专利名称：切换式功率转换器的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于一种功率转换器，特别是指一种切换式功率转换器。
背景技术：
按，现今功率转换器已被广泛运用于提供调整电压与电流，目前功率转换器的研究焦点是放在如何让功率转换器可更有效率的节省电源。切换式功率转换器通常包含有一控制单元、一开关与一变压器，其中控制单元运用于感测切换式功率转换器的输出电压及/或输出电流，且产生一控制讯号以控制开关的切换与调整切换式功率转换器的输出电压及/或输出电流。
请参阅图1，其为习知切换式功率转换器的电路图。如图所示，习知切换式功率转换器包含有一变压器10，其包括有一一次侧绕组NP、一二次侧绕组NS与一辅助绕组NA，一次侧绕组NP的一端耦接一正供电轨VIN；一开关11，其连接一次侧绕组NP的另一端，并且经由一电阻12连接至一负供电轨，负供电轨为一接地端；一控制单元25，其耦接开关11，用于控制开关11以切换变压器10与调整切换式功率转换器的输出电压及/或输出电流；二次侧绕组NS，其一端连接一整流器13；一滤波电容14，其两端分别耦接在整流器13与二次侧绕组NS的另一端。当开关11导通时，能量将储存至变压器10，一旦开关11截止时，变压器10所储存的能量将经由二次侧绕组NS释放至切换式功率转换器的输出端，同时变压器10的辅助绕组NA产生一反射电压VAUX。
Vo+VF=NNS×dφdt---(1)]]>VAUX=NNA×dφdt---(2)]]>依据方程式(1)及(2)，反射电压VAUX可表示为如下VAUX=NNANNS×(Vo+VF)---(3)]]>其中，NNA与NNS分别为辅助绕组NA与二次侧绕组NS的绕组匝数；VO为切换式功率转换器的输出电压；VF为整流器13的顺向偏压的压降；Φ为磁通量，Φ＝B×Ae(B为磁通量密度，Ae为变压器10的轴心截面积)。
控制单元25，其设置有一供应端VDD与一接地端GND，以用于接收电源；一电压侦测端VS，其耦接在一分压电路的两电阻15、16之间，分压电路连接在变压器10的辅助绕组NA与负供电轨之间，电压侦测端VS产生一侦测电压VDET1，其可表示为如下VDET1=R16R15+R16×VAUX---(4)]]>其中，R15与R16分别为电阻15与电阻16的电阻值。反射电压VAUX更经由一二极体18对一供应电容17充电，以供应电源至控制单元25。
前述的电阻12，其用于作为一电流感测装置，电阻12连接在开关11与负供电轨之间，以转换变压器10的一切换电流IP为一电流讯号VCS。控制单元25的一电流感测端VI是连接电阻12，以用于侦测电流讯号VCS，控制单元25的一输出端VG产生一切换讯号VPWM以切换变压器10。虽然习用的切换式功率转换器可以调整输出电压及输出电流，但是其具有几个缺点。第一个缺点是变压器10的漏电感导致高功率消耗，此外由于漏电感会储存能量而形成高电压突波，如此容易破坏开关11，所以习用的切换式功率转换器为了保护开关11是设有一缓冲电路，其包含有一缓冲二极体19、一缓冲电容20与一缓冲电阻21，用于消耗变压器10的漏电感所储存的能量，避免形成高电压突波以保护开关11。
第二个缺点是切换式功率转换器在轻负载与无负载的状态下缺少调整性。习用的切换式功率转换器是藉由变压器10的辅助绕组NA供应电源至控制单元25，所以控制单元25的工作电流即表示辅助绕组NA的负载。若切换式功率转换器的输出负载低于辅助绕组NA的负载时，变压器10所储存的能量将仅能经由二极体18与辅助绕组NA释放至供应电容17，如此当开关11截止时，整流器13将仍保持为关闭状态，所以切换式功率转换器的输出电压VO无法从辅助绕组NA回授至控制单元25，所以在轻负载与无负载的状态下，电压侦测端VS所产生的侦测电压VDET1仅与供应端VDD的电压有关，所以习用的切换式功率转换器缺乏调整性。
另一习知技术是由杨先生等人所提出的美国专利第6,853,563号的“一次侧控制的返驰式功率转换器(Primary-side controlled flyback power converter)”，此习知技术的一主要缺点为电磁干扰(Electric and MagneticInterference，EMI)，其产生的原因是开关的汲极直接连接至正供电轨，所以开关的一寄生电容与一寄生电感相耦接，因而形成一高频共振槽，如此将会产生较高的电磁干扰。
因此，本实用新型提出一种切换式功率转换器，其具有高效能以及低电磁干扰的特性。此外，本实用新型的切换式功率转换器可于轻负载与无负载的状态下精确地调整输出电压。
新型内容本实用新型的主要目的，在于提供一种切换式功率转换器，其包含一变压器，变压器设置有第一一次侧绕组与第二一次侧绕组，第一一次侧绕组与第二一次侧绕组之间设有开关，如此可提升切换式功率转换器的效能与降低电磁干扰。
本实用新型的另一目的，在于提供一种切换式功率转换器，其变压器的漏电感可让供应电容的电压高于变压器的二次侧绕组所反射的电压，使得切换式功率转换器的输出电压可经由变压器的第二一次侧绕组回授至控制电路，如此可增进切换式功率转换器在轻负载与无负载的状态下的负载调整性。
本实用新型的又一目的，在于提供一种切换式功率转换器，其变压器设有辅助绕组可对供应电容进行充电，如此提供第二电源至控制电路，进而确保控制电路在有错误的情形下可正常运作。
本实用新型切换式功率转换器，其包含有一变压器，变压器设置有一第一一次侧绕组以及一第二一次侧绕组，两绕组分别耦接一正供电轨与一负供电轨；一开关，其连接于第一一次侧绕组与第二一次侧绕组之间，用于切换变压器；一电流感测装置，其耦接开关与第二一次侧绕组，用于依据变压器的一切换电流产生一电流讯号；一控制电路，其耦接开关与变压器的第二一次侧绕组，以依据电流讯号产生一切换讯号，切换讯号用于切换开关与调整切换式功率转换器的输出；一供应电容，其连接控制电路以供应电源至控制电路；一二极体，其耦接负供电轨与供应电容以对供应电容充电。其中，上述的第二一次侧绕组具有一漏电感，其在开关导通时，储存一储存能量，且在开关截止时，经由二极体释放储存能量至供应电容。如此藉由上述的变压器与开关的设置方式，可增进切换式功率转换器的效能与降低电磁干扰，且可增进切换式功率转换器在轻负载与无负载的状态下的负载调整性。
图1是习知切换式功率转换器的电路图；图2是本实用新型的一较佳实施例的切换式功率转换器的电路图；图3是图2的切换式功率转换器的等效电路图；图4是本实用新型的一较佳实施例的控制电路的电路图；图5是本实用新型的另一较佳实施例的切换式功率转换器的电路图。
图号说明10 变压器 11 开关12 电阻 13 整流器14 滤波电容 15 电阻16 电阻 17 供应电容18 极体 19 缓冲二极体20 缓冲电容 21 缓冲电阻25 控制单元 30 变压器35 开关 37 电流感测电阻39 变压器 40 缓冲二极体41 缓冲电容 42 缓冲电阻45 缓冲电路 50 分压电路52 电阻 55 电阻60 第一二极体 65 第二二极体70 供应电容 80 整流器90 滤波电容 100 控制电路110 取样保留电路 120 误差放大器
125 比较器150 振荡器160 正反器GND 接地端IP切换电流 LI1漏电感LI2漏电感NA辅助绕组NA2辅助绕组 NP一次侧绕组NP1第一一次侧绕组NP2第二一次侧绕组NS次侧绕组 VAUX反射电压VCS电流讯号 VDET1侦测电压VDET2侦测电压 VFB授电压VIN正供电轨 VNP2电压VO输出电压 VPWM切换讯号VR参考电压 VRST重置讯号VS取样讯号 VDD 供应端VG输出端VI电流感测端VS 电压侦测端具体实施方式
为使审查员对本实用新型的结构特征及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后请参阅图2，是本实用新型的一较佳实施例的切换式功率转换器的电路图。如图所示，本实用新型的切换式功率转换器包含有一变压器30，用于储存能量并从变压器30的一一次侧转移储存能量至变压器30的一二次侧。其中，变压器30的一次侧设置有一第一一次侧绕组NP1与一第二一次侧绕组NP2而变压器30的二次侧则设置有一二次侧绕组NS。第一一次侧绕组NP1与第二一次侧绕组NP2耦接切换式功率转换器的供电轨，即一次侧绕组NP1耦接变压器30的正供电轨VIN，而第二一次侧绕组NP2则耦接变压器30的负供电轨，亦即耦接至接地端。一开关35，其连接于第一一次侧绕组NP1与第二一次侧绕组NP2之间，用于切换变压器30，其中开关35可为一功率电晶体或为一功率金属氧化半导体场效电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)。由于开关35连接于第一一次侧绕组NP1与第二一次侧绕组NP2之间，因此可消除寄生装置所引起的高频共振槽，进而降低电磁干扰。
一电流感测装置，例如图式的一电流感测电阻37，其两端分别连接开关35与第二一次侧绕组NP2，以依据变压器30的切换电流IP产生一电流讯号VCS。为了调整切换式功率转换器的一输出电压VO，一控制电路100耦接开关35与变压器30的第二一次侧绕组NP2，以产生一切换讯号VPWM，其用于切换开关35与调整切换式功率转换器的输出电压VO。一供应电容70，其连接控制电路100，以供应电源至控制电路100，供应电容70与变压器30的负供电轨之间设有一第一二极体60。
一缓冲电路45，其耦接于第一一次侧绕组NP1与正供电轨VIN之间，缓冲电路45包含有一缓冲二极体40、一缓冲电容41与一缓冲电阻42。缓冲二极体40的一端耦接第一一次侧绕组NP1与开关35，缓冲电容41耦接于缓冲二极体40的另一端与正供电轨VIN之间，而缓冲电阻42则与缓冲电容41并联。一分压电路50，其耦接于第二一次侧绕组NP2与负供电轨之间，分压电路50包含有电阻52、55，电阻52耦接于控制电路100与负供电轨之间，而电阻55则耦接于电阻52与第二一次侧绕组NP2之间。一整流器80，其一端耦接二次侧绕组NS的一端，而一滤波电容90的两端是分别耦接于二次侧绕组NS的另一端与整流器80的另一端。
请参阅图3，是图2的切换式功率转换器的等效电路图。如图所示，第一一次侧绕组NP1与第二一次侧绕组NP2分别有漏电感LI1、LI2。由于变压器的几何构造因素，导致变压器的一次侧绕组的储存能量不能完全转移至变压器的其他绕组，漏电感LI1、LI2即表示储存能量无法完全被转移。当开关35导通时，切换电流IP将流入变压器30中，能量即储存至变压器30与漏电感LI1、LI2中，而当开关35截止时，变压器30所储存的储存能量会释放至二次侧绕组NS，同时漏电感LI1、LI2所储存的储存能量会在回路内循环传递，若回路被阻挡时，则会产生一电压突波，其可表示为如下V=L×didt---(5)]]>基于上述原因，缓冲电路45即运用于消耗漏电感LI1的储存能量，以避免产生一高电压突波而保护开关35。缓冲电路45的缓冲电阻42所消耗的功率PR可表示为如下PR=VR422R42=12×L1×IP2×fsw---(6)]]>其中，R42为缓冲电阻42的电阻值；VR42为缓冲电阻42的两端电压；L1为漏电感LI1的电感值；fSW为开关35的切换频率。
由上述的方程式(6)可知，降低变压器30的漏电感的电感值将提升切换式功率转换器的效能，然而为了符合安全条件，变压器30的绕组总是会产生一显著的漏电感值，因此降低漏电感值的简易方法即减少绕组的绕组匝数。电感值与绕组匝数的关系如下列方程式所示L=μ×0.4π×Aeli×N2---(7)]]>其中，L为电感值；μ为轴心导磁系数；li为磁路长度；N为绕组匝数；Ae为变压器30的轴心截面积。
本实用新型的变压器30的一次侧绕组切割为第一一次侧绕组NP1与第二一次侧绕组NP2是可以减少绕组匝数，如此即可降低第一一次侧绕组NP1的漏电感值，以提高切换式功率转换器的效能。此外，一旦开关35截止时，漏电感LI2的储存能量将透过第一二极体60释放至供应电容70，所以储存于漏电感LI2的储存能量将供应至控制电路100作为供应电源，供应电容70所产生的电压VDD可表示为如下VDD=[NNP2NNS×(VO+VF)]+VLI2---(8)]]>其中，NNP2与NNS分别为变压器30的第二一次侧绕组NP2与二次侧绕组NS的绕组匝数；VLI2为漏电感LI2所产生的电压，其如下列方程式所示而求得12×C70×VLI22=12×L12×IP2---(9)]]>VLI2=LI2C70×IP---(10)]]>其中，C70为供应电容70的电容值；LI2为漏电感LI2的电感值。
因为漏电感LI2所产生的电压VLI2让供应电容70的电压VDD高于变压器30的二次侧绕组NS所反射的电压，因此开关35截止时，整流器80将被开启，所以切换式功率转换器的输出电压VO可经由第二一次侧绕组NP2提供至控制电路100，如此恰当的使用第二一次侧绕组NP2的漏电感LI2，将可提高切换式功率转换器在轻负载与无负载的状态下的负载调整性。
请参阅图4，是本实用新型的一较佳实施例的控制电路的电路图。如图所示，本实用新型的控制电路100包含有一供应端VDD与一接地端GND，并且并联连接供应电容70以接收电源。供应端VDD更连接第一二极体60，而接地端GND更连接第二一次侧绕组NP2。一电压侦测端VS，其经由分压电路50耦接第二一次侧绕组NP2，以用于从变压器30之第二一次侧绕组NP2侦侧一侦测电压VDET2，侦测电压VDET2可表示为如下VDET2=R52R52+R55×VNP2---(11)]]>其中，R52与R55分别为电阻52、55的电阻值；VNP2为第二一次侧绕组NP2的电压。
一电流感测端VI，其耦接电流感测电阻37，用于接收电流讯号VCS。一输出端VG，其耦接一正反器160的一输出端，用于产生切换讯号VPWM以透过开关35切换变压器30。一振荡器150，其产生一周期性脉波讯号，用于启动切换讯号VPWM。一比较器125，其用于关闭切换讯号VPWM，比较器25的一负输入端是连接电流感测端VI，用以接收电流讯号VCS，而比较器125的一正输入端则连接一误差放大器120的一输出端，用以接收一回授讯号VFB。
一旦电流讯号VCS高于回授讯号VFB时，切换讯号VPWM将被截止。比较器125，其一输出端连接正反器160的一重置端，用以产生一重置讯号VRST并传送至正反器160的重置端，以截止切换讯号。误差放大器120，其用于产生回授讯号VFB，误差放大器120的一正输入端接收一参考电压VR，误差放大器120的一负输入端则连接一取样保留电路110的一输出端，以接收一取样讯号VS，用于产生回授讯号VFB。取样保留电路110，其一输入端耦接电压侦测端VS，用以透过分压电路50从变压器30侦测该侦测电压VDET2，以产生取样讯号VS。
第二一次侧绕组NP2的电压VNP2与二次侧绕组NS的电压(VO+VF)之间关系，可表示为如下VO+VF=NNSNNP2×VNP2---(12)]]>依据方程式(11)与(12)，输出电压VO可表示为如下VO=(R52+R55R52×NNSNNP2×VDET2)-VF---(13)]]>
由方程式(13)可得知，切换式功率转换器的输出电压VO是可被调整。
请参阅图5，是本实用新型的另一较佳实施例的切换式功率转换器的电路图。如图所示，本实用新型的变压器39更包含一辅助绕组NA2，变压器39的辅助绕组NA2是连接第二一次侧绕组NP2，且辅助绕组NA2更经由一第二二极体65连接供应电容70。控制电路100的接地端GND则连接第二一次侧绕组NP2与辅助绕组NA2，而供应端VDD连接供应电容70、第一二极体60与第二二极体65。由于当开关35截止时，第二一次侧绕组NP2将供应电源至控制电路100，所以供应电容70所产生的电压VDD是与切换式功率转换器的输出电压VO有关，若切换式功率转换器在过电流及/或短路的情况下产生输出电压VO，第二一次侧绕组NP2的电压VNP2将会太低而无法供应足够电源至控制电路100。因此本实用新型是增设辅助绕组NA2，当开关35导通时，辅助绕组NA2将对供应电容70充电，所以辅助绕组NA2可提供一第二电源以供应电源至控制电路100，其是确保控制电路100可于故障状态下正常运作。
综上所述，本实用新型的变压器设置方式可降低漏电感的电感值，此外漏电感所储存的储存能量可用于供应电源至控制电路，如此可达到较佳的效能以及可增进切换式功率转换器于轻负载与无负载状态下的负载调整性。另外，因为开关设置于变压器的两切割绕组之间，所以可降低电磁干扰。
以上所述，仅为本实用新型一较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围，故凡依本实用新型申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本实用新型的申请专利范围内。
权利要求1.一种切换式功率转换器，其特征在于，其包含有一变压器，从该变压器的一一次侧转移能量至该变压器的一二次侧，该变压器设有一第一一次侧绕组与一第二一次侧绕组，该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组分别耦接一正供电轨与一负供电轨；一开关，连接于该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组之间，用于切换该变压器；一控制电路，耦接该开关与该第二一次侧绕组，产生一切换讯号，用于切换该开关与调整该切换式功率转换器的输出；一供应电容，连接该控制电路，供应电源至该控制电路；一二极体，耦接该负供电轨与该供应电容对该供应电容充电。
2.如权利要求1所述的切换式功率转换器，其特征在于，更包含有一电流感测装置，其连接在该开关与该第二一次侧绕组之间，该电流感装置依据该变压器的一切换电流产生一电流讯号，该控制电路接收该电流讯号产生该切换讯号。
3.如权利要求1所述的切换式功率转换器，其特征在于，该第二一次侧绕组具有一漏电感，当该开关导通时该漏电感储存一储存能量，该开关截止时，该漏电感释放该储存能量至该供应电容。
4.如权利要求1所述的切换式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有一供应端，连接该供应电容与该二极体；一接地端，连接该供应电容而接收电源，且该接地端连接该第二一次侧绕组；一电压侦测端，耦接该第二一次侧绕组，侦测一电压；一电流感测端，耦接该开关，接收一电流讯号；一输出端，依据该电压与该电流讯号产生该切换讯号，切换该开关而切换该变压器。
5.如权利要求4所述的切换式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有一取样保留电路，耦接该电压侦测端，侦测该电压，产生一取样讯号；一误差放大器，耦接该取样保留电路，接收该取样讯号与一参考电压，产生一回授讯号；一比较器，耦接该误差放大器与该电流感测端，接收该回授讯号与该电流讯号，产生一重置讯号；一振荡器，产生一周期性脉波讯号；一正反器，耦接该振荡器、该比较器与该输出端，产生该切换讯号，该周期性脉波讯号与该重置讯号分别启动与截止该切换讯号。
6.一种切换式功率转换器，其特征在于，其包含有一变压器，从该变压器的一一次侧转移能量至该变压器的一二次侧，该变压器设有一第一一次侧绕组、一第二一次侧绕组与一辅助绕组，该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组分别耦接一正供电轨与一负供电轨，该辅助绕组耦接该第二一次侧绕组；一开关，连接于该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组之间，用于切换该变压器；一控制电路，耦接该开关与该第二一次侧绕组，产生一切换讯号，用于切换该开关与调整该切换式功率转换器的输出；一供应电容，连接该控制电路，供应电源至该控制电路；一第一二极体，耦接该负供电轨与该供应电容对该供应电容充电；一第二二极体，耦接该辅助绕组与该供应电容对该供应电容充电。
7.如权利要求6所述的切换式功率转换器，其特征在于，更包含有一电流感测装置，其连接在该开关与该第二一次侧绕组之间，该电流感装置依据该变压器的一切换电流产生一电流讯号，该控制电路接收该电流讯号产生该切换讯号。
8.如权利要求6所述的切换式功率转换器，其特征在于，该第二一次侧绕组具有一漏电感，当该开关导通时该漏电感储存一储存能量，该开关截止时，该漏电感释放该储存能量至该供应电容。
9.如权利要求6所述的切换式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有一供应端，连接该供应电容、该第一二极体与该第二二极体；一接地端，连接该供应电容而接收电源，且该接地端连接该第二一次侧绕组与该辅助绕组；一电压侦测端，耦接该第二一次侧绕组，侦测一电压；一电流感测端，耦接该开关，接收一电流讯号；一输出端，依据该电压与该电流讯号产生该切换讯号，切换该开关而切换该变压器。
10.如权利要求9所述的切换式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有一取样保留电路，耦接该电压侦测端，侦测该电压，产生一取样讯号；一误差放大器，耦接该取样保留电路，接收该取样讯号与一参考电压，产生一回授讯号；一比较器，耦接该误差放大器与该电流感测端，接收该回授讯号与该电流讯号，产生一重置讯号；一振荡器，产生一周期性脉波讯号；一正反器，耦接该振荡器、该比较器与该输出端，产生该切换讯号，该周期性脉波讯号与该重置讯号分别启动与截止该切换讯号。
11.一种切换式功率转换器，其特征在于，其包含有一变压器，设置一第一一次侧绕组与一第二一次侧绕组，该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组耦接该切换式功率转换器的一供电轨；一开关，连接于该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组之间，用于切换该变压器；一控制电路，耦接该开关与该变压器，产生一切换讯号，用于切换该开关与调整该切换式功率转换器的输出；一供应电容，连接该控制电路；一二极体，耦接该变压器与该供应电容对该供应电容充电。
12.如权利要求11所述的切换式功率转换器，其特征在于，更包含有一电流感测装置，其连接在该开关，该电流感装置依据该变压器的一切换电流产生一电流讯号，该控制电路接收该电流讯号产生该切换讯号。
13.如权利要求11所述的切换式功率转换器，其特征在于，该变压器具有至少一漏电感，当该开关导通时该漏电感储存一储存能量，该开关截止时，该漏电感释放该储存能量至该供应电容。
14.如权利要求11所述的切换式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有一供应端，连接该供应电容与该二极体；一接地端，连接该供应电容与该变压器；一电压侦测端，耦接该变压器，侦测一电压；一电流感测端，耦接该开关，接收一电流讯号；一输出端，依据该电压与该电流讯号产生该切换讯号，切换该开关而切换该变压器。
专利摘要本实用新型是关于一种切换式功率转换器，其包含一变压器，其设置有一第一一次侧绕组与一第二一次侧绕组，第一一次侧绕组与第二一次侧绕组分别耦接正、负供电轨；一开关，其连接于第一一次侧绕组与第二一次侧绕组之间，用于切换变压器；一控制电路，其耦接开关与第二一次侧绕组，产生一切换讯号以切换开关与调整切换式功率转换器的输出；一供应电容，其耦接控制电路而供应电源至控制电路；一二极体，其耦接负供电轨与供应电容。第二一次侧绕组具有一漏电感，其在开关导通时储存一储存能量，当开关截止时，漏电感经由二极体释放储存能量至供应电容，如此本实用新型的变压器与开关的设置方式可增进切换式功率转换器的效能并可降低电磁干扰。
文档编号H02M1/00GK2914480SQ20062011357
公开日2007年6月20日 申请日期2006年4月29日 优先权日2006年4月29日
发明者杨大勇 申请人:崇贸科技股份有限公司