二次側控制電源轉換器的製作方法

2023-12-03 19:42:01

專利名稱：二次側控制電源轉換器的製作方法
技術領域：
本發明為一種電源轉換器，尤指一種二次側控制電源轉換器，可 控制變壓器一次側的開關元件開、關動作的返馳式轉換器。
背景技術：
交換式電源轉換器具效率較高、體積小的特點，目前大量廣泛應 用在各式電子裝置上，如圖11所示即為習知返馳式轉換器的電路架構的一，並其電路架構主要具輸入電路l，、變壓器T1，、輸出電路 2，、光耦合器3，，並該輸入電路l，連接輸入電源Vin，並主要具 開關作用電晶體Q1，、控制器ll，，並該電晶體Q1，連接變壓器T1， 的一次側繞組，而控制器11，可作P麗控制，並輸出端連接電晶體 Ql，，並輸入端FB連接光耦合器3， 一端；又輸出電路2'連接變壓 器T1，的二次側繞組，並其輸出端電壓Vout並聯光耦合器3，另一 端，使得光耦合器3'將輸入電路1'與輸出電路2'隔離，並將輸出端電源vout回授至輸入電路r的控制器ir ，使得控制器ir 可對應輸出以控制開關電晶體Qi，動作穩定輸出電壓。前述電路的輸出電壓穩定性必須藉由光耦合器3，回授控制，但 該光耦合器3，的特性將直接影響系統穩定性及可靠性，例如該光耦 合器3，的耦合效率將直接影響輸出端電壓Vout的精確性，又若利 用光耦合器3，作充電器(圖中未標示)定電流功能必須額外增加元件 以補償光耦合器的不穩定現象，將增加電路成本，且較多元件造成待 機損耗大缺失。圖12所示為另一習知返馳式轉換器電路架構，主要具輸入電路 5，、變壓器T2，、輸出電路6，，並其輸入電路5，連接輸入電源 Vin，並具開關作用電晶體Q2，、控制器51，，而該電晶體Q2，連 接變壓器T2， 一次側第一繞組N1，，又控制器51'的輸出端連接晶 體管Q2，，並輸入端連接變壓器T2，的一次側第二繞組N2，，並該 控制器51'為P麗控制器；又輸出電路6，連接變壓器T2，的二次 側第三繞組N3，，並具輸出端電壓Vout,使得控制器51'感測由變 壓器T2' 二次側回授至變壓器T2'的一次側繞組的電壓變化，並控 制電晶體Q2，對應開、關動作以控制輸出端電壓Vout。前述電路雖然元件最精簡，但因控制器51'未直接感測輸出端 電壓，直接取決於變壓器T2，的特性感測控制，且回授的電壓為不
連續，造成電路系統穩定度、可靠度不佳、空載輸出電壓穩定性差、 動態穩壓效能差缺失。發明內容本發明的目的在提供一種二次側的控制電源轉換器，使位於變壓 器一次側的開關元件動作具較佳精度、可靠性。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案 一種二次側控制電 源轉換器，包含 一輸入電路，至少具一開關元件； 一變壓器，其一 次側繞組連接前述開關元件，並其電壓變化可改變開關元件開、關狀 態，並具二次側繞組； 一輸出電路，連接變壓器二次側繞組，並具輸 出端，而前述電路可將輸入電路的輸入能量經由變壓器移轉至輸出電 路產生輸出端電壓，又於輸出電路設置控制器，而該控制器可感測輸 出電壓，並可針對感測輸出電壓變化執行動作影響變壓器一次側繞 組，使得變壓器的一次側繞組可對應動作控制開關元件作P麗或PFM 開關動作以控制輸出電壓。上述輸入電路、變壓器、輸出電路組合為自激返馳式轉換器電路 架構，並控制器可作一種以上動作狀態變化。上述輸入電路的開關元件可為第一電晶體。上述變壓器一次側具極性相同的第一繞組、第二繞組，又二次側 具與前述第一、二繞組極性相反的第三繞組，又輸入電路具啟動電路， 並其輸入端連接輸入電源、啟動電路輸入端、變壓器一次側的第一繞 組一端，又該啟動電路輸出端連接第一電晶體B極，並該第一電晶體 C極連接前述第一繞組另一端；又該變壓器一次側的第二繞組一端連 接電阻及第一電晶體B極，而該第二繞組另一端接地；又該第一晶體 管的射極連接電阻接地。上述第一電晶體連接限流保護電路。上述限流保護電路具第二電晶體，並該第二電晶體的B極連接第 一電晶體射極，並C極連接第一電晶體B極，並其射極接地。上述輸出電路具整流二極體，並於輸出端並聯電容器接地，又輸 出電路的控制器輸入端連接輸出端電源，又該控制器具第一、第二控 制端跨接二極體二端。上述二極體設於輸出端位置。上述二極體設於接地端位置。上述該第一、第二控制端間由控制器決定作連接電阻性負載、短 路、斷路三種狀態變化。上述輸出端電壓超出設定電壓時控制器令第一、第二控制端間連 接電阻性負載及斷路動作。
上述輸出端電壓不足時控制器令第 一 、第二控制端間作短路及斷 路動作。一種二次側控制電源轉換器，包含 一變壓器， 一次側具極性相同的第一繞組、第二繞組，又二次側具與前述第一、第二繞組極性相反的第三繞組； 一輸入電路，具啟動電路，並其輸入端連接輸入電源、 啟動電路輸入端、變壓器一次側的第一繞組一端，又該啟動電路輸出 端連接第一電晶體B極，並該第一電晶體C極連接前述第一繞組另一 端；又該變壓器一次側的第二繞組一端連接電阻及第一電晶體B極， 而該第二繞組另一端^f妄地；又該第一電晶體的射才及連^t姿電阻接地，又 於第一電晶體連接第二電晶體，並該第二電晶體的B極連接第一晶體 管射極，並C極連接第一電晶體B極，並其射極接地； 一輸出電路， 具整流二極體，並於輸出端並聯電容器接地，又輸出電路設置控制器， 並控制器輸入端連接輸出端電源，又該控制器具第一、第二控制端跨 接二極體二端；而該控制器可感測輸出電壓，並可對應感測輸出電壓 變化回授至變壓器一次側繞組，使得變壓器的一次側繞組可對應動作 控制第一電晶體作P麗或PFM開關動作以控制輸出電壓。上述二極體設於輸出端位置。上述二極體設於接地端位置。上述該第一、第二控制端間由控制器決定作連接電阻性負載、短 路、斷路三種狀態變化。上述輸出端電壓超出設定電壓時控制器令第 一、第二控制端間連 接電阻性負載及斷路動作。上述輸出端電壓不足時控制器令第 一、第二控制端間作短路及斷 路動作。採用上述方案，本發明主要是將輸入電路的輸入能量經由變壓器 移轉至輸出電路產生輸出端電壓，又於輸出電路設置控制器，而該控 制器可感測輸出電壓，並可針對感測輸出電壓的變化而執行動作如由 控制器決定作連接電阻性負載、短路、斷路三種狀態變化，以影響變 壓器的 一次側繞組，使得變壓器的一次側繞組可對應動作控制開關元 件作P麗或PFM的開關動作以控制輸出電壓；由此，本發明藉由二次 側的控制器控制一次側的開關元件動作更為精確、可靠，並無需光耦 合元件，可降低成本及使電路更穩定、使用壽命更長，並且具有同步 整流的功能。


圖1為本發明的電路架構示意圖；圖2為本發明第一實施例電路示意圖；圖3為本發明第一實施例電壓、電流點示意圖4為本發明第一實施例對應圖3的動作波形示意圖； 圖5為本發明第一實施例輸出端電壓過大時控制器停止模式動 作示意圖；圖6為本發明第一實施例輸出端電壓不足時控制器二次側啟動 模式動作示意圖；圖7為本發明第一實施例輸出端電壓不足時控制器動作示意圖；圖8為本發明第一實施例對應圖5、圖6、圖7的二次側周期停 止模式及啟動模式動作波形示意圖；圖9為本發明第一實施例第二電晶體作限流保護作用波形示意圖；圖10為本發明第二實施例電路示意圖；圖11為習知具光耦合元件的返馳式轉換器電路示意圖；圖12為另一習知返馳式轉換器電路示意圖。主要元件符號說明1輸入電路11開關元件12啟動電3各Vin輸入電源Ql、 Q2電晶體RS電阻T變壓器Nl第一繞組N2第二繞組N3第三繞組2輸出電路Vout l命出端Dl 二極體Cl電容器21控制器CTL1、 CTL2控制端Vout專命出端電壓VDD電源*接點GND接地接點FB輸入端r輸入電路Vinl命入電源Ql'電晶體n，變壓器11'控制器2'輸出電路Vout輸出端電壓3'光耦合器5，輸入電路Vin輸入電源Q2'電晶體51'控制器T2'變壓器Nl，第一繞組N2，第二繞組N3，第三繞組6'輸出電路Vout l俞出端電壓具體實施方式
本發明的電路架構具一輸入電路、 一變壓器、 一輸出電路，並該 輸入電路的輸入端連接輸入電源、輸出側連接變壓器，並至少具一開關元件；又變壓器的一次側繞組連接前述開關元件，並其電壓變化可 改變開關元件開、關狀態，並具二次側繞組；又輸出電^各連接變壓器 二次側繞組，並具輸出端，而前述電路可將輸入電路的輸入能量經由 變壓器轉移至輸出電路產生輸出端電壓，又於輸出電路設置控制器， 並該控制器可感測輸出端電壓變化回授至變壓器一次側繞組，使得變 壓器的一次側繞組可對應動作控制開關元件作P醫或PFM方式開關動 作以控制輸出端電壓。本發明更具體的電路可為自激返馳式電路架構，其中變壓器的一 次側具極性相同的第一繞組、第二繞組，又二次側具與前述第一、二 繞組極性相反的第三繞組，又輸入電路的輸入端連接輸入電源、啟動 電路輸入端、變壓器一次側的第一繞組一端，又該啟動電路輸出端連 接開關元件的第一電晶體B極，並該第一電晶體C極連接前述第一繞 組另 一端；又該變壓器一次側的第二繞組一端連接電阻及第 一電晶體 B極，而該第二繞組另一端接地；又該第一電晶體的射極連接電阻接 地；又於第一電晶體連接限流保護電路，並該限流保護電路具第二晶 體管，並該第二電晶體的B極連接第一電晶體射極，並C極連接第一 電晶體B極，而第二電晶體的射極接地；又輸出電路具整流二極體， 並其正極與變壓器第三繞組連接，而該第三繞組另一端接地，又該二 極管的負極連接輸出端，並於輸出端並聯電容器，又於輸出電路設置 控制器，並該控制器連接輸出端電源，並控制器的輸入端連接由輸出 端串聯的分壓電阻接點，並具誤差放大器、參考電壓以比較輸出端電 壓變化，又該控制器具第一、第二控制端跨接二極體二端，並該第一、 第二控制端間由控制器決定作連接電阻性負載、短路、開路三種狀態 變化，藉之使本發明可藉由二次側的控制器控制一次側的開關元件動 作以具較佳精度可靠性，並因無光耦合元件可降低成本及電路穩定 性、壽命，且可增加同步整流功能。請參閱圖1,本發明的主要電路架構具一輸入電路1、 一變壓器 T、 一輸出電路2，並該輸入電路1的輸入端連接輸入電源Vin、輸出 側連接變壓器T,並至少具一開關元件11，而該開關元件11可為晶 體管、M0SFET或其它開關作用的個別或組合元件；又變壓器T的一 次側繞組連接前述開關元件ll，並其電壓變化可改變開關元件11開、 關狀態，並具二次側繞組；又輸出電路2連接變壓器T二次側繞組， 並具輸出端，並前述電路可將輸入電路1的輸入能量由變壓器T轉移 至輸出電路2的輸出端產生輸出端電壓Vout,又於輸出電路2設置 控制器21，並該控制器21可感測輸出端電壓Vout變化回授至變壓 器一次側繞組，使得變壓器T的一次側繞組可對應動作控制開關元件 11作P麗或PFM開關動作以控制輸出端電壓。請參閱圖2,本發明更具體的第一實施例電路為自激返馳式轉換 器電路架構，其中變壓器T的一次側具極性相同的第一繞組Nl、第 二繞組N2，又二次側具與前述第一、二繞組N1、 N2極性相反的第三 繞組N3,又輸入電路1的輸入端連接輸入電源Vin、啟動電路12輸 入端、變壓器T一次側的第一繞組N1—端，又該啟動電路12輸出端 連接開關元件的第一電晶體Q1B極，並該第一電晶體Q1C極連接前述 第一繞組Nl另一端；又該變壓器T 一次側的第二繞組N2 —端連接限 流電阻及第一電晶體Q1B極，而該第二繞組N2另一端接地；又該第 一電晶體Ql的射極連接電阻RS接地；又於第一電晶體Ql連接限流 保護電路，並該限流保護電路具第二電晶體Q2，並該第二電晶體Q2 的B極連接第一電晶體Q1射極，並C極連接第一電晶體Q1B極，並 其射極接地。輸出電路2具整流二極體Dl設於輸出端位置，並其正極與變壓 器T第三繞組N3連接，而該第三繞組N3另一端接地，又該二極體 Dl的負極連接輸出端，並於輸出端並聯電容器C1接地，又輸出電路 2設置控制器21並具電源VDD、接地GND接點，並該控制器21的VDD 接點連接輸出端電源Vout,並控制器21的輸入端FB連接由輸出端 串聯的分壓電阻接點，並具誤差放大器，參考電壓(圖中未標示)以比 較輸出端電壓變化，又該控制器21具電源VDD、接地GND接點，而 第一、第二控制端CTL1、 CTL2跨接二極體Dl 二端，並該第一、第二 控制端CTL1、 CTL2間由控制器21決定作連接電阻性負載、短路、開 路三種狀態變化。請一併參閱圖3、圖4，本發明動作時輸入電路1的輸入端輸入 工作電壓Vin，並令啟動電路12輸出脈波a至第一電晶體Ql令第一 電晶體Ql導通Ton,並有集極電流Ic，而此時輸入電流經變壓器T 的第一繞組N1、第一電晶體Q1、電阻RS接地，又部分電流經變壓器 T的第二繞組N2、第一電晶體Ql、電阻RS接地，而此時第一繞組N1、 第二繞組N2上方極性為正、第三繞組N3上方極性為負；又當第一晶 體管Ql串接電阻RS電壓上升使第二電晶體Q2導通時第一電晶體Ql 截止，並使得變壓器T一次側能量轉移至二次側，並使二次側的第三 繞組N3極性反轉，並使電流可流經二極體Dl產生輸出端電壓Vout， 並有電流Id，又當第三繞組N3的能量完全釋出時變壓器T的極性轉 態，並使變壓器T第二繞組N2寄生電感儲存能量可再次令第一晶體 管Ql導通，使本發明具自動軟啟動及振鈴自激式架構，並工作在非 連續模式，而啟動電路12於第一次啟動後即不在動作及消耗功率， 並系統停止超過預設時間後或重置條件成立才會再度送出啟動脈衝。本發明的控制器21可感測輸出端電壓Vout變化作控制，請一併 參閱圖3、圖5、圖7及圖8，本發明當輸出端電壓Vout超出設定電 壓時控制器21可控制第一、第二控制端CTL1、 CTL2於變壓器T能量 完全轉移至輸出端時間起至第一電晶體Ql再次啟動前的時間連接電 阻性負載，使得Id為零時該電阻性負載可消耗變壓器T漏電感所殘 留能量，其電流方向如第五圖箭頭方向，並阻止第一電晶體Q1再次 激發導通，而後回復圖7所示斷路狀態，使電路為停止模式，防止輸 出端電壓Vout持續增高以具定電壓作用。
請參閱圖6、圖8，本發明當輸出端電壓Vout不足時控制器12 可控制第一、第二控制端CTL1、 CTL2間短路一短暫時間，並使輸出 電路2的電容器Cl能量儲存至第三繞組N3,並Id可對應下降；又 如圖7、圖8所示，再令控制器21控制第一、第二控制端CTL1、 CTL2 斷路，該能量將使得Vsw電壓降低，並轉由第二繞組N2的能量再啟 動第一電晶體Ql導通，由此電路再度進入自激轉換動作，並使輸入 電路1的能量可迅速移轉至輸出電路2，並提升輸出端電壓Vout達 到定電壓功能，因而本發明藉由變壓器T二次側的控制器21可令變 壓器T 一次側的第一電晶體Ql執行P麗或PFM動作以使輸出端電壓 Vout具定電壓功能，而本發明的控制器21直接感測輸出端電壓Vout, 可具精度高功效，並具同步整流功能，且可具較佳可靠性，又本發明 不須光耦合元件，可具較佳壽命及可靠性。請參閱圖3、圖9,本發明若變壓器T二次側的輸出電路2(如二 極管Dl)短路或過載令變壓器T 一次側第一繞組Nl電流Ic急速增加 時，輸入電路1電阻RS上的電壓Vsense將使第二電晶體Q2導通， 並使第一電晶體Ql不導通以使電路系統停止動作，並待狀況排除時 再由啟動電路12令電路系統動作，使得第二電晶體Q2可作限流保護 作用。又輸出電路2短路時控制器2亦可令第一、第二控制端CTL1、 CTL2作長時間停止，並等啟動電路12作重置一直至短路解除。此外，本發明雖然具啟動電路12,但該啟動電路12的成本低， 消耗功率低，因而本發明可具成本低及高效率功能。請參閱圖10，本發明第二實施例電路與第一實施例大致相同， 其差異處在輸出電路2的整流二極體Dl設於第三繞組下方接點及接 地端位置，並其極性方向與第一實施例相反，而該電路亦可具有與第 一實施例相同自激轉換功能，並控制器21的第一、第二控制端CTL1、 CTL2的控制位準可配合改變以具相同控制功能，並此電路可將同步 整流功能加入控制器中以提高效率。前述實施例為清楚描述本發明的特徵，並非作為本發明申請專利 範圍限制，本發明可在不超出本發明精神及範疇內改變及修正。
權利要求
1、一種二次側控制電源轉換器，包含一輸入電路，至少具一開關元件；一變壓器，其一次側繞組連接前述開關元件，並其電壓變化可改變開關元件開、關狀態，並具二次側繞組；一輸出電路，連接變壓器二次側繞組，並具輸出端，而前述電路可將輸入電路的輸入能量經由變壓器移轉至輸出電路產生輸出端電壓，又於輸出電路設置控制器，該控制器可感測輸出電壓，並可針對感測輸出電壓變化執行動作影響變壓器的一次側繞組，使得變壓器的一次側繞組可對應動作控制開關元件作PWM或PFM開關動作以控制輸出電壓。
2、 如權利要求1所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 輸入電路、變壓器、輸出電路組合為自激返馳式轉換器電路架構，並 控制器可作一種以上動作狀態變化。
3、 如權利要求2所述的的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 輸入電路的開關元件可為第一電晶體。
4、 如權利要求1所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 變壓器一次側具^L性相同的第一繞組、第二繞組，二次側具與前述第 一、二繞組極性相反的第三繞組，又輸入電路具啟動電^各，並其輸入 端連接輸入電源、啟動電路輸入端、變壓器一次側的第一繞組一端， 又該啟動電路輸出端連接第一電晶體B極，並該第一電晶體C極連接 前述第一繞組另一端；又該變壓器一次側的第二繞組一端連接電阻及 第一電晶體B極，該第二繞組另一端接地；又該第一電晶體的射極連 接電阻接地。
5、 如權利要求3所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 第一電晶體連接一限流保護電路。
6、 如權利要求5所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 限流保護電路具第二電晶體，該第二電晶體的B極連接第一電晶體射 極，並C極連接第一電晶體B極，並其射極接地。
7、 如權利要求6所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 輸出電路具整流二極體，並於輸出端並聯電容器接地，又輸出電路的 控制器輸入端連接輸出端電源，又該控制器具第一、第二控制端跨接 二極體二端。
8、 如權利要求7所述的所述的二次側控制電源轉換器，其特徵 在於二極體設於輸出端位置。
9、 如權利要求7所述的所述的二次側控制電源轉換器，其特徵 在於二極體設於接地端位置。
10、 如權利要求7所述的所述的二次側控制電源轉換器，其特徵 在於該第一、第二控制端間由控制器決定作連接電阻性負載、短路、 斷路三種狀態變化。
11、 如權利要求IO所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 輸出端電壓超出設定電壓時控制器令第 一 、第二控制端間連接電阻性 負載及斷路動作。
12、 如權利要求IO所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 輸出端電壓不足時控制器令第 一、第二控制端間作短路及斷路動作。
13、 一種二次側控制電源轉換器，其特徵在於包含有， 一變壓器， 一次側具極性相同的第一繞組、第二繞組，二次側具與前述第一、第二繞組極性相反的第三繞組； 一輸入電路，具啟動電 路，並其輸入端連接輸入電源、啟動電路輸入端、變壓器一次側的第 一繞組一端，又該啟動電路輸出端連接第一電晶體B極，並該第一晶 體管C極連接前述第一繞組另一端；又該變壓器一次側的第二繞組一 端連接電阻及第一電晶體B極，而該第二繞組另一端接地；又該第一 電晶體的射極連接電阻接地，又於第一電晶體連接第二電晶體，並該 第二電晶體的B極連接第一電晶體射極，並C極連接第一電晶體B極， 並其射極接地； 一輸出電路，具整流二極體，並於輸出端並聯電容器 接地，又輸出電路設置控制器，並控制器輸入端連接輸出端電源，又 該控制器具第一、第二控制端跨接二極體二端；而該控制器可感測輸 出電壓，並可對應感測輸出電壓變化回授至變壓器一次側繞組，使得 變壓器的一次側繞組可對應動作控制第一電晶體作P麗或PFM開關動 作以控制輸出電壓。
14、 如權利要求13所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 二極體設於輸出端位置。
15、 如權利要求13所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 二極體設於接地端位置。
16、 如權利要求13所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 該第一、第二控制端間由控制器決定作連接電阻性負載、短路、斷路 三種狀態變化。
17、 如權利要求16所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 輸出端電壓超出設定電壓時控制器令第 一、第二控制端間連接電阻性 負載及斷路動作。
18、 如權利要求16所述的二次側控制電源轉換器，其特徵在於 輸出端電壓不足時控制器令第 一、第二控制端間作短路及斷路動作。
全文摘要
本發明為一種二次側控制電源轉換器，包含一輸入電路，並至少具一開關元件；一變壓器的一次側繞組連接前述開關元件，並其電壓變化可改變開關元件開、關狀態，並具二次側繞組；一輸出電路連接變壓器二次側繞組，並具輸出端，又於輸出電路設置控制器，而且該控制器可感測輸出電壓，並對應感測輸出電壓變化回授至變壓器一次側繞組，使得變壓器的一次側繞組可對應動作控制開關元件作PWM或PFM開關動作以控制輸出電壓。
文檔編號H02M3/24GK101127487SQ20071000934
公開日2008年2月20日 申請日期2007年8月6日 優先權日2007年8月6日
發明者周重甫 申請人:周重甫