隔离式电源转换系统的制作方法

本发明有关于一种动态驱动能力调节的电源控制装置，尤其是在一次侧、或二次侧分别配置数字式的脉冲宽度调变(pwm)控制器，且依据实际需要进行预设的电源控制功能，并可互相接收、发送数字信号，而且数字信号可为二次侧的侦测电压、电流经处理后产生并进一步传回一次侧，藉以控制一次侧的切换电晶体，或是将一次侧用以控制切换电晶体的信号的反向pwm信号传到二次侧而同步控制切换电晶体进而加强电源转换的稳定度，同时确保整体的电气信号品质。

背景技术：

不同的电子产品需要不同电压或电流的电源而运作，比如，积体电路(ic)需要5v或3v，电动马达需要12v直流电，而液晶显示器中的灯管需要更高压的电源，如1150v。因此，需要不同电源转换器以满足所需，使得电源转换技术日益蓬勃发展，属于电子产业中相当重要的一环。

一般而言，电源转换技术可大致分为隔离式及非隔离式的二类电源转换，其中隔离式电源转换是将电源输入端与负载端隔离开，可避免输入电源在发生异常突波时损坏到负载端的设备，因而具有较高的使用安全性，且电路设计较为简单，而相对的，非隔离式因有安全上的考量，所以在电器安规上特别严格。

参考图1，现有技术中隔离式电源转换器的示意图，其中交流电源vac经适当的整流、滤波后，传送至变压器tr的一次侧线圈，且驱动切换电晶体q1的汲极端是连接至一次侧线圈，驱动切换电晶体q1的源极端是连接感测电阻而产生感测信号，此外，变压器tr的二次侧线圈藉感应一次侧线圈的导通电流而产生感应电压，并经输出单元的滤波、整流后产生输出电源vo，以供应外部的负载。

尤其是，利用脉冲宽度调变(pulsewidthmodulation，pwm)控制器u1产 生pwm形式的驱动信号，以控制驱动切换电晶体q1的闸极端，进而控制驱动切换电晶体q1的打开、关闭操作。再者，光耦合器u2连接输出单元，产生回授信号而传送至pwm控制器u1，因而达成隔离式电源转换的功能。

进一步参考图2，现有技术中另一隔离式电源转换器的示意图，大致上是类似于图1的隔离式电源转换器，也是利用光耦合器u2产生回授信号以提供给pwm控制器u1，不过图2的隔离式电源转换器进一步使用定电压定电流控制器u3，用以对多个串接的发光二极体(led)所组成的灯串负载，具体实现定电压及/或定电流的控制，藉以保持led的发光品质并延长使用寿限。

很明显的，上述现有技术的缺点在于光耦合器u2所产生的回授信号属于类比信号，很容易受到外部电气杂讯的干扰，即抗杂讯能力不佳，严重影响整体电气操作的稳定性。

因此，非常需要一种电源控制装置，利用隔离信号单元形成第一pwm控制器及第二pwm控制器之间的连接介面，并以数字形式的信号而通讯，具有较强的抗杂讯干扰的能力，可改善整体电气操作的稳定性，避免误动作，进而加强电源转换的稳定度，同时确保整体的电气信号品质，藉以解决上述现有技术的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种隔离式电源转换系统，用以提供将输入交流电源转换成输出直流电源的隔离式电源转换功能，包含整流单元、变压器、切换电晶体、第一脉冲宽度调变(pulsewidthmodulation，pwm)控制器、第二pwm控制器、输出单元以及隔离信号单元，其中整流单元可将交流电源转换成直流电源。

具体而言，变压器包含一次侧线圈、辅助线圈以及二次侧线圈，其中一次侧线圈接收直流电源，辅助线圈可藉感应一次侧线圈的电流而产生辅助感应电流，且辅助感应电流流过串接电阻而产生辅助信号，而二次侧线圈是藉感应一次侧线圈的电流而产生感应电流。

切换电晶体具有汲极端、闸极端以及源极端，其中汲极端连接至一次侧线圈，源极端连接至感测电阻的一端，而感测电阻的另一端为接地，此外， 由源极端产生感测信号。

再者，输出单元包括输出电晶体、输出二极体及输出电容。输出二极体的正极端连接输出电晶体的汲极以及输出电容的一端，而输出二极体的负极端连接输出电晶体的源极，输出电容的另一端连接二次侧线圈，并由输出电容跨接负载以提供输出电源，以供应负载。

进一步具体而言，第一pwm控制器具有第一端、第二端、第三端、第四端、发送端以及接收端，其中第一端为悬浮，第二端是经驱动串接电阻而连接至切换电晶体的闸极端，第三端接收辅助信号，第四端可经感测串接电阻而连接至切换电晶体的源极端，用以接收源极端的感测信号。

此外，第二pwm控制器具有类似第一pwm控制器的架构，也包含第一端、第二端、第三端、一第四端、发送端以及接收端，不过第一端是连接输出二极体的负极端，第二端连接输出电晶体的闸极，第三端连接输出二极体的正极端，且第四端连接该负载。

隔离信号单元是利用变压器的信号感测绕组作为一二次双向沟通信号使用。

尤其是，第一pwm控制器依据所接收的感测信号、辅助信号以进行第一控制处理而产生具pwm特性的驱动信号，再由第一pwm控制器的第二端传送驱动信号至切换电晶体的闸极端以驱动切换电晶体，同时，第一pwm控制器产生第一数字输出信号，并由第一pwm控制器的发送端经隔离信号单元而传送至第二pwm控制器的接收端。再者，第二pwm控制器依据来自第二pwm控制器的第一端、第三端、该第四端及接收端的电气信号以进一第二控制处理，进而产生二次侧调节信号，并由第三端传送至输出电晶体的闸极，同时产生第二数字输出信号，并由发送端经隔离信号单元而传送至第一pwm控制器的接收端。

因此，第一pwm控制器及第二pwm控制器对隔离信号单元的连接介面是以数字形式的信号而通讯，具有较强的抗杂讯干扰的能力，可改善整体电气操作的稳定性。

附图说明

图1显示现有技术中隔离式电源转换器的示意图。

图2显示现有技术中另一隔离式电源转换器的示意图。

图3显示本发明实施例隔离式电源转换系统的示意图。

图4显示本发明实施例中第一pwm控制器的功能方块示意图。

图5显示本发明的示范性操作波形图。

图6显示本发明以flyback架构为示范性实例的电路图。

其中，附图标记说明如下：

10整流单元

20切换电晶体

31第一pwm控制器

32第二pwm控制器

50输出单元

60隔离信号单元

co输出电容

do输出二极体

fuemi滤波单元

iq一次侧导通电流

laux辅助线圈

lp一次侧线圈

ls二次侧线圈

p1第一端

p2第二端

p3第三端

p4第四端

q1驱动切换电晶体

qo输出电晶体

r1x串接电阻

rcs感测电阻

rcx感测串接电阻

rpwm驱动串接电阻

rl负载

rx接收端

sr同步整流信号

tr变压器

tra变压器

tx发送端

u1pwm控制器

u2光耦合器

u3定电压定电流控制器

vac交流电源

vaux辅助信号

vcs感测信号

vdc直流电源

vo输出电源

vpwm驱动信号

具体实施方式

以下配合图式及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。

参阅图3，本发明实施例隔离式电源转换系统的示意图。如图3所示，本发明的隔离式电源转换系统主要是包含整流单元10、变压器tra、切换电晶体20、第一脉冲宽度调变(pulsewidthmodulation，pwm)控制器31、第二pwm控制器32、输出单元50以及隔离信号单元60，用以提供隔离式的电源转换功能。

整流单元10是用以将外部输入的交流电源vac转换成直流电源vdc，而要注意的是，整流单元10可使用一般传统的桥式整流器，不过并不以此为限，即，也可使用其他型式的整流器。

变压器tra包含一次侧线圈lp、辅助线圈laux以及二次侧线圈ls，其中一次侧线圈lp是连接至整流单元10，用以接收直流电源vdc，而辅助线圈laux感应一次侧线圈lp的电流而产生辅助感应电流，并流过串接电阻r1x而产生辅助信号vaux。此外，二次侧线圈ls藉感应一次侧线圈lp 的电流而产生感应电流，并传送至输出单元50。

再者，切换电晶体20具有汲极端、闸极端以及源极端，其中汲极端连接至一次侧线圈lp，且源极端连接至感测电阻rcs的一端，而感测电阻rcs的另一端为接地，其中感测电阻rcs与源极端的连接点产生感测信号vcs。

输出单元50包括输出电晶体qo、输出二极体do及输出电容co，其中输出二极体do的正极端连接输出电晶体qo的汲极以及输出电容co的一端，而输出二极体do的负极端连接输出电晶体qo的源极，同时，输出电容co的另一端连接变压器tra的二次侧线圈ls，并由输出电容co跨接负载rl，以提供输出电源vo。隔离信号单元60是利用配置于变压器tra的信号感测绕组以作为一二次双向沟通信号使用。

具体而言，第一pwm控制器31具有第一端p1、第二端p2、第三端p3、第四端p4、发送端tx以及接收端rx，其中第一端p1为悬浮，第二端p2经驱动串接电阻rpwm而连接至切换电晶体20的闸极端，第三端p3接收辅助信号vaux，第四端p4经感测串接电阻rcs而连接至切换电晶体20的源极端。此外，第二pwm控制器32类似于第一pwm控制器31，也具有第一端p1、第二端p2、第三端p3、第四端p4、发送端tx以及接收端rx。不过，第二pwm控制器32的第一端p1连接输出二极体do的负极端，第二端p2连接输出电晶体qo的闸极，第三端p3连接输出二极体do的正极端，第四端p4连接负载rl。

第一pwm控制器31在发送端tx产生数字输出信号，并经隔离信号单元60而传送至第二pwm控制器32的接收端rx。相类似的，第二pwm控制器32在发送端tx产生数字输出信号，并经隔离信号单元60而传送至第一pwm控制器31的接收端rx。因此，第一pwm控制器31及第二pwm控制器32对隔离信号单元60的连接介面用以传送数字形式的信号，达到数字通讯的目的，可大幅强化抗杂讯的能力。

再者，如图4中第一pwm控制器31的功能方块示意图所示，第一pwm控制器31包括数字控制器31a、pwm驱动器31b以及数字至类比转换器adc，不过要注意的是，第二pwm控制器32也具有图5相同的功能方块，而较佳的，数字控制器31a是藉配合软体程式或韧体程式而运作的中央处理器(cpu)或微控制器(mcu)的数字电子元件而实现。

数字控制器31a电气连接至pwm驱动器31b以及数字至类比转换器adc，其中数字控制器31a接收来自接收端rx的数字输入信号，并将数字输出信号经由发送端tx向外传送，且第一端p1、第三端p3、第四端p4连接至数字至类比转换器adc，用以将来自第一端p1、第三端p3、第四端p4的类比信号转换成数字信号，藉以提供数字控制器31产生数字pwm驱动信号，并由pwm驱动器31b的输入端接收，进而产生类比驱动信号，而由输出端传送至第二端p2。

再回到图3，虽然第一pwm控制器31及第二pwm控制器32具有相同的功能方块，不过在整体的隔离式电源转换系统中是个别提供不同的电气功能。具体而言，第一pwm控制器31的主要功能在于产生驱动信号vpwm以控制切换电晶体20的打开、关闭操作，藉以实现一次侧调节(primarysideregulation，psr)，包含利用第三端p3接收辅助感测端aux的辅助信号vaux以侦测输出电压电流，并利用第四端p4接收感测信号vcs而侦测一次侧的电流，并产生一次侧状态信号的数字输出信号而经发送端tx传送至隔离信号单元60。即，第一pwm控制器31是依据所接收到的感测信号vcs、辅助信号vaux以进行第一控制处理，进而产生具pwm特性的驱动信号vpwm，再由第一pwm控制器31的第二端p2传送至切换电晶体20的闸极端，藉以驱动切换电晶体20，同时，第一pwm控制器31产生第一数字输出信号，并由第一pwm控制器31的发送端tx经隔离信号单元60而传送至第二pwm控制器32的接收端rx。

再者，第二pwm控制器32可利用第一端p1、第三端p3、第四端p4侦测输出电源vo的电压、电流，藉以进行稳压稳流补偿控制，也可侦测缆线因为耗损造成的压降以进行补偿，即线端补偿(line-endcompensation)，并产生数字输出信号当作数字回授信号而经发送端tx传送至隔离信号单元60，进而传送至第一pwm控制器31，形成回授回路，取代图1中传统上利用光偶合器回送至一次侧的pwm控制器的作法。尤其是，第二pwm控制器32可实现具定电压、定电流特性的输出电源vo，同时可弥补第一pwm控制器31的动态负载反应较慢的缺点。即，第二pwm控制器32可依据来自第二pwm控制器32的第一端p1、第三端p3、第四端p4及接收端rx的电气信号以进行第二控制处理，进而产生二次侧调节信号，并由第三端p3传送至输出电晶 体qo的闸极，同时产生第二数字输出信号，并由第二pwm控制器32的发送端tx经隔离信号单元60而传送至第一pwm控制器31的接收端rx。

第二pwm控制器32的定电压、定电流特性尤其适用于电池的充放电控制，因为在充电初期，一般充电电池的电压较低而需要先进行定电流充电，并在充电电池的电压达到最高值时，进行定电压充电，此时，充电电流会逐步下降到零为止。因此，第二pwm控制器32可在充电初期，进行定电流充电，并在电压最高值时，转换成定电压充电，以满足实际要求。

此外，第二pwm控制器32还可达成同步整流控制(synchronousrectifiercontrol)的功能，包括在进行连续导通模式(continuousconductionmode，ccm)时，可根据接收端rx接收第一pwm控制器31的同步整流信号，以决定切换电晶体20的打开、关闭，进而达到同步整流功能，并可在非连续导通模式(discontinuousconductionmode，dcm)时，根据第一pwm控制器31的同步整流信号以决定当作同步整流电晶体用的qo输出电晶体的打开、导通时机，并在二次侧线圈ls的电流下降到0时，关闭qo输出电晶体。

尤其是，第一pwm控制器31及第二pwm控制器32对隔离信号单元60的连接介面是以数字形式的信号而通讯，具有较强的抗杂讯干扰的能力，可改善整体电气操作的稳定性。

参考图5为示范性的操作波形图，其中iq为一次侧线圈pl的导通电流，idout为辅助线圈laux的导通电流，ton为一次侧线圈pl的打开时间，toff为idout不为零的时间，而ts为驱动信号vpwm的周期时间。此外，同步整流信号sr系来在第一pwm控制器31的接收端rx。

上述第二pwm控制器32的同步整流功能可减少二次侧上do输出二极体的损耗，进而提升电源换效率。

以返驰(flyback)架构的电路为例，如图6所示，本发明的隔离信号单元60可利用信号感测绕组的方式而配置于变压器tra，即，整个变压器tra可为包含一次侧线圈lp、辅助线圈laux、二次侧线圈ls以及信号感测绕组的单一装置，能简化整体电气连接线路的设计，降低制作成本，并改善电气信号品质。

综上所述，本发明的主要特点在于提供具有相同功能方块的第一及第二pwm控制器的隔离式电源转换系统，并利用隔离信号单元连接第一及第二 pwm控制器，尤其第一及第二pwm控制器是藉隔离信号单元以数字信号的方式通讯，可具体实现定电压、定电流功能，非常适合应用于电池充放电的领域，而且还可提供功率因素校正(powerfactorcorrection，pfc)，用于降低或消除虚功，以改善转换效率。

由于第一、第二pwm控制器及隔离信号单元之间的介面数字信号方式，所以具有抗杂讯特性，能确保预设电气功能的操作，提高整体隔离式电源转换系统的操作稳定性及可靠度。尤其，本发明可适用于不同正向、返驰、全桥、半桥、升压、降压的电路架构，能扩大应用领域，相当具有产业利用性。

以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。