CN114172377B - 具有电压输出调变的电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种具有电压输出调变的电源转换器，包含一隔离式直流/直流变压器、一一次侧线路及一二次侧线路；该一次侧线路连接该隔离式直流/直流变压器的一次侧线圈，用以将直流输入电源传递至该一次侧线圈；该二次侧线路连接该隔离式直流/直流变压器的该二次侧线圈，其中，该二次侧线路包含有一第一输出回路及一第二输出回路，在该第一输出回路中串接一模式切换开关；当负载的用电功率相对较少时，该模式切换开关控制为不导通以中断该第一输出回路，令二次侧线路输出相对较低的一第一输出电压；当负载的用电功率相对较大时，该模式切换开关控制为导通，令该二次侧线路输出相对较高的一第二输出电压，借此本发明的电源转换器不需大幅增加线路，即可实现宽电压调整幅度目的。

Description

具有电压输出调变的电源转换器
技术领域
本发明为一种电源转换器，尤指一种可提供宽电压调整幅度的电源转换器。
背景技术
电子产品一般会搭配单独设计的充电器使用，该充电器的输出功率能符合该电子产品的需求；但不同的电子产品就必须得准备多种输出功率的充电器，这对于使用者来说极为不便。
现有的单一充电器为了能够提供宽电压调整幅度，通常会整合多组切换架构以实现高功率且多电压输出的功能，请参阅图11所示，现有充电器会包含多组并联的隔离式直流/直流转换模组300、400，其中一直流/直流转换模组400负责低电压的需求，另一直流/直流转换模组300则负责高电压的需求。
当该充电器通过输入埠100接收到交流电时，该交流电通过整流单元200转换成直流电后，输入至直流/直流转换模组300、400的一次侧单元，再由直流/直流转换模组300、400的二次侧单元将转换后的直流电分别输出至高功率输出埠500及一般功率输出埠600。当中该高功率输出埠500输出相对较高的充电功率，可应用于高充电功率需求的电子产品，而该一般功率输出埠600则输出较相对较低的充电功率，可应用于低充电功率需求的电子产品。
然而图11架构需要设置多组的隔离式直流/直流转换器模组300、400，限制了该充电器的空间利用效率并导致该充电器的体积变大，因而不便于携带。
另一方面，若是该充电器当中不采用多组的隔离式直流/直流转换器模组，则目前市面上的同类型产品则不具备宽电压调整幅度的电压输出，例如以USB开发者论坛(USBIF)所发布的宽电压调整幅度规格，应具有5～48伏特(V)的输出电压以及最高240瓦特(W)的输出功率，但传统架构仅能达到5～20伏特而无法符合需求。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明提供一种具有电压输出调变的电源转换器，在不需要并联多组直流/直流转换器模组的情形下，可提供能满足负载情况的宽电压输出。
为完成上述目的，该具有电压输出调变的电源转换器包含有：
一隔离式直流/直流变压器，具有一一次侧线圈及一二次侧线圈；
一一次侧线路，连接该隔离式直流/直流变压器的该一次侧线圈，用以将一直流输入电源传递至该一一次侧线圈；
一二次侧线路，连接该隔离式直流/直流变压器的该二次侧线圈，该二次侧线路包含有一第一输出回路及一第二输出回路；
一模式切换开关，串接在该第一输出回路；
其中，当该模式切换开关不导通时，该第一输出回路为断路，该二次侧线路系输出一第一输出电压；当该模式切换开关导通时，该二次侧线路输出一第二输出电压，该第二输出电压高于该第一输出电压。
该模式切换开关依据负载的用电功率需求，而控制为导通或是不导通，借此调变二次侧线路的配置而输出能够满足负载需求的电压，其中，本发明仍仅用单一组的隔离式直流/直流变压器进行电压转换，不需使用多组并联的转换器模组，故能避免多组转换器模组占据空间、增加重量的问题，同时可实现宽电压调整幅度的目的。
附图说明
图1：本发明第一实施例的电路图。
图2：本发明操作在第一工作模式下的波形图。
图3A：本发明操作在第一工作模式时，第二开关Q2导通时的电路动作图。
图3B：本发明操作在第一工作模式时，第二开关Q2未导通时的电路动作图。
图4：本发明操作在第二工作模式下的波形图。
图5A：本发明操作在第二工作模式时，第二开关Q2导通时的电路动作图。
图5B：本发明操作在第二工作模式时，第二开关Q2未导通时的电路动作图。
图6：本发明第二实施例的电路图。
图7：本发明第三实施例的电路图。
图8：本发明第四实施例的电路图。
图9：本发明第五实施例的电路图。
图10：本发明电源转换器使用于一电源供应器中的电路方块图。
图11：现有充电器的电路方块图。
具体实施方式
请参阅图1所示的电路，为本发明具有电压输出调变的电源转换器第一实施例的详细电路，包括有一隔离式的直流/直流变压器10、一一次侧线路20、一二次侧线路30。
该直流/直流变压器10具有一一次侧线圈11及一二次侧线圈12，本实施中该二次侧线圈12为中间抽头的线圈，该二次侧线圈12具有一第一端121、一第二端122及一中间抽头端123。
该一次侧线路20连接该一次侧线圈11，包含有：一电感L、一谐振电容C、一第一开关Q1及一第二开关Q2，其中该第一开关Q1与第二开关Q2在此以NMOS功率晶体管为例。该电感L并联在该一次侧线圈11的两端；该谐振电容C连接在一输入端Vin与该一次侧线圈11其同名端(即具有标记点的端部)之间；该第二开关Q2串联在该一次侧线圈11的非同名端(即无标记点的端部)与接地之间；该第一开关Q1的一端连接该输入端Vin，另一端连接该该一次侧线圈11的非同名端。
该二次侧线路30连接该二次侧线圈12，包含一第一输出回路及一第二输出回路，在该第一输出回路中串接一模式切换开关Qm；本实施例中，该二次侧线路30具有一第一整流开关Qsr1及一第二整流开关Qsr2，该第一整流开关Qsr1连接在二次侧线圈12的第一端121而且与该模式切换开关Qm的其中一端串联，该模式切换开关Qm的另一端为接地，借此该二次侧线圈12、该第一整流开关Qsr1与该模式切换开关Qm形成该第一输出回路。该第二整流开关Qsr2串接在二次侧线圈12的第二端122与接地端之间，以形成该第二输出回路；该二次侧线圈12的中间抽头端123连接一输出电容Co，经转换后的直流电源可通过该输出电容Co的两端输出至负载。该第一整流开关Qsr1与该模式切换开关Qm在此均以NMOS功率晶体管为例，且两者源极端相连接。
本发明的电源转换器可根据负载所需的用电功率，操作在一第一工作模式或是一第二工作模式，其中，电源转换器在第二工作模式时输出的供电功率大于第一工作模式时输出的供电功率。该第一工作模式例如是「非对称半桥反驰式控制模式(asymmetric half-bridge flyback mode)」，可提供36伏特以下的第一输出电压予负载；该第二工作模式例如是「半桥LLC控制模式(half-bridge LLC mode)」，可提供36～48伏特的第二输出电压予负载。具体方式如图10所示，配合一电力供应控制器5(PD controller)侦测负载所需的用电功率，当负载所需的用电功率相对较小时，本发明操作在非对称半桥反驰式控制模式，反之当负载所需的用电功率相对较大时，本发明操作在半桥LLC控制模式。以下进一步针对这两种模式说明。
一、第一工作模式(非对称半桥反驰式控制模式)：
请参考图2所示，首先针对各波形代表的意义说明如下：
Vds2：第二开关Q2其汲极-源极之间的电压。
Vgs2：第二开关Q2其闸极-源极之间的电压。
Ids2：通过第二开关Q2的电流。
Icr：通过谐振电容C的电流。
Isr2：通过第二整流开关Qsr2的电流。
Vgsr2：第二整流开关Qsr2其闸极-源极之间的电压。
Vgs-mode：模式切换开关Qm其闸极-源极之间的电压。
在非对称半桥反驰式控制模式下，该模式切换开关Qm固定维持不导通(OFF)，因此图2中的Vgs-mode持续为低电压准位，因为该模式切换开关Qm相当于开路，因此第一整流开关Qsr1无作用。进一步参考图3A，图3A表示在一次侧线路20中的第一开关Q1不导通、第二开关Q2导通、第二整流开关Qsr2不导通时的电路动作，可看出电流Icr、Ids2渐渐上升，而在二次侧线路30中的电流Isr2大致为0。图3B中则表示第一开关Q1导通、第二开关Q2不导通、第二整流开关Qsr2导通时的电路动作，可看出二次侧线路30中提供了半波的电流Isr2。
二、第二工作模式(半桥LLC控制模式)：
请参考图4所示，针对各波形代表的意义说明如下：
Vds2：第二开关Q2其汲极-源极之间的电压。
Vgs2：第二开关Q2其闸极-源极之间的电压。
Icr：通过谐振电容C的电流。
Isr1：通过第一整流开关Qsr1的电流。
Isr2：通过第二整流开关Qsr2的电流。
Vgsr1：第一整流开关Qsr1其闸极-源极之间的电压。
Vgsr2：第二整流开关Qsr2其闸极-源极之间的电压。
Vgs-mode：模式切换开关Qm其闸极-源极之间的电压。
在半桥LLC控制模式下，该模式切换开关Qm固定维持导通(ON)，因此图4中的Vgs-mode持续为高电压准位。进一步参考图5A，图5A表示在一次侧线路20中的第一开关Q1不导通、第二开关Q2导通、第一整流开关Qsr1导通、第二整流开关Qsr2不导通时的电路动作，在二次侧线路30中有电流Isr1通过该第一整流开关Qsr1。图5B中则表示第一开关Q1导通、第二开关Q2不导通、第一整流开关Qsr1不导通、第二整流开关Qsr2导通时的电路动作，二次侧线路30中有电流Isr2通过第二整流开关Qsr2。根据图4的波形可以理解在不同周期，二次侧线路30中均可输出电流Isr1、Isr2，因此相较于第一工作模式，电源转换器在第二工作模式下可提供相对较高的供电功率。
请参考图6，本发明第二实施例与第一实施例差异在于该一次侧线路20的连接方式。该一次侧线路20仍是连接该一次侧线圈11，包含有：电感L、谐振电容C、第一开关Q1及第二开关Q2。该电感L并联在该一次侧线圈11的两端；谐振电容C连接在接地与该一次侧线圈11的非同名端之间；该第一开关Q1连接在该一次侧线圈11的同名端与接地之间；该第二开关Q2的一端连接该输入端Vin，另一端连接该一次侧线圈11的同名端。
请参考图7，本发明第三实施例与第一实施例差异在于该直流/直流变压器10的二次侧线圈12为单一线圈，仅具有第一端121及第二端122，而无中间抽头端。且该二次侧线路30的架构为一全桥整流电路，该全桥整流电路包含多个二极管D1～D4，其中全桥整流电路的二输入端31、32分别连接该二次侧线圈12的第一端12及第二端，全桥整流电路的二输出端33、34分别连接该输出电容Co的二端。该二次侧线圈12、二极管D1、输出电容Co、二极管D4连接形成第一输出回路，该模式切换开关Qm与该二极管D4串接；二次侧线圈12、二极管D2、输出电容Co、二极管D3连接形成第二输出回路。当该模式切换开关Qm维持导通时，该全桥整流电路提供全波整流，使电源转换器操作在第二工作模式；相反的，该模式切换开关Qm维持不导通时，其所在的第一输出回路为开路状态，该全桥整流电路仅提供半波整流作用，使电源转换器操作在第一工作模式。
图8为本发明的第四实施例，相较于图7，该全桥整流电路中的一个或数个二极管取代为功率晶体管，图8中将原本的二极管D3改为一功率晶体管，该功率晶体管与模式切换开关Qm串联。
图9为本发明的第五实施例，相较于图7，全桥整流电路中原本的各个二极管D1～D4均改为功率晶体管，其中，该模式切换开关Qm可以与任一功率晶体管串联。
请参考图10，本发明具有电压输出调变的电源转换器1应用于一电源供应器中，该电源供应器可以是一充电器(power adapter)，用于对一电子设备进行充电。该电源供应器还包括一抗电磁干扰(EMI)单元2、一整流单元3、一功率因素校正单元4等，其中交流输入电源(AC)通过该抗电磁干扰单元2、该整流单元3以及该功率因素校正单元4的处理后，输入至本发明的电源转换器1，当电力供应控制器5判断负载需要较高的充电功率时，该电力供应控制器5输出多个控制信号至电源转换器1以控制该第一开关Q1、第二开关Q2、模式切换开关Qm、第一整流开关Qsr1、第二整流开关Qsr2的导通/截止时序，使电源转换器1操作在半桥LLC控制模式，提供较大的充电功率予电子设备。另一方面，当电力供应控制器5判断负载需要较低的充电功率时，该电力供应控制器5输出多个控制信号至电源转换器1，使电源转换器工作在非对称半桥反驰式控制模式，以提供较低的充电功率予以电子设备。
本发明在不需要并联多组直流/直流转换模组的情形下，能够根据不同负载所需的用电功率需求，控制该模式切换开关Qm的状态而使电源转换器操作在不同模式，产生符合条件的输出电力。本发明以相对简单的电路架构实现了宽电压调整幅度(例如5～48V)，避免电源转换器体积庞大、不便携带使用的问题，更是有利于作为携带型设备的供电器。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，包含有：
一隔离式直流/直流变压器，具有一一次侧线圈及一二次侧线圈；
一一次侧线路，连接该隔离式直流/直流变压器的该一次侧线圈，用以将一直流输入电源传递至该一一次侧线圈；
一二次侧线路，连接该隔离式直流/直流变压器的该二次侧线圈，该二次侧线路包含有一第一输出回路及一第二输出回路；
一模式切换开关，串接在该第一输出回路；
其中，当该模式切换开关不导通时，所述具有电压输出调变的电源转换器操作在一第一工作模式，该第一输出回路为断路，该二次侧线路输出一第一输出电压予一负载；当该模式切换开关导通时，所述具有电压输出调变的电源转换器操作在一第二工作模式，该二次侧线路输出一第二输出电压予该负载，该第二输出电压高于该第一输出电压；
该第一工作模式为非对称半桥反驰式控制模式，该第一输出电压为36伏特以下；该第二工作模式为半桥LLC控制模式，该第二输出电压为介于36～48伏特的电压。
2.如权利要求1所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于：
该二次侧线圈为一中间抽头线圈，包含有一第一端、一第二端及一中间抽头端；
该二次侧线路包含一第一整流开关及一第二整流开关，其中，该第一整流连接该二次侧线圈的第一端并与该模式切换开关串联，该模式切换开关的另一端为接地以形成该第一输出回路；
该第二整流开关连接该二次侧线圈的第二端与接地端之间，以形成该第二输出回路；
该二次侧线圈的中间抽头端连接一输出电容。
3.如权利要求2所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，该第一整流开关及该模式切换开关皆为NMOS功率晶体管，其源极端相连接。
4.如权利要求1所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，该二次侧线圈具有一第一端及一第二端；
该二次侧线路为一全桥整流电路，该全桥整流电路由第一二极管～第四二极管形成，具有二输入端及二输出端，其中该二输入端分别连接该二次侧线圈的第一端及第二端，该二输出端之间连接一输出电容；
该模式切换开关与该第一二极管～第四二极管之中的其中一个串联。
5.如权利要求1所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，该二次侧线圈具有一第一端及一第二端；
该二次侧线路为一全桥整流电路，该全桥整流电路由多个二极管及至少一功率晶体管形成，具有二输入端及二输出端，其中该二输入端分别连接该二次侧线圈的第一端及第二端，该二输出端之间连接一输出电容；
该模式切换开关与该多个二极管或该至少一功率晶体管之中的其中一个串联。
6.如权利要求1所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，该二次侧线圈具有一第一端及一第二端；
该二次侧线路为一全桥整流电路，该全桥整流电路由多个功率晶体管形成，具有二输入端及二输出端，其中该二输入端分别连接该二次侧线圈的第一端及第二端，该二输出端之间连接一输出电容；
该模式切换开关系与该多个功率晶体管之中的其中一个串联。
7.如权利要求1至6中任一项所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，该一次侧线路包含：
一电感，并联在该一次侧线圈的两端；
一谐振电容，连接在一直流电源输入端与该一次侧线圈的同名端之间；
一第一开关，其一端连接该电源输入端，另一端连接该一次侧线圈的非同名端；
一第二开关，串联在该一次侧线圈的非同名端与接地之间。
8.如权利要求1至6中任一项所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，该一次侧线路包含：
一电感，并联在该一次侧线圈的两端；
一谐振电容，连接在一接地端与该一次侧线圈的非同名端之间；
一第一开关，其一端连接该接地端，另一端连接该一次侧线圈的同名端；
一第二开关，串联在该一次侧线圈的非同名端与一直流电源输入端之间。
9.如权利要求1所述的具有电压输出调变的电源转换器，其特征在于，该模式切换开关连接一电力供应控制器，该电力供应控制器根据该负载的用电需求输出一控制信号以控制该模式切换开关。
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