谐振切换式电源转换器的制作方法

1.本发明涉及一种谐振切换式电源转换器，具体涉及一种利用侦测零电流而判断切换时点的谐振切换式电源转换器。


背景技术：

2.图1显示已知的电源转换器。于充电操作中，开关q1、q3、q5、q8、q9导通，开关q2、q4、q6、q7、q10不导通，使得电容c1串联电感l1于输入电压vin及输出电压vout之间，且电容c2串联电容c3及电感l2于接地电位及输出电压vout之间。于放电操作中，开关q2、q4、q6、q7、q10导通，开关q1、q3、q5、q8、q9不导通，使得电感l1串联电容c1、电容c2于接地电位及输出电压vout之间，且电感l2串联电容c3于接地电位及输出电压vout之间。此已知的电源转换器的电容需要耐较高的额定电压，例如电容c1的直流偏压是输出电压的3倍vc1＝3vout、电容c2的直流偏压是输出电压的2倍vc2＝2vout、电容c3的直流偏压与输出电压相当vc3＝vout，因为电容的直流偏压相对较高，故此已知电源转换器需要使用具有较大体积的电容。此外，电容的电容值通常会随着直流偏压的上升而降低，当输入电压的范围是在36v及76v之间时，电容c1的直流偏压范围会是在27v及57v之间，由于直流偏压的变化范围较广，故此已知电源转换器的电容值变化相当大，其谐振频率也会随着电容的变化而改变。如此会造成较大的切换电源损耗并且需要复杂的控制来改变电源转换效率。再者，此已知电源转换器的输入电压vin与输出电压vout的电压转换比率仅可为4:1或2:1，并无法进行3:1的电压转换比率。图2是显示电容的电容值随着直流偏压而改变的实例。当直流偏压增加至50v时电容值降低70％。
3.有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种创新的电源转换器。


技术实现要素：

4.于一观点中，本发明提供一种谐振切换式电源转换器，用以将一输入电压转换为一输出电压，该谐振切换式电源转换器包含：多个电容；多个开关，与该多个电容对应耦接；至少一充电电感，与该多个电容中的至少其中之一对应串联；至少一放电电感，与该多个电容中的至少其中之一对应串联；一控制器，用以产生一充电操作信号与至少一放电操作信号，以分别对应一充电程序与至少一放电程序，而操作对应的该多个开关，以切换所对应的该电容的电连接关系；以及至少一零电流侦测电路，用以于该充电程序时侦测流经该至少一充电电感的一充电谐振电流及/或于该至少一放电程序时侦测流经该至少一放电电感的至少一放电谐振电流，当该至少一零电流侦测电路侦测到该充电谐振电流及/或该至少一放电谐振电流为零时对应产生至少一零电流侦测信号至该控制器；其中，该充电操作信号与该至少一放电操作信号，分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且该多个段导通期间彼此不重叠，以使该充电程序与该至少一放电程序彼此不重叠；其中，在该充电程序中，该控制器通过该充电操作信号控制该多个开关的切换，使该多个电容与该至少一充电电感彼此串联于该输入电压与该输出电压之间，以形成一充电路径；其中，在该至少一放电程序
中，该控制器通过该至少一放电操作信号控制该多个开关的切换，使每一该电容与对应的该放电电感串联于该输出电压与一接地电位间，以同时形成或轮流形成多个放电路径；其中，该控制器根据该至少一零电流侦测信号，决定该充电程序与该至少一放电程序各自的起始时点与结束时点；其中，该充电程序与该至少一放电程序彼此重复地交错排序，以将该输入电压转换为该输出电压。
5.于一实施例中，该控制器还根据该充电操作信号及/或该至少一放电操作信号，决定该充电程序与该至少一放电程序各自的起始时点与结束时点。
6.于一实施例中，该至少一零电流侦测电路包含一电流感测电路，用以于该充电程序时感测该充电谐振电流或于该至少一放电程序时感测该至少一放电谐振电流，而产生一电流感测信号；及一比较器，用以比较该电流感测信号与一参考信号，而产生该至少一零电流侦测信号。
7.于一实施例中，该谐振切换式电源转换器还包含多个开关驱动器，分别耦接于该控制器与对应的该开关之间，用以根据对应的该充电操作信号或对应的该放电操作信号，而分别控制该多个开关。
8.于一实施例中，该控制器包括：一逻辑电路，与该至少一零电流侦测电路耦接，用以根据该至少一零电流侦测信号与该充电操作信号及/或该至少一放电操作信号，产生一充电判断信号与一放电判断信号；以及一决定电路，与该逻辑电路耦接，用以根据该充电判断信号与该放电判断信号，产生该充电操作信号与该至少一放电操作信号，以决定该充电程序与该至少一放电程序各自的起始时点与结束时点。
9.于一实施例中，该控制器还包含一延迟电路，耦接于该逻辑电路与该决定电路之间，用以延迟该充电程序及/或该至少一放电程序的起始时点一延迟时间。
10.于一实施例中，该充电判断信号用以决定该充电程序的起始时点与该至少一放电程序的结束时点。
11.于一实施例中，该逻辑电路对该至少一零电流侦测信号与该充电操作信号的反相信号执行及逻辑运算，而产生该充电判断信号。
12.于一实施例中，该决定电路包括一第一闩锁电路，用以根据该充电判断信号而设定该充电操作信号，并根据该放电判断信号而切换该充电操作信号的位准，且产生该充电操作信号的反相信号以输入该逻辑电路。
13.于一实施例中，该放电判断信号用以决定该至少一放电程序的起始时点与该充电程序的结束时点。
14.于一实施例中，该逻辑电路对该至少一零电流侦测信号与该至少一放电操作信号的反相信号执行及逻辑运算，而产生该放电判断信号。
15.于一实施例中，该决定电路包括一第二闩锁电路，用以根据该放电判断信号而设定该至少一放电操作信号，并根据该充电判断信号而切换该至少一放电操作信号的位准，且产生该至少一放电操作信号的反相信号以输入该逻辑电路。
16.于一实施例中，该至少一充电电感为单一个充电电感，该至少一放电电感为单一个放电电感。
17.于一实施例中，该单一个充电电感的电感值相等于该单一个放电电感的电感值。
18.于一实施例中，该至少一充电电感与该至少一放电电感为单一个相同电感。
19.于一实施例中，该单一个相同电感为可变电感。
20.于一实施例中，该充电程序具有一充电谐振频率，且该至少一放电程序具有一放电谐振频率，且该充电谐振频率与该放电谐振频率相同。
21.于一实施例中，该充电程序具有一充电谐振频率，且该至少一放电程序具有一放电谐振频率，且该充电谐振频率与该放电谐振频率不同。
22.于一实施例中，调整该参考信号的位准，以调整该充电程序的持续时间，以达到柔性切换(soft switching)的零电压切换。
23.于一实施例中，调整该参考信号的位准，以调整该至少一放电程序的持续时间，以达到柔性切换(soft switching)的零电压切换。
24.于一实施例中，该谐振切换式电源转换器为双向谐振切换式电源转换器。
25.于一实施例中，该谐振切换式电源转换器的该输入电压与该输出电压的电压转换比率为4:1、3:1或2:1。
26.于一实施例中，当该至少一零电流侦测电路侦测到该充电谐振电流为零的时点而产生该至少一零电流侦测信号的时点后延迟一延迟时间，并于该延迟时间的结束时点切换该放电操作信号以进行该至少一放电程序。
27.于一实施例中，当该至少一零电流侦测电路侦测到该放电谐振电流为零的时点而产生该至少一零电流侦测信号的时点后延迟一延迟时间，并于该延迟时间的结束时点切换该充电操作信号以进行该充电程序。
28.本发明的一优点在于本发明可减少电感数量、可补偿因直流偏压或操作温度而产生的元件变化，且可降低切换频率以改善低负载时的效率。
29.本发明的另一优点在于本发明可支持输出电压调节功能、可降低电压应力且可使所有谐振电容具有相同的额定电流及额定电压而能够使用较小体积的电容。
30.本发明的又一优点在于本发明可动态控制以达到具有零电流切换(zcs)或零电压切换(zvs)的柔性切换、可具有较佳的动态负载瞬时响应且可具有较佳的电流电压平衡。
31.本发明的再一优点在于本发明可具有稳定的谐振频率、可更具弹性地调变电压转换比率且可双向操作。
32.以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。
附图说明
33.图1为已知的电源转换器。
34.图2是显示电容值随着直流偏压改变的示意图。
35.图3a是根据本发明的一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
36.图3b是根据本发明的一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
37.图4是根据本发明的另一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
38.图5是根据本发明的又一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
39.图6是根据本发明的再一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
40.图7是根据本发明的又一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
41.图8a及图8b是根据本发明的再一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路及
相关信号的信号波形示意图。
42.图9是根据本发明的又一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
43.图10是根据本发明的再一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。
44.图11a、图11b及图11c是根据本发明的一实施例显示一充电程序与放电程序的对应的操作信号与对应的电感电流的信号波形示意图。
45.图中符号说明
46.30、40、50、60、70、80、90、100:谐振切换式电源转换器
47.301、401、501、601、701、801、901、1001:控制器
48.302、402、502、602、702、802、902、1002:零电流侦测电路
49.3021、4021、5021、6021、7021、8021、9021、10021:电流感测电路
50.3022、4022、5022、6022、7022、8022、9022、10022:比较器
51.303、403、503、603、703、803、903、1003:开关驱动器
52.4011、7011:逻辑电路
53.4012、7012:决定电路
54.4012a、5012a、7012a:第一闩锁电路
55.4012b、5012b、7012b:第二闩锁电路
56.4013、7013:延迟电路
57.5011a、8011a:第一与门
58.5011b、8011b:第二与门
59.5012、8012:反相器
60.5013、8013:延迟电路
61.8014a:第一闩锁器
62.8014b:第二闩锁器
63.c1～c3、c1(cr)、c2(cf)、c3(cr):电容
64.co:输出电容
65.g1、ga:充电操作信号
66.g2、g3、g4、gb:放电操作信号
67.iin:输入电流
68.il1:充电电感电流(充电谐振电流)
69.il2:放电电感电流(放电谐振电流)
70.il3:电感电流(充电谐振电流/放电谐振电流)
71.l1:充电电感
72.l2:放电电感
73.l1(lr)、l2(lr)、l3、lb:电感
74.q:输出端
75.反向输出端
76.q1～q10、q1(s1a)、q2(s2a)、q3(s1b)、q4(s2b)、q5(s1a)、q6(s2a)、q7(s2a)、q8(s1b)、q9(s1b)、q10(s2b)、qb:开关
77.r:重置端
78.s:设定端
79.rl:负载电阻
80.t1、t2、t3:期间
81.vc1:电容c1直流偏压
82.vc2:电容c2直流偏压
83.vc3:电容c3直流偏压
84.vin:输入电压
85.vout:输出电压
86.vref1:参考信号
87.zcd:零电流侦测信号
具体实施方式
88.本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。
89.图3a是根据本发明的一实施例显示一谐振切换式电源转换器30的电路示意图。本实施例多个电容共享一充电电感或一放电电感，由此无论电容数量为多少，都只需要一个充电电感及一个放电电感，可进一步减少电感的数量。如图3a所示，本发明的谐振切换式电源转换器30包含电容c1、c2、c3、开关q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9、q10、充电电感l1、放电电感l2、控制器301、至少一零电流侦测电路302以及开关驱动器303。开关q1
‑
q3分别与对应的电容c1
‑
c3串联，而开关q4与充电电感l1串联。应注意的是，本发明的谐振切换式电源转换器30中的电容数量并不限于本实施例的三个，也可为二个或四个以上，本实施例所显示的元件数量仅用以说明本发明并不用限制本发明。
90.如图3a所示，开关q5的一端耦接至开关q1与电容c1之间的节点，开关q6的一端耦接至开关q2与电容c2之间的节点，而开关q7的一端耦接至开关q3与电容c3之间的节点。开关q8的一端耦接至电容c1与开关q2之间的节点，开关q9的一端耦接至电容c2与开关q3之间的节点，而开关q10的一端耦接至电容c3与开关q4之间的节点。如图3a所示，开关q5
‑
q7的另一端共同电连接至一节点后，串联至放电电感l2。开关q8
‑
q10的另一端共同耦接至接地电位。充电电感l1及放电电感l2的另一端共同耦接至输出电压vout，开关q1的另一端耦接至输入电压vin。控制器301用以产生充电操作信号ga与放电操作信号gb，以分别对应一充电程序与一放电程序，而操作对应的多个开关q1
‑
q10，以切换所对应的电容c1
‑
c3的电连接关系。零电流侦测电路302耦接于控制器301与输出电压vout之间，用以于充电程序时侦测充电电感l1与输出电压vout之间的节点上的一充电谐振电流il1或于放电程序时侦测放电电感l2与输出电压vout之间的节点上的一放电谐振电流il2。当零电流侦测电路302侦测到充电谐振电流il1或放电谐振电流il2为零时，产生一零电流侦测信号zcd至控制器301，以供控制器301产生充电操作信号ga及放电操作信号gb。
91.于一实施例中，控制器301可根据零电流侦测信号zcd、充电操作信号ga及/或放电操作信号gb决定充电程序与放电程序各自的起始时点与结束时点。零电流侦测电路302可包含一电流感测电路3021，用以于充电程序时感测充电谐振电流il1或于放电程序时感测放电谐振电流il2。零电流侦测电路302可进一步包含比较器3022，用以将感测所得的充电
current switch,zcs)。
98.此外需说明的是：因电路零件的本身的寄生效应或是零件间相互的匹配不一定为理想，因此，虽然欲使充电程序的持续时间等于放电程序的持续时间(也就是于此实施例中充电程序的持续时间为百分之五十的工作周期)，以达到柔性切换(soft switching)的零电流切换。但实际可能并无法准确地为百分之五十的工作周期，而仅是接近百分之五十的工作周期，亦即，根据本发明，可接受由于电路的不理想性而使充电程序的持续时间与百分之五十的工作周期间具有一定程度的误差，此即前述的放电至“大致上”为百分之五十的工作周期之意，本文中其他提到“大致上”之处亦同。
99.于一实施例中，上述充电程序的持续时间小于特定比例的工作周期一段预设期间，例如小于百分之五十的工作周期一段预设期间；由此提前不导通开关q1
‑
q4后仍维持有微小的电流，流经充电电感l1，因此，即可将开关q10中，储存于其中的寄生电容的累积电荷通过开关q4的寄生二极管带走，而降低开关q10的跨压，以达到柔性切换。在一种较佳的实施例中，调整上述参考信号的位准以调整预设期间，而达到零电压切换(zero voltage switch，zvs)。于一实施例中，相对地，上述放电程序的持续时间大于特定比例的工作周期一段预设期间，例如大于百分之五十的工作周期一段预设期间；由此，延后不导通开关q5
‑
q10后放电电感l2的负电流会通过开关q5的寄生二极管而对开关q1的寄生电容进行充电，而降低开关q1的跨压，以达到柔性切换。在一种较佳的实施例中，调整上述参考信号的位准，以调整预设期间，而达到零电压切换。
100.图3b是根据本发明的一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路示意图。本实施例与图3a的实施例的不同在于，本实施例的放电程序为多个。控制器301用以产生充电操作信号ga与多个放电操作信号gb1、gb2与gb3，以分别对应一充电程序与三放电程序，而操作对应的多个开关q1
‑
q10，以切换所对应的电容c1
‑
c3的电连接关系。零电流侦测电路302耦接于控制器301与输出电压vout之间，用以于充电程序时侦测充电电感l1与输出电压vout之间的节点上的一充电谐振电流il1；或于每一个放电程序时，侦测放电电感l2与输出电压vout之间的节点上的一放电谐振电流il2。当零电流侦测电路302侦测到充电谐振电流il1或放电谐振电流il2为零时，产生一零电流侦测信号zcd至控制器301，以供控制器301产生充电操作信号ga及放电操作信号gb1、gb2与gb3。
101.于一实施例中，控制器301可根据零电流侦测信号zcd、充电操作信号ga及/或放电操作信号gb1、gb2与gb3决定充电程序与放电程序各自的起始时点与结束时点。零电流侦测电路302可包含一电流感测电路3021，用以于充电程序时感测充电谐振电流il1或于放电程序时感测放电谐振电流il2。零电流侦测电路302可进一步包含比较器3022，用以将感测所得的充电谐振电流il1或放电谐振电流il2与一参考信号vref1比对，用以产生零电流侦测信号zcd。开关驱动器303耦接于控制器301与多个开关q1
‑
q10之间，用以根据充电操作信号ga或放电操作信号gb控制多个开关q1
‑
q10。
102.开关q1
‑
q10可根据控制器301所产生的充电操作信号ga、放电操作信号gb1、gb2与gb3经由开关驱动器303的控制，切换所对应的电容c1
‑
c3与充电电感l1及放电电感l2的电连接关系。于一实施例中，充电操作信号ga与放电操作信号gb1、gb2与gb3，分别各自切换至一导通位准一段导通期间，上述多个段导通期间彼此不重叠。
103.举例而言，在一充电程序中，根据充电操作信号ga，开关q1
‑
q4为导通，开关q5
‑
q10
为不导通，使得电容c1
‑
c3彼此串联后与充电电感l1串联于输入电压vin与输出电压vout之间，以形成一充电路径。在第一放电程序中，根据放电操作信号gb1，开关q5与q8导通，开关q1
‑
q4、q6、q7、q9与q10不导通，使电容c1串联放电电感l2，而形成第一放电路径。在第二放电程序中，根据放电操作信号gb2，开关q6与q9导通，开关q1
‑
q4、q5、q7、q8与q10不导通，使电容c2串联放电电感l2，而形成第二放电路径。在第三放电程序中，根据放电操作信号gb3，开关q7与q10导通，开关q1
‑
q4、q5、q6、q8与q9不导通，使电容c3串联放电电感l2，而形成第三放电路径。
104.应注意的是，上述充电程序与上述第一放电程序、第二放电程序与第三放电程序于不同的时间段重复地交错进行，而非同时进行。其中，充电程序与上述三个放电程序彼此重复地交错排序，以将输入电压vin转换为输出电压vout，亦即，一个充电程序结束后，接着第一放电程序、第二放电程序、第三放电程序轮流执行，再接着执行充电程序，以此类推。
105.请参考图4，其是根据本发明的另一实施例显示一谐振切换式电源转换器40的电路示意图。图4中的电容c1
‑
c3、充电电感l1、放电电感l2、开关q1
‑
q10、零电流侦测电路402、电流感测电路4021、比较器4022、开关驱动器403的配置与图3a类似，故不赘述。本实施例与图3a的实施例的不同在于本实施例的控制器401可包含逻辑电路4011、决定电路4012以及延迟电路4013，决定电路4012可包含第一闩锁电路4012a及第二闩锁电路4012b。
106.于一实施例中，延迟电路4013为可选择性的。逻辑电路4011可与零电流侦测电路402耦接，用以根据零电流侦测信号与充电操作信号ga及/或放电操作信号gb，产生一充电判断信号与一放电判断信号。于一实施例中，充电判断信号可用以决定充电程序的起始时点与放电程序的结束时点。逻辑电路4011例如但不限于对零电流侦测信号与充电操作信号ga的反相信号执行及逻辑运算，而产生充电判断信号。于一实施例中，放电判断信号可用以决定放电程序的起始时点与充电程序的结束时点。逻辑电路4011例如但不限于对零电流侦测信号与放电操作信号gb的反相信号执行及逻辑运算，而产生放电判断信号。决定电路4012可与逻辑电路4011耦接，用以根据充电判断信号与放电判断信号，产生充电操作信号ga与放电操作信号gb，以决定充电程序与放电程序各自的起始时点与结束时点。延迟电路4013耦接于逻辑电路4011与决定电路4012之间，用以延迟充电程序及/或放电程序的起始时点一延迟时间，由此可降低切换频率并调整输入电压vin与输出电压vout的比例。
107.举例而言，于充电程序中，充电操作信号ga为高位准，且逻辑电路4011于零电流侦测电路402的零电流侦测信号zcd切换为高位准时，逻辑电路4011根据此时高位准的充电操作信号ga与高位准的零电流侦测信号zcd，而产生高位准的放电判断信号，以输出至决定电路4012，决定电路4012遂产生高位准的放电操作信号gb，以输出至开关驱动器403，使得开关q5
‑
q10导通。另一方面，逻辑电路4011根据充电程序中，充电操作信号ga的低位准的反相信号，产生低位准的充电判断信号。决定电路4012根据前述高位准的放电判断信号与低位准的充电判断信号，而将充电操作信号ga切换为低位准，使得开关q1
‑
q4不导通，而结束充电程序。
108.另一方面，于放电程序中，放电操作信号gb为高位准，且逻辑电路4011从零电流侦测电路402接收零电流侦测信号zcd切换为高位准时，逻辑电路4011根据此时高位准的放电操作信号gb与高位准的零电流侦测信号zcd，而产生高位准的充电判断信号，以输出至决定电路4012，决定电路4012遂产生高位准的充电操作信号ga，以输出至开关驱动器403，使得
开关q1
‑
q4导通。另一方面，逻辑电路4011根据放电程序中，放电操作信号gb的低位准的反相信号，产生低位准的放电判断信号。决定电路4012根据前述高位准的充电判断信号与低位准的放电判断信号，而将放电操作信号gb切换为低位准，使得开关q5
‑
q10不导通，而结束放电程序。
109.第一闩锁电路4012a可用以根据充电判断信号而设定充电操作信号ga，并根据放电判断信号而切换充电操作信号ga的位准，且产生充电操作信号ga的反相信号以输入逻辑电路4011，例如当第一闩锁电路4012a接收到高位准的充电判断信号时，第一闩锁电路4012a会设定充电操作信号ga为高位准，并产生低位准的充电操作信号ga的反相信号，以输入逻辑电路4011。另一方面，当第一闩锁电路4012a接收到高位准的放电判断信号时，第一闩锁电路4012a会将充电操作信号ga的位准切换成低位准，并产生高位准的充电操作信号的反相信号，以输入逻辑电路4011。
110.第二闩锁电路4012b可用以根据放电判断信号而设定放电操作信号gb，并根据充电判断信号而切换放电操作信号gb的位准，且产生放电操作信号gb的反相信号以输入逻辑电路4011，例如当第二闩锁电路4012b接收到高位准的放电判断信号时，第二闩锁电路4012b会设定放电操作信号gb为高位准，并产生低位准的放电操作信号gb的反相信号，以输入逻辑电路4011。另一方面，当第二闩锁电路4012b接收到高位准的充电判断信号时，第二闩锁电路4012b会将放电操作信号gb的位准切换成低位准，并产生高位准的放电操作信号的反相信号，以输入逻辑电路4011。
111.请参考图5，其是根据本发明的又一实施例显示一谐振切换式电源转换器50的较具体的电路示意图。图5中的电容c1
‑
c3、充电电感l1、放电电感l2、开关q1
‑
q10、零电流侦测电路502、电流感测电路5021、比较器5022、开关驱动器503的配置与图3a类似，故不赘述。本实施例与图3a的实施例的不同在于，本实施例的控制器501可包含逻辑电路5011、决定电路5012以及延迟电路5013。其中，决定电路5012可包含第一闩锁电路5012a及第二闩锁电路5012b。其中，延迟电路5013可包含延迟单元5013a及延迟单元5013b。
112.在一种实施方式中，延迟电路5013为可选择性的。于本实施例中，逻辑电路5011可包含第一与门5011a、第二与门5011b以及非门5011c。其中，第一与门5011a耦接于比较器5022与第一闩锁电路5012a之间；第二与门5011b耦接于比较器5022与第二闩锁电路5012b之间；而非门5011c耦接于第一闩锁电路5012a与第二与门5011b之间。在决定电路5012中，第一闩锁电路5012a耦接于第一与门5011a与对应的开关驱动器503之间，而第二闩锁电路5012b耦接于第二与门5011b与对应的开关驱动器503之间。
113.以图5所示的实施例，举例说明根据本发明的一种操作方式。在充电程序开始时，第二闩锁电路5012b的重置端r接收高位准的充电判断信号，而重置第二闩锁电路5012b的输出端q，以使第二闩锁电路5012b的输出端q，输出低位准的放电操作信号gb，以不导通开关q5
‑
q10。且于充电程序时，第一闩锁电路5012a的输出端q，输出高位准的充电操作信号ga，以导通开关q1
‑
q4。此时，非门5011c对第一闩锁电路5012a的反相输出端所输出的充电操作信号ga的反相信号(低位准)执行反逻辑运算，产生高位准的运算结果，以输入第二与门5011b。第二与门5011b保持低位准的放电判断信号，直到零电流侦测电路502的零电流侦测信号zcd侦测到充电谐振电流il1降低至零电流时，切换为高位准(示意充电程序结束)，第二与门5011b对非门5011c所输出高位准的运算结果，与高位准的零电流侦测信号
zcd，执行及逻辑运算，而产生高位准的放电判断信号，以输出至决定电路5012，使第二闩锁电路5012b遂于其输出端q产生高位准的放电操作信号gb，以输出至开关驱动器503，使得开关q5
‑
q10导通，而开始放电程序。此外，第一闩锁电路5012a的重置端r接收高位准的放电判断信号，而重置第一闩锁电路5012a的输出端q，使其输出端q产生低位准的充电操作信号ga，以输出至开关驱动器503，使得开关q1
‑
q4不导通，而结束充电程序。
114.另一方面，在放电程序开始时，第一闩锁电路5012a的重置端r接收高位准的放电判断信号，而重置第一闩锁电路5012a的输出端q，以使第一闩锁电路5012a的输出端q，输出低位准的充电操作信号ga，以不导通开关q1
‑
q4。且于放电程序时，第二闩锁电路5012b的输出端q，输出高位准的放电操作信号gb，以导通开关q5
‑
q10。此时，第一闩锁电路5012a的反相输出端所输出的充电操作信号ga的反相信号(高位准)输入第一与门5011a。第一与门5011a保持低位准的充电判断信号，直到零电流侦测电路502的零电流侦测信号zcd侦测到放电谐振电流il2降低至零电流时，切换为高位准(示意放电程序结束)，第一与门5011a对高位准的反相输出端所输出的充电操作信号ga的反相信号，与高位准的零电流侦测信号zcd，执行及逻辑运算，而产生高位准的充电判断信号，以输出至决定电路5012，使第一闩锁电路5012a遂于其输出端q产生高位准的充电操作信号ga，以输出至开关驱动器503，使得开关q1
‑
q4导通，而开始充电程序。此外，第二闩锁电路5012b的重置端r接收高位准的充电判断信号，而重置第二闩锁电路5012b的输出端q，使其输出端q产生低位准的放电操作信号gb，以输出至开关驱动器503，使得开关q5
‑
q10不导通，而结束放电程序。
115.其中，延迟单元5013a耦接于第一与门5011a与第一闩锁电路5012a的设置端s之间，用以使多个开关q1
‑
q4的导通时点延迟一延迟时间，于延迟时间中所有对应的开关q1
‑
q4均为不导通以延迟充电程序的起始时点一延迟时间。延迟单元5013b耦接于第二与门5011b与第二闩锁电路5012b的设置端s之间，用以使多个开关q5
‑
q10的导通时点延迟一延迟时间，于延迟时间中所有对应的开关q5
‑
q10均为不导通以延迟放电程序的起始时点一延迟时间。
116.于一实施例中，l1的电感值可等于l2的电感值。于一实施例中，值得注意的是，l1的电感值等于l2的电感值的一个特例是，充电电感l1与放电电感l2可共享同一个电感，分别于不同时间作用为充电电感、放电电感。
117.因此，请参照图6，其为根据本发明的再一实施例显示一谐振切换式电源转换器60的电路示意图。图6中的控制器601、零电流侦测电路602、电流感测电路6021、比较器6022、开关驱动器603的配置与图3a类似，故不赘述。本实施例与图3a的不同在于本实施例的充电电感与放电电感可为同一个电感l3，如此的设置可更进一步地减少电感的数量。如图6所示，本发明的谐振切换式电源转换器60包含电容c1、c2、c3、开关q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9、q10、电感l3。开关q1
‑
q3分别与对应的电容c1
‑
c3串联，而开关q4与电感l3串联。应注意的是，本发明的谐振切换式电源转换器中的电容数量并不限于本实施例的三个，也可为二个或四个以上，本实施例所显示的元件数量仅用以说明本发明并不用限制本发明。
118.需说明的是，在本实施例中，充电电感与放电电感为单一个相同的电感l3，在放电程序中，通过开关q1
‑
q10的切换，使电容c1
‑
c3彼此并联后串联单一个相同电感l3。所谓充电电感与放电电感为单一个相同的电感l3，是指在充电程序与放电程序中，充电谐振电流与放电谐振电流分别仅流经单一个电感l3，而未再流经其他电感元件。
119.如图6所示，开关q5的一端耦接至开关q1与电容c1之间的节点，开关q6的一端耦接至开关q2与电容c2之间的节点，而开关q7的一端耦接至开关q3与电容c3之间的节点。开关q8的一端耦接至电容c1与开关q2之间的节点，开关q9的一端耦接至电容c2与开关q3之间的节点，而开关q10的一端耦接至电容c3与开关q4之间的节点。如图6所示，开关q5
‑
q7的另一端共同电连接至一节点后，耦接至开关q4与电感l3之间的节点，开关q8
‑
q10的另一端共同耦接至接地电位。电感l3的另一端耦接至输出电压vout，开关q1的另一端耦接至输入电压vin。
120.开关q1
‑
q10可根据控制器601所产生的充电操作信号ga及放电操作信号gb经由开关驱动器603的控制，切换所对应的电容c1
‑
c3与电感l3的电连接关系。在一充电程序中，根据充电操作信号ga，开关q1
‑
q4为导通，开关q5
‑
q10为不导通，使得电容c1
‑
c3彼此串联后与电感l3串联于输入电压vin与输出电压vout之间，以形成一充电路径。在一放电程序中，根据放电操作信号gb，开关q5
‑
q10导通，开关q1
‑
q4不导通，使电容c1、电容c2及电容c3彼此并联后串联电感l3，而形成多个放电路径。应注意的是，上述充电程序与上述放电程序于不同的时间段重复地交错进行，而非同时进行。其中，充电程序与放电程序彼此重复地交错排序，以将输入电压vin转换为输出电压vout。于本实施例中，每个第一电容c1、c2、c3的直流偏压均为vo，故本实施例中的第一电容c1、c2、c3需要耐较低的额定电压，故可使用较小体积的电容器。
121.在充电电感与放电电感设置为单一个相同的电感l1的本实施例中，可适当配置上述充电程序的持续时间(ton1)及放电程序的持续时间(ton2)的比例，可达到柔性切换的零电流切换。具体而言，于一实施例中，上述充电程序的持续时间例如大致上等于百分之二十五的工作周期；由此，开关可于流经开关的电流在其正半波相对较低位准的时点切换，以实现柔性切换。在一种较佳的实施例中，可达到零电流切换(zero current switch,zcs)。于一实施例中，上述充电程序的持续时间小于特定比例的工作周期一段预设期间，例如小于百分之二十五的工作周期一段预设期间；由此提前不导通开关q1
‑
q4后仍维持有微小的电流，流经充电电感l1，因此，即可将开关q10中，储存于其中的寄生电容的累积电荷通过开关q4的寄生二极管带走，而降低开关q10的跨压，以达到柔性切换。
122.在一种较佳的实施例中，调整参考信号的位准，以调整预设期间，而达到零电压切换(zero voltage switch，zvs)。于一实施例中，相对地，上述放电程序的持续时间大于特定比例的工作周期一段预设期间，例如大于百分之七十五的工作周期一段预设期间；由此，延后不导通开关q5
‑
q10后放电电感l2的负电流会通过开关q5的寄生二极管而对开关q1的寄生电容进行充电，而降低开关q1的跨压，以达到柔性切换。在一种较佳的实施例中，调整参考信号的位准，以调整预设期间，而达到零电压切换(zero voltage switch，zvs)。
123.于一实施例中，上述谐振切换式电源转换器60可为双向谐振切换式电源转换器。于一实施例中，上述谐振切换式电源转换器60的输入电压vin与输出电压vout的电压转换比率可为4:1、3:1或2:1。于一实施例中，谐振切换式电源转换器60的电压转换比率可弹性地加以调整，例如于充电程序与放电程序中，通过选择将开关q7保持导通，并选择将开关q10及q4保持不导通，则可将谐振切换式电源转换器60的电压转换比率调整为3:1。同样地，例如可选择将开关q6保持导通，并选择将开关q9、q3、q7、q10及q4保持不导通，则可将谐振切换式电源转换器60的电压转换比率调整为2:1。
124.请参照图7，其是根据本发明的又一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路70示意图。图7中的控制器701、逻辑电路7011、决定电路7012、第一闩锁电路7012a、第二闩锁电路7012b、延迟电路7013、零电流侦测电路702、电流感测电路7021、比较器7022、开关驱动器703类似于图4，图7中的电容c1
‑
c3、开关q1
‑
10、电感l3类似于图6，故不赘述。本实施例主要是将图4中的控制器架构应用到单一个电感的谐振切换式电源转换器中。
125.请参照图8a，其是根据本发明的再一实施例显示一谐振切换式电源转换器的电路80示意图。图8a中的电容c1
‑
c3、开关q1
‑
10、电感l3类似于图6，故不赘述。本实施例将图5中的控制器架构应用到单一个电感的谐振切换式电源转换器中。此外，本实施例的控制器801可包含逻辑电路8011、决定电路8012以及延迟电路8013。其中，决定电路8012可包含第一闩锁电路8012a及第二闩锁电路8012b。其中，延迟电路8013可包含延迟单元8013a及延迟单元8013b。
126.在一种实施方式中，延迟电路8013为可选择性的。于本实施例中，逻辑电路8011可包含第一与门8011a、第二与门8011b以及非门8011c。其中，第一与门8011a耦接于比较器8022与第一闩锁电路8012a之间；第二与门8011b耦接于比较器8022与第二闩锁电路8012b之间；而非门8011c耦接于第二闩锁电路8012b与第一与门8011a之间。在决定电路8012中，第一闩锁电路8012a耦接于第一与门8011a与对应的开关驱动器803之间，而第二闩锁电路8012b耦接于第二与门8011b与对应的开关驱动器803之间。
127.以图8a所示的实施例，举例说明根据本发明的一种操作方式。在充电程序开始时，第二闩锁电路8012b的重置端r接收高位准的充电判断信号，而重置第二闩锁电路8012b的输出端q，以使第二闩锁电路8012b的输出端q，输出低位准的放电操作信号gb，以不导通开关q5
‑
q10。且于充电程序时，第一闩锁电路8012a的输出端q，输出高位准的充电操作信号ga，以导通开关q1
‑
q4。此时，第二闩锁电路8012b的反相输出端所输出的放电操作信号gb的反相信号(高位准)输入第二与门8011b。第二与门8011b保持低位准的放电判断信号，直到零电流侦测电路802的零电流侦测信号zcd侦测到充电谐振电流il1降低至零电流时，切换为高位准(示意充电程序结束)，第二与门8011b对高位准的反相输出端所输出的放电操作信号gb的反相信号，与高位准的零电流侦测信号zcd，执行及逻辑运算，而产生高位准的放电判断信号，以输出至决定电路8012，使第二闩锁电路8012b遂于其输出端q产生高位准的放电操作信号gb，以输出至开关驱动器803，使得开关q5
‑
q10导通，而开始放电程序。此外，第一闩锁电路8012a的重置端r接收高位准的放电判断信号，而重置第一闩锁电路8012a的输出端q，使其输出端q产生低位准的充电操作信号ga，以输出至开关驱动器803，使得开关q1
‑
q4不导通，而结束充电程序。
128.另一方面，在放电程序开始时，第一闩锁电路8012a的重置端r接收高位准的放电判断信号，而重置第一闩锁电路8012a的输出端q，以使第一闩锁电路8012a的输出端q，输出低位准的充电操作信号ga，以不导通开关q1
‑
q4。且于放电程序时，第二闩锁电路8012b的输出端q，输出高位准的放电操作信号gb，以导通开关q5
‑
q10。此时，非门8011c对第二闩锁电路8012b的反相输出端所输出的放电操作信号gb的反相信号(低位准)执行反逻辑运算，产生高位准的运算结果，以输入第一与门8011a。第一与门8011a保持低位准的充电判断信号，直到零电流侦测电路802的零电流侦测信号zcd侦测到放电谐振电流il2降低至零电流时，切换为高位准(示意放电程序结束)，第一与门8011a对非门8011c所输出高位准的运算
结果，与高位准的零电流侦测信号zcd，执行及逻辑运算，而产生高位准的充电判断信号，以输出至决定电路8012，使第一闩锁电路8012a遂于其输出端q产生高位准的充电操作信号ga，以输出至开关驱动器803，使得开关q1
‑
q4导通，而开始充电程序。此外，第二闩锁电路8012b的重置端r接收高位准的充电判断信号，而重置第二闩锁电路8012b的输出端q，使其输出端q产生低位准的放电操作信号gb，以输出至开关驱动器803，使得开关q5
‑
q10不导通，而结束放电程序。
129.其中，延迟单元8013a耦接于第一与门8011a与第一闩锁电路8012a的设置端s之间，用以使多个开关q1
‑
q4的导通时点延迟一延迟时间，于延迟时间中所有对应的开关q1
‑
q4均为不导通以延迟充电程序的起始时点一延迟时间。延迟单元8013b耦接于第二与门8011b与第二闩锁电路8012b的设置端s之间，用以使多个开关q5
‑
q10的导通时点延迟一延迟时间，于延迟时间中所有对应的开关q5
‑
q10均为不导通以延迟放电程序的起始时点一延迟时间。
130.图8b显示图8a所示的谐振切换式电源转换器中不包含延迟电路8013之下，相关信号的信号波形示意图。充电谐振电流/放电谐振电流(又称电感电流)il3、输入电流iin、零电流侦测信号zcd、充电操作信号ga以及放电操作信号gb如图8b所示。在本实施例中，充电程序的持续时间大致上为百分之二十五的工作周期，放电程序的持续时间大致上为百分之七十五的工作周期。应注意的是，于充电程序期间所感测到的电感电流il3为充电谐振电流，于放电程序期间所感测到的电感电流il3为放电谐振电流。如图8b所示，举例而言，每次零电流侦测信号zcd产生脉波信号的时点，触发充电操作信号ga以及放电操作信号gb切换位准，而决定充电程序与放电程序的起始时点与结束时点。
131.请参照图9，其为根据本发明的又一实施例显示一谐振切换式电源转换器90的电路示意图。图9中的控制器901、零电流侦测电路902、电流感测电路9021、比较器9022、开关驱动器903、电容c1
‑
c3、开关q1
‑
q10、充电电感l1及放电电感l2的配置与图3a类似，故不赘述。本实施例主要是将放电程序分成多个放电程序分别于不同时段轮流进行，故放电操作信号g2用于使开关q5、q8导通，并使开关q1
‑
q4、q6、q7、q9、q10不导通，以于第一时段对电容c1进行放电，放电操作信号g3用于使开关q6、q9导通，并使开关q1
‑
q5、q7、q8、q10不导通，以于第二时段对电容c2进行放电，放电操作信号g4用于使开关q7、q10导通，并使开关q1
‑
q6、q8
‑
q9不导通，以于第三时段对电容c3进行放电，而充电操作信号g1用于使开关q1
‑
q4导通，并使开关q5
‑
q10不导通，以对电容c1
‑
c3进行充电。应得以领会的是，于一实施例中，本实施例的控制器901也可与图4或图5的控制器架构替换实施。
132.再请参照图10，其是根据本发明的再一实施例显示一谐振切换式电源转换器100的电路示意图。图10中的控制器1001、零电流侦测电路1002、电流感测电路10021、比较器10022、开关驱动器1003与图3a类似，故不赘述。如图10所示，本发明的谐振切换式电源转换器100包含电容c1、c2、c3、开关q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7、q8、q9、q10、电感l1、l2、l3。开关q1
‑
q3分别与对应的电容c1
‑
c3串联，而电容c1
‑
c3分别与对应的电感l1
‑
l3串联。应注意的是，本发明的谐振切换式电源转换器中的电容数量并不限于本实施例的三个，也可为二个或四个以上，且电感数量也不限于本实施例的三个，也可为二个或四个以上，本实施例所显示的元件数量仅用以说明本发明并不用限制本发明。应得以领会的是，于一实施例中，本实施例的控制器1001也可与图4或图5的控制器架构替换实施。
133.如图10所示，开关q5的一端耦接至开关q1与电容c1之间的节点，开关q6的一端耦接至开关q2与电容c2之间的节点，而开关q7的一端耦接至开关q3与电容c3之间的节点。开关q8的一端耦接至电感l1与开关q2之间的节点，开关q9的一端耦接至电感l2与开关q3之间的节点，而开关q10的一端耦接至电感l3与开关q4之间的节点。如图10所示，开关q5
‑
q7的另一端则共同耦接至输出电压vout。开关q8
‑
q10的另一端共同耦接至接地电位。开关q4耦接于电感l3与输出电压vout之间，开关q1的一端耦接至输入电压vin。
134.开关q1
‑
q10可根据控制器1001所产生的充电操作信号ga及放电操作信号gb经由开关驱动器1003的控制，切换所对应的电容c1
‑
c3与电感l1
‑
l3的电连接关系。在一充电程序中，开关q1
‑
q4为导通，开关q5
‑
q10为不导通，使得电容c1
‑
c3与电感l1
‑
l3彼此串联于输入电压vin与输出电压vout之间，以形成一充电路径。在一放电程序中，开关q5
‑
q10导通，开关q1
‑
q4不导通，使电容c1与对应的电感l1串联于输出电压vout与接地电位间，电容c2与对应的电感l2串联于输出电压vout与接地电位间，电容c3与对应的电感l3串联于输出电压vout与接地电位间，而形成多个放电路径。应注意的是，上述充电程序与上述放电程序于不同的时间段交错进行，而非同时进行。其中，充电程序与放电程序彼此重复地交错排序，以将输入电压vin转换为输出电压vout。于本实施例中，每个电容c1、c2、c3的直流偏压均为vo，故本实施例中的电容c1、c2、c3需要耐较低的额定电压，故可使用较小体积的电容器。
135.于一实施例中，上述充电程序的持续时间大致上为特定比例的工作周期(duty cycle)，例如但不限于大致上为百分之五十的工作周期；由此，开关可于流经开关的电流在其正半波相对较低位准的时点切换，以实现柔性切换。在一种较佳的实施例中，可达到零电流切换(zero current switch,zcs)。
136.于一实施例中，上述特定比例与谐振频率相关。于一实施例中，上述充电程序具有一充电谐振频率，上述放电程序具有一放电谐振频率。于一较佳实施例中，上述充电谐振频率与上述放电谐振频率相同。
137.图11a是根据本发明的一实施例显示一充电程序与放电程序的对应的操作信号与对应的电感电流的信号波形示意图。请同时参阅图3a，图11a所示的实施例中，开关q1～q4的充电操作信号ga于充电程序时为高位准，而开关q5～q10的放电操作信号gb于放电程序时为高位准。于图11a的实施例中，充电程序的持续时间大致上为百分之五十的工作周期；由此，开关q1可于流经开关的电流在其正半波相对较低位准的时点切换，也是在充电电感l1的充电电感电流il1为零电流时切换，以实现柔性切换。在一种较佳的实施例中，可达到零电流切换。
138.图11b及图11c是根据本发明的另一实施例显示一充电程序与放电程序的对应的操作信号与对应的电感电流的信号波形示意图。请同时参阅图3a，图11b所示的实施例中，开关q1～q4的充电操作信号ga于充电程序时为高位准，而开关q5～q10的放电操作信号gb于放电程序时为高位准。于图11b的实施例中，可调高参考信号，以使充电程序的持续时间大致上为小于百分之五十的工作周期一段预设期间t1；由此，提前不导通开关q1
‑
q4后仍维持有微小的电流流经充电电感l1，因此，即可将开关q10中，储存于其中的寄生电容的累积电荷通过开关q4的寄生二极管放电，而降低开关q10的跨压，以达到柔性切换。在一种较佳的实施例中，调整预设期间t1，而达到零电压切换。请同时参阅图3a，图11c所示的实施例中，开关q1～q4的充电操作信号ga于充电程序时为高位准，开关q5～q10的放电操作信号gb
于放电程序时为高位准。于图11c的实施例中，可调低参考信号，以使放电程序的持续时间大致上为大于百分之五十的工作周期一段预设期间t2 t3；由此，延后不导通开关q5
‑
q10后放电电感l2的负电流会通过开关q5的寄生二极管而对开关q1的寄生电容进行充电，而降低开关q1的跨压，以达到柔性切换。在一种较佳的实施例中，调整预设期间t2与t3，而达到零电压切换。于一实施例中，应注意的是，图11b及图11c的实施例可一起实施或仅实施其中一者。
139.本发明如上所述提供了一种谐振切换式电源转换器，其通过特殊的电路设计可减少电感数量、可掩盖因直流偏压或操作温度而产生的元件变化、可降低切换频率以改善低负载时的效率、可支持输出电压调节功能、可降低电压应力、可使所有谐振电容具有相同的额定电流及额定电压而能够使用较小体积的电容、可动态控制以达到具有零电流切换(zcs)或零电压切换(zvs)的柔性切换、可具有较佳的动态负载瞬时响应、可具有较佳的电流电压平衡、可具有稳定的谐振频率、可更具弹性地调变电压转换比率且可双向操作。
140.需说明的是，前述实施例中提到的“高位准”与“低位准”仅为举例，并非用以限制本发明的范畴，在其他实施例中，前述的“高位准”与“低位准”，在前述符合本发明相同的精神下，可依实际所采用的开关型态与逻辑基础，而适应性地至少部分调整或交换。
141.以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的最广的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。