CN101534064A - 交直流转换器的取电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流转换器的取电电路，用以将高电压的交流输入电压转换为低电压的直流输出电压，以提供一种可维持在一稳定的直流偏压范围的负载电压，包括：一整流器、一感应电路、一控制开关电路和一稳压电容；整流器的一次侧耦合连接至交流电源并在二次侧输出一直流电源，感应电路连接于整流器的二次侧，用以将交流输入电压和一预设的参考电压作比较，只允许交流输入电压低于参考电压时导通控制开关电路中的第二开关组件，进而提供一低电压的直流输出电压，并借助控制开关电路将直流输出电压维持在一个稳定的直流偏压范围，除了可以减少第二开关组件的功率损耗，电路结构简单还可实现电路积体化的目的。

Description

交直流转换器的取电电路

技术领域

本发明涉及一种交直流转换器的取电电路，尤其涉及一种只在交流输入电压低于一预设的参考电压时才导通开关组件，并且将直流输出电压维持在一稳定的直流偏压范围的交直流转换器的取电电路。

背景技术

传统的交流转直流的电源转换器(AC/DC Converter)是采用隔离式分压的设计，将AC电源与整流器耦合之后，再利用外部变压器将高电压的交流电源转换为低电压的直流电源，用以提供低电压的直流电源器件使用，但是外部变压器的体积较大，无法满足小型化的需求；后来低压差稳压器(Low DropoutRegulator，LDO)这类的线性稳压器被提出来用以解决上述的问题，但是LDO在开关组件(switch)上的损耗容易造成转换效率不佳的问题。

功耗的降低与转换效率的提升，是当前小型化交流转直流(AC/DC)电源供应系统最重要的两大核心课题，由本发明专利申请人提出而且在台湾已核准公开的00533672号无变压器式交/直流转换电路，提出了一种可以输出稳定的恒电流的无变压器式交/直流转换电路，以适用于发光组件(如发光二极管LED)这类需要一稳定的供应电流的负载器件，其中所公开的技术手段是利用电流开关电路来达到限制负载电流于一稳定范围的目的，其中的控制电路主要是依据控制电路的输出与输入的电位差决定电流开关电路的开/关(ON/OFF)动作，当电位差低于一默认值，即开启负载电流，当电位差高于一默认值，即关闭负载电流，借以达到限制负载电流的功效。

另外在已核准公开的美国专利U.S.Pat.6,169,391 B1，其中也公开了一种无变压器式交/直流转换电路，其中公开了一种控制电路可以具备类似线性稳压器的功能用以限制直流电源的输出电压，其中的控制电路具有一感测电路(sensing circuit)用以检知交流电源的输入电压Vin，并且依据输入电压Vin的高低来控制开关组件的开/关(on/off)；而其中的感测电路由二个串联的分压电阻，以及一个串联在前述分压电阻的稽纳二极管所组成，但是这样的电路设计显然较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以降低开关组件的功率损耗的交直流转换器的取电电路，来解决上述公知技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种交直流转换器的取电电路，包含：一整流器、一感应电路、一控制开关电路和一稳压电容；整流器的一次侧耦合连接至交流电源，用以将交流电源转换为直流电源，感应电路连接于整流器的二次侧，用以检测交流电源的交流输入电压，并在交流输入电压低于一预设的参考电压(Vref)时开启控制开关电路中的第二开关组件，用以提供一低电压的直流输出电压，并借助控制开关电路将直流输出电压维持在一个稳定的直流偏压范围；换而言之，依据本发明的较佳实施例，只允许交流输入电压低于一预设的参考电压时导通第二开关组件，反之在交流输入电压高于一预设电压时则会关闭第二开关组件，由于在第二开关组件开启(导通)的时候输入与输出的电位差小，故能达到降低第二开关组件的功率损耗的功效。

本发明的目的之一在于提供一种电路构造精简的交直流转换器的取电电路，依据本发明的较佳实施例之一，包括：一整流器、一感应电路、一控制开关电路和一稳压电容；其中的感应电路具有一分压电路及第一开关组件，利用分压电路取得整流器的二次侧的直流电源的直流分压，再将直流分压和第一开关组件的导通电压比较，当直流分压比导通电压小，则第一开关组件关闭，并在整流器二次侧的直流电源的直流电压低于预设的参考电压时导通第二开关组件，反之在整流器的二次侧的直流电源的直流电压高于预设的参考电压时，关闭第二开关组件。

本发明的目的之一在于提供一种可以实现积体化的交直流转换器的取电电路。依据本发明的较佳实施例之一，其中的第一开关组件和第二开关组件皆可利用半导体工艺技术制造，因此可以实现电路积体化的目的。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的交直流转换器的取电电路的一种较佳实施例电路架构；

图2A为本发明的交直流转换器的取电电路的一种较佳实施例构造(使用桥式全波整流器)；

图2B为本发明的交直流转换器的取电电路的一种较佳实施例构造(使用桥式半波整流器)；

图3A为本发明的交直流转换器的取电电路的一种较佳实施例构造(使用桥式全波整流器)；

图3B为本发明的交直流转换器的取电电路的一种较佳实施例构造(使用桥式半波整流器)；

图4A为本发明的交直流转换器的取电电路的一种较佳实施例构造(使用桥式全波整流器)；

图4B为本发明的交直流转换器的取电电路的一种较佳实施例构造(使用桥式半波整流器)；

图5A为图4A的一种较佳实施例构造(使用桥式全波整流器)；

图5B为图4B的一种较佳实施例构造(使用桥式半波整流器)；

图6A为图3A的一种较佳实施例构造(使用桥式全波整流器)；

图6B为图3B的一种较佳实施例构造(使用桥式半波整流器)；

图7显示交流输入电压AC Vin和直流电源输出端之间的电压电流关系，以及第一开关组件和第二开关组件的动作关系。

其中，附图标记：

10    交流电源(AC)

11    直流电源器件

20    整流器(rectifier)

30    感应电路

31    分压电路

40    控制开关电路

41    第一稳压组件

42    直流电源输出端

44    第二稳压组件

60    稳压电容器

AC Vin    交流输入电压

DC Vout   直流输出电压

G     栅极(gate)

S     源极(source)

D     漏极(drain)

R1    第一电阻

R2    第二电阻

R3    第三电阻

Q1    第一开关组件(switch)

1a    第一开关组件的控制接点

1b    第一开关组件的输入接点

1c    第一开关组件的输出接点

Q2    第二开关组件(switch)

2a    第二开关组件的控制接点

2b    第二开关组件的输入接点

2c    第二开关组件的输出接点

V ref    参考电压

DC    直流电源

具体实施方式

首先请参考图1，其中公开了本发明的一较佳实施例的电路架构，用以将交流电源(AC)10的高电压的交流输入电压AC Vin转换为低电压的直流输出电压DC Vout，而从一低电压的直流电源输出端42输出能稳定在一直流偏压范围的直流输出电压DC Vout，以提供低电压的直流电源器件11(如集成电路，小型电子产品)一种能稳定在一直流偏压范围的负载电压，其电路架构包括：

一整流器(rectifier)20，整流器20的一次侧耦合连接于交流电源(AC)10，而在整流器20的二次侧输出一直流电源DC，这个整流器20可以选用桥式全波整流器或是桥式半波整流器；

一感应电路30，具有一分压电路31和一第一开关组件(switch)Q1，其中分压电路31耦合于整流器20的二次侧，用以取得二次侧的直流电源的直流分压，第一开关组件Q1具有一控制接点1a，一输入接点1b和一输出接点1c，其中的输出接点1c接地，而控制接点1a与分压电路31连接，用以将直流分压和第一开关组件Q1的导通电压比较，当直流分压低于导通电压，则第一开关组件Q1保持关闭；

一控制开关电路40，具有一第三电阻R3、第二开关组件Q2和一第一稳压组件41(可采用例如但不限于稽纳二极管(Zener Diode)，第二开关组件Q2具一控制接点2a，一输入接点2b和一输出接点2c，第二开关组件Q2的输入接点2b连接前述整流器20的二次侧，控制接点2a连接前述第一开关组件Q1的输入接点1b，进而在整流器20二次侧的直流电源的直流电压低于预设的参考电压Vref时导通第二开关组件Q2，而将整流器20的二次侧的直流电源DC由输出接点2c送至控制开关电路40的直流电源输出端42，用以输出一直流输出电压DC Vout，而这个直流输出电压DC Vout的电压位准被第一稳压组件41箝制(claim)，并低于被箝制的第一稳压组件41的电压位准；以及

一稳压电容器60，稳压电容器60的一端连接控制开关电路40的直流电源输出端42，稳压电容器60的另一端接地，用以提供一种能稳定在一直流偏压范围的直流输出电压DC Vout，以供给低电压的直流电源器件11所需的负载电压。

依据前述图1的电路架构，本发明提出几种具体的电路实施范例说明如下。

图2A和图2B揭示了第一种相同的具体电路实施范例，其中图2A的整流器20是使用桥式全波整流器，而图2B则是使用桥式半波整流器。下文以图2A为例子作说明，第一开关组件Q1和第二开关组件Q2，则是使用功率型的金氧半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor；MOS)，而较佳实施例可为N型金氧半导体场效晶体管(N-MOSFET)，由于N-MOSFET可利用半导体工艺制作，故可利用半导工艺技术制作本发明的交直流转换器的取电电路，以达到积体化的目的。其中的分压电路31包括有彼此串联的第一电阻R1和第二电阻R2，其中第一电阻R1的一端连接整流器20的二次侧，第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2和第一开关组件Q1的栅极(gate)G，第二电阻R2的一端连接第一电阻R1和第一开关组件Q1的栅极，第二电阻R2的另一端和第一开关组件Q1的源极S皆接地，简而言之，感应电路30依据交流输入电压AC Vin的高低来决定第二开关组件Q2的开/关动作。一般而言，第一开关组件Q1的耐压必需大于第一电阻R1和第二电阻R2的直流分压。

在图2A中的控制开关电路40，具有一第三电阻R3，第三电阻R3的一端连接整流器20的二次侧，第三电阻R3的另一端连接第一开关组件Q1的漏极D(drain)和第一稳压组件41的阴极，可防止过大的电流损坏控制开关电路40的第一稳压组件41，第一稳压组件41的阳极接地，第二开关组件Q2的栅极(gate)G连接第一开关组件Q1的漏极及第一稳压组件41的阴极，第二开关组件Q2的漏极D连接整流器20的二次侧，而第二开关组件Q2的源极S(source)则连接直流电源输出端42。

图2A电路的动作说明：当直流分压大于第一开关组件Q1的导通电压时，第一开关组件Q1的栅极-源极将产生正向偏压，而使第一开关组件Q1呈开启(on)状态，换而言之，第一开关组件Q1将会导通，此时的第一稳压组件41将处于一个低电位的状态，因此第二开关组件Q2将无法开启，而不会将整流器20的二次侧的直流电源DC提供给直流电源输出端42。反之，当直流分压小于第一开关组件Q1的导通电压，第一开关组件Q1将关闭(off)，而具有箝制电压功能的第一稳压组件41的电压位准逐渐升高，并且在整流器20的二次侧的直流电源的直流电压低于预设的参考电压Vref时导通第二开关组件Q2，而在直流电源输出端42输出一低电压的直流输出电压DC Vout，而这个直流输出电压DC Vout的电压位准也会被第一稳压组件41箝制(claim)，并低于被箝制的第一稳压组件41的电压位准。

图3A和图3B分别是前图2A和图2B另一种实施范例，在图3A的实施范例中还包括有一第二稳压组件44(可采用例如但不限于稽纳二极管(ZenerDiode))，第二稳压组件44的阴极连接第一开关组件Q1的栅极(gate)G，第二稳压组件44的阳极则接地，通过这个第二稳压组件44的箝压(clamp)作用，将可以箝制施在第一开关组件Q1的栅-源极之间的电压位准，以保护第一开关组件Q1不会因为过大的交流输入电压而损坏。

图4A和图4B分别是前述图3A和图3B的另一种实施范例，在图4A中的第一开关组件Q1和第二开关组件Q2皆使用双极性晶体管(Bi-polar junctiontransistor；BJT)，第二稳压组件44串连于分压电路31和第一开关组件Q1(双极性晶体管)的基极(Base)之间，用以保护第一开关组件Q1不会因为过大的交流输入电压而损坏。

而在本发明的另一较佳实施范例中，也可以将前述图4A和图4B中的第二开关组件Q2改为N型金氧半导体场效晶体管(N-MOSFET)，其电路图分别如图5A和图5B所示。

而在本发明的另一较佳实施范例中，也可以将前述图3A和图3B中的第二开关组件Q2改为双极性晶体管(Bi-polar junction transistor；BJT)，其电路图分别如图6A和图6B所示。

依据本发明上述所揭露的交直流转换器的取电电路，可以直接使用于一般的市电电压(如频率50-60Hz的110-10VAC或是220-240VAC)，用以将高电压的交流输入电压AC Vin转换为低电压的直流输出电压DC Vout，其中参考电源的参考电压V ref作为决定是否开启(导通)或是关闭(不导通)第二开关组件Q2的预设电压，而这个参考电压V ref＝第一开关组件Q1的导通电压×(R1+R2)/R2，而交流输入电压AC Vin和直流电源输出端42之间的电压电流关系曲线图请参考图7(以图2A中采用桥式全波整流器20的电路为例作一说明)，其中的电压V为第二开关组件Q2的漏极-源极的电压Vds，图中所示的参考电压V ref以70DC V为例，当直流分压大于第一开关组件Q1的导通电压时，第一开关组件Q1为开启状态，而第二开关组件Q2则是处于关闭的状态，此时第二开关组件Q2的漏极电流I_D为0；当直流分压小于第一开关组件Q1的导通电压时，第一开关组件Q1则为关闭状态，此时施加在第一稳压组件41的两端的压降逐渐提高直至第一稳压组件41的箝位电压为止，同时在整流器20二次侧的直流电源的直流电压低于预设的参考电压Vref时导通第二开关组件Q2，而在直流电源输出端42输出一低电压的直流输出电压DC Vout，而这个直流输出电压DC Vout的电压位准也会被第一稳压组件41箝制(claim)，并低于被箝制的第一稳压组件41的电压位准，而使直流电源输出端42的直流输出电压DC Vout维持在一稳定的直流偏压范围。

根据前述的实施例说明，可以了解本发明所提出的交直流转换器的取电电路只允许交流输入电压AC Vin在低于预设的参考电压Vref时才开启(导通)第二开关组件Q2，反之在交流输入电压AC Vin超过预设的参考电压Vref时，第二开关组件Q2将处于关闭状态，其优点是在第二开关组件Q2开启(导通)的时候输入与输出的电位差小，可以减少开关组件的功率损耗，另一方面，当第二开关组件Q2开启(导通)时，直流输出电压DC Vout的电压位准也会被第一稳压组件41箝制并低于被箝制的第一稳压组件41的电压位准，而使直流输出电压DC Vout维在一个稳定直流偏压范围。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (20)

1、一种交直流转换器的取电电路，将来自一交流电源的高电压的交流输入电压转换为低电压的直流输出电压，其特征在于，该取电电路包括有：

一整流器，该整流器的一次侧耦合连接于该交流电源，而在该整流器的二次侧输出一直流电源；

一感应电路，具有一分压电路和一第一开关组件，该第一开关组件具有一控制接点，一输入接点和一输出接点，该输出接点接地，该分压电路耦合于该整流器的二次侧用以取得该二次侧的直流电源的直流分压，并将该直流分压连接至该第一开关组件的控制接点，当该直流分压小于该第一开关组件的导通电压时该第一开关组件关闭；

一控制开关电路，具有一第三电阻、一第一稽纳二极管和一第二开关组件，该第二开关组件具有一控制接点，一输入接点和一输出接点，该第三电阻的一端连接于该整流器的二次侧，该第三电阻的另一端连接于该第一开关组件的该输入接点和该第一稽纳二极管的阴极，该第一稽纳二极管的阳极接地，该第二开关组件的该控制接点连接该第一开关组件的该输入接点及该第一稽纳二极管的阴极，该第二开关组件的该输入接点连接该整流器的二次侧，而该第二开关组件的该输出接点连接于该直流电源输出端，并在该整流器二次侧的直流电源的直流电压低于一预设的参考电压时导通该第二开关组件，反之在该整流器的二次侧的直流电源的直流电压高于该预设的参考电压时，关闭该第二开关组件；以及

一稳压电容器，该稳压电容器的一端连接于该第二开关组件的该输出接点，该稳压电容器的另一端接地。

2、根据权利要求1所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该整流器可为桥式全波整流器。

3、根据权利要求1所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该整流器为可桥式半波整流器。

4、根据权利要求1所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该分压电路包括彼此串联的一第一电阻和一第二电阻，该第一电阻的一端连接于该整流器的二次侧，该第一电阻的另一端连接于该第二电阻和该第一开关组件的该控制接点，该第二电阻的一端连接于该第一电阻和该第一开关组件的该控制接点，该第二电阻的另一端接地。

5、根据权利要求4所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件和该第二开关组件为N型金氧半导体场效晶体管。

6、根据权利要求1所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，还包括有一第二稽纳二极管，该第二稽纳二极管的阴极连接该第一开关组件的该控制接点，该第二稽纳二极管的阳极接地，用以箝制施在该第一开关组件的电压位准。

7、根据权利要求6所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件为N型金氧半导体场效晶体管，该第二开关组件为为双极性晶体管。

8、根据权利要求1所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件和该第二开关组件为双极性晶体管。

9、根据权利要求8所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件与该分压电路之间还具有一第二稳压组件，用以保护该第一开关组件不会因为过大的交流输入电压而损坏。

10、根据权利要求1所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件为双极性晶体管，该第二开关组件为为N型金氧半导体场效晶体管，该第一开关组件与该分压电路之间还具有一第二稳压组件，用以保护该第一开关组件不会因为过大的交流输入电压而损坏。

11、一种以半导体工艺制成的积体化交直流转换器的取电电路，可将来自一交流电源的高电压的交流输入电压转换为低电压的直流输出电压，其特征在于，该取电电路包括有：

一整流器，该整流器的一次侧耦合连接于该交流电源，而在该整流器的二次侧输出一直流电源；

一感应电路，具有一分压电路和一第一开关组件，该第一开关组件具有一控制接点，一输入接点和一输出接点，该输出接点接地，该分压电路耦合于该整流器的二次侧用以取得该二次侧的直流电源的直流分压，并将该直流分压连接至该第一开关组件的控制接点，当该直流分压小于该第一开关组件的导通电压时该第一开关组件关闭；

一控制开关电路，具有一第三电阻、一第一稽纳二极管和一第二开关组件，该第二开关组件具有一控制接点，一输入接点和一输出接点，该第三电阻的一端连接于该整流器的二次侧，该第三电阻的另一端连接于该第一开关组件的该输入接点和该第一稽纳二极管的阴极，该第一稽纳二极管的阳极接地，该第二开关组件的该控制接点连接该第一开关组件的该输入接点及该第一稽纳二极管的阴极，该第二开关组件的该输入接点连接该整流器的二次侧，而该第二开关组件的该输出接点连接于该直流电源输出端，并在该整流器二次侧的直流电源的直流电压低于一预设的参考电压时导通该第二开关组件，反之在该整流器的二次侧的直流电源的直流电压高于该预设的参考电压时，关闭该第二开关组件；以及

一稳压电容器，该稳压电容器的一端连接于该第二开关组件的该输出接点，该稳压电容器的另一端接地。

12、根据权利要求11所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该整流器可为桥式全波整流器。

13、根据权利要求11所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该整流器为可桥式半波整流器。

14、根据权利要求11所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该分压电路包括彼此串联的一第一电阻和一第二电阻，该第一电阻的一端连接于该整流器的二次侧，该第一电阻的另一端连接于该第二电阻和该第一开关组件的该控制接点，该第二电阻的一端连接于该第一电阻和该第一开关组件的该控制接点，该第二电阻的另一端接地。

15、根据权利要求14所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件和该第二开关组件为N型金氧半导体场效晶体管。

16、根据权利要求11所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，还包括有一第二稽纳二极管，该第二稽纳二极管的阴极连接该第一开关组件的该控制接点，该第二稽纳二极管的阳极接地，用以箝制施在该第一开关组件的电压位准。

17、根据权利要求16所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件为N型金氧半导体场效晶体管，该第二开关组件为双极性晶体管。

18、根据权利要求11所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件和该第二开关组件为双极性晶体管。

19、根据权利要求18所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件与该分压电路之间还具有一第二稳压组件，用以保护该第一开关组件不会因为过大的交流输入电压而损坏。

20、根据权利要求11所述的交直流转换器的取电电路，其特征在于，该第一开关组件为双极性晶体管，该第二开关组件为为N型金氧半导体场效晶体管，该第一开关组件与该分压电路之间还具有一第二稳压组件，用以保护该第一开关组件不会因为过大的交流输入电压而损坏。

Images