可提供穩(wěn)定電壓輸出的切換式直流電源供應器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是關于一種可提供穩(wěn)定電壓輸出的切換式直流電源供應器，在一返馳變壓器的一次側設置一激磁線圈、一副輸出線圈及一主動式減震電路，在二次側設置一主輸出線圈，另于一、二次側分別設置獨立的一、二次側PWM控制器；藉由分時能量轉移(time shared energy transfer)的技術，可控制該主輸出線圈與副輸出線圈在同一切換周期中自變壓器先后汲取所需能量，又藉由該主動式減震電路與前述分時能量轉移，令二次側上的輸出電壓可介于一穩(wěn)定的極低輸出電壓及一預設的較高輸出電壓之間以滿足輕、重載需求。
【專利說明】可提供穩(wěn)定電壓輸出的切換式直流電源供應器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明關于一種切換式電源供應器（switched-modepowersupply,SMPS)，尤指 一種以返馳式（flyback)電源轉換器為基礎構成而不論輕重載均可維持穩(wěn)定電壓輸出的 電源供應器。

【背景技術】
[0002] 切換式電源供應器或稱交換式電源供應器（SMPS)在供電系統(tǒng)中為廣泛運用的設 備，主要利用PWM控制技術對一切換開關施加導通（ON)/關閉（OFF)信號，使該切換開關 交替地導通/關閉，再配合其周邊的電源轉換電路將一輸入電源轉換為所需的直流輸出電 源。
[0003] 對切換式電源供應器而言，若負載為重載狀態(tài)或需要輸出一較高電壓時，提供穩(wěn) 定的輸出電源相對會較容易達成。若負載為輕載狀態(tài)或是需要輸出一較低電壓時，則相對 較為困難。以理論上來講，只要減小PWM控制信號的工作周期（dutycycle)，即可產(chǎn)生低輸 出電壓，例如由圖IlA所示的較大工作周期減小為圖IlB所示的較小工作周期，但實務上當 工作周期越來越小時，PWM控制信號會變得相當微弱，若相當接近系統(tǒng)雜訊時，即難以穩(wěn)定 維持該PWM控制信號，輸出電壓亦隨的產(chǎn)生浮動。此外，該切換開關本身的最小導通時間仍 是有一定的限制值，當工作周期小于該限制值，仍無法理想控制。
[0004] 目前市面上的切換式電源供應器若要提供低輸出電壓時，所使用的控制技術包含 以下兩種：
[0005] 頻率調降法：如圖12A所示，當負載為重載或是高壓輸出時，以較高的切換頻率控 制該切換開關；如圖12B所示，當負載為輕載或是低壓輸出時，改為以較低的切換頻率控制 該切換開關。但是利用此方法進行控制時，當切換頻率降低至音頻范圍時（低于20KHz)，即 會產(chǎn)生機械噪音問題，因此，為避免產(chǎn)生擾人的機械噪音問題，輸出電壓仍無法控制在極低 的范圍。
[0006] 脈沖叢集模式法（burstmode):請參考圖13A所示，當負載為輕載或是低壓輸出 時，以脈沖叢集模式控制切換開關，即刻意忽略數(shù)個周期而使切換開關完全不動作，只在較 短的時段內以脈沖叢集信號驅動切換開關。雖然脈沖信號的頻率不變，但以長時間的角度 觀察脈沖叢集信號的包絡線（envelopecurve),如圖13B所示，由包絡線所形成的信號頻 率會變的更低，導致切換式電源供應器內部的儲能元件發(fā)出機械噪音。


【發(fā)明內容】

[0007] 為解決現(xiàn)有切換式電源供應器無法在輕載或低電壓輸出的狀態(tài)輸出穩(wěn)定電壓的 技術問題，本發(fā)明提供一種可線性地控制輸出電壓介于一極低的最小輸出電壓（Vmin)及 一預設的較高輸出電壓（Vmax)，令輸出端不論是高低壓輸出或輕重載狀態(tài)，均可維持有相 同的切換頻率（switchingfrequency)及穩(wěn)定的輸出電壓。
[0008] 解決上述技術問題所采用的技術方案是提供一種可提供穩(wěn)定電壓輸出的切換式 直流電源供應器，包含：
[0009] -變壓器，其一次側具有一激磁線圈及一副輸出線圈，該激磁線圈的第一端連接 一輸入電源及一輸入電容，該變壓器二次側具有一主輸出線圈；
[0010] 一一次側開關，系串聯(lián)在該變壓器的激磁線圈與接地之間； Na
[0011] 其中，（&xj)Vs、Va各別代表主輸出線圈及副輸出線圈的電壓，Ns、Na Ns ， 各別代表主輸出線圈及副輸出線圈的匝數(shù)；
[0012] 一主動式減震電路，包含第一二極管至第三二極管、一減震電路儲能電容、一儲能 電感與一減震電路開關，其中：
[0013] 該第二二極管、該儲能電感及第三二極管依序自接地順向串聯(lián)到該輸入電源；
[0014] 該減震電路儲能電容的一端連接在該第三二極管與儲能電感的串接節(jié)點，另一端 經(jīng)由該第一二極管連接到該一次側開關與激磁線圈之串接節(jié)點；
[0015] 該減震電路開關的一端連接在減震電路儲能電容與第一二極管之間的節(jié)點，另一 端連接至接地；
[0016] 一一次側PWM控制器，系分別連接該減震電路開關及該一次側開關，以分別輸出 一第一驅動信號與一第二驅動信號給減震電路開關及一次側開關；
[0017] 一副輸出線圈，設在該變壓器的一次側，系經(jīng)由一副輸出二極管連接到該一次側 反饋相位補償電路，該副輸出二極管的陰極與接地之間連接一副輸出儲能電容；
[0018] 一二次側開關，其一端經(jīng)由一輸出二極管連接到該主輸出線圈的一端，該二次側 開關的另一端連接一輸出端；
[0019] 一二次側反饋相位補償電路，系接收該輸出端上的一輸出電壓及一外部的設定指 令，并將輸出電壓及設定指令進行比較；
[0020] -二次側PWM控制器，系接收該二次側反饋相位補償電路之比較結果，并輸出一 個二次側開關驅動信號以控制該二次側開關；
[0021] 一同步電路，連接該二次側的主輸出線圈以檢測主輸出線圈上的電壓變化而提供 一同步信號至該二次側PWM控制器。
[0022] 其中，該可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器進一步包含：
[0023] 一第一比流器，串接該儲能電感，用來檢知通過該儲能電感上的電流，并傳送檢知 結果至該一次側PWM控制器；
[0024] 一第二比流器，串接在一次側開關與該激磁線圈之間，以來檢知通過該激磁線圈 的激磁電流，并傳送檢知結果至該一次側PWM控制器。
[0025] 其中，該可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器進一步包含：
[0026] 一電壓檢測電路，檢測該減震電路儲能電容兩端的電壓，并傳送檢測出的電壓值 至該一次側PWM控制器；
[0027] 一第二比流器，串接在一次側開關與該激磁線圈之間，以來檢知通過該激磁線圈 的激磁電流，并傳送檢知結果至該一次側PWM控制器。
[0028] 其中，根據(jù)該一次側PWM控制器從該一次側反饋相位補償電路接收的反饋結果與 一預設值相比較，判斷該輸出端上目前的負載狀態(tài)。
[0029]其中，輸入至該二次側反饋相位補償電路之設定指令系用于設定該輸出電壓。
[0030] 其中，在同一個切換周期中，該減震電路開關、一次側開關及二次側開關系同步導 通；該減震電路開關、一次側開關及二次側開關系由先至后依序關閉。
[0031] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0032] 該變壓器將能量由一次側傳送至二次側，在一次側除了主要激磁線圈外，另外設 置一副輸出線圈，該副輸出線圈的電壓用來反饋控制該一次側開關。該主動式減震電路 (activesnubbercircuit)中的減震電路開關,則是受控于儲能電感上的電流變化或儲能 電容上的電壓變化。該變壓器的二次側具有一獨立的二次側PWM控制器，該二次側PWM控制 器與一次側PWM控制器同步，藉由分時能量轉移（timesharedenergytransfer)的技術， 可控制該主輸出線圈與副輸出線圈在同一個切換周期中自變壓器分別先后汲取所需能量。 本發(fā)明結合該主動式減震電路（activesnubbercircuit)與分時能量轉移（timeshared energytransfer)的作法,控制該主輸出線圈上的輸出電壓可依據(jù)負載狀態(tài),提供一極低 的最小輸出電壓（Vmin)或一預設的較高輸出電壓（Vmax),無論輸出端是輕重載狀態(tài)，該輸 出電壓均可維持有穩(wěn)定的切換頻率而無跳空周期（skipcycle)的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明第一較佳實施例的詳細電路圖。
[0034] 圖2為本發(fā)明在重載狀態(tài)下的電壓、電流波形圖。
[0035] 圖3為本發(fā)明在輕載或低電壓狀態(tài)下的電壓、電流波形圖。
[0036] 圖4為本發(fā)明在重載狀態(tài)下的Tl時段電路動作圖。
[0037] 圖5為本發(fā)明在重載狀態(tài)下的T3時段電路動作圖。
[0038] 圖6為本發(fā)明第二較佳實施例的電路方塊圖。
[0039] 圖7為本發(fā)明第三較佳實施例提供多組輸出電壓的電路方塊圖。
[0040] 圖8A為本發(fā)明在輕載狀態(tài)下的二次側開關驅動信號drv的波形圖。
[0041] 圖8B為本發(fā)明在輕載狀態(tài)下的主輸出線圈電流17的波形圖。
[0042] 圖9A為本發(fā)明在重載狀態(tài)下的輸出電壓Vout波形圖。
[0043] 圖9B為本發(fā)明在重載狀態(tài)下的副輸出線圈電壓Vaux波形圖。
[0044] 圖IOA為本發(fā)明在輕載狀態(tài)下的輸出電壓Vout波形圖。
[0045] 圖IOB為本發(fā)明在輕載狀態(tài)下的副輸出線圈電壓Vaux波形圖。
[0046] 圖11A、1IB為同頻率不同工作周期的PWM控制信號波形圖。
[0047] 圖12A、12B為不同頻率的PWM控制信號波形圖。
[0048] 圖13A為執(zhí)行于脈沖叢集模式（burstmode)的PWM控制信號波形圖。
[0049] 圖13B為圖13A的PWM控制信號其包絡線（envelope)。

【具體實施方式】
[0050] 以下配合附圖及本發(fā)明的較佳實施例，進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所 采取的技術手段。
[0051] 請參考圖1所示，本發(fā)明以返馳式電源轉換器（flybackpowerconverter)作為 主要基礎架構，主要包含一個變壓器T;設置在該變壓器T一次側的一次側開關Q2、主動式 減震電路（activesnubbercircuit) 10、一次側PWM控制器20與一次側反饋相位補償電 路30 ;以及，設置在該變壓器T二次側的二次側開關Q3、二次側PWM控制器40與二次側反 饋相位補償電路50。
[0052] 該變壓器T的一次側具有一激磁線圈Lp及一副輸出線圈La,各自的線圈匝數(shù)分別 為Np及Na,其中，該激磁線圈Lp的第一端連接一輸入電源Vin及一輸入電容Cbulk,該激 磁線圈Lp的第二端串聯(lián)一電感元件以表示該變壓器T的漏電感（leakageinductor)Lk; 在二次側具有一主輸出線圈Lo,其線圈匝數(shù)為Ns。本發(fā)明變壓器T的線圈匝數(shù)必須滿足下 式要求，才能達到"分時能量轉移（timesharedenergytransfer)"的目的：
[0053] (VsX-) <Va Ns
[0054] 其中，上式Vs、Va各別代表主輸出線圈Lo及副輸出線圈La的電壓。利用此特定 的匝數(shù)設計，可確保在每一個切換周期中，該主輸出線圈Lo會早于該副輸出線圈La導通， 令兩者產(chǎn)生本發(fā)明所需要的前、后動作時序。
[0055] 該一次側開關Q2串聯(lián)變壓器T的激磁線圈Lp，其中，在一次側開關Q2與該激磁線 圈Lp之間可串聯(lián)一個第二比流器CT2,用來檢知通過該激磁線圈Lp的激磁電流II。
[0056] 該主動式減震電路（activesnubbercircuit) 10,連接在該變壓器T的一次側。 該主動式減震電路10的組成元件包含有第一?第三二極管DSl?DS3、一減震電路儲能電 容Cs、一儲能電感Ls、一減震電路開關Ql及一第一比流器CTl。其中，該第二二極管DS2、 儲能電感Ls及第三二極管DS3三者依序從接地順向串聯(lián)到輸入電源Vin;該減震電路儲能 電容Cs的一端連接在該第三二極管DS3與儲能電感Ls的串接節(jié)點，另一端經(jīng)由該第一二 極管DSl連接到該一次側開關Q2與第二比流器CT2的串接節(jié)點，該第一二極管DSl的陰極 連接該減震電路儲能電容Cs;該減震電路開關Ql的一端連接在減震電路儲能電容Cs與第 一二極管DSl之間的節(jié)點，另一端連接至接地；該第一比流器CTl串接該儲能電感Ls,用來 檢知通過該儲能電感Ls的電流I15。
[0057] 該一次側PWM控制器20分別輸出第一驅動信號sdrv、第二驅動信號mdrv給減震 電路開關Ql及一次側開關Q2,兩輸入端SCS、mCS分別接收第一比流器CTl、第二比流器CT2 的檢知結果，而反饋輸入端FB接收來自該一次側反饋相位補償電路30的反饋結果。
[0058] 該變壓器T的副輸出線圈La經(jīng)由一個副輸出二極管Da連接到該一次側反饋相位 補償電路30,其中，該副輸出二極管Da的陽極連接副輸出線圈La,陰極連接該一次側反饋 相位補償電路30;在該副輸出二極管Da的陰極與接地之間設置一副輸出儲能電容Ca。
[0059] 該二次側開關Q3的一端經(jīng)由一主輸出二極管D3連接到該主輸出線圈Lo的一端， 該二次側開關Q3的另一端連接本電源供應器的輸出端，該輸出端上的電壓即定義為輸出 電壓Vout。
[0060] 該二次側反饋相位補償電路50接收該輸出端的輸出電壓Vout及一外部的設定指 令，該二次側反饋相位補償電路50送出反饋結果給該二次側PWM控制器40。該設定指令用 于設定輸出電壓Vout。
[0061] 該二次側PWM控制器40的一反饋輸入端FB接收來自二次側反饋相位補償電路50 的反饋結果，并輸出一個二次側開關驅動信號drv來控制該二次側開關Q3。該二次側PWM 控制器40的一同步信號端SYNC則是連接一同步電路60,通過檢測該二次側的主輸出線圈 Lo上的電壓變化而得知一次側PWM控制器20其第二驅動信號mdrv的動作時序。
[0062] 根據(jù)該一次側PWM控制器20的反饋輸入端FB所接收的反饋結果與一預設值相比 較，可判斷二次側主輸出端上目前的負載狀態(tài)是屬于"重載"或是"輕載或低電壓輸出"。以 下說明即依據(jù)兩種狀態(tài)分別說明電路動作。
[0063]首先針對"重載"狀態(tài)說明：當該一次側PWM控制器20的反饋輸入端FB所接收的 反饋結果高于該預設值時，系判斷為重載狀態(tài)。
[0064]配合參考圖2所示，在重載狀態(tài)下的每一個切換周期可細分成不同時段Tl?T6 分別說明元件動作，相關的電壓及電流波形定義如下：
[0065]sdrv:-次側PWM控制器20輸出至減震電路開關Ql的第一驅動信號；
[0066] mdrv:-次側PWM控制器20輸出至一次側開關Q2的第二驅動信號；
[0067] 11:通過該變壓器T一次側激磁線圈Lp的電流；
[0068] 12:通過該一次側開關Q2的電流；
[0069]Vcs:該減震電路儲能電容Cs兩端的電壓；
[0070]Ics:通過該減震電路儲能電容Cs的電流；
[0071]I15 :通過該儲能電感Ls的電流；
[0072]drv:二次側PWM控制器40輸出至二次側開關Q3的二次側開關驅動信號；
[0073] 17:通過變壓器T的主輸出線圈Lo的電流；
[0074] 18:通過變壓器T的副輸出線圈La的電流。
[0075]Tl時段：請參考圖4所示電路動作，根據(jù)一次側PWM控制器20輸出的第一驅動信 號sdrv與第二驅動信號mdrv，該減震電路開關Ql與一次側開關Q2會同時導通（ON)，來自 輸入電源Vin的電流通過激磁線圈Lp，此時變壓器T的激磁電流Il等于通過一次側開關 Q2的電流12,開始儲存能量在變壓器T。同一時間，因為減震電路開關Ql為導通，該減震 電路儲能電容Cs在上一個切換周期所儲存的能量會經(jīng)由該減震電路開關Q1、第二二極管 DS2、儲能電感Ls的路徑開始放電，使減震電路儲能電容Cs上的電壓由正極性漸漸反轉為 負極性，相關的電壓、電流波形如L、Vcs、Ics所示。藉由檢測通過儲能電感Ls的電流L 或是檢測減震電路儲能電容Cs的電壓Vcs于達到能量轉換的一預設值時，該減震電路開關 Ql截止（0FF)，結束Tl時段。在本實施例中，采取電流檢測的方式，利用該第一比流器CTl 檢測通過儲能電感Ls的電流L，將電流檢測結果回傳給一次側PWM控制器20而決定該減 震電路開關Ql的關閉時間。在圖6的另一實施例中，則是不使用第一比流器CTl來檢測電 流，改以一電壓檢知電路檢測該減震電路儲能電容Cs兩端電壓Vcs的變化，所測的電壓回 傳到該一次側PWM控制器20的輸入端scs。
[0076]T2時段：依據(jù)變壓器T一次側的副輸出線圈La所輸出的電壓Vaux，經(jīng)由該一次側 反饋相位補償電路30反饋給一次側PWM控制器20之后，關閉該一次側開關Q2。
[0077]T3時段：請參考圖5所示電路動作，當一次側開關Q2截止后，變壓器T的激磁線圈 Lp及漏電感Lk上的電壓極性即刻反轉且開始上升。受一次側電壓極性反轉影響，二次側的 主輸出線圈Lo的電壓同時產(chǎn)生極性反轉且開始上升，該二次側的主輸出線圈的電壓為Vs， 可表示為下式： Ns
[0078]D=印x:-，其中，Vp表示該激磁線圈Lp兩端的電壓。 Np
[0079] 當主輸出線圈的電壓Vs上升到大于輸出電壓Vout時，主輸出二極管D3的兩端為 順偏，故由原本的截止狀態(tài)轉成導通狀態(tài)。主輸出二極管D3-旦導通后，主輸出線圈的電 壓Vs即被箝位在輸出電壓Vout準位。由于變壓器T二次側的電壓已被箝位在輸出電壓 Vout準位，其一次側激磁線圈Lp兩端的電壓Vp亦同時被箝位在一固定準位而成為一返馳 電壓（flybackvoltage),此時電壓Vp可表示為下式：

【權利要求】
1. 一種可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器，其特征在于，包含： 一變壓器，其一次側具有一激磁線圈及一副輸出線圈，該激磁線圈的第一端連接一輸 入電源及一輸入電容，該變壓器二次側具有一主輸出線圈； 一一次側開關，串聯(lián)在該變壓器的激磁線圈與接地之間； /V"幻 其中，（朽x^) < Fa Vs、Va各別代表主輸出線圈及副輸出線圈的電壓，Ns、化各 Ns , 別代表主輸出線圈及副輸出線圈的面數(shù)； 一主動式減震電路，包含第一二極管至第H二極管、一減震電路儲能電容、一儲能電感 與一減震電路開關，其中： 該第二二極管、該儲能電感及第H二極管依序自接地順向串聯(lián)到該輸入電源； 該減震電路儲能電容的一端連接在該第H二極管與儲能電感的串接節(jié)點，另一端經(jīng)由 該第一二極管連接到該一次側開關與激磁線圈之串接節(jié)點； 該減震電路開關的一端連接在減震電路儲能電容與第一二極管之間的節(jié)點，另一端連 接至接地； 一一次側PWM控制器，分別連接該減震電路開關及該一次側開關，W分別輸出一第一 驅動信號與一第二驅動信號給減震電路開關及一次側開關； 一副輸出線圈，設在該變壓器的一次側，經(jīng)由一副輸出二極管連接到該一次側反饋相 位補償電路，該副輸出二極管的陰極與接地之間連接一副輸出儲能電容； 一二次側開關，其一端經(jīng)由一輸出二極管連接到該主輸出線圈的一端，該二次側開關 的另一端連接一輸出端； 一二次側反饋相位補償電路，接收該輸出端上的一輸出電壓及一外部的設定指令，并 將輸出電壓及設定指令進行比較； 一二次側PWM控制器，接收該二次側反饋相位補償電路之比較結果，并輸出一個二次 側開關驅動信號W控制該二次側開關； 一同步電路，連接該二次側的主輸出線圈W檢測主輸出線圈上的電壓變化而提供一同 步信號至該二次側PWM控制器。
2. 如權利要求1所述的可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器，其特征在于，進一 步包含： 一第一比流器，串接該儲能電感，用來檢知通過該儲能電感上的電流，并傳送檢知結果 至該一次側PWM控制器； 一第二比流器，串接在一次側開關與該激磁線圈之間，W來檢知通過該激磁線圈的激 磁電流，并傳送檢知結果至該一次側PWM控制器。
3. 如權利要求1所述的可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器，其特征在于，進一 步包含： 一電壓檢測電路，檢測該減震電路儲能電容兩端的電壓，并傳送檢測出的電壓值至該 一次側PWM控制器； 一第二比流器，串接在一次側開關與該激磁線圈之間，W來檢知通過該激磁線圈的激 磁電流，并傳送檢知結果至該一次側PWM控制器。
4. 如權利要求1、2或3所述的可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器，其特征在于， 根據(jù)該一次側PWM控制器從該一次側反饋相位補償電路接收的反饋結果與一預設值相比 較，判斷該輸出端上目前的負載狀態(tài)。
5. 如權利要求4所述的可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器，其特征在于，輸入 至該二次側反饋相位補償電路的設定指令用于設定該輸出電壓。
6. 如權利要求5所述的可提供穩(wěn)定電源輸出的切換式電源供應器，其特征在于，在同 一個切換周期中，該減震電路開關、一次側開關及二次側開關同步導通；該減震電路開關、 一次側開關及二次側開關由先至后依序關閉。
【文檔編號】H02M3/335GK104426378SQ201310409657
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權日:2013年8月23日
【發(fā)明者】方證仁 申請人:巨控自動化股份有限公司