．．電阻器

148．．．電流源

150．．．節點

152．．．運算放大器

154．．．AND閘

156．．．溫度過熱保護功能單元/OTP

158．．．前緣遮蔽功能單元/LEB

205．．．臨限值線

402．．．功能單元

404．．．電阻器

406．．．電阻器

408．．．電阻器

410．．．繞組

412．．．繞組

414．．．繞組

416．．．變壓器芯

418．．．二極體

420．．．二極體

422．．．二極體

424．．．二極體

圖1係根據習知技術之AC/DC轉換器的輸出電壓對輸出電流圖。

圖2係根據本發明實施例之AC/DC轉換器的示意圖。

圖3係說明圖2中之AC/DC轉換器的操作模式的時序圖。

圖4係說明根據本發明實施例在圖2中的AC/DC轉換器的狀態圖。

圖5係倂入根據本發明實施例在圖2中的AC/DC轉換器的系統的示意圖。

102．．．初級繞組

104．．．次級繞組

106．．．次級繞組

108．．．輸入埠

110．．．低壓降電壓調整器/輸入埠

112．．．振盪器

114．．．電晶體

116．．．電晶體

118．．．電晶體

120．．．電晶體

122．．．輸入埠

123．．．電晶體

124．．．S-R NOR閘閂鎖器

125．．．開關

126．．．運算放大器

128．．．電晶體

130．．．電阻器

132．．．節點

134．．．比較器

136．．．減法功能單元

138．．．運算放大器

140．．．電晶體

142．．．節點

144．．．電阻器

146．．．電阻器

148．．．電流源

150．．．節點

152．．．運算放大器

154．．．AND閘

156．．．溫度過熱保護功能單元/OTP

158．．．前緣遮蔽功能單元/LEB

Claims (23)

1. 一種功率轉換器電路，包含：初級繞組；開關電晶體，係耦合到該初級繞組，該開關電晶體被組構以承載汲極源極電流；以及回授電壓埠，被組構以承載回授電壓，該回授電壓埠係耦合到該開關電晶體以當該汲極源極電流達到峰值電流限制時斷開該開關電晶體，其中，若且唯若該回授電壓滿足與臨限值的有序關係，則該峰值電流限制隨著漸增的回授電壓增加。
2. 如申請專利範圍第1項之功率轉換器電路，其中，當該回授電壓小於該臨限值時，則該有序關係被滿足。
3. 如申請專利範圍第2項之功率轉換器電路，其中，若且唯若該回授電壓小於該臨限值，則該有序關係被滿足。
4. 如申請專利範圍第1項之功率轉換器電路，進一步包含：二次繞組，係磁性耦合到該初級繞組；以及分壓器，係耦合到該二次繞組以提供該回授電壓。
5. 如申請專利範圍第1項之功率轉換器電路，該開關電晶體具有閘極及汲極，該電路進一步包含：S-R非或閘(NOR)閂鎖器，包含耦合到該開關電晶體之該閘極的Q輸出埠、R輸入埠、以及S輸入埠；前緣遮蔽器，包含耦合到該開關電晶體之該汲極的輸 入埠，且包含輸出埠；以及比較器，包含耦合到該前緣遮蔽器之該輸出埠的正輸入埠，包含耦合到該S-R NOR閘閂鎖器之該R輸入埠的輸出埠，以及包含負輸入埠。
6. 如申請專利範圍第5項之功率轉換器電路，進一步包含：振盪器，係耦合到該S-R NOR閘閂鎖器之該S輸入埠；電阻器，係連接到該比較器之該負輸入埠；以及電流源，係連接到該電阻器，其中，該回授電壓埠係耦接到該電阻器使得若且唯若該回授電壓滿足與該臨限值的該有序關係，則該回授電壓的增加致使流經該電阻器的電流的增加。
7. 一種功率轉換器電路，包含：初級繞組；開關電晶體，係耦合到該初級繞組，該開關電晶體被組構以承載汲極源極電流；以及回授電壓埠，被組構以承載回授電壓，開關，係耦合到該回授電壓埠；放大器，具有耦合到該開關之輸入埠及耦合到該開關電晶體之輸出埠；以及比較器，具有被組構以承載臨限電壓之第一輸入埠、耦合到該回授電壓埠之第二輸入埠、以及被組構以承載具有第一邏輯狀態與第二邏輯狀態之信號的輸出埠，唯若該 比較器的該輸出埠電壓係處於該第一邏輯狀態，則該比較器的該輸出埠係耦合到該開關以將該放大器的該輸入埠耦合到該回授電壓埠；其中，若且唯若該回授電壓滿足與臨限值的有序關係，則該峰值電流限制隨著漸增的回授電壓增加。
8. 一種功率轉換器系統，包含：初級繞組；第一繞組，係磁性耦合到該初級繞組以提供回授電壓；開關電晶體，係耦合到該初級繞組，該開關電晶體用以提供汲極源極電流；以及回授埠，係耦合到該第一繞組，該回授埠被組構以承載該回授電壓且當該汲極源極電流達到峰值電流限制時被耦合到該開關電晶體以斷開該開關電晶體，其中，唯若該回授電壓滿足與第一臨限值的第一有序關係，則該峰值電流限制隨著漸增的回授電壓增加，且其中，唯若該回授電壓滿足與第二臨限值的第二有序關係，則該峰值電流限制隨著漸增的回授電壓增加。
9. 如申請專利範圍第8項之功率轉換器系統，其中，若該回授電壓小於該第一臨限值，則該回授電壓滿足該第一有序關係；以及若該回授電壓大於該第二臨限值，則該回授電壓滿足該第二有序關係。
10. 如申請專利範圍第8項之功率轉換器系統，其中， 該第二臨限值係大於該第一臨限值。
11. 如申請專利範圍第8項之功率轉換器系統，進一步包含耦合到該第一繞組以提供該回授電壓的分壓器。
12. 如申請專利範圍第11項之功率轉換器系統，其中，該分壓器包含第一電阻器及第二電阻器。
13. 如申請專利範圍第8項之功率轉換器系統，進一步包含：第一接地，係連接到該第一繞組；第二接地；以及第三繞組，係磁性耦合到該初級繞組並連接到該第二接地。
14. 如申請專利範圍第13項之功率轉換器系統，其中，該第一接地與該第二接地電氣隔離。
15. 如申請專利範圍第13項之功率轉換器系統，進一步包含耦合到該第一繞組以提供該回授電壓的分壓器，該分壓器係連接到該第一接地。
16. 如申請專利範圍第15項之功率轉換器系統，其中，該分壓器包含第一電阻器及第二電阻器。
17. 一種交流對直流功率轉換器，包含：初級繞組；第一繞組，係磁性耦合到該初級繞組以提供回授電壓，使得唯若該回授電壓滿足與第一臨限值的第一有序關係，則該交流對直流功率轉換器的峰值電流限制隨著漸增的回授電壓增加，且其中，唯若該回授電壓滿足與第二臨 限值的第二有序關係，則該峰值電流限制係處於靜態。
18. 如申請專利範圍第17項之交流對直流功率轉換器，其中，若該回授電壓小於該第一臨限值，則該回授電壓滿足該第一有序關係；以及若該回授電壓小於該第二臨限值，則該回授電壓滿足該第二有序關係。
19. 如申請專利範圍第17項之交流對直流功率轉換器，其中，該第二臨限值係大於該第一臨限值。
20. 如申請專利範圍第17項之交流對直流功率轉換器，進一步包含：第一接地，係連接到該第一繞組；第二接地；以及第三繞組，係磁性耦合到該初級繞組並連接到該第二接地。
21. 如申請專利範圍第20項之交流對直流功率轉換器，其中，該第一接地與該第二接地電氣隔離。
22. 如申請專利範圍第20項之交流對直流功率轉換器，進一步包含耦合到該第一繞組以提供該回授電壓之分壓器，該分壓器係連接到該第一接地。
23. 如申請專利範圍第22項之交流對直流功率轉換器，該分壓器包含第一電阻器及第二電阻器。