專利名稱：多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(flyback converter)，一種包括這種返馳式轉(zhuǎn)換器的顯示裝置，和一種在多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器中控制輸出循環(huán)順序的方法。
相關(guān)技術(shù)的描述常規(guī)的回掃開關(guān)電源通常包括一個(gè)變壓器(實(shí)際上是一對(duì)耦合的電感)和一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)，上述電源開關(guān)以一連串的電壓脈沖交替地耦合電力變壓器的初級(jí)繞組兩端的未經(jīng)穩(wěn)壓的DC電壓或者整流AC電壓。這些脈沖被轉(zhuǎn)換為一連串電力變壓器兩端的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組的電壓脈沖，然后對(duì)上述電壓脈沖進(jìn)行整流和過濾以提供一個(gè)或多個(gè)輸出DC電壓。輸出電壓或者功率變換器的電壓通常是通過控制該電源開關(guān)接通的相對(duì)時(shí)間量(即，占空度)而調(diào)節(jié)的。
一種普通型的開關(guān)電源是返馳式功率轉(zhuǎn)換器，在非隔離的方案中其被稱作降壓升壓轉(zhuǎn)換器(buck-boost converter)。該返馳式轉(zhuǎn)換器是一種在低功率、多輸出應(yīng)用中使用的非常普及的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。返馳式功率轉(zhuǎn)換器通過循環(huán)地在電力變壓器中儲(chǔ)存能量，然后將這些儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)儲(chǔ)(dump)到負(fù)載中而工作。通過改變每個(gè)周期被存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)儲(chǔ)的能量值，可以控制和調(diào)節(jié)輸出功率。與電力變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)的大功率開關(guān)晶體管通常提供這樣一種切換功能。也就是說，電源開關(guān)的接通時(shí)間和斷開時(shí)間控制通過電力變壓器耦合的能量值，或者換句話說由電力變壓器傳送的能量值。在電源開關(guān)接通時(shí)，電流流過電力變壓器的初級(jí)繞組，并且能量被存儲(chǔ)在變壓器(初級(jí)磁化電感)中。在電源開關(guān)斷開時(shí)，通過電流從電力變壓器的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組中流出，使得儲(chǔ)存的能量被向外傳送進(jìn)入次級(jí)電路。注意到，在電源開關(guān)接通且初級(jí)電流流動(dòng)的同時(shí)，電力變壓器中不流動(dòng)次級(jí)電流。對(duì)此的理由是，在常規(guī)的返馳式功率轉(zhuǎn)換器中，選擇繞組的極性，并將整流器耦合到次級(jí)繞組，以便在電源開關(guān)接通的時(shí)候阻止在次級(jí)繞組中的電流傳導(dǎo)。
在較低的功率電平方面，因?yàn)榉雕Y式功率轉(zhuǎn)換器通常更簡(jiǎn)單，需要減少的組件數(shù)量，并且允許使用從單個(gè)電源中獲得的多個(gè)調(diào)節(jié)的輸出，所以返馳式功率轉(zhuǎn)換器比其他的開關(guān)功率變換器有益。返馳式轉(zhuǎn)換器通常的應(yīng)用是AC整流器，例如，其可以在20至100瓦的功率電平上輸送在9V DC至180V DC范圍內(nèi)的輸出電壓，從整流的AC電源中提取功率，對(duì)于通用的電源輸入其可以在85V AC至270V AC之間變化。
返馳式轉(zhuǎn)換器通常以二種模式的其中一種工作，第一種模式是本領(lǐng)域公知的，被稱為不連續(xù)的傳導(dǎo)模式(此外也稱為DCM)，其中在下一個(gè)能量循環(huán)開始之前，存儲(chǔ)在變壓器中的能量被完全耦合或者傳送至輸出負(fù)載，通常導(dǎo)致在下一個(gè)能量或者驅(qū)動(dòng)周期開始之前次級(jí)電流達(dá)到零。第二種工作模式被稱為連續(xù)傳導(dǎo)模式(此外也稱為CCM)，借此，在從變壓器釋放出所有存儲(chǔ)的磁能之前，和由此在次級(jí)電流達(dá)到零之前，開始下一個(gè)能量循環(huán)。因?yàn)樵诓贿B續(xù)的傳導(dǎo)模式中可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的控制電路，通過改變頻率和/或電源開關(guān)的接通時(shí)間、容納重的或者輕的負(fù)載條件來保持輸出電壓調(diào)整，所以不連續(xù)的傳導(dǎo)模式比連續(xù)的傳導(dǎo)模式更通用。


圖1舉例說明一種在DCM或者CCM模式下操作的常規(guī)的返馳式轉(zhuǎn)換器100?，F(xiàn)有技術(shù)的返馳式轉(zhuǎn)換器100包括一個(gè)帶有初級(jí)繞組nP和次級(jí)繞組nS1的變壓器T。初級(jí)側(cè)開關(guān)SM具有一個(gè)主電流路徑，其被安排與該初級(jí)繞組nP串聯(lián)。輸入直流電壓VSRC被提供給串聯(lián)排列的初級(jí)繞組nP和初級(jí)側(cè)開關(guān)SM。串聯(lián)排列的二極管D1和平滑電容C1被設(shè)置跨接次級(jí)繞組nS1兩端。負(fù)載R1被設(shè)置與平滑電容C1并聯(lián)。如由點(diǎn)表示的，當(dāng)初級(jí)側(cè)開關(guān)SM是不導(dǎo)電時(shí)，初級(jí)繞組nP和次級(jí)繞組nS1被這樣設(shè)置極性，使得該二極管D1是導(dǎo)電的。在負(fù)載R1上的輸出電壓由V1表示。初級(jí)開關(guān)SM可以具有一個(gè)體二極管DM。
現(xiàn)有技術(shù)中的返馳式轉(zhuǎn)換器100的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)以CCM模式工作的時(shí)候，返馳式轉(zhuǎn)換器100可能在以高帶寬反饋環(huán)路使用的時(shí)候潛在地表現(xiàn)出不穩(wěn)定工作。也就是說，在使用高帶寬反饋環(huán)路的時(shí)候，變換器100對(duì)振蕩敏感。這個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，二極管D1是硬切換的。也就是說，在CCM模式中，電流被反向時(shí)二極管D1仍然導(dǎo)電。
圖2是另一種常規(guī)的返馳式直流-直流變換器的實(shí)例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)除了二極管D1用開關(guān)S1替換之外類似于在圖1中舉例說明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在圖2的電路中，MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)S1的體二極管BD1提供與圖1電路中的二極管D1相同的功能。在開關(guān)S1保持?jǐn)嚅_的時(shí)候，圖2的電路以與圖1的電路同樣的方式運(yùn)行。但是，在開關(guān)S1被“接通”的時(shí)候，能夠進(jìn)行雙向的電流流動(dòng)。也就是說，電流可以在相反的方向流動(dòng)(即，從濾波電容器C1輸出通過次級(jí)繞組nS1)。
圖3a是另一種現(xiàn)有技術(shù)的具有多輸出電路311、313的返馳式轉(zhuǎn)換器310的實(shí)例。該現(xiàn)有技術(shù)的返馳式轉(zhuǎn)換器310包括串聯(lián)排列的變換器T的初級(jí)繞組nP和初級(jí)側(cè)開關(guān)SM的主電流路徑，其串聯(lián)排列接收一個(gè)輸入直流電壓VSRC。變壓器T的次級(jí)繞組nS1被連接到次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)S1的主電流路徑和次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)S2的主電流路徑。二極管D1的正極被連接到次級(jí)側(cè)雙向轉(zhuǎn)換開關(guān)S1的靜止自由端。二極管D2的正極被連接到次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)S2的靜止自由端。平滑電容C1被設(shè)置在二極管D1的負(fù)極和次級(jí)繞組nS1的靜止自由端之間。平滑電容C2被設(shè)置在二極管D2的負(fù)極和次級(jí)繞組nS1的靜止自由端之間。負(fù)載R1被設(shè)置與電容器C1并聯(lián)以接收一個(gè)輸出電壓V1，負(fù)載R2被設(shè)置與電容器C2并聯(lián)以接收一個(gè)輸出電壓V2。次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)S1具有一個(gè)整體的(主體)二極管BD1，該二極管BD1與其主電流路徑并聯(lián)，并且相對(duì)于二極管D1反向地設(shè)置極性。次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)S2具有一個(gè)整體的(主體)二極管BD2，該二極管BD2與其主電流路徑并聯(lián)，并且相對(duì)于二極管D2反向放置。關(guān)于雙向開關(guān)S1和S2，除非另有說明，其相應(yīng)的主電流路徑和體二極管BD1和BD2意欲并行排列。
各個(gè)輸出電路311、313的每個(gè)包括阻塞二極管D1和D2，雙向開關(guān)S1和S2。阻塞二極管D1和D2阻塞電流從負(fù)載R1至R2流向次級(jí)繞組nS1。如果雙向開關(guān)S1處于“斷路”狀態(tài)之中，那么電流被阻塞流入輸出端。因此，開關(guān)S1的“接通”時(shí)間控制功率流進(jìn)電路311的輸出端。
電路310的缺點(diǎn)是，在該電路以不連續(xù)的傳導(dǎo)模式工作時(shí)，必須在每個(gè)循環(huán)中排放變壓器T的能量。因?yàn)樵陂_關(guān)操作循環(huán)中關(guān)于向負(fù)載提供電流的后一個(gè)或者最終的輸出電路(例如，開關(guān)S2)的雙向開關(guān)必須保持“接通”足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以在每個(gè)開關(guān)操作循環(huán)中充分地排放變壓器T，這可能是成問題的。為了確保充分排放能量，在實(shí)際操作中通常刪除開關(guān)S2。
圖3b是圖3a的電路中刪除了電路開關(guān)S2的一個(gè)實(shí)例。正如以上所討論的，這確保了在每個(gè)開關(guān)操作循環(huán)中充分地排放變壓器T。刪除開關(guān)S2導(dǎo)致輸出V2僅僅由初級(jí)開關(guān)SM的“接通”時(shí)間控制。
圖3a和3b舉例說明具有兩個(gè)輸出電路的電路。但是，不管輸出電路的數(shù)目，出現(xiàn)最終輸出電路的初級(jí)側(cè)控制。在每種情況下，在DCM模式的最后的輸出電路將由初級(jí)開關(guān)SM的“接通”時(shí)間控制。在一定情況下，即使輸出有效地由初級(jí)開關(guān)的“接通”時(shí)間控制，也希望在最后的輸出電路保留輸出電路開關(guān)。這是真實(shí)的，因?yàn)楸Ａ粼撻_關(guān)允許實(shí)施同步整流和初級(jí)軟切換。
圖4是另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)例，其是圖3b的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)。圖4的電路包括一個(gè)代替圖3b的電路中的阻塞二極管D2的開關(guān)S2。開關(guān)S2被連接使得體二極管BD2能夠向負(fù)載R2傳導(dǎo)電流。因?yàn)殡p向開關(guān)S2允許同步整流，進(jìn)一步允許初級(jí)開關(guān)SM的雙向軟切換，圖4的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供比圖3b的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。但是，即使圖4舉例說明的現(xiàn)有技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許同步整流和軟切換，因?yàn)樘囟ǖ妮敵?例如，在圖4中的輸出V2)必須在每個(gè)能量循環(huán)中最后被循環(huán)，所以其共有為所有舉例說明的現(xiàn)有技術(shù)電路共同具有缺點(diǎn)或者限制。從一種控制或者電路的觀點(diǎn)來看，這種限制也許不總是所希望的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的多輸出功率變換器，能夠沒有限制地以任何順序排序輸出端。通過輸出端的排序表示功率被提供給輸出端的順序。
本發(fā)明的第一個(gè)方面提供了一種如權(quán)利要求1的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的第二個(gè)方面提供了一種如權(quán)利要求7的顯示裝置。本發(fā)明的第三個(gè)方面提供了一種如權(quán)利要求8的控制在多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器中的輸出循環(huán)順序的方法。在從屬權(quán)利要求中限定有益的實(shí)施例。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在一個(gè)包括多輸出電路的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器電路中實(shí)現(xiàn)返馳式轉(zhuǎn)換器，每個(gè)輸出電路具有一個(gè)雙向開關(guān)，其對(duì)于輸出循環(huán)順序提供靈活的重新配置。因?yàn)殡p向開關(guān)能夠在兩個(gè)方向傳導(dǎo)電流或者阻塞電流，所以靈活的重新配置是可能的。因此，雙向開關(guān)允許電流從次級(jí)繞組流動(dòng)到負(fù)載，以及從相反的方向。
此外，該新穎的電路允許每個(gè)單個(gè)輸出或者輸出的任意組合在比初級(jí)開關(guān)操作循環(huán)期間更長(zhǎng)的一段時(shí)期被獨(dú)立地“斷開”(即，從該循環(huán)順序上去掉)，并且根據(jù)需要在以后的時(shí)間里重新插入(即，再次“接通”)。如果功率變換器應(yīng)用到一個(gè)具有備用模式的裝置中，其中該裝置電路的一部分耗費(fèi)盡可能低的功率，這一點(diǎn)是重要的。
按照本發(fā)明的返馳式轉(zhuǎn)換器電路包括一個(gè)功率變壓器T1，一個(gè)初級(jí)側(cè)開關(guān)和多個(gè)輸出信道或電路，每個(gè)輸出電路包括一個(gè)電壓受控的雙向開關(guān)，其允許每個(gè)輸出信道被獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)，因此在初級(jí)開關(guān)被轉(zhuǎn)向“斷開”的時(shí)間內(nèi)能夠以任意的順序被循環(huán)。通過在每個(gè)輸出信道中提供一個(gè)雙向開關(guān)，消除了對(duì)于各個(gè)輸出信道的排序限制。也就是說，每個(gè)輸出信道可以在有限的限制內(nèi)以任意的順序循環(huán)，同時(shí)仍然保持同步整流和在雙向動(dòng)作中可利用的軟切換。由于多于一個(gè)的輸出電路包括一個(gè)允許電流從負(fù)載流動(dòng)到次級(jí)繞組的雙向開關(guān)，這些輸出電路的每個(gè)都可以是按順序被關(guān)掉的最后一個(gè)。最后一個(gè)按照特定順序關(guān)掉的雙向開關(guān)可以在從負(fù)載到次級(jí)繞組的電流大到足以達(dá)到初級(jí)側(cè)開關(guān)兩端充分低的電壓時(shí)被瞬間關(guān)掉，因此其被軟切換。
本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)包括對(duì)初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)開關(guān)同時(shí)軟切換，和由于在輸出電路使用雙向開關(guān)代替二極管導(dǎo)致的尤其是在低電壓、大電流應(yīng)用中的低電路損耗引起的較高的電路效率。
在現(xiàn)有技術(shù)中，因?yàn)檩敵鲭娐?13的開關(guān)S2沒有發(fā)送阻塞性能，如相對(duì)于圖4論述的存在該循環(huán)限制。由于缺乏發(fā)送阻塞性能，輸出電路413的電壓V2必須被保持在比V1高的電壓水平上，以便反向偏壓開關(guān)S2的體二極管BD，以補(bǔ)償發(fā)送阻塞性能的缺乏。相比之下，輸出電路411提供發(fā)送阻塞性能，因此可以在循環(huán)順序中的任一點(diǎn)上循環(huán)。發(fā)送阻塞性能是由開關(guān)S1的內(nèi)在的體二極管BD1提供的。
如權(quán)利要求3的實(shí)施例能夠進(jìn)行初級(jí)側(cè)開關(guān)的軟切換。只要必須獲得從相關(guān)的負(fù)載流向這個(gè)次級(jí)繞組的電流，那么在輸出循環(huán)順序中最后導(dǎo)電的次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)被保持導(dǎo)電，使得初級(jí)側(cè)開關(guān)兩端的電壓變?yōu)榱慊蛘呓咏诹?。因此，初?jí)側(cè)開關(guān)可以以在其兩端電壓非常低時(shí)被接通。
在如權(quán)利要求5所述的實(shí)施例中，次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)被斷開，以從輸出循環(huán)中除去與被斷開的雙向開關(guān)有關(guān)的輸出電路，并且相關(guān)的負(fù)載將不接收電流。這在一個(gè)低電耗成比例的系統(tǒng)中可能是重要的。未使用的電路(暫時(shí)的)將不接收電源電壓。例如，在顯示裝置的備用模式中，提供給顯示設(shè)備的電源電壓可能被關(guān)掉。當(dāng)雙向開關(guān)被斷開基本上比該初級(jí)側(cè)開關(guān)的開關(guān)操作循環(huán)更長(zhǎng)的一段時(shí)間時(shí)，從輸出循環(huán)上去掉與該斷開的雙向開關(guān)有關(guān)的輸出電路。
附圖的簡(jiǎn)要說明圖1是現(xiàn)有技術(shù)的返馳式轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2是另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的返馳式轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖3a是另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的具有多輸出電路的返馳式轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖3b是圖3a的一種修改的電路圖；圖4是一個(gè)結(jié)合圖3b的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元的現(xiàn)有技術(shù)的返馳式轉(zhuǎn)換器電路圖；圖5是一個(gè)按照本發(fā)明的軟切換多輸出返馳式轉(zhuǎn)換、器的電路圖；圖6舉例說明在圖5的軟切換多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器的切換期間理想化的信號(hào)波形；圖7舉例說明在圖5的軟切換多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器的切換期間理想化的信號(hào)波形；圖8舉例說明按照本發(fā)明的軟切換多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器第二個(gè)實(shí)施例的電路圖；和圖9顯示一個(gè)具有多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器的顯示裝置。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明注意到，雖然在此處描述的本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例使用在單個(gè)輸出繞組上具有多個(gè)輸出的單個(gè)輸出繞組，但無需改變本發(fā)明的電路的操作/控制，每個(gè)輸出可以有選擇地被放置在單獨(dú)的專用輸出繞組上。
注意到，在那些更加希望使用多個(gè)輸出繞組(例如，電絕緣需要)的情況中，反射電壓(即，輸出電壓乘以匝數(shù)比)將確定最希望的循環(huán)順序。在單個(gè)輸出繞組的情況下，為了保持輸出開關(guān)的軟切換，被選擇的輸出切換或者循環(huán)順序通常是從最低的輸出電壓到最高的輸出電壓。但是，在多個(gè)輸出繞組的情況下，為了保持軟切換，最低的至最高的電壓順序是通過反射電壓(即，輸出電壓乘以特定的輸出繞組相應(yīng)的匝數(shù)比)確定的。
參考圖5，其顯示一個(gè)按照本發(fā)明的示范性返馳式轉(zhuǎn)換器電路500。
這個(gè)按照本發(fā)明的返馳式轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例具有多個(gè)輸出電路511、513。串聯(lián)排列的變換器T1的初級(jí)繞組nP和初級(jí)側(cè)開關(guān)SM的主電流路徑被安排接收一個(gè)輸入直流電壓VSRC。
順序排列的次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)S1和負(fù)載R1的主電流路徑被安排跨接在變換器T1的次級(jí)繞組nS1兩端。平滑電容C1被安排與負(fù)載R1并聯(lián)。在負(fù)載R1兩端給出輸出電壓V1。
順序排列的次級(jí)側(cè)雙向的開關(guān)S2和負(fù)載R2的主電流路徑被安排跨接在變換器T1的次級(jí)繞組nS1兩端。平滑電容C2被安排與負(fù)載R2并聯(lián)。在負(fù)載R2兩端給出輸出電壓V2。
耦合到雙向開關(guān)S1和S2的次級(jí)繞組nS1端電壓由Vsec表示。
變換器500在每個(gè)相應(yīng)的輸出電路511、513中包括雙向開關(guān)S1、S2。雙向開關(guān)S1、S2是一種可以在兩個(gè)方向傳導(dǎo)電流，還可以從兩個(gè)方向阻塞電流的開關(guān)(或者開關(guān)對(duì)S1a、S1b；S2a、S2b)。在按照本發(fā)明的返馳式轉(zhuǎn)換器500中，這些雙向開關(guān)S1和S2被設(shè)置使得它們?cè)试S電流既從該次級(jí)繞組nS1到負(fù)載R1和R2流動(dòng)，又允許在相反方向上流動(dòng)。
雖然在示范性的實(shí)施例中僅僅示出兩個(gè)輸出電路511、513，其他的實(shí)施例可以包括更大數(shù)量的輸出電路511、513。
如圖5所示，雙向開關(guān)S1和S2分別由開關(guān)S1a和S1b以及S2a和Sab各自的串連排列構(gòu)成。通過施加適當(dāng)?shù)目刂七壿?未示出)，每個(gè)子開關(guān)S1a、S1b、S2a、S2b可以通過施加適合的控制邏輯(沒有顯示)獨(dú)立地受控，以提供在現(xiàn)有技術(shù)的電路配置中不可用的電路重新配置性能。兩種串連排列的子開關(guān)S1a、S1b和S2a、S2b分別連接使得整體的(主體)二極管D1A、D1B；D2A、D2B被相反地連接。
通過在每個(gè)輸出電路中利用雙向開關(guān)S1、S2，使得電流可以流入或者流出相關(guān)的負(fù)載R1、R2，電路500可以在二個(gè)方面重新配置。首先，輸出電路(例如，511、513)的任何一個(gè)能夠被獨(dú)立地“接通”或者“斷開”。通過“斷開”一個(gè)特定的輸出電路511、513，能夠在再次“接通”輸出電路之前將其有效地從電路500上去掉。但是，假設(shè)這種可能性，應(yīng)該理解本發(fā)明的電路500允許一種情況，即所有的輸出電路被同時(shí)關(guān)掉。雖然這是容易實(shí)現(xiàn)的，但這對(duì)于返馳式結(jié)構(gòu)來說是不受歡迎的情況。其次，通過對(duì)各個(gè)相應(yīng)的雙向開關(guān)S1、S2施加適合的控制邏輯，輸出循環(huán)順序可以容易地重新設(shè)置(例如，511、513或者513、511)。下面將更詳細(xì)地描述這些特點(diǎn)。
通過在圖5的電路500的各個(gè)輸出電路511、513中利用雙向開關(guān)S1、S2，消除了需要一個(gè)特定的輸出電路511、513被最后循環(huán)的限制。這是真實(shí)的，因?yàn)榕c圖4的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，例如，在圖4中各個(gè)輸出電路411、413的每個(gè)中不提供發(fā)送阻塞性能，本發(fā)明的電路500在每個(gè)輸出電路511、513中提供上述性能，以允許希望的循環(huán)順序。此外，一旦選擇特定的循環(huán)順序，通過簡(jiǎn)單地修改控制級(jí)的控制邏輯，其可以容易地被轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌难h(huán)順序以模擬其他的現(xiàn)有技術(shù)中的電路排列，該控制級(jí)控制在相應(yīng)的輸出電路511、513中的雙向開關(guān)S1、S2。
在下面提供一些典型的實(shí)例，說明本發(fā)明的電路500如何用于模擬現(xiàn)有技術(shù)的電路配置，同時(shí)消除循環(huán)順序的限制。
第一個(gè)實(shí)例現(xiàn)在將參考圖4的現(xiàn)有技術(shù)電路來描述一個(gè)實(shí)例，該實(shí)例舉例說明本發(fā)明的電路500如何被容易地重新設(shè)置以便模擬現(xiàn)有技術(shù)電路。注意到，電路500不僅能夠模擬現(xiàn)有技術(shù)的電路配置，即，電路400，而且這樣做不用遭受前述的要求特定循環(huán)順序的限制。
現(xiàn)有技術(shù)電路400的模擬通常是通過本發(fā)明的電路500模擬現(xiàn)有技術(shù)電路400相應(yīng)輸出電路的每個(gè)部件而實(shí)現(xiàn)的。尤其是，輸出電路511必須按照模擬現(xiàn)有技術(shù)電路411那樣的方法配置。類似地，輸出電路513必須按照模擬現(xiàn)有技術(shù)輸出電路413那樣的方法配置。
輸出電路511按照下面的方式模擬現(xiàn)有技術(shù)的輸出電路411模擬。保持電路511的雙向開關(guān)S1b被永久地“斷開”以模擬輸出電路411的開關(guān)S1。保持開關(guān)S1a被永久地“接通”以模擬輸出電路411的二極管D1。
類似地，輸出電路513通過保持電路513的雙向開關(guān)S2a被永久地“接通”而模擬現(xiàn)有技術(shù)的輸出電路413。因此其顯示出，通過正確地配置本發(fā)明的電路500相應(yīng)的雙向開關(guān)，模擬圖4中現(xiàn)有技術(shù)的輸出電路配置模擬。
此外，通過使用雙向開關(guān)S1、S2代替現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的電路元件可以克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)電路400的內(nèi)部限制，因此在每個(gè)輸出端提供發(fā)送阻塞性能，允許沒有限制的任何想要的循環(huán)順序。
第二個(gè)實(shí)例作為一種容易地修改或者變化循環(huán)順序的實(shí)例，該實(shí)例舉例說明顛倒先前實(shí)例的循環(huán)順序需要什么。即，首先是循環(huán)輸出電路513，接著是輸出電路511。這實(shí)現(xiàn)如下。
輸出電路511通過保持輸出電路511的開關(guān)S2b被永久地“接通”而模擬現(xiàn)有技術(shù)的輸出電路411。輸出電路513通過保持輸出電路513的開關(guān)S2a被永久地“接通”而模擬現(xiàn)有技術(shù)的輸出電路413。
軟切換本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是保持初級(jí)和次級(jí)側(cè)開關(guān)SM、S1、S2同步軟切換。
優(yōu)選地，在圖5中舉例說明的次級(jí)開關(guān)S1a、S1b和S2a、S2b是由NMOS開關(guān)實(shí)現(xiàn)。這些開關(guān)S1a、S1b和S2a、S2b具有二個(gè)傳導(dǎo)路徑，一個(gè)是由控制級(jí)電壓控制的主通路。當(dāng)該控制級(jí)電壓是“接通”(例如，相對(duì)于電源12V左右)時(shí)，該通道“導(dǎo)通”，電流可以通過該主開關(guān)通道在兩個(gè)方向上流動(dòng)。當(dāng)通道“導(dǎo)通”時(shí)，在開關(guān)S1a、S1b和S2a、S2b兩端的壓降(在兩個(gè)方向)將是電流乘RDSon電阻。當(dāng)控制級(jí)“斷開”時(shí)，通道將不再導(dǎo)電。但是，如果在二極管正向(即，源極至漏極)中的電壓超過0.7V左右時(shí)，寄生的(主體)二極管D1A、D1B；D2A、D2B將導(dǎo)電。體二極管的壓降將總是這個(gè)0.7V。通過使用一個(gè)更大的(更低的RDSon)開關(guān)，可以容易地生成任意小的RDSon壓降。但是，使用更大的開關(guān)S1a、S1b和S2a、S2b引起相應(yīng)的更高的成本。
圖6A-6E是舉例說明本發(fā)明的電路500如何實(shí)現(xiàn)軟切換的理想化的電路波形。
圖6B和6C舉例說明在一個(gè)描述為時(shí)間周期tA至tB的電感器充電/放電循環(huán)期間該開關(guān)S1和S2的開啟和閉合狀態(tài)。在圖6A中，盡管初級(jí)側(cè)開關(guān)SM閉合，但隔離變壓器T1處于描述為時(shí)間周期tA至tB的充電階段。在時(shí)間周期tB至tB期間，初級(jí)側(cè)開關(guān)SM是開路，隔離變壓器T1處于放電階段。
在tB瞬間，開始放電階段，開關(guān)SM轉(zhuǎn)變?yōu)殚_路狀態(tài)(參見圖6A)，開關(guān)S1轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)。
對(duì)于時(shí)間周期tB至tC，開關(guān)S1保持閉合(參見圖6B)。在開關(guān)S1中的開關(guān)電流IS1(參見圖6D)在預(yù)先確定(即，反饋控制)的時(shí)間流向輸出V1，其結(jié)果是功率被輸送給該負(fù)載R1。
對(duì)于時(shí)間周期tC至tD，開關(guān)S2處于閉合狀態(tài)(參見圖6C)，開關(guān)S1處于開路狀態(tài)(參見圖6B)。在這段時(shí)間，電流IS2(參見圖6D)通過S2的通道流向輸出V2，其結(jié)果是功率被輸送給負(fù)載R2。
圖6E舉例說明在時(shí)間tD關(guān)于開關(guān)S2狀態(tài)的二種可選擇的情形。在第一個(gè)情形中，開關(guān)S2在時(shí)間t0上“斷開”(見“A”)，在第二個(gè)情形中，開關(guān)S2被保持在“導(dǎo)通”狀態(tài)直到tE的瞬間。在下面描述兩種情形。
在第一個(gè)情形中，當(dāng)開關(guān)S2的體二極管BD2在時(shí)間tD變?yōu)榉聪蚱珘簳r(shí)，開關(guān)S2被“斷開”(見“A”)中止電流流動(dòng)。
在時(shí)間tD，初級(jí)開關(guān)漏電壓Vdrain開始下降，但是在下一個(gè)開關(guān)操作循環(huán)(參見在圖6E中的點(diǎn)C)之前不可能達(dá)到零伏。當(dāng)在比瞬間tE稍后的下一個(gè)能量循環(huán)開始時(shí)初級(jí)開關(guān)SM被再次“接通”的時(shí)候，在大多數(shù)情況下，在初級(jí)開關(guān)SM上將存在一些殘余電壓，而在這樣的情況下，硬切換將導(dǎo)致經(jīng)由開關(guān)本身寄生電容SM放電。寄生電容表示初級(jí)開關(guān)電容、反射的次級(jí)開關(guān)電容和在該變換器T1中，布線等等所有的雜散電容的總和。
在點(diǎn)C處的殘余電壓以來自次級(jí)的反射電壓和電源或者輸入電壓的函數(shù)出現(xiàn)。也就是說，電源電壓和反射電壓的某種組合(即，從另一個(gè)中減去一個(gè))引起零或者接近零的電壓，而其他的組合導(dǎo)致非零的“殘余”電壓。在本領(lǐng)域?yàn)榇蠹宜熘碾p向返馳式動(dòng)作確保對(duì)電源輸入電壓和次級(jí)反射電壓所有的組合實(shí)現(xiàn)軟切換(即，在該初級(jí)上零或者接近零的電壓)。
在第二個(gè)情形中，通過保持雙向開關(guān)S2處于“接通”狀態(tài)(參見“B”)來實(shí)現(xiàn)初級(jí)開關(guān)SM的軟切換，以允許反向電流Irev在時(shí)間周期tD至tE流過開關(guān)S2。也就是說，作為雙向開關(guān)的開關(guān)S2通過在超過正常接通時(shí)間(即，tC至tD)的延長(zhǎng)時(shí)間(即，時(shí)間tD至tE)內(nèi)保持“接通”能夠傳導(dǎo)反向電流。在時(shí)間周期tD至tE，某些電流將流出電容器C2回到次級(jí)繞組nS1。在這段時(shí)間，開關(guān)S2的寄生電容放電，從而允許軟切換次級(jí)側(cè)開關(guān)S2。當(dāng)在時(shí)間tES2被“斷開”的時(shí)候，初級(jí)電源開關(guān)SM的寄生電容將通過一個(gè)反向返馳式動(dòng)作放電，從而使得SM的漏電壓實(shí)質(zhì)為零伏，從而允許軟切換初級(jí)開關(guān)SM。
通過在本發(fā)明的電路500的每個(gè)相應(yīng)的輸出電路511和513中利用雙向開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)開關(guān)SM和次級(jí)雙向的開關(guān)(例如，S1和S2)兩者的軟切換。通過借助于初級(jí)單沖程順序地排列每個(gè)輸出，可以軟切換每個(gè)輸出。也就是說，初級(jí)開關(guān)SM可以對(duì)于每個(gè)特定的輸出循環(huán)一次。
電路操作參考圖7所示的理想化開關(guān)電路波形，可以更容易地理解圖5的本發(fā)明電路500的操作。圖7A-C舉例說明在一個(gè)電感器充電/放電循環(huán)期間開關(guān){SM、S1a、S1b、S2a、S2b}的開啟和閉合狀態(tài)。在圖7中，假定V1＜V2。
首先參考圖7A和7B，，初級(jí)側(cè)開關(guān)SM在時(shí)間t0被“接通”。在時(shí)間t1“斷開”開關(guān)SM之前的某一時(shí)刻，在時(shí)間t0’開關(guān)S1a被“接通”。由于當(dāng)SM被“接通”時(shí)Vsec是負(fù)的，所以開關(guān)S1b的體二極管D1B反向偏壓，并且阻塞從輸出V1沿著開關(guān)S1a方向的電流流動(dòng)。當(dāng)在時(shí)間t1“斷開SM”的時(shí)候，電壓Vsec上升，直到在時(shí)間t1A期間體二極管D1B導(dǎo)電為止。在這個(gè)時(shí)間之后的某一時(shí)刻，在時(shí)間t2，開關(guān)S1b被“接通”以便實(shí)現(xiàn)兩個(gè)RDSON(例如，S1A和S1B)的壓降。在整個(gè)時(shí)間t1AB(參見圖7b)期間，電流被傳導(dǎo)給V1輸出端。
現(xiàn)在參考圖7A和7C，以一種類似的方式，在t4的瞬間“關(guān)掉”S1a和S1b之前的某一時(shí)刻，在時(shí)間t3“接通”S2a。由于假定V2＞V1，S2b的體二極管D2B將被反向偏置，將阻塞從V2流向V1的電流。當(dāng)S1a和S1b被“斷開”時(shí)，電壓Vsec將上升，S2b的體二極管D2B在時(shí)間t2A期間傳導(dǎo)電。如前所述，現(xiàn)在S2b可以被“接通”。對(duì)于每個(gè)后續(xù)的輸出這個(gè)順序可以繼續(xù)。
如同所示，該順序允許接通輸出開關(guān)S1和S2的軟切換。產(chǎn)生一種替換的假設(shè)，即V1＞V2，那么接通時(shí)間和開關(guān)重疊將被改變。在這種情況下可能實(shí)現(xiàn)斷開軟切換，體二極管反向恢復(fù)損耗將增大。
第二個(gè)實(shí)施例圖8是本發(fā)明軟切換返馳式轉(zhuǎn)換器電路800的第二個(gè)說明性實(shí)施例的示意圖。本發(fā)明舉例說明一種電路，其舉例說明本發(fā)明的電路500如何與現(xiàn)有技術(shù)(即，圖4)中常規(guī)電路的一部分(即，一個(gè)輸出)結(jié)合。尤其是，所示的本發(fā)明的電路800包括輸出電路811和813。輸出電路805舉例說明一個(gè)按照現(xiàn)有技術(shù)的輸出電路。輸出電路805舉例說明一種標(biāo)準(zhǔn)的包括單個(gè)常規(guī)開關(guān)S3的輸出電路結(jié)構(gòu)。
電路800是將電路500中的輸出電路511用811表示，輸出電路513用813表示，其中增加了第三個(gè)輸出電路805。第三個(gè)輸出電路805包括一個(gè)具有設(shè)置在次級(jí)繞組nS1和提供輸出電壓V3的輸出端之間的主電流路徑的開關(guān)S3。平滑電容C3平滑輸出電壓V3。二極管D3A被設(shè)置與該開關(guān)S3的主電流路徑并聯(lián)。二極管D3A被放置向平滑電容C3導(dǎo)電。二極管D3A可以是一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)S3內(nèi)部的體二極管。
如先前參考圖4描述的，現(xiàn)有技術(shù)的輸出電路805根據(jù)常規(guī)配置必須是在循環(huán)順序中被排列或者循環(huán)的最后的輸出。相反，對(duì)應(yīng)于本發(fā)明電路800(即，811、813)的那些輸出電路可以按照本發(fā)明的原理以任意的順序排列或者循環(huán)。
總之，提供本實(shí)施例舉例說明一種包括結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合電路。
應(yīng)用就在監(jiān)視器和CRT電視接收機(jī)中使用CRT電源而言，圖5的本發(fā)明電路500的重新可置配性發(fā)現(xiàn)了特殊的用途。這些CRT電源典型地包括若干輸出(例如，12V、80V和180V)。在正常的滿功率操作之下，所有的這些電壓將是有源的。正常順序?qū)牡椭粮?例如，首先是12V，跟著是80V，然后180v)以更容易地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。在切換操作中會(huì)有一些重疊。在當(dāng)前的實(shí)例中，最后的輸出180V將以雙向的模式操作以實(shí)現(xiàn)初級(jí)線圈的軟切換。在斷電或者睡眠方式期間，可能要求僅低電壓保持接通。也就是說，12V輸出將保持“接通”，同時(shí)80V和180V輸出將被關(guān)掉。認(rèn)識(shí)到每個(gè)輸出端引入一個(gè)雙向轉(zhuǎn)換開關(guān)，因此，次級(jí)側(cè)控制器可能向12V輸出端傳送雙向的動(dòng)作(即，初級(jí)軟切換)。
此外注意到，對(duì)于一個(gè)要求輸出電壓周期性地變化的應(yīng)用，運(yùn)行時(shí)該輸出順序可以是變化的。上述相同的性能可以在低電壓、較高電流電源(例如，用于液晶顯示器和個(gè)人計(jì)算機(jī)的電源)的情況中應(yīng)用。取決于應(yīng)用，雙向開關(guān)的2X Rdson事實(shí)上可以得到比在如現(xiàn)有技術(shù)中使用的以相應(yīng)的開關(guān)和低電壓Shottky整流器組合中看到的更低的損耗(即，更低的正向壓降)。
圖9顯示一種帶有多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器的顯示設(shè)備。該顯示設(shè)備包括信號(hào)處理電路SP、顯示裝置DD和多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器500。該信號(hào)處理電路SP接收一個(gè)輸入信號(hào)IS，并且顯示裝置DD施加顯示信號(hào)DS。該多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器500向信號(hào)處理電路SP提供一個(gè)電源電壓V1，向顯示裝置DD提供一個(gè)電源電壓V2。在一個(gè)實(shí)際的實(shí)施例中，多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器500可以提供二個(gè)以上的輸出電壓。
那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將不難認(rèn)識(shí)到，在不精確地按照在此處舉例說明和描述的示范性應(yīng)用，不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行這些和各種各樣其他的改進(jìn)、裝置和方法。
初級(jí)側(cè)開關(guān)SM和次級(jí)側(cè)開關(guān)S1和S2(和其子開關(guān))可以是帶有一個(gè)整體的(體)二極管和/或一個(gè)外部反向二極管的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管晶體管，或者帶有一個(gè)整體的或者外部反向二極管的雙極結(jié)型晶體管。
權(quán)利要求
1.一種具有初級(jí)和次級(jí)側(cè)的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)，包括至少具有初級(jí)繞組(nP)和次級(jí)繞組(nS1)的電力變壓器(T1)；在所述初級(jí)側(cè)的輸入電路，包括初級(jí)側(cè)開關(guān)(SM)，其被耦合到所述初級(jí)繞組(nP)，用于將輸入直流電壓(VSRC)耦合到所述電力變壓器初級(jí)繞組(nP)；在所述次級(jí)側(cè)上耦合到所述電力變壓器次級(jí)繞組(nS1)的多個(gè)輸出電路(511，513)，包括多個(gè)次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)(S1，S2)，所述多個(gè)輸出電路(511，513)中的每一個(gè)包括一個(gè)相應(yīng)的次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)(S1，S2)，用于允許在所述電力變壓器次級(jí)繞組(nS1)和相應(yīng)的輸出負(fù)載(R1，R2)之間的任何一個(gè)方向上傳導(dǎo)或者阻塞電流；和控制器，用于控制所述次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)(S1，S2)，以便確定所述次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)(S1，S2)的傳導(dǎo)周期的順序，從而獲得所述多個(gè)輸出電路(511，513)的輸出循環(huán)順序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)，其中，該返馳式轉(zhuǎn)換器是一種軟切換返馳式轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)，其中，該控制電路適合于使在輸出循環(huán)順序中最后變?yōu)閷?dǎo)通的次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)(S1，S2)保持導(dǎo)通，直到從相應(yīng)的負(fù)載(R1，R2)流向所述次級(jí)繞組(nS1)的電流具有一個(gè)可以在初級(jí)側(cè)開關(guān)(SM)兩端獲得零或者接近零的電壓的值為止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)，其中，次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)(S1，S2)是一個(gè)具有整體的反向二極管(D1A，D1B，D2A，D2B)的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)，其中，次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)(S1，S2)包括具有串聯(lián)排列的主電流路徑的第一和第二開關(guān)(S1a，S1b；S2a，S2b)；安排在第一開關(guān)(S1a，S2a)的主電流路徑兩端的第一二極管(D1A，D2A)；和安排在第二開關(guān)(S1b，S2b)的主電流路徑兩端的第二二極管(D1B，D2B)；其中第一和第二二極管(D1A，D1B；D2A，D2B)的極性是相對(duì)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)，其中，控制電路適合于關(guān)掉所述次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)(S1，S2)中的至少一個(gè)，從而從輸出循環(huán)順序中除去一個(gè)相應(yīng)的包括所述次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)(S1，S2)的輸出電路(511，513)。
7.一種顯示設(shè)備，包括顯示裝置(DD)；信號(hào)處理電路(SP)，用于將輸入信號(hào)(IS)處理為將在顯示裝置(DD)上顯示的顯示信號(hào)(DS)；和根據(jù)權(quán)利要求1所述的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器，其中，信號(hào)處理電路(SP)和顯示裝置(DD)是相應(yīng)的輸出負(fù)載(R1，R2)。
8.一種在具有初級(jí)和次級(jí)側(cè)的多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)中控制輸出循環(huán)順序的方法，多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器(500)包括至少具有初級(jí)繞組(nP)和次級(jí)繞組(nS1)的電力變壓器(T1)；在所述初級(jí)側(cè)上的輸入電路，包括初級(jí)側(cè)開關(guān)(SM)，該輸入電路被耦合到所述初級(jí)繞組(nP)，用于將輸入直流電壓(VSRC)耦合到所述電力變壓器初級(jí)繞組(nP)；在所述次級(jí)側(cè)上耦合到所述電力變壓器次級(jí)繞組(nS1)的多個(gè)輸出電路(511，513)，包括多個(gè)次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)(S1，S2)，所述多個(gè)輸出電路(511，513)中的每一個(gè)包括一個(gè)相應(yīng)的次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)(S1，S2)，用于允許在所述電力變壓器次級(jí)繞組(nS1)和一個(gè)相應(yīng)的輸出負(fù)載(R1，R2)之間的任何一個(gè)方向上傳導(dǎo)或者阻塞電流；和該方法包括控制所述次級(jí)側(cè)雙向開關(guān)(S1，S2)，以便確定所述次級(jí)側(cè)的雙向開關(guān)(S1，S2)的傳導(dǎo)周期的順序，從而獲得所述多個(gè)輸出電路(511，513)的輸出循環(huán)順序。
全文摘要
一種軟切換多輸出返馳式轉(zhuǎn)換器提供了輸出循環(huán)順序控制。多輸出電路(511，513)的每一個(gè)包括雙向開關(guān)(S1，S2)，其提供輸出循環(huán)順序的靈活的重新配置。此外，該新穎的電路允許各個(gè)輸出的每一個(gè)，或者其任意的組合被獨(dú)立地“斷開”(即，從該循環(huán)順序上去掉)，在以后的時(shí)間里根據(jù)需要重新插入(即，再次“接通”)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK1582525SQ02821811
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2002年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月5日
發(fā)明者L·布迪倫 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司