TWI798785B - 一次側控制器、二次側控制器、控制方法以及相關的隔離式電源供應器 - Google Patents

一次側控制器、二次側控制器、控制方法以及相關的隔離式電源供應器 Download PDF

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Abstract

本發明實施例提供一種隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於該二次側的一輸出電源。該電源供應器包含有一變壓器、一功率開關、一一次側控制器、一二次側開關、以及一二次側控制器。該變壓器具有相電感耦合的一主繞組以及一二次側繞組。該功率開關連接至該主繞組。該二次側控制器包含有一釋能偵測器以及一遮蔽時間產生器。該釋能偵測器可偵測該變壓器的一釋能時間，用以開啟該二次側開關，使該變壓器對該輸出電源充電。該遮蔽時間產生器依據該輸出電源，產生一遮蔽時間。於該釋能時間未結束，而該遮蔽時間結束後，該二次側控制器可以透過控制該二次側開關，來觸發該一次側控制器開啟該功率開關，開始該開關週期，使該電源供應器操作於一連續導通模式或一臨界模式。

Description

一次側控制器、二次側控制器、控制方法以及相關的隔離式電源供應器
本發明係關於一種隔離式電源供應器，尤其是從二次側控制開關週期開始的隔離式電源供應器。
隔離式電源供應器隔絕了一次側與二次側，將一次側的輸入電源，轉換為在二次側的輸出電源。舉例來說，隔離式電源供應器可以預防，在一次側輸入端的瞬間雷擊，燒毀了連接在二次側輸出端的電子裝備。
返馳式電源供應器為一種隔離式電源供應器，在一次側有一功率開關跟變壓器的主繞組串聯。功率開關的開關，控制變壓器的儲能與釋能。在二次側，變壓器釋能時，一二極體整流從二次側繞組所流出的電流，可以藉以建立輸出電壓。普遍上來說，功率開關由一一次側控制器提供PWM信號來控制。一次側控制器透過光耦合器(photo coupler)或是變壓器的一輔助繞組，來偵測位於二次側的輸出電源，而決定這PWM信號的工作週期(duty cycle)、開關週期(cycle time)等。這樣的架構，對於輸出電源的暫態負載反應(transient load response)往往有反應過慢的疑慮。
為了讓暫態負載反應速度夠快，有的隔離式電源供應器採用獨立的電感以及/或電容，讓二次側的控制器可以傳遞信號到一次側來，通知一次側控制器開始PWM信號的工作週期。只是，獨立的電感以及/或電容意味著成本與產品體積上的增加。
本發明實施例提供一種隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於該二次側的一輸出電源。該電源供應器包含有一變壓器、一功率開關、一一次側控制器、一二次側開關、以及一二次側控制器。該變壓器具有相電感耦合的一主繞組以及一二次側繞組。該功率開關連接至該主繞組。該二次側控制器包含有一釋能偵測器以及一遮蔽時間產生器。該釋能偵測器可偵測該變壓器的一釋能時間，用以開啟該二次側開關，使該變壓器對該輸出電源充電。該遮蔽時間產生器依據該輸出電源，產生一遮蔽時間。於該釋能時間未結束，而該遮蔽時間結束後，該二次側控制器可以透過控制該二次側開關，來觸發該一次側控制器開啟該功率開關，開始該開關週期，使該電源供應器操作於一連續導通模式或一臨界模式。
本發明實施例提供一種二次側控制器，用以控制一二次側開關，其電連接至一變壓器之一二次側繞組。該二次側控制器包含有一釋能偵測器以及一遮蔽時間產生器。該釋能偵測器可偵測該變壓器的一釋能時間。該遮蔽時間產生器依據該輸出電源，產生一遮蔽時間。於該釋能時間與該遮蔽時間均未結束前，該二次側控制器架構來開啟該二次側開關，使得該變壓器對位於一二次側之一輸出電源充電。在該遮蔽時間結束後而該 釋能時間未結束前，該二次側控制器架構來控制該二次側開關，使得該變壓器停止對該輸出電源充電。
本發明實施例提供一種一次側控制器，用以控制一電源供應器中之一功率開關，其電連接至一變壓器之一主繞組。該一次側控制器包含有一釋能偵測器、一週期開始偵測器、以及一固定時間驅動器。該釋能偵測器，依據一取樣信號以及一繞組電壓，來偵測該變壓器的一釋能時間。該繞組電壓可以反映該主繞組之一跨壓，該取樣信號可反映該電源供應器之一輸出電源。在該釋能時間內，該週期開始偵測器比較該取樣信號以及該繞組信號，當該繞組信號與該取樣信號符合一預設關係時，該週期開始偵測器產生一觸發信號。該固定時間驅動器可以被該觸發信號所觸發，用以維持該功率開關開啟一預設時間。
本發明實施例提供一種控制方法，適用於一隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源。該電源供應器包含有具有一主繞組與一二次側繞組之一變壓器、與該主繞組串聯之一功率開關、可控制該變壓器對該輸出電源充電的一二次側開關。該控制方法包含有：於該二次側，偵測該變壓器之一釋能時間；依據該輸出電源，提供一遮蔽時間；於該遮蔽時間與該釋能時間都未結束時，控制該二次側開關，使該變壓器對該輸出電源充電；於該遮蔽時間結束後，而該釋能時間結束前，控制該二次側開關，使該變壓器停止對該輸出電源充電；於該一次側，偵測該二次側開關於該釋能時間結束前被關閉，以產生一觸發信號；以及，對應該觸發信號，開啟該功率開關，使得該隔離式電源供應器操作於一連續導通模式或一臨界模式。
20:功率開關
100:電源供應器
102:一次側控制器
104:二次側控制器
202:釋能偵測器
204、204a、204b:遮蔽時間產生器
206:波谷偵測器
208:脈衝產生器
210:上升緣延遲器
212:線性穩壓器
260:比較器
262:脈衝產生器
264:比較器
268:轉導器
270、276:比較器
272:三角波產生器
278:延遲器
280:脈衝產生器
402:釋能偵測器
404:強上升緣偵測器
406:弱上升緣偵測器
408:高原偵測器
410:波谷偵測器
412:脈衝產生器
460:取樣器
462、468、472:比較器
470:去抖動器
474:延遲器
600:電源供應器
604、704:二次側控制器
AUX:輔助繞組
COUT:輸出電容
CVDD:電源電容
CVSR:電源電容
DAUX:整流二極體
DSK:蕭基特二極體
DSR:整流二極體
GNDIN:輸入接地線
GNDOUT、GNDSR:接地線
ISEC:二次側電流
PRM:主繞組
R1、R2:電阻
RD:偵測電阻
SBLNK:遮蔽信號
SBM、SCCM、SDCM:步階信號
SBRK:連接信號
SEC:二次側繞組
SDEG:釋能信號
SDEG-PRI:釋能信號
SDRV:脈衝信號
SSR、SSRD:驅動信號
SWSR、SWSR2、SWSR3、SWSR4:二次側開關
S-PRM:一次側
S-SEC:二次側
t1、t2:時間點
TBLNK:遮蔽時間
TCYC:開關週期
TDEG:釋能時間
TF:變壓器
TMIN:最短時間
TOFF:關閉時間
TON:開啟時間
TSNG:時間
TVSR:延遲時間
VAUX:繞組電壓
VD:通道信號
VDD:操作電源
VFB:回饋電壓
VIN:輸入電源
VOUT:輸出電源
VREF-FB、VREF-FB-STR、VREF-FB-WEAK:參考電壓
VREF-OUT:輸出目標電壓
VREF-STR、VREF-WEAK:參考電壓
VSRDD:操作電源
圖1為依據本發明所實施的隔離式電源供應器100。
圖2A、2B與2C分別顯示圖1之隔離式電源供應器100操作於CCM、BM與DCM時的一些信號波型。
圖3舉例顯示二次側控制器104。
圖4舉例顯示一次側控制器102。
圖5舉例顯示圖3中的釋能偵測器202。
圖6A與6B舉例顯示可用於圖3中的兩個遮蔽時間產生器。
圖7舉例顯示可用於圖3中的波谷偵測器206。
圖8舉例顯示可用於圖4中的釋能偵測器402。
圖9與10分別舉例顯示可用於圖4的強上升緣偵測器404與弱上升緣偵測器406。
圖11舉例顯示可用於圖4的高原偵測器408。
圖12舉例顯示可用於圖4的波谷偵測器410。
圖13為依據本發明所實施的隔離式電源供應器600。
圖14A與14B分別顯示圖13之隔離式電源供應器600操作於CCM與DCM時的一些信號波型。
圖15舉例顯示圖13中的二次側控制器604。
圖16A與16B顯示二次側開關SWSR3與SWSR4。
圖17顯示二次側控制器704。
圖18顯示二次側控制器104另包含有線性穩壓器212。
以下本發明實施例以反馳式架構的開關式電源供應器作為例子來說明本發明，但本發明並不限於此。本發明的實施例可以適用於取代任何的二極體，或是任何其他種類的開關式電源供應器。此說明書所揭示的實施例並沒有要用來侷限本發明之權利範圍。
本發明的一實施例中，於大約電源穩壓的狀況下，位於一次側的功率開關的開啟，完全由位於二次側的二次側控制器來觸發，而且不必用到獨立的電感以及/或電容。
在本發明的一實施例提供一種隔離式電源供應器，其具有一變壓器、一一次側控制器、以及一二次側控制器。該一次側控制器控制一功率開關，使得該變壓器儲能或是釋能。該二次側控制器偵測輸出電源，產生一遮蔽時間。該二次側控制器可偵測該變壓器是否處於釋能的一釋能時間。當該遮蔽時間與該釋能時間都未結束時，該二次側控制器可開啟一二次側開關，使得該變壓器對該輸出電源充電。當該遮蔽時間已經結束而該釋能時間未結束時，該二次側控制器可關閉該二次側開關，使得該變壓器停止對該輸出電源充電。而呼應該二次側控制器在該釋能時間內關閉該二次側開關，該一次側控制器開啟該功率開關，使該隔離式電源供應器操作於一連續導通模式(Continuous-Conduction Mode，CCM)或一臨界模式(Boundary Mode，BM)。如果該釋能時間結束後該遮蔽時間才結束，該二次側控制器可以透過控制該二次側開關，使該輸出電源對該變壓器儲能，藉此通知該一次側控制器開啟該功率開關，使其進行谷底切換(valley switch)，此時該隔離式電源供應器操作於一非連續導通模式 (Discontinuous-Conduction Mode，DCM)。
從另一個角度來看，在該釋能時間結束前，該二次側控制器可以透過停止該變壓器對該輸出電源充電，來通知該一次側控制器開始一開關週期，使該隔離式電源供應器操作於一連續導通模式或一臨界模式。在該釋能時間結束後，該二次側控制器可以透過使該輸出電源對該變壓器儲能，來通知該一次側控制器開始一開關週期，使該隔離式電源供應器操作於一非連續導通模式。
圖1為依據本發明所實施的隔離式電源供應器100。隔離式電源供應器100具有相隔絕的一次側S-PRM與二次側S-SEC，用以將位於一次側S-PRM的輸入電源VIN，轉換為位於二次側的輸出電源VOUT。
在一次側S-PRM，隔離式電源供應器100包含有變壓器TF的主繞組PRM與輔助繞組AUX、功率開關20、一次側控制器102、整流二極體DAUX、電源電容CVDD、電阻R1與R2，彼此的連接關係如同圖1所示。電阻R1與R2構成了分壓器，分割了繞組電壓VAUX來產生回饋電壓VFB，所以回體電壓VFB可以大致對應繞組電壓VAUX，其可以感應地反映主繞組PRM與二次側繞組SEC的跨壓。一次側控制器102可以透過偵測回饋電壓VFB，來偵測繞組電壓VAUX。一次側控制器102中用來跟回饋電壓VFB比較的任何一個參考電壓，也可以分別對應到用來跟繞組電壓VAUX比較的一個參考電壓。
在此實施例中，主繞組PRM、輔助繞組AUX、二次側繞組SEC的繞組圈數比為1：M：N，其中M與N為大於0的實數。
在二次側S-SEC，隔離式電源供應器100包含有變壓器TF的二次側繞組SEC、輸出電容COUT、二次側開關SWSR、二次側控制器104、 整流二極體DSR、電源電容CVSR、以及偵測電阻RD，彼此連接關係如同圖1所示。圖1舉例二次側開關SWSR為背對背串連的兩個開關所構成，中間的連接點電性連接到接地線GNDSR。二次側S-SEC有兩個不同的接地線GNDSR與GNDOUT，分別做為操作電源VSRDD與輸出電源VOUT的0伏特參考電位。兩個開關一起都由驅動信號SSRD所控制。
當一次側控制器102以脈衝信號SDRV開啟功率開關20時，輸入電源VIN對變壓器TF儲能；之後，當一次側控制器102以脈衝信號SDRV關閉功率開關20時，變壓器TF開始釋能，可以對輸出電源VOUT、操作電源VDD、操作電源VSRDD充電。
在圖1的實施例中，二次側控制器104可以透過變壓器TF的跨壓變化，通知位於一次側S-PRM的一次側控制器102開始開啟功率開關20，開始一開關週期TCYC。在一實施例中，當輸出電源VOUT與操作電源VSRDD都維持在足夠高準位時，二次側控制器104不會通知一次側控制器102，且功率開關20將長時間維持在關閉狀態的。在一實施例中，可能只有在二次側控制器104發現輸出電源VOUT不足時，二次側控制器104才透過操作二次側開關SWSR，傳遞信息至一次側S-PRM，讓一次側控制器102感測得知，進而開啟功率開關20。
請同時參閱圖2A、2B與2C，分別顯示圖1之隔離式電源供應器100操作於CCM、BM與DCM時的一些信號波型。每一圖2A到2C中，從上到下，都顯示了位於一次側S-PRM的脈衝信號SDRV與輔助繞組AUX的繞組電壓VAUX、以及於二次側S-SEC，流經二次側繞組SEC的二次側電流ISEC、驅動信號SSRD、位於二次側開關SWSR之一端的通道信號VD、以及二 次側控制器104內部所產生的遮蔽信號SBLNK。
如同圖2A、2B、2C所示，一個開關週期TCYC由一個開啟時間TON與一個關閉時間TOFF所構成。
在脈衝信號SDRV關閉了功率開關20之後，關閉時間TOFF開始，變壓器TF開始釋能，進入釋能時間TDEG。在釋能時間TDEG中，二次側電流ISEC大約大於0A，通道信號VD為負電壓，繞組電壓VAUX大於等於輸出電源VOUT乘以N/M。換句話說，一次側控制器102可以比較繞組電壓VAUX跟參考電壓VREF-FB(大約等於輸出電源VOUT乘以N/M)，來大約判斷釋能時間TDEG是否結束。二次側控制器104可以比較通道信號VD是否轉為正電壓，來判斷釋能時間TDEG是否結束。實務上，一次側控制器102與二次側控制器104所認定的釋能時間TDEG也許有些許的不同，但理論上不會差太多。因此，每一圖2A、2B與2C中，僅僅顯示一種釋能時間TDEG。圖2A的CCM時，釋能時間TDEG大約等於關閉時間TOFF；圖2B與2C之BM與DCM時，釋能時間TDEG大約為關閉時間TOFF的開始一部分而已。
在釋能時間TDEG一開始時，二次側控制器104可以進行同步整流，以驅動信號SSRD開啟二次側開關SWSR，讓變壓器TF以二次側電流ISEC對輸出電源VOUT充電，如同圖2A、2B、2C所示。
二次側控制器104依據輸出電源VOUT來產生遮蔽信號SBLNK，用來決定遮蔽時間TBLNK的結束。舉例來說，當輸出電源VOUT還高於輸出目標電壓VREF-OUT時，遮蔽時間TBLNK就持續；當輸出電源VOUT低於輸出目標電壓VREF-OUT時，遮蔽時間TBLNK就結束。在實施例中，遮蔽時間TBLNK的結束，意味著二次側控制器104需要通知一次側控制器102開始一 個新的開關週期TCYC，轉換能量來維持或是拉高輸出電源VOUT。
在圖2A中，二次側控制器104用關閉二次側開關SWSR，停止變壓器TF對輸出電源VOUT充電，來通知一次側控制器102開始一個新的開關週期TCYC。圖2A中，遮蔽時間TBLNK很早就結束了，遠在釋能時間TDEG結束前，導致二次側控制器104在遮蔽時間TBLNK後關閉了二次側開關SWSR，變壓器TF停止對輸出電源VOUT充電。在遮蔽時間TBLNK結束時，因為二次側電流ISEC還相當大，因此變壓器TF還可以對圖1中的操作電源VSRDD與操作電源VDD充電，所以圖2A中的繞組電壓VAUX會爬到約操作電源VDD。圖2A顯示了介於操作電源VDD與反射電壓N*VOUT/M之間還有兩個參考電壓VREF-STR與VREF-WEAK，參考電壓VREF-STR大於參考電壓VREF-WEAK。當一次側控制器102透過回饋電壓VFB，發現繞組電壓VAUX爬升超過了較高的參考電壓VREF-STR，可以馬上，或是等待時間Tdelay之後，就直接開啟功率開關20，使得隔離式電源供應器100操作於CCM，如同圖2A所示。舉例來說，當操作電源VDD偏高(大於20V)時，時間Tdelay為0；當操作電源VDD偏低時(小於12V)時，時間Tdelay為100ns。變壓器TF可以在等待時間Tdelay內對操作電源VSRDD與操作電源VDD充電。
圖2B類似圖2A，遮蔽時間TBLNK一樣早於釋能時間TDEG結束前就結束，只是圖2B中的遮蔽時間TBLNK結束時，二次側電流ISEC已經很弱了，幾乎等於0A。因此，圖2B中的繞組電壓VAUX無法上升爬到操作電源VDD或是參考電壓VREF-STR。在圖2B中，一次側控制器102透過回饋電壓VFB，發現繞組電壓VAUX有爬升超過了較低的參考電壓VREF-WEAK，但沒有超過參考電壓VREF-STR，所以一次側控制器102反映地在釋能時間TDEG結束後 繞組電壓VAUX的第一個信號波谷，開啟功率開關20，使得隔離式電源供應器100操作於BM，如同圖2B所示。
在圖2C中，二次側控制器104用短暫地開啟二次側開關SWSR，使輸出電源VOUT對變壓器TF儲能，來通知一次側控制器102開始一個新的開關週期TCYC。圖2C中，釋能時間TDEG內，二次側開關SWSR一直維持在開啟狀態，直到釋能時間TDEG結束。在圖2C中，釋能時間TDEG結束後，遮蔽時間TBLNK才結束。之後，二次側控制器104大約在通道信號VD的每個信號波谷出現時，短暫地開啟二次側開關SWSR一段時間TSNG，使得二次側電流ISEC為負值，輸出電源VOUT對變壓器TF儲能。當一次側控制器102透過回饋電壓VFB，確認繞組電壓VAUX出現被鎖在接近反射電壓N*VOUT/M大約有時間TSNG的一個高原，一次側控制器102就在高原出現之後繞組電壓VAUX的一個信號波谷，開啟功率開關20，使隔離式電源供應器100操作於CCM，如同圖2C所示。
一次側控制器102透過偵測繞組電壓VAUX，收到從二次側S-SEC的通知，去開啟功率開關20一段預設的開啟時間TON，而開啟時間TON依據前一次的週期時間TCYC而產生。舉例來說，一次側控制器102從當下的開啟時間TON，可以推測一個希望的週期時間TCYCEXP。當一次側控制器102確認收到通知時，可以得知當下這開關週期TCYC，超過或是少於希望的週期時間TCYCEXP，來更新下一個開啟時間TON。舉例來說，如果希望的開關TCYCEXP是10微秒，但當下開關週期TCYC結束時是12微秒，那接下來的開啟時間TON應該減少，使得下一個開關週期TCYC縮小。如此，可以大約的控制開關週期TCYC在一個預設的範圍內。
圖3舉例顯示二次側控制器104，其中包含有釋能偵測器(demagnetization detector)202、遮蔽時間產生器(blanking-time generator)204、波谷偵測器(valley detector)206、上升緣延遲器(rising-edge delay)210、脈衝產生器(pulse generator)208以及一些邏輯電路。
釋能偵測器202依據通道信號VD，來判別當下變壓器TF是否在釋放能量，並據以提供釋能信號SDEG，其脈衝寬度大約代表了釋能時間TDEG。遮蔽時間產生器204依據輸出電源VOUT，來產生遮蔽信號SBLNK，定義出遮蔽時間TBLNK。遮蔽時間TBLNK結束時，意味著輸出電源VOUT可能偏低了，需要開始從一次側S-PRM轉換能量，來拉升輸出電源VOUT。波谷偵測器206則偵測通道信號VD，大約在通道信號VD的每個信號波谷出現時，提供一個相對應脈衝。脈衝產生器(pulse generator)208依據波谷偵測器206所輸出的每一個脈衝，產生一個脈波寬度為時間TSNG的脈衝。
請同時參考圖2A、2B與3。由圖3可以推知，當釋能時間TDEG尚未結束時(釋能信號SDEG為邏輯上的1)，遮蔽信號SBLNK大約等驅動信號SSRD。所以，一旦遮蔽時間TBLNK於釋能時間TDEG結束前就結束，遮蔽時間產生器204所產生的遮蔽信號SBLNK關閉二次側開關SWSR，藉以通知一次側控制器102。這意味著隔離式電源供應器100應操作於CCM或是BM，如同圖2A與2B所示。
請同時參考圖2C與3。從圖3也可以推知，當遮蔽時間TBLNK結束晚於釋能時間TDEG結束時，驅動信號SSRD在釋能時間TDEG結束後先關閉二次側開關SWSR。在遮蔽時間TBLNK結束後，波谷偵測器206所輸出的每一個脈衝，可以觸發脈衝產生器208產生一個脈波寬度為時間TSNG的 脈衝，藉以把二次側開關SWSR短暫的開啟一段時間TSNG。大約在波谷出現時，開啟二次側開關SWSR，可以降低或減少開關損失(switching loss)。
脈衝產生器208的脈衝，可以透過短暫開啟二次側開關SWSR，來通知一次側控制器102，使隔離式電源供應器100應操作於DCM，如同圖2C所示。
開啟延遲器210可以選擇性的***於圖3的位置，可以將上升緣延遲有延遲時間TVSR，延遲時間TVSR的長度由操作電源VSRDD決定。舉例來說，當操作電源VSRDD小於10V時，延遲時間TVSR為一固定的時間長度；當操作電源VSRDD大於20V時，延遲時間TVSR為0。如此，可以在釋能時間TDEG的一開始的前一段延遲時間TVSR，讓二次側開關SWSR短暫的維持關閉，如同圖2C舉例所示。這樣的設計，可以讓變壓器TF先行短暫的對操作電源VSRDD充電，用來避免操作於DCM時，操作電源VSRDD可能過低或是不足的問題。
圖4舉例顯示一次側控制器102，其中包含有釋能偵測器(demagnetization detector)402、強上升緣偵測器(strong rising-edge detector)404、弱上升緣偵測器(weak rising-edge detector)406、高原偵測器(plateau detector)408、波谷偵測器(valley detector)410、脈衝產生器(pulse generator)412以及一些邏輯電路。
釋能偵測器402依據回饋電壓VFB(可以對應繞組電壓VAUX)，來判別當下變壓器TF是否在釋放能量，並據以提供釋能信號SDEG-PRI，其脈衝寬度大約代表了釋能時間TDEG。舉例來說，如果繞組電壓VAUX高於反射電壓N*VOUT/M，釋能偵測器402就認定變壓器TF正在釋放能 量，釋能時間TDEG持續；反之，就認定變壓器TF已經停止釋放能量，釋能時間TDEG結束。強上升緣偵測器404在繞組電壓VAUX爬升超過參考電壓VREF-STR時，據以產生步階信號(step signal)SCCM。弱上升緣偵測器406在繞組電壓VAUX爬升超過參考電壓VREF-WEAK時，據以產生步階信號SBM。高原偵測器408在發現繞組電壓VAUX停留在反射電壓N*VOUT/M約時間TSNG時，就產生步階信號SDCM。波谷偵測器410偵測繞組電壓VAUX，大約在繞組電壓VAUX的每個信號波谷出現時，提供一個相對應脈衝。脈衝產生器412可以視為一固定時間驅動器。脈衝產生器412可以被脈衝產生器412的輸入出現的一個上升緣所觸發，提供脈波寬度為開啟時間TON的脈衝信號SDRV，短暫維持功率開關20開啟一段開啟時間TON。如同先前所說明的，在一實施例中，開啟時間TON依據前次的開關週期TCYC而決定。
強上升緣偵測器404與弱上升緣偵測器406的任何一個都可以視為一週期開始偵測器，當釋能時間TDEG內，繞組電壓VAUX超過反射電壓N*VOUT/M達一預設條件時，就產生觸發信號，之後導致功率開關20開啟一段開啟時間TON。
請同時參考圖2A與4。由圖4可以推知，當釋能時間TDEG尚未結束時(釋能信號SDEG-PRI為邏輯上的1)，步階信號SCCM的上升緣可以觸發脈衝產生器412，來短暫開啟功率開關20。所以隔離式電源供應器100操作於CCM。
請同時參考圖2B與4。由圖4可以推知，當釋能時間TDEG尚未結束、且步階信號SCCM並沒有提供上升緣時，如果步階信號SBM轉為邏輯上的”1”，則可以讓波谷偵測器410的第一個脈衝，就觸發脈衝產生器412， 來短暫開啟功率開關20。所以隔離式電源供應器100操作於BM。
請同時參考圖2C與4。當步階信號SCCM與SBM都沒有成為邏輯上的1，那在釋能時間TDEG結束後，一旦高原偵測器408發現繞組電壓VAUX停留在反射電壓N*VOUT/M約有時間TSNG，步階信號SDCM就可以讓波谷偵測器406的脈衝觸發脈衝產生器412，來短暫開啟功率開關20。所以隔離式電源供應器100操作於DCM，且執行波谷切換。波谷切換可以降低或減少開關損失。
圖5舉例顯示圖3中的釋能偵測器202，其中，比較器260比較通道信號VD與接地線GNDSR，來產生釋能信號SDEG，找出釋能時間TDEG。在一個實施例中，比較器260的非反向輸入端，接收的是一個微小的負電壓，譬如說-0.1V。
圖6A舉例顯示可用於圖3中的遮蔽時間產生器204a。脈衝產生器262使得遮蔽時間TBLNK至少有最短時間TMIN。比較器264比較輸出電源VOUT與輸出目標電壓VREF-OUT。當輸出電源VOUT低於輸出目標電壓VREF-OUT時，表示輸出電源VOUT過低，遮蔽時間TBLNK結束。三角波產生器266可以用來些許調整輸出目標電壓VREF-OUT，讓輸出目標電壓VREF-OUT在釋能時間TDEG剛開始時比較高，然後慢慢的下降。三角波產生器266可能可以提供負載補償(load compensation)，也就是當開關週期TCYC比較短時，輸出電源VOUT被調控在一個比較高的電壓準位。
圖6B舉例顯示可用於圖3中的遮蔽時間產生器204b。簡單的說，轉導器268、比較器270、三角波產生器272以及相關之元件，彼此架構為一個PWM產生器，用來將輸出電源VOUT調控於輸出目標電壓VREF-OUT。當 輸出電源VOUT的平均值越低，遮蔽時間TBLNK越短。
圖7舉例顯示可用於圖3中的波谷偵測器206。比較器276比較通道信號VD是否下降而低於輸出電源VOUT。從圖2C可知，當通道信號VD下降跨過輸出電源VOUT時，大約是一個波谷出現之時。因此，延遲器278就在一段預設時間後，觸發脈衝產生器280，其產生一個短脈衝，來大約指出一個波谷谷底的出現。
圖8舉例顯示可用於圖4中的釋能偵測器402。比較器462比較回饋電壓VFB與參考電壓VREF-FB，來產生釋能信號SDEG-PRI，找出釋能時間TDEG。參考電壓VREF-FB的電壓值大約對應繞組電壓VAUX為N*VOUT/M。在圖8中，參考電壓VREF-FB可以是一取樣信號，透過取樣器460在適當的時間點取樣回饋電壓VFB而更新或產生。舉例來說，這個適當的取樣時間點可能是在釋能時間TDEG開始後的一預定時間，或是在高原偵測器408在發現繞組電壓VAUX停留在反射電壓N*VOUT/M約時間TSNG時，分別如同圖2C中的時間點t1與t2所示。
圖9與10分別舉例顯示可用於圖4的強上升緣偵測器404與弱上升緣偵測器406。圖9與10類似，兩者差異在回饋電壓VFB所比較的電壓，圖9中比較的是較高的參考電壓VREF-FB-STR，對應的是圖2A與2B中的參考電壓VREF-STR；圖10中比較的是較低的參考電壓VREF-FB-WEAK，對應的是圖2A與2B中的參考電壓VREF-WEAK。圖9舉例了參考電壓VREF-FB-STR約等於參考電壓VREF-FB加上0.5V；圖10舉例了參考電壓VREF-FB-WEAK約等於參考電壓VREF-FB加上0.1V。在其他實施例中，參考電壓VREF-FB-STR與/或VREF-FB-WEAK也可以依據操作電源VDD而產生。舉例來說，在一實施例中，參考電壓VREF-FB-STR與 VREF-FB-WEAK分別對應參考電壓VREF-STR與參考電壓VREF-WEAK，他們分別是低於操作電源VDD有0.1V與0.5V。
圖11舉例顯示可用於圖4的高原偵測器408，其包含有比較器468與去抖動器(debouncing apparatus)470。在釋能時間TDEG結束後，也就是釋能信號SDEG-PRI轉為邏輯上的0，比較器468檢查回饋電壓VFB是否大約為參考電壓VREF-FB，所以比較回饋電壓VFB與參考電壓VREF-FB。比較器468的反向輸入端可以是一個比參考電壓VREF-FB稍微低一點的電壓，譬如說，大約是參考電壓VREF-FB少了0.1V，如同圖11所示。如果比較器468的輸出維持在邏輯上的”1”夠久，大約是時間TSNG，那去抖動器470就讓後續的SR正反器產生步階信號SDCM。舉例來說，在二次側的脈衝產生器208所產生的脈波寬度為100ns，而一次側的去抖動器470在比較器468的輸出維持在邏輯上的”1”超過90ns時，就產生步階信號SDCM。
圖12舉例顯示可用於圖4的波谷偵測器410。比較器472比較回饋電壓VFB是否下降而低於輸入接地線GNDIN。從圖2C可知，當繞組電壓VAUX(大致比例於回饋電壓VFB)下降跨過輸入接地線GNDIN時，大約是一個波谷出現之時。因此，延遲器474就在一段預設時間後，觸發脈衝產生器476，其產生一個短脈衝，來大約指出一個波谷谷底的出現。
圖1之隔離式電源供應器100可能可以有，但是不一定限於，以下的優點：1)隔離式電源供應器100可以操作於CCM、BM、或DCM，如同圖2A、2B、2C所示；2)隔離式電源供應器100沒有短路***的危險，不論是操作於CCM、BM、或DCM時，一次側S-PRM的功率開關20開啟時，二次側S-SEC的二次側開關SWSR一定是在關閉狀態；以及，3)無負載時 可以有非常低的能量消耗，因為只要輸出電源VOUT夠高，一次側S-PRM之功率開關20與二次側S-SEC的二次側開關SWSR都會維持在關閉狀態。
原則上二次側開關SWSR執行同步整流：也就是在釋能時間TDEG為開啟，來短路二次側繞組SEC與接地線GNDOUT；而在釋能時間TDEG結束後，二次側開關SWSR為關閉，斷開二次側繞組SEC與接地線GNDOUT。為了通知一次側控制器102，二次側S-SEC的同步整流需要些許的變化。如果二次側控制器104在釋能時間TDEG結束前要通知一次側控制器102開始一開關週期，就把在釋能時間TDEG結束前，斷開二次側繞組SEC與接地線GNDOUT，停止二次側繞組SEC對輸出電源VOUT充電。如果二次側控制器104在釋能時間TDEG結束後要通知一次側控制器102開始一開關週期，就短暫的(時間TSNG)把二次側繞組SEC與接地線GNDOUT短路，讓輸出電源VOUT短暫地對二次側繞組SEC儲能。
圖1中的二次側開關SWSR與二次側控制器104可以有許多變化，一樣可以實現本發明。
圖13為依據本發明所實施的隔離式電源供應器600。隔離式電源供應器600與隔離式電源供應器100之間相似的技術或是元件可以透過先前之教導而得知，不再累述。隔離式電源供應器600以二次側開關SWSR2與二次側控制器604分別取代了圖1中的二次側開關SWSR與二次側控制器104。圖13中，二次側開關SWSR2的背對背兩個開關分別受二次側控制器604的驅動信號SSR與連接信號SBRK所控制，如同圖13所示。
請同時參閱圖14A與14B，分別顯示圖13之隔離式電源供應器600操作於CCM與DCM時的一些信號波型。圖14A與14B大致相同於圖2A 與2C，只是圖14A與14B以驅動信號SSR與連接信號SBRK來取代圖2A與2C中的驅動信號SSRD。圖14A與14B與圖2A與2C相同的部分，可透過先前之教導而得知，不再累述。
請同時參考圖13與圖14A。在圖14A中，釋能時間TDEG內，在遮蔽時間TBLNK結束後，透過連接信號SBRK來關閉二次側開關SWSR2中的一個開關，來斷開二次側繞組SEC與接地線GNDOUT。藉此，繞組電壓VAUX上升，二次側控制器604得以通知一次側控制器102，開始一個開關週期TCYC。
請同時參考圖13與圖14B。在圖14B中，釋能時間TDEG與遮蔽時間TBLNK都結束後，透過驅動信號SSR與連接信號SBRK來同時開啟二次側開關SWSR2中的兩個開關，來短暫短路二次側繞組SEC與接地線GNDOUT。藉此，繞組電壓VAUX產生一個高原(維持約有時間TSNG)，二次側控制器604得以通知一次側控制器102，開始一個開關週期TCYC。
圖14A與14B也顯示了連接信號SBRK可以選擇性的，在釋能時間TDEG開始時的一段時間TVSR，關閉背對背兩個開關其中之一，斷開二次側繞組SEC與接地線GNDOUT，讓變壓器TF先短暫的對操作電源VSRDD充電。
圖15舉例顯示圖13中的二次側控制器604。圖15與圖3類似，彼此之間相同或是相似的裝置，可以透過先前的教導而得知，不再累述。透過先前針對圖3之二次側控制器104之說明，圖15中的二次側控制器604可以達到圖14A與14B所要的功能與信號波型。
在一實施例中，圖16A之二次側開關SWSR3取代了圖1中的 二次側開關SWSR，圖17之二次側控制器704則取代了圖1中的二次側控制器104。圖16A中的蕭基特二極體DSK可以確保當驅動信號SSRD為邏輯上的0時，二次側開關SWSR3可以確實的被關閉，斷開二次側繞組SEC與接地線GNDOUT。圖16A中的驅動信號SSRD波形，可以參考圖2A、2B與2C中的驅動信號SSRD。圖17中的連接信號SBRK的波形，可以參考圖14A與14B中的連接信號SBRK。當連接信號SBRK為邏輯上的”1”時，接地線GNDOUT與GNDSR相短路。
在一實施例中，圖16B之二次側開關SWSR4取代了圖1中的二次側開關SWSR，圖17之二次側控制器704則取代了圖1中的二次側控制器104。圖16A中的蕭基特二極體DSK可以確保當驅動信號SSRD為邏輯上的0，二次側開關SWSR4可以確實地斷開二次側繞組SEC與接地線GNDOUT。圖16B中的驅動信號SSRD波形，可以參考圖2A、2B與2C中的驅動信號SSRD。圖17中的連接信號SBRK的波形，可以參考圖14A與14B中的連接信號SBRK。當連接信號SBRK為邏輯上的”1”時，接地線GNDOUT與GNDSR相短路。
在一實施例中，二次側控制器104另包含有一線性穩壓器(low DropOut，LDO)212，如圖18所示。舉例來說，二次側控制器104偵測輸出電源VOUT，當輸出電源VOUT偏低於輸出目標電壓VREF-OUT相當多時，LDO 212提供從操作電源VSRDD汲取電流，對輸出電源VOUT充電，快速的使輸出電源VOUT上升。舉例來說，當輸出電源VOUT因為瞬間的負載增加而低於輸出目標電壓VREF-OUT減去0.1V時，LDO 212可以被短暫致能，快速地把輸出電源VOUT拉高到不少於輸出目標電壓VREF-OUT減去0.1V，之後輸出電源VOUT充電就交由變壓器TF的釋能來處理。換言之，比較高的操作電源VSRDD 可以當作緊急時的電源，透過LOD 212對比較低的輸出電源VOUT充電。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
20:功率開關
100:電源供應器
102:一次側控制器
104:二次側控制器
AUX:輔助繞組
COUT:輸出電容
CVDD:電源電容
CVSR:電源電容
DAUX:整流二極體
DSR:整流二極體
GNDIN:輸入接地線
GNDOUT、GNDSR:接地線
ISEC:二次側電流
PRM:主繞組
R1、R2:電阻
RD:偵測電阻
SEC:二次側繞組
SDRV:脈衝信號
SSRD:驅動信號
SWSR:二次側開關
S-PRM:一次側
S-SEC:二次側
TF:變壓器
VAUX:繞組電壓
VD:通道信號
VDD:操作電源
VFB:回饋電壓
VIN:輸入電源
VOUT:輸出電源
VSRDD:操作電源

Claims (10)

  1. 一種隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於該二次側的一輸出電源，該電源供應器包含有：
    一變壓器，具有相電感耦合的一主繞組以及一二次側繞組；
    一功率開關，連接至該主繞組；
    一一次側控制器，可控制該功率開關；
    一二次側開關，連接至該二次側繞組；以及
    一二次側控制器，可控制該二次側開關，包含有：
    一釋能偵測器，可偵測該變壓器的一釋能時間，用以開啟該二次側開關，使該變壓器對該輸出電源充電；以及
    一遮蔽時間產生器，依據該輸出電源，產生一遮蔽時間；
    其中，於該釋能時間未結束，而該遮蔽時間結束後，該二次側控制器可以透過控制該二次側開關，來觸發該一次側控制器開啟該功率開關，使該電源供應器操作於一連續導通模式或一臨界模式。
  2. 如申請專利範圍第1項之該隔離式電源供應器，其中，於該釋能時間未結束，而該遮蔽時間結束後，該二次側控制器可以透過控制該二次側開關，停止該變壓器對該輸出電源充電，來觸發該一次側控制器開啟該功率開關。
  3. 如申請專利範圍第1項之該隔離式電源供應器，其中，於該釋能時間與該遮蔽時間均結束後，該二次側控制器控制該二次側開關，使得該輸出電源對該變壓器儲能一預設時間，來觸發該一次側控制器開啟該功率開關，使該電源供應器操作於一不連續導通模式。
  4. 一種二次側控制器，用以控制一二次側開關，其電連接至一變壓器之一二次側繞組，該二次側控制器包含有：
    一釋能偵測器，可偵測該變壓器的一釋能時間；以及
    一遮蔽時間產生器，依據該輸出電源，產生一遮蔽時間；
    其中，於該釋能時間與該遮蔽時間均未結束前，該二次側控制器架構來開啟該二次側開關，使得該變壓器對位於一二次側之一輸出電源充電；以及
    在該遮蔽時間結束後而該釋能時間未結束前，該二次側控制器架構來控制該二次側開關，使得該變壓器停止對該輸出電源充電。
  5. 如申請專利範圍第4項之該二次側控制器，其中，當該釋能時間與該遮蔽時間均結束後，該二次側控制器架構來控制該二次側開關，使得該輸出電源對該變壓器儲能一預設時間。
  6. 一種一次側控制器，用以控制一電源供應器中之一功率開關，其電連接至一變壓器之一主繞組，該一次側控制器包含有：
    一釋能偵測器，依據一取樣信號以及一繞組電壓，來偵測該變壓器的一釋能時間，其中，該繞組電壓可以反映該主繞組之一跨壓，該取樣信號可反映該電源供應器之一輸出電源；
    一週期開始偵測器，在該釋能時間內，比較該取樣信號以及該繞組信號，當該繞組信號與該取樣信號符合一預設關係時，該週期開始偵測器產生一觸發信號；以及
    一固定時間驅動器(constant-ON time driver)，可以被該觸發信號所觸發，用以維持該功率開關開啟一預設時間。
  7. 如申請專利範圍第6項之該一次側控制器，其中，該預設關係為一第一預設關係，該一次側控制器包含有：
    一高原偵測器，在該釋能時間停止後，比較該取樣信號以及該繞組信號，當該繞組信號與該取樣信號符合一第二預設關係時，用以觸發該固定時間驅動器。
  8. 如申請專利範圍第6項之該一次側控制器，其中，當該繞組信號與該取樣信號符合一第一預設關係時，該觸發信號使該電源供應器操作於一CCM；當該繞組信號與該取樣信號符合一第二預設關係時，該觸發信號使該電源供應器操作於一BM。
  9. 一種控制方法，適用於一隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源，該電源供應器包含有具有一主繞組與一二次側繞組之一變壓器、與該主繞組串聯之一功率開關、可控制該變壓器對該輸出電源充電的一二次側開關，該控制方法包含有：
    於該二次側，偵測該變壓器之一釋能時間；
    依據該輸出電源，提供一遮蔽時間；
    於該遮蔽時間與該釋能時間都未結束時，控制該二次側開關，使該變壓器對該輸出電源充電；
    於該遮蔽時間結束後，而該釋能時間結束前，控制該二次側開關，使該變壓器停止對該輸出電源充電；
    於該一次側，偵測該變壓器停止對該輸出電源充電，以產生一觸發信 號；以及
    對應該觸發信號，開啟該功率開關，使得該隔離式電源供應器操作於一 連續導通模式或一臨界模式。
  10. 如申請專利範圍第9項之該控制方法，另包含有：
    於該遮蔽時間與該釋能時間均結束前，控制該二次側開關，使該輸出電源對該變壓器充電。
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