TW201838303A - 控制裝置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本案是關於一種控制裝置及控制方法，應用於返馳變換器，該返馳變換器包含一輔助開關。該控制裝置包括：導通時間設定單元，用於根據激磁負電流基準值和返馳變換器的輸出電壓來設定一導通時間閾值；以及導通時間控制單元，用於輸出一控制信號以控制輔助開關的導通，在輔助開關的導通時間達到該導通時間閾值時關斷輔助開關。本案能夠實現返馳變換器的初級側開關管在不同輸出電壓下的零電壓開通。

Description

控制裝置及控制方法
本案涉及電力電子技術領域，具體而言，涉及一種應用於返馳變換器的控制裝置及控制方法。
目前，準諧振返馳變換器是應用於小功率開關電源的最流行的電路拓撲結構。準諧振返馳變換器在低壓輸入（Vbus ＜nVo ，其中：Vbus 為輸入電壓；n為變壓器初次級側線圈匝數比；Vo 為輸出電壓）時可以實現初級側功率開關管的零電壓開通（ZVS），在高壓輸入（Vbus ＞nVo ）時可以實現初級側功率開關管的谷底開通，因而可以顯著減小開關損耗。然而，隨著高頻化發展，儘管準諧振返馳變換器在高壓輸入時可以實現谷底開通，但開通損耗還是變得越來越大，嚴重影響變換器的效率。為了解決準諧振返馳變換器在高壓輸入時不能完全實現初級側功率開關管的零電壓開通（ZVS）這個問題，現有技術方案提出了次級側同步整流管延遲導通等新控制方法，以及有源鉗位返馳變換器等新電路拓撲結構。
然而，現有技術方案僅適用於輸出電壓恒定的情況，在變輸出電壓的應用情況下無法保證所有工作條件下均能實現初級側功率開關管的零電壓開通。
需要說明的是，在上述背景技術部分公開的資訊僅用於加強對本案的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的資訊。
本案的目的在於提供一種控制裝置及控制方法。
根據本案的一個方面，提供了一種控制裝置，應用於返馳變換器，返馳變換器包含輔助開關，控制裝置包括：導通時間設定單元，用於根據激磁負電流基準值和返馳變換器的輸出電壓來設定導通時間閾值；以及導通時間控制單元，用於輸出控制信號以控制輔助開關的導通，在輔助開關的導通時間達到該導通時間閾值時關斷輔助開關。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器為RCD鉗位返馳變換器或有源鉗位返馳變換器。
在本案的一種示例性實施例中，輔助開關為同步整流管、鉗位管、並聯在返馳變換器的次級側整流單元上的開關、或串聯於返馳變換器的輔助繞組的開關。
在本案的一種示例性實施例中，導通時間控制單元用以根據計時起始信號輸出控制信號。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器的工作模式為斷續模式或臨界連續模式。
在本案的一種示例性實施例中，導通時間控制單元包括計時器和輔助開關控制器，計時器接收計時起始信號，並根據計時起始信號啟動計時器進行計時，產生計時信號；輔助開關控制器接收計時信號，並根據計時信號產生控制信號。
在本案的一種示例性實施例中，輔助開關控制器根據計時起始信號導通輔助開關。
在本案的一種示例性實施例中，於計時信號大於或等於導通時間閾值時，輔助開關控制器關斷輔助開關。
在本案的一種示例性實施例中，計時器還根據復位信號對計時器進行復位。
在本案的一種示例性實施例中，在斷續模式下，通過檢測輔助開關的開通信號得到計時起始信號；在臨界連續模式下，通過檢測激磁負電流的過零點得到計時起始信號。
在本案的一種示例性實施例中，通過電流互感器、取樣電阻或者該輔助開關的自身內阻來檢測激磁負電流的過零點。
在本案的一種示例性實施例中，通過檢測輔助開關的關斷信號得到復位信號。
在本案的一種示例性實施例中，導通時間設定單元包括：激磁負電流設定單元，用於產生激磁負電流基準值；導通時間計算單元，用於根據激磁負電流基準值和返馳變換器的輸出電壓計算得到導通時間閾值。
在本案的一種示例性實施例中，激磁負電流設定單元用於基於返馳變換器的輸入電壓設定激磁負電流基準值。
在本案的一種示例性實施例中，激磁負電流設定單元用於基於返馳變換器的輸入電壓和輸出電壓設定激磁負電流基準值。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器的輸出電壓可變。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器的輸出電壓為5V、9V、15V或20V。
根據本案的一個方面，提供了一種開關電源，包括根據上述任意一項的控制裝置。
根據本案的一個方面，提供一種控制方法，應用於返馳變換器，返馳變換器包含輔助開關，控制方法包括：（a）檢測返馳變換器的輸出電壓，並基於輸出電壓和激磁負電流基準值來設定導通時間閾值；（b）根據一控制信號以控制輔助開關的導通，在輔助開關的導通時間達到該導通時間閾值時關斷輔助開關。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器為RCD鉗位返馳變換器或有源鉗位返馳變換器。
在本案的一種示例性實施例中，輔助開關為同步整流管、鉗位管、並聯在返馳變換器的次級側整流單元上的開關、或串聯於返馳變換器的輔助繞組的開關。
在本案的一種示例性實施例中，步驟（b）包含：根據計時起始信號輸出該控制信號。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器的工作模式為斷續模式或臨界連續模式。
在本案的一種示例性實施例中，步驟（b）包括：根據計時起始信號啟動計時器進行計時，產生計時信號；根據計時信號產生控制信號。
在本案的一種示例性實施例中，根據計時起始信號導通輔助開關。
在本案的一種示例性實施例中，於計時信號大於或等於導通時間閾值時，關斷輔助開關。
在本案的一種示例性實施例中，步驟（b）還包含：根據復位信號對計時器進行復位。
在本案的一種示例性實施例中，在斷續模式下，通過檢測輔助開關的開通信號得到計時起始信號；以及在臨界連續模式下，通過檢測激磁負電流的過零點得到計時起始信號。
在本案的一種示例性實施例中，通過電流互感器、取樣電阻或者該輔助開關的自身內阻來檢測激磁負電流的過零點。
在本案的一種示例性實施例中，通過檢測輔助開關的關斷信號得到復位信號。
在本案的一種示例性實施例中，步驟（a）包括：通過除法運算，基於輸出電壓和激磁負電流基準值計算獲得導通時間閾值。
在本案的一種示例性實施例中，控制方法還包含：（c）於輔助開關關斷後，通過返馳變換器中的激磁電感與寄生電容的諧振來實現返馳變換器的初級側功率開關管的零電壓開通。
在本案的一種示例性實施例中，步驟（a）還包括：基於返馳變換器的輸入電壓設定激磁負電流基準值。
在本案的一種示例性實施例中，步驟（a）還包括：基於返馳變換器的輸入電壓的最大值設定激磁負電流基準值。
在本案的一種示例性實施例中，步驟（a）還包括：基於返馳變換器的輸入電壓和輸出電壓設定激磁負電流基準值。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器的輸出電壓可變。
在本案的一種示例性實施例中，返馳變換器的輸出電壓為5V、9V、15V或20V。
根據本案的示例實施例的控制裝置及控制方法，根據激磁負電流基準值和返馳變換器的輸出電壓設定導通時間閾值，輸出控制信號以控制輔助開關的導通，在輔助開關的導通時間達到該導通時間閾值時關斷輔助開關。一方面，通過激磁負電流基準值和即時監測到的返馳變換器的輸出電壓，可以即時地設定不同電壓狀態下的導通時間閾值；另一方面，根據導通時間閾值即時調節輔助開關的控制信號，用以使輔助開關的導通時間跟隨該導通時間閾值，由此可實現返馳變換器中初級側功率開關管在不同輸出電壓下的零電壓開通。
應當理解的是，以上的一般描述和後文的細節描述僅是示例性和解釋性的，並不能限制本案。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非架構於限制本案。
第1圖示出了一種技術方案中的有源鉗位返馳變換器的電路圖。有源鉗位返馳變換器可以實現初級側功率開關管S1 的零電壓開通（ZVS），現有的控制方法為：控制鉗位管S2 僅在初級側功率開關管S1 導通前導通一設定時間，該設定時間如第2圖所示的控制波形圖中的t2-t3。
第3圖示出了一種技術方案中的RCD鉗位返馳變換器的電路圖。RCD鉗位返馳變換器通過延遲導通準諧振返馳變換器的次級側同步整流管SR 來實現初級側功率開關管S1 的零電壓開通（ZVS），現有的次級側同步整流管SR 的延遲導通控制方法為：控制同步整流管SR 在次級側電流Is 降到零之後繼續導通設定時間，該設定時間如第4圖所示的控制波形圖中的 t1-t2。
以上兩種實現初級側功率開關管S1 的零電壓開通（ZVS）的方法，都是通過控制同步整流管SR 或鉗位管S2 開通設定時間來實現的，這對於固定輸出電壓的應用情形是適用的。
然而，隨著電源適配器的發展，尤其是USB-PD Type-C的推廣和普及，變輸出電壓的應用變得越來越流行。對於變輸出電壓的應用情形，上述控制方式將不再適用，這是因為：無論是RCD鉗位返馳變換器，還是有源鉗位返馳變換器，其實現初級側功率開關管零電壓開通（ZVS）的基本原理如下：在初級側功率開關管S1 開通之前，使得變壓器的激磁電感Lm 上產生一激磁負電流Im_n ，通過該激磁負電流Im_n 的幫助以實現初級側功率開關管S1 的零電壓開通（ZVS），且激磁負電流的大小由如下公式決定：（1）
其中：Lm 是變壓器的激磁電感值，n是變壓器的匝數比，Vo 是變換器的輸出電壓值，Im_n （t）是激磁負電流的幅值，t是輔助開關的導通時間 （對於準諧振返馳變換器的同步整流管來說指的是次級側電流Is 降到零之後的導通時間，對於有源鉗位返馳變換器的鉗位管來說指的是初級側功率開關管導通前的導通時間）。
由上述公式可以看出，對於一個固定的設計，Lm 和n是固定的。如果輸出電壓Vo是固定的， 由公式（1）可知，固定的導通時間t意味著固定的激磁負電流幅值，因此，通過控制同步整流管SR 或鉗位管 S2 開通一設定時間t，對於固定輸出電壓的應用情形是適用的。如果輸出電壓是可變的，固定的導通時間意味著激磁負電流幅值會隨輸出電壓Vo 的變化而改變。以USB-PD Type-C的應用為例，其最小輸出電壓為5V，最大輸出電壓為20V，如果採用固定導通時間的控制方法，會造成以下兩個結果中的一個：
A：如果設定的導通時間恰好可以滿足輸出電壓為5V時的初級側功率開關管零電壓開通（ZVS）的條件，那麼當輸出電壓為20V時，產生的激磁負電流幅值將是輸出電壓為5V時的激磁負電流幅值的4倍。過大的激磁負電流會引入額外損耗，影響變換器的效率。
B：如果設定的導通時間恰好可以滿足輸出電壓為20V時的初級側功率開關管零電壓開通（ZVS）的條件，那麼當輸出電壓為5V時，產生的激磁負電流幅值將只有輸出電壓為20V時的1/4，過小的激磁負電流幅值會造成初級側功率開關管不能實現零電壓開通。
基於上述內容，在本示例實施例中，首先提供了一種控制裝置，控制裝置用於控制返馳變換器610，其中返馳變換器610包含一輔助開關。參照第6圖所示，該控制裝置600可以包括：導通時間設定單元620，以及導通時間控制單元630。其中：
導通時間設定單元620用於根據激磁負電流基準值和輸出電壓Vo 設定導通時間閾值tset ；以及
導通時間控制單元630用於輸出控制信號以控制輔助開關的導通，在輔助開關的導通時間達到導通時間閾值tset 時關斷輔助開關。例如，控制信號可根據計時起始信號和導通時間閾值tset 而得到。
根據本示例實施例的控制裝置，一方面，通過一激磁負電流基準值和即時監測到的返馳電路的輸出電壓，可以即時地設定不同電壓狀態下的導通時間閾值；另一方面，根據導通時間閾值即時調節輔助開關的導通時間，用以使輔助開關的導通時間跟隨導通時間閾值，由此可實現返馳變換器中初級側功率開關管在不同輸出電壓下的零電壓開通。
在本示例實施例中，返馳變換器還包括初級側開關單元、次級側整流單元、變壓器和輸出電容，其中，初級側開關單元包含初級側功率開關管，次級側整流單元包括第一端與第二端，第一端和第二端分別與變壓器和輸出電容電氣連接。為適用變輸出電壓的應用情形，實現全輸入電壓範圍內（例如90~264Vac），不同輸出電壓下的全負載範圍內的初級側功率開關管的零電壓開通（ZVS），需要直接控制輔助開關的導通時間。根據以下公式（2）：
由上述公式（2）可知，對於一個設定的激磁負電流基準Im_N ，導通時間閾值tset 和輸出電壓 Vo 呈反比關係。根據不同的輸出電壓來調整輔助開關的導通時間閾值，進而調整輔助開關的導通時間，即可達到控制激磁負電流的目的。因此，本案的基本原理在於：在初級側功率開關管開通之前，通過控制輔助開關的開通和關斷，使得返馳變換器中產生一激磁負電流。首先，控制輔助開關的導通，使得輔助開關的導通時間達到導通時間閾值tset 。然後，控制輔助開關關斷，於輔助開關斷開後，以此時的激磁負電流為初始值，通過激磁電感Lm 與原邊線路的寄生電容CEQ 的諧振來實現初級側功率開關管的零電壓開通（ZVS）。本案中通過合理設置輔助開關的導通時間閾值，可在全輸入電壓範圍、不同輸出電壓的全負載範圍內實現初級側功率開關管的零電壓開通（ZVS）。於本實施例中，寄生電容CEQ 由初級側功率開關管S1的寄生電容和變壓器T的初級側線圈的寄生電容構成。
需要說明的是，在本示例實施例中，返馳變換器的輸出電壓可變，例如返馳變換器的輸出電壓可以為5V、9V、15V或20V等，本案對此不進行特殊限定。
此外，在本示例實施例中，返馳變換器610可以為如第1圖所示的有源鉗位返馳變換器或如第3圖和第5圖所示的RCD鉗位返馳變換器，但是本案的示例實施例中的返馳變換器不限於此。對應地，在本示例實施例中，返馳變換器610的輔助開關可以為如第1圖所示的鉗位管S2 或如第3圖所示的同步整流管的SR ，但是本案的示例實施例中的輔助開關不限於此。例如，第5圖所示的副邊為二極體整流的RCD鉗位返馳變換器，其輔助開關可以為並聯於二極體D1的開關Saux ，或其輔助開關可以為串聯於輔助繞組Waux 的開關Saux_VCC 。
需要說明的是，在本示例實施例中，返馳變換器的工作模式可以為斷續模式或臨界連續模式，本案對此不進行特殊限定。
進一步地，如第7圖所示，在本示例實施例中，為了合理地設定激磁負電流基準值和導通時間閾值，導通時間設定單元620還可以包括：激磁負電流設定單元640以及導通時間計算單元650。激磁負電流設定單元640用於基於返馳變換器的輸入電壓或/和輸出電壓設定激磁負電流基準值Im_N 。導通時間計算單元650用於根據激磁負電流基準值Im_N 和返馳變換器的輸出電壓Vo 來設定導通時間閾值tset 。
於一實施例中，導通時間計算單元可包含乘法或除法電路，但不以此為限。 乘法或除法電路接收激磁負電流基準值Im_N 和返馳變換器的輸出電壓Vo ，並根據電路本身的參數，如激磁電感值Lm 以及變壓器的匝數比n，經過公式（2）的計算來設定導通時間閾值tset 。
在本示例實施例中，導通時間控制單元630的實現可以有多種方式。第8圖示出了根據本案的導通時間控制單元630的一種實施例。如第8圖所示，導通時間控制單元包含計時器810和輔助開關控制器820，其中，計時器810用於根據計時起始信號開始計時，並產生計時信號。輔助開關控制器820用以根據計時信號產生控制信號。
在本示例實施例中，輔助開關控制器820根據計時起始信號以導通輔助開關；計時信號於計時器810開始計時後，逐漸增加，且於計時達到導通時間閾值tset 時，輔助開關控制器820關斷輔助開關。
在本示例實施例中，對於斷續工作模式來說，計時器810的計時起始信號可以通過輔助開關的開通信號來獲得。如第2圖所示，在t2時刻S2 驅動信號的上升沿跳變信號為輔助開關的開通信號；或者，如第9圖所示，在t2時刻的SR 驅動信號的上升沿跳變信號為輔助開關的開通信號，可以通過檢測上升沿跳變信號來得到計時起始信號。需要說明的是，計時起始信號可以和這個上升沿跳變信號同步，也可以是由上升沿跳變信號做一定延遲得到。
進一步地，在本示例實施例中，對於臨界連續模式來說，計時器的計時起始信號可通過檢測激磁負電流的過零點（如第4圖之t1時刻）來獲得。具體而言，可以通過電流互感器，取樣電阻或者功率器件內阻如輔助開關的自身內阻來實現激磁負電流過零點的檢測。
於一實施例中，計時器810還根據復位信號來實現復位。進一步地，在本示例實施例中，計時器的復位信號可以通過輔助開關的關斷信號來獲得，舉例而言，計時器的復位信號可以和輔助開關的關斷信號同步，或者由關斷信號做一定延遲得到。如第2圖所示， t3時刻S2 驅動信號的下降沿跳變信號為輔助開關的關斷信號；如第9圖所示，t3時刻的SR 驅動信號的下降沿跳變信號為輔助開關的關斷信號；或如第10圖所示， t2時刻S2 驅動信號的下降沿跳變信號為輔助開關的關斷信號，可以通過檢測下降沿跳變信號來得到復位信號。需要說明的是，復位信號可以和這個下降沿跳變信號同步，也可以是由下降沿跳變信號做一定延遲得到。
在本示例實施例中，採用控制輔助開關的導通時間的方式來控制激磁負電流，對不同的返馳變換器有多種不同的方法，下面針對斷續模式下的RCD鉗位返馳變換器和斷續模式下的有源鉗位返馳變換器分別進行舉例說明。
第11圖示出了一種控制裝置的一個具體實施例。如第11圖所示，控制裝置1100用於控制返馳變換器1110，其中控制裝置1100包括：導通時間控制單元1130、激磁負電流設定單元1140和導通時間計算單元1150。返馳變換器1110為RCD鉗位返馳變換器，包含初級側開關單元、次級側整流單元、變壓器T和輸出電容Co ，其中，初級側開關單元包含初級側功率開關管S1 ，次級側整流單元包含同步整流管SR ，且次級側整流單元分別與變壓器T和輸出電容Co 電氣連接。
在該實施例中，導通時間計算單元1150根據即時監測的輸出電壓信號Vo 和激磁負電流設定單元1140輸出的激磁負電流基準值Im_N ，得到導通時間閾值tset ，並將導通時間閾值tset 輸送到導通時間控制單元1130；控制裝置1100通過同步整流管SR 的第二次導通開通信號（如第9圖中t2時刻的SR 驅動信號）獲得計時起始信號；導通時間控制單元1130獲取導通時間閾值tset 和計時起始信號，用於輸出控制信號以導通同步整流管SR ，且於輔助開關的導通時間達到導通時間閾值tset 時關斷同步整流管SR 。同時,導通時間控制單元1130根據同步整流管SR 的關斷信號產生的復位信號來實現復位。
第12圖示出了一種控制裝置的另一個具體實施例。如第12圖所示，控制裝置1200用於控制返馳變換器1210，控制裝置1200包括：導通時間控制單元1230、激磁負電流設定單元1240和導通時間計算單元1250。返馳變換器1210為有源鉗位返馳變換器，包含初級側開關單元、次級側整流單元、變壓器T和輸出電容Co ，其中，初級側開關單元包含初級側功率開關管S1 和鉗位管S2 ，次級側整流單元包含同步整流管SR ，且次級側整流單元分別與變壓器T和輸出電容Co 電氣連接。
在實施例中，導通時間計算單元1250根據即時監測的輸出電壓信號Vo 和激磁負電流設定單元1240輸出的激磁負電流基準值Im_N ，得到導通時間閾值tset ，並將導通時間閾值tset 輸送到導通時間控制單元1230；控制裝置1200由鉗位管S2 的開通信號來獲得計時起始信號。
導通時間控制單元1230獲取計時起始信號和導通時間閾值tset ，用於輸出控制信號以導通鉗位管S2 ，且於輔助開關的導通時間達到導通時間閾值tset 時關斷鉗位管S2 。同時，導通時間控制單元1230根據鉗位管S2 的關斷信號產生復位信號以實現復位。
此外，於本案的各示例實施例中，均包含激磁負電流設定單元，用於設定激磁負電流基準值Im_N 。針對激磁負電流基準值的設定，經研究可知：在低壓輸入（Vbus ＜nVo ）時，無需激磁負電流的幫助，即可實現初級側功率管的零電壓開通（ZVS）；在高壓輸入（Vbus ＞nVo ）時，為了實現初級側功率管的零電壓開通（ZVS），激磁負電流的最小幅值需滿足：（3）
其中：Im_N 為激磁負電流基準值，Vbus 為輸入電壓，VO 為輸出電壓，n為變壓器的匝數比；Lm 為激磁電感感量；CEQ 為寄生電容容值。
根據上述公式（3），對於一個特定電路設計來說，n、Lm 以及CEQ 是固定的，為了實現初級側功率管的零電壓開通（ZVS），激磁負電流的基準值與輸入電壓Vbus 和輸出電壓VO 有關。由此，激磁負電流設定單元可基於返馳變換器的輸入電壓和輸出電壓即時調整激磁負電流基準值。
然而，採用上述方法，為了即時調整激磁負電流基準值Im_N ，需要即時監控兩個變數：輸入電壓Vbus 和輸出電壓VO ，如此做法會增加控制的複雜性。進一步研究可知：返馳變換器於高壓輸入（Vbus ＞nVo）的情況下工作時，可忽略輸出電壓對於激磁負電流的基準值的影響，即激磁負電流的基準值僅僅與輸入電壓有關，從而大大簡化了激磁負電流基準值的設定。則，上述公式（3）可簡化為下述公式（4）：（4）
由此，激磁負電流設定單元可基於返馳變換器的輸入電壓設定激磁負電流基準值。
於本實施例中，對於激磁負電流基準值的設定，可以有如下兩種設定方法：
固定基準值設定法：為實現全輸入電壓範圍內初級側功率開關管的零電壓開通（ZVS），激磁負電流的基準值按最大輸入電壓進行設定，即：（5）
其中： Vbus_max 為輸入電壓最大值。
對固定基準值設定法來說，當輸入電壓為最大值時，恰好可以滿足初級側功率開關管的零電壓開通（ZVS）；但當輸入電壓為低電壓時，該控制方法所產生的激磁負電流幅值比為實現初級側功率管零電壓開通（ZVS）所需的激磁負電流的幅值大，由此會帶來額外的損耗，不利於效率優化。在對效率要求不是很高的應用場合可以採用固定基準值設定法。
對效率要求比較高的應用場合，可以采基準值隨輸入電壓變化的設定方法來對變換器的效率進行優化。因此，可以將激磁負電流基準值設定為：（6）
其中：Im_N (Vbus )為激磁負電流基準值。
對於一個特定的電路設計，Lm 和CEQ 是固定的，由上述公式（6）可知，激磁負電流基準值與輸入電壓Vbus 成正比，激磁負電流設定單元可根據輸入電壓檢測單元檢測出的輸入電壓值Vbus ，直接計算出為激磁負電流基準值Im_N 。
第13圖示出了一種控制裝置的再一個具體實施例。如第13圖與第11圖的結構類似，但第13圖更包含激磁負電流設定單元的一具體實例。於第13圖所示，控制裝置更包含輸入電壓檢測單元1480，於本實施例中，輸入電壓檢測單元1480包含第一電阻R1 和第二電阻R2 ，並通過第一電阻R1 和第二電阻R2 分壓的方式來檢測輸入電壓Vbus 。輸入電壓檢測單元1480將輸入電壓Vbus 輸入到激磁負電流設定單元1440用以設定激磁負電流基準值Im_N ，將激磁負電流基準值Im_N 輸送到導通時間計算單元1450，導通時間計算單元1450根據激磁負電流基準值Im_N 和即時監測的輸出電壓Vo 來計算導通時間閾值tset , 將導通時間閾值tset 輸入到導通時間控制單元1430；通過同步整流管的二次導通開通信號（第9圖，t2時刻的SR 驅動信號）獲得計時起始信號，以使能導通時間控制單元1430；導通時間控制單元1430獲取導通時間閾值tset 和計時起始信號，用於輸出控制信號以導通同步整流管SR ，且於輔助開關的導通時間達到導通時間閾值tset 時關斷同步整流管SR 。同時,導通時間控制單元1430根據同步整流管SR 的關斷信號產生的復位信號來實現復位。
第14圖示出了一種控制裝置的再一個具體實施例。第14圖與第12圖的結構類似，主要區別是在於，第14圖中的輔助開關為有源鉗位返馳變換器的初級側的鉗位管S2 。
此外，在本示例實施例中，還提供了一種控制方法，該控制方法可以應用於如第6圖-第14圖的返馳變換器，返馳變換器包含一輔助開關，參照第15圖所示，該控制方法可以包括以下步驟：步驟（a）：檢測返馳變換器的輸出電壓，並基於輸出電壓和激磁負電流基準值來設定導通時間閾值；步驟（b）：根據控制信號以控制輔助開關的導通，在輔助開關的導通時間達到導通時間閾值時關斷輔助開關。
一方面，通過一激磁負電流基準值和即時監測到的返馳變換器的輸出電壓，可以即時地設定不同電壓狀態下的導通時間閾值；另一方面，根據導通時間閾值即時調節輔助開關的導通時間，用以使輔助開關的導通時間跟隨導通時間閾值，由此可實現返馳變換器中初級側功率開關管在不同輸出電壓下的零電壓開通。
進一步地，在本示例實施例中，輔助開關可以為同步整流管、鉗位管、並聯在返馳變換器的次級側整流單元上的開關、或串聯於返馳變換器的輔助繞組的開關。
進一步地，在本示例實施例中，在斷續模式下，可以通過檢測輔助開關的開通信號得到計時起始信號；以及在臨界連續模式下，可以通過檢測激磁負電流的過零點得到計時起始信號。
此外，在本示例中，步驟（a）還可以包括：通過除法運算，基於輸出電壓和激磁負電流基準值計算獲得導通時間閾值。
此外，在本示例實施例中，控制方法還可以包含：（c）於輔助開關關斷後，通過返馳變換器中的激磁電感與寄生電容的諧振來實現返馳變換器的初級側功率開關管的零電壓開通。
由於本示例實施例中的控制方法中的各步驟與上述控制裝置的各單元或模組的功能一一對應，在此將不再贅述。
本案得由熟知此技術之人士施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
S1‧‧‧初級側功率開關管
S2‧‧‧鉗位管
SR‧‧‧同步整流管
Is‧‧‧次級側電流
t0-t5‧‧‧時刻
Lm‧‧‧激磁電感
Vo ‧‧‧輸出電壓
CEQ‧‧‧寄生電容
Im_n（t）‧‧‧激磁負電流的幅值
Saux‧‧‧並聯於二極體D1的開關
Waux‧‧‧輔助繞組
Saux_VCC‧‧‧串聯於輔助繞組的開關
600、1100、1200、1400、1500‧‧‧控制裝置
610、1110、1210、1410、1510‧‧‧返馳變換器
620‧‧‧導通時間設定單元
630、1130、1230、1430、1530‧‧‧導通時間控制單元
640、1140、1240、1440、1540‧‧‧激磁負電流設定單元
650、1150、1250、1450、1550‧‧‧導通時間計算單元
1480、1580‧‧‧輸入電壓檢測單元
810‧‧‧計時器
820‧‧‧輔助開關控制器
Im_N‧‧‧激磁負電流基準值
tset‧‧‧導通時間閾值
T‧‧‧變壓器
Co‧‧‧輸出電容
Vbus‧‧‧輸入電壓
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
(a)、(b)、(c)‧‧‧步驟
第1圖示意性示出了一種技術方案中的有源鉗位返馳變換器的電路圖。 第2圖示意性示出了一種技術方案中的有源鉗位返馳變換器的斷續模式控制波形圖。 第3圖示意性示出了一種技術方案中的RCD鉗位返馳變換器的電路圖。 第4圖示意性示出了一種技術方案中的RCD鉗位元返馳變換器的臨界連續模式控制波形圖。 第5圖示意性示出了另一種技術方案中的RCD鉗位返馳變換器的電路圖。 第6圖示意性示出了根據本案一示例性實施例的控制裝置的控制原理框圖。 第7圖示意性示出了根據本案另一示例性實施例的控制裝置的控制原理框圖。 第8圖示意性示出了根據本案又一示例性實施例的導通時間控制單元的電路圖。 第9圖示意性示出了根據本案再一示例性實施例的RCD鉗位元返馳變換器的斷續模式控制波形圖。 第10圖示意性示出了根據本案又一示例性實施例的有源鉗位返馳變換器的臨界連續模式控制波形圖。 第11圖示意性示出了根據本案又一示例性實施例的RCD鉗位返馳變換器的導通時間控制法的一個具體實施例。 第12圖示意性示出了根據本案又一示例性實施例的有源鉗位返馳變換器的導通時間控制法的一個具體實施例。 第13圖示意性示出了根據本案又一示例性實施例的RCD鉗位返馳變換器的激磁負電流基準值隨輸入電壓變化的設定方法的一個具體實施例。 第14圖示意性示出了根據本案又一示例性實施例的有源鉗位返馳變換器的激磁負電流基準值隨輸入電壓變化的設定方法的一個具體實施例。 第15圖示意性示出了根據本案又一示例性實施例的控制方法的流程圖。

Claims (37)

  1. 一種控制裝置，應用於一返馳變換器，該返馳變換器包含一輔助開關，其中該控制裝置包括： 一導通時間設定單元，用於根據一激磁負電流基準值和該返馳變換器的輸出電壓來設定一導通時間閾值；以及 一導通時間控制單元，用於輸出一控制信號以控制輔助開關的導通，在輔助開關的導通時間達到該導通時間閾值時關斷輔助開關。
  2. 如請求項1所述之控制裝置，其中該返馳變換器為RCD鉗位返馳變換器或有源鉗位返馳變換器。
  3. 如請求項1所述之控制裝置，其中該輔助開關為同步整流管、鉗位管、並聯在該返馳變換器的次級側整流單元上的開關、或串聯於該返馳變換器的輔助繞組的開關。
  4. 如請求項1所述之控制裝置，其中該導通時間控制單元用以根據一計時起始信號輸出該控制信號。
  5. 如請求項1所述之控制裝置，其中該返馳變換器的工作模式為斷續模式或臨界連續模式。
  6. 如請求項1所述之控制裝置，其中該導通時間控制單元包括一計時器和一輔助開關控制器， 該計時器接收一計時起始信號，並根據該計時起始信號啟動該計時器進行計時，產生一計時信號； 該輔助開關控制器接收該計時信號，並根據該計時信號產生該控制信號。
  7. 如請求項6所述之控制裝置，其中該輔助開關控制器根據該計時起始信號導通該輔助開關。
  8. 如請求項6所述之控制裝置，其中於該計時信號大於或等於該導通時間閾值時，該輔助開關控制器關斷該輔助開關。
  9. 如請求項6所述之控制裝置，其中該計時器還根據一復位信號對該計時器進行復位。
  10. 如請求項6所述之控制裝置，其中在斷續模式下，通過檢測該輔助開關的開通信號得到該計時起始信號；在臨界連續模式下，通過檢測該激磁負電流的過零點得到該計時起始信號。
  11. 如請求項10所述之控制裝置，其中通過電流互感器、取樣電阻或者該輔助開關的自身內阻來檢測該激磁負電流的過零點。
  12. 如請求項9所述之控制裝置，其中通過檢測該輔助開關的關斷信號得到該復位信號。
  13. 如請求項1所述之控制裝置，其中該導通時間設定單元包括： 一激磁負電流設定單元，用於產生該激磁負電流基準值； 一導通時間計算單元，用於根據該激磁負電流基準值和該返馳變換器的該輸出電壓計算得到該導通時間閾值。
  14. 如請求項13所述之控制裝置，其中該激磁負電流設定單元用於基於該返馳變換器的輸入電壓設定該激磁負電流基準值。
  15. 如請求項13所述之控制裝置，其中該激磁負電流設定單元用於基於該返馳變換器的輸入電壓和輸出電壓設定該激磁負電流基準值。
  16. 如請求項1所述之控制裝置，其中該返馳變換器的輸出電壓可變。
  17. 如請求項16所述之控制裝置，其中該返馳變換器的輸出電壓為5V、9V、15V或20V。
  18. 一種開關電源，包括根據請求項1至17中任一項所述的控制裝置。
  19. 一種控制方法，應用於一返馳變換器，該返馳變換器包含一輔助開關，其中該控制方法包括： （a）檢測該返馳變換器的輸出電壓，並基於該輸出電壓和一激磁負電流基準值來設定一導通時間閾值； （b）根據一控制信號以控制該輔助開關的導通，在該輔助開關的導通時間達到該導通時間閾值時關斷該輔助開關。
  20. 如請求項19所述之控制方法，其中該返馳變換器為RCD鉗位返馳變換器或有源鉗位返馳變換器。
  21. 如請求項19所述之控制方法，其中該輔助開關為同步整流管、鉗位管、並聯在該返馳變換器的次級側整流單元上的開關、或串聯於該返馳變換器的輔助繞組的開關。
  22. 如請求項19所述之控制方法，其中該步驟（b）包含： 根據一計時起始信號輸出該控制信號。
  23. 如請求項19所述之控制方法，其中該返馳變換器的工作模式為斷續模式或臨界連續模式。
  24. 如請求項19所述之控制方法，其中該步驟（b）包括：根據一計時起始信號啟動計時器進行計時，產生一計時信號；根據該計時信號產生該控制信號。
  25. 如請求項24所述之控制方法，其中根據該計時起始信號導通該輔助開關。
  26. 如請求項24所述之控制方法，其中於該計時信號大於或等於該導通時間閾值時，關斷該輔助開關。
  27. 如請求項24所述之控制方法，其中該步驟（b）還包含：根據一復位信號對計時器進行復位。
  28. 如請求項24所述之控制方法，其中在斷續模式下，通過檢測該輔助開關的開通信號得到該計時起始信號；以及在臨界連續模式下，通過檢測該激磁負電流的過零點得到該計時起始信號。
  29. 如請求項28所述之控制方法，其中通過電流互感器、取樣電阻或者該輔助開關的自身內阻來檢測該激磁負電流的過零點。
  30. 如請求項27所述之控制方法，其中通過檢測該輔助開關的關斷信號得到該復位信號。
  31. 如請求項19所述之控制方法，其中該步驟（a）包括：通過除法運算，基於該輸出電壓和該激磁負電流基準值計算獲得該導通時間閾值。
  32. 如請求項19所述之控制方法，其中該控制方法還包含：（c）於輔助開關關斷後，通過該返馳變換器中的激磁電感與寄生電容的諧振來實現該返馳變換器的初級側功率開關管的零電壓開通。
  33. 如請求項19所述之控制方法，其中該步驟（a）還包括：基於該返馳變換器的輸入電壓設定該激磁負電流基準值。
  34. 如請求項33所述之控制方法，其中該步驟（a）還包括：基於該返馳變換器的輸入電壓的最大值設定該激磁負電流基準值。
  35. 如請求項19所述之控制方法，其中該步驟（a）還包括：基於該返馳變換器的輸入電壓和輸出電壓設定該激磁負電流基準值。
  36. 如請求項19所述之控制方法，其中該返馳變換器的輸出電壓可變。
  37. 如請求項36所述之控制方法，其中該返馳變換器的輸出電壓為5V、9V、15V或20V。
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