具有延长维持时间的谐振转换装置及其操作方法与流程

本发明是有关一种具有延长维持时间的谐振转换装置，尤指一种使谐振转换装置的输出电压在维持时间内高于预定电压的谐振转换装置。

背景技术：

近年来，电子产品对于电源的质量要求越来越高，尤其是精密电子产品在输入电压不稳定时有可能会产生不可逆的损坏，因此对负责供电的电源转换器要求也随着电子产品的普及与其对电力质量的重视而逐渐提升。电源转换器对电子产品供电的过程中，一旦发生输入电压不足时，需能够维持电源转换器持续输出电源一段时间，使得后端耦接的电子产品有足够的时间反应，并进行断电前数据的完整储存或备份。反之，若电源转换器无法在输入电压不足后的一段时间内提供稳定的输出电压时，会容易造成后端电子产品没有足够的时间反应，使得电子产品的数据流失或电子产品的损坏。

具体而言，当电源转换器输入电压不足，电源转换器的输出电容(bulkcapacitance)容量大小会影响电源转换器输出电压维持时间(hold-uptime)的长短。为了有效地延长在输入电压不足后，电源转换器尚可提供额定输出电压的时间，最直接的作法是将输出电容的容量增大，利用较大电容量可提供较长放电时间的特性，进而延长输入电压不足后，输出电压的供电时间。但由于电容容量的增大会带来电容体积的变大，因此利用增大电容容量来提供较长放电时间的方式，会使得电源转换器的体积及尺寸随之增加而难以小型化。

因此，如何设计出一种具有延长维持时间的谐振转换装置，以使谐振转换装置的输出电压在维持时间内高于预定电压，以实现谐振转换装置小型化的优势，乃为本案创作人所欲行克服并加以解决的一大课题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种具有延长维持时间的谐振转换装置，以克服现有技术的问题。因此，本发明谐振转换装置，包括：谐振转换单元，包括初级侧、变压单元及次级侧，初级侧接收输入电压，变压单元耦接初级侧与次级侧，且次级侧提供输出电压。延时单元，包括线圈与桥臂组，线圈耦合变压单元，且桥臂组耦接线圈与次级侧。控制单元，控制谐振转换单元将输入电压转换为输出电压。其中，当初级侧的切换频率小于临界频率时，控制单元控制桥臂组切换导通或不导通，使输出电压在维持时间内高于预定电压。

为了解决上述问题，本发明提供一种具有延长维持时间的谐振转换装置的操作方法，以克服现有技术的问题。因此，本发明谐振转换装置的操作方法包括下列步骤：(a)提供一谐振转换单元，将一输入电压转换为一输出电压。(b)提供一延时单元，当该谐振转换单元的一切换频率大于等于一临界频率时，该延时单元不工作。(c)提供一控制单元，控制该谐振转换单元与该延时单元。及(d)当该谐振转换单元的一切换频率小于该临界频率时，该控制单元控制该延时单元切换导通或不导通，使该输出电压在一维持时间内高于一预定电压。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置的方块示意图；

图2a为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置第一实施例的电路示意图；

图2b为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置第二实施例的电路示意图；

图3a为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置的切换频率小于临界频率的第一电流回路示意图；

图3b为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置的切换频率小于临界频率的第二电流回路示意图；

图4为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置在切换频率小于临界频率时的波形示意图；及

图5为本发明具有延长维持时间的操作方法的流程图。

其中，附图标记

1…谐振转换装置

10…谐振转换单元

102…初级侧

102-1…切换单元

q1…上开关

q2…下开关

102-2、102-2’…谐振单元

c、c1、c2…谐振电容

l1…第一谐振电感

l2…第二谐振电感

104…变压单元

106…次级侧

sb1…第一整流开关

sb2…第二整流开关

106-1…整流单元

106-2…输出电容

20…延时单元

202…线圈

204…桥臂组

204-1…第一桥臂

d1…第一二极管

s1…第一开关

204-2…第二桥臂

d2…第二二极管

s2…第二开关

204-3…储能电容

30…控制单元

2…负载

vin…输入电压

vo…输出电压

sc…控制信号

i1…第一电流回路

i2…第二电流回路

ir1…第一谐振电流

ir2…第一谐振电流

t0-t7…时间

(s200)～(s800)…步骤

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

请参阅图1为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置的方块示意图。谐振转换装置1接收输入电压vin，且转换输入电压vin为输出电压vo对负载2供电。谐振转换装置1包括谐振转换单元10、延时单元20及控制单元30，谐振转换单元10耦接延时单元20，且控制单元30耦接谐振转换单元10与延时单元20。谐振转换单元10包括初级侧102、变压单元104及次级侧106，初级侧102接收输入电压vin，变压单元104耦接初级侧102与次级侧106，次级侧106提供输出电压vo。延时单元20包括线圈202与桥臂组204，线圈202耦合变压单元104，且桥臂组204耦接线圈202与次级侧106。控制单元30输出控制信号sc控制初级侧102、次级侧106及桥臂组204，以维持谐振转换装置1的运作。

当输入电压vin正常时，控制单元30输出控制信号sc控制初级侧102与次级侧106，以控制谐振转换单元10将输入电压vin转换为输出电压vo。此时，控制单元30并未输出控制信号sc控制桥臂组204，使得延时单元20不工作。当输入电压vin不足时，控制单元30输出控制信号sc进一步控制桥臂组204，使初级侧102所储存的能量转换为输出电压vo，而暂时的维持输出电压vo高于预定的输出电压(之后简称预定电压)。

值得一提，于本发明的一实施例中，输入电压vin不足主要指的是输入电压vin逐渐下降至0。具体而言，谐振转换装置1前端通常耦接一前级装置(例如，但不限于功率因子校正器)，因此当前级装置因输入电源断电，或前级装置本身异常而停止运作时，前级装置的输出电压会因为其储存于输出电容的能量而暂时维持于某一水平之上，当能量逐渐消耗，前级装置的输出电压(即谐振转换装置1的输入电压vin)逐渐下降至0。

具体而言，本发明的主要目的在于，当谐振转换装置1的输入电压vin不足时，控制单元30能够控制桥臂组204的导通或不导通，使线圈202短路或耦接次级侧106，以将初级侧102的能量通过变压单元104或延时单元20传输至次级侧106，使谐振转换装置1能够在输入电压vin不足的情况下，仍然能够维持输出电压vo在维持时间内高于预定电压。例如，但不限于未加装延时单元20的谐振转换装置仅能维持输出电压vo不低于预定电压约10毫秒钟的时间，而本发明的谐振转换装置1由于包括延时单元20，因此可延长维持时间至例如但不限于，20毫秒以上，意即输出电压vo高于预定电压的维持时间会延长至大约2倍以上。相较于未加装延时单元20的谐振转换器而言，本发明的谐振转换装置1无需加大次级侧106的储能容量，即可达到延长维持时间的功效。

请参阅图2a为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置第一实施例的电路示意图，复配合参阅图1。初级侧102包括切换单元102-1与谐振单元102-2，切换单元102-1接收输入电压vin，且谐振单元102-2耦接切换单元102-1与变压单元104的一次侧。次级侧106包括整流单元106-1与输出电容106-2，整流单元106-1耦接变压单元104的二次侧，输出电容106-2耦接整流单元106-1与桥臂组204，且输出电容106-2稳定输出电压vo的电压值。桥臂组204包括并联的第一桥臂204-1、第二桥臂204-2及储能电容204-3，第一桥臂204-1包括串联的第一二极管d1与第一开关s1，第二桥臂204-2包括串联的第二二极管d2与第二开关s2。线圈202包括第一端与第二端，第一端耦接第一二极管d1的阳极与第一开关s1之间，第二端耦接第二二极管d2的阳极与第二开关s2之间。第一二极管d1的阴极、第二二极管d2的阴极及储能电容204-3的一端耦接输出电容106-2。

切换单元102-1及整流单元106-1的切换频率可由控制单元30根据其侦测到的谐振转换装置1的输入端或输出端的状态来决定。具体而言，当控制单元30送出给切换单元102-1的控制信号sc，其切换频率大于等于临界频率(临界频率值由电路设计者依实务设定)时，代表谐振转换装置1的输入电压vin正常。此时，控制单元30控制切换单元102-1的切换而将输入电压vin的能量对谐振单元102-2储能。谐振单元102-2上的能量通过变压单元104转换至次级侧106，且通过整流单元106-1整流为输出电压vo，以及通过输出电容106-2稳定输出电压vo的电压值。此时，控制单元30不输出控制信号sc控制桥臂组204的第一开关s1与第二开关s2，使得第一开关s1与第二开关s2不导通。由于第一开关s1与第二开关s2不导通，线圈202无法形成储能路径，而使得延时单元20不工作。

当切换单元102-1的切换频率小于临界频率时，代表谐振转换装置1的输入电压vin不足。意即，当输入电压vin越低时，切换单元102-1的切换频率会越来越低。当切换单元102-1的切换频率已经小于控制单元30的临界频率时，代表输入电压vin已经低于控制单元30所能接受的范围。此时，控制单元30为了维持输出电压vo在维持时间内高于预定电压，控制单元30控制桥臂组204的第一开关s1与第二开关s2切换导通或不导通。当控制单元30控制桥臂组204的第一开关s1与第二开关s2切换导通时，线圈202被短路，使得谐振单元102-2开始储能。此时，谐振转换装置1仅依靠输出电容106-2先前所储存的能量稳定输出电压vo的电压值。当控制单元30控制桥臂组204的第一开关s1与第二开关s2不导通时，谐振单元102-2储存的能量通过线圈202与桥臂组204提供至次级侧106的输出电容106-2，使得输出电容106-2能够持续的维持输出电压vo高于预定电压。

值得一提，由于本发明的操作方式以控制单元30所输出的控制信号sc作为判断的依据，意即，控制切换单元102-1的控制信号sc是由控制单元30所提供的，且控制单元30本身在输出控制信号sc当下，既可得知切换频率。藉此，可达到更为迅速，且准确的得知输入电压vin不足的状况。此外，当谐振转换装置1的负载转为重载时，也可能会造成切换单元102-1的切换频率小于临界频率。因此，为了增加辨识输入电压vin是否真的不足的准确性，于本发明的一实施例中，也可增加辅助判断输入电压vin是否不足的条件。例如，但不限于，于本发明的一实施例中，加入谐振转换装置1前端耦接的电子装置(例如功率因子校正装置，图未式)正常时，所提供的电源正常信号(ac_ok信号)。当输入电压vin不足时，控制单元30自觉切换频率小于临界频率，而控制单元30亦未接收到前级装置所提供的ac_ok信号，此时，可准确的判断切换频率降低的原因是由于输入电压vin不足，藉此可降低误动作的状况发生。

进一步而言，当初级侧102的切换单元102-1的切换频率大于等于临界频率时，控制单元30根据输出电压vo的电压值，而控制或调整切换单元102-1的切换频率。当切换单元102-1的切换频率小于临界频率(例如但不限于，40khz)时且未收到前级装置的ac_ok信号(假设有引入ac_ok判断条件的情况)，代表输入电压vin不足，此时控制单元30会强制的调高切换单元102-1的切换频率至谐振频率(例如但不限于，50khz)，且当切换单元102-1的切换频率调高至谐振频率后，控制单元30控制切换单元102-1的切换频率与占空比为定值(意即，将切换频率固定在谐振频率)。当切换单元102-1的切换频率调整至谐振频率时，会降低谐振单元102-2的谐振电流，以降低谐振转换装置1为了维持输出电压vo稳定的损耗。当初级侧102的切换单元102-1的切换频率小于临界频率时，控制单元30控制桥臂组204开始切换，且将桥臂组204的切换频率调整至谐振频率，然后控制单元30会根据输出电压vo来调整桥臂组204的占空比，占空比的大小会决定谐振单元102-2储存能量的多寡，在输入电压vin较高时，所需的占空比较小就能满足负载所需的能量，反之亦然。当桥臂组204的占空比越大时(意即，第一开关s1与第二开关s2的占空比开的越大时)，次级侧106可获得的能量就越多，使得输出电压vo维持高于预定电压的维持时间能够更久(例如但不限于，由2倍时间拉长至2.5倍)。

请参阅图2b为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置第二实施例的电路示意图，复配合参阅图2a。图2b的谐振转换装置1与图2a的谐振转换装置1差异在于，图2b的谐振单元102-2’为双电容式的谐振单元，而图2a的谐振单元102-2为单电容式的谐振单元。其差异在于，单电容式的谐振单元102-2仅有1个谐振电容c耦接切换单元102-1的上开关q1、下开关q2与第一谐振电感l1，而双电容式的谐振单元102-2’主要为2个谐振电容(c1、c2)串联的电路结构，耦接切换单元102-1的上开关q1、下开关q2与第二谐振电感l2，因此相较于单个谐振电容c而言，使用2个谐振电容(c1、c2)可降低每个谐振电容(c1、c2)上的电压应力，使谐振电容规格的选择更为弹性(意即，可降规格选用谐振电容)。但是，无论是图2b或图2a的谐振转换装置，其延长时间的控制方式皆相同。

值得一提，于本发明的一实施例中，切换单元102-1可为半桥式(如图2a、2b所示)或全桥式的切换单元(图未式)。全桥式的切换单元为2组桥臂并联的结构，其电路结构或控制方式为本领域技术人员已知，不再加以赘述。此外，于本发明的一实施例中，开关组件(例如上开关q1、下开关q2、第一整流开关sb1、第二整流开关sb2、第一开关s1及第二开关s2)旁边所并接的二极管可为开关组件内部的接面二极管，或者可以为外部额外并接的二极管。

请参阅图3a为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置的切换频率小于临界频率的第一电流回路示意图，复配合参阅图2a。当初级侧102的切换单元102-1的切换频率小于临界频率时，控制单元30输出控制信号sc控制桥臂组204的第一开关s1与第二开关s2导通或不导通。在切换单元102-1的上开关q1导通，且切换频率小于临界频率时，控制单元30控制第一开关s1与第二开关s2导通，且整流单元106-1至输出电容106-2的路径不导通。此时，初级侧102的输入电压vin、切换单元102-1(上开关q1)及谐振单元102-2构成一电流回路。由于第一开关s1与第二开关s2导通，使得线圈202被短路。此时，延时单元20的线圈202(由打点端流出)、第一开关s1及第二开关s2构成第一电流回路i1，使得谐振单元102-2流经的组件开始储能(意即，谐振电容c、第一谐振电感l1能够继续储能)。而且，由于次级侧106的整流单元106-1不导通，使得输出电容106-2上所储存的能量对负载2供电而持续消耗。

请参阅图3b为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置的切换频率小于临界频率的第二电流回路示意图，复配合参阅图2a。在切换单元102-1的上开关q1导通，且切换频率小于临界频率时，控制单元30控制第一开关s1与第二开关s2不导通，延时单元20的线圈202(由打点端流出)、第一二极管d1、储能电容204-3、输出电容106-2及第二开关s2(流经第二开关s2的接面二极管：junctiondiode)构成第二电流回路i2，使谐振单元102-2上的能量耦合至线圈202，而对储能电容204-3与输出电容106-2释能，且当输出电容106-2上储存的能量不足时，能量可由储能电容204-3提供至输出电容106-2，以使输出电容106-2能够持续的稳定输出电压vo。进一步而言，当切换频率小于临界频率，且第一开关s1与第二开关s2不导通时，次级侧106也提供路径供谐振单元102-2上的部分能量通过。当第一整流开关sb1不导通时，电流流过第一整流开关sb1的接面二极管，且当第一整流开关sb1导通时，电流流过第一整流开关sb1。第一整流开关sb1的导通或不导通可为控制单元30所控制，但若为了效率考虑，第一整流开关sb1导通时，效率较佳。

值得一提，于本发明的一实施例中，图3a与图3b示意以切换单元102-1的上开关q1导通时的电流路径，当切换单元102-1的下开关q2导通时，初级侧102的电流路径为切换单元102-1的下开关q2与谐振单元102-2构成另一电流回路(初级侧102的电流路径与图3a、3b相反)，次级侧106与延时单元20的电流回路与图3a、3b相同，但在第一开关s1与第二开关s2不导通时，次级侧106提供给谐振单元102-2上的部分能量通过的电流路径改由第二整流开关sb2经过。

进一步而言，在第一开关s1与第二开关s2不导通时，由于电流可以由第二开关s2的接面二极管流过，而形成第二电流回路i2，使得在第一开关s1与第二开关s2不导通时，电流有路径可流通。因此可用能量不会因为第一开关s1与第二开关s2的不导通，而没有路径可流通，因此可降低可用能量的浪费。此外，由于当第一开关s1与第二开关s2的不导通时，储能电容204-3可储存能量，且补充输出电容106-2的不足。因此除了可稳定输出电压vo的电压值外，还可以在输入电压不足时，可以达成有效稳定输出电压vo的涟波(ripple)，且在第一开关s1与第二开关s2不导通的瞬间，让多余的电流不会涌浪至输出电容106-2而产生电流突波(spike)。

请参阅图4为本发明具有延长维持时间的谐振转换装置在切换频率小于临界频率时的波形示意图，复配合参阅图1～3b，且反复参阅图3a、3b。当切换频率小于临界频率，且在时间t0-t3时，初级侧102的上开关q1导通，且在时间处于t0-t1时，整流单元106-1至输出电容106-2的路径不导通，以及第一开关s1与第二开关s2导通而造成线圈202短路(第一电流回路i1)。此时，谐振单元102-2中的谐振电容c、第一谐振电感l1储存能量，第一谐振电流ir1开始上升。在时间处于t1-t2时，第一开关s1与第二开关s2不导通。此时，第一谐振电感l1由储能逐渐转为释能，第一谐振电流ir1由上升逐渐转为下降，能量流过第二开关s2的接面二极管(第二电流回路i2)。此时，若第一整流开关sb1导通时(不导通时走接面二极管)，整流单元106-1至输出电容106-2的路径导通，使得部分的电流流过第一整流开关sb1对输出电容106-2充电。在时间处于t2-t3时，整流单元106-1至输出电容106-2的路径不导通，第一开关s1与第二开关s2也不导通。此时，初级侧102未有能量释放至次级侧106与延时单元20，使得初级侧102自行成电流路径。

当切换频率小于临界频率，且在时间t4-t7时，初级侧102的下开关q2导通，且在时间处于t4-t5、t5-t6、t6-t7时，第一谐振电流ir1与第一谐振电流ir2恰与时间处于t0-t3相反。原本配合上开关q1导通时流过第一整流开关sb1的电流，变成流过第二整流开关sb2，以及流过第一开关s1与第二开关s2的电流波形恰与时间处于t0-t3相反。

请参阅图5为本发明具有延长维持时间的操作方法的流程图，复配合参阅图1～4。谐振转换装置1接收输入电压vin，且转换输入电压vin为输出电压vo对负载2供电。谐振转换装置1包括谐振转换单元10、延时单元20及控制单元30，谐振转换单元10耦接延时单元20，且控制单元30耦接谐振转换单元10与延时单元20。操作方法包括下列步骤：将输入电压转换为输出电压(s200)。当输入电压vin正常时，控制单元30输出控制信号sc控制初级侧102与次级侧106，以控制谐振转换单元10将输入电压vin转换为输出电压vo。然后，当谐振转换单元的切换频率大于等于临界频率时，延时单元不工作(s400)。当谐振转换单元10的切换频率大于等于临界频率时，代表输入电压vin仍在正常范围，此时控制单元30不输出控制信号sc控制桥臂组204，使得延时单元20不工作。

当谐振转换单元的切换频率小于临界频率，且控制单元控制桥臂组导通时，初级侧储存能量(s600)。当谐振转换单元10的切换频率小于临界频率时(此处判断可选择性的同时加入前级装置提供的ac_ok信号，已于前面段落说明，在此不加以赘述)，代表输入电压vin不足，此时控制单元30输出控制信号sc导通桥臂组204中的开关，线圈短路，使初级侧中的谐振单元102-2储能。当切换频率小于临界频率，且控制单元控制桥臂组不导通时，初级侧的能量通过线圈与桥臂组提供至次级侧(s800)。通过步骤(s600)～(s800)，可使谐振转换装置1的输出电压vo在维持时间内高于预定电压。

综上所述，本发明的主要目的在于，当谐振转换装置的输入电压不足时，控制单元能够控制延时单元通过线圈电磁耦合至变压单元的方式，将感应能量传输至谐振转换单元，使谐振转换装置能够在输入电压不足的情况下，仍然能够达到维持输出电压在维持时间内高于预定电压的功效。

惟，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以所附的权利要求的保护范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本案权利要求的保护范围内。