TW201728069A - 隔離式電源轉換系統 - Google Patents

Abstract

本發明係一種隔離式電源轉換系統，包含整流單元、變壓器、切換電晶體、第一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器、第二PWM控制器、輸出單元以及隔離訊號單元，用以提供將輸入交流電源轉換成輸出直流電源的隔離式電源轉換功能。尤其，利用隔離訊號單元形成第一PWM控制器及第二PWM控制器之間的連接介面，並以數位形式的信號而通訊，具有較強的抗雜訊干擾之能力，可改善整體電氣操作的穩定性，避免誤動作，進而加強電源轉換的穩定度，同時確保整體的電氣信號品質，藉以解決上述習用技術的問題。

Description

隔離式電源轉換系統

本發明係有關於一種動態驅動能力調節的電源控制裝置，尤其是在一次側、或二次側分別配置數位式的脈衝寬度調變(PWM)控制器，且依據實際需要進行預設的電源控制功能，並可互相接收、發送數位訊號，而且數位訊號可為二次側的偵測電壓、電流經處理後產生並進一步傳回一次側，藉以控制一次側的切換電晶體，或是將一次側用以控制切換電晶體之訊號的反向PWM訊號傳到二次側而同步控制切換電晶體進而加強電源轉換的穩定度，同時確保整體的電氣信號品質。

不同的電子產品需要不同電壓或電流的電源而運作，比如，積體電路(IC)需要5V或3V，電動馬達需要12V直流電，而液晶顯示器中的燈管需要更高壓的電源，如1150V。因此，需要不同電源轉換器以滿足所需，使得電源轉換技術日益蓬勃發展，屬於電子產業中相當重要的一環。

一般而言，電源轉換技術可大致分為隔離式及非隔離式的二類電源轉換，其中隔離式電源轉換是將電源輸入端與負載端隔離開，可避免輸入電源在發生異常突波時損壞到負載端的設備，因而具有較高的使用安全性，且電路設計較為簡單，而相對的，非隔離式因有安全上的考量，所以在電器安規上特別嚴格。

參考第一圖，習用技術中隔離式電源轉換器的示意圖，其中交流電源VAC經適當的整流、濾波後，傳送至變壓器TR的一次側線圈，且驅動切換電晶體Q1的汲極端是連接至一次側線圈，驅動切換電晶體Q1的源極端是連接感測電阻而產生感測信號，此外，變壓器TR的二次側線圈藉感應一次側線圈的導通電流而產生感應電壓，並經輸出單元 的濾波、整流後產生輸出電源Vo，以供應外部的負載。

尤其是，利用脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器U1產生PWM形式的驅動信號，以控制驅動切換電晶體Q1的閘極端，進而控制驅動切換電晶體Q1的打開、關閉操作。再者，光耦合器U2連接輸出單元，產生回授信號而傳送至PWM控制器U1，因而達成隔離式電源轉換的功能。

進一步參考第二圖，習用技術中另一隔離式電源轉換器的示意圖，大致上是類似於第一圖的隔離式電源轉換器，也是利用光耦合器U2產生回授信號以提供給PWM控制器U1，不過第二圖的隔離式電源轉換器進一步使用定電壓定電流控制器U3，用以對多個串接的發光二極體(LED)所組成的燈串負載，具體實現定電壓及/或定電流的控制，藉以保持LED的發光品質並延長使用壽限。

很明顯的，上述習知技術的缺點在於光耦合器U2所產生的回授信號屬於類比信號，很容易受到外部電氣雜訊的干擾，亦即抗雜訊能力不佳，嚴重影響整體電氣操作的穩定性。

因此，非常需要一種電源控制裝置，利用隔離訊號單元形成第一PWM控制器及第二PWM控制器之間的連接介面，並以數位形式的信號而通訊，具有較強的抗雜訊干擾之能力，可改善整體電氣操作的穩定性，避免誤動作，進而加強電源轉換的穩定度，同時確保整體的電氣信號品質，藉以解決上述習用技術的問題。

本發明之主要目的在於提供一種隔離式電源轉換系統，係用以提供將輸入交流電源轉換成輸出直流電源的隔離式電源轉換功能，包含整流單元、變壓器、切換電晶體、第一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器、第二PWM控制器、輸出單元以及隔離訊號單元，其中整流單元可將交流電源轉換成直流電源。

具體而言，變壓器包含一次側線圈、輔助線圈以及二次側線圈，其中一次側線圈接收直流電源，輔助線圈可藉感應一次側線圈的電流而產生輔助感應電流，且輔助感應電流流過串接電阻而產生輔助信號，而 二次側線圈是藉感應一次側線圈的電流而產生感應電流。

切換電晶體具有汲極端、閘極端以及源極端，其中汲極端連接至一次側線圈，源極端連接至感測電阻的一端，而感測電阻的另一端為接地，此外，由源極端產生感測信號。

再者，輸出單元包括輸出電晶體、輸出二極體及輸出電容。輸出二極體的正極端連接輸出電晶體的汲極以及輸出電容的一端，而輸出二極體的負極端連接輸出電晶體的源極，輸出電容的另一端連接二次側線圈，並由輸出電容跨接負載以提供輸出電源，以供應負載。

進一步具體而言，第一PWM控制器具有第一端、第二端、第三端、第四端、發送端以及接收端，其中第一端為懸浮，第二端是經驅動串接電阻而連接至切換電晶體的閘極端，第三端接收輔助信號，第四端可經感測串接電阻而連接至切換電晶體的源極端，用以接收源極端的感測信號。

此外，第二PWM控制器具有類似第一PWM控制器的架構，也包含第一端、第二端、第三端、一第四端、發送端以及接收端，不過第一端是連接輸出二極體的負極端，第二端連接輸出電晶體的閘極，第三端連接輸出二極體的正極端，且第四端連接該負載。

隔離訊號單元是利用變壓器的訊號感測繞組作為一二次雙向溝通訊號使用。

尤其是，第一PWM控制器依據所接收的感測信號、輔助信號以進行第一控制處理而產生具PWM特性的驅動信號，再由第一PWM控制器的第二端傳送驅動信號至切換電晶體的閘極端以驅動切換電晶體，同時，第一PWM控制器產生第一數位輸出信號，並由第一PWM控制器的發送端經隔離訊號單元而傳送至第二PWM控制器的接收端。再者，第二PWM控制器依據來自第二PWM控制器的第一端、第三端、該第四端及接收端的電氣信號以進一第二控制處理，進而產生二次側調節信號，並由第三端傳送至輸出電晶體的閘極，同時產生第二數位輸出信號，並由發送端經隔離訊號單元而傳送至第一PWM控制器的接收端。

因此，第一PWM控制器及第二PWM控制器對隔離訊號單 元的連接介面是以數位形式的信號而通訊，具有較強的抗雜訊干擾之能力，可改善整體電氣操作的穩定性。

10‧‧‧整流單元

20‧‧‧切換電晶體

31‧‧‧第一PWM控制器

32‧‧‧第二PWM控制器

50‧‧‧輸出單元

60‧‧‧隔離訊號單元

Co‧‧‧輸出電容

Do‧‧‧輸出二極體

FU‧‧‧EMI濾波單元

IQ‧‧‧一次側導通電流

LAUX‧‧‧輔助線圈

LP‧‧‧一次側線圈

LS‧‧‧二次側線圈

P1‧‧‧第一端

P2‧‧‧第二端

P3‧‧‧第三端

P4‧‧‧第四端

Q1‧‧‧驅動切換電晶體

Qo‧‧‧輸出電晶體

R1X‧‧‧串接電阻

RCS‧‧‧感測電阻

RCX‧‧‧感測串接電阻

RPWM‧‧‧驅動串接電阻

RL‧‧‧負載

RX‧‧‧接收端

SR‧‧‧同步整流信號

TR‧‧‧變壓器

TRA‧‧‧變壓器

TX‧‧‧發送端

U1‧‧‧PWM控制器

U2‧‧‧光耦合器

U3‧‧‧定電壓定電流控制器

VAC‧‧‧交流電源

VAUX‧‧‧輔助信號

VCS‧‧‧感測信號

VDC‧‧‧直流電源

Vo‧‧‧輸出電源

VPWM‧‧‧驅動信號

第一圖顯示習用技術中隔離式電源轉換器的示意圖。

第二圖顯示習用技術中另一隔離式電源轉換器的示意圖。

第三圖顯示本發明實施例隔離式電源轉換系統的示意圖。

第四圖顯示本發明實施例中第一PWM控制器的功能方塊示意圖。

第五圖顯示本發明的示範性操作波形圖。

第六圖顯示本發明以flyback架構為示範性實例的電路圖。

以下配合圖式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。

參閱第三圖，本發明實施例隔離式電源轉換系統的示意圖。如第三圖所示，本發明的隔離式電源轉換系統主要是包含整流單元10、變壓器TRA、切換電晶體20、第一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器31、第二PWM控制器32、輸出單元50以及隔離訊號單元60，用以提供隔離式的電源轉換功能。

整流單元10是用以將外部輸入的交流電源VAC轉換成直流電源VDC，而要注意的是，整流單元10可使用一般傳統的橋式整流器，不過並不以此為限，亦即，也可使用其他型式的整流器。

變壓器TRA包含一次側線圈LP、輔助線圈LAUX以及二次側線圈LS，其中一次側線圈LP是連接至整流單元10，用以接收直流電源VDC，而輔助線圈LAUX感應一次側線圈LP的電流而產生輔助感應電流，並流過串接電阻R1X而產生輔助信號VAUX。此外，二次側線圈LS藉感應一次側線圈LP的電流而產生感應電流，並傳送至輸出單元50。

再者，切換電晶體20具有汲極端、閘極端以及源極端，其中汲極端連接至一次側線圈LP，且源極端連接至感測電阻RCS的一端，而 感測電阻RCS的另一端為接地，其中感測電阻RCS與源極端的連接點產生感測信號VCS。

輸出單元50包括輸出電晶體Qo、輸出二極體Do及輸出電容Co，其中輸出二極體Do的正極端連接輸出電晶體Qo的汲極以及輸出電容Co的一端，而輸出二極體Do的負極端連接輸出電晶體Qo的源極，同時，輸出電容Co的另一端連接變壓器TRA的二次側線圈LS，並由輸出電容Co跨接負載RL，以提供輸出電源Vo。隔離訊號單元60是利用配置於變壓器TRA的訊號感測繞組以作為一二次雙向溝通訊號使用。

具體而言，第一PWM控制器31具有第一端P1、第二端P2、第三端P3、第四端P4、發送端TX以及接收端RX，其中第一端P1為懸浮，第二端P2經驅動串接電阻RPWM而連接至切換電晶體20的閘極端，第三端P3接收輔助信號VAUX，第四端P4經感測串接電阻RCS而連接至切換電晶體20的源極端。此外，第二PWM控制器32係類似於第一PWM控制器31，也具有第一端P1、第二端P2、第三端P3、第四端P4、發送端TX以及接收端RX。不過，第二PWM控制器32的第一端P1連接輸出二極體Do的負極端，第二端P2連接輸出電晶體Qo的閘極，第三端P3連接輸出二極體Do的正極端，第四端P4連接負載RL。

第一PWM控制器31在發送端TX產生數位輸出信號，並經隔離訊號單元60而傳送至第二PWM控制器32的接收端RX。相類似的，第二PWM控制器32在發送端TX產生數位輸出信號，並經隔離訊號單元60而傳送至第一PWM控制器31的接收端RX。因此，第一PWM控制器31及第二PWM控制器32對隔離訊號單元60的連接介面係用以傳送數位形式的信號，達到數位通訊的目的，可大幅強化抗雜訊的能力。

再者，如第四圖中第一PWM控制器31的功能方塊示意圖所示，第一PWM控制器31包括數位控制器31A、PWM驅動器31B以及數位至類比轉換器ADC，不過要注意的是，第二PWM控制器32也具有第五圖相同的功能方塊，而較佳的，數位控制器31A是藉配合軟體程式或韌體程式而運作的中央處理器(CPU)或微控制器(MCU)的數位電子元件而實現。

數位控制器31A電氣連接至PWM驅動器31B以及數位至類 比轉換器ADC，其中數位控制器31A接收來自接收端RX的數位輸入信號，並將數位輸出信號經由發送端TX向外傳送，且第一端P1、第三端P3、第四端P4連接至數位至類比轉換器ADC，用以將來自第一端P1、第三端P3、第四端P4的類比信號轉換成數位信號，藉以提供數位控制器31產生數位PWM驅動信號，並由PWM驅動器31B的輸入端接收，進而產生類比驅動信號，而由輸出端傳送至第二端P2。

再回到第三圖，雖然第一PWM控制器31及第二PWM控制器32具有相同的功能方塊，不過在整體的隔離式電源轉換系統中係個別提供不同的電氣功能。具體而言，第一PWM控制器31的主要功能在於產生驅動信號VPWM以控制切換電晶體20的打開、關閉操作，藉以實現一次側調節(Primary Side Regulation，PSR)，包含利用第三端P3接收輔助感測端AUX的輔助信號VAUX以偵測輸出電壓電流，並利用第四端P4接收感測信號VCS而偵測一次側的電流，並產生一次側狀態信號的數位輸出信號而經發送端TX傳送至隔離訊號單元60。亦即，第一PWM控制器31是依據所接收到的感測信號VCS、輔助信號VAUX以進行第一控制處理，進而產生具PWM特性的驅動信號VPWM，再由第一PWM控制器31的第二端P2傳送至切換電晶體20的閘極端，藉以驅動切換電晶體20，同時，第一PWM控制器31產生第一數位輸出信號，並由第一PWM控制器31的發送端TX經隔離訊號單元60而傳送至第二PWM控制器32的接收端RX。

再者，第二PWM控制器32可利用第一端P1、第三端P3、第四端P4偵測輸出電源Vo的電壓、電流，藉以進行穩壓穩流補償控制，也可偵測纜線因為耗損造成的壓降以進行補償，亦即線端補償(Line-end compensation)，並產生數位輸出信號當作數位回授訊號而經發送端TX傳送至隔離訊號單元60，進而傳送至第一PWM控制器31，形成回授迴路，取代第一圖中傳統上利用光偶合器回送至一次側的PWM控制器之作法。尤其是，第二PWM控制器32可實現具定電壓、定電流特性的輸出電源Vo，同時可彌補第一PWM控制器31的動態負載反應較慢的缺點。亦即，第二PWM控制器32可依據來自第二PWM控制器32的第一端P1、第三端P3、第四端P4及接收端RX的電氣信號以進行第二控制處理，進而產生二次側調節 信號，並由第三端P3傳送至輸出電晶體Qo的閘極，同時產生第二數位輸出信號，並由第二PWM控制器32的發送端TX經隔離訊號單元60而傳送至第一PWM控制器31的接收端RX。

第二PWM控制器32的定電壓、定電流特性尤其適用於電池的充放電控制，因為在充電初期，一般充電電池的電壓較低而需要先進行定電流充電，並在充電電池的電壓達到最高值時，進行定電壓充電，此時，充電電流會逐步下降到零為止。因此，第二PWM控制器32可在充電初期，進行定電流充電，並在電壓最高值時，轉換成定電壓充電，以滿足實際要求。

此外，第二PWM控制器32還可達成同步整流控制(Synchronous rectifier control)的功能，包括在進行連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)時，可根據接收端RX接收第一PWM控制器31的同步整流信號，以決定切換電晶體20的打開、關閉，進而達到同步整流功能，並可在非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)時，根據第一PWM控制器31的同步整流信號以決定當作同步整流電晶體用的Qo輸出電晶體的打開、導通時機，並在二次側線圈LS的電流下降到0時，關閉Qo輸出電晶體。

尤其是，第一PWM控制器31及第二PWM控制器32對隔離訊號單元60的連接介面是以數位形式的信號而通訊，具有較強的抗雜訊干擾之能力，可改善整體電氣操作的穩定性。

參考第五圖為示範性的操作波形圖，其中IQ為一次側線圈PL的導通電流，IDOUT為輔助線圈LAUX的導通電流，tON為一次側線圈PL的打開時間，tOFF為IDOUT不為零的時間，而tS為驅動信號VPWM的週期時間。此外，同步整流信號SR係來在第一PWM控制器31的接收端RX。

上述第二PWM控制器32的同步整流功能可減少二次側上Do輸出二極體的損耗，進而提升電源換效率。

以返馳(flyback)架構的電路為例，如第六圖所示，本發明的隔離訊號單元60可利用訊號感測繞組的方式而配置於變壓器TRA，亦即， 整個變壓器TRA可為包含一次側線圈LP、輔助線圈LAUX、二次側線圈LS以及訊號感測繞組的單一裝置，能簡化整體電氣連接線路之設計，降低製作成本，並改善電氣信號品質。

綜上所述，本發明的主要特點在於提供具有相同功能方塊的第一及第二PWM控制器的隔離式電源轉換系統，並利用隔離訊號單元連接第一及第二PWM控制器，尤其第一及第二PWM控制器是藉隔離訊號單元以數位信號的方式通訊，可具體實現定電壓、定電流功能，非常適合應用於電池充放電的領域，而且還可提供功率因素校正(Power Factor Correction，PFC)，用於降低或消除虛功，以改善轉換效率。

由於第一、第二PWM控制器及隔離訊號單元之間的介面數位信號方式，所以具有抗雜訊特性，能確保預設電氣功能的操作，提高整體隔離式電源轉換系統的操作穩定性及可靠度。尤其，本發明可適用於不同正向、返馳、全橋、半橋、升壓、降壓的電路架構，能擴大應用領域，相當具有產業利用性。

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‧‧‧整流單元

20‧‧‧切換電晶體

31‧‧‧第一PWM控制器

32‧‧‧第二PWM控制器

50‧‧‧輸出單元

60‧‧‧隔離訊號單元

LP‧‧‧一次側線圈

LAUX‧‧‧輔助線圈

LS‧‧‧二次側線圈

P1‧‧‧第一端

P2‧‧‧第二端

P3‧‧‧第三端

P4‧‧‧第四端

RL‧‧‧負載

RCS‧‧‧感測電阻

RCX‧‧‧感測串接電阻

RPWM‧‧‧驅動串接電阻

RX‧‧‧接收端

TRA‧‧‧變壓器

TX‧‧‧發送端

VAUX‧‧‧輔助信號

VCS‧‧‧感測信號

VDC‧‧‧直流電源

Vo‧‧‧輸出電源

VPWM‧‧‧驅動信號

Claims (5)

1. 一種隔離式電源轉換系統，包括：一整流單元，用以將一交流電源轉換成一直流電源；一變壓器，包含一一次側線圈、一輔助線圈以及一二次側線圈，該一次側線圈接收該直流電源，該輔助線圈藉感應該一次側線圈的電流而產生一輔助感應電流，且該輔助感應電流流過一串接電阻而產生一輔助信號，該二次側線圈藉感應該一次側線圈的電流而產生一感應電流；一切換電晶體，具有一汲極端、一閘極端以及一源極端，該汲極端連接至該一次側線圈，且該源極端連接至一感測電阻的一端，而該感測電阻的一另一端為接地，該源極端產生一感測信號；一輸出單元，包括一輸出電晶體、一輸出二極體及一輸出電容，該輸出二極體的正極端連接該輸出電晶體的汲極以及該輸出電容的一端，而該輸出二極體的負極端連接該輸出電晶體的源極，該輸出電容的一另一端連接該二次側線圈，並由該輸出電容跨接該負載以提供一輸出電源，以供應一負載；一第一PWM控制器，具有一第一端、一第二端、一第三端、一第四端、一發送端以及一接收端，該第一端為懸浮，該第二端經一驅動串接電阻而連接至該切換電晶體的閘極端，該第三端接收該輔助信號，該第四端經一感測串接電阻而連接至該切換電晶體的源極端，用以接收該源極端的感測信號； 一第二PWM控制器，具有一第一端、一第二端、一第三端、一第四端、一發送端以及一接收端，該第一端連接該輸出二極體的負極端，該第二端連接該輸出電晶體的閘極，該第三端連接該輸出二極體的正極端，且該第四端連接該負載；以及一隔離訊號單元，是利用配置於該變壓器的一訊號感測繞組以作為一二次雙向溝通訊號使用，其中該第一PWM控制器依據所接收的該感測信號、該輔助信號，以進行一第一控制處理而產生具PWM特性的一驅動信號，再由該第一PWM控制器的第二端傳送該驅動信號至該切換電晶體的閘極端以驅動該切換電晶體，同時該第一PWM控制器產生一第一數位輸出信號，並由該第一PWM控制器的發送端經該隔離訊號單元而傳送至該第二PWM控制器的接收端，該第二PWM控制器依據來自該第二PWM控制器的該第一端、該第三端、該第四端及該接收端的電氣信號以進行一第二控制處理，進而產生一二次側調節信號，並由該第三端傳送至該輸出電晶體的閘極，同時產生一第二數位輸出信號，並由該發送端經該隔離訊號單元而傳送至該第一PWM控制器的接收端，該第一PWM控制器及該第二PWM控制器對該隔離訊號單元的連接介面是以數位形式的信號而通訊。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之隔離式電源轉換系統，其中該第一PWM控制器包括一數位控制器、一PWM驅動器以及一數 位至類比轉換器，該該數位控制器是藉配合一軟體程式或一韌體程式而運作的一中央處理器或一微控制器的數位電子元件而實現，該數位控制器係電氣連接至該PWM驅動器以及該數位至類比轉換器，該數位控制器接收來自該接收端的數位輸入信號，並將該數位輸出信號經由該發送端向外傳送，且該第一PWM控制器的第一端、該第三端、該第四端是連接至該數位至類比轉換器，用以將來自該第一端、該第三端、該第四端的類比信號轉換成一數位信號，藉以提供該數位控制器產生數位PWM驅動信號，並由該PWM驅動器的輸入端接收，進而產生一類比驅動信號而由該輸出端傳送至該第二端。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之隔離式電源轉換系統，其中該第一PWM控制器的數位控制器係用以實現該第一控制處理，並達成功率因素校正(Power Factor Correction，PFC)及/或LLC的特性。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之隔離式電源轉換系統，其中該第二PWM控制器包括一數位控制器、一PWM驅動器以及一數位至類比轉換器，該該數位控制器是藉配合一軟體程式或一韌體程式而運作的一中央處理器或一微控制器的數位電子元件而實現，該數位控制器係電氣連接至該PWM驅動器以及該數位至類比轉換器，該數位控制器接收來自該接收端的數位輸入信號，並 將該數位輸出信號經由該發送端向外傳送，且該第二PWM控制器的第一端、該第三端、該第四端是連接至該數位至類比轉換器，用以將來自該第一端、該第三端、該第四端的類比信號轉換成一數位信號，藉以提供該數位控制器產生數位PWM驅動信號，並由該PWM驅動器的輸入端接收，進而產生一類比驅動信號而由該輸出端傳送至該第二端。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之隔離式電源轉換系統，其中該第二PWM控制器的數位控制器係用以實現該第二控制處理，並達成定電壓、定電流、同步整流的特性。