TWI784755B - 應用於返馳式電源轉換器的控制器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

應用於返馳式電源轉換器的控制器具有新回授偵測功能。該控制器包含一取樣保持電路和一去能電路。該取樣保持電路是用以取樣一回授電壓以產生一取樣電壓，其中該控制器根據該取樣電壓產生一補償電壓，且該返馳式電源轉換器的二次側的輸出電壓和該補償電壓有關。該去能電路是用以根據一輸入電壓、該取樣電壓和一偵測電壓的峰值，去能一取樣信號以使該取樣保持電路停止取樣該回授電壓。

Description

應用於返馳式電源轉換器的控制器及其操作方法

本發明是有關於一種應用於返馳式電源轉換器的控制器及其操作方法，尤指一種可同時根據輸入電壓、取樣電壓和偵測電壓的峰值，去能取樣信號的控制器及其操作方法。

在現有技術中，應用於一單級返馳式功率因素校正(power factor correction,PFC)電源轉換器的一次側的控制器接收一輸入電壓(其中該輸入電壓和一直流電壓有關，且該直流電壓是通過該單級返馳式功率因素校正電源轉換器所包含的橋式整流器整流一交流電壓後所產生)，並將該輸入電壓與一臨界電壓比較，其中當該輸入電壓低於該臨界電壓時，則去能輸入至該控制器內的取樣保持電路的取樣信號。如此該取樣保持電路將據以停止取樣一回授電壓以產生一取樣電壓直到該取樣信號重新致能。另外，該控制器可根據該取樣電壓產生一補償電壓，且根據該補償電壓調整一閘極控制信號(控制該單級返馳式功率因素校正電源轉換器所包含的一功率開關)的降頻曲線(frequency variation curve)以控制該單級返馳式功率因素校正電源轉換器的二次側的輸出電壓。

然而因為在該取樣信號的去能區間中，該取樣保持電路停止取樣該 回授電壓以產生該取樣電壓，所以該取樣保持電路所產生的該取樣電壓不再變化。如果此時耦接於該單級返馳式功率因素校正電源轉換器的負載發生變化或該輸入電壓發生變化，則因為該取樣電壓不再變化，所以和該取樣電壓有關的該補償電壓無法即時反應該負載的變化或該輸入電壓的變化，導致該輸出電壓發生過沖(overshoot)/下沖(undershoot)的情形。因為在現有技術中，該臨界電壓為一固定值，所以如果該臨界電壓太高，則該取樣信號的去能區間變得太長，導致於該負載發生變化或該輸入電壓發生變化時，該輸出電壓的過沖/下沖將更為嚴重，甚至超出該單級返馳式功率因素校正電源轉換器調節該輸出電壓的範圍；如果該臨界電壓太低，則因為該單級返馳式功率因素校正電源轉換器的一次側的激磁電流太小，所以該單級返馳式功率因素校正電源轉換器的二次側的反射電壓太低，導致該取樣電壓錯誤(較低)。如此，該輸出電壓變高，甚至該單級返馳式功率因素校正電源轉換器出現震盪的狀況。

因此，如何解決上述該臨界電壓為該固定值所造成的問題已成為該控制器的設計者的一項重要課題。

本發明的一實施例提供一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的控制器，其中該控制器具有新回授偵測功能。該控制器包含一取樣保持電路和一去能電路。該取樣保持電路是用以取樣一回授電壓以產生一取樣電壓，其中該控制器根據該取樣電壓產生一補償電壓，且該返馳式電源轉換器的二次側的輸出電壓和該補償電壓有關。該去能電路是用以根據一輸入電壓、該取樣電壓和一偵測電壓的峰值，去能一取樣信號以使該取樣保持電路停止取樣 該回授電壓。

本發明的另一實施例提供一種應用於返馳式電源轉換器的控制器的操作方法，其中該控制器具有新回授偵測功能，且該控制器包含一取樣保持電路和一去能電路。該操作方法包含該去能電路根據一輸入電壓、一取樣電壓和一偵測電壓的峰值，決定是否去能一取樣信號；及當該去能電路去能該取樣信號後，該取樣保持電路停止取樣一回授電壓以產生該取樣電壓直到該取樣信號重新致能。

本發明提供一種應用於返馳式電源轉換器的控制器，其中該控制器具有新回授偵測功能。因為該新回授偵測功能是使該控制器可同時根據一輸入電壓、一取樣電壓和一偵測電壓的峰值，去能一取樣信號，所以相較於現有技術，本發明有以下優點：第一、因為該偵測電壓的峰值會隨該返馳式電源轉換器的二次側的負載改變，所以該控制器可通過該偵測電壓的峰值偵測該返馳式電源轉換器的二次側的負載變化；第二、因為該取樣電壓可隨著該返馳式電源轉換器的二次側的輸出電壓改變，所以該控制器可避免該取樣信號的錯誤；第三、在該控制器可避免該取樣信號的錯誤的前提下，該控制器偵測該返馳式電源轉換器的二次側的負載和該輸入電壓，可有效地縮減該取樣信號的去能區間以使該取樣信號的去能區間最佳化。

100:返馳式電源轉換器

102:第一分壓電路

103:功率開關

104:橋式整流器

106:第二分壓電路

200:控制器

202:取樣保持電路

204:去能電路

2042:第一比較器

2044:峰值產生器

2046:第二比較器

2048:第三比較器

2050:反及閘

2052:及閘

FCS:第一比較信號

GND1、GND2:地電位

GCS:閘極控制信號

NAUX:輔助繞組

OS:輸出信號

PRI:一次側

SEC:二次側

SCS:第二比較信號

TCS:第三比較信號

T1-T9:時間

VP:峰值

VCS:偵測電壓

VCC、FB、GATE、IN、CS、GND、COMP:接腳

VAUX:輔助電壓

VFB:回授電壓

VIN:輸入電壓

VAC:交流電壓

VBRI:直流電壓

VOUT:輸出電壓

VTH1:第一臨界電壓

VTH2:第二臨界電壓

VTH3:第三臨界電壓

VFBSH:取樣電壓

VCOMP:補償電壓

VTRI:取樣信號

VTH1H:上界

VTH1L:下界

300-304:步驟

第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的控制器的示意圖。

第2圖是說明去能電路根據輸入電壓、取樣電壓和偵測電壓的峰值去能取樣信號的時序示意圖。

第3圖是本發明的第二實施例說明一種應用於返馳式電源轉換器的控制器的操作方法的流程圖。

請參照第1圖，第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)100的控制器200的示意圖，其中控制器200具有新回授偵測功能，控制器200是應用於返馳式電源轉換器100的一次側PRI，且返馳式電源轉換器100是一單級返馳式功率因素校正(power factor correction,PFC)電源轉換器。另外，第1圖的返馳式電源轉換器100和控制器200僅示出與本發明相關的元件，且返馳式電源轉換器100的一次側PRI的地電位GND1和返馳式電源轉換器100的二次側SEC的地電位GND2可相同或不同。如第1圖所示，控制器200包含一取樣保持電路202和一去能電路204，其中取樣保持電路202通過控制器200的接腳FB接收一回授電壓VFB，且用以取樣回授電壓VFB以產生一取樣電壓VFBSH。另外，如第1圖所示，回授電壓VFB是返馳式電源轉換器100所包含的輔助繞組NAUX上的輔助電壓VAUX通過一第一分壓電路102所產生。在取樣保持電路202產生取樣電壓VFBSH後，控制器200內的相關電路可根據取樣電壓VFBSH產生一補償電壓VCOMP(也就是控制器200的接腳COMP上的電壓)，且根據補償電壓VCOMP調整一閘極控制信號GCS的降頻曲線(frequency variation curve)以控制返馳式電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT，也就是說返馳式電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT和補償電壓VCOMP有關。另外，閘極控制信號GCS是通過控制器200的接腳GATE輸入至返馳式電源轉換器100所包含的一功率開關103，其中閘極控制信號GCS是用以控制功率開關103的 開啟與關閉，且返馳式電源轉換器100是操作在一準諧振模式(quasi-resonate mode)。另外，如第1圖所示，輔助電壓VAUX可通過控制器200的接腳VCC輸入至控制器200，並做為控制器200的供電電壓，以及控制器200的接腳GND接收地電位GND1。

如第1圖所示，去能電路204包含一第一比較器2042、一峰值產生器2044、一第二比較器2046、一第三比較器2048、一反及閘2050和一及閘2052。第一比較器2042是用以通過控制器200的接腳IN接收一輸入電壓VIN且當輸入電壓VIN小於一第一臨界電壓VTH1時，產生一第一比較信號FCS(也就是一第一高電位信號)，其中第一比較器2042還具有一遲滯功能。另外，如第1圖所示，一直流電壓VBRI是一交流電壓VAC通過返馳式電源轉換器100所包含的橋式整流器104整流所產生，且輸入電壓VIN是直流電壓VBRI通過一第二分壓電路106所產生。峰值產生器2044是用以通過控制器200的接腳CS接收一偵測電壓VCS並據以產生偵測電壓VCS的峰值VP；第二比較器2046用以接收峰值VP且當峰值VP小於一第二臨界電壓VTH2時，產生一第二比較信號SCS(也就是一第二高電位信號)。第三比較器2048是用以接收取樣電壓VFBSH且當取樣電壓VFBSH小於一第三臨界電壓VTH3時，產生一第三比較信號TCS(也就是一第三高電位信號)。反及閘2050是用以接收第一比較信號FCS、第二比較信號SCS和第三比較信號TCS，並據以產生一輸出信號OS(也就是一第一低電位信號)。因為輸出信號OS是該第一低電位信號，所以及閘2052可根據輸出信號OS去能取樣信號VTRI，也就是說當及閘2052接收到輸出信號OS時，取樣信號VTRI並不會通過及閘2052到取樣保持電路202(此時及閘2052的輸出是處於一低電位)。當取樣保持電路202沒有接收到取樣信號VTRI時，取樣保持電路202將停止取樣回授電壓VFB，此時取樣保持電路202將維持前次所產生的取樣電壓VFBSH直到取樣信號VTRI的去能 區間結束。另外，本發明並不受限於第一比較信號FCS是該第一高電位信號，第二比較信號SCS是該第二高電位信號，第三比較信號TCS是該第三高電位信號，輸出信號OS是該第一低電位信號，反及閘2050，和及閘2052，也就是說只要去能電路204可利用輸入電壓VIN、取樣電壓VFBSH、偵測電壓VCS的峰值VP以及邏輯閘去能取樣信號VTRI，都落入本發明的範疇。

另外，請參照第2圖，第2圖是說明去能電路204根據輸入電壓VIN、取樣電壓VFBSH和偵測電壓VCS的峰值VP去能取樣信號VTRI的時序示意圖。如第2圖所示，在時間T0和一時間T1之間、一時間T2和一時間T3之間以及一時間T4和一時間T5之間，輸入電壓VIN小於第一臨界電壓VTH1(其中VTH1H是對應第一臨界電壓VTH1的遲滯區間的上界以及VTH1L是對應第一臨界電壓VTH1的遲滯區間的下界)。同樣地，在時間T0和時間T1之間、時間T2和時間T3之間以及時間T4和時間T5之間，峰值VP也小於第二臨界電壓VTH2。另外，在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間，取樣電壓VFBSH小於第三臨界電壓VTH3。如第2圖所示，只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間，輸入電壓VIN小於第一臨界電壓VTH1，峰值VP小於第二臨界電壓VTH2，以及取樣電壓VFBSH小於第三臨界電壓VTH3才會同時發生，也就是說只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間，第一比較器2042、第二比較器2046和第三比較器2048才會同時分別產生該第一高電位信號、該第二高電位信號和該第三高電位信號。因為反及閘2050的特性，所以反及閘2050只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間才會產生輸出信號OS(也就是該第一低電位信號)。因此，因為反及閘2050只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間才會產生輸出信號OS(也就是該第 一低電位信號)，所以去能電路204只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間，才會通過及閘2052和輸出信號OS去能取樣信號VTRI，也就是說取樣保持電路202在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間將停止取樣回授電壓VFB，並維持當下的取樣電壓VFBSH，其中時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間即為取樣信號VTRI的去能區間。另外，如第2圖所示，取樣保持電路202在時間T6和時間T1之間、時間T2和時間T7之間、時間T8和時間T3之間以及時間T4和時間T9之間仍舊可以取樣回授電壓VFB。

因為去能電路204可同時根據輸入電壓VIN、取樣電壓VFBSH和偵測電壓VCS的峰值VP，去能取樣信號VTRI，所以相較於現有技術，本發明有以下優點：第一、因為當返馳式電源轉換器100的二次側SEC的負載(未繪示於第1圖)改變時，偵測電壓VCS的峰值VP也會隨之改變，所以去能電路204可通過偵測電壓VCS的峰值VP偵測返馳式電源轉換器100的二次側SEC的負載變化；第二、因為取樣電壓VFBSH可隨著輸出電壓VOUT改變，所以去能電路204可避免取樣信號VTRI的錯誤；第三、在去能電路204可避免取樣信號VTRI的錯誤的前提下，偵測返馳式電源轉換器100的二次側SEC的負載和輸入電壓VIN，可有效地縮減取樣信號VTRI的去能區間以使取樣信號VTRI的去能區間最佳化。因此，相較於現有技術，本發明可同時達到電壓調整率<±5%且二次側SEC的負載的動態(dynamic)率<±13%之規格要求。

請參照第1-3圖，第3圖是本發明的第二實施例說明一種應用於返馳式電源轉換器的控制器的操作方法的流程圖。第3圖的操作方法是利用第1圖的電源轉換器100和控制器200說明，詳細步驟如下： 步驟300：開始；步驟302：去能電路204是否去能取樣信號VTRI；如果是，進行步驟304；如果否，進行步驟302；步驟304：取樣保持電路202停止取樣回授電壓VFB以產生取樣電壓VFBSH直到取樣信號VTRI重新致能，跳回步驟302。

在步驟302中，當去能電路204沒有去能取樣信號VTRI時，取樣保持電路202可取樣回授電壓VFB以產生取樣電壓VFBSH。另外，如第2圖所示，只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間，輸入電壓VIN小於第一臨界電壓VTH1，峰值VP小於第二臨界電壓VTH2，以及取樣電壓VFBSH小於第三臨界電壓VTH3才會同時發生，也就是說只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間，第一比較器2042、第二比較器2046和第三比較器2048才會同時分別產生該第一高電位信號、該第二高電位信號和該第三高電位信號。也就是說反及閘2050只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間才會產生輸出信號OS(也就是該第一低電位信號)。因此，因為反及閘2050只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間才會產生輸出信號OS(也就是該第一低電位信號)，所以去能電路204只有在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間才會通過及閘2052和輸出信號OS去能取樣信號VTRI。

在步驟304中，取樣保持電路202在時間T0和時間T6之間、時間T7和時間T8之間以及時間T9和時間T5之間將停止取樣回授電壓VFB，並維持當下的 取樣電壓VFBSH直到取樣信號VTRI重新致能。另外，如第2圖所示，取樣保持電路202在時間T6和時間T1之間、時間T2和時間T7之間、時間T8和時間T3之間以及時間T4和時間T9之間仍舊可以取樣回授電壓VFB。

綜上所述，本發明所提供的控制器具有新回授偵測功能。因為該新回授偵測功能是使該控制器內的去能電路可同時根據該輸入電壓、該取樣電壓和該偵測電壓的峰值，去能該取樣信號，所以相較於現有技術，本發明有以下優點：第一、因為該偵測電壓的峰值會隨該返馳式電源轉換器的二次側的負載改變，所以該控制器可通過該偵測電壓的峰值偵測該返馳式電源轉換器的二次側的負載變化；第二、因為該取樣電壓可隨著該返馳式電源轉換器的二次側的輸出電壓改變，所以該控制器可避免該取樣信號的錯誤；第三、在該控制器可避免該取樣信號的錯誤的前提下，該控制器偵測該返馳式電源轉換器的二次側的負載和該輸入電壓，可有效地縮減該取樣信號的去能區間以使該取樣信號的去能區間最佳化。

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。

100:返馳式電源轉換器

102:第一分壓電路

103:功率開關

104:橋式整流器

106:第二分壓電路

200:控制器

202:取樣保持電路

204:去能電路

2042:第一比較器

2044:峰值產生器

2046:第二比較器

2048:第三比較器

2050:反及閘

2052:及閘

FCS:第一比較信號

GND1、GND2:地電位

GCS:閘極控制信號

NAUX:輔助繞組

OS:輸出信號

PRI:一次側

SEC:二次側

SCS:第二比較信號

TCS:第三比較信號

VP:峰值

VCS:偵測電壓

VCC、FB、GATE、IN、CS、GND、COMP:接腳

VAUX:輔助電壓

VFB:回授電壓

VIN:輸入電壓

VAC:交流電壓

VBRI:直流電壓

VOUT:輸出電壓

VTH1:第一臨界電壓

VTH2:第二臨界電壓

VTH3:第三臨界電壓

VFBSH:取樣電壓

VCOMP:補償電壓

VTRI:取樣信號

Claims (13)

1. 一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的控制器，其中該控制器具有新回授偵測功能，該控制器包含：一取樣保持電路，用以取樣一回授電壓以產生一取樣電壓，其中該控制器根據該取樣電壓產生一補償電壓，且該返馳式電源轉換器的二次側的輸出電壓和該補償電壓有關；及一去能電路，包含：一第一比較器，用以接收一輸入電壓且當該輸入電壓小於一第一臨界電壓時，產生一第一比較信號，其中該第一比較器具有一遲滯功能；及一峰值產生器，用以接收一偵測電壓並據以產生一偵測電壓的峰值；其中該去能電路根據該輸入電壓、該取樣電壓和該偵測電壓的峰值，去能一取樣信號以使該取樣保持電路停止取樣該回授電壓。
2. 如請求項1所述的控制器，其中該控制器應用於該返馳式電源轉換器的一次側，且該返馳式電源轉換器是一單級返馳式功率因素校正(power factor correction,PFC)電源轉換器。
3. 如請求項1所述的控制器，其中該回授電壓和該返馳式電源轉換器所包含的輔助繞組上的輔助電壓有關。
4. 如請求項1所述的控制器，其中該控制器的供電電壓和該返馳式電源轉換器所包含的輔助繞組上的輔助電壓有關。
5. 如請求項1所述的控制器，其中該輸入電壓和一直流電壓有關，且該直流電壓是通過該返馳式電源轉換器所包含的橋式整流器整流一交流電壓後所產生。
6. 如請求項1所述的控制器，其中該去能電路包含：一第二比較器，用以接收該偵測電壓的峰值且當該偵測電壓的峰值小於一第二臨界電壓時，產生一第二比較信號；一第三比較器，用以接收該取樣電壓且當該取樣電壓小於一第三臨界電壓時，產生一第三比較信號；一反及閘，用以接收該第一比較信號、該第二比較信號和該第三比較信號，並據以產生一輸出信號；及一及閘，用以根據該輸出信號去能該取樣信號。
7. 一種應用於返馳式電源轉換器(flyback power converter)的控制器的操作方法，其中該控制器具有新回授偵測功能，且該控制器包含一取樣保持電路和一去能電路，該操作方法包含：當一輸入電壓小於一第一臨界電壓時，該去能電路的一第一比較器產生一第一比較信號；當一偵測電壓的峰值小於一第二臨界電壓時，該去能電路的一第二比較器產生一第二比較信號；當一取樣電壓小於一第三臨界電壓時，該去能電路的一第三比較器產生一第三比較信號；該去能電路根據該第一比較信號、該第二比較信號和該第三比較信號，決 定是否去能一取樣信號；及當該去能電路去能該取樣信號後，該取樣保持電路停止取樣一回授電壓以產生該取樣電壓直到該取樣信號重新致能。
8. 如請求項7所述的操作方法，其中該控制器根據該取樣電壓產生一補償電壓，且該返馳式電源轉換器的二次側的輸出電壓和該補償電壓有關。
9. 如請求項7所述的操作方法，其中該控制器應用於該返馳式電源轉換器的一次側。
10. 如請求項7所述的操作方法，其中該回授電壓和該返馳式電源轉換器所包含的輔助繞組上的輔助電壓有關。
11. 如請求項7所述的操作方法，其中該控制器的供電電壓和該返馳式電源轉換器所包含的輔助繞組上的輔助電壓有關。
12. 如請求項7所述的操作方法，其中該輸入電壓和一直流電壓有關，且該直流電壓是通過該返馳式電源轉換器所包含的橋式整流器整流一交流電壓所產生。
13. 如請求項7所述的操作方法，其中該去能電路根據該第一比較信號、該第二比較信號和該第三比較信號，決定是否去能該取樣信號包含：根據該第一比較信號、該第二比較信號和該第三比較信號，產生一輸出信 號；及根據該輸出信號去能該取樣信號。

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