直流电源变换器

摘要

一种直流电源变换器，包含：具有原边线圈及副边线圈的变压器线圈、第一半桥开关，连接在所述变压器线圈的原边线圈的一端；第二半桥开关，连接在所述变压器线圈的原边线圈的同一端；第一同步整流器，连接在所述变压器线圈的副边线圈的一端；及第二同步整流器，连接在所述变压器线圈的副边线圈。所述第一半桥开关及第二半桥开关的切换转移是通过变压器线圈的漏感实现而所述第一同步整流器及第二同步整流器则藉由变压器线圈的绕组开启。

权利要求

1.一种直流电源变换器，具有零电压切换及同步整流电路，该零电压切换及同步整流电路包含：一变压器线圈，具有原边线圈及副边线圈；

一第一桥式开关，连接在所述变压器线圈的原边线圈的一端且具有一控制极；

一第二桥式开关，连接在所述变压器线圈的原边线圈的一端且具有一控制极；

一第一同步整流器，连接在所述变压器线圈的副边线圈的一端且具有一控制极；及，一第二同步整流器，连接在所述变压器线圈的副边线圈的另一端且具有一控制极；

其中，所述第一桥式开关及第二桥式开关的切换转移是通过变压器线圈的漏感实现而所述第一同步整流器及第二同步整流器则藉由变压器线圈的绕组开启；以及该直流电源变换器还包括一电压调整电路，该电压调整电路具有两个并联的原边开关连接在所述变压器线圈的原边线圈前级的第一桥式开关侧和输入电压侧之间，以提供电压的调整；

一运算放大器用作电压回馈以达到稳定电压的输出。

2.如权利要求1所述的直流电源变换器，其中所述第一桥式开关及第二桥式开关是以50％的周期切换，藉以输出无脉动的电压。

3.如权利要求1所述的直流电源变换器，其中所述第一桥式开关及第二桥式开关并与电容器连接以构成半桥式整流电路。

4.如权利要求1所述的直流电源变换器，其中所述第一桥式开关及第二桥式开关并与电容器连接以构成全桥式整流电路。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种集成逻辑电路，特别是一种用于直流电源变换器(DC-DC converter)同时具有半桥式整流(Half-bridge)、同步整流(synchronized)及零电压切换(zero voltage switch，ZVS)功能的简化逻辑电路。

背景技术

切换式变流器(switching converter)广泛地运用在一电压等级到另一电压等级间电能的转换，例如：个人计算机的电源提供12伏特的直流电压，但是对中央处理器而言，通常需要稳定的5、3.3或2.5伏特低压直流电压，甚至在新一代的中央处理器更要求1.82伏特低压直流电压。对于直流电压的转换，无法直接通过变压器实现而需要经由整流、降压及再整流的程序来达到直流电源变换。这些变流器通常在高频状况下操作，特别是在低于5伏特直流电压下，且变流器的能量损失主要来自于电路中传导损失及切换损失。
在现有技术中已有许多方法降低电路中传导损失及切换损失。例如：前端电路(Forward)、半桥式电路(Half-bridge)、桥式电路(Bridge)、自震荡电路(Self-oscillation)、推挽式电路(Push-pull)、同步整流(synchronized)及零电压切换(ZVS)等方法。单独使用前端电路、半桥式电路、桥式电路、自震荡电路或推挽式电路以实现切换式变流时，由于高切换损失造成电路效率极低且线路体积庞大等问题。所以在实际应用上，通常会搭配同步整流或零电压切换来提高电路效率并提供稳定的低压直流电，例如：前端电路与同步整流的集成电路、推挽式电路与同步整流的集成电路、桥式电路与零电压切换的集成电路、自震荡电路与零电压切换的集成电路或推挽式电路与零电压切换的集成电路等。
然而，搭配同步整流功能的集成电路，其线路体积过大、控制机能复杂且零件选择困难，所以导致制造成本增加。虽然使用具有零电压切换功能的集成电路可以有效地缩小线路的体积，但是仍具有控制机能复杂、零件选择困难及制造成本高的问题。此外，由于同步整流与零电压切换彼此产生交越损失且线路更加复杂，所以通常直流电源变换器不会将两种电路同时做在一起。
为此，开发一种低成本且高效率的直流电源变换器便成为一个重要课题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种直流电源变换器，其是以简化的同步整流电路同时达到零电压切换的功能，藉此缩小线路的体积且降低制造成本。
本发明的另一目的在提供一种在原边(primary side)具有高切换效率的直流电源变换器。因此，直流电源变换器可提供无交越损失的电压输出。
本发明的又一目的在提供一种直流电源变换器，其是以半周期轮流切换而提供无脉动(no ripple)的电压输出。因此，直流电源变换器的整体转换效率可以大幅增加。
本发明的再一目的在提供一种简化电路的直流电源变换器，藉此以减少直流电源变换器的零件以降低制造成本.
为实现上述目的，本发明提供了一种直流电源变换器，具有零电压切换及同步整流电路，零电压切换及同步整流电路包含：一变压器线圈，具有原边线圈及副边线圈；一第一桥式开关，连接在所述变压器线圈的原边线圈的一端且具有一控制极；一第二桥式开关，连接在所述变压器线圈的原边线圈的一端且具有一控制极；一第一同步整流器，连接在所述变压器线圈的副边线圈的一端且具有一控制极；及，一第二同步整流器，连接在所述变压器线圈的副边线圈的另一端且具有一控制极；其中，所述第一桥式开关及第二桥式开关的切换转移是通过变压器线圈的漏感实现而所述第一同步整流器及第二同步整流器则藉由变压器线圈的绕组开启；以及该直流电源变换器还包括一电压调整电路，该电压调整电路具有两个并联的原边开关连接在所述变压器线圈的原边线圈前级的第一桥式开关侧和输入电压侧之间，以提供电压的调整；一运算放大器用作电压回馈以达到稳定电压的输出。
本发明鉴于已知直流电源变换器的电路复杂及低效率问题，因此使用一种简化电路的直流电源变换器藉以解决在现行直流电源变换器的高成本问题。

附图说明

本发明的直流电源变换器的优点与特征将从下述详细说明及所附图式中得到进一步的了解。
图1为本发明直流电源变换器的功能方块图；
图2为本发明直流电源变换器的电路图；
图3为本发明直流电源变换器中电压调整电路的电路图；
图4为本发明直流电源变换器中电压切换级的电路图；
图5为本发明直流电源变换器中同步整流隔离电路的电路图；及，
图6为本发明具直流电源变换器中运算放大器的方块图。

具体实施方式

图1示出了本发明直流电源变换器的功能方块图，结合图1来说明本发明的较佳实施例。本发明的直流电源变换器1是设置在个人计算机中用以将一直流电压等级稳定转换到另一直流电压等级。电源虽然提供12伏特的直流电压，但是对中央处理器而言，通常需要5、3.3、2.5或1.82伏特低压直流电压。因此，直流电源变换器1包括：电压调整电路10(voltage regulation stage)、零电压切换及同步整流隔离电路20(ZVS synchronized isolation stage)及控制电路30(controlcircuitry)。其中，电压调整电路10为一简化的巴克变换器(buckconverter)，主要用于对输出电压进行预先调整零；电压切换及同步整流隔离电路20用于在变压器的原边集成一半桥式电路(Half-bridge)并利用变压器线圈的漏感来达到零电压切换的目的；而控制电路30用于提供电压切换及同步整流的讯号。关于本发明的电路图及控制流程将进一步参考附图详细说明。
图2示出了本发明直流电源变换器的电路图，整个直流电源变换器1的电路是由电压调整电路10和零电压切换及同步整流隔离电路20所组成。如图所示，直流电源变换器1至少包括：两个原边开关(switch)11及12、两个半桥开关21及22、变压器线圈23，及两个同步整流器(synchronous rectifiers)24及25.变压器线圈23具有原边线圈及副边线圈且在较佳实施例中这些开关或整流器可以是MOSFETs或其他类型的晶体管.
进一步参考图3、图4及图5以分级说明直流电源变换器1的实施状态。如图3所示，直流电源变换器1首先将电压调整功能分离出来而形成在变压器线圈23上原边的电压调整电路10电路，该电压调整电路10为一简化的巴克变换器，主要用于对输出电压进行预先调整，其包括：两个并联的原边开关(switch)11及12、电容器C1、二极管D1及电感L1。直流电压经电压调整电路10调整后输入零电压切换及同步整流隔离电路20。
图2中，零电压切换及同步整流隔离电路20包括：形成在变压器线圈23原边的具有零电压切换功能的半桥式电路(如图4所示)及形成在变压器线圈23副边的同步整流隔离电路(如图5所示)。
请参考图4，半桥式整流电路是在变压器线圈23的原边形成，其包括：两个串接的半桥开关21及22，和电容器C2及C3。半桥式整流电路用以将直流电压转换为交流电压，以使交流电压可通过变压器线圈23而改变其强度。值得注意的是，因为变压器线圈23会产生漏感(leakage inductance)，所以半桥开关21及22则利用变压器线圈23的漏感致动而以50％周期轮流切换来实现零电压切换的目的。因此，本发明无须像已知技术一样增加线路的复杂度(例如：增加额外的电感或改变输入电压的频率)，即可达到零电压切换的目的。
继续参考图5，同步整流隔离电路是在变压器线圈23的副边形成，其包括：两个分别连接在变压器线圈23两侧的同步整流器24及25、电容器C4及电感L2。值得注意的是，此线路利用变压器线圈23的绕组来开启同步整流器24及25而实现同步整流的目的。因此，本发明并不像已知的同步整流器一样为避免交越损失而增加额外的线路，即可达到同步整流的目的。
此外，由于半桥开关21及22是利用变压器线圈23的漏感致动而以50％周期轮流切换来实现零电压切换，所以输出到变压器线圈23的电压几乎是无脉动(no ripple)的电压。因此，对于后端输出电路而言，无脉动(no ripple)的输入电压可选择很小值的电容器C4及电感L2，因此可降低整体电路元件的成本。
图6显示运算放大器的方块图，其是由一参考电压Vref值作为运算放大器的比较基准以作为电压反馈调整而使输出电压更稳定。根据本发明的直流电源变换器1，其电源变换效率约在86％以上，相较于现有的直流电源变换器的效率仅约81％而言，具有相当大的改善效果。此外，由于使用零电压切换技术，所以直流电源变换器的体积可以大幅缩小。
在详细说明本发明的较佳实施例之后本领域的技术人员可清楚的了解，本发明可以不增加复杂控制线路而在同一电路中同时集成零电压切换及同步整流电路。此外，在不脱离下述权利要求与精神的前提下，可进行各种变化与改变，例如，图4所示的半桥式电路也可用全桥式电路取代，而本发明也不受限于说明书的实施例的实施方式。
综上所述本发明具有诸多优良特性，并解决了已知技术在实际中的缺陷与不便，提出了实用可靠的装置及流程的有效的解决方法，进而实现新颖且有经济效益的价值。