TWI711265B

TWI711265B - 一種主控系統

Info

Publication number: TWI711265B
Application number: TW108130115A
Authority: TW
Inventors: 蘇明堂; 葉鴻騰; 曹洪彰; 張宏德
Original assignee: 芯籟半導體股份有限公司
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2020-11-21
Also published as: TW202110070A

Abstract

一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，二次側之控制器將主動發出同步整流MOS的導通控制訊號而控制二次側的MOS以調整二次側之輸出電壓，並將反向的MOS導通訊號經由光耦隔離器而傳送至一次側之自啟/閘極驅動器(Self-Start/Gate Driver)而控制一次側的MOS。利用本發明之主控系統，二次側為整個回授迴圈的主控，而二次側之MOS無需去追蹤Vds來切換導通與否，且一次側的MOS導通與否僅是二次側之MOS的反向，如此整個一次側之MOS切換訊號極度簡化。

Description

一種主控系統

本發明係有關於主控系統，更詳而言之，係有關於一種應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中的主控系統。

就目前習知之主流的半波反饋式可調電壓之電壓供應器架構而言，現今主流的手機充電電源供應器其一次側的電源輸入電壓Vi為了符合全世界電壓，其設計規範為700V，而二次側的輸出電壓Vo，則依照USB PD 100W規範為20V。

半波反饋式可調電壓之電壓供應器的電壓回授是二次側的輸出電壓經過一個電壓耦合電壓器回授控制器，而電流的回授是使用輔助線圈將電流訊號轉換成電壓傳給控制器。控制器處理電壓、電流訊號來校整進入變壓器之能量，而控制的方式是開關MOS。利用二次側的濾波器來達到濾波功能，而此濾波器可以為被動二極體或是換成以MOS所構成的同步整流器來提高效率。

於傳統上，此整個迴路控制器均為類比式的，其穩定度與可控性均不如全數位式之，而二次側只是被動的由一次側來給予能量，而無法主動要求需求能量。此設計需要線性良好的電壓轉換變壓器來得知二次側的電壓輸出狀況，而電流的感測則需特殊的反饋電壓器才能有電流感知功能，惟，這兩個元件係均屬於類比線性元件，則需較貴的成本，且會有零件老化與線性度校整的問題。

台灣專利公開/公告號201122753「電壓調整系統」係揭露一種電壓調整系統包括處理器、延遲預測器、控制器、以及電壓供應器。處理器具有可變延遲之功能單元，其區分成多個電源區域。功能單元依據目前電路的速度產生對應的延遲信號。延遲預測器接收延遲信號並根據延遲信號預測處理器之效能，產生預測信號。控制器接收預測信號，比較預測信號之值與至少一參考值，且根據比較結果產生多個控制信號。電壓供應器耦接提供高電壓之第一電壓源以及提供低電壓之第二電壓源。電壓供應器分別根據控制器產生之控制信號切換，提供高電壓或低電壓至功能單元之多個電源區域。

台灣專利公開/公告號I579875「一種可變功率電容器及其控制方法及應用」係提供一種功率電容器，其用於RF功率遞送系統。所述功率電容器包括至少兩個藉由包括固體順電介電材料之電容器介電質隔開之RF電極，所述固體順電介電材料之相對電容率可藉由改變在DC偏壓電極處施加於介電質上之DC偏壓來控制。亦描述複合電容器配置、RF功率系統及控制所述功率電容器之方法。

台灣專利公開/公告號 I387206 「功率供應補償之電壓及電流供應器」係揭露揭示一種用於提供一功率供應補償之電壓或電流的裝置及方法。一供應補償之電流及電壓源利用一連接至一能帶隙參考電壓及一經定標之功率供應電壓的微分放大器。當功率供應變化時，該微分放大器調節一穩定補償的輸出。該輸出可為一補償電壓或電流。另外，可參考來自該微分放大器中之多個電流及電壓。該穩定補償的輸出可以一用於外部電路的參考偏壓之方式供應。另外，該補償輸出可供應至一電壓控制振盪器。

台灣專利公開/公告號201825909「電流感測放大器架構及位準移位器」係揭露一高端電流感測放大器架構，其藉由僅使用斬波、無需自動歸零，且使用一較簡易(且較快)切換之電容濾波器而非一自動歸零積分濾波器來對先前技術電流感測放大器電路進行簡化及改良。此外，VIP (正DC感測節點)經與VDDHV (電源供應器)節點合併，使得該積體電路封裝僅需要一單一節點(封裝引腳)來容納電流感測放大器電路之VIP及VDDHV連接兩者，從而導致可使用一較小積體電路封裝。一小電阻器經耦合於VIP與VDDHV之間以顯著減小偏壓。提供精確斬波操作所必要之一低延遲時間的高電壓位準移位器。

換言之，就目前的習知之可調電壓之電壓供應器而言，如何能在手機充電電源供應器其一次側的電源輸入電壓Vi不使用高電壓，例如，700V;且，反饋式可調電壓之電壓供應器的電壓回授並非是二次側的輸出電壓經過一個電壓耦合電壓器而回授控制器，而電流的回授並無須利用一次側的輔助線圈而將電流訊號轉換成電壓傳給控制器;再，無須利用穩定度與可控性均不如全數位式之為類比式的整個迴路控制器;另，如何解決二次側只是被動的由一次側來給予能量，而無法主動要求需求能量，且無須線性良好的電壓轉換變壓器來得知二次側的電壓輸出狀況而電流的感測則需特殊的反饋電壓器才能有電流感知功能，惟，這兩個元件係均屬於類比線性元件，則需較貴的成本，且會有零件老化與線性度校整的情況;是故，以上所提及的種種議題如何能予以克服，均是待解決的問題。

本發明之主要目的便是在於提供一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，二次側之控制器將主動發出同步整流MOS的導通控制訊號而控制二次側的MOS以調整二次側之輸出電壓，並將反向的MOS導通訊號經由光耦隔離器而傳送至一次側以控制一次側的MOS。

本發明之又一目的便是在於提供一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，二次側可對一次側主動要求來給予能量，整個迴路控制為利用數位式;另，無須二次側的主動二極體切換電路，無須特殊昂貴之可偵測電流的主變壓器，無須可傳輸類比訊號的隔離器而僅需傳輸數位訊號的隔離器，無須輸出電壓回饋的回饋隔離變壓器，而是利用二次側同步主動控制穩壓控制，可利用全數位化控制迴圈而預防零件老化、並可支援快充協議(例如，手機快充)、數位介面與物聯網。

本發明之另一目的便是在於提供一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，利用本發明之主控系統，二次側為整個回授迴圈的主控，而二次側之MOS無需去追蹤Vds來切換導通與否，且一次側的MOS導通與否僅是二次側之MOS的反向，如此整個一次側之MOS切換訊號極度簡化。

本發明之再一目的便是在於提供一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，使用類比到數位轉換電路ADC來將電壓、電流與溫度訊號轉換為數位，如此一來不只可以減少零件老化問題，可以使用更佳的控制器，以達到更佳的電源負載校整能力;而，數位化的設計亦可配合快充協議的電路與後級的電源汲取裝置做溝通，且更進一步的可以使用物聯網的介面來達到遠端監控的優勢。

本發明之又一目的便是在於提供一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，在手機充電電源供應器其一次側的電源輸入電壓Vi不使用高電壓，例如，700V;且，反饋式可調電壓之電壓供應器的電壓回授並非是二次側的輸出電壓經過一個電壓耦合電壓器而回授控制器，而電流的回授並無須利用一次側的輔助線圈而將電流訊號轉換成電壓傳給控制器;再，無須利用穩定度與可控性均不如全數位式之為類比式的整個迴路控制器;另，無須線性良好的電壓轉換變壓器來得知二次側的電壓輸出狀況而電流的感測則需特殊的反饋電壓器才能有電流感知功能，換言之，無須利用線性良好之電壓轉換變壓器、以及特殊的反饋電壓器。

根據以上所述之目的，本發明提供一種應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的主控系統，該主控系統至少包含控制器、光耦隔離器、以及自啟/閘極驅動器。

二次側之控制器將主動發出同步整流MOS的導通控制訊號而控制二次側的MOS以調整二次側之輸出電壓，並將反向的MOS導通訊號經由光耦隔離器(isolator)而傳送至一次側之自啟/閘極驅動器(Self Start/Gate Driver)而控制一次側的MOS，在此，二次側為整個回授迴圈的主控，而二次側之MOS無需去追蹤Vds來切換導通與否，且一次側的MOS導通與否僅是二次側之MOS的反向，如此整個一次側之MOS切換訊號極度簡化。

應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的主控系統的架構為二次側主控，是故，在全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器，於一次側之上電階段變壓器鐵心是沒有儲存任何磁通能量且輸出端之輸出電壓也是尚未建立電壓，所以主控系統的控制器是沒有足夠電壓動作，所以剛上電開機會進入自啟動模式，此時二次側之MOS保持關閉OFF（控制器的MOS之Vgs pull low)，並利用其本體二極體(BODY DIODE)作為被動二極體;一次側的自開機電路會發出週期脈衝將一次側之MOS導通ON，將一次側之變壓器作充放電，二次側的為被動二極體之MOS 當作被動整流，此階段整個電路處於半波反饋式電源架構;另，當二次側的輸出電壓之電壓足夠讓控制器正常動作時，則控制器會將整個電路切換到二次側穩壓模式。

另，視實際需求，本發明之主控系統可配合於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的輸出電壓端的數位接口(Digital I/F)，以I2C匯流排BUS/電源管理匯流排PMBUS而連接至外部主機(Host)、以PD轉DC(PD/DC)USB進行快充協議(Quick Charging Protocol)(例如，手機快充)。

爲使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如後:

第1圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之快充系統之架構、以及運作情形。如第1圖中所示之，應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的主控系統1，該主控系統1至少包含控制器2、光耦隔離器3、以及自啟/閘極驅動器4，其中，該光耦隔離器3與該控制器2電性連接，而該自啟/閘極驅動器4與該光耦隔離器3電性連接。

控制器2，二次側之該控制器2將主動發出同步整流MOS的導通控制訊號而控制二次側的MOS以調整二次側之輸出電壓，並將反向的MOS導通訊號經由光耦隔離器3而傳送至一次側之自啟/閘極驅動器4而控制一次側的MOS，在此，二次側為整個回授迴圈的主控，而二次側之MOS無需去追蹤Vds來切換導通與否，且一次側的MOS導通與否僅是二次側之MOS的反向，如此整個一次側之MOS切換訊號極度簡化。

應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的主控系統1的架構為二次側主控，是故，在全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器，於一次側之上電階段變壓器鐵心是沒有儲存任何磁通能量且輸出端之輸出電壓也是尚未建立電壓，所以主控系統1的控制器2是沒有足夠電壓動作，所以剛上電開機會進入自啟動模式，此時二次側之MOS保持關閉OFF（控制器的MOS之Vgs pull low)，並利用其本體二極體(BODY DIODE)作為被動二極體;一次側的自開機電路會發出週期脈衝將一次側之MOS導通ON，將一次側之變壓器作充放電，二次側的為被動二極體之MOS 當作被動整流，此階段整個電路處於半波反饋式電源架構;另，當二次側的輸出電壓之電壓足夠讓控制器2正常動作時，則控制器2會將整個電路切換到二次側穩壓模式。

另，視實際需求，本發明之主控系統1可配合於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的輸出電壓端的數位接口(Digital I/F)，以I2C匯流排BUS/電源管理匯流排PMBUS而連接至外部主機(Host)、以PD轉DC(PD/DC)USB進行快充協議(Quick Charging Protocol)(例如，手機快充)。

第2圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之主控系統的一實施例的架構、以及一運作情形。如第2圖中所示之，應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的主控系統1，該主控系統1至少包含控制器2、光耦隔離器3、以及自啟/閘極驅動器4，其中，該光耦隔離器3與該控制器2電性連接，而該自啟/閘極驅動器4與該光耦隔離器3電性連接。

於自啟動模式時，應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的主控系統1的架構為二次側主控，是故，在全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器，於一次側之上電階段變壓器T1鐵心是沒有儲存任何磁通能量且輸出端之輸出電壓Vo也是尚未建立電壓，所以主控系統1的控制器2是沒有足夠電壓動作，所以剛上電開機會進入自啟動模式，此時二次側之MOS M2保持關閉OFF（控制器的M2 Vgs pull low)，並利用其本體二極體(BODY DIODE)作為被動二極體;一次側的自開機電路會發出週期脈衝將一次側之MOS M1導通ON，將變壓器T1作充放電，二次側的為被動二極體之MOS M2當作被動整流，此階段整個電路處於半波反饋式電源架構;另，當二次側的輸出電壓Vo之電壓足夠讓控制器正常動作時，則控制器會將整個電路切換到二次側穩壓模式。

在此，從一次側來看電壓跟變壓器的關係為如下: Vin:一次側整流器的輸出，亦為返馳式變壓器輸入。 Vp:一次側的返馳電壓。電壓器的輸入端。 Vs:為二次側感應的輸出電壓。 Np:一次側的線圈數。 Ns:二次側的先圈數。 D1:T1_ON/T1_OFF，一次側的M1 MOS開關時間比。 D2:T2_ON/T2_OFF，二次側的M2 MOS開關時間比。 Vp/Vs=Ns/Np =>Vp=Vs*Np/Ns-------------------(1) Vp=D1*Vin-----------------------(2) 由(1)(2)可推知，Vs=D1*Vin*Ns/Np -----------(3) 以上為一次側主控，二次側被動整流濾波的輸出電壓關係。此時，二次側的角度來看，M2的開關跟M1的開關剛好是相反的。 D1= T1_ON/T1_OFF= T2_OFF/T2_ON=1/D2-----(4) 由(3)(4)可推知，Vs=(1/D2)*Vin*Ns/Np 因而，Vs/D1=Vs*D2=Vin*Ns/Np 由此關係來看當二次側為主控時，其一次側的開關關係亦為反相關係。

另，視實際需求，本發明之主控系統1可配合於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的輸出電壓Vo端的數位接口5，以I2C匯流排BUS/電源管理匯流排PMBUS而連接至外部主機(Host)、以PD轉DC(PD/DC)USB進行快充協議(Quick Charging Protocol)(例如，手機快充)。

M3為輸出開關，當異常或是充電協議溝通電源供應器關閉。

第3圖為一示意圖，用以顯示說明於第2圖中本發明之主控系統的實施例的另一運作情形。如第3圖中所示之為二次側運作模式。

於二次側運作模式，M2的Vds經由差動電路讀取經類比到數位轉換電路ADC(Isense)6數位化後做溫度校整所得到之線性電流。二次側控制器2由Isense(類比到數位轉換電路ADC)6感測電壓跟電流狀況，反饋給為數位控制器（PID等）的控制器2。因為是整個數位控制迴圈，控制器2不單單是可以變化脈衝寬度調變PWM、脈衝頻率調變PFM或恆定導通時間COT模式，亦可使用非線性的技巧來幫助迴圈反應時間與穩定性。

為數位控制器之控制器2會送出M2的Vg控制電壓，而控制器2會經由光耦隔離器3、自啟/閘極驅動器4而送出一次側M1的Vg控制電壓。

反饋式的鐵心變壓器T1可以做到能量守恆的效果，且 M2跟M1的導通時間是互斥的，中間的停滯時間Td(DeadTime)可以由控制器2作開路的控制即可而不會有大的電感斷電突波問題。為了電源供應效率，M1跟M2開關之停滯時間Td(DeadTime)越小越好，其優化的設計可以在工程開發階段，由二次側送個脈衝寬度調變PWM至一次側，然後由變壓器T1的二次側量得其延遲時間，將此延遲時間可以用來設定停滯時間Td(DeadTime)的優化。

M3為輸出開關，當異常或是充電協議溝通電源供應器關閉。

第4圖為一示意圖，用以顯示說明於第2圖中本發明之主控系統的實施例的再一運作情形。如第4圖中所示之為二次側運作模式。

當M2關閉時，M1會開通對變壓器T1充電。M1的Vg只是經由光耦隔離器3將單純的ON/OFF訊號送過去給自啟/閘極驅動器4之閘極驅動器，無須做訊號處理。此觀念是控制器2經由光耦隔離器3延伸脈衝寬度調變PWM控制M1。

一次側的M1在M2關閉時將能量儲存到變壓器T1以供下個M2導通抽出。

M3為輸出開關，當異常或是充電協議溝通電源供應器關閉。

綜合以上之該些實施例，我們可以得到本發明之一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，二次側之控制器將主動發出同步整流MOS的導通控制訊號而控制二次側的MOS以調整二次側之輸出電壓，並將反向的MOS導通訊號經由光耦隔離器而傳送至一次側之自啟/閘極驅動器而控制一次側的MOS。利用本發明之主控系統，二次側為整個回授迴圈的主控，而二次側之MOS無需去追蹤Vds來切換導通與否，且一次側的MOS導通與否僅是二次側之MOS的反向，如此整個一次側之MOS切換訊號極度簡化。本發明之主控系統包含以下優點: 1. 二次側之控制器將主動發出同步整流MOS的導通控制訊號來調整二次側之輸出電壓，並將反向的MOS導通訊號經由光耦隔離器而傳送至一次側以控制一次側的MOS。 2. 二次側可對一次側主動要求來給予能量，整個迴路控制為利用數位式;另，無須二次側的主動二極體切換電路，無須特殊昂貴之可偵測電流的主變壓器，無須可傳輸類比訊號的隔離器而僅需傳輸數位訊號的隔離器，無須輸出電壓回饋的回饋隔離變壓器，而是利用二次側同步主動控制穩壓控制，可利用全數位化控制迴圈而預防零件老化、並可支援快充協議、數位介面與物聯網。 3. 利用本發明之主控系統，二次側為整個回授迴圈的主控，而二次側之MOS無需去追蹤Vds來切換導通與否，且一次側的MOS導通與否僅是二次側的反向，如此整個一次側之MOS切換訊號極度簡化。 4. 使用類比到數位轉換電路ADC來將電壓、電流與溫度訊號轉換為數位，如此一來不只可以減少零件老化問題，可以使用更佳的控制器，以達到更佳的電源負載校整能力;而，數位化的設計亦可配合快充協議的電路與後級的電源汲取裝置做溝通，且更進一步的可以使用物聯網的介面來達到遠端監控的優勢。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之範圍;凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。

1:主控系統 2:控制器 3:光耦隔離器 4:自啟/閘極驅動器 5:數位接口 6:數位轉換電路ADC M1:MOS M2:MOS M3:輸出開關 T1:變壓器

第1圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之快充系統之架構、以及運作情形; 第2圖為一示意圖，用以顯示說明本發明之主控系統的一實施例的架構、以及一運作情形; 第3圖為一示意圖，用以顯示說明於第2圖中本發明之主控系統的實施例的另一運作情形;以及第4圖為一示意圖，用以顯示說明於第2圖中本發明之主控系統的實施例的再一運作情形。

1:主控系統

2:控制器

3:光耦隔離器

4:自啟/閘極驅動器

Claims

一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，包含：控制器；類比到數位轉換電路，該類比到數位轉換電路與該控制器電性連接；光耦隔離器，該光耦隔離器與該控制器電性連接；以及自啟/閘極驅動器，該自啟/閘極驅動器與該光耦隔離器電性連接；其中，二次側之該類比到數位轉換電路感測電壓跟電流狀況，並反饋給該控制器；以及，該二次側之該控制器將主動發出一同步整流MOS導通控制訊號而控制該二次側的MOS以調整該二次側之輸出電壓，該控制器並將一反向MOS導通訊號經由該光耦隔離器而傳送至一次側之該自啟/閘極驅動器而控制一次側的MOS。
如申請專利範圍第1項所述之主控系統，其中，該二次側之該控制器為回授迴圈的主控。
如申請專利範圍第1項所述之主控系統，其中，該一次側的該MOS導通與否僅是該二次側之該MOS的反向。
如申請專利範圍第3項所述之主控系統，其中，於自啟動模式，該二次側之該MOS為關閉，並利用該MOS之本體二極體作為被動二極體；另，當該二次側的該MOS為關閉，則該一次側的該MOS為導通。
如申請專利範圍第3項所述之主控系統，其中，於該二次側之穩壓模式，該一次側的該MOS為導通.而該二次側的該MOS為關閉。
一種主控系統，係應用於全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的環境中，包含：控制器；類比到數位轉換電路，該類比到數位轉換電路與該控制器電性連接；光耦隔離器，該光耦隔離器與該控制器電性連接；以及自啟/閘極驅動器，該自啟/閘極驅動器與該光耦隔離器電性連接；其中，二次側之該類比到數位轉換電路感測電壓跟電流狀況，並反饋給該控制器；該二次側之該控制器將主動發出一同步整流MOS導通控制訊號而控制該二次側的MOS以調整該二次側之輸出電壓，該控制器並將一反向MOS導通訊號經由該光耦隔離器而傳送至一次側之該自啟/閘極驅動器而控制一次側的MOS；以及其中，該主控系統配合於該全數位可調電壓半波二次側主控反饋式同步整流電源供應器的輸出電壓端的數位接口，以I2C匯流排BUS/電源管理匯流排PMBUS而連接至外部主機、以PD轉DC(PD/DC)USB進行快充協議。
如申請專利範圍第6項所述之主控系統，其中，該二次側之該控制器為回授迴圈的主控。
如申請專利範圍第6項所述之主控系統，其中，該一次側的該MOS導通與否僅是該二次側之該MOS的反向。
如申請專利範圍第8項所述之主控系統，其中，於自啟動模式，該二次側之該MOS為關閉，並利用該MOS之本體二極體作為被動二極體；另，當該二次側的該MOS為關閉，則該一次側的該MOS為導通。
如申請專利範圍第8項所述之主控系統，其中，於該二次側之穩壓模式，該一次側的該MOS為導通.而該二次側的該MOS為關閉。