TW202037055A - 負載狀態偵測裝置 - Google Patents

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Abstract

本創作是一種負載狀態偵測裝置，包含一偵測單元、一整流濾波單元、一放大單元及一比較單元，該偵測單元包含一比流器，其一次側用以接收電源裝置之主電流，並在二次側對應輸出一感測電流，經由該整流濾波單元及放大單元轉換為一電壓後，該比較單元將該電壓與一參考電壓相互比對，比對結果可判斷電源置之輸出負載是否進入輕載狀態，若是，則比較單元將輸出一輕載信號，該輕載信號可用於其它控制應用，例如控制該電源裝置降低功率消耗以達成能目的。

Description

負載狀態偵測裝置
本創作關於一種偵測負載狀態的裝置，特別是可判斷輸出負載進入輕載狀態的偵測裝置。
電源轉換器或電源供應器等電源裝置的應用領域極為廣泛，例如工業裝置、消費性電子產品、醫療設施等皆有採用，近年來隨著節能省電的要求逐漸提高，電源裝置也朝向高能源轉換效率、低功率消耗目標進行設計開發。針對體積相對較小及低功率的電源轉換而言，更加需要有良好的電路設計以避免額外的功率損耗。
電源裝置的運行狀態可概略區分為滿載、輕載、空載等，在不同的狀態下會分別要求不同的功耗表現，因此，在電源裝置中通常設計有相關的偵測電路以判斷目前的工作狀態。例如當電源裝置運作在輕載至空載狀態時，若能關閉部分電子元件，則可達到降低整體裝置功耗的效果。
部分電源裝置的設計普遍是以電阻元件進行電流感測，根據電流感測結果判斷裝置的運行狀態，惟利用電阻元件進行感測通常會產生較多的功率消耗，不利於實現電源裝置之綠能要求。
本創作的主要目的在於提供一種負載狀態偵測裝置，用以偵測電源裝置之輸出負載是否工作於輕載狀態，當判斷於輕載狀態時，係輸出一輕載信號。
為達成前述目的，本創作負載狀態偵測裝置係應用於一電源裝置以偵測該電源裝置之輸出負載，該負載狀態偵測裝置包含：
一偵測單元，包含一比流器，該比流器的一次側用以偵測一輸入電流，並在二次側對應產生一感測電流；
一整流濾波單元，連接該偵測單元，該整流濾波單元根據該感測電流產生一第一電壓；
一放大單元，連接整流濾波單元以放大該第一電壓而產生一第二電壓；
一比較單元，連接該放大單元，該比較單元將該第二電壓與一參考電壓相比較，根據比較的結果決定是否輸出一輕載信號，該輕載信號用以表示該輸出負載為輕載狀態。
本創作利用比流器構成的偵測單元檢測電源裝置中的電流，例如檢測電源裝置之主電流，該主電流可以取自電源裝置之變壓器一次側的電流，將該變壓器一次側的電流轉換成電壓後，與該參考電壓進行比對，從而判斷出電源裝置之輸出負載是否為輕載狀態。若為輕載，係輸出一輕載信號供後續電路使用，例如用於控制變壓器二次之開關以降低消耗電流，達到降低功耗的綠能要求。
參考圖1所示，本創作是一種負載狀態偵測裝置100，包含一偵測單元10、一整流濾波單元20、一放大單元30及一比較單元40。
該偵測單元10具有一比流器(CT)11，其一次側用以接收一輸入電流，二次側依據該輸入電流的大小對應輸出一感應電流。
該整流濾波單元20連接該偵測單元10的輸出，依據該偵測單元10輸出的感應電流產生一第一電壓V1 。該整流濾波單元20包含有一整流二極體D1、一第一電容C1及一第一電阻R1，該整流二極體D1的正極連接該偵測單元10的輸出，即比流器11的二次側，使感應電流能通過該整流二極體D1。該整流二極體D1的負極連接相互並聯的該第一電容C1及第一電阻R1，該第一電容C1可對第一電壓V1 提供穩定作用，使第一電壓V1 呈現穩定的直流電壓，避免電壓產生忽高忽低的不穩狀態。在本實施例中，整流濾波單元20進一步包含一第二電阻R2及一第三電阻R3，該第二電阻R2連接在整流二極體D1的正極與比流器11二次側之間，該第三電阻R3跨接在比流器11的二次側。該第一電壓V1 自整流二極體D1之負極輸出。
該放大單元30連接該整流濾波單元20的輸出，用以放大該第一電壓V1 而產生一第二電壓V2 。該放大單元30主要是以一運算放大器31構成，該運算放大器31的非反相輸入端連接該整流二極體D1的負極，第二電壓V2 由運算放大器31的輸出端輸出至下一級的比較單元40。為了降低雜訊，可在非反相輸入端及接地之間連接一第二電容C2，在運算放大器31的反相輸入端及輸出端之間連接一第三電容C3。
該比較單元40將該第二電壓V2 與一參考電壓Vref 進行比較，以判斷輸出負載是否為輕載狀態。該比較單元40具有一比較器41，該比較器41的一輸入端接收該第二電壓V2 ，另一輸入端接收參考電壓Vref ，在本實施例中因應電路的設計需要，以該比較器41的負輸入端接收該第二電壓V2 ，比較器41的正輸入端接收該參考電壓Vref ，當第二電壓V2 小於該參考電壓Vref ，比較器41會輸出一高準位的輕載信號，表示輸出負載為輕載，為提高該第二電壓V2 的穩定度及降低雜訊，可以在該比較器41的負輸入端及接地之間設置一第四電容C4以旁路掉雜訊。在其它實例中，根據電路的設計需求，可以改變該第二電壓V2 與參考電壓Vref 的比較方式，由比較器41輸出一低準位的輕載信號來表示輸出負載為輕載狀態。該參考電壓Vref 可利用一分壓電路42提供，該分壓電路由一第四電阻R4及一第五電阻R5串聯構成，利用該分壓電路42對工作電壓VCC1進行分壓而得到該參考電壓Vref ，該參考電壓Vref 輸入至該比較器41之正輸入端。
在該比較單元40中，可進一步設置一磁滯電路，該磁滯電路包含了二極體D2、第六電阻R6及第七電阻R7。該二極體D2及第六電阻R6串聯在比較器41的輸出端與正輸入端之間，該第七電阻R7跨接在比較器41的正輸入端與分壓電路42的分壓節點。
關於本創作負載狀態偵測裝置100的實際應用，可參考圖2所示的電源供應裝置，該電源供應裝置包含有一變壓器210、一電流偵測單元220、一主控制器230、一隔離驅動器240以及一回授單元250。
在變壓器210的一次側(輸入側)連接該電流偵測單元220，該電流偵測單元220可以是一比流器(CT)或一電流感測電阻，在變壓器210的二次側(輸出側)具有一第一切換開關QA及一第二切換開關QB，透過該第一切換開關QA及第二切換開關QB連接至輸出端+VO, -VO，該輸出端+VO, -VO供一輸出負載連接。
該主控制器230係根據該電流偵測單元220輸出的一電流感測信號及回授單元250輸出的一回授信號FB，產生一組控制信號，利用該組控制信號決定一次側開關QC、QD的開關動作。該回授單元250偵測輸出端+VO, -VO的狀態而提供該回授信號給主控制器230。
本創作的負載狀態偵測裝置100係並聯於該電流偵測單元220，從通過一次側開關QD的電流中汲取出一部分而作為感測電流I1 ，根據該感測電流I1 判斷出輸出負載的工作狀態，當判斷為輕載狀態時，係輸出一輕載信號給隔離驅動器240，使隔離驅動器240關閉二次側的第一切換開關QA及第二切換開關QB。因為負載狀態偵測裝置100是與電源裝置中的電流偵測單元220相互並聯，故可以降低阻抗而減少功率消耗。
為方便說明負載狀態偵測裝置100在該電源裝置中的電路動作，請進一步參考圖3所示，各波形代表意義如下： Io ：通過輸出負載的輸出電流 I1 ：感測電流 V2 ：負載狀態偵測裝置100內部的第二電壓 Vref ：負載狀態偵測裝置100內部的參考電壓 E2 ：負載狀態偵測裝置100輸出的輕載信號 VOA：控制該第一切換開關QA的第一控制信號 VOB：控制該第二切換開關QB的第二控制信號
在時段T0~T1中，輸出負載的狀態為滿載(full load)，負載狀態檢測裝置100內因為第二電壓V2 大於參考電壓Vref ，該比較器41輸出的信號呈現低準位，因此，該隔離驅動器240正常輸出第一控制信號VOA、第二控制信號VOB，以控制該第一切換開關QA及第二切換開關QB分別交替導通(ON)／截止(OFF)。
在時段T1~T2中，輸出電流Io 及感測電流I1 係逐漸降低，負載狀態檢測裝置100中的第二電壓V2 亦呈現同步下降，在第二電壓V2 尚未低於參考電壓Vref 之前，該隔離驅動器240仍正常輸出第一控制信號VOA、第二控制信號VOB，控制該第一切換開關QA及第二切換開關QB交替導通／截止。
在時間點T2之後，輸出電流Io 及感測電流I1 已降低至一定程度，輸出負載已經進入”輕載”狀態，此時負載狀態檢測裝置100內因為第二電壓V2 小於參考電壓Vref ，該比較器41輸出高準位的輕載信號E2 給隔離驅動器240，該隔離驅動器240停止輸出第一控制信號VOA、第二控制信號VOB，第一切換開關QA及第二切換開關QB均維持截止。令變壓器210的二次側整流路徑，只通過該第一切換開關QA及第二切換開關QB的本體二極體(body diode)，以達到輕載節能的功效。
本創作負載狀態偵測裝置100的應用領域不限於圖2中的電源裝置，在其它裝置中也是可以，該負載狀態偵測裝置100所取用之感測電流I1 只要是交流電流或是脈動直流，便可依據該感測電流I1 判斷輸出負載是否為輕載狀態。當判斷為輕載狀態，即輸出一輕載信號E2 供其它電路應用，例如在本實施例輕載信號E2 供應給隔離驅動器240以關閉二次側的相關元件，但該輕載信號E2 的用途不侷限於此。
再者，本創作在偵測單元10中採用比流器11作為電流感測的主要元件，相較於利用電阻元件感測電流，本創作能降低功率，並同時確保比流器11的二次側仍可提供足夠強度的信號以判斷輕載狀態。
100:負載狀態偵測裝置 10:偵測單元 11:比流器 20:整流濾波單元 30:放大單元 31:運算放大器 40:比較單元 41:比較器 42:分壓電路 210:變壓器 220:電流偵測單元 230:主控制器 240:隔離驅動器 250:回授單元 D1:整流二極體 C1~C4:第一電容~第四電容 R1~R7:第一電阻~第七電阻 V1:第一電壓 V2:第二電壓 Vref:參考電壓 QA:第一切換開關 QB:第二切換開關 QC、QD:一次側開關 Io:輸出電流 I1:感測電流
圖1：本創作負載狀態偵測裝置的詳細電路圖。 圖2：本創作負載狀態偵測裝置應用在一電源裝置中的詳細電路圖。 圖3：圖2電路的相關波形示意圖。
100:負載狀態偵測裝置
10:偵測單元
11:比流器
20:整流濾波單元
30:放大單元
31:運算放大器
40:比較單元
41:比較器
42:分壓電路
D1:整流二極體
C1~C4:第一電容~第四電容
R1:第一電阻R7:第七電阻
V1:第一電壓
V2:第二電壓
Vref:參考電壓
I1:感測電流

Claims (10)

  1. 一種負載狀態偵測裝置，供連接至一電源裝置以偵測該電源裝置之一輸出負載的狀態，該負載狀態偵測裝置包含： 一偵測單元，包含一比流器，該比流器的一次側用以偵測一輸入電流，並在二次側對應產生一感測電流； 一整流濾波單元，連接該偵測單元，該整流濾波單元根據該感測電流產生一第一電壓； 一放大單元，連接整流濾波單元以放大該第一電壓而產生一第二電壓； 一比較單元，連接該放大單元，該比較單元將該第二電壓與一參考電壓相互比較而得到一比較結果，根據該比較結果決定是否輸出一輕載信號，該輕載信號用以表示該輸出負載為輕載狀態。
  2. 如請求項1所述之負載狀態偵測裝置，其中，該整流濾波單元包含： 一整流二極體，該整流二極體的正極連接該比流器的二次側，允許該感測電流可通過該整流二極體； 一第一電容及一第一電阻，係相互並聯，且連接於整流二極體的負極及接地之間。
  3. 如請求項2所述之負載狀態偵測裝置，其中，該放大單元包含： 一運算放大器，其一非反相輸入端連接至該整流二極體的負極，該運算放大器放大該第一電壓，而在該運算放大器的一輸出端輸出該第二電壓。
  4. 如請求項3所述之負載狀態偵測裝置，其中，該比較單元包含： 一比較器，其一輸入端接收該參考電壓，另一輸入端接收該第二電壓，該比較器的一輸出端用以輸出該輕載信號。
  5. 如請求項4所述之負載狀態偵測裝置，其中，該比較器的正輸入端連接一分壓電路，以接收由該分壓電路產生的該參考電壓；該比較器的負輸入端連接該運算放大器的輸出端以接收該第二電壓。
  6. 如請求項5所述之負載狀態偵測裝置，其中，該整流濾波單元包含： 一第二電阻，串聯在該整流二極體的正極與比流器的二次側之間； 一第三電阻，跨接在該比流器的二次側。
  7. 如請求項5所述之負載狀態偵測裝置，其中，該分壓電路包含： 一第四電阻及一第五電阻，該第四電阻及第五電阻串聯在一工作電壓與接地之間，其中該第四電阻與第五電阻的串聯節點為一分壓節點。
  8. 如請求項7所述之負載狀態偵測裝置，其中，該比較單元進一步包含一磁滯電路，該磁滯電路包含一二極體、一第六電阻及一第七電阻； 該二極體及該第六電阻串聯後，再連接在該比較器的輸出端與該比較器的正輸入端之間； 該第七電阻跨接在比較器的正輸入端與該分壓電路的分壓節點之間。
  9. 如請求項8所述之負載狀態偵測裝置，該運算放大器的非反相輸入端及接地之間連接一第二電容；該運算放大器其反相輸入端及輸出端之間連接一第三電容。
  10. 如請求項9所述之負載狀態偵測裝置，當第二電壓低於該參考電壓，該比較器輸出高準位的該輕載信號。
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