TWI779914B - 具電壓輸出調變之電源轉換器 - Google Patents

具電壓輸出調變之電源轉換器 Download PDF

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  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
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Abstract

本發明為一種具電壓輸出調變之電源轉換器，包含一隔離式直流／直流變壓器、一一次側線路及一二次側線路；該一次側線路連接該隔離式直流／直流變壓器的一次側線圈，用以將直流輸入電源傳遞至該一次側線圈；該二次側線路連接該隔離式直流／直流變壓器的該二次側線圈，其中，該二次側線路包含有一第一輸出迴路及一第二輸出迴路，在該第一輸出迴路中串接一模式切換開關；當負載之用電功率相對較少時，該模式切換開關控制為不導通以中斷該第一輸出迴路，令二次側線路輸出相對較低之一第一輸出電壓；當負載之用電功率相對較大時，該模式切換開關控制為導通，令該二次側線路輸出相對較高之一第二輸出電壓，藉此本發明之電源轉換器不需大幅增加線路，即可實現寬電壓調整幅度目的。

Description

具電壓輸出調變之電源轉換器
本發明為一種電源轉換器，尤指一種可提供寬電壓調整幅度的電源轉換器。
電子產品一般會搭配單獨設計之充電器使用，該充電器之輸出功率能符合該電子產品之需求；但不同的電子產品就必須得準備多種輸出功率的充電器，這對於使用者來說極為不便。
現有的單一充電器為了能夠提供寬電壓調整幅度，通常會整合多組切換架構以實現高功率且多電壓輸出的功能，請參閱圖11所示，現有充電器會包含多組並聯的隔離式直流/直流轉換模組300、400，其中一直流/直流轉換模組400負責低電壓之需求，另一直流/直流轉換模組300則負責高電壓之需求。
當該充電器通過輸入埠100接收到交流電時，該交流電係通過整流單元200轉換成直流電後，輸入至該些直流/直流轉換模組300、400的一次側單元，再由該些直流/直流轉換模組300、400的二次側單元將轉換後的直流電分別輸出至高功率輸出埠500及一般功率輸出埠600。當中該高功率輸出埠500輸出相對較高之充電功率，可應用於高充電功率需求的電子產品，而該一般功率輸出埠600則輸出較相對較低之充電功率，可應用於低充電功率需求的電子產品。
然而圖11架構需要設置多組的隔離式直流/直流轉換器模組300、400，限制了該充電器的空間利用效率並導致該充電器的體積變大，因而不便於攜帶。
另一方面，若是該充電器當中不採用多組的隔離式直流/直流轉換器模組，則目前市面上的同類型產品則不具備寬電壓調整幅度的電壓輸出，例如以USB開發者論壇(USB IF)所發布的寬電壓調整幅度規格，應具有5~48伏特(V)的輸出電壓以及最高240瓦特(W)的輸出功率，但傳統架構僅能達到5~20伏特而無法符合需求。
有鑑於上述問題，本發明提供一種「具電壓輸出調變之電源轉換器」，在不需要並聯多組直流/直流轉換器模組的情形下，可提供能滿足負載情況的寬電壓輸出。
為完成上述目的，具電壓輸出調變之電源轉換器包含有：
一隔離式直流／直流變壓器，具有一一次側線圈及一二次側線圈；
一一次側線路，連接該隔離式直流／直流變壓器的該一次側線圈，用以將一直流輸入電源傳遞至該一一次側線圈；
一二次側線路，連接該隔離式直流／直流變壓器的該二次側線圈，該二次側線路包含有一第一輸出迴路及一第二輸出迴路；
一模式切換開關，係串接在該第一輸出迴路；
其中，當該模式切換開關不導通時，該第一輸出迴路為斷路，該二次側線路係輸出一第一輸出電壓；當該模式切換開關導通時，該二次側線路係輸出一第二輸出電壓，該第二輸出電壓高於該第一輸出電壓。
該模式切換開關係依據負載之用電功率需求，而控制為導通或是不導通，藉此調變二次側線路之配置而輸出能夠滿足負載需求之電壓，其中，本發明仍僅用單一組的隔離式直流／直流變壓器進行電壓轉換，不需使用多組並聯之轉換器模組，故能避免多組轉換器模組佔據空間、增加重量之問題，同時可實現寬電壓調整幅度的目的。
請參閱圖1所示的電路，為本發明「具電壓輸出調變之電源轉換器」第一實施例的詳細電路，包括有一隔離式的直流／直流變壓器10、一一次側線路20、一二次側線路30。
該直流/直流變壓器10具有一一次側線圈11及一二次側線圈12，本實施中該二次側線圈12為中間抽頭的線圈，該二次側線圈12具有一第一端121、一第二端122及一中間抽頭端123。
該一次側線路20連接該一次側線圈11，包含有：一電感L、一諧振電容C、一第一開關Q1及一第二開關Q2，其中該第一開關Q1與第二開關Q2在此以NMOS功率電晶體為例。該電感L並聯在該一次側線圈11的兩端；該諧振電容C連接在一輸入端Vin與該一次側線圈11其同名端(即具有標記點之端部)之間；該第二開關Q2串聯在該一次側線圈11之非同名端(即無標記點之端部)與接地之間；該第一開關Q1的一端連接該輸入端Vin，另一端連接該該一次側線圈11之非同名端。
該二次側線路30連接該二次側線圈12，包含一第一輸出迴路及一第二輸出迴路，在該第一輸出迴路中串接一模式切換開關Q m；本實施例中，該二次側線路30具有一第一整流開關Q sr1及一第二整流開關Q sr2，該第一整流開關Q sr1連接在二次側線圈12的第一端121而且與該模式切換開關Q m的其中一端串聯，該模式切換開關Q m的另一端為接地，藉此該二次側線圈12、該第一整流開關Q sr1與該模式切換開關Q m形成該第一輸出迴路。該第二整流開關Q sr2串接在二次側線圈12的第二端122與接地端之間，以形成該第二輸出迴路；該二次側線圈12的中間抽頭端123連接一輸出電容Co，經轉換後的直流電源可透過該輸出電容Co的兩端輸出至負載。該第一整流開關Q sr1與該模式切換開關Q m在此均以NMOS功率電晶體為例，且兩者源極端相連接。
本發明的電源轉換器可根據負載所需的用電功率，操作在一第一工作模式或是一第二工作模式，其中，電源轉換器在第二工作模式時輸出的供電功率大於第一工作模式時輸出的供電功率。該第一工作模式例如是「非對稱半橋反馳式控制模式(asymmetric half-bridge flyback mode)」，可提供36伏特以下之第一輸出電壓予負載；該第二工作模式例如是「半橋LLC控制模式(half-bridge LLC mode)」，可提供36~48伏特之第二輸出電壓予負載。具體方式如圖10所示，配合一電力供應控制器5(PD controller) 偵測負載所需的用電功率，當負載所需的用電功率相對較小時，本發明操作在非對稱半橋反馳式控制模式，反之當負載所需的用電功率相對較大時，本發明操作在半橋LLC控制模式。以下進一步針對這兩種模式說明。
一、第一工作模式(非對稱半橋反馳式控制模式)：
請參考圖2所示，首先針對各波形代表的意義說明如下：
Vds2：第二開關Q2其汲極-源極之間的電壓。
Vgs2：第二開關Q2其閘極-源極之間的電壓。
Ids2：通過第二開關Q2的電流。
Icr：通過諧振電容C的電流。
Isr2：通過第二整流開關Q sr2的電流。
Vgsr2：第二整流開關Q sr2其閘極-源極之間的電壓。
Vgs-mode：模式切換開關Q m其閘極-源極之間的電壓。
在非對稱半橋反馳式控制模式下，該模式切換開關Q m固定維持不導通(OFF)，因此圖2中的Vgs-mode持續為低電壓準位，因為該模式切換開關Q m相當於開路，因此第一整流開關Q sr1無作用。進一步參考圖3A，圖3A表示在一次側線路20中的第一開關Q1不導通、第二開關Q2導通、第二整流開關Q sr2不導通時的電路動作，可看出電流Icr、Ids2漸漸上升，而在二次側線路30中的電流Isr2大致為0。圖3B中則表示第一開關Q1導通、第二開關Q2不導通、第二整流開關Q sr2導通時的電路動作，可看出二次側線路30中提供了半波的電流Isr2 。
二、第二工作模式(半橋LLC控制模式)：
請參考圖4所示，針對各波形代表的意義說明如下：
Vds2：第二開關Q2其汲極-源極之間的電壓。
Vgs2：第二開關Q2其閘極-源極之間的電壓。
Icr：通過諧振電容C的電流。
Isr1：通過第一整流開關Q sr1的電流。
Isr2：通過第二整流開關Q sr2的電流。
Vgsr1：第一整流開關Q sr1其閘極-源極之間的電壓。
Vgsr2：第二整流開關Q sr2其閘極-源極之間的電壓。
Vgs-mode：模式切換開關Q m其閘極-源極之間的電壓。
在半橋LLC控制模式下，該模式切換開關Q m固定維持導通(ON)，因此圖4中的Vgs-mode持續為高電壓準位。進一步參考圖5A，圖5A表示在一次側線路20中的第一開關Q1不導通、第二開關Q2導通、第一整流開關Q sr1導通、第二整流開關Q sr2不導通時的電路動作，在二次側線路30中有電流Isr1通過該第一整流開關Q sr1。圖5B中則表示第一開關Q1導通、第二開關Q2不導通、第一整流開關Q sr1不導通、第二整流開關Q sr2導通時的電路動作，二次側線路30中有電流Isr2通過第二整流開關Q sr2 。根據圖4的波形可以理解在不同週期，二次側線路30中均可輸出電流Isr1、Isr2，因此相較於第一工作模式，電源轉換器在第二工作模式下可提供相對較高之供電功率。
請參考圖6，本發明第二實施例與第一實施例差異在於該一次側線路20的連接方式。該一次側線路20仍是連接該一次側線圈11，包含有：電感L、諧振電容C、第一開關Q1及第二開關Q2。該電感L並聯在該一次側線圈11的兩端；諧振電容C連接在接地與該一次側線圈11的非同名端之間；該第一開關Q1連接在該一次側線圈11之同名端與接地之間；該第二開關Q2的一端連接該輸入端Vin，另一端連接該一次側線圈11之同名端。
請參考圖7，本發明第三實施例與第一實施例差異在於該直流／直流變壓器10的二次側線圈12為單一線圈，僅具有第一端121及第二端122，而無中間抽頭端。且該二次側線路30的架構為一全橋整流電路，該全橋整流電路包含複數二極體D1~D4，其中全橋整流電路的二輸入端31、32分別連接該二次側線圈12的第一端12及第二端，全橋整流電路的二輸出端33、34分別連接該輸出電容Co的二端。該二次側線圈12、二極體D1、輸出電容Co、二極體D4連接形成第一輸出迴路，該模式切換開關Q m與該二極體D4串接；二次側線圈12、二極體D2、輸出電容Co、二極體D3連接形成第二輸出迴路。當該模式切換開關Q m維持導通時，該全橋整流電路提供全波整流，使電源轉換器操作在第二工作模式；相反的，該模式切換開關Q m維持不導通時，其所在之第一輸出迴路為開路狀態，該全橋整流電路僅提供半波整流作用，使電源轉換器操作在第一工作模式。
圖8為本發明的第四實施例，相較於圖7，該全橋整流電路中的一個或數個二極體取代為功率電晶體，圖8中將原本的二極體D3改為一功率電晶體，該功率電晶體與模式切換開關Q m串聯。
圖9為本發明的第五實施例，相較於圖7，全橋整流電路中原本的各個二極體D1~D4均改為功率電晶體，其中，該模式切換開關Q m可以與任一功率電晶體串聯。
請參考圖10，本發明「具電壓輸出調變之電源轉換器1」應用於一電源供應器中，該電源供應器可以是一充電器(power adapter)，用於對一電子設備進行充電。該電源供應器還包括一抗電磁干擾(EMI)單元2、一整流單元3、一功率因素校正單元4等，其中交流輸入電源(AC)通過該抗電磁干擾單元2、該整流單元3以及該功率因素校正單元4的處理後，輸入至本發明的電源轉換器1，當電力供應控制器5判斷負載需要較高的充電功率時，該電力供應控制器5輸出複數控制信號至電源轉換器1以控制該第一開關Q1、第二開關Q2、模式切換開關Q m、第一整流開關Q sr1、第二整流開關Q sr2的導通／截止時序，使電源轉換器1操作在半橋LLC控制模式，提供較大的充電功率予電子設備。另一方面，當電力供應控制器5判斷負載需要較低的充電功率時，該電力供應控制器5輸出複數控制信號至電源轉換器1，使電源轉換器工作在非對稱半橋反馳式控制模式，以提供較低的充電功率予電子設備。
本發明在不需要並聯多組直流/直流轉換模組的情形下，能夠根據不同負載所需的用電功率需求，控制該模式切換開關Qm的狀態而使電源轉換器操作在不同模式，產生符合條件的輸出電力。本發明以相對簡單的電路架構實現了寬電壓調整幅度(例如5~48V)，避免電源轉換器體積龐大、不便攜帶使用的問題，更是有利於作為攜帶型設備之供電器。
以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
1:電源轉換器
2:抗電磁干擾單元
3:整流單元
4:功率因素校正單元
5:電力供應控制器
10:直流/直流變壓器
11:一次側線圈
12:二次側線圈
121:第一端
122:第二端
123:中間抽頭端
20:一次側線路
30:二次側線路
31,32:輸入端
33,34:輸出端
Q1:第一開關
Q2:第二開關
Q m:模式切換開關
Q sr1:第一整流開關
Q sr2:第二整流開關
C:諧振電容
L:電感
D1~D4:二極體
100:輸入埠
200:整流單元
300:直流/直流轉換器模組
400:直流/直流轉換器模組
500:高功率輸出埠
600:一般功率輸出埠
Vin:輸入端
Co:輸出電容
圖1：本發明第一實施例的電路圖。 圖2：本發明操作在第一工作模式下的波形圖。 圖3A：本發明操作在第一工作模式時，第二開關Q2導通時的電路動作圖。 圖3B：本發明操作在第一工作模式時，第二開關Q2未導通時的電路動作圖。 圖4：本發明操作在第二工作模式下的波形圖。 圖5A：本發明操作在第二工作模式時，第二開關Q2導通時的電路動作圖。 圖5B：本發明操作在第二工作模式時，第二開關Q2未導通時的電路動作圖。 圖6：本發明第二實施例的電路圖。 圖7：本發明第三實施例的電路圖。 圖8：本發明第四實施例的電路圖。 圖9：本發明第五實施例的電路圖。 圖10：本發明電源轉換器使用於一電源供應器中的電路方塊圖。 圖11：現有充電器之電路方塊圖。
1:電源轉換器
10:直流/直流變壓器
11:一次側線圈
12:二次側線圈
121:第一端
122:第二端
123:中間抽頭端
20:一次側線路
30:二次側線路
Q1:第一開關
Q2:第二開關
Qm:模式切換開關
Qsr1:第一整流開關
Qsr2:第二整流開關
C:諧振電容
L:電感
Vin:輸入端
Co:輸出電容

Claims (9)

  1. 一種具電壓輸出調變之電源轉換器，包含有：一隔離式直流/直流變壓器，具有一一次側線圈及一二次側線圈；一一次側線路，連接該隔離式直流/直流變壓器的該一次側線圈，用以將一直流輸入電源傳遞至該一一次側線圈；一二次側線路，連接該隔離式直流/直流變壓器的該二次側線圈，該二次側線路包含有一第一輸出迴路及一第二輸出迴路；一模式切換開關，係串接在該第一輸出迴路；其中，當該模式切換開關不導通時，係操作在一第一工作模式，該第一輸出迴路為斷路，該二次側線路係輸出一第一輸出電壓；當該模式切換開關導通時，係操作在一第二工作模式，該二次側線路係輸出一第二輸出電壓，該第二輸出電壓高於該第一輸出電壓；其中，該第一工作模式為非對稱半橋反馳式控制模式，該第一輸出電壓為36伏特以下；該第二工作模式為半橋LLC控制模式，該第二輸出電壓為介於36~48伏特之電壓。
  2. 如請求項1所述具電壓輸出調變之電源轉換器，其中：該二次側線圈為一中間抽頭線圈，包含有一第一端、一第二端及一中間抽頭端；該二次側線路包含一第一整流開關及一第二整流開關，其中，該第一整流連接該二次側線圈的第一端並與該模式切換開關串聯，該模式切換開關的另一端為接地以形成該第一輸出迴路；該第二整流開關連接該二次側線圈的第二端與接地端之間，以形成該第二輸出迴路； 該二次側線圈的中間抽頭端連接一輸出電容。
  3. 如請求項2所述具電壓輸出調變之電源轉換器，該第一整流開關及該模式切換開關皆為NMOS功率電晶體，其源極端相連接。
  4. 如請求項1所述具電壓輸出調變之電源轉換器，其中，該二次側線圈具有一第一端及一第二端；該二次側線路為一全橋整流電路，該全橋整流電路由第一二極體~第四二極體形成，具有二輸入端及二輸出端，其中該二輸入端分別連接該二次側線圈的第一端及第二端，該二輸出端之間連接一輸出電容；該模式切換開關係與該第一二極體~第四二極體之中的其中一個串聯。
  5. 如請求項1所述具電壓輸出調變之電源轉換器，其中，該二次側線圈具有一第一端及一第二端；該二次側線路為一全橋整流電路，該全橋整流電路由複數二極體及至少一功率電晶體形成，具有二輸入端及二輸出端，其中該二輸入端分別連接該二次側線圈的第一端及第二端，該二輸出端之間連接一輸出電容；該模式切換開關係與該複數二極體或該至少一功率電晶體之中的其中一個串聯。
  6. 如請求項1所述具電壓輸出調變之電源轉換器，其中，該二次側線圈具有一第一端及一第二端；該二次側線路為一全橋整流電路，該全橋整流電路由複數功率電晶體形成，具有二輸入端及二輸出端，其中該二輸入端分別連接該二次側線圈的第一端及第二端，該二輸出端之間連接一輸出電容；該模式切換開關係與該複數功率電晶體之中的其中一個串聯。
  7. 如請求項1至6中任一項所述具電壓輸出調變之電源轉換器，其中，該一次側線路包含：一電感，並聯在該一次側線圈的兩端；一諧振電容，連接在一直流電源輸入端與該一次側線圈之同名端之間；一第一開關，其一端連接該電源輸入端，另一端連接該一次側線圈之非同名端；一第二開關，串聯在該一次側線圈之非同名端與接地之間。
  8. 如請求項1至6中任一項所述具電壓輸出調變之電源轉換器，其中，該一次側線路包含：一電感，並聯在該一次側線圈的兩端；一諧振電容，連接在一接地端與該一次側線圈之非同名端之間；一第一開關，其一端連接該接地端，另一端連接該一次側線圈之同名端；一第二開關，串聯在該一次側線圈之非同名端與一直流電源輸入端之間。
  9. 如請求項1所述具電壓輸出調變之電源轉換器，其中，該模式切換開關係連接一電力供應控制器，該電力供應控制器根據負載之用電需求輸出一控制信號以控制該模式切換開關。
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