CN104767404A - 超高压电压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种超高压电压调节器，包括一整流电路、一第一晶体管开关、一第二晶体管开关、一输出电容、一第一电阻、一第二电阻及一第三电阻，可接收市电之交流电并转换为供应电子组件的供电端之直流电压，不但适用于大电流，且能有效降低组件热能损耗，加上无需使用占体积的电感/高压电容，符合现今电子零件设计需要轻薄短小的趋势。

Description

超高压电压调节器
技术领域
本发明是有关于一种电压调节器，特别是指一种可适用于大电流、不易发热及无需使用占体积的电感/高压电容的超高压电压调节器。
背景技术
目前常见的交流转换直流的电源供应装置区分为线性式及交换式。
线性式电源供应装置在高压大电流(数十mA)的输入情形下需要大体积的散热组件，且转换效率极低。
交换式电源供应装置的转换效率优于线性式电源供应装置，大致区分为几种电路：非隔离式的buck-boost电路、隔离式的flyback(返驰式)电路、非隔离式的buck电路、隔离式的forward电路，以及push-pull(推挽式)电路；然而，隔离式的电路具有需采用体积大的变压器及成本高等缺点，一般非隔离式的电路则参考地是交流电的火线，中性线或浮动的地，在某些应用上并不适合显示设备的背光模组具有驱动芯片、若干并联连接的灯串。灯串根据驱动芯片提供的驱动电压发光。其中，每条灯串包括若干串联连接的发光二极管(Light emitting diode, LED)。当任意一灯串中的LED损坏时，则可能导致驱动芯片损坏。
发明内容
一种超高压电压调节器，具有一接收一市电之交流电的输入端及一供应一电子组件的供电端之直流输出电压的输出端，包括：
一整流电路，接收该交流电并产生一整流信号；
一第一晶体管开关，具有一第一参考端、一第一驱动端及一第一控制端；
一第二晶体管开关，具有一第二参考端、一第二驱动端及一第二控制端，该第二参考端耦接于该整流电路以接收该整流信号，该第二控制端耦接于该第一参考端，该第二驱动端耦接该输出端；
一输出电容，一端连接于该第二驱动端及该电子组件的供电端之间，另一端接地；
一第一电阻，二端分别连接于该第二驱动端及该第一控制端之间；
一第二电阻，二端分别连接于该第一控制端及接地；及
一第三电阻，二端分别连接于该第二控制端及该第二参考端之间。
一种超高压电压调节器，具有一接收一市电之交流电的输入端及一供应一电子组件的供电端之直流输出电压的输出端，包括：
一整流电路，接收该交流电并产生一整流信号；
一第一晶体管开关，具有一第一参考端、一第一驱动端及一第一控制端；
一第二晶体管开关，具有一第二参考端、一第二驱动端及一第二控制端，该第二参考端耦接于该整流电路，该第二控制端耦接于该第一参考端；
一平滑电路，耦接于该第二晶体管的该第二驱动端、该输出端及接地；
一第一电阻，一端连接于该平滑电路及该输出端之间，另一端连接该第一控制端；
一第二电阻，二端分别连接于该第一控制端及接地；及
一第三电阻，二端分别连接于该第二控制端及该第一参考端之间。
本发明之目的，即在提供一种可适用于较大电流、不易发热及无需使用占体积之变压器/高压电容的超高压电压输入之电压调节器，以下简称超高压电压调节器。超高压电压调节器包括整流电路、两个晶体管开关、输出电容及三个电阻，即可接收市电之交流电并转换为供应电子组件的供电端之直流电压，不但适用于大电流，且不易发热，加上无需使用占体积的变压器/高压电容，符合现今轻薄短小的趋势，尤其适于应用在家庭自动化控制的范畴。
附图说明
图1是一电路图，说明本发明的超高压电压调节器的第一实施例。
图2是一电路图，说明本发明的超高压电压调节器的第二实施例。
图3是一电路图，说明本发明的超高压电压调节器的第三实施例。
图4是一电路图，说明本发明的超高压电压调节器的第四实施例。
图5至图7是波形图，说明本发明的超高压电压调节器在输入电压110伏分别在不同负载电流条件下的输出电压、高压侧的第二晶体管开关的电压Vgs、交流整流后之电压及输入电流。
图8是一电路图，说明本发明的超高压电压调节器的第五实施例。
图9是一波形图，说明图8之电路以频率控制之波形图。
图10是一电路图，说明本发明的超高压电压调节器的第六实施例及第七实施例。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。此外，以下所提的开关组件可以是双极性接面型晶体管(BJT)或场效晶体管(MOSFET)，为方便说明起见，各实施例以场效晶体管为例进行说明。
参阅图1，本发明的第一实施例中，超高压电压调节器100具有一接收一市电之交流电(如：110伏)的输入端及一输出端，藉此经由该输出端产生一直流输出电压Vout。该超高压电压调节器100还包括一直流对直流转换器12(或一线性稳压器)，以输出符合电子组件5所需的低电压(如：5伏或3.3伏)供应给电子组件5的供电端。
本实施例中，超高压电压调节器100包括一整流电路11、一第一晶体管开关Q1、一第二晶体管开关Q2、一输出电容Co、一第一电阻R1、一第二电阻R2及一第三电阻R3。
整流电路11是一全桥整流电路，接收交流电并产生一整流信号，整流信号如图5的频道2的整流电压。第一晶体管开关Q1具有一第一参考端(汲极)、一第一驱动端(源极)及一第一控制端(闸极)；第二晶体管开关Q2具有一第二参考端(汲极)、一第二驱动端(源极)及一第二控制端(闸极)，第二参考端耦接于该整流电路11以接收该整流信号，第二控制端耦接于第一参考端，第二驱动端耦接该输出端；第一电阻R1的二端分别连接于输出电容Co及第一控制端之间；第二电阻R2的二端分别连接于第一控制端及接地；第三电阻R3的二端分别连接于第二控制端及第二参考端之间，第二控制端与第一参考端相接。
超高压电压调节器100还包括一启始开关Q3，启始开关Q3具有一第三控制端、一第三驱动端及一第三参考端，第三驱动端接地，第三参考端耦接于第三电阻R3之一端及第一开关Q1的参考端之间。当此启始开关Q3之第三控制端接收的致能信号()为高电位时，启始开关Q3导通而使第二晶体管开关Q2的第二控制端接地，进而将第二晶体管开关Q2关闭，反之，若启始开关Q3关闭，则第二晶体管开关Q2导通。
整体电路其动作原理说明如下。
第一阶段：当Q3关闭且第一晶体管开关Q1关闭，电流经过第三电阻R3使第二晶体管开关Q2导通，对输出电容Co充电使得输出电压Vout升高。
第二阶段：第一晶体管开关Q1的电压Vgs1等于输出电压Vout*R2/(R1+R2)，若电压Vgs1大于临界电压Vth，第一晶体管开关Q1导通，电流经过第三电阻R3及第一晶体管开关Q1，电压Vgs2降低，第二晶体管开关Q2关闭；输出电压Vout等于导通电压Vth* (R1+R2)/ R2。
第三阶段：经电子组件5的负载放电，使得第一晶体管开关Q1的电压Vgs1降低，第一晶体管开关Q1关闭，电压Vgs2升高(Cgs2经由R3充电)，再回到第一阶段对输出电容Vo充电使得输出电压Vout升高。
由于第二晶体管开关Q2之第二驱动端的输出电压约为6至10伏之间，为了符合电子组件5所需电压，该超高压电压调节器100还包括一直流对直流转换器12(或一线性稳压器)，直流对直流转换器12耦接于该输出电容Co及该电子组件5的供电端之间。
由本发明的整体设计可知，在不使用占体积的变压器/高压电容的情况下，可让整体体积更为轻薄短小。
参阅图2，本发明的第二实施例中，超高压电压调节器200的电路架构大致类似第一实施例，不同的是，超高压电压调节器200的启始开关Q3是一晶体管开关，具有一第三控制端、一第三驱动端及一第三参考端，第三驱动端接于第一晶体管开关Q1的第一控制端，第三参考端耦接于输出端及该第一电阻R1之一端，第三驱动端耦接第一控制端。当启始开关Q3之第三控制端接收一高准位致能信号，该启始开关Q3开启，而强迫第一晶体管开关Q1导通，因而关闭第二晶体管Q2。
本发明的第三实施例中，超高压电压调节器300的电路架构大致类似第一实施例，也包括一整流电路11、一第一晶体管开关Q1、一第二晶体管开关Q2、一第一电阻R1、一第二电阻R2及一第三电阻R3，不同的是，超高压电压调节器300还包括一耦接于第二晶体管Q2的第二驱动端、该输出端及接地的平滑电路13。
整流电路11是一全桥整流电路，接收交流电并产生一整流信号，整流信号如图5的频道2所示的波形。第一晶体管开关Q1具有一第一参考端、一第一驱动端及一第一控制端；第二晶体管开关Q2具有一第二参考端、一第二驱动端及一第二控制端，第二参考端耦接于该整流电路11之输出端以接收整流信号；第一电阻R1的一端连接于该平滑电路13及该输出端之间，另一端连接该第一控制端；第二电阻R2的二端分别连接于第一控制端及接地；第三电阻R3的二端分别连接于第二控制端及第二参考端之间，第二控制端与第一参考端相接。
平滑电路13耦接于该第二晶体管Q2的第二驱动端(源极)、该输出端及接地，用于使电压波形平滑化。本实施例中，该平滑电路13包括一输出电容Co、一电感L1及一飞轮二极管D1，输出电容Co的一端连接于输出端且另一端接地；电感L1的一端耦接于输出端，另一端耦接于该第二驱动端(源极)；飞轮二极管D1的阴极接于第二驱动端(源极)，飞轮二极管D1的阳极端接地。
参阅图4，本发明的第四实施例中，超高压电压调节器400的电路架构大致类似第三实施例，不同的是，超高压电压调节器400的启始开关Q3是一晶体管开关，启始开关Q3之第三驱动端接于第一晶体管开关Q1的第一控制端，启始开关Q3之第三参考端耦接于输出端。当启始开关Q3之第三控制端接收一高准位的致能信号()，可控制该启始开关Q3开启，而强迫第一晶体管开关Q1导通，因而关闭第二晶体管Q2。
参阅图5，说明如图1的超高压电压调节器100在输入交流电压110伏及17毫安培负载条件下的输出电压(频道1)、高压侧的第二晶体管开关Q2的电压Vgs (频道4)、整流电压(频道2)及输入电流(频道3)，若在输出端加上线性稳压器即可消除涟波。其中，输出电压Vout为8.5伏及输出电流为17毫安培。
参阅图6，说明如图1的超高压电压调节器100在输入电压110伏及22毫安培条件下的输出电压、高压侧的第二晶体管开关Q2的电压、整流电压及输入电流，其中，输出电压Vout为7.2伏及输出电流为22毫安培。
参阅图7，说明如图1的超高压电压调节器100在输入电压110伏及31毫安培条件下的输出电压、高压侧的第二晶体管开关Q2的电压、整流电压及输入电流，其中，输出电压Vout为6.7伏及输出电流为31毫安培。
第一实施例至第四实施例的电路架构可适用于小功率之控制，如果需大功率控制，则可藉由第五及六实施例的电路架构来实现。
参阅图8，本发明的第五实施例中，超高压电压调节器500类似如图1的电路架构，但是还增加一靴带二极管Ds及一靴带电容Cs，靴带二极管Ds的阳极耦接整流电路11的输出端且靴带二极管Ds的阴极耦接第三电阻R3的一端，靴带电容Cs的一端耦接靴带二极管Ds的阴极且靴带电容Cs的另一端耦接输出端及第一电阻R1的一端。藉此，可加速第二晶体管开关Q2的开关速度并提高转换效能。
参阅图9，说明如图8的超高压电压调节器500的输出结果，在输入电压110伏及100毫安培输出电流条件下的输出电压(频道1)、110伏交流电压(频道4)、频率信号(频道2)及输入电流(频道3)，输出电压Vout为10伏及输出电流为100毫安培。其中，以频率信号()输入第三控制端，因电路受频率信号之控制而得以有效地提升转换效率。
参阅图10，本发明的第六实施例中，超高压电压调节器600类似如图1的电路架构，但是还增加一微控制器(MCU)13，微控制单元的一端耦接输出电压Vout端且微控制13的另一端耦接频率信号()输入端接点。利用微控制13侦测输出端Vout端电压值或电压变化斜率等因子进行数据回授与计算，改变频率信号()的频率，进行第一晶体管开关Q1与第二晶体管开关Q2状态控制与改变。例如，当电源开启时，首先输入一固定频率信号()频率为50Hz，信号时间间隔为10ms，接着侦测输出电压Vout端电压，回馈至微控制单元进行计算与分析，重新调整输入频率信号频率，直至输出电压Vout端电压斜率变化为零或为负，以此时的频率信号()频率为基准，稳定输出此频率触发信号，藉由触发第一晶体管开关Q1与改变第二晶体管开关Q2状态，使得输出电容进行充放电。藉此，可加速第二晶体管开关Q2的开关速度并提高转换效能。
参阅图10，本发明的第七实施例中，超高压电压调节器600类似如图1的电路架构，但是还增加一微控制器(MCU)13，微控制单元的一端耦接输出电压Vout端且微控制13的另一端耦接频率信号()输入端接点。利用微控制13侦测输出端Vout端电流值等因子进行数据回授与计算，改变频率信号()的频率，进行第一晶体管开关Q1与第二晶体管开关Q2状态控制与改变。例如，当电源开启时，首先输入一固定频率信号()频率为50Hz，信号时间间隔为10ms，接着侦测输出电压Vout端电流值，回馈至微控制单元进行计算与分析，重新调整输入频率信号()频率，直至第二電晶體對输出電容端充電电流值通過零點，該通過零點電流方式可為由正電流往負電流遞減或由負電流往正電流遞增，以此时的频率信号()频率为基准，稳定输出此频率频率触发信号，藉由触发第一晶体管开关Q1与改变第二晶体管开关Q2状态，使得输出电容开始进行充放电。藉此，可加速第二晶体管开关Q2的开关速度并提高转换效能。
综上所述，本发明之有益效果功效在于，超高压电压调节器100、200、300、400、500包括整流电路11、两个晶体管开关Q1、Q2、输出电容Co及三个电阻R1、R2、R3，即可接收市电之交流电并转换为供应电子组件5的供电端之直流电压，不但适用于大电流，且不易发热，加上无需使用如隔离式的电路占体积的变压器，且于本发明之电路中可不使用全桥整流器后之高压电容，符合现今电子零件设计需要轻薄短小的趋势，尤其适于应用在家庭自动化控制的范畴，如：家庭自动网络(Home Automation Network；简称 HAN)的智能插座、烟雾传感器、智能开关或无线传感器(侦测一氧化碳、二氧化碳或湿度)等直流用电，故确实能达成本发明之目的。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种超高压电压调节器，具有一接收一市电之交流电的输入端及一供应一电子组件的供电端之直流输出电压的输出端，包括：
一整流电路，接收该交流电并产生一整流信号；
一第一晶体管开关，具有一第一参考端、一第一驱动端及一第一控制端；
一第二晶体管开关，具有一第二参考端、一第二驱动端及一第二控制端，该第二参考端耦接于该整流电路以接收该整流信号，该第二控制端耦接于该第一参考端，该第二驱动端耦接该输出端；
一输出电容，一端连接于该第二驱动端及该电子组件的供电端之间，另一端接地；
一第一电阻，二端分别连接于该第二驱动端及该第一控制端之间；
一第二电阻，二端分别连接于该第一控制端及接地；及
一第三电阻，二端分别连接于该第二控制端及该第二参考端之间。
2.如权利要求1所述的超高压电压调节器，还包括：
一启始开关，具有一第三控制端、一第三驱动端及一第三参考端，该第三驱动端接地，该第三控制端接收一致能信号以控制该启始开关开启，该第三参考端耦接该第二控制端以于该启始开关开启时控制该第二晶体管开关关闭。
3.如权利要求1所述的超高压电压调节器，还包括：
一启始开关，具有一第三控制端、一第三驱动端及一第三参考端，该第三控制端接收一致能信号以控制该启始开关之启闭，该第三驱动端耦接该第一控制端以于该启始开关开启时控制该第一晶体管开关导通因而控制该第二晶体管开关关闭。
4.如权利要求1所述的超高压电压调节器，还包括一靴带二极管及一靴带电容，该靴带二极管的阳极耦接整流电路的输出端且该靴带二极管的阴极耦接该第三电阻的一端，该靴带电容的一端耦接该靴带二极管的阴极且该靴带电容的另一端耦接该输出端及该第一电阻的一端。
5.如权利要求1所述的超高压电压调节器，还包括一微控制器，该为微控制器的一端耦接输出电压Vout端且微控制单元的另一端耦接耦接频率信号输入端接点。
6.如权利要求5所述的超高压电压调节器，该微控制器侦测输出端电压斜率值变化，调整频率信号的频率值，直到电压输出端电压斜率变化为零或低于零。
7.如权利要求5所述的超高压电压调节器，该微控制器侦测输出端电压电流值变化，调整频率信号的频率值，直到电压输出端电流值变化为零。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的超高压电压调节器，还包括：
一直流对直流转换器或一线性稳压器，耦接输出电容及该电子组件的供电端之间。
9.一种超高压电压调节器，具有一接收一市电之交流电的输入端及一供应一电子组件的供电端之直流输出电压的输出端，包括：
一整流电路，接收该交流电并产生一整流信号；
一第一晶体管开关，具有一第一参考端、一第一驱动端及一第一控制端；
一第二晶体管开关，具有一第二参考端、一第二驱动端及一第二控制端，该第二参考端耦接于该整流电路，该第二控制端耦接于该第一参考端；
一平滑电路，耦接于该第二晶体管的该第二驱动端、该输出端及接地；
一第一电阻，一端连接于该平滑电路及该输出端之间，另一端连接该第一控制端；
一第二电阻，二端分别连接于该第一控制端及接地；及
一第三电阻，二端分别连接于该第二控制端及该第一参考端之间。
10.如权利要求9所述的超高压电压调节器，该平滑电路包括：
一输出电容，一端连接于该输出端，另一端接地；
一电感，其一端耦接于该输出端，另一端耦接于该第二驱动端；及
一飞轮二极管，其阴极串接于该第二驱动端，其阳极端接地。
11.如权利要求10所述的超高压电压调节器，还包括：
一启始开关，具有一第三控制端、一第三驱动端及一第三参考端，该第三驱动端接地，该第三控制端接收一致能信号以控制该启始开关开启，该第三参考端耦接该第二控制端以于该启始开关开启时控制该第二晶体管开关关闭。
12.如权利要求10所述的该超高压电压调节器，还包括：
一启始开关，具有一第三控制端、一第三驱动端及一第三参考端，该第三控制端接收一致能信号以控制该启始开关之启闭，该第三驱动端耦接该第一控制端以于该启始开关开启时控制该第一晶体管开关导通因而控制该第二晶体管开关关闭。
13.如权利要求11或12所述的超高压电压调节器，还包括：一直流对直流转换器或一线性稳压器，耦接该输出电容及该电子组件的供电端之间。
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