專利名稱：改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種切換式電源供應器的輸出整流電路，特是有關于一種同時應用同步整流器與二極管整流器的多重輸出整流器。
背景技術：
直流/直流轉換器(DC/DC converter)，主要用以提供電源給例如電腦、通訊裝置及個人數(shù)位助理等電子設備。直流/直流轉換器用來轉換一直流輸入電壓成一或多重經(jīng)調(diào)整的直流輸出電壓。舉例來說，對于個人電腦或網(wǎng)絡應用，直流/直流轉換器可用以轉換一輸入電壓成三個主要的直流輸出(12V、5Y、3.3V)。
圖1說明了現(xiàn)有技術中的多重輸出順向式轉換器(ForwsrdConvertef)。此順向式轉換器包含了偶合至一變壓器的初級線圈10輸入電晶體切換電路20。在這說明的具體例子中，輸入電晶體切換電路典型上為功率切換金屬氧化半導體場效電晶體(power switching MOSFET)。順向式轉換器具有第一及第二輸出電壓電路以分別提供第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2。這兩輸出電路的每個電路包含有次級線圈12、14、二極管整流器30、32以及34、36、輸出抗流圈(0utput Choke)50、52，以及輸出電容60、62，兩輸出抗流圈50、52相互耦合于一鐵心(Core)以改善互穩(wěn)壓性并達到低成本的設計。加權電壓調(diào)整器70控制輸入電晶體切換電路20的工作周率(duty cycle)以調(diào)整第一及第二輸出電壓5Vo1、Vo2。
圖1中的順向式轉換器之一個缺點為，次級線圈12、14以及輸出抗流圈50，52總是無法理想地耦合而無任何的漏電感(leakage)。再者，當順向電流(forward current)減少時，整流器內(nèi)二極管的順向壓降(forwarddrop voltage)會降低。這些因素都會使互穩(wěn)壓性變得不理想，尤其是當其中一個輸出處于輕負載，而其他輸出處于滿載的情況下。
圖2顯示了一個改良的電路。在此電路中，次級線圈12及14彼此相互重疊。線圈14提供第一輸出電壓Vo1，而線圈12加上線圈14提供第二輸出電壓Vo2。與第一固顯示的電路相比，由于線圈14為第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2共同使用，故提供第一輸出Vo1及第二輸出Fo2的線圈的耦合性將會有效地增加。這有助于第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2的互穩(wěn)壓性。
圖3顯示了整流器堆疊的轉換器，以更進一步改善互穩(wěn)壓性。其中第一輸出電路的二極管34及36順向壓降會反應到第二輸出電路。
然而，在這些電路中，抗流圈50及52的操作模式會影響到抗流圈的互穩(wěn)壓性?；シ€(wěn)壓性僅能在連續(xù)電流工作模式(continus current mode)下有良好的表現(xiàn)。
隨著持續(xù)的低輸出電壓需求的趨勢，次級整流器已廣泛地采用同步整流器來符合高效率的操作設計。圖4顯示了順向式轉換器，其中第一輸出電路501使用具有金屬氧化半導體場效電晶體40及44的同步整流器，以及第二輸出電路502使用具有順向二極管30及續(xù)流二極管32的二極管整流器。由驅(qū)動器80來驅(qū)動金屬氧化半導體場效電晶體40及44。由于與二極管整流器相比較，同步整流器有較低的導通壓降(conductionVoltage drop)，以及由于第一輸出電路501的連續(xù)電流工作模式(continus conduction mode，CCM)的操作，這兩個輸出電路501、502在輸出電路502為輕負載的最糟糕狀的的操作環(huán)境下，將導致數(shù)個穩(wěn)壓性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提供一多重輸出直流/直流轉換器，以使多重輸出直流/直流轉換器的所有輸出均操作于連續(xù)電流工作模式，以確保達到符合需求的互穩(wěn)壓性。
本發(fā)明的再一目的為提供一至少有一同步整流器的多重轉換器，藉由應用一低功率電晶體(a low power active switch)達到改良互穩(wěn)性。
一種具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，包含一變壓器，是包含有一主線圈及復數(shù)個次級線圈；復數(shù)個輸出電路，是提供復數(shù)個輸出電壓；該復數(shù)個輸出電路的每個電路分別與該復數(shù)個次級線圈之一偶合，該復數(shù)個輸出電路中至少一個電路使用同步整流器，而其他輸出電路使用二極管整流器，其中該其他輸出電路的每個電路更包含與該復數(shù)個二極管電路的一續(xù)流二極管并聯(lián)的一切換元件，以確使該其他電路操作于連續(xù)電流工作模式；以及一驅(qū)動器，是連接該同步整流器，以驅(qū)動該同步整流器及該其他復數(shù)個輸出電路的該切換元件。
根據(jù)本發(fā)明之一實施例，本發(fā)明提供一種具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器。該轉換器包含一變壓器，是包含有一主線圈、一第一次級線圈及一第二次級線圈；一第一輸出電路，是包含耦合至該第一次級線圈之一同步整流器，以提供一第一輸出電壓；一第二輸出電路，是包含耦合至該第二次級線圈之一二極管整流器，以提供一第二輸出電壓；一切換元件，是與該二極管整流器之一續(xù)流二極管并聯(lián)，以確使該第二輸出電路操作于連續(xù)電流工作模式；以及一驅(qū)動器，是連接該同步整流器，以驅(qū)動該同步整流器及該切換元件。
根據(jù)另一實施例，提供一種具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，該轉換器，包含一變壓器，是包含有一主線圈及復數(shù)個次級線圈；復數(shù)個輸出電路，是提供復數(shù)個輸出電壓；該復數(shù)個輸出電路的每個電路分別與該復數(shù)個次級線圈之一耦合，該復數(shù)個輸出電路中至少一個電路使用同步整流器，而其他輸出電路使用二極管整流器，其中該其他輸出電路的每個電路更包含與該復數(shù)個二極管整流電路之一續(xù)流二極管并聯(lián)之一切換元件，以確使該其他輸出電路的每個電路均操作于連續(xù)電流工作模式；以及一驅(qū)動器，是連接該同步整流器，以驅(qū)動該同步整流器及該其他復數(shù)個輸出電路的該切換元件。
根據(jù)又一實施例，提供了一種改良多重輸出轉換器互穩(wěn)壓性的方法，其中所述的轉換器包含復數(shù)個輸出電路以提供復數(shù)個輸出電壓，該復數(shù)個輸出電路的每個電路分別耦合至復數(shù)個次級線圈之一，該復數(shù)個輸出電路中至少一個電路使用同步整流器，而其他輸出電路使用二極管整流器。其中該方法包含提供一切換元件給該其他輸出電路的每個電路，該切換元件分別與該復數(shù)個二極管電路的續(xù)流二極管并聯(lián)，以確使該其他輸出電路操作于連續(xù)電流工作模式。


為了更完整地了解本發(fā)明，參考下列相關圖式說明，其中圖1為現(xiàn)有技術中多重輸出順向式轉換器的電路示意圖；圖2是現(xiàn)有技術中具有堆疊次級線圈的多重輸出順向式轉換器的電路示意圖；圖3是現(xiàn)有技術中具有堆疊次級及整流器的多重輸出順向式轉換器的電路示意圖；圖4是現(xiàn)有技術中具有同步整流器的高效率設計的多重輸出順向式轉換器的電路示意圖；圖5是本發(fā)明的第一個可替代的實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出的轉換器的示意圖；圖6是本發(fā)明的第二個可替代的實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出轉換器的示意圖；圖7是本發(fā)明的第三個可替代的實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出的轉換器的示意圖；圖8是本發(fā)明的第四個可替代的實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出的轉換器的示意圖；圖9保本發(fā)明的第五個可替代的實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的多重輸出的轉換器的示意圖以及圖10是本發(fā)明的第六個可替代的實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出的轉換器的示意圖。
具體實施例方式
請參考圖5，圖5為本發(fā)明第一實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出的直流/直流轉換器的示意圖。該轉換器包含了一變壓器，該變壓器具有耦合到輸入電晶體切換電路120的初級線圈110、第一次級線圈114以及第二次級線圈112。輸入電晶體切換電路120包含至少一電晶體開關(未顯示)。該轉換器更包含一第一輸出電路以及一第二輸出電路；該第一輸出電路包含一連接到第一次級線圈114的同步整流器以提供一第一輸出電壓Vo1，該第二輸出電路包含一連接到第二次級線圈112的二極管整流器以提供一第二輸出電壓Vo2。該第一輸出電路的同步整流器包含順向金屬氧化半導體場效電晶體(forward MOSFET)140以及續(xù)流金屬氧化半導體場效電晶體(freewheeling MOSFET)144。該第二輸出電路的二極管整流器包含順向二極管(forward diode)130及續(xù)流二極管(freewheelingdiode)132。
適用于本發(fā)明的輸入電晶體切換電路120非常的多，包含但非限制如下電路順向式轉換器、半橋式轉換器(half bridge converter)有源鉗位順向式轉換器(active clamp forward converter)、雙晶順向式轉換器(dual switch forward converter)或全橋式轉換器(full bridgeconverter)。
該第一輸出電路更包含具有第一電容162及第一抗流圈152的一第一濾波器，該第二輸出電路更包含具有第二電容160及第二抗流圈150的一第二濾波器。第一抗流圈152及第二抗流圈150彼此相互耦合，除可以達到低成本，不可提升第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2的互穩(wěn)壓性。加權電壓調(diào)整器170藉由控制輸入電晶體切換電路120的工作周率來調(diào)整第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2。
本發(fā)明的獨特之處是為利用切換元件142(一低功率電晶體開關)，并聯(lián)連接該第二輸出電路的二極管整流器的續(xù)流二極管132，以保證該第二輸出電路操作3于連續(xù)電流工作模式(cont inuous current mode)。在本實施例中，切換元件142可以是額定電流(Current Rating)比較小的半導體場效電晶體。當然，其他用于本發(fā)明的應用的切換元件也屬于本發(fā)明的領域，本發(fā)明的切換元件142作為第二抗流圈150的連續(xù)電流工作模式控制器，甚至當該第二輸出電路處于無負載的狀態(tài)。這是一個抵成本且簡單的方式，可以改善第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2的互穩(wěn)壓性。
使用本發(fā)明的切換元件142的多重輸出轉換器的操作如下所述，因為該第一輸出電路包含同步整流器，所以即使該第一輸出電路的負載由無負載變?yōu)槿d，該第一輸出電路仍具有幾乎固定的工作周率。一旦該第一輸出電路為全載的狀態(tài)而該第二輸出電路是在非常輕的負載狀態(tài)下，這對互穩(wěn)壓性是最糟糕的狀態(tài)，由加權電壓調(diào)整器170所產(chǎn)生的工作周率(duty)在所述的狀態(tài)下也幾乎相同。所以，輸入到該第二輸出電路的伏特一秒乘積，在任何情況下與當該第二輸出電路是滿載妁情況的伏特-秒乘積值相差很小。在續(xù)流時間，第二抗流圈150的電流可以流過切換元件142，因此其電流具有雙方向性。這特性使該第二輸出電路始終操作于連續(xù)電流工作模式，即使在非常輕的負載狀態(tài)下。這有助于保證第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2的互穩(wěn)壓性足夠好。
由于切換元件142的低功率及相對較低的額定電流，當?shù)诙敵鲭娐诽幱跐M載的情況時，續(xù)流電流主要流經(jīng)該二極管整流器的續(xù)流二極管132。因此，切換元件142不會造成高功率消耗。
該第一輸出電路更包含連接到同步整流器的一驅(qū)動器180，用以驅(qū)動順向金屬氧化半導體場效電晶體(Forward MOSFET)140以及續(xù)流金屬氧化半導體場效電晶體(Freewheeling MOSFET)144。同樣地，驅(qū)動器180可以用以同時驅(qū)動順向金屬氧化半導體場效電晶體140、續(xù)流金屬氧化半導體場效電晶體144以及切換元件142。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二個可替代實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出轉換器。圖6與圖5的差別在于第二輸出電路202的二極管整流器130、132與第一輸出電路201的同步整流器140、144是堆疊的狀態(tài)，如上所述，這有助于互穩(wěn)壓性。另外，圖6所顯示的電路，第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2的線圈的良好耦合可使互穩(wěn)壓性更進一步地改善，其中，由線圈114提供第一輸出電壓Vo1，而線圈112加上線圈114提供第二輸出電壓Vo2。
在圖6中所示的轉換器的操作方式與其他于下所描述的實施例與在所述圖5中詳細描述的轉換器的操作方式是相類似的，故其操作方式將不再重復描述。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三個可替代實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出轉換器。本實施例之一重要改進為第一次級線圈114及第二次級112相互重疊。與圖5所顯示的電路相比，線圈的耥合性會更為加強，使第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2的互穩(wěn)壓性獲得改善，其中線圈114提供第一輸出電壓Vo1，線圈112及114提供第二輸出電壓Vo2。
圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的第四個可替代實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出轉換器。如圖8所示，驅(qū)動器180連接到切換元件的方式可以采用在圖5中的方式。在圖8中，切換元件142的驅(qū)動是直接以同步整流器的順向式金屬氧化半導體場效電晶體140的汲極一源極的電壓來驅(qū)動。圖8所示的電路仍然維持了高整流效率及好的互穩(wěn)壓性。
請參考圖9，為圖5到圖8所衍生出的一滿足多重輸出轉換器應用的技術。為了說明，以圖9的一只有三個輸出電路(例如201、202以及203)的本發(fā)明之一實施例來說明。
在圖9中，該多重輸出轉換器包含了一具有一初級線圈110及復數(shù)個次級線圈(如線圈116、114及112)的變壓器、用以提供復數(shù)個電壓(如電壓Vo1、Vo2及Vo3)的復數(shù)個輸出電路(如電路201、202及203)。該復數(shù)個輸出電路的每個電路耦合到該復數(shù)個次級線圈的不同的一個線圈(如輸出電路201耦合至線圖116，輸出電路202耦合至線圈114，及輸出電路203耦合至線圈112)。該復數(shù)個輸出電路中至少一個電路(如電路201)使用同步整流器而該復數(shù)個輸出電路中其他所有的輸出電路使用二極管整流器(如電路202，203)。其他的每一復數(shù)個輸出電路(如電路202、203)更各包含一切換元件(如切換元件144、142)與每個該二極管整流器的續(xù)流二極管(如續(xù)流二極管136、132)并聯(lián)，以保證其他復數(shù)個輸出電路(如電路202，203)操作于連續(xù)電流工作模式。驅(qū)動器180連接輸出電路201的同步整流器以驅(qū)動同步整流器及其他復數(shù)個輸出電路(如電路202、203)的切換元件(如切換元件144、142)。加權電壓調(diào)整器170藉由控制輸入電晶體切換電路120的工作周率來調(diào)整多重輸出電壓(如電壓Vo1、Vo2及Vo3)。
在圖9中，即使處于互穩(wěn)壓性最糟糕的狀況。即該三個輸出電路中至少有一為滿載，而其他輸出電路為負載相當輕的情況，由加權電壓調(diào)整器170產(chǎn)生的工作周率也幾乎與正常情況相同。藉由切換元件142、144的幫助，多重輸出電壓(如電壓Vo1、Vo2及Vo3)的互穩(wěn)壓性依然相當?shù)暮谩?br> 圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的第六個可替代實施例的具有改良互穩(wěn)壓性的雙輸出轉換器。主要電路為一個多重輸出返馳式轉換器。該轉換器包含一具有初級線圈110、第一次級線圈114及第二次級線圈112的變壓器。第一輸出電路301耦合到第一次級線圈114以提供第一輸出電壓Vo1。第一輸出電路301包含同步整流器金屬氧化半導體場效電晶體140、驅(qū)動器180以及濾波電容162。第二輸出電路302包含一具有二極管138，切換元件148的二極管整流器，以及濾波電容160，其中切換元件148作為與二極管138并聯(lián)的一具有相對較小額定電流的金屬氧化半導體場效電晶體。驅(qū)動器180驅(qū)動切換元件148及金屬氧化半導體場效電晶體140。加權電壓調(diào)整器170藉由控制輸入電晶體切換電路120的工作周率來調(diào)整第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2。
藉由同步整流器金屬氧化半導體場效電晶體140的應用，第一輸出電路301可以總是操作于連續(xù)電流工作模式。同樣地，藉由切換元件148的幫助，第二輸出電路302甚至在無負載狀態(tài)下也總是操作于連續(xù)電流工作模式。所以，第一輸出電壓Vo1及第二輸出電壓Vo2的互穩(wěn)壓性可以非常符合要求。
由這些相關的技術可得知，圖10的轉換器的衍生技術也可以達到如圖9所描述的多重輸出轉換器的要求，這些也包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
由這些相關的技術可得知，本發(fā)明的轉換器的技術可以是順向式轉換器，半橋式轉換器、全橋式轉換器以及反馳式轉換器，并且也包含在本以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的保護范圍；凡其他為脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在內(nèi)。
權利要求
1.一種具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于，包含一變壓器，是包含有一主線圈及復數(shù)個次級線圈；復數(shù)個輸出電路，是提供復數(shù)個輸出電壓；該復數(shù)個輸出電路的每個電路分別與該復數(shù)個次級線圈之一偶合，該復數(shù)個輸出電路中至少一個電路使用同步整流器，而其他輸出電路使用二極管整流器，其中該其他輸出電路的每個電路更包含與該復數(shù)個二極管電路的一續(xù)流二極管并聯(lián)的一切換元件，以確使該其他電路操作于連續(xù)電流工作模式；以及一驅(qū)動器，是連接該同步整流器，以驅(qū)動該同步整流器及該其他復數(shù)個輸出電路的該切換元件。
2.如權利要求1所述的具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于，更包含一加權電壓調(diào)整器以調(diào)整該復數(shù)個輸出電壓。
3.如權利要求1所述的具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于，所述的同步整流器包含一順向金屬氧化半導體場效電晶體及一續(xù)流金屬氧化半導體場效電晶體。
4.如權利要求1所述的具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于，所述的二極管整流器堆疊于該同步整流器之上。
5.如權利要求1所述的具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于，所述的復數(shù)個次級線圈彼此相互堆。
6.如權利要求1所述的具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于，所述的切換元件是為金屬氧化半導體場效電晶體。
7.如權利要求6所述的具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于，所述的切換元件的一汲極連接各自的該續(xù)流二極管的一負極，以及該切換元件的一源極連接各自的該續(xù)流二極管的一正極。
8.如權利要求1所述的具改良互穩(wěn)壓性的多重輸出轉換器，其特征在于所述的轉換器是選自于由順向式轉換器、半橋式轉換器、全橋式轉換器以及反馳式轉換器所組成的族群。
9.一種改良多重輸出轉換器互穩(wěn)壓性的方法，其特征在于，所述轉換器包含復數(shù)個輸出電路以提供復數(shù)個輸出電壓，該復數(shù)個輸出電路的每個電路分別耦合至復數(shù)個次級線圈之一，該復數(shù)個輸出電路中至少一個電路使用同步整流器，而其他輸出電路使用二極管整流器，其中該方法包含提供一切換元件給該其他輸出電路的每個電路，該切換元件分別與該復數(shù)個二極管電路的續(xù)流二極管并聯(lián)，以確使該其他輸出電路操作于連續(xù)電流工作模式。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的切換元件的一汲極連接各自的該續(xù)流二極管的一負極，以及該切換元件的一源極連接各自的該續(xù)流二極管的一正極。
全文摘要
利用一具成本效益的電路可以改善多重輸出轉換器的互穩(wěn)壓性，特別是對于輸出抗流圈彼此耦合以及其中一輸出端應用了同步整流器的直流/直流轉換器。直流/直流轉換器包含了有一個主線圈及二個次級線圈的變壓器。第一次級線圈與一同步整流器及第一抗流圈耦合；第二次級線圈與一二極管整流器及第二抗流圈耦合。其中同步整流器具有一驅(qū)動器來驅(qū)動一續(xù)流電路，第一抗流圈與第二抗流圈耦合。增加一低功率金屬氧化半導體效電晶體電路至二極管整流器以避免二極管整流器在輕負載時操作于不連續(xù)電流工作模式。
文檔編號H02M3/28GK1574580SQ03127498
公開日2005年2月2日 申請日期2003年8月8日 優(yōu)先權日2003年6月18日
發(fā)明者甘鴻堅, 竇森, 章進法, 鐘天富, 程偉巴圣塔那克羅 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司