CN101820217B - 具有分散输入电流功能的电源转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种具有分散输入电流功能的电源转换电路，其利用第一电感、第二电感、第一开关电路以及第二开关电路的动作来产生输出电压，以改善公知电源转换电路因使用单一电感以及单一开关电路来产生输出电压所造成热能问题。此外，本发明的电源转换电路的控制电路控制第一开关电路以及第二开关电路交替导通，且控制第二开关电路在第一开关电路截止时接续导通，使得电源转换电路的交流输入电流分布不会过于集中，产生的谐波较小，且交流输入电流的相位实质上相等于交流输入电压，使得本发明的电源转换电路具有功率因数校正的功能。

Description

具有分散输入电流功能的电源转换电路

技术领域

本发明涉及一种电源转换电路，尤其涉及一种具有分散输入电流功能的电源转换电路。

背景技术

近年来随着科技的进步，具有各式各样不同功能的电子产品已逐渐被研发出来，这些具有各式各样不同功能的电子产品不但满足了各种不同需求的人，更融入每个人的日常生活，使得人们生活更为便利。

这些各式各样不同功能的电子产品由各种电子元件所组成，而每一个电子元件所需的电源电压不尽相同且多为直流电压，然而，现今的供电系统却是提供交流电压，为了提供适当的电压给每一个电子元件使其正常运行，因此这些电子产品需要通过电源转换电路将交流电压，例如一般的市电，转换为适当的电压给每一个电子元件使用。

请参阅图1，其为公知电源转换电路的电路结构示意图。如图1所示，公知电源转换电路1为降压型(BUCK)的电源转换电路，用以接收一交流输入电压V_IN，例如市电，并将其转换成一输出电压V_o。电源转换电路1包含整流电路11、高压驱动电路(bootstrap)12、控制电路13、开关电路14、反馈电路15、二极管D、电感L、电容C以及比流器CT。其中整流电路11用来对交流输入电压V_IN进行整流而输出一整流电压。开关电路14则由一开关元件Q来实现，且开关电路14的一端与整流电路11的输出端连接，而开关电路14的另一端则与高压驱动电路12连接，开关电路14受高压驱动电路12的驱动进行导通或截止。

比流器CT的检测端与开关电路14以及电感L连接，而比流器CT的输出端则与控制电路13及共接端连接，其用以当开关电路14导通时，检测流经开关电路14上的电流，进而输出一检测电流信号给控制电路13，电感L则与比流器CT的检测端以及电源转换电路1的输出端连接，其通过开关电路14的导通或截止而进行充电或放电，以产生输出电压V_o，电容C的一端与电感L以及电源转换电路1的输出端连接，而电容C的另一端则与共接端连接，电容C用以对电感L所产生的输出电压V_o滤波，二极管D的阴极端与电感L以及比流器CT连接，而二极管D的阳极端则连接于共接端，其用以构成一放电路径。

反馈电路15与电源转换电路1的输出端以及控制电路13连接，其用以根据输出电压V_o而输出一反馈信号给控制电路13。控制电路13则与高压驱动电路12、比流器CT的输出端以及反馈电路15连接，其用以传送控制信号给高压驱动电路12，以通过高压驱动电路12控制开关电路14的动作，同时控制电路13会依据比流器CT输出的检测电流信号来检测开关电路14是否有过电流的情况，以传送控制信号给高压驱动电路12来控制开关电路14截止，此外，控制电路13也会依据反馈电路15传来的反馈信号而控制开关电路14的占空比，以使输出电压V_o维持在一预定值以上。

虽然公知电源转换电路1确实可将其输入端所接收的电源作转换，然而因电源转换电路1的开关电路14连接于高压端，因此需要高压驱动电路12来驱动，由于高压驱动电路12的成本较高，因此造成电源转换电路1的工艺成本提高。再者，电源转换电路1在其输入端通常可包含一电磁干扰(Electromagnetic Interference；EMI)滤波电路(未图示)，以滤除谐波而减少电磁干扰，然而公知电源转换电路1在运行时，交流输入电流的电流分布过于集中，且电流峰值较高，因此会产生较大的谐波，故电源转换电路1相对地需要体积较大的电磁干扰滤波电路来滤除谐波，如此一来，电源转换电路1的工艺成本又会因为需要体积较大的电磁干扰滤波电路而再次提高，同时又因为交流输入电流的电流分布过于集中，将使得电源转换电路1的功率因数过低，输入的视在功率(apparent power)较大，相对地造成电源转换电路1中有过多的电能损失。

此外，由于公知电源转换电路1通过单一开关电路14及单一电感L的动作而产生输出电压V_o，因此当电源转换电路1所产生的输出电压V_o用来驱动高功率的电子产品时，相对地开关电路14以及电感L于电源转换电路1动作时便会产生较大的热能，如此一来，开关电路15以及电感L将可能因过热而发生故障，导致电源转换电路1无法正常运行。

因此，如何发展一种可改善上述公知技术缺陷的具有分散输入电流功能的电源转换电路，实为目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有分散输入电流功能的电源转换电路，以解决公知电源转换电路因需要高压驱动电路来驱动位于高压端的开关电路，使得工艺成本提高的缺陷。同时，解决公知电源转换电路因使用单一开关电路以及单一电感来产生输出电压，使得单一开关电路以及单一电感于电源转换电路动作时会产生较高的热能的缺陷。

此外，更解决公知电源转换电路因交流输入电流过于集中，使得功率因数过低，输入的视在功率(apparent power)较大，造成电源转换电路有过多的电能损失，以及因交流输入电流过于集中，其产生的谐波较大，使得电源转换电路需使用体积较大的电磁干扰滤波电路而提高了工艺成本等缺陷。

为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种具有分散输入电流功能的电源转换电路，用以于第一输出端以及第二输出端之间产生输出电压，其包含：电容，与第一输出端以及第二输出端连接；第一电感，与电容连接；第一开关电路，与第一电感及共接端连接；第一放电电路，与第一电感、第一开关电路以及第一输出端连接；第二电感，与电容及第一电感连接；第二开关电路，与第二电感及共接端连接；第二放电电路，与第二电感、第二开关电路以及第一输出端连接；以及控制电路，与第一开关电路以及第二开关电路连接，用以分别控制第一开关电路以及第二开关电路导通或截止，使第一电感以及第二电感充电或放电，而电源转换电路通过第一电感以及第二电感产生输出电压；其中，控制电路控制第一开关电路以及第二开关电路交替导通，且控制第二开关电路于第一开关电路截止时接续导通。

本发明的电源转换电路的交流输入电流会分散，使交流输入电流的暂态产生较小的峰值且分布不会过于集中，产生的谐波也较小，而交流输入电流的相位实质上相等于交流输入电压，使得本发明的电源转换电路具有功率因数校正的功能，同时，可使用体积较小的电磁干扰滤波电路来滤除谐波，进而减少电源转换电路的工艺成本。

附图说明

图1：其为公知电源转换电路的电路结构示意图。

图2：其为本发明优选实施例的具有分散输入电流功能的电源转换电路的电路结构示意图。

图3：其为图2所示的电源转换电路的电压、电流以及状态时序示意图。

图4：其为本发明的电源转换电路的另一优选实施例的电路结构示意图。

上述附图中的附图标记说明如下：

1、2：         电源转换电路

11、21：       整流电路

12：           高压驱动电路

13、26：       控制电路

14：           开关电路

15、27：       反馈电路

V_IN：          交流输入电压

CT：           比流器

L：            电感

C、C₁：        电容

D、D₁、D₂：    二极管

Q、Q₁、Q₂：    开关元件

V_o、V_o1：      输出电压

COM、COM1：    共接端

2a：           第一输出端

2b：           第二输出端

20：           滤波电路

22：           第一开关电路

22a、24a：     第一传导端

22b、24b：     第二传导端

23：           第一放电电路

24：           第二开关电路

25：           第二放电电路

28：        第一电流检测电阻

29：        第二电流检测电阻

L₁：        第一电感

L₂：        第二电感

N_c：        电流感应绕组

V_R：        整流电压

V_L1：       第一电感电流感应信号

V_FB：       反馈信号

I_L1：       第一电流

I_IN：       交流输入电流

R₁、R₂：    电阻

T₁～T₅：    时间

T_A、T_B：    导通时间

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆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。

请参阅图2，其为本发明优选实施例的具有分散输入电流功能的电源转换电路的电路结构示意图。如图所示，电源转换电路2为例如一降压型的电源转换电路，其用以于一第一输出端2a以及一第二输出端2b之间产生一输出电压V_o1。该电源转换电路2主要包含一电容C₁、一第一电感L₁、一第一开关电路22、一第一放电电路23、一第二电感L₂、一第二开关电路24、一第二放电电路25以及一控制电路26。其中电容C₁的一端与电源转换电路2的第二输出端2b、第一电感L₁的一端以及第二电感L2的一端连接。

第一电感L₁的一端与电容C1的一端以及电源转换电路2的第二输出端2b连接，而第一电感L1的另一端则与第一开关电路22的第一传导端22a以及第一放电电路23的一端连接。第一开关电路22的第一传导端22a与第一电感L₁的另一端以及第一放电电路23的一端连接，第一开关电路22的第二传导端22b与一共接端COM1连接，而第一开关电路22的控制端则与控制电路26连接，第一开关电路22受控制电路26的控制而导通或截止，使得第一电感L₁进行充电或放电的动作。第一放电电路23的一端连接于第一电感L₁以及第一开关电路22之间，第一放电电路23的另一端则与电源转换电路2的第一输出端2a连接，第一放电电路23用以提供第一电感L₁一放电路径。

第二电感L₂的一端与电容C₁的一端以及电源转换电路2的第二输出端2b连接，而第二电感L₂的另一端则与第二开关电路24的第一传导端24a以及第二放电电路25的一端连接。第二开关电路24的第一传导端24a与第二电感L₂的另一端以及第二放电电路25的一端连接，第二开关电路24的第二传导端24b与共接端COM1连接，而第二开关电路24的控制端则与控制电路26连接，第二开关电路24受控制电路26的控制而导通或截止，使得第二电感L2进行充电或放电的动作。第二放电电路25的一端连接于第二电感L2以及第二开关电路24之间，第二放电电路25的另一端则与电源转换电路2的第一输出端2a连接，第二放电电路25用以提供第二电感L2一放电路径。

控制电路26与第一开关电路22的控制端以及第二开关电路24的控制端连接，其用以输出例如一脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)控制信号来控制第一开关电路22以及第二开关电路24导通或截止，使得第一电感L₁及第二电感L₂分别随着第一开关电路22以及第二开关电路24的动作而进行充电或放电，以使电源转换电路2可通过第一开关电路22、第二开关电路24、第一电感L₁以及第二电感L₂的动作而于第一输出端2a以及第二输出端2b之间产生输出电压V_o1。而由于本发明的电源转换电路2通过第一开关电路22、第二开关电路24、第一电感L₁以及第二电感L₂的动作来产生输出电压V_o1，因此，本发明的第一开关电路22或第二开关电路24于电源转换电路2动作时所产生的热能便相对少于公知电源转换电路的单一开关电路所产生的热能，同样地，本发明的第一电感L₁或第二电感L₂所产生的热能同样少于公知电源转换电路的单一电感所产生的热能，如此一来，可减少第一开关电路22、第二开关电路24、第一电感L₁以及第二电感L₂因过热而产生故障的情况，进而提升电源转换电路2的产品品质。

在本实施例中，控制电路26控制第一开关电路22以及第二开关电路24交替导通，且控制电路26更控制第二开关电路24于第一开关电路22截止时接续导通，借此电源转换电路2所接收的输入电流，例如一交流输入电流I_IN，便可分散而不会过于集中。

在本实施例中，电源转换电路2还包含一反馈电路27，而第一电感L₁还包含一电流感应绕组N_c。其中，电流感应绕组N_c的一端连接于控制电路26以及反馈电路27，而电流感应绕组N_c的另一端则连接于共接端COM1，电流感应绕组N_c用以感应第一电感L₁的第一电流I_L1，并相对应地产生第一电感电流感应信号V_L1给控制电路26，使得当第一开关电路22截止而第一电感L₁的第一电流I_L1因第一电感L₁放电而为零以后，控制电路26可通过第一电感电流感应信号V_L1检测到第一电感L₁的第一电流I_L1为零而控制第一开关电路22再次导通。

反馈电路27的输入端与电流感应绕组N_c连接，反馈电路27的输出端与控制电路26连接，反馈电路27用以根据电流感应绕组N_c所产生的第一电感电流感应信号V_L1而相对应地产生一反馈信号V_FB给控制电路26，使得控制电路26依据反馈信号V_FB控制第一开关电路22的导通时间长度，又因为控制电路26控制第一开关电路22以及第二开关电路24的导通时间实质上相同，即控制电路26通过控制第一开关电路22的导通时间而连带控制第二开关电路26的导通时间，使得电源转换电路2通过第一开关电路22、第二开关电路24、第一电感L₁以及第二电感L2的动作所产生的输出电压V_o1可保持于一预定值以上。

在上述实施例中，电源转换电路2可为但不限于接收交流输入电压VIN，因此电源转换电路2相对的可包含一整流电路21，该整流电路21可为但不限于桥式整流电路，且其输入端接收交流输入电压VIN，而输出端则与电容C1的另一端以及电源转换电路2的第一输出端2a连接，整流电路21用以将其输入端所接收的交流输入电压VIN整流而于输出端产生一整流电压V_R。当然，在一些实施例中，本发明的电源转换电路2并非接收交流输入电压V_IN，所以本发明的电源转换电路2可以相对地不包含整流电路21。

以下将示范性地说明本发明的电源转换电路2的动作方式。请参阅图3并配合图2，其中图3为图2的电压、电流及状态时序示意图。如图所示，当电源转换电路2于时间T₁开始运行，而第一开关电路22受控制电路26的控制而开始导通时，电源转换电路2的交流输入电流I_IN便会对第一电感L₁充电，即第一电感L₁的第一电流I_L1会依序流经电容C₁、第一电感L₁、第一开关电路22而对第一电感L₁充电，因此第一电感L₁的第一电流I_L1的值会因充电而逐渐增加。

由于控制电路26依据反馈电路27传来的反馈信号VFB而控制第一开关电路22的导通时间，因此当由时间T₁经过了一段时间至时间T₂时，控制电路26便依据反馈信号V_FB而控制第一开关电路22由导通状态改变为截止状态，此时，第一电感L₁会通过第一放电电路23所提供的放电路径开始放电，使得第一电感L₁的第一电流I_L1的值开始下降，同时，由于控制电路26控制第二开关电路24于第一开关电路22截止时接续导通，因此第二开关电路24便于时间T₂开始导通，使得电源转换电路2的交流输入电流I_IN对第二电感L2充电，即第二电感L₂的第二电流I_L2会依序流经电容C₁、第二电感L₁、第二开关电路24而对第二电感L₂充电，因此第二电感L₂的第二电流I_L2的值会因充电而逐渐增加。

而在本实施例中，控制电路26可设定为控制第二开关电路24的导通时间以及第一开关电路22的导通时间实质上相等，因此当到达时间T₃，而第二开关电路24的导通时间长度T_B等于第一开关电路22的导通时间长度T_A时，控制电路26便控制第二开关电路24由导通状态改变为截止状态，此时第二电感L₂会通过第二放电电路25所提供的放电路径开始放电，因此第二电感L₂的第二电流I_L2的值便开始下降。当然，控制电路26并不局限于如上所述需设定为控制第二开关电路24以及第一开关电路22的导通时间实质上相等，可依据电源转换电路2的实际需求，例如第一电感L₁以及第二电感L₂的电感值等，而控制第二开关电路24的导通时间与第一开关电路22的导通时间其两者间的关系。

而当于时间T₄时，控制电路26通过第一电感电流感应信号V_L1检测到第一电感L₁的第一电流I_L1已下降至零，因此控制电路26便会控制第一开关电路22再次改变状态，即第一开关电路22会于第一电感L₁的第一电流I_L1为零后受控制电路26的控制而由截止状态改变为导通状态，因此第一电感L₁的第一电流I_L1便会因电源转换电路2的交流输入电流I_IN对第一电感L₁再次充电而开始逐渐上升。

请再参阅图3并配合图2，由于本实施例的电源转换电路2的控制电路26控制第一开关电路22以及第二开关电路24交替导通，并控制第二开关电路24于第一开关电路22截止时接续导通，因此本发明的电源转换电路2的交流输入电流I_IN会因第一开关电路22以及第二开关电路24的导通时间交替而分散，使交流输入电流I_IN的暂态相较于公知电源转换电路的交流输入电流的暂态会产生较小的峰值且分布不会过于集中，产生的谐波也较小，因此电源转换电路2便可设置体积较小的电磁干扰滤波电路20(如图4所示)来滤除谐波，进而减少工艺成本，此外，电源转换电路2的交流输入电流L_IN的包络线(envelop curve)，如图3所示的交流输入电流L_IN的虚线部分，也会相似于交流输入电压V_IN的波形，使得本发明的电源转换电路2具有功率因数校正的功能，如此一来，电源转换电路2于运行时的电能损失便较为减少。

在上述实施例中，电源转换电路2可为但不限于接收交流输入电压V_IN，因此电源转换电路2相对的包含一整流电路21，该整流电路21可为但不限于桥式整流电路，且其输入端接收交流输入电压V_IN，而输出端则与电容C₁的另一端以及电源转换电路2的第一输出端2a连接，整流电路21用以将其输入端所接收的一交流输入电压VI_N整流而于输出端产生一整流电压V_R。当然，在一些实施例中，本发明的电源转换电路2并非接收交流输入电压V_IN，所以本发明的电源转换电路2可以相对地不包含整流电路21。在上述实施例中，第一开关电路22以及第二开关电路24可分别由一开关元件Q₁、Q₂所实现，且开关元件Q₁、Q₂更可由金属氧化物半导体场效应晶体管(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)所构成，但不以此为限，也可由双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)所构成。至于第一放电电路23以及第二放电电路25则可分别由二极管D₁、D₂所实现，也不以此为限。

在其他实施例中，如图4所示，电源转换电路2更可具有一电磁干扰滤波电路20、第一电流检测电路28以及第二电流检测电路29，其中电磁干扰滤波电路20连接于整流电路21的输入端，其用以滤除谐波而减少电磁干扰。第一电流检测电路28串接于第一开关电路22以及共接端COM1之间，其用以检测流经第一开关电路22的电流，且根据流经第一开关电路22的电流而产生一第一检测电流信号并传送至控制电路26，以当流经第一开关电路22的电流有过电流的现象时，控制电路26可控制第一开关电路22截止。而第二电流检测电路29串接于第二开关电路24以及共接端COM1之间，其用以检测流经第二开关电路24的电流，且根据流经第二开关电路24的电流而产生一第二检测电流信号并传送至控制电路26，以当流经第二开关电路24的电流有过电流的现象时，控制电路26可控制第二开关电路24截止。而上述实施例中，第一电流检测电路28以及第二电流检测电路29可分别由一电阻R₁、R₂所实现，但不以此为限，也可为比流器。

综上所述，本发明的具有分散输入电流功能的电源转换电路因第一开关电路以及第二开关电路设置于低压侧，因此第一开关电路及第二开关电路无须通过一高压驱动电路驱动，故电源转换电路的工艺成本便可减少。此外，本发明的电源转换电路包含且利用第一电感、第二电感、第一开关电路以及第二开关电路来产生输出电压，因此第一电感与第二电感分别产生的热能及第一开关电路与第二开关电路分别产生的热能便会少于公知电源转换电路的单一电感以及单一开关电路，因此第一开关电路、第二开关电路、第一电感以及第二电感便可减少因过热而产生故障的状况，使得本发明的电源转换电路的产品品质提升。再者，由于本发明的控制电路控制第一开关电路以及第二开关电路交替导通，且控制第二开关电路于第一开关电路截止时接续导通，因此电源转换电路的交流输入电流会分散，使交流输入电流的暂态产生较小的峰值且分布不会过于集中，产生的谐波也较小，而交流输入电流的相位实质上相等于交流输入电压，使得本发明的电源转换电路具有功率因数校正的功能，同时，可使用体积较小的电磁干扰滤波电路来滤除谐波，进而减少电源转换电路的工艺成本。

本发明得由本领域的普通技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护的范围。

Claims (13)

1.一种具有分散输入电流功能的电源转换电路，用以在一第一输出端以及一第二输出端之间产生一输出电压，其包含：

一电容，其一端与该第一输出端连接，另一端与该第二输出端连接；

一第一电感，其一端与该电容的该另一端连接；

一第一开关电路，其一端与该第一电感的另一端连接，另一端与一共接端连接；

一第一放电电路，其一端连接在该第一电感的该另一端和该第一开关电路的该一端，另一端与该第一输出端连接；

一第二电感，其一端与该电容的该另一端及该第一电感的该一端连接；

一第二开关电路，其一端与该第二电感的该另一端连接，另一端与该共接端连接；

一第二放电电路，其一端连接在该第二电感的该另一端和该第二开关电路的该一端，另一端与该第一输出端连接；以及

一控制电路，与该第一开关电路以及该第二开关电路连接，用以分别控制该第一开关电路以及该第二开关电路导通或截止，使该第一电感以及该第二电感充电或放电，而该电源转换电路通过该第一电感以及该第二电感输出该输出电压；

其中，该控制电路控制该第一开关电路以及该第二开关电路交替导通，且控制该第二开关电路在该第一开关电路截止时接续导通。

2.如权利要求1所述的电源转换电路，其中该电源转换电路为降压型电源转换电路。

3.如权利要求1所述的电源转换电路，其中该第一开关电路以及该第二开关电路分别包含一开关元件。

4.如权利要求1所述的电源转换电路，其中该第一放电电路以及该第二放电电路分别包含一二极管。

5.如权利要求1所述的电源转换电路，还包含一整流电路，该整流电路的输出端连接该电容以及该电源转换电路的该第一输出端，用以将一交流输入电压整流而产生一整流电压。

6.如权利要求1所述的电源转换电路，还包含一电磁干扰滤波电路，其用以滤除谐波。

7.如权利要求1所述的电源转换电路，其中该控制电路控制该第一开关电路的导通时间相等于该第二开关电路的导通时间。

8.如权利要求1所述的电源转换电路，其中该第一电感还包含一电流感应绕组，与该控制电路以及该共接端连接，用以感应该第一电感的一第一电流，且依据该第一电流产生对应的一第一电感电流感应信号，以使该控制电路通过该第一电感电流感应信号控制该第一开关电路在该第一电流为零后开始导通。

9.如权利要求8所述的电源转换电路，还包含一反馈电路，该反馈电路与该电流感应绕组以及该控制电路连接，用以根据该第一电感电流感应信号产生相对应的一反馈信号给该控制电路，以使该控制电路控制该第一开关电路的导通时间。

10.如权利要求1所述的电源转换电路，还包含一第一电流检测电路，串接于该第一开关电路以及该共接端之间，用以检测流经该第一开关电路的电流而产生相对应的一第一检测电流信号给该控制电路，以使该控制电路在该第一开关电路过电流时控制该第一开关电路截止。

11.如权利要求10所述的电源转换电路，其中该第一电流检测电路包含一电阻。

12.如权利要求1所述的电源转换电路，还包含一第二电流检测电路，串接于该第二开关电路以及该共接端之间，用以检测流经该第二开关电路的电流而产生相对应的一第二检测电流信号给该控制电路，以使该控制电路在该第二开关电路过电流时控制该第二开关电路截止。

13.如权利要求12所述的电源转换电路，其中该第二电流检测电路包含一电阻。

Images