CN1307395A

CN1307395A - 可随直流电压改变切换频率的交换式电源装置

Info

Publication number: CN1307395A
Application number: CN 00100547
Authority: CN
Inventors: 李英维
Original assignee: Mitac Technology Corp
Current assignee: Getac Technology Corp
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-08-08
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: CN1123111C

Abstract

一种可随直流电压改变切换频率的交换式电源装置,包括:一个开关、一个切换控制装置、一个频率选择装置及一个能量转换装置;开关用以接收一个直流电压,其输出端连接能量转换装置;切换控制装置分别连接开关的控制端及频率选择装置;直流输入电压并输至频率选择装置;所述开关并对应一个切换信号进行导通或断路的切换,输出一个切换波形电压。本电源装置可随输入直流电压的大小调整切换信号的频率;以增进电压转换效率及降低功率损耗。

Description

可随直流电压改变切换频率的交换式电源装置

本发明有关于一种电源供应装置，特别是有关一种可随直流电压改变切换频率的交换式电源装置。

图1表示一个现有的交换式电源供应装置的电路方块图，为简化起见在此图中输出电压的回授稳压控制线路省略。

如图1所示，上述现有交换式电源供应装置1，主要包括如下单元。一个开关10，例如由N型金属氧化物半导体晶体管所构成，用以接收一个直流输入电压Vin。上述直流输入电压Vin由电池装置所供应或是将交流输入电压(例如市电)经过整流装置转换成直流电压。例如，以笔记型电脑为例，若使用电池装置，其直流输入电压为10V，若使用市电，经整流后，其直流输入电压为22V。

一个切换控制装置20，用以输出一个周期性切换信号Vs，驱动开关10进行导通或断路的切换动作。使上述开关10输出一个切换波形电压Vx。上述切换控制装置20，一般使用脉冲调制控制装置(PWM)，而切换信号Vs的频率由电阻器RT和电容器CT的值决定。

一个能量转换装置30，在此由二极管、电感器及电容器构成的网路，用以将上述切换波形电压Vx转换成一个直流输出电压Vout。

目前，所使用的直流对直流交换式电源供应装置，例如图1所示，由于切换控制开关20配置固定的电容器CT和电阻器RT；所以，当直流输入电压Vin改变时，上述切换信号Vs的频率(或周期)仍然是固定的。

如图2A至2C所示，其显示在不同直流输入电压(Vin=10、15、20V)时，图中，为切换信号Vs的工作周期(例如，分别为50％、30％、10％)的对应变化及上述开关10所输出的对应切换波形电压Vx的示意图。由于电源供应装置之的直流输出电压，调整在一个特定位准上下。所以，直流输入电压Vin变大时，利用直流输出电压Vout的回授控制，驱动上述切换控制装置20，使切换信号Vs的工作周期也随之变小；反之，直流输入电压Vin变小时，则驱动切换控制装置20，使切换信号Vs的工作周期也随之变大，以便使电源供应装置能够输出特定位准的直流电压。

如图2A～2C可知，切换波形电压Vx的斜线面积(P1～P3)分别对应于将要转换为直流输出电压Vout的能量，且能量P1～P3理论上相等。倘若，开关10是一个理想元件，在导通/断路的切换时不会消耗能量(即不同时导通电流)的话，则上述P1～P3理论上均可以转换为直流输出电压Vout。但是，实际上，开关20在切换(on/off)时，亦即在切换波形电压Vx的上升期间tr(rise time)和下降期间tf(falltime)均会损耗能量。所损耗的能量Pd约正比于tr×f(或tf×f)，其中f表示切换信号Vs的频率。

当直流输入电压为高电压(例如Vin 20V)时，由于切换信号Vs的工作周期(duty cycle)非常短，所需的上升(下降)时间却相当长；因此，所损耗的能量占预定转换能量P3的比例，远大于直流输入电压为低电压时的情形，对电源供应装置而言，此无功损耗会降低电源供应装置的转换效率。

因此，针对上述缺点，若能在直流输入电压为高电压时，自动地将切换信号的频率降低，则可以将上述功率损耗降低。在开关20于每次切换时，损耗的能量Pd约正比于tr×f，故而降低切换信号的频率，亦可以大大减少所有切换过程中的功率损耗。

本发明的目的在于提供一种交换式电源供应装置，其可以随著输入直流电压之改变，而调整切换信号的频率，以达到降低不必要功率损耗的目的，并增进转换效率。

为达到上述目的本发明采取如下措施：

本发明的交换式电源供应装置，包括：一个开关，例如由功率晶体管所构成，用以接收一个直流输入电压，并对应一个切换信号的控制进行导通或断路的切换，输出一个切换波形电压；一个切换控制装置，例如为脉冲调制控制装置，用以输出上述切换信号；一个频率选择装置，利用检测上述直流输入电压的大小，而驱使上述切换控制装置改变上述切换信号的频率；以及，一个能量转换装置，用以将上述切换波形电压转换成一个直流输出电压。

本发明采取如下具体结构：

本发明的一种可随直流电压改变切换频率的交换式电源装置，包括：一个开关、一个切换控制装置、一个频率选择装置及一个能量转换装置；

开关用以接收一个直流输入电压，开关的输出端连接能量转换装置；切换控制装置分别连接开关的控制端及频率选择装置；直流输入电压并输至频率选择装置；

开关并对应一个切换信号的控制进行导通或断路的切换，而输出一个切换波形电压；

切换控制装置用以输出上述切换信号；

频率选择装置利用检测直流输入电压的大小，驱使切换控制装置改变切换信号的频率；

能量转换装置用以将切换波形电压转换成一个直流输出电压。

其中，所述切换控制装置具有频率调整输入接口，利用所述频率调整输入接口连接的电阻器、电容器组合，以改变所述切换信号的频率。

其中，所述频率选择装置包括：一个电压检测单元、一个电阻器切换装置、至少一个电容器以及至少二个电阻器；电阻器切换装置依据所述电压检测单元的检测结果，将电阻器选择组合连接至所述频率调整输入接口。

其中，所述频率选择装置包括：一个电压检测单元、一个电容器切换装置、至少一个电阻器以及至少一个电容器；电容器切换装置依据所述电压检测单元的检测结果，将电容器选择组合连接至所述频率调整输入接口。

其中，所述频率选择装置，包括：一个电压检测单元、一个阻抗切换装置、至少一个电阻器以及至少一个电容器；阻抗切换装置依据所述电压检测单元检测的结果，选择所述电阻器及所述数个电容器选择组合，分别连接至所述频率调整输入接口。

其中，所述切换控制装置为脉冲调制控制装置。

其中，所述开关为功率晶体管。

结合附图及实施例对本发明的具体结构特征详细说明如下：

附图的简单说明：

图1：现有交换式电源供应装置的电路方块图；

图2A至2C：在不同直流输入电压时，切换信号工作周期的对应变化示意图，以及开关所输出的对应切换波形电压的示意图；

图3：本发明实施例的电路方块图；

图4A：本发明实施例中直流输入电压具有高电压，且未改变切换信号频率时，其切换信号波形和切换波形电压的波形示意图；

图4B：本发明实施例中直流输入电压具有高电压时，且将切换信号频率降低为二分之一时，其切换信号波形和切换波形电压的波形示意图。

如图3所示，其为本发明实施例的电路方块图，为简化起见，在此图中输出电压的回授稳压控制电路省略。其中，本发明的交换式电源供应装置，其可以随输入直流电压改变，而调整切换信号的频率，其包括如下单元：

一个开关10，例如由NMOS功率晶体管所构成，用以接收一个直流输入电压Vin。直流输入电压Vin由电池供应装置提供或是将交流输入电压(例如市电)经过整流装置转换成直流电压。一个切换控制装置20，例如为一个脉冲调制控制装置，用以输出一个周期性切换信号Vs，以驱动上述开关10进行导通/断路(on/off)的切换动作。使开关10输出一个切换波形电压Vx。在此实施例中，切换控制装置20具有频率调整输入接口，该接口包括：一个频率调整电容输入端FC，固定耦接一个电容器CT；及一个频率调整电阻输入端FR。

一个能量转换装置30，其可为一个网路，例如由二极管、电感器及电容器构成的网路(但本发明并不限定于此种网路)，用以将切换波形电压Vx转换成一个直流输出电压Vout。

一个频率选择装置40，包括：一个电压检测单元40a；一电阻器(阻抗)切换装置40b；以及，数个电阻器(R1-R4)。上述电压检测单元40a可为由电阻所构成的网路(未图示)，以便对上述直流输入电压进行检测取样。依据直流输入电压Vin的取样值，上述电阻器(阻抗)切换装置40b中的比较器OP1～OP3，分别选择将晶体管Q1～Q3导通，而选择组合上述数电阻器，连接至切换控制装置20的频率调整电阻输入端FR，驱使切换控制装置20输出不同频率的切换信号Vs。

例如，当Vin为10V时，OP1～OP3的输出将晶体管Q1～Q3均导通，故切换控制装置20的频率调整电阻输入端FR仅连接四个电阻器R1～R4的并连组合，输出的切换信号Vs的频率为fs。当10v＜Vin为15V时，OP1～OP2的输出将晶体管Q1～Q2均导通，故上述切换控制装置20的频率调整电阻输入端FR仅连接三个电阻器(R1，R2和R4)的并连组合，输出的切换信号Vs频率例如为fs/2。当15v＜Vin为20V时，OP1的输出将晶体管Q1导通，故上述切换控制装置20的频率调整电阻输入端FR仅连接二个电阻器(R1和R4)的并连组合，输出的切换信号Vs频率例如为fs/3。当Vin＞20V时，OP1～OP3的输出并未将晶体管Q1～Q3导通，故上述切换控制装置20的频率调整电阻输入端FR仅连接电阻器R4，输出的切换信号Vs频率例如为fs/4。

由上述可知，若直流输入电压的值升高(例如由10V到22V)，则切换信号Vs则降低(由fs到fs/4)。

在此实施例中，改变上述频率调整电阻输入端FR的电阻器的连接组合，以调整切换信号的频率。但是，本发明并不限定于此，亦可以将上述频率调整电阻输入端FR连接一个固定电阻器，再使用上述阻接切换装置40b，以将数个电容器选择组合，连接至频率调整电容输入端FC，也会达到调整切换信号频率的目的。

当然，本发明亦可以同时使用上述阻接切换装置40b，以将数个电容器、电阻器予以选择组合，再分别连接至上述频率调整电容输入端FC及频率调整电阻输入端FR上，也可达到调整上述切换信号频率的目的。

假设，直流输入电压Vin为20V时，若电源供应器的设计成将切换信号的频率由原来的频率fo(周期T为10％)变成频率fo/2(周期2T仍为10％)。当直流输入电压Vin为20V且切换信号仍保持固定频率fo时，其切换信号Vs波形和切换波形电压Vx如图4A所示。当直流输入电压Vin为20V且切换信号的频率变化为fo/2时，其切换信号Vs波形和切换波形电压Vx如图4B所示。

由图4A和4B可知，在相同时间周期(2T)内，图4A中的Vx电压转换为直流输出电压Vout的能量为面积Px11加上Px12，而图4B中的Vx电压转换为直流输出电压Vout的能量为面积Px20，两者在开关10没有损耗的情形下是相等的。就能量Px20而言，其上升和下降时间的能量损耗所占Px20能量的比例，明显小于上升和下降时间的能量损耗分别占Px11和Px12能量的比例。又，在2T时间内，图4A所示的上升和下降时间的能量损耗为2倍于图4B所示的情况，因为Px12会有额外的能量消耗。所以应用本发明，当直流输入电压具有高电压时，自动将切换信号的频率予以降低，确实能够增进电压的转换效率，且能降低能量损耗。

以上叙述是借实施例来说明本发明的结构特征，并非用于限制本发明的保护范围。

Claims

1、一种可随直流电压改变切换频率的交换式电源装置，包括：一个开关、一个切换控制装置、一个频率选择装置及一个能量转换装置；

切换控制装置用以输出上述切换信号；

2．根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述切换控制装置具有频率调整输入接口，利用所述频率调整输入接口连接的电阻器、电容器组合，以改变所述切换信号的频率。

3．根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述频率选择装置包括：一个电压检测单元、一个电阻器切换装置、至少一个电容器以及至少二个电阻器；电阻器切换装置依据所述电压检测单元的检测结果，将电阻器选择组合连接至所述频率调整输入接口。

4．根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述频率选择装置包括：一个电压检测单元、一个电容器切换装置、至少一个电阻器以及至少一个电容器；电容器切换装置依据所述电压检测单元的检测结果，将电容器选择组合连接至所述频率调整输入接口。

5．根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述频率选择装置，包括：一个电压检测单元、一个阻抗切换装置、至少一个电阻器以及至少一个电容器；阻抗切换装置依据所述电压检测单元检测的结果，选择所述电阻器及所述数个电容器选择组合，分别连接至所述频率调整输入接口。

6．根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述切换控制装置为脉冲调制控制装置。

7．根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述开关为功率晶体管。