CN101075782A - 具有较少接脚数目的变压器的多重输出直流－直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有较少接脚数目的变压器的多重输出直流－直流转换器，其包含：变压器，具有初级绕组与多个次级绕组；开关装置，耦接至输入端且与该初级绕组并联；以及多个次级电路，耦接至该变压器的次级侧，其中相邻的次级电路配置为共享所述多个次级绕组的其中之一。本发明的不对称半桥前向转换器能够在较少的变压器接脚数目的条件下提供更多组的输出电压，因此转换器的电源转换效率会大幅提升，并且制造成本急剧减少。

Description

具有较少接脚数目的变压器的多重输出直流-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，特别涉及一种具有较少接脚数目的变压器的多重输出直流-直流转换器。

背景技术

目前，交换式电源供应器已经被广泛应用于电力电子装置，例如移动电话或笔记本电脑等。目前的交换式电源供应器大都采用两级式(two-stage)的电路结构，其中包含前级电路以及后级电路，其中该前级电路通常由功率因子校正电路(power factor corrector)来实现，其设定为抑制输入电流的谐波成分并将输入交流电压转换成一个过渡的直流电压，而该后级电路通常由直流-直流转换器来实现，其设定为将该过渡的直流电压转换成想要的输出直流电压，以提供给负载。

上述的后级电路，也就是说直流-直流转换器，可由许多不同的电源转换器配置来完成。一种经常用来完成交换式电源供应器的后级电路的转换器配置为不对称半桥转换器(asymmetrical half-bridge converter)。不对称半桥转换器具有结构简单、对开关元件的电压耐压度(voltage durability)要求低，以及可以零电压切换等优点，而逐渐适用于低功率的电源供应系统。

图1显示一种公知的多重输出不对称半桥前向转换器(multi-outputasymmetrical half-bridge forward converter)的电路示意图，其设定将输入直流电压Vin转换成多个想要的输出电压。图1所示的多重输出不对称半桥前向转换器包含互补开关(complementary switches)Q11、Q12，其耦接接至输入端并且以不对称的任务周期(asymmetrical duty cycle)来运作，其中开关Q11根据开关控制信号V_Q11来切换其开/关状态，而开关Q12根据开关控制信号V_Q12来切换其开/关状态。图1的不对称半桥前向转换器也包含变压器T11，具有初级绕组(primary winding)Np11，其与直流阻隔电容(DC blockingcapacitor)Cb串联并且与互补开关Q11、Q12并联，以及次级绕组(secondarywinding)Ns11、Ns12、Ns13、Ns14。图1所示的多重输出不对称半桥前向转换器配置为当开关Q11导通时，输入电流向直流阻隔电容Cb以及变压器T11的激磁电感(magnetizing inductance)充电，以储存能量；而当开关Q12导通后，将直流阻隔电容Cb以及变压器T11的激磁电感所储存的能量传送至变压器T11的次级侧(secondary side)。

图1所示的多重输出不对称半桥前向转换器还包含第一次级电路(firstsecondary circuit)与第二次级电路(second secondary circuit)，耦接至变压器T11的次级侧，其设定将变压器T11的次级侧所接收的能量分别转换成想要的输出电压Vo1、Vo2。第一次级电路耦接至次级绕组Ns11、Ns12、Ns13、Ns14，并且包含由整流二极管D11、D14所组成的第一整流电路以及由滤波电感Lf11与滤波电容Cf11所组成的第一输出滤波器，而第二次级电路耦接至次级绕组Ns12、Ns13，并且包含由整流二极管D12、D13所组成的第二整流电路以及由滤波电感Lf12与滤波电容Cf12所组成的第二输出滤波器。变压器T11的次级侧所接收的能量经由第一整流电路D11、D14整流成整流的直流电压(rectified DC voltage)，并经由第一输出滤波器Lf11、Cf11将该整流的直流电压的高频谐波(high-frequency harmonics)移除而得到稳压的第一输出直流电压Vo1。此外，变压器T11的次级侧所接收的能量也经由第二整流电路D12、D13整流成整流的直流电压，并经由第二输出滤波器Lf12、Cf12将该整流的直流电压的高频谐波移除而得到稳压的第二输出直流电压Vo2。

图1所示的多重输出不对称半桥前向转换器的电压转换比分析如下。当开关Q11导通时，变压器T11两侧的电压为V_in-V_cb，而当开关Q12导通时，变压器T11两侧的电压为V_cb。由于变压器T11的激磁电感需要在一个切换时间周期内达成磁能平衡，因此可得：

(V_in-V_cb)×D×T-V_cb×(1-D)×T＝0        (方程式1)

其中D为开关Q11的任务周期，1-D为开关Q12的任务周期，而T为切换时间周期。

解方程式1可以得到直流阻隔电容Cb的平均电压为：

V_cb＝V_in×D  (方程式2)

由于输出滤波器的输出电感也需要达成磁能平衡，因此：

[(V_in-V_cb)×n-V_o]×D×T+[(V_cb×n)-V_o]×(1-D)×T＝0  (方程式3)

其中n为变压器的匝数比(turn ratio)。将方程式2带入方程式3可求得多重输出不对称半桥前向转换器的输出电压为：

V_o＝D×(1-D)×n×V_in  (方程式4)

由于第一次级电路耦接至次级绕组Ns11，Ns12，Ns13，Ns14，对于第一次级电路而言变压器T11的匝数比为 $\frac{\mathrm{Ns}11+\mathrm{Ns}12+\mathrm{Ns}13+\mathrm{Ns}14}{\mathrm{Np}}.$ 因此第一输出直流电压Vo1为：

$V_{\mathrm{ol}}=D\×(1-D)\×\frac{\mathrm{Ns}11+\mathrm{Ns}12+\mathrm{Ns}13+\mathrm{Ns}14}{\mathrm{Np}}\×V_{\mathrm{in}}$ (方程式5)

由于第二次级电路耦接至次级绕组Ns12与Ns13，对于第二次级电路而言变压器T11的匝数比为

因此第二输出直流电压Vo2为： $V_{o2}=D\×(1-D)\×\frac{\mathrm{Ns}12+\mathrm{Ns}13}{\mathrm{Np}}\×V_{\mathrm{in}}$ (方程式6)

由以上的分析以及图1的电路配置可知，变压器T11必须配置五根接脚(pin)，其中的四根接脚分别分配给两个输出电压而另外一根接脚为接地端接脚。若是将图1的转换器扩充到提供N个输出电压的应用，则变压器T11需要配置2N个次级绕组与2N+1根接脚。也就是说假设变压器T11的接脚数目为k，图1的多重输出不对称半桥前向转换器所能够提供的输出电压数目为(k-1)/2。因此若是转换器需要提供两个或两个以上的输出电压，变压器需要配置五根甚至更多的接脚来符合设计规范。这样一来，转换器的电源转换效率便会下降，并且制造成本也会大幅提升。

因此需要提出一种多重输出直流-直流转换器，其利用较少接脚数目的变压器来作为其能量储存与传递装置，借以提升转换器的电源转换效率并且使得转换器能够提供较多组的输出电压。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多重输出直流-直流转换器，其能够将其变压器的电压接脚数目减少。

本发明的另一目的在于提供一种多重输出直流-直流转换器，其能够将变压器的接脚分配最佳化并且同时获得较多数目的输出电压。

根据本发明的优选实施例，提供一种多重输出直流-直流转换器，用以将输入直流电压转换成多个具有预定电压值的输出电压，包含变压器，具有一个初级绕组与多个次级绕组，开关装置，耦接至输入端且与该初级绕组并联，以及多个次级电路，耦接至该变压器的次级侧，其中相邻的次级电路配置为共享所述多个次级绕组的其中之一。

具体而言，每个次级电路由整流电路与输出滤波器所组成，其中该整流电路由整流二极管所组成并且该输出滤波器由滤波电感与滤波电容所组成。

具体而言，每个次级绕组的匝数可为零或负数，并且所有次级绕组的匝数总和大于零。

该多重输出直流-直流转换器可组织为多重输出不对称半桥转换器，其中该开关装置由一对互补开关所组成，并且该转换器还包含直流阻隔电容，与该初级绕组串联。

根据本发明的优选实施例，提供另一种多重输出直流-直流转换器，其包含：变压器，具有初级侧与次级侧，其中该初级侧包含一个初级绕组而该次级侧包含多个次级绕组；开关装置，耦接至该变压器的初级侧；以及多个整流/滤波电路，耦接至该变压器的次级侧，其中相邻的整流/滤波电路配置为共享所述多个次级绕组的其中之一。

本发明上述的多重输出直流-直流转换器，其中每个次级绕组的匝数可为零或负数，并且所有次级绕组的匝数总和大于零。

本发明上述的多重输出直流-直流转换器，其中该多重输出直流-直流转换器为多重输出不对称半桥转换器。

本发明上述的多重输出直流-直流转换器，其中该开关装置由一对互补开关所组成，和/或还包含阻隔电容，与该初级绕组串联。

根据本发明的优选实施例，提供一种将多重输出直流-直流转换器中的变压器的接脚数目减少的方法，该方法包含：

提供开关装置与变压器，其中该变压器包含初级侧以及次级侧，该次级侧包含多个次级绕组并且该开关装置耦接于该变压器的初级侧；

提供多个整流/滤波电路，耦接至该变压器的次级侧；以及

将多个整流/滤波电路配置为相邻的整流/滤波电路共享所述多个次级绕组的其中之一。

本发明上述的方法，其中该开关装置由一对互补开关所组成，并且该整流/滤波电路由多个整流二极管与滤波元件所组成。

本发明的不对称半桥前向转换器能够在较少的变压器接脚数目的条件下提供更多组的输出电压，因此转换器的电源转换效率就会大幅提升，并且制造成本也会急剧减少。

附图说明

图1显示一种公知的多重输出不对称半桥前向转换器的电路示意图；以及

图2显示本发明的多重输出直流-直流转换器的第一优选实施例的电路示意图。

其中，附图标记说明如下：

Q11、Q12互补开关

Cb直流阻隔电容

T11变压器

Np11初级绕组

Ns11、Ns12、Ns13、Ns14次级绕组

D11、D12、D13、D14整流二极管

Lf11、Lf12滤波电感

Cf11、Cf12滤波电容

Q21、Q22互补开关

Cb直流阻隔电容

T21变压器

Np21初级绕组

Ns21、Ns22次级绕组

D21、D22、D23、D24、D25、D26整流二极管

Lf21、Lf22、Lf23滤波电感

Cf2、Cf22、Cf23滤波电容

具体实施方式

本发明的优点与特征，下面通过实施例配合下列附图详细说明，以得到更深入的了解。

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施例上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图标记在本质上当作说明之用，而并非用以限制本发明。

本发明的多重输出直流-直流转换器的第一优选实施例显示于图2。如图2所示，多重输出不对称半桥转换器用来将输入直流电压Vin转换成多个具有特定电压值的输出直流电压。该多重输出不对称半桥转换器包含互补开关Q21、Q22，其耦接至输入端并且以不对称的任务周期来运作，以及变压器T21，其具有初级绕组Np21以及次级绕组Ns21、Ns22。开关Q21根据开关控制信号V_Q21来切换其开/关状态，而开关Q22根据开关控制信号V_Q22来切换其开/关状态。初级绕组Np21与直流阻隔电容Cb串联并与互补开关Q21、Q22并联。图2所示的多重输出不对称半桥前向转换器配置为当开关Q21导通时，输入电流向直流阻隔电容Cb以及变压器T21的激磁电感充电，以储存能量；而当开关Q22导通后，将直流阻隔电容Cb以及变压器T21的激磁电感所储存的能量传送至变压器T21的次级侧(secondary side)。

图2所示的多重输出不对称半桥前向转换器还包含第一次级电路(firstsecondary circuit)、第二次级电路(second secondary circuit)，以及第三次级电路(third secondary circuit)，其耦接至变压器T21的次级侧，并且设定为将变压器T21的次级侧所接收的能量分别转换成想要的输出电压Vo1、Vo2、Vo3。第一次级电路耦接至次级绕组Ns21，并且包含由整流二极管D21、D22所组成的第一整流电路以及由滤波电感Lf21与滤波电容Cf21所组成的第一输出滤波器。第二次级电路耦接至次级绕组Ns21与Ns22，并且包含由整流二极管D23、D24所组成的第二整流电路以及由滤波电感Lf22与滤波电容Cf22所组成的第二输出滤波器。第三次级电路耦接至次级绕组Ns22，并且包含由整流二极管D25、D26所组成的第三整流电路以及由滤波电感Lf23与滤波电容Cf23所组成的第三输出滤波器。变压器T21的次级侧所接收的能量经由第一整流电路D21、D22整流成整流的直流电压(rectified DC voltage)，并经由第一输出滤波器Lf21、Cf21将该整流的直流电压的高频谐波移除而得到稳压的第一输出直流电压Vo1。此外，变压器T21的次级侧所接收的能量也经由第二整流电路D23、D24整流成整流的直流电压，并经由第二输出滤波器Lf22、Cf22将该整流的直流电压的高频谐波移除而得到稳压的第二输出直流电压Vo2。此外，变压器T21的次级侧所接收的能量也经由第三整流电路D25、D26整流成整流的直流电压，并经由第三输出滤波器Lf23、Cf23将该整流的直流电压的高频谐波移除而得到稳压的第三输出直流电压Vo3。

图2所示的多重输出不对称半桥前向转换器的电压转换比分析如下。上述的方程式4列出了计算多重输出不对称半桥前向转换器的输出电压的公式，因此可分别求得各个次级电路所指定的变压器匝数比，再利用公式4计算出各个输出电压与输入电压之间的关系。

举例来说，由于第一次级电路耦接至次级绕组Ns21，对于第一次级电路而言变压器T21的匝数比为

将第一次级电路所指定的变压器T21的匝数比带入方程式4中，可求得第一输出直流电压Vo1为：

$V_{o1}=D\×(1-D)\×\frac{\mathrm{Ns}21}{\mathrm{Np}}\×V_{\mathrm{in}}$ (方程式7)

由于第二次级电路耦接至次级绕组Ns21，Ns22，对于第二次级电路而言变压器T21的匝数比为

将第二次级电路所指定的变压器T21的匝数比带入方程式4中，可求得第二输出直流电压Vo2为：

$V_{o2}=D\×(1-D)\×\frac{\mathrm{Ns}21+\mathrm{Ns}22}{\mathrm{Np}}\×V_{\mathrm{in}}$ (方程式8)

由于第三次级电路耦接至次级绕组Ns22，对于第三次级电路而言变压器T21的匝数比为

将第三次级电路所指定的变压器T21的匝数比带入方程式4中，可求得第二输出直流电压Vo3为：

$V_{o3}=D\×(1-D)\×\frac{\mathrm{Ns}22}{\mathrm{Np}}\×V_{\mathrm{in}}$ (方程式9)

因此，若想要得到预期的输出电压值，可适当的调整次级绕组Ns21、Ns22的匝数来达到目的。

值得注意的是在本发明中，相邻的次级电路配置为共享所述多个次级绕组的其中之一。举例来说，第一次级电路与次级绕组N21耦接，第二次级电路与次级绕组N21、N22耦接，而第三次级电路与次级绕组N22耦接。很明显的，第一次级电路与相邻的第二次级电路共享次级绕组N21，而第二次级电路与相邻的第三次级电路共享次级绕组N22。由图2的电路结构可了解到本发明的多重输出不对称半桥前向转换器的变压器T21只需要两个次级绕组及三根接脚来传递能量，从而产生三个输出电压。归纳而言，假设变压器的接脚数目为k，则本发明的多重输出不对称半桥前向转换器所能够提供的输出电压数目为(k-1)+(k-2)+…1。然而图1的公知不对称半桥前向转换器能所能够提供的输出电压数目为(k-1)/2。很明显的，本发明的不对称半桥前向转换器能够在较少的变压器接脚数目的条件下提供更多组的输出电压，因此转换器的电源转换效率就会大幅提升，并且制造成本也会急剧减少。

值得注意的是在本发明中，各个次级绕组Ns21与Ns22的匝数可为零或负数，但是次级绕组Ns21与Ns22的匝数总和必须要大于零。此外，虽然本实施例以多重输出不对称半桥前向转换器为例子，但是本发明的电路拓扑可以广泛应用到各种多重输出直流-直流转换器配置。在此所公开的实施例只作为用来示范说明的用途，而并非彻底的将本发明限定于在此说明的类型，同时本发明所涵盖的精神与范围由所附的权利要求书的范围来定义。

本发明可以由熟知本领域的技术人员做出变化与修改，然而都不脱离所附权利要求书所要保护的范围。

Claims (13)

1.一种多重输出直流-直流转换器，用以将输入直流电压转换成多个具有预定电压值的输出电压，其包含：

变压器，具有一个初级绕组与多个次级绕组；

开关装置，耦接至输入端且与该初级绕组并联；以及

多个次级电路，耦接至该变压器的次级侧，其中相邻的次级电路配置为共享所述多个次级绕组的其中之一。

2.如权利要求1所述的多重输出直流-直流转换器，其中每个次级电路包含整流电路，耦接至该变压器的次级侧，以及输出滤波器，耦接至该整流电路。

3.如权利要求2所述的多重输出直流-直流转换器，其中该整流电路由一对整流二极管所组成。

4.如权利要求2所述的多重输出直流-直流转换器，其中该输出滤波器由滤波电感与滤波电容所组成。

5.如权利要求1所述的多重输出直流-直流转换器，其中每个次级绕组的匝数可为零或负数，并且所有次级绕组的匝数总和大于零。

6.如权利要求1所述的多重输出直流-直流转换器，其中该多重输出直流-直流转换器为多重输出不对称半桥转换器，其中该开关装置由一对互补开关所组成。

7.如权利要求6所述的多重输出直流-直流转换器，还包含阻隔电容，其与该初级绕组串联。

8.一种多重输出直流-直流转换器，其包含：

变压器，具有初级侧与次级侧，其中该初级侧包含一个初级绕组而该次级侧包含多个次级绕组；

开关装置，耦接至该变压器的初级侧；以及

多个整流/滤波电路，耦接至该变压器的次级侧，其中相邻的整流/滤波电路配置为共享所述多个次级绕组的其中之一。

9.如权利要求8所述的多重输出直流-直流转换器，其中每个次级绕组的匝数可为零或负数，并且所有次级绕组的匝数总和大于零。

10.如权利要求8所述的多重输出直流-直流转换器，其中该多重输出直流-直流转换器为多重输出不对称半桥转换器。

11.如权利要求10所述的多重输出直流-直流转换器，其中该开关装置由一对互补开关所组成，和/或还包含阻隔电容，与该初级绕组串联。

12.一种将多重输出直流-直流转换器中的变压器的接脚数目减少的方法，该方法包含：

提供开关装置与变压器，其中该变压器包含初级侧以及次级侧，该次级侧包含多个次级绕组并且该开关装置耦接于该变压器的初级侧；

提供多个整流/滤波电路，耦接至该变压器的次级侧；以及

将多个整流/滤波电路配置为相邻的整流/滤波电路共享所述多个次级绕组的其中之一。

13.如权利要求12所述的方法，其中该开关装置由一对互补开关所组成，并且该整流/滤波电路由多个整流二极管与滤波元件所组成。

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