CN104201896A - 变压器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种变压器，包含第一开关、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一电流方向控制单元、第二电流方向控制单元及负载电容。该第一开关耦接于该第二绕组与该第三绕组之间；该第一绕组设于一次侧且耦接于输入电压端与第一地端之间；该第二绕组设于二次侧且耦接于第二地端与该第一开关之间；该第三绕组设于该二次侧；该第一电流方向控制单元耦接于该第二绕组与输出电压端之间；该第二电流方向控制单元耦接于该第三绕组与该输出电压端之间。当该变压器欲输出高电压，该第一开关导通以调整匝数比。

Description

变压器及其控制方法

技术领域

本发明是关于一种变压器，尤指一种可根据输出电压而调整变压器匝数比的变压器。

背景技术

变压器可将交流电源或直流电源，转换为特定范围的直流电源，故广泛应用于电子设备的电源供应领域，常见的变压器种类有返持式(flyback)，顺向式(forward)与推挽式(push-pull)等。图1为现有技术的变压器100的示意图。耦接于输入电源Vi的一次侧的绕组Ta(具有匝数Na)，与耦接于输出电压端Vo的二次侧的绕组Tb(具有匝数Nb)，两绕组有匝数比Na/Nb。绕组Ta通过开关S1由脉宽调变(pulse-width modulation，PWM)单元110输出的脉宽调变讯号Vp控制，其中脉宽调变讯号Vp有工作周期(duty cycle)，此工作周期的理想值通常为50％，然其为相关于匝数比Na/Nb与输出电压端Vo的输出电压，若匝数比不变，则当输出电压提高会通过回授电路控制脉宽调变电路110使工作周期升高，当输出电压降低会使工作周期缩降。

现有技术中，当输出电压改变，工作周期难以维持稳定。举例而言，当以输入电源Vi接收90V交流电，且输出电压端Vo为输出5V的直流电为条件，则可设计匝数比Na/Nb为例如48/3，以使工作周期为接近理想值的47.3％，然若采用此匝数比，则当输出电压端Vo调整为输出20V的较高的输出电压时，工作周期会升高到76.7％而过高，易发生震荡、过热、误动作等问题而不利于电路保护。在另一例中，当以输入电源Vi接收90V交流电，且输出电压端Vo是输出20V的直流电为条件，则可设计匝数比Na/Nb为例如48/10，以使工作周期为接近理想值的49.7％，然若采用此匝数比，当输出电压端Vo调整为输出5V的较低的输出电压时，工作周期会缩降到21.2％而过低，导致变压器的效率不佳。

鉴于上述，现有技术的变压器100，当输出电压需随应用调整改变时，工作周期难以保持在理想值，常有升至过高或缩降至过低的缺失。

因此，有必要设计一种新型的变压器，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压器及其控制方法，其能够在输出不同范围的输出电压时，保有稳定的工作周期。

为达到上述目的，本发明提供了一种变压器，包括第一绕组、第二绕组、第一电流方向控制单元、第三绕组、第二电流方向控制单元、第一开关及负载电容。第一绕组，设置于一次侧，具有第一匝数，该第一绕组包含第一端和第二端，该第一绕组的该第一端耦接于输入电压端，该第一绕组的该第二端耦接于第一地端；第二绕组，设置于二次侧，具有第二匝数，该第二绕组包含第一端和第二端，该第二绕组的该第二端耦接于第二地端；第一电流方向控制单元，包含第一端和第二端，该第一电流方向控制单元的该第一端耦接于该第二绕组的该第一端，该第一电流方向控制单元的该第二端耦接于输出电压端；第三绕组，设置于该二次侧，具有第三匝数，该第三绕组包含第一端和第二端；第二电流方向控制单元，包含第一端和第二端，该第二电流方向控制单元的该第一端耦接于该第三绕组的该第一端，该第二电流方向控制单元的该第二端耦接于该输出电压端；第一开关，包含第一端、第二端和控制端，该第一开关的该第一端耦接于该第三绕组的该第二端，该第一开关的该第二端耦接于该第二绕组的该第一端，该第一开关的该控制端用以接收第一开关控制讯号；以及，负载电容，包含第一端和第二端，该负载电容的该第一端耦接于该输出电压端，该负载电容的该第二端耦接于该第二地端。

较佳的，该第一电流方向控制单元为第一二极体，该第一电流方向控制单元的该第一端为该第一二极体的阳极，该第一电流方向控制单元的该第二端为该第一二极体的阴极；以及

该第二电流方向控制单元为第二二极体，该第二电流方向控制单元的该第一端为该第二二极体的阳极，该第一电流方向控制单元的该第二端为该第二二极体的阴极。

较佳的，当该第一开关截止时，第一电流从该第一电流方向控制单元的该第一端流至该第一电流方向控制单元的该第二端，以对该负载电容充电，并于该输出电压端产生低电压；

当该第一开关导通时，第二电流自该第二电流方向控制单元的该第一端流至该第一电流方向控制单元的该第二端，以对该负载电容充电，并于该输出电压端产生高电压。

较佳的，该变压器还包含，

第二开关，包含第一端、第二端和控制端，该第二开关的该第一端耦接于该第一绕组的该第二端，该第二开关的该第二端耦接于该第一地端；

脉宽调变单元，具有：

第一脚位，耦接于该第二开关的该控制端，用以输出脉宽调变讯号至该第二开关的该控制端，及

第二脚位，耦接于该第二开关的该第二端，以使该脉宽调变单元监测该第二开关的该第二端的电压准位；及

电阻，耦接于该第二开关的该第二端及该第一地端之间。

较佳的，该变压器还包含，

第四绕组，设置于该二次侧，具有第四匝数，该第四绕组包含第一端和第二端；

第三电流方向控制单元，包含第一端和第二端，该第三电流方向控制单元的该第一端耦接于该第四绕组的该第一端，该第三电流方向控制单元的该第二端耦接于该输出电压端；及

第三开关，包含第一端、第二端和控制端，该第三开关的该第一端耦接于该第四绕组的该第二端，该第三开关的该第二端耦接于该第一电流方向控制单元的该第一端，该第三开关的该控制端用以接收第三开关控制讯号。

较佳的，其中该第三电流方向控制单元为二极体，该第三电流方向控制单元的该第一端为该二极体的阳极，该第三电流方向控制单元的该第二端为该二极体的阴极。

较佳的，其中该第一绕组的极性与该第二绕组、该第三绕组及该第四绕组的极性相反。

为达上述目的，本发明还提供一种变压器控制方法，该变压器包含设置于一次侧的第一绕组，设置于二次侧的第二绕组，设置于该二次侧的第三绕组，及第一开关，该第一开关耦接于该第二绕组与该第三绕组之间，该方法包含：当该变压器欲输出低电压时，截止该第一开关，以使该第一绕组储存的能量通过该第二绕组输出而不通过该第三绕组输出；及，当该变压器欲输出第一高电压时，导通该第一开关，以使该第一绕组储存的能量通过该第二绕组及该第三绕组输出。

较佳的，该变压器还包含第四绕组和第三开关，该第四绕组设置于该二次侧，该第三开关耦接于该第二绕组与该第四绕组之间，该方法还包含：

当该变压器欲输出第二高电压时，导通该第三开关及截止该第一开关，以使该第一绕组储存的能量通过该第二绕组及该第四绕组输出，而不通过该第三绕组输出；

其中当该变压器欲输出该低电压时，该第三开关亦会被截止，以使该第一绕组储存的能量亦不通过该第四绕组输出；且当该变压器欲输出该第一高电压时，该第三开关亦会被截止，以使该第一绕组储存的能量不通过该第四绕组输出。

较佳的，其中该第一绕组的极性与该第二绕组、该第三绕组及该第四绕组的极性相反。

与现有技术相比，本发明提供的变压器及其控制方法，不再因调整输出电压的位准而牺牲脉宽调变讯号VPWM工作周期的稳定度，而可通过调整二次侧的绕组的匝数以使工作周期保持近似于理想值，避免效率不佳或震荡、过热、误动作等问题。

附图说明

图1为现有技术的变压器的示意图。

图2为本发明实施例中变压器的示意图。

图3为本发明实施例中输出电压端输出低电压的控制示意图。

图4为本发明实施例中输出电压端输出高电压的控制示意图。

图5为图2的变压器的控制方法流程图。

图6为本发明另一实施例中变压器的示意图。

图7为图6的变压器的控制方法流程图。

具体实施方式

图2为本发明实施例中变压器200的示意图。变压器200包含第一绕组T1，第二绕组T21，第一电流方向控制单元D21，第三绕组T22，第二电流方向控制单元D22，第一开关SW1及负载电容C1。该第一绕组T1，设置于该变压器200的一次侧，具有第一匝数n1，该第一绕组T1包含第一端T1a，耦接于输入电压端V_IN，及第二端T1b，耦接于第一地端GND1。该第二绕组T21，设置于该变压器200的二次侧，具有第二匝数n21，该第二绕组T21包含第一端T21a，及第二端T21b，耦接于第二地端GND2。该第一电流方向控制单元D21，包含第一端D21a，耦接于该第二绕组T21的第一端T21a，及第二端D21b，耦接于输出电压端V_OUT。该第三绕组T22，亦设置于二次侧，具有第三匝数n22，该第三绕组T22包含第一端T22a，及第二端T22b。该第二电流方向控制单元D22，包含第一端D22a，耦接于该第三绕组T22的该第一端T22a，及第二端D22b，耦接于该输出电压端V_OUT。该第一开关SW1，包含第一端SW1a，耦接于该第三绕组T22的第二端该T22b，第二端SW1b，耦接于该第二绕组T21的该第一端T21a，及控制端SW1c，用以接收第一开关控制讯号V1。负载电容C1，耦接于该输出电压端V_OUT和该第二地端GND2之间。

图2的变压器200亦包含第二开关SWp与脉宽调变单元PWM，该第二开关SWp具有第一端SWpa，耦接于该第一绕组T1的该第二端T1b，第二端SWpb，耦接于该第一地端GND1，及控制端SWpc。该脉宽调变单元PWM具有第一脚位pin1，耦接于该控制端SWpc，用以输出脉宽调变讯号V_PWM以控制该第二开关SWp，及第二脚位pin2，耦接于该第二端SWpb，以使脉宽调变单元PWM监测该第二端SWpb的电压准位；及电阻R_OCP，耦接于该第二端SWpb及该第一地端GND1之间。其中该第一地端GND1与该第二地端GND2不可为同一地端。

本发明一实施例中，上述的输入电压端V_IN为用以接收90V交流电，该第一绕组T1的该第一匝数n1可例如为48，该第二绕组T21的该第二匝数n21可例如为3，该第三绕组T22的该第三匝数n22可例如为7。图3与图4为本发明实施例中该输出电压端V_OUT分别为输出低电压与高电压的控制示意图。

如图3所示，当使用者欲于该输出电压端V_OUT输出低电压(例如为5V)，则通过该控制端SW1c以该第一开关控制讯号V1将该第一开关SW1截止，以使第一电流I1从该第一电流方向控制单元D21的该第一端D21a流到该第二端D21b，以对该负载电容C1充电，并于该输出电压端V_OUT产生一低电压(例如为5V)，由于该第一开关SW1为截止，故该第三绕组T22及该第二电流方向控制单元D22均无作用，此时该变压器200的一次侧与二次侧的匝数比，即为该第一匝数n1(此例中为48)与该第二匝数n21(此例中为3)的比值，即48/3，故该脉宽调变单元PWM输出的该脉宽调变讯号V_PWM具有对应于匝数比(48/3)和输出电压(5V)的工作周期，其为47.3％，接近理想值(50％)。

如图4所示，当使用者欲在该输出电压端V_OUT输出高电压(例如为20V)，则通过该控制端SW1c以该第一开关控制讯号V1将该第一开关SW1导通，以使第二电流I2从该第二电流方向控制单元D22的该第一端D22a流到该第二端D22b，以对该负载电容C1充电，并在该输出电压端V_OUT产生高电压(例如为20V)。由于该第一开关SW1此时为导通，故该第一电流方向控制单元D21的该第一端D21a为对应于该第二绕组T21的该第二匝数n21(本例中为3)，且该第二端D21b为对应于该第二绕组T21的该第二匝数n21与该第三绕组T22的该第三匝数n22(本例中为7)之和(亦即3+7＝10)，故该第二端D21b的电位高于该第一端D21a的电位，形成逆偏，使该第一电流方向控制单元D21无电流流过而无作用。此时该变压器200的一次侧与二次侧的匝数比，为该第一匝数n1(此例中为48)与该第二匝数n21及该第三匝数n22之和(此例中为10)的比值，即48/10，故该脉宽调变单元PWM输出的该脉宽调变讯号V_PWM具有对应于匝数比(48/10)和输出电压(20V)的工作周期，其为49.7％，亦接近理想值(50％)。

表格α为说明当使用者欲输出高电压与低电压时，变压器200的设定：

(表格α)

图5为图2的变压器200的控制方法500流程图，包含下列步骤：

步骤510：开始；

步骤520：变压器200的输出电压端V_OUT欲输出高电压或低电压？若为低电压，进入步骤530；若为高电压，进入步骤540；

步骤530：截止第一开关SW1，以使第一绕组T1储存的能量通过第二绕组T21输出而不通过该第三绕组T22输出，在输出电压端V_OUT输出低电压；进入步骤550；

步骤540：导通第一开关SW1，以使第一绕组T1储存的能量通过第二绕组T21及第三绕组T22输出，在输出电压端V_OUT输出高电压；进入步骤550；

步骤550：结束。

上述的第一电流方向控制单元D21可为(但不限于)二极体，其第一端D21a为该二极体的阳极，且第二端D21b为该二极体的阴极。第二电流方向控制单元D22亦可为(但不限于)二极体，其第一端D22a为该二极体的阳极，且第二端D22b为该二极体的阴极。该第一电流方向控制单元D21与该第二电流方向控制单元D22亦可为二极体串，或其他可控制电流方向的控制单元。

图6为本发明另一实施例中变压器300的示意图。该变压器300同于图2的该变压器200，亦包含第一绕组T1(具第一匝数n1)，第二绕组T21(具第二匝数n21)，第三绕组T22(具第三匝数n22)，第一开关SW1，第一电流方向控制单元D21，第二电流方向控制单元D22，负载电容C1，第二开关SWp，脉宽调变单元PWM及电阻R_OCP，其耦接关系与运作原理不再赘述。该变压器300另包含设置于二次侧的第四绕组T23(具有第四匝数n23，第一端T23a，第二端T23b)，第三电流方向控制单元D23(具有第一端D23a耦接该第一端T23a，及第二端D23b耦接于该输出电压端V_OUT)，及第三开关SW2(具有第一端SW2a耦接于该第二端T23b，第二端SW2b耦接于该第一电流方向控制单元D21的该第一端D21a，及控制端SW2c，用以接收第三开关控制讯号V2)。该变压器300相较于该变压器200，因更包含该第四绕组T23、该第三开关SW2与该第三电流方向控制单元D23，故可输出低电压(例如5V)及第一高电压(例如20V)与第二高电压(例如12V)两种高电压。

图7为图6的变压器300的控制方法700流程图，包含下列步骤：

710：开始；

步骤720：变压器300的输出电压端V_OUT欲输出低电压、第一高电压或第二高电压？若为低电压，进入步骤730；若为第一高电压，进入步骤740；若为第二高电压，进入步骤750；

步骤730：截止第一开关SW1与第三开关SW2，以使第一绕组T1储存的能量只通过第二绕组T21输出而不通过第三绕组T22与第四绕组T23输出，在输出电压端V_OUT输出低电压；进入步骤780；

步骤740：导通第一开关SW1，截止第三开关SW2，以使第一绕组T1储存的能量只通过第二绕组T21与第三绕组T22输出而不通过第四绕组T23输出，在输出电压端V_OUT输出第一高电压；进入步骤780；

步骤750：导通第三开关SW2，截止第一开关SW1，以使第一绕组T1储存的能量只通过第二绕组T21与第四绕组T23输出而不通过第三绕组T22输出，在输出电压端V_OUT输出第二高电压；进入步骤780；

步骤780：结束。

上述实施例的第四匝数n23可例如为5，下列表格β为说明当使用者欲输出低电压、第一高电压、第二高电压时，变压器300的设定：

(表格β，其中工作周期的理想值为50％))

步骤730与步骤740原理同于图5的步骤530与步骤540，不另赘述。步骤750中，因该第一开关SW1截止，故该第三绕组T22无作用，该第一电流方向控制单元D21亦因逆偏而不导通，该变压器300二次侧的匝数为该第二匝数n21与该第四匝数n23之和，于此例中为3+5＝8，故该变压器300的匝数比为48/8，对应于匝数比48/8与输出电压为该第二高电压12V的该脉宽调变讯号V_PWM的工作周期为48.5％，可接近理想值。

该第三电流方向控制单元D23可为(但不限于)二极体，其该第一端D23a可为该二极体的阳极，该第二端D23b可为该二极体的阴极，该第三电流方向控制单元D23亦可为二极体串或其他可用以控制电流方向的控制单元。图2与图6中，位于一次侧和二次侧的绕组具有相异的极性方向，故该第一绕组T1的极性与该第二绕组T21、该第三绕组T22及该第四绕组T23的极性相反。

由于本发明的变压器的一次侧的绕组(如图2的该第一绕组T1)与二次侧的绕组(如图2该第三绕组T22)其上的波形有正半波形与负半波形，故上述的第一开关SW1、第二开关SWp及第三开关SW2等开关元件，应为可支援正负半波形均可通过的开关元件，根据本发明的实施例，其可为(但不限于)继电器，研发者应选用适宜种类的开关元件，以使变压器正常运作。

经采用本发明实施例揭露的该变压器200与该变压器300，及其控制方法500与控制方法700，变压器不再因调整输出电压的位准而牺牲脉宽调变讯号V_PWM的工作周期的稳定度，而可通过调整二次侧的绕组的匝数以使工作周期保持近似于理想值，避免效率不佳或震荡、过热、误动作等问题。综上所言，本发明揭露的变压器及其控制方法，对于改善现有技术的缺失，实有显著的助益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种变压器，其特征在于，包含，

第一绕组，设置于一次侧，具有第一匝数，该第一绕组包含第一端和第二端，该第一绕组的该第一端耦接于输入电压端，该第一绕组的该第二端耦接于第一地端；

第二绕组，设置于二次侧，具有第二匝数，该第二绕组包含第一端和第二端，该第二绕组的该第二端耦接于第二地端；

第一电流方向控制单元，包含第一端和第二端，该第一电流方向控制单元的该第一端耦接于该第二绕组的该第一端，该第一电流方向控制单元的该第二端耦接于输出电压端；

第三绕组，设置于该二次侧，具有第三匝数，该第三绕组包含第一端和第二端；

第二电流方向控制单元，包含第一端和第二端，该第二电流方向控制单元的该第一端耦接于该第三绕组的该第一端，该第二电流方向控制单元的该第二端耦接于该输出电压端；

第一开关，包含第一端、第二端和控制端，该第一开关的该第一端耦接于该第三绕组的该第二端，该第一开关的该第二端耦接于该第二绕组的该第一端，该第一开关的该控制端用以接收第一开关控制讯号；以及

负载电容，包含第一端和第二端，该负载电容的该第一端耦接于该输出电压端，该负载电容的该第二端耦接于该第二地端。

2.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，其中，

该第一电流方向控制单元为第一二极体，该第一电流方向控制单元的该第一端为该第一二极体的阳极，该第一电流方向控制单元的该第二端为该第一二极体的阴极；以及

该第二电流方向控制单元为第二二极体，该第二电流方向控制单元的该第一端为该第二二极体的阳极，该第一电流方向控制单元的该第二端为该第二二极体的阴极。

3.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，其中，

当该第一开关截止时，第一电流从该第一电流方向控制单元的该第一端流至该第一电流方向控制单元的该第二端，以对该负载电容充电，并于该输出电压端产生低电压；

当该第一开关导通时，第二电流自该第二电流方向控制单元的该第一端流至该第一电流方向控制单元的该第二端，以对该负载电容充电，并于该输出电压端产生高电压。

4.如权利要求1所述的变压器，其特征在于还包含，

第二开关，包含第一端、第二端和控制端，该第二开关的该第一端耦接于该第一绕组的该第二端，该第二开关的该第二端耦接于该第一地端；

脉宽调变单元，具有：

第一脚位，耦接于该第二开关的该控制端，用以输出脉宽调变讯号至该第二开关的该控制端，及

第二脚位，耦接于该第二开关的该第二端，以使该脉宽调变单元监测该第二开关的该第二端的电压准位；及

电阻，耦接于该第二开关的该第二端及该第一地端之间。

5.如权利要求1所述的变压器，其特征在于还包含，

第四绕组，设置于该二次侧，具有第四匝数，该第四绕组包含第一端和第二端；

第三电流方向控制单元，包含第一端和第二端，该第三电流方向控制单元的该第一端耦接于该第四绕组的该第一端，该第三电流方向控制单元的该第二端耦接于该输出电压端；及

第三开关，包含第一端、第二端和控制端，该第三开关的该第一端耦接于该第四绕组的该第二端，该第三开关的该第二端耦接于该第一电流方向控制单元的该第一端，该第三开关的该控制端用以接收第三开关控制讯号。

6.如权利要求5所述的变压器，其特征在于，其中该第三电流方向控制单元为二极体，该第三电流方向控制单元的该第一端为该二极体的阳极，该第三电流方向控制单元的该第二端为该二极体的阴极。

7.如权利要求5所述的变压器，其特征在于，其中该第一绕组的极性与该第二绕组、该第三绕组及该第四绕组的极性相反。

8.一种变压器控制方法，其特征在于，该变压器包含设置于一次侧的第一绕组，设置于二次侧的第二绕组，设置于该二次侧的第三绕组，及第一开关，该第一开关耦接于该第二绕组与该第三绕组之间，该方法包含：

当该变压器欲输出低电压时，截止该第一开关，以使该第一绕组储存的能量通过该第二绕组输出而不通过该第三绕组输出；及

当该变压器欲输出第一高电压时，导通该第一开关，以使该第一绕组储存的能量通过该第二绕组及该第三绕组输出。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，该变压器还包含第四绕组和第三开关，该第四绕组设置于该二次侧，该第三开关耦接于该第二绕组与该第四绕组之间，该方法还包含：

当该变压器欲输出第二高电压时，导通该第三开关及截止该第一开关，以使该第一绕组储存的能量通过该第二绕组及该第四绕组输出，而不通过该第三绕组输出；

其中当该变压器欲输出该低电压时，该第三开关亦会被截止，以使该第一绕组储存的能量亦不通过该第四绕组输出；且当该变压器欲输出该第一高电压时，该第三开关亦会被截止，以使该第一绕组储存的能量不通过该第四绕组输出。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，其中该第一绕组的极性与该第二绕组、该第三绕组及该第四绕组的极性相反。