CN103872913B - 多输出电力提供装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种多输出电力提供装置，其能够根据负载状态通过限制切换负荷的可变范围来将多个输出电压保持在平衡状态下。所述多输出电力提供装置包括：电力提供单元，切换输入功率以输出根据切换操作确定其功率电平的多个电压；以及控制器，检测来自所述电力提供单元的多个电压中的至少一部分的功率状态，并在所检测到的功率状态对应于预设限制功率状态时将所述电力提供单元的切换负荷的范围限制到预设范围。

Description

多输出电力提供装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月10日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2012-0142923的韩国专利申请的优先权，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种多输出电力提供装置，解决了在同时出现过轻负载和过重负载的情况下导致多个输出之间功率不平衡的问题。

背景技术

电力提供装置已广泛用于商业用电子设备、个人计算机等信息技术设备、以及空调、音频系统、视觉显示器等家用电器。

电力提供装置可以根据采用该电力提供装置的电子设备提供多种输出电压。

通用的多输出电源供应设备通过变压器将输入DC功率转换为AC功率，然后分别对转换得到的AC功率进行整流处理，从而输出多个DC电压。

然而，通用的多输出电源供应设备存在的问题是，当利用变压器改变多个DC电压中的单个DC电压的电压电平时，会影响剩余的DC电压，由此无法维持交叉调整。

为了解决这个问题，使用了在其输出端子中采用降压斩波电路(或buck斩波电路)的多输出电力提供装置。

降压斩波电路可以包括开关、续流二极管(free-wheeling diode)及滤波器。

因此，通用的多输出电源供应设备存在的问题是，在进行初次功率转换之后由降压斩波电路进行的功率再转换会降低功率转换效率，并且降压斩波电路的存在增加了组件数量，从而导致制造成本增加。

已知一种用于解决这个问题的多输出电力提供装置，比如以下相关技术文献的多输出电力提供装置，在与功率转换端子的切换端子同步的基础上对输出端子的切换进行控制。

然而，在该多输出电力提供装置中，可能会因为出现过轻负载或过重负载时切换负荷比不平衡而导致多个输出电压之间的功率不平衡。

【相关技术文献】

【专利文献1】韩国专利申请第10-2009-0102948号

发明内容

本发明的一方面提供一种能够根据负载状态通过限制切换负荷的可变范围来将多个输出电压保持在平衡状态下的多输出电力提供装置。

根据本发明的一方面，提供了一种多输出电力提供装置，其包括：电力提供单元，切换输入功率以输出根据切换操作确定其功率电平的多个电压；以及控制器，检测来自所述电力提供单元的多个电压中的至少一部分的功率状态，并在所检测到的功率状态对应于预设限制功率状态时将所述电力提供单元的切换负荷的范围限制到预设范围。

所述控制器可以包括：电流生成单元，根据从所述电力提供单元输出的多个电压中的至少一部分的功率状态生成电流；信号生成单元，生成具有根据所述电流生成单元生成的电流确定的频率的脉冲信号；单稳态单元，根据来自所述信号生成单元的脉冲信号确定信号的定时；驱动单元，根据所述单稳态单元的定时生成用于控制切换单元的切换的切换信号；以及负荷范围限制单元，当多个电压中的一部分的功率状态对应于所限制的功率状态时，限制来自所述信号生成单元的脉冲信号的负荷范围。

所述负荷范围限制单元可以包括：最大/最小值控制器，根据指示一部分电压的状态对应于所限制的功率状态的控制信号设定脉冲信号的最大值和最小值；以及负荷控制器，根据来自所述最大/最小值控制器的最大值和最小值限制来自所述信号生成单元的脉冲信号的负荷范围。

所述最大/最小值控制器可以包括：开关，进行切换操作以使电流源的电流流动；比较器，通过比较控制信号和通过检测在所述开关中流动的电流而获得的检测信号来控制所述开关的切换；以及电流镜电路，根据所述开关的切换操作(switching operation，开关操作)通过反射从所述电流源流动的电流来设定最大值和最小值。

所述负荷控制器可以包括：比较器，比较预设参考电压和所检测到的功率状态；包括多个比较器的比较器组，将比较器的比较结果与最大值和最小值分别比较；以及包括多个开关的开关组，切换信号路径以便根据比较器的比较结果和比较器组的多个比较器的比较结果提供相应的信号。

所述电力提供单元可以包括：切换单元，包括输入有输入功率的输入功率端子和地面之间串联连接的至少两个开关并切换输入功率；变压器单元，转换由所述切换单元切换的功率的电压电平；以及输出单元，稳定来自所述变压器单元的输出功率以便输出多个预设电压。

所述变压器单元可以包括：谐振回路，提供所述切换单元的电感器-电感器-电容器(LLC)谐振操作；以及变压器，包括从所述切换单元接收切换功率的初级绕组以及与所述初级绕组形成预设布线比(pre-set wiring ratio)并输出多个电压的多个次级绕组。

所述电力提供单元还可以包括：整流及平滑单元，整流并平滑交流(AC)功率；以及功率因数校正单元，校正来自所述整流及平滑单元的DC功率的功率因数并将所述功率因数提供给切换单元。

根据本发明的另一方面，提供了一种多输出电力提供装置，其包括：电力提供单元，切换输入功率以输出根据切换操作确定其功率电平的第一功率和第二功率；以及控制器，检测来自所述电力提供单元的第二功率的功率状态，并在所检测到的功率状态对应于预设限制功率状态时将所述电力提供单元的切换负荷的范围限制到预设范围。

所述控制器可以包括：电流生成单元，根据从所述电力提供单元输出的第一功率的功率状态生成电流；信号生成单元，生成具有根据所述电流生成单元生成的电流确定的频率的脉冲信号；单稳态单元，根据来自所述信号生成单元的脉冲信号确定信号的定时；驱动单元，根据所述单稳态单元的定时生成用于控制切换单元的切换的切换信号；以及负荷范围限制单元，当第二功率的功率状态对应于所限制的功率状态时，限制来自所述信号生成单元的脉冲信号的负荷范围(duty range)。

所述电力提供单元可以包括：切换单元，包括输入有输入功率的输入功率端子和地面之间串联连接的至少两个开关并切换输入功率；变压器单元(transformer unit)，转换由所述切换单元切换的功率的电压电平；第一输出单元，稳定来自所述变压器单元的输出功率以便输出第一预设功率；以及第二输出单元，稳定来自所述变压器单元的输出功率以便输出第二预设功率。

所述变压器单元包括：谐振回路，提供所述切换单元的电感器-电感器-电容器(LLC)谐振操作；以及变压器，包括从所述切换单元接收切换功率的初级绕组以及与所述初级绕组形成预设布线比并分别输出第一功率和第二功率的第一次级绕组和第二次级绕组。

附图说明

根据以下结合附图的详细描述将更清楚地理解本发明的上述和其它的方面、特征和优点，其中：

图1是根据本发明实施方式的多输出电力提供装置的示意性框图；

图2是根据本发明实施方式的多输出电力提供装置中采用的控制器的示意性框图；

图3是图2的控制器中采用的负荷范围限制单元的负荷控制器的电路图；

图4是图2的控制器中采用的负荷范围限制单元的最大/最小值控制器的电路图；

图5是示出了根据本发明实施方式的多输出电力提供装置的主要部分的操作波形的图。

具体实施方式

现在将参照附图详细地描述本发明的实施方式。

然而，本发明可实施为多种不同形式且不应解释为受限于本文中陈述的实施方式。

更确切地说，这些实施方式的提供使得公开内容是全面且完整的，并向本领域的技术人员完整传达了本发明的范围。在附图中，为了清晰起见，可以放大元件的形状和尺寸，并且全文中，相同的参考编号将用于表示相同或类似的组件。

应理解，当元件被称为“连接到”另一个元件时，它可以直接连接到其他元件，或者可以存在插入元件。相反，当元件被称为“直接连接到”另一个元件时，不存在插入元件。

另外，除非明确的相反说明，否则术语“包括(comprise)”及其变型“包括(comprises)”或“包括(comprising)”将被理解为包括所陈述的元件，但不排除任何其他元件。

下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方式。

图1是根据本发明实施方式的多输出电力提供装置的示意性框图。

参照图1，根据本发明实施方式的电力提供装置可以包括电力提供单元110以及控制器120。

电力提供单元110可以包括切换单元113、变压器单元114及输出单元115和116，并且还可以包括整流及平滑单元111及功率因数校正单元112。

整流及平滑单元111可以对交流(AC)功率进行整流及平滑处理，并将该AC功率传输至功率因数校正单元112。功率因数校正单元112可以调节整流及平滑单元111的整流功率的电压和电流之间的相位差以便校正功率因数，另外，功率因数校正单元112可以调节整流功率的电流波形以符合电压波形，由此校正功率因数。

切换单元113可以包括在输入有功率因数校正单元112的直流(DC)功率的输入功率端子和地面之间叠置的至少两个开关M1、M2，并且可以通过第一开关M1和第二开关M2的交替切换操作(alternate switching operation)进行功率切换操作。

变压器单元114可以包括谐振回路(resonant tank)114a和变压器114b。谐振回路114a可以提供电感器-电感器-电容器(Lr，Lm，Cr)(LLC)谐振操作，并且其中的一个电感器Lm可以是变压器114b的磁化电感器。

变压器115b可以包括初级绕组Np和多个次级绕组Ns1、Ns2。初级绕组Np和多个次级绕组Ns1、Ns2可以相互电气绝缘。即，初级绕组Np可以定位在初级侧上，多个Ns1、Ns2可以定位在次级侧上，这里，初级侧和次级侧的电气性能可以不同。

初级绕组Np和次级绕组Ns1、Ns2可以具有预设绕组比(pre-set winding ratio)，次级绕组Ns1、Ns2可以根据绕组比来改变电压电平以便输出功率。

输出单元115可以分别稳定多个次级绕组Ns1、Ns2的电压，并输出多个DC电压Vm、Vs。输出单元115可以包括与多个次级绕组Ns1、Ns2对应的多个输出单元115a、115b。

例如，当多个次级绕组Ns1、Ns2是第一次级绕组Ns1和第二次级绕组Ns2时，输出单元115可以包括第一输出单元115a和第二输出单元115b。

即，第一输出单元115a可以整流并稳定第一次级绕组Ns1的第一功率Vm并输出该第一功率Vm，第二输出单元115b可以整流并稳定第二次级绕组Ns2的第二功率Vs并输出该第二功率Vs。

控制器120可以形成在次级侧。在收到第二输出单元115b的功率状态的反馈之后，控制器120可以对定位在初级侧的切换单元113的切换负荷(switching duty)进行控制。

具体地，控制器120可以根据指示第二输出单元115b的第二功率Vs的功率状态的反馈信号fb2对切换单元113的切换负荷进行控制，从而控制第二功率Vs的功率电平。

控制器120还可以根据指示第一输出单元115a的第一功率Vm的功率状态的反馈信号fb1对切换单元113的切换频率进行控制，从而控制第一功率Vm的功率电平。

与此同时，在根据本发明实施方式的多输出电力提供装置100中，切换单元113的开关M1、M2的切换负荷可以根据输出端子的负载状态而改变。这里，为了保持第一和第二电压Vm、Vs之间的平衡，如果输出端子的负载状态对应于预设限制功率状态，则控制器120可以限制切换单元113的切换负荷的范围。这将参照图2至图5进行详细的描述。

图2是根据本发明实施方式的多输出电力提供装置中采用的控制器的示意性框图。图3是图2的控制器中采用的负荷范围限制单元的负荷控制器的电路图。图4是图2的控制器中采用的负荷范围限制单元的最大/最小值控制器的电路图。图5是示出了根据本发明实施方式的多输出电力提供装置的主要部分的操作波形的图。

参照图2，根据本发明实施方式的多输出电力提供装置100中采用的控制器120可以包括电流生成单元121、信号生成单元122、单稳态单元123、驱动单元124及负荷范围限制单元125。

在接收功率VDD之后，电流生成单元121可以生成电流并将生成的电流传输至信号生成单元122。正常操作时，电流生成单元121可以提供正常电流losc。

信号生成单元122可以包括电容器C1、开关Q1、第一比较器OP1、第二比较器OP2及缓冲单元b。信号生成单元122可以根据充电至电容器C1或从电容器C1释放的电流生成锯齿形信号，并根据锯齿形信号将脉冲信号传输至单稳态单元123。

具体地，电容器C1可以根据开关Q1的切换操作来充电或放电从电流生成单元121传输的电流。第一比较器OP1可以将电容器C1中充电的电压电平和第一预设参考电压Vref(例如，2.5V)进行比较，并根据比较结果控制开关Q1的切换。缓冲单元b可以对来自第一比较器OP1的比较结果信号进行缓冲并将其传输至开关Q1。

相应地，电容器C1的电压电平可以具有如图5所知的锯齿形信号Vsaw的形式，第二比较器OP2可以将锯齿形信号与由负荷范围限制单元125选择的电压进行比较，并将脉冲信号Din提供给单稳态单元123。

单稳态单元123可以接收脉冲信号Din和预设死区时间Ideadtime，并将具有死区时间(dead time)的脉冲信号传输至驱动单元124。基于单稳态单元123的脉冲信号，驱动单元124可以提供切换控制信号GDA、GDB以驱动切换单元113的开关M1、M2。

即，基于电流生成单元121的电流losc电平，可以对电容器C1中充入电流的持续时间进行控制，相应地，可以对切换控制信号GDA、GDB的频率进行控制。

与此同时，负荷范围限制单元125可以限制提供给信号生成单元122的第二电压Vcp的最大值和最小值，使得可以根据输出端子的负载状态将切换控制信号GDA、GDB的负荷限制到预设负荷范围内。特别地，负荷范围限制单元125可以根据输出第二功率Vs的输出端子的负载状态(load state)将切换控制信号GDB的负荷(duty)限制到预设负荷范围内。

为此，负荷范围限制单元125可以包括最大/最小值控制器125a和负荷控制器125b。

参照图3，负荷控制器125b可以包括第一比较器OP3、具有多个比较器OP4、OP5的比较器组以及具有多个开关SW1、SW2、SW3的开关组。

第一比较器OP3可以比较指示第二功率Vs的功率状态的反馈信号FB2和指示预设限制功率状态的电压(例如，2.5V)并输出比较结果comp2。

比较结果comp2的功率电平可以利用功率补偿单元进行补偿，随后传输至比较器组和开关组。

比较器组可以包括第二比较器OP4和第三比较器OP5。第二比较器OP4和第三比较器OP5分别将分割的比较结果与最大/最小值控制器125a的最大值Vmax和最小值Vmin进行比较，并根据相应比较结果或第一比较器OP3的比较结果控制为开关组的第一至第三开关SW1、SW2、SW3提供路径。

例如，当第二功率Vs的功率状态不与所限制的功率状态对应时，第一开关SW1通过控制信号Vnormal电连接，打开第二和第三开关SW2、SW3，因此可以将第一比较器OP3的比较结果传输至信号生成单元122作为第二电压Vcp。

当第二功率Vs的功率状态对应于所限制的功率状态时，第一开关SW1通过控制信号Vnormal打开，第二比较器OP4和第三比较器OP5可以将分割比较结果与最大/最小值控制器125a的最大值Vmax和最小值Vmin进行比较并使第二或第三开关SW2或SW3电连接以将最大值Vmax或最小值Vmin传输至信号生成单元122以限制信号生成单元122的脉冲信号的负荷，从而限制驱动单元124的切换控制信号GDB的负荷。

参照图4，最大/最小值控制器125a可以包括第四比较器OP6、开关M及电流镜电路。

第四比较器OP6可以通过外部控制信号VCTRL控制从电流源流至开关M的电流，电流镜电路反射(mirror)通过电流源在开关M中流动的电流以便设置最大值Vmax和最小值Vmin。为此，电流镜像电路的电流源可以自由设定其连接关系。

将参照图5对前述操作进行描述。随追第二功率Vs的电压电平的降低，通过比较指示第二功率Vs的电压电平的反馈信号fb2和参考电压2.5V而获得的比较结果COMP2增大，相应地，确定切换控制信号GDB的负荷的第二电压Vcp增大。

最后，根据通过比较第二电压Vcp和锯齿形信号Vsaw而获得的比较结果确定切换控制信号GDA的负荷，在这种情况下，随着第二电压Vcp的电压电平增大，切换控制信号GDB的负荷降低，在第一功率Vm和第二功率Vs之间产生功率不平衡。

因此，当第二电压Vcp等于或大于预定电压时，负荷范围限制单元125可以将预设最大值提供给信号生成单元122以限制切换控制信号GDB的负荷的最大值。

相应地，可以看出，即便第二电压Vcp增加，通过预设最大值Vmax切换控制信号GDB的负荷不会降至低于最小值(请看参考字母A)。

如上所述，根据本发明的实施方式，由于根据负载状态限制切换负荷的可变范围，因此可以将多个输出电压保持在平衡状态下。

尽管结合实施方式示出并描述了本发明，但对本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改和变更。

Claims (12)

1.一种多输出电力提供装置，包括：

电力提供单元，切换输入功率以输出功率电平根据切换操作确定的、包括第一功率和第二功率的多个电压；以及

控制器，检测第二功率的功率状态，并在所检测出的功率状态对应于预设限制功率状态时将所述电力提供单元的切换负荷的范围限制到预设范围，

其中，所述控制器包括：

电流生成单元，根据第一功率的功率状态生成电流；

信号生成单元，生成具有根据所述电流生成单元生成的电流确定的频率的脉冲信号；

单稳态单元，根据来自所述信号生成单元的脉冲信号确定信号的定时；

驱动单元，根据所述单稳态单元的定时生成用于控制所述切换单元的切换的切换信号；以及

负荷范围限制单元，当第二功率的功率状态对应于所限制的功率状态时，限制来自所述信号生成单元的脉冲信号的负荷范围，

其中，所述负荷范围限制单元包括：

最大/最小值控制器，根据指示第二功率的功率状态对应于所限制的功率状态的控制信号设定所述脉冲信号的最大值和最小值；以及

负荷控制器，根据来自所述最大/最小值控制器的最大值和最小值限制来自所述信号生成单元的所述脉冲信号的负荷范围。

2.根据权利要求1所述的多输出电力提供装置，其中，所述最大/最小值控制器包括：

开关，对来自电流源的电流进行切换操作；

比较器，通过将所述控制信号与通过检测在所述开关中流动的电流而获得的检测信号比较来控制所述开关的切换；以及

电流镜电路，根据所述开关的切换操作通过反射从所述电流源流动的电流来设定最大值和最小值。

3.根据权利要求1所述的多输出电力提供装置，其中，所述负荷控制器包括：

比较器，将预设参考电压与所检测出的功率状态比较；

包括多个比较器的比较器组，所述多个比较器将所述比较器的比较结果与所述最大值和所述最小值分别比较；以及

包括多个开关的开关组，所述多个开关切换信号路径以根据所述比较器的比较结果和所述比较器组的所述多个比较器的比较结果提供相应的信号。

4.根据权利要求1所述的多输出电力提供装置，其中，所述电力提供单元包括：

切换单元，包括向其输入输入功率的输入功率端子与地面之间串联连接的至少两个开关，并切换所述输入功率；

变压器单元，转换由所述切换单元切换的功率的电压电平；以及

输出单元，稳定来自所述变压器单元的输出功率以输出多个预设电压。

5.根据权利要求4所述的多输出电力提供装置，其中，所述变压器单元包括：

谐振回路，提供所述切换单元的电感器-电感器-电容器谐振操作；以及

变压器，包括接收来自所述切换单元的切换功率的初级绕组以及与所述初级绕组形成预设绕组比并输出多个电压的多个次级绕组。

6.根据权利要求4所述的多输出电力提供装置，其中，所述电力提供单元进一步包括：

整流及平滑单元，整流并平滑交流功率；以及

功率因数校正单元，校正来自所述整流及平滑单元的DC功率的功率因数并将其提供给所述切换单元。

7.一种多输出电力提供装置，包括：

电力提供单元，切换输入功率以输出功率电平根据切换操作确定的第一功率和第二功率；以及

控制器，检测来自所述电力提供单元的所述第二功率的功率状态，并在所检测出的功率状态对应于预设限制功率状态时将所述电力提供单元的切换负荷的范围限制到预设范围，

其中，所述控制器包括：

电流生成单元，根据第一功率的功率状态生成电流；

信号生成单元，生成具有根据所述电流生成单元生成的电流确定的频率的脉冲信号；

单稳态单元，根据来自所述信号生成单元的脉冲信号确定信号的定时；

驱动单元，根据所述单稳态单元的定时生成用于控制所述切换单元的切换的切换信号；以及

负荷范围限制单元，当所述第二功率的功率状态对应于所限制的功率状态时，限制来自所述信号生成单元的脉冲信号的负荷范围，

其中，所述负荷范围限制单元包括：

最大/最小值控制器，根据指示第二功率的功率状态对应于所限制的功率状态的控制信号设定所述脉冲信号的最大值和最小值；以及

负荷控制器，根据来自所述最大/最小值控制器的最大值和最小值限制来自所述信号生成单元的所述脉冲信号的负荷范围。

8.根据权利要求7所述的多输出电力提供装置，其中，所述最大/最小值控制器包括：

开关，进行切换操作以使来自电流源的电流流动；

比较器，通过将所述控制信号与通过检测在所述开关中流动的电流而获得的检测信号比较来控制所述开关的切换；以及

电流镜电路，根据所述开关的切换操作通过反射从所述电流源流动的电流来设定最大值和最小值。

9.根据权利要求7所述的多输出电力提供装置，其中，所述负荷控制器包括：

比较器，将预设参考电压与所检测出的功率状态比较；

包括多个比较器的比较器组，所述多个比较器将所述比较器的比较结果与所述最大值和所述最小值分别比较；以及

包括多个开关的开关组，所述多个开关切换信号路径以根据所述比较器的比较结果和所述比较器组的所述多个比较器的比较结果提供相应的信号。

10.根据权利要求7所述的多输出电力提供装置，其中，所述电力提供单元包括：

切换单元，包括向其输入输入功率的输入功率端子与地面之间串联连接的至少两个开关，并切换所述输入功率；

变压器单元，转换由所述切换单元切换的功率的电压电平；

第一输出单元，稳定来自所述变压器单元的输出功率以输出第一预设功率；以及

第二输出单元，稳定来自所述变压器单元的输出功率以输出第二预设功率。

11.根据权利要求10所述的多输出电力提供装置，其中，所述变压器单元包括：

谐振回路，提供所述切换单元的电感器-电感器-电容器谐振操作；以及

变压器，包括接收来自所述切换单元的切换功率的初级绕组以及与所述初级绕组形成预设绕组比并分别输出第一功率和第二功率的第一次级绕组和第二次级绕组。

12.根据权利要求10所述的多输出电力提供装置，其中，所述电力提供单元进一步包括：

整流及平滑单元，整流并平滑交流功率；以及

功率因数校正单元，校正来自所述整流及平滑单元的DC功率的功率因数并将其提供给所述切换单元。