专利名称：谷底电压检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种谷底电压检测装置，特别涉及一种使用在切换式电源供应器中，用来检测该切换式电源供应器中一切换开关上所产生共振电压信号的谷底电压的装置。
背景技术：
切换式电源供应器用来将未调整的电源转换成可稳定调整的电压或电流。切换式电源供应器主要包含一变压器或一磁性组件，其具有一次侧绕组与二次侧绕组，用来提供电气隔离。一切换开关耦接至变压器的一次侧绕组，用来控制一次侧绕组到二次侧绕组间功率的传送。切换式电源供应器操作在高频，可以减少体积与重量。然而，切换开关的切换动作会产生切换损失与电磁干扰(EMI)。图1为公知返驰式电源供应器。图2为图1的工作波形示意图。如图1所示，切换开关Q1使用于切换变压器T1，并且控制变压器T1一次侧绕组NP与二次侧绕组NS间功率的传送。当控制信号VG控制切换开关Q1导通时，能量储存于变压器T1。当控制信号VG控制切换开关Q1截止时，储存于变压器T1的能量将通过整流器DO释放至返驰式电源供应器的输出。同时，依据返驰式电源供应器的输出电压VO与变压器T1的匝数比，在变压器T1的一次侧绕组NP产生反射电压VR。
因此，当切换开关Q1截止时，跨于切换开关Q1上的电压VD等于输入电压VIN加上反射电压VR。跨于切换开关Q1上的电压VD储能在切换开关Q1的寄生电容Cj上。在一放电周期TDS之后，变压器T1的储能完全地释放出来，寄生电容Cj上所储存的能量通过变压器T1的一次侧绕组NP传回至输入电压VIN。此时，寄生电容Cj与变压器T1的一次侧绕组NP的电感LP组成一共振组件(resonant tank)，其共振频率fR可以由下面公式(1)表示fR=12πLP×Cj---(1)]]>在共振的这段期间，寄生电容Cj上所储存的能量将来回地传送到变压器T1的一次侧的电感LP。一延迟时间Tq为寄生电容Cj上的端电压VD从峰值电压开始放电到谷底电压的时间。延迟时间Tq为一准共振(quasi-resonant)的周期。延迟时间Tq可以由下面公式(2)表示Tq=14×fR---(2)]]>复参考图2，公知返驰式电源供应器使用的切换开关Q1会在高压下进行切换动作，而产生切换损失，同时共振期间更会产生电磁干扰。假使能够在寄生电容Cj端电压VD处于谷底电压期间导通切换开关Q1，如此即可以在较低的切换开关Q1的端电压下进行切换，以减少切换损失与降低电磁干扰，可达到柔性切换并改善电源转换器的系统效率。
发明内容
有鉴于此，本发明一种谷底电压检测装置，用来检测一电压信号的谷底电压，包括有一第一比较单元，接收该电压信号，比较运算该电压信号与一临界电压，用以输出一启始信号；一取样单元，连接于该第一比较单元，受控于该启始信号，经一第一延迟时间后，对比例于该电压信号的一待测信号进行取样，以得到一第一取样电压，再经过一第二延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第二取样电压；一第二比较单元，连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号；及一上下计数单元，连接于该第二比较单元，接收该上下计数信号并通过一延迟电路，以调整该第一延迟时间；其中，当该第一取样电压与该第二取样电压相近时，判断该电压信号已经到达谷底电压。
本发明所述的谷底电压检测装置，该第一比较单元通过一电阻连接到一变压器的辅助绕组，用以接收该电压信号。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该电阻通过一电流转电压单元连接到该取样单元，该电流转电压单元将流过该电阻上的电流，转换成为该待测信号。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该第一取样电压小于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，用以延长该第一延迟时间。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该第一取样电压大于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，用以缩短该第一延迟时间。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该延迟电路包括有一电流源串接一电容，根据该上下计数信号调整该电流源的大小，用以改变该电流源对该电容的充电时间，充电时间即为该第一延迟时间。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该延迟电路进一步包括有一延迟控制电路，连接于该电容与该第一比较单元，受控于该启始信号，以对该电容放电，并比较该电容上的电压值，以输出一控制信号。
本发明另一方案，一种谷底电压检测装置，使用在一切换式电源供应器中，于一切换开关截止时，用来检测该切换式电源供应器中一切换开关上所产生的共振电压信号的谷底电压，进而于共振电压信号处于谷底电压下导通该切换开关，以达到柔性切换并改善切换式电源供应器的系统效率。
本发明一种谷底电压检测装置，使用一第一比较单元来接收一电压信号，且比较运算该电压信号与一临界电压，以输出一启始信号。一取样单元，连接到该第一比较单元，取样单元受控于该启始信号，经过一第一延迟时间后，对比例于该电压信号的一待测信号取样一第一取样电压，再经过一第二延迟时间后，对该待测信号取样一第二取样电压。一第二比较单元，连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，并比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号。一上下计数单元，连接于该第二比较单元，接收该上下计数信号并通过一延迟电路，以调整该第一延迟时间。当该第一取样电压与该第二取样电压相近时，判断该电压信号已到达谷底电压。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该第一取样电压小于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，于下一次取样该第一取样电压时，用以延长该第一延迟时间。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该第一取样电压大于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，于下一次取样该第一取样电压时，用以缩短该第一延迟时间。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该延迟电路包括有一电流源串接一电容，根据该上下计数信号调整该电流源的大小，用以改变该电流源对该电容的充电时间，充电时间即为该第一延迟时间。
本发明所述的谷底电压检测装置，其中该延迟电路进一步包括有一延迟控制电路，连接于该电容与该第一比较单元，受控于该启始信号，以对该电容放电，并比较该电容上的电压值，以输出一控制信号导通该切换开关。
以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。
图1为公知返驰式电源供应器；图2为图1的工作波形示意图；图3为本发明较佳实施例的切换式电源供应器电路示意图；图4为本发明较佳实施例的切换式控制装置示意图；图5为本发明最佳实施例的谷底电压检测装置电路示意图；图6为本发明最佳实施例的谷底电压检测装置的工作波形示意图；及图7A到图7C为本发明最佳实施例的谷底电压检测装置的谷底电压检测波形示意图。
其中，附图标记说明如下公知切换开关Q1变压器TR整流器DO输出电压VO输入电压VIN寄生电容Cj本发明光耦合器45切换式控制装置50 正反器53输出电路54比较器55 电阻R56偏移电压V57谷底电压检测装置10 电流转电压单元102运算放大器1022第一比较单元104取样单元106
上下计数单元107 第二比较单108 迟电路109延迟控制电路1090 反相器1092 与非门1094比较器1096正反器320、330 反相器325、33具体实施方式
请参考图3，为本发明较佳实施例的切换式电源供应器电路示意图。切换式控制装置50包含反馈端FB、电流感测端CS、输入端VS与输出端OUT。输出端OUT产生驱动信号VPWM用以驱动切换开关Q1。切换开关Q1用以切换一变压器TR(或一磁性组件)，并且在电流感测电阻RS上产生切换电流信号VCS。变压器TR包含一次侧绕组NP、二次侧绕组NS与辅助绕组NA。一次侧绕组NP耦接至切换开关Q1。二次侧绕组NS透过整流器DO与输出电容CO耦接至切换式电源供应器的输出。
辅助绕组NA通过另一整流器DA与电容CST用以提供电源给切换式控制装置50。电阻RA耦接于辅助绕组NA与切换式控制装置50的输入端VS之间。光耦合器45通过电阻RK与稳压器ZK耦接至切换式电源供应器的输出端以取得输出电压VO，并输出反馈信号VFB到切换式控制装置50的反馈端FB。切换式控制装置50接收反馈信号VFB与切换电流信号VCS，用以输出一切换信号SW与一驱动信号VPWM，以稳定调整切换式电源供应器的输出电压VO。
配合图3，请参考图4，为本发明较佳实施例的切换式控制装置示意图。切换式控制装置50至少包含一正反器53、一比较器55、一电阻R56及一偏移电压V57。电阻R56耦接至反馈端FB，用来上拉反馈信号VFB至高电平。比较器55的正端(+)通过偏移电压V57接收反馈信号VFB。偏移电压V57对于反馈信号VFB提供电平位移。比较器55的负端(-)耦接至电流感测端CS，接收切换电流信号VCS，并且达到脉宽调变控制。比较器55的输出端耦接至正反器53的重置端R。正反器53的输出端Q输出切换信号SW，且通过一输出电路54产生驱动信号VPWM。
切换开关Q1上的电压波形等比例于变压器TR的辅助绕组NA上的电压波形。一谷底电压检测装置10通过电阻RA连接至变压器TR的辅助绕组NA，接收辅助绕组NA上的电压信号VA，并检测该电压信号VA的谷底电压，用以输出控制信号SN。控制信号SN耦接至正反器53的频率端CK，依据变压器TR的辅助绕组NA上的电压信号VA以导通切换信号SW。辅助绕组NA上的电压信号VA正比于切换开关Q1上的电压VD。当判断切换开关Q1上的电压VD为谷底电压时，也代表变压器TR的辅助绕组NA上的电压信号VA为谷底电压。
因此，通过谷底电压检测装置10操作，当切换开关Q1上的电压信号VA处于谷底电压时，控制信号SN立即启用。此时输出电路54接收切换信号SW，用以产生驱动信号VPWM。驱动信号VPWM进一步驱动切换开关Q1以切换变压器TR。因此，依据切换开关Q1上的谷底电压，使得切换开关Q1导通。
配合图3，请参考图5，为本发明最佳实施例的谷底电压检测装置电路示意图。谷底电压检测装置10使用在一切换式电源供应器中，于切换开关Q1截止时，用来检测该切换式电源供应器中一切换开关上所产生的共振电压信号的谷底电压。谷底电压检测装置10至少包括有一第一比较单元104、一电流转电压单元102、一取样单元106、一第二比较单元108、一上下计数单元107及一延迟电路109连接组成。
在切换式控制装置50的输入端VS，第一比较单元104通过电阻RA接收变压器TR所产生的电压信号VA，然后与一临界电压VX进行比较运算，用以输出一启始信号SDS。电流转电压单元102连接于电阻RA，将流过该电阻RA上的电流IAS转换成为比例于电压信号VA的一待测信号VM。取样单元106连接于该第一比较单元104与该电流转电压单元102，受控于该启始信号SDS，经一第一延迟时间TP，后对该待测信号VM进行取样得到一第一取样电压V1，再经过一第二延迟时间TD1后对该待测信号VM进行取样得到一第二取样电压V2。
第二比较单元108连接于该取样单元106，接收该第一取样电压V1与该第二取样电压V2，并且比较运算该第一取样电压V1与该第二取样电压V2后输出一上下计数信号UP/DOWN。上下计数单元107连接于该第二比较单元108，接收该上下计数信号UP/DOWN，并通过一延迟电路109来调整该第一延迟时间TP。当该第一取样电压V1小于该第二取样电压V2时，该上下计数单元107通过该延迟电路109，于下一次取样该第一取样电压V1时，用以延长该第一延迟时间TP。反之，该第一取样电压V1大于该第二取样电压V2时，该上下计数单元107通过该延迟电路109，于下一次取样该第一取样电压V1时，用以缩短该第一延迟时间TP。当该第一取样电压V1与该第二取样电压V2相近时，此时可以得到电压信号VA的谷底电压。
配合图3，请复参考图5，本发明谷底电压检测装置10中的电流转电压单元102通过电阻RA耦接至变压器TR的辅助绕组NA，以取得电压信号VA。电流转电压单元102中的运算放大器1022的正端(+)接收参考电压VREF，其负端(一)耦接至电阻RA，其输出端则控制晶体管Q4的栅极，且晶体管Q4的源极耦接至电阻RA。如此，切换式控制装置50的输入端VS或电阻RA上的最小电压会被稳压在参考电压VREF。电流镜电路由晶体管Q2与Q3所组成，晶体管Q2通过晶体管Q4耦接至电阻RA，晶体管Q3进一步连接有一电阻R3。晶体管Q3输出电流I3到电阻R3上用以产生该待测信号VM。
请复参考图5，取样单元106包含取样信号产生器1062，用以输出第一取样信号SQ1与第二取样信号SQ2。取样信号产生器1062由正反器320、330与反相器325、335所组成。正反器320与330的频率端CK接收启始信号SDS。正反器320的重置端R通过反相器325接收切换信号SW。正反器330的重置端R通过反相器335接收驱动信号VPWM。同时配合参考图4，驱动信号VPWM由切换信号SW通过输出电路54的传输延迟所产生，因此驱动信号VPWM的相位会与切换信号SW相差第二延迟时间TD1。所以，取样信号产生器1062会依据启始信号SDS启用，且间隔第二延迟时间TD1先后输出第一取样信号SQ1与第二取样信号SQ2。
取样单元106还包括有一第一取样开关S1耦接到电流转电压单元102的电阻R3与第一电容C1之间，第一取样开关S1受控于第一取样信号SQ1，用来撷取该待测信号VM，并于该第一电容C1上产生一第一取样电压V1；及一第二取样开关S2耦接到电流转电压单元102的电阻R3与第二电容C2之间，第二取样开关S2受控于第二取样信号SQ2，用来撷取该待测信号VM，并于该第二电容C2上产生一第二取样电压V1。
第二比较器108的负端(一)耦接至第一电容C1，其正端(+)通过偏移电压VOFT耦接至第二电容C2。第二比较器108接收第一取样电压V1与第二取样电压V2，进而比较输出上下数信号UP/DOWN。
接着，上下计数器107接收上下数信号UP/DOWN，当切换信号SW在切换开关Q1上的谷底电压之前导通，上下数信号UP/DOWN将启用上下计数器107向上计数。当切换信号SW在切换开关Q1上的谷底电压之后导通，上下数信号UP/DOWN将启用上下计数器107向下计数。
上下计数器107依据切换信号SW的频率，并接收上下数信号UP/DOWM，用以输出计数输出信号到该延迟电路109。该延迟电路109包含一电流源IS串接一电容C3，根据该上下数信号UP/DOWN调整该电流源IS的大小，用以改变该电流源IS对该电容C3的充电时间，充电时间即为该第一延迟时间TP。该延迟电路109进一步包括有一延迟控制电路1090，连接于该电容C3与该第一比较单元104，受控于该启始信号SDS，以对该电容C3放电，并比较该电容C3上的电压值，以输出控制信号SN导通该切换开关Q1。
延迟控制电路1090至少包含一比较器1096、开关S3、反相器1092与与非门1094。与非门1094的第一端接收启始信号SDS，其第二端通过反相器1092接收切换信号SW，其输出端控制开关S3的导通或截止。开关S3导通用以对电容C3进行放电。比较器1096的正端(+)耦接至电容C3。一临界电压Vy供应比较器1096的负端(-)。当开关S3截止，并且电容C3上的电压受到电流源IS充电而高于临界电压Vy时，比较器1096输出高电位的控制信号SN。电流源IS与电容C3决定启始信号SDS与控制信号SN之间的第一延迟时间TP。
配合图5，请参考图6，为本发明最佳实施例的谷底电压检测装置的工作波形示意图。依据流过电阻RA上电流IAS产生晶体管Q3的电流I3。电流I3可以表示为I3=I2=VREF-VARA---(3)]]>其中I2为晶体管Q2的电流；RA为电阻RA的电阻值。VA为变压器TR的辅助绕组NA上的电压。
第一比较器104耦接至辅助绕组NA上，接收电压信号VA，用以输出启始信号SDS。当电压信号VA低于临界电压VX时，启始信号SDS为启用(高电位)。同时，流过电阻RA上的电流IAS通过晶体管Q2与Q3所组成的电流镜电路，于晶体管Q3输出电流I3。电流I3流到电阻R3上以产生比例于电压信号VA的待测信号VM。以电压信号VA的波形来看，谷底电压VV是负电压，这表示电流IAS的电流方向是由切换式控制装置50的输入端VS流向辅助绕组NA上，所以待测信号VM是将谷底电压转换成峰值电压以便进行峰值检测。
配合图5，请参考图7A到第图7C，为本发明最佳实施例的谷底电压检测装置的谷底电压检测波形示意图。谷底电压检测装置10产生启始信号SDS，在第一延迟时间TP之后，用以控制取样单元106中的取样信号产生器1062产生第一取样信号SQ1，然后再经第二延迟时间TD1产生第二取样信号SQ2。第一取样信号SQ1与第二取样信号SQ2分别地控制第一取样开关S1与第二取样开关S2，从待测信号VM取得第一取样电压V1与第二取样电压V2。当第二取样电压V2高于第一取样电压V1时，第一延迟时间TP将会增加。当第二取样电压V2并未高于第一取样电压V1时，第一延迟时间TP将会减少。当该第一取样电压V1与该第二取样电压V2相近时，判断该电压信号VA已到达谷底电压。由于切换开关Q1上的电压波形等比例于变压器TR的辅助绕组NA上的电压波形，当判断切换开关Q1上的电压VD为谷底电压时，也代表变压器TR的辅助绕组NA上的电压信号VA为谷底电压，谷底电压检测装置10输出控制信号SN控制切换开关Q1导通。
本发明一种谷底电压检测装置，可于一切换开关截止时，用来检测该切换式电源供应器中一切换开关上所产生的共振电压信号的谷底电压，进而于共振电压信号的谷底电压下导通该切换开关，用来改善切换式电源供应器的切换损失与电磁干扰，以达到柔性切换并改善切换式电源供应器的系统效率。
以上所述，仅为本发明最佳之一的具体实施例的详细说明与附图，但是本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的本发明权利要求书为准，凡合于本发明权利要求书的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何本领域的技术人员，可轻易想到的变化或修改皆可涵盖在本发明权利要求书范围之内。
权利要求
1.一种谷底电压检测装置，用来检测一电压信号的谷底电压，包括有一第一比较单元，接收该电压信号，比较运算该电压信号与一临界电压，用以输出一启始信号；一取样单元，连接于该第一比较单元，受控于该启始信号，经一第一延迟时间后，对比例于该电压信号的一待测信号进行取样，以得到一第一取样电压，再经过一第二延迟时间后，对该待测信号进行取样，以得到一第二取样电压；一第二比较单元，连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号；及一上下计数单元，连接于该第二比较单元，接收该上下计数信号并通过一延迟电路，以调整该第一延迟时间；其中，当该第一取样电压与该第二取样电压相近时，判断该电压信号已经到达谷底电压。
2.如权利要求1所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该第一比较单元通过一电阻连接到一变压器的辅助绕组，用以接收该电压信号。
3.如权利要求2所述的谷底电压检测装置，其特征在于。该电阻通过一电流转电压单元连接到该取样单元，该电流转电压单元将流过该电阻上的电流，转换成为该待测信号。
4.如权利要求1所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该第一取样电压小于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，用以延长该第一延迟时间。
5.如权利要求1所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该第一取样电压大于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，用以缩短该第一延迟时间。
6.如权利要求1所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该延迟电路包括有一电流源串接一电容，根据该上下计数信号调整该电流源的大小，用以改变该电流源对该电容的充电时间，充电时间即为该第一延迟时间。
7.如权利要求6所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该延迟电路进一步包括有一延迟控制电路，连接于该电容与该第一比较单元，受控于该启始信号，以对该电容放电，并比较该电容上的电压值，以输出一控制信号。
8.一种谷底电压检测装置，使用在一切换式电源供应器中，于一切换开关截止时，用来检测该切换式电源供应器中该切换开关上所产生的共振电压信号的谷底电压，包括有一第一比较单元，通过一电阻连接于该变压器，用来接收该共振电压信号，比较运算该共振电压信号与一临界电压，用以输出一启始信号；一电流转电压单元，连接于该电阻，将流过该电阻上的电流转换成为比例于该共振电压信号的一待测信号输出；一取样单元，连接于该第一比较单元与该电流转电压单元，受控于该启始信号，经一第一延迟时间后对该待测信号取样一第一取样电压输出，再经过一第二延迟时间后对该待测信号取样一第二取样电压输出；一第二比较单元，连接于该取样单元，接收该第一取样电压与该第二取样电压，比较运算该第一取样电压与该第二取样电压后，输出一上下计数信号；及一上下计数单元，连接于该第二比较单元，接收该上下计数信号，并通过一延迟电路，用以调整该第一延迟时间；其中，当该第一取样电压与该第二取样电压相近时，判断该共振电压信号已经到达谷底电压。
9.如权利要求8所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该第一取样电压小于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，于下一次取样该第一取样电压时，用以延长该第一延迟时间。
10.如权利要求8所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该第一取样电压大于该第二取样电压时，该上下计数单元通过该延迟电路，于下一次取样该第一取样电压时，用以缩短该第一延迟时间。
11.如权利要求8所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该延迟电路包括有一电流源串接一电容，根据该上下计数信号调整该电流源的大小，用以改变该电流源对该电容的充电时间，充电时间即为该第一延迟时间。
12.如权利要求11所述的谷底电压检测装置，其特征在于，该延迟电路进一步包括有一延迟控制电路，连接于该电容与该第一比较单元，受控于该启始信号，以对该电容放电，并比较该电容上的电压值，以输出一控制信号导通该切换开关。
全文摘要
本发明涉及一种谷底电压检测装置，使用在一切换式电源供应器中，于一切换开关截止时，用来检测该切换式电源供应器中切换开关上所产生的共振电压信号的谷底电压，进而在共振电压信号处于谷底电压时，导通该切换开关，以达到柔性切换，并改善切换式电源供应器的系统效率。
文档编号G01R19/00GK1904622SQ200510088420
公开日2007年1月31日 申请日期2005年7月28日 优先权日2005年7月28日
发明者杨大勇, 吕瑞鸿, 李俊庆, 曹峰诚, 竺培圣 申请人:崇贸科技股份有限公司