TWI717898B - 電源轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

一種電源轉換裝置包含：一開關式電源供應器，根據一直流輸入電壓與一脈寬調變信號產生一直流輸出電壓；一光電耦合器，根據該直流輸出電壓產生一電壓信號；及一控制器，電連接該開關式電源供應器及該光電耦合器，接收來自該光電耦合器的該電壓信號，且至少根據該電壓信號及一預定電壓值調整該脈寬調變信號的一切換頻率及一工作週期中的至少一者，並產生及輸出該脈寬調變信號至該開關式電源供應器。

Description

電源轉換裝置
本發明是有關於一種轉換裝置，特別是指一種電源轉換裝置。
現有電源轉換裝置用於產生一直流輸出電壓給一負載(例如，發光二極體模組)，以驅動該負載。然而，現有電源轉換裝置無法連續調整其所產生的該直流輸出電壓，且電路設計較複雜。因此，現有電源轉換裝置仍有改進的空間。
因此，本發明之目的，即在提供一種可連續調整自身所產生的一直流輸出電壓，且電路設計簡單的電源轉換裝置。
於是，本發明電源轉換裝置包含一開關式電源供應器、一光電耦合器，及一控制器。
該開關式電源供應器用於接收一直流輸入電壓及接收一脈寬調變信號，且具有一第一輸出端，及一第二輸出端，該開關 式電源供應器根據該直流輸入電壓與該脈寬調變信號在其該等第一及第二輸出端間產生一直流輸出電壓。
該光電耦合器，電連接該開關式電源供應器的該等第一及第二輸出端以接收該直流輸出電壓，並根據該直流輸出電壓產生一電壓信號，且包括一第一電阻、一第二電阻、一發光二極體，及一光電晶體。
該第一電阻及該發光二極體串聯連接在該等第一及第二輸出端間。
該第二電阻具有一提供該電壓信號的第一端，及一第二端。
該光電晶體具有一第一端，及一電連接該第二電阻的該第一端的第二端。
該控制器電連接該開關式電源供應器及該光電耦合器的該第二電阻的該第一端，接收來自該光電耦合器的該電壓信號，且至少根據該電壓信號及一預定電壓值調整該脈寬調變信號的一切換頻率及一工作週期中的至少一者，並產生及輸出該脈寬調變信號至該開關式電源供應器。
本發明之功效在於：利用該光電耦合器連續產生該電壓信號，進而該控制器可根據該電壓信號連續調整其所產生的該直流輸出電壓。
1:開關式電源供應器
11:二極體
12:電晶體
13:電感
14:電容
2:光電耦合器
21:第一電阻
22:發光二極體
23:第二電阻
24:光電晶體
3:穩壓電容
4:控制器
5:分壓器
51:第三電阻
52:第四電阻
53:電容
6:穩壓器
7:電容
Q1:第一輸出端
Q2:第二輸出端
Vin:直流輸入電壓
Vout:直流輸出電壓
Vcc:第一接腳
Vi1:第二接腳
GND:第三接腳
PWM:第四接腳
Vo1:第五接腳
Vi2:第六接腳
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一電路圖，說明本發明電源轉換裝置之一第一實施例；及圖2是一電路圖，說明本發明電源轉換裝置之一第二實施例。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
<第一實施例>
參閱圖1，本發明電源轉換裝置的一第一實施例適用於接收一直流輸入電壓Vin，並將該直流輸入電壓Vin轉換成一直流輸出電壓Vout，以供電給一負載(圖未示，例如，發光二極體模組)。在本實施例中，該直流輸入電壓Vin是來自一電源供應器(圖未示，例如一電池)，且該直流輸入電壓Vin的電壓值為，例如，3.6V~5.5V。
本實施例之該電源轉換裝置包含一開關式電源供應器1、一光電耦合器2、一穩壓電容3，及一控制器4。
該開關式電源供應器1用於接收該直流輸入電壓Vin及接收一脈寬調變信號，且具有一第一輸出端Q1，及一第二輸出端Q2。該開關式電源供應器1根據該直流輸入電壓Vin與該脈寬調變信號在其該等第一及第二輸出端Q1、Q2間產生該直流輸出電壓Vout。在本實施例中，該開關式電源供應器1包括一二極體11、一電晶體12、一電感13，及一電容14。
該二極體11具有一用於接收該直流輸入電壓Vin的陰極，及一電連接該第二輸出端Q2的陽極。該電晶體12具有一電連接該二極體11的該陽極的第一端、一接地的第二端，及一電連接該控制器4以接收該脈寬調變信號的控制端。該電感13電連接在該二極體11的該陰極與該第一輸出端Q1間。該電容14電連接在該等第一及第二輸出端Q1、Q2間，且該電容14的跨壓作為該直流輸出電壓Vout。在本實施例中，該電晶體12為一N型金氧半場效電晶體，該N型金氧半場效電晶體的汲極、源極及閘極分別為該電晶體12的該第一端、該第二端及該控制端，但不限於此，在其他實施中，該電晶體12為，例如，一絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
該光電耦合器2電連接該開關式電源供應器1的該等第一及第二輸出端Q1、Q2以接收該直流輸出電壓Vout，並根據該直流輸出電壓Vout產生一相關於該直流輸出電壓Vout的電壓信號。 在本實施例中，該光電耦合器2包括一第一電阻21、一發光二極體22、一第二電阻23，及一光電晶體24。
該第一電阻21及該發光二極體22串聯連接在該等第一及第二輸出端Q1、Q2間。該第二電阻23具有一提供該電壓信號的第一端，及一第二端。該光電晶體24具有一第一端，及一電連接該第二電阻23的該第一端的第二端。
需說明的是，該第一電阻21電連接該等第一及第二輸出端Q1、Q2二者中的一者。該第二電阻23的該第二端電連接至地及用於接收該直流輸入電壓Vin二者中的一者。在本實施例中，該第一電阻21電連接該第一輸出端Q1，該發光二極體22電連接該第二輸出端Q2，該第二電阻23的該第二端電連接至地，該光電晶體24的該第一端用於接收該直流輸入電壓Vin。在其他實施例中，當該第一電阻21電連接該第二輸出端Q2時，該發光二極體22電連接該第一輸出端Q1。當該第二電阻23的該第二端用於接收該直流輸入電壓Vin時，該光電晶體24的該第一端電連接至地。
該穩壓電容3具有一用於接收該直流輸入電壓Vin的第一端，及一接地的第二端。
該控制器4電連接該開關式電源供應器1的該電晶體12的該控制端及該光電耦合器2的該第二電阻23的該第一端，接收該直流輸入電壓Vin，及來自該第二電阻23的該第一端的該電壓信 號。在本實施例中，該控制器4具有第一至第四接腳Vcc、Vi1、GND、PWM。該第一接腳Vcc用於接收該直流輸入電壓Vin以作為該控制器4所需的一工作電壓。該第二接腳Vi1電連接該第二電阻23的該第一端以接收該電壓信號。該第三接腳GND電連接至地。該第四接腳PWM電連接該電晶體12的該控制端且提供該脈寬調變信號。該控制器4根據該直流輸入電壓Vin、該電壓信號及一預定電壓值調整該脈寬調變信號的一切換頻率及一工作週期(Duty Cycle)中的至少一者，並產生及輸出該脈寬調變信號至該電晶體12的該控制端。
舉例來說，當該電壓信號的電壓值小於該預定電壓值時，該控制器4將該脈寬調變信號的該工作週期增加，以提升該直流輸出電壓Vout。反之，當該電壓信號的電壓值大於該預定電壓值時，該控制器4將該脈寬調變信號的該工作週期降低，以降低該直流輸出電壓Vout。同樣的，由於該直流輸出電壓Vout也會隨著該脈寬調變信號的該切換頻率的變化而改變，因此藉由增加或降低該切換頻率，可使得該直流輸出電壓Vout的大小也跟著增加或降低。此外，例如，當該電壓信號的電壓值等於該預定電壓值或在一允許誤差範圍內時，則該控制器4不調整該脈寬調變信號的該切換頻率及該工作週期。
在本實施例中，當該電源轉換裝置為大電流連續輸出，且該電晶體12導通時流經其自身的電流等於該電源轉換裝置的一對應該直流輸出電壓Vout的輸出電流時，該控制器4所輸出的該脈寬調變信號的該工作週期的一最大值及該切換頻率的一最大值分別可表示成下述式(1)、(2)：
Figure 108141178-A0305-02-0009-1
Figure 108141178-A0305-02-0009-2
 其中，參數DCmax是該脈寬調變信號的該工作週期的該最大值，參數Ton是該電晶體12的一導通時間，參數T是該脈寬調變信號的一週期時間，參數Vout是該直流輸出電壓Vout，參數Vin是該直流輸入電壓Vin，參數fmax是該脈寬調變信號的該切換頻率的該最大值，參數L是該電感13的一電感值，參數Iout_max是該電源轉換裝置的該輸出電流的一預設上限值。
該控制器4還可根據式(1)、(2)來控制該輸出電流Iout的上限。舉例來說，在本實施例中，該電感值L固定，當該脈寬調變信號的該工作週期及該切換頻率分別不超過式(1)該工作週期的該最大值DCmax及式(2)該切換頻率的該最大值fmax時，則該輸出電流Iout不會超過該預設上限值Iout_max。因此，本實施例該電源轉換裝置在增加該脈寬調變信號的該切換頻率或該工作週期，以調整該直流輸出電壓Vout的同時，藉由使該脈寬調變信號的該工作週期 及該切換頻率分別不超過該工作週期的該最大值DCmax及該切換頻率的該最大值fmax，可以限制該輸出電流Iout的大小，避免該輸出電流Iout過大而導致負載燒毀。
<第二實施例>
參閱圖2，本發明該電源轉換裝置的一第二實施例與該第一實施例相似，二者不同之處在於：該直流輸入電壓Vin的電壓值為，例如，100V~240V；該電源轉換裝置還包含一分壓器5、一穩壓器6，及一電容7；該控制器4還電連接該分壓器5及該穩壓器6；該控制器4的該第一接腳Vcc與該光電晶體24的該第一端未直接接收該直流輸入電壓Vin；及該電感13電連接在該二極體11的該陽極與該第二輸出端Q2間(但不限於此，圖2的該電感13也可如圖1電連接在該二極體11的該陰極與該第一輸出端Q1間)。在本實施例中，該直流輸入電壓Vin是由一交流電源(圖未示)所輸出的一交流信號經一橋式整流器(圖未示)而產生。
該分壓器5用於接收該直流輸入電壓Vin，並根據該直流輸入電壓Vin產生一分壓電壓。在本實施例中，該分壓器5包括第三與第四電阻51、52，及一電容(即，第一電容)53。
該第三電阻51具有一用於接收該直流輸入電壓Vin的第一端，及一第二端。該第四電阻52具有一第一端，及一接地的第二端。該第四電阻52的該第一端電連接該第三電阻51的該第二端 及該控制器4，且提供該分壓電壓。該電容53電連接在該第四電阻52的該等第一及第二端間。
該穩壓器6具有一用於接收該直流輸入電壓Vin的輸入端，及一輸出端。該穩壓器6根據該直流輸入電壓Vin在其該輸出端產生及輸出一穩壓電壓。該穩壓電壓的電壓值為，例如，3.6V~5.5V。
該電容7電連接在該穩壓器6的該輸出端與地間。
在本實施例中，該控制器4還具有第五及第六接腳Vo1、Vi2。該控制器4的該第一接腳Vcc是電連接該穩壓器6以接收該穩壓電壓，並根據該穩壓電壓在其該第五接腳Vo1產生一電壓輸出。該控制器4的該第六接腳Vi2電連接該第四電阻52的該第一端以接收該分壓電壓，且還根據該分壓電壓取得該直流輸入電壓Vin，以調整該脈寬調變信號的該切換頻率及該工作週期中的至少一者。需說明的是，該控制器4是將該分壓電壓與該等第三與第四電阻51、52的電阻值總和相乘後，再將所獲得的運算值除以該第四電阻52的電阻值及乘以一係數，以取得該直流輸入電壓Vin，即Vin=Vd×(R51+R52)/R52×0.707，參數Vd、R51、R52分別是該分壓電壓、該第三電阻51的電阻值、該第四電阻52的電阻值，0.707為該係數。該控制器4是在無負載狀態且該電容53的跨壓上升至一峰值時取得該直流輸入電壓Vin。
此外，該第二電阻23的該第二端是電連接至地及電連接該控制器4的該第五接腳Vo1以接收該電壓輸出二者中的一者。在本實施例中，該第二電阻23的該第二端電連接至地，該光電晶體24的該第一端電連接該控制器4的該第五接腳Vo1以接收該電壓輸出。在其他實施例中，當該第二電阻23的該第二端電連接該控制器4的該第五接腳Vo1以接收該電壓輸出時，該光電晶體24的該第一端電連接至地。
該第二實施例之該電源轉換裝置的操作與該第一實施例之該電源轉換裝置的作動相似，故於此不再贅述。
綜上所述，本發明電源轉換裝置利用該光電耦合器2連續產生該電壓信號，使得該控制器4可據以連續調整其所產生的該直流輸出電壓Vout。此外，本發明電源轉換裝置具有電路較簡單及成本較低等特點。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:開關式電源供應器
11:二極體
12:電晶體
13:電感
14:電容
2:光電耦合器
21:第一電阻
22:發光二極體
23:第二電阻
24:光電晶體
3:穩壓電容
4:控制器
Q1:第一輸出端
Q2:第二輸出端
Vin:直流輸入電壓
Vout:直流輸出電壓
Vcc:第一接腳
Vil:第二接腳
GND:第三接腳
PWM:第四接腳

Claims (9)

  1. 一種電源轉換裝置，包含：一開關式電源供應器，用於接收一直流輸入電壓及接收一脈寬調變信號，且具有一第一輸出端，及一第二輸出端，該開關式電源供應器根據該直流輸入電壓與該脈寬調變信號在其該等第一及第二輸出端間產生一直流輸出電壓，該開關式電源供應器包括一二極體，具有一用於接收該直流輸入電壓的陰極，及一電連接該第二輸出端的陽極，一電晶體，具有一電連接該二極體的該陽極的第一端、一接地的第二端，及一電連接該控制器以接收該脈寬調變信號的控制端，一電容，電連接在該等第一及第二輸出端間，該電容的跨壓作為該直流輸出電壓，及一電感，電連接在該二極體與該等第一及第二輸出端二者中的一者間；一光電耦合器，電連接該開關式電源供應器的該等第一及第二輸出端以接收該直流輸出電壓，並根據該直流輸出電壓產生一電壓信號，且包括一第一電阻及一發光二極體，串聯連接在該等第一及第二輸出端間，一第二電阻，具有一提供該電壓信號的第一端，及一第二端，及 一光電晶體，具有一第一端，及一電連接該第二電阻的該第一端的第二端；及一控制器，電連接該開關式電源供應器及該光電耦合器的該第二電阻的該第一端，接收來自該光電耦合器的該電壓信號，且至少根據該電壓信號及一預定電壓值調整該脈寬調變信號的一切換頻率及一工作週期中的至少一者，並產生及輸出該脈寬調變信號至該開關式電源供應器。
  2. 如請求項1所述的電源轉換裝置，還包含：一穩壓電容，具有一用於接收該直流輸入電壓的第一端，及一接地的第二端；該控制器還根據該直流輸入電壓調整該脈寬調變信號的該切換頻率及該工作週期中的至少一者。
  3. 如請求項1所述的電源轉換裝置，其中，該第一電阻電連接該等第一及第二輸出端二者中的一者，當該第一電阻電連接該第一輸出端時，該發光二極體電連接該第二輸出端，當該第一電阻電連接該第二輸出端時，該發光二極體電連接該第一輸出端。
  4. 如請求項3所述的電源轉換裝置，其中，該第二電阻的該第二端電連接至地及用於接收該直流輸入電壓二者中的一者，當該第二電阻的該第二端電連接至地時，該光電晶體的該第一端用於接收該直流輸入電壓，當該第二電阻的該第二端用於接收該直流輸入電壓時，該光電晶體的該第一端電連接至地。
  5. 如請求項1所述的電源轉換裝置，其中，該電感的電連接方式為以下二者中的一者，該電感電連接在該二極體的該陰極與該第一輸出端間，該電感電連接在該二極體的該陽極與該第二輸出端間。
  6. 如請求項1所述的電源轉換裝置，還包含：一分壓器，用於接收該直流輸入電壓，並根據該直流輸入電壓產生一分壓電壓；一穩壓器，具有一用於接收該直流輸入電壓的輸入端，及一輸出端，該穩壓器根據該直流輸入電壓在其該輸出端產生及輸出一穩壓電壓；及一電容，電連接在該穩壓器的該輸出端與地間；該控制器還電連接該分壓器及該穩壓器的該輸出端，以分別接收該分壓電壓及該穩壓電壓，且還根據該分壓電壓調整該脈寬調變信號的該切換頻率及該工作週期中的至少一者。
  7. 如請求項6所述的電源轉換裝置，其中，該分壓器包括一第三電阻，具有一用於接收該直流輸入電壓的第一端，及一第二端，一第四電阻，具有一第一端，及一接地的第二端，該第四電阻的該第一端電連接該第三電阻的該第二端及該控制器，且提供該分壓電壓，及 一第一電容，電連接在該第四電阻的該等第一及第二端間。
  8. 如請求項6所述的電源轉換裝置，其中，該控制器還根據該穩壓電壓產生一電壓輸出。
  9. 如請求項8所述的電源轉換裝置，其中，該第二電阻的該第二端電連接至地及電連接該控制器以接收該電壓輸出二者中的一者，當該第二電阻的該第二端電連接至地時，該光電晶體的該第一端電連接該控制器以接收該電壓輸出，當該第二電阻的該第二端電連接該控制器以接收該電壓輸出時，該光電晶體的該第一端電連接至地。
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