專利名稱：一種多次采樣裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源供應器的控制電路，特別是涉及切換模式電源供應器的切換式控制器。
背景技術：
各種的電源供應器已經廣泛地使用來提供穩定調整的輸出電壓。基于安全規范(safety)的考慮，一離線式(off-line)電源供應器介于一次側與二次側之間必須提供電氣的隔離。一光耦合器與二次側穩定調整器必須用來穩定調整離線式電源供應器的輸出電壓。為了節省零件數目與去除二次側反饋電路的需求，一次側控制技術已經提供，例如1981年11月24日公告的美國專利US 4,302,803號。
發明內容
本發明的主要目的是提供一精確的采樣裝置于一電源供應器的切換式控制器中，用來測量一變壓器的電壓信號與放電時間，在變壓器一次側端沒有光耦合器與二次側穩定調整器的需求下，用以控制電源供應器的輸出電壓與輸出電流。此外，變壓器的放電時間對于準共振(quasi-resonant)電源供應器是很重要的信號，用來與波谷電壓(valley voltage)同步，并且達成柔性切換(softswitching)。
本發明的一種多次采樣裝置，使用于電源供應器的切換式控制器中，連接該變壓器的輔助繞組、一脈寬調制與消隱單元及一振蕩單元。該多次采樣裝置包括有一時間延遲單元，連接于該脈寬調制與消隱單元，接收該脈寬調制與消隱單元輸出的切換信號，并于該切換信號停止時產生一延遲時間信號，同時切換信號經過內部一反相器輸出一反相切換信號。一信號產生單元，連接于該時間延遲單元，接收該延遲時間信號與該反相切換信號，同時通過一分壓電阻器連接于該變壓器的輔助繞組以取得輔助繞組上的反射電壓信號，用以輸出一放電時間信號、一第一采樣信號與一第二采樣信號。一采樣單元，連接于該分壓電阻器、該振蕩單元、該脈寬調制與消隱單元及該信號產生單元，接收該第一采樣信號、該第二采樣信號、該反射電壓信號、該振蕩單元輸出的一脈沖信號及該脈寬調制與消隱單元輸出的一清除信號，用以輸出一電壓反饋信號。藉此，該采樣單元根據該第一采樣信號與該第二采樣信號的控制可以交替地進行采樣該反射電壓信號，并輸出該電壓反饋信號。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1為現有切換式電源電路示意圖；圖2A為該切換式電源電路的功率開關操作于導通模式的示意圖；圖2B為該切換式電源電路的功率開關操作于截止模式的示意圖；圖2C為該切換式電源電路的功率開關操作于截止模式的示意圖；圖3為切換式電源電路的各點信號波形示意圖；圖4為本發明的控制電路方塊示意圖；圖5為本發明使用的多次采樣裝置電路示意圖；圖6為本發明多次采樣裝置的主要波形示意圖；圖7為本發明脈寬調制與消隱單元電路示意圖；及圖8為本發明振蕩器的電路示意圖。
其中，附圖標記10變壓器 20晶體管40整流 45直流穩壓電容51電阻 52電阻100采樣單元110電容 111電容115電容 121開關122開關 123開關124開關 125開關130二極管131二極管
135 電流源150 運算放大器151 運算放大器155 比較器156 臨界信號 161 反相器162 反相器163 NAND門164 AND門 165 AND門166 AND門 170 D型觸發器171 D型觸發器 180 電流源181 晶體管182 電容190 采樣脈沖發生器200 信號產生單元201 運算放大器205 比較器210 電阻 215 電容230 開關 231 開關232 開關 233 開關250 晶體管251 晶體管252 晶體管253 晶體管254 晶體管255 晶體管260 反相器300 時間延遲單元500 脈寬調制與消隱單元511 NAND門512 反相器513 電壓回路誤差放大器515 D型觸發器518 反相器519 AND門520 消隱電路 521 反相器522 反相器523 NAND門525 電流源526 晶體管527 電容 600 振蕩單元700 多次采樣裝置具體實施方式
圖1所示為現有切換式電源電路示意圖，該切換式電源電路包含一變壓器10。該變壓器10具有輔助繞組NA、一次側繞組NP與二次側繞組NS。該一次側繞組NP連接到一輸入電壓VIN。電阻51與電阻52形成一分壓電阻器，該分壓電阻器連接到輔助繞組NA，該輔助繞組NA產生一電壓信號VAUX，該電壓信號VAUX經過分壓后得到反射電壓信號VDET。為了穩定調整該切換式電源電路的輸出電壓VO與輸出電流IO，一切換式控制器輸出一切換信號VPWM，用來控制功率開關20，該功率開關20為晶體管20，用以切換變壓器10。
配合圖1，圖2A所示為該切換式電源電路的功率開關操作于導通模式的示意圖。當切換信號VPWM為高電平時，控制該晶體管20導通，于是在變壓器一次側產生一次側切換電流IP并儲存能量于變壓器10中，此時，該切換式電源電路的各點信號的波形顯示于圖3的時間T1這段區間。上述說明中，該一次側切換電流IP的峰值電流IPI可由式子(1)表示IP1=VINLP×TON···(1)]]>在上面式子(1)中，LP為變壓器10的一次側繞組NP的電感值；TON為切換信號VPWM的導通時間。
再配合圖1，請參考圖2B，一旦切換信號VPWM轉變為低電平，此時儲存于變壓器10的能量將會被傳送到變壓器10的二次側，并且通過整流器40到切換式電源電路的輸出端VO，于是產生二次側切換電流IS。再者，在變壓器10的輔助繞組NA上會同時產生電壓信號VAUX，此時，該切換式電源電路的各點信號的波形顯示于圖3的時間T2這段區間，該二次側切換電流IS的峰值電流ISI可由式子(2)表示IS1=VO+VFLS×TDS···(2)]]>在上面式子(2)中，VO為電源供應器的輸出電壓；VF為整流器40的順向壓降；LS為變壓器10的二次側繞組NS的電感值；TDS為變壓器10的放電時間，也可以表示為二次側切換電流IS的放電時間。
該電壓信號VAUXI可由式子(3)表示VAUX1=TNATNS×(VO+VF)···(3)]]>同時，儲存于變壓器10的能量會同時傳送到晶體管20的寄生電容CJ，并對該寄生電容CJ進行充電使其兩端產生電壓VDS，該電壓VDS值可由式子(4)取得VDS=VIN+[TNPTNS×(VO+VF)]···(4)]]>上述式子(4)中，TNA、TNP與TNS分別為變壓器10的輔助繞組NA、一次側繞組NP與二次側繞組NS的繞組匝數。
再配合圖1，請參考圖2C，一旦變壓器10內儲存的能量完全地釋放出來后，二次側切換電流IS會下降到零安培。此時，電壓VDS會高于輸入電壓VIN，電壓VDS將開始對輸入電壓VIN進行反回充電，此時，該切換式電源電路的各點信號的波形顯示于圖3的時間T3這段區間。在時間T3中的一個TQ周期的這段期間，電壓VDS將下降到一波谷電壓。由共振頻率fR決定電壓VDS下降的回轉率(slew rate)。該共振頻率fR與該TQ周期可由式子(5)、(6)得到。
fR=12πLP×CJ···(5)]]>TQ=1(4×fR)]]>TQ=πLP×CJ2···(6)]]>其中CJ為晶體管20的寄生電容值。
當電壓VDS開始下降，電壓信號VAUX將開始減少。此時，電壓信號VAUX與電壓VDS成正比例的關系，其關系如下面式子(7)所示VAUX=TNATNP×(VDS·VIN)···(7)]]>由切換信號VPWM的下降邊緣(falling edge)到電壓信號VAUX的轉角處(corner)可以測量到方程式(2)的放電時間TDS。參考圖1，電阻51與52形成電阻分壓器，兩個電阻連接于變壓器10的輔助繞組NA與接地之間。反射電壓信號VDET可以表示成式子(8)VDET=R52R51+R52×VAUX···(8)]]>其中R51與R52為電阻51與52的電阻值。
圖4所示為根據本發明的控制電路方塊圖。本發明一種多次采樣裝置700，使用于電源供應器的切換式控制器中，連接該變壓器10的輔助繞組NA、一脈寬調制與消隱單元500及一振蕩單元600。該多次采樣裝置700包括有一時間延遲單元300、一信號產生單元200及一采樣單元100。
再參考圖4，該時間延遲單元300連接于該脈寬調制與消隱單元500，接收該脈寬調制與消隱單元500輸出的一切換信號VPWM，并于該切換信號VPWM停止時輸出一延遲時間信號VDL，同時經過內部一反相器輸出一反相切換信號/VPWM。該信號產生單元200，連接于該時間延遲單元300，接收該延遲時間信號VDL與該反相切換信號/VPWM，同時通過一分壓電阻器連接于該變壓器的輔助繞組以取得該反射電壓信號VDET，用以輸出一放電時間信號SDS、一第一采樣信號VSP1與一第二采樣信號VSP2。一采樣單元100，連接于該振蕩單元600、該脈寬調制與消隱單元500及該信號產生單元200，接收該第一采樣信號VSP1、該第二采樣信號VSP2、該反射電壓信號VDET、該振蕩單元600輸出的一脈沖信號PLS及該脈寬調制與消隱單元500輸出的一清除信號CLR，用以輸出一電壓反饋信號VV。該采樣單元100根據該第一采樣信號VSP1與該第二采樣信號VSP2的控制用以交替地進行采樣該反射電壓信號VDET，并輸出該電壓反饋信號VV。
本發明的主要目的是提供一精確的采樣裝置，用來測量電源供應器中的變壓器的電壓信號與放電時間，在變壓器一次側端沒有光耦合器與二次側穩定調整器的需求下，用以控制電源供應器的輸出電壓與輸出電流。
結合圖1，請參考圖5為本發明使用的多次采樣裝置電路示意圖，通過多次采樣該反射電壓信號VDET，用以產生電壓反饋信號VV與放電時間信號SDS。電壓反饋信號VV精確地正比于輸出電壓VO。放電時間信號SDS表示二次側切換電流IS的放電時間TDS。在二次側切換電流IS被放電到零之前，電壓立即被采樣與測量。因此，二次側切換電流IS的改變并不會影響整流器40順向壓降VF的數值。
信號產生單元200中包含一第一信號發生器、一第二信號發生器、一臨界信號156與一采樣脈沖發生器190，該采樣脈沖發生器190產生一采樣脈沖信號用以進行多次采樣的動作。一臨界信號156加上反射電壓信號VDET產生一電平位移反射信號。該第一信號發生器包含D型觸發器171、兩個AND門165與166，用以產生第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2。該第二信號發生器包含D型觸發器170、NAND門163、AND門164與比較器155，用以產生放電時間信號SDS。
再參考圖5，同時配合圖6，時間延遲單元300包含反相器161、反相器162、電流源180、晶體管181與電容182，當切換信號VPWM停用時，產生一延遲時間Td。反相器161的輸入端由切換信號VPWM所提供，該反相器161的輸出端連接到該反相器162的輸入端，同時也連接到AND門164的第一端與D型觸發器170的頻率端。反相器162的輸出端可導通或截止晶體管181。電容182與晶體管181并聯連接，電流源180對電容182充電。
因此，電流源180的電流與電容182的電容值決定時間延遲電路的延遲時間Td。電容182還輸出該延遲時間信號VDL。
D型觸發器170的輸出端連接于AND門164的第二端，AND門164輸出放電時間信號SDS。當切換信號VPWM停用時，放電時間信號SDS就為啟用。NAND門163的輸出端連接到D型觸發器170的復位端，NAND門163的第一輸入端連接到電容182以接收該延遲時間信號VDL。NAND門163的第二輸入端連接到比較器155的輸出端。比較器155的負端輸入由電平位移反射信號所提供。比較器155的正端輸入由采樣單元100輸出的電壓反饋信號VV所提供。因此，在延遲時間Td之后，一旦該電平位移反射信號低于電壓反饋信號VV，放電時間信號SDS為停用。此外，只要切換信號VPWM啟用，放電時間信號SDS就為停用。
采樣脈沖發生器190產生采樣脈沖信號提供給D型觸發器171的頻率端、AND門165與166的第三端。D型觸發器171的D輸入端與反向輸出端相連接而形成一除2計數器。D型觸發器171的輸出端與反向輸出端分別連接于AND門165與166的第二端。AND門165與166的第一端也是由放電時間信號SDS所提供。AND門165與166的第四端由延遲時間信號VDL所提供。因此，依據采樣脈沖信號而產生第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2。此外，在放電時間信號SDS的啟用周期，第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2為交替地產生。然而，在放電時間信號SDS的一開始插入延遲時間Td，用以禁止第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2的產生。因此，在延遲時間Td的周期，第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2為停用。
第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2交替地控制采樣單元100中的開關121與開關122，同時采樣單元100通過分壓電阻器交替地采樣電壓信號VAUX，以進行采樣該反射電壓信號VDET。同一時間，電壓信號VAUX分別對第一電容110與第二電容111進行充電動作，同時通過第一電容110與第二電容111以取得跨于第一電容110與第二電容111的第一維持電壓與第二維持電壓。開關123與第一電容110并聯連接，作為第一電容110放電之用。開關124與第二電容111并聯連接，作為第二電容111放電之用。
一緩沖放大器設置于該采樣單元100中，其包含運算放大器150與151、二極管130與131及電流源135。運算放大器150與151的正端分別地連接到第一電容110與第二電容111。運算放大器150與151的負端連接到緩沖放大器的輸出端。二極管130由運算放大器150的輸出端連接到緩沖放大器的輸出端，二極管131由運算放大器151的輸出端連接到緩沖放大器的輸出端。因此，該緩沖放大器連接到第一電容110與第二電容111，用以接收第一維持電壓與第二維持電壓，并取得較高的維持電壓來得到一緩沖電壓，電流源135用來結束動作。一切換開關125連接于該緩沖放大器，接收該脈沖信號PLS產生導通或截止的動作，用以周期性地采樣到輸出電容115上的該緩沖電壓，用來產生電壓反饋信號VV。該電壓反饋信號VV因而正比例于該變壓器的輸出電壓Vo。在延遲時間Td之后，第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2開始產生第一與第二維持電壓，如此可消除電壓信號VAUX的電壓突波干擾(spikeinterference)。這是由于當切換信號VPWM停用時，并且晶體管20是截止的，此時電壓信號VAUX將會產生電壓突波。
參考圖6，當二次側切換電流IS放電到零，電壓信號VAUX開始下降，通過比較器155的偵測用以停用放電時間信號SDS。放電時間信號SDS的脈沖寬度因而與二次側切換電流IS的放電時間TDS成正比例的關系。依據放電時間信號SDS為停用，同時第一采樣信號VSP1與第二采樣信號VSP2為停用，并且多次采樣的動作是停止的。此時，在緩沖放大器的輸出端產生的維持電壓表示為一終止電壓(end voltage)。該終止電壓因而與電壓信號VAUX成正比例的關系，并且該終止電壓的采樣與測量是在二次側切換電流IS下降到零之前。維持電壓的獲得是取第一維持電壓與第二維持電壓的較高電壓，當反射電壓信號VDET已經開始減少，將忽略反射電壓信號VDET的采樣動作。
此外，一旦切換信號VPWM啟用，即可以確保切換信號VPWM具有最小的導通時間。而切換信號VPWM的最小導通時間將確保最小的放電時間TDS，在多次采樣裝置700內用以多次采樣該反射電壓信號VDET。放電時間TDS與切換信號VPWM的導通時間TON成正比例。參考式子(1)，(2)，(3)與變壓器二次側電感值LS＝(TNS/TNP)2×LP，放電時間TDS可以表示成式子(9)TDS=(VINVO+VF)×TNSTNP×TON···(9)]]>圖7為本發明脈寬調制與消隱單元電路示意圖。該脈寬調制與消隱單元500包括一脈寬調制電路與一消隱電路520，該脈寬調制電路包含NAND門511、D型觸發器515、AND門519、反相器512和518。同時配合圖4與圖6，脈寬調制電路中的反相器512連接到振蕩單元600，接收脈沖信號PLS。反相器512的輸出端連接到D型觸發器515的頻率端，用以使切換信號VPWM啟用。D型觸發器515的輸出端連接到AND門519的第一端，AND門519的第二端連接到反相器512的輸出端，AND門519輸出切換信號VPWM。D型觸發器515的復位端連接到NAND門511的輸出端。NAND門511的第一端由一復位信號RST所提供，用以周期性的使切換信號VPWM停用。一電壓回路誤差放大器513接收該電壓反饋信號VV以產生該復位信號RST。NAND門511的第二端連接到消隱電路520的輸出端。
再參考圖7，該消隱電路520包含NAND門523、電流源525、電容527、晶體管526、反相器521與522。消隱電路520接收切換信號VPWM，并且輸出到反相器521的輸入端與NAND門523的第一端。反相器521的輸出端控制晶體管526的導通與截止。反相器522的輸出端連接到NAND門523的第二端。NAND門523輸出消隱信號VBLK，電流源525的電流與電容527的電容值決定消隱信號VBLK的脈沖寬度。反相器518的輸入端連接到NAND門523的輸出端，接收消隱信號VBLK用以輸出清除信號CLR。參考圖6，清除信號CLR與消隱信號VBLK互為反相，清除信號CLR用來控制圖5所示的開關123與124的導通與截止。當切換信號VPWM啟用，消隱電路520輸出消隱信號VBLK使得切換信號VPWM停用，也就是避免D型觸發器515產生復位。
當切換信號VPWM截止時，由變壓器10反射出電壓信號VAUX。因此，切換信號VPWM必須保持一個最小的切換頻率，以確保變壓器10的切換動作，用以多次采樣該反射電壓信號VDET。
圖8為本發明振蕩器的電路示意圖。其中運算放大器201、電阻210與電阻250形成一電壓轉電流轉換器，并依據參考電壓VREF產生參考電流I250。數個晶體管251、252、253、254與255形成電流鏡，依據參考電流I250產生充電電流I253與放電電流ID。第一開關230連接于晶體管253的漏極與振蕩電容215之間，第二開關231連接于振蕩電容215與晶體管255之間。第一比較器205輸出一脈沖信號PLS，用以決定切換頻率。第三開關232的第一端提供高臨界電壓VH。第四開關233的第一端提供低臨界電壓VL。第三開關232與第四開關233的第二端連接于第一比較器205的負端。反相器260的輸入端連接于第一比較器205的輸出端，用以產生脈沖信號PLS，反相器260輸出反相脈沖信號/PLS。脈沖信號PLS用來導通或截止第二開關231與第四開關233，反相脈沖信號/PLS用來導通或截止第一開關230與第三開關232。
綜上所述，本發明提供一精確的采樣裝置于電源供應器的切換式控制器中，用來測量變壓器的電壓信號與放電時間，在變壓器一次側端沒有光耦合器與二次側穩定調整器的需求下，用以控制電源供應器的輸出電壓與輸出電流。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種多次采樣裝置，使用于電源供應器的切換式控制器中，連接一變壓器的輔助繞組、一脈寬調制與消隱單元及一振蕩單元，包括有一時間延遲單元，連接于該脈寬調制與消隱單元，接收該脈寬調制與消隱單元輸出的一切換信號，并于該切換信號停止時產生一延遲時間信號，同時該切換信號經過內部一反相器輸出一反相切換信號，其中該切換信號經由一功率開關用以切換該變壓器；一信號產生單元，連接于該時間延遲單元，接收該延遲時間信號與該反相切換信號，同時通過一分壓電阻器連接于該變壓器的輔助繞組以取得輔助繞組上的一反射電壓信號，用以輸出一放電時間信號、一第一采樣信號與一第二采樣信號，其中該第一采樣信號與該第二采樣信號交替地控制兩個開關以進行采樣該反射電壓信號，同時通過一第一電容與一第二電容以取得一第一維持電壓與一第二維持電壓；一采樣單元，連接于該分壓電阻器、該振蕩單元、該脈寬調制與消隱單元及該信號產生單元，接收該第一采樣信號、該第二采樣信號、該反射電壓信號、該振蕩單元輸出的一脈沖信號及該脈寬調制與消隱單元輸出的一清除信號，用以輸出一電壓反饋信號；藉此，采樣單元根據該第一采樣信號與該第二采樣信號的控制用以交替地進行采樣該反射電壓信號，并輸出該電壓反饋信號。
2.根據權利要求1所述的多次采樣裝置，其特征在于，該信號產生單元包括有一臨界信號，該臨界信號加上該反射電壓信號產生一電平位移信號；一放電時間信號將于該切換信號為停用時產生；當該電平位移信號低于該電壓反饋信號時，該放電時間信號為停用；該放電時間信號的脈沖寬度因而與該變壓器的該放電時間成正比例的關系。
3.根據權利要求1所述的多次采樣裝置，其特征在于，該信號產生單元還包括有一采樣脈沖發生器，用以進行多次采樣動作來產生一采樣脈沖信號；一第一信號發生器，在該放電時間信號的啟用周期，依據該采樣脈沖信號交替地產生該第一采樣信號與該第二采樣信號；其中一延遲時間被插入在該放電時間信號的一開始，在該延遲時間的周期，采樣信號為停用；以及一第二信號發生器，用以產生該放電時間信號；當該切換信號停用時，該放電時間信號為啟用；在該延遲時間之后，當該電平位移信號低于該電壓反饋信號時，該放電時間信號為停用；其中該放電時間信號也可以為停用，只要該切換信號為啟用。
4.根據權利要求1所述的多次采樣裝置，其特征在于，該采樣單元包括有一緩沖放大器連接到該第一電容與該第二電容，用以接收該第一維持電壓與該第二維持電壓，并取得較高的維持電壓來得到一緩沖電壓。
5.根據權利要求4所述的多次采樣裝置，其特征在于，該采樣單元還包括有一切換開關連接于該緩沖放大器，接收該脈沖信號的控制，通過一輸出電容，通過周期性地采樣該緩沖電壓，用來產生該電壓反饋信號。
6.根據權利要求1所述的多次采樣裝置，其特征在于，通過多次采樣該反射電壓信號產生一終止電壓，該終止電壓的采樣與測量是在二次側切換電流下降到零之前。
7.根據權利要求1所述的多次采樣裝置，其特征在于，該切換信號具有最小的導通時間，一旦該切換信號啟用，最小的導通時間可確保最小的放電時間，用以多次采樣該反射電壓信號。
8.根據權利要求1所述的多次采樣裝置，其特征在于，該切換信號具有最小的切換頻率，以確保該變壓器的切換動作，用以多次采樣該反射電壓信號。
全文摘要
本發明公開了一多次采樣裝置，用以測量變壓器的反射電壓與放電時間，通過交替地采樣變壓器的反射電壓，該采樣電路用以產生維持電壓。緩沖放大器連接到該維持電壓，取該維持電壓的較高電壓來產生緩沖電壓。一開關周期性地采樣該緩沖電壓，用來產生電壓反饋信號。該電壓反饋信號因而正比例于該變壓器的輸出電壓。一臨界信號加上該反射電壓后產生電平位移信號。當該切換信號為停用狀態時，產生放電時間信號。一旦該電平位移信號低于該電壓反饋信號，該放電時間信號為停用狀態。該放電時間信號的脈沖寬度因而與該變壓器的該放電時間成正比例的關系。在該放電時間信號的啟用周期的這段時間，該采樣信號僅為啟用狀態，用來產生該維持電壓。
文檔編號H02M3/28GK1797920SQ20041010162
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月21日 優先權日2004年12月21日
發明者楊大勇, 洪國強, 林振宇 申請人:崇貿科技股份有限公司