專利名稱：電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源轉(zhuǎn)換器的反饋系統(tǒng)，尤其涉及一種使用聲波變壓器偏離諧振頻率的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、電源轉(zhuǎn)換器的介紹電源轉(zhuǎn)換器，如同AC/DC轉(zhuǎn)換器，是將輸入交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，而提供不同的應(yīng)用需要，例如消費電子產(chǎn)品、計算機以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備...等等。其中，反馳式轉(zhuǎn)換器 (flyback converter)是非常普及的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。圖1為現(xiàn)有技術(shù)電流模式返馳式轉(zhuǎn)換器(current mode flyback converter)。對現(xiàn)有技術(shù)反饋系統(tǒng)而言，穩(wěn)壓輸出是由光耦合器OPTO所提供。常見的實施方式是將一輸出電壓Vout通過一電阻網(wǎng)絡(luò)分壓為一電壓Vdiv。該電壓Vdiv控制一并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431，該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431產(chǎn)生正比于該電壓Vdiv的一電流以及一典型值為2. 5伏特的內(nèi)部參考電壓。所產(chǎn)生的該電流是通過該光耦合器OPTO轉(zhuǎn)換為一反饋電壓FB。一 PWM控制器10A 使用該反饋電壓FB信號以控制一開關(guān)Q的導(dǎo)通時間，進而提供適當?shù)姆€(wěn)壓操作。該光耦合器OPTO如同一隔離信號發(fā)送器，其做為在一次側(cè)與二次側(cè)之間信號隔離之用。這樣的隔離措施是為了避免因為一次側(cè)與二次側(cè)接地電壓不同，而造成接地回路電流的產(chǎn)生，也就是所謂的電氣隔離。在圖1中，該AC/DC轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)壓是取決于包含該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431與該光耦合器OPTO的一反饋系統(tǒng)，其中該反饋系統(tǒng)如圖2所示(為該圖1的局部圖示)。在該反饋系統(tǒng)中，該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431扮演如同轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器(transconductance amplifier)的角色。 當二次側(cè)電壓Vin大于一典型值為2. 5伏特的內(nèi)建參考電壓Vref時，該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431 產(chǎn)生一電流IS。該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431提供數(shù)mA/V至數(shù)A/V的范圍的轉(zhuǎn)導(dǎo)操作，主要取決于該二次側(cè)電壓Vin與該偏壓電流IS的大小。該偏壓電流IS轉(zhuǎn)換至一次側(cè)可為一電壓IP。 該一次側(cè)電流IP與該二次側(cè)電流IS的比例則稱為電流轉(zhuǎn)換比(current transfer ratio, CTR)。根據(jù)光耦合器的形式，典型的電流轉(zhuǎn)換比介于0.5至5之間。當輕載(light load) 操作或當該二次側(cè)電壓Vin大于該參考電壓Vref時，該電流IP會拉低該反饋電壓FB。至于該電壓Vin小于該參考電壓Vref或處于正常負載(normal load)或重載 (heavy load)操作時，該二次側(cè)電流IS與該一次側(cè)電流IP將接近于零。該反饋電壓FB將由一提升電阻Ru所拉高。如圖2所示，電容Cc與電阻Rc是分別為一補償電容與一補償電阻，主要用于提供該反饋系統(tǒng)穩(wěn)定操作之用。2、光耦合器反饋系統(tǒng)的缺點因為圖2所示的該反饋系統(tǒng)架構(gòu)既簡單又便宜，所以此反饋系統(tǒng)是非常普及的。 然而，這樣的反饋系統(tǒng)卻有一些常見的缺點(1)該光耦合器OPTO與該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431消耗大量電流，任一上述元件需要消耗大約ImA的電流才能使系統(tǒng)正常操作。對于一個20伏特的輸出而言，將造成20mW至40mW不等的功率消耗。(2)該光耦合器OPTO的效能將隨著它的壽命而下降。電流轉(zhuǎn)換比(CTR)也將受到操作時間拉長而降低，特別在高溫操作下更是顯著。(3)該光耦合器OPTO (或該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431)的轉(zhuǎn)導(dǎo)值受到輸入電壓大小而變動。3、其它形式的變壓器除了使用光耦合器之外，也有其它形式的變壓器能夠被使用于一次側(cè)與二次側(cè)間信號的傳送，像是電感式變壓器(inductive transformer)與電容式變壓器(capacitive transformer)這兩種熟知的變壓器。3. 1電感耦合電感耦合是通過一隔離層進行傳達兩線圈間的變動磁場。最常見的例子就是變壓器，其磁場強度是取決于一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組的線圈結(jié)構(gòu)(例如單位長度的匝數(shù))、磁心的介電系數(shù)以及電流大小。圖3A所示為一電感耦合的范例，其中一信號傳送器IlA是通過兩線圈傳送信號至一信號接收器12A。該電感耦合也可用一個電阻網(wǎng)絡(luò)來取代該二次側(cè)線圈，其中該些電阻是為巨磁電阻(giant magneto-resistor,GMR)材料所制成，當有磁場作用時，該些電阻值將發(fā)生改變。 此電路檢測到電阻值發(fā)生變化時，將會調(diào)整其輸出。圖3B所示一具有巨磁電阻(GMR)的電感耦合器的范例，其中一信號傳送器IlA是通過一線圈與一電阻網(wǎng)絡(luò)傳送信號至一信號接收器12A。3. 2電容耦合電容耦合是通過一隔離層進行傳達兩線圈間的變動電場。介于電容平板間的材料是為介電絕緣體，是形成絕緣層。電的特性則由平板的尺寸、平板間的距離以及介電材料所決定。圖3C為該電容耦合的簡化圖標，其中一信號傳送器IlA是通過一介電絕緣體13A傳送信號至一信號接收器12A。3. 3數(shù)字隔離器電感式變壓器與電容式變壓器就某些方面來說，各有不同特性與優(yōu)點，例如信號頻寬、耗能、聲波噪聲抗擾以及電場或磁場抗擾。不同的正反意見被摘錄在德州儀器應(yīng)用報告中，可參閱 Texas Instruments Application ReportSLLA 198-January 2006 :The IS072x Family of High-Speed Digital Transformers。這些形式變壓器最常見的特性在于直流信號無法被傳送通過隔離層。此外，為了降低外部噪聲的影響，可行方法就是不要直接傳遞低頻信號，而是將此信號數(shù)字化。利用較高頻調(diào)變欲傳送的數(shù)據(jù)，再將其傳送通過該隔離層，然后利用解調(diào)變技術(shù)在接收端解調(diào)變所接收到的數(shù)據(jù)。市面上有許多形式數(shù)字隔離器，例如:TI72x 系列、ADI，s ADUMl 100 以及 Silicon Labs' Si8400...等等。上述該些數(shù)字隔離器都采用調(diào)變與解調(diào)變技術(shù)于數(shù)據(jù)傳輸上。圖3D所示為一種使用數(shù)字隔離器做為傳送低頻模擬信號的反饋系統(tǒng)方框圖，其中一輸入信號Vin是分別通過一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)14A、一調(diào)變器15A、一隔離器16A、一解調(diào)變器17A以及一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC) 18A所傳送，并且由該數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器18A輸出一輸出信號Vout。原則上，前述圖2的反饋系統(tǒng)能夠使用此方法而被實現(xiàn)。雖然數(shù)字隔離器提供能夠通過隔離層傳送數(shù)據(jù)的解決方案，但對于反饋系統(tǒng)的應(yīng)用也有不少的缺點(1)因為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)是不可或缺的，所以產(chǎn)生的功率消耗較大。(2)由于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)所造成額外的延遲 (delay)，因此從輸入到輸出之間的閑置時間也相對地增加。(3)因為該反饋系統(tǒng)使用該些模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，因此增加了成本。對于電源轉(zhuǎn)換器的反饋系統(tǒng)而言，如圖3E所示的直接調(diào)變并傳送該低頻模擬信號是為可行的方法，其中一輸入信號Vin是分別通過一調(diào)變器15A、一隔離器16A以及一解調(diào)變器17A所傳送，并且由該解調(diào)變器17A輸出一輸出信號Vout。參見 Analysis and Design Optimization of Magnetic-Feedback Control Using Amplitude Modulation,IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL. 24,NO. 2, FEBRUARY 2009，作者Brian T. Irving與Milan M. Jovanovi建議使用具有修正振幅調(diào)變的磁性變壓器(magnetic transformer)來取代光耦合器。調(diào)變與解調(diào)變都能利用一次側(cè)的開關(guān)所完成。此方法需要該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431進行誤差信號放大，并且該誤差信號的傳送， 如同使用AC/DC轉(zhuǎn)換器的輔助繞組一般。4聲波變壓器雖然電感式與電容式變壓器被廣泛地應(yīng)用，然而當它們做為電源轉(zhuǎn)換器的變壓器使用時，卻有不少的缺點。因為這兩種變壓器都靠著電磁波做為信號傳送的依據(jù)，并且，這些被傳送的信號需要用載波頻率來調(diào)變或編碼，而該載波頻率需要提高才會使等效阻抗更低。典型的載波頻率約為數(shù)十兆赫茲至千兆赫茲之間。因此，適合如高數(shù)據(jù)率收發(fā)器的高頻寬應(yīng)用，然而，對于低頻應(yīng)用而言，這并非是最佳的解決方案。針對低頻應(yīng)用，例如電源轉(zhuǎn)換器的反饋系統(tǒng)，理想的解決方案就是使用變壓器，如此僅僅需要不大的載波頻率就能夠傳送信號通過隔離層。例如，若該信號頻寬是10kHz，理想的調(diào)變頻率大約就為IOOkHz至IMHz左右。因為超聲波變壓器(ultrasonic acoustic transformer)被設(shè)計操作在數(shù)kHz至數(shù)MHz之間，因此利用超聲波變壓器就能達到目的。聲波變壓器是由一傳送端與一接收端所組成，使用聲波當作媒介，使得電能由該傳送端被傳送至該接收端。圖4A是為一聲波變壓器操作原則的簡化功能方框圖。該聲波變壓器主要由三個元件所組成(1) 一傳感器(transducer) 19A是用以轉(zhuǎn)換電能為聲波能量；(2) —隔離層20A是用以提供所需的隔離以及提供聲波傳送的媒介；以及(3) —接收器 21A(或一聲電傳感器)是用以轉(zhuǎn)換聲波能量為電能。該聲波變壓器能通過許多不同方式實現(xiàn)。最簡單的方法就如同圖4B所示，其中聲波是由一超聲波傳感器22A所產(chǎn)生，并且聲波是通過空氣23A傳送，而被一超聲波接收器24A所接收并轉(zhuǎn)換為一電信號Vout。因為空氣是非傳導(dǎo)材料，因此能提供必要的隔離。 雖然此方法是最簡單的方案，但由于傳感器有較大的尺寸，并且傳感器間的距離也較大，因此，此方法并無法在大部分的系統(tǒng)中被實現(xiàn)。如圖4C所示為一壓電變壓器(piezoelectric transformer)，這是一種小型的聲波變壓器。該壓電變壓器是由壓電材料25A所層疊構(gòu)成。當一輸入電壓Vin加到一次側(cè)， 將在一次側(cè)方向造成機械擴張(mechanical expansion)或壓縮(compression)。因此，在一次側(cè)方向上的位移將被轉(zhuǎn)換成一個縱向或長度方向的力量，并且感應(yīng)一輸出電壓Vout。 因為壓電材料本身并不導(dǎo)電，因此能提供輸入端與輸出端之間良好的隔離效果。此外，美國專利申請案US 2009/0309460揭露另外一種壓電材料。如圖4D所示， 其結(jié)構(gòu)是由具有兩電極27AJ8A的單片壓電材料26A所組成，并且該兩電極27A，28A是設(shè)置在該壓電材料26A兩端，并間隔預(yù)設(shè)的距離。當一電壓加到壓電材料一端的電極，壓電材料將產(chǎn)生變形，并且變形的情況將以聲波的形式傳送到壓電材料的另一端。因此，壓電材料其中一端的變形，將在另一端感應(yīng)出電壓的變化。目前有許多不同形式的聲波變壓器。例如美國專利US 7，514，844的圖2就是一種由薄膜體聲波諧振器(film bulk acoustic resonator, FBAR)所疊制而成的聲波變壓器。其它形式的聲波變壓器實施例是被揭露于美國專利US6，954，121、US 6，946，928以及 US 6，927，651，其中，聲波變壓器具有下列主要的優(yōu)點(1)能夠利用現(xiàn)代技術(shù)做出尺寸非常小的聲波變壓器，因此，整個反饋系統(tǒng)能夠被整合在小型封裝中。(2)聲波信號被激發(fā)與接收所需要的功率非常小，通常比其它型式的變壓器小一數(shù)量級。5聲波變壓器作為反饋系統(tǒng)的變壓器將壓電變壓器(piezoelectric transformer, PT)應(yīng)用在電源轉(zhuǎn)換器的反饋系統(tǒng)的可行性已經(jīng)被S. Lineykin與S. Ben-Yaakov所研究，請參見“Feedbackisolation by piezoelectric transformers !comparison of amplitude to frequency modulation，"Power Electronics Specialists Conference PESC'04,pp. 1834-1840,June 2004，Aachen, Germany.此研究也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用壓電變壓器配合振幅調(diào)變與頻率調(diào)變方案的可行性，如圖5A所示。其中，一輸入信號Vin是利用一放大器40A進行差動放大，并且再通過一調(diào)變器41A、一壓電變壓器42A以及一整流器43A所處理。根據(jù)壓電變壓器以及其它聲波變壓器的形狀、厚度以及使用的材料的不同，頻率響應(yīng)是由不同峰值頻率或諧振頻率所組成。如圖5B所示為一壓電變壓器的頻率響應(yīng)圖，其中DM與CM分別表示差模電壓增益與共模電壓增益。圖5C是表示輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的定義。差模增益DM是定義為當?shù)谝唤拥谿NDl與第二接地GND2穩(wěn)定固接時的電壓增益Vout/Vin。電容Cll，C12，C21，C22 是為在不同電極間的寄生耦合電容。這些寄生元件會降低信號傳送的效果。例如，當輸入電壓Vin保持不變時，在GNDl的電壓變動與GND2有關(guān)，使得輸出電壓Vout受到電容C22 與C21的影響。此時電壓增益被稱為共模增益。對于壓電變壓器與其它聲波變壓器而言，會有一個到多個的諧振頻率(resonant frequency)，這諧振頻率是與變壓器的設(shè)計、使用材料、尺寸以及長寬比有關(guān)。如圖5B所示，諧振頻率為210kHz、230kHz以及350kHz。并且，圖5B也圖標出共模電壓增益。差模與共模的比值(DM/CM，或稱為共模拒斥比CMRR)最好的情況在于230kHz以及210kHz。有關(guān)壓電變壓器，S. Lineykin與S. Ben-Yaakov認為，因為信號強度較大并且容易檢測，因此，載波頻率最好選擇接近壓電變壓器的諧振頻率附近。此外，在一些案例中，當操作在上述的頻帶區(qū)域?qū)⒖傻玫捷^高的共模拒斥比。諧振的特性就好像帶通濾波器一樣，其它頻率的噪聲會被濾除，可參見美國專利US 7，514，844。另外，這篇美國專利提出了壓電變壓器應(yīng)用在離散數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖褂茫⑶乙步ㄗh載波頻率選擇接近壓電變壓器的諧振頻率附近，如該專利的權(quán)利要求8、12、25以及四項所揭露。雖然載波頻率選擇接近壓電變壓器的諧振頻率附近有其優(yōu)點，但也有一些缺點(1)諧振頻率可能受到材料特性、元件結(jié)構(gòu)、溫度以及偏壓情況有所不同而變動， 并且，由于諧振頻率的改變將造成量產(chǎn)具有相同質(zhì)量的元件的困難。(2)雖然在諧振時，電壓增益或質(zhì)量因子(quality factor)是比較高的，但隨著材料使用、元件結(jié)構(gòu)、溫度以及偏壓情況有所不同而變動。(3)對于接近諧振頻附近的大小及相位的頻率響應(yīng)都將因為頻率的改變而會有急劇的變動。如圖5B所示，從200kHz到210kHz之間，電壓增益變動了 10倍之多。如此大的變動意味著如S. Lineykin與S. Ben-Yaakov所建議的，調(diào)變動作僅限于在很窄的頻帶中操作。因此，如何設(shè)計出一種聲波變壓器以克服上述的缺點，乃為本發(fā)明所欲行克服并加以解決的一大課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋系統(tǒng)，其是使用聲波變壓器的偏離諧振頻率，以消除材料變化的影響。因此，本發(fā)明提供一種電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋系統(tǒng)，其包含一誤差放大器，用以接收一輸入電壓以輸出一誤差信號；一調(diào)變電路，用以配合一載波信號調(diào)變該誤差信號； 一聲波變壓器單元，該聲波變壓器單元的一端連接該調(diào)變電路，其中，該載波信號的頻率遠離該聲波變壓器單元的諧振頻率；以及一解調(diào)變電路，連接該聲波變壓器的另一端，并接收該調(diào)變信號。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該誤差放大器為一全差動誤差放大器，以輸出兩差動信號，并且該兩差動信號通過該調(diào)變電路所調(diào)變?yōu)閮烧{(diào)變信號。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該聲波變壓器單元包含一第一聲波變壓器與一第二聲波變壓器，以分別接收該兩調(diào)變信號。根據(jù)本發(fā)明的再另一個方面，該反饋系統(tǒng)還包含一減法器，連接該解調(diào)變電路的輸出，其中，該減法器減去由該解調(diào)變電路輸出的兩解調(diào)變信號。另一種實施例，該反饋系統(tǒng)還包含一減法器，連接于該聲波變壓器單元與該解調(diào)變電路之間，以減去該第一聲波變壓器與該第二聲波變壓器的該些輸出信號。根據(jù)本發(fā)明的再另一個方面，本發(fā)明提供一種電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，此方法包含下列步驟(a)接收一輸入電壓與一參考電壓，以輸出至少一誤差信號；(b)用一載波信號調(diào)變該誤差信號，以產(chǎn)生至少一調(diào)變信號；(c)通過一聲波變壓器單元傳送該調(diào)變信號；以及(d)解調(diào)變該聲波變壓器至少一輸出信號。以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)電流模式返馳式轉(zhuǎn)換器；圖2為圖1電流模式返馳式轉(zhuǎn)換器的反饋系統(tǒng)；
圖3A為一電感耦合示意圖；圖;3B為一具有巨磁電阻的電感耦合器；圖3C為該電容耦合的簡化圖示；圖3D為使用數(shù)字隔離器做為傳送低頻模擬信號的反饋系統(tǒng)方框圖；圖3E為直接調(diào)變與傳送低頻模擬信號的反饋系統(tǒng)方框圖；圖4A為一聲波變壓器操作原則的簡化功能方框圖；圖4B為實現(xiàn)一聲波變壓器最簡單方法的示意圖；圖4C為使用一壓電變壓器實現(xiàn)小型聲波變壓器的示意圖；圖4D為使用壓電材料實現(xiàn)聲波變壓器的示意圖；圖5A為具有振幅調(diào)變或頻率調(diào)變的一壓電變壓器隔離器的方框圖；圖5B為一壓電變壓器的差模與共模電壓增益的頻率響應(yīng)圖；圖5C為圖5B所使用的電壓定義示意圖；圖6A為本發(fā)明一實施例使用輸入低通濾波器的頻率響應(yīng)；圖6B為本發(fā)明用以實現(xiàn)隔離式反饋系統(tǒng)的該聲波變壓器的頻率響應(yīng)；圖7A為本發(fā)明隔離式反饋系統(tǒng)的一較佳實施例的方框圖；圖7B為本發(fā)明隔離式反饋系統(tǒng)的另一較佳實施例的方框圖；圖7C為本發(fā)明隔離式反饋系統(tǒng)的再另一較佳實施例的方框圖；圖8為一峰值檢測電路的電路圖；及圖9A-圖9F為不同級的電壓波形，以表示圖7A所示該隔離式反饋系統(tǒng)的操作。其中，附圖標記現(xiàn)有技術(shù)IOA PWM 控制器OPTO光耦合器TL431并聯(lián)穩(wěn)壓器Waux輔助繞組Q 開關(guān)FB反饋信號IlA信號傳送器12A信號接收器13A介電絕緣體14A模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器15A調(diào)變器16A隔離器17A解調(diào)變器18A數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器19A傳感器20A隔離層2IA接收器22A超聲波傳感器
23A空氣
24A超聲波接收器
25A壓電材料
26A壓電材料
27A電極
28A電極
40A放大器
4IA調(diào)變器
42A壓電變壓器
43A整流器
Cll寄生電容
C12寄生電容
C21寄生電容
C22寄生電容
f0頻寬
fc載波頻率
frl諧振頻率
fr2諧振頻率
fr3諧振頻率
本發(fā)明
100隔離式反饋系統(tǒng)
100’隔離式反饋系統(tǒng)
100”隔離式反饋系統(tǒng)
10 輸入放大器
12 振幅調(diào)變器
20 差動聲波變壓器
22 振幅解調(diào)變器
22’振幅解調(diào)變器
22”振幅解調(diào)變器
24 減法器
24'減法器
24”減法器
26 輸出放大器
28 開漏極驅(qū)動器
30b帶通濾波器
Vref參考電壓
Vin 輸入電壓
Va+差動信號
Va-差動信號
Vt+調(diào)變信號Vt-調(diào)變信號Vr+接收信號Vr-接收信號Vd+補償信號Vd-補償信號ATl第一聲波變壓器AT2第二聲波變壓器OSC振蕩器Vo 輸出電壓TR晶體管FB反饋信號
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述本發(fā)明揭露一種電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋系統(tǒng)，使操作于偏離諧振頻率范圍而達到平坦頻率響應(yīng)(flat frequency response)的優(yōu)點。例如，在圖5B所示介于250kHz至 350kHz之間具有相對為定值的差模增益(DM)。因此，能夠利用此特性設(shè)計出一種壓電變壓器或其它形式的聲波變壓器，使達到相當平坦的頻率響應(yīng)。然而，聲波變壓器操作于此頻帶卻有下列的問題1、共模拒斥比(common-mode rejection ratio, CMRR)太差。如圖 5B 所示，CMRR 定義為CM/DM的比值，聲波變壓器操作于此頻帶所計算出共模拒斥比只有_3dB至-10dB，這意味著聲波變壓器容易受到接地噪聲的影響。2、雖然期望通過平坦頻率響應(yīng)特性而能達到低干擾的信號傳送，但卻因此而失去變壓器的帶通特性，如此將導(dǎo)致在其它頻率下的噪聲能夠很容易地通過該變壓器所傳送。本發(fā)明能夠利用變壓器結(jié)構(gòu)與電路技術(shù)(在下文將有詳細說明)以克服并處理前述的問題。1、共模拒斥比問題。利用差動結(jié)構(gòu)就能夠解決共模拒斥比的問題。熟知的差動結(jié)構(gòu)的模擬電路設(shè)計能夠衰減大約60dB到SOdB的共模信號。該聲波變壓器被裝設(shè)在相同的基底上，使用微機電(micro electro mechanical systems, MEMS)技術(shù)而能夠達到相同程度的效果。因此，由S. Lineykin與S. Ben-Yaakov所提出共模拒斥比的影響將能夠被解決。2、信號頻帶外噪聲問題。因為值得關(guān)切的頻帶是在平坦頻帶范圍，所以7會有頻帶外噪聲(out-of-band noise)被傳送并被混雜在調(diào)變信號中，而影響整個反饋系統(tǒng)的效能。特別受到影響的是在接近諧振頻率附近的噪聲具有高的增益。不過這個問題能夠通過額外裝設(shè)濾波器來解決。對傳送端而言，利用裝設(shè)在輸入側(cè)的低通濾波器，能夠使調(diào)變信號無法進到諧振頻率區(qū)為了解釋本發(fā)明隔離式反饋系統(tǒng)的操作，先就振幅調(diào)變的操作予以說明。先假設(shè)輸入信號為一單調(diào)信號(monotone signal)，其具有頻率Qm = 2 π fm，并且，0 < fm < f0。 其中，f0為該輸入信號所需的頻寬。
Vin(t) = VinXCos (ωmt)載波信號可表示為Vc(t) = VcXCos(coct)其中，ω。為載波的角頻率，并且ω。= 2Jifc。對振幅調(diào)變而言，輸入信號是具有一定值直流共模電壓Vcm，以確保在傳送的前其振幅大小為正值。也即，此時的輸入信號為 Vt = Vcm+Vfflcos (ωω )。經(jīng)過與載波相乘后所得到的調(diào)變信號為Vt = (Vcm+Vmcos (ω mt)) X Vccos (ω ct)Vt = Vcm Vc cos(iy /) + vcm^c cos(((ym + coc)t) +cos((a)m - <oc)t)因為ωω = 2Jifm是介于0與fO之間，因此，該調(diào)變信號將具有介于(fc_fo)與 (fc+fO)間的信號頻帶。圖6A所示為本發(fā)明一實施例使用輸入低通濾波器的頻率響應(yīng)，其中值得關(guān)切的是為該信號頻率在DC與f0之間的情形。當需要考慮系統(tǒng)效能時，不必要的信號就不能被耦合到系統(tǒng)中，因此，一輸入濾波器或一接收濾波器，或者兩者可選擇性地在系統(tǒng)中被使用。 圖6B為本發(fā)明用以實現(xiàn)隔離式反饋系統(tǒng)的該聲波變壓器的頻率響應(yīng)。其中，頻率frl，fr2， fr3表示該聲波變壓器的諧振頻率。在此范例中，若(fr3-fr2)大于所需頻寬2f0，則載波頻率fc可被選擇介于fr2與fr3之間。因此，該調(diào)變信號將確保位于fr2與fr3之間的平坦區(qū)域，而且具有相對平坦的頻率響應(yīng)。圖7A為本發(fā)明所揭露該隔離式反饋系統(tǒng)100的一較佳實施例的方框圖。該隔離式反饋系統(tǒng)100包含一輸入放大器10、一振幅調(diào)變器12、一聲波變壓器單元20、一振幅解調(diào)變器22、一減法器24、一增益可調(diào)的輸出放大器26、以及可選擇性的一開漏極驅(qū)動器(open drain driver) 28。該輸入放大器10可為一誤差放大器或一全差動誤差放大器 (full-differential error amplifier) 0當該輸入放大器10為一誤差放大器時，其具有兩輸入端以分別接收一輸入信號Vin與一參考電壓Vref，并產(chǎn)生一誤差信號。當該輸入放大器10為一全差動誤差放大器時，其具有兩輸入端以分別接收一輸入信號Vin與一參考電壓Vref，并產(chǎn)生兩差動輸出信號。為了解釋該隔離式反饋系統(tǒng)100的操作，選擇容易被實現(xiàn)的振幅調(diào)變?yōu)檎{(diào)變的方法加以說明。同樣地，相同的操作原理也適用在其它調(diào)變方法，如頻率調(diào)變。以該輸入放大器10為一全差動誤差放大器為例加以說明。該輸入放大器10是將具有頻寬fo的該輸入電壓Vin與該參考電壓Vref比較，兩者的差異被該輸入放大器10的差動輸出轉(zhuǎn)換為差動信號Va+與Va-。若該輸入放大器10具有一增益A，并且假設(shè)放大器輸出的共模電壓為Vcm，因此Va+ = Vcm+A (Vin-Vref)Va- = Vcm-A (Vin-Vref)該振幅調(diào)變器12是利用一載波頻率fc以調(diào)變該差動信號Va+與Va-而產(chǎn)生調(diào)變信號Vt+與Vt-。再參見圖6B，該載波頻率fc是由該聲波變壓器的調(diào)變信號能有效地通過隔離層的特性所決定。再者，該載波頻率fc選擇為遠離該諧振頻率，使得介于(fc-fO)與 (fc+fO)之間的頻率響應(yīng)是相當?shù)仄教?。該調(diào)變信號Vt+與Vt-被傳送到該聲波變壓器20，其中該聲波變壓器20是由一第一聲波變壓器ATl與一第二聲波變壓器AT2所組成的差動聲波變壓器。值得一提，當該輸入放大器10為一誤差放大器并且產(chǎn)生一誤差信號，該聲波變壓器單元20能夠通過具有單一輸入端一單一輸出端的單一聲波變壓器所實現(xiàn)。并且，在本解決方案中，該振幅調(diào)變器 12是對信號進行振幅調(diào)變，使信號能夠被傳送到該單一聲波變壓器，并且，該振幅解調(diào)變器 22是對信號執(zhí)行振幅解調(diào)變，使信號能夠由該單一聲波變壓器被輸出。在該聲波變壓器20另一端被接收的信號被標示為Vr+與Vr_。根據(jù)該變壓器，該調(diào)變信號Vt+與Vt-能夠被放大或衰減。在信號傳送的過程中，直流成份將會被消除，并且， Vr+與Vr-的共模電壓是由接收器的偏壓情況所決定。信號Vr+與Vr-是由該振幅解調(diào)變器22所解調(diào)變，并通過一比例系數(shù)(scaling factor)以補償原始信號(Vin-Vref)與-(Vin-Vref)。對于振幅調(diào)變信號而言，最簡單的解調(diào)變方法就是檢測波形的包絡(luò)(envelope)與峰值(peak)，如圖8所示即為一種峰值檢測電路的范例。如圖7A所示，一減法器對之后接著該輸出放大器沈以產(chǎn)生該輸出電壓Vo。理想的情況下，該輸出電壓Vo將正比于(Vin-Vref)。值得注意的是，任何原本被標示為Vr+與 Vr-的共模電壓，經(jīng)過減法計算后會被消除。因此，由S. Lineykin與S. Ben-Yaakov所提出共模拒斥比的影響將能夠被解決。為了仿效圖2的原始開漏極輸出，一開漏極驅(qū)動器觀是被使用為輸出級并連接該輸出放大器26，其中該開漏極驅(qū)動器觀可為一 MOS或BJT晶體管 TR。再者，當該輸入放大器10為一輸出放大器并產(chǎn)生一誤差信號時，如圖7A所示的該減法器對可被移除。圖9A至圖9F為不同級的電壓波形，用以表示圖7A所示該隔離式反饋系統(tǒng)100的操作。其中，圖9A所示為該輸入電壓Vin被傳送至該輸入放大器10 —輸入端的波形，并與該參考電壓Vref的相對關(guān)系。該輸入電壓Vin與該參考電壓Vref是被該輸入放大器10差動放大，并在該輸入放大器10輸出端產(chǎn)生該些差動信號Va+與Va-，如圖9B所示。該些差動信號Va+與Va-是通過該振幅調(diào)變器12配合由一振蕩器1 所產(chǎn)生一載波頻率fc進行振幅調(diào)變，如圖9C所示。該兩調(diào)變信號Vt+與Vt-是分別被傳送至該差動聲波變壓器20的該第一聲波變壓器ATl與一第二聲波變壓器AT2。因為該些調(diào)變信號Vt+與Vt-是由一載波頻率fc所調(diào)變，而大幅地遠離該差動聲波變壓器20的諧振頻率，并且，介于(fc-fO)至 (fc+fO)之間的頻率響應(yīng)是非常地平坦，因此，該些調(diào)變信號Vt+與Vt-能夠低失真(less distortion)且較佳噪聲抗擾(better immunity)地通過該差動聲波變壓器20，并且在該差動聲波變壓器20的另一端得到接收信號Vr+與Vr-，如圖9D所示。如圖9C與圖9D所示，該些接收信號Vr+與Vr-是根據(jù)接收器偏壓情形，將該些調(diào)變信號Vt+或Vt-放大或衰減所得。該些接收信號Vr+與Vr-是通過該振幅解調(diào)變器22進行解調(diào)變，并通過一比例系數(shù)(scaling factor)以補償原始信號(Vin-Vref)與-(Vin-Vref)，以獲得補償信號Vd+與 Vd-,如圖9E所示。最后，該補償信號Vd+與Vd-是通過該振幅解調(diào)變器22輸出，并被該減法器M所處理而產(chǎn)生該輸出電壓Vo，如圖9F所示。在圖7A中是增加一 MOS或BJT晶體管TR，使得該反饋系統(tǒng)能夠與常用的PWM 控制器兼容。如圖2的說明，現(xiàn)有的反饋系統(tǒng)是在一側(cè)設(shè)置并聯(lián)穩(wěn)壓器TL432，當輸入電壓大于該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431的內(nèi)部參考電壓時，并聯(lián)穩(wěn)壓器TL432就如同轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器(transconductance amplifier)的作用一樣。反之，當輸入電壓小于該并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431的內(nèi)部參考電壓時，并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431的輸出電流將為零，并且該光耦合器將不再由該反饋信號FB吸收電流。在這樣的情況下，該反饋系統(tǒng)則需要靠該提升電阻(pull up resistor)Ru來提供反饋信號。該提升電阻Ru的值需要夠小，才能使得提升的動作比反饋信號的頻寬更快。因此，圖2所示的電路架構(gòu)并非線性操作。該提升電阻Ru典型值大約 20k Ω并配合反饋電容Cfb約為1000pF。若供應(yīng)5V電壓并且電壓FB為IV，則此電路消耗約200uA電流。反之，在圖7A中，若該變壓器為線性變壓器，該輸入電壓Vin與該輸出電壓Vo則為線性關(guān)系。一種改進式PWM控制器可被設(shè)計，并利用其優(yōu)點來取代提升電阻Ru的使用而產(chǎn)生反饋信號ra，而且，輸出電壓Vo能夠直接地被當作反饋信號使用。因為這樣的使用并不需要消耗太多的提升電流，因此，該反饋系統(tǒng)的功率消耗將會減少。圖7B為本發(fā)明所揭露該隔離式反饋系統(tǒng)100'的另一較佳實施例的方框圖。該隔離式反饋系統(tǒng)100'與圖7A所示的該隔離式反饋系統(tǒng)100有相似的元件，因此，用相同的元件標號來表示。該隔離式反饋系統(tǒng)100'的該減法器連接于該差動聲波變壓器20與該振幅解調(diào)變器22'之間，因此僅需要一個振幅解調(diào)變器22'。換言之，該差動聲波變壓器20的該些接收信號Vr+與Vr-是在該振幅解調(diào)變器22'進行解調(diào)變之前，由該減法器 24'進行減法運算。圖7C為本發(fā)明所揭露該隔離式反饋系統(tǒng)100"的再另一較佳實施例的方框圖。該隔離式反饋系統(tǒng)100"與圖7B所示的該隔離式反饋系統(tǒng)100'有相似的元件，因此，用相同的元件標號來表示。與圖7B相較之下，該隔離式反饋系統(tǒng)100"還包含一輸入低通濾波器 30a，其是連接在該輸入電壓Vin與該輸入放大器10的正輸入端之間。再者，一帶通濾波器 (band pass filter) 30b電性連接于該減法器M〃與該振幅解調(diào)變器22〃之間，用以消除該減法器所輸出的噪聲。該帶通濾波器30b的頻率響應(yīng)曲線為圖6Β所注記"接收濾波器"的虛線所示。因此，本發(fā)明是揭露一種使用聲波變壓器的有效反饋系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有下列特性(1)不需要模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，可通過直接調(diào)變輸入信號并傳送調(diào)變的輸入信號通過隔離層。(2)如同圖2所示，具有與光耦合器反饋系統(tǒng)相同的輸入接口與輸出接口。(3)載波頻率能被選擇在該差動增益的頻率響應(yīng)平坦區(qū)域，而能夠遠離諧振頻率。(4)采用一全差動誤差結(jié)構(gòu)以抑制共模信號與噪聲。(5)可選擇地外加濾波器能進一步地消除不必要的噪聲。(6)因為利用聲波變壓器傳送信號比通過光耦合器傳送信號所需要的能量來得少，因此，電流消耗更少于光耦合器反饋系統(tǒng)。當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，包含一誤差放大器，以接收一輸入電壓，并輸出一誤差信號；一調(diào)變電路，用一載波信號調(diào)變該誤差信號，以產(chǎn)生一調(diào)變信號；一聲波變壓器單元，其一端連接該調(diào)變電路，其中，該載波信號的頻率遠離該聲波變壓器單元的諧振頻率；及一解調(diào)變電路，連接該聲波變壓器單元的另一端，并接收該調(diào)變信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，該誤差放大器為一全差動誤差放大器，以輸出兩差動信號，并且該兩差動信號通過該調(diào)變電路所調(diào)變?yōu)閮烧{(diào)變信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，該聲波變壓器單元包含一第一聲波變壓器與一第二聲波變壓器，以接收該兩調(diào)變信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，還包含一減法器，連接該解調(diào)變電路的輸出，其中，該減法器減去由該解調(diào)變電路輸出的兩解調(diào)變信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，還包含一減法器，連接于該聲波變壓器單元與該解調(diào)變電路之間，以減去該第一聲波變壓器與該第二聲波變壓器的該些輸出信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，還包含一輸入低通濾波器，連接該全差動誤差放大器的一輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，還包含一帶通濾波器，連接該解調(diào)變電路的輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，該調(diào)變電路為一振幅調(diào)變電路或一頻率調(diào)變電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，該解調(diào)變電路為一振幅解調(diào)變電路或一頻率解調(diào)變電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離式反饋系統(tǒng)，其特征在于，該聲波變壓器單元為一壓電聲波變壓器。
11.一種電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，該方法包含下列步驟(a)接收一輸入電壓與一參考電壓，以輸出至少一誤差信號；(b)用一載波信號調(diào)變該誤差信號，以產(chǎn)生至少一調(diào)變信號；(c)通過一聲波變壓器單元傳送該調(diào)變信號，其中，該載波信號的頻率遠離該聲波變壓器單元的諧振頻率；及(d)解調(diào)變該聲波變壓器至少一輸出信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，步驟(a)由一全差動誤差放大器輸出兩差動信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，該兩差動信號由步驟(b)中兩調(diào)變器所調(diào)變。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，該兩調(diào)變信號由兩調(diào)變器所輸出，并分別通過步驟(c)中兩聲波變壓器所傳送。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，該兩聲波變壓器所輸出的兩輸出信號由步驟(d)中兩解調(diào)變器所解調(diào)變。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，還包含 (e)減去該兩解調(diào)變信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，還包含 (cl)減去該兩聲波變壓器的兩輸出信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，還包含 在步驟(a)之前，低通濾波該輸入電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋方法，其特征在于，還包含 在步驟(cl)之后，進行帶通濾波該減去信號。
全文摘要
一種電源轉(zhuǎn)換器的隔離式反饋系統(tǒng)，包含一誤差放大器，用以接收一輸入電壓以輸出一誤差信號；一調(diào)變電路，用以配合一載波信號調(diào)變該誤差信號；一聲波變壓器單元，該聲波變壓器單元的一端連接該調(diào)變電路，其中，該載波信號的頻率遠離該聲波變壓器單元的諧振頻率；以及一解調(diào)變電路，連接該聲波變壓器的另一端，并接收該調(diào)變信號。
文檔編號H02M3/335GK102255508SQ20111013150
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月22日
發(fā)明者吳立德, 許偉展 申請人:新能微電子股份有限公司