CN103036453A - 降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，包含一整流器、一交换式直流转换单元、一输出单元与一微控制单元；该交换式直流转换单元具有一第一输出端与一主动开关，该输出单元具有一第二输出端，该第一、第二输出端构成一负载输出端，该微控制单元产生一第一脉宽调变信号控制该主动开关间歇地导通，以改善输入端的功率因子，微控制单元并产生一第二脉宽调变信号以控制该输出单元间歇地导通而调整负载输出端的电压；因负载输出端的电压是被微控制单元所控制，其波幅起伏较小，故该交换式直流转换单元中的电容可选用小容量的电容器。

Description

降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路
技术领域
本发明是有关一种交直流转换电路，特别是指降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路。
背景技术
请参考图8所示，是一交直流转换电路方块示意图，其包含有一整流器80、一交换式直流转换电路81与一功率因子校正器82。
该整流器80的输入端供连接至市电以接收交流电源ACin，其输出端可产生一全波电源。
该交换式直流转换电路81的输入端Vin连接该整流器80的输出端，输出端Vout可通过一直流转换电路83输出一电压供应给负载，交换式直流转换电路81以升压式(Boost)电路举例说明，若市电为220V的交流电，则交换式直流转换电路81可将其转换约为380V的直流电，再通过该直流转换电路83将其降压，例如降压到15V或5V等低电压，以供负载使用。其中，交换式直流转换电路81包含有一主动开关，且在输出端设有一滤波电容C。
该功率因子校正器82是电连接该交换式直流转换电路81的输入端、输出端与主动开关，对输入端的电压以及电流波形进行取样，并根据输入端的电压波形输出一脉宽调变信号至该主动开关，以控制该主动开关的导通时间，由此控制输入端的电流相位与电压相位驱于一致，以改善输入端的功率因子。
然而，因交换式直流转换电路81输出端的波幅起伏较大，故一般滤波电容C是采用高容量的电解电容，一般采用47～470微法拉的电解电容，但是电解电容是在高电压之下进行充、放电，在长时间使用之后，其内部电解液将逐渐蒸发，加速电容失去作用，因此电解电容寿命是导致产品效能降低的因素，举例而言，若负载是发光二极管，电解电容的寿命不及于发光二极管，以致于无法长时间驱动发光二极管发光；此外，高容量电解电容的体积较大，对于电路布局及体积缩小化会有困难，造成使用上的不便。
发明内容
因此本发明的主要目的是提供一种降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，避免使用大容量的电容，期以使用小容量的电容，除了延长电容的使用寿命，并使电路体积可再缩小化。
为达前揭目的，本发明所采用的技术手段是令该降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路包含有：
一整流器，其输入端连接交流电源；
一交换式直流转换单元，其输入端连接该整流器的输出端，该交换式直流转换单元包含有一主动开关，其输出端设有一电容，该电容的一端作为一第一输出端；
一输出单元，具有一第二输出端、一接地端与一控制端，该第二输出端与该第一输出端构成一负载输出端；
一微控制单元，电连接该交换式直流转换单元的输入端、输出端，并分别连接该主动开关以及该输出单元的控制端；
该微控制单元取样交换式直流转换单元的输入、输出端的电压与电流，并产生一第一脉宽调变信号，由该第一脉宽调变信号控制主动开关间歇地导通，使输入端的电流平均波形的相位追随输入端的电压波形相位；
该微控制单元取样交换式直流转换单元的输出端电压与电流，并产生一第二脉宽调变信号，以控制该输出单元间歇地导通，其中该第二脉宽调变信号的脉宽宽度是与该交换式直流转换单元的输出电压呈反比。
根据本发明电路，该第一输出端与第二输出端供连接一负载，通过该微控制单元控制该第二脉宽调变信号的脉宽宽度，可依负载需求而调整负载输出端的电压大小，并可降低其波幅起伏。相对于先前技术，因负载输出端的电压波幅起伏已经降低，故可选用较小容量的电容，小容量的电容可避免使用电解电容，而改采用薄膜电容，因而提高电容的使用寿命；此外，小容量电容的体积较小，故使本发明整体电路体积可更缩小化。综上所述，是使本发明电路效能获得改善。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的电路方块示意图；
图2为本发明较佳实施例的电路示意图；
图3为非隔离型负载电路示意图；
图4为本发明输出电压与脉宽宽度示意图；
图5为本发明较佳实施例输出端电压波形示意图；
图6为负载端将输出电压滤波后的波形示意图；
图7为本发明于混合式集成电路封装示意图；
图8为已知交直流转换电路方块示意图。
附图标记说明：10-整流器；11-直流稳压器；20-交换式直流转换单元；21-第一输出端；30-输出单元；31-第二输出端；40-微控制单元；41-驱动器；50-负载；51-发光二极管单元；60-高频噪声；70-电路板；71-接脚；72-包封层；80-整流器；81-交换式直流转换电路；82-功率因子校正器；83-直流转换电路。
具体实施方式
请参考图1与图2所示，是本发明一较佳实施例的电路示意图，该较佳实施例包含有一整流器10、一交换式直流转换单元20、一输出单元30与一微控制单元40。
该整流器10可为全桥整流器，其输入端连接交流电源VAC，以将交流电源VAC转换为一全波直流电，再由输出端输出该全波直流电。该整流器10的输出端可连接一直流稳压器11，用以产生一稳定的直流工作电压。
该交换式直流转换单元20具有一输入端Vin与一输出端Vout，其输入端Vin连接该全桥整流器10的输出端；该交换式直流转换单元20可为升压式(Boost)电路或降压式(Buck)电路，本较佳实施例是以升压式(Boost)电路举例说明，其包含有一电感L、一二极管D1、一主动开关Q4与一电容C6，该电感L、二极管D1与电容C6形成串接结构，该电感L的一端作为输入端Vin，该电容C6的一端作为输出端Vout与一第一输出端21，该主动开关Q4连接于该二极管D1的阳极端与一接地源之间，且具有一控制端，其中该主动开关Q4可为金氧半场效晶体管(MOSFET)，以栅极作为控制端。
该输出单元30具有一接地端、一第二输出端31与一控制端，该接地端连接至该接地源，该输出单元30可为场效晶体管(FET)，例如金氧半场效晶体管(MOSFET)或结型场效晶体管(JFET)；本实施例中，该输出单元30为一金氧半场效晶体管(MOSFET)，以漏极作为第二输出端31，源极作为接地端，栅极作为控制端。
该微控制单元40电连接该交换式直流转换单元20的输入端、输出端与主动开关Q4的控制端，以及该输出单元30的控制端与接地端，以分别输出脉宽调变信号至主动开关Q4与输出单元30，并分别取样该交换式直流转换单元20输入端Vin电压与输出端Vout电压的波形，以及分别取样流过主动开关Q4与输出单元30的电流波形。该微控制单元40可分别通过一驱动器41而电连接该主动开关Q4的控制端以及该输出单元30的控制端，经由驱动器41输出具有足够电压准位的脉宽调变信号，以驱使该主动开关Q4与该输出单元30动作；该微控制单元40与驱动器41是电连接该直流稳压器11，以接收直流工作电源。
本实施例中，该交换式直流转换单元20的输入端Vin设有一个由两电阻R1、R2串接构成的分压电路，由电阻R2反映输入端Vin的电压波形，该主动开关Q4与接地源之间设有一电阻R6，由电阻R6的端电压反映电感L电流；该交换式直流转换单元20的输出端Vout亦设有一分压电路，是由两电阻R8、R9串接构成，由电阻R9反映输出端Vout的电压波形，该输出单元30的接地端与接地源之间连接一电阻R10，由电阻R10的端电压反映电流大小。
该交换式直流转换单元20的第一输出端21与该输出单元30第二输出端31形成一负载输出端VL，供连接到一负载50，本实施例中是以发光二极管作为负载，其包含一发光二极管单元51；其中，如图2所示，是一隔离型负载，即在负载输出端VL与发光二极管单元51之间连接一变压器T，或如图3所示，发光二极管单元51直接连接至负载输出端VL。
该微控制单元40是根据所取样的交换式直流转换单元20的输入、输出端的电压与电流而产生一第一脉宽调变信号PWM1，其中以电感L电流反映交换式直流转换单元20输入端电流，该第一脉宽调变信号PWM1控制主动开关Q4间歇地导通，使电感L反复充、放电，致使电感L电流波形呈锯齿状，其中平均波形则等效于弦波波形；因此可控制第一脉宽调变信号PWM1的脉宽宽度D以使电感L电流平均波形的相位追随输入端Vin电压波形的相位，当电感的平均电流相位接近输入端Vin电压的相位时，使功率因子获得改善。
此外，该微控制单元40根据所取样交换式直流转换单元20的输出端Vout电压与输出单元30的电流产生一第二脉宽调变信号PWM2，由该第二脉宽调变信号PWM2控制该输出单元30间歇地导通，其中该第二脉宽调变信号PWM2的脉宽宽度D是与输出端Vout电压的波幅成反比关系，即D＝VS/Vout，VS是一内建于微控制单元40的预设输出电压。
承上述，请参考图4所示，是揭示取样的输出端Vout电压与第二脉宽调变信号PWM2的脉宽宽度D示意图，由图中可以见及，当输出端Vout电压的波幅越大，脉宽宽度D越小，反之，当输出端Vout电压的波幅越小，脉宽宽度D越大。因此，该输出单元30根据脉宽宽度D而导通，由负载输出端VL产生一平均电压Vave供负载50接收，平均电压Vave波形如图5所示，通过调整该脉宽宽度D的长短，使平均电压Vave是近似于预设输出电压VS；实际上平均电压Vave是包含有高频噪声60，请参考图2所示，可于负载50端并联一高频滤波电容Cf，经滤波的波形请参考图6所示，经滤波后在负载50端成为一稳定的直流电压VLoad。
又，该微控制单元40内建一电流上限值，若该微控制单元40判断所取样输出单元30的电流大于该电流上限值，代表负载50将接收过高的电流而有损坏的风险，此时该微控制单元40控制截止该输出单元30，停止电流通过负载50，是避免大电流损坏负载50。
综上所述，本发明是以数字式的微控制单元40精准地调控脉宽调变(PWM)信号的脉宽宽度以输出稳定的电压及改善功率因子，充分发挥数字控制电路的优势，是一般模拟控制电路无法达到。
当本发明的电路连接负载50后，由负载输出端VL所输出的电压已是相当稳定的直流电，其波形的起伏较小，因此，该交换式直流转换单元20中的电容C6可选用容量、体积较小的电容器，例如金属薄膜电容器，其电容值约为0.1～1微法拉，使本发明的体积可缩减。
本发明可以混合式集成电路(Hybrid Integrated Circuit，HIC)工艺封装，请参考图7所示，前述整流器10、直流稳压器11、分压电路、交换式直流转换单元20、输出单元30与微控制单元40整合为一电路板70，该电路板70上设有多个接脚71并电连接整流器10、交换式直流转换单元20、输出单元30与微控制单元40，该电路板70外部设有一包封层72，由包封层72包覆该电路板70，并使该多个接脚71外露于包封层72，通过包封层72保护各组件不受腐蚀、振动而影响效能，进而延长本发明的使用寿命。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，其包含有：
一整流器，其输入端连接交流电源；
一交换式直流转换单元，其输入端连接该整流器的输出端，该交换式直流转换单元包含有一主动开关，其输出端设有一电容，该电容的一端作为一第一输出端；
一输出单元，具有一第二输出端、一接地端与一控制端，该第二输出端与该第一输出端构成一负载输出端；
一微控制单元，电连接该交换式直流转换单元的输入端、输出端，并分别连接该主动开关以及该输出单元的控制端；
该微控制单元取样交换式直流转换单元的输入、输出端的电压与电流，并产生一第一脉宽调变信号，由该第一脉宽调变信号控制主动开关间歇地导通，使输入端的电流平均波形的相位追随输入端的电压波形相位；
该微控制单元取样交换式直流转换单元的输出端电压与电流，并产生一第二脉宽调变信号，以控制该输出单元间歇地导通，其中该第二脉宽调变信号的脉宽宽度是与该交换式直流转换单元的输出电压呈反比。
2.根据权利要求1所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该交换式直流转换单元中电容为金属薄膜电容。
3.根据权利要求1或2所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该微控制单元内建一电流上限值，若该微控制单元判断所取样输出单元的电流大于该电流上限值，是控制截止该输出单元。
4.根据权利要求1或2所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该微控制单元内建一预设输出电压Vs，该第二脉宽调变信号的脉宽宽度D与交换式直流转换单元的输出电压Vout的关系式为：D＝Vs/Vout。
5.根据权利要求3所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该微控制单元内建一预设输出电压Vs，该第二脉宽调变信号之脉宽宽度D与交换式直流转换单元的输出电压Vout的关系式为：D＝Vs/Vout。
6.根据权利要求1或2所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该交换式直流转换单元的输入端设有一分压电路，以反映输入端的电压；
该主动开关与接地源之间设有一电阻，由电阻的端电压反映输入端的电流；
该交换式直流转换单元的输出端设有一分压电路，以反映输出端的电压；
该输出单元的接地端与接地源之间连接一电阻，由电阻的端电压反映输出端的电流。
7.根据权利要求6所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该微控制单元分别通过一驱动器电连接该主动开关以及该输出单元的控制端。
8.根据权利要求7所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该微控制单元与驱动器是电连接一直流稳压器，该直流稳压器的输入端连接该整流器的输出端，以提供一直流工作电源。
9.根据权利要求8所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该交换式直流转换单元选自升压式电路或降压式电路。
10.根据权利要求1或2所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，该主动开关为一场效晶体管；
该输出单元为场效晶体管，以漏极作为第二输出端，源极作为接地端，栅极作为控制端。
11.根据权利要求1或2所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，前述整流器、交换式直流转换单元、输出单元与微控制单元整合为一电路板，该电路板上设有多个接脚并电连接整流器、交换式直流转换单元、输出单元与微控制单元，该电路板外部设有一包封层，该包封层包覆该电路板，该多个接脚外露于包封层。
12.根据权利要求5所述降低输出电压波幅起伏的交换式交直流转换电路，其特征在于，前述整流器、交换式直流转换单元、输出单元与微控制单元整合为一电路板，该电路板上设有多个接脚并电连接整流器、交换式直流转换单元、输出单元与微控制单元，该电路板外部设有一包封层，该包封层包覆该电路板，该多个接脚外露于包封层。
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