TWI477051B - 初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器 - Google Patents

初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器 Download PDF

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Description

初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器
本發明係有關於一種返馳式電源轉換器，特別是一種具有初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器。
用於電子產品中之電源供應器可能需要在電源之輸入與之輸出之間進行電氣隔離，且此隔離通常可使用變壓器實現。該變壓器可被放置於一稱為返馳式電源轉換器(flyback converter)之組態中。一返馳式電源轉換器可藉由控制一系列供應到該轉換器之初級線圈的脈衝來調整輸出。當輸出需增加時，可延長該脈衝之導通時間；相反地，當輸出需減少時，可縮短該脈衝之導通時間。
第一圖所示為一習知具有次級回授之返馳式電源轉換器示意圖，該具有次級回授之返馳式電源轉換器主要具有一全橋整流濾波單元12A、一PWM切換單元14A、一切換開關16A、一變壓器單元20A、一輸出濾波單元32A、及一回授單元30A。在用於AC-DC轉換用途時，該全橋整流濾波單元12A可接受一交流電輸入(例如一市電)，然後轉換成一整流後輸出，該整流後輸出經由初級線圈Wp及該切換開關16A而接地。在整流後輸出經由初級線圈時，可以將能量耦合到次級線圈Ws及輔助線圈Waux。次級線圈Ws將耦合電 能經由該輸出濾波單元32A輸出到一負載(未圖示)。該回授單元30A可量測負載上之輸出功率(例如電流或電壓)，以產生一回授信號，並將該回授信號回授至該PWM切換單元14A。該PWM切換單元14A依據該回授信號，或是來自一外部控制單元(未圖示)之控制信號以控制該切換開關16A之開關，進而控制該返馳式電源轉換器之輸出功率。更詳細而言，輸出電壓Vo係以電阻分壓方式分割出分壓電壓Vdiv。分壓電壓Vdiv驅動電壓調整器(例如TL431)，且電壓調整器TL431產生一個正比於分壓電壓Vdiv及電壓調整器TL431內部參考電壓之電壓差的電流信號，此電流信號經由光耦合器(photo coupler)傳送至初級側之回授控制單元，以穩定整個回授系統。
隨著消費型電子的節能型態及對於環保的重視，電子產品要求在待機時能消耗較低功率，以延長電池使用時間及降低電能消耗。由於在次級側之電路常藉由電壓調整器及光耦合器以將回授信號以光學方式傳遞給初級側電路，且待機時仍須監控輸出功率，因此會在待機時消耗不少電能。
再者，第二圖所示為一習知具有初級回授之返馳式電源轉換器示意圖。該具有初級回授之返馳式電源轉換器係藉由PWM切換單元14B偵測輔助線圈Waux之功率，不須光耦合器即可間接監測該返馳式電源轉換器次級側之輸出功率，即可提供一初級側回授(primary side feedback)電路。然而由於變壓器單元20A及輸出濾波單元32A皆有一些非理想特性，因此由初級側偵測之功率無法反應真正的負載輸出狀態。再者，初級側回授電路尚有較差的輸出調整率、無法用於較高功率(例如15W以上)用途的缺點。
由以上說明可知，習知技術的返馳式電源轉換器在回授控制部份有不能兼顧輕載及重載的問題，因此不能滿足環保節能及監測準確度的雙重要求。
本發明之一目的在於提供一種具有初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器。
本發明之另一目的在於提供一種用於返馳式電源轉換器之初次級雙回授控制方法。
為達成本發明之上述目的，本發明提供一種初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器，該返馳式電源轉換器包含一變壓器，該變壓器具有彼此電磁耦合之初級線圈、次級線圈及輔助線圈。該返馳式電源轉換器另外包含：一次級回授單元，電連接至該次級線圈，且包含一隔離信號元件及一電壓調整器，該隔離信號元件包含一位於次級側之信號發射器及一位於初級側之信號接收器，該信號發射器電連接至該次級回授單元之一電壓調整器且以隔離方式發送一次級回授信號至該信號接收器；及一回授控制單元，電連接到該輔助線圈及該信號接收器。該回授控制單元於該返馳式電源轉換器在重載操作時，經由該信號接收器接收該次級回授信號，且該回授控制單元於該返馳式電源轉換器在輕載操作時，接收來自該輔助線圈之一初級回授信號。
為達成本發明之上述目的，本發明之方法包含：當該返馳式電源轉換器於重載操作時，一回授控制單元接收該隔離信號元件送來之次級回授信號以做回授控制；及若該次級回授信號低到一預定 條件之下，該回授控制單元選擇來自該輔助線圈之初級回授信號以做回授控制。
[習知]
12A‧‧‧全橋整流濾波單元
14A,14B‧‧‧PWM驅動單元
16A‧‧‧切換開關
20A‧‧‧變壓器單元
Wp‧‧‧初級線圈
Ws‧‧‧次級線圈
Waux‧‧‧輔助線圈
30A‧‧‧回授單元
32A‧‧‧輸出濾波單元
[本發明]
100,100'‧‧‧返馳式電源轉換器
12‧‧‧全橋整流濾波單元
16‧‧‧切換開關
20‧‧‧變壓器單元
30‧‧‧次級回授單元
32‧‧‧輸出濾波單元
40‧‧‧回授控制單元
R,R1,R2‧‧‧電阻
34‧‧‧電壓調整器
36‧‧‧隔離信號元件
36A‧‧‧發光二極體
36B‧‧‧光電晶體
400‧‧‧微控制器
60‧‧‧雙向隔離信號元件
第一圖所示為一習知技術返馳式電源轉換器示意圖。
第二圖所示為另一習知技術返馳式電源轉換器示意圖。
第三圖為說明依據本發明一較佳實例之返馳式電源轉換器電路圖。
第四圖為說明依據本發明另一較佳實例之返馳式電源轉換器電路圖。
第五圖為說明第三圖較佳實例之操作波形圖。
第六圖為說明第四圖較佳實例之操作波形圖。
請參考第三圖，其為說明依據本發明之第一較佳具體實例之具有初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器方塊圖。具有初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器100主要包含一全橋整流濾波單元12、一切換開關16、一變壓器單元20、一次級回授單元30、一輸出濾波單元32及一回授控制單元40，其中部份與第一圖近似之元件以相似之圖號標示，因此在此不再詳述其細節。
如第三圖所示，該回授控制單元40之六個接腳分別連至接地(接腳1)、接收回授單元30之次級回授信號FB(接腳2)、經由分壓電阻電路(R1及R2)而連接到輔助線圈Waux(接腳3)、透過電容接地以做電流偵測(接腳4)、經由電阻及二極體連接到輔助線 圈Waux，以得到操作電壓(接腳5)及連接到切換開關16以做控制訊號輸出(接腳6)。
該回授單元30包含在次級側的電阻R(連接到輸出電壓端Vo)及電壓調整器(shunt regulator)34，及位於初級側及次級側之間的隔離信號元件(isolated signal device)36。更具體而言，該隔離信號元件36包含位於次級側之信號發射器，及位於初級側之信號接收器，且信號發射器與信號接收器以電氣隔離之方式傳輸信號。依據本發明之第一較佳具體實例，該隔離信號元件36為位於次級測之發光二極體36A及位在初級側之光電晶體36B，以做隔離信號傳輸，避免初級及次級間會有漏電流。然而該隔離信號元件36亦可以由電感感應元件(inductive coupling device)、電容感應元件(capacitive coupling device)、聲學變壓器(acoustic transformer)實現，皆在專利範圍內，下列有關於返馳式電源轉換器100之操作，即以位於次級測之發光二極體36A及位在初級側之光電晶體36B實現隔離信號元件36，以做說明。
在重載時，由於輸出電壓較高，因此發光二極體36A及電壓調整器34皆會正常工作而將代表輸出電壓端Vo位準信號發送給初級側之光電晶體36B，以形成提供給回授控制單元40之次級回授信號FB。回授控制單元40之內部控制元件(例如可為一微處理器400)在接收到次級回授信號FB後，即可由次級回授信號FB判斷目前輸出電壓端Vo位準，以做回授控制。
復參見第五圖，為說明本發明第一較佳具體實例操作之波形示意圖。在一開始開機後且負載為重載狀態時(例如輸出功率為2W-65W時)，次級回授信號FB之位準也較高，此時回授控制單元 40係接收次級回授信號FB以做回授控制。在負載功率下降時，次級回授信號FB之位準也降低。若次級回授信號FB之位準降到一臨限值(例如0.3V)以下，則回授控制單元40判斷此時負載會由重載轉為輕載(例如預定條件為2W以下)，即會選擇由接腳3，亦即由分壓電阻電路(R1及R2)而連接到輔助線圈Waux之接腳，而接收初級回授信號以做回授控制。此時由於使用的回授信號係由次級回授信號FB變化到初級回授信號，回授控制單元40可控制輸出到切換開關16之控制電壓，使輸出電壓降低一預定條件，因此輸出的能量可以藉由電壓降低而減少。由於在輕載時，預定條件在2瓦以下，遠低於習知的架構所能提供之輸出功率，因此可以將次級側之電路在一節能模式下操作。在此節能模式下，至少光耦合器之光電晶體可以藉由初級側回授控制單元關掉，以節省消耗功率。在輸出電壓的電壓調整率特性，不會有習知架構的問題產生。另外將輸出電壓Vo降低一預定條件，在不會影響輸出端之操作之下，亦可得到減少能源損耗之目的。由於輸出電壓Vo降低因此可以使得光耦合器中的發光二極體36A及電壓調整器34流經電流降低，也可以達成節省消耗功率之效果。
另外，為了由回授控制單元40控制輸出到切換開關16之控制電壓，使輸出電壓降低一預定條件外；分壓電路R1及R2之阻值可以選擇與一般初級回授電路使用之數值略有不同，使得回授控制單元40在選擇回授信號由接腳3輸入時，回報之負載狀態會與次級回授信號FB略有不同，而可控制輸出到切換開關16之控制電壓，使輸出電壓降低一預定條件。再者，本發明可以實現輸出電壓略降的方式不僅於此，也可以選擇變壓器單元20之圈數比(例如初級 側線圈Wp及輔助線圈Waux之圈數比)，而使得回授控制單元40在選擇回授信號由接腳3輸入時，回報之負載狀態會與次級回授信號FB略有不同，達成輸出電壓降低一預定條件效果。
在此時，回授控制單元40主要依賴由分壓電阻電路(R1及R2)連接到輔助線圈Waux之接腳，以得到初級回授信號。並且此時回授控制單元40改以脈波頻率調變(pulse frequency modulation,PFM)或電壓位準感應偵測之方式來控制切換開關16，且輸出如第五圖所示之控制信號PSR。換言之，回授控制單元40輸出導通時間(on time)為固定之脈波，但是脈波之頻率隨著負載之需求而改變，例如在零負載時，PFM信號之頻率可為500Hz或更低，而在輸出功率需求為2W時，PFM信號之頻率可為1KHz，依此類推。
如第五圖所示，在微處理器400判斷PFM輸出脈波的頻率增加到一預定臨界頻率時，即可判斷此時負載狀況由輕載轉換為重載，且選擇次級回授信號FB做回授控制。由於此時回授路徑選擇改變，輸出電壓Vo即回復至未降壓前之位準，因此發光二極體36A及電壓調整器34可正常工作，以使得回授控制單元40得以精確回授控制輸出電壓。
參見第四圖，為說明依據本發明之第二較佳具體實例之具有初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器方塊圖。該具有初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器100'主要包含與第三圖所示具體實例類似之元件，主要差異點為在初級側及次級側設置一雙向隔離信號元件60，以提供雙向可控制之隔離。該雙向隔離信號元件60可以提供初級側及次級側的雙向命令信號傳輸，且該雙向隔離信號元 件60至少包含一位於次級側之信號發射器及一位於初級側之信號接收器，其中該信號發射器及該信號接收器係以電氣隔離方式傳送訊號。在負載端為重載操作時，該雙向隔離信號元件60可量測流經電阻R之電流IR，並將量測結果經由該信號發射器傳送到該信號接收器，並由回授控制單元40之接腳2接收，以做回授控制。
在負載端由重載轉成輕載時，該回授控制單元40可利用該雙向隔離信號元件60將位於次級側的電阻R及電壓調整器34的一連接路徑斷路，因此如第六圖所示，流過電阻R之電流IR為0，且電壓調整器34也會關掉，以節省消耗功率。
此時回授控制單元40係以初級側回授信號做回授控制。再者，在負載端由輕載轉成重載時，該回授控制單元40可以藉由該雙向隔離信號元件60解除次級側之連接路徑斷路，此時該雙向隔離信號元件60可再度量測流經電阻R之電流IR，並將量測結果經由該信號發射器傳送到該信號接收器，使該回授控制單元40可以接收次級回授信號，以做更精確之負載控制。
綜上所述，本發明之返馳式電源轉換器包含以下特點：
1.具有兩種回授之返馳式電源轉換器及具有可切換回授方式之架構，因此依據負載狀況選擇次級回授信號或是初級回授信號。
2.本發明之返馳式電源轉換器利用次級側回授電壓進行初級側回授切換，且利用初級側回授頻率偵測或電壓位準感應偵測並切換為次級側回授；再者，初級側回授可可控制輸出電壓，利用輸出電壓可控式之優點，將初級側光耦合器電流源關斷，減少初級側 回授損耗。
3.所有控制功能可整合至一控制IC內，在進入初級側控制模式時，可由控制IC產出”on/off“信號，透過隔離元件，關斷次級側所有電源損耗。
4.由於回授機制可選用次級回授信號或是初級回授信號，因此可應用於較大功率用途，並同時降低待機消耗電能。由於大多數電器較常處於待機狀態，有效降低待機消耗電能可以增進節能效果。
綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。
100‧‧‧返馳式電源轉換器
12‧‧‧全橋整流濾波單元
16‧‧‧切換開關
20‧‧‧變壓器單元
30‧‧‧次級回授單元
32‧‧‧輸出濾波單元
40‧‧‧回授控制單元
R,R1,R2‧‧‧電阻
34‧‧‧並聯穩壓器
36A‧‧‧發光二極體
36B‧‧‧光電晶體
400‧‧‧微控制器

Claims (15)

  1. 一種初次級雙回授控制之返馳式電源轉換器，該返馳式電源轉換器包含一變壓器，該變壓器具有彼此電磁耦合之一初級線圈、一次級線圈及一輔助線圈，該返馳式電源轉換器包含：一次級回授單元，電連接至該次級線圈，且包含一隔離信號元件及一電壓調整器，該隔離信號元件包含一位於次級側之信號發射器及一位於初級側之信號接收器，該信號發射器電連接至該電壓調整器且以隔離方式發送一次級回授信號至該信號接收器；及一回授控制單元，電連接到該輔助線圈及該信號接收器，該回授控制單元經由一接腳自該輔助線圈接收操作電壓，其中該回授控制單元於該返馳式電源轉換器在重載操作時，經由該信號接收器接收該次級回授信號，且該回授控制單元於該返馳式電源轉換器在輕載操作時，由該回授控制單元之另一接腳接收來自該輔助線圈之一初級回授信號，其中在輕載時，該回授控制單元以脈波頻率調變(PFM)方式送出控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項之返馳式電源轉換器，其中該隔離信號元件為光耦合器，該信號發射器為發光二極體，且該信號接收器為光電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項之返馳式電源轉換器，其中該回授控制單元在接收來自該輔助線圈之該初級回授信號後，控制一切換開關，以將次級側之該次級回授單元於一節能模式操作。
  4. 如申請專利範圍第3項之返馳式電源轉換器，其中該節能模式中 ，至少該發光二極體及該電壓調整器其中之一為關閉。
  5. 如申請專利範圍第3項之返馳式電源轉換器，其中該節能模式中，至少該發光二極體及該電壓調整器其中之一的流經電流降低。
  6. 如申請專利範圍第1項之返馳式電源轉換器，其中該隔離信號元件為電感感應元件、電容感應元件、聲學變壓器、或是雙向隔離信號元件。
  7. 如申請專利範圍第1項之返馳式電源轉換器，其中於該返馳式電源轉換器在輕載操作時，若該回授控制單元比對該控制信號之頻率高於一預定頻率時，則判斷該返馳式電源轉換器之負載已經變成重載。
  8. 如申請專利範圍第1項之返馳式電源轉換器，其中於該返馳式電源轉換器在重載操作時，若該回授控制單元比對該次級回授信號低於一預定條件，則判斷該返馳式電源轉換器之負載已經變成輕載。
  9. 一種用於返馳式電源轉換器之初次級雙回授控制方法，該返馳式電源轉換器包含一變壓器及一次級回授單元，該變壓器具有彼此電磁耦合之一初級線圈、一次級線圈及一輔助線圈，該次級回授單元包含一隔離信號元件及一電壓調整器，該方法包含：該回授控制單元經由一接腳自該輔助線圈接收操作電壓；該返馳式電源轉換器於重載操作時，一回授控制單元接收該隔離信號元件送來之次級回授信號以做回授控制；若該次級回授信號低到一預定條件之下，該回授控制單元由另一接腳選擇來自該輔助線圈之初級回授信號以做回授控制；及在輕載時，該回授控制單元以脈波頻率調變(PFM)方式送出控制信號。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該隔離信號元件為光耦合器，該信號發射器為發光二極體，且該信號接收器為光電晶體。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該回授控制單元在接收來自該輔助線圈之該初級回授信號後，控制一切換開關，以將次級側之該次級回授單元於一節能模式操作。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該節能模式中，至少該發光二極體及該電壓調整器其中之一為關閉。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該節能模式中，至少該發光二極體及該電壓調整器其中之一的導通電流降低。
  14. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該隔離信號元件為電感感應元件、電容感應元件、聲學變壓器或是雙向隔離信號元件。
  15. 如申請專利範圍第9項之方法，其中更包含：於該返馳式電源轉換器在輕載操作時，若該回授控制單元比對該控制信號之頻率高於一預定頻率時，則判斷該返馳式電源轉換器之負載已經變成重載。
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