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TWI893461B - 隔離切換式電源及其控制器和控制方法 - Google Patents

隔離切換式電源及其控制器和控制方法

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TWI893461B
TWI893461B TW112136772A TW112136772A TWI893461B TW I893461 B TWI893461 B TW I893461B TW 112136772 A TW112136772 A TW 112136772A TW 112136772 A TW112136772 A TW 112136772A TW I893461 B TWI893461 B TW I893461B
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terminal
circuit
coupled
output
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李暉
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美商茂力科技股份有限公司
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Abstract

本發明揭露了隔離切換式電源及其控制器和控制方法。控制方法包括以下步驟：在啟動過程中提供逐漸增大的電流閾值電壓；基於代表切換式電源輸出訊號的輸出回饋訊號與參考電壓之差，產生第一補償訊號；基於第一補償訊號，產生第一和第二控制訊號；將第一控制訊號送入隔離電路的第一通道，產生與第一控制訊號電隔離的第一同步訊號；將第二控制訊號送入隔離電路的第二通道，產生與第二控制訊號電隔離的第二同步訊號；當次級側被啟動時啟動過程結束，基於第一同步訊號提供所述電流閾值電壓；以及基於電流檢測訊號和電流閾值電壓關斷初級開關。

Description

隔離切換式電源及其控制器和控制方法
本揭露的實施例是關於電子電路，更具體地說，尤其是關於准諧振控制的隔離切換式電源及其控制器和控制方法。
隔離式切換式電源通常包括具有初級線圈和次級線圈的變壓器，以提供隔離。初級開關耦接至初級線圈，控制存儲在初級線圈的能量向次級線圈傳遞。次級開關耦接至次級線圈，為耦接至次級側輸出的負載提供輸出電壓。在峰值電流控制的隔離式開關模電源中，當流經初級開關的電流達到關斷閾值時，初級開關被關斷，從而控制傳遞給負載的能量。
隔離式切換式電源通常有一個啟動過程。由於在啟動剛剛開始時，次級側的輸出電壓還未建立，例如通常為次級參考接地的電勢，輸出電壓與期望的輸出電壓 之間有一個較大的差值。在此情況下，使用回饋可能是無用的和不穩定的，系統的暫態響應很差。此外，在啟動期間，隔離切換式電源的電流需求低，採用恆定的峰值電流控制的隔離式變換器的輸出電壓可以非常快地上升，甚至會引起輸出電壓過衝。同時電路的功率元件需要承受啟動期間的這些壓力和應力，從而進一步影響隔離式切換式電源的成本和效率。
本發明的目的在於提供能夠控制隔離式切換式電源在整個啟動過程中能安全平穩地完成其啟動過程，同時不會產生額外的成本和增加複雜性。
根據本發明實施例的一種用於隔離式切換式電源的控制器，該切換式電源包括變壓器和初級開關，該控制器包括：誤差放大電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端接收與切換式電源輸出訊號有關的輸出回饋訊號，第二輸入端接收參考電壓，基於輸出回饋訊號和參考電壓之差，誤差放大電路在輸出端產生第一補償訊號；控制訊號產生電路，基於第一補償訊號，在輸出端分別產生第一控制訊號和第二控制訊號；隔離電路，具有傳輸第一控制訊號的第一通道和傳輸第二控制訊號的第二通道，在第一輸出端提供與第一控制訊號電隔離的第一同步訊號，在第二輸出端提供與第二控制訊號電隔離的第二同步訊號；重設訊號產生電路，具有第一輸入 端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端接收代表流過初級開關電流的電流檢測訊號，第二輸入端接收電流閾值電壓，重設訊號產生電路將電流檢測訊號與電流閾值電壓相比較，在輸出端產生重設訊號以控制初級開關的關斷；閾值產生電路，在輸出端提供所述電流閾值電壓，該閾值產生電路包括：啟動閾值產生電路，在啟動過程中提供逐漸增大的電流閾值電壓；以及正常閾值產生電路，當次級側被啟動時啟動過程結束，基於第一同步訊號提供所述電流閾值電壓。
根據本發明實施例的一種隔離式切換式電源，包括如前所述的控制器。
根據本發明實施例的一種隔離式切換式電源的控制方法，該切換式電源包括具有初級線圈和次級線圈的變壓器、耦接至初級線圈的初級開關以及隔離電路，該控制方法包括：在啟動過程中，提供逐漸增大的電流閾值電壓；根據切換式電源的輸出訊號產生輸出回饋訊號；基於輸出回饋訊號與參考電壓之差，產生第一補償訊號；基於第一補償訊號，分別產生第一控制訊號和第二控制訊號；將第一控制訊號送入隔離電路的第一通道，產生與第一控制訊號電隔離的第一同步訊號；將第二控制訊號送入隔離電路的第二通道，產生與第二控制訊號電隔離的第二同步訊號；以及檢測次級側是否被啟動；當次級側被啟動時啟動過程結束，並基於第一同步訊號提供所述電流閾值電壓；以及將代表流過初級開關電流的電流檢測訊號同電 流閾值電壓相比較，產生重設訊號以關斷初級開關。
根據本發明的實施例，啟動過程中，在隔離式切換式電源的初級側引入軟啟動控制，對電流閾值電壓進行軟啟動，以控制提供給次級側的能量，並在次級側啟動而啟動過程結束時，通過隔離電路接收控制電流閾值電壓的第一同步訊號，基於第一同步訊號來控制所述電流閾值電壓，實現對穩態運行的隔離變換器的控制。此外，還在切換式電源的次級側引入軟啟動控制，在啟動期間對參考電壓進行軟啟動，以防止輸出電壓過衝。從而使隔離式切換式電源能安全平穩地完成其啟動過程。另外，根據本發明的實施例，在啟動期間，隔離式切換式電源被限制工作在第一谷底導通模式，進一步降低了功率變換器的工作應力，節約了系統成本。
100,100A,100B:隔離切換式電源
10:初級開關
20:次級開關
30,30A,30B:控制器
101,101A:誤差放大電路
102,102A:控制訊號產生電路
103:隔離電路
104:閾值產生電路
105:峰值比較電路
106:重設訊號產生電路
107:初級邏輯電路
108:過零檢測電路
109,109A:設定訊號產生電路
141:啟動閾值產生電路
142:正常閾值產生電路
143:選擇電路
120:第一控制訊號產生電路
121:第二控制訊號產生電路
1201:遲滯補償電路
1202:第一比較電路
1203:第一脈衝電路
1210:調變訊號產生電路
1211:第二比較電路
1212:波谷檢測電路
1213:波谷鎖定電路
1214:第二脈衝電路
1041:計時電路
1042:取樣保持電路
1081:及閘電路
1082,1521:單觸發電路
1091:選擇電路
151:欠壓鎖定電路
152:啟動電路
110:次級啟動控制電路
111:參考電壓產生電路
EA,EA1:誤差放大器
Cin,Co,CT,C1,Cs,C3:電容器
VPK:電壓源
ST,S1,S2,Q1,Q2,MP,M1,M2:開關
RT,R2,R3:電阻器
COM1,COM2,COM3,COM4,COM5:比較器
COM0:滯環比較器
AND1:及閘
FF1,FF2,FF3:正反器
V1,V2,Vs1,Vs2:電壓源
Iss:電流源
Ds:二極體
FB,COMP,SGND,CS,PDrv,PGND,ZCD,VDD:引腳
Vin,Vo,VCS,VTH,RST,CTRLP,S_ON,SYNC1,SYNC2,PL1,PL2,Vcomp,VREF,VFB,VZCD,VZCD_TH,SET,SET0,CTRLP,Vcomp1,Vcomp1,CMP1,CMP2,VP,FS,ST,DLY,VC1,VCT,UVLO,Vcc,RES,STAUP,VTH_H,VTH_L,VDD,S_ON1,VDD_ON, VREF1:訊號
K1:比例係數
700:方法
701~708:流程步驟
為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本揭露進行詳細描述。
[圖1]為根據本發明一實施例的隔離切換式電源100的方塊圖；[圖2]為根據本發明一實施例的隔離切換式電源100A的方塊圖；[圖3]為根據本發明一實施例的誤差放大電路101和控制訊號產生電路102A的方塊圖；[圖4]為根據本發明一實施例的閾值產生電路104的電 路原理圖；[圖5]為根據本發明一實施例的啟動期間的電流閾值電壓的波形圖；[圖6]為根據本發明一實施例的啟動結束後電流閾值電壓的波形圖；[圖7]為根據本發明一實施例的初級側控制電路的電路原理圖；[圖8]為根據本發明一實施例的隔離切換式電源100B的方塊圖；[圖9]為根據本發明一實施例的隔離切換式電源啟動過程中的工作波形圖；[圖10]為根據本發明一實施例的部分次級側控制電路的電路圖；[圖11]為根據本發明一實施例的隔離式切換式電源的控制方法700的方法流程圖。
在附圖中，相同或對應的標號被用以表示相同或對應的元件。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域具有通常知識者顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在 其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述已知的電路、材料或方法。
在整個說明書和申請專利範圍中，所使用的「耦接」被定義為以電性或非電性方式直接或間接連接。當一個元件被描述為「連接」或「耦接」到另一元件時，它可以直接連接或耦接到另一元件，或者可以存在一個或多個中間元件。相反，當一個元件被描述為「直接連接」或「直接耦接」到另一個元件時，不存在中間元件。如本文所使用的短語「在一個實施例中」不一定指代相同的實施例，儘管它可以指代相同的實施例。在本揭露說明書的一個或者多個實施例中揭露的的術語「和/或」包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合，除非上下文另外明確指出。本領域具有通常知識者應當理解，上面所標識的術語的含義不一定限制這些術語，而僅僅提供了這些術語的說明性示例。
本發明可以被應用於任何隔離式變換器。在接下來的詳細描述中，為了簡潔起見，僅以返馳式轉換器(flyback converter)為例來解釋本發明的具體工作原理。
圖1為根據本發明一實施例的隔離切換式電源100的方塊圖。如圖1所示，隔離切換式電源100包括變壓器T、初級開關10、次級開關20以及控制器30。變壓器T具有初級線圈和次級線圈，其中初級線圈和次級線圈均具有第一端和第二端，初級線圈的第一端接收輸入電壓Vin，次級線圈的第一端提供直流輸出電壓Vo，第二端耦 接至次級參考接地。初級開關10耦接在初級線圈的第二端與初級參考接地之間。次級開關20耦接在次級線圈的第二端與負載之間。然而，本領域具有通常知識者可知，次級開關20也可耦接在次級線圈的第一端與負載之間。
在圖1所示的實施例中，隔離切換式電源100的控制器30引入了准諧振控制。在准諧振控制中，切換式電源工作在連續導通模式，當流過儲能元件(變壓器T)的電流下降至零後，儲能元件與初級開關10的寄生電容開始諧振，諧振電壓波形隨之產生。當初級開關10兩端的諧振電壓在其最小值時，初級開關10被導通(通常被成為谷底導通)，從而減小切換式電源100的切換損失和電磁干擾。
如圖1所示，控制器30包括誤差放大電路101、控制訊號產生電路102、隔離電路103、閾值產生電路104、重設訊號產生電路106以及初級邏輯電路107。在一些實施例中，控制器30與次級開關20整合在同一晶片內。在另一個實施例中，控制器30還包括次級開關20的驅動電路。
在圖1所示的隔離切換式電源100中，控制器30具有多個引腳，包括輸出回饋引腳FB、補償引腳COMP、次級參考接地引腳SGND、初級電流檢測引腳CS、初級控制引腳PDrv以及初級參考接地引腳PGND。
如圖1所示，誤差放大電路101具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至輸出回饋引腳FB以接收與切換式電源100輸出訊號有關的輸出回 饋訊號VFB，第二輸入端接收參考電壓VREF，輸出端耦接補償引腳COMP。在圖1所示的實施例中，電阻器RH和RL構成的電阻分壓器耦接在輸出電壓Vo與控制器的輸出回饋引腳FB之間，對切換式電源的輸出電壓Vo進行取樣，以提供輸出回饋訊號VFB。誤差放大電路101耦接在輸出回饋引腳FB與補償引腳COMP之間，基於輸出回饋訊號VFB和參考電壓VREF之差，在輸出端產生第一補償訊號Vcomp。
控制訊號產生電路102耦接至補償引腳COMP以接收第一補償訊號Vcomp，基於第一補償訊號Vcomp，控制訊號產生電路102在輸出端分別產生第一控制訊號PL1和第二控制訊號PL2，以分別控制初級開關10的電流閾值電壓VTH和切換頻率。隔離電路103具有傳輸第一控制訊號PL1的第一通道和傳輸第二控制訊號PL2的第二通道，具有接收第一控制訊號PL1的第一輸入端，在第一輸出端提供與第一控制訊號PL1電隔離的第一同步訊號SYNC1，同時具有接收第二控制訊號PL2的第二輸入端，在第二輸出端提供與第二控制訊號PL2電隔離的第二同步訊號SYNC2。在一個實施例中，隔離電路103可以包括光電耦合器、變壓器、容性隔離元件或任何其他合適的電隔離元件。在其他的實施例中，隔離電路103可以設置在控制器積體電路的外部。
如圖1所示，重設訊號產生電路106具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至初 級電流檢測引腳CS以接收代表流過初級開關電流的電流檢測訊號VCS，第二輸入端耦接至閾值產生電路104的輸出端以接收電流閾值電壓VTH。重設訊號產生電路106將電流檢測訊號VCS同電流閾值電壓VTH相比較，在輸出端提供關斷控制訊號RST，以控制初級開關10的關斷。初級邏輯電路107基於第二同步訊號SYNC2以及關斷控制訊號RST，在輸出端產生初級控制訊號CTRLP，經初級控制引腳PDrv耦接至初級開關10的控制端，以控制初級開關10的導通與關斷。
閾值產生電路104在輸出端提供電流閾值電壓VTH。閾值產生電路104包括啟動閾值產生電路141、正常閾值產生電路142以及選擇電路143。其中在隔離式切換式電源100的啟動過程中，其中啟動閾值產生電路141被選擇去提供逐漸增大的電流閾值電壓VTH。當次級側被啟動時啟動過程結束時，正常閾值產生電路142被選擇去提供電流閾值電壓VTH。正常閾值產生電路142進一步耦接至隔離電路103的第一輸出端以接收第一同步訊號SYNC1，基於第一同步訊號SYNC1提供電流閾值電壓VTH。
在圖1所示的實施例中，控制器30還進一步包括啟動控制單元105。啟動控制單元105耦接至隔離電路103的第二輸出端以接收第二同步訊號SYNC2，其中啟動控制單元105基於第二同步訊號SYNC2檢測次級側是否被啟動，在輸出端提供代表次級側被啟動的啟動訊號S_ON。在一個實施例中，當第二同步訊號SYNC2的第一 個脈衝訊號經隔離電路103的第二通道被傳送至初級側時，表示次級側被啟動。
圖2為根據本發明一實施例的隔離切換式電源100A的方塊圖。與圖1的切換式電源100相比，圖2所示的切換式電源100A進一步包括過零檢測電路108和設定訊號產生電路109。
過零檢測電路108用於檢測初級開關10兩端的諧振電壓是否到達其最小值，即波谷處。在圖2所示的實施例中，隔離切換式電源100A還包括位於初級側的輔助線圈，該輔助線圈經電阻分壓電路耦接至控制器30的過零檢測引腳ZCD。過零檢測電路108耦接至過零檢測引腳ZCD以接收過零檢測訊號VZCD，將過零檢測訊號VZCD和過零閾值電壓VZCD_TH相比較，並在輸出端輸出過零訊號SET0。
設定訊號產生電路109基於第二同步訊號SYNC2和過零訊號SET0，在輸出端產生控制初級開關10的工作頻率的設定訊號SET。在圖2所示的實施例中，設定訊號產生電路109具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，其中第一輸入端耦接至隔離電路103的第二輸出端以接收第二同步訊號SYNC2，第二輸入端耦接至過零檢測電路108以接收過零訊號SET0，基於過零訊號SET0和第二同步訊號SYNC2，設定訊號產生電路109在輸出端提供設定訊號SET，控制初級開關10的導通，從而控制初級開關10的工作頻率。在一個實施例中，在啟動過程中，當初級 開關10的諧振電壓首次達到其最小值時，即初級開關10在第一谷底導通。這樣可以降低了功率變換器的工作應力，節約了系統成本。在另一個實施例中，當啟動過程結束後，第二同步訊號SYNC2來臨且初級開關10的諧振電壓達到其最小值時，初級開關10被導通。
圖3為根據本發明一實施例的誤差放大電路101和控制訊號產生電路102的電路圖。在圖3所示的實施例中，誤差放大電路101包括誤差放大器EA。誤差放大器EA具有正相輸入端、反相輸入端和輸出端，其中反相輸入端接收輸出回饋訊號VFB，正相輸入端接收參考電壓VREF，在輸出端提供第一補償訊號Vcomp。
在圖3所示的實施例中，第一控制訊號產生電路120包括遲滯補償電路1201、第一比較電路1202以及第一脈衝電路1203。遲滯補償電路1201耦接至誤差放大電路101的輸出端以接收第一補償訊號Vcomp，基於第一補償訊號Vcomp，在輸出端提供第二補償訊號Vcomp1。在一個實施例中，遲滯補償電路1201是第一補償訊號Vcomp與一個遲滯訊號的疊加訊號。在另一個實施例中，第二補償訊號Vcomp1與第一補償訊號Vcomp成正比，其比例係數為K1。在其中一個實施例中，K1為大於1的數。
第一比較電路1202耦接至遲滯補償電路1201的輸出端以接收第二補償訊號Vcomp1，耦接至調變訊號產生電路1210的輸出端以接收調變訊號VCT。第一比較電路1202將第二補償訊號Vcomp1與調變訊號VCT相比較， 在輸出端產生第一比較訊號CMP1。第一比較電路1202包括比較器COM1。比較器COM1的正相輸入端接收第二補償訊號Vcomp1，反相輸入端耦接至電容器CT的第一端以接收調變訊號VCT，在輸出端提供第一比較訊號CMP1。第一脈衝電路1203接收第一比較訊號CMP1，在輸出端提供脈衝形式的第一控制訊號PL1，以經過隔離電路103的第一通道傳遞至初級側以控制電流閾值電壓VTH。
在圖3所示的實施例中，調變訊號產生電路1210包括電壓源VPK、開關ST、電容器CT以及電阻器RT。如圖3所示，電壓源VPK具有正端和負端，其中負端耦接至次級參考接地。開關ST具有第一端、第二端和控制端，第一端耦接至電壓源VPK的正端，控制端接第二控制訊號PL2。電容器CT具有第一端和第二端，其中第一端耦接至開關ST的第二端，第二端接次級參考接地。電阻器RT具有第一端和第二端，其中第一端耦接至電容器CT的第一端，第二端接次級參考接地。調變訊號VCT在電容器CT的第一端產生。當第二控制訊號PL2有效時，調變訊號VCT被拉高到峰值電壓，之後開始下降，直至第二控制訊號PL2再次有效。
在圖3所示的實施例中，第二控制訊號產生電路121包括第二比較電路1211、波谷檢測電路1212、波谷鎖定電路1213以及第二脈衝電路1214。第二比較電路1211耦接至誤差放大電路101的輸出端以接收第一補償訊號Vcomp，耦接至調變訊號產生電路1210以接收調變訊號 VCT，將調變訊號VCT與第一補償訊號Vcomp相比較，在輸出端產生第二比較訊號CMP2。第二比較電路1211耦接至誤差放大電路101的輸出端以接收第一補償訊號Vcomp，耦接至調變訊號產生電路1210以接收調變訊號VCT，將調變訊號VCT與第一補償訊號Vcomp相比較，在輸出端產生第二比較訊號CMP2。
波谷檢測電路1212用來檢測次級側諧振電壓的波形。在一個實施例中，波谷檢測電路1212耦接至次級開關20以檢測諧振電壓的波形，並輸出表示諧振電壓一個或多個波谷的波谷脈衝訊號VP。在一個實施例中，波谷檢測電路1212在次級開關20的關斷期間檢測次級開關兩端的開關電壓是否低於波谷基準訊號，輸出波谷脈衝訊號VP。第二脈衝電路1214基於頻率控制訊號FS，在輸出端提供脈衝形式的第二控制訊號PL2，以經過隔離電路103的第二通道傳遞至初級側。
波谷檢測電路1212用來檢測次級側諧振電壓的波形。在一個實施例中，波谷檢測電路1212耦接至次級開關20以檢測諧振電壓的波形，並輸出表示諧振電壓一個或多個波谷的波谷脈衝訊號VP。在一個實施例中，波谷檢測電路1212在次級開關20的關斷期間檢測次級開關兩端的開關電壓是否低於波谷基準訊號，輸出波谷脈衝訊號VP。
圖4為根據本發明一實施例的閾值產生電路104的電路原理圖。在圖4所示的實施例中，閾值產生電路 104包括啟動閾值產生電路141、正常閾值產生電路142以及選擇電路143。
啟動閾值產生電路141用於在啟動過程中提供從低閾值電壓V1向高閾值電壓V2逐漸增大的電流閾值電壓VTH。圖5為根據本發明一實施例的啟動期間的電流閾值電壓的波形圖。如圖5所示，在啟動過程中，電流閾值電壓VTH從低閾值電壓V1經過預設次數(例如8次)逐漸增大至高閾值電壓V2。進一步地，在切換式電源剛剛開始啟動時，切換式電源工作在較低的頻率，電流閾值電壓VTH等於低閾值電壓。隨著初級開關10的工作頻率逐漸變大，電流閾值電壓VTH逐漸地增大。
圖6為根據本發明一實施例的啟動結束後電流閾值電壓的波形圖。正常閾值產生電路142包括第一電容器C1。如圖6所示，在第二同步訊號SNYC2的正緣來臨時，將第一電容器C1兩端的電壓設高為一上限閾值電壓，之後第一電容器C1兩端電壓開始以某一時間常數下降，並在第一同步訊號SYNC1來臨時對第一電容器C1兩端的電壓進行取樣保持，以提供電流閾值電壓VTH。
繼續如圖4所示，正常閾值產生電路142還進一步包括計時電路1041、正反器FF1、電壓源Vs1和Vs2、開關S1和S2、電阻器R2以及取樣保持電路1042。其中計時電路1041具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至隔離電路103的第二輸出端以接收第二同步訊號SYNC2，計時電路1041基於第二同步訊號SYNC2進行計時，在輸出端產 生計時訊號DLY。正反器FF1具有設定端、重設端、輸出端以及反相輸出端，其中設定元端接收第二同步訊號SYNC2，重設端耦接至計時電路1041的輸出端以接收計時訊號DLY。電壓源Vs1具有正端和負端，其中負端耦接至初級參考接地。電壓源Vs2具有正端和負端，其中負端耦接至初級參考接地。開關S1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一電容器C1的第一端，第二端耦接至電壓源Vs2的正端，控制端耦接至正反器FF1的輸出端。開關S2具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一電容器C1的第一端，第二端經電阻器R2耦接至電壓源Vs1的正端，控制端耦接至正反器FF1的反相輸出端。取樣保持電路1042具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至隔離電路103的第一輸出端以接收第一同步訊號SYNC1，第二輸入端耦接至第一電容器C1的第一端以接收第一電容器C1兩端的電壓，取樣保持電路1042基於第一同步訊號SYNC1對第一電容器C1兩端的電壓進行取樣保持，在輸出端產生電流閾值電壓VTH。
選擇電路143具有第一輸入端、第二輸入端和控制端，其中第一輸入端耦接至啟動閾值產生電路141的輸出端，第二輸入端耦接至正常閾值產生電路142的輸出端，選擇電路143基於啟動訊號S_ON，在輸出端提供合適的電流閾值電壓VTH。
圖7為根據本發明實施例的初級側控制電路的電路原理圖。在圖7所示的實施例中，與圖2所示切換式 電源100A相比，變壓器T還包括具有第一端和第二端的輔助線圈，其中輔助線圈的第二端耦接至初級參考接地。切換式電源還包括供電二極體Ds、供電電容器Cs以及供電電流源Iss。供電電容器Cs具有第一端和第二端，其中第一端為初級側的控制電路提供初級供電電壓Vcc，第二端耦接至初級參考接地。供電二極體Ds具有陽極和陰極，其中陽極耦接至輔助線圈的第一端，陰極耦接至供電電容器Cs的第一端。
在圖7所示的實施例中，啟動控制電路105包括欠壓鎖定電路151和啟動電路152。欠壓鎖定電路151耦接至供電電容器Cs的第一端以接收初級供電電壓Vcc，並將初級供電電壓Vcc與第一閾值電壓VTH_H和第二閾值電壓VTH_L進行比較，產生欠壓鎖定訊號UVLO。供電電流源Iss具有輸入端、輸出端和控制端，其中輸入端耦接至初級線圈的第一端以接收輸入電壓Vin或高壓輸入電源端(例如HV)，輸出端耦接至供電電容器Cs的第一端，控制端耦接至欠壓鎖定電路151以接收欠壓鎖定訊號UVLO。當初級供電電壓Vcc高於第一閾值電壓VTH_H時，供電電流源Iss被關閉。當初級供電電壓Vcc低於第二閾值電壓VTH_L時，供電電流源Iss被開啟，從而為供電電容器Cs充電。在一些實施例中，當初級供電電壓Vcc低於第二閾值電壓VTH_L時，由初級供電電壓Vcc提供能量的初級側控制電路大多停止工作，以避免誤操作。
啟動電路152具有第一輸入端、第二輸入端 和輸出端，其中第一輸入端耦接至欠壓鎖定電路151以接收欠壓鎖定訊號UVLO，第二輸入端耦接至隔離電路103的第二輸出端以接收第二同步訊號SYNC2。啟動電路152基於欠壓鎖定訊號UVLO和第二同步訊號SYNC2，在輸出端產生表示啟動過程開始的啟動訊號STAUP和表示啟動過程結束的啟動訊號S_ON。在圖7所示的實施例中，欠壓鎖定電路151包括滯環比較器COM0。啟動電路152包括單觸發電路1521和正反器FF2。單觸發電路1521具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至欠壓鎖定電路151以接收欠壓鎖定訊號UVLO。正反器FF2具有設定端、重設端和輸出端，其中設定端耦接至單觸發電路1521的輸出端，重設端耦接至隔離電路103的輸出端以接收第二同步訊號SYNC2，輸出端以提供啟動訊號STAUP，反相輸出端提供啟動訊號S_ON。正反器FF2為重設優先。
過零檢測電路108包括比較器COM3。比較器COM3的正相輸入端接收過零閾值電壓VZCD_TH，反相輸入端耦接過零檢測引腳ZCD接收過零檢測訊號VZCD，在輸出端提供過零訊號SET0。
設定訊號產生電路109A包括及閘AND1和選擇電路1091。及閘AND1具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端接收第二同步訊號SYNC2，第二輸入端耦接至過零檢測電路108的輸出端以接收過零訊號SET0。選擇電路1091耦接至啟動控制電路105，接收啟動訊號STAUP和啟動訊號S_ON，其中當啟動訊號STAUP有 效時，選擇電路1091選擇過零訊號SET0作為設定訊號SET提供至初級邏輯電路107。當啟動訊號S_ON變高時，選擇電路1091選擇及閘AND1的輸出作為設定訊號SET提供至初級邏輯電路107。在圖7所示的實施例中，選擇電路1091包括開關Q1和Q2。
重設訊號產生電路106包括比較器COM4。比較器COM4的正相輸入端耦接至電流檢測引腳CS以接收電流檢測訊號VCS，反相輸入端耦接至閾值產生電路104的輸出端以接收閾值電壓VTH。根據本發明的實施例，在啟動過程中，即啟動訊號STAUP有效時，啟動閾值產生電路141提供逐漸增大的電流閾值電壓VTH。當啟動訊號S_ON有效時，啟動過程結束，由正常閾值產生電路142基於第一同步訊號SYNC1來產生電流閾值電壓VTH。
初級邏輯電路107包括正反器FF3。正反器FF3具有設定端、重設端和輸出端，其中設定端耦接至設定訊號產生電路109A的輸出端以接收設定訊號SET，重設端耦接至重設訊號產生電路106的輸出端以接收重設訊號RST，在輸出端提供初級控制訊號CTRLP以控制初級開關10的導通與關斷。
圖8為根據本發明一實施例的隔離切換式電源100B的方塊圖。圖8所示的控制器30B與圖2所示的控制器30A相比，進一步包括位於次級側的次級啟動控制電路110和參考電壓產生電路111。
在圖8所示的實施例中，控制器30B進一步包 括次級供電引腳VDD，耦接至輸出電壓Vo，為控制器30B的次級側控制電路提供次級供電電壓。次級啟動控制電路110耦接至次級供電引腳VDD以接收次級供電電壓VDD，將次級供電電壓VDD與第三閾值電壓VDD_ON相比較，根據比較結果在輸出端提供代表次級側被啟動的第二啟動訊號S_ON1。參考電壓產生電路111耦接至次級啟動控制電路110以接收第二啟動訊號S_ON1，基於第二啟動訊號S_ON1，控制參考電壓VREF。具體地，在啟動過程中，參考電壓VREF跟隨輸出回饋訊號VFB變化，逐漸增大。而在次級側被啟動，啟動過程結束時，參考電壓VREF保持第一參考電壓VREF1不變。
圖9為根據本發明一實施例的隔離切換式電源啟動過程中的工作波形圖。如圖9所示，在時刻t1，初級供電電壓Vcc增大至大於第一閾值電壓VTH_H，欠壓鎖定訊號UVLO設高。之後切換式電源開始啟動，初級開關10開始工作，為次級側提供能量，輸出電壓Vo開始增大，次級供電電壓VDD也隨之增大。
在啟動過程中，電流閾值電壓VTH逐漸增大，初級開關10的導通時間也逐漸增大。初級開關10的導通由過零檢測訊號VZCD與過零閾值電壓VZCD_TH產生的過零訊號SET0決定。
在時刻t2，次級供電電壓VDD增大到大於第三閾值電壓VDD_ON，第二啟動訊號S_ON1有效。在時刻t3，當第二同步訊號SYNC2的第一個脈衝來臨時，啟動訊 號S_ON被設高，初級側檢測到啟動過程結束。之後第二同步訊號SYNC2與過零檢測訊號VZCD一起決定初級開關10的導通。
圖10為根據本發明一實施例的部分次級側控制電路的電路圖。在圖10所示的實施例中，次級啟動控制電路110包括比較器COM5。比較器COM5的正相輸入端耦接至次級供電引腳VDD以接收次級供電電壓VDD，正相輸入端接收第三閾值電壓VDD_ON，在輸出端提供第二啟動訊號S_ON1。
參考電壓產生電路111包括參考電容器C3、參考電壓源Vref1、參考電阻器R3以及開關M1和M2。參考電容器C3具有第一端和第二端，其中第一端耦接至誤差放大電路101A的第二輸入端，第二端耦接至次級參考接地。參考電壓源Vref1具有正端和負端，其中負端耦接至次級參考接地。開關M1與M2構成選擇開關電路，耦接至次級啟動控制電路110以接收第二啟動訊號S_ON1，基於第二啟動訊號S_ON1，選擇開關電路選擇將參考電容器C3的第一端耦接至誤差放大電路101A的第一輸入端或經參考電阻器R3耦接至參考電壓源Vref1的正端。在一個實施例中，當第二啟動訊號S_ON1為低電位，參考電壓VREF跟隨輸出回饋訊號VFB變化，在啟動過程中逐漸增大。當第二啟動訊號S_ON1為高電位，參考電壓VREF與輸出回饋引腳FB斷開，以預設時間常數逐漸增大至第一參考電壓VREF1。
圖11為根據本發明一實施例的隔離式切換式電源的控制方法700的方法流程圖。該切換式電源包括具有初級線圈和次級線圈的變壓器、耦接至初級線圈的初級開關、耦接至次級線圈的次級開關以及雙通道的隔離電路，該控制方法包括步驟701~708。
在步驟701，在啟動過程中，提供逐漸增大的電流閾值電壓。在一個實施例中，電流閾值電壓在啟動過程中經預設次數逐漸從低閾值電壓增大至高閾值電壓。
在步驟702，根據切換式電源的輸出訊號產生輸出回饋訊號。
在步驟703，基於輸出回饋訊號與參考電壓之差，產生第一補償訊號。
在步驟704，基於第一補償訊號，分別產生第一控制訊號和第二控制訊號。在一個實施例中，產生第一控制訊號的方法包括：基於第一補償訊號，產生第二補償訊號；將第二補償訊號與一調變訊號相比較，提供第一比較訊號；以及基於第一比較訊號，提供第一控制訊號。在進一步的實施例中，產生第二控制訊號的方法包括：將第一補償訊號與調變訊號相比較，產生第二比較訊號；以及基於第一比較訊號、第二比較訊號和代表次級開關兩端電壓波谷的波谷脈衝訊號，產生初級開關導通的目標波谷值，並提供與該目標波谷值相對應的第二控制訊號。
在步驟705，將第一和第二控制訊號分別送入隔離電路的第一和第二通道，分別產生與第一控制訊號 電隔離的第一同步訊號，與第二控制訊號電隔離的第二同步訊號。
在步驟706，檢測次級側是否被啟動。在一個實施例中，當第二同步訊號的第一個脈衝訊號經隔離電路被傳送至初級側時，次級側被啟動。在另一個實施例中，當次級供電電壓增大至第三閾值電壓時，次級側被啟動。
在步驟707，當次級側被啟動時啟動過程結束，基於第一同步訊號提供電流閾值電壓。在一個實施例中，在第二同步訊號的正緣來臨時，將第一電容器兩端的電壓設高為上限閾值電壓。之後第一電容器兩端電壓開始下降，在第一同步訊號來臨時對第一電容器兩端的電壓進行取樣保持，以提供電流閾值電壓。
在步驟708，將代表流過初級開關電流的電流檢測訊號同電流閾值電壓相比較，產生重設訊號以關斷初級開關。
在一個實施例中，控制方法700進一步包括：將過零檢測訊號和過零閾值電壓相比較，並在輸出端輸出過零訊號；在啟動過程中基於過零訊號提供設定訊號以控制初級開關的導通；以及在啟動過程結束後基於第二同步訊號和過零訊號提供所述設定訊號。在另一個實施例中，在啟動結束後，當第二同步訊號來臨且初級開關兩端的諧振電壓達到其最小值時，控制初級開關導通。
在另一個實施例中，控制方法700還進一步 包括：在啟動過程中所述參考電壓跟隨輸出回饋訊號逐漸增大；在次級側被啟動時啟動過程結束，參考電壓逐漸增大至第一參考電壓。
在說明書中，相關術語例如第一和第二等可以只是用於將一個實體或動作與另一個實體或動作區分開，而不必或不意味著在這些實體或動作之間的任意實體這種關係或者順序。數位順序例如「第一」、「第二」、「第三」等僅僅指的是多個中的不同個體，並不意味著任何順序或序列，除非申請專利範圍語言有具體限定。在任何一個申請專利範圍中的文本的順序並不意問這處理步驟必須以根據這種順序的臨時或邏輯順序進行，除非申請專利範圍語言有具體規定。在不脫離本發明範圍的情況下，這些處理步驟可以按照任意順序互換，只要這種互換不會是的申請專利範圍語言矛盾並且不會出現邏輯上荒謬。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和變型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
10:初級開關
20:次級開關
30:控制器
100:隔離切換式電源
101:誤差放大電路
102:控制訊號產生電路
103:隔離電路
104:閾值產生電路
105:峰值比較電路
106:重設訊號產生電路
107:初級邏輯電路
141:啟動閾值產生電路
142:正常閾值產生電路
143:選擇電路
Cin,Co,CC:電容器
RCS,RH,RL,RC:電阻器
FB,COMP,SGND,CS,PDrv,PGND:引腳
Vin,Vo,VCS,VTH,RST,CTRLP,S_ON,SYNC1,SYNC2,PL1,PL2,Vcomp,VREF,VFB:訊號

Claims (8)

  1. 一種用於一隔離切換式電源的控制器，該隔離切換式電源包括有一變壓器和一初級開關，該控制器包括： 一次級啟動控制電路，用以將一次級供電電壓與一閾值電壓相比較，根據比較結果提供一代表一次級側是否被啟動的一啟動訊號； 一誤差放大電路，具有一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端，其中該誤差放大電路的該第一輸入端用以接收與該隔離切換式電源的一輸出訊號有關的一輸出回饋訊號，該誤差放大電路的該第二輸入端接收一參考電壓，且該誤差放大電路基於該輸出回饋訊號和該參考電壓之差，在該誤差放大電路的該輸出端產生一第一補償訊號； 一參考電壓產生電路，用以提供該參考電壓，包括： 一參考電容器，具有一第一端和一第二端，其中該參考電容器的該第一端耦接至該誤差放大電路的該第二輸入端，該參考電容器的該第二端耦接至一次級參考接地； 一參考電壓源，具有一正端和一負端，其中該參考電壓源的該負端耦接至該次級參考接地；以及 一選擇開關電路，接收該啟動訊號，該選擇開關電路用以基於該啟動訊號，選擇將該參考電容器的該第一端耦接至該誤差放大電路的該第一輸入端或經一參考電阻器耦接至該參考電壓源的該正端； 一控制訊號產生電路，用以基於該第一補償訊號，分別產生一第一控制訊號和一第二控制訊號； 一隔離電路，有用於傳輸該第一控制訊號的一第一通道和用於傳輸該第二控制訊號的一第二通道，用以在該隔離電路的一第一輸出端提供與該第一控制訊號電隔離的一第一同步訊號，並在該隔離電路的一第二輸出端提供與該第二控制訊號電隔離的一第二同步訊號； 一重設訊號產生電路，具有一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端，其中該重設訊號產生電路的該第一輸入端用以接收代表流過該初級開關的電流的一電流檢測訊號，該重設訊號產生電路的該第二輸入端用以接收一電流閾值電壓，該重設訊號產生電路用以將該電流檢測訊號與該電流閾值電壓相比較，在該重設訊號產生電路的該輸出端產生一重設訊號以控制該初級開關的關斷；以及 一閾值產生電路，用以提供該電流閾值電壓，包括： 一啟動閾值產生電路，用以在一啟動過程中提供逐漸增大的該電流閾值電壓；以及 一正常閾值產生電路，用以在該次級側被啟動時該啟動過程結束，基於該第一同步訊號提供該電流閾值電壓。
  2. 如請求項1所述的控制器，進一步包括： 一啟動控制單元，耦接至該隔離電路的該第二輸出端以接收該第二同步訊號，其中該啟動控制單元用以基於該第二同步訊號檢測該次級側是否被啟動，在該啟動控制單元的該輸出端提供一第二啟動訊號。
  3. 如請求項2所述的控制器，其中該啟動控制單元包括： 一欠壓鎖定電路，耦接至一供電電容器以接收一初級供電電壓，該欠壓鎖定電路用以將該初級供電電壓與一第一供電閾值電壓和一第二供電閾值電壓進行比較，產生一欠壓鎖定訊號；以及 一啟動電路，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一輸出端和一反相輸出端，其中該啟動電路的該第一輸入端耦接至該欠壓鎖定電路以接收該欠壓鎖定訊號，該啟動電路的該第二輸入端耦接至該隔離電路的該輸出端以接收該第二同步訊號，該啟動電路用以基於該欠壓鎖定訊號和該第二同步訊號，在該啟動電路的該輸出端提供表示該啟動過程開始的該第二啟動訊號，在該啟動電路的該反相輸出端提供表示該啟動過程結束的該第二啟動訊號。
  4. 如請求項1所述的控制器，進一步包括： 一過零檢測電路，將一過零檢測訊號和一過零閾值電壓相比較，以提供一過零訊號； 一設定訊號產生電路，用以提供一設定訊號，其中該設定訊號係在該啟動過程中基於該過零訊號而產生，且該設定訊號係在該啟動過程結束後基於該第二同步訊號和該過零訊號而產生；以及 一初級邏輯電路，用以基於該設定訊號和該重設訊號，產生一初級控制訊號以控制該初級開關。
  5. 如請求項1所述的控制器，其中在該啟動過程中該電流閾值電壓從一低閾值電壓經過一預設次數逐漸增大至一高閾值電壓。
  6. 如請求項1所述的控制器，其中該正常閾值產生電路包括： 一計時電路，具有一輸入端和一輸出端，其中該計時電路的該輸入端耦接至該隔離電路的該第二輸出端以接收該第二同步訊號，該計時電路用以基於該第二同步訊號進行計時，在該計時電路的該輸出端產生一計時訊號； 一第一正反器，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一輸出端和一反相輸出端，其中該第一正反器的該第一輸入端耦接至該隔離電路的該第二輸出端以接收該第二同步訊號，該第一正反器的該第二輸入端耦接至該計時電路的該輸出端以接收該計時訊號； 一第一電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電容器的該第二端耦接至一初級參考接地； 一第一電壓源，具有一正端和一負端，其中該第一電壓源的該負端耦接至該初級參考接地； 一第二電壓源，具有一正端和一負端，其中該第二電壓源的該負端耦接至該初級參考接地； 一第一開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，其中該第一開關的該第一端耦接至該第一電容器的該第一端，該第一開關的該第二端耦接至該第一電壓源的該正端，該第一開關的該控制端耦接至該第一正反器的該輸出端； 一第二開關，具有一第一端、一第二端和一控制端，其中該第二開關的該第一端耦接至該第一電容器的該第一端，該第二開關的該第二端經第一電阻器耦接至該第二電壓源的該正端，該第二開關的該控制端耦接至該第一正反器的該反相輸出端；以及 一取樣保持電路，具有一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端，其中該取樣保持電路的該第一輸入端耦接至該隔離電路的該第一輸出端以接收該第一同步訊號，該取樣保持電路的該第二輸入端耦接至該第一電容器的該第一端以接收該第一電容器兩端的電壓，該取樣保持電路用以基於該第一同步訊號對該第一電容器兩端的電壓進行取樣保持，在該取樣保持電路的該輸出端產生該電流閾值電壓。
  7. 如請求項1所述的控制器，其中該參考電壓在該啟動過程中跟隨該輸出回饋訊號逐漸增大，在該啟動過程結束後，該參考電壓逐漸增大至一第一參考電壓。
  8. 一種隔離切換式電源，包括： 一變壓器，具有一初級線圈和一次級線圈； 一初級開關，耦接至該初級線圈；以及 如請求項1至7中任一項所述的控制器。
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