CN102457193A - 具有单级转换器的电源供应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源供应器。该电源供应器包含单级转换器，用以完成功率因子校正以减少输入电流中的高频谐波，完成共振转换以实现零电流或零电压切换的电源转换。本发明的电源供应器的单级转换器由一开关电路、一共振电路、一功率控制电路及一方波产生器组成。开关电路包含至少一个控制开关，而共振电路为一LLC共振槽。功率控制电路可由一比例差值电路实现，例如由一功率放大器以负反馈的方式实现，其比较输入电流感测信号与使用者输入所想要的功率电平来产生一频率调制控制信号，借此使得方波产生器能够产生用来控制开关切换的驱动信号。

Description

具有单级转换器的电源供应器
技术领域
本发明涉及一种电源供应器，尤其涉及一种具有可完成功率因子校正与共振转换的单级转换器的电源供应器。
背景技术
传统的高电压电源供应器通常会用采用双级转换器来将一输入电压转换成一输出电压。如图1所示，该电源供应器100用来将一交流电压Vin转换成一输出电压Vo，包含一桥式整流器120、一功率因子校正转换器(powerfactor correction converter)140、一共振转换器(resonant converter)160、一变压器T100、以及一输出电容器C100，其中输出电压Vo用来电源驱动负载Z100。桥式整流器120用来将交流电压Vin整流成一个全波整流的直流电压。功率因子校正转换器140连接至桥式整流器120的输出端，包括升压电感器Ls、控制开关S100、二极管D100、滤波电容器Cs，其中升压电感器Ls用来储存桥式整流器120所输出的全波整流的直流电压，根据控制开关S100的开关切换将所储存的能量经由二极管D100传送至滤波电容器Cs。通过滤波电容器Cs的电容性阻抗，输入电流的高频谐波便能够滤除而增进输入电压Vin的功率因子。共振转换器160连接于功率因子校正转换器140的输出端，其包括控制开关S102，S104、滤波电容器C1，C2、共振电感器Lr、共振电容器Cs，Cp。共振电感器Lr、共振电容器Cs，Cp所组成的共振槽(resonanttank)，用来产生共振，以便驱动控制开关S102及S104在共振槽的电压或电流值为零时进行开关切换，以降低切换损失而完成电压转换，使得交流电压Vin的能量能够传递到变压器的初级侧。变压器T100包含初级侧绕组Np100以及次级侧绕组Ns100，其中初级侧绕组Np100用来将共振转换器160所传送的交流电压Vin的能量储存，根据控制开关S102及S104的开关切换将所储存的能量传送至次级侧绕组Ns100，借此在次级侧绕组Ns100上感应生成一电压。所生成的电压经由输出电容器C100输出给负载Z100，借此电源驱动负载Z100。
图1所示乃是传统采用双级转换器所组成的电源供应器，其中第一级转换器由功率因子校正转换器140所组成而第二级转换器由共振转换器160所组成。由于图1的电源供应器电源转换效率为第一级转换器的电源转换效率与第二级转换器的电源转换效率相乘而得，图1的电源供应器电源转换效率就会降低。此外，由于采用双级转换器来完成电源供应器的电压转换，电源供应器的元件数目会增加，进而导致成本上升和增加功率损失。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种电源供应器，具有单级转换器以完成功率因子校正与共振转换，以降低功率损失，降低制造成本和缩减元件数目。
为了实现此目的，本发明提出一种电源供应器，具有单级转换器，连接至一输入电压且具有一开关电路，用以根据该开关电路的开关切换传递该输入电压的能量，以及一变压器，连接至该单级转换器且具有一初级侧及一次级侧，用以储存该单级转换器所传递的能量于该初级侧，根据该开关电路的开关切换将所储存的能量传送至该次级侧，借此产生该输出电压。该单级转换器可包括一共振电路，该共振电路连接于该开关电路以及该变压器的初级侧之间，用以产生共振以将该输入电压的能量传送至该变压器的初级侧。该单级转换器更包含一功率控制电路，用以比较感测该电源供应器的一输入电流所产生的一输入电流感测信号与一功率电平控制输入来产生一频率调制控制信号，该频率调制控制信号用作该电源供应器的输出功率控制及该输入电流的谐波控制，以及一方波产生器，连接至该功率控制电路，依据该频率调制控制信号产生用来驱动该开关电路运行的一驱动信号，且该驱动信号的频率随着该频率调制控制信号变化，借此消除该电源供应器的该输入电流的谐波噪声以及调整该开关电路的切换频率，调节该电源供应器的输出功率。
本发明还提供一种电源供应器，用以将一输入电压转换成一输出电压，其包含：一单级转换器，接收该输入电压且具有一开关电路，用以根据该开关电路的开关切换传递该输入电压的能量；以及一变压器，连接至该单级转换器且具有一初级侧及一次级侧，用以储存该单级转换器所传递的能量于该初级侧，根据该开关电路的开关切换将所储存的能量传送至该次级侧，借此产生该输出电压；其中该单级转换器更包含一共振电路，该共振电路连接于该开关电路以及该变压器的初级侧之间，用以产生共振以将该输入电压的能量传送至该变压器的初级侧；以及一功率控制电路，电连接于该开关电路，用以调节该开关电路的开关切换以消除该电源供应器的输入电流的谐波噪声。
本发明的电源供应器具有较少的元件、较低的制造成本和较佳的电源转换效率。
附图说明
图1显示公知采用双级转换器的电源供应器的电路方框图；
图2显示本发明采用单级转换器的电源供应器的一第一实施例的电路方框图；
图3显示一实施例的功率控制电路的电路图；
图4A-图4H显示本发明一实施例的电源供应器的节点上所测量到的电流波形与电压波形；
图5显示本发明采用单级转换器的电源供应器的第二实施例的电路方框图；
图6显示本发明的采用单级转换器的电源供应器的第三实施例的电路方框图；
图7显示本发明采用单级转换器的电源供应器的第四实施例的电路方框图；以及
图8显示本发明采用单级转换器的电源供应器的第五实施例的电路方框图。
上述附图中的附图标记说明如下：
输入电压：Vin
桥式整流器：120，204
功率因子校正转换器：1401
升压电感器：Ls
控制开关：S100
二极管：D100
滤波电容器：Cs
共振转换器：160
控制开关：S102，S104
滤波电容器：C1，C2
共振电感器：Lr
共振电容器：Cs，Cp
变压器：T100
变压器T100的初级侧绕组：Np100
变压器T100的次级侧绕组：Ns100
输出电容器：C100，C200
负载：Z100，Z200
滤波电感器：206
滤波电容器：212
电流感测器：230
开关电路：208
高压侧开关：2081
低压侧开关：2082
LLC共振槽：213
共振电感器：Ls1，Lm
共振电容器：Cs1
变压器：T200
变压器T200的初级侧绕组：Np200
变压器T200的次级侧绕组：Ns200
功率控制电路：250
方波产生器：260
功率放大器：302
逆向电流阻隔电路：304
输出电压稳压电路：502
整流二极管：D602，D604
直流-直流降压转换器：702
维持时间延长电路：802
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
图2显示本发明的一第一实施例的电源供应器200的电路方框图。需注意的是在本份说明书中，相似的元件以相同的元件编号来表示。在图2中，一输入交流电压Vin提供至电源供应器的输入端。电源供应器200组态设定为将交流电压Vin转换成输出电容器C200上的输出电压Vo以电源驱动负载Z200。电源供应器200包含一桥式整流器204，其用来将输入交流电压Vin整流成一全波整流的直流电压。电源供应器200包括一滤波电感器206与滤波电容器212，其构成一滤波电路且连接至桥式整流器204的输出端，以消除输入交流电压Vin的电磁干扰及高频噪声而产生相似于输入交流电压Vin全波整流或半波整流后的波形的直流电压VDC，例如消除大于输入交流电压Vin频率(60Hz)的高频噪声。电源供应器200更包含一电流感测器230，其可为一电流感测电阻器或一电流变压器所组成，以感测输入电流Iin产生对应的输入电流感测信号Va。电源供应器200更包含一开关电路208，由一高压侧开关2081与一低压侧开关2082组成。电源供应器200更包含一变压器T200具有一初级侧绕组Np200及一次级侧绕组Ns200。电源供应器200更包含一LLC共振槽213(电感-电感-电容共振电路，不局限为串联式)，由一第一共振电容器Cs1、一第一共振电感器Ls1以及一第二共振电感器Lm所组成。于本实施例中，第一共振电容器Cs1的一端连接至高压侧开关2081与低压侧开关2082之间的一共同节点，另一端连接至第一共振电感器Ls1的一端。第一共振电感器Ls1的一端连接至第一共振电容器Cs1的另一端，另一端连接至变压器T200的初级侧Np200。第一共振电感器Ls1可为变压器T200的漏电感器而第二共振电感器Lm可为变压器T200的激磁电感器。第一共振电容器Cs1可作用为一直流阻隔电容器以阻止输入交流电压Vin的直流部分输入至变压器T200。LLC共振槽213根据开关电路208的切换来将输入交流电压Vin的能量以共振的方式传送至变压器T200的初级侧Np200。于运行时，开关电路208的高压侧开关2081与低压侧开关2082以交错的方式来进行切换，即切换式的导通或截止，使LLC共振槽213选择性地分别经由高压侧开关2081或低压侧开关2082连接于滤波电感器206或电流感测器230。电源供应器200更包含一功率控制电路250以及方波产生器260且构成一控制电路，其中功率控制电路250接收电流感测器230感测输入电流Iin所产生的输入电流感测信号Va以及一外部功率电平控制输入，以产生一频率调制控制信号306。方波产生器260连接于功率控制电路250以及开关电路208的控制输入端之间，以根据频率调制控制信号306产生用来控制开关电路208切换的驱动信号，且该驱动信号的频率随着频率调制控制信号306变化。由于频率调制控制信号306会随着输入电流感测信号Va及外部功率电平控制输入变化，因此该驱动信号的频率也会随着输入电流感测信号Va及外部功率电平控制输入变化。由于频率调制控制信号306包括了功率控制信息以及由输入电流Iin取样得到类似输入交流电压Vin全波整流后的波形信息(例如将弦波全波整流后的波形)，该频率调制控制信号306可以控制电源供应器200的输出功率及消除输入电流Iin的谐波。因此，功率控制电路250及方波产生器260完成了对输入电压Vin的功率因子校正。与图1的公知电源供应器100相比较，图2的电源供应器200将功率因子校正转换器140与共振转换器160整合在一单级转换器中，其由开关电路208、LLC共振槽213、功率控制电路250及方波产生器260组成。因此，本发明的电源供应器具有较少的元件、较低的制造成本和最佳的电源转换效率。
图3显示功率控制电路250的一电路图。该功率控制电路250由一比例差值电路(比例减法电路)与一逆向电流阻隔电路304组成，其中比例差值电路由一功率放大器302(或运算放大器)、多个电阻器(R31～R35)以及多个电容器(C31～C37)组成，以负反馈(negative feedback)的方式实现。功率放大器302具有一反向输入端以接收电流感测器230所检测到的输入电流感测信号Va，以及一非反向输入端以接收一外部功率电平控制输入。该外部功率电平控制输入为供使用者输入所想要的输出功率的反映数值，例如为直流电压5V时代表使用者所想要的输出功率为100W(瓦)。功率放大器302组态设定为比较反向输入端与非反向输入端的信号，即电流感测器230所检测到的输入电流感测信号Va以及使用者所输入的外部功率电平控制输入，根据比较的结果产生一频率调制控制信号306。换言之，频率调制控制信号306为外部功率电平控制输入与输入电流感测信号Va间的比例差值。功率控制电路250更包含一逆向电流阻隔电路304，其为一非必要的元件且为一二极管所组成，连接于功率放大器302以及方波产生器260之间，用以避免一逆向电流由方波产生器260流向功率放大器302。频率调制控制信号306传送至方波产生器260，借此使得方波产生器260能够根据频率调制控制信号306调整用以驱动开关电路208的驱动信号的切换频率，消除输入电流Iin的谐波噪声。
图4A～图4E显示本发明一实施例的电源供应器的节点上所测量到的电流波形与电压波形，其中图4A为桥式整流器204所输出为输入交流电压Vin全波整流的直流电压经过输入滤波电容器212滤除高频噪声后的直流电压VDC的电压波形，其频率为输入交流电压Vin的频率的一倍或两倍(例如60Hz或120Hz)。图4B为当本发明的功率控制电路250与方波产生器260未应用至电源供应器时，未经过修正的输入电流Iin的电流波形，而图4C为当本发明的功率控制电路250与方波产生器260应用至电源供应器时，经过修正的输入电流Iin的电流波形。由图4B与图4C可看出当本发明的功率控制电路250与方波产生器260应用至电源供应器时，图4B的输入电流的波形会平滑化而趋近如图4A所示的直流电压VDC的波形或输入交流电压Vin全波整流后的波形，而得到如图4C所示一个的类似正弦波全波整流后的波形且高频谐波噪声也会消除。图4F为输入电流感测信号Va的电流波形，其为图4C的经过修正的输入电流Iin取样或衰减后的电流波形。图4G为使用者所输入的功率电平控制输入的波形，其为代表使用者所想要的输出功率的平缓数值，例如为5V时代表使用者所想要的输出功率为100W(瓦)。图4H为功率放大器302所输出的频率调制控制信号306。图4D为高压侧开关2081的驱动信号，而图4E为低压侧开关2082的驱动信号。由图4D与图4E可看出高压侧开关2081与低压侧开关2082可采用互补切换的方式来进行切换运行。此外开关电路208的驱动信号的占空比(duty ratio)为固定不变，例如约为50％，但是高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率则会随着频率调制控制信号306来调整。当直流电压VDC或输入交流电压Vin全波整流后的电压值升高时，高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率对应升高；当直流电压VDC或输入交流电压Vin全波整流后的电压值降低时，高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率对应降低，因此交流-直流转换器的功率输出除了可通过使用者输入所想要的功率电平来调整高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率以达到输出功率调节的目的外，更可以实现调整或消除输入电流Iin的谐波的目的。
图5显示本发明第二实施例的电源供应器500的电路方框图。与图2的第一实施例相比较，图5的实施例的电源供应器500的输出电压Vo为交流电压且具有一输出电压稳压电路502，连接于负载Z200以及方波产生器260之间，用以检测输出电压Vo根据所检测到的输出电压产生一反馈信号，该反馈信号提供至方波产生器260以产生用来控制开关电路208的开关切换的驱动信号，以便稳定输出电压Vo。
图6显示本发明第三实施例的电源供应器600的电路方框图。与图5的第二实施例相比较，图6所示的电源供应器600的输出电压Vo为直流电压且在变压器T200的次级侧Ns200设置一对整流二极管D602，D604，用以将变压器T200的次级侧Ns200上感应生成的交流电压整流成半波整流的直流电压。
图7显示本发明第四实施例的电源供应器700的电路方框图。与图6的第三实施例相比较，图7所示的电源供应器700在输出电容器C200与负载Z200之间增加了一个直流-直流降压转换器702，其用来将输出电压Vo降压成一个较低的直流电压，以此降低的直流电压来电源驱动负载Z200。
图8显示本发明第五实施例的电源供应器800的电路方框图。与图7的第四实施例相比较，图8的实施例的电源供应器800在输出电容器C200与直流-直流降压转换器702之间增加了一个维持时间延长电路(hold-up timeextension circuit)802，其用来将输出电容器C200的维持时间延长。
总而言之，本发明提供一种采用单级转换器的电源供应器，其中该单级转换器可用来完成功率因子校正以及共振转换。该单级转换器可由一开关电路、一共振电路、一功率控制电路及一方波产生器组成。开关电路可包含至少一个控制开关，共振电路可为一LLC共振槽，其可为串联共振电路或并联共振电路。功率控制电路可由一比例差值电路实现，例如由一功率放大器以负反馈的方式实现，其比较相似于输入交流电压全波整流或半波整流后的波形的输入电流感测信号与使用者输入所想要的功率电平来产生一频率调制控制信号，借此使得方波产生器能够产生用来控制开关的切换的驱动信号，其中驱动信号的频率会随着频率调制控制信号而改变，而能够调节交流-直流转换器的输出功率。因此功率控制电路及方波产生器可消除输入电流的高频谐波以完成功率因子校正，而开关电路与共振电路可完成共振转换以传递输入电压的能量至变压器的初级侧。由于功率因子校正以及共振转换都是完成于单级转换器中，而非如公知技术一般分别完成于不同的转换器节中，因此本发明的电源供应器具有较少的元件、较低的制造成本和较佳的电源转换效率。
本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然而都不脱如附权利要求所欲保护的范围。

Claims (14)

1.一种电源供应器，用以将一输入电压转换成一输出电压，其包含：
一开关电路，用以传递该输入电压的能量；
一变压器，具有一初级侧及一次级侧，用以储存该所传递的能量于该初级侧，根据该开关电路的开关切换将所储存的能量传送至该次级侧，借此产生该输出电压；
一共振电路，连接于该开关电路以及该变压器的初级侧之间，用以产生共振以将该输入电压的能量传送至该变压器的初级侧；
一功率控制电路，用以比较感测该电源供应器的一输入电流所产生的一输入电流感测信号与一功率电平控制输入来产生一频率调制控制信号，该频率调制控制信号用作该电源供应器的输出功率控制及该输入电流的谐波控制；以及
一方波产生器，连接至该功率控制电路，依据该频率调制控制信号产生用来驱动该开关电路运行的一驱动信号，且该驱动信号的频率随着该频率调制控制信号变化，借此消除该电源供应器的该输入电流的谐波噪声以及调整该开关电路的切换频率，调节该电源供应器的输出功率。
2.一种电源供应器，用以将一输入电压转换成一输出电压，其包含：
一单级转换器，接收该输入电压且具有一开关电路，用以根据该开关电路的开关切换传递该输入电压的能量；以及
一变压器，连接至该单级转换器且具有一初级侧及一次级侧，用以储存该单级转换器所传递的能量于该初级侧，根据该开关电路的开关切换将所储存的能量传送至该次级侧，借此产生该输出电压；
其中该单级转换器更包含一共振电路，该共振电路连接于该开关电路以及该变压器的初级侧之间，用以产生共振以将该输入电压的能量传送至该变压器的初级侧；以及一功率控制电路，电连接于该开关电路，用以调节该开关电路的开关切换以消除该电源供应器的输入电流的谐波噪声。
3.如权利要求2所述的电源供应器，其中该功率控制电路比较感测该电源供应器的一输入电流所产生的一输入电流感测信号与一功率电平控制输入来产生一频率调制控制信号，该频率调制控制信号用作该电源供应器的输出功率控制及该输入电流的谐波控制，以及一方波产生器，连接至该功率控制电路，依据该频率调制控制信号产生用来驱动该开关电路运行的一驱动信号，且该驱动信号的频率随着该频率调制控制信号变化，消除该电源供应器的该输入电流的谐波噪声以及调整该开关电路的切换频率，调节该电源供应器的输出功率。
4.如权利要求1，2或3所述的电源供应器，其中该共振电路为一串联式或并联式电感-电感-电容共振槽。
5.如权利要求1，2或3所述的电源供应器，其中该功率控制电路包括一比例差值电路。
6.如权利要求5所述的电源供应器，其中该比例差值电路由一功率放大器、多个电阻器以及多个电容器所组成，以负反馈方式实现。
7.如权利要求6所述的电源供应器，其中该功率控制电路更包含一逆向电流阻隔装置，连接于该比例差值电路与该方波产生器之间，用以避免一逆向电流由该方波产生器流向该比例差值电路。
8.如权利要求1，2或3所述的电源供应器，其更包含一输出电容器，连接至该变压器的次级侧以产生该输出电压。
9.如权利要求8所述的电源供应器，其更包含一输出电压稳压电路，连接至该输出电容器，用以检测该输出电压来产生一反馈信号至该方波产生器，借此驱动该方波产生器调节该开关电路的开关切换，以稳定该输出电压。
10.如权利要求9所述的电源供应器，其更包含一对整流二极管，连接于该变压器的次级侧及该输出电容器之间，用以将该变压器次级侧的能量整流成一半波整流的直流电压。
11.如权利要求10所述的电源供应器，其更包含一降压转换器，连接于该输出电容器以及一负载之间，用以将该输出电容器所提供的输出电压调降成一较低的直流电压来驱动该负载。
12.如权利要求11所述的电源供应器，其更包含一维持时间延长电路，连接于该输出电容器以及该降压转换器之间，用以延长该输出电容器的维持时间。
13.如权利要求1，2或3所述的电源供应器，其更包含：
一桥式整流器，其用来将该输入电压整流成一全波整流的直流电压；
一滤波电路，电连接至该桥式整流器的输出端，以消除该输入电压的电磁干扰及高频噪声而产生相似于该输入电压全波整流或半波整流后的波形的直流电压；以及
一电流感测器，以感测该输入电流并产生对应的输入电流感测信号。
14.如权利要求1，2或3所述的电源供应器，其中该开关电路由一高压侧开关与一低压侧开关所组成。
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