CN101340149A - 具有输入补偿的输出限流控制装置 - Google Patents

Abstract

一种脉波宽度调整控制器具有输入电压高低补偿的输出限流控制，能确保输入电压高低不同时输出过电流限制点趋于一致性，因此能降低电源供应器电路成本与简化PCB电路板的布局。本发明的交换电源供应器包括有一变压器、一功率开关、一第一侦测电路、一第二侦测电路以及一控制器。上述的控制器具有一控制端、一第一侦测端及一第二侦测端，该控制端耦接该功率开关的一受控端，该第一侦测端耦接该第一侦测电路用以接收一第一侦测信号，该第二侦测端耦接该第二侦测电路用以接收一第二侦测信号，其中该控制器基于该第二侦测端所接收的信号进行保护动作。

Description

具有输入补偿的输出限流控制装置

技术领域

本发明为一种脉波宽度调整控制器具有输入电压高低补偿的输出限流控制，能确保输入电压高低不同时输出过电流限制点趋于一致性，能降低电源供应器电路成本与简化PCB电路板的布局。

背景技术

如图1所示，为公知的返驰式电源供应器。开启电源后，输入电源VIN开始提供电力输入，首先经电阻R1提供微小电流对电容C2缓缓充电。当电容C2的电压达到动作电压VH，即电源电压VCC接脚(VCC pin)的电压达到动作电压VH后，比较器UVLO输出低准位信号以释放振荡电路OSC。此时，振荡电路OSC开始动作，输出脉冲信号到SR正反器的输入端S，SR正反器接收振荡电路OSC的脉冲信号后输出代表高准位的脉波信号到驱动电路DRIVER，而使驱动电路DRIVER驱动功率晶体管Q1的闸极使功率晶体管Q1导通(turn on)。一次侧电流开始由输入电源VIN流向变压器T1的一次侧、功率晶体管Q1和电流侦测电阻R2回到一次侧直流电源VIN的负极(即，接地)。当一次侧电流流经电阻R2所产生的电流侦测电压信号大于分压器DIVIDER所提供的参考电压时，导通周期控制比较器COMP输出代表高准位的重设信号到SR正反器的输入端R，此时驱动电路DRIVER输出转为低准位以停止功率晶体管Q1的导通。

在功率晶体管Q1导通(turn on)期间，变压器T1的二次侧因为绕组与输出整流二极管D2极性相反之故，无法传递能量到输出端VO而暂时将能量将储存于变压器T1中，功率晶体管Q1停止导通(turn off)后变压器T1各绕组极性即刻反转，此时二次侧绕组与输出整流二极管D2极性转变成正向而原储存于变压器T1中的能量被释放到输出端VO，提供连接输出端VO的负载与输出电容C3充电所需的电流。变压器T1中的储存能量释放完毕时二次侧绕组流经输出整流二极管D2的电流截止，输出电容C3释放储存的电荷以继续供应电流给输出端VO维持所需的负载电流。

接着，功率晶体管Q1维持截止(turn off)状态待下个周期振荡电路OSC再输出脉冲信号到SR正反器的输入端S后使功率晶体管Q1再度开启成导通状态。如此周而复始，使输出电压VO逐渐提高，光耦合器PH1也开始产生输出电压侦测电流，使分压器DIVIDER输出至比较器COMP正输入端(non-inverting input)的电压准位下降。如此，每周期的最大导通电流(通过电阻R2产生电流侦测信号至比较器COMP负输入端)开始减少，以减少传送输出端V0的能量。直至每个周期变压器T1一次侧所储存的能量1/2LI^2(L为变压器的电感，I为每个周期导通电流的最大值)等于负载所需的能量而达到稳定。因此，整体电路由这样的回授控制呈现稳定的开关动作，达到输出稳压的目的。

此公知的返驰式电源供应因为没有输入补偿及输出限流装置而仅靠电流侦测电阻R2保护，当发生过载情况时，会产生输出端过流的情况，其动作特性曲线如图2所示。于图2中，B点代表规格上的最大额定输出功率，而实际电路设计的最大输出功率Pmax的保护点C点会略大于最大额定输出功率。当变压器T1的二次侧所需的功率超过保护点C代表的功率(例如：负载毁损短路、人误触二次侧)时，由于功率输出(Pmax＝Vo*Io)以达最大而无法再提高的情况下，造成二次侧的输出电压Vo下降而输出电流Io上升。而输出电压Vo和提供电源电压VCC接脚的电压间为定比例(即次极绕组与辅助绕组的线圈比)关系，输出电压Vo的下降会使电源电压VCC接脚的电压也跟着下降。当提供电源电压VCC接脚的电压低于电压VL时，如图2所示的电流折返点D，振荡电路OSC停止输出脉冲信号，电源供应器进入保护状态停止输出能量。其中过载状态下的路径CDG为低输入电源VIN的情况(例如：输入电源VIN的来源为90V的AC市电)；而在高输入电源VIN的情况(例如：输入电源VIN的来源为264V的AC市电)，由于其最大输出功率Pmax在实际运作时会略高于低输入电源VIN的情况，过载状态下的路径为路经EFG。

如上所述，在过载的情况，输出电流Io会先大幅增加然后归零，将产生输出过电流大于满载电流甚多的不利情形，必须提高变压器T1、输出二极管D2、输出电容C3耐电流规格，因此增加电源供应器成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一具有输入电压高低补偿的输出限流控制的脉波宽度调整控制器，能确保输入电压高低不同时输出过电流限制点趋于一致性，使电源供应器电路设计可以不用因考虑输出过电流而采用较高规格元件或另增加额外的输出限流电路来保障元件无损坏危险发生，因此能降低电源供应器电路成本与简化PCB电路板的布局。

为达到上述目的，本发明提供一种交换电源供应器。上述的交换电源供应器包括有一变压器、一功率开关、一第一侦测电路、一第二侦测电路以及一控制器。上述的变压器具有一一次侧及一二次侧，用以将该一次侧接收的能量转换而从二次侧输出。上述的功率开关具有一第一端、一第二端及一受控端，该第一端耦接该变压器的该一次侧，该第二端耦接于地，该受控端耦接该控制端。上述的第一侦测电路耦接于该功率开关及接地之间，用以产生一第一侦测信号。上述的第二侦测电路耦接于该变压器的第二次侧，用以产生一第二侦测信号。上述的控制器具有一控制端、一第一侦测端及一第二侦测端，该控制端耦接该功率开关的该受控端，该第一侦测端耦接该第一侦测电路用以接收该第一侦测信号，该第二侦测端耦接该第二侦测电路用以接收该第二侦测信号，其中该控制器基于该第二侦测端所接收的信号进行保护动作。

本发明亦提供一种控制器，用以控制一交换电源供应器。上述的控制器包括有一振荡电路、一第一判断单元、一第二判断单元以及一逻辑控制电路单元。上述振荡电路用以产生一脉冲信号。上述第一判断单元接收一第一侦测信号，并据此产生一截止信号。上述第二判断单元接收该第二侦测信号，并据此产生一过流保护信号。上述逻辑控制电路单元接收该脉冲信号、该截止信号及该过流保护信号，并基于该脉冲信号、该截止信号及该过流保护信号产生一逻辑控制信号，以控制该交换电源供应器的运作。

因此，本发明利用补偿方式将高低不同输入电压的过流点补偿呈一致性，而具有高低不同输入电压下输出限流点非常接近的优点。

附图说明

图1为公知的返驰式电源供应器的示意图；

图2为公知未补偿的输出电压对应输出电流动作特性曲线图；

图3为本发明的交换式电源供应器代表图；

图4为本发明的输出电压对应输出电流动作特性曲线图；

图5为本发明在输出限流点动作波形图。

图6为本发明另一实施例的交换式电源供应器的示意图。

【主要元件附图标记说明】

110欠压保护电路

120振荡电路

130逻辑控制电路

140导通周期控制比较器

150过流比较器

160时间延迟电路

170驱动电路

180补偿装置

200输出侦测器

240、250判断单元

C1～C4电容器

COMP比较器

CONTROL LOGIC  逻辑控制电路

D1、D3二极管

DRIVER驱动电路

OSC振荡电路

PH1光耦合器

R1～R9电阻器

Q1功率开关

T1变压器

TIME DELAY时间延迟电路

U2回授稳压器

VCC电源电压

VO输入电压

VIN输入电源

VREF1、VREF2第一、二参考电压

具体实施方式

本发明的精神是利用在不同的输入电压作为输入电源时，变压器一次侧的电流侦测信号会随之产生不同大小的准位。将该电流侦测信号耦合至输出端侦测电路的回授信号，即可补偿回授信号的大小，使过流保护点在不同输入电源下也能趋近一致。

图3为本发明的交换式电源供应器代表图，包括控制器100、功率开关Q1、电流侦测器R2、变压器T1、输出侦测器200及补偿装置C5。电流侦测器R2侦测流经变压器T1一次侧的电流，并产生电流侦测信号至控制器100的电流侦测信号端CS，输出侦测器200侦测变压器T1的二次侧输出电压，并产生电压侦测信号至控制器100的电压回授端FB。在本实施例中，交换式电源供应器以返驰式为例说明，然实际上亦可为顺向式、推挽式、半桥式、全桥式等结构；该功率开关Q1为一NMOS晶体管，实际上亦可以PMOS晶体管、场效晶体管、双极性晶体管、IGBT实施，而不以此为限。控制器100即根据该电流侦测信号及该电压侦测信号控制功率开关Q1的导通与截止。控制器100包括欠压保护电路(UVLO，under voltage lockout)110、振荡电路单元120、逻辑控制电路单元130、导通周期控制比较器140、过流比较器150、时间延迟电路160及驱动电路170。控制器100的运作说明如下：

当输入电源VIN开始提供电力输入，首先经电阻R1对电容C2充电，以提供电源电压VCC接脚一电压。直到电容C2的电压超过一第一预定电压VH后，欠压保护电路110才由高准位信号转成低准为信号，以释放振荡电路单元120开始输出脉冲信号，如此***开始运作。控制器100由包含欠压保护电路110可确保电源电压VCC接脚有足够电压时才开始有输出，以防止电路工作异常损坏元件。

在一般的操作情况，振荡电路单元120产生脉冲信号到逻辑控制电路单元130，逻辑控制电路单元130接收该脉冲信号后输出代表高准位的脉波信号到驱动电路170，据此驱动电路输出驱动信号到功率开关Q1的闸极而使功率开关开启。输入电源VIN提供电流流经变压器T1、功率开关Q1、电流侦测器R2回到直流电源VIN)负极(一次侧接地端)。此时变压器T1输出绕组与输出二极管D2、D1极性相反，一次侧能量无法传递到输出端V0及电容C2，所以变压器T1将能量储存。当电流侦测信号端CS的电压高至一预定电压，使导通周期控制比较器140的正输入端的电位高于输入反向输入端的参考电压VREF1时，导通周期控制比较器140输出一截止信号到逻辑控制电路单元130，并使驱动电路170将功率开关Q2截止。直至下一个周期，振荡电路单元120再产生脉冲信号到逻辑控制电路单元130，逻辑控制电路单元接收该脉冲信号后输出代表高准位的脉波信号到驱动电路170，据此驱动电路输出驱动信号到功率开关Q1的闸极而使功率开关开启。如此周而复始，使整个***维持在稳定状态。

电压回授端FB耦接输出侦测器200，在本实施例中，输出侦测器200包含一光耦合器PH1，光耦合器PH1的一次侧产生一电流信号IFB流经电阻R7、R9、R8、补偿装置C5及电流侦测器R2而产生一直流信号，另外一次侧电感电流则于功率开关Q1导通状态时，流经功率开关Q1与电流侦测器R2以及补偿装置C5、电阻R7、R9、R8而产生一锯齿信号。因为同时有上述两个信号来源的迭加，因而于导通周期控制比较器140的正输入端产生具有一直流成分的锯齿电压信号，当锯齿电压信号的峰值高于负输入端的第一参考电压(VREF1)时产生一截止信号到逻辑控制电路单元170并使驱动电路将功率开关Q2截止。

由于变压器T1一次侧的电流增加的速度正比于输入电压VIN的大小(VIN/L，L为变压器T1的电感值)，所以较高的输入电压VIN，功率开关Q1的工作周期较小，而较低的输入电压VIN，功率开关Q1的工作周期较大。也就是在较高的输入电压VIN时，产生于导通周期控制比较器140的正输入端的锯齿电压信号将有较大的直流成分，而较低的输入电压VIN时，则有较低的直流成分。

请参照图5(1)，相较于较高的输入电压VIN，较低的输入电压VIN其直流成分较低，故将产生较高振辐的锯齿波信号，且其工作周期也较长。接着参照图5(3)，于较高的输入电压VIN时，在导通周期控制比较器140的正输入端的锯齿电压信号的直流成分较高；于较低的输入电压VIN时，在导通周期控制比较器140的正输入端的锯齿电压信号的直流成分较低。另外，由于在本实施例中，补偿装置C5为一电容，在功率开关Q1导通时，根据电流侦测器R2端的电压及光耦合器PH1的电压差储存电荷，故在较高的输入电源VIN所造成的电容跨压小于较低的输入电源VIN所造成的电容跨压，而补偿装置中包含电容，可以滤除一些不必要的噪声，使控制器100的动作更为精确。因此，参考图5(3)，在较低输入电压VIN的状态下而于功率开关Q1转为截止时，导通周期控制比较器140的正输入端的电压会被拉的较低。当然，本发明的补偿装置C5不限于电容，电阻或其它耦合元件，可将二次侧的电压或电流侦测信号耦合至一次侧的电流侦测信号均可。图5(4)为过流比较器150负输入端于较高输入电压及较低输入电压下的电压波形，由于相似于图5(3)，故不再累述。

在本发明的实施例中，系利用电流侦测器R2、补偿装置C5、光耦合器PH1与过流比较器150构成输出限流控制电路，利用将高低不同的输入电压来源作为输入电源VIN时光耦合器PH1的电流信号于电压回授端FB产生的电压不同，加上补偿装置C5将电流侦测电阻的电压信号耦合于回授端FB，使得回授端FB的峰值电压于输出过流点呈相同准位，如图5(5)所示，经过流比较器150的动作使得高低不同输入电压下输出限流点非常接近。当负载超过输出限流点时因电源电压VCC下降关闭功率开关动作使得输出电流立即下降折返到零。当然，为了避免噪声或非常短暂的干扰造成误判，在发生过流情况时，则时间延迟电路160将无法定时收到过流比较器150的比较信号而进入计时状态。当经过一预定时间长度(或预定周期数)后，时间延迟电路160即发出保护信号使控制器100进入保护状态，避免过流现象持续发生。

图4为本发明的输出电压对应输出电流动作特性曲线，A-B-C-E为低电压输入时的动作特性曲线，A-B-D-E为高电压输入时的动作特性曲线，C为低电压输入时的功率限制点与电流折返点，D为高电压输入时的功率限制点与电流折返点，此时的C与D点相近代表高低电压输入补偿一致，当输出电流超过功率限制点时输出电流立即折返到零。

如上所述，补偿装置可以使不同的高低电压的功率限制点几乎一致，然实际上本发明亦可不加入补偿装置下，其不同的高低电压的功率限制点相较于公知的电路仍有改善，故补偿装置非必要元件，而可依实际电路的要求，选择是否使用。

图6本发明另一实施例的交换式电源供应器的示意图。如图6所示，控制器包含欠压保护电路110、振荡电路单元120、逻辑控制电路单元130、一第一判断单元240、一第二判断单元250、时间延迟电路160及驱动电路170。图6实施例与图3实施例的差异仅在于将导通周期控制比较器140及过流比较器150以第一判断单元240、第二判断单元250来取代，故在此仅就第一判断单元240、第二判断单元250的运作进行说明。第一判断单元240判断电流侦测信号端CS的信号准位以决定输出信号的导通周期，而第二判断单元用以判断电压回授端FB的电压，以决定是否产生过流保护信号。在此实施例中，第一判断单元240、第二判断单元250可以分别以NPN双极性晶体管(BJT)、PNP双极性晶体管来实施，但实际实施上，也可以分别以PNP双极性晶体管、NPN双极性晶体管或其它可替代的判断元件来取代，不以此为限。由于补偿装置180，电压回授端FB的信号包含直流成分(由电压侦测信号提供)及锯齿信号成分(由电流侦测信号提供)。PNP双极性晶体管250的射极的输出信号准位会随着电压回授端FB的信号变大、变小，当电压回授端FB的信号准位大于一预定准位时，代表***正常运作；当电压回授端FB的信号准位小于该预定准位，代表***非正常运作。也就是说，当流经变压器T1一次侧的电流过高时，第二判断单元250输出一高准位信号的过流保护信号，时间延迟电路160持续收到过流保护信号超过一预定时间长度后，即发出保护信号使控制器100进入保护状态，避免过流现象持续发生。

如上所述，本发明在上文中已以较佳实施例揭示，但本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的保护范围。应注意的是，凡是与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的保护范畴之内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书的范围所界定的内容为准。

Claims (10)

1、一种交换电源供应器，其特征在于，包括有：

一变压器，具有一一次侧及一二次侧，用以将该一次侧接收的能量转换而从二次侧输出；

一功率开关，具有一第一端、一第二端及一受控端，该第一端耦接该变压器的该一次侧，该第二端耦接于地；

一第一侦测电路，耦接于该功率开关及接地之间，用以产生一第一侦测信号；

一第二侦测电路，耦接于该变压器的第二次侧，用以产生一第二侦测信号；以及

一控制器，具有一控制端、一第一侦测端及一第二侦测端，该控制端耦接该功率开关的该受控端，该第一侦测端耦接该第一侦测电路用以接收该第一侦测信号，该第二侦测端耦接该第二侦测电路用以接收该第二侦测信号，其中该控制器基于该第二侦测端所接收的信号进行保护动作。

2、如权利要求1所述的交换电源供应器，其特征在于，更包含一补偿装置耦接于该第一侦测电路及该第二侦测电路之间，以将该第二侦测信号基于该第一侦测信号进行补偿。

3、如权利要求2所述的交换电源供应器，其特征在于，其中该补偿装置包含一电容。

4、如权利要求2所述的交换电源供应器，其特征在于，其中该第二侦测电路包含一光耦合器。

5、如权利要求2至4之一所述的交换电源供应器，其特征在于，其中该变压器还包含一辅助绕组，用以提供能量给该控制器。

6、如权利要求2所述的交换电源供应器，其特征在于，其中补偿后的该第二侦测信号包含一直流成分及一锯齿信号成分。

7、一种控制器，用以控制一交换电源供应器，其特征在于，包括有：

一振荡电路，产生一脉冲信号；

一第一判断单元，接收一第一侦测信号，并据此产生一截止信号；

一第二判断单元，接收该第二侦测信号，并据此产生一过流保护信号；以及

一逻辑控制电路单元，接收该脉冲信号、该截止信号及该过流保护信号，并基于该脉冲信号、该截止信号及该过流保护信号产生一逻辑控制信号，以控制该交换电源供应器的运作。

8、如权利要求7所述的控制器，其特征在于，更包含一补偿装置，耦接该第一侦测信号及一第二侦测信号，并基于该第一侦测信号补偿该第二侦测信号。

9、如权利要求8所述的控制器，其特征在于，更包含一时间延迟单元，耦接于该判断单元及该逻辑控制电路单元之间，该时间延迟单元于该过流保护信号持续产生超过一预定时间长度时，送出该过流保护信号至该逻辑控制电路单元。

10、如权利要求8所述的控制器，其特征在于，其中该补偿信号包含一直流成分及一锯齿信号成分。

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