TWI474593B - 具功率因數校正與脈寬調變機制的電源供應裝置及其方法 - Google Patents

具功率因數校正與脈寬調變機制的電源供應裝置及其方法 Download PDF

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Description

具功率因數校正與脈寬調變機制的電源供應裝置及 其方法
本發明是有關於一種電源供應技術，且特別是有關於一種具有功率因數校正與脈寬調變機制的電源供應裝置及其方法。
電源供應裝置(power supply apparatus)主要的用途乃是將電力公司所提供之高壓且低穩定性的交流輸入電源(AC input power)轉換成適合各種電子裝置(electronic devices)所使用之低壓且穩定性較佳的直流輸出電源(DC output power)。因此，電源供應器廣泛地應用在電腦、辦公室自動化設備、工業控制設備，以及通訊設備等電子裝置中。
現今的電源供應裝置大多都會在前級(front-end stage)設置功率因數校正(power factor correction,PFC)轉換單元，藉以提供例如高達380V的固定直流輸入電壓給後級(back-end stage)的電源轉換單元(power conversion unit)。而且，無論電源供應裝置處於輕載(light load)還是重載(heavy load)，功率因數校正轉換單元都會提供固定的高壓(380V)給後級的電源轉換單元。如此一來，在功率恆定的守則下，將會增加電源供應裝置在輕載時的功率損耗(power loss)(相較於重載)，從而降低了電源供應裝置整體的效率。
有鑒於此，本發明提供一種具有功率因數校正與脈寬調變機制的電源供應裝置及其方法，其可以有效地解決先前技術所述及的問題。
基於上述，本發明之一示範性實施例提供一種電源供應裝置，其包括：以脈寬調變為基礎的電源轉換單元與功率因數校正轉換單元。以脈寬調變為基礎的電源轉換單元用以接收一直流輸入電壓，並且反應於負載的供電需求而對所述直流輸入電壓進行脈寬調變，藉以產生一直流輸出電壓給負載。功率因數校正轉換單元耦接以脈寬調變為基礎的電源轉換單元，用以對關聯於一交流輸入電壓的一整流電壓進行功率因數校正，藉以產生所述直流輸入電壓。而且，功率因數校正轉換單元更用以反應於負載的變化而調整所述直流輸入電壓。
於本發明的一示範性實施例中，以脈寬調變為基礎的電源轉換單元可以包括：變壓器、功率開關、電阻、電源轉換器，以及脈寬調變控制器。變壓器具有一次側與二次側，且變壓器之一次側的第一端用以接收所述直流輸入電壓，而變壓器的二次側則用以提供一交流感應電壓。功率開關的第一端耦接變壓器之一次側的第二端，功率開關的第二端耦接至一節點，而功率開關的控制端則用以接收一脈寬調變訊號。電阻的第一端耦接所述節點，而電阻的第二端則耦接至一接地電位。電源轉換器耦接變壓器的二次 側，用以對所述交流感應電壓進行轉換，藉以獲得所述直流輸出電壓給負載。脈寬調變控制器耦接功率開關的控制端，用以反應於負載的供電需求而產生所述脈寬調變訊號，並且反應於負載的變化而調整所述脈寬調變訊號。
於本發明的一示範性實施例中，以脈寬調變為基礎的電源轉換單元可以更包括：回授單元，其耦接轉換單元與脈寬調變控制器，用以提供關聯於所述直流輸出電壓的一回授訊號給脈寬調變控制器，藉以讓脈寬調變控制器得知負載的變化。
於本發明的一示範性實施例中，所述節點的電壓會隨著所述脈寬調變訊號的調整而改變，藉以反應出負載的變化。在此條件下，功率因數校正轉換單元會根據所述節點的電壓而調整所述直流輸入電壓。甚至，脈寬調變控制器還可以根據所述節點的電壓與一內建的過電流保護參考電壓而決定是否啟動一過電流保護機制，藉以保護電源供應裝置。
於本發明的一示範性實施例中，當脈寬調變控制器判斷出所述節點的電壓大於所內建的過電流保護參考電壓時，則脈寬調變控制器就會啟動所述過電流保護機制，藉以停止產生所述脈寬調變訊號。
於本發明的一示範性實施例中，當脈寬調變控制器反應於負載之變化而增加所述脈寬調變訊號之責任週期時，則所述節點的電壓會隨之增加，且功率因數校正轉換單元會據以增加所述直流輸入電壓。另外，當脈寬調變控制器 反應於負載之變化而降低所述脈寬調變訊號之責任週期時，則所述節點的電壓會隨之降低，且功率因數校正轉換單元會據以降低所述直流輸入電壓。
本發明之另一示範性實施例提供一種電源供應方法，其包括：對關聯於一交流輸入電壓的一整流電壓進行功率因數校正，藉以產生一直流輸入電壓；採用一以脈寬調變為基礎的電源轉換手段而對所述直流輸入電壓進行脈寬調變，藉以產生一直流輸出電壓給負載；以及根據負載的變化而調整所述直流輸入電壓與所述直流輸出電壓。
於本發明的一示範性實施例中，經功率因數校正後所產生的直流輸入電壓會隨著負載的增加而增加，並隨著負載的降低而降低。
基於上述，本發明所提的電源供應裝置及其方法都會根據負載的變化(例如輕載、中載、重載)而對應地調整前級之功率因數校正轉換單元的輸出與後級之以脈寬調變為基礎的電源轉換單元的輸出。換言之，前級之功率因數校正轉換單元的輸出不再是一個固定的高壓，且其會隨著負載的變化而改變(亦即：隨著負載的增加而增加，或者隨著負載的降低而降低)。如此一來，在功率恆定的守則下，即可預期地/大幅地降低電源供應裝置在輕載時的功率損耗，從而提高了電源供應裝置整體的效率。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之電源供應裝置(power supply apparatus)10的示意圖。請參照圖1，電源供應裝置10包括：電磁干擾濾波器(electromagnetic interference filter,EMI filter)101、整流線路(rectification circuit)103、功率因數校正轉換單元(power factor correction(PFC)conversion unit)105，以及以脈寬調變為基礎的電源轉換單元(PWM-based(pulse-width-modulation-based)power conversion unit)107。
於本示範性實施例中，電磁干擾濾波器101耦接於交流輸入電壓(AC input voltage)AC_IN(例如為市電，但並不限制於此)與整流線路103之間，用以抑制交流輸入電壓AC_IN的電磁雜訊(electromagnetic noise)；而整流線路103則用以接收來自電磁干擾濾波器101的交流輸入電壓AC_IN，並對交流輸入電壓AC_IN進行整流，藉以產生整流電壓(rectification voltage)VR。
功率因數校正轉換單元105耦接整流線路103，用以對關聯於交流輸入電壓AC_IN的整流電壓VR進行功率因數校正，藉以產生直流輸入電壓(DC input voltage) DC_IN。以脈寬調變為基礎的電源轉換單元107耦接功率因數校正轉換單元105，用以接收來自功率因數校正轉換單元105的直流輸入電壓DC_IN，並且反應於負載20(load，例如為電子裝置，但並不限制於此)的供電需求(power supply request)而對直流輸入電壓DC_IN進行脈寬調變，藉以產生直流輸出電壓(DC output voltage)VOUT給負載20。
在本示範性實施例中，功率因數校正轉換單元105還會反應於負載20的變化(例如輕載、中載、重載)而調整其所產生的直流輸入電壓DC_IN。換言之，功率因數校正轉換單元105所產生的直流輸入電壓DC_IN會隨著負載20的變化(例如輕載、中載、重載)而改變，其已不再是一個固定不變的高壓。
更清楚來說，圖2繪示為圖1之以脈寬調變為基礎的電源轉換單元107的示意圖。請合併參照圖1與圖2，以脈寬調變為基礎的電源轉換單元107包括：變壓器(transformer)T、功率開關(power switch)Q、電阻(resistor)RS、電源轉換器(power converter)201、脈寬調變控制器(PWM controller)203，以及回授單元(feedback unit)205。
變壓器T具有一次側(primary side)NP與二次側(secondary side)NS。其中，變壓器T之一次側NP的第一端用以接收來自功率因數校正轉換單元105的直流輸入電壓DC_IN，而變壓器T的二次側NS則用以提供交流感 應電壓(AC induction voltage)VNS。其中，交流感應電壓VNS可由一次側NP的交流電壓VNP，以及一次側NP與二次側NS之間的圈數比(turn ratio，NP/NS)而決定。
功率開關Q的第一端耦接變壓器T之一次側NP的第二端，功率開關Q的第二端耦接至節點(node)N，而功率開關Q的控制端則用以接收來自脈寬調變控制器203的脈寬調變訊號(PWM signal)PW。於本示範性實施例中，功率開關Q可以利用N型功率電晶體(N type power transistor)來實施，但並不限制於此。
電阻RS的第一端耦接節點N，而電阻RS的第二端則耦接至接地電位(ground potential)。電源轉換器201耦接變壓器T的二次側NS，用以對變壓器T之二次側NS的交流感應電壓VNS進行轉換(即，交直流轉換)，藉以獲得直流輸出電壓VOUT給負載20。於本示範性實施例中，電源轉換器201可以利用順向式電源轉換器(forward power converter)或返馳式電源轉換器(flyback power converter)來實施，但並不限制於此，其它架構的電源轉換器都可拿來實施。
脈寬調變控制器203耦接功率開關Q的控制端，用以反應於負載20的供電需求而產生脈寬調變訊號PW，藉以切換(亦即，開啟(turned-on)與關閉(turned-off))功率開關Q。而且，脈寬調變控制器203亦可以反應於負載20的變化(輕載、中載、重載)而調整脈寬調變訊號PW(亦即，改變脈寬調變訊號PW的責任週期(duty cycle， 亦或稱為工作週期))。
回授單元205耦接電源轉換器201與脈寬調變控制器203，用以提供關聯於直流輸出電壓VOUT的回授訊號VFB給脈寬調變控制器203，藉以讓脈寬調變控制器203得知負載20的變化。於本示範性實施例中，回授單元205可由簡單的分壓電路(voltage divider circuit)所組成，或者利用光耦合器(photocoupler)來輸出關聯於直流輸出電壓VOUT之回授(feedback)的方式亦可，但並不限制於此。
基於上述，由於脈寬調變控制器203會反應於負載20的變化而調整脈寬調變訊號PW，故而功率開關Q與電阻RS之間的節點N的電壓VN就會隨著脈寬調變訊號PW的調整而改變(其係因流經電壓器T之一次側NP的電流會改變的緣故)，藉以反應出負載20的變化。如此一來，功率因數校正轉換單元105即可根據節點N的電壓VN而調整其所產生的直流輸入電壓DC_IN。換言之，功率因數校正轉換單元105所產生的直流輸入電壓DC_IN會因應負載20的變化而改變。
甚至，脈寬調變控制器203亦可根據節點N的電壓VN而決定是否啟動過電流保護機制(OCP mechanism)，藉以保護電源供應裝置10。於本示範性實施例中，脈寬調變控制器203會內建一個過電流保護參考電壓(OCP reference voltage)VOCP。一旦脈寬調變控制器203判斷出節點N的電壓VN大於其內建的過電流保護參考電壓 VOCP的話，脈寬調變控制器203就會啟動過電流保護機制，藉以停止產生脈寬調變訊號PW，從而保護電源供應裝置10免於受到過電流的現象而損毀。
另一方面，由於脈寬調變控制器203可以透過回授單元205而得知負載20的變化，故而當脈寬調變控制器203反應於負載20之變化(例如重載)而增加脈寬調變訊號PW之責任週期時，則節點N的電壓VN亦會隨之增加。在此條件下，功率因數校正轉換單元105就會據以增加其所產生的直流輸入電壓DC_IN。反之，當脈寬調變控制器203反應於負載20之變化(例如輕載)而降低脈寬調變訊號PW之責任週期時，則節點N的電壓VN會隨之降低。在此條件下，功率因數校正轉換單元105會據以降低其所產生的直流輸入電壓DC_IN。
由此可知，前級之功率因數校正轉換單元105的輸出(DC_IN)與後級之以脈寬調變為基礎的電源轉換單元107的輸出(VOUT)都會反應於負載20的變化(例如輕載、中載、重載)而改變。顯然地，前級之功率因數校正轉換單元105的輸出(DC_IN)不再是一個固定的高壓，且其會隨著負載20的變化而改變(亦即：隨著負載20的增加而增加，或者隨著負載20的降低而降低)。如此一來，在功率恆定的守則下，即可預期地/大幅地降低電源供應裝置10在輕載時的功率損耗(power loss)，從而提高了電源供應裝置10整體的效率。
於此值得一提的是，雖然上述示範性實施例係透過位 於功率開關Q與電阻RS間之節點N的電壓VN來反應出負載20的變化以調整功率因數校正轉換單元105的輸出(DC_IN)，但是本發明並不限制於此。換言之，只要在以脈寬調變為基礎的電源轉換單元107中，任一可反應出負載20之變化的節點，就可拿來取代位於功率開關Q與電阻RS間的節點N，一切端視實際設計需求而論。
基於上述示範性實施例所揭示/教示的內容，圖3繪示為本發明一示範性實施例之電源供應方法的流程圖。請參照圖，本示範性實施例的電源供應方法可以包括： 對關聯於交流輸入電壓(例如市電，但並不限制於此)的整流電壓進行功率因數校正，藉以產生直流輸入電壓(步驟S301)； 採用以脈寬調變為基礎的電源轉換手段而對所產生的直流輸入電壓進行脈寬調變，藉以產生直流輸出電壓給負載(例如電子裝置，但並不限制於此)(步驟S303)；以及 根據負載的變化(輕載、中載、重載)而調整所產生的直流輸入電壓與直流輸出電壓(步驟S305)。
於本示範性實施例中，經由功率因數校正後所產生的直流輸入電壓會隨著負載的增加(例如重載)而增加，並隨著負載的降低(例如輕載)而降低。換言之，經由功率因數校正後所產生的直流輸入電壓會隨著負載的變化而改變。
據此可知，本發明所提的電源供應裝置及其方法都會 根據負載的變化(例如輕載、中載、重載)而對應地調整前級之功率因數校正轉換單元的輸出與後級之以脈寬調變為基礎的電源轉換單元的輸出。換言之，前級之功率因數校正轉換單元的輸出不再是一個固定的高壓，且其會隨著負載的變化而改變(亦即：隨著負載的增加而增加，或者隨著負載的降低而降低)。如此一來，在功率恆定的守則下，即可預期地/大幅地降低電源供應裝置在輕載時的功率損耗，從而提高了電源供應裝置整體的效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10‧‧‧電源供應裝置
20‧‧‧負載
101‧‧‧電磁干擾濾波器
103‧‧‧整流線路
105‧‧‧功率因數校正轉換單元
107‧‧‧以脈寬調變為基礎的電源轉換單元
201‧‧‧電源轉換器
203‧‧‧脈寬調變控制器
205‧‧‧回授單元
T‧‧‧變壓器
NP‧‧‧變壓器的一次側
NS‧‧‧變壓器的二次側
Q‧‧‧功率開關
RS‧‧‧電阻
N‧‧‧節點
AC_IN‧‧‧交流輸入電壓
VR‧‧‧整流電壓
DC_IN‧‧‧直流輸入電壓
VOUT‧‧‧直流輸出電壓
VFB‧‧‧回授訊號
PW‧‧‧脈寬調變訊號
VNP‧‧‧變壓器之一次側的交流電壓
VNS‧‧‧變壓器之二次側的交流感應電壓
VN‧‧‧節點的電壓
VOCP‧‧‧過電流保護參考電壓
S301~S305‧‧‧本發明一示範性實施例之電源供應方法的流程圖各步驟
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之電源供應裝置(power supply apparatus)10的示意圖。
圖2繪示為圖1之以脈寬調變為基礎的電源轉換單元 107的示意圖。
圖3繪示為本發明一示範性實施例之電源供應方法的流程圖。
105‧‧‧功率因數校正轉換單元
107‧‧‧以脈寬調變為基礎的電源轉換單元
201‧‧‧電源轉換器
203‧‧‧脈寬調變控制器
205‧‧‧回授單元
T‧‧‧變壓器
NP‧‧‧變壓器的一次側
NS‧‧‧變壓器的二次側
Q‧‧‧功率開關
RS‧‧‧電阻
N‧‧‧節點
DC_IN‧‧‧直流輸入電壓
VOUT‧‧‧直流輸出電壓
VFB‧‧‧回授訊號
PW‧‧‧脈寬調變訊號
VNP‧‧‧變壓器之一次側的交流電壓
VNS‧‧‧變壓器之二次側的交流感應電壓
VN‧‧‧節點的電壓
VOCP‧‧‧過電流保護參考電壓

Claims (15)

  1. 一種電源供應裝置，包括：一以脈寬調變為基礎的電源轉換單元，用以接收一直流輸入電壓，並且反應於一負載的一供電需求而對該直流輸入電壓進行脈寬調變，藉以產生一直流輸出電壓給該負載；以及一功率因數校正轉換單元，耦接該以脈寬調變為基礎的電源轉換單元，用以對關聯於一交流輸入電壓的一整流電壓進行功率因數校正，藉以產生該直流輸入電壓，其中，該功率因數校正轉換單元更用以反應於該負載的變化而對應地調整該直流輸入電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該以脈寬調變為基礎的電源轉換單元包括：一變壓器，具有一一次側與一二次側，其中該一次側的第一端用以接收該直流輸入電壓，而其二次側則用以提供一交流感應電壓；一功率開關，其第一端耦接該一次側的第二端，其第二端耦接至一節點，而其控制端則用以接收一脈寬調變訊號；一電阻，其第一端耦接該節點，而其第二端則耦接至一接地電位；一電源轉換器，耦接該二次側，用以對該交流感應電壓進行轉換，藉以獲得該直流輸出電壓給該負載；以及一脈寬調變控制器，耦接該功率開關的控制端，用以 反應於該供電需求而產生該脈寬調變訊號，並且反應於該負載的變化而調整該脈寬調變訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中該以脈寬調變為基礎的電源轉換單元更包括：一回授單元，耦接該電源轉換器與該脈寬調變控制器，用以提供關聯於該直流輸出電壓的一回授訊號給該脈寬調變控制器，藉以讓該脈寬調變控制器得知該負載的變化。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中該節點的電壓會隨著該脈寬調變訊號的調整而改變，藉以反應出該負載的變化。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源供應裝置，其中該功率因數校正轉換單元根據該節點的電壓而調整該直流輸入電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應裝置，其中當該脈寬調變控制器反應於該負載之變化而增加該脈寬調變訊號之一責任週期時，則該節點的電壓會隨之增加，且該功率因數校正轉換單元會據以增加該直流輸入電壓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應裝置，其中當該脈寬調變控制器反應於該負載之變化而降低該脈寬調變訊號之一責任週期時，則該節點的電壓會隨之降低，且該功率因數校正轉換單元會據以降低該直流輸入電壓。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之電源供應裝置，其中該脈寬調變控制器更用以根據該節點的電壓與一內建的過 電流保護參考電壓而決定是否啟動一過電流保護機制，藉以保護該電源供應裝置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源供應裝置，其中當該脈寬調變控制器判斷出該節點的電壓大於該內建的過電流保護參考電壓時，則該脈寬調變控制器就會啟動該過電流保護機制，藉以停止產生該脈寬調變訊號。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中該電源轉換器包括一順向式電源轉換器或一返馳式電源轉換器。
  11. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中該功率開關利用一N型功率電晶體來實施。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，更包括：一整流線路，用以接收該交流輸入電壓，並對該交流輸入電壓進行整流，藉以產生該整流電壓。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電源供應裝置，更包括：一電磁干擾濾波器，耦接於該交流輸入電壓與該整流線路之間，用以抑制該交流輸入電壓的電磁雜訊。
  14. 一種電源供應方法，包括：對關聯於一交流輸入電壓的一整流電壓進行功率因數校正，藉以產生一直流輸入電壓；採用一以脈寬調變為基礎的電源轉換手段而對該直流輸入電壓進行脈寬調變，藉以產生一直流輸出電壓給一 負載；以及根據該負載的變化而對應地調整該直流輸入電壓與該直流輸出電壓。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應方法，其中經功率因數校正後所產生的該直流輸入電壓會隨著該負載的增加而增加，並隨著該負載的降低而降低。
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