專利名稱：具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，尤指一種可自動(dòng)使其上的各電力開關(guān)在零電位的狀態(tài)下，順利完成切換動(dòng)作，以有效降低上述各個(gè)開關(guān)在高頻切換作業(yè)下的功率損失的電源供應(yīng)器。
近年來，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的制造技術(shù)進(jìn)步神速，所生產(chǎn)的半導(dǎo)體元件日趨小型化，此一發(fā)展趨勢(shì)，使各種電子產(chǎn)品的制造業(yè)可以研究開發(fā)設(shè)計(jì)出更輕薄短小的產(chǎn)品。然而，在傳統(tǒng)硬式切換模式的電源供應(yīng)器設(shè)計(jì)中，其電力開關(guān)在高頻操作環(huán)境下，將消耗大量功率，產(chǎn)生高熱，故需通過加裝散熱片及風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，否則，極易發(fā)生故障，所以，這種傳統(tǒng)電源供應(yīng)器不僅制造成本及故障率較高，其體積較大及散熱不良等缺點(diǎn)，也使其成為這些電子產(chǎn)品在小型化過程中的致命傷。
自1980年開始，隨著微電腦時(shí)代的來臨，電子產(chǎn)品的小型化變得更加迫切，從業(yè)人員為適應(yīng)此一需求，研究設(shè)計(jì)出下列各種傳統(tǒng)切換模式的電源供應(yīng)器(1)傳統(tǒng)返馳式電源供應(yīng)器在一般返馳式電源供應(yīng)器(f1ybackconverter)中，參閱

圖1所示，該電源供應(yīng)器的一輸入電壓濾波電容器C1，是跨接在一輸入電源Vin的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓給一后級(jí)轉(zhuǎn)換器使用，該后級(jí)轉(zhuǎn)換器包括一變壓器，該變壓器上設(shè)有一初級(jí)繞組Lp及一次級(jí)繞組Ls，該初級(jí)繞組Lp，與一開關(guān)元件S1形成一串聯(lián)回路，跨接在該濾波電容器C1的兩側(cè)。該次級(jí)繞組則與一二極管D1形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器C2的兩側(cè)，將經(jīng)該開關(guān)元件S1調(diào)制后的高頻切換波形欲給以平滑，提供一直流輸出電壓V0給輸出端上跨接的一負(fù)載使用。
在該電源供應(yīng)器中，當(dāng)該開關(guān)元件S1閉合時(shí)，輸入電源Vin將對(duì)該初級(jí)繞組Lp進(jìn)行充電，而將能量?jī)?chǔ)存其中，此時(shí)，由于該變壓器的初級(jí)繞組Lp及次級(jí)繞組Ls的極性相反，該二極管D1將被反向偏壓，因此，由該輸出電壓濾波電容器C2提供負(fù)載所需能量。然后，當(dāng)該開關(guān)元件S1斷開時(shí)，由于該變壓器上的磁通量開始收縮，導(dǎo)致該次級(jí)繞組Ls的電壓極性反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一感應(yīng)電流，使該二極管D1被導(dǎo)通，并對(duì)該濾波電容器C2進(jìn)行充電，且輸出至該輸出端所連接的負(fù)載上。由于，此種電源供應(yīng)器在該開關(guān)元件S1斷開時(shí)，該開關(guān)元件S1上將存在一相當(dāng)高的電壓，該電壓會(huì)在其寄生電容上蓄積一電位能量(CV2/2)，此能量會(huì)在該開關(guān)元件S1后續(xù)的閉合瞬間，在其上轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉，故在高頻的切換環(huán)境下，該開關(guān)元件S1上將產(chǎn)生高熱，極易故障。
為改善此一缺點(diǎn)，一專利編號(hào)第5,057,986號(hào)的美國(guó)發(fā)明專利，參閱圖2所示，即通過在前述電源供應(yīng)器的初級(jí)電路上加設(shè)另一開關(guān)元件S2及一儲(chǔ)能電容器Cp，利用該電源供應(yīng)器上的激磁電感Lp、儲(chǔ)能電容Cp及這些開關(guān)元件S1、S2上的寄生電容所形成的共振，使其達(dá)成零電位切換的機(jī)制(zero-voltage control scheme)。但是，在該發(fā)明中，由于此一機(jī)制必須通過該激磁電感Lp提供達(dá)成零電位切換條件所需的能量，因此，當(dāng)負(fù)載愈大時(shí)，零電位切換條件就愈難達(dá)成。另一專利編號(hào)第5,402,329號(hào)的美國(guó)發(fā)明專利，參閱圖3所示，是在電源供應(yīng)器中通過增加一小電感L1，利用該電感提供達(dá)成零電位切換所需的能量，該電感可為一外加電感或該變壓器本身的漏感，其作法雖可解決第5,057,986號(hào)美國(guó)專利所存在的缺陷，怛由于其零電位切換條件太過于依賴電路上的雜散電容(straycapacitance)及漏電感(leakage inductance)，造成在設(shè)計(jì)及制造該電源供應(yīng)器時(shí)，不易掌握其設(shè)計(jì)規(guī)格。
(2)傳統(tǒng)升壓式電源供應(yīng)器一般來說，傳統(tǒng)升壓式電源供應(yīng)器(Boostconverter)，參閱圖4所示，主要是被用來提升功率因數(shù)修正(power factorcorrection)上，由于功率因數(shù)修正電路(power factor correctioncircuit)均是在高壓環(huán)境下運(yùn)行，故該電源供應(yīng)器的開關(guān)元件S1在斷開時(shí)，其上將存在一約400伏的電壓，其所蓄積的電能，相對(duì)地變得非常大，并在后續(xù)的閉合瞬間，將全部轉(zhuǎn)變成該開關(guān)元件S1上的熱能，大大地折損了該開關(guān)元件S1的正常使用壽命。
之后，在1992年，為改善此一發(fā)熱的問題，李哲元博士等人提出一電路設(shè)計(jì)，參閱圖5所示，該電路是在前述電路中加入一輔助開關(guān)S2、一電感L2及一二極管D2等三元件，且在該電路運(yùn)行時(shí)，先通過短暫導(dǎo)通該輔助開關(guān)S2，直到該開關(guān)元件S1上的電壓被抽離，并已具備零電位切換的條件時(shí)，再導(dǎo)通該開關(guān)元件S1，完成零電位的切換動(dòng)作。但是，此一設(shè)計(jì)在實(shí)際制作上卻存在不少困難，且成本也較高，故其應(yīng)用情形并不普遍。而圖6所示的電路為專利編號(hào)第5,402,329號(hào)的美國(guó)發(fā)明專利，其僅能減少整流二極管D1的淤積電荷，對(duì)該開關(guān)元件S1放電所造成的損失，但是，由于該開關(guān)元件S1仍是處于硬式切換模式，故其在高頻的切換作業(yè)下，所造成的功率損失，自然不容忽視。
(3)傳統(tǒng)降壓式電源供應(yīng)器傳統(tǒng)降壓式電源供應(yīng)器(Buckconverter)，參閱圖7所示，主要是被使用在低電壓大電流的場(chǎng)合，這種電源供應(yīng)器在設(shè)計(jì)上，一般較偏向于降低開關(guān)元件S1及整流二極管D1的導(dǎo)通損失，而忽略其切換損失，故迄今未見該電路在軟式切換方面的有關(guān)研究論文或應(yīng)用實(shí)例。參閱圖8所示的電路，主要是將前述電路中開關(guān)元件S1及整流二極管D1分別以一場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管(power MOSFET)Q1、Q2取代，該兩個(gè)晶體管采用互補(bǔ)式切換，利用這些晶體管的超低阻抗的優(yōu)點(diǎn)，來降低導(dǎo)通損失。然而，由于這些晶體管仍是處于硬式切換模式，故若該電路被應(yīng)用于電壓較高的場(chǎng)合，即不能忽視其開關(guān)元件在切換時(shí)的功率損失。
本發(fā)明的目的是提供一種可以克服傳統(tǒng)電源供應(yīng)器在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)上諸多缺點(diǎn)的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的其包括有一輸入電壓濾波電容器，跨接在一輸入電源的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓；一變壓器，用以儲(chǔ)存及釋放電能，其上設(shè)有一初級(jí)繞組及一次級(jí)繞組；一初級(jí)電力開關(guān)，與該初級(jí)繞組形成一串聯(lián)回路，跨接在該輸入電壓濾波電容器的兩側(cè)；一次級(jí)電力開關(guān)，與該次級(jí)繞組形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器的兩側(cè)，該輸出電壓濾波電容器可將經(jīng)這些開關(guān)調(diào)制后的高頻切換波形給以平滑，提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓給輸出端上跨接的一負(fù)載使用；一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路，用以使該輸出電壓濾波電容器上先前儲(chǔ)存的能量，能通過該變壓器局部反饋至其輸入側(cè)，再判斷這些電力開關(guān)是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作。
其中該控制電路可通過檢測(cè)該電源供應(yīng)器的輸出電壓，以調(diào)整其脈沖寬度。
其中這些電力開關(guān)可為一場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管，其上分別設(shè)有一寄生二極管。
其中該初級(jí)電力開關(guān)的漏極與該初級(jí)繞組相連接，而其源極則與該輸入電壓濾波電容器的負(fù)端相連接；該次級(jí)電力開關(guān)的漏極與該輸出電壓濾波電容器的正端相連接，而其源極則與該次級(jí)繞組相連接；該控制電路所提供的這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)是輸出至這些電力開關(guān)的柵極。
本發(fā)明的目的也可以是這樣實(shí)現(xiàn)的其包括一輸入電壓濾波電容器，跨接在一輸入電源的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓；一儲(chǔ)能電感器，與一充電電力開關(guān)形成一串聯(lián)回路，跨接在該輸入電壓濾波電容器的兩側(cè)；一放電電力開關(guān)，與該充電電力開關(guān)形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器的兩側(cè)，該輸出電壓濾波電容器提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓給輸出端上跨接的一負(fù)載使用；一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路，用以使該輸出電壓濾波電容器上先前儲(chǔ)存的能量，通過該儲(chǔ)能電感器局部反饋至其輸入側(cè)，再通過判斷這些電力開關(guān)是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作。
本發(fā)明的目的還可以是這樣實(shí)現(xiàn)的其包括一輸入電壓濾波電容器，跨接在一輸入電源的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓；一充電電力開關(guān)，與一放電電力開關(guān)形成一串聯(lián)回路，跨接在該輸入電壓濾波電容器的兩側(cè)；一儲(chǔ)能電感器，與該放電電力開關(guān)形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器的兩側(cè)，該儲(chǔ)能電感器與該輸出電壓濾波電容器形成一低通濾波器，提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓給輸出端上跨接的一負(fù)載使用；一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路，用以使該輸出電壓濾波電容器上先前儲(chǔ)存的能量，通過該儲(chǔ)能電感器局部反饋至其輸入側(cè)，再通過判斷這些電力開關(guān)是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作。
本發(fā)明是利用一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路，控制一電源供應(yīng)器，使其輸出側(cè)的電容器上先前儲(chǔ)存的能量，能通過其變壓器(或儲(chǔ)能電感器)局部反饋至其輸入側(cè)，再通過判斷其輸出側(cè)及輸入側(cè)上分別與該變壓器(或儲(chǔ)能電感器)相連接的電力開關(guān)，是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止(turn-off)或?qū)?turn-on)時(shí)間點(diǎn)，順利完成切換動(dòng)作，如此，反復(fù)執(zhí)行前述控制動(dòng)作，即可使該輸出側(cè)及輸入側(cè)上分別與該變壓器(或儲(chǔ)能電感器)連接的這些電力開關(guān)，能周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下，順利完成切換動(dòng)作，有效降低各該開關(guān)在高頻切換作業(yè)下的功率損失，大幅減少其上所累積的熱能及所需散熱片的體積大小，使其易于被應(yīng)用至各種小型化電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，免除了傳統(tǒng)共振型零電位切換電路過于依賴雜散電容及漏電感，造成在設(shè)計(jì)及制造電源供應(yīng)器時(shí)，因不易掌握其設(shè)計(jì)規(guī)格而難以實(shí)施的缺點(diǎn)。
圖1為傳統(tǒng)返馳式電源供應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖2為美國(guó)專利編號(hào)第5,057,986號(hào)的返馳式電路的基本結(jié)構(gòu)圖；圖3為美國(guó)專利編號(hào)第5,402,329號(hào)的返馳式電路的基本結(jié)構(gòu)圖；圖4為升壓式電源供應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖5為傳統(tǒng)切換型的升壓式電源供應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖6為另一傳統(tǒng)切換型的升壓式電源供應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖7為降壓式電源供應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖8為低導(dǎo)通損失的降壓式電源供應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖9為本發(fā)明的一具體實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；圖10為圖9所示電路上各主要零件的電壓或電流波形示意圖；圖11為本發(fā)明的另一具體實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；圖12為圖11所示電路上各主要零件的電壓或電流波形示意圖；圖13為本發(fā)明的又一具體實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；圖14為圖13所示電路上各主要零件的電壓或電流波形示意圖。
本發(fā)明是利用一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路SK1控制一電源供應(yīng)器，使其輸出側(cè)的電容器上先前儲(chǔ)存的能量，能通過其變壓器(或儲(chǔ)能電感器)局部反饋至其輸入側(cè)，再通過判斷該輸出側(cè)及輸入側(cè)上分別與該變壓器相連接的電力開關(guān)Q1及Q2，是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止(turn-off)或?qū)?turn-on)時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作，同時(shí)，該控制電路SK1也可通過檢測(cè)該電源供應(yīng)器的輸出電壓，以調(diào)整其脈沖寬度，達(dá)到調(diào)壓(voltageregulation)的目的。在本發(fā)明的下列實(shí)施例中，這些電力開關(guān)Q1及Q2可為一場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管(power MOSFET)，其上分別設(shè)有一寄生二極管(bodydiode)Da與Db。
本發(fā)明的一具體實(shí)施例，是應(yīng)用于一返馳式電源供應(yīng)器的電路設(shè)計(jì)，參閱圖9所示，該電路包括一輸入電壓濾波電容器C1，該電容器C1跨接在一輸入電源Vin的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓給一后級(jí)轉(zhuǎn)換器使用。該后級(jí)轉(zhuǎn)換器包括一變壓器T1，該變壓器T1用以儲(chǔ)存及釋放電能，其上設(shè)有一初級(jí)繞組Lp及一次級(jí)繞組Ls，其電感量分別為L(zhǎng)p及Ls，匝數(shù)比為N1，這些繞組上的標(biāo)記如圖9所示，該初級(jí)繞組Lp與一初級(jí)電力開關(guān)Q1形成一串聯(lián)回路，跨接在該電容器C1的兩側(cè)，該次級(jí)繞組則與一次級(jí)電力開關(guān)O2形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器C2的兩側(cè)，該電容器C2可將經(jīng)這些開關(guān)Q1及Q2調(diào)制后的高頻切換波形給以平滑，提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓Vo給輸出端上跨接的一負(fù)載使用。
本發(fā)明的該實(shí)施例在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，該電路上各主要零件的電壓或電流波形如圖10所示，當(dāng)t=t1時(shí)，該控制電路SK1輸出一正脈沖的驅(qū)動(dòng)電壓VGS1至該初級(jí)電力開關(guān)Q1的柵極(Gate)，使該開關(guān)Q1的通道導(dǎo)通，此時(shí)，若不計(jì)該通道的阻抗，輸入電壓Vin幾乎完全加諸于該初級(jí)繞組Lp上，因此，該初級(jí)繞組Lp上將流過一充電電流ip，其電流值如下列公式(1)所示iP(t)=iP(t1)+VinLP(t-t1)-----(1)]]>其中ip(t1)為充電初始值，Vin/Lp為充電斜率。此時(shí)，由于該次級(jí)繞組Ls所感應(yīng)到的電壓，對(duì)該次級(jí)電力開關(guān)Q2的寄生二極管Db而言，是反向偏壓，且該次級(jí)電力開關(guān)Q2的通道是呈截止?fàn)顟B(tài)，故電流is=0。
當(dāng)t=t2時(shí)，該控制電路SK1將該驅(qū)動(dòng)電壓VGS1變?yōu)榱汶娢唬乖摮跫?jí)電力開關(guān)Q1的通道截止，此時(shí)，該變壓器T1上由充電電流ip所建立的磁通量，將因該電流ip的截止，開始收縮，使該次級(jí)繞組Ls上的感應(yīng)電流is流經(jīng)該二極管Db，對(duì)該濾波電容器C2充電，在不計(jì)算該二極管Db的正向壓降的情形下，其電流值如下列公式(2)所示iS(t)=iP(t2)×N-V0LS(t-t2)------(2)]]>其中ip(t2)×N為電流is的放電初始值，-Vo/Ls為其放電斜率。在該實(shí)施例中，當(dāng)該寄生二極管Db被電流is導(dǎo)通后，該次級(jí)電力開關(guān)Q2的漏極(Drain)與源極(Source)間的電壓VDS2顯然已處在一接近零電位的狀態(tài)，該狀態(tài)可一直維持到該寄生二極管Db上沒有電流為止，因此，該寄生二極管Db的導(dǎo)通期間即為該次級(jí)電力開關(guān)Q2可進(jìn)行零電位切換的時(shí)機(jī)，t3即為該時(shí)機(jī)上的任何一時(shí)間點(diǎn)。
當(dāng)t=t3時(shí)，該控制電路SK1將輸出一正脈沖VGS2至該次級(jí)電力開關(guān)Q2的柵極，使該開關(guān)Q2的通道導(dǎo)通，完成該開關(guān)Q2的零電位切換動(dòng)作。此時(shí)，由于該開關(guān)Q2的通道阻抗較該寄生二極管Db低，故原來在該寄生二極管Db上的電流，大部份會(huì)分流到該開關(guān)Q2的通道。當(dāng)該次級(jí)繞組Ls上的能量完全釋放后，即電流is=0時(shí)，因該開關(guān)Q2的通道仍維持在導(dǎo)通狀態(tài)，該電容器C2上的電壓將經(jīng)該開關(guān)Q2的通道，對(duì)變壓器T1的次級(jí)繞組Ls充電，使電流is變成負(fù)值，其充電斜率仍為-Vo/Ls。
當(dāng)該次級(jí)繞組Ls因該電容器C2的充電而得到一些能量時(shí)，即當(dāng)t=t4時(shí)，該控制電路SK1將使驅(qū)動(dòng)電壓VGS2變成零電位，以截止該電力開關(guān)Q2的通道，此時(shí)，該變壓器T1上由電流is建立的磁通量，因電流is的截止，而開始收縮，使該初級(jí)繞組Lp上的感應(yīng)電流ip流經(jīng)該二極管Da，對(duì)該濾波電容器C1充電，在不計(jì)算該寄生二極管Da的正向壓降的情形下，其電流值如下列公式(3)所示iP(t)=iS(t4)N+VinLP(t-t4)--------(3)]]>其中is(t4)/N為電流ip的放電初始值，Vin/Lp為其放電斜率。在該實(shí)施例中，當(dāng)寄生二極管Da被導(dǎo)通后，該初級(jí)電力開關(guān)Q1的漏極(Drain)與源極(source)間的電壓VDS1顯然已處在一接近零電位的狀態(tài)，該狀態(tài)可一直維持到該寄生二極管Da上沒有電流為止，因此，該寄生二極管Da的導(dǎo)通期間即為該初級(jí)電力開關(guān)Q1可進(jìn)行零電位切換的時(shí)機(jī)，t5為該時(shí)機(jī)上的任何一時(shí)間點(diǎn)。
當(dāng)t=t5時(shí)，該控制電路SK1再輸出一正脈沖的驅(qū)動(dòng)電壓VGS1至該初級(jí)電力開關(guān)Q1的柵極，使該開關(guān)Q1的通道導(dǎo)通，完成該開關(guān)Q1的零電位切換動(dòng)作。此時(shí)，由于該開關(guān)Q1通道阻抗較該寄生二極管Da低，故原來在該寄生二極管Da上的電流，大部份會(huì)分流到該開關(guān)Q1的通道上。當(dāng)該初級(jí)繞組Lp的能量完全釋放后，即電流iP=0，因該開關(guān)Q1的通道仍維持在導(dǎo)通狀態(tài)，因此，該電容器C1上的電壓將經(jīng)由該開關(guān)Q1的通道，對(duì)該初級(jí)繞組Lp充電，而儲(chǔ)存能量在該變壓器T1上，其充電電流ip的斜率仍為Vin/Lp。如此，該控制電路SK1通過控制其輸出脈沖VGS2及VGS1的輸出時(shí)序，即可使這些開關(guān)Q2與Q1周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下被導(dǎo)通，有效降低這些開關(guān)在高頻切換作業(yè)下的功率損失。
本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，是應(yīng)用于一升壓式電源供應(yīng)器的電路設(shè)計(jì)，參閱圖11所示，該電路包括一輸入電壓濾波電容器C1，該電容器C1跨接在一輸入電源Vin的兩端，該濾波電容器C1的兩側(cè)另跨接有一儲(chǔ)能電感器L1與一充電電力開關(guān)Q1所形成的一串聯(lián)回路；該開關(guān)Q1并與一放電電力開關(guān)Q2形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器C2的兩側(cè)，該開關(guān)Q1的漏極(Drain)與該開關(guān)Q2的源極(Source)相連接，而其源極則與該電容器C2的負(fù)端相接，該濾波電容器C2提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓V。給輸出端上的一負(fù)載使用。
在該另一實(shí)施例進(jìn)行作業(yè)時(shí)，該電路上各主要零件的電壓或電流波形如圖12所示，當(dāng)t=t1時(shí)，該控制電路SK1將輸出一正脈沖的驅(qū)動(dòng)電壓VGS1至該開關(guān)Q1的柵極，使該開關(guān)Q1的通道導(dǎo)通，此時(shí)，因該開關(guān)Q2的通道呈截止?fàn)顟B(tài)，若不計(jì)該通道的阻抗，輸入電壓Vin幾乎完全加諸于該儲(chǔ)能電感器L1上，因此，該電感器L1上將流過一充電電流i1，其電流值如下列公式(4)所示i1(t)=i1(t1)+VinL1(t-t1)---------(4)]]>其中i1(t1)為充電初始值，Vin/L1為充電斜率。此時(shí)，由于輸入電壓Vin小于輸出電壓Vo，故對(duì)該電力開關(guān)Q2的寄生二極管Db而言，是反向偏壓，且該電力開關(guān)Q2的通道是呈截止?fàn)顟B(tài)，故其電流i1=i3，且i2=0。
當(dāng)t=t2時(shí)，該控制電路SK1將該驅(qū)動(dòng)電壓VGS1變?yōu)榱汶娢?，使該電力開關(guān)Q1的通道截止，同時(shí)截止了電流i3，此時(shí)，由于電感電流i1必須維持其連續(xù)性，該電力開關(guān)Q2的通道雖仍處于截止?fàn)顟B(tài)，但是其寄生二極管Db的方向恰好提供該電感電流i1一路徑，對(duì)該濾波電容器C2充電，在不計(jì)算該寄生二極管Db的正向壓降的情形下，該儲(chǔ)能電感器L1上的電壓在該寄生二極管Db被導(dǎo)通后，恰好等于(Vo-Vin)，其電流i1值如下列公式(5)所示i1(t)=i1(t2)+V0-VinL1(t-t2)----(5)]]>其中i1(t2)為電流i1的放電初始值，-(Vo-Vin)/L1為其放電斜率。在該實(shí)施例中，當(dāng)該寄生二極管Db被電流i1導(dǎo)通后，該電力開關(guān)O2的漏極與源極間的電壓VDS2顯然已處在一接近零電位的狀態(tài)，該狀態(tài)可一直維持到該寄生二極管Db上沒有電流為止，因此，該寄生二極管Db的導(dǎo)通期間即為該電力開關(guān)Q2可進(jìn)行零電位切換的時(shí)機(jī)，t3即為該時(shí)機(jī)上的任何一時(shí)間點(diǎn)。
當(dāng)t=t3時(shí)，該控制電路SK1將輸出一正脈沖的驅(qū)動(dòng)電壓VGS2至該電力開關(guān)Q2的柵極，使該開關(guān)Q2的通道導(dǎo)通，完成該開關(guān)Q2的零電位切換動(dòng)作。此時(shí)，由于該開關(guān)Q2的通道阻抗較該寄生二極管Db低，故原來在該寄生二極管Db上的電流，大部份會(huì)分流到該開關(guān)Q2的通道。當(dāng)該儲(chǔ)能電感器L1的能量完全釋放后，即電流i1=0時(shí)，因該開關(guān)Q2的通道仍維持在導(dǎo)通狀態(tài)，使該電容器C2上的電壓經(jīng)該開關(guān)Q2的通道，對(duì)該儲(chǔ)能電感器L1及電容器C1充電，使電流i1變成負(fù)值，其充電斜率仍為-(Vo-Vin)/L1。
當(dāng)該儲(chǔ)能電感器L1因該電容器C2的充電而得到一些能量時(shí)，即當(dāng)t=t4時(shí)，該控制電路SK1將使驅(qū)動(dòng)電壓VGS2變成零電位，以截止該電力開關(guān)Q2的通道，此時(shí)，由于電感電流i1必須維持其連續(xù)性，該儲(chǔ)能電感器L1上的電流i1將流經(jīng)該二極管Da，對(duì)該電容器C1充電，在不計(jì)算該寄生二極管Da的正向壓降的情形下，其電流值如下列公式(6)所示i1(t)=i1(t4)+VinL1(t-t4)---------(6)]]>其中i1(t4)為電流i1的放電初始值，Vin/L1為其放電斜率。在該實(shí)施例中，當(dāng)該寄生二極管Da被電流i1導(dǎo)通后，該電力開關(guān)Q1的漏極與源極間的電壓VDS1顯然己處在一接近零電位的狀態(tài)，該狀態(tài)可一直維持到該寄生二極管Da上沒有電流為止，因此，該寄生二極管Da的導(dǎo)通期間即為該電力開關(guān)Q1可進(jìn)行零電位切換的時(shí)機(jī)，t5即為該時(shí)機(jī)上的任何一時(shí)間點(diǎn)。
當(dāng)t=t5時(shí)，該控制電路SK1再輸出一正脈沖VGS1至該電力開關(guān)Q1的柵極，使該開關(guān)Q1的通道導(dǎo)通，完成該開關(guān)Q1的零電位切換動(dòng)作。此時(shí)，由于該開關(guān)Q1的通道阻抗較該寄生二極管Da低，故原來在該寄生二極管Da上的電流，大部份會(huì)分流到該開關(guān)Q1的通道。當(dāng)該儲(chǔ)能電感器L1的能量完全釋放后，即電流i1等于零時(shí)，因該開關(guān)Q1的通道仍維持在導(dǎo)通狀態(tài)，使該電容器C1上的電壓經(jīng)該開關(guān)Q1的通道，對(duì)該儲(chǔ)能電感器L1充電，其斜率仍為Vin/L1。
如此，該控制電路SK1通過控制其輸出脈沖VGS1及VGS1的輸出時(shí)序，即可使這些開關(guān)Q1與Q2周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下被導(dǎo)通，有效降低這些開關(guān)在高頻切換作業(yè)下，所造成的功率損失。
本發(fā)明的又一具體實(shí)施例，是應(yīng)用于一降壓式電源供應(yīng)器的電路設(shè)計(jì)，參閱圖13所示，該電路包括一輸入電壓濾波電容器C1，該電容器C1是跨接在一輸入電源Vin的兩端，該濾波電容器C1的兩側(cè)另跨接有由一充電電力開關(guān)Q1與一放電電力開關(guān)Q2所形成的一串聯(lián)回路；該開關(guān)Q2并與一儲(chǔ)能電感器L1形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器C2的兩側(cè)，當(dāng)該儲(chǔ)能電感器L1與該濾波電容器C1形成一低通濾波器，可將經(jīng)這些開關(guān)Q1及Q2調(diào)制后的高頻切換波形給以平滑，以提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓Vo給輸出端上的一負(fù)載使用。
在該又一實(shí)施例進(jìn)行作業(yè)時(shí)，該電路上各主要零件的電壓或電流波形如圖14所示，當(dāng)t=t1時(shí)，該控制電路SK1輸出一正脈沖的驅(qū)動(dòng)電壓VGS1至該開關(guān)Q1的柵極，使該開關(guān)Q1的通道導(dǎo)通，此時(shí)，因該開關(guān)Q2的通道呈截止?fàn)顟B(tài)，且輸入電壓Vin大于輸出電壓Vo，故在該電感器L1上有-(Vin-Vo)電壓降(voltage drop)，該電壓降會(huì)在該電感器L1形成一充電電流i2，其電流值如下列公式(7)所示i2(t)=i2(t1)+Vm-V0L1(t-t1)-----(7)]]>其中i2(t1)為充電初始值，(Vin-Vo)/L1為充電斜率，此時(shí)，電流i1=i2，i3=0。
當(dāng)t=t2時(shí)，該控制電路SK1將該驅(qū)動(dòng)電壓VGS1變?yōu)榱汶娢?，使該電力開關(guān)Q1的通道截止，同時(shí)截止了電流i1，此時(shí)，由于電感電流i2必須維持其連續(xù)性，該電力開關(guān)Q2的通道雖仍處于截止?fàn)顟B(tài)，但是其寄生二極管Db的方向恰好提供該電感電流i2一路徑，對(duì)該濾波電容器C2充電，在不計(jì)算該寄生二極管Db的正向壓降的情形下，該儲(chǔ)能電感器L1上的電壓在該寄生二極管Db被導(dǎo)通后，恰好等于Vo，其電流值如下列公式(8)所示i2(t)=i2(t2)-V0L1(t-t2)----------(8)]]>其中i2(t2)為電流i2的放電初始值，-Vo/L1為其放電斜率。在該實(shí)施例中，當(dāng)該寄生二極管Db被電流i2導(dǎo)通后，該電力開關(guān)Q2的漏極與源極間的電壓VDS2顯然己處在一接近零電位的狀態(tài)，該狀態(tài)可一直維持到該寄生二極管Db上沒有電流為止，因此，該寄生二極管Db的導(dǎo)通期間即為該電力開關(guān)Q2可進(jìn)行零電位切換的時(shí)機(jī)，t3即為該時(shí)機(jī)上的任何一時(shí)間點(diǎn)。
當(dāng)t=t3時(shí)，該控制電路SK1將輸出一正脈沖的驅(qū)動(dòng)電壓VGS2至該電力開關(guān)Q2的柵極，使該開關(guān)Q2的通道導(dǎo)通，完成該開關(guān)Q2的零電位切換動(dòng)作。此時(shí)，由于該開關(guān)Q2的通道阻抗較該寄生二極管Db低，故原來在該寄生二極管Db上的電流，大部份會(huì)分流到該開關(guān)Q2的通道。當(dāng)該儲(chǔ)能電感器L1的能量完全釋放后，即電流i2=0時(shí)，因該開關(guān)Q2的通道仍維持在導(dǎo)通狀態(tài)，該電容器C2上的電壓將經(jīng)該開關(guān)Q2的通道，對(duì)該儲(chǔ)能電感器L1充電，使電流i2變成負(fù)值，其充電斜率仍為-Vo/L1。
當(dāng)該儲(chǔ)能電感器L1因該電容器C2的充電而得到一些能量時(shí)，即當(dāng)t=t4時(shí)，該控制電路SK1將使驅(qū)動(dòng)電壓VGS2變成零電位，以截止該電力開關(guān)Q2的通道，此時(shí)，由于電感電流i2必須維持其連續(xù)性，該儲(chǔ)能電感器L1的電流i2將流經(jīng)該二極管Da，對(duì)該電容器C1充電，在不計(jì)算該寄生二極管Da的正向壓降的情形下，其電流值如下列公式(9)所示i2(t)=i2(t4)+Vm-V0L1(t-t4)--------(9)]]>其中i2(t4)為電感的放電初始值，(Vin-Vo)/L1為放電斜率。在該實(shí)施例中，當(dāng)該寄生二極管Da被電流i2導(dǎo)通后，該電力開關(guān)Q2的漏極與源極間的電壓VDS1顯然已處在一接近零電位的狀態(tài)，該狀態(tài)可一直維持到該寄生二極管Da上沒有電流為止，因此，該寄生二極管Da的導(dǎo)通期間即為該電力開關(guān)Q1可進(jìn)行零電位切換的時(shí)機(jī)，t5即為該時(shí)機(jī)上的任何一時(shí)間點(diǎn)。
當(dāng)t=t5時(shí)，該控制電路SK1再輸出一正脈沖VGS1至該電力開關(guān)Q1的柵極，使該開關(guān)Q1的通道導(dǎo)通，完成該開關(guān)Q1的零電位切換動(dòng)作。此時(shí)，由于該開關(guān)Q1的通道阻抗較該寄生二極管Da低，故原來在該寄生二極管Da上的電流，大部份會(huì)分流到該開關(guān)Q1的通道。當(dāng)該儲(chǔ)能電感器L1的能量完全釋放后，即電流i2等于零時(shí)，因該開關(guān)Q1的通道仍維持在導(dǎo)通狀態(tài)，使該電容器C1上的電壓經(jīng)該開關(guān)Q1的通道，對(duì)該儲(chǔ)能電感器L1及電容器C2充電，其斜率仍為(Vin-Vo)/L1。
如此，通過該控制電路SK1控制其輸出脈沖VGS1及VGS1的輸出時(shí)序，即可使這些開關(guān)Q1與Q2周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下被導(dǎo)通，有效降低這些開關(guān)在高頻切換作業(yè)下所造成的功率損失。
在本發(fā)明中，另需注意的，是該控制電路SK1可被設(shè)計(jì)成在定頻或變頻模式下作業(yè)，其中若在定頻模式下作業(yè)，該變壓器(或儲(chǔ)能電感器)的電感值必須設(shè)計(jì)在能使該電路在全負(fù)載范圍內(nèi)都滿足零電位切換的條件，始能使這些電力開關(guān)Q1、Q2在任何時(shí)間均能在零電位的狀態(tài)下被導(dǎo)通。若欲在變頻模式下作業(yè)，則該控制電路SK1中必須能加入可判斷是否滿足零電位切換條件的機(jī)制，以控制該電力開關(guān)Q2的截止(turn-off)時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)Q1、Q2在任何時(shí)間均能在零電位的狀態(tài)下被導(dǎo)通，因此，當(dāng)負(fù)載愈大時(shí)，其切換頻率會(huì)愈慢，反之亦然。
綜上所述，本發(fā)明利用前述的一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路SK1，可使返馳式、升壓式及降壓式電源供應(yīng)器上的電力開關(guān)在零電位狀態(tài)下完成切換，有效降低高頻切換作業(yè)下的功率損失，大幅減少這些開關(guān)上所累積的熱能及所需散熱片的體積大小，使其能易于被應(yīng)用至各種小型化電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。
權(quán)利要求
1.一種具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于包括有一輸入電壓濾波電容器，跨接在一輸入電源的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓；一變壓器，用以儲(chǔ)存及釋放電能，其上設(shè)有一初級(jí)繞組及一次級(jí)繞組；一初級(jí)電力開關(guān)，與該初級(jí)繞組形成一串聯(lián)回路，跨接在該輸入電壓濾波電容器的兩側(cè)；一次級(jí)電力開關(guān)，與該次級(jí)繞組形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器的兩側(cè)，該輸出電壓濾波電容器可將經(jīng)這些開關(guān)調(diào)制后的高頻切換波形給以平滑，提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓給輸出端上跨接的一負(fù)載使用；一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路，用以使該輸出電壓濾波電容器上先前儲(chǔ)存的能量，能通過該變壓器局部反饋至其輸入側(cè)，再通過判斷這些電力開關(guān)是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作。
2.如權(quán)利要求1所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于 其中該控制電路可通過檢測(cè)該電源供應(yīng)器的輸出電壓，以調(diào)整其脈沖寬度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中這些電力開關(guān)可為一場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管，其上分別設(shè)有一寄生二極管。
4.如權(quán)利要求3所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中該初級(jí)電力開關(guān)的漏極與該初級(jí)繞組相連接，而其源極則與該輸入電壓濾波電容器的負(fù)端相連接；該次級(jí)電力開關(guān)的漏極與該輸出電壓濾波電容器的正端相連接，而其源極則與該次級(jí)繞組相連接；該控制電路所提供的這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)是輸出至這些電力開關(guān)的柵極。
5.一種具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于包括有一輸入電壓濾波電容器，跨接在一輸入電源的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓；一儲(chǔ)能電感器，與一充電電力開關(guān)形成一串聯(lián)回路，跨接在該輸入電壓濾波電容器的兩側(cè)；一放電電力開關(guān)，與該充電電力開關(guān)形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器的兩側(cè)，該輸出電壓濾波電容器提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓給輸出端上跨接的一負(fù)載使用；一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路，是用以使該輸出電壓濾波電容器上先前儲(chǔ)存的能量，通過該儲(chǔ)能電感器局部反饋至其輸入側(cè)，再通過判斷這些電力開關(guān)是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作。
6.如權(quán)利要求5所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中該控制電路可通過檢測(cè)該電源供應(yīng)器的輸出電壓，以調(diào)整其脈沖寬度。
7.如權(quán)利要求5或6所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中這些電力開關(guān)可為一場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管，其上分別設(shè)有一寄生二極管。
8.如權(quán)利要求7所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中該充電電力開關(guān)的漏極是與該儲(chǔ)能電感器相連接，而其源極則與該輸入側(cè)的電容器的負(fù)端相連接；該放電電力開關(guān)的漏極與該輸出側(cè)的電容器的正端相連接，而其源極則與該儲(chǔ)能電感器相連接；該控制電路所提供的這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)是輸出至這些電力開關(guān)的柵極。
9.一種具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于包括有一輸入電壓濾波電容器，跨接在一輸入電源的兩端，以提供一穩(wěn)定的輸入電壓；一充電電力開關(guān)，與一放電電力開關(guān)形成一串聯(lián)回路，跨接在該輸入電壓濾波電容器的兩側(cè)；一儲(chǔ)能電感器，與該放電電力開關(guān)形成另一串聯(lián)回路，跨接在一輸出電壓濾波電容器的兩側(cè)，該儲(chǔ)能電感器與該輸出電壓濾波電容器形成一低通濾波器，提供一穩(wěn)定的直流輸出電壓給輸出端上跨接的一負(fù)載使用；一具有零電位切換控制機(jī)制的控制電路，用以使該輸出電壓濾波電容器上先前儲(chǔ)存的能量，通過該儲(chǔ)能電感器局部反饋至其輸入側(cè)，再通過判斷這些電力開關(guān)是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件，并在達(dá)到該條件時(shí)，分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制這些開關(guān)的截止時(shí)間點(diǎn)，使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作。
10.如權(quán)利要求9所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中該控制電路可通過檢測(cè)該電源供應(yīng)器的輸出電壓，以調(diào)整其脈沖寬度。
11.如權(quán)利要求9或10所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中這些電力開關(guān)可為一場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管，其上分別設(shè)有一寄生二極管。
12.如權(quán)利要求11所述的具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器，其特征在于其中該充電電力開關(guān)的漏極是與該輸入側(cè)的電容器的正端相連接，而其源極則與該儲(chǔ)能電感器相連接；該放電電力開關(guān)的漏極是與該儲(chǔ)能電感器相連接，而其源極則與該輸出側(cè)的電容器的負(fù)端相連接；該控制電路所提供的這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出至這些電力開關(guān)的柵極。
全文摘要
一種具有零電位切換控制功能的交換式電源供應(yīng)器,是利用一具有零電位切換的控制電路,使其輸出側(cè)的電容器上先前儲(chǔ)存的能量,能通過其變壓器(或儲(chǔ)能電感器)局部反饋至其輸入側(cè),再通過判斷其輸出側(cè)及輸入側(cè)上分別與該變壓器(或儲(chǔ)能電感器)相連接的電力開關(guān),是否達(dá)到可進(jìn)行零電位切換的條件,并在達(dá)到該條件時(shí),分別提供這些開關(guān)一互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),控制這些開關(guān)的截止或?qū)〞r(shí)間點(diǎn),使這些電力開關(guān)可周而復(fù)始地在零電位狀態(tài)下完成切換動(dòng)作,降低功率損失,減少熱能和散熱片。
文檔編號(hào)H02M3/335GK1304206SQ9912627
公開日2001年7月18日 申請(qǐng)日期1999年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月22日
發(fā)明者梁錦宏 申請(qǐng)人:天網(wǎng)電子股份有限公司