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TWI860733B - 具有電壓補償功能的初級控制器及其操作方法 - Google Patents

具有電壓補償功能的初級控制器及其操作方法 Download PDF

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TWI860733B
TWI860733B TW112120293A TW112120293A TWI860733B TW I860733 B TWI860733 B TW I860733B TW 112120293 A TW112120293 A TW 112120293A TW 112120293 A TW112120293 A TW 112120293A TW I860733 B TWI860733 B TW I860733B
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Taiwan
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transistor
type metal
control signal
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鄒明璋
蔡孟仁
林銘彥
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通嘉科技股份有限公司
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Abstract

應用於一電源轉換器的一次側的具有電壓補償功能的初級控制器包含一閘極控制信號產生電路，且該閘極控制信號產生電路包含一箝位單元和一驅動單元。該閘極控制信號產生電路耦接於設置在該電源轉換器的一次側的一功率開關，用以致能一閘極控制信號，其中該閘極控制信號是用以使該功率開關開啟。該箝位單元根據一箝位電壓，產生一補償電壓。該驅動單元耦接於該箝位單元和該功率開關的閘極之間，用以根據該補償電壓產生該閘極控制信號。該箝位電壓是對應地隨耦接於該功率開關的一偵測電阻上的一偵測電壓變化。

Description

具有電壓補償功能的初級控制器及其操作方法
本發明是有關於一種具有電壓補償功能的初級控制器及其操作方法，尤指一種在偵測電壓動態改變的情況下，還是可使電源轉換器的功率開關操作在飽和區的初級控制器及其操作方法。
在現有技術中，當返馳式電源轉換器(flyback power converter)的一次側的功率開關開啟(導通)時，流經該功率開關的一次側電流會從零逐漸增加。因為由耦接於該功率開關的源極的偵測電阻和該一次側電流所決定的偵測電壓也會從零逐漸增加，所以該功率開關的源極上的源極電壓也會從零逐漸增加。此時，如果施加於該功率開關的閘極的閘極控制信號的電位位準沒有改變的話，則該功率開關的閘源極電壓將會逐漸減少，導致該功率開關的操作脫離飽和區進入三極管區。如此，該返馳式電源轉換器的轉換效率將降低。
因此，如何解決上述現有技術的問題已成為應用於該返馳式電源轉換器的一次側的初級控制器的設計者的一項重要課題。
本發明的一實施例公開一種具有電壓補償功能的初級控制器，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側。該初級控制器包含一閘極控制信號產生電路，且該閘極控制信號產生電路包含一箝位單元和一驅動單元。該閘極控制信號產生電路耦接於設置在該電源轉換器的一次側的一功率開關，用以致能一閘極控制信號，其中該閘極控制信號是用以使該功率開關開啟。該箝位單元用以根據一箝位電壓，產生一補償電壓。該驅動單元耦接於該箝位單元和該功率開關的閘極之間，用以根據該補償電壓產生該閘極控制信號，其中該箝位電壓是對應地隨耦接於該功率開關的一偵測電阻上的一偵測電壓變化。
本發明的另一實施例公開一種具有電壓補償功能的初級控制器，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側。該初級控制器包含一閘極控制信號產生電路，且該閘極控制信號產生電路包含一箝位單元和一驅動單元。該閘極控制信號產生電路耦接於設置在該電源轉換器的一次側的一功率開關，用以致能一閘極控制信號，其中該閘極控制信號是用以使該功率開關開啟。該箝位單元用以根據一箝位電壓，產生一補償電壓。該驅動單元耦接於該箝位單元和該功率開關的閘極之間，用以根據該補償電壓產生該閘極控制信號，其中該箝位電壓是對應地隨該電源轉換器的一次側的一直流輸入電壓變化。
本發明的另一實施例公開一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側，該初級控制器包含一閘極控制信號產生電路，以及該閘極控制信號產生電路包含一箝位單元和一驅動單元。該操作方法包含該箝位單元根據一箝位電壓，產生一補償電壓；及該驅動單元根據該補償電壓產生該閘極控制信號，其中該閘極控制信號是用以使該電源轉換器的一次側的一功率開關開啟，且該箝位電壓是對應地隨耦接於 該功率開關的一偵測電阻上的一偵測電壓變化。
本發明的另一實施例公開一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側，該初級控制器包含一閘極控制信號產生電路，以及該閘極控制信號產生電路包含一箝位單元和一驅動單元。該操作方法包含該箝位單元根據一箝位電壓，產生一補償電壓；及該驅動單元根據該補償電壓產生該閘極控制信號，其中該箝位電壓是對應地隨該電源轉換器的一次側的一直流輸入電壓變化。
本發明提供一種具有電壓補償功能的初級控制器及其操作方法。該初級控制器及該操作方法可使施加於一電源轉換器的一次側的功率開關的閘極控制信號的電位位準隨著一偵測電壓改變，所以該功率開關的閘源極跨壓並不會隨著該偵測電壓增加而對應地減少。因此，相較於現有技術，在該偵測電壓動態改變的情況下，該功率開關還是可操作在飽和區，所以該電源轉換器的轉換效率並不會被降低。
100、300:初級控制器
102、302:閘極控制信號產生電路
1022、3022:箝位單元
10222、3042:電流源
10224:第一開關
10226、30228、3062、3064、4022、4024:P型金氧半電晶體
10228、30226:放大器
10230:第二開關
1024:驅動單元
10242:第一N型金氧半電晶體
10244:第二N型金氧半電晶體
104、106、108:接腳
200:電源轉換器
202:功率開關
204:偵測電阻
206:輔助繞組
208:橋式整流器
210:一次側繞組
304、404:電流轉電壓單元
305:電壓轉電流單元
306:第一電流鏡
3044、3066:N型金氧半電晶體
3046:電容
30222、40222:可變電流源
30224、3068:電阻
A、B:節點
GCS:閘極控制信號
GND1:第二電壓
GND2:地電位
IC:充電電流
IFB:回授電流
IRAMP:可變充電電流
IRAMP(MAX):可變充電電流最大值
I1:電流
IBASE:基礎電流
IPRI:一次側電流
PRI:一次側
SEC:二次側
T1:時間
TONMAX:最大開啟時間
VCC:第一電壓
VC:補償電壓
VCS:偵測電壓
VCLAMP:箝位電壓
VCLAMP(MAX):箝位電壓最大值
VF:定電壓
VFB:回授電壓
VAUX:輔助電壓
VTO:電壓
VIN:直流輸入電壓
VAC:交流電壓
VGS:閘源極跨壓
V1:第一值
V2:第二值
V3:第三值
Figure 112120293-A0305-02-0022-63
:控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0023-66
:反相控制信號
1100~1104、1200~1210:步驟
第1圖是本發明的第一實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器的示意圖。
第2圖是說明控制信號、閘極控制信號和偵測電壓的波形的時序示意圖。
第3圖是本發明的第二實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器的示意圖。
第4圖是說明可變電流源的示意圖。
第5圖是說明可變充電電流會隨著功率開關的開啟時間正向改變的時序示意圖。
第6圖是說明控制信號、閘極控制信號和偵測電壓的波形的時序示意圖。
第7圖是本發明的第三實施例所公開的另一種應用於箝位單元的可變電流源的示意圖。
第8圖是說明控制信號、閘極控制信號和偵測電壓的波形的時序示意圖。
第9圖是說明當交流電壓關閉時，控制信號、閘極控制信號、偵測電壓和功率開關的閘源極電壓的波形的時序示意圖。
第10圖是說明當偵測電阻短路時，控制信號、閘極控制信號、偵測電壓和功率開關的閘源極電壓的波形的時序示意圖。
第11圖是本發明的第四實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法的流程圖。
第12圖是本發明的第五實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法的流程圖。
請參照第1圖，第1圖是本發明的第一實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器100的示意圖，其中初級控制器100應用於一電源轉換器200的一次側PRI，且電源轉換器200為一返馳式電源轉換器(flyback power converter)。如第1圖所示，初級控制器100至少包含一閘極控制信號產生電路102，閘極控制信號產生電路102耦接於設置在電源轉換器200的一次側PRI的一功率開關202，以及用以致能一閘極控制信號GCS，其中閘極控制信號GCS是通過初級控制器100的接腳104傳送至功率開關202的閘極，且閘極控制信號GCS是用以使功率開關202開啟。
如第1圖所示，閘極控制信號產生電路102包含一箝位單元1022和一驅動單元1024，其中驅動單元1024耦接於箝位單元1022和功率開關202的閘極之間。箝位單元1022包含一電流源10222、一第一開關10224、一P型金氧半電晶體10226、一放大器10228和一第二開關10230。電流源10222具有一第一端和一第二端，其中電流源10222的第一端接收一第一電壓VCC，且電流源10222用以提供一充電電流IC；第一開關10224具有一第一端，一第二端和一控制端，其中第一開關10224的第一端耦接於該電流源10222的第二端，第一開關10224的控制端接收一控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0008-29
，且控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0008-31
和功率開關2022的開啟時間有關；P型金氧半電晶體10226具有一第一端，一第二端和一第三端，其中P型金氧半電晶體10226的第一端耦接於第一開關10224的第二端，P型金氧半電晶體10226的第三端接收一第二電壓GND1，第一電壓VCC大於第二電壓GND1，以及第二電壓GND1與電源轉換器200的二次側SEC的一地電位GND2不同；放大器10228具有一輸入端和一輸出端，其中放大器10228的輸出端耦接於P型金氧半電晶體10226的第二端，且放大器10228的輸入端接收一箝位電壓VCLAMP；及第二開關10230具有一第一端，一第二端和一控制端，其中第二開關10230的第一端耦接於第一開關10224的第二端以及P型金氧半電晶體10226的第一端，第二開關10230的控制端接收一反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0008-67
，第二開關10230的第二端接收第二電壓GND1，且反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0008-68
為控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0008-34
的反相信號。
如第1圖所示，驅動單元1024包含一第一N型金氧半電晶體10242和一第二N型金氧半電晶體10244。第一N型金氧半電晶體10242具有一第一端，一第二端和一第三端，其中第一N型金氧半電晶體10242的第一端接收第一電壓VCC，第一N型金氧半電晶體10242的第二端耦接於箝位單元1022，用以接收一 補償電壓VC，以及第一N型金氧半電晶體10242的第三端耦接於功率開關202的閘極，其中第一N型金氧半電晶體10242根據補償電壓VC，產生閘極控制信號GCS；第二N型金氧半電晶體10244具有一第一端，一第二端和一第三端，其中第二N型金氧半電晶體10244的第一端耦接於第一N型金氧半電晶體10242的第三端，第二N型金氧半電晶體10244的第二端用以接收反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-69
，以及第二N型金氧半電晶體10244的第三端用以接收第二電壓GND1。
如第1圖所示，當反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-70
致能(控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-37
去能)時，第一開關10224關閉和第二開關10230開啟，此時，一節點A上的補償電壓VC的電壓位準被下拉至第二電壓GND1(也就是電源轉換器200的一次側PRI的地電位)，所以第一N型金氧半電晶體10242關閉。另外，因為反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-71
致能，所以第二N型金氧半電晶體10244開啟，導致接腳104上的電壓位準被下拉至第二電壓GND1(也就是閘極控制信號GCS被去能)。
如第1圖所示，當控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-39
致能(反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-72
去能)時，第一開關10224開啟和第二開關10230關閉，P型金氧半電晶體10226和放大器10228將會根據箝位電壓VCLAMP，使充電電流IC對節點A充電直到補償電壓VC的電壓位準與箝位電壓VCLAMP的電壓位準相等，其中箝位電壓VCLAMP是對應地隨耦接於功率開關202的一偵測電阻204上的一偵測電壓VCS變化，也就是當偵測電壓VCS小於一第一參考電壓時，箝位電壓VCLAMP具有一第一值V1，當偵測電壓VCS介於該第一參考電壓和一第二參考電壓時，箝位電壓VCLAMP具有一第二值V2，以及當偵測電壓VCS大於該第二參考電壓時，箝位電壓VCLAMP具有一第三值V3，其中第一值V1小於第二值V2，且第二值V2小於第三值V3。另外，因為當控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-42
致能(反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0009-73
去能)時，第一N型金氧半電晶體10242開 啟以及第二N型金氧半電晶體10244關閉，所以第一N型金氧半電晶體10242可使閘極控制信號GCS對應地隨補償電壓VC的電壓位準變化。
因此，如第2圖所示，因為當控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0010-44
致能時，箝位電壓VCLAMP是對應地隨偵測電阻204上的偵測電壓VCS變化，補償電壓VC的電壓位準與箝位電壓VCLAMP的電壓位準相等，且閘極控制信號GCS對應地隨補償電壓VC的電壓位準正向改變，所以閘極控制信號GCS會隨著偵測電壓VCS的增加而階梯式地增加。也就是說當偵測電壓VCS增加時，功率開關202的閘源極跨壓並不會隨著偵測電壓VCS增加而對應地減少，所以功率開關202還是可操作在飽和區。
另外，如第1圖所示，本發明領域具有熟知技藝者應當明瞭初級控制器100僅繪示出與本發明相關的元件。也就是說初級控制器100並不受限於僅包含閘極控制信號產生電路102。
另外，如第1圖所示，第一電壓VCC是根據設置在電源轉換器200的一次側PRI的輔助繞組206上的輔助電壓VAUX所產生，且初級控制器100通過一接腳108接收第一電壓VCC。
另外，請參照第3圖，第3圖是本發明的第二實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器300的示意圖，其中初級控制器300也是應用於電源轉換器200的一次側PRI。如第3圖所示，初級控制器300和初級控制器100的差別在於一閘極控制信號產生電路302所包含的一箝位單元3022。箝位單元3022包含一可變電流源30222，一電阻30224，一放大器30226，和一P型金氧半電晶體30228。可變電流源30222具有一第一端和一第二端，其中可變電流源30222的第 一端接收第一電壓VCC，且可變電流源30222用以提供一可變充電電流IRAMP，且可變充電電流IRAMP是和功率開關202的開啟時間有關；電阻30224具有一第一端和一第二端，其中電阻30224的第一端耦接於可變電流源30222的第二端以及具有箝位電壓VCLAMP；放大器30226具有一輸入端和一輸出端，其中放大器30226的輸出端耦接於電阻30224的第二端，且放大器30226的輸入端接收一定電壓VF，且箝位電壓VCLAMP是由定電壓VF、可變充電電流IRAMP和電阻30224決定；P型金氧半電晶體30228具有一第一端，一第二端和一第三端，其中P型金氧半電晶體30228的第二端耦接於電阻30224的第一端，P型金氧半電晶體30228的第三端接收第二電壓GND1，其中P型金氧半電晶體30228根據箝位電壓VCLAMP在P型金氧半電晶體30228的第一端產生補償電壓VC。
另外，如第4圖所示，可變電流源30222包含一電流轉電壓單元304、一電壓轉電流單元305和一第一電流鏡306。電流轉電壓單元304包含一電流源3042、一N型金氧半電晶體3044和一電容3046，其中電流源3042、N型金氧半電晶體3044和電容3046之間的耦接關係可參照第4圖，在此不再贅述。如第4圖所示，電流轉電壓單元304是用以根據反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0011-74
和一基礎電流IBASE，在一節點B上產生一電壓VTO，其中基礎電流IBASE為一定電流，以及電壓VTO和功率開關202的開啟時間有關。
如第4圖所示，電壓轉電流單元305包含一N型金氧半電晶體3066和一電阻3068，以及第一電流鏡306包含P型金氧半電晶體3062、3064，其中P型金氧半電晶體3062、3064、N型金氧半電晶體3066和電阻3068之間的耦接關係可參照第4圖，在此也不再贅述。如第4圖所示，電壓轉電流單元305可根據電壓VTO，產生一電流I1，其中因為電壓VTO和功率開關202的開啟時間有關，所以電流I1 也和功率開關202的開啟時間有關；第一電流鏡306用以根據電流I1，產生和功率開關202的開啟時間有關的可變充電電流IRAMP，其中本發明領域具有熟知技藝者應當明瞭可變充電電流IRAMP可由式(1)決定：
Figure 112120293-A0305-02-0012-1
如式(1)所示，TON為功率開關202的開啟時間、C3046為電容3046的電容值、R3068為電阻3068的電阻值，以及K為第一電流鏡306的電流縮放比例，其中K可根據初級控制器300的設計者的需求改變。因為IBASE、C3046、R3068，以及K都為定值，所以可變充電電流IRAMP會隨著TON正向改變(如第5圖所示，其中因為控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0012-46
和功率開關2022的開啟時間有關，所以第5圖可利用控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0012-47
表示TON)。
接下來如第3圖所示，箝位電壓VCLAMP可由式(2)決定：VCLAMP=VF+IRAMP×R30224 (2)
如式(2)所示，R30224為電阻30224的電阻值，其中因為可變充電電流IRAMP會隨著TON正向改變，所以箝位電壓VCLAMP也會隨著TON正向改變。另外，如第3圖所示，因為P型金氧半電晶體30228可使補償電壓VC的電壓位準與箝位電壓VCLAMP的電壓位準相等，所以補償電壓VC也會隨著TON正向改變，導致閘極控制信號GCS也會隨著TON正向改變(如第6圖所示)。因此，如第6圖所示，雖然偵測電壓VCS會隨著TON正向改變(也就是偵測電壓VCS會隨著 TON的增加而增加)，但因為閘極控制信號GCS也會隨著TON正向改變，所以功率開關202的閘源極跨壓並不會隨著偵測電壓VCS增加而對應地減少，也就是說功率開關202還是可操作在飽和區。
另外，請參照第7圖，第7圖是本發明的第三實施例所公開的另一種應用於箝位單元3022的可變電流源40222的示意圖，其中可變電流源40222和可變電流源30222的差別在於可變電流源40222的一電流轉電壓單元404中的一第二電流鏡(由P型金氧半電晶體4022、4024組成)可根據一回授電流IFB，產生基礎電流IBASE，其中回授電流IFB是通過一接腳106(請參照第3圖)流出。如第3圖所示，因為回授電流IFB和一回授電壓VFB有關，以及回授電壓VFB和設置在電源轉換器200的一次側PRI的輔助繞組206上的輔助電壓VAUX有關，所以回授電流IFB顯然和電源轉換器200的一次側PRI的一直流輸入電壓VIN有關(因為輔助電壓VAUX可通過輔助繞組206、電源轉換器200的一次側PRI的一次側繞組210和直流輸入電壓VIN產生)，其中直流輸入電壓VIN是通過電源轉換器200的橋式整流器208整流一交流電壓VAC所產生，且本發明領域具有熟知技藝者應當明瞭回授電流IFB可由式(3)表示：
Figure 112120293-A0305-02-0013-2
如式(3)所示，RFB為接腳106上的阻值，NPS為一次側繞組210和輔助繞組206的匝數比，以及K為該第二電流鏡的電流縮放比例。因此，由式(3)很明顯地可知，回授電流IFB顯然會隨直流輸入電壓VIN正向改變。如此，如第7圖所示，因為可變電流源40222可根據回授電流IFB和反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0013-75
，產生可變 充電電流IRAMP，所以可變充電電流IRAMP也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變。另外，在本發明的另一實施例中，該第二電流鏡的電流縮放比例為K1，其中K1和第一電流鏡306的電流縮放比例K不同。
因此，如第3圖和式(2)所示，因為可變充電電流IRAMP會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，所以箝位電壓VCLAMP也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，導致補償電壓VC也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，也就是說閘極控制信號GCS也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變。
另外，如第3圖所示，因為偵測電壓VCS是由流經電源轉換器200的一次側PRI的一次側電流IPRI和偵測電阻204決定，所以偵測電壓VCS可由式(4)表示：
Figure 112120293-A0305-02-0014-3
如式(4)所示，R204為偵測電阻204的阻值，以及L為電源轉換器200的一次側PRI的一次側繞組210的電感值。因此，由式(4)很明顯地可知，偵測電壓VCS顯然也會隨直流輸入電壓VIN正向改變。
因此，雖然偵測電壓VCS會隨直流輸入電壓VIN正向改變(也就是偵測電壓VCS會隨著直流輸入電壓VIN的增加而增加)，但因為閘極控制信號GCS也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，所以閘極控制信號GCS可隨著偵測電壓VCS正向改變(如第8圖所示)。也就是說功率開關202的閘源極跨壓隨著偵測電壓 VCS增加並不會對應地減少，所以功率開關202還是可操作在飽和區。
請參照第9圖和第10圖，第9圖是說明當交流電壓VAC關閉(OFF)時，控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0015-49
、閘極控制信號GCS、偵測電壓VCS和功率開關202的閘源極電壓的波形的時序示意圖，以及第10圖是說明當偵測電阻204短路時，控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0015-50
、閘極控制信號GCS、偵測電壓VCS和功率開關202的閘源極電壓的波形的時序示意圖，其中第9圖和第10圖是對應該第三實施例。如第9圖所示，當交流電壓VAC關閉(OFF)時，因為直流輸入電壓VIN很小，所以偵測電壓VCS緩慢地增加(參照式(4))，導致控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0015-51
會對應功率開關202的最大開啟時間TOMAX。如此，由式(1)和式(2)可知，可變充電電流IRAMP會一直增加，所以箝位電壓VCLAMP也會一直增加，導致閘極控制信號GCS的電壓位準也會一直增加。因此，在一時間T1，對應該第三實施例的初級控制器300(包含可變電流源40222)內的一箝位電壓最大值電路(未繪示於第3圖)將會限制可變充電電流IRAMP在一可變充電電流最大值IRAMP(MAX)以使箝位電壓VCLAMP也被限制在一箝位電壓最大值VCLAMP(MAX)，所以閘極控制信號GCS也會被限制在箝位電壓最大值VCLAMP(MAX)。另外，由式(2)可知，箝位電壓最大值VCLAMP(MAX)可由式(5)決定：VCLAMP(MAX)=VF+IRAMP(MAX)×R30224 (5)
另外，如第9圖所示，在時間T1後，因為偵測電壓VCS仍緩慢地增加，但箝位電壓VCLAMP被限制在箝位電壓最大值VCLAMP(MAX)，所以功率開關202的閘源極跨壓VGS將會逐漸降低。
另外，如第10圖所示，當偵測電阻204短路(例如偵測電壓VCS持續低於一預定值(例如0.1V)一預定時間(例如2us))時，控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0016-52
會對應功率開關202的最大開啟時間TOMAX。此時，對應該第三實施例的初級控制器300(包含可變電流源40222)內的一箝位電壓最小值電路(未繪示於第3圖)將會使可變充電電流IRAMP為零以使箝位電壓VCLAMP被限制在定電壓VF，所以閘極控制信號GCS也會被限制在定電壓VF，導致功率開關202的閘源極跨壓VGS被固定。
請參照第1圖、第2圖和第11圖，第11圖是本發明的第四實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法的流程圖。第11圖的操作方法是利用第1圖的初級控制器100和電源轉換器200說明，詳細步驟如下：步驟1100：開始；步驟1102：箝位單元1022根據箝位電壓VCLAMP，產生補償電壓VC；步驟1104：驅動單元1024根據補償電壓VC產生閘極控制信號GCS，跳回步驟1102。
在步驟1102中，如第1圖所示，當控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0016-54
致能(反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0016-76
去能)時，第一開關10224開啟和第二開關10230關閉，P型金氧半電晶體10226和放大器10228將會根據箝位電壓VCLAMP，使充電電流IC對節點A充電直到補償電壓VC的電壓位準與箝位電壓VCLAMP的電壓位準相等，其中箝位電壓VCLAMP是對應地隨耦接於功率開關202的偵測電阻204上的偵測電壓VCS變化，也就是當偵測電壓VCS小於該第一參考電壓時，箝位電壓VCLAMP具有第一值V1，當偵測電壓VCS介於該第一參考電壓和該第二參考電壓時，箝位電壓VCLAMP具 有第二值V2，以及當偵測電壓VCS大於該第二參考電壓時，箝位電壓VCLAMP具有第三值V3，其中第一值V1小於第二值V2，且第二值V2小於第三值V3。
在步驟1104中，因為當控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0017-56
致能(反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0017-77
去能)時，第一N型金氧半電晶體10242開啟以及第二N型金氧半電晶體10244關閉，所以第一N型金氧半電晶體10242可使閘極控制信號GCS對應地隨補償電壓VC的電壓位準變化。
因此，如第2圖所示，因為當控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0017-58
致能時，箝位電壓VCLAMP是對應地隨偵測電阻204上的偵測電壓VCS變化，補償電壓VC的電壓位準與箝位電壓VCLAMP的電壓位準相等，且閘極控制信號GCS對應地隨補償電壓VC的電壓位準正向改變，所以閘極控制信號GCS會隨著偵測電壓VCS的增加而階梯式地增加。也就是說當偵測電壓VCS增加時，功率開關202的閘源極跨壓並不會隨著偵測電壓VCS增加而對應地減少，所以功率開關202還是可操作在飽和區。
請參照第3圖、第4圖、第5圖、第6圖、第7圖、第8圖、第9圖、第10圖和第12圖，第12圖是本發明的第五實施例所公開的一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法的流程圖。第12圖的操作方法是利用第3圖的初級控制器300、電源轉換器200和第7圖的可變電流源40222說明，詳細步驟如下：步驟1200：開始；步驟1202：可變電流源30222根據反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0017-78
和基礎電流IBASE，產生電壓VTO，其中反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0017-79
和功率開關202的開啟時間反向相關； 步驟1204：可變電流源30222根據電壓VTO，產生可變充電電流IRAMP；步驟1206：箝位單元3022根據定電壓VF、可變充電電流IRAMP和電阻30224，產生箝位電壓VCLAMP；步驟1208：箝位單元3022根據箝位電壓VCLAMP，產生補償電壓VC；步驟1210：驅動單元1024根據補償電壓VC產生閘極控制信號GCS，跳回步驟1202。
在步驟1202中，如第4圖所示，可變電流源30222中的電流轉電壓單元304可根據反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0018-80
和基礎電流IBASE，在節點B上產生電壓VTO，其中基礎電流IBASE為一定電流，以及電壓VTO和功率開關202的開啟時間有關。
在步驟1204中，如第4圖所示，可變電流源30222中的電壓轉電流單元305可根據電壓VTO，產生電流I1，其中因為電壓VTO和功率開關202的開啟時間有關，所以電流I1也和功率開關202的開啟時間有關；可變電流源30222中的第一電流鏡306可根據電流I1，產生和功率開關202的開啟時間有關的可變充電電流IRAMP，其中可變充電電流IRAMP會隨著TON正向改變(如第5圖所示)。
在步驟1206和步驟1208中，因為可變充電電流IRAMP會隨著TON正向改變，所以箝位電壓VCLAMP也會隨著TON正向改變。另外，如第3圖所示，因為P型金氧半電晶體30228可使補償電壓VC的電壓位準與箝位電壓VCLAMP的電壓位準相等，所以補償電壓VC也會隨著TON正向改變，導致閘極控制信號GCS也會隨著TON正向改變(如第6圖所示)。因此，如第6圖所示，雖然偵測電壓 VCS會隨著TON正向改變(也就是偵測電壓VCS會隨著TON的增加而增加)，但因為閘極控制信號GCS也會隨著TON正向改變，所以功率開關202的閘源極跨壓並不會隨著偵測電壓VCS增加而對應地減少，也就是說功率開關202還是可操作在飽和區。
另外，在本發明的另一實施例中，如第7圖所示，可變電流源40222的電流轉電壓單元404中的第二電流鏡(由P型金氧半電晶體4022、4024組成)可根據回授電流IFB，產生基礎電流IBASE，其中如第3圖所示，因為回授電流IFB和回授電壓VFB有關，以及回授電壓VFB和設置在電源轉換器200的一次側PRI的輔助繞組206上的輔助電壓VAUX有關，所以回授電流IFB顯然和電源轉換器200的一次側PRI的直流輸入電壓VIN有關(因為輔助電壓VAUX可通過輔助繞組206、電源轉換器200的一次側PRI的一次側繞組210和直流輸入電壓VIN產生)。另外，由式(3)很明顯地可知，回授電流IFB顯然會隨直流輸入電壓VIN正向改變。如此，如第7圖所示，因為可變電流源40222可根據回授電流IFB和反相控制信號
Figure 112120293-A0305-02-0019-81
，產生可變充電電流IRAMP，所以可變充電電流IRAMP也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變。
因此，如第3圖和式(2)所示，因為可變充電電流IRAMP會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，所以箝位電壓VCLAMP也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，導致補償電壓VC也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，也就是說閘極控制信號GCS也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變。
因此，雖然偵測電壓VCS會隨直流輸入電壓VIN正向改變(也就是偵測電壓VCS會隨著直流輸入電壓VIN的增加而增加)，但因為閘極控制信號GCS 也會隨著直流輸入電壓VIN正向改變，所以閘極控制信號GCS可隨著偵測電壓VCS正向改變(如第8圖所示)。也就是說功率開關202的閘源極跨壓隨著偵測電壓VCS增加並不會對應地減少，所以功率開關202還是可操作在飽和區。
綜上所述，因為本發明所提供的具有電壓補償功能的初級控制器及其操作方法可使施加於該電源轉換器的一次側的功率開關的閘極控制信號的電位位準隨著該偵測電壓改變，所以該功率開關的閘源極跨壓並不會隨著該偵測電壓增加而對應地減少。因此，相較於現有技術，在該偵測電壓動態改變的情況下，該功率開關還是可操作在飽和區，所以該電源轉換器的轉換效率並不會被降低。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
300:初級控制器
302:閘極控制信號產生電路
3022:箝位單元
30228:P型金氧半電晶體
30226:放大器
1024:驅動單元
10242:第一N型金氧半電晶體
10244:第二N型金氧半電晶體
104、106、108:接腳
200:電源轉換器
202:功率開關
204:偵測電阻
206:輔助繞組
208:橋式整流器
210:一次側繞組
30222:可變電流源
30224:電阻
A:節點
GCS:閘極控制信號
GND1:第二電壓
GND2:地電位
IRAMP:可變充電電流
IPRI:一次側電流
PRI:一次側
SEC:二次側
VCC:第一電壓
VC:補償電壓
VCS:偵測電壓
VCLAMP:箝位電壓
VFB:回授電壓
VAUX:輔助電壓
VIN:直流輸入電壓
VAC:交流電壓
Figure 112120293-A0305-02-0003-83
:反相控制信號

Claims (21)

  1. 一種具有電壓補償功能的初級控制器，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側，該初級控制器包含：一閘極控制信號產生電路，耦接於設置在該電源轉換器的一次側的一功率開關，用以致能一閘極控制信號，其中該閘極控制信號是用以使該功率開關開啟，且該閘極控制信號產生電路包含：一箝位單元，用以根據一箝位電壓，產生一補償電壓；及一驅動單元，耦接於該箝位單元和該功率開關的閘極之間，用以根據該補償電壓產生該閘極控制信號，其中該箝位電壓是對應地隨耦接於該功率開關的一偵測電阻上的一偵測電壓變化。
  2. 如請求項1所述的初級控制器，其中該箝位單元包含：一電流源，具有一第一端和一第二端，其中該電流源的第一端接收一第一電壓，且該電流源用以提供一充電電流；一第一開關，具有一第一端，一第二端和一控制端，其中該第一開關的第一端耦接於該電流源的第二端，該第一開關的控制端接收一控制信號，且該控制信號和該功率開關的開啟時間有關；一P型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該P型金氧半電晶體的第一端耦接於該第一開關的第二端，該P型金氧半電晶體的第三端接收一第二電壓，且該第一電壓大於該第二電壓；一放大器，具有一輸入端和一輸出端，其中該放大器的輸出端耦接於該P型金氧半電晶體的第二端，且該放大器的輸入端接收該箝位電壓；及一第二開關，具有一第一端，一第二端和一控制端，其中該第二開關的第一端耦接於該第一開關的第二端以及該P型金氧半電晶體的第一端，該 第二開關的控制端接收一反相控制信號，該第二開關的第二端接收該第二電壓，且該反相控制信號為該控制信號的反相信號。
  3. 如請求項2所述的初級控制器，其中當該偵測電壓小於一第一參考電壓時，該箝位電壓具有一第一值，當該偵測電壓介於該第一參考電壓和一第二參考電壓時，該箝位電壓具有一第二值，以及當該偵測電壓大於該第二參考電壓時，該箝位電壓具有一第三值，其中該第一值小於該第二值，且該第二值小於該第三值。
  4. 如請求項2所述的初級控制器，其中該驅動單元包含：一第一N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第一N型金氧半電晶體的第一端接收該第一電壓，該第一N型金氧半電晶體的第二端耦接於該箝位單元，用以接收該補償電壓，以及該第一N型金氧半電晶體的第三端耦接於該功率開關的閘極，其中該第一N型金氧半電晶體根據該補償電壓，產生該閘極控制信號；及一第二N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第二N型金氧半電晶體的第一端耦接於該第一N型金氧半電晶體的第三端，該第二N型金氧半電晶體的第二端用以接收該反相控制信號，以及該第二N型金氧半電晶體的第三端用以接收該第二電壓。
  5. 如請求項1所述的初級控制器，其中該箝位單元包含：一可變電流源，具有一第一端和一第二端，其中該可變電流源的第一端接收一第一電壓，且該可變電流源用以提供一可變充電電流，且該可變充電電流是和該功率開關的開啟時間有關； 一電阻，具有一第一端和一第二端，其中該電阻的第一端耦接於該可變電流源的第二端以及具有該箝位電壓；一放大器，具有一輸入端和一輸出端，其中該放大器的輸出端耦接於該電阻的第二端，且該放大器的輸入端接收一定電壓，且該箝位電壓是由該定電壓、該可變充電電流和該電阻決定；及一P型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該P型金氧半電晶體的第二端耦接於該電阻的第一端，該P型金氧半電晶體的第三端接收一第二電壓，且該第一電壓大於該第二電壓；其中該P型金氧半電晶體根據該箝位電壓在該P型金氧半電晶體的第一端產生該補償電壓。
  6. 如請求項5所述的初級控制器，其中該可變電流源包含：一電流轉電壓單元，用以根據一反相控制信號和一基礎電流，產生一電壓，其中該電壓和該功率開關的開啟時間有關；一電壓轉電流單元，耦接於該電流轉電壓單元，用以根據該電壓，產生一電流；及一第一電流鏡，耦接於該電壓轉電流單元，用以根據該電流，產生該可變充電電流。
  7. 如請求項6所述的初級控制器，其中該驅動單元包含：一第一N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第一N型金氧半電晶體的第一端接收該第一電壓，該第一N型金氧半電晶體的第二端耦接於該箝位單元，用以接收該補償電壓，以及該第一N型金氧半電晶體的第三端耦接於該功率開關的閘極，其中該第一N型金氧 半電晶體根據該補償電壓，產生該閘極控制信號；及一第二N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第二N型金氧半電晶體的第一端耦接於該第一N型金氧半電晶體的第三端，該第二N型金氧半電晶體的第二端用以接收該反相控制信號，以及該第二N型金氧半電晶體的第三端用以接收該第二電壓。
  8. 如請求項6所述的初級控制器，其中該基礎電流是根據一回授電流產生，且該回授電流和該電源轉換器的一次側的一直流輸入電壓有關。
  9. 如請求項8所述的初級控制器，其中該驅動單元包含：一第一N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第一N型金氧半電晶體的第一端接收該第一電壓，該第一N型金氧半電晶體的第二端耦接於該箝位單元，用以接收該補償電壓，以及該第一N型金氧半電晶體的第三端耦接於該功率開關的閘極，其中該第一N型金氧半電晶體根據該補償電壓，產生該閘極控制信號；及一第二N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第二N型金氧半電晶體的第一端耦接於該第一N型金氧半電晶體的第三端，該第二N型金氧半電晶體的第二端用以接收該反相控制信號，以及該第二N型金氧半電晶體的第三端用以接收該第二電壓。
  10. 一種具有電壓補償功能的初級控制器，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側，該初級控制器包含：一閘極控制信號產生電路，耦接於設置在該電源轉換器的一次側的一功率開關，用以致能一閘極控制信號，其中該閘極控制信號是用以使該功 率開關開啟，且該閘極控制信號產生電路包含：一箝位單元，用以根據一箝位電壓，產生一補償電壓；及一驅動單元，耦接於該箝位單元和該功率開關的閘極之間，用以根據該補償電壓產生該閘極控制信號，其中該箝位電壓是對應地隨該電源轉換器的一次側的一直流輸入電壓變化。
  11. 如請求項10所述的初級控制器，其中該箝位單元包含：一可變電流源，具有一第一端和一第二端，其中該電流源的第一端接收一第一電壓，且該可變電流源用以提供一可變充電電流，且該可變充電電流是和該功率開關的開啟時間有關；一電阻，具有一第一端和一第二端，其中該電阻的第一端耦接於該可變電流源的第二端以及具有該箝位電壓；一放大器，具有一輸入端和一輸出端，其中該放大器的輸出端耦接於該電阻的第二端，且該放大器的輸入端接收一定電壓，且該箝位電壓是由該定電壓、該可變充電電流和該電阻決定；及一P型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該P型金氧半電晶體的第二端耦接於該電阻的第一端，該P型金氧半電晶體的第三端接收一第二電壓，且該第一電壓大於該第二電壓；其中該P型金氧半電晶體根據該箝位電壓在該P型金氧半電晶體的第一端產生該補償電壓。
  12. 如請求項11所述的初級控制器，其中該可變電流源包含：一電流轉電壓單元，用以根據一反相控制信號和一基礎電流，產生一電壓，其中該電壓和該功率開關的開啟時間有關； 一電壓轉電流單元，耦接於該電流轉電壓單元，用以根據該電壓，產生一電流；及一第一電流鏡，耦接於該電壓轉電流單元，用以根據該電流，產生該可變充電電流。
  13. 如請求項12所述的初級控制器，其中該基礎電流是根據一回授電流產生，且該回授電流和該電源轉換器的一次側的該直流輸入電壓有關。
  14. 如請求項13所述的初級控制器，其中該驅動單元包含：一第一N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第一N型金氧半電晶體的第一端接收該第一電壓，該第一N型金氧半電晶體的第二端耦接於該箝位單元，用以接收該補償電壓，以及該第一N型金氧半電晶體的第三端耦接於該功率開關的閘極，其中該第一N型金氧半電晶體根據該補償電壓，產生該閘極控制信號；及一第二N型金氧半電晶體，具有一第一端，一第二端和一第三端，其中該第二N型金氧半電晶體的第一端耦接於該第一N型金氧半電晶體的第三端，該第二N型金氧半電晶體的第二端用以接收該反相控制信號，以及該第二N型金氧半電晶體的第三端用以接收該第二電壓。
  15. 一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側，該初級控制器包含一閘極控制信號產生電路，以及該閘極控制信號產生電路包含一箝位單元和一驅動單元，該操作方法包含：該箝位單元根據一箝位電壓，產生一補償電壓；及 該驅動單元根據該補償電壓產生一閘極控制信號，其中該閘極控制信號是用以使該電源轉換器的一次側的一功率開關開啟，且該箝位電壓是對應地隨耦接於該功率開關的一偵測電阻上的一偵測電壓變化。
  16. 如請求項15所述的操作方法，其中當該偵測電壓小於一第一參考電壓時，該箝位電壓具有一第一值，當該偵測電壓介於該第一參考電壓和一第二參考電壓時，該箝位電壓具有一第二值，以及當該偵測電壓大於該第二參考電壓時，該箝位電壓具有一第三值，其中該第一值小於該第二值，且該第二值小於該第三值。
  17. 如請求項15所述的操作方法，另包含：根據一反相控制信號和一基礎電流，產生一電壓，其中該電壓和該功率開關的開啟時間有關；根據該電壓，產生一電流；根據該電流，產生一可變充電電流；及根據一定電壓、該可變充電電流和一電阻，產生該箝位電壓。
  18. 如請求項17所述的操作方法，另包含：根據一回授電流，產生該基礎電流，其中該回授電流和該電源轉換器的一次側的一直流輸入電壓有關。
  19. 一種具有電壓補償功能的初級控制器的操作方法，其中該初級控制器應用於一電源轉換器的一次側，該初級控制器包含一閘極控制信號產生電路，以及該閘極控制信號產生電路包含一箝位單元和一驅動單元，該 操作方法包含：該箝位單元根據一箝位電壓，產生一補償電壓；及該驅動單元根據該補償電壓產生一閘極控制信號，其中該箝位電壓是對應地隨該電源轉換器的一次側的一直流輸入電壓變化。
  20. 如請求項19所述的操作方法，另包含：根據一反相控制信號和一基礎電流，產生一電壓，其中該電壓和一功率開關的開啟時間有關；根據該電壓，產生一電流；根據該電流，產生一可變充電電流；及根據一定電壓、該可變充電電流和一電阻，產生該箝位電壓。
  21. 如請求項20所述的操作方法，另包含：根據一回授電流，產生該基礎電流，其中該回授電流和該電源轉換器的一次側的一直流輸入電壓有關。
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