TWI382643B - With synchronous control of the return-type circuit - Google Patents

Description

具備同步控制的返馳式電路

一種具備同步控制的返馳式電路，尤其是指一種藉由同步信號控制二次側與一次側同步的電路。

現今大多數電器設備為取得穩定的電流而工作，皆需透過一電源供應器取得市內電力並轉換為直流或交流之電力輸出，而電源供應器包含範圍很廣，包括轉換器(Converter)、變頻器(Inverter)等等，其中有一類稱為返馳式轉換器(Flyback Converter)。在電源供應器電路中，使用返馳式轉換器可達到設計簡單、價格便宜的優點；返馳式轉換器的特性在於該電路中用於轉換電力之變壓器一次側線圈與二次側線圈極性相反，且當輸入電流通過一次側線圈時，二次側線圈通常利用一二極體或一開關元件阻止電流導通，並且將能量儲存在變壓器中，而一次側線圈截止時，該二極體自動因二次側線圈感應電勢之極性反向而導通，或者由導通該開關元件而使二次側線圈之電流得以流通；而目前返馳式轉換器為了提高效率，通常都是以一開關元件控制二次側線圈能量的釋放，然而開關元件需要控制信號觸發而啟閉，因此後續有控制該開關元件之電路創作。

利用開關元件截止二次側線圈之先前創作有美國專利第7233505號的「High efficiency flyback converter with primary,secondary,andtertiary windings」，其中該flyback converter包含一primary side(可翻為一次側)以及一secondary side(可翻為二次側)，分別具有一primary winding(12)與一secondary winding(22)，並有一tertiary winding(23)感應該secondary winding的極性變化，其中該secondary side之截止或導通是由一MOSFET(標號25)控制，而該MOSFET的動作則是由該tertiary winding感應的信號控制，換言之，該創作的MOSFET同步動作係藉由二次側的自激所產生；另一類似創作如美國專利第6424544號的「continuous mode flyback converter」其中該converter包含一primary winding(101)、一secondary winding (107)以及一auxiliary winding(108)，透過auxiliary winding感應primary winding的極性變化而產生一信號控制該transistor(110)的動作，因此該先前專利亦同是利用二次側自激的方式達到二次側同步啟閉的作用；唯前述返馳式自激同步控制仍具有缺失，基本上該自激信號是截取自一次側線圈的極性變化，且該二次側線圈的極性變化是源自於該一次側線圈的電流變動，換言之，一次側線圈的極性變化後二次側線圈才開始有反應，如此即無法達到零電壓切換(ZVS)的功效，自然會產生切換損耗；再者，當該一次側線圈於輕載、短路或者其他異常狀態下停止電流之切換時，該二次側線圈即無法感應到極性變化，亦即該二次側線圈感應電勢並未隨一次側極性變化而改變時，該自激控制的機制將失去規律，屆時該自激頻率會隨負載阻抗、電路本體阻抗等等許多因素影響而極度不規律且難以預測，如此將造成二次側產生極端混亂之電力波形，將毀壞該返馳式轉換器。

因此習知自激式返馳式轉換器的控制技術仍待改進，以避免上述異常狀態下的失控與電路損壞。

有鑑於習知自激式返馳式轉換器的控制技術在異常時具有失控之風險，且二次側無法提前與一次側取得同步的缺失，本發明提供一種透過同步信號使二次側配合一次側能同步動作之返馳式電路，並限制其最低自激週期的長度以避免該返馳式電路自激失控的問題。

本發明為一種具備同步控制的返馳式電路，該返馳式電路之一、二次側分別具有感應極性相反之一次側線圈與二次側線圈，其中該二次側線圈之電流導通週期受控於一同步整流開關之啟閉，而返馳式電路更包括一脈寬調變單元、一同步控制單元及一導通週期限制單元，其中該脈寬調變單元產生一驅動信號控制該一次側線圈之電流導通週期，並於產生該驅動信號之前，先提供一輸出時序領先該驅動信號之同步信號，而同步控制單元透過一感應線圈組取得此同步信號，並以該同步信號驅動同步整流開關截止，而且該導通週期限制單元於該同步整流開關導通後啟始一週期限制時序，且該同步整流開關持續導通 至該週期限制時序結束時，該導通週期限制單元產生一強迫截止信號截止該同步整流開關之導通，並於該同步整流開關截止後，該導通週期限制單元重置回初始狀態，以此控制模式維持該返馳式電路運作之最低工作頻率。

藉由上述之電路架構，返馳式電路之二次側可藉由同步信號與該一次側同步動作以達到零電壓切換(ZVS)的效果，並且於一次側暫停工作或發生異常時，該導通週期限制單元可自動維持最低的工作頻率，以避免該返馳式電路自激失控。

本發明為一種具備同步控制的返馳式電路，請參閱圖1、圖2，如圖所示為一返馳式電路，電路中的變壓器1可區分為一次側與二次側，該變壓器1之一、二次側分別具有感應極性相反之一一次側線圈11與一二次側線圈12，該二次側線圈12之電流導通週期受控於一同步整流開關5之啟閉，而該一次側線圈11之電流導通週期則受控於一脈寬調變單元3，該脈寬調變單元3係產生一驅動信號(V_G1 )驅動一功率開關4的啟閉，進而控制該一次側線圈11之電流導通週期，另，該脈寬調變單元3更於產生該驅動信號(V_G1 )之前先提供一輸出時序領先該驅動信號(V_G1 )之同步信號(Syn)，而該同步信號(Syn)透過一感應線圈組61傳送至二次側，一同步控制單元6自該感應線圈組61取得該同步信號，並以該同步信號驅動該同步整流開關5截止；另，該二次側線圈12旁設一自激線圈2，當該脈寬調變單元3令該功率開關4截止後，該自激線圈2受該一次側線圈11之極性變化而感應一自激信號驅動該同步整流開關5導通；當該同步整流開關5導通後，一導通週期限制單元7將自該同步整流開關5截取一電流或電壓信號，並藉此令該導通週期限制單元7啟始一週期限制時序，其中，若該脈寬調變單元3再次產生該同步信號截止該同步整流開關5，於該同步整流開關5截止後，該導通週期限制單元7也將重置回初始狀態，若發生異常狀態或暫態變化使該脈寬調變單元3停止送出驅動信號，該同步整流開關5持續導通至該週期限制時序結束 時，該導通週期限制單元7會產生一強迫截止信號強迫截止該同步整流開關5，以維持返馳式電路運作之最低工作頻率；上述電路中，該同步整流開關5更連接一同步整流開關驅動單元51，該同步整流開關驅動單元51受該自激線圈2之自激信號觸發後，提供一足夠之電壓以確保該同步整流開關5導通，因此該同步整流開關驅動單元51係依據該同步信號、強迫截止信號以及該自激信號決定導通該同步整流開關5的時序；藉由上述之電路架構，本返馳式電路除了藉由該自激線圈2維持基本的自激功能以外，更利用該同步控制單元6與該感應線圈組61在一次側線圈激磁前取得一同步信號(Syn)截止該同步整流開關5，再者，為了避免一次側停止動作而使該二次側的自激週期失控，該導通週期限制單元7提供一週期限制時序，當該同步整流開關5導通至該週期限制時序時間後，由該導通週期限制單元7強制截止該同步整流開關5以維持最低之工作頻率，達到避免自激週期失控之功效。

請參閱圖2以及圖3－1至圖3－5，該等圖式為本發明實施例電路圖與圖2各節點之波形圖，於該實施例中可見該同步整流開關驅動單元51包含一具有高、低準位狀態之閂閘迴路(主要由半導體開關Q3、Q4所構成)以維持該同步整流開關5之工作狀態，因此該閂閘電路受自激線圈2的自激信號觸發後可提供穩定的電壓確保該同步整流開關5的導通；然而當該脈寬調變單元3產生該驅動信號(V_G1 )令該功率開關4導通前，該脈寬調變單元3先產生該同步信號(Syn)，透過該感應線圈組61觸發該同步控制單元6中的半導體開關Q6，因而牽動該同步整流開關驅動單元51中閂閘迴路的閘極電壓，使該閂閘電路輸出位於低位準狀態，進而截止該同步整流開關5；而該同步整流開關5導通時，該導通週期限制單元7自該同步整流開關5旁擷取一電流或電壓信號，該導通週期限制單元7包含一充放電迴路以及一參考電壓源Vcc，該充放電迴路連接至參考電壓源Vcc，並設定一截止電壓位準，該截止電壓可由半導體開關Q5的轉態電壓決定，當該同步整流開關5導通後該充放電迴路藉由該參考電壓源Vcc而充 電，並由該充放電迴路充電之電壓是否到達該截止電壓位準而決定產生該強迫截止信號之時序，換言之，當該同步整流開關5持續導通，致使該充放電迴路的電壓到達該截止電壓位準，則該半導體開關Q5之工作狀態將改變，亦牽動該閂閘電路之閘極電壓，進而強迫該同步整流開關5截止，確保該返馳式電路的最低運作頻率，若該同步整流開關5受該同步信號觸發截止時會一併觸發該充放電迴路放電，故該導通週期限制單元7可不斷重複回歸初始狀態重新啟始該週期限制時序，而該週期限制時序係由該充放電迴路充電至該截止電壓位準而決定；請參閱圖3-1至圖3-5，其中圖3-1代表該同步整流開關5之閘極電壓波形(CTL)，圖3-2代表該同步控制單元6中半導體開關Q6之VCE電壓波形(DR)，圖3-3是該變壓器1二次側線圈12兩端電壓波形(PLL)，圖3-4為該同步信號之波形(Syn)，圖3-5則為該導通週期限制單元7之充放電迴路的電容兩端電壓波形(V_C1 )；由圖中可見，當該同步信號為高準位時將使該同步整流開關驅動單元51、該導通週期限制單元7之電容電壓、該同步整流開關5之閘極電壓變為低準位，使該同步整流開關5截止，因而圖3-1、圖3-2、圖3-3的波形降至低準位，直到一次側之電流導通狀態改變後，二次側因自激而產生電流與電壓，該充放電迴路也因該同步信號(Syn)觸發而放電，圖3-5之電容兩端電壓波形亦降至低準位。

請再參閱圖2以及圖4-1至圖4-5等圖示，圖4-1至4-5等圖示代表圖2中返馳式電路產生異常狀態下各結點之波形圖，其中圖4-1代表該同步整流開關5之閘極電壓波形，圖4-2代表該同步控制單元6之半導體開關Q6之VCE電壓波形，圖4-3代表變壓器1二次側線圈12兩端，圖4-4代表該同步信號(Syn)之波形，圖4-5則為該導通週期限制單元7之充放電迴路的電容兩端電壓波形；首先，特別要注意的是該同步信號(Syn)正常輸出三個脈波後即停止，代表該脈寬調變單元3亦停止輸出該驅動信號(V_G1 )使一次側停止動作，若未有該同步信號(Syn)的觸發，該同步整流開關5會持續導通，此時特別值得注意的是圖4-5的充放電迴路電壓，圖4-5中可見該充放電迴路 的電壓到達該截止電壓位準(於該模擬之波形中，該截止電壓位準約為14V)時，該充放電迴路將產生該強迫截止信號強迫該同步整流開關5截止，因此可看到圖4－1、圖4－2與圖4－3之電壓波形仍能維持較低的頻率正常切換，使該返馳式電路不至失去控制。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內而所作之些許更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明中，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

綜上所述，本發明較習知之電路增進上述功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定創新專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

1‧‧‧變壓器

11‧‧‧一次側線圈

12‧‧‧二次側線圈

2‧‧‧自激線圈

3‧‧‧脈寬調變單元

4‧‧‧功率開關

5‧‧‧同步整流開關

51‧‧‧同步整流開關驅動單元

6‧‧‧同步控制單元

61‧‧‧感應線圈組

7‧‧‧導通週期限制單元

圖1為本發明之電路架構方塊圖。

圖2為本發明之實施電路圖。

圖3－1為該實施電路圖之波形圖(一)。

圖3－2為該實施電路圖之波形圖(二)。

圖3－3為該實施電路圖之波形圖(三)。

圖3－4為該實施電路圖之波形圖(四)。

圖3－5為該實施電路圖之波形圖(五)。

圖4－1為該實施電路於異常狀態下之波形圖(一)。

圖4－2為該實施電路於異常狀態下之波形圖(二)。

圖4－3為該實施電路於異常狀態下之波形圖(三)。

圖4－4為該實施電路於異常狀態下之波形圖(四)。

圖4－5為該實施電路於異常狀態下之波形圖(五)。

1‧‧‧變壓器

11‧‧‧一次側線圈

12‧‧‧二次側線圈

2‧‧‧自激線圈

3‧‧‧脈寬調變單元

4‧‧‧功率開關

5‧‧‧同步整流開關

51‧‧‧同步整流開關驅動單元

6‧‧‧同步控制單元

61‧‧‧感應線圈組

7‧‧‧導通週期限制單元

Claims (6)

1. 一種具備同步控制的返馳式電路，該返馳式電路之一、二次側分別具有感應極性相反之一一次側線圈與二次側線圈，其中該二次側線圈之電流導通週期受控於一同步整流開關之啟閉，該返馳式電路更包括：一脈寬調變單元，係產生一驅動信號控制該一次側線圈之功率開關導通週期，並於產生該驅動信號之前先行輸出一時序領先該驅動信號之同步信號；一同步控制單元，該同步控制單元係藉由一感應線圈組取得該同步信號，並以該同步信號使同步整流開關截止；一導通週期限制單元，係於該同步整流開關導通後啟始一週期限制時序，其中，於該同步信號截止該同步整流開關後，該導通週期限制單元將重置回初始狀態，且該同步整流開關持續導通至該週期限制時序結束時，該導通週期限制單元產生一強迫截止信號截止該同步整流開關之導通，以維持該返馳式電路運作之最低工作頻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具備同步控制的返馳式電路，其中該二次側更包括一自激線圈與該一次側線圈耦合，而透過該一次側線圈之極性變化產生一自激信號，並藉由該自激信號驅動該同步整流開關。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之具備同步控制的返馳式電路，其中該同步整流開關更連接至一同步整流開關驅動單元，該同步整流開關驅動單元依據該同步信號、強迫截止信號以及自激信號決定同步整流開關導通之時序。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具備同步控制的返馳式電路，其中同步整流開關驅動單元包含一具有高、低準位狀態之閂閘迴路以控制該同步整流開關之工作狀態。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具備同步控制的返馳式電路，其中該導通週期限制單元包含一充放電迴路以及一參考電壓源，該充放電迴路連接該參考電壓源，並設定一截止電壓位準，由該充放電迴路充電之電壓是否到達該截止電壓位準而決定產生該強迫截止信號之時序。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具備同步控制的返馳式電路，其中該週期限制時序係由該充放電迴路充電至該截止電壓位準而決定。