TWI425753B - 具無損耗緩振電路之順向－返馳式轉換器 - Google Patents

Description

具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器

本發明是有關於一種順向-返馳式轉換器，特別是有關於一種具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器。

隨著電子產品運用場合之多元化，電源轉換器的使用場合也隨之變得多樣性，而輕薄短小始終是電子產品所追求的目標。因此，提高工作頻率與精簡電路架構就成為縮小電源轉換器體積之主要方向。

第1圖顯示了傳統順向-返馳式轉換器。順向-返馳式轉換器具有低輸出漣波、不需去磁繞組、架構簡單及驅動容易等優點，但傳統順向-返馳式轉換器須外加一輸出電感Lo，導致產品體積增加、成本提高。

將工作頻率提高，可使電路體積縮小並節省元件之成本，但也將導致開關切換損失增加，以致於電源轉換器效率降低，此時可藉由無損耗緩振電路來降低此一問題所造成之不良影響。此外，藉由隔離式線圈迴授機制可有效精簡迴授電路，以降低電路中迴授電路之複雜度。第2圖顯示了傳統具無損耗緩振電路之返馳式轉換器。無損耗緩振電路具儲存漏感能量之機制，可降低開關截止 時之電壓應力，並將所儲存之能量回送至輸入電源端。第3圖則顯示了傳統具隔離式線圈迴授之返馳式轉換器。隔離式線圈迴授電路具隔離式電壓迴授之機制，並能附加提供輔助電源。

因此，如何將無損耗緩振電路及隔離式線圈迴授整合於電路中，以降低開關之切換損失及電壓應力並回收漏感之能量，同時達成精簡電路架構、減少元件數量之目的，已是轉換器進一步改良的重要課題。

有鑑於上述習知技術之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，以解決傳統轉換器須外加輸出電感，導致電路體積增加、成本提高之問題。

根據本發明之另一目的，提出一種具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器。此種轉換器包含一順向-返馳式轉換器及一緩振迴授網路。順向-返馳式轉換器具有一變壓器，於該變壓器一次側之迴路中具有一輸入電源端及一開關，在該變壓器二次側之迴路中具有一個電感，於一次側之迴路中具有一個電感及一個漏感。緩振迴授網路則可以儲存一次側迴路中漏感之能量，並利用該變壓器將能量回傳於該輸入電源端，以達到降低該開關兩端之電壓應力及該開關切換所造成之耗損，並在該變壓器二次側取得一迴授電壓，藉由該迴授電壓決定該開關之切換。

根據本發明之再一目的，提出一種種順向-返馳式轉換器，其包含一變壓器、一第一電感、一漏感、一第二電感、一第一二極體、一第二二極體及一開關。漏感具有一第一端耦接於一輸入電源 端，及一第二端耦接至該變壓器一次側之一第一線圈之一第一端。第二電感具有一第一端耦接於該漏感之該第二端，及一第二端耦接於該變壓器一次側之該第一線圈之一第二端。第一電感具有一第二端耦接至該變壓器二次側之一第二線圈之一第一端。第一二極體具有一正極耦接至該第一電感之一第一端，及一負極耦接至一輸出端。第二二極體具有一正極耦接至該變壓器二次側之該第二線圈之一第二端，及一負極耦接至該輸出端。開關則具有一第一端耦接至該變壓器一次側之該第一線圈之該第二端，及一第二端耦接至一接地點。

承上所述，依本發明之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，其可具有一或多個下述優點：

(1)精簡電路架構與降低驅動電路之複雜度。

(2)使用磁整合元件以達到節省元件之目的。

(3)降低開關電壓應力。

(4)減少電感所造成之損失。

4、51‧‧‧順向-返馳式轉換器

41、511‧‧‧變壓器

524、525‧‧‧電容

43、512‧‧‧第一電感

441、442、516、517、521、522、523‧‧‧二極體

45、513‧‧‧開關

5‧‧‧具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器

52‧‧‧緩振迴授網路

421、514‧‧‧漏感

422、515‧‧‧第二電感

53‧‧‧分壓器

54‧‧‧脈衝寬度調變控制電路

第1圖顯示了傳統順向-返馳式轉換器；第2圖顯示了傳統具無損耗緩振電路之返馳式轉換器；第3圖顯示了傳統具隔離式線圈迴授之返馳式轉換器；第4圖顯示了本發明一實施例中之順向-返馳式轉換器；第5圖顯示了本發明另一實施例中具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器；以及第6~7圖顯示了第5圖中具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器 之信號波形與效率圖。

請參閱第4圖，其係為本發明一實施例中之順向-返馳式轉換器。圖中，順向-返馳式轉換器4包含一變壓器41、漏感421、第二電感422、第一電感43、二極體441、442、開關45、輸出電容Co、輸出電阻Ro。漏感421具有一第一端耦接於一輸入電源端Vin，及一第二端耦接至變壓器41一次側之一第一線圈N1之一第一端。第二電感422具有一第一端耦接於漏感421之第二端，及一第二端耦接於變壓器41一次側之第一線圈N1之一第二端。第一電感43具有一第二端耦接至變壓器41二次側之一第二線圈N2之一第一端；另外第一電感43亦可整合於該變壓器41中。二極體441具有一正極耦接至第一電感43之一第一端，及一負極耦接至一輸出端Vout。二極體442具有一正極耦接至變壓器41二次側之第二線圈N2之一第二端，及一負極耦接至輸出端Vout。開關45具有一第一端耦接至變壓器41一次側之第一線圈N1之第二端，及一第二端耦接至一接地點。輸出電容Co耦接於變壓器41二次側之第二線圈N2之中間點與輸出端Vout之間。輸出電阻Ro耦接於變壓器41二次側之第二線圈N2之中間點與輸出端Vout之間。其中，第一電感43、漏感421、第二電感422及變壓器41係共同形成一磁整合元件。

請參閱第5圖，其係為本發明另一實施例中具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器。圖中，具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器5包含一順向-返馳式轉換器51及一緩振迴授網路52。順向-返馳式轉換器51包含一變壓器511、一第一電感512、及一開關513。於變壓器511一次側之迴路中具有一輸入電源端Vin及開關 513，在變壓器511二次側之迴路中具有第一電感512；另外第一電感512亦可整合於該變壓器511中。緩振迴授網路52則儲存漏感514之能量，並利用變壓器511將能量回傳於輸入電源端Vin，以達到降低開關513兩端之電壓應力Vds及開關513切換所造成之耗損，並在變壓器511二次側取得一迴授電壓Vfb，藉由迴授電壓Vfb決定開關513之切換。

順向-返馳式轉換器51更包括漏感514、第二電感515及二極體516、517。漏感514具有一第一端耦接於輸入電源端Vin，及一第二端耦接至變壓器511一次側之一第一線圈N1之一第一端。第二電感515具有一第一端耦接於漏感514之第二端，及一第二端耦接於變壓器511一次側之第一線圈N1之一第二端。二極體516具有一正極耦接至第一電感512之一第一端，及一負極耦接至一輸出端Vout。二極體517具有一正極耦接至變壓器511二次側一第二線圈N2之一第二端，及一負極耦接至輸出端Vout。電感512之一第二端係耦接至變壓器511二次側之第二線圈N2之一第一端。開關513具有一第一端耦接至變壓器511一次側之第一線圈N1之第二端，及一第二端耦接至一接地點。其中，第一電感512、第二電感515及變壓器511係共同形成一磁整合元件。

緩振迴授網路52則包括二極體521、522、523、電容524、525及一線圈N3。二極體521具有一負極耦接至輸入電源端Vin。二極體522具有一負極耦接至二極體521之正極。二極體523具有一正極耦接至二極體522之正極，及一負極耦接至迴授電壓之輸出端Vfb。電容524耦接於二極體521之正極與變壓器511一次側之第一線圈N1之第二端。電容525耦接於二極體523之負極及一接地點之間 。線圈N3則置於變壓器511之二次側與第一線圈N1產生耦合，具有一第一端耦接至該二極體523之正極，及一第二端耦接至接地點。

本實施例中之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器5尚可包括一分壓器53及一脈衝寬度調變控制電路54。分壓器53取得迴授電壓Vfb並產生迴授電壓Vfb之一分壓Vfb’。脈衝寬度調變控制電路54則以迴授電壓Vfb做為供應電壓，並依據迴授電壓之分壓Vfb’輸出不同的脈衝寬度調變信號S，使得開關513依據脈衝寬度調變信號S進行切換。

本實施例中之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器5亦可包括一輸出電容Co及一輸出電阻Ro。輸出電容Co耦接於變壓器511二次側之第二線圈N2之中間點與輸出端Vout之間。輸出電阻Ro則耦接於變壓器511二次側之第二線圈N2之中間點與輸出端Vout之間。

第5圖中之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器5，其操作略述如下。於開關513截止時(第6圖中之t0~t1期間)，電感512之電流續流並將能量經由二極體516傳送至輸出端，此模式為順向式轉換器之特徵。激磁電感515之能量經由變壓器511傳送至二次側線圈N2並經由二極體517傳送至輸出端，此模式為返馳式轉換器之特徵。

於開關513截止時(第6圖中之t0~t1期間)，電感514之能量經由二極體521儲存至緩振電容524，以降低開關513上之電壓應力Vds。此外，由第7圖可比較得知，加入無損耗緩振電路後可有效降低 開關電壓應力Vds。

於開關513導通，儲存於電容524上之能量經由開關513、線圈N3及二極體522形成迴路，並透過變壓器511將能量傳送至輸入電源端Vin，以達到回收漏感514能量之目地。

綜上所述，本發明係將傳統順向-返馳式轉換器加以改良利用漏感取代傳統轉換器中之輸出電感，亦將變壓器二次側線圈代替傳統轉換器中之二極體成為迴路之路徑。改良後之電路除了保有傳統順向-返馳式轉換器之優點外，亦可節省一輸出電感及一輸出二極體元件。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

5‧‧‧具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器

51‧‧‧順向-返馳式轉換器

511‧‧‧變壓器

524、525‧‧‧電容

512‧‧‧第一電感

516、517、521、522、523‧‧‧二極體

513‧‧‧開關

52‧‧‧緩振迴授網路

514‧‧‧漏感

515‧‧‧第二電感

53‧‧‧分壓器

54‧‧‧脈衝寬度調變控制電路

Claims (6)

1. 一種具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，其包含：一轉換器，具有一變壓器，在該變壓器二次側之迴路中具有一第一電感，於該變壓器一次側之迴路中具有一輸入電源端及一開關；以及一緩振迴授網路，儲存一漏感上之能量，並利用該變壓器將該能量回傳於該輸入電源端，以達到降低該開關兩端之電壓應力及該開關切換所造成之耗損，並在該變壓器二次側取得一迴授電壓，藉由該迴授電壓決定該開關之切換，其中該漏感具有一第一端耦接於該輸入電源端，及一第二端耦接至該變壓器一次側之一第一線圈之一第一端；其中該轉換器更包含：一第二電感，具有一第一端耦接於該漏感之該第二端，及一第二端耦接於該變壓器一次側之該第一線圈之一第二端；一第一二極體，具有一正極耦接至該第一電感之一第一端，及一負極耦接至一輸出端；以及一第二二極體，具有一正極耦接至該變壓器二次側一第二線圈之一第二端，及一負極耦接至該輸出端；其中該緩振迴授網路包括：一第三二極體，具有一負極耦接至該輸入電源端；一第四二極體，具有一負極耦接至該第三二極體之正極；一第五二極體，具有一正極耦接至該第四二極體之正極，及一負極耦接至該迴授電壓之輸出端；一第一電容，耦接於該第三二極體之正極與該變壓器一次側之該第一線圈 之該第二端；一第二電容，耦接於該第五二極體之負極及一接地點之間；以及一第三線圈，置於該變壓器之二次側與該第一線圈產生耦合，具有一第一端耦接至該第五二極體之正極，及一第二端耦接至該接地點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，其中該第一電感、該漏感、該第二電感及該變壓器係共同形成一磁整合元件。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，其中該第一電感之一第二端係耦接至該變壓器二次側之該第二線圈之一第一端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，其中該開關具有一第一端耦接至該變壓器一次側之該第一線圈之該第二端，及一第二端耦接至一接地點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，更包括：一分壓器，取得該迴授電壓並產生該迴授電壓之一分壓；以及一脈衝寬度調變控制電路，以該迴授電壓做為供應電壓，並依據該迴授電壓之分壓輸出不同的脈衝寬度調變信號；其中，該開關之切換係依據該脈衝寬度調變信號進行切換。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩振電路之順向-返馳式轉換器，更包括：一輸出電容，耦接於該變壓器二次側之該第二線圈之中間點與該輸出端之間；以及一輸出電阻，耦接於該變壓器二側之該第二線圈之中間點與該輸出端之間。