電容式降壓方法及電路的製作方法
2023-06-01 04:20:16 1
專利名稱：電容式降壓方法及電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電容式降壓方法及電路，更具體地說，涉及一種只用電容、二極體構成的降壓電路，以提供一穩定的直流電壓輸出。
背景技術：
如圖7所示，傳統的交換式電源供應器是將輸入的交流電源經轉換後，以較低的直流電壓輸出。
該傳統交換式電源供應器主要包括在一高頻變壓器50的輸入端依序經由一濾波電路51及一整流電路52後連接至交流電源輸入，而該高頻變壓器50的輸出端設有一整流濾波電路53，從而將輸出的交流電壓轉為直流電壓。該高頻變壓器50主要利用一控制電路54並配合一開關電晶體55(MOSFET)來共同控制，其中，控制電路54可接收由連接在整流濾波電路53輸出端的反饋電路56提供的回授信號。
當交流電壓經前述整流電路52及濾波電路51處理後，成為一直流電壓，此時控制電路54產生頻率固定且脈衝寬度可調(PWM)的驅動信號給開關電晶體55，令該開關電晶體55呈連續性地導通/截止改變狀態，並進一步驅動高頻變壓器50使其將直流輸入電壓轉換為較低電壓值的高頻方波輸出，最後通過整流濾波電路5 3將該高頻方波轉為所需的直流電壓，給電子裝置供電。其中，反饋電路56是根據輸出的直流電壓值產生回授信號給控制電路54，並令控制電路54決定驅動信號的脈衝寬度，進而調節輸出電壓的高低，達到穩壓的目的。
從上述交換式電源供應器來看，其核心組件是高頻變壓器50，當該高頻變壓器50交換頻率越高時(目前頻率約在20KHZ以上)，其輸出功率也就越大，然而其損失也跟著增加，並且外圍線路也變得更加複雜。再者，無論是高頻變壓器50還是傳統變壓器，均受限於其製造材料及結構等因素，無法避免具有銅損、鐵損等損失，且體積也會隨著輸出功率的提高而加大，從而顯得較為笨重。
由此看來，此種利用變壓器進行電源轉換的方式急需加以改進。
有鑑於此，本發明中的創作人憑藉其多年從事相關行業的經驗與實踐，並經潛心研究與開發，終創造出了一種不僅能有效解決變壓器體積體龐大的缺點，而且更無變壓器銅損、鐵損等損失問題的電容式降壓方法及電路。
發明內容
本發明中的電容式降壓方法及電路主要是為了解決現有採用變壓器來降壓的方式仍存在有銅損、鐵損問題，以及體積過大的問題。
本發明中的電容式降壓電路包括有複數(N)個呈並聯連接的電容器，並在兩相鄰電容器之間設有一二極體；第一二極體群組，其中該第一二極體群組中的各二極體連接在所述電容器的一端；第二二極體群組，其中該第二二極體群組中的各二極體連接在所述電容器的另一端；在直流輸入電壓(VIN)施加於該降壓電路時，設在兩相鄰電容之間的各二極體為導通，令電容呈串聯充電狀態；而在直流電壓截止時，所述第一二極體群組及第二二極體群組為導通，令電容器呈並聯狀態並提供一直流輸出電壓。
藉助於上述由N個電容器及複數個二極體構成一N階降壓電路，當直流電壓(VIN)供電給該降壓電路時，部分二極體轉為導通而令電容器呈串聯連接，使直流電壓(VIN)對各電容器進行充電，各電容器上具有VIN/N伏特電壓；而在前述直流電壓(VIN)中斷時，原導通的二極體轉為截止，而令其它二極體導通，使各電容器轉為並聯連接，並對一輸出電容充電，以使該輸出電容獲得穩定的VIN/N伏特的直流輸出電壓。
下面將結合附圖對本發明中的具體實施例作進一步詳細說明。
圖1是本發明中電容式降壓電路實施例一的電路圖；圖2是圖1中所示電路在充電動作時的示意圖；圖3是圖1中所示電路在放電動作時的示意圖；圖4是本發明中電容式降壓電路另一實施例的電路圖；圖5是本發明中電容式降壓電路又一實施例的電路圖；圖6是本發明中電容式降壓電路與交流電源連接時的電路圖；圖7是傳統交換式電源供應器的電路方塊圖。
具體實施例方式
如圖1所示，為了能更清楚地了解本發明中電容式降壓電路10的工作原理，現配合一輸出電路20及一控制直流輸入電壓VIN的開關電晶體30進行解釋。首先，該直流輸入電壓VIN的正、負兩端分別與開關電晶體30相連接，而降壓電路10則與輸出電路20在串聯連接後與開關電晶體30相連接。
降壓電路10可依據實際輸出電壓V0的需求而更改其階數N，具體來說，其關係式為輸出電壓V0＝輸入電壓VIN/階數N。
在本實施例中，降壓電路10的階數為12階(即N＝12)，其中，階數N的定義由電路中電容器的數目來決定。如圖1所示，降壓電路10有12個呈並聯狀的電容器C1～C12及複數個二極體組成，其中各電容器C1～C12的規格均相同，而各二極體則視為理想二極體，即不考慮其順向偏壓，有關複數個二極體的連接方式可大至分為個三群組第一群組在兩相鄰電容器C1～C12之間均設有一二極體D1、D3～D21，其中各二極體D1、D3～D21的負端與前一電容器的負極相連接，而各二極體D1、D3～D21的正端則與後一電容器的正極相連接；第二群組第1至第N-1個電容器C1～C11的負極均與一二極體D25～D35的負端相連接，而各二極體D25～D35的正端呈共接；第三群組第二至第N個電容器C2～C12的正極均與一二極體D2、D4～D22的正端相連接，而各二極體D2、D4～D22的負端呈共接。
輸出電路20是由一輸出電容21在串聯連接一第一二極體22後，再並聯連接第二二極體23的兩端構成，且兩二極體22、23呈反向設置。其中，降壓電路10第二群組中的各二極體D25～D35的正端均與輸出電路20相連接。
關於降壓電路10的工作原理可分為充電及放電兩種狀態。如圖2所示，當開關電晶體30呈截止時，直流電壓VIN供電給降壓電路10，在降壓電路10中第一群組的二極體D1、D3～D21都呈導通狀態，故充電電流(如虛線所示)由電源正端依序流過各電容器C1～C12並進行充電動作，經由輸出電路20中的第二二極體23流回至電源負端，並構成迴路。此時各電容器C1～C12為串聯連接，因其規格均相同，故各電容器C1～C12所具有的電壓值為輸入電壓VIN/12，若以本實施例直流輸入電壓為120伏特而言，在各電容器C1～C12上的電壓值為120/12＝10伏特。
如圖3所示，當開關電晶體30導通時，直流電壓VIN直接通過開關電晶體30而形成旁通，降壓電路10中的第一群組二極體D1、D3～D21都轉呈截止狀態，而第二、第三群組的各二極體則呈導通狀態。此時各電容器C1～C12呈並聯連接並進行放電動作，放電電流的路徑如圖3中虛線所示，在輸出電路20中的第一二極體22因呈導通狀態，故可構成一完整的放電迴路。因各電容器C1～C12與輸出電容21呈並聯連接，故在輸出電容21兩端可獲得一穩定的直流輸出電壓10伏特，因該直流輸出電壓由多數個電容器C1～C12共同充電所得，故其變動幅度極為微小。
從而當控制開關電晶體30呈連續性地導通/截止後，可在輸出電容21的兩端獲得一穩定的直流輸出電壓。
從前述電路的工作原理說明中，可證實一具有較高電壓值的直流輸入電壓，經本發明中的降壓電路10後，可轉變為一具有較低電壓值的直流電壓，且呈穩定輸出。又該降壓電路10的降壓階數，可依照負載端所需的工作電壓而進行適當調整。舉例而言，如圖4和圖5所示，分別為二階(N＝2)及三階(N＝3)的降壓電路10，若以輸入電壓為120伏特的直流電而言，採用圖4和圖5中所示的降壓電路10後可分別獲得120/2＝60伏特及120/3＝40伏特的直流輸出值。
如圖6所示，在此實施例中採用12階的降壓電路，而交流電源41則為一般電壓值110伏特，其電路的工作原理如下所述當交流電源41的正半周經過橋式整流器42後轉為直流型態，並對降壓電路10中的電容器充電，使各電容器上的電壓值為156/12＝13伏特，此時開關電晶體30呈截止狀態；而一旦交流電源41轉為負半周時，橋式整流器42所輸出的直流電壓將驅動開關電晶體30呈導通狀態，故降壓電路10中的電容器都為放電狀態，並對輸出電容21充電，從而在輸出電容21的兩端即可輸出一穩定的13伏特直流電壓。
綜上所述，本發明中的降壓電路只有電容器及二極體構成，不僅體積比用變壓器時大幅縮減，而且沒有變壓器本身材料特性所引發的損失問題，具有顯著的功效。
權利要求
1.一種電容式降壓電路，包含有複數(N)個呈並聯連接的電容器，並在兩相鄰電容器之間設有一二極體；第一二極體群組，其中該第一二極體群組中的各二極體連接在所述電容器的一端；第二二極體群組，其中該第二二極體群組中的各二極體連接在所述電容器的另一端；在直流輸入電壓(VIN)施加於該降壓電路時，設在兩相鄰電容之間的各二極體為導通，令電容呈串聯充電狀態；而在直流電壓截止時，所述第一二極體群組及第二二極體群組為導通，令電容器呈並聯狀態並提供一直流輸出電壓。
2.根據權利要求1中所述的電容式降壓電路，其特徵在於所述設在兩相鄰電容之間的各二極體的負端與前一電容器的負極相連接，而其正端與後一電容的正極相連接；所述第一二極體群組具有N-1個，並且每個二極體的負端分別對應連接到前述第1至第N-1個電容器的負極，而各二極體的正端呈共接；所述第二二極體群組具有N-1個，並且每個二極體的正端分別對應連接到所述第2至第N個電容器的正極，而各二極體的負端呈共接；當一直流輸入電壓(VIN)施加於該降壓電路時，前述電容呈串聯充電狀態，而在直流電壓截止時，前述電容呈並聯狀態並提供一直流輸出電壓(VOUT＝VIN/N)。
3.根據權利要求2中所述的電容式降壓電路，其特徵在於所述降壓電路通過一輸出電路而輸出所述輸出直流電壓，其中輸出電路包含有一輸出電容，其一端連接至一第一二極體的正端，其中該第一二極體的負端連接至前述第一二極體群組中各二極體的正端；一第二二極體，該第二二極體與前述輸出電容及第一二極體呈並聯連接。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的電容式降壓電路，其特徵在於所述直流輸入電壓(VIN)通過一開關電晶體來決定是否供電給該降壓電路。
5.一種電容式降壓方法，由N個電容器及複數個二極體構成一N階降壓電路，當直流電壓(VIN)供電給該降壓電路時，部分二極體轉為導通而令電容器呈串聯連接，使直流電壓(VIN)對各電容器進行充電，各電容器上具有VIN/N伏特電壓；而在前述直流電壓(VIN)中斷時，原導通的二極體轉為截止，而令其它二極體導通，使各電容器轉為並聯連接，並對一輸出電容充電，以使該輸出電容獲得VIN/N伏特的直流輸出電壓。
全文摘要
本發明公開了一種電容式降壓方法及電路，其由N個電容器及複數個二極體構成N階降壓電路，當一直流電壓(V
文檔編號H02M3/04GK1507140SQ0215553
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月9日 優先權日2002年12月9日
發明者王智申 申請人:王智申