TWI619342B - 變換器與其控制方法 - Google Patents

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許道飛
周健
楊樂陽
傅琦
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Abstract

變換器包含變壓器、主開關、主動箝位電路、同步整流開關以及處理電路。變壓器包含一次側繞組與二次側繞組，用以輸出一輸出電壓至負載。主開關於一節點電性耦接於一次側繞組。主動箝位電路在主開關截止時箝位主開關的跨壓。主動箝位電路包含輔助開關。同步整流開關電性耦接於二次側繞組。處理電路根據同步整流開關兩端的第一電壓信號及來自變換器內部的檢測信號判斷同步整流開關處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號以控制同步整流開關。

Description

變換器與其控制方法
本揭示內容係關於一種變換器，特別是關於一種返馳型變換器(Flyback Converter)。
返馳變換器(Flyback Converter)，因具有電路結構簡單、輸入輸出級電氣隔離、成本低廉等特點，廣泛應用於小功率的電子設備中，尤其是常見於功率在100W以下的電源設備當中。
隨著近年來切換式電源廣泛用於筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機等可攜式移動設備，切換式電源逐漸有朝向小型化、高效率以及高頻化的方向發展的趨勢。
然而，習知的返馳變換器的變壓器漏感損耗及開關損耗等，限制了其小型化、高頻化的發展趨勢。
本案的一態樣為一種變換器。變換器包含一變壓器，包含一次側繞組與二次側繞組，用以輸出一輸出電壓至一負載；一主開關，該主開關於一節點電性耦接於該一次側繞 組；一主動箝位電路，用以箝位該主開關的跨壓，其中該主動箝位電路包含一輔助開關；一同步整流開關，電性耦接於該二次側繞組；以及一處理電路，用以根據該同步整流開關兩端的一第一電壓信號及一來自該變換器內的檢測信號判斷該同步整流開關處於一主導通期間或一次導通期間，據以相應地輸出一驅動信號以控制該同步整流開關。
在本揭示內容部分實施例中，該處理電路包含：一延遲單元，用以接收該檢測信號，並相應延遲該檢測信號以輸出一偵測信號；一邏輯判斷單元，用以接收該偵測信號及該第一電壓信號以輸出代表該同步整流開關處於該主導通期間或該次導通期間的一狀態信號；以及一狀態鎖存單元，用以接收並儲存該狀態信號。
在本揭示內容部分實施例中，該處理電路更包含一驅動信號生成單元，其中該驅動信號生成單元根據該狀態鎖存單元中儲存的該狀態信號以及該第一電壓信號產生該驅動信號以控制該同步整流開關。
在本揭示內容部分實施例中，該處理電路還包含一負載檢測單元，該負載檢測單元輸出一負載狀態信號；當判斷該同步整流開關處於該次導通期間，該驅動信號生成單元根據該負載狀態信號輸出或遮罩該驅動信號。
在本揭示內容部分實施例中，當該負載狀態信號指示該變換器的負載為重載時，該驅動信號生成單元輸出該次導通期間的該驅動信號，控制該同步整流開關導通一給定時間；當該負載狀態信號指示該變換器的負載為輕載時，該驅動信號生成單元遮罩該次導通期間的該驅動信號，控制該同步整流開關不導通。
在本揭示內容部分實施例中，該延遲單元接收的該檢測信號為該第一電壓信號，並相應延遲該第一電壓信號以輸出該偵測信號，該邏輯判斷單元用以於該第一電壓信號為負時比較該偵測信號與該輸出電壓，其中當該偵測信號大於該輸出電壓時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該主導通期間，當該偵測信號小於該輸出電壓時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該次導通期間。
在本揭示內容部分實施例中，該處理電路用以根據該主開關的一主開關控制信號以及該輔助開關的一輔助開關控制信號判斷該同步整流開關處於該主導通期間或該次導通期間。
在本揭示內容部分實施例中，該延遲單元包含：一第一延遲單元，用以接收該主開關控制信號，並相應延遲該主開關控制信號以輸出一第一偵測信號；一第二延遲單元，用以接收該輔助開關控制信號，並相應延遲該輔助開關控制信號以輸出一第二偵測信號；其中該邏輯判斷單元，用以於該第一電壓信號為負時比較該第一偵測信號對時間的斜率以及該第二偵測信號對時間的斜率，其中當該第一偵測信號對時間的斜率小於零時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該主導通期間，當該第一偵測信號對時間的斜率等於零且該第二偵測信號對時間的斜率大於零時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該次導通期間。
在本揭示內容部分實施例中，該處理電路更包含一隔離單元連接該邏輯判斷單元，用以電性隔離該處理電路的一次側與二次側並將該狀態信號傳遞至該變換器的二次側。
在本揭示內容部分實施例中，該變壓器更包含一輔助繞組，該輔助繞組電性連接於該二次側繞組，該處理電路更用以根據該輔助繞組的一輔助繞組電壓信號判斷該同步整流開關處於該主導通期間或該次導通期間。
在本揭示內容部分實施例中，該處理電路包含：一延遲單元，用以接收該輔助繞組電壓信號，並相應延遲該輔助繞組電壓信號以輸出一偵測信號；以及一邏輯判斷單元，用以於該第一電壓信號為負時判斷該偵測信號的極性，其中當該偵測信號為負時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該主導通期間，當該偵測信號為正時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該次導通期間。
在本揭示內容部分實施例中，該次導通期間的該驅動信號具有一給定的脈衝寬度。
在本揭示內容部分實施例中，該給定的脈衝寬度是固定的，以控制該同步整流開關導通一固定的時間。
在本揭示內容部分實施例中，該給定的脈衝寬度可根據實際情況進行調節。
在本揭示內容部分實施例中，該檢測信號在該同步整流開關處於該主導通前的狀態不同於該檢測信號在該同步整流開關處於該次導通前的狀態。
本案的另一態樣為一種變換器的控制方法。控制方法包含：提供一延遲單元，接收來自於該變換器的一檢測信號，並輸出一偵測信號；提供一邏輯判斷單元，接收該偵測信號及同步整流開關兩端的一第一電壓信號，並根據該偵測信號及該第一電壓信號輸出代表變換器的一同步整流開關處於主導通期間或次導通期間的一狀態信號；提供一狀態鎖存單元，接收並儲存由該邏輯判斷單元輸出的該狀態信號；以及提供一驅動信號生成單元，根據該狀態鎖存單元中儲存的該狀態信號產生一驅動信號以控制該同步整流開關。
在本揭示內容部分實施例中，控制方法還包含提供一負載檢測單元，輸出一負載狀態信號，該驅動信號生成單元根據該負載狀態信號輸出或遮罩該次導通期間的該驅動信號。
在本揭示內容部分實施例中，輸出該狀態信號的步驟中更包含：該邏輯判斷單元在該第一電壓信號為負時，判斷該偵測信號，以判斷該同步整流開關處於主導通期間或次導通期間。
在本揭示內容部分實施例中，控制該同步整流開關的步驟更包含：當判斷該同步整流開關處於次導通期間時，該驅動信號具有一給定的脈衝寬度。
綜上所述，在本案的各個實施例中，透過處理電路判斷同步整流開關處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號以控制同步整流開關導通或關斷，可避免變換器誤操作，提升變換器的轉換效率與安全性。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本揭示內容的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。此外，根據業界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，並未依照原尺寸作圖，實際上各種特徵的尺寸可任意地增加或減少以便於說明。下述說明中相同元件將以相同之符號標示來進行說明以便於理解。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。
關於本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』一般通常係指數值之誤差或範圍於百分之二十以內，較好地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，例如可如『約』、『大約』或『大致』所表示的誤差或範圍，或其他近似值。
此外，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。此外，本文中所使用之『及／或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。
於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。
請參考第1圖。第1圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變換器100的示意圖。如第1圖所示，變換器100用以將自輸入電壓源接收的輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo輸出至負載Load。在部分實施例中，變換器100可為返馳型變換器(Flyback Converter)。具體地說，在部分實施例中，變換器100為有源箝位返馳型變換器(Active Clamp Flyback Converter)。
如第1圖所示，在部分實施例中，變換器100包含變壓器110、主動箝位電路130、處理電路150、主開關Sm、同步整流開關Sr、輸入電容Cin、輸出電容Co。在部分實施例中，主動箝位電路130內包含輔助開關Sa。
如第1圖所示，主開關Sm於節點N1處電性耦接於變壓器110的一次側繞組。具體來說，在部分實施例中，主開關Sm的第一端電性耦接變壓器110的一次側繞組的第二端。主開關Sm的第二端電性耦接至輸入電容Cin的第二端。主開關Sm的控制端用以接收主開關控制信號CTm，用以選擇性地導通或關斷主開關Sm。舉例來說，在部分實施例中，當主開關控制信號CTm具有第一準位(如：高準位時)，主開關Sm導通。相對地，當主開關控制信號CTm具有第二準位(如：低準位時)，主開關Sm關斷。
具體來說，當主開關Sm導通時，變壓器110會逐漸產生勵磁電流I_lm流經一次側繞組，並相應地將能量儲存於變壓器110中。此時變壓器110的一次側繞組和二次側繞組極性相反，同步整流開關Sr維持關斷，因此沒有能量自一次側繞組轉移至二次側繞組，負載Load所接收到的輸出電壓Vo是由輸出電容Co所提供。換言之，輸出電容Co電性耦接於二次側繞組以及同步整流開關Sr，並用以在同步整流開關Sr關斷時提供能量輸出至負載Load。
相對地，當主開關Sm關斷時，繞組的極性反轉，同步整流開關Sr導通，使得勵磁電流I_lm自一次側繞組轉移至二次側繞組。此期間即為同步整流開關Sr的主導通期間。隨著電流Isr流經同步整流開關Sr，儲存於變壓器110的能量經由導通的同步整流開關Sr傳遞至輸出電容Co以及負載Load。
在部分實施例中，主動箝位電路130電性耦接於輸入電容Cin的第一端以及節點N1，並用以在主開關Sm截止時箝位主開關Sm的跨壓。具體來說，主動箝位電路130可包含輔助開關Sa以及箝位電容Cr。輔助開關Sa的第一端於節點N1電性耦接於主開關Sm。輔助開關Sa的控制端用以接收輔助開關控制信號CTa。在部分實施例中，箝位電容Cr的第一端電性耦接於輸入電容Cin的第一端與一次側繞組。箝位電容Cr的第二端電性耦接於輔助開關Sa的第二端，即主動箝位電路130並聯於一次側繞組的兩端。
值得注意的是，在其他部分實施例中，主動箝位電路130亦可與主開關Sm的兩端彼此以並聯形式電性連接，並用以在主開關Sm截止時箝位主開關Sm的跨壓。此外，在不同實施例中，輔助開關Sa以及箝位電容Cr亦可互換位置。舉例來說，在部分實施例中，箝位電容Cr的第一端於節點N1電性耦接於主開關Sm。輔助開關Sa的第一端電性耦接於輸入電壓Vin的正極端與一次側繞組。箝位電容Cr的第二端電性耦接於輔助開關Sa的第二端。輔助開關Sa的控制端用以接收輔助開關控制信號CTa。因此，第1圖中所繪示的電路僅為本案多個可能的實施方式之一，並非用以限制本案。
當同步整流開關Sr主導通結束後，輔助開關控制信號CTa控制輔助開關Sa導通，變換器100中的勵磁電感Lm和漏感Lk兩端的電壓會被鉗位至箝位電容Cr的電壓。此時，同步整流開關Sr再次導通。電流Isr再次流經同步整流開關Sr。藉此，漏感Lk中的能量便被回收利用並傳遞至輸出電容Co以及負載Load。此同步整流開關Sr再次導通的期間，即為同步整流開關Sr的次導通期間。
換言之，在第1圖所示的實施例中，於一開關週期內，同步整流開關Sr於主導通期間與次導通期間內導通。具體來說，於同步整流開關Sr的導通期間，不論於主導通期間或是次導通期間，主開關Sm都維持關斷。若是主開關Sm與同步整流開關Sr同時導通，則變壓器110的一次側與二次側會共通，導致電源燒毀。
在部分實施例中，處理電路150電性連接於同步整流開關Sr，並根據同步整流開關Sr兩端（即：源極端與汲極端）的電壓信號Vds2判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號CTr以控制同步整流開關。
第2圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變換器100的電壓電流信號波形圖。於第2圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解。如第2圖所示，在部分實施例中，在一開關週期內，包含期間P1～P6。於期間P1時，主開關控制信號CTm處於高準位，主開關Sm導通，因此主開關Sm兩端（即：源極端與汲極端）的電壓信號Vds1為零。此時驅動信號CTr處於低準位，同步整流開關Sr維持關斷，因此電流Isr為零，同步整流開關Sr兩端（即：源極端與汲極端）承受跨壓，電壓信號Vds2為高電壓。
接著，於期間P2時，主開關控制信號CTm自高準位切換至低準位，主開關Sm相應關斷，因此主開關Sm兩端（即：源極端與汲極端）承受跨壓，即電壓信號Vds1為高電壓。此時，電流Isr為正，驅動信號CTr相應自低準位切換至高準位，同步整流開關Sr導通，同步整流開關Sr兩端（即：源極端與汲極端）跨壓極性反轉，即電壓信號Vds2切換至負值。隨著儲存於變壓器110上的能量轉移至負載Load，電流Isr會由最大值逐漸下降至零，電壓信號Vds2也隨著流經同步整流開關Sr的電流Isr降低而變化至零。期間P2展示了同步整流開關Sr的主導通期間各電壓電流信號的變化。
接著，於期間P3、P4時，主開關控制信號CTm、輔助開關控制信號CTa與驅動信號CTr皆處於低準位，主開關Sm、輔助開關Sa與同步整流開關Sr皆關斷。此時，電流Isr為零。主開關Sm、同步整流開關Sr本身存在的寄生電容和勵磁電感Lm諧振造成電壓信號Vds1以及電壓信號Vds2會相應振盪。
接著，於期間P5時，主開關控制信號CTm維持在低準位，此時輔助開關控制信號CTa相應自低準位切換至高準位，輔助開關Sa導通，主動箝位電路130箝位主開關Sm的跨壓。換言之，主動箝位電路130根據箝位電容Cr的電壓值和輸入電壓Vin將電壓信號Vds1箝位於高電壓。此時，電流Isr為正，驅動信號CTr亦相應自低準位切換至高準位，同步整流開關Sr導通，電壓信號Vds2再次切換至負值。期間P5展示了同步整流開關Sr的次導通期間各電壓電流信號的變化。
接著，於期間P6時，輔助開關控制信號CTa自高準位切換至低準位，輔助開關Sa相應關斷，電壓信號Vds1逐漸由高準位下降至零，電壓信號Vds2逐漸由零上升至高電壓。驅動信號CTr亦自高準位切換至低準位，同步整流開關Sr關斷。原邊勵磁電流I_lm為負，主開關Sm上的寄生電容放電，主開關Sm兩端（即：源極端與汲極端）的電壓信號Vds1會逐漸下降至零，以實現零電壓開通。
如此重複以上期間P1～P6的操作，通過控制主開關Sm、同步整流開關Sr與輔助開關Sa的導通或關斷，以控制變換器100將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo輸出至負載Load。
如第2圖所示的電壓波形所示，於主導通期間（即：期間P2）與次導通期間（即：期間P5）內，電壓信號Vds2皆為負值。然而，在進入期間P2之前，於期間P1內，電壓信號Vds2會維持一段時間的高電壓。具體來說，在期間P1內，電壓信號Vds2的大小為（Vin/n+Vo），其中n為一次側繞組與二次側繞組的匝數比。換言之，於期間P1內，電壓信號Vds2的電壓值大於輸出電壓Vo。相對地，在進入次導通期間P5之前，於期間P3、P4內，電壓信號Vds2的電壓值小於輸出電壓Vo。
因同步整流開關Sr中體二極管的存在，在Sr導通之前，電壓信號Vds2就會變為負值。如此一來，處理電路150便可由電壓信號Vds2於極性切換的前一時刻的電壓值大小，及電壓信號Vds2判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號CTr以控制同步整流開關。
為進一步說明處理電路150的具體操作，請參考第3圖。第3圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的處理電路150的示意圖。如第3圖所示，在本案部分實施例中，處理電路150包含延遲單元152、邏輯判斷單元154、狀態鎖存單元156、驅動信號生成單元158以及負載檢測單元159。
首先，延遲單元152用以接收電壓信號Vds2，並相應延遲電壓信號Vds2以輸出偵測信號Va。由於偵測信號Va是由電壓信號Vds2延遲而得，因此當電壓信號Vds2的極性由正切換至負時，偵測信號Va的電壓值大小可代表電壓信號Vds2切換前一時刻的電壓值大小。
邏輯判斷單元154電性耦接於延遲單元152，並用以輸出代表同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間的狀態信號SS。具體來說，如圖中所示，在部分實施例中邏輯判斷單元154接收電壓信號Vds2與偵測信號Va，並於電壓信號Vds2為負時，比較偵測信號Va與輸出電壓Vo的大小。如此一來，邏輯判斷單元154便可據此判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間。
具體來說，當偵測信號Va大於輸出電壓Vo時，邏輯判斷單元154判斷同步整流開關Sr處於主導通期間（即：期間P2）。當偵測信號Va小於輸出電壓Vo時，邏輯判斷單元154判斷同步整流開關Sr處於次導通期間（即：期間P5）。
如此一來，電性耦接於邏輯判斷單元154的狀態鎖存單元156便可接收並儲存由邏輯判斷單元154輸出的狀態信號SS。接著，電性耦接於狀態鎖存單元156的驅動信號生成單元158便可根據狀態鎖存單元156中儲存的狀態信號SS及電壓信號Vds2，產生相應的驅動信號CTr。因主導通期間對同步整流開關Sr的控制（即驅動信號CTr的生成）為現有技術，具體細節不再贅述，以下主要介紹次導通期間同步整流開關的控制方案。
負載檢測單元159電性耦接於變換器100的負載側，以檢測負載狀態並輸出負載狀態信號Fb，以表明當前負載為重載或輕載。驅動信號生成單元158電性耦接負載檢測單元159並接收其輸出的負載狀態信號Fb。次導通期間，驅動信號生成單元158根據負載狀態信號Fb輸出或遮罩同步整流開關Sr的驅動信號CTr。具體地，當負載狀態信號Fb指示為重載時，驅動信號生成單元158輸出驅動信號CTr控制同步整流開關Sr具有一給定的導體時間T，例如導通時間T小於等於輔助開關Sa的導體時間，即驅動信號CTr的脈衝寬度小於等於輔助開關驅動信號CTa的脈衝寬度；當負載狀態信號Fb指示為輕載時，驅動信號生成單元158遮罩驅動信號CTr，同步整流開關Sr在次導通期間保持關斷。當然，本發明並不以此為限，根據實際需求，次導通期間，輕載時驅動信號生成單元158也可輸出驅動信號CTr控制同步整流開關Sr導通一給定時間。換言之，在部分實施例中，處理電路150檢測同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間，並於次導通期間產生給定脈衝寬度的驅動信號，並根據負載狀態決定是否輸出驅動信號。
進一步地，在部分實施例中，於次導通期間，控制同步整流開關Sr的驅動信號CTr具有一給定的脈衝寬度。該給定的脈衝寬度可以是固定的，例如小於等於輔助開關驅動信號CTa的脈衝寬度。該給定的脈衝寬度也可以是可調節的，即根據實際情況進行調節（例如，根據輸入電壓Vin及輸出電壓Vo的變化進行調節）。
此外，在部分實施例中，處理電路更根據電壓信號Vds2以及來自變換器100內的檢測信號判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號CTr以控制同步整流開關，其中檢測信號在同步整流開關Sr處於主導通前的狀態不同於檢測信號在同步整流開關Sr處於次導通前的狀態。請參考第4圖。第4圖為根據本揭示內容其他部分實施例所繪示的變換器100的示意圖。於第4圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解。
和第1圖所繪示的實施例相比，在本實施例中，變換器100包含處理電路170。在本實施例中，處理電路170用以根據電壓信號Vds2以及主開關Sm的主開關控制信號CTm以及輔助開關Sa的輔助開關控制信號CTa判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間。換言之，在本實施例中，主開關控制信號CTm與輔助開關控制信號CTa為來自變換器100內的檢測信號。
請再次參考第2圖。如第2圖所示的電壓波形所示，於主導通期間（即：期間P2）與次導通期間（即：期間P5）內，電壓信號Vds2皆為負值。然而，在從期間P1切換至期間P2時，主開關控制信號CTm是由高準位切換至低準位。相對地，在從期間P4切換至次導通期間P5時，輔助開關控制信號CTa乃是由低準位切換至高準位，且主開關控制信號CTm保持低準位。換言之，主開關控制信號CTm與輔助開關控制信號CTa在同步整流開關Sr處於主導通前的狀態不同於在同步整流開關Sr處於次導通前的狀態。因此，處理電路170可根據主開關控制信號CTm對時間的斜率變化以及輔助開關控制信號CTa對時間的斜率變化判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間。
請一併參考第5圖。第5圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的處理電路170的示意圖。如第5圖所示，在本案部分實施例中，處理電路170包含延遲單元172a、172b、邏輯判斷單元174、隔離單元173、狀態鎖存單元176、驅動信號生成單元178以及負載檢測單元179。
首先，延遲單元172a與172b分別用以接收主開關控制信號CTm與輔助開關控制信號CTa，並相應延遲主開關控制信號CTm與輔助開關控制信號CTa，以分別輸出偵測信號Vb、Vc。由於偵測信號Vb、Vc是分別由主開關控制信號CTm與輔助開關控制信號CTa延遲而得，因此偵測信號Vb、Vc的電壓值可分別代表主開關控制信號CTm與輔助開關控制信號CTa前一時刻的電壓值。
邏輯判斷單元174電性耦接於延遲單元172a、172b，用以接收偵測信號Vb、Vc以及電壓信號Vds2，並通過隔離單元173輸出代表同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間的狀態信號SS。具體來說，如圖中所示，在部分實施例中邏輯判斷單元174接收電壓信號Vds2與偵測信號Vb、Vc，並比較偵測信號Vb對時間的斜率以及偵測信號Vc對時間的斜率。如此一來，邏輯判斷單元174便可據此判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間。
如第2圖所示，具體來說，當前一時刻主開關控制信號CTm由高變低，即偵測信號Vb對時間的斜率小於零，且電壓信號Vds2為負時，邏輯判斷單元174判斷同步整流開關Sr處於主導通期間（即：期間P2）。當前一時刻輔助開關控制信號CTa由低變高，即偵測信號Vc對時間的斜率大於零，同時前一時刻主開關控制信號CTm處於低準位，即偵測信號Vb對時間的斜率等於零，且電壓信號Vds2為負時，邏輯判斷單元174判斷同步整流開關Sr處於次導通期間（即：期間P5）。
隔離單元173電性連接於邏輯判斷單元174，用以電性隔離處理電路170的一次側與二次側，以將狀態信號傳輸至變換器100的二次側。
狀態鎖存單元176接收並儲存由邏輯判斷單元174輸出並經過隔離單元173傳輸至變換器100二次側的狀態信號SS。接著，電性耦接於狀態鎖存單元176的驅動信號生成單元178便可根據狀態鎖存單元176中儲存的狀態信號SS以及電壓信號Vds2產生相應占空比的驅動信號CTr。當處於次導通狀態期間，驅動信號生成單元178可根據負載檢測單元179輸出的負載狀態信號Fb輸出或遮罩驅動信號CTr，以控制次導通期間同步整流開關Sr的導通或關斷。
由於處理電路170中的狀態鎖存單元176、驅動信號生成單元178、負載檢測單元179及次導通期間同步整流開關Sr的驅動信號CTr的詳細操作，與處理電路150中的相似，故於此不再贅述。
請參考第6圖。第6圖為根據本揭示內容其他部分實施例所繪示的變換器100的示意圖。於第6圖中，與第1圖、第4圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解。
和第1圖、第4圖所繪示的實施例相比，在本實施例中，變換器100包含處理電路190。
如第6圖所示，在本實施例中變壓器110除了一次側繞組與二次側繞組之外，更包含輔助繞組。結構上，輔助繞組電性耦接於二次側繞組。在本實施例中，處理電路190更用以根據輔助繞組的輔助繞組電壓信號Vaux判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間。
請參考第7圖。第7圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變換器100的電壓電流信號波形圖。於第7圖中，與第2圖、第6圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解。
和第2圖所示實施例相比，在第7圖中繪示了輔助繞組電壓信號Vaux於期間P1~P6的變化。如第7圖所示，由於一次側繞組與輔助繞組極性相反，因此於期間P1中，輔助繞組電壓信號Vaux維持處於負電位。接著，在期間P2中，隨著變壓器110內繞組極性反轉，輔助繞組電壓信號Vaux便隨之由負轉正。接著，在期間P3、P4中，隨著同步整流開關Sr關斷，輔助繞組電壓信號Vaux亦與電壓信號Vds1相似開始震盪。具體來說，輔助繞組電壓信號Vaux將在正負電位之間波動，其諧振頻率為變換器100的勵磁電感Lm和主開關Sm的寄生電容的諧振頻率，且在進入期間P5之前的瞬間，輔助繞組電壓信號Vaux為正。
接著，在期間P5中，隨著同步整流開關Sr導通，輔助繞組電壓信號Vaux再次維持在正電位(高位準)。最後在期間P6中，隨著同步整流開關Sr再次關斷，輔助繞組電壓信號Vaux逐漸由正轉負，回到負電位。
在第7圖中電壓信號Vds1、Vds2、主開關控制信號CTm、輔助開關控制信號CTa、驅動信號CTr以及電流Isr於不同期間P1~P6的變化已於先前段落及實施例中詳細說明，故於此不再贅述。
如此一來，如第7圖所示的電壓波形所示，於主導通期間(即：期間P2)與次導通期間(即：期間P5)內，電壓信號Vds2皆為負值。然而，在進入期間P2之前的瞬間，輔助繞組電壓信號Vaux為負。相對地，在進入期間P5之前的瞬間，輔助繞組電壓信號Vaux為正。換言之，輔助繞組電壓信號Vaux在同步整流開關Sr處於主導通前的狀態不同於其在同步整流開關Sr處於次導通前的狀態。因此，處理電路190可根據輔助繞組電壓信號Vaux的極性判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間。如此一來，處理電路190可用以根據同步整流開關Sr兩端的電壓信號Vds2及一來自變換器內的檢測信號(如：主開關控制信號CTm與輔助開關控制信號CTa，或是輔助繞組電壓信號Vaux)判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號CTr以控制同步整流開關Sr。
為進一步說明處理電路190的具體操作，請參考第8圖。第8圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的處理電路190的示意圖。如第8圖所示，在本案部分實施例中，處理電路190包含延遲單元192、邏輯判斷單元194、狀態鎖存單元196、驅動信號生成單元198以及負載檢測單元199。
首先，延遲單元192用以接收輔助繞組電壓信號Vaux，並相應延遲輔助繞組電壓信號Vaux以輸出偵測信號Vd。由於偵測信號Vd是由輔助繞組電壓信號Vaux延遲而得，因此偵測信號Vd的電壓值大小可代表輔助繞組電壓信號Vaux前一時刻的電壓值大小。換言之，延遲單元用以接收檢測信號(如：輔助繞組電壓信號Vaux)，並相應延遲檢測信號以輸出偵測信號Vd。
邏輯判斷單元194電性耦接於延遲單元192，並用以接收電壓信號Vds2與偵測信號Vd以輸出代表同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間的狀態信號SS。具體來說，如圖中所示，在部分實施例中邏輯判斷單元194接收電壓信號Vds2與偵測信號Vd，並於電壓信號Vds2為負時，比較偵測信號Vd的極性。如此一來，邏輯判斷單元194便可判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間。
如第7圖所示，具體來說，當前一時刻輔助繞組電壓信號Vaux為負，即偵測信號Vd為負，且電壓信號Vds2為負時，邏輯判斷單元194判斷同步整流開關Sr處於主導通期間（即：期間P2）。當前一時刻輔助繞組電壓信號Vaux為正，即偵測信號Vd為正，且電壓信號Vds2為負時，邏輯判斷單元194判斷同步整流開關Sr處於次導通期間（即：期間P5）。
如此一來，電性耦接於邏輯判斷單元194的狀態鎖存單元196便可接收並儲存由邏輯判斷單元194輸出的狀態信號SS。接著，電性耦接於狀態鎖存單元196的驅動信號生成單元198便可根據狀態鎖存單元196中儲存的狀態信號SS以及電壓信號Vds2產生相應占空比的驅動信號CTr。當處於次導通期間，驅動信號生成單元198根據負載檢測單元199輸出的負載狀態信號Fb輸出或遮罩驅動信號CTr，以控制次導通期間同步整流開關Sr導通或關斷。
由於處理電路190中的狀態鎖存單元196、驅動信號生成單元198、負載檢測單元199及次導通期間同步整流開關Sr的驅動信號CTr的詳細操作，與處理電路150、170中的相似，故於此不再贅述。
綜上所述，在本案的各個實施例中，處理電路150、170、190透過各個單元的協同操作，便可根據同步整流開關Sr兩端的電壓信號Vds2以及一來自變換器100內的檢測信號，判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號CTr以控制同步整流開關Sr，避免先前段落中所提及的轉換效率降低、電源燒毀等等問題。此檢測信號可為變換器100內的電壓信號和/或電流信號,在此不做限定，只要能根據此檢測信號判斷出同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間即可。
舉例來說，在部分實施例中，可根據同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間生成驅動信號CTr，並於次導通期間根據當前負載的狀態輸出或遮罩同步整流開關Sr的驅動信號CTr。例如在輕載的情況下，遮罩次導通期間的同步整流開關Sr的驅動信號，以減小驅動損耗對效率的影響。此時同步整流開關Sr維持關斷，而二次側繞組的電流將流過同步整流開關Sr的寄生二極體。
此外，上述各實施例中的各個元件、各個處理電路及處理電路的功能單元均可由其它電路實現，只要其實現的功能相同即可。上述僅為例示，本揭示內容並不以此為限。
請參考第9圖。第9圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的控制方法900的流程圖。為方便及清楚說明起見，下述控制方法900是配合第1圖～第8圖所示實施例進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對其作各種更動與潤飾。如第9圖所示，控制方法900包含步驟S910、S920、S930、S940以及S950。
首先，在步驟S910中，提供延遲單元150接收一來自於變換器100的檢測信號，並輸出一偵測信號Va。
接著，在步驟S920中，提供邏輯判斷單元154接收該偵測信號Va及同步整流開關Sr兩端的電壓信號Vds2，並根據偵測信號Va及電壓信號Vds2輸出代表變換器100的同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間的狀態信號SS。接著，在步驟S930中，提供狀態鎖存單元156接收並儲存由邏輯判斷單元154輸出的狀態信號SS。接著，在步驟S940中，提供驅動信號生成單元158，根據狀態鎖存單元156中儲存的狀態信號SS及電壓信號Vds2產生驅動信號CTr。接著，在步驟S950中，提供一負載檢測單元159輸出負載狀態信號Fb，於次導通期間，驅動信號生成單元158根據負載狀態信號Fb輸出或遮罩同步整流開關Sr的驅動信號CTr，以控制同步整流開關Sr開通或關斷。
在部分實施例中，步驟S940中更包含，驅動信號生成單元158根據該同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間生成相應的驅動信號CTr。在部分實施例中，當判斷同步整流開關Sr處於次導通期間時，驅動信號CTr具有一給定脈衝寬度，使同步整流開關Sr導通一給定的時間T，例如導通時間T小於等於輔助開關Sa的導通時間，即驅動信號CTr的脈衝寬度小於等於輔助開關驅動信號CTa的脈衝寬度。
進一步地，在部分實施例中，於次導通期間，控制同步整流開關Sr的驅動信號CTr具有一給定的脈衝寬度。該給定的脈衝寬度可以是固定的，例如小於等於輔助開關驅動信號CTa的脈衝寬度。該給定的脈衝寬度也可以是可調節，即可根據實際情況進行調節（例如，根據輸入電壓Vin及輸出電壓Vo的變化進行調節）。
在步驟S950中更包含，於次導通期間，當負載狀態信號Fb指示為重載時，驅動信號生成單元158輸出驅動信號CTr使同步整流開關Sr導通一給定的時間T；當負載狀態信號Fb指示為輕載時，驅動信號生成單元158遮罩驅動信號CTr，同步整流開關Sr在次導通期間關斷。在部分實施例中，在次導通期間，當負載狀態信號Fb指示為輕載時，根據實際需求，驅動信號生成單元158也可輸出驅動信號CTr控制同步整流開關Sr導通一給定時間。
此外，在部分實施例中，在步驟S910中更包含延遲單元152接收電壓信號Vds2，由延遲單元152相應延遲電壓信號Vds2以輸出偵測信號Va。在步驟S920中更包含由邏輯判斷單元154於電壓信號Vds2為負時比較偵測信號Va與輸出電壓Vo，當偵測信號Va大於輸出電壓Vo時，判斷同步整流開關Sr處於主導通期間，以及當偵測信號Va小於輸出電壓Vo時，判斷同步整流開關Sr處於次導通期間。
此外，在部分實施例中，在步驟S910中更包含，延遲單元172a接收主開關控制信號CTm，並相應延遲主開關控制信號CTm以輸出偵測信號Vb，由延遲單元172b接收輔助開關控制信號CTa，並相應延遲輔助開關控制信號CTa以輸出偵測信號Vc。在步驟S920中更包含，由邏輯判斷單元174於電壓信號Vds2為負時比較偵測信號Vb對時間的斜率以及偵測信號Vc對時間的斜率，當偵測信號Vb對時間的斜率小於零時，判斷同步整流開關Sr處於主導通期間，以及當偵測信號Vc對時間的斜率大於零且偵測信號Vb對時間的斜率等於零時，判斷同步整流開關Sr處於次導通期間。
此外，在部分實施例中，在步驟S910中更包含，由延遲單元192接收輔助繞組電壓信號Vaux，並相應延遲輔助繞組電壓信號Vaux以輸出偵測信號Vd。在步驟S920中更包含，由邏輯判斷單元194於電壓信號Vds2為負時判斷偵測信號Vd的極性，當偵測信號Vd為負時，判斷同步整流開關Sr處於主導通期間，當偵測信號Vd為正時，判斷同步整流開關Sr處於次導通期間。
所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解此控制方法900如何基於上述多個不同實施例中的變換器100以執行該操作及功能，故不再此贅述。
此外，雖然本文將所公開的方法示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和／或與除了本文所示和／或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。此外，本文中的一個或多個步驟亦可能在一個或多個分離的步驟和／或階段中執行。
綜上所述，在本案的各個實施例中，透過處理電路判斷同步整流開關Sr處於主導通期間或次導通期間，據以相應地輸出驅動信號以控制同步整流開關導通或關斷，可避免變換器誤操作，提升變換器的轉換效率與安全性。同時，次導通期間同步整流開關的損耗極大降低，同時實現主開關的零電壓開通。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧變換器
110‧‧‧變壓器
130‧‧‧主動箝位電路
150、170、190‧‧‧處理電路
152、172a、172b、192‧‧‧延遲單元
173‧‧‧隔離單元
154、174、194‧‧‧邏輯判斷單元
156、176、196‧‧‧狀態鎖存單元
158、178、198‧‧‧驅動信號生成單元
159、179、199‧‧‧負載檢測單元
900‧‧‧控制方法
Cin‧‧‧輸入電容
Co‧‧‧輸出電容
Cr‧‧‧箝位電容
CTa‧‧‧輔助開關控制信號
CTm‧‧‧主開關控制信號
CTr‧‧‧驅動信號
Fb‧‧‧負載狀態信號
Ip、Ip1、Isr‧‧‧電流
I_lm‧‧‧勵磁電流
Lk‧‧‧漏感
Lm‧‧‧勵磁電感
Load‧‧‧負載
N1‧‧‧節點
P1～P6‧‧‧期間
Sa‧‧‧輔助開關
Sm‧‧‧主開關
Sr‧‧‧同步整流開關
SS‧‧‧狀態信號
S910～S950‧‧‧步驟
Vaux‧‧‧輔助繞組電壓信號
Vds1、Vds2‧‧‧電壓信號
Va、Vb、Vc、Vd‧‧‧偵測信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
第1圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變換器的示意圖。 第2圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變換器的電壓電流信號波形圖。 第3圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的處理電路的示意圖。 第4圖為根據本揭示內容其他部分實施例所繪示的變換器的示意圖。 第5圖為根據本案部分實施例所繪示的處理電路的示意圖。 第6圖為根據本揭示內容其他部分實施例所繪示的變換器的示意圖。 第7圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變換器的電壓電流信號波形圖。 第8圖為根據本案部分實施例所繪示的處理電路的示意圖。 第9圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的控制方法的流程圖。
100‧‧‧變換器
110‧‧‧變壓器
130‧‧‧主動箝位電路
150‧‧‧處理電路
Cin‧‧‧輸入電容
Co‧‧‧輸出電容
Cr‧‧‧箝位電容
CTa‧‧‧輔助開關控制信號
CTm‧‧‧主開關控制信號
CTr‧‧‧驅動信號
Ip、Ip1、Isr‧‧‧電流
I_lm‧‧‧勵磁電流
Lk‧‧‧漏感
Lm‧‧‧勵磁電感
Load‧‧‧負載
N1‧‧‧節點
Sa‧‧‧輔助開關
Sm‧‧‧主開關
Sr‧‧‧同步整流開關
Vds1、Vds2‧‧‧電壓信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓

Claims (19)

  1. 一種變換器，包含：一變壓器，包含一次側繞組與二次側繞組，用以輸出一輸出電壓至一負載；一主開關，該主開關於一節點電性耦接於該一次側繞組；一主動箝位電路，用以箝位該主開關的跨壓，其中該主動箝位電路包含一輔助開關；一同步整流開關，電性耦接於該二次側繞組；以及一處理電路，用以根據該同步整流開關兩端的一第一電壓信號及一來自該變換器內的檢測信號判斷該同步整流開關處於一主導通期間或一次導通期間，據以相應地輸出一驅動信號以控制該同步整流開關。
  2. 如請求項1所述的變換器，其中該處理電路包含：一延遲單元，用以接收該檢測信號，並相應延遲該檢測信號以輸出一偵測信號；一邏輯判斷單元，用以接收該偵測信號及該第一電壓信號以輸出代表該同步整流開關處於該主導通期間或該次導通期間的一狀態信號；以及一狀態鎖存單元，用以接收並儲存該狀態信號。
  3. 如請求項2所述的變換器，其中該處理電路更包含一驅動信號生成單元，其中該驅動信號生成單元根據該狀態鎖存單元中儲存的該狀態信號以及該第一電壓信號產 生該驅動信號以控制該同步整流開關。
  4. 如請求項3所述的變換器，其中該處理電路還包含一負載檢測單元，該負載檢測單元輸出一負載狀態信號；當判斷該同步整流開關處於該次導通期間，該驅動信號生成單元根據該負載狀態信號輸出或遮罩該驅動信號。
  5. 如請求項4所述的變換器，當該負載狀態信號指示該變換器的負載為重載時，該驅動信號生成單元輸出該次導通期間的該驅動信號，控制該同步整流開關導通一給定時間；當該負載狀態信號指示該變換器的負載為輕載時，該驅動信號生成單元遮罩該次導通期間的該驅動信號，該同步整流開關關斷。
  6. 如請求項2所述的變換器，其中該延遲單元接收的該檢測信號為該第一電壓信號，並相應延遲該第一電壓信號以輸出該偵測信號，該邏輯判斷單元用以於該第一電壓信號為負時比較該偵測信號與該輸出電壓，其中當該偵測信號大於該輸出電壓時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該主導通期間，當該偵測信號小於該輸出電壓時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該次導通期間。
  7. 如請求項2所述的變換器，其中該處理電路更用以根據該主開關的一主開關控制信號以及該輔助開關的 一輔助開關控制信號判斷該同步整流開關處於該主導通期間或該次導通期間。
  8. 如請求項7所述的變換器，其中該延遲單元包含：一第一延遲單元，用以接收該主開關控制信號，並相應延遲該主開關控制信號以輸出一第一偵測信號；一第二延遲單元，用以接收該輔助開關控制信號，並相應延遲該輔助開關控制信號以輸出一第二偵測信號；其中該邏輯判斷單元，用以於該第一電壓信號為負時比較該第一偵測信號對時間的斜率以及該第二偵測信號對時間的斜率，其中當該第一偵測信號對時間的斜率小於零時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該主導通期間，當該第一偵測信號對時間的斜率等於零且該第二偵測信號對時間的斜率大於零時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該次導通期間。
  9. 如請求項8所述的變換器，其中該處理電路更包含一隔離單元，連接該邏輯判斷單元，用以電性隔離該處理電路的一次側與二次側並將該狀態信號傳遞至該變換器的二次側。
  10. 如請求項1所述的變換器，其中該變壓器更包含一輔助繞組，該輔助繞組電性連接於該二次側繞組，該處理電路更用以根據該輔助繞組的一輔助繞組電壓信號判斷 該同步整流開關處於該主導通期間或該次導通期間。
  11. 如請求項10所述的變換器，其中該處理電路包含：一延遲單元，用以接收該輔助繞組電壓信號，並相應延遲該輔助繞組電壓信號以輸出一偵測信號；以及一邏輯判斷單元，用以於該第一電壓信號為負時判斷該偵測信號的極性，其中當該偵測信號為負時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該主導通期間，當該偵測信號為正時，該邏輯判斷單元判斷該同步整流開關處於該次導通期間。
  12. 如請求項1或3任一項所述的變換器，其中該次導通期間的該驅動信號具有一給定的脈衝寬度。
  13. 如請求項12所述的變換器，其中該給定的脈衝寬度是固定的，以控制該同步整流開關導通一固定的時間。
  14. 如請求項12所述的變換器，其中該給定的脈衝寬度可根據實際情況進行調節。
  15. 如請求項1所述的變換器，其中該檢測信號在該同步整流開關處於該主導通前的狀態不同於該檢測信號在該同步整流開關處於該次導通前的狀態。
  16. 一種變換器的控制方法，包含：提供一延遲單元，接收來自於該變換器的一檢測信號，並輸出一偵測信號；提供一邏輯判斷單元，接收該偵測信號及一同步整流開關兩端的一第一電壓信號，並根據該偵測信號及該第一電壓信號輸出代表該變換器的該同步整流開關處於主導通期間或次導通期間的一狀態信號；提供一狀態鎖存單元，接收並儲存由該邏輯判斷單元輸出的該狀態信號；以及提供一驅動信號生成單元，根據該狀態鎖存單元中儲存的該狀態信號產生一驅動信號以控制該同步整流開關。
  17. 如請求項16所述的控制方法，還包含：提供一負載檢測單元，輸出一負載狀態信號，該驅動信號生成單元根據該負載狀態信號輸出或遮罩該次導通期間的該驅動信號。
  18. 如請求項16所述的控制方法，輸出該狀態信號的步驟中更包含：該邏輯判斷單元在該第一電壓信號為負時，判斷該偵測信號，以判斷該同步整流開關處於該主導通期間或該次導通期間。
  19. 如請求項16所述的控制方法，控制該同步 整流開關的步驟更包含：當判斷該同步整流開關處於該次導通期間時，該驅動信號具有一給定的脈衝寬度。
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