TWI502867B - 功率轉換器的取樣電路 - Google Patents

Description

功率轉換器的取樣電路

    本發明關於一種功率轉換器，特別是指一種功率轉換器的取樣電路。

    一般反射電壓用來產生一回授訊號，以調整功率轉換器的一輸出。回授訊號關聯於電源轉換器的輸出。許多習知技術已揭露偵測變壓器的反射電壓。例如美國專利編號7,151,681“Multiple-sampling circuit for measuring reflected voltage and discharge time of a transformer”、美國專利編號7,349,229“Causal sampling circuit for measuring reflected voltage and demagnetizing time of transformer”以及美國專利編號7,486,528“Linear-predict sampling for measuring demagnetized voltage of transformer”。然而，複雜度是美國專利編號7,151,681的缺陋。美國專利編號7,349,229在動態負載或輸入電壓改變下會有取樣不精確的缺陋。美國專利編號7,486,528的方式會受限於變壓器設計的匝數比。本發明提供一種簡易且精確的方式取樣變壓器的反射電壓，且不受變壓器設計的限制。

    本發明之主要目的，係提供一種精確取樣電路，而用於測量功率轉換器的變壓器的反射電壓。

    本發明提供一種取樣電路，用於取樣功率轉換器的一變壓器的一反射電壓。取樣電路包含一放大電路、一第一電容、一第一開關及一取樣訊號電路。放大電路接收反射電壓以產生一第一訊號。第一電容依據反射電壓產生一第二訊號。第一開關耦接在反射電壓與第一電容之間。取樣訊號電路依據一切換訊號的一下降邊緣產生一取樣訊號。切換訊號是依據一回授訊號而產生，用以調整功率轉換器的一輸出。回授訊號是依據第二訊號而產生。取樣訊號用於控制第一開關而取樣反射電壓。一旦，第一訊號小於第二訊號時，取樣訊號則禁能。第二訊號相較於第一訊號，其具有一傳輸延遲。

    本發明提供功率轉換器的另一取樣電路。取樣電路包含一放大電路及一取樣單元。放大電路依據功率轉換器的一變壓器的一反射電壓產生一第一訊號。取樣單元依據一切換訊號的一下降邊緣取樣反射電壓而產生一第二訊號。切換訊號是依據一回授訊號而產生，以調整功率轉換器的一輸出。回授訊號是依據第二訊號而產生。一旦，第一訊號小於第二訊號時，取樣單元停止取樣反射電壓。

10．．．變壓器

20．．．電晶體

30．．．電阻

31．．．電阻

32．．．電阻

40．．．整流器

45．．．電容

50．．．切換控制電路

100．．．取樣電路

110．．．反相器

115．．．脈波產生器

120．．．正反器

130．．．放大器

131．．．電阻

132．．．電阻

140．．．阻抗裝置

145．．．第三開關

150．．．第一電容

151．．．第一開關

160．．．第二電容

161．．．第二開關

170．．．比較器

171．．．反及閘

172．．．反相器

175．．．反相器

180．．．脈波產生器

200．．．脈寬調變電路

300．．．電晶體

302．．．反相器

304．．．電流源

306．．．電容

308．．．反相器

309．．．及閘

BLK．．．消隱訊號

E_AV ．．．回授訊號

HLD．．．保持訊號

IN．．．輸入訊號

N_A ．．．輔助繞組

N_P ．．．一次側繞組

N_S ．．．二次側繞組

OUT．．．輸出訊號

RST．．．重置訊號

S_MP ．．．取樣訊號

S_W ．．．切換訊號

V_CC ．．．供應電壓

V_I ．．．電流訊號

V_IN ．．．輸入電壓

V_O ．．．輸出電壓

V_S ．．．訊號

V_SD ．．．第一訊號

V_ST ．．．第二訊號

為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成
之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
第一圖是本發明的一切換式功率轉換器的一實施例的電路圖。
第二圖是本發明的一切換控制電路的一實施例的電路圖。
第三圖是本發明的一取樣電路的一實施例的電路圖。
第四圖是本發明的取樣電路的訊號V_SD 、V_ST 及回授訊號E_AV 的波形圖。
第五圖是本發明的切換訊號S_W 、訊號V_S 、消隱訊號BLK、取樣訊號S_MP 及保持訊號HLD的波形圖。
第六圖是本發明的脈波產生器的一實施例的電路圖。

    第一圖是本發明的一切換式功率轉換器的一實施例的電路圖。切換式功率轉換器包含一變壓器10，變壓器10具有一輔助繞組N_A 、一一次側繞組N_P 及一二次側繞組N_S 。一次側繞組N_P 的一端耦接至一輸入電壓V_IN 。二次側繞組N_S 透過一整流器40及一電容45產生一輸出電壓V_O 。為了調整輸出電壓V_O ，一切換控制電路50產生一切換訊號S_W ，而透過一電晶體20切換變壓器10。電晶體20耦接變壓器10的一次側繞組N_P 的另一端。電晶體20作為一功率開關。當電晶體20導通時，一激磁電壓（輸入電壓V_IN ）施加於變壓器10。一充電電流因而流過變壓器10的一次側繞組N_P 及電晶體20。

    透過耦接在電晶體20與接地端之間的一電阻30，充電電流被轉換成一電流訊號V_I ，其耦接至切換控制電路50。一旦電晶體20截止時，變壓器10在激磁周期所儲存的能量會傳送至變壓器10的二次側繞組N_S 及輔助繞組N_A 。假使整流器40的順向電壓能被忽略，輔助繞組N_A 的一反射電壓V_AUX 能表示為:

-----------------(1)

其中，N_A 及N_S 分別為變壓器10的輔助繞組及二次側繞組的匝數。根據方程式(1)，反射電壓V_AUX 表示功率轉換器的輸出電壓V_O 。

    電阻31及32形成的一分壓電路根據反射電壓V_AUX 產生一訊號V_S ，其能表示為:

-------------(2)

其中，R₃₁ 及R₃₂ 分別為電阻31與32的電阻值。訊號V_S 表示反射電壓V_AUX 。

    為了精確地偵測功率轉換器的輸出電壓V_O ，應該在二次側繞組N_S 的切換電流接近零時測量反射電壓。因此，整流器40的順向電壓的變化能被忽略。當激磁電壓（輸入電壓V_IN ）施加於變壓器10時，充電電流會流過變壓器10。一放電電流產生於消磁期間，其根據跨於變壓器10的二次側繞組N_S 的反射電壓（輸出電壓V_O ）而產生。放電電流表示變壓器10的二次側繞組N_S 的切換電流。放電電流於消磁時間的結束點將減至為零。因此，在消磁時間的結束點之前即可正確地取樣變壓器10的反射電壓。其表示反射電壓在變壓器10完全消磁之前被取樣。


---------------(3)

-------------(4)

其中，I_C 為充電電流；I_D 為放電電流；L_P 及L_S 分別為變壓器10的一次側繞組N_P 及二次側繞組N_S 的電感值。T_CHARGE 為激磁時間;T_DISCHARGE 為消磁時間。

    第二圖是本發明的切換控制電路50的一實施例的電路圖。切換控制電路50包含一取樣電路（SAMPLE）100及一脈寬調變電路（PWM）200。取樣電路100接收訊號V_S 以及切換訊號S_W ，而依據變壓器10的反射電壓（訊號V_S ）以及切換訊號S_W 產生一回授訊號E_AV 。回授訊號E_AV 及電流訊號V_I 耦接脈寬調變電路200，以產生切換訊號S_W ，而調整功率轉換器的輸出。

    第三圖是本發明的取樣電路100的一實施例的電路圖。取樣電路100包含一放大電路，其包含一放大器130、電阻131及132。放大電路接收訊號V_S 而產生一第一訊號V_SD 。換言之，放大電路接收反射電壓而產生第一訊號V_SD 。訊號V_S 耦接放大器130的一正輸入端以產生第一訊號V_SD 。放大電路依據訊號V_S （反射電壓）而放大第一訊號V_SD 。電阻131耦接在接地端及放大器130的一負輸入端之間。電阻132耦接在放大器130的負輸入端及放大器130的一輸出端之間。

    取樣電路100更包含一取樣單元，取樣單元包含一第一電容150及一第一開關151，而用以取樣訊號V_S 及產生一第二訊號V_ST 。這表示，取樣單元用於取樣變壓器10（如第一圖所示）的反射電壓。第一電容150透過ㄧ阻抗裝置140及第一開關151而取樣訊號V_S 。阻抗裝置140耦接於變壓器10的輔助繞組N_A （如第一圖所示）及第一開關151的一第一端之間。第一電容150耦接於第一開關151的一第二端及接地端之間。阻抗裝置140及第一電容150構成一低通濾波器而提供一傳輸延遲。一第三開關145並聯於阻抗裝置140，以在第三開關145導通時降低阻抗裝置140的阻抗。ㄧ消隱訊號BLK控制第三開關145。ㄧ取樣訊號S_MP 控制第一開關151，用以取樣訊號V_S （反射電壓）。如第五圖所示，消隱訊號BLK及取樣訊號S_MP 兩者依據切換訊號S_W 的一下降邊緣而產生。

    切換訊號S_W 更用於產生消隱訊號BLK，其透過包含一脈波產生器115及一反相器110的一消隱電路產生消隱訊號BLK。反相器110的一輸入端接收切換訊號S_W ，反相器110的一輸出端耦接脈波產生器115的一輸入端，以產生消隱訊號BLK。消隱訊號BLK為一脈波訊號，其提供一消隱時間（消隱週期），以及提供取樣該訊號V_S （變壓器10的反射電壓）的一最小周期。

    取樣電路100更包含一取樣訊號電路，取樣訊號電路包含反相器110及一正反器120，用以根據切換訊號S_W 的下降邊緣而產生取樣訊號S_MP 。切換訊號S_W 透過反相器110耦接正反器120的一時脈輸入端CK。正反器120的一輸入端D接收一供應電壓V_CC 。正反器120的一輸出端Q輸出取樣訊號S_MP 。藉由反相器110及正反器120，切換訊號S_W 產生（致能）取樣訊號S_MP 。

    因此，第一電容150根據訊號V_S 產生第二訊號V_ST 。在消隱週期期間，因為第三開關145及第一開關151導通，所以第二訊號V_ST 相同於訊號V_S 。在消隱週期之後，第一開關151可能仍維持導通，阻抗裝置140會提供低通濾波且在訊號V_S 與第二訊號V_ST 之間提供傳輸延遲。如第四圖所示，相較於第一訊號V_SD ，第二訊號V_ST 具有傳輸延遲。

    第二訊號V_ST 施加於一比較器170的一正輸入端，比較器170的一負輸入端接收第一訊號V_SD ，比較器170的一輸出端耦接一反及閘171的一輸入端，以產生一重置訊號RST。反及閘171的另一輸入端透過一反相器172接收消隱訊號BLK。因此，重置訊號RST於消隱週期期間被禁能（邏輯高位準），其依據切換訊號S_W 的下降邊緣而確保取樣該訊號V_S 的一最小取樣時間以及確保取樣訊號S_MP 具有一最小脈波寬度。換言之，消隱週期（消隱時間）提供取樣訊號S_MP 的最小脈波寬度。重置訊號RST連接至正反器120的一重置輸入端R，以重置正反器120與禁能取樣訊號S_MP 。

    如第五圖所示，取樣訊號S_MP 依據切換訊號S_W 的下降邊緣而致能。一旦第一訊號V_SD 小於第二訊號V_ST 時（如第四圖所示），取樣訊號S_MP 會被禁能（第一開關151截止）。其表示，一旦第一訊號V_SD 小於第二訊號V_ST 時，取樣單元停止取樣反射電壓。第一訊號V_SD 小於第二訊號V_ST 是表示位於消磁時間的結束點。因為第二訊號V_ST 相較於訊號V_S 具有傳輸延遲，所以在消磁時間的結束點之前，第一電容150的取樣值將相同於訊號V_S 的數值。因此，阻抗裝置140及第一電容150的時間常數（傳輸延遲）必須大於第一訊號V_SD 的一下降邊緣電壓轉換速率（falling edge slew-rate）。

    如第五圖所示，一旦取樣訊號S_MP 禁能時，取樣訊號S_MP 透過一反相器175及一脈波產生器180（如第三圖所示）將產生一保持訊號HLD。換言之，保持訊號HLD是依據取樣訊號S_MP 而產生。反相器175的一輸入端耦接正反器120的輸出端Q以接收取樣訊號S_MP 。反相器175的一輸出端耦接脈波產生器180的一輸入端。脈波產生器180依據取樣訊號S_MP 的一下降邊緣產生保持訊號HLD。

    取樣電路100更包含一保持電路，保持電路包含一第二開關161及一第二電容160，用以依據第二訊號V_ST 產生回授訊號E_AV 。第二開關161耦接於第一電容150與第二電容160之間。保持訊號HLD用於控制第二開關161以移轉第二訊號V_ST 至第二電容160。當第二開關161經保持訊號HLD導通時，第二電容160因此產生回授訊號E_AV 。

    第五圖是本發明的切換訊號S_W 、訊號V_S 、消隱訊號BLK、取樣訊號S_MP 及保持訊號HLD的波形圖。保持訊號HLD產生於取樣訊號S_MP 禁能之後。一延遲時間t位於取樣訊號S_MP 的下降邊緣及保持訊號HLD的上升邊緣之間。

    第六圖是本發明的脈波產生器115及180的一實施例的電路圖。脈波產生器包含一電晶體300、反相器302、308、一電流源304、一電容306及一及閘309。脈波產生器接收一輸入訊號IN而產生一輸出訊號OUT。根據脈波產生器115（如第三圖所示），輸入訊號IN是切換訊號S_W ，且輸出訊號OUT是消隱訊號BLK。根據脈波產生器180（如第三圖所示），輸入訊號IN是取樣訊號S_MP ，且輸出訊號OUT是保持訊號HLD。

    輸入訊號IN透過反相器302耦接於電晶體300的一閘極，以驅動電晶體300。電流源304的一端耦接供應電壓V_CC 。電流源304的另一端耦接電晶體300的一汲極與電容306的一端。電晶體300的一源極與電容306的另一端耦接於接地端。當輸入訊號IN之位準為一高位準且電晶體300被截止時，電流源304對電容306充電。反相器308耦接在電容306與及閘309的一輸入端之間。及閘309的另一輸入端接收輸入訊號IN。及閘309的一輸出端產生輸出訊號OUT，例如消隱訊號BLK及保持訊號HLD。電流源304的強度及電容306的電容值決定輸出訊號OUT的脈波寬度。

    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

100．．．取樣電路

110．．．反相器

115．．．脈波產生器

120．．．正反器

130．．．放大器

131．．．電阻

132．．．電阻

140．．．阻抗裝置

145．．．第三開關

150．．．第一電容

151．．．第一開關

160．．．第二電容

161．．．第二開關

170．．．比較器

171．．．反及閘

172．．．反相器

175．．．反相器

180．．．脈波產生器

BLK．．．消隱訊號

E_AV ．．．回授訊號

HLD．．．保持訊號

RST．．．重置訊號

S_MP ．．．取樣訊號

S_W ．．．切換訊號

V_CC ．．．供應電壓

V_S ．．．訊號

V_SD ．．．第一訊號

V_ST ．．．第二訊號

Claims (12)

1. 一種功率轉換器之取樣電路，其取樣該功率轉換器的一變壓器的一反射電壓，包含:
   一放大電路，其接收該反射電壓而產生一第一訊號；
   一第一電容，其依據該反射電壓產生一第二訊號；
   一第一開關，其耦接於該反射電壓及該第一電容之間；以及
   一取樣訊號電路，其依據一切換訊號的一下降邊緣產生一取樣訊號，該切換訊號是依據一回授訊號而產生，用以調整該功率轉換器的一輸出；
   其中，該回授訊號是依據該第二訊號而產生，該取樣訊號用以控制該第一開關，以取樣該反射電壓，一旦該第一訊號小於該第二訊號時，該取樣訊號被禁能，該第二訊號相較於該第一訊號具有一傳輸延遲。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其更包含一阻抗裝置，該阻抗裝置耦接於該第一開關，該阻抗裝置及該第一電容構成一低通濾波器而提供該傳輸延遲。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其更包含耦接該阻抗裝置的一開關，以依據一消隱時間降低該阻抗裝置的阻抗。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其更包含:
   一第二開關，其耦接該第一電容；以及
   一第二電容，其耦接該第二開關，並將該第二訊號從該第一電容轉移至該第二電容；
   其中，一保持訊號依據該取樣訊號而產生，該保持訊號控制該第二開關，該第二電容依據該第二訊號產生該回授訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該取樣訊號依據該切換訊號的該下降邊緣而具有一最小脈波寬度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該傳輸延遲大於該第一訊號的一下降邊緣電壓轉換速率。
7. 一種功率轉換器的取樣電路，包含:
   一放大電路，其依據該功率轉換器的一變壓器的一反射電壓產生一第一訊號；以及
   一取樣單元，其依據一切換訊號的一下降邊緣取樣該反射電壓而產生一第二訊號，該切換訊號是依據一回授訊號而產生，用以調整該功率轉換器的一輸出；
   其中，該回授訊號是依據該第二訊號而產生，一旦該第一訊號小於該第二訊號時，該取樣單元停止取樣該反射電壓。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其更包含一取樣訊號電路，其依據該切換訊號的該下降邊緣產生一取樣訊號，該取樣訊號控制該取樣單元取樣該反射電壓，以產生該第二訊號，一旦該第一訊號小於該第二訊號時，該取樣訊號禁能。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其更包含一保持電路，該保持電路耦接該取樣單元並接收該第二訊號，以依據該第二訊號產生該回授訊號。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其中該取樣單元包含:
    一第一電容，其依據該反射電壓產生該第二訊號；以及
    一第一開關，其耦接於該反射電壓及該第一電容之間，且受控制於一取樣訊號，以取樣該反射電壓。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電路，其更包含一阻抗裝置，該阻抗裝置耦接於該第一開關，該阻抗裝置及該第一電容構成一低通濾波器，而提供一傳輸延遲。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電路，其更包含耦接該阻抗裝置之一開關，以依據一消隱時間降低該阻抗裝置的阻抗。