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CN111525800A - 返驰式电源转换装置及返驰式电源转换方法 - Google Patents

返驰式电源转换装置及返驰式电源转换方法 Download PDF

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CN111525800A
CN111525800A CN201910898228.XA CN201910898228A CN111525800A CN 111525800 A CN111525800 A CN 111525800A CN 201910898228 A CN201910898228 A CN 201910898228A CN 111525800 A CN111525800 A CN 111525800A
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CN
China
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circuit
switch
voltage
coupled
terminal
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CN201910898228.XA
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彭左任
王思浩
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Chicony Power Technology Co Ltd
Original Assignee
Chicony Power Technology Co Ltd
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Abstract

一种返驰式电源转换装置及返驰式电源转换方法，返驰式电源转换装置包括：一变压电路、一箝位减振电路、一第一开关、一减压电路以及一第二开关。箝位减振电路与第一开关耦接变压电路。减压电路与第二开关串接在箝位减振电路与变压电路之间。其中，通过第一开关的切换，变压电路转换一输入电源以产生一第一转换电压并使箝位减振电路储存一感应能量。并且，于第二开关导通时，箝位减振电路经由减压电路对变压电路释放感应能量，以致变压电路根据感应能量产生一第二转换电压。

Description

返驰式电源转换装置及返驰式电源转换方法
技术领域
本发明是关于一种电源装置，特别是关于一种返驰式电源转换装置及返驰式电源转换方法。
背景技术
随着科技的发展，电子装置在我们日常生活中占有极重要的地位，而这些电子装置所仰赖的动力来源，仍然是以直流电源为主。然而，市电主要为交流电源。因此，电子装置多会经由适配器耦接交流电源，并通过适配器中的电源转换装置将市电的交流电源转换成为直流电源，以供应其运作所需的电力。
在电源转换装置的应用中，以返驰式(Flyback Converter)电路架构最为常见。返驰式电源转换装置具有电路隔离、结构简单、成本低廉等优点。返驰式电源转换装置主要有主动箝位返驰式(Active Clamp Flyback，ACF)电源转换装置与被动箝位返驰式电源转换装置(或称非主动箝位返驰式电源转换装置)。为了将适配器小型化，主动箝位返驰式电源转换装置为越来越受重视的电源转换技术。
主动箝位返驰式电源转换装置是将被动箝位返驰式电源转换装置的缓冲(Snubber)二极管使用辅助开关取代，以降低切换损失，进而提升转换器的整体效率。在使用上，为了有较佳的效率，主动箝位返驰式电源转换装置在轻载时会操作在返驰模式(Flyback Mode)(即辅助开关未动作)，而重载时则操作在主动模式(Active Mode)(即辅助开关动作)。然而，在辅助开关动作时，二次侧会产生突波电流，因而使得内部组件受损。
发明内容
在一实施例中，一种返驰式电源转换装置，其包括：一变压电路、一箝位减振电路、一第一开关、一减压电路以及一第二开关。箝位减振电路与第一开关耦接变压电路。减压电路与第二开关串接在箝位减振电路与变压电路之间。其中，通过第一开关的切换，变压电路转换一输入电源以产生一第一转换电压并使箝位减振电路储存一感应能量。并且，于第二开关导通时，箝位减振电路经由减压电路对变压电路释放感应能量，以致变压电路根据感应能量产生一第二转换电压。
在一实施例中，一种返驰式电源转换方法，其包括：储存一转换能量于一变压电路的一次侧绕组中、将储存于一次侧绕组的转换能量传递至变压电路的二次侧绕组并使储能元件储存一感应能量、以及经由一降压元件对一次侧绕组释放储能元件储存的感应能量。
综上所述，根据本发明的返驰式电源转换装置及返驰式电源转换方法，其能避免箝位减振电路经由辅助开关(即第二开关)释能时造成二次侧产生突波电流，进而减少对内部组件的冲击以延长产品的使用时间、回存感应能量以提升产品效率，并能选用相对低的半导体额定电压或电流值的组件以降低成本。
附图说明
图1为一实施例的返驰式电源转换装置的功能方块图；
图2为另一实施例的返驰式电源转换装置的功能方块图；
图3为图1的返驰式电源转换装置的一示范例的概要电路图；
图4为图2的返驰式电源转换装置的一示范例的概要电路图；
图5为在图3的返驰式电源转换装置的主动模式下开关信号的时序图；
图6为一实施例的返驰式电源转换方法的流程图；
图7至图9为图3的返驰式电源转换装置的主动模式的作动示意图；
图10为图9的返驰式电源转换装置的等效电路图；
图11为在图3的返驰式电源转换装置的返驰模式下开关信号的时序图；
图12为图3的返驰式电源转换装置的返驰模式的一步骤的作动示意图；
图13为一实施例的适配器的功能方块图。
【符号说明】
10返驰式电源转换装置 101输入端
102输出端 110变压电路
120箝位减振电路 130第一开关
140减压电路 150第二开关
160第一整流滤波电路 20第二整流滤波电路
30脉波宽度调变控制器 40回授控制器
Vi输入电源 Vo输出电压
S1第一开关信号 S2第二开关信号
N1一次侧绕组 N2二次侧绕组
LK漏感 C1储能元件
C2输出电容 R1电阻
D1顺向导通元件 D2顺向导通元件
D3顺向导通元件 N3降压元件
t11第一时间 t12第二时间
t13第三时间 t21第一时间
t22第二时间 t23第三时间
Vc1电压 Vlk感应电压
V1感应电压 V2转换电压
V3感应电压 Vac交流电源
AD适配器 ED电子装置
S21～S23步骤
具体实施方式
参照图1，一种返驰式电源转换装置10，其包括：一变压电路110、一箝位减振电路120、一第一开关130、一减压电路140以及一第二开关150。
箝位减振电路120耦接变压电路110的一次侧。于此，箝位减振电路120与变压电路110的一次侧并联，即箝位减振电路120耦接在变压电路110的一次侧的第一端与第二端之间。并且，变压电路110的一次侧的第一端更耦接至输入端101。
第一开关130耦接在变压电路110的一次侧的第二端与接地之间。于此，通过第一开关130的切换，变压电路110转换一输入电源Vi以产生一转换电压(以下称第一转换电压)并使箝位减振电路120储存一感应能量。
箝位减振电路120与变压电路110的一次侧的第二端之间更耦接有一释能路径。而减压电路140与第二开关150则设置在释能路径上。换言之，减压电路140耦接在箝位减振电路120与变压电路110的一次侧的第二端之间。第二开关150则与减压电路140串接在箝位减振电路120与变压电路110的一次侧的第二端之间。于此，第二开关150用以导通或截止此释能路径。其中，于第二开关150导通时，箝位减振电路120会经由减压电路140对变压电路110释放感应能量，以致变压电路110根据感应能量产生另一转换电压(以下称第二转换电压)。在一示范例中，减压电路140耦接在箝位减振电路120与第二开关150的第一端之间，并且第二开关150的第二端耦接变压电路110的一次侧的第二端，如图1所示。在另一示范例中，箝位减振电路120耦接第二开关150的第一端，并且减压电路140耦接在第二开关150的第二端与变压电路110的一次侧的第二端之间，如图2所示。在一些实施例中，第二转换电压小于第一转换电压。
在一些实施例中，返驰式电源转换装置10还包括：一整流滤波电路(以下称第一整流滤波电路160)。第一整流滤波电路160耦接在变压电路110的二次侧与输出端102之间。于变压电路110产生第一转换电压时，第一整流滤波电路160接收第一转换电压并根据第一转换电压产生一输出电压Vo于输出端102。于变压电路110产生第二转换电压时，第一整流滤波电路160因第二转换电压小于输出电压Vo而截止输出路径。
在一些实施例中，参照图3或图4，变压电路110包括一一次侧绕组N1以及一二次侧绕组N2。一次侧绕组N1与二次侧绕组N2相互电感耦合。
箝位减振电路120的第一端耦接一次侧绕组N1的第一端。箝位减振电路120的第二端耦接减压电路140(如图3所示)或耦接第二开关150(如图4所示)。箝位减振电路120的第三端耦接输出端102。在一些实施例中，箝位减振电路120包括一储能元件C1以及一顺向导通元件D1。储能元件C1的一端(即箝位减振电路120的第一端)耦接一次侧绕组N1的第一端与输入端101。储能元件C1的另一端(即箝位减振电路120的第二端)耦接减压电路140(如图3所示)或耦接第二开关150的第一端(如图4所示)。于此，储能元件C1的另一端更耦接顺向导通元件D1的阴极。顺向导通元件D1的阳极(即箝位减振电路120的第三端)耦接一次侧绕组N1的第二端。在一些实施例中，箝位减振电路120可还包括一电阻R1，且此电阻R1与储能元件C1并联。其中，储能元件C1可为一电容。
在一些实施例中，第一开关130的第一端耦接一次侧绕组N1的第二端。第一开关130的第二端耦接接地。第一开关130的控制端耦接一脉波宽度调变(Pulse WidthModulation，PWM)控制器(图未示)。其中，第一开关130可为N型金氧半场效晶体管(N-typeMetal-Oxide-Semiconductor FET，NMOSFET)；于此，第一开关130的第一端、第二端与控制端分别为漏极、源极与栅极。
在一些实施例中，减压电路140包括一降压元件N3。在一示范例中，降压元件N3耦接在储能元件C1的另一端与第二开关150的第一端之间，如图3所示。在另一示范例中，降压元件N3耦接在第二开关150的第二端与一次侧绕组N1的第二端之间，如图4所示。在一些实施例中，减压电路140可还包括一顺向导通元件D2。顺向导通元件D2以电流从储能元件C1流向一次侧绕组N1的第二端的方向为顺向的方式耦接在释能路径的任意位置上。举例来说，降压元件N3、顺向导通元件D2与第二开关150依序串接在储能元件C1的另一端与一次侧绕组N1的第二端之间，如图3所示。或者，第二开关150、顺向导通元件D2与降压元件N3依序串接在储能元件C1的另一端与一次侧绕组N1的第二端之间，如图4所示。或者，顺向导通元件D2、第二开关150与降压元件N3依序串接在储能元件C1的另一端与一次侧绕组N1的第二端之间(图未示)。或者，第二开关150、降压元件N3与顺向导通元件D2依序串接在一次侧绕组N1的第二端与储能元件C1的另一端之间(图未示)。或者，降压元件N3、第二开关150与顺向导通元件D2依序串接在储能元件C1的另一端与一次侧绕组N1的第二端之间(图未示)。或者，顺向导通元件D2、降压元件N3与第二开关150依序串接在储能元件C1的另一端与一次侧绕组N1的第二端之间(图未示)。于此，顺向导通元件D2限制变压电路110的输出电流流经第二开关150的寄生二极管。其中，降压元件N3可为一辅助绕组。第二开关150可为N型金氧半场效晶体管(N-type Metal-Oxide-Semiconductor FET，NMOSFET)；于此，第一开关130的第一端、第二端与控制端分别为漏极、源极与栅极。在一些实施例中，一次侧绕组N1与辅助绕组(即降压元件N3)可缠绕在同一绕线架上。换言之，一次侧绕组N1与辅助绕组具有相同极性。
第一整流滤波电路160包括一次级整流电路。其中，次级整流电路可包括一顺向导通元件D3。顺向导通元件D3的阳极耦接二次侧绕组N2的第一端，而顺向导通元件D3的阴极耦接输出端102。于此，于变压电路110产生第二转换电压时，顺向导通元件D3因第二转换电压小于输出电压Vo而截止。在一些实施例中，第一整流滤波电路160可还包括一次级滤波电路。其中，次级滤波电可包括一输出电容C2，并且输出电容C2耦接输出端102。
在主动模式(Active Mode)的运作上，以图3所示的电路架构为例，第一开关130的控制端接收一开关信号(以下称第一开关信号S1)，而第二开关150的控制端接收另一开关信号(以下称第二开关信号S2)。第一开关信号S1与第二开关信号S2的时序如图5所示。
参照图3、图5及图6，在第一时间t11期间，第一开关130导通，而第二开关150截止；此时，一次侧绕组N1接收输入电源Vi以储存一转换能量于其中(步骤S21)，如图7所示。于图7中，箭头虚线表示电流方向。
在第二时间t12期间，第一开关130截止，且第二开关150截止；此时，储存在一次侧绕组N1中的转换能量传递到二次侧绕组N2，即，变压电路110通过一次侧绕组N1与二次侧绕组N2的电磁耦合将输入电源Vi转换为一转换电压，并且透过顺向导通元件D1对储能元件C1充电以使储能元件C1储存一感应能量(步骤S22)，如图8所示。于此，储能元件C1上的电压(Vc1)为NVo+Vlk。其中，N为一次侧绕组N1与二次侧绕组N2的匝数比，以及Vlk为一次侧绕组N1所产生的漏感LK的感应电压。于图8中，箭头虚线表示电流方向。
在第三时间t13期间，第一开关130截止，且第二开关150导通；此时，储能元件C1经由降压元件N3对一次侧绕组N1释放所储存的感应能量并经由一次侧绕组N1与二次侧绕组N2的电磁耦合传递到二次侧绕组N2(步骤S23)，如图9所示。于此，返驰式电源转换装置10的等效电路如图10所示。经由降压元件N3减压后，二次侧绕组N2所产生的转换电压(V2)小于输出电压Vo，因此顺向导通元件D3截止。于图9及图10中，箭头虚线表示电流方向。其中，V1为一次侧绕组N1的感应电压。
举例来说，假设输出电压Vo固定为20V(伏特)、一次侧绕组N1的匝数为6、二次侧绕组N2的匝数为1、辅助绕组(即降压元件N3)的匝数为1，以及漏感LK的感应电压Vlk为6V。
于第二时间t12期间，储能元件C1上的电压Vc1为126V，如下式1。
Vc1＝NVo+Vlk＝(N1/N2)*Vo+Vlk
＝(6/1)*20V+6V＝126V 式1
于第三时间t13期间，储能元件C1释放储存能量，此时反射到二次侧绕组N2的转换电压V2为17.66V，如下式2。其中，V3为辅助绕组(即降压元件N3)的感应电压。
V2＝(Vc1-V3)*(N2/N1)＝(126-20)(1/6)＝126V 式2
此时，因为输出电压Vo为20V，二次侧绕组N2的转换电压V2为17.66V，因此位于变压电路110二次侧的顺向导通元件D3无法导通(即截止)，因此能避免变压电路110的二次侧产生突波电流，并且储能元件C1所释放的能量最后会回流到自己本身。
在一些实施例中，返驰式电源转换装置10更具有一返驰模式(Flyback Mode)的动作模式。
在返驰模式的运作上，以图3所示的电路架构为例，第一开关130的控制端接收第一开关信号S1，而第二开关150的控制端接收第二开关信号S2。第一开关信号S1与第二开关信号S2的时序如图11所示。于此模式下，第二开关信号S2为关闭准位，即第二开关150维持截止状态。而第一开关信号S1则在导通准位与关闭准位之间交替切换。
参照图3及图1，在第一时间t21期间，第一开关130导通，而第二开关150截止；此时，一次侧绕组N1接收输入电源Vi以储存一转换能量于其中，如图7所示。
在第二时间t22期间，第一开关130截止，且第二开关150维持截止；此时，储存在一次侧绕组N1中的转换能量传递到二次侧绕组N2，即，变压电路110通过一次侧绕组N1与二次侧绕组N2的电磁耦合将输入电源Vi转换为一转换电压，并且透过顺向导通元件D1对储能元件C1充电以使储能元件C1储存一感应能量，如图8所示。
在第三时间t23期间，第一开关130再次导通，而第二开关150仍维持截止；此时，输入能量再次储存在一次侧绕组N1中，而原本储存在储能元件C1上的感应能量对电阻R1释能，如图12所示。
在一些实施例中，前述的顺向导通元件D1～D3可为二极管。
在一些实施例中，参照图13，前述任一实施例的返驰式电源转换装置10适用于一适配器AD。电子装置ED通过适配器AD将市电的交流电源Vac转换成为直流电源(即输出电压Vo)，以供应其运作所需的电力。
适配器AD包括前述任一实施例的返驰式电源转换装置10、另一整流滤波电路(以下称第二整流滤波电路20)、脉波宽度调变控制器30以及回授控制器40。第二整流滤波电路20耦接在交流电源Vac与返驰式电源转换装置10的输入端101之间。脉波宽度调变控制器30耦接返驰式电源转换装置10的控制端(即第一开关130的控制端与第二开关150的控制端)。回授控制器40耦接返驰式电源转换装置10的输出端102与脉波宽度调变控制器30的回授端。
回授控制器40转换输出电压Vo为回授电压。脉波宽度调变控制器30根据回授电压产生第一开关信号S1与第二开关信号S2。第二整流滤波电路20接收交流电源Vac并对其进行整流及滤波以产生输入电源Vi给返驰式电源转换装置10。返驰式电源转换装置10基于第一开关信号S1与第二开关信号S2的控制将输入电源Vi转换为输出电压Vo并提供给电子装置ED。其中，脉波宽度调变控制器30可包括模式控制电路及脉波宽度调变产生电路。脉波宽度调变产生电路根据回授电压产生脉波宽度调变信号给模式控制电路。模式控制电路根据回授电压与脉波宽度调变信号产生第一开关信号S1与第二开关信号S2，借以控制返驰式电源转换装置10的运作模式。在一些实施例中，脉波宽度调变控制器30可由单一晶片(Integrated Circuit，IC)实现。
综上所述，根据本发明的返驰式电源转换装置及返驰式电源转换方法，其能避免箝位减振电路120经由辅助开关(即第二开关150)释能时造成二次侧产生突波电流，进而减少对内部组件的冲击以延长产品的使用时间、回存感应能量以提升产品效率，并能选用相对低的半导体额定电压或电流值的组件以降低成本。

Claims (10)

1.一种返驰式电源转换装置，其特征在于，包括：
一变压电路；
一箝位减振电路，耦接该变压电路；
一第一开关，耦接该变压电路，其中通过该第一开关的切换，该变压电路转换一输入电源以产生一第一转换电压并使该箝位减振电路储存一感应能量；
一减压电路，耦接在该箝位减振电路与该变压电路之间；以及
一第二开关，与该减压电路串接在该箝位减振电路与该变压电路之间，其中于该第二开关导通时，该箝位减振电路经由该减压电路对该变压电路释放该感应能量，以致该变压电路根据该感应能量产生一第二转换电压。
2.根据权利要求1所述的返驰式电源转换装置，其特征在于，该变压电路包括一一次侧绕组以及与该一次侧绕组电感耦合的一二次侧绕组，该箝位减振电路的第一端耦接该一次侧绕组的第一端，该第一开关耦接该一次侧绕组的第二端与接地之间，该减压电路耦接在该箝位减振电路的第二端与该第二开关的第一端之间，以及该第二开关的第二端耦接该一次侧绕组的该第二端。
3.根据权利要求1所述的返驰式电源转换装置，其特征在于，该变压电路包括一一次侧绕组以及与该一次侧绕组电感耦合的一二次侧绕组，该箝位减振电路的第一端耦接该一次侧绕组的第一端，该第一开关耦接该一次侧绕组的第二端与接地之间，该箝位减振电路的第二端耦接该第二开关的第一端，以及该减压电路耦接在该一次侧绕组的该第二端与该第二开关的第二端之间。
4.根据权利要求1所述的返驰式电源转换装置，其特征在于，该箝位减振电路包括：
一储能元件，该储能元件的一端耦接该变压电路的第一端；以及
一顺向导通元件，耦接在该变压电路的第二端与该储能元件的另一端之间，其中于该第一开关截止时，该顺向导通元件导通，该变压电路经由该顺向导通元件对该储能元件充电以使该储能元件储存该感应能量。
5.根据权利要求4所述的返驰式电源转换装置，其特征在于，该减压电路包括：一辅助绕组，其中于该第二开关导通时，该储能元件经由该辅助绕组对该变压电路释放该感应能量。
6.根据权利要求5所述的返驰式电源转换装置，其特征在于，该减压电路还包括：另一顺向导通元件，用以限制该变压电路的输出电流流经该第二开关的寄生二极管。
7.根据权利要求1所述的返驰式电源转换装置，其特征在于，该减压电路包括：一辅助绕组，其中于该第二开关导通时，该箝位减振电路经由该辅助绕组对该变压电路释放该感应能量。
8.根据权利要求7所述的返驰式电源转换装置，其特征在于，该减压电路还包括：一顺向导通元件，用以限制该变压电路输出的电流流经该第二开关的寄生二极管。
9.一种返驰式电源转换方法，其特征在于，包括：
储存一转换能量于一变压电路的一一次侧绕组中；
将储存于该一次侧绕组的该转换能量传递至该变压电路的一二次侧绕组并使该储能元件储存一感应能量；以及
经由一降压元件对该一次侧绕组释放该储能元件储存的该感应能量。
10.根据权利要求9所述的返驰式电源转换方法，其特征在于，该降压元件为一辅助绕组。
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