TWI587619B - 電源轉換器及其中的開關控制單元 - Google Patents

電源轉換器及其中的開關控制單元 Download PDF

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Description

電源轉換器及其中的開關控制單元
本發明係有關一種電源轉換器，特別為藉由調整其中一可變電阻之電阻值，以針對不同直流輸出電壓提供不同補償之一種電源轉換器。
參照圖1，其中顯示一傳統設計之電源轉換器10，連接於一交流輸入電壓與一直流輸出電壓Vo之間，其包含：一整流單元11，耦接於交流輸入電壓，以轉換交流輸入電壓為一整流後之電壓，作為輸入側電壓Vp；一隔離式變壓單元12，具有一輸入側線圈121與一輸出側線圈122，隔離式變壓單元12根據耦接於輸入側線圈121之輸入側電壓Vp，於輸出側線圈122產生一輸出側電壓Vs，輸出側電壓Vs耦接於並用以產生直流輸出電壓Vo；一開關13，耦接於輸入側線圈121，以控制通過輸入側線圈121之一輸入側電流Ip；一回授單元14，根據直流輸出電壓Vo與一目標設定訊號Vset，以產生一回授訊號Sf (Vo’為與直流輸出電壓Vo相關的訊號，例如但不限於為Vo的分壓，因此，根據Vo’即是根據直流輸出電壓Vo)，其中，直流輸出電壓Vo的目標值可隨目標設定訊號Vset的不同設定而改變；以及一開關控制單元15，藉由一第一接點CS以感測輸入側電流Ip，又藉由一第二接點COMP接收回授訊號Sf，並根據輸入側電流Ip與回授訊號Sf，以控制開關13之導通狀態。
前述之電源轉換器10，可藉由設定不同的目標設定訊號Vset，而根據不同之外接裝置所需之直流輸出電壓規格需求，例如筆記型電腦需要19V電源、智慧型手機需要5V電源，以提供不同之直流輸出電壓Vo。然而，在不同的直流輸出電壓Vo情況下，整體回授控制迴路所需的補償參數值會有所不同，但開關控制單元15內部的各項電路參數卻是固定的。因此，舉例而言，若是開關控制單元15內部的補償參數是針對直流輸出電壓為19V的情況來設計，則當直流輸出電壓為5V時，就可能造成系統不穩定，反之亦然。
本發明提出一種電源轉換器及其中的開關控制單元，可針對不同直流輸出電壓提供不同補償，以解決上述問題。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種電源轉換器，用以接收一整流後之電壓，而產生一直流輸出電壓，其包含：一隔離式變壓單元，具有一輸入側線圈與一輸出側線圈，該輸入側線圈耦接該整流後之電壓以取得一輸入側電壓，該輸出側線圈感應該輸入側線圈而產生該直流輸出電壓；一開關，耦接於該輸入側線圈，以控制通過該輸入側線圈之一輸入側電流；一回授單元，根據該直流輸出電壓與一目標設定訊號，以產生一回授訊號，其中，該直流輸出電壓的目標值可隨該目標設定訊號的不同設定而改變；以及一開關控制單元，用以產生一開關控制訊號，以控制該開關之導通狀態，該開關控制單元內部提供一參考電壓且該開關控制單元包含一回授接點及一可變電阻，該回授接點用以接收該回授訊號，此回授接點經由該可變電阻而耦接於該參考電壓，以在該回授接點處產生對應於該回授訊號之一回授電壓，其中，該開關控制訊號之導通時間相關於該回授電壓，且其中，該可變電阻之電阻值因應該直流輸出電壓之不同而調整，以在不同直流輸出電壓的情況下，提供不同的補償。
一實施例中，該開關控制單元更根據對該輸入側電流之感測結果，而決定該開關控制訊號之導通時間之結束時點。
一實施例中，該開關控制單元又包含一電阻控制單元，根據該直流輸出電壓，以決定該可變電阻之電阻值。
一實施例中，該可變電阻為一電壓控制之可變電阻，且該電阻控制單元包含一電壓映射 (mapping)單元，此電壓映射單元根據該直流輸出電壓之相關資訊而產生一對應的電壓，以控制該可變電阻之電阻值。
一實施例中，該可變電阻包含複數串聯的電阻及和該複數電阻對應地並聯的複數開關，且該電阻控制單元包含一開關控制電路，根據對該直流輸出電壓之感測結果而對應地控制該複數開關，以控制該可變電阻之電阻值。
一實施例中，該回授單元包含一光耦合電路。
一實施例中，該回授單元又包含一輸出電壓設定單元，耦接於該光耦合電路，該輸出電壓設定單元根據一目標設定訊號而決定該直流輸出電壓之目標值。
一實施例中，該輸出電壓設定單元包含互相耦接的一分路調整電路(Shunt regulator)以及一補償電路。
就又一個觀點言，本發明提供了一種開關控制單元，應用於一電源轉換器。此電源轉換器用以接收一整流後之電壓，而產生一直流輸出電壓，該電源轉換器包含：一隔離式變壓單元，具有一輸入側線圈與一輸出側線圈，該輸入側線圈耦接該整流後之電壓以取得一輸入側電壓，該輸出側線圈感應該輸入側線圈而產生該直流輸出電壓；一開關以控制通過該輸入側線圈之一輸入側電流；以及一回授單元，根據該直流輸出電壓與一目標設定訊號，以產生一回授訊號，其中，該直流輸出電壓的目標值可隨該目標設定訊號的不同設定而改變。開關控制單元用以控制該開關，開關控制單元包含：一參考電壓；一回授接點，用以接收該回授訊號；一可變電阻，耦接於該回授接點和該參考電壓之間，藉此，在該回授接點處產生對應於該回授訊號之一回授電壓，其中，該開關控制訊號之導通時間相關於該回授電壓；一電阻控制單元，根據該直流輸出電壓，以決定該可變電阻之電阻值，藉此，在不同直流輸出電壓的情況下，提供不同的補償；以及一開關控制訊號產生電路，根據該回授電壓，以產生開關控制訊號，決定該開關之導通時間。
一實施例中，該開關控制訊號產生電路更根據對該輸入側電流之感測結果，而決定該開關控制訊號之導通時間之結束時點。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間之功能作用關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。
參照圖2，其中顯示根據本發明一實施例之電源轉換器20，用以接收一整流後之電壓，而產生一直流輸出電壓。整流單元11耦接於交流輸入電壓，將其整流後，產生一輸入側電壓Vp。電源轉換器20包含一隔離式變壓單元22、一開關23、一回授單元24、以及一開關控制單元25。隔離式變壓單元22具有一輸入側線圈221與一輸出側線圈222，該輸入側線圈221耦接於整流單元11以取得輸入側電壓Vp，而輸出側線圈222感應輸入側線圈221而產生一輸出側電壓Vs，此輸出側電壓Vs用以產生直流輸出電壓Vo。開關23，耦接於輸入側線圈221，以控制通過輸入側線圈221之一輸入側電流Ip。回授單元24根據直流輸出電壓Vo與一目標設定訊號Vset，以產生一回授訊號Sf，其中，直流輸出電壓Vo的目標值可隨該目標設定訊號Vset的不同設定而改變。開關控制單元25用以產生一開關控制訊號(自接點Gate輸出)，以控制開關23之導通狀態。開關控制單元25內部提供一參考電壓Vref，且開關控制單元包含一回授接點COMP及一可變電阻Rv，回授接點COMP用以接收回授訊號Sf，且回授接點COMP經由可變電阻Rv而耦接於參考電壓Vref，以在回授接點COMP處產生對應於回授訊號Sf之一回授電壓Vs1。回授電壓Vs1等於參考電壓Vref減去可變電阻Rv上的跨壓。開關控制單元25中還包含一開關控制訊號產生單元250，根據回授電壓Vs1而決定開關控制訊號之導通時間。根據本發明，可變電阻Rv之電阻值可因應直流輸出電壓Vo之不同而調整，以在不同直流輸出電壓Vo的情況下，提供不同的補償。
開關控制訊號產生單元250有多種方式可以根據回授電壓Vs2來決定開關控制訊號之導通時間。舉例而言，請參閱圖3，於一實施例中，開關控制訊號產生單元250可包含一比較電路252、一閂鎖電路253與一週期訊號產生電路254。週期訊號產生電路254例如為一震盪器。開關控制單元25自電流感測接點CS接收對輸入側電流Ip的感測結果(即，感測電壓Vs2)。閂鎖電路253的設定輸入S接收週期訊號產生電路254的輸出，以決定開關23之導通起始時點；比較電路252比較回授電壓Vs1與感測電壓Vs2，並傳送比較結果至閂鎖電路253的重設輸入R，以決定開關23之導通結束時點。閂鎖電路254之輸出Q，產生開關控制訊號，以控制開關23。
以上所述僅為其中一種實施方式，可有各種變化。舉例而言，亦可由回授電壓Vs1與一斜坡訊號比較，以決定開關23之導通起始時點，而由感測電壓Vs2與一預設臨界值來比較，來決定開關23之導通結束時點。總之，為達成回授控制之目的，開關23之導通時間，應與回授電壓Vs1相關。
前述「可變電阻Rv之電阻值可因應直流輸出電壓Vo之不同而調整，以在不同直流輸出電壓Vo的情況下，提供不同的補償」，有多種方式可以實施。參照圖2，於一實施例中， 開關控制單元25又包含一電阻控制單元251，根據直流輸出電壓Vo，以決定可變電阻之電阻值。有關直流輸出電壓Vo之相關訊息，例如但不限於可藉由一接點Pvo來取得。此接點Pvo例如但不限於可耦接於一輔助繞組(未示出)，以取得直流輸出電壓Vo的實際值的相關資訊。或是，此接點Pvo也可以直接接收直流輸出電壓Vo之目標設定值。
一實施例中，參閱圖4，可變電阻Rv可為一電壓控制之可變電阻，且電阻控制單元251包含一電壓映射 (mapping)單元，此電壓映射單元根據直流輸出電壓(實際值或目標設定值)之相關資訊而產生一對應的映射電壓Vm，以控制可變電阻Rv之電阻值。可變電阻Rv之電阻值可隨不同的直流輸出電壓(實際值或目標設定值)而呈連續性的變化、或是呈步階式(step-wise)的變化；亦即，電壓映射單元可將不同的直流輸出電壓(實際值或目標設定值)一一對應到不同的映射電壓Vm、或是將不同的直流輸出電壓(實際值或目標設定值)一部分對應到不同的映射電壓Vm而另一部分對應到相同的映射電壓Vm，而可變電阻Rv為一電壓控制之可變電阻，可根據不同的映射電壓Vm而改變其電阻值。
一實施例中，參閱圖5，可變電阻Rv可包含複數串聯的電阻及和該複數電阻對應地並聯的複數開關，且該電阻控制單元251包含一開關控制電路，根據直流輸出電壓(實際值或目標設定值)之相關資訊而對應地控制該複數開關，以控制可變電阻Rv之電阻值。
參照圖6，一實施例中，回授單元24可包含一光耦合電路241和一輸出電壓設定單元242。與接地之間，輸出電壓設定單元242包含一分路調整電路(Shunt regulator)261以及一補償電路262，分路調整電路261耦接於光耦合電路241以及接地之間，並接收直流輸出電壓Vo的分壓(對應於圖1與2中之Vo’)與電壓設定訊號Vset，以決定直流輸出電壓Vo的目標值。補償電路262耦接於分路調整電路261，用以提供補償。需說明的是：圖示補償電路262僅是舉例，視補償的需求而定，補償電路262可具有不同的電路結構。
參照圖7，顯示根據本發明一實施例中，電源轉換器之部分結構，其包含電阻R1、R2、R3、R4、Rv與電容C1、C2，符號表示元件也表示該元件的對應電阻值或電容值。經過拉普拉斯轉換(Laplace Transform)後，其中之直流輸出電壓Vo與回授電壓Vs1之轉換函數為：其中，CTR為光耦合電路的電流轉換比(Current Transfer Ratio)。根據轉換函數，可知若改變可變電阻Rv之電阻值，即可改變補償。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件，僅需對應修改相關電路或是訊號的意義即可。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。例如，電阻控制單元接受電壓控制訊號，以決定可變電阻之電阻值等。前述之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，例如但不限於將兩實施例併用，或是以其中一個實施例的局部電路代換另一實施例的對應電路。
10‧‧‧習知電源轉換器
11‧‧‧整流單元
12‧‧‧隔離式變壓單元
121‧‧‧輸入側線圈
122‧‧‧輸出側線圈
13‧‧‧開關
14‧‧‧回授單元
15‧‧‧開關控制單元
20‧‧‧電源轉換器
22‧‧‧隔離式變壓單元
221‧‧‧輸入側線圈
222‧‧‧輸出側線圈
23‧‧‧開關
24‧‧‧回授單元
241‧‧‧光耦合電路
242‧‧‧輸出電壓設定單元
25‧‧‧開關控制單元
250‧‧‧開關控制訊號產生單元
251‧‧‧電阻控制單元
252‧‧‧比較電路
253‧‧‧閂鎖電路
254‧‧‧週期訊號產生電路
261‧‧‧分路調整電路
262‧‧‧補償電路
CS、COMP、Gate、GND、Pvo‧‧‧接點
C1、C2‧‧‧電容
Ip‧‧‧輸入側電流
Q‧‧‧輸出
R‧‧‧重設輸入
R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻
Rv‧‧‧可變電阻
S‧‧‧設定輸入
Sf‧‧‧回授訊號
Vm‧‧‧映射電壓
Vo‧‧‧直流輸出電壓
Vo’‧‧‧直流輸出電壓之相關訊號
Vp‧‧‧輸入側電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vs‧‧‧輸出側電壓
Vset‧‧‧目標設定訊號
Vs1‧‧‧回授電壓
Vs2‧‧‧感測電壓
［圖1］顯示根據先前技術之電源轉換器之示意圖； ［圖2］顯示根據本發明一實施例之電源轉換器之示意圖； ［圖3］顯示開關控制訊號產生單元的一個實施例； ［圖4］顯示電阻控制單元的一個實施例； ［圖5］顯示電阻控制單元的另一個實施例； ［圖6］顯示回授單元的一個實施例； ［圖7］說明改變電阻值可以改變補償的效果。
11‧‧‧整流單元
20‧‧‧電源轉換器
22‧‧‧隔離式變壓單元
221‧‧‧輸入側線圈
222‧‧‧輸出側線圈
23‧‧‧開關
24‧‧‧回授單元
25‧‧‧開關控制單元
250‧‧‧開關控制訊號產生單元
251‧‧‧電阻控制單元
CS、COMP、Gate、GND、Pvo‧‧‧接點
Ip‧‧‧輸入側電流
Rv‧‧‧可變電阻
Sf‧‧‧回授訊號
Vo‧‧‧直流輸出電壓
Vo’‧‧‧直流輸出電壓之相關訊號
Vp‧‧‧輸入側電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vs‧‧‧輸出側電壓
Vset‧‧‧目標設定訊號
Vs1‧‧‧回授電壓
Vs2‧‧‧感測電壓

Claims (12)

  1. 一種電源轉換器，用以接收一整流後之電壓，而產生一直流輸出電壓，其包含： 一隔離式變壓單元，具有一輸入側線圈與一輸出側線圈，該輸入側線圈耦接該整流後之電壓以取得一輸入側電壓，該輸出側線圈感應該輸入側線圈而產生該直流輸出電壓； 一開關，耦接於該輸入側線圈，以控制通過該輸入側線圈之一輸入側電流； 一回授單元，根據該直流輸出電壓與一目標設定訊號，以產生一回授訊號，其中，該直流輸出電壓的目標值可隨該目標設定訊號的不同設定而改變；以及 一開關控制單元，用以產生一開關控制訊號，以控制該開關之導通狀態，該開關控制單元內部提供一參考電壓且該開關控制單元包含一回授接點及一可變電阻，該回授接點用以接收該回授訊號，此回授接點經由該可變電阻而耦接於該參考電壓，以在該回授接點處產生對應於該回授訊號之一回授電壓，其中，該開關控制訊號之導通時間相關於該回授電壓，且其中，該可變電阻之電阻值因應該直流輸出電壓之不同而調整，以在不同直流輸出電壓的情況下，提供不同的補償。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該開關控制單元更根據對該輸入側電流之感測結果，而決定該開關控制訊號之導通時間之結束時點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該開關控制單元又包含一電阻控制單元，根據該直流輸出電壓，以決定該可變電阻之電阻值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換器，其中該可變電阻為一電壓控制之可變電阻，且該電阻控制單元包含一電壓映射 (mapping)單元，此電壓映射單元根據該直流輸出電壓之相關資訊而產生一對應的電壓，以控制該可變電阻之電阻值。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換器，其中該可變電阻包含複數串聯的電阻及和該複數電阻對應地並聯的複數開關，且該電阻控制單元包含一開關控制電路，根據對該直流輸出電壓之感測結果而對應地控制該複數開關，以控制該可變電阻之電阻值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該回授單元包含一光耦合電路。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換器，其中該回授單元又包含一輸出電壓設定單元，耦接於該光耦合電路，該輸出電壓設定單元根據一目標設定訊號而決定該直流輸出電壓之目標值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器，其中該輸出電壓設定單元包含互相耦接的一分路調整電路(Shunt regulator)以及一補償電路。
  9. 一種開關控制單元，應用於一電源轉換器，其中該電源轉換器用以接收一整流後之電壓，而產生一直流輸出電壓，該電源轉換器包含：一隔離式變壓單元，具有一輸入側線圈與一輸出側線圈，該輸入側線圈耦接該整流後之電壓以取得一輸入側電壓，該輸出側線圈感應該輸入側線圈而產生該直流輸出電壓；一開關以控制通過該輸入側線圈之一輸入側電流；以及一回授單元，根據該直流輸出電壓與一目標設定訊號，以產生一回授訊號，其中，該直流輸出電壓的目標值可隨該目標設定訊號的不同設定而改變，該開關控制單元用以控制該開關，此開關控制單元包含： 一參考電壓； 一回授接點，用以接收該回授訊號； 一可變電阻，耦接於該回授接點和該參考電壓之間，藉此，在該回授接點處產生對應於該回授訊號之一回授電壓，其中，該開關之導通時間相關於該回授電壓； 一電阻控制單元，根據該直流輸出電壓，以決定該可變電阻之電阻值，藉此，在不同直流輸出電壓的情況下，提供不同的補償；以及 一開關控制訊號產生電路，根據該回授電壓，以產生開關控制訊號，決定該開關之導通時間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之開關控制單元，其中該開關控制訊號產生電路更根據對該輸入側電流之感測結果，而決定該開關控制訊號之導通時間之結束時點。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之開關控制單元，其中該可變電阻為一電壓控制之可變電阻，且該電阻控制單元包含一電壓映射 (mapping)單元，此電壓映射單元根據對該直流輸出電壓之感測結果而產生一對應的電壓，以控制該可變電阻之電阻值。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之開關控制單元，其中該可變電阻包含複數串聯的電阻及和該複數電阻對應地並聯的複數開關，且該電阻控制單元包含一開關控制電路，根據對該直流輸出電壓之感測結果而對應地控制該複數開關，以控制該可變電阻之電阻值。
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