TWI416127B - 輸入功率之效率量測方法 - Google Patents

Description

輸入功率之效率量測方法

本發明係關於一種輸入功率之效率量測方法；特別是關於一種輸入功率之效率量測方法適用於量測電源供應器之系統效率。

一般而言，返馳式轉換器[flyback converter]為具隔離特性的降昇型轉換器[buck-boost converter]電路架構，其具有成本低、電路成熟及架構簡單的優點，且可達成數組輸出之目的，因此其常用於輔助電源的設計，以供應整個系統的電源需求。另外，返馳式轉換器之本身電路並不需要做電器隔離設計。

雖然返馳式轉換器並不需要電器隔離設計，但為了提升其使用安全性，其通常在輸入端與輸出端之間進行適當隔離，且其通常採用變壓器設計形成隔離式轉換器。在實際電路設計上，利用該隔離式轉換器之隔離設計將返馳式轉換器分為高壓側及低壓側。

第1圖揭示習用電源供應輸入功率之效率量測方法之模擬電路示意圖。請參照第1圖所示，在傳統上量測系統效率η時，必須分別在一次側量測輸入功率pin(t)及在二次側量測輸出功率po(t)，因而存在一定程度的量測操作限制。簡言之，傳統量測系統效率η必須分別在一次側及二次側量測輸入功率pin(t)及輸出功率po(t)，方能獲得輸入功率及輸出功率之系統效率η。

雖然在返馳式轉換器之一次側及二次側量測輸入功率pin(t)及輸出功率po(t)方式可獲得量測其系統效率η，但仍然存在需要進一步提供其它方式達成量測其系統效率η之潛在需求，以期改善習用輸入功率之效率量測方法存在量測操作限制的問題。

關於習用調整系統效率技術，如中華民國專利公告第I316659號之「調整系統效率之裝置與方法[APPARATUS AND METHOD FOR ADJUSTING SYSTEM PERFORMANCE]」發明專利，其揭示一種調整系統效率之裝置，其適用於具有電流消耗之系統中，包括系統電流偵測器以及系統效率調整模組。系統電流偵測器用以接收來自系統之系統電流值，並根據系統電流值計算系統電流變化率。系統效率調整模組用以接收系統電流變化率，並根據系統電流變化率輸出頻率控制信號以及電壓控制信號。

另外，習用電源供應系統效率之相關應用技術已揭示於部分美國專利，例如：美國專利第6,614,133號之〝Power system with plural parallel power supplies with at least one power supply in standby mode for energy efficiency〞、美國專利公開案第20090296432號之〝APPARATUS AND METHOD OF OPTIMIZING POWER SYSTEM EFFICIENCY USING A POWER LOSS MODEL〞、美國專利公開案第20080122543號之〝Switching power supply〞及美國專利公開案第20030080624號之〝Power supply system with control of number of fully operational supplies for energy efficiency〞等。前述中華民國專利及美國專利僅為本發明技術背景之參考及說明目前技術發展狀態而已，其並非用以限制本發明之範圍。

有鑑於此，本發明為了滿足上述需求，其提供一種輸入功率之效率量測方法，其適用於量測電源供應之系統效率，以達成簡化量測系統效率之目的。

本發明之主要目的係提供一種輸入功率之效率量測方法，其利用一比流器在一轉換器之一次側量測一電流i(t)[即一次側電流]，另利用一負壓轉換電路亦在該轉換器之一次側量測一電壓v(t)[即一次側電壓]，其用以計算一輸出功率[即二次側輸出功率]，以達成簡化量測系統效率之目的。

為了達成上述目的，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法包含：將電源供應於一輸入功率系統，該輸入功率系統具有一轉換器；量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流；量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電壓；及利用該輸入功率系統之轉換器之一次側電流及一次側電壓進行計算，以獲得該輸入功率系統之系統效率。

本發明較佳實施例在量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流時，利用一比流器進行量測。

本發明較佳實施例在量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電壓時，利用一負壓轉換電路進行量測。

本發明較佳實施例之該轉換器為一返馳式轉換器。

本發明較佳實施例之該轉換器具有一隔離變壓器。

本發明較佳實施例另包含：利用一電力電子模擬軟體進行模擬。

本發明較佳實施例之該電力電子模擬軟體為PSIM模擬軟體。

為了充分瞭解本發明，於下文將例舉較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。

本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法適用於量測電源供應器[power supply]之系統效率η，但其並非用以限定本發明之適用範圍。

第2圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法之模擬電路示意圖。請參照第2圖所示，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法首先係將電源供應於一輸入功率系統，且該輸入功率系統具有一轉換器或其它各種電力電子轉換器[例如：返馳式轉換器]。舉例而言，即將適當電源[例如：市電]供應於該輸入功率系統。本發明較佳實施例利用一電力電子模擬軟體進行模擬，例如：PSIM模擬軟體，但其並非用以限定本發明之範圍。

第3圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用比流器偵測轉換器之一次側電流之模擬電路示意圖。請參照第2及3圖所示，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法接著進行量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流，如第2圖所示之第一偵測位置1。請再參照第3圖所示，在量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流時，利用一比流器T2進行量測。

請再參照第3圖所示，平均功率p(t)定義為輸入平均電壓v(t)和輸入平均電流i(t)相乘。由於i(t)為切換開關電流，因此必須利用LP1/LP2[LP為低通濾波器(Low Pass Filter)]，以獲得平均電流iav1/iav2(iav為平均電流]。在該比流器T2中，先在一次側CC1偵測一輸入電流i(t)，利用變壓器感應CC2成1/100倍i(t)，流經負載電阻100歐姆轉換成電壓i2(t)，使得一次側電流i(t)相等於二次側電壓i2(t)。

第4圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用比流器偵測轉換器之一次側電流之模擬結果示意圖。請參照第4圖所示，一次側平均電流iav1[如箭頭所示]及二次側平均電流iav2[如箭頭所示]幾乎完全一致。

第5圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法採用在轉換器之功率開關導通狀態下一次側及二次側電壓之波形示意圖。請參照第5圖所示，在轉換器之功率開關形成導通狀態[第5圖之上方波形]下，其一次側電壓v(t)[第5圖之中間波形]等於二次側負壓V2[第5圖之下方波形]乘上匝數比N。因此，祇需要將V2利用電路轉換成正壓再放大N倍，即可獲得一次側電壓v(t)。

第6圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用負壓轉換電路偵測轉換器之一次側電壓之模擬電路示意圖。請參照第2及6圖所示，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法接著進行量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電壓，如第2圖所示之第二偵測位置2。請再參照第6圖所示，在量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電壓時，利用一負壓轉換電路20進行量測。

請再參照第6圖所示，在該負壓轉正壓電路20中，利用一OP放大器OP_AMP3在一次側電壓V2<0時，二極體D4導通，電阻R23及R24形成的增益為-1，因而獲得電壓放大器，最後經過P3放大N倍，使得Vdc2等於一次側電壓v(t)。此外，二極體D5及電容C11組成一峰值檢測電路，而V22主要功能為週期性使得電容C11進行充放電，其目的為該峰值檢測電路具有RESET功能。

接著，本發明較佳實施例在完成量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流及一次側電壓後，利用該輸入功率系統之轉換器之一次側電流及一次側電壓進行計算，以獲得該輸入功率系統之系統效率。

第7圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用輸入功率系統之轉換器之一次側電流及一次側電壓之模擬結果示意圖。請參照第6及7圖所示，依第6圖所示之模擬電路進行模擬獲得一次側電壓v(t)等於Vdc2。

第8圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用比流器偵測轉換器之一次側市電輸入電流之模擬電路示意圖。請參照第2及8圖所示，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用一比流器T3於第2圖所示之第三偵測位置3進行量測。

請再參照第8圖所示，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用一比流器T3，使得IS1=IS2。為了量測輸入市電功率，平均功率p(t)定義如下：

其中is1(t)為輸入市電(110V/220V)交流電流，其數值及形狀對功率量測非常重要，利用該比流器T3之輸出電壓IS2可相等於輸入市電電流IS1的數值與形狀。

請再參照第8圖所示，在該比流器T3中，首先在一次側CC1偵測輸入市電電流is1(t)，利用變壓器感應二次側電流為0.01倍is1(t)，其流經負載電阻10歐姆之輸出電壓VCC2=0.01*is1(t)*10在放大10倍轉換成電壓is2(t)，使得一次側市電電流is1(t)相等於二次側電壓is2(t)。

第9圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用輸入功率系統之轉換器之一次側市電電流及二次側電壓之模擬結果示意圖。請參照第8及9圖所示，依第8圖所示之模擬電路進行模擬獲得一次側市電電流is1(t)[第9圖之上方波形]相等於二次側電壓is2(t)[第9圖之下方波形]。

第10圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用推挽電路偵測轉換器之一次側市電電壓之模擬電路示意圖。請參照第2及10圖所示，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用一推挽電路[push-pull circuit]於第2圖所示之第四偵測位置4進行量測。

請再參照第10圖所示，本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用該推挽電路來偵測市電電壓。為了在一次側及二次側之間需要隔離，採用一隔離變壓器T1。在該隔離變壓器T1中，電阻R31及R32用以降低市電電壓VS；Q1及Q2為產生Push-Pull固定Duty PWM控制信號，如此可減少該隔離變壓器T1之體積。市電電壓Vo1接近Vs1，並使得電壓Vo1等於Vs1，其中Vo1之電壓方程式為：

電容C1及C3之功能主要為濾波功能；市電電壓Vo1由於受RC充放電影響，因而產生有相位延遲，所以要利用由電阻R2及電容C2組成之高通濾波器進行相位領先，將市電電壓Vo2的相位調整至與VS相同；市電電壓Vo2經過絕對值電路乘上P2，因而獲得市電電壓Vo與VS經過絕對值電路乘上VSEN3而得到輸入市電電壓VIN相同，即Vo等於輸入市電電壓VIN。

第11圖揭示本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用推挽電路偵測轉換器之一次側市電電壓之模擬結果示意圖。請參照第10及11圖所示，依第10圖所示之模擬電路進行模擬獲得一次側市電電壓VIN及Vo，其中一次側市電電壓VIN=91.14V及Vo=91.76V，VIN=151.82V及Vo=152.51V，VIN=212.67V及Vo=213.89V，VIN=273.44V及Vo=274.97V；其中VIN與Vo之間沒有相位差。

前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。

T1．．．隔離變壓器

T2．．．比流器

T3．．．比流器

Iav1．．．平均電流

Iav2．．．平均電流

1．．．第一偵測位置

2．．．第二偵測位置

3．．．第三偵測位置

4．．．第四偵測位置

第1圖：習用電源供應輸入功率之效率量測方法之模擬電路示意圖。

第2圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法之模擬電路示意圖。

第3圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用比流器偵測轉換器之一次側電流之模擬電路示意圖。

第4圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用比流器偵測轉換器之一次側電流之模擬結果示意圖。

第5圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法採用在轉換器之功率開關導通狀態下一次側及二次側電壓之波形示意圖。

第6圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用負壓轉換電路偵測轉換器之一次側電壓之模擬電路示意圖。

第7圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用輸入功率系統之轉換器之一次側電流及一次側電壓之模擬結果示意圖。

第8圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用比流器偵測轉換器之一次側市電輸入電流之模擬電路示意圖。

第9圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用輸入功率系統之轉換器之一次側市電電流及二次側電壓之模擬結果示意圖。

第10圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用推挽電路偵測轉換器之一次側市電電壓之模擬電路示意圖。

第11圖：本發明較佳實施例之輸入功率之效率量測方法利用推挽電路偵測轉換器之一次側市電電壓之模擬結果示意圖。

1．．．第一偵測位置

2．．．第二偵測位置

3．．．第三偵測位置

4．．．第四偵測位置

Claims (10)

1. 一種輸入功率之效率量測方法，其包含：將電源供應於一輸入功率系統，該輸入功率系統具有一轉換器；於該輸入功率系統設置一第一偵測位置及一第二偵測位置；於該輸入功率系統之第一偵測位置量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流；於該輸入功率系統之第二偵測位置量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電壓；及利用該輸入功率系統之轉換器之一次側電流及一次側電壓進行計算，以獲得該輸入功率系統之系統效率。
2. 依申請專利範圍第1項所述之輸入功率之效率量測方法，其中在量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流時，利用一比流器進行量測。
3. 依申請專利範圍第1項所述之輸入功率之效率量測方法，其中在量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電壓時，利用一負壓轉換電路進行量測。
4. 依申請專利範圍第1項所述之輸入功率之效率量測方法，其中該轉換器為一返馳式轉換器。
5. 依申請專利範圍第1項所述之輸入功率之效率量測方法，其中該轉換器具有一隔離變壓器。
6. 依申請專利範圍第1項所述之輸入功率之效率量測方法，另包含：利用一電力電子模擬軟體進行模擬。
7. 依申請專利範圍第6項所述之輸入功率之效率量測方法，其中該電力電子模擬軟體為PSIM模擬軟體。
8. 依申請專利範圍第1項所述之輸入功率之效率量測方法，另包含：於該輸入功率系統設置一第三偵測位置及一第四偵測位置，利用一比流器於該第三偵測位置進行量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電流，利用一推挽電路於該第四偵測位置進行量測該輸入功率系統之轉換器之一次側電壓。
9. 依申請專利範圍第5項所述之輸入功率之效率量測方法，其中在該隔離變壓器中具有二電阻，該二電阻用以降低市電電壓。
10. 依申請專利範圍第5項所述之輸入功率之效率量測方法，其中在該隔離變壓器中具有二開關，該二開關為產生推挽式固定責任週期PWM控制信號，如此減少該隔離變壓器之體積。