CN107017794B - 隔离式无电感电源转换***及其方法 - Google Patents

隔离式无电感电源转换***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隔离式无电感电源转换***及其方法。该隔离式无电感电源转换***包含二次侧控制总线，其由隔离式电源控制器驱动，其包含震荡器及逻辑电路、隔离式电源控制器及多个开关。至少一个开关电路连接至隔离式电源总线。隔离式电源控制器可提供控制切换信号至至少一个开关电路，以驱动隔离式电源总线。

Description

隔离式无电感电源转换***及其方法
技术领域
本发明涉及一种电源转换***，特别是一种同步驱动器及一种具有二次侧中央抽头线圈的等效隔离式无电感高带宽变压器。本发明还涉及此***的电源转换方法。
背景技术
很多电源转换***包含直流/交流及直流/直流隔离式电荷转换。在直流灯丝驱动应用上，如此的电源转换电路被称为转换器，而在交流灯丝驱动应用上，则被称为逆变器，其具有连接至二次侧中央抽头线圈的截止偏压。在此应用中，此截止偏压可以减少真空显示设备的噪声。
图1为传统的电源转换***的一个例子，在此例子中，有一个变压器位于一次侧供应区及二次侧供应区之间，以达到电压转换及隔离。在一用于灯丝驱动的简单转换电路中，截止偏压电压104通过二次侧线圈的中央抽头连接至变压器。至少一开关102在振荡器101的控制下快速的切换，使电流通过二个交替的路径由变压器103的一端流回直流源，一次侧线圈电流交替方向的切换在二次侧电路产生交流电(AC)；在某些真空显示器应用中，齐纳(Zenor)二极管被连接至中央抽头线圈以形成直流偏压。
图2为图1的直流输出简化版本，在此版本中，一个额外的二极管桥201及一大电容202连接至变压器的二次侧线圈，以对交流电进行整流及过滤。
本发明可以克服现有技术中的缺点并且能提供额外的附加价值，本发明可以避免使用体积大、昂贵且低带宽的变压器、低压降的萧特基(Shottky)二极管及不环保的电解电容。
发明内容
有鉴于上述现有技术中的问题，本发明的其中一个目的就是提供一种新型电路，其使用多个晶体管，且可避免使用萧特基二极管及大型的变压器，可以隔离一次侧及二次侧电路，并由一次侧电路传输电力至二次侧电路，以降低功率损耗以及元件尺寸。
根据本发明的其中一目的提出一种隔离式无电感电源转换***，用于将无电感的电源转换成交流/直流隔离式电源，此***可包含隔离式电源总线、电荷传输***及包含多个金属氧化物半导体场效应晶体管的集成电路，其中电荷传输***包含隔离式电源总线控制器；振荡器，其可提供时序信号至隔离式电源总线控制器；延迟时间总线，其可提供延迟时间信号至隔离式电源总线控制器，以延迟多个二次侧开关由隔离式电源总线控制器控制的开启时间，其中，在多个一次侧开关被关闭后，多个二次侧开关的开启时间被延迟一预设时间区间；偏压总线，其可提供直流偏压至负载，其与施加于变压器的中央抽头线圈的直流偏压等效；一次侧控制总线，其可产生一次侧控制信号至多个一次侧开关；二次侧控制总线，其可产生二次侧控制信号至多个二次侧开关；至少一开关电路，其可与隔离式电源总线耦合；至少一开关控制总线，其可控制至少一开关电路的切换及传输电荷至隔离式电源总线的电荷传输***；以及至少一开关总线，其可包含至少一位准偏移器，以调整控制二次侧开关的信号。
根据本发明的其中一目的，再提出一种隔离式无电感电源转换***，包含：外循环的上开关电路及外循环的下开关电路，外循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，外循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，其中，外循环的上开关电路及外循环的下开关电路可包含同步开关电路，其可用于传输电荷至隔离式电源总线；内循环的上开关电路及内循环的下开关电路，电源逆变应用中内循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，内循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，其中，内循环的上开关电路及内循环的下开关电路包含同步开关电路，可用于传输电荷至隔离式电源总线；内循环的上开关电路于电源转换及隔离式数据传输应用中可耦合至隔离式电源总线的上侧，内循环的下开关电路于电源转换及隔离式数据传输应用中可耦合至隔离式电源总线的下侧，其中，内循环的上开关电路及内循环的下开关电路可包含同步开关电路，可用于传输电荷至隔离式电源总线；其中，当上开关电路与下开关电路关闭时，施加于上开关电路的上电压及施加于下开关电路的下电压是隔离的，二次侧控制总线电路用于控制上开关电路及下开关电路。
其中，施加于上开关电路的上电压及施加于下开关电路的下电压是同步的；此电路可包含至少一自举位准变换器，其偏移逻辑位准至二次侧控制总线位准，以控制上开关电路及下开关电路的切换。
根据本发明的又一目的再提出一种隔离式无电感电源转换方法，其可用于隔离式无电感电源转换***。此方法可包含下列步骤：利用双循环实现交流及直流电荷传输***，其中外循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，外循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，其中，外循环的上开关电路及外循环的下开关电路可包含同步开关电路，可用于传输电荷至隔离式电源总线；于电源逆变应用中，内循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，而内循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，其中，内循环的下开关电路及内循环的上开关电路可包含同步开关电路，可用于传输电荷至隔离式电源总线；单一循环则可输出脉动直流；于电源转换及隔离式数据传输应用中，内循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，而内循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，其中，内循环的下开关电路及内循环的上开关电路可包含同步开关电路，可用于传输电荷至隔离式电源总线；施加于上开关电路的上电压与施加于下开关电路的下电压与一次侧隔离；提供至少一开关控制总线，其可包含位准偏移电路以根据偏移电压总线电位来偏移一次侧地参考开关控制总线至二次侧开关控制总线的位准；以及提供至少一电阻排连接至一次侧循环电源，其包含至少一开关控制总线，用于接收I2C译码器的指令来改变整体分压阻值，进而改变一次侧和二次侧的电压值。
额外的特征及优点可通过本发明的技术来实现，而本发明这里描述的其它实施例及观点均应涵盖在主张的发明中。
通过本发明后续的叙述及相关的图式，本发明其它的特征及优点将变的更为清楚明了。
附图说明
图1为传统的电源转换装置的一实施例的示意图；
图2为传统的电源转换装置的另一实施例的示意图；
图3为本发明提供的隔离式无电感电源转换***的一实施例的示意图，其可提供交流输出及脉动直流输出；
图4为图6的电路的波型图；
图5为本发明提供的隔离式无电感电源转换***的另一实施例的示意图，其可提供同步直流输出；
图6为本发明提供的隔离式无电感电源转换***的另一实施例的数字隔离器示意图，其可提供同步直流输出及数据传输；
图7为本发明提供的隔离式无电感电源转换***的另一实施例的数字隔离器示意图，其可变更循环电源的值作为动态控制补偿输出。
附图标记说明：102-开关；103-变压器；104-截止偏压电压；201-二极管桥；202-大电容；30、50、60、70-隔离式无电感电源转换***；301、302-隔离式电源总线；311、511、611-振荡器及逻辑电路；312、512、612-隔离式电源总线控制器；321、322、323、324、521、522、523、524、621、622、623、624-一次侧开关；326、327、328、329、526、527、528、529、626、627、628、629-二次侧开关；351、352、551、552、592、651、652-波形因素控制电容；371、571-循环电源；381、581、681-二次侧控制总线；382、582、682-延迟时间总线；383、583、683-偏压总线；384、584、684-一次侧控制总线；391、591、601-负载；602-隔离式位准偏移器；701、702-电阻；703-I2C译码器；704-电源；S-源极；D-汲极；G-闸极；D1、D2-二极管。
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依本发明提供的隔离式无电感电源转换***及其方法的实施例，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。
图3举例说明了本发明提供的的隔离式无电感电源转换***的一实施例的示意图，其可提供交流输出。此隔离式无电感电源转换***30可包含隔离式电源总线301及302、电荷传输***及包含多个金属氧化物半导体场效应晶体管的集成电路，其中电荷传输***可包含隔离式电源总线控制器312、振荡器及逻辑电路311、延迟时间总线382、偏压总线383、一次侧控制总线384、二次侧控制总线381、至少一开关电路、至少一开关控制总线及至少一开关总线。振荡器及逻辑电路311可提供时序信号至隔离式电源总线控制器312。延迟时间总线382可提供延迟时间信号至隔离式电源总线控制器312，以延迟多个二次侧开关326、327、328、329由隔离式电源总线控制器312控制的开启时间，其中，在多个一次侧开关321、322、323、324被关闭后，多个二次侧开关326、327、328、329的开启时间可被延迟一预设时间区间。偏压总线可提供直流偏压至负载391。一次侧控制总线384可产生一次侧控制信号至该多个一次侧开关321、322、323、324。二次侧控制总线381可产生二次侧控制信号至该多个二次侧开关326、327、328、329。开关控制总线可控制至少一开关电路的切换及传输电荷至隔离式电源总线301、302的电荷传输***。至少一开关总线可包含至少一位准偏移器，其可调整信号以利该多个二次侧开关326、327、328、329的操作。
如图3所示，振荡器及逻辑电路311产生两个具延迟时间的相位频率，其可减少贯穿失真，一次侧开关及偏压以等效中央抽头线圈。在相位1中，循环电源371产生的电压经由一次侧开关321、322被导入波形因素控制电容351，而波形因素控制电容352则直接通过二次侧控制总线381控制的二次侧开关329、328注入隔离电荷至输出负载391。
如图3所示，在相位2中，直接于二次侧控制总线381控制的交替路径通过二次侧开关326、327，波形因素控制电容351注入隔离电荷耦合至输出负载391，而循环电源371产生的电荷经由一次侧开关323、324被导入波形因素控制电容352。经由内循环及外循环电流方向的交替产生交流电至负载391。输出均方根电压是切换工作周期、电容、输入电压、负载及晶体管的导通电阻值的函数。
隔离电荷传输是由隔离波形因素控制电容351、352交替的传输耦合至负载，在一些实施例中是绕经保持电容。
在一实施例中，若电荷输出极小，隔离式无电感电源转换***30可以利用高压金氧半导体2M集成电路制程(HV MOS 2MIC foundry process)制造而成，隔离式无电感电源转换***30包含波形因素控制电容。最大隔离输出是被此制程的最大接面崩溃电压所限制。P型金氧半晶体管用于一次侧开关321、323和二次侧开关326、328，若是利用其它的自举方法，则可以利用N型金氧半晶体管取代。N型金氧半晶体管用于一次侧开关322、324和二次侧开关327、329。N型埋层(NBL layer)用于保持隔离。
于隔离的二次侧控制总线381的二次侧开关326、327、328、329需要由隔离式电源总线301、302的控制脉冲来驱动。一隔离式电源控制器312可执行接地脉冲的位准偏移以控制二次侧控制总线的脉冲。没有电流流经一次侧不平衡电路及二次侧平衡电路之间。
本实施例包含下列步骤：
利用双循环实现交流及直流电荷传输***，其中，外循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，外循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，其中，外循环的上开关电路及外循环的下开关电路可包含同步开关电路，其可用于传输电荷至隔离式电源总线；于电源逆变应用中，内循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，而内循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，其中，内循环的下开关电路及内循环的上开关电路可包含同步开关电路，其可用于传输电荷至隔离式电源总线；于电源转换及隔离式数据传输应用中，内循环的上开关电路可耦合至隔离式电源总线的上侧，而内循环的下开关电路可耦合至隔离式电源总线的下侧，其中，内循环的下开关电路及内循环的上开关电路可包含同步开关电路，其可用于传输电荷至隔离式电源总线。
使施加于上开关电路的上电压与施加于下开关电路的下电压隔离。
提供至少一开关控制总线，其可包含位准偏移电路以根据偏移电压总线电位，以偏移第一地参考开关控制总线至第二开关控制总线的位准。
图4为图3的电路的灯丝负载的位置电位的波形。负载中心点的电位与变压器中央抽头线圈的电位相等。为了举例说明，隔离式无电感电源转换***30的电压波形与具中央抽头并与偏压连结的变压器等效。
图5为本发明提供的隔离式无电感电源转换***的一实施例的示意图，其由图3延伸而来。如图5所示，在相位1中，波形因素控制电容552经由二次侧开关528、529并经由二次侧控制总线581控制的内循环耦合注入隔离电荷至输出负载591，而电路经由一次侧开关521、522汲取循环电源571的产生的电荷至波形因素控制电容551。在相位2中，电路经由一次侧开关523、524汲取循环电源571产生的接地电荷至波形因素控制电容552，而波形因素控制电容552经由二次侧控制总线581控制的二次侧开关526、527耦合注入隔离电荷至输出负载591。波形因素控制电容592用于过滤切换噪声。经过内循环及外循环的电流的相同方向产生直流电至负载591，其用于同步直流转换器应用。
如图6所示，其在隔离式无电感电源转换***50的实施例中加入了额外的变化，其包含中断电源电路所形成循环的隔离及相对于其它电路组件具有高阻抗的数据传输路径。由于中断了循环，噪声电压是横跨隔离障壁，而非在接收端或更敏感的元件。
如图7所示，其在隔离式无电感电源转换***30的实施例中加入了额外的变化，于高精度电源应用中如AMVFD，由回授输入电源704决定电荷传输有效值，并由内建I2C译码器703等通讯协议改变电源回授电阻702以变更循环电源371的值，作为动态控制补偿输出。
以上所述仅为举例性，而非为限制性。其它任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应该包含于本案权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种隔离式无电感电源转换***，用于将无电感的电源转换成交流/直流隔离式电源，其包含隔离式电源总线、电荷传输***及包含多个金属氧化物半导体场效应晶体管的集成电路，其特征在于，电荷传输***包含：
隔离式电源总线控制器；
振荡器，用于提供时序信号至隔离式电源总线控制器；
延迟时间总线，用于提供延迟时间信号至隔离式电源总线控制器，以延迟多个二次侧开关由隔离式电源总线控制器控制的开启时间，其中，在多个一次侧开关被关闭后，多个二次侧开关的开启时间被延迟一预设时间区间；
偏压总线，用于提供直流偏压至负载，其与施加于变压器的中央抽头线圈的直流偏压等效；
一次侧控制总线，用于产生一次侧控制信号至多个一次侧开关；
二次侧控制总线，用于产生二次侧控制信号至多个二次侧开关；
至少一开关电路，与隔离式电源总线耦合；
至少一开关控制总线，用于控制至少一开关电路的切换及传输电荷至隔离式电源总线的电荷传输***；以及
至少一开关总线，包含至少一位准偏移器，以调整控制二次侧开关的信号。
2.根据权利要求1所述的隔离式无电感电源转换***，其特征在于，至少一开关电路包含至少一晶体管式开关电路，且电压输入包含输入到至少一晶体管式开关电路的源极输入或汲极输入，一次侧控制信号及二次侧控制信号包含输入到至少一晶体管式开关电路的闸极输入。
3.根据权利要求2所述的隔离式无电感电源转换***，其特征在于，至少一开关电路包含上开关电路及下开关电路；上开关电路包含至少一P型晶体管电路或N型晶体管电路，下开关电路包含至少一N型晶体管电路，且上开关电路及下开关电路构成电荷传输回路电路。
4.根据权利要求1所述的隔离式无电感电源转换***，其特征在于，至少一开关电路包含位准偏移器，以根据偏移电压总线电位来偏移一次侧控制总线至二次侧控制总线的位准。
5.根据权利要求1所述的隔离式无电感电源转换***，其特征在于，电源转换***包含电荷传输***及隔离式数据传输***，且其中装置的电荷输出横跨隔离式电源总线。
6.根据权利要求1所述的隔离式无电感电源转换***，其特征在于，电荷传输***包含至少一个波形因素控制电容，该至少一个波形因素控制电容交替地直接传送电荷至输出。
7.根据权利要求1所述的隔离式无电感电源转换***，其特征在于，偏压总线经由多个开关横越隔离式电源总线。
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