CN101989818A - 双级交换式电源转换电路 - Google Patents

Abstract

一种双级交换式电源转换电路，用以接收输入电压而产生输出电压或输出电流，其包括：第一级电源电路，其包含第一开关电路，通过第一开关电路导通或截止产生总线电压；总线电容连接于电源总线；第二级电源电路，其包含第二开关电路，用以接收总线电压且通过第二开关电路导通与截止产生输出电压或输出电流至负载电路；以及电源控制单元用以分别控制第一开关电路与第二开关电路运行，且控制总线电压的电压值随着负载电路的耗电量大小而动态地变化，同时控制第二级电源电路根据负载电路的耗电量大小选择性地改变第二开关电路的运行模式。本发明于输入电压中断或发生异常时，不会立即中断或发生异常，在电子产品较低的耗电量时也具有高的运行效率。

Description

双级交换式电源转换电路

技术领域

本发明涉及一种电源转换电路，尤其涉及一种双级交换式电源转换电路。

背景技术

近年来随着科技的进步，具有各式各样不同功能的电子产品已逐渐被研发出来，这些具有各式各样不同功能的电子产品不但满足了人们的各种不同需求，更融入每个人的日常生活，使得人们生活更为便利。

这些各式各样不同功能的电子产品由各种电子元件所组成，而每一个电子元件所需的电源电压不尽相同，由于，现今的供电系统提供的交流电源并不适合直接提供给电子产品使用。为了提供适当的电压给每一个电子元件，使其正常运行，这些电子产品需要通过电源转换电路将交流电源，例如一般的市电，转换为适当的电压给每一个电子元件使用。

电源转换电路依其电路架构的不同，约可粗略地区分为线性式和交换式电源转换电路两种，简单的线性式电源转换电路是由变压器、二极管整流器和电容滤波器所组成，其优点是电路简单且成本低，但是因使用较大的变压器且转换效率低，所以无法使用在体积较小或长时间使用的电子产品中。相较于线性式电源转换电路，交换式电源转换电路具有较高的转换效率及较小的体积，因此，长时间使用或小型化的电子产品大多会使用交换式电源转换电路。

传统双级交换式电源转换电路由第一级电源电路产生固定电压值的总线电压，再由第二级电源电路接收总线电压而产生额定电压值的输出电压，以提供额定电压值的输出电压给电子产品使用。当输入的交流电源中断或发生异常时，传统双级交换式电源转换电路的输出电压会受影响而中断或发生异常，无法维持为额定值，同时，输出电压更会随着电子产品的耗电量变化。当电子产品的耗电量较大，而输入的交流电源中断或发生异常时，输出电压的电压值与额定电压值之间电压差值相对较大且会随着时间的增加而迅速下降，而电子产品的耗电量越大，输出电压的电压值下降速度越快。此外，传统双级交换式电源转换电路的第二级电源电路依据额定输出电量设计第二级电源电路的运行模式，例如PWM模式或谐振模式等，传统双级交换式电源转换电路的第二级电源电路在不同的输出电量，即不论电子产品的耗电量有不同的情况下，运行模式不发生变化。而在第二级电源电路的运行模式固定不变的状况下，第二级电源电路的效率无法维持在高运行效率值。一般说来，电子产品需要在特定耗电量例如在额定的耗电量时，第二级电源电路才会具有高运行效率。

因此，如何发展一种可改善上述公知技术缺陷的双级交换式电源转换电路，实为相关技术领域目前所迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双级交换式电源转换电路，使双级交换式电源转换电路于输入电压中断或发生异常时，双级交换式电源转换电路的维持时间不会随着电子产品的耗电量而改变，且于输入电压短暂地中断或发生异常时，输出电压可以维持额定值，不会受到输入电压影响而立即中断或发生异常。此外，双级交换式电源转换电路不但在电子产品较高的耗电量时具有高的运行效率，在电子产品较低的耗电量时同样具有高的运行效率。

为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种双级交换式电源转换电路，用以接收输入电压而产生输出电压或输出电流，双级交换式电源转换电路包括：第一级电源电路，其包含第一开关电路，且第一级电源电路连接于电源总线，用以接收输入电压且通过第一开关电路导通或截止产生总线电压；总线电容，连接于电源总线与第一共参考端之间，用以储存电能；第二级电源电路，其包含第二开关电路，且第二级电源电路连接于电源总线，用以接收总线电压且通过第二开关电路导通与截止产生输出电压或输出电流至负载电路；以及电源控制单元，连接于第一级电源电路的第一开关电路、第二级电源电路的第二开关电路的控制端以及电源总线，用以分别控制第一开关电路与第二开关电路运行，且控制该总线电压的电压值随着负载电路的耗电量大小而动态地变化，同时控制第二级电源电路根据负载电路的耗电量大小选择性地改变第二开关电路的运行模式。

本发明的双级交换式电源转换电路的第一级电源电路不会产生固定电压值的总线电压，总线电压的电压值会随着电子产品的耗电量大小而变化。此外，双级交换式电源转换电路的第二级电源电路会根据电子产品的耗电量大小选择性地改变为脉冲宽度调制模式或谐振模式运行，于低耗电量状态与非低耗电量状态分别选用较适用的脉冲宽度调制模式运行或谐振模式运行，使双级交换式电源转换电路不但在电子产品较高的耗电量时具有高的运行效率，在电子产品较低的耗电量时同样具有高的运行效率。

附图说明

图1：为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的电路方块示意图。

图2：为本发明较佳实施例的负载电路的耗电状态与耗电量大小对应关系图。

图3：为本发明另一较佳实施例的负载电路的耗电状态与耗电量大小对应关系图。    

图4：为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的总线电压与耗电量大小对应关系图。

图5：为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的总线电压与耗电量大小对应关系图。

图6：为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。

图7：为为本发明另一较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。

图8：为本发明另一较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。

图9：为本发明另一较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。

上述附图中的附图标记说明如下：    

1：双级交换式电源转换电路        11：第一级电源电路

111：第一开关电路            112：第一输入整流电路

113：第一电流检测电路        114：第二输入整流电路

115：第三开关电路            116：第二电流检测电路

12：第二级电源电路           121：第二开关电路

122：谐振电路                123：输出整流电路

124：输出滤波电路            13：电源控制单元

131：第一级控制电路          132：反馈电路

133：第二级控制电路          2：负载电路

C_bus：总线电容               C_r：谐振电容

C_o1：第一输出电容

L₁：第一升压电感             L₂：第二升压电感

L_r：谐振电感                 N_r：感应线圈

N₁：第一感应线圈             N₂：第二感应线圈

T_r：隔离变压器               N_p：初级线圈

N_s：次级线圈                 D₁：第一二极管

D₂：第二二极管               R_s1：第一电流检测电阻

R_s2：第二电流检测电阻        B₁：电源总线

Q₁～Q₆：第一～第六开关       Q_1a～Q_6a：第一端

Q_1b～Q_6b：第二端             Q_a：第一整流开关

Q_b：第二整流开关             I_in：输入电流

I_o：输出电流                 I₁：第一电流

I₂：第二电流                 I_r：谐振电流

V_in：输入电压                V_bus：总线电压

V_f：反馈信号                 V_o：输出电压

V_r：谐振电流检测信号         V_s1：第一电流检测信号

V_s2：第二电流检测信号        V₁～V₄：第一～第四电压值

V_I1：第一电感电流检测信号    V_I2：第二电感电流检测信号

V_a1：第一整流输入电压        V_a2：第二整流输入电压

COM1：第一共参考端           COM2：第二共参考端

P_o：负载电路的耗电量         P₁～P₅：第一～第五耗电量

S₁：低耗电量状态             S₂：非低耗电量状态

V_D1：第一控制信号            V_D2：第二控制信号

V_PFC1：第一功率因数校正信号

V_PFC2：第二功率因数校正信号

V_k1：第一整流信号            V_k2：第二整流信号

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

请参阅图1，其为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的电路方块示意图。本发明的双级交换式电源转换电路1用以接收输入电压V_in的电能而产生额定的输出电压V_o或输出电流I_o至电子产品的负载电路2，该双级交换式电源转换电路1包括：第一级电源电路11、第二级电源电路12、电源控制单元13以及总线电容C_bus。其中，第一级电源电路11包含第一开关电路111，且第一开关电路111的控制端连接于电源控制单元13的第一级控制电路131，而第一级电源电路11分别连接于电源总线B₁与电源控制单元13的第一级控制电路131，用以接收输入电压V_in的电能且通过第一开关电路111的导通与截止产生总线电压V_bus。

第二级电源电路12包含第二开关电路121，且第二开关电路121的控制端连接于电源控制单元13的第二级控制电路133，而第二级电源电路12分别连接于电源总线B1、负载电路2以及电源控制单元13的第二级控制电路133，用以接收总线电压V_bus的电能且通过第二开关电路121的导通与截止产生额定的输出电压V_o或输出电流I_o提供至负载电路2。总线电容C_bus的一端连接于电源总线B₁、第一级电源电路11的电源输出端与第二级电源电路12的电源输入端，而总线电容C_bus的另一端连接于第一共参考端COM1，用以储存电能。

电源控制单元13包含第一级控制电路131、反馈电路132以及第二级控制电路133，其中第一级控制电路131连接于第一开关电路111的控制端与电源总线B₁，其接收第一级电源电路11的总线电压V_bus用以产生至少一第一功率因数校正信号V_PFC1控制第一开关电路111运行，使总线电压V_bus的电压值随着负载电路2的耗电量P_o即第二级电源电路负载的大小而线性变化或阶段变化。反馈电路132连接于第二级电源电路12的电源输出端，用以根据第二级电源电路12的输出电压V_o或输出电流I_o产生对应的反馈信号V_f。第二级控制电路133连接于第二开关电路121的控制端与反馈电路132，除了根据反馈信号V_f产生至少一第一控制信号V_D1控制第二开关电路121运行外，更会根据输出至负载电路2的耗电量P_o调整第一控制信号V_D1改变第二开关电路121的运行模式。

请参阅图2并配合图1，图2为本发明较佳实施例的负载电路的耗电状态与耗电量大小对应关系图。如图2所示，当负载电路2的耗电量P_o低于第一耗电量P₁时，例如10瓦特(W)，电源控制单元13会判定负载电路2为低耗电量状态S1，电源控制单元13的第二级控制电路133会控制第二开关电路121以脉冲宽度调制(pulse width modulation)模式运行，通过调整第二开关电路121导通时间与截止时间的占空比(duty cycle)，使第二级电源电路12接收总线电压V_bus的电能而产生额定的输出电压V_o或输出电流I_o。当负载电路2的耗电量P_o高于第一耗电量P₁时，电源控制单元13会判定负载电路2为非低耗电量状态S₂，电源控制单元13的第二级控制电路133会控制第二级电源电路12的第二开关电路121以谐振(resonant)模式运行，此时第二开关电路121的导通时间与截止时间的占空比设定为固定值，例如0.5，再通过调整第二开关电路121的运行频率，使第二级电源电路12接收总线电压V_bus的电能，产生谐振而输出额定的输出电压V_o或输出电流I_o。

请参阅图3并配合图1与图2，图3为本发明另一较佳实施例的负载电路的耗电状态与耗电量大小对应关系图。图3与图2不同之处在于图3具有迟滞现象(Hysteresis)，如图3所示，当负载电路2为低耗电量状态S₁，负载电路2的耗电量P_o上升而高于第一耗电量P₁且小于第二耗电量P₂时，电源控制单元13会判定负载电路2为低耗电量状态S₁，直到负载电路2的耗电量P_o持续上升而高于第二耗电量P₂时，电源控制单元13才会判定负载电路2改变为非低耗电量状态S₂。相反地，当负载电路2为非低耗电量状态S₂，负载电路2的耗电量P_o下降而低于第二耗电量P₂且大于第一耗电量P₁时，电源控制单元13会判定负载电路2为非低耗电量状态S₂，直到负载电路2的耗电量P_o持续下降而低于第一耗电量P₁时，电源控制单元13才会判定负载电路2改变为低耗电量状态S₁。换言之，当负载电路2的耗电量P_o在第一耗电量P₁或第二耗电量P₂变化，且变化量小于第一耗电量P₁与第二耗电量P₂的差值时，迟滞现象可以防止第二级电源电路12的运行模式过于频繁变换，以使本发明的双级交换式电源转换电路1更稳定地运行。其中，第一耗电量P₁等于第二耗电量P₂可以适时地设定，当第一耗电量P₁等于第二耗电量P₂时，图3会相等于图2，没有迟滞现象。

请参阅图4并配合图1，图4为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的总线电压与耗电量大小对应关系图。如图4所示，总线电压V_bus的电压值会随着负载电路2的耗电量P_o大小而线性变化，当负载电路2的耗电量P_o增加时，第一级控制电路131会控制第一开关电路111的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus的电压值随着负载电路2的耗电量P_o增加，在本实施例中，总线电压V_bus的电压值与负载电路2的耗电量P_o之间实质上为一固定比例值，在一些实施例中可以为别的函数关系例如线性关系或阶梯关系等等，可以参见别的实施例。相反地，当负载电路2的耗电量P_o减少时，总线电压V_bus的电压值也会随着负载电路2的耗电量P_o减少，在本实施中总线电压V_bus的电压值与负载电路2的耗电量P_o之间成正比。

请参阅图5并配合图1，图5为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的总线电压与耗电量大小对应关系图。如图5所示，总线电压V_bus的电压值会随着负载电路2的耗电量P_o大小而阶段变化，当负载电路2的耗电量P_o小于第三耗电量P₃时，第一级控制电路131会通过调整第一开关电路111的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus为第一电压值V₁。当负载电路2的耗电量P_o大于第三耗电量P₃且小于第四耗电量P₄时，第一级控制电路131会通过调整第一开关电路111的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus为第二电压值V₂。当负载电路2的耗电量P_o大于第四耗电量P₄且小于第五耗电量P₅时，第一级控制电路131会通过调整第一开关电路111的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus为第三电压值V₃。当负载电路2的耗电量P_o大于第五耗电量P₅时，第一级控制电路131会通过调整第一开关电路111的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus为第四电压值V₄。

整体而言，总线电压V_bus的电压值会随着负载电路2的耗电量P_o增加而增加，在本实施例中，电源控制单元13依据双级交换式电源转换电路1的额定输出功率P_a区分为多个耗电量区间，此多个耗电量区间分别为小于第三耗电量P₃的第一耗电量区间、大于第三耗电量P₃且小于第四耗电量P₄的第二耗电量区间、大于第四耗电量P₄且小于第五耗电量P₅的第三耗电量区间以及大于第五耗电量P₅的第四耗电量区间，再依据负载电路2目前的耗电量P_o对应多个耗电量区间其中一个耗电量区间，使总线电压V_bus为该耗电量区间设定的电压值。

其中，双级交换式电源转换电路1的额定输出功率P_a、第三耗电量P₃、第四耗电量P₄以及第五耗电量P₅之间大小关系，由大至小依序为双级交换式电源转换电路1的额定输出功率P_a、第三耗电量P₃、第四耗电量P₄以及第五耗电量P₅，其关系式为

P_a＞P₅＞P₄＞P₃。

例如，第三耗电量P₃为双级交换式电源转换电路1的额定输出功率Pa的四分之一，其关系式为

$P_3=P_a\frac{1}{4},$

第四耗电量P₄为双级交换式电源转换电路1的额定输出功率Pa的四分之二，其关系式为

$P_4=P_a\frac{2}{4},$

第五耗电量P₅为双级交换式电源转换电路1的额定输出功率Pa的四分之三，其关系式为

$P_5=P_a\frac{3}{4}.$

相似地，总线电压V_bus的电压值也会随着负载电路2的耗电量P_o增加而增加。

请参阅图6并配合图1，图6为本发明较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。如图6所示，双级交换式电源转换电路1一样包括：第一级电源电路11、第二级电源电路12以及电源控制单元13，在本实施例中，第一级电源电路11除了包含第一开关电路111外，还包含第一输入整流电路112、第一电流检测电路113、第一升压电感L₁以及第一二极管D₁(diode)，且第一开关电路111包含了第一开关Q₁，第一电流检测电路113可以是但不限定为第一电流检测电阻R_s1。

其中，第一输入整流电路112的输出端连接于第一升压电感L₁的一端与第一级控制电路131，用以将输入电压V_in整流而产生第一整流输入电压V_a1，在本实施例中，第一整流输入电压V_a1为输入电压V_in全波整流后的波形。第一升压电感L₁的另一端连接于第一二极管D₁的阳极端(Anode)与第一开关Q₁的第一端Q_1a，第一二极管D₁的阴极端(Cathode)连接于电源总线B₁与总线电容C_bus，第一开关Q₁的第二端Q_1b与第一电流检测电阻R_s1的一端连接，第一电流检测电阻R_s1的另一端则与第一共参考端COM1连接，第一开关Q₁的控制端与第一级控制电路131连接。

第一级控制电路131会依据相似于输入电压V_in的波形的第一整流输入电压V_a1，例如整流后的正弦波形，以及负载电路2的耗电量P_o等信号产生第一功率因数校正信号V_PFC1(Power Factor Correction，PFC)，再利用第一功率因数校正信号V_PFC1控制第一开关Q₁导通与截止，使输入电流I_in的电流分布与包络曲线(envelope curve)相似于输入电压V_in的波形，以使本发明的双级交换式电源转换电路1具有较佳的功率因数。此外，第一级控制电路131更会同时依据负载电路2的耗电量P_o调整第一开关Q₁的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus的电压值随着负载电路2的耗电量P_o大小而线性变化或阶段变化。

当第一功率因数校正信号V_PFC1为使能状态(enable)时，例如高电位，第一开关Q₁会根据使能状态的第一功率因数校正信号V_PFC1导通，使第一整流输入电压V_a1对第一升压电感L₁充电，第一升压电感L₁的第一电流I₁会对应上升，且充电电流会流过第一开关Q₁与第一电流检测电阻R_s1。流经第一电流检测电阻R_s1的充电电流会使第一电流检测电路113产生第一电流检测信号V_s1，此第一电流检测信号V_s1与总线电压V_bus的乘积反映了负载电路2的耗电量P_o，随着耗电量P_o增加而增加。

相反地，当第一功率因数校正信号V_PFC1为禁能状态(disable)时，例如低电位，第一开关Q₁会依据禁能状态的第一功率因数校正信号V_PFC1截止，使第一升压电感L₁经由第一二极管D₁对总线电容C_bus放电，第一升压电感L₁的第一电流I₁会对应下降。

在本实施例中，第一级控制电路131利用第一电流检测信号V_s1与总线电压V_bus的乘积判定负载电路2的耗电量P_o所处的状态(当总线电压V_bus为一恒定值时，第一电流检测信号V_s1即反映了负载电路2的耗电量P_o)，再依据负载电路2的耗电量P_o所处的状态与第一整流输入电压V_a1的波形等信号而调整第一开关Q₁的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus的电压值随着负载电路2的耗电量P_o大小而线性变化或阶段变化。至于，总线电压V_bus的电压值对应负载电路2的耗电量P_o的关系如上所述，在此不再赘述。

图6的第二级电源电路12除了包含第二开关电路121外，还包含谐振电路122、隔离变压器T_r、输出整流电路123以及输出滤波电路124。在本实施例中，第二开关电路121包含第三开关Q₃与第四开关Q₄，其中第三开关Q₃的第一端Q_3a连接于电源总线B₁与总线电容C_bus，第三开关Q₃的第二端Q_3b连接于第四开关Q₄的第一端Q_4a与谐振电路122，第四开关Q₄的第二端Q_4b与第一共参考端COM1连接，而第三开关Q₃与第四开关Q₄的控制端分别连接于第二级控制电路133，且第三开关Q₃与第四开关Q₄会分别根据第二级控制电路133产生的第一控制信号V_D1与第二控制信号V_D2导通与截止，使总线电压V_bus的能量选择性地经由第三开关Q₃或第四开关Q₄传送至谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈Np(primary winding)，以使隔离变压器T_r的初级线圈N_p两端产生电压变化，而隔离变压器T_r的次级线圈Ns(secondary winding)会根据隔离变压器T_r的初级线圈N_p两端的电压变化产生感应电压。

谐振电路122包含谐振电感L_r与谐振电容C_r，且谐振电感L_r与谐振电容C_r在第二开关电路121与隔离变压器T_r的初级线圈N_p之间串联连接，第二级控制电路133会通过调整第二开关电路121的运行模式，使谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈N_p根据第二开关电路121的运行模式选择性地构成谐振关系(即在谐振的运行模式下在某些运行频率下，谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈N_p构成谐振例如LLC谐振，而在某些运行频率下，仅谐振电路122自己谐振，隔离变压器T_r的初级线圈N_p不参与谐振，如LC谐振等；而在脉冲宽度调制运行模式下，谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈N_p也不构成谐振)，以使隔离变压器T_r的初级线圈N_p两端的电压值产生电压变化。相同地，隔离变压器T_r的次级线圈N_s会根据隔离变压器T_r的初级线圈N_p两端的电压变化产生感应电压。

当第二级控制电路133依据负载电路2的耗电量P_o调整第一控制信号V_D1与第二控制信号V_D2改变第二开关电路121以脉冲宽度调制模式运行时，谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈N_p不会构成谐振关系。此时，第二级控制电路133固定第二开关电路121的运行频率，再通过调整第二开关电路121导通时间与截止时间的占空比，使第二级电源电路12接收总线电压V_bus的电能而产生输出电压V_o或输出电流I_o。

当第二级控制电路133依据负载电路2的耗电量P_o调整第一控制信号V_D1与第二控制信号V_D2改变第二开关电路121以谐振模式运行时，谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈N_p会构成谐振关系。此时，第二级控制电路133 会设定第二开关电路121的导通时间与截止时间的占空比为固定值，例如0.5，再通过调整第二开关电路121的运行频率，使第二级电源电路12接收总线电压V_bus的电能产生谐振反应，谐振电路122会依据第二开关电路121的运行频率对应使第二级电源电路12输出输出电压V_o或输出电流I_o。

在本实施例中，输出整流电路123可以是但不限定为同步整流电路，包含第一整流开关Q_a与第二整流开关Q_b，其中第一整流开关Q_a连接于隔离变压器T_r的次级线圈N_s的一端与第二共参考端COM2之间，第二整流开关Q_b连接于隔离变压器T_r的次级线圈N_s的另一端与第二共参考端COM2之间，第一整流开关Q_a与第二整流开关Q_b的控制端分别连接于第二级控制电路133。第一整流开关Q_a与第二整流开关Q_b会根据第二级控制电路133产生的第一整流信号V_k1与第二整流信号V_k2导通与截止，将隔离变压器T_r的次级线圈N_s的感应电压整流。

在本实施例中，输出滤波电路124包含第一输出电容C_o1，第一输出电容C_o1的一端连接于第二共参考端COM2与输出整流电路123，第一输出电容C_o1的另一端连接于隔离变压器T_r的次级线圈N_s的中心抽头(center-tapped)，用以将输出整流电路123整流后的电压滤波，而产生额定的输出电压V_o或输出电流I_o至负载电路2。

在本实施例中，谐振电感L_r的感应线圈N_r会根据谐振电感L_r的谐振电流I_r感应产生谐振电流检测信号V_r，而第二级控制电路133利用谐振电流检测信号V_r判定第二级电源电路12是否处于过流(OCP)的状态，从而保护电路正常工作。当第二级控制电路133通过反馈电路132取得反馈信号V_f后，此反馈信号V_f会与内部一参考电压通过比较器作比较。当轻载时，此时反馈信号V_f若超过参考电压，则判定为PWM模式。当信号小余参考电压时，则判定为变频模式。负载电路2的耗电量P_o与对应的耗电状态，再依据负载电路2的耗电量P_o或对应的耗电状态调整第一控制信号V_D1与第二控制信号V_D2，使第二开关电路121选择性地以脉冲宽度调制模式或谐振模式运行。至于，负载电路2的耗电量P_o、耗电状态与第二开关电路121运行模式的对应关系如上所述，在此不再赘述。

请参阅图7并配合图6与图1，图7为本发明另一较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。图7与图6的双级交换式电源转换电路1的电路架构与运行相似，不同之处在于图7的第一级电源电路11还包含第二输入整流电路114、第三开关电路115、第二电流检测电路116、第二升压电感L2以及第二二极管D2，在本实施例中，第三开关电路115由第二开关Q₂构成，第二电流检测电路116可以是但不限定为第二电流检测电阻R_s2，而第二输入整流电路114包含第三二极管D₃与第四二极管D₄。

其中，第三二极管D₃的阳极端连接于第一输入整流电路112的输入侧的一端，第三二极管D₃的阴极端连接于第四二极管D₄的阴极端与第一级控制电路131，第四二极管D₄的阳极端连接于第一输入整流电路112的输入侧的另一端，第四二极管D₄的阴极端连接于第三二极管D₃的阴极端与第一级控制电路131，通过第三二极管D₃与第四二极管D₄将输入电压V_in整流而产生第二整流输入电压V_a2。在本实施例中，第二整流输入电压V_a2为输入电压V_in全波整流后的波形。

至于，第三开关电路115的第二开关Q₂、第二电流检测电路116的第二电流检测电阻R_s2、第二升压电感L₂以及第二二极管D2的间连接关系与运行相似于第一开关电路111的第一开关Q₁、第一电流检测电路113的第一电流检测电阻R_s1、第一升压电感L₁以及第一二极管D₁。第二升压电感L₂的一端连接于第一输入整流电路112的输出端与第一升压电感L₁的一端，第二升压电感L₂的另一端连接于第二二极管D₂的阳极端与第二开关Q₂的第一端Q_2a。第二二极管D₂的阴极端连接于电源总线B₁、总线电容C_bus与第一二极管D₁的阴极端，第二开关Q₂的第二端Q_2b与第二电流检测电阻R_s2的一端连接，第二电流检测电阻R_s2的另一端则与第一共参考端COM1连接，第二开关Q₂的控制端与第一级控制电路131连接。

本实施例中，第一级控制电路131相较于图6的第一级控制电路131不同之处在于图7的第一级控制电路131连接于第二输入整流电路114的输出端，且不是依据第一整流输入电压V_a1以及负载电路2的耗电量P_o产生第一功率因数校正信号V_PFC1，而是依据相似于输入电压V_in的波形的第二整流输入电压V_a2以及负载电路2的耗电量P_o等信号产生第一功率因数校正信号V_PFC1与第二功率因数校正信号V_PFC2。第一功率因数校正信号V_PFC1与第二功率因数校正信号V_PFC2会使第一开关Q₁与第二开关Q₂接续或交错导通(例如第一开关Q₁与第二开关Q₂交错某一角度如180度导通等)，且输入电流I_in的电流分布与包络曲线相似于输入电压V_in的波形，以使本发明的双级交换式电源转换电路1具有较佳的功率因数。同样地，第一级控制电路13 1更会同时依据负载电路2的耗电量P_o调整第一开关Q₁与第二开关Q2的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus的电压值随着负载电路2的耗电量P_o大小而线性变化或阶段变化。由于第二整流输入电压V_a2同样相似于输入电压V_in的波形，因此第一级控制电路131依据第二整流输入电压V_a2或依据第一整流输入电压V_a1会具有基本相同的效果。

第一功率因数校正信号V_PFC1与第二功率因数校正信号V_PFC2会接续或交错为使能状态，对应使第一开关Q₁与第二开关Q₂接续或交错导通。当第一功率因数校正信号V_PFC1为使能状态时，第二功率因数校正信号V_PFC2会对应为禁能状态，第一开关Q₁会根据使能状态的第一功率因数校正信号V_PFC1导通，使第一整流输入电压V_a1对第一升压电感L₁充电，第一升压电感L₁的第一电流I₁会对应上升，且充电电流会流过第一开关Q₁与第一电流检测电阻R_s1。流经第一电流检测电阻R_s1的充电电流会使第一电流检测电路113产生第一电流检测信号V_s1，此第一电流检测信号V_s1大小与负载电路2的耗电量P_o会成正比，随着耗电量P_o增加而增加。相反地，此时第二开关Q₂会依据禁能状态的第二功率因数校正信号V_PFC2截止，使第二升压电感L₂经由第二二极管D₂对总线电容C_bus放电，第二升压电感L₂的第二电流I₂会对应下降。

相似地，当第二功率因数校正信号V_PFC2为使能状态时，第一功率因数校正信号V_PFC1会对应为禁能状态，第二开关Q₂会根据使能状态的第二功率因数校正信号V_PFC2导通，使第一整流输入电压V_a1对第二升压电感L₂充电，第二升压电感L₂的第二电流I₂会对应上升，且充电电流会流过第二开关Q₂与第二电流检测电阻R_s2。流经第二电流检测电阻R_s2的充电电流会使第二电流检测电路116产生第二电流检测信号V_s2，此第二电流检测信号V_s2大小与负载电路2的耗电量P_o会成正比，随着耗电量P_o增加而增加。相反地，此时第一开关Q₁会依据禁能状态的第一功率因数校正信号V_PFC1截止，使第一升压电感L₁经由第一二极管D₁对总线电容C_bus放电，第一升压电感L₁的第一电流I₁会对应下降。

在本实施例中，第一级控制电路131同时利用第一电流检测信号V_s1与第二电流检测信号V_s2的总和后与总线电压V_bus的乘积判定负载电路2的耗电量P_o所处的状态，再依据负载电路2的耗电量P_o所处的状态以及相似于输入电压V_in的波形的第二整流输入电压V_a2的波形而分别调整第一开关Q₁与第二开关Q₂的导通时间与截止时间的占空比，使总线电压V_bus的电压值随着负载电路2的耗电量P_o大小而线性变化或阶段变化。至于，总线电压V_bus的电压值对应负载电路2的耗电量P_o的关系如上所述，在此不再赘述。

由于，本实施例中第一功率因数校正信号V_PFC1与第二功率因数校正信号V_PFC2不会同时为使能状态，相对使第一开关Q₁与第二开关Q₂不会同时导通，第一开关Q₁与第二开关Q₂于不同时间区间接续或交错导通。因此于同一时间区间，图7的输入电流I_in的电流值相对较小，分散于不同时间区间，使得图7的输入电流I_in的电流分布与包络曲线相较于图6的输入电流I_in的电流分布与包络曲线更相似于输入电压V_in的波形。

此外，利用第一开关Q₁与第二开关Q₂两个开关运行，所以图7的双级交换式电源转换电路1可以提供更大的输出电量。而第一开关Q₁与第二开关Q₂于不同时间区间接续或交错导通运行，使得第一开关Q₁、第二开关Q₂、第一电流检测电阻R_s1、第二电流检测电阻R_s2、第一升压电感L₁、第二升压电感L₂、第一二极管D₁以及第二二极管D₂的运行温度较低，以使本发明的双级交换式电源转换电路1可以长时间运行。

请参阅图8并配合图7与图1，图8为本发明另一较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。图8与图7的双级交换式电源转换电路1的电路架构与运行相似，不同之处在于图8的第二开关电路121还包含第五开关Q₅与第六开关Q₆，即从图7中的半桥结构的开关电路121变为图8中的全桥结构。在本实施例中，第五开关Q₅与第六开关Q₆连接关系相似于第三开关Q₃与第四开关Q₄，其中，第五开关Q₅的第一端Q_5a连接于电源总线B₁、总线电容C_bus与第三开关Q₃的第一端Q_3a，第五开关Q₅的第二端Q_5b连接于第六开关Q₆的第一端Q_6a，且经由谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈N_p连接，第六开关Q₆的第二端Q_6b与第一共参考端COM1连接，而第五开关Q₅与第六开关Q₆的控制端分别连接于第二级控制电路133。

在本实施例中，第三开关Q₃与第六开关Q₆同时根据第一控制信号V_D1导通与截止，而第四开关Q₄与第五开关Q₅同时根据第二控制信号V_D2导通与截止，且第一控制信号V_D1与第二控制信号V_D2不会同时为使能状态，相对使第三开关Q₃与第四开关Q₄不会同时导通，而第六开关Q₆与第五开关Q₅也不会同时导通。

相似地，第二级控制电路133会利用第一控制信号V_D1与第二控制信号V_D2控制第三开关Q₃、第四开关Q₄、第五开关Q₅与第六开关Q₆导通与截止，使总线电压V_bus的能量选择性地经由第三开关Q₃、第四开关Q₄、第五开关Q₅与第六开关Q₆传送至谐振电路122与隔离变压器T_r的初级线圈N_p，以使隔离变压器T_r的初级线圈N_p两端产生电压变化，而隔离变压器T_r的次级线圈N_s对应产生感应电压。至于，负载电路2的耗电量P_o、耗电状态与第二开关电路121运行模式的对应关系如上所述，在此不再赘述。

请参阅图9并配合图7与图1，图9为本发明另一较佳实施例的双级交换式电源转换电路的详细电路示意图。图9与图7的双级交换式电源转换电路1的电路架构与运行相似，不同之处在于图9的第一级电源电路11的第一升压电感L₁与第二升压电感L₂更分别包含第一感应线圈N₁与第二感应线圈N₂，且第一升压电感L₁的第一感应线圈N₁与第二升压电感L₂的第二感应线圈N₂分别连接于第一级控制电路131。

其中，第一升压电感L₁的第一感应线圈N₁会根据第一升压电感L₁的第一电流I₁会对应感应产生第一电感电流检测信号V_I1，而第二升压电感L₂的第二感应线圈N₂会根据第二升压电感L₂的第二电流I₂会对应感应产生第二电感电流检测信号V_I2。第一级控制电路131除了可以利用第一电感电流检测信号V_I1与第二电感电流检测信号V_I2判定第一升压电感L₁的第一电流I₁与第二升压电感L₂的第二电流I₂外，例如根据检测信号V_I1与V_I2判定第一电流I₁与第二电流I₂的状态从而使电路工作于边界模式的工作方式，更可以利用第一电感电流检测信号V_I1与第二电感电流检测信号V_I2判定负载电路2的耗电量P_o。至于，总线电压V_bus的电压值对应负载电路2的耗电量P_o的关系如上所述，在此不再赘述。

本发明的双级交换式电源转换电路1的第一级电源电路11与第二级电源电路12具有多种实施方式，例如，第一级电源电路11可以是升压式(Boost)、降压式(Buck)或升降压式(Buck-boost)，而第二级电源电路12可以是电感电感电容式(LLC)谐振电路或电感电容电容式(LCC)谐振电路，并不以上述例举的实施方式为限。

本发明的电源控制单元13的第一级控制电路131与第二级控制电路133可以是但不限定为脉冲宽度调制控制器(pulse width modulation controller，PWM controller)、脉冲频率调制控制器(pulse frequency modulation controller，PFM controller)或数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。在一些实施例中，第一级控制电路131与第二级控制电路133更可以整合为单一芯片的脉冲宽度调制控制器、脉冲频率调制控制器或数字信号处理器。

本发明的第一开关Q₁、第二开关Q₂、第三开关Q₃、第四开关Q₄、第五开关Q₅、第六开关Q₆、第一整流开关Q_a以及第二整流开关Q_b可以是但不限定为双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。

综上所述，本发明的双级交换式电源转换电路的第一级电源电路不会产生固定电压值的总线电压，总线电压的电压值会随着电子产品的耗电量大小而变化。此外，双级交换式电源转换电路的第二级电源电路会根据电子产品的耗电量大小选择性地改变为脉冲宽度调制模式或谐振模式运行，于低耗电量状态与非低耗电量状态分别选用较适用的脉冲宽度调制模式运行或谐振模式运行，使双级交换式电源转换电路不但在电子产品较高的耗电量时具有高的运行效率，在电子产品较低的耗电量时同样具有高的运行效率。

本发明得由本领域普通技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护的范围。

Claims (28)

1.一种双级交换式电源转换电路，用以接收一输入电压而产生一输出电压或一输出电流，该双级交换式电源转换电路包括：

一第一级电源电路，其包含一第一开关电路，且该第一级电源电路连接于一电源总线，用以接收该输入电压且通过该第一开关电路导通或截止产生一总线电压；

一总线电容，连接于该电源总线与一第一共参考端之间，用以储存电能；

一第二级电源电路，其包含一第二开关电路，且该第二级电源电路连接于该电源总线，用以接收该总线电压且通过该第二开关电路导通与截止产生该输出电压或该输出电流至一负载电路；以及

一电源控制单元，连接于该第一级电源电路的该第一开关电路、该第二级电源电路的该第二开关电路的控制端以及该电源总线，用以分别控制该第一开关电路与该第二开关电路运行，且控制该总线电压的电压值随着该负载电路的耗电量大小而动态地变化，同时控制该第二级电源电路根据该负载电路的耗电量大小选择性地改变该第二开关电路的运行模式。

2.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，该电源控制单元依据该负载电路的耗电量判定该负载电路为一低耗电量状态与一非低耗电量状态。

3.如权利要求2所述的双级交换式电源转换电路，其中该第二开关电路的运行模式包含一脉冲宽度调制模式或一谐振模式。

4.如权利要求3所述的双级交换式电源转换电路，当该负载电路为该低耗电量状态时，该电源控制单元通过调整该第二开关电路导通时间与截止时间的占空比，使该第二开关电路以该脉冲宽度调制模式运行。

5.如权利要求3所述的双级交换式电源转换电路，当该负载电路为该非低耗电量状态时，该负载电路通过调整该第二开关电路的运行频率，使该第二开关电路以谐振模式运行。

6.如权利要求2所述的双级交换式电源转换电路，当该负载电路的耗电量低于一第一耗电量时，该电源控制单元判定该负载电路为该低耗电量状态。

7.如权利要求6所述的双级交换式电源转换电路，当该负载电路的耗电量高于一第二耗电量时，该电源控制单元判定该负载电路为该非低耗电量状态。

8.如权利要求7所述的双级交换式电源转换电路，当该第一耗电量等于该第二耗电量时，该电源控制单元判定不具有迟滞现象，当该第一耗电量不等于该第二耗电量时，该电源控制单元判定具有迟滞现象。

9.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，其中该总线电压的电压值与该负载电路的耗电量成正比。

10.如权利要求9所述的双级交换式电源转换电路，该总线电压的电压值与该负载电路的耗电量之间实质上为固定比例值。

11.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，其中该总线电压的电压值随着该负载电路的耗电量大小而线性变化或阶段变化。

12.如权利要求11所述的双级交换式电源转换电路，其中该电源控制单元依据该双级交换式电源转换电路的额定输出功率区分为多个耗电量区间，且依据该负载电路的耗电量对应所述多个耗电量区间其中一个耗电量区间，使该总线电压为该耗电量区间设定的电压值。

13.如权利要求12所述的双级交换式电源转换电路，其中所述多个耗电量区间依序分别为小于一第三耗电量的一第一耗电量区间、大于该第三耗电量且小于一第四耗电量的一第二耗电量区间、大于该第四耗电量且小于一第五耗电量的一第三耗电量区间以及大于该第五耗电量的一第四耗电量区间，且该第一耗电量区间、该第二耗电量区间、该第三耗电量区间以及该第四耗电量区间分别使该总线电压的电压值对应为一第一电压值、一第二电压值、一第三电压值以及一第四电压值。

14.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，其中该第一级电源电路还包含：

一第一输入整流电路，用以将该输入电压整流而产生一第一整流输入电压；

一第一升压电感，该第一升压电感的一端与该第一输入整流电路连接，该第一升压电感的另一端与该第一开关电路连接；

一第一二极管，该第一二极管的阳极端连接于该第一升压电感的另一端与该第一开关电路，该第一二极管的阴极端与该电源总线连接；以及

一第一电流检测电路，连接于该第一开关电路与该第一共参考端之间，用以检测该第一升压电感的充电电流而对应产生一第一电流检测信号；

其中，该第一开关电路包含一第一开关，该第一开关的第一端连接于该第一二极管的阳极端与该第一升压电感的另一端，该第一开关的第二端与该第一电流检测电路连接，该第一开关的控制端与该电源控制单元连接。

15.如权利要求14所述的双级交换式电源转换电路，其中该第一电流检测电路为一第一电流检测电阻。

16.如权利要求15所述的双级交换式电源转换电路，其中该第一级电源电路还包含：

一第二输入整流电路，用以将该输入电压整流而产生一第二整流输入电压；

一第二升压电感，该第二升压电感的一端与该第一输入整流电路连接；

一第二二极管，该第二二极管的阳极端连接于该第二升压电感的另一端，该第一二极管的阴极端与该电源总线连接；

一第三开关电路，包含一第二开关，该第二开关的第一端连接于该第二二极管的阳极端与该第二升压电感的另一端，该第二开关的控制端与该电源控制单元连接；以及

一第二电流检测电路，连接于该第三开关电路与该第一共参考端之间，用以检测该第二升压电感的充电电流而对应产生一第二电流检测信号；

其中，该电源控制单元控制该第一开关电路与该第三开关电路接续或交错导通。

17.如权利要求16所述的双级交换式电源转换电路，其中该第二电流检测电路为一第二电流检测电阻。

18.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，其中该第二级电源电路还包含：

一谐振电路，与该第二开关电路连接；

一隔离变压器，该隔离变压器的初级线圈与该谐振电路连接；

一输出整流电路，与该隔离变压器的次级线圈连接，用以整流；以及

一输出滤波电路，连接于该输出整流电路与该负载电路之间。

19.如权利要求18所述的双级交换式电源转换电路，其中该第二开关电路包含：

一第三开关，该第三开关的第一端连接于该电源总线，该第三开关的控制端与该电源控制单元连接；以及

一第四开关，该第四开关的第一端连接于该第三开关的第二端与该谐振电路，该第四开关的第二端与该第一共参考端连接，该第四开关的控制端与该电源控制单元连接；

其中，该电源控制单元分别控制该第三开关与该第四开关导通与截止，使该总线电压的能量选择性地经由该第三开关或该第四开关传送至该谐振电路与该隔离变压器的初级线圈。

20.如权利要求18所述的双级交换式电源转换电路，其中该第二开关电路包含：

一第五开关，该第五开关的第一端连接于该电源总线与该第三开关的第一端，该第五开关的控制端与该电源控制单元连接；

一第六开关，该第六开关的第一端连接于该第五开关的第二端与该隔离变压器的初级线圈，该第六开关的第二端与该第一共参考端连接，该第六开关的控制端与该电源控制单元连接；

其中，该电源控制单元分别控制该第三开关、该第四开、该第五开以及该第六开关导通与截止，使该总线电压的能量选择性地经由该第三开关、该第四开、该第五开以及该第六开关传送至该谐振电路与该隔离变压器的初级线圈。

21.如权利要求18所述的双级交换式电源转换电路，其中该谐振电路包含一谐振电感与一谐振电容，且该谐振电感与该谐振电容在该第二开关电路与该隔离变压器的初级线圈之间串联连接，且该谐振电路根据该第二开关电路的运行模式选择性地构成谐振关系，以使该隔离变压器的初级线圈两端的电压值产生电压变化。

22.如权利要求21所述的双级交换式电源转换电路，其中该谐振电路还包含一与该谐振电感耦合的感应线圈连接于该电源控制单元，用以根据该谐振电感的一谐振电流感应产生一谐振电流检测信号，该电源控制单元系利用该谐振电流检测信号判定该第二级电源电路是否处于过流的状态。

23.如权利要求18所述的双级交换式电源转换电路，其中该输出整流电路为同步整流电路，其包含：

一第一整流开关，连接于该隔离变压器的次级线圈的一端与一第二共参考端之间；

一第二整流开关，连接于该隔离变压器的次级线圈的另一端与该第二共参考端之间；

其中，该第一整流开关与该第二整流开关的控制端分别连接于该电源控制单元，该电源控制单元通过控制该第一整流开关与该第二整流开关导通与截止，将该隔离变压器的次级线圈的感应电压整流。

24.如权利要求18所述的双级交换式电源转换电路，其中该输出滤波电路包含一第一输出电容，该第一输出电容的一端连接于该输出整流电路，该第一输出电容的另一端连接于该隔离变压器的次级线圈的中心抽头，用以将该输出整流电路整流后的电压滤波，而产生额定的该输出电压或该输出电流至负载电路。

25.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，其中该电源控制单元包含：

一第一级控制电路，连接于该第一开关电路的控制端与该电源总线，用以产生至少一第一功率因数校正信号控制该第一开关电路运行，使该总线电压的电压值随着该负载电路的耗电量大小而动态地变化；

一反馈电路，连接于该第二级电源电路的电源输出端，用以根据该第二级电源电路的该输出电压或该输出电流产生对应的一反馈信号；以及

一第二级控制电路，连接于该第二开关电路的控制端与该反馈电路，用以根据该反馈信号产生至少一第一控制信号控制该第二开关电路运行，且根据该负载电路的耗电量大小调整该第一控制信号以选择性地改变该第二开关电路的运行模式。

26.如权利要求25所述的双级交换式电源转换电路，其中该第一级控制电路与该第二级控制电路为脉冲宽度调制控制器、脉冲频率调制控制器或数字信号处理器。

27.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，其中该第一级电源电路为升压式、降压式或升降压式。

28.如权利要求1所述的双级交换式电源转换电路，其中该第二级电源电路为LLC谐振电路或LCC谐振电路。

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