CN111509979B - 电压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压转换器，其包含有变压器、功率开关、第一控制电路以及电流检测电路。变压器包含有一次侧绕组、二次侧绕组以及辅助绕组。变压器用来将输入电压转换成输出电压。功率开关的第一端连接于一次侧绕组，且功率开关的第二端连接于第一控制电路。第一控制电路用来根据电流检测电压产生第一控制信号以控制功率开关的运转以及产生第二控制信号。电流检测电路连接于功率开关的第三端、第一控制电路以及辅助绕组，用来根据第二控制信号感测电流检测电压以提供至第一控制电路。

Description

电压转换器

技术领域

本发明涉及一种电压转换器，尤指一种可提供不同输出电压的电压转换器。

背景技术

随着科技的发展，电子产品种类日益增多，如笔记本电脑、移动通讯装置、个人随身助理、多媒体播放器等，这些电子产品都需要使用电压转换器来将高电压的交流电源或直流电源转换成符合需求的稳定直流电源，以作为进行充电或运转时的电力来源。同时，随着电子产品的硬件规格不断提升，电子产品对于电源供应的需求量也越来越大。举例来说，专为电子游戏所开发设计的电竞笔记本电脑对于电源供应的需求就非常大。因此，如何开发能够满足各种电源供应需求的电压转换器也就成为业界所努力的目标之一。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种不同输出电压的电压转换器。

本发明揭露一种电压转换器，包含有：一变压器，包含有一一次侧绕组、一二次侧绕组以及一辅助绕组，用来将一输入电压转换成一输出电压；一功率开关，该功率开关的一第一端连接于该一次侧绕组；一第一控制电路，连接于该功率开关的一第二端，用来根据一电流检测电压产生一第一控制信号以控制该功率开关的运转以及产生一第二控制信号；以及一电流检测电路，连接于该功率开关的一第三端、该第一控制电路以及该辅助绕组，用来根据该第二控制信号感测该电流检测电压以提供至该第一控制电路。

本发明的电压转换器可依据***需求而切换输出不同输出电压。

附图说明

图1为本发明实施例的一电压转换器的示意图。

图2为图1的电压转换器的相关信号波形图。

图3至图5为本发明实施例的电压转换器在运转时的等效电路示意图。

1 电压转换器

10 变压器

20 第一控制电路

202、204、206 比较器

208 计时器

210 驱动器

30 电流检测电路

40 第二控制电路

50 输出电压切换电路

502 稳压器

60 回授电路

602 光电耦合器

C1～C3、CA、CO 电容

CS、FB、GD1～GD3、SGND、 引脚

SYSTEM、Vcc、Vdd

DA、DO 二极体

GND1 第一接地

GND2 第二接地

ICS 一次侧绕组电流

IN 输入端

NA 辅助绕组

NP 一次侧绕组

NS 二次侧绕组

OUT 输出端

R1～R2、RA、RC1～RC2、RS1～ 电阻

RS3

S1～S3 控制信号

SS ***信号

SW1 功率开关

SW2～SW3 辅助开关

VCC、VDD 电源电压

VCS 电流检测电压

VGS_Q1、VGS_Q2、VGS_Q3 电压

VI 输入电压

VNA 辅助绕组电压

VNP、VNS 绕组电压

VO 输出电压

VR1～VR3 参考电压

VRS3 跨压

具体实施方式

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书中所提及的“包含”为一开放式用语，应解释成“包含但不限定于”。此外，“连接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置连接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

请参考图1，图1为本发明实施例1一电压转换器1的示意图。电压转换器1用以提供一输出电压VO至一负载。其中所述负载可为任何需要电力的电子产品，输出电压VO可作为电子产品进行充电或是正常运转时的电力来源。输出电压VO为一第一输出电压值V1或一第二输出电压值V2。例如，第一输出电压值V1小于第二输出电压值V2。电源供应装置1包含有一变压器10、一第一控制电路20、一电流检测电路30、一第二控制电路40、一输出电压切换电路50、一回授电路60、一功率开关SW1、一电阻RA、电容Co与CA以及二极体DA与DO。变压器10可将一输入电压VI转换成输出电压VO。变压器10包含有一一次侧绕组NP、一二次侧绕组NS以及一辅助绕组NA。一次侧绕组NP的第一端连接于一输入端IN，用以接收一输入电压VI，以及一次侧绕组NP的第二端连接于功率开关SW1。二次侧绕组NS的第一端连接于二极体DO，以及二次侧绕组NS的第二端连接于一第二接地GND2。辅助绕组NA的第一端连接于二极体DA，以及辅助绕组NA的第二端连接于第一接地GND1。二极体DA的阳极连接于辅助绕组NA的第一端，以及二极体DA的阴极连接于电阻RA。电阻RA的第一端连接于二极体DA的阴极，以及电阻RA的第二端连接于功率开关SW1以及电流检测电路30。二极体DO的阳极连接于二次侧绕组NS的第一端，以及二极体DO的阴极连接于一输出端OUT。电容CO的第一端连接于输出端OUT，以及电容CO的第二端连接于一第二接地GND2。

功率开关SW1的第一端连接于一次侧绕组NP的第二端。功率开关SW1的第二端连接于第一控制电路20用以接收一控制信号S1。功率开关SW1的第三端连接于电流检测电路30。功率开关SW1可依据控制信号S1的电位来控制第一端和第三端之间的信号传送路径，以呈现导通状态(短路)或不导通状态(开路)。功率开关SW1可为功率电晶体。例如功率开关SW1可为金氧半场效电晶体(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、双载子接面电晶体(bipolar Junction Transistor，BJT)或其它具备类似功能的元件，但不以此为限。当功率开关SW1导通时，一次侧绕组电流ICS流过一次侧绕组NP及功率开关SW1，且一次侧绕组NP会储存能量。此时，由电容CO产生输出电压VO以对负载供电。当功率开关SW1不导通时，一次侧绕组NP所储存能量会传递至二次侧绕组NS，以对电容CO进行供电。

第一控制电路20可为一积体电路装置。第一控制电路20连接于功率开关SW1、电流检测电路30、回授电路60以及辅助绕组NA。第一控制电路20包含有引脚CS、FB、GD1、GD2、SGND、Vcc及。第一控制电路20可经由引脚Vcc接收一电源电压VCC并据以进行相关运转。第一控制电路20可经由引脚CS接收一电流检测电压VCS，并根据电流检测电压VCS产生控制信号S1、S2。第一控制电路20可经由引脚GD1输出控制信号S1，以控制功率开关SW1的运转。第一控制电路20可经由引脚GD2输出控制信号S2，以控制电流检测电路30的运转。第一控制电路20的引脚FB经由回授电路60连接至输出电压切换电路50，以检测电压转换器1的输出电压VO，第一控制电路20经由引脚FB接收一回授信号。

第一控制电路20包含有比较器202、204、206、一计时器208以及一驱动器210。比较器202的第一输入端用来接收电流检测电压VCS，比较器202的第二输入端用来接收一参考电压VR1，且比较器202的一输出端用来输出一比较信号。比较器202用来比较第一输入端与第二输入端所接收的信号以产生比较信号。其中所述比较信号可以是电压信号或电流信号，但不以此为限。计时器208用来计数时间。例如，计时器208可计数一预定时间。例如，计时器208可每隔一预定时间产生一时间计数信号至比较器202。计时器208可依据比较器202的指示开始计数，并于计数至预定时间期满后产生一时间计数信号至比较器202。

在一实施例中，比较器202可根据计时器208所产生时间计数信号比较第一输入端与第二输入端所接收的信号以产生比较信号。例如，比较器202根据计时器208的时间计数操作判断电流检测电压VCS是否大于参考电压VR1以及判断电流检测电压VCS是否大于参考电压VR1的情况持续了一预定时间，进而据以产生比较信号。驱动器210连接于比较器202的输出端，用来接收比较信号并据以产生一驱动信号S2至电流检测电路30，以控制电流检测电路30的运转。当比较器202依据计时器208的时间计数判断出电流检测电压VCS大于参考电压VR1且电流检测电压VCS大于参考电压VR1的情况持续一预定时间时，比较器202产生并输出比较信号至驱动器210，驱动器210据以产生控制信号S2至电流检测电路30的辅助开关SW2，使得辅助开关SW2相应于控制信号S2而切换至导通状态。当比较器202判断出电流检测电压VCS小于参考电压VR1时，比较器202产生并输出比较信号至驱动器210，驱动器210据以产生控制信号S2至电流检测电路30的辅助开关SW2，使得辅助开关SW2相应于控制信号S2而切换至不导通状态。

比较器204的第一输入端用来接收电流检测电压VCS，且比较器204的第二输入端用来接收一参考电压VR2。在一实施例中，当电流检测电压VCS大于参考电压VR2时，比较器204产生过电压控制信号以启动过电压保护功能，进而控制第一控制电路20切换至关机状态。比较器206的第一输入端用来接收电流检测电压VCS，且比较器206的第二输入端用来接收一参考电压VR3。在一实施例中，当电流检测电压VCS大于参考电压VR3时，比较器206产生控制信号S1至引脚GD1，以控制功率开关SW1切换至不导通状态。简言之，比较器204与比较器206分别依据参考电压VR2与VR3执行过电压保护功能以限制第一控制电路20与功率开关SW1的运转，进而达到保护电压转换器本身及其所供应电源的电子产品。

电流检测电路30包含有一辅助开关SW2以及电阻RC1、RC2。电阻RC1的第一端连接于功率开关SW1的第三端、电阻RA的第二端、辅助开关SW2的第一端以及第一控制电路20的引脚CS。电阻RC1的第二端连接于第一接地GND1。如图1所示，辅助绕组NA的第一端经由二极体DA以及电阻RA连接至功率开关SW1的第三端。电流检测电压VCS经由电阻RC1的第一端输出至第一控制电路20的引脚CS。辅助开关SW2的第一端连接于功率开关SW1的第三端、电阻RA的第二端以及第一控制电路20的引脚CS，辅助开关SW2的第二端连接于第一控制电路20的引脚GD2，用以接收控制信号S2。辅助开关SW2的第三端连接于电阻RC2。辅助开关SW2可依据控制信号S2的电位来控制第一端和第三端之间的信号传送路径，以呈现导通状态(短路)或不导通状态(开路)。电阻RC2的第一端连接于辅助开关SW2的第三端，电阻RC2的第二端连接于第一接地GND1。

第二控制电路40可为一积体电路装置。第二控制电路40包含有引脚GD3、Vdd及SYSTEM。第二控制电路40可经由引脚Vdd接收一电源电压VDD并据以进行相关运转。第二控制电路40可经由引脚SYSTEM接收***信号SS。***信号SS用以指示电压转换器1提供输出电压VO为第一输出电压值V1或第二输出电压值V2。第二控制电路40根据***信号SS产生一控制信号S3。第二控制电路40可经由引脚GD3输出控制信号S3至输出电压切换电路50。

输出电压切换电路50包含有一稳压器502、辅助开关SW3、电阻RS1～RS3。电阻RS1的第一端连接于输出端OUT，以及电阻RS1的第二端连接于电阻RS3。辅助开关SW3的第一端连接于输出端OUT，辅助开关SW3的第二端连接于第二控制电路40的引脚GD3，用以接收控制信号S3。辅助开关SW3的第三端连接于电阻RS2。辅助开关SW3可依据控制信号S3的电位来控制第一端和第三端之间的信号传送路径，以呈现导通状态(短路)或不导通状态(开路)。电阻RS2的第一端连接于辅助开关SW3的第三端，以及电阻RS2的第二端连接于电阻RS3。电阻RS3的第一端连接于电阻RS1的第二端、电阻RS2的第二端、稳压器502以及回授电路60，以及电阻RS3的第二端连接于第二接地GND2。稳压器502连接于电阻RS3的第一端以及第二接地GND2，用来控制电阻RS3的一跨压VRS3，使得电阻RS3的跨压VRS3具有一固定电压差值。稳压器502可为一TL431稳压芯片，但并不以此限。在一实施例中，当该***信号SS指示输出电压VO为第一输出电压值V1时，第二控制电路40据以产生控制信号S3，使得辅助开关SW3相应于控制信号S3而处于不导通状态。当***信号SS指示输出电压VO为第二输出电压值V2时，第二控制电路40据以产生控制信号S3，使得辅助开关SW3相应于控制信号S3切换至导通状态。此外，回授电路60包含有一光电耦合器602、电阻R1～R2、电容C1～C3。光电耦合器602可为一PC817光电耦合器，但并不以此限。

请参考图2，图2为图1的电压转换器1的相关信号波形图。其中电压VGS_Q1为功率开关SW1的闸源极电压，电压VGS_Q2为辅助开关SW2的闸源极电压，电压VGS_Q3为辅助开关SW3的闸源极电压。在本实施例中，电压转换器1可提供输出电压VO为一第一输出电压值V1(例如19伏特)或一第二输出电压值V2(例如25伏特)。首先，在时间T0～T1期间，电压转换器1尚未上电，功率开关SW1、辅助开关SW2及辅助开关SW3皆为不导通状态(截止状态)，输出电压VO为0。

在时间T1时，电压转换器1上电。此时，功率开关SW1、辅助开关SW2及辅助开关SW3仍为不导通状态，而一次侧绕组NP的绕组电压VNP、二次侧绕组NS的绕组电压VNS以及输出电压VO逐渐上升。如图2所示，在时间T1～T2期间，输出电压VO逐渐上升。如图3所示，在时间T1～T2期间，由于辅助开关SW2为不导通状态，电阻RC2为开路状态。如此一来，连接于功率开关SW1与第一接地GND1之间的负载电阻的总电阻值为电阻RC1的电阻值。其次，由于第二控制电路40尚未开始运转，辅助开关SW3为不导通状态且电阻RS2为开路状态。在这种情况下，输出电压切换电路50的输出分压电阻为电阻RS1与电阻RS3。输出电压切换电路50中的总分压电阻值(即由输出端OUT至第二接地GND2之间的总电阻值)为电阻RS1与电阻RS3之串联电阻值。接着，在时间T2时，第一控制电路20开始运转且第一控制电路20输出控制信号S1以控制功率开关SW1切换至导通状态。如图2所示，在时间T2～T3期间，输出电压VO持续上升。

在时间T3时，功率开关SW1仍处于导通状态。第二控制电路40开始运转并输出控制信号S3以控制功率开关SW3切换至导通状态。如图4所示，由于功率开关SW3依据控制信号S3而切换至导通状态，此时输出电压切换电路50的输出分压电阻为电阻RS1、电阻RS2与电阻RS3。输出电压切换电路50中的总分压电阻值(即由输出端OUT至第二接地GND2之间的总电阻值)为电阻RS1与电阻RS2并联后再与电阻RS3串联的等效电阻值。由于电阻RS1与电阻RS2并联后的并联电阻值会小于单一电阻RS1的电阻值。如图2所示，在时间T3～T4期间，输出电压VO持续上升，功率开关SW1持续维持在导通状态。例如，经由稳压器502的控制电阻RS3的跨压VRS3为2.5伏特。输出电压VO＝(2.5伏特/电阻RS3)*(电阻RS1‖电阻RS2)+2.5伏特。

在时间T4时，输出电压VO到达第一输出电压值V1，第一控制电路20产生相应控制信号S1来控制功率开关SW1开始进行切换运转，例如脉波宽度调变(Pulse WidthModulation，PWM)切换。如此一来，在时间T4～T5期间，如图2所示，输出电压VO维持在第一输出电压值V1，功率开关SW3持续维持于导通状态，电流检测电压VCS维持低于参考电压VR3。

在时间T5时，第二控制电路40经由引脚SYSTEM接收***信号SS以指示将输出电压VO切换至第二输出电压值V2。第二控制电路40依据***信号SS输出相应控制信号S3以控制功率开关SW3切换至不导通状态。此时电阻RC2变为开路状态。如图3所示，输出电压切换电路50的输出分压电阻为电阻RS1与电阻RS3。输出电压切换电路50的总分压电阻值变为电阻RS1与电阻RS3的串联电阻值。由于各别电阻的电阻值会大于各别电阻与其他电阻并联后的等效电阻值，电阻RS1的电阻值将会大于时间T3～T5期间电阻RS1与电阻RS2并联后的等效电阻。也就是说，输出电压切换电路50中的电阻RS1与电阻RS3的串联电阻值将会大于时间T3～T5期间电阻RS1与电阻RS2并联后再与电阻RS3串联的串联电阻值。同时，由于稳压器502会将电阻RS3的跨压VRS3维持在一固定值(例如2.5伏特)，而流过电阻RS3的电流不变(例如流过电阻RS3之电流＝2.5伏特/RS3)。在此情况下，针对输出电压切换电路50而言，在总分压电阻值变大而电流不变的情况下，输出端OUT至电阻RS3之间的跨压(即电阻RS1的跨压)会增加，如此一来，输出电压VO亦会增加。如图2所示，在时间T5～T6期间，输出电压VO持续增加，电流检测电压VCS亦持续增加。换言之，经由第二控制电路40的控制，输出电压切换电路50由一第一输出电压模式切换至一第二输出电压模式，输出电压VO可由第一输出电压值V1继续往上增加，进而提供第二输出电压值V2的输出。

在时间T6时，比较器202判断出电流检测电压VCS大于参考电压VR1。如图2所示，假设时间T6～T7期间的时间长度为D(例如时间长度D可为200微秒(μs))。在时间T6～T7期间，比较器202依据计时器208的时间计数判断出电流检测电压VCS皆大于参考电压VR1的情况持续了预定时间D。由于发生非预期或不想要的***过电压问题通常电压瞬间急升而且持续时间极短。例如当回授电路60的光电耦合器602发生短路时，输出电压VO会急速上升，二次侧绕组NS的绕组电压VNS也会急速上升，感应至辅助绕组NA的绕组电压VNA也会跟着急速上升而且持续时间极短。也就是说，当电流检测电压VCS皆大于参考电压VR1的情况持续了预定时间D，这表示电流检测电压VCS的提升是切换输出电压所产生，并不是非预期或不想要的***过电压问题。

因此，于时间T7，当比较器202判断出T6～T7期间电流检测电压VCS皆大于参考电压VR1，比较器202产生并输出比较信号至驱动器210以通知驱动器210开启辅助开关SW2。驱动器210据以产生控制信号S2至辅助开关SW2，使得辅助开关SW2相应于控制信号S2而切换至导通状态。因此，如图5所示，连接于开关SW1与第一接地GND1之间的负载电阻的总电阻值为电阻RC1与电阻RC2并联后的并联电阻值。由于电阻并联后的等效电阻将小于各别电阻的电阻值，如此一来，相较于电阻RC1的电阻值，连接于开关SW1与第一接地GND1之间的负载电阻的总电阻值变小(电阻RC1与电阻RC2的并联电阻值<电阻RC1的电阻值)，如此一来，电流检测电压VCS将会下降，而可容许有较高的输出电压VO才会使电流检测电压VCS达到过电压保护的触发电压。在时间T7之后，输出电压VO持续上升直到达第二输出电压值V2。换言之，本发明实施例的电压转换器1依据***需求而在时间T4～T5期间提供第一输出电压值V1的输出电压VO。在时间T5之后，第二控制电路40依据***需求而控制输出电压切换电路50进行切换，使得电压转换器1可于时间T7之后提供第二输出电压值V1的输出电压VO。

综上所述，本发明实施例的电压转换器1可依据***需求而切换输出不同输出电压。并且，经由第一控制电路20与电流检测电路30的协同运转，在低输出电压切换至高输出电压之时电流检测电压VCS得以适时调整而不需针对不同输出电压另行调整用来执行过电压保护功能的比较器204与比较器206所应用的参考电压VR2与VR3的设定。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，凡依照本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种电压转换器，包含有：

一变压器，包含有一一次侧绕组、一二次侧绕组以及一辅助绕组，用来将一输入电压转换成一输出电压；

一功率开关，该功率开关的一第一端连接于该一次侧绕组；

一第一控制电路，连接于该功率开关的一第二端，用来根据一电流检测电压产生一第一控制信号以控制该功率开关的运转以及产生一第二控制信号；以及

一电流检测电路，连接于该功率开关的一第三端、该第一控制电路以及该辅助绕组，用来根据该第二控制信号感测该电流检测电压以提供至该第一控制电路；其中该电流检测电路包含有：

一第一电阻，该第一电阻的一第一端连接于该功率开关的该第三端、该第一控制电路以及该辅助绕组，该电流检测电压经由该第一电阻的该第一端输出至该第一控制电路，且该第一电阻的一第二端连接于一第一接地，其中该辅助绕组的一第一端经由一二极体以及一电阻连接至于该功率开关的该第三端；

一第一辅助开关，该第一辅助开关的一第一端连接于该功率开关的该第三端、该第一控制电路以及该辅助绕组，该第一辅助开关的一第二端接于该第一控制电路，用来接收该第二控制信号；以及

一第二电阻，该第二电阻的一第一端连接于该第一辅助开关的一第三端，该第二电阻的一第二端连接于该第一接地；该第一控制电路包含有：

一计时器，用来计数一预定时间；

一比较器，包含有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，该比较器用来根据该计时器的计数运转比较该第一输入端与该第二输入端所接收的信号以产生一比较信号，其中该第一输入端用来接收该电流检测电压，该第二输入端用来接收一参考电压，以及该输出端用来输出该比较信号；以及

一驱动器，连接于该比较器的该输出端，用来根据该比较信号产生该第二控制信号。

2.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，其中当该电流检测电压大于该参考电压且该电流检测电压大于该参考电压的情况持续该预定时间时，该比较器产生并输出该比较信号至该驱动器，该驱动器据以产生该第二控制信号至该第一辅助开关，以及该第一辅助开关相应于该第二控制信号而处于导通状态。

3.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，其中当该电流检测电压小于该参考电压时该比较器产生并输出该比较信号至该驱动器，该驱动器据以产生该第二控制信号至该第一辅助开关，以及该第一辅助开关因应该第二控制信号而处于不导通状态。

4.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，其另包含︰

一第二控制电路，用来根据一***信号产生一第三控制信号；以及

一输出电压切换电路，包含有︰

一第三电阻，该第三电阻的一第一端连接于该二次侧绕组的一第一端；

一第四电阻，该第四电阻的一第一端连接于该第三电阻的一第二端，该第四电阻的一第二端连接于一第二接地；

一稳压器，连接于第四电阻的该第一端以及该第二接地，用来控制该第四电阻的一跨压，使得该第四电阻的该跨压具有一固定电压差值；

一第二辅助开关，该第二辅助开关的一第一端连接于该二次侧绕组的一第一端以及该第三电阻的该第一端，该第二辅助开关的一第二端接于该第二控制电路，用来接收该第三控制信号；以及

一第五电阻，该第五电阻的一第一端连接于该第二辅助开关的一第三端，该第五电阻的一第二端连接于该第三电阻的该第二端、该第四电阻的该第一端以及该稳压器。

5.如权利要求4所述的电压转换器，其特征在于，其中于该***信号指示该输出电压为一第一输出电压值时，该第二控制电路据以产生该第三控制信号以及该第二辅助开关相应于该第三控制信号而处于不导通状态。

6.如权利要求5所述的电压转换器，其特征在于，其中于该***信号指示该输出电压为一第二输出电压值时，该第二控制电路据以产生该第三控制信号以及该第二辅助开关因应该第三控制信号而处于导通状态，其中该第一输出电压值小于该第二输出电压值。

7.如权利要求4所述的电压转换器，其特征在于，其另包含有：

一第一二极体，该第一二极体的一阳极连接于该二次侧绕组的该第一端，该第一二极体的一阴极连接于该第三电阻的该第一端以及该第二辅助开关的该第一端；以及

一第一电容，该第一电容的一第一端连接于该第一二极体的该阴极、该第三电阻的该第一端以及该第二辅助开关的该第一端，该第一电容的一第二端连接于该第二接地。

Images