TWI555321B - 膝點電壓偵測器 - Google Patents

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Description

膝點電壓偵測器
本發明係指一種用於一馳返式轉換器的膝點電壓偵測器，尤指一種可於初次側比較一輔助繞組之一輔助相關電壓及其延遲訊號，以精準偵測膝點電壓的膝點電壓偵測器。
交換式電源轉換器(Switching Power Converter)可將高壓交流或直流電源轉換為低壓直流電源，廣泛應用於各種電子設備中做為電源供應器。常見的交換式電源轉換器架構包括反馳式(Flyback)、順向式(Forward)及推挽式(Push-Pull)等。
一般來說，電源轉換器可透過偵測輸出電壓之大小來調整脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)訊號之責任週期(duty)，以穩定產生輸出電壓，而偵測輸出電壓之方法可分為以二次側回授控制架構直接偵測輸出電壓及以初次側回授控制架構間接偵測輸出電壓。其中，初次側回授控制之電源轉換器中的變壓器不僅具有初次側繞組及二次側繞組，另於初次側具有一輔助繞組，並且其二次側不須使用光耦合器及三端並聯穩壓器。當電流通過二次側繞組時，輔助繞組能感應到電源轉換器之輸出電壓的變化。因此，電源轉換器之脈寬調變控制單元能夠根據輔助繞組上的電壓訊號產生回授訊號，並據以產生控制訊號，控制電晶體的責任週期，調整輸出至負載的電能。由於光耦合器及三端並聯穩壓器的元件成本高並需要較大的電路面積，相較之下，使用初次側回授控制架構可有效降低電源轉換器的成本。
詳細來說，請參考第1A圖，第1A圖為一初次側控制馳返式電路10之示意圖。如第1A圖所示，相較於二次側回授控制架構，初次側控制馳返式電路10並未於二次側設置回授網路直接偵測一輸出電壓VOUT，因此需要透過於初次側偵測一輔助繞組NA之一輔助電壓VA(此架構偵測一輔助相關電壓VAUX以觀察輔助電壓VA，輔助相關電壓VAUX為輔助電壓VA之一分壓)，間接偵測輸出電壓VOUT以產生一控制訊號VGD控制電晶體100的責任週期以穩定輸出電壓VOUT。
在此結構下，請參考第1B圖，第1B圖為第1A圖中初次側控制馳返式電路10之訊號示意圖。如第1A圖及第1B圖所示，當控制訊號VGD控制電晶體100開啟以對一初次側繞組NP及一二次側繞組NS充電一充電週期TON後，控制訊號VGD控制電晶體100關閉而進入一放電週期TOFF，此時透過變壓器(即輔助繞組NA與二次側繞組NS)電磁感應可以在輔助繞組NA之輔助電壓VA感應二次側繞組NS之一二次側電壓VS以觀察輸出電壓VOUT的資訊(此架構中一初次側控制電路102偵測輔助電壓VA之分壓之輔助相關電壓VAUX以觀察輔助電壓VA及輸出電壓VOUT的資訊，其中，輔助相關電壓VAUX等於輔助電壓VA乘上一分壓電阻之一電阻比例k)。
然而，輔助電壓VA會受到許多非理想因素干擾，而無法正確地反映輸出電壓VOUT。舉例來說，在二次側之一二極體D1上的跨壓會隨著二次側之一放電電流IS而改變(即下降效應)，而在二次側之放電電流IS放至0後，會有諧振效應發生。因此，為了準確地偵測輸出電壓VOUT，初次側控制電路102會偵測二次側之放電電流IS為0的瞬間下輔助電壓VA之一膝點電壓VC，再據以透過控制訊號VGD適當調整輸出電壓VOUT(此時膝點電壓VC不會受到上述下降效應及諧振效應的干擾。
舉例來說，請參考第2圖，第2圖為第1A圖中初次側控制電路102之一習知偵測器之操作示意圖。如第2圖所示，在美國專利第7,859,862號之偵測器中，為了避免受到干擾的輔助電壓VA被取樣電路儲存，一屏蔽(blanking)電路會先產生一屏蔽週期，以避免在功率元件切換時，因非理想效應所產生的干擾造成錯誤的訊號取樣。在此情況下，在屏蔽週期(由時間點A至時間點B)後，由於輔助電壓VA在放電電流IS放電至0的瞬間會有大幅度的斜率變化，而此瞬間之電壓取樣即為膝點電壓VC，因此透過一微分電路偵測輔助電壓VA之斜率變化，而於斜率變化超過一臨界值時，即利用一取樣電路對輔助電壓VA之一延遲電壓Vd進行取樣以得到膝點電壓VC，其中，輔助電壓VA與延遲電壓Vd之延遲時間可設計為整個偵測器之反應時間(即由偵測斜率變化超過臨界值至時間點C取樣延遲電壓Vd之時間)，以精準地取樣輔助電壓VA之斜率變化超過臨界值之瞬間之電壓做為膝點電壓VC。
然而，由於輔助電壓VA訊號的斜率會受到系統外部元件的影響，因此，此一偵測系統的精準度會受到外部元件的設計影響，導致無法大量應用(如放電電流IS之放電斜率會受到輸出電壓VOUT及負載影響而影響輔助電壓VA之下降斜率，使得不同條件下放電電流IS放電至0的瞬間具有不同的斜率變化)。
另一方面，請參考第3圖，第3圖為初次側控制電路102之另一習知偵測器之操作示意圖。如第3圖所示，在美國專利公開號2007/0103134之偵測器中，採用多點取樣(multi-sampling)之方式對輔助電壓VA進行重複取樣，當目標之膝點電壓VC出現時，即把取樣結果送出。詳細來說，一屏蔽電路會先產生一屏蔽時間Td，在屏蔽時間Td內偵測器不進行偵測，以避免非理想效應錯誤的訊號取樣。在屏蔽時間Td後，一計數器根據一取樣頻率送 出取樣訊號VSPN、VSP1以控制一取樣電路據以對輔助電壓VA進行取樣，直到對輔助電壓VA所取樣之電壓大幅變化時，將前一次所取樣之電壓做為膝點電壓VC。
然而，由上述偵測器之精準度受到取樣頻率的限制很大，為了提高系統精準度，必須增加取樣頻率，而造成功耗增加和電磁干擾(ElectroMagnetic Interference，EMI)的問題。
因此，習知二次側回授控制架構需設置光耦合器及三端並聯穩壓器，而具有高元件成本及較大的電路面積，而習知初次側回授控制架構精準度會受到外部元件設計影響，或必須增加取樣頻率而造成功耗增加和電磁干擾的問題。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種可於初次側比較一輔助繞組之一輔助相關電壓及其延遲訊號，以精準偵測膝點電壓的膝點電壓偵測器。
本發明揭露一種膝點電壓偵測器，用於一馳返式轉換器。該膝點電壓偵測器包含有一延遲單元，用來將該馳返式轉換器之一輔助繞組之一輔助相關電壓延遲一特定時間，以產生一延遲訊號；一減法單元，用來根據該輔助相關電壓及該延遲訊號，產生一減法訊號；一比較單元，用來於該減法訊號指示該輔助相關電壓及該延遲訊號之一電壓差大於一門檻值時，產生一取樣訊號；以及一取樣保存單元，用來根據該取樣訊號，於該輔助相關電壓及該延遲訊號之該電壓差大於該門檻值時，對該延遲訊號進行取樣以產生一膝點電壓。
10‧‧‧初次側控制馳返式電路
100‧‧‧電晶體
102‧‧‧初次側控制電路
40‧‧‧膝點電壓偵測器
400‧‧‧延遲單元
402‧‧‧減法單元
404‧‧‧比較單元
406‧‧‧取樣保存單元
VOUT‧‧‧輸出電壓
NA‧‧‧輔助繞組
VA‧‧‧輔助電壓
VAUX‧‧‧輔助相關電壓
VGD‧‧‧控制訊號
NP‧‧‧初次側繞組
NS‧‧‧二次側繞組
TON‧‧‧充電週期
TOFF‧‧‧放電週期
VS‧‧‧二次側電壓
k‧‧‧電阻比例
D1‧‧‧二極體
IS‧‧‧放電電流
VC‧‧‧膝點電壓
A、B、C‧‧‧時間點
Vd‧‧‧延遲電壓
VPSE‧‧‧延遲訊號
VSUB‧‧‧減法訊號
VSH‧‧‧取樣訊號
VVG‧‧‧虛擬接地準位
RAUX‧‧‧輔助相關電阻
IAUX‧‧‧輔助相關電流
RPSE‧‧‧延遲電阻
IPSE‧‧‧延遲電流
IVG‧‧‧虛擬接地電流
RVG‧‧‧虛擬接地電阻
RSUB‧‧‧減法電阻
第1A圖為一初次側控制馳返式電路之示意圖。
第1B圖為第1A圖中初次側控制馳返式電路之訊號示意圖。
第2圖為第1A圖中初次側控制電路之一習知偵測器之操作示意圖。
第3圖為第1A圖中初次側控制電路之另一習知偵測器之操作示意圖。
第4圖為本發明實施例一膝點電壓偵測器之示意圖。
第5圖為第4圖所示之膝點電壓偵測器之訊號示意圖。
第6圖為第4圖所示膝點電壓偵測器之詳細電路示意圖。
請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一膝點電壓偵測器40之示意圖。如第4圖所示，膝點電壓偵測器40用於初次側控制馳返式電路10之初次側控制電路102中，以偵測膝點電壓VC，膝點電壓偵測器40包含有一延遲單元400、一減法單元402、一比較單元404以及一取樣保存單元406。簡單來說，延遲單元400可將馳返式轉換器10之一輔助繞組NA之一輔助相關電壓VAUX延遲一特定時間，以產生一延遲訊號VPSE，減法單元402可根據輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE，產生一減法訊號VSUB，比較單元404可於減法訊號VSUB指示輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE之一電壓差大於一門檻值時，產生一取樣訊號VSH，而取樣保存單元406可根據取樣訊號VSH，於輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE之電壓差大於門檻值時，對延遲訊號VPSE進行取樣以產生膝點電壓VC。
在此情況下，由於延遲訊號VPSE與輔助相關電壓VAUX在放電電流IS放電至0前僅具有一極小差值(大致等於0V)，而在放電電流IS放電至 0後，輔助相關電壓VAUX會因諧振效應快速變化但經過延遲之延遲訊號VPSE不會，使得延遲訊號VPSE與輔助相關電壓VAUX之差值大於預設之門檻值，因此可判斷輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE之電壓差大於門檻值時的瞬間放電電流IS為0，再透過取樣延遲訊號VPSE得到此時輔助相關電壓VAUX之電壓產生膝點電壓VC(此時輔助相關電壓VAUX之電壓等於膝點電壓VC乘上一分壓電阻之一電阻比例k)。如此一來，本實施例可於初次側比較輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE，以精準偵測膝點電壓VC，因此相較習知二次側回授控制架構具有較低元件成本及較小電路面積，而相較習知初次側回授控制架構不會受到外部元件設計影響，或不需增加取樣頻率而能簡省功耗並避免電磁干擾(ElectroMagnetic Interference，EMI)。
詳細來說，請參考第5圖，第5圖為第4圖所示之膝點電壓偵測器40之訊號示意圖。如第5圖所示，虛線所示之延遲訊號VPSE與實線所示之輔助相關電壓VAUX在放電電流IS放電至0前僅具有一極小差值，而在放電電流IS放電至0的瞬間，輔助相關電壓VAUX會因諧振效應快速變化但經過延遲之延遲訊號VPSE不會，使得延遲訊號VPSE與輔助相關電壓VAUX之差值大於預設之門檻值(如大致為0)，因此減法訊號VSUB可設計為延遲訊號VPSE減去輔助相關電壓VAUX加上一虛擬接地準位VVG，使得比較單元404於減法訊號VSUB減去虛擬接地準位VVG大於門檻值的瞬間(即延遲訊號VPSE減去輔助相關電壓VAUX大於門檻值)判斷放電電流IS為0，而產生一脈衝形式之取樣訊號VSH，再由取樣保存單元406據以對延遲訊號VPSE而得到此時輔助相關電壓VAUX之電壓(即VC*k)，其中，延遲輔助相關電壓VAUX以產生延遲訊號VPSE之特定時間大致為減法單元402產生減法訊號VSUB至取樣保存單元406對延遲訊號VPSE進行取樣之一反應時間，以準確得到此時輔助相關電壓VAUX之電壓。如此一來，本實施例可於初次側比較輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE，以精準偵測膝點電壓VC。
值得注意的是，上述實施例之主要精神在於可於初次側比較輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE，以精準偵測膝點電壓VC，因此相較習知二次側回授控制架構具有較低元件成本及較小電路面積，而相較習知初次側回授控制架構不會受到外部元件設計影響，或不需增加取樣頻率而能簡省功耗及免去電磁干擾，本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，在上述實施例中，以輔助電壓VA之分壓做為輔助相關電壓VAUX，但在其它實施例中，亦可直接以輔助電壓VA或其它與輔助電壓VA相關之電壓做為輔助相關電壓VAUX進行延遲產生延遲訊號VPSE後，再進行比較以精準偵測膝點電壓VC。
此外，膝點電壓偵測器40中延遲單元400、減法單元402、比較單元404以及取樣保存單元406之詳細電路，亦不限於任何形式，只要能實現上述功能即可。舉例來說，請參考第6圖，第6圖為第4圖所示膝點電壓偵測器40之詳細電路示意圖。如第6圖所示，延遲單元400先以一運算放大器穩定輸出輔助相關電壓VAUX後，再透過一電阻電容延遲(RC delay)電路將輔助相關電壓VAUX延遲該特定時間，以產生延遲訊號VPSE。接著，減法單元402先透過一運算放大器進行負回授及一輔助相關電阻RAUX產生相對應一輔助相關電流IAUX，透過一運算放大器進行負回授及一延遲電阻RPSE產生相對應一延遲電流IPSE，透過一電壓源及一電流鏡產生相對應一虛擬接地電流IVG(此虛擬接地電流IVG流過一虛擬接地電阻RVG產生虛擬接地準位VVG)，然後再透過電流鏡進行複製，將延遲電流IPSE減去輔助相關電流IAUX再加上虛擬接地電流IVG之電流流過一減法電阻RSUB以產生減法訊號VSUB。須注意，由於當延遲訊號VPSE減去輔助相關電壓VAUX為0或負值時，延遲電流IPSE減去輔助相關電流IAUX亦為0或負值，直接以此進行比較會造成電流鏡無法正常運作，因此再加入虛擬接地電流IVG確保正常開啟，但在其它實施例中， 若減法單元402之架構可直接比較延遲訊號VPSE及輔助相關電壓VAUX，亦可不加入虛擬接地準位VVG。
接著，比較單元404可以一比較器將減法訊號VSUB與虛擬接地準位VVG進行比較，於減法訊號VSUB大於虛擬接地準位VVG而產生高準位之比較結果時，而透過後續邏輯電路產生脈衝形式之取樣訊號VSH，再由取樣保存單元406據以導通一開關將此時延遲訊號VPSE之電壓做為延遲訊號VPSE與輔助相關電壓VAUX之差值大於門檻值之瞬間輔助相關電壓VAUX之電壓(即Vc*k)。須注意，膝點電壓偵測器40亦可如第2圖及第3圖所示之習知偵測器之操作另包含一屏蔽(blanking)電路(未繪示)，於一屏蔽時間不進行偵測，以避免非理想效應所產生的干擾。如此一來，本實施例可透過上述電路結構，於初次側比較輔助相關電壓VAUX及延遲訊號VPSE，以精準偵測膝點電壓VC。
在習知技術中，二次側回授控制架構需設置光耦合器及三端並聯穩壓器，而具有高元件成本及較大的電路面積，而初次側回授控制架構精準度會受到外部元件設計影響，或必須增加取樣頻率而造成功耗增加和電磁干擾的問題。相較之下，本發明實施例可於初次側比較輔助相關電壓及延遲訊號，以精準偵測膝點電壓，因此相較習知二次側回授控制架構具有較低元件成本及較小電路面積，而相較習知初次側回授控制架構不會受到外部元件設計影響，或不需增加取樣頻率而能簡省功耗並避免電磁干擾。
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。
40‧‧‧膝點電壓偵測器
400‧‧‧延遲單元
402‧‧‧減法單元
404‧‧‧比較單元
406‧‧‧取樣保存單元
VAUX‧‧‧輔助相關電壓
VC‧‧‧膝點電壓
VPSE‧‧‧延遲訊號
VSUB‧‧‧減法訊號
VSH‧‧‧取樣訊號
VVG‧‧‧虛擬接地準位

Claims (7)

  1. 一種膝點電壓偵測器，用於一馳返式(Flyback)轉換器，包含有：一延遲單元，用來將該馳返式轉換器之一輔助繞組之一輔助相關電壓延遲一特定時間，以產生一延遲訊號，其中該輔助相關電壓是該輔助繞組的電壓的一分壓；一減法單元，用來根據該輔助相關電壓及該延遲訊號，產生一減法訊號；一比較單元，用來於該減法訊號指示該輔助相關電壓及該延遲訊號之一電壓差大於一門檻值時，產生一取樣訊號；以及一取樣保存單元，用來根據該取樣訊號，於該輔助相關電壓及該延遲訊號之該電壓差大於該門檻值時，對該延遲訊號進行取樣以產生一膝點電壓。
  2. 如請求項1所述之膝點電壓偵測器，其中該延遲單元以一電阻電容延遲(RC delay)電路將輔助相關電壓延遲該特定時間，以產生該延遲訊號。
  3. 如請求項1所述之膝點電壓偵測器，其中該特定時間為該減法單元產生該減法訊號至該取樣保存單元對該延遲訊號進行取樣之一反應時間。
  4. 如請求項1所述之膝點電壓偵測器，其中該門檻值為0。
  5. 如請求項1所述之膝點電壓偵測器，其中該減法單元將該延遲訊號所對應之一延遲電流減去該輔助相關電壓所對應之一輔助相關電流，以產生該減法訊號。
  6. 如請求項1所述之膝點電壓偵測器，其中該減法訊號為該延遲訊號減去該輔助相關電壓加上一虛擬接地準位。
  7. 如請求項1所述之膝點電壓偵測器，其中該比較單元於該減法訊號指示該輔助相關電壓及該延遲訊號之該電壓差大於該門檻值時，產生具有一脈衝形式之該取樣訊號。
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