直流轉換器的基本類型

第二章直流轉換器介紹

2.2 直流轉換器的基本類型

直流轉換器是用得最多且最廣，也是結構變化最豐富與最多樣的一類轉換器，舉凡各式消費性電子產品，皆需要直流轉換器；直流轉換器的各種轉換方式中，有以下四種基本類型：降壓型直流轉換器、升壓型直流轉換器、

升降壓直流轉換器及邱克直流轉換器等[9]。

2.2.1 降壓型直流-直流轉換器(BUCK DC-DC Converter)

降壓型直流轉換器電路如圖 2-2 為 Buck DC-DC Converter 電路圖所示，

可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更低之輸出電壓平均值 Vo，在功

率開關 Q 與 D 飛輪二極體(flywheel diode)的主要功能是控制能量儲存與傳

利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:

Vo

3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖，如

圖 2-5 Buck DC-DC Converter 理想波形圖

2.2.2 升壓型直流-直流轉換器(BOOST DC-DC Converter)

升壓型直流轉換器電路如圖 2-6 為 Boost DC-DC Converter 電路圖所示，

可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更高之輸出電壓平均值 Vo，以下分為兩個行為模式來介紹其工作原理:

t DTs Ts

i



DTs Ts VL

t DTs

(1-D)Ts Vo

Vg 



L Vo Vg 

Vo

圖 2-6 Boost DC-DC Converter 電路圖

L

在 toff導通時間，電感電流為:

3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖，如

圖 2-9 Boost DC-DC Converter 理想波形圖

2.2.3 升降壓型直流-直流轉換器(BUCK-BOOST DC-DC Converter) 升降壓型直流轉換器電路如圖 2-10 為 Buck-Boost DC-DC Converter 電路圖所示，可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更高或更低之輸出電壓平均值 Vo，且輸出電壓與輸入電壓的極性相反，以下分為兩個行為模式 來介紹其工作原理:

t DTs Ts

i



DTs Ts VL

t DTs

(1-D)Ts Vg

Vo Vg 

Vg L

Vo Vg 

圖 2-10 Buck-Boost DC-DC Converter 電路圖

L

在 toff導通時間，電感電流為:

3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖，如

圖 2-13 Buck-Boost DC-DC Converter 理想波形圖

2.2.4 邱克直流-直流轉換器(Ćuk DC-DC Converter)

邱克直流轉換器電路如圖 2-14 為 Ćuk DC-DC Converter 電路圖所示，類似於升降壓型直流轉換器，可將輸入電壓平均值 Vg 轉換成比輸入電壓更高或更低之輸出電壓平均值 Vo，輸出電壓的極性跟輸入電壓相反，以下分為兩個行為模式來介紹其工作原理:

t DTs Ts

i



DTs Ts VL

t DTs

(1-D)Ts Vg



Vg L



圖 2-14 Ćuk DC-DC Converter 電路圖

1 1

利用克希荷夫電壓定律(KVL)可以求出，電感電壓為:

3. 在伏特-秒平衡法則(Volt-Second Balance Principle)連續重覆前述的兩個狀態下達到穩態時，即可得到一個穩定的電壓及電流波形圖如圖 2-17 為 Ćuk DC-DC Converter 理想波形圖所示，而可以推導出輸入與 輸出電壓及電流的關係如下:

單一週期內之電感電壓量總合為零(伏特- 秒平衡)



0^Ts

^VL 1 ( ^t ) ^dt ^ ( ^Vg ) ^DTs ^ ( ^Vg ^ ^Vc 1 )( 1 ^ ^D ) ^Ts

圖 2-17 Ćuk DC-DC Converter 理想波形圖

2.3 影響直流轉換器效率的主要因素

各種會影響直流轉換器效率的因素，大致上包含了以下三種損失，傳導損失(Conduction Loss)、切換損失(Switching Loss)與靜態損失(Quiescent Loss)

[10]，若要提高轉換效率，其作法無非是要減少損耗，使得實際可從輸入端，之為傳導損失，其中包含了功率開關導通損失(Power Switch Loss)、電感損失(Inductor Loss)、電容損失(Capacitor Loss)與二極體損失(Diode Loss)，以 MOSFET 為例，在導通時有一微小電阻 Rds_on，此時在元件上所產生的傳導損失。

2.3.2 切換損失

當功率開關元件在做切換的動作時所消耗的功率，稱之為切換損失，其中包含了寄生電容損失(Parasitical Capacitor Loss)與開關重疊損失(Overlap Time of the Turn-on and Turn-Off Loss)，若因切換頻率愈來愈高，使得切換損失佔總損失的比重愈來愈重，以下公式為寄生電容損失及開關重疊損失:

寄生電容損失:

P

_MOS_{_}_C

 2  C

 V

^G²

 f

^sw

( 2-41 )

開關重疊損失:

P

_OL

 2  I

( V

^OUT

 V

)  t

 f

^sw

( 2-42 ) 其中 CG為功率開關閘極(Gate)的寄生電容，VG為閘極電壓，t x為開關重疊的時間，f sw為功率開關切換的頻率，VOUT為輸出電壓。

2.3.3 靜態損失

當電路不動作時，其內部電路所消耗的功率，稱之為靜態消耗，要減少此項消耗，需要將內部最佳化( 補充 )。

靜態損失:

P

_Quiescent

 I

_Quiescent

 V

^IN

( 2-43 ) 2.4 小結

上述為直流電源轉換的基本介紹，在電源的架構中，都有各自的應用的優缺點；而在此研究中，我們應用普遍的升壓型轉換器做為研究的架構，而研究的範圍及重點，主要針對手機電池電壓轉換為無線耳機充電電壓的轉換效率，目前因為全球暖化的問題越來越嚴重，導致節能的觀念日漸重要，並且可攜式電子產品的種類也越來越多，若未來可以一併考慮到電源共用的可 能性，也成為未來重要的一個議題。

第三章交流轉直流充電器之分析

3.1 能源轉換效率規範

現今環保觀念持續提高，現代人對日常節約能源觀念逐漸重視，但隨手關掉開關進行節能省電的方法，並無法達到每種電器的節能方式，尤其是對長時間都需要接著電源變壓器的電子裝置如:電腦、螢幕、網路設備…等，

可能需面臨長時間接著電源或是在不同的運作效能需求時，所進行多種的不同電力，而無法簡單運用電源開關來達到節電效果，再加上裝置本身因電源轉換電路設計方面的限制，平時待機準備運作的電源，都在慢慢的消耗一小部分的能量中，會造成使用者在能源上做出不必要的浪費，而針對這類需長時開啟的電子設備，更應進一步強化裝置的節能設計，才能讓節能效益更加顯著。

日常生活中的電器，以電視、網路設備、電腦耗能最為常見，但多數產品都是以直流電進行驅動，所以造成需要利用 AC/DC 交流轉直流的電源轉換，或是在進一步進行 DC/DC 能源轉換，才能達到驅動電子裝置進行運作的目的。能源在轉換過程，其實已經造成耗損，除了轉換電力電壓或是形式的裝置或電路，而裝置本身僅因能源轉換即造成的浪費，已經對環境造成傷害。針對於此，以有許多國際規範單位已對許多種能源提出規範，例如:美國 80PLUS 規範[11]、美國能源之星[12]是針對電腦裝置、電子裝置的電源設備提出多種規範與認證要求，另日本 Top Runner、歐盟 EuP，都針對能源效率議題提出相關產品規範要求，以限制產品開發時所產生使用更高效率的電器設備，減少相關能源浪費問題，已經成為業界的改善重點。

現在一般都是用交流轉直流之充電器，提供給手機或其他可攜式電子產品來做為電池充電所使用，然而一般市面上的充電器效率差，實際效率上大約都低於 50%。但在學術上要求理想的充電器效率期望值都在設定在 80%

以上[13]，目前能源之星(計畫是美國為減緩日趨嚴重的溫室效應現象，由美國環保署與能源部共同合作推動一系列自發性「節約能源夥伴方案」之一，

主要為鼓勵企業界及民眾節省能源開支，進而減少二氧化碳等溫室氣體排放。

我國環保署於 1999 年 7 月與美國環保署簽署「台美環境保護技術合作協定第四號執行辦法」，獲美國環保署授權使用並管理台灣地區能源之星相關事宜。) 的規範要求電源轉換效率至少要高於 68% [12]，檢視能源之星 2.0 規範，變壓器本身處於待機空載時的能源消耗，亦不能超過 300mW。

3.2 一般充電器轉換效率分析

對一般充電器用來充手機及無線耳機電池的效率演算說明，如圖 3-1 為量測設備方塊圖所示量測出來的結果表示，如表 3-1 為一般電子產品充電器效率轉換的比較表所示(在滿載的情況下的量測結果)。

圖 3-1 量測設備方塊圖

將輸入端 AC SOURCE 串聯一只電流表，如圖 3-2 為桌上型電表圖所示來量測流入電流的值，在電流表後並聯一只電壓表，如圖 3-3 為可攜式萬用電表圖所示來量測 AC SOURCE 輸入端的電壓值，將充電器接上後同時在輸出端再各串聯一只電流表(如圖 3-2 所示)及並聯一只電壓表(如圖 3-3 所示) 來量測輸出的電壓及電流值，最後在接一台電子式負載器，如圖 3-4 為電子式負載器圖所示來模擬滿載時的負載狀況下進行測試。

圖 3-2 桌上型電表圖

圖 3-3 可攜式萬用電表圖

圖 3-4 電子式負載器圖

根據電壓與電流在輸出與輸入的變化下，推得電源轉換效率公式為:

費。目前「能源之星」的規範要求空載功率損耗標準是 0.3 W [12]，而表示之三種充電器皆高於標準值甚多。

3.3 交流電源功率因數與效率之關係

由於一般市電必須經由台電供應並轉換成交流電壓才會傳輸到一般的家庭上使用，因為交流電壓較利於長距離傳輸[10]，所以說一般家用電壓都是交流電壓，但在交流電壓的電力系統中是以 PF 功率因數(Power Factor)的高低，來決定效率本身的好壞，而不是電力系統本身轉換效率的問題，來決定效率的高低，以交流電壓的電力系統來說，在電力系統的效率與 PF 功率因數本身之間並無直接關係，而是以負載本身特性轉換至 PF 功率因數值，

來決定效率本身的好壞下面將詳細介紹負載的特性與 PF 功率因數之間的關係做詳細的介紹。

為了維持供電上品質，電力公司會希望用戶端能夠提高功率因數，來降低許多無效功率，避免增加不必要的功率損耗，是因為由於一般用電之負載多為電感性負載居多，但在電力系統中電感性負載會產生許多無效功率，無效功率損耗是一種無形的電力損失，在電力系統中當接上許多電感性的負載時，電感性會產生電流落後電壓 9 0 度相角，因此產生出功率被分為 P 有效功率(KW)與 Q 無效功率(KVAR)兩種，這兩者總合為總輸出功率稱為 S 視在功率(KVA)。

在交流電力系統裡有效功率才是真正用電設備所使用的輸入功率，有效功率是每秒所做的功或所消耗的能量，視在功率是給出去的總電壓與總電流乘積的功率，無效功率則是視在功率扣除有效功率後所需耗掉的功率。

有效功率 :

P  Vrms  Irms  cos 

( 3-3 )

有效功率 :

P  Vrms  Irms  cos 

( 3-3 )

在文檔中利用手機電池充電無線耳機電路設計及效率分析 (頁 24-0)

第二章 直流轉換器介紹

2.2 直流轉換器的基本類型

Vo

i

i



L

i

i



L

i

i



1 1



VL 1 ( t ) dt  ( Vg ) DTs  ( Vg  Vc 1 )( 1  D ) Ts

P

 2  C

 V

 f

P

 2  I

( V

 V

)  t

 f

P

 I

 V

第三章 交流轉直流充電器之分析

P  Vrms  Irms  cos 

P  Vrms  Irms  cos 

第二章直流轉換器介紹

^VL 1 ( ^t ) ^dt ^ ( ^Vg ) ^DTs ^ ( ^Vg ^ ^Vc 1 )( 1 ^ ^D ) ^Ts

第三章交流轉直流充電器之分析