CN101064475B - 具有改善交叉调整性能的多重输出直流-直流转换器 - Google Patents

Abstract

本案提出一种具有改善交叉调整性能的多重输出直流-直流转换器，其中用作输出耦合电感的漏电感的非线性电感元件设置为在耦接至变压器的一次级绕组的至少一个次级电路的输出路径上。该非线性电感元件的电感值变化与流经非线性电感元件的电流量变化成反比。当直流-直流转换器的一输出端上的负载改变时，具有较大负载电流的输出路径便会产生较小的漏电感而具有较小负载电流的输出路径便会产生较大的漏电感，由此可平衡直流-直流转换器的输出端上的电流。

Description

具有改善交叉调整性能的多重输出直流-直流转换器

技术领域

本发明涉及一种多重输出直流-直流转换器，特别是涉及一种具有改善交叉调整性能的多重输出直流-直流转换器。

背景技术

对于用于个人电脑的电源而言，会经常使用能够提供多种输出电压电平的电源来满足各种不同输入电压规格的电子产品。因此，一般而言使用于个人电脑中的交换式电源通常都会提供例如12V或5V的输出电压来驱动各种周边设备。

对于一多重输出电源(multi-output power supply)，特别是一多重输出直流-直流转换器(multi-output DC-DC converter)而言，其所电连接的负载并非是固定不变的。当某一个输出端上的负载改变时，会导致另一输出端上的输出电压响应负载改变的输出端上的输出电流改变而产生变化。为了要调整由于负载改变所造成的输出电压变化，便需要改善交叉调整(cross-regulation)以平衡多重输出端上的输出电压。因此当转换器被设定为需要提供一个以上的输出电压时，转换器的静态调整性能往往会成为一个重要的设计指标。

在一个典型的多重输出直流-直流转换器中，为本领域的技术人员所熟知的是转换器的主要电感元件包含变压器与输出电感，以及转换器的导通损失(conduction loss)是促成交叉调整的重要因素。以两个输出的直流-直流转换器为例，当一个输出端连接一个轻负载(light load)而另一个输出端连接一个重负载(heavy load)时，连接轻负载的输出端上的输出电流很容易进入非连续导通模式(discontinuous conduction mode，DCM)，引起交叉调整的问题恶化。因此，要改善多重输出直流-直流转换器的交叉调整性能，最好的办法便是减少输出电流纹波(output current ripple)，使得两个输出端上的输出电流达到平衡，从而使得连接轻负载的输出端上的输出电流不容易进入非连续导通模式。

基于以上概念，公知的交叉调整技术的实施通常会采用在多重输出直流-直流转换器的每个输出路径上串联由耦合电感所组成的输出电感来减少输出电流纹波，使得输出电流不容易进入非连续导通模式。然而，每个输出路径上的输出电感的漏电感并无法随负载变化来调整。由实验与理论分析可以证明，连接重负载的输出端上的输出电感的漏电感越小而连接轻负载的输出端上的输出电感的漏电感越大，多重输出直流-直流转换器的交叉调整性能就会越好。因此，若是对转换器的交叉调整性能有极严格的要求时，仅依靠输出端上的耦合电感是难以满足的。

由此可知，如果能够在多重输出直流-直流转换器的每个输出路径上设置用作漏电感并且其电感值可依据输出电流的变化来调整的电感元件，便可以有效改善转换器的交叉调整性能。本发明可以满足这个需求。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种具有最佳化交叉调整性能的多重输出直流-直流转换器。

本发明的另一目的在于提供一种可响应输出端上的负载变化来进行准确的交叉调整的多重输出直流-直流转换器。

根据本发明的一个技术方案，提供一多重输出直流-直流转换器，包含一开关，一变压器，具有一初级绕组以及多个次级绕组，该初级绕组耦接至该开关且设定为用以接收一输入直流电压，并响应该开关的切换在每个次级绕组上分别感应出一交流电压，以及多个次级电路，每个次级电路耦接至一次级绕组，并设定为将该交流电压转换成所想要的输出电压，其中至少一个次级电路的输出路径上具有一非线性电感元件，该非线性电感元件的电感量会根据流经该电感元件的电流量变化而改变。更具体地说，该非线性电感元件的特性为其电感值会随着流经该电感元件的电流量的增加而减少。

根据本发明的另一技术方案，提供一种多重输出直流-直流转换器，包含：一初级电路，其设定为用以提供一开关信号；一变压器，具有一初级绕组以及多个次级绕组，该初级绕组设定为用以接收一输入直流电压，并响应该开关信号在每个次级绕组上分别感应出一交流电压；以及多个次级电路，每个次级电路耦接至一次级绕组，并设定为将该交流电压转换成一所想要的输出电压；其中至少一个次级电路的输出路径上具有一非线性电感元件，非线性电感元件的电感值的变化与流经该电感元件的电流量的变化成反比。

因此，根据本发明，多重输出直流-直流转换器的交叉调整性能便可通过随着负载的变化来调整，从而获得最佳的交叉调整性能。

附图说明

图1显示公知的多重输出直流-直流转换器的电路结构；以及

图2(A)至(D)显示图1的多重输出直流-直流转换器的输出电压相对于输出电感的漏电感的特性曲线图；

图3显示本发明的第一优选实施例的多重输出直流-直流转换器的电路结构；

图4显示非线性电感元件Lsatl，Lsat2在直流模式下的电感-电流曲线；以及

图5显示本发明的第二优选实施例的多重输出直流-直流转换器的电路结构。

其中，附图标记说明如下：

100  多重输出直流-直流转换器

102  变压器

103  第一次级电路

104  第二次级电路

105  控制回路

具体实施方式

体现本发明的特征与优点的优选实施例将在后面的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实例上具有各种的变化，其均不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

图1显示公知多重输出直流-直流转换器的电路结构示意图。须注意的是在本发明的全部说明中，相同的元件标号指示相同的元件。如图1所示，一正向转换器(forward converter)100，包含一变压器102，具有一初级绕组(primary winding)N1以及多个次级绕组N2，N3，以及一初级电路(primarycircuit)以及多个次级电路(secondary circuit)103,104，其中初级电路由一开关S与一控制回路(control loop)105所组成。初级绕组N1的一端与开关S连接，并且开关S的切换由控制回路105所控制。控制回路105设定为根据输出电压与一参考电压(未显示)之间的差值来产生控制开关S的任务周期(duty cycle)的脉冲信号。变压器102作用为一能量传递装置，其设定为在每个任务周期传递能量，以便在次级绕组N2，N3上分别感应出一交流电压。

在变压器102的次级侧上具有一第一次级电路103，其耦接至次级绕组N2，且包含由整流二极管D11，D12所组成的半桥整流器(half-bridge rectifier)以及由输出电感L1与滤波电容C1所组成的输出滤波器(output filter)。次级绕组N2上所产生的交流电压被由二极管D11，D12所组成的整流电路整流成一整流后直流电压(rectified DC voltage)，该整流后直流电压会经由输出电感L1与滤波电容C1所组成的输出滤波器滤除其中的高频成分，而得到一个所想要的输出直流电压以提供给一负载(未显示)。

此外，在变压器102的次级侧上还具有一第二次级电路104，其耦接至次级绕组N3，且包含由整流二极管D21，D22所组成的半桥整流器以及由输出电感L2与滤波电容C2所组成的输出滤波器。次级绕组N3上所产生的交流电压被由二极管D21，D22所组成的整流电路整流成一整流后直流电压，该整流后直流电压会经由输出电感L2与滤波电容C2所组成的输出滤波器滤除其中的高频成分，而得到一个所想要的输出直流电压以提供给一负载(未显示)。

在图1中，输出电感L1，L2是以一耦合电感(coupled inductor)来实现以便减少电感的纹波电流，并驱使连接至轻负载的电感能够持续在连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)下工作。在图1中，输出电感L1，L2以变压器模型来表示，其中Lkl，Lk2分别为输出电感L1，L2的漏电感(leakageinductance)而Lm为输出电感L1，L2的激磁电感(magnetizing inductance)。

然而，公知使用耦合电感来完成多重输出直流-直流转换器中的输出电感的结构，只能够达成有限的交叉调整性能。若想要有效改善多重输出直流-直流转换器100的交叉调整性能，则必须允许多重输出直流-直流转换器100能够响应输出端上的负载电流变化来适当调整变压器102或输出耦合电感L1，L2的漏电感值，才能够达成最佳化的交叉调整性能。

假设第一次级电路103的输出电压为12V，并且其所连接的负载为重负载且输出电感L1在连续导通模式下工作。而假设第二次级电路104的输出电压为5V，并且其所连接的负载为轻负载且输出电感L1在非连续导通模式下工作。图2(A)显示第一次级电路103的输出电压随着输出电感L1的漏电感Lk1变化的特性曲线，图2(B)显示第二次级电路104的输出电压随着输出电感L1的漏电感Lk1变化的特性曲线，图2(C)显示第一次级电路103的输出电压随着输出电感L2的漏电感Lk2变化的特性曲线，而图2(D)显示第二次级电路104的输出电压随着输出电感L2的漏电感Lk2变化的特性曲线。由图2(A)可看出若是输出电感L1的漏电感Lk1越小，第一次级电路103的输出电压越趋向12V。由图2(B)可看出若是输出电感L1的漏电感Lk1越小，第二次级电路104的输出电压越趋向5V。也就是说，在这种情形下输出电感L1的漏电感Lk1越小，多重输出直流-直流转换器100的交叉调整性能就会越好。此外，由图2(C)可看出若是输出电感L2的漏电感Lk2越大，第一次级电路103的输出电压越趋向12V。由图2(D)可看出若是输出电感L2的漏电感Lk2越大，第二次级电路104的输出电压越趋向5V。也就是说，在这种情形下输出电感L2的漏电感Lk2越大，多重输出直流-直流转换器100的交叉调整性能就会越好。

基于以上理论，可知若要改善多重输出直流-直流转换器100，则必须使得连接重负载的输出电感的漏电感值减少而使得连接轻负载的输出电感的漏电感值增加，才能够消除因为负载变化所引起的输出电压偏离。

图3显示本发明的第一优选实施例的多重输出直流-直流转换器100的电路示意图。如图3所示，在次级电路103与104的输出路径上，分别设置一个非线性电感元件Lsat1，Lsat2，其分别与输出电感L1，L2串联并且由饱和电感(saturated inductor)所组成。

须注意的是非线性电感元件Lsat1，Lsat2具有变化的电感-电流特性。图4显示非线性电感元件Lsat1，Lsat2在直流模式下的电感-电流曲线，由图4可看出非线性电感元件Lsat1，Lsat2的电感变化与电流量变化成反比，即当流过非线性电感元件Lsat1，Lsat2的电流量减少的时候，非线性电感元件Lsat1，Lsat2的电感增加；当流过非线性电感元件Lsat1，Lsat2的电流增加的时候，非线性电感元件Lsat1，Lsat2的电感减少。因此，当第一次级电路103所电连接的负载为重负载时，即流经非线性电感元件Lsat1的电流较大时，非线性电感元件Lsat1的电感会比较小(等效于输出电感L1的漏电感比较小)。此时，第二次级电路104所电连接的负载为轻负载，即流经非线性电感元件Lsat2的电流较小，电感元件Lsat2的电感会比较大(等效于输出电感L2的漏电感比较大)。因此本发明可根据输出电流的变化来调整输出电感的漏电感，使得电连接轻负载的第二次级电路104的输出电流不容易进入非连续导通模式，从而有效改善多重输出直流-直流转换器100的交叉调整性能。

须注意的是多重输出直流-直流转换器100的输出电感L1，L2并非限定为以耦合电感来完成。图5显示本发明的第二优选实施例的多重输出直流-直流转换器100的电路示意图，其中输出电感L1，L2是由非耦合电感来完成。此外，图3与图5所示的直流-直流转换器是以一正向转换器来举例说明，但是其他种类的直流-直流转换器，例如半桥直流-直流转换器(half-bridgeDC-DC converter)、全桥直流-直流转换器(full-bridge DC-DC converter)、推挽式直流-直流转换器(push-pull DC-DC converter)等皆可采用本发明所公开的技术来改善直流-直流转换器在多重输出状态下的交叉调整性能。

综合以上所述，本发明所提出的改善多重输出直流-直流转换器的交叉调整性能的技术，所依据的原理是将非线性电感元件设置于每个次级电路的输出路径上并且与输出电感串联，其中非线性电感元件的电感会根据流经该非线性电感元件的电流量变化而改变。因此，当一输出端上的负载改变时，非线性电感元件的电感值便能够响应输出端上的输出电流量变化而改变，亦即输出电感的漏电感能够响应输出端上的输出电流量变化而改变。因此，多重输出直流-直流转换器的交叉调整性能便可通过随着负载的变化来调整，从而获得最佳的交叉调整性能。

本发明可由本领域的技术人员进行多种修改，当均不脱离如后附权利要求书所要求保护的范围。

Claims (14)

1.一种多重输出直流-直流转换器，包含：

一开关；

一变压器，具有一初级绕组以及多个次级绕组，该初级绕组耦接至该开关且设定为用以接收一输入直流电压，并响应该开关的切换在每个次级绕组上分别感应出一交流电压；以及

多个次级电路，每个次级电路耦接至一次级绕组，并设定为将该交流电压转换成所想要的输出电压；

其中至少一个次级电路的输出路径上具有一非线性电感元件，该非线性电感元件的电感值根据流经该非线性电感元件的电流量变化而改变。

2.如权利要求1所述的多重输出直流-直流转换器，其中该非线性电感元件的特性为其电感随着流经该非线性电感元件的电流量的增加而减少。

3.如权利要求1所述的多重输出直流-直流转换器，其中该次级电路包含：

一整流电路，耦接至一次级绕组，并设定为将该交流电压整流成一整流后直流电压；以及

一输出滤波器，耦接至该整流电路，并设定为将该整流后直流电压进行滤波处理使其成为一所想要的输出电压。

4.如权利要求3所述的多重输出直流-直流转换器，其中该整流电路由两个半桥连接的整流二极管所组成。

5.如权利要求3所述的多重输出直流-直流转换器，其中该输出滤波器由一输出电感与一滤波电容所组成。

6.如权利要求5所述的多重输出直流-直流转换器，其中该输出电感与该非线性电感元件串联。

7.如权利要求3所述的多重输出直流-直流转换器，其中该多重输出直流-直流转换器为一正向转换器、一半桥直流-直流转换器、一全桥直流-直流转换器或一推挽式直流-直流转换器。

8.一种多重输出直流-直流转换器，包含：

一初级电路，其设定为用以提供一开关信号；

一变压器，具有一初级绕组以及多个次级绕组，该初级绕组设定为用以接收一输入直流电压，并响应该开关信号在每个次级绕组上分别感应出一交流电压；以及

多个次级电路，每个次级电路耦接至一次级绕组，并设定为将该交流电压转换成一所想要的输出电压；

其中至少一个次级电路的输出路径上具有一非线性电感元件，该非线性电感元件的电感值的变化与流经该电感元件的电流量的变化成反比。

9.如权利要求8所述的多重输出直流-直流转换器，其中该初级电路包含：

一开关，耦接至该初级绕组的一端，并设定为提供该开关信号；以及

一控制回路，耦接至该开关，并设定为产生脉冲信号以控制该开关的切换。

10.如权利要求8所述的多重输出直流-直流转换器，其中该次级电路包含：

一整流电路，耦接至一次级绕组，并设定为将该交流电压整流成一整流后直流电压；以及

一输出滤波器，耦接至该整流电路，并设定为将该整流后直流电压进行滤波处理使其成为所想要的输出电压。

11.如权利要求10所述的多重输出直流-直流转换器，其中该非线性电感元件与该整流电路及该输出滤波器串联，且串联于该整流电路及该输出滤波器之间。

12.如权利要求10所述的多重输出直流-直流转换器，其中该整流电路由两个半桥连接的整流二极管所组成。

13.如权利要求10所述的多重输出直流-直流转换器，其中该输出滤波器由一输出电感与一滤波电容所组成，而该输出电感与该非线性电感元件串联。

14.如权利要求8所述的多重输出直流-直流转换器，其中该直流-直流转换器为一正向转换器、一半桥直流-直流转换器、一全桥直流-直流转换器或一推挽式直流-直流转换器。

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