鎖相裝置及具鎖相裝置的切換式控制器的製作方法
2023-10-17 14:23:24
專利名稱：鎖相裝置及具鎖相裝置的切換式控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於一種鎖相裝置及具鎖相裝置的切換式控制器，尤指一種使用在切換式電源供應器中，用來鎖相一切換開關上所產生的共振電壓信號的谷底電壓的裝置及控制器。
背景技術：
切換式電源供應器是用來將未調整的電源轉換成可穩定調整的電壓或電流。切換式電源供應器主要包含一變壓器或一磁性元件，其具有一次側繞組與二次側繞組，用來提供電氣隔離。一切換開關耦接至變壓器的一次側繞組，用來控制一次側繞組到二次側繞組間功率的傳送。切換式電源供應器操作在高頻，可以減少體積與重量。然而，切換開關的切換動作會產生切換損失與電磁幹擾(EMI)。
圖1為現有的返馳式電源供應器。圖2為圖1的工作波形示意圖。如圖1所示，切換開關Q1使用於切換變壓器T1，並且控制變壓器T1一次側繞組NP與二次側繞組NS間功率的傳送。當控制信號VG控制切換開關Q1導通時，能量儲存於變壓器T1。當控制信號VG控制切換開關Q1截止時，儲存於變壓器T1的能量將透過整流器D0釋放至返馳式電源供應器的輸出。同時，依據返馳式電源供應器的輸出電壓V0與變壓器T1的匝數比，在變壓器T1的一次側繞組NP產生反射電壓VR。
因此，當切換開關Q1截止時，跨於切換開關Q1上的電壓VD等於輸入電壓VIN加上反射電壓VR。跨於切換開關Q1上的電壓VD儲能在切換開關Q1的寄生電容Cj上。在一放電時間TDS之後，變壓器T1的儲能完全地釋放出來，寄生電容Cj上所儲存的能量透過變壓器T1的一次側繞組NP傳回至輸入電壓VIN。此時，寄生電容Cj與變壓器T1的一次側繞組NP的電感LP組成一共振組件(resonanttank)，其共振頻率fR可以由下面公式(1)表示fR=12LPCj------------------------------(1)]]>在共振的這段期間，寄生電容Cj上所儲存的能量將來回地傳送到變壓器T1的一次側的電感LP。一延遲時間Tq為寄生電容Cj上的端電壓VD從峰值電壓開始放電到谷底電壓的時間。延遲時間Tq為一準共振(quasi-resonant)的時間。延遲時間Tq可以由下面公式(2)表示Tq=14fR------------------------------(2)]]>復參考圖2，現有的返馳式電源供應器使用的切換開關Q1會在高壓下進行切換動作，而產生切換損失，同時共振期間更會產生電磁幹擾。假使能夠在寄生電容Cj端電壓VD處於谷底電壓期間導通切換開關Q1，如此即可以在較低的切換開關Q1的端電壓下進行切換，以減少切換損失與降低電磁幹擾，可達成柔性切換並改善電源轉換器的系統效率。
發明內容
有鑑於此，本實用新型提供一種鎖相裝置，使用在一切換式電源供應器中，於一切換開關截止時，用來鎖相比例於該切換開關上所產生的共振電壓信號的一待測信號的波峰值，進而於共振電壓信號處於谷底電壓下導通該切換開關，以達成柔性切換並改善切換式電源供應器的系統效率。
本實用新型為一種鎖相裝置，包括有一取樣單元，受控於一啟始信號，經一第一延遲時間後對該待測信號進行取樣，以得到一第一取樣電壓，再經過一第二延遲時間後對一待測信號進行取樣，以得到一第二取樣電壓；一比較單元連接於該取樣單元，接收該第一取樣電壓與該第二取樣電壓，再經過比較運算該第一取樣電壓與該第二取樣電壓後，輸出一上下計數信號；該上下計數信號被傳送到一連接於該比較單元的上下計數單元，該上下計數單元接收上下計數信號後，輸出一調整信號；一延遲電路連接於該上下計數單元，由一電流源串接一電容組成，該電流源受控於該調整信號，用以改變輸出電流的大小，以對該電容進行充電動作，充電時間即為該第一延遲時間；一延遲控制電路連接於該延遲電路，受控於該啟始信號，以對該電容放電，並比較該電容上的充電電壓值，以輸出一控制信號；當第一取樣電壓與第二取樣電壓相近時，判斷該待測信號已經到達波峰值。
本實用新型還指出一種具鎖相裝置的切換式控制器，使用於一切換式電源供應器中，於一切換開關截止時，取得一啟始信號，受控於該啟始信號，用以檢測比例於該切換開關上所產生的一共振電壓信號的一待測信號的波峰值，進而輸出一控制信號導通該切換開關，其特徵在於包括有一啟始信號產生單元，透過一電阻用來接收該共振電壓信號，是比較運算該共振電壓信號與一臨界電壓，用以輸出該啟始信號；一電流轉電壓單元，連接於該電阻，將流過該電阻上的電流轉換成為比例於該共振電壓信號的該待測信號；一取樣單元，連接於該啟始信號產生單元與該電流轉電壓單元，受控於該啟始信號，經一第一延遲時間後，對該待測信號進行取樣，以得到一第一取樣電壓，再經過一第二延遲時間後，對該待測信號進行取樣，以得到一第二取樣電壓；一比較單元，連接於該取樣單元，接收該第一取樣電壓與該第二取樣電壓，比較運算該第一取樣電壓與該第二取樣電壓後，輸出一上下計數信號；一上下計數單元，連接於該比較單元，接收該上下計數信號，輸出一調整信號；一延遲電路，由一電流源串接一電容組成，該電流源受控於該調整信號，以改變電流值，並對該電容進行充電動作，充電時間即為該第一延遲時間；及一延遲控制電路，連接於該延遲電路，受控於該啟始信號與一切換信號，透過一放電開關的導通用以對該電容放電，並比較該電容上的充電電壓值，以輸出該控制信號；其中，當該第一取樣電壓與該第二取樣電壓相近時，判斷該待測信號已經到達波峰值。
本實用新型的使用可以達成柔性切換並改善切換式電源供應器的系統效率。
圖1為現有的返馳式電源供應器；圖2為圖1的工作波形示意圖；圖3為本實用新型的較佳實施例的切換式電源供應器電路示意圖；圖4為本實用新型的較佳實施例的具有鎖相裝置的切換式控制裝置電路方塊示意圖；圖5為本實用新型的較佳實施例的鎖相裝置電路方塊示意圖；圖6為本實用新型的最佳實施例的鎖相裝置的工作波形示意圖；及圖7A到圖7C為本實用新型最佳實施例的鎖相裝置的峰值電壓鎖相工作波形示意圖。
圖號說明切換開關Q1變壓器TR整流器D0輸出電壓V0輸入電壓VIN寄生電容Cj光耦合器45 切換式控制裝置50正反器53 輸出電路54比較器55 電阻R56偏移電壓V57脈寬產生電路90鎖相裝置100電流轉電壓單元102運算放大器1022 啟始信號產生單元104取樣單元106取樣信號產生器1062上下計數單元107比較單元108延遲控制電路1090 延遲電路1091反相器1092 反及閘1094比較器1096 反器320、330 反相器325、33具體實施方式
請參考圖3，為本實用新型的較佳實施例的切換式電源供應器電路示意圖。切換式控制裝置50至少包含反饋端FB、電流感測端CS、輸入端VS與輸出端OUT。輸出端OUT產生驅動信號VPWM用以驅動切換開關Q1。切換開關Q1用以切換一變壓器TR(或一磁性元件)，並且在電流感測電阻RS上產生切換電流信號VCS。變壓器TR包含一次側繞組NP、二次側繞組NS與輔助繞組NA。一次側繞組NP耦接至切換開關Q1。二次側繞組NS透過整流器D0與輸出電容C0耦接至切換式電源供應器的輸出。
輔助繞組NA透過另一整流器DA與電容CST用以提供電源給切換式控制裝置50。電阻RA耦接於輔助繞組NA與切換式控制裝置50的輸入端VS之間。光耦合器45透過電阻RK與穩壓器ZK耦接至切換式電源供應器的輸出端以取得輸出電壓V0，並輸出反饋信號VFB到切換式控制裝置50的反饋端FB。切換式控制裝置50接收反饋信號VFB與切換電流信號VCS。用以輸出一切換信號SW與一驅動信號VPWM，以穩定調整切換式電源供應器的輸出電壓V0。
配合圖3，請參考圖4，為本實用新型的較佳實施例的具有鎖相裝置的切換式控制裝置電路方塊示意圖。具有鎖相裝置的切換式控制裝置50包含有一電流轉電壓單元102、一啟始信號產生單元104、一鎖相裝置100及一脈寬產生電路90。在具有鎖相裝置的切換式控制裝置50的輸入端VS，啟始信號產生單元104透過電阻RA耦接至變壓器TR的輔助繞組NA，以接收電壓信號VA，用以檢測比例於該切換開關上所產生的共振電壓信號，然後與一臨界電壓VX進行比較運算，用以輸出一啟始信號SDS。
電流轉電壓單元102也透過電阻RA耦接至變壓器TR的輔助繞組NA，以取得電壓信號VA。電流轉電壓單元102中的運算放大器1022的正端(+)接收參考電壓VREF，其負端(-)耦接至電阻RA，其輸出端則控制電晶體Q4的柵極，且電晶體Q4的源極耦接至電阻RA。如此，具有鎖相裝置的切換式控制裝置50的輸入端VS或電阻RA上的最小電壓會被穩壓在參考電壓VREF。電流鏡電路由電晶體Q2與Q3所組成，電晶體Q2透過電晶體Q4耦接至電阻RA，電晶體Q3進一步連接有一電阻R3。電流轉電壓單元102將流過該電阻RA上的電流IAS轉換成為比例於電壓信號VA之一待測信號VM，該待測信號VM由電晶體Q3輸出電流I3到電阻R3上所產生的壓降。
脈寬產生電路90至少包含一正反器53、一比較器55、一電阻R56及一偏移電壓V57。電阻R56耦接至具有鎖相裝置的切換式控制裝置50的反饋端FB，用來上拉反饋信號VFB至高電位(準位)。比較器55的正端(+)透過偏移電壓V57接收反饋信號VFB。偏移電壓V57對於反饋信號VFB提供準位位移。比較器55的負端(-)耦接至具有鎖相裝置的切換式控制裝置50的電流感測端CS，接收切換電流信號VCS，並且達成脈寬調變控制。比較器55的輸出端耦接至正反器53的重置端R。正反器53的輸出端Q輸出切換信號SW，且透過一輸出電路54產生驅動信號VPWM。
鎖相裝置100連接於電流轉電壓單元102、啟始信號產生單元104及脈寬產生電路90，於切換開關Q1截止時，受控於啟始信號SDS，用來檢測待測信號VM的波峰值，進而輸出一控制信號SN至正反器53的時鐘脈衝端CK，以控制正反器53的輸出端Q輸出的切換信號SW，進而導通切換開關Q1。鎖相裝置100是依據變壓器TR的輔助繞組NA上所產生的電壓信號VA以啟用正反器53的輸出端Q輸出的切換信號SW。輔助繞組NA上所產生的電壓信號VA正比於跨於切換開關Q1上的電壓VD。因此，透過鎖相裝置100的鎖相操作，依據跨於切換開關Q1上的谷底電壓使得切換開關Q1導通。
請配合圖4，參考圖5，為本實用新型的較佳實施例的鎖相裝置電路方塊示意圖。鎖相裝置100包括有一取樣單元106、一比較單元108、一上下計數單元107、一延遲電路1091及一延遲控制電路1090。取樣單元106連接於該啟始信號產生單元104與該電流轉電壓單元102，受控於啟始信號產生單元104輸出的啟始信號SDS，是經一第一延遲時間TP後，對電流轉電壓單元102輸出的待測信號VM進行取樣，以得到一第一取樣電壓V1，再經過一第二延遲時間TD1後，對該待測信號VM進行取樣，以得到一第二取樣電壓V2。
比較單元108連接於該取樣單元106，是接收該第一取樣電壓V1與該第二取樣電壓V2，並且比較運算該第一取樣電壓V1與該第二取樣電壓V2後輸出一上下計數信號UP/DOWN。上下計數單元107連接於該比較單元108，接收該上下計數信號UP/DOWN，開輸出一調整信號SA。
一延遲電路1091連接於該上下計數單元107，由一電流源IS串接一電容C3組成，該電流源IS受控於該調整信號SA，以改變電流值，並對該電容C3進行充電動作，充電時間即為該第一延遲時間TP。一延遲控制電路1090連接於該延遲電路1091，受控於該啟始信號SDS與一切換信號SW，透過一放電開關S3的導通用以對該電容C3放電，並比較該電容C3上的充電電壓值，以輸出該控制信號SN。綜上所述，當第一取樣電壓V1與第二取樣電壓V2相近時，判斷該待測信號VM已經到達波峰值。當該第一取樣電壓V1小於該第二取樣電壓V2時，該上下計數單元107控制該電流源IS減少電流值，用以延長該第一延遲時間TP。反之，該上下計數單元107控制該電流源IS增加電流值，用以縮短該第一延遲時間TP。
上述說明中，延遲控制電路1090至少包含一比較器1096、放電開關S3、反相器1092與反及閘1094。反及閘1094的第一端接收啟始信號SDS，其第二端透過反相器1092接收切換信號SW，其輸出端控制放電開關S3的導通或截止。放電開關S3導通是用以對電容C3進行放電。比較器1096的正端(+)耦接至電容C3。一臨界電壓Vy供應比較器1096的負端(-)。當放電開關S3截止，並且電容C3上的電壓受到電流源IS充電而高於臨界電壓Vy時，比較器1096輸出高電位的控制信號SN。電流源IS與電容C3決定啟始信號SDS與控制信號SN之間的第一延遲時間TP。
請復參考圖5，取樣單元106包含取樣信號產生器1062，用以輸出第一取樣信號SQ1與第二取樣信號SQ2。取樣信號產生器1062是由正反器320、330與反相器325、335所組成。正反器320與330的時鐘脈衝端CK接收啟始信號SDS。正反器320的重置端R透過反相器325接收切換信號SW。正反器330的重置端R透過反相器335接收驅動信號VPWM。同時配合參考圖4，驅動信號VPWM由切換信號SW透過輸出電路54的傳輸延遲所產生，因此驅動信號VPWM的相位會與切換信號SW相差第二延遲時間TD1。所以，取樣信號產生器1062會依據啟始信號SDS啟用，且間隔第二延遲時間TD1先後輸出第一取樣信號SQ1與第二取樣信號SQ2。
取樣單元106還包括有一第一取樣開關S1耦接到電流轉電壓單元102的電阻R3與第一電容C1之間，第一取樣開關S1受控於第一取樣信號SQ1，用來擷取該待測信號VM，並於該第一電容C1上產生第一取樣電壓V1；及一第二取樣開關S2耦接到電流轉電壓單元102的電阻R3與第二電容C2之間，第二取樣開關S2受控於第二取樣信號SQ2，用來擷取該待測信號VM，並於該第二電容C2上產生第二取樣電壓V1。
比較單元108的負端(-)耦接至第一電容C1，其正端(+)透過偏移電壓VOFT耦接至第二電容C2。比較單元108接收第一取樣電壓V1與第二取樣電壓V2，進而比較輸出上下數信號UP/DOWN。接著，上下計數單元107接收上下數信號UP/DOWN，當切換信號SW在切換開關Q1上的谷底電壓的前導通(即在該待測信號VM的波峰值之前)，上下數信號UP/DOWN將啟用上下計數單元107向上計數。當切換信號SW在切換開關Q1上的谷底電壓之後導通(即在該待測信號VM的波峰值之後)，上下數信號UP/DOWN將啟用上下計數單元107向下計數。
配合圖4，請參考圖6，為本實用新型最佳實施例的鎖相裝置的工作波形示意圖。依據流過電阻RA上電流IAS產生電晶體Q3的電流I3。電流I3可以表示為I3=I2=VREF-VARA------------------------------(3)]]>其中I2為電晶體Q2的電流；RA為電阻RA的電阻值。VA為變壓器TR的輔助繞組NA上的電壓。
啟始信號產生單元104耦接至輔助繞組NA上，接收電壓信號VA，用以輸出啟始信號SDS。當電壓信號VA低於臨界電壓VX時，啟始信號SDS為啟用(高電位)。同時，流過電阻RA上的電流IAS透過電晶體Q2與Q3所組成的電流鏡電路，於電晶體Q3輸出電流I3。電流I3流到電阻R3上以產生比例於電壓信號VA的待測信號VM。以電壓信號VA的波形來看，谷底電壓VV是負電壓，這表示電流IAS的電流方向是由切換式控制裝置50的輸入端VS流向輔助繞組NA上，所以待測信號VM的峰值電壓即為電壓信號VA的谷底電壓。
配合圖5，請參考圖7A到圖7C，為本實用新型最佳實施例的鎖相裝置的峰值電壓鎖相工作波形示意圖。當啟始信號SDS為啟用(高電位)，且在第一延遲時間TP之後，取樣單元106中的取樣信號產生器1062產生第一取樣信號SQ1，然後再經第二延遲時間TD1產生第二取樣信號SQ2。第一取樣信號SQ1與第二取樣信號SQ2分別地控制第一取樣開關S1與第二取樣開關S2，從待測信號VM取得第一取樣電壓V1與第二取樣電壓V2。當第二取樣電壓V2高於第一取樣電壓V1時，第一延遲時間TP將會增加。當第二取樣電壓V2並未高於第一取樣電壓V1時，第一延遲時間TP將會減少。當該第一取樣電壓V1與該第二取樣電壓V2相近時，判斷該待測信號VM已到達波峰值。
由於切換開關Q1上的電壓波形等比例於變壓器TR的輔助繞組NA上的電壓波形，當判斷切換開關Q1上的電壓VD為谷底電壓時，也代表變壓器TR的輔助繞組NA上的電壓信號VA為谷底電壓，同時也代表待測信號VM已到達波峰值，此時鎖相裝置100輸出控制信號SN控制切換開關Q1導通。
如此，本實用新型為一種鎖相裝置，可於一切換開關截止時，用來鎖相比例於該切換開關上所產生的共振電壓信號之一待測信號的波峰值，進而於共振電壓信號處於谷底電壓下導通該切換開關，用來改善切換式電源供應器的切換損失與電磁幹擾，以達成柔性切換並改善切換式電源供應器的系統效率。
以上所述，僅為本實用新型的最佳之一的具體實施例的詳細說明與圖式，但本實用新型的特徵並不局限於此，並非用以限制本實用新型，本實用新型的所有範圍應以權利要求範圍為準，凡合於本實用新型權利要求範圍的精神與其類似變化的實施例，皆應包含於本實用新型的範疇中，任何熟悉該項技藝者在本實用新型的領域內，可輕易思及的變化或修飾皆可涵蓋在以下本案的權利要求範圍。
權利要求1.一種鎖相裝置，受控於一啟始信號，用來檢測一待測信號的波峰值，進而輸出一控制信號，其特徵在於，包括有一取樣單元，受控於該啟始信號，經一第一延遲時間後，對該待測信號進行取樣，以得到一第一取樣電壓，再經過一第二延遲時間後，對該待測信號進行取樣，以得到一第二取樣電壓；一比較單元，連接於該取樣單元，接收該第一取樣電壓與該第二取樣電壓，比較運算該第一取樣電壓與該第二取樣電壓後，輸出一上下計數信號；一上下計數單元，連接於該比較單元，接收該上下計數信號，輸出一調整信號；一延遲電路，連接於該上下計數單元，由一電流源串接一電容組成，該電流源受控於該調整信號，以改變電流值，並對該電容進行充電動作，充電時間即為該第一延遲時間；及一延遲控制電路，連接於該延遲電路，受控於該啟始信號與一切換信號，透過一放電開關的導通用以對該電容放電，並比較該電容上的充電電壓值，以輸出該控制信號；其中，當該第一取樣電壓與該第二取樣電壓相近時，判斷該待測信號已經到達波峰值。
2.如權利要求1所述的鎖相裝置，其特徵在於，該取樣單元包括一取樣訊號產生器，該取樣訊號產生器的第一輸入端與第二輸入端分別連接到一脈寬產生電路的二輸出端，分別接收一驅動信號與該切換信號，以及計算該驅動信號與該切換信號的相位差，以產生該第二延遲時間。
3.如權利要求1所述的鎖相裝置，其特徵在於，該上下計數單元的一輸入端連接該延遲控制電路，另一輸入端連接該比較單元，一輸出端連接該延遲電路，該上下計數單元控制該電流源減少電流值，用以延長該第一延遲時間。
4.如權利要求1所述的鎖相裝置，其特徵在於，該上下計數單元的一輸入端連接該延遲控制電路，另一輸入端連接該比較單元，一輸出端連接該延遲電路，該上下計數單元控制該電流源增加電流值，用以縮短該第一延遲時間。
5.一種具鎖相裝置的切換式控制器，使用於一切換式電源供應器中，於一切換開關截止時，取得一啟始信號，受控於該啟始信號，用以檢測比例於該切換開關上所產生的一共振電壓信號的一待測信號的波峰值，進而輸出一控制信號導通該切換開關，其特徵在於包括有一啟始信號產生單元，透過一電阻用來接收該共振電壓信號，是比較運算該共振電壓信號與一臨界電壓，用以輸出該啟始信號；一電流轉電壓單元，連接於該電阻，將流過該電阻上的電流轉換成為比例於該共振電壓信號的該待測信號；一取樣單元，連接於該啟始信號產生單元與該電流轉電壓單元，受控於該啟始信號，經一第一延遲時間後，對該待測信號進行取樣，以得到一第一取樣電壓，再經過一第二延遲時間後，對該待測信號進行取樣，以得到一第二取樣電壓；一比較單元，連接於該取樣單元，接收該第一取樣電壓與該第二取樣電壓，比較運算該第一取樣電壓與該第二取樣電壓後，輸出一上下計數信號；一上下計數單元，連接於該比較單元，接收該上下計數信號，輸出一調整信號；一延遲電路，由一電流源串接一電容組成，該電流源受控於該調整信號，以改變電流值，並對該電容進行充電動作，充電時間即為該第一延遲時間；及一延遲控制電路，連接於該延遲電路，受控於該啟始信號與一切換信號，透過一放電開關的導通用以對該電容放電，並比較該電容上的充電電壓值，以輸出該控制信號；其中，當該第一取樣電壓與該第二取樣電壓相近時，判斷該待測信號已經到達波峰值。
6.如權利要求5所述的具鎖相裝置的切換式控制器，其特徵在於，該取樣單元包括一取樣訊號產生器，該取樣訊號產生器的第一輸入端與第二輸入端分別連接到一脈寬產生電路的二輸出端，分別接收一驅動信號與該切換信號，以及計算該驅動信號與該切換信號的相位差，以產生該第二延遲時間。
7.如權利要求5所述的具鎖相裝置的切換式控制器，其特徵在於，該上下計數單元的一輸入端連接該延遲控制電路，另一輸入端連接該比較單元，一輸出端連接該延遲電路，該上下計數單元控制該電流源減少電流值，用以延長該第一延遲時間。
8.如權利要求5所述的具鎖相裝置的切換式控制器，其特徵在於，該上下計數單元的一輸入端連接該延遲控制電路，另一輸入端連接該比較單元，一輸出端連接該延遲電路，該上下計數單元控制該電流源增加電流值，用以縮短該第一延遲時間。
專利摘要本實用新型為一種鎖相裝置及具鎖相裝置的切換式控制器，使用在一切換式電源供應器中，於一切換開關截止時，用來鎖相該切換開關上所產生的共振電壓信號的谷底電壓，進而於谷底電壓下導通該切換開關，以達成柔性切換並改善切換式電源供應器的系統效率。
文檔編號H03L7/08GK2914493SQ20052010392
公開日2007年6月20日 申請日期2005年8月17日 優先權日2005年8月17日
發明者楊大勇, 呂瑞鴻, 李俊慶, 曹峰誠, 陳佐民 申請人:崇貿科技股份有限公司