CN103683946A - 具功率因数校正与脉宽调变机制的电源供应装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所提的电源供应装置包括：以脉宽调变为基础的电源转换单元与功率因数校正转换单元。以脉宽调变为基础的电源转换单元用以接收一直流输入电压，并且反应于负载的供电需求而对所述直流输入电压进行脉宽调变，藉以产生一直流输出电压给负载。功率因数校正转换单元耦接以脉宽调变为基础的电源转换单元，用以对关联于一交流输入电压的一整流电压进行功率因数校正，藉以产生所述直流输入电压。而且，功率因数校正转换单元更用以反应于负载的变化而调整所述直流输入电压。

Description

具功率因数校正与脉宽调变机制的电源供应装置及其方法
技术领域
本发明是有关于一种电源供应技术，且特别是有关于一种具有功率因数校正与脉宽调变机制的电源供应装置及其方法。
背景技术
电源供应装置（power supply apparatus）主要的用途乃是将电力公司所提供之高压且低稳定性的交流输入电源（AC input power）转换成适合各种电子装置（electronic devices）所使用之低压且稳定性较佳的直流输出电源（DCoutput power）。因此，电源供应器广泛地应用在电脑、办公室自动化设备、工业控制设备，以及通讯设备等电子装置中。
现今的电源供应装置大多都会在前级（front-end stage）设置功率因数校正（power factor correction,PFC）转换单元，藉以提供例如高达380V的固定直流输入电压给后级（back-end stage）的电源转换单元（power conversionunit）。而且，无论电源供应装置处于轻载（light load）还是重载（heavy load），功率因数校正转换单元都会提供固定的高压（380V）给后级的电源转换单元。如此一来，在功率恒定的守则下，将会增加电源供应装置在轻载时的功率损耗（power loss）（相较于重载），从而降低了电源供应装置整体的效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有功率因数校正与脉宽调变机制的电源供应装置及其方法，其可以有效地解决先前技术所述及的问题。
基于上述，本发明之一示范性实施例提供一种电源供应装置，其包括：以脉宽调变为基础的电源转换单元与功率因数校正转换单元。以脉宽调变为基础的电源转换单元用以接收一直流输入电压，并且反应于负载的供电需求而对所述直流输入电压进行脉宽调变，藉以产生一直流输出电压给负载。功率因数校正转换单元耦接以脉宽调变为基础的电源转换单元，用以对关联于一交流输入电压的一整流电压进行功率因数校正，藉以产生所述直流输入电压。而且，功率因数校正转换单元更用以反应于负载的变化而调整所述直流输入电压。
于本发明的一示范性实施例中，以脉宽调变为基础的电源转换单元可以包括：变压器、功率开关、电阻、电源转换器，以及脉宽调变控制器。变压器具有一次侧与二次侧，且变压器之一次侧的第一端用以接收所述直流输入电压，而变压器的二次侧则用以提供一交流感应电压。功率开关的第一端耦接变压器之一次侧的第二端，功率开关的第二端耦接至一节点，而功率开关的控制端则用以接收一脉宽调变信号。电阻的第一端耦接所述节点，而电阻的第二端则耦接至一接地电位。电源转换器耦接变压器的二次侧，用以对所述交流感应电压进行转换，藉以获得所述直流输出电压给负载。脉宽调变控制器耦接功率开关的控制端，用以反应于负载的供电需求而产生所述脉宽调变信号，并且反应于负载的变化而调整所述脉宽调变信号。
于本发明的一示范性实施例中，以脉宽调变为基础的电源转换单元可以还包括：反馈单元，其耦接转换单元与脉宽调变控制器，用以提供关联于所述直流输出电压的一反馈信号给脉宽调变控制器，藉以让脉宽调变控制器得知负载的变化。
于本发明的一示范性实施例中，所述节点的电压会随着所述脉宽调变信号的调整而改变，藉以反应出负载的变化。在此条件下，功率因数校正转换单元会根据所述节点的电压而调整所述直流输入电压。甚至，脉宽调变控制器还可以根据所述节点的电压与一内建的过电流保护参考电压而决定是否启动一过电流保护机制，藉以保护电源供应装置。
于本发明的一示范性实施例中，当脉宽调变控制器判断出所述节点的电压大于所内建的过电流保护参考电压时，则脉宽调变控制器就会启动所述过电流保护机制，藉以停止产生所述脉宽调变信号。
于本发明的一示范性实施例中，当脉宽调变控制器反应于负载之变化而增加所述脉宽调变信号之责任周期时，则所述节点的电压会随之增加，且功率因数校正转换单元会据以增加所述直流输入电压。另外，当脉宽调变控制器反应于负载之变化而降低所述脉宽调变信号之责任周期时，则所述节点的电压会随之降低，且功率因数校正转换单元会据以降低所述直流输入电压。
本发明之另一示范性实施例提供一种电源供应方法，其包括：对关联于一交流输入电压的一整流电压进行功率因数校正，藉以产生一直流输入电压；采用一以脉宽调变为基础的电源转换手段而对所述直流输入电压进行脉宽调变，藉以产生一直流输出电压给负载；以及根据负载的变化而调整所述直流输入电压与所述直流输出电压。
于本发明的一示范性实施例中，经功率因数校正后所产生的直流输入电压会随着负载的增加而增加，并随着负载的降低而降低。
基于上述，本发明所提的电源供应装置及其方法都会根据负载的变化（例如轻载、中载、重载）而对应地调整前级之功率因数校正转换单元的输出与后级之以脉宽调变为基础的电源转换单元的输出。换言之，前级之功率因数校正转换单元的输出不再是一个固定的高压，且其会随着负载的变化而改变（亦即：随着负载的增加而增加，或者随着负载的降低而降低）。如此一来，在功率恒定的守则下，即可预期地/大幅地降低电源供应装置在轻载时的功率损耗，从而提高了电源供应装置整体的效率。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为例示性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张之范围。
附图说明
下面的所附图式是本发明的说明书的一部分，绘示了本发明的示例实施例，所附图式与说明书的描述一起说明本发明的原理。
图1绘示为本发明一示范性实施例之电源供应装置（power supplyapparatus）10的示意图。
图2绘示为图1之以脉宽调变为基础的电源转换单元107的示意图。
图3绘示为本发明一示范性实施例之电源供应方法的流程图。
【主要元件符号说明】
10：电源供应装置
20：负载
101：电磁干扰滤波器
103：整流线路
105：功率因数校正转换单元
107：以脉宽调变为基础的电源转换单元
201：电源转换器
203：脉宽调变控制器
205：反馈单元
T：变压器
NP：变压器的一次侧
NS：变压器的二次侧
Q：功率开关
RS：电阻
N：节点
AC_IN：交流输入电压
VR：整流电压
DC_IN：直流输入电压
VOUT：直流输出电压
VFB：反馈信号
PW：脉宽调变信号
VNP：变压器之一次侧的交流电压
VNS：变压器之二次侧的交流感应电压
VN：节点的电压
VOCP：过电流保护参考电压
S301-S305：本发明一示范性实施例之电源供应方法的流程图各步骤
具体实施方式
现将详细参考本发明之示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例之实例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。
图1绘示为本发明一示范性实施例之电源供应装置（power supplyapparatus）10的示意图。请参照图1，电源供应装置10包括：电磁干扰滤波器（electromagnetic interference filter,EMI filter）101、整流线路（rectification circuit）103、功率因数校正转换单元（power factorcorrection（PFC）conversion unit）105，以及以脉宽调变为基础的电源转换单元（PWM-based（pulse-width-modulation-based）power conversionunit）107。
于本示范性实施例中，电磁干扰滤波器101耦接于交流输入电压（AC inputvoltage）AC_IN（例如为市电，但并不限制于此）与整流线路103之间，用以抑制交流输入电压AC_IN的电磁杂讯（electromagnetic noise）；而整流线路103则用以接收来自电磁干扰滤波器101的交流输入电压AC_IN，并对交流输入电压AC_IN进行整流，藉以产生整流电压（rectification voltage）VR。
功率因数校正转换单元105耦接整流线路103，用以对关联于交流输入电压AC_IN的整流电压VR进行功率因数校正，藉以产生直流输入电压（DC inputvoltage）DC_IN。以脉宽调变为基础的电源转换单元107耦接功率因数校正转换单元105，用以接收来自功率因数校正转换单元105的直流输入电压DC_IN，并且反应于负载20（load，例如为电子装置，但并不限制于此）的供电需求（powersupply request）而对直流输入电压DC_IN进行脉宽调变，藉以产生直流输出电压（DC output voltage）VOUT给负载20。
在本示范性实施例中，功率因数校正转换单元105还会反应于负载20的变化（例如轻载、中载、重载）而调整其所产生的直流输入电压DC_IN。换言之，功率因数校正转换单元105所产生的直流输入电压DC_IN会随着负载20的变化（例如轻载、中载、重载）而改变，其已不再是一个固定不变的高压。
更清楚来说，图2绘示为图1之以脉宽调变为基础的电源转换单元107的示意图。请合并参照图1与图2，以脉宽调变为基础的电源转换单元107包括：变压器（transformer）T、功率开关（power switch）Q、电阻（resistor）RS、电源转换器（power converter）201、脉宽调变控制器（PWM controller）203，以及反馈单元（feedback unit）205。
变压器T具有一次侧（primary side）NP与二次侧（secondary side）NS。其特征在于，变压器T之一次侧NS的第一端用以接收来自功率因数校正转换单元105的直流输入电压DC_IN，而变压器T的二次侧NS则用以提供交流感应电压（AC induction voltage）VNS。其特征在于，交流感应电压VNS可由一次侧NS的交流电压VNP，以及一次侧NP与二次侧NS之间的圈数比（turn ratio，NP/NS）而决定。
功率开关Q的第一端耦接变压器T之一次侧NP的第二端，功率开关Q的第二端耦接至节点（node）N，而功率开关Q的控制端则用以接收来自脉宽调变控制器203的脉宽调变信号（PWM signal）PW。于本示范性实施例中，功率开关Q可以利用N型功率电晶体（N type power transistor）来实施，但并不限制于此。
电阻RS的第一端耦接节点N，而电阻RS的第二端则耦接至接地电位（groundpotential）。电源转换器201耦接变压器T的二次侧NS，用以对变压器T之二次侧NS的交流感应电压VNS进行转换（即，交直流转换），藉以获得直流输出电压VOUT给负载20。于本示范性实施例中，电源转换器201可以利用顺向式电源转换器（forward power converter）或返驰式电源转换器（flyback powerconverter）来实施，但并不限制于此，其它架构的电源转换器都可拿来实施。
脉宽调变控制器203耦接功率开关Q的控制端，用以反应于负载20的供电需求而产生脉宽调变信号PW，藉以切换（亦即，开启（turned-on）与关闭（turned-off））功率开关Q。而且，脉宽调变控制器203亦可以反应于负载20的变化（轻载、中载、重载）而调整脉宽调变信号PW（亦即，改变脉宽调变信号PW的责任周期（duty cycle，亦或称为工作周期））。
反馈单元205耦接电源转换器201与脉宽调变控制器203，用以提供关联于直流输出电压VOUT的反馈信号VFB给脉宽调变控制器203，藉以让脉宽调变控制器203得知负载20的变化。于本示范性实施例中，反馈单元205可由简单的分压电路（voltage divider circuit）所组成，或者利用光耦合器（photocoupler）来输出关联于直流输出电压VOUT之反馈（feedback）的方式亦可，但并不限制于此。
基于上述，由于脉宽调变控制器203会反应于负载20的变化而调整脉宽调变信号PW，故而功率开关Q与电阻RS之间的节点N的电压VN就会随着脉宽调变信号PW的调整而改变（其系因流经电压器T之一次侧NP的电流会改变的缘故），藉以反应出负载20的变化。如此一来，功率因数校正转换单元105即可根据节点N的电压VN而调整其所产生的直流输入电压DC_IN。换言之，功率因数校正转换单元105所产生的直流输入电压DC_IN会因应负载20的变化而改变。
甚至，脉宽调变控制器203亦可根据节点N的电压VN而决定是否启动过电流保护机制（OCP mechanism），藉以保护电源供应装置10。于本示范性实施例中，脉宽调变控制器203会内建一个过电流保护参考电压（OCP referencevoltage）VOCP。一旦脉宽调变控制器203判断出节点N的电压VN大于其内建的过电流保护参考电压VOCP的话，脉宽调变控制器203就会启动过电流保护机制，藉以停止产生脉宽调变信号PW，从而保护电源供应装置10免于受到过电流的现象而损毁。
另一方面，由于脉宽调变控制器203可以透过反馈单元205而得知负载20的变化，故而当脉宽调变控制器203反应于负载20之变化（例如重载）而增加脉宽调变信号PW之责任周期时，则节点N的电压VN亦会随之增加。在此条件下，功率因数校正转换单元105就会据以增加其所产生的直流输入电压DC_IN。反之，当脉宽调变控制器203反应于负载20之变化（例如轻载）而降低脉宽调变信号PW之责任周期时，则节点N的电压VN会随之降低。在此条件下，功率因数校正转换单元105会据以降低其所产生的直流输入电压DC_IN。
由此可知，前级之功率因数校正转换单元105的输出（DC_IN）与后级之以脉宽调变为基础的电源转换单元107的输出（VOUT）都会反应于负载20的变化（例如轻载、中载、重载）而改变。显然地，前级之功率因数校正转换单元105的输出（DC_IN）不再是一个固定的高压，且其会随着负载20的变化而改变（亦即：随着负载20的增加而增加，或者随着负载20的降低而降低）。如此一来，在功率恒定的守则下，即可预期地/大幅地降低电源供应装置10在轻载时的功率损耗（power loss），从而提高了电源供应装置10整体的效率。
于此值得一提的是，虽然上述示范性实施例系透过位于功率开关Q与电阻RS间之节点N的电压VN来反应出负载20的变化以调整功率因数校正转换单元105的输出（DC_IN），但是本发明并不限制于此。换言之，只要在以脉宽调变为基础的电源转换单元107中，任一可反应出负载20之变化的节点，就可拿来取代位于功率开关Q与电阻RS间的节点N，一切端视实际设计需求而论。
基于上述示范性实施例所揭示/教示的内容，图3绘示为本发明一示范性实施例之电源供应方法的流程图。请参照图，本示范性实施例的电源供应方法可以包括：
对关联于交流输入电压（例如市电，但并不限制于此）的整流电压进行功率因数校正，藉以产生直流输入电压（步骤S301）；
采用以脉宽调变为基础的电源转换手段而对所产生的直流输入电压进行脉宽调变，藉以产生直流输出电压给负载（例如电子装置，但并不限制于此）（步骤S303）；以及
根据负载的变化（轻载、中载、重载）而调整所产生的直流输入电压与直流输出电压（步骤S305）。
于本示范性实施例中，经由功率因数校正后所产生的直流输入电压会随着负载的增加（例如重载）而增加，并随着负载的降低（例如轻载）而降低。换言之，经由功率因数校正后所产生的直流输入电压会随着负载的变化而改变。
据此可知，本发明所提的电源供应装置及其方法都会根据负载的变化（例如轻载、中载、重载）而对应地调整前级之功率因数校正转换单元的输出与后级之以脉宽调变为基础的电源转换单元的输出。换言之，前级之功率因数校正转换单元的输出不再是一个固定的高压，且其会随着负载的变化而改变（亦即：随着负载的增加而增加，或者随着负载的降低而降低）。如此一来，在功率恒定的守则下，即可预期地/大幅地降低电源供应装置在轻载时的功率损耗，从而提高了电源供应装置整体的效率。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，故本发明之保护范围当视后附之权利要求所界定者为准。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明之权利范围。

Claims (15)

1.一种电源供应装置，包括：
一以脉宽调变为基础的电源转换单元，用以接收一直流输入电压，并且反应于一负载的一供电需求而对该直流输入电压进行脉宽调变，藉以产生一直流输出电压给该负载；以及
一功率因数校正转换单元，耦接该以脉宽调变为基础的电源转换单元，用以对关联于一交流输入电压的一整流电压进行功率因数校正，藉以产生该直流输入电压，
其中，该功率因数校正转换单元更用以反应于该负载的变化而调整该直流输入电压。
2.如权利要求1所述之电源供应装置，其特征在于，该以脉宽调变为基础的电源转换单元包括：
一变压器，具有一一次侧与一二次侧，其中该一次侧的第一端用以接收该直流输入电压，而其二次侧则用以提供一交流感应电压；
一功率开关，其第一端耦接该一次侧的第二端，其第二端耦接至一节点，而其控制端则用以接收一脉宽调变信号；
一电阻，其第一端耦接该节点，而其第二端则耦接至一接地电位；
一电源转换器，耦接该二次侧，用以对该交流感应电压进行转换，藉以获得该直流输出电压给该负载；以及
一脉宽调变控制器，耦接该功率开关的控制端，用以反应于该供电需求而产生该脉宽调变信号，并且反应于该负载的变化而调整该脉宽调变信号。
3.如权利要求2所述之电源供应装置，其特征在于，该以脉宽调变为基础的电源转换单元还包括：
一反馈单元，耦接该电源转换器与该脉宽调变控制器，用以提供关联于该直流输出电压的一反馈信号给该脉宽调变控制器，藉以让该脉宽调变控制器得知该负载的变化。
4.如权利要求2所述之电源供应装置，其特征在于，该节点的电压会随着该脉宽调变信号的调整而改变，藉以反应出该负载的变化。
5.如权利要求4所述之电源供应装置，其特征在于，该功率因数校正转换单元根据该节点的电压而调整该直流输入电压。
6.如权利要求5所述之电源供应装置，其特征在于，当该脉宽调变控制器反应于该负载之变化而增加该脉宽调变信号之一责任周期时，则该节点的电压会随之增加，且该功率因数校正转换单元会据以增加该直流输入电压。
7.如权利要求5所述之电源供应装置，其特征在于，当该脉宽调变控制器反应于该负载之变化而降低该脉宽调变信号之一责任周期时，则该节点的电压会随之降低，且该功率因数校正转换单元会据以降低该直流输入电压。
8.如权利要求4所述之电源供应装置，其特征在于，该脉宽调变控制器更用以根据该节点的电压与一内建的过电流保护参考电压而决定是否启动一过电流保护机制，藉以保护该电源供应装置。
9.如权利要求8所述之电源供应装置，其特征在于，当该脉宽调变控制器判断出该节点的电压大于该内建的过电流保护参考电压时，则该脉宽调变控制器就会启动该过电流保护机制，藉以停止产生该脉宽调变信号。
10.如权利要求2所述之电源供应装置，其特征在于，该电源转换器包括一顺向式电源转换器或一返驰式电源转换器。
11.如权利要求2所述之电源供应装置，其特征在于，该功率开关利用一N型功率电晶体来实施。
12.如权利要求1所述之电源供应装置，其特征在于，还包括：
一整流线路，用以接收该交流输入电压，并对该交流输入电压进行整流，藉以产生该整流电压。
13.如权利要求12所述之电源供应装置，其特征在于，还包括：
一电磁干扰滤波器，耦接于该交流输入电压与该整流线路之间，用以抑制该交流输入电压的电磁杂讯。
14.一种电源供应方法，包括：
对关联于一交流输入电压的一整流电压进行功率因数校正，藉以产生一直流输入电压；
采用一以脉宽调变为基础的电源转换手段而对该直流输入电压进行脉宽调变，藉以产生一直流输出电压给一负载；以及
根据该负载的变化而调整该直流输入电压与该直流输出电压。
15.如权利要求14所述之电源供应方法，其特征在于，经功率因数校正后所产生的该直流输入电压会随着该负载的增加而增加，并随着该负载的降低而降低。
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