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TWI853281B - 電力供應裝置及其操作方法 - Google Patents

電力供應裝置及其操作方法 Download PDF

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TWI853281B
TWI853281B TW111127680A TW111127680A TWI853281B TW I853281 B TWI853281 B TW I853281B TW 111127680 A TW111127680 A TW 111127680A TW 111127680 A TW111127680 A TW 111127680A TW I853281 B TWI853281 B TW I853281B
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淑芳 林
維雄 譚
基朗 梅拉瓦納基•吳梅思
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新加坡商光寶科技新加坡私人有限公司
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Abstract

本發明提供一種電力供應裝置，包括多個開關、電流感測電路以及控制器。電流感測電路經組態以感測電力供應裝置的輸出電流。控制器包括耦接至電流感測電路且經組態以偵測輸出電流的變化率的微分電路。控制器還包括經組態以產生多個第一開關信號的脈波頻率調變電路。回應於判定輸出電流的變化率大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率大於頻率臨限值，控制器經組態以根據輸出電流的變化率調節多個第一開關信號的開關頻率。

Description

電力供應裝置及其操作方法
本揭露是關於電力供應，且更特定言之，是關於一種能夠快速地響應於負載變化的電力供應裝置及其操作方法。
電力供應裝置經設計以向許多電子元件(諸如，電動車輛、能量儲存系統、行動電話、電腦及類似者)供應電力。典型電力供應裝置包括前級功率因數校正器(power factor corrector；PFC)及第二級轉換器，其中第二級轉換器的控制器典型地經設計以在無負載情況或極輕負載情況下按頻率限制操作。控制器可歸因於頻率限制而飽和，其導致對負載變化的緩慢回應且產生較大輸出電壓降。較大電壓降可導致電力供應裝置的效能不令人滿意。需要改良電力供應裝置的效能的新設計。
本揭露引入能夠快速地響應於負載變化的電力供應裝置及其操作方法。
在一些實施例中，電力供應裝置包括變壓器、多個開關、整流器電路、電流感測電路以及控制器。變壓器包括第一側及第二 側。多個開關耦接至變壓器的第一側。整流器電路耦接至變壓器的第二側。整流器電路輸出輸出電流。電流感測電路耦接至整流器電路。電流感測電路感測輸出電流。控制器耦接至電流感測電路。控制器包括微分電路及脈波頻率調變電路。微分電路耦接至電流感測電路。微分電路經組態以偵測輸出電流的變化率。脈波頻率調變電路耦接至微分電路。脈波頻率調變電路經組態以產生多個第一開關信號。控制器經組態以根據輸出電流的變化率調節多個第一開關信號的開關頻率。
在一些實施例中，回應於判定輸出電流的變化率大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率大於頻率臨限值，控制器經組態以根據輸出電流的變化率調節多個第一開關信號的開關頻率。
在一些實施例中，電力供應裝置還包括耦接至多個開關及變壓器的第一側的諧振電路。諧振電路包括電容器及電感器。
在一些實施例中，控制器還包括增益緩衝器。其中當控制器判定輸出電流的變化率大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率大於頻率臨限值時，控制器進一步經組態以觸發增益緩衝器以根據輸出電流的變化率產生第一調節參數。
在一些實施例中，微分電路進一步經組態以在電力供應裝置的每一取樣週期中偵測輸出電流的變化率。微分電路進一步經組態以根據微分增益及第一取樣週期中的第一輸出電流與第二取樣週期中的第二輸出電流之間的差偵測輸出電流的變化率。第一取樣週期及所述第二取樣週期為連續取樣週期。
在一些實施例中，根據控制器中的暫存器的位元寬度判 定微分增益。
在一些實施例中，速率臨限值小於處於電力供應裝置的最小輸出電流轉換速率下的第一取樣週期中的第一輸出電流與第二取樣週期中的第二輸出電流之間的差。
在一些實施例中，控制器還包括減法器電路、控制模組以及加法器電路。減法器電路經組態以計算電力供應裝置的目標電壓與輸出電壓之間的電壓差。控制模組耦接至減法器電路。控制模組經組態以根據目標電壓與輸出電壓之間的電壓差產生第二調節參數。加法器電路耦接至增益緩衝器及控制模組。加法器電路經組態以將第一調節參數與第二調節參數相加以產生第三調節參數。脈波頻率調變電路經組態以根據第三調節參數產生多個第一開關信號。
在一些實施例中，電力供應裝置還包括隔離器電路以及閘極驅動器電路。隔離器電路耦接至脈波頻率調變電路。閘極驅動器電路耦接至隔離器電路。隔離器電路接收多個第一開關信號且將多個第二開關信號輸出至閘極驅動器電路。閘極驅動器電路接收多個第二開關信號且將多個驅動信號輸出至多個開關。
在一些實施例中，第一調節參數為頻率變化。
在一些實施例中，第一調節參數為第一計數值。第一計數值為脈波頻率調變電路的時脈週期的第一數目。第二調節參數為第二計數值，第二計數值為脈波頻率調變電路的時脈週期的第二數目。
在一些實施例中，增益緩衝器經組態以將輸出電流的變化率與第一增益相乘以產生第一調節參數。
在一些實施例中，操作方法可適用於電力供應裝置，其中電力供應裝置包括變壓器、多個開關、整流器電路、電流感測電路以及控制器。變壓器包括第一側及第二側。多個開關耦接至變壓器的第一側。整流器電路耦接至變壓器的第二側。整流器電路輸出輸出電流。電流感測電路耦接至整流器電路。電流感測電路感測輸出電流。控制器包括微分電路及脈波頻率調變電路。微分電路耦接至電流感測電路。操作方法包括以下步驟：由微分電路偵測輸出電流的變化率；由脈波頻率調變電路產生多個第一開關信號；以及由控制器根據輸出電流的變化率調節多個第一開關信號的開關頻率。
在一些實施例中，操作方法還包括由控制器判定輸出電流的變化率是否大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率是否大於頻率臨限值。其中回應於判定輸出電流的變化率大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率大於頻率臨限值而由控制器執行根據輸出電流的變化率調節多個第一開關信號的開關頻率。
在一些實施例中，在電力供應裝置的每一取樣週期中偵測輸出電流的變化率。根據微分增益及第一取樣週期中的第一輸出電流與第二取樣週期中的第二輸出電流之間的差偵測輸出電流的變化率。第一取樣週期及所述第二取樣週期為連續取樣週期。
在一些實施例中，操作方法還包括：計算電力供應裝置的目標電壓與輸出電壓之間的電壓差；回應於判定輸出電流的變化率大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率大於頻率臨限值而根據輸出電流的變化率產生第一調節參數；根據目標電壓與輸出電壓之間的電壓差產生第二調節參數；藉由將第一調節參數 與第二調節參數相加而產生第三調節參數；以及由脈波頻率調變電路根據第三調節參數產生多個第一開關信號。
在一些實施例中，根據輸出電流的變化率產生第一調節參數包括將輸出電流的變化率與第一增益相乘以產生第一調節參數。
在本揭露的一些實施例中，電力供應裝置包括在每一取樣週期中偵測輸出電流的變化率的微分電路。因此，可快速地偵測負載變化或負載跳躍。控制器經組態以基於每一取樣週期中的第一調節參數調節多個第一開關信號，其中第一調節參數根據輸出電流的變化率而計算。以此方式，控制器可自施加負載跳躍的時刻快速地調節多個第一開關信號。因此，使電力供應裝置快速地達至所要操作點而不引起輸出電壓的深度下降。此外，控制器的增益緩衝器僅在特定情況下(亦即，在自無負載或極輕負載情況產生的相對較大負載跳躍下)產生第一調節參數。以此方式，防止在恆定負載調節及較小負載跳躍下增益緩衝器干擾控制器的正常操作。此外，在一些實施例中，在不增加電力供應裝置的製造成本的情況下，微分電路及增益緩衝器可實施為控制器的韌體模組或實施於積體電路中。
現將詳細參考本發明的較佳實施例，其實例示出於隨附圖式中。在任何有可能之處，在圖式及描述內容中使用相同附圖標號來指相同或類似部分。
圖1示出根據一些實施例的電力供應裝置100的示意圖。電力供應裝置100可包括開關電路110、諧振電路120、變壓器130、整流器電路140、電流感測電路150、微分電路160、控制器170、隔離器電路180以及閘極驅動器電路190。變壓器130可包括繞組N1、繞組N2以及繞組N3。繞組N1耦接至變壓器130的第一側。繞組N2及繞組N3耦接至變壓器130的第二側。在一些實施例中，第一側稱為變壓器130的初級側，且第二側稱為變壓器130的次級側。變壓器130經組態以經由繞組N1、繞組N2以及繞組N3在第一側與第二側之間傳送電能。應瞭解，變壓器130可包括比圖1中所示的繞組N1、繞組N2以及繞組N3更多或更少的繞組。
在一些實施例中，開關電路110包括耦接至變壓器130的第一側的多個開關。開關電路110可包括第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3以及第四開關Q4。在一些實施例中，第一開關Q1的第一端子耦接至第三開關Q3的第一端子。第一開關Q1的第二端子耦接至第二開關Q2的第一端子。第三開關Q3的第二端子耦接至第四開關Q4的第一端子。第二開關Q2的第二端子耦接 至第四開關Q4的第二端子。第一開關Q1的第一端子及第三開關Q3的第一端子可耦接至連接節點N11。第二開關Q2的第二端子及第四開關Q4的第二端子可耦接至連接節點N12。
在一些實施例中，多個開關由多個驅動信號驅動。第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3以及第四開關Q4分別由第一驅動信號S1、第二驅動信號S2、第三驅動信號S3以及第四驅動信號S4驅動。在一些實施例中，第一驅動信號S1、第二驅動信號S2、第三驅動信號S3以及第四驅動信號S4由閘極驅動器電路190提供。
在一些實施例中，二極體並聯耦接至第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3以及第四開關Q4中的每一者。舉例而言，第一開關Q1並聯耦接至二極體D1。換言之，第一開關Q1的第一端子耦接至二極體D1的第一端子，且第一開關Q1的第二端子耦接至二極體D1的第二端子。第一開關Q1可具有自閘極驅動器電路190接收第一驅動信號S1的控制端子。類似地，第二開關Q2並聯耦接至二極體D2。第三開關Q3並聯耦接至二極體D3。第四開關Q4並聯耦接至二極體D4。第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3以及第四開關Q4可為電晶體。
在一些實施例中，電力供應裝置100還包括電容器C1及電壓源Vdc。電容器C1及電壓源Vdc耦接於連接節點N11與連接節點N12之間。換言之，電壓源Vdc的第一端子及電容器C1的第一端子耦接至連接節點N11。電壓源Vdc的第二端子及電容器C1的第二端子耦接至連接節點N12。電壓源Vdc經組態以將操作電壓供應至開關電路110。
在一些實施例中，諧振電路120耦接至多個開關Q1、Q2、Q3、Q4以及變壓器130的第一側。諧振電路120包括電容器Cr、第一電感器Lr以及第二電感器Lm。第二電感器Lm的第一端子耦接至電容器Cr。第二電感器Lm的第二端子耦接至第一電感器Lr。第二電感器Lm可並聯耦接至變壓器130的繞組N1。換言之，第二電感器Lm的第一端子可耦接至繞組N1的第一端子，且第二電感器Lm的第二端子可耦接至繞組N1的第二端子。應注意，諧振電路120可包括比圖1中所示出的元件更多或更少的元件。諧振電路120經組態以根據多個驅動信號S1、S2、S3、S4使流經變壓器130的第一側的電流循環。諧振電路120經組態以根據第一驅動信號S1、第二驅動信號S2、第三驅動信號S3以及第四驅動信號S4使流經變壓器130的第一側的電流循環。以此方式，電能在變壓器130的第一側與變壓器130的第二側之間傳送。
在一些實施例中，整流器電路140耦接至變壓器130的第二側。整流器電路140可包括第一二極體D5及第二二極體D6。第一二極體D5的第一端子可耦接至變壓器130的繞組N2的第一端子。第一二極體D5的第二端子可耦接至連接節點N21。第二二極體D6的第一端子可耦接至變壓器130的繞組N3的第二端子。第二二極體D6的第二端子可耦接至連接節點N21。在一些實施例中，繞組N2的第二端子耦接至繞組N3的第一端子且耦接至電力供應裝置100的連接節點N22。整流器電路140輸出流經變壓器130的第二側的電流。整流器電路140輸出輸出電流Io。在一些實施例中，整流器電路140包括第五開關Q5及第六開關Q6，其替換第一二極體D5及第二二極體D6。
在一些實施例中，電力供應裝置100還包括電容器C0及電阻器R0。電容器C0及電阻器R0耦接在連接節點N21與連接節點N22之間。電阻器R0的第一端子及電容器C0的第一端子可耦接至連接節點N21。電阻器R0的第二端子及電容器C0的第二端子可耦接至連接節點N22。輸出電流Io流經電阻器R0。
在一些實施例中，電流感測電路150耦接至整流器電路140。電流感測電路150感測輸出電流Io。電流感測電路150將輸出電流Io提供至微分電路160。本揭露並不意欲限制電流感測電路150的電路結構，且可感測電流的值的任何電路屬於本揭露的範疇內。
參考圖1、圖2A以及圖2B，在一些實施例中，控制器170耦接至電流感測電路150。控制器170包括微分電路160及脈波頻率調變電路。圖2A繪示脈波頻率調變電路175a。圖2B繪示脈波頻率調變電路175b。在一些實施例中，控制器170、微分電路160以及脈波頻率調變電路由微控制器、具有數位邏輯的電路、積體電路或組合實施。在其他實施例中，控制器170及脈波頻率調變電路由微控制器、具有數位邏輯的電路、積體電路或組合實施。可藉由硬體實施微分電路160。舉例而言，可藉由運算放大器、電容器以及電阻器實施微分電路160。
在一些實施例中，微分電路160耦接至電流感測電路150且經組態以偵測輸出電流Io的變化率Io_rate。在一些實施例中，微分電路160由硬體執行。類比至數位轉換器(未繪示)可將輸出電流Io的變化率Io_rate轉換成數位值。
在一些實施例中，微分電路160由微控制器、具有數位 邏輯的電路、積體電路或組合實施。微分電路160經組態以在每一取樣週期中偵測輸出電流Io的變化率Io_rate。取樣週期可指微分電路160的邏輯控制的執行週期。在一些實施例中，微分電路160經組態以根據等式(1)偵測輸出電流Io的變化率Io_rate，其中Io_rate(k)為在一電流取樣週期處的輸出電流Io的變化率，Io(k)為在所述電流取樣週期處的輸出電流，且Io(k-1)為在前一取樣週期處的輸出電流，KD為微分增益及Ts為取樣週期。微分電路160可根據微分增益KD及所述電流取樣週期中的輸出電流(亦即，Io(k))與前一取樣週期中的輸出電流(亦即，Io(k-1))之間的差偵測輸出電流Io的變化率Io_rate(k)，其中所述電流取樣週期及前一取樣週期為連續取樣週期。
Figure 111127680-A0305-02-0013-3
在一些實施例中，根據控制器170中的暫存器(未繪示)的位元寬度判定微分增益KD。舉例而言，控制器170中的暫存器的位元寬度可為8個位元、16個位元、32個位元、64個位元或任何其他合適的位元寬度。在一些實施例中，判定微分增益KD，使得在電力供應裝置100的最大輸出電流轉換速率下的輸出電流Io的變化率Io_rate的量值小於2^(n-1)-1，其中n為控制器170中的暫存器的位元寬度。舉例而言，在以16位元寬度暫存器操作的控制器中，輸出電流Io的變化率Io_rate的量值應小於32767。最大輸出電流轉換速率指輸出電流在轉換速率範圍中的最大轉換速率。舉例而言，控制器170可藉由轉換速率範圍0.1A/us至1A/us操作，其中轉換速率1A/us為最大輸出電流轉換速率且0.1A/us為最小輸出電流轉換速率。應瞭解，任何其他合適的轉換速率範圍可 適用於控制器170。
在一些實施例中，控制器170經組態以根據輸出電流Io的變化率Io_rate調節多個第一開關信號171的開關頻率。回應於判定輸出電流Io的變化率Io_rate大於速率臨限值且多個第一開關信號171的開關頻率大於頻率臨限值，控制器170經組態以根據輸出電流Io的變化率Io_rate調節多個第一開關信號171的開關頻率。在一些實施例中，多個第一開關信號171的波形與多個驅動信號S1、S2、S3、S4的波形相同。
在一些實施例中，控制器170可進一步接收輸出電壓Vo及目標電壓Vtar。控制器170經組態以根據輸出電流Io的變化率Io_rate、輸出電壓Vo以及目標電壓Vtar調節多個第一開關信號171的開關頻率。輸出電壓Vo為在電力供應裝置100的輸出端子處的電壓，且目標電壓Vtar為預定電壓。
在一些實施例中，隔離器電路180耦接至脈波頻率調變電路。控制器170經組態以將多個第一開關信號171輸出至隔離器電路180。隔離器電路180接收多個第一開關信號171。隔離器電路180將多個第二開關信號181輸出至閘極驅動器電路190。多個第二開關信號181的波形可與多個第一開關信號171的波形相同。隔離器電路180在控制器170與閘極驅動器電路190之間提供電隔離。控制器170耦接至變壓器130的第二側。閘極驅動器電路190耦接至變壓器130的第一側。
在一些實施例中，閘極驅動器電路190耦接至隔離器電路180。閘極驅動器電路190接收多個第二開關信號181。閘極驅動器電路190將多個驅動信號S1、S2、S3、S4輸出至多個開關 Q1、Q2、Q3、Q4。多個驅動信號S1、S2、S3、S4驅動多個開關Q1、Q2、Q3、Q4。多個驅動信號S1、S2、S3、S4的波形可與多個第二開關信號181的波形相同。閘極驅動器電路190增加驅動信號S1、驅動信號S2、驅動信號S3以及驅動信號S4的功率，此為驅動多個開關Q1、Q2、Q3、Q4所必要的。
圖2A示出根據一些實施例的電力供應裝置的控制器170a的示意圖。參考圖1及圖2A，圖2A中的控制器170a可為圖1中的控制器170。在一些實施例中，控制器170a包括微分電路160、增益緩衝器173a、減法器電路171a、控制模組172a、加法器電路174a以及脈波頻率調變電路175a。微分電路160經組態以偵測輸出電流Io的變化率Io_rate，且將輸出電流Io的變化率Io_rate提供至增益緩衝器173a。
在一些實施例中，控制器170a進一步經組態以判定輸出電流Io的變化率Io_rate是否大於速率臨限值IDIFF_NO_FF，且多個第一開關信號171的開關頻率是否大於頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF。當控制器170a判定輸出電流Io的變化率Io_rate大於速率臨限值IDIFF_NO_FF，且多個第一開關信號171的開關頻率大於頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF時，控制器170a觸發增益緩衝器173a以根據輸出電流Io的變化率Io_rate產生第一調節參數f_FF。當控制器170a判定輸出電流Io的變化率Io_rate不大於速率臨限值IDIFF_NO_FF或多個第一開關信號171的開關頻率不大於頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF時，控制器170a不觸發增益緩衝器173a。由於增益緩衝器173a僅在特殊情況下觸發，故防止在正常調節及較小負載變化下增益緩衝器173a干擾控制模 組172a的操作。此外，當偵測到相對較大負載變化同時控制器170a在相對較高的頻率下操作時，觸發增益緩衝器173a以快速地調節多個第一開關信號171的開關頻率，藉此避免歸因於較大負載變化而產生的輸出電壓Vo的深度下降。
速率臨限值IDIFF_NO_FF可在轉換速率範圍中的最小輸出電流轉換速率下選擇為小於電流取樣週期與前一取樣週期之間的輸出電流Io的差。在實例中，當輸出電流Io的轉換速率範圍在0.1A/us與1A/us之間時，最小輸出電流轉換速率為0.1A/us。頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF可在速率臨限值IDIFF_NO_FF下選擇為高於控制器170a的開關頻率。
增益緩衝器173a經組態以根據輸出電流Io的變化率Io_rate產生第一調節參數f_FF。在一些實施例中，對於每一取樣週期Ts，增益緩衝器173a經組態以將輸出電流Io的變化率Io_rate與第一增益KFF相乘以產生第一調節參數f_FF。第一調節參數f_FF可為對應於輸出電流Io的變化率Io_rate的頻率變化。
在一些實施例中，第一增益KFF對應於轉換速率srx的數個取樣週期Tcycle,srx中使多個第一開關信號171的開關頻率自頻率FSW_NO_LOAD達到頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF。在一些實施例中，電力供應裝置100在第一負載情況下以頻率FSW_NO_LOAD操作，且電力供應裝置100在第二負載情況下以頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF操作。舉例而言，第一負載情況可為無負載情況或輕負載情況(亦即，0%負載或接近0%負載)，且第二負載情況可為50%負載情況或100%負載情況。當負載情況為無負載情況(亦即，0%負載)時，電力供應裝置100可以突發模 式操作。在一些實施例中，其自第一負載情況變化為第二負載情況所花費的取樣週期數目Tcycle,srx，及輸出電流的變化率Io_rate,srx可基於控制器170a的轉換速率的範圍及取樣週期Ts計算以用於轉換速率srx中的每一者。
在一些實施例中，第一增益KFF可為下文等式(2)的KFF,srx。控制器170a經組態以根據等式(2)計算用於轉換速率srx中的每一者的增益KFF,srx，其中Io_rate,srx為用於轉換速率srx的輸出電流的變化率，且Tcycle,srx為其自第一負載情況變化為第二負載情況所花費的取樣週期的數目，FSW_NO_LOAD為控制器170a在第一負載情況下的開關頻率，且MIN_FSW_NO_FF(亦稱為頻率臨限值)為控制器170a在第二負載情況下的開關頻率。
Figure 111127680-A0305-02-0017-4
在一些實施例中，第一增益KFF為對應於轉換速率範圍中的所有轉換速率的增益KFF,srx的平均值。在一些實施例中，第一增益KFF為對應輸出電流Io的變化率Io_rate的增益KFF,srx。第一增益KFF可選自使用輸出電流Io的變化率Io_rate的查找表。增益緩衝器173a可將第一調節參數f_FF輸出至加法器電路174a。
在一些實施例中，減法器電路171a經組態以計算電力供應裝置100的目標電壓Vtar與輸出電壓Vo之間的電壓差Vdif。減法器電路171a可自目標電壓Vtar減去輸出電壓Vo以產生電壓差Vdif。減法器電路171a可將電壓差Vdif提供至控制模組172a。
在一些實施例中，控制模組172a耦接至減法器電路171a。控制模組172a經組態以根據目標電壓Vtar與輸出電壓Vo之間的 電壓差Vdif產生第二調節參數f_cntl。控制模組172a將第二調節參數f_cntl輸出至加法器電路174a。
在一些實施例中，加法器電路174a耦接至增益緩衝器173a及控制模組172a。加法器電路174a經組態以將第一調節參數f_FF與第二調節參數f_cntl相加以產生第三調節參數f_reg。加法器電路174a將第三調節參數f_reg輸出至脈波頻率調變電路175a。脈波頻率調變電路175a經組態以根據第三調節參數f_reg產生多個第一開關信號171。
在一些實施例中，當控制器170a判定輸出電流Io的變化率Io_rate不大於速率臨限值IDIFF_NO_FF或多個第一開關信號171的開關頻率不大於頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF時，控制器170a不觸發增益緩衝器173a。當控制器170a不觸發增益緩衝器173a時，第三調節參數f_reg與第二調節參數f_cntl相同。
以此方式，控制器170a可根據輸出電流Io的變化率Io_rate調節多個第一開關信號171的開關頻率。
圖2B示出根據一些實施例的電力供應裝置的控制器170b的示意圖。參考圖1及圖2B，控制器170b可為圖1中的控制器170。在一些實施例中，控制器170b包括微分電路160、增益緩衝器173b、減法器電路171b、控制模組172b、加法器電路174b以及脈波頻率調變電路175b。微分電路160經組態以偵測輸出電流Io的變化率Io_rate，且將輸出電流Io的變化率Io_rate提供至增益緩衝器173b。
在一些實施例中，控制器170b經組態以判定輸出電流Io的變化率Io_rate是否大於速率臨限值IDIFF_NO_FF，且多個第一 開關信號171的開關頻率是否大於頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF。當控制器170b判定輸出電流Io的變化率Io_rate大於速率臨限值IDIFF_NO_FF，且多個第一開關信號171的開關頻率大於頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF時，控制器170b觸發增益緩衝器173b以根據輸出電流Io的變化率Io_rate產生第一調節參數Tc_FF。
在一些實施例中，頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF在數位實施中可表示為時脈週期Tclk的週期臨限值MIN_PER_NO_FF或計數臨限值Tc_PER_NO_FF。根據等式(3)計算週期臨限值MIN_PER_NO_FF。Tc_PER_NO_FF、時脈週期Tclk以及頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF之間的關係表示於等式(4)中。
MIN_PER_NO_FF=1/MIN_FSW_NO_FF (3)
Tc_PER_NO_FF*Tclk=1/MIN_FSW_NO_FF (4)
在一些實施例中，控制器170b經組態以判定輸出電流Io的變化率Io_rate是否大於速率臨限值IDIFF_NO_FF，且多個第一開關信號171的開關週期是否小於週期臨限值MIN_PER_NO_FF以觸發增益緩衝器173b。當控制器170b判定輸出電流Io的變化率Io_rate大於速率臨限值IDIFF_NO_FF，且多個第一開關信號171的開關週期小於週期臨限值MIN_PER_NO_FF時，控制器170b觸發增益緩衝器173b以根據輸出電流Io的變化率Io_rate產生第一調節參數Tc_FF。否則，當控制器170b判定輸出電流Io的變化率Io_rate不大於速率臨限值IDIFF_NO_FF或多個第一開關信號171的開關週期不小於週期臨限值MIN_PER_NO_FF時，控制器170b不觸發增益緩衝器173b。由於增益緩衝器173b僅在特殊情況下觸發，故防止在正常調節及較小負載變化下增益緩衝器173b 干擾控制模組172b的操作。此外，當偵測到相對較大負載變化同時多個第一開關信號171的開關週期相對較短時，觸發增益緩衝器173b以快速地調節多個第一開關信號171的開關週期，藉此避免歸因於較大負載變化而產生的輸出電壓Vo的深度下降。
結合圖2A描述對速率臨限值IDIFF_NO_FF的判定。因此，下文省略關於速率臨限值IDIFF_NO_FF的判定的詳細描述。此外，可基於等式(3)及等式(4)根據頻率臨限值MIN_FSW_NO_FF判定週期臨限值MIN_PER_NO_FF及計數臨限值Tc_PER_NO_FF。
在一些實施例中，對於每一取樣週期Ts，增益緩衝器173b經組態以將輸出電流Io的變化率Io_rate與第一增益KFF相乘以產生第一調節參數Tc_FF。第一調節參數Tc_FF可為對應於輸出電流Io的變化率Io_rate的週期變化(亦即，數個時脈週期Tclk的計數)。
在一些實施例中，第一增益KFF可為下文等式(5)的KFF,srx。第一增益KFF根據對應於轉換速率範圍中的每一轉換速率srx的增益KFF,srx判定。對應於每一轉換速率的增益KFF,srx根據等式(5)計算，其中Io_rate,srx為用於轉換速率srx的輸出電流的變化率，Tcycle,srx為其自第一負載情況變化為第二負載情況所花費的取樣週期的數目，Tc_PER_NO_LOAD為控制器170b在第一負載情況下的時脈週期的計數，且Tc_PER_NO_FF(亦稱為計數臨限值)為控制器170b在第二負載情況下的時脈週期的計數。
Figure 111127680-A0305-02-0020-5
在一些實施例中，第一負載情況可為無負載情況(亦即，0%負載)，且第二負載情況可為50%負載情況或100%負載情況。
在一些實施例中，第一增益KFF為對應於轉換速率範圍中的所有轉換速率的增益KFF,srx的平均值。在一些替代性實施例中，第一增益KFF為對應於輸出電流Io的變化率Io_rate的增益KFF,srx。第一增益KFF可選自使用輸出電流Io的變化率Io_rate的查找表。增益緩衝器173b可將第一調節參數Tc_FF輸出至加法器電路174b。
在一些實施例中，控制器170b的減法器電路171b類似於圖2A中的控制器170a的減法器電路171a。因此，下文省略對減法器電路171b的描述。控制模組172b耦接至減法器電路171b。控制模組172b經組態以根據目標電壓Vtar與輸出電壓Vo之間的電壓差Vdif產生第二調節參數Tc_cntl。控制模組172b將第二調節參數Tc_cntl輸出至加法器電路174b。
在一些實施例中，加法器電路174b耦接至增益緩衝器173b及控制模組172b。加法器電路174b經組態以將第一調節參數Tc_FF與第二調節參數Tc_cntl相加以產生第三調節參數Tc。加法器電路174b將第三調節參數Tc輸出至脈波頻率調變電路175b。脈波頻率調變電路175b經組態以根據第三調節參數Tc產生多個第一開關信號171。
在一些實施例中，當控制器170b判定輸出電流Io的變化率Io_rate不大於速率臨限值IDIFF_NO_FF或多個第一開關信號171的開關週期不小於週期臨限值MIN_PER_NO_FF時，控制器170b不觸發增益緩衝器173b。當控制器170b不觸發增益緩衝 器173b時，第三調節參數Tc與第二調節參數Tc_cntl相同。
以此方式，控制器170b可根據輸出電流Io的變化率Io_rate調節多個第一開關信號171的開關週期。
圖3為示出根據一些實施例的電力供應裝置的操作方法的流程圖。參考圖1及圖3，電力供應裝置100可包括變壓器130，多個開關Q1、Q2、Q3、Q4，整流器電路140，電流感測電路150以及控制器170。變壓器130包括第一側及第二側。多個開關Q1、Q2、Q3、Q4耦接至變壓器130的第一側。整流器電路140耦接至變壓器130的第二側且輸出輸出電流Io。電流感測電路150耦接至整流器電路140且感測輸出電流Io。控制器170包括微分電路160及脈波頻率調變電路。微分電路160耦接至電流感測電路150。
在步驟410中，由微分電路偵測輸出電流的變化率。在步驟420中，由脈波頻率調變電路產生多個第一開關信號。在步驟430中，控制器判定輸出電流的變化率是否大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率是否大於頻率臨限值。在步驟440中，回應於判定輸出電流的變化率大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關頻率大於頻率臨限值而由控制器根據輸出電流的變化率來調節多個第一開關信號的開關頻率。
在本揭露的一些實施例中，電力供應裝置包括在每一取樣週期中偵測輸出電流的變化率的微分電路。因此，可快速地偵測負載變化或負載跳躍。舉例而言，自無負載或輕負載情況(亦即，0%負載)跳躍至重負載情況(亦即，50%負載或100%負載)的負載可由微分電路快速地偵測。微分電路可回應於輸出電流的較大轉換速率或較大負載跳躍而輸出輸出電流的較大變化率。增益緩 衝器將輸出電流的變化率乘以第一增益以產生表示多個第一開關信號的頻率變化或週期變化的第一調節參數。控制器經組態以基於每一取樣週期中的第一調節參數調節多個第一開關信號。以此方式，頻率變化或週期變化經應用以自施加負載跳躍時調節多個第一開關信號。因此，控制器並不變得飽和且可快速地調節多個第一開關信號以快速地滿足負載跳躍而不引起電力供應裝置的輸出電壓的深度下降。
此外，控制器的增益緩衝器僅在特定情況下觸發以產生第一調節參數。舉例而言，增益緩衝器在輸出電流的變化率大於速率臨限值時且在多個第一開關信號的開關頻率大於頻率臨限值時觸發。替代地，增益緩衝器在輸出電流的變化率大於速率臨限值且多個第一開關信號的開關週期小於週期臨限值時觸發。換言之，增益緩衝器僅在相對較大的負載跳躍(亦即，自無負載情況或極輕負載至50%負載情況或至100%負載情況)及多個第一開關信號的相對較高開關頻率下觸發。以此方式，防止在恆定負載調節及較小負載跳躍下微分電路干擾控制器的正常操作。此外，在一些實施例中，在不增加電力供應裝置的製造成本的情況下，微分電路及增益緩衝器可實施為控制器的韌體模組或實施於積體電路中。
儘管已詳細描述本揭露的實施例，但本揭露不限於特定實施例，且在申請專利範圍中所揭露的本揭露的範疇內，各種修改及改變是可能的。
100:電力供應裝置
110:開關電路
120:諧振電路
130:變壓器
140:整流器電路
150:電流感測電路
160:微分電路
170、170a、170b:控制器
171:第一開關信號
171a、171b:減法器電路
172a、172b:控制模組
173a、173b:增益緩衝器
174a、174b:加法器電路
175a、175b:脈波頻率調變電路
180:隔離器電路
181:第二開關信號
190:閘極驅動器電路
410、420、430、440:步驟
C0、C1、Cr:電容器
D1、D2、D3、D4:二極體
D5:第一二極體
D6:第二二極體
f_cntl、Tc_cntl:第二調節參數
f_FF、Tc_FF:第一調節參數
f_reg、Tc:第三調節參數
Io:輸出電流
Io_rate:變化率
KFF:第一增益
Lm:第二電感器
Lr:第一電感器
N1、N2、N3:繞組
N11、N12、N21、N22:連接節點
Q1:第一開關
Q2:第二開關
Q3:第三開關
Q4:第四開關
R0:電阻器
S1:第一驅動信號
S2:第二驅動信號
S3:第三驅動信號
S4:第四驅動信號
Vdc:電壓源
Vdif:電壓差
Vo:輸出電壓
Vtar:目標電壓
圖1為根據一些實施例的電力供應裝置的示意圖。
圖2A及圖2B為根據一些實施例的電力供應裝置的控制器的示意圖。
圖3為示出根據一些實施例的電力供應裝置的操作方法的流程圖。
100:電力供應裝置 110:開關電路 120:諧振電路 130:變壓器 140:整流器電路 150:電流感測電路 160:微分電路 170:控制器 171:第一開關信號 180:隔離器電路 181:第二開關信號 190:閘極驅動器電路 C0、C1、Cr:電容器 D1、D2、D3、D4:二極體 D5:第一二極體 D6:第二二極體 Io:輸出電流 Lm:第二電感器 Lr:第一電感器 N1、N2、N3:繞組 N11、N12、N21、N22:連接節點 Q1:第一開關 Q2:第二開關 Q3:第三開關 Q4:第四開關 R0:電阻器 S1:第一驅動信號 S2:第二驅動信號 S3:第三驅動信號 S4:第四驅動信號 Vdc:電壓源 Vo:輸出電壓 Vtar:目標電壓

Claims (19)

  1. 一種電力供應裝置，包括：變壓器，包括第一側及第二側；多個開關，耦接至所述變壓器的所述第一側；整流器電路，耦接至所述變壓器的所述第二側，輸出輸出電流；電流感測電路，耦接至所述整流器電路，感測所述輸出電流；控制器，耦接至所述電流感測電路，所述控制器包括：微分電路，耦接至所述電流感測電路，經組態以偵測所述輸出電流的變化率；以及脈波頻率調變電路，耦接至所述微分電路，經組態以產生多個第一開關信號；隔離器電路，耦接至所述脈波頻率調變電路；以及閘極驅動器電路，耦接至所述隔離器電路，其中所述控制器經組態以根據比較所述輸出電流的所述變化率與速率臨限值的結果以及比較所述多個第一開關信號的開關頻率與頻率臨限值的結果，以調節所述多個第一開關信號的所述開關頻率，其中所述頻率臨限值在所述速率臨限值下選擇為高於所述控制器的開關頻率，其中所述隔離器電路接收所述多個第一開關信號且將多個第二開關信號輸出至所述閘極驅動器電路，其中所述閘極驅動器電路接收所述多個第二開關信號且將多個驅動信號輸出至所述多個開關，其中所述多個第二開關信號的波形與所述多個第一開關信號 的波形相同，其中所述多個第一開關信號的波形與所述多個驅動信號的波形相同。
  2. 如請求項1所述的電力供應裝置，其中回應於判定所述輸出電流的所述變化率大於所述速率臨限值且所述多個第一開關信號的所述開關頻率大於所述頻率臨限值，所述控制器經組態以根據所述輸出電流的所述變化率調節所述多個第一開關信號的所述開關頻率。
  3. 如請求項2所述的電力供應裝置，還包括耦接至所述多個開關及所述變壓器的所述第一側的諧振電路，所述諧振電路包括電容器及電感器。
  4. 如請求項2所述的電力供應裝置，其中所述控制器還包括增益緩衝器，其中當所述控制器判定所述輸出電流的所述變化率大於所述速率臨限值且所述多個第一開關信號的所述開關頻率大於所述頻率臨限值時，所述控制器進一步經組態以觸發所述增益緩衝器以根據所述輸出電流的所述變化率產生第一調節參數。
  5. 如請求項4所述的電力供應裝置，其中所述微分電路進一步經組態以在所述電力供應裝置的每一取樣週期中偵測所述輸出電流的所述變化率，且所述微分電路進一步經組態以根據微分增益及第一取樣週期中的第一輸出電流與第二取樣週期中的第二輸出電流之間的差偵測所述輸出電流的所述變化率，其中所述第一取樣週期及所述第二取樣週期為連續取樣週期。
  6. 如請求項5所述的電力供應裝置，其中根據所述控制器中的暫存器的位元寬度判定所述微分增益。
  7. 如請求項2所述的電力供應裝置，其中所述速率臨限值小於處於所述電力供應裝置的最小輸出電流轉換速率下的第一取樣週期中的第一輸出電流與第二取樣週期中的第二輸出電流之間的差。
  8. 如請求項4所述的電力供應裝置，其中所述控制器還包括：減法器電路，經組態以計算所述電力供應裝置的目標電壓與輸出電壓之間的電壓差；控制模組，耦接至所述減法器電路，經組態以根據所述目標電壓與所述輸出電壓之間的所述電壓差產生第二調節參數；以及加法器電路，耦接至所述增益緩衝器及所述控制模組，經組態以將所述第一調節參數與所述第二調節參數相加以產生第三調節參數，其中所述脈波頻率調變電路經組態以根據所述第三調節參數產生所述多個第一開關信號。
  9. 如請求項8所述的電力供應裝置，其中所述第一調節參數為頻率變化。
  10. 如請求項8所述的電力供應裝置，其中所述第一調節參數為第一計數值，所述第一計數值為所述脈波頻率調變電路的時脈週期的第一數目，所述第二調節參數為第二計數值，所述第二計數值為所述脈波頻率調變電路的時脈週期的第二數目。
  11. 如請求項4所述的電力供應裝置，其中所述增益緩衝器經組態以將所述輸出電流的所述變化率與第一增益相乘以產生所述第一調節參數。
  12. 一種電力供應裝置的操作方法，其中所述電力供應裝置包括變壓器、多個開關、整流器電路、電流感測電路、控制器、隔離器電路以及閘極驅動器電路，所述變壓器包括第一側及第二側，所述多個開關耦接至所述變壓器的所述第一側，所述整流器電路耦接至所述變壓器的所述第二側且輸出輸出電流，所述電流感測電路耦接至所述整流器電路且感測所述輸出電流，所述控制器包括微分電路及脈波頻率調變電路，所述微分電路耦接至所述電流感測電路，所述隔離器電路耦接至所述脈波頻率調變電路，所述閘極驅動器電路耦接至所述隔離器電路，所述操作方法包括：由所述微分電路偵測所述輸出電流的變化率；由所述脈波頻率調變電路產生多個第一開關信號；由所述控制器根據比較所述輸出電流的所述變化率與速率臨限值的結果以及比較所述多個第一開關信號的開關頻率與頻率臨限值的結果，以調節所述多個第一開關信號的所述開關頻率，其中所述頻率臨限值在所述速率臨限值下選擇為高於所述控制器的開關頻率；由所述隔離器電路接收所述多個第一開關信號且將多個第二開關信號輸出至所述閘極驅動器電路；由所述閘極驅動器電路接收所述多個第二開關信號且將多個驅動信號輸出至所述多個開關，其中所述多個第二開關信號的波形與所述多個第一開關信號 的波形相同，其中所述多個第一開關信號的波形與所述多個驅動信號的波形相同。
  13. 如請求項12所述的操作方法，還包括：由所述控制器判定所述輸出電流的所述變化率是否大於所述速率臨限值且所述多個第一開關信號的所述開關頻率是否大於所述頻率臨限值，其中回應於判定所述輸出電流的所述變化率大於所述速率臨限值且所述多個第一開關信號的所述開關頻率大於所述頻率臨限值而由所述控制器執行根據所述輸出電流的所述變化率調節所述多個第一開關信號的所述開關頻率。
  14. 如請求項13所述的操作方法，其中在所述電力供應裝置的每一取樣週期中偵測所述輸出電流的所述變化率，且根據微分增益及第一取樣週期中的第一輸出電流與第二取樣週期中的第二輸出電流之間的差偵測所述輸出電流的所述變化率，其中所述第一取樣週期及所述第二取樣週期為連續取樣週期。
  15. 如請求項13所述的操作方法，其中其中所述速率臨限值小於處於所述電力供應裝置的最小輸出電流轉換速率下的第一取樣週期中的第一輸出電流與第二取樣週期中的第二輸出電流之間的差。
  16. 如請求項13所述的操作方法，還包括：計算所述電力供應裝置的目標電壓與輸出電壓之間的電壓差； 回應於判定所述輸出電流的所述變化率大於所述速率臨限值且所述多個第一開關信號的所述開關頻率大於所述頻率臨限值而根據所述輸出電流的所述變化率產生第一調節參數；根據所述目標電壓與所述輸出電壓之間的所述電壓差產生第二調節參數；藉由將所述第一調節參數與所述第二調節參數相加而產生第三調節參數；以及由所述脈波頻率調變電路根據所述第三調節參數產生所述多個第一開關信號。
  17. 如請求項16所述的操作方法，其中所述第一調節參數為頻率變化。
  18. 如請求項16所述的操作方法，其中所述第一調節參數為第一計數值，所述第一計數值為所述脈波頻率調變電路的時脈週期的第一數目，其中所述第二調節參數為第二計數值，所述第二計數值為所述脈波頻率調變電路的時脈週期的第二數目。
  19. 如請求項16所述的操作方法，其中根據所述輸出電流的所述變化率產生所述第一調節參數包括：將所述輸出電流的所述變化率與第一增益相乘以產生所述第一調節參數。
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