TWI796201B - 電源轉換器轉換操作模式的方法 - Google Patents

電源轉換器轉換操作模式的方法 Download PDF

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Abstract

電源轉換器轉換操作模式的方法包含啟動應用於該電源轉換器的初級控制器使該電源轉換器操作於一正常模式；應用於該電源轉換器的次級控制器偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓以及該初級控制器偵測該電源轉換器的操作頻率；如果該電源轉換器的操作頻率低於一預定頻率且滿足一第一頻率條件時，該初級控制器控制該電源轉換器進入一睡眠模式；當該電源轉換器進入該睡眠模式且該輸出電壓低於一觸發電壓時，該次級控制器使該初級控制器控制該電源轉換器開啟。

Description

電源轉換器轉換操作模式的方法
本發明是有關於一種電源轉換器轉換操作模式的方法，尤指一種可大幅地降低該電源轉換器操作在空載時的功耗，以及加速該電源轉換器對應負載動態變化的響應的方法。
在現有技術中，雖然返馳式(flyback)電源轉換器在負載為無載(或輕載)時，應用於該返馳式電源轉換器的一次側的初級控制器可使該返馳式電源轉換器的操作頻率降低以降低該返馳式電源轉換器的功耗。然而此時因為該返馳式電源轉換器的操作頻率仍有幾百赫兹(Hz)，所以該返馳式電源轉換器的功耗仍舊無法被大幅地降低。
另外，在該返馳式電源轉換器操作在一正常模式後，當該返馳式電源轉換器的負載動態變化時，雖然該初級控制器會使該返馳式電源轉換器的操作頻率隨著該負載的變化而變化，但是該初級控制器對於該負載的變化的響應不夠快，所以該返馳式電源轉換器的操作頻率對於該負載的變化的響應也不夠快，導致該返馳式電源轉換器可能無法符合一些應用的規格。
因此，如何改進上述現有技術的缺點已成為該返馳式電源轉換器未來發展的一項重要的課題。
本發明的一實施例公開一種電源轉換器轉換操作模式的方法，其中一初級控制器(primary controller)和一次級控制器(secondary controller)應用於該電源轉換器。該方法包含啟動該初級控制器使該電源轉換器操作於一正常模式；該次級控制器偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓以及該初級控制器偵測該電源轉換器的操作頻率；如果該電源轉換器的操作頻率低於一預定頻率且滿足一第一頻率條件時，該初級控制器控制該電源轉換器進入一睡眠模式；當該電源轉換器進入該睡眠模式且該輸出電壓低於一觸發電壓時，該次級控制器使該初級控制器控制該電源轉換器開啟。
本發明提供一種電源轉換器轉換操作模式的方法。該方法是利用應用於該電源轉換器初級控制器和次級控制器之間的溝通來使該電源轉換器操作在空載時進入一睡眠模式並讓該電源轉換器的操作頻率能大幅地降低以降低該電源轉換器操作在空載時的功耗，以及使該電源轉換器的負載動態變化時進入該快速響應模式。因此，相較於現有技術，本發明不僅可大幅地降低該電源轉換器操作在空載時的功耗，也可加速該電源轉換器對應該負載動態變化的響應。
請參照第1圖，第1圖是本發明的第一實施例所公開的電源轉換器100和應用於電源轉換器100的初級控制器(primary controller)200和次級控制器(secondary controller)220的示意圖。如第1圖所示，電源轉換器100為一返馳式(flyback)電源轉換器，初級控制器200應用於電源轉換器100的一次側PRI，以及次級控制器220應用於電源轉換器100的二次側SEC。另外，為了簡化第1圖，第1圖省略了初級控制器200用以接地端GND1的接腳202、用以接收一回授電壓VFB的接腳204、用以接收一供電電壓VCC的接腳206以及耦接一功率開關208的接腳210、212以外的接腳，以及也省略了次級控制器220用以接收一輸出電壓VOUT的接腳222以及耦接一同步開關224的接腳226、228以外的接腳，其中輸出電壓VOUT另做為次級控制器220的供電電壓。另外，為了簡化第1圖，初級控制器200內只繪示出功率開關208，以及次級控制器220只繪示出同步開關224。另外，地端GND1的電位和地端GND2的電位不同。
請參照第2圖，第2圖是本發明的第二實施例所公開的一種電源轉換器切換操作模式的方法的流程圖。第2圖的方法是利用第1圖的電源轉換器100、初級控制器200和次級控制器220說明，詳細步驟如下：
步驟300：   開始；
步驟302：   啟動初級控制器200使電源轉換器100操作於一正常模式；
步驟304：   次級控制器220偵測電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT以及初級控制器200偵測電源轉換器100的操作頻率；
步驟306：   電源轉換器100的操作頻率是否低於一預定頻率且滿足一第一頻率條件；如果是，進行步驟308；如果否，跳回步驟304；
步驟308：   初級控制器200控制電源轉換器100進入一睡眠模式；
步驟310：   電源轉換器100的操作頻率是否高於該預定頻率且滿足一第二頻率條件；如果是，跳回步驟304；如果否，跳回步驟308。
首先，以電源轉換器100的二次側SEC的負載突然由無載(或輕載)到重載為例，詳細說明如下：
在步驟302中，請同時參照第1、3圖所示，在一時間T0，當一交流電源(未繪示於第1圖)開始提供電源轉換器100一交流電壓後，電源轉換器100內的一整流器(未繪示於第1圖)可整流該交流電壓以產生一直流電壓VIN，其中供電電壓VCC將根據直流電壓VIN產生，以及初級控制器200將被直流電壓VIN啟動以使電源轉換器100操作於該正常模式，其中初級控制器200啟動後被預設使電源轉換器100操作於該正常模式。因此，如第3圖所示，電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT從時間T0後開始逐漸增加。但因為電源轉換器100的二次側SEC的負載(未繪示於第1圖)為無載(或輕載)，所以初級控制器200內的一補償電壓VCOMP將由高轉低(如第3圖所示的時間T1)，導致控制功率開關208的一閘極信號GATE的頻率逐漸降低(如第3圖的圓圈A所示)。
在步驟304中，次級控制器220可通過接腳222偵測輸出電壓VOUT，以及初級控制器200偵測電源轉換器100的操作頻率。在步驟306中，該第一頻率條件為電源轉換器100的操作頻率持續低於該預定頻率(例如150Hz)一第一預定時間(例如50ms)或電源轉換器100的操作頻率(也就是閘極信號GATE的頻率)持續低於該預定頻率一第一預定週期數(例如10個週期)。
在步驟308中，如第3圖所示，在一時間T2，因為電源轉換器100的操作頻率持續低於該預定頻率該第一預定時間或電源轉換器100的操作頻率持續低於該預定頻率該第一預定週期數，所以初級控制器200控制電源轉換器100進入該睡眠模式，其中初級控制器200有關該睡眠模式的睡眠模式信號SLEEP將由低轉高。請同時參照第1、3圖，在電源轉換器100進入該睡眠模式後，在一時間T3，因為輸出電壓VOUT低於一觸發電壓VTRI，所以次級控制器220可從電源轉換器100的二次側SEC的同步開關224的汲極端抽取一脈衝電流IDRN，其中在次級控制器220從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN後，電源轉換器100的二次側繞組102的電壓將因脈衝電流IDRN產生變化，且電源轉換器100的二次側繞組102的電壓變化將通過電源轉換器100的輔助繞組NAUX使電源轉換器100的一次側PRI的回授電壓VFB變化。當回授電壓VFB的變化大於一第一參考電壓時，初級控制器200產生閘極信號GATE以開啟功率開關208。如第3圖所示，在功率開關208開啟後的預定時間PT(例如130μs)內，初級控制器200忽略回授電壓VFB的變化以避免偵測到回授電壓VFB因電源轉換器100的二次側SEC放電到零後所產生的自然諧振。另外，如第3圖所示，因為在電源轉換器100進入該睡眠模式後，初級控制器200只有在次級控制器220從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN時才會產生閘極信號GATE，所以電源轉換器100的操作頻率(也就是閘極信號GATE的頻率)將會大幅地降低。
在步驟310中，如第3圖所示，在電源轉換器100進入該睡眠模式後，在一時間T4，電源轉換器100的二次側SEC的負載突然由無載(或輕載)到重載，所以輸出電壓VOUT開始快速地下降。如第3圖所示，在一時間T5，輸出電壓VOUT低於觸發電壓VTRI，所以次級控制器220從電源轉換器100的二次側SEC的同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN以使初級控制器200產生閘極信號GATE。如第3圖所示，在時間T5後，因為輸出電壓VOUT持續低於觸發電壓VTRI，所以在一時間T6，次級控制器220從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN以使初級控制器200產生閘極信號GATE，其中一第一預定時間FPT(例如60μs)存在於時間T5和時間T6之間，也就是說在時間T5和時間T6之間，雖然輸出電壓VOUT持續低於觸發電壓VTRI，但次級控制器220並不會從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN。如第3圖所示，在時間T6後，因為輸出電壓VOUT還是持續低於觸發電壓VTRI，所以次級控制器220會每隔一第二預定時間SPT(例如30μs)從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN，其中第二預定時間SPT小於第一預定時間FPT。例如，在一時間T7，次級控制器220從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN，其中第二預定時間SPT存在於時間T6和時間T7之間。另外，如第3圖所示，在時間T7，因為回授電壓VFB的取樣值(未繪示於第3圖)小於一下限值(此時例如輸出電壓VOUT對應地小於觸發電壓VTRI*96%)，所以初級控制器200內的補償電壓VCOMP將由低轉高以控制電源轉換器100離開該睡眠模式到該正常模式(也就是閘極信號GATE的頻率將增加)，其中睡眠模式信號SLEEP也將據以由高轉低。另外，在時間T7後，雖然輸出電壓VOUT還是持續低於觸發電壓VTRI，但因為每兩個閘極信號GATE之間的時間間隔小於第一預定時間FPT，所以次級控制器220並不會從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN。
另外，在本發明的另一實施例中，如第3圖所示，在時間T4和時間T7期間，閘極信號GATE的頻率逐漸增加(也就是電源轉換器100的操作頻率逐漸增加)。此時，如果電源轉換器100的操作頻率持續高於該預定頻率一第二預定時間或電源轉換器100的操作頻率持續高於該預定頻率一第二預定週期數，初級控制器200內的補償電壓VCOMP也將由低轉高以控制電源轉換器100離開該睡眠模式到該正常模式，其中該第二預定時間(例如40ms)小於該第一預定時間(例如50ms)，以及該第二預定週期數(例如8個週期)小於該第一預定週期數(例如10個週期)。因為該第二預定時間小於該第一預定時間，以及該第二預定週期數小於該第一預定週期數，所以電源轉換器100離開該睡眠模式到該正常模式的時間將會小於電源轉換器100離開該正常模式到該睡眠模式的時間。
再來，以電源轉換器100的二次側SEC的負載逐漸由無載(或輕載)到重載且電源轉換器100已經操作在該睡眠模式為例，詳細說明如下：
在步驟308中，如第4圖所示，在一時間T1前，初級控制器200已經使電源轉換器100操作在該睡眠模式，所以睡眠模式信號SLEEP為高電位，其中在電源轉換器100操作在該睡眠模式期間，初級控制器200和次級控制器220的操作原理可參照第3圖相關的說明，在此不再贅述。
在步驟310中，如第4圖所示，在時間T1和一時間T2之間，電源轉換器100的二次側SEC的負載逐漸增加，所以輸出電壓VOUT低於觸發電壓VTRI的次數也逐漸增加，導致閘極信號GATE的頻率也逐漸增加(也就是電源轉換器100的操作頻率逐漸增加)。此時，如第4圖所示，在時間T1和時間T2之間，初級控制器200內的補償電壓VCOMP也會隨著電源轉換器100的二次側SEC的負載的增加而逐漸增加。如第4圖所示，在時間T2，因為電源轉換器100的操作頻率持續高於該預定頻率該第二預定時間或電源轉換器100的操作頻率持續高於該預定頻率該第二預定週期數，所以初級控制器200將控制電源轉換器100離開該睡眠模式到該正常模式，此時睡眠模式信號SLEEP將據以由高轉低，且補償電壓VCOMP也將維持在高電位。
請參照第5圖，第5圖是本發明的第三實施例所公開的一種電源轉換器操作在該正常模式後轉換至一快速模式的方法的流程圖。第5圖的方法是利用第1圖的電源轉換器100、初級控制器200和次級控制器220說明，詳細步驟如下：
步驟500：   開始；
步驟502：   初級控制器200使電源轉換器100操作於該正常模式；
步驟504：   次級控制器220偵測電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT以及初級控制器200偵測電源轉換器100的一次側PRI的回授電壓VFB；
步驟506：   當回授電壓VFB的取樣值VFBSH持續降低時，進行步驟508；當回授電壓VFB的取樣值VFBSH持續增加時，進行步驟512；
步驟508：   回授電壓VFB的取樣值VFBSH是否滿足一第一電壓條件；如果是，進行步驟510；如果否，跳回步驟506；
步驟510：   初級控制器200增加補償電壓VCOMP至一第一預定值VCOMPH，跳回步驟506；
步驟512：   回授電壓VFB的取樣值VFBSH是否滿足一第二電壓條件；如果是，進行步驟514；如果否，跳回步驟506；
步驟514：   初級控制器200減少補償電壓VCOMP至一第二預定值VCOMPL，跳回步驟506。
首先，以電源轉換器100的二次側SEC的負載動態變化為例，詳細說明如下：
在步驟504中，如第6圖所示，因為電源轉換器100的二次側SEC的負載動態變化，所以輸出電壓VOUT以及回授電壓VFB的取樣值VFBSH也會隨著該負載變化。
在步驟508中，如第6圖所示，在一時間T1前，因為電源轉換器100的二次側SEC的負載逐漸增加，所以輸出電壓VOUT以及回授電壓VFB的取樣值VFBSH逐漸降低。在步驟510中，如第6圖所示，在一時間T2時，當回授電壓VFB的取樣值VFBSH滿足該第一電壓條件時，初級控制器200增加補償電壓VCOMP至第一預定值VCOMPH以控制電源轉換器100進入該快速響應模式，所以在時間T2後閘極信號GATE的頻率可快速地從對應該正常模式的頻率值大幅地增加，其中該第一電壓條件為取樣值VFBSH的下降速度大於一第一預定速度或取樣值VFBSH小於該下限值(此時例如輸出電壓VOUT對應地小於觸發電壓VTRI*96%)。另外，如第6圖所示，在時間T2時，因為輸出電壓VOUT低於觸發電壓VTRI，所以次級控制器220從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN以使初級控制器200產生閘極信號GATE。另外，如第6圖所示，在時間T2後，雖然輸出電壓VOUT還是持續低於觸發電壓VTRI，但因為每兩個閘極信號GATE之間的時間間隔小於第一預定時間FPT，所以次級控制器220並不會從同步開關224的汲極端抽取脈衝電流IDRN。
在步驟512中，如第6圖所示，在一時間T3前，因為電源轉換器100的二次側SEC的負載逐漸減少，所以輸出電壓VOUT以及回授電壓VFB的取樣值VFBSH逐漸增加。在步驟514中，如第6圖所示，在時間T3時，當回授電壓VFB的取樣值VFBSH滿足該第二電壓條件時，初級控制器200減少補償電壓VCOMP至第二預定值VCOMPL以控制電源轉換器100也進入該快速響應模式，所以在時間T3後閘極信號GATE的頻率將從快速地降低至對應該正常模式的頻率值，其中該第二電壓條件為取樣值VFBSH的上升速度大於一第二預定速度或取樣值VFBSH大於一上限值(此時例如輸出電壓VOUT對應地大於觸發電壓VTRI*104%)。
綜上所述，本發明所提供的電源轉換器轉換操作模式的方法是利用該初級控制器和該次級控制器之間的溝通來使該電源轉換器操作在空載時進入該睡眠模式並讓該電源轉換器的操作頻率能大幅地降低以降低該電源轉換器操作在空載時的功耗，以及使該電源轉換器的負載動態變化時進入該快速響應模式。因此，相較於現有技術，本發明不僅可大幅地降低該電源轉換器操作在空載時的功耗，也可加速該電源轉換器對應該負載動態變化的響應。 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。
100:電源轉換器 102:二次側繞組 200:初級控制器 202、204、206、210、212、222、226、228:接腳 208:功率開關 220:次級控制器 224:同步開關 FPT:第一預定時間 GND1、GND2:地端 GATE:閘極信號 IDRN:脈衝電流 NAUX:輔助繞組 PRI:一次側 PT:預定時間 SPT:第二預定時間 SEC:二次側 SLEEP:睡眠模式信號 T0~T7:時間 VTRI:觸發電壓 VCOMP:補償電壓 VCOMPH:第一預定值 VCOMPL:第二預定值 VCC:供電電壓 VOUT:輸出電壓 VIN:直流電壓 VFB:回授電壓 VFBSH:取樣值 300~310、500~514:步驟
第1圖是本發明的第一實施例所公開的電源轉換器和應用於電源轉換器的初級控制器和次級控制器的示意圖。 第2圖是本發明的第二實施例所公開的一種電源轉換器切換操作模式的方法的流程圖。 第3、4圖是說明電源轉換器切換正常模式和睡眠模式的示意圖。 第5圖是本發明的第三實施例所公開的一種電源轉換器操作在該正常模式後轉換至一快速模式的方法的流程圖。 第6圖是說明電源轉換器切換正常模式和快速響應模式的示意圖。
300~310:步驟

Claims (10)

  1. 一種電源轉換器轉換操作模式的方法，其中一初級控制器(primary controller)和一次級控制器(secondary controller)應用於該電源轉換器，該方法包含： 啟動該初級控制器使該電源轉換器操作於一正常模式； 該次級控制器偵測該電源轉換器的二次側的輸出電壓以及該初級控制器偵測該電源轉換器的操作頻率； 如果該電源轉換器的操作頻率低於一預定頻率且滿足一第一頻率條件時，該初級控制器控制該電源轉換器進入一睡眠模式；及 當該電源轉換器進入該睡眠模式且該輸出電壓低於一觸發電壓時，該次級控制器使該初級控制器控制該電源轉換器開啟。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該第一頻率條件為該電源轉換器的操作頻率持續低於該預定頻率一第一預定時間或該電源轉換器的操作頻率持續低於該預定頻率一第一預定週期數。
  3. 如請求項1所述的方法，其中該次級控制器使該初級控制器控制該電源轉換器開啟包含： 該次級控制器從該電源轉換器的二次側的一同步開關的汲極端抽取一脈衝電流，其中該電源轉換器的二次側繞組的電壓將因該脈衝電流產生變化，且該電源轉換器的二次側繞組的電壓變化將通過該電源轉換器的輔助繞組使該電源轉換器的一次側的回授電壓變化；及 當該回授電壓的變化大於一第一參考電壓時，該初級控制器開啟該電源轉換器的一次側的功率開關。
  4. 如請求項3所述的方法，其中在該功率開關開啟後的預定時間內，該初級控制器忽略該回授電壓的變化。
  5. 如請求項1所述的方法，另包含： 在該電源轉換器進入該睡眠模式後，如果該電源轉換器的操作頻率高於該預定頻率且滿足一第二頻率條件時，該初級控制器控制該電源轉換器離開該睡眠模式。
  6. 如請求項5所述的方法，其中該第二頻率條件為該電源轉換器的操作頻率持續高於該預定頻率一第二預定時間或該電源轉換器的操作頻率持續高於該預定頻率一第二預定週期數。
  7. 如請求項1所述的方法，另包含： 在該電源轉換器進入該睡眠模式後，如果該電源轉換器的一次側的回授電壓的取樣值小於一下限值時，該初級控制器控制該電源轉換器離開該睡眠模式。
  8. 如請求項1所述的方法，另包含： 在該電源轉換器操作在該正常模式期間，該初級控制器偵測該電源轉換器的一次側的回授電壓； 如果該回授電壓的取樣值滿足一第一電壓條件或一第二電壓條件時，該初級控制器控制該電源轉換器進入一快速響應模式。
  9. 如請求項8所述的方法，其中該第一電壓條件為該回授電壓的取樣值的下降速度大於一第一預定速度或該電源轉換器的一次側的回授電壓的取樣值小於一下限值時，該初級控制器增加一補償電壓至一第一預定值以使該電源轉換器進入該快速響應模式。
  10. 如請求項8所述的方法，其中該第二電壓條件為該回授電壓的取樣值的上升速度大於一第二預定速度或該電源轉換器的一次側的回授電壓的取樣值大於一上限值時，該初級控制器減少一補償電壓至一第二預定值以使該電源轉換器進入該快速響應模式。
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