專利名稱：返馳式交換電源供應(yīng)器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種返馳式交換電源供應(yīng)器及其控制方法，尤其涉及一種 可根據(jù)電流調(diào)整機制調(diào)整工作頻率的返馳式交換電源供應(yīng)器及其控制方法。
背景技術(shù)：
返馳式交換式電源供應(yīng)器(Flyback Switching Power Supply, SPS)具有 高效率、低耗損、小尺寸及重量輕等優(yōu)點，因此已被廣泛地用以作為各種 電子產(chǎn)品的電源轉(zhuǎn)換裝置。請參考圖1,圖1為已知返馳式電源供應(yīng)器100 的示意圖。整流電路102及濾波電容105用來對交流電源供應(yīng)器101的交 流輸入電壓Vac執(zhí)行整流濾波處理以產(chǎn)生輸入電壓Vin。變壓器120包含初 級繞組121、次級繞組122及輔助繞組123,其中初級繞組121用以接收輸 入電壓Vin。整流濾波電路170用來對次級繞組122感應(yīng)之前置輸出電壓執(zhí) 行整流濾波處理，以產(chǎn)生輸出電壓饋送至負載195。輸出電壓另可經(jīng)由反饋 電路140的信號處理，以產(chǎn)生反饋信號反饋至開關(guān)控制電路130。
電源產(chǎn)生電路190用來根據(jù)輔助繞組123的感應(yīng)電流產(chǎn)生電源電壓Vcc 供應(yīng)至開關(guān)控制電路130。 一般而言，控制信號Sc的工作頻率大致由開關(guān) 控制電路130根據(jù)流經(jīng)外接的電流設(shè)定電阻Rx的頻率設(shè)定電流If所設(shè)定。 如圖所示，因為電流設(shè)定電阻Rx多為固定的一電阻，所以工作頻率大致上 也是一定值。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的實施例，其公開一種返馳式交換電源供應(yīng)器，包含有一 變壓器、 一開關(guān)、 一開關(guān)控制電路以及一調(diào)整電路。該變壓器包含一初級 繞組、 一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級繞組用來接收一輸入電壓， 該次級繞組用來產(chǎn)生一輸出電壓。該開關(guān)與該初級繞組串接，用以控制流 經(jīng)該初級繞組的一電流。該開關(guān)控制電路具有一頻率控制端，大致工作于一工作頻率，用以控制該開關(guān)，而該工作頻率受控于流經(jīng)該頻率控制端的 一頻率設(shè)定電流。該調(diào)整電路耦接于該輔助繞組與該頻率控制端之間，用 以根據(jù)該輔助繞組所產(chǎn)生的 一感應(yīng)電流調(diào)整該頻率設(shè)定電流。
依據(jù)本發(fā)明的實施例，其另公開一種控制方法，適用于一返馳式交換 電源供應(yīng)器。該返馳式交換電源供應(yīng)器包含有一變壓器及一開關(guān)控制電路。 該變壓器包含一初級繞組、 一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級繞組用 來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產(chǎn)生一輸出電壓，該輔助繞組用以產(chǎn) 生一感應(yīng)電壓。該開關(guān)控制電路具有一頻率控制端，大致工作于一工作頻 率，用以控制流經(jīng)該初級繞組的一電流，而該工作頻率受控于流經(jīng)該頻率 控制端的 一頻率設(shè)定電流。該控制方法先以該輔助繞組所產(chǎn)生的 一感應(yīng)電 流調(diào)整該頻率設(shè)定電流，再根據(jù)被調(diào)整的該頻率設(shè)定電流調(diào)整該工作頻率。


圖1為已知返馳式電源供應(yīng)器的示意圖。
圖2為本發(fā)明返馳式電源供應(yīng)器的優(yōu)選實施例示意圖。
圖3為圖2的返馳式電源供應(yīng)器運作于連續(xù)模式的相關(guān)信號波形示意 圖，其中橫軸為時間軸。
圖4為圖2的返馳式電源供應(yīng)器運作于非連續(xù)模式的相關(guān)信號波形示 意圖，其中橫軸為時間軸。
圖5為圖1的返馳式電源供應(yīng)器運作于非連續(xù)模式的相關(guān)信號波形示 意圖，其中橫軸為時間軸。主要元件符號說明
100、200返馳式電源供應(yīng)器
101、201交流電源供應(yīng)器
102、202整流電路
105、205濾波電容
120、220變壓器
121、221初級繞組
122、222次級繞組
123、223輔助繞組
125、225開關(guān)130、 230 140、 240 170、 270 190、 290 195、 295 231 245 250
251、 271、
291
253
254、 272、
292
lad
Ids If
IP Is
Isa
Ix
Radl
Rad2
Rx
Sc
Sfb
Vac
Vcc
VDS
VDS1、VDS2、 Vsal、 Vsa2 Vin
開關(guān)控制電路
反饋電路
整流濾波電^各
電源產(chǎn)生電路
負載
頻率控制端 光耦合模塊 調(diào)整電路 二極管
稽納二極管 電容
調(diào)整電流
開關(guān)電流
頻率設(shè)定電流
初級電流
次級電流
感應(yīng)電流
內(nèi)定電流
第一調(diào)整電阻
第二調(diào)整電阻
電流i殳定電阻
控制信號
反饋信號
交流輸入電壓
電源電壓
開關(guān)跨壓
電壓
輸入電壓Vsa 感應(yīng)電壓 Vth 負臨界電壓 △ Tl、 AT2 時間區(qū)^爻
具體實施例方式
為讓本發(fā)明更顯而易懂，下文依本發(fā)明的返馳式交換電源供應(yīng)器及其 控制方法，特舉實施例配合附圖作詳細說明，但所提供的實施例并非用以 限制本發(fā)明所涵蓋的范圍。
圖2為本發(fā)明返馳式電源供應(yīng)器的優(yōu)選實施例示意圖。如圖2所示， 返馳式電源供應(yīng)器200包含整流電路202、濾波電容205、變壓器220、開 關(guān)225、整流濾波電i 各270、反饋電路240、調(diào)整電^各250、電源產(chǎn)生電路 290、以及開關(guān)控制電路230。圖2的實施例與圖1的先前技術(shù)之間，可以 發(fā)現(xiàn)的差異有，圖2具有一調(diào)整電路250,耦接于輔助繞組223與開關(guān)控制 電路230之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，圖2中的整流電路202、濾波電容 205、變壓器220、開關(guān)225、整流濾波電3各270、反饋電i 各240、電源產(chǎn)生 電路290、以及開關(guān)控制電路230，其功能以及/或結(jié)構(gòu)，可以類似、等效或 是相同于圖1中的整流電路102、濾波電容105、變壓器120、開關(guān)125、 整流濾波電路170、反饋電路140、電源產(chǎn)生電路190、以及開關(guān)控制電路 130。
在圖2所示的優(yōu)選實施例中，反饋電路240包含光耦合模塊245，所以 反饋信號Sfb以光耦合模式被傳送至開關(guān)控制電路230,用以在輸入端與輸 出端之間達到電性隔離的目的。
圖2中的開關(guān)控制電路230具有頻率控制端231 ，控制信號Sc的工作 頻率受控于流經(jīng)頻率控制端231的頻率設(shè)定電流If。電流設(shè)定電阻Rx耦接 于頻率控制端231與接地端之間，用以提供大致固定的電流Ix。
調(diào)整電路250耦接于輔助繞組223與頻率控制端231之間，用以根據(jù) 感應(yīng)電流Isa提供調(diào)整電流Iad。如圖2所示，頻率設(shè)定電流If為內(nèi)定電流 Ix與調(diào)整電流lad的合成電流。換句話說，調(diào)整電流lad即用來調(diào)整頻率設(shè) 定電流If,并據(jù)以調(diào)整控制信號Sc的工作頻率。調(diào)整電路250包含二極管 251、第一調(diào)整電阻Radl、稽納二極管253、電容254以及第二調(diào)整電阻 Rad2。如圖2所示，二極管251、第一調(diào)整電阻Radl及稽納二極管253耦
8合為一串接電路，亦即，串接電路的各元件的前后耦接次序并不影響電路
操作。低通濾波器(low-pass filter),譬如電容254,可以耦接于串接電路與 接地端之間，用來執(zhí)行低通濾波處理。第二調(diào)整電阻Rad2耦接于頻率控制 端231與電容254之間，用以控制調(diào)整電流Iad的電流值，因此第二調(diào)整電 阻Rad2與電流設(shè)定電阻Rx的電阻比例可用來設(shè)計調(diào)整電路250對工作頻 率的調(diào)整能力。
二極管251使調(diào)整電路250在開關(guān)225開啟時，感應(yīng)電壓Vsa至少為 負電壓時，才得以調(diào)整頻率設(shè)定電流If?；{二極管253的反向崩潰稽納 電壓用以設(shè)定一負臨界電壓Vth。當(dāng)輔助繞組223產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Vsa為 低于負臨界電壓Vth的負電壓時，二極管251順向?qū)?，且稽納二極管253 逆向崩潰導(dǎo)通，配合電容254、第一調(diào)整電阻Radl及第二調(diào)整電阻Rad2 的濾波與電流調(diào)節(jié)處理而產(chǎn)生調(diào)整電流Iad，并進而調(diào)整頻率設(shè)定電流If 以調(diào)整控制信號Sc的工作頻率。此外，控制信號Sc的最低工作頻率可由 電流設(shè)定電阻Rx的阻抗所設(shè)定，用以避免因工作頻率太低而導(dǎo)致變壓器 220發(fā)生鐵芯飽和現(xiàn)象。控制信號Sc的最高工作頻率可由第二調(diào)整電阻 Rad2與電流設(shè)定電阻Rx的并聯(lián)阻抗而定。
圖3為圖2的返馳式電源供應(yīng)器200運作于連續(xù)模式的相關(guān)信號波形 示意圖，其中橫軸為時間軸。在圖3中，由上往下的信號分別為控制信號 Sc、次級繞組222的次級電流Is、輔助繞組223的感應(yīng)電壓Vsa、開關(guān)跨壓 VDS、以及開關(guān)225的開關(guān)電流Ios。請參考圖3及圖2，當(dāng)具低電平電壓的 控制信號Sc使開關(guān)225截止時，開關(guān)電流bs為零，此時感應(yīng)電壓Vsa幾 乎維持在一第一正電壓；開關(guān)跨壓Vos幾乎維持在一第二正電壓，對電容 292充電并對開關(guān)控制電路230供電；而次級電流Is則從一 高電流逐漸下 降至一低電流。當(dāng)具高電平電壓的控制信號Sc使開關(guān)225導(dǎo)通時，開關(guān)跨 壓VDS的第二正電壓會先導(dǎo)致開關(guān)電流IDS的一突波電流，其后開關(guān)跨壓 Vos降為零，而開關(guān)電流lDs則依初級繞組221的初級電流Ip而從一第一電 流逐漸上升至一第二電流，此時感應(yīng)電壓Vsa幾乎維持在一負電壓，至于 次級電流Is則因二極管271的逆向阻流作用而幾乎維持在零電流。如圖3 所示，在返馳式電源供應(yīng)器200運作于連續(xù)模式狀況下，突波電流所導(dǎo)致 的切換功率損耗，相對于開關(guān)225導(dǎo)通時的開關(guān)電流IDS由第一電流至第二 電流所導(dǎo)致的損耗，并不顯著。圖4為圖2的返馳式電源供應(yīng)器200運作于非連續(xù)模式的相關(guān)信號波 形示意圖，其中橫軸為時間軸。請參考圖4及圖2，當(dāng)具低電平電壓的控制 信號Sc使開關(guān)225截止之后，開關(guān)電流Ios為零，此時感應(yīng)電壓Vsa先大 致維持在電壓Vsal，而開關(guān)跨壓Vos先大致維持在電壓VDS1,次級電流Is 則從一高電流逐漸下降至零電流，然后于時間區(qū)段AT1內(nèi)維持在零電流。 在次級電流Is為零電流的時間區(qū)段AT1內(nèi)，會發(fā)生諧振現(xiàn)象使感應(yīng)電壓 Vsa及開關(guān)跨壓Vos振蕩，而且在振蕩的第一周期中，感應(yīng)電壓Vsa及開 關(guān)跨壓Vds均會先快速下降。當(dāng)感應(yīng)電壓Vsa因振蕩而快速下降至低于負 臨界電壓Vth時，如前所述，因二極管251與稽納二極管253的導(dǎo)通，調(diào) 整電路250會些許地增加調(diào)整電流Iad，也就些許地提高頻率設(shè)定電流If, 進而提高開關(guān)控制電路230的工作頻率。如果感應(yīng)電壓Vsa越低，則被調(diào) 整的工作頻率會越高。當(dāng)工作頻率被提高時，具低電平電壓的控制信號Sc 將會提前切換至高電平電壓。在設(shè)計上，可以適當(dāng)?shù)赝ㄟ^改變調(diào)整電路250 中的元件特征值，像是電阻值等，使開關(guān)225在開關(guān)跨壓VDs約于振蕩第 一周期的波谷附近提前導(dǎo)通。亦即，開關(guān)225在開關(guān)跨壓Vos的低電壓狀 況下導(dǎo)通，因此可顯著降低切換功率損耗。因為，在開關(guān)225即將導(dǎo)通的 瞬間，越低的開關(guān)跨壓VDS-便意味著越小的突波電流，也意味著越小的切 換功率損耗。
圖5為圖1的返馳式電源供應(yīng)器IOO運作于非連續(xù)模式的相關(guān)信號波 形示意圖，其中橫軸為時間軸。在圖5中，由上往下的信號分別為控制信 號Sc、次級繞組122的次級電流Is、輔助繞組123的感應(yīng)電壓Vsa、開關(guān) 125的開關(guān)跨壓VDS、以及開關(guān)125的開關(guān)電流lDs。請參考圖5及圖1，當(dāng) 具低電平電壓的控制信號Sc使開關(guān)125截止后，開關(guān)電流lDs為零，此時 感應(yīng)電壓Vsa先大致維持在電壓Vsa2，而開關(guān)跨壓Vos先大致維持在電壓 VDS2，次級電流Is則從一高電流逐漸下降至零電流，然后于時間區(qū)段AT2 內(nèi)維持在零電流。在次級電流Is為零電流的時間區(qū)段AT2內(nèi)，會發(fā)生諧振 現(xiàn)象使感應(yīng)電壓Vsa及開關(guān)跨壓Vds振蕩。在返馳式電源供應(yīng)器100的運 作中，開關(guān)控制電路130提供固定工作頻率的控制信號Sc。如圖5所示， 開關(guān)125由導(dǎo)通至截止的切換點可能發(fā)生在振蕩波峰附近，亦即，開關(guān)125 在開關(guān)跨壓VDS的高電壓狀況下導(dǎo)通，如此會產(chǎn)生很大的突波電流，進而 導(dǎo)致很高的切換功率損耗。由上述可知，相較于已知返馳式電源供應(yīng)器100,本發(fā)明返馳式電源供 應(yīng)器200在非連續(xù)模式的電路運作中，可動態(tài)調(diào)整開關(guān)由截止至導(dǎo)通的切 換點，可以使開關(guān)225的切換點發(fā)生在振蕩波谷附近，因而達到顯著降低 切換功率損耗的目的。
在圖2所示的實施例中，根據(jù)稽納二極管253的反向崩潰稽納電壓所 設(shè)定的負臨界電壓Vth,用以在輸入電壓Vin為相對高電壓與感應(yīng)電壓Vsa 在振蕩狀況下，感應(yīng)電壓Vsa的振蕩幅度會比較大，感應(yīng)電壓Vsa才會產(chǎn) 生足夠的負電壓來使能調(diào)整電路250產(chǎn)生調(diào)整電流Iad以降低切換功率損 耗。在輸入電壓Vin為相對低電壓狀況下，切換功率損耗并不顯著，所以 可以選擇不執(zhí)行任何電路操作以降低切換功率損耗。在另一實施例中，返 馳式電源供應(yīng)器200的稽納二極管253可省略，意味著不論輸入電壓Vin 的高低，只要運作于非連續(xù)模式，調(diào)整電路即被使能以降低切換功率損耗。
^v圖4中的波形也可以看出，當(dāng)開關(guān)225開啟導(dǎo)通時，感應(yīng)電壓Vsa 也是低于負臨界電壓Vth，所以，調(diào)整電路250還是會產(chǎn)生調(diào)整電流Iad， 對頻率設(shè)定電流If產(chǎn)生影響，也產(chǎn)生頻率補償?shù)膭幼?。電?54與第一調(diào) 整電阻Radl可以看似一個低通濾波器。一旦開關(guān)225的開啟導(dǎo)通時間太小， 或是工作周期(dutycycle)太小，則調(diào)整電流Iadl,因為低通濾波器的存在， 的值也會比較小。電容254與第一調(diào)整電阻Radl的值，可以確定較接近滿 載輸出，或是工作周期(duty cycle)比較大時，才會產(chǎn)生比較大的調(diào)整電流 Iad,做出明顯地頻率補償動作。在另一實施例中，電容254可以去除，而 第一調(diào)整電阻Radl可以短路，意味著不論工作周期的大小，都會進行類似 或是相同的頻率補償動作。在另一實施例中，圖2中的稽納二極管253、電 容254可以去除，而第一調(diào)整電阻Radl可以短路。
雖然本發(fā)明已以實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種更動與潤飾，因 此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種返馳式交換電源供應(yīng)器，包含有一變壓器，包含一初級繞組、一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產(chǎn)生一輸出電壓；一開關(guān)，與該初級繞組串接，控制流經(jīng)該初級繞組的一電流；一開關(guān)控制電路，具有一頻率控制端，大致工作于一工作頻率，用以控制該開關(guān)，其中該工作頻率受控于流經(jīng)該頻率控制端的一頻率設(shè)定電流；以及一調(diào)整電路，耦接于該輔助繞組與該頻率控制端之間，用來根據(jù)該輔助繞組所產(chǎn)生的一感應(yīng)電流調(diào)整該頻率設(shè)定電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，其中該輔助繞組產(chǎn)生 一感應(yīng)電壓，當(dāng)該感應(yīng)電壓低于一負臨界電壓時，該調(diào)整電路調(diào)整該頻率 i殳定電流。
3. 如權(quán)利要求1所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，還包含 一電流設(shè)定電阻，耦接于該頻率控制端與一電源線之間，用以設(shè)定該頻率設(shè)定電流為 一預(yù)設(shè)值。
4. 如權(quán)利要求1所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，其中該調(diào)整電路包含 串接的一二極管、 一第一電阻以及一稽納二極管，其中，該稽納二極管與該二極管用以設(shè)定該負臨界電壓，該第 一 電阻用以大略設(shè)定該頻率設(shè) 定電流的一調(diào)整量。
5. 如權(quán)利要求1所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，其中該調(diào)整電路包含 一二極管，耦接于該輔助繞組；以及一低通濾波器，耦接于該二極管與該頻率控制端之間。
6. 如權(quán)利要求5所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，其中該調(diào)整電路還包含一第 一 電阻以及一稽納二極管，與該二極管相串接于該輔助繞組與該 低通濾波器之間。
7. 如權(quán)利要求5所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，其中該調(diào)整電路還包含一第二電阻，耦接于該頻率控制端與該低通濾波器之間。
8. 如權(quán)利要求5所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，其中該低通濾波器包含一電容，耦接于該頻率控制端與一電源線之間。
9. 如權(quán)利要求1所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，還包含 一電源產(chǎn)生電路，耦接于該輔助繞組與該開關(guān)控制電路之間，以該感應(yīng)電流產(chǎn)生一電源電壓，供應(yīng)至該開關(guān)控制電路。
10. 如權(quán)利要求1所述的返馳式交換電源供應(yīng)器，還包含 一反饋電路，用來根據(jù)該輸出電壓產(chǎn)生一反饋電壓饋入至該開關(guān)控制電路。
11. 一種控制方法，適用于一返馳式交換電源供應(yīng)器，該返馳式交換電 源供應(yīng)器包含有一變壓器，包含一初級繞組、 一次級繞組及一輔助繞組，其中該初級 繞組用來接收一輸入電壓，該次級繞組用來產(chǎn)生一輸出電壓，該輔助繞組 用以產(chǎn)生一感應(yīng)電壓；以及一開關(guān)控制電路，具有一頻率控制端，大致工作于一工作頻率，用以 控制流經(jīng)該初級繞組的一電流，其中該工作頻率受控于流經(jīng)該頻率控制端 的一頻率設(shè)定電流；該控制方法包含有以該輔助繞組所產(chǎn)生的一感應(yīng)電流調(diào)整該頻率設(shè)定電流；以及 根據(jù)被調(diào)整的該頻率設(shè)定電流調(diào)整該工作頻率。
12. 如權(quán)利要求11所述的控制方法，還包含 根據(jù)被調(diào)整的該工作頻率控制流經(jīng)該初級繞組的該電流。
13. 如權(quán)利要求11所述的控制方法，還包含當(dāng)該感應(yīng)電壓大于一第一預(yù)設(shè)值時，以該感應(yīng)電流對該開關(guān)控制電路 供電。
14. 如權(quán)利要求13所述的控制方法，其中以該輔助繞組所產(chǎn)生的該感 應(yīng)電流調(diào)整該頻率設(shè)定電流的步驟包含當(dāng)該感應(yīng)電壓小于比該第一預(yù)設(shè)值小的一第二預(yù)設(shè)值時，以該感應(yīng)電 流調(diào)整該頻率設(shè)定電流。
15. 如權(quán)利要求11所述的控制方法，其中以該輔助繞組所產(chǎn)生的該感 應(yīng)電流調(diào)整該頻率設(shè)定電流的步驟包含當(dāng)該感應(yīng)電壓為一負電壓時，以該感應(yīng)電流調(diào)整該頻率設(shè)定電流。
全文摘要
返馳式交換電源供應(yīng)器及其控制方法。該返馳式交換電源供應(yīng)器可根據(jù)電流調(diào)整機制調(diào)整工作頻率，其包含一變壓器、一開關(guān)、一開關(guān)控制電路、以及一調(diào)整電路。變壓器包含一初級繞組、一次級繞組、及一輔助繞組，其中初級繞組用來接收一輸入電壓，次級繞組用來產(chǎn)生一輸出電壓。開關(guān)串接于初級繞組，用來控制流經(jīng)初級繞組的一電流。開關(guān)控制電路具有一頻率控制端，大致工作于一工作頻率，用以控制開關(guān)。工作頻率受控于流經(jīng)頻率控制端的一頻率設(shè)定電流。調(diào)整電路耦接于輔助繞組與頻率控制端之間，用以根據(jù)輔助繞組所產(chǎn)生的一感應(yīng)電流調(diào)整頻率設(shè)定電流。
文檔編號H02M3/24GK101686014SQ20081016569
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者林建良 申請人:通嘉科技股份有限公司