CN111193399A - 电源供应装置 - Google Patents

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CN111193399A
CN111193399A CN201910043625.9A CN201910043625A CN111193399A CN 111193399 A CN111193399 A CN 111193399A CN 201910043625 A CN201910043625 A CN 201910043625A CN 111193399 A CN111193399 A CN 111193399A
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黄文楠
陈庆国
古孝治
李菀菁
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Chicony Power Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种电源供应装置。电源供应装置包括电源转换器以及控制电路。控制电路耦接于电源转换器。电源转换器用以对输入电源进行转换以提供输出电源。控制电路用以接收控制信号并依据控制信号以及输出电源提供假性电流，使得假性电流的电流值与输出电源的电流值的和大于或等于一临界值，藉以使电源转换器以软切方式对输入电源进行转换。

Description

电源供应装置
技术领域
本发明涉及一种电源供应装置，尤其涉及一种采用软切方式的电源供应装置。
背景技术
一般而言，电源供应装置若采用硬切(hard switching)方式进行，由于无法达成零电压切换(zero voltage switching，ZVS)、零电流切换(zero current switching，ZCS)，因此电源供应装置在开启与关闭时会衍生出切换损失，进而造成电源供应装置的效率降低，甚至会因为温度急升而使切换开关损坏。为了有效地减少电源供应装置的切换损失，具备软切(soft switching)方式的架构被广泛地讨论及研究。
发明内容
本发明提供一种采用软切方式的电源供应装置。
本发明的电源供应装置包括电源转换器以及控制电路。电源转换器包括变压器、一次侧转换电路以及二次侧转换电路。一次侧转换电路耦接于变压器的一次侧。一次侧转换电路用以接收输入电源。二次侧转换电路耦接于变压器的二次侧。电源转换器通过多个开关信号控制一次侧转换电路以及二次侧转换电路，以对输入电源进行转换，藉以提供经转换的输出电源，其中些开关信号依据控制信号所产生。控制电路耦接于电源转换器。控制电路用以接收控制信号并依据控制信号以及输出电源提供假性电流，使得假性电流的电流值与输出电源的电流值的和大于或等于一临界值，藉以使电源转换器以软切方式对输入电源进行转换。
基于上述，电源供应装置依据控制信号提供经转换的输出电源时，控制电路用以接收控制信号并依据控制信号以及输出电源提供假性电流。这使得假性电流的电流值与输出电源的电流值的和将大于或等于临界值，藉以使电源转换器以软切(soft switching)方式对输入电源进行转换。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依据本发明的第一实施例所示出的电源供应装置的示意图；
图2是依据第一实施例所示出的控制电路的示意图；
图3是依据本发明的第二实施例所示出的电源供应装置的示意图；
图4是依据第二实施例所示出的控制电路的示意图；
图5是依据第二实施例所示出的操作波形图；
图6是依据第三实施例所示出的控制电路的示意图；
图7是依据本发明的一实施例所示出的电源供应方法流程图。
附图标号说明：
100、300：电源供应装置
110、310：电源转换器
112、312：变压器
114、314：一次侧转换电路
116、316：二次侧转换电路
120、320、620：控制电路
122、324、624：假性电流提供电路
322、622：判断电路
3222：比较器
3224：逻辑运算电路
6222：运算器
6224：运算放大器
Ci：输入电容
Co：滤波电容
GND：接地
H、L：电平
Id：假性电流
Is：电流值
Lo：滤波电感
Lr：谐振电感
P1、P2、P3：时间区间
PS_ON：控制信号
Q1～Q6：切换开关
R1、R2：分压电阻
Ra：电阻
Rd：假性电阻
Rs：电阻
S1、S2：第一信号
S3：第二信号
S710、S720：步骤
SIs：输出电流电平判断信号
SW：开关
T1：初级线圈
T21、T22：次级线圈
Vd：假性电压
Vi：输入电源
Vo：输出电源
VREF：预设电压值
Vs：感测电压值
具体实施方式
一般而言，电源供应装置若要达成零电压切换(zero voltage switching，ZVS)、零电流切换(zero current switching，ZCS)的软切(soft switching)方式，则是要当谐振电感上的能量大于谐振电容上的能量，即满足下列公式方可进行软切(soft switching)方式：
Figure BDA0001948417150000031
其中l_Lr为谐振电感的电感值，c_Cr为等效寄生电容的电容值，v_Vi为转换器输入电压的电压值，i_Ip为谐振电感上的电流值。一般电源供应装置的谐振电感的电感值是固定值，并且考量到饱和及成本，其谐振电感的电感值不会设计太大。本发明考虑到等效寄生电容及输入电压为固定值时，将上述公式进行调整如下：
Figure BDA0001948417150000041
由此可知，当谐振电流或输出电流的电流值大于一临界值后可以使电源供应装置以软切(soft switching)方式进行操作。
请参考图1，图1是依据本发明的第一实施例所示出的电源供应装置的示意图。电源供应装置100包括电源转换器110以及控制电路120。电源转换器110包括变压器112、一次侧转换电路114以及二次侧转换电路116。一次侧转换电路114耦接于变压器112的一次侧。一次侧转换电路114包括输入电容Ci、切换开关Q1～Q4以及谐振电感Lr。输入电容Ci的第一端以及第二端用以接收输入电源Vi。二次侧转换电路116包括切换开关Q5、Q6、滤波电感Lo以及滤波电容Co。二次侧转换电路116耦接于变压器112的二次侧。
电源转换器110接收控制信号PS_ON。控制信号PS_ON可例如是逻辑电平的启动信号。电源转换器110接收到控制信号PS_ON时会依据控制信号PS_ON产生多个开关信号。电源转换器110通过多个开关信号控制一次侧转换电路114的切换开关Q1～Q4以及二次侧转换电路116的切换开关Q5、Q6，以对所接收到的输入电源Vi进行转换，藉以经由滤波电容Co的第一端、第二端提供经转换的输出电源Vo。控制电路120耦接于电源转换器110。控制电路120也用以接收控制信号PS_ON。控制电路120会依据控制信号PS_ON以及输出电源Vo提供假性电流Id。因此，电源转换器110以及控制电路120可同时接收控制信号PS_ON。电源转换器110于此时点产生输出电源Vo的电流值Is，控制电路120也产生假性电流Id。这样的结果使得假性电流Id的电流值与输出电源Vo的电流值Is的和大于或等于临界值。如此一来，电源转换器110可以以软切方式对输入电源Vi进行转换。
关于一次侧转换电路114，在本实施例中，切换开关Q1的第一端耦接至输入电容Ci的第一端，切换开关Q1的第二端耦接至切换开关Q2的第一端。切换开关Q2的第二端耦接至输入电容Ci的第二端。切换开关Q3的第一端耦接至输入电容Ci的第一端，切换开关Q3的第二端耦接至切换开关Q4的第一端。切换开关Q4的第二端耦接至输入电容Ci的第二端。谐振电感Lr的第一端耦接于切换开关Q1的第二端与变压器112的初级线圈T1的第一端之间。变压器112的初级线圈T1的第二端耦接于切换开关Q3的第二端与切换开关Q4的第一端。在一些实施例中，可依据设计需求对一次侧转换电路114加入谐振电容以及功率因数校正电路的至少一者。本发明的一次侧转换电路并不以本实施例一次侧转换电路114为限。
关于二次侧转换电路116，在本实施例中，二次侧转换电路116的切换开关Q5的第一端耦接至次级线圈T21的输出端。切换开关Q6的第一端耦接至次级线圈T22的输出端。切换开关Q6的第二端耦接至切换开关Q5的第二端。滤波电感Lo的第一端耦接于次级线圈T21、T22的抽头接点。滤波电感Lo的第二端耦接于滤波电容Co的第一端。滤波电容Co的第二端耦接至接地电位。
请同时参考图1以及图2，图2是依据第一实施例所示出的控制电路的示意图。在本实施例中，控制电路120包括假性电流提供电路122。假性电流提供电路122耦接于二次侧转换电路116。假性电流提供电路122用以依据控制信号PS_ON与输出电源Vo提供假性电流Id到二次侧转换电路116。假性电流提供电路122进一步包括假性电阻Rd以及开关SW。假性电阻Rd的第一端耦接于二次侧转换电路116。开关SW的第一端耦接至假性电阻Rd的第二端。开关SW的第二端耦接至参考电压源(如接地GND)以及二次侧转换电路116。当开关SW被导通时，输出电源Vo会通过假性电阻Rd提供假性电流Id。
进一步来说明，在本实施例中，假性电流提供电路122的开关SW可例如是合适的晶体管开关，本实施例的开关SW是通过双极性接面型晶体管(bipolar junctiontransistor，BJT)来实现。在一些实施例中，开关SW可以是通过金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)来实现。开关SW还具有控制端。开关SW的控制端用以接收控制信号PS_ON，并且依据控制信号PS_ON而被导通。当控制电路120接收到控制信号PS_ON时开关SW被导通，因此输出电源Vo会依据假性电阻Rd的电阻值提供假性电流Id。因此，当电源供应装置100接收到控制信号PS_ON时，即获得假性电流Id。也因此，在假性电流Id的电流值与输出电源Vo的电流值Is的和会大于或等于临界值，藉以使电源转换器110以软切方式对输入电源Vi进行转换。
相反地，控制电路120在没有接收到控制信号PS_ON的情况下，开关SW被断开，因此控制电路120不会提供假性电流Id。电源转换器110也不会获得多个开关信号，因此不对输入电源Vi进行转换。
请同时参考图3以及图4，图3是依据本发明的第二实施例所示出的电源供应装置的示意图，图4是依据第二实施例所示出的控制电路的示意图。图3与图1不同的是，图3的控制电路320还用以接收来自于电源转换器310的输出电源Vo的电流值Is，并将输出电源Vo的电流值Is作为调整假性电流Id的依据。电源供应装置300的控制电路320包括判断电路322以及假性电流提供电路324。判断电路322耦接于假性电流提供电路324的开关SW的控制端。判断电路322用以接收输出电源Vo与控制信号PS_ON，并依据输出电源Vo的电流值Is与控制信号PS_ON控制开关SW的导通或断开。关于假性电流提供电路324的电路配置以及对应的实施内容可以由第一实施例中的假性电流提供电路122获致足够的教示，因此恕不在此重述。
进一步来说明，控制电路320的判断电路322包括比较器3222以及逻辑运算电路3224。比较器3222用以接收输出电源Vo的电流值Is，并且依据输出电源Vo的电流值Is提供输出电流电平判断信号SIs。比较器3222的反向输入端耦接于电阻Rs，用以接收输出电源Vo的电流值Is，并且依据输出电源Vo的电流值Is以及电阻Rs的电阻值产生感测电压值Vs。比较器3222的非反向输入端用以接收预设电压值VREF。比较器3222对感测电压值Vs以及预设电压值VREF进行比较，并且基于比较的结果在比较器3222的输出端提供输出电流电平判断信号SIs。也就是说，比较器3222会反应于感测电压值Vs与预设电压值VREF的比较结果提供输出电流电平判断信号SIs。
在本实施例中，控制电路320还包括用以提供预设电压值VREF的分压电路326。分压电路326具有分压电阻R1、R2。分压电阻R1的第一端耦接至系统电压VCC。分压电阻R1的第二端耦接至分压电阻R2的第一端。分压电阻R2的第二端耦接至参考电压源(如接地)。分压电路326对系统电压VCC进行分压后，会经由分压电阻R1的第二端将预设电压值VREF提供到比较器3222的非反向输入端。
在本实施例中，当比较器3222比较出感测电压值Vs小于预设电压值VREF时，提供具有一第一逻辑电平的输出电流电平判断信号SIs，当比较器3222比较出感测电压值Vs大于或等于预设电压值VREF时，提供具有第二逻辑电平的输出电流电平判断信号SIs。第一逻辑电平不同于第二逻辑电平。逻辑运算电路3224包括及门(AND gate)AG，用以对输出电流电平判断信号SIs以及控制信号PS_ON进行逻辑及(AND)运算以产生第一信号S1，并且提供第一信号S1到假性电流提供电路324的开关SW的控制端。
接下来说明控制电路320的操作。请同时参考图3、图4以及图5，图5是依据第二实施例所示出的操作波形图。首先，在时间区间P1，电源供应装置300还没有接收到控制信号PS_ON(视为低电压电平)。因此，电源转换器310尚不会对输入电源Vi进行转换以提供输出电源Vo，也不会提供输出电源Vo的电流值Is到控制电路320，从而使比较器3222的反向输入端接收到低电压电平的感测电压值Vs。此时，比较器3222基于预设电压值VREF与感测电压值Vs的比较结果提供高逻辑电平(即，上述的第一逻辑电平)的输出电流电平判断信号SIs。接下来，逻辑运算电路3224对输出电流电平判断信号SIs以及低电压电平的控制信号PS_ON进行逻辑及(AND)运算以产生具有低电压电平的第一信号S1。假性电流提供电路324的开关SW接收到低电压电平的第一信号S1而被断开，因此控制电路320在时间区间P1并不会提供假性电流Id。
在时间区间P2，电源供应装置300接收到控制信号PS_ON。电源转换器310对输入电源Vi进行转换以提供输出电源Vo，并提供输出电源Vo的电流值Is到控制电路320，使得比较器3222的反向输入端开始接收到感测电压值Vs。逻辑运算电路3224对输出电流电平判断信号SIs以及控制信号PS_ON进行逻辑及运算以产生具有高电压电平的第一信号S1。假性电流提供电路324的开关SW接收到高电压电平的第一信号S1而被导通，因此控制电路320在时间区间P2会提供假性电流Id。这使得时间区间P2的初期输出电源Vo的电流值Is会快速提升，因此感测电压值Vs也会快速提升。由于感测电压值Vs还没有大于或等于预设电压值VREF，因此比较器3222基于预设电压值VREF与感测电压值Vs的比较结果仍然提供高逻辑电平(即，上述的第一逻辑电平)的输出电流电平判断信号SIs。
接下来，由于上述的和会持续增加，也就是输出电源Vo的电流值Is持续增加，这使得比较器3222所接收到的感测电压值Vs也会持续增加。当感测电压值Vs大于或等于预设电压值VREF时，进入时间区间P3。
在时间区间P3，比较器3222会基于预设电压值VREF与感测电压值Vs的比较结果提供低逻辑电平(即，上述的第二逻辑电平)的输出电流电平判断信号SIs。逻辑运算电路3224对输出电流电平判断信号SIs以及控制信号PS_ON进行逻辑及运算以产生具有低电压电平的第一信号S1，藉以断开开关SW以使控制电路320在时间区间P3会停止提供假性电流Id。
在此值得一提的是，在本实施例中的判断电路322会依据输出电源Vo的电流值Is来判断是否导通或断开开关SW，藉以降低假性电流提供电路324在时间区间P3的功率消耗。
请参考图6，图6是依据第三实施例所示出的控制电路的示意图。在本实施例中，控制电路620可适用于图3的电源转换器310。控制电路620包括判断电路622以及假性电流提供电路624。判断电路622用以依据控制信号PS_ON对输出电源Vo的电流值Is进行运算以提供第一信号S2，并且依据假性电压Vd以及第一信号S2产生第二信号S3。判断电路622包括运算器6222以及运算放大器6224。运算器6222依据控制信号PS_ON而被致能。运算器6222被致能后会对输出电源Vo的电流值Is进行运算以获得与输出电源Vo的电流值Is呈现负相关的第一信号S2。运算放大器6224的非反向输入端耦接于运算器6222以接收第一信号S2。运算放大器6224的反向输入端用以接收来自于假性电流提供电路624的假性电压Vd。运算放大器6224的输出端用以提供第二信号S3。假性电流提供电路624包括假性电阻Rd、开关SW以及电阻Ra。假性电阻Rd的第一端耦接于二次侧转换电路316以接收输出电源Vo。开关SW的第一端耦接至假性电阻Rd的第二端。开关SW的第二端耦接至判断电路622。开关SW的控制端用以接收第二信号S3。电阻Ra的第一端耦接至开关SW的第二端，电阻Ra的第二端耦接至一参考电压源以及二次侧转换电路316，电阻Ra用以依据假性电流Id提供假性电压Vd。
在本实施例中，第一信号S2的电压值与输出电源Vo的电流值Is是呈现负斜率关系或者是呈现反比关系。也就是说，当输出电源Vo的电流值Is降低时，运算器6222会提高第一信号S2的电压值。相反地，当输出电源Vo的电流值Is增加时，运算器6222会降低第一信号S2的电压值。此外，运算放大器6224还依据假性电压Vd的电压值以及第一信号S2决定出第二信号S3的电压值。运算放大器6224可以对假性电压Vd的电压值以及第一信号S2进行运算以获得假性电压Vd的电压值以及第一信号S2的差，并且对所获得的差进行增益，藉以获得第二信号S3的电压值。运算放大器6224经由输出端将基于控制信号PS_ON、假性电压Vd以及第一信号S2所产生的第二信号S3提供到假性电流提供电路624。假性电流提供电路624经由开关SW的控制端接收第二信号S3。以开关SW为双极性接面型晶体管为例，假性电流提供电路624依据第二信号S3的电压值使开关SW被控制在饱和区(saturation region)或主动区(active region)，藉以调整假性电流Id的电流值。
举例来说，当输出电源Vo的电流值Is降低时，运算器6222会依据当前的输出电源Vo的电流值Is提高第一信号S2的电压值。运算放大器6224对假性电压Vd的电压值以及第一信号S2进行运算以获得第二信号S3的电压值。假性电流提供电路624通过第二信号S3的电压值提高假性电流Id的电流值。另举例来说，当输出电源Vo的电流值Is上升时，运算器6222会依据当前的输出电源Vo的电流值Is降低第一信号S2的电压值。运算放大器6224对假性电压Vd的电压值以及第一信号S2进行运算以获得第二信号S3的电压值。假性电流提供电路624通过第二信号S3的电压值降低假性电流Id的电流值。通过本实施例，可以使输出电源Vo的电流值Is维持在等于或者是略大于临界值。如此一来，可以节省电源供应装置的功率消耗。
请参考图7，图7是依据本发明的一实施例所示出的电源供应方法流程图。在步骤S710中，接收控制信号，并依据控制信号以及输出电源提供假性电流。在步骤S720中，使假性电流的电流值与输出电源的电流值的和大于或等于临界值，藉以使电源转换器以软切方式对输入电源进行转换。步骤S710、S720的实施内容可在图1～图6的实施例中获致足够的教示，因此恕不在此重述。
综上所述，本发明的电源供应装置依据控制信号提供经转换的输出电源时，控制电路用以接收控制信号并依据控制信号以及输出电源提供假性电流。这使得假性电流的电流值与输出电源的电流值的和将大于或等于临界值，藉以使电源转换器以软切方式对输入电源进行转换。除此之外，电源供应装置还能够依据输出电源Vo的电流值Is以决定是否提供及调整假性电流，藉以进一步地降低电源供应装置的功率消耗。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种电源供应装置，其特征在于，包括：
电源转换器，包括：
变压器；
一次侧转换电路，耦接于所述变压器的一次侧，用以接收输入电源；以及
二次侧转换电路，耦接于所述变压器的二次侧，
其中所述电源转换器通过多个开关信号控制所述一次侧转换电路以及所述二次侧转换电路，以对所述输入电源进行转换，藉以提供经转换的输出电源，其中所述多个开关信号依据控制信号所产生；以及
控制电路，耦接于所述电源转换器，用以接收所述控制信号，并依据所述控制信号以及所述输出电源提供假性电流，使得所述假性电流的电流值与所述输出电源的电流值的和大于或等于临界值，藉以使所述电源转换器以软切方式对所述输入电源进行转换。
2.根据权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，所述控制电路包括：
假性电流提供电路，耦接于所述二次侧转换电路，用以依据所述控制信号与所述输出电源提供所述假性电流到所述二次侧转换电路。
3.根据权利要求2所述的电源供应装置，其特征在于，所述假性电流提供电路包括：
假性电阻，所述假性电阻的第一端耦接于所述二次侧转换电路；以及
开关，所述开关的第一端耦接至所述假性电阻的第二端，所述开关的第二端耦接至参考电压源以及所述二次侧转换电路，
其中所述开关被导通时，所述输出电源通过所述假性电阻提供所述假性电流。
4.根据权利要求3所述的电源供应装置，其特征在于，所述开关还具有控制端，所述开关的控制端用以接收所述控制信号，其中所述开关依据所述控制信号而被导通。
5.根据权利要求3所述的电源供应装置，其特征在于，所述控制电路还包括：
判断电路，耦接于所述开关的控制端，所述判断电路包括：
比较器，用以接收所述输出电源的电流值，并依据所述输出电源的电流值提供输出电流电平判断信号；以及
逻辑运算电路，耦接于所述比较器以及所述假性电流提供电路，用以依据所述输出电流电平判断信号以及所述控制信号控制所述开关的导通或断开。
6.根据权利要求5所述的电源供应装置，其特征在于：
所述比较器的反向输入端用以接收依据所述输出电源所产生的感测电压值，所述比较器的非反向输入端用以接收预设电压值，所述比较器的输出端用以提供所述输出电流电平判断信号，
当所述比较器比较出所述感测电压值小于所述预设电压值时，提供具有第一逻辑电平的所述输出电流电平判断信号，
当所述比较器比较出所述感测电压值大于或等于所述预设电压值时，提供具有第二逻辑电平的所述输出电流电平判断信号，
所述第一逻辑电平不同于所述第二逻辑电平。
7.根据权利要求6所述的电源供应装置，其特征在于：
所述逻辑运算电路包括及门，用以对所述输出电流电平判断信号以及所述控制信号进行逻辑及运算以产生第一信号，
所述逻辑运算电路依据具有所述第一逻辑电平的所述第一信号导通所述开关，藉以使所述假性电流提供电路提供所述假性电流，
所述逻辑运算电路依据具有所述第二逻辑电平的所述第一信号断开所述开关，藉以使所述假性电流提供电路停止提供所述假性电流。
8.根据权利要求2所述的电源供应装置，其特征在于，所述控制电路还包括：
判断电路，用以依据所述控制信号对所述输出电源的电流值进行运算以提供第一信号，并且依据假性电压以及所述第一信号产生第二信号，
其中所述假性电流提供电路接收基于所述控制信号、所述假性电压以及所述第一信号所产生的所述第二信号，依据所述第二信号调整所述假性电流，并依据所述假性电流提供所述假性电压至所述判断电路。
9.根据权利要求8所述的电源供应装置，其特征在于，所述假性电流提供电路包括：
假性电阻，所述假性电阻的第一端耦接于所述二次侧转换电路；
开关，所述开关的第一端耦接至所述假性电阻的第二端，所述开关的第二端耦接至所述判断电路，所述开关的控制端用以接收所述第二信号；以及
电阻，所述电阻的第一端耦接至所述开关的第二端，所述电阻的第二端耦接至参考电压源以及所述二次侧转换电路，所述电阻用以依据所述假性电流提供所述假性电压，
其中所述开关被导通时，所述输出电源经由所述假性电阻提供所述假性电流，
其中所述假性电流提供电路依据所述第二信号所提供的所述假性电流的电流值与所述输出电源的电流值的和大于或等于所述临界值。
10.根据权利要求9所述的电源供应装置，其特征在于，所述判断电路包括：
运算器，依据所述控制信号而被致能，用以对所述输出电源的电流值进行运算以获得所述第一信号，其中所述第一信号的电压值与所述输出电源的电流值呈现负相关；以及
运算放大器，所述运算放大器的非反向输入端用以接收所述第一信号，所述运算放大器的反向输入端用以接收所述假性电压，所述运算放大器的输出端用以提供所述第二信号。
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