TWI788184B - 具有選擇性的功因校正之電源供應器與相關之控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種電源供應器，包含有一功因校正電路以及一隔絕式電源轉換電路。該功因校正電路可將一第一輸入電源，轉換為一第二輸入電源。該隔絕式電源轉換電路具有相隔絕的一一次側與一二次側，用以將位於該一次側的該第二輸入電源，轉為位於該二次側的一輸出電源。該隔絕式電源轉換電路包含有一功率控制器，位於該一次側，控制一功率開關，其連接一變壓器。該功率控制器偵測該輸出電源之一輸出電壓，以及該變壓器之一釋能時間，並依據該輸出電壓與該釋能時間來禁能該功因校正電路。

Description

具有選擇性的功因校正之電源供應器與相關之控制方法
本發明係關於具有功因校正(power-factor correction，PFC)的電源供應器，尤其關於可以選擇性地禁能功因校正的電源供應器與相關的控制方法。
PFC是一種增加電源供應器之功因(power factor，PF)的技術。沒有PFC的電源供應器往往在非常短促的時間內，從交流市電汲取大量的電流。這樣的短促的電流可以透過主動式或是被動式技術來變得平滑。如此，可以降低輸入的均方根(root-mean-square，RMS)電流，來增加PF。PFC可以改變輸入電流的波形，來最大化從交流市電來的實功率(real power)。當今法規上，大於75瓦特之高功率電器或是電子裝置，都要求配備有PFC，來降低交流市電的功率備載。
要實現PFC，可以在一般的電源轉換電路與市電之間，加設一功因校正電路。該功因校正電路本身作為一個高功因的負載，可以將交流市電，或是透過整流交流市電所產生的直流輸入電源，轉換為一中繼電源。舉例來說，主動式的功因校正電路可以是一昇壓器(booster)。只是，一功因校正電路，在操作時，本身也會產生能量轉換損失(conversion loss)。 所以，也降低了轉換效率。如何使得高功率之電源供應器可以符合法規要求的高功因，又可以具有高轉換效率，這是業界所追求的目標之一。
本發明實施例提供一種電源供應器，包含有一功因校正電路以及一隔絕式電源轉換電路。該功因校正電路可將一第一輸入電源，轉換為一第二輸入電源。該隔絕式電源轉換電路具有相隔絕的一一次側與一二次側，用以將位於該一次側的該第二輸入電源，轉為位於該二次側的一輸出電源。該隔絕式電源轉換電路包含有一功率控制器，位於該一次側，控制一功率開關，其連接一變壓器。該功率控制器偵測該輸出電源之一輸出電壓，以及該變壓器之一釋能時間，並依據該輸出電壓與該釋能時間來禁能該功因校正電路。
本發明實施例提供一種控制方法，適用於一電源供應器中的一功率控制器。該電源供應器具有一一次側以及一二次側，包含有一功因校正電路，可將一第一輸入電源，轉換為一第二輸入電源。該電源供應器也具有一隔絕式電源轉換電路，用以將位於該一次側之該第二輸入電源轉換為該二次側之一輸出電源。該絕緣式電源轉換電路包含有一變壓器。該控制方法包含有：透過該變壓器，偵測該輸出電源之一輸出電壓；偵測該變壓器之一釋能時間；以及，依據該輸出電壓以及該釋能時間之一乘積，禁能該功因校正電路。
10:橋式整流器
12:功因校正電路
13:隔絕式電源轉換電路
14:功率控制器
16:功率開關
18:PD控制器
20:開關
22:輸出埠
62:輸出電壓偵測器
64:釋能時間偵測器
66:計時器
67:積分器
68:電壓電流轉換器
70:電流源
72:充電開關
74:重置開關
76:比較器
78:電容
80:去抖動電路
82:PWM產生器
100:電源供應器
200:控制方法
CC1、CC2:通訊通道
CNT:計數
CO:電源電容
COM:補償電容
COMP:補償接腳
CVDD:操作電源電容
DRV:驅動接腳
EN:致能訊號
FB:回饋接腳
GND:輸出地
IINP:輸入電流
ISEC-PEAK:峰值
ISEC:二次側電流
ISET:設定電流
LA:輔助繞組
LP:主繞組
LS:二次側繞組
PCD:發射裝置
PCR:接收裝置
PFCE:控制接腳
PFCS:設定接腳
PRM:一次側
RA、RB:電阻
RCS:電流偵測電阻
RP:限流電阻
RSET:設定電阻
S2、S4、S6、S8、S10、S12、S14、S16、S18、S20、S22、S24、S26:步驟
SDIS:釋能訊號
SEC:二次側
SO:比較輸出
SPWM:PWM訊號
tSAMP:取樣時間
TCYC:開關週期
TDIS:釋能時間
TF:變壓器
TOFF:關閉時間
TON:開啟時間
TSUM:預定時間
VAC:交流市電
VACC:累積電壓
VAUX:輔助繞組LA的端電壓
VBUS:匯流排電源
VCOM:補償電壓
VINF、VINP:直流輸入電源
VO:輸出電壓
VO:輸出電源
VRF:反射電壓
VS:回饋電壓
VSET:參考訊號
VSMP:電壓樣本
圖1顯示依據本發明所實施的一電源供應器。
圖2顯示圖1中的功率控制器。
圖3顯示圖1與圖2中的一些訊號波形。
圖4顯示使用於功率控制器14的一控制方法。
為使本發明之實施例的目的、實現方式和優點更加清楚，以下將結合實施例的附圖，對實施例中的實現方式進行清楚、完整地描述。本說明書所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，不是全部的實施例。在本發明相關領域內具有通常知識者，可以對本說明書描述的實施例進行各種修改與變異，而不脫離本發明之精神與範圍。
在本發明的一些實施例中，一電源供應器具有一功因校正電路以及一隔絕式電源轉換電路。該功因校正電路可以把一第一輸入電源轉換為一第二輸入電源。該隔絕式電源轉換電路將一次側的該第二輸入電源，轉換為二次側的一輸出電源。該隔絕式電源轉換電路包含有一功率控制器，位於該一次側，控制一功率開關，其連接一變壓器。該功率控制器透過該變壓器，偵測該輸出電源的一輸出電壓。該功率控制器也偵測該變壓器的一釋能時間。依據該輸出電壓與該釋能時間，該功率控制器可以禁能該功因校正電路。
在實施例中，該功率控制器以一積分器產生該輸出電壓與該釋能時間的一乘積，並累積該乘積。當該乘積超過一預設參考訊號時，可以視為目前該隔絕式電源轉換電路的一輸出功率比較大，因此該電源供應器需要符合法規所規定的PF，所以該功率控制器致能該功因校正電路。當該乘積低於該預設參考訊號，且持續一第二預設時間時，可以視為目前該 隔絕式電源轉換電路的輸出功率比較小，所以該電源供應器當下不必要符合法規所規定的PF，所以該功率控制器禁能該功因校正電路，來減少能量轉換損失。
圖1顯示依據本發明所實施的電源供應器100，以交流市電VAC作為電源輸入，在輸出埠22提供匯流排電源VBUS以及輸出地GND。舉例來說，輸出埠22為一C型態的USB連接器，除了提供匯流排電源VBUS以及輸出地GND外，還有通訊通道CC1與CC2，可以讓電源傳輸(power delivery，PD)控制器18跟連接到輸出埠22的另一USB電子裝置協定匯流排電源VBUS所需的電源規格。當PD控制器18發現輸出電源VO已經準備好，符合所協議的電源規格時，可以開啟開關20，提供輸出電源VO，作為匯流排電源VBUS。圖1僅僅是本發明的一個例子，並非用以限制本發明。
電源供應器100包含有橋式整流器10、功因校正電路12以及隔絕式電源轉換電路13。舉例來說，功因校正電路12為一昇壓器，但是不限於昇壓器。圖1舉例隔絕式電源轉換電路13為一返馳式電源轉換電路(flyback power converter)。
橋式整流器10提供全波整流，將交流市電VAC轉換為直流輸入電源VINP。
功因校正電路12將直流輸入電源VINP，轉換為直流輸入電源VINF。當功因校正電路12被致能訊號EN致能時，功因校正電路12使得直流輸入電源VINP跟輸入電流IINP大約同相(in phase)，具有高功因(high power factor)，舉例來說，大於0.9。當致能訊號EN禁能功因校正電路12時，功因校正電路12可以提供一短路，直接連接直流輸入電源VINP至直流輸入 電源VINF。被禁能時，功因校正電路12具有相對的低功因，但是具有較高的能源轉換效率。
隔絕式電源轉換電路13具有相隔絕的一次側PRM與二次側SEC，用以將位於一次側PRM的直流輸入電源VINF，轉為位於二次側SEC的輸出電源VO。在一次側PRM，隔絕式電源轉換電路13包含有，但不限於，功率控制器14、功率開關16、變壓器TF中的主繞組LP與輔助繞組LA、電阻RA、RB、操作電源電容CVDD、補償電容COM、一光耦合器的接收裝置PCR、設定電阻RSET、以及電流偵測電阻RCS。在二次側SEC，隔絕式電源轉換電路13包含有，但不限於，變壓器TF中的二次側繞組LS、電源電容CO、限流電阻RP、光耦合器的發射裝置PCD、以及PD控制器18。隔絕式電源轉換電路13中的電子元件連接如同圖1所示。
在其他實施例中，隔絕式電源轉換電路13可以是一主動鉗位返馳式轉換電路(Active-Clamp Flyback，ACF)，另包含有一鉗位電路，跟主繞組LP相並聯。而鉗位電路具有串連的一功率開關與一電容。功率開關受功率控制器14控制。
隔絕式電源轉換電路13有一負回饋控制迴路(negative feedback control loop)，可以用來調控穩定輸出電源VO的輸出電壓VO。PD控制器18可以偵測輸出電源VO的輸出電壓VO，具以控制流經發射裝置PCD的電流，透過接收裝置PCR，影響補償電壓VCOM。功率控制器14依據補償電壓VCOM，透過PWM訊號SPWM，調整功率開關16的工作週期(duty cycle)以及/或開關頻率，藉以控制變壓器TF的儲能與釋能。當功率開關16開啟時，功率開關16提供一短路連接主繞組LP至電流偵測電阻RCS，變壓 器TF儲存電磁能。當功率開關16關閉時，提供一開路分隔主繞組LP與電流偵測電阻RCS，變壓器TF可以釋放其先前所存放的電磁能，產生二次側電流ISEC，在電源電容CO上建立輸出電源VO。
當變壓器TF在釋能時，功率控制器14透過電阻RA與RB、以及變壓器TF，可以偵測輸出電源VO的輸出電壓VO。類似的，透過電阻RA與RB，功率控制器14可以偵測變壓器TF完全釋放其電磁能的釋能時間TDIS。在本發明的一些實施例中，功率控制器14依據輸出電壓VO以及釋能時間TDIS，透過控制接腳PFCE上的致能訊號EN，來禁能功因校正電路12。
以下假定隔絕式電源轉換電路13操作於非連續導通模式(Discontinuous-conduction mode，DCM)。在一次開關週期TCYC中，變壓器TF釋放給輸出電源VO的能量ECYC可以表示如以下公式(I)。
ECYC=0.5 * LS * ISEC-PEAK 2...(I)。LS為二次側繞組LS的電感量，ISEC-PEAK為二次側電流ISEC的峰值。輸出電壓VO與電感量LS大約有以下公式(II)的關係。
VO * TDIS=LS * ISEC-PEAK...(II)。在一段預定時間TSUM中，VO * TDIS的累積ACC可以表示如下。
ACC=Σ(VO * TDIS)=Σ(LS * ISEC-PEAK)=(LS * ISEC-PEAK) * TSUM/TCYC=(LS * ISEC-PEAK) * NS其中，NS定義為TSUM/TCYC，可以視為在預定時間TSUM中有幾個開關週期TCYC。隔絕式電源轉換電路13的平均輸出功率WO可以表示如以下公式 (III)
WO=ECYC/TCYC=0.5 * LS * ISEC-PEAK 2/TCYC=0.5 * TCYC/LS * (LS * ISEC-PEAK/TCYC)2=0.5 * TCYC*ACC2/(LS*TSUM2)=ACC2/(2*LS*NS*TSUM)...(III)。從公式(III)可知，平均輸出功率WO的大小可以透過累積ACC而判斷，而累積ACC是預定時間TSUM內，輸出電壓VO與釋能時間TDIS的乘積之所有累積。因此，當累積ACC大時，或是超過一預定值，可以視為高功率輸出，隔絕式電源轉換電路13可以致能功因校正電路12；當累積ACC小時，或是小於該預定值，可以視為低功率輸出，隔絕式電源轉換電路13可以禁能功因校正電路12。
圖2顯示圖1中的功率控制器14，圖3顯示圖1與圖2中的一些訊號波形。
功率控制器14包含有輸出電壓偵測器62、釋能時間偵測器64、積分器67、計時器66、比較器76、去抖動電路80、電流源70、以及PWM產生器82，彼此連接如圖2所示。
PWM產生器82依據在補償接腳COMP上的補償電壓VCOM，提供PWM訊號SPWM，透過驅動接腳DRV，來控制調整功率開關16的工作週期以及/或開關頻率。如同圖3所示，PWM訊號SPWM為邏輯上的”1”時，功率開關16開啟，為開啟時間TON。相反的，PWM訊號SPWM為邏輯上的”0”時，功率開關16關閉，為關閉時間TOFF。一開啟時間TON與一 關閉時間TOFF構成一開關週期TCYC。
如同圖3所示，在關閉時間TOFF一開始時，變壓器TF開始釋能，釋能時間TDIS開始。二次側電流ISEC從峰值ISEC-PEAK下降，直到0A，也就是釋能時間TDIS結束。在釋能時間TDIS內，輔助繞組LA的端電壓VAUX大約維持在反射電壓VRF，大約對應輸出電壓VO。當釋能時間TDIS結束後，二次側電流ISEC大約為0A，而端電壓VAUX諧振，直到下一個開啟時間TON開始。
請參閱圖2與圖3。輸出電壓偵測器62在釋能時間TDIS內，偵測輸出電壓VO。舉例來說，輸出電壓偵測器62在釋能時間TDIS內的取樣時間tSAMP，對在回饋接腳FB上的回饋電壓VS取樣，產生電壓樣本VSMP，其將對應到輸出電源VO的輸出電壓VO。
釋能時間偵測器64偵測釋能時間TDIS是否結束。舉例來說，當回饋電壓VS大約等於電壓樣本VSMP時，表示釋能時間TDIS還持續著，釋能訊號SDIS為邏輯上”1”。當回饋電壓VS掉下，明顯地低於電壓樣本VSMP時，決定釋能時間TDIS結束，釋能訊號SDIS轉為邏輯上”0”。
積分器67產生輸出電壓VO與釋能時間TDIS的一乘積，並累積該乘積，來產生累積電壓VACC，其相對於公式(III)中的累積ACC。積分器67包含有電壓電流轉換器68、充電開關72、重置開關74以及電容78，如同圖2所示。電壓電流轉換器68依據電壓樣本VSMP產生電流，其電流值為K1*VSMP，也等於K2*VO，其中K1與K2都是相關於電路固定的常數。充電開關72只有在釋能時間TDIS內開啟。所以，輸出電壓VO與釋能時間TDIS的乘積，將累積在電容78上，成為累積電壓VACC。如同圖3所示，累積電壓 VACC在每個釋能時間TDIS內都慢慢地上升，其他時間則保持不變。
計時器66在每預設時間TSUM提供一脈衝，開啟重置開關74，將累積電壓VACC設定為0V，等於重置累積電壓VACC。在圖3中，在一預設時間TSUM內，累積電壓VACC隨著開關週期TCYC的增加而增加，而下一個預設時間TSUM開始時，累積電壓VACC被重置，從0V開始。
圖2中，電流源70提供設定電流ISET，其流過外接之設定電阻RSET，在設定接腳PFCS產生參考訊號VSET。只要選擇適當電阻值的設定電阻RSET，就可以設定所希望的參考訊號VSET。
比較器76比較累積電壓VACC與參考訊號VSET，來提供比較輸出SO。在一些實施例中，累積電壓VACC一但高過參考訊號VSET，比較輸出SO致能，可以透過去抖動電路80，使致能訊號EN致能，讓功因校正電路12成為一高功因的負載，符合法規的需求。當累積電壓VACC低於參考訊號VSET時，比較輸出SO禁能，可以透過去抖動電路80，使致能訊號EN禁能，讓功因校正電路12停止功因校正的功能，降低轉換損失，提高轉換效率。去抖動電路80可以設計來忽略短時間內低功率輸出的狀態。舉例來說，只有在比較輸出SO持續禁能維持有數個預設時間TSUM的預設去抖動時間TDEB，去抖動電路80才禁能功因校正電路12。所以，參考訊號VSET就是用來設定判斷禁能或是致能功因校正電路12的標準。
圖4顯示使用於功率控制器14的控制方法200。在步驟S2中，輸出電壓偵測器62偵測輸出電壓VO。在步驟S4中，釋能時間偵測器64偵測釋能時間TDIS。在步驟S6中，積分器67產生輸出電壓VO與釋能時間TDIS的一乘積，並累積該乘積，來產生累積電壓VACC。在步驟S8，計時 器66判斷當下預設時間TSUM是否結束。在一預設時間TSUM還沒有結束時，步驟S2、S4、S6持續進行著，累積電壓VACC隨著開關週期TCYC而增加。如果預設時間TSUM結束了，計時器66在步驟S14或S26，重置累積電壓VACC，開始另一個預設時間TSUM。
在步驟S10，比較器76比較累積電壓VACC與參考訊號VSET。在一實施例中，一旦累積電壓VACC超過參考訊號VSET，去抖動電路80在步驟S12就立刻致能功因校正電路12。
如果累積電壓VACC低於參考訊號VSET，步驟S16提供去抖動功能(debounce)，由去抖動電路80來執行。去抖動電路80中記憶有計數CNT，其起始值在步驟S14或S24中，被重置為0。在步驟S18，去抖動電路80使計數CNT加1，確認已經多了一次，在一段預設時間TSUM內，累積電壓VACC並沒有超過參考訊號VSET。步驟S20檢查計數CNT是否達到預設值，舉例來說，6。步驟S20判斷是否累積電壓VACC持續有去抖動時間TDEB內，都沒有超過參考訊號VSET，而去抖動時間TDEB等於6個預設時間TSUM。如果步驟S20的答案是肯定的，去抖動電路80在步驟S22中禁能功因校正電路12，並且在步驟S24將計數CNT重置為0。如果步驟S20的答案是否定的，步驟S26接續，重置累積電壓VACC，去抖動電路80繼續等待下一個預設時間TSUM內的累積電壓VACC結果。
透過選定圖2的設定電阻RSET，系統設計者可以設定參考訊號VSET，等同預設一個功率標準值。當平均輸出功率WO大於這功率標準值時，電源供應器100致能功因校正電路12，電源供應器100使得交流市電VAC來的電壓與電流大約同相；當平均輸出功率WO低於這功率標準值時， 電源供應器100禁能功因校正電路12，來提高整體電源供應器100產生輸出電源VO的轉換效率。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
14:功率控制器
62:輸出電壓偵測器
64:釋能時間偵測器
66:計時器
67:積分器
68:電壓電流轉換器
70:電流源
72:充電開關
74:重置開關
76:比較器
78:電容
80:去抖動電路
82:PWM產生器
COMP:補償接腳
DRV:驅動接腳
EN:致能訊號
FB:回饋接腳
ISET:設定電流
PFCE:控制接腳
PFCS:設定接腳
RSET:設定電阻
SDIS:釋能訊號
SO:比較輸出
SPWM:PWM訊號
TDIS:釋能時間
TSUM:預定時間
VACC:累積電壓
VCOM:補償電壓
VO:輸出電壓
VS:回饋電壓
VSET:參考訊號
VSMP:電壓樣本

Claims (10)

  1. 一種電源供應器，包含有：
    一功因校正電路，可將一第一輸入電源，轉換為一第二輸入電源；
    一隔絕式電源轉換電路，具有相隔絕的一一次側(primary side)與一二次側(secondary side)，用以將位於該一次側的該第二輸入電源，轉為位於該二次側的一輸出電源，其中，該隔絕式電源轉換電路包含有一功率控制器，位於該一次側，控制一功率開關，其連接一變壓器；
    其中，該功率控制器偵測該輸出電源之一輸出電壓，以及該變壓器之一釋能時間，並依據該輸出電壓與該釋能時間來禁能該功因校正電路。
  2. 如申請專利範圍第1項之該電源供應器，其中，該功率控制器包含有：
    一積分器，產生該輸出電壓與該釋能時間之一乘積，並累積該乘積；以及
    一計時器，每該第一預設時間提供一脈衝，用以重置該乘積；
    該功率控制器依據該乘積，禁能該功因校正電路。
  3. 如申請專利範圍第2項之該電源供應器，其中，該功率控制器包含有：
    一比較器，用以比較該乘積與一預設參考訊號，用以產生一比較輸出，當該乘積低於該預設參考訊號時，該比較器可禁能該功因校正電路。
  4. 如申請專利範圍第3項之該電源供應器，其中，該功率控制器包含有：
    一去抖動電路，接收該比較輸出，當該比較輸出持續禁能有一第二預設時間時，禁能該功因校正電路。
  5. 如申請專利範圍第4項之該電源供應器，其中，該第二預設時間為該第 一預設時間的一整數倍。
  6. 如申請專利範圍第4項之該電源供應器，其中，該功率控制器包含有：
    一去抖動電路，接收該比較輸出，當該比較輸出致能時，致能該功因校正電路。
  7. 一種控制方法，適用於一電源供應器中的一功率控制器，該電源供應器具有一一次側以及一二次側，包含有一功因校正電路，可將一第一輸入電源，轉換為一第二輸入電源，以及一隔絕式電源轉換電路，用以將位於該一次側之該第二輸入電源轉換為該二次側之一輸出電源，該絕緣式電源轉換電路包含有一變壓器，該控制方法包含有：
    透過該變壓器，偵測該輸出電源之一輸出電壓；
    偵測該變壓器之一釋能時間；以及
    依據該輸出電壓以及該釋能時間之一乘積，禁能該功因校正電路。
  8. 如申請專利範圍第7項之該控制方法，另包含有：
    累積該乘積；以及
    每該第一預設時間提供一脈衝，用以重設該乘積。
  9. 如申請專利範圍第8項之該控制方法，另包含有：
    比較該乘積與一預設參考訊號；以及
    當該乘積低於該預設參考訊號有一第二預設時間時，禁能該功因校正電路；
    其中，該第二預設時間為該第一預設時間的一整數倍。
  10. 如申請專利範圍第8項之該控制方法，另包含有：
    當該乘積高於該預設參考訊號時，致能該功因校正電路。
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