TW201021382A - Switch-mode power supply - Google Patents

Description

201021382 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及交換式電源供應器（SMPS)，尤其是涉及功率因數 校正（PFC)的交換式電源供應器。 * * — , — ' 【先前技術】 雖然各類交換式電源供應器(switch_m〇de p〇wer supply )種類 繁多且不勝枚舉，惟綜觀先前歷來相關之f知技術，其控制電源 供應器輸出電Μ之敎方法，不外由輸出負載端截取—信號與内 部信號相比對，藉以控制内部電路作出適度調整，以轉電顯 出之穩定’俾提供小神電子消#裝置具穩定之電源需束。

校正（下稱PFC)功能，即具. 換式電源供應器均係利用PFC ’具有功率因數 即具可提昇辨_趨近於卜因此，交 PFC控制器，以減少電源於諧振及偏相 電流情況下損耗。 控制器， 請參閱第1圖， 其為習知技藝所示的一 種交換式電源供應器 4 201021382 的電路方塊圖。其中PFC交換式電源供應器1，一般配置有一昇壓 轉換器11及一 PFC控制器12 ;其中，昇壓轉換器n具一電感 器114 電阻H7、一輸出級118以及一能量傳送裝置，此能量 傳送裝置通常是以-個二極體115或一電晶體開關116實施運 _作。PFC控制器12則具有一交流電壓檢測單元121、一電感電流 ' 檢測單元122、一負載檢測單元123、一運算單元124、一比 較器125及—開關控制單元126，其中，藉由負載檢測單元123 檢測負載輸出級118的電壓值，以控制開關116與二極體115之 導通或關閉’實現提昇功率因數之效，並提供經調節的直流電壓 ❹輸出。 請參閱第2圖’其為習知技藝所示㈣—種交換式電源供應 •器的電路方塊圏。其中PFC交換式電源供應器2 一般配置有一昇 .壓轉換器21及一 PFC控制器22 ;其中，昇壓轉換器21具一電 感，214、-輪出級217以及一能量傳送裝置，此能量傳送裝置通 常疋以個一極體215或一電晶體開關216實施運作。？^^控制器 22則具有父流電壓檢測單元221電感電流檢測單元⑽、 麝-負載檢測單元223、一運算單元224、一開關導通時間單元 2烈及一開關控制單元226，其中，pfc控制器22藉由負載檢 ，測單元223檢測負載輸出、級217的電壓，以控制開關與二極體之 導通或關閉，貫現提昇功率因數之效，並提供經調節的直流電壓 輸出。 通常PFC控制器可以在連續導電模式（CCM)、關鍵導電模式 (CRM)或不連續導電模式（DCM)下運作。選擇在⑽或dCM模 式下運作絲於是低功耗顧的考量…般提供昇㈣換器輸出 5 201021382 負載調節的共同方㈣是直接檢顺出電壓（如貞餘測單元的 運作）。在負載檢測單元檢測輸出電壓後，反饋至PFC控制器實施 比對，以便調節開關的開/關時間。這種習用複雜的系統設計方 法，成本不論，遑論徒增電路板面積和元組件空間。 爰此之故’申請人有鑑於習知技術之缺失，.乃思一既可去除 '負載端的電壓檢測電路，又能穩定輸出電壓之方法，進而發明出 •本案「交換式電源供應器」，用以改善上述習用手段之缺失。 Ο 【發明内容】 本發明的主要目的就是在提供一交換式電源供應器，其 可藉由去除負載級的輸出電壓檢測電路，以縮減整體重量及體 積，同時該交換式電源供應器亦具有功率因數校正功能。 •❹ 根據上述目的，本發明—方面提出—種交換式電源供應器 £係基於—輸人電壓以提供—触雜，該交換式電源供應以 括：一昇壓轉換器，基於内部的一電感電流、-交流電壓及η 關電流而提昇該輸出電麼的位準;及一功率因數校正控制器，編 換器，包括：—_電流檢測單元，檢測該開關電流 電位；—運料元，職電魏流、該交流電㈣ ==轉刪崎運算，以提供一销 置信號，使得該昇_換器根據該重置信號而作動。’、 201021382 根據上述構想，該交換式電源供應器的輸入電壓為—市電。 根據上述構想，其中該昇壓轉換器更包括一碰1防護電路、一整 流器、一儲能裝置及一輸出級。 • 根據上述構想’其中該整流器是一全波橋式整流器。 ·* - · .. % 根據上述構想，其中該儲能裝置包括：一電感器，供兮齋 ’、成電感 .電〜通過；一開關，具有一輸入端、一控制端及一輸出端，診輸 入端耦接於該電感器，該控制端受控於該重置信號；一電阻，耦 ❺接於該開關的該輸出端，藉以提供該開關電流；及—二極體，轉 接於該電感器及該開關的該輸入端。 根據上述構想，其中該開關是一電晶體。 根據上述構想’其中該輸出級包括：ϋ電容，並聯於該 儲能裝置；及-輸出負載，並聯於該驗電容，以提供該輪出電 根據上述構想，其中該神隨校正控㈣更包括： .❿ 電流檢測單70 ’祕於該㈣轉㈣，檢繼域電流並將其 供至該運算單元;—紐電壓檢測單元，祕於料壓轉換器^ 測該交流電壓並·提供至該運料元;及__控鮮元杂 於該昇壓細，接晴姆，《咖纖換器的作動 =據上穩想，其中該電感電流檢測單元更可根據 流而祕-物跑簡_單 = 換器的作動。 昇壓車 201021382 根據上述目的，本發明另一 .提昇該輸:及 =:::電感電流及-交流電壓而 轉換器，包括：-運算t 校正控制器，織於該昇壓 '算，以提供一重置㈣電流及該交流電壓進行運 •重置信號，以你通時間單元’接收並傳送該 二使仔該昇壓轉換器根據該重置信號而作動。 ❹ 根據上述構想，其中該輸人f壓是一市電。 ^據上述構想，財__更包括— _路、 整流器、-儲能裝置及—輸出級。 據上述構想’其中該整流妓-全波橋式整流器。 電流=上述=’其中該儲能装置包括··一電感器，供該電感 入· 具有一輸入端、一控制端及-輸出端，該輪 接於該電感器，該控制端受控於該重置】 .❹ _於該電感器及該開關的該輪入端。 極趙， 根據上述構想’其+糊暇-電晶體。 儲能^構輪出級包括：—遽波電容，並聯於該 m。 ’貞載’並聯於該濾波電容，以提供該輪出電 根據上述構想，其中該功率因數校正控⑽更包括·· 獅，雜冑輸並^ ，交机電壓檢測單元，耦接於該昇壓轉換器，檢 201021382 測該交流電塵並將其提供至該運算單元;及一開關控制單元 於該昇壓轉㈣’接㈣重置魏，以控繼㈣轉難的作接 根據上述構想，其中該電感電流檢測單元更可根據該雷 流而提供一設置信號至該開關控制單元，以進一步控制該昇 換器的作動。 . 本發明的效能即在減化整體重量、體積且降録統製作成 本’同時藉由檢測能量傳輸的電流傳輸方式，以提高系統的功率 因數情況下，又能持續提供穩定的直流電壓輸出，期符合市場 ®求。 【實施方式】 請參見第3圖，其係顯示本發明所提交換式電源供應器第一 實施例的電路方塊圖。本PFC交換式電源供應器3包括一昇壓轉 換器31以及一 PFC控制器32。昇'壓轉換器31包括一市電輸入級 ❹311、一 EMI防護電路312、一整流器313、一電感314、一二極體 , 315、一開關316、一電阻317及一輸出級318。PFC控制器32則 . 包括一交流電壓檢測單元321、一電感電流檢測單元322、一開 關電流檢測單元323、一運算單元324、一比較器325以及一開關 控制單元326。 在一典型的運作情況下，市電輸入級311接收交流電壓VAC， 經由EMI防護電路312降壓及整流器313整流後以一輸入電壓Vin 201021382 輸出，此時耦接於昇壓轉換器31的交流電壓檢測單元321即檢測 輸入電壓Vin，另-耦接於昇壓轉換器31的電感電流檢測單元微 亦同時檢測其電感電流IL，其中電感電流檢測單元微根據該電 感電流IL *提供一設置信號至開關控制單元326，以控制該昇壓 轉換器31内的開關316作動。運算單元324則同時接收開關電流 .檢測單元323、電感電流檢測單元322及交流電屢檢測單元321 所檢測的二種彳吕號加以運算處理，以提供比較器Mg 一待 ❹測電位。比較器325則接收開關電流檢測單元323所檢測的該開 關電流基準電位與運异單元324所提供的待測電位進行比較，以 提供一重置信號至開關控制單元326,並根據該重置信號以控制昇 壓轉換器31内的開關316作動。當基準電位小於待測電位時，重 .置信號負責關閉開關316，此時允許更多能量送往負載輸出級 318’以提昇其輸出電位，若當基準電位大於待測電位時開關 則導通’此時將限制能量再送往負載輸出級318，以控制其輪出電 位不再升高。 ❿ - 請參見第4圖，其係顯示本發明所提交換式電源供應器4第 - 二實施例的電路方塊圖。本PFC交換式電源供應器4包括一昇壓 轉換器41以及一 PFC控制器42。昇壓轉換器41包括一市電輸入 級411、一 ΕΜΙ防護電路412、一整流器413、一電感414、一二 極體415、一開關416及一輸出級417。PFC控制器42則包括一交 流電壓檢測單元421、一電感電流檢測單元422、一運算單元423、 一開關導通時間單元424以及一開關控制單元425。 201021382 在一典型的運作情況下，市電輸入級411接收交流電壓VAC， 經由ΕΜΪ防護電路412降壓及整流器413整流後以一輸入電壓Vin 輸出’此時耦接於昇壓轉換器41的交流電壓檢測單元421即檢測 其輸入電壓Vin，另一耦接於昇壓轉換器41的電感電流檢測單元 、422亦同時檢測其電感電流IL，其中電感電流檢測單元422根據 該電感電流IL而提供一設置信號至開關控制單元425，以控制該 昇壓轉換器41内的開關416作動。運算單元423則同時接收電感 ©電流檢測單元422及交流電壓檢測單元421所檢測的二種信號 . 加以運算處理，以提供一重置信號；開關導通時間單元424接 • 收並傳送該重置信號，以使得該開關控制單元425根據該重置信 號而使昇壓轉換器41之開關416作動。 承上，在昇壓轉換器41内，開關導通時間單元424決定了能 量是否儲存在電感器414内，能量傳輸二極體415的開啟時間則 決定了能董是杏被轉移到負載輸出端417。對於昇壓轉換器4在不 ❹連續導電模式（DCM)或邊界導電模式（CRM)下運作，開關416 . 導通時間與能量傳輸二極體415的開啟時間的關係，可以下列方 程式表示： td___Vin ton Vout — Vin 其中’「td」是能量傳輸二極體415的開啟時間，rt〇n」是開 關416的開啟時間ervinj是昇壓轉換器41的輸入電壓e「v〇utj 201021382 是昇壓轉換器41的輸出電壓。隨著「切」、「恤」、「化」已知， 「Vout」賴直接制即可糾。_是，就錢錢祕應器* 而言’「ton」與「V〇ut」有-個固定的關係，如下所述： Σ

V ton Ύ~

=K

Vout V. (Vout -Vin) rms • 這裡的「T」是開關的週期時間，ks-個常數，取決於負载 和轉換器的配置，並且Vrms是輪入均方根平均值。「v〇ut」源自 ❿於「td」’可關此方程式來計算—個最有效的開啟時間。因此， 電感器414之峰值電流和零值電流皆由電感胃電流檢測單元似 所檢知，該峰值電流及零值電流係被送至運算單元423以計算 「td」，然後推導出「V〇ut_r之後計算而得的「v〇ut」從運算單 元423被送至開關導通時間單元424 如果輸出電壓低於預期的電 壓，則開關開啟時間將更長，以提昇輸出電壓。如果輸出電壓大 於預期的電壓，則開關開啟時間將縮短，以抑制輸出電壓不再升 詹高。 請參考第5圖，第5圖（a)所示為電感電流il與時間t變 化的相對關係圖’其中縱軸代表所檢測的電感電流IL，橫轴代表 時間t，其中橫軸上的「ton」是開關的開啟所經時間，而「td」 則是能量傳輸二極體的開啟所經時間，電感器電流在〜^及厂恤」 期間始終可被檢知（如三角形之實線部分），且同時可測得該電感 器的零值及峰值電流。第5圖（b)所示為開關電流與時間變化的 12 201021382 相對關係圖’其巾雜代表所侧的關電流，橫減表時間， 其中橫軸上的「tQn」是開關開啟所經的時間，關在開啟時間所 d得的電抓即如二角形虛線所示^第5圖⑷所示為二極體電流 .與時間變化的相對關係圖，其中縱軸代表所檢測的二極體電流， 、橫軸代表時間’其中橫軸上的「切」是能量傳輸二極體的開啟所 •經時間’二極體在開啟時間所測得的電流即如三角形虛線所示。 述第5圖（a)、（b)及（c)所示可知，「t〇n」是從檢測 ❹赚^零值電流到峰值電細時間，亦即為檢_關之零值電流 電麵時間’ td」則是從撿測電感器峰值電流到零值電流 ^ 1，卿為檢測開關峰值電流到檢測電《零電流的時間， 「此此td」的檢測實不需要額外的設備即可推得知 ，再將此 」與來自禮電壓檢卿元的触健處理後，根據前述之 關係式即可導出「v〇ut e …所述無响在第一實施例中，電感的零值電流和峰值電 7可被酬到。且在第二實施财，電《零值電流及開關峰 皆Γ亦时讀_。因此，無論在任一情況下，「吣與「t〇n」 疋已知’因此「Vout」無須藉由檢測負纖出級之電壓即可推 等出來。 一種PFC交換式電源供應器。 【圖式簡單說明】 第一圖：其顯示習知的第 201021382 第二圖：其顯示習知的第二種PFC交換式電源供應器。 第三圖：其顯示本發明的第一種PFC交換式電源供應器。 第四圖：其顯示本發明的第二種PFC交換式電源供應器。 第五圖：其顯示本發明在不連續電流模式（DCM)下，電 ^ 感器、開關及二極體電流與時間關係的波形。

【主要元件符號說明】 I : PFC交換式電源供應器 II :昇壓轉換器 III ·父流輸入端 112 : EMI防護電路 113 :全波橋式整流器 114 :電感器 115 :二極體 116:電晶體開關 117 :電阻 : 118 :輸出級 * 12 :功率因數校正控制器 121 :交流電壓檢測單元 122 :電感電流檢測單元 123 ·負載檢測單元 124 :運算單元 125 :比較器 1 : PFC交換式電源供應器 21 :昇壓轉換器 211 :交流輸入端 212 : EMI防護電路 213 :全波橋式整流器 214 :電感器 215 :二極體 216 :電晶體開關 217 :輸出級 22 :功率因數校正控制器 221 :交流電壓檢測單元 222 :電感電流檢測單元 223 ·負載檢測單元 224 :運算單元 225 :開關導通時間檢測單元 201021382 126 :開關控制單元 3 : PFC交換式電源供應器 31 :昇壓轉換器 311 :交流輸入端 312 : EMI防護電路 313 :全波橋式整流器 ' 314 :電感器 • 315 :二極體 316 :電晶體開關 φ 317 :電阻 318 :輸出級 32:功率因數校正控制器 321 :交流電壓檢測單元 322:電感電流檢測單元 323 :開關電流檢測單元 324 :運算單元 325 :比較器 _ 326:開關控制單元 226 :開關控制單元 4 : PFC交換式電源供應器 41 :昇壓轉換器 411 :交流輸入端 413 : EMI防護電路 413 :全波橋式整流器 414 :電感器 415 :二極體 416 :電晶體開關 417 :輸出級 42 :功率因數校正控制器 421 :交流電壓檢測單元 422 :電感電流檢測單元 423 :運算單元 424 :開關導通時間檢測單元 425 :開關控制單元 15

Claims (1)

1. 201021382 七、申請專利範圍： 1. 一種交換式電源供應器，基於一# 麻 該交換式電源供應器包括：、輸入電魔以提供一輸_， Γ關轉，基_部的—賴電流、—交流轉及 關電流而提昇該輸出電壓的位準；及 — ^ : 一功率因數校正控備，触_昇_換器，包括·· .-開關電流檢測單元，檢測該_電流，以提供一基準 電位， 一運算單元，_鶴電流、該交流電敍該開關電 檢測單元所檢_該_賴齡運算，吨供—細電位以及 基準電位單元所檢測的該開關電流 土準電位與該運算單心斤提供的該待測電位進行比較，以提供一 重置信號，使得該昇壓轉換器根據該重置信號而作動。、 % =如申請專利範圍第i項的交換式電源供應器，其中該輸入電壓 疋一市電。 3·如申請專利範圍第；！項的交換式電源供應器，其中該昇壓轉換 器更包括- EMI P方護電路、-整流器、一儲能裝置及一輸出級。 4. 如申請專利範圍第丨項的交換式電源供絲，其中該整流器是 一全波橋式整流器。 5. 如申請專利範圍第3項的交換式電源供應器，其中該儲能裝置 包括： 電感器，供該電感電流通過； 16 201021382 -開關，具有—輸人端、—控制端及—輪出端，該輸 接於該電感器，該控制端受控於該重置信號； 一電阻，输於該開關的該輸出端，藉以提供該開關電流； 及 、 一二極體，耦接於該電感器及該開關的該輸入端。 ,6.如巾請專利細第5項的交換式電驗應n，其巾該開關是一 電晶體。 乂汗疋 © 7·如中請專利範圍第3項的交換式電源供應器，其中該輸出級包 括： 一滤波電容，並聯於該儲能裝置；及 一輸出負載，並聯於該濾波電容，以提供該輸出電壓。 8·如申請專利範圍第丨項的交換式騎供應器，其中該功率因數 校正控制器更包括： 一電感電流檢測單元，耦接於該昇壓轉換器，檢測該電感電 .流並將其提供至該運算單元； ; 父〃IL電壓檢測單元，麵接於該昇壓轉換器，檢測該交流電 . 壓並將其提供至該運算單元;及 一開關控制單元，耦接於該昇壓轉換器，接收該重置信號， 以控制該昇壓轉換器的作動。 9.如申請專利範圍第8項的交換式電源供應器，其中該電感電流 檢測單元更可根據該電感電流而提供一設置信號至該開關控制單 元’以進一步控制該昇壓轉換器的作動。 17 201021382 10. -種交換式電源供應n，基於一輸人電壓啸供—輸出電屢， 該交換式電源供應器包括： —昇麗轉換器’基於内部的—祕電流及—紐電屋而提昇 該輪出電壓的位準;及 '一功率因數校正控制器，耦接於該昇壓轉換器，包括： ^ 一運算單元，對該電感電流及該交流電壓進行運算，以 提供一重置信號;以及 ® 一開關導通時間單元，接收並傳送該重置信號，以使得 該昇壓轉換器根據該重置信號而作動。 U·如巾請專利範圍第10項的交換式電源供應器，1中該輸 壓是一市電。 〃 12.如申請專利範®第1G項的交換式電源供應器，其中該昇壓轉 換器更包括- EMI防護電路、-整流器、一儲能裝置及一輸出級。 13·如申請專利範圍第10項的交換式電源供應器，彡中該整流器 是一全波橋式整流器。 :14.如申睛專利範圍第12項的交換式電源供應器，其中該儲能裝 * 置包括： 一電感器，供該電感電流通過； 一開關，具有一輸入端、一控制端及一輪出端，該輸入端耦 接於該電感器，該控制端受控於該重置信號；及 一二極體，耦接於該電感器及該開關的該輸入端。 5·如申sf專利範圍第14項的交換式電源供應器，其中該開關是