CN100384049C - 具有前回馈电路的电源供应器 - Google Patents

Abstract

在现有技术中，具有电源电压保持电路的电源供应器，在切换电路时，会在输出电压上产生电压尖锋，而影响输出电压的品质，甚至增加负载端电器发生故障的风险。本发明利用一前回馈电路，使切换发生时，可立刻透过前回馈电路产生一回馈修正信号，使输出电压更快修正至正确的输出值，而降低电压尖锋的大小。

Description

具有前回馈电路的电源供应器

技术领域

本发明是关于具有电源电压保持电路的电源供应器，特别是关于具回馈电路的电压保持电路的电源供应器。

背景技术

由于一般服务器对于电源供应器的供电要求较高，尤其像银行系统、交通信号控制系统等大型服务器，因断电所导致的错误，是不容许发生的。因此，对服务器电源通常有输出电压保持时间的要求，即当供电停止后，电源的输出电压还必须能够维持一定的时间，以确保服务器不会出现数据遗失。一般的电源供应器于供电停止后，输出电压保持的时间长度不够长，无法达到服务器电源的要求。

图1为采用变换变压器匝比的电源供应器的电路示意图，利用变换变压器匝比的方法，可以有效延长输出电压的保持时间，以达到服务器电源的要求。图1中，电容C1为直流母线输入上的大容量电容(BulkCapacitor)，变压器T1为高频变压器，电容C1上的直流母线电压通过直流/直流变换器(DC/DCConverter)CON变换成高频脉冲电压加到变压器T1的初级绕组N1上，变压器T1次级采用全波整流方式。从电路功能上看，次级整流电路由两部分组成：主整流电路和附加整流电路。主整流电路包含次级主绕组N21、N22和次级主整流二极管D1、D 2。附加整流电路包含次级附加绕组N31、N32和次级附加整流二极管D3、D4。开关晶体管Q5为这两部分电路之间的工作开关晶体管，一般为MOS晶体管。开关控制信号由控制电路(Control Circuit)CTRL产生，控制电路CTRL的输入控制电压BV等于大容量电容C1上的电压(BULKVoltage)Vc1。图1中的电感Lf和电容Cf组成了主整流电路和附加整流电路的共享滤波电路。当直流母线输入电压正常时，控制电路CTRL不产生驱动信号，开关晶体管Q5的栅极触发电压为低电位，这时开关晶体管Q5关断，变压器次级只有主整流电路参与电压变换。但如果供电停止，那么直流母线上的电容C1上的电压开始下降，当降到一设定电压值Vset(可以调整)时，控制电路CTRL便产生一个有一定宽度的脉冲驱动信号，使得Q5导通，将附加整流电路切入主整流电路参与电压变换。使得输出电压Vo在供电停止后可以维持更长的时间才开始降低。

图2显示了电压保持电路工作时的电压波形示意图，图中Vc1为图1中大容量电容C1上的电压，也是控制电路CTRL的输入控制电压BV；Vo为电源输出电压，Vgs为控制电路CTRL产生的控制信号，也就是开关晶体管Q5的栅极电压；Vset为控制电路CTRL的一预设电压。当直流母线输入电压正常时(高于预设电压Vset)，输出电压Vo也维持预定输出电压，控制电路CTRL的驱动控制信号电压Vgs为低电位，开关晶体管Q5关断，变压器次级只有主整流电路参与电压变换。在t0时刻供电停止，直流母线上的电容C1的电压BV开始下降，当在t1时刻，电压BV降到预设电压Vset时，控制电路CTRL的控制信号电压Vgs变为高电位并维持一段时间，使得开关晶体管Q5导通，将附加整流电路切入主电路参与电压变换。而当在t2时刻，输出电压Vo才开始下降，总共的保持时间为th＝t2-t0。驱动控制信号电压Vgs必须至少在t2时刻时仍维持高电位。

若以变压器T1初级侧的直流/直流变换器CON为移相全桥电路(Phase Shifted Full BridgeConverter)为例，我们可以得到电容C1上的电压Vc1和输出电压Vo的关系为：

V_o＝2nV_C1D    (1)

其中n为变压器的匝比，D为变换器开关晶体管的占空比。

当电容C1上的电压下降后，总的输出电压保持时间th为：

$\mathrm{th}=\frac{1}{P_o}\·\frac{1}{2}{C}_1[{V^2}_{t0}-{\left(\frac{V_o}{2n{D}_{\max }}\right)}^2]\·\mathrm{\η}---\left(2\right)$

其中P_o为输出功率，C₁为电容C1的电容值，V_to为电容C1电压在t0时刻下降时的电压值，D_max为变换器最大占空比；η为变换器变换效率。

当附加整流电路切入后，变压器T1的匝比n由原来的n2/n1变大为(n2+n3)/n1(初级绕组N1的线圈匝数为n1，次级主绕组N21、N22的线圈匝数为n2，次级附加绕组N31、N32的线圈匝数为n3)，由第二式可知，在其它参数不变的情况下，维持输出电压稳定的最小电容电压V_o/2nD_max因匝比n变大而变小了，输出电压的保持时间th也变长了。

图3(A)及图3(B)显示了在输出电压为12V的服务器电源上实际测得的电压保持电路工作波形，图3(A)为没有切入附加整流电路时的工作波形。图中Vc1为电容C1上的电压，Vo为输出电压，Vac为电源的交流输入电压，输出电压的保持时间为11.4ms。图3(B)为切入附加整流电路后的工作波形，其中Vgs为开关晶体管Q5的栅极触发信号。可以看到，切入附加整流电路后，总共的输出电压保持时间延长到了22.0ms。

由于附加整流电路仅在保持时间内工作，电压和电流的耐量小，没有散热问题，因此，附加整流电路的容量和体积都可以很小。然而，增设附加整流电路的方法虽然能够实现延长电源输出电压保持时间的目的，但同时也带来了另外一个问题，即当附加整流电路通过开关晶体管Q5切换进主整流电路的时候，会在电源输出电压上产生很大的瞬间电压尖锋。由图3(B)中可以清楚地看到切换时在电源输出上产生了大约220mV的电压尖锋。

切换时产生电压尖锋的原因可以通过分析变换器控制系统的调节特性得到。如图4所示，当开关晶体管Q5的栅极控制信号Vgs为高电平时，表示附加整流电路的绕组切换进主整流电路。电压调节器的误差输出信号Vd与一锯齿波信号Vt相比较，就可以得到变压器初级直流/直流变换器CON中功率开关晶体管的占空比D，也即变压器次级输出电压Vo的占空比(不考虑占空比损失的情况下)。若在切换过程的一最开始的时间点，变压器的匝比为n2/n1，电容C1上的电压为Vset，占空比D为Dset，而切换后匝比突然增大为(n2+n3)/n1，但电容C1上的电压仍为Vset。因此，由第一式可知变压器次级电压幅值会瞬间增大，然而控制系统电压环对于占空比D的调节速度受限于截止频率和线路延迟，所以电压调节器的输出在切换瞬间仍维持切换前的大小，并且保持一定的时间，直到通过调节器恢复到正常值。这样，开关晶体管的占空比以及变压器次级电压的占空比也会在切换后保持一段时间，因此切换时次级电压通过滤波后，就会在电源输出电压上产生瞬间的尖锋。

切换过程中输出电压的实测波形如图5(A)及图5(B)所示。图中波形是在初级直流/直流变换器CON为移相全桥拓扑，输出为48V、5A负载条件下测得的，其中图5(B)是将图5(A)在时间轴上放大后的波形。通道2为48V输出电压信号，通道3为切换信号，为保证电源输出电压的保持时间满足要求(一般为21ms)，切换信号的保持时间也应当设置合理。由图5(A)、(B)图中可以清楚地看到切换时在电源输出上产生了大约320mV的电压尖锋。

通常，切换附加整流电路时，在输出电压上产生的电压尖锋要求在一定的范围之内。但现有技术的服务器电源供应器则因电压调节器的调节速度受限于截止频率和线路延迟，造成切换初期的输出电压出现电压尖锋问题，而影响服务器电源供应器的电源输出品质，产生不可预期的一些问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一前回馈电路，以降低因切换而产生的电压尖锋。

本发明的另一目的为，提供一简单的前回馈电路，以低成本达到降低因切换而产生的电压尖锋的目的。

本发明的再一目的为，提供一具有前回馈电路的电源供应器，以改善电源供应器的电源输出品质。

根据以上所述之目的，本发明揭露了一种具有前回馈电路的电源供应器，包含有一电源供应器及一前回馈电路。而此电源供应器，包含一变压器、一切换器、一整流电路及一滤波器。在切换器接收一切换信号时进行切换动作以改变变压器的匝比，而前回馈电路，也同时直接接收切换信号，以送出一前回馈信号耦合至电源供应器的一回馈线路，以抑制电源供应器的输出电压因匝比改变而造成的电压尖锋。

因此，相较于现有技术的具有电压保持电路的电源供应器于切换时，会造成一电压尖锋，而影响输出电压的品质，并增加负载端电器发生故障的风险。本发明可以利用一前回馈电路，此前回馈电路可以是简单的微分器，因此可以以低成本达到降低因切换而产生的电压尖锋的大小及改善电源供应器的电源输出品质。

附图说明

图1为具有电压保持电路的电源供应器的电路示意图；

图2为电压保持电路工作时的电压波形示意图；

图3(A)及图3(B)为在输出电压为12V的服务器电源上实际测得的电压保持电路工作波形；

图4为说明电压保持电路中切换信号、电压调节器以及输出电压的时间关系示意图；

图5(A)及图5(B)为在输出为48V、5A负载条件下实际测得的电压保持电路工作波形；

图6为本发明系统的控制原理的示意图；

图7为根据本发明的电路拓扑图之示意图；

图8为说明加入本发明的前回馈电路后，电压保持电路中切换信号、电压调节器以及输出电压的时间关系示意图；

图9(A)及图9(B)为在与图5(A)及图5(B)相同条件下，加入本发明的前回馈电路后实际测得的电压保持电路工作波形；

图10为本发明前回馈电路的一较佳实施例的示意图；以及

图11为本发明前回馈电路的另一较佳实施例的示意图。

具体实施方式

本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例施行，且本发明的范围不受限定，其以之后的专利范围为准。

再者，为提供更清楚的描述及更易理解本发明，图式内各部分并没有依照其相对尺寸绘图，某些尺寸与其它相关尺度相比已经被夸张；不相关的细节部分也未完全绘出，以求图式的简洁。

由以上叙述可以知道，如果在附加整流电路切换的时候，能够对应地改变控制环路中电压调节器的输出，使变压器初级直流/直流变换器中功率开关晶体管的占空比迅速随之调整，切换的时间点和占空比调整时间点之间的时间延迟变短，使输出电压随之迅速调整，那么，就可以有效抑制输出电压尖锋。

基于上述本发明的基本精神，本发明采用了前回馈(feed forward)的方式来实现这一目的。前回馈即是直接将切换信号提取出来，再将这切换信号转换成一前回馈信号(例如：切换信号的微分量)送入电压环路的回馈线路上。如此，在切换信号将附加整流电路切换进主整流电路的同时，切换信号的微分量也输入到电压环路的回馈线路上，使得电压调节器能够更快的调节开关晶体管的占空比，切换稳定后，前回馈信号环节作用消失。所以采用这样的方法后，只是改善电源供应器系统在切换时的动态特性，并不影响切换前后电源供应器系统的静态特性，而且所需的前回馈电路十分简单。

图6说明了本发明整个系统的控制原理。在图中，Vref为电压环路给定值，G₁(S)为电压调节器(voltageregulator)的传递函数，由电压调节器传递了调整电压值Vc至脉波宽度调变环节，K₁为脉波宽度调变环节传递函数，由脉波宽度调变环节传递了修正量δ至直流/直流变换器，K₂V_i为直流/直流变换器的传递函数，1/N和1/N’表示整流电路切换前和切换后变压器的传递函数，1/(S²LC+1)为输出滤波电路的传递函数，K_B为回馈网络的传递函数，虚框内的部分为前回馈控制部分，其中G₂(S)为前回馈电路的传递函数。因此，切换信号透过前回馈电路直接送到电压调节器，可较现有技术中的回馈网络更快传递信号回电压调节器，使调节速率加快而降低输出电压在切换时产生电压尖锋的大小。

图7为根据本发明的电路拓扑图。利用一切换信号(switch signal)同时输出到切换器和前回馈信号产生器，使前回馈信号产生器接收到切换信号后产生一前回馈信号经回馈网络线路到电压调整器上，使电压调整器产生一修正量给直流/直流变换器。切换信号产生器与前回馈信号产生器可以是以隔离或非隔离的耦合方式来连接，其中切换信号产生器在大容量电容上的电压低于某一设定值时产生切换信号。相较于现有技术中，切换信号仅输出到切换器，使附加整流器参与电压变换，然后再经过输出滤波器后，透过回馈网络到电压调节器线路上，本发明仅需将切换信号同时输出到前回馈信号产生器，就可以将切换的信号反映到回馈网络线路上，因此电压调整的速率可以更为迅速。

加入前回馈电路后，控制系统对变压器初级功率开关晶体管占空比的调节特性可以以图8来说明。在图8，前回馈信号Vg2代表切换信号的微分量。从图8中可以看出，由于在切换瞬间，前回馈信号Vg2补偿到了回馈网络中，使得绕组切换对系统输出的干扰得到迅速抑制。与图4所示相比较，采用前回馈方法后，在其它条件相同情况下，切换瞬间系统对变压器次级电压占空比的调节速度变快了。图9(A)及图9(B)是加入前回馈电路后，在图5(A)及图5(B)同样条件下实际测得的输出电压波形，图9(B)是将图9(A)信号在时间轴上放大后的波形。由图9(A)、(B)中可以清楚地看到切换时在电源输出上产生了大约120mV的电压尖锋，与图5(A)及图5(B)相比较，电源输出电压的尖锋明显得到抑制。

一般的回馈电路或信号发生器经适当的调整即可作为本发明的前回馈电路(即图7中的前回馈信号产生器)来达到有效抑制输出电压尖锋的目的。例如：可以微分器来作为本发明的前回馈电路。图10为本发明的一较佳实施例的拓扑图，电源供应器未绘出。在图中，前回馈电路为包含有电阻R1和R2、二极管D以及电容C的微分器。如此，切换信号可转换成一脉冲信号回馈到电压调整器。而本发明的前回馈电路和切换信号产生器之间可以采用隔离或非隔离的方式，即以直接连接或以间接的耦合方式来达成。隔离的方式诸如：增加变压器于其间或以光耦合方式。在电源供应器方面，可以采用目前已知的电源供应器而不需另外加以调整。因此，本发明的前回馈电路十分简单，且可有效抑制切换时在电源输出上产生电压尖锋的方法。

图11为本发明的使用微分器作为前回馈电路的另一较佳实施例的拓扑图，相同地未绘出电源供应器。前回馈电路包含了电阻R1及电容C所构成的微分器。图11所示的前回馈电路也十分简单，且可有效抑制切换时在电源输出上产生电压尖锋的电路。

综合上述，本发明揭露了一种具有前回馈电路之电源供应器，包含有一电源供应器及一前回馈电路。而此电源供应器，包含一变压器、一切换器、一整流电路及一滤波器。在切换器接收一切换信号时进行切换动作以改变变压器的匝比，而前回馈电路，也同时直接接收切换信号，以送出一前回馈信号耦合至电源供应器之一回馈线路，以抑制电源供应器之输出电压因匝比改变而造成的电压尖锋。

因此，相较于现有技术的具有电压保持电路的电源供应器于切换时，会造成一电压尖锋，而影响输出电压的品质，并增加负载端电器发生错误的风险。本发明可以利用一前回馈电路，此前回馈电路可以是简单的微分器，因此可以以低成本达到降低因切换而产生的电压尖锋之大小及改善电源供应器的电源输出品质。

以上所述仅为本发明之较佳实施例而已，并非用以限定本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，包含：

一切换信号产生器，用以产生一切换信号；

一切换器，接收该切换信号以进行切换动作；

一变压器，用以变换一高频脉冲电压为一输出电压，包含一初级线圈及一次级线圈，该初级线圈的初级线圈数与该次级线圈其中之一的线圈数的匝比根据该切换信号而改变，其中该高频脉冲电压，是利用与储存电能的大容量电容相连的直流/直流变换器将直流电压加以变换而产生；

一前回馈电路，直接接收该切换信号，以送出一前回馈信号耦合至该电源供应器的一回馈线路，以抑制该电源供应器的该输出电压因该匝比改变而造成的一电压尖锋，其中耦合至该回馈线路的该前回馈信号，供电压调整器调节直流/直流变换器中功率开关晶体管的占空比；

一整流电路，连接该次级线圈，以整流该输出电压。

2.如权利要求1所述的具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，所述的次级线圈包含：

一第一次级线圈；以及

一第二次级线圈，其中，当该切换器未接收该切换信号时，该变压器的该匝比为该初级线圈数与该第一次级线圈数的比，当该切换器接收该切换信号时，该变压器的该匝比变为该初级线圈数与该第一次级线圈数加该第二次级线圈数的比。

3.如权利要求2所述的具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，所述整流电路包含一第一整流器及一第二整流器，当切换器未接收该切换信号时，以该第一整流器整流该输出电压，当切换器接收该切换信号时，以该第二整流器整流该输出电压。

4.如权利要求1所述的具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，所述的切换器为MOS晶体管。

5.如权利要求1所述的具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，所述的前回馈电路为一微分器。

6.如权利要求5所述的具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，所述的微分器包含一电容、一二极管及两电阻。

7.如权利要求5所述的具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，所述微分器包含一电容及一电阻。

8.如权利要求1所述的具有前回馈电路的电源供应器，其特征在于，所述切换信号产生器于该切换信号产生器的一输入电压小于一预定电压时，产生该切换信号。

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