TWM561825U - 電源轉換控制電路 - Google Patents

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fa-ping Wang
Chung-Shu Lee
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Chicony Power Tech Co Ltd
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Abstract

一種電源轉換控制電路，應用於具有主開關的返馳式轉換器。電源轉換控制電路包含旁路開關、半橋功率控制單元以及主動箝位控制單元。半橋功率控制單元耦接主開關。主動箝位控制單元耦接半橋功率控制單元與主開關。當返馳式轉換器操作於輕載時，主動箝位控制單元導通旁路開關，半橋功率控制單元透過旁路開關耦接接地點，主動箝位控制單元透過主開關耦接接地點，且主動箝位控制單元提供下橋控制信號控制主開關切換操作；藉此，使返馳式轉換器在輕載操作時有更佳的省電與節能之功效。

Description

電源轉換控制電路
本創作係有關一種電源轉換控制電路，尤指一種應用於返馳式轉換器的一種電源轉換控制電路。
基於對電子產品或電子裝置供電或充電的成本考量，例如對筆記型電腦供電的電源供應器或對手持式裝置的充電器，由於返馳式電源轉換器(flyback converter)具備架構簡單的優勢而成為使用的首選。再者，由於全球的能源監督組織對節能與效率的規範日趨嚴格，因此為滿足低損耗的需求，取而代之的是具備零電壓切換(zero voltage switching, ZVS)功能的主動箝位式返馳式電源轉換器(active-clamp flyback converter, ACF)。
ACF的控制晶片藉由回授(feedback)迴路判斷負載狀態。當操作於重載(heavy load)時，ACF的控制晶片透過控制半橋開關(half-bridge switch)的切換，達到高效率的能量傳輸；反之，當操作於輕載(light load)時，ACF的控制晶片為滿足低功耗的需求，會將半橋開關中的上橋開關及其驅動電路關斷，僅以間歇方式切換其下橋開關，即操作於傳統返馳式電源轉換器的不連續導通模式(discontinuous conduction mode, DCM)。
然而，對於上橋開關與下橋開關同時致能或禁能的整合型半橋開關及其驅動電路而言，由於關斷以禁能上橋開關及其驅動電路時，連同下橋開關也一併被關斷禁能，因此，將無法因應當返馳式電源轉換器操作於輕載時，操作於DCM達到低功耗、節能的功效。
本創作之目的在於提供一種電源轉換控制電路，解決對於上橋開關與下橋開關同時致能或禁能的整合型半橋開關及其驅動電路，無法因應當返馳式電源轉換器操作於輕載時達到低功耗、節能的問題。
為達成前揭目的，本創作所提出的電源轉換控制電路，其應用於具有主開關的返馳式轉換器。電源轉換控制電路包含旁路開關、半橋功率控制單元以及主動箝位控制單元。旁路開關設置於第一路徑或第二路徑上，且主開關設置於第二路徑上。半橋功率控制單元耦接主開關。主動箝位控制單元耦接半橋功率控制單元與主開關。當返馳式轉換器操作於輕載時，主動箝位控制單元導通旁路開關，半橋功率控制單元透過第一路徑與旁路開關耦接接地點，主動箝位控制單元透過第二路徑與主開關耦接接地點，且主動箝位控制單元提供下橋控制信號控制主開關切換操作。
於一實施例中，半橋功率控制單元更透過第三路徑耦接電源電壓。其中當返馳式轉換器操作於輕載時，半橋功率控制單元與第三路徑解耦，以關斷電源電壓對半橋功率控制單元供電。
於一實施例中，半橋功率控制單元包含第一開關腳位、下橋驅動腳位以及致能腳位。第一開關腳位耦接主開關。下橋驅動腳位耦接主開關。致能腳位耦接第一路徑。主動箝位控制單元包含第二開關腳位、下橋信號控制腳位以及致能信號控制腳位。第二開關腳位耦接主開關。下橋信號控制腳位耦接主開關與下橋驅動腳位，且提供下橋控制信號。致能信號控制腳位耦接旁路開關，且提供致能控制信號控制旁路開關。
於一實施例中，當旁路開關的數量為一，且為第一旁路開關時，第一旁路開關包含控制端、第一端以及第二端。控制端耦接致能信號控制腳位，且接收致能控制信號。第一端耦接致能腳位。第二端耦接接地點。主開關包含控制端、第一端以及第二端。控制端耦接下橋信號控制腳位，且接收下橋控制信號。第一端耦接第一開關腳位與第二開關腳位。第二端耦接致能腳位與第一旁路開關的第一端。
於一實施例中，當旁路開關的數量為二，且為第一旁路開關與第二旁路開關時，第一旁路開關包含控制端、第一端以及第二端。控制端耦接致能信號控制腳位，且接收致能控制信號。第二端耦接接地點。第二旁路開關包含控制端、第一端以及第二端。控制端耦接致能信號控制腳位與第一旁路開關的控制端，且接收致能控制信號。第一端耦接致能腳位。第二端耦接接地點。主開關包含控制端、第一端以及第二端。控制端耦接下橋信號控制腳位，且接收下橋控制信號。第一端耦接第一開關腳位與第二開關腳位。第二端耦接第一旁路開關的第一端。
於一實施例中，半橋功率控制單元更包含上橋驅動腳位、上橋開關以及下橋開關。上橋開關耦接上橋驅動腳位。下橋開關耦接下橋驅動腳位，且串聯耦接上橋開關以形成共接點，其中共接點耦接主開關。主動箝位控制單元更包含上橋信號控制腳位。上橋信號控制腳位耦接上橋驅動腳位，且提供上橋控制信號。當返馳式轉換器操作於重載時，主動箝位控制單元控制主開關與旁路開關截止，半橋功率控制單元與第一路徑、第二路徑解耦，且透過第三路徑耦接電源電壓；主動箝位控制單元提供上橋控制信號與下橋控制信號分別控制半橋功率控制單元的上橋開關與下橋開關。
於一實施例中，當返馳式轉換器操作於輕載時，主動箝位控制單元控制主開關切換，使返馳式轉換器以不連續導通模式操作；當返馳式轉換器操作於重載時，主動箝位控制單元控制上橋開關與下橋開關切換，使返馳式轉換器以主動箝位操作。
於一實施例中，主動箝位控制單元更包含回授腳位。回授腳位接收返馳式轉換器所提供的初級側回授信號或次級側回授信號。主動箝位控制單元根據初級側回授信號或次級側回授信號判斷返馳式轉換器操作於輕載或重載。
於一實施例中，上橋開關與下橋開關同時致能或禁能。
於一實施例中，半橋功率控制單元更包含電源致能控制單元。電源致能控制單元耦接致能腳位、上橋開關以及下橋開關，且控制電源電壓同時致能或禁能上橋開關與下橋開關。
藉由所提出的電源轉換控制電路，透過旁路開關的電性連接設計，能夠因應返馳式轉換器操作於重載或輕載時，使電源電壓對半橋功率控制單元供電，或關斷電源電壓對半橋功率控制單元供電，返馳式轉換器在重載操作時有更佳的轉換效率，而在輕載操作時有更佳的省電與節能之功效。
為了能更進一步瞭解本創作為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，相信本創作之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。
茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖1所示，其為本創作電源轉換控制電路的第一實施例之電路方塊圖。電源轉換控制電路100係應用於返馳式轉換器10，且返馳式轉換器10具有主開關Q1。其中主開關Q1係耦接於返馳式轉換器10的變壓器的初級側。主開關Q1受控切換，以控制變壓器的初級側與次級側之間的電能轉換。
在本實施例中，電源轉換控制電路100包含兩旁路開關(即第一旁路開關Q2與第二旁路開關Q3)、半橋功率控制單元20以及主動箝位控制單元30。其中半橋功率控制單元20與主動箝位控制單元30分別為具有複數腳位(pin)的積體電路(integrated circuit, IC)，然不以此為限制本創作。
如圖1所示，第二旁路開關Q3係設置於第一路徑P1上，並且第一路徑P1係形成於半橋功率控制單元20與接地點Gnd之間。主開關Q1與第一旁路開關Q2係設置於第二路徑P2上，並且第二路徑P2係形成於主動箝位控制單元30與接地點Gnd之間。
半橋功率控制單元20包含第一開關腳位SWHB、下橋驅動腳位LDRV以及致能腳位EN。第一開關腳位SWHB耦接主開關Q1，下橋驅動腳位LDRV耦接主開關Q1，致能腳位EN耦接第一路徑P1。
請參見圖3所示，其為本創作半橋功率控制單元之電路方塊圖。半橋功率控制單元20更包含上橋驅動腳位HDRV、上橋開關SW H、下橋開關SW L以及電源致能控制單元21。上橋開關SW H耦接上橋驅動腳位HDRV。下橋開關SW L耦接下橋驅動腳位LDRV，且串聯耦接上橋開關SW H以形成共接點，即對應第一開關腳位SWHB，供耦接主開關Q1。
電源致能控制單元21耦接致能腳位EN、上橋開關SW H以及下橋開關SW L。半橋功率控制單元20更透過第三路徑P3耦接電源電壓Vcc，以接收電源電壓Vcc對其供電。在一實施例中，上橋開關SW H與下橋開關SW L係整合為同時致能或禁能。可透過致能腳位EN控制電源致能控制單元21，使電源電壓Vcc同時致能或禁能上橋開關SW H與下橋開關SW L。具體地，當透過致能腳位EN控制電源致能控制單元21導通或致能時，電源電壓Vcc可透過第三路徑P3對半橋功率控制單元20供電，以致能上橋開關SW H與下橋開關SW L操作；反之，當控制電源致能控制單元21關斷或禁能時，則關斷電源電壓Vcc經由第三路徑P3對半橋功率控制單元20供電，使禁能上橋開關SW H與下橋開關SW L操作。
主動箝位控制單元30耦接半橋功率控制單元20，並且主動箝位控制單元30包含第二開關腳位SWCR、下橋信號控制腳位LCR以及致能信號控制腳位HBEN。第二開關腳位SWCR耦接主開關Q1。下橋信號控制腳位LCR耦接主開關Q1與下橋驅動腳位LDRV，且提供下橋控制信號S LC。致能信號控制腳位HBEN耦接第一旁路開關Q2與第二旁路開關Q3，且提供致能控制信號S EN控制第一旁路開關Q2與第二旁路開關Q3。主動箝位控制單元30更包含上橋信號控制腳位HCR。上橋信號控制腳位HCR耦接上橋驅動腳位HDRV，且提供上橋控制信號S HC。
在本實施例中，主開關Q1、第一旁路開關Q2以及第二旁路開關Q3係分別可為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，然不以此為限制，舉凡具有開關功能的電晶體元件或電氣元件皆能夠作為上述的該等開關使用。
主開關Q1包含控制端、第一端以及第二端。以主開關Q1為MOSFET為例，控制端係為其閘極(gate)、第一端係為其汲極(drain)，以及第二端係為其源極(source)。第一旁路開關Q2包含控制端、第一端以及第二端。以第一旁路開關Q2為MOSFET為例，控制端係為其閘極(gate)、第一端係為其汲極(drain)，以及第二端係為其源極(source)。同樣地，第二旁路開關Q3包含控制端、第一端以及第二端。以第二旁路開關Q3為MOSFET為例，控制端係為其閘極(gate)、第一端係為其汲極(drain)，以及第二端係為其源極(source)。
第一旁路開關Q2的控制端(即閘極)係耦接主動箝位控制單元30的致能信號控制腳位HBEN，且接收主動箝位控制單元30所提供的致能控制信號S EN。第一旁路開關Q2的第二端(即源極)耦接接地點Gnd。
第二旁路開關Q3的控制端(即閘極)係耦接致能信號控制腳位HBEN與第一旁路開關Q2的控制端，且接收主動箝位控制單元30所提供的致能控制信號S EN。第二旁路開關Q3的第一端(即汲極)耦接致能腳位EN。第二旁路開關Q3的第二端(即源極)耦接接地點Gnd。
主開關Q1的控制端(即閘極)耦接下橋信號控制腳位LCR，且接收主動箝位控制單元30所提供的下橋控制信號S LC。主開關Q1的第一端(即汲極)耦接第一開關腳位SWHB與第二開關腳位SWCR。主開關Q1的第二端(即源極)耦接第一旁路開關Q2的第一端(即汲極)。
主動箝位控制單元30更包含回授腳位FB。回授腳位FB接收返馳式轉換器10所提供的初級側回授信號或次級側回授信號，亦即主動箝位控制單元30的回授腳位FB可直接或間接地(例如透過光耦合器)接收返馳式轉換器10傳送的初級側回授信號或次級側回授信號。藉此，主動箝位控制單元30可根據初級側回授信號或次級側回授信號判斷返馳式轉換器10操作於輕載或重載。
請參見圖2所示，其為本創作電源轉換控制電路的第二實施例之電路方塊圖。其與圖1所示的第一實施例主要的差異在於電源轉換控制電路100僅包含一個旁路開關，即第一旁路開關Q2。對應地，第一旁路開關Q2係設置於第一路徑P1上，並且第一路徑P1係形成於半橋功率控制單元20與接地點Gnd之間。由於其他電路元件的電性連接關係與圖1所示的第一實施例實質相同，因此，不再詳加贅述其他電路元件的電性連接，可配合參見圖1及其對應的說明。
當主動箝位控制單元30透過回授腳位FB偵測到返馳式轉換器10操作於重載時，主動箝位控制單元30控制主開關Q1與至少一旁路開關Q2,Q3截止，半橋功率控制單元20與第一路徑P1、第二路徑P2解耦，且透過第三路徑P3耦接電源電壓Vcc。
以圖1所示的第一實施例為例，當返馳式轉換器10操作於重載時，主動箝位控制單元30控制主開關Q1、第一旁路開關Q2以及第二旁路開關Q3截止，因此半橋功率控制單元20與第一路徑P1、第二路徑P2解耦。
同樣地，以圖2所示的第二實施例為例，返馳式轉換器10操作於重載時，主動箝位控制單元30控制主開關Q1與第一旁路開關Q2截止，因此半橋功率控制單元20與第一路徑P1、第二路徑P2解耦。
此時，半橋功率控制單元20經由第三路徑P3耦接電源電壓Vcc，並且相對於接地點Gnd的高(電壓)準位的電源電壓Vcc，透過致能腳位EN控制電源致能控制單元21導通或致能，使得主動箝位控制單元30提供上橋控制信號S HC至半橋功率控制單元20的上橋驅動腳位HDRV以及提供下橋控制信號S LC至半橋功率控制單元20的下橋驅動腳位LDRV，以控制半橋功率控制單元20的上橋開關SW H與下橋開關SW L同時致能或禁能，藉此，使返馳式轉換器10以主動箝位操作，而在重載操作時有更佳的轉換效率。
當主動箝位控制單元30透過回授腳位FB偵測到返馳式轉換器10操作於輕載時，主動箝位控制單元30導通至少一旁路開關Q2,Q3，半橋功率控制單元20透過第一路徑P1與至少一旁路開關Q2,Q3耦接接地點Gnd，主動箝位控制單元30透過第二路徑P2與主開關Q1耦接接地點Gnd。再者，半橋功率控制單元20與第三路徑P3解耦，以關斷電源電壓Vcc對半橋功率控制單元20供電。
以圖1所示的第一實施例為例，當返馳式轉換器10操作於輕載時，主動箝位控制單元30導通第一旁路開關Q2與第二旁路開關Q3，使得半橋功率控制單元20的致能腳位EN耦接接地點Gnd。
同樣地，以圖2所示的第二實施例為例，當返馳式轉換器10操作於輕載時，主動箝位控制單元30導通第一旁路開關Q2，使得半橋功率控制單元20的致能腳位EN耦接接地點Gnd。
由於半橋功率控制單元20經由致能腳位EN耦接接地點Gnd，因此相對於電源電壓Vcc的低(電壓)準位的接地點Gnd，透過致能腳位EN控制電源致能控制單元21關斷或禁能，使得電源電壓Vcc經由第三路徑P3對半橋功率控制單元20供電被關斷，而禁能上橋開關SW H與下橋開關SW L操作。此時，主動箝位控制單元30則提供下橋控制信號S LC控制主開關Q1切換操作，使返馳式轉換器10以不連續導通模式操作，而在輕載操作時有更佳的省電與節能之功效。
綜上所述，本創作係具有以下之特徵與優點：
1、透過至少一旁路開關Q2,Q3的電性連接設計，能夠因應返馳式轉換器10操作於重載或輕載時，使電源電壓Vcc對半橋功率控制單元20供電，或使電源電壓Vcc對半橋功率控制單元20供電被關斷。
2、透過電源電壓Vcc對半橋功率控制單元20供電，使返馳式轉換器10以主動箝位操作，而在重載操作時有更佳的轉換效率。
3、透過關斷電源電壓Vcc對半橋功率控制單元20供電，使返馳式轉換器10以不連續導通模式操作，而在輕載操作時有更佳的省電與節能之功效。
以上所述，僅為本創作較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本創作之特徵並不侷限於此，並非用以限制本創作，本創作之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本創作申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本創作之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本創作之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
100‧‧‧電源轉換控制電路
10‧‧‧返馳式轉換器
20‧‧‧半橋功率控制單元
21‧‧‧電源致能控制單元
30‧‧‧主動箝位控制單元
Q1‧‧‧主開關
Q2‧‧‧第一旁路開關
Q3‧‧‧第二旁路開關
P1‧‧‧第一路徑
P2‧‧‧第二路徑
P3‧‧‧第三路徑
Gnd‧‧‧接地點
Vcc‧‧‧電源電壓
SWHB‧‧‧第一開關腳位
EN‧‧‧致能腳位
HDRV‧‧‧上橋驅動腳位
LDRV‧‧‧下橋驅動腳位
SWH‧‧‧上橋開關
SWL‧‧‧下橋開關
SWCR‧‧‧第二開關腳位
HBEN‧‧‧致能信號控制腳位
HCR‧‧‧上橋信號控制腳位
LCR‧‧‧下橋信號控制腳位
FB‧‧‧回授腳位
SHC‧‧‧上橋控制信號
SLC‧‧‧下橋控制信號
SEN‧‧‧致能控制信號
圖1：為本創作電源轉換控制電路的第一實施例之電路方塊圖。 圖2：為本創作電源轉換控制電路的第二實施例之電路方塊圖。 圖3：為本創作半橋功率控制單元之電路方塊圖。

Claims (10)

  1. 一種電源轉換控制電路，應用於具有一主開關的一返馳式轉換器，該電源轉換控制電路包含： 至少一旁路開關，設置於一第一路徑或一第二路徑上，且該主開關設置於該第二路徑上； 一半橋功率控制單元，耦接該主開關；及 一主動箝位控制單元，耦接該半橋功率控制單元與該主開關； 其中當該返馳式轉換器操作於輕載時，該主動箝位控制單元導通該至少一旁路開關，該半橋功率控制單元透過該第一路徑與該至少一旁路開關耦接一接地點，該主動箝位控制單元透過該第二路徑與該主開關耦接該接地點，且該主動箝位控制單元提供一下橋控制信號控制該主開關切換操作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換控制電路，其中該半橋功率控制單元更透過一第三路徑耦接一電源電壓； 其中當該返馳式轉換器操作於輕載時，該半橋功率控制單元與該第三路徑解耦，以關斷該電源電壓對該半橋功率控制單元供電。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項所述之電源轉換控制電路，其中 該半橋功率控制單元包含： 一第一開關腳位，耦接該主開關； 一下橋驅動腳位，耦接該主開關；及 一致能腳位，耦接該第一路徑；及 該主動箝位控制單元包含： 一第二開關腳位，耦接該主開關； 一下橋信號控制腳位，耦接該主開關與該下橋驅動腳位，且提供該下橋控制信號；及 一致能信號控制腳位，耦接該至少一旁路開關，且提供一致能控制信號控制該至少一旁路開關。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換控制電路，其中當該至少一旁路開關的數量為一，且為一第一旁路開關時， 該第一旁路開關包含： 一控制端，耦接該致能信號控制腳位，且接收該致能控制信號； 一第一端，耦接該致能腳位；及 一第二端，耦接該接地點；及 該主開關包含： 一控制端，耦接該下橋信號控制腳位，且接收該下橋控制信號； 一第一端，耦接該第一開關腳位與該第二開關腳位；及 一第二端，耦接該致能腳位與該第一旁路開關的該第一端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換控制電路，其中當該至少一旁路開關的數量為二，且為一第一旁路開關與一第二旁路開關時， 該第一旁路開關包含： 一控制端，耦接該致能信號控制腳位，且接收該致能控制信號； 一第一端；及 一第二端，耦接該接地點； 該第二旁路開關包含： 一控制端，耦接該致能信號控制腳位與該第一旁路開關的該控制端，且接收該致能控制信號； 一第一端，耦接該致能腳位；及 一第二端，耦接該接地點；及 該主開關包含： 一控制端，耦接該下橋信號控制腳位，且接收該下橋控制信號； 一第一端，耦接該第一開關腳位與該第二開關腳位；及 一第二端，耦接該第一旁路開關的該第一端。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之電源轉換控制電路，其中 該半橋功率控制單元更包含： 一上橋驅動腳位； 一上橋開關，耦接該上橋驅動腳位；及 一下橋開關，耦接該下橋驅動腳位，且串聯耦接該上橋開關以形成一共接點，其中該共接點耦接該主開關；及 該主動箝位控制單元更包含： 一上橋信號控制腳位，耦接該上橋驅動腳位，且提供一上橋控制信號； 其中當該返馳式轉換器操作於重載時，該主動箝位控制單元控制該主開關與該至少一旁路開關截止，該半橋功率控制單元與該第一路徑、該第二路徑解耦，且透過該第三路徑耦接該電源電壓；該主動箝位控制單元提供該上橋控制信號與該下橋控制信號分別控制該半橋功率控制單元的該上橋開關與該下橋開關。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換控制電路，其中當該返馳式轉換器操作於輕載時，該主動箝位控制單元控制該主開關切換，使該返馳式轉換器以不連續導通模式操作；當該返馳式轉換器操作於重載時，該主動箝位控制單元控制該上橋開關與該下橋開關切換，使該返馳式轉換器以主動箝位操作。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換控制電路，其中該主動箝位控制單元更包含： 一回授腳位，接收該返馳式轉換器所提供的一初級側回授信號或一次級側回授信號； 其中該主動箝位控制單元根據該初級側回授信號或該次級側回授信號判斷該返馳式轉換器操作於輕載或重載。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換控制電路，其中該上橋開關與該下橋開關同時致能或禁能。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源轉換控制電路，其中該半橋功率控制單元更包含： 一電源致能控制單元，耦接該致能腳位、該上橋開關以及該下橋開關，且控制該電源電壓同時致能或禁能該上橋開關與該下橋開關。
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