TW201947861A

TW201947861A - 電源轉換裝置

Info

Publication number: TW201947861A
Application number: TW107116625A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-12-16

Abstract

一種電源轉換裝置，包含有一變壓器，用來將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；一第一開關，用來控制該變壓器之一一次側繞組的電流；一第二開關，用來控制該變壓器之一二次側繞組的電流；一電容，用來儲存該變壓器傳遞能量以產生一輸出電壓至一負載；一控制電路，耦接於該第二開關，用來根據該輸出電壓控制該第二開關；以及一給壓電路，耦接於該二次側繞組以及該二次側接地之間，用來根據該第一開關之導通狀態產生一電源電壓提供給該控制電路。

Description

電源轉換裝置

本發明係指一種電源轉換裝置，尤指一種不需要額外增設輔助繞組的電源轉換裝置。

隨著節能環保意識的重視，如何有效率的對電子裝置進行充電也成為了業界所努力的目標之一。

返馳式（Flyback）轉換器是目前充電器的常見架構之一。如第1圖所示，其為現有技術的一電源轉換裝置10的示意圖。電源轉換裝置10包含有一變壓器100、一控制電路102、開關S1和S2、電容Co、二極體D1以及電容Ccc。其中，變壓器100包含有一次側繞組(Primary Winding)NP1、二次側繞組(Secondary Winding)NS1、輔助繞組(Auxiliary Winding)NA1。開關S1、S2分別控制變壓器100之一次側繞組NP1以及二次側繞組NS1之操作。控制電路102用來控制開關S2的操作，使輸入電壓Vin透過變壓器100的轉換而產生輸出電壓Vout對負載Load充電。值得注意的是，為了控制電路102能夠正常運作，變壓器100必須另外設置有輔助繞組NA1，使能量可由輔助繞組NA1而提供控制電路102所需的電源電壓Vcc。

然而，為了取得獨立的電源電壓Vcc而設置輔助繞組NA1將會造成一次側繞組NP1轉換能量至二次側繞組NS1的效率下降。除此之外，一次側繞組NP1、二次側繞組NS1及輔助繞組NA1之間線圈的比例不但不易準確的設置，電源轉換裝置10也可能因為採用不同規格的控制電路102，而需要有不同電壓需求的電源電壓Vcc，造成變壓器100的設計複雜度更因為輔助繞組NA1的設置而大幅提高。因此，現有技術實有改善的必要。

因此，本發明的主要目的即在於提供一種不需要輔助繞組的電源轉換裝置。

本發明提供了一種電源轉換裝置，包含有一變壓器，包含有一一次側繞組以及一二次側繞組，用來將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；一第一開關，該第一開關之一第一端耦接於該一次側繞組以及該第一開關之一第二端耦接於一一次側接地，用來控制該一次側繞組的電流；一第二開關，該第二開關之一第一端耦接於該二次側繞組之一第一端，用來控制該二次側繞組的電流；一電容，該電容之一第一端耦接於該第二開關之一第二端，且該電容之一第二端耦接於一二次側接地，用來儲存能量以產生該輸出電壓至一負載；一控制電路，耦接於該第二開關之一控制端，用來根據該二次側繞組之該第一端的電壓以及該輸出電壓控制該第二開關；以及一給壓電路，耦接於該二次側繞組之該第一端以及該二次側接地之間，用來根據該第一開關之導通狀態產生一電源電壓提供給該控制電路。

因此，本發明提供了一種電源轉換裝置，不需於變壓器設置額外的輔助繞組以降低設計複雜度，且避免輔助繞組進行電壓轉換時的功率耗損以降低功率消耗。另外，本發明的電源轉換裝置可適用於不同的輸出電壓範圍，進而改善電源轉換裝置於不同電壓規格下的相容性。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的準則。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電源轉換裝置20之示意圖。電源轉換裝置20是用來接收一輸入電壓Vin以提供一輸出電壓Vout至負載Load。其中，負載Load可為連接於電源轉換裝置20以進行充電的電子裝置，電源轉換裝置20產生的輸出電壓Vout可提供電子裝置進行充電或是正常運作的電力來源。電源轉換裝置20包含有一變壓器200、一控制電路202、一給壓電路204、開關S1和S2、電容Co。變壓器200包含有一一次側繞組NP2以及一二次側繞組NS2。一次側繞組NP2之第一端用於耦接輸入電壓Vin且第二端耦接於開關S1之第一端。二次側繞組NS2之第一端耦接於開關S2之第一端且第二端耦接於二次側接地GND2，變壓器200用來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout以對負載Load進行充電。在本實施例中，變壓器200僅具有一次側繞組NP2以及二次側繞組NS2，而不在電源轉換裝置20中設置輔助繞組。

開關S1之第一端耦接於一次側繞組NP2的第二端，開關S1之第二端耦接於一次側接地GND1。開關S2之第一端耦接於二次側繞組NS2的第一端、開關S2之第二端耦接於電容Co之第一端、開關S2之控制端耦接於控制電路202。其中，開關S1和S2可分別依據控制端之電壓位準，而將其第一端與第二端之間的訊號傳遞路徑設置為導通或不導通。在此實施例中，在控制端之電壓位準為高電壓位準時，開關S1和S2可為導通狀態，以導通其第一端與第二端之間的訊號路徑來傳遞電壓以及電流；在控制端之電壓位準為低電壓位準時，開關S1和S2可為不導通狀態，第一端與第二端之間為開路狀態，電壓以及電流無法互相傳遞。舉例而言，開關S1和S2可為金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）、雙載子接面電晶體（bipolar Junction Transistor，BJT）或其它具備類似功能的元件，但不以此為限。當該開關S1導通時，一次側繞組NP2有電流通過且一次側繞組NP2會儲存能量。此時，由電容Co產生輸出電壓Vout以對負載Load供電。當該開關S1不導通時，一次側繞組NP2所儲存能量會傳遞至二次側繞組NS2，以對電容Co與給壓電路204進行供電。在本實施例中，一次側接地GND1與二次側接地GND2可以依據不同的設計考量，而分別設置為相同或不同的電壓位準。控制電路202耦接於開關S2的第一端、第二端和控制端，用以依據開關S2的第一端和第二端的狀態來控制開關S2的導通狀態，以控制流過二次側繞組NS2的電流。具體而言，當開關S1導通時，一次側繞組NP2有電流通過且一次側繞組NP2會儲存能量；當開關S2導通時，二次側繞組NS2有電流通過且將一次側繞組NP2所儲存的能量透過二次側繞組NS2傳遞至電容Co，並產生輸出電壓Vout以對負載Load進行供電。例如，控制電路202可為一同步整流裝置(Synchronous Rectifier，SR)，並且可以依據不同的設計考量，而包含有限電流保護電路、限電壓保護電路和溫度保護電路等(皆未繪示於圖中)。

詳細而言，控制電路202會感測二次側繞組NS2之第一端的電壓以及開關S2之第二端的電壓，據此控制開關S2的導通狀態。如此一來，控制電路202可以在開關S1不導通的時候導通開關S2，使變壓器200所儲存之能量透過開關S2傳遞至電容Co，以提供輸出電壓Vout至負載Load。

本發明的給壓電路204耦接於控制電路202和二次側繞組NS2，可儲存由變壓器200所傳遞之能量，穩定地提供電源電壓Vcc至控制電路202以控制開關S2的操作，使給壓電路202可於變壓器200在一次側繞組NP2儲存能量且不傳遞能量至二次側繞組NS2時，提供電源電壓Vcc至控制電路202。

進一步而言，給壓電路204可用來儲存能量以產生電源電壓Vcc至控制電路202。給壓電路204耦接於二次側繞組NS2之第一端以及二次側接地GND2，以提供電源電壓Vcc至控制電路202。當開關S1不導通時，一次側繞組NP2所儲存能量會傳遞至二次側繞組NS2。二次側繞組NS2所儲存能量會提供至給壓電路204。在此情況下，本發明之給壓電路204可儲存能量以產生電源電壓Vcc至控制電路202。當開關S1不導通且開關S2導通時，二次側繞組NS2會對給壓電路204供電。當開關S1導通且開關S2不導通時，二次側繞組NS2沒有電流流過，給壓電路204可於此時根據儲存的能量，穩定地提供電源電壓Vcc至控制電路202，使控制電路202能夠感測開關S2之第一端及第二端的電壓而控制開關S2的導通狀態。如此一來，在變壓器200不傳遞能量至二次側繞組NS2時，給壓電路204仍可以穩定地提供電源電壓Vcc，而維持控制電路202的正常運作。

簡言之，本發明透過設置給壓電路204提供電源電壓Vcc給控制電路202。在開關S1不導通的時候，給壓電路204可儲存二次側繞組NS2所提供的能量，於開關S1導通時，給壓電路204可穩定地提供電源電壓Vcc至控制電路202。如此一來，本發明的電源轉換裝置20不需在變壓器200上額外設置輔助繞組，即可產生控制電路202所需的電源電壓Vcc，降低設計複雜度且避免輔助繞組造成的能量損耗。

請參考第3圖，第3圖為第2圖中之電源轉換裝置20之另一實施例示意圖。如第3圖所示，給壓電路204包含有一二極體D3、一鉗位電路206以及一電容C3。二極體D3之陽極耦接於二次側繞組NS2之第一端，二極體D3之陰極耦接於電容C3之第一端。電容C3之第一端耦接於控制電路202，電容C3之第二端耦接於二次側接地GND2。電容C3用來儲存變壓器200所傳遞之能量，以穩定地提供電源電壓Vcc至控制電路202。另外，鉗位電路206之第一端耦接於二極體D3之陰極，鉗位電路206之第二端耦接於二次側接地GND2。換句話說，鉗位電路206與電容C3互相並聯而連接，用於將電容C3所產生的電源電壓Vcc設置於所需的電壓位準。當開關S1不導通時，一次側繞組NP2所儲存能量會傳遞至二次側繞組NS2。二極體D3導通，二次側繞組NS2所儲存能量會經由二極體D3提供至電容C3，以對電容C3充電，使得電容C3輸出電源電壓Vcc至控制電路202，以供控制電路202進行相關運作，並可藉由鉗位電路206而確保電源電壓Vcc的電壓位準不會過高而使控制電路202不正常的運作。在一實施例中，鉗位電路206可為一齊納二極體ZD3，其陽極耦接於二次側接地且陰極耦接於二極體D3之陰極。

詳細而言，電容C3兩端之電壓差值等於鉗位電路206兩端之電壓差值，且鉗位電路206可限制電容C3兩端之電壓差值（即電源電壓Vcc）。當電容C3兩端之電壓差值小於鉗位電路206的導通電壓時，鉗位電路206不導通，給壓電路204將電容C3之兩端電壓差值輸出為電源電壓Vcc且傳遞至控制電路202。當電容C3兩端之電壓差值大於等於鉗位電路206的導通電壓時，鉗位電路206即導通進而會限制電容C3兩端之電壓差值為鉗位電路206的導通電壓。也就是說，當施加於鉗位電路206兩端之偏壓（即相當於電容C3兩端之電壓差值大小）超過鉗位電路206的導通電壓時，鉗位電路206會導通。接著，處於導通狀態之鉗位電路206將會鉗制住鉗位電路206兩端之電壓差（亦即鉗制住電容C3兩端之電壓差）而使電容C3兩端之電壓差值維持在鉗位電路206的導通電壓的大小。如此一來，透過鉗位電路206，給壓電路204可將小於或等於導通電壓大小之電源電壓Vcc輸出至控制電路202，以控制開關S2之操作。其中，導通電壓可根據不同的應用以及設計需求調整，例如，在一實施例中，鉗位電路206的導通電壓可介於20伏特至25伏特之間。在其他實施例中，鉗位電路也可以採用其他的電路元件實施，將導通電壓設置為所需的電壓位準，以將電容C3所產生的電源電壓Vcc設置於所需的電壓位準，進而改善電源轉換裝置於不同電壓規格下的相容性。

傳統電源轉換裝置在沒有設置輔助繞組的情況下，其僅能根據一次側繞組NP1以及二次側繞組NS1的轉換特性產生單一位準的輸出電壓Vout。本發明提供給壓電路204設置在變壓器的二次側，使電源轉換裝置在沒有設置輔助繞組的情況下可產生獨立於輸出電壓Vout的電源電壓Vcc。根據不同的應用以及需求，傳統電源轉換裝置的輸出電壓可能會被設置在不同的電壓區間而不適合直接提供做為控制電路202的供應電壓。本發明的給壓電路204藉由適當的設置鉗位電路，即可提供穩定的電源電壓Vcc給控制電路202，簡化系統設計的流程。

請參考第4A和4B圖，第4A圖為電源轉換裝置20之控制開關S1和S2的一實施例的訊號示意圖；第4B圖為電源轉換裝置20之電源電壓Vcc及輸出電壓Vout的一實施例的示意圖。如第4A圖所示，線40繪示開關S1之控制端的訊號波形；線42繪示開關S2之控制端的訊號波形，其中，線40以及線42不會同時被設置為高電壓準位，開關S1以及開關S2不會同時導通。在開關S1的控制訊號由高電壓準位切換至低電壓準位時，開關S2之控制端訊號與開關S1之控制端訊號兩者切換時間之間可保持一定的間隔時間，以避免開關S1與開關S2同時導通。另外，如第4B圖所示，線44繪示輸出電壓Vout的示意圖；線46繪示電源電壓Vcc的示意圖。在開關S1和S2根據控制訊號分別導通變壓器200之一次側繞組NP2以及二次側繞組NS2的電流，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout的情況下，本發明的給壓電路204可穩定地提供電源電壓Vcc至控制電路202，使二次側繞組NS2在沒有傳遞能量時，控制電路202仍可正確地設置開關S2進行導通以及不導通之操作，而不需要額外設置輔助繞組，降低設計複雜度且避免輔助繞組造成的能量損耗。

相較於傳統電源轉換裝置為了提供設置於二次側的控制電路電源，需要在變壓器上設置額外的輔助繞組，進而降低輸出電壓的轉換效率、增加設計複雜度且造成額外的能量損耗。本發明透過給壓電路，可以在不需要額外設置輔助繞組的情況下提供電源電壓至控制電路，降低設計複雜度且避免輔助繞組造成的能量損耗。除此之外，本發明的電源轉換裝置可適用於不同的輸出電壓規格，進而改善電源轉換裝置於不同電壓規格下的相容性。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20‧‧‧電源轉換裝置

100、200‧‧‧變壓器

102、202‧‧‧控制電路

204‧‧‧給壓電路

206‧‧‧鉗位電路

40、42、44、46‧‧‧線

50‧‧‧流程

500、502、504、506‧‧‧步驟

S1、S2‧‧‧開關

Co、Ccc、C3‧‧‧電容

NP1、NP2‧‧‧一次側繞組

NS1、NS2‧‧‧二次側繞組

NA1‧‧‧輔助繞組

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Vcc‧‧‧電源電壓

GND1‧‧‧一次側接地

GND2‧‧‧二次側接地

ZD3‧‧‧齊納二極體

第1圖為一傳統電源轉換裝置之示意圖。第2圖為本發明實施例一電源轉換裝置之示意圖。第3圖為第2圖中之電源轉換裝置之另一實施例示意圖。第4A圖為電源轉換裝置之控制開關之訊號示意圖。第4B圖為電源轉換裝置之電源電壓及輸出電壓之意圖。

Claims

一種電源轉換裝置，包含有：一變壓器，包含有一一次側繞組以及一二次側繞組，用來將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；一第一開關，該第一開關之一第一端耦接於該一次側繞組以及該第一開關之一第二端耦接於一一次側接地，用來控制該一次側繞組的電流；一第二開關，該第二開關之一第一端耦接於該二次側繞組之一第一端，用來控制該二次側繞組的電流；一第一電容，該第一電容之一第一端耦接於該第二開關之一第二端，且該第一電容之一第二端耦接於一二次側接地，用來儲存能量以產生該輸出電壓至一負載；一控制電路，耦接於該第二開關之一控制端，用來根據該該第二開關之第一端的電壓以及該該第二開關之第二端的電壓控制該第二開關的導通狀態；以及一給壓電路，耦接於該二次側繞組之該第一端以及該二次側接地之間，用來根據該第一開關之導通狀態產生一電源電壓提供給該控制電路；其中該電源轉換裝置不包含一輔助繞組；當該第一開關不導通且該第二開關導通時，該變壓器傳遞能量至該第一電容，以產生輸出電壓至該負載；第一電容用來儲存由該變壓器所傳遞之能量，以產生該輸出電壓至該負載；以及當該第一開關不導通時，該變壓器傳遞能量至該給壓電路，以產生該電源電壓。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該給壓電路包含有：一二極體，該二極體之一陽極耦接於耦接於該二次側繞組之該第一端；一第二電容，該第二電容之一第一端耦接於該二極體之一陰極，且該第二電容之一第二端耦接於該二次側接地，用來儲存該變壓器所傳遞之能量以提供該電源電壓至該控制電路，其中，該電源電壓為該第二電容之該第一端與該第二電容之該第二端之間之電壓差；以及一鉗位電路，該鉗位電路之一第一端耦接於該二極體之該陰極，且該鉗位電路之一第二端耦接於該二次側接地，當該第二電容之該第一端與該第二電容之該第二端之間之電壓差小於一導通電壓時，該鉗位電路不限制該電源電壓；當該電源電壓大於等於該導通電壓時，該鉗位電路限制該電源電壓等於該導通電壓。
如申請專利範圍第2項所述之電源轉換裝置，其中該鉗位電路為一齊納二極體，且該齊納二極體之一陰極耦接於該二極體之該陰極以及該齊納二極體之一陽極耦接於該二次側接地。