TWI641209B - 隔離式浮動電源轉換系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種利用電晶體實現的開關控制積體電路及其方法，其應用於隔離式浮動電源轉換系統。此系統包含二次側控制匯流排(381)，其由隔離式電源控制器驅動，其包含震盪器及邏輯電路、隔離式電源控制器(311,312)及複數個開關(322,323,324,321,326,327,328,329)。至少一個開關電路連結至隔離式電源匯流排(301,302)。隔離式電源控制器可提供控制切換訊號至少 一個開關電路以驅動隔離式電源匯流排。

Description

隔離式浮動電源轉換系統及其方法

本發明係有關於一種電源轉換系統，特別是一種同步驅動器及一種具有二次側中央抽頭線圈的等效隔離式無電感高頻寬變壓器。本發明還涉及此系統的電源轉換方法。

很多電源轉換系統包含直流/交流及直流/直流隔離式電荷轉換。在直流燈絲驅動應用上，如此的電源轉換電路被稱為轉換器，而在交流燈絲驅動應用上，則被稱為逆變器，其具有連結至二次側中央抽頭線圈的截止偏壓。在此應用中，此截止偏壓可以減少真空顯示裝置的雜訊。

第1圖為傳統的電源轉換類比系統的一個例子，在此例子中，有一個變壓器位於一次側供應區及二次側供應區之間，以達到電壓轉換及隔離。在一用於燈絲驅動的簡單轉換電路中，截止偏壓電壓104透過二次側線圈的中央抽頭連結至變壓器。至少一開關102在振盪器101的控制下快速的切換使電流透過二個交替的路徑由變壓器103的一端流回直流源，一次側線圈電流交替方向的切換在二次側電路產生交流電(AC)；在某些真空顯示器應用中，齊納(Zenor)二極體被連結至中央抽頭線圈以形成直流偏壓。

第2圖為第1圖的直流輸出簡化版本，在此版本中，一個額外的二極體橋201及一大電容202連結至變壓器之二次側線圈以對交流電進行整流及過 濾。

本發明可以克服習知技藝之缺點並且能提供額外的附加價值，本發明可以避免使用體積大、昂貴且高耗損、低頻寬的訂製變壓器、低壓降的蕭特基(Shottky)二極體及不環保的電解電容加上class A放大器的低效率耗電，本發明數位信號處理電路(DSP)，模擬變壓器，並達到變壓器無法做到之增強功能，可調整輸出功率至不同的VFD，更薄也更節能環保，達到創新性、唯一性及差異性之優勢。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種創新的電路，其使用多個電晶體，且可避免使用蕭特基二極體及大型的變壓器，可以隔離一次側及二次側電路，並由一次側電路傳輸電力至二次側電路以降低功率損耗以及元件尺寸。

根據本發明之其中一目的，提出一種電源轉換系統，可用於浮動電源之交流/直流電源轉換，此系統可包含隔離式電源匯流排、電荷傳輸系統及包含複數個金氧半場效電晶體之積體電路，其中電荷傳輸系統係包含隔離式電源匯流排控制器；振盪器，其可提供時序訊號至隔離式電源匯流排控制器；交越截止區匯流排，其可提供延遲時間訊號至隔離式電源匯流排控制器以延遲複數個二次側開關由隔離式電源匯流排控制器控制的開啟時間，其中，在複數個一次側開關被關閉後，複數個二次側開關的開啟時間被延遲一預設時間區間；偏壓匯流排，其可提供直流偏壓至負載，其與施加於變壓器之中央抽頭線圈之直流偏壓相等；一次側控制匯流排，其可產生一次側控制訊號至複數個一次側開關；二次側控制匯流排其可產生二次側控制訊號至複數個二次側開關；至少一開關電路，其可與隔離式電源匯流排耦合；至少一開關控制匯流排，其可 控制至少一開關電路之切換及傳輸電荷至隔離式電源匯流排之電荷傳輸系統；以及至少一切換控制匯流排，其可包含至少一位準偏移器以調整控制二次側開關之訊號。

根據本發明之其中一目的，再提出一種電源轉換系統，其外迴圈之上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，外迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，外迴圈之上開關電路及外迴圈之下開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；電源逆變應用中內迴圈之上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，內迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，其中，內迴圈之上開關電路及內迴圈之下開關電路包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；內迴圈之上開關電路於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中可耦合至隔離式電源匯流排之上側，內迴圈之下開關電路於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中可耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，內迴圈之上開關電路及內迴圈之下開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排。

其中，施加於上開關電路的上電壓及施加於下開關電路的下電壓是同步的；此電路可包含至少一自舉位準變換器，其偏移邏輯位準至二次側控制匯流排位準以控制上開關電路及下開關電路的切換。

根據本發明之又一目的，再提出一種利用電晶體實現的切換控制積體電路之電源轉換方法，其可用於隔離式浮動電源轉換系統。此方法可包含下列步驟：透過雙迴圈實現高密度電荷傳輸系統，其中外迴圈之上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，外迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，外迴圈之上開關電路及外迴圈之下開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於電源逆變應用中，內迴圈之 上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，而內迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，其中，內迴圈之下開關電路及內迴圈之上開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；單一迴圈則可輸出脈動直流；於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中，內迴圈之上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，而內迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，內迴圈之下開關電路及內迴圈之上開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；提供至少一開關控制匯流排，其可包含位準偏移電路以根據偏移電壓匯流排電位來偏移一次側地參考開關控制匯流排至二次側開關控制匯流排之位準。

額外的特徵及優點可透過本發明之技術來實現，而本發明這裡描述的其它實施例及觀點均應涵蓋在主張的發明中。

透過本發明後續的敘述及相關的圖式，本發明其它的特徵及優點將變的更為清楚明瞭。

本發明之細部構造、操作原理及功效現在將參照圖式詳細地的描述，這些圖式舉例說明了本發明各種實施例：

第1圖 係為傳統之電源轉換裝置之一實施例之示意圖。

第2圖 係為傳統之電源轉換裝置之另一實施例之示意圖。

第3圖 係為本發明之具有利用電晶體實現的切換控制積體電路之隔離式浮動電源轉換系統之一實施例之示意圖，其可提供交流輸出及脈動直流輸出。

第4圖 係為第6圖之電路之波型圖。

第5圖 係為本發明之隔離式浮動電源轉換系統之另一實施例之示意圖，其可提供 同步直流輸出。

第6圖 係為本發明之隔離式浮動電源轉換系統之另一實施例之數位隔離器示意圖，其可提供同步直流輸出及資料傳輸。

第7圖 係為本發明之於高精度電源應用中VFD應用中，係用於接收如I2C/SPI串列解碼器的指令來改變整體分壓阻值，進而改變一次側及二次側輸出電壓值。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之隔離式浮動電源轉換系統及其方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

第3圖舉例說明了本發明之具有利用電晶體實現的切換控制積體電路之隔離式浮動電源轉換系統之一實施例之示意圖，其可提供交流輸出。此系統30可包含隔離式電源匯流排301及302、電荷傳輸系統及包含複數個金氧半場效電晶體之積體電路，其中電荷傳輸系統可包含隔離式電源匯流排控制器312、振盪器311、交越截止區匯流排382、偏壓匯流排383、一次側控制匯流排384、二次側控制匯流排381、至少一開關電路、至少一開關控制匯流排及至少一切換控制匯流排。振盪器311可提供時序訊號至隔離式電源匯流排控制器312。交越截止區匯流排382可提供延遲時間訊號至隔離式電源匯流排控制器312以延遲複數個二次側開關326、327、328、329由隔離式電源匯流排控制器312控制的開啟時間，其中，在複數個一次側開關321、322、323、324被關閉後，複數個二次側開關326、327、328、329的開啟時間可被延遲一預設時間區間。偏壓匯流排可提供直流偏壓至負載391。一次側控制匯流排384可產生一次側控制訊號至該些一次側開關321、322、323、324。二次側控制匯流排381可產生二次側控制訊號至該些二次側開關326、327、328、329。開關控制匯流排可控制至少一開關電路之切換及傳輸電荷至隔離式電源匯流排301、302之電荷傳輸 系統。至少一切換控制匯流排可包含至少一位準偏移器，其可調整訊號以利該些二次側開關326、327、328、329之操作。

如第3圖所示，振盪器311產生二個具交越截止區的相位時脈，其可減少貫穿失真，一次側切換控制及偏壓以等效中央抽頭線圈。在相位1中，電壓371經由開關321、322被導入波形因素控制電容351，而波形因素控制電容352則直接透過二次側控制匯流排381控制的開關329、328注入隔離電荷至輸出負載391。

如第3圖所示，在相位2中，直接於二次側控制匯流排381控制的交替路徑透過開關326、327，波形因素控制電容351注入隔離電荷耦合至輸出負載391，而電荷371經由開關323、324被導入波形因素控制電容352。經由內迴圈及外迴圈電流方向的交替產生交流電至負載391。輸出均方根電壓是切換工作週期、電容、輸入電壓、負載及電晶體之導通電阻值的函數。

隔離電荷傳輸是由隔離波形因素控制電容351、352交替的傳輸耦合至負載，在一些實施例中是繞經保持電容。

在一實施例中，若電荷輸出極小，電路30可以利用實現高壓金氧半導體2M積體電路製程(HV MOS 2M IC foundry process)，包含波形因素控制電容。最大隔離輸出是被此製程之最大接面崩潰電壓所限制。P型金氧半電晶體用於開關321、323、326、328，若是利用其它的自舉方法，則可以利用N型金氧半電晶體取代。N型金氧半電晶體用於開關322、324、327、329。N型埋層(NBL layer)用於保持隔離。

於隔離的二次側381的開關326、327、328、329需要由隔離式電源匯流排301、302之控制脈衝來驅動。一隔離式電源控制器312可執行接地脈衝之位準偏移以控制二次側控制匯流排之脈衝。沒有電流流經一次側不平衡電路及二次側平衡電路之間。

本實施例包含下列步驟：

利用雙迴圈實現交流及直流電荷傳輸系統，其中，外迴圈之上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，外迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，外迴圈之上開關電路及外迴圈之下開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於電源逆變應用中，內迴圈之上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，而內迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，其中，內迴圈之下開關電路及內迴圈之上開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中，內迴圈之上開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之上側，而內迴圈之下開關電路可耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，內迴圈之下開關電路及內迴圈之上開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排。

使施加於上開關電路之上電壓與施加於下開關電路之下電壓隔離。

提供至少一開關控制匯流排，其可包含位準偏移電路以根據偏移電壓匯流排電位來偏移第一地參考開關控制匯流排至第二開關控制匯流排之位準。

第4圖係為第3圖之電路之燈絲負載之位置電位之波形。負載中心點之電位相等於變壓器中央抽頭線圈的電位。為了舉例說明，電路30之電壓波形與具中央抽頭並與偏壓連結之變壓器等效。

第5圖係為本發明之隔離式浮動電源轉換系統之一實施例之示意圖，其由第3圖延伸而來。如第5圖所示，在相位1中，波形因素控制電容552經由開關528、529並經由二次側控制匯流排581控制的內迴圈耦合注入隔離電荷至輸出負載591，而電路經由開關521、522汲取一次側電荷571至波形因素控制電 容524。在相位2中，電路經由開關523、524汲取接地電荷571至波形因素控制電容552，而波形因素控制電容經由二次側控制匯流排581控制的開關526、527耦合注入隔離電荷至輸出負載591。電容592用於過濾切換雜訊。經過內迴圈及外迴圈的電流的相同方向產生直流電至負載591，其用於同步直流轉換器應用。

如第6圖所示，其在電路50的實施例中加入了額外的變化，其包含中斷電源電路所形成迴圈之隔離及相對於其它電路元件具有高阻抗的資料傳輸路徑。由於中斷了迴圈，雜訊電壓是橫跨隔離障壁，而非在接收端或更敏感的元件。

如第7圖所示，其在電路30的實施例中加入了額外的變化，於高精度電源應用中如AMVFD，由回授輸入電源704決定電荷傳輸有效值，並由內建I2C解碼器703，等通訊協定改變電源回授電阻702以變更迴圈電源值371，作為動態控制補償輸出391。在輸入電壓固定下，其包含至少一數位脈波寬度調變信號處理電路(DSP)711，作為調整輸出功率P,P=function of(Width of pulse)，至不同的規格VFD.

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它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，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

Claims (10)

1. 一種電源轉換系統，係用於浮動電源之電源轉換成交流/直流隔離式電源，係包含隔離式電源匯流排、電荷傳輸系統及包含複數個金氧半場效電晶體之積體電路，其中電荷傳輸系統係包含：隔離式電源匯流排控制器；振盪器，係提供時序訊號至隔離式電源匯流排控制器；交越截止區匯流排，係提供延遲時間訊號至隔離式電源匯流排控制器以延遲複數個二次側開關由隔離式電源匯流排控制器控制的開啟時間，其中，在複數個一次側開關被關閉後，複數個二次側開關的開啟時間被延遲一預設時間區間；偏壓匯流排，係提供直流偏壓至負載，其與施加於變壓器之中央抽頭線圈之直流偏壓相等效；一次側控制匯流排，係產生一次側控制訊號至複數個一次側開關；二次側控制匯流排，係產生二次側控制訊號至複數個二次側開關；至少一開關電路，係與隔離式電源匯流排耦合；至少一開關控制匯流排，係控制至少一開關電路之切換及傳輸電荷至隔離式電源匯流排之電荷傳輸系統；以及至少一切換控制匯流排，係包含至少一位準偏移器，其調整訊號以利二次側開關之操作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統，其中至少一開關電路係包含至少一電晶體式開關電路，且其中，電壓輸入係包含輸入到至少一電晶體式開關電路之源極輸入或汲極輸入，且一次側控制訊號及二次側控制訊號係包含輸入到至少一電晶體式開關電路之閘極輸入。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電源轉換系統，其中至少一開關電路係包含上開關電路及下開關電路；上開關電路係包含至少一P型電晶體電路或N型電晶體電路，下開關電路係包含至少一N型電晶體電路，且其中，上開關電路及下開關電路係構成電荷傳輸迴路電路；其中至少一開關電路係包含位準偏移器電路以根據偏移電壓匯流排電位來偏移一次側對地參考開關控制匯流排至二次側開關控制匯流排之位準。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統，其中電源轉換系統係包含電荷傳輸系統及隔離式資料傳輸系統，且其中裝置之電荷輸出係橫跨隔離式電源匯流排；其中電荷傳輸系統係包含至少一個波形因素控制電容，係交替地直接傳送電荷至輸出；其中偏壓匯流排係經由複數個開關橫越隔離式電源匯流排。
5. 一種電源轉換系統，係包含：外迴圈之上開關電路及外迴圈之下開關電路，外迴圈之上開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之上側，外迴圈之下開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，外迴圈之上開關電路及外迴圈之下開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；內迴圈之上開關電路及內迴圈之下開關電路，電源逆變應用中內迴圈之上開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之下側，內迴圈之下開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之上側，其中，內迴圈之上開關電路及內迴圈之下開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；以及內迴圈之上開關電路於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中係耦合至隔離式電源匯流排之上側，內迴圈之下開關電路於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中係耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，內迴圈之上開關電路及內迴圈之下開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；其中，當上開關電路與下開關電路關閉時，施加於上開關電路之上電壓及施加於下開關電路之下電壓是隔離的，二次側控制匯流排電路係用於控制上開關電路及下開關電路。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換系統，其中電源轉換系統包含電荷傳輸系統，其包含至少一位準偏移驅動器電路及至少一波形因素電容因素控制電容以在固定時間區間中吸取能量；其中此電路係包含至少一自舉位準變換器，其偏移邏輯位準至二次側控制匯流排位準以控制上開關電路與下開關電路的切換。
7. 一種電源轉換方法，係包含下列步驟：A.利用雙迴圈實現交流及直流電荷傳輸系統，其中，外迴圈之上開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之上側，外迴圈之下開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，外迴圈之上開關電路及外迴圈之下開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於電源逆變應用中，內迴圈之上開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之下側，而內迴圈之下開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之上側，其中，內迴圈之下開關電路及內迴圈之上開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中，內迴圈之上開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之上側，而內迴圈之下開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，內迴圈之下開關電路及內迴圈之上開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；B.揭露施加於上開關電路之上電壓與施加於下開關電路之下電壓是與一次側隔離；以及C.提供至少一開關控制匯流排，其包含位準偏移電路以根據偏移電壓匯流排電位來偏移一次側對地參考開關控制匯流排至二次側開關控制匯流排之位準；D.提供至少一電阻排連結至一次側迴圈電源，其包含至少一開關控制匯流排，係用於接收串列解碼器的指令來改變整體分壓阻值，進而改變一，二次側電壓值；在輸入電壓固定下，其包含至少一數位脈波寬度調變信號處理電路(DSP)，作為調整輸出功率。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換方法，其中電荷傳輸系統更包含至少一自舉位準偏移電路；其中電荷傳輸系統更包含至少一個波形因素控制電容以交替地直接傳輸耦合能量至輸出。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換方法，其中偏壓匯流排係經由複數個開關施加於隔離式電源匯流排；其中至少一個開關電路係包含上開關電路及下開關電路，上開關電路係包含至少一P型電晶體電路或N型電晶體電路，下開關電路係包含至少一N型電晶體電路，且其中，上開關電路及下開關電路係包含電荷傳輸迴路電路。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換方法，利用雙迴圈實現電荷傳輸系統，其中外迴圈之上開關電路耦合至隔離式電源匯流排之上側，而外迴圈之下開關電路耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中外迴圈之上開關電路及外迴圈之下開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於電源逆變應用中，內迴圈之上開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之下側，內迴圈之下開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之上側，其中，內迴圈之上開關電路及內迴圈之下開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於電源轉換及隔離式資料傳輸應用中，內迴圈之上開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之上側，而內迴圈之下開關電路係耦合至隔離式電源匯流排之下側，其中，內迴圈之下開關電路及內迴圈之上開關電路包含同步開關電路，係用於傳輸電荷至隔離式電源匯流排；於高精度電源應用中VFD應用中，提供至少一電阻排連結至一次側迴圈電源，其包含至少一開關控制匯流排，係用於接收如I2C/SPI串列解碼器的指令來改變整體分壓阻值，進而改變一次側及二次側輸出電壓值，在輸入電壓固定下，其包含至少一數位脈波寬度調變信號處理電路(DSP)，作為調整輸出功率至不同的VFD。