TWM505122U

TWM505122U - 一次側回授控制之反馳式轉換器及其使用之電源控制電路

Info

Publication number: TWM505122U
Application number: TW103214536U
Authority: TW
Inventors: Ping-Chun Hsieh; Rong-Jie Tu
Original assignee: Noveltek Semiconductor Corp
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2015-07-11

Description

一次側回授控制之反馳式轉換器及其使用之電源控制電路

本新型係關於一種反馳式轉換器的技術，更進一步來說，本新型係關於一種一次側回授控制之反馳式轉換器及其使用之電源控制電路。

返馳式轉換器因具有架構簡單、生產成本低廉，廣泛地應用在低壓電源供應市場上。一般的返馳式轉換器回授電路必須使用昂貴的光耦合器與TL431穩壓積體電路，以達成電器隔離之功效。如此一來不僅增加了電路成本，也增加了電路體積與功率消耗。一次側回授控制返馳式轉換器藉由偵測輔助繞組電壓，完成穩定輸出電壓之功效。因偵測輔助繞組與脈波寬度調變電源控制積體電路皆位於一次側，避免了使用到昂貴的元件，對整體返馳式轉換器成本、效率、體積都有助益。

假設一次側回授控制的反馳式轉換器操作於不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)。然而，當輸入的線電壓(Line Voltage)過低時，會導致所輸出的脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)訊號之責任週期過大，並且會增加電感電流。此情況將導致反馳式轉換器由非連續導通模式進入連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，回授的補償機制將會被破壞。因此，一次側回授控制之反馳式轉換器需要有一偵測機制，避免上述情況發生。

本新型的一目的在於提供一種一次側回授控制之反馳式轉換器及其使用之電源控制電路，藉由在原本一次側的回授端部分，增加一輸入電壓檢測機制。當輸入電壓過低時，將電源控制電路進入保護模式。

有鑒於此，本新型提供一種一次側回授控制之反馳式轉換器，此一次側回授控制之反馳式轉換器包括一變壓器、一開關元件、一分壓電路以及一電源控制積體電路。變壓器包括一次側繞組、一二次側繞組以及一輔助繞組。開關元件包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，開關元件的第一端耦接該變壓器的一次側繞組之第二端，開關元件的第二端耦接一共接電壓。分壓電路包括一輸入端以及一輸出端，其中，分壓電路的輸入端耦接輔助繞組的第一端，分壓電路的輸出端輸出一分壓電壓。電源控制積體電路包括一開關控制端以及一回授端，其中，電源控制積體電路的開關控制端耦接開關元件的控制端，電源控制積體電路的回授端耦接分壓電路的輸出端。

當開關元件截止時，電源控制積體電路的回授端接收分壓電壓，以調節開關控制端所輸出的一脈波寬度調變信號之責任週期。當開關元件導通時，電源控制積體電路的回授端輸出一固定電流，並接收分壓電壓，當分壓電壓大於一參考電壓，電源控制積體電路進入一保護模式。

本新型另外提供一種電源控制積體電路，適用於一次側回授控制之反馳式轉換器，此一次側回授控制之反馳式轉換器包括一變壓器、一開關元件以及一分壓電路。變壓器包括一次側繞組、一二次側繞組以及一輔助繞組。開關元件包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，開關元件的第一端耦接變壓器的一次側繞組之第二端，開關元件的第二端耦接一共接電壓。分壓電路包括一輸入端以及一輸出端，其中，分壓電路的輸入端耦接輔助繞組的第一端，分壓電路的輸出端輸出一分壓電壓。

本新型的電源控制積體電路包括一開關控制端、一回授端、一脈波寬度調變電路、一回授電路、一電流提供電路以及一電壓檢測電路。開關控制端耦接開關元件的控制端。回授端耦接分壓電路的輸出端。脈波寬度調變電路耦接開關控制端，用以輸出一脈波寬度調變訊號。回授電路耦接回授端，其中，當開關元件截止時，用以根據分壓電壓，決定脈波寬度調變電路的責任週期。電流提供電路耦接回授端。當開關元件導通時，電流提供電路輸出一固定電流給分壓電路的輸出端。電壓檢測電路耦接回授端。當該開關元件導通時，電壓檢測電路接收分壓電壓，當分壓電壓大於一參考電壓，致能一保護訊號。當保護訊號致能時，電源控制積體電路進入一保護模式。

依照本新型較佳實施例所述之一次側回授控制之反馳式轉換器及電源控制積體電路，上述電源控制積體電路包括一固定電流源以及一第一開關。固定電流源用以提供上述固定電流。第一開關的第一端耦接固定電流源，第一開關的第二端耦接電源控制積體電路的回授端。當開關元件導通時，第一開關導通，固定電流由第一開關的第一端流向第一開關的第二端，以提高上述分壓電壓。在一較佳實施例中，當分壓電壓大於一參考電壓之次數大於N次，電源控制積體電路進入保護模式，且電源控制積體電路停止輸出脈波寬度調變信號，其中，N為大於1之自然數。

依照本新型較佳實施例所述之一次側回授控制之反馳式轉換器及電源控制積體電路，上述電壓檢測電路包括一取樣保持電路以及一比較電路。取樣保持電路包括一第二開關以及一取樣電容。第二開關包括一第一端以及一第二端，其中，第二開關的第一端耦接固定電流源。取樣電容的第一端耦接第二開關的第二端，取樣電容的第二端耦接共接電壓。比較電路包括一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中，比較電路的第一輸入端耦接該取樣電容的第一端，比較電路的第二輸入端耦接一參考電壓，比較電路的輸出端輸出一比較信號。

依照本新型較佳實施例所述之一次側回授控制之反馳式轉換器及電源控制積體電路，上述電源控制積體電路更包括一計數電路。此計數電路包括一輸入端以及一輸出端。計數電路的輸入端耦接比較電路的輸出端。計數電路用以計算計數電路的輸入端的電壓由第一邏輯電壓轉為第二邏輯電壓的次數，作為一計數值。每一預設時間，計數電路的計數值被重置為一預設計數值。當計數值大於一預設值，電源控制積體電路進入保護模式，並停止輸出脈波寬度調變信號。

本新型的精神在於利用一次側的回授電路，檢測輸入電壓。當主開關截止時，進行一般的輸出電壓的回授。當主開關導通時，輔助繞組的線圈反映出輸入電壓，然此電壓為負電壓。此時，電源控制電路對回授端輸出一固定電流，並檢測此回授電壓。當此回授電壓維持負值，表示輸入電壓足夠。當此電壓因為上述固定電流而轉為正電壓，且大於晶片內部的參考電壓，就表示輸入電壓不足。此時，電源控制電路便可以及時進入保護模式，避免損壞。

為讓本新型之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

101‧‧‧變壓器

102‧‧‧開關元件

103‧‧‧分壓電路

104‧‧‧電源控制積體電路

105‧‧‧二次側整流電路

106‧‧‧輔助繞組整流電路

R_HV ‧‧‧高壓電阻

R_CS ‧‧‧電流感測電阻

HV‧‧‧高壓啟動端

GND‧‧‧共接電壓端

SW‧‧‧開關控制端

FB‧‧‧回授端

L_P ‧‧‧一次側繞組

L_S ‧‧‧二次側繞組

L_AUX ‧‧‧輔助繞組

V_CC ‧‧‧電源控制積體電路104的操作電壓

V_FB ‧‧‧分壓電壓

V_O ‧‧‧二次側繞組L_S 的電壓

V_AUX ‧‧‧輔助繞組L_AUX 的電壓

V_OUT ‧‧‧輸出電壓

D1‧‧‧二極體

201‧‧‧脈波寬度調變電路

202‧‧‧回授電路

203‧‧‧電壓檢測電路

204‧‧‧電流提供電路

PWM‧‧‧脈波寬度調變訊號

I_LS ‧‧‧固定電流

205‧‧‧固定電流源

SW1、SW2‧‧‧開關

R_FB1 、R_FB2 ‧‧‧分壓電路的兩個電阻

V_IN ‧‧‧輸入電壓

LVS‧‧‧保護訊號

301‧‧‧比較器

302‧‧‧取樣電容

V_ref ‧‧‧參考電壓

303‧‧‧計數電路

第1圖繪示為本新型一較佳實施例的一次側回授控制之反馳式轉換器之電路圖。

第2圖繪示為本新型一較佳實施例的部分一次側回授控制之反馳式轉換器以及部分電源控制積體電路之電路圖。

第3圖繪示為本新型一較佳實施例的部分一次側回授控制之反馳式轉換器以及部分電源控制積體電路之電路圖。

第1圖繪示為本新型一較佳實施例的一次側回授控制之反馳式轉換器之電路圖。請參考第1圖，此一次側回授控制之反馳式轉換器包括一變壓器101、一開關元件102、一分壓電路103、一電源控制積體電路104、二次側整流電路105、輔助繞組整流電路106、高壓電阻R_HV 以及電流感測電阻R_CS 。電源控制積體電路104包括、高壓啟動端HV、共接電壓端GND、開關控制端SW以及回授端FB，變壓器101包括一次側繞組L_P 、一二次側繞組L_S 以及一輔助繞組L_AUX 。此輔助繞組整流電路106主要是用以將輔助繞組L_AUX 的電壓整流後，並供應電源控制積體電路104的操作電壓V_CC 。分壓電路103是由兩個電阻構成，用以將輔助繞組107的電壓進行分壓，並輸出分壓電壓V_FB 。

由於此電路為一次側回授控制的反馳式轉換器，因此，電源控制積體電路104需要檢測上述分壓電壓V_FB 作為輸出電壓的參考。當此一次側回授控制之反馳式轉換器的開關元件102截止時，變壓器101釋放所儲存的能量至二次側繞組L_S 以及輔助繞組L_AUX 。此時，二次側繞組L_S 的電壓V_O 與輔助繞組L_AUX 的電壓V_AUX 成圈數比關係(V_AUX =V_O ×N_AUX /N_S )。藉此，電源控制積體電路104只要檢測分壓電壓V_FB 便可以得知輸出電壓V_OUT 之變化。一般來說，分壓電壓V_FB 的大小並不能完全表示輸出電壓V_OUT 。由於二次側整流電路105，在輸出電流大小不同時，二極體D1的跨壓會跟著變動，因此，一次側回授控制的反馳式轉換器還需對此做補償。

另外，當此一次側回授控制之反馳式轉換器的開關元件102導通時，輸入電流流過變壓器101，對變壓器101進行儲存能量，此時，輔助繞組L_AUX 的電壓約為(V_AUX =-V_IN ×N_AUX /N_S )。控制電路便可藉由檢測分壓電壓V_FB 進行輸入電壓V_IN 是否足夠的檢查。然而，對於本身不帶負電壓的電源控制積體電路104，檢測負電壓是一個問題。以下實施例，說明本新型如何檢測此負電壓以判斷輸入電壓是否足夠的資訊。

第2圖繪示為本新型一較佳實施例的部分一次側回授控制之反馳式轉換器以及部分電源控制積體電路之電路圖。請參考第2圖，此電源控制積體電路包括脈波寬度調變電路201、回授電路202、電壓檢測電路 203以及電流提供電路204。上述脈波寬度調變電路201、回授電路202、電壓檢測電路203以及電流提供電路204之耦接關係如圖所示。脈波寬度調變電路201用以輸出一脈波寬度調變訊號PWM。在開關元件102截止時，回授電路202用以根據分壓電壓V_FB ，決定脈波寬度調變電路201所輸出的脈波寬度調變訊號PWM的責任週期。

電流提供電路204用以在開關元件102導通時，提供一固定電流I_LS 給分壓電路103。在此實施例中，電流提供電路204包括一固定電流源205以及一開關SW1。在此實施例中，開關SW1是用脈波寬度調變電路201所輸出的脈波寬度調變訊號PWM控制。換句話說，開關元件102被脈波寬度調變訊號PWM導通時，開關SW1也同時導通。此時，固定電流I_LS 輸出給分壓電路103。分壓電壓V_FB 可以數學表示如下：

其中，電阻R_FB1 與R_FB2 為分壓電路的兩個電阻；I_LS 表示上述固定電流；V_IN 表示輸入電壓。電壓檢測電路203則是用以檢測上述分壓電壓V_FB ，當分壓電壓過高V_FB 時，表示輸入電壓V_IN 過低，此時，電壓檢測電路203輸出一保護訊號LVS，電源控制積體電路104跟著進入保護模式而關閉並停止輸出脈波寬度調變訊號 PWM。

第3圖繪示為本新型一較佳實施例的部分一次側回授控制之反馳式轉換器以及部分電源控制積體電路之電路圖。請參考第3圖，在此實施例中，電壓檢測電路203包括一比較器301、一取樣電容302以及一開關SW2。同樣的道理，開關SW2是用脈波寬度調變電路201所輸出的脈波寬度調變訊號PWM控制。換句話說，開關元件102被脈波寬度調變訊號PWM導通時，開關SW2也同時導通。電容302與開關SW2構成了一取樣保持電路。當開關元件102被脈波寬度調變訊號PWM導通時，開關SW2導通，此時，電容302取樣分壓電壓V_FB 。比較器301的正輸入端接收上述分壓電壓V_FB ，比較器301的負輸入端接收參考電壓V_ref 。

一般來說，固定電流I_LS 輸出給分壓電路103，分壓電壓V_FB 因此被提高。然而，當輸入電壓V_IN 足夠高時，即使有固定電流I_LS 存在，分壓電壓V_FB 仍然為負值。此時，比較器301輸出邏輯低電壓。當輸入電壓V_IN 下降時，分壓電壓V_FB 會由負電壓轉為正電壓。當分壓電壓V_FB 小於參考電壓V_ref ，表示輸入電壓V_IN 仍然足夠高，此時，比較器301輸出邏輯低電壓。當輸入電壓V_IN 過低時，分壓電壓V_FB 會大於參考電壓V_ref 。此時，比較器301輸出邏輯高電壓。

然而，在此實施例中，瞬間的輸入電壓過低，並不會立即讓電源控制積體電路104進入保護模式。若僅是一時電壓不穩，就使得整個電源供應器進入保護，將會造成使用者的不便。電源不穩的情況下，一般會瞬間恢復。因此，在此實施例中，配置了一計數電路303。計數電路303用以計數當開關元件102被脈波寬度調變訊號PWM導通時，比較器301輸出邏輯高電壓的次數。若此次數大於一預設次數，例如10次或20次，表示輸入電壓V_IN 不穩定狀態持續發生。此時，計數電路303便輸出保護訊號LVS，電源控制積體電路104跟著進入保護模式而關閉並停止輸出脈波寬度調變訊號PWM。

另外，此計數電路303會在每一段預設時間便進行重置。此時，計數電路303所計算的比較器301輸出邏輯高電壓的次數會被歸零。換句話說，若在一段時間內，輸入電壓V_IN 沒有持續過低，分壓電壓V_FB 沒有持續大於參考電壓V_ref ，電源控制積體電路104便不會進入保護模式，避免使用者感覺到電源供應器不明原因被關閉。

綜上所述，本新型的精神在於利用一次側的回授電路，檢測輸入電壓。當主開關截止時，進行一般的輸出電壓的回授。當主開關導通時，輔助繞組的線圈反映出輸入電壓，然此電壓為負電壓。此時，電源控制電路對回授端輸出一固定電流，並檢測此回授電壓。當此回授電壓維持負值，表示輸入電壓足夠。當此電壓因為上述固定電流而轉為正電壓，且大於晶片內部的參考電壓，就表示輸入電壓不足。此時，電源控制電路便可以及時進入保護模式，避免損壞。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本新型之技術內容，而非將本新型狹義地限制於上述實施例，在不超出本新型之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本新型之範圍。因此本新型之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。