TW202343945A - 可以調控輸出電壓並具有功因校正的電源供應器、控制方法、以及相關之電源控制器 - Google Patents

可以調控輸出電壓並具有功因校正的電源供應器、控制方法、以及相關之電源控制器 Download PDF

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Abstract

本發明也提供一種適用於一隔離式電源供應器的控制方法，可用以將位於一一次側之一輸入電源，轉換為位於一二次側之一輸出電源。該隔離式電源供應器包含有一變壓器以及一備用電源。該控制方法包含有：控制該變壓器，來產生數個能量轉換週期，每個能量轉換週期至少包含有一致磁時間以及一除磁時間；於一第一能量轉換週期之一輸入致磁時間，以該輸入電源來增加該變壓器之磁能；於該第一能量轉換週期之一內部除磁時間，釋放該變壓器之磁能來增加該備用電源；於一第二能量轉換週期之一內部致磁時間，以該備用電源來增加該變壓器之磁能；以及，於該第二能量轉換週期之一輸出致磁時間，釋放該變壓器之磁能來增加該輸出電源。

Description

可以調控輸出電壓並具有功因校正的隔離式電源供應器、控制方法、以及相關之一次側控制器
本發明係關於一種隔離式電源供應器，尤其是可以具有功因校正(power factor correction，PFC)的隔離式電源供應器。
隔離式電源供應器隔絕了一次側與二次側，將一次側的輸入電源，轉換為在二次側的輸出電源。舉例來說，隔離式電源供應器可以預防，在一次側輸入端的瞬間雷擊，燒毀了連接在二次側輸出端的電子裝備。
隔離式電源供應器可以是交流轉直流(AC-to-DC)電源供應器，用以將牆壁上插頭所供應的交流市電(AC mains power)轉換成在二次側的固定電壓或是固定電流的輸出電源。當下法規要求，功率超過65瓦特的交流轉直流電源供應器需要具備有功因校正(power factor correction，PFC)。基本來說，功因校正可以使得交流轉直流電源供應器，對於交流市電來說，等效看起來彷彿是一電阻式負載，也就交流轉直流電源供應器的輸入電壓要跟輸入電流大約會同相。
但是，PFC會使得交流市電進入交流轉直流電源供應器的輸入功率，將隨著輸入電壓變化而有平方倍的變化。舉例來說，如果具有PFC的交流轉直流電源供應器當下瞬間的輸入電壓為100V且輸入功率為100W，那當輸入電壓轉變為10V時，輸入功率將會只剩下1W。這樣大的輸入功率變化，意味著輸入能量需要特別處理，才能夠符合需要穩定輸出電壓或輸出功率的負載之需求。
一種作法是在交流轉直流電源供應器中有兩級串接(cascade)的電源轉換。第一級電源轉換專門負責PFC，第二級電源轉換則負責控制輸出電壓或是輸出功率，濾除一般是50Hz或是60Hz的市電頻率。舉例來說，第一級電源轉換可以採用定開啟時間(constant-ON-time)控制的一昇壓器(booster)，第二級採用一返馳式轉換器(flyback converter)或一LLC諧振轉換器(LLC resonant converter)。第二級的輸入電壓，也就是第一級的輸出電壓，可以隨著輸入功率變化而可觀地變化，而第二級電源轉換的輸出電壓或輸出功率則維持固定。在美國專利編號US10148169中之交流轉直流電源供應器也一樣是兩級，第一級採用無橋式整流器之返馳式轉換器，負責PFC；而第二級採用降壓器(buck converter)，濾除市電頻率。
具有兩級電源轉換的交流轉直流電源供應器有許多問題。1.低能源轉換效率。每一次的電源轉換會有一定比例的能量損失，兩級電源轉換就代表了更多的能量損失。2.高產品成本與大產品體積。每一級都要許多相關零件，包含一個相當佔體積的電感或是變壓器，所以整個交流轉直流電源供應器成本與體積都將難以縮小。隨著當下電源轉換器都朝向 高功率與小體積發展，以上的問題都必須面對或解決。
本發明實施例提供一種隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源，該一次側與該二次側互相絕緣。該電源供應器包含有一變壓器、一備用電源電路、一一次側控制器、以及一二次側控制器。該變壓器具有一主繞組與一二次側繞組，可儲存一磁能。該備用電源電路，具有一備用電源。該二次側控制器可控制一二次側開關，連接至該二次側繞組。該變壓器被控制來產生數個能量轉換週期，每一能量轉換週期包含有至少有一致磁時間以及一除磁時間。於一第一能量轉換週期之一第一致磁時間，該備用電源釋能來增加該磁能。於該第一能量轉換週期之一第二致磁時間，該一次側控制器開啟該功率開關，以該輸入電源來增加該磁能。於該第一能量轉換週期之一第一除磁時間，該二次側控制器控制該二次側開關，釋放該磁能，來調控該輸出電源。
本發明實施例提供一種適用於一隔離式電源供應器的控制方法，可用以將位於一一次側之一輸入電源，轉換為位於一二次側之一輸出電源。該隔離式電源供應器包含有一變壓器，其具有相電感耦合的一主繞組以及一二次側繞組，可儲存一磁能，該變壓器被控制來產生數個能量轉換週期，每一能量轉換週期包含有至少有一致磁時間以及一除磁時間。該控制方法包含有：以及，於一第一能量轉換週期之一第一致磁時間內，以一備用電源來增加該磁能；以及，於一第一能量轉換週期之一第二致磁時間內，以該輸入電源來增加該磁能。
本發明實施例提供一種無橋式整流器之隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一交流輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源。該無橋式整流器之隔離式電源供應器包含有一變壓器、一第一備用電源以及一第二備用電源、一功率開關、以及一一次側控制器。該變壓器具有相電感耦合的一主繞組以及一二次側繞組，該變壓器可儲存一磁能。該功率開關與該主繞組串接，用以使該交流輸入電源增加該磁能。該一次側控制器可控制該功率開關。當該交流輸入電源位於一正半週期時，該一次側控制器可使該第一備用電源增加該磁能。當該交流輸入電源位於一負半週期時，該一次側控制器可使該第二備用電源增加該磁能。
本發明實施例提供一種一次側控制器，用以控制一隔離式電源供應器中的一功率開關。該隔離式電源供應器用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源。該隔離式電源供應器包含有一變壓器、該功率開關、一放電開關、以及一備用電源，該變壓器具有一主繞組以及一二次側繞組。該一次側控制器包含有一功因控制器以及一放電控制器。該功因控制器控制該隔離式電源供應器之功因，並調控該備用電源。該放電控制器控制該放電開關，使該備用電源放電增加該變壓器之磁能，來調控該輸出電源。
本發明也提供一種適用於一隔離式電源供應器的控制方法，可用以轉換位於一一次側之一輸入電源，為位於一二次側之一輸出電源，其中，該隔離式電源供應器包含有一變壓器以及一備用電源，該控制方法包含有：控制該變壓器，來產生數個能量轉換週期，每個能量轉換週期至少包含有一致磁時間以及一除磁時間；於一第一能量轉換週期之一輸 入致磁時間，以該輸入電源來增加該變壓器之磁能；於該第一能量轉換週期之一內部除磁時間，釋放該變壓器之磁能來增加該備用電源；於一第二能量轉換週期之一內部致磁時間，以該備用電源來增加該變壓器之磁能；以及，於該第二能量轉換週期之一輸出致磁時間，釋放該變壓器之磁能來增加該輸出電源。
100:交流轉直流電源供應器
102、102a:一次側控制器
104、104a:二次側控制器
106:備用電源電路
108:橋式整流器
122a:功因控制器
124a:放電控制器
142a:遮蔽時間產生器
144a:除磁偵測器
146a:時序控制器
600:無橋式整流器交流轉直流電源供應器
620P、620N:主動箝制電路
CBF:電容
COUT:輸出電容
CS:電流偵測端
DB:二極體
DE11、DE12、DE22、DE31、DE32、DE33、DE42、DE43、DE51、DE52、DE61、DE62、DE72、DE81、DE82、DE92:除磁時間
DET:偵測端
DRV、HIS:驅動端
DRVS:驅動端
E11、E21、E22、E31、E41、E42、E51、E61、E71、E72、E81、E91、E92:致磁時間
FB:回饋端
GND:接地端
GNDI:輸入接地線
GNDO:輸出接地線
GNDSR:參考電源線
IN:輸入電源線
IPRM:繞組電流
ISEC、ISECN、ISECP:繞組電流
LA:輔助繞組
LOOP-DE1、LOOP-DE2、LOOP-E1、LOOP-E2、LOOP-CP、LOOP-MP、LOOP-DOP、LOOP-DP、LOOP-MN、LOOP-CN、LOOP-DON、LOOP-DN:電流迴路
LP:主繞組
LS、LSN、LSP:二次側繞組
MAIN:功率開關
NAC:放電開關
NAN、NAP:箝制開關
NOUT:輸出開關
NPN、NPP:電晶體開關
NPRM:功率開關
NSO、NSRN、NSRP:二次側開關
PLA:高台
PRM:一次側
R1、R2:分壓電阻
RCS:電流偵測電阻
RD:偵測電阻
RZ:上升緣
SEC:二次側
t11~t17、t21~t27、t31~35、t41~t45、t51~t55、t61~t65、t71~t75、t81~t85、t91~t95:時間點
TBLK:遮蔽時間
TCYC1~TCYC9:能量轉換週期
TDEG1、TDEG6:除磁時間
TOFF:關閉時間
TF、TFAC:變壓器
TIDL1、TIDL2、TIDL5、TIDL6、TIDL7、TIDL8、TIDL9:休息時間
TRG1、TRG2:觸發時間
VAC+:正端電壓
VAC-:負端電壓
VAUX:繞組電壓
VAC:交流市電
VBF、VBFP、VBFN:備用電源
VCS:電流偵測訊號
Vf0、Vf1、Vf2、Vf3:電壓值
VIN:輸入電源
VOUT:輸出電源
圖1顯示了依據本發明所實施，具有橋式整流器的交流轉直流電源供應器。
圖2顯示圖1之交流轉直流電源供應器，操作於DCM，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖3A、3B與3C分別顯示電流迴路LOOP-E1、LOOP-DE1以及LOOP-DE2。
圖4顯示圖1之交流轉直流電源供應器，操作於DCM，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏低時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖5顯示電流迴路LOOP-E2。
圖6A與6B顯示交流轉直流電源供應器100操作於CCM時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖7顯示採用二次側控制的一次側控制器102a與二次側控制器104a。
圖8中顯示了能量轉換週期TCYC5，採用一次側控制。
圖9顯示依據本發明所實施的無橋式整流器交流轉直流電源供應器。
圖10顯示圖9之交流轉直流電源供應器，操作於DCM，交流市電VAC 處於正半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖11A、11B、11C分別顯示電流迴路LOOP-MP、LOOP-CP、LOOP-DOP。
圖12顯示圖9之交流轉直流電源供應器，操作於DCM，交流市電VAC處於正半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏低時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖13顯示電流迴路LOOP-DP。
圖14顯示圖9之交流轉直流電源供應器，操作於DCM，交流市電VAC處於負半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖15顯示圖9之交流轉直流電源供應器，操作於DCM，交流市電VAC處於負半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏低時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖16A-16D分別顯示電流迴路LOOP-MN、LOOP-CN、LOOP-DON與LOOP-DN。
以下本發明實施例以具有PFC的兩個單一級返馳式電源供應器作為例子，一個具有橋式整流器、而另一個沒有橋式整流器。但本發明並不限於此。但本發明並不限於單一級之電源供應器，某些本發明之實施例也可以是具有多級的電源供應器。此說明書所揭示的實施例並沒有要用來侷限本發明之權利範圍。
本發明的一實施例提供一隔離式電源供應器，用以將位於一一次側的一輸入電源轉換為位於一二次側的一輸出電源。該隔離式電源供應器具有一變壓器，具有主繞組與二次側繞組，分別位於該一次側與該二次側。除了該輸入電源，該隔離式電源供應器另有一備用電源，位於該一次側。該變壓器被控制來產生數個能量轉換週期，每個能量轉換週期包含有至少有一致磁時間(magnetization time)以及一除磁時間(de-magnetization time)。所謂致磁時間意味著該變壓器的磁能(magnetic energy)隨著時間被一電源充電而增加，相反的，所謂除磁時間意味著該變壓器的磁能隨著時間對一電源充電而減少。一能量轉換週期可以包含有一休息時間(break time)，表示該變壓器沒有對一電源放電也沒有被一電源所充電的時間，可能會產生LC震盪。在一第一能量轉換週期中，該輸入電源偏低，該第一能量轉換週期具有兩個致磁時間，分別採用該輸入電源與該備用電源來使該變壓器增加該電磁能。藉此彌補從該輸入電源來的低輸入功率不足以支撐該輸出電源的問題。在一第二能量轉換週期中，該輸入電源偏高，該第二能量轉換週期具有兩個除磁時間，分別用來建立或支持該輸出電源與該備用電源。藉此，將該輸入電源來的高輸入功率，適當地分配給該輸出電源與該備用電源，可以避免該輸出電源被過度充電，也可準備該備用電源於之後使用。如此，可能可以僅僅採用單一級的隔離式電源供應器，就可以符合PFC的要求，使得該輸入電源來的輸入電壓與輸入電流大約同相，也可以同時穩定供應給該輸出電源的輸出功率。
在本發明的一些實施例中，交流轉直流電源供應器有兩種致磁時間，讓變壓器的磁能隨著時間增加：一種稱為輸入致磁時間，由外 部的輸入電源所供應能量；另一種可以稱為內部致磁時間，由交流轉直流電源供應器內部的備用電源所供應能量。交流轉直流電源供應器也有兩種除磁時間，讓變壓器的磁能隨著時間減少的時間：一種可以稱為輸出除磁時間，變壓器對輸出電源充電；另一種可以稱為內部除磁時間，變壓器對備用電源充電。當交流市電的當下電壓絕對值偏高，一能量轉換週期可以把從輸入電源來的過多輸入能量，透過內部除磁時間，部分地而存放在備用電源。當交流市電的當下電壓絕對值偏低，一能量轉換週期可以透過內部致磁時間，釋放備用電源的電能到變壓器，再釋放到輸出電源，來彌補輸入電源來的不足之輸入能量。因此，依據本發明所實施的交流轉直流電源供應器，不但可以穩定輸出電壓，也可以達到PFC的效果。
圖1顯示了依據本發明所實施的具有橋式整流器108的交流轉直流電源供應器100，具有相互隔離的一次側PRM與二次側SEC。橋式整流器108提供交流市電VAC全波整流，在輸入電源線(input power line)IN提供輸入電源VIN，在輸入接地線GNDI提供做為一次側PRM參考的0V。交流轉直流電源供應器100用以將位於一次側PRM之輸入電源VIN，轉換成為二次側SEC跨於輸出電容COUT上的輸出電源VOUT。
在一次側PRM，交流轉直流電源供應器100包含有橋式整流器108、變壓器TF的主繞組LP與輔助繞組LA、一次側控制器102、備用電源電路106、功率開關NPRM、電流偵測電阻RCS、分壓電阻R1與R2，彼此的連接如同圖1所示。備用電源電路106中有放電開關NAC、二極體DB、以及電容CBF。電容CBF的一端連接到電流偵測端CS，提供備用電源VBF。在圖1中，功率開關NPRM與放電開關NAC有顯示其中的體二極體 (body diode)。功率開關NPRM與放電開關NAC可以是任何的功率開關，譬如說單一NMOS電晶體或是單一GaN(Gallium nitride，氮化镓)電晶體，也可以是一GaN電晶體與一NMOS電晶體組合在一起的一功率開關。在另一實施例中，二極體DB可以換成一同步整流開關，用以降低二極體DB的導通損失(conduction loss)。
在二次側SEC，交流轉直流電源供應器100包含有二次側控制器104、二次側開關NSO、變壓器TF的二次側繞組LS、以及偵測電阻RD，彼此的連接如同圖1所示。在實施例中，二次側開關NSO是一雙向開關(bidirectional switch)，當關閉時，二次側繞組LS與輸出接地線GNDO無法透過二次側開關NSO流通電流。當二次側開關NSO開啟時，二次側開關NSO大約提供一短路，連接二次側繞組LS與輸出接地線GNDO。在一些實施例中，二次側開關NSO可以是由兩個背對背(back-to-back connected)NMOS電晶體所構成，也可以由兩個方向相反之GaN電晶體所構成。當二次側開關NSO由兩個電晶體構成時，這兩個電晶體不一定要同步，舉例來說，其中一個關閉，而另一個開啟，來實現一個關閉的二次側開關NSO。在圖1中，二次側開關NSO有四個端子，分別連接到輸出接地線GNDO、二次側繞組LS、二次側控制器104的驅動端DRVS、以及參考電源線GNDSR，也就是二次側控制器104的接地端GND。
圖2將以二次側控制為例，來解釋圖1之交流轉直流電源供應器100可以達到PFC以及同時穩定輸出電壓VOUT。這裡的二次側控制，指的是由二次側控制器104透過開啟或是關閉二次側開關NSO，來通知一次側控制器102，而一次側控制器102可以據以結束當下的能量轉換週期，開 始下一個能量轉換週期。
圖2顯示圖1之交流轉直流電源供應器100，操作於非連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高時的一些開關狀態以及訊號波形。舉例來說，圖2的波形，產生於交流市電VAC大約為正負100V時。由上而下，圖2中的訊號波形分別表示功率開關NPRM的狀態、放電開關NAC的狀態、在電流偵測端CS的電流偵測訊號VCS、在輔助繞組LA一端的繞組電壓VAUX、流經二次側繞組LS的繞組電流ISEC、以及二次側開關NSO的狀態。
圖2以二次側控制為例，來解釋圖1之交流轉直流電源供應器100可以具有PFC以及同時穩定輸出電壓VOUT。這裡的二次側控制，是由二次側控制器104透過開啟或是關閉二次側開關NSO，造成變壓器TF的繞組跨壓變化，來通知一次側控制器102，因此一次側控制器102可以據以結束當下的能量轉換週期，開始下一個能量轉換週期。在這裡的二次側控制中，一次側PRM與二次側SEC之間信號傳遞的媒介是變壓器TF，並不需要額外的光耦合器、電容、或是電感元件來讓二次側控制器104通知一次側控制器102。只是，本發明並不限於二次側控制。其他本發明的實施例可以採用額外的光耦合器、電容、或是電感元件，作為一次側PRM與二次側SEC之間信號傳遞的媒介。
變壓器TF被控制來產生數個能量轉換週期，每個能量轉換週期包含有至少有一致磁時間以及一除磁時間。圖2中顯示了能量轉換週期TCYC1，從左到右，依序有致磁時間E11、除磁時間DE11與DE12、休息時間TIDL1、以及觸發時間(trigger time)TRG1。在觸發時間TRG1之後 的時間點t17，能量轉換週期TCYC1結束，下一個能量轉換週期開始。致磁時間E11為一輸入致磁時間，除磁時間DE11為一內部除磁時間，除磁時間DE12為一輸出除磁時間。雖然能量轉換週期TCYC1沒有內部致磁時間，但在其他實施例中，能量轉換週期TCYC1也可以具有一內部致磁時間。
圖3A顯是在圖2之致磁時間E11，也就是一輸入致磁時間內時，使變壓器TF的磁能增加的電流迴路(current loop)LOOP-E1。如同圖2所示，在從時間點t11到t12的致磁時間E11時，功率開關NPRM開啟，而放電開關NAC與二次側開關NSO關閉。因此，電流迴路(current loop)LOOP-E1從交流市電VAC抽取電流，來增加變壓器TF所存的磁能。在致磁時間E11內，電流偵測訊號VCS隨著時間而增加，如圖2所示。在致磁時間E11內，繞組電壓VAUX的電壓值Vf0將會反映輸入電源VIN，此時大約為交流市電VAC的絕對值，舉例來說，100V。
圖3B顯是在圖2之除磁時間DE11，也就是一內部除磁時間時，使變壓器TF的磁能減少的電流迴路LOOP-DE1。如同圖2所示，在除磁時間DE11(從時間點t12到t13)時，功率開關NPRM、放電開關NAC與二次側開關NSO都關閉。如同圖3B所示，電流迴路LOOP-DE1從交流市電VAC抽取電流，透過主繞組LP與二極體DB，對電容CBF充電，拉高或是建立備用電源VBF。在除磁時間DE11內，變壓器TF釋放部分的磁能，來建立備用電源VBF，因此，電流偵測訊號VCS隨著時間而減少。當下，繞組電壓VAUX的電壓值Vf1將會反映備用電源VBF與輸入電源VIN之間的電壓差。
圖3C顯是在圖2之除磁時間DE12，也就是一輸出除磁時間 時，使變壓器TF的磁能減少的電流迴路LOOP-DE2。如同圖2所示，在除磁時間DE12(從時間點t13到t14)時，二次側開關NSO開啟、功率開關NPRM與放電開關NAC都關閉。流過電流迴路LOOP-DE2的電流，會對輸出電容COUT充電，拉高或是建立輸出電源VOUT。在除磁時間DE12內，變壓器TF釋放磁能，來建立輸出電源VOUT，此時，在一次側PRM並沒有從交流市電VAC抽取電流，因此電流偵測訊號VCS大約為0V，如同圖2所示。繞組電流ISEC則隨著時間而減少，繞組電壓VAUX的電壓值Vf2將會反映輸出電源VOUT。舉例來說，二次側開關NSO維持開啟，而大約在繞組電流ISEC從正值降到大約等於0A時就關閉，如此決定時間點t14，結束除磁時間DE12。
從時間點t12到t14，可以視為在能源轉換週期TCYC1內，變壓器TF的除磁時間TDEG1，在其內，變壓器TF釋放磁能，供電給輸出電源VOUT或是備用電源VBF。因為繞組電流ISEC在時間點t14大約等於0A，所以變壓器TF在時間點t14完全釋放完變壓器TF可以供應給輸出電源VOUT或是備用電源VBF的磁能。因此，圖2表示當下交流轉直流電源供應器100操作於DCM。
在圖2中的休息時間TIDL1(從時間點t14到t15)內，功率開關NPRM、放電開關NAC與二次側開關NSO都關閉。此時，變壓器TF與一些寄生電容，可以構成LC震盪電路，以變壓器TF中所殘留的磁能為初始能量，產生LC震盪。因此，在休息時間TIDL1內，繞組電壓VAUX隨著時間而週期性地上下震盪，如同圖2所示。
二次側控制器104在圖2中的觸發時間TRG1(從時間點t15 到t16)，將二次側開關NSO開啟，此時功率開關NPRM與放電開關NAC維持關閉。在觸發時間TRG1內，二次側開關NSO開啟時，繞組電壓VAUX的波形會相對應的產生高度大約為電壓值Vf2的高台PLA。一次側控制器102可以透過分壓電阻R1與R2，偵測到高台PLA的出現，據以在時間點t17開啟功率開關NPRM，結束能量轉換週期TCYC1，開始下一個能量轉換週期。觸發時間TRG1會使得部分的輸出電源VOUT的能量，從二次側SEC轉換到一次側PRM。
致磁時間E11的時間長度可以依據想要達到的功因(power factor，PF)來調控。舉例來說，致磁時間E11的時間長度依照輸入電源VIN、圖2中的電流偵測訊號VCS波形中的陰影部分、以及備用電源VBF來決定，使得電流偵測訊號VCS的平均值，大約跟輸入電源VIN成正比，並大約調控備用電源VBF的電壓。舉例來說，控制致磁時間E11來使得PF大約等於1，且將備用電源VBF調控於約300V。電流偵測訊號VCS的平均值大約反映的就是從交流市電VAC進入交流轉直流電源供應器100的輸入電流。大致上來說，輸入電源VIN越大，每個能量轉換週期內電流偵測訊號VCS波形中的陰影部分就越大。控制致磁時間E11的時間長度就可以控制功因，達到PFC。備用電源VBF可以由除磁時間DE11內的繞組電壓VAUX的電壓值Vf1得知。
時間點t12到時間點t15可以定義為遮蔽時間TBLK。在一實施例中，遮蔽時間TBLK由二次側控制器104依據輸出電源VOUT所決定。舉例來說，如果二次側控制器104認為輸出電源VOUT超過一預設參考電壓，表示輸出電源VOUT的能量還足夠，尚不需要下一個能量轉換週期，所以遮 蔽時間TBLK就繼續；當二次側控制器104認為輸出電源VOUT低於該預設參考電壓時，表示輸出電源VOUT的能量已經不足了，需要下一個能量轉換週期來補充，所以結束遮蔽時間TBLK，開始觸發時間TRG1。因此，輸出電源VOUT可以大約穩定在預設參考電壓。
觸發時間TRG1的長度只要足夠一次側控制器102可以偵測到就可以。太長的觸發時間TRG1可能會浪費輸出電源VOUT的能量。
除磁時間DE11的長度可以依據在能量轉換週期TCYC1之前的能量轉換週期之長度或是遮蔽時間TBLK的長度，由二次側控制器104來決定。換另一種角度來說，二次側控制器104透過調整除磁時間DE11，來控制能量轉換週期TCYC1的長度。舉例來說，遮蔽時間TBLK超過一最大遮蔽時間，或是能量轉換週期TCYC1太長，那表示當下提供給輸出電源VOUT有過多能量的問題，因此，二次側控制器104加長除磁時間DE11，讓更多變壓器TF的磁能釋放儲存在備用電源VBF中，而非用來釋放給輸出電源VOUT。當遮蔽時間TBLK小於該最大遮蔽時間，那表示當下是可以釋放更多的磁能給輸出電源VOUT，來延長之後的遮蔽時間TBLK或能量轉換週期，因此，二次側控制器104縮短除磁時間DE11，除非除磁時間DE11已經消失或已經不能再短了。如此的控制下，遮蔽時間TBLK可以被控制在不長於最大遮蔽時間內。最大遮蔽時間可以由輸出電源VOUT所供電的負載(未顯示)而決定。舉例來說，當負載越輕，最大遮蔽時間越長。
圖4顯示圖1之交流轉直流電源供應器100，操作於非連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏低時的一些開關狀態以及訊號波形。舉例來說，圖2的波 形，產生於交流市電VAC大約為正負5V時。部分圖4與圖2相同之處，可以透過先前圖2之說明而得知，不再累述。圖4中顯示了能量轉換週期TCYC2，從左到右，依序有致磁時間E21與E22、除磁時間DE22、休息時間TIDL2、以及觸發時間TRG2。在觸發時間TRG2之後的時間點t27，能量轉換週期TCYC2結束，下一個能量轉換週期開始。致磁時間E21為一內部致磁時間，致磁時間E22為一輸入致磁時間，除磁時間DE22為一輸出除磁時間。雖然能量轉換週期TCYC2沒有內部除磁時間，但在另一個實施例中，能量轉換週期TCYC2也可以有一內部除磁時間。
圖5顯示在圖4之致磁時間E21，也就是一內部致磁時間時，使變壓器TF的磁能增加的電流迴路(current loop)LOOP-E2。如同圖4所示，在從時間點t21到t22的致磁時間E21時，功率開關NPRM與放電開關NAC開啟，而二次側開關NSO關閉。因此，備用電源VBF透過電流迴路LOOP-E2，增加變壓器TF所存的磁能。在致磁時間E21內，電流偵測訊號VCS為0V，因為橋式整流器108阻擋了備用電源VBF往交流市電VAC流過去的逆電流。在致磁時間E21內，繞組電壓VAUX的電壓值Vf3將會反映輸入電源VIN，此時大約等於備用電源VBF。所以，致磁時間E21內，繞組電壓VAUX的電壓值Vf3反映備用電源VBF，可以用以決定電流偵測訊號VCS的平均值跟輸入電源VIN之間的大約比例。因為PFC的要求，所以在交流市電VAC當下電壓偏小時，交流市電VAC輸入交流轉直流電源供應器100的功率將會被限制，可能不足以穩定輸出電源VOUT。備用電源VBF在致磁時間E21內轉移能量到變壓器TF，可以用來彌補交流市電VAC不足的部分，穩定或調控輸出電源VOUT。
圖4中的致磁時間E22、除磁時間DE22、休息時間TIDL2、以及觸發時間TRG2，其操作與原理，大約可以參照圖2的致磁時間E11、除磁時間DE12、休息時間TIDL1、以及觸發時間TRG1，以及先前的相關說明而得知。簡單的說，在致磁時間E22內，一次側控制器102開啟功率開關NPRM，讓輸入電源VIN增加變壓器TF的磁能，並藉由控制致磁時間E22的長度來調控PF，也大約調控備用電源VBF。在除磁時間DE22，二次側開關NSO扮演一同步整流開關，變壓器TF釋放磁能，建立輸出電源VOUT。在休息時間TIDL2內，變壓器TF所剩餘的能量造成LC震盪電路震盪。在觸發時間TRG2，二次側開關NSO開啟，來通知一次側控制器102開始下一能量轉換週期。
在另一實施例中，圖4的致磁時間E21可以緊接於致磁時間E22之後。但是，致磁時間E22緊接致磁時間E21之後，如同圖4所示，有一個特別的好處：縮短致磁時間E21與致磁時間E22的總時間長度。當致磁時間E21先發生時，電流偵測訊號VCS會先被相對高電壓的備用電源VBF所相對快速拉升，所以之後致磁時間E22將會非常的短，就可以達到所需要的PF。如果致磁時間E22早於致磁時間E21，電流偵測訊號VCS就可能需要非常長甚至是不切實際長的致磁時間E22，才能達到所需要PF，這樣可能會使得整個能量轉換週期過長而無法即時地轉換能量給輸出電源VOUT。
致磁時間E21的長度可以依據在能量轉換週期TCYC1之前的能量轉換週期之長度或是遮蔽時間TBLK的長度來決定。舉例來說，一次側控制器102可以偵測圖4中高台PLA出現的時間，來判斷當下的遮蔽時間TBLK。如果遮蔽時間TBLK小於一預設關閉時間，那表示當下需要釋放 更多的磁能給輸出電源VOUT，來增加之後的遮蔽時間TBLK，維持能量轉換週期之長度，所以一次側控制器102增長致磁時間E21。如果遮蔽時間TBLK超過預設關閉時間，那表示當下從一次側PRM提供給輸出電源VOUT應該足夠多了，所以一次側控制器102縮短致磁時間E21，減少備用電源VBF釋放能量，除非致磁時間E21已經消失或是不能再短了。如此的控制下，可以穩定或是調控輸出電源VOUT，並使遮蔽時間TBLK可以被控制在不短於預設關閉時間。
在一實施例中，一次側控制器102的預設關閉時間小於二次側控制器104的最大遮蔽時間。
儘管圖4並沒有類似圖2中的除磁時間DE11，也就是沒有內部除磁時間，來增加備用電源VBF的能量，但本發明並不限於此。在其他實施例中，二次側控制器104可以在圖4中時間點t23到時間點24中的任何時間點，插入一段類似圖2的除磁時間DE11之一內部除磁時間，以變壓器TF的磁能來對備用電源VBF充電。
儘管圖2與圖4都有一輸入致磁時間，如同磁時間E11與E22，來增加變壓器TF所存的磁能，但本發明不限於此。依據本發明所實施的一能量轉換週期，可能完全沒有輸入致磁時間，但有一內部致磁時間，其採用圖5的電流迴路LOOP-E2，以備用電源VBF來增加變壓器TF所存的磁能。舉例來說，當交流市電VAC的當下電壓絕對值大約等於0V時，一能量轉換週期根本就沒有輸入致磁時間，只有內部致磁時間，來提供輸出電源VOUT所需要的能量。
圖2與圖4中，二次側控制器104產生觸發時間TRG1與 TRG2，不只是可以用來透過變壓器TF通知一次側控制器102，也可以讓之後要開啟的功率開關NPRM與/或放電開關NAC享受軟開關(soft switching)。所謂軟開關是在一開關的一通道的兩端電壓差不多相同時，開啟該開關，讓通道的兩端短路，可以降低導通損失(conduction loss)。
雖然圖2與圖4都是顯示交流轉直流電源供應器100操作於DCM，但是本發明並不限於此。交流轉直流電源供應器100也可以操作於連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)或是臨界模式(boundary mode，BM)。圖6A與6B顯示交流轉直流電源供應器100操作於CCM時的一些開關狀態以及訊號波形。圖6A與6B分別對應到交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高(譬如說100V)與偏低(譬如說5V)時。
圖6A與圖2相同或是相似的部分，可以參照先前圖2的教導而得知，不再累述。圖6A中顯示了能量轉換週期TCYC3，從左到右，依序有致磁時間E31、以及除磁時間DE31、DE32與DE33。在除磁時間DE33之後的時間點t35，能量轉換週期TCYC3結束，下一個能量轉換週期開始。致磁時間E31、以及除磁時間DE31分別對應於圖2中的致磁時間E11、以及除磁時間DE11，可以參照先前的說明而了解。
類似圖2的除磁時間DE12，圖6A的除磁時間DE32是一輸出除磁時間，電流迴路LOOP-DE2使變壓器TF的磁能減少。只是，在圖2中，遮蔽時間TBLK結束於時間點t14之後，也就是繞組電流ISEC大約等於0A，變壓器TF所存放的能量無法再釋放給輸出電源VOUT之後。但是，在圖6A中，可能因為輸出電源VOUT突然的偏低，遮蔽時間TBLK在時間點t34就結束了，而在時間點t34時，變壓器TF尚未完全釋放能量給輸出電源 VOUT，可由繞組電流ISEC在時間點t34大於0A而得知。在時間點t34，因為遮蔽時間TBLK結束，二次側控制器104關閉二次側開關NSO，停止同步整流，並使變壓器TF停止對輸出電源VOUT釋放磁能。
解磁時間DE33接續除磁時間DE32，且解磁時間DE33類似解磁時間DE31，也是一內部除磁時間，讓變壓器TF的磁能對備用電源VBF充電。因此，繞組電壓VAUX在時間點t34，從電壓值Vf2開始朝電壓值Vf1爬昇，產生上升緣RZ，如同圖6A所示。一次側控制器102可以透過分壓電阻R1與R2來偵測到上升緣RZ的出現，來得知遮蔽時間TBLK已經結束，據以在解磁時間DE33之後，開始下一個能量轉換週期。從圖6A可知，在能量轉換週期TCYC3結束時，電流偵測訊號VCS還大於0V，所以表示交流轉直流電源供應器100當下操作於CCM。
解磁時間DE33的長度可以由一次側控制器102根據上升緣RZ來決定。在一實施例中，如果上升緣RZ上升斜率相對的大，那解磁時間DE33可以是一固定的預設長度，讓交流轉直流電源供應器100操作於CCM。如果上升緣RZ上升斜率相對的小，那解磁時間DE33可以是等到繞組電流ISEC大約等於0A才結束，而且下一能量轉換週期開始於解磁時間DE33結束後且繞組電壓VAUX的第一個信號波谷出現時，讓交流轉直流電源供應器100操作於BM。在另一個實施例中，不論上升緣RZ如何，一次側控制器102都使交流轉直流電源供應器100操作於BM。
從圖2可得知，在變壓器TF完全釋放能量給輸出電源VOUT或備用電源VBF之後，二次側控制器104可以透過開啟二次側開關NSO，透過變壓器TF的信號傳遞，來通知一次側控制器102遮蔽時間TBLK結束，使 交流轉直流電源供應器100操作於DCM。從圖6A可得知，在變壓器TF尚未完全釋放能量給輸出電源VOUT前，二次側控制器104可以以關閉二次側開關NSO，透過變壓器TF的信號傳遞，來通知一次側控制器102遮蔽時間TBLK結束，使交流轉直流電源供應器100操作於CCM或是BM。
圖6B與圖4相同或是相似的部分，可以參照先前圖4的教導而得知，不再累述。圖6B中顯示了能量轉換週期TCYC4，從左到右，依序有致磁時間E41與E42、以及除磁時間DE42與DE43。在除磁時間DE43之後的時間點t45，能量轉換週期TCYC4結束，下一個能量轉換週期開始。致磁時間E41與E42、以及除磁時間DE42分別對應於圖4中的致磁時間E21與E22、以及除磁時間DE22，可以參照先前的說明而了解。除磁時間DE43類似圖6A之解磁時間DE33，為一內部除磁時間，可以參閱先前之說明得知，不再累述。
圖2、4、6A與6B是以二次側控制為例，來解釋圖1之交流轉直流電源供應器100可以達到PFC以及同時穩定輸出電壓VOUT。圖7顯示採用二次側控制的一次側控制器102a與二次側控制器104a，可以適用於圖1之交流轉直流電源供應器100。
一次側控制器102a有功因控制器122a以及放電控制器124a，分別透過驅動端DRV與HIS控制功率開關NPRM以及放電開關NAC。功因控制器122a從電流偵測端CS接收電流偵測訊號VCS，從回饋端FB來偵測繞組電壓VAUX。依據電流偵測訊號VCS(反映流經主繞組LP的電流)以及繞組電壓VAUX出現在致磁時間E11或是E22時的電壓值Vf0(反映輸入電壓VIN)，功因控制器122a控制功率開關NPRM，藉以控制PF。透過 控制平均的電流偵測訊號VCS與輸入電壓VIN的比例，功因控制器122a大約調控繞組電壓VAUX出現在致磁時間E21的電壓值Vf3(備用電源VBF)或出現在除磁時間DE11的電壓值Vf1(反映備用電源VBF與輸入電源VIN之間的電壓差)，藉以控制備用電源VBF。譬如說，功因控制器122a大約使PF為1，且使備用電源VBF大約維持在260V到400V之間。一次側控制器102a可以從回饋端FB得知遮蔽時間TBLK的長度。如果遮蔽時間TBLK小於預設關閉時間，放電控制器124a就增加致磁時間E21，增加變壓器TF的磁能，可以調控遮蔽時間TBLK，也等同調控輸出電壓VOUT。
二次側控制器104a有除磁偵測器144a、遮蔽時間產生器142a、以及時序控制器146a。透過偵測端DET，除磁偵測器144a可以得知變壓器TF的釋放磁能的開始時間點與結束時間點，舉例來說，圖2中的時間點t12與t14。遮蔽時間產生器142a依據輸出電源VOUT決定遮蔽時間TBLK。時序控制器146a依據遮蔽時間TBLK與釋放磁能結束時間點，來控制二次側開關NSO。舉例來說，當遮蔽時間TBLK結束於釋放磁能結束時間點之後，時序控制器146a使得繞組電壓VAUX適時地產生如同圖2或4之高台PLA，來通知一次側控制器102a遮蔽時間TBLK已經結束，可以進行下一個能量轉換週期。當遮蔽時間TBLK結束於釋放磁能結束時間點出現之前，時序控制器146a使得繞組電壓VAUX產生如同圖6A或6B之上升緣RZ，來通知一次側控制器102a遮蔽時間TBLK已經結束。此外，時序控制器146a可以調整一內部除磁時間(闢如圖2中的除磁時間DE11)的長度，來大約地調控之後的遮蔽時間TBLK，並穩定輸出電源VOUT。
本發明並不限於二次側控制，本發明也適用於一次側控 制，也就是由一次側控制器102來決定一能量轉換週期的長度。圖1之交流轉直流電源供應器100也可以採用一次側控制來達到PFC與穩定輸出電壓VOUT。圖8類似圖2，兩者相似或相同之處可以參考先前說明而知。圖8中顯示了能量轉換週期TCYC5，從左到右，依序有致磁時間E51、除磁時間DE51與DE52、休息時間TIDL5。在休息時間TIDL5之後的時間點t55，能量轉換週期TCYC5結束，下一個能量轉換週期開始。圖8沒有圖2中的觸發時間TRG1，採用一次側控制。圖8也顯示了關閉時間TOFF，包含有除磁時間DE51與DE52、與休息時間TIDL5。
舉例來說，一次側控制器102依據PF與備用電源VBF，來決定致磁時間E51的長度。二次側控制器104控制二次側開關NSO，大約地實現同步整流，降低導通損失，並決定除磁時間DE52。二次側控制器104依據輸出電源VOUT，控制除磁時間DE51的長度。輸出電源VOUT越低，除磁時間DE51越短。當除磁時間DE51等於0，二次側控制器104可以開始透過光耦合器(未顯示)，來通知一次側控制器102提供如同圖4中的致磁時間E21，一內部除磁時間，讓備用電源VBF釋放電能，增加變壓器TF的磁能，藉以調控輸出電源VOUT。一次側控制器102可以依據輸出電源VOUT所需要的電流偵測訊號VCS(舉例來說，出現於圖8中的時間點t53或是圖4中的時間點t23)，來決定關閉時間TOFF。如此的一次側控制，就可能可以使交流轉直流電源供應器100大約達到PFC，並同時穩定輸出電壓VOUT。圖8中，除磁時間DE52緊接在除磁時間DE51之後；在一實施例中，除磁時間DE51可以緊接在除磁時間DE52之後。
本發明不僅僅適用於有橋式整流器的交流轉直流電源供應 器，也適用於無橋式整流器(bridgeless)的交流轉直流電源供應器。圖9顯示依據本發明所實施的無橋式整流器交流轉直流電源供應器600。交流轉直流電源供應器600與圖1之交流轉直流電源供應器100相同或是相似之處，可以透過先前圖1之教導而得知，不再累述。
當交流市電VAC的正端電壓VAC+大於負端電壓VAC-時，稱為交流市電VAC位於正半週期(positive half period)；反之，則稱交流市電VAC位於負半週期(negative half period)。
在一次側PRM，交流轉直流電源供應器600具有變壓器TFAC的主繞組LP、主動箝制電路620P與620N、功率開關MAIN、以及一次側控制器602，彼此連接如同圖9所示。一次側控制器602可以控制功率開關MAIN、主動箝制電路620P與620N中的箝制開關NAP與NAN。在二次側SEC，交流轉直流電源供應器600具有變壓器TFAC的二次側繞組LSP與LSN、二次側開關NSRP與NSRN、輸出開關NOUT、以及輸出電容COUT，彼此連接如同圖9所示。美國專利編號US10148169有教導類似的電路，舉例來說：圖3A與圖7A-7D。只是，本發明在操作上，與美國專利編號US10148169並不相同。
在圖9中，功率開關MAIN為一雙向開關，由兩個背對背相連的電晶體開關NPN與NPP所構成。功率開關MAIN也可以由其他種類的開關來實施，只要在關閉時，可以確定阻斷兩端的電性連接；在開啟時，可以提供短路連接該兩端，就可以。在實施例中，功率開關MAIN扮演兩個功能：預防逆電流發生與PFC。逆電流意味著交流市電VAC的輸入電流，其極性與交流市電VAC的輸入電壓的極性相反。PFC意味著使得交流 市電VAC的輸入電流大致與交流市電VAC的輸入電壓大約等比例。
在實施例中，主動箝制電路620P與620N除了做為主動箝制外，也做為兩個備用電源電路，分別提供兩個備用電源VBFP與VBFN。在交流市電VAC位於正/負半週期，且交流市電VAC的絕對值很高時，變壓器TFAC可以釋放部分的磁能來建立或是增加備用電源VBFN/VBFP，藉此預防輸出電源VOUT被過度充電。在交流市電VAC位於正/負半週期，且交流市電VAC的絕對值很低時，一次側控制器602可以使備用電源VBFP/VBFN放電來增加變壓器TFAC的磁能，補助交流市電VAC對於支持輸出電源VOUT可能不足的部分。
在實施例中，二次側開關NSRP與NSRN均扮演了同步整流開關的腳色。輸出開關NOUT可以受一控制器(未顯示)所控制，一方面可以提供同步整流，另一方面可以用來調控(regulate)輸出電源VOUT，控制給予輸出電源VOUT的能量。
以下將說明交流轉直流電源供應器600的操作，儘管以下說明並沒有解釋交流轉直流電源供應器600是以一次側控制還是二次側控制，依據本發明所實施的無橋式整流器交流轉直流電源供應器都可以適用於一次側控制與二次側控制。而一次側控制或二次側控制中，一次側與二次側兩側之間的訊號傳遞，可以透過先前的教導而知，不再累述。
圖10顯示圖9之交流轉直流電源供應器600，操作於非連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)，交流市電VAC處於正半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高時的一些開關狀態以及訊號波形。舉例來說，圖10的波形，產生於正端電壓VAC+大於負端電壓VAC- 大約為100V時。由上而下，圖10中的訊號波形分別表示功率開關MAIN的狀態、箝制開關NAN與NAP的狀態、流經主繞組LP的繞組電流IPRM、流經二次側繞組LSP的繞組電流ISECP、流經二次側繞組LSN的繞組電流ISECN、二次側開關NSRP與NSRN的狀態、以及輸出開關NOUT的狀態。
圖10中顯示了能量轉換週期TCYC6，從左到右，依序有致磁時間E61、除磁時間DE61與DE62、以及休息時間TIDL6。在圖10中的時間點t65，能量轉換週期TCYC6結束，下一個能量轉換週期開始。致磁時間E61為一輸入致磁時間，除磁時間DE61為一內部除磁時間、除磁時間DE62為一輸出除磁時間。
圖11A顯是在圖10之致磁時間E61時，使變壓器TFAC的磁能增加的電流迴路LOOP-MP。如同圖10所示，在從時間點t61到t62的致磁時間E61時，功率開關MAIN開啟、箝制開關NAN與NAP關閉、二次側開關NSRP與NSRN以及輸出開關NOUT都關閉。因此，電流迴路LOOP-MP從正端電壓VAC+抽取電流，來增加變壓器TFAC所存的磁能，並從負端電壓VAC-送出電流。在致磁時間E61內，繞組電流IPRM隨著時間而增加，如圖10所示。
圖11B顯是在圖10之除磁時間DE61時的電流迴路LOOP-CP，使變壓器TFAC的磁能減少，但使得備用電源VBFN的電能增加。如同圖10所示，在除磁時間DE61(從時間點t62到t63)時，功率開關MAIN關閉、箝制開關NAN開啟、箝制開關NAP關閉、二次側開關NSRP開啟、二次側開關NSRN以及輸出開關NOUT關閉。在除磁時間DE61內，二次側開關NSRP開啟也可以關閉，但是其中的體二極體很可能會導通。如同圖11B 所示，電流迴路LOOP-CP為交流轉直流電源供應器600中的一內部循環，使變壓器TFAC釋放部分的磁能，轉換成備用電源VBFN的電能。因此，繞組電流IPRM隨著時間而減少，如同圖10所示。在除磁時間DE61內，箝制開關NAN負責同步整流。在一實施例中，除磁時間DE61內，箝制開關NAN關閉，而箝制開關NAN的體二級體還是可以架構出電流迴路LOOP-CP。
圖11C顯是在圖10之除磁時間DE62時，使變壓器TFAC的磁能減少的電流迴路LOOP-DOP。如同圖10所示，在除磁時間DE62(從時間點t63到t64)時，在一次側PRM的功率開關MAIN、箝制開關NAN、與箝制開關NAP都關閉、二次側開關NSRP開啟、二次側開關NSRN關閉、以及輸出開關NOUT開啟。流過電流迴路LOOP-DOP的電流，會對輸出電容COUT充電，拉高或是建立輸出電源VOUT。在除磁時間DE62內，變壓器TFAC釋放磁能，來建立輸出電源VOUT，而繞組電流ISECP則隨著時間而減少。舉例來說，二次側開關NSRP維持開啟，而大約在繞組電流ISECP從正值降到大約等於0A時就關閉，如此決定時間點t64，結束除磁時間DE62。
儘管圖10顯示除磁時間DE62之後的休息時間TIDL6，輸出開關NOUT為關閉。但是在另一實施例中，輸出開關NOUT在休息時間TIDL6為開啟，因為關閉的二次側開關NSRP與NSRN就可以阻擋從輸出電源VOUT的逆電流損失。
從時間點t62到t64，可以視為在能源轉換週期TCYC6內，變壓器TFAC的除磁時間TDEG6，在其內，變壓器TFAC釋放磁能，供電給輸出電源VOUT或是備用電源VBFN。因為繞組電流ISECP在時間點t64大約等於0A，所以變壓器TFAC在時間點t64完全釋放完變壓器TFAC可以供應給輸 出電源VOUT或是備用電源VBFN的磁能。所以，圖10表示當下交流轉直流電源供應器100操作於DCM。
致磁時間E61的時間長度可以依據想要達到的功因(power factor，PF)與備用電源VBFN來控制。舉例來說，致磁時間E11的時間長度依照正端電壓VAC+與負端電壓VAC-的電壓差、圖10中的繞組電流IPRM波形的陰影部分、以及備用電源VBFN來決定，使得陰影部分在整個能源轉換週期的平均值，大約跟電壓差成正比，並大約調控備用電源VBFN的電壓。圖10中的繞組電流IPRM波形的陰影部分面積大約反映在功率開關MAIN開啟時的從交流市電VAC來的總電量，反映了從交流市電VAC進入交流轉直流電源供應器600的輸入電流。大致上來說，正端電壓VAC+與負端電壓VAC-的電壓差越大，每個能量轉換週期內繞組電流IPRM波形的陰影部分就需要越大。簡單的說，控制致磁時間E61的時間長度就可以控制PF，達到PFC。
除磁時間DE61的長度可以依據在能量轉換週期TCYC6之前的輸出電源VOUT來決定。舉例來說，在能量轉換週期TCYC6之前，如果輸出電源VOUT比較高，大於一參考電壓時，那表示能量轉換週期TCYC6應該減少供應給輸出電源VOUT能量，因此，除磁時間DE61加長，讓更多變壓器TFAC的磁能釋放儲存在備用電源VBFN中，而非用來釋放給輸出電源VOUT。相反的，在能量轉換週期TCYC6之前，如果輸出電源VOUT比較低，小於一參考電壓時，那表示當下是可以釋放更多的磁能給輸出電源VOUT，來使得輸出電源VOUT接近目標值，因此，除磁時間DE61縮短。如此的控制下，輸出電源VOUT可以被調控穩定在該參考電壓。
在一實施例中，時間點t62到時間點t65的遮蔽時間TBLK， 可以由一次側控制或是二次側控制依據輸出電源VOUT所決定。舉例來說，一二次側控制器依據當下的輸出電源VOUT來決定遮蔽時間TBLK，而後決定除磁時間DE61，調控穩定輸出電源VOUT在一參考電壓，並讓遮蔽時間TBLK大致不超過一預設長度。在另一個實施例中，遮蔽時間TBLK可以依據當下輸出電源VOUT對一負載(未顯時)的輸出電流而決定。當輸出電流越大，遮蔽時間TBLK越短。
圖12顯示圖9之交流轉直流電源供應器600，操作於非連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)，交流市電VAC處於正半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏低時的一些開關狀態以及訊號波形。舉例來說，圖12的波形，產生於正端電壓VAC+大於負端電壓VAC-大約為5V時。部分圖12與圖10相同之處，可以透過先前圖10之說明而得知，不再累述。圖4中顯示了能量轉換週期TCYC7，從左到右，依序有致磁時間E71與E72、除磁時間DE72、以及休息時間TIDL7。在時間點t75，能量轉換週期TCYC7結束，下一個能量轉換週期開始。致磁時間E71為一內部致磁時間，致磁時間E72為一輸入致磁時間，除磁時間DE72為一輸出除磁時間。
圖13顯示在圖12之致磁時間E71時，使變壓器TFAC的磁能增加的電流迴路LOOP-DP。如同圖12所示，在從時間點t71到t72的致磁時間E71時，功率開關MAIN與箝制開關NAN關閉，箝制開關NAP開啟，二次側開關NSRP與NSRN以及輸出開關NOUT關閉。因此，備用電源VBFP透過電流迴路LOOP-DP，增加變壓器TFAC所存的磁能。在致磁時間E71內，儘管繞組電流IPRM不為0A，但是因為功率開關MAIN阻擋了逆電流，所以 此時的繞組電流IPRM不列入PF的計算。也因此致磁時間E71中，繞組電流IPRM下的面積並沒有畫上陰影，表示其與PF計算無關。因應PFC的要求，所以在交流市電VAC的正端電壓VAC+大於負端電壓VAC-之間的電壓差偏小時，交流市電VAC輸入交流轉直流電源供應器600的功率將會被限制的很小，極可能不足以穩定輸出電源VOUT。備用電源VBFP在致磁時間E71內轉移能量到變壓器TFAC，可以用來彌補交流市電VAC不足的部分，穩定輸出電源VOUT。
圖12中的致磁時間E72、除磁時間DE72、以及休息時間TIDL7，其操作與原理，大約可以參照圖10的致磁時間E61、除磁時間DE62、與休息時間TIDL6，以及先前的相關說明而得知。簡單的說，在致磁時間E72內，功率開關MAIN控制來讓交流市電VAC增加變壓器TFAC的磁能，並藉由控制致磁時間E72的長度來調控PF。在除磁時間DE72，二次側開關NSRP扮演一同步整流開關，變壓器TFAC釋放磁能，建立輸出電源VOUT。在休息時間TIDL7內，變壓器TFAC所剩餘的能量造成LC震盪電路震盪。
致磁時間E71的長度可以依據在能量轉換週期TCYC7之前的能量轉換週期之長度或是遮蔽時間TBLK的長度來決定。舉例來說，如果前一能量轉換週期內的遮蔽時間TBLK小於一預設關閉時間，那表示當下需要釋放更多的磁能給輸出電源VOUT，來增大之後的遮蔽時間TBLK，所以致磁時間E71增長。如果遮蔽時間TBLK超過預設關閉時間，那表示當下從一次側PRM提供給輸出電源VOUT應該足夠多了，所以致磁時間E71縮短，減少備用電源VBFP釋放能量，直到致磁時間E71已經消失或是不能再 短了。如此的控制下，遮蔽時間TBLK可以被控制在不短於預設關閉時間，也可以穩定輸出電源VOUT。
致磁時間E72可以讓一一次側控制器(未顯示)用來判別當下的交流市電VAC處於正半週期還是負半週期，並據以在下一能量轉換週期，切換相對應操作。如果在致磁時間E72中，流經主繞組LP的繞組電流IPRM為持續增加，那交流市電VAC處於正半週期；反之交流市電VAC處於負半週期。
圖14顯示圖9之交流轉直流電源供應器600，操作於DCM，交流市電VAC處於負半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高時的一些開關狀態以及訊號波形。
圖14中顯示了能量轉換週期TCYC8，從左到右，依序有致磁時間E81、除磁時間DE81與DE82、以及休息時間TIDL8。在圖14中的時間點t85，能量轉換週期TCYC8結束，下一個能量轉換週期開始。能量轉換週期TCYC8是操作於DCM，交流市電VAC處於負半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏高時。圖14與圖10相類似，相似或是相同之處可以依據先前教導而得知，不再累述。相較於圖10，在圖14中，功率開關MAIN的狀態一樣、箝制開關NAN與NAP的狀態對調、流經主繞組LP的繞組電流IPRM由正變成負、流經二次側繞組LSP的繞組電流ISECP跟流經二次側繞組LSN的繞組電流ISECN對調、二次側開關NSRP與NSRN的狀態對調、以及輸出開關NOUT的狀態維持一樣。
圖15中顯示了能量轉換週期TCYC9，從左到右，依序有致磁時間E91與E92、除磁時間DE92、以及休息時間TIDL9。在圖15中的時間 點t95，能量轉換週期TCYC9結束，下一個能量轉換週期開始。能量轉換週期TCYC9是操作於DCM，交流市電VAC處於負半週期，且交流市電VAC的當下電壓絕對值偏低時。圖15與圖12相類似，相似或是相同之處可以依據先前教導而得知，不再累述。相較於圖12，在圖15中，功率開關MAIN的狀態一樣、箝制開關NAN與NAP的狀態對調、流經主繞組LP的繞組電流IPRM由正變成負、流經二次側繞組LSP的繞組電流ISECP跟流經二次側繞組LSN的繞組電流ISECN對調、二次側開關NSRP與NSRN的狀態對調、以及輸出開關NOUT的狀態維持一樣。
圖16A-16D分別顯示電流迴路LOOP-MN、LOOP-CN、LOOP-DON與LOOP-DN，使用於能量轉換週期TCYC8與TCYC9中。舉例來說，電流迴路LOOP-MN使用於致磁時間E81與E92，都是輸入致磁時間。電流迴路LOOP-CN使用於除磁時間DE81，一內部除磁時間。電流迴路LOOP-DON使用於除磁時間DE82與DE92，都是輸出除磁時間。電流迴路LOOP-DN使用於致磁時間E91，一內部致磁時間。
簡單的說，電流迴路LOOP-MN、LOOP-CN、LOOP-DON與LOOP-DN都是使用於交流市電VAC處於負半週期時，功能上，分別類比使用於交流市電VAC處於正半週期時的電流迴路LOOP-MP、LOOP-CP、LOOP-DOP與LOOP-DP。因此，電流迴路LOOP-MN、LOOP-CN、LOOP-DON與LOOP-DN的功能與操作方式，可以參照先前針對電流迴路LOOP-MP、LOOP-CP、LOOP-DOP與LOOP-DP的教導而得知，不再累述。
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。
100:交流轉直流電源供應器
102:一次側控制器
104:二次側控制器
106:備用電源電路
108:橋式整流器
CBF:電容
COUT:輸出電容
CS:電流偵測端
DB:二極體
DET:偵測端
DRV、HIS:驅動端
DRVS:驅動端
FB:回饋端
GND:接地端
GNDI:輸入接地線
GNDO:輸出接地線
GNDSR:參考電源線
IN:輸入電源線
ISEC:繞組電流
LA:輔助繞組
LP:主繞組
LS:二次側繞組
NAC:放電開關
NPRM:功率開關
NSO:二次側開關
PRM:一次側
R1、R2:分壓電阻
RCS:電流偵測電阻
RD:偵測電阻
SEC:二次側
TF:變壓器
VAC+:正端電壓
VAC-:負端電壓
VAUX:繞組電壓
VAC:交流市電
VBF:備用電源
VCS:電流偵測訊號
VIN:輸入電源
VOUT:輸出電源

Claims (20)

  1. 一種隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源，該一次側與該二次側互相絕緣，該電源供應器包含有：
    一變壓器，具有一主繞組與一二次側繞組，該變壓器可儲存一磁能；
    一備用電源電路(backup power circuit)，具有一備用電源；
    一一次側控制器，可控制一功率開關與該備用電源電路，該功率開關連接至該主繞組；以及
    一二次側控制器，可控制一二次側開關，連接至該二次側繞組；
    其中，該變壓器被控制來產生數個能量轉換週期，每一能量轉換週期包含有至少有一致磁時間以及一除磁時間；
    於一第一能量轉換週期之一第一致磁時間，該備用電源釋能來增加該磁能；
    於該第一能量轉換週期之一第二致磁時間，該一次側控制器開啟該功率開關，以該輸入電源來增加該磁能；以及
    於該第一能量轉換週期之一第一除磁時間，該二次側控制器控制該二次側開關，釋放該磁能，來調控該輸出電源。
  2. 如申請專利範圍第1項之該隔離式電源供應器，其中，該一次側控制器依據該隔離式電源供應器之功因(power factor)，來控制該功率開關。
  3. 如申請專利範圍第1項之該隔離式電源供應器，其中，該第二致磁時間大約緊接於該第一致磁時間之後。
  4. 如申請專利範圍第1項之該隔離式電源供應器，其中，於一第二能量轉 換週期之一第二致磁時間，該一次側控制器開啟該功率開關，以該輸入電源增加該磁能；於該第二能量轉換週期之一第一除磁時間，該二次側控制器開啟該二次側開關，釋放該磁能，來建立該輸出電源；以及，於該第二能量轉換週期之一第二除磁時間，該二次側控制器關閉該二次側開關，以使該變壓器釋放該磁能來建立該備用電源。
  5. 如申請專利範圍第4項之該隔離式電源供應器，其中，該第二除磁時間係依據該輸出電源而決定。
  6. 如申請專利範圍第4項之該隔離式電源供應器，其中，該第二能量轉換週期中，該備用電源並沒有用來增加該磁能。
  7. 如申請專利範圍第1項之該隔離式電源供應器，其中，
    該輸入電源為一交流輸入電源；
    該備用電源電路為一第一備用電源電路；
    該備用電源為一第一備用電源；
    該隔離式電源供應器另包含有一第二備用電源電路具有一第二備用電源；
    於該第一能量轉換週期內，該交流輸入電源位於一正半周期；
    於一第二能量轉換週期內，該交流輸入電源位於一負半周期；以及
    於該第二能量轉換週期之一第一致磁時間，該第二備用電源釋能來增加該磁能。
  8. 如申請專利範圍第7項之該隔離式電源供應器，其中，
    於一第三能量轉換週期內，該交流輸入電源位於該正半周期；
    於該第三能量轉換週期之一第二致磁時間，該一次側控制器開啟該功 率開關，以該交流輸入電源增加該磁能；
    於該第三能量轉換週期之一第一除磁時間，該二次側控制器控制該二次側開關，釋放該磁能，來建立該輸出電源；以及
    於該第三能量轉換週期之一第二除磁時間，該變壓器釋放該磁能對該第二備用電源充電。
  9. 如申請專利範圍第1項之該隔離式電源供應器，其中，該第一致磁時間係用來調控該備用電源。
  10. 一種適用於一隔離式電源供應器的控制方法，可用以轉換位於一一次側之一輸入電源，為位於一二次側之一輸出電源，其中，該隔離式電源供應器包含有一變壓器，其具有相電感耦合的一主繞組以及一二次側繞組，可儲存一磁能，該變壓器被控制來產生數個能量轉換週期，每一能量轉換週期包含有至少有一致磁時間以及一除磁時間，該控制方法包含有：
    於一第一能量轉換週期之一第一致磁時間內，以一備用電源來增加該磁能；以及
    於一第一能量轉換週期之一第二致磁時間內，以該輸入電源來增加該磁能。
  11. 如申請專利範圍第10項之該控制方法，其中，該第二致磁時間緊接於該第一致磁時間之後。
  12. 如申請專利範圍第10項之該控制方法，另包含有：
    於一第二能量轉換週期之一第一除磁時間，釋放該電磁能，來建立該輸出電源；以及
    於該第二能量轉換週期之一第二除磁時間，釋放該電磁能，來建立該備用電源。
  13. 如申請專利範圍第12項之該控制方法，其中，於該第一與第二能量轉換週期內，該輸入電源分別具有第一以及第二輸入電壓，且該第二輸入電壓高於該第一輸入電壓。
  14. 如申請專利範圍第10項之該控制方法，其中，該輸入電源為一交流輸入電源，該備用電源為一第一備用電源，該控制方法另包含有：
    於一第二能量轉換週期之一第一除磁時間，釋放該電磁能，來建立該輸出電源；以及
    於該第二能量轉換週期之一第二除磁時間，釋放該電磁能，來建立一第二備用電源；
    其中，於該第一與第二能量轉換週期時，該交流輸入電源均位於一正半週期或均位於一負半周期。
  15. 如申請專利範圍第10項之該控制方法，包含有：
    控制該第二致磁時間，以控制該隔離式電源供應器的功因，並調控該備用電源。
  16. 一種無橋式整流器之隔離式電源供應器，用以將於一一次側的一交流輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源，包含有：
    一變壓器，具有相電感耦合的一主繞組以及一二次側繞組，該變壓器可儲存一磁能；
    一第一備用電源電路以及一第二備用電源電路，分別具有一第一備用電源以及一第二備用電源；
    一功率開關，與該主繞組串接，用以使該交流輸入電源增加該磁能；以及
    一一次側控制器，可控制該功率開關、該第一備用電源電路以及該第二備用電源電路；
    其中，當該交流輸入電源位於一正半週期時，該一次側控制器可使該第一備用電源增加該磁能；以及
    當該交流輸入電源位於一負半週期時，該一次側控制器可使該第二備用電源增加該磁能。
  17. 如申請專利範圍第16項之該隔離式電源供應器，其中，當該交流輸入電源位於該正半週期時，該變壓器釋放該磁能以建立該第二備用電源；以及，當該交流輸入電源位於該負半週期時，該變壓器釋放該磁能以建立該第一備用電源。
  18. 一種一次側控制器，用以控制一隔離式電源供應器中的一功率開關，該隔離式電源供應器用以將於一一次側的一輸入電源，轉換為於一二次側的一輸出電源，該隔離式電源供應器包含有一變壓器、該功率開關、一放電開關、以及一備用電源，該變壓器具有一主繞組以及一二次側繞組，該一次側控制器包含有：
    一功因控制器，依據流經該主繞組之一繞組電流以及該輸入電源，來控制該功率開關，以控制該隔離式電源供應器之功因，並調控該備用電源；以及
    一放電控制器，控制該放電開關，使該備用電源放電增加該變壓器之磁能，來調控該輸出電源。
  19. 如申請專利範圍第18項之該一次側控制器，其中，該隔離式電源供應器包含有一二次側控制器以及一二次側開關，該放電控制器依據該二次側控制器透過該變壓器的通知，來控制該放電開關。
  20. 一種適用於一隔離式電源供應器的控制方法，可用以轉換位於一一次側之一輸入電源，為位於一二次側之一輸出電源，其中，該隔離式電源供應器包含有一變壓器以及一備用電源，該控制方法包含有：
    控制該變壓器，來產生數個能量轉換週期，每個能量轉換週期至少包含有一致磁時間以及一除磁時間；
    於一第一能量轉換週期之一輸入致磁時間，以該輸入電源來增加該變壓器之磁能；
    於該第一能量轉換週期之一內部除磁時間，釋放該變壓器之磁能來增加該備用電源；
    於一第二能量轉換週期之一內部致磁時間，以該備用電源來增加該變壓器之磁能；以及
    於該第二能量轉換週期之一輸出致磁時間，釋放該變壓器之磁能來增加該輸出電源。
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