专利名称：改良互稳压性的多重输出转换器的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种切换式电源供应器的输出整流电路，特是有关于一种同时应用同步整流器与二极管整流器的多重输出整流器。
背景技术：
直流/直流转换器(DC/DC converter)，主要用以提供电源给例如电脑、通讯装置及个人数位助理等电子设备。直流/直流转换器用来转换一直流输入电压成一或多重经调整的直流输出电压。举例来说，对于个人电脑或网络应用，直流/直流转换器可用以转换一输入电压成三个主要的直流输出(12V、5Y、3.3V)。
图1说明了现有技术中的多重输出顺向式转换器(ForwsrdConvertef)。此顺向式转换器包含了偶合至一变压器的初级线圈10输入电晶体切换电路20。在这说明的具体例子中，输入电晶体切换电路典型上为功率切换金属氧化半导体场效电晶体(power switching MOSFET)。顺向式转换器具有第一及第二输出电压电路以分别提供第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2。这两输出电路的每个电路包含有次级线圈12、14、二极管整流器30、32以及34、36、输出抗流圈(0utput Choke)50、52，以及输出电容60、62，两输出抗流圈50、52相互耦合于一铁心(Core)以改善互稳压性并达到低成本的设计。加权电压调整器70控制输入电晶体切换电路20的工作周率(duty cycle)以调整第一及第二输出电压5Vo1、Vo2。
图1中的顺向式转换器之一个缺点为，次级线圈12、14以及输出抗流圈50，52总是无法理想地耦合而无任何的漏电感(leakage)。再者，当顺向电流(forward current)减少时，整流器内二极管的顺向压降(forwarddrop voltage)会降低。这些因素都会使互稳压性变得不理想，尤其是当其中一个输出处于轻负载，而其他输出处于满载的情况下。
图2显示了一个改良的电路。在此电路中，次级线圈12及14彼此相互重叠。线圈14提供第一输出电压Vo1，而线圈12加上线圈14提供第二输出电压Vo2。与第一固显示的电路相比，由于线圈14为第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2共同使用，故提供第一输出Vo1及第二输出Fo2的线圈的耦合性将会有效地增加。这有助于第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2的互稳压性。
图3显示了整流器堆叠的转换器，以更进一步改善互稳压性。其中第一输出电路的二极管34及36顺向压降会反应到第二输出电路。
然而，在这些电路中，抗流圈50及52的操作模式会影响到抗流圈的互稳压性。互稳压性仅能在连续电流工作模式(continus current mode)下有良好的表现。
随着持续的低输出电压需求的趋势，次级整流器已广泛地采用同步整流器来符合高效率的操作设计。图4显示了顺向式转换器，其中第一输出电路501使用具有金属氧化半导体场效电晶体40及44的同步整流器，以及第二输出电路502使用具有顺向二极管30及续流二极管32的二极管整流器。由驱动器80来驱动金属氧化半导体场效电晶体40及44。由于与二极管整流器相比较，同步整流器有较低的导通压降(conductionVoltage drop)，以及由于第一输出电路501的连续电流工作模式(continus conduction mode，CCM)的操作，这两个输出电路501、502在输出电路502为轻负载的最糟糕状的的操作环境下，将导致数个稳压性的问题。
发明内容
本发明的目的为提供一多重输出直流/直流转换器，以使多重输出直流/直流转换器的所有输出均操作于连续电流工作模式，以确保达到符合需求的互稳压性。
本发明的再一目的为提供一至少有一同步整流器的多重转换器，藉由应用一低功率电晶体(a low power active switch)达到改良互稳性。
一种具改良互稳压性的多重输出转换器，包含一变压器，是包含有一主线圈及复数个次级线圈；复数个输出电路，是提供复数个输出电压；该复数个输出电路的每个电路分别与该复数个次级线圈之一偶合，该复数个输出电路中至少一个电路使用同步整流器，而其他输出电路使用二极管整流器，其中该其他输出电路的每个电路更包含与该复数个二极管电路的一续流二极管并联的一切换元件，以确使该其他电路操作于连续电流工作模式；以及一驱动器，是连接该同步整流器，以驱动该同步整流器及该其他复数个输出电路的该切换元件。
根据本发明之一实施例，本发明提供一种具改良互稳压性的多重输出转换器。该转换器包含一变压器，是包含有一主线圈、一第一次级线圈及一第二次级线圈；一第一输出电路，是包含耦合至该第一次级线圈之一同步整流器，以提供一第一输出电压；一第二输出电路，是包含耦合至该第二次级线圈之一二极管整流器，以提供一第二输出电压；一切换元件，是与该二极管整流器之一续流二极管并联，以确使该第二输出电路操作于连续电流工作模式；以及一驱动器，是连接该同步整流器，以驱动该同步整流器及该切换元件。
根据另一实施例，提供一种具改良互稳压性的多重输出转换器，该转换器，包含一变压器，是包含有一主线圈及复数个次级线圈；复数个输出电路，是提供复数个输出电压；该复数个输出电路的每个电路分别与该复数个次级线圈之一耦合，该复数个输出电路中至少一个电路使用同步整流器，而其他输出电路使用二极管整流器，其中该其他输出电路的每个电路更包含与该复数个二极管整流电路之一续流二极管并联之一切换元件，以确使该其他输出电路的每个电路均操作于连续电流工作模式；以及一驱动器，是连接该同步整流器，以驱动该同步整流器及该其他复数个输出电路的该切换元件。
根据又一实施例，提供了一种改良多重输出转换器互稳压性的方法，其中所述的转换器包含复数个输出电路以提供复数个输出电压，该复数个输出电路的每个电路分别耦合至复数个次级线圈之一，该复数个输出电路中至少一个电路使用同步整流器，而其他输出电路使用二极管整流器。其中该方法包含提供一切换元件给该其他输出电路的每个电路，该切换元件分别与该复数个二极管电路的续流二极管并联，以确使该其他输出电路操作于连续电流工作模式。
为了更完整地了解本发明，参考下列相关图式说明，其中图1为现有技术中多重输出顺向式转换器的电路示意图；图2是现有技术中具有堆叠次级线圈的多重输出顺向式转换器的电路示意图；图3是现有技术中具有堆叠次级及整流器的多重输出顺向式转换器的电路示意图；图4是现有技术中具有同步整流器的高效率设计的多重输出顺向式转换器的电路示意图；图5是本发明的第一个可替代的实施例的具有改良互稳压性的双输出的转换器的示意图；图6是本发明的第二个可替代的实施例的具有改良互稳压性的双输出转换器的示意图；图7是本发明的第三个可替代的实施例的具有改良互稳压性的双输出的转换器的示意图；图8是本发明的第四个可替代的实施例的具有改良互稳压性的双输出的转换器的示意图；图9保本发明的第五个可替代的实施例的具有改良互稳压性的多重输出的转换器的示意图以及图10是本发明的第六个可替代的实施例的具有改良互稳压性的双输出的转换器的示意图。
具体实施例方式
请参考图5，图5为本发明第一实施例的具有改良互稳压性的双输出的直流/直流转换器的示意图。该转换器包含了一变压器，该变压器具有耦合到输入电晶体切换电路120的初级线圈110、第一次级线圈114以及第二次级线圈112。输入电晶体切换电路120包含至少一电晶体开关(未显示)。该转换器更包含一第一输出电路以及一第二输出电路；该第一输出电路包含一连接到第一次级线圈114的同步整流器以提供一第一输出电压Vo1，该第二输出电路包含一连接到第二次级线圈112的二极管整流器以提供一第二输出电压Vo2。该第一输出电路的同步整流器包含顺向金属氧化半导体场效电晶体(forward MOSFET)140以及续流金属氧化半导体场效电晶体(freewheeling MOSFET)144。该第二输出电路的二极管整流器包含顺向二极管(forward diode)130及续流二极管(freewheelingdiode)132。
适用于本发明的输入电晶体切换电路120非常的多，包含但非限制如下电路顺向式转换器、半桥式转换器(half bridge converter)有源钳位顺向式转换器(active clamp forward converter)、双晶顺向式转换器(dual switch forward converter)或全桥式转换器(full bridgeconverter)。
该第一输出电路更包含具有第一电容162及第一抗流圈152的一第一滤波器，该第二输出电路更包含具有第二电容160及第二抗流圈150的一第二滤波器。第一抗流圈152及第二抗流圈150彼此相互耦合，除可以达到低成本，不可提升第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2的互稳压性。加权电压调整器170藉由控制输入电晶体切换电路120的工作周率来调整第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2。
本发明的独特之处是为利用切换元件142(一低功率电晶体开关)，并联连接该第二输出电路的二极管整流器的续流二极管132，以保证该第二输出电路操作3于连续电流工作模式(cont inuous current mode)。在本实施例中，切换元件142可以是额定电流(Current Rating)比较小的半导体场效电晶体。当然，其他用于本发明的应用的切换元件也属于本发明的领域，本发明的切换元件142作为第二抗流圈150的连续电流工作模式控制器，甚至当该第二输出电路处于无负载的状态。这是一个抵成本且简单的方式，可以改善第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2的互稳压性。
使用本发明的切换元件142的多重输出转换器的操作如下所述，因为该第一输出电路包含同步整流器，所以即使该第一输出电路的负载由无负载变为全载，该第一输出电路仍具有几乎固定的工作周率。一旦该第一输出电路为全载的状态而该第二输出电路是在非常轻的负载状态下，这对互稳压性是最糟糕的状态，由加权电压调整器170所产生的工作周率(duty)在所述的状态下也几乎相同。所以，输入到该第二输出电路的伏特一秒乘积，在任何情况下与当该第二输出电路是满载妁情况的伏特-秒乘积值相差很小。在续流时间，第二抗流圈150的电流可以流过切换元件142，因此其电流具有双方向性。这特性使该第二输出电路始终操作于连续电流工作模式，即使在非常轻的负载状态下。这有助于保证第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2的互稳压性足够好。
由于切换元件142的低功率及相对较低的额定电流，当第二输出电路处于满载的情况时，续流电流主要流经该二极管整流器的续流二极管132。因此，切换元件142不会造成高功率消耗。
该第一输出电路更包含连接到同步整流器的一驱动器180，用以驱动顺向金属氧化半导体场效电晶体(Forward MOSFET)140以及续流金属氧化半导体场效电晶体(Freewheeling MOSFET)144。同样地，驱动器180可以用以同时驱动顺向金属氧化半导体场效电晶体140、续流金属氧化半导体场效电晶体144以及切换元件142。
图6显示了根据本发明的第二个可替代实施例的具有改良互稳压性的双输出转换器。图6与图5的差别在于第二输出电路202的二极管整流器130、132与第一输出电路201的同步整流器140、144是堆叠的状态，如上所述，这有助于互稳压性。另外，图6所显示的电路，第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2的线圈的良好耦合可使互稳压性更进一步地改善，其中，由线圈114提供第一输出电压Vo1，而线圈112加上线圈114提供第二输出电压Vo2。
在图6中所示的转换器的操作方式与其他于下所描述的实施例与在所述图5中详细描述的转换器的操作方式是相类似的，故其操作方式将不再重复描述。
图7显示了根据本发明的第三个可替代实施例的具有改良互稳压性的双输出转换器。本实施例之一重要改进为第一次级线圈114及第二次级112相互重叠。与图5所显示的电路相比，线圈的耥合性会更为加强，使第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2的互稳压性获得改善，其中线圈114提供第一输出电压Vo1，线圈112及114提供第二输出电压Vo2。
图8显示了根据本发明的第四个可替代实施例的具有改良互稳压性的双输出转换器。如图8所示，驱动器180连接到切换元件的方式可以采用在图5中的方式。在图8中，切换元件142的驱动是直接以同步整流器的顺向式金属氧化半导体场效电晶体140的汲极一源极的电压来驱动。图8所示的电路仍然维持了高整流效率及好的互稳压性。
请参考图9，为图5到图8所衍生出的一满足多重输出转换器应用的技术。为了说明，以图9的一只有三个输出电路(例如201、202以及203)的本发明之一实施例来说明。
在图9中，该多重输出转换器包含了一具有一初级线圈110及复数个次级线圈(如线圈116、114及112)的变压器、用以提供复数个电压(如电压Vo1、Vo2及Vo3)的复数个输出电路(如电路201、202及203)。该复数个输出电路的每个电路耦合到该复数个次级线圈的不同的一个线圈(如输出电路201耦合至线图116，输出电路202耦合至线圈114，及输出电路203耦合至线圈112)。该复数个输出电路中至少一个电路(如电路201)使用同步整流器而该复数个输出电路中其他所有的输出电路使用二极管整流器(如电路202，203)。其他的每一复数个输出电路(如电路202、203)更各包含一切换元件(如切换元件144、142)与每个该二极管整流器的续流二极管(如续流二极管136、132)并联，以保证其他复数个输出电路(如电路202，203)操作于连续电流工作模式。驱动器180连接输出电路201的同步整流器以驱动同步整流器及其他复数个输出电路(如电路202、203)的切换元件(如切换元件144、142)。加权电压调整器170藉由控制输入电晶体切换电路120的工作周率来调整多重输出电压(如电压Vo1、Vo2及Vo3)。
在图9中，即使处于互稳压性最糟糕的状况。即该三个输出电路中至少有一为满载，而其他输出电路为负载相当轻的情况，由加权电压调整器170产生的工作周率也几乎与正常情况相同。藉由切换元件142、144的帮助，多重输出电压(如电压Vo1、Vo2及Vo3)的互稳压性依然相当的好。
图10显示了根据本发明的第六个可替代实施例的具有改良互稳压性的双输出转换器。主要电路为一个多重输出返驰式转换器。该转换器包含一具有初级线圈110、第一次级线圈114及第二次级线圈112的变压器。第一输出电路301耦合到第一次级线圈114以提供第一输出电压Vo1。第一输出电路301包含同步整流器金属氧化半导体场效电晶体140、驱动器180以及滤波电容162。第二输出电路302包含一具有二极管138，切换元件148的二极管整流器，以及滤波电容160，其中切换元件148作为与二极管138并联的一具有相对较小额定电流的金属氧化半导体场效电晶体。驱动器180驱动切换元件148及金属氧化半导体场效电晶体140。加权电压调整器170藉由控制输入电晶体切换电路120的工作周率来调整第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2。
藉由同步整流器金属氧化半导体场效电晶体140的应用，第一输出电路301可以总是操作于连续电流工作模式。同样地，藉由切换元件148的帮助，第二输出电路302甚至在无负载状态下也总是操作于连续电流工作模式。所以，第一输出电压Vo1及第二输出电压Vo2的互稳压性可以非常符合要求。
由这些相关的技术可得知，图10的转换器的衍生技术也可以达到如图9所描述的多重输出转换器的要求，这些也包含在本发明的范围之内。
由这些相关的技术可得知，本发明的转换器的技术可以是顺向式转换器，半桥式转换器、全桥式转换器以及反驰式转换器，并且也包含在本以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的保护范围；凡其他为脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在内。
权利要求
1.一种具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于，包含一变压器，是包含有一主线圈及复数个次级线圈；复数个输出电路，是提供复数个输出电压；该复数个输出电路的每个电路分别与该复数个次级线圈之一偶合，该复数个输出电路中至少一个电路使用同步整流器，而其他输出电路使用二极管整流器，其中该其他输出电路的每个电路更包含与该复数个二极管电路的一续流二极管并联的一切换元件，以确使该其他电路操作于连续电流工作模式；以及一驱动器，是连接该同步整流器，以驱动该同步整流器及该其他复数个输出电路的该切换元件。
2.如权利要求1所述的具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于，更包含一加权电压调整器以调整该复数个输出电压。
3.如权利要求1所述的具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于，所述的同步整流器包含一顺向金属氧化半导体场效电晶体及一续流金属氧化半导体场效电晶体。
4.如权利要求1所述的具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于，所述的二极管整流器堆叠于该同步整流器之上。
5.如权利要求1所述的具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于，所述的复数个次级线圈彼此相互堆。
6.如权利要求1所述的具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于，所述的切换元件是为金属氧化半导体场效电晶体。
7.如权利要求6所述的具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于，所述的切换元件的一汲极连接各自的该续流二极管的一负极，以及该切换元件的一源极连接各自的该续流二极管的一正极。
8.如权利要求1所述的具改良互稳压性的多重输出转换器，其特征在于所述的转换器是选自于由顺向式转换器、半桥式转换器、全桥式转换器以及反驰式转换器所组成的族群。
9.一种改良多重输出转换器互稳压性的方法，其特征在于，所述转换器包含复数个输出电路以提供复数个输出电压，该复数个输出电路的每个电路分别耦合至复数个次级线圈之一，该复数个输出电路中至少一个电路使用同步整流器，而其他输出电路使用二极管整流器，其中该方法包含提供一切换元件给该其他输出电路的每个电路，该切换元件分别与该复数个二极管电路的续流二极管并联，以确使该其他输出电路操作于连续电流工作模式。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的切换元件的一汲极连接各自的该续流二极管的一负极，以及该切换元件的一源极连接各自的该续流二极管的一正极。
全文摘要
利用一具成本效益的电路可以改善多重输出转换器的互稳压性，特别是对于输出抗流圈彼此耦合以及其中一输出端应用了同步整流器的直流/直流转换器。直流/直流转换器包含了有一个主线圈及二个次级线圈的变压器。第一次级线圈与一同步整流器及第一抗流圈耦合；第二次级线圈与一二极管整流器及第二抗流圈耦合。其中同步整流器具有一驱动器来驱动一续流电路，第一抗流圈与第二抗流圈耦合。增加一低功率金属氧化半导体效电晶体电路至二极管整流器以避免二极管整流器在轻负载时操作于不连续电流工作模式。
文档编号H02M3/28GK1574580SQ03127498
公开日2005年2月2日 申请日期2003年8月8日 优先权日2003年6月18日
发明者甘鸿坚, 窦森, 章进法, 钟天富, 程伟巴圣塔那克罗 申请人:台达电子工业股份有限公司