TWI401555B - 調壓電路及其適用之並聯式調壓電路系統 - Google Patents

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Description

調壓電路及其適用之並聯式調壓電路系統
本案係關於一種調壓電路，尤指一種可減少損耗而提高效能之調壓電路及其所適用之並聯式調壓電路系統。
分散式電源(distributed power)系統由於具有較高的整體效率以及可靠度，且在電路實現的成本上亦相對較低，因此被廣泛地應用於各種電子產品中。分散式電源系統在使用分散式的供電方式時，由於所提供之每一電源的功率損耗較小，發熱量亦較低，因此散熱會比集中式的供電方式更容易且效果更好，此外，因為分散式電源系統所提供之電源的分散度之效率較高，因此分散式電源系統一旦發生故障，其所影響的範圍便較小，使得電子產品也就越可靠。
然而為了能提供負載端更穩定的電壓轉換以及穩壓的效果，且提高供電的效率，並降低生產成本，由分散式電源系統所改良的中間匯流排(Intermediate Bus)電源系統便因應而生。
中間匯流排電源系統主要包含一前級調壓電路以及至少一後級轉換電路。其中，前級調壓電路包含至少一開關元件，前級調壓電路係藉由控制開關元件之運作而將所接收之輸入電壓轉換為具有一固定值之過渡電壓，後級轉換電路則與前級調壓電路電連接，其係接收過渡電壓，並依據不同負載之要求，而將過渡電壓轉換成負載所需之工作電壓，例如1.8V、3.3V或5V等。由於前級調壓電路係先將輸入電壓轉換為過渡電壓，因此後級轉換電路便可直接將過渡電壓轉換成負載所需之工作電壓，而無須直接轉換輸入電壓，因此後級轉換電路在進行轉換動作時所產生的損耗便可減少，且後級轉換電路之電路架構亦可採用較為便宜的電子元件來實現。
然而前級調壓電路為了輸出具有一固定值之過渡電壓，前級調壓電路實際上會對應不同準位的輸入電壓來調整開關元件的責任週期，舉例而言，當輸入電壓持續提昇時，前級調壓電路便會控制開關元件的責任週期持續減小，反之，當輸入電壓持續減小時，前級調壓電路便會控制開關元件的責任週期持續提昇，如以一來，前級調壓電路藉由調整開關元件的責任週期便可將所接收之輸入電壓轉換為所需之額定電壓，然而，一旦輸入電壓過大，導致前級調壓電路需將開關元件的責任週期控制在非常小時，前級調壓電路便會具有較高的傳導損耗(conduction loss)、切換損耗(switching loss)以及濾波器損耗(filter loss)等缺失，進而降低前級調壓電路之效能。
因此，如何發展一種可以解決上述習知技術所遭遇之問題與缺失的 調壓電路及其適用之 並聯式調壓電路系統 ，實為目前所迫切需要解決之問題。
本案之主要目的為提供一種 調壓電路及其適用之 並聯式調壓電路，俾解決習知前級調壓電路當所接收之輸入電壓過大時，前級調壓電路內之開關元件的責任週期係被控制在非常小，導致習知前級調壓電路具有較高的傳導損耗、切換損耗以及濾波損耗而效能不佳等缺失。
為達上述目的，本案之較佳實施態樣提供一種調壓電路，包括：能量轉換電路，係包含至少一開關元件，且藉由開關元件之運作將輸入電壓轉換為過渡電壓；輸入電壓偵測電路，係與能量轉換電路電連接，用以輸出與輸入電壓相對應之輸入電壓偵測訊號；以及回授電路，係與能量轉換電路及輸入電壓偵測電路電連接，用以產生回授控制訊號；其中，當該輸入電壓改變時，該回授電路係調整使該過渡電壓隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而改變。
為達上述目的，本案之較佳實施態樣另提供一種並聯式調壓電路系統，包含：複數個調壓電路，係彼此並聯連接，且每一調壓電路係包含：能量轉換電路，係包含至少一開關元件，且藉由開關元件之運作將輸入電壓轉換為過渡電壓及輸出電流；輸入電壓偵測電路，係與能量轉換電路電連接，用以輸出與輸入電壓相對應之輸入電壓偵測訊號；電流偵測電路，係與能量轉換電路電連接，用以輸出與輸出電流相對應之電流偵測訊號；以及回授電路，係與能量轉換電路、電流偵測電路及輸入電壓偵測電路電連接，用以產生回授控制訊號；其中，當輸入電壓或輸出電流改變時，該回授電路係調整使過渡電壓隨著輸入電壓偵測訊號的改變而改變或使電流偵測訊號改變 。
為達上述目的，本案之較佳實施態樣又提供一種並聯式調壓電路系統，包含：複數個調壓電路，係彼此並聯連接，且皆連接於電流分享匯流排，其中每一調壓電路係包含：能量轉換電路，係包含至少一開關元件，且藉由開關元件之運作將輸入電壓轉換為過渡電壓及輸出電流；輸入電壓偵測電路，係與能量轉換電路電連接，用以輸出與輸入電壓相對應之輸入電壓偵測訊號；電流偵測電路，係與能量轉換電路電連接，用以輸出與輸出電流相對應之一電流偵測訊號；以及一回授電路；其中，當輸入電壓改變時，回授電路係調整使過渡電壓係隨著輸入電壓偵測訊號的改變而改變，且當電流偵測訊號與電流分享匯流排之一電流分享訊號相異時，該回授電路係使 電流偵測訊號與電流分享訊號相等。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，然其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。
請參閱第一圖，其係為本案較佳實施例之中央匯流排電源系統之電路方塊圖。如第一圖所示，中央匯流排電源系統1主要包含一前級調壓電路2以及至少一後級轉換電路，其中前級調壓電路2係接收輸入電壓Vin ，並將輸入電壓Vin 轉換為一過渡電壓Vs 。後級轉換電路，例如第一圖所示之第一後級轉換電路3a、第二後級轉換電路3b以及第三後級轉換電路3c，則與前級調壓電路2電連接，其係分別用以接收過渡電壓Vs ，並將過渡電壓Vs 轉換為負載(未圖示)所需之工作電壓，以提供給負載使用，於本實施例中，第一後級轉換電路3a係輸出第一工作電壓Vo1 ，第二後級轉換電路3b係輸出第二工作電壓Vo2 ，第三後級轉換電路3c係輸出第三工作電壓Vo3 。
於一些實施例中，後級轉換電路可由非隔離式的轉換器所構成，更甚者，後級轉換電路可由非隔離式的直流-直流轉換器所構成，但並不以此為限。此外，第一工作電壓Vo1 可為但不限於1V，第二工作電壓Vo2 可為但不限於3.3V，第三工作電壓Vo3 可為但不限於5V。
請參閱第二圖，其係為第一圖所示之前級調壓電路之電路方塊圖。如第二圖所示，前級調壓電路2主要包含一能量轉換電路20，一輸入電壓偵測電路21、一回授電路22以及一控制驅動電路23，其中能量轉換電路20係包含至少一開關元件(本圖未圖示)，且藉由開關元件之運作將輸入電壓Vin 轉換為過渡電壓Vs 。輸入電壓偵測電路21係與能量轉換電路20電連接，用以 偵測與輸入電壓Vin 相對應之一轉換電壓，進而輸出一輸入電壓偵測訊號Vt 。回授電路22係與能量轉換電路20以及輸入電壓偵測電路21電連接，用以依據輸入電壓偵測訊號Vt 以及過渡電壓Vs 而輸出一回授控制訊號Vf 。至於控制驅動電路23則與能量轉換電路20以及回授電路22電連接，其係接收回授控制訊號Vf ，並根據回授控制訊號Vf 而控制開關元件之責任週期，使能量轉換電路20運作並產生過渡電壓Vs 。
於本實施例中，當輸入電壓Vin 升高時，輸入電壓偵測訊號Vt 係對應輸入電壓Vin 而增加，回授控制訊號Vf 亦對應輸入電壓偵測訊號Vt 而改變，此時，控制驅動電路23便會依據回授控制訊號Vf 而控制開關元件之責任週期於一責任週期預定值以上，因此本案之前級調壓電路2便可減少 傳導損耗、切換損耗以及濾波損耗， 進而提昇實際效能。
請參閱第三圖，並配合第二圖，其中第三圖係為第二圖所示之前級調壓電路之部份細部電路結構示意圖。如第二及三圖所示，能量轉換電路20可為但不限於一半橋式脈衝寬度調變轉換器所構成，且主要包含一第一濾波電感L1、一第一分壓電路200、至少一開關元件、一變壓器T以及一次級側電路201。其中第一濾波電感L1 係用以對輸入電流(未圖示)進行濾波。第一分壓電路200則與濾波電感L1 電連接，用以對輸入電壓Vin 進行分壓，以提供給變壓器T之初級繞組Np ，且於本實施例中，第一分壓電路200可為但不限於由串聯連接之第一電容C1 以及第二電容C2 所構成。開關元件，例如第三圖所示之第一開關元件S1 以及第二開關元件S2 ，則與第一分壓電路200、變壓器T之初級繞組Np 以及控制驅動電路23電連接，第一開關元件S1 以及第二開關元件S2 係受控制驅動電路23之控制而進行導通或截止之動作，使輸入電壓Vin 之能量可選擇性地經由第一開關元件S1 以及第二開關元件S2 傳送至變壓器T之初級繞組Np ，進而使次級繞組Ns因電磁感應而產生感應交流電壓Vac ，且於本實施例中，第一開關元件S1 及第二開關元件S2 係以交錯的方式來進行導通或截止 。
次級側電路201則與變壓器T之次級繞組Ns 電連接，用以對感應交流電壓Vac 進行整流及濾波，以輸出過渡電壓Vs ，於本實施例中，次級側電路201主要包含一同步整流電路202以及一濾波電路203，其中同步整流電路202係與變壓器T之次級繞組Ns 電連接，用以進行同步整流，且可為但不限於由複數個同步整流開關Sr 所構成。濾波電路203則與同步整流電路202電連接，其係用以濾波，且可為但不限於由一第一濾波電容Cf1 以及一第二濾波電感L2 所構成。
當然，能量轉換電路20並不局限於如第三圖所示係由一半橋式脈衝寬度調變轉換器所構成，於一些實施例中，能量轉換電路20亦可由例如順向式、反馳式或是全橋式等脈衝寬度調變轉換器所構成。更甚者，能量轉換電路20亦可由諧振式，例如串聯諧振、並聯諧振、LLC串聯諧振或LLC並聯諧振的脈衝頻率調變轉換器所構成。
請參閱第四圖並配合第二及三圖，其中第四圖係為第三圖所示之輸入電壓偵測電路的細部電路結構示意圖。如第二至四圖所示，由於本實施例中，輸入電壓偵測電路21係與變壓器T之次級繞組Ns 電連接，因此輸入電壓偵測電路21 所偵測的轉換電壓 實際上 為次級繞組Ns 上之感應交流電壓Vac ，而因為感應交流電壓Vac 的大小係與輸入電壓Vin 的大小相對應，故輸入電壓偵測電路21藉由偵測感應交流電壓Vac 所輸出之輸入電壓偵測訊號Vt 亦會與輸入電壓Vin 相對應。
輸入電壓偵測電路21主要包含一整流二極體D、一第二濾波電容Cf2 以及一第二分壓電路210，其中整流二極體D之陽極端係與變壓器T之次級繞組Ns 電連接，整流二極體D係用以整流，第二濾波電容Cf2 係與整流二極體D之陰極端電連接，第二濾波電容Cf2 係用以濾波，第二分壓電路210則與整流二極體D之陰極端、第二濾波電容Cf2 以及回授電路22電連接，且可為但不限於由一第一電阻R1 以及一第二電阻R2 串聯連接所構成，第二分壓電路210係用以對經由整流二極體D整流以及經第二濾波電容Cf2 濾波後之電壓進行分壓，以輸出輸入電壓偵測訊號Vt 至回授電路22。
當然，輸入電壓偵測電路21並不侷限於如第三圖所示係與變壓器T之次級繞組Ns 電連接，以藉由偵測次級繞組Ns 上之感應交流電壓Vac 而輸出輸入電壓偵測訊號Vt ，於一些實施例中，輸入電壓偵測電路21亦可電連接於第一濾波電感L1 之輸入端、變壓器T附加的初級繞組(未圖示)、變壓器T附加的次級繞組(未圖示)、第一分壓電路200中第一電容C1 及第二電容C2 之間的連接點或是同步整流電路202之輸出側等位置，此時輸入電壓偵測電路21偵測到的能量轉換電路20之轉換電壓實際上便為上述該些位置所對應之電壓。
請再參閱第三圖，回授電路22主要包含一第一運算放大器220、一第三電容C3 、一第三分壓電路221、一光耦合器222以及一參考電壓調整電路223。其中第三分壓電路221係與能量轉換電路20之次級側電路201以及第一運算放大器220之反向輸入端電連接，其係用以對次級側電路201所輸出之過渡電壓Vs 進行分壓，以提供給第一運算放大器220之反向輸入端，且於本實施例中，第三分壓電路221可為但不限於由一第三電阻R3 以及一第四電阻R4 串聯連接所構成。第三電容C3 係分別與第一運算放大器220之反向輸入端以及輸出端電連接。光耦合器222之輸入端，即發光二極體元件D1 係與第一運算放大器220之輸出端電連接，光耦合器222之輸出端，即光電晶體B則與控制驅動電路23電連接。參考電壓調整電路223則電連接於第一運算放大器220之非反向輸入端以及輸入電壓偵測電路21之間，用以接收輸入電壓偵測訊號Vt ，並根據輸入電壓偵測訊號Vt 而輸出一參考電壓Vref 。第一運算放大器220係用以比較經第三分壓電路221分壓後之過渡電壓Vs 與參考電壓Vref ，並依比較結果而經光耦合器222輸出一回授控制訊號Vf ，如此一來，控制驅動電路23便根據回授控制訊號Vf 而對應地調整第一開關元件S1 以及第二開關元件S2 之責任週期，進而調節過渡電壓Vs ，亦即使經第三分壓電路221分壓後之過渡電壓Vs 與參考電壓Vref 實質上相等。
請參閱第五圖，並配合第二至四圖，其中第五圖係為第三圖所示之參考電壓調整電路之細部電路結構示意圖。如第二至五圖所示，參考電壓調整電路223主要包含一比較器2230、一電壓調整開關元件S3 、一可調穩壓器2231、一第一電壓調整電阻R5 、一第二電壓調整電阻R6 、一第三電壓調整電阻R7 以及一第四電壓調整電阻R8 。其中第四電壓調整電阻R8 係接收一直流電壓Vcc 。可調穩壓器2231可為但不限於由美國國家半導體(National Semiconductor：NS)的產品編號為LM4041的積體電路所構成，且可調穩壓器2231的陰極端a係與第一運算放大器220之非反向輸入端以及第四電壓調整電阻R8 電連接，可調穩壓器2231之陽極端b係與一接地端ground電連接，可調穩壓器2231之回授端c係與第一電壓調整電阻R5 電連接。第三電壓調整電阻R7 係電連接於可調穩壓器2231之陰極端a及回授端c之間，且與第一運算放大器220之非反向輸入端電連接，以輸出參考電壓Vref 。第二電壓調整電阻R6 係電連接於可調穩壓器2231之回授端c以及陽極端b之間，因此第二電壓調整電阻R6 兩端之電壓係被可調穩壓器2231限定於一電壓固定值，例如1.225V。第一電壓調整電阻R5 係與電壓調整開關元件S3 串聯連接，且第一電壓調整電阻R5 與電壓調整開關元件S3 的串聯回路係電連接於可調穩壓器2231之回授端c以及陽極端b之間。比較器2230的非反向輸入端係接收一預設電壓Vad ，比較器2230的反向輸入端則與輸入電壓偵測電路21電連接而接收輸入電壓偵測訊號Vt 。
以下將進一步說明本案之參考電壓調整電路223的作動方式以及本案之前級調壓電路2所能達成的技術效果。請參閱第六至八圖，並配合第二至五圖，其中第六圖係為第三圖所示之前級調壓電路之參考電壓對應於輸入電壓偵測訊號之波形圖，第七圖係為第三圖所示之前級調壓電路之過渡電壓對應於輸入電壓之波形圖，第八圖係為第三圖所示之前級調壓電路之開關元件的責任週期對應於輸入電壓之波形圖。如圖所示，當輸入電壓Vin 由0開始提昇至大於一最小驅動電壓Vmin 以上時，中央匯流排電源系統1便被輸入電壓Vin 所驅動，使得輸入電壓偵測訊號Vt 由0開始提昇，而當輸入電壓偵測訊號Vt 尚未提昇至大於預設電壓Vad ，即輸入電壓偵測訊號Vt 係小於預設電壓Vad 時，比較器2230便會輸出一高準位的致能訊號，使電壓調整開關元件S3 導通，進而使第一電壓調整電阻R5 以及第二電壓調整電阻R6 並聯連接，因此參考電壓Vref 係維持在如第六圖所示之一第一參考準位Vref1 ，該第一參考準位Vref1 的值可例如為(R5 //R6 )*1.225/R7 +1.225。而由第七圖及第八圖可得知，當輸入電壓偵測訊號Vt 小於預設電壓Vad 時，過渡電壓Vs 係維持在如第七圖所示之第一過渡準位Vs1 ，該第一過渡準位Vs1 的值為{(R3 +R4 )/R4 }* Vref1 ，至於能量轉換電路20之開關元件，例如第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期會從輸入電壓Vin 等於最小驅動電壓Vmin 時開始持續的下降。
而當輸入電壓Vin 提昇至一電壓門檻值Vth ，使輸入電壓偵測訊號Vt 恰好大於預設電壓Vad 時，比較器2230便會輸出一低準位的截止訊號，使電壓調整開關元件S3 截止，此時第一電壓調整電阻R5 形成開路，如此一來，參考電壓Vref 的準位便提高至如第六圖所示之一第二參考準位Vref2 ，該第二參考準位Vref2 的值可例如為(R6 *1.225/R7 )+1.225。而由第七圖及第八圖可得知，當輸入電壓偵測訊號Vt 恰好大於預設電壓Vad 時，過渡電壓Vs 的準位係提高至一第二過渡準位Vs2 ，該第二過渡準位Vs2 的值為{(R3 +R4 )/R4 }* Vref2 ，至於第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期便會在一第一責任週期預定值Duty1時呈現一步階式(step)的提昇，其中該第一責任週期預定值Duty1係可為但不限於60%。
如第六圖所示，參考電壓Vref 係隨著輸入電壓偵測訊號Vt 的增加而階段地改變，因此當輸入電壓Vin 提昇至大於電壓門檻值Vth 而小於中央匯流排電源系統1所能承受的一最大驅動電壓Vmax ，且輸入電壓偵測訊號Vt 係大於預設電壓Vad 時，參考電壓Vref 的準位便會持續維持在第二參考準位Vref2 ，而過渡電壓Vs 的準位亦持續維持在第二過渡準位Vs2 ，至於第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期則會從輸入電壓Vin 大於電壓門檻值Vth 時開始持續的下降，然而由第八圖可得知，第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期在下降的過程中仍維持於在第一責任週期預定值Duty1以上。
由上可知，本案之前級調壓電路2所接收之輸入電壓Vin 由0開始提昇至最小驅動電壓Vmin 以上時，前級調壓電路2之能量轉換電路20的開關元件，例如第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期係開始下降，然而當輸入電壓Vin 提昇至一電壓門檻值Vth 時，第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期係在第一責任週期預定值Duty1時呈現步階式的提昇，且當輸入電壓Vin 提昇至大於電壓門檻值Vth 而小於中央匯流排電源系統1所能承受的電壓最大驅動電壓Vmax 時，第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期仍維持在大於第一責任週期預定值Duty1以上，因此相較於習知前級調壓電路之開關元件的責任週期係隨著輸入電壓的提昇而持續地減小，本案之前級調壓電路2便可減少電能傳導的損耗、第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的切換損耗以及第一濾波電感L1 以及濾波電路203的濾波損耗等缺失 ，進而提昇效能。
請參閱第九至十二圖，其中第九圖係為第五圖所示之參考電壓調整電路之另一變化例，第十圖係為第九圖所示之參考電壓調整電路應用於第三圖所示之前級調壓電路時參考電壓對應於輸入電壓偵測訊號之波形圖，第十一圖係為第九圖所示之參考電壓調整電路應用於第三圖所示之前級調壓電路時過渡電壓對應於輸入電壓之波形圖，第十二圖係為第九圖所示之參考電壓調整電路應用於第三圖所示之前級調壓電路時開關元件之責任週期對應於輸入電壓之波形圖。如第九至十二圖所示，本實施例之參考電壓調整電路423的電路結構係與第五圖所示之參考電壓調整電路223相仿，且相同符號之元件代表結構與功能相似，故元件特徵及作動方式於此不再贅述。唯相較於第五圖，本實施例之參考電壓調整電路423並不具有如第五圖所示之比較器2230以及電壓調整開關元件S3 ，此外，第一電壓調整電阻R5 係改電連接於輸入電壓偵測電路21以及可調穩壓器2231之回授端c之間，進而接收輸入電壓偵測訊號Vt ，且第一電壓調整電阻R5 亦與第二電壓調整電阻R6 以及第三電壓調整電阻R7 電連接，因此經可調穩壓器2231所輸出之參考電壓Vref 的值為1.225+1.225*(R5 //R6 )/R7 +Vt *(R5 //R6 )/R5 ，由於第一電壓調整電阻R5 、第二電壓調整電阻R6 以及第三電壓調整電阻R7 之電阻值為常數，由此可知，此時參考電壓Vref 係隨著輸入電壓偵測訊號Vt 的變化而實質上線性地改變，亦即如第十及十一圖所示，當輸入電壓Vin 由最小驅動電壓Vmin 提昇至最大驅動電壓Vmax 而輸入電壓偵測訊號Vt 持續提昇時，由參考電壓調整電路223所輸出之參考電壓Vref 亦對應輸入電壓偵測訊號Vt 而持續地提昇。
此外，當輸入電壓Vin 由最小驅動電壓Vmin 提昇至最大驅動電壓Vmax 時，過渡電壓VS 係對應地持續提昇，然而因為參考電壓Vref 係持續地提昇，且為使第三分壓電路221分壓後之過渡電壓Vs 可與參考電壓Vref 實質上相等，即便輸入電壓Vin 係增加，控制驅動電路23亦會將第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期控制在一定值而不會減少，例如第12圖所示大於一第二責任週期預定值Duty2以上。
於其它實施例中，如第十三圖所示，回授電路22亦可不具有如第三圖所示之參考電壓調整電路223，此時回授電路22之第一運算放大器220之非反向輸入端則對應地改與輸入電壓偵測電路21電連接而接收輸入電壓偵測訊號Vt ，如此一來，回授電路22之第一運算放大器220之非反向輸入端所接收之參考電壓則直接為輸入電壓偵測訊號Vt， 因此當輸入電壓Vin 提昇時，輸入電壓偵測訊號Vt 亦跟著提昇，而為了使第三分壓電路221分壓後之過渡電壓Vs 與輸入電壓偵測訊號Vt 實質上相等，過渡電壓Vs 便持續的增加，故即便輸入電壓Vin 係增加，控制驅動電路23亦會控制第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期維持在一定值而不會減少，以具有如第十二圖所示之相似效果，換言之，即第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期亦會大於一第三責任週期預定值以上(未圖示)。
於一些實施例中，控制驅動電路23可為脈衝寬度調變控制驅動電路所構成，但不以此為限，當 能量轉換電路20為諧振式的脈衝頻率調變轉換器所構成時， 控制驅動電路23亦可為 脈衝頻率調變控制驅動電路所構成。
當然，中央匯流排電源系統1並不侷限於如第一圖所示僅具有一前級調壓電路2，於一些實施例中，如第十四圖所示，中央匯流排電源系統1亦可具有複數個前級調壓電路2，該些前級調壓電路2係相互並聯連接以構成一並聯式調壓電路系統，因此中央匯流排電源系統1便可藉由並聯連接之複數個前級調壓電路2而提供較大的輸出功率給後級轉換電路。
此外，為了使複數個前級調壓電路2具有電流分配技術 (current sharing technique)，即每一前級調壓電路2之輸出電流Io 可與其它的前級調壓電路2達成匹配，例如均流，以平均分配提供給後級轉換電路所需之電流，如第十四圖所示，每一前級調壓電路2更可為但不限於包含一電流偵測電路24，其係與能量轉換電路20以及回授電路22電連接，用以偵測能量轉換電路20內 與輸出電流Io 相對應之一轉換電流 ，以輸出一電流偵測訊號Vfc 至回授電路22，使回授電路22 更對應 電流偵測訊號Vfc 、 輸入電壓偵測訊號Vt 以及 過渡電壓Vs 改變回授控制訊號Vf ，如此一來，控制驅動電路23便調整例如第一開關元件S1 或第二開關元件S2 之責任週期來改變 前級調壓電路2之過渡電壓Vs ，因此除了過渡電壓Vs 會隨著輸入電壓Vin 的改變而調整，前級調壓電路2的輸出電流Io 與其它的前級調壓電路2之輸出電流Io 亦可達成匹配，舉例而言，當複數個前級調壓電路2之其中之一前級調壓電路2的輸出電流Io 過大時，電流偵測電路24便會輸出代表輸出電流Io 過大的電流偵測訊號Vfc 給回授電路22，使回授電路22對應輸入電壓偵測訊號Vt 及電流偵測訊號Vfc 而輸出相對應的回授控制訊號Vf ，如此一來，控制驅動電路23便會根據回授控制訊號Vf 調整第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期，使過渡電壓Vs 下降，進而降低輸出電流Io ，以使其與其它的前級調壓電路2負擔相同的負載電流。
請參閱第十五圖，其係為第十四圖所示之 前級調壓電路之部份細部電路結構示意圖。 如第十五圖所示，電流偵測電路24主要包含一感測元件241、一訊號放大器242、一第一放大比例調整電阻R9 以及一第二放大比例調整電阻R10 ，其中感測元件241可由電阻所構成，但不以此為限，感測元件241亦可由其他電流感測元件，例如電流變壓器、霍爾電流感測器(Hall- Effect Current Sensor)或是同步整流開關Sr 之導通電阻等來構成，感測元件241係與次級測電路201之輸出端電連接， 其係用以偵測與輸出電流Io 相對應之一轉換電流，於本實施例中， 轉換電流 實際上係 為輸出電流Io ，此外，感測元件241更會對應轉換電流而輸出一電流感測訊號Vc 。訊號放大器242、第一放大比例調整電阻R9 以及一第二放大比例調整電阻R10 則構成一訊號放大電路，該訊號放大電路係與感測元件241以及第四電阻R4 電連接，用以調整電流感測訊號Vc ，例如本實施例中，係將電流感測訊號Vc 放大R10 /R9 倍，以產生一電流偵測訊號Vfc ，並藉由第四電阻R4 傳送至第一運算放大器220的反向輸入端，使第一運算放大器220對應電流偵測訊號Vfc 、經第三分壓電路221分壓後之過渡電壓Vs 以及輸入電壓偵測訊號Vt 而產生回授控制訊號Vf ，使控制驅動電路23控制第一開關元件S1 或第二開關元件S2 的責任週期來調整過渡電壓Vs ，進而使前級調壓電路2之輸出電流Io 可與其它前級調壓電路2之輸出電流Io 達成匹配。
當然，感測元件241所偵測之轉換電流實際上並不侷限於如上所述係為輸出電流Io ，可依感測元件241連接位置的不同而有不同之實施態樣，因此只要感測元件241連接的位置所偵測到的轉換電流與輸出電流Io 有對應關係，皆在本案的保護範圍內。
請參閱十六圖，其係為第十四圖所示之中央匯流排電源系統之一變化例。如第十六圖所示，本實施例之中央匯流排電源系統1的電路結構與第十四圖所示之中央匯流排電源系統1相仿，且相同符號之元件代表結構與功能相似，故元件特徵及作動方式於此不再贅述。
唯相較於第十四圖所示之中央匯流排電源系統1，本實施例之中央匯流排電源系統1之每一前級調壓電路2更具有一電流分享電路25、一電流匹配電路26以及電流分享匯流排4，此外，電流偵測電路24係與能量轉換電路20、電流分享電路25以及電流匹配電路26電連接。
電流分享電路25係與電流偵測電路24電連接，並經由電流分享匯流排4而與其它前級調壓電路2之電流分享電路25電連接，電流分享電路25係接收由電流偵測電路24所輸出之電流偵測訊號Vfc ，此外，電流分享電路25亦傳送一電流分享信號Vcs 至電流分享匯流排4，其中該電流分享匯流排訊號Vcs 係代表著中央匯流排電源系統1內之複數個前級調壓電路2之輸出電流Io 的平均值或是複數個前級調壓電路2之輸出電流Io 中的最大電流值。電流匹配電路26則與電流偵測電路24、電流分享匯流排4以及回授電路22電連接，用以對電流偵測訊號Vfc 與電流分享匯流排訊號Vcs 之差異進行處理，使回授電路22可依據電流偵測訊號Vfc 與電流分享匯流排訊號Vcs 兩者間之差異而對應地調整回授控制訊號Vf ，因此控制驅動電路23便依據回授控制訊號Vf 調整第一開關元件S1 或第二開關元件S2 之責任週期，以改變前級調壓電路2之輸出電流Io ，故除了過渡電壓Vs 會隨著輸入電壓Vin 的改變而調整，電流偵測訊號Vfc 亦會被調整於等於電流分享匯流排訊號Vcs ，如此一來，前級調壓電路2之輸出電流Io 與其它前級調壓電路2之輸出電流Io 便可達成匹配。
請參閱第十七圖，其係為第十六圖所示之 前級調壓電路之部份細部電路結構示意圖。如第十七圖所示，每一前級調壓電路2之電流分享電路25主要包含一第二運算放大器250以及一第一 逆向電流阻隔二極體D2 ，其中第二運算放大器260之非反向輸入端係與電流偵測電路24電連接而接收電流偵測訊號Vf c ，第二運算放大器250之反向輸入端則經由電流分享匯流排4與其它前級調壓電路2之電流分享電路25電連接，第二運算放大器250之輸出端係與第一 逆向電流阻隔 二極體D2 之陽極端電連接，因此第二運算放大器250便可將非反向輸入端所接收之電流偵測訊號Vfc 與其它前級調壓電路2之電流分享電路25所接收之電流偵測訊號進行溝通，進而經由第一 逆向電流阻隔二極體D2 輸出電流分享匯流排訊號Vcs 。
電流匹配電路26係包含一第二逆向電流阻隔 二極體D3 、第三運算放大器260、第五電阻R11 以及第四電容C4 ，其中第三運算放大器260之反向輸出端係經由第五電阻R11 而與第一逆向電流阻隔 二極體D2 之陰極端電連接，以接收電流分享匯流排訊號Vcs ，第三運算放大器260之非反向輸入端係與電流偵測電路24電連接而接收電流偵測訊號Vf c ，第三運算放大器260之輸出端係與第二逆向電流阻隔二極體D3 之陰極端電連接，第二逆向電流阻隔二極體D3 之陽極端係與第一運算放大器220之反向輸入端電連接。第三運算放大器260與第五電阻R11 以及第四電容C4 係構成一比例積分器，故比例積分器係與電流分享匯流排4以及電流偵測電路24電連接，比例積分器 係對電流偵測訊號Vfc 與電流分享匯流排訊號Vcs 之差異進行處理，並將處理的結果經由 第二逆向電流阻隔二極體D3 傳送至 回授電路22，故回授電路22便依據電流偵測訊號Vfc 與電流分享匯流排訊號Vcs 兩者間之差異而對應地調整回授控制訊號Vf ，因此控制驅動電路23便依據回授控制訊號Vf 調整第一開關元件S1 或第二開關元件S2 之責任週期，以改變前級調壓電路2之輸出電流Io ，使電流偵測訊號Vfc 與電流分享匯流排訊號Vcs 實質上相等，如此一來，前級調壓電路2之輸出電流Io 與其它前級調壓電路2之輸出電流Io 便可達成匹配。
綜上所述，本案係提供一種調壓電路及其適用之並聯式調壓電路系統，其係包括一能量轉換電路，一輸入電壓偵測電路，一回授電路以及控制驅動電路。該輸入電壓偵測電路偵測能量轉換電路內與輸入電壓相對應之一轉換電壓，使回授電路可依據轉換電壓及能量轉換電路所輸出之過渡電壓而輸出回授控制訊號 ，如此一來，控制驅動電路便可根據回授控制訊號而調整開關元件之責任週期，使開關元件之責任週期在輸入電壓提昇的過程中，可保持於一責任週期預定值以上，進而使前級調壓電路之傳導損耗、開關元件的切換損耗以及濾波電感或濾波電路的濾波損耗降低並提昇效能。
本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1‧‧‧中央匯流排電源系統
2‧‧‧前級調壓電路
20‧‧‧能量轉換電路
200‧‧‧第一分壓電路
201‧‧‧次級側電路
202‧‧‧同步整流電路
203‧‧‧濾波電路
21‧‧‧輸入電壓偵測電路
210‧‧‧第二分壓電路
22‧‧‧回授電路
220‧‧‧第一運算放大器
221‧‧‧第三分壓電路
222‧‧‧光耦合器
223、423‧‧‧參考電壓調整電路
2230‧‧‧比較器
2231‧‧‧可調穩壓器
23‧‧‧控制驅動電路
24‧‧‧電流偵測電路
241‧‧‧感測元件
242‧‧‧訊號放大器
25‧‧‧電流分享電路
250‧‧‧第二運算放大器
26‧‧‧電流匹配電路
260‧‧‧第三運算放大器
3a~3c‧‧‧第一~第三後級轉換電路
4‧‧‧匯流排
Vin ‧‧‧輸入電壓
Vs ‧‧‧過渡電壓
Vs1 ‧‧‧第一過渡準位
Vs2 ‧‧‧第二過渡準位
Vo1 ~Vo3 ‧‧‧第一~第三工作電壓
Vt ‧‧‧輸入電壓偵測訊號
Vf ‧‧‧回授控制訊號
Vac ‧‧‧感應交流電壓
Vref ‧‧‧參考電壓
Vref1 ‧‧‧第一參考準位
Vref2 ‧‧‧第二參考準位
Vcc ‧‧‧直流電壓
Vad ‧‧‧預設電壓
Vth ‧‧‧電壓門檻值
Vmin ‧‧‧最小驅動電壓
Vmax ‧‧‧最大驅動電壓
Vc ‧‧‧電流感測訊號
Vfc ‧‧‧電流偵測訊號
Vcs ‧‧‧電流分享匯流排訊號
L1~ L2 ‧‧‧第一~第二濾波電感
T‧‧‧變壓器
Np ‧‧‧初級繞組
Ns ‧‧‧次級繞組
C1 ~C4 ‧‧‧第一~第四電容
Cf1 ~Cf2 ‧‧‧第一~第二濾波電容
S1 ~S2 ‧‧‧第一~第二開關元件
S3 ‧‧‧電壓調整開關
Sr ‧‧‧同步整流開關
D‧‧‧整流二極體
D1 ‧‧‧光二極體
D2 ~D3 ‧‧‧ 第一 逆向~第二電流阻隔 二極體
B‧‧‧光電晶體
R1 ~R4 ‧‧‧第一~第四電阻
R5 ~R8 ‧‧‧第一~第四電壓調整電阻
R9 ~R10 ‧‧‧第一~第二放大比例調整電阻
R11 ‧‧‧第五電阻
ground‧‧‧共接點
Duty1~Duty2‧‧‧第一~二責任週期預定值
Io ‧‧‧輸出電流
a‧‧‧陰極端
b‧‧‧陽極端
c‧‧‧回授端
第一圖：其係為本案較佳實施例之中央匯流排電源系統之電路方塊圖。
第二圖：其係為第一圖所示之前級調壓電路之電路方塊圖。
第三圖：其係為第二圖所示之前級調壓電路之部份細部電路結構示意圖。
第四圖：其係為第三圖所示之輸入電壓偵測電路的細部電路結構示意圖。
第五圖：其係為第三圖所示之參考電壓調整電路之細部電路結構示意圖。
第六圖：其係為第三圖所示之前級調壓電路之參考電壓對應於輸入電壓偵測訊號之波形圖。
第七圖：其係為第三圖所示之前級調壓電路之過渡電壓對應於輸入電壓之波形圖。
第八圖：其係為第三圖所示之前級調壓電路之開關元件的責任週期對應於輸入電壓之波形圖。
第九圖：其係為第五圖所示之參考電壓調整電路之另一變化例。
第十圖：其係為第九圖所示之參考電壓調整電路應用於第三圖所示之前級調壓電路時參考電壓對應於輸入電壓偵測訊號之波形圖。
第十一圖：其係為第九圖所示之參考電壓調整電路應用於第三圖所示之前級調壓電路時過渡電壓對應於輸入電壓之波形圖。
第十二圖：其係為第九圖所示之參考電壓調整電路應用於第三圖所示之前級調壓電路時開關元件之責任週期對應於輸入電壓之波形圖。
第十三圖：其係為第三圖所示之回授電路之一變化例。
第十四圖：其係為第一圖所示之中央匯流排電源系統之一變化例。
第十五圖：其係為第十四圖所示之前級調壓電路之部份細部電路結構示意圖。
第十六圖：其係為第十四圖所示之中央匯流排電源系統之一變化例。
第十七圖：其係為第十六圖所示之前級調壓電路之部份細部電路結構示意圖。
2‧‧‧前級調壓電路
20‧‧‧能量轉換電路
21‧‧‧輸入電壓偵測電路
22‧‧‧回授電路
23‧‧‧控制驅動電路
Vin‧‧‧輸入電壓
Vs‧‧‧過渡電壓
Vt‧‧‧輸入電壓偵測訊號
Vf‧‧‧回授控制訊號

Claims (42)

  1. 一調壓電路，包括：
       一能量轉換電路，係包含至少一開關元件，且藉由該開關元件之運作將一輸入電壓轉換為一過渡電壓；
       一輸入電壓偵測電路，係與該能量轉換電路電連接，用以輸出與該輸入電壓相對應之一輸入電壓偵測訊號；以及
       一回授電路，係與該能量轉換電路及該輸入電壓偵測電路電連接，用以產生一回授控制訊號；
       其中，當該輸入電壓改變時，該回授電路係調整使該過渡電壓隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而改變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之調壓電路 ，其中該能量轉換電路係為一脈衝寬度調變轉換器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之調壓電路，其中該能量轉換電路係為一脈衝頻率調變諧振轉換器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之調壓電路，其中該調壓電路更包含一控制驅動電路，係與該開關元件以及該回授電路電連接，用以控制該開關元件，以調整該過渡電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之調壓電路，其中該控制驅動電路係控制該開關元件之責任週期。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之調壓電路，其中該控制驅動電路係控制該開關元件之頻率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之調壓電路，其中該能量轉換電路更包含一濾波電感、一第一分壓電路、一變壓器以及一次級側電路，該第一濾波電感係對該輸入電壓濾波，該第一分壓電路係與該第一濾波電感及該變壓器電連接，用以將該輸入電壓分壓而提供給該變壓器之至少一初級繞組，該變壓器係包括至少一初級繞組以及至少一次級繞組，該次級側電路係與該變壓器之至少一次級繞組電連接，用以將該次級繞組所輸出之一感應交流電壓整流及濾波，以產生該過渡電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之調壓電路，其中該輸入電壓偵測電路係與該變壓器之該初級繞組或該變壓器之該次級繞組或該濾波電感之一輸入端或該第一分壓電路或該次級側電路電連接。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之調壓電路，其中該回授電路係包含一第一運算放大器，係電連接於一參考電壓調整電路。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之調壓電路，其中該參考電壓調整電路係電連接於該第一運算放大器以及該輸入電壓偵測電路之間，用以輸出一參考電壓。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之調壓電路，其中該參考電壓調整電路係隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而階段或連續地改變。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之調壓電路，其中該參考電壓調整電路係短路。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之調壓電路，其中該過渡電壓係隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而階段或連續地改變。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之調壓電路，其中該調壓電路係為一前級調壓電路，且應用於一 中間匯流排電源系統中，該中間匯流排電源系統更包含至少一後級轉換電路，係電連接於該前級調壓電路，用以將該過渡電壓轉換為一工作電壓。
  15. 一並聯式調壓電路系統，包含：
       複數個調壓電路，係彼此並聯連接，且每一該調壓電路係包含：
       一能量轉換電路，係包含至少一開關元件，且藉由該開關元件之運作將一輸入電壓轉換為一過渡電壓及一輸出電流；
       一輸入電壓偵測電路，係與該能量轉換電路電連接，用以輸出與該輸入電壓相對應之一輸入電壓偵測訊號；
       一電流偵測電路，係與該能量轉換電路電連接，用以輸出與該輸出電流相對應之一電流偵測訊號；以及
       一回授電路，係與該能量轉換電路、該電流偵測電路及該輸入電壓偵測電路電連接，用以產生一回授控制訊號；
       其中，當該輸入電壓或該輸出電流改變時，該回授電路係調整使該過渡電壓隨著該輸入電壓偵測訊號的改變或隨該電流偵測訊號改變而改變。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之並聯式調壓電路系統，其中該能量轉換電路係為一脈衝寬度調變轉換器。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之並聯式調壓電路系統，其中該能量轉換電路係為一脈衝頻率調變諧振轉換器。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之並聯式調壓電路系統，其中該調壓電路更包含一控制驅動電路，係與該開關元件以及該回授電路電連接，用以控制該開關元件，以調整該過渡電壓。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之並聯式調壓電路系統，其中該控制驅動電路係控制該開關元件之責任週期。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之並聯式調壓電路系統，其中該控制驅動電路係控制該開關元件之頻率。
  21. 如申請專利範圍第15項所述之並聯式調壓電路系統，其中該能量轉換電路更包含一濾波電感、一第一分壓電路、一變壓器以及一次級側電路，該第一濾波電感係對該輸入電壓濾波，該第一分壓電路係與該第一濾波電感及該變壓器電連接，用以將該輸入電壓分壓而提供給該變壓器之至少一初級繞組，該變壓器係包括至少一初級繞組以及至少一次級繞組，該次級側電路係與該變壓器之至少一次級繞組電連接，用以將該次級繞組所輸出之一感應交流電壓整流及濾波，以產生該過渡電壓。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之並聯式調壓電路系統，其中該電壓偵測電路係與該變壓器之該次級繞組或該變壓器之該初級繞組或該濾波電感之輸入端或該第一分壓電路或該次級側電路電連接。
  23. 如申請專利範圍第15項所述之並聯式調壓電路系統，其中該回授電路係包含一第一運算放大器，係電連接於一參考電壓調整電路。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之並聯式調壓電路系統，其中該參考電壓調整電路係電連接於該第一運算放大器以及該輸入電壓偵測電路之間，用以輸出一參考電壓。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之並聯式調壓電路系統，其中該參考電壓調整電路係隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而階段或連續地改變。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之並聯式調壓電路系統，其中該參考電壓調整電路係短路。
  27. 如申請專利範圍第15項所述之並聯式調壓電路系統，其中該過渡電壓係隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而階段或連續地改變。
  28. 如申請專利範圍第15項所述之 並聯式調壓電路系統，其中該調壓電路係為一前級調壓電路，且應用於一中間匯流排電源系統中，該中間匯流排電源系統更包含至少一後級轉換電路，係電連接於該前級調壓電路，用以將該過渡電壓轉換為一工作電壓。
  29. 一並聯式調壓電路系統，包含：
       複數個調壓電路，係彼此並聯連接，且皆連接於一電流分享匯流排，其中每一該調壓電路係包含：
       一能量轉換電路，係包含至少一開關元件，且藉由該開關元件之運作將一輸入電壓轉換為一過渡電壓及一輸出電流；
       一輸入電壓偵測電路，係與該能量轉換電路電連接，用以輸出與該輸入電壓相對應之一輸入電壓偵測訊號；
       一電流偵測電路，係與該能量轉換電路電連接，用以輸出與該輸出電流相對應之一電流偵測訊號；
       一回授電路；
       其中，當該輸入電壓改變時，該回授電路係調整使該過渡電壓係隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而改變，且當該電流偵測訊號與該電流分享匯流排之一電流分享訊號相異時，該回授電路係使該電流偵測訊號與該電流分享訊號相等。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之並聯式調壓電路系統，其中該能量轉換電路係為一脈衝寬度調變轉換器。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之並聯式調壓電路系統，其中該能量轉換電路係為一脈衝頻率調變諧振轉換器。
  32. 如申請專利範圍第29項所述之並聯式調壓電路系統，其中該調壓電路更包含一控制驅動電路，係與該開關元件以及該回授電路電連接，用以控制該開關元件，以調整該過渡電壓。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之並聯式調壓電路系統，其中該控制驅動電路係控制該開關元件之責任週期。
  34. 如申請專利範圍第32項所述之並聯式調壓電路系統，其中該控制驅動電路係控制該開關元件之頻率。
  35. 如申請專利範圍第29項所述之 並聯式調壓電路系統，其中該能量轉換電路更包含一濾波電感、一第一分壓電路、一變壓器以及一次級側電路，該第一濾波電感係對該輸入電壓濾波，該第一分壓電路係與該第一濾波電感及該變壓器電連接，用以將該輸入電壓分壓而提供給該變壓器之至少一初級繞組，該變壓器係包括至少一初級繞組以及至少一次級繞組，該次級側電路係與該變壓器之至少一次級繞組電連接，用以將該次級繞組所輸出之一感應交流電壓整流及濾波，以產生該過渡電壓。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之並聯式調壓電路系統，其中該輸入電壓偵測電路係與該變壓器之該次級繞組或該變壓器之該初級繞組或該濾波電感之一輸入端或該第一分壓電路或該次級測電路電連接。
  37. 如申請專利範圍第29項所述之並聯式調壓電路系統，其中該回授電路係包含一第一運算放大器，係電連接於一參考電壓調整電路。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之並聯式調壓電路系統，其中該參考電壓調整電路係電連接於該第一運算放大器以及該輸入電壓偵測電路之間，用以輸出一參考電壓。
  39. 如申請專利範圍第37項所述之並聯式調壓電路系統，其中該參考電壓調整電路係隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而階段或連續地改變。
  40. 如申請專利範圍第37項所述之並聯式調壓電路系統，其中該參考電壓調整電路係短路。
  41. 如申請專利範圍第29項所述之並聯式調壓電路系統，其中該過渡電壓係隨著該輸入電壓偵測訊號的改變而階段或連續地改變。
  42. 如申請專利範圍第29項所述之並聯式調壓電路系統，其中該調壓電路係為一前級調壓電路，且應用於一中間匯流排電源系統中，該中間匯流排電源系統更包含至少一後級轉換電路，係電連接於該前級調壓電路，用以將該過渡電壓轉換為一工作電壓。
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