TWI481167B - 切換式電源供應器 - Google Patents

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Description

切換式電源供應器
本發明是有關於一種電源供應器，特別是指一種可以抑制輸出漣波的切換式電源供應器。
隨著時代的進步，電子產品已經廣泛的應用在人類的生活中，但能源短缺的問題日益嚴重，使得人們越來越重視電子產品的使用效率。而大部分的電子產品均需使用交流/直流轉換器，將電力系統中的交流電源轉換成電子產品需要的直流電源，故需要廣泛探討及研究各種低成本且高效率的交流/直流轉換器。
現今的交流/直流轉換大多使用二極體整流來達成，此種作法雖然便宜以及簡單牢固，但由於輸入電流的嚴重非線性失真，使得低頻諧波大量增加，導致功率因數(Power Factor)過低而增加虛功率，造成能量的耗費，同時也會造成電力系統的不穩定，影響供電的品質。
參閱圖1，為現今電源供應器的電路架構，其中以一適配器(Adapter)900為例說明。現今的適配器900多為兩級式的架構，前級為升壓型(Boost)功率因數修正器910，後級為隔離型直流/直流轉換器920。然而，在市電較不穩的地區(例如：東南亞地區)，升壓型功率因數修正器910中的電容C會需較高的耐壓，以防止輸入電壓的不穩定導致適配器900的電路毀壞，但是高耐壓電容C(通常是電解電容)的體積過大，且由於電解電容較稀少使得成本較高。因此，如 何實現低成本、高功率因數及高轉換效率的電源供應器遂為本發明之重點。
因此，本發明之目的，即在提供一種低成本、高功率因數且高轉換效率的切換式電源供應器。
於是，本發明切換式電源供應器，用以提供一負載穩定的電壓輸出，該切換式電源供應器包含一整流電路、一返馳式(Flyback)電壓轉換電路及一非隔離式電壓調整電路。整流電路接收一交流訊號，並將該交流訊號整流後輸出。返馳式電壓轉換電路電連接整流電路，用於將整流後的交流訊號轉換成一直流訊號。非隔離式電壓調整電路電連接返馳式電壓轉換電路與負載之間，用以消除該直流訊號之電壓漣波後輸出至負載。如此將不需要在返馳式電壓轉換電路20前設置高壓電容器，可大幅減少切換式電源供應器的體積及材料成本。
進一步地，返馳式電壓轉換電路包括一變壓電路、一切換開關、一導通元件及一電容。變壓電路的一次側的一端電連接整流電路，另一端則電連接切換開關；切換開關具有一電連接變壓電路的一次側的第一端、一受控的控制端及一接地的第二端；導通元件可位於高壓側(High Side)且具有一電連接變壓電路的二次側的一端的第一端，及一電連接非隔離式電壓調整電路的第二端，電容的一端電連接該導通元件的第二端，另一端則電連接變壓電路的二次側的另一端。較佳地，電容與變壓電路的二次側之連接處係 為接地。
此外，導通元件也可位於低壓側(Low Side)，而在此情況下，電容的一端電連接變壓電路的二次側的一端，導通元件的第一端電連接電容的另一端，導通元件的第二端電連接變壓電路的二次側的另一端。
導通元件可以是一二極體或各種半導體開關，例如：金氧半場效電晶體(MOSFET)等。
非隔離式電壓調整電路可為一同步整流降壓型(Buck)轉換器，其中包括一第一開關、一第二開關、一儲能電感及一儲能電容。第一開關具有一電連接返馳式電壓轉換電路的第一端、一受控的控制端及一第二端；第二開關具有一電連接該第一開關的第二端的第一端、一受控的控制端及一接地的第二端；儲能電感的一端電連接第二開關的第一端，另一端電連接負載；儲能電容的一端電連接負載，另一端接地。
非隔離式電壓調整電路也可以是升壓型(Boost)轉換器或是升-降壓型(Buck-Boost)轉換器，其架構的選擇取決於返馳式電壓轉換電路的輸出電壓。
本發明之功效在於，藉由前級返馳式電壓轉換電路修正功率因數，後端的非隔離式電壓調整電路消除電壓漣波，可避免輸入端使用高壓的電解電容，且同時達到高功率因數、高轉換效率且低電壓漣波與低成本和體積小等優點。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖2，為本發明切換式電源供應器100之較佳實施例，該切換式電源供應器100可為適配器(Adapter)、框架開放式(Open Frame)電源供應器等各種電源供應設備。本實施例之切換式電源供應器100包含一整流電路10、一電連接於整流電路10的返馳式(Flyback)電壓轉換電路20，以及一電連接於返馳式電壓轉換電路20的非隔離式電壓調整電路30。本發明切換式電源供應器100先利用單級返馳式電壓轉換電路20修正功率因數，再透過非隔離式電壓調整電路30消除電壓漣波，以提供負載RLoad 穩定的電壓輸出。
配合參閱圖3，整流電路10包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3及一第四二極體D4。
第一二極體D1的陽極電連接一交流(AC)電源的正極，第一二極體D1的陰極電連接第二二極體D2的陰極。第二二極體D2的陽極電連接交流電源的負極。第三二極體D3的陰極電連接第一二極體D1的陽極，第三二極體D3的陽極接地。第四二極體D4的陰極電連接第二二極體D2的陽極，第四二極體D4的陽極接地。
返馳式電壓轉換電路20包括一變壓電路T、一切換開關S、一導通元件及一電容CP 。在實施例中，導通元件係位於高壓側(High Side)且為一二極體D，但也可以為各種半導體開關，例如：金氧半場效電晶體(MOSFET)等，且電容 CP 可為積層陶瓷電容(Multilayer Ceramic Capacitor，MLCC)、固態電容(Polymer Capacitor)，或是液態鋁質電解電容等，但不論是導通元件或電容CP 均不以本實施例或上述種類為限。
變壓電路T的一次側的一端電連接整流電路10，另一端則電連接切換開關S。切換開關S係為N型金氧半場效電晶體，其具有一電連接變壓電路T的一次側的汲極(第一端)、一電連接一脈寬調變模組(PWM，圖未示)的閘極(控制端)，及一接地的源極(第二端)。二極體D的陽極(即導通元件的第一端)電連接變壓電路T的二次側的一端，其陰極(即導通元件的第二端)電連接非隔離式電壓調整電路30。電容CP 的一端電連接二極體D的陰極，另一端則電連接變壓電路T的二次側的另一端。而在本實施例中，電容CP 與變壓電路T的二次側之連接處為接地。
此外，本發明之導通元件也可以位於低壓側(Low Side)，如圖4所示，其係以一電晶體M為例，但也可以為一二極體D。電晶體M具有一與電容CP 的另一端的第一端(即導通元件的第一端)、一電連接一脈寬調變模組(PWM，圖未示)的控制端，及一變壓電路T的二次側的另一端的第二端(即導通元件的第二端)，而在此態樣下，電容CP 與電晶體M之連接處為接地。當然，返馳式電壓轉換電路20的電路設計並不限於此，若導通元件位於高壓側且為N型金氧半場效電晶體時，導通元件的第一端即為N型金氧半場效電晶體的汲極，導通元件的第二端即為N型金氧半場效 電晶體的源極；若導通元件位於低壓側且為二極體時，導通元件的第一端即為該二極體的陽極，導通元件的第二端即為該二極體的陰極，如此同樣可達到本發明之功效。
配合參閱圖5，本實施例之非隔離式電壓調整電路30為一同步整流降壓型(Buck)轉換器，其中包括一第一開關Q1、一第二開關Q2、一儲能電感LS 及一儲能電容CS 。
第一開關Q1係為N型金氧半場效電晶體，其具有一電連接返馳式電壓轉換電路20的電容CP 的汲極(第一端)、一電連接脈寬調變模組(PWM)的閘極(控制端)及一源極(第二端)。第二開關Q2係為N型金氧半場效電晶體，其具有一電連接第一開關Q1的源極的汲極(第一端)、一電連接脈寬調變模組(PWM)的閘極(控制端)，及一接地的源極(第二端)。儲能電感LS 的一端電連接第二開關Q2的汲極，另一端則電連接負載RLoad 。儲能電容CS 可為液態鋁質電解電容、固態電容、積層陶瓷電容(MLCC)等，但不以上述種類為限，其一端電連接負載RLoad ，另一端則接地。特別說明的是，非隔離式電壓調整電路30也可以是升壓型(Boost)轉換器、升-降壓型(Buck-Boost)轉換器等各種電壓轉換器(Converter)，亦或是電壓調節器(Regulator)等，其架構的選擇取決於返馳式電壓轉換電路20的輸出電壓，且第一開關Q1及第二開關Q2也可為P型金氧半場效電晶體，皆不以本實施例為限。
藉由脈寬調變模組(PWM)適當地控制第一開關Q1及第二開關Q2切換，非隔離式電壓調整電路30在額定輸出功 率之25%、50%、75%及100%之轉換效率可如下表一所示：
特別說明的是，表一是以切換式電源供應器100為一行動電源適配器之應用所得的實驗數據，且Vin及Iin分別為輸入交流訊號的電壓及電流，Vout及Iout分別為非隔離式電壓調整電路30的輸出電壓及輸出電流，η為非隔離式電壓調整電路30的轉換效率。因此，透過本發明之設計，本切換式電源供應器100相較於現今同瓦數級的行動電源適配器，輸出漣波電壓將可降低為原本的10%。
整流電路10接收交流(AC)電源提供之交流訊號，並將該交流訊號整流後輸出至返馳式電壓轉換電路20，返馳式電壓轉換電路20用以修正切換式電源供應器100的功率因數，以將交流電流修正為與電源電壓同相位的正弦波形，並將整流後的交流訊號轉換成一直流訊號，非隔離式電壓調整電路30再消除該直流訊號之電壓漣波後輸出至負載RLoad 。換言之，本切換式電源供應器100藉由單級返馳式電壓轉換電路20來修正功率因數，以避免輸入端使用高壓的電解電容，再利用一簡單的非隔離式電壓調整電路30即 可消除輸出電壓的漣波，以解決因無一次側高壓電解電容器所造成的120Hz連波過大問題，同時達到高功率因數、高轉換效率且低電壓漣波之功效，且還可以藉由控制電容CP 以依客戶需求的規格來調整維持時間(Hold-up Time)，避免成本的浪費。
特別說明的是，返馳式電壓轉換電路20的變壓電路T的一次側並不需要設置體積較大的高耐壓電容，而在返馳式電壓轉換電路20二次側所使用的電容因不需要高耐壓，故切換式電源供應器100的體積及材料成本可大幅降低，也由於減少了電容性負載，故不需要額外的功因修正電路來提升功率因數，也能符合相關能源法規。由於切換式電源供應器100在體積上可減少20%，故特別適用在空間有限的產品，例如行動電源適配器。
參閱圖6及圖7，為本實施例之切換式電源供應器100在交流訊號電壓為90、115、230與264(V)，且在額定輸出功率之25%、50%、75%及100%之下的轉換效率(Efficiency)與功率因數(Power Factor)。特別說明的是，圖5及圖6同樣是以切換式電源供應器100為行動電源適配器之應用所得的實驗數據，其中，本切換式電源供應器100最低平均轉換效率為87.91%，且亦可符合功率因數超過0.9之能源法規的要求，確實可達到高功率因數及高轉換效率之目的。
綜上所述，本發明切換式電源供應器100藉由前級使用單級返馳式電壓轉換電路20來修正功率因數，如此將不 需要在返馳式電壓轉換電路20前設置高壓電容器，同時也降低因輸入交流電源的不穩定所造成切換式電源供應器100的電路損害，故可應用在市電輸入不穩或是市電偏高之地區。之後再藉由後端透過非隔離式電壓調整電路30消除二次側的高電壓連波，使得在輸出功率限制的規範內，達到提高輸出功率且抑制輸出漣波之功效，且本案切換式電源供應器100的整體成本相較於現今具有高壓電解電容器之電源供應器的成本節省15-20%，再者本發明如此的設計亦同現今兩級式設計的電源供應器一樣地可符合功率因數超過0.9之能源法規的要求，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧切換式電源供應器
10‧‧‧整流電路
20‧‧‧返馳式電壓轉換電路
30‧‧‧非隔離式電壓調整電路
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
D4‧‧‧第四二極體
T‧‧‧變壓電路
S‧‧‧切換開關
D‧‧‧二極體
CP ‧‧‧電容
Q1‧‧‧第一開關
Q2‧‧‧第二開關
LS ‧‧‧儲能電感
CS ‧‧‧儲能電容
RLoad ‧‧‧負載
M‧‧‧電晶體
圖1是說明現有兩級式適配器的電路圖；圖2是說明本發明切換式電源供應器之較佳實施例；圖3是說明本實施例之返馳式電壓轉換電路的電路圖，其中導通元件係位於高壓側(High Side)且以一二極體D為例作說明；圖4是說明本實施例之返馳式電壓轉換電路的電路圖，其中導通元件係位於低壓側(Low Side)且以一電晶體M為例作說明；圖5是說明本實施例之非隔離式電壓調整電路的電路 圖；圖6是說明本實施例之切換式電源供應器在交流訊號電壓為90、115、230與264(V)，且在額定輸出功率之25%、50%、75%及100%之下的轉換效率的曲線圖；及圖7是說明本實施例之切換式電源供應器在交流訊號電壓為90、115、230與264(V)，且在額定輸出功率之25%、50%、75%及100%之下的功率因數的曲線圖。
100‧‧‧切換式電源供應器
10‧‧‧整流電路
20‧‧‧返馳式電壓轉換電路
30‧‧‧非隔離式電壓調整電路
RLoad ‧‧‧負載

Claims (9)

  1. 一種切換式電源供應器，用以提供一負載穩定的電壓輸出，該切換式電源供應器包含：一整流電路，接收一交流訊號，並將該交流訊號整流後輸出；一返馳式電壓轉換電路，電連接該整流電路，用於將該整流後的交流訊號轉換成一直流訊號；及一非隔離式電壓調整電路，電連接該返馳式電壓轉換電路與該負載之間，用以消除該直流訊號之電壓漣波後輸出至該負載，其中，該非隔離式電壓調整電路包括一第一開關、一第二開關、一儲能電感及一儲能電容，該第一開關具有一電連接該返馳式電壓轉換電路的第一端、一受控的控制端及一第二端；該第二開關具有一電連接該第一開關的第二端的第一端、一受控的控制端及一接地的第二端；該儲能電感的一端電連接該第二開關的第一端，另一端電連接該負載；該儲能電容的一端電連接該負載，另一端接地。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器，其中，該返馳式電壓轉換電路包括一變壓電路、一切換開關、一導通元件及一電容，該變壓電路的一次側的一端電連接該整流電路，另一端則電連接該切換開關；該切換開關具有一電連接該變壓電路的一次側的第一端、一受控的控制端及一接地的第二端；該導通元件具有一電 連接該變壓電路的二次側的一端的第一端，及一電連接該非隔離式電壓調整電路的第二端，該電容的一端電連接該導通元件的第二端，另一端則電連接該變壓電路的二次側的另一端。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之切換式電源供應器，其中，該導通元件為一二極體，該導通元件的第一端為該二極體的陽極，該導通元件的第二端為該二極體的陰極。
  4. 依據申請專利範圍第2項所述之切換式電源供應器，其中，該導通元件為一半導體開關。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器，其中，該返馳式電壓轉換電路包括一變壓電路、一切換開關、一導通元件及一電容，該變壓電路的一次側的一端電連接該整流電路，另一端則電連接該切換開關；該切換開關具有一電連接該變壓電路的一次側的第一端、一受控的控制端及一接地的第二端；該電容的一端電連接該變壓電路的二次側的一端，該導通元件具有一電連接該電容的另一端的第一端，及一電連接該變壓電路的二次側的另一端的第二端。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器，其中，該導通元件為一二極體，該導通元件的第一端為該二極體的陽極，該導通元件的第二端為該二極體的陰極。
  7. 依據申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器，其 中，該導通元件為一半導體開關。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器，其中，該非隔離式電壓調整電路可為一降壓型轉換器、一升壓型轉換器、一升-降壓型轉換器及一電壓調節器(Regulator)其中之一。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器，其中，該切換式電源供應器係為一適配器(Adapter)或一框架開放式(Open Frame)電源供應器。
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