TWI589109B - Fly-back converter without auxiliary winding - Google Patents

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Description

不具輔助繞組的飛返轉換器
本發明係有關於一種飛返轉換器，尤其是在飛返變壓器中不需輔助繞組的飛返轉換器，可大幅簡化變壓器結構並降低變壓器成本。
各種各樣的直流電氣裝置，例如在無適當直流電壓源情況下的積體電路(IC)、直流馬達或液晶顯示器，需要適當的電壓轉換器，例如用於直流對直流電壓轉換的飛返轉換器(flyback converter)、正向轉換器(forward converter)或LLC轉換器，以將整流後之交流電壓源轉換成特定直流電壓位準而供電給它們。
在習知技術中，飛返轉換器通常是利用次級側調節(Secondary-Side Regulation，SSR)或初級側調節(Primary-Side Regulation，PSR)來調節輸出電壓。SSR是利用來自次級側的光耦合以調節輸出電壓，需要在次級側以光耦合器為基底的回授控制電路，然而具有較緊縮的輸出電壓調節率之優點。PSR利用對初級側的磁耦合調節輸出電壓，不需要在次級側以光耦合器為基底的回授控制電路，然而具有較鬆弛的輸出電壓調節率之缺點。
而且，傳統的飛返轉換器一般是讓初級開關藉低壓側驅動(Low-Side Drive，LSD)而驅動，其驅動設置在初級側繞組之低壓側的初級側開關，需要位於初級側的輔助繞組，因為初級側繞組無法代替輔助繞組在啟動後提供連續且穩定的工作電壓給初級側之IC控制器。
為了從飛返變壓器中省去輔助繞組之目的，本發明揭示一種高壓側驅動(High-Side Drive，HSD)，其驅動設置於初級側繞組之高壓側的初級側開關，而不需要位於初級側的輔助繞組，因為初級側繞組能代替輔助繞組在啟動後提供連續且穩定的工作電壓給初級側之IC控制器。
請參照第一圖，顯示具輔助繞組NA的傳統LSD-SSR飛返轉換器。LSD-SSR飛返轉換器包含設置成跨越初級側及次級側而用於電壓轉換及功率傳遞的LSD飛返轉換器、設置在次級側而用於SSR的以光耦合器92為基底的回授網路以及設置在初級側用以控制並驅動LSD-SSR飛返轉換器的PWM控制器90。進一步而言，變壓器40包含初級側繞組NP、次級側繞組NS及輔助繞組NA，其中輔助繞組NA是不可或缺的以連續且穩定地供電給初級PWM控制器90，因為初級側繞組NP本身無法在缺少輔助繞組NA的情況下連續且穩定供電給初級PWM控制器90。
當(未)調節輸入電壓源VIN在開機後經由啟動電阻22而對VCC電容34充電到啟動位準時，PWM控制器90開始將開關電晶體80切換成打開或關閉。在輔助繞組NA接手連續且穩定電壓供應，經由二極體整流器14以感應電壓(約為Vo/NS*NA)補充VCC電容34之後，只要工作電壓是維持在欠壓鎖定(Undervoltage Lockout，UVLO)位準之上，LSD-SSR飛返轉換器便進入穩態操作。
第一圖顯示低壓側驅動(Low-Side Drive，LSD)，其中開關電晶體80，其可為但不受限於功率金氧半場效電晶體MOSFET或功率雙載子接面電晶體(BJT)，與電流感測電阻25串聯是設置在初級側繞組NP的低壓側，且IC GND透過電流感測電阻25被連接並參照至源極/射極，藉以利用源極/射極參照PWM信號而驅動開關電晶體80。
第一圖也顯示次級側調整(Secondary-Side Regulation，SSR)，其中輸出電壓Vo是經由來自次級側的光耦合信號藉以光耦合器為基底的回授迴路而調節。值得一提的是，二極體整流器19可設置在次級側之低壓側或次級側之高壓側而不會影響到經由以光耦合器為基底的回授迴路的輸出電壓感測。
現在，請參照第二圖，其顯示LSD-SSR飛返轉換器。等同/類似於第一圖，第二圖的LSD在此不再贅述。只有PSR與連續且穩定電壓供應，其相當依賴於輔助繞組NA，是需要詳細解釋。關於第二圖的PWM控制器，當初級側功率BJT打開、導通而儲存能量且輔助繞組NA感應出 負電壓時，FB接腳可被內部箝位在稍微負/正電位(一般是-0.3V/0.15V)，可保護FB接腳以抗衡過度負電壓。當次級功率二極體打開而釋放能量且輔助繞組NA感應出用以充電VCC電容的正電壓，其用於補充VCC電容，FB接腳會感測到按比例降低的反射輸出電壓，其用於執行PSR。非常清楚的是，輔助繞組NA在此身兼二職：PSR以及連續穩定電壓供應。
由於初級側開關之低壓側驅動，傳統的飛返轉換器，不論是次級側調節(第一圖)或初級側調節(第二圖)，皆需要輔助繞組，其可以利用高壓側驅動(High-Side Drive，HSD)而被進一步地省略，以下段落將詳細闡述。
本發明之主要目的是提供一種不具輔助繞組高壓側驅動-次級側調節的飛返轉換器，以下稱作無輔助繞組-高壓側驅動-次級側調節(Auxiliary-Free High-Side Driven Secondary-Side Regulated，AF-HSD-SSR)飛返轉換器。AF-HSD-SSR飛返轉換器包含交流對直流整流單元、輸入電容、切換單元、電流感測電阻、無輔助繞組(Auxiliary-Free，AF)飛返變壓器、輸出整流器、輸出電容、PWM控制器以及SSR單元，其中AF飛返變壓器包含初級側繞組及次級側繞組，設置在初級側繞組的高壓側的切換單元是由PWM控制器高壓側驅動。
初級側繞組串聯連接輸入電容、切換單元及電流感測電阻而在初級側形成儲能迴路。次級側繞組串聯連接輸出整流器及輸出電容而在次級側形成釋能迴路。SSR單元是透過分壓器與限流電阻連接至輸出端，並光耦合至PWM控制器的COMP接腳，以形成用於輸出電壓的電壓調節信號迴路。
交流對直流整流單元搭配輸入電容形成用於交流輸入的峰值整流器，其可將通用之交流輸入電壓源(通常是90至264Vac)峰值整流成 未調節直流輸入電壓源(通常是127至373Vdc)，當作是給AF-HSD-SSR飛返轉換器的輸入電壓。設置在交流電源及輸入電容之間的交流對直流整流單元可為但不受限於二極體橋式整流器或金氧半場效電晶體(MOSFET)橋式整流器。
切換單元，其串聯連接電流感測電阻，設置在初級側繞組的高壓側，且由PWM控制器的GATE接腳驅動，可為但不受限於功率MOSFET或功率雙載子接面電晶體(BJT)。PWM控制器的GND接腳必須經由電流感測電阻而連接/參照至功率MOSFET/BJT的源極/射極，藉以利用源極/射極參照PWM信號而高壓側驅動切換單元。
AF飛返變壓器具有初級側繞組與次級側繞組，其中初級側繞組分成第一半及第二半，其可為對稱/非對稱，亦即具有相等/不相等的繞組匝數，而且次級側繞組是包夾在初級側繞組的第一半及第二半之間，用以強化AF飛返變壓器的磁耦合效應並降低漏電感。在沒有輔助繞組的情況下，初級側繞組的第一半本身可在啟動後提供連續穩定工作電壓源給PWM控制器，因而本發明可省去輔助繞組。
更加具體而言，初級側繞組之第一半，當切換單元導通以儲存能量，透過繞組分壓得到輸入電壓(VI)之負分壓()，其被VCC二極體阻擋，當輸出整流器導通以釋放能量，感應出正比於輸出電壓(VO)之正反射電壓()，其可用於補充VCC電容。
輸出整流器搭配輸出電容形成用於AF飛返變壓器的峰值整流器，其可將交流的次級側繞組之電壓波形峰值整流成調節直流輸入電壓位準，成為來自AF-HSD-SSR飛返轉換器的輸出電壓。輸出整流器，其可設置在次級側之高壓側抑或次級側之低壓側，可為但不受限於二極體整流器或同步整流器。
最後但並非不重要的是，PWM控制器搭配SSR單元可掌控AF-HSD-SSR飛返轉換器，並驅動切換單元，以響應所有所需的電壓及電流 感測信號，得以維持規格內之電壓轉換及功率傳遞為安全且有效率。PWM控制器，其設置在初級側繞組的高壓側利用源極/射極參照PWM信號而驅動切換單元，可為但不受限於6接腳IC或8接腳IC。
1‧‧‧交流對直流整流單元
2‧‧‧輸入電容
3‧‧‧切換單元
4‧‧‧電流感測電阻
5‧‧‧AF飛返變壓器
6‧‧‧輸出整流器
7‧‧‧輸出電容
8‧‧‧PWM控制器
9‧‧‧SSR單元
14‧‧‧二極體整流器
19‧‧‧二極體整流器
22‧‧‧啟動電阻
25‧‧‧電流感測電阻
34‧‧‧VCC電容
40‧‧‧變壓器
80‧‧‧開關電晶體
90‧‧‧PWM控制器
92‧‧‧光耦合器
C1‧‧‧VCC電容
DP‧‧‧VCC二極體
NA‧‧‧輔助繞組
NP‧‧‧初級側繞組
NP1‧‧‧第一半
NP2‧‧‧第二半
NS‧‧‧次級側繞組
VI‧‧‧輸入電壓
VIN‧‧‧輸入電壓源
VO‧‧‧輸出電壓
第一圖顯示圍繞5接腳PWM控制器而建構的習用技術中LSD-SSR飛返轉換器。
第二圖顯示圍繞8接腳PWM控制器而建構的習用技術中LSD-SSR飛返轉換器。
第三圖顯示圍繞6接腳PWM控制器而建構的本發明實施例AF-HSD-SSR飛返轉換器，且第四圖顯示圍繞8接腳PWM控制器而建構的本發明實施例AF-HSD-SSR飛返轉換器。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
由於第四圖除PWM控制器外具有與第三圖相同的許多特點，其中第三圖使用6接腳PWM控制器而第四圖使用8接腳PWM控制器，以下的說明將只對第三圖進行較詳細的解釋，藉以清楚展現本發明的技術特徵。
請參閱第三圖，示意一圍繞6接腳PWM控制器而建構的依據本發明不具輔助繞組-高壓側驅動-次級側調節(Auxiliary-Free High-Side Driven Secondary-Side Regulated，AF-HSD-SSR)的飛返轉換器。本發明的AF-HSD-SSR飛返轉換器包含交流對直流整流單元1、輸入電容2、切換單元3、電流感測電阻4、無輔助繞組(Auxiliary-Free，AF)飛返變壓器5、輸出整流器6、輸出電容7、脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器8以及次級側調節(Secondary-Side Regulation，SSR)單元9，其中AF飛返變壓器5包含初級側繞組NP及次級側繞組NS，切換單元3設置在初級側 繞組NP的高壓側，是由PWM控制器8高壓側驅動，且PWM控制器8具有至少四接腳，包含COMP接腳、GATE接腳、GND接腳以及CS接腳。
初級側繞組NP是串聯連接輸入電容2、切換單元3以及電流感測電阻4而在初級側形成儲能迴路。次級側繞組NS是串聯連接輸出整流器6以及輸出電容7而在次級側形成釋能迴路。SSR單元9是經由分壓器與限流電阻而連接至輸出端，並光耦合至PWM控制器8的COMP接腳，進而形成用於輸出電壓的電壓調節信號迴路。
交流對直流整流單元1搭配輸入電容2形成用於交流輸入的峰值整流器，其將通用之交流輸入電壓源(通常是90至264Vac)峰值整流成未調節直流輸入電壓源(通常是127至373Vdc)，作為給AF-HSD-SSR飛返轉換器的輸入電壓。不言可喻，所有的數值都是用以具體化本發明之概念，並非用以限制本發明之範疇。交流對直流整流單元1，其設置在交流電源及輸入電容2之間，可為但不受限於二極體橋式整流器或金氧半場效電晶體(MOSFET)橋式整流器。
切換單元3，串聯連接電流感測電阻4，設置在初級側繞組NP的高壓側，且由PWM控制器8的GATE接腳驅動，可為但不受限於功率MOSFET或功率雙載子接面電晶體(BJT)。PWM控制器8的GND接腳是經由電流感測電阻4而連接/參照至功率MOSFET/BJT的源極/射極，藉以利用源極/射極參照PWM信號而高壓側驅動切換單元3。
進一步而言，AF飛返變壓器5包含初級側繞組及次級側繞組，其中初級側繞組NP是被分成第一半NP1及第二半NP2，其可為對稱/非對稱，亦即具有相等/不相等的繞組匝數，而且次級側繞組NS是包夾在初級側繞組NP的第一半NP1及第二半NP2之間，用以強化AF飛返變壓器5的磁耦合效應並降低漏電感。再三強調都不為過的是，涵蓋於本發明的精神與範圍內的AF飛返變壓器5可具有但不受限於具有三明治繞組結構。在沒有輔助繞組的情況下，初級側繞組NP的第一半NP1本身可在啟動後提供連續穩定工作電壓源給PWM控制器8，因而本發明可省去輔助繞組。
更加具體而言，初級側繞組NP之第一半NP1，當切換單元 3導通以儲存能量，透過繞組分壓得到輸入電壓(VI)之負分壓()，其被VCC二極體DP阻擋，當輸出整流器6導通以釋放能量，感應出正比於輸出電壓(VO)之正反射電壓()，其可用於補充VCC電容C1。
輸出整流器6搭配輸出電容7形成用於AF飛返變壓器5的峰值整流器，其可將交流之次級側繞組電壓波形峰值整流成調節直流輸入電壓位準，成為來自AF-HSD-SSR飛返轉換器的輸出電壓。輸出整流器6，其可設置在次級側之高壓側抑或次級側之低壓側，可為但不受限於二極體整流器或同步整流器。
最後但非不重要的是，PWM控制器8搭配SSR單元9可掌控AF-HSD-SSR飛返轉換器，並驅動切換單元3，以響應所有所需的電壓及電流感測信號，得以維持規格內之電壓轉換及功率傳遞為安全且有效率。PWM控制器8，其設置在初級側繞組NP的高壓側，利用源極/射極參照PWM信號而驅動切換單元3，可為但不受限於如第三圖中6接腳IC或如第四圖中8接腳IC。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
1‧‧‧交流對直流整流單元
2‧‧‧輸入電容
3‧‧‧切換單元
4‧‧‧電流感測電阻
5‧‧‧AF飛返變壓器
6‧‧‧輸出整流器
7‧‧‧輸出電容
8‧‧‧PWM控制器
9‧‧‧SSR單元
C1‧‧‧VCC電容
DP‧‧‧VCC二極體
NP‧‧‧初級側繞組
NP1‧‧‧第一半
NP2‧‧‧第二半
NS‧‧‧次級側繞組
VI‧‧‧輸入電壓
VO‧‧‧輸出電壓

Claims (6)

  1. 一種不具輔助繞組的飛返轉換器，用以將一(未)調節直流輸入電壓源轉換成一調節直流電壓源，係包括一交流對直流整流單元、一輸入電容、一切換單元、一電流感測電阻、一無輔助繞組(Auxiliary-Free，AF)飛返變壓器、一輸出整流器、一輸出電容、一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器以及一次級側調節(Secondary-Side Regulation，SSR)單元，其中該AF飛返變壓器包含一初級側繞組以及一次級側繞組，該切換單元是設置在該初級側繞組的高壓側，並由該PWM控制器而高壓側驅動，該初級側繞組被分成一第一半及一第二半，該次級側繞組是包夾在該初級側繞組的第一半及第二半之間，該初級側繞組的第一半本身是在啟動後提供一連續穩定工作電壓源給該PWM控制器，該初級側繞組是串聯連接該輸入電容、該切換單元以及該電流感測電阻而在初級側形成一儲能迴路，該次級側繞組是串聯連接該輸出整流器以及該輸出電容而在次級側形成一釋能迴路，該PWM控制器是設置在該初級側繞組的高壓側，並具有至少四接腳，包含一COMP接腳、一GATE接腳、一GND接腳以及一CS接腳，該SSR單元是經由一分壓器及一限流電阻而連接至輸出端，並光耦合至該PWM控制器的COMP接腳，進而形成用於該輸出電壓的一電壓調節信號迴路，該交流對直流整流單元是搭配該輸入電容而形成用於交流電的一峰值整流器，並且將正弦交流電壓波形峰值整流成一未調節直流輸入電壓源而成為該飛返轉換器的輸入電壓，該交流對直流整流單元是設置在該交流電及該輸入電容之間，該切換單元是串聯連接該電流感測電阻，並設置在該初級側繞組的高壓側，且由該PWM控制器的GATE接腳驅動，該PWM控制器 的GND接腳是經由該電流感測電阻而連接/參照至該切換單元的源極/射極，藉以利用一源極/射極參照PWM信號而高壓側驅動該切換單元，該輸出整流器搭配該輸出電容以形成用於該AF飛返變壓器的一峰值整流器，用以將交流之次級側繞組的電壓波形整流成一調節直流輸入電壓位準而成為來自該飛返轉換器的輸出電壓，該輸出整流器是設置在該次級側繞組的次級側之高壓側或次級側之低壓側，以及該PWM控制器搭配該SSR單元驅動該切換單元，以響應所有所需的電壓及電流感測信號，得以維持規格內之電壓轉換及功率傳遞為安全且有效率。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之不具輔助繞組的飛返轉換器，其中該交流對直流整流單元為一二極體橋式整流器或一金氧半場效電晶體(MOSFET)橋式整流器。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之不具輔助繞組的飛返轉換器，其中該切換單元為一功率MOSFET或一功率雙載子接面電晶體(BJT)。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之不具輔助繞組的飛返轉換器，其中該初級側繞組的第一半及第二半是可為成對稱/非對稱，亦即具有相等/不相等的繞組匝數。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之不具輔助繞組的飛返轉換器，其中該初級側繞組之第一半，當該切換單元導通以儲存能量，透過繞組分壓得到輸入 電壓(VI)之負分壓()，其被該VCC二極體阻擋，當該輸出整流器導通以釋放能量，感應出正比於輸出電壓(VO)之正反射電壓()，其可用於補充該VCC電容。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之不具輔助繞組的飛返轉換器，其中該輸出整流器是一二極體整流器或一同步整流器。
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