專利名稱：反馳式轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反馳式(flyback)轉(zhuǎn)換器，其包括初級側(cè)輸入電路，其具有纏繞在變壓器上的初級繞組以及與該初級繞組串聯(lián)的初級開關(guān)元件；第一輸出電路，其具有纏繞在該變壓器上并且與整流元件和次級開關(guān)元件串聯(lián)的第一次級繞組；以及至少一個第二輸出電路，其具有纏繞在該變壓器上并且與整流元件串聯(lián)第二次級繞組。
背景技術(shù)：
上面提到的該類DC/DC轉(zhuǎn)換器在例如EP 0772284 A2中披露。具有開關(guān)次級控制安排的這種設(shè)備使得第一次級輸出電路的輸出可以被精確的調(diào)節(jié)到期望的值，而無需使用高功耗的線性控制電路。
與上述類型的轉(zhuǎn)換器有關(guān)的一個問題是，即使次級輸出電路中的功耗比起使用線性控制電路的情況低很多，但是該功耗仍然非常高。
發(fā)明概要因此，本發(fā)明的一個目標是提供上述類型的具有較低功耗的轉(zhuǎn)換器。
本目標通過權(quán)利要求1的反馳式轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。
更具體地說，根據(jù)一個方面，本發(fā)明涉及一種反馳式轉(zhuǎn)換器，其包括初級側(cè)輸入電路，其具有纏繞在變壓器上的初級繞組以及與該初級繞組串聯(lián)的初級開關(guān)元件；第一輸出電路，其具有纏繞在該變壓器上并且與整流元件和次級開關(guān)元件串聯(lián)的第一次級繞組；以及至少一個第二輸出電路，其具有纏繞在該變壓器上并且與整流元件串聯(lián)的第二次級繞組。其中，所述第一輸出電路包括用于提高第一輸出電路中的電感的裝置。
通過提高電感，RMS電流(因此功耗)可以保持得較低。這是因為提高了的電感限制了第一次級繞組中的電流上升的速率。該提高了的電感改變了電流分布，其中，限制了第一次級繞組中的峰值電流。由于峰值電流被降低，因此次級控制保持開關(guān)在更長時間內(nèi)導通以便控制輸出電壓。因此，所得到的電流波形具有低得多的RMS值。此外，第二換向(其中第一和第二輸出電路在不同時刻開始它們的掃描逆程)可以在很大程度上被避免。因此，在第二換向可能發(fā)生的情況下，電感的增加是特別有利的。
在一個優(yōu)選的實施例中，所述用于提高第一輸出電路中的電感的裝置包括提高第一次級繞組的泄漏電感的裝置。這是一個廉價的解決方法，因為不需要增加額外的組件。
優(yōu)選地，第一飲級繞組主要纏繞在變壓器的第一腿上，并且所述用于提高第一次級繞組的泄漏電感的裝置包括圍繞該變壓器的第二腿的第一次級繞組當中的至少一匝。
替換地，所述用于提高第一次級繞組的泄漏電感的裝置包括在初級繞組和第一次級繞組之間的間隙。
替換地，所述用于提高第一次級輸出電路中的電感的裝置可以包括輔助電感，該輔助電感與第一次級繞組串聯(lián)；以及續(xù)流(freewheeling)二極管，其允許電流在次級開關(guān)打開時繼續(xù)流過該輔助電感。
在一個優(yōu)選的實施例中，所述轉(zhuǎn)換器可以進一步包括用于可變地控制第一次級輸出電路的輸出的控制裝置。與提高了的電感一起，該控制裝置允許在一定范圍內(nèi)提供可變電壓，而沒有在電路中引入第二換向間隔的危險。
參考下文所述的實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將變的清楚并且將被闡明。
附圖簡述

圖1示意性地示出了具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)次級側(cè)控制的反馳式轉(zhuǎn)換器。
圖2示出了圖1的反馳式轉(zhuǎn)換器在第一種情況下的波形。
圖3示出了圖1的反馳式轉(zhuǎn)換器在第二種情況下的波形。
圖4示出了反馳式轉(zhuǎn)換器，其根據(jù)本發(fā)明的一個實施例進行了修改。
圖5示出了用于提高繞組泄漏電感的安排。
圖6示出了另一種用于提高繞組泄漏電感的安排。
圖7示出了用于提高輸出電路中的電感的替換方法。
圖8示出了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，其中所謂的半匝(half turn)被添加到變壓器繞組中。
圖9和圖10示出了具有傳統(tǒng)變壓器的轉(zhuǎn)換器的示波器圖像。
圖11和12示出了對于根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的轉(zhuǎn)換器所執(zhí)行的相應(yīng)測量，該轉(zhuǎn)換器包括所謂的半匝，以用于提高開關(guān)調(diào)節(jié)的輸出電路中的泄漏電感。
圖13和14示出了具有傳統(tǒng)變壓器的轉(zhuǎn)換器和根據(jù)本發(fā)明一個實施例的轉(zhuǎn)換器在全負載下的RMS電流比較。
優(yōu)選實施例描述圖1示意性地示出了具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)次級側(cè)控制的反馳式轉(zhuǎn)換器。該反馳式轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)和輸出側(cè)之間提供電隔離，并且能夠在其次級側(cè)同時提供多個不同的輸出電壓。反馳式轉(zhuǎn)換器可以在眾多消費電子產(chǎn)品中找到，比如電視機、DVD播放器和記錄器、衛(wèi)星接收器等等。
在EP 0772284 A2中描述的單輸出電路可以配備有開關(guān)次級側(cè)調(diào)節(jié)器，其允許將一個輸出電壓精確地調(diào)節(jié)到預(yù)定的期望值，而無需使用高功耗的線性調(diào)節(jié)器。
這樣的反馳式轉(zhuǎn)換器包括初級側(cè)輸入電路1，其包括纏繞在變壓器3上的初級繞組2以及與該初級繞組2串聯(lián)的初級開關(guān)元件4(例如MOSFET)。輸入電路1接收輸入電壓Vin。開關(guān)4被接通和關(guān)斷，以便允許將能量從變壓器3的初級側(cè)傳輸?shù)酱渭墏?cè)，正如后面將描述的那樣。幾種控制技術(shù)(例如常規(guī)的PWM(脈寬調(diào)制)或者自振蕩方法)可以被用來控制開關(guān)4，以便調(diào)節(jié)從該轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)流到輸出側(cè)的能量總量。
該轉(zhuǎn)換器進一步包括第一輸出電路5，其包括次級繞組6(具有纏繞在變壓器3上并且與二極管形式的整流元件7串聯(lián)的n1匝)，以及次級開關(guān)元件8(例如也是MOSFET)。次級開關(guān)8用于精確控制第一輸出電路的輸出電壓，這將在隨后描述。第一次級輸出電路5還包括輸出電容器9，在其兩端生成輸出電壓Vo1。
該轉(zhuǎn)換器還包括第二輸出電路10，其不通過次級側(cè)開關(guān)來調(diào)節(jié)。需要注意的是，多于一個這樣的電路可以存在于該轉(zhuǎn)換器中。第二輸出電路10包括次級繞組11，其具有纏繞在變壓器3上并且與諸如二極管的整流元件12串聯(lián)的n2匝。第二輸出電路10還包括輸出電容器13，該輸出電容器13對應(yīng)于第一輸出電路5中的輸出電容器。第二輸出電路提供了電壓Vo2?？梢酝ㄟ^控制初級側(cè)開關(guān)4的操作來調(diào)節(jié)電壓Vo2。
圖2示出了圖1的反馳式轉(zhuǎn)換器在第一種情況下的波形。這里從上至下示出了初級側(cè)輸入電路1的電流ip、第一次級輸出電路5的電流is1以及第二次級輸出電路10的電流is2。
在開關(guān)周期的第一階段，初級開關(guān)元件4閉合，并且ip以取決于初級繞組2的電感和輸入電壓Vin的速率上升(15)。接著，初級側(cè)開關(guān)元件4在第一時間點16關(guān)斷，并且換向發(fā)生(在tc期間)，其中次級側(cè)電流is1、is2同時上升(17、18)，隨后掃描逆程在第二時間點19開始。在掃描逆程(tfly)期間，在第一階段期間存儲在變壓器3中的能量被傳送到次級側(cè)電路5、10。第一電路5中的電流is1被次級側(cè)開關(guān)元件8在預(yù)定的關(guān)斷時間20切斷。在未調(diào)節(jié)的次級側(cè)電路10中，減小中的電流繼續(xù)流動，直到不再有能量被存儲在該變壓器中。
通過關(guān)于換向發(fā)生的時間點改變關(guān)斷時間20，通過調(diào)節(jié)流到輸出電容器9的電荷量來精確調(diào)節(jié)第一次級輸出電路5的輸出電壓Vo1是可行的。因此可以使用PWM控制方法來調(diào)節(jié)輸出電壓Vo1，就像在本領(lǐng)域中所公知的那樣。
圖3示出了圖1的反馳式轉(zhuǎn)換器在第二種情況下的波形。同樣地，這里從上至下示出了初級側(cè)輸入電路1的電流ip、第一次級輸出電路5的電流is1以及第二次級輸出電路10的電流is2。圖3示出了期望輸出電壓Vo1大大低于(n1/n2)*Vo2的情況。
在這種情況下，由于繞組6和輸出電容器9之間的電壓差，is1上升得非?？?。在is1流動的間隔期間，繞組11兩端的電壓被箝位到(n2/n1)*Vo1＜＜Vo2。因此，在這個間隔期間二極管12阻斷。這將持續(xù)到開關(guān)元件8將is1關(guān)斷。接著，電流is2開始流過第二輸出電路10。因此，其結(jié)果是所不期望的第二換向間隔。此外，由于更高的峰值電流，第一輸出電路5中的RMS電流變得高很多，并且因此增加了功耗。這是由于能量被順序地首先從變壓器3傳輸?shù)降谝惠敵鲭娐?、然后從變壓器3傳輸?shù)降诙敵鲭娐?0這一事實。
圖4示出了反馳式轉(zhuǎn)換器，其根據(jù)本發(fā)明的一個實施例進行了修改。本發(fā)明基于這樣的理解是次級繞組6、11的泄漏電感允許輸出電壓Vo1和Vo2偏離Vo1*n2＝Vo2*n1。如在一個例子中示出的那樣，所述轉(zhuǎn)換器可以包括多于一個的輸出電路5，其在次級側(cè)被調(diào)節(jié)。
為了提供具有更高效率的轉(zhuǎn)換器，第一輸出電路5應(yīng)該包括用于提高其電感L+的裝置。is1的上升斜率和峰值都隨著提高的電感而被降低。這樣降低了電流的RMS值，并且在很大程度上避免第二換向。如果第二換向被避免，則能量差不多同時被從變壓器3傳輸?shù)降谝缓偷诙敵鲭娐?、10，因此得到了更低的RMS電流。
提高的電感的值取決于應(yīng)用并且應(yīng)該被實驗地確定。太大的電感提高應(yīng)當被避免，這是由于其將會導致更加偏離輸出電壓關(guān)系式Vo1*n2＝Vo2n1。在Vo2是主要的已調(diào)節(jié)輸出的時候，繞組6兩端的電壓在特定負載條件下會變得比所期望的Vo1低，這意味著不能再執(zhí)行調(diào)節(jié)。
有幾種方法可以用于提高輸出電路5的電感，這將在后面描述。
添加電感L+允許以更高的選擇自由度來選擇輸出電壓Vo1，同時仍然避免不期望的第二換向，當然其前提時是Vo1≤Vo2*n1/n2。實際上，甚至可能使Vo1在所述轉(zhuǎn)換器的操作期間改變。然后控制電路30在操作期間的不同場合將Vo1調(diào)節(jié)到不同的電壓。然而，應(yīng)當注意到，Vo1仍然不應(yīng)當偏離Vo2*n1/n2太遠。
應(yīng)當理解的是，優(yōu)選地可以通過提高繞組6的泄漏電感來提高第一輸出電路5中的電感。在本領(lǐng)域中描述了不同的方法以用于降低包括變壓器的不同系統(tǒng)中的泄漏電感。所述泄漏電感總體上可以通過執(zhí)行相反的操作而得到提高。
圖5示出了用于提高繞組泄漏電感的安排。在這個安排中，間隙25被設(shè)置在變壓器3的初級繞組2和第一次級繞組6之間。
圖6示出了另一種提高繞組泄漏電感的安排。繞組主要纏繞在變壓器的第一腿26周圍。泄漏電感通過繞組中的圍繞變壓器的第二腿28的一匝27而得以提高。這種繞組可以被稱為“半匝”繞組，并且可以以不同方式提供，它的一個實例將在以后給出。關(guān)于總體上的半匝的概念，可以參考“How to design atransformer with fractional turns”，Dixon，L.H.；Unitrode Design Seminar；發(fā)表日期MAG-100A。當然可以提供多于一個這種匝。
圖7示出了用于提高輸出電路中的電感的一種替換方法。在該例中，替代提高繞組的泄漏電感，輔助電感24通過二極管7和次級側(cè)開關(guān)8與繞組6串聯(lián)連接。續(xù)流二極管29也被添加，從而在開關(guān)8關(guān)斷的時候允許電流繼續(xù)流過輔助電感24，因此避免了感應(yīng)電壓尖峰。
圖8-14示出了在應(yīng)用本發(fā)明的一個實施例時所獲得的實驗結(jié)果。
圖8示意性地示出了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，其中所謂的半匝被添加到變壓器繞組中。變壓器3包括氣隙g，并且具有在其中心腿上的三個繞組2、6、11。一個繞組2形成輸入電路的一部分，另外兩個6、11各自形成已調(diào)節(jié)輸出電路5和未調(diào)節(jié)輸出電路10的一部分，如上面關(guān)于圖4所披露的一樣。圖8中示出的環(huán)路31等效于與繞組6串聯(lián)的兩個并行的半匝。當在下面給出的實例中應(yīng)用“半匝”時，環(huán)路31被使用。在傳統(tǒng)的參考實例中，環(huán)路31不被使用(虛線)，并且提高繞組6中的匝數(shù)以獲得足夠的電壓。
下面的繞組被用在該實例中。
傳統(tǒng)變壓器5V繞組3匝3.3V繞組3匝1.8V繞組2匝因此，3.3V從5V繞組電壓次級控制，而1.8V從3.3V繞組電壓(2*(5/3))次級控制。
半匝變壓器5V繞組3匝3.3V繞組2+1/2匝1.8V繞組1+1/2匝3.3V從4.16V(2.5*(5/3))繞組電壓次級控制，而1.8V從2.5V繞組電壓(1.5*(5/3))次級控制。
通過應(yīng)用半匝可以獲得兩個好處。首先，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器變壓器相比，次級已調(diào)節(jié)輸出Vo1和相關(guān)的變壓器繞組6之間的電壓差受到限制。這樣做本身就限制了峰值電流。其次，泄漏電感由于半匝而被提高。
該參考實例具有四個輸出輸出112V1A(常規(guī)反馳輸出)輸出25V2A(主要已調(diào)節(jié)輸出)輸出33.3V1A(次要已調(diào)節(jié)輸出)輸出41.8V2A(次要已調(diào)節(jié)輸出)因此，輸出1和2對應(yīng)于圖4中的輸出電路10的例子，而輸出3和4對應(yīng)于圖4中的輸出電路5的例子。
輸出1和2的繞組與輸入電路的初級繞組一起完全纏繞在變壓器3的中心腿上。如果傳統(tǒng)變壓器被使用(參考實例)，則與輸出3和4相關(guān)聯(lián)的繞組被完全纏繞在變壓器的中心腿上。如果使用半匝變壓器，則與這些輸出相關(guān)的繞組被部分纏繞在變壓器的中心腿上，并且部分纏繞在外部腿上，如圖8所示。
圖9和10示出了常規(guī)轉(zhuǎn)換器的示波器圖像，圖9是半負載下的情況(輸出30.5A；輸出41A)，圖10是全負載下的情況(輸出31A；輸出42A)。在圖9和10中示出了初級開關(guān)4電壓32，流過輸出2的繞組的電流33，流過輸出3的繞組的電流34，流過輸出4的繞組的電流35。輸出1的電流在該例子中并不重要。
圖11和12示出了對于根據(jù)本發(fā)明一個實施例的轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的相應(yīng)測量，其包括所謂的半匝以用于提高開關(guān)調(diào)節(jié)的輸出電路中的泄漏電感。應(yīng)當注意的是，輸出電路4的峰值電流35大約是相應(yīng)的常規(guī)電路的電流的一半。由于減小了的峰值，電流脈沖的持續(xù)時間變得更長以便保持相通的輸出電流。結(jié)果，輸出4的繞組RMS電流變得更低，使得二極管和開關(guān)中的損耗更低。輸出3的繞組電流也減小，但是其減小的程度小于1倍。應(yīng)當注意的是，與輸出2的繞組電流33的上升相比，輸出4的繞組電流35的上升較緩慢。這是由于半匝繞組所引入的泄漏而導致的。輸出2的繞組與初級繞組一起纏繞在變壓器的中心腿上，并且因此與輸出2的繞組相關(guān)的泄漏被降低。
圖13和14示出了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器(圖13)和根據(jù)本發(fā)明一個實施例的轉(zhuǎn)換器(圖14)在全負載下的RMS電流比較。可以看到，在輸出3和4上的RMS電流(因此損耗)變得低得多。在一個典型的應(yīng)用中，MOSFET開關(guān)的導通電阻Rdson是140mΩ(TO220封裝)。這種開關(guān)的損耗因此將變?yōu)槿缦?
在輸出4的電路的情況下，通過應(yīng)用半匝變壓器，開關(guān)損耗減小了1倍還多。這意味著可以節(jié)省散熱片(在開關(guān)中不使用散熱片的情況下1.63W很難被耗散掉，然而0.74W卻沒有問題)。總而言之，本發(fā)明涉及一種具有開關(guān)調(diào)節(jié)的輸出電路的多重輸出反馳式轉(zhuǎn)換器。為了避免第二換向間隔，由于該次級受控輸出中的輸出電壓比其繞組匝數(shù)所指示的要低，因此該電路的電感得到了提高。優(yōu)選地通過提高已調(diào)節(jié)電路中的繞組的泄漏電感來實現(xiàn)這一點。
本發(fā)明并不僅限于所描述的實施例。在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可以以不同方式對本發(fā)明進行修改。
權(quán)利要求
1.一種反馳式轉(zhuǎn)換器，包括初級側(cè)輸入電路(1)，其具有纏繞在變壓器(3)上的初級繞組(2)以及與該初級繞組(2)串聯(lián)的初級開關(guān)元件(4)；第一輸出電路(5)，其具有纏繞在該變壓器(3)上并且與整流元件(7)和次級開關(guān)元件(8)串連的第一次級繞組(6)；以及至少一個第二輸出電路(10)，其具有纏繞在該變壓器(3)上并且與整流元件(12)串聯(lián)的第二次級繞組(11)，其中，所述第一輸出電路(5)包括用于提高第一輸出電路(5)中的電感的裝置(24；25；27；31)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的反馳式轉(zhuǎn)換器，其中，所述用于提高第一次級輸出電路中的電感的裝置包括用于提高第一次級繞組(6)的泄漏電感的裝置(25；27；31)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的反馳式轉(zhuǎn)換器，其中，第一次級繞組(6)主要纏繞在所述變壓器(3)的第一腿(26)上，并且所述用于提高第一次級繞組(6)的泄漏電感的裝置包括第一次級繞組(6)中的圍繞所述變壓器(3)的第二腿(28)的至少一匝(27)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的反馳式轉(zhuǎn)換器，其中，所述用于提高第一次級繞組(6)的泄漏電感的裝置包括在所述初級繞組(2)和第一次級繞組(6)之間的間隙(25)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的反馳式轉(zhuǎn)換器，其中，所述用于提高第一次級輸出電路(5)的電感的裝置包括與第一次級繞組串連的輔助電感(24)以及允許電流在所述次級開關(guān)(8)打開時繼續(xù)流過該輔助電感的續(xù)流二極管(29)。
6.根據(jù)任何先前權(quán)利要求的反馳式轉(zhuǎn)換器，還包括用于可變地控制第一次級輸出電路(5)的輸出的控制裝置(30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有開關(guān)調(diào)節(jié)的輸出電路(5)的多重輸出反馳式轉(zhuǎn)換器。為了避免第二換向間隔，由于該次級受控輸出中的輸出電壓比其繞組匝數(shù)所指示的要低，因此該電路的電感得到了提高。優(yōu)選地通過提高已調(diào)節(jié)電路中的繞組(6)的泄漏電感來實現(xiàn)這一點。
文檔編號H02M3/335GK1969447SQ200580010981
公開日2007年5月23日 申請日期2005年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月13日
發(fā)明者P·J·M·祖利徹爾, P·J·M·施密特, F·里巴里, F·B·M·范霍克克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司