TWI469485B - 順向式電源轉換器及其控制方法 - Google Patents

Description

順向式電源轉換器及其控制方法

本發明是有關於一種電源供應技術，且特別是有關於一種順向式電源轉換器(forward power converter)及其控制方法。

傳統順向式電源轉換器的控制架構大多採用脈寬調變控制晶片(pulse width modulation control chip,PWM control chip)，藉以控制設置在變壓器之一次側串聯路徑上(單一/雙)功率開關的運作。一般來說，在現今的順向式電源轉換器中，由脈寬調變晶片所產生之用以控制功率開關的脈寬調變訊號之責任週期大致落在1%~50%之間。當負載越重時，脈寬調變晶片所產生的脈寬調變訊號之責任週期越往50%趨近。反之，當負載越輕時，脈寬調變晶片所產生的脈寬調變訊號之責任週期越往1%趨近。

另一方面，當輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓(VIN)消失時，順向式電源轉換器的輸出被規定需維持一段保持時間(hold up time，例如17ms)以上。基此，由於脈寬調變晶片所產生的脈寬調變訊號之責任週期最大只能到50%，故而為使得順向式電源轉換器的輸出能夠於輸入電壓(VIN)消失時維持17ms以上，通常會增設一個大電容(bulk capacitor,Cbulk)以對輸入電壓(VIN)進行儲能。然而，此舉將造成順向式電源轉換器的成本增加。

再者，在功率恆定的條件下，當脈寬調變晶片所產生的脈寬調變訊號之責任週期越小時，則功率開關所承受的電壓越高，以至於為避免功率開關的損毀，通常會提升功率開關的耐壓等級。然而，此舉亦將造成順向式電源轉換器的成本增加。

有鑒於此，本發明提供一種順向式電源轉換器，藉以改善/解決先前技術所述及的問題。

基於上述，本發明之一示範性實施例提供一種順向式電源轉換器，其包括：變壓器、功率開關、轉換單元、脈寬調變控制晶片，以及偵測線路。變壓器具有一次側與二次側，且變壓器之一次側的第一端用以接收一輸入電壓。功率開關的第一端耦接變壓器之一次側的第二端，功率開關的第二端耦接至一危險地，而功率開關的控制端則用以接收一脈寬調變訊號。

轉換單元耦接變壓器的二次側，用以反應於所述輸入電壓以及變壓器之一次側與二次側的圈數比而產生一輸出電壓給負載。脈寬調變控制晶片耦接功率開關，用以反應於負載的供電需求而產生所述脈寬調變訊號，藉以切換功率開關。偵測線路耦接脈寬調變控制晶片，用以對所述輸入電壓進行偵測，並於所述輸入電壓消失時，發出一第一限制訊號給脈寬調變控制晶片。在此條件下，脈寬調變控制晶片更反應於所述第一限制訊號而控制所述脈寬調變訊 號的責任週期至一上限值，且所述上限值介於51%至100%之間。

於本發明之一示範性實施例中，偵測線路更用以於所述輸入電壓異常上升時，發出一第二限制訊號給脈寬調變控制晶片。在此條件下，脈寬調變控制晶片更反應於所述第二限制訊號而控制所述脈寬調變訊號的責任週期至一下限值，且所述下限值介於15%至30%之間。

於本發明之一示範性實施例中，脈寬調變控制晶片更用以於所述輸入電壓正常時，反應於負載的變化而調整所述脈寬調變訊號的責任週期。

本發明之另一示範性實施例提供一種順向式電源轉換器的控制方法，其包括：反應於負載的供電需求而產生一脈寬調變訊號以控制順向式電源轉換器的運作；偵測輸入至順向式電源轉換器之一輸入電壓的狀態；以及當所述輸入電壓消失時，控制所述脈寬調變訊號的責任週期至一上限值，且所述上限值介於51%至100%之間。

於本發明之一示範性實施例中，所提之順向式電源轉換器的控制方法可以更包括：當所述輸入電壓異常上升時，控制所述脈寬調變訊號的責任週期至一下限值，且所述下限值介於15%至30%之間。

於本發明之一示範性實施例中，所提之順向式電源轉換器的控制方法可以更包括：當所述輸入電壓正常時，反應於負載的變化而調整所述脈寬調變訊號的責任週期。

基於上述，本發明藉由在輸入至順向式電源轉換器的 輸入電壓消失或異常上升時，限制/控制脈寬調變控制晶片所輸出之脈寬調變訊號的責任週期至預設的上限值(51%~100%)或下限值(15%~30%)。因此，於本發明中，在輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓消失時，反應於脈寬調變訊號之責任週期的上限限制，不但可以讓順向式電源轉換器的輸出達所規定的保持時間(17ms)外，而且還可以降低所需增設用以對輸入電壓進行儲能的大電容容量，從而降低順向式電源轉換器的成本。

除此之外，於本發明中，在輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓異常上升時，反應於脈寬調變訊號之責任週期的下限限制，即可在功率恆定的條件下，抑制設置在變壓器之一次側串聯路徑上功率開關所需承受的電壓。如此一來，即可降低所選用之功率開關的耐壓等級，從而更加地降低順向式電源轉換器的成本。

應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。

現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。

圖1繪示為本發明一示範性實施例之順向式電源轉換器(forward power converter)10的示意圖。請參照圖1， 本示範性實施例之順向式電源轉換器10包括：變壓器(transformer)T、(N型)功率開關(power switch)Q、轉換單元(conversion unit)101、脈寬調變控制晶片(pulse width modulation control chip,PWM control chip)103、偵測線路(detection circuit)105、用以對輸入電壓(input voltage)VIN進行儲能的大電容(bulk capacitor)Cbulk，以及電阻(resistor)RS。

於本示範性實施例中，變壓器T具有一次側(primary winding)NP與二次側(secondary winding)NS，且變壓器T之一次側的第一端用以接收輸入電壓VIN。功率開關Q的第一端耦接變壓器T之一次側NP的第二端，功率開關Q的第二端可以透過電阻RS而耦接至危險地(dangerous ground)DGND，而功率開關Q的控制端則用以接收脈寬調變訊號(PWM signal)PW。然而，於本示範性實施例中，電阻RS並非為必要構件，容後再詳述。因此，功率開關Q的第二端可以直接耦接至危險地DGND。

轉換單元101耦接變壓器T的二次側NS，用以反應於輸入電壓VIN以及變壓器T之一次側NP與二次側NS的圈數比(turns ratio，NP/NS)而產生輸出電壓(output voltage)VOUT給負載20(例如為某一電子系統/裝置，但並不限制於此)。更清楚來說，轉換單元101包括二極體(diode)D1與D2、電感(inductor)LO，以及電容CO。

(順向)二極體D1的陽極(anode)耦接變壓器T之二次側NS的第一端(亦或稱為同名端(common-polarity terminal)，即打點處)。(飛輪)二極體D2的陽極耦接變壓器T之二次側NS的第二端(亦或稱為異名端(opposite-polarity terminal)，即未打點處)，而(飛輪)二極體D2的陰極則耦接(順向)二極體D1的陰極。電感LO的第一端耦接(順向)二極體D1的陰極，而電感LO的第二端則用以產生輸出電壓VOUT。電容CO的第一端耦接電感LO的第二端，而電容CO的第二端則耦接至安全地(safety ground)SGND。

脈寬調變控制晶片103耦接功率開關Q，用以作為順向式電源轉換器10的控制核心(operation core)，亦即：控制與管理順向式電源轉換器10的運作。而且，脈寬調變控制晶片103會反應於負載20的供電需求(power supply request)而產生脈寬調變訊號PW，藉以切換功率開關Q(即，交替地導通(turned-on)與關閉(turned-off)功率開關Q)。

偵測線路105耦接脈寬調變控制晶片103，用以對輸入電壓VIN進行偵測，並於輸入電壓VIN消失時，發出第一限制訊號(limit signal)L1給脈寬調變控制晶片103。在此條件下，脈寬調變控制晶片103即可反應於來自偵測線路105的第一限制訊號L1而控制脈寬調變訊號PW的責任週期(duty cycle)至某一上限值(upper value)，且此上限值介於51%至100%之間，例如：75%，但並不限制於此。

另外，偵測線路105更可以於輸入電壓VIN異常上升 時(例如由雷擊所引發，但並不限制於此)，發出第二限制訊號L2給脈寬調變控制晶片103。在此條件下，脈寬調變控制晶片103即可反應於來自偵測線路105的第二限制訊號L2而控制脈寬調變訊號PW的責任週期至某一下限值(lower value)，且此下限值介於15%至30%之間，例如：20%，但並不限制於此。

再者，脈寬調變控制晶片103更可以於輸入電壓VIN正常時，反應於負載20的變化(variation，例如重載(heavy load)、中載(middle load)或輕載(light load))而適應性地調整脈寬調變訊號PW的責任週期，藉以提供負載20所需的電力。

基於上述，當輸入電壓VIN正常時，此時偵測線路105處於禁能(disable)的狀態，且大電容Cbulk會反應於輸入電壓VIN的輸入而進行儲能。在此條件下，脈寬調變控制晶片103將反應於負載20的供電需求/變化而產生/調整脈寬調變訊號PW以切換功率開關Q。當功率開關Q反應於脈寬調變訊號PW的致能而導通時，(順向)二極體D1處於順向導通，而(飛輪)二極體D2處於逆向關閉。如此一來，電感LO會進行儲能。

與此同時，假設脈寬調變控制晶片103具有過電流保護(over current protection,OCP)機制的話，則當功率開關Q反應於脈寬調變訊號PW的致能而導通時，反應於流經變壓器T之一次側NP的電流，電阻RS兩端將產生跨壓Vcs以回饋至脈寬調變控制晶片103。

一旦脈寬調變控制晶片103判斷出所回饋的跨壓Vcs大於其內建的過電流保護參考電壓(OCP reference voltage)Vocp的話，則脈寬調變控制晶片103將停止產生脈寬調變訊號PW以保護順向式電源轉換器10免於受到過電流的影響而損毀。反之，若脈寬調變控制晶片103判斷出所回饋的跨壓Vcs未大於其內建的過電流保護參考電壓的話，則脈寬調變控制晶片103將持續產生脈寬調變訊號PW以切換功率開關Q。然而，若脈寬調變控制晶片103未具有過電流保護機制的話，則電阻RS即可省略，而功率開關Q的第二端即可直接耦接至危險地DGND。

另外，當功率開關Q反應於脈寬調變訊號PW的禁能而關閉時，(順向)二極體D1處於逆向關閉，而(飛輪)二極體D2處於順向導通。如此一來，先前儲存在電感LO的能量會向電容CO進行充電，並且供應輸出電壓VOUT給負載20。顯然地，反應於脈寬調變訊號PW交替地致能與禁能，具有單晶輸入級(single switch，亦即單一功率開關Q)的順向式電源轉換器10即可持續地供應輸出電壓VOUT給負載20。

另一方面，當輸入電源VIN消失時(例如斷電或跳電，但並不限制於此)，順向式電源轉換器10的輸出被規定需維持一段保持時間(hold up time，例如17ms)以上。在此條件下，偵測線路105處於致能(enable)的狀態，並且將發出第一限制訊號L1給脈寬調變控制晶片103。如此一來，脈寬調變控制晶片103即可反應於來自偵測線路 105的第一限制訊號L1而控制脈寬調變訊號PW的責任週期至某一上限值(例如：75%，但並不限制於此)。

由此可理解的是，在輸入至順向式電源轉換器10的輸入電壓VIN消失時，反應於脈寬調變訊號PW之責任週期的上限限制(即，75%，其比傳統的50%還要高)，大電容Cbulk所儲存的能量可以被有效地利用，所以不但可以讓順向式電源轉換器10的輸出(VOUT)達所規定的保持時間(17ms)外，而且還可以降低所需增設用以對輸入電壓VIN進行儲能的大電容Cbulk容量，從而降低順向式電源轉換器10的成本。換言之，在輸入至順向式電源轉換器10的輸入電壓VIN消失時，對應於順向式電源轉換器10的保持時間(hold up time)可以反應於所控制/限制的上限值(即，75%)而增加。

除此之外，當輸入電源VIN異常上升時(例如由雷擊所引發，但並不限制於此)，偵測線路105亦處於致能的狀態，並且將發出第二限制訊號L2給脈寬調變控制晶片103。如此一來，脈寬調變控制晶片103即可反應於來自偵測線路105的第二限制訊號L2而控制脈寬調變訊號PW的責任週期至某一下限值(例如：20%，但並不限制於此)。

由此可理解的是，在輸入至順向式電源轉換器10的輸入電壓VIN異常上升時，反應於脈寬調變訊號PW之責任週期的下限限制(即，20%，其比傳統的1%還要高)，即可在功率恆定的條件下，抑制設置在變壓器T之一次側 NP串聯路徑上功率開關Q所需承受的電壓(即，耐壓)。 如此一來，即可降低所選用之功率開關Q的耐壓等級，從而更加地降低順向式電源轉換器10的成本。換言之，在輸入至順向式電源轉換器10的輸入電壓VIN異常上升時，對應於功率開關Q的耐壓等級可以反應於所控制/限制的下限值而降低。

於此值得一提的是，雖然上述示範性實施例採用(順向)二級體D1與(飛輪)二級體D2來實施轉換單元101中的整流動作，但是本發明並不限制於此。更清楚來說，在本發明的其它示範性實施例中，亦可採用由功率開關所組成的同步整流線路(synchronous rectification(SR)circuit)來取代(順向)二級體D1與(飛輪)二級體D2，藉以降低傳導損失(conduction loss)，從而增進所應用之順向式電源轉換器10的整體效率，一切端視實際設計需求而論。另外，雖然上述示範性實施例係以單晶輸入級(亦即，單一功率開關Q)為例來進行說明，但是本發明並不限制於此。更清楚來說，在本發明的其它示範性實施例中，亦可採用雙晶(dual switch)輸入級，一切端視實際設計需求而論。

基於上述示範性實施例所揭示/教示的內容，圖2繪示為本發明一示範性實施例之順向式電源轉換器的控制方法流程圖。請參照圖2，本示範性實施例之順向式電源轉換器的控制方法包括：反應於負載的供電需求而產生脈寬調變訊號以控制 順向式電源轉換器的運作(步驟S201)； 偵測輸入至順向式電源轉換器之輸入電壓的狀態(步驟S203)；當輸入電壓消失時，控制所產生之脈寬調變訊號的責任週期至一上限值，其中此上限值介於51%至100%之間(步驟S205)；當輸入電壓異常上升時，控制所產生之脈寬調變訊號的責任週期至一下限值，其中此下限值介於15%至30%之間(步驟S207)；以及當輸入電壓正常時，反應於負載的變化(例如重載、中載或輕載)而調整所產生之脈寬調變訊號的責任週期(步驟S209)，藉以提供負載所需的電力。

綜上所述，本發明藉由在輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓消失或異常上升時，限制/控制脈寬調變控制晶片所輸出之脈寬調變訊號的責任週期至預設的上限值(51%~100%)或下限值(15%~30%)。因此，於本發明中，在輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓消失時，反應於脈寬調變訊號之責任週期的上限限制，不但可以讓順向式電源轉換器的輸出達所規定的保持時間(17ms)外，而且還可以降低所需增設用以對輸入電壓進行儲能的大電容容量，從而降低順向式電源轉換器的成本。

除此之外，於本發明中，在輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓異常上升時，反應於脈寬調變訊號之責任週期的下限限制，即可在功率恆定的條件下，抑制設置在變壓 器之一次側串聯路徑上功率開關所需承受的電壓。如此一來，即可降低所選用之功率開關的耐壓等級，從而更加地降低順向式電源轉換器的成本。

換各方式來說，只要是符合以下3點技術手段描述的內容，就屬於本發明所欲保護的範疇：

1、順向式電源轉換器反應於脈寬調變控制晶片所產生的脈寬調變訊號而運作，且當脈寬調變控制晶片透過某一偵測手段而得知輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓消失時，脈寬調變控制晶片控制所產生之脈寬調變訊號的責任週期至某一上限值，其中此上限值介於51%至100%之間；

2、當脈寬調變控制晶片透過相同的偵測手段而得知輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓發生異常時，脈寬調變控制晶片控制所產生之脈寬調變訊號的責任週期至某一下限值，其中此下限值介於15%至30%之間；以及

3、當輸入至順向式電源轉換器的輸入電壓正常時，脈寬調變控制晶片反應於某一負載的變化(重載、中載、輕載)而調整所產生之脈寬調變訊號的責任週期，藉以供應負載所需的電力。

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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發 明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10‧‧‧順向式電源轉換器

20‧‧‧負載

101‧‧‧轉換單元

103‧‧‧脈寬調變控制晶片

105‧‧‧偵測線路

T‧‧‧變壓器

NP‧‧‧變壓器的一次側

NS‧‧‧變壓器的二次側

Q‧‧‧功率開關

Cbulk‧‧‧大電容

D1、D2‧‧‧二極體

LO‧‧‧電感

CO‧‧‧電容

RS‧‧‧電阻

L1、L2‧‧‧限制訊號

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

Vcs‧‧‧電阻跨壓

Vocp‧‧‧過電流保護參考電壓

PW‧‧‧脈寬調變訊號

DGND‧‧‧危險地

SGND‧‧‧安全地

S201~S209‧‧‧本發明一示範性實施例之順向式電源轉換器的控制方法流程圖各步驟

下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。

圖1繪示為本發明一示範性實施例之順向式電源轉換器(forward power converter)10的示意圖。

圖2繪示為本發明一示範性實施例之順向式電源轉換器的控制方法流程圖。

10‧‧‧順向式電源轉換器

20‧‧‧負載

101‧‧‧轉換單元

103‧‧‧脈寬調變控制晶片

105‧‧‧偵測線路

T‧‧‧變壓器

NP‧‧‧變壓器的一次側

NS‧‧‧變壓器的二次側

Q‧‧‧功率開關

Cbulk‧‧‧大電容

D1、D2‧‧‧二極體

LO‧‧‧電感

CO‧‧‧電容

RS‧‧‧電阻

L1、L2‧‧‧限制訊號

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

Vcs‧‧‧電阻跨壓

Vocp‧‧‧過電流保護參考電壓

PW‧‧‧脈寬調變訊號

DGND‧‧‧危險地

SGND‧‧‧安全地

Claims (13)

1. 一種順向式電源轉換器，包括：一變壓器，具有一一次側與一二次側，其中該一次側的第一端用以接收一輸入電壓；一功率開關，其第一端耦接該一次側的第二端，其第二端耦接至一危險地，而其控制端則用以接收一脈寬調變訊號；一轉換單元，耦接該二次側，用以反應於該輸入電壓以及該一次側與該二次側的圈數比而產生一輸出電壓給一負載；一脈寬調變控制晶片，耦接該功率開關，用以反應於該負載的一供電需求而產生該脈寬調變訊號，藉以切換該功率開關；以及一偵測線路，耦接該脈寬調變控制晶片，用以對該輸入電壓進行偵測，並於該輸入電壓消失時，發出一第一限制訊號給該脈寬調變控制晶片，其中，該脈寬調變控制晶片更反應於該第一限制訊號而控制該脈寬調變訊號的一責任週期至一上限值，且該上限值介於51%至100%之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之順向式電源轉換器，其中該偵測線路更用以於該輸入電壓異常上升時，發出一第二限制訊號給該脈寬調變控制晶片。
3. 如申請專利範圍第2項所述之順向式電源轉換器，其中該脈寬調變控制晶片更反應於該第二限制訊號而控制該脈寬調變訊號的該責任週期至一下限值，且該下限值介於15%至30%之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之順向式電源轉換器，其中該脈寬調變控制晶片更用以於該輸入電壓正常時，反應於該負載的變化而調整該脈寬調變訊號的該責任週期。
5. 如申請專利範圍第2項所述之順向式電源轉換器，其中於該輸入電壓消失時，對應於該順向式電源轉換器的一保持時間(hold up time)係反應於該上限值而增加。
6. 如申請專利範圍第2項所述之順向式電源轉換器，其中於該輸入電壓異常上升時，對應於該功率開關的一耐壓等級係反應於一下限值而降低。
7. 如申請專利範圍第1項所述之順向式電源轉換器，其中該轉換單元包括：一第一二極體，其陽極耦接該二次側的第一端；一第二二極體，其陽極耦接該二次側的第二端，而其陰極則耦接該第一二極體的陰極；一電感，其第一端耦接該第一二極體的陰極，而其第二端則用以產生該輸出電壓；以及 一電容，其第一端耦接該電感的第二端，而其第二端則耦接至一安全地。
8. 一種順向式電源轉換器的控制方法，包括：反應於一負載的供電需求而產生一脈寬調變訊號以控制該順向式電源轉換器的運作；偵測輸入至該順向式電源轉換器之一輸入電壓的狀態；以及當該輸入電壓消失時，控制該脈寬調變訊號的一責任週期至一上限值，其中該上限值介於51%至100%之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之順向式電源轉換器的控制方法，更包括：當該輸入電壓異常上升時，控制該脈寬調變訊號的該責任週期至一下限值，其中該下限值介於15%至30%之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述之順向式電源轉換器的控制方法，更包括：當該輸入電壓正常時，反應於該負載的變化而調整該脈寬調變訊號的該責任週期。
11. 一種順向式電源轉換器，其特徵在於，該順向式電源轉換器反應於一脈寬調變控制晶片所產生的一脈寬調變訊號而運作，且當該脈寬調變控制晶片透過一偵測手段而 得知輸入至該順向式電源轉換器的一輸入電壓消失時，該脈寬調變控制晶片控制該脈寬調變訊號的一責任週期至一上限值，其中該上限值介於51%至100%之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之順向式電源轉換器，其特徵在於，當該脈寬調變控制晶片透過該偵測手段而得知輸入至該順向式電源轉換器的該輸入電壓發生異常時，該脈寬調變控制晶片控制該脈寬調變訊號的該責任週期至一下限值，其中該下限值介於15%至30%之間。
13. 如申請專利範圍第11項所述之順向式電源轉換器，其特徵在於，當輸入至該順向式電源轉換器的該輸入電壓正常時，該脈寬調變控制晶片反應於一負載的變化而調整該脈寬調變訊號的該責任週期。