TW201926868A - 電源轉換器之電壓補償電路 - Google Patents

Abstract

一種電源轉換器之電壓補償電路，所述電源轉換器具有提供一輔助電壓的一輔助繞組，該電壓補償電路包含一電阻網路與一開關單元。該電阻網路包含一第一電阻、一第二電阻以及一第三電阻，在該第一電阻、該第二電阻以及該第三電阻的共接處產生一回授電壓。當該開關單元截止時，該回授電壓與該輔助電壓的電壓比例由該第一電阻與該第二電阻決定。當該開關單元導通時，該回授電壓與該輔助電壓的電壓比例由該第一電阻、該第二電阻以及該第三電阻決定。藉此，可大幅度地抑制一輸入電壓的波動造成該電源轉換器的影響。

Description

電源轉換器之電壓補償電路

本發明係有關一種電源轉換器之電壓補償電路，尤指一種以初級側迴授控制的電源轉換器之電壓補償電路。

請參見圖1所示，其係為相關技術使用初級側回授控制的電源轉換器的電路圖。所述電源轉換器具有一變壓器Tr，其具有一初級繞組Np(或稱初級線圈，以下相同不再贅述)、一次級繞組Ns以及一輔助繞組Na。所述電源轉換器的電壓控制主要係透過該輔助繞組Na與輸出側繞組，即該次級繞組Ns之間的繞組匝數比的關係進行電壓回授控制。

由於線圈耦合的因素，該輔助繞組Na的電壓，即輔助電壓通常會隨著負載的變化而改變。再者，當該電源轉換器所接收的一輸入電壓Vin發生高、低壓差的波動時，將對電源轉換器的控制穩定度造成影響。舉例來說，當該輸入電壓Vin變動增大時，該輔助電壓亦對應升高時，因此經一第一分壓電阻R1與一第二分壓電阻R2分壓後，提供至一控制器，例如一脈波寬度調變控制積體電路(PWM IC)的電壓將產生變動，因此對控制器而言，會因為該輸入電壓Vin的變動，而受到直接影響，導致控制穩定度的下降。

本發明之一目的在於提供一種電源轉換器之電壓補償電路，解決因為輸入電壓發生電壓波動時，造成控制穩定度下降的問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的電源轉換器之電壓補償電路，所述電源轉換器具有提供一輔助電壓的一輔助繞組。該電源轉換器之電壓補償電路包含一電阻網路與一開關單元。該電阻網路包含一第一電阻、一第二電阻以及一第三電阻。該第一電阻具有一第一端與一第二端，其中該第一電阻的該第一端接收該輔助電壓。該第二電阻具有一第一端與一第二端，其中該第二電阻的該第一端耦接該第一電阻的該第二端，該第二電阻的該第二端接地。該第三電阻具有一第一端與一第二端。該開關單元具有一控制端與一輸出端，其中該輸出端耦接該第三電阻的該第二端，該控制端耦接該輔助繞組。其中該第一電阻的該第二端、該第二電阻的該第一端以及該第三電阻的該第一端耦接具有一回授腳位的一控制單元，並且該回授腳位接收一回授電壓。當該開關單元截止時，該回授電壓與該輔助電壓的電壓比例由該第一電阻與該第二電阻決定。當該開關單元導通時，該回授電壓與該輔助電壓的電壓比例由該第一電阻、該第二電阻以及該第三電阻決定。

於一實施例中，當該開關單元截止時，該回授電壓的大小為：；其中V_FB 為該回授電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R5為該第一電阻的阻值以及R4為該第二電阻的阻值。當該開關單元導通時，該回授電壓的大小為：；其中V_FB 為該回授電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R5為該第一電阻的阻值、R4為該第二電阻的阻值以及R3為該第三電阻的阻值。

於一實施例中，該開關單元為一金屬氧化物半導體場效電晶體、一雙載子接面電晶體或一穩壓電晶體。

於一實施例中，該第一電阻的該第一端耦接該輔助繞組的一非接地端，以接收該輔助電壓。

於一實施例中，該電源轉換器之電壓補償電路更包含一分壓電阻網。該分壓電阻網耦接該輔助繞組與該開關單元，並且包含一第一分壓電阻與一第二分壓電阻。該第一分壓電阻具有一第一端與一第二端，其中該第一分壓電阻的該第一端耦接該輔助繞組，以接收該輔助電壓。該第二分壓電阻具有一第一端與一第二端，其中該第二分壓電阻的該第一端耦接該第一分壓電阻的該第二端以及該開關單元的該控制端，該第二分壓電阻的該第二端接地。

於一實施例中，該第一分壓電阻與該第二分壓電阻對該輔助電壓分壓以提供一控制電壓，該控制電壓的大小為：，其中V_C 為該控制電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R1為該第一分壓電阻的阻值以及R2為該第二分壓電阻的阻值。

於一實施例中，該電源轉換器之電壓補償電路更包含一第一二極體與一第二二極體。該第一二極體具有一陽極與一陰極，其中該第一二極體的該陰極耦接該控制單元的一電源腳位。該第二二極體具有一陽極與一陰極，其中該第二二極體的該陽極耦接該第一二極體的該陽極以及該輔助繞組，該第二二極體的該陰極耦接該第一分壓電阻的該第一端。

於一實施例中，當該開關單元截止時，該分壓電阻網與該電阻網路為解耦的狀態；當該開關單元導通時，該分壓電阻網與該電阻網路為耦接的狀態。

於一實施例中，當該第一電阻的阻值與該第二電阻的阻值固定並且該開關單元導通時，該第三電阻的阻值越大，該回授電壓的大小越大；該第三電阻的阻值越小，該回授電壓的大小越小。

於一實施例中，該電阻網路、該開關單元、該控制單元以及該分壓電阻網為共同接地。

藉由所提出的電源轉換器之電壓補償電路，能夠大幅度地抑制輸入電壓的波動造成該電源轉換器的影響。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參見圖2所示，其係為本發明電源轉換器之電壓補償電路之第一實施例的電路圖。所述電源轉換器(power converter)，或電源供應器(power supply unit)具有一變壓器Tr，其具有一初級繞組Np、一次級繞組Ns以及一輔助繞組Na。透過該等繞組Np,Ns,Na兩兩之間的繞組匝數比的關係以及該變壓器Tr的極性，可獲得各該繞組Np,Ns,Na上的電壓大小。以該初級繞組Np與該輔助繞組Na為例，該電源轉換器接收一輸入電壓Vin後，經轉換後，在該初級繞組Np上產生一初級側電壓。在圖2中以簡化轉換電路的方式，僅示意該輸入電壓Vin。透過該輔助繞組Na與該初級繞組Np的匝數比關係，可將該初級側電壓耦合至該輔助繞組Na，以得到一輔助電壓V_AUX 。因此，所述電源轉換器可在該輔助繞組Na上提供該輔助電壓V_AUX 。

所述電源轉換器具有一控制單元13，其係可為一脈波寬度調變控制單元(PWM controller)，用以產生控制信號，以控制該電源轉換器的一電源轉換開關Qm的切換，進而控制該變壓器Tr初級側與次級側之間的電能轉換。

該電源轉換器進一步提供具有電壓補償的一電壓補償電路。該電壓補償電路包含一電阻網路11與一開關單元12。該電阻網路11係耦接於該變壓器Tr的該輔助繞組Na與該控制單元13之間。具體地，該電阻網路11包含一第一電阻R5、一第二電阻R4以及一第三電阻R3。

該第一電阻R5具有一第一端與一第二端，其中該第一電阻R5的該第一端耦接該輔助繞組Na的一非接地端，在本實施例中，該非接地端為該輔助繞組Na的一打點極性端，因此，該第一電阻R5的該第一端接收該輔助電壓V_AUX 。

該第二電阻R4具有一第一端與一第二端，其中該第二電阻R4的該第一端耦接該第一電阻R5的該第二端；該第二電阻R4的該第二端接地。其中所述接地係與該變壓器Tr的初級側共同接地，亦與該控制單元13共同接地。

該第三電阻R3具有一第一端與一第二端。該第三電阻R3的該第一端耦接該第一電阻R5的該第二端與該第二電阻R4的該第一端，並且再耦接該控制單元13的一回授(feedback)腳位FB。此外，該電阻網路11係將該輔助電壓V_AUX 分壓，以在該第一電阻R5、該第二電阻R4以及該第三電阻R3的共接點，即耦接該回授腳位FB的連接處提供一回授電壓V_FB ，容後說明。

該開關單元12具有一控制端(即輸入端)、一第一輸出端以及一第二輸出端。該開關單元12的該第一輸出端耦接該第三電阻R3的該第二端，該開關單元12的該第二輸出端接地，亦與該控制單元13共同接地。該開關單元12的該控制端耦接該輔助繞組Na，更具體地，該控制端係透過分壓電阻耦接該輔助繞組Na，容後說明。在本實施例中，該開關單元12係為一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)Qdm，並且該控制端為閘極(gate)、該第一輸出端為源極(source)以及該第二輸出端為汲極(drain)。

如圖2所示，該電壓補償電路進一步耦接一分壓電阻網14，具體地，該分壓電阻網14包含一第一分壓電阻R1與一第二分壓電阻R2。該第一分壓電阻R1具有一第一端與一第二端，其中該第一分壓電阻R1的該第一端耦接該輔助繞組Na的該非接地端(即該打點極性端)，以接收該輔助電壓V_AUX 。該第二分壓電阻R2的該第一端耦接該第一分壓電阻R1的該第二端，並且再耦接該開關單元12的該控制端。該第二分壓電阻R2的該第二端接地，亦與該控制單元13共同接地。

該壓補償電路進一步耦接一第一二極體D1與一第二二極體D2。該第一二極體D1具有一陽極與一陰極，該第二二極體D2具有一陽極與一陰極。該第一二極體D1的該陽極耦接該第二二極體D2的該陽極，再耦接該輔助繞組Na的該非接地端(即該打點極性端)，以接收該輔助電壓V_AUX 。該第一二極體D1的該陰極耦接該控制單元13的一電源腳位VDD。該第二二極體D2的該陰極耦接該第一分壓電阻R1的該第一端。藉此，該第一二極體D1與該第二二極體D2係提供該輔助電壓V_AUX 供電迴路的電流方向，以避免逆偏電壓導通。

藉此，該分壓電阻網14的該第一分壓電阻R1與該第二分壓電阻R2係對該輔助電壓V_AUX 分壓，以在該第二分壓電阻R2的該第一端上產生一控制電壓VC。其中，該控制電壓VC的大小為：

，其中V_C 為該控制電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R1為該第一分壓電阻的阻值以及R2為該第二分壓電阻的阻值。進一步地，該控制電壓V_C 係供驅動該開關單元12之用，在本實施例即供驅動該金屬氧化物半導體場效電晶體Qdm的該閘極，以控制該開關單元12為導通或截止。

當該控制電壓V_C 的大小不足以驅動該開關單元12導通，即該開關單元12為截止的狀態時，該分壓電阻網14與該電阻網路11為解耦的狀態，因此，該回授電壓V_FB 與該輔助電壓V_AUX 的電壓比例由該第一電阻R5與該第二電阻R4決定。具體地，當該開關單元12截止時，該回授電壓V_FB 的大小為：，其中V_FB 為該回授電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R5為該第一電阻的阻值以及R4為該第二電阻的阻值。

當該控制電壓V_C 的大小足以驅動該開關單元12導通，即該開關單元12為導通的狀態時，該分壓電阻網14與該電阻網路11為耦接的狀態，因此，該回授電壓V_FB 與該輔助電壓V_AUX 的電壓比例由該第一電阻R5、該第二電阻R4以及該第三電阻R3決定。具體地，當該開關單元12導通時，該回授電壓V_FB 的大小為：，其中V_FB 為該回授電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R5為該第一電阻的阻值、R4為該第二電阻的阻值以及R3為該第三電阻的阻值。

值得一提，在本實施例的電壓補償電路中，該第三電阻R3扮演電壓補償幅度(大小)的關鍵，亦即，當設計該第三電阻R3的阻值較該第二電阻R4的阻值為大時，最極端地，當該第三電阻R3的阻值遠大於該第二電阻R4的阻值時，無論該開關單元12為導通或截止時，該回授電壓V_FB 的大小皆近似為，亦即，該電壓補償電路所提供的電壓補償程度較小。相之，當設計該第三電阻R3的阻值非遠大於較該第二電阻R4的阻值時，該開關單元12導通時的該回授電壓V_FB 的大小則小於該開關單元12截止時的該回授電壓V_FB 的大小。再者，在該第一電阻R5的阻值固定，當該第三電阻R3的阻值更小時，該開關單元12導通時的該回授電壓V_FB 的大小則更小於該開關單元12截止時的該回授電壓V_FB 的大小，該電壓補償電路所提供的電壓補償程度較大。

為清楚說明該電壓補償電路所提供的電壓補償程度，因此透過表1所列舉的數據呈現，然非用對本發明加以限制。 表1

根據表1可清楚看出，當該第三電阻R3的阻值越大時，該開關單元12導通時的該回授電壓V_FB 越大，即越接近該開關單元12截止時的該回授電壓V_FB 的大小；反之，該第三電阻R3的阻值越小時，該開關單元12導通時的該回授電壓V_FB 越小，即越遠離該開關單元12截止時的該回授電壓V_FB 的大小。再者，該第三電阻R3的阻值越大，該電壓補償電路所提供的電壓補償的程度越小；反之，該第三電阻R3的阻值越小，該電壓補償電路所提供的電壓補償的程度越大。

值得一提，本實施例的該電壓補償電路可用以解決該電源轉換器所接收的該輸入電壓Vin因波(變)動所造成對控制穩定度的影響，亦即該電壓補償電路可大幅地減小該輸入電壓Vin的高、低壓差波動對系統控制的影響。承前所述，當透過設計該第三電阻R3的阻值較該第二電阻R4的阻值為大時，使得該開關單元12導通時的該回授電壓V_FB 越接近該開關單元12截止時的該回授電壓V_FB 的大小。較佳地，可設計該第三電阻R3的阻值遠大於該第二電阻R4的阻值，藉此，無論該輸入電壓Vin的電壓波動程度如何，透過該電壓補償電路的該第三電阻R3所提供的電壓補償效果，可大幅度地抑制該輸入電壓Vin的波動造成該電源轉換器的影響。

換言之，無論該電源轉換器操作於較低的該輸入電壓Vin或較高的該輸入電壓Vin，可因應控制的需要，透過對該電阻網路11的該等電阻R5,R4,R3的阻值設計，尤以對該第三電阻R3相較於該第二電阻R4關係的阻值設計，解決較低或較高的該輸入電壓Vin造成對該電源轉換器的影響。

請參見圖5所示，其係為本發明電壓補償電路的電壓補償示意圖。圖5所示的實線為該開關單元12截止時的頻率與負載的關係曲線，即一截止曲線C_OFF ；另外，所示的虛線為該開關單元12導通時的頻率與負載的關係曲線，即一導通曲線C_ON 。承前所述，可透過該第三電阻R3相較於該第二電阻R4關係的阻值設計，調節輸出電流大小，即調整分壓後所得的該回授電壓V_FB ，以及對應地調整該導通曲線C_ON 的偏移程度(即補償程度)。較佳地，若控制該導通曲線C_ON 與該截止曲線C_OFF 為同一曲線，即控制該電源轉換器無論在較低的該輸入電壓Vin或較高的該輸入電壓Vin的操作下，有相同的頻率效應，換言之，該電源轉換器可同時兼顧在較低的該輸入電壓Vin或較高的該輸入電壓Vin的控制，如此不僅可大幅度地抑制該輸入電壓Vin的波動造成該電源轉換器的影響，亦可進一步地簡化系統的控制設計。

請參見圖3所示，其係為本發明電源轉換器之電壓補償電路之第二實施例的電路圖。與圖2所示的第一實施例相較，本實施例的該開關單元12可改採用一雙載子接面電晶體(BJT)Qdb取代金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。對應地，該控制端為基極(base)、該第一輸出端為集極(collector)以及該第二輸出端為射極(emitter)。因此，有別於圖2所示的第一實施例所採用的電壓控制的元件－金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，本發明的該電壓補償電路亦可使用電流控制的元件－雙載子接面電晶體(BJT)，同樣可達到與第一實施例具有相同的電路效果。至於圖3所示的第二實施例的說明，可配合參見圖2所示的第一實施例，在此不再贅述。

請參見圖4所示，其係為本發明電源轉換器之電壓補償電路之第三實施例的電路圖。與圖2所示的第一實施例相較，本實施例的該開關單元12可改採用一穩壓電晶體Zd。對應地，該控制端為參考極(R)、該第一輸出端為陰極(K)以及該第二輸出端為陽極(A)。因此，透過穩壓的控制方式，可達到與第一實施例、第二實施例具有相同的電路效果。至於圖4所示的第三實施例的說明，可配合參見圖2所示的第一實施例，在此不再贅述。

綜上所述，本發明具有以下之特徵與優點：

1、透過初級側的回授控制，可省去光耦合器與次級側的控制電路，因此可減少電路元件數量，以節省電路空間和電路成本。

2、初級側的調節控制功能能夠減少功耗產生，以有效地提高電源效率，並且以提升系統可靠度。

3、透過對該電阻網路的該等電阻的阻值設計，尤以對該第三電阻相較於該第二電阻關係的阻值設計，不僅可大幅度地抑制該輸入電壓的波動造成該電源轉換器的影響，亦可進一步地簡化系統的控制設計。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

11‧‧‧電阻網路

12‧‧‧開關單元

13‧‧‧控制單元

14‧‧‧分壓電阻網

R5‧‧‧第一電阻

R4‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R1‧‧‧第一分壓電阻

R2‧‧‧第二分壓電阻

Np‧‧‧初級繞組

Ns‧‧‧次級繞組

Na‧‧‧輔助繞組

V_AUX‧‧‧輔助電壓

FB‧‧‧回授腳位

VDD‧‧‧電源腳位

V_FB‧‧‧回授電壓

VC‧‧‧控制電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Tr‧‧‧變壓器

Qm‧‧‧電源轉換開關

Qdm‧‧‧金屬氧化物半導體場效電晶體

Qdb‧‧‧雙載子接面電晶體

Zd‧‧‧穩壓電晶體

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

C_OFF‧‧‧截止曲線

C_ON‧‧‧導通曲線

圖1：為相關技術使用初級側回授控制的電源轉換器的電路圖。

圖2：為本發明電源轉換器之電壓補償電路之第一實施例的電路圖。

圖3：為本發明電源轉換器之電壓補償電路之第二實施例的電路圖。

圖4：為本發明電源轉換器之電壓補償電路之第三實施例的電路圖。

圖5：為本發明電壓補償電路的電壓補償示意圖。

Claims (10)

1. 一種電源轉換器之電壓補償電路，所述電源轉換器具有提供一輔助電壓的一輔助繞組，該電源轉換器之電壓補償電路包含： 一電阻網路，包含： 一第一電阻，具有一第一端與一第二端，其中該第一電阻的該第一端接收該輔助電壓； 一第二電阻，具有一第一端與一第二端，其中該第二電阻的該第一端耦接該第一電阻的該第二端，該第二電阻的該第二端接地；及 一第三電阻，具有一第一端與一第二端；及 一開關單元，具有一控制端與一輸出端，其中該輸出端耦接該第三電阻的該第二端，該控制端耦接該輔助繞組； 其中該第一電阻的該第二端、該第二電阻的該第一端以及該第三電阻的該第一端耦接具有一回授腳位的一控制單元，並且該回授腳位接收一回授電壓； 當該開關單元截止時，該回授電壓與該輔助電壓的電壓比例由該第一電阻與該第二電阻決定； 當該開關單元導通時，該回授電壓與該輔助電壓的電壓比例由該第一電阻、該第二電阻以及該第三電阻決定。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器之電壓補償電路，其中當該開關單元截止時，該回授電壓的大小為：，其中V_FB 為該回授電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R5為該第一電阻的阻值以及R4為該第二電阻的阻值； 當該開關單元導通時，該回授電壓的大小為：，其中V_FB 為該回授電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R5為該第一電阻的阻值、R4為該第二電阻的阻值以及R3為該第三電阻的阻值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器之電壓補償電路，其中該開關單元為一金屬氧化物半導體場效電晶體、一雙載子接面電晶體或一穩壓電晶體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器之電壓補償電路，其中該第一電阻的該第一端耦接該輔助繞組的一非接地端，以接收該輔助電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器之電壓補償電路，更包含： 一分壓電阻網，耦接該輔助繞組與該開關單元，該分壓電阻網包含： 一第一分壓電阻，具有一第一端與一第二端，其中該第一分壓電阻的該第一端耦接該輔助繞組，以接收該輔助電壓；及 一第二分壓電阻，具有一第一端與一第二端，其中該第二分壓電阻的該第一端耦接該第一分壓電阻的該第二端以及該開關單元的該控制端，該第二分壓電阻的該第二端接地。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換器之電壓補償電路，其中該第一分壓電阻與該第二分壓電阻對該輔助電壓分壓以提供一控制電壓，該控制電壓的大小為：，其中V_C 為該控制電壓、V_AUX 為該輔助電壓、R1為該第一分壓電阻的阻值以及R2為該第二分壓電阻的阻值。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換器之電壓補償電路，更包含： 一第一二極體，具有一陽極與一陰極，其中該第一二極體的該陰極耦接該控制單元的一電源腳位；及 一第二二極體，具有一陽極與一陰極，其中該第二二極體的該陽極耦接該第一二極體的該陽極以及該輔助繞組，該第二二極體的該陰極耦接該第一分壓電阻的該第一端。
8. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換器之電壓補償電路，其中當該開關單元截止時，該分壓電阻網與該電阻網路為解耦的狀態；當該開關單元導通時，該分壓電阻網與該電阻網路為耦接的狀態。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器之電壓補償電路，其中當該第一電阻的阻值與該第二電阻的阻值固定並且該開關單元導通時，該第三電阻的阻值越大，該回授電壓的大小越大；該第三電阻的阻值越小，該回授電壓的大小越小。
10. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換器之電壓補償電路，其中該電阻網路、該開關單元、該控制單元以及該分壓電阻網為共同接地。