TWI472138B - No inductance power conversion circuit - Google Patents

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Description

無電感電源轉換電路
本發明係屬於電源供應設備之技術領域，特別是關於一種無電感電源轉換電路，以透過無電感工作週期(Duty)控制的調節方式實現穩壓功能而有效提升能量轉換效率。
為驅動各式電子設備運作，一般係利用一電源供應器轉換市電之交流壓能，形成供電子設備工作之電壓源或電流源，且為輸出穩定之電壓或電流，該電源供應器多採用脈衝寬度變調(Pulse Width Modulation,PWM)的控制方式調節輸出壓值或流值。切換式電源供應器(Switch Power Supply,SPS)具有效率高、體積小、重量輕、易組裝及輸出電壓範圍大等特性而廣泛使用於諸如液晶顯示器、電視或發光二極體燈具等電子設備中，且常見有返馳式(Fly-back)、順向式(Forward)、全橋式(Full Bridge)、半橋式(Half Bridge)及推挽式(Push-pull)等電路架構。
以如圖1所示之返馳式電源轉換器1為例，其設有一橋式整流器10、一耦合變壓器11及一控制晶片12，該耦合變壓器11設有一一次側線圈(N1)、一二次側線圈(N2)及一輔助線圈(Auxiliary Winding)(Na)，且該一次側線圈串接一電流開關120及一電流電阻121後，及該輔助線圈串接一分壓電阻122後，分別耦接該控制晶片12。該橋式整流器10接收並整流市電之一交 流電流後，該一次側線圈儲能形成一一次側電流(I1)而使該二次側線圈及該輔助線圈分別磁感形成一輸出電流(IO)及一監測電流(ID)，且該控制晶片12藉該電流電阻121感測該一次側電流之峰壓值，及藉該分壓電阻122監測該輸出電流之壓值變異量後，分析上述峰壓值及變異值而切換該電流開關120工作狀態，以增減該一次側電流之導通周期而達調節輸出壓值大小之功效。
換言之，上述電源轉換器1係藉該電流開關120控制PWM訊號而實現穩壓效果，然而，為適時改變PWM訊號的空佔比，該電流開關120無疑地以大於20kHz的高頻率進行狀態切換，造成透過電感或變壓器進行高頻能量轉換之該電源轉換器1具有嚴重的電磁干擾(Electromagnetic Disturbance,EMI)及頻閃等問題。此時，可增設額外的安規元件降低EMI，但卻會影響整體電路之工作效率而不利於實用，且原先大體積及高成本之電路架構將更趨複雜而不利於生產。
有鑑於此，如何於同時降低EMI干擾及輸出穩定壓能的條件下簡化該電源轉換器1之電路架構，以縮小整體電路體積及降低成本而實現高經濟效益，即為本發明所欲探究之課題。
有鑑於習知技藝之問題，本發明之目的在於提供一種高產業利用性之無電感電源轉換電路，以利用作動相反之兩開關控制電容充放電時間而實現穩壓效果的同時解決EMI干擾問題。
根據本發明之目的，該無電感電源轉換電路供用於 諸如液晶顯示器、電視或發光二極體燈具之電子設備之一電源驅動裝置中，供承接該電源驅動裝置之輸入電壓後，調節形成一輸出電壓而輸出予該電子設備之一負載，以維持該輸出電壓之輸出穩定性，其特徵在於：該無電感電源轉換電路係設有一檢測單元、一切換單元及一轉換單元，且該轉換單元具有一第一開關、一第二開關、一第一電容及一第二電容，該第一開關承接該輸入電壓並耦接該第一電容及該第二開關，該第二開關一端耦接該第二電容並電訊連接該負載及該檢測單元，而該切換單元電訊連接該檢測單元、該第一開關及該第二開關；該檢測單元檢測輸出之該輸出電壓而形成一檢測值，該切換單元分析該檢測值後輸出不同頻率之一切換訊號而分別開關該第一開關及該第二開關，以調節該第一電容及該第二電容充放該輸入電壓之時間而調整該輸出電壓之壓值。
並且，該檢測單元設有一分壓電阻，以分壓該輸出電壓而形成該檢測值。或者，該負載為並聯之複數使用型態時，該檢測單元設有電流鏡電路之一多通道定電流電路(Current Matching Circuit)及一最低電壓偵測電路，該多通道定電流電路串接該等負載而取得複數個輸出電流，該最低電壓偵測電路電訊連接該多通道定電流電路，以檢測該等輸出電流後分析獲得具最低壓值之該檢測值。如此，本發明可依該電源驅動裝置之定電流或定電壓控制方式調整零組件，使切合實用需求並大幅提升適用性。
其中，該切換單元設有一誤差放大器(Error Amplify)、一頻率產生器及一切換器，該誤差放大器之負輸入端承接該檢測值，正輸入端承接一基準值而輸出端耦接該頻率產生器之輸入端，該頻率產生器之輸出端耦接該切換器之輸入端，且該切換器之輸出端耦接該第一開關及該第二開關，使接連形成穩定之負回授控制電路架構。該誤差放大器比較並放大該檢測值相較於該基準值之變動誤差，以於該輸出電壓上升時形成低壓值之一檢測訊號而使該頻率產生器輸出較低頻率之該切換訊號，反之，該輸出電壓下降而該誤差放大器形成高壓值之該檢測訊號時，該頻率產生器輸出較高頻率之該切換訊號。又，該第一開關關閉時該第二開關開啟，而該第一開關開啟時該第二開關關閉，且該第二電容(C2)之容值係恆大於該第一電容之容值而呈如壓能輸出的緩衝元件，使整體電路進入穩態及該第一開關關閉而該第二開關開啟時，該第一電容(C1)直接釋放儲存之該輸入電壓予該負載。
為廣泛使用該無電感電源轉換電路於各式電源供應設備中，該輸入電壓(Vin)可由一橋式整流器或一切換式電源轉換器所輸出。
綜上所述，電路進行穩態後，本發明係透過維持輸入壓能相同於該負載(RL)消耗壓能的方式維持該輸出電壓(Vo)的高穩定性，又由C1*(Vin-Vo)*f=Vo/RL關係式獲知，Vo可由f所控制，f為電容充放電頻率，亦即為該等開關切換頻率。如此，利用開關狀態互補之兩開關切換輸入壓能之導通時間而使不同容值之該等電容交互充放電，即可實現穩壓功效，且其電路簡單而成 本低廉，有助於各電子裝置裝置導入使用，進而降低成成而提高產品競爭性。
為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第2~4圖，其係分別為本發明較佳實施例之方塊示意圖、波形示意圖及一實施態樣電路圖。如圖所示，諸如液晶顯示器、電視或發光二極體燈具之電子設備之一電源驅動裝置2設有一整流電路20及該無電感電源轉換電路3，且該整流電路20為橋式整流器，耦接一外部電源4及該無電感電源轉換電路3，以整流該外部電源4之85~265V交流電壓而形成一輸入電壓(Vin)後，該無電感電源轉換電路3承接該輸入電壓並調節形成一輸出電壓(Vo)而輸出予該電子設備之一負載5，例如發光二極體，如此即可實現維持該驅動電壓之輸出穩定性之功效。
該無電感電源轉換電路3係設有一檢測單元30、一切換單元31及一轉換單元32，該轉換單元32電訊連接該整流電路20、該檢測單元30及該切換單元31，且該檢測單元30電訊連接該切換單元31。該檢測單元30設有一分壓電阻300，該切換單元31設有一誤差放大器310、一頻率產生器311及一切換器312，且該轉換單元32具有一第一開關320、一第二開關321、一第一電容322及一第二電容323，又該第二電容323之容值係恆大於該第一電容322之容值。該第一開關320一端承接該輸入電壓，另一端耦接該第二開關321一端及該第一電 容322，而觸發端耦接該切換器312之輸出端。該第二開關321另一端耦接該第二電容323、該負載5及該分壓電阻300，且觸發端耦接該切換器312之輸出端，又該分壓電阻300分壓該輸出電壓而形成該檢測值。該誤差放大器310之負輸入端耦接該分壓電阻300而承接該檢測值，正輸入端承接一基準值，且輸出端耦接該頻率產生器311之輸入端，又該頻率產生器311之輸出端耦接該切換器312之輸入端。該切換器312之輸出端耦接該第一開關320及該第二開關321，如此，即接連形成穩定之負回授控制電路架構。
該誤差放大器310比較並放大該檢測值相較於該基準值之變動誤差，於該輸出電壓上升而使該檢測值大於該基準值時，該誤差放大器310輸出低壓值之一檢測訊號，且該頻率產生器311接收該檢測訊號後輸出較低頻率之一切換訊號，使該第一電容322及該第二電容323充放電週期趨緩而降低由該第二電容323輸出予該負載5之壓能，即實現降低該輸出電壓之功效。反之該輸出電壓下降時，該誤差放大器310輸出高壓值之該檢測訊號而使該頻率產生器311輸出較高頻率之該切換訊號。換言之，該無電感電源轉換電路3係如圖3所示，依該輸入電壓之變動而輸出不同頻率之該切換訊號，以分別觸發該第一開關320及該第二開關321，使該第一開關320關閉時該第二開關321開啟，而該第一開關320開啟時該第二開關321關閉，如此即可調節該第一電容322及該第二電容323充放該輸入電壓之時間而調整該輸出電壓之壓值。順帶說明，該輸出電壓波形圖之水平軸表 輸出壓值的大小，而垂直軸表該切換訊號之切換頻率，對應地，該等開關320、321波形圖之水平軸表其切換頻率，且越往右頻率越小，即切換速度越緩慢。
值得注意的是，該第二電容323之容值係恆大於該第一電容322之容值，使整體電路進入穩態且該第一開關320關閉而該第二開關321開啟時，該第一電容322直接釋放儲存之該輸入電壓予該負載5。
本實施例中，當該負載5為發光二極體並聯組串之複數使用型態時，該檢測單元30則可如圖5所示利用一多通道定電流電路301及一最低電壓偵測電路302取代該分壓電阻300，且該多通道定電流電路301為電流鏡電路，其串接該等負載5而取得複數個輸出電流。該最低電壓偵測電路302電訊連接該多通道定電流電路301，以檢測該等輸出電流後分析獲得具最低壓值之該檢測值而提供予該誤差放大器310。並且，該電源驅動裝置2更設有一能量轉換電路21，電訊連接於該整流電路20與該無電感電源轉換電路3間，且該能量轉換電路21為LLC串聯諧振式電源轉換器或諸如返馳式、順向式、全橋式、半橋式或推挽式等切換式電源轉換器，供接收該整流電路20輸出之整流壓能後轉換形成該輸出電壓。
以上所述僅為舉例性之較佳實施例，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
習知技藝
1‧‧‧電源轉換器
10‧‧‧橋式整流器
11‧‧‧耦合變壓器
12‧‧‧控制晶片
120‧‧‧電流開關
121‧‧‧電流電阻
122‧‧‧分壓電阻
本發明
2‧‧‧電源驅動裝置
20‧‧‧整流電路
21‧‧‧能量轉換電路
3‧‧‧無電感電源轉換電路
30‧‧‧檢測單元
300‧‧‧分壓電阻
301‧‧‧多通道定電流電路
302‧‧‧最低電壓偵測電路
31‧‧‧切換單元
310‧‧‧誤差放大器
311‧‧‧頻率產生器
312‧‧‧切換器
32‧‧‧轉換單元
320‧‧‧第一開關
321‧‧‧第二開關
322‧‧‧第一電容
323‧‧‧第二電容
4‧‧‧外部電源
5‧‧‧負載
第1圖 係為習知電源轉換電路之電路圖。
第2圖 係為本發明較佳實施例之方塊示意圖。
第3圖 係為本發明較佳實施例之波形示意圖。
第4圖 係為本發明較佳實施例之一實施態樣電路圖。
第5圖 係為本發明較佳實施例之二實施態樣之電路圖。
3‧‧‧無電感電源轉換電路
30‧‧‧檢測單元
31‧‧‧切換單元
32‧‧‧轉換單元
320‧‧‧第一開關
321‧‧‧第二開關
322‧‧‧第一電容
323‧‧‧第二電容
5‧‧‧負載

Claims (10)

  1. 一種無電感電源轉換電路，係供用於諸如液晶顯示器、電視或發光二極體燈具之電子設備之一電源驅動裝置中，供承接該電源驅動裝置之輸入電壓後，調節形成一輸出電壓而輸出予該電子設備之一負載，以維持該輸出電壓之輸出穩定性，其特徵在於：該無電感電源轉換電路係設有一檢測單元、一切換單元及一轉換單元，且該轉換單元具有一第一開關、一第二開關、一第一電容及一第二電容，該第一開關承接該輸入電壓並耦接該第一電容及該第二開關，該第二開關一端耦接該第二電容並電訊連接該負載及該檢測單元，而該切換單元電訊連接該檢測單元、該第一開關及該第二開關；該檢測單元檢測輸出之該輸出電壓而形成一檢測值，該切換單元分析該檢測值後輸出不同頻率之一切換訊號而分別觸發該第一開關及該第二開關，以調節該第一電容及該第二電容充放該輸入電壓之時間而調整該輸出電壓之壓值，其中該檢測單元係設有一分壓電阻，以分壓該輸出電壓而形成該檢測值，該切換單元係設有一誤差放大器、一頻率產生器及一切換器，該誤差放大器之負輸入端承接該檢測值，正輸入端承接一基準值而輸出端耦接該頻率產生器之輸入端，該頻率產生器之輸出端耦接該切換器之輸入端，且該切換器之輸出端耦接該第一開關及該第二開關，使接連形成穩定之負回授控制電路架構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無電感電源轉換電 路，其中該誤差放大器比較並放大該檢測值相較於該基準值之變動誤差，以於該輸出電壓上升時形成低壓值之一檢測訊號而使該頻率產生器輸出較低頻率之該切換訊號，反之，該輸出電壓下降而該誤差放大器形成高壓值之該檢測訊號時，該頻率產生器輸出較高頻率之該切換訊號。
  3. 如申請專利範圍1第2項所述之無電感電源轉換電路，其中該第一開關關閉時該第二開關開啟，而該第一開關開啟時該第二開關關閉。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之無電感電源轉換電路，其中該第二電容之容值係恆大於該第一電容之容值，使整體電路進入穩態，且該第一開關關閉而該第二開關開啟時，該第一電容直接釋放儲存之該輸入電壓予該負載。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之無電感電源轉換電路，其中該輸入電壓係由一橋式整流器或一切換式電源轉換器所輸出。
  6. 一種無電感電源轉換電路，係供用於諸如液晶顯示器、電視或發光二極體燈具之電子設備之一電源驅動裝置中，供承接該電源驅動裝置之輸入電壓後，調節形成一輸出電壓而輸出予該電子設備之一負載，以維持該輸出電壓之輸出穩定性，其特徵在於： 該無電感電源轉換電路係設有一檢測單元、一切換單元及一轉換單元，且該轉換單元具有一第一開關、一第二開關、一第一電容及一第二電容，該第一開關承接該輸入電壓並耦接該第一電容及該第二開關，該第二開關一端耦接該第二電容並電訊連接該負載及該檢測單元，而該切換單元電訊連接該檢測單元、該第一開關及該第二開關；該檢測單元檢測輸出之該輸出電壓而形成一檢測值，該切換單元分析該檢測值後輸出不同頻率之一切換訊號而分別觸發該第一開關及該第二開關，以調節該第一電容及該第二電容充放該輸入電壓之時間而調整該輸出電壓之壓值，其中該負載為並聯之複數使用型態時，該檢測單元係設有一多通道定電流電路及一最低電壓偵測電路，該多通道定電流電路串接該等負載而取得複數個輸出電流，該最低電壓偵測電路電訊連接該多通道定電流電路，以檢測該等輸出電流後分析獲得具最低壓值之該檢測值，其中該多通道定電流電路係為電流鏡電路，該切換單元係設有一誤差放大器、一頻率產生器及一切換器，該誤差放大器之負輸入端承接該檢測值，正輸入端承接一基準值而輸出端耦接該頻率產生器之輸入端，該頻率產生器之輸出端耦接該切換器之輸入端，且該切換器之輸出端耦接該第一開關及該第二開關，使接連形成穩定之負回授控制電路架構。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之無電感電源轉換電路，其中該誤差放大器比較並放大該檢測值相較於該基準值之變動誤差，以於該輸出電壓上升時形成低壓值之 一檢測訊號而使該頻率產生器輸出較低頻率之該切換訊號，反之，該輸出電壓下降而該誤差放大器形成高壓值之該檢測訊號時，該頻率產生器輸出較高頻率之該切換訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之無電感電源轉換電路，其中該第一開關關閉時該第二開關開啟，而該第一開關開啟時該第二開關關閉。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之無電感電源轉換電路，其中該第二電容之容值係恆大於該第一電容之容值，使整體電路進入穩態，且該第一開關關閉而該第二開關開啟時，該第一電容直接釋放儲存之該輸入電壓予該負載。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之無電感電源轉換電路，其中該輸入電壓係由一橋式整流器或一切換式電源轉換器所輸出。
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