TWI758924B - 調適性導通時間控制的電源控制系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係揭示一種調適性導通時間控制的電源控制系統，包含初級側數位控制器、次級側同步控制器、整流單元、電源單元、變壓器單元、初級側切換單元、次級側切換單元、次級側輸出電容以及電流感測單元，用以實現返馳電源轉換功能。尤其是，由次級側同步控制器控制次級側切換單元的打開及關閉而達到同步控制功能，其中初級側數位控制器利用降低電流感測上限值的方式而降低初級側切換單元的初級側汲源跨壓以及次級側切換單元的次級側汲源跨壓，大幅改善整體的操作穩定性及耐用性。

Description

調適性導通時間控制的電源控制系統
本發明係有關於一種調適性導通時間控制的電源控制系統，尤其是在次級側配置次級側同步控制器、次級側切換單元、次級側輸出電容以及電流感測單元，並由次級側同步控制器控制次級側切換單元的打開導通及關閉而達到同步控制功能，尤其，初級側數位控制器利用降低電流感測上限值的方式而降低初級側切換單元的初級側汲源跨壓以及次級側切換單元的次級側汲源跨壓，大幅改善整體的操作穩定性及耐用性。
由於不同電子裝置需要特定的電源以提供所需的電力，所以需要高品質且高效率的電源的轉換裝置，當作電源供應器用，藉以滿足所需的電源，比如積體電路(IC)需要1.2V的低壓直流電，電動馬達需要12V的直流電，背光模組則需要數百伏以上的高壓電源。在目前的電源供應器中，使用具脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)特性的交換式電源供應器(Switching Power Supply)是最常用方式，因為在相同輸出功率下，體積比線性電源供應器還小，同時轉換效率也較高。
以返馳式(Flyback)電源轉換器的交換式電源供應器為例，需要配置電源控制器以產生高速的PWM驅動信號，並搭配包含初級側繞組以及次級側繞組的變壓器、切換單元、電流感測電阻、輸出整流器、輸出電容，其中變壓器的初級側繞組、切換單元、電流感測電阻是串接而形成初級側迴路，而變壓器的次級側繞組、輸出整流器、輸出電容是串接而形成次級側迴路，並由PWM驅動信號驅動連接初級側繞組的切換單元，比如功率電晶體，進而以週期性方式快速打開、關閉切換單元而導通、切斷流過切換單元的電流，使得變壓器的次級側繞組藉感應初級側繞組的電流而產生次級側電流，並經輸出整流器、輸出電容的整流及濾波後產生穩定的輸出電源，以供應負載而運作。
此外，次級側迴路的輸出整流器可單獨使用整流二極體搭配輸出電容，也可使用次級側切換單元以及次級側控制器搭配輸出電容而實現整流功能，其中次級側控制器可進一步達到同步整流功能。
由於初級側的切換單元被初級側的電源控制器關閉時，會對切換單元的汲極產生很大的尖峰電壓而形成突波，造成電壓壓力(Voltage stress)或電晶體壓力，常常導致切換單元工作不良或甚至損壞而失效，所以在一般在習知技術中，需要外加緩衝器(snubber)電路以降低電壓壓力，比如使用大的電容器。同樣的，對於使用次級側控制器以達到同步整流的返馳式電源轉換器而言，次級側切換單元被次級側控制器關閉時，也需要額外的緩衝器以降低電壓壓力。由於緩衝器需要承受相當大的突波，品質要求很嚴謹，因而整體成本大幅增加，同時也會佔去相當大的電路板面積，使得終端應用產品很難再進一步縮小尺寸。
此外，如果是選用次級側同步整流的架構，常會遇到初級側、次級側的切換單元在某些狀況下發生同時導通而損毀，所以在次級側上需要特別搭配挑選相對應的控制器，導致實際應用上缺乏彈性。
因此，非常需要一種新穎設計的調適性導通時間控制的電源控制系統，並在次級側配置次級側同步控制器、次級側切換單元、次級側輸出電容以及電流感測單元，由次級側同步控制器控制次級側切換單元的打開導通及關閉而達到同步控制功能，尤其，初級側數位控制器利用降低電流感測上限值的方式而降低初級側切換單元的初級側汲源跨壓以及次級側切換單元的次級側汲源跨壓，大幅改善整體的操作穩定性及耐用性以及降低電晶體壓力或電壓壓力，藉以克服習知技術的問題。
本發明之主要目的在於提供一種調適性導通時間控制的電源控制系統，包含初級側數位控制器、次級側同步控制器、整流單元、電源單元、變壓器單元、初級側切換單元、次級側切換單元、次級側輸出電容以及電流感測單元，用以實現返馳電源轉換功能。
具體而言，初級側數位控制器包含初級側電源接腳、初級側接地接腳、初級側驅動接腳以及初級側電流感測接腳，次級側同步控制器包含次級側驅動接腳、次級側接地接腳以及次級側電源接腳，而變壓器單元可包含相互耦合的初級側繞組以及次級側繞組。
此外，初級側切換單元以及次級側切換單元可包含金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體、或氮化鎵場效電晶體(GaN (Gallium Nitride) FET)、或碳化矽-金氧半場效電晶體(SiC-MOSFET)。
上述的初級側接地接腳是連接至初級側接地電位，而次級側接地接腳是連接至次級側接地電位，且初級側接地電位、次級側接地電位可為相同的接地電位，或不相同的接地電位。
整流單元接收並整流外部輸入電源後產生整流電源，而電源單元是接收外部輸入電源，並且經處理後產生、輸出電源電壓，其中初級側數位控制器經由初級側電源接腳接收電源電壓而運作，且電源電壓是當作次級側電源電壓，並由次級側同步控制器經次級側電源接腳接收次級側電源電壓而運作。另外，初級側繞組的一端連接整流單元以接收整流電源。
進一步，電流感測單元的一端連接至電流感測接腳，而電流感測單元的另一端連接至初級側接地電位，且電流感測接腳產生電流感測信號，再者，電流感測信號經電流感測接腳而傳送至初級側數位控制器。
初級側切換單元的汲極是連接初級側繞組的另一端，初級側切換單元的閘極是連接初級側驅動接腳，且初級側切換單元的源極是連接電流感測接腳。此外，次級側切換單元的汲極是連接次級側繞組的一端，次級側繞組的另一端是連接次級側接地電位，而次級側切換單元的閘極是連接次級側驅動接腳。
更加具體而言，次級側輸出電容的一端以及負載的一端是連接次級側切換單元的源極，而次級側輸出電容的另一端以及負載的另一端是連接次級側接地電位，並在次級側切換單元的源極產生輸出電源，以供電給負載。
尤其，初級側數位控制器依據電流感測信號而產生初級側驅動信號，且經由初級側驅動接腳傳送至初級側切換單元的閘極，其中初級側驅動信號本質上為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)信號，並具有PWM頻率，且包含週期性的導通位準以及關閉位準，用以週期性打開導通或關閉初級側切換單元，並改變初級側繞組的初級側電流。
上述的次級側繞組是利用與初級側繞組之間的電磁感應作用而產生次級側電流，並經次級側同步控制器的控制而流過次級側切換單元以及次級側輸出電容、負載。
更進一步而言，初級側數位控制器可藉彈性降低對應於電流感測信號的電流感測上限值，而降低初級側切換單元的初級側汲源跨壓以及次級側切換單元的次級側汲源跨壓，亦即電晶體壓力或電壓壓力，其中電流感測上限值是指用以判斷是否打開初級側切換單元的判斷值，換言之，初級側切換單元是在電流感測信號達到電流感測上限值時被打開。
另外，次級側同步控制器是依據次級側電流或次級側切換單元的汲極-源極跨壓而產生次級側驅動信號，且經由次級側驅動接腳傳送至次級側切換單元的閘極，用以打開導通或關閉截止次級側切換單元。
整體而言，本發明特別在次級側配置次級側同步控制器、次級側切換單元、次級側輸出電容以及電流感測單元，並由次級側同步控制器控制次級側切換單元的打開導通及關閉而達到同步控制功能，尤其，初級側數位控制器利用降低電流感測上限值的方式而降低初級側切換單元的初級側汲源跨壓以及次級側切換單元的次級側汲源跨壓，大幅改善整體的操作穩定性及耐用性。
本發明之另一目的在於提供一種調適性導通時間控制的電源控制系統，包含初級側數位控制器、整流單元、電源單元、變壓器單元、初級側切換單元、次級側整流二極體、次級側輸出電容以及電流感測單元，用以實現返馳電源轉換功能。
具體而言，初級側數位控制器包含初級側電源接腳、初級側接地接腳、初級側驅動接腳以及初級側電流感測接腳，且初級側接地接腳是連接至初級側接地電位。整流單元接收並整流外部輸入電源後產生整流電源，而電源單元是接收外部輸入電源，且經處理後產生並輸出電源電壓，且由電源接腳接收電源電壓以供初級側數位控制器而運作。
此外，變壓器單元包含相互耦合的初級側繞組以及次級側繞組，且初級側繞組的一端連接整流單元以接收整流電源，而初級側切換單元的汲極是連接初級側繞組的另一端，且初級側切換單元的閘極是連接初級側驅動接腳。
再者，電流感測單元的一端連接至電流感測接腳以及初級側切換單元的源極，且電流感測單元的另一端連接至初級側接地電位，並由電流感測接腳產生電流感測信號，且電流感測信號經電流感測接腳而傳送至初級側數位控制器。
上述的次級側整流二極體的正極是連接次級側繞組的一端，而次級側輸出電容的一端以及負載的一端是連接次級側整流二極體的負極，次級側繞組的另一端、次級側輸出電容的另一端以及負載的另一端是連接次級側接地電位，次級側整流二極體的負極產生輸出電源，並供電給該負載。
同樣的，初級側數位控制器依據電流感測信號而產生初級側驅動信號，且經由初級側驅動接腳傳送至初級側切換單元的閘極，而且初級側驅動信號為PWM信號，並具有PWM頻率，且包含週期性的導通位準以及關閉位準，用以週期性打開導通或關閉初級側切換單元，並改變初級側繞組的初級側電流。
另外，次級側繞組是利用與初級側繞組之間的電磁感應作用而產生次級側電流，並經次級側整流二極體而流至次級側輸出電容、負載。初級側數位控制器藉彈性降低對應於電流感測信號的電流感測上限值，進而降低初級側切換單元的初級側汲源跨壓以及次級側切換單元的次級側汲源跨壓。
上述的電流感測上限值是指用以判斷是否打開初級側切換單元的判斷值，而初級側切換單元是在電流感測信號達到電流感測上限值時被打開。
因此，可利用次級側繞組、次級側整流二極體、次級側輸出電容形成次級側迴路，藉以配合初級側迴路而簡化電路架構，同時利用初級側數位控制器以展現出可產生穩定的輸出電源而供應負載的電源控制功能，並進一步藉彈性降低電流感測信號的電流感測上限值、調整初級側切換單元的驅動力、進入準諧振模式、或調慢初級側驅動信號的PWM頻率的方式而降低初級側切換單元的電晶體壓力以及次級側整流二極體的電壓壓力，確保整體操作的穩定性。
以下配合圖示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。
請參閱第一圖，本發明第一實施例調適性導通時間控制的電源控制系統的系統示意圖。如第一圖所示，本發明第一實施例的調適性導通時間控制的電源控制系統包含初級側數位控制器10、次級側同步控制器12、整流單元20、電源單元21、變壓器單元30、初級側切換單元QP、次級側切換單元QS、次級側輸出電容CE以及電流感測單元40，用以實現返馳(Flyback)電源轉換功能。
具體而言，初級側數位控制器10包含初級側電源接腳T1、初級側接地接腳T2、初級側驅動接腳T3以及初級側電流感測接腳T4，次級側同步控制器 12包含次級側驅動接腳TSD、次級側接地接腳TSG以及次級側電源接腳TSV，而變壓器單元30可包含相互耦合的初級側繞組LP以及次級側繞組LS。此外，初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS可包含金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體、或氮化鎵場效電晶體(GaN (Gallium Nitride) FET)、或碳化矽-金氧半場效電晶體(SiC-MOSFET)。
進一步，整流單元20接收外部輸入電源VAC，並對外部輸入電源VAC整流後產生整流電源VIN，而電源單元21也接收外部輸入電源VAC，並經處理後產生、輸出電源電壓VDD，且由電源接腳T1接收電源電壓VDD以供初級側數位控制器10運作。同樣的，次級側同步控制器 12也可由次級側電源接腳TSV接收由電源單元21所輸出的電源電壓VDD，當作所需的次級側電源電壓VSV而運作，或者，額外配置類似於電源單元21的次級側電源單元(圖中未顯示)，以供次級側同步控制器12運作。由於電源單元21以及次級側電源單元都是屬於常用的習知技術，因此在下文中並不作詳細的說明。
此外，初級側數位控制器10的初級側接地接腳T2是連接至初級側接地電位PGND，而次級側同步控制器 12的次級側接地接腳TSG是連接至次級側接地電位SGND，其中初級側接地電位PGND以及次級側接地電位SGND可為相同的接地電位，或不同的接地電位，視應用環境而定。
初級側繞組LP的一端是連接整流單元20以接收整流電源VIN，且初級側切換單元QP的汲極連接初級側繞組LP的另一端，初級側切換單元QP的閘極連接初級側數位控制器10的初級側驅動接腳T3，再者，初級側切換單元QP的源極是連接初級側數位控制器10的電流感測接腳 T4。此外，電流感測單元40的一端連接至電流感測接腳T4，而電流感測單元40的另一端連接至初級側接地電位PGND，且在電流感測接腳T4產生電流感測信號VCS。
進一步，初級側數位控制器10經電流感測接腳T4接收來自電流感測單元40的電流感測信號VCS，並依據電流感測信號VCS而產生初級側驅動信號VPD，且經由初級側驅動接腳T3傳送至初級側切換單元QP的閘極，用以控制初級側切換單元QP的打開導通及關閉，實現切換控制，因而改變初級側繞組LP的初級側電流IP。進一步而言，上述的初級側驅動信號VPD本質上為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)信號，並具有特定的PWM頻率，且包含週期性的導通位準以及關閉位準，用以週期性打開導通或關閉初級側切換單元QP，並改變初級側繞組LP的初級側電流IP。
在次級側，次級側繞組LS的一端是連接次級側切換單元QS的汲極，而次級側繞組LS的另一端連接次級側接地電位SGND，且次級側切換單元QS的閘極連接次級側同步控制器 12的次級側驅動接腳TSD，而次級側切換單元QS的源極連接次級側輸出電容CE的一端以及負載R L的一端，此外，次級側輸出電容CE的另一端以及負載R L的另一端是連接次級側接地電位SGND。尤其，在次級側切換單元QS的源極產生穩定的輸出電源VOUT，並供電給負載RL。
再者，次級側繞組LS是利用與初級側繞組LP之間的電磁感應作用而產生次級側電流IS，並經次級側同步控制器12的控制而流過次級側切換單元QS以及次級側輸出電容CE、負載RL，且次級側輸出電容CE、負載RL是相互並聯連接後而串接至次級側切換單元QS。
整體而言，整流單元20、變壓器單元30的初級側繞組LP、初級側切換單元QP以及電流感測單元40形成初級側迴路，並由初級側數位控制器10控制初級側切換單元QP的打開導通或關閉截止，藉以控制流過初級側迴路的導通電流，而另一方面，變壓器單元30的次級側繞組LS、次級側切換單元QS、次級側輸出電容CE形成次級側迴路，並由次級側同步控制器12控制次級側切換單元QS的打開導通或關閉截止，藉以控制流過次級側迴路的導通電流而達到同步整流，並搭配次級側輸出電容CE而產生穩定的輸出電源VOUT以供應負載RL。
換言之，初級側數位控制器10控制初級側迴路的電流，並經變壓器單元30藉電磁感應作用而產生次級側迴路的電流而由次級側同步控制器12配合、控制。
進一步具體而言，次級側同步控制器12依據次級側電流IS或次級側切換單元QS的汲極-源極跨壓而產生次級側驅動信號VSD，並經由次級側驅動接腳TSD而傳送至次級側切換單元QS的閘極，藉以控制次級側切換單元QS的打開導通或關閉截止。例如，次級側同步控制器12是在次級側電流IS為負時，亦即由次級側繞組LS流向次級側切換單元QS時，或是次級側切換單元QS的汲極-源極跨壓為正時，藉次級側驅動信號VSD打開導通次級側切換單元QS，並在次級側電流IS為正時，亦即由次級側切換單元QS流向次級側繞組LS時，或是次級側切換單元QS的汲極-源極跨壓為負時，藉次級側驅動信號VSD關閉截止次級側切換單元QS。
為進一步降低次級側繞組LS至負載RL間因次級側切換單元QS的導通電阻所造成的壓降，可藉並聯多個次級側切換單元QS而由次級側驅動信號VSD驅動，使得之間的整體有效電阻大幅降低。
要注意的是，上述次級側同步控制器12偵測次級側電流IS或次級側切換單元QS的汲極-源極跨壓的技術是屬於一般習知技術，比如使用比較器，並配置額外的接腳，因而下文中不作詳細說明。
進一步參考第二圖，本發明第一實施例電源控制系統的操作波形圖，主要是顯示初級側驅動信號VPD、次級側驅動信號VSD、初級側切換單元QP的初級側汲源跨壓PDS、次級側切換單元QS的次級側汲源跨壓SDS以及電流感測信號VCS。此外，圖中的Vo、Vin、Lp是等同上述輸出電源VOUT、整流電源VIN、初級側繞組LP的另一表示方式，而n是表示初級側繞組LP、次級側繞組LS之間的匝數比，VF是表示初級側切換單元QP的導通電壓。
在本實施例中，選擇初級側切換單元QP為N通道金氧半電晶體(NMOS)，而次級側切換單元QS是P通道金氧半電晶體(PMOS)，因此，初級側切換單元QP是在初級側汲源跨壓PDS為高位準時被打開，而次級側切換單元QS是在次級側汲源跨壓SDS為低位準時被打開，當然初級側切換單元QP、次級側切換單元QS也可為其他電晶體，不過只要初級側驅動信號VPD、次級側驅動信號VSD打開初級側切換單元QP、次級側切換單元QS的方式符合上述的技術特性，則應仍屬於本發明的範圍。
特別要注意的是，第二圖中初級側汲源跨壓PDS的標示區域A以及次級側汲源跨壓SDS的標示區域B是分別表示初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS在關閉時，所承受的電晶體壓力(MOS Stress)，具有尖峰突波。
更加具體而言，為降低初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS的電晶體壓力，本發明的初級側數位控制器10可藉彈性降低電流感測信號VCS的電流感測上限值VL而達成，其中電流感測上限值VL是指用以判斷是否打開初級側切換單元QP的判斷值，亦即，當電流感測信號VCS達到電流感測上限值VL時，才打開初級側切換單元QP。整體而言，電流感測上限值VL越小時，初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS的電晶體壓力越小。
此外，初級側數位控制器10還可藉調整初級側切換單元QP的驅動力、進入準諧振模式(QR mode)、或調慢初級側驅動信號VPD的PWM頻率而降低次級側切換單元QS的電晶體壓力。
關於調整初級側切換單元QP的驅動力，主要是指調整初級側驅動信號VPD的導通位準，亦即，導通位準愈高，驅動力也愈高，而初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS的電晶體壓力越高。
如果是進入準諧振模式，亦即，初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS都是在個別的汲極電壓下降至最低時才打開，不僅可降低切換損失而提高整體的電源轉換效率，還同時能減輕初 級側切換單元QP以及次級側切換單元QS的電晶體壓力。
由於初級側驅動信號VPD的PWM頻率越高時，初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS所承受的電晶體壓力越頻繁，所以適當調慢PWM頻率也具有減輕初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS的電晶體壓力的功效。
要注意的是，調整驅動力、準諧振模式、調慢PWM頻率的作法都是習知常用的技術，因而下文中不作詳細解釋。
再者，初級側數位控制器10可進一步彈性調整初級側切換單元QP的最大工作(maximum duty)或最小關閉時間(minimum off time)，藉以配合次級側同步控制器12的不同最小打開時間(minimum on time)，進而確保初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS不會同時導通，換言之，初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS之間的導通是一直保持延遲TD而隔離開，同時，降低二次側的反壓，亦即初級側切換單元QP以及次級側切換單元QS的電晶體壓力。
舉例而言，為達到延遲TD的另一實際作法是，次級側同步控制器12可在次級側迴路的電流為正時，先等待延遲TD，之後才打開導通次級側切換單元QS，由於次級側同步控制器12本身為數位電路所構成，比如使用中央處理器(Central Processing Unit，CPU)或微控制器(Micro Controller，MCU))，搭配軟體程式或韌體程式而實現，所以延遲TD可預先儲存於儲存媒介中，比如記憶體或中央處理器、微控制器的暫存器，並由外部裝置設定或依據目前應育特性而隨時更新。因此，應用上相當便利而有彈性。
請進一步參考第三圖，本發明第二實施例調適性導通時間控制的電源控制系統的系統示意圖。如第三圖所示，本發明第二實施例的調適性導通時間控制的電源控制系統包含初級側數位控制器10、整流單元20、電源單元21、變壓器單元30、初級側切換單元QP、次級側整流二極體DO、次級側輸出電容CE以及電流感測單元40，用以實現返馳電源轉換功能。
要注意的是，本發明第二實施例調適性導通時間控制的電源控制系統是類似於第一實施例調適性導通時間控制的電源控制系統，而主要的差異在於第二實施例的電源控制系統是市用次級側整流二極體DO以取代第一實施例電源控制系統的次級側切換單元QS，同時還省略次級側同步控制器12。
整體而言，第二實施例的上述整流單元20、變壓器單元30的初級側繞組LP、初級側切換單元QP以及電流感測單元40形成初級側迴路，並由初級側數位控制器10控制初級側切換單元QP的打開導通或關閉截止，藉以控制流過初級側迴路的導通電流，本質上是等同於第一實施例初級側迴路的特徵，因而下文中不再贅述。
另一方面，第二實施例的上述變壓器單元30的次級側繞組LS、次級側整流二極體DO、次級側輸出電容CE形成次級側迴路，並由次級側整流二極體DO控制流過次級側迴路的導通電流而達到整流功效，並搭配次級側輸出電容CE而產生穩定的輸出電源VOUT以供應負載RL。
換言之，初級側數位控制器10控制初級側迴路的電流，並經變壓器單元30藉電磁感應作用而產生次級側迴路的電流，再由次級側整流二極體DO整流，並經次級側輸出電容CE濾波，進而產生所需的輸出電源VOUT。
同樣的，初級側數位控制器10經電流感測接腳T4接收來自電流感測單元40的電流感測信號VCS，並依據電流感測信號VCS而產生本質上為脈衝寬度調變(PWM)信號讀初級側驅動信號VPD，且經由初級側驅動接腳T3傳送至初級側切換單元QP的閘極，用以控制初級側切換單元QP的打開導通及關閉。尤其，初級側數位控制器10還可藉調整初級側切換單元QP的驅動力、進入準諧振模式(QR mode)、或調慢初級側驅動信號VPD的PWM頻率而降低初級側切換單元QP的電晶體壓力。
由於第二實施例的其餘元件特性是等同於第一實施例，因而下文中不再贅述。
要注意的是，對比於第一實施例中使用次級側同步控制器12控制次級側切換單元QS的手段，由於第二實施例的次級側整流二極體DO在導通時會產生約0.7V的壓降，所以功率消耗會較大，但是整體電路架構更為簡單，使用元件數目較少，對於電路板的佈局配置較為有利，且成本較低，因此對於特定的應用市場仍然具相當的競爭力。
綜合而言，本發明的特點主要在於利用整流單元、初級側繞組、初級側切換單元以及電流感測單元形成初級側迴路，並利用次級側繞組、次級側切換單元、次級側輸出電容形成次級側迴路，且由初級側數位控制器控制初級側切換單元的打開導通或關閉截止，藉以控制流過初級側迴路的導通電流，並由次級側同步控制器控制次級側切換單元的打開導通或關閉截止，藉以控制流過次級側迴路的導通電流而達到同步整流，並搭配次級側輸出電容而產生穩定的輸出電源以供應負載。
再者，利用初級側數位控制器以及次級側同步控制器分別控制初級側切換單元以及次級側切換單元，藉以避免同時導通，並保持一段延遲，改善操作的安全性及穩定性。
尤其是，初級側數位控制器藉彈性降低電流感測信號的電流感測上限值而降低初級側切換單元以及次級側切換單元的電晶體壓力，或者，可藉調整初級側切換單元的驅動力、進入準諧振模式、或調慢初級側驅動信號的PWM頻率而達成。
此外，本發明的另一特點主要在於利用次級側繞組、次級側整流二極體、次級側輸出電容形成次級側迴路，藉以配合初級側迴路而簡化電路架構，同時展現產生穩定輸出電源以供應負載的電源控制功能。另外，初級側數位控制器藉藉彈性降低電流感測信號的電流感測上限值、藉調整初級側切換單元的驅動力、進入準諧振模式、或調慢初級側驅動信號的PWM頻率而降低次級側整流二極體的電壓壓力，確保整體操作的穩定性。
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。
10:初級側數位控制器 12:次級側同步控制器 20:整流單元 21:電源單元 30:變壓器單元 40:電流感測單元 A:標示區域 B:標示區域 CE:次級側輸出電容 DO:次級側整流二極體 IP:初級側電流 IS:次級側電流 LP:初級側繞組 LS:次級側繞組 PDS:初級側汲源跨壓 PGND:初級側接地電位 QP:初級側切換單元 QS:次級側切換單元 RL:負載 SDS:次級側汲源跨壓 SGND:次級側接地電位 T1:初級側電源接腳 T2:初級側接地接腳 T3:初級側驅動接腳 T4:電流感測接腳 TD:延遲 TSD:次級側驅動接腳 TSG:次級側接地接腳 TSV:次級側電源接腳 VAC:外部輸入電源 VCS:電流感測信號 VDD:電源電壓 VIN:整流電源 VL:電流感測上限值
VOUT:輸出電源
VPD:初級側驅動信號
VSD:次級側驅動信號
VSV:次級側電源電壓
Lp:初級側繞組
n:匝數比
VF:導通電壓
Vin:整流電源
Vo:輸出電源
第一圖顯示本發明第一實施例調適性導通時間控制的電源控制系統的系統示意圖。 第二圖顯示本發明第一實施例調適性導通時間控制的電源控制系統的操作波形圖。 第三圖顯示本發明第二實施例調適性導通時間控制的電源控制系統的系統示意圖。
10:初級側數位控制器
12:次級側同步控制器
20:整流單元
21:電源單元
30:變壓器單元
40:電流感測單元
CE:次級側輸出電容
IP:初級側電流
IS:次級側電流
LP:初級側繞組
LS:次級側繞組
PGND:初級側接地電位
QP:初級側切換單元
QS:次級側切換單元
RL:負載
SGND:次級側接地電位
T1:初級側電源接腳
T2:初級側接地接腳
T3:初級側驅動接腳
T4:電流感測接腳
TSD:次級側驅動接腳
TSG:次級側接地接腳
TSV:次級側電源接腳
VAC:外部輸入電源
VCS:電流感測信號
VDD:電源電壓
VIN:整流電源
VOUT:輸出電源
VPD:初級側驅動信號
VSD:次級側驅動信號
VSV:次級側電源電壓

Claims (10)

  1. 一種調適性導通時間控制的電源控制系統，係用以實現一返馳(Flyback)電源轉換功能，包括： 一初級側數位控制器，包含一初級側電源接腳、一初級側接地接腳、一初級側驅動接腳以及一初級側電流感測接腳，該初級側接地接腳是連接至一初級側接地電位； 一次級側同步控制器，包含一次級側驅動接腳、一次級側接地接腳以及一次級側電源接腳，該次級側接地接腳是連接至一次級側接地電位； 一整流單元，係接收並整流一外部輸入電源後產生一整流電源； 一電源單元，係接收該外部輸入電源，且經處理後產生並輸出一電源電壓，該初級側數位控制器經由該初級側電源接腳接收該電源電壓而運作，且該電源電壓是當作一次級側電源電壓，並由該次級側同步控制器經該次級側電源接腳接收該次級側電源電壓而運作； 一變壓器單元，包含相互耦合的一初級側繞組以及一次級側繞組，該初級側繞組的一端連接該整流單元以接收該整流電源； 一初級側切換單元，該初級側切換單元的一汲極是連接該初級側繞組的一另一端，該初級側切換單元的一閘極是連接該初級側驅動接腳； 一電流感測單元，該電流感測單元的一端連接至該電流感測接腳以及該初級側切換單元的一源極，該電流感測單元的一另一端連接至該初級側接地電位，該電流感測接腳產生一電流感測信號，該電流感測信號經該電流感測接腳而傳送至該初級側數位控制器； 一次級側切換單元，該次級側切換單元的一汲極是連接該次級側繞組的一端，該次級側繞組的一另一端是連接該次級側接地電位，該次級側切換單元的一閘極是連接該次級側驅動接腳；以及 一次級側輸出電容，該次級側輸出電容的一端以及一負載的一端是連接該次級側切換單元的一源極，該次級側輸出電容的一另一端以及該負載的一另一端是連接該次級側接地電位，在該次級側切換單元的源極產生一輸出電源，並供電給該負載， 其中該初級側數位控制器依據該電流感測信號而產生一初級側驅動信號，且經由該初級側驅動接腳傳送至該初級側切換單元的閘極，該初級側驅動信號為一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)信號，並具有一PWM頻率，且包含週期性的一導通位準以及一關閉位準，用以週期性打開導通或關閉該初級側切換單元，並改變該初級側繞組的一初級側電流，該次級側繞組是利用與該初級側繞組之間的電磁感應作用而產生一次級側電流，並經該次級側同步控制器的控制而流過該次級側切換單元以及該次級側輸出電容、該負載，該初級側數位控制器藉彈性降低對應於該電流感測信號的一電流感測上限值，而降低該初級側切換單元的一初級側汲源跨壓以及該次級側切換單元的一次級側汲源跨壓，該電流感測上限值是指用以判斷是否打開該初級側切換單元的一判斷值，該初級側切換單元是在該電流感測信號達到該電流感測上限值時被打開，該次級側同步控制器是依據該次級側電流或該次級側切換單元的汲極-源極跨壓而產生一次級側驅動信號，且經由該次級側驅動接腳傳送至該次級側切換單元的閘極，用以打開導通或關閉截止次級側切換單元。
  2. 如請求項1所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該初級側切換單元以及該次級側切換單元係包含一金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體、或一氮化鎵場效電晶體(GaN (Gallium Nitride) FET)、或一碳化矽-金氧半場效電晶體(SiC-MOSFET)。
  3. 如請求項1所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該次級側同步控制器是在該次級側電流由該次級側繞組流向該次級側切換單元時，或是在該次級側切換單元的汲極-源極跨壓為正時，藉該次級側驅動信號以打開導通該次級側切換單元，並在該次級側電流由該次級側切換單元流向該次級側繞組時，或是在該次級側切換單元的汲極-源極跨壓為負時，藉該次級側驅動信號以關閉截止該次級側切換單元。
  4. 如請求項3所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該初級側數位控制器進一步藉調整該初級側切換單元的一驅動力、進入準諧振模式(QR mode)、或調慢該初級側驅動信號的PWM頻率而降低該次級側切換單元的次級側汲源跨壓。
  5. 如請求項1所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該初級側數位控制器進一步藉調整該初級側切換單元的一最大工作(maximum duty)或一最小關閉時間(minimum off time)而配合該次級側同步控制器的一不同最小打開時間(minimum on time)，進而確保該初級側切換單元以及該次級側切換單元不會同時被導通，並降低該初級側切換單元的初級側汲源跨壓以及該次級側切換單元的次級側汲源跨壓。
  6. 一種調適性導通時間控制的電源控制系統，係用以實現一返馳(Flyback)電源轉換功能，包含： 一初級側數位控制器，包含一初級側電源接腳、一初級側接地接腳、一初級側驅動接腳以及一初級側電流感測接腳，該初級側接地接腳是連接至一初級側接地電位； 一整流單元，係接收並整流一外部輸入電源後產生一整流電源； 一電源單元，係接收該外部輸入電源，且經處理後產生並輸出一電源電壓，該電源接腳接收該電源電壓以供該初級側數位控制器； 一變壓器單元，包含相互耦合的一初級側繞組以及一次級側繞組，該初級側繞組的一端連接該整流單元以接收該整流電源； 一初級側切換單元，該初級側切換單元的一汲極是連接該初級側繞組的一另一端，該初級側切換單元的一閘極是連接該初級側驅動接腳； 一電流感測單元，該電流感測單元的一端連接至該電流感測接腳以及該初級側切換單元的一源極，該電流感測單元的一另一端連接至該初級側接地電位，該電流感測接腳產生一電流感測信號，該電流感測信號經該電流感測接腳而傳送至該初級側數位控制器； 一次級側整流二極體，該次級側整流二極體的一正極是連接該次級側繞組的一端；以及 一次級側輸出電容，該次級側輸出電容的一端以及一負載的一端是連接該次級側整流二極體的一負極，該次級側繞組的一另一端、該次級側輸出電容的一另一端以及該負載的一另一端是連接一次級側接地電位，該次級側整流二極體的負極產生一輸出電源，並供電給該負載， 其中該初級側數位控制器依據該電流感測信號而產生一初級側驅動信號，且經由該初級側驅動接腳傳送至該初級側切換單元的閘極，該初級側驅動信號為一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)信號，並具有一PWM頻率，且包含週期性的一導通位準以及一關閉位準，用以週期性打開導通或關閉該初級側切換單元，並改變該初級側繞組的一初級側電流，該次級側繞組是利用與該初級側繞組之間的電磁感應作用而產生一次級側電流，並經該次級側整流二極體而流至該次級側輸出電容、該負載，該初級側數位控制器藉彈性降低對應於該電流感測信號的一電流感測上限值，而降低該初級側切換單元的一初級側汲源跨壓以及該次級側切換單元的一次級側汲源跨壓，該電流感測上限值是指用以判斷是否打開該初級側切換單元的一判斷值，該初級側切換單元是在該電流感測信號達到該電流感測上限值時被打開。
  7. 如請求項6所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該初級側切換單元係包含一金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體、或一氮化鎵場效電晶體(GaN (Gallium Nitride) FET)、或一碳化矽-金氧半場效電晶體(SiC-MOSFET)。
  8. 如請求項6所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該初級側數位控制器進一步藉調整該初級側切換單元的一驅動力而降低該初級側切換單元的初級側汲源跨壓。
  9. 如請求項6所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該初級側數位控制器進一步藉進入準諧振模式(QR mode)而降低該初級側切換單元的初級側汲源跨壓。
  10. 如請求項6所述之調適性導通時間控制的電源控制系統，其中該初級側數位控制器進一步藉調慢該初級側驅動信號的PWM頻率而降低該初級側切換單元的初級側汲源跨壓。
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