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TWI871751B - 具自適應調整穩壓回授補償頻寬範圍之電源供應器 - Google Patents

具自適應調整穩壓回授補償頻寬範圍之電源供應器 Download PDF

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TWI871751B
TWI871751B TW112133669A TW112133669A TWI871751B TW I871751 B TWI871751 B TW I871751B TW 112133669 A TW112133669 A TW 112133669A TW 112133669 A TW112133669 A TW 112133669A TW I871751 B TWI871751 B TW I871751B
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Abstract

電源供應器包含雜訊抑制電路、主動功率因數校正電路、主動箝位返馳式轉換電路、穩壓回授補償電路和控制電路。主動功率因數校正電路和主動箝位返馳式轉換電路將交流電壓轉換負載裝置運作所需之輸出電壓，而穩壓回授補償電路針對輸出電壓提供穩壓回授補償。主動箝位返馳式轉換電路依據電源供應器之即時輸出負載來切換運作模式，而控制電路依據主動箝位返馳式轉換電路之運作模式來控制穩壓回授補償電路之運作，進而針對不同輸出負載量來調整穩壓回授迴路之等效電容以提供相對應之穩壓回授補償頻寬範圍。

Description

具自適應調整穩壓回授補償頻寬範圍之電源供應器
本發明相關於一種電源供應器，尤指一種具自適應調整穩壓回授補償頻寬範圍之電源供應器。
電腦系統中不同組件所需的操作電壓不同，因此普遍採用電源供應器(power supply)以通過變壓、整流與濾波的方式，將交流電(AC)室內電源轉換為直流電(DC)以驅動不同零組件。隨著環保意識的抬頭，各國針對消費性電子產品、辦公設備、家電製品和外接電源供應器的節能規格都有所規範。舉例來說，美國能源之星是由美國能源部(Department of Energy)和環境保護署(EPA)共同贊助的認證計畫，其針對不同額定輸出功率之電源供應器在各狀態和不同負載操作下所消耗功率都有明確的定義及節能規格要求。
舉例來說，針對輸出功率大於70W的電源供應器和其整體系統配置，美國能源之星規範其額定功率因數(power factor)需大於0.9。因此，大功率電源供應器之設計架構通常會分為升壓型的前級電路與降壓型後級電路。大功率電源供應器之前級電路可為升壓型功率因數 校正器(boost PFC)，負責提升交流電源端之功率因數；大功率電源供應器之後級電路可採用降壓型返馳式轉換器(flyback converter)，負責將升壓型功率因數校正器輸出之高電壓(例如400V)轉為低電壓(例如19.5V)以供應筆電等負載裝置。
為了因應越來越嚴格的節能規格，電源供應器通常會設計穩壓回授補償架構以降低功耗。然而，先前技術之電源供應器只會針對最大負載率的狀況設計單一穩壓回授補償頻寬，在其它模式下運作時並無法實現低損耗最佳化。因此，需要一種具自適應調整穩壓補償頻寬範圍之電源供應器。
本發明提供一種具自適應調整穩壓補償頻寬範圍之電源供應器，用來將一交流電壓轉換成一輸出電壓以供電至一負載裝置，其包含一雜訊抑制電路、一升壓型主動功率因數校正電路、一主動箝位返馳式轉換電路、一穩壓回授補償電路和一控制電路。該雜訊抑制電路用來濾除該交流電壓中的雜訊以提供一處理後交流電壓。該升壓型主動功率因數校正電路，用來將該處理後交流電壓轉換成一直流電壓，再將該直流電壓換成一脈動直流電壓。該主動箝位返馳式轉換電路，用來將該脈動直流電壓轉換成該輸出電壓，並提供相關該輸出電壓之一偵測電壓。該穩壓回授補償電路用來選擇性地以一第一穩壓回授補償頻寬範圍或一第二穩壓回授補償頻寬範圍來對該輸出電壓進行穩壓回授補償。該控制電路用來輸出在一第一致能電位和一第一除能電位之間週期性切換的一第一控制訊號以控制該升壓型主動功率因數校正 電路之運作；輸出在一第二致能電位和一第二除能電位之間週期性切換的一第二控制訊號以控制該主動箝位返馳式轉換電路之運作；依據該偵測電壓來判斷該主動箝位返馳式轉換電路之一目前運作模式；當依據該偵測電壓判定該主動箝位返馳式轉換電路在一第一模式下運作時，控制該穩壓回授補償電路以該第一穩壓回授補償頻寬範圍來對該輸出電壓進行穩壓回授補償；以及當依據該偵測電壓判定該主動箝位返馳式轉換電路在一第二模式下運作時，控制該穩壓回授補償電路以該第二穩壓回授補償頻寬範圍來對該輸出電壓進行穩壓回授補償。其中，當該主動箝位返馳式轉換電路在該第一模式下運作時該電源供應器之一第一即時輸出負載大於當該主動箝位返馳式轉換電路在該第二模式下運作時該電源供應器之一第二即時輸出負載，且該第一穩壓回授補償頻寬範圍大於該第二穩壓回授補償頻寬範圍。
10:雜訊抑制電路
12:整流器
20:升壓型主動功率因數校正電路
30:主動箝位返馳式轉換電路
40:穩壓回授補償電路
42:發光二極體
44:光敏電晶體
50:控制電路
100:電源供應器
L1、L2:火線腳位
N1、N2:零線腳位
NP:初級側繞組和匝數
NS:次級側繞組和匝數
NX:輔助繞組和匝數
NC1-NC3:耦合電感的繞組和匝數
GND1、GND2:接地電位
FG:大地端
TR:變壓器
Q1、Q2:功率開關
Q3、Q4:輔助開關
PC:線性光耦合器
TL:穩壓器
A:穩壓器之陽極端
K:穩壓器之陰極端
R:穩壓器之參考端
CO1、CO2:儲能電容
CX:X電容
CY1、CY2:Y電容
CC:補償電容
CB:回授電容
LC1、LC2:共模電感
LX1、LX2:限制頻寬電感
LTC:耦合電感
DO1:升壓二極體
DO2:輸出二極體
D1-D4:二極體
LM1:升壓電感
LM2:激磁電感
VIN:直流電壓
VOUT:輸出電壓
VAC:交流電壓
VAC’:處理後交流電壓
VFB:回授電壓
VREF:參考電壓
VO1、VO2:脈動直流電壓
Vs:偵測電壓
Rs:偵測電阻
IC:補償電流
IFB:回授電流
IOUT:輸出電流
RO1、RO2:分壓電阻
RP:啟動電阻
Rs:偵測電阻
GD1-GD4:控制訊號
P1-P6:腳位
第1圖本發明實施例中一種具自適應調整穩壓補償頻寬範圍之電源供應器的功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例中具自適應調整穩壓補償頻寬範圍之電源供應器實作方式的示意圖。
第3A圖為本發明實施例電源供應器中主動箝位返馳式轉換電路在連續導通模式下運作時相關訊號之示意圖。
第3B圖為本發明實施例電源供應器中主動箝位返馳式轉換電路在準諧振模式下運作時相關訊號之示意圖。
第3C圖為本發明實施例電源供應器中主動箝位返馳式轉換電路在突衝 模式下運作時相關訊號之示意圖。
第4A-4C圖為本發明實施例中電源轉換器在不同運作模式下穩壓回授補償電路之等效電路示意圖。
第5圖為本發明實施例中電源轉換器針對不同運作模式所提供之穩壓補償頻寬範圍的示意圖。
第1圖本發明實施例中一種具自適應調整穩壓補償頻寬範圍之電源供應器100的功能方塊圖。電源供應器100包含一雜訊抑制電路10、一升壓型主動功率因數校正電路20、一主動箝位返馳式轉換電路30、一穩壓回授補償電路40，以及一控制電路50。雜訊抑制電路10可接收市電供應之交流電壓VAC，並過濾交流電壓VAC中的共模雜訊及/或差模雜訊，進而提供處理後交流電壓VAC’。升壓型主動功率因數校正電路20可將處理後交流電壓VAC’轉換成一脈動直流電壓VO1。主動箝位返馳式轉換電路30可將脈動直流電壓VO1轉換為輸出電壓VOUT以供電至負載裝置(未顯示於第1圖)，並提供相關輸出電壓VOUT狀態之一偵測電壓VS。穩壓回授補償電路40可偵測輸出電壓VOUT的狀態以提供相對應之一回授電壓VFB，並依據主動箝位返馳式轉換電路30之運作模式來針對輸出電壓VOUT提供穩壓回授補償。控制電路50可依據回授電壓VFB和偵測電壓VS來控制升壓型主動功率因數校正電路20、主動箝位返馳式轉換電路30、穩壓回授補償電路40之運作以進行電壓轉換和穩壓回授補償，並依據主動箝位返馳式轉換電路30之運作模式來自適應式地調整穩壓回授補償範圍以降低功耗。
第2圖為本發明實施例中電源供應器100實作方式之示意圖。雜訊抑制電路10可透過一火線腳位L1和一零線腳位N1連結至一市電供應端，以接收市電供應之交流電壓VAC，再透過一火線腳位L2和一零線腳位N2輸出處理後交流電壓VAC’。然而，雜訊抑制電路10和市電供應端之間傳輸介面之實施方式並不限定本發明之範疇。
在第2圖所示之實施例中，雜訊抑制電路10包含共模電感LC1-LC2、耦合電感LTC、X電容CX，以及Y電容CY1和CY2。耦合電感LTC包含三繞組(分別由匝數NC1-NC3來表示)，其中繞組NC1和NC3設置在磁芯之第一側，而繞組NC2設置在磁芯之第二側。在耦合電感LTC中，繞組NC1之第一端耦接至雜訊抑制電路10之第一輸入端(火線腳位L1)，而第二端耦接至雜訊抑制電路10之第一輸出端(火線腳位L2)；繞組NC2之第一端耦接至雜訊抑制電路10之第二輸入端(零線腳位N1)，而第二端耦接至雜訊抑制電路10之第二輸出端(零線腳位N2)；繞組NC3之第一端和第二端耦接至穩壓回授補償電路40。共模電感LC1之第一端耦接至耦合電感LTC中繞組NC1之第一端，而其第二端耦接至耦合電感LTC中繞組NC1之第二端。共模電感LC2之第一端耦接至耦合電感LTC中繞組NC2之第一端，而其第二端耦接至耦合電感LTC中繞組NC2之第二端。X電容CX之第一端耦接至火線腳位L1和共模電感LC1之第一端之間，而其第二端耦接至零線腳位N1和共模電感LC2之第一端之間。Y電容CY1之第一端耦接至火線腳位L2和共模電感LC1之第二端之間，而其第二端耦接至一大地端FG。Y電容CY2之第一端耦接至零線腳位N2和共模電感LC2之第二端之間，而其第二端耦接至大地端FG。
市電供應之交流電壓VAC中可能存在有差模雜訊或共模雜訊。差模雜訊泛指在頻率10KHz-30MHz之間存在於火線腳位L1和零線腳位N1之間的電壓雜訊，其並未傳導至大地端FG。共模雜訊泛指在頻率10KHz-30MHz之間經電源火線腳位L1或零線腳位N1傳導至大地端FG之電壓雜訊。在本發明中，雜訊抑制電路10可透過X電容CX來濾除交流電壓VAC中之差模雜訊，並透過Y電容CY來可濾除交流電壓VAC中之共模雜訊。在本發明中，雜訊抑制電路10另可透過共模電感LC1-LC2來濾除交流電壓VAC中之共模雜訊，而共模電感LC1-LC2之值由需濾除雜訊的頻段來決定。在一實施例中，共模電感LC1之值和共模電感LC2之值相等，以實現雜訊濾除最佳化。然而，雜訊抑制電路10之實施方式並不限定本發明之範疇。
在第2圖所示之實施例中，升壓型主動功率因數校正電路20包含一整流器12、一功率開關Q1、一升壓二極體DO1、一儲能電容CO1，以及一升壓電感LM1，可將處理後交流電壓VAC’轉換為一脈動直流電壓VO1。在本發明實施例中，整流器12可為一橋式整流器，其包含整流二極體D1-D4，耦接至火線腳位L2和共模電感N2以接收處理後交流電壓VAC’，並將處理後交流電壓VAC’轉換成一直流電壓VIN。然而，整流器12之實施方式並不限定本發明之範疇。
升壓電感LM1之第一端耦接至整流器12以接收直流電壓VIN，而第二端透過功率開關Q1選擇性地耦接至接地電位GND1，可儲存直流電壓VIN之能量。儲能電容CO1之第一端耦接至脈動直流電壓VO1，而第二端耦接至接地電位GND1，可儲存脈動直流電壓VO1之能 量。升壓二極體DO1之陽極耦接至升壓電感LM1之第二端，而陰極耦接至儲能電容CO1之第一端。功率開關Q1之第一端耦接於升壓電感LM1之第二端和升壓二極體DO1之陽極之間，第二端耦接至接地電位GND1，而控制端接收一控制訊號GD1，可依據控制訊號GD1來做高頻切換而讓升壓電感LM1進行能量儲存與能量釋放，以使輸入電流追隨輸入電壓，進而提高功率因數和降低電流諧波。
在升壓型主動功率因數校正電路20中，升壓電感LM1、升壓二極體DO1、儲能電容CO1和功率開關Q1能實現升壓目的。在市電供應交流電壓VAC的期間當功率開關Q1為導通時，升壓電感LM1之第二端會耦接至接地電位GND1，此時升壓電感LM1會因應直流電壓VIN的變化而產生感應電壓，再把電能轉換為磁能以儲存。當功率開關Q1為截止時，升壓電感LM1的接地迴路被斷開，此時會將其內存的磁能轉換為電能，讓大電流通過升壓二極體DO1來對儲能電容CO1充電。在多次快速切換功率開關Q1後，即可達到升高直流電壓VIN以提供脈動直流電壓VO1的目的。
在第2圖所示之實施例中，主動箝位返馳式轉換電路30包含一變壓器TR、一功率開關Q2、一激磁電感LM2、一儲能電容CO2、一偵測電阻Rs，以及一輸出二極體DO2。主動箝位返馳式轉換電路30可在其輸入端接收脈動直流電壓VO1，並於其輸出端提供輸出電壓VOUT。變壓器TR包含一初級側繞組(由匝數NP來表示)、一次級側繞組(由匝數NS來表示)和一輔助繞組(由匝數NX來表示)，其中輔助繞組NX設置在變壓器TR之初級側，初級側繞組NP之非打點端經由功率開關Q2選擇性 地耦接至接地電位GND1，而次級側繞組NS之打點端耦接至接地電位GND2。激磁電感LM2之第一端耦接至變壓器TR中初級側繞組NP之打點端，而第二端耦接至變壓器TR中初級側繞組NP之非打點端。功率開關Q2之第一端耦接至變壓器TR中初級側繞組NP之非打點端，第二端耦接至接地電位GND1，而控制端接收一控制訊號GD2。輸出二極體DO2之陽極耦接至變壓器TR中次級側繞組NS之非打點端，而陰極耦接至電源供應器100之輸出端(輸出電壓VOUT)。儲能電容CO2之第一端耦接至輸出二極體DO2之陰極，而第二端耦接至接地電位GND2，其中IOUT代表流經儲能電容CO2之輸出電流。偵測電阻Rs之第一端耦接至儲能電容CO2之第二端，而第二端耦接至接地電位GND2，可儲存輸出電流IOUT之能量以提供相對應之一偵測電壓Vs。
升壓型主動功率因數校正電路20所輸出之脈動直流電壓VO1為主動箝位返馳式轉換電路30之輸入電壓，功率開關Q2可依據控制訊號GD2來做高頻切換而讓激磁電感LM2進行能量儲存與能量釋放。變壓器TR可將初級側繞組NP所存對應脈動直流電壓VO1之能量感應至次級側繞組NS以提供一脈動直流電壓VO2。當輸出二極體DO2為順向偏壓時，脈動直流電壓VO2可被傳送至電源供應器100之輸出端，而儲能電容CO2可儲存次級側繞組NS之能量以供應輸出電壓VOUT；當輸出二極體DO2並非順向偏壓時時，電源供應器100之電力傳送路徑會被切斷，此時電源供應器100之輸出端無輸出(VOUT=0V)。
在第2圖所示之實施例中，穩壓回授補償電路40包含一補償電容CC、一回授電容CB、限制頻寬電感LX1-LX2、分壓電阻RO1和 RO2、一啟動電阻RP、輔助開關Q3-Q4、一線性光耦合器PC，以及一穩壓器TL。分壓電阻RO1和RO2串聯於輸出電壓VOUT和接地電位GND2之間，可在分壓電阻RO2上建立相關輸出電壓VOUT之一參考電壓VREF，其中VREF=VOUT＊RO2/(RO1+RO2)。穩壓器TL之參考端R耦接於分壓電阻RO1和RO2之間以接收參考電壓VREF，陽極端A耦接至接地電位GND2，而陰極端K耦接至線性光耦合器PC，其中VKA代表穩壓器TL陰極端K和陽極端A之間的跨壓。補償電容CC之第一端耦接至穩壓器TL之陰極端K，而其第二端耦接至穩壓器TL之參考端R。穩壓器TL可依據參考端R之狀態來調整流經陰極端K和陽極端A之補償電流IC。更詳細地說，穩壓器TL會將其參考端R接收到之參考電壓VREF和一內建基準電壓做誤差比較。當有誤差值發生時，耦接於穩壓器TL之陰極端K和參考端R之間的補償電容CC可依此調整穩壓器TL之增益，使得補償電流IC之值能反應參考電壓VREF之值，也就是能反應輸出電壓VOUT之值。
線性光耦合器PC包含一發光二極體42和一光敏電晶體44，可在變壓器TR之初級側和次級側之間進行電-光-電轉換。發光二極體42耦接於線性光耦合器PC之第一輸入端和第二輸入端之間，其陽極透過啟動電阻RP耦接至儲能電容CO2之第一端(亦即耦接至輸出電壓VOUT)，而陰極耦接至穩壓器TL之陰極端K。光敏電晶體44耦接於線性光耦合器PC之第一輸出端和第二輸出端之間，其第一端耦接於控制電路50，而第二端耦接至回授電容CB。回授電容CB之第一端耦接於光敏電晶體44之第二端，而第二端耦接於接地電位GND1。由於流經發光二極體42之補償電流IC相關輸出電壓VOUT之值，線性光耦合器PC可利用輸入側之發光二極體42來感應輸出電壓VOUT之變化量，並將相關輸出電 壓VOUT變化量之電能轉換成光能，再由輸出側之光敏電晶體44接收後轉換成一回授電流IFB，進而對回授電容CB充電以提供相對應之回授電壓VFB。
限制頻寬電感LX1之第一端透過輔助開關Q3選擇性地耦接至補償電容CC之第一端，而其第二端耦接至補償電容CC之第二端。限制頻寬電感LX2之第一端透過輔助開關Q4選擇性地耦接至限制頻寬電感LX1之第一端，而其第二端耦接至限制頻寬電感LX1之第二端。輔助開關Q3之第一端耦接至限制頻寬電感LX1之第一端，其第二端耦接至補償電容CC之第一端，而其控制端接收一控制訊號GD3。輔助開關Q4之第一端耦接至限制頻寬電感LX2之第一端，其第二端耦接至限制頻寬電感LX1之第一端，而其控制端接收一控制訊號GD4。
透過改變輔助開關Q3和Q4之狀態，本發明可調整穩壓回授補償電路40所提供穩壓回授補償迴路之等效電容值。當輔助開關Q3和Q4皆被截止時，會斷開限制頻寬電感LX1和LX2和穩壓回授補償迴路之間的連結，此時穩壓回授補償迴路之等效電容值只由補償電容CC之值來決定；當輔助開關Q3被導通而輔助開關Q4被截止時，會將限制頻寬電感LX1並聯至補償電容CC，此時穩壓回授補償迴路之等效電容值會由補償電容CC和限制頻寬電感LX1之並聯結構來決定；當輔助開關Q3和Q4皆被導通時，會將限制頻寬電感LX1和LX2並聯至補償電容CC，此時穩壓回授補償迴路之等效電容值會由補償電容CC、限制頻寬電感LX1和限制頻寬電感LX2之並聯結構來決定。
在第2圖所示之實施例中，限制頻寬電感LX1之第一端可耦接至雜訊抑制電路10中耦合電感LTC之繞組NC3的第一端，而其第二端可耦接至繞組NC3的第二端；限制頻寬電感LX2之第一端可耦接至主動箝位返馳式轉換電路30中變壓器TR之輔助繞組NX之第一端，而其第二端可耦接至輔助繞組NX之的第二端。在另一實施例中，限制頻寬電感LX1之第一端可耦接至主動箝位返馳式轉換電路30中變壓器TR之輔助繞組NX之第一端，而其第二端可耦接至輔助繞組NX之的第二端；限制頻寬電感LX2之第一端可耦接至雜訊抑制電路10中耦合電感LTC之繞組NC3的第一端，而其第二端可耦接至繞組NC3的第二端。
在第2圖所示之實施例中，控制電路50可為一微處理控制單元(microcontroller unit,MCU)，其包含腳位P1~P6，其中腳位P1用來輸出在一第一致能電位和一第一除能電位之間高頻切換之控制訊號GD1至功率開關Q1之控制端，腳位P2用來輸出在一第二致能電位和一第二除能電位之間高頻切換之控制訊號GD2至功率開關Q2之控制端，腳位P3用來輸出具一第三致能電位或一第三除能電位之控制訊號GD3至輔助開關Q3之控制端，腳位P4用來輸出具一第四致能電位或一第四除能電位控制訊號GD4至輔助開關Q4之控制端，腳位P5耦接至主動箝位返馳式轉換電路30以接收偵測電壓Vs，而腳位P6耦接至穩壓回授補償電路40以接收回授電壓VFB。
如第1圖和第2圖所示，當電源供應器100連接上市電後，雜訊抑制電路10可濾除市電供應之交流電壓VAC中的雜訊，並提供處理後交流電壓VAC’。升壓型主動功率因數校正電路20之整流器12可將處 理後交流電壓VAC’轉換成直流電壓VIN，而控制電路50會透過腳位P1輸出在第一致能電位和第一除能電位之間高頻切換之控制訊號GD1至功率開關Q1之控制端，使得功率開關Q1能在導通和截止狀態之間相對應地做高頻切換，進而讓升壓電感LM1週期性地進行能量儲存與能量釋放，以在變壓器TR的初級側提供升壓後之脈動直流電壓VO1。接著，控制電路50會透過腳位P2輸出在第二致能電位和第二除能電位之間高頻切換之控制訊號GD2至功率開關Q2之控制端，使得功率開關Q2能在導通和截止狀態之間相對應地做高頻切換，進而週期性地將變壓器TR的初級側能量感應至次級側以提供輸出電壓VOUT。同時，相關輸出電壓VOUT之輸出電流IOUT會經由偵測電阻RS流至接地電位GND2，並在偵測電阻RS上建立偵測電壓VS。控制電路50會透過腳位P5接收偵測電壓VS，進而得知輸出電流IOUT的瞬時狀態。
如前所述，穩壓回授補償電路40會透過分壓電阻RO1和RO2、回授電容CC/限制頻寬電感LX1/限制頻寬電感LX2、線性光耦合器PC和穩壓器TL監控輸出電壓VOUT的瞬時狀態，進而提供相對應之回授電壓VFB。控制電路50會透過腳位P6接收回授電壓VFB，再將回授電壓VFB與一內部三角波電壓做比較，進而以脈波寬度調變方式來調整控制訊號GD2之責任週期，進而達到穩定輸出電壓VOUT的功能。
在本發明中，主動箝位返馳式轉換電路30會依據驅動負載(未顯示於第1圖和第2圖)所需之輸出電流IOUT的瞬時電流值來切換其運作模式，而偵測電壓Vs可反應輸出電流IOUT的瞬時電流值(Vs=IOUT*Rs)。在本發明中，控制電路50會依據主動箝位返馳式轉換電路30之目前運 作模式來提供控制訊號GD3和GD4，進而針對不同輸出負載量來調整穩壓回授迴路之等效電容以提供相對應之穩壓回授補償頻寬範圍。為了說明目的，假設本發明主動箝位返馳式轉換電路30可在三種模式下運作：連續導通模式(continuous conduction mode,CCM)、準諧振模式(quasi resonant mode,QRM)和突衝模式(burst mode,BRM)。
第3A圖為本發明實施例中主動箝位返馳式轉換電路30在連續導通模式下運作時相關訊號之示意圖。在第3A圖上方所示之波形圖中，縱軸顯示了功率開關Q2之控制訊號GD2，而橫軸代表時間。在第3A圖下方所示之波形圖中，縱軸顯示了流經激磁電感之電流ILM2，而橫軸代表時間。當電源供應器100之即時輸出負載在其最大負載IOMAX的75%-100%條件下，主動箝位返馳式轉換電路30需在連續導通模式下運作，以提供具較大平均能量之輸出電壓VOUT。在連續導通模式下，流經激磁電感之電流ILM2會持續操作在大於零的狀態，且功率開關Q2的切換頻率被設計至較大的120K-165KHz。
第3B圖為本發明實施例中主動箝位返馳式轉換電路30在準諧振模式下運作時相關訊號之示意圖。在第3B圖上方所示之波形圖中，縱軸顯示了功率開關Q2之控制訊號GD2，而橫軸代表時間。在第3B圖下方所示之波形圖中，縱軸顯示了功率開關Q2之跨壓VDS(功率開關Q2之第一端和第二端之間的壓差)，而橫軸代表時間。當電源供應器100之即時輸出負載在其最大負載IOMAX的15%-75%條件下，主動箝位返馳式轉換電路30會在準諧振模式下運作以提升整體電源轉換效率。在準諧振模式下，功率開關Q2可以實現零電壓導通之柔性切換，其切換 頻率被設計至65K-100KHz。
第3C圖為本發明實施例中主動箝位返馳式轉換電路30在突衝模式下運作時相關訊號之示意圖。在第3C圖上方所示之波形圖中，縱軸顯示了正常模式下功率開關Q2之控制訊號GD2，而橫軸代表時間。在第3C圖下方所示之波形圖中，縱軸顯示了突衝模式下功率開關Q2之控制訊號GD2’，而橫軸代表時間。當電源供應器100之即時輸出負載在其最大負載IOMAX的15%以下時，主動箝位返馳式轉換電路30會在突衝模式下運作，以降低切換損耗和滿足能源效率之輕載功耗要求。在突衝模式下，功率開關Q2不會在每個週期都進行切換且降低開關責任週期，其切換頻率被設計至15KHz以下。
第4A-4C圖為本發明實施例中電源轉換器100在不同運作模式下穩壓回授補償電路40之等效電路示意圖。第5圖為本發明實施例中電源轉換器100針對不同運作模式所提供之穩壓補償頻寬範圍的示意圖。
當主動箝位返馳式轉換電路30在連續導通模式下運作時，功率開關Q2之切換頻率最大，因此所需的補償頻寬範圍相對也最大。當控制電路50依據其腳位P5接收到之偵測電壓Vs判定主動箝位返馳式轉換電路30目前是在連續導通模式下運作時，會透過其腳位P3輸出具第三除能電位之控制訊號GD3和透過其腳位P4輸出具第四除能電位之控制訊號GD4以截止輔助開關Q3和Q4。在這種情況下，穩壓回授補償電路40提供之穩壓補償路徑中僅包含單一補償電容CC(如第4A圖所示)， 亦即能將穩壓回授補償迴路之等效電容值調整到最大值，因此能提供最大補償頻寬範圍BW1(如第5圖所示)。
當主動箝位返馳式轉換電路30在突衝模式下運作時，功率開關Q2之切換頻率最小，因此所需的補償頻寬範圍相對也最小。當控制電路50依據其腳位P5接收到之偵測電壓Vs判定主動箝位返馳式轉換電路30目前是在突衝模式下運作時，會透過其腳位P3輸出具第三致能電位之控制訊號GD3以導通輔助開關Q3，並透過其腳位P4輸出具第四除能電位之控制訊號GD4以截止輔助開關Q4。在這種情況下，穩壓回授補償電路40提供之穩壓補償路徑中會包含補償電容CC和限制頻寬電感LX1的並聯組合，如第4C圖所示。限制頻寬電感LX1能抵銷補償電容CC的效應，亦即能將穩壓回授補償迴路之等效電容值調整到最小值，因此能提供最小補償頻寬範圍BW3，如第5圖所示。
當主動箝位返馳式轉換電路30在準諧振模式下運作時，功率開關Q2之切換頻率操作於中間區域，因此所需的補償頻寬範圍也可被設計至中間區域。當控制電路50依據其腳位P5接收到之偵測電壓Vs判定主動箝位返馳式轉換電路30目前是在準諧振模式下運作時，會透過其腳位P3輸出具第三致能電位之控制訊號GD3和透過其腳位P4輸出具第四致能電位之控制訊號GD4以同時導通輔助開關Q3和Q4。在這種情況下，穩壓回授補償電路40提供之穩壓補償路徑中會包含補償電容CC、限制頻寬電感LX1和限制頻寬電感LX2的並聯組合，如第4B圖所示。如相關領域具備通常知識者皆知，兩組電感相互並聯時其總電感值會降低，因此並聯之限制頻寬電感LX1和LX2能抵銷補償電容CC效應 的程度也較少，亦即能將穩壓回授補償迴路之等效電容值調整到中間值，因此能提供介於最大補償頻寬範圍BW1和最小補償頻寬範圍BW3之間的中間補償頻寬範圍BW2，如第5圖所示。
在本發明實施例中，功率開關Q1-Q2和輔助開關Q3-Q4可為金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)、雙極性接面型電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，或其它具類似功能的元件。對N型電晶體來說，致能電位為高電位，而除能電位為低電位；對P型電晶體來說，致能電位為低電位，而除能電位為高電位。然而，功率開關Q1-Q2和輔助開關Q3-Q4之種類並不限定本發明之範疇。
綜上所述，在本發明之電源供應器100中，升壓型主動功率因數校正電路20可提升交流電源端之功率因數，降壓型主動箝位返馳式轉換電路30可將升壓型主動功率因數校正電路20輸出之電壓轉換負載裝置運作所需之輸出電壓，而穩壓回授補償電路40可針對輸出電壓提供穩壓回授補償。主動箝位返馳式轉換電路30會依據電源供應器100之即時輸出負載來切換其運作模式，而控制電路50會依據主動箝位返馳式轉換電路30之目前運作模式來控制穩壓回授補償電路40之運作，進而針對不同輸出負載量來調整穩壓回授迴路之等效電容以提供相對應之穩壓回授補償頻寬範圍，因此在不同模式下皆能實現低損耗最佳化。
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。
10:雜訊抑制電路
12:整流器
20:升壓型主動功率因數校正電路
30:主動箝位返馳式轉換電路
40:穩壓回授補償電路
42:發光二極體
44:光敏電晶體
50:控制電路
100:電源供應器
L1、L2:火線腳位
N1、N2:零線腳位
NP:初級側繞組和匝數
NS:次級側繞組和匝數
NX:輔助繞組和匝數
NC1-NC3:耦合電感的繞組和匝數
GND1、GND2:接地電位
FG:大地端
TR:變壓器
Q1、Q2:功率開關
Q3、Q4:輔助開關
PC:線性光耦合器
TL:穩壓器
A:穩壓器之陽極端
K:穩壓器之陰極端
R:穩壓器之參考端
CO1、CO2:儲能電容
CX:X電容
CY1、CY2:Y電容
CC:補償電容
CB:回授電容
LC1、LC2:共模電感
LX1、LX2:限制頻寬電感
LTC:耦合電感
DO1:升壓二極體
DO2:輸出二極體
D1-D4:二極體
LM1:升壓電感
LM2:激磁電感
VIN:直流電壓
VOUT:輸出電壓
VAC:交流電壓
VAC’:處理後交流電壓
VFB:回授電壓
VREF:參考電壓
VO1、VO2:脈動直流電壓
Vs:偵測電壓
Rs:偵測電阻
IC:補償電流
IFB:回授電流
IOUT:輸出電流
RO1、RO2:分壓電阻
RP:啟動電阻
Rs:偵測電阻
GD1-GD4:控制訊號
P1-P6:腳位

Claims (9)

  1. 一種具自適應調整穩壓補償頻寬範圍之電源供應器，用來將一交流電壓轉換成一輸出電壓以供電至一負載裝置，其包含：一雜訊抑制電路，用來濾除該交流電壓中的雜訊以提供一處理後交流電壓；一升壓型主動功率因數校正電路，用來將該處理後交流電壓轉換成一直流電壓，再將該直流電壓換成一第一脈動直流電壓；一主動箝位返馳式轉換電路，用來將該第一脈動直流電壓轉換成該輸出電壓，並提供相關該輸出電壓之一偵測電壓；一穩壓回授補償電路，用來選擇性地以一第一穩壓回授補償頻寬範圍或一第二穩壓回授補償頻寬範圍來對該輸出電壓進行穩壓回授補償，且包含：一穩壓器，其包含一陰極端、一陽極端和一參考端，用來透過該參考端接收相關該輸出電壓之一參考電壓，並依據該參考電壓之狀態來調整流經該陰極端和該陽極端之一補償電流；一線性光耦合器，用來感應該補償電流之變化量，並將相關該補償電流變化量之一電能轉換成一光能，再將該光能轉換為一回授電流；一回授電容，用來儲存該回授電流之能量以提供一回授電壓至該控制電路；一補償電容，用來調整該穩壓器之增益，其包含：一第一端，耦接於該穩壓器之該陰極端；以及一第二端，耦接於該穩壓器之該參考端； 一第一限制頻寬電感，其包含：一第一端；以及一第二端，耦接於該補償電容之該第二端；以及一第一輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該第一限制頻寬電感之該第一端；一第二端，耦接於該補償電容之該第一端；以及一控制端，用來接收一第三控制訊號；以及一控制電路，用來：輸出在一第一致能電位和一第一除能電位之間週期性切換的一第一控制訊號以控制該升壓型主動功率因數校正電路之運作；輸出在一第二致能電位和一第二除能電位之間週期性切換的一第二控制訊號以控制該主動箝位返馳式轉換電路之運作；依據該偵測電壓來判斷該主動箝位返馳式轉換電路之一目前運作模式；當依據該偵測電壓判定該主動箝位返馳式轉換電路在一第一模式下運作時，輸出具一第三除能電位之該第三控制訊號以截止該第一輔助開關，進而控制該穩壓回授補償電路以該第一穩壓回授補償頻寬範圍來對該輸出電壓進行穩壓回授補償；以及當依據該偵測電壓判定該主動箝位返馳式轉換電路在一第二模式下運作時，輸出具一第三致能電位之該第三控制訊號以導通該第一輔助開關，以使該第一限制頻寬電感並聯於 該補償電容，進而控制該穩壓回授補償電路以該第二穩壓回授補償頻寬範圍來對該輸出電壓進行穩壓回授補償，其中：當該主動箝位返馳式轉換電路在該第一模式下運作時該電源供應器之一第一即時輸出負載大於當該主動箝位返馳式轉換電路在該第二模式下運作時該電源供應器之一第二即時輸出負載；且該第一穩壓回授補償頻寬範圍大於該第二穩壓回授補償頻寬範圍。
  2. 如請求項1所述之電源供應器，其中該升壓型主動功率因數校正電路包含：一整流器，用來將該處理後交流電壓轉換成該直流電壓；一升壓電感，其包含：一第一端，耦接於該整流器以接收該直流電壓；以及一第二端；一升壓二極體，其包含：一陽極，耦接於該升壓電感之該第二端；以及一陰極，耦接於該第一脈動直流電壓；一第一儲能電容，用來儲存該第一脈動直流電壓之能量，其包含：一第一端，耦接至該第一脈動直流電壓；以及一第二端，耦接至一第一接地電位；以及一第一功率開關，其包含：一第一端，耦接至該升壓電感之該第二端和該升壓二極體之該 陽極之間；一第二端，耦接至該第一接地電位；以及一控制端，耦接至該控制電路以接收該第一控制訊號。
  3. 如請求項1所述之電源供應器，其中該主動箝位返馳式轉換電路包含：一變壓器，用來將該第一脈動直流電壓之能量從一初級側感應至一次級側以提供一第二脈動直流電壓，其包含：一初級側繞組，設置在該初級側，其包含一第一打點端和一第一非打點端；以及一次級側繞組，設置在該次級側，其包含一第二打點端和一第二非打點端；一輔助繞組，設置在該初級側，其第一端耦接至該第一限制頻寬電感之該第一端，而其第二端耦接至該第一限制頻寬電感之該第二端；一激磁電感，其包含：一第一端，耦接於該第一打點端；以及一第二端，耦接於該第一非打點端；一第二功率開關，其包含：一第一端，耦接至該第一非打點端；一第二端，耦接至一第一接地電位；以及一控制端，用來接收該第二控制訊號；一第二儲能電容，用來儲存該第二脈動直流電壓之能量以供應該輸出電壓，其包含一第一端和一第二端； 一輸出二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二非打點端；以及一陰極，耦接於該第二儲能電容之該第一端；以及一偵測電阻，耦接於該第二儲能電容之該第二端和一第二接地電位之間，用來提供相關該輸出電壓之該偵測電壓。
  4. 如請求項1所述之電源供應器，其中該雜訊抑制電路包含：一第一輸入端和一第二輸入端，用來接收該交流電壓；一第一輸出端和一第二輸出端，用來輸出該處理後交流電壓；一X電容，其包含：一第一端，耦接至該第一輸入端；以及一第二端，耦接至該第二輸入端；一第一Y電容，其包含：一第一端，耦接至該第一輸出端；以及一第二端，耦接至一大地端；一第二Y電容，其包含：一第一端，耦接至該第二輸出端；以及一第二端，耦接至該大地端；一第一共模電感，其包含一第一端，耦接至該第一輸入端；以及一第二端，耦接至該第一輸出端；一第二共模電感，其包含一第一端，耦接至該第二輸入端；以及 一第二端，耦接至該第二輸出端；以及一耦合電感，其包含：一第一繞組，設置在該耦合電感之一第一側，且並聯於該第一共模電感；一第二繞組，設置在該耦合電感之一第二側，且並聯於該第二共模電感；以及一第三繞組，設置在該耦合電感之該第一側，且並聯於該第一限制頻寬電感。
  5. 如請求項1所述之電源供應器，其中：該穩壓回授補償電路另用來選擇性地以一第三穩壓回授補償頻寬範圍來對該輸出電壓進行穩壓回授補償，且另包含：一第二限制頻寬電感，其包含：一第一端；以及一第二端，耦接於該第一限制頻寬電感之該第二端；以及一第二輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該第二限制頻寬電感之該第一端；一第二端，耦接於該第一限制頻寬電感之該第一端；以及一控制端，用來接收一第四控制訊號；該控制電路另用來：當依據該偵測電壓判定該主動箝位返馳式轉換電路在一第三模式下運作時，輸出具該第三致能電位之該第三控制訊號以導通該第一輔助開關，並輸出具一第四致能電位之該第四控制訊號以導通該第二輔助開關，以使該第一限制頻寬 電感和該第二限制頻寬電感並聯於該補償電容；當該主動箝位返馳式轉換電路在該第三模式下運作時該電源供應器之一第三即時輸出負載大於該第二即時輸出負載且小於該第一即時輸出負載；且該第三穩壓回授補償頻寬範圍小於該第一穩壓回授補償頻寬範圍，且大於該第二穩壓回授補償頻寬範圍。
  6. 如請求項5所述之電源供應器，其中：該主動箝位返馳式轉換電路包含：一變壓器，用來將該第一脈動直流電壓之能量從一初級側感應至一次級側以提供一第二脈動直流電壓，其包含：一初級側繞組，設置在該初級側，其包含一第一打點端和一第一非打點端；一次級側繞組，設置在該次級側，其包含一第二打點端和一第二非打點端；以及一輔助繞組，設置在該初級側，其第一端耦接至該第一限制頻寬電感之該第一端，而其第二端耦接至該第一限制頻寬電感之該第二端；一激磁電感，其包含：一第一端，耦接於該第一打點端；以及一第二端，耦接於該第一非打點端；一第二功率開關，其包含：一第一端，耦接至該第一非打點端；一第二端，耦接至一第一接地電位；以及 一控制端，用來接收該第二控制訊號；一第二儲能電容，用來儲存該第二脈動直流電壓之能量以供應該輸出電壓，其包含一第一端和一第二端：一輸出二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二非打點端；以及一陰極，耦接於該第二儲能電容之該第一端；以及一偵測電阻，耦接於該第二儲能電容之該第二端和一第二接地電位之間，用來提供相關該輸出電壓之該偵測電壓；且該雜訊抑制電路包含：一第一輸入端和一第二輸入端，用來接收該交流電壓；一第一輸出端和一第二輸出端，用來輸出該處理後交流電壓；一X電容，其包含：一第一端，耦接至該第一輸入端；以及一第二端，耦接至該第二輸入端；一第一Y電容，其包含：一第一端，耦接至該第一輸出端；以及一第二端，耦接至一大地端；一第二Y電容，其包含：一第一端，耦接至該第二輸出端；以及一第二端，耦接至該大地端；一第一共模電感，其包含一第一端，耦接至該第一輸入端；以及一第二端，耦接至該第一輸出端；一第二共模電感，其包含 一第一端，耦接至該第二輸入端；以及一第二端，耦接至該第二輸出端；以及一耦合電感，其包含：一第一繞組，設置在該耦合電感之一第一側，且並聯於該第一共模電感；一第二繞組，設置在該耦合電感之一第二側，且並聯於該第二共模電感；以及一第三繞組，設置在該耦合電感之該第一側，且並聯於該第二限制頻寬電感。
  7. 如請求項4和6中任一項所述之電源供應器，其中：該雜訊抑制電路係用來濾除該交流電壓中的一差模雜訊或一共模雜訊；該差模雜訊係為該第一輸入端和該第二輸入端之間的電壓雜訊；且該共模雜訊係為經由該第一輸入端或該第二輸入端傳導至該大地端的電壓雜訊。
  8. 如請求項1所述之電源供應器，其中該穩壓回授補償電路另包含：一第一分壓電阻，其包含：一第一端，耦接至該輸出電壓；以及一第二端，用來輸出該參考電壓；以及一第二分壓電阻，其包含： 一第一端，耦接至該第一分壓電阻之該第二端；以及一第二端，耦接至該穩壓器之該陽極端。
  9. 如請求項1所述之電源供應器，其中該控制電路另用來依據該回授電壓之值調整該第二控制訊號之責任週期。
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