專利名稱：切換式控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種切換式控制裝置，使用于電源供應器的控制，特別是關于一切換模式電源供應器的切換式控制裝置。
背景技術：
各種電源供應器已經廣泛地使用在提供穩定調整的電壓。基于符合安全(safety)的考慮，一離線式的(off-line)電源供應器必須于一次側與二次側之間提供電氣隔離(galvanic isolation)。一光耦合器(optical-coupler)與二次側穩壓調整器(secondary-side regulator)必須用來穩定調整該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要，一次側控制技術已經相繼被提出，例如1981年11月24日公告的美國專利公報第4,302,803號。然而，上述的先前技術無法滿足精確的輸出電壓，并且在輕載條件下，功率損耗也相當嚴重。
技術內容本實用新型的主要目的是在沒有光耦合器與二次側穩壓調整器的需求下，在一次側端提供一切換控制裝置，用來精確地控制電源供應器的輸出電壓。此外，本實用新型也提出截止時間調變(off-time modulation)，用來降低切換頻率，同時于輕載條件下降低電源供應器的功率損耗。
本實用新型公開一種切換式控制裝置應用于一次側控制的電源供應器，包含一功率開關用來切換一變壓器，該變壓器由該電源供應器的輸入電壓所提供。一切換信號控制該功率開關，用來穩定調整電源供應器的輸出電壓。一控制器連接到該變壓器，在該切換信號的截止時間的這段期間，通過多次取樣一電壓信號與該變壓器的一放電時間，用來產生一電壓反饋信號。第一運算放大器與第一參考電壓組成一電壓回路誤差放大器，用來放大該電壓反饋信號并且輸出一控制信號。該控制器是接收該控制信號而輸出該切換信號。該控制器又依據該控制信號的降低來增加該切換信號的截止時間，其中該切換信號保持一個最小的切換頻率來切換該變壓器，用來取樣該電壓信號。
該控制器包含一電壓波形檢測器，連接到該變壓器，通過該變壓器的輔助繞組(auxiliary winding)，通過多次取樣該電壓信號與該變壓器的該放電時間信號來產生該電壓反饋信號。通過一分壓器(voltage divider)，該電壓波形檢測器連接到變壓器的輔助繞組。該放電時間信號表示變壓器二次側切換電流的放電時間。該電壓回路誤差放大器，連接到該電壓波形檢測器，是由第一運算放大器與第一參考電壓所組成，用來放大該電壓反饋信號與產生該控制信號。一截止時間調變器用來降低功率損耗，連接到該電壓回路誤差放大器，接收該控制信號與一過低電壓信號，用來輸出一放電電流信號與一待機信號。其中降低該放電電流信號正比于降低該控制信號。該過低電壓信號表示一較低的供應電壓輸出到該控制器，同時減少該切換信號的該截止時間。一振蕩器連接到該截止時間調變器，接收該放電電流信號，用來輸出一脈沖信號與一斜坡信號，該脈沖信號用來決定該切換信號的截止時間，并且該脈沖信號的脈沖寬度增加正比于該放電電流信號減少。
一加法器連接到一電流感測電阻，并且由該斜坡信號所供給，產生一斜率信號。一脈沖寬度調變器連接到該電壓回路誤差放大器、該截止時間調變器、該振蕩器與該加法器，接收該控制信號、該待機信號、該脈沖信號與該斜率信號來產生該切換信號，通過該控制信號與該斜率信號來穩定調整該切換信號的脈沖寬度，輸出電壓因此可以得到精確地調整。該切換信號的截止時間增加正比于該脈沖信號的脈沖寬度增加。為了多次取樣該電壓信號，該待機信號進一步控制該切換信號的截止時間，用來保持該切換信號具有一最小的切換頻率來切換該變壓器。依據負載的減少，該切換信號的截止時間增加，并且降低切換頻率。因此，在輕載條件下可以降低功率損耗。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明。
圖1為電源供應器具有切換式控制裝置的電路方塊圖；圖2為電源供應器與切換式控制裝置的主要波形；圖3為本實用新型的較佳實施例的控制裝置；
圖4為本實用新型的較佳實施例的電壓波形檢測器；圖5為本實用新型的較佳實施例的振蕩器；圖6為本實用新型的較佳實施例的截止時間調變器；圖7為本實用新型的脈沖寬度調變器的電路圖；圖8為本實用新型的喚醒定時器的電路圖；及圖9為本實用新型的加法器的電路圖。
其中，附圖標記10 變壓器20 晶體管30 電流感測電阻31 電容40 整流器45 電容50 電阻51 電阻60 整流器65 電容70 控制裝置71 運算放大器73 比較器75 比較器79 與非門邏輯電路100 電壓波形檢測器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 與非門邏輯電路164 與門邏輯電路165 與門邏輯電路166 與門邏輯電路170 D型觸發器171 D型觸發器180 電流源181 晶體管182 電容190 取樣脈沖產生器200 振蕩器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 截止時間調變器310 運算放大器311 電阻314 晶體管315 晶體管316 晶體管321 臨界電流325 最大放電電流329 最小放電電流330 計數器331 比較器332 比較器340 緩存器350 反相器351 與非門邏輯電路352 與非門邏輯電路356 與門邏輯電路357 與門邏輯電路381 電阻382 電阻500 脈沖寬度調變器511 與非門邏輯電路512 反相器515 D型觸發器
518 反相器519 與門邏輯電路520 消隱電路521 反相器522 反相器523 與非門邏輯電路525 電流源526 晶體管527 電容600 加法器610 運算放大器611 運算放大器620 晶體管621 晶體管622 晶體管650 電阻651 電阻具體實施方式
圖1為一具有切換控制裝置的電源供應器。該電源供應器包含一變壓器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連接到電源供應器的輸入電壓VIN。為了穩定調整電源供應器的輸出電壓VO和/或輸出電流IO，一切換控制裝置包含一切換信號VPWM，用來控制一晶體管20的功率開關，一控制器70連接于該功率開關的一控制端，產生該切換信號VPWM。
圖2為圖1所示的電源供應器的各種信號波形。當切換信號VPWM為導通(邏輯上為高電平)，于是產生一次側切換電流IP。一次側切換峰值電流IP1可以由下式得到IP1=VINLP×TON---(1)]]>
其中LP為變壓器10的一次側繞組NP的電感值；TON為該切換信號VPWM的導通時間(on-time)。
一旦切換信號VPWM為截止(邏輯上為低電平)，此時變壓器10的儲能將會傳送到變壓器10的二次側，并且通過二極管整流器40到電源供應器的輸出端，于是產生二次側切換電流IS。二次側切換峰值電流IS1可以表示成IS1=(VO+VF)LS×TDS---(2)]]>其中VO為電源供應器的輸出電壓；VF為二極管整流器40的順向壓降(forward voltage drop)；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。
同時，在變壓器10的輔助繞組NA上產生一電壓信號VAUX，該電壓信號VAUX的一電壓電平VAUX1表示成VAUX=TNATNS×(VO+VF)---(3)]]>其中TNA與TNS分別為該變壓器10的輔助繞組NA與二次側繞組NS的繞組匝數。
當二次側切換電流IS下降到零時，輔助繞組NA所產生的電壓信號VAUX開始減少。這也表示變壓器10的儲能在這瞬間完全地釋放出來。因此，在方程式(2)的放電時間TDS可以由該切換信號VPWM的下降邊緣(falling edge)到電壓信號VAUX開始下降的轉角處(comer)測量到，如圖2所示。一次側切換電流IP的峰值電流IP1與變壓器10的繞組匝數可以用來決定二次側切換電流IS的峰值電流IS1。二次側切換電流IS的峰值電流IS1可以表示成IS1=TNPTNS×IP1---(4)]]>其中TNP為該變壓器10的一次側繞組NP的繞組匝數。
如圖1所示，該控制器70包含電源供應端(supply terminal)VCC、接地端(ground terminal)GND、偵測端(detection terminal)DET、輸出端(outputterminal)OUT、感測端(sense terminal)CS與電壓補償端(voltage-compensationterminal)COMV。電源供應端VCC與接地端GND用來提供該控制器70的電源。一電阻50與51串聯形成一分壓器(voltage divider)，兩個電阻分別連接于變壓器10的輔助繞組NA與接地參考電平之間。該控制器70的偵測端DET連接到電阻50與電阻51的連接處。在偵測端DET產生一電壓VDET可以得到VDET=R51R50+R51×VAUX---(5)]]>其中R50與R51為電阻50與51的電阻值。
通過二極管整流器60，該電壓信號VAUX又對電容65進行充電，用來提供電源給該控制器70的電源供應端VCC。一電流感測電阻30由晶體管20的源極(source)連接到接地端參考電平，用來轉換一次側切換電流IP通過晶體管20成為一電流信號VCS。該控制器70的感測端CS連接到該電流感測電阻30，用來偵測該電流信號VCS。該控制器70的輸出端OUT提供該切換信號VPWM，用來切換該變壓器10。一電壓補償端COMV連接到補償網絡，用來電壓回路頻率補償(voltage-loop frequency compensation)。該補償網絡可以使用一個電容如電容31連接到接地端參考電平。
圖3為根據本發明的較佳實施例的控制器70。結合圖1和圖3，在偵測端DET，該控制器70包含一電壓波形檢測器100。通過一分壓器，該電壓波形檢測器100連接到該變壓器10的輔助繞組NA。通過該變壓器10的輔助繞組NA，該電壓波形檢測器100通過多次取樣該電壓VDET與該變壓器的放電時間TDS而輸出一電壓反饋信號VFB。該電壓波形檢測器100輸出該電壓反饋信號VFB到運算放大器71的負端輸入，該運算放大器71的正端輸入連接一參考電壓VR1。該運算放大器71與該參考電壓VR1組成電壓回路誤差放大器，用來放大電壓反饋信號VFB，并且產生一控制信號VCTR。一電壓回路誤差放大器，連接到該電壓波形檢測器100，由第一運算放大器71與第一參考電壓VR1所組成，用來放大該電壓反饋信號VFB與產生該控制信號VCTR。
一截止時間調變器300連接到該電壓回路誤差放大器，接收該控制信號VCTR與一過低電壓信號VUV用來輸出一放電電流信號ID與一待機信號VSTB。其中降低該放電電流信號ID正比于該控制信號VCTR降低。該過低電壓信號VUV表示一較低的供應電壓VCC輸出到該控制器70，并且同時減少該切換信號VPWM的截止時間。一振蕩器200連接到該截止時間調變器300，接收該截止時間調變器300的放電電流信號ID，用來輸出一脈沖信號PLS與一斜坡信號RMP。該脈沖信號PLS用來初始化(initial)該切換信號VPWM與決定該切換信號VPWM的截止時間，并且該脈沖信號PLS增加的脈沖寬度和減少的放電電流信號成正比。
一加法器600連接電流感測電阻30與該振蕩器200，接收該電流信號VCS與該斜坡信號RMP，用來輸出一斜率信號(slope signal)VSLP。該加法器600通過該電流信號VCS與該斜坡信號RMP的相加而產生該斜率信號VSLP，該斜率信號的作用是對電壓回路形成斜率補償(slope compensation)。該電流感測電阻30輸出一比較器75，該比較器75與參考電壓VR2組成一峰值電流限制器(peak-current limiter)，用來限制一次側切換電流IP的最大值。該峰值電流限制器的輸入端連接到控制器70的感測端CS，用來偵測該電流信號VCS，并且達成周期性的(cycle-by-cycle)電流限制。
該運算放大器71具有傳導(trans-conductance)輸出的特性。該運算放大器71的輸出連接到該電壓補償端COMV與比較器73的正端輸入。比較器73的負端輸入連接到加法器600的輸出端。
通過與非門邏輯電路79，一脈沖寬度調變器500連接到比較器73與比較器75。該脈沖寬度調變器500也連接到該電壓回路誤差放大器、該截止時間調變器300、該振蕩器200與該加法器，接收該控制信號、該待機信號、該脈沖信號與該斜率信號來產生該切換信號，并且依據該電壓回路誤差放大器的輸出與該峰值電流限制器的輸出來控制該切換信號VPWM的脈沖寬度。該與非門邏輯電路79依據比較器73與比較器75的輸出來產生一重置信號(resetsignal)RST，用來重置該切換信號VPWM。該切換信號VPWM的截止時間增加正比于該脈沖信號的脈沖寬度增加。為了多次取樣該電壓信號，該待機信號進一步控制該切換信號VPWM的截止時間，用來保持該切換信號VPWM具有一最小的切換頻率來切換該變壓器。依據負載的減少，該切換信號VPWM的截止時間增加，并且降低切換頻率。因此，在輕載條件下可以降低功率損耗。
本實用新型的主要目的是在沒有光耦合器與二次側穩壓調整器的需求下，于一次側端提供一切換控制裝置，用來精確地控制電源供應器的輸出電壓。此外，本實用新型也提出截止時間調變，用來降低切換頻率，同時于輕載條件下降低電源供應器的功率損耗。
一電壓控制回路的組成是由該電壓信號VAUX的取樣到該切換信號VPWM的脈沖寬度調變，依據參考電壓VR1來控制電壓信號VAUX的振幅(magnitude)。該電壓信號VAUX的電壓電平VAUX1與輸出電壓VO為等比例的對應關系，如方程式(3)所示。該電壓信號VAUX如方程式(5)所示又衰減為該電壓VDET。通過該電壓VDET的多次取樣，該電壓波形檢測器100產生該電壓反饋信號VFB。通過電壓控制回路的穩定調整，依據該參考電壓VR1的數值來控制該電壓反饋信號VFB的數值。該電壓回路誤差放大器與該脈沖寬度調變器對于電壓控制回路提供回路增益。因此，輸出電壓VO可以簡化為VO=(R50+R51R51×TNSTNA×VR1)-VF---(6)]]>通過該電壓波形檢測器100來多次取樣該電壓信號VAUX。在二次側切換電流IS下降到零之前，該電壓信號VAUX立即被取樣與量測。因此，二次側切換電流IS的改變并不會影響二極管整流器40的順向壓降VF的數值。
圖4為根據本實用新型的較佳實施例的電壓波形檢測器100。一取樣脈沖產生器(sample-pulse generator)190產生一取樣脈沖信號，用來達成多次取樣的動作。一臨界值信號(threshold signal)156加上該電壓信號VAUX來產生一電平位移反射信號(level-shifi reflected signal)。第一信號產生器包含D型觸發器171、與門邏輯電路165與166，用來產生第一取樣信號VSP1與第二取樣信號VSP2。第二信號產生器包含D型觸發器170、與非門邏輯電路163、與門邏輯電路164與比較器155，用來產生該放電時間信號SDS。
一時間延遲電路(time-delay circuit)包含反相器162、電流源180、晶體管181與電容182。當該切換信號VPWM為邏輯上的低電平時，用來產生一延遲時間Td。反相器161的輸入端由該切換信號VPWM所提供。該反相器161的輸出端連接到反相器162的輸入端，同時也連接到與門邏輯電路164的第一輸入端與D型觸發器170的頻率輸入端(clock-input)。該反相器162的輸出端可導通或截止晶體管181。電容182連接于晶體管181的漏極與源極，該晶體管181的漏極也是時間延遲電路的輸出端。該電流源180對電容182充電。因此，該電流源180的電流與電容182的電容值決定該時間延遲電路的延遲時間Td。D型觸發器170的D輸入端上拉(pull high)到供應電壓VCC。D型觸發器170的輸出端連接到與門邏輯電路164的第二輸入端，該與門邏輯電路164輸出放電時間信號SDS。
當該切換信號VPWM邏輯上為低電平，該放電時間信號SDS因而為啟用狀態。該與非門邏輯電路163的輸出端連接于該D型觸發器170的重置輸入端(reset-input)。與非門邏輯電路163的兩個輸入端分別地連接到時間延遲電路的輸出端與比較器155的輸出端。該比較器155的負端輸入由電平位移反射信號所提供，比較器155的正端輸入由電壓反饋信號VFB所提供。因此，在延遲時間Td之后，一旦電平位移反射信號低于該電壓反饋信號VFB，該放電時間信號SDS為停用狀態。此外，只要切換信號VPWM為啟用，該放電時間信號SDS也為停用狀態。
取樣脈沖產生器190產生的取樣脈沖信號施加于D型觸發器171的頻率輸入端、與門邏輯電路165與166的第三輸入端。D型觸發器171的D輸入端與反向輸出端連接在一起而形成除2計數器(divide-by-two counter)。D型觸發器171的輸出端與反向輸出端分別連接于與門邏輯電路165與166的第二輸入端。該與門邏輯電路165與166的第一輸入端由放電時間信號SDS所提供。與門邏輯電路165與166的第四輸入端連接到時間延遲電路的輸出端。因此，由該與門邏輯電路165與166的輸出分別地產生出第一取樣信號VSP1與第二取樣信號VSP2。此外，在放電時間信號SDS的啟用周期的這段期間，第一取樣信號VSP1與第二取樣信號VSP2交替地產生出來。然而，在放電時間信號SDS的一開始插入延遲時間Td，用來禁止產生第一取樣信號VSP1與第二取樣信號VSP2。在延遲時間Td的這段期間，第一取樣信號VSP1與第二取樣信號VSP2因而為停用狀態。
第一取樣信號VSP1與第二取樣信號VSP2交替的控制開關121與開關122進行切換動作，同時通過偵測端DET與電阻性分壓器交替地取樣該電壓信號VAUX。同一時間，該電壓信號VAUX分別對第一電容110與第二電容111進行充電動作，可以得到跨于第一電容110與第二電容111的第一維持電壓(firsthold voltage)與第二維持電壓(second hold voltage)。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(buffer amplifier)包含運算放大器150與151、二極管130、二極管131與電流源135，用來產生一維持電壓。運算放大器150與151的正端輸入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的負端輸入連接到緩沖放大器的輸出端。二極管130連接由運算放大器150的輸出到緩沖放大器的輸出端，二極管131由運算放大器151的輸出連接到緩沖放大器的輸出端。
因此，由第一維持電壓與第二維持電壓的較高電壓來得到該維持電壓。該電流源135用來結束動作。一開關125周期性地導通到第一輸出電容115的維持電壓，用來產生電壓反饋信號VFB。該開關125通過脈沖信號PLS來進行導通或截止。在延遲時間Td之后，第一取樣信號VSP1與第二取樣信號VSP2開始產生第一維持電壓與第二維持電壓，如此可消除電壓信號VAUX的突波干擾(spike interference)。當切換信號VPWM停用，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。
當二次側切換電流IS下降為零，該電壓信號VAUX開始下降，通過比較器155的偵測用來停用該放電時間信號SDS。該放電時間信號SDS的脈沖寬度因而與二次側切換電流IS的放電時間TDS有密切的關系。當該放電時間信號SDS停用，這將使得該第一取樣信號VSP1與該第二取樣信號VSP2停用，并且多次取樣的動作是停止的。此時，在緩沖放大器的輸出產生維持電壓，表示一終止電壓(end voltage)。該終止電壓因而與該電壓信號VAUX有密切的關系，也就是在二次側切換電流IS下降到零之前，電壓信號VAUX就被取樣。該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，當該電壓信號VAUX開始減少時，將忽略電壓信號VAUX的取樣動作。
圖5為根據本實用新型的較佳實施例的振蕩器200。一運算放大器201、一電阻210與一晶體管250組成第一電壓轉電流轉換器(first V-to-I converter)。該第一電壓轉電流轉換器依據一參考電壓VREF而產生參考電流I250。數個晶體管如251、252、253、254與255形成電流鏡(current mirror)，依據參考電流I250的輸出用來產生充電電流I253、定電流I321、定電流I325與定電流I329。晶體管253的漏極產生充電電流I253。一第一開關230連接于晶體管253的漏極與振蕩電容215之間。第二開關231的第一端點連接到振蕩電容215，第二開關231的第二端點由該放電電流信號ID所驅動。該斜坡信號RMP由跨于振蕩電容215兩端所獲得。第一比較器205的正端輸入連接到振蕩電容215，第一比較器205輸出脈沖信號PLS，該脈沖信號PLS決定切換頻率。第三開關232的第一端點由高臨界值電壓(high threshold voltage)VH所供給，第四開關233的第一端點由低臨界值電壓(low threshold voltage)VL所供給。第三開關232的第二端點與第四開關233的第二端點連接于第一比較器205的負端輸入。反相器260的輸入端連接到第一比較器205的輸出，用來產生反相脈沖信號/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控制第一開關230與第三開關232的導通或截止。
圖6為本實用新型的較佳實施例的截止時間調變器300。該截止時間調變器300連接到振蕩器200，用來連接一最小放電電流I329、一最大放電電流I325與一臨界值電流I321。一運算放大器310、一晶體管314與一電阻311形成第二電壓轉電流轉換器。該第二電壓轉電流轉換器依據控制信號VCTR來產生一控制電流I314。該控制電流I314連接到該最小放電電流I329、該最大放電電流I325與該臨界值電流I321，其目的是用來產生放電電流信號ID。該控制電流I314通過由晶體管315與316組成的電流鏡來刪除臨界值電流I321，并且產生放電電流信號ID。當控制信號VCTR減少，該放電電流信號ID降低。當放電電流信號ID降低時，這將使得脈沖信號PLS的周期與切換信號VPWM的截止時間增加。然而，該最小放電電流I329決定放電電流信號ID的最小值。該最大放電電流I325箝住放電電流信號ID的最大值。該控制信號的電壓VCTR正比于負載條件。因此，當負載降低時，該放電電流信號ID也隨之降低。而該放電電流信號ID的最小值與最大值被箝住在固定的電平。
一旦該控制信號VCTR低于第一臨界值電壓VTH1，比較器331通過反相器350產生第一啟用信號。一旦該控制信號VCTR高于第一臨界值電壓VTH1，比較器331通過與非門邏輯電路351產生第一停用信號。一旦該控制器的衰減供電電壓(attenuated supply voltage)低于第二臨界值電壓VTH2，比較器332通過與非門邏輯電路352產生過低電壓信號VUV。該衰減供電電壓由供電電壓VCC經由電阻381與電阻382衰減后所得的電壓。一延遲計數器(delaycounter)330具有延遲時間Td1，一旦該第一啟用信號為啟用狀態，并且比延遲時間Td1還長，該延遲計數器產生待機啟用信號(standby-enable signal)。一個緩存器340、與門邏輯電路356與357組成一待機信號產生器(standby-signalgenerator)。該與門邏輯電路356連接到延遲計數器330，依據待機啟用信號來啟用待機信號VSTB。該待機信號VSTB通過與門邏輯電路357，依據第一停用信號與過低電壓信號為停用狀態。
圖7為本實用新型的脈沖寬度調變器500的電路圖。脈沖寬度調變器500包含一與非門邏輯電路511、一D型觸發器515、一與門邏輯電路519、反相器512、反相器518及反相器551所組成的一切換信號產生器、一消隱電路(blanking circuit)520與一喚醒定時器(wake-up timer)550。切換信號產生器中該D型觸發器515的D輸入端上拉到供應電壓VCC。該脈沖信號PLS驅動反相器512的輸入端。反相器512的輸出端連接到該D型觸發器515的頻率輸入端，用來啟用該切換信號VPWM。該D型觸發器515的輸出端連接到與門邏輯電路519的第一輸入端，該與門邏輯電路519的第二輸入端連接到反相器512的輸出端。與門邏輯電路519輸出此切換信號VPWM用來切換電源供應器。當該脈沖信號PLS啟用，該切換信號VPWM即停用。因此，該脈沖信號PLS的脈沖寬度可以控制該切換信號VPWM的截止時間。
該D型觸發器515的重置輸入端(reset-input)連接到與非門邏輯電路511的輸出端。與非門邏輯電路511的第一輸入端由重置信號(reset signal)RST所提供，用來周期性的停用該切換信號VPWM。與非門邏輯電路511的第二輸入端連接到消隱電路520的輸出端，一旦該切換信號VPWM啟用，即可以確保該切換信號VPWM的一個最小的導通時間(minimum on-time)。與非門邏輯電路511的第三輸入端通過反相器551連接到喚醒定時器550的輸出端，用來確保切換信號VPWM的最小切換頻率。該切換信號VPWM的最小導通時間將確保該放電時間TDS的最小值，這將保證一個適當的多次取樣動作，在電壓波形檢測器100內用來取樣該電壓信號VAUX。該放電時間TDS與切換信號VPWM的導通時間TON有密切的關聯。參考方程式(1)、(2)、(4)與(7)，該放電時間TDS可以表示成方程式(8)LS=(TNSTNP)2×LP---(7)]]>TDS=(VINVO+VF)×TNSTNP×TON---(8)]]>該切換信號產生器依據該脈沖信號PLS來產生該切換信號VPWM，其中該切換信號VPWM依據該脈沖信號PLS的下降邊緣而被初始化，并依據該脈沖信號PLS的啟用狀態來停用該切換信號VPWM以提供該截止時間；該切換信號產生器又連接到電壓回路誤差放大器極加法器600以取得控制信號VCTR與該斜率信號VSLP，用來控制該切換信號VPWM的脈沖寬度。
該消隱電路520的輸入端由切換信號VPWM所提供。當該切換信號VPWM啟用，該消隱電路520將產生一消隱信號(blanking signal)VBLK來禁止該D型觸發器515的重置動作。該消隱電路520包含一與非門邏輯電路523、一電流源525、一電容527、一晶體管526、反相器521與522。該切換信號VPWM施加于反相器521的輸入端與與非門邏輯電路523的第一輸入端。該電流源525對電容527充電。該電容527連接于該晶體管526的漏極與源極。反相器521的輸出端導通或截止該晶體管526。反相器522的輸入端連接到該晶體管526的漏極。反相器522的輸出端連接到與非門邏輯電路523的第二輸入端，該與非門邏輯電路523的輸出端輸出消隱信號VBLK。該電流源525的電流與該電容527的電容值決定該消隱信號VBLK的脈沖寬度。反相器518的輸入端連接到與非門邏輯電路523的輸出端。反相器518的輸出端產生一清除信號(clearsignal)CLR，用來導通或截止第四圖所示的開關123與開關124。
切換信號VPWM的最小切換頻率確保變壓器10的切換動作，用來多次取樣該電壓信號VAUX。該喚醒定時器550連接到截止時間調變器300，依據待機信號VSTB來產生一喚醒信號(wake-up signal)，并且啟用該切換信號VPWM。假使該電壓波形檢測器100由于輸出電壓VO發生過電壓而取樣到一個非常高的電壓，或許會產生一個永久的重置信號RST，這將造成一個永久的停用該切換信號VPWM。雖然如此，該喚醒定時器550將啟用該切換信號VPWM。該喚醒定時器550的定時器由脈沖信號PLS所計數。該喚醒定時器550的重置輸入端由該消隱信號VBLK所供給。
因此，一旦產生該切換信號VPWM，該喚醒定時器550與該喚醒信號將會重置。該喚醒定時器550的模式輸入端(mode-input)連接到該待機信號VSTB。當該待機信號VSTB停用，該喚醒定時器550將產生喚醒信號，用于脈沖信號PLS的每一個周期。一旦該待機信號VSTB啟用，該喚醒定時器550將在脈沖信號PLS的特定周期之后產生喚醒信號，如此可確保切換信號VPWM的最小切換頻率。圖8為根據本實用新型的喚醒定時器550的電路圖。
圖9為根據本實用新型的加法器600的電路圖。一運算放大器610、晶體管620、晶體管621、晶體管622與一電阻650組成第三電壓轉電流轉換器(thirdV-to-I converter)，依據斜坡信號RMP用來產生一電流I622。一運算放大器611的正端輸入由電流信號VCS所提供。該運算放大器611的負端輸入與該運算放大器611的輸出連接一起，用來建立該運算放大器611如同一緩沖器(buffer)。晶體管622的漏極通過電阻651連接到該運算放大器611的輸出端。在晶體管622的漏極產生該斜率信號VSLP。該斜率信號VSLP因而與斜坡信號RMP以及電流信號VCS有密切的關系。
本實用新型的主要目的是在沒有光耦合器與二次側穩壓調整器的需求下，于一次側端提供一切換控制裝置，用來精確地控制電源供應器的輸出電壓。此外，本實用新型也提出截止時間調變，用來降低切換頻率，同時于輕載條件下降低電源供應器的功率損耗。
當然，本實用新型還可有其它多種實施例，在不背離本實用新型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實用新型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實用新型所附的權利要求的保護范圍。
權利要求1.一種切換式控制裝置，連接于一變壓器的一次側，控制切換該變壓器輸出一直流電力，其特征在于，包括有一功率開關，輸出端連接于該變壓器的一次側，該功率開關還耦接一輸入電壓；及一控制器，連接于該功率開關的一控制端，并向該控制端輸出一具有截止期間并在該截止期間內保持最小切換頻率的切換信號；該控制器在該截止期間內，輸入該變壓器的一輔助繞組中多次取樣的一電壓信號與一放電時間并產生一控制信號，還輸入能降低該控制信號以增加該截止時間的一過低電壓信號。
2.根據權利要求1所述的切換式控制裝置，其特征在于，所述控制器包括一電壓波形檢測器，與該變壓器連接，輸入該變壓器的輔助繞組中多次取樣的該電壓信號與該變壓器的該放電時間并產生一電壓反饋信號；一電壓回路誤差放大器，與該電壓波形檢測器連接，由第一運算放大器與第一參考電壓所組成，該電壓回路誤差放大器放大該電壓反饋信號并產生該控制信號；一截止時間調變器，與該電壓回路誤差放大器連接，接收該控制信號與一過低電壓信號，輸出一信號降低正比于該控制信號的降低的放電電流信號與一待機信號；一振蕩器，與該截止時間調變器連接，接收該放電電流信號，輸出一決定該截止時間的且脈沖寬度的增加正比于該放電電流信號的減少的脈沖信號與一斜坡信號；一加法器，與一電流感測電阻連接，并且由該斜坡信號所供給，產生一斜率信號；以及一脈沖寬度調變器，與該電壓回路誤差放大器、該截止時間調變器、該振蕩器與該加法器連接，接收該控制信號、該待機信號、該脈沖信號與該斜率信號產生該切換信號，通過該控制信號與該斜率信號來穩定調整該切換信號的脈沖寬度；該切換信號的截止時間與該脈沖信號的脈沖寬度成正比。
3.根據權利要求2所述的切換式控制裝置，其特征在于，該電壓波形檢測器包括一取樣脈沖產生器，產生一取樣脈沖信號；一臨界值信號，與該電壓信號產生一電平位移信號；一第一電容與一第二電容；一第一信號產生器，產生分別控制兩開關進行切換動作的一第一取樣信號與一第二取樣信號，該第一信號產生器交替地取樣該電壓信號，并在該第一電容與該第二電容上，交替地維持著一第一維持電壓與一第二維持電壓；一第二信號產生器，輸出一放電時間信號，還有一延遲時間被插入在該放電時間信號的開始，該第一取樣信號與該第二取樣信號在該延遲時間周期的期間內為停用狀態；及一產生一維持信號的緩沖放大器，取得該第一維持電壓與該第二維持電壓并運算出一維持電壓；及一第一輸出電容，取樣該維持信號來產生該電壓反饋信號。
4.根據權利要求2所述的切換式控制裝置，其特征在于，該電壓波形檢測器輸入多次取樣的該電壓信號，產生在二次側切換電流下降到零之前被取樣與量測的一終止電壓，以及產生該電壓反饋信號。
5.根據權利要求2所述的切換式控制裝置，其特征在于，該截止時間調變器包括一最小放電電流與一最大放電電流；一臨界值電流；一電壓轉電流轉換器，依據該控制信號來產生一控制電流，該控制電流連接到該最小放電電流、該最大放電電流與該臨界值電流，產生該放電電流信號；該控制電流刪除該臨界值電流，產生該放電電流信號，該最小放電電流決定該放電電流信號的最小值，該最大放電電流箝位該放電電流信號的最大值；一第一臨界值電壓，該控制信號低于該第一臨界值電壓則產生一第一啟用信號，該控制信號高于該第一臨界值電壓則產生一第一停用信號；一第二臨界值電壓，該控制器的衰減供電電壓低于該第二臨界值電壓則產生該過低電壓信號；一延遲計數器，具有一計數延遲時間，該計數延遲時間短于該第一啟用信號則輸出一待機啟用信號；及一待機信號產生器，連接到該延遲計數器，依據該待機啟用信號來啟用該待機信號。
6.根據權利要求2所述的切換式控制裝置，其特征在于，該振蕩器包括一第一電壓轉電流轉換器，依據一參考電壓產生一充電電流與參考電流；一振蕩電容；一第一開關，該第一開關的第一端點由該充電電流所供給，該第一開關的第二端點連接到該振蕩電容；一第二開關，該第二開關的第一端點連接到該振蕩電容，該第二開關的第二端點由該放電電流信號所驅動；一第一比較器，該第一比較器的非反相輸入端連接到該振蕩電容，產生該脈沖信號；一第三開關，該第三開關的第一端點由一高臨界值電壓所供給，該第三開關的第二端點連接到該第一比較器的反相輸入端；一第四開關，該第四開關的第一端點由一低臨界值電壓所供給，該第四開關的第二端點連接到該第一比較器的反相輸入端；及一反相器，該反相器的一輸入端連接到該第一比較器的輸出端，產生一反相脈沖信號；該脈沖信號導通或截止該第二開關與該第四開關，該反相脈沖信號導通或截止該第一開關與該第三開關。
7.根據權利要求1所述的切換式控制裝置，其特征在于，該切換信號具有用來確保該放電時間的最小值的一個最小的導通時間。
8.根據權利要求2所述的切換式控制裝置，其特征在于，該脈沖寬度調變器包括一切換信號產生器，連接到該振蕩器，依據該脈沖信號來產生該切換信號；該切換信號依據該脈沖信號的下降邊緣而被初始化，并依據該脈沖信號的啟用狀態來停用該切換信號以提供該截止時間；該切換信號產生器還連接到用來控制該切換信號的脈沖寬度的該控制信號與該斜率信號；一消隱電路，依據該切換信號的導通狀態，啟用該切換信號的最小導通時間；及一喚醒定時器，連接到該截止時間調變器，依據該待機信號來啟用該切換信號；該喚醒定時器依據該待機信號的停用狀態，對于該脈沖信號的每一個周期將啟用該切換周期；該喚醒定時器在該待機信號啟用后且在該脈沖信號的特定周期之后啟用該切換周期。
專利摘要一種切換式控制裝置，應用于一次側控制的電源供應器，包括有一電壓波形檢測器，是通過多次取樣變壓器的電壓信號以產生一電壓反饋信號與一放電時間信號；一電壓回路誤差放大器(voltage－loop error amplifier)放大該電壓反饋信號進而產生一控制信號；一截止時間調變器(off－time modulator)依據該控制信號與一過低電壓信號(under－voltage signal)，相對應地產生一放電電流信號(discharge－current signal)與一待機信號(standby signal)；一振蕩器依據該放電電流信號產生一脈沖信號(pulse signal)，該脈沖信號決定切換信號的截止時間；一脈沖寬度調變器依據該脈沖信號與該待機信號產生切換信號。該待機信號又控制切換信號的截止時間，并且維持一最小的切換頻率。該切換信號用來穩定調整電源供應器的輸出。
文檔編號H02P13/00GK2768299SQ200420009790
公開日2006年3月29日 申請日期2004年11月29日 優先權日2004年11月29日
發明者楊大勇, 李俊慶, 洪國強, 邱紹偉, 林振宇, 曹峰誠 申請人:崇貿科技股份有限公司