专利名称：具有主动式lc减震电路的转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有主动式LC减震电路的转换器，特别是涉及一种可在抑制开关突波的同时，将突波能量再生供其它负载使用，而进一步提升转换效率的具有主动式LC减震电路的转换器。
背景技术：
由于科技的日新月异，许多新世代的产品都逐渐朝向轻薄短小等方面发展，尤其对于小型轻量化的电子系统而言，更有赖于转换式电源供应器(SMPS)的高效率化。而为了让转换式电源供应器达到小型轻量化，提高电路的工作频率成为必然的趋势，但是过度的提高工作频率却会导致切换损失的增加，因此，若无法将切换所产生的电能损失再利用，将造成转换效率(效能)的低落。如图1所示，是以往一种基本型无能量的正向转换器1，其包括一具有一初级线圈n1及一次级线圈n2的变压器，初级线圈n1的一端连接一电压源Vin，另一端与相并联的一开关S及一(箝位)电容CS的一连接点连接。次级线圈n2则经由一正向整流电路10耦接至一负载2。此一转换器1的缺点是当工作频率提高造成开关S切换频率增加时，开关S在启闭瞬间产生的电压突波虽能由电容CS吸收，却无法被再生给电源或供给负载2，造成能量损耗而降低转换器1的转换效率。假设转换器1的电压源Vin电压为24V，输出给负载2的电压VO1为12V，如图2所示，由实验可以得出其在输出电流为2A时的输出效率约为88％，但这并非此类转换器的最佳转换效率。
发明内容本发明的目的在于提供一种可借助储存突波能量并再生供给其它负载使用，而提升转换效率的具有主动式LC减震电路的转换器。
本发明具有主动式LC减震电路的转换器，包括一第一变压器及一LC减震电路。该第一变压器具有一第一初级线圈及一第一次级线圈，该第一初级线圈的一端与一第一开关的一端连接。该LC减震电路包括一二极管、一电容、一第二变压器及一第二开关。该二极管以一端与该第一初级线圈的另一端连接。该电容的两端分别与该第一初级线圈的一端以及该二极管的另一端连接。该第二变压器的一第二初级线圈以一端与该电容及二极管的连接点连接。而该第二开关的两端分别与该第二初级线圈的另一端及该第一开关的另一端连接。借此可在抑制开关突波的同时，将突波能量再生而达到提升转换效率目的。
下面通过最佳实施例及附图对本发明具有主动式LC减震电路的转换器进行详细说明，附图中图1是以往一种基本型无能量再生的正向转换器的电路图。
图2是以往基本型无能量再生的正向转换器的转换效率特性曲线图。
图3是本发明具有主动式LC减震电路的转换器的一实施例的电路图，其中该第一变压器的第一次级线圈经由一正向整流电路连接至一第一负载，该第二变压器的第二次级线圈经由一返驰式整流电路连接至一第二负载。
图4一图8是本实施例在不同工作状态下的电流流向图。
图9是本实施例在设定电压源为24V、输出电压为12V及切换频率为80kHz时的转换效率特性曲线图。
图10是本实施例在设定切换频率fS为80kHz，第二初级线圈(电感)n4固定，并改变电容CS时的转换效率特性曲线。
图11是本实施例的切换频率fS与转换效率η的关系特性曲线。
图12是本实施例在电容CS固定，并改变第二初级线圈n4时的转换效率特性曲线。
图13显示本实施例在同时改变第二初级线圈n4、电容CS且共振频率fr控制在80-90kHz之间时的转换效率。
图14～图18显示可适用于本实施例的第一次级线圈n2侧的其它整流电路。
具体实施方式参阅图3所示，是本发明具有主动式LC减震电路的转换器(以下简称转换器3)的一较佳实施例，在本实施例中，转换器3主要包括一第一变压器31及一主动式LC减震电路(active LC snubber)，以下简称LC减震电路32。
第一变压器31包含一第一初级线圈n1及一第一次级线圈n2。第一初级线圈n1的一端与一第一开关S1的一端连接，而第一初级线圈n1与第一开关S1的另一端分别与一电压源Vin的正、负端连接。第一次级线圈n2透过一正向整流电路33耦接至一第一负载4。该正向整流电路33包括一第一二极管D1(具有p、n两端，图未示)、一第二二极管D2(具有p、n两端，图未示)、一电感L及一电容CO1，第一二极管D1的p端与第一次级线圈n2的一端连接。第二二极管D2的两端n、p分别与第一二极管D1的n端及第一次级线圈n2的另一端连接。电感L一端与两二极管D1、D2的连接点连接，而电容CO1的两端分别与电感L的另一端及第二二极管D2的p端连接且与第一负载4并联。
LC减震电路32包含一二极管D(具有p、n两端，图未示)、一电容CS、一第二变压器34及一第二开关S2。二极管D的n端与第一初级线圈n1和电压源Vin的连接点连接。电容CS在本实施例中为一箝位电容，其一端连接二极管D的p端，另一端与第一初级线圈n1和第一开关S1的连接点连接。
第二变压器34包括一第二初级线圈n4及一第二次级线圈n5。第二初级线圈n4的一端与电容CS和二极管D的连接点连接，第二次级线圈n5透过一返驰式整流电路35耦接至一第二负载5，该返驰式整流电路35包括一与第二次级线圈n5及第二负载5串联的第三开关S3及一与第二负载5并联的电容CO2。且值得注意的是二极管D、电容CS、第二初级线圈n4(电感)及第二开关S2构成LC减震电路的主要部分。
第二开关S2的一端与第二初级线圈n4的另一端连接，其另一端则与电压源Vin的负端连接。特别是，第一、第二及第三开关S1、S2、S3是一MOS场效晶体管，且第一及第二开关S1、S2为同步驱动，第三开关S3则与第一及第二开关S1、S2反向驱动。
因此，如图3所示，当第一及第二开关S1、S2截止(off)时，切换瞬间在第一初级线圈n1上产生的电压突波(反电势)可由电容CS吸收，以避免开关的损坏并同时储能，而当第一及第二开关S1及S2导通(on)时，电容CS上的储能即可转移到第二变压器34的第二初级线圈n4上，使在第三开关S3导通(on)时，经由返驰式整流电路35释出给第二负载5。以下则针对转换器3的作动过程做更详细的说明。
首先参照图4所示，转换器3在第一及第二开关S1、S2关闭(off)，第三开关S3开启(on)的瞬间，原先(即上一状态第一及第二开关S1、S2开启(on)，第三开关S3关闭(off)时)储存在第一初级线圈n1上的电能(反电势)循n1-CS-D-n1路径将能量转移给电容CS，此时，第一次级线圈n2侧的正向整流电路33中的第一二极管D1还来不及截止，所以仍有部分电流流过第一二极管D1。同时，原先储存在第二变压器34的第二初级线圈n4中的电能(反电势)经由与第二次级线圈n4连接的返驰式整流电路35释出至第二负载5。所以，如图5所示，当第一初级线圈n1上的电能已全部转移到电容CS上时，第一次级线圈n2侧的正向整流电路33中的第一二极管D1上的电流也已完全截止，且流经正向整流电路33的电流也越来越小。然后，如图6所示，电容CS开始经由n1-Vin-DS2(第二开关S2上的寄生二极管)-n4-CS路径，将电能再生至电压源Vin及转移至第二次级线圈n4上储存，此时，第一次级线圈n2侧感应到第一初级线圈n1上的电压，使正向整流电路33持续循L-第一负载4-D2-L路径对第一负载4供电(放电)，同时，第二次级线圈n5侧的返驰整流电路35则持续对第二负载5放电。因此，如图7所示，在第一及第二开关开启(on)，第三开关关闭(off)时，电压源Vin开始对第一初级线圈n1供电，第一次级线圈n2侧的第一二极管D1导通以供电给第一负载4并同时对电感L充电，且电容CS持续朝第二初级线圈n4放电，同时，流经第一次级线圈n2侧的第二二极管D2的电流将逐渐减少而使第二二极管D2截止，如图8所示，而且，在第一及第二开关S1、S2开启(on)及第三开关S3关闭(off)的状态下，电容CS将持续转移电能至第二初级线圈n4中，使第二初级线圈n4在第一及第二开关S1、S2再次关闭(off)且第三开关S3再次开启(on)时，将能量借助返驰式整流电路35供给第二负载5。
由上述说明可知，转换器3借助LC减震电路32的作用，将第一开关与第二开关S1、S2关闭的瞬间在第一初级线圈n1上产生的电压突波(反电势)由电容CS吸收储存，并使电容CS将电能再生至电压源Vin及转移给第二初级线圈n4储存，并在第一开关与第二开关S1、S2导通(on)时，令电容CS将储存的所有电能转移给第二初级线圈n4储存，使得当第一开关与第二开关S1、S2再次关闭(off)且第三开关S3再次导通(on)时，第二初级线圈n4上的电能即可借助第二次级线圈n5侧的返驰式整流电路35提供给第二负载5，借此，将突波能量再生至电压源Vin或供应电力给第二负载5使用，达到更进一步提升转换器转换效率的效果。
因此，参照图9所示，当设定转换器3的电压源Vin为24V，输出至第一负载4的电压VO1为12V且切换频率fS为80kHz的条件下，对转换器3进行实验可获得一转换效率特性曲线，由该转换效率特性曲线可知，在输出电流Io1为2A时，具有最高转换效率η为89.41％。
再者，为找出转换器3的最佳化设计，如图10所示，在设定切换频率fS为80kHz，第二初级线圈n4固定并调整电容CS的情况下，对转换器3进行实测可得复数条转换效率特性曲线，由图10中可以得知，当CS＝10Nf时，共振频率fr会在89.5kHz，此时可以得到最高转换效率η为89.41％。
另外，探讨转换器3的切换频率fS与转换效率η的关系时，可由图11中的转换效率特性曲线发现，当切换频率fS在80kHz时，其转换效率η为最高。
而且当转换器3的电容CS固定，且调整第二初级线圈n4时可以得到如图12所示的转换特性曲线，其中显示第二初级线圈n4在316μH时转换效率最高。而若同时改变转换器3的第二初级线圈n4、电容CS且共振频率fr控制在80-90kHz之间时，如图13的表列所示，当电容Cs为10nF、第二初级线圈n4为316μH、输出电流Io1为2A且切换频率fS在80kHz时，具有最高的转换效率η为89.41％。
另外值得一提的是，本发明具有主动式LC减震电路的转换器3的第一次级线圈n2侧除了搭配上述的正向整流电路33外，更可以选择搭配如图14-图18所示的其它五种不同的整流电路，其中，图14为一应用MOS场效晶体管T1、T2来取代二极管的正向同步整流电路。图15同样是一应用MOS场效晶体管T1、T2取代二极管的正向同步整流电路，其与图14不同之处主要在于MOS场效晶体管T1上更并联有一串联的电阻R与电容C，以进一步降低震荡及电磁干扰，同时借变压器的重置作用使效率得以再提升。图16是一使用二极管D的返驰式整流电路，图17是一返驰式同步整流电路，其与图16不同的是以MOS场效晶体管T代替二极管。图18亦为一返驰式同步整流电路，其与图17不同的是，在MOS场效晶体管T上更并联一串联的电阻R与电容C，以进一步降低震荡及电磁干扰，同时借变压器的重置作用使效率得以再提升。
同样地，转换器3的第二次级线圈n5侧除了搭配上述返驰式整流电路35外，更可以选择搭配第一次级线圈n2侧的正向整流电路33，或者上述图14、15、17及18所示的其它四种不同的整流电路。
综上所述，本发明具有主动式LC减震电路的转换器3在借助电容CS吸收储存第一初级线圈n1上产生的电能而抑制开关突波的同时，利用LC减震电路34将突波能量再生且供应其它负载，而确实达到提升转换效率的目的与效果。
权利要求
1.一种具有主动式LC减震电路的转换器，包括一第一变压器及一主动式LC减震电路，该第一变压器具有一第一初级线圈及一第一次级线圈，该第一初级线圈的一端与一第一开关的一端连接，其特征在于该主动式LC减震电路包括一二极管、一电容、一第二变压器及一第二开关，该二极管的一端与该第一变压器的第一初级线圈的另一端连接，该电容的两端分别与该第一初级线圈的一端以及该二极管的另一端连接，该第二变压器具有一第二初级线圈及一第二次级线圈，该第二初级线圈的一端与该电容及二极管的连接点连接，且该第二开关的两端分别与该第二初级线圈的另一端及该第一开关的另一端连接。
2.如权利要求1所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该第一变压器的第一次级线圈是经由一正向整流电路连接至一第一负载。
3.如权利要求1所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该第二变压器的第二次级线圈是经由一返驰式整流电路连接至一第二负载。
4.如权利要求3所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该返驰式整流电路包括一第三开关及一电容，该第三开关与该第二次级线圈及第二负载串联，且该电容与第二负载并联。
5.如权利要求1所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该第一变压器的第一次级线圈是经由一正向整流电路连接至一第一负载。
6.如权利要求1所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该第一变压器的第一次级线圈是经由一正向同步整流电路连接至一第一负载。
7.如权利要求1所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该第一变压器的第一次级线圈是经由一返驰式整流电路连接至一第一负载。
8.如权利要求1所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该第一变压器的第一次级线圈是经由一返驰式同步整流电路连接至一第一负载。
9.如权利要求1所述的具有主动式LC减震电路的转换器，其特征在于该第一变压器的第一次级线圈的另一端与第一开关的另一端分别与一电压源的正、负端连接。
10.一种主动式LC减震电路，应用在一转换器中，该转换器具有一第一变压器，且该第一变压器具有一第一初级线圈，该第一初级线圈的一端与一第一开关的一端连接；其特征在于该主动式LC减震电路包括一二极管，其一端与该第一变压器的第一初级线圈的另一端连接；一电容，其两端分别与该第一变压器的第一初级线圈的一端以及该二极管的另一端连接；一第二变压器，具有一第二初级线圈及一第二次级线圈，该第二初级线圈的一端与该电容及二极管的连接点连接；及一第二开关，其两端分别与该第二初级线圈的另一端及该第一开关的另一端连接。
11.如权利要求10所述的主动式LC减震电路，其特征在于该第二变压器的第二次级线圈是经由一返驰式整流电路连接至一负载。
12.如权利要求10所述的主动式LC减震电路，其特征在于第二变压器的第二次级线圈是经由一返驰式同步整流电路连接至一负载。
全文摘要
一种具有主动式LC减震电路的转换器，包括一第一变压器，其第一初级线圈的第一端与一第一开关的第一端连接，一LC减震电路，包括一以第一端与该第一初级线圈的第二端连接的二极管，一以两端分别与该初级线圈的第一端以及该二极管的第二端连接的电容，一以第二初级线圈的第一端与该电容及二极管的连接点连接的第二变压器，以及一以两端分别与该第二初级线圈的第二端及该第一开关的第二端连接的第二开关，借此，可在抑制开关突波的同时，将突波能量再生而达到提升转换效率的目的。
文档编号H02M7/42GK1503445SQ0215284
公开日2004年6月9日 申请日期2002年11月25日 优先权日2002年11月25日
发明者陈野正仁 申请人:鸿运电子股份有限公司, 陈野正仁