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TWI556563B - Fixed on-time switching type switching device - Google Patents

Fixed on-time switching type switching device Download PDF

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Publication number
TWI556563B
TWI556563B TW103131584A TW103131584A TWI556563B TW I556563 B TWI556563 B TW I556563B TW 103131584 A TW103131584 A TW 103131584A TW 103131584 A TW103131584 A TW 103131584A TW I556563 B TWI556563 B TW I556563B
Authority
TW
Taiwan
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signal
voltage
electronic switch
pulse signal
value
Prior art date
Application number
TW103131584A
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English (en)
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TW201611499A (zh
Inventor
tian-qi Lin
Zhi-Yuan Liu
yue-ping Yu
Pei-Lun Huang
Original Assignee
Alpha & Omega Semiconductor Cayman Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alpha & Omega Semiconductor Cayman Ltd filed Critical Alpha & Omega Semiconductor Cayman Ltd
Priority to TW103131584A priority Critical patent/TWI556563B/zh
Priority to US14/562,735 priority patent/US9577543B2/en
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
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Description

固定導通時間切換式轉換裝置
本發明係關於一種切換式轉換裝置，且特別關於一種固定導通時間(constant on-time,COT)切換式轉換裝置。
近年來隨著科技的進步，具有各式各樣不同功能的電子產品已逐漸被研發出來，這些具有各式各樣不同功能的電子產品不但滿足了人們的各種不同需求，更融入每個人的日常生活，使得人們生活更為便利。這些各式各樣不同功能的電子產品係由各種電子元件所組成，而每一個電子元件所需的電源電壓不盡相同，因此，現今的供電系統提供的交流電源並不適合直接提供給電子產品使用。為了提供適當的電壓給每一個電子元件使其正常運作，這些電子產品需要藉由電源轉換電路將交流電源，例如一般的市電，轉換為適當的電壓給每一個電子元件使用。
傳統的交流轉直流的電源轉換器(AC/DC Converter)是採用隔離式分壓的設計，將交流電源與整流器耦合之後，再利用外部變壓器將高電壓的交流電源轉換為低電壓的直流電源，用以提供低電壓的直流電源器件使用。如第1圖所示，傳統的電源轉換器包含一變壓器10，其一次側連接一電子開關12，二次側連接一負載14、一輸出電容15與一分壓器16，分壓器16連接一處理器18。處理器18透過一光耦合器20連接一控制器22，此控制 器22連接電子開關12，以控制其開關狀態。當負載14上有負載電壓及負載電流時，分壓器16可以擷取負載電壓中的分壓，並將其傳送給處理器18。處理器18係依據此分壓產生一類比訊號，並將其透過光耦合器20由二次側傳送給位於一次側的控制器22，使控制器22能根據此類比訊號來切換電子開關12。由於此處理器18由TL431與補償電路所組成，所以處理器18以零點與極點之補償方式負責對整個電源轉換器進行迴路增益與頻寬的補償，以降低負載電壓中的漣波訊號，使整個系統穩定。然而，由於控制器22位於一次側，無法直接偵測負載電壓，且TL431與補償電路亦無法即時將負載電壓中的資訊傳到控制器22，反而會使負載電壓中的資訊延遲變形，甚至變慢後，才傳至控制器22，造成控制器22也無法即時因應負載電壓中的漣波訊號，改變電子開關12的切換方式，進而迅速穩定負載電壓。再者，連接於二次側的一二極體24係作為同步整流器，但此在連續電流模式(CCM)並不容易控制。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種固定導通時間(constant on-time,COT)切換式轉換裝置，以解決習知所產生的問題。
本發明的主要目的，在於提供一種固定導通時間(constant on-time,COT)切換式轉換裝置，其係於變壓器之二次側安裝能直接偵測輸出電壓或輸出電流之處理器，並即時透過耦合元件將輸出電壓或輸出電流中的資訊，傳送至一次側，以利用二次側之資訊決定位於變壓器之一次側之電子開關的導通與關閉之時間，進而調節輸出電壓或輸出電流，在不需要採用補償電路的前提下，達到高速負載暫態響應。
本發明的次要目的，在於提供一種固定導通時間切換式轉換 裝置，其係將耦合元件以電場、磁場、壓電材質或光作為媒介，將輸出電壓或輸出電流中的資訊從二次側傳送至一次側，且不採任何編碼或解碼技術，使變壓器之二次側獨立地調節輸出電壓與輸出電流。
本發明的再一目的，在於提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係分別將控制器與驅動器形成於一晶片單元中，再將二晶片單元與耦合元件整合於一封裝結構中，以達到體積微小化，同時降低佔有印刷電路板之面積，與物料清單(BOM)成本。
本發明的又一目的，在於提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係將變壓器之二次側上的漣波訊號與輸出電流分別進行濾波與放大，以降低位於主輸出路徑上之電阻的電阻值，進而減少輸出效能損耗，同時使設有參考電壓之位於二次側的處理器容易設計。
本發明的再一目的，在於提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係利用位於變壓器之二次側的處理器接收位於一次側的驅動器所產生的喚醒訊號，以產生控制訊號，並將其傳遞給驅動器使用，以避免在啟動(start-up)模式中，位於一次側與二次側之間的耦合元件損壞時，破壞系統之運作。
本發明的又一目的，在於提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係擷取一次側之輸入電壓，並據此調整位於一次側之電子開關之導通時間，以針對不同之輸入電壓，降低位於一次側之電子開關的切換頻率之變動量，以避免變壓器進入飽和進而燒毀。
本發明的再一目的，在於提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係利用變壓器之二次側發出的上一個脈波訊號之頻率值，決定下 一個二次側之脈波訊號的高電壓準位的持續時間，進而調整一次側之電子開關之導通時間，以脫離音頻區，進而減少每一個切換週期對變壓器所儲存與釋放的能量。
為達上述目的，本發明提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係連接一輸入端，此輸入端接收一輸入電壓，此固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端，二次側連接一負載與一處理器。處理器接收一啟動電壓，且接收負載上的一輸出電壓或一輸出電流，以據此與啟動電壓產生一控制訊號。處理器連接至少一耦合元件，如電容、變壓器、壓電元件或光耦合元件，其係分別連接一次側與二次側，以傳送控制訊號至一次側。一次側與耦合元件連接一驅動器，其係透過耦合元件接收控制訊號，並將其放大，產生一第一數位訊號。一次側與驅動器連接一第一電子開關，其係接收第一數位訊號，並據此切換開關狀態，以控制變壓器透過輸入端接收輸入電壓，進而調節輸出電壓與輸出電流，其中第一電子開關之開關狀態的時間長度受控制訊號之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點所決定。
處理器更包含一電訊號擷取器與一控制器。電訊號擷取器連接二次側與負載，以擷取輸出電壓中的分壓或輸出電流對應之感測電壓。控制器不但接收啟動電壓，又連接二次側與電訊號擷取器，以透過電訊號擷取器接收分壓或感測電壓，並據此與啟動電壓產生控制訊號。控制器、耦合元件與驅動器係整合於一封裝結構中。在耦合元件為電容時，封裝結構係由一第一晶片單元、一介電層與一第二晶片單元堆疊而成，第一晶片單 元內形成有控制器，第二晶片單元內形成有驅動器，電容由第一晶片單元、介電層與第二晶片單元形成。
本發明亦提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係連接一輸入端，此輸入端接收一輸入電壓，此固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端，二次側連接一負載，變壓器之二次側上有一漣波訊號，負載上有由漣波訊號形成的一輸出電壓及一輸出電流。二次側與負載連接一處理器，其係擷取漣波訊號之交流成分之交流電壓與輸出電流。處理器預設有一參考電壓，處理器轉換輸出電流為一處理電壓，處理電壓之直流成分的電壓值等於參考電壓。處理器根據參考電壓、交流電壓與處理電壓產生一控制訊號。處理器連接至少一耦合元件，其係分別連接一次側與二次側，以傳送控制訊號至一次側。變壓器之一次側與耦合元件連接一驅動器，其係接收控制訊號，並將其放大，產生一數位訊號。變壓器之一次側與驅動器連接一電子開關，其係接收數位訊號，並據此切換開關狀態，以控制變壓器透過輸入端接收輸入電壓，進而調節輸出電壓與輸出電流。
本發明再提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係連接一輸入端，此輸入端接收一輸入電壓。此固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器，其係具一次側與二次側，其中一次側連接輸入端，二次側連接一負載，負載上有一輸出電壓與一輸出電流。一次側與輸入端連接一驅動器，其係接收輸入電壓，並藉此依序產生複數喚醒訊號。驅動器連接至少一耦合元件，其係分別連接一次側與二次側，以傳送喚醒訊號至二次側。耦合元件、二次側與負載連接一處理器，其係接收輸出電壓或輸出電流其 中一者，與喚醒訊號，以根據輸出電壓或輸出電流其中一者，與喚醒訊號產生一控制訊號，且透過耦合元件傳送控制訊號至驅動器。驅動器放大控制訊號，以產生一第一數位訊號。一次側與驅動器連接一第一電子開關，其係接收第一數位訊號，並據此切換開關狀態，以控制變壓器透過輸入端接收輸入電壓，進而調節輸出電壓與輸出電流。
本發明又提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係連接一輸入端，此輸入端接收一輸入電壓，固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端，二次側設有一負載。輸入端連接一驅動器，其係接收輸入電壓，藉此產生一第一脈波訊號。變壓器之一次側與驅動器連接一第一電子開關，其係接收第一脈波訊號，且據此切換開關狀態，以控制變壓器透過輸入端接收輸入電壓，以於負載上產生一輸出電壓與一輸出電流，且控制變壓器於二次側產生包含輸入電壓之一取樣電壓。於變壓器之二次側與負載之間連接有一處理器，此處理器預設一第一參考電壓。處理器接收輸出電壓或輸出電流其中之一，及取樣電壓，並從輸出電壓或輸出電流擷取其對應之一偵測電壓，從取樣電壓擷取輸入電壓，在偵測電壓小於第一參考電壓時，處理器根據輸入電壓產生一第二脈波訊號。處理器與驅動器連接至少一耦合元件，其係位於一次側與二次側之間，以傳送第二脈波訊號至位於一次側之驅動器中，以控制驅動器停止產生第一脈波訊號。驅動器放大第二脈波訊號，產生一第一數位訊號，並將其傳送至第一電子開關中。第一電子開關根據第一數位訊號切換開關狀態，以控制變壓器透過輸入端接收輸入電壓，進而調節輸出電壓與輸出電流。
本發明再提供一種固定導通時間切換式轉換裝置，其係連接一輸入端，此輸入端接收一輸入電壓，固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端，二次側設有一負載，負載上有一輸出訊號。二次側與負載連接一處理器，處理器預設一第一參考電壓、一下頻率臨界值與一上頻率臨界值。處理器接收輸出訊號，並從輸出訊號依序擷取第一偵測電壓與第二偵測電壓，處理器在第一偵測電壓小於第一參考電壓時，產生一第一脈波訊號及其同步且同頻率之第一時脈訊號。接著，處理器在第二偵測電壓小於第一參考電壓時，根據第一時脈訊號之至少一頻率值、下頻率臨界值與上頻率臨界值，產生一第二脈波訊號及其同步且同頻率之第二時脈訊號。處理器連接至少一耦合元件，其係分別連接一次側與二次側，以依序傳送第一脈波訊號與第二脈波訊號至一次側。一次側與耦合元件連接一驅動器，其係依序接收第一脈波訊號與第二脈波訊號，並將其放大，分別依序產生第一數位訊號與第二數位訊號。一次側與驅動器連接一第一電子開關，其係依序接收第一數位訊號與第二數位訊號，並據此切換開關狀態，以控制變壓器透過輸入端接收輸入電壓，進而調節輸出訊號。
茲為使 貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
10‧‧‧變壓器
12‧‧‧電子開關
14‧‧‧負載
15‧‧‧輸出電容
16‧‧‧分壓器
18‧‧‧處理器
20‧‧‧光耦合器
22‧‧‧控制器
24‧‧‧二極體
26‧‧‧輸入端
28‧‧‧變壓器
29‧‧‧二極體
30‧‧‧輸出電容
31‧‧‧負載
32‧‧‧處理器
34‧‧‧耦合元件
36‧‧‧驅動器
38‧‧‧第一電子開關
40‧‧‧電訊號擷取器
42‧‧‧控制器
44‧‧‧第二電子開關
46‧‧‧外部電路
48‧‧‧分壓器
50‧‧‧電阻
52‧‧‧比較器
54‧‧‧電阻
56‧‧‧切換控制電路
58‧‧‧偏壓電路
60‧‧‧緩衝器
62‧‧‧反向器
64‧‧‧第三電子開關
66‧‧‧第四電子開關
68‧‧‧第一晶片單元
70‧‧‧介電層
72‧‧‧第二晶片單元
74‧‧‧輸入端
76‧‧‧變壓器
77‧‧‧二極體
78‧‧‧負載
79‧‧‧輸出電容
80‧‧‧處理器
82‧‧‧耦合元件
84‧‧‧驅動器
86‧‧‧電子開關
88‧‧‧電流電壓轉換器
90‧‧‧分壓器
92‧‧‧濾波器
94‧‧‧加法器
96‧‧‧控制器
98‧‧‧電阻
100‧‧‧放大器
102‧‧‧輸入端
104‧‧‧變壓器
105‧‧‧輸出電容
10‧‧‧負載
108‧‧‧驅動器
110‧‧‧耦合元件
112‧‧‧處理器
114‧‧‧第一電子開關
116‧‧‧電訊號擷取器
118‧‧‧控制器
120‧‧‧第二電子開關
122‧‧‧輸入端
124‧‧‧變壓器
126‧‧‧輸出電容
128‧‧‧負載
130‧‧‧驅動器
132‧‧‧第一電子開關
134‧‧‧處理器
136‧‧‧耦合元件
138‧‧‧電訊號擷取器
140‧‧‧導通時間調節器
142‧‧‧控制器
144‧‧‧第二電子開關
146‧‧‧取樣保持器
148‧‧‧相依電流源
150‧‧‧第三電子開關
152‧‧‧電容
154‧‧‧比較器
156‧‧‧輸入端
158‧‧‧變壓器
160‧‧‧輸出電容
162‧‧‧負載
164‧‧‧處理器
166‧‧‧耦合元件
168‧‧‧驅動器
170‧‧‧第一電子開關
172‧‧‧電訊號擷取器
174‧‧‧控制器
176‧‧‧導通時間調節器
178‧‧‧第二電子開關
180‧‧‧第一電流源
182‧‧‧電流產生器
184‧‧‧第三電子開關
186‧‧‧電容
188‧‧‧比較器
190‧‧‧第四電子開關
192‧‧‧第二電流源
第1圖為先前技術之電源轉換器之電路示意圖。
第2圖為本發明之第一實施例之電路示意圖。
第3(a)圖為本發明之分壓與感測電壓其中一者，及一控制訊號之波形示意圖。
第3(b)圖為本發明之分壓與感測電壓其中一者，及另一控制訊號之波形示意圖。
第4圖為本發明之第二實施例之電路示意圖。
第5圖為本發明之第三實施例之電路示意圖。
第6圖為本發明之第四實施例之電路示意圖。
第7圖為本發明之控制器、分壓器、輸出電容、負載與變壓器之電路示意圖。
第8圖為本發明之控制器、電阻、輸出電容、負載與變壓器之電路示意圖。
第9圖為本發明之控制器與驅動器之間的電流走向示意圖。
第10圖為本發明之分壓、第二數位訊號、RX訊號與TX訊號之波形示意圖。
第11圖為本發明之控制器、電容與驅動器之封裝結構之示意圖。
第12圖為本發明之第五實施例之電路示意圖。
第13圖為本發明之第五實施例之D、M、DI與DS之訊號的波形圖。
第14圖為本發明之第六實施例之電路示意圖。
第15圖為本發明之第七實施例之電路示意圖。
第16圖為本發明之偵測電壓及控制訊號之波形示意圖。
第17圖為本發明之第七實施例之D1訊號、TX訊號與RX訊號的波形圖。
第18圖為本發明之第八實施例之電路示意圖。
第19圖為本發明之第八實施例之導通時間調節器之內部電路與其他元件之電路示意圖。
第20圖為本發明之第八實施例之DE、P2、clk與P3的波形圖。
第21圖為本發明之第九實施例之電路示意圖。
第22圖為本發明之第九實施例之導通時間調節器之內部電路與其他元件之電路示意圖。
第23圖為本發明之第九實施例之DE1、P1、clk1、DE2、P2、clk2與P4的波形圖。
第24圖為本發明之第九實施例之DOWN、LD、B1、B2、UP、F與I O 的波形圖。
請參閱第2圖，以下介紹本發明之第一實施例。本發明之固定導通時間(constant on-time,COT)切換式轉換裝置，連接一輸入端26，此輸入端26接收一輸入電壓V IN 。此固定導通時間切換式轉換裝置包含一 變壓器28，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端26，二次側透過一二極體29連接一輸出電容30與一負載31。二極體29之正極連接二次側，負極連接輸出電容30與負載31。二次側、一低電位VSS與負載31連接一處理器32，其係接收一啟動電壓S，且接收負載31上的一輸出電壓V O 或一輸出電流I O ，以據此與啟動電壓S產生一控制訊號C。一次側與二次側之間可以以電場、磁場、壓電元件或光作為傳輸媒介，因此，處理器32係連接至少一耦合元件34，如電容、變壓器、壓電元件或光耦合元件，其係分別連接一次側與二次側，以傳送控制訊號C至一次側。一次側與耦合元件34連接一驅動器36，其係連接輸入端26，並透過耦合元件34接收控制訊號C，並將其放大，產生一第一數位訊號D1。驅動器36還具有電路保護功能。一次側與驅動器36連接一第一電子開關38，如N通道金氧半場效電晶體或雙載子接面電晶體，其係接收第一數位訊號D1，並據此切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，進而透過二極體29調節輸出電壓V O 與輸出電流I O ，其中第一電子開關38之開關狀態的時間長度受二次側之控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點所決定，例如當控制訊號C為時脈訊號，此時脈訊號自負緣提升至正緣時，第一電子開關38開始導通，直到時脈訊號自正緣下降至負緣時，第一電子開關38之導通狀態結束，並開始關閉，直到時脈訊號再次自負緣提升至正緣時，第一電子開關38之關閉狀態結束，並開始導通。驅動器36透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，藉此產生一第一脈波訊號P1至第一電子開關38中，第一電子開關38根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，以透過二極體29於負載31上產生輸出電壓V O 與輸出電 流I O ，並利用變壓器28提供啟動電壓S給處理器32產生控制訊號C，在驅動器36透過耦合元件34接收控制訊號C時，係停止產生第一脈波訊號P1。
處理器32更包含一電訊號擷取器40與一控制器42。電訊號擷取器40連接低電位VSS、二次側與負載31，以擷取輸出電壓V O 中的分壓DV或輸出電流I O 對應之感測電壓DS。控制器42接收啟動電壓S，且控制器42連接耦合元件34、二次側與電訊號擷取器40，以接收分壓DV或感測電壓DS，並據此與啟動電壓S產生控制訊號C。以下請同時參閱第2圖與第3(a)圖。由於控制器42預設有一參考電壓，因此在分壓DV小於此參考電壓時，控制訊號C為至少一週期之第二脈波訊號P2，即T1期間內呈現的波形，在此以複數週期為例，此第二脈波訊號P2之每一週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位。在分壓DV大於參考電壓時，即T2期間內呈現的波形，控制訊號C為低電壓準位。同理，在感測電壓DS小於參考電壓時，控制訊號C為至少一週期之第二脈波訊號P2，即T1期間內呈現的波形，在此以複數週期為例，此第二脈波訊號P2之每一週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位。在感測電壓DS大於參考電壓時，即T2期間內呈現的波形，控制訊號C為低電壓準位。在第3(b)圖中，則說明在分壓DV小於此參考電壓的瞬間，控制訊號C送出一週期之第二脈波訊號P2，即控制器42之預設期間Tmin內呈現的波形，此第二脈波訊號P2之此週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位，其中此高 壓準位的時間長度由位於二次側之控制器42決定之。在預設期間Tmin內分壓DV大於參考電壓後，控制訊號C需等待到下一次分壓DV小於參考電壓後才會再送出第二脈波訊號P2。同理，在分壓DS小於此參考電壓時，控制訊號C為一週期之第二脈波訊號P2，即預設期間Tmin內呈現的波形，此第二脈波訊號P2之此週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位，其中此高壓準位的時間長度由位於二次側之控制器42決定之。在預設期間Tmin內分壓DS大於參考電壓後，控制訊號C需等待到下一次分壓DV小於參考電壓後才會再送出第二脈波訊號P2。
以下介紹第一實施例之運作過程，並以啟動(start-up)模式運作之。首先，驅動器36透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，藉此產生第一脈波訊號P1至第一電子開關38中，使第一電子開關38根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，以透過二極體29於負載31上產生輸出電壓V O 與輸出電流I O ，並利用變壓器28提供啟動電壓S給控制器42。接著，電訊號擷取器40擷取輸出電壓V O 中的分壓DV或輸出電流I O 對應之感測電壓DS後輸出。控制器42接收分壓DV或感測電壓DS，並據此與啟動電壓S產生控制訊號C，並以控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點決定第一電子開關38之開關狀態的時間長度。再來，耦合元件34傳送控制訊號C從二次側至位於一次側的驅動器36。驅動器36接收到控制訊號C時，係停止產生第一脈波訊號P1，並放大控制訊號C，以產生第一數位訊號D1。最後，第一電子開關38接收第一數位 訊號D1，並據此切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，進而透過二極體29調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。在先前技術中，為了使整體轉換裝置之輸出電壓穩定，必須設有補償電路，以補償增益邊緣(gain margin)與相位邊緣(phase margin)。但本發明並不需要任何補償電路，以避免調整gain margin與phase margin的複雜技術，便可直接偵測輸出電壓V O 或輸出電流I O ，並將其中的資訊傳送至一次側，以利用二次側之資訊決定位於變壓器之一次側之電子開關的導通與關閉之時間，進而即時對輸出電壓與輸出電流進行調節，以達高速負載暫態響應。此外，本發明利用耦合元件，將輸出電壓或輸出電流中的資訊從二次側傳至一次側，其中並不採用任何編碼器及解碼器之編、解碼技術，同時又能有效隔離一次側與二次側的訊號，使二次側獨立調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
以下請繼續參閱第4圖，並介紹本發明之第二實施例。為了提高整體系統的效率，第二實施例以如N通道金氧半場效電晶體之第二電子開關44取代第一實施例中的二極體29，以作為同步整流器。在第二實施例中，變壓器28之二次側直接連接負載31。此外，第二電子開關44連接二次側與負載31之間，並連接控制器42。在控制器42產生控制訊號C時，控制器42根據分壓DV或感測電壓DS其中一者，及啟動電壓S產生一第二數位訊號D2給第二電子開關44，以切換第一電子開關38與第二電子開關44呈相反的導通狀態或同時關閉，則變壓器28接收輸入電壓V IN ，以調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
以下介紹第二實施例之運作過程，並以啟動模式運作之。首先，驅動器36透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，藉此產生第一脈波訊號P1至 第一電子開關38中，使第一電子開關38根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，以透過第二電子開關44於負載31上產生輸出電壓V O 與輸出電流I O ，並利用變壓器28提供啟動電壓S給控制器42。接著，電訊號擷取器40擷取輸出電壓V O 中的分壓DV或輸出電流I O 對應之感測電壓DS後輸出。控制器42接收分壓DV或感測電壓DS，並據此與啟動電壓S產生控制訊號C與第二數位訊號D2，並以控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點決定第一電子開關38之開關狀態的時間長度。再來，第二電子開關44接收第二數位訊號D2以進行切換，且耦合元件34傳送控制訊號C從二次側至位於一次側的驅動器36。驅動器36透過耦合元件34接收到控制訊號C時，係停止產生第一脈波訊號P1，並放大控制訊號C，以產生第一數位訊號D1。最後，第一電子開關38接收第一數位訊號D1，並據此切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
以下請繼續參閱第5圖，並介紹本發明之第三實施例。第三實施例並未如第一實施例之控制器42使用變壓器28所提供的啟動電壓S。在第三實施例中，取而代之的是，控制器42更連接一外部電路46，其係提供啟動電壓S給處理器32之控制器42。
以下介紹第三實施例之運作過程。首先，假設負載31上已經有輸出電壓V O 與輸出電流I O ，且外部電路46亦提供啟動電壓S給控制器42。接著，電訊號擷取器40擷取輸出電壓V O 中的分壓DV或輸出電流I O 對應之感測電壓DS後輸出。控制器42接收分壓DV或感測電壓DS，並據此與啟動電壓S產生控制訊號C，並以控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及 正緣下降至負緣之時間點決定第一電子開關38之開關狀態的時間長度。再來，耦合元件34傳送控制訊號C從二次側至位於一次側的驅動器36。驅動器36透過耦合元件34接收控制訊號C，並放大控制訊號C，以產生第一數位訊號D1。最後，第一電子開關38接收第一數位訊號D1，並據此切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，進而透過二極體29調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
以下請繼續參閱第6圖，並介紹本發明之第四實施例。第四實施例並未如第二實施例之控制器42使用變壓器28所提供的啟動電壓S。在第四實施例中，取而代之的是，控制器42更連接一外部電路46，其係提供啟動電壓S給處理器32之控制器42。
以下介紹第四實施例之運作過程。首先，假設負載31上已經有輸出電壓V O 與輸出電流I O ，且外部電路46亦提供啟動電壓S給控制器42。接著，電訊號擷取器40擷取輸出電壓V O 中的分壓DV或輸出電流I O 對應之感測電壓DS後輸出。控制器42接收分壓DV或感測電壓DS，並據此與啟動電壓S產生控制訊號C與第二數位訊號D2，並以控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點決定第一電子開關38之開關狀態的時間長度。再來，第二電子開關44接收第二數位訊號D2以進行切換，且耦合元件34傳送控制訊號C從二次側至位於一次側的驅動器36。驅動器36透過耦合元件34接收控制訊號C，並放大控制訊號C，以產生第一數位訊號D1。最後，第一電子開關38接收第一數位訊號D1，並據此切換開關狀態，以控制變壓器28透過輸入端26接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
請繼續參閱第7圖與第8圖。上述實施例中，電訊號擷取器40可以有多種實施態樣，如第7圖所示，電訊號擷取器40可以分壓器48實現，分壓器48可以透過二極體29連接變壓器28之二次側，也可以直接連接變壓器28之二次側，並可擷取輸出電壓V O 中的分壓DV。如第8圖所示，電訊號擷取器40亦可以電阻50實現，電阻50可以透過二極體29連接變壓器28之二次側，也可以直接連接變壓器28之二次側。當輸出電流I O 通過此電阻50時，可於電阻50上產生感測電壓DS。
請繼續參閱第9圖。驅動器36包含一比較器52與一電阻54，此電阻54之一端連接比較器52之正輸入端，另一端接地。控制器42包含一切換控制電路56、一偏壓電路58、一緩衝器60、一反向器62、一第三電子開關64與一第四電子開關66。切換控制電路56連接緩衝器60與反向器62，此兩者分別連接第三電子開關64與第四電子開關66。偏壓電路58連接第三電子開關64，第三電子開關64與第四電子開關66透過耦合元件34連接電阻54。將電阻54與比較器52之正輸入端之間的訊號視為RX訊號，耦合元件34與第三電子開關64之間的訊號視為TX訊號。切換控制電路56透過緩衝器60與反向器62控制第三電子開關64與第四電子開關66，使其呈相反的切換。當分壓DV小於控制器42的參考電壓的瞬間，切換控制電路56透過緩衝器60與反向器62分別開啟與關閉第三電子開關64與第四電子開關66，則偏壓電路58提供電流，依序經過第三電子開關64、耦合元件34、電阻54與耦合元件34直到低電位VSS。比較器52接收RX訊號，並據此產生第一數位訊號D1。當經過一特定週期的時間後，切換控制電路56透過緩衝器60與反向器62分別開啟與關閉 第四電子開關66與第三電子開關64，則電流依序經過耦合元件34、電阻54、耦合元件34與第四電子開關66。RX訊號、TX訊號、分壓DV與第一數位訊號D1之波形圖如第10圖所示，由圖與模擬可知，當分壓DV低於參考電壓之後，就會產生高準位電壓之第一數位訊號D1，延遲時間相當短。
請繼續參閱第9圖與第11圖。為了使本發明達到體積微小化，本發明之驅動器36、控制器42與耦合元件34可以整合於一封裝結構中，如第11圖所示。以耦合元件34為電容為例，此封裝結構係由一第一晶片單元68、一介電層70與一第二晶片單元72堆疊而成，第一晶片單元68內形成有控制器42，第二晶片單元72內形成有驅動器36，電容由第一晶片單元68、介電層72與第二晶片單元72所形成，其中第一晶片單元68與第二晶片單元72亦可用任意導電層、導線架或晶粒(die)來實現。當耦合元件34為變壓器之繞組、壓電元件或光耦合元件時，也可以用類似方式整合於一封裝結構中，以降低佔有印刷電路板之面積，與物料清單(BOM)成本。
在第8圖中，電訊號擷取器40由電阻50實現。假設控制器42的參考電壓為250毫伏特，通過電阻50之輸出電流I O 的直流成分為2.5安培，則電阻50之電阻值必須設定為0.1歐姆，才得以輸出準確的控制訊號C。然而，電阻50位在主輸出路徑上，故電阻50本身不能太大，若太大會增加輸出效能損耗，而當設定太小時，控制器42之參考電壓也必須設定很小，否則無法判斷輸出電流I O 中的漣波訊號，以輸出準確的控制訊號C。但是，當控制器42之參考電壓必須設定很小時，將導致控制器42在電路上難以設計。
以下介紹本發明之第五實施例，請參閱第12圖。在第五實施例中，固定導通時間切換式轉換裝置連接一輸入端74，此輸入端74接收一輸入電壓V IN 。此固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器76，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端74，二次側透過一二極體77連接一負載78與一輸出電容79，二極體77之正極與負極分別連接變壓器76之二次側與負載78，二極體77之負極亦連接輸出電容79。變壓器76之二次側上有一漣波訊號，負載78上有由此漣波訊號形成的一輸出電壓V O 及一輸出電流I O 。此漣波訊號具有一交流成分與一直流成分，漣波訊號之平均電壓值即為直流成分之電壓值，將漣波訊號之電壓值減去直流成分之電壓值，即得到交流成分之電壓值。二極體77之負極、變壓器76之二次側與負載78連接一處理器80，其係擷取漣波訊號之交流成分之交流電壓A與輸出電流I O 。處理器80預設有一參考電壓，處理器80轉換輸出電流I O 為一處理電壓K。由於輸出電流I O 為交直流訊號，故處理電壓K亦為交直流訊號，且其直流訊號遠大於交流訊號。所以，處理電壓K亦具有一交流成分與一直流成分，處理電壓K之平均電壓值即為直流成分之電壓值。處理器80利用濾波器92將分壓DV之電壓值減去直流成分之電壓值，即得到交流成分之交流電壓A。處理器80設定處理電壓K之直流成分的電壓值略高或等於參考電壓，並根據交流電壓A與處理電壓K產生一控制訊號C。舉例來說，處理器80相加交流電壓A與處理電壓K，以產生一控制電壓CV，並據此與參考電壓產生控制訊號C。一次側與二次側之間可以電場、磁場、壓電元件或光作為傳輸媒介，因此，處理器80連接至少一耦合元件82，例如電容、變壓器、壓電元件或光耦合元件，其係分別連接變壓器76之一次側與二次側，以傳送控制訊號C至一次 側。輸入端74、變壓器76之一次側與耦合元件82連接一驅動器84，其係接收控制訊號C，並將其放大，產生一數位訊號D。變壓器76之一次側與驅動器84連接一電子開關86，如N通道金氧半場效電晶體或雙載子接面電晶體，其係接收數位訊號D，並據此切換開關狀態，以控制變壓器76透過輸入端74接收輸入電壓V IN ，進而透過二極體77調節輸出電壓V O 與輸出電流I O ，其中電子開關86之開關狀態的時間長度受二次側之控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點所決定，例如當控制訊號C為時脈訊號，此時脈訊號自負緣提升至正緣時，電子開關86開始導通，直到時脈訊號自正緣下降至負緣時，電子開關86之導通狀態結束，並開始關閉，直到時脈訊號再次自負緣提升至正緣時，電子開關86之關閉狀態結束，並開始導通。
驅動器84透過輸入端74接收輸入電壓V IN ，藉此產生一第一脈波訊號P1至電子開關86中，電子開關86根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓器76透過輸入端74接收輸入電壓V IN ，以透過二極體77產生漣波訊號、輸出電壓V O 及輸出電流I O 。接著處理器80產生控制訊號C，直到驅動器84透過耦合元件82接收到控制訊號C，驅動器84停止產生第一脈波訊號P1。
請同時參閱第3(b)圖，處理器80更包含一電流電壓轉換器88、一分壓器90、一濾波器92、一加法器94與一控制器96。電流電壓轉換器88連接負載78，以擷取輸出電流I O ，並將其轉換為處理電壓K。分壓器90連接一低電位VSS、二極體77之負極、變壓器76之二次側與負載78，並接收輸出電壓 V O ，以擷取其中之分壓DV輸出。濾波器92連接分壓器90，並接收分壓DV，以過濾出交流電壓A。加法器94連接濾波器92與電流電壓轉換器88，以接收交流電壓A與處理電壓K，並將其相加後，產生控制電壓CV。控制器96預設有參考電壓與一預設期間Tmin，控制器96連接低電位VSS、耦合元件82、加法器94、變壓器76之二次側與負載78，以接收控制電壓CV，並據此與參考電壓產生控制訊號C。在控制電壓CV小於參考電壓時，控制訊號C於預設期間Tmin內為至少一週期之第二脈波訊號P2，第二脈波訊號之每一週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位。接著，在預設期間Tmin結束，且控制電壓CV大於參考電壓時，控制訊號C為低電壓準位。電流電壓轉換器88更包含一電阻98與一放大器100。電阻98連接負載78與低電位VSS，輸出電流I O 通過此電阻98，以於電阻98上產生一感測電壓DS。放大器100連接加法器94、負載78與電阻98，以接收感測電壓DS，並將其放大，產生處理電壓K。
以下介紹第五實施例之運作過程。首先，驅動器84透過輸入端74接收輸入電壓V IN ，藉此產生第一脈波訊號P1至電子開關86中，使電子開關86根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓器76透過輸入端74接收輸入電壓V IN ，以透過二極體77於變壓器76之二次側產生漣波訊號，同時於負載78上產生輸出電壓V O 與輸出電流I O ，並利用變壓器76提供電能給控制器96。接著，輸出電流I O 通過電阻98，以於電阻98上產生感測電壓DS，此外，分壓器90接收輸出電壓V O ，以擷取其中 之分壓DV輸出。再來，放大器100接收感測電壓DS，並將其放大，產生處理電壓K，且濾波器92接收分壓DV，以濾出交流電壓A。接著繼續，加法器94接收交流電壓A與處理電壓K，並將其相加後，產生控制電壓CV。控制器96接收控制電壓CV，並據此與參考電壓產生控制訊號C。例如在控制電壓CV小於參考電壓時，控制訊號C於預設期間Tmin內為至少一週期之第二脈波訊號P2。接著，在預設期間Tmin結束，且控制電壓CV大於參考電壓時，控制訊號C為低電壓準位。控制器96係以控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點決定電子開關86之開關狀態的時間長度。再來，耦合元件82傳送控制訊號C從二次側至位於一次側的驅動器84。驅動器84接收到控制訊號C時，係停止產生第一脈波訊號P1，並放大控制訊號C，以產生數位訊號D。最後，電子開關86接收數位訊號D，並據此切換開關狀態，以控制變壓器76透過輸入端74接收輸入電壓V IN ，進而透過二極體77調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
以下請同時參閱第13圖，其係顯示通過電子開關86的電流M、通過二極體77之電流DI、數位訊號D與感測電壓DS之訊號波形圖。前述的漣波訊號之交流電壓A，是從分壓DV取得，除此之外，亦可以從感測電壓DS或二次側二極體電流DI來取得。此外，根據在第8圖中，原來之參考電壓與輸出電流I O 的設定，電阻50之電阻值必須設定為0.1歐姆。但在第五實施例中，利用分壓器90、濾波器92、加法器94與放大器100之技術，可以將電阻98之電阻值設定在10毫歐姆，以配合25毫伏特之參考電壓與直流成分為2.5安培的輸出電流I O 。如此一來，輸出效能損 耗會降低，且控制器96之參考電壓不用設定很小，使得控制器96在電路上容易設計。
以下請繼續參閱第12圖與第14圖，並介紹本發明之第六實施例。第六實施例並未如第五實施例之電流電壓轉換器88以電阻98與放大器100實現。在第六實施例中，取而代之的是，電流電壓轉換器88以霍爾元件實現。作為電流電壓轉換器88之霍爾元件連接負載78，以擷取輸出電流I O ，並調整適當的磁場，即可將輸出電流I O 轉換為處理電壓K。而其餘元件的作動與第五實施例相同，於此不再贅述。
在第4圖中，於啟動模式裡，第一電子開關38接收驅動器36產生的第一脈波訊號P1來切換自身之開關狀態，以控制變壓器28提供能量給控制器42使用，使控制器42同步產生控制訊號C與第二數位訊號D2。理論上，第一電子開關38與第二電子開關44分別接收控制訊號C與第二數位訊號D2，以呈現相反的導通狀態。然而，當耦合元件34損壞時，控制訊號C就無法從二次側傳遞至一次側。因為驅動器36一直接收不到控制訊號C，所以會不斷產生第一脈波訊號P1給第一電子開關38。如此一來，第一電子開關38與第二電子開關44就會無法同步，甚至會同時導通，導致整個系統損壞。
為了解決當耦合元件34損壞，導致整個系統損壞的問題。以下介紹第七實施例，請參閱第15圖。本發明之固定導通時間切換式轉換裝置，連接一輸入端102，此輸入端102接收一輸入電壓V IN 。此固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器104，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端102，二次側連接一輸出電容105與一負載106，負載106上有一輸出 電壓V O 與一輸出電流I O 。變壓器104之一次側與輸入端102連接一驅動器108，其係接收輸入電壓V IN ，藉此依序產生複數喚醒訊號W。驅動器108連接至少一耦合元件110，如電容、變壓器、壓電元件或光耦合元件，其係分別連接變壓器104之一次側與二次側，以傳送喚醒訊號W至二次側。耦合元件110、變壓器104之二次側、一低電位VSS、輸出電容105與負載106連接一處理器112，其係接收輸出電壓V O 或輸出電流I O 其中一者，與喚醒訊號W，以根據輸出電壓V O 或輸出電流I O 其中一者，與喚醒訊號W產生一控制訊號C，且透過耦合元件110傳送控制訊號C至驅動器108，使驅動器108放大控制訊號C，以產生一第一數位訊號D1。變壓器104之一次側與驅動器108連接一第一電子開關114，如N通道金氧半場效電晶體或雙載子接面電晶體，其係接收第一數位訊號D1，並據此切換開關狀態，以控制變壓器104透過輸入端102接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。具體而言，當第一電子開關114開啟時，控制變壓器104開始儲能，此時輸出電壓V O 呈現減少狀態。當第一電子開關114關閉時，控制變壓器104開始釋能，此時輸出電壓V O 呈現增加的狀態。此外，第一電子開關114之開關狀態的時間長度受二次側之控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點所決定，例如當控制訊號C為時脈訊號，此時脈訊號自負緣提升至正緣時，第一電子開關114開始導通，直到時脈訊號自正緣下降至負緣時，第一電子開關114之導通狀態結束，並開始關閉，直到時脈訊號再次自負緣提升至正緣時，第一電子開關114之關閉狀態結束，並開始導通。驅動器108透過輸入端102接收輸入電壓V IN ，藉此產生一第一脈波訊號P1至第一電子開關114中，第一電子開關114根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓 器104透過輸入端102接收輸入電壓V IN ，以於負載106上產生輸出電壓V O 與輸出電流I O ，並利用變壓器104提供能量給處理器112產生控制訊號C。其中，當第一電子開關114開啟時，則控制變壓器104儲存能量，此時輸出電容105提供能量給處理器112產生控制訊號C，並產生輸出電壓V O 與輸出電流I O 。當第一電子開關114關閉時，則控制變壓器104開始釋放儲存能量至輸出電容105，並提供能量給處理器112產生控制訊號C，且變壓器104亦產生輸出電壓V O 與輸出電流I O 。接著，在驅動器108透過耦合元件110接收控制訊號C時，係停止產生第一脈波訊號P1與喚醒訊號W。
在第15圖中，處理器112更包含一電訊號擷取器116與一控制器118。電訊號擷取器116連接低電位VSS、二次側與負載106，以擷取輸出電壓V O 或輸出電流I O 對應之偵測電壓DE。控制器118連接耦合元件110、二次側與電訊號擷取器116，以接收偵測電壓DE與喚醒訊號W，並根據偵測電壓DE與喚醒訊號W產生控制訊號C。以下請同時參閱第15圖與第16圖。由於控制器118預設有一參考電壓，因此在偵測電壓DE小於此參考電壓時，控制訊號C於一預設期間Tmin內為至少一週期之第二脈波訊號P2，第二脈波訊號P2之每一週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位。接著，在預設期間Tmin結束，且偵測電壓DE大於此參考電壓時，控制訊號C為低電壓準位。
變壓器104之二次側與負載106之間連接有一第二電子開關120，如N通道金氧半場效電晶體。第二電子開關120更連接控制器118、低電位VSS與電訊號擷取器116。在控制器118產生控制 訊號C時，控制器118根據偵測電壓DE與喚醒訊號W產生一第二數位訊號D2給第二電子開關120，以切換第一電子開關114與第二電子開關120呈相反的導通狀態或同時關閉，使變壓器104接收輸入電壓V IN ，以調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
以下介紹第七實施例之運作過程，並以啟動模式運作之。首先，驅動器108透過輸入端102接收輸入電壓V IN ，藉此產生第一脈波訊號P1至第一電子開關114中，使第一電子開關114根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓器104透過輸入端102接收輸入電壓V IN ，以透過第二電子開關120於負載106上產生輸出電壓V O 與輸出電流I O 。同時，第一電子開關114根據第一脈波訊號P1利用變壓器104提供能量給控制器118。同時，驅動器108利用輸入電壓V IN ，產生喚醒訊號W。接著，電訊號擷取器116擷取輸出電壓V O 或輸出電流I O 對應之偵測電壓DE後輸出。控制器118透過耦合元件110接收喚醒訊號W，同時接收偵測電壓DE，並據此與變壓器104提供之能量和喚醒訊號W產生控制訊號C與第二數位訊號D2，並以控制訊號C之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點決定第一電子開關114之開關狀態的時間長度。再來，第二電子開關120接收第二數位訊號D2以進行切換，且耦合元件110傳送控制訊號C從二次側至位於一次側的驅動器108。驅動器108透過耦合元件110接收到控制訊號C時，係停止產生第一脈波訊號P1與喚醒訊號W，並放大控制訊號C，以產生第一數位訊號D1。最後，第一電子開關114接收第一數位訊號D1，並據此切換開關狀態，以控制變壓器104透過輸入端102接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
以下請同時參閱第15圖與第17圖。令在耦合元件110與驅動器108之間的訊號為RX訊號，在耦合元件110與控制器118之間的訊號為TX訊號。因此TX訊號可以代表控制訊號C。在T1期間，RX訊號代表的是複數喚醒訊號W，此時控制器118尚未收到喚醒訊號W，所以也沒有任何TX訊號的產生。接著，在T2期間，因為控制器118接收到了喚醒訊號W，所以產生了控制訊號C，並將其透過耦合元件110傳送給驅動器108。故，此時RX訊號會與TX訊號同步。反觀之，若耦合元件110損壞，則喚醒訊號W就無法透過耦合元件110傳送給控制器118。控制器118若未收到喚醒訊號W，亦無法產生控制訊號C與第二數位訊號D2，則整個系統就不會開始運作，可以避免系統損壞。
在第2圖中，在系統操作於非連續模式時第一電子開關38之切換頻率f係以式(1)表示：
其中V IN 為輸入電壓，V O 為輸出電壓，I O 為輸出電流，L為變壓器28之電感值，t on 為第一電子開關38開啟的時間長度。當負載31不變時，若t on 亦保持不變，則切換頻率f會與輸入電壓V IN 成反比。因此，當輸入電壓V IN 變大時，切換頻率f隨之變小。然而，當切換頻率f過低時，變壓器28會飽和，其中電感會短路，進而燒掉。
為了針對不同的輸入電壓V IN 來降低切換頻率f的變動量，以避免系統損壞，本發明介紹第八實施例，以下請參閱第18圖、第19圖與第20圖。本發明之固定導通時間切換式轉換裝置，連接一輸入端122，此輸 入端122接收一輸入電壓V IN 。此固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器124，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端122，二次側連接一輸出電容126，且二次側設有一負載128。輸入端122連接一驅動器130，驅動器130接收輸入電壓V IN ，藉此產生一第一脈波訊號P1。驅動器130與變壓器124之一次側連接一第一電子開關132，例如N通道金氧半場效電晶體或雙載子接面電晶體。此第一電子開關132接收第一脈波訊號P1，且據此切換開關狀態，以控制變壓器124透過輸入端122接收輸入電壓V IN ，以於負載128上產生一輸出電壓V O 與一輸出電流I O ，且控制變壓器124於二次側產生包含輸入電壓V IN 之一取樣電壓SM。於變壓器124之二次側與負載128之間，連接有一處理器134，處理器134預設一第一參考電壓VR1與一預設期間Tmin。處理器134接收輸出電壓V O 或輸出電流I O 其中之一，及取樣電壓SM，並從輸出電壓V O 或輸出電流I O 擷取其對應之一偵測電壓DE。在偵測電壓DE小於第一參考電壓VR1時，處理器134根據取樣電壓SM中的輸入電壓V IN 於預設期間Tmin內產生一第二脈波訊號P2。此第二脈波訊號P2為至少一週期，第二脈波訊號P2之每一週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位。處理器134與驅動器130連接至少一耦合元件136，此係以電容、變壓器、壓電元件或光耦合元件實現之。耦合元件136位於一次側與二次側之間，以傳送第二脈波訊號P2至位於一次側之驅動器130中，以控制驅動器130停止產生第一脈波訊號P1，且驅動器130放大第二脈波訊號P2，產生一第一數位訊號D1，並將其傳送至第一電子開關132中。第一電子開關132根據第一數位訊號D1切換開關狀態，以控制變壓器124透過輸入端122接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出電壓 V O 與輸出電流I O 。第一電子開關132之開關狀態的時間長度受二次側之第二脈波訊號P2之負緣提升至正緣之時間點及正緣下降至負緣之時間點所決定，例如當第二脈波訊號P2為時脈訊號，此時脈訊號自負緣提升至正緣時，第一電子開關132開始導通，直到時脈訊號自正緣下降至負緣時，第一電子開關132之導通狀態結束，並開始關閉，直到時脈訊號再次自負緣提升至正緣時，第一電子開關132之關閉狀態結束，並開始導通。由於第一電子開關132之開關狀態的時間長度與第二脈波訊號P2有關，第二脈波訊號P2又與輸入電壓V IN 有關，因此在設定上，可適當調整第二脈波訊號P2與輸入電壓V IN ，使輸入電壓V IN 愈高，則第一電子開關132之開啟時間愈短，輸入電壓V IN 愈低，則第一電子開關132之開啟時間愈長。
處理器134更包含一電訊號擷取器138、一導通時間調節器140與一控制器142。電訊號擷取器138連接一低電位VSS、變壓器124之二次側與負載128，以接收輸出電壓V O 或輸出電流I O ，並藉此擷取出偵測電壓DE。導通時間調節器140連接變壓器124之二次側，以接收取樣電壓SM，並擷取之。控制器142連接低電位VSS、導通時間調節器140、耦合元件136、變壓器124之二次側與電訊號擷取器138。控制器142預設有第一參考電壓VR1與預設期間Tmin，以接收偵測電壓DE。在偵測電壓DE小於第一參考電壓VR1時，控制器142於預設期間Tmin內產生第二脈波訊號P2及其對應之一時脈訊號clk。在系統操作於非連續模式時第一電子開關132之切換頻率f以式(2)表示：
其中V IN 為輸入電壓，V O 為輸出電壓，I O 為輸出電流，L為變壓器124之電感值，t on 為第一電子開關132開啟的時間長度。為了避免當切換頻率f過低時，變壓器28會呈過度飽和之問題，本發明之設計可使當輸入電壓V IN 愈高或愈低時，讓第一電子開關132之開啟時間t on 分別愈短或愈長，以降低對於不同輸入電壓V IN 所對應之切換頻率f之變動量。
時脈訊號clk於第二脈波訊號P2從負緣提升到正緣時為正脈衝訊號，時脈訊號clk之其餘時間皆為低準位訊號。導通時間調節器140接收時脈訊號clk，以據此與輸入電壓V IN 產生一第三脈波訊號P3，並將其傳送至控制器142中，以控制在第三脈波訊號P3從負緣提升至正緣時，第二脈波訊號P2從正緣下降至負緣，此負緣至少保持直到預設期間Tmin結束，當下一個時脈訊號clk之正脈衝訊號出現時，第二脈波訊號P2則再次從負緣提升到正緣。變壓器124之二次側與負載128之間連接有一第二電子開關144，例如N通道金氧半場效電晶體，其係連接控制器142，在控制器142產生第二脈波訊號P2時，控制器142據此產生一第二數位訊號D2給第二電子開關144，以切換第一電子開關132與第二電子開關144呈相反的導通狀態或同時關閉。導通時間調節器140為了擷取輸入電壓V IN ，可以連接變壓器124之二次側任何含有輸入電壓V IN 之訊號的節點，舉例來說，導通時間調節器140可以連接於第二電子開關144與變壓器124之間，並在第二電子開關144關閉時，於第二電子開關144與變壓器124之間接收取樣電壓SM。
導通時間調節器140更包含一取樣保持器146、一相依電流源148、一第三電子開關150、一電容152與一比較器154。取樣保持器146連接變壓器124之二次側，以接收取樣電壓SM，並擷取之。相依電流源148連接取樣保持器146，以接收取樣電壓SM，並根據取樣電壓SM中的輸入電壓V IN 產生一相依電流。為了使當輸入電壓V IN 愈高，第一電子開關132之開啟時間愈短，當輸入電壓V IN 愈低，第一電子開關132之開啟時間愈長，相依電流源148之設計必須讓當輸入電壓V IN 愈大時，相依電流愈大，當輸入電壓V IN 愈小時，相依電流愈小。第三電子開關150連接控制器142與相依電流源148，以接收時脈訊號clk，並在正脈衝訊號出現時瞬時開啟，其餘時間則關閉。電容152與第三電子開關150並聯，且連接相依電流源148，並根據第三電子開關150之開關狀態接收相依電流，以儲存一相依電壓PV。比較器154連接電容152與控制器142，並以負輸入端與正輸入端分別接收一第二參考電壓VR2與相依電壓PV，以據此產生第三脈波訊號P3。
以下介紹第八實施例之運作過程，並以啟動模式運作之。首先，驅動器130透過輸入端122接收輸入電壓V IN ，藉此產生第一脈波訊號P1至第一電子開關132中，使第一電子開關132根據第一脈波訊號P1切換開關狀態，以控制變壓器124透過輸入端122接收輸入電壓V IN ，以透過第二電子開關144於負載128上產生輸出電壓V O 與輸出電流I O 。同時，第一脈波訊號P1切換第一電子開關132之開關狀態，以控制變壓器124於二次側產生包含輸入電壓V IN 之取樣電壓SM。當第一脈波訊號P1為高準位訊號時，第一電子開 關132切換為開啟狀態，並控制變壓器124儲存能量，同時，輸出電容126將其中的能量提供出來，以產生輸出電壓V O 與輸出電流I O 。當第一脈波訊號P1為低準位訊號時，第一電子開關132切換為關閉狀態，並控制變壓器124釋放能量，以產生輸出電壓V O 、輸出電流I O 與取樣電壓SM，同時儲存能量於輸出電容126中。
接著，電訊號擷取器138擷取輸出電壓V O 或輸出電流I O 對應之偵測電壓DE後以輸出至控制器142。控制器142接收偵測電壓DE，並在偵測電壓DE小於第一參考電壓VR1時，控制器142於預設期間Tmin內開始產生第二脈波訊號P2及其對應之時脈訊號clk，並根據第二脈波訊號P2產生第二數位訊號D2，將其傳送至第二電子開關144以切換開關狀態。同時，導通時間調節器140開始運作。此時，第二電子開關144之開關狀態呈現關閉。在導通時間調節器140中，首先，取樣保持器146接收取樣電壓SM，並從其中擷取輸入電壓V IN 。接著，相依電流源148接收輸入電壓V IN ，並據此產生相依電流。由於時脈訊號clk於第二脈波訊號P2從負緣提升到正緣時為正脈衝訊號，時脈訊號clk之其餘時間皆為低準位訊號。故當第三電子開關150接收時脈訊號clk時，只有在正脈衝訊號出現時瞬時開啟，其餘時間則關閉。換言之，當第二脈波訊號P2開始產生時，第三電子開關150瞬時開啟，使電容152上之電壓為零，接著，相依電流對電容152充電，以於電容152上得到相依電壓PV。最後，比較器154接收第二參考電壓VR2與相依電壓PV，以據此產生第三脈波訊號P3。當相依電壓PV上升至等於第二參考電壓VR2後，第三脈波訊 號P3會從負緣提升至正緣，此時控制器142控制第二脈波訊號P2從正緣下降至負緣，此負緣至少保持直到預設期間Tmin結束，當下一個時脈訊號clk之正脈衝訊號出現時，第二脈波訊號P2則再次從負緣提升到正緣。第二脈波訊號P2會透過耦合元件136從二次側傳送至位於一次側之驅動器130，以控制驅動器130停止產生第一脈波訊號P1。最後，驅動器130放大第二脈波訊號P2，產生第一數位訊號D1，並將其傳送至第一電子開關132中，使第一電子開關132根據第一數位訊號D1切換開關狀態，以控制變壓器124透過輸入端122接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出電壓V O 與輸出電流I O 。具體而言，當第一數位訊號D1為低準位訊號時，第一電子開關132切換為關閉狀態，並控制變壓器124增加輸出電壓V O 與輸出電流I O 。當第一數位訊號D1為高準位訊號時，第一電子開關132切換為開啟狀態，並控制變壓器124減少輸出電壓V O 與輸出電流I O 。
請繼續參閱第2圖，承式(1)，當負載31為輕載時，I O 會下降，因此切換頻率f也會隨之下降，當到達如20-20k赫茲(Hz)之音頻區時人耳會容易擷取到，為了避免此問題，只要當負載31為輕載時，調降t on 即可。以下介紹能達此目的之本發明之第九實施例，請參閱第21圖、第22圖與第23圖。
本發明之固定導通時間切換式轉換裝置，連接一輸入端156，此輸入端156接收一輸入電壓V IN 。此固定導通時間切換式轉換裝置包含一變壓器158，其係具一次側與二次側，一次側連接輸入端156，二次側連接一輸出電容160，且輸出電容160連接一低電位VSS，二次側設有一負載162，此負載162上有一輸出訊號，此輸出訊號包含一輸出電壓V O 與 一輸出電流I O 。變壓器158之二次側與負載162連接一處理器164。處理器164預設一預設期間Tmin、一第一參考電壓VR1、一下頻率臨界值與一上頻率臨界值。處理器164接收輸出訊號，並從輸出訊號依序擷取第一偵測電壓DE1與第二偵測電壓DE2。處理器164在第一偵測電壓DE1小於第一參考電壓VR1時，於預設期間Tmin內產生一第一脈波訊號P1及其同步且同頻率之第一時脈訊號clk1。接著，處理器164在第二偵測電壓DE2小於第一參考電壓VR1時，根據第一時脈訊號clk1之至少一頻率值F、下頻率臨界值與上頻率臨界值，於預設期間Tmin內產生一第二脈波訊號P2及其同步且同頻率之第二時脈訊號clk2。此第二脈波訊號P2為至少一週期，第二脈波訊號P2之每一週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位。處理器164連接至少一耦合元件166，此係以電容、變壓器、壓電元件或光耦合元件實現之。耦合元件166分別連接一次側與二次側，以依序傳送第一脈波訊號P1與第二脈波訊號P2至一次側。變壓器158之一次側與耦合元件166連接一驅動器168，其係依序接收第一脈波訊號P1與第二脈波訊號P2，並將其放大，分別依序產生第一數位訊號D1與第二數位訊號D2。變壓器158之一次側與驅動器168連接一第一電子開關170，例如N通道金氧半場效電晶體或雙載子接面電晶體。第一電子開關170依序接收第一數位訊號D1與第二數位訊號D2，並據此切換開關狀態，以控制變壓器158透過輸入端156接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出訊號。第一電子開關170之開關狀態的時間長度受第一脈波訊號P1之負緣提升至正緣之時間點、第一脈波訊號P1之正緣下降至負緣之時間點、第二脈波訊號P2之負緣提升至正緣之時間點與第二脈波訊號P2之正緣下降至負緣之時間點所決定。例如 當第一脈波訊號P1為時脈訊號，此時脈訊號自負緣提升至正緣時，第一電子開關170開始導通，直到時脈訊號自正緣下降至負緣時，第一電子開關170之導通狀態結束，並開始關閉，直到時脈訊號再次自負緣提升至正緣時，第一電子開關170之關閉狀態結束，並開始導通。同樣地，當第二脈波訊號P2為時脈訊號，此時脈訊號自負緣提升至正緣時，第一電子開關170開始導通，直到時脈訊號自正緣下降至負緣時，第一電子開關170之導通狀態結束，並開始關閉，直到時脈訊號再次自負緣提升至正緣時，第一電子開關170之關閉狀態結束，並開始導通。
第一電子開關170操作於非連續模式時之切換頻率f以式(3)表示：
其中V IN 為輸入電壓，V O 為輸出電壓，I O 為輸出電流，L為變壓器158之電感值，t on 為第一電子開關170開啟的時間長度。為了避免切換頻率f進入音頻區造成吵雜問題，當頻率值F只有一個時，本發明之設計可使當頻率值F低於下頻率臨界值時，則第一電子開關170接收第一數位訊號D1之開啟時間，長於接收第二數位訊號D2時之開啟時間。當頻率值F高於上頻率臨界值時，則第一電子開關170接收第一數位訊號D1之開啟時間，短於接收第二數位訊號D2時之開啟時間。如此，若第一電子開關170接收第一數位訊號D1時進入音頻區，則在接收第二數位訊號D2便可離開音頻區，以減少吵雜能量成分。
當頻率值F有複數個時，處理器164更設有一下計數 臨界值、一上計數臨界值、對應第一脈波訊號P1之一初始計數值與一計數條件。此計數條件為在頻率值F低於下頻率臨界值時，初始計數值加1，及在頻率值F高於上頻率臨界值時，初始計數值減1。處理器164將下頻率臨界值及上頻率臨界值其中一者，與每一頻率值F依序以計數條件計算，以取得一總計數值。此外，大於上計數臨界值之總計數值，視為上計數臨界值，小於下計數臨界值之總計數值，視為下計數臨界值。又，初始計數值、下計數臨界值、上計數臨界值與總計數值皆大於或等於零，例如以二進位式之至少一或複數位元表示。舉例來說，若下計數臨界值為00，上計數臨界值為11，初始計數值為00，頻率值F有5個，且將下頻率臨界值及上頻率臨界值其中一者與每一個依時間先後之頻率值F比較後，依序分別為低於下頻率臨界值、高於上頻率臨界值、低於下頻率臨界值、高於上頻率臨界值、低於上頻率臨界值，因此總計數值為01。若下計數臨界值、上計數臨界值與初始計數值與上述相同，頻率值F亦有五個，則將下頻率臨界值及上頻率臨界值其中一者與每一個依時間先後之頻率值F比較後，依序分別為高於上頻率臨界值、高於上頻率臨界值、高於上頻率臨界值、高於上頻率臨界值、高於上頻率臨界值，由於總計數值會小於下計數臨界值，因此將總計數值視為00。若下計數臨界值、上計數臨界值與初始計數值與上述相同，頻率值F亦有5個，則將下頻率臨界值及上頻率臨界值其中一者與每一個依時間先後之頻率值F 比較後，依序分別為低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值，由於總計數值會大於上計數臨界值，因此將總計數值視為11。
處理器164根據總計數值產生第二脈波訊號P2及第二時脈訊號clk2。同樣地，為了降低切換頻率f進入音頻區所產生的雜音，總計數值大於初始計數值時，則第一電子開關170接收第一數位訊號D1之開啟時間，長於接收第二數位訊號D2時之開啟時間。當總計數值小於初始計數值時，則第一電子開關170接收第一數位訊號D1之開啟時間，短於接收第二數位訊號D2時之開啟時間。當總計數值等於初始計數值時，則第一電子開關170接收第一數位訊號D1之開啟時間，等於接收第二數位訊號D2時之開啟時間。此外，當總計數值與初始計數值差距愈大時，則第一電子開關170接收第一數位訊號D1與第二數位訊號D2之開啟時間差距愈大。
驅動器168連接輸入端156，以接收輸入電壓V IN ，藉此產生一第三脈波訊號P3至第一電子開關170中。第一電子開關170根據第三脈波訊號P3切換開關狀態，以控制變壓器158透過輸入端156接收輸入電壓V IN ，以於負載162上產生輸出訊號，並利用變壓器158控制處理器164產生第一脈波訊號P1與第二脈波訊號P2。在驅動器168接收第一脈波訊號P1時，係停止產生第三脈波訊號P3。
處理器164更包含一電訊號擷取器172、一控制器174與一導通時間調節器176。電訊號擷取器172連接低電位VSS、變壓器158之二次側與負載162，並接收輸出訊號，以依序擷取第一偵測電壓DE1與第二偵測電壓DE2。控制器174連接耦合元 件166、變壓器158之二次側與電訊號擷取器172。控制器174預設有預設期間Tmin、第一參考電壓VR1、計數條件、下頻率臨界值、上頻率臨界值、初始計數值、下計數臨界值與上計數臨界值，並依序接收第一偵測電壓DE1與第二偵測電壓DE2。控制器174在第一偵測電壓DE1小於第一參考電壓VR1時，於預設期間Tmin內產生第一脈波訊號P1與第一時脈訊號clk1，控制器174將下頻率臨界值及上頻率臨界值其中一者，與每一頻率值F依序以計數條件計算，以取得總計數值。接著，控制器174在第二偵測電壓DE2小於第一參考電壓VR1時，根據總計數值於預設期間Tmin內產生第二脈波訊號P2及第二時脈訊號clk2，第二時脈訊號clk2於第二脈波訊號P2從負緣提升到正緣時為正脈衝訊號，第二時脈訊號clk2之其餘時間皆為低準位訊號。導通時間調節器176連接控制器174，以接收總計數值與第二時脈訊號clk2，並根據總計數值與第二時脈訊號clk2產生一第四脈波訊號P4，以控制在第四脈波訊號P4從負緣提升至正緣時，第二脈波訊號P2從正緣下降至負緣，此負緣至少保持直到預設期間Tmin結束。變壓器158之二次側與負載162之間連接有一第二電子開關178，例如N通道金氧半場效電晶體，其係連接低電位VSS與控制器174，在控制器174產生第一脈波訊號P1或第二脈波訊號P2時，控制器174據此產生一第三數位訊號D3給第二電子開關178，以切換第一電子開關170與第二電子開關178呈相反的導通狀態或同時關閉。
導通時間調節器176更包含一第一電流源180、至少一電流產生器182、一第三電子開關184、一電容186與一比 較器188。第一電流源180產生一第一電流，電流產生器182連接控制器174，以接收總計數值之位元B1、B2，並據此產生至少一第二電流或零電流。第三電子開關184連接控制器174、第一電流源180與電流產生器182。第三電子開關184接收第一時脈訊號clk1，並在第一時脈訊號clk1之正脈衝訊號出現時瞬間開啟，其餘時間則關閉。或者，第三電子開關184接收第二時脈訊號clk2，並在第二時脈訊號clk2之正脈衝訊號出現時瞬間開啟，其餘時間則關閉。電容186與第三電子開關184並聯，且連接第一電流源180與電流產生器182。電容186根據第三電子開關184之開關狀態接收第一電流，又根據該第三電子開關之開關狀態接收第二電流或零電流，以依據零電流與第二電流其中一者，及第一電流儲存一相依電壓。比較器188之正輸入端連接電容186以接收電容186上的相依電壓，輸出端連接控制器174，負輸入端接收一第二參考電壓VR2。比較器188根據電容186上的相依電壓與第二參考電壓VR2產生一初始脈波訊號PS或第四脈波訊號P4。
在此電流產生器182與第二電流皆以複數個為例。第二電流由電流產生器182分別接收總計數值之所有位元B1、B2，以據此分別產生。第二電流對應由總計數值之較高的位元至較低的位元由大而小，且總計數值之位元為0時，其對應之電流產生器182產生零電流，總計數值之位元為1時，其對應之電流產生器182產生第二電流。在第22圖中，電流產生器182與第二電流之數量皆以二表示之，其中一電流產生器 182接收總計數值之較低位元B1，另一電流產生器182接收總計數值之較高位元B2。由於第一電流是持續產生的，第二電流隨著總計數值愈高則愈高。換言之，當總計數值愈高，則電容186上的相依電壓上升到第二參考電壓VR2的時間愈短，此將導致第二脈波訊號P2之高電壓準位的持續時間愈短，即第一電子開關170接收第二數位訊號D2之開啟時間愈短，如此便能脫離音頻區與降低其雜音的能量成分。
每一電流產生器182更包含一第四電子開關190與一第二電流源192。第四電子開關190連接控制器174、第三電子開關184與電容186，以接收總計數值之位元，並據此切換開關狀態。第二電流源192連接第四電子開關190，並據其開關狀態產生第二電流或零電流。
以下介紹第九實施例之運作過程，並以啟動模式運作之。首先，驅動器168透過輸入端156接收輸入電壓V IN ，藉此產生第三脈波訊號P3至第一電子開關170中，使第一電子開關170根據第三脈波訊號P3切換開關狀態，以控制變壓器158透過輸入端156接收輸入電壓V IN ，以透過第二電子開關178與電訊號擷取器172於負載162上產生輸出訊號。同時變壓器158亦提供能量給控制器174。具體而言，當第三脈波訊號P3為高準位訊號時，第一電子開關170切換為開啟狀態，並控制變壓器158儲存能量，同時，輸出電容160將其中的能量提供出來，以產生輸出訊號，並提供能量給控制器174。當第三脈波訊號P3為低準位訊號時，第一電子開關170切換為關閉狀態，並控制變壓器158釋放能量，以產生輸出訊號，並提供能量給控制器174，同時 儲存能量於輸出電容160中。
接著，電訊號擷取器172接收輸出訊號，以從此擷取出對應此輸出訊號之第一偵測電壓DE1後，將其輸出至控制器174。控制器174利用變壓器158及輸出電容160所提供的能量，接收第一偵測電壓DE1，並在第一偵測電壓DE1小於第一參考電壓VR1時，控制器174於預設期間Tmin內開始產生第一脈波訊號P1及其對應之第一時脈訊號clk1，以傳送至導通時間調節器176。控制器174亦根據第一脈波訊號P1產生第三數位訊號D3，將其傳送至第二電子開關178以切換開關狀態。假設初始計數值之二位元BS1、BS2為00、下計數臨界值為00，上計數臨界值為11。控制器174同時將初始計數值之二位元BS1、BS2傳送給導通時間調節器176。
在導通時間調節器176中，二第四電子開關190由於接收到的初始計數值的位元BS1、BS2皆為0，故呈現關閉狀態。且第一時脈訊號clk1一開始為正脈衝訊號，其餘時間為低準位訊號，第一脈波訊號P1一開始從負緣提升到正緣，故第三電子開關184一開始瞬時開啟，使電容186上的電壓為零，讓比較器188比較電容186上的電壓與第二參考電壓VR2，以產生低電壓準位之初始脈波訊號PS。接著，第一電流源180產生的第一電流隨即向電容186充電，當電容186上的電壓到達第二參考電壓VR2時，初始脈波訊號PS從負緣提升到正緣，進而控制第一脈波訊號P1從正緣下降至負緣，此負緣至少保持直到預設期間Tmin結束，在此是到第二時脈訊號clk2出現時結束。在此預設期間Tmin裡，控制器 174可依時間先後擷取第一時脈訊號clk1之五個頻率值F。控制器174將下頻率臨界值及上頻率臨界值其中一者，與每一頻率值F依序以計數條件計算後，發現結果依序分別為低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值、低於下頻率臨界值，故總計數值之二位元B1、B2為11。此五個頻率值F並不限於在第一時脈訊號clk1之單一週期內測得，亦可在第一時脈訊號clk1之不同週期內測得。
第一脈波訊號P1會透過耦合元件166從二次側傳送至位於一次側之驅動器168，以控制驅動器168停止產生第三脈波訊號P3。最後，驅動器168放大第一脈波訊號P1，產生第一數位訊號D1，並將其傳送至第一電子開關170中，使第一電子開關170根據第一數位訊號D1切換開關狀態，以控制變壓器158透過輸入端156接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出訊號。具體而言，當第一數位訊號D1為低準位訊號時，第一電子開關170切換為關閉狀態，並控制變壓器158增加輸出訊號。當第一數位訊號D1為高準位訊號時，第一電子開關170切換為開啟狀態，並控制變壓器158減少輸出訊號。
接著，電訊號擷取器172再次接收輸出訊號，以從此擷取出對應此輸出訊號之第二偵測電壓DE2後，將其輸出至控制器174。控制器174利用變壓器158及輸出電容160所提供的能量，接收第二偵測電壓DE2，並在第二偵測電壓DE2小於第一參考電壓VR1時，控制器174於預設期間Tmin內開始產生第二脈波訊號P2及其對應之第二時脈訊號clk2，以傳送至導通時間調節器176。控制器174亦根據第二脈波訊號P2產生第三數位訊號D3，將其傳送至第二電子開關178以切換開關 狀態。控制器174同時將總計數值之二位元B1、B2傳送給導通時間調節器176。
在導通時間調節器176中，二第四電子開關190由於接收到的總計數值的位元B1、B2皆為1，故呈現開啟狀態。且第二時脈訊號clk2一開始為正脈衝訊號，其餘時間為低準位訊號，第二脈波訊號P2一開始從負緣提升到正緣，故第三電子開關184一開始瞬時開啟，使電容186上的電壓為零，讓比較器188比較電容186上的電壓與第二參考電壓VR2，以產生低電壓準位之第四脈波訊號P4。接著，第一電流源180產生的第一電流與第二電流源192產生的第二電流隨即向電容186充電，當電容186上的電壓再次到達第二參考電壓VR2時，第四脈波訊號P4從負緣提升到正緣，進而控制第二脈波訊號P2從正緣下降至負緣，此負緣至少保持直到預設期間Tmin結束。由於這次電容186相較於僅接收第一電流能更快到達第二參考電壓VR2，故第二脈波訊號P2從正緣下降至負緣之時間點相較於第一脈波訊號P1從正緣下降至負緣之時間點能夠提前，即第二脈波訊號P2保持高電壓準位之時間會比第一脈波訊號P1保持高電壓準位之時間短。
第二脈波訊號P2會透過耦合元件166從二次側傳送至位於一次側之驅動器168。最後，驅動器168放大第二脈波訊號P2，產生第二數位訊號D2，並將其傳送至第一電子開關170中，使第一電子開關170根據第二數位訊號D2切換開關狀態，以控制變壓器158透過輸入端156接收輸入電壓V IN ，進而調節輸出訊號。具體而言，當第二數位訊號D2為低準位訊號時， 第一電子開關170切換為關閉狀態，並控制變壓器158增加輸出訊號。當第二數位訊號D2為高準位訊號時，第一電子開關170切換為開啟狀態，並控制變壓器158減少輸出訊號。由於第二脈波訊號P2保持高電壓準位之時間較第一脈波訊號P1保持高電壓準位之時間短，故第二數位訊號D2保持高電壓準位之時間較第一數位訊號D1保持高電壓準位之時間短，此將導致t on 變小，以避免切換頻率f進入音頻區與降低其雜音的能量成分。
上述實施例是控制器174利用變壓器158提供的能量開始運作，因此需要驅動器168接收輸入電壓V IN 來產生第三脈波訊號P3，以藉此切換第一電子開關170，並驅動變壓器158提供能量至二次側才能使控制器174運作。但若有一外部電路直接連接控制器174，並給予其能量進行運作時，則驅動器168就不再需要產生第三脈波訊號P3來驅動第一電子開關170與變壓器158。整個切換式轉換裝置可直接從電訊號擷取器172接收輸出訊號開始運作。
請繼續參閱第21圖、第22圖與第24圖。在第24圖之模擬波形中，DOWN之正脈衝波形代表總計數值減1，UP之正脈衝波形代表總計數值加1，LD之高準位波形代表負載162變為輕載，B1或B2之高準位波形代表數值為1，B1或B2之低準位波形代表數值為0。由第2圖可知，當負載162變為輕載時，I O 下降。當頻率值F一低於下頻率臨界值時，UP即出現正脈衝波形，此時總計數值之位元B1與B2會對應1與0之變化，而成為高準位波形，以脫離音頻區。當頻率值F一高於上頻率臨界值時，DOWN即出現正脈衝波形，此時總計數值之位元B1與B2會對應1與0之變化，而成為低準位波形。
綜上所述，本發明利用二次側之資訊決定位於變壓器之一次側之電子開關的導通與關閉之時間，進而調節輸出訊號，同時達到各種目的。
26‧‧‧輸入端
28‧‧‧變壓器
29‧‧‧二極體
30‧‧‧輸出電容
31‧‧‧負載
32‧‧‧處理器
34‧‧‧耦合元件
36‧‧‧驅動器
38‧‧‧第一電子開關
40‧‧‧電訊號擷取器
42‧‧‧控制器

Claims (19)

  1. 一種固定導通時間(constant on-time,COT)切換式轉換裝置，其係連接一輸入端，該輸入端接收一輸入電壓，該固定導通時間切換式轉換裝置包含：一變壓器，其係具一次側與二次側，該一次側連接該輸入端，該二次側設有一負載，該負載上有一輸出訊號；一處理器，連接該二次側與該負載，該處理器預設一第一參考電壓、一下頻率臨界值與一上頻率臨界值，該處理器接收該輸出訊號，並從該輸出訊號依序擷取第一偵測電壓與第二偵測電壓，該處理器在該第一偵測電壓小於該第一參考電壓時，產生一第一脈波訊號及其同步且同頻率之第一時脈訊號，接著，該處理器在該第二偵測電壓小於該第一參考電壓時，根據該第一時脈訊號之至少一頻率值、該下頻率臨界值與該上頻率臨界值，產生一第二脈波訊號及其同步且同頻率之第二時脈訊號；至少一耦合元件，其係連接該處理器，並分別連接該一次側與該二次側，以依序傳送該第一脈波訊號與該第二脈波訊號至該一次側；一驅動器，連接該一次側與該耦合元件，以依序接收該第一脈波訊號與該第二脈波訊號，並將其放大，分別依序產生第一數位訊號與第二數位訊號；以及一第一電子開關，連接該一次側與該驅動器，以依序接收該第一數位訊號與該第二數位訊號，並據此切換開關狀態，以控制該變壓器透過該輸入端接收該輸入電壓，進而調節該輸出訊號。
  2. 如請求項1所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該驅動器連接該輸入端，以接收該輸入電壓，藉此產生一第三脈波訊號至該第一電子開關中，該第一電子開關根據該第三脈波訊號切換開關狀態，以控制該變 壓器透過該輸入端接收該輸入電壓，以於該負載上產生該輸出訊號，並利用該變壓器控制該處理器產生該第一脈波訊號與該第二脈波訊號，在該驅動器接收該第一脈波訊號時，係停止產生該第三脈波訊號。
  3. 如請求項2所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該第三脈波訊號為高準位訊號時，該第一電子開關為開啟狀態，並控制該變壓器儲存能量，該第三脈波訊號為低準位訊號時，該第一電子開關為關閉狀態，並控制該變壓器釋放該能量，以產生該輸出訊號，且利用該輸出訊號控制該處理器產生該第一脈波訊號與該第二脈波訊號。
  4. 如請求項1所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該第一電子開關之開關狀態的時間長度受該第一脈波訊號之負緣提升至正緣之時間點、該第一脈波訊號之該正緣下降至該負緣之時間點、該第二脈波訊號之負緣提升至正緣之時間點與該第二脈波訊號之該正緣下降至該負緣之時間點所決定。
  5. 如請求項1所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該頻率值低於該下頻率臨界值時，則該第一電子開關接收該第一數位訊號之開啟時間，長於接收該第二數位訊號時之開啟時間；以及該頻率值高於該上頻率臨界值時，則該第一電子開關接收該第一數位訊號之開啟時間，短於接收該第二數位訊號時之開啟時間。
  6. 如請求項5所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該處理器更設有一下計數臨界值、一上計數臨界值、對應該第一脈波訊號之一初始計數值與一計數條件，該計數條件為在該頻率值低於該下頻率臨界值時，該初始計數值加1，及在該頻率值高於該上頻率臨界值時，該初始計數值減1；該頻率值為複數個時，該處理器將該下頻率臨界值及該上頻率臨界值其 中一者，與每一該頻率值依序以該計數條件計算，以取得一總計數值，大於該上計數臨界值之該總計數值，視為該上計數臨界值，小於該下計數臨界值之該總計數值，視為該下計數臨界值，且該初始計數值、該下計數臨界值、該上計數臨界值與該總計數值皆大於或等於零，該處理器根據該總計數值產生該第二脈波訊號。
  7. 如請求項6述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該總計數值大於該初始計數值時，則該第一電子開關接收該第一數位訊號之開啟時間，長於接收該第二數位訊號時之開啟時間；該總計數值小於該初始計數值時，則該第一電子開關接收該第一數位訊號之開啟時間，短於接收該第二數位訊號時之開啟時間；以及該總計數值等於該初始計數值時，則該第一電子開關接收該第一數位訊號之開啟時間，等於接收該第二數位訊號時之開啟時間。
  8. 如請求項7所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該總計數值與該初始計數值差距愈大時，則該第一電子開關接收該第一數位訊號與該第二數位訊號之開啟時間差距愈大。
  9. 如請求項8所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該初始計數值、該下計數臨界值、該上計數臨界值與該總計數值皆以二進位式之至少一位元表示。
  10. 如請求項9所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該處理器更包含：一電訊號擷取器，連接該二次側與該負載，並接收該輸出訊號，以依序擷取該第一偵測電壓與該第二偵測電壓； 一控制器，連接該耦合元件、該二次側與該電訊號擷取器，該控制器預設有該第一參考電壓、該計數條件、該下頻率臨界值、該上頻率臨界值、該初始計數值、該下計數臨界值與該上計數臨界值，並依序接收該第一偵測電壓與該第二偵測電壓，該控制器在該第一偵測電壓小於該第一參考電壓時，產生該第一脈波訊號與該第一時脈訊號，該控制器將該下頻率臨界值及該上頻率臨界值其中一者，與每一該頻率值依序以該計數條件計算，以取得該總計數值，接著，該控制器在該第二偵測電壓小於該第一參考電壓時，根據該總計數值產生該第二脈波訊號及該第二時脈訊號，該第二時脈訊號於該第二脈波訊號從負緣提升到正緣時為正脈衝訊號，該第二時脈訊號之其餘時間皆為低準位訊號；以及一導通時間調節器，連接該控制器，以接收該總計數值與該第二時脈訊號，並根據該總計數值與該第二時脈訊號產生一第四脈波訊號，以控制在該第四脈波訊號從負緣提升至正緣時，該第二脈波訊號從該正緣下降至該負緣。
  11. 如請求項10所述之固定導通時間切換式轉換裝置，更包含一第二電子開關，其係連接於該二次側與該負載之間，並連接該控制器，在該控制器產生該第一脈波訊號或該第二脈波訊號時，該控制器據此產生一第三數位訊號給該第二電子開關，以切換該第一電子開關與該第二電子開關呈相反的導通狀態或同時關閉。
  12. 如請求項11所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該第二電子開關為N通道金氧半場效電晶體。
  13. 如請求項10所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該導通時間調節器更包含：一第一電流源，產生一第一電流；至少一電流產生器，連接該控制器，以接收該總計數值之該位元，並據此產生至少一第二電流或零電流；一第三電子開關，連接該控制器、該第一電流源與該電流產生器，以接收該第二時脈訊號，並在該正脈衝訊號出現時瞬間開啟，其餘時間則關閉；一電容，與該第三電子開關並聯，且連接該第一電流源與該電流產生器，並根據該第三電子開關之開關狀態接收該第一電流，又根據該第三電子開關之該開關狀態接收該第二電流或該零電流，以依據該零電流與該第二電流其中一者，及該第一電流儲存一相依電壓；以及一比較器，連接該電容與該控制器，並接收一第二參考電壓與該相依電壓，以據此產生該第四脈波訊號。
  14. 如請求項13所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該初始計數值、該下計數臨界值、該上計數臨界值與該總計數值皆以二進位式之複數位元表示，且該電流產生器與該第二電流皆為複數個，該些第二電流由該些電流產生器分別接收該總計數值之該些位元，以據此分別產生，該些第二電流對應由該總計數值之較高的該位元至較低的該位元由大而小，且該總計數值之該位元為0時，其對應之該電流產生器產生該零電流，該總計數值之該位元為1時，其對應之該電流產生器產生該第二電流。
  15. 如請求項13所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該電流產生器更包含：一第四電子開關，連接該控制器、該第三電子開關與該電容，以接收該總計數值之該位元，並據此切換開關狀態；以及一第二電流源，連接該第四電子開關，並據其開關狀態產生該第二電流或該零電流。
  16. 如請求項1所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該第二脈波訊號為至少一週期，該第二脈波訊號之每一該週期的前半週的電壓為高電壓準位，後半週的電壓為低電壓準位。
  17. 如請求項1所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該第一電子開關為N通道金氧半場效電晶體或雙載子接面電晶體。
  18. 如請求項1所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該耦合元件為電容、變壓器、壓電元件或光耦合元件。
  19. 如請求項1所述之固定導通時間切換式轉換裝置，其中該第一數位訊號或該第二數位訊號為高準位訊號時，該第一電子開關為開啟狀態，並控制該變壓器減少該輸出訊號，該第一數位訊號或該第二數位訊號為低準位訊號時，並據此切換為關閉狀態時，該第一電子開關控制該變壓器增加該輸出訊號。
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