CN1416305A - 电源装置及其使用的换流器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电源装置，其将整流/滤波器及转换器线路结合换流器，以便减少体积及提高电源效率。该电源装置包括：一整流/滤波器、一直流向直流(DC－DC)转换器及一直流向交流(DC－AC)换流器。该整流/滤波器连接到一交流电输入端，用于将输入交流电转换成直流。该直流向直流转换器及该直流向交流换流器是相互并行供电且两者的一端同时连接到该整流/滤波器的输出端，而该直流向直流转换器将输入的直流电压降压转换成固定低压直流电压输出以向系统电路供电，该直流向交流换流器则将输入的直流电压转换成更高压的交流电压输出以向灯管供电。
Description
技术领域
本发明有关于一种电源供应系统，特别是有关一种具有多级输入电压的结构，其将整流/滤波器及转换器(converter)线路结合换流器(inverter)，以便减少体积及提高电源效率。
背景技术
现今室内供电系统以交流电为主，且其大多处在90-264V(交流)的范围内，例如，典型为90-132V(交流)或180-264V(交流)。然而，目前的液晶显示器中，除需要一较低电压的直流电源向给显示器内的一般电路供电外，如控制图像信号的电路等，还需要一较高电压的交流电源向供电提供照明的放电灯管供电。例如，在单灯管的笔记型计算机液晶面板中，需要大约为7-21V(直流)的电源，而在多灯管液晶显示器中，需要12或15V(直流)等不同的固定电压，以向显示器电路供电；同时，还需要一大约为一千多伏特的交流电源，以驱动一提供光源的冷阴极荧光灯管(CCFL)。因此，一典型的供电系统，如图1所示，必须包含一来自插座的输入交流电，经过一整流/滤波器11、一逆向转换器(Fly-Buck converter)12、一换流器(DC-ACinverter)13及一降压稳压器(Buck regulator)14，用所需的交流电向灯管供电、及用所需直流电向显示系统的其它元件供电。但是，此一典型的供电系统需层层转换，目前市售的产品均是将整流/滤波器11及逆向转换器12组成一附加转接器(additional adapter)，需再经由连接器及缆线连接到换流器13及降压稳压器14；因此，使得电源效率较低，仅有70％左右，且零件、组装成本高，外观上亦较占体积。
发明内容
因此，本发明的一目的是提供一种电源装置，其不需外接一转接器，可达到减少体积及提高电源效率的目的。该电源装置是可用于提供电源到一包含灯管的系统，包括：一整流/滤波器、一直流向直流(DC-DC)转换器及一直流向交流(DC-AC)换流器。该整流/滤波器具有一输入端，连接到一交流电源，用于将输入交流电压转换成直流电压。该直流向直流转换器及该直流向交流换流器相互并行供电且两者的一端同时连接到该整流/滤波器的输出端，而另一端分别输出系统所需的电源，其中，该直流向直流转换器将输入的直流电压降压成低压直流电压输出，以向除灯管外的系统电路供电，而该直流向交流换流器则将输入的直流电压转换成交流并升压输出，以向灯管供电。
据此，本发明的电源装置可直接结合整流/滤波器、转换器及换流器，不但可提高电源效率，并可选用额定功率较低的零件，且由于其可制作于同一电路板上，更能达到减少体积及降低零件与组装成本的功效。
本发明的另一目的是提供一种换流器，用于驱动一放电灯管，包括：二开关；一驱动电路(driver)，用于驱动该二开关交替导通；一变压器；一取样电路，用于取得灯管的电流值并输出一反馈信号，一脉宽调制(PWM)控制电路，用于根据反馈信号来控制驱动电路的占空度；一电压检测电路，用于依据输入换流器的直流电压大小而输出一控制信号，及一阻抗调整电路，用于依据控制信号调整其等效阻抗值。
据此，本发明的换流器可在其输入的电压较高时，经由阻抗调整电路的调整以改变其频率与阻抗的关系曲线，使得换流器的操作频率不会因输入电压升高的影响而产生大幅度变动。因此，可确保灯管的使用寿命，并可避免导线因高频而产生集肤效应所导致的零件温升问题，更可有效降低转换损失。
附图说明
为使本发明的上述及其它目的、特征、与优点能更显而易见，下文列举一优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下，其中：
图1表示一典型供电系统方块图；
图2表示一本发明的电源装置的方块图；
图3根据本发明表示图2中的换流器的方块图；
图4表示在图3的阻抗调整电路切换阻抗时所产生的二阻抗-频率关系曲线；及
图5是根据本发明表示图3的一实施例的电路图；
图6表示图5中的阻抗调整电路的第二实施例；
图7表示图5中的阻抗调整电路的第三实施例；及
图8表示图5中的阻抗调整电路的第四实施例。符号说明：11、21：整流/滤波器；12、22：转换器；13、23：换流器；14：降压稳压器；30：脉宽调制控制电路 31：上方驱动器 32：下方驱动器 33：开关 34：阻抗调整电路 36：电压检测电路 37：灯管 38：取样电路
具体实施方式
下列说明中的类似功能元件使用相同编号。
参考图2，其是本发明的一电源装置的方块图。在图2中，该电源装置包括：一整流/滤波器21、一直流向直流(DC-DC)转换器22及一直流向交流(DC-AC)换流器23。如图2所示，该整流/滤波器21的一输入端连接到一外部交流电源，用于将输入交流电压(例如，一般室电为90-132V(交流)或180-264V(交流))转换成直流电压输出(例如，图中M点的电压值为120-190V或250-380V(直流))。该直流向直流转换器22及该直流向交流换流器23，有别于一典型三级供电系统，同时并行连接到该整流/滤波器的输出端，以便缩短输入交流电压到所需输出电压间的级数并提高其电源效率到约80％。也就是，本结构构的供电效率较典型供电系统增加约10％。其中，该直流向直流转换器22将输入高压直流电压降压成固定的低压直流电压输出，以向系统中除灯管以外的零件及电路供电，而该直流向交流换流器23则将输入的直流电压转换成一更高压的交流电输出，以供驱动灯管。例如，由该转换器22提供12V(直流)和/或5V(直流)的固定电压供液晶显示器的其它电路等使用，甚至可供个人计算机系统使用，另由该换流器23提供约一千多伏特的交流电压到一冷阴极荧光灯管用于进行驱动。其中，该换流器部分进一步详述如下。
参考图3，是图2中该换流器(inverter)23的方块图。在图3中，该换流器23可用于驱动灯管37，其包括：开关33(包含第一开关M1及第二开关M2)、一上方驱动电路(HSD，high side driver)31、一下方驱动电路(LSD，low side driver)32、一变压器T3、一阻抗调整电路(34、一电压检测电路36、一取样电路38及一脉宽调制(PWM)控制电路30。
如图3所示，上方驱动电路31及下方驱动电路32分别连接到第一开关M1及第二开关M2的控制输入端，用于按驱动频率驱动该二开关M1、M2交替导通。因此，自端点Vin输入的直流电源(即相当于自图2中节点M馈入的直流电压)，可经由开关M1、M2的切换动作而转换成交流方波馈入变压器T3的一次侧。接着，经由变压器T3的升压及滤波，而输出一约一千多伏特的正弦波交流电源，以驱动连接于变压器T3二次侧的荧光灯管37。取样电路38连接于灯管37的一端，用于检测流经灯管37的电流并输出一反馈信号到脉宽调制控制电路30。脉宽调制控制电路30可依据反馈信号来控制上方驱动电路31及下方驱动电路32的占空度(duty cycle)，以便调节灯管37的亮度。阻抗调整电路34连接于变压器T3的一次侧及电压检测电路36之间。电压检测电路36可比较输入换流器的直流电压值Vin及一预先设定的参考电压值Vref，并根据比较的结果控制阻抗调整电路34的切换，亦即，改变阻抗调整电路34的阻抗值，以改变自变压器T3一次侧所观察到的等效阻抗值。
上述图3的电路中，脉宽调制控制电路30亦可代换成其它具有类似效果的电路。例如，可采用一频率调制控制电路，以依据反馈信号来控制上方驱动电路31及下方驱动电路32的切换频率，同样可达到调节灯管37亮度的目的。
参考图4，图4是在图3中阻抗调整电路切换阻抗时所产生的阻抗-频率关系曲线图。如图4所示，当本发明图2所示的电源装置采用90-132V(交流)的输入电源，亦即，电压检测电路36检测到转换成直流电压后Vin约为120-190V(直流)时，可控制阻抗调整电路34而使换流器23操作切换于阻抗Z1，此时，操作频率处在f1～f3的范围内(频率f1对应于120V(直流)输入电压；频率f3对应于190V(直流)输入电压)。当本发明图2所示的电源装置采用180-264V(交流)的输入电源，亦即，电压检测电路36检测到转换成直流电压后Vin约为250-380V(直流)时，可控制阻抗调整电路34而使换流器23操作切换于阻抗Z2，此时，操作频率处在f2～f4的范围内(频率f2对应于250V(直流)输入电压；频率f4对应于380V(直流)输入电压)。因此，整体而言，本发明的换流器的操作频率处在f1～f4的范围内，实际上约为50kHz到65kHz的范围。与之比较，公知的换流器由于未设置电压检测电路36及阻抗调整电路34，不具有阻抗切换的功能，因而当电源装置采用180-264V(交流)的输入电源时，会使操作频率处在f5～f6的范围内(频率f5对应于250V(直流)输入电压；及频率f6对应于380V(直流)输入电压)，显然，将使操作频率变动范围变大。亦即，当输入电压较高时，换流器可能操作切换于80kHz的高频，容易导致集肤现象。因此，本发明所提供的换流器电路，当输入电压较高时，可控制阻抗-频率关系曲线从阻抗Z1切换到阻抗Z2，使换流器操作于相对较低的频率，有效改善集肤效应的产生。此外，由于频率变化的范围变窄，可延长灯管的寿命。再者，开关33的切换频率下降，降低零件的温升，进而减少损失并提高其效率。该120到380V(直流)的输入电压范围仅用于说明，并非用于限制，凡是本领域的技术人员可根据实际需求来设计所需的输入电压范围。此外，电压检测电路36亦可经由适当的修改，改为检测图2中的外部交流电源，并依据其电压值的大小而输出一控制信号到阻抗调整电路34。
图5是根据本发明图3的一实施例的电路图。在图5中，该脉宽调制控制电路30可使用任何公知技术来实现，故仅以方块图来表示。如图5所示，为提高PWM 2信号的驱动能力，在上方驱动电路31中，设置开关Q14及Q18，其交替切换动作可产生一方波，再经由电容C56及一隔离式驱动变压器T4，产生一驱动开关M1的信号。此信号随后经开关Q13、电阻R44、电阻R77、电阻R88及电容C8等电路，可加速开关M1的切换动作。下方驱动电路32中，则包含开关Q19、电阻R95、二极管D3等电路，可加速开关M2的切换动作。该开关33包括上述该第一及第二开关M1及M2，分别受上方驱动电路31及下方驱动电路32的驱动，以便按一频率交替导通，将输入的直流电压Vin转换成方波输出到变压器T3的一次侧，随后经变压器T3而升压并滤波成为交流正弦波，用于驱动连接于变压器二次侧的灯管37。变压器T3二次侧并联一电容C35用于调整谐振曲线。另外，电容C67与灯管37串联连接，用于降低液晶面板本身特征对灯管所产生的影响。反馈电路38连接于灯管37的另一端，其包含一对半波整流二极管D5及D8，用于将交流信号整流成只有正半波的信号，及一取样电阻R100，用于对流经该灯管37的电流值取样并转成电压反馈信号FB输出到该脉宽调制控制电路30。该电路30根据该反馈信号而输出该输出信号PWM2及PWM1，分别用于控制上方驱动电路31及下方驱动电路32的占空度，以便调节灯管37的亮度。
电压检测电路36具有两输入端，分别用于输入该换流器的输入电压Vin及一预先设定的参考电压Vref。电路36主要包含一比较器0P，电压Vin馈入该比较器的非反相输入端，而电压Vref则馈入其反相输入端。阻抗调整电路34主要包含并联的第一电容C97及第二电容C52，第一及第二电容的连接点连接到该变压器的一次侧，并且第二电容C52串联连接一控制开关Q15，控制开关Q15具有一控制输入端，连接到电压检测电路36的输出端。因此，当电压Vin高于预设的参考电压Vref时，比较器OP将输出一高电压，使连接于其输出端的一开关Q17导通，因而输出一控制信号到阻抗调整电路34的开关Q15使其导通。在此种情况下，阻抗调整电路34的等效阻抗为电容C97及电容C52的并联等效阻抗，相当于图4中曲线Z2的情况。相对地，若电压Vin低于预设的参考电压Vref，则开关Q15不会导通，阻抗调整电路34的等效阻抗为电容C97的阻抗，相当于图4中曲线Z1的情况。因此，可达到频率-阻抗关系曲线切换的目的，而使换流器的操作频率仅在一较小的频宽内变动。
最好，电压检测电路36还包含一滞后电路(hysteresis circuit)，主要由开关Q39及电阻R22k所组成，用于调整控制开关Q15切换的阈值。例如，若本发明的电路设计成在图2电源装置中输入的外部交流电压为150V(交流)时切换频率-阻抗关系曲线，则若输入电压于150V(交流)附近产生微小的上下变动均会使开关Q15产生误动作。设置滞后电路后，可使送到该开关Q15的信号能够确实执行切换，避免误动作的产生，例如，在电压上升的情况下，必须超过160V(交流)才会使开关Q15导通，而在电压下降的情况下，则必须低于140V(交流)才会使开关不导通。
本实施例仅用于说明而非限制，其它修改亦是可行的。例如，如图6所示，阻抗调整电路34可为二串联连接的第一电感L61及第二电感L62，该第二电感L62与控制开关Q15并联连接。此外，也可将上述图6的二串接电感L61及L62变换为一电感L7与变压器T3的一次侧线圈并联连接，开关Q15则与电感L7串联，形成如图7的电路。此外，也可使开关Q15直接连接到变压器T3的一次侧线圈中的其中一点，如此可利用开关Q15的导通或不导通而改变变压器T3一次侧线圈的圈数，进而改变等效阻抗值，如图8所示。
在本发明图5的优选实施例中，开关33采用一半桥(half-bridge)结构，然而，开关33亦可采用全桥(full-bridge)或推挽(push-pull)式结构等。开关M1及M2可使用MOS场效应晶体管或任何其它种类的晶体管。驱动电路31及32亦仅为说明的范例，可视实际电路需要而采用其它形式的设计。此外，阻抗调整电路34虽显示为连接在变压器T3的一次侧，但，亦可将其连接在变压器T3的二次侧，即，将图5中的阻抗调整电路34改为连接在电容C35与接地端之间，同样可达到频率-阻抗关系曲线切换的效果。
虽然本发明已以一优选实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神及范围的情况下，可做更动与变化，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所限定的为准。
Claims (31)
1.一种电源装置，用于提供电源到一包含灯管的系统，包括：
一整流/滤波器，其具有一输入端，连接到一外部交流电源，用于将该输入交流电压转换成直流电压，并具有一输出端，以输出该直流电压；
一直流向直流(DC-DC)转换器，其连接到该整流/滤波器的输出端，用于将该直流电压降压而转换成一固定直流电压输出，以向除该灯管外的系统供电；及
一直流向交流(DC-AC)换流器，其连接到该整流/滤波器的输出端，用于将该直流电压转换为一交流电压输出，以向该灯管供电。
2.如权利要求1所述的电源装置，其中，该系统为一液晶显示器。
3.如权利要求1所述的电源装置，其中，该系统为一个人计算机。
4.如权利要求1所述的电源装置，其中，该系统为一可携式计算机。
5.如权利要求1所述的电源装置，其中，该外部交流电源的电压范围处在约90到270V(交流)的电压范围内。
6.如权利要求1所述的电源装置，其中，该直流向交流换流器进一步包括：
二开关，其各具有一控制输入端；
一驱动电路，电连接到该二开关的控制输入端，用于驱动该二开关交替导通；
一变压器，其一次侧电连接到该开关，二次侧电连接到该灯管；
一取样电路，电连接到该灯管，用于检测流经该灯管的电流值并输出一反馈信号；
一调制控制电路，电连接到该取样电路及该驱动电路，用于根据该反馈信号来控制该驱动电路；
一电压检测电路，其具有一输入端，用于依据该输入端的电压大小，输出一控制信号；及
一阻抗调整电路，电连接到该电压检测电路及该变压器，用于依据该控制信号来调整其等效阻抗值。
7.如权利要求6所述的电源装置，其中，该电压检测电路的输入端电连接到该整流/滤波器的输出端。
8.如权利要求6所述的电源装置，其中，该电压检测电路的输入端电连接到该外部交流电源。
9.如权利要求6所述的电源装置，其中，该变压器是一升压变压器。
10.如权利要求6所述的电源装置，其中，该换流器的操作频率范围是处在约40KHz到80KHz的频率范围内。
11.如权利要求6所述的电源装置，其中，该阻抗调整电路是电连接到该变压器的一次侧。
12.如权利要求6所述的电源装置，其中，该阻抗调整电路电连接到该变压器的二次侧。
13.如权利要求6所述的电源装置，其中，该调制控制电路是为一脉宽调制控制电路，用于根据该反馈信号来控制该驱动电路的占空度。
14.如权利要求6所述的电源装置，其中，该调制控制电路是为一频率调制控制电路，用于根据该反馈信号来控制该驱动电路的切换频率。
15.一种换流器，用于驱动一放电灯管，该换流器包括：
二开关，其各具有一控制输入端；
一驱动电路，电连接到该二开关的控制输入端，用于驱动该二开关交替导通；
一变压器，其一次侧电连接到该开关，二次侧电连接到该灯管；
一取样电路，电连接到该灯管，用于检测流经该灯管的电流值并输出一反馈信号；
一调制控制电路，电连接到该取样电路及该驱动电路，用于根据该反馈信号来控制该驱动电路；
一电压检测电路，用于依据输入该换流器的电压大小，输出一控制信号；及
一阻抗调整电路，电连接到该电压检测电路及该变压器，用于依据该控制信号来调整其等效阻抗值。
16.如权利要求15所述的换流器，其中，该变压器是一升压变压器。
17.如权利要求15所述的换流器，其中，该换流器的操作频率范围是处在约40KHz到80KHz的频率范围内。
18.如权利要求15所述的换流器，其中，该阻抗调整电路电连接到该变压器的一次侧。
19.如权利要求15所述的换流器，其中，该阻抗调整电路电连接到该变压器的二次侧。
20.如权利要求15所述的换流器，其中，该开关是为MOS场效应晶体管。
21.如权利要求15所述的换流器，其中，该阻抗调整电路是包含一控制开关，其具有一控制输入端，电连接到该电压检测电路，依据该控制信号来控制该控制开关导通或不导通，以调整该阻抗调整电路的等效阻抗值。
22.如权利要求15所述的换流器，其中，该调制控制电路是为一脉宽调制控制电路，用于根据该反馈信号来控制该驱动电路的占空度。
23.如权利要求15所述的换流器，其中，该调制控制电路是为一频率调制控制电路，用于根据该反馈信号来控制该驱动电路的切换频率。
24.一种换流器，用于驱动一放电灯管，该换流器包括：
二开关晶体管，其各具有一控制输入端；
一驱动电路，电连接到该二开关晶体管的控制输入端，用于驱动该二开关晶体管按驱动频率交替导通；
一变压器，其具有一次侧线圈及二次侧线圈，该一次侧线圈电连接到该开关晶体管，该二次侧线圈电连接到该灯管；
一取样电路，其包含一取样电阻，串联连接于该灯管，用于检测流经该灯管的电流值并输出一反馈信号；
一调制控制电路，电连接到该取样电路及该驱动电路，用于根据该反馈信号来控制该驱动电路，以调节该灯管的亮度；
一电压检测电路，其包含一比较器，该比较器的一输入端电连接到该换流器的输入电压，另一输入端电连接到一预先设定的参考电压，用于依据该换流器的输入电压与该参考电压的比较结果，输出一控制信号；及
一阻抗调整电路，其一端电连接到该变压器，另一端经由一控制开关的控制输入端电连接到该电压检测电路，依据该控制信号来控制该控制开关导通或不导通，以调整该阻抗调整电路的等效阻抗值。
25.如权利要求24所述的换流器，其中，该阻抗调整电路的一端电连接到该变压器的一次侧线圈。
26.如权利要求24所述的换流器，其中，该阻抗调整电路的一端电连接到该变压器的二次侧线圈。
27.如权利要求24所述的换流器，其中，该阻抗调整电路包含并联的第一电容器及第二电容器，该第一及第二电容器的连接点电连接到该变压器的一次侧线圈，该第二电容器串联连接该控制开关。
28.如权利要求24所述的换流器，其中，该阻抗调整电路包含串联的第一电感器及第二电感器，该第一电感器的一端电连接到该变压器的一次侧线圈，该第二电感器并联连接该控制开关。
29.如权利要求24所述的换流器，其中，该电压检测电路还包含一滞后电路，用于调整该控制开关切换的阈值。
30.如权利要求24所述的换流器，其中，该阻抗调整电路包含第一电感器，其一端电连接到该变压器的一次侧线圈，并与该控制开关串联连接。
31.如权利要求24所述的换流器，其中，该阻抗调整电路的该控制开关连接到该变压器的一次侧线圈中，以通过改变该一次侧线圈的圈数来改变等效阻抗值。
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