TWI658694B - 一種改良型非接觸式返馳式轉換器 - Google Patents
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Abstract
一種改良型非接觸式返馳式轉換器，包括：一緩振電路、一主動開關元件、一變壓器、一第一二極體、一第二二極體、一順向導通電壓抵補電路、一負載電阻、一觸控顯示裝置以及一數位調光控制器；其中該數位調光控制器係用以執行一韌體程式，其包括：將一調光命令之一命令值與一計數值進行比較；當該命令值大於該計數值時輸出一高邏輯電位，或當該命令值小於該計數值時將一低頻調光閘極信號與一高頻閘極信號經由一及運算產生一包含高頻之低頻調光信號，並將該包含高頻之低頻調光信號傳送至該主動開關元件以調整流過該負載電阻之一輸出電流。
Description
本發明係關於返馳式轉換器，特別是一種非接觸式之返馳式轉換器。
隨著科技進步與經濟發展，人們對光源之需求不僅僅是提供光亮，更是希望擁有品質優良之照明環境。在全球能源短缺及各國提倡節能減碳之背景下，選擇符合環保概念之照明光源顯得更加重要。目前常見之人工光源包括：白熾燈、日光燈、鹵素燈、複金屬燈及發光二極體(Light emitting diode,LED)等，這些光源各有不同之驅動方式，其中，技術發展已趨近成熟之發光二極體(Light emitting diode,LED)具有低功耗、亮滅反應快、體積小、壽命長及無水銀汙染等優點。
隨著材料與製程進步，其相關之應用場合也越來越多，生活中處處皆可看到發光二極體(Light emitting diode,LED)之身影。目前照明技術對照明設備提供之光源品質之要求已不僅止於能夠提供足夠亮度，而是可以更進一步的讓使用者可依照自己愛好或是透過智能控制進而依照不同環境、時間與目的來調整環境光源。
此外，為了達到節能減碳目的，許多場所開始要求照明設備需有調光功能，因此使用低功耗、亮滅反應快、壽命長之發光二極體(Light emitting diode,LED)光源逐漸成為社會主流。隨著發光二極體(Light emitting diode,LED)之照明燈具之使用率逐漸提升，不同發光二極體(Light emitting diode,LED)燈源需搭配相對應之發光二極體(Light emitting diode,LED)驅動電路，這將會提高製造成本，因此在驅動電路尚有改善空間。
另一方面，隨著智慧型手機與平板電腦問世，人類生活方式逐漸被改變，許多藉由智慧型手機與平板電腦之操控系統也陸續推出。目前有
許多家電可經由下載客製化App之方式，利用智慧型裝置之無線通訊功能來達到遙控目的，所以在此方面未來還有許多商機。
而無線通訊之種類有許多種，其中ZigBee是以IEEE 802.15.4為標準所發展之低速無線個人區域網路，並由廠商共同組成ZigBee聯盟，發展出具共通性的協定，主要特性為低成本、低功率與低耗電量，因此受到許多用戶青睞，紛紛投入相關應用產品研發。
而現今市場上，電子產品普遍都還是以導線連接方式，透過傳導方式進行電能傳遞，相對而言，非接觸式之傳遞方式仍然較少應用。然而在戶外與工作環境嚴峻之場合，接觸式供電會產生如短路、接頭氧化、線路損壞、受潮以及接點接觸不良而引起火花等問題。
針對非接觸式電源系統，文獻中已有許多相關研究，有文獻提出以返馳式轉換器(Flyback Converter)為基礎之非接觸式電源系統，然而因其變壓器漏感較大，使得轉換效率較為低落；亦有文獻提出在一側次繞製兩個螺旋環形線圈，可提升一次側與二次側線圈間的耦合效率；尚有文獻提出在螺旋環形感應線圈上排列條狀鐵芯，達到磁通聚集的功用，提高感應線圈的耦合效率；或有文獻提出可將多個感應線圈以交疊方式繞製成一次側供電平台，並加入檢測裝置以及多工器，檢測接收線圈之位置透過多工切換器來激磁相對應之感應線圈，可避免漏磁通的增加。
然而上述文獻在轉換效率及輸出漣波改善均有所不足，因此本領域亟需一新穎的非接觸式返馳式轉換器。
本發明之一目的在於揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，能藉由加入無損耗之緩振電路以減少漏感造成電路效率低落之問題。
本發明之另一目的在於揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其變壓器之主線圈及次級線圈係由無鐵芯型之印刷電路板繞製而成，因不具有實體之金屬接點以達到能量傳遞及電氣隔離，不會有摩擦產生火花或接
點接觸不良以及機械磨損等問題，而能適用於潮濕、多灰塵或充滿易燃性氣體等惡劣工作環境，以達到提升系統壽命與降低維修成本。
本發明之又一目的在於揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其藉由在輸出端整合順向導通電壓抵補電路，具有自動改變電路架構及輸出電壓漣波低以延長電路壽命、減少變壓器二次側電流，進而減少導通損失、改善電路效率及克服發光二極體(Light emitting diode,LED)導通電壓之電壓障蔽。
本發明之又一目的在於揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，僅需使用一個主動開關元件且具有自動改變電路結構，能實現輸出電壓漣波低及使用較小之濾波元件以縮小電路體積和成本。
本發明之又一目的在於揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其藉由在變壓器一次側採用低切換頻率之責任週期控制，而能採用低成本之微控制器以實現調光控制。
本發明之又一目的在於揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其藉由雙脈波寬度之調光控制，不須額外增加調光開關及電流檢測器，而能消除調光時所造成之導通損失進而改善效率。
本發明之再一目的在於揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，與傳統返馳式轉換器相較，平均效率改善了10.84%，而輸出漣波改善了70.96%。
為達前述目的，一種改良型非接觸式返馳式轉換器乃被提出，其包括：一緩振電路、一主動開關元件、一變壓器、一第一二極體、一第二二極體、一順向導通電壓抵補電路、一負載電阻、一觸控顯示裝置以及一數位調光控制器；其中一輸入電壓之正端係與該變壓器之一主線圈之一第一端耦接；該緩振電路係與該主線圈之所述第一端及一第二端耦接；該主動開關元件之一通道係耦接於該輸入電壓之負端與該主線圈之所述第二端之間；該變壓器之一次級線圈之一第三端係與該第一二極體之一第一陽極耦接，該第一二極體之一第一陰極係與該第二二極體之一第二陰極耦接，且該第二二極體之一第二
陽極係與該次級線圈之一第四端耦接；該順向導通電壓抵補電路具有一諧振電路及一輸出電容，該諧振電路具有一輸入端以與該第一陰極及該第二陰極耦接、以及一輸出端以與該輸出電容及該負載電阻耦接；該輸出電容和該負載電阻均係耦接於該輸出端與該第四端之間；該觸控顯示裝置具有一觸控顯示模組、一第一無線模組及一應用程式，該應用程式具有一調光功能區以供一使用者輸入一調光命令並透過該第一無線模組進行該調光命令之信號傳輸；以及該數位調光控制器包括一震盪器、一計時器、一緩衝器、一數位比較器、一第二無線模組、一雙脈波寬度調光模組及一控制電路，其中該第二無線模組係用以接收該調光命令並將其儲存於該緩衝器中；該控制電路用以執行一韌體程式，該韌體程式包括：初始化該震盪器、該計時器、該第二無線模組及該雙脈波寬度調光模組；依該調光命令致能該計時器及該數位比較器；驅動該數位比較器將該緩衝器儲存之所述調光命令之一命令值與該計時器之一計數值進行比較；以及當該命令值大於該計數值時輸出一高邏輯電位，或當該命令值小於該計數值時將一低頻調光閘極信號與一高頻閘極信號經由一及運算產生一包含高頻之低頻調光信號，並將該包含高頻之低頻調光信號傳送至該主動開關元件以調整流過該負載電阻之一輸出電流。
在一實施例中，該主線圈及該次級線圈係由無鐵芯型之印刷電路板繞製而成。
在一實施例中，該第一無線模組包括一ZigBee無線模組。
在一實施例中，該第二無線模組包括一通用非同步串列傳輸模組。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
100‧‧‧緩振電路
200‧‧‧主動開關元件
300‧‧‧變壓器
310‧‧‧主線圈
320‧‧‧次級線圈
400‧‧‧第一二極體
500‧‧‧第二二極體
600‧‧‧順向導通電壓抵補電路
700‧‧‧負載電阻
800‧‧‧觸控顯示裝置
810‧‧‧觸控顯示模組
820‧‧‧第一無線模組
830‧‧‧應用程式
900‧‧‧數位調光控制器
910‧‧‧震盪器
920‧‧‧計時器
930‧‧‧緩衝器
940‧‧‧數位比較器
950‧‧‧第二無線模組
960‧‧‧雙脈波寬度調光模組
970‧‧‧控制電路
步驟a‧‧‧初始化該震盪器、該計時器、該第二無線模組及該雙脈波寬度調光模組
步驟b‧‧‧依該調光命令致能該計時器及該數位比較器
步驟c‧‧‧驅動該數位比較器將該緩衝器儲存之所述調光命令之一命令值與該計時器之一計數值進行比較
步驟d‧‧‧以及當該命令值大於該計數值時輸出一高邏輯電位，或當該命令值小於該計數值時將一低頻調光閘極信號與一高頻閘極信號經由一及運算產生一包含高頻之低頻調光信號，並將該包含高頻之低頻調光信號傳送至該主動開關元件以調整流過該負載電阻之一輸出電流
圖1a繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之一實施例方塊圖。
圖1b繪示本發明之控制電路用以執行之韌體程式之一步驟實施例方塊圖。
圖2繪示金屬物體於不同頻率之熱效應圖。
圖3繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路之工作模式時序圖。
圖4a繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(一)之等效電路圖。
圖4b繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(二)之等效電路圖。
圖4c繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(三)之等效電路圖。
圖4d繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(四)之等效電路圖。
圖4e繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(五)之等效電路圖。
圖5a繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之雙脈波寬度調光控制信號之示意圖。
圖5b繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之雙脈波寬度調光時序圖。
圖5c繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之應用程式之調光功能區之示意圖。
圖6繪示本發明之驅動電路模擬電路示意圖。
圖7繪示本發明與習知技術之返馳式轉換器電路模擬波形比較示意圖。
圖8a繪示本發明用於發光二極體負載時實驗結果之io、iP、iS波形圖。
圖8b繪示習知技術之返馳式轉換器用於發光二極體負載時實驗結果之io、iP、iS波形圖。
圖9a繪示本發明將調光命令設為75%亮度時之發光二極體燈板輸出電流之實測波形圖。
圖9b繪示本發明之雙脈波寬度調光信號截止之實驗波形圖。
圖10a繪示本發明與習知技術之返馳式轉換器操作於變壓器氣隙為1mm之效率曲線比較圖。
圖10b繪示本發明與習知技術之返馳式轉換器操作於變壓器氣隙為5mm之效率曲線比較圖。
圖11繪示線性、脈波寬度及本發明三種不同調光控制方式於變壓器氣隙為1mm進行效率比較圖。
圖12a繪示本發明將責任週期固定於45%以驅動不同串聯數量發光二極體之順向導通電壓測試。
圖12b繪示本發明將責任週期固定於25%以驅動不同串聯數量發光二極體之順向導通電壓測試。
請一併參照圖1a至圖1b，其中圖1a其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之一實施例方塊圖，圖1b其繪示本發明之控制電路用以執行之韌體程式之一步驟實施例方塊圖。
如圖所示，改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)包括一緩振電路100、一主動開關元件200、一變壓器300、一第一二極體400、一第二二極體500、一順向導通電壓抵補電路600、一負載電阻700、一觸控顯示裝置800以及一數位調光控制器900。
該緩振電路100包括一緩振電容Cn、一緩振電阻Rn及一緩振二極體Dn；一輸入電壓Vin之正端係與該變壓器300之一主線圈310之一第一端耦接；該緩振電路100係與該主線圈310之所述第一端A及一第二端B耦接；該主動開關元件200之一通道係耦接於該輸入電壓Vin之負端與該主線圈310之所述第二端之間；該變壓器300之一次級線圈320之一第三端C係與該第一二極體400之一第一陽極耦接，該第一二極體400之一第一陰極係與該第二二極體500之一第二陰極耦接，且該第二二極體500之一第二陽極係與該次級線圈320之一第四端D耦接；該順向導通電壓抵補電路600具有一諧振電路L1C1及一輸出電容CO，該諧振電路L1C1具有一輸入端以與該第一陰極及該第二陰極耦接、以及一輸出端以與該輸出電容CO及該負載電阻700耦接；該輸出電容CO和該負載電阻700均係耦接於該輸出端與該第四端之間。
該觸控顯示裝置800具有一觸控顯示模組810、一第一無線模組820及一應用程式830，該應用程式830具有一調光功能區以供一使用者(未示於圖中)輸入一調光命令並透過該第一無線模組820進行該調光命令之信號傳輸。
該數位調光控制器900包括一震盪器910、一計時器920、一緩衝器930、一數位比較器940、一第二無線模組950、一雙脈波寬度調光模組960及一控制電路970。
該第二無線模組950係用以接收該調光命令並將其儲存於該緩衝器930中；該控制電路970用以執行一韌體程式，該韌體程式包括下列步驟：初始化該震盪器910、該計時器920、該第二無線模組950及該雙脈波寬度調光模組；(步驟a)；依該調光命令致能該計時器及該數位比較器；(步驟b)；驅動該數位比較器將該緩衝器儲存之所述調光命令之一命令值與該計時器之一計數值進行比較；(步驟c)；以及當該命令值大於該計數值時輸出一高邏輯電位，或當該命令值小於該計數值時將一低頻調光閘極信號與一高頻閘極信號經由一及運算產生一包含高頻之低頻調光信號VGS，並將該包含高頻之低頻調光信號VGS傳送至該主動開關元件200以調整流過該負載電阻700之一輸出電流IO；(步驟d)。
其中，該主線圈310及該次級線圈320係例如但不限於由無鐵芯型之印刷電路板繞製而成；該第一無線模組820例如但不限於包括一ZigBee無線模組；該第二無線模組950例如但不限於包括一通用非同步串列傳輸模組。
以下將針對本發明的原理進行說明：
非接觸式電能傳遞原理：
Qi為無線充電聯盟(Wireless Power Consortium，WPC)所制定之短距離(40mm)、低功率無線感應式電力傳輸之一種互連標準，主要係用以提供行動電話手機與其他攜帶型電子設備便利與通用之無線充電。
在Qi標準下，低功率標準係使用電感傳輸5W或以下之功率，發射及接收均使用扁平電感，以電感耦合方式傳輸能量，兩電感(線圈)間之距離可達5mm，視需要可增至40mm。輸出電壓能穩定在特定數值，方法係在輸出端以數碼通訊方式通知輸入端增加或減小電量以達至穩定電壓之效果。其數碼通訊係單向，僅由電力輸出端發送訊號傳至電力輸入端，以反向散射調制將資訊傳送，亦即在輸出端改變負載，使輸出電感之電流改變，從而改變輸入線圈之電流，根據輸入端電感之電流改變加以解調就能得出所需之控制訊號。如此，輸入端根據控制訊號調控輸入電量就能使輸出端的電壓穩定。
Qi標準係屬於緊耦合技術，採用100~200kHz之操作頻率範圍。
請參照圖2，其繪示金屬物體於不同頻率之熱效應圖。
如圖所示，金屬物體對此範圍具有最高之熱感應，因此在有硬幣或鑰匙等其他金屬物體附近無法使用緊耦合技術進行電能傳遞，否則會有使用上之安全問題。而Alliance for Wireless Power(A4WP)聯盟之Rezence無線充電標準則屬於鬆耦合技術，採用6.78MHz之操作頻率，從圖中亦能看到在該頻率下金屬物體熱感應較低，使得透過手機背蓋之金屬材質進行無線充電成為可能。
本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)操作於100kHz切換頻率並採定頻控制，相較於WPC及Alliance for Wireless Power(A4WP)聯盟所其採用方法包括操作於MHz切換頻率、諧振電路之匹配以及變頻控制等方式，由於操作於MHz切換頻率會提高電路設計難度，操作於低頻段之頻率且採用諧振槽傳遞能量其金屬功率感應損失最為顯著，因此當金屬異物入侵可能導致電磁爐效應而發生危險。
本發明採用返馳式轉換器之電路架構：
返馳式轉換器(Flyback Converter)具有電路架構簡單、成本低、元件參數設計容易及技術發展成熟等特性，且其功率控制為調整責任週期
(Duty Cycle)，不同於像諧振式轉換器採變頻控制而會因為金屬物體入侵使得電路阻抗改變，而在低頻率下有明顯之加熱感應問題。
然而習知技術之非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)之電路架構，因為變壓器漏感較大而使得系統轉換效率較為低落，不利使用於非接觸式電源系統。本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)係採用無鐵芯型印刷電路板(Coreless Printed Circuit Board)製作之感應線圈，而具有輕薄、成本低及容易生產等特性，然而因為缺乏磁性元件作為磁場傳導，使得感應線圈之耦合係數較差、轉換效率低落。因此本發明針對無鐵芯型非接觸返馳式轉換器，加入順向導通電壓抵補電路來減少變壓器二次側電流，進而減少導通損失改善電路效率。
請參照圖3，其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之操作模式時序圖。
如圖所示，本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)係整合順向導通電壓抵補電路所構成，且由於加入順向導通電壓抵補電路而具有自動改變電路架構及輸出電壓漣波低等特性，以延長電路壽命、減少變壓器二次側電流，進而減少導通損失、改善電路效率及克服負載之導通電壓。
本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在一個切換週期內分為五個工作模式。
請一併參照圖4a至4e，其中圖4a其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(一)之等效電路圖，圖4b其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(二)之等效電路圖，圖4c其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(三)之等效電路圖，圖4d其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(四)之等效電路圖，圖4e其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之驅動電路在工作模式(五)之等效電路圖。
為方便說明工作原理，並假設該驅動電路係操作於穩態且所有元件均為理想狀態。
一、工作模式(一)：t
0
≦t<t
1
如圖4a所示，當主動開關元件S導通時，在緩振電路中儲存於緩振電容Cn之漏感能量持續釋放於緩振電阻Rn，而變壓器之主線圈之漏感Lk及激磁電感Lm跨壓為輸入電壓Vin，且對主線圈進行儲能使其電流呈線性上升。
在次級線圈，第一二極體D1為逆向偏壓而截止，第二二極體D2沿續前一個狀態持續導通，此時順向導通電壓抵補電路之諧振電路L1C1與輸出電容Co為並聯連接，並同時提供能量給負載Load。
當主動開關元件S截止時，驅動電路即進入工作模式(二)。
二、工作模式(二)：t
1
≦t<t
2
如圖4b所示，當主動開關元件S截止，儲存於變壓器之主線圈之激磁電感Lm的能量傳送到次級線圈。
在次級線圈，激磁電感Lm之能量經過第一二極體D1及順向導通電壓抵補電路之諧振電路L1C1將能量傳送至輸出電容Co與負載Load，藉此抑制因輸入能量增加時造成的輸出電壓漣波。
同時，漏感Lk之部分能量儲存於緩振電容Cn以減少主動開關元件S截止時與開關寄生電容諧振所產生之尖波電壓。
當漏感Lk之能量釋放完時，驅動電路即進入工作模式(三)。
三、工作模式(三)：t
2
≦t<t
3
如圖4c所示，當漏感電流iLk=0時，在工作模式(二)儲存於緩振電容Cn之漏感Lk之能量釋放到緩振電阻Rn。同時，激磁電感Lm之能量持續透順向導通電壓抵補電路之諧振電路L1C1將能量傳送至輸出電容Co與負載Load。
當激磁電感Lm之能量釋放完時，驅動電路即進入工作模式(四)。
四、工作模式(四)：t
3
≦t<t
4
如圖4d所示，當激磁電流iLm=0時，在工作模式(三)儲存於緩振電容Cn之漏感Lk之能量能量持續釋放緩振電阻Rn。同時，順向導通電壓抵補電路之諧振電路L1C1開始進行諧振，負載能量由輸出電容Co提供。諧振電路L1C1之電感L1能量釋放到電容C1並將電容C1上跨壓極性反轉，直到V C1=-V o 使得第二二極體D2導通後改變電路結構。
當第二二極體D2導通時，驅動電路即進入工作模式(五)。
五、工作模式(五)：t
4
≦t<t
5
如圖4e所示，當第二二極體D2導通時，此時電路結構改變，順向導通電壓抵補電路之諧振電路L1C1之電容C1及電感L1經由第二二極體D2所構成的迴路與輸出電容Co，一起將儲存在元件自身能量提供給負載Load，抑制因輸入能量停止時所造成的輸出漣波。當主動開關元件S再度導通時，即完成一個完整的切換週期。
最後，假設所有元件均為理想狀況下對系統進行穩態分析，可得到改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)之電壓增益如方程式(1)所示。
M v =V o /V in (1)
其中，M v 為電壓增益，V o 為輸出電壓，V in 為輸入電壓。
由改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)傳送至非線性負載之功率，如方程式(2)所示。
其中，P o 為負載之功率值，V F 為LED順向導通電壓值，R為負載電阻值。
由能量守恆定律可知，主線圈所儲存之能量等於次級線圈所釋放之能量，即P i =P o ，則能得到電壓增益M v ，如方程式(3)所示。
其中，d為責任週期，T s 為開關切換週期，L m 為激磁電感，L k 為漏感，k L 為耦合係數。
當改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)之輸出端為線性負載V F =0時，其電壓增益M R ，如方程式(4)所示
當改良型非接觸式返馳式轉換器應用於非線性負載時，其輸出電壓V o 和順向導通電壓V F 之關係如方程式(5)所示。(此時假設責任週期d趨近於零時，由方程式(3)改寫而成)
本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)之電氣規格如表1所示。
本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)之元件值如表2所示。
發光二極體(Light emitting diode,LED)有兩種調光方法：
第一種為線性調光，此法係以控制電流之方式來調變驅動電流大小以產生不同亮度。線性調光係最簡單且成本最低之方法，然而此法雖可控制發光二極體(Light emitting diode,LED)之電流，但由於發光二極體(Light emitting diode,LED)本身之特性，在不同電流狀態下本身之亮度表現也會有所差異。
第二種為脈波寬度調光(Pulse Width Modulation，PWM)，此法係利用控制端製造出不同之發光二極體(Light emitting diode,LED)電流導通時間使其導通或截止，並利用單位時間內開關時間比率達到整體平均電流之提升或下降。
此法係利用人眼視覺暫留現象使人眼感覺到亮度有調變之效果，然而此法須注意其操作頻率必須大於120Hz以上，因為在低頻時人眼會察覺到有閃爍現象。且習知技術之脈波寬度調光(Pulse Width Modulation，PWM)需增加調光開關以及電流檢測電阻導致成本增加以及降低轉換效率。
本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)具有低漣波特性，其輸出濾波電容小，所以在調光信號截止時，電容器上殘存電荷能有效地快速放完。
本發明採用雙脈波寬度調光之控制方法：
請一併參照圖5a~5c，其中圖5a其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器產生雙脈波寬度調光控制信號之示意圖，圖5b其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之雙脈波寬度調光時序圖，圖5c其繪示本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器之應用程式之調光功能區之示意圖。
如圖所示，雙脈波寬度調光(Dual PWM,DPWM)利用返馳式轉換器(Flyback Converter)所產生之高頻閘極信號VGSH與低頻調光閘極信號VGSL，經由一及運算以產生一包含高頻之低頻調光信號VGS，用來驅動返馳式轉換器(Flyback Converter)之主動開關元件。
該包含高頻之低頻調光信號VGS之中，高頻閘極信號VGSH可維持輸出電流額定值，並利用低頻調光閘極信號VGSL改變脈波寬度以調整輸出電流平均值，來達到調光之功能，亦能消除調光時所造成的導通損失進而改善效率。
如前所述，調光信號係由觸控顯示裝置透過第一無線模組傳送出1組8位元脈波寬度調光(Pulse Width Modulation，PWM)之調光命令(0~255)；並由第二無線模組接收該調光命令並將其儲存於該緩衝器中；依該調光命令致能該計時器及該數位比較器；驅動該數位比較器將該緩衝器儲存之所述調光命令之一命令值與該計時器之一計數值進行比較；以及當該命令值大於該計數值時輸出一高邏輯電位，或當該命令值小於該計數值時將一低頻調光閘極信號VGSL與一高頻閘極信號VGSH經由一及運算產生一包含高頻之低頻調光信號VGS，並將該包含高頻之低頻調光信號VGS傳送至該主動開關元件以調整流過該負載電阻之一輸出電流。
使用者能藉由觸控顯示裝置之應用程式具有之調光功能區以供輸入調光命令以達到調光功能。
本發明與習知技術之返馳式轉換器模擬比較：
以下將以電路模擬軟體PSIM來驗證本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器(Flyback Converter)之電路架構之可行性，及將表2之元件值代入電路模擬軟體PSIM以驗證所設計出來的元件值是否正確，再以相同規格與習知技術之返馳式轉換器(Flyback Converter)進行比較，以實際量測結果證明本發明之系統與調光控制方式之可行性及正確性。
請參照圖6，其繪示本發明之驅動電路模擬電路示意圖。
如圖所示，模擬電路所使用之部分元件為理想元件，不會造成電路之損耗，模擬電路與實際電路所設定之條件如表3所示。
將本發明與習知技術之返馳式轉換器進行模擬比較，以驗證本發明對於輸出漣波和效率之改善效果。
請參照圖7，其繪示本發明與習知技術之返馳式轉換器電路模擬波形比較示意圖。
如圖所示，當輸出平均電流均為800mA時，其中下標PR為本發明，而下標FB為習知技術之返馳式轉換器(Flyback Converter)電路。習知技術之返馳式轉換器(Flyback Converter)之輸出電流之峰對峰值漣波為84.3mA，而本發明之電路輸出電流之峰對峰值漣波為23.2mA，相較於習知技術之返馳式轉換器(Flyback Converter)之輸出電流之峰對峰值漣波有70%改善。
可得知習知技術之返馳式轉換器(Flyback Converter)之次級線圈電流平均值大於本發明之次級線圈電流平均值，由此可知本發明之電路可減少次級線圈之電流，進而有效降低導通損失以改善電路效率。
本發明與習知技術之實驗比較：
一、習知技術之輸出電流之峰對峰值漣波為本發明之3.44倍
請一併參照圖8a至8b，其中圖8a其繪示本發明用於發光二極體負載時實驗結果之io、iP、iS波形圖，圖8b其繪示習知技術之返馳式轉換器用於發光二極體負載時實驗結果之io、iP、iS波形圖。
如圖所示，習知技術之返馳式轉換器之輸出電流之峰對峰值漣波為248mA，而本發明之輸出電流之峰對峰值漣波為72mA，習知技術之返馳式轉換器為本發明之3.44倍，所得之實驗波形與模擬結果相似，且均符合預期結果。
二、本發明之輸出濾波電容極小，調光信號截止時殘存電荷能迅速放完
請一併參照圖9a至9b，其中圖9a其繪示本發明將調光命令設為75%亮度時之發光二極體燈板輸出電流之實測波形圖，圖9b其繪示本發明之雙脈波寬度調光信號截止之實驗波形圖。
如圖9a所示，本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器將調光命令設為75%亮度時，由於其電路輸出具有低漣波特性，輸出濾波電容極小。
如圖9b所示，在雙脈波寬度調光(Dual PWM,DPWM)之信號截止時，輸出電容器上殘存電荷可以在110μs時間內放完，驗證因其低漣波特性而可以使用較小之非電解電容值的可行性，且由輸出電容器上殘存之電荷放電結果可得知，雙脈波寬度調光(Dual PWM,DPWM)調光控制之最大線性調光範圍在400Hz調光頻率下可達95.6%。
三、本發明用於LED負載並操作於不同氣隙具有改善電路效率之效果：
請一併參照圖10a至10b，其中圖10a其繪示本發明與習知技術之返馳式轉換器操作於變壓器氣隙為1mm之效率曲線比較圖，圖10b其繪示本發明與習知技術之返馳式轉換器操作於變壓器氣隙為5mm之效率曲線比較圖。
將本發明與習知技術之返馳式轉換器用於LED負載，並分別操作於不同氣隙(1mm和5mm)進行效率與輸出電流關係之量測比較。
如圖所示，本發明操作於滿載時，並在不同氣隙(1mm和5mm)其轉換效率比習知技術之返馳式轉換器最多高出12.97%，平均亦比習知技術之返馳式轉換器高出10.84%，由此可證明本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器具有改善電路效率之效果。
四、本發明所採用雙脈波寬度調光控制方法確能有效改善電路效率
請參照圖11，其繪示線性、脈波寬度及本發明三種不同調光控制方式於變壓器氣隙為1mm進行效率比較圖。
如圖所示，在變壓器氣隙為1mm情況下，脈波寬度調光(Pulse Width Modulation，PWM)因額外增加調光開關與電流檢測電阻導致轉換效率較為低落，而本發明之調光控制在0.1A的調光電流下其轉換效率比線性調光多了7.96%，因為本發明在低調光電流時，功率級電路之主動開關切換次數較少進而減少切換損失改善效率。
請一併參照圖12a至12b，其中圖12a其繪示本發明將責任週期固定於45%以驅動不同串聯數量發光二極體之順向導通電壓測試，圖12b其繪示本發明將責任週期固定於25%以驅動不同串聯數量發光二極體之順向導通電壓測試。
由方程式(5)得知，在責任週期d趨近於零時，輸出電壓Vo將等於順向導通電壓V F 。如圖所示，本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器將責任週期固定於45%及25%來驅動不同串聯數量發光二極體(Light emitting diode,LED)以驗證克服導通電壓的可行性，亦驗證本發明之改良型非接觸式返馳式轉換器在應用上能更有彈性地驅動不同類型之發光二極體(Light emitting diode,LED)光源。
藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：
1.本發明揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，能藉由加入無損耗之緩振電路以減少漏感造成電路效率低落之問題。
2.本發明揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其變壓器之主線圈及次級線圈係由無鐵芯型之印刷電路板繞製而成，因不具有實體之金屬接點以達到能量傳遞及電氣隔離，不會有摩擦產生火花或接點接觸不良以及機械磨損等問題，而能適用於潮濕、多灰塵或充滿易燃性氣體等惡劣工作環境，以達到提升系統壽命與降低維修成本。
3.本發明揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其藉由在輸出端整合順向導通電壓抵補電路，具有自動改變電路架構及輸出電壓漣波低以延長電路壽命、減少變壓器二次側電流，進而減少導通損失、改善電路效率及克服發光二極體(Light emitting diode,LED)導通電壓之電壓障蔽。
4.本發明揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，僅需使用一個主動開關元件且具有自動改變電路結構，能實現輸出電壓漣波低及使用較小之濾波元件以縮小電路體積和成本。
5.本發明揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其藉由在變壓器一次側採用低切換頻率之責任週期控制，而能採用低成本之微控制器以實現調光控制。
6.本發明揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，其藉由雙脈波寬度之調光控制，不須額外增加調光開關及電流檢測電阻，而能消除調光時所造成之導通損失進而改善效率。
7.本發明揭露一種改良型非接觸式返馳式轉換器，與傳統返馳式轉換器相較，平均效率改善了10.84%，而輸出漣波改善了70.96%。
本發明所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本發明之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本發明之專利權範疇。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。
Claims (4)
- 一種改良型非接觸式返馳式轉換器，包括：一緩振電路、一主動開關元件、一變壓器、一第一二極體、一第二二極體、一順向導通電壓抵補電路、一負載電阻、一觸控顯示裝置以及一數位調光控制器；其中一輸入電壓之正端係與該變壓器之一主線圈之一第一端耦接；該緩振電路係與該主線圈之所述第一端及一第二端耦接；該主動開關元件之一通道係耦接於該輸入電壓之負端與該主線圈之所述第二端之間；該變壓器之一次級線圈之一第三端係與該第一二極體之一第一陽極耦接，該第一二極體之一第一陰極係與該第二二極體之一第二陰極耦接，且該第二二極體之一第二陽極係與該次級線圈之一第四端耦接；該順向導通電壓抵補電路具有一諧振電路及一輸出電容，該諧振電路具有一輸入端以與該第一陰極及該第二陰極耦接、以及一輸出端以與該輸出電容及該負載電阻耦接；該輸出電容和該負載電阻均係耦接於該輸出端與該第四端之間；該觸控顯示裝置具有一觸控顯示模組、一第一無線模組及一應用程式，該應用程式具有一調光功能區以供一使用者輸入一調光命令並透過該第一無線模組進行該調光命令之信號傳輸；以及該數位調光控制器包括一震盪器、一計時器、一緩衝器、一數位比較器、一第二無線模組、一雙脈波寬度調光模組及一控制電路，其中該第二無線模組係用以接收該調光命令並將其儲存於該緩衝器中；該控制電路用以執行一韌體程式，該韌體程式包括：初始化該震盪器、該計時器、該第二無線模組及該雙脈波寬度調光模組；依該調光命令致能該計時器及該數位比較器；驅動該數位比較器將該緩衝器儲存之所述調光命令之一命令值與該計時器之一計數值進行比較；以及當該命令值大於該計數值時輸出一高邏輯電位，或當該命令值小於該計數值時將一低頻調光閘極信號與一高頻閘極信號經由一及運算產生一包含高頻之低頻調光信號，並將該包含高頻之低頻調光信號傳送至該主動開關元件以調整流過該負載電阻之一輸出電流。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良型非接觸式返馳式轉換器，該主線圈及該次級線圈係由無鐵芯型之印刷電路板繞製而成。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良型非接觸式返馳式轉換器，其中該第一無線模組包括一ZigBee無線模組。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良型非接觸式返馳式轉換器，其中該第二無線模組包括一通用非同步串列傳輸模組。
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