TW201926878A

TW201926878A - 電源轉換裝置及控制方法

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Publication number: TW201926878A
Application number: TW106142091A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-07-01
Also published as: TWI663825B

Abstract

一種電源轉換裝置，包含有一變壓器、一第一開關、一第一控制器以及一第一儲能電容。該變壓器包含有一初級側繞組、一次級側繞組以及一輔助繞組，用來將輸入電壓轉換成輸出電壓。該第一開關耦接於該輔助繞組。該第一控制器用來根據一第二控制器之晶片電源電壓與一參考電壓產生第一控制訊號，以控制該第一開關之運作，其中該晶片電源電壓係有關於該輸入電壓或該輸出電壓。該第一儲能電容耦接於該輔助繞組，用來根據第一開關之導通情況儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量或是經由該第一開關將所儲存之能量提供至一負載。

Description

電源轉換裝置及控制方法

本發明係指一種電源轉換裝置及控制方法，尤指一種可有效避免交流電源裝置損毀之電源轉換裝置及控制方法。

隨著科技的發展，電子產品種類日益增多，如行動通訊裝置、筆記型電腦、個人隨身助理、多媒體播放器等，這些電子產品皆需使用電源供應器來將高電壓之交流電源或直流電源轉換成符合需求的穩定直流電源，以作為進行充電或是正常運作時的電力來源。

為求電源供應器正常穩定的運作，通常會利用自動恢復(Auto-recovery)保護機制，以於諸如過載、短路、過電壓、過電流、過功率等情況發生時停止電源供應器的運作，以避免內部元件或相關設備遭受損害。前述自動恢復保護機制通常需等待故障情況排除後，電源供應器才能恢復正常運作。然而，在故障發生之後至故障尚未排除完的這段期間，電源供應器的輸出端會存在著自動恢復的訊號，而此訊號之能量則全由交流電源輸入端提供。然而，在長時間的累積下，交流電源輸入端的硬體裝置（例如電源插頭）將會存有極大的能量，進而導致交流電源裝置燒毀。因此，如何提供一種安全可靠之電源供應器，也就成為業界所努力的課題之一。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可有效避免交流電源裝置損毀之電源轉換裝置及控制方法。

本發明揭露一種電源轉換裝置，包含有：一變壓器，包含有一初級側繞組、一次級側繞組以及一輔助繞組，用來將一輸入電壓轉換成一輸出電壓；一第一開關，耦接於該輔助繞組；一第一控制器，用來根據一第二控制器之一晶片電源電壓與一參考電壓產生一第一控制訊號，以控制該第一開關之運作，其中該晶片電源電壓係有關於該輸入電壓或該輸出電壓；以及一第一儲能電容，耦接於該輔助繞組，用來根據該第一開關之導通情況儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量或是經由該第一開關將所儲存之能量提供至一負載。

本發明另揭露一種控制方法，用於一電源轉換裝置，其中該電源轉換裝置包含有一變壓器、一第一開關、一第一控制器、一第二控制器以及一第一儲能電容，該變壓器包含有一初級側繞組、一次級側繞組以及一輔助繞組，用來將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該控制方法包含有：該第一控制器根據該第二控制器之一晶片電源電壓與一參考電壓產生一第一控制訊號，以控制該第一開關之運作，其中該晶片電源電壓係有關於該輸入電壓或該輸出電壓；以及根據該第一開關之導通情況，該第一儲能電容儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量或是該第一儲能電容經由該第一開關將所儲存之能量提供至一負載。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的準則。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例之一電源供應裝置1之示意圖。電源供應裝置1用以提供一輸出電壓VO至一負載Load。其中，負載Load可為任何需要電力之電子產品，輸出電壓VO可做為電子產品進行充電或是正常運作時的電力來源。電源供應裝置1包含有一整流器10、一變壓器20、控制器30及40、開關SW1～SW2、儲能電容C1～C2、一輸出電容CO以及二極體D1～D2。整流器10耦接於一交流電源AC，用來接收一交流電壓並對交流電壓進行整流，以將交流電壓轉換成一輸入電壓VI並提供至變壓器20。其中輸入電壓VI與輸出電壓VO可為直流電壓。變壓器20包含有一初級側繞組NP、一次級側繞組NS以及一輔助繞組NA1。初級側繞組NP之第一端耦接於整流器10，以及初級側繞組NP之第二端耦接於開關SW1。次級側繞組NS之第一端耦接於二極體D1，以及次級側繞組NS之第二端耦接於一接地端GND2。輔助繞組NA1之第一端耦接於二極體D2，以及初級側繞組NP之第二端耦接於接地端GND2。

開關SW1和開關SW2可依據控制端之電位來控制第一端和第二端之間的訊號傳送路徑，以呈現導通狀態(短路)或截止狀態(開路)。開關SW1之第一端耦接於初級側繞組NP之第二端，開關SW1之第二端耦接於耦接於一接地端GND1以及開關SW1之控制端耦接於控制器30用以接收一控制訊號S1。開關SW2之第一端耦接於二極體D2，開關SW2之第二端耦接於負載Load以及開關SW2之控制端耦接於控制器40用以接收一控制訊號S2。開關SW1和開關SW2可為功率電晶體。例如開關SW1和開關SW2可為金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）、雙載子接面電晶體（bipolar Junction Transistor，BJT）或其它具備類似功能的元件，但不以此為限。

控制器30可接收一晶片電源電壓VCC並據以進行相關運作。其中晶片電源電壓VCC可為控制器30之操作電源，透過晶片電源電壓VCC對控制器30進行供電使其可據以進行相關運作。當晶片電源電壓VCC符合控制器30所需的電壓準位時，控制器30維持運作。控制器30便可產生控制訊號S1來控制開關SW1。當晶片電源電壓VCC無法符合控制器30所需的電壓準位時，控制器30便關機而停止運作。例如，假設有關於控制器30之一欠壓鎖定（Under Voltage Lockout，UVLO）臨限值為4.4伏特。當晶片電源電壓VCC低於4.4伏特時，控制器30即關機而停止運作。當控制器30停止運作後，也就停止提供控制訊號S1至開關SW1，因而變壓器20也停止運作。當晶片電源電壓VCC高於或等於4.4伏特時，則控制器30維持正常運作。

在一實施例中，晶片電源電壓VCC係有關於輸入電壓VI或輸出電壓VO。例如，請參考第2圖，第2圖為本發明實施例之一電源供應裝置2之示意圖。值得注意的是，由於第2圖之電源供應裝置2與第1圖之電源供應裝置1中具有相同名稱之元件具有類似的運作方式與功能，因此為求說明書內容簡潔起見，詳細說明便在此省略，該些元件之連結關係如第2圖所示，在此不再贅述。相較於第1圖中之電源供應裝置1，電源供應裝置2另包含有一儲能電容C3、一輔助繞組NA2、一電阻R以及一二極體D3。如第2圖所示，可藉由一次側之輸入電壓VI來轉換提供晶片電源電壓VCC至控制器30。

此外，控制器30包含一引腳GD以及一引腳VIC。控制器30之引腳GD耦接於開關SW1之控制端。藉此，控制器30產生控制訊號S1並透過引腳GD來輸出控制訊號S1至開關SW1之控制端，以控制開關SW1之運作。控制訊號S1可為一脈波寬度調變（Pulse Width Modulation，PWM)訊號，但不以此為限。控制器30之引腳VIC耦接於控制器40。控制器30可透過引腳VIC輸出控制器30之晶片電源電壓VCC至控制器40。

控制器40根據晶片電源電壓VCC與一參考電壓VR產生控制訊號S2，以控制開關SW2之運作。其中，控制器30與控制器40可以分開設置或者是整合在同一電路晶片上。另一方面，控制器40除了可經由控制器30內部獲取其操作時所應用的晶片電源電壓VCC之外，亦可由用來供應控制器30之操作電源的裝置處接收晶片電源電壓VCC。也就是說，本發明不限於從控制器30內部取得控制器30之操作電源。本發明亦可於控制器30之外部供應電源處取得控制器30之操作電源。

進一步地，開關SW2受控於控制器40所輸出之控制訊號S2。於開關SW2根據控制訊號S2而處於關閉狀態且二極體D2處於順向偏壓(forward-biased)導通時，經由初級側繞組NP所感應轉移到輔助繞組NA1的能量將會對儲能電容C2進行充電。在此情況下，儲能電容C2會儲存由初級側繞組NP所感應轉移到輔助繞組NA1的能量。於開關SW2根據控制訊號S2而處於導通狀態時，儲存於儲能電容C2之電能轉移提供至負載Load。在此情況下，藉由將儲存於儲能電容C2之電能轉移提供至負載Load的方式來分擔電源供應裝置1輸出端所需之能量，將可有效避免交流電源AC之硬體裝置因能量長時間集中過度而燒毀之問題。

在一實施例中，請參考第3圖，第3圖為第1圖中之控制器40之一實施例示意圖。控制器40包含有一比較器402以及一放大器404。比較器402用來根據晶片電源電壓VCC與參考電壓VR產生一比較輸出電壓Vcomp。其中比較器402之一第一輸入端耦接於控制器30之引腳VIC，用來接收控制器30之晶片電源電壓VCC。比較器402之一第二輸入端用來接收參考電壓VR。比較器402之一輸出端用來輸出比較輸出電壓Vcomp至放大器404。放大器404用來根據比較輸出電壓Vcomp產生控制訊號S2。例如放大器404放大比較輸出電壓Vcomp以產生控制訊號S2。其中放大器404之輸入端耦接於比較器402之輸出端，放大器404之輸出端用來輸出控制訊號S2。簡言之，比較器402可比較晶片電源電壓VCC與參考電壓VR並以據產生比較輸出電壓Vcomp以供放大器404產生相應之控制訊號S2。

在一實施例中，當晶片電源電壓VCC大於參考電壓VR時，比較器402產生並輸出低準位之比較輸出電壓Vcomp。放大器404根據低準位之比較輸出電壓Vcomp產生低準位之控制訊號S2。在此情況下，因應低準位之控制訊號S2，開關SW2處於關閉狀態。因此，當二極體D2處於順向偏壓導通狀態時，由初級側繞組NP轉移到輔助繞組NA1上的能量會對儲能電容C2進行充電。

在另一實施例中，當晶片電源電壓VCC小於等於參考電壓VR時，比較器402產生並輸出高準位之比較輸出電壓Vcomp。放大器404根據高準位之比較輸出電壓Vcomp產生高準位之控制訊號S2。在此情況下，因應低準位之控制訊號S2，開關SW2切換至導通狀態。因此，儲存於儲能電容C2之電能會經由開關SW2被轉移提供至負載Load。

舉例來說，在電源供應裝置1處於正常運作的情況下，交流電源AC提供交流電壓至整流器10。整流器10據以轉換輸出輸入電壓VI。控制器30產生控制訊號S1至開關SW1之控制端，以控制開關SW1之導通（ON）與截止（OFF）狀態。當開關SW1處於導通狀態時，初級側繞組NP有電流通過並儲存能量。此時，由於二極體D1與二極體D2處於逆向偏壓(reverse-biased)狀態而不導通，次級側繞組NS以及輔助繞組NA1皆無電流流過。輸出電容CO對負載LD放電提供能量。當開關SW1處於截止狀態時，基於電磁感應原理，初級側繞組NP的能量會釋放並且轉移感應到次級側繞組NS以及輔助繞組NA1上。此時，由於二極體D1處於順向偏壓導通狀態，次級側繞組NS以及輔助繞組NA1有感應電流流過。由初級側繞組NP轉移到次級側繞組NS上的能量會對輸出電容CO進行充電。

由於在電源供應裝置1處於正常運作時，晶片電源電壓VCC也會維持在足以讓控制器30正常運作的準位。舉例來說，請參考第4圖，第4圖為本發明實施例之電源供應裝置1正常運作時之實施例示意圖。假設於電源供應裝置1正常運作時，控制器30之晶片電源電壓VCC介於20伏特至30伏特之間（僅為舉例說明，本發明不以此為限），參考電壓VR為5伏特，有關於控制器30之欠壓鎖定臨限值為4.4伏特。如此一來，由於電源電壓VCC也會維持在高於欠壓鎖定臨限值的準位，因此控制器30將會正常運作。在此情況下，當晶片電源電壓VCC大於參考電壓VR時，比較器402輸出低準位之比較輸出電壓Vcomp，使放大器404據以產生低準位之控制訊號S2。如此一來，如第4圖所示，因應低準位之控制訊號S2，開關SW2處於關閉狀態。因此當二極體D2處於順向偏壓導通狀態時，由初級側繞組NP轉移到輔助繞組NA1上的能量會對儲能電容C2進行充電。同時，若二極體D1處於順向偏壓導通狀態時，由初級側繞組NP轉移到次級側繞組NS上的能量也會對輸出電容CO進行充電。

當電源供應裝置1發生操作異常而故障時，自動恢復保護機制將會被啟動。而晶片電源電壓VCC也會降低至無法讓控制器30維持運作的準位。舉例來說，請參考第5圖，第5圖為本發明實施例之電源供應裝置1發生操作異常時之一實施例示意圖。假設電源供應裝置1發生操作異常而故障時，晶片電源電壓VCC下降至3伏特（僅為舉例說明，本發明不以此為限），參考電壓VR為5伏特，有關於控制器30之欠壓鎖定臨限值為4.4伏特。如此一來，當比較器402比較出晶片電源電壓VCC小於參考電壓VR時，比較器402輸出高準位之比較輸出電壓Vcomp，使放大器404據以產生高準位之控制訊號S2。如第5圖所示，因應高準位之控制訊號S2，開關SW2切換為導通狀態。此時，儲存於儲能電容C2之電能將會經由開關SW2轉移提供至負載Load。再者，由於電源電壓VCC已低於欠壓鎖定臨限值的準位，控制器30關機停止運作而不再提供控制訊號S1至開關SW1。如此一來，開關SW1與變壓器20也停止運作。由於電源供應裝置因發生故障而啟動自動恢復保護機制時，電源供應裝置1輸出端會有連續週期的能量存在。如第5圖所示，藉由將儲存於儲能電容C2之電能轉移提供至負載Load的方式來分擔電源供應裝置1輸出端所需之能量，亦即儲能電容C2與交流電源AC共同提供源供應裝置1輸出端所需之能量，如此一來，將可有效降低交流電源AC端的硬體裝置因能量集中過度而燒毀之問題。

請參考下列表1以及表2。其中表1係表示將第1圖之電源供應裝置1中的控制器40、開關SW2、儲能電容C2及二極體D2卸除後所量測到的實驗數值。亦即，在不設置控制器40、開關SW2、儲能電容C2及二極體D2的電源供應裝置上所量測到的實驗數值。因此，在不同負載大小的情況下從交流電源AC上所量測到的功率即如表1所示。此外，表2係表示第1圖之電源供應裝置1所量測到的實驗數值。舉例來說，以負載Load為0.5歐姆的情況為例，不加裝儲能電容C2之情況下從交流電源AC上所量測到的功率為3.1瓦特（參考表1）。而在具有儲能電容C2之電源供應裝置1的情況下，從交流電源AC上所量測到的功率為0.86瓦特（參考表2）。換言之，相較於不加裝儲能電容C2的電源供應裝置，本發明之電源供應裝置1將可使蓄積在交流電源AC的能量降低了2.24 瓦特（0.86W- 3.1W=-2.24 W）。也就是說，儲能電容C2可分擔2.24 瓦特的能量，因而能顯著地降低交流電源AC的能量蓄積。表1 表2

綜上所述，本發明實施例藉由儲能電容C2之電能轉移來分擔自動恢復保護機制時的裝置能量，將可有效降低交流電源AC端的硬體裝置因能量集中過度而燒毀之問題。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1‧‧‧電源供應裝置

10‧‧‧整流器

20‧‧‧變壓器

30、40‧‧‧控制器

402‧‧‧比較器

404‧‧‧放大器

AC‧‧‧交流電源

C1～C3‧‧‧儲能電容

CO‧‧‧輸出電容

D1～D3‧‧‧二極體

GD、VIC‧‧‧引腳

GND 1～GND2‧‧‧接地端

Load‧‧‧負載

NA1～NA2‧‧‧輔助繞組

NS‧‧‧次級側繞組

NP‧‧‧初級側繞組

R‧‧‧電阻

S1～S2‧‧‧控制訊號

SW1～SW2‧‧‧開關

VCC‧‧‧晶片電源電壓

Vcomp‧‧‧比較輸出電壓

VI‧‧‧輸入電壓

VO‧‧‧輸出電壓

VR‧‧‧參考電壓

第1圖為本發明實施例之一電源供應裝置之示意圖。第2圖為本發明實施例之另一電源供應裝置之示意圖。第3圖為第1圖中之控制器之一實施例示意圖。第4圖為本發明實施例之於電源供應裝置正常運作時之示意圖。第5圖為本發明實施例之電源供應裝置發生操作異常時之示意圖。

Claims

一種電源轉換裝置，包含有：一變壓器，包含有一初級側繞組、一次級側繞組以及一輔助繞組，用來將一輸入電壓轉換成一輸出電壓；一第一開關，耦接於該輔助繞組；一第一控制器，用來根據一第二控制器之一晶片電源電壓與一參考電壓產生一第一控制訊號，以控制該第一開關之運作，其中該晶片電源電壓係有關於該輸入電壓或該輸出電壓；以及一第一儲能電容，耦接於該輔助繞組，用來根據該第一開關之導通情況儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量或是經由該第一開關將所儲存之能量提供至一負載。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該第一控制器包含有：一比較器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，用來根據該晶片電源電壓與該參考電壓產生一比較輸出電壓，其中該第一輸入端用來接收該第二控制器之該晶片電源電壓，該第二輸入端用來接收該參考電壓，以及該輸出端用來根據該晶片電源電壓與該參考電壓，產生一比較輸出電壓；以及一放大器，用來根據該比較輸出電壓產生該第一控制訊號。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其另包含：一第二開關，耦接於該初級側繞組；以及該第二控制器，耦接於該第一開關，用來接收該晶片電源電壓以進行運作並產生一第二控制訊號，以控制該第二開關之運作。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中當該第二控制器之該晶片電源電壓大於該參考電壓時，該第一開關因應該第一控制訊號而處於一關閉狀態並且該第一儲能電容儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中當該第二控制器之該晶片電源電壓小於等於該參考電壓時，該第一開關因應該第一控制訊號而處於一導通狀態並且該第一儲能電容經由該第一開關將所儲存之能量提供至該負載。
一種控制方法，用於一電源轉換裝置，其中該電源轉換裝置包含有一變壓器、一第一開關、一第一控制器、一第二控制器以及一第一儲能電容，該變壓器包含有一初級側繞組、一次級側繞組以及一輔助繞組，用來將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該控制方法包含有：該第一控制器根據該第二控制器之一晶片電源電壓與一參考電壓產生一第一控制訊號，以控制該第一開關之運作，其中該晶片電源電壓係有關於該輸入電壓或該輸出電壓；以及根據該第一開關之導通情況，該第一儲能電容儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量或是該第一儲能電容經由該第一開關將所儲存之能量提供至一負載。
如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中該第一控制器根據該第二控制器之該晶片電源電壓與該參考電壓產生該第一控制訊號以控制該第一開關之運作之步驟包含有：根據該晶片電源電壓與該參考電壓產生一比較輸出電壓；以及根據該比較輸出電壓產生該第一控制訊號，以控制該第一開關之運作。
如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中根據該第一開關之導通情況，該第一儲能電容儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量或是該第一儲能電容經由該第一開關將所儲存之能量提供至該負載之步驟包含有：當該第二控制器之該晶片電源電壓大於該參考電壓時，該第一開關因應該第一控制訊號而處於一關閉狀態時，該第一儲能電容儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量。
如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中根據該第一開關之導通情況，該第一儲能電容儲存由該初級側繞組轉移至該輔助繞組之能量或是該第一儲能電容經由該第一開關將所儲存之能量提供至該負載之步驟包含有：當該第二控制器之該晶片電源電壓小於等於該參考電壓時，該第一開關因應該第一控制訊號而處於一導通狀態時，該第一儲能電容經由該第一開關將所儲存之能量提供至該負載。