零点电压切换的电源控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种零点电压切换的电源控制系统，包含电源控制器、整流单元、电源单元、变压器单元、初级侧切换单元、辅助切换单元、输出单元以及电流感测单元，用于实现返驰转换，而且电源控制器包含电源接脚、接地接脚、初级驱动接脚、电压感测接脚、辅助驱动接脚以及辅助绕组感测接脚。尤其，本发明专利技术控制辅助切换单元由辅助绕组影响初级侧绕组以降低初级侧切换单元的汲极电压，使得初级侧切换单元是在初级侧切换单元的汲极电压为最低电压时才打开，借以大幅降低切换损失，提高电源转换效率。提高电源转换效率。提高电源转换效率。

【技术实现步骤摘要】
零点电压切换的电源控制系统


[0001]本专利技术有关于一种零点电压切换的电源控制系统，尤其是利用辅助切换单元连接至辅助绕组，并由电源控制器产生辅助驱动信号以控制辅助切换单元的打开及关闭，进而由辅助绕组影响初级侧绕组，降低初级侧切换单元的汲极电压，使得电源控制器所产生的初级驱动信号可在初级侧切换单元的汲极电压是最低电压时，或是接近零电压时，才打开初级侧切换单元，借以大幅降低切换损失，提高电源转换效率。

技术介绍

[0002]随着电子科技的进步以及半导体进程的不断精进，终端产品的相关从业者也持续推出功能更强大且具有高度整合性的各种电子产品，而不同电子装置需要特定的电源以提供所需的电力，比如集成电路(IC)需要1.2V的低压直流电，电动马达需要12V的直流电，而背光模块则需要数百伏以上的高压电源，因此，需要高质量且高效率的电源的转换装置，当作电源供应器用，借以满足所需的电源。
[0003]在目前的电源供应器中，使用具脉波宽度调整(Pulse Width Modulation，PWM)特性的交换式电源供应器(Switching Power Supply)是最常用方式之一，因为可达到相当高的电源转换效率。以返驰式(Flyback)电源转换器为例，主要是包含电源控制器、变压器、切换单元、电流感测电阻、次级侧整流器以及输出电容，且变压器包含初级侧绕组及次级侧绕组，其中电源控制器、初级侧绕组、切换单元及电流感测电阻是串接而形成初级侧回路，而次级侧绕组、次级侧整流器以及输出电容是串接而形成次级侧回路。电源控制器产生PWM驱动信号以驱动连接变压器的切换单元，比如功率晶体管，而PWM驱动信号本身具有高速的切换频率，可周期性的快速打开、关闭切换单元而达到导通、切断流过变压器的初级侧绕组及切换单元的电流之目的，并借变压器中初级侧绕组及次级侧绕组之间的电磁感应作用以及预设的绕线比而将输入电压转换成不同的输出电压，当作供应电源以供电给外部的负载，达到电源转换功能。
[0004]此外，初级侧绕组是由激磁电感(Magnetizing Inductance)与漏电感组成，漏电感的生成原因是因为初级侧磁通(Magnetic Flux)无法耦合至次级侧，而所储存的能量必须被转移至其它地方消耗，漏电感内的能量便是造成切换单元的汲极在关闭截止时会产生极大电压突波(Voltage Spike)的原因。
[0005]在打开切换单元而导通时，电流流过初级侧绕组，亦即输入电源是对初级侧绕组进行储能。在关闭切换单元而截止时，因为漏电感所储存的能量无法耦合到次级侧，所以会与切换单元的汲极
‑
源极的两端电容形成LC共振，并在切换单元的汲极
‑
源极的两端产生电压突波。在LC共振后，汲极
‑
源极的跨压开始由峰值缓慢下降至某一固定值，称为膝部(Knee)，表示激磁电感所储存的能量已完全释放完毕，此时，次级侧电流已完全为零，并呈现开路状态，其中初级侧的电路形成RLC谐振槽，产生欠阻尼谐振或称减幅振荡，并具有谐振频率，所以可依据谐振频率而预测谷底的时间。
[0006]进一步，当切换单元被PWM驱动信号以周期性的方式而快速打开、关闭时，会因为
相关的电气信号产生不连续性，比如电流、电压，进而造成切换损失，并导致整体的电源转换效率下降。举例而言，如果能在汲极
‑
源极跨压最低时打开切换单元，亦即谷底电压(valley)，便可大幅降低切换损失。因而在现有技术中，通常是选定在切换单元的汲极
‑
源极跨压落在低电压时，此时激磁电感的电流为零，才打开切换单元，统称为准谐振(quasi
‑
resonance，QR)切换或谷底切换，主要原因是此时打开切换单元时的能量损失较少，可降低切换损失的问题。
[0007]通常，准谐振切换或谷底切换的作法是先预估发生膝部的时间，并依据减幅振荡的频率而计算谷底切换的时间，借以当作打开切换单元的时间点，或是选定某一次的谷底才切换，比如第三次的谷底。虽然上述的切换打开方式可适度降低切换损失，但是每个电气组件的特性都会影响膝部的时间、减幅振荡的频率，所以需要配合目前的电路而调整或计算，否则无法精确的在谷底时进行切换而打开切换单元。此外，当负载较轻时，需要晚一点打开，但是在负载较重时，需要早一点打开。
[0008]显而易见的是，电路中任何组件的变动或电气特性变动都需要重新调整或计算打开时间，导致实际应用上缺乏弹性而不便利，所以上述现有技术的缺点在于随着应用环境的变化，不同负载程度所需要的最佳打开时间也不相同，电源控制器无法事先预测而动态调整以设定相对应的打开时间，因而在实际上，很难满足大部分现有的应用领域。
[0009]因此，非常需要一种新颖设计的零点电压切换的电源控制系统，利用辅助切换单元连接至辅助绕组，并由电源控制器产生辅助驱动信号以控制辅助切换单元的打开及关闭，进而由辅助绕组影响初级侧绕组，降低初级侧切换单元的汲极电压，使得电源控制器所产生的初级驱动信号可在初级侧切换单元的汲极电压是最低电压时，或是接近零电压时，才打开初级侧切换单元，借以大幅降低切换损失，提高电源转换效率，借以克服现有技术的问题。

技术实现思路

[0010]本专利技术的主要目的在于提供一种零点电压切换的电源控制系统，包含电源控制器、整流单元、电源单元、变压器单元、初级侧切换单元、辅助切换单元、输出单元以及电流感测单元，用于实现返驰电源转换功能，而且电源控制器包含电源接脚、接地接脚、初级驱动接脚、电压感测接脚、辅助驱动接脚以及辅助绕组感测接脚，其中变压器单元包含相互耦合的初级侧绕组、辅助绕组以及次级侧绕组，且初级侧切换单元以及辅助切换单元可包含金氧半晶体管、或氮化镓场效晶体管、或碳化硅
‑
金氧半场效晶体管。
[0011]整流单元接收外部输入电源，并在整流后产生整流电源，且整流单元是经由辅助电容而连接至接地电位，而电源单元也是接收外部输入电源，且经处理后产生并输出电源电压至电源接脚，用于供电源控制器运作。
[0012]变压器单元包含相互耦合的初级侧绕组、辅助绕组以及次级侧绕组，其中，初级侧绕组的一端是连接整流单元，用于接收整流电源。
[0013]初级侧切换单元的汲极是连接初级侧绕组的另一端，且初级侧切换单元的闸极是连接初级驱动接脚，而初级侧切换单元的源极是连接电压感测接脚。
[0014]电流感测单元的一端连接至电压感测接脚，且电流感测单元的另一端是连接至接地电位，且由电压感测接脚产生电流感测信号。
[0015]辅助切换单元的汲极连接整流单元以接收整流电源，辅助切换单元的闸极连接辅助驱动接脚，辅助切换单元的源极连接至辅助绕组的一端以及辅助绕组感测接脚，而辅助绕组的另一端连接至接地电位。此外，辅助切换单元的源极产生辅助绕组电压，辅助绕组电压是对应于初级侧切换单元的汲极电压，而特别的是，汲极电压是指初级侧切换单元的汲极的电压。
[0016]再者，辅助切换单元的汲极还经由辅助电容而连接至接地电位。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种零点电压切换的电源控制系统，用于实现一返驰电源转换功能，其特征在于，包括：一电源控制器，包含一电源接脚、一接地接脚、一初级驱动接脚、一电压感测接脚、一辅助驱动接脚以及一辅助绕组感测接脚；一整流单元，接收并整流一外部输入电源后产生一整流电源，且所述整流单元是经由一辅助电容而连接至一接地电位；一电源单元，接收所述外部输入电源，且经处理后产生并输出一电源电压，所述电源接脚接收所述电源电压以供所述电源控制器运作；一变压器单元，包含相互耦合的一初级侧绕组、一辅助绕组以及一次级侧绕组，所述初级侧绕组的一端连接所述整流单元以接收所述整流电源；一初级侧切换单元，所述初级侧切换单元的一汲极连接所述初级侧绕组的一另一端，所述初级侧切换单元的一闸极连接所述初级驱动接脚，所述初级侧切换单元的一源极连接所述电压感测接脚；一电流感测单元，所述电流感测单元的一端连接至所述电压感测接脚，所述电流感测单元的另一端连接至所述接地电位，所述电压感测接脚产生一电流感测信号；一辅助切换单元，所述辅助切换单元的一汲极连接所述电源单元以接收所述电源电压，所述辅助切换单元的一闸极连接所述辅助驱动接脚，所述辅助切换单元的一源极连接至所述辅助绕组的一端以及所述辅助绕组感测接脚，所述辅助绕组的一另一端连接至所述接地电位，所述辅助切换单元的源极产生一辅助绕组电压，所述辅助绕组电压是对应于所述初级侧切换单元的一汲极电压，所述汲极电压是所述初级侧切换单元的汲极的一电压，所述辅助切换单元的所述汲极还经由一辅助电容而连接至所述接地电位；以及一输出单元，所述输出单元的一端连接至所述次级侧绕组的一端，用于产生一输出电源，并供电给连接至所述输出单元的一负载，所述次级侧绕组的另一端连接至所述接地电位；其中，所述电源控制器进行一零点电压开关操作以产生一初级驱动信号以及一辅助驱动信号，所述初级驱动信号是传送至所述初级驱动接脚，所述辅助驱动信号是传送至所述辅助驱动接脚，所述初级驱动信号为一脉冲宽度调整PWM信号，并具有一PWM频率，且包含周期性的一导通位准以及一关闭位准，用于周期性导通或关闭所述初级侧切换单元，所述导通位准是维持一导通时间，所述关闭位准是维持一关闭时间，所述PWM频率是依据所述负载的一负载程度而决定，所述导通时间是依据所述输出电源而决定，所述零点电压开关操作包含：所述初级侧切换单元在所述辅助切换单元关闭后而关闭时，侦测并判断所述辅助绕组电压是否下降至一膝部；当所述辅助绕组电压下降至所述膝部时，将所述初级侧切换单元关闭至所述辅助绕组电压下降为所述膝部之间的一时间当作一去磁时间，而所述初级侧切换单元进入一欠阻尼谐振，并由所述电源控制器计算一打开延迟时间；等待所述打开延迟时间后，驱动所述辅助驱动信号以打开所述辅助切换单元，并设定、调整或计算一辅助导通时间；等待所述辅助导通时间后，驱动所述辅助驱动信号以关闭所述辅助切换单元，并计算

【专利技术属性】
技术研发人员：林树嘉，詹祖怀，林志峯，
申请(专利权)人：产晶积体电路股份有限公司，
类型：发明
国别省市：