TW201926873A - 切換式電源之電路結構 - Google Patents

Abstract

一種切換式電源之電路結構，包括輸入端、輸出端、儲能電容、升壓電路及第二電感元件。輸入端係並聯於輸入電容。輸出端具有正端及負端。儲能電容係電性連接於正端與接地端之間。升壓電路包括第一電感元件、開關元件及二極體，其中第一電感元件、開關元件及二極體的一端係彼此電性連接以形成一共點，該開關元件係電性連接於該共點與該接地端之間。第二電感元件係電性連接於負端及共點之間；其中負端與接地端不連接。

Description

切換式電源之電路結構

本發明係關於一種切換式電源之電路結構，特別是一種可有效降低電感激磁電流及輸出漣波之切換式電源之電路結構。

現今的技術已經發展出兩種電源供應方式，分別為線性電源供應器及切換式電源供應器。線性電源供應器構造簡單、成本低、較不容易損壞、輸出雜訊小。但容易會受到輸入電壓的影響。同時體積也會跟著輸出電壓或電流變大，能量轉換效率也不比切換式電源供應器。切換式電源供應器的構造複雜、成本高、輸出電源雜訊較多。但在相同輸出功率下，切換式電源供應器的體積比線性電源供應器來的小，同時轉換效率也比較高。

於先前技術中已經具有降壓型(buck)轉換器、昇壓型(boost)轉換器與昇降壓型 (buck-boost)三種切換式電源供應器。當中昇壓型轉換器的輸入電流不會斷，於交流直流轉換的應用有很好的功率因素校正功能，且電感的激磁電流較小。但場效電晶體導通時，電感無串聯或並聯於輸出端，導致輸出漣波較大為其缺點，只能應用於輸出電壓高於輸入電壓的場合。降壓型轉換器的電感始終串聯或並聯於輸出端，具有較小的輸出漣波。但輸入電流會斷，導致電感的激磁電流較大為其缺點。只能應用於輸出電壓低於輸入電壓的場合。而昇降壓型轉換器可應用於輸出電壓低於或高於輸入電壓的場合。輸入電流會斷導致電感的激磁電流較大，加上場效電晶體導通時電感無串聯或並聯於輸出，導致輸出漣波較大為其缺點。

因此，有必要發明一種新的切換式電源之電路結構，以解決先前技術的缺失。

本發明之主要目的係在提供一種切換式電源之電路結構，其具有可有效降低電感激磁電流及輸出漣波之效果。

本發明之另一主要目的係在提供另一種切換式電源之電路結構。

為達成上述之目的，本發明之切換式電源之電路結構包括輸入端、輸出端、儲能電容、升壓電路及第二電感元件。輸入端係並聯於輸入電容。輸出端具有正端及負端。儲能電容係電性連接於正端與接地端之間。升壓電路包括第一電感元件、開關元件及二極體，其中第一電感元件、開關元件及二極體的一端係彼此電性連接以形成一共點，該開關元件係電性連接於該共點與該接地端之間。第二電感元件係電性連接於負端及共點之間；其中負端與接地端不連接。

本發明之另一切換式電源之電路結構包括輸入端、輸出端、升壓電路以及第二電感元件。輸入端係並聯於輸入電容。輸出端具有正端及負端。升壓電路包括第一電感元件、開關元件及二極體，第一電感元件、開關元件及二極體之一端彼此電性連接形成共點，開關元件係電性連接於共點與接地端之間。第二電感元件之一端係電性連接於正端且另一端與二極體及儲能電容電性連接，儲能電容之另一端係電性連接接地端；其中負端係與共點電性連接。

為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。

以下請先參考圖1係本發明之切換式電源之電路結構之第一實施例之示意圖。

於本發明之第一實施例中，切換式電源之電路結構1a包括輸入端10、輸出端20、輸入電容C1、儲能電容C2、升壓電路30及第二電感元件L2。輸入端10係用以輸入具有輸入電流Iin之原始之電源，且並聯於輸入電容C1，輸入電容C1用以抑制輸入端10的電壓變化。輸出端20具有正端21及負端22，以電性連接外接之一負載(圖未示)，用以輸出處理後之電源，其處理後之電源具有輸出電流Io及輸出電壓Vo。儲能電容C2係電性連接於正端21與接地端G之間。升壓電路30包括第一電感元件L1、開關元件40及二極體D。開關元件40為主動功率元件，於本發明之第一實施例中，開關元件40為場效電晶體(MOSFET)，但本發明並不限於此。其中第一電感元件L1、開關元件40及二極體D的一端係彼此電性連接以形成共點50，開關元件40係電性連接於共點50與接地端G之間。第二電感元件L2係電性連接於負端22及共點50之間，且其中負端22與接地端G不連接。第一電感元件L1具有電感激磁電流IL1，第二電感元件L2具有電感激磁電流IL2。切換式電源之電路結構1a更包括一輸出電容C3，該輸出電容C3具有穩定輸出電壓之功能。

接著請參考圖2A-2B係本發明之切換式電源之電路結構之第一實施例之作動方式之電流路徑示意圖。

於本發明之第一實施例中，當該開關元件40導通時就如圖2A所示，此時二極體D會逆偏截止，第一電感元件L1、開關元件40與接地端G係形成第一串聯廻路S1，所以輸入端10之電源就會依序流經第一電感元件L1、開關元件40與接地端G，以對第一電感元件L1充電。同時儲能電容C2透過輸出端20及開關元件40形成第二串聯廻路S2，因此會依序流經正端21、負載及輸出電容C3、負端22、第二電感元件L2、開關元件40與接地端G，以對第二電感元件L2充電。

而當開關元件40斷路時就如圖2B所示，此時二極體D會順壓導通，所以第一電感元件L1、二極體D、儲能電容C2與接地端G係形成第三串聯廻路S3，輸入端10之電源就會依序流經第一電感元件L1、二極體D、儲能電容C2與接地端G，以使第一電感元件L1釋放電能，並對儲能電容C2進行充電。同時第二電感元件L2、二極體D與輸出端20形成第四串聯廻路S4，以使第二電感元件L2對輸出端20釋放電能，其經由二極體D到輸出電容C3及負載的路徑以輸出電源。

接著請參考圖3係本發明之切換式電源之電路結構之第二實施例之示意圖。

於本發明之第二實施例中，切換式電源之電路結構1b同樣包括輸出端20、輸入端10、輸入電容C1、儲能電容C2、升壓電路30及第二電感元件L2。輸出端20具有正端21及負端22。輸入端10係並聯於輸入電容C1。升壓電路30同樣包括第一電感元件L1、開關元件40及二極體D，第一電感元件L1、開關元件40及二極體D之一端彼此電性連接形成共點50，開關元件40係電性連接於共點50與接地端G之間。但本發明之第二實施例之第二電感元件L2之一端係電性連接於正端21，且另一端與二極體D及儲能電容C2電性連接，儲能電容C2之另一端係電性連接接地端G，其中負端22係與共點50電性連接。切換式電源之電路結構1b同樣包括輸出電容C3，輸出電容C3具有穩定輸出電壓之功能。

接著請一併參考圖4A-4B係本發明之切換式電源之電路結構之第二實施例之作動方式之電流路徑示意圖。

於本發明之第二實施例中，當開關元件40導通時就如圖4A所示，此時二極體D會逆偏截止，第一電感元件L1、開關元件40與接地端G係形成第一串聯廻路S1’，所以輸入端10之電源就會依序流經第一電感元件L1、開關元件40與接地端G，以對第一電感元件L1充電。同時儲能電容C2透過輸出端20及開關元件40形成第二串聯廻路S2’，因此會依序流經第二電感元件L2、負載及輸出電容C3、開關元件40與接地端G，以對第二電感元件L2充電。

而當開關元件40斷路時如圖4B所示，此時二極體D會順壓導通，第一電感元件L1、二極體D、儲能電容C2與接地端G係形成一第三串聯廻路S3’，輸入端10之電源就會依序流經第一電感元件L1、二極體D、儲能電容C2與接地端G，以使第一電感元件L1釋放電能，並對儲能電容C2進行充電。同時第二電感元件L2、二極體D與輸出端20形成第四串聯廻路S4’，以使第二電感元件L2對輸出端20釋放電能，其經由二極體D回到第二電感元件L2的路徑以輸出電源。

藉此，不論是切換式電源之電路結構1a或1b，當開關元件40處於導通或斷路狀態時，經過第一電感元件L1的電流皆維持流動，可以降低第一電感元件L1之激磁電流。且當開關元件40處於導通或斷路狀態時，第二電感元件L2及輸出電容C3始終串聯或並聯於輸出端20，以降低輸出端20之漣波電流。

以先前技術之昇降壓型轉換器為例，在輸入輸出相同、所有零件相同和切換頻率相同的情況下，本發明之切換式電源之電路結構1a或1b與先前技術之昇降壓型轉換器所測得之輸入電流Iin、電感激磁電流IL、IL1、IL2、輸出電流Io及輸出電壓Vo就如下圖5A到5B所示。接著請參考圖5A到5B為相關的性能之波形示意圖，其中圖5A係先前技術之昇降壓型轉換器之性能之波形示意圖，圖5B係本發明之切換式電源之電路結構之性能之波形示意圖。

由圖5A到5B的波形圖比較可知，本發明之切換式電源之電路結構1a或1b表現出的性能皆優於先前技術之轉換器電路，如輸入電流Iin不會中斷、第一電感元件L1的電感激磁電流IL1及第二電感元件L2的電感激磁電流IL2皆小於先前技術的電感激磁電流IL，而可降低銅損。本發明之輸出電流Io的漣波較先前技術小，在相同的設計規格下可使用較小的輸出電容，讓輸出電容的體積縮小。

需注意的是，上述實施方式僅例示本發明之較佳實施例，為避免贅述，並未詳加記載所有可能的變化組合。然而，本領域之通常知識者應可理解，上述各模組或元件未必皆為必要。且為實施本發明，亦可能包含其他較細節之習知模組或元件。各模組或元件皆可能視需求加以省略或修改，且任兩模組間未必不存在其他模組或元件。只要不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準。

1a、1b‧‧‧切換式電源之電路結構

10‧‧‧輸入端

20‧‧‧輸出端

21‧‧‧正端

22‧‧‧負端

30‧‧‧升壓電路

40‧‧‧開關元件

50‧‧‧共點

C1‧‧‧輸入電容

C2‧‧‧儲能電容

C3‧‧‧輸出電容

D‧‧‧二極體

G‧‧‧接地端

L1‧‧‧第一電感元件

L2‧‧‧第二電感元件

Iin‧‧‧輸入電流

IL、IL1、IL2‧‧‧電感激磁電流

Io‧‧‧輸出電流

S1、S1’‧‧‧第一串聯廻路

S2、S2’‧‧‧第二串聯廻路

S3、S3’‧‧‧第三串聯廻路

S4、S4’‧‧‧第四串聯廻路

Vo‧‧‧輸出電壓

圖1係本發明之切換式電源之電路結構之第一實施例之示意圖。 圖2A-2B係本發明之切換式電源之電路結構之第一實施例之作動方式之電流路徑示意圖。 圖3係本發明之切換式電源之電路結構之第二實施例之示意圖。 圖4A-4B係本發明之切換式電源之電路結構之第二實施例之作動方式之電流路徑示意圖。 圖5A係先前技術之昇降壓型轉換器之性能之波形示意圖。 圖5B係本發明之切換式電源之電路結構之性能之波形示意圖。

Claims (12)

1. 一種切換式電源之電路結構，包括： 一輸入端，係並聯於一輸入電容； 一輸出端，具有一正端及一負端； 一儲能電容，係電性連接於該正端與一接地端之間； 一升壓電路，包括一第一電感元件、一開關元件及一二極體，其中該第一電感元件、該開關元件及該二極體的一端係彼此電性連接以形成一共點，該開關元件係電性連接於該共點與該接地端之間；以及 一第二電感元件，係電性連接於該負端及該共點之間；其中該負端與該接地端不連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件導通時，該第一電感元件、該開關元件與該接地端係形成一第一串聯廻路，以對該第一電感元件充電，同時該儲能電容透過該輸出端及該開關元件形成一第二串聯廻路，以對該第二電感元件充電。
3. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源之電路結構，更包括一輸出電容，該輸出電容具有穩定輸出電壓之功能。
4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件斷路時，該第一電感元件、該二極體、該儲能電容與該接地端係形成一第三串聯廻路，以使該第一電感元件對該儲能電容釋放電能，同時該第二電感元件、該二極體與該輸出端形成一第四串聯廻路，以使該第二電感元件對該輸出端釋放電能。
5. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件處於導通或斷路狀態時，經過該第一電感元件的電流皆維持流動，以降低該第一電感元件之激磁電流。
6. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件處於導通或斷路狀態時，該第二電感元件及輸出電容始終串聯或並聯於輸出端，以降低該輸出端之漣波電流。
7. 一種切換式電源之電路結構，包括： 一輸入端，係並聯於一輸入電容； 一輸出端，具有一正端及一負端； 一升壓電路，包括一第一電感元件、一開關元件及一二極體，其中該第一電感元件、該開關元件及該二極體之一端彼此電性連接形成一共點，該開關元件係電性連接於該共點與一接地端之間；以及 一第二電感元件，該第二電感元件之一端係電性連接於該正端且另一端與該二極體及一儲能電容電性連接，該儲能電容之另一端係電性連接該接地端；其中該負端係與該共點電性連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件導通時，該第一電感元件、該開關元件與該接地端係形成一第一串聯廻路，以對該第一電感元件充電，同時該儲能電容透過該輸出端及該開關元件形成一第二串聯廻路，以對該第二電感元件充電。
9. 如申請專利範圍第7項所述之切換式電源之電路結構，更包括一輸出電容，該輸出電容具有穩定輸出電壓之功能。
10. 如申請專利範圍第7項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件斷路時，該第一電感元件、該二極體、該儲能電容與該接地端係形成一第三串聯廻路，以使該第一電感元件對該儲能電容釋放電能，同時該第二電感元件、該二極體與該輸出端形成一第四串聯廻路，以使該第二電感元件對該輸出端釋放電能。
11. 如申請專利範圍第7項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件處於導通或斷路狀態時，經過該第一電感元件的電流皆維持流動，以降低該第一電感元件之激磁電流。
12. 如申請專利範圍第7項所述之切換式電源之電路結構，其中當該開關元件處於導通或斷路狀態時，該第二電感元件及輸出電容始終串聯或並聯於輸出端，以降低該輸出端之漣波電流。