CN117674603A - 电源供应器 - Google Patents

Abstract

一种电源供应器，包括：一切换电路、一变压器、一第一电容器、一输出级电路，以及一脉冲宽度调制集成电路。切换电路可根据一输入电位、一第一脉冲宽度调制电位，以及一第二脉冲宽度调制电位来产生一切换电位。变压器包括一主线圈、一第一副线圈，以及一第二副线圈。变压器更内建一漏电感器和一激磁电感器。主线圈是经由漏电感器接收切换电位。输出级电路是耦接至第一副线圈和第二副线圈，并可产生一输出电位和一输出电流。脉冲宽度调制集成电路更可根据输出电流来选择性地调整第一脉冲宽度调制电位的一切换频率和一责任周期。

Description

电源供应器

技术领域

本发明是关于一种电源供应器，特别是关于一种高效率的电源供应器。

背景技术

在传统电源供应器中，当输出二极管由导通状态切换至关闭状态时，通过输出二极管的输出电流往往尚未下降至0，而此种非理想特性容易增加电源供应器的切换损耗，并使得电源供应器的整体效率降低。有鉴于此，势必要提出一种全新的解决方案，以克服先前技术所面临的困境。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提出一种高效率的电源供应器，包括：一切换电路，根据一输入电位、一第一脉冲宽度调制电位，以及一第二脉冲宽度调制电位来产生一切换电位；一变压器，包括一主线圈、一第一副线圈，以及一第二副线圈，其中该变压器内建一漏电感器和一激磁电感器，而该主线圈是经由该漏电感器接收该切换电位；一第一电容器，耦接至该激磁电感器；一输出级电路，耦接至该第一副线圈和该第二副线圈，并产生一输出电位和一输出电流；以及一脉冲宽度调制集成电路，产生该第一脉冲宽度调制电位和该第二脉冲宽度调制电位；其中该脉冲宽度调制集成电路更根据该输出电流来选择性地调整该第一脉冲宽度调制电位的一切换频率和一责任周期。

在一些实施例中，该切换电路包括：一第一晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第一晶体管的该控制端是用于接收该第一脉冲宽度调制电位，该第一晶体管的该第一端是耦接至一第一节点以输出该切换电位，而该第一晶体管的该第二端是耦接至一输入节点以接收该输入电位；以及一第二晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第二晶体管的该控制端是用于接收该第二脉冲宽度调制电位，该第二晶体管的该第一端是耦接至一接地电位，而该第二晶体管的该第二端是耦接至该第一节点。

在一些实施例中，该漏电感器具有一第一端和一第二端，该漏电感器的该第一端是耦接至该第一节点以接收该切换电位，该漏电感器的该第二端是耦接至一第二节点，该主线圈具有一第一端和一第二端，该主线圈的该第一端是耦接至该第二节点，该主线圈的该第二端是耦接至一第三节点，该激磁电感器具有一第一端和一第二端，该激磁电感器的该第一端是耦接至该第二节点，该激磁电感器的该第二端是耦接至该第三节点，该第一电容器具有一第一端和一第二端，该第一电容器的该第一端是耦接至该第三节点，该第一电容器的该第二端是耦接至该接地电位，该第一副线圈具有一第一端和一第二端，该第一副线圈的该第一端是耦接至一第四节点，该第一副线圈的该第二端是耦接至一共同节点，该第二副线圈具有一第一端和一第二端，该第二副线圈的该第一端是耦接至该共同节点，而该第二副线圈的该第二端是耦接至一第五节点。

在一些实施例中，该输出级电路包括：一第一二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第一二极管的该阳极是耦接至该第四节点，而该第一二极管的该阴极是耦接至一输出节点以输出该输出电位；一第二二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第二二极管的该阳极是耦接至该第五节点，而该第二二极管的该阴极是耦接至该输出节点；以及一第二电容器，具有一第一端和一第二端，其中该第二电容器的该第一端是耦接至该输出节点，而该第二电容器的该第二端是耦接至一侦测节点。

在一些实施例中，该输出级电路更包括：一感测电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该感测电阻器的该第一端是耦接至该侦测节点，而该感测电阻器的该第二端是耦接至该共同节点；其中该输出电流更流经该第一二极管、该第二电容器，以及该感测电阻器，使得该感测电阻器能于该侦测节点处输出一侦测电位。

在一些实施例中，该脉冲宽度调制集成电路更持续地监控该侦测电位，以取得该侦测电位的一最大值。

在一些实施例中，该脉冲宽度调制集成电路更于该第一脉冲宽度调制电位的一下降边缘处取得该侦测电位的一瞬时值。

在一些实施例中，该脉冲宽度调制集成电路更借由将该瞬时值除以该最大值来计算出一调整比例。

在一些实施例中，若该调整比例不等于0，则该脉冲宽度调制集成电路将根据该调整比例来降低该第一脉冲宽度调制电位的该切换频率。

在一些实施例中，若该调整比例不等于0，则该脉冲宽度调制集成电路将根据该调整比例来增加该第一脉冲宽度调制电位的该责任周期。

附图说明

图1是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器的示意图。

图2是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器的电路图。

图3是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器执行自我校正程序之前的信号波形图。

图4是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器执行自我校正程序之后的信号波形图。

其中，附图标记说明如下：

100，200：电源供应器

110，210：切换电路

120，220：变压器

121，221：主线圈

122，222：第一副线圈

123，223：第二副线圈

130，230：输出级电路

150，250：脉冲宽度调制集成电路

C1：第一电容器

C2：第一电容器

D1：第一二极管

D2：第一二极管

DT：责任周期

FS：切换频率

IOUT：输出电流

LM：激磁电感器

LR：漏电感器

M1：第一晶体管

M2：第二晶体管

N1：第一节点

N2：第二节点

N3：第三节点

N4：第四节点

N5：第五节点

NCM：共同节点

ND：侦测节点

NIN：输入节点

NOUT：输出节点

RS：感测电阻器

TE：特定时间点

VD：侦测电位

VDMAX：侦测电位的最大值

VDS：侦测电位的瞬时值

VIN：输入电位

VM1：第一脉冲宽度调制电位

VM2：第一脉冲宽度调制电位

VOUT：输出电位

VW：切换电位

X：调整比例

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”及“包括”一词为开放式的用语，故应解释成“包含但不仅限定于”。“大致”一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，“耦接”一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。

图1是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器100的示意图。例如，电源供应器100可应用于台式电脑、笔记本电脑，或一体成形电脑。如图1所示，电源供应器100包括：一切换电路110、一变压器120、一第一电容器C1、一输出级电路130，以及一脉冲宽度调制集成电路(Pulse Width Modulation Integrated Circuit，PWM IC)150。必须注意的是，虽然未显示于图1中，但电源供应器100更可包括其他元件，例如：一稳压器或(且)一负回授电路。

切换电路110可根据一输入电位VIN、一第一脉冲宽度调制电位VM1，以及一第二脉冲宽度调制电位VM2来产生一切换电位VW。例如，输入电位VIN可为一直流电位，其电位位准可介于360V至440V之间，但亦不仅限于此。变压器120包括一主线圈121、一第一副线圈122，以及一第二副线圈123。变压器120更可内建一漏电感器LR和一激磁电感器LM，其中漏电感器LR、激磁电感器LM，以及主线圈121皆可位于变压器120的同一侧，而第一副线圈122和第二副线圈123则皆可位于变压器120的相对另一侧。主线圈121可经由漏电感器LR接收切换电位VW，而第一副线圈122和第二副线圈123则可回应于切换电位VW来进行操作。第一电容器C1是耦接至激磁电感器LM。在一些实施例中，漏电感器LR、激磁电感器LM，以及第一电容器C1三者可共同形成电源供应器100的一谐振槽(Resonant Tank)。输出级电路130是耦接至第一副线圈122和第二副线圈123，并可产生一输出电位VOUT和一输出电流IOUT。例如，输出电位VOUT可为另一直流电位，其电位位准可介于18V至20V之间，但亦不仅限于此。脉冲宽度调制集成电路150可产生前述的第一脉冲宽度调制电位VM1和第二脉冲宽度调制电位VM2。在较佳实施例中，脉冲宽度调制集成电路150更可根据输出电流IOUT来选择性地调整前述的第一脉冲宽度调制电位VM1的一切换频率(Switching Frequency)FS和一责任周期(Duty Cycle)DT。在此设计下，电源供应器100可借由分析输出电流IOUT来判断其是否已达成理想的零电流切换(Zero Current Switching，ZCS)操作。若否，则电源供应器100将可执行一自我校正程序，从而可有效降低其切换损耗及提升整体的操作效率。

以下实施例将介绍电源供应器100的详细结构及操作方式。必须理解的是，这些图式和叙述仅为举例，而非用于限制本发明的范围。

图2是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器200的电路图。在图2的实施例中，电源供应器200具有一输入节点NIN和一输出节点NOUT，并包括：一切换电路210、一变压器220、一第一电容器C1、一输出级电路230，以及一脉冲宽度调制集成电路250。电源供应器200的输入节点NIN可由一外部输入电源处(未显示)接收一输入电位VIN，而电源供应器200的输出节点NOUT则可用于输出一输出电位VOUT至一电子装置(未显示)。

切换电路210包括一第一晶体管M1和一第二晶体管M2。例如，第一晶体管M1和第二晶体管M2可各自为一N型金属氧化物半导体场效晶体管(N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，NMOSFET)。第一晶体管M1具有一控制端(例如：一栅极)、一第一端(例如：一源极)，以及一第二端(例如：一漏极)，其中第一晶体管M1的控制端是用于接收一第一脉冲宽度调制电位VM1，第一晶体管M1的第一端是耦接至一第一节点N1以输出一切换电位VW，而第一晶体管M1的第二端是耦接至输入节点NIN。第二晶体管M2具有一控制端(例如：一栅极)、一第一端(例如：一源极)，以及一第二端(例如：一漏极)，其中第二晶体管M2的控制端是用于接收第二脉冲宽度调制电位VM2，第二晶体管M2的第一端是耦接至一接地电位VSS(例如：0V)，而第二晶体管M2的第二端是耦接至第一节点N1。在一些实施例中，第一脉冲宽度调制电位VM1和第二脉冲宽度调制电位VM2两者可具有相同的切换频率FS和互补(Complementary)的逻辑位准。

变压器220包括一主线圈221、一第一副线圈222，以及一第二副线圈223，其中变压器220更内建一漏电感器LR和一激磁电感器LM。漏电感器LR和激磁电感器LM皆可为变压器220制造时所附带产生的固有元件，其并非外部独立元件。漏电感器LR、主线圈221，以及激磁电感器LM皆可位于变压器220的同一侧(例如：一次侧)，而第一副线圈222和第二副线圈223则皆可位于变压器220的相对另一侧(例如：二次侧，其可与一次侧互相隔离开来)。漏电感器LR具有一第一端和一第二端，其中漏电感器LR的第一端是耦接至第一节点N1以接收切换电位VW，而漏电感器LR的第二端是耦接至一第二节点N2。主线圈221具有一第一端和一第二端，其中主线圈221的第一端是耦接至第二节点N2，而主线圈221的第二端是耦接至一第三节点N3。激磁电感器LM具有一第一端和一第二端，其中激磁电感器LM的第一端是耦接至第二节点N2，而激磁电感器LM的第二端是耦接至第三节点N3。第一电容器C1具有一第一端和一第二端，其中第一电容器C1的第一端是耦接至第三节点N3，而第一电容器C1的第二端是耦接至接地电位VSS。在一些实施例中，漏电感器LR、激磁电感器LM，以及第一电容器C1三者可共同形成电源供应器200的一谐振槽。第一副线圈222具有一第一端和一第二端，其中第一副线圈222的第一端是耦接至一第四节点N4，而第一副线圈222的第二端是耦接至一共同节点NCM。例如，共同节点NCM可视为另一接地电位，其可与前述的接地电位VSS相同或相异。第二副线圈223具有一第一端和一第二端，其中第二副线圈223的第一端是耦接至共同节点NCM，而第二副线圈223的第二端是耦接至一第五节点N5。

输出级电路230包括一第一二极管D1、一第二二体体D2、一第二电容器C2，以及一感测电阻器RS。第一二极管D1具有一阳极和一阴极，其中第一二极管D1的阳极是耦接至第四节点N4，而第一二极管D1的阴极是耦接至输出节点NOUT。第二二极管D2具有一阳极和一阴极，其中第二二极管D2的阳极是耦接至第五节点N5，而第二二极管D2的阴极是耦接至输出节点NOUT。第二电容器C2具有一第一端和一第二端，其中第二电容器C2的第一端是耦接至输出节点NOUT，而第二电容器C2的第二端是耦接至一侦测节点ND。感测电阻器RS可提供相对较低的一电阻值(例如：小于或等于5Ω)。感测电阻器RS具有一第一端和一第二端，其中感测电阻器RS的第一端是耦接至侦测节点ND，而感测电阻器RS的第二端是耦接至共同节点NCM。必须注意的是，输出级电路230的一输出电流IOUT可流经第一二极管D1、第二电容器C2，以及感测电阻器RS，使得感测电阻器RS能于侦测节点ND处输出一侦测电位VD。

根据欧姆定律，侦测电位VD的电位位准可与输出电流IOUT的电流值两者大致呈正比关系。因此，脉冲宽度调制集成电路250将能借由分析侦测电位VD来取得输出电流IOUT的相关信息。然后，脉冲宽度调制集成电路250还可根据侦测电位VD来选择性地执行一自我校正程序。

图3是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器200执行自我校正程序之前的信号波形图，其中横轴代表时间，而纵轴代表电位位准。在图3的实施例中，脉冲宽度调制集成电路250可持续地监控侦测电位VD，以取得侦测电位VD的一最大值VDMAX。另外，脉冲宽度调制集成电路250更可于第一脉冲宽度调制电位VM1的一下降边缘(Falling Edge)处取得侦测电位VD的一瞬时值VDS。举例而言，若第一脉冲宽度调制电位VM1于一特定时间点TE处由高逻辑位准切换至低逻辑位准，则脉冲宽度调制集成电路250亦可于此特定时间点TE处量测出侦测电位VD的瞬时值VDS。接着，脉冲宽度调制集成电路250还可借由将前述的瞬时值VDS除以前述的最大值VDMAX来计算出一调整比例X。详细而言，此调整比例X可如下列方程式(1)、(2)所述：

0≤X≤1 (2)

若调整比例X恰好等于0，则代表输出电流IOUT于第一脉冲宽度调制电位VM1的下降边缘处亦恰好等于0。换言之，电源供应器200已达成理想的零电流切换操作。因此，脉冲宽度调制集成电路250将会维持第一脉冲宽度调制电位VM1的切换频率FS和责任周期DT。

反之，若调整比例X不等于0，则代表输出电流IOUT于第一脉冲宽度调制电位VM1的下降边缘处亦不等于0。换言之，电源供应器200尚未达成理想的零电流切换操作。因此，脉冲宽度调制集成电路250将会执行一自我校正程序，以更新及最佳化第一脉冲宽度调制电位VM1的切换频率FS和责任周期DT。在一些实施例中，脉冲宽度调制集成电路250可根据调整比例X来降低第一脉冲宽度调制电位VM1的切换频率FS。例如，脉冲宽度调制集成电路250可将原本的切换频率FS乘以调整比例X，但亦不仅限于此。在一些实施例中，脉冲宽度调制集成电路250更可根据调整比例X来增加第一脉冲宽度调制电位VM1的责任周期DT。例如，脉冲宽度调制集成电路250可将原本的责任周期DT除以调整比例X，但亦不仅限于此。根据实际量测结果，前述的自我校正程序有助于提升电源供应器200的电压增益，同时可确保谐振槽内的能量皆释放完毕。

图4是显示根据本发明一实施例所述的电源供应器200执行自我校正程序之后的信号波形图，其中横轴代表时间，而纵轴代表电位位准或电流值。根据图4的量测结果，无论初始设定为何，前述的自我校正程序皆能确保电源供应器200可回复至理想的零电流切换操作。

本发明提出一种新颖的电源供应器，其可大幅降低切换损失。根据实际测量结果，使用前述设计的电源供应器其整体的操作效率将有明显改善，故其很适合应用于各种各式的装置当中。

值得注意的是，以上所述的电位、电流、电阻值、电感值、电容值，以及其余元件参数均非为本发明的限制条件。设计者可以根据不同需要调整这些设定值。本发明的电源供应器并不仅限于图1-图4所图示的状态。本发明可以仅包括图1-图4的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的电源供应器当中。虽然本发明的实施例是使用金属氧化物半导体场效晶体管为例，但本发明并不仅限于此，本技术领域人士可改用其他种类的晶体管，例如：接面场效晶体管，或是鳍式场效晶体管等等，而不致于影响本发明的效果。

在本说明书以及权利要求书中的序数，例如“第一”、“第二”、“第三”等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同元件。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种电源供应器，包括：

一切换电路，根据一输入电位、一第一脉冲宽度调制电位，以及一第二脉冲宽度调制电位来产生一切换电位；

一变压器，包括一主线圈、一第一副线圈，以及一第二副线圈，其中该变压器内建一漏电感器和一激磁电感器，而该主线圈是经由该漏电感器接收该切换电位；

一第一电容器，耦接至该激磁电感器；

一输出级电路，耦接至该第一副线圈和该第二副线圈，并产生一输出电位和一输出电流；以及

一脉冲宽度调制集成电路，产生该第一脉冲宽度调制电位和该第二脉冲宽度调制电位；

其中该脉冲宽度调制集成电路更根据该输出电流来选择性地调整该第一脉冲宽度调制电位的一切换频率和一责任周期。

2.如权利要求1所述的电源供应器，其中该切换电路包括：

一第一晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第一晶体管的该控制端是用于接收该第一脉冲宽度调制电位，该第一晶体管的该第一端是耦接至一第一节点以输出该切换电位，而该第一晶体管的该第二端是耦接至一输入节点以接收该输入电位；以及

一第二晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第二晶体管的该控制端是用于接收该第二脉冲宽度调制电位，该第二晶体管的该第一端是耦接至一接地电位，而该第二晶体管的该第二端是耦接至该第一节点。

3.如权利要求2所述的电源供应器，其中该漏电感器具有一第一端和一第二端，该漏电感器的该第一端是耦接至该第一节点以接收该切换电位，该漏电感器的该第二端是耦接至一第二节点，该主线圈具有一第一端和一第二端，该主线圈的该第一端是耦接至该第二节点，该主线圈的该第二端是耦接至一第三节点，该激磁电感器具有一第一端和一第二端，该激磁电感器的该第一端是耦接至该第二节点，该激磁电感器的该第二端是耦接至该第三节点，该第一电容器具有一第一端和一第二端，该第一电容器的该第一端是耦接至该第三节点，该第一电容器的该第二端是耦接至该接地电位，该第一副线圈具有一第一端和一第二端，该第一副线圈的该第一端是耦接至一第四节点，该第一副线圈的该第二端是耦接至一共同节点，该第二副线圈具有一第一端和一第二端，该第二副线圈的该第一端是耦接至该共同节点，而该第二副线圈的该第二端是耦接至一第五节点。

4.如权利要求3所述的电源供应器，其中该输出级电路包括：

一第一二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第一二极管的该阳极是耦接至该第四节点，而该第一二极管的该阴极是耦接至一输出节点以输出该输出电位；

一第二二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第二二极管的该阳极是耦接至该第五节点，而该第二二极管的该阴极是耦接至该输出节点；以及

一第二电容器，具有一第一端和一第二端，其中该第二电容器的该第一端是耦接至该输出节点，而该第二电容器的该第二端是耦接至一侦测节点。

5.如权利要求4所述的电源供应器，其中该输出级电路更包括：

一感测电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该感测电阻器的该第一端是耦接至该侦测节点，而该感测电阻器的该第二端是耦接至该共同节点；

其中该输出电流更流经该第一二极管、该第二电容器，以及该感测电阻器，使得该感测电阻器能于该侦测节点处输出一侦测电位。

6.如权利要求5所述的电源供应器，其中该脉冲宽度调制集成电路更持续地监控该侦测电位，以取得该侦测电位的一最大值。

7.如权利要求6所述的电源供应器，其中该脉冲宽度调制集成电路更于该第一脉冲宽度调制电位的一下降边缘处取得该侦测电位的一瞬时值。

8.如权利要求7所述的电源供应器，其中该脉冲宽度调制集成电路更借由将该瞬时值除以该最大值来计算出一调整比例。

9.如权利要求8所述的电源供应器，其中若该调整比例不等于0，则该脉冲宽度调制集成电路将根据该调整比例来降低该第一脉冲宽度调制电位的该切换频率。

10.如权利要求8所述的电源供应器，其中若该调整比例不等于0，则该脉冲宽度调制集成电路将根据该调整比例来增加该第一脉冲宽度调制电位的该责任周期。