CN108880292B - 电源转换电路 - Google Patents

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Abstract

一种电源转换电路，适用于电连接一交流电源，该电源转换电路包含一整流单元、一开关元件及一电容器；整流单元包括一直流输出端，整流单元将一来自交流电源的交流电压转换为一第一脉动直流电压且输出于直流输出端；开关元件包括一电连接整流单元的直流输出端的第一端、一第二端，及一控制端，控制端能控制该开关元件的第一端及第二端之间导通或不导通；电容器包括一电连接开关元件的第二端的正极端，及一接地的负极端；当开关元件的第一端及第二端彼此导通时，第一脉动直流电压经由开关元件传递至电容器，并形成一充电电流对电容器充电，以使电容器的正极端及负极端之间形成一电源直流电压,以达到较佳的转换效率及成本、体积上的优势。

Description

电源转换电路
技术领域
本发明涉及一种电源转换电路，特别是涉及一种将一交流电压转换为一直流电压的电源转换电路。
背景技术
近年来，随着工业的发展及科技的进步，「环保」也成为全世界共同关心的议题，因此，「节能」更是现代电子产品在研发设计时不可或缺的一环。
现有的电源转换电路以将交流电压转换为直流电压为目的，且可被分为线性稳压器(Linear regulator)及切换式电源供应器(Switching Power Supply)两种。一般的线性稳压器大多包含一主动开关，譬如为一双极性接面三极管(Bipolar.JunctionTransistor，BJT)，然而，该主动开关需被控制在主动区(Active Region)才能达成稳压的功能，因此转换效率不佳，而切换式电源供应器虽然有着较佳的转换效率，但对于小型的电子产品而言，切换式电源供应器的电路复杂且成本高昂，并不适合低瓦特数的应用，因此，本发明便以结合两者的优势为目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种效率佳且节省成本的电源转换电路。
本发明电源转换电路适用于电连接一交流电源，其特征在于：该电源转换电路包含一整流单元、一开关元件，及一电容器。该整流单元包括一电连接该交流电源的交流输入端，及一直流输出端，该整流单元的该交流输入端接收来自该交流电源的一交流电压，该整流单元将该交流电压转换为一第一脉动直流电压，且将该第一脉动直流电压输出于该直流输出端；该开关元件包括一电连接该整流单元的直流输出端的第一端、一第二端，及一控制端，该控制端根据一脉波宽度调变信号控制该开关元件的该第一端及该第二端之间导通或不导通；该电容器包括一电连接该开关元件的该第二端的正极端，及一接地的负极端；当该开关元件的该第一端及该第二端受该控制端控制而彼此导通时，该第一脉动直流电压经由该开关元件的该第一端及该第二端传递至该电容器的该正极端，并形成一充电电流对该电容器充电，以使该电容器的该正极端及该负极端之间形成一电源直流电压。
在一些实施态样中，该电源转换电路还包含一电连接该开关元件的比较器，该比较器包括一第一比较输入端、一第二比较输入端，及一电连接该开关元件的该控制端的比较输出端，该比较器的该第一比较输入端及该第二比较输入端分别接收一误差直流电压及一第二脉动直流电压，该第二脉动直流电压是该第一脉动直流电压的m倍，m大于0且小于1，该比较器根据该误差直流电压及该第二脉动直流电压之间的一比较结果而产生该脉波宽度调变信号，且将该脉波宽度调变信号输出于该比较输出端，该脉波宽度调变信号的占空比相关于该比较结果。
在一些实施态样中，该电源转换电路还包含一电连接于该整流单元的该直流输出端及该比较器的该第二比较输入端之间的第一分压电阻器，及一电连接于该比较器的该第二比较输入端及地之间的第二分压电阻器，该第一脉动直流电压经过该第一分压电阻器及该第二分压电阻器分压后产生该第二脉动直流电压。
在一些实施态样中，该电源转换电路还包含一电连接该比较器的放大器单元，该放大器单元包括一第一误差输入端、一第二误差输入端，及一电连接该比较器的该第一比较输入端的误差输出端，该放大器单元的该第一误差输入端及该第二误差输入端分别接收一参考直流电压及一实际直流电压，该放大器单元将该参考直流电压及该实际直流电压之间的一差值乘以一预定倍率而产生该误差直流电压，且将该误差直流电压输出于该误差输出端，该实际直流电压是该电源直流电压的n倍，n大于0且小于1。
在一些实施态样中，该放大器单元具有一放大器、一第一放大电阻器，及一第二放大电阻器，该放大器具有一正连接端、一负连接端，及一放大输出端，该正连接端电连接该第一误差输入端，该放大输出端电连接该误差输出端，该第一放大电阻器电连接于该放大输出端及该负连接端之间，该第二放大电阻器电连接于该负连接端及该第二误差输入端之间，该预定倍率是相关于该第一放大电阻器与该第二放大电阻器的比值。
在一些实施态样中，该电源转换电路还包含一电连接于该电容器的该正极端及该放大器单元的该第二误差输入端之间的第三分压电阻器，及一电连接于该放大器单元的该第二误差输入端及地之间的第四分压电阻器，该电源直流电压经过该第三分压电阻器及该第四分压电阻器分压后产生该实际直流电压。
本发明有益的效果在于：该开关元件仅用于传递该第一脉动直流电压而非用于降压，换句话说，该开关元件几乎不消耗功率，因此本发明相较于现有的线性稳压器能有较佳的转换效率，此外，本发明的元件数量少于现有的切换式电源供应器，因此也具有成本及体积上的优势。
附图说明
图1是本发明电源转换电路的一第一实施例的一电路图；
图2是该第一实施例的一波形图；
图3是本发明电源转换电路的一第二实施例的一电路图；
图4是该第二实施例的一波形图；及
图5是本发明电源转换电路的一第三实施例的一电路图。
具体实施方式
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的器件是以相同的编号来表示，下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1及图2，本发明电源转换电路之一第一实施例适用于电连接一交流电源9，该电源转换电路包含一整流单元1、一开关元件2、一电容器3、一放大器单元4、一比较器5、一第一分压电阻器R1、一第二分压电阻器R2、一第三分压电阻器R3，以及一第四分压电阻器R4。
该整流单元1包括一电连接该交流电源9的交流输入端11，及一直流输出端12，该整流单元1的该交流输入端11接收来自该交流电源9的一交流电压Vac，该整流单元1将该交流电压Vac转换为一第一脉动直流电压Vdc，且将该第一脉动直流电压Vdc输出于该直流输出端12。该交流电源9可譬如为一市电(Commercial Power)，则该交流电压Vac如图2所示的为一正弦波(Sine Wave)电压，在本实施例中，该整流单元1是如图1所示的采用半波整流的方式对该交流电压Vac进行整流，但不在此限。
该开关元件2包括一电连接该整流单元1的该直流输出端12的第一端21、一第二端22，及一控制端23，该控制端23根据一脉波宽度调变信号Vpwm控制该开关元件2的该第一端21及该第二端22之间导通或不导通。在本实施中，该开关元件2为一双极接面三极管(Bipolar Junction Transistor，BJT)，值得注意的是：该开关元件2的该第一端21(即双极接面三极管的集极(Collector)端)及该第二端22(即双极接面三极管的射极(Emitter)端)之间导通时，该双极接面三极管是操作在饱和区(Saturation Region)，也就是说，该第一端21及该第二端22之间的电压非常小(通常在0.2伏特左右)，也就是说，即使有电流流过该开关元件2，其本身消耗的功率也非常小，因此，与一般的线性稳压器将双极接面三极管操作在主动区(Active Region)相比，本发明能有较佳的转换效率。补充说明的是：在其他实施例中，该开关元件也可譬如为一金属氧化物半导体场效三极管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，而不以本实施例为限。
该电容器3包括一电连接该开关元件2的该第二端22的正极端31，及一接地的负极端32，该电容器3是作为一滤波器(Filter)用以对该第一脉动直流电压Vdc进行滤波。
当该开关元件2的该第一端21及该第二端22受该控制端23控制而彼此导通时，该第一脉动直流电压Vdc经由该开关元件2的该第一端21及该第二端22传递至该电容器3的该正极端31，并形成一充电电流Ich对该电容器3充电，以使该电容器3的该正极端31及该负极端32之间形成一电源直流电压Vcc，该电源直流电压Vcc可为例如一集成电路(IC)的系统提供电能。
本发明电源转换电路是采用闭回路的控制模式，也就是说，虽然该电源直流电压Vcc的平均值是受该脉波宽度调变信号Vpwm影响，但该脉波宽度调变信号Vpwm也会受一相关于该电源直流电压Vcc的回授信号影响，换句话说，该脉波宽度调变信号Vpwm会使该电源直流电压Vcc维持在一固定的平均值，但若该电源直流电压Vcc因譬如负载条件变化等外在因素而导致该平均值偏离时，该脉波宽度调变信号Vpwm本身会根据电源直流电压Vcc的偏离状况做出调整，以将该电源直流电压Vcc校正。以下针对该脉波宽度调变信号Vpwm的产生及作动方式详细说明。
该放大器单元4包括一正误差输入端41、一负误差输入端42、一误差输出端43、一放大器44、一第一放大电阻器Ra，及一第二放大电阻器Rb，该放大器44具有一正连接端441、一负连接端442，及一放大输出端443，该放大器44的该正连接端441电连接该正误差输入端41，该放大器44的该放大输出端443电连接该误差输出端43，该第一放大电阻器Ra电连接于该放大器44的该放大输出端443及该负连接端442之间，该第二放大电阻器Rb电连接于该放大器44的该负连接端442及该负误差输入端42之间。
在本实施例中，该第三分压电阻器R3电连接于该电容器3的正极端31及该放大器单元4的负误差输入端42之间，该第四分压电阻器R4电连接于该放大器单元4的负误差输入端42及地之间，该电源直流电压Vcc经过该第三分压电阻器R3及该第四分压电阻器R4分压后产生一实际直流电压Vcc’作为回授信号。该放大器单元4的负误差输入端42接收该实际直流电压Vcc’，该放大器单元4的该正误差输入端41接收一参考直流电压Vref，该放大器单元4将该参考直流电压Vref及该实际直流电压Vcc’之间的一差值乘以一预定倍率而产生一误差直流电压Verr，且将该误差直流电压Verr输出于该误差输出端43，该预定倍率是相关于该第一放大电阻器Ra与该第二放大电阻器Rb的比值，更具体地说，该预定倍率等于该第一放大电阻器Ra的电阻值除以该第二放大电阻器Rb的电阻值。具体而言，该参考直流电压Vref是代表该电源直流电压Vcc经过该第三分压电阻器R3及该第四分压电阻器R4分压后的目标值，换句话说，该误差直流电压Verr愈小，代表该实际直流电压Vcc’愈接近该参考直流电压Vref，也代表该电源直流电压Vcc愈接近其本身的预设值。
该比较器5包括一正比较输入端51、一负比较输入端52，及一电连接该开关元件2的该控制端23的比较输出端53，在本实施例中，该第一分压电阻器R1电连接于该整流单元1的该直流输出端12及该比较器5的负比较输入端52之间，该第二分压电阻器R2电连接于该比较器5的负比较输入端52及地之间，该第一脉动直流电压Vdc经过该第一分压电阻器R1及该第二分压电阻器R2分压后产生一第二脉动直流电压Vdc’。该比较器5的负比较输入端52接收该第二脉动直流电压Vdc’，该比较器5的该正比较输入端51电连接该放大器单元4的该误差输出端43以接收该误差直流电压Verr，该比较器5根据该误差直流电压Verr及该第二脉动直流电压Vdc’之间的一大小关系而产生相关于该大小关系的该脉波宽度调变信号Vpwm，且将该脉波宽度调变信号Vpwm输出于该比较输出端53，具体而言，如图2所示的，当该误差直流电压Verr大于该第二脉动直流电压Vdc’时，该比较器5输出为高态，此时该开关元件2的控制端23控制该开关元件2的第一端21及第二端22之间导通，使该第一脉动直流电压Vdc传递至该电容器3的该正极端31，并形成该充电电流Ich对该电容器3充电，而当误差直流电压Verr小于第二脉动直流电压Vdc’时，该比较器5输出为低态，此时该开关元件2的控制端23控制该开关元件2的第一端21及第二端22之间不导通，使该第一脉动直流电压Vdc不传递至该电容器3的该正极端31。
补充说明的是：该脉波宽度调变信号Vpwm实质上为一如图2所示的周期性的脉波，定义在该脉波宽度调变信号Vpwm的一周期T中，该脉波宽度调变信号Vpwm为高态的时间为一导通时间Ton，而该导通时间Ton与该周期T的比值为一占空比D，该占空比D愈接近1，代表在该周期T内该开关元件2的第一端21及第二端22之间导通的时间愈长，也代表在该周期T内该充电电流Ich对该电容器3充电的时间愈长，更代表该电容器3两端之间的电源直流电压Vcc的平均值愈高，也就是说，该占空比D正相关于该电源直流电压Vcc。
进一步说明的是：以本实施例为例，参阅前述之比放大器单元4及比较器5的作动，若该电源直流电压Vcc的平均值意外性地下降，会令该实际直流电压Vcc’下降、误差直流电压Verr上升，最后使该占空比D上升，以矫正该电源直流电压Vcc的平均值。
熟悉本技术领域的技术人员当知：若该放大器单元4的正误差输入端41及负误差输入端42所接收的信号互相交换，则仅需将该比较器5的正比较输入端51及负比较输入端52所接收的信号也互相交换，即可达成同样的电路功能，因此，该实际直流电压Vcc’、该参考直流电压Vref与该放大器单元4的电耦接关系，以及该误差直流电压Verr、该第二脉动直流电压Vdc’与该比较器5的电耦接关系皆不以本实施例为限，亦不得用于限制本发明实施的范围。
参阅图3及图4，本发明电源转换电路之一第二实施例与该第一实施例不同之处在于：该整流单元1是采用桥式全波整流的方式对该交流电压Vac进行整流，因此，在本实施例中，该第一脉动直流电压Vdc、该第二脉动直流电压Vdc’，及该脉波宽度调变信号Vpwm的周期T皆为该第一实施中的二分之一，因此相较于该第一实施例，本实施例转换所得之电源直流电压Vcc具有较小的涟波(Ripple)，或者能选用较小的电容器3以节省体积及成本。
参阅图5，本发明电源转换电路之一第三实施例与该第一实施例不同之处在于：该电源转换电路还包含一电连接于该比较器5及该开关元件2之间的驱动电路6，该驱动电路6包括一第一驱动电阻器R5、一第二驱动电阻器R6、一驱动二极管D1、以及一驱动电容器C。该第二驱动电阻器R6的其中一端电连接该比较器5的比较输出端53，该第二驱动电阻器R6的其中另一端则接收该电源直流电压Vcc。该驱动电容器C具有一正极端及一负极端，其中，该负极端电连接该比较器5的该比较输出端53。该第一驱动电阻器R5电连接于该驱动电容器C的该正极端及该开关元件2的该控制端23之间。该驱动二极管D1具有一阳极端及一阴极端，其中，该阳极端电连接该电容器3的该正极端31，该阴极端则电连接该驱动电容器C的该正极端。
当该比较器5输出为低态时，该驱动电容器C受该电源直流电压Vcc经由该驱动二极管D1充电，因此，该驱动电容器C的该正极端及该负极端之间形成与该电源直流电压Vcc大小相同的跨压。当该比较器5输出为高态时，该驱动电容器C经由该第一驱动电阻器R5对该开关元件2的该控制端23放电，以使该控制端23控制该开关元件2的第一端21及第二端22之间导通。该驱动电路6能提升该开关元件2的扇出能力，且加快该开关元件2的该第一端21及该第二端22之间由不导通切换为导通的时间(即该开关元件2由截止区切换为饱和区的时间)，以降低该开关元件2所造成的切换损失，而进一步提升转换效率。
综上所述，本发明电源转换电路通过该整流单元1、该开关元件2及该电容器3能将该交流电压Vac转换为一电源直流电压Vcc，且通过该放大器单元4、该比较器5配合其他被动元件能达成闭回路控制而维持该电源直流电压Vcc的平均值，而且，由于电路中所使用之元件数少，且该开关元件2在导通时消耗的功率小，使本发明较切换式电源供应器节省成本，也较一般线性稳压器有更佳的转换效率，所以确实能达成本发明的目的。
惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种电源转换电路，用于电连接一交流电源，其特征在于：该电源转换电路包含：
一整流单元，包括一电连接该交流电源的交流输入端，及一直流输出端，该整流单元的该交流输入端接收来自该交流电源的一交流电压，该整流单元将该交流电压转换为一第一脉动直流电压，且将该第一脉动直流电压输出于该直流输出端；
一开关元件，包括一电连接该整流单元的直流输出端的第一端、一第二端，及一控制端，该控制端根据一脉波宽度调变信号控制该开关元件的该第一端及该第二端之间导通或不导通；
一电容器，包括一电连接该开关元件的该第二端的正极端，及一接地的负极端；
一比较器，包括一第一比较输入端、一第二比较输入端，及一比较输出端；及
一驱动电路，电连接于该比较器及该开关元件之间，并包括一第一驱动电阻器、一第二驱动电阻器、一驱动二极管、以及一驱动电容器，该第二驱动电阻器的其中一端电连接该比较器的比较输出端，该第二驱动电阻器的其中另一端则接收一电源直流电压，该驱动电容器具有一正极端及一负极端，其中，该负极端电连接该比较器的该比较输出端，该第一驱动电阻器电连接于该驱动电容器的该正极端及该开关元件的该控制端之间，该驱动二极管具有一阳极端及一阴极端，其中，该阳极端电连接该电容器的该正极端，该阴极端则电连接该驱动电容器的该正极端；
当该开关元件的该第一端及该第二端受该控制端控制而彼此导通时，该第一脉动直流电压经由该开关元件的该第一端及该第二端传递至该电容器的该正极端，并形成一充电电流对该电容器充电，以使该电容器的该正极端及该负极端之间形成该电源直流电压；
该比较器的该第一比较输入端及该第二比较输入端分别接收一误差直流电压及一第二脉动直流电压，该误差直流电压是相关于一参考直流电压与该电源直流电压之间的差，该第二脉动直流电压是该第一脉动直流电压的m倍，m大于0且小于1，该比较器根据该误差直流电压及该第二脉动直流电压之间的一比较结果而产生该脉波宽度调变信号，且将该脉波宽度调变信号输出于该比较输出端，该脉波宽度调变信号的占空比相关于该比较结果。
2.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于：该电源转换电路还包含一电连接于该整流单元的该直流输出端及该比较器的该第二比较输入端之间的第一分压电阻器，及一电连接于该比较器的该第二比较输入端及地之间的第二分压电阻器，该第一脉动直流电压经过该第一分压电阻器及该第二分压电阻器分压后产生该第二脉动直流电压。
3.根据权利要求2所述的电源转换电路，其特征在于：该电源转换电路还包含一电连接该比较器的放大器单元，该放大器单元包括一第一误差输入端、一第二误差输入端，及一电连接该比较器的该第一比较输入端的误差输出端，该放大器单元的该第一误差输入端及该第二误差输入端分别接收该参考直流电压及一实际直流电压，该放大器单元将该参考直流电压及该实际直流电压之间的一差值乘以一预定倍率而产生该误差直流电压，且将该误差直流电压输出于该误差输出端，该实际直流电压是该电源直流电压的n倍，n大于0且小于1。
4.根据权利要求3所述的电源转换电路，其特征在于：该放大器单元具有一放大器、一第一放大电阻器，及一第二放大电阻器，该放大器具有一正连接端、一负连接端，及一放大输出端，该正连接端电连接该第一误差输入端，该放大输出端电连接该误差输出端，该第一放大电阻器电连接于该放大输出端及该负连接端之间，该第二放大电阻器电连接于该负连接端及该第二误差输入端之间，该预定倍率是相关于该第一放大电阻器与该第二放大电阻器的比值。
5.根据权利要求4所述的电源转换电路，其特征在于：该电源转换电路还包含一电连接于该电容器的该正极端及该放大器单元的该第二误差输入端之间的第三分压电阻器，及一电连接于该放大器单元的该第二误差输入端及地之间的第四分压电阻器，该电源直流电压经过该第三分压电阻器及该第四分压电阻器分压后产生该实际直流电压。
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