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TWI487255B - 以反馳式架構為基礎的電源轉換裝置及其電源轉換方法 - Google Patents

以反馳式架構為基礎的電源轉換裝置及其電源轉換方法 Download PDF

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TWI487255B
TWI487255B TW101125362A TW101125362A TWI487255B TW I487255 B TWI487255 B TW I487255B TW 101125362 A TW101125362 A TW 101125362A TW 101125362 A TW101125362 A TW 101125362A TW I487255 B TWI487255 B TW I487255B
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Po Jen Ke
Yun Chi Chiang
Tso Min Chen
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Power Forest Technology Corp
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Description

以反馳式架構為基礎的電源轉換裝置及其電源轉換 方法
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種以反馳式架構為基礎(flyback-based)的電源轉換裝置及其電源轉換方法。
電源轉換裝置(power conversion apparatus)主要的用途乃是將電力公司所提供之高壓且低穩定性的交流輸入電壓(AC input voltage)轉換成適合各種電子裝置(electronic device)使用的低壓且穩定性較佳的直流輸出電壓(DC output voltage)。因此，電源轉換裝置廣泛地應用在電腦、辦公室自動化設備、工業控制設備以及通訊設備等電子裝置中。
現今電源轉換裝置中的控制架構(control structure)大多採用脈寬調變控制晶片(pulse width modulation control chip,PWM control chip)。而且，為了要保護電源轉換裝置免於受到過溫度(over temperature,OT)、過電壓(over voltage,OV)以及過電流(over current,OC)的現象而損毀，現今脈寬調變控制晶片大多會設置獨立的多只偵測接腳(detection pin)以各別執行過溫度保護(OTP)的偵測、過電壓保護(OVP)的偵測、過電流保護(OCP)的偵測，以及電源轉換裝置所接收之交流輸入電壓的偵測。換言之，現今脈寬調變控制晶片的單一只偵測接腳頂 多只能對應到一種相關的功能偵測而已，從而最終地增加脈寬調變控制晶片整體的成本。
有鑒於此，本發明提供一種以反馳式架構為基礎(flyback-based)的電源轉換裝置及其電源轉換方法，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明之一示範性實施例提供一種電源轉換裝置，其包括：反馳式電源轉換線路、控制晶片，以及壓流偵測輔助線路。其中，反馳式電源轉換線路用以接收一交流輸入電壓，並且反應於一脈寬調變訊號而對所述交流輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一直流輸出電壓。控制晶片耦接反馳式電源轉換線路，並反應於一電源供應需求而產生所述脈寬調變訊號以控制反馳式電源轉換線路的運作。壓流偵測輔助線路耦接反馳式電源轉換線路與控制晶片的一多功能偵測接腳，用以於一第一偵測階段，輔助控制晶片透過所述多功能偵測接腳以執行所述交流輸入電壓的偵測，並於一第二偵測階段，輔助控制晶片透過所述多功能偵測接腳以執行一過溫度保護的偵測與一過電壓保護的偵測。
於本發明之一示範性實施例中，反馳式電源轉換線路包括：變壓器、功率開關、第一電阻、第一二極體、電容，以及第二二極體。其中，變壓器具有一主線圈、一次線圈與一輔助線圈，且變壓器之主線圈的同名端用以接收所述 交流輸入電壓、變壓器之次線圈的同名端耦接至一安全地，而變壓器之輔助線圈的同名端則耦接至一危險地。功率開關的第一端耦接變壓器之主線圈的異名端，而功率開關的控制端則用以接收所述脈寬調變訊號。第一電阻的第一端耦接功率開關的第二端並提供一過電流保護偵測電壓給控制晶片，而第一電阻的第二端則耦接至所述危險地。第一二極體的陽極耦接變壓器之次線圈的異名端，而第一二極體的陰極則用以產生所述直流輸出電壓。電容的第一端耦接第一二極體的陰極，而電容的第二端則耦接至所述安全地。第二二極體的陽極耦接變壓器之輔助線圈的異名端，而第二二極體的陰極端則用以產生一直流系統電壓給控制晶片。
於本發明之一示範性實施例中，壓流偵測輔助線路包括：第三二極體、第二電阻、熱敏電阻、第三電阻，以及第四二極體。其中，第三二極體的陰極耦接變壓器之輔助線圈的異名端。第二電阻的第一端耦接第三二極體的陽極，而第二電阻的第二端則耦接所述多功能偵測接腳。熱敏電阻的第一端耦接所述多功能偵測接腳。第三電阻的第一端耦接熱敏電阻的第二端，而第三電阻的第二端則耦接至所述危險地。第四二極體的陽極耦接變壓器之輔助線圈的異名端。第四電阻的第一端耦接第四二極體的陰極，而第四電阻的第二端則耦接至所述多功能偵測接腳。
於本發明之一示範性實施例中，控制晶片可以包括：控制主體、第一偵測開關、第二偵測開關、電流偵測線路、 過溫度保護單元，以及過電壓保護單元。其中，控制主體用以作為控制晶片的運作核心，並且反應於所述電源供應需求而產生所述脈寬調變訊號。第一偵測開關的第一端耦接所述多功能偵測接腳，而第一偵測開關的控制端則用以接收來自控制主體的一第一控制訊號，且第一偵測開關反應於所述第一控制訊號而於所述第一偵測階段導通。第二偵測開關的第一端耦接所述多功能偵測接腳，而第二偵測開關的控制端則用以接收來自控制主體的一第二控制訊號，且第二偵測開關反應於所述第二控制訊號而於所述第二偵測階段導通。
電流偵測線路耦接於第一偵測開關的第二端與控制主體之間，用以於所述第一偵測階段，執行所述交流輸入電壓的偵測，並據以提供關聯於所述交流輸入電壓之變化的一第一偵測結果給控制主體。過溫度保護單元耦接於第二偵測開關的第二端與控制主體之間，用以於所述第二偵測階段的一第一子階段，執行所述過溫度保護的偵測，並據以提供一第二偵測結果給控制主體，且控制主體更可以反應於所述第二偵測結果而決定是否啟動一過溫度保護機制。過電壓保護單元耦接於第二偵測開關的第二端與控制主體之間，用以於所述第二偵測階段的一第二子階段，執行所述過電壓保護的偵測，並據以提供一第三偵測結果給控制主體，且控制主體更可以反應於所述第三偵測結果而決定是否啟動一過電壓保護機制。
於本發明之一示範性實施例中，控制晶片更可以反應 於所述第一偵測結果而決定是否對啟動一過電流保護機制的一過電流保護點進行補償。
本發明之另一示範性實施例提供一種電源轉換方法，其包括：提供反馳式電源轉換線路，並且致使反馳式電源轉換線路反應於一脈寬調變訊號而對一交流輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一直流輸出電壓；提供一控制晶片，並且致使控制晶片反應於一電源供應需求而產生所述脈寬調變訊號以控制反馳式電源轉換線路的運作；以及提供耦接反馳式電源轉換線路與控制晶片之一多功能偵測接腳的壓流偵測輔助線路，並且致使壓流偵測輔助線路於一第一偵測階段，輔助控制晶片透過所述多功能偵測接腳以執行所述交流輸入電壓的偵測，並於一第二偵測階段，輔助控制晶片透過所述多功能偵測接腳以執行一過溫度保護的偵測與一過電壓保護的偵測。
於本發明的一示範性實施例中，所提之電源轉換方法可以更包括：致使控制晶片反應於所述交流輸入電壓之偵測的一第一偵測結果而決定是否對啟動一過電流保護機制的一過電流保護點進行補償。
於本發明的一示範性實施例中，所提之電源轉換方法可以更包括：致使控制晶片反應於該過溫度保護之偵測的一第二偵測結果而決定是否啟動一過溫度保護機制。
於本發明的一示範性實施例中，所提之電源轉換方法可以更包括：致使控制晶片反應於該過電壓保護之偵測的一第三偵測結果而決定是否啟動一過電壓保護機制。
基於上述，本發明藉由在不同的時間切換設置在控制晶片內部且與控制晶片之一只多功能偵測接腳連接的第一與第二偵測開關，且透過壓流偵測輔助線路與電流偵測線路間的搭配而於某一段時間來執行反馳式電源轉換線路所接收之交流輸入電壓的偵測，並透過壓流偵測輔助線路、過溫度保護單元與過電壓保護單元間的搭配而於另一段時間來執行過溫度保護的偵測與過電壓保護的偵測。如此一來，控制晶片之單一只多功能偵測接腳即可對應到多種相關的功能偵測，從而最終地降低控制晶片整體的成本。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換裝置(power conversion apparatus)10的示意圖。請參照圖1，電源轉換裝置10係以反馳式架構為基礎(flyback-based)。基此，電源轉換裝置10包括：反馳式電源轉換線路(flyback power conversion circuit)101、控制晶片(control chip)103，以及壓流偵測輔助線路(voltage-current detection auxiliary circuit)105。
於本示範性實施例中，反馳式電源轉換線路101用以接收交流輸入電壓(AC input voltage) VIN，並且反應於來自控制晶片103的脈寬調變訊號(pulse width modulation signal,PWM signal)PWM而對交流輸入電壓VIN進行轉換(即，交直流轉換)，藉以產生並提供直流輸出電壓(DC output voltage)VOUT與直流系統電壓(DC system voltage)VCC。
控制晶片103耦接反馳式電源轉換線路101，用以操作於反馳式電源轉換線路101所產生的直流系統電壓VCC下，並且反應於某一負載(load，例如電子裝置)的電源供應需求(power supplying requirement)而產生脈寬調變訊號PWM以控制反馳式電源轉換線路101的運作。
壓流偵測輔助線路105耦接反馳式電源轉換線路101與控制晶片103的一只多功能偵測接腳(multi-function detection pin)M-PIN，用以於第一偵測階段(detection phase)H1，輔助控制晶片103透過多功能偵測接腳M-PIN以執行交流輸入電壓VIN的偵測，並於第二偵測階段H2，輔助控制晶片103透過多功能偵測接腳M-PIN以執行過溫度保護(over temperature protection,OTP)的偵測與過電壓保護(over voltage protection,OVP)的偵測。
更清楚來說，圖2繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換裝置10的電路示意圖。請合併參照圖1與圖2，反馳式電源轉換線路101包括：變壓器(transformer)T、功率開關Q(例如：N型功率開關(N-type power switch)， 故以下改稱功率開關Q為N型功率開關Q)、電阻(resistor)Rs、二極體(diode)D1與D2，以及電容(capacitor)Cout。
變壓器T具有一主線圈(primary winding)Np、一次線圈(secondary winding)Ns與一輔助線圈(auxiliary winding)Na。其中，變壓器T之主線圈Np的同名端(common-polarity terminal，即打點處)用以接收交流輸入電壓VIN、變壓器T之次線圈Ns的同名端耦接至安全地(safety ground)SGND，而變壓器T之輔助線圈Na的同名端則耦接至危險地(dangerous ground)DGND。
N型功率開關Q的第一端耦接變壓器T之主線圈Np的異名端(opposite-polarity terminal，即未打點處)，而N型功率開關Q的控制端則用以接收來自控制晶片103的脈寬調變訊號PWM。電阻Rs的第一端耦接N型功率開關Q的第二端並提供過電流保護偵測電壓(over current protection detection voltage,OCP detection voltage)Vcs給控制晶片103，而電阻Rs的第二端則耦接至危險地DGND。
二極體D1的陽極(anode)耦接變壓器T之次線圈Ns的異名端，而二極體D1的陰極(cathode)則用以產生直流輸出電壓VOUT。電容Cout的第一端耦接二極體D1的陰極，而電容Cout的第二端則耦接至安全地SGND。二極體D2的陽極耦接變壓器T之輔助線圈Na的異名端，而二極體D2的陰極端則用以產生直流系統電壓VCC。
另一方面，壓流偵測輔助線路105包括：二極體D3與D4、電阻R1~R3，以及熱敏電阻(thermistor)RT。二 極體D3的陰極耦接變壓器T之輔助線圈Na的異名端。電阻R1的第一端耦接二極體D3的陽極，而電阻R1的第二端則耦接控制晶片103的多功能偵測接腳M-PIN。熱敏電阻RT的第一端耦接控制晶片103的多功能偵測接腳M-PIN，熱敏電阻RT的第二端則耦接電阻R2的第一端，而電阻R2的第二端則耦接至危險地DGND。二極體D4的陽極耦接變壓器T之輔助線圈Na的異名端，電阻R3的第一端耦接二極體D4的陰極，而電阻R3的第二端則耦接至控制晶片103的多功能偵測接腳M-PIN。於本示範性實施例中，熱敏電阻RT可以為具有負溫度係數(negative temperature coefficient,NTC)的熱敏電阻。
除此之外，控制晶片103包括：控制主體(control main body)201、偵測開關(detection switch)SW1與SW2、電流偵測線路(current detection circuit)203、過溫度保護單元(OTP unit)205、過電壓保護單元(OVP unit)207，以及過電流保護單元(OCP unit)209。控制主體201用以作為控制晶片103的運作核心(operation core)，並且反應於某一負載的電源供應需求而產生脈寬調變訊號PWM。
偵測開關SW1的第一端耦接控制晶片103的多功能偵測接腳M-PIN，而偵測開關SW1的控制端則用以接收來自控制主體201的第一控制訊號(control signal)CS1。於本示範性實施例中，偵測開關SW1係反應於第一控制訊號CS1而於第一偵測階段H1導通。
偵測開關SW2的第一端耦接控制晶片103的多功能 偵測接腳M-PIN，而偵測開關SW2的控制端則用以接收來自控制主體201的第二控制訊號CS2。於本示範性實施例中，偵測開關SW2係反應於第二控制訊號CS2而於第二偵測階段H2導通。
電流偵測線路203耦接於偵測開關SW1的第二端與控制主體201之間，用以於第一偵測階段H1，執行交流輸入電壓VIN的偵測，並據以提供關聯於交流輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果(detection result)DT1給控制主體201。舉例來說，電流偵測線路203可以偵測範圍為90VAC~264VAC之交流輸入電壓VIN所對應的電流，但並不限制於此。
更清楚來說，圖3繪示為本發明一示範性實施例之電流偵測線路203的實施示意圖。請合併參照圖1~圖3，電流偵測線路203包括：NPN型雙載子接面電晶體(NPN-type bipolar junction transistor,NPN-type BJT)B1與B2、電流源(current source)I1，以及PMOS電晶體P1與P2。NPN型雙載子接面電晶體B1的射極(emitter)耦接偵測開關SW1的第二端。NPN型雙載子接面電晶體B2的基極(base)與集極(collector)耦接雙載子接面電晶體B1的基極，而NPN型雙載子接面電晶體B2的射極則耦接至危險地DGND。
電流源I1的第一端耦接至偏壓(bias voltage)Vbias1，而電流源I1的第二端則耦接雙載子接面電晶體B2的集極。PMOS電晶體P1的源極(source)耦接至偏壓Vbias2， 而PMOS電晶體P1的閘極(gate)與汲極(drain)則耦接NPN型雙載子接面電晶體B1的集極。PMOS電晶體P2的源極耦接至偏壓Vbias2，PMOS電晶體P2的閘極耦接PMOS電晶體P1的閘極，而PMOS電晶體P2的汲極則用以輸出關聯於交流輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1。
另外，過溫度保護單元205耦接於偵測開關SW2的第二端與控制主體201之間，用以於第二偵測階段H2的第一子階段(H2’)，執行過溫度保護(OTP)的偵測，並據以提供第二偵測結果DT2給控制主體201。再者，過電壓保護單元207耦接於偵測開關SW2的第二端與控制主體201之間，用以於第二偵測階段H2的第二子階段(H2”)，執行過電壓保護的偵測，並據以提供第三偵測結果DT3給控制主體201。
更清楚來說，圖4繪示為本發明一示範性實施例之過溫度保護單元205與過電壓保護單元207的實施示意圖。請合併參照圖1~圖4，過溫度保護單元205包括：電流源I2、開關SW3，以及比較器(comparator)CP1。電流源I2的第一端耦接至偏壓Vbias3，而電流源I2的第二端則耦接至開關SW3的第一端。開關SW3的第二端耦接至偵測開關SW2的第二端，且開關SW3的控制端則用以接收來自控制主體201的第三控制訊號CS3。於本示範性實施例中，開關SW3係反應於控制訊號CS3而於第二偵測階段H2的第一子階段H2’導通。比較器CP1的正輸入端 (positive input terminal)用以接收過溫度保護參考電壓(OTP reference voltage)VOTP ，比較器CP1的負輸入端(negative input terminal)耦接偵測開關SW2的第二端，而比較器CP1的輸出端則用以輸出第二偵測結果DT2。
於本示範性實施例中，控制主體201可以反應於過溫度保護單元205所提供的第二偵測結果DT2而決定是否啟動過溫度保護機制。一旦控制主體201反應於過溫度保護單元205所提供的第二偵測結果DT2而決定啟動過溫度保護機制時，則控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PWM，直至控制主體201反應於過溫度保護單元205所提供的第二偵測結果DT2而決定關閉過溫度保護機制為止(亦即，無過溫度的發生)。
另外，過電壓保護單元207包括：開關SW4與比較器CP2。開關SW4的第一端耦接至偵測開關SW2的第二端，而開關SW4的控制端則用以接收來自控制主體201的第四控制訊號CS4。於本示範性實施例中，開關SW4係反應於第四控制訊號CS4而於第二偵測階段H2的第二子階段H2”導通。比較器CP2的正輸入端耦接偵測開關SW2的第二端，比較器CP2的負輸入端用以接收過電壓保護參考電流(OCP reference current)IOVP ，而比較器CP2的輸出端則用以輸出第三偵測結果DT3。
於本示範性實施例中，控制主體201可以反應於過電壓保護單元207所提供的第三偵測結果DT3而決定是否啟動過電壓保護機制。一旦控制主體201反應於過電壓保護 單元207所提供的第三偵測結果DT3而決定啟動過電壓保護機制時，則控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PWM，直至控制主體201反應於過電壓保護單元207所提供的第三偵測結果DT3而決定關閉過電壓保護機制為止(亦即，無過電壓的發生)。
另一方面，過電流保護單元209耦接控制主體201，用以於電源轉換裝置10運作的過程中，反應於跨壓在電阻Rs的過電流保護偵測電壓Vcs而執行過電流保護(OCP)的偵測，並據以提供第四偵測結果DT4給控制主體201。於本示範性實施例中，控制主體201可以反應於過電流保護單元209所提供的第四偵測結果DT4而決定是否啟動過電流保護機制。一旦控制主體201反應於過電流保護單元209所提供的第四偵測結果DT4而決定啟動過電流保護機制時，則控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PWM，直至控制主體201反應於過電流保護單元209所提供的第四偵測結果DT4而決定關閉過電流保護機制為止(亦即，無過電流的發生)。
此外，由於範圍為90VAC~264VAC的相異交流輸入電壓VIN所各別對應之過電流保護機制的過電流保護點(OCP point)並不相同。因此，於本示範性實施例中，控制主體201更可以反應於電流偵測線路203所提供之關聯於交流輸入電壓VIN之變化的第一偵測結果DT1，以決定是否對啟動過電流保護機制的過電流保護點進行補償。
更清楚來說，當交流輸入電壓VIN為一相對高交流輸 入電壓(relative high AC input voltage)時，例如264VAC的交流輸入電壓，則經由控制主體201補償過後的過電流保護點可以為第一過電流保護點；另外，當交流輸入電壓VIN為一相對低交流輸入電壓(relative low AC input voltage)時，例如90VAC的交流輸入電壓，則經由控制主體201補償過後的過電流保護點可以為第二過電流保護點。其中，第一過電流保護點與第二過電流保護點相異。如此一來，過電流保護單元209就可以適應於不同的交流輸入電壓VIN而調變過電流保護機制，由此即可達到90VAC~264VAC全範圍準確的過電流保護點。
基於上述，在電源轉換裝置10處於正常運作下，控制晶片103會反應於某一負載(電子裝置)的電源供應需求而對應地產生脈寬調變訊號PWM以控制反馳式電源轉換線路101的運作。在此條件下，當N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PWM而導通(turned on)的話，交流輸入電壓VIN會跨接於變壓器T的主線圈Np，以至於變壓器T之主線圈Np的電感電流會線性增加而進行儲能。與此同時，由於受到二極體D1的逆向偏壓阻隔，所以變壓器T的次線圈Ns將無電流流通。另外，變壓器T的輔助線圈Na也無電流流通。
另一方面，當N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PWM而關閉(turned off)的話，基於楞次定律(Lenz's law)，變壓器T之主線圈Np所儲存的能量會轉移至變壓器T的次線圈Ns與輔助線圈Na。 與此同時，由於二極體D1處於順向偏壓導通，所以轉移至變壓器T之次線圈Ns的能量將會對電容Cout進行充電，並且供應直流輸出電壓VOUT給負載(電子裝置)。另外，轉移至變壓器T之輔助線圈Na的能量將會透過二極體D2而供應直流系統電壓VCC給控制晶片103。
由此可知，基於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PWM而交替地導通與關閉N型功率開關Q的運作方式，電源轉換裝置10即可持續地供應直流輸出電壓VOUT與直流系統電壓VCC。
另一方面，在電源轉換裝置10處於正常運作下，當N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PWM而導通的話(即脈寬調變訊號PWM致能，請參閱圖5A)，則此時控制晶片103將進入前述的第一偵測階段H1。在此條件下，偵測開關SW1與SW2會反應於N型功率開關Q的導通而各別導通與關閉(因為控制訊號CS1為致能，而控制訊號CS2為禁能)，而此時變壓器T之輔助線圈Na的電壓即為(-K2*VIN)，其中K2為輔助線圈Na與主線圈Np的圈數比(turns ratio)(Na/Np)。與此同時，電流源I1將提供電流([(K2*VIN)-VD3]/R1)以流經電阻R1與二極體D3，其中VD3為二極體D3的順向偏壓(forward voltage)。
當節點ND1上的電壓固定時，流經二極體D3與電阻R1的電流將與(-K2*VIN)成正比，亦即：當交流輸入電壓VIN越高，流經二極體D3與電阻R1的電流將越大； 反之，當交流輸入電壓VIN越低，流經二極體D3與電阻R1的電流將越小。如此一來，電流偵測線路203即可獲得與交流輸入電壓VIN成正比關係的電流偵測結果，藉以作為第一偵測結果DT1。
一旦控制主體201接獲來自於電流偵測線路203之第一偵測結果DT1的話，控制主體201即可據以得知反馳式電源轉換線路101所接收的交流輸入電壓VIN為多少，進而再決定對過電流保護機制的過電流保護點之補償量。如此一來，過電流保護單元209就可以適應於不同的交流輸入電壓VIN而準確地啟動過電流保護機制。
基此，在電源轉換裝置10運作的過程中，過電流保護單元209就會持續反應於跨壓在電阻Rs的過電流保護偵測電壓Vcs而執行過電流保護(OCP)的偵測，並據以提供第四偵測結果DT4給控制主體201。一旦控制主體201反應於過電流保護單元209所提供的第四偵測結果DT4而決定啟動過電流保護機制時，則控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PWM，藉以保護電源轉換裝置10免於受到過電流的現象而損毀，直至控制主體201反應於過電流保護單元209所提供的第四偵測結果DT4而決定關閉過電流保護機制為止(亦即，已無過電流的發生)。
另一方面，在電源轉換裝置10處於正常運作下，當N型功率開關Q反應於控制晶片103所產生之脈寬調變訊號PWM而關閉的話(即脈寬調變訊號PWM禁能，請參閱圖5A)，則此時控制晶片103將進入前述的第二偵測階段 H2。在此條件下，偵測開關SW1與SW2會反應於N型功率開關Q的關閉而個別關閉與導通(因為控制訊號CS1為禁能，而控制訊號CS2為致能)，而此時變壓器T之輔助線圈Na的電壓即為(K1*VOUT)，其中K1為輔助線圈Na與次線圈Ns的圈數比(Na/Ns)。
於此，假設控制晶片103進入前述之第二偵測階段H2的第二子階段H2”，則控制訊號CS3為禁能，而控制訊號CS4為致能。在此條件下，當變壓器T之輔助線圈Na的電壓(K1*VOUT)經由二極體D4、電阻R4以及開關SW4而反應在流入開關SW4之電流小於過電壓保護參考電流IOVP 的話，即表示電源轉換裝置10未發生過電壓的現象。如此一來，過電壓保護單元207將據以提供第三偵測結果DT3(邏輯“0”)給控制主體201。
然而，當變壓器T之輔助線圈Na的電壓(K1*VOUT)經由二極體D4、電阻R4以及開關SW4而反應在流入開關SW4之電流大於過電壓保護參考電流IOVP 的話，即表示電源轉換裝置10已發生過電壓的現象。如此一來，過電壓保護單元207將據以提供第三偵測結果DT3(邏輯“1”)給控制主體201。一旦控制主體201反應於過電壓保護單元207所提供的第三偵測結果DT3(邏輯“1”)而決定啟動過電壓保護機制時，則控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PWM，藉以保護電源轉換裝置10免於受到過電壓的現象而損毀，直至控制主體201反應於過電壓保護單元207所提供的第三偵測結果DT3(邏輯“0”)而決定關閉過電壓 保護機制為止(亦即，無過電壓的發生)。
另一方面，假設控制晶片103進入前述之第二偵測階段H2的第一子階段H2’，則控制訊號CS3為致能，而控制訊號CS4為禁能。在此條件下，電流源I2即提供電流以流經熱敏電阻RT，並於節點ND2上產生相應的電壓(VND2)。當熱敏電阻RT之阻值隨著電源轉換裝置10的操作溫度增加而降低時，節點ND2上的電壓(VND2)也會隨之降低。
一旦節點ND2上的電壓(VND2)低於過溫度保護參考電壓VOTP 的話，則表示電源轉換裝置10已發生過溫度的現象。如此一來，過溫度保護單元205將據以提供第二偵測結果DT2(邏輯“1”)給控制主體201。一旦控制主體201反應於過溫度保護單元205所提供的第二偵測結果DT2(邏輯“1”)而決定啟動過溫度保護機制時，則控制主體201會停止輸出脈寬調變訊號PWM，藉以保護電源轉換裝置10免於受到過溫度的現象而損毀，直至控制主體201反應於過溫度保護單元205所提供的第二偵測結果DT2(邏輯“0”)而決定關閉過溫度保護機制為止(亦即，無過溫度的發生)。
顯然地，控制晶片103會於脈寬調變訊號PWM每次致能時進入前述之第一偵測階段H1。另外，控制晶片103會在脈寬調變訊號PWM前一次禁能時進入前述之第二偵測階段H2的第二子階段H2”，並在脈寬調變訊號PWM下一次禁能時進入前述之第二偵測階段H2的第一子階段 H2’。換言之，圖5A所示，控制訊號CS1、CS2的週期相同，控制訊號CS3、CS4的週期為控制訊號CS1、CS2之週期的兩倍。然而，本發明並不限制於此。
更清楚來說，為了要得到精確的環境溫度對偵測電壓的結果，必須要將先前示範性實施例的變異因素(K1*VOUT)刪除，其係因：K1*Vout會隨著直流輸出電壓Vout的變化而改變，進而影響了節點ND2上關聯於溫度之電壓(VND2)的準確度。
基此，請參閱圖5B，關聯於交流輸入電壓VIN以及過電壓保護的偵測機制/方式皆與上一示範性實施例類似，故而在此並不再重複贅述之。於此，僅針對相異過溫度保護的偵測機制/方式進行說明。換言之，於本實施示範性實施例中，圖5B所示，控制訊號CS1、CS2的週期相同，控制訊號CS3的週期為控制訊號CS1、CS2之週期的四倍，而控制訊號CS4的週期為控制訊號CS1、CS2之週期的兩倍。
基此，如同圖5B所示，控制晶片103還是會於脈寬調變訊號PWM每次致能時進入前述之第一偵測階段H1。另外，控制晶片103會在脈寬調變訊號PWM前一次禁能時進入前述之第二偵測階段H2的第二子階段H2”，並在脈寬調變訊號PWM下三次禁能時進入前述之第二偵測階段H2的第一子階段H2’。
更清楚來說，假設控制晶片103進入前述之第一偵測階段H1，則控制訊號CS1為致能，而控制訊號CS2為禁 能。在此條件下，控制晶片103將進行交流輸入電壓VIN的偵測。另外，假設控制晶片103進入前述之第二偵測階段H2的第二子階段H2”，則控制訊號CS3為禁能，而控制訊號CS4為致能。在此條件下，控制晶片103將進行過電壓保護的偵測。
然而，在本示範性實施例中，在控制晶片103進入前述之第二偵測階段H2的第二子階段H2”之後，且於脈寬調變訊號PWM下一次禁能時，控制晶片103並不會如同上一示範性實施例般進入前述之第二偵測階段H2的第一子階段H2’。如此一來，開關SW3將反應於禁能狀態的控制訊號CS3而被關閉(turned-off)，以至於此時節點ND2上的電壓VND2僅與K1*VOUT相關聯。於此，先將與K1*VOUT相關聯之節點ND2上的電壓VND2定義為VPT1。
緊接著，於脈寬調變訊號PWM再下一次禁能時，控制晶片103會再次進入前述之第二偵測階段H2的第二子階段H2”，以至於控制晶片103會再次進行過電壓保護的偵測。隨後，於脈寬調變訊號PWM再下一次禁能時，控制晶片103才會進入前述之第二偵測階段H2的第一子階段H2’。如此一來，開關SW3將反應於致能狀態的控制訊號CS3而被導通，以至於此時節點ND2上的電壓VND2會同時與K1*VOUT以及由電流源I2、熱敏電阻RT與電阻R2所定義出的電壓(即，I2*(RT+R2))相關聯。於此，再將同時與K1*VOUT以及I2*(RT+R2)相關聯之節點ND2 上的電壓VND2定義為VPT2。
基此，在控制晶片103進入前述之第二偵測階段H2的第一子階段H2’時，控制晶片103僅需將所定義的VPT1與VPT2進行暫存與相減後(VPT2-VPT1)，即可得到精確的環境溫度對偵測電壓的結果。換言之，節點ND2上關聯於溫度之電壓(VND2)的準確度並不會受到K1*VOUT的影響，從而避免誤觸發過溫度保護的機制。
基於上述各示範性實施例所揭示/教示的內容，圖6繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換方法的流程圖。請參照圖6，本示範性實施例之電源轉換方法包括：提供反馳式電源轉換線路，並且致使反馳式電源轉換線路反應於脈寬調變訊號而對交流輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供直流輸出電壓(步驟S601)；提供控制晶片，並且致使控制晶片反應於某一負載的電源供應需求而產生脈寬調變訊號以控制反馳式電源轉換線路的運作(步驟S603)；提供耦接反馳式電源轉換線路與控制晶片之一只多功能偵測接腳的壓流偵測輔助線路，並且致使壓流偵測輔助線路於第一偵測階段，輔助控制晶片透過該只多功能偵測接腳以執行交流輸入電壓的偵測，並於第二偵測階段，輔助控制晶片透過該只多功能偵測接腳以執行過溫度保護的偵測與過電壓保護的偵測(步驟S605)；致使控制晶片反應於交流輸入電壓之偵測的第一偵測結果而決定是否對啟動過電流保護機制的過電流保護點 進行補償(步驟S607)；致使控制晶片反應於過溫度保護之偵測的第二偵測結果而決定是否啟動過溫度保護機制(步驟S609)；以及致使控制晶片反應於過電壓保護之偵測的第三偵測結果而決定是否啟動過電壓保護機制(步驟S611)。
相似地，無論決定啟動過電流保護機制、過電壓保護機制與過溫度保護機制中的何者，都將致使控制晶片停止輸出脈寬調變訊號，直至無過電流、無過電壓與/或無過溫度的發生為止。
綜上所述，本發明藉由在不同的時間切換設置在控制晶片內部且與控制晶片之一只多功能偵測接腳連接的第一與第二偵測開關，且透過壓流偵測輔助線路與電流偵測線路間的搭配而於某一段時間來執行反馳式電源轉換線路所接收之交流輸入電壓的偵測，並透過壓流偵測輔助線路、過溫度保護單元與過電壓保護單元間的搭配而於另一段時間來執行過溫度保護的偵測與過電壓保護的偵測。如此一來，控制晶片之單一只多功能偵測接腳即可對應到多種相關的功能偵測，從而最終地降低控制晶片整體的成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，故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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標 題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10‧‧‧電源轉換裝置
101‧‧‧反馳式電源轉換線路
103‧‧‧控制晶片
105‧‧‧壓流偵測輔助線路
201‧‧‧控制主體
203‧‧‧電流偵測線路
205‧‧‧過溫度保護單元
207‧‧‧過電壓保護單元
209‧‧‧過電流保護單元
M-PIN‧‧‧控制晶片的一只多功能偵測接腳
T‧‧‧變壓器
Q‧‧‧功率開關
SW1、SW2‧‧‧偵測開關
SW3、SW4‧‧‧開關
Rs、R1~R3‧‧‧電阻
RT‧‧‧熱敏電阻
D1~D4‧‧‧二極體
Cout‧‧‧電容
I1、I2‧‧‧電流源
B1、B2‧‧‧雙載子接面電晶體
P1、P2‧‧‧PMOS電晶體
CP1、CP2‧‧‧比較器
Vbias1~Vbias3‧‧‧偏壓
Np‧‧‧變壓器的主線圈
Ns‧‧‧變壓器的次線圈
Na‧‧‧變壓器的輔助線圈
H1、H2‧‧‧偵測階段
H2’：H2”‧‧‧子階段
VIN‧‧‧交流輸入電壓
VOUT‧‧‧直流輸出電壓
VCC‧‧‧直流系統電壓
Vcs‧‧‧過電流保護偵測電壓
PWM‧‧‧脈寬調變訊號
DGND‧‧‧危險地
SGND‧‧‧安全地
CS1~CS4‧‧‧控制訊號
VOTP ‧‧‧過溫度保護參考電壓
IOVP ‧‧‧過電壓保護參考電流
DTI~DT4‧‧‧偵測結果
ND1、ND2‧‧‧節點
VND2‧‧‧節點電壓
K1‧‧‧變壓器之輔助線圈與次線圈的圈數比(Na/Ns)
K2‧‧‧變壓器之輔助線圈與主線圈的圈數比(Na/Np)
VD3‧‧‧二極體的順向偏壓
S601~S611‧‧‧本發明一示範性實施例之電源轉換方法的流程圖各步驟
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換裝置10的示意圖。
圖2繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換裝置10的電路示意圖。
圖3繪示為本發明一示範性實施例之電流偵測線路201的實施示意圖。
圖4繪示為本發明一示範性實施例之過溫度保護單元205與過電壓保護單元207的實施示意圖。
圖5A繪示為本發明一示範性實施例的開關控制示意圖。
圖5B繪示為本發明另一示範性實施例的開關控制示意圖。
圖6繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換方法的流程圖。
10‧‧‧電源轉換裝置
101‧‧‧反馳式電源轉換線路
103‧‧‧控制晶片
105‧‧‧壓流偵測輔助線路
201‧‧‧控制主體
203‧‧‧電流偵測線路
205‧‧‧過溫度保護單元
207‧‧‧過電壓保護單元
209‧‧‧過電流保護單元
M-PIN‧‧‧控制晶片的一只多功能偵測接腳
T‧‧‧變壓器
Q‧‧‧功率開關
SW1、SW2‧‧‧偵測開關
Rs、R1~R3‧‧‧電阻
RT‧‧‧熱敏電阻
D1~D4‧‧‧二極體
Cout‧‧‧電容
Np‧‧‧變壓器的主線圈
Ns‧‧‧變壓器的次線圈
Na‧‧‧變壓器的輔助線圈
VIN‧‧‧交流輸入電壓
VOUT‧‧‧直流輸出電壓
VCC‧‧‧直流系統電壓
Vcs‧‧‧過電流保護偵測電壓
PWM‧‧‧脈寬調變訊號
DGND‧‧‧危險地
SGND‧‧‧安全地
CS1、CS2‧‧‧控制訊號
DT1~DT4‧‧‧偵測結果

Claims (15)

  1. 一種電源轉換裝置，包括：一反馳式電源轉換線路，用以接收一交流輸入電壓，並且反應於一脈寬調變訊號而對該交流輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一直流輸出電壓，其中該反馳式電源轉換線路包括：一變壓器，具有一主線圈、一次線圈與一輔助線圈，其中該主線圈的同名端用以接收該交流輸入電壓、該次線圈的同名端耦接至一安全地，而該輔助線圈的同名端則耦接至一危險地；一功率開關，其第一端耦接該主線圈的異名端，而其控制端則用以接收該脈寬調變訊號；一第一電阻，其第一端耦接該功率開關的第二端，而其第二端則耦接至該危險地；一第一二極體，其陽極耦接該次線圈的異名端，而其陰極則用以產生該直流輸出電壓；一電容，其第一端耦接該第一二極體的陰極，而其第二端則耦接至該安全地；以及一第二二極體，其陽極耦接該輔助線圈的異名端；一控制晶片，耦接該反馳式電源轉換線路，並反應於一電源供應需求而產生該脈寬調變訊號以控制該反馳式電源轉換線路的運作，其中該第一電阻的該第一端提供一過電流保護偵測電壓給該控制晶片，而該第二二極體的陰極端則用以產生一直流系統電壓給該控制晶片；以及 一壓流偵測輔助線路，耦接該反馳式電源轉換線路與該控制晶片的一多功能偵測接腳，用以於一第一偵測階段，輔助該控制晶片透過該多功能偵測接腳以執行該交流輸入電壓的偵測，並於一第二偵測階段，輔助該控制晶片透過該多功能偵測接腳以執行一過溫度保護的偵測與一過電壓保護的偵測，其中該壓流偵測輔助線路包括：一第三二極體，其陰極耦接該輔助線圈的異名端；一第二電阻，其第一端耦接該第三二極體的陽極，而其第二端則耦接該多功能偵測接腳；一熱敏電阻，其第一端耦接該多功能偵測接腳；一第三電阻，其第一端耦接該熱敏電阻的第二端，而其第二端則耦接至該危險地；一第四二極體，其陽極耦接該輔助線圈的異名端；以及一第四電阻，其第一端耦接該第四二極體的陰極，而其第二端則耦接至該多功能偵測接腳。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該熱敏電阻為一具有負溫度係數的熱敏電阻。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該控制晶片包括：一控制主體，用以作為該控制晶片的一運作核心，並且反應於該電源供應需求而產生該脈寬調變訊號； 一第一偵測開關，其第一端耦接該多功能偵測接腳，而其控制端則用以接收來自該控制主體的一第一控制訊號，其中該第一偵測開關反應於該第一控制訊號而於該第一偵測階段導通；一第二偵測開關，其第一端耦接該多功能偵測接腳，而其控制端則用以接收來自該控制主體的一第二控制訊號，其中該第二偵測開關反應於該第二控制訊號而於該第二偵測階段導通；一電流偵測線路，耦接於該第一偵測開關的第二端與該控制主體之間，用以於該第一偵測階段，執行該交流輸入電壓的偵測，並據以提供關聯於該交流輸入電壓之變化的一第一偵測結果給該控制主體；一過溫度保護單元，耦接於該第二偵測開關的第二端與該控制主體之間，用以於該第二偵測階段的一第一子階段，執行該過溫度保護的偵測，並據以提供一第二偵測結果給該控制主體，其中該控制主體更反應於該第二偵測結果而決定是否啟動一過溫度保護機制；以及一過電壓保護單元，耦接於該第二偵測開關的第二端與該控制主體之間，用以於該第二偵測階段的一第二子階段，執行該過電壓保護的偵測，並據以提供一第三偵測結果給該控制主體，其中該控制主體更反應於該第三偵測結果而決定是否啟動一過電壓保護機制。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置，其中 該控制晶片更包括：一過電流保護單元，耦接該控制主體，用以於該電源轉換裝置運作的過程中，反應於該過電流保護偵測電壓而執行一過電流保護的偵測，並據以提供一第四偵測結果給該控制主體，其中，該控制主體更反應於該第四偵測結果而決定是否啟動一過電流保護機制；以及其中，該控制主體更反應於該第一偵測結果以決定是否對啟動該過電流保護機制的一過電流保護點進行補償。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源轉換裝置，其中：當該交流輸入電壓為一相對高交流輸入電壓時，則經由該控制主體補償過後的該過電流保護點為一第一過電流保護點；當該交流輸入電壓為一相對低交流輸入電壓時，則經由該控制主體補償過後的該過電流保護點為一第二過電流保護點；以及該第一過電流保護點與該第二過電流保護點相異。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電源轉換裝置，其中當該控制主體反應於該第四偵測結果而決定啟動該過電流保護機制時，則該控制主體停止輸出該脈寬調變訊號，直至該控制主體反應於該第四偵測結果而決定關閉該過電流保護機制為止。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置，其中該電流偵測線路包括：一第一NPN型雙載子接面電晶體，其射極耦接該第一偵測開關的第二端；一第二NPN型雙載子接面電晶體，其基極與集極耦接該第一雙載子接面電晶體的基極，而其射極則耦接至該危險地；一電流源，其第一端耦接至一第一偏壓，而其第二端則耦接該第二雙載子接面電晶體的集極；一第一PMOS電晶體，其源極耦接至一第二偏壓，而其閘極與汲極則耦接該第一NPN型雙載子接面電晶體的集極；以及一第二PMOS電晶體，其源極耦接至該第二偏壓，其閘極耦接該第一PMOS電晶體的閘極，而其汲極則用以輸出關聯於該交流輸入電壓之變化的該第一偵測結果。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置，其中該過溫度保護單元包括：一電流源，其第一端耦接至一偏壓；一開關，其第一端耦接該電流源的第二端，其第二端則耦接該第二偵測開關的第二端，而其控制端則用以接收來自該控制主體的一第三控制訊號，其中該開關反應於該第三控制訊號而於該第一子階段導通；以及 一比較器，其正輸入端用以接收一過溫度保護參考電壓，其負輸入端耦接該第二偵測開關的第二端，而其輸出端則用以輸出該第二偵測結果。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源轉換裝置，其中該第一與該第二控制訊號的週期相同，而該第三控制訊號的週期為該第一與該第二控制訊號之週期的兩倍或四倍。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置，其中該過電壓保護單元包括：一開關，其第一端耦接該第二偵測開關的第二端，其第二端耦接至該危險地，而其控制端則用以接收來自該控制主體的一第四控制訊號，其中該開關反應於該第四控制訊號而於該第二子階段導通；以及一比較器，其正輸入端耦接該第二偵測開關的第二端，其負輸入端用以接收一過電壓保護參考電流，而其輸出端則用以輸出該第三偵測結果。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源轉換裝置，其中該第一與該第二控制訊號的週期相同，而該第四控制訊號的週期為該第一與該第二控制訊號之週期的兩倍。
  12. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置，其中當該控制主體反應於該第二偵測結果而決定啟動該過溫度 保護機制時，則該控制主體停止輸出該脈寬調變訊號，直至該控制主體反應於該第二偵測結果而決定關閉該過溫度保護機制為止。
  13. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置，其中當該控制主體反應於該第三偵測結果而決定啟動該過電壓保護機制時，則該控制主體停止輸出該脈寬調變訊號，直至該控制主體反應於該第三偵測結果而決定關閉該過電壓保護機制為止。
  14. 一種電源轉換方法，包括：提供一反馳式電源轉換線路，並且致使該反馳式電源轉換線路反應於一脈寬調變訊號而對一交流輸入電壓進行轉換，藉以產生並提供一直流輸出電壓，其中該反馳式電源轉換線路包括：一變壓器，具有一主線圈、一次線圈與一輔助線圈，其中該主線圈的同名端用以接收該交流輸入電壓、該次線圈的同名端耦接至一安全地，而該輔助線圈的同名端則耦接至一危險地；一功率開關，其第一端耦接該主線圈的異名端，而其控制端則用以接收該脈寬調變訊號；一第一電阻，其第一端耦接該功率開關的第二端，而其第二端則耦接至該危險地；一第一二極體，其陽極耦接該次線圈的異名端， 而其陰極則用以產生該直流輸出電壓；一電容，其第一端耦接該第一二極體的陰極，而其第二端則耦接至該安全地；以及一第二二極體，其陽極耦接該輔助線圈的異名端；提供一控制晶片，並且致使該控制晶片反應於一電源供應需求而產生該脈寬調變訊號以控制該反馳式電源轉換線路的運作，其中該第一電阻的該第一端提供一過電流保護偵測電壓給該控制晶片，而該第二二極體的陰極端則用以產生一直流系統電壓給該控制晶片；以及提供耦接該反馳式電源轉換線路與該控制晶片之一多功能偵測接腳的一壓流偵測輔助線路，並且致使該壓流偵測輔助線路於一第一偵測階段，輔助該控制晶片透過該多功能偵測接腳以執行該交流輸入電壓的偵測，並於一第二偵測階段，輔助該控制晶片透過該多功能偵測接腳以執行一過溫度保護的偵測與一過電壓保護的偵測，其中該壓流偵測輔助線路包括：一第三二極體，其陰極耦接該輔助線圈的異名端；一第二電阻，其第一端耦接該第三二極體的陽極，而其第二端則耦接該多功能偵測接腳；一熱敏電阻，其第一端耦接該多功能偵測接腳；一第三電阻，其第一端耦接該熱敏電阻的第二端，而其第二端則耦接至該危險地；一第四二極體，其陽極耦接該輔助線圈的異名端；以及 一第四電阻，其第一端耦接該第四二極體的陰極，而其第二端則耦接至該多功能偵測接腳。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電源轉換方法，更包括：致使該控制晶片反應於該交流輸入電壓之偵測的一第一偵測結果而決定是否對啟動一過電流保護機制的一過電流保護點進行補償；致使該控制晶片反應於該過溫度保護之偵測的一第二偵測結果而決定是否啟動一過溫度保護機制；以及致使該控制晶片反應於該過電壓保護之偵測的一第三偵測結果而決定是否啟動一過電壓保護機制。
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