零点电压切换的电源控制系统的制作方法

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。


技术实现要素：

10.本发明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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.输出单元的一端连接至次级侧绕组的一端，用以产生输出电源，并供电给连接至输出单元的负载，且次级侧绕组的另一端是连接至接地电位。
18.上述的电源控制器是借进行零点电压开关操作而产生初级驱动信号以及辅助驱动信号，其中初级驱动信号是传送至初级驱动接脚，而辅助驱动信号是传送至辅助驱动接脚。本质上，初级驱动信号为脉冲宽度调整(pwm)信号，并具有pwm频率，且包含周期性的导通位准以及关闭位准，用于周期性导通或关闭初级侧切换单元，其中导通位准是维持导通时间，而关闭位准是维持关闭时间，尤其，pwm频率是依据负载的负载程度而决定，而导通时间是依据输出电源而决定。
19.具体而言，零点电压开关操作包含：初级侧切换单元在辅助切换单元关闭后而关闭时，侦测并判断辅助绕组电压是否下降至膝部；当辅助绕组电压下降至膝部时，将初级侧切换单元关闭至辅助绕组电压下降为膝部之间的时间当作去磁时间，并计算打开延迟时间；接着在等待打开延迟时间后，驱动辅助驱动信号以打开辅助切换单元，并设定、调整或计算辅助导通时间；在等待辅助导通时间后，驱动辅助驱动信号以关闭辅助切换单元，并计算间隔时间；最后在等待间隔时间后，驱动初级驱动信号以打开初级侧切换单元。
20.因此，初级侧切换单元的关闭时间是包含去磁时间、打开延迟时间、辅助导通时间以及间隔时间。
21.整体而言，本发明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。
附图说明
22.图1表示本发明实施例的零点电压切换的电源控制系统的系统示意图。
23.图2表示本发明实施例的零点电压切换的电源控制系统的操作波形图。
24.图3表示本发明实施例的零点电压切换的电源控制系统的简化操作波形图。
25.附图标记说明：
26.10-电源控制器；
27.20-整流单元；
28.21-电源单元；
29.30-变压器单元；
30.50-输出单元；
31.60-电流感测单元；
32.ca-辅助电容；
33.cb-辅助电容；
34.ids-初级侧切换单元电流；
35.ip-初级侧电流；
36.is-次级侧电流；
37.la-辅助绕组；
38.lp-初级侧绕组；
39.ls-次级侧绕组；
40.qa-辅助切换单元；
41.qp-初级侧切换单元；
42.rl-负载；
43.t1-电源接脚；
44.t2-接地接脚；
45.t3-初级驱动接脚；
46.t4-电压感测接脚；
47.t5-辅助驱动接脚；
48.t6-辅助绕组感测接脚；
49.vac-外部输入电源；
50.vcs-电流感测信号；
51.vdd-电源电压；
52.vdp-汲极电压；
53.vga-辅助驱动信号；
54.vgnd-接地电位；
55.vgp-初级驱动信号；
56.vb-整流电源；
57.vout-输出电源；
58.vzvs-辅助绕组电压；
59.tsw pwm-频周期；
60.tpon-导通时间；
61.tpoff-关闭时间；
62.tfw-去磁时间；
63.td-打开延迟时间；
64.taon-辅助导通时间；
65.tdead-间隔时间；
66.k-膝部。
具体实施方式
67.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
68.请同时参阅图1及图2，分别为本发明第一实施例零点电压切换的电源控制系统的系统示意图以及操作波形图。如图1及图2所示，本发明第一实施例的零点电压切换的电源控制系统包含电源控制器10、整流单元20、电源单元21、变压器单元30、初级侧切换单元qp、辅助切换单元qa、输出单元50以及电流感测单元60，用于实现返驰(flyback)电源转换功能。
69.具体而言，电源控制器10包含电源接脚t1、接地接脚t2、初级驱动接脚t3、电压感测接脚t4、辅助驱动接脚t5以及辅助绕组感测接脚t6，而变压器单元30可包含相互耦合的初级侧绕组lp、辅助绕组la以及次级侧绕组ls，此外，初级侧切换单元qp以及辅助切换单元qa可包含金氧半(metal-oxide-semiconductor，mos)晶体管、或氮化镓场效晶体管(gan(gallium nitride)fet)、或碳化硅-金氧半场效晶体管(sic-mosfet)。
70.进一步，整流单元20接收外部输入电源vac，并对外部输入电源vac整流后产生整流电源vb，尤其，整流单元20还经由辅助电容cb而连接至接地电位vgnd，用于对整流电源vb提供滤波作用，而电源单元21也接收外部输入电源vac，并经处理后产生、输出电源电压vdd，且由电源接脚t1接收电源电压vdd以供电源控制器10运作。
71.此外，初级侧绕组lp的一端是连接整流单元20以接收整流电源vb，且初级侧切换单元qp的汲极连接初级侧绕组lp的另一端，初级侧切换单元qp的闸极连接初级驱动接脚t3，再者，初级侧切换单元qp的源极连接电压感测接脚t4。
72.电流感测单元60的一端连接至电压感测接脚t4，而电流感测单元60的另一端连接至接地电位vgnd，且在电压感测接脚t4产生电流感测信号vcs。
73.辅助切换单元qa的汲极连接电源单元21以接收整流电源vb，辅助切换单元qa的闸极连接辅助驱动接脚t5，而辅助切换单元qa的源极连接至辅助绕组la的一端以及辅助绕组感测接脚t6，且辅助绕组la的另一端连接至接地电位vgnd。此外，辅助切换单元qa的汲极进一步经由辅助电容ca而连接该接地电位vgnd。再者，辅助切换单元qa的源极产生辅助绕组电压vzvs，其中辅助绕组电压vzvs是对应于初级侧切换单元qp的汲极电压，而汲极电压是指初级侧切换单元qp的汲极的电压。
74.输出单元50的一端连接至次级侧绕组ls的一端，用于产生输出电源vout，并供电给连接至输出单元50的负载rl，而且次级侧绕组ls的另一端连接至接地电位vgnd。
75.更加具体而言，电源控制器10进行零点电压开关操作以产生初级驱动信号vgp以及辅助驱动信号vga，其中初级驱动信号vgp是传送至初级驱动接脚t3，而辅助驱动信号vga是传送至辅助驱动接脚t5。
76.上述的初级驱动信号vgp实质上为脉冲宽度调整(pulse width modulation，pwm)信号，并具有pwm频率或pwm周期tsw，且包含周期性的导通位准以及关闭位准，用于周期性导通或关闭初级侧切换单元qp，而导通位准是维持导通时间tpon，且关闭位准是维持关闭时间tpoff。尤其，pwm频率或pwm周期tsw是依据负载rl的负载程度而决定，且导通时间tpon是依据输出电源vout而决定，而由于pwm频率及导通时间tpon的选定都是属于一般返驰电源转换的现有技术领域，所以下文中不作进一步详细解释。
77.更加具体而言，零点电压开关操作包含以下步骤。不过要注意的是，由于辅助绕组电压vzvs本身是对应于初级侧切换单元qp的汲极电压vdp，因此利用辅助绕组电压vzvs所进行的以下操作实际上是针对初级侧切换单元qp的汲极电压vdp。
78.首先，初级侧切换单元qp在辅助切换单元qa关闭后而关闭时，侦测并判断辅助绕组电压vzvs是否下降至膝部(knee)k，其中膝部k是指辅助绕组电压vzvs在经历近似线性下降后而转为更陡且更急剧的下降曲线时的转折点。一般而言，当作膝部k的转折点是表示变压器单元30去磁化(demagnetization)已完成，而判断方式可借侦测辅助绕组电压vzvs的下降斜率是否大于预设的某一斜率值而实现，是属于现有技术，下文中不作详细说明。
79.当辅助绕组电压vzvs下降至膝部k时，将初级侧切换单元qp关闭至辅助绕组电压vzvs下降为膝部k之间的时间当作去磁时间tfw，一般可将去磁时间tfw的整个期间称为自由滚动期(free-wheeling phase)，之后辅助绕组电压vzvs进入欠阻尼谐振，一般可称为谐振期(oscillation phase)，而紧接着，计算或设定打开延迟时间td。在等待打开延迟时间td后，驱动辅助驱动信号vga以打开辅助切换单元qa，并接着借设定、调整或计算以产生辅助导通时间taon。
80.在等待辅助导通时间taon后，驱动辅助驱动信号vga以关闭辅助切换单元qa，接着，等待预设的间隔时间tdead，较佳的，间隔时间tdead可预设为150ns至250ns之间，之后，驱动初级驱动信号vgp以打开初级侧切换单元qp，换句话说，初级侧切换单元qp以及辅助切换单元qa不会同时打开，而是被间隔时间tdead间隔开。接着，初级侧切换单元qp维持导通时间tpon后才关闭，进而完成初级驱动信号vgp以及辅助驱动信号vga的周期性操作。
81.整体而言，上述的关闭时间tpoff是包含去磁时间tfw、打开延迟时间td、辅助导通时间taon以及间隔时间tdead，而且辅助切换单元q是在初级侧切换单元qp关闭后经过去磁时间tfw、打开延迟时间td后才打开，并维持辅助导通时间taon后关闭，尤其，初级侧切换单元qp是接着在经过间隔时间tdead后打开。
82.进一步，辅助驱动信号vga的主要目的是在于能降低初级侧切换单元qp的汲极电压，亦即，初级侧切换单元qp在打开时，能大幅降低初级侧切换单元qp的汲极电压，甚至接近零电压，因而降低切换损失，可更加提高整体的电源转换效率。显而易见的是，越增加辅助导通时间taon，初级侧切换单元qp的汲极电压会更降低，不过太大的辅助导通时间taon会导致间隔时间tdead过小而无法确保初级侧切换单元qp以及辅助切换单元qa不会同时打开，所以在间隔时间tdead必须满足150ns至250ns的必要条件下，辅助导通时间taon可具有最大值，而使得初级侧切换单元qp的汲极电压具有最低值。
83.因此，辅助导通时间taon可依应用系统的需求而设定、调整或计算，所以在实际应用上非常具有弹性。当然，比起传统的反驰转换器，本发明额外使用辅助驱动信号vga，所以会进一步消耗电力，不过经实际量测后发现，辅助驱动信号vga所消耗的电力仍远小于所降低的切换损失。
84.如上所述，辅助导通时间taon是可借设定、调整或计算而产生，进一步而言，是分利用可调式设定操作、适应性调整操作或计算操作，并个别说明如下。
85.可调式设定操作是依据外部输入电源vac的电压以及负载rl的负载程度而个别设定辅助导通时间taon，其中外部输入电源vac的电压可包含90、115以及230vac，而负载程度可包含极轻负载、轻负载、中负载以及满负载。整体而言，辅助导通时间taon是随着外部输入电源vac的电压愈高而拉长，而且负载程度越重时，辅助导通时间taon是设定成越短。
86.或者，可调式设定操作可在外部输入电源vac的电压为90vac时，先设定辅助导通时间taon为某一起始导通时间，并在外部输入电源vac的电压为115或230vac时，利用起始
导通时间，并依据外部输入电源vac的电压，以等比例放大方式设定相对应的辅助导通时间taon。换言之，辅助导通时间taon是等比例于外部输入电源vac的电压而设定。
87.如果是使用适应性调整操作，则是包含判断辅助绕组电压vzvs是否低于某一临限电压值，并在辅助绕组电压vzvs未低于临限电压值时，以周期对周期的方式(cycle by cycle)，进行改变而设定辅助导通时间taon，直到辅助绕组电压vzvs低于临限电压值为止。由于辅助绕组电压vzvs会随着辅助导通时间taon的增加而降低，所以在实际操作上是先使用较短的辅助导通时间taon，并逐步递增辅助导通时间taon，借以使得辅助绕组电压vzvs低于临限电压值，并打开、导通初级侧切换单元qp。
88.此外，参考图3，本发明实施例的零点电压切换的电源控制系统中简化的操作波形图，是类似于图2，不过已缩短、简化欠阻尼谐振的周期，而上述的计算操作是包含依据以下的计算式进行计算而设定辅助导通时间，在此是表示为
[0089][0090]
，其中vb为整流电源，v
or
为初级侧切换单元qp的汲极电压vdp在欠阻尼谐振的最大振幅电压，tr为欠阻尼谐振的周期。上述的计算式主要是依据能量守恒定律而推导，包含：
[0091][0092]
，其中lm为初级侧绕组lp的电感值，i
zvspk
为变压器单元30的激磁电流img的电流峰值，c
oss
为初级侧切换单元qp的汲极的寄生电容。
[0093]
此外，辅助导通时间的另一简单计算方式是：辅助导通时间＝(外部输入电源的电压
×
p1)+p2，其中p1为第一参数，p2为第二参数，且第一参数是0.98至0.99ns之间，而第二参数是31.1至31.9ns之间。要注意的是，该计算式本质上是利用辅助导通时间taon随外部输入电源vac的电压而线性增加的方式以实现降低初级侧切换单元qp的汲极电压，减少切换损失。
[0094]
综合而言，本发明的特点主要在于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。
[0095]
进一步，对于只能做到低电压切换的一般flyback系统而言，主要是使用较高的线圈比，或是使用准谐振控制器而在初级侧切换单元的汲极电压下降至谷底低电压时进行切换而打开、导通，如果要做到零点电压切换(zvs)，则必需使用acf或ahb架构，或者需要多加额外的绕组，会导致成本大幅增加而不实用，反观本发明，是共享辅助绕组la，或是结合次级侧的同步整流控制而可随整体系统的输入电压与负载或是线圈比，调整zvs控制讯号，并
由预先设定的宽度慢慢调节而调整到最适合的zvs切换点，借以提升系统的整体电源转换效率。
[0096]
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。