CN101604904B - 可提升轻载效率的交换式电源供应器 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种可提升轻载效率的交换式电源供应器，所述的电源供应器包括一交换式电源电路、一功率监控电路及一轻载供电电路，其中该交换式电源电路依据负载的电压变化将交流电源转换为一稳定直流电源后予负载，若该功率监控电路检测交流电源功率并判断负载处于轻载状态，该功率监控电路即控制轻载供电电路输出小功率直流电源予轻载状态下的负载，由于该轻载供电电路提供的直流电源功率小，因此在负载处于轻载状态时所产生的切换损失比例亦较低，而得以提高轻载状态时的运作效率。

Description

可提升轻载效率的交换式电源供应器

技术领域

本发明关于一种交换式电源供应器，尤指一种可提升轻载效率的交换式电源供应器。

背景技术

由于市电通常是交流电源，而计算机上的组件所需的工作电源通常是直流电源，因此一般计算机均必须透过一电源供应器电连接市电。

请参阅图6所示，既有的电源供应器包括一交直流转换单元81和一直流转直流转换器82，其中该交直流转换单元81电连接市电以取得交流电源，并将取得的交流电源转换为直流电源后输出，而该直流转直流转换器82则电连接该交直流转换单元81以取得其输出的直流电源，并将此直流电源进一步转换为负载用直流电源后提供予负载90。

目前一般常见的交直流转换单元81包括一整流器和一升压式功率因数校正(power factor correction，简称PFC)电路，其除了将交流电源转换为与交流电源同相的直流电源之外，并可将直流电源升压，例如升至380伏特，而该直流转直流转换器82则对应采用降压电路，以将经该交直流转换单元81升压的直流电源降压至负载90可使用的电压准位后输出予负载90，且该直流转直流转换器82可采用反驰式(flyback)转换器、顺向式(forward)转换器或推挽式(push-pull)转换器，其主要通过操作其内一功率晶体管的开与关，来控制整体的转换效率。

由于该功率晶体管的源极和漏极上的跨压即是该交直流转换单元81所输出直流电源的电压，因此当切换该功率晶体管的开与关时，其源极和漏极上的跨压以及流经的电流即构成切换时所造成的损失；惟若负载90处于中、重载状态时，由于输出予负载90的整体功率大，因此切换损失相较于输出功 率所占的比例较小，整体的运作效率尚佳。

然若负载90处于轻载状态时，则由于输出功率较小，因此切换损失加上其它维持基本电路运作的损耗相较于输出功率所占的比例则明显较高，如此一来，即使得电源供应器的整体运作效率下降。是以，仍有待进一步检讨，并谋求可行的解决方案。

发明内容

为提高电源供应器的整体运作效率，本发明的主要目的在提供一种可提升轻载效率的交换式电源供应器，其通过提供轻载时专用的小功率轻载供电电路，以达到提升轻载效率的目的。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述交换式电源供应器包括：

一交换式电源电路，包括一整流单元、一功率因数校正单元和一第一直流转直流转换器，其中该整流单元对交流电源整流；该功率因数校正单元连接该整流单元，以进行功率因数校正并输出高压直流电源；而该第一直流转直流转换器连接该功率因数校正单元，供将该功率因数校正单元所输出的直流电源降压后输出予负载；

一功率监控电路，连接交流电源及该第一直流转直流转换器，又该功率监控电路检知交流电源功率，以判断负载处于中重载或轻载状态，当判断为中重载时，控制该第一直流转直流转换器运作，以将该功率因数校正单元所输出的直流电源降压后输出予负载，反之则令该第一直流转直流转换器停止输出直流电源予负载；

一轻载供电电路，包括一充电电路、一电池和一第二直流转直流转换器，其中该充电电路连接该功率因数校正单元和该功率监控电路，当该功率监控电路判断负载处于中重载时，该充电电路即受该功率监控电路控制而运作，将功率因数校正单元的直流电源转换为一充电电源，当该功率监控电路判断负载处于轻载时，该充电电路受该功率监控电路控制而停止运作；该电池连 接该充电电路，以由该充电电路充电；而该第二直流转直流转换器连接该功率监控电路、电池和负载，当该功率监控电路判断负载处于轻载时，该第二直流转直流转换器受该功率监控电路控制而运作，将电池所输出的直流电源提供予负载。

利用上述技术手段，由于该轻载供电电路的电池的跨压较小，因此在负载处于轻载状态时，该轻载供电电路的第二直流转直流转换器在切换时所产生的损失比例相较于输出予负载的功率的比例相对地下降，因而得以提高该交换式电源供应器于轻载状态时的运作效率。

附图说明

图1是本发明的功能方块图。

图2是本发明一较佳实施例的电路图。

图3是本发明一较佳实施例的电源异常转换程序的流程图。

图4是本发明一较佳实施例的电源供应控制程序的流程图。

图5是本发明一较佳实施例的蓄电量检测程序的流程图。

图6是既有电源供应器的功能方块图。

附图标号：

10 交换式电源电路

11 整流单元

12 功率因数校正单元

121 功率因数校正控制器

13 第一直流转直流转换器

131 变压器

132 第一脉宽调变控制器

133 光耦合器

20 功率监控电路

21 交流电检测电路

211电流取样单元

212电压取样单元

22控制单元

30轻载供电电路

31充电电路

311变压器

312第二脉宽调变控制器

32电池

33第二直流转直流转换器

331第三脉宽调变控制器

40负载

81交直流转换单元

82直流转直流转换器

90负载

具体实施方式

关于本发明的一较佳实施例，请参阅图1所示，包括一交换式电源电路10、一功率监控电路20以及一轻载供电电路30。

请配合参阅图2所示，上述交换式电源电路10包括：

一整流单元11，供连接一交流电源(例如市电)并加以整流，于本实施例中为一全波整流器；

一功率因数校正单元12，连接该整流单元11，以进行功率因数校正并输出高压直流电源，于本实施例中，该功率因数校正单元12由一电感L1、一二极管D1、一滤波电容C1、一第一主动开关S1以及一功率因数校正控制器121构成，该功率因数校正单元12依该功率因数校正控制器121控制该第一主动开关S1的导通时间，而控制改变该功率因数校正单元12所输出的直流电源电压准位，又该功率因数校正控制器121透过一分压器R1/R2连接该滤 波电容C1以及连接一与该全波整流器11连接的第一检流电阻RS1，以取得电源回路的电压及电流，而据以对该整流单元11输出的直流电源进行功率因数校正；

一第一直流转直流转换器13，电连接该功率因数校正单元12，以将该功率因数校正单元12所输出的直流电源降压后输出予负载40；又该第一直流转直流转换器13可为一反驰式(flyback)转换器、顺向式(forward)转换器或推挽式(push-pull)转换器，于本实施例中，其为一顺向式转换器，该顺向式转换器包含有一变压器131、一第二主动开关S2、一第一脉宽调变控制器132及一滤波电容C2，其中该第二主动开关S2电连接该变压器131的一次侧，该第一脉宽调变控制器132电连接并控制该第二主动开关S2，而该滤波电容C2电连接该变压器131的二次侧；又该第一脉宽调变控制器132进一步透过一光耦合器133电连接该滤波电容C2，以得知负载40的电压准位变化，如此一来，该第一脉宽调变控制器132即可配合负载40上电压准位的变化，而通过调整该第二主动开关S2的导通时间，达到使提供给负载40的直流电源电压准位维持稳定的目的。

上述功率监控电路20连接该交流电源及该第一直流转直流转换器13，又该功率监控电路20检知交流电源功率，以判断负载40处于中重载或轻载状态，当检测到负载40处于中重载时，该功率监控电路20即控制该第一直流转直流转换器13运作，以输出降压后的直流电源予负载40；于本实施例中，该功率监控电路20包括：

一交流电检测电路21，连接于交流电源和该整流单元11之间，以取得所输入的交流电源大小；于本实施例中，该交流电检测电路21包括一电流取样单元211和一电压取样单元212，其中该电流取样单元211可为串联电阻或为一比流器，其可取得所输入的交流电源的电流信号，而该电压取样单元212则为两条跨接交流电源的导线和一全波整流器，以取得所输入的交流电源的电压准位信号；

一控制单元22，连接该第一脉宽调变控制器132和该交流电检测电路21，以检知该负载40的状态，当判断负载40处于中重载状态时，该控制单元22即发出致能信号予该第一直流转直流转换器13的第一脉宽调变控制器132，以输出直流电源予负载40。

上述轻载供电电路30包括：

一充电电路31，连接该功率因数校正单元12和该功率监控电路20的控制单元22，当该功率监控电路20判断负载40处于中重载时，该充电电路31即受该功率监控电路20控制而运作，以将功率因数校正单元12的直流电源转换为一充电电源，当该功率监控电路20判断负载40处于轻载时，该充电电路31受该功率监控电路20控制而停止运作；又该充电电路31可为一反驰式转换器、顺向式转换器或推挽式转换器，于本实施例中为一反驰式转换器，其包含有一变压器311、一第三主动开关S3、一第二脉宽调变控制器312及一滤波电容C1，其中该变压器311的一次侧连接该功率因数校正单元12的滤波电容C1，该第三主动开关S3连接该变压器311的一次侧，该第二脉宽调变控制器312连接该功率监控电路20的控制单元22和该第三主动开关S3，当该控制单元22判断负载40处于中重载时，即驱动该第二脉宽调变控制器312控制该第三主动开关S3导通，而将功率因数校正单元12的直流电源转换为一充电电源，而该滤波电容C3连接该变压器311的二次侧；

一电池32，连接该功率监控电路20的控制单元22和该充电电路31的滤波电容C3，以取得该充电电路31所输出的直流电源而行蓄电，且可由该控制单元22取得该电池32的电压准位(Vbat)；又上述反驰式转换器如前述顺向式转换器般，透过一光耦合器313得知该电池32的电压准位变化，如此一来，该第二脉宽调变控制器312即可配合电池32上电压准位的变化，而通过调整该第三主动开关S3的导通时间，达到使提供给电池32的直流电源电压准位维持稳定的目的；

一第二直流转直流转换器33，连接该功率监控电路20的控制单元22、 电池32和负载40，当该控制单元22判断负载40处于轻载时，即控制该第二直流转直流转换器33将该电池22所输出的直流电源输出予负载40；于本实施例中，该第二直流转直流转换器33为一降压转换器(buck converter)，其由一第四主动开关S4、一电感L3、一二极管D2、一滤波电容C4以及一第三脉宽调变控制器331组成，该第三脉宽调变控制器331连接该功率监控电路20的控制单元22，当该控制单元22判断负载40处于轻载时，即驱动该第三脉宽调变控制器331控制该第四主动开关S4导通，而将电池32所输出的直流电源输出予负载40。由于电池32的电压较低，故该第四主动开关S4的跨压较该第二主动开关S2的跨压低，因此该第四主动开关S4的切换损失必然较低，而使输出效率提高。

此外，该控制单元22进一步储存有一轻载临界值、一蓄电量临界值、一电源异常转换程序、一电源供应控制程序以及一蓄电量检测程序。

请进一步参阅图3所示，该电源异常转换程序包括下列步骤：

取得交流电源的电压准位(500)；

判断交流电源的电压准位是否为零(501)；

若交流电源的电压准位不为零，则由交换式电源电路持续输出直流电源予负载(502)，持续发出致能信号予该第一直流转直流转换器13的第一脉宽调变控制器132，以输出直流电源予负载40；

持续对轻载供电电路的电池充电(503)，持续发出致能信号予该轻载供电电路30的充电电路31的第二脉宽调变控制器312，令该充电电路31持续运作而对该轻载供电电路30的电池32充电，并重新执行取得交流电源电压准位(500)步骤；

若交流电源的电压准位为零，即控制交换式电源电路停止供电予负载(504)，停止发出致能信号予该第一直流转直流转换器13的第一脉宽调变控制器132；

停止对轻载供电电路的电池充电(505)，停止发出致能信号予该轻载供电电路30的充电电路31的第二脉宽调变控制器312，令该充电电路31停止该电池32充电；

控制轻载供电电路供电予负载(506)，发出致能信号予该第二直流转直流转换器33的第三脉宽调变控制器331，使第三脉宽调变控制器331开始控制该第四主动开关S4导通，进而由电池32供电予负载40。

请进一步参阅图4所示，该电源供应控制程序包括下列步骤：

取得交流电源的输入电流(600)，透过该交流电检测电路21的电流取样单元211取得交流电源的输入电流信号；

判断负载是否处于轻载状态(601)，比对该交流电源的输入电流信号和轻载临界值，若该交流电源的输入电流信号不小于该轻载临界值时，则表示负载处于重载或中载状态，因此再次进行“取得交流电源的输入电流”(600)步骤，反之则继续进行下列步骤；

停止对负载放电(602)，停止发出致能信号予该交换式电源电路10的第一直流转直流转换器13的第一脉宽调变控制器132，而停止对负载40放电；

停止对轻载供电电路的电池充电(603)，停止发出致能信号予该轻载供电电路30的充电电路31的第二脉宽调变控制器312；

控制轻载供电电路输出直流电源予负载(604)，发出致能信号予该轻载供电电路30的第二直流转直流转换器33的第三脉宽调变控制器331，令该第二直流转直流转换器33开始将电池32的直流电源输出予负载40。

请进一步参阅图5所示，该蓄电量检测程序包括下列步骤：

取得轻载供电电路的电池的蓄电量(700)；

判断轻载供电电路的电池的蓄电量是否充足(701)，比对该电池32的电压准位Vbat和蓄电量临界值，若该电池32的电压准位不小于该蓄电量临界值，则表示电池32的电量仍充足，因此再进行“取得轻载供电电路的电池的蓄电量”(700)步骤，反之则继续进行下列步骤；

控制轻载供电电路停止供电予负载(702)，停止发出致能信号予该第二直 流转直流转换器33的第三脉宽调变控制器331，使第三脉宽调变控制器331停止控制该第四主动开关S4导通，进而不再由电池32供电予负载40；

控制交换式电源电路输出直流电源予负载(703)，发出致能信号予该第一直流转直流转换器13的第一脉宽调变控制器132，以输出直流电源予负载40；

控制对轻载供电电路的电池充电(704)，发出致能信号予该轻载供电电路30的充电电路31的第二脉宽调变控制器312，令该充电电路31运作而对该轻载供电电路30的电池32充电，直至将轻载供电电路的电池的蓄电量充饱(705)后结束(706)此流程。

由上述可知，当负载40处于重载或中载状态时，即由交流电源提供负载40所需的功率，因此交流电源将经由该交换式电源电路10处理后输出予负载40，且该交换式电源电路10亦一并对该轻载供电电路30的电池32充电，使该轻载供电电路30的电池32保持充饱电的状态；当负载40处于轻载状态时，则该功率监控电路20可据以侦知，并令该交换式电源电路10停止输出直流电源予负载40，改由该轻载供电电路30的电池32提供直流电源予负载40，是以，由于该轻载供电电路30所提供的直流电源由电池32提供，因此该第四主动开关S4的跨压较该第二主动开关S2的跨压低，如此一来，当负载40处于轻载状态时所产生的切换损失比例亦较低，因此可提高轻载状态时的运作效率。

此外，当交流电源来源不正常时，例如停电，本发明亦可切换由该轻载供电电路30提供直流电源予负载40，而达到提供紧急用电的效果；再者，若轻载供电电路30的电池32的蓄电量不足，则本发明将会再切换由交流电源透过该交换式电源电路10供电予负载40。

惟本发明虽已于前述实施例中所揭露，但并不仅限于前述实施例中所提及的内容，在不脱离本发明的精神和范围内所作的任何变化与修改，均属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的电源供应器包括：

一交换式电源电路，包括一整流单元、一功率因数校正单元和一第一直流转直流转换器，其中所述的整流单元对交流电源整流；所述的功率因数校正单元连接所述的整流单元，以进行功率因数校正并输出高压直流电源；而所述的第一直流转直流转换器连接所述的功率因数校正单元，由所述的第一直流转直流转换器将所述的功率因数校正单元所输出的直流电源降压后输出予负载；

一功率监控电路，连接交流电源及所述的第一直流转直流转换器，又所述的功率监控电路检知交流电源功率，以判断负载处于中重载或轻载状态，当判断为中重载时，控制所述的第一直流转直流转换器运作，以将所述的功率因数校正单元所输出的直流电源降压后输出予负载，当判断负载处于轻载时，则令所述的第一直流转直流转换器停止输出直流电源予负载；

一轻载供电电路，包括一充电电路、一电池和一第二直流转直流转换器，其中所述的充电电路连接所述的功率因数校正单元和所述的功率监控电路，当所述的功率监控电路判断负载处于中重载时，所述的充电电路即受所述的功率监控电路控制而运作，将功率因数校正单元的直流电源转换为一充电电源，当所述的功率监控电路判断负载处于轻载时，所述的充电电路受所述的功率监控电路控制而停止运作；所述的电池连接所述的充电电路，以由所述的充电电路充电；而所述的第二直流转直流转换器连接所述的功率监控电路、电池和负载，当所述的功率监控电路判断负载处于轻载时，所述的第二直流转直流转换器受所述的功率监控电路控制而运作，将电池所输出的直流电源提供予负载。

2.如权利要求1所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的充电电路至少包括一变压器、一第三主动开关、一第二脉宽调变控制器及一滤波电容，其中所述的第二脉宽调变控制器连接所述的功率监控电路，以由所述的功率监控电路发出致能信号令所述的第二脉宽调变控制器运作，进而带动充电电路运作而对电池充电。

3.如权利要求2所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的第二脉宽调变控制器先连接一光耦合器后再连接所述的充电电路的滤波电容，以得知所述的电池的电压准位变化，使所述的第二脉宽调变控制器通过调整所述的第三主动开关的导通时间，以使提供给电池的直流电源电压准位维持稳定。

4.如权利要求2所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的充电电路可为一反驰式转换器、顺向式转换器或推挽式转换器。

5.如权利要求1所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的第二直流转直流转换器为一降压转换器，其至少包括一第四主动开关、一电感、一二极管、一滤波电容以及一第三脉宽调变控制器，且所述的第三脉宽调变控制器连接所述的功率监控电路，当所述的功率监控电路发出致能信号予所述的第三脉宽调变控制器时，所述的第三脉宽调变控制器即控制所述的第四主动开关导通，而使电池输出直流电源予负载。

6.如权利要求1至5中任一项所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的功率监控电路包括：

一交流电检测电路，连接于交流电源和所述的整流单元之间；及

一控制单元，连接所述的第一直流转直流转换器的第一脉宽调变控制器、所述的轻载供电电路的第二脉宽调变控制器、电池和第二直流转直流转换器以及所述的交流电检测电路，以透过所述的交流电检测电路检测负载状态，又所述的控制单元储存有一电源供应控制程序，当负载处于中重载状态时，即由所述的控制单元控制所述的第一直流转直流转换器输出直流电源予负载，当负载处于轻载状态时，则由所述的控制单元控制所述的第一直流转直流转换器停止对所述的负载输出直流电源，改由轻载供电电路的电池对负载供电，并停止对所述的轻载供电电路的电池充电。

7.如权利要求6所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的控制单元进一步储存有一轻载临界值，而所述的电源供应控制程序包括下列步骤：

取得交流电源的输入电流，透过所述的交流电检测电路取得交流电源的输入电流信号；

判断负载是否处于轻载状态，比对所述的交流电源的输入电流信号和轻载临界值，若所述的交流电源的输入电流信号不小于所述的轻载临界值时，则表示负载处于重载或中载状态，因此再次进行所述的取得交流电源的输入电流的步骤，若所述的交流电源的输入电流信号小于所述的轻载临界值时，则继续进行下列步骤；

停止对负载放电，控制第一直流转直流转换器停止对负载放电；

停止对轻载供电电路的电池充电，控制所述的轻载供电电路的充电电路停止对电池充电；

控制轻载供电电路输出直流电源予负载，控制所述的轻载供电电路的第二直流转直流转换器将电池的直流电源输出予负载。

8.如权利要求7所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的控制单元进一步储存一蓄电量临界值和一蓄电量检测程序，所述的蓄电量检测程序包括下列步骤：

取得轻载供电电路的电池的蓄电量；

判断轻载供电电路的电池的蓄电量是否充足，比对所述的电池的电压准位和蓄电量临界值，若所述的电池的电压准位不小于所述的蓄电量临界值，则表示电池的电量仍充足，因此再进行所述的取得轻载供电电路的电池的蓄电量的步骤，若所述的电池的电压准位小于所述的蓄电量临界值，则继续进行下列步骤；

控制轻载供电电路停止供电予负载，控制所述的第二直流转直流转换器不再将电池的直流电源提供予负载；

控制交换式电源电路输出直流电源予负载，控制所述的第一直流转直流转换器输出直流电源予负载；

控制对轻载供电电路的电池充电，控制所述的轻载供电电路的充电电路对电池充电，直至将轻载供电电路的电池的蓄电量充饱后结束所述的蓄电量检测程序。

9.如权利要求7所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的控制单元进一步储存一电源异常转换程序，其包括下列步骤：

取得交流电源的电压准位；

判断交流电源的电压准位是否为零；

若交流电源的电压准位不为零，则由交换式电源电路持续输出直流电源予负载，控制所述的第一直流转直流转换器持续输出直流电源予负载；

持续对轻载供电电路的电池充电，控制所述的轻载供电电路的充电电路持续对所述的电池充电，并重新执行所述的取得交流电源的电压准位的步骤；

若交流电源的电压准位为零，即控制交换式电源电路停止供电予负载，控制所述的第一直流转直流转换器停止输出直流电源予负载；

停止对轻载供电电路的电池充电，控制所述的轻载供电电路的充电电路停止电池充电；

控制轻载供电电路供电予负载，控制所述的第二直流转直流转换器将电池的直流电源提供予负载。

10.如权利要求8所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的控制单元进一步储存一电源异常转换程序，其包括下列步骤：

取得交流电源的电压准位；

判断交流电源的电压准位是否为零；

若交流电源的电压准位不为零，则由交换式电源电路持续输出直流电源予负载，控制所述的第一直流转直流转换器持续输出直流电源予负载；

持续对轻载供电电路的电池充电，控制所述的轻载供电电路的充电电路持续对所述的电池充电，并重新执行“取得交流电源的电压准位”步骤；

若交流电源的电压准位为零，即控制交换式电源电路停止供电予负载，控制所述的第一直流转直流转换器停止输出直流电源予负载；

停止对轻载供电电路的电池充电，控制所述的轻载供电电路的充电电路停止电池充电；

控制轻载供电电路供电予负载，控制所述的第二直流转直流转换器将电池的直流电源提供予负载。

11.如权利要求9所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的交流电检测电路包括一电流取样单元和一电压取样单元，其中所述的电流取样单元取得所输入的交流电源的电流信号，而所述的电压取样单元取得所输入的交流电源的电压准位信号。

12.如权利要求10所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的交流电检测电路包括一电流取样单元和一电压取样单元，其中所述的电流取样单元取得所输入的交流电源的电流信号，而所述的电压取样单元取得所输入的交流电源的电压准位信号。

13.如权利要求11所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的电流取样单元可为串联电阻或为一比流器。

14.如权利要求12所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的电流取样单元可为串联电阻或为一比流器。

15.如权利要求1至5中任一项所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的功率因数校正单元至少包括一电感、一二极管、一滤波电容、一第一主动开关以及一功率因数校正控制器。

16.如权利要求1至5中任一项所述的可提升轻载效率的交换式电源供应器，其特征在于，所述的第一直流转直流转换器为一反驰式转换器、顺向式转换器或推挽式转换器。

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