TWI416854B - 開關式電源供應裝置及其暫態峰值電流補償方法 - Google Patents

Description

開關式電源供應裝置及其暫態峰值電流補償方法

本揭示內容是有關於一種電源供應裝置，且特別是有關於一種開關式電源供應裝置及其控制方法。

在現今的日常生活中，電源供應器一般而言係用來將商業上可利用的交流電源(如來自市電插座的交流電)轉換成直流電源，以提供予一電器裝置來使用。舉例來說，使用於個人電腦中的電源供應器之轉換技術，係基於利用開關裝置的開關操作以提供多種預定準位的直流輸出電壓。這一類的電源供應器一般稱為開關式(或稱交換式)電源供應器(Switch Power Supply,SPS)。

然而，開關式電源供應器之電源品質的含意經常是視其排除突然的干擾或是維持電源轉換效率的能力而定。可能引起電源供應器的電源品質之不穩定性的常見問題，主要包含電壓驟降、突波訊號(surge)等。其中，突波訊號的電壓其可為一交換式電源供應器所預期能夠接受的電壓之數倍。若是突波訊號過大，輸出電壓將會脫離控制且開始劇烈地跳動。由電源供應器所產生之不穩定的輸出電壓，將可能損害到由電源供應器來供電之其他電子電路。

因此，習知的開關式電源供應器通常會在連接負載的輸出端處設置限流元件/限壓元件，限流元件/限壓元件可透過回授單元以回授控制開關式電源供應器的一次側，當開關式電源供應器處於穩定運作狀態下，其中開關式電源供應裝置依照額定電流/額定電壓的數值以驅動負載，藉此，使提供給負載的輸出電流/輸出電壓即被保持住不再上升。

一般來說，當開關式電源供應器初始啟動以驅動負載時，因負載的特性，輸出至負載的工作電流可能會以突波方式快速爬升，使工作電流瞬間到達額定電流的數值。然而，在初始啟動的瞬間，輸出至負載的工作電壓很可能還未提升到適當的電壓準位，便因為工作電流已達到額定電流而使工作電壓被鉗止不再上升。如此一來，因初始啟動時的限流機制，習知的開關式電源供應器便無法提供給負載穩定且足夠的工作電壓。

因此，為了解決上述問題，本發明提出一種開關式電源供應裝置及其暫態峰值電流補償方法，其中開關式電源供應裝置在初始啟動以額定電流驅動負載過程中，初期可利用大於額定電流之初始峰值電流驅動負載，隨後則以額定定電流模式提供至負載。其透過增加簡單的電阻電容串聯元件補償於定電流電路元件上，使定電流電路具有可提供暫態峰值電流的機制，有效解決初始啟動驅動負載時所需暫態峰值電流現象。

因此，本發明內容之一態樣是在提供一種開關式電源供應裝置，其耦接於一交流電源與一負載之間，開關式電源供應裝置包含整流單元、脈寬調變控制單元、變壓器、定電流電路單元、參考電壓電路、回授單元以及電流補償單元。其中，整流單元與該交流電源電性連接。脈寬調變控制單元與該整流單元電性連接。變壓器具有一次側以及二次側，該脈寬調變控制單元電性連接至該一次側。定電流電路單元與變壓器之二次側電性連接。

其中，定電流電路單元包含電壓放大器元件、第一電阻以及第二電阻。電壓放大器元件包含第一輸入端、第二輸入端以及輸出端。第一電阻耦接於第一輸入端與第二輸入端之間。參考電壓電路串接第二電阻並電性連接至該第二輸入端。回授單元耦接於電壓放大器元件之該輸出端與該脈寬調變控制單元之間。電流補償單元包含串聯的第三電阻與電容，電流補償單元與第二電阻並聯。

根據本發明之一實施例，於一穩定運作狀態下，其中該開關式電源供應裝置用以根據該定電流電路單元依一額定電流驅動該負載，而當該開關式電源供應裝置初始啟動之一預定期間內，該電流補償單元作動，使該開關式電源供應裝置以大於該額定電流之一初始峰值電流驅動該負載，其中該預定期間與該第三電阻與該電容有關。

根據本發明之另一實施例，其中該參考電壓電路係由一精密參考電壓晶片以及一第四電阻串聯而成。

根據本發明之另一實施例，其中該精密參考電壓晶片之一商用型號為TL431。

根據本發明之另一實施例，其中該回授單元係為一光耦合元件。

本發明內容之另一態樣是在提供一種暫態峰值電流補償方法，適用於一開關式電源供應裝置上，該暫態峰值電流補償方法包含：於一穩定運作狀態下，該開關式電源供應裝置用以依一額定電流驅動一負載；當該開關式電源供應裝置初始啟動之一預定期間內，該開關式電源供應裝置以大於該額定電流之一初始峰值電流驅動該負載。

根據本發明之一實施例，其中該開關式電源供應裝置包含整流單元、脈寬調變控制單元、變壓器、定電流電路單元、參考電壓電路、回授單元以及電流補償單元。整流單元與該交流電源電性連接。脈寬調變控制單元與該整流單元電性連接。變壓器具有一次側以及二次側，該整流單元以及該脈寬調變控制單元電性連接至該一次側。定電流電路單元與該變壓器之該二次側電性連接，該定電流電路單元包含電壓放大器元件、第一電阻以及一第二電阻。回授單元耦接於該電壓放大器元件之一輸出端與該脈寬調變控制單元之間，該定電流電路單元與該回授單元係用以控制該開關式電源供應裝置形成該額定電流。電流補償單元包含串聯的一第三電阻與一電容，電流補償單元係用以形成該初始峰值電流，該預定期間與該第三電阻與該電容有關。

根據本發明之一實施例，其中該參考電壓電路係由一精密參考電壓晶片以及一第四電阻串聯而成。

根據本發明之一實施例，其中該精密參考電壓晶片之一商用型號為TL431。

根據本發明之一實施例，其中該回授單元係為一光耦合元件。

請參閱第1圖，其繪示根據本發明之一實施例中一種開關式電源供應裝置100的功能方塊圖。如第1圖所示，開關式電源供應裝置100耦接於交流電源200與負載202之間，開關式電源供應裝置100包含整流單元110、脈寬調變(pulse width modulation,PWM)控制單元120、變壓器130、定電流電路單元140、回授單元150、電流補償單元160以及參考電壓電路170。

於此實施例中，整流單元110用以對交流電源200進行整流，並供電給脈寬調變控制單元120。脈寬調變控制單元120據此產生脈寬調變(PWM)訊號至變壓器130的一次側。接著，變壓器130的二次側便可據以產生電力輸出至輸出介面(於此實施例中，輸出介面包含介面輸出端V+以及接地端GND)，進而驅動耦接於輸出介面的負載202。

此外，於此實施例中，定電流電路單元140係分別與輸出介面的介面輸出端V+以及接地端GND耦接，定電流電路單元140可透過參考電壓電路170偵測輸出介面上的電力輸出，並由定電流電路單元140中的電壓放大器元件進行比較，當電力輸出的工作電流達到定電流電路單元140預定的一額定電流時，電壓放大器元件的輸出端便可產生控制訊號至回授單元150，並經過回授單元150回授控制脈寬調變控制單元120。

然而，在實際應用中，當開關式電源供應器100欲初始啟動以驅動負載202時，因負載202的特性，輸出至負載202的工作電流可能會以突波方式快速爬升，使工作電流瞬間到達額定電流的數值。然而，在初始啟動的瞬間，輸出至負載202的工作電壓很可能還未提升到適當的電壓準位，便因為工作電流已達到額定電流而使工作電壓被鉗止不再上升。因此，本發明的電流補償單元160可在開關式電源供應裝置100初始啟動之預定期間內作動，使開關式電源供應裝置100以大於額定電流之初始峰值電流驅動負載202，關於開關式電源供應裝置100與電流補償單元160的詳細架構，說明於下列段落中。

首先，請一併參閱第2圖，其繪示根據本發明之一實施例中一種開關式電源供應裝置100的電路結構示意圖。

如第2圖所示，整流單元110與交流電源200電性連接。脈寬調變控制單元120與整流單元電性110連接。變壓器130具有一次側以及二次側，脈寬調變控制單元120電性連接至變壓器130的一次側。變壓器130的二次側分別耦接至輸出介面的介面輸出端V+以及接地端GND。

定電流電路單元140與變壓器130之二次側電性連接。其中，定電流電路單元140至少包含電壓放大器元件OP、第一電阻R104以及第二電阻Ra。電壓放大器元件OP包含第一輸入端(負端)、第二輸入端(正端)以及輸出端。

第一電阻R104之一側電性連接至電壓放大器元件OP的第一輸入端(負端)，第一電阻R104之另一側電性連接至輸出介面的接地端GND並經過電阻R101與電阻R107耦 接至電壓放大器元件OP的第二輸入端(正端)。

參考電壓電路170與第二電阻Ra串接，且第二電阻Ra電性連接至電壓放大器元件OP的第二輸入端(正端)。

回授單元150耦接於電壓放大器元件OP之輸出端與脈寬調變控制單元120之間。

電流補償單元160包含串聯的第三電阻Rb與電容Cb，電流補償單元160與第二電阻Ra並聯。

須特別說明的是，在一般情況下，也就是開關式電源供應裝置100處於穩定運作狀態時，電流補償單元160中的電容Cb視同斷路，電流補償單元160不作動。此時，定電流電路單元140中的電壓放大器元件OP根據兩輸入端的電壓準位比對，產生控制訊號至回授單元150，並經過回授單元150回授控制脈寬調變控制單元120。也就是說，透過適當調整定電流電路單元140中的第一電阻R104與第二電阻Ra之阻值並配合參考電壓電路170的阻值設定，定電流電路單元140可用以使開關式電源供應裝置100的電力輸出具有一個最大的額定電流。

另一方面，當開關式電源供應裝置100初始啟動之預定期間內，電流補償單元160作動，在電流補償單元160中電容Cb充電的時間內，電流補償單元160中第三電阻Rb與電容Cb與第二電阻Ra並聯，電壓放大器元件OP的第二輸入端(正端)的等效電阻阻值下降。如此一來，等效於將開關式電源供應裝置100的輸出電流最大值暫時性地提高，在這一段時間內，使該開關式電源供應裝置100以 大於原先額定電流之初始峰值電流驅動負載202。其中，預定期間的長短可與第三電阻Rb與電容Cb有關，例如預定期間正比於第三電阻Rb與電容Cb所形成之時間常數(Rb阻值與Cb電容值之乘積)。

如第2圖所示，其中參考電壓電路170係由一精密參考電壓晶片172以及第四電阻R102串聯而成。於一實際應用中，其中精密參考電壓晶片172之商用型號可為德州儀器TL431。此外，回授單元150可為光耦合元件。

接著，請參閱第3圖，其繪示根據本發明之一實施例中一種暫態峰值電流補償方法的方法流程圖。於此實施例中，本發明的暫態峰值電流補償方法在實際應用中可適用於一開關式電源供應裝置上。

其中，開關式電源供應裝置可包含整流單元、脈寬調變控制單元、變壓器、定電流電路單元、參考電壓電路、回授單元以及電流補償單元。

整流單元與該交流電源電性連接。脈寬調變控制單元與該整流單元電性連接。變壓器具有一次側以及二次側，該整流單元以及該脈寬調變控制單元電性連接至該一次側。

定電流電路單元與該變壓器之該二次側電性連接，該定電流電路單元包含電壓放大器元件、第一電阻以及一第二電阻。回授單元耦接於該電壓放大器元件之一輸出端與該脈寬調變控制單元之間，該定電流電路單元與該回授單元係用以控制該開關式電源供應裝置形成該額定電流。

電流補償單元包含串聯的一第三電阻與一電容，電流補償單元係用以形成該初始峰值電流，該預定期間與該第三電阻與該電容有關。關於開關式電源供應裝置的詳細結構與內部連接關係可參考第1圖、第2圖以及先前實施例中的詳細說明，在此不另贅述。

如第3圖所示，本實施例的暫態峰值電流補償方法，當開關式電源供應裝置初始啟動時，可先執行步驟S100，初始啟動之預定期間內，由開關式電源供應裝置以大於該額定電流之初始峰值電流驅動該負載。於實際應用中，上述預定期間與電流補償單元中的第三電阻與電容有關，例如預定期間正比於第三電阻與電容所形成之時間常數。

接著，距離初始啟動的時間點經過上述預定期間之後，執行步驟S102，電流補償單元關閉(disable)且開關式電源供應裝置進入穩定運作狀態。接著，執行步驟S104，於穩定運作狀態下，開關式電源供應裝置用以依額定電流驅動負載。

綜上所述，本發明提出的開關式電源供應裝置及其暫態峰值電流補償方法，其中開關式電源供應裝置在初始啟動以額定電流驅動負載過程中，初期可利用大於額定電流之初始峰值電流驅動負載，隨後則以額定定電流模式提供至負載。其透過增加簡單的電阻電容串聯元件補償於定電流電路元件上，使定電流電路具有可提供暫態峰值電流的機制，有效解決初始啟動驅動負載時所需暫態峰值電流現象。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．開關式電源供應裝置

110．．．整流單元

120．．．脈寬調變控制單元

130．．．變壓器

140．．．定電流電路單元

150．．．回授單元

160．．．電流補償單元

170．．．參考電壓電路

200．．．交流電源

202．．．負載

V+．．．介面輸出端

GND．．．接地端

OP．．．電壓放大器元件

R104．．．第一電阻

Ra．．．第二電阻

Rb．．．第三電阻

Cb．．．電容

R102．．．第四電阻

R101．．．電阻

R107．．．電阻

172．．．精密參考電壓晶片

S100．．．步驟

S102．．．步驟

S104．．．步驟

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖繪示根據本發明之一實施例中一種開關式電源供應裝置的功能方塊圖；

第2圖繪示根據本發明之一實施例中一種開關式電源供應裝置的電路結構示意圖；以及

第3圖繪示根據本發明之一實施例中一種暫態峰值電流補償方法的方法流程圖。

S100．．．步驟

S102．．．步驟

S104．．．步驟

Claims (10)

1. 一種開關式電源供應裝置，耦接於一交流電源與一負載之間，其中該開關式電源供應裝置包含：一整流單元，與該交流電源電性連接；一脈寬調變控制單元，與該整流單元電性連接；一變壓器，該變壓器具有一一次側以及一二次側，該脈寬調變控制單元電性連接至該一次側；一定電流電路單元，與該變壓器之該二次側電性連接，該定電流電路單元包含：一電壓放大器元件，其包含一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端；一第一電阻，耦接於該第一輸入端與該第二輸入端之間；以及一第二電阻；一參考電壓電路，該參考電壓電路串接該第二電阻並電性連接至該第二輸入端；一回授單元，耦接於該電壓放大器元件之該輸出端與該脈寬調變控制單元之間；以及一電流補償單元，該電流補償單元包含串聯的一第三電阻與一電容，該電流補償單元與該第二電阻並聯。
2. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應裝置，於一穩定運作狀態下，其中該開關式電源供應裝置用以根據該定電流電路單元依一額定電流驅動該負載，而當該開關式電源供應裝置初始啟動之一預定期間內，該電流補償單元作動，使該開關式電源供應裝置以大於該額定電流之一初始峰值電流驅動該負載，其中該預定期間與該第三電阻與該電容有關。
3. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應裝置，其中該參考電壓電路係由一精密參考電壓晶片以及一第四電阻串聯而成。
4. 如申請專利範圍第3項所述之開關式電源供應裝置，其中該精密參考電壓晶片之一商用型號為德州儀器TL431。
5. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應裝置，其中該回授單元係為一光耦合元件。
6. 一種暫態峰值電流補償方法，適用於一開關式電源供應裝置上，該暫態峰值電流補償方法包含：於一穩定運作狀態下，該開關式電源供應裝置用以 依一額定電流驅動一負載；以及當該開關式電源供應裝置初始啟動之一預定期間內，該開關式電源供應裝置以大於該額定電流之一初始峰值電流驅動該負載。
7. 如申請專利範圍第6項所述之暫態峰值電流補償方法，其中該開關式電源供應裝置包含：一整流單元，與該交流電源電性連接；一脈寬調變控制單元，與該整流單元電性連接；一變壓器，該變壓器具有一一次側以及一二次側，該整流單元以及該脈寬調變控制單元電性連接至該一次側；一定電流電路單元，與該變壓器之該二次側電性連接，該定電流電路單元包含一電壓放大器元件、一第一電阻以及一第二電阻；一參考電壓電路，與該定電流電路單元耦接；一回授單元，耦接於該電壓放大器元件之一輸出端與該脈寬調變控制單元之間，該定電流電路單元與該回授單元係用以控制該開關式電源供應裝置形成該額定電流；以及一電流補償單元，其包含串聯的一第三電阻與一電容，該電流補償單元係用以形成該初始峰值電 流，該預定期間與該第三電阻與該電容有關。
8. 如申請專利範圍第7項所述之暫態峰值電流補償方法，其中該參考電壓電路係由一精密參考電壓晶片以及一第四電阻串聯而成。
9. 如申請專利範圍第8項所述之暫態峰值電流補償方法，其中該精密參考電壓晶片之一商用型號為德州儀器TL431。
10. 如申請專利範圍第7項所述之暫態峰值電流補償方法，其中該回授單元係為一光耦合元件。