TWI839936B - 返馳式電源轉換器以及其控制方法 - Google Patents

返馳式電源轉換器以及其控制方法 Download PDF

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本發明實施例提供一種控制方法，適用於一返馳式電源轉換器。該返馳式電源轉換器包含有一變壓器、一電源控制器、一主功率開關、一斬波開關、一儲能電感、以及一操作電源電容。該控制方法包含有：開啟該主功率開關一開啟時間，以增加該變壓器之電磁能；以及，於該開啟時間內，開啟該斬波開關，透過該變壓器、該斬波開關、與該儲能電感，對該操作電源電容充電，以建立一操作電源，供電予該電源控制器。該電源控制器控制該主功率開關。

Description

返馳式電源轉換器以及其控制方法
本發明大致係關於返馳式電源轉換器以及其控制方法，尤指可以有效率地提供一電源控制器所需之一操作電源的返馳式電源轉換器與其控制方法。
返馳式電源轉換器的架構簡單，廣受一般電源業界所採用，可以提供位於一次側的市電輸入與二次側的被供電負載之間的電氣隔絕，同時又可以提供大範圍的輸出電壓。
返馳式電源轉換器可以作為USB(Universal Serial Bus，通用串列匯流排)的電源供應器。因為USB的PD(power delivery，電源傳輸)協定對於輸出電壓支援加大，要求輸出電源可以切換調控於5V到20V這樣4倍的輸出電壓範圍。4倍輸出電壓範圍，可以透過返馳式電源轉換器來支援。
但是，4倍輸出電壓範圍，這樣大範圍的輸出電壓變化，往往也帶來其他技術方面的挑戰。
本發明實施例提供一種控制方法，適用於一返馳式電源轉 換器。該返馳式電源轉換器包含有一變壓器，具有一主繞組以及一輔助繞組。該主繞組與一主功率開關串聯於一輸入電源線與一輸入接地線之間。該輸入電源線上具有一輸入電源。該輔助繞組具有一順向端連接至該輸入接地線。該返馳式電源轉換器另包含有一整流二極體、一斬波開關、以及一儲能電感，串接於一電源端以及該輔助繞組之一逆向端之間。該返馳式電源轉換器另包含有一操作電源電容，連接於該電源端以及該輸入接地線之間。該控制方法包含有：開啟該主功率開關一開啟時間；以及，於該開啟時間內，開啟該斬波開關，以使該輸入電源，透過該變壓器、該整流二極體、該斬波開關以及該儲能電感，對該操作電源電容充電。
本發明實施例提供一種返馳式電源轉換器。該返馳式電源轉換器包含有一變壓器、一主功率開關、一電源控制器、一整流二極體、一斬波開關、一儲能電感、以及一操作電源電容。該變壓器具有一主繞組、一二次側繞組以及一輔助繞組。該輔助繞組具有一順向端連接至一輸入接地線。該主功率開關與該主繞組串接於一輸入電源線與該輸入接地線之間。該電源控制器，控制該主功率開關，具有一電源端。該整流二極體、該斬波開關、以及該儲能電感串接於該電源端以及該輔助繞組之一逆向端之間。該操作電源電容連接於該電源端以及該輸入接地線之間，提供該電源控制器之一操作電源。
本發明實施例提供一種控制方法，適用於一返馳式電源轉換器。該返馳式電源轉換器包含有一變壓器、一電源控制器、一主功率開關、一斬波開關、一儲能電感、以及一操作電源電容。該控制方法包含有：開啟該主功率開關一開啟時間，以增加該變壓器之電磁能；以及，於 該開啟時間內，開啟該斬波開關，透過該變壓器、該斬波開關、與該儲能電感，對該操作電源電容充電，以建立一操作電源，供電予該電源控制器。該電源控制器控制該主功率開關。
100、200、300:返馳式電源轉換器
102、202、302:電源控制器
112、212、312:順向端
306:連接點
314:逆向端
500、600:控制方法
502、504、506、508、602、606、608:步驟
BK:降壓轉換器
CO:輸出電容
CVCC1、CVCC2、CVCC3:操作電源電容
DA、DA3:整流二極體
DF:飛輪二極體
GNDI:輸入接地線
H:電磁能
IDS:偵測電流
ILF:電流
LA1、LA2、LA3:輔助繞組
LDO1:線性穩壓器
LF:儲能電感
LIN:輸入電源線
LP1、LP2、LP3:主繞組
LS1、LS2、LS3:二次側繞組
M1、M2、M3、M4:模式
SF:控制訊號
SW:主功率開關
SSW:驅動訊號
SWF:斬波開關
t11、t12、t13:時間點
TCYC1、TCYC2、TCYC3、TCYC4:開關週期
TF1、TF2、TF3:變壓器
TOFF1、TOFF2、TOFF3、TOFF4:關閉時間
TON1、TON2、TON3、TON4:開啟時間
TSF:脈衝寬度
V304:電壓訊號
VCC1、VCC2、VCC3:操作電源電壓
VCC1、VCC2、VCC3:操作電源
VIN:電源端
VLIN:輸入電源電壓
VLIN:輸入電源
VOUT:輸出電壓
VO:輸出電源
圖1與圖2顯示返馳式電源轉換器。
圖3顯示依據本發明所實施的一返馳式電源轉換器。
圖4A-4D分別顯示操作於模式M1-M4下，圖3中的一些訊號波形。
圖5與圖6顯示兩種控制方法。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
圖1為返馳式電源轉換器(flyback power converter)100。串接於輸入電源線LIN與輸入接地線GNDI之間有主繞組LP1與主功率開關SW。變壓器TF1包含有相電感耦合的主繞組LP1、二次側繞組LS1與輔助繞組LA1。當主功率開關SW開啟呈現短路時，輸入電源線LIN上的輸入電源VLIN透過主繞組LP1增加變壓器TF1的電磁能。當主功率開關SW關閉呈現開路時，透過二次側繞組LS1，變壓器TF1的電磁能釋放，而建立輸出電源VO，具有輸出電壓VOUT。因此，返馳式電源轉換器100將輸入電源線LIN上的輸入電源VLIN，轉換為跨於輸出電容CO上的輸出電源VO。輸入電源線 LIN與輸入接地線GNDI可以為一橋式整流器之兩個整流輸出，而橋式整流器之兩個輸入連接到一交流市電。為了支援USB PD協議，圖1中的輸出電壓VOUT可以切換調控於5V到20V這樣4倍的輸出電壓範圍。
從圖1可以得知，當二次側繞組LS1對輸出電容CO充電時，二次側繞組LS1的跨壓大約會等於輸出電壓VOUT，而提供給電源控制器102的操作電源電壓VCC1大約會比例於輸出電壓VOUT。因此，當輸出電壓VOUT變化4倍時，意味著操作電源電壓VCC1也會有4倍的變化。
在圖1中，操作電源電容CVCC1作為能量儲存，提供操作電源VCC1，其具有操作電源電壓VCC1，給電源控制器102的電源端VIN。電源控制器102需要有適當的操作電源VCC1，來提供電源控制器102正常操作時所需要的電能。舉例來說，操作電源VCC1的操作電源電壓VCC1至少需要12V，電源控制器102才能夠正常地開啟主功率開關SW。如果操作電源電壓VCC1的最低值是12V，出現在輸出電壓VOUT為最低電壓時，那意味著在輸出電壓VOUT符合USB PD，上升到最高電壓(最低電壓的4倍)時，操作電源電壓VCC1大約會是48V。這表示電源控制器102需要能夠耐受到約50V，相關製程將會相當昂貴。
為了降低圖1之電源控制器102的製程成本，圖2舉例在輔助繞組LA2與電源控制器202的電源端VIN之間，插入線性穩壓器(Low dropout，LDO)LDO1，來限制操作電源VCC2的操作電源電壓VCC2。舉例來說，線性穩壓器LDO1可以限制操作電源電壓VCC2不大於20V，因此電源控制器202可以採用耐受20V的製程來製作就可以。但是線性穩壓器LDO1在工作時，尤其在大電壓跨壓時，會損耗相當多的電能，對於圖2中返馳式 電源轉換器200的電能轉換效率，會有不良的影響。
圖3為依據本發明所實施的返馳式電源轉換器300。返馳式電源轉換器300、200、100彼此之間相同或是相似之處，可以透過先前解說而得知，不再累述。與返馳式電源轉換器200、100的輔助繞組LA1與LA2不同的，返馳式電源轉換器300中的變壓器TF3，其中的輔助繞組LA3，連接的極性方向相反。輔助繞組LA1與LA2的順向端112與212(有打點的那一端)連接到整流二極體DA，而輔助繞組LA3的順向端312(有打點的那一端)連接到輸入接地線GNDI。
從輔助繞組LA3的逆向端314(沒有打點的那一端)開始，到電源控制器302的電源端VIN之間，依序串接有整流二極體DA3、斬波開關SWF、以及儲能電感LF。連接點306連接了斬波開關SWF與儲能電感LF。飛輪二極體DF連接於連接點306與輸入接地線GNDI之間。操作電源電容CVCC3作為能量儲存，直接提供操作電源VCC3，其具有操作電源電壓VCC3，給電源控制器302的電源端VIN。電源控制器302提供驅動訊號SSW與控制訊號SF，分別控制主功率開關SW與斬波開關SWF。
斬波開關SWF、飛輪二極體DF、以及儲能電感LF這樣的組合，可以視為降壓轉換器(buck converter)BK，用來對操作電源電容CVCC3充電，產生操作電源VCC3，其具有操作電源電壓VCC3。降壓轉換器BK的輸入電源由輔助繞組LA3的電壓訊號V304，透過整流二極體DA3整流後來提供。換言之，只有當電壓訊號V304大於操作電源電壓VCC3時，降壓轉換器BK才能正常工作，用來對操作電源電容CVCC3充電。
圖4A到圖4D分別顯示操作於模式M1-M4下，圖3中的一些 訊號波形。每個圖4A-4D，由上到下，顯示有提供給主功率開關SW的驅動訊號SSW、在逆向端304上的電壓訊號V304、流經主功率開關SW的偵測電流IDS、變壓器TF3所儲存的電磁能H、流經儲能電感LF的電流ILF、以及提供給斬波開關SWF的控制訊號SF。
圖4A中的開關週期TCYC1顯示操作電源電容CVCC3如何被充電。驅動訊號SSW在時間點t11開啟了主功率開關SW，在時間點t12關閉了主功率開關SW，定義了從t11到t12的開啟時間TON1。在時間點13，驅動訊號SSW又開啟了主功率開關SW，所以開關週期TCYC1結束。從t12到t31的這段時間定義為關閉時間TOFF1。開關週期TCYC1由開啟時間TON1與TOFF1所構成。控制訊號SF大約於時間點t12，或是在時間點t12後一預定時間，關閉斬波開關SWF，如同圖4A所示。
在開啟時間TON1內，電壓訊號V304為一正值，大致反映跨於主繞組LP3上的跨壓，大約是輸入電源電壓VLIN。舉例來說，假定主繞組LP3、二次側繞組LS3、輔助繞組LA3的圈數分別是NP3、NS3與NA3，在開啟時間TON1內，電壓訊號V304大約會維持在VLIN*NA3/NP3。
在開啟時間TON1內，電壓訊號V304高於操作電源電壓VCC3。斬波開關SWF在開啟時間TON1內維持開啟。因此，降壓轉換器BK從輔助繞組LA3汲取電流，不但對操作電源電容CVCC3充電，也增加儲能電感LF的電磁能。因此，電流ILF隨著時間而增加。換言之，在開啟時間TON1內，透過變壓器TF3、整流二極體DA3、斬波開關SWF以及儲能電感LF，輸入電源VLIN對操作電源電容CVCC3充電，以建立操作電源VCC3，供電予電源控制器302
在開啟時間TON1內，輸入電源VLIN需要供應輔助繞組LA3被降壓轉換器BK所汲取的電能，也透過主繞組LP3增加變壓器TF3的電磁能H，所以偵測電流IDS與電磁能H線性的增加。在圖4A中，為了方便說明，偵測電流IDS與電磁能H並列在一起。在開啟時間TON1內，偵測電流IDS超過電磁能H的部分，比例於電流ILF。舉例來說，ILF=(IDS-H)＊NP3/NA3。
關閉時間TOFF1開始時，二次側繞組LS2的跨壓被輸出電壓VOUT所箝制，電磁能H透過二次側繞組LS3而釋放給輸出電容CO，儲能電感LF所儲存的電磁能也透過飛輪二極體DF對操作電源電容CVCC3釋放。因此，在圖4中的關閉時間TOFF1中，電磁能H與電流ILF一開始都隨著時間而減少。
在關閉時間TOFF1內，因為主功率開關SW關閉，所以偵測電流IDS保持為0A。
如同圖4A中的關閉時間TOFF1所示，電壓訊號V304一開始時轉變為一負值，大致反映跨於二次側繞組LS3上的跨壓(約為輸出電壓VOUT)。舉例來說，在關閉時間TOFF1開始時，電壓訊號V304大約會維持在-VOUT*NA3/NS3。在電磁能H釋放到為0後，變壓器TF3與一些元件寄生電容構成電感電容震盪電路，因此，電磁能H與電壓訊號V304開始震盪，直到下一個開關週期的開始，如同圖4A所示。
電流ILF在開啟時間TON1內，隨著時間而上升。電流ILF從關閉時間TOFF1開始，隨著時間而減少，直到等於0A。電流ILF可以對操作電源電容CVCC3充電，提高操作電源電壓VCC3。
圖4B中的開關週期TCYC2顯示操作電源電容CVCC3如何停止被充電。開關週期TCYC2跟開關周其TCYC1的主要差異，在於開關週期TCYC2內，斬波開關SWF一直維持關閉。因此，在開關週期TCYC2內，電流ILF一直維持為0電流，沒有對操作電源電容CVCC3充電。也因為電流ILF一直維持為0，在開啟時間TON2內，圖4B中偵測電流IDS大約就是等於電磁能H。
圖4C中的開關週期TCYC3顯示操作電源電容CVCC3如何被充電。開關週期TCYC3的控制訊號SF，顯示了斬波開關SWF在整個開關週期TCYC3內，一直維持開啟。因為電壓訊號V304只有在開啟時間TON3大於操作電源電壓VCC3，所以，在開關週期TCYC3內，偵測電流IDS與電流ILF的訊號波形，都跟開關週期TCYC1中的偵測電流IDS與電流ILF訊號波形一樣。
圖4D中的開關週期TCYC4顯示操作電源電容CVCC3如何在開啟時間TON4的部分時間被充電。圖4D中，控制訊號SF的脈衝寬度TSF小於開啟時間TON4，而脈衝寬度TSF表示斬波開關SWF的開啟時間。相較於圖4A中的開關週期TCYC1，圖4D中的電流ILF在斬波開關SWF關閉後，就從一峰值開始下降。偵測電流IDS也在斬波開關SWF關閉後，就迅速降到等於電磁能H。
在一實施例中，電源控制器302可以採用模式M1-M3，來粗略地控制操作電源電壓VCC3。圖5顯示一種電源控制器302所採用的控制方法500。在步驟502，電源控制器302比較操作電源電壓VCC3與20V。如果操作電源電壓VCC3大於20V，步驟506將返馳式電源轉換器300操作於圖4B的模式M2，不對操作電源電容CVCC3充電。因此，操作電源電壓VCC3將會隨著時 間能量的損耗，而漸漸的降低。在步驟504，電源控制器302比較操作電源電壓VCC3與12V。如果操作電源電壓VCC3小於12V，步驟508將返馳式電源轉換器300操作於圖4A的模式M1或圖4C的模式M3，在開啟時間TON1或TON3時，固定對操作電源電容CVCC3充電，拉高操作電源電壓VCC3。如果操作電源電壓VCC3於12V到20V之間，返馳式電源轉換器300可能操作於模式M1、M2、M3其中之一。控制方法500可以大約地維持操作電源電壓VCC3於12V到20V之間。
在一實施例中，電源控制器302可以採用圖4D的模式M4，來相對準確地調控操作電源電壓VCC3。圖6顯示一種電源控制器302所採用的控制方法600。控制方法600以控制訊號SF作為一脈波寬度調變信號，來控制斬波開關SWF，使得操作電源電壓VCC3大約調控於15V。在步驟602，電源控制器302比較操作電源電壓VCC3與15V。如果操作電源電壓VCC3大於15V，步驟606將返馳式電源轉換器300操作於模式M4，且減少控制訊號SF的脈衝寬度TSF，減少提供給操作電源電容CVCC3的電能。如果步驟602發現操作電源電壓VCC3小於15V，步驟608將返馳式電源轉換器300操作於模式M4，且增加控制訊號SF的脈衝寬度TSF，增加提供給操作電源電容CVCC3的電能。控制方法600可以比較準確地調控操作電源電壓VCC3於15V。
圖5與圖6中，控制方法500與600都可以將操作電源電壓VCC3控制於低於20V，因此，電源控制器302只要能夠耐受20V就可以。如此，電源控制器302可以採用比較簡單並便宜的製程製作。
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。
300:返馳式電源轉換器
302:電源控制器
312:順向端
306:連接點
314:逆向端
BK:降壓轉換器
CO:輸出電容
CVCC3:操作電源電容
DA3:整流二極體
DF:飛輪二極體
GNDI:輸入接地線
IDS:偵測電流
ILF:電流
LA3:輔助繞組
LF:儲能電感
LIN:輸入電源線
LP3:主繞組
LS3:二次側繞組
SF:控制訊號
SW:主功率開關
SSW:驅動訊號
SWF:斬波開關
TF3:變壓器
V304:電壓訊號
VCC3:操作電源電壓
VCC3:操作電源
VIN:電源端
VLIN:輸入電源電壓
VLIN:輸入電源
VOUT:輸出電壓
VO:輸出電源

Claims (9)

  1. 一種控制方法，適用於一返馳式電源轉換器，該返馳式電源轉換器包含有一變壓器，具有一主繞組以及一輔助繞組，該主繞組與一主功率開關串聯於一輸入電源線與一輸入接地線之間，該輸入電源線上具有一輸入電源，該輔助繞組具有一順向端連接至該輸入接地線，該返馳式電源轉換器另包含有一整流二極體、一斬波開關、以及一儲能電感，串接於一電源端以及該輔助繞組之一逆向端之間，該返馳式電源轉換器另包含有一操作電源電容，連接於該電源端以及該輸入接地線之間，該控制方法包含有；
    開啟該主功率開關一開啟時間；以及
    於該開啟時間內，開啟該斬波開關，以使該輸入電源，透過該變壓器、該整流二極體、該斬波開關以及該儲能電感，對該操作電源電容充電。
  2. 如申請專利範圍第1項之控制方法，另包含有：
    比較該操作電源以及一第一電壓值；
    比較該操作電源以及一第二電壓值，其中，該第二電壓值低於該第一電壓值；
    當該操作電源大於該第一電壓值時，於該開啟時間內，固定關閉該斬波開關，以使該輸入電源無法透過該變壓器對該操作電源電容充電；以及
    當該操作電源低於該第二電壓值時，於該開啟時間內，固定開啟該斬波開關，以使該輸入電源透過該變壓器對該操作電源電容充電。
  3. 如申請專利範圍第1項之控制方法，另包含有：提供一脈波寬度調變信號，來控制該斬波開關，以使該操作電源調控於一預設電壓值。
  4. 一種返馳式電源轉換器，包含有：一變壓器，具有一主繞組、一二次側繞組以及一輔助繞組，其中該輔助繞組具有一順向端連接至一輸入接地線；一主功率開關，該主功率開關與該主繞組串接於一輸入電源線與該輸入接地線之間；一電源控制器，控制該主功率開關，具有一電源端；一整流二極體、一斬波開關、以及一儲能電感，串接於該電源端以及該輔助繞組之一逆向端之間；以及一操作電源電容，連接於該電源端以及該輸入接地線之間，提供該電源控制器之一操作電源；其中，該電源控制器開啟該主功率開關一開啟時間；以及於該開啟時間內之一預設時間，該電源控制器開啟該斬波開關，以使該輸入電源線上之一輸入電源，透過該變壓器、該整流二極體、該斬波開關以及該儲能電感，對該操作電源電容充電。
  5. 如申請專利範圍第4項之返馳式電源轉換器，其中，該整流二極體、該斬波開關、以及該儲能電感依序串接於該第二端與該電源端之間，且該返馳式電源轉換器另具有一飛輪二極體，連接於該儲能電感與該輸入接地線之間。
  6. 如申請專利範圍第4項之返馳式電源轉換器，當該操作電源大於一第一 電壓值時，該電源控制器固定關閉該斬波開關，以使該輸入電源無法對該操作電源電容充電；當該操作電源低於一第二電壓值時，於該開啟時間內，該電源控制器固定開啟該斬波開關，以使該輸入電源於該開啟時間內持續透過該變壓器對該操作電源電容充電；以及，該第一電壓值大於該第二電壓值。
  7. 如申請專利範圍第4項之返馳式電源轉換器，其中，該電源控制器提供一脈波寬度調變信號，來控制該斬波開關，以使該操作電源調控於一預設電壓值。
  8. 一種控制方法，適用於一返馳式電源轉換器，該返馳式電源轉換器包含有一變壓器、一電源控制器、一主功率開關、一斬波開關、一儲能電感、以及一操作電源電容，該控制方法包含有：開啟該主功率開關一開啟時間，以增加該變壓器之電磁能；以及於該開啟時間內，開啟該斬波開關，透過該變壓器、該斬波開關、與該儲能電感，對該操作電源電容充電，以建立一操作電源，供電予該電源控制器；其中，該電源控制器控制該主功率開關。
  9. 如申請專利範圍第8項之控制方法，另包含有：依據該操作電源，控制該斬波開關。
TW111142257A 2022-11-04 2022-11-04 返馳式電源轉換器以及其控制方法 TWI839936B (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20140043867A1 (en) 2011-07-12 2014-02-13 Fuji Electric Co., Ltd. Switching power supply device control circuit and switching power supply

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