TWI890429B - 交換式電源供應器架構 - Google Patents

Abstract

一種交換式電源供應器架構，包含依序設置的一功因校正電路、一諧振轉換電路及一寬輸入範圍降壓電路。該功因校正電路基於整體架構的輸出調整對後級的輸出。該諧振轉換電路以一比較電壓值比較自身輸出電壓，該比較電壓值大於自身輸出電壓時，該諧振轉換電路的一工作頻率與一諧振頻率相同，該比較電壓值小於自身輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率大於該諧振頻率，該諧振轉換電路以一打停模式驅動。該交換式電源供應器架構工作產生的熱不集中於該功因校正電路與該諧振轉換電路，而是分散產生於所屬電路。

Description

交換式電源供應器架構

本發明提供一種交換式電源供應器架構，尤指一種廢熱不在集中產生於特定電路上的交換式電源供應器架構。

當前交換式電源供應器架構如TW201505348A、CN116885952A、CN110504847A等專利所揭。

當前交換式電源供應器架構主要包含一功因校正電路、一諧振轉換電路及一降壓電路。前述交換式電源供應器架構實施時，功率損耗主要分佈於該功因校正電路與該諧振轉換電路上，該功因校正電路的損耗主要發生在低電壓輸入高電壓輸出的情況下。該功因校正電路維持高電壓輸出的用意是為了符合該諧振轉換電路輸出調整率需求。該諧振轉換電路的損耗主要是由變壓器及同步整流產生，進一步地來說，該諧振轉換電路的輸出電壓為12V，一旦後端負載需求提高，電流將大幅增加，變壓器二次銅損將大幅增加。

承上，當前交換式電源供應器架構因損耗集中於部分電路，廢熱同樣積累於前述部分電路上，使得當前交換式電源供應器架構普遍搭配一主動式散熱件實施，透過該主動式散熱件來散熱，而無法難以運用於無風扇電源供應器上。

本發明的主要目的，在於解決當前交換式電源供應器架構廢熱集中產生於電力轉換電路上所衍生的問題。 為達上述目的，本發明提供一種交換式電源供應器架構，連接一電源並向至少一負載供應電力，該交換式電源供應器架構具有一輸出功率。該交換式電源供應器架構包含一功因校正電路、一諧振轉換電路及一寬輸入範圍降壓電路。該功因校正電路連接該電源，該功因校正電路基於目前的該輸出功率調整對後級提供的一第一輸出電壓。該諧振轉換電路為該功因校正電路後級並接受該第一輸出電壓，該諧振轉換電路向後級提供一第二輸出電壓。該諧振轉換電路以該第二輸出電壓進行回授控制，該諧振轉換電路以一判斷電壓值比較該第二輸出電壓。該判斷電壓值大於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的一工作頻率與該諧振轉換電路的一諧振頻率相同。該判斷電壓值小於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率大於該諧振頻率，該諧振轉換電路的驅動處於一打停模式(Burst Mode)。該寬輸入範圍降壓電路為該諧振轉換電路後級並接受該第二輸出電壓，該寬輸入範圍降壓電路連接該至少一負載。

一實施例中，該功因校正電路以一比較值比較該輸出功率，該比較值大於該輸出功率時，該功因校正電路令該第一輸出電壓大於該電源提供的一輸入電壓的峰值，該比較值小於該輸出功率時，該功因校正電路基於目前的該輸出功率調整該第一輸出電壓。

一實施例中，該諧振轉換電路於該比較電壓值等於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率與該諧振頻率相同。

一實施例中，該諧振轉換電路於該比較電壓值等於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率大於該諧振頻率，該諧振轉換電路的驅動處於該打停模式。

一實施例中，該諧振轉換電路於該比較電壓值等於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率介於該諧振頻率與最高工作頻率之間。

一實施例中，該寬輸入範圍降壓電路具有至少一提供該至少一負載的第三輸出電壓，該至少一第三輸出電壓的範圍為3.3伏特至12伏特。

一實施例中，該第一輸出電壓的範圍為140伏特至420伏特。

一實施例中，該第二輸出電壓的範圍為16伏特至60伏特。

一實施例中，該交換式電源供應器架構包含一為該諧振轉換電路附屬電路的第一控制電路，一為該功因校正電路附屬電路的第二控制電路，及一連接該第一控制電路與該第二控制電路的訊號隔離器。

一實施例中，該交換式電源供應器架構包含一連接該功因校正電路並接受該第一輸出電壓的返馳式轉換電路。

一實施例中，該功因校正電路基於輸入及目前的該輸出功率調整對後級提供的該第一輸出電壓。

透過本發明前述實施，相較於習用具有以下特點：本發明該功因校正電路、該諧振轉換電路及該寬輸入範圍降壓電路可根據輸出輕載或重載來調整工作，避免損耗過度其中於部分電路上，使損耗分散於各級電路，達成熱分散目的，利於應用在一高功率密度的電源供應器或一無風扇電源供應器上。

本發明詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請參閱圖1，本發明提供一種交換式電源供應器架構20，該交換式電源供應器架構20旨在解決習用架構於工作時廢熱集中產生於部份主要電路上而導致須搭配一主動式散熱元件實施的問題。本發明該交換式電源供應器架構20可應用於一高功率密度的電源供應器或一無風扇電源供應器上。該交換式電源供應器架構20連接一電源30並向至少一負載31供應電力，該交換式電源供應器架構20具有一輸出功率，該輸出功率是指該交換式電源供應器架構20當前輸出的總功率，非針對單一該負載31提供的功率。前述該電源30為交流電，該電源30具有一輸入電壓301。一實施例中，該輸入電壓301可為90伏特至264伏特。

該交換式電源供應器架構20包含一功因校正電路21、一諧振轉換電路22及一寬輸入範圍降壓電路23。該功因校正電路21連接該電源30，該功因校正電路21基於當前的該輸出功率調整對後級提供的一第一輸出電壓211，該功因校正電路21的輸出是直流電。一實施例中，該第一輸出電壓的範圍為140伏特至420伏特。一實施例中，該功因校正電路21亦可基於輸入及目前的該輸出功率調整對後級的該第一輸出電壓211。前指輸入是該功因校正電路21的輸入。

該諧振轉換電路22為該功因校正電路21的後級電路，該諧振轉換電路22為一LLC諧振轉換電路，該諧振轉換電路22接受該第一輸出電壓211，並向後級電路提供一第二輸出電壓221，該諧振轉換電路22的輸出是直流電。該諧振轉換電路22以該第二輸出電壓221進行回授控制，該諧振轉換電路22具有一比較電壓值，該比較電壓值為該諧振轉換電路22的一附屬電路基於設計參數產生，該附屬電路為驅動該諧振轉換電路22工作的部分，本文於後稱為一第一控制電路222。一實施例中，該第一控制電路222可為一類比控制晶片或一數位控制晶片實施。該比較電壓值是基於該交換式電源供應器架構20整體設計來定義，一實施例中，該比較電壓值為60伏特。承上，該諧振轉換電路22以該比較電壓值比較該第二輸出電壓221。該比較電壓值大於該第二輸出電壓221時，該諧振轉換電路22開迴路控制，令該諧振轉換電路22的一工作頻率與該諧振轉換電路22的一諧振頻率(Fo)相同，該諧振轉換電路22以最高轉換效率實施。又，該諧振頻率是基於該諧振轉換電路22設計時的參數產生。另一方面，該比較電壓值小於該第二輸出電壓221時，該諧振轉換電路22閉迴路控制，令該工作頻率大於該諧振頻率，同時間該諧振轉換電路22的驅動處於一打停模式(Burst Mode，前述打停模式又可稱突衝模式)，該諧振轉換電路22將提升輕載時的轉換效率，並穩定該第二輸出電壓221。本發明該諧振轉換電路22於高負載情況下，操作於零電壓切換(ZVS)模式下。該諧振轉換電路22的該第二輸出電壓221變動於一範圍中，可有效降低該諧振轉換電路22的一輸出電流，減少耗損及廢熱的產生。

承上，一實施例中，該第二輸出電壓221等於該比較電壓值時，該諧振轉換電路22閉迴路控制，該工作頻率大於該諧振頻率，該諧振轉換電路22的驅動處於該打停模式。本發明不以前述為唯一實施，於另一實施例中，該第二輸出電壓221等於該比較電壓值時，該諧振轉換電路22的該工作頻率與該諧振頻率(Fo)相同。再一實施例中，該第二輸出電壓221等於該比較電壓值時，該諧振轉換電路22的該工作頻率介於諧振頻率與最高工作頻率之間。

該寬輸入範圍降壓電路23為諧振轉換電路22的後級電路，該寬輸入範圍降壓電路23連接該至少一負載31。該寬輸入範圍降壓電路23接受該第二輸出電壓221，該寬輸入範圍降壓電路23對該第二輸出電壓221進行降壓後，提供至少一第三輸出電壓231，該至少一第三輸出電壓231即該交換式電源供應器架構20的輸出，該寬輸入範圍降壓電路23的輸出是直流電。該寬輸入範圍降壓電路23可基於ATX規格來設計該至少一第三輸出電壓231的電壓值。一實施例中，該至少一第三輸出電壓231的範圍為3.3伏特至12伏特。該寬輸入範圍降壓電路23的輸入電壓範圍呼應該諧振轉換電路22的該第二輸出電壓221的範圍。一實施例中，該第二輸出電壓221的範圍為16伏特至60伏特。

復請參閱圖1，一實施例中，該功因校正電路21具有一用以比較該輸出功率的比較值。該比較值與前段描述的該比較電壓值同樣是基於該交換式電源供應器架構20整體設計來定義，該比較值可為該輸出功率額定值的60%，即該比較值作為該交換式電源供應器架構處於輕載或重載的分界。該比較值為該功因校正電路21的一附屬電路基於設計參數產生，該附屬電路為控制該功因校正電路21工作的部分，本文於後稱為該第二控制電路212。一實施例中，該第二控制電路212可為一數位控制晶片實施。該比較值可為寫入該數位控制晶片的至少一執行程序來定義。該第二控制電路212透過直接或間接的方式取得該交換式電源供應器架構的該輸出功率。該功因校正電路21以該比較值比較該輸出功率，當該比較值大於該輸出功率時，即該輸出功率小於該輸出功率額定值的60%時，該功因校正電路21令該第一輸出電壓211大於該電源30提供的該輸入電壓301的峰值。更具體來說，該功因校正電路21僅使該第一輸出電壓211略大於該輸入電壓301的峰值，例如大7~10伏特。該第一輸出電壓211的峰值仍需將元件耐壓考慮進去。透過前述，可維持該功因校正電路21有效進行功率因數的調整，並同時提升轉換效率。該功因校正電路21可透過該第二控制電路212的控制來調整該第一輸出電壓211的電壓值。另一方面，該比較值小於該輸出功率時，即該輸出功率大於該輸出功率額定值的60%時，該功因校正電路21基於目前的該輸出功率調整該第一輸出電壓211。於此狀態下，該第一輸出電壓211的電壓值仍需確保一停電保持時間(Hold up time)的實施。

一實施例中，該寬輸入範圍降壓電路23除包含開關電容轉換器(Switched capacitor converter)之外，更包含一雙相三級降壓轉換器(Dual phase three-level buck converter)或一可調整混合式開關電容轉換器(Regulated hybrid Switched Capacitor Converter)。

復請參閱圖1，一實施例中，該交換式電源供應器架構20包含一連接該功因校正電路21的返馳式轉換電路24。該返馳式轉換電路24主要用於提供ATX規格中需要的常備電力(VSB)。該返馳式轉換電路24接受該第一輸出電壓211並進行電力轉換的工作，該返馳式轉換電路24不損壞的情況下只要有取得該第一輸出電壓211，均會提供前述常備電力。前述常備電力可根據實施為5伏特或12伏特。

復請參閱圖1，一實施例中，該交換式電源供應器架構20包含一連接該第一控制電路222與該第二控制電路212的訊號隔離器25。該訊號隔離器25作為該第一控制電路222與該第二控制電路212訊號傳遞的中繼者，該訊號隔離器25的實施，可簡化該交換式電源供應器架構20的佈線。

20:交換式電源供應器架構 21:功因校正電路 211:第一輸出電壓 212:第二控制電路 22:諧振轉換電路 221:第二輸出電壓 222:第一控制電路 23:寬輸入範圍降壓電路 231:第三輸出電壓 24:返馳式轉換電路 25:訊號隔離器 30:電源 301:輸入電壓 31:負載

圖1，為本發明交換式電源供應器架構的組成示意圖。

20:交換式電源供應器架構

21:功因校正電路

211:第一輸出電壓

212:第二控制電路

22:諧振轉換電路

221:第二輸出電壓

222:第一控制電路

23:寬輸入範圍降壓電路

231:第三輸出電壓

24:返馳式轉換電路

25:訊號隔離器

30:電源

301:輸入電壓

31:負載

Claims (11)

1. 一種交換式電源供應器架構，連接一電源並向至少一負載供應電力，該交換式電源供應器架構具有一輸出功率，該交換式電源供應器架構包含： 一功因校正電路，連接該電源，該功因校正電路基於目前的該輸出功率調整對後級提供的一第一輸出電壓； 一諧振轉換電路，為該功因校正電路後級並接受該第一輸出電壓，該諧振轉換電路向後級提供一第二輸出電壓，該諧振轉換電路以該第二輸出電壓進行回授控制，該諧振轉換電路以一比較電壓值比較該第二輸出電壓，該比較電壓值大於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的一工作頻率與該諧振轉換電路的一諧振頻率相同，該比較電壓值小於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率大於該諧振頻率，該諧振轉換電路的驅動處於一打停模式(Burst Mode)；及 一寬輸入範圍降壓電路，為該諧振轉換電路後級並接受該第二輸出電壓，該寬輸入範圍降壓電路連接該至少一負載。
2. 如請求項1所述的交換式電源供應器架構，其中，該功因校正電路以一比較值比較該輸出功率，該比較值大於該輸出功率時，該功因校正電路令該第一輸出電壓大於該電源提供的一輸入電壓的峰值，該比較值小於該輸出功率時，該功因校正電路基於目前的該輸出功率調整該第一輸出電壓。
3. 如請求項1所述的交換式電源供應器架構，其中，該諧振轉換電路於該比較電壓值等於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率與該諧振頻率相同。
4. 如請求項1所述的交換式電源供應器架構，其中，該諧振轉換電路於該比較電壓值等於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率大於該諧振頻率，該諧振轉換電路的驅動處於該打停模式。
5. 如請求項1所述的交換式電源供應器架構，其中，該諧振轉換電路於該比較電壓值等於該第二輸出電壓時，該諧振轉換電路的該工作頻率介於該諧振頻率與最高工作頻率之間。
6. 如請求項1所述的交換式電源供應器架構，其中，該寬輸入範圍降壓電路具有至少一提供該至少一負載的第三輸出電壓，該至少一第三輸出電壓的範圍為3.3伏特至12伏特。
7. 如請求項1至6任一項所述的交換式電源供應器架構，其中，該第一輸出電壓的範圍為140伏特至420伏特。
8. 如請求項7所述的交換式電源供應器架構，其中，該第二輸出電壓的範圍為16伏特至60伏特。
9. 如請求項8所述的交換式電源供應器架構，其中，該交換式電源供應器架構包含一為該諧振轉換電路附屬電路的第一控制電路，一為該功因校正電路附屬電路的第二控制電路，及一連接該第一控制電路與該第二控制電路的訊號隔離器。
10. 如請求項9所述的交換式電源供應器架構，其中，該交換式電源供應器架構包含一連接該功因校正電路並接受該第一輸出電壓的返馳式轉換電路。
11. 如請求項10所述的交換式電源供應器架構，其中，該功因校正電路基於輸入與目前的該輸出功率調整對後級提供的該第一輸出電壓。