专利名称：高频开关式电源供应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于输出高电流或高电压的高频开关式电源供 应器，应用范围更可扩广及需要较大电力的变频式电源供应器，不断电 系统(UPS)，马达转速控制设备，冷冻空调机械设备或家庭电器产 品例如感应式电磁炉等应用。
背景技术：
电源供应器为当今电子、电机产业上最重要的产品之一，举凡各种 需使用及电力的电机、电子、家电、信息、视听产品，除了少数被动式 产品或简易应用外，几乎皆需仰赖各种不同功能、型式，功率大小或不 同设计技术的电源供应器，以维持其正常运作，并且在当今能源供应短 缺、绿色环保议题当道情况下，以往许多使用简易式电源供应器的产品 或应用，也有渐渐转为使用(高性能)电源供应器的趋势。对『电源供应器』的一般性认知，为将电力供应源(电力公司、发 电厂)经由电力馈送线送来的电力电源或由其它种电力产生设备(例如 电池或自驱式引擎发电机)转换为合乎用电设备的特定需求，例如电压 高低、高流大小、频率高低、不同波型或特定的功率供应能力等目的或 目标的产品或设备。其中主要的应用或产品则仍以供应特定的电压或特 定的电流为主的电压稳定器或电流稳定器，因此，虽然『电源供应器』 具有各种不同的类型、应用或设计目的，但也大都被泛称为『稳压器J。再者，目前的『电源供应器』依其工作或设计的原理不同，大致可 分为两类「线性电源供应器(Linear Regulator)」及「开关式电源供 应器(Switching Power Supply),亦称『交换式电源供应器』」。其中线 性电源供应器是将高于设定或目标的多余的电力消耗转换成热量以达 到稳压及稳流的目的，但却造成了电力的浪费。而开关式电源供应器是 以一式电路做为切换开关控制器，将直流电源做『波宽宽度调制(Pulse Width Modulation - PWM)』，并将能量先储存于储能另件中，再将储 能另件储存的能量转换为合适的电压或电流值；储能另件包括电磁另件(Magnetic Device)或电容器(Capacitor)。『脉波宽度调制产生器』为将输入电能依照切换频率(开关频率或 交换频率)的高低，截割成『等时但不等宽』或『等宽但不等时』的小 段型式的脉冲波功率，再将这些小段的脉冲波功率经由能量储存装置、 另件暂时储存，再经由转换输出变压器及波型整理电路整理成合用的输 出电压/电流功率。电压稳定控制原理大抵为利用『脉波宽度调制产生 器』控制输出的波型宽度(等时但不等宽用之)或时距一时间周期(等 宽但不等时用之)，以使最终输出电压或电流的值，不因输入电压高低 变动或负载变动所影响，即维持恒定或稳态。再者，根据变压器绕组感 应电动势的公式，请参考图5的变压器示意图EF4IUfNiBmAeXl0—4 (式一) E2二4IUfN2BmAex10—4 (式二)式中E: —一初级感应电动势 E2 —一次级感应电动势一一电压波型因子 f 一一工作频率 N, —一初级绕组圈数 N2 —一次级绕组圈数 Bm—一磁感应强度(磁场强度变动值T) Ae —一铁芯有效截面积由(式一)、(式二)可得Ei/E2二N,/Nz (式三) 又因为电功率P = ExI (式四)；变压器在不计内部损失下，理论上输入与输出功率应相等，即P ! = P 2 ，因此绕组功率E , x I i = E 2 x I 2 (式六) 所以E/ E 2 = I 2 / I , (式七)藉由上述公式推导可知『磁场强度Bm越强(越高)』及『工作频率 f越高』，皆可提高变压器的工作、输送或承载功率。因此设计具有高 的磁场强度及高的工作频率，即可相对提高电源输出功率；或者也可以说，设计使用更强的磁场或提高脉波宽度调制产生器的切换频率，便能 提高变压器或电源供应器的工作功率。一般的平价或大功率型变压器大都使用硅钢片做为变压器的电磁 铁芯，主要原因除了硅钢片相对于其它种类导磁材料具有价廉优势外， 另一重要的原因为硅钢片可以工作在较高的磁场强度，因此可以提供较 大的输出功率。但硅钢片铁芯在高频使用时，其换能损失大，能够使用的交换频率范围较低，大约仅能工作于10KHz以下频率范围，因此 并不能在具有较高频率及高次谐波的开关电源供应器中使用。又， 一般 开关电源供应器因为需工作在高频率或高次谐波条件，因此大都使用可 工作于高频率，但却必须在较低的磁场强度下工作的铁粉芯型导磁材料 做为变压器铁芯，即使如此，仍然会因为所使用的切换频率高低而需选 择使用不同材质、且有极大价差的高频铁粉芯材料，并且如需提高工作 频率时，通常导磁材料也必须以降低导磁率或工作磁场强度做为负面的 报偿。对于需要高输出功率或大电流的电源供应器而言，如何提高变压 器的工作频率或使用在较大的磁场强度则是一大难题。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种 易控制、稳定性高、电压或电流的可调整动态范围比较宽广的高频开关 式电源供应器。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是 一种高频开关 式电源供应器，其包括一高频脉冲宽度调制产生器及功率驱动电路、一 主低通滤波器、一输出变压器及一输出整流器、一位准检测及隔离电路， 输入的电源功率经过上述装置后，即可输出所设定的电压、电流或功率 的大小，其特点是该开关式电源供应器的电路进一步设有一高频交流 产生器、 一自动电位及补偿控制电路；将输入直流电源连接至该高频交 流产生器上，以产生一高频交流讯号，并使其连接至该自动电位及补偿 控制电路，根据输出的需要进行讯号电位的调校，经调校的高频交流讯 号再进入高频脉冲宽度调制产生器及功率驱动电路，产生脉冲宽度调制 波，并经由主低通滤波器消除高频噪声后，由输出变压器及输出整流器调整输出的电压电流；又，于输出端连接上述位准检测及隔离电路，检 出之输出位准后，再与预先设定的输出电压、电流的高低或强度值进行 比较，以取得输出误差讯号，再回授传递至自动电位及补偿控制电路进 行控制调校，以使输出维持稳定。本发明采用的另一种技术方案是 一种高频开关式电源供应器，其 包括一高频脉冲宽度调制产生器及功率驱动电路、 一主低通滤波器、一 输出变压器及一输出整流器，输入的电源经过上述装置后，即可输出所 设定的电压、电流或功率的大小，其特点是该开关式电源供应器的电 路进一步设有一高频交流产生器，其中该高频交流产生器利用设于一数 字单元或一逻辑电路内的程序或编码产生相对应设定的高频交流讯号； 将输入直流电源连接至该数字或该逻辑单元规划的高频交流产生器上， 以产生一高频交流讯号，将该高频交流讯号连结到自动电位及补偿控制 电路，再进入高频脉冲宽度调制产生器及驱动电路，产生脉冲宽度调制 波，并经由主低通滤波器消除高频噪声后，由输出变压器及输出整流器 调整输出的电压电流；又，于输出端连接一位准检测及隔离电路，检出 之输出位准后，再与预先设定的输出电压、电流的高低或强度值进行比 较，以取得输出误差讯号，再回授传递至自动电位及补偿控制电路进行 控制调校，以使输出维持稳定。本发明采用的又一种技术方案是 一种高频开关式电源供应器，其 包括一高频脉冲功率驱动电路、 一低通滤波器、 一输出变压器及一输出 整流器，输入的电源经过上述装置后，即可输出所设定的电压、电流或 功率的大小，其特点是该开关式电源供应器的电路进一步设有一高频 交流产生器，其中该高频交流产生器利用设于一数字单元或一逻辑电路 内的程序或编码产生相对应设定的高频交流讯号；将输入直流电源连接 至该数字或该由逻辑单元组成的高频脉冲宽度调制脉波产生器，以产生 一高频脉冲宽度调制脉波讯号，将该高频脉冲宽度调制脉波交流讯号连 结到高频脉冲功率驱动电路，并经由主低通滤波器消除高频噪声后，由 输出变压器及输出整流器调整输出的电压电流。上述的『高频交流产生器』系一式用以产生一比市电更高的交流频率的电路， 一般市电频率为5 Q或6 G赫芝，本设计高频交流产生器所 产生的频率范围可自数佰赫芝(H z )至数拾千赫芝(KHz),此交 流讯号的强度或大小比率，经合适的控制调整后做为输入讯号源，并依 讯号的强度及相位做高频率的波型截割一即高频调制，据以产生依据输 入讯号强度及相位的脉冲宽度波(Pulse Wave),此输出即为脉冲调制 波(Pulse Width Modulated Wave — PWM)。再由脉冲调制波驱(推) 动后级开关放大器，其输出再经由高频滤波器，以消除脉波调制所用的 截割高频载波，然后再输出到电力转换变压器，将输出电位依据后端的 设定或负载的要求做适当的电压强度转换，电力转换变压器的输出再经 由输出整理电路，例如直流整流器、低通滤波器及限流器等功能性电路， 以提供符合最终输出需求型式的电力。再者，藉由输出位准检测及隔离 电路将由输出端检出的电压或电流的强度，经由隔离及滤波、稳定等回 授电路，用以将检出的大小值回授至『自动电位及补偿控制电路』，以 控制及稳定由『高频交流产生器』的输出或输入至高频脉波宽调制产生 器的讯号强度及功率驱动器之输出功率强度，以确保输出电压电流或功 率的恒定与质量。另外在原理及实用上，电力转换变压器因为具有高度的电感量，因 此亦具有低通滤波器的性质和功能，可以进一步的消除或降低高频截割 器所产生的载波讯号强度，因此由脉波调制及驱动电路所产生输出的高 频宽度调制脉波，经过前一级的主低通滤波器及由变压器所形成的后级 低频滤波器等两级的过滤移除高频截割用载波后，脉波中的高频或噪声 成份已大为降低，从而能够有效降低电磁干扰辐射强度，提高输出电源 的杂波或噪声干净度及降低对市电电力的质量的损害。本发明设计中的高频交流产生器，以及其后级自动电位及补偿控制 电路系属模拟式线性及回授式放大电路，因此可设计成具有大的动态放 大或工作变动范围，例如1 : 1 0或更大的放大率，如此即可使得由『自动电位及补偿控制电路』输出或进入更后级『脉冲调制器及驱动电路』 的讯号强度具有相似的可变动范围，例如以前述的1:10放大率可得 1 V D C 1 0 V D C输出电压变动范围，此一输出变动或动态范围亦絶非一般的开关交换式电源供应器所能达到的性能。本发明设计简单来说，是以加入一 『交流讯号产生器』以产生『高 频率交流讯号』，先加以放大及调控至合适大小后，再使用与一般的开 关电源相似的电路结构，以将前级所输入的『高频率交流讯号』截割产 生『脉冲宽度调制波』并加以放大及整理或整流输出。我们也可以简单 的说明， 一般开关式电源供应器电路或产品所习用的技术为 一 以『直 流电位』做简单的高频率载波脉波宽度、调制切换，以控制及输出稳定 电源。本发明则再加入『交流讯号产生器』并产生可调控的『高频率交 流讯号』做为高频开关式电源供应器的设计技术，因为这一具有较高频 率的交流讯号的加入，虽然将使得电路结构变得比较复杂，但也因此而 得以使用正弦波以取代非稳定态脉波直接推动输出电力转换变压器，更 因而能获得诸多优点，包括-1、 可以降低因为脉冲波直接驱动变压器所必须克服的因变压器的 高感值电感所产生的高电感阻抗效应及功率能量损失。2、 可以使用较低价位的硅钢片材料制造变压器，并且工作在较高 的磁场强度，因此具有较高的变压器效率，或可使用较小体积的变压器 铁芯片组。3、 同频率波驱动功率在进入输出变压器时，脉冲波中的高频成份 或载波已先行被主低通滤波器及变压器自身形成的低频滤波器所滤除， 仅有由高频交流产生器所产生并受调控的较『高频正弦波』得以经由输 出变压器转换至后及输出，因此二次以上的脉冲高频或高次阶波皆已大 为降低，使得此一设计功能也因而具有降低电磁干扰辐射强度等另一优 点。由前述各段说明，得可确知本发明技术具有容易控制、稳定性高、 低输出涟波、低电磁波干扰辐射(EMI)、电压或电流的可调整动态范围 比较宽广等的诸多优点，再者，可以使用低价位的硅钢片，以制作具有 较高效率、较小体积、较低成本的开关式电源供应器的重要组件 一 输 出变压器，并且因为是以较高频的正弦波功率，注入(输入)电能转换 输出变压器，而非如一般『脉冲宽度调制式开关电源供应器』是以脉冲波注入电能转换输出变压器，因而使得以本发明所设计的电源供应器具 有前述的各项优点及环保、经济效益。以下，将依据图面所示的实施例而详加说明本发明的特征及使用功效。
图1是本发明的实施流程图； 图2是本发明的另一实施流程图； 图3是本发明的又一实施流程图； 图4是本发明的再一实施流程图； 图5是一变压器示意图。 标号说明1 0…高频交流产生器 2 0…自动电位及补偿控制电路3 0…高频脉冲宽度调制产生器及功率驱动电路3 1…高频脉冲功率驱动电路 4 0…主低通滤波器5 0…位准检测及隔离电路 6 0…输出变压器7 0…输出整流器8 0…微处理器或可程序数字逻辑电路(产生高频交流信号)8 0 '…微处理器或可程序数字逻辑电路(产生高频脉冲调制脉波) 8 1…模拟数字转换器 9 0…脉冲波延迟控制电路
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明为一种高频开关式电源供应器，其包括一 高频交流产生器1 0 、 一自动电位及补偿控制电路2 0 、 一高频脉冲宽 度调制产生器及功率驱动电路3 0 、 一主低通滤波器4 0 、 一位准检测 及隔离电路5 0 、 一输出变压器6 0及一输出整流器7 0 ，其中电源电 力输入后，先在高频交流产生器1 0产生高频交流讯号后、依序经由自 动电位及补偿控制电路2 0 、高频脉冲宽度调制产生器及功率驱动电路 3 0 、主低通滤波器4 0 、输出变压器6 0及输出整流器7 0 ，并于输 出整流器7 0的后端连接回授电路，经位准检测及隔离电路5 O至自动 电位及补偿控制电路2 Q ，以调整高频交流产生器输出至脉波宽度调制产生器的输入讯号大小，以达输出所设定的电压或电流，并据以维持输 出的稳定。其中，于高频交流产生器i o产生一高频交流讯号，连接至该自动电位及补偿控制电路2 0 ，根据输出讯号与回授的讯号进行输入讯号电 位的调校，再进入高频脉冲宽度调制产生器及驱动电路3 0 ，产生脉冲 宽度调制波并放大输出功率，并经由主低通滤波器4 0消除噪声后，由 输出变压器6 0及输出整流器7 0调整输出的讯号，再者，于输出端(输 出整流器的后端)连接一回授电路至自动电位及补偿控制电路2 0 ，可 藉由输入的调校而精准控制输出的讯号大小。输出强度回授的信号检出 点，可以由输出端或之前检出，或由输出变压器的绕组或加入一独立检 出绕组检出使用。又，本发明的高频交流产生器l 0可利用预先设计的波型产生器， 如可利用正弦波产生器或方型波产生器或三角波产生器，来产生各种高 频的讯号波，以供应不同的应用需求。请参阅图2所示，高频交流产生器1 0除了可以使用线性放大电路 方式以产生相应的高频交流讯号外，亦可以利用数字或逻辑电路方式， 由微处理机、微电脑或弹性可程序规划式逻辑数组(F P G A)等微处 理或可程序数字逻辑电路8 0 ，以事先设计的程序或编码产生相应的高 频交流波型，或依据所需的输出波型及强度，直接计算出应有的高频交 流波型强度，再依前述功能路径及控制流程，也可输出设计目标所需要 的电压、电流或功率。请参阅图3所示，如前述以微处理或可程序数字逻辑电路8 O应用 在本发明技术或产品时，亦可以规划或设计为直接产生相应的『脉冲波 化的高频交流输出』或『高频交流型式高频脉冲宽度调制波型』，如图 3所示的微处理或可程序数字逻辑电路8 Q '，并外接或内建模拟数字 转换81(Analog to Digital Converte r一ADC)至此一微处理或可程序数字逻辑电路8 0 、由模拟数字 转换器8 1检出输出电压或电流强度，由该微处理或可程序数字逻辑电 路8 0 '比对设计目标或预定的输出值后，计算出输出误差值，再由该微处理或可程序数字逻辑电路8 0 '将误差值直接反应到『高频交流型 式高频脉冲宽度调制波型』的输出讯号或脉冲宽度上，从而可以不需要 使用『自动电位及补偿控制电路』，而直接将此一已经调整后的高频交 流型式高频脉冲宽度调制波输出直接输入至高频脉冲功率驱动电路3 1及其后的输出。又本发明『高频开关式电源供应器』的另一输出稳定的控制方法为 利用『时间延迟控制』的方法，以改变输出脉冲波的宽度，进而达到输 出稳定的目的。请参考图4，我们可将前述数字单元或逻辑单元所产生 的脉冲波化高频交流输出，连接到一脉冲波延迟控制电路90，而该脉 冲波延迟控制电路则同时也连接到由位准检测及隔离电路所检出的输 出差值回授信号，并由该一回授的差值信号强度控制脉冲波输出的宽 度，例如输出电力强度高于(大过于)目标值时，延迟电路将会延后脉 冲波上升的时间，但并不改变脉冲波的终止(下降)时间，以减少该输 出脉波的宽度，具以降低输出的功率，或如果输出电力强度低于(小于) 目标值时，延迟电路将会减少脉冲波上升时的延后时间，但同样亦不改 变脉冲波的终止(下降)时间，以增加脉冲波的宽度及输出的功率，如 此亦可达到电压、电流或输出功率稳定的目的；这一设计的原理，简单 的说就是以数字化的脉波宽度波取代前述图1的模拟式高频交流产生 器输出，并以『脉冲波延迟控制电路』代替同图1中的『自动电位及补 偿控制电路』，如此则利用数字化的控制原理而同样可以达到输出电力 稳定的目的。其中该高频交流产生器、该高频脉冲宽度调制产生器、该模拟数字 转换器的电路结构设计、该自动电位及补偿控制电路、该位准检测及隔 离电路等等电路，可以全部或部份组合成一集成电路(Hybrid Circuit) 或一积体电路(Integrated Circuit),供完整产品生产制造使用。
权利要求
1. 一种高频开关式电源供应器，其包括一高频脉冲宽度调制产生器及功率驱动电路、一主低通滤波器、一输出变压器及一输出整流器、一位准检测及隔离电路，输入的电源功率经过上述装置后，即可输出所设定的电压、电流或功率的大小，其特征在于该开关式电源供应器的电路进一步设有一高频交流产生器、一自动电位及补偿控制电路；将输入直流电源连接至该高频交流产生器上，以产生一高频交流讯号，并使其连接至该自动电位及补偿控制电路，根据输出的需要进行讯号电位的调校，经调校的高频交流讯号再进入高频脉冲宽度调制产生器及功率驱动电路，产生脉冲宽度调制波，并经由主低通滤波器消除高频噪声后，由输出变压器及输出整流器调整输出的电压电流；又，于输出端连接上述位准检测及隔离电路，检出之输出位准后，再与预先设定的输出电压、电流的高低或强度值进行比较，以取得输出误差讯号，再回授传递至自动电位及补偿控制电路进行控制调校，以使输出维持稳定。
2、 根据权利要求1所述的高频开关式电源供应器，其特征在于 所述高频交流产生器为正弦波产生器、方型波产生器、或三角波产生器。
3、 根据权利要求1所述的高频开关式电源供应器，其特征在于 所述高频交流产生器利用线性放大电路产生相应的高频交流讯号。
4、 根据权利要求1所述的高频开关式电源供应器，其特征在于 所述高频交流产生器、该自动电位及补偿控制电路、该高频脉冲宽度调 制产生器、该位准检测及隔离电路的电路结构或设计，可以全部或部份 组合成一集成电路或一积体电路。
5、 一种高频开关式电源供应器，其包括一高频脉冲宽度调制产生 器及功率驱动电路、 一主低通滤波器、 一输出变压器及一输出整流器， 输入的电源经过上述装置后，即可输出所设定的电压、电流或功率的大 小，其特征在于该开关式电源供应器的电路进一步设有一高频交流产生器，其中该 高频交流产生器利用设于一数字单元或一逻辑电路内的程序或编码产生相对应设定的高频交流讯号；将输入直流电源连接至该数字或该逻辑 单元规划的高频交流产生器上，以产生一高频交流讯号，将该高频交流 讯号连结到自动电位及补偿控制电路，再进入高频脉冲宽度调制产生器 及驱动电路，产生脉冲宽度调制波，并经由主低通滤波器消除高频噪声 后，由输出变压器及输出整流器调整输出的电压电流；又，于输出端连 接一位准检测及隔离电路，检出之输出位准后，再与预先设定的输出电 压、电流的高低或强度值进行比较，以取得输出误差讯号，再回授传递 至自动电位及补偿控制电路进行控制调校，以使输出维持稳定。
6、 一种高频开关式电源供应器，其包括一高频脉冲功率驱动电路、 一低通滤波器、 一输出变压器及一输出整流器，输入的电源经过上述装 置后，即可输出所设定的电压、电流或功率的大小，其特征在于该开关式电源供应器的电路进一步设有一高频交流产生器，其中该 高频交流产生器利用设于一数字单元或一逻辑电路内的程序或编码产 生相对应设定的高频交流讯号；将输入直流电源连接至该数字或该由逻 辑单元组成的高频脉冲宽度调制脉波产生器，以产生一高频脉冲宽度调 制脉波讯号，将该高频脉冲宽度调制脉波交流讯号连结到高频脉冲功率 驱动电路，并经由主低通滤波器消除高频噪声后，由输出变压器及输出 整流器调整输出的电压电流。
7、 根据权利要求6所述的高频开关式电源供应器，其特征在于-所述数字单元或该逻辑单元进一步连接一模拟数字转换器及一位准检 测及隔离电路，且该位准检测及隔离电路连接输出端的回授讯号，以测 量于输出端检出的输出电压或电流强度，经模拟数字转换器将讯号进行 转换并传递至上述的数字单元或逻辑单元，与设定的预定值进行比对或 计算出误差值，再由该数字单元或逻辑控制电路，将误差值直接反应到 输出的高频交流型式的高频脉冲宽度调制波的波宽或强度上，使最终的 输出达到默认值。
8、 根据权利要求6所述的高频开关式电源供应器，其特征在于 所述由数字单元或该逻辑单元将产生固定型的高频交流产生器的输出， 可以连接到一脉冲波延迟控制电路，该脉冲波延迟控制电路则同时连接到前述由位准检测及隔离所检出的输出强度差值回授信号，并受该差值 信号强度控制，使由该脉冲波延迟控制电路输出的脉冲波波宽与输出的 目标电力成为稳定比值的脉冲波，以达到电压、电流或输出功率稳定的 目的。
9、 根据权利要求5-7中任一项所述的高频开关式电源供应器，其 特征在于所述高频交流产生器、该高频脉冲功率驱动电路、该模拟数字转换器的电路结构设计、该位准检测及隔离，可以全部或部份组合成 一集成电路或一积体电路。
10、 根据权利要求8中任一项所述的高频开关式电源供应器，其特 征在于所述高频交流产生器、该高频脉冲功率驱动电路、该模拟数字转换器的电路结构设计、该脉冲波延迟控制电路、该位准检测及隔离， 可以全部或部份组合成一集成电路或一积体电路。
全文摘要
本发明公开了一种高频开关式电源供应器，其将输入电源连接至该高频交流产生器上，产生一交流讯号并传送至该自动电位及补偿控制电路，根据设计的功率或输出高低及检测出的输出位准回授讯号进行电位的调校，经调校后的高频交流信号再进入高频脉冲宽度产生器及功率驱动电路，以产生脉冲宽度波，并经由低通滤波器消除高频载波及噪声后，由输出变压器调整电压的高低，并于输出端连接一位准检测及隔离电路，检出输入/输出差值讯号，再传递至自动电位及补偿控制电路进行控制调校，则输入之不稳定电力或市电电源，经过上述装置后，即可依设计的目标或需要输出所设定的电压、电流或功率。
文档编号H02M3/00GK101237183SQ20071003437
公开日2008年8月6日 申请日期2007年2月2日 优先权日2007年2月2日
发明者曾东荣 申请人:曾东荣