TWI452809B - 全橋驅動控制電路及全橋式轉換電路 - Google Patents

全橋驅動控制電路及全橋式轉換電路 Download PDF

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Description

全橋驅動控制電路及全橋式轉換電路
本發明係關於一種全橋驅動控制電路及全橋式轉換電路，尤指一種具有軟切換功能之全橋驅動控制電路及全橋式轉換電路。
習知的直流轉直流轉換電路的種類包含升壓轉換電路(Step-Up Converter)、降壓轉換電路(Step-Down Converter)、反馳式轉換電路(Flyback Converter)、順向式轉換電路(Forward Converter)、半橋式轉換電路(Half-Bridge Converter)、全橋式轉換電路(Full-Bridge Converter)等。
請參見第一圖，為習知之全橋式轉換電路之電路示意圖。全橋式轉換電路包含一第一電晶體開關M1、一第二電晶體開關M2、一第三電晶體開關M3、一第四電晶體開關M4、一變壓器T、一第一整流二極體D1、一第二整流二極體D2、一諧振電感L及一輸出電容Co。第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3之一端連接一輸入電源VIN，而另一端分別連接變壓器T一次側的兩端。第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4之一端接地，而另一端也分別連接變壓器T一次側的兩端。變壓器T的二次側兩端分別連接第一整流二極體D1及第二整流二極體D2，以將整流後之電力儲存於電感L及輸出電容Co。一第一控制訊號S1、一第二控制訊號S2、一第三控制訊號S3以及一第四控制訊號S4分別控制上述四個電晶體開關M1~M4之切換。請同時參見第二圖，為第一圖所示全橋式轉換電路中晶體開關切換的時序示意圖。第一控制訊號S1及第四控制訊號S4同相位而第二控制訊號S2及第三控制訊號S3也同相位。因此，第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4會同時導通以提供一導電路徑由輸入電源VIN通過第一電晶體開關M1、變壓器T一次側、第四電晶體開關M4而到地。 此時，變壓器T二次側產生一感應電流經第一整流二極體D1而至電感L及輸出電容Co以儲能。當第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3同時導通時，也形成另一導電路徑由輸入電源VIN通過第三電晶體開關M3、變壓器T一次側、第二電晶體開關M2而到地。此時，變壓器T二次側產生感應電流經第二整流二極體D2而至電感L及輸出電容Co以儲能。
切換式轉換電路雖然轉換效率高，然而實際操作時能會有導通損失(Conduction Loss)、切換損失(Switch Loss)等。而在目前節能的趨勢下，各國紛紛訂立嚴謹的電源效率之法規及認證(例如：美國的80 PLUS認證)，這些規範及認證所要求的轉換效率已非習知的轉換電路所能輕易達到。因此，如何提供更高效率的切換式轉換電路已成為目前重要的課題。
鑑於先前技術中的切換式轉換電路轉換效率不足法規要求及無法通過一些認證規範，本發明透過零電壓切換及零電流切換之方式，使全橋式轉換電路以軟切換方式進行開關切換而達到降低切換損失之優點，以提供符合法規及認證之要求。
為達上述目的，本發明提供了一種全橋式轉換電路，用以提供一直流輸出。全橋式轉換電路包含一諧振單元、一第一電晶體開關、一第二電晶體開關、一第三電晶體開關、一第四電晶體開關、一整流單元以及一全橋驅動控制電路。諧振單元包含一一次側及一二次側。第一電晶體開關耦接一輸入電源及一次側之一第一端。第二電晶體開關耦接一次側之第一端以及一共同電位。第三電晶體開關耦接輸入電源及一次側之一第二端。第四電晶體開關耦接一次側之第二端以及共同電位。整流單元耦接諧振單元之二次側，用以對諧振單元之一電力進行整流而輸出直流輸出。全橋驅動控制電路，以一操作頻率控制第一電晶體開關、第二電晶體開關、第三電晶體開關及第四電晶 體開關的導通及截止，使第一電晶體開關及第二電晶體開關不同時導通且第三電晶體開關及第四電晶體開關不同時導通，其中操作頻率高於諧振單元之一諧振頻率。
本發明同時提供了一種全橋驅動控制電路，包含一迴授控制電路及一全橋驅動電路。迴授控制電路根據一迴授偵測訊號產生一脈寬控制訊號。全橋驅動電路根據脈寬控制訊號產生一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號以及一第四控制訊號，用以分別控制一全橋式開關電路中之一第一電晶體開關、一第二電晶體開關、一第三電晶體開關及一第四電晶體開關的導通及截止，其中第一電晶體開關及第四電晶體開關控制一第一導通路徑，第二電晶體開關及第三電晶體開關控制一第二導通路徑，第一電晶體開關與第二電晶體開關形成一第一直臂且第三電晶體開關與第四電晶體開關形成一第二直臂。其中，全橋驅動電路於第一導通路徑截止後才導通第二電晶體開關及第三電晶體開關其中之一，於第二導通路徑截止後才導通第一電晶體開關及第四電晶體開關其中之一，第一電晶體開關與第二電晶體開關不同時導通且第二電晶體開關與第三電晶體開關不同時導通。
本發明同時提供了一種全橋驅動控制電路，包含一迴授控制電路、一頻率產生器及一全橋驅動電路。迴授控制電路根據一迴授偵測訊號產生一脈寬控制訊號，而頻率產生器產生一時脈訊號。全橋驅動電路根據脈寬控制訊號及時脈訊號產生一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號以及一第四控制訊號，用以分別控制一全橋式開關電路中之一第一電晶體開關、一第二電晶體開關、一第三電晶體開關及一第四電晶體開關的導通及截止，其中第一電晶體開關及第四電晶體開關控制一第一導通路徑，第二電晶體開關及第三電晶體開關控制一第二導通路徑，第一電晶體開關與第二電晶體開關形成一第一直臂且第三電晶體開關與第四電晶體開關形成一第二直臂。其 中，全橋驅動電路於第一導通路徑截止後才導通第二電晶體開關及第三電晶體開關其中之一，於第二導通路徑截止後才導通第一電晶體開關及第四電晶體開關其中之一，第一電晶體開關與第二電晶體開關不同時導通且第二電晶體開關與第三電晶體開關不同時導通。以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。
請參見第三圖(a)~(d)，為根據本發明一第一較佳實施例之全橋式轉換電路中的一次側之電晶體開關之切換時序示意圖。在上述圖式中，僅顯示本發明之全橋式轉換電路的一第一電晶體開關M1、一第二電晶體開關M2、一第三電晶體開關M3、一第四電晶體開關M4，以及一諧振單元的一一次側--即一變壓器T的一一次側及一諧振電容Cr。第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4分別受一第一控制訊號S1、一第二控制訊號S2、一第三控制訊號S3及一第四控制訊號S4的控制而切換，且上述控制訊號S1~S4的頻率高於諧振單元的一諧振頻率。
首先，請參見第三圖(a)，第一電晶體開關M1和第四電晶體開關M4導通以提供一第一導通路徑，而第二電晶體開關M2和第三電晶體開關M3截止。此時，一輸入電源VIN的一電流流經第一電晶體開關M1、諧振單元的一次側及第四電晶體開關M4到地，即電流方向由一第一輸入端L1到一第二輸入端L2。然後，請參見第三圖(b)，第一電晶體開關M1和第四電晶體開關M4截止使第一導通路徑也截止，此時第二電晶體開關M2和第三電晶體開關M3仍截止。由於諧振單元同時具有電感成分及電容成分，因此會表現電感之電流連續特性，因此在諧振單元中的電流會維持由第一輸入端L1到第二輸入 端L2之方向而經由第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3的體二極體續流。再來，請參見第三圖(c)，因第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3的體二極體導通使第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3上的跨壓維持在負的二極體順向偏壓，也就是接近零電壓，此時第二電晶體開關M2和第三電晶體開關M3導通而提供一第二導通路徑以提供一驅動電壓(即輸入電源VIN)於諧振單元之上，使電流方向由第一輸入端L1到第二輸入端L2轉變為由第二輸入端L2到第一輸入端L1。而此時的第一電晶體開關M1和第四電晶體開關M4為截止。然後，請參見第三圖(d)，第二電晶體開關M2和第三電晶體開關M3截止使第二導通路徑也截止，此時第一電晶體開關M1和第四電晶體開關M4仍截止。在諧振單元中的電流會維持由第二輸入端L2到第一輸入端L1之方向而經由第四電晶體開關M4及第一電晶體開關M1的體二極體續流。接著回到第三圖(a)，第一電晶體開關M1和第四電晶體開關M4導通以提供一第一導通路徑，而第二電晶體開關M2和第三電晶體開關M3截止。如此週而復始，進行全橋式電晶體開關的切換。
由於四個控制訊號S1~S4的頻率高於諧振單元的諧振頻率，因此可確保第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3以及第四電晶體開關M4在被導通時，其體二極體仍流經電流，也就是維持在順向偏壓狀態，使對應的電晶體開關的切換為零電壓切換(Zero Voltage Switch)而減少切換損失。
請參見第四圖，為實施第三圖所示切換時序的全橋式轉換電路之電路示意圖。全橋式轉換電路包含一諧振單元、一全橋式開關電路、一整流單元以及一全橋驅動控制電路100，用以提供一直流輸出。全橋式開關電路包含一第一電晶體開關M1、一第二電晶體開關M2、一第三電晶體開關M3及一第四電晶體開關M4，其中第一電晶體開關M1及第四電晶體開關 控制一第一導通路徑，第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3控制一第二導通路徑。諧振單元包含一一次側及一二次側，諧振單元的一次側部分主要包含一諧振電容Cr、一變壓器T的一一次側，諧振單元的二次側部分主要包含變壓器T的一二次側及一諧振電感L，而整流單元包含一第一整流二極體D1以及一第二整流二極體D2。第一電晶體開關M1的一端耦接一輸入電源VIN，而另一端耦接諧振單元的一次側之一第一輸入端L1。第二電晶體開關M2的一端耦接諧振單元的一次側之第一輸入端L1而另一端耦接一共同電位，在本實施例為零電位(接地)。因此，第一電晶體開關M1與第二電晶體開關M2於輸入電源VIN及共同電位之間形成一第一直臂。第三電晶體開關M3的一端耦接輸入電源VIN，而另一端耦接諧振單元的一次側之一第二輸入端L2。第四電晶體開關的一端耦接諧振單元的一次側之第二輸入端L2，而另一端耦接共同電位。因此，第三電晶體開關M3與第四電晶體開關M4於輸入電源VIN及共同電位之間形成一第二直臂。諧振電容Cr與變壓器T的一次側串聯於第一輸入端L1及第二輸入端L2之間。第一整流二極體D1以及第二整流二極體D2之正端分別耦接變壓器T二次側的兩端，而其負端均耦接諧振電感L。變壓器T二次側的線圈為中央抽頭並接地。整流單元另外包含一輸出電容Co，將諧振電感L傳來的電力進行濾波而提供直流輸出給一負載130，在本實施例中，負載為一發光二極體模組。一電流偵測電阻135耦接負載130，以根據負載130之流經電流大小而產生一迴授偵測訊號FB，並透過一隔離電路155傳至全橋驅動控制電路100。全橋驅動控制電路100根據迴授偵測訊號FB調整控制訊號S1~S4的工作週期(Duty Cycle)，而控制輸入電源VIN透過四個電晶體開關M1~M4、諧振單元、整流單元而傳送至負載130之電力大小。隔離電路155可視實際電路設計之需要加入或省略，本說明書之其他實施例亦相同。
全橋驅動控制電路100包含一迴授控制電路110以及一全橋驅動電路120。迴授控制電路110根據迴授偵測訊號FB產生一脈寬控制訊號PC。全橋驅動電路120根據脈寬控制訊號PC產生一第一控制訊號S1、一第二控制訊號S2、一第三控制訊號S3以及一第四控制訊號S4，以分別控制第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4的導通及截止。迴授控制電路110包含一參考電壓調整電路101及一誤差放大器102。參考電壓調整電路101接收一直流調光訊號DCDIM，以根據直流調光訊號DCDIM的一準位產生對應的一參考電壓訊號至誤差放大器102的一非反相輸入端，而誤差放大器102的一反相輸入端則接收迴授偵測訊號FB並據此產生脈寬控制訊號PC。由於參考電壓訊號的一準位會配合直流調光訊號DCDIM的準位調整，使脈寬控制訊號PC的一準位也會隨直流調光訊號DCDIM的準位變化，藉此控制負載130中的發光二極體流經電流的大小而達到調光之作用。
全橋驅動電路120包含一頻率產生器125、一比較器111、一D型正反器114及及閘119、129。頻率產生器125耦接一頻率設定單元Rfrq，以根據頻率設定單元Rfrq來調整所產生的一時脈訊號之頻率，在本實施例中，頻率設定單元Rfrq為一電阻。在本實施例中，頻率產生器125為一斜波產生器，時脈訊號為一斜波訊號。全橋驅動控制電路100更可包含一輸入電壓偵測電路Rin，耦接頻率產生器125及輸入電源VIN，使頻率產生器125可以根據輸入電源VIN的高低調整所產生的斜波訊號的震幅大小，在本實施例中，輸入電壓偵測電路Rin為一電阻。比較器111的一非反相輸入端接收脈寬控制訊號PC而一反相輸入端接收上述的斜波訊號，並據此產生一脈寬調變訊號pwm。D型正反器114的一輸入端C接收脈寬調變訊號pwm，一輸入端D耦接一反相輸出端Q’。及閘119耦接比較器111的輸出端及D型正反器的反相輸出端Q’，而及閘 129耦接比較器111的輸出端及D型正反器的一輸出端Q。當脈寬調變訊號pwm奇數次為一高準位時，使D型正反器的輸出端Q輸出一高準位訊號，而反相輸出端Q’輸出一低準位訊號。因此，此時僅有及閘129會根據脈寬調變訊號pwm的工作週期產生第一控制訊號S1及第四控制訊號S4。當脈寬調變訊號pwm偶數次為高準位時，使D型正反器的輸出端Q輸出一低準位訊號，而反相輸出端Q’輸出一高準位訊號。因此，此時僅有及閘119會根據脈寬調變訊號pwm的工作週期產生第二控制訊號S2及第三控制訊號S3。因此，D型正反器114會產生除頻的作用，使上述控制訊號S1~S4的頻率為頻率產生器125的斜波訊號頻率的一半。使用者可以根據諧振單元的諧振頻率調整頻率設定單元Rfrq的阻值，使控制訊號S1~S4的頻率高於諧振頻率，而使電晶體開關M1~M4由截止轉為導通過程，其體二極體維持在順向偏壓下。較佳的設定為控制訊號S1~S4的頻率略高於諧振頻率，使電晶體開關M1~M4由截止轉為導通過程，諧振單元上的電流較小，以更進一步減少切換損失。而由於D型正反器114的輸出端Q及反相輸出端Q’的輸出訊號之相位相反，可確保控制訊號S1、S4，以及控制訊號S2、S3不會同時產生。如此，可避免第一直臂的第一電晶體開關M1及第二電晶體開關M2同時導通，以及避免第二直臂的第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4同時導通。
另外，輸入電壓偵測電路Rin可使全橋驅動控制電路100達到前饋(Feed Forward)功能，以對應不同的輸入電源VIN做適當的調整。在本實施例中，頻率產生器125的斜波訊號之震幅會隨輸入電源VIN之電壓升高而變大。如此，可使本發明之全橋驅動控制電路100在不同電壓的輸入電源VIN時，會對應調整其反應速度。換句話說，對相同的功率需求之負載130，當輸入電源VIN之電壓較高時，全橋驅動控制電路100所產生的控制訊號S1~S4的工作週期較低；當輸入電源VIN 之電壓較低時，全橋驅動控制電路100所產生的控制訊號S1~S4的工作週期較高。藉由調整斜波訊號之震幅，可使進行調光時所造成的脈寬控制訊號PC的準位變化範圍不因輸入電源VIN的電壓而變化。因此，全橋驅動控制電路100透過前饋方式而達到補償輸入電源VIN的電壓的差異。
接著請參見第五圖(a)~(h)，為根據本發明一第二較佳實施例之全橋式轉換電路中的一次側之電晶體開關之切換時序示意圖。與第三圖所示相較，本實施例的一第一導通路徑的第一電晶體開關M1與一第四電晶體開關M4以及一第二導通路徑的一第二電晶體開關M2與一第三電晶體開關M3的導通及截止的時間點並不相同，仍依然可以達到由截止轉為導通過程的零電壓切換之優點。說明如下：
首先，請參見第五圖(a)，第一電晶體開關M1和第四電晶體開關M4導通以提供第一導通路徑，而第二電晶體開關M2和第三電晶體開關M3截止。此時，一輸入電源VIN的一電流流經第一電晶體開關M1、一諧振單元的一一次側及第四電晶體開關M4到地，即電流方向由一第一輸入端L1到一第二輸入端L2。然後，請參見第五圖(b)，第四電晶體開關M4先截止，而第一電晶體開關M1仍導通，此時諧振單元中的電流會經由第三電晶體開關M3的體二極體續流。再來，請參見第五圖(c)，第三電晶體開關M3導通，使諧振單元的電流由流經第三電晶體開關M3的體二極體改為流經第三電晶體開關M3，而由於第三電晶體開關M3導通時兩端的跨壓小於體二極體的順向偏壓。因此相較第三圖所示之實施例，可減少體二極體所造成的功率損耗。然後，請參見第五圖(d)，第一電晶體開關M1也截止，諧振單元的電流改為流經第二電晶體開關M2的體二極體。再來，請參見第五圖(e)，第二電晶體開關M2隨後導通，使諧振單元的電流由流經第二電晶體開關M2的體二極體改為流經第二電晶體開關M2以減少體二極體造成 的功耗損失。此時，輸入電源VIN透過第二導通路徑施加驅動電壓於諧振單元之上，使電流方向由第一輸入端L1到第二輸入端L2轉變為由第二輸入端L2到第一輸入端L1。然後，請參見第五圖(f)，第三電晶體開關M3先截止，而第二電晶體開關M2仍導通，此時諧振單元中的電流會經由第四電晶體開關M4的體二極體續流。再來，請參見第五圖(g)，第四電晶體開關M4導通，使諧振單元的電流由流經第四電晶體開關M4的體二極體改為流經第四電晶體開關M4以減少體二極體所造成的功率損耗。然後，請參見第五圖(h)，第二電晶體開關M2也截止，諧振單元的電流改為流經第一電晶體開關M1的體二極體。再來回到第五圖(a)，第一電晶體開關M1隨後導通，使諧振單元的電流由流經第一電晶體開關M1的體二極體改為流經第一電晶體開關M1以減少體二極體造成的功耗損失。此時，輸入電源VIN透過第一導通路徑施加驅動電壓於諧振單元之上，使電流方向由第二輸入端L2到第一輸入端L1轉變為由第一輸入端L1到第二輸入端L2。
藉由上述說明可知，本實施例可進一步減少切換過程體二極體所造成的功率損耗，使全橋式轉換電路的轉換效率可更高。除了上述的切換順序外，本發明之切換電路也可以其他的切換順序來達到零電壓切換之軟切換功能。這些切換順序須符合如下的切換規則：
(1)由第一導通路徑(第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4導通，而第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3截止)轉換成第二導通路徑(第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3導通，而第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4截止)時：i.首先截止第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4其中之一； ii.然後導通第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3中與被截止的電晶體開關屬同一直臂者；iii.然後截止第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4中尚未截止者；以及iv.最後導通第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3中尚未導通者。
上述步驟ii係為避免同一直臂的兩個電晶體開關同時被導通時造成的輸入電源VIN的電力直接透過導通的兩個電晶體開關接地而使電晶體開關毀損。另外，步驟ii與步驟iii之順序可互調而不影響本發明之軟切換作用。
(2)由第二導通路徑轉換成第一導通路徑時：i.首先截止第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3其中之一；ii.然後導通第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4中與被截止的電晶體開關屬同一直臂者；iii.然後截止第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3中尚未截止者；以及iv.最後導通第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4中尚未導通者；同樣地，上述步驟ii係為避免同一直臂的兩個電晶體開關同時被導通時造成的輸入電源VIN的電力直接透過導通的兩個電晶體開關接地而使電晶體開關毀損。另外，步驟ii與步驟iii之順序也可互調而不影響本發明之軟切換作用。
請參見第六圖，為實施第五圖所示切換時序的全橋式轉換電路之電路示意圖。全橋式轉換電路包含一諧振單元、一全橋式開關電路、一整流單元以及一全橋驅動控制電路200，用以 轉換一輸入電源VIN成一直流輸出以驅動一發光二極體模組230。全橋式開關電路包含一第一電晶體開關M1、一第二電晶體開關M2、一第三電晶體開關M3及一第四電晶體開關M4。諧振單元包含一一次側及一二次側，諧振單元的一次側部分主要包含一諧振電容Cr、一變壓器T的一一次側，諧振單元的二次側部分主要包含變壓器T的一二次側及一諧振電感L，而整流單元包含一同步整流控制器280、一第一整流二極體D1、一第二整流二極體D2、一第五電晶體開關M5及一第六電晶體開關M6以及一輸出電容Co。諧振單元及全橋式開關電路之電路連接關係和作用請參考第四圖之描述，不再累述，在此僅針對整流單元進行說明。第五電晶體開關M5及第六電晶體開關M6為一N型金氧半場效電晶體，耦接變壓器T二次側的主線圈，以根據同步整流控制器280的一同步控制訊號進行同步整流，而將整流後之電力儲存至諧振電感L及輸出電容Co以驅動發光二極體模組230發光。第一整流二極體D1及第二整流二極體D2分別耦接變壓器T的二次側的輔助線圈，以提供高於變壓器T二次側的主線圈的電壓至同步整流控制器280，使同步整流控制器280可以產生足夠高準位的同步控制訊號來導通第五電晶體開關M5及第六電晶體開關M6。在本實施例，同步整流控制器280根據變壓器T二次側透過第一整流二極體D1或第二整流二極體D2提供電流來判斷導通及截止第五電晶體開關M5及第六電晶體開關M6的時間點而達到同步整流之作用。當然，同步整流控制器280也可以偵測流經第五電晶體開關M5及第六電晶體開關M6的電流或跨壓(當跨壓越小，代表流經之電流越小)來判斷截止之時間點。透過上述的同步整流控制，可使全橋式轉換電路的轉換效率進一步提升。發光二極體模組230包含複數個發光二極體串，每一發光二極體串一端耦接整流單元之直流輸出。一均流單元240具有複數個均流端用以對應耦接發光二極體串之另一端，使每一發光二極體串流經大致相同電流值。一端電壓選擇單元245耦 接均流單元240的複數個均流端，以根據複數個均流端之電壓產生一迴授偵測訊號FB。在本實施例中，端電壓選擇單元245係選擇複數個均流端中最低電壓者之電壓作為迴授偵測訊號FB輸出。
全橋驅動控制電路200包含一迴授控制電路210以及一全橋驅動電路220。迴授控制電路210根據迴授偵測訊號FB產生一脈寬控制訊號PC。全橋驅動電路220根據脈寬控制訊號PC產生一第一控制訊號S1、一第二控制訊號S2、一第三控制訊號S3以及一第四控制訊號S4，以分別控制第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4的導通及截止。迴授控制電路210包含一誤差放大器202、一比較器204、一諧振頻率偵測電路及一導通計時電路。誤差放大器202之一反相輸入端接收迴授偵測訊號FB，而一非反相端接收一參考電壓訊號Vref，以產生一誤差放大訊號。比較器204之一反相輸入端接收誤差放大訊號，而一非反相輸入端耦接導通計時電路以據此產生脈寬控制訊號PC。
導通計時電路包含一SR正反器206、一電容209、一電流源IS及開關Sw1、Sw2，用以對每次第一導通路徑及第二導通路徑的導通時間計時並產生一計時訊號。諧振頻率偵測電路包含一單擊電路203、比較器205、207及一或閘208，耦接諧振單元以偵測諧振單元之諧振電流，用以判斷諧振單元之諧振狀態並決定全橋驅動電路200之一操作頻率，使全橋驅動電路200的操作頻率高於諧振單元之諧振頻率。比較器205之一反相輸入端耦接一頻率偵測參考訊號Vfr而一非反相輸入端耦接諧振單元之第一輸入端L1以接收一第一頻率偵測訊號Si1。比較器207之一反相輸入端耦接頻率偵測參考訊號Vfr而一非反相輸入端耦接諧振單元之第二輸入端L2以接收一第二頻率偵測訊號Si2。諧振單元上的電流流經第二導通路徑時，會因流經第二電晶體開關M2(具有一導通阻抗)而產生 第一頻率偵測訊號Si1，而流經第一導通路徑時，會因流經第四電晶體開關M4而產生第二頻率偵測訊號Si2。全橋驅動控制電路200預設為於全橋式轉換電路啟動之初將先導通第一導通路徑，即輸出第一控制訊號S1及第四控制訊號S4以分別導通第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4，此時第二頻率偵測訊號Si2之一準位會開始上升。在此實施例中，頻率偵測參考訊號Vfr可以為一較低準位之電壓訊號，使諧振單元之電流於剛上升之初即可被諧振頻率偵測電路所偵測。當第二頻率偵測訊號Si2之準位高於頻率偵測參考訊號Vfr，比較器207輸出一高準位訊號。或閘208接收比較器205、207之輸出訊號，此時將輸出一高準位訊號，使觸發單擊電路203輸出一高準位訊號觸發SR正反器206之一設定端S，使SR正反器206於一反相輸出端Q’輸出一低準位訊號以截止開關Sw2並於一輸出端Q輸出一高準位訊號以導通開關Sw1。此時導通計時電路中的電流源IS開始對電容209充電以產生計時訊號。當電容209上的一電壓準位(計時訊號之一準位)高於誤差放大器202所產生的誤差放大訊號之一準位時，產生脈寬控制訊號PC，使全橋驅動電路220截止第一導通路徑並同時觸發SR正反器206的一重設端R，截止開關Sw1及導通開關Sw2。如此，電容209放電而重設。當全橋驅動電路220依預定切換順序而將導通第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3以導通第二導通路徑後，此時第一頻率偵測訊號Si1之準位會開始上升。當第一頻率偵測訊號Si1之準位高於頻率偵測參考訊號Vfr，比較器205輸出高準位訊號，透過或閘208及單擊電路203以觸發SR正反器206之設定端S以截止開關Sw2及導通開關Sw1，使電流源IS開始對電容209充電。當電容209上的電壓準位高於誤差放大器202所產生的誤差放大訊號之準位時，產生脈寬控制訊號PC，使全橋驅動電路220截止第二導通路徑。此時，脈寬控制訊號PC同時觸發SR正反器206的重設端R，截止開關Sw1及導通開關Sw2，使電容209因 放電而重設。
全橋驅動電路220包含一或閘215、D型正反器216、226、延遲電路212、222、217、227以及及閘218、219、228、229，以根據預定之切換順序導通第一導通路徑及第二導通路徑，並根據脈寬控制訊號PC依序截止第一導通路徑及第二導通路徑。D型正反器216的一輸入端C耦接迴授控制電路210以接收脈寬控制訊號PC，一反相輸出端Q’耦接一輸入端D及延遲電路217，而一輸出端Q耦接延遲電路212。及閘219耦接延遲電路217、D型正反器216的反相輸出端Q’以據此產生第四控制訊號S4。及閘218耦接延遲電路212、D型正反器216的輸出端Q以據此產生第三控制訊號S3。或閘215耦接及閘218、219之輸出端，而D型正反器226的一輸入端C耦接或閘215之輸出端。D型正反器226的一反相輸出端Q’耦接一輸入端D及延遲電路227，而一輸出端Q耦接延遲電路222。及閘229耦接延遲電路227、D型正反器226的反相輸出端Q’以據此產生第二控制訊號S2。及閘228耦接延遲電路222、D型正反器226的輸出端Q以據此產生第一控制訊號S1。
當全橋式轉換電路啟動之初，D型正反器216、226的輸出端Q均輸出低準位訊號，而反相輸出端Q’均輸出高準位訊號。延遲電路217、227分別延遲D型正反器216、226的反相輸出端Q’的訊號後輸出第四控制訊號S4及第二控制訊號S2，以導通第四電晶體開關M4及第二電晶體開關M2。而或閘215接收第四控制訊號S4後，觸發D型正反器226，使其輸出端Q輸出高準位訊號而反相輸出端Q’輸出低準位訊號。此時，及閘229會停止輸出第二控制訊號S2以截止第二電晶體開關M2，而及閘228會因延遲電路222的延遲作用而經一預定延遲時間後產生第一控制訊號S1以導通第一電晶體開關M1。透過上述電路安排，可確保第二電晶體開關M2截止後經預定的死區時間後才導通第一電晶體開關M1。此時，由於 第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4同時導通(請同時參見第五圖(a))，而使第一導通路徑形成，諧振單元上的電流由第一輸入端L1流至第二輸入端L2並逐漸增加。當迴授控制電路210輸出脈寬控制訊號PC時，觸發D型正反器216，使其輸出端Q輸出高準位訊號而反相輸出端Q’輸出低準位訊號。此時，及閘219會先停止輸出第四控制訊號S4以截止第四電晶體開關M4(請參見第五圖(b))，而及閘218會因延遲電路212的延遲作用而經一預定延遲時間後產生第三控制訊號S3以導通第三電晶體開關M3(請參見第五圖(c))。透過上述電路安排，可確保第四電晶體開關M4截止後經預定的死區時間後才導通第三電晶體開關M3。而或閘215接收第三控制訊號S3後，觸發D型正反器226，使其輸出端Q轉為輸出低準位訊號而反相輸出端Q’輸出高準位訊號。此時，及閘228先停止輸出第一控制訊號S1以截止第一電晶體開關M1(請參見第五圖(d))而及閘229則經延遲電路227延遲預定死區時間後輸出第二控制訊號S2以導通第二電晶體開關M2。此時，由於第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3同時導通(請參見第五圖(e))，而使第二導通路徑形成。透過上述電路安排，可確保第一電晶體開關M1截止後經預定的死區時間後才導通第二電晶體開關M2。當迴授控制電路210再輸出脈寬控制訊號PC時，觸發D型正反器216，使其輸出端Q輸出低準位訊號而反相輸出端Q’輸出高準位訊號。此時，及閘218先停止輸出第三控制訊號S3以截止第三電晶體開關M3(請參見第五圖(f))而及閘219則經延遲電路217延遲預定死區時間後輸出第四控制訊號S4以導通第四電晶體開關M4(請參見第五圖(g))。透過上述電路安排，可確保第三電晶體開關M3截止後經預定的死區時間後才導通第四電晶體開關M4。而或閘215接收第四控制訊號S4後，觸發D型正反器226，使其輸出端Q轉為輸出高準位訊號而反相輸出端Q’輸出低準位訊號。此時，及閘229先停止輸出第二控制訊號S2以截止 第二電晶體開關M2(請參見第五圖(g))而及閘228則經延遲電路222延遲預定死區時間後輸出第一控制訊號S1以導通第一電晶體開關M1(請參見第五圖(a))。
全橋驅動控制電路200可更包含一保護電路270，用以於系統發生任何電路異常時，進入一保護模式以減少電路的毀損之可能。在本實施例中，保護電路270包含了比較器272、274以及一邏輯單元276。另外，可增加一電壓偵測電路235(例如：分壓器)耦接輸出電容Co，以根據全橋式轉換電路的直流輸出電壓產生一電壓偵測訊號VFB。比較器272的一非反相輸入端接收電壓偵測訊號VFB而一反相輸入端接收一過高壓判斷訊號Vovp以據此產生一過高壓保護訊號。比較器274的一反相輸入端接收電壓偵測訊號VFB而一非反相輸入端接收一過低壓判斷訊號Vuvp以據此產生一過低壓保護訊號。邏輯單元276於接收比較器272所產生的過高壓保護訊號及比較器274所產生的過低壓保護訊號之任一時，即輸出電壓大於一過高壓值或低於一過低壓值時，產生一邏輯判斷訊號Pau至全橋驅動電路220中的及閘218、219、228、229，使全橋驅動電路220停止產生第一控制訊號S1、第二控制訊號S2、第三控制訊號S3以及第四控制訊號S4。此時，第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4均截止，以停止繼續傳送電力至諧振單元的二次側。
邏輯單元276也可以接收一外部訊號以據此達到保護或停止電力轉換之作用。例如：均流單元240可以偵測發光二極體模組230之每一發光二極體串之狀態。當任一發光二極體串短路或開路，造成該串的電流過大或為零，或者任一串過多發光二極體因毀損而使該串或其他均流端的電壓過高時，均流單元240將產生一錯誤訊號Fault。此時，邏輯單元276也可產生邏輯判斷訊號Pau。邏輯單元276對於過高壓保護訊號、過低壓保護訊號及錯誤訊號Fault可以持續保護狀態直至全橋驅 動控制電路200被重新啟動，以避免停止傳送電力至諧振單元的二次側時，狀態暫時的解除而誤判。而邏輯單元276也可以接收一調光訊號DIM，以根據調光訊號DIM暫時停止及恢復傳送電力至諧振單元的二次側而達到調光效果。
根據上述說明，全橋驅動電路220根據預定之切換順序導通第一導通路徑及第二導通路徑，並根據脈寬控制訊號PC依序截止第一導通路徑及第二導通路徑。而且，全橋驅動電路220利用預定死區時間的設定，可使第一導通路徑及第二導通路徑其中之一截止後經預定時間才導通另一。另外，可將第六圖所示的實施例中的預定死區時間之設計應用至前述的切換規則，而使第一電晶體開關M1以及第二電晶體開關M2其中之一被截止後，另一於一預定時間後被導通，而第三電晶體開關M3以及第四電晶體開關M4也是其中之一被截止後，另一於預定時間後被導通。另外，也同時達到第一導通路徑截止並經一預定時間後導通第二電晶體開關M2及第三電晶體開關M3其中之一，於第二導通路徑截止並經一預定時間後導通第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4其中之一。藉此而達到確保四個電晶體開關M1~M4於導通時體二極體維持在順向導通狀態。
接著請參見第七圖(a)~(h)，為根據本發明一第三較佳實施例之全橋式轉換電路中的一次側之電晶體開關之切換時序示意圖。本實施例也是根據前述切換規則，將一第一導通路徑的一第一電晶體開關M1與一第四電晶體開關M4以及一第二導通路徑的一第二電晶體開關M2與一第三電晶體開關M3的導通及截止的時間點的調整，除依然可以達到由截止轉為導通過程的零電壓切換之優點外，部分電晶體開關更可達到於導通轉為截止過程的零電流切換之優點，說明如下。
首先，請參見第七圖(a)，第一電晶體開關M1和第四電晶體開關M4導通以提供第一導通路徑，而第二電晶體開關M2 和第三電晶體開關M3截止。此時，電流方向由一第一輸入端L1到一第二輸入端L2。然後，請參見第七圖(b)，第四電晶體開關M4先截止，而第一電晶體開關M1仍導通，此時一諧振單元中的一電流會經由第三電晶體開關M3的體二極體續流。再來，請參見第七圖(c)，第三電晶體開關M3導通，使諧振單元的電流由流經第三電晶體開關M3的體二極體改為流經第三電晶體開關M3。然後，請參見第七圖(d)，第一電晶體開關M1於電流接近零(方向由第一輸入端L1到第二輸入端L2)但仍大於零時截止，此時第一電晶體開關M1的截止切換幾乎等於零電流切換，這時諧振單元的電流改為流經第二電晶體開關M2的體二極體。再來，請參見第七圖(e)，第二電晶體開關M2隨後導通(此時電流方向由第一輸入端L1到第二輸入端L2)，使諧振單元的電流由流經第二電晶體開關M2的體二極體改為流經第二電晶體開關M2。此時，一輸入電源VIN透過第二導通路徑施加一驅動電壓於諧振單元之上，使電流方向由第一輸入端L1到第二輸入端L2轉變為由第二輸入端L2到第一輸入端L1。然後，請參見第七圖(f)，第二電晶體開關M2先截止，而第三電晶體開關M3仍導通，此時諧振單元中的電流會經由第一電晶體開關M1的體二極體續流。再來，請參見第七圖(g)，第一電晶體開關M1導通，使諧振單元的電流由流經第一電晶體開關M1的體二極體改為流經第一電晶體開關M1。然後，請參見第七圖(h)，第三電晶體開關M3於電流接近零(方向由第二輸入端L2到第輸一入端L1)但仍大於零時截止，此時第三電晶體開關M3的截止切換幾乎等於零電流切換，諧振單元的電流改為流經第四電晶體開關M4。再來回到第七圖(a)，第四電晶體開關M4隨後導通，使諧振單元的電流由流經第四電晶體開關M4的體二極體改為流經第四電晶體開關M4。此時，輸入電源VIN透過第一導通路徑施加驅動電壓於諧振單元之上，使電流方向由第二輸入端L2到第一輸入端L1轉變為由第一輸入端L1到第二輸入端L2。
透過導通時間的調整，使第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3於導通轉為截止本質上為零電流切換，因此可進一步減少全橋式開關電路的切換損失。
請參見第八圖，為實施第七圖所示切換時序的全橋式轉換電路之電路示意圖。全橋式轉換電路包含一諧振單元、一全橋式開關電路、一整流單元以及一全橋驅動控制電路300，用以轉換一輸入電源VIN成一直流輸出以提供一發光二極體模組330發光所需之電力。全橋式開關電路包含一第一電晶體開關M1、一第二電晶體開關M2、一第三電晶體開關M3及一第四電晶體開關M4。諧振單元包含一一次側及一二次側，諧振單元的一次側部分主要包含一諧振電容Cr、一變壓器T的一一次側，諧振單元的二次側部分主要包含變壓器T的一二次側及一諧振電感L，而整流單元包含一同步整流控制器380、一隔離電路385、一第七電晶體開關M7、一第八電晶體開關以及一輸出電容Co。諧振單元及全橋式開關電路之電路連接關係和作用請參考第四圖之描述不再累述，在此針對整流單元說明。第七電晶體開關M7及第八電晶體開關M8為一P型金氧半場效電晶體，耦接變壓器T二次側，以根據同步整流控制器380的一同步控制訊號進行同步整流。隔離電路385接收全橋驅動控制電路300的一第二控制訊號S2及一第四控制訊號S4，以產生一同步整流訊號至同步整流控制器380，使同步整流控制器380據此產生同步控制訊號來導通及截止第七電晶體開關M7及第八電晶體開關M8，例如：當第二控制訊號S2(或第四控制訊號S4)為一高準位時，先截止第七電晶體開關M7及第八電晶體開關M8中之對應者，並延遲一預定時間後導通另一個開關，以避免諧振電感L透過第七電晶體開關M7及第八電晶體開關M8逆流。隔離電路385可以是光耦合器、變壓器等，其功能為隔離變壓器T之一次側及二次側以符合安規。發光二極體模組330耦接一電流源340，使發光二極體模組330可穩定流經一預定電流。一電壓偵測電路335耦接 輸出電容Co，以根據全橋式轉換電路的直流輸出電壓產生一迴授偵測訊號FB。
全橋驅動控制電路300包含一迴授控制電路310、一全橋驅動電路320及一保護電路370。迴授控制電路310根據迴授偵測訊號FB產生一脈寬控制訊號PC。全橋驅動電路320根據脈寬控制訊號PC產生一第一控制訊號S1、第二控制訊號S2、一第三控制訊號S3以及第四控制訊號S4，以分別控制第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4的導通及截止。迴授控制電路310包含一誤差放大器302、一比較器304及一導通計時電路。誤差放大器302之一反相輸入端接收迴授偵測訊號FB，而一非反相端接收一參考電壓訊號Vref，以產生一誤差放大訊號。比較器304之一反相輸入端接收誤差放大訊號，而一非反相輸入端耦接導通計時電路以據此產生脈寬控制訊號PC。
導通計時電路包含一反相器306、一反或閘308、一電容309、一電流源IS及開關Sw1、Sw2，用以對每次一第一導通路徑及一第二導通路徑的導通時間計時並產生一計時訊號。當反或閘308接收第二控制訊號S2及收第四控制訊號S4之任一時，即截止開關Sw2，並透過反相器306導通開關Sw1。此時導通計時電路中的電流源IS開始對電容309充電以產生計時訊號。當計時訊號之一準位高於誤差放大器302所產生的誤差放大訊號之一準位時，產生脈寬控制訊號PC，使全橋驅動電路320截止第一導通路徑及第二導通路徑。此時全橋驅動電路320停止產生第二控制訊號S2及第四控制訊號S4，故反或閘308將導通開關Sw2並透過反相器306截止開關Sw1，以重設計時訊號，即電容309之一電壓。
全橋驅動電路320包含一諧振頻率偵測電路、一D型正反器315、SR正反器316、318、326、328以及延遲電路312、322、317、327，以根據預定之切換順序導通第一導通路徑及 第二導通路徑，並根據脈寬控制訊號PC依序截止第一導通路徑及第二導通路徑。諧振頻率偵測電路包含比較器311、321，耦接諧振單元以偵測諧振單元之一諧振電流，用以判斷諧振單元之諧振狀態並決定全橋驅動電路300之一操作頻率，使全橋驅動電路300的操作頻率高於諧振單元之一諧振頻率。比較器311之一反相輸入端耦接一頻率偵測參考訊號Vfr而一非反相輸入端耦接諧振單元之第一輸入端L1以接收一第一頻率偵測訊號Si1。比較器321之一反相輸入端耦接頻率偵測參考訊號Vfr而一非反相輸入端耦接諧振單元之第二輸入端L2以接收一第二頻率偵測訊號Si2。
請同時參見第七圖(a)~(h)，全橋驅動控制電路300預設為於全橋式轉換電路啟動之初將先導通第一導通路徑，即輸出第一控制訊號S1及第四控制訊號S4以分別導通第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4，並同時遮蔽(Blank)比較器311、321一預定遮蔽時間，以避免啟動之初的誤動作。當迴授控制電路310產生脈寬控制訊號PC時，觸發D型正反器315，使D型正反器315於輸出端Q輸出一高準位訊號，並進而觸發SR正反器326以停止於輸出端Q產生第四控制訊號S4以截止第四電晶體開關M4，同時SR正反器326將於一反相輸出端Q’產生一高準位訊號，並經延遲電路327延遲後觸發SR正反器328於一輸出端Q產生第三控制訊號S3以導通第三電晶體開關M3。此時，諧振單元上的電流會因第一導通路徑的截止而變小，使第一輸入端L1的電位逐漸上升。當上述電流小於一預定電流值時，第一頻率偵測訊號Si1的二準位高於頻率偵測參考訊號Vfr，使比較器311產生一高準位訊號至SR正反器318的一重設端R。此時SR正反器318停止於一輸出端Q產生第一控制訊號S1以截止第一電晶體開關M1，並於一反相輸出端Q’產生一高準位訊號並經延遲電路312延遲後觸發SR正反器316於一輸出端Q產生第二控制訊號S2以導通第二電晶體開關M2。此時，第二導通路徑被導 通。當迴授控制電路310再產生脈寬控制訊號PC時，觸發D型正反器315，使D型正反器315於一反相輸出端Q’輸出一高準位訊號，並進而觸發SR正反器316以停止於輸出端Q產生第二控制訊號S2以截止第二電晶體開關M2，同時SR正反器316將於一反相輸出端Q’產生一高準位訊號，並經延遲電路317延遲後觸發SR正反器318於輸出端Q產生第一控制訊號S1以導通第一電晶體開關M1。此時，諧振單元上的電流會因第二導通路徑的截止而變小，使第二輸入端L2的電位逐漸上升。當上述電流小於預定電流值時，第二頻率偵測訊號Si2的準位高於頻率偵測參考訊號Vfr，使比較器321產生一高準位訊號至SR正反器328的一重設端R。此時SR正反器328停止於輸出端Q產生第三控制訊號S3以截止第三電晶體開關M3，並於一反相輸出端Q’產生一高準位訊號並經延遲電路322延遲後觸發SR正反器326於輸出端Q產生第四控制訊號S4以導通第四電晶體開關M4。此時，第一導通路徑再度被導通。
保護電路370包含了比較器372、374以及一邏輯單元376。比較器372及比較器374分別根據一過高壓判斷訊號Vovp、一過低壓判斷訊號Vuvp及電壓偵測電路335所產生的迴授偵測訊號FB，於判斷全橋式轉換電路的輸出電壓過高或過低時，通知邏輯單元376。此時，邏輯單元376將一邏輯判斷訊號Pau至全橋驅動電路320，使全橋驅動電路320停止產生第一控制訊號S1、第二控制訊號S2、第三控制訊號S3以及第四控制訊號S4。此時，第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4均截止，以停止繼續傳送電力至諧振單元的二次側。另外，邏輯單元376也可以接收一調光訊號DIM，以根據調光訊號DIM暫時停止及恢復傳送電力至諧振單元的二次側而達到調光效果。
本實施係利用第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3 有部分導通的時間重疊方式(參見第七圖(c)、(g))來進一步降低全橋式開關電路的切換損失。為使第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3有部分時間同時導通，一般而言第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3每一週期的導通時間會長於週期時間的一半。較佳的方式為固定第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3的工作週期，例如：工作週期為52%，而以調整第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4的工作週期來達到調整電力的作用。
當然，也可以固定第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4的工作週期使導通時間重疊，而調整第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3的工作週期來調整電力。其詳細電路運作，可參考第八圖所示實施例的描述中，將第一電晶體開關M1及第二電晶體開關M2，以及第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4對調即是。
請參見第九圖，根據本發明之另一實施例的全橋式轉換電路之電路示意圖。與第八圖所示實施例相較，主要的差異為本實施例係將第三電晶體開關M3及第一電晶體開關M1由截止轉為導通的時間點往後調整。詳細說明如下：
全橋式轉換電路包含一諧振單元、一全橋式開關電路、一整流單元以及一全橋驅動控制電路400，用以轉換一輸入電源VIN成一直流輸出以提供一發光二極體模組430發光所需之電力。全橋式開關電路包含一第一電晶體開關M1、一第二電晶體開關M2、一第三電晶體開關M3及一第四電晶體開關M4。諧振單元包含一一次側及一二次側，諧振單元的一次側部分主要包含一諧振電容Cr、一變壓器T的一一次側，諧振單元的二次側部分主要包含變壓器T的一二次側及一諧振電感L，而整流單元包含一同步整流控制器480、一第五電晶體開關M5、一第六電晶體開關M6以及一輸出電容Co。諧振單元、全橋式開關電路及整流單元之電路連接關係和作用請參考上述該 些實施例之相關描述，在此不再累述。發光二極體模組430包含複數個發光二極體串，每一發光二極體串一端耦接整流單元之直流輸出。一均流單元440具有複數個均流端用以對應耦接發光二極體串之另一端，使每一發光二極體串流經大致相同電流值。一端電壓選擇單元445耦接均流單元440的複數個均流端，以根據複數個均流端之電壓產生一迴授偵測訊號FB。
全橋驅動控制電路400包含一迴授控制電路410、一全橋驅動電路420及一保護電路470。迴授控制電路410根據迴授偵測訊號FB產生一脈寬控制訊號PC。全橋驅動電路420根據脈寬控制訊號PC產生一第一控制訊號S1、一第二控制訊號S2、一第三控制訊號S3以及一第四控制訊號S4，以分別控制第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4的導通及截止。迴授控制電路410包含一誤差放大器402、一比較器404及一導通計時電路。導通計時電路包含一反相器406、一反或閘408、一電容409、一電流源IS及開關Sw1、Sw2，用以對每次一第一導通路徑及一第二導通路徑的導通時間計時並產生一計時訊號。迴授控制電路410各電路元件的連接關係及運作請參見第八圖的說明。
全橋驅動電路420包含一諧振頻率偵測電路、SR正反器416、418、426、428以及延遲電路412、422、417、427，以根據預定之切換順序導通第一導通路徑及第二導通路徑，並根據脈寬控制訊號PC依序截止第一導通路徑及第二導通路徑。諧振頻率偵測電路包含比較器411、421，耦接諧振單元以偵測諧振單元之一諧振電流，用以判斷諧振單元之諧振狀態並決定全橋驅動電路400之一操作頻率，使全橋驅動電路400的操作頻率高於諧振單元之一諧振頻率。比較器411之一反相輸入端耦接一頻率偵測參考訊號Vfr而一非反相輸入端耦接諧振單元之一第一輸入端L1以接收一第一頻率偵測訊號Si1。比較 器421之一反相輸入端耦接頻率偵測參考訊號Vfr而一非反相輸入端耦接諧振單元之一第二輸入端L2以接收一第二頻率偵測訊號Si2。
全橋驅動控制電路400預設為於全橋式轉換電路啟動之初將先導通第一導通路徑，即輸出第一控制訊號S1及第四控制訊號S4以分別導通第一電晶體開關M1及第四電晶體開關M4，並同時遮蔽(Blank)比較器411、421一預定遮蔽時間，以避免啟動之初的誤動作。當迴授控制電路410產生脈寬控制訊號PC時，觸發SR正反器426停止產生第四控制訊號S4以截止第四電晶體開關M4，此時第一導通路徑被截止。當諧振單元的電流因釋能而逐漸下降，使第一頻率偵測訊號Si1的一準位高於頻率偵測參考訊號Vfr之一準位時，比較器411輸出一切換訊號S2’。切換訊號S2’觸發SR正反器428輸出第三控制訊號S3以導通第三電晶體開關M3。延遲電路417接收切換訊號S2’，並經一預定延遲時間後重置SR正反器418，以停止輸出第一控制訊號S1而截止第一電晶體開關M1。延遲電路412偵測第一控制訊號S1的下降緣，於判斷第一控制訊號S1由高準位轉為低準位後一預定延遲時間，觸發SR正反器416輸出第二控制訊號S2以導通第二電晶體開關M2。此時，第二導通路徑被導通。當迴授控制電路410再度產生脈寬控制訊號PC時，觸發SR正反器416停止產生第二控制訊號S2以截止第二電晶體開關M2，此時第二導通路徑被截止。當諧振單元的電流因釋能而逐漸下降，使第一頻率偵測訊號Si2的一準位高於頻率偵測參考訊號Vfr之準位時，比較器421輸出一切換訊號S4’。切換訊號S4’觸發SR正反器418輸出第一控制訊號S1以導通第一電晶體開關M1。延遲電路427接收切換訊號S4’，並經一預定延遲時間後重置SR正反器428，以停止輸出第三控制訊號S3而截止第三電晶體開關M3。延遲電路422偵測第三控制訊號S3的下降緣，於判斷第三控制訊號S3由高準位轉為低準位後一預定延遲時間，觸發SR正反器426 輸出第四控制訊號S4以導通第四電晶體開關M4。此時，第一導通路徑再度被導通。
保護電路470包含了比較器472、474以及一邏輯單元476。比較器472及比較器474分別根據一過高壓判斷訊號Vovp、一過低壓判斷訊號Vuvp及端電壓選擇單元445所產生的迴授偵測訊號FB，於判斷均流單元440的均流端中最低電壓者之電壓低於或高於預定電壓範圍時通知邏輯單元476進入一保護模式。均流單元440於偵測到電路異常時，也將產生一錯誤訊號Fault至邏輯單元476，使邏輯單元476進入保護模式。另外，邏輯單元476也可以接收一調光訊號DIM，以根據調光訊號DIM暫時停止及恢復傳送電力至諧振單元的二次側而達到調光效果。
請參見第十圖，根據本發明之再一實施例的全橋式轉換電路之電路示意圖。與第九圖所示實施例相較，主要的差異為本實施例係以頻率產生器來取代諧振頻率偵測電路，使電路的電磁干擾(Electromagnetic Disturbance，EMI)更容易濾除，且不會有因可能的諧振頻率偵測錯誤而造成誤切換問題。詳細說明如下：
全橋式轉換電路包含一諧振單元、一全橋式開關電路、一整流單元以及一全橋驅動控制電路500，用以轉換一輸入電源VIN成一直流輸出以提供一發光二極體模組530發光所需之電力。全橋式開關電路包含一第一電晶體開關M1、一第二電晶體開關M2、一第三電晶體開關M3及一第四電晶體開關M4。諧振單元包含一一次側及一二次側，諧振單元的一次側部分主要包含一諧振電容Cr、一變壓器T的一一次側，諧振單元的二次側部分主要包含變壓器T的一二次側及一諧振電感L，而整流單元包含一同步整流控制器580、一第五電晶體開關M5、一第六電晶體開關M6以及一輸出電容Co。諧振單元、全橋式開關電路及整流單元之電路連接關係和作用請參考上述該 些實施例之相關描述，在此不再累述。發光二極體模組530包含複數個發光二極體串，每一發光二極體串一端耦接整流單元之直流輸出。一均流單元540具有複數個均流端用以對應耦接發光二極體串之另一端，使每一發光二極體串流經大致相同電流值。均流單元540若偵測到任何操作異常，而造成均流端的電流或電壓異常，將產生一錯誤訊號Fault。另外，一電壓偵測電路535耦接一輸出電容Co，以根據全橋式轉換電路的輸出電壓產生一迴授偵測訊號FB。
全橋驅動控制電路500包含一迴授控制電路510、一全橋驅動電路520及一保護電路570。迴授控制電路510根據迴授偵測訊號FB產生一脈寬控制訊號PC。全橋驅動電路520根據脈寬控制訊號PC產生一第一控制訊號S1、一第二控制訊號S2、一第三控制訊號S3以及一第四控制訊號S4，以分別控制第一電晶體開關M1、第二電晶體開關M2、第三電晶體開關M3及第四電晶體開關M4的導通及截止。迴授控制電路510包含一誤差放大器502、一比較器504及一導通計時電路。導通計時電路包含一反相器506、一反或閘508、一電容509、一電流源IS及開關Sw1、Sw2，用以對每次一第一導通路徑及一第二導通路徑的導通時間計時並產生一計時訊號。迴授控制電路510各電路元件的連接關係及運作請參見第八圖的說明。
全橋驅動電路520包含一反相器515、一頻率產生器525、SR正反器516、518、526、528以及延遲電路517、527，以根據預定之切換順序導通第一導通路徑及第二導通路徑，並根據脈寬控制訊號PC依序截止第一導通路徑及第二導通路徑。頻率產生器525耦接一頻率設定單元Rfrq，以根據頻率設定單元Rfrq來調整所產生的一時脈訊號之頻率，使全橋驅動電路500的一操作頻率高於諧振單元之一諧振頻率。頻率產生器525產生的時脈訊號的脈寬為50%，耦接SR正反器526的一 設定端S及透過反相器515耦接SR正反器516的一設定端S，以分別觸發產生第四控制訊號S4及第二控制訊號S2。全橋驅動電路520中其他的電路操作請對應參照第九圖所示之全橋驅動電路420的說明，在此不累述。
保護電路570包含了比較器572、574以及一邏輯單元576。比較器572及比較器574分別根據一過高壓判斷訊號Vovp、一過低壓判斷訊號Vuvp及電壓偵測電路535所產生的迴授偵測訊號FB，於判斷全橋式轉換電路的輸出電壓低於或高於預定電壓範圍時通知邏輯單元576進入一保護模式。邏輯單元576也同時耦接均流單元540，於接收一錯誤訊號Fault時進入保護模式。另外，邏輯單元576也可以接收一調光訊號DIM，以根據調光訊號DIM暫時停止及恢復傳送電力至諧振單元的二次側而達到調光效果。
前述的實施例，於無法將所有的電晶體開關於導通轉為截止時完全達到軟切換。例如：第十圖所示之實施例，第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4仍以硬切換方式由導通轉為截止。因此可以在第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4並並聯一軟切換電容來達到由導通轉為截止時的軟切換。請參見第十一圖，為根據第十圖所示實施例加入軟切換電容之電路示意圖。利用分別並聯軟切換電容C1、C2至第二電晶體開關M2、第四電晶體開關M4，使第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4在導通轉為截止的這段時間內，維持第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4的源極汲極端電壓差在一預定範圍內，使此時的切換損失降低。其他部分電路的運作，請參照第十圖的說明。當然，若導通時間重疊的電晶體開關為第二電晶體開關M2及第四電晶體開關M4，則軟切換電容C1、C2可改為與第一電晶體開關M1及第三電晶體開關M3並聯。
如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然 熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
先前技術：
M1‧‧‧第一電晶體開關
M2‧‧‧第二電晶體開關
M3‧‧‧第三電晶體開關
M4‧‧‧第四電晶體開關
T‧‧‧變壓器
D1‧‧‧第一整流二極體
D2‧‧‧第二整流二極體
L‧‧‧諧振電感
Co‧‧‧輸出電容
VIN‧‧‧輸入電源
S1‧‧‧第一控制訊號
S2‧‧‧第二控制訊號
S3‧‧‧第三控制訊號
S4‧‧‧第四控制訊號
本發明：
100、200、300、400、500‧‧‧全橋驅動控制電路
101‧‧‧參考電壓調整電路
102、202、302、402、502‧‧‧誤差放大器
110、210、310、410、510‧‧‧迴授控制電路
111、204、205、207、272、274、304、311、321、372、374、404、411、421、472、474、504、511、521、572、574‧‧‧比較器
114、216、226、315‧‧‧D型正反器
119、129、218、219、228、229‧‧‧及閘
120、220、320、420、520‧‧‧全橋驅動電路
125‧‧‧頻率產生器
130‧‧‧負載
135‧‧‧電流偵測電阻
155、385‧‧‧隔離電路
280、380、480、580‧‧‧同步整流控制器
M1‧‧‧第一電晶體開關
M2‧‧‧第二電晶體開關
M3‧‧‧第三電晶體開關
M4‧‧‧第四電晶體開關
M5‧‧‧第五電晶體開關
M6‧‧‧第六電晶體開關
M7‧‧‧第七電晶體開關
M8‧‧‧第八電晶體開關
T‧‧‧變壓器
Cr‧‧‧諧振電容
L‧‧‧諧振電感
S1‧‧‧第一控制訊號
S2‧‧‧第二控制訊號
S3‧‧‧第三控制訊號
S4‧‧‧第四控制訊號
VIN‧‧‧輸入電源
L1‧‧‧第一輸入端
L2‧‧‧第二輸入端
D1‧‧‧第一整流二極體
D2‧‧‧第二整流二極體
FB‧‧‧迴授偵測訊號
PC‧‧‧脈寬控制訊號
DCDIM‧‧‧直流調光訊號
Rfrq‧‧‧頻率設定單元
Rin‧‧‧輸入電壓偵測電路
pwm‧‧‧脈寬調變訊號
D‧‧‧輸入端
C‧‧‧輸入端
Q’‧‧‧反相輸出端
Q‧‧‧輸出端
203‧‧‧單擊電路
206、316、318、326、328、416、418、426、428、516、518、526、528‧‧‧SR正反器
208、215‧‧‧或閘
209、309、409、509‧‧‧電容
212、217、222、227、312、317、322、327、412、417、422、427、517、527‧‧‧延遲電路
230、330、430、530‧‧‧發光二極體模組
235、335、535‧‧‧電壓偵測電路
240、440、540‧‧‧均流單元
245、445‧‧‧端電壓選擇單元
270、370、470、570‧‧‧保護電路
276、376、476、576‧‧‧邏輯單元
306、406、506、515‧‧‧反相器
308、408、508‧‧‧反或閘
340‧‧‧電流源
Vref‧‧‧參考電壓訊號
IS‧‧‧電流源
Sw1、Sw2‧‧‧開關
S2’、S4，、S1’、S3’‧‧‧切換訊號
Vfr‧‧‧頻率偵測參考訊號
Si1‧‧‧第一頻率偵測訊號
Si2‧‧‧第二頻率偵測訊號
S‧‧‧設定端
R‧‧‧重設端
Co‧‧‧輸出電容
VFB‧‧‧電壓偵測訊號
Pau‧‧‧邏輯判斷訊號
Fault‧‧‧錯誤訊號
DIM‧‧‧調光訊號
Vovp‧‧‧過高壓判斷訊號
Vuvp‧‧‧過低壓判斷訊號
C1、C2‧‧‧軟切換電容
第一圖為習知之全橋式轉換電路之電路示意圖。
第二圖為第一圖所示全橋式轉換電路中晶體開關切換的時序示意圖。
第三圖(a)~(d)為根據本發明一第一較佳實施例之全橋式轉換電路中的一次側之電晶體開關之切換時序示意圖。
第四圖為實施第三圖所示切換時序的全橋式轉換電路之電路示意圖。
第五圖(a)~(h)為根據本發明一第二較佳實施例之全橋式轉換電路中的一次側之電晶體開關之切換時序示意圖。
第六圖為實施第五圖所示切換時序的全橋式轉換電路之電路示意圖。
第七圖(a)~(h)為根據本發明一第三較佳實施例之全橋式轉換電路中的一次側之電晶體開關之切換時序示意圖。
第八圖為實施第七圖所示切換時序的全橋式轉換電路之電路示意圖。
第九圖根據本發明之另一實施例的全橋式轉換電路之電路示意圖。
第十圖根據本發明之再一實施例的全橋式轉換電路之電路示意圖。
第十一圖為根據第十圖所示實施例加入軟切換電容之電路示意圖。
100‧‧‧全橋驅動控制電路
101‧‧‧參考電壓調整電路
102‧‧‧誤差放大器
110‧‧‧迴授控制電路
111‧‧‧比較器
114‧‧‧D型正反器
119、129‧‧‧及閘
120‧‧‧全橋驅動電路
125‧‧‧頻率產生器
130‧‧‧負載
135‧‧‧電流偵測電阻
155‧‧‧隔離電路
M1‧‧‧第一電晶體開關
M2‧‧‧第二電晶體開關
M3‧‧‧第三電晶體開關
M4‧‧‧第四電晶體開關
T‧‧‧變壓器
Cr‧‧‧諧振電容
S1‧‧‧第一控制訊號
S2‧‧‧第二控制訊號
S3‧‧‧第三控制訊號
S4‧‧‧第四控制訊號
VIN‧‧‧輸入電源
L1‧‧‧第一輸入端
L2‧‧‧第二輸入端
D1‧‧‧第一整流二極體
D2‧‧‧第二整流二極體
FB‧‧‧迴授偵測訊號
PC‧‧‧脈寬控制訊號
DCDIM‧‧‧直流調光訊號
Rfrq‧‧‧頻率設定單元
Rin‧‧‧輸入電壓偵測電路
pwm‧‧‧脈寬調變訊號
D‧‧‧輸入端
C‧‧‧輸入端
Q’‧‧‧反相輸出端
Q‧‧‧輸出端
Co‧‧‧輸出電容
L‧‧‧諧振電感

Claims (18)

  1. 一種全橋式轉換電路，用以提供一直流輸出，包含：一諧振單元，包含一一次側及一二次側；一第一電晶體開關，耦接一輸入電源及該一次側之一第一端；一第二電晶體開關，耦接該一次側之該第一端以及一共同電位；一第三電晶體開關，耦接該輸入電源及該一次側之一第二端；一第四電晶體開關，耦接該一次側之該第二端以及該共同電位；一整流單元，耦接該諧振單元之該二次側，用以對該諧振單元之電力進行整流而輸出該直流輸出；以及一全橋驅動控制電路，以一操作頻率控制該第一電晶體開關、該第二電晶體開關、該第三電晶體開關及該第四電晶體開關的導通及截止，使該第一電晶體開關及該第二電晶體開關不同時導通且該第三電晶體開關及該第四電晶體開關不同時導通，其中該操作頻率高於該諧振單元之一諧振頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式轉換電路，其中該全橋驅動控制電路包含一諧振頻率偵測電路，該諧振頻率偵測電路耦接該諧振單元以偵測該諧振單元之一輸入端電壓或一諧振電流，並據此調整該操作頻率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式轉換電路，其中該全橋驅動控制電路包含一輸入電壓偵測電路及一斜波產生器，該輸入電壓偵測電路根據該輸入電源產生一震幅調整訊號，該斜波產生器根據該震幅調整訊號調整所產生之一斜波訊號之震幅大小。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一所述之全橋式轉換電路，其中該第一電晶體開關以及該第二電晶體開關其中之一被截止後，另一於一預定時間後被導通，而該第三電晶體開關 以及該第四電晶體開關其中之一被截止後，另一於該預定時間後被導通。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之全橋式轉換電路，其中當該第二電晶體開關及該第三電晶體開關同時導通時，該第二電晶體開關及該第三電晶體開關其中之一於流經該第二電晶體開關及該第三電晶體開關之一電流小於一預定電流值時被截止。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之全橋式轉換電路，其中當該第一電晶體開關及該第四電晶體開關同時導通時，該第一電晶體開關及該第四電晶體開關其中之一於流經該第一電晶體開關及該第四電晶體開關之一電流小於一預定電流值時被截止。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之全橋式轉換電路，其中該第一電晶體開關及該第三電晶體開關每一次被導通之時間長度固定，或者該第二電晶體開關及該第四電晶體開關每一次被導通之時間長度固定。
  8. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一所述之全橋式轉換電路，更包含一發光二極體模組耦接該整流單元，其中該全橋式驅動控制器根據該直流輸出之一輸出電壓控制該第一電晶體開關、該第二電晶體開關、該第三電晶體開關及該第四電晶體開關導通及截止，於該輸出電壓大於一過高壓值或低於一過低壓值時，同時截止該第一電晶體開關、該第二電晶體開關、該第三電晶體開關及該第四電晶體開關。
  9. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一所述之全橋式轉換電路，更包含一發光二極體模組以及一均流單元，其中該發光二極體模組耦接該整流單元並具有複數個發光二極體串，該均流單元具有複數個均流端用以對應耦接該複數個發光二極體串使每一發光二極體串流經大致相同之電流值，該全橋式驅動控制器根據該複數個均流端之電壓控制該第一電晶體開關、該第二電晶體開關、該第三電晶體開關及該第四電晶體開關導通及截止。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之全橋式轉換電路，其中該整 流單元包含一同步整流控制器及兩電晶體開關，該兩電晶體開關耦接該諧振單元之該二次側，該同步整流控制器根據該二次側之電壓、電流或其組合控制該兩電晶體開關之導通與截止。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式轉換電路，更包含一第一電容及一第二電容，其中該第一電容與該第一電晶體開關並聯以及該第二電容與該第三電晶體開關並聯；或者該第一電容與該第二晶體開關並聯以及該第二電容與該第四晶體開關並聯。
  12. 一種全橋驅動控制電路，包含：一迴授控制電路，根據一迴授偵測訊號產生一脈寬控制訊號；一全橋驅動電路，根據該脈寬控制訊號產生一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號以及一第四控制訊號，用以分別控制一全橋式開關電路中之一第一電晶體開關、一第二電晶體開關、一第三電晶體開關及一第四電晶體開關的導通及截止，其中該第一電晶體開關及該第四電晶體開關控制一第一導通路徑，該第二電晶體開關及該第三電晶體開關控制一第二導通路徑，該第一電晶體開關與該第二電晶體開關形成一第一直臂且第三電晶體開關與該第四電晶體開關形成一第二直臂；以及一保護電路，該保護電路接收一輸出電壓偵測訊號，並於該輸出電壓偵測訊號之一準位高於一預定過高壓值或低於一預定過低壓值時，產生一保護訊號，使該全橋驅動電路停止產生該第一控制訊號、該第二控制訊號、該第三控制訊號以及該第四控制訊號；其中，該全橋驅動電路於該第一導通路徑截止後才導通該第二電晶體開關及該第三電晶體開關其中之一，於該第二導通路徑截止後才導通該第一電晶體開關及該第四電晶體開關其中之一，該第一電晶體開關與該第二電晶體開關不同時導通且該第二電晶體開關與該第三電晶體開關不同時導通。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之全橋驅動控制電路，更包含一諧振頻率偵測電路，該諧振頻率偵測電路耦接一諧振單元以偵測該諧振單元之一諧振電流，並據此決定該全橋驅動電路之一操作頻率。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之全橋驅動控制電路，其中該迴授控制電路包含一導通計時電路及一誤差放大器，該誤差放大器根據該迴授偵測訊號產生一誤差放大訊號，該導通計時電路於該第一導通路徑導通時及該第二導通路徑導通時開始計時並產生一計時訊號，該迴授控制電路根據該誤差放大訊號及該計時訊號產生該脈寬控制訊號。
  15. 一種全橋驅動控制電路，包含：一迴授控制電路，根據一迴授偵測訊號產生一脈寬控制訊號；一頻率產生器，產生一時脈訊號；一全橋驅動電路，根據該脈寬控制訊號及該時脈訊號產生一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號以及一第四控制訊號，用以分別控制一全橋式開關電路中之一第一電晶體開關、一第二電晶體開關、一第三電晶體開關及一第四電晶體開關的導通及截止，其中該第一電晶體開關及該第四電晶體開關控制一第一導通路徑，該第二電晶體開關及該第三電晶體開關控制一第二導通路徑，該第一電晶體開關與該第二電晶體開關形成一第一直臂且第三電晶體開關與該第四電晶體開關形成一第二直臂；以及一保護電路，該保護電路接收一輸出電壓偵測訊號，並於該輸出電壓偵測訊號之一準位高於一預定過高壓值或低於一預定過低壓值時，產生一保護訊號，使該全橋驅動電路停止產生該第一控制訊號、該第二控制訊號、該第三控制訊號以及該第四控制訊號；其中，該全橋驅動電路於該第一導通路徑截止後才導通該第二電晶體開關及該第三電晶體開關其中之一，於該第二導通 路徑截止後才導通該第一電晶體開關及該第四電晶體開關其中之一，該第一電晶體開關與該第二電晶體開關不同時導通且該第二電晶體開關與該第三電晶體開關不同時導通。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之全橋驅動控制電路，更包含一頻率設定單元耦接該頻率產生器，其中該頻率產生器根據該頻率設定單元調整該時脈訊號之一頻率。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之全橋驅動控制電路，更包含一輸入電壓偵測電路，該輸入電壓偵測電路根據耦接該全橋式開關電路之一輸入電源產生一震幅調整訊號，該頻率產生器產生一斜波訊號並根據該震幅調整訊號調整該斜波訊號之震幅大小，以及該全橋驅動電路根據該斜波訊號產生該第一控制訊號、該第二控制訊號、該第三控制訊號以及該第四控制訊號。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之全橋驅動控制電路，其中該第一控制訊號及該第三控制訊號具有固定工作週期，或者該第二控制訊號及該第四控制訊號具有固定工作週期。
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