CN106033936A - 具有旁路功能的电源供应器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种具有旁路功能的电源供应器，电源供应器包括交流转直流转换器、输入储能电容、驾驭电路(ride through circuit)、直流转直流转换器以及输入电压感测与逻辑控制电路。当输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，驾驭电路根据第一控制信号输出一输出电容电压，其中输出电容电压相同于输入电容电压。当输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，驾驭电路根据第二控制信号进行升压以输出一输出电容电压，其中输出电容电压的值大于输入电容电压的值。

Description

具有旁路功能的电源供应器及其操作方法
技术领域
本发明有关于一种电源供应器，且特别涉及一种用于提高整机效率的电源供应器。
背景技术
近年来，电源供应电路已广泛使用在不同电子产品上，例如便携式电子产品、电脑产品等。电源供应电路可提供电压或电流转换或是提供具有固定电压或电流的电力以供电子产品使用。在电源供应电路中，电源集成电路(Power integrated circuit,Power IC)为必要的主动元件之一。为使电子装置(例如台式个人电脑、笔记本个人电脑等)能够正常的运作，必须利用电源转换器(power converter)对交流电压(AC voltage)进行整流(rectification)与滤波(filter)后以提供稳定的直流电压(DC voltage)给电子装置使用。
请参照由光宝科技股份有限公司与北京清华大学所共同研发且发表的Applied Power Electronics Conference and Exposition,2003.APEC'03.Eighteenth Annual IEEE(Volume:2)的A Combined Front EndDC/DC Converter的图1，当输入侧正常供电时，元件L1、D2与Q1所组成的变化器不工作，而元件D1则发挥旁路作用，但缺点为正常工作时，元件D1(二极管)会产生导通损耗，进而影响整机效率。当输入侧掉电时，元件L1、D2与Q1所组成的变化器会将储能电容中的能量提供至后级变化器的储能元件C1，使之正常输出以延长保持时间(hold-up time)。另外，元件D1并非任何时刻都处于导通状态，当输入端储能电容的电压低于输出端储能电容C1的电压时，两电容都处于断开状态，因此储能电容C1两端电压波动范围要比两电容并联时还要大。
另外，请参照美国专利号US 8,558,517的图5，当输入电压V_in掉电时，元件611(VIRTUAL BY_PASS SWITCH)会形成一二极管组态且无法完全地截止。此外，在输入电压V_in掉电时，图5的电源供应器100并无法得知元件30(滤波电容；储能电容)的电压信息以进一步进行适当的反应机制。
发明内容
本发明实施例提供一种具有旁路功能的电源供应器，电源供应器包括交流转直流转换器(AC-to-DC converter)、输入储能电容(inputenergy-storing capacitor)、驾驭电路(ride through circuit)、直流转直流转换器(DC-to-DC converter)以及输入电压感测与逻辑控制电路(inputvoltage sensing and logic control circuit)。交流转直流转换器用以接收交流输入电压并将其转换为输入电容电压。输入储能电容并联连接至交流转直流转换器，用以储存输入电容电压。驾驭电路电性连接至输入储能电容以接收输入电容电压，其中驾驭电路分别依据所接收的第一控制信号与第二控制信号来输出一输出电容电压。直流转直流转换器电性连接驾驭电路以接收输出电容电压并将其转换为直流输出电压。输入电压感测与逻辑控制电路电性连接驾驭电路，用以侦测输入电容电压的电压值并据此输出第一与第二控制信号至驾驭电路。当输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，驾驭电路根据第一控制信号输出输出电容电压，其中输出电容电压相同于输入电容电压。
在本发明其中一个实施例中，当输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，驾驭电路根据第二控制信号进行升压以输出输出电容电压，其中输出电容电压的值大于输入电容电压的值；当输入电容电压的电压值低于异常电压范围的下界时，驾驭电路停止运作，进而使得电源供应器关机。
在本发明其中一个实施例中，驾驭电路包括第一开关、第一电感、第一二极管、第二开关以及输出储能电容。第一开关的一端连接至第一电容的一端，用以接收第一控制信号并据此决定导通或断开状态。第一电感的一端连接第一开关的一端。第一二极管的阳极连接至第一电感的另一端，第一二极管的阴极连接第一开关的另一端。第二开关的一端连接第一二极管的阳极，用以接收第二控制信号并据此决定导通或断开状态。输出储能电容的一端连接第一开关的另一端，输出储能电容的另一端连接第二开关与第一电容的另一端。当第一开关导通时，输入储能电容与输出储能电容彼此并联连接，以减小输出储能电容上的电压波动。
在本发明其中一个实施例中，当输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，第一开关接收高电压电平的第一控制信号且第二开关接收低电压电平的第二控制信号，以使得输出储能电容通过第一开关产生输出电容电压以使直流转直流转换器正常工作。
在本发明其中一个实施例中，当输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，第一开关接收低电压电平的第一控制信号且第二开关接收高电压电平的第二控制信号，以使得输出储能电容通过第一电感、第一二极管与第二开关产生输出电容电压以使直流转直流转换器正常工作；当输入电容电压的电压值低于异常电压范围的下界时，第一开关接收低电压电平的第一控制信号且第二开关接收低电压电平的第二控制信号以同时进入断开状态，进而使得电源供应器关机。
本发明实施例另提供一种电源供应器的操作方法，其中该电源供应器包括交流转直流转换器、输入储能电容、驾驭电路(ride through circuit)、直流转直流转换器与输入电压感测与逻辑控制电路，其中输入储能电容并联连接至交流转直流转换器，驾驭电路电性连接至输入储能电容，直流转直流转换器电性连接至驾驭电路，输入电压感测与逻辑控制电路电性连接驾驭电路，其中驾驭电路包括第一开关、第一电感、第一二极管、第二开关与输出储能电容、其中操作方法包括以下步骤：输入交流输入电压，通过交流转直流转换器将交流输入电压转换为输入电容电压。软启动。判断软启动是否结束。如果软启动已经结束，则导通第一开关且断开第二开关。判断输入电容电压是否正常。如果输入电容电压并未正常，则判断输入电容电压的值是否位于驾驭电路的工作范围。如果输入电容电压的值位于驾驭电路的工作范围，则断开第一开关且导通第二开关。
综上所述，本发明实施例所提出的电源供应器及其操作方法，当输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，驾驭电路根据第一控制信号输出输出电容电压，其中输出电容电压相同于输入电容电压。据此，能量的传输或转换过程的损耗几乎于零，其有助于提高电源整机效率。当输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，驾驭电路根据第二控制信号进行升压以输出输出电容电压，其中输出电容电压的值大于输入电容电压的值。据此，能够提高保持时间(Hold-up time)或者在维持相同的保持时间(Hold-uptime)下仅需更小的储能元件(例如电容)。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与说明书附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
上文已参考说明书附图来详细地说明本发明的具体实施例，藉此可对本发明更为明白，在该等附图中：
图1为根据本发明实施例的电源供应器的示意图。
图2为根据本发明实施例的电源供应器的运作流程图。
附图标记说明：
100：电源供应器
110：交流转直流转换器
120：驾驭电路
130：直流转直流转换器
140：输入电压感测与逻辑控制电路
C1：输入储能电容
C2：输出储能电容
CS1：第一控制信号
CS2：第二控制信号
D1：第一二极管
L1：第一电感
S1：第一开关
S2：第二开关
VC1：输入电容电压
VC2：输出电容电压
VIN：交流输入电压
VOUT：直流输出电压
S210、S220、S230、S240、S250、S260、S270、S280：步骤
具体实施方式
在下文将参看说明书附图更充分地描述各种例示性实施例，在说明书附图中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。在诸附图中，可为了清楚而夸示层及区的大小及相对大小。类似数字始终指示类似元件。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但此等元件不应受此等术语限制。此等术语乃用以区分一元件与另一元件。因此，下文论述的第一元件可称为第二元件而不偏离本发明概念的教示。如本文中所使用，术语「及/或」包括相关联的列出项目中的任一者及一或多个的所有组合。
〔电源供应器的一实施例〕
请参照图1，图1为根据本发明实施例的电源供应器的示意图。如图1所示，电源供应器100包括交流转直流转换器110、输入储能电容C1、驾驭电路(ride through circuit)120、直流转直流转换器130与输入电压感测与逻辑控制电路140。输入储能电容C1并联连接至交流转直流转换器110。驾驭电路(ride through circuit)120电性连接至输入储能电容C1。直流转直流转换器110电性连接至该驾驭电路120。输入电压感测与逻辑控制电路140电性连接驾驭电路120。
在本实施例中，交流转直流转换器110用以接收交流输入电压VIN并将其转换为输入电容电压VC1，而且输入储能电容C1为用以储存输入电容电压VC1。接下来，驾驭电路120分别依据所接收的第一控制信号CS1与第二控制信号CS2来输出一输出电容电压VC2，并且直流转直流转换器130会接收输出电容电压VC2并将其转换为直流输出电压VOUT。值得一提的是，本公开内容的输入电压感测与逻辑控制电路140会侦测输入电容电压VC1的电压值并据此输出第一控制信号CS1与第二控制信号CS2至驾驭电路120，以控制驾驭电路120的运作模式。也就是说，本实施例以固件形式通过输入电压感测与逻辑控制电路140来侦测电源供应器110的输入侧是否正常供电，并进一步依据供电状况输出控制信号CS1及CS2至驾驭电路120以实时控制电源供应器100的运作。
进一步来说，在电源转换器100的输入侧正常供电的模式下，当输入电压感测与逻辑控制电路140侦测到输入电容电压VC1的电压值位于正常电压范围(例如300～450伏特)时，则输入电压感测与逻辑控制电路140会传送高电压电平的第一控制信号CS1至驾驭电路120，并且之后驾驭电路120会根据第一控制信号CS1输出该输出电容电压VC2至直流转直流转换器130以供正常运作。须注意的是，在实施例中，输出电容电压VC2相同于输入电容电压VC1，亦即能量的传输或转换过程的损耗几乎等于零，其有助于提高电源整机效率。
另一方面，在电源转换器100的输入侧掉电的模式下，当输入电压感测与逻辑控制电路140侦测到输入电容电压VC1的电压值位于异常电压范围(例如200～300伏特)时，则输入电压感测与逻辑控制电路140会传送高电压电平的第二控制信号CS2至驾驭电路120，并且之后驾驭电路120会根据第二控制信号CS2进行或启动升压机制以输出输出电容电压VC2至直流转直流转换器130以供正常运作，其中在本实施例中，输出电容电压VC2的值大于输入电容电压VC1的值。也就是说，本实施例能够提高保持时间(Hold-up time)或者在维持相同的保持时间(Hold-up time)下仅需更小的储能元件(例如电容)。
最后，在电源转换器100的输入侧大幅掉电的模式下，当输入电压感测与逻辑控制电路140侦测到输入电容电压VC1的电压值低于异常电压范围的下界(例如低于200伏特)时，则输入电压感测与逻辑控制电路140会同时传送低电压电平的控制信号CS1及CS2至驾驭电路120，以使驾驭电路120停止运作，进而使得电源供应器100关机，可避免损害电路元件。
〔电源供应器的另一实施例〕
请继续参照图1，驾驭电路120包括第一开关S1、第一电感L1、第一二极管D1、第二开关S2与输出储能电容C2。第一开关S1的一端连接至第一电容C1的一端，用以接收第一控制信号CS1并据此决定导通或断开状态。第一电感L1的一端连接第一开关S1的一端。第一二极管D1的阳极连接至第一电感L1的另一端，第一二极管D1的阴极连接第一开关S1的另一端。第二开关S2的一端连接第一二极管D1的阳极，用以接收第二控制信号CS2并据此决定导通或断开状态。输出储能电容C2的一端连接第一开关S1的另一端，输出储能电容C2的另一端连接第二开关S2与第一电容C1的另一端。
进一步来说，在电源转换器100的输入侧正常供电的模式下，当输入电压感测与逻辑控制电路140侦测到输入电容电压VC1的电压值位于正常电压范围(例如300～450伏特)时，第一开关S1会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送的高电压电平的第一控制信号CS1且第二开关S2会接收到低电压电平的第二控制信号CS2，以使得输出储能电容C2通过第一开关S1的能量传递产生输出电容电压VC2以使直流转直流转换器130正常工作进而产生直流输出电压VOUT。值得一提的是，在本实施例中，当第一开关S1导通时，则输入储能电容C1与输出储能电容C2彼此并联连接，以减小该输出储能电容C2上的电压波动，并且能量的传输或转换过程的损耗几乎于零，其有助于提高电源整机效率。
另一方面，在电源转换器100的输入侧掉电的模式下，当输入电压感测与逻辑控制电路140侦测到输入电容电压VC1的电压值位于异常电压范围(例如200～300伏特)时，第一开关S1会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送的低电压电平的第一控制信号CS1且第二开关S2接收高电压电平的第二控制信号CS2，以使得输出储能电容C2通过第一电感L1、第一二极管D1与第二开关S2(构成升压电路)产生输出电容电压VC2以使直流转直流转换器140正常工作进而产生直流输出电压VOUT。也就是说，本实施例能够提高保持时间(Hold-up time)或者在维持相同的保持时间(Hold-up time)下仅需更小的储能元件(例如电容)。
最后，在电源转换器100的输入侧大幅掉电的模式下，当输入电压感测与逻辑控制电路140侦测到输入电容电压VC1的电压值低于异常电压范围的下界(例如低于200伏特)时，则第一开关S1会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送低电压电平的该第一控制信号CS1且第二开关S2会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送的低电压电平的第二控制信号CS2，以同时使开关S1及S2进入断开状态，进而使得电源供应器100关机。
接下来，以下将以一电源供应器的运作流程图来进行说明本公开内容的实施例。
〔电源供应器的操作方法的一实施例〕
请同时参照图1与图2，图2为根据本发明实施例的电源供应器的运作流程图。如图2所示，电源供应器的运作流程包括以下步骤：输入交流输入电压(步骤S210)；软启动(步骤S220)；软启动结束(步骤S230)；第一开关导通且第二开关断开(步骤S240)；直流转直流转换器正常工作(步骤S250)；输入电容电压是否正常？(步骤S260)；输入电容电压的值是否位于驾驭电路的工作范围？(步骤S270)以及第一开关断开且第二开关导通(步骤S280)。
在步骤S210中：电源转换器100的输入侧会接收交流输入电压VIN。之后，进入到步骤S220。
在步骤S220中：电源转换器100进入软启动的阶段，之后进入到步骤S230。
在步骤S230中：如果软启动尚未结束，则会回到步骤S220继续软启动电源转换器100；如果软启动已完成，则会进入到步骤S240。
在步骤S240中：当输入电压感测与逻辑控制电路140侦测到输入电容电压VC1的电压值位于正常电压范围(例如300～450伏特)时，第一开关S1会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送的高电压电平的第一控制信号CS1以导通且第二开关S2会接收到低电压电平的第二控制信号CS2以断开或截止。接下来，输出储能电容C2通过第一开关S1的能量传递产生输出电容电压VC2。之后，进入到步骤S250。
在步骤S250中：直流转直流转换器130接收到输出电容电压VC2以正常工作进而产生直流输出电压VOUT。之后，进入到步骤S260。
在步骤S260中：当输入电压感测与逻辑控制电路140会继续侦测输入电容电压VC1的电压值是否正常？如果输入电容电压VC1的电压值位于正常电压范围(例如300～450伏特)时，则回到步骤S250；如果输入电容电压VC1的电压值位于异常电压范围(例如200～300伏特)时，则会进入到步骤S270以进一步判断下一个条件。
在步骤S270中：输入电压感测与逻辑控制电路140会进一步判断输入电容电压VC1的异常值是否位于驾驭电路120的工作范围？如果电容电压VC1的异常值低于驾驭电路120的工作范围时，则表示电源转换器100的输入侧大幅掉电，因此第一开关S1会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送低电压电平的该第一控制信号CS1且第二开关S2会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送的低电压电平的第二控制信号CS2，以同时使开关S1及S2进入断开状态，进而使得电源供应器100关机。另一方面，如果电容电压VC1的异常值低于驾驭电路120的工作范围时，则进入到步骤S280。
在步骤S280中：第一开关S1会接收到来自于输入电压感测与逻辑控制电路140所传送的低电压电平的第一控制信号CS1且第二开关S2接收高电压电平的第二控制信号CS2，以使得输出储能电容C2通过第一电感L1、第一二极管D1与第二开关S2(构成升压电路)产生输出电容电压VC2以使直流转直流转换器140正常工作进而产生直流输出电压VOUT。
〔实施例的可能功效〕
综上所述，本发明实施例所提出的电源供应器及其操作方法，当输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，驾驭电路根据第一控制信号输出输出电容电压，其中输出电容电压相同于输入电容电压。据此，能量的传输或转换过程的损耗几乎于零，其有助于提高电源整机效率。当输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，驾驭电路根据第二控制信号进行升压以输出输出电容电压，其中输出电容电压的值大于输入电容电压的值。据此，能够提高保持时间(Hold-up time)或者在维持相同的保持时间(Hold-uptime)下仅需更小的储能元件(例如电容)。
以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

Claims (10)

1.一种具有旁路功能的电源供应器，其特征在于，该电源供应器包括：
一交流转直流转换器，用以接收一交流输入电压并将其转换为一输入电容电压；
一输入储能电容，并联连接至该交流转直流转换器，用以储存该输入电容电压；
一驾驭电路，电性连接至该输入储能电容以接收该输入电容电压，其中该驾驭电路分别依据所接收的一第一控制信号与一第二控制信号来输出一输出电容电压；
一直流转直流转换器，电性连接至该驾驭电路以接收该输出电容电压并将其转换为一直流输出电压；以及
一输入电压感测与逻辑控制电路，电性连接该驾驭电路，用以侦测该输入电容电压的电压值并据此输出该第一与该第二控制信号至该驾驭电路；
其中当该输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，该驾驭电路根据该第一控制信号输出该输出电容电压，其中该输出电容电压相同于该输入电容电压。
2.如权利要求1所述的电源供应器，其中当该输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，该驾驭电路根据该第二控制信号进行升压以输出该输出电容电压，其中该输出电容电压的值大于该输入电容电压的值，其中当该输入电容电压的电压值低于异常电压范围的下界时，该驾驭电路停止运作，进而使得该电源供应器关机。
3.如权利要求1所述的电源供应器，该驾驭电路包括：
一第一开关，其一端连接至该第一电容的一端，用以接收该第一控制信号并据此决定导通或断开状态；
一第一电感，其一端连接该第一开关的一端；
一第一二极管，其阳极连接至该第一电感的另一端，其阴极连接该第一开关的另一端；
一第二开关，其一端连接该第一二极管的阳极，用以接收该第二控制信号并据此决定导通或断开状态；以及
一输出储能电容，其一端连接该第一开关的另一端，其另一端连接该第二开关与该第一电容的另一端；
其中当第一开关导通时，该输入储能电容与该输出储能电容彼此并联连接，以减小该输出储能电容上的电压波动。
4.如权利要求3所述的电源供应器，其中当该输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，该第一开关接收高电压电平的该第一控制信号且该第二开关接收低电压电平的该第二控制信号，以使得该输出储能电容通过该第一开关产生该输出电容电压以使该直流转直流转换器正常工作。
5.如权利要求3所述的电源供应器，其中当该输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，该第一开关接收低电压电平的该第一控制信号且该第二开关接收高电压电平的该第二控制信号，以使得该输出储能电容通过该第一电感、该第一二极管与该第二开关产生该输出电容电压以使该直流转直流转换器正常工作，其中当该输入电容电压的电压值低于异常电压范围的下界时，该第一开关接收低电压电平的该第一控制信号且该第二开关接收低电压电平的该第二控制信号以同时进入断开状态，进而使得该电源供应器关机。
6.一种电源供应器的操作方法，其中该电源供应器包括一交流转直流转换器、一输入储能电容、一驾驭电路、一直流转直流转换器与一输入电压感测与逻辑控制电路，其中该输入储能电容并联连接至该交流转直流转换器，该驾驭电路电性连接至该输入储能电容，该直流转直流转换器电性连接至该驾驭电路，该输入电压感测与逻辑控制电路电性连接该驾驭电路，其中该驾驭电路包括一第一开关、一第一电感、一第一二极管、一第二开关与一输出储能电容，其特征在于，该操作方法包括：
输入交流输入电压，通过该交流转直流转换器将该交流输入电压转换为一输入电容电压；
软启动；
判断软启动是否结束；
如果软启动已经结束，则导通一第一开关且断开一第二开关；
使该直流转直流转换器正常工作；
判断一输入电容电压是否正常；
如果该输入电容电压并未正常，则判断该输入电容电压的值是否位于该驾驭电路的工作范围；以及
如果输入电容电压的值位于该驾驭电路的工作范围，则断开该第一开关且导通该第二开关；
其中该第一开关的一端连接至该第一电容的一端，该第一电感的一端连接该第一开关的一端，第一二极管的阳极与阴极分别连接至该第一电感的另一端与该第一开关的另一端，该第二开关的一端连接该第一二极管的阳极，该输出储能电容的一端与另一端分别连接该第一开关的另一端与该第二开关及该第一电容的另一端。
7.如权利要求6所述的电源供应器的操作方法，其中如果该输入电容电压正常，则使该直流转直流转换器正常工作；其中如果输入电容电压的值低于该驾驭电路的工作范围的下界，则结束该电源供应器的运作。
8.如权利要求6所述的电源供应器的操作方法，当该输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，该驾驭电路根据一第一控制信号输出该输出电容电压，其中该输出电容电压相同于该输入电容电压；其中当该输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，该驾驭电路根据一第二控制信号进行升压以输出该输出电容电压，其中该输出电容电压的值大于该输入电容电压的值，其中当该输入电容电压的电压值低于异常电压范围的下界时，该驾驭电路停止运作，进而使得该电源供应器关机。
9.如权利要求8所述的电源供应器的操作方法，其中当该输入电容电压的电压值位于正常电压范围时，该第一开关接收高电压电平的该第一控制信号且该第二开关接收低电压电平的该第二控制信号，以使得该输出储能电容通过该第一开关产生该输出电容电压以使该直流转直流转换器正常工作。
10.如权利要求8所述的电源供应器的操作方法，其中当该输入电容电压的电压值位于异常电压范围时，该第一开关接收低电压电平的该第一控制信号且该第二开关接收高电压电平的该第二控制信号，以使得该输出储能电容通过该第一电感、该第一二极管与该第二开关产生该输出电容电压以使该直流转直流转换器正常工作，其中当该输入电容电压的电压值低于异常电压范围的下界时，该第一开关接收低电压电平的该第一控制信号且该第二开关接收低电压电平的该第二控制信号以同时进入断开状态，进而使得该电源供应器关机。
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