反激式电源转换器的控制电路

摘要

本发明提出一种电源转换器的控制电路。电源转换器包含一次侧线圈、二次侧线圈、功率开关、以及光耦合器。功率开关的切换操作用以控制一次侧线圈与二次侧线圈之间的能量感应及转换，以将输入信号转换为输出信号。光耦合器用于将电源转换器的二次侧的信号反馈至一次侧。控制电路包含：反馈引脚，用于依据光耦合器反馈至一次侧的信号提供反馈电压；控制信号产生电路，耦接于反馈引脚，设置成依据反馈电压产生控制信号，以控制功率开关的导通时间；箝制电压产生电路，设置成产生箝制电压；以及电流箝制电路，设置成依据该箝制电压箝制从该反馈引脚流向该光耦合器的输出电流的上限值。藉此，可降低从反馈引脚流向光耦合器的输出电流量。

权利要求

1.一种反激式电源转换器(100)的控制电路(120)，该反激式电源转换器(100)包含一一次侧线圈(102)、一二次侧线圈(103)、一功率开关(105)、以及一光耦合器(110)，该功率开关(105)的切换操作用以控制该一次侧线圈(102)与该二次侧线圈(103)之间的能量感应及转换，以将一输入信号(Vin)转换为一输出信号(Vout)，而该光耦合器(110)用于将该反激式电源转换器(100)的二次侧的信号反馈至该反激式电源转换器(100)的一次侧，其特征在于，该控制电路(120)包含：一反馈引脚(121)，用于耦接该光耦合器(110)，并依据该光耦合器(110)反馈至一次侧的信号提供一反馈电压(Vcomp)；

一控制信号产生电路(123)，耦接于该反馈引脚(121)，设置成依据该反馈电压(Vcomp)产生一控制信号(CTL)，以控制该功率开关(105)的导通时间；

一箝制电压产生电路(125)，设置成产生一箝制电压(Vclamp)；以及

一电流箝制电路(127)，耦接于该反馈引脚(121)与该箝制电压产生电路(125)，设置成依据该箝制电压(Vclamp)箝制从该反馈引脚(121)流向该光耦合器(110)的一输出电流(Icomp)的上限值；

其中，该电流箝制电路(127)包含有：

一电阻(131)，耦接于一参考电压(Vref)，用于依据该参考电压(Vref)产生一决定电压(Vic)，以决定该输出电流(Icomp)的大小；

一晶体管(133)，耦接于该电阻(131)与该反馈引脚(121)之间；以及

一比较电路(135)，耦接于该箝制电压产生电路(125)、该电阻(131)、与该晶体管(133)，设置成比较该箝制电压(Vclamp)与该决定电压(Vic)，以控制该晶体管(133)的一控制端，使得在该反馈电压(Vcomp)大于该箝制电压(Vclamp)时，该决定电压(Vic)的大小与该反馈电压(Vcomp)相同，而在该反馈电压(Vcomp)小于该箝制电压(Vclamp)时，该决定电压(Vic)被箝制在该箝制电压(Vclamp)的大小，以藉此将该输出电流(Icomp)的上限值箝制在一预设值。

2.如权利要求1所述的控制电路(120)，其特征在于，该电流箝制电路(127)另包含有：一补偿电容(137)，耦接于该比较电路(135)的输出端。

3.如权利要求1所述的控制电路(120)，其特征在于，该比较电路(135)是一运算放大器。

4.如权利要求1所述的控制电路(120)，其特征在于，该电流箝制电路(127)只有在该反激式电源转换器(100)处于待机模式时，才依据该箝制电压(Vclamp)箝制该输出电流(Icomp)的上限值。

5.如权利要求1所述的控制电路(120)，其特征在于，该功率开关(105)设置于该控制电路(120)中。

说明书

反激式电源转换器的控制电路

技术领域

[0001] 本发明有关反激式电源转换器(flyback power converter)，尤指一种用于可降低反激式电源转换器在待机模式中的耗电量的控制电路。

背景技术

[0002] 反激式电源转换器用于将输入电压转换为稳定、隔离的直流电，以供给后级的负载使用，其应用范围相当广泛。根据反馈校正机制的不同，反激式电源转换器又区分为采用一次侧校正(primary side regulation，PSR)的架构，以及采用二次侧校正(secondary side regulation，SSR)的架构。

[0003] 在采用二次侧校正架构的反激式电源转换器中，需要利用光耦合器(optocoupler)将二次侧的信号反馈至一次侧电路，使得一次侧的控制电路能根据光耦合器所反馈的信号来调整功率开关的导通时间，以确保二次侧能持续产出稳定的输出电压。

[0004] 控制电路会利用一反馈引脚耦接于光耦合器。众所周知，当反激式电源转换器进入待机模式时，光耦合器的等效电阻值会降低，导致此时从反馈引脚流向光耦合器的电流量增加。因此，传统控制电路在待机模式中最主要的电力消耗，便是肇因于从反馈引脚流向光耦合器的电流消耗。

发明内容

[0005] 有鉴于此，如何有效降低控制电路在待机模式中的电力消耗，以节省反激式电源转换器的整体耗电量，实为业界有待解决的问题。

[0006] 本说明书提供一种反激式电源转换器的控制电路的实施例。该反激式电源转换器包含一一次侧线圈、一二次侧线圈、一功率开关、以及一光耦合器，该功率开关的切换操作用以控制该一次侧线圈与该二次侧线圈之间的能量感应及转换，以将一输入信号转换为一输出信号，而该光耦合器用于将该反激式电源转换器的二次侧的信号反馈至该反激式电源转换器的一次侧。该控制电路包含：一反馈引脚，用于耦接该光耦合器，并依据该光耦合器反馈至一次侧的信号提供一反馈电压；一控制信号产生电路，耦接于该反馈引脚，设置成依据该反馈电压产生一控制信号，以控制该功率开关的导通时间；一箝制电压产生电路，设置成产生一箝制电压；以及一电流箝制电路，耦接于该反馈引脚与该箝制电压产生电路，设置成依据该箝制电压箝制从该反馈引脚流向该光耦合器的一输出电流的上限值。

[0007] 上述实施例的优点之一，是将该反馈引脚流向该光耦合器的输出电流的上限值被箝制在一预设值，可有效降低控制电路的电力消耗，进而节省反激式电源转换器的整体耗电量。

[0008] 上述实施例的优点之一，是可使从该反馈引脚流向该光耦合器的输出电流与该反馈电压两者之间的特性关系，呈现具有连续性的平滑关系，以避免该控制电路发生故障或运作不稳定的问题。

[0009] 本发明的其他优点将借由以下的说明和附图进行更详细的解说。

附图说明

[0010] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0011] 图1为本发明一实施例的反激式电源转换器简化后的功能方块图。

[0012] 图2为本发明一实施例的反馈引脚上的反馈电压与输出电流之间的特性关系简化后的示意图。

[0013] 【符号说明】

[0014] 100  反激式电源转换器

[0015] 101  输入电容

[0016] 102  一次侧线圈

[0017] 103  二次侧线圈

[0018] 104  二极管

[0019] 105  功率开关

[0020] 106  输出电容

[0021] 107  负载

[0022] 110  光耦合器

[0023] 111  光电二极管

[0024] 113  光电晶体管

[0025] 120  控制电路

[0026] 121  反馈引脚

[0027] 123  控制信号产生电路

[0028] 125  箝制电压产生电路

[0029] 127  电流箝制电路

[0030] 131  电阻

[0031] 133  晶体管

[0032] 135  比较电路

[0033] 137  补偿电容

具体实施方式

[0034] 以下将配合相关附图来说明本发明的实施例。在附图中，相同的标号表示相同或类似的元件或方法流程。

[0035] 图1为本发明一实施例的反激式电源转换器100简化后的功能方块图。反激式电源转换器100包含输入电容101、一次侧线圈(primary-side coil)102、二次侧线圈(secondary-side coil)103、二极管104、功率开关105、输出电容106、负载107、光耦合器110、以及控制电路(control circuit)120。

[0036] 在反激式电源转换器100中，输入电容101用于降低输入信号Vin中的噪声。一次侧线圈102的第一端耦接于输入信号Vin。二次侧线圈103的第一端用于提供输出信号Vout。二极管104耦接于二次侧线圈103的第一端与负载107之间。功率开关105耦接于一次侧线圈102的第二端和一固定电位端(例如，接地端)之间。功率开关105的切换操作用以控制一次侧线圈102与二次侧线圈103之间的能量感应及转换，以将输入信号Vin转换为输出信号Vout。输出电容106耦接于二极管104的输出端，用以降低输出信号Vout中的噪声。光耦合器
110则用于将反激式电源转换器100的二次侧的信号反馈至反激式电源转换器100的一次侧。

[0037] 在图1的实施例中，光耦合器110主要包含光电二极管(photodiode)111以及光电晶体管(phototransistor)113。光电二极管111可产生与反激式电源转换器100的二次侧的输出信号Vout大小相对应的光线。光电晶体管113耦接于控制电路120，用于感测光电二极管111产生的光线，以产生相对应的感测信号。

[0038] 控制电路120设置成控制功率开关105的切换操作，以调整流经一次侧线圈102的电流IL的大小，藉此在一次侧线圈102产生变动的磁场。基于电磁互感原理，该变动的磁场会使二次侧线圈103产生电势差，并传递电流，进而对输出电容106充电。控制电路120能根据光耦合器110所反馈的信号来调整功率开关105的导通时间，以确保二次侧能持续产出稳定的输出信号Vout。

[0039] 如图1所示，控制电路120包含有反馈引脚121、控制信号产生电路(control signal generating circuit)123、箝制电压产生电路(clamp voltage generating circuit)125、以及电流箝制电路(lower limit clamping circuit)127。

[0040] 在控制电路120中，反馈引脚121用于耦接光耦合器110，并依据光耦合器110反馈至一次侧的信号提供一反馈电压Vcomp。例如，反馈引脚121可耦接于光耦合器110中的光电晶体管113，并依据光电晶体管113的感测信号形成反馈电压Vcomp。控制信号产生电路123耦接于反馈引脚121，设置成依据反馈电压Vcomp产生控制信号CTL，以控制功率开关105的导通时间。箝制电压产生电路(又称为箝位电压产生电路)125设置成产生一固定的箝制电压Vclamp。电流箝制电路(又称为电流箝位电路)127耦接于反馈引脚121与箝制电压产生电路125，设置成依据箝制电压Vclamp箝制从反馈引脚121流向光耦合器110的一输出电流Icomp的上限值。

[0041] 实作上，控制信号产生电路123可采用各种已知的电流控制模式(current mode)或是电压控制模式(voltage mode)的电路架构来实现。

[0042] 如前所述，当反激式电源转换器100进入待机模式时，光耦合器110中的光电晶体管113的等效电阻值会降低，导致此时从控制电路120的反馈引脚121流向光耦合器110的输出电流Icomp会增加。这也是控制电路120在待机模式中的主要电力消耗因素。

[0043] 此时，控制电路120中的电流箝制电路127会将输出电流Icomp箝制在一预设值，以避免输出电流Icomp的上限值超过该预设值。

[0044] 例如，在图1的实施例中，电流箝制电路127包含有电阻131、晶体管133、比较电路135、以及补偿电容137。电阻131耦接于参考电压Vref，用于依据参考电压Vref产生决定电压(determining voltage)Vic。在运作时，从反馈引脚121流向光耦合器110的输出电流Icomp的大小，是由决定电压Vic与电阻131的电阻值两者所控制。由于电阻131的电阻值是固定的，所以决定电压Vic决定了输出电流Icomp的大小。晶体管133耦接于电阻131与反馈引脚121之间。比较电路135耦接于箝制电压产生电路125、电阻131、与晶体管133，设置成比较箝制电压Vclamp与决定电压Vic，以控制晶体管133的控制端。补偿电容137则耦接于比较电路135的输出端，以对比较电路135的输出进行补偿。实作上，比较电路135可用架构简单的运算放大器来实现，以简化电路设计的复杂度。

[0045] 前述晶体管133与比较电路135两者的搭配运作，会动态调整决定电压Vic的大小。具体而言，在反馈电压Vcomp大于箝制电压Vclamp时，决定电压Vic的大小会被设置成与反馈电压Vcomp相同，而在反馈电压Vcomp下降到低于箝制电压Vclamp时，决定电压Vic则会被箝制在箝制电压Vclamp的大小。

[0046] 换言之，决定电压Vic的下限值会被箝制在箝制电压Vclamp的大小。因此，即使反馈电压Vcomp降到低于箝制电压Vclamp的水平，决定电压Vic也会维持在与箝制电压Vclamp相同的大小，而不会继续下降。

[0047] 请参考图2，其所绘示为本发明的反馈引脚121上的反馈电压Vcomp与输出电流Icomp两者之间的特性关系的一实施例简化后的示意图。

[0048] 如图2所示，在反馈电压Vcomp大于箝制电压Vclamp的情况下，由于决定电压Vic的大小会与反馈电压Vcomp相同，所以反馈电压Vcomp与输出电流Icomp两者的大小会呈现线性相关。

[0049] 另一方面，在反馈电压Vcomp下降到低于箝制电压Vclamp的情况下，由于箝制电压Vclamp是固定值，且决定电压Vic的大小会与箝制电压Vclamp相同，所以决定电压Vic也是固定值由于输出电流Icomp的大小是由决定电压Vic与电阻131的电阻值所决定，因此，在决定电压Vic被箝制在箝制电压Vclamp的大小的情况下，不论光电晶体管113的等效电阻值降低到甚么程度，输出电流Icomp的上限值都会被箝制在一预设值，而不会继续往上增加。因此，当反馈电压Vcomp低于箝制电压Vclamp时，输出电流Icomp会是与反馈电压Vcomp的大小无关的定值。

[0050] 例如，如图2所示，在没有电流箝制电路127的情况下，输出电流Icomp的最大值是Ia，而在电流箝制电路127进行前述运作的情况下，输出电流Icomp的上限值会被箝制在另一较低的预设值Ib，而不会达到原先的最大值Ia。

[0051] 与传统的控制电路相较，由于前述控制电路120的输出电流Icomp的上限值被箝制在较低的预设值Ib，故能降低流向光耦合器110的总电流量。如此一来，便能有效降低控制电路120的电力消耗，进而节省反激式电源转换器100的整体耗电量。

[0052] 另外，如图2所示，由于电流箝制电路127只是将决定电压Vic的下限值箝制在箝制电压Vclamp的大小，而不是利用开关电路将决定电压Vic在不同的高低电位间进行切换，所以从反馈引脚121流向光耦合器110的输出电流Icomp与反馈电压Vcomp两者之间的特性关系，将会呈现具有连续性的平滑关系，而不会出现不连续性的剧烈变化。如此一来，将可避免控制电路120发生故障或运作不稳定的问题。

[0053] 实作上，前述控制电路120中的电流箝制电路127可以随时保持运作，也可以只在反激式电源转换器100处于待机模式时，才依据箝制电压Vclamp箝制输出电流Icomp的上限值。

[0054] 前述反激式电源转换器100中的不同功能方块可分别用不同的电路来实现，也可整合在一单一电路芯片中。例如，控制电路120中的所有功能方块可以整合在一单一控制电路芯片(controller IC)中，也可以进一步将功率开关105整合设置在控制电路120中，以形成一单一转换电路芯片(converter IC)。

[0055] 在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。然而，所属技术领域的技术人员应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的基准。在说明书及权利要求书所提及的「包含」为开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一元件耦接于第二元件，则代表第一元件可通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式而直接地连接于第二元件，或者通过其他元件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二元件。

[0056] 在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列举的其中之一或多个项目的任意组合。另外，除非说明书中特别指明，否则任何单数格的用语都同时包含复数格的涵义。

[0057] 说明书及权利要求书中的电压信号，在实作上可采用电压形式或电流形式来实现。说明书及权利要求书中的电流信号，在实作上也可用电压形式或电流形式来实现。

[0058] 以上仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。