TWI880768B - 具初級側和次級側混合控制的電源供應系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種結合初級側控制器和次級側控制器以實現增強性能、效率和可靠性的電源供應系統。該電源供應系統包括在初始啟動階段由初級側控制器控制的變壓器。在初始啟動階段後，控制權轉移至次級側控制器。初級側控制器具有一內部開關和一個監控運行並促進轉換的零交越檢測電路。變壓器包含一初級繞組和一次級繞組的變壓器，初級繞組連接到內部開關。此外，本發明還包括一個由初級側控制器的驅動信號觸發的高電子遷移率電晶體，以提供更大的電力處理能力並降低導通電阻。次級側控制器通常是基於微控制器單元的控制器，在啟動後提供精確的調節和適應性控制。此外，該電源供應系統還包括位於初級側的一過電流保護電路和位於次級側且基於負載條件進行即時調整的反饋迴路。

Description

具初級側和次級側混合控制的電源供應系統

本發明一般涉及電源供應系統，更具體地說，涉及一種包括初級側控制器和次級側控制器的變壓器電源供應系統。

變壓器廣泛應用於各種有效轉換電能的場合。由於其設計簡單且具成本效益，它們在低到中功率應用中非常受歡迎。典型的變壓器包括一變壓器、一初級開關及相關控制電路。初級開關控制變壓器初級繞組中的電流流動，該初級繞組在“開”相位中將能量儲存在磁場中。這些儲存的能量在“關”相位中轉移到次級繞組並輸送至負載。

傳統的變壓器通常依賴單一控制器來管理啟動階段及電源供應的持續調節。雖然這種方法簡化了設計，但在需要精確調節和在不同負載條件下高效率的應用中，它可能會限制轉換器的性能。此外，控制器的內部元件(如初級開關)在電力處理能力和熱管理方面可能存在限制。

為了解決這些限制，一些先進的設計納入了次級側控制器，這些控制器在初始啟動階段後接管控制。這些控制器通常基於微控制器單元(Microcontroller Unit，以下或簡稱：MCU)，可以實施複雜的控制演算法以優化性能和效率。此外，增加外部開關元件，如高電子遷移率電晶體(High-Electron-Mobility Transistor，以下或簡稱：HEMT電晶體)，可以顯著提高電力處理能力並降低導通電阻(On-Resistance，以下或簡稱：Ron)，從而改善整體電源供應系統的效率。

然而，將這些先進特徵整合成一個連貫且高效的系統帶來了若干挑戰。這需要在初級側和次級側控制之間平穩切換，強大的保護機制來保護元件，以及高效的熱耗散管理。

本發明旨在通過提供一種包括能夠在獨立模式和從屬模式下運行的初級側控制器、增強電力處理能力的HEMT電晶體以及精確調節的次級側控制器的電源供應系統來克服這些挑戰。該發明利用初級側和次級側控制的優勢，提供一個強大、高效且可調適的電源供應解決方案。

本發明之目的旨在解決上述這些以及其他相關的既有技術問題。

本發明提供了一種新穎的電源供應系統，通過結合初級側控制器和次級側控制器的功能來增強性能、效率和可靠性。該電源供應系統包括一個在初始啟動階段由初級側控制器控制的變壓器，在啟動階段之後轉換為由次級側控制器控制的從屬模式。這種混合控制方法優化了在不同負載條件下的電力處理和調節。

初級側控制器在初始啟動階段以獨立模式運行，確保電源供應系統可靠且獨立地啟動。在預定的時脈週期數(由零交越檢測電路(zero-crossing detection circuit，以下或簡稱：ZCD電路)監控)之後，電源供應系統轉換為從屬模式，次級側控制器接管調節和控制功能。初級側控制器包括一內部開關和一ZCD電路。內部開關控制變壓器的初級繞組中的電流流動，而ZCD電路監控該電源供應系統的運行並促進從獨立模式到從屬模式的轉換。

變壓器的初級繞組是連接到初級側控制器的內部開關，而變壓器的次級繞組則連接到次級側控制器。這種配置允許在電源供應系統運行期間進行高效的能量存儲和轉移。次級側控制器(通常是基於微控制器單元的控制器)在初始啟動階段之後提供精確的調節和適應性控制。它通過實施先進的控制演 算法和基於負載條件的即時調整來提高系統性能。

配置於初級側控制器外部的HEMT電晶體連接到變壓器並由初級側控制器的驅動信號觸發。使用HEMT電晶體能顯著增強了電力處理能力並降低了導通電阻，從而改善了整體效率和熱管理。電源供應系統包括一個配置於提供初級側過電流保護(OCP)的過電流保護電路。此過電流保護電路在過電流情況下停用內部開關和HEMT電晶體，保護電源供應系統中的元件並確保可靠運行。此外，次級側控制器包括一個反饋迴路，根據負載條件對初級側控制器的運行進行即時調整。這種反饋機制確保了在不同電力需求下的最佳性能和適應性。

總結來說，本發明通過利用初級側和次級側控制的結合優勢，提供了一種強大且高效的電源供應解決方案。HEMT電晶體的整合進一步增強了電力處理和效率，使該電源供應系統適用於具有不同電力需求的廣泛應用。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

100:電源供應系統

110:初級側控制器

112:內部開關

114:ZCD電路

116:過電流保護電路

120:變壓器

122:初級繞組

124:次級繞組

130:次級側控制器

140:HEMT電晶體

150:反饋迴路

圖1展示了本發明之功電源供應系統的其中一實施例的方塊圖。

圖2展示了本發明之初級側控制器的部分元件之方塊圖。

圖3展示了本實施例中零交越週期、從屬模式、與驅動信號之間的關係。

本發明提供了一種穩健且高效的電源供應系統，通過結合初級側控制器和次級側控制器的優勢來實現增強的性能、效率和可靠性。該系統特別適用於需要精確調節和高電力處理能力的應用場合。以下詳細說明概述了電源供應系統的結構和運行，突出設計的創新之處。

請同時參考圖1與圖2，圖1展示了本發明之功電源供應系統的其 中一實施例的方塊圖，圖2展示了本發明之初級側控制器的部分元件之方塊圖。電源供應系統100包含一初級側控制器110與一變壓器120，此初級側控制器110配置於一初始啟動階段以獨立模式運行，並在初始啟動階段過後以一從屬模式運行。初級側控制器110包括一內部開關112和一ZCD電路114。另外，變壓器120的初級繞組122是電性連接到內部開關112和變壓器120的次級繞組124。內部開關112負責控制變壓器120中初級繞組122的電流流動，且ZCD電路114監控電源供應系統100的運行，特別是檢測變壓器120之電壓的零交越點(zero-crossing points)。這種檢測促進了在預定的時脈週期後從獨立模式到從屬模式的轉換。

在本實施例中，內部開關112是一個功率電晶體，如MOSFET，其整合在初級側控制器110內。在初始啟動階段，內部開關112控制變壓器120之初級繞組122的電流流動。當內部開關112閉合時，電流流過初級繞組122，在變壓器120的磁場中儲存能量。當內部開關112打開時，儲存的能量轉移到次級繞組124，為負載提供電力。初級側控制器110調節內部開關112的週期，以確保在初始啟動階段變壓器120能有效地進行能量轉移和穩定的運行。

另外，在本實施例中，ZCD電路114監控變壓器120之繞組上的電壓，並檢測電壓波形的零交越點。零交越檢測對於同步內部開關112的開關動作相當重要。ZCD電路114確保內部開關112在最佳時間運行，最大限度地提高能量轉移效率，並最小化開關損耗。此外，在本實施例中，ZCD電路114還是用於促進初級側控制器110從獨立模式到從屬模式的轉換。在檢測到預定數量的零交越週期後，ZCD電路114觸發初級側控制器110將控制權交給次級側控制器130。在本實施例中，如圖3所示，上述的零交越週期(時脈週期)之預定數量設置為6.5個時脈週期。當然，本領域具有通常知識者也可將零交越週期之預定數量設置為其他數值，例如5或8。

在本實施例中，初級側控制器110和次級側控制器130之間通信的 一個重要方面是初級側控制器110的針腳ZCD與次級側控制器的其中一針腳之間的電性連接。針腳ZCD與次級側控制器130的電性連接使次級側控制器130能夠監控零交越事件並與初級側控制器110同步操作。

在本實施例中，變壓器120本身在初始啟動階段由初級側控制器110控制。初級側控制器110獨立管理變壓器120的運行，確保電源供應系統100正確啟動並穩定電力輸出。ZCD電路114則確保了轉換至從屬模式的平穩和適時發生。一旦初始啟動階段完成，電源供應系統100的控制轉移至次級側控制器130。在本實施例中，次級側控制器130通常是基於微控制器單元的控制器，接管調節和控制功能，提供更精細和精確的電源管理。基於微控制器單元的控制器能夠實施先進的控制演算法，例如：脈寬調變(PWM)和峰值電流模式控制，並根據負載條件的反饋進行即時調整。這種能力顯著提升了電源供應系統100的性能和適應性，使其能夠在各種操作條件下保持最佳效率。

在本實施例中，電源供應系統100還包含一HEMT電晶體140，此HEMT電晶體140提供了卓越的電氣特性，如高電子遷移率和低導通電阻。HEMT電晶體140連接到變壓器120並由初級側控制器110的驅動信號觸發。在本實施例中，上述驅動信號是由初級側控制器110的驅動針腳DRV發出。驅動信號協調HEMT電晶體140的開關動作與內部開關112的運行，確保同步和高效的能量轉移。通過控制HEMT電晶體140的閘極電壓，驅動信號實現了HEMT導通狀態的精確調節，優化其性能。使用HEMT電晶體140提供了多項優勢。它顯著增強了電源供應系統100的電力處理能力，能夠管理更高的電流並降低導通電阻。較低的導通電阻轉化為在開關導通狀態下的較低導通損耗，從而改善電源供應系統100的整體效率。此外，HEMT電晶體140有助於更好的熱管理，藉由分散內部開關112和HEMT電晶體140所產生的熱，從而降低了單個元件的熱應力，並增強電源供應系統100的可靠性和壽命。

請繼續參照圖1與圖2，在其中一實施例中，電源供應系統100的初級側控制器110還包括一個配置於提供初級側過電流保護的過電流保護電路116。在電源供應系統100運作時，過電流保護電路116持續監控系統初級側的電流流動。在過電流情況下，過電流保護電路116在檢測到過電流狀況後，過電流保護電路116會指示初級側控制器110發送信號停用內部開關112。同時，發向HEMT電晶體140的驅動信號也會被切斷，從而關閉HEMT電晶體140。這種協調的停用確保了整個電源路徑能夠快速且安全地關閉，防止電源供應系統100的各元件和其所連接之負載的損壞，從而確保電源供應系統100的安全性和可靠性。這一特性對於在意外負載條件或故障可能發生的情況下維護電源供應系統100的安全性和可靠性有一定的重要性。

此外，為進一步提升電源供應系統100的性能，電源供應系統100還包含一反饋迴路150，此反饋迴路150是電性連接到次級側控制器130。次級側控制器130基於該反饋迴路150所回饋的負載條件對初級側控制器的運行進行即時調整。詳細來說，反饋迴路150持續監控電源供應系統100的輸出電壓和電流。通過將實際輸出值與期望設定點進行比較，次級側控制器130可以對開關模式和占空比進行即時調整。這些調整確保電源供應能夠在負載條件動態變化時保持穩定的輸出和最佳性能。

反饋迴路150使電源供應系統100能夠平穩適應不同的負載條件。無論負載增加還是減少，次級側控制器130都可以迅速反應，調整控制參數。這一反饋機制確保了電源供應系統100能夠適應不同的電力需求，保持穩定和高效的運行。次級側控制器130生成控制信號以調節變壓器在從屬模式下的運行，確保輸出電壓和電流的精確調節。

在上述的實施例中，次級側控制器130根據反饋迴路150的反饋生成控制信號。這些控制信號傳輸到初級側控制器110，以調節內部開關112和 HEMT電晶體140的運行。傳輸這些控制信號的典型機制一般涉及使用光耦合器或類似的隔離裝置，以確保初級側和次級側之間的電氣隔離。以光耦合器(未繪示)為例，其包括LED與光電晶體，其中LED位於次級側，而光電晶體則位於初級側。由次級側控制器130生成的控制信號被送到光耦合器的LED，LED再將這些控制信號轉換為光信號。LED發出的光被初級側的光電晶體檢測到後，光電晶體將光信號重新轉換為電信號，然後傳輸到初級側控制器110。

總結來說，本發明提供了一種電源供應系統，整合了初級側和次級側控制的優點，並增加了HEMT電晶體以增強電力處理和效率。該電源供應系統的設計包括從獨立模式到從屬模式的平穩過渡、強大的保護機制和即時的自適應控制。這些特性使該電源供應系統適用於廣泛的應用，提供一個可靠、高效且可調適的現代電源供應解決方案。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:電源供應系統

110:初級側控制器

120:變壓器

122:初級繞組

124:次級繞組

130:次級側控制器

140:HEMT電晶體

150:反饋迴路

Claims (7)

1. 一種電源供應系統，包括： 一變壓器，包括一初級繞組和一次級繞組； 一初級側控制器，配置於所述變壓器的一初級側，所述初級側控制器於一初始啟動階段以一獨立模式運行，並在所述初始啟動階段後以一從屬模式運行，其中所述初級側控制器包括： 一內部開關，電性連接至所述初級繞組；及 一零交越檢測電路，配置於監控所述電源供應系統的運行； 一次級側控制器，配置於所述變壓器的一次級側，所述初始啟動階段後接管所述電源供應系統的控制； 一高電子遷移率電晶體，配置於所述初級側控制器的外部且電性連接至所述變壓器，所述高電子遷移率電晶體由所述初級側控制器的一驅動信號觸發，以增強電源處理能力並降低導通電阻； 其中，所述變壓器於所述初始啟動階段由所述初級側控制器控制； 其中，所述初級側控制器在所述零交越檢測電路檢測到預定數量的時脈週期後從所述獨立模式轉換至所述從屬模式。
2. 如請求項1所述的電源供應系統，其中所述初級側控制器在所述零交越檢測電路檢測到6.5個時脈週期後從獨立模式轉換至從屬模式。
3. 如請求項1所述的電源供應系統，其中所述次級側控制器是一基於微控制器單元的控制器，配置於提供精確的調節和適應性控制所述電源供應系統。
4. 如請求項1所述的電源供應系統，其中所述驅動信號由所述初級側控制器的一驅動針腳發出，以用於控制所述高電子遷移率電晶體。
5. 如請求項1所述的電源供應系統，其中所述初級側控制器包括一過電流保護電路，該過電流保護電路配置於提供所述初級側的過電流保護。
6. 如請求項5所述的電源供應系統，其中所述過電流保護電路配置於當在初級側檢測到過電流狀況時停用所述內部開關或所述高電子遷移率電晶體。
7. 如請求項1所述的電源供應系統，進一步包括一反饋迴路，所述反饋迴路電性連接到所述次級側控制器，以提供基於一負載條件從而對所述初級側控制器運行的即時調整。

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