TWI301351B - Switching power supply and zvs method thereof - Google Patents

Description

1301351 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、本發明係指一種切換式電源供應器及其控制方 法，特別是關於順向型（丨七界虹幻或返馳型（feedback)之 切換式電源供應器及其控制方法。 【先前技術】 舨而曰，一電源供應器（Power Supply)係利用一 又机/直丨L轉換器接收輪入的市用交流電，並將交流電 轉換f具有南電壓準位的直流電，再利用一直流/直流 轉換器將具有高電壓準位的直流電轉換成具有低電壓 準位的直流電，以用來操作-電子裝置；例如作為桌 上型電腦或筆記型電腦等裝置的電力電源之用。 電源供應為可分為線性式電源供應器及切換式電 源供應器兩種，目前電源供應器市場中的主流係為切 換式電源供應器。 切換式電源供應器一般係由輸入級(丨叩价 電路、功率因數調整級(PFC stage)電路、功率級(p〇wer stage)電路以及迴授級電路所構成，其中切換式電源供 應器的核心主要在於功率級電路。 。。請參閱第-圖，其係為-種習用切換式電源供應 器之功率級電路的示意圖，其中切換式電源供應器1〇 係為一順向型（f0rward)架構之切換式電源供應器。 在第一圖中，切換式電源供應器1〇係由辅助電容 Ca、主開關Q1、辅助開關q2、變壓器τ、驅動變壓 1301351 器（driver transformer)Tl、零電壓切換(ZVS)债測積體 電路(IC)ll、第一整流開關S1、第二整流開關S2、濾 波電感L以及濾波電容Cb所構成。 第一圖之切換式電源供應器10的運作如下：當主 開關Q1導通時，由前級（功率因數調整級電路）而來的 輸入電壓會供應至變壓器T的一次侧，變壓器T的二 次侧感應到能量後，經由導通的第一整流開關S1將電 壓轉為直流電，經濾波電感L濾除漣波成份後輸出直 流電壓；而當主開關Q1截止時、輔助開關Q2導通， 變壓器T之繞組上的電壓極性會反轉，使得第一整流 開關S1不導通，而第二整流開關S2導通，此時濾波 電感L及濾波電容Cb上所儲存的能量則由第二整流 開關S2供應至輸出端Vo。 在第一圖之習用的切換式電源供應器10之中，為 了達到主開關Q1的零電壓切換，所採取的作法是藉由 ZVS偵測1C 11偵測主開關Q1，再藉此配合驅動變壓 器T1切換辅助開關Q2，達到前述主開關Q1與輔助 開關Q2輪流開啟及關閉的目的。 然而，在第一圖中，輸入電壓Vin —般為400V左 右的高電壓，在此種高電壓下欲達到使用ZVS偵測1C 11以起動驅動變壓器T1的目的時，ZVS偵測1C 11 的電路設計是極為複雜的；再者，由於，欲達到驅動 目的所設計之能夠承受500V、600V電壓的ZVS偵測 1C 11之内有高壓製程，因此製作成本亦極高，不利於 製造單位的成本控制（cost down)。 6 1301351 之故’申請人鑑於習知技術中 i構試驗與研究’並一本鎮而不捨之精神，、 換式電源供應器及其零電壓切換 )之控制方法」，以下為本案之簡要說明。 【發明内容】 雷厂 構想係提出一種切換式電源供應器及其零 換的控制方法，不但同時適用於順向型及返馳 • 之切換式電源供應器’控制方式及製造成本亦 較則述之習用切換式電源供應器低廉。 =杨之構想，提出—種切換式電源供 ;nnrs)的控制方法，該购 〆匕括交壓态以及耦接於該變壓器之一次侧的一 =關和-辅助開關，該控制方法係固定該輔助開關 =開啟時間，產生該主開關每次的關閉時間皆固 定的效應，以達到零電壓切換該主開關的目的。。 本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得更深入之 了解： 【實施方式】 、請參閱第二圖⑷及⑻，其分別為本案順向型切換 式電源供應器之功率級電路示意圖以及各作用開關之 電塵及電流的時序圖，其中切換式電源供應器20係為 一順向型（forward)架構之切換式電源供應器。 在第二圖⑷中，切換式電源供應器20係由輔助電 7 1301351 各Ca及辅助開關Q2所構成的輔助電路、主開關qj、 變壓器T、第一整流開關S1、第二整流開關s.2、濾波 電感L及濾波電容Cb所構成的濾波電路、輔助開關 控制電路21以及零電壓切換偵測器22所構成。 在第二圖（a)中，輔助電容Ca及輔助開關Q2係彼 此串聯後、再並聯於變壓器T的一次側，主開關Q 1 的一端連接於變壓器T的一次側及零電壓切換偵測器

22、另一端連接於地及輸入端Vin，辅助開關控制電路 21連接於輔助開關Q2的控制端及變麗器τ的一次 旬辅助開關控制電路21係由一驅動器211及一計時 ^ 212所構成，值传注意的是，第二圖中係以變壓器 ^的一次側線圈當作驅動器211的實施例，除了變壓 裔丁的一次側線圈之外，對於熟習本項技術者來說， 用以控制辅助開關q2的驅動器211當然還有別的 方法。 此外，第一整流開關S1 接於變壓考T一八不一正机闲關〜你祸 簡接於ί敕Γ人側’遽波電感L及渡波電容Cb 則耦接於弟二整流開關S2的兩端。 =要達到將主開關Q1進行零電壓切換的目 用^案所提出的控制方法為（請參閱第二圖⑽，利 時間，固定獅開關Q2每次的開啟 也就是u固定主開1 Q1每次之關閉時間的效應； ^，利用辅助開關控制電路21的驅動考211 _ 制辅助開關Q2,祐田4 士 211 ^ 開關Q2每次的門守器212計算時間，使得輔助 的開啟時間獲得固定。如第二圖（b)所示， 8 1301351 當辅助開關Q2開啟時，-次側線圈Lm 六

Ca發生共振，而當辅助開關Q2關閉時，零 ^ 偵測器2 2便能夠_到主開關Q!之第—端=、 Γ上壓二換：’並開啟主開關Q1。此舉反應在主開關 二：效應便是主開關Q1每次之關閉時間凡 =奐 、請參閱第三圖（a)及(b)，其分別為本案 :電源供應器之功率級電路示意圖以及各作用：之 電屋及電流的時序圖’其中切換式電源❹^ 一返架構之切換式電源供應I。為 部份皆採用相同之圖示符號.惟；同之元件大 整流開㈣及遽波電感:隹弟二圖中移除了第二 與第二圖類似，本案所提出 第三圖⑻)，利用辅助開 'f方法為(味參閱 閉時間的效應；也就β r /固疋主開關Q1每次之關 的驅動5 311押'疋°兄’ 1用輔助開關控制電路31 時間^ 2開關Q2,並用計時器阳計算 不同之處在於，如第三圖：啟二：獲传固定。較 啟時，—次側線圈Lk與辅助蛩1，虽輔助開關Q2開 當輔助開關Q2 發生共振，接著 發生共振，以達到跫㈣：旬線圈以與電容Coss 32便能_測到主開關.φ 3當零㈣切制測器 4之弟一端節點上的零電壓 1301351 切換點，並開啟主開關Q1。此舉反應在主開關Q1上 的效應便是主開關Q1每次之關閉時間Toff獲得固 定，如此便能夠達到主開關Q1之第一端節點上的零電 壓切換的目的。 綜上所述，本案係藉由固定切換式電源供應器中 變壓器一次側之輔助開關每次的開啟時間，以產生固 定主開關每次之關閉時間的效應，達到零電壓切換主 開關的目的；不但同時適用於順向型及返驰型架構之 切換式電源供應器，亦無須電路複雜且高價的驅動變 壓器，其控制方式較前述之習用切換式電源供應器簡 單，製造成本亦較前述之習用切換式電源供應器低廉。 本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修 飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第一圖：一種習用切換式電源供應器之功率級電路的 示意圖； 第二圖（a)及(b):分別為本案順向型切換式電源供應器 之功率級電路示意圖以及各作用開關之電壓及電流的 時序圖；以及 第三圖（a)及(b):分別為本案返馳型切換式電源供應器 之功率級電路示意圖以及各作用開關之電壓及電流的 時序圖。 1301351 【主要元件符號說明】 10、20、30切換式電源供應器 Ca輔助電容 _ Q1主開關 Q2輔助開關 T變壓器 T1驅動變壓器 S1第一整流開關 ⑩ S2第二整流開關 L濾波電感 Cb濾波電容 Coss電容 Vo輸出端 Vin輸入電壓 Toff關閉時間 21、31輔助開關控制電路 • 11、22、32零電壓切換偵測積體電路 211、 311驅動電路 212、 312計時器 π

Claims (1)

1301351 十、申請專利範圍·· L一種切換式電源供應器，包括： 一辅助電路，包括一辅 電容係串聯於該輔助開關; 輔助開關，該辅助 成裯助％路並聯於該變壓一一 一辅助開關控制電路，漣接 -人側； 之--欠側，用,、… 賴辅助開關及該變壓哭 ^侧用以固定該辅助開關每次的開啟時間.欠[口0 一主開關，具有一第一端、一第— ， 第一端連接於該變壓器之一次側； -控制端，該 一零電壓切換(ZVS)控制器，連接於兮 一端及該控制端; 主開關之該第 器之二次側; 第及一第二整流開關，耦接於該變壓 以及 一濾波電路，並聯於該第二整流開關之兩端； 其中，該辅助f·控制電路固定該辅助開關每次的開 時間，產生該主開關每次的關閉時間皆固定的效應，以 •達到零電壓切換該主開關的目的。 W 2·如申請專利範圍第1項之切換式電源供應器，其中該辅 助開關控制電路包括一驅動器（driver)及一計時器（timer)。 3·如申請專利範圍第2項之切換式電源供應器，其中該驅 動器係為該變壓器之一次側線圈。 / 4·如申請專利範圍第1項之切換式電源供應器，其中該零 電壓切換偵測器係用以偵測該主開關之該第一端上的零 電壓。 7 5·如申請專利範圍第1項之切換式電源供應器，其中該輔 12 1301351 助開關、該主開關、該第一及 開關元件。 °弟一整〜開關係為半導體 =:專利範圍第1項之切換式電源供應器，…嘴 波電路包括一遽波電感及-遽波電容。 -慮 7· —種切換式電源供應器，包括： 一辅助電路，包括一辅肋雷六 電容係串聯於該辅助開關電谷及一辅助開關’該辅助 一變壓器’該辅助電路並聯於該變壓器之—次 =助開·制電路’連接於該辅助開關及變壓 之-次側，用以固定該辅助開關每次的開啟時間； 開關’具有一第一端、一第二端及 弟一端連接於該變壓器之一次侧； 制知5亥 -零電壓切換(ZVS)控制器，連接於 -端及該控制端； Μ關之該第 一第-整流f· ’-魏接於該變壓器之二 另：ί波電路’一端連接於該第一整流開關的另-端， 另一鳊連接於該變壓器之二次侧； 鈿 啟時ί中吝=助開關控制電路固定該輔助開關每次的開 達到零電屢切換該主開關的目的。 h 文應以 =申睛專利範圍第7項之切換式電源供應器，其中該 助開關控制電路包括一 _ & /、 ^ 9 &由& ^ Γ 動益（dnVer)及一計時器W贿）。 π |範圍第8項之切換式電源供應 動器係為該變塵器之一次側線圈。 ，、中城 1〇.如申請專利範圍第7項之切換式電源供應器，其中該零 13 1301351 電壓切換偵測器係 電壓。 偵測該主開關之該第一端上的零 11.如申請專利範 助開關、該主開關1ί之切換式電源供應器，其中該輔 件。 弟一整流開關係為半導體開關元 12.如申凊專利範圍第7 波電路包括1波電容。、、式電源供應器，其中該濾 L3 電源供應11之零㈣城(2 vs)的控制方 變㈣供應器至少包括一變屢器以及·接於該 括=驟次側的一主開關和一輔助開關爾 固疋該辅助開關每次的開啟時間，產生該主開關每次 的關閉時間皆固定的效應，以達到零電壓切換該主開 目的0 14.如申請專利範圍第13項之控制方法，其中該切換式 源供應器係選自一順向型（forward)切換式電源供應器 返驰型（feedback)切換式電源供應器其中之一 14