CN110557003A - 电源转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源转换装置，包含有一变压器，用来将一输入电压转换为一输出电压；一第一开关，用来控制该变压器的一个一次侧绕组的电流；一第二开关，用来控制该变压器的一个二次侧绕组的电流；一电容，用来储存该变压器传递能量以产生一输出电压至一负载；一控制电路，耦接于该第二开关，用来根据该输出电压控制该第二开关；以及一给压电路，耦接于该二次侧绕组以及该二次侧接地之间，用来根据该第一开关的导通状态产生一电源电压提供给该控制电路。

Description

电源转换装置

技术领域

本发明涉及一种电源转换装置，尤其涉及一种不需要额外增设辅助绕组的电源转换装置。

背景技术

随着节能环保意识的重视，如何有效率的对电子装置进行充电也成为了业界所努力的目标之一。

返驰式(Flyback)转换器是目前充电器的常见架构之一。如图1所示，其为现有技术的一电源转换装置10的示意图。电源转换装置10包含有一变压器100、一控制电路102、开关S1和S2、电容Co、二极管D1以及电容Ccc。其中，变压器100包含有一次侧绕组(PrimaryWinding)NP1、二次侧绕组(Secondary Winding)NS1、辅助绕组(Auxiliary Winding)NA1。开关S1、S2分别控制变压器100的一次侧绕组NP1以及二次侧绕组NS1的操作。控制电路102用来控制开关S2的操作，使输入电压Vin通过变压器100的转换而产生输出电压Vout对负载Load充电。值得注意的是，为了控制电路102能够正常运作，变压器100必须另外设置有辅助绕组NA1，使能量可由辅助绕组NA1而提供控制电路102所需的电源电压Vcc。

然而，为了取得独立的电源电压Vcc而设置辅助绕组NA1将会造成一次侧绕组NP1转换能量至二次侧绕组NS1的效率下降。除此之外，一次侧绕组NP1、二次侧绕组NS1及辅助绕组NA1之间线圈的比例不但不易准确的设置，电源转换装置10也可能因为采用不同规格的控制电路102，而需要有不同电压需求的电源电压Vcc，造成变压器100的设计复杂度更因为辅助绕组NA1的设置而大幅提高。因此，现有技术实有改善的必要。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种不需要辅助绕组的电源转换装置。

本发明提供了一种电源转换装置，包含有一变压器，包含有一个一次侧绕组以及一个二次侧绕组，用来将一输入电压转换为一输出电压；一第一开关，该第一开关的一第一端耦接于该一次侧绕组以及该第一开关的一第二端耦接于一个一次侧接地，用来控制该一次侧绕组的电流；一第二开关，该第二开关的一第一端耦接于该二次侧绕组的一第一端，用来控制该二次侧绕组的电流；一电容，该电容的一第一端耦接于该第二开关的一第二端，且该电容的一第二端耦接于一个二次侧接地，用来储存能量以产生该输出电压至一负载；一控制电路，耦接于该第二开关的一控制端，用来根据该二次侧绕组的该第一端的电压以及该输出电压控制该第二开关；以及一给压电路，耦接于该二次侧绕组的该第一端以及该二次侧接地之间，用来根据该第一开关的导通状态产生一电源电压提供给该控制电路。

因此，本发明提供了一种电源转换装置，不需于变压器设置额外的辅助绕组以降低设计复杂度，且避免辅助绕组进行电压转换时的功率耗损以降低功率消耗。另外，本发明的电源转换装置可适用于不同的输出电压范围，进而改善电源转换装置于不同电压规格下的兼容性。

附图说明

图1为一传统电源转换装置的示意图。

图2为本发明实施例一电源转换装置的示意图。

图3为第2图中的电源转换装置的另一实施例的示意图。

图4A为本发明实施例电源转换装置的控制开关的信号示意图。

图4B为本发明实施例电源转换装置的电源电压及输出电压的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10、20 电源转换装置

100、200 变压器

102、202 控制电路

204 给压电路

206 钳位电路

40、42、44、46 线

50 流程

500、502、504、506 步骤

S1、S2 开关

Co、Ccc、C3 电容

NP1、NP2 一次侧绕组

NS1、NS2 二次侧绕组

NA1 辅助绕组

Vin 输入电压

Vout 输出电压

Vcc 电源电压

GND1 一次侧接地

GND2 二次侧接地

ZD3 齐纳二极管

Load 负载

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及后续的权利要求书并不以名称的差异来做为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来做为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书当中所提及的“包含”系为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

请参考图2，图2为本发明实施例一电源转换装置20的示意图。电源转换装置20是用来接收一输入电压Vin以提供一输出电压Vout至负载Load。其中，负载Load可为连接于电源转换装置20以进行充电的电子装置，电源转换装置20产生的输出电压Vout可提供电子装置进行充电或是正常运作的电力来源。电源转换装置20包含有一变压器200、一控制电路202、一给压电路204、开关S1和S2、电容Co。变压器200包含有一个一次侧绕组NP2以及一个二次侧绕组NS2。一次侧绕组NP2的第一端用于耦接输入电压Vin且第二端耦接于开关S1的第一端。二次侧绕组NS2的第一端耦接于开关S2的第一端且第二端耦接于二次侧接地GND2，变压器200用来将输入电压Vin转换为输出电压Vout以对负载Load进行充电。在本实施例中，变压器200仅具有一次侧绕组NP2以及二次侧绕组NS2，而不在电源转换装置20中设置辅助绕组。

开关S1的第一端耦接于一次侧绕组NP2的第二端，开关S1的第二端耦接于一次侧接地GND1。开关S2的第一端耦接于二次侧绕组NS2的第一端、开关S2的第二端耦接于电容Co的第一端、开关S2的控制端耦接于控制电路202。其中，开关S1和S2可分别依据控制端的电压位准，而将其第一端与第二端之间的信号传递路径设置为导通或不导通。在此实施例中，在控制端的电压位准为高电压位准时，开关S1和S2可为导通状态，以导通其第一端与第二端之间的信号路径来传递电压以及电流；在控制端的电压位准为低电压位准时，开关S1和S2可为不导通状态，第一端与第二端之间为开路状态，电压以及电流无法互相传递。举例而言，开关S1和S2可为金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)、双载子接面晶体管(bipolar Junction Transistor，BJT)或其它具备类似功能的组件，但不以此为限。当该开关S1导通时，一次侧绕组NP2有电流通过且一次侧绕组NP2会储存能量。此时，由电容Co产生输出电压Vout以对负载Load供电。当该开关S1不导通时，一次侧绕组NP2所储存能量会传递至二次侧绕组NS2，以对电容Co与给压电路204进行供电。在本实施例中，一次侧接地GND1与二次侧接地GND2可以依据不同的设计考虑，而分别设置为相同或不同的电压位准。控制电路202耦接于开关S2的第一端、第二端和控制端，用以依据开关S2的第一端和第二端的状态来控制开关S2的导通状态，以控制流过二次侧绕组NS2的电流。具体而言，当开关S1导通时，一次侧绕组NP2有电流通过且一次侧绕组NP2会储存能量；当开关S2导通时，二次侧绕组NS2有电流通过且将一次侧绕组NP2所储存的能量通过二次侧绕组NS2传递至电容Co，并产生输出电压Vout以对负载Load进行供电。例如，控制电路202可为一同步整流装置(Synchronous Rectifier，SR)，并且可以依据不同的设计考虑，而包含有限电流保护电路、限电压保护电路和温度保护电路等(皆未绘示于图中)。

详细而言，控制电路202会感测二次侧绕组NS2的第一端的电压以及开关S2的第二端的电压，据此控制开关S2的导通状态。如此一来，控制电路202可以在开关S1不导通的时候导通开关S2，使变压器200所储存的能量通过开关S2传递至电容Co，以提供输出电压Vout至负载Load。

本发明的给压电路204耦接于控制电路202和二次侧绕组NS2，可储存由变压器200所传递的能量，稳定地提供电源电压Vcc至控制电路202以控制开关S2的操作，使给压电路202可于变压器200在一次侧绕组NP2储存能量且不传递能量至二次侧绕组NS2时，提供电源电压Vcc至控制电路202。

进一步而言，给压电路204可用来储存能量以产生电源电压Vcc至控制电路202。给压电路204耦接于二次侧绕组NS2的第一端以及二次侧接地GND2，以提供电源电压Vcc至控制电路202。当开关S1不导通时，一次侧绕组NP2所储存能量会传递至二次侧绕组NS2。二次侧绕组NS2所储存能量会提供至给压电路204。在此情况下，本发明给压电路204可储存能量以产生电源电压Vcc至控制电路202。当开关S1不导通且开关S2导通时，二次侧绕组NS2会对给压电路204供电。当开关S1导通且开关S2不导通时，二次侧绕组NS2没有电流流过，给压电路204可于此时根据储存的能量，稳定地提供电源电压Vcc至控制电路202，使控制电路202能够感测开关S2的第一端及第二端的电压而控制开关S2的导通状态。如此一来，在变压器200不传递能量至二次侧绕组NS2时，给压电路204仍可以稳定地提供电源电压Vcc，而维持控制电路202的正常运作。

简言之，本发明通过设置给压电路204提供电源电压Vcc给控制电路202。在开关S1不导通的时候，给压电路204可储存二次侧绕组NS2所提供的能量，于开关S1导通时，给压电路204可稳定地提供电源电压Vcc至控制电路202。如此一来，本发明的电源转换装置20不需在变压器200上额外设置辅助绕组，即可产生控制电路202所需的电源电压Vcc，降低设计复杂度且避免辅助绕组造成的能量损耗。

请参考图3，图3为图2中的电源转换装置20的另一实施例示意图。如图3所示，给压电路204包含有一个二极管D3、一钳位电路206以及一电容C3。二极管D3的阳极耦接于二次侧绕组NS2的第一端，二极管D3的阴极耦接于电容C3的第一端。电容C3的第一端耦接于控制电路202，电容C3的第二端耦接于二次侧接地GND2。电容C3用来储存变压器200所传递的能量，以稳定地提供电源电压Vcc至控制电路202。另外，钳位电路206的第一端耦接于二极管D3的阴极，钳位电路206的第二端耦接于二次侧接地GND2。换句话说，钳位电路206与电容C3互相并联而连接，用于将电容C3所产生的电源电压Vcc设置于所需的电压位准。当开关S1不导通时，一次侧绕组NP2所储存能量会传递至二次侧绕组NS2。二极管D3导通，二次侧绕组NS2所储存能量会经由二极管D3提供至电容C3，以对电容C3充电，使得电容C3输出电源电压Vcc至控制电路202，以供控制电路202进行相关运作，并可藉由钳位电路206而确保电源电压Vcc的电压位准不会过高而使控制电路202不正常的运作。在一实施例中，钳位电路206可为一齐纳二极管ZD3，其阳极耦接于二次侧接地且阴极耦接于二极管D3的阴极。

详细而言，电容C3两端的电压差值等于钳位电路206两端的电压差值，且钳位电路206可限制电容C3两端的电压差值(即电源电压Vcc)。当电容C3两端的电压差值小于钳位电路206的导通电压时，钳位电路206不导通，给压电路204将电容C3的两端电压差值输出为电源电压Vcc且传递至控制电路202。当电容C3两端的电压差值大于等于钳位电路206的导通电压时，钳位电路206即导通进而会限制电容C3两端的电压差值为钳位电路206的导通电压。也就是说，当施加于钳位电路206两端的偏压(即相当于电容C3两端的电压差值大小)超过钳位电路206的导通电压时，钳位电路206会导通。接着，处于导通状态的钳位电路206将会钳制住钳位电路206两端的电压差(亦即钳制住电容C3两端的电压差)而使电容C3两端的电压差值维持在钳位电路206的导通电压的大小。如此一来，通过钳位电路206，给压电路204可将小于或等于导通电压大小的电源电压Vcc输出至控制电路202，以控制开关S2的操作。其中，导通电压可根据不同的应用以及设计需求调整，例如，在一实施例中，钳位电路206的导通电压可介于20伏特至25伏特之间。在其他实施例中，钳位电路也可以采用其他的电路组件实施，将导通电压设置为所需的电压位准，以将电容C3所产生的电源电压Vcc设置于所需的电压位准，进而改善电源转换装置于不同电压规格下的兼容性。

传统电源转换装置在没有设置辅助绕组的情况下，其仅能根据一次侧绕组NP1以及二次侧绕组NS1的转换特性产生单一位准的输出电压Vout。本发明提供给压电路204设置在变压器的二次侧，使电源转换装置在没有设置辅助绕组的情况下可产生独立于输出电压Vout的电源电压Vcc。根据不同的应用以及需求，传统电源转换装置的输出电压可能会被设置在不同的电压区间而不适合直接提供做为控制电路202的供应电压。本发明的给压电路204藉由适当的设置钳位电路，即可提供稳定的电源电压Vcc给控制电路202，简化系统设计的流程。

请参考图4A和图4B，图4A为电源转换装置20的控制开关S1和S2的一实施例的信号示意图；图4B为电源转换装置20的电源电压Vcc及输出电压Vout的一实施例的示意图。如图4A所示，线40绘示开关S1的控制端的信号波形；线42绘示开关S2的控制端的信号波形，其中，线40以及线42不会同时被设置为高电压准位，开关S1以及开关S2不会同时导通。在开关S1的控制信号由高电压准位切换至低电压准位时，开关S2的控制端信号与开关S1的控制端信号两者切换时间之间可保持一定的间隔时间，以避免开关S1与开关S2同时导通。另外，如图4B所示，线44绘示输出电压Vout的示意图；线46绘示电源电压Vcc的示意图。在开关S1和S2根据控制信号分别导通变压器200的一次侧绕组NP2以及二次侧绕组NS2的电流，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout的情况下，本发明的给压电路204可稳定地提供电源电压Vcc至控制电路202，使二次侧绕组NS2在没有传递能量时，控制电路202仍可正确地设置开关S2进行导通以及不导通的操作，而不需要额外设置辅助绕组，降低设计复杂度且避免辅助绕组造成的能量损耗。

相较于传统电源转换装置为了提供设置于二次侧的控制电路电源，需要在变压器上设置额外的辅助绕组，进而降低输出电压的转换效率、增加设计复杂度且造成额外的能量损耗。本发明通过给压电路，可以在不需要额外设置辅助绕组的情况下提供电源电压至控制电路，降低设计复杂度且避免辅助绕组造成的能量损耗。除此之外，本发明的电源转换装置可适用于不同的输出电压规格，进而改善电源转换装置于不同电压规格下的兼容性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电源转换装置，包含有：

一变压器，包含有一个一次侧绕组以及一个二次侧绕组，用来将一输入电压转换为一输出电压；

一第一开关，所述第一开关的一第一端耦接于所述一次侧绕组以及所述第一开关的一第二端耦接于一个一次侧接地，用来控制所述一次侧绕组的电流；

一第二开关，所述第二开关的一第一端耦接于所述二次侧绕组的一第一端，用来控制所述二次侧绕组的电流；

一第一电容，所述第一电容的一第一端耦接于所述第二开关的一第二端，且所述第一电容的一第二端耦接于一个二次侧接地，用来储存能量以产生所述输出电压至一负载；

一控制电路，耦接于所述第二开关的一控制端，用来根据所述第二开关的第一端的电压以及所述第二开关的第二端的电压控制所述第二开关的导通状态；以及

一给压电路，耦接于所述二次侧绕组的所述第一端以及所述二次侧接地之间，用来根据所述第一开关的导通状态产生一电源电压提供给所述控制电路；

其中所述电源转换装置不包含一辅助绕组；当所述第一开关不导通且所述第二开关导通时，所述变压器传递能量至所述第一电容，以产生输出电压至所述负载；第一电容用来储存由所述变压器所传递的能量，以产生所述输出电压至所述负载；以及当所述第一开关不导通时，所述变压器传递能量至所述给压电路，以产生所述电源电压。

2.如权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述给压电路包含有：

一个二极管，所述二极管之一阳极耦接于所述二次侧绕组的所述第一端；

一第二电容，所述第二电容的一第一端耦接于所述二极管的一阴极，且所述第二电容的一第二端耦接于所述二次侧接地，用来储存所述变压器所传递的能量以提供所述电源电压至所述控制电路，其中，所述电源电压为所述第二电容的所述第一端与所述第二电容的所述第二端之间的电压差；以及

一钳位电路，所述钳位电路的一第一端耦接于所述二极管的所述阴极，且所述钳位电路的一第二端耦接于所述二次侧接地，当所述第二电容的所述第一端与所述第二电容的所述第二端之间的电压差小于一导通电压时，所述钳位电路不限制所述电源电压；当所述电源电压大于等于所述导通电压时，所述钳位电路限制所述电源电压等于所述导通电压。

3.如权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，所述钳位电路为一齐纳二极管，且所述齐纳二极管的一阴极耦接于所述二极管的所述阴极以及所述齐纳二极管的一阳极耦接于所述二次侧接地。