专利名称：交换式电源供应装置及其控制方法
技术领域：
本发明与一种电源供应装置有关，特别是与一种使用数字控制方法的电源供应装置有关。
背景技术：
交换式电源供应器常被用来作为电气单元中操作电路的电源供应，一般交换式电源供应器可区分成独立型(isolating-type)和非独立型(non-isolating-type)两种形式。其中独立型交换式电源供应器至少包括一输入电路和一输出电路，其中输入电路包括一缠绕在变压器(transformer)主边(primary side)的一第一线圈以作为一输入侧；而输出电路则包括一可与第一线圈通过一铁心产生磁耦合(magneticallycoupled)的第二线圈，位于变压器的二次侧(secondary side)以作为一输出侧。
输入电路包括一第一线圈、一直流电源供应器、一切换组件和一控制电路。
通过控制电路来控制切换组件的导通或不导通，让直流电源供应器所输出的电流间歇性传送至第一线圈，如此会在与第一线圈具有磁耦合效应的第二线圈产生一交流电压。利用位于输出电路中的整流电路和平滑电路，可将交流电压整流成一直流输出电压，并将其供应至负载。
在控制电路中常使用一脉冲宽度调制集成电路(pulse-width-modulation IC，PWM IC)，此脉冲宽度调制集成电路基本上是由一差动放大器(error amplifier)，一三角波产生器(triangular-wavegenerator)和一比较器(comparator)所组成。
一输出电压(Vout)从输出电路被反馈(fed back)至差动放大器的反转输入端(inverted input terminal)，一固定电压则被施加于差动放大器的非反转输入端。而三角波产生器则会输出一具有一定频率，例如为20kHz至2MHz的基础三角波。此基础三角波被输入至比较器的反转输入端，而一由差动放大器所放大的电压Vamp被输入至比较器的非反转输入端。此时比较器会比较基础三角波与放大电压Vamp，当基础三角波大于放大电压Vamp时，会产生一闸极驱动脉冲用以控制切换组件导通。因此，如图1A至图1C所示，当放大电压Vamp1较大时，驱动脉冲的脉波宽度变得较小，而当放大电压Vamp2较小时，驱动脉冲的脉波宽度变得较大，结果，切换组件的导通周期被改变，且脉冲宽度调制控制是由输出电路固定施加在输出电压Vout。
然而，传统的脉冲宽度调制控制方法只能将一输出电压反馈给脉冲宽度调制控制集成电路，简单地说，只能保证输出一稳定的输出电压。因此，传统的脉冲宽度调制控制方法并不适用于一种要求多个输出电压的交换式电源供应装置。
另一方面，共振(resonant)式的切换技术也已使用在此技术领域中，用以降低或消除因公切换频率所造成的切换损失(switching loss)。通常共振切换技术，包括一具有半导体切换组件的串联电感电容副电路，当此半导体切换组件导通时，会形成一具有转换器的共振副电路。选择共振的开启与关闭控制周期，切换成一与其相符合的特定电压和电流情形，在切换周期间，此电压和电流会跨越相对应的转换器部分，因而可降低或消除许多与频率有关的切换损失。然而，导通或不导通的切换会在变压器产生一高磁电流，此高磁电流会降低转换效率。
发明内容
根据上述描述，传统脉波宽度调电控制方法并不适合要求多个输出电压的交换式电源供应装置。而另一方面，使用共振切换技术的交换式电源供应装置，常会在变压器中产生高磁电流，此电流会降低转换效率。
因此，本发明的主要目的在提供一种使用数字方法控制的交换式电源供应装置，根据本发明的控制方法，一独立的控制单元被用来控制每一输出电压，因此，本发明可形成一稳定的调制。
本发明的另一目的在于提供一使用数字方法控制的交换式电源供应装置，根据本发明的方法，在输出端具有独立的控制单元，输出电压并不会被反馈至变压器的主边。简单地说，变压器的磁场并不会消失，因此，本发明的控制方法并不会产生激磁电流(inrush magnitude current)而造成电源的转换效率下降。
本发明的再一目的在于提供一种具有多个数字控制单元的交换式电源供应装置，根据本发明的装置，每一数字控制单元控制一独立输出端，因此，此交换式电源供应装置可在每一输出端提供稳定的输出电压。
本发明的又一目的在于提供一种具有多个数字控制单元的交换式电源供应装置，根据本发明的装置，输出信号并不会被反馈至输入端来开启或关闭变压器的主边。因此，因为开启和关闭的切换所产生的激磁电流，并不会发生在此交换式电源供应装置中。
本发明提供一种使用数字控制方法的交换式电源供应装置，此电源供应装置具有多个数字控制单元，每一数字控制单元控制一独立的输出端，用以输出一稳定的输出电压。而此输出电压并不会被反馈至变压器的主边，简单地说，输出电压值的变化并不会影响主边的供应电源，因此变压器的主侧是完全独立于变压器的二次侧。
图1为在一脉波宽度调制集成电路产生的三角波波形图；图1B至图1C分别描绘从一脉波宽度调制集成电路所输出的驱动脉冲波形图，此驱动脉冲波形图是当输入放大电压Vamp1和Vamp2时所产生；图2为根据本发明较佳实施例的使用数字控制方法的交换式电源供应装置的概略图，其中该交换式电源供应装置是使用一返驰式(Flyback type)架构；图3A至图3D为根据本发明较佳实施例，使用数字控制方法的交换式电源供应装置的切换控制信号；图4为根据本发明另一较佳实施例，使用具有多个数字控制单元的交换式电源供应装置的概略图。
图中标号说明200和300电源供应装置201、202和210集成电路203第一线圈
204变压器205和212第二线圈206、209和211切换组件207比较器208逻辑电路具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下在不限制本发明的创作思路及应用范围之下，以下即以一具体实施例，介绍本发明的实施；熟悉此领域技术者，在了解本发明的创作思路后，当可应用本发明的交换式电源供应装置结构和其操作方法于各种不同的电源供应器中。根据本发明的较佳实施例，电源供应装置结构具有多个数字控制单元，每一数字控制单元控制一独立的输出端，因此，本发明的电源供应装置可在每一个输出端提供稳定的输出电压。此外，输出信号并不会被反馈至输出端用以控制变压器主边的导通或截止，因此，因为导通或截止间的切换所产生的激磁电流，并不会发生在本发明的交换式电源供应装置中。
另一方面，本发明还提供一种在输出端使用一独立控制单元来控制输出电压的方法，此输出信号并不会被反馈至输入端，来控制变压器主边的输出电源。换言之，即使本发明的电源供应装置未连接任何负载，并不影响变压器主边的控制情形，因此，因为变压器主边的控制情形变化所产生的激磁电流，并不会发生在本发明的交换式电源供应装置，进而提升电源转换效率。
图2所示为根据本发明较佳实施例使用数字控制方法的交换式电源供应装置的概略图，其中该交换式电源供应装置是使用一返驰式(Flybacktype)架构，值得注意的是顺向式(Forward)设计、推挽式(Push-pull)设计、半桥式(Half-bridge)设计或全桥式(Full-bridge)设计架构均可使用在本发明的交换式电源供应器中。
根据此较佳具体实施例，本发明的电源供应装置200用来调整一直流电压源(VDC)从而成为一已调整直流电压源(regulated DC power)，并将此调整过后的直流电压供应给一输出端。此电源供应装置200至少包括一单一变压器T(transformer)，此变压器会隔离直流电压源(VDC)和输出电压端。一集成电路201，用以产生一具有特定频率和周期的时钟脉冲(CLK)信号，此时钟脉冲信号用来切换切换组件206。直流电压源(VDC)可通过切换组件206的特定频率切换动作，从而间歇地被施加到变压器204的第一线圈203上，如此在变压器204的第二线圈205上会感应出一交流电压。通过电容C1对此交流电压整流，可获得一直流输出电压(Vout)。
一集成电路202位于变压器204的副边，用以切换切换组件209，使得切换组件206和切换组件209可同步进行切换动作。此集成电路202一般是由一比较器207和一逻辑电路208所构成，其主要是用来控制切换组件209的切换来调整直流输出电压(Vout)。此输出电压(Vout)并不会再被反馈至变压器204的主边，换句话说，变压器204副边与主边均分别使用独立的集成电路201和202来分别调整切换组件206和209，彼此不会互相影响。例如，在变压器204的二次侧，使用集成电路202来控制切换组件209的切换，以调整直流输出电压(Vout)。
直流输出电压(Vout)会再次被送回到集成电路202，此直流输出电压(Vout)通过比较器207与一参考电压Vref进行比较。在比较器207将直流输出电压(Vout)与参考电压Vref比较后，会送出一信号给逻辑电路208，逻辑电路208则会产生一驱动信号输出，用以切换切换组件209。切换组件209的导通或不导通动作与时钟脉冲信号同步。
当操作本发明的交换式电源供应装置，以产生一输出电压(Vout)来供应给信号输出端时，其相对应的操作控制信号与电流波形图如图3A至图3D所示。
图3A描绘集成电路201所产生的时钟脉冲(CLK)信号。此时钟脉冲信号可根据时钟脉冲信号本身的频率导通或不导通切换组件206图3B描绘输出电压(Vout)和参考电压Vref的波形图，其中参考电压Vref为一固定值。根据本发明的较佳实施例，输出电压(Vout)需被限制小于参考电压Vref，简单地说，当输出电压(Vout)大于参考电压vref时，集成电路202会控制切换组件209不导通，以拉下(push down)输出电压(Vout)。
图3C描绘施加在切换组件209的切换信号。当如在时段区间T中，在图3B中，输出电压(Vout)大于参考电压Vref时，切换组件209的导通时间会被调整，用以拉下输出电压(Vout)。例如，当输出电压(Vout)大于参考电压Vref时，施加在切换组件209的切换信号会被保持在一低阶(low level)状态，此时，切换组件209不会被导通。当切换组件209在不导通状态下，储存于变压器204中的能量并不会被传送至输出端。简单地说，由于切换组件209不导通，因此输出端与变压器204的二次侧相互隔离，变压器204的二次侧并不会提供电源给输出端。因此，输出电压(Vout)被拉下。值得注意的是，施加于切换组件209的切换信号同步于时钟脉冲(CLK)信号。
图3D描绘施加在切换组件206的切换信号。施加在切换组件206的切换信号同步于时钟脉冲(CLK)信号。
图4所示为根据本发明另一较佳实施例的交换式电源供应装置的概略图，根据本发明的较佳实施例，使用多个数字控制单元来控制多个输出电压。其中该交换式电源供应装置使用一返驰式(Flyback type)架构，值得注意的是顺向式(Forward)设计、推挽式(Push-pull)设计、半桥式(Half-bridge)设计或全桥式(Full-bridge)设计架构均可使用在本发明的交换式电源供应器中。
根据此较佳具体实施例，本发明的电源供应装置300主要是用以调整一直流电压源(VDC)使其成为一已调整直流电源(regulated DC power)，并将此调整过后的直流电压供应给两个输出端。此电源供应装置300至少包括一单一变压器T(transformer)，此变压器会隔离直流电压源(VDC)和两输出电压端。一集成电路201，用以产生一具有特定频率和周期的时钟脉冲(CLK)信号，此时钟脉冲信号用来切换切换组件206。直流电压源(VDC)可通过切换组件206的特定频率切换动作，而间歇地被施加到变压器204的第一线圈203上，如此在变压器204的第二线圈205和212上会感应出一交流电压。通过电容C1和C2对此交流电压整流，可获得一直流输出电压(Vout)。
两集成电路202和210位于变压器204的副边，用以输出切换信号来分别切换切换组件209和211，此切换信号与时钟脉冲信号同步，因此使得切换组件206和切换组件209和211可同步进行切换动作。此集成电路202和210一般均是由一比较器207和一逻辑电路208所构成。集成电路202和210主要是用来分别控制切换组件209和211的导通或不导通，以调整直流输出电压(Vout)大小。根据本发明的较佳实施例，位于两输出端的两直流输出电压Vout1和Vout2均不会再被反馈至变压器204的主边。因此，变压器204副边与变压器204主边是完全分开的，彼此不会互相影响。简单地说，输出端的输出电压并不会影响变压器204的主边。在本实施例中，变压器204副边是使用两独立的集成电路202和210来分别控制切换组件209和211，从而调整两直流输出电压Vout1和Vout2。
两直流输出电压Vout1和Vout2会分别再次被送回集成电路202和210，主要目的是用来调整切换组件209和211的导通和不导通周期。其中此两直流输出电压Vout1和Vout2可分别通过集成电路202和210中的比较器207来与一参考电压Vref进行比较。在比较器207将两直流输出电压Vout1和Vout2分别与参考电压Vref比较后，会分别送出一信号给集成电路202和210中的逻辑电路208，而逻辑电路208则会产生驱动信号输出，用以切换切换组件209和211。
例如，当直流输出电压Vout1大于参考电压Vref时，施加于切换组件209的切换信号会被保持在一低阶(low level)状态，此时，切换组件209不会被导通。当切换组件209在不导通状态下，储存于变压器204中的能量并不会被传送至对应的输出端。因此，直流输出电压Vout1被拉下。相似的，相同的方法也可被应用于调整直流输出电压Vout2。
综上所述，本发明的电源供应装置是使用多个独立的控制单元来分别控制各输出端，换言之，其输出状态并不会受输入端或其它输出端的影响，因此，本发明可获得一稳定的调整输出电压。另一方面，本发明的交换式电源供应装置结构具有多个数字控制单元，每一个数字控制单元控制一个独立的输出端，而输出端的输出信号并不会再被反馈给电源供应装置的输入端，作为调整电压器主边的导通或不导通状态，因此，因为导通或截止间的切换所产生的激磁电流，并不会发生在本发明的交换式电源供应装置中。
虽然一个较佳的实施例公开如上，然而并非是用来限定本发明，在不脱离本发明的创作思路和范围内，当可作各种变动与修饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的为准。
权利要求
1.一种交换式电源供应装置，用以从一输入电压源供应电源给至少一个输出端以产生至少一个输出电压，该装置至少包含一变压器，用以隔离各个输出端和输入电压源，该变压器具有一第一线圈和至少一个第二线圈；一第一切换组件，耦合于第一线圈；一时钟脉冲信号产生器，用以产生一时钟脉冲信号，并根据该时钟脉冲信号切换第一切换组件；至少一个第二切换组件耦合于至少一个第二线圈，其中每一个第二切换组件与相对应的第二线圈耦合；以及至少一个控制单元，其中每一控制单元接收一相对应的输出电压以产生一切换信号来切换相对应的第二切换组件，其中该切换信号与时钟脉冲信号同步。
2.如权利要求1所述的交换式电源供应装置，其中所述的交换式电源供应装置可使用返驰式(Flyback type)设计、顺向式(Forward)设计、推挽式(Push-pull)设计、半桥式(Half-bridge)设计或全桥式(Full-bridge)设计架构。
3.如权利要求1所述的交换式电源供应装置，其中每一控制单元进一步还包括一比较器和一逻辑电路。
4.如权利要求3所述的交换式电源供应装置，其中比较器是用来比较输出电压和一固定参考电压。
5.如权利要求4所述的交换式电源供应装置，其中所述的逻辑电路可根据比较器的比较结果输出一个切换信号来切换第二切换组件。
6.如权利要求4所述的交换式电源供应装置，其中当输出电压大于参考电压时，该控制单元可控制第二切换组件切断输出端与第二线圈间的电性连接。
7.一种交换式电源供应装置的控制方法，其中该交换式电源供应装置至少包括一具有第一线圈和至少一个第二线圈的变压器，该变压器是用以将一输入电压转换成一输出电压输出，储存在第一线圈中的能量可根据一时钟脉冲信号进行切换，该方法至少包含接收该输出电压以产生一切换信号，其中该切换信号与时钟脉冲信号同步；以及根据该切换信号切换储存于至少一个第二线圈中的能量。
8.如权利要求7所述的交换式电源供应装置的控制方法，其中所述的交换式电源供应装置可使用返驰式(Flyback type)设计、顺向式(Forward)设计、推挽式(Push-pull)设计、半桥式(Half-bridge)设计或全桥式(Full-bridge)设计架构。
9.如权利要求7所述的交换式电源供应装置的控制方法，其中接收该输出电压以产生一切换信号的步骤中进一步包括，比较该输出电压和一固定参考电压。
10.如权利要求9所述的交换式电源供应装置的控制方法，其中当该输出电压大于参考电压时，切换信号终止第二线圈输出电源。
全文摘要
本发明提供一种交换式电源供应装置，此电源供应装置具有多个数字控制单元，每一个数字控制单元控制一独立的输出端，用以输出一稳定的输出电压。而此输出电压并不会被反馈至变压器的主边。
文档编号H02M3/335GK1677823SQ20041008804
公开日2005年10月5日 申请日期2004年10月14日 优先权日2003年10月28日
发明者杨李龙 申请人:杨李龙