CN2886631Y - 一次侧控制电源供应器的切换式控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是有关于一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其包含有一回授合成单元、一波形产生单元、一功率限制单元、一振荡器与一切换讯号产生单元;回授合成单元接收电源供应器的一次侧的供应电压,输出一回授讯号,而波形产生单元接收供应电压与振荡器产生的一锯齿波讯号,输出一功率限制准位,功率限制单元接收功率限制准位与电源供应器的一感测讯号,输出一功率限制讯号;切换讯号产生单元接收功率限制讯号、感测讯号、回授讯号与振荡器产生的一振荡讯号,输出一切换讯号,控制该电源供应器的输出电压、输出电流与输出功率。
Description
技术领域:
本实用新型是有关于一种切换式控制装置,特别是关于一种一次侧控制切换式电源供应器的切换式控制装置,其是一次侧控制电源供应器的输出电压、输出功率与输出电流。
背景技术:
按,切换式电源供应器具有高效率、体积小与重量轻等优点,故已广泛地应用在许多电子设备与电脑。典型的切换式电源供应器通常包含有一切换式控制装置、一功率开关、一变压器与一回授控制电路,回授控制电路是用来侦测电源供应器的二次侧的输出电压和输出电流,该回授控制电路是透过如光耦合器的隔离元件连接到切换式控制装置,以构成回授回路。
请参考图1,为习知电源供应器的电路图;当输入电源VIN开始供电时,透过串联的一启动电阻RST开始对一启动电容CST进行充电,直到一供应电压VCC达到一切换式控制装置5的启动电压,紧接着,切换式控制装置5的一切换讯号产生单元54开始输出一切换讯号VPWM来驱动一功率开关Q1以进行切换一变压器T1。经过启动程序后,供应电压VCC是由变压器T1的辅助绕组NA透过一整流器DA所提供。
复参考图1,习知电源供应器藉由在变压器T1的二次侧设置一光耦合器O1,用以达成变压器T1的一、二次侧隔离,光耦合器O1的输入端受一电阻RK与一稽纳二极体Z1的稽纳电压驱动,使输出端产生一回授讯号VFB,而传输至切换讯号产生单元54,以形成回授控制电路。回授讯号VFB决定切换讯号VPWM的导通时间tON,即决定电源供应器的输出功率。此外,一电晶体Q2结合一电流感测电阻RO,用以决定电源供应器的最大输出电流IO。当输出电流IO增加,并且跨于电流感测电阻RO两端的电压超过该电晶体Q2的接面电压如0.7V,电晶体Q2将导通,以减少回授讯号VFB,如此即可降低切换讯号VPWM的导通时间tON,因而使得电源供应器的输出电流IO被限制为一定值。
虽然先前的电路能够用来稳定调整电源供应器的输出电压VO与输出电流IO,但是在不去除光耦合器O1与二次侧回授控制电路的情况下,要达到缩小电源控制器的体积是很困难的。再者,用于定电流输出的电流感测电阻RO会造成增加电源供应器的功率损耗。
复参考图1,在电源供应器中,输出功率限制是用于过载与短路保护,电源供应器藉由一检知电阻RS与功率开关Q1串联,以决定最大输出功率。实现的方法是将该检知电阻RS的一感测讯号VCS传输到切换式控制装置5的一功率限制比较器53的负端,当该感测讯号VCS大于功率限制准位VM时,该切换讯号产生单元54将周期性地调整切换讯号VPWM的导通时间tON,并且也将限制电源供应器的最大输出功率。
切换讯号产生单元54包含有一比较器542、一及闸544与一正反器546,比较器542比较运算回授讯号VFB与感测讯号VCS,以输出一调变讯号VPO,调变讯号VPO传送到及闸544,其逻辑运算功率限制比较器53输出的一功率限制讯号VOC与调变讯号VPO,输出一重置讯号VRST至正反器546,正反器546接收重置讯号VRST及一振荡器56的一振荡讯号CLK,而输出切换讯号VPWM到功率开关Q1,控制电源供应器的输出电压、输出电流与输出功率。
储存于变压器T1的激磁电感上的能量ε可由下式表示:
其中,IP与LP分别为变压器T1的一次侧电流与激磁电感值;PO为电源供应器的输出功率;T为变压器T1的切换周期。上述变压器T1的一次侧电流IP可表示为如下:
其中,VIN为输入电源;tON为该切换讯号VPWM的导通时间。
由上述第(1)和(2)式可知电源供应器的输出功率PO可表示为如下:
由方程式第(3)式可得知电源供应器的输出功率PO会随着输入电源VIN的改变而产生变化。当考虑到安规(safety)时,电源供应器的输入电源VIN的电压范围系由交流电90伏特(90Vac)到264伏特(264Vac),较高的输入电压(264Vac),其输出功率限制通常高于较低的输入电压(90Vac)的输出功率限制,而高低电压的输入电源VIN之间往往有数倍的差异。在实务的应用上,不同的输入电源VIN应有相同的输出功率限制。习用的电源供应器虽然透过回授控制电路可自动地调整切换讯号VPWM的导通时间tON,而使得输出功率保持固定值,即当感测讯号VCS高于最大功率限制准位VM时,此时切换讯号VPWM的最大导通时间tON将受到限制。但是受到切换讯号产生单元54的传输延迟时间td影响,较高的输入电源VIN与较低的输入电源VIN的最大输出功率将会有一定的差异,如此当电源供应器的输入电源VIN较高时,电源供应器将输出较大的功率,而会使得电源供应器的电子元件必须承受较高的功率,将会容易产生损坏的情形,进而降低电源供应器的使用寿命。
请参考图2,为习知切换讯号相对于高低输入电源的功率限制准位的波形图;当输入电源VIN为高电压时,将产生斜率较陡的感测讯号VCS,HV,所以斜率较陡的感测讯号VCS,HV与最大功率限制准位VM进行比较后,该切换讯号产生单元54所产生的切换讯号VPWM的导通时间tON1较短。当输入电源VIN为低电压时,将产生斜率较缓的感测讯号VCS,LV,所以斜率较缓的感测讯号VCS,LV与最大功率限制准位VM进行比较后,切换讯号产生单元54所产生的切换讯号VPWM的导通时间tON2较长。
当感测讯号VCS高于最大功率限制准位VM的瞬间,该切换讯号产生单元54的切换讯号VPWM会受到传输延迟的影响,并不会立即截止,而需经过一段传输延迟时间td后才会截止,在该传输延迟时间td之内,功率开关Q1持续导通,即电源供应器将继续输出功率。因此,实际的切换讯号VPWM的导通时间ton等于ton+td。由图2所示可知,在相同的传输延迟时间td下,当输入电源VIN为较高电压时,实际的功率限制准位VM,HV较高,而输入电源VIN为较低电压时,实际的功率限制准位VM,LV较低于VM,HV。
实际的输出功率如下式所示:
比较方程式第(3)与(4)式可知,由于受到传输延迟时间td的影响,使得激磁电流比理论值多上(VIN/LP)*td。因此,在输入高电压之输入电源VIN时,将会有较大的功率限制准位,而输出较高的功率。虽然该传输延迟时间td很短,通常介于250ns到300ns的范围,但是因较高的操作频率的该切换周期T较小,所以该传输延迟时间td所造成的影响更形加剧。
因此,本实用新型即在针对上述问题而提出一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其可不必使用光耦合器、二次侧回授控制电路与电流感测电阻,即可控制电源供应器的输出电压与输出电流,如此可减少电源供应器的元件数目,进而减少电源供应器的体积以及制作成本。此外,本实用新型更可达到宽广的输入电压范围下有相同的输出功率限制。
实用新型内容:
本实用新型的主要目的,在于提供一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其是藉由一次侧控制电源供应器,而可控制电源供应器的输出电压与输出电流,以减少电源供应器的元件数目、缩小体积与节省制造成本。
本实用新型的另一目的,在于提供一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其是藉由波形产生单元,于宽广的输入电压范围下达成相同的输出功率限制的目的。
本实用新型一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其包含有一回授合成单元、一波形产生单元、一功率限制单元、一振荡器与一切换讯号产生单元,回授合成单元接收电源供应器的一次侧的一供应电压,输出一回授讯号,波形产生单元则接收供应电压与振荡器产生的一锯齿波讯号,输出与一功率限制准位,供应电压与电源供应器的输出电压成比例,功率限制单元接收功率限制准位与电源供应器的一感测讯号,输出一功率限制讯号至切换讯号产生单元,切换讯号产生单元亦接收感测讯号、回授讯号与振荡器产生的一振荡讯号,输出一切换讯号,控制该电源供应器的输出电压、输出功率与输出电流。
本实用新型的有益效果是:根据本实用新型所提出的一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,可以减少电源供应器的元件数目、缩小体积与节省制造成本。
附图说明:
图1为习知电源供应器的电路图;
图2为习知切换讯号相对于高低输入电源的功率限制准位的波形图;
图3为本实用新型实施例的电路图;
图4为本实用新型实施例的调整单元与回授合成单元的电路图;
图5为本实用新型实施例的波形产生单元的电路图;
图6为本实用新型实施例的功率限制波形单元的电路图;
图7为本实用新型的功率限制准位相对于供应电压的曲线图;
图8为本实用新型的功率限制准位相对于切换讯号的波形图。
图号说明:
5切换式控制装置 53功率限制比较器
54切换讯号产生单元 542比较器 544及闸
546正反器 56振荡器 6切换式控制装置
61调整单元 611电晶体 612电晶体
613电晶体 614电晶体 615电晶体
62回授合成单元 621电晶体 622电晶体
623电晶体 624电晶体 625第一运算放大器
626第一电晶体 627电晶体 628电晶体
629电晶体 63功率限制单元 64切换讯号产生单元
642比较器 644及闸 646正反器
65波形产生单元 651第三运算放大器 652第三电晶体与
653右电晶体 654左电晶体 66振荡器
670电晶体 671电晶体 672第二电晶体
675第二运算放大器 676稽纳二极体 68功率限制波形单元
681电晶体 682电晶体 683转换单元
685电晶体 686电晶体 CST启动电容
CLK振荡讯号 DA整流器 I1第一电流
I2第二电流 I3第三电流 I4第四电流
I5第五电流 I6第六电流 I8第八电流
IB比例电流 IC电源电流 IF汲极电流
IFB回授电流 IO输出电流 IL调整电流
ILMT功率限制电流 IR参考电流 ISAW锯齿波电流
IT限制电流源 ITH锯齿波限制电流 IVCC供应电流
IX第一电流源 NA辅助绕组 NS二次侧绕组
O1光耦合器 Q1功率开关 Q2电晶体
R1第一電阻 R2第二电阻 R3第三电阻
R4第四电阻 R5第五电阻 R6第六电阻
R7第七电阻 R8第八电阻 RS检知电阻
RST启动电阻 RK电阻 RO电流感测电阻
T1变压器 td延迟时间 tON1导通时间
tON2导通时间 VA辅助绕组电压 VCC供应电压
VCS感测讯号 VCS,HV感测讯号 VCS,LV感测讯号
VFB回授讯号 VIN输入电源 VLMT功率限制准位
VM功率限制准位 VW,HV功率限制准位 VM,LV功率限制准位
VO输出电压 VOC功率限制讯号 VPO调变讯号
VPWM切换讯号 VR参考电压 VRST重置讯号
VSAW锯齿波讯号 Z1稽纳二极体
具体实施方式:
为使审查员对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识,谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明,说明如后:
请参考图3,为本实用新型实施例的电路图;本实用新型是不需使用光耦合器与二次侧回授控制电路,图示中的VA与VS分别为变压器T1的一次测绕组即辅助绕组NA与二次侧绕组NS的电压,辅助绕组NA透过整流器DA提供供应电压VCC,二次侧绕组电压VS与辅助绕组电压VA可表示为:
其中NS为变压器T1的二次侧绕组的匝数;φ为变压器T1的磁通量;NA为变压器T1的辅助绕组的匝数。
由上述的方程式第(5)和(6)式可得:
由上述方程式第(7)式可以得知,辅助绕组电压VA与变压器T1的二次侧绕组电压VS成正比,由于辅助绕组电压VA会随着二次侧绕组电压VS变动而改变,所以藉由侦测变压器T1的一次侧电压即辅助绕组电压VA,即可以得知电源供应器的输出电压。
复参考图3,本实用新型的切换式控制装置6包含有一调整单元61、一回授合成单元62、一功率限制单元63、一切换讯号产生单元64、一波形产生单元65与一振荡器66。调整单元61、回授合成单元62与波形产生单元65接收供应电压VCC,调整单元61与回授合成单元62相连接,回授合成单元62的输出端连接至切换讯号产生单元64,回授合成单元62是根据供应电压VCC的改变而产生一正比例的回授电流IFB(如图4所示),该回授电流IFB相对地产生回授讯号VFB,以控制切换讯号VPWM的导通时间tON。
当输出电流IO增加,变压器T1的二次侧绕组电压VS与辅助绕组电压VA降低,供应电压VCC亦相对降低,回授电流IFB将会随着减少,而回授讯号VFB将会增加,该回授讯号VFB增加将使得切换讯号VPWM的导通时间tON增加,以提高电源供应器的供应电压VCC与输出电压VO。相反地,当输出电流IO减少,变压器T1的二次侧绕组电压VS与辅助绕组电压VA将会增加,而供应电压VCC会随着增加,使得回授电流IFB增加,而回授讯号VFB会降低,该回授讯号VFB降低将使得切换讯号VPWM的导通时间tON减少,以降低电源供应的供应电压VCC与输出电压VO。
当负载变动时,流经变压器T1的辅助绕组NA的电流会随着变动,该电流的变化量会在整流器DA与辅助绕组NA上产生不同的电压降,如此将影响侦测输出电压VO的精确度,本发明藉由调整单元61解决上述问题,让辅助绕组NA与整流器DA上的电压降保持为一定值。调整单元61产生一调整电流IL(如图4所示),是用以补偿回授电流IFB的变化量,调整电流IL与回授电流IFB是成反比例,如此可保持流经整流器DA与辅助绕组NA的供应电流IVCC为一固定的电流值,该定值的供应电流IVCC可使得负载于变动时,整流器DA与辅助绕组NA上的电压降保持为一定值,如此可提高透过辅助绕组NA侦测输出电压VO的精确度。
复参考图3,切换讯号产生单元64连接至回授合成单元62、功率限制单元63、振荡器66与功率开关Q1,切换讯号产生单元64是接收感测讯号VCS、回授讯号VFB、功率限制讯号VOC与振荡讯号CLK,以输出切换讯号VPWM到功率开关Q1;功率限制单元63为比较器,其运算感测讯号VCS与功率限制准位VLMT,输出功率限制讯号VOC。
切换讯号产生单元64包含有一比较器642、一及闸644与一正反器646,比较器642连接至回授合成单元62、功率限制单元63与切换式控制装置6的侦测端SENSE,用以接收回授讯号VFB与感测讯号VCS,同时比较运算回授讯号VFB与感测讯号VCS,用以产生调变讯号VPO并传送到及闸644,该及闸644更连接至功率限制单元63,用以接收功率限制讯号VOC,及闸644逻辑运算功率限制讯号VOC与调变讯号VPO,输出重置讯号VRST至正反器646的一重置端(R),正反器646的一输入端(D)与一时脉端(CK)更分别接收有供应电压VCC与振荡器66发送的振荡讯号CLK,用以产生切换讯号VPWM,并藉由一输出端(Q)传输至功率开关Q1的控制端。
上述说明中,正反器646为一D型正反器,当电源供应器的输出端发生过大功率时,及闸644逻辑运算输出至D型正反器的重置端(R)的重置讯号VRST,将驱使D型正反器调整输出端(Q)输出的切换讯号VPWM,达成周期性截止切换讯号VPWM,该D型正反器可由SR型正反器或者JK型正反器替代。
请参考图4,为本实用新型实施例的调整单元与回授合成单元的电路图;本发明的回授合成单元62包含有一参考电流产生电路、复数电流镜、一回授电流产生电路与一第四电阻R4;该参考电流产生电路,包括有一第一运算放大器625、一第一电晶体626与一第一电阻R1,用以转换一参考电压VR为定值的一参考电流IR;复数电流镜包含有一第一电流镜,其包括有电晶体623、624;一第三电流镜,其包括有电晶体628、629;一第四电流镜,其包括有电晶体621、622;一第五电流镜,其包括有电晶体670、71;回授电流产生电路包括有一稽纳二极体676、一第二电阻R2、一第三电阻R3、一第二运算放大器675与一第二电晶体672,用以产生一回授电流IFB。
第一运算放大器625的正端接收参考电压VR,而第一运算放大器625的输出端连接至第一电晶体626的闸极,第一电晶体626的源极连接至第一运算放大器625的负端;第一电阻R1连接至第一电晶体626的源极与接地端之间,第一电晶体626的汲极产生定值的参考电流IR;电晶体623、624的闸极和电晶体623与第一电晶体626的汲极相连接,电晶体623、624的源极皆连接至供应电压VCC;电晶体628、629的闸极与电晶体624、628的汲极相连接,电晶体628、629的源极皆连接至接地端;电晶体621、622的闸极与电晶体621、629、670的汲极相连接,电晶体621、622的源极皆连接至供应电压VCC。
复参考图4,电晶体670、671的源极连接至供应电压VCC,电晶体670、671的闸极与电晶体671的汲极相连接至第二电晶体672的汲极;第二电晶体672的汲极电流为回授电流IFB,第二电晶体672的闸极连接至第二运算放大器675的输出端,第二电晶体672的源极连接至第二运算放大器675的负端,第二电阻R2连接至第二电晶体672的源极与接地端之间,第三电阻R3连接至第二运算放大器675的正端与接地端之间,稽纳二极体676的阳极连接至第二运算放大器675的正端,稽纳二极体676的阴极连接至供应电压VCC;第四电阻R4连接至电晶体622的汲极与接地端之间,用以转换电晶体622的汲极电流IF为回授讯号VFB。
定值的参考电流IR是藉由第一运算放大器625的参考电压VR所产生,该定值的参考电流IR可表示为IR=VR/R1;第一电流镜是由定值的参考电流IR映射出一第一电流I1,第三电流镜是由第一电流I1映射出一第三电流I3。当输出电压VO随着负载变动而改变时,变压器T1的辅助绕组NA将产生对应的供应电压VCC,回授电流IFB可以表示为:
其中VZ为稽纳二极体676的电压。
由上式可知,回授电流IFB是随着供应电压VCC的变动成正比例的改变,当供应电压VCC随着负载增加而降低时,回授电流IFB将根据方程式第(8)式所示而降低;第五电流镜是由回授电流IFB映射出一第五电流I5,由于第三电流I3为定值,所以回授电流IFB下降相对于第五电流I5下降时,依据I4=I3-I5使得第四电流I4增加;第四电流镜是由第四电流I4映射出汲极电流IF,该第四电阻R4转换该汲极电流IF为回授讯号VFB。因此,因为第四电流I4增加,所以汲极电流IF亦提高,而回授讯号VFB将随之增加。回授讯号VFB增加使得切换讯号VPWM的导通时间tON也增加,即提高输出电压VO。相反的,由于负载降低使得输出电压VO增加时,回授电流IFB将会增加,回授讯号VFB将会降低使得切换讯号VPWM的导通时间tON也减少,以降低输出电压VO。
复参考图3,变压器T1的辅助绕组NA所产生的电压VA将透过整流器DA整流,对切换式控制装置6提供供应电压VCC,辅助绕组电压VA是依据负载的变动而改变,也就是不同的负载将使得辅助绕组NA上产生不同的电压,辅助绕组电压VA所产生的变动的电压,将造成回授电流IFB与供应电流IVCC随之改变,变动的供应电流IVCC将在整流器DA与辅助绕组NA上产生不同的电压降,如此对于侦测辅助绕组电压VA的准确度,将会有极大的影响。为了避免在整流器DA与辅助绕组NA上产生不同的电压降,必须使得供应电流IVCC为定值。
复参考图4,本实用新型是藉由调整单元61产生调整电流IL,用以补偿回授电流IFB的变化量,也就是说,当回授电流IFB随着供应电压VCC的变动而成比例改变时,该调整单元61是会使调整电流IL随回授电流IFB的变动而成反比例调变,使得供应电流IVCC保持为定值,调整单元61包含有复数电流镜,其包含有一第二电流镜,包括有电晶体623、627;一第六电流镜,其包括有电晶体671、613;一第七电流镜,其包括有电晶体611、612;一第八电流镜,其包括有电晶体614、615。
电晶体627的闸极连接至电晶体623的闸极,电晶体613、627的源极连接至供应电压VCC,电晶体611、615、627的汲极是与电晶体611、612的闸极相连接;电晶体614、615的闸极是与电晶体613、614的汲极相连接,电晶体611、612、614、615的源极皆连接至接地端,电晶体612的汲极连接至供应电压VCC;电晶体613的闸极连接至电晶体671的闸极。
第六电流镜是由回授电流IFB映射出一第六电流I6,第二电流镜是由定值参考电流IR映射出第二电流I2,第八电流镜是由第六电流I6映射出第八电流I8,第七电流镜是由第二电流I2与第八电流I8相减的电流值映射出调整电流IL,该调整电流IL可表示为:
假设IB=IC,由上述方程式第(11)式取代IB,功率限制讯号VLMT可表示为:
已知电源供应器的输出功率为输出电压与输出电流的乘积,因此,若能适当的调变电源供应器的输出功率,则将可达成定电流的要求。假使电源供应器于满载时的输出功率为PO1=VO×IO,当电源供应器的输出电流大于设定值时,电源供应器将进入定电流模式,把输出电流箝制在设定值,直到输出电压降为原设定电压的一半,即输出电压在VO与0.5VO的范围内时,将箝制输出电流在设定值,因此,当输出电流视为定值,输出电压降为原来的一半,可以得到输出功率为PO2=0.5×VO×IO。
藉由能量转换的关系,电源供应器的输出功率PO可以表示为:
PO=(1/2)×LP×IP 2×f (15)
其中LP为变压器T1的一次侧激磁电感值;IP为变压器T1的一次侧电流;f为切换频率。若PO1与PO2的一次侧峰值电流分别为IP1与IP2,则IP1与IP2必须满足下示:
由方程式第(16)式可得:
IP2=0.707×IP1 (17)
其中IP1为最大输出电流的一次侧电流。
IL=N7(I2-N8×I6) (9)
其中,N7与N8别表示第七电流镜与第八电流镜的比例,因为第六电流镜是由回授电流IFB映射出六电流I6,所以方程式第(9)式可表示为:
IL=N7(I2-N8×N6×IFB) (10)
其中,N6为第六电流镜的比例。
由图4可得知供应电流IVCC可表示为IVCC=IFB+IL,且依据方程式第(10)式得知,当回授电流IFB增加时,调整电流IL将随之降低,反之当回授电流IFB下降时,调整电流IL将随之增加。因此设置调整电流IL可使得供应电流IVCC保持为定值,以避免整流器DA与辅助绕组NA上产生不同的电压降,而影响到侦测辅助绕组电压VA的准确度。
请参考图5,为本实用新型实施例的波形产生单元的电路图;该波形产生单元65,包含有一电源电流产生电路、一第八电阻R8、一第一电流源IX、一功率限制波形单元68与第九电流镜,其包括有一右电晶体653与一左电晶体654;右电晶体653与左电晶体654的源极相连接,右电晶体653、左电晶体654的闸极与左电晶体654、第三电晶体652的汲极相连接;第八电阻R8连接至右电晶体653的汲极与接地端之间;第一电流源IX连接至供应电压VCC与右电晶体653、左电晶体654的源极之间;功率限制波形单元68连接至供应电压VCC与右电晶体653的汲极之间,功率限制波形单元68并与振荡器66连接,接收振荡器66的一锯齿波讯号VSAW,用以输出一功率限制电流ILMT。
其中,该电源电流产生电路包含一第五电阻R5、一第六电阻R6、一第三运算放大器651、一第三电晶体652与一第七电阻R7;第五电阻R5连接至供应电压VCC与第三运算放大器651的正端之间,第六电阻R6连接至第三运算放大器651的正端与接地端之间,第三运算放大器651的输出端连接至第三电晶体652的闸极,第三运算放大器651的负端连接至第三电晶体652的源极,第七电阻R7连接至第三电晶体652的源极与接地端之间,第三电晶体652的汲极产生的汲极电流为一电源电流IC。
复参考图5,供应电压VCC经过第五电阻R5与第六电阻R6分压后的电压讯号,透过电源电流产生电路将该电压讯号转换成正比于供应电压VCC的电源电流IC,其可表示为:
第九电流镜是由电源电流IC在右电晶体653的汲极映射出一比例电流IB,而第一电流源IX可表示为:
IX=IB+IC (12)
复参考图5,该功率限制波形单元68连接于供应电压VCC与第九电流镜之间和该振荡器66,接收该锯齿波讯号VSAW与该供应电压VCC,产生一功率限制电流ILMT,该功率限制电流ILMT与比例电流IB相加后,再透过第八电阻R8在右电晶体653的汲极产生一功率限制准位VLMT,其系可表示为:
VLMIT=IB×R8+ILMT×R8 (13)
参考上述可知,当输出电压降为原来一半,藉由限制一次侧电流为最大输出电流情形的一次侧电流的0.707倍,即可以达成定电流输出。由上述可知,若想在输出电压为VO与0.5VO的范围内将输出电流箝制在设定值,则需调变切换式控制器内部的功率限制准位。
请参考图6,为本实用新型实施例的功率限制波形单元的电路图;该功率限制波形单元68包含有一转换单元683、一第十电流镜、一第十一电流镜、一限制电流源IT与第一电流I1,转换单元683连接该振荡器66,接收锯齿波讯号VSAW,并将锯齿波讯号VSAW的电压值等比例转换成一锯齿波电流ISAW,ISAW=VSAW/RA,RA为转换单元683的电阻值。第十电流镜连接转换单元683,接收该锯齿波电流ISAW,该第十电流镜包含有电晶体681与电晶体682,电晶体681与电晶体682的闸极系相连接并与电晶体681的汲极和转换单元683相连接。转换单元683输出锯齿波电流ISAW流入电晶体681的汲极,并且在电晶体682的汲极映射产生一锯齿波限制电流ITH,ITH=N10×ISAW,N10为第十电流镜的比例。电晶体681与电晶体682的源极相连接,并且又连接到限制电流源IT。因此,第十电流镜输出的锯齿波限制电流ITH的最大电流值是由限制电流源IT所限制,N10×ISAW IT。
第十一电流镜包含有电晶体685与电晶体686。电晶体685与电晶体686的源极连接到供应电压VCC。电晶体685与电晶体686的闸极相连接并与电晶体685、682的汲极和回授合成单元62的第一电流镜的第一电流I1相连接(如图4所示),该第一电流I1是由该参考电流IR所映射产生。锯齿波限制电流ITH与第一电流I1流入电晶体685的汲极,并且在电晶体686的汲极映射产生功率限制电流ILMT。该功率限制电流ILMT=N11×(ITH+I1),N11为第十一电流镜的比例。
请参考图7,为本实用新型的功率限制准位相对于供应电压的曲线图;其为电源供应器输出定值的输出电流时,功率限制准位VLMT相对于供应电压VCC的曲线图。依据方程式第(15)式与第(16)式,可以决定图7上的曲线,当输出电压为VO,且输出电流为定值电流IO时,功率限制准位VLMT为VX,此时供应电压为VCC;当输出电压为0.5VO,且输出电流为定值电流IO时,功率限制准位VLMT为0.707VX,此时供应电压为0.5VCC。
复参考图5,假设
并且KY=ILMT×R8,由上述可知功率限制讯号VLMT=VX与VLMT=0.707VX分别对应于供应电压VCC与0.5VCC,从方程式第(14)式可得知:
VCC×Kx+Ky=VX (18)
0.5VCC×Kx+Ky=0.707VX (19)
复参考图5,本实用新型藉由波形产生单元65可产生功率限制准位VLMT,依据方程式第(18)式与第(19)式,功率限制准位VLMT可依据适当地选择KX与KY,即恰当选择第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7与第八电阻R8的电阻值与功率限制电流ILMT,即可以产生功率限制准位VLMT。当供应电压为VCC时,功率限制准位VLMT被箝制在电压VX,最大输出功率受到限制。
本实用新型所提出的波形产生单元65在不需要侦测输入电压,即可应用于输出功率限制。当电源供应器的感测讯号VCS高于该功率限制准位VLMT时,该切换式控制装置将周期性地截止切换讯号VPWM。如图8所示,本发明的波形产生单元65所产生的功率限制准位VLMT具有斜率,非如习用般为固定的值。
当电源供应器的输入电源为高输入电压时,电源供应器将产生斜率较陡的感测讯号VCS,HV,其会受到一个较低的功率限制讯号VLMT所制约。而当电源供应器的输入电源为低输入电压时,电源供应器将产生斜率较缓的感测讯号VCS,LV,其会受到一个较高的功率限制讯号VLMT所制约。一旦感测讯号VCS,HV或VCS,LV高于该功率限制准位VLMT时,该切换讯号VPWM即将截止。
本实用新型的波形产生单元65所产生的功率限制准位VLMT,主要当输入电压较高时,功率限制就会较低,当输入电压较低时,功率限制就会较高,如此加上传输延迟时间td后,对于较低的输入电压与较高的输入电压来说,可以达到一相同的输出功率限制。此外,当电源供应器的输入电压过低时(brownoutcondition),为了防止输出电流过大与限制输出功率,以保护电源供应器,该波形产生单元65产生的功率限制准位VLMT,亦可限制过低输入电压,所产生的感测讯号VCS,BO,以限制电源供应器的输出功率。
综上所述,本实用新型提出一次侧控制电源供应器的切换式控制装置6,包含有调整单元61与回授合成单元62,并结合变压器T1的辅助绕组NA,以稳定调整电源供应器的输出电压为一定值,再者,本发明提出的切换式控制装置6更包含有波形产生单元65,以达成输出功率限制,并且使输出电流为一定值。本实用新型提出的切换式控制装置6透过一次侧控制电路,可稳定调整输出电压与提供一定值的输出电流,如此即可不需要在变压器T1的二次侧设置回授控制电路,因而达到降低电源供应器的零件数目、体积与成本。
以上所述,仅为本实用新型的较佳实施例而已,并非用来限定本实用新型实施的范围,凡依本实用新型申请专利范围所述的形状、构造、特征及原理的等变化与修饰,均应包含于本实用新型的申请专利范围内。
Claims (12)
1、一种一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,包含有:
一振荡器,产生一振荡讯号与一锯齿波讯号;
一回授合成单元,接收该电源供应器的一次侧的一供应电压,输出一回授讯号,该供应电压与该电源供应器的输出电压成比例;
一波形产生单元,接收该供应电压与该锯齿波讯号,输出一功率限制准位;
一功率限制单元,接收该功率限制准位与该电源供应器的一感测讯号,输出一功率限制讯号;
一切换讯号产生单元,接收该振荡讯号、该功率限制讯号、该感测讯号与该回授讯号,输出一切换讯号,控制该电源供应器的输出电压、输出电流与输出功率。
2、如权利要求1所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该回授合成单元包含有:
一参考电流产生电路,接收定值的一参考电压,输出定值的一参考电流;
一第一电流镜,映射该参考电流,产生一第一电流;
一第三电流镜,映射该第一电流,产生一第三电流;
一回授电流产生电路,接收该供应电压,产生一回授电流;
一第五电流镜,映射该回授电流,产生一第五电流;
一第四电流镜,映射一第四电流,产生一汲极电流,该第四电流为该第五电流与该第三电流的差值;
一第四电阻,转换该汲极电流,产生该回授讯号。
3、如权利要求2所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该参考电流产生电路包含有:
一第一电阻,一端连接于一接地端;
一第一运算放大器,其包括有一正端、一负端与一输出端,该正端接收该参考电压;
一第一电晶体,其包括有一源极、一闸极与一汲极,该源极连接于该第一运算放大器的该负端与该第一电阻的另一端,该闸极连接于该第一运算放大器的该输出端,该汲极输出定值的该参考电流。
4、如权利要求2所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该回授电流产生电路包含有:
一基纳二极体,其包括有一阳极与一阴极,该阴极接收该供应电压;
一第二运算放大器,其包括有一正端、一负端与一输出端,该正端连接于该基纳二极体的该阳极;
一第二电阻,一端连接于一接地端;
一第三电阻,一端连接于该接地端,另一端连接于该第二运算放大器的该正端;
一第二电晶体,其包括有一源极、一闸极与一汲极,该源极连接于该第二运算放大器的该负端与该第二电阻的另一端,该闸极连接于该第二运算放大器的该输出端,该汲极输出该回授电流。
5、如权利要求1所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该波形产生单元包括有:
一电源电流产生电路,接收该供应电压,输出一电源电流;
一第九电流镜,映射该电源电流,产生一比例电流;
一功率限制波形单元,连接于该供应电压与该第九电流镜之间和该振荡器,接收该锯齿波讯号与该供应电压,产生一功率限制电流;
一第一电流源,连接于该供应电压与该第九电流镜之间;
一第八电阻,连接于该第九电流镜与一接地端之间,转换该功率限制电流与该比例电流,产生该功率限制准位。
6、如权利要求5所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该电源电流产生电路包括有:
一第五电阻,一端连接于该供应电压;
一第三运算放大器,其包括有一正端、一负端与一输出端,该正端连接于该第五电阻的另一端;
一第六电阻,一端连接于一接地端,另一端连接于该第三运算放大器的该正端;
一第七电阻,一端连接于该接地端;
一第三电晶体,其包括有一源极、一闸极与一汲极,该源极连接于该第三运算放大器的该负端与该第七电阻的另一端,该闸极连接于该第三运算放大器的该输出端,该汲极输出该电源电流。
7、如权利要求5所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该功率限制波形单元包括有:
一转换单元,连接于该振荡器,接收该锯齿波讯号,比例转换该锯齿波讯号的电压值为一锯齿波电流;
一第十电流镜,连接至该转换单元,接收该锯齿波电流并将该锯齿波电流映射产生一锯齿波限制电流;
一限制电流源,连接至该第十电流镜,限制该第十电流镜产生该锯齿波限制电流,该锯齿波限制电流最大值为该限制电流源;
一第十一电流镜,连接至该供应电压、该第十电流镜与该回授合成单元,接收该锯齿波限制电流与该回授合成单元的一第一电流,并映射该锯齿波限制电流与该第一电流的总和,产生该功率限制电流。
8、如权利要求5所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该第九电流镜包括有一右电晶体与一左电晶体,该右电晶体的一源极与该左电晶体的一源极相连接,并与该第一电流源相连接,该左电晶体的一汲极与该左电晶体的一闸极和该右电晶体的一闸极相连接,并与该电源电流产生电路相连接,接收该电源电流,该右电晶体的一汲极输出该比例电流,并连接于该功率限制波形单元与该第八电阻。
9、如权利要求1所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该功率限制单元为一比较器。
10、如权利要求1所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该切换讯号产生单元包括有:
一比较器,接收该回授合成单元输出的该回授讯号与该电源供应器的该感测讯号,输出一调变讯号;
一及闸,接收该调变讯号与该功率限制单元输出的该功率限制讯号,输出一重置讯号;
一正反器,接收该供应电压、该振荡讯号与该重置讯号,输出该切换讯号。
11、如权利要求1所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该回授合成单元更连接有一调整单元,该调整单元接收该供应电压与该回授合成单元的一回授电流与定值的一参考电流,产生一调整电流,该回授电流随着该供应电压变动而改变,该调整电流补偿该回授电流,使该供应电压的一供应电流为固定值。
12、如权利要求11所述的一次侧控制电源供应器的切换式控制装置,其特征在于,该调整单元包括有:
一第二电流镜,映射定值的该参考电流,产生定值的一第二电流;
一第六电流镜,映射该回授电流,产生一第六电流;
一第八电流镜,映射该第六电流,产生一第八电流;
一第七电流镜,映射该第二电流与该第八电流的电流差值,产生该调整电流。
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