TWI547077B - 與電子變壓器相容之切換式電源供應器及其控制方法 - Google Patents

與電子變壓器相容之切換式電源供應器及其控制方法 Download PDF

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Description

與電子變壓器相容之切換式電源供應器及其控制方法
本發明係有關一種與電子變壓器相容之切換式電源供應器及其控制方法，特別是指一種輸入電流相關於輸出電壓與整流輸入電壓的差值之與電子變壓器相容之切換式電源供應器及其控制方法。
第1A圖顯示一種先前技術切換式電源供應器100與電子整流電路的110示意圖。如第1A圖所示，切換式電源供應器100包含功率級電路10、控制電路20、與回授電路30。其中，功率級電路10接收整流輸入電壓Vin，並根據操作訊號GATE，將整流輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。整流輸入電壓Vin由電子整流電路110產生。電子整流電路110包含電子變壓器40與整流電路50。電子變壓器40接收交流電壓AC，轉換為振幅較低之交流電壓AC'。整流電路50接收交流電壓AC’，整流後產生整流輸入電壓Vin。回授電路30根據輸出電壓Vout，產生回授訊號FB。控制電路20與回授電路30連接，以接收回授訊號FB，而產生操作訊號GATE，用以操作功率級電路10中之功率開關(未示出，請參閱第2A-2K圖)，進而將整流輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，並產生輸入電流Iin。功率級電路10可為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、升反壓型、或返馳型功率級電路，如第2A-2K圖所示。
在一般的應用中，電子整流電路110包含電子變壓器40是為了降低整體電路的尺寸，使得切換式電源供應器100可應用於如壁燈(wall lamp)或崁燈(downlight)等的電子產品中。電子變壓器40用 以將振幅較高的交流電壓AC，如110V或220V，轉換為振幅較低的交流電壓AC’，如12V或14V等。其中，電子變壓器40為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
第1B圖顯示先前技術切換式電源供應器100與電子整流電路110中，交流電壓AC、AC'、整流輸入電壓Vin、與輸出電壓Vout的訊號波形示意圖。如第1B圖所示，細實線示意零位準或接地位準，粗實線示意上述訊號的波形。如圖所示，交流電壓AC相對交流電壓AC'具有較高的振幅(但振幅非按比例示出)。電子變壓器40以較高的頻率在一個交流電壓AC週期內震盪，而產生如第1B圖中，交流電壓AC'的波形示意圖。例如，交流電壓AC的頻率例如為60Hz，而電子變壓器40以例如30kHz的頻率在一個交流電壓AC週期內震盪，產生120Hz的輪廓。交流電壓AC'經整流後，例如為具有120Hz的半弦波形之整流輸入電壓Vin，而輸出電壓Vout例如為具有固定位準的直線。
前述先前技術切換式電源供應器100中，功率級電路10中功率開關的切換會決定輸入電流Iin。若考慮功率因子校正(power factor correction,PFC)，為獲得較佳之功率因子，先前技術的方式是設法控制功率開關的切換，以使輸入電流Iin之波峰(Iin_max)具有與整流輸入電壓Vin同相之輪廓，如第1C圖所示意。但為使電子變壓器40順利工作，電子變壓器40的負載電流(輸入電流Iin為電子變壓器40的負載電流)之波峰必須高於最小負載電流(Iload_min)，否則電子變壓器40不會動作。由於使用者會使用何種電子變壓器40來搭配何種切換式電源供應器100，並不能確知，而電子變壓器40的規格各不相同，因此輸入電流Iin的波峰(Iin_max)可能會低於電子變壓器40的最小負載電流Iload_min，甚至在極端的情況下，可能整個週期內電子變壓器40都無法動作，而造成切換式電源供應器100與電子整流電路110兩 者無法互相配合操作，相容性不佳。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種與電子變壓器相容之切換式電源供應器及其控制方法。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種與電子變壓器相容之切換式電源供應器，用以將一整流輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該整流輸入電壓由一電子整流電路產生，該電子整流電路包括相互耦接的一電子變壓器與一整流器，用以將一交流電壓轉換為該整流輸入電壓，所述切換式電源供應器包含：一功率級電路，用以根據一操作訊號，切換其中至少一個功率開關以將該整流輸入電壓轉換為該輸出電壓，並控制自該電子整流電路對該切換式電源供應器之一輸入電流；一控制電路，與該功率級電路耦接，用以根據一回授訊號與一輸入電流峰值/谷值設定訊號，產生該操作訊號；以及一輸入電流峰值/谷值設定電路，與該控制電路耦接，用以產生該輸入電流峰值/谷值設定訊號，使得該輸入電流於一週期內，具有複數波谷與波峰，其中該複數波谷形成一半弦波輪廓，且該複數波峰為高於波谷之預設固定或可變值。
就另一個觀點言，本發明提供了一種與電子變壓器相容之切換式電源供應器控制方法，用以將一整流輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該整流輸入電壓由一電子整流電路產生，該電子整流電路包括相互耦接的一電子變壓器與一整流器，用以將一交流電壓轉換為該整流輸入電壓，所述方法包含：根據一操作訊號，切換該切換式電源供應器中之至少一個功率開關以將一整流輸入電壓轉換為一輸出電壓，並控制自該電子整流電路對該切換式電源供應器之一輸入電流； 根據一回授訊號與一輸入電流峰值/谷值設定訊號，產生該操作訊號；以及根據該輸出電壓與該整流輸入電壓之一差值，產生該輸 入電流峰值/谷值設定訊號，使得該輸入電流於一週期內，具有複數波谷與波峰，其中該複數波谷形成一半弦波輪廓，且該複數波峰為高於波谷之預設固定或可變值。
在其中一種較佳的實施例中，該操作訊號切換該功率開關時，固定不導通一段預設時間。
在其中一種較佳的實施例中，該輸入電流波形之波峰連線，構成一半弦波輪廓。
在其中一種較佳的實施例中，該輸入電流相關於該輸出電壓與該整流輸入電壓之一差值。
在其中一種較佳的實施例中，該輸入電流包含一直流成分與一半弦波成分。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
10‧‧‧功率級電路
20‧‧‧控制電路
30‧‧‧回授電路
40‧‧‧電子變壓器
50‧‧‧整流電路
60‧‧‧輸入電流峰值/谷值設定電路
100,200‧‧‧切換式電源供應器
210‧‧‧電子整流電路
AC,AC’‧‧‧交流電壓
P&Vset‧‧‧輸入電流峰值/谷值設定訊號
FB‧‧‧回授訊號
GATE‧‧‧操作訊號
Iin‧‧‧輸入電流
Iin_ave‧‧‧輸入電流平均值
Iin_max‧‧‧輸入電流波峰
Iload_min‧‧‧最小負載電流
PFC‧‧‧相關訊號 功率因子校正相關訊號
Vin‧‧‧整流輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
第1A圖顯示一種先前技術切換式電源供應器100與電子整流電路110的示意圖。
第1B圖顯示交流電壓AC、AC'、整流輸入電壓Vin、與輸出電壓Vout的訊號波形示意圖。
第1C圖顯示先前技術中輸入電流Iin、輸入電流Iin波峰Iin_max、最小負載電流Iload_min的訊號波形示意圖。
第2A-2K圖顯示同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、升反壓型、或返馳型功率級電路。
第3圖顯示本發明的一個硬體實施例。
第4A圖顯示整流輸入電壓Vin、輸出電壓Vout、電壓差Vout-Vin的訊號波形示意圖。
第4B圖顯示本發明一實施例中輸入電流Iin、輸入電流Iin波峰Iin_max、輸入電流Iin平均值Iin_ave、最小負載電流Iload_min的訊號波形示意圖。
第4C圖顯示本發明一實施例中輸入電流Iin平均值Iin_ave的成分分析。
第4D圖顯示本發明另一實施例中輸入電流Iin、輸入電流Iin波峰Iin_max的訊號波形示意圖。
第3圖顯示本發明的一個實施例。如第3圖所示，切換式電源供應器200包含功率級電路10、控制電路20、回授電路30、與輸入電流峰值/谷值設定電路60。其中，功率級電路10接收整流輸入電壓Vin，並根據操作訊號GATE，將整流輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，且根據其中功率開關(未示出，可參閱第2A-2K圖)的切換來控制輸入電流Iin。輸入電壓Vin由電子整流電路110產生。電子整流電路110包含電子變壓器40與整流電路50。電子變壓器40接收交流電壓AC，轉換為振幅較低之交流電壓AC'。整流電路50接收交流電壓AC’，整流後產生整流輸入電壓Vin。其中，交流電壓AC、AC'、整流輸入電壓Vin、與輸出電壓Vout的訊號波形示意圖如第1B圖所示。回授電路30根據輸出電壓Vout，產生回授訊號FB。控制電路20與回授電路30耦接，以根據回授訊號FB，而產生操作訊號GATE，用以操作功率級電路10中之功率開關(未示出，請參閱第2A-2K圖)，進而將整流輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，並控制輸入電流Iin。功率級電路10可為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、升反壓型、或返馳型功率級電路，如第2A-2K圖所示。與先前技術切換式電源供應器100不同之處在於，切換式電源供應器200更包含輸入電流峰值/谷值設定電路60，與控制電路20耦接，用以產生輸入電流 峰值/谷值設定訊號P&Vset，使得輸入電流Iin之波谷形成一半弦波輪廓、且輸入電流Iin之波峰為高於波谷之預設固定或可變值。
需說明的是，如前所述，交流電壓AC的頻率例如為60Hz，交流電壓AC’輪廓的頻率例如為120Hz，整流輸入電壓Vin的頻率例如為120Hz，而電子電壓器40震盪的頻率例如為30kHz，以上述訊號的頻率為例，則功率級電路10中的功率開關，例如但不限於以超過300kHz的頻率切換。在較佳的實施例中，功率級電路10中的功率開關，較佳的以超過電子電壓器40震盪頻率的十倍頻率切換。
請參閱第4B圖，本發明主要的發明概念在於，控制電路20根據輸出電壓Vout與整流輸入電壓Vin的差值，產生操作訊號GATE，以控制輸入電流Iin，使得輸入電流Iin於一週期內，具有複數波谷，且該複數波谷形成一半弦波輪廓，如此，既可達成功因校正的效果，且又可使輸入電流的波峰Iin_max高於電子電壓器40的最小負載電流Iload_min。由切換式電源供應器200之基本操作可知，當功率級電路10中之功率開關導通時，功率級電路10中之電感(參閱第2A-2K圖)儲能，使輸入電流Iin增加；當功率級電路10中之功率開關關閉(不導通)時，功率級電路10中之電感釋能，使輸入電流Iin下降。因此，欲產生第4B圖所示的輸入電流Iin波形，例如但不限於可控制功率開關的導通和關閉(不導通)時點，亦即可根據預設的波峰位置來設定輸入電流Iin的上限值(第4B圖實施例中該上限值為常數)、根據半弦波輪廓來設定輸入電流Iin的下限值(第4B圖實施例中該下限值為半弦波)：當功率開關導通後，輸入電流Iin上升到達該波峰時，就停止功率級電路10中之電感儲能而關閉該功率開關，又當輸入電流Iin下降到達該下限值時，就停止功率級電路10中之電感釋能，而導通功率開關。在此安排方式下，即使未知電子變壓器40的規格，也很容易可確保輸入電流的波峰Iin_max高於電子電壓器40的最小負載電 流Iload_min。
第4D圖顯示本發明第二個實施例。相較於第一個實施例，本實施例顯示輸入電流峰值/谷值設定電路60可設定輸入電流的波峰Iin_max，使輸入電流Iin的波峰連線，具有半弦波輪廓(參閱第4D圖)，如此一來，可更提高PFC。使輸入電流的波峰Iin_max具有半弦波輪廓需要知道整流輸入電壓Vin之週期或相位資訊，此例如但不限於可從輸入電壓Vin或其分壓、交流電壓AC、交流電壓AC’、或其他帶有輸入電壓Vin之週期或相位資訊的訊號而得來。
更進一步言之，以升壓型功率級電路為例。考慮第一個實施例中，功率級電路10包括如第2D圖所示之升壓型功率級電路，輸入電流Iin流經升壓型功率級電路中的電感。其中，電感電流的公式如下：
di為電感電流，L為升壓型功率級電路中的電感值，dt為時間。考慮電感值L為固定的值，並於功率級電路10中，使功率開關的不導通時間為固定的一段預設時間，則時間dt為固定值，如此可使電感電流di為差值(Vout-Vin)的函數，即di=f(Vout-Vin)，並控制輸入電流Iin於一週期內，具有複數波谷，且複數波谷根據前述公式，自然形成一半弦波輪廓，如第4B圖中，下方的細虛線半弦波所示意。
當然，使複數波谷形成一半弦波輪廓的方式不限於前述，亦可藉由偵測輸入電流或其相關訊號(例如電感電流)，並與參考值比較，來達成。該參考值可包括前述波峰與波谷的設定值。
請繼續參閱第4B圖，輸入電流Iin於一週期內，具有複數波峰和複數波谷，且複數波峰例如但不限於為固定值(Iin_max)，複數波谷形成半弦波輪廓，而平均電流Iin_ave為波峰與波谷的平均值，如第4B圖中的粗黑虛線所示意的半弦波，基本上與整流輸入電壓Vin 同相，因此，根據本發明可提高PFC。從另一角度言，請參閱第4C圖，可視為第4B圖中的輸入電流Iin包含兩個成分，其中一個是直流成分Iin_dc，另一個是半弦波成分Iin_sin，而平均電流Iin_ave為兩者相加所得的結果。
比較第1C圖與第4B圖，由於本發明中，是以輸入電流Iin的波谷來構成半弦波輪廓，而輸入電流Iin的波峰為Iin_max，故很容易可確保輸入電流Iin的波峰Iin_max高於電子電壓器40的最小負載電流Iload_min。先前技術是以輸入電流Iin波形之波峰來構成半弦波輪廓，因此輸入電流Iin的波峰Iin_max很容易低於電子電壓器40的最小負載電流Iload_min，而使切換式電源供應器100與電子整流電路110兩者無法互相配合操作。由上可知，根據本發明可提高切換式電源供應器200與電子變壓器的相容性。
請參閱第4D圖，顯示輸入電流Iin的波峰Iin_max，不限於如第4B圖所示之一固定值，亦可以如第4D圖所示構成一半弦波輪廓，如此可獲致更佳的功因校正效果。在此情況下，在週期初始期間及/或週期末了期間，輸入電流Iin的波峰Iin_max可能低於最小負載電流Iload_min；根據本發明，可以在週期初始期間及/或週期末了期間，使功率開關保持導通，以補償此問題。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件；又如，所謂電路間耦接的狀況，不限於電路間之輸出端直接連接，亦可為間接連接(其中可插置其他電路)；又如，功率級電路不限於為升壓型功率級電路，亦可以為如第2A-2K圖顯示知其他同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降 壓型、升反壓型、或返馳型功率級電路，僅需對應修改相關電路或是訊號的意義即可。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10‧‧‧功率級電路
20‧‧‧控制電路
30‧‧‧回授電路
40‧‧‧電子變壓器
50‧‧‧整流電路
60‧‧‧輸入電流峰值/谷值設定電路
200‧‧‧切換式電源供應器
210‧‧‧電子整流電路
AC,AC’‧‧‧交流電壓
P&Vset‧‧‧輸入電流峰值/谷值設定訊號
FB‧‧‧回授訊號
GATE‧‧‧操作訊號
Iin‧‧‧輸入電流
Vin‧‧‧整流輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種與電子變壓器相容之切換式電源供應器，用以將一整流輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該整流輸入電壓由一電子整流電路產生，該電子整流電路包括相互耦接的一電子變壓器與一整流器，用以將一交流電壓轉換為該整流輸入電壓，所述切換式電源供應器包含：一功率級電路，用以根據一操作訊號，切換其中至少一個功率開關以將該整流輸入電壓轉換為該輸出電壓，並控制自該電子整流電路對該切換式電源供應器之一輸入電流；一控制電路，與該功率級電路耦接，用以根據一回授訊號與一輸入電流峰值/谷值設定訊號，產生該操作訊號；以及一輸入電流峰值/谷值設定電路，與該控制電路耦接，用以產生該輸入電流峰值/谷值設定訊號，使得該輸入電流之波形於一週期內，具有複數波谷與複數波峰，其中該複數波谷形成弧形往上凸起之一第一半弦波輪廓，且該複數波峰具有高於該複數波谷之一預設固定值，或該複數波峰分別具有高於所對應之該複數波谷之一預設可變值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器，其中該功率級電路根據該操作訊號，於切換該功率開關時固定不導通一段預設時間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器，其中該輸入電流之波形之該複數波峰連線，構成一第二半弦波輪廓；其中，該輸入電流之波形之該複數波谷和該複數波峰分別形成弧形往上凸起之該第一半弦波輪廓與該第二半弦波輪廓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器，其中該輸入電流相關於該輸出電壓與該整流輸入電壓之一差值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器，其中該輸入電流之波形於該週期內之前後部分具有相對較高之振幅，而於該週期內之中間部分具有相對較低之振幅。
  6. 一種與電子變壓器相容之切換式電源供應器控制方法，用以將一整流輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該整流輸入電壓由一電子整流電路產生，該電子整流電路包括相互耦接的一電子變壓器與一整流器，用以將一交流電壓轉換為該整流輸入電壓，所述方法包含：根據一操作訊號，切換該切換式電源供應器中之至少一個功率開關以將一整流輸入電壓轉換為該輸出電壓，並控制自該電子整流電路對該切換式電源供應器之一輸入電流；根據一回授訊號與一輸入電流峰值/谷值設定訊號，產生該操作訊號；以及根據該輸出電壓與該整流輸入電壓之一差值，產生該輸入電流峰值/谷值設定訊號，使得該輸入電流之波形於一週期內，具有複數波谷與複數波峰，其中該複數波谷形成弧形往上凸起之一第一半弦波輪廓，且該複數波峰具有高於該複數波谷之一預設固定值，或該複數波峰分別具有高於所對應之該複數波谷之一預設可變值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器控制方法，其中該操作訊號切換該功率開關時，固定不導通一段預設時間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器控制方法，其中該輸入電流之波形之該複數波峰連線，構成一第二半弦波輪廓；其中，該輸入電流之波形之該複數波谷和該複數波峰分別形成弧形往上凸起之該第一半弦波輪廓與該第二半弦波輪廓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器控制方法，其中該輸入電流相關於該輸出電壓與該整流輸入電壓之一差值。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之與電子變壓器相容之切換式電源供應器控制方法，其中該輸入電流之波形於該週期內之前後部分具有相對較 高之振幅，而於該週期內之中間部分具有相對較低之振幅。
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