TWI556271B - 變壓器及其控制方法 - Google Patents

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闕錦盛
陳衍堅
蔡東憲
王博文
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佳世達科技股份有限公司
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
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    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
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Description

變壓器及其控制方法
本發明係關於一種變壓器，尤指一種於可根據輸出電壓而調整變壓器之匝數比的變壓器。
變壓器可將交流電源或直流電源，轉換為特定範圍之直流電源，故廣泛應用於電子設備之電源供應領域，常見之變壓器種類有返持式(flyback)，順向式(forward)與推挽式(push-pull)等。第1圖係先前技術之變壓器100的示意圖。耦接於輸入電源Vi的一次側之繞組Ta(具有匝數Na)，與耦接於輸出電壓端Vo之二次側的繞組Tb(具有匝數Nb)，兩繞組有匝數比Na/Nb。繞組Ta係透過開關S1由脈寬調變(pulse-width modulation，PWM)單元110輸出之脈寬調變訊號Vp控制，其中脈寬調變訊號Vp有工作週期(duty cycle)，此工作週期之理想值通常為50%，然其係相關於匝數比Na/Nb與輸出電壓端Vo之輸出電壓，若匝數比不變，則當輸出電壓提高會透過回授電路控制脈寬調變電路110使工作週期升高，當輸出電壓降低會使工作週期縮降。
先前技術中，當輸出電壓改變，工作週期難以維持穩定。舉例而言，當以輸入電源Vi接收90V交流電，且輸出電壓端Vo係輸出5V之直流電為條件，則可設計匝數比Na/Nb為例如48/3，以使工作週期為接近理想值之47.3%，然若採用此匝數比，則當輸出電壓端Vo調整為輸出20V之較高的輸出電壓時，工作週期會升高到76.7%而過高，易發生震盪、過熱、誤動作等問題而不利於電路保護。於另一例中，當以輸入電源Vi接收90V交流電， 且輸出電壓端Vo係輸出20V之直流電為條件，則可設計匝數比Na/Nb為例如48/10，以使工作週期為接近理想值之49.7%，然若採用此匝數比，當輸出電壓端Vo調整為輸出5V之較低的輸出電壓時，工作週期會縮降到21.2%而過低，導致變壓器之效率不佳。
因此，於先前技術之變壓器100，當輸出電壓需隨應用調整改變時，工作週期難以保持於理想值，常有升至過高或縮降至過低之缺失。
本發明實施例揭露一種變壓器，包含一第一繞組，一第二繞組，一第一電流方向控制單元，一第三繞組，一第二電流方向控制單元，一第一開關及一負載電容。該第一繞組，設置於一一次側，具有一第一匝數，該第一繞組包含一第一端，耦接於一輸入電壓端，及一第二端，耦接於一第一地端。該第二繞組，設置於一二次側，具有一第二匝數，該第二繞組包含一第一端，及一第二端，耦接於一第二地端。該第一電流方向控制單元，包含一第一端，耦接於該第二繞組之該第一端，及一第二端，耦接於一輸出電壓端。該第三繞組，設置於該二次側，具有一第三匝數，該第三繞組包含一第一端，及一第二端。該第二電流方向控制單元，包含一第一端，耦接於該第三繞組之該第一端，及一第二端，耦接於該輸出電壓端。該第一開關，包含一第一端，耦接於該第三繞組之該第二端，一第二端，耦接於該第二繞組之該第一端，及一控制端，用以接收一第一開關控制訊號。該負載電容，包含一第一端，耦接於該輸出電壓端，及一第二端，耦接於該第二地端。
本發明實施例揭露一種變壓器之控制方法，該變壓器包含設置於一一次側之一第一繞組，設置於一二次側之一第二繞組，設置於該二次側之一第三繞組，及一第一開關，耦接該第二繞組與該第三繞組之間，該方法包含：當該變壓器欲輸出一低電壓時，截止該第一開關，以使該第一繞組儲存 之能量透過該第二繞組輸出而不透過該第三繞組輸出；及當該變壓器欲輸出一第一高電壓時，導通該第一開關，以使該第一繞組儲存之能量透過該第二繞組及該第三繞組輸出。
藉由使用本發明實施例揭露的變壓器與變壓器之控制方法，可在輸出不同範圍之輸出電壓時，保有穩定的工作週期。
100、200、300‧‧‧變壓器
500、700‧‧‧控制方法
510至550、710至780‧‧‧步驟
Vi‧‧‧輸入電源
Vp、VPWM‧‧‧脈寬調變訊號
Vo、VOUT‧‧‧輸出電壓端
S1‧‧‧開關
Ta、Tb‧‧‧繞組
Na、Nb‧‧‧匝數
110、PWM‧‧‧脈寬調變電路
Vin‧‧‧輸入電壓端
C1‧‧‧負載電容
T1‧‧‧第一繞組
T21‧‧‧第二繞組
T22‧‧‧第三繞組
T23‧‧‧第四繞組
n1‧‧‧第一匝數
n21‧‧‧第二匝數
n22‧‧‧第三匝數
n23‧‧‧第四匝數
SW1‧‧‧第一開關
SWp‧‧‧第二開關
SW2‧‧‧第三開關
V1‧‧‧第一開關控制訊號
V2‧‧‧第三開關控制訊號
D21‧‧‧第一電流方向控制單元
D22‧‧‧第二電流方向控制單元
D23‧‧‧第三電流方向控制單元
T1a、T21a、T22a、T23a、D21a、D22a、D23a、SW1a、SWpa、SW2a‧‧‧第一端
T1b、T21b、T22b、T23b、D21b、D22b、D23b、SW1b、SWpb、SW2b‧‧‧第二端
SW1c、SWpc、SW2c‧‧‧控制端
GND1‧‧‧第一地端
GND2‧‧‧第二地端
ROCP‧‧‧電阻
pin1‧‧‧第一腳位
pin2‧‧‧第二腳位
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
第1圖係先前技術之變壓器的示意圖。
第2圖係本發明實施例中變壓器的示意圖。
第3圖係本發明實施例中輸出電壓端輸出低電壓之控制示意圖。
第4圖係本發明實施例中輸出電壓端輸出高電壓之控制示意圖。
第5圖係第2圖之變壓器的控制方法流程圖。
第6圖係本發明另一實施例中變壓器之示意圖。
第7圖係第6圖之變壓器的控制方法流程圖。
第2圖係本發明實施例中變壓器200的示意圖。變壓器200包含第一繞組T1，第二繞組T21，第一電流方向控制單元D21，第三繞組T22，第二電流方向控制單元D22，第一開關SW1及負載電容C1。第一繞組T1，設置於變壓器200的一次側，具有第一匝數n1，第一繞組T1包含第一端T1a，耦接於輸入電壓端VIN，及第二端T1b，耦接於第一地端GND1。第二繞組T21，設置於變壓器200之二次側，具有第二匝數n21，第二繞組T21包含第一端T21a，及第二端T21b，耦接於第二地端GND2。第一電流方向控制單元D21，包含第一端D21a，耦接於第二繞組T21之第一端T21a，及第二端D21b， 耦接於輸出電壓端VOUT。第三繞組T22，亦設置於二次側，具有第三匝數n22，第三繞組T22包含第一端T22a，及第二端T22b。第二電流方向控制單元D22，包含第一端D22a，耦接於第三繞組T22之第一端T22a，及第二端D22b，耦接於輸出電壓端VOUT。第一開關SW1，包含第一端SW1a，耦接於第三繞組T22之第二端T22b，第二端SW1b，耦接於第二繞組T21之第一端T21a，及控制端SW1c，用以接收第一開關控制訊號V1。負載電容C1，耦接於輸出電壓端VOUT和第二地端GND2之間。
第2圖之變壓器200亦包含第二開關SWp與脈寬調變單元PWM，第二開關SWp具有第一端SWpa，耦接於第一繞組之第二端T1b，第二端SWpb，耦接於第一地端GND1，及控制端SWpc。脈寬調變單元PWM具有第一腳位pin1，耦接於控制端SWpc，用以輸出脈寬調變訊號VPWM以控制第二開關SWp，及第二腳位pin2，耦接於第二端SWpb，以使脈寬調變單元PWM監測第二端SWpb之電壓準位；及電阻ROCP，耦接於第二端SWpb及第一地端GND1之間。其中第一地端GND1與第二地端GND2不可為同一地端。
本發明一實施例中，上述之輸入電壓端VIN係用以接收90V交流電，第一繞組T1之第一匝數n1可例如為48，第二繞組T21之第二匝數n21可例如為3，第三繞組T22之第三匝數n22可例如為7。第3圖與第4圖係本發明實施例中輸出電壓端VOUT分別為輸出低電壓與高電壓之控制示意圖。
如第3圖所示，當使用者欲於輸出電壓端VOUT輸出低電壓(例如為5V)，則透過控制端SW1c以第一開關控制訊號V1將第一開關SW1截止，以使第一電流I1從第一電流方向控制單元D21之第一端D21a流到第二端D21b，以對負載電容C1充電，並於輸出電壓端VOUT產生一低電壓(例如為 5V)，由於第一開關SW1為截止，故第三繞組T22及第二電流方向控制單元D22均無作用，此時變壓器200之一次側與二次側的匝數比，係為第一匝數n1(於此例中係48)與第二匝數n21(於此例中係3)的比值，即48/3，故脈寬調變單元PWM輸出的脈寬調變訊號VPWM具有對應於匝數比(48/3)和輸出電壓(5V)之工作週期，其為47.3%，接近理想值(50%)。
如第4圖所示，當使用者欲於輸出電壓端VOUT輸出高電壓(例如為20V)，則透過控制端SW1c以第一開關控制訊號V1將第一開關SW1導通，以使第二電流I2從第二電流方向控制單元D22之第一端D22a流到第二端D22b，以對負載電容C1充電，並於輸出電壓端VOUT產生高電壓(例如為20V)。由於第一開關SW1此時係導通，故第一電流方向控制單元D21的第一端D21a係對應於第二繞組T21之第二匝數n21(於本例中為3)，且第二端D21b係對應於第二繞組T21之第二匝數n21與第三繞組T22之第三匝數n22(於本例中為7)之和(亦即3+7=10)，故第二端D21b的電位高於第一端D21a的電位，形成逆偏，使第一電流方向控制單元D21無電流流過而無作用。此時變壓器200之一次側與二次側的匝數比，係第一匝數n1(於此例中係48)與第二匝數n21及第三匝數n22之和(於此例中係10)的比值，即48/10，故脈寬調變單元PWM輸出的脈寬調變訊號VPWM具有對應於匝數比(48/10)和輸出電壓(20V)之工作週期，其為49.7%，亦接近理想值(50%)。
表格α係說明當使用者欲輸出高電壓與低電壓時，變壓器200之設定：
第5圖係第2圖之變壓器200的控制方法500流程圖，包含下列步驟：步驟510：開始；步驟520：變壓器200之輸出電壓端VOUT欲輸出高電壓或低電壓？若為低電壓，進入步驟530；若為高電壓，進入步驟540；步驟530：截止第一開關SW1，以使第一繞組T1儲存之能量透過第二繞組T21輸出而不透過該第三繞組T22輸出，於輸出電壓端VOUT輸出低電壓；進入步驟550；步驟540：導通第一開關SW1，以使第一繞組T1儲存之能量透過第二繞組T21及第三繞組T22輸出，於輸出電壓端VOUT輸出高電壓；進入步驟550；步驟550：結束。
上述之第一電流方向控制單元D21可為(但不限於)二極體，其第一端D21a係二極體之陽極，且第二端D21b係二極體之陰極。第二電流方向控制單元D22亦可為(但不限於)二極體，其第一端D22a係二極體之陽 極，且第二端D22b係二極體之陰極。第一電流方向控制單元D21與第二電流方向控制單元D22亦可為二極體串，或其他可控制電流方向之控制單元。
第6圖係本發明另一實施例中變壓器300之示意圖。變壓器300同於第2圖之變壓器200，亦包含第一繞組T1(具第一匝數n1)，第二繞組T21(具第二匝數n21)，第三繞組T22(具第三匝數n22)，第一開關SW1，第一電流方向控制單元D21，第二電流方向控制單元D22，負載電容C1，第二開關SWp，脈寬調變單元PWM及電阻ROCP，其耦接關係與運作原理不再贅述。變壓器300另包含設置於二次側之第四繞組T23(具有第四匝數n23，第一端T23a，第二端T23b)，第三電流方向控制單元D23(具有第一端D23a耦接第一端T23a，及第二端D23b耦接於輸出電壓端VOUT)，及第三開關SW2(具有第一端SW2a耦接於第二端T23b，第二端SW2b耦接於第一電流方向控制單元D21之第一端D21a，及控制端SW2c，用以接收第三開關控制訊號V2)。變壓器300相較於變壓器200，因更包含第四繞組T23、第三開關SW2與第三電流方向控制單元D23，故可輸出低電壓(例如5V)及第一高電壓(例如20V)與第二高電壓(例如12V)兩種高電壓。
第7圖係第6圖之變壓器300的控制方法700流程圖，包含下列步驟：710：開始；步驟720：變壓器300之輸出電壓端VOUT欲輸出低電壓、第一高電壓或第二高電壓？若為低電壓，進入步驟730；若為第一高電壓，進入步驟740；若為第二高電壓，進入步驟750；步驟730：截止第一開關SW1與第三開關SW2，以使第一繞組T1儲存之能量只透過第二繞組T21輸出而不透過第三繞組T22與第四繞組T23輸出，於輸出電壓端VOUT輸出低電壓；進入步驟780；步驟740：導通第一開關SW1，截止第三開關SW2，以使第一繞 組T1儲存之能量只透過第二繞組T21與第三繞組T22輸出而不透過第四繞組T23輸出，於輸出電壓端VOUT輸出第一高電壓；進入步驟780；步驟750：導通第三開關SW2，截止第一開關SW1，以使第一繞組T1儲存之能量只透過第二繞組T21與第四繞組T23輸出而不透過第三繞組T22輸出，於輸出電壓端VOUT輸出第二高電壓；進入步驟780；步驟780：結束。
上述實施例之第四匝數n23可例如為5，下列表格β係說明當使用者欲輸出低電壓、第一高電壓、第二高電壓時，變壓器300之設定：
步驟730與步驟740原理同於第5圖之步驟530與步驟540，不另贅述。步驟750中，因第一開關SW1截止，故第三繞組T22無作用，第一電流方向控制單元D21亦因逆偏而不導通，變壓器300二次側的匝數係第二匝數n21與第四匝數n23之和，於此例中為3+5=8，故變壓器300之匝數比係48/8，對應於匝數比48/8與輸出電壓為第二高電壓12V的脈寬調變訊號VPWM之工作週期係48.5%，可接近理想值。
第三電流方向控制單元D23可為(但不限於)二極體，其第一端D23a可為二極體之陽極，第二端D23b可為二極體之陰極，第三電流方向控制單元D23亦可為二極體串或其他可用以控制電流方向之控制單元。第2圖與第6圖中，位於一次側和二次側之繞組具有相異的極性方向，故第一繞組T1的極性與第二繞組T21、第三繞組T22及第四繞組T23的極性相反。
由於本發明之變壓器的一次側之繞組(如第2圖之第一繞組T1)與二次側之繞組(如第2圖之第三繞組T22)其上之波形有正半波形與負半波形，故上述之第一開關SW1、第二開關SWp及第三開關SW2等開關元件，應為可支援正負半波形均可通過之開關元件，根據本發明之實施例，其可為(但不限於)繼電器，研發者應選用適宜種類之開關元件，以使變壓器正常運作。
經採用本發明實施例揭露之變壓器200與變壓器300，及其控制方法500與控制方法700，變壓器不再因調整輸出電壓之位準而犧牲脈寬調 變訊號VPWM之工作週期的穩定度，而可藉由調整二次側之繞組的匝數以使工作週期保持近似於理想值，避免效率不佳或震盪、過熱、誤動作等問題。綜上所言，本發明揭露之變壓器及其控制方法，對於改善先前技術之缺失，實有顯著的助益。
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。
200‧‧‧變壓器
VPWM‧‧‧脈寬調變訊號
VOUT‧‧‧輸出電壓端
PWM‧‧‧脈寬調變電路
Vin‧‧‧輸入電壓端
C1‧‧‧負載電容
T1‧‧‧第一繞組
T21‧‧‧第二繞組
T22‧‧‧第三繞組
n1‧‧‧第一匝數
n21‧‧‧第二匝數
n22‧‧‧第三匝數
SW1‧‧‧第一開關
SWp‧‧‧第二開關
V1‧‧‧第一開關控制訊號
V2‧‧‧第三開關控制訊號
D21‧‧‧第一電流方向控制單元
D22‧‧‧第二電流方向控制單元
T1a、T21a、T22a、D21a、D22a、SW1a、SWpa‧‧‧第一端
T1b、T21b、T22b、D21b、D22b、SW1b、SWpb‧‧‧第二端
SW1c、SWpc‧‧‧控制端
GND1‧‧‧第一地端
GND2‧‧‧第二地端
ROCP‧‧‧電阻
pin1‧‧‧第一腳位
pin2‧‧‧第二腳位

Claims (9)

  1. 一種變壓器，包含：一第一繞組，設置於一一次側，具有一第一匝數，該第一繞組包含一第一端，耦接於一輸入電壓端，及一第二端，耦接於一第一地端；一第二繞組，設置於一二次側，具有一第二匝數，該第二繞組包含一第一端，及一第二端，耦接於一第二地端；一第一電流方向控制單元，包含一第一端，耦接於該第二繞組之該第一端，及一第二端，耦接於一輸出電壓端；一第三繞組，設置於該二次側，具有一第三匝數，該第三繞組包含一第一端，及一第二端；一第二電流方向控制單元，包含一第一端，耦接於該第三繞組之該第一端，及一第二端，耦接於該輸出電壓端；一第一開關，包含一第一端，耦接於該第三繞組之該第二端，一第二端，耦接於該第二繞組之該第一端，及一控制端，用以接收一第一開關控制訊號；及一負載電容，包含一第一端，耦接於該輸出電壓端，及一第二端，耦接於該第二地端。
  2. 如請求項1所述之變壓器，其中：該第一電流方向控制單元係一第一二極體，該第一電流方向控制單元之該第一端係該第一二極體之一陽極，該第一電流方向控制單元之該第二端係該第一二極體之一陰極；及該第二電流方向控制單元係一第二二極體，該第二電流方向控制單元之該第一端係該第二二極體之一陽極，該第一電流方向控制單元之該第二端係該第二二極體之一陰極。
  3. 如請求項1所述之變壓器，其中：當該第一開關截止時，一第一電流從該第一電流方向控制單元之該第一端流至該第一電流方向控制單元之該第二端，以對該負載電容充電，並於該輸出電壓端產生一低電壓；當該第一開關導通時，一第二電流自該第二電流方向控制單元之該第一端流至該第一電流方向控制單元之該第二端，以對該負載電容充電，並於該輸出電壓端產生一高電壓。
  4. 如請求項1所述之變壓器，另包含：一第二開關，包含一第一端，耦接於該第一繞組之該第二端，一第二端，耦接於該第一地端，及一控制端；一脈寬調變單元，具有：一第一腳位，耦接於該第二開關之該控制端，用以輸出一脈寬調變訊號至該第二開關之該控制端，及一第二腳位，耦接於該第二開關之該第二端，以使該脈寬調變單元監測該第二開關之該第二端之電壓準位；及一電阻，耦接於該第二開關之該第二端及該第一地端之間。
  5. 如請求項1所述的變壓器，另包含：一第四繞組，設置於該二次側，具有一第四匝數，該第四繞組包含一第一端，及一第二端；一第三電流方向控制單元，包含一第一端，耦接於該第四繞組之該第一端，及一第二端，耦接於該輸出電壓端；及一第三開關，包含一第一端，耦接於該第四繞組之該第二端，一第二端，耦接於該第一電流方向控制單元之該第一端，及一控制端，用以接收 一第三開關控制訊號。
  6. 如請求項5所述之變壓器，其中該第三電流方向控制單元係一二極體，該第三電流方向控制單元之該第一端係該二極體之一陽極，該第三電流方向控制單元之該第二端係該二極體之一陰極。
  7. 如請求項5所述之變壓器，其中該第一繞組的極性與該第二繞組、該第三繞組及該第四繞組的極性相反。
  8. 一種變壓器之控制方法，該變壓器包含設置於一一次側之一第一繞組，設置於一二次側之一第二繞組，設置於該二次側之一第三繞組，及一第一開關，耦接該第二繞組與該第三繞組之間，該方法包含：當該變壓器欲輸出一低電壓時，截止該第一開關，以使該第一繞組儲存之能量透過該第二繞組輸出而不透過該第三繞組輸出；及當該變壓器欲輸出一第一高電壓時，導通該第一開關，以使該第一繞組儲存之能量透過該第二繞組及該第三繞組輸出。
  9. 如請求項8所述之控制方法，該變壓器另包含設置於該二次側之一第四繞組，及一第三開關，耦接該第二繞組與該第四繞組之間，該方法另包含：當該變壓器欲輸出一第二高電壓時，導通該第三開關及截止該第一開關，以使該第一繞組儲存之能量透過該第二繞組及該第四繞組輸出，而不透過該第三繞組輸出；其中當該變壓器欲輸出該低電壓時，該第三開關亦會被截止，以使該第一繞組儲存之能量亦不透過該第四繞組輸出；且當該變壓器欲輸出該第一高電壓時，該第三開關亦會被截止，以使該第一繞組儲存之能量不透過該第四繞組輸出。
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