串联谐振电路及实现其空载稳压的方法

摘要

本发明涉及一种串联谐振电路及实现其空载稳压的方法，该串联谐振电路包括：一谐振电路，至少包含一谐振电容及一谐振电感；一等效电容，耦合于该谐振电路；一激磁电感，并联连接于该等效电容；一变压器，其一次侧绕组并联连接于该激磁电感；以及一电流脉冲电路，耦合于该谐振电路并同步于该串联谐振电路的一输入电压，用以提供一电流脉冲至该等效电容，以减少当该输入电压发生变化时，该谐振电感与该激磁电感之间的一电流量差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种串联谐振电路及实现其空载稳压的方法，尤指应用于电源供应器(power supply)的串联谐振电路。

背景技术

一般的串联谐振电路是电源供应器中常用的一种电路，请参阅图1(a)，其为一种传统的串联谐振电路的电路图。在图1(a)中，串联谐振电路是由一输入电压产生电路、一谐振电容Cr、一谐振电感Lr、一等效电容Cs、一激磁电感Lm、一变压器T1、一输出整流电路、以及一输出电容Co所构成，其中，等效电容Cs为串联谐振电路的输出端整流半导体的结电容以及变压器T1的寄生电容折算到变压器T1的一次侧绕组Np的电容值；其控制模式为，该输入电压产生电路用以产生一输入电压，该输入电压通过串联谐振电路的变频控制而于输出端产生一输出电压。

这种控制模式最大的缺点是，为了使得该输出电压能够在一种较宽的负载变化范围内为可调变，因此这种串联谐振电路的工作频率的变化范围必须很宽，然而，由于控制芯片本身的最高输出频率是有限的，因此在空载的情况下有可能会出现因为工作频率的不可调变而导致输出电压发生上漂的现象。

图1(b)为二个串联谐振电路并联连接时的示意图，图1(c)为多个串联谐振电路并联连接时的示意图，其同样具有上述输出电压容易发生上漂的问题。

为了解决这个问题，目前所采用的办法是加一个假负载于串联谐振电路的输出端，如图1(a)～(c)的假负载R_dummy所示。

以图1(a)来说明：由于等效电容Cs的存在，在输入电压产生电路的电位发生变化时，会使得等效电容Cs进行充电或放电，由于对等效电容Cs进行充放电的电流都必须经过谐振电感Lr，因此谐振电感Lr上的电流和激磁电感Lm上的电流便会产生差值，而当等效电容Cs的充放电结束后，谐振电感Lr与激磁电感Lm的电流的差值便会从变压器的一次侧绕组Np传送到变压器的二次侧绕组Ns、继而直接反映到输出端的负载上。

由此可知，如果要使得串联谐振电路在空载的情况下还能够保持输出电压不会发生上漂，那么便必须使得处在每个工作频率下的假负载所损耗的能量等于从变压器T1的一次侧绕组Np传向二次侧绕组Ns的能量，但这样却会造成较大的空载损耗。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种串联谐振电路及实现其空载稳压的方法。

本发明的主要构想为提出一种串联谐振电路及其控制方法，能够在不需要加假负载的情形下便可以实现空载工作，即使工作频率的变化范围比较窄，但却可以使得串联谐振电路在整个负载的变化范围内获得更高的运作效率。

根据本发明的主要构想，提出一种串联谐振电路，包括：一谐振电路，至少包含一谐振电容及一谐振电感；一等效电容，耦合于该谐振电路；一激磁电感，并联连接于该等效电容；一变压器，其一次侧绕组并联连接于该激磁电感；以及一电流脉冲电路，耦合于该谐振电路并同步于该串联谐振电路的一输入电压，用以提供一电流脉冲至该等效电容，以减少当该输入电压发生变化时、该谐振电感与该激磁电感之间的一电流量差。

根据本发明的串联谐振电路，其中：该等效电容为该串联谐振电路的输出端的结电容以及该变压器的寄生电容折算到该变压器的一次侧绕组的电容值；及/或该电流脉冲电路的一端同时连接于该谐振电路的一端及该输入电压，另一端同时连接于该变压器的一次侧绕组、该激磁电感、该等效电容、及该谐振电路的另一端。

根据本发明的串联谐振电路，其中：该变压器的一次侧绕组还包含一辅助绕组，而该电流脉冲电路通过该辅助绕组而耦合于该谐振电路；及/或该电流脉冲电路的一端同时连接于该谐振电路的一端及该输入电压，另一端连接于该辅助绕组。

根据本发明的串联谐振电路，其中：该电流脉冲电路是由至少一电容所构成；该电流脉冲电路是由一突波抑制器所构成；及/或该电流脉冲电路还包含一电阻。

根据本发明的串联谐振电路，其中：该变压器的二次侧绕组还耦合于一输出整流电路，以提供一输出电压；及/或该输出整流电路选自一全波整流电路及一全桥整流电路其中之一。

根据本发明的串联谐振电路，还包含一输入电压产生电路，以产生该输入电压，其中该输入电压产生电路选自一半桥电路及一全桥电路其中之一。

根据本发明的另一构想，提出一种实现串联谐振电路空载稳压的方法，该串联谐振电路包括一谐振电路、一等效电容、一激磁电感、以及一变压器，该谐振电路至少包含一谐振电容及一谐振电感，该等效电容及该激磁电感彼此并联后再耦合于该谐振电路，该变压器的一次侧绕组并联连接于该激磁电感，该方法包括步骤如下：提供一输入电压至该串联谐振电路；以及提供一电流脉冲至该等效电容，以减少当该输入电压发生变化时、该谐振电感与该激磁电感之间的一电流量差。

根据本发明的实现串联谐振电路空载稳压的方法，其中：该等效电容为该串联谐振电路的输出端的结电容以及该变压器的寄生电容折算到该变压器的一次侧绕组的电容值；该输入电压是由一半桥电路及一全桥电路其中之一所提供；及/或该电流脉冲是由至少一电容及一突波抑制器其中之一所提供。

根据本发明的另一构想，提出一种实现串联谐振电路空载稳压的方法，该串联谐振电路包括一谐振电路、一等效电容、一激磁电感、以及一变压器，该谐振电路至少包含一谐振电容及一谐振电感，该等效电容及该激磁电感彼此并联后再耦合于该谐振电路，该变压器的一次侧绕组并联连接于该激磁电感，该方法包括步骤如下：提供一输入电压至该串联谐振电路；以及提供一电流脉冲至该等效电容，以减少当该输入电压发生变化时、该谐振电感与该激磁电感之间的一电流量差。

根据本发明的再一构想，提出一种实现串联谐振电路空载稳压的方法，该串联谐振电路包括一谐振电路、至少二等效电容、至少二激磁电感、以及至少二变压器，该谐振电路至少包含一谐振电容及一谐振电感，所有等效电容及激磁电感彼此并联后再耦合于该谐振电路，每个变压器的一次侧绕组并联连接于每个激磁电感，该方法包括步骤如下：提供一输入电压至该串联谐振电路；以及提供一电流脉冲至每个等效电容，以减少当该输入电压发生变化时、该谐振电感与每个激磁电感之间的一电流量差。

根据本发明的实现串联谐振电路空载稳压的方法，其中：每个等效电容为该串联谐振电路的输出端的结电容以及每个变压器的寄生电容折算到该变压器的一次侧绕组的电容值；该等效电容、该激磁电感、以及该变压器的数量相同；该输入电压是由一半桥电路及一全桥电路其中之一所提供；及/或该电流脉冲是由至少一电容及一突波抑制器其中之一所提供。

根据本发明的再一构想，提出一种实现串联谐振电路空载稳压的方法，该串联谐振电路包括一谐振电路、一等效电容、一激磁电感、以及一变压器，该谐振电路至少包含一谐振电容及一谐振电感，该等效电容及该激磁电感彼此并联后再耦合于该谐振电路，该变压器的一次侧绕组并联连接于该激磁电感，该方法包括步骤如下：提供一输入电压至该串联谐振电路；以及当该输入电压发生变化时，对该等效电容实施充、放电，以减少该谐振电感与该激磁电感之间的一电流量差。

根据本发明的实现串联谐振电路空载稳压的方法，其中：该等效电容为该串联谐振电路的输出端的结电容以及该变压器的寄生电容折算到该变压器的一次侧绕组的电容值；该输入电压是由一半桥电路及一全桥电路其中之一所提供；及/或该方法通过至少一电容及一突波抑制器其中之一对该等效电容实施充、放电。

根据本发明的再一构想，提出一种实现串联谐振电路空载稳压的方法，该串联谐振电路包括一谐振电路、至少二等效电容、至少二激磁电感、以及至少二变压器，该谐振电路至少包含一谐振电容及一谐振电感，所有等效电容及激磁电感彼此并联后再耦合于该谐振电路，每个变压器的一次侧绕组并联连接于每个激磁电感，该方法包括步骤如下：提供一输入电压至该串联谐振电路；以及当该输入电压发生变化时对每个等效电容实施充、放电，以减少该谐振电感与每个激磁电感之间的一电流量差。

根据本发明的实现串联谐振电路空载稳压的方法，其中每个等效电容为该串联谐振电路的输出端的结电容以及每个变压器的寄生电容折算到该变压器的一次侧绕组的电容值；该等效电容、该激磁电感、以及该变压器的数量相同；该输入电压是由一半桥电路及一全桥电路其中之一所提供；及/或该方法通过至少一电容及一突波抑制器其中之一对每个等效电容实施充、放电。

本发明提供的串联谐振电路及其控制方法，利用由电容、电阻、以及突波抑制器等组件通过一定的组合变换构成各种辅助电路，使得传统的串联谐振电路可以在不加假负载的条件下实现空载工作，且其工作频率的变化范围比较窄。

附图说明

图1(a)为传统的串联谐振电路的电路图；

图1(b)为二个串联谐振电路并联连接的示意图；

图1(c)为多个串联谐振电路并联连接的示意图；

图2(a)及(b)为本发明串联谐振电路第一实施例的电路图；

图3(a)为图2的串联谐振电路在空载时的主要波形时序图；

图3(b)为图2的串联谐振电路在空载时的另一波形时序图；

图4(a)及(b)为本发明串联谐振电路第二实施例的电路图；

图5为本发明串联谐振电路第三实施例的电路图；

图6(a)及(b)为本发明串联谐振电路第四实施例的电路图；

图7(a)及(b)为本发明串联谐振电路第五实施例的电路图；以及

图8为本发明串联谐振电路第六实施例的电路图。

其中，附图标记说明如下：

Cr、Cr1、Cr2 谐振电容        Lr            谐振电感

Cs、Cs1~Csn  等效电容        Lm、Lm1~Lmn   激磁电感

T1           变压器          Co            输出电容

R_dummy      假负载           Np            一次侧绕组

Ns           二次侧绕组      Na            辅助绕组

Vin   输入电压          Vi     高电位

Vo    输出电压          V_Cs   等效电容的电压

V_Ca  电流脉冲电路的电压

V_H   等效电容的电压的低频分量振幅

-V_H  等效电容的电压的低频分量振幅

i_Lr  谐振电感电流      i_Lm   激磁电感电流

i_Ca  电流脉冲电路的电流

Ca    电容              Ra     电阻

TVS   突波抑制器        Q1~Q4  晶体管

D1~D4 二极管            n      变压器T1的线圈匝数比

具体实施方式

本发明所提出的新技术是为了能够满足由串联谐振电路所构成的电源在空载时，即使不加假负载也能够稳定住输出电压的目的。

请参阅图2(a)，其为本发明串联谐振电路第一实施例的电路图，如图2(a)所示，串联谐振电路是由一谐振电路(至少包括一谐振电容Cr及一谐振电感Lr)、一等效电容Cs、一激磁电感Lm、一变压器T1、以及一电流脉冲电路所构成。

其中，谐振电容用以接收一输入电压产生电路所提供的一输入电压Vin，谐振电感Lr串联连接于谐振电容Cr，等效电容Cs串联连接于谐振电感Lr，且等效电容Cs为串联谐振电路的输出端的结电容以及变压器T1的寄生电容折算到变压器T1的一次侧绕组Np的电容值，激磁电感Lm则并联连接于等效电容Cs，变压器T1的一次侧绕组Np并联连接于激磁电感Lm，其还提供一输出电压至一整流电路，而电流脉冲电路的一端连接于谐振电容Cr及输入电压Vin，另一端则连接于变压器T1，用以提供一电流脉冲。

如前所述，传统上串联谐振电路的问题在于输入电压Vin发生变化时，会使得等效电容Cs进行充电或放电，造成谐振电感Lr上的电流i_Lr和激磁电感Lm上的电流i_Lm之间产生差值，此差值会从变压器T1的一次侧绕组Np传送到二次侧绕组Ns、继而反映到输出端的负载上。而本发明的技术特征即在于，通过电流脉冲电路提供一相应的电流脉冲给等效电容Cs以供其进行充电或放电，来保持谐振电感Lr上的电流i_Lr的不变，以减少谐振电感Lr电流i_Lr和激磁电感Lm电流i_Lm之间的电流量差。

在图2(a)中，谐振电感Lr、激磁电感Lm、和变压器T1虽然分开表示，但实际的电路制作过程中亦可以通过集成化(integrated)的制程来完成；此外，不论是否采用集成化制程，对于图2(a)及(b)中变压器T1的一次侧绕组Np及二次侧绕组Ns相互隔离的电路来说，电流脉冲电路的另一端可以如图2(a)所示般连接于谐振电感Lr、等效电容Cs、激磁电感Lm、以及变压器T1的一次侧绕组Np，亦可以如图2(b)所示般连接于变压器T1的一次侧绕组Np所具有的另一辅助绕组Na，此时辅助绕组Na的非同名端与变压器T1的一次侧绕组Np的非同名端相连接，而辅助绕组Na的同名端则与电流脉冲电路相连接。

值得注意的是，不论是图2(a)或(b)，虽然皆以谐振电容Cr直接连接于输入电压产生电路的模式来实施，但实际上谐振电容Cr和谐振电感Lr的位置可以互换；此外，整个谐振电路亦可以无须接至输入电压产生电路、而改为接在变压器T1和接地端之间；至于电流脉冲电路虽然亦直接连接至输入电压产生电路，但亦可以连接到整个电路中其它部分的信号源，只要电流脉冲电路所连接的该信号源与该输入电压产生电路所产生的电压方波同步即可。

请参阅图3(a)，其为图2的串联谐振电路在空载时的主要波形时序图。其中，Vin是输入电压产生电路的电压波形，i_Lr是谐振电感Lr的电流波形，i_Lm是激磁电感Lm的电流波形，i_Ca及v_Ca分别是电流脉冲电路两端的电流及电压波形，V_Cs为等效电容Cs的电压波形。

图3(a)的工作原理如下所述：当输入电压产生电路的电压Vin的电位发生变化，例如在t0时刻，其电位是由低向高作变化，此时电流脉冲电路会提供一个很窄的正向的电流脉冲给等效电容Cs进行充电，如此通过谐振电感Lr的电流i_Lr分给等效电容Cs充电的电流就会减少。因此在给等效电容Cs充电结束之后，谐振电感Lr和激磁电感Lm的电流量差(i_Lr和i_Lm的差额)就会变少，因此由变压器T1一次侧绕组Np向二次侧Ns所传递的能量亦会减少。

请参阅图3(b)，其为图2的串联谐振电路在空载时的另一波形时序图，图中的Vo是图2中的Co输出电容的二端电压(即输出整流电路所产生的输出电压)，n为变压器T1的线圈匝数比。

在图2(a)及(b)中，输入电压产生电路所产生的输入电压Vin一般有两个电位；一高电位及一低电位。若对于一半桥电路而言，其所产生的输入电压Vin的高电位为Vi，低电位为零电位。而等效电容Cs上的电压V_Cs有一个低频分量和一个高频分量；低频分量的频率f1是工作频率，高频分量的频率f2大约和等效电容Cs、谐振电感Lr以及激磁电感Lm所组成的并联谐振频率相当，高频分量f2一般是低频分量f1的几十倍。

当输入电压产生电路所产生的输入电压为高电位Vi时，等效电容Cs上的电压V_Cs的低频分量具有对应的一振幅值V_H。在空载时，谐振电容Cr上的电压变化很小，基本上等于它的直流分量Vi/2，而V_H大约是高电位Vi与谐振电容Cr上的电压差，亦即Vi/2在谐振电感Lr和激磁电感Lm上的分压；当输入电压产生电路所产生的输入电压为零电位时，等效电容Cs上的电压V_Cs的低频分量的幅值是-V_H，大约是谐振电容Cr上的电压，亦即-Vi/2在谐振电感Lr和激磁电感Lm上的分压，同时，等效电容Cs上的电压还有一个高频分量。

当输入电压产生电路所产生的输入电压Vin的电位发生变化时，例如在t₀-t₁的时间内(请参阅图3(b))，它的电位是由零电位变化到高电位Vi，此时电流脉冲电路会产生一个很窄的正向的电流方波脉波给等效电容Cs充电，而把等效电容Cs的电位从-V_H的附近充电到V_H的附近，使得等效电容Cs的电压重新获得一新值V_Cs(t₁)，参与下一个半周期的谐振。

因此，只要保证V_Cs(t₁)与V_H的差值的绝对值比V_H和nVo的差值的绝对值小一些，就能够保证在等效电容Cs上的电压不会比nVo的高，这样变压器一次侧就不会向二次侧传递能量，则输出电压就能稳定。所以，电流脉冲电路的作用就是在输入电压产生电路所产生的输入电压Vin发生变化时，给等效电容Cs提供一充电电流或放电电流，将它的电压从-V_H的附近充电到V_H的附近、或是从V_H的附近放电到-V_H的附近，而重新给等效电容Cs建立一个初始值，以减少等效电容Cs在每一个半周期中高频振荡的幅度。

也就是说，本发明附加的电流脉冲电路的主要作用在于当输入电压产生电路所产生的输入电压Vin的电位发生变化时，即刻产生一个相应的电流脉冲给等效电容Cs充电或放电，借此使得谐振电感Lr的电流i_Lr基本上保持不变。本发明采用这种技术的优点在于，当串联谐振电路的输出端空载时，变压器T1一次侧绕组Np向二次侧Ns所传递的能量非常少，在这种情形下即使不加假负载也能稳定住串联谐振电路的输出电压，并且使得串联谐振电路的工作频率的变化范围也较小。

请参阅图4(a)及(b)，其为本发明串联谐振电路第二实施例的电路图，从图4(a)中可看出，本发明所提出的电流脉冲电路可以由一突波抑制器(transient voltage suppressor，TVS)TVS及一电阻Ra串联构成，其中电阻Ra的阻值可以为零。而在图4(b)中，突波抑制器TVS及电阻Ra所构成的电流脉冲电路则连接于变压器T1的一次侧绕组Np的辅助绕组Na。

除了应用于单一串联谐振电路之外，本发明的技术亦可以应用于多个互相并联的串联谐振电路；请参阅图5，其为本发明串联谐振电路第三实施例的电路图，图中表示多个(两个以上)串联谐振电路互相并联时的电路图。如图所示，串联谐振电路中具有相互并联且数目相同的等效电容Cs、激磁电感Lm、变压器T1、以及输出整流电路，控制方法则同样提供一电流脉冲至每个等效电容Cs，以减少当输入电压Vin发生变化时、谐振电感Lr与每个激磁电感Lm之间的一电流量差。

请参阅图6(a)及(b)，其为本发明串联谐振电路第四实施例的电路图，图6(a)及(b)的输入电压产生电路可以是图6(a)所示的半桥电路，亦可以是图6(b)所示的全桥电路，整流电路可以是图6(a)所示的全波整流电路，亦可以是图6(b)所示的全桥整流电路。此外，与图4不同之处在于，电流脉冲电路亦可由一电容Ca及一电阻Ra串联构成，其中电阻Ra的阻值同样可以为零。

请参阅图7(a)及(b)，其为本发明串联谐振电路第五实施例的电路图，与图6(a)及(b)的不同处在于，此时电容Ca及电阻Ra所构成的电流脉冲电路连接于变压器T1的一次侧绕组Np的辅助绕组Na。

请参阅图8，其为本发明串联谐振电路第六实施例的电路图，与前面的实施例不同之处在于，此时谐振电路是由两个谐振电容Cr1、Cr2以及一谐振电感Lr所构成，而图中的电流脉冲电路虽然是由两个电容Cs1、Cs2所构成，但亦可以仅保留其中的一作为电流脉冲电路的构成组件。

综上所述，本发明提供一种串联谐振电路及其控制方法，利用由电容、电阻、以及突波抑制器等组件通过一定的组合变换构成各种辅助电路，使得传统的串联谐振电路可以在不加假负载的条件下实现空载工作，且其工作频率的变化范围比较窄。

本发明可以由熟悉本领域的普通技术人员进行各种修饰，但皆不脱离所附权利要求所保护的范围。