TWI427909B - 多輸出返馳式電源供應器及其次級側穩壓控制電路 - Google Patents

多輸出返馳式電源供應器及其次級側穩壓控制電路 Download PDF

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Description

多輸出返馳式電源供應器及其次級側穩壓控制電路
本發明係關於一種多輸出返馳式電源供應器，尤其是一種具有次級側穩壓控制電路之多輸出返馳式電源供應器。
多組輸出之小功率電源供應器的應用非常廣泛，如顯示器、小筆電(mini PC)、機上盒(STB)、影音播放器、遊戲機等。這些應用領域的需求非常龐大而且市場規模持續不斷的成長。在此同時，由於油價高漲與環保意識抬頭，關於節能與電力轉換效率的相關規範紛紛出爐。其中，又以美國加州能源委員會(California Energy Commission,CEC)於2004年12月通過的強制性設備效率規章(Appliance Efficiency Regulations)，及影響個人電腦及伺服器市場甚鉅的80 Plus計畫最為重要。
為了輸出穩壓的目的，傳統作法係於各個輸出端連接功率電阻作為假負載，避免讓輸出端工作於過低負載之狀態，同時搭配多組輸出回授，以穩定輸出電壓。另一種作法則是在主輸出端以外的其他輸出端以線性穩壓器穩壓，達到輸出穩壓目的。但是，隨環保意識抬頭，這些傳統作法已很難符合效率與省電要求。
第1圖顯示一利用線性穩壓器達到輸出穩壓目的之多輸出返馳式電源供應器。此返馳式應用電路之初級側具有一脈寬調變(PWM)控制器11與一功率晶體12，次級側則具有一個主輸出電路與一個第二輸出電路，各個輸出電路分別具有一輸出端VO1,VO2以提供二個輸出電壓。位於初級側之脈寬調變控制器11係透過一回授裝置13偵測次級側之主輸出端VO1的電壓位準，據以控制功率晶體12的導通時間，以調整電源供應端VIN儲存至變壓器14之初級側繞組140的電能。主輸出端VO1的電壓位準可以透過此回授控制獲得控制。
相較於主輸出電路可利用回授裝置穩定其輸出電壓之位準，第二輸出電路則是利用一線性穩壓器22穩定第二輸出端VO2之電壓位準。不過，受限於線性穩壓器22的運作原理，變壓器14之第二輸出繞組142提供至第二輸出電路之繞組電壓必須遠高於第二輸出端VO2之預定電壓，以確保第二輸出端VO2之輸出電壓位準符合規格。如此高的繞組電壓會導致線性穩壓器22功率損耗的增加。
爰是，如何提供穩定之多組輸出電壓，同時又能夠降低能量耗損，是本領域一個亟待克服的問題。
本發明之一主要目的係針對多組輸出時主回授以外之其它輸出電壓穩壓不易的問題，提出解決之方法。
本發明之另一主要目的係針對多組輸出功率耗損過高的缺點，提出解決之方法。
為了達到前述目的，本發明之一實施例提供一種多輸出返馳式電源供應器。此多輸出返馳式電源供應器包括一變壓器、一第一輸出電路、一第二輸出電路與一次級側同步整流控制器。其中，變壓器具有一個初級側繞組、一第一輸出繞組與一第二輸出繞組。第一輸出電路具有一第一輸出電容，以儲存來自第一輸出繞組之電能。第二輸出電路具有一第二整流開關與一第二輸出電容。第二整流開關係連接於第一輸出電容與第二輸出電容間。第二輸出電容係用以儲存來自第二輸出繞組之電能。次級側同步整流控制器係依據一次級測導通周期偵測信號，控制前述第二整流開關之導通狀態。其中，儲存於第一輸出電容與第二輸出電容之電能係透過第二輸出繞組與第二整流開關互相流通。
依據前述多輸出返馳式電源供應器，本發明亦提供一次級側穩壓控制電路。此次級側穩壓控制電路包括一第二整流開關與一次級側同步整流控制器。其中，第二整流開關係連接於前 述第一輸出電容與第二輸出電容之間。次級側同步整流控制器係依據一次級側導通周期偵測信號，控制第二整流開關之導通狀態，藉以使儲存於第一輸出電容與第二輸出電容之電能互相流通。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
第2圖係為本發明之一種多輸出返馳式電源供應器之第一實施例之示意圖。如圖中所示，此多輸出返馳式電源供應器具有一變壓器34、一第一輸出電路、一第二輸出電路與一次級側同步整流控制器35。此變壓器34具有一個初級側繞組T1、一第一輸出繞組T21與一第二輸出繞組T22，以產生二個繞組電壓分別提供至第一輸出電路與第二輸出電路。其中，初級側繞組係連接一電源供應端VIN。第一輸出電路係連接至第一輸出繞組T21，並且具有一主輸出端VO1以產生第一輸出電壓。第二輸出電路係連接至第二輸出繞組T22，並且具有一第二輸出端VO2以產生第二輸出電壓。
如圖中所示，第一輸出電路具有一第一整流開關Q21與一第一輸出電容C1。此第一整流開關Q21可以是一功率晶體或是其他整流元件。電源供應端VIN透過變壓器34儲存於第一輸出繞組T21之電能，除了透過主輸出端VO1供應至負載，同時也會儲存至第一輸出電容C1。第二輸出電路具有一第二整流開關Q22與一第二輸出電容C2。此第二整流開關可以是一功率晶體或是其他可受控之開關元件。
在本實施例中，第二整流開關Q22之一端係連接至第二輸出繞組T22，另一端連接至第一輸出電容C1之高壓端。第一整流開關Q21之一端連接至第一輸出繞組T21，另一端則是連接至接地端。儲存於第一輸出電容C1之電能可以透過第二整流開關Q22與第二輸出繞組T22轉移至第二輸出電容C2。 反之亦然。
次級側同步整流控制器35具有一偵測端DET以獲取一次級側導通周期偵測信號，並且依據此次級側導通周期偵測信號，產生驅動信號OUT同步控制前述第一整流開關Q21與第二整流開關Q22之導通狀態。此次級側導通周期偵測信號可以是第一整流開關Q21之端電壓、第一整流開關Q21之流經電流或是第一輸出繞組T21之輸出電流。本實施例之次級側同步整流控制器35之偵測端係連接至第一輸出繞組T21與第一整流開關Q21間的電路，以偵測第一整流開關Q21之端電壓。
此多輸出返馳式電源供應器並具有一回授電路。此回授電路係由一位於初級側之脈寬調變控制器31與一回授隔離裝置33所構成。脈寬調變控制器31係透過此回授隔離裝置33，偵測第一輸出電路之主輸出端VO1所輸出之第一電壓信號的位準，據以控制連接至初級側繞組T1之功率晶體Q1的導通狀態，進而調整電源供應端VIN儲存至變壓器34的能量大小。在本實施例中，脈寬調變控制器31係依據第一輸出電路之主輸出端VO1的電壓位準，控制儲存至初級側繞組T1之能量大小。不過，本發明並不限於此，脈寬調變控制器31亦可同時偵測第一輸出電路之主輸出端之電壓位準與第二輸出電路之第二輸出端VO2的電壓位準，據以控制儲存至初級側繞組T1之能量大小。
本實施例之次級側同步整流控制器35可透過次級側導通周期偵測信號確認變壓器34能量開始釋放與釋放完畢之時點，並以此控制第一整流開關Q21與第二整流開關Q22之導通周期。此外，如圖中所示，流經第一整流開關Q21之電流IS1為第一輸出電流I1與第二輸出電流I2之總和。無論第一輸出電流I1或是第二輸出電流I2發生變化，都可以透過回授裝置由初級側控制功率晶體Q1之導通時間長短，以提供良好的穩壓效果。
其次，本實施例係以一個二組輸出返馳式電源供應器為例 說明本發明。不過，本發明並不限於此。本實施例之主要精神係透過偵測主輸出繞組(即前述第一輸出繞組T21)之輸出電流，同步控制其他輸出電路之整流開關的導通狀態，以使各個輸出電路之輸出電容所儲存的能量可以透過電流的形式互相流通。此概念亦可應用於三組以上輸出電壓的實施態樣。
第6圖顯示第2圖之多輸出返馳式電源供應器在主輸出端VO1與第二輸出端VO2均為重載時之動作波形圖。圖中由上而下依次為第一輸出繞組電壓VS1、第二輸出電流I2(亦即流經第二整流開關Q22之電流)、第一輸出電流I1、第一同步整流開關電流I1S以及次級側同步整流控制器35輸出之驅動信號OUT。其中，第一同步整流開關電流I1S是指流經第一整流開關Q21之電流，第一輸出電流I1則是指實際流入第一輸出電容C1之電流。二者並不相同。
此多輸出返馳式電源供應器之運作流程可區分為T1、T2與T3三個期間。T1期間為次級側導通期間，T2期間為振鈴期間，T3期間為初級側導通期間。請同時參照第2圖所示，在次級側導通期間T1，初級側之功率晶體Q1關斷，同時，次級側同步整流控制器35之驅動信號OUT轉變為高準位以導通第一整流開關Q21與第二整流開關Q22。此時，儲存於變壓器34的能量開始透過第一輸出繞組T21與第二輸出繞組T22分別釋放至第一輸出電容C1與第二輸出電容C2。流經第一整流開關之電流I1S為第二輸出電流I2與第一輸出電流I1之總和。
當變壓器34能量釋放結束(即第一同步整流開關電流I1S歸零)，次級側同步整流控制器35之驅動信號OUT轉變為低準位，關斷第一整流開關Q21與第二整流開關Q22。此時，變壓器與電容之間產生諧振而進入振鈴期間T2。接下來，初級側功率晶體Q1重新導通，進入初級側導通期間T3。此時，能量開始儲存至變壓器34之初級側繞組T1，等待下一個週期，再度透過第一輸出繞組T21與第二輸出繞組T22分別釋 放至第一輸出電容C1與第二輸出電容C2。
第7圖顯示本發明之多輸出返馳式電源供應器在主輸出端為重載而第二輸出端為輕載時之動作波形圖。圖中由上而下依次為次級繞組電壓VS1、第二輸出電流I2(亦即流經第二整流開關Q22之電流)、第一輸出電流I1、第一同步整流開關電流I1S以及次級側同步整流控制器35輸出之驅動信號OUT。
相較於第6圖之實施例，本實施例之第二輸出端VO2為輕載，因此，第二輸出電流I2較小。如圖中a點所示，當第二輸出電流I2降低至零，第一輸出電流I1仍然為正，持續在對第一輸出電容C1進行充電。此時，第二整流開關Q22處於導通狀態，第二輸出電流I2會反轉供應至第一輸出電容C1，以避免第二輸出端VO2之電壓準位上昇。隨後，當次級側導通期間T1結束，第二整流開關Q22轉變為不導通，第二輸出電流I2也會由反轉狀態迅速歸零。
第8圖顯示本發明之多輸出返馳式電源供應器在主輸出端為輕載而第二輸出端為重載時之動作波形圖。圖中由上而下依次為次級繞組電壓VS1、第二輸出電流I2(亦即流經第二整流開關Q22之電流)、第一輸出電流I1、第一同步整流開關電流I1S以及次級側同步整流控制器35輸出之驅動信號OUT。
相較於第6圖之實施例，本實施例之主輸出端VO1為輕載，因此，第一輸出電流I1較小。如圖中b點所示，當第一輸出電流I1降低至零，第二輸出電流I2仍然為正，在對第二輸出電容C2進行充電。此時，流經第一整流開關Q21之電流尚未歸零，第二整流開關Q22仍然是開啟狀態。第一輸出電流I1會反轉供應至第二輸出電容C2，以避免主輸出端VO1之電壓位準過度上昇。此回流會同時導致主輸出端VO1之電壓位準降低。當主輸出端VO1之電壓位準降低至一相對低點時，將無法維持第一輸出電流I1的增加斜率，而導致第一輸出電流I1開始降低(即圖中c點所示)，進而造成第二輸出電流I2迅速降低。
第3圖係為本發明之一種多輸出返馳式電源供應器之第二實施例之示意圖。不同於本發明之第一實施例，本實施例之第一整流開關Q21係設置於變壓器44之第一次級側繞組T21與主輸出端VO1之間。第二次級側繞組T22係透過第二整流開關Q22直接串接至主輸出端VO1。來自第二次級側繞組T22之電能可透過第二整流開關Q22，直接儲存至第一輸出電容C1，而不需經過第一整流開關Q21。
本實施例與本發明之第一實施例之差異在於第一整流開關Q21與第一輸出繞組T21之相對位置互換，因此，其動作原理與第一實施例相類似，在此不再贅述。
其次，配合第一整流開關Q21之位置改變，次級側同步整流控制器45之偵測端DET與接地端GND的位置也要隨同改變。在本實施例中，次級側同步整流控制器45之接地端GND係連接至第一輸出繞組T21之輸出端，亦即第一整流開關Q21(圖中係以一功率晶體為例)之源極端，次級側同步整流控制器45之偵測端DET則是連接至第一整流開關Q21之汲極端。此外，因應次級側同步整流控制器45之接地點電位的改變，本實施例在次級側同步整流控制器45與第二整流開關Q22之間增加一緩衝器46，以防止第二整流開關Q22之閘源極驅動電壓過高或過低。
第4圖係為本發明之一種多輸出返馳式電源供應器之第三實施例之示意圖。不同於本發明之第二實施例，本實施例之第二整流開關Q22係位於變壓器54之第二次級側繞組T22與第二輸出端VO2之間。本實施例與本發明之第二實施例之差異在於第二整流開關Q22與第二輸出繞組T22之相對位置互換，因此，其動作原理與本發明之第二實施例相類似，在此不再贅述。
第5圖係為本發明之一種多輸出返馳式電源供應器之第四實施例之示意圖。不同於本發明之第二實施例，本實施例係以一整流二極體D1取代第3圖中之第一整流開關Q21。因此， 本實施例之次級側同步整流控制器65輸出之驅動信號OUT僅用以控制第二整流開關Q22之導通狀態。此次級側同步整流控制器65係偵測整流二極體D1之端電壓或是流經整流二極體D1之電流，判斷第一輸出繞組T21是否仍在供電，以控制第二整流開關62之導通狀態。
相較於如第1圖所示之傳統多輸出返馳式電源供應器，本發明所提供之多輸出返馳式電源供應器不需使用線性穩壓器22，即可有效穩定主輸出端VO1以外之其他輸出端VO1的電壓準位。此外，本發明之多輸出返馳式電源供應器可以有效利用儲存於第一輸出電容C1與第二輸出電容C2的電能，以提升能源使用效率，同時可以避免各個輸出端負載不一致時輸出電壓穩壓不易的問題。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
11‧‧‧脈寬調變控制器
12‧‧‧功率晶體
13‧‧‧回授隔離裝置
14‧‧‧變壓器
140‧‧‧初級側繞組
141‧‧‧第一輸出繞組
142‧‧‧第二輸出繞組
22‧‧‧線性穩壓器
VO1‧‧‧主輸出端
VO2‧‧‧第二輸出端
VIN‧‧‧電源供應端
34,44,54,64‧‧‧變壓器
T1‧‧‧初級側繞組
T21‧‧‧第一輸出繞組
T22‧‧‧第二輸出繞組
35,45,55,65‧‧‧次級側同步整流控制器
Q1‧‧‧功率晶體
Q21‧‧‧第一整流開關
Q22‧‧‧第二整流開關
C1‧‧‧第一輸出電容
C2‧‧‧第二輸出電容
31,41,51,61‧‧‧脈寬調變控制器
33,43,53,63‧‧‧回授隔離裝置
46,56,66‧‧‧緩衝器
DET‧‧‧偵測端
GND‧‧‧接地端
VS1‧‧‧第一輸出繞組電壓
I1‧‧‧第一輸出電流
I2‧‧‧第二輸出電流
I1S‧‧‧第一同步整流開關電流
OUT‧‧‧驅動信號
第1圖係一傳統多輸出返馳式電源供應器。
第2圖係本發明第一實施例之多輸出返馳式電源供應器。
第3圖係本發明第二實施例之多輸出返馳式電源供應器。
第4圖係本發明第三實施例之多輸出返馳式電源供應器。
第5圖係本發明第四實施例之多輸出返馳式電源供應器。
第6圖係本發明之多輸出返馳式電源供應器在兩輸出端均為重載時之動作波形圖。
第7圖顯示本發明之多輸出返馳式電源供應器在主輸出端為重載，第二輸出端為輕載時之動作波形圖。
第8圖顯示本發明之多輸出返馳式電源供應器在主輸出端為輕載，第二輸出端為重載時之動作波形圖。
VO1‧‧‧主輸出端
VO2‧‧‧第二輸出端
VIN‧‧‧電源供應端
34‧‧‧變壓器
T1‧‧‧初級側繞組
T21‧‧‧第一輸出繞組
T22‧‧‧第二輸出繞組
35‧‧‧次級側同步整流控制器
Q1‧‧‧功率晶體
Q21‧‧‧第一整流開關
Q22‧‧‧第二整流開關
C1‧‧‧第一輸出電容
C2‧‧‧第二輸出電容
31‧‧‧脈寬調變控制器
33‧‧‧回授隔離裝置
DET‧‧‧偵測端
GND‧‧‧接地端
I1‧‧‧第一輸出電流
I2‧‧‧第二輸出電流
I1S‧‧‧第一同步整流開關電流
OUT‧‧‧驅動信號

Claims (18)

  1. 一種多輸出返馳式電源供應器，包括：一變壓器，具有一個初級側繞組、一第一輸出繞組與一第二輸出繞組；一第一輸出電路，具有一第一整流元件與具有一第一輸出電容，以儲存來自該第一輸出繞組之電能；一第二輸出電路，具有一第二整流開關與一第二輸出電容，該第二整流開關係連接於該第一輸出電容與該第二輸出電容間，該第二輸出電容係用以儲存來自該第二輸出繞組之電能；以及一次級側同步整流控制器，連接於該第一輸出繞組與該第一整流元件，用以偵測該第一輸出繞組輸出電流，並依據一次級側導通周期偵測信號，控制該第二整流開關之導通狀態；其中，儲存於該第一輸出電容與該第二輸出電容之電能係透過該第二輸出繞組與該第二整流開關互相流通。
  2. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，其中，該第一整流元件係一整流二極體，來自該第一輸出繞組之電能係透過該整流二極體儲存至該第一輸出電容。
  3. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，其中，該第一整流元件係一第一整流開關，來自該第一輸出繞組之電能係透過該第一整流開關儲存至該第一輸出電容，該次級側同步整流控制器係依據該次級測導通周期偵測信號，同步控制該第一整流開關與該第二整流開關之導通狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，其中，該次級側導通周期偵測信號係該第一整流元件之端電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，其中，該次級側導通周期偵測信號係該第一整流元件之流過電流。
  6. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，其中，該次級側導通周期偵測信號係該第一輸出繞組之輸出電流。
  7. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，其中，該次級側同步整流控制器具有一接地端連接至該第一輸出繞組 之一輸出端。
  8. 如申請專利範圍第7項之多輸出返馳式電源供應器，更包括一緩衝器，該次級側同步整流控制器係透過該緩衝器驅動該第二整流開關。
  9. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，更包括一回授電路，依據該第一輸出電路之輸出電壓，控制儲存至該初級側繞組之電能。
  10. 如申請專利範圍第1項之多輸出返馳式電源供應器，更包括一回授電路，依據該第一輸出電路與該第二輸出電路之輸出電壓，控制儲存至該初級側繞組之電能。
  11. 一次級側穩壓控制電路，應用於一多輸出返馳式電源供應器，該多輸出返馳式電源供應器具有一變壓器、一第一輸出電容與一第二輸出電容，該變壓器具有一個初級側繞組、一第一輸出繞組與一第二輸出繞組，該第一輸出電容係透過一第一整流元件連接該第一輸出繞組，以儲存來自該第一輸出繞組之電能，該第二輸出電容係連接該第二輸出繞組，以儲存來自該第二輸出繞組之電能，該次級側穩壓控制電路包括：一第二整流開關，連接於該第一輸出電容與該第二輸出電容之間；以及一次級側同步整流控制器，連接於該第一輸出繞組與該第一整流元件，用以偵測該第一輸出繞組輸出電流，並依據一次級側導通周期偵測信號，控制該第二整流開關之導通狀態；其中，儲存於該第一輸出電容與該第二輸出電容之電能係透過該第二輸出繞組與該第二整流開關互相流通。
  12. 如申請專利範圍第11項之次級側穩壓控制電路，其中，該第一整流元件係一整流二極體，來自該第一輸出繞組之電能係透過該整流二極體儲存至該第一輸出電容。
  13. 如申請專利範圍第11項之次級側穩壓控制電路，其中，該次級側導通周期偵測信號係該第一整流元件之端電壓。
  14. 如申請專利範圍第11項之次級側穩壓控制電路，其中，該 次級側導通周期偵測信號係該第一整流元件之流過電流。
  15. 如申請專利範圍第11項之次級側穩壓控制電路，其中，該第一整流元件係一第一整流開關，來自該第一輸出繞組之電能係透過該第一整流開關儲存至該第一輸出電容，該次級側同步整流控制器係依據該次級測導通周期偵測信號，同步控制該第一整流開關與該第二整流開關之導通狀態。
  16. 如申請專利範圍第11項之次級側穩壓控制電路，其中，該次級側導通周期偵測信號係該第一輸出繞組之輸出電流。
  17. 如申請專利範圍第11項之次級側穩壓控制電路，其中，該次級側同步整流控制器具有一接地端連接至該第一輸出繞組之一輸出端。
  18. 如申請專利範圍第17項之次級側穩壓控制電路，更包括一緩衝器，該次級側同步整流控制器係透過該緩衝器驅動該第二整流開關。
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