TWI783868B

TWI783868B - 電力轉換系統及其操作方法

Info

Publication number: TWI783868B
Application number: TW111104496A
Authority: TW
Inventors: 林安靖; 李彥德; 黃立新
Original assignee: 大陸商艾科微電子（深圳）有限公司
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2022-11-11
Also published as: TW202333432A

Abstract

一種電力轉換系統，係與負載進行交握通訊而相應地轉換輸入電壓對負載供電，且電力轉換系統包括交流-直流轉換單元、直流-直流轉換單元、控制單元、開關組及輸出路徑。交流-直流轉換單元轉換輸入電壓為直流電壓，且直流-直流轉換單元轉換直流電壓為輸出電壓。當負載的請求電壓低於閾值電壓時，控制單元控制開關組搭接直流-直流轉換單元，以提供輸出電壓至輸出路徑。當請求電壓高於閾值電壓時，控制單元控制開關組搭接交流-直流轉換單元，以提供直流電壓至輸出路徑。

Description

電力轉換系統及其操作方法

本發明係有關一種電力轉換系統及其操作方法，尤指一種具有節省電力消耗功能之電力轉換系統及其操作方法。

由於現今越來越多電子產品問世，各種便攜式電子產品通常所適用的電源不盡相同，必需要使用特定準位的電壓供電(或充電)方能使電子產品能夠正常使用。因此，現行供電領域的技術開發中，衍伸出可以因應負載需求來調整輸出電壓的電力轉換系統。上述電力轉換系統主要適用於USB-PD(USB-Power Delivery)規範下的轉換系統，且可提供多組不同準位的電壓供應負載。其中，電力轉換系統係使用Type-C的連接埠來相應的連接同樣具有USB-PD規範的負載，以通過與負載通訊來得知負載的需求，再提供符合負載需求的電力使負載能夠正常運作(或充電)。上述電力轉換系統一般包括：第一級交流-直流轉換單元及第二級直流-直流轉換單元。交流-直流轉換單元接收市電交流電輸入電壓，且轉換輸入電壓為直流電壓。直流-直流轉換單元接收直流電壓，且轉換直流電壓為輸出電壓。

然而，因應負載需求，電力轉換系統可提供的電壓準位的範圍較廣，其通常可具有5V~20V內的多組電壓輸出。也因為在USB-PD規範下，每組電壓所對應可提供的功率大小不相同，使得在每組電壓下可提供至負載的電流也不相同。(1)在提供較高電壓準位的情況下，通常可提供的電流也相對較高。如此，會造成直流-直流轉換單元在較高電壓準位的情況下，所消耗的功率大幅度地增加；(2)若直流-直流轉換單元輸出固定較高直流電壓(例如：22V)，則當電力轉換系統輸出電壓為USB-PD規範中較低電壓準位的情況下(例如：5V)；如此直流-直流轉換單元需要將22V電壓輸入轉換為5V電壓輸出，會造成電力轉換系統整體轉換效率差。上述兩項原因，均會大幅度地增加電力轉換過程中所消耗損失的電能，無法符合節能的需求。

所以，如何設計出一種具有節省電力消耗功能之電力轉換系統及其操作方法，以節省電力轉換系統在較高電壓準位的情況下的電力之消耗，乃為本案創作人所欲行研究的一大課題。

為了解決上述問題，本發明係提供一種電力轉換系統，係轉換輸入電壓對負載供電，且電力轉換系統包括交流-直流轉換單元、直流-直流轉換單元、控制單元、開關組及輸出路徑。交流-直流轉換單元接收輸入電壓，且轉換輸入電壓為直流電壓。直流-直流轉換單元接收直流電壓，且轉換直流電壓為輸出電壓。控制單元與負載進行交握通訊，以得知負載需求的請求電壓。開關組耦接交流-直流轉換單元與直流-直流轉換單元，且輸出路徑耦接開關組與負載。當請求電壓低於閾值電壓時，控制單元控制開關組搭接直流-直流轉換單元與輸出路徑，且控制直流-直流轉換單元提供符合請求電壓的輸出電壓至輸出路徑。當請求電壓高於閾值電壓時，控制單元控制開關組搭接交流-直流轉換單元與輸出路徑，且控制交流-直流轉換單元提供符合請求電壓的直流電壓至輸出路徑。

為了解決上述問題，本發明係提供一種電力轉換系統，係轉換輸入電壓對負載供電，且電力轉換系統包括交流-直流轉換單元、直流-直流轉換單元、控制單元及輸出路徑。交流-直流轉換單元接收輸入電壓，且轉換輸入電壓為直流電壓。直流-直流轉換單元接收直流電壓，且轉換直流電壓為輸出電壓。控制單元與負載進行交握通訊，以得知負載需求的請求電壓，控制單元基於交握通訊將輸出電壓由當前電壓調整至請求電壓。輸出路徑耦接該直流-直流轉換單元組與負載，且當當前電壓小於請求電壓時，控制單元先調高輸出電壓，再調高直流電壓，當當前電壓大於請求電壓時，控制單元先調低輸出電壓，再調低直流電壓。

為了解決上述問題，本發明係提供一種電力轉換系統的操作方法，係控制電力轉換系統轉換輸入電壓對負載供電，且電力轉換系統包括交流-直流轉換單元、直流-直流轉換單元、開關組及輸出路徑。電力轉換系統的操作方法包括下列步驟：(a)控制交流-直流轉換單元轉換輸入電壓為直流電壓。(b)控制直流-直流轉換單元轉換直流電壓為輸出電壓。(c)與負載進行交握通訊，以得知負載需求的請求電壓。(d)當請求電壓低於閾值電壓時，控制開關組搭接直流-直流轉換單元與輸出路徑，且控制直流-直流轉換單元提供符合請求電壓的輸出電壓至輸出路徑。(e)當請求電壓高於閾值電壓時，控制開關組搭接交流-直流轉換單元與輸出路徑，且控制交流-直流轉換單元提供符合請求電壓的直流電壓至輸出路徑。

為了解決上述問題，本發明係提供一種電力轉換系統的操作方法，係控制電力轉換系統轉換輸入電壓對負載供電，且電力轉換系統包括交流-直流轉換單元、直流-直流轉換單元、開關組及輸出路徑。操作方法包括下列步驟：(a)控制交流-直流轉換單元轉換輸入電壓為直流電壓。(b)控制直流-直流轉換單元轉換直流電壓為輸出電壓。(c)與負載進行交握通訊，以得知負載需求的請求電壓，且基於請求電壓將輸出電壓由當前電壓調整至請求電壓(d)當輸出電壓由當前電壓調整至請求電壓，且當前電壓小於請求電壓時，先調高輸出電壓，再調高直流電壓。(e)當輸出電壓由當前電壓調整至請求電壓，且當前電壓大於請求電壓時，先調低輸出電壓，再調低直流電壓。

本發明之主要目的及功效在於，在請求電壓較高時，控制單元通過控制開關組旁路直流-直流轉換單元，以改由交流-直流轉換單元提供直流電壓供應負載而達到節省電力轉換系統的電力之消耗之功效。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：

請參閱圖1為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統統之一實施例的電路方塊示意圖。電力轉換系統100係適用於USB-PD(USB-Power Delivery)規範下的轉換系統，且可提供多組不同準位的電壓供應負載200。電力轉換系統100主要係基於USB-PD相關通訊協定與負載200進行交握通訊而得知負載200所需求的電壓，再將輸入電壓Vin經過內部電力轉換後，提供符合負載200需求的電壓對負載200供電。其中，適用於USB-PD規範下的轉換系統通常可提供的電壓為5V、10V、12V、15V、20V等，不同準位的電壓。電力轉換系統100包括交流-直流轉換單元1、直流-直流轉換單元2、控制單元3、開關組4及輸出路徑5。交流-直流轉換單元1接收輸入電壓Vin，且轉換輸入電壓Vin為直流電壓Vdc。直流-直流轉換單元2接收直流電壓Vdc，且轉換直流電壓Vdc為輸出電壓Vo。控制單元3基於USB-PD相關通訊協定與負載200進行交握(Handshake)通訊Scom，以得知負載200需求的請求電壓Vr。其中，直流-直流轉換單元2例如但不限於可以為降壓式(BUCK)轉換器或升降壓轉換器，但不以此為限。此外，交流-直流轉換單元1較佳地可以為隔離型轉換器(例如但不限於，可以為返馳式、順向式等具有隔離變壓器的轉換器)。

開關組4耦接交流-直流轉換單元1的輸出端與直流-直流轉換單元2的輸出端，且輸出路徑5耦接開關組4與負載200。控制單元3基於請求電壓Vr控制開關組4的作動，以控制交流-直流轉換單元1提供直流電壓Vdc至輸出路徑5，或控制直流-直流轉換單元2提供輸出電壓Vo至輸出路徑5。具體的，控制單元3設定閾值電壓Vt，且通過交握通訊Scom得知請求電壓Vr後，判斷請求電壓Vr是否高於或低於閾值電壓Vt。控制單元3也分別耦接交流-直流轉換單元1與直流-直流轉換單元2內部的控制器(12、22)的回授端，通過控制訊號(Sc1、Sc2)調整控制器(12、22)回授端的回授電壓，使控制器(12、22)據以控制交流-直流轉換單元1與直流-直流轉換單元2相應地提供符合目前請求電壓Vr的直流電壓Vdc與輸出電壓Vo。其中，控制單元3可以為PD控制器，其主要係為微處理器(Microprocessor)的可程式化積體電路，但不以此為限。

進一步而言，由於USB-PD規範下不同準位的電壓，會有不同的電流規範。例如當請求電壓Vr在15V以下時，電力轉換系統100所設定可輸出的電流最大為3A，其可提供的功率通常在100W以下(例如但不限於，36W、60W等)。反之，當請求電壓Vr在15V以上時，電力轉換系統100所設定可輸出的電流最大為5A，其可提供的功率通常為100W。因此在電流為5A時，直流-直流轉換單元2各個功率元件所消耗的電力較大(包括電感、開關、內部控制器22等消耗)。因此，本發明之目的及功效之一在於，在請求電壓Vr較高時，通過旁路直流-直流轉換單元2，改由交流-直流轉換單元1提供直流電壓Vdc供應負載200，如此可以大幅減少電力轉換系統100轉換過程之電能消耗，自原本直流-直流轉換單元2 所消耗的較多電能，減少為5A電流流過開關組4所造成的電能損失。

具體控制方式為，控制單元3基於請求電壓Vr低於閾值電壓Vt，控制開關組4搭接直流-直流轉換單元2與輸出路徑5，且控制直流-直流轉換單元2提供符合請求電壓Vr的輸出電壓Vo至輸出路徑5。反之，控制單元3基於請求電壓Vr高於閾值電壓Vt，控制開關組4搭接交流-直流轉換單元1與輸出路徑5，且控制交流-直流轉換單元1提供符合請求電壓Vr的直流電壓Vdc至輸出路徑5。

復參閱圖1，開關組4包括第一開關單元42、第二開關單元44及第三開關單元46。第一開關單元42耦接交流-直流轉換單元1及路徑切換節點48，且第二開關單元44耦接直流-直流轉換單元2及路徑切換節點48。第三開關單元46耦接路徑切換節點48及輸出路徑5，以基於第一開關單元42與第二開關單元44的狀態，選擇性地提供輸出電壓Vo或直流電壓Vdc至輸出路徑5。具體的，控制單元3基於請求電壓Vr低於閾值電壓Vt而控制第二開關單元44與第三開關單元46導通，第一開關單元42關斷，以將輸出電壓Vo提供至輸出路徑5。反之，控制單元3基於請求電壓Vr高於閾值電壓Vt而控制第一開關單元42與第三開關單元46導通，第二開關單元44關斷，以將直流電壓Vdc提供至輸出路徑5。其中，第三開關單元46主要應用於電力轉換系統100的保護機制，其通常在電力轉換系統100運作正常時保持導通，以使電力轉換系統100持續對負載200供電。反之，當電力轉換系統100發生異常狀態時(例如但不限於，過電流過電壓等)，控制單元3關斷第三開關單元46，以對電力轉換系統100與負載200進行保護。

其中，第二開關單元44可以為二極體或開關。當第二開關單元44為二極體時，二極體基於路徑切換節點48的電壓低於輸出電壓Vo而順偏導通。此順偏導通的狀況會發生在第一開關單元42關斷，對應於應由輸出電壓Vo對負載200供電狀態。反之，二極體基於路徑切換節點48的電壓高於輸出電壓Vo而逆偏截止。由於直流-直流轉換單元2可以為降壓式轉換器，輸出電壓Vo會小於或等於直流電壓Vdc，因此此逆偏截止的狀況會發生在第一開關單元42導通，且由直流電壓Vdc對負載200供電狀態。

另外一方面，使用開關作為第二開關單元44，則較適用於直流-直流轉換單元2為升降壓式轉換器的狀況(降壓式轉換器同樣適用)。控制單元3主要需要在負載200斷電後的維持時間(Hold‑Up Time)內，控制第二開關單元44導通或關斷，以避免電力轉換系統100所提供的電力無法即時因應負載200需求的風險。具體的，控制單元3控制第一開關單元42於第二開關單元44關斷後的維持時間內導通，以使第二開關單元44關斷而不提供輸出電壓Vo後，可即時的控制直流電壓Vdc對負載200供電。反之，控制單元3控制第二開關單元44於第一開關單元42關斷後的維持時間內導通，以使第一開關單元42關斷而不提供直流電壓Vdc後，可即時的控制輸出電壓Vo對負載200供電。如此，可避免第一開關單元42與第二開關單元44同時導通而使直流電壓Vdc與輸出電壓Vo同時對負載200供電的狀況發生。

復參閱圖1，電力轉換系統100更包括放電電路6，且放電電路6耦接輸出路徑5與接地點GND。放電電路6主要係在輸出路徑5上的請求電壓Vr需要被調降時，接通輸出路徑5與接地點GND，使輸出路徑5上的請求電壓Vr能夠通過放電電路6迅速放電。具體的，控制單元3基於請求電壓Vr由當前電壓調降時，控制放電電路6接通輸出路徑5與接地點GND，使請求電壓Vr(這裡指的是輸出電壓Vo或直流電壓Vdc)可由當前電壓迅速被放電至請求電壓Vr。然後，控制單元3在請求電壓Vr調降至請求電壓Vr後，控制放電電路6斷開輸出路徑5與接地點GND，以維持請求電壓Vr。

較佳的實施方式為，放電電路6包括電阻62與第四開關單元64。電阻62耦接輸出路徑5，且第四開關單元64耦接電阻62與接地點GND，電阻62與第四開關單元64的位置可相互替換。控制單元3基於請求電壓Vr由當前電壓調降時，導通第四開關單元64，以使請求電壓Vr可由當前電壓迅速被放電至請求電壓Vr。反之，則基於請求電壓Vr係由當前電壓調升或請求電壓Vr調降至請求電壓Vr後，關斷第四開關單元64。值得一提，於本發明之一實施例中，放電電路6可獨立地設置於控制單元3之外(如圖1所示)，也可以整合於控制單元3中，以簡化實體線路體積。

請參閱圖2為本發明直流電壓與輸出電壓調整之一實施例波形示意圖，復配合參閱圖1。於圖2實施例中，當請求電壓Vr為USB-PD規範中的5V、9V、12V及15V，小於預設閾值電壓Vt 時 (例如但不限於15.5V)，第一開關單元42關斷，第二開關單元44導通，由輸出電壓Vo對負載200供電。當請求電壓Vr為本實施例所能供給的最高一階電壓，例如USB-PD規範中的20V，大於閾值電壓Vt時 (例如但不限於15.5V)，第一開關單元42導通，第二開關單元44關斷，改由直流電壓Vdc對負載200供電。如圖2所示，控制單元3可維持直流電壓Vdc與輸出電壓Vo兩者間差值在電壓差ΔV的範圍內進行電壓調整。使用此調整方法的主要原因在於，控制單元3針對電力轉換系統100通常具有二種保護機制，其中之一為閘鎖關斷(latched off)，在電力轉換系統100觸發保護機制後即被鎖定，必須要重啟(例如但不限於斷電)後能恢復正常運作。另一種為自動回復(auto-recovery)，在電力轉換系統100觸發保護機制後，在不需要重啟的條件下，等待一小段時間即自動恢復。基於二者的差異，閘鎖關斷的保護機制通常設計簡單，保護較為周延且成本也相對便宜。而圖2之電壓調整方法主要係應用於保護機制為閘鎖關斷的電力轉換系統100。其原因在於，輸出電壓Vo經調整後，會使直流電壓Vdc與輸出電壓Vo兩者間差值改變。若是過電壓(Over Voltage Protection, OVP)與欠電壓(Under Voltage Protection, UVP)保護點位仍然基於輸出電壓Vo的電壓大小來設置，且輸出電壓Vo與直流電壓Vdc兩者間差值過大的情況下，會使得電力轉換系統100發生過電壓或欠電壓的狀況而進入閘鎖關斷而被鎖定，而中止輸出電能給負載200。如此，則必須要重啟電力轉換系統100才能恢復正常操作。

因此，為避免發生輸出電壓Vo與直流電壓Vdc兩者間差值過大的情況，控制單元3係維持直流電壓Vdc與輸出電壓Vo兩者間差值在電壓差ΔV的範圍內進行電壓調整。當控制單元3基於請求電壓Vr由當前電壓調整至請求電壓Vr (例如但不限於，由5V調整至15V)，且當前電壓與請求電壓Vr差距超過電壓差ΔV(例如但不限於4.5V)的範圍時，控制單元3分階段調整直流電壓Vdc與輸出電壓Vo。在圖2中，電力轉換系統100順利啟動後，輸出電壓Vo為5V的默認電壓(即開機後的預設值為5V)，且直流電壓Vdc基於5V的默認電壓疊加電壓差ΔV(例如但不限於4.5V)而為9.5V。

假設，當控制單元3基於請求電壓Vr由當前電壓5V調整至20V的請求電壓Vr時，控制單元3判斷當前電壓與請求電壓Vr差距超過4.5V的範圍而執行分階段調高的步驟。因此，控制單元3先通過提供控制訊號Sc2控制直流-直流轉換單元2調高輸出電壓Vo為9V，再通過提供控制訊號Sc1控制交流-直流轉換單元1調高直流電壓Vdc為13.5V。此後，依序步階調高輸出電壓Vo為12V、15V、20V，且直流電壓Vdc也基於輸出電壓的調高，依序步階調高為16.5V、19.5V、20V。

其中，由於電力轉換系統100在請求電壓Vr為15V以上係由交流-直流轉換單元1供電，因此最後一階調整的直流電壓Vdc僅由19.5V調整至20V，其電壓差ΔV仍然在4.5V的範圍以內。反之，控制單元3執行分階段調低的步驟相似於分階段調高的步驟，在此不再加以贅述。另外一方面，由於輸出電壓Vo在5V、9V、12V、15V時，直流電壓Vdc與其差距在固定的電壓差ΔV(即4.5V)。因此，在輸出電壓Vo未調整前，且輸出電壓Vo於預定電壓範圍內(即5V至15V內)，輸出電壓Vo與直流電壓Vdc保持在固定的電壓差ΔV(例如：4.5V)。在此範圍內，輸出電壓Vo無論調升或調降，直流電壓Vdc皆會隨之保持固定的電壓差ΔV，如此直流-直流轉換單元輸入電壓與輸出電壓間電壓差距保持小於電壓差ΔV，可使直流-直流轉換單元保持較佳轉換效率，減少電力轉換過程中所消耗損失的電能。其中，預定電壓範圍可以解釋為閾值電壓Vt以下的某個特定範圍，可依實際系統設計，選擇預定電壓範圍的大小。

特此說明的是，輸出電壓Vo、直流電壓Vdc、請求電壓Vr及閾值電壓Vt具有相對應的關係。請求電壓Vr係為控制單元3通過與負載200進行交握通訊Scom而得知，且在負載200需求改變時，係相應的得知請求電壓Vr。控制單元3通過電力轉換系統100自我的偵測，可以知道輸出路徑5上的當前電壓(也可得知輸出電壓Vo與直流電壓Vdc的大小)。當前電壓若高於控制單元3設定的閾值電壓Vt，則當前電壓係指直流電壓Vdc，反之則為輸出電壓Vo。控制單元3控制開關組4的依據，主要係比較輸出電壓Vo與閾值電壓Vt。另外一方面，由圖2可以看出，在輸出電壓Vo高於閾值電壓Vt時，輸出電壓Vo與直流電壓Vdc的準位盡乎相同，但直流-直流轉換單元2由於不提供電流(因為此時第二開關單元44關斷)，因此功率消耗也相對較低。

請參閱圖3A為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統之一變型實施例的電路方塊示意圖，復配合參閱圖1~2。電力轉換系統100’主要特色在於，包括了圖2的分階段調整直流電壓Vdc與輸出電壓Vo的功能。在當前電壓小於請求電壓Vr時，控制單元3先調高輸出電壓Vo，再調高直流電壓Vdc，反之控制單元3先調低輸出電壓Vo，再調低直流電壓Vdc。具體地，在輸出電壓Vo未調整前，且輸出電壓Vo於預定電壓範圍(例如但不限於5V至15V)內，輸出電壓Vo與直流電壓Vdc間具有電壓差ΔV(例如但不限於4.5V)。

當於預定範圍內，且當前電壓小於請求電壓Vr時(例如5V欲調高至9V)，控制單元3先調高輸出電壓Vo第二預定電壓(由5V調高4V的預定電壓至9V)，再調高直流電壓Vdc第二預定電壓(由9.5V調高4V的預定電壓至13.5V)。反之輸出電壓Vo的調低動作亦是如此，在此不再加以贅述。如此，在電力轉換系統100為閘鎖關斷(latched off)保護機制下，不會使輸出電壓Vo和直流電壓Vdc在調整的過程中，因調整幅度過大而觸發過電壓或欠電壓的保護，避免電力轉換系統100不是在真正需要保護的情況下，誤觸發保護而失效的狀況。其中，第三開關單元46可以存在，使電力轉換系統100仍具有異常保護的功能。

請參閱圖3B為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統之另一變型實施例的電路方塊示意圖，復配合參閱圖1~3A。電力轉換系統100’’主要特色在於，開關組4’為三端點開關。控制單元3基於請求電壓Vr低於閾值電壓Vt而控制開關組4’搭接直流-直流轉換單元2與輸出路徑5，以將輸出電壓Vo提供至輸出路徑5。反之，控制單元3基於請求電壓Vr高於閾值電壓Vt而控制開關組4’搭接交流-直流轉換單元1與輸出路徑5，以將直流電壓Vdc提供至輸出路徑5。

請參閱圖4為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統之操作方法流程圖，復配合參閱圖1~3B。電力轉換系統100包括交流-直流轉換單元1、直流-直流轉換單元2、開關組4及輸出路徑5，且操作方法包括輸出電壓調整階段(S100)與直流電壓調整階段(S200)。在步驟(S100)中，係基於請求電壓Vr調整輸出電壓Vo，使輸出電壓Vo朝請求電壓Vr方向逼近(例如由5V調整一個步階至9V)。在此階段調整完成後，係進入步驟(S200)而基於調整後的輸出電壓Vo(例如9V)來調整直流電壓Vdc(例如由9.5V調整至13.5V=9V+4.5V)。當輸出電壓Vo尚未調整至請求電壓Vr時(例如請求電壓Vr為15V)，則再返回步驟(S100)進行下一階段的持續調整，直到調整至請求電壓Vr。

請參閱圖5A為步驟S100的第一實施例的細部流程圖，復配合參閱圖1~4。步驟S100的細部動作包括：

步驟S300：判斷請求電壓Vr是否改變而觸發需調整觸發輸出電壓Vo，控制單元3通過交握通訊Scom得知是否要基於請求電壓Vr的目標值而需要調整輸出電壓Vo。當判斷結果為是時，則進入步驟(S320)。當判斷結過為否時，則直接進入步驟S200。當判斷結果為否時，則直接進入步驟S200。例如：當調降前後的請求電壓Vr均大於閾值電壓Vt時(例如但不限於，由25V調整至20V)，調整前後都是由交流-直流轉換單元1輸出的直流電壓Vdc對負載200供電，如此判定無需調整輸出電壓Vo，可直接進入步驟S200。

步驟S320：設定直流-直流轉換單元2的輸出電壓Vo調整為請求電壓。

步驟S340：判斷步驟S320中的輸出電壓Vo是否被升壓(S340)。當判斷結果為是時，則進入步驟(S200)。當判斷結果為否時，則進入步驟(S360)。

步驟S360：確認第一開關單元的狀態是否正確，如此對輸出路徑5放電一預設放電時段，以使輸出電壓Vo降低為請求電壓Vr。當預設放電時段未結束前，控制第一開關單元42關斷，以加速降低輸出電壓Vo，並減少無謂電能損耗。當放電時段結束時，調降後的輸出電壓Vo係小於閾值電壓Vt，故控制單元3必須控制第一開關單元42關斷，以避免較高的直流電壓Vdc被提供至輸出路徑5。

步驟S380：確認放電電路的狀態是否正確(S380)。當欲使輸出電壓Vo調降時，控制單元3必須控制放電電路6接通輸出路徑5與接地點GND而對輸出電壓Vo放電預設放電時段，使輸出電壓Vo可由當前電壓迅速被放電至請求電壓Vr。當預設放電時段結束後，控制單元3必須控制放電電路6關斷，以使輸出路徑5與接地點GND隔離，進入步驟(S200)。

值得一提，於本發明之一實施例中，圖5A之流程圖主要係適用於電力轉換系統100為自動回復(auto-recovery)的保護機制。當輸出電壓Vo由當前電壓直接調降至請求電壓Vr (例如但不限於由20V調整至5V)而觸發過電壓或欠電壓保護時，為輸出電壓Vo調整期間的暫態現象。待觸發保護後的一小段時間自動由保護狀態回復時，輸出電壓Vo已調整至請求電壓Vr，仍可對負載200正常地供電。

請參閱圖5B為步驟S100的第二實施例的細部流程圖，復配合參閱圖1~4。在本實施例的流程圖與圖5A的流程圖差異在於，圖5A的步驟(S320)替換為，設定輸出電壓Vo往請求電壓方向調整一階至中繼電壓(S320’)。此調整方式主要係應用圖2所示的步階調整方式，主要係適用於電力轉換系統100為閘鎖關斷(latched off)的保護機制。在輸出電壓Vo調整的步驟中，輸出電壓Vo一次僅調整一階，待圖4的步驟(S100)至(S200)流程結束後，在下一次的迴圈進一步地再調整一階的輸出電壓Vo。如此，即可避免輸出電壓Vo由當前電壓直接調整至請求電壓Vr (例如但不限於：由5V直接調整至20V，或由20V直接調整至5V)而觸發過電壓或欠電壓保護的狀況，避免輸出電壓Vo調整期間的暫態信號誤觸發保護機制。

請參閱圖6A為步驟S200的第一實施例的細部流程圖，復配合參閱圖1~5B。其中，圖6A主要係進行直流電壓Vdc的調整步驟。因為直流電壓Vdc的調整係因應輸出電壓Vo的調整方式而定，因此圖6A的直流電壓Vdc調整方式可基於圖5A~5B的精神，做相應的微調(即直接調整或步階調整)。具體地，在輸出電壓Vo調整流程結束後，進入步驟(S200)。步驟S200包含下列步驟：

步驟S300：判斷直流電壓Vdc是否需要升壓。當判斷結果為是時，則進入步驟S420直流電壓Vdc升壓調整步驟；當判斷結果為是時，則進入步驟S700直流電壓Vdc放電降壓調整步驟。

步驟S420：判斷是否(1)當前直流電壓Vdc低於閾值電壓，且(2)請求電壓Vr高於閾值電壓。當(1)與(2)判斷結果均為是時，則進入步驟S440~540升壓且電力轉換系統100需要從輸出電壓Vo供電轉換為直流電壓Vdc供電步驟。如此，則必須要在使用直流電壓Vdc對負載200供電前，進行直流電壓Vdc之微調動作，以避免直流電壓Vdc調整時，誤觸過電壓保護的狀況。

步驟S440：確認第一開關單元的狀態是否正確(S440)。在路徑切換節點48電壓低於閾值電壓Vt的狀況，不會使用直流電壓Vdc對負載200供電，第一開關單元42需要關斷，以避免直流電壓Vdc被提供至輸出路徑5。反之，在路徑切換節點48電壓高於閾值電壓Vt的狀況，需使用直流電壓Vdc對負載200供電，第一開關單元42需要導通。

步驟S460：將直流電壓Vdc調升至閾值電壓(例如但不限於15.5V)。先將直流電壓Vdc調整至閾值電壓Vt而不繼續上調的原因在於，若直接地將直流電壓Vdc調整至高於閾值電壓Vt的請求電壓Vr (例如但不限於20V)，則可能會超過直流-直流轉換單元2輸出電壓Vo為20V時的過電壓保護(OVP)點位的限制，尤其是上調時會有電壓過衝的暫態現象，非常容易誤觸過電壓保護，導致直流-直流轉換單元2閘鎖關斷而停止對控制單元3供電，導致控制單元3失能。

步驟S480：將直流-直流轉換單元2輸出電壓Vo為20V時的過電壓保護設定點位額外再疊加上第一預定電壓(例如但不限於4V~8V)，以避免電壓調整過程錯誤觸發過電壓保護機制。由於在將直流電壓Vdc調整至高於閾值電壓Vt的的請求電壓Vr (例如但不限於20V)過程中，於電壓調高的上升緣(可配合參閱圖2)，會有過衝(overshoot)的現象(下降緣亦是如此)。然而，若以輸出電壓Vo為20V作為過電壓保護點的設計(通常設計在輸出電壓Vo的1.2倍電壓)，亦即當過衝電壓高於24V時，可能會觸發過電壓保護機制。因此，本步驟係將過電壓保護設定為直流-直流轉換單元2可接受的最高請求電壓(例如但不限於20V)疊加上第一預定電壓。

步驟S500：將直流電壓Vdc調升至閾值電壓(例如但不限於15.5V)與請求電壓(例如但不限於20V)之間。此步驟主要係為了降低過衝的幅度，以降低誤觸過電壓保護的風險。具體地，直流電壓Vdc調升的幅度越高，則相對的過衝的幅度也越高(輸出電壓Vo亦是如此)。因此若請求電壓Vr係由低於閾值電壓Vt的當前電壓提高至高於閾值電壓Vt的請求電壓Vr時，通常其電壓調升的幅度相對較高。為避免此調整造成過高的過衝，控制單元3係將直流電壓Vdc由當前電壓調整至中繼電壓(例如但不限於17.5V)。其中，中繼電壓主要係介於閾值電壓Vt與請求電壓Vr之間，且可依照實際電路上，過衝的高低程度進行合理的設計。值得一提，於本發明之一實施例中，若不考慮過衝的狀況或過衝較低的狀況，則可以省略此步驟。

步驟S520：導通第一開關單元。當直流電壓Vdc調升至中繼電壓後，中繼電壓大致上已可以滿足負載200的需求，因此可以先行導通第一開關單元42，以提供直流電壓Vdc對負載200供電。另外一方面，第二開關單元44可依據其實施類型(二極體或開關)做相應的控制。

步驟S540：將直流電壓調升至請求電壓Vr。於第一開關單元42導通後，控制單元3控制交流-直流轉換單元1繼續調升直流電壓Vdc，直到直流電壓Vdc為請求電壓Vr而滿足負載200的需求。

復參閱圖6A，在步驟(S400) 判斷為否時，會進入步驟(S700)確認第一開關單元的狀態是否正確；在步驟(S420)判斷為否時，會進入步驟(S600)確認第一開關單元的狀態是否正確。步驟(S600)、(S700)同樣也是確認第一開關單元42需正確的導通或關斷。第一開關單元42導通或關斷的控制思維，可參閱圖4~6的內文與步驟(S440)相關敘述，在此不再加以贅述。

步驟S620：在步驟(S600)確認完成後，將直流電壓調升至(1)請求電壓加上第二預定電壓或(2)請求電壓。針對(1)情形，配合參閱圖2，係指在輸出電壓Vo調升前後皆是閾值電壓Vt以下的準位(例如但不限於9V調整至12V)，但未調升至高於閾值電壓Vt的情況下，代表電力轉換系統100在調升前後均是由輸出電壓Vo對負載200供電。因此，直流電壓Vdc因應輸出電壓Vo的調升而調升至請求電壓Vr(即為輸出電壓Vo)加上第二預定電壓(例如4.5V)的準位。針對(2)情形，係指當閾值電壓Vt上有超過一組的可設定輸出電壓準位，則直流電壓Vdc調升前後可能皆是閾值電壓Vt以上的準位(例如但不限於18V調整至20V)。如此，電力轉換系統100在調升前後均是由直流電壓Vdc對負載200供電，且調升壓差有限。因此，在此狀況下，則直接將直流電壓Vdc調升至請求電壓Vr即可。

步驟S720：在步驟(S700)確認完成後，直流電壓的調降具有三種可能性。一種為調降前後，直流電壓Vdc均在閾值電壓Vt以上；另一種為調降前後，直流電壓Vdc均在閾值電壓Vt以下；最後一種則為直流電壓Vdc由高於閾值電壓Vt調至低於閾值電壓Vt。無論是哪一種調降方式，皆須確認放電電路的狀態是否正確。具體地，無論是上述哪一種調降方式，放電電路6皆必須要接通輸出路徑5與接地點GND，如此對輸出路徑5放電一預設放電時段，以使路徑切換節點48電壓降低，使直流電壓Vdc可由當前電壓迅速被放電逼近請求電壓Vr。待預設放電時段結束或放電至請求電壓Vr後，控制單元3控制放電電路6斷開輸出路徑5與接地點GND。

步驟S740：將直流電壓調降至請求電壓或調降至請求電壓加上第二預定電壓。相似於步驟(S620)，直流電壓Vdc的調降係基於輸出電壓Vo的調降而決定，且以閾值電壓Vt作為分隔。當調降後直流電壓Vdc是在閾值電壓Vt以下，直流電壓Vdc會調降至請求電壓Vr加上第二預定電壓，反之則直流電壓Vdc會調降至請求電壓Vr。

請參閱圖6B為步驟S200的第二實施例的細部流程圖，復配合參閱圖1~5B。在本實施例的流程圖與圖6A的流程圖差異在於：

i. 圖6A的步驟S620替換為步驟S620'：設定直流電壓Vdc往(1)請求電壓加上第二預定電壓或(2)請求電壓兩者的方向調升一階至另一中繼電壓。

ii. 圖6A的步驟S740替換為步驟S740'：設定直流電壓Vdc往(1)請求電壓加上第二預定電壓或(2)請求電壓兩者的方向調降一階至另一中繼電壓。

iii. 圖6A的步驟S420替換為步驟S420'：判斷是否(1)當前直流電壓Vdc是 "低於閾值電壓(例如但不限於15.5V)的最高一階電壓輸出"(例如但不限於15V)，且(2)請求電壓Vr高於閾值電壓。當(1)與(2)判斷結果均為是時，則進入步驟S440~540升壓且電力轉換系統100需要從輸出電壓Vo供電轉換為直流電壓Vdc供電步驟。

此調整方式主要係應用圖2所示的步階調整方式，在直流電壓Vdc調整的步驟中，直流電壓Vdc一次僅調整一階，待圖4的步驟(S100)至(S200)流程結束後，在下一次的迴圈進一步地再調整一階的直流電壓Vdc。如此，可避免直流電壓Vdc調整電壓差值過大而觸發過電壓或欠電壓保護的狀況，避免直流電壓Vdc調整期間的暫態信號誤觸發保護機制。

惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

100、100’、100’’:電力轉換系統 1:交流-直流轉換單元 2:直流-直流轉換單元 12、22:控制器 3:控制單元 4、4’:開關組 42:第一開關單元 44:第二開關單元 46:第三開關單元 48:路徑切換節點 5:輸出路徑 6:放電電路 62:電阻 64:第四開關單元 GND:接地點 200:負載 Vin:輸入電壓 Vdc:直流電壓 Vo:輸出電壓 Vr:請求電壓 Vt:閾值電壓 ΔV:電壓差 Scom:交握通訊 Sc1、Sc2:控制訊號

圖1為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統統之一實施例的電路方塊示意圖；

圖2為本發明直流電壓與輸出電壓調整之一實施例波形示意圖；

圖3A為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統之一變型實施例的電路方塊示意圖；

圖3B為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統之另一變型實施例的電路方塊示意圖；

圖4為本發明具有節省電力消耗功能之電力轉換系統之操作方法流程圖；

圖5A為步驟S100的第一實施例的細部流程圖；

圖5B為步驟S100的第二實施例的細部流程圖；

圖6A為步驟S200的第一實施例的細部流程圖；及

圖6B為步驟S200的第二實施例的細部流程圖。

100:電力轉換系統

1:交流-直流轉換單元

2:直流-直流轉換單元

12、22:控制器

3:控制單元

4:開關組

42:第一開關單元

44:第二開關單元

46:第三開關單元

48:路徑切換節點

5:輸出路徑

6:放電電路

62:電阻

64:第四開關單元

GND:接地點

200:負載

Vin:輸入電壓

Vdc:直流電壓

Vo:輸出電壓

Vr:請求電壓

Vt:閾值電壓

Scom:交握通訊

Sc1、Sc2:控制訊號

Claims

一種電力轉換系統，係轉換一輸入電壓對一負載供電，且該電力轉換系統包括：一交流-直流轉換單元，接收該輸入電壓，且轉換該輸入電壓為一直流電壓；一直流-直流轉換單元，接收該直流電壓，且轉換該直流電壓為一輸出電壓；一控制單元，與該負載進行一交握通訊，以得知該負載需求的一請求電壓；一開關組，耦接該交流-直流轉換單元與該直流-直流轉換單元；一輸出路徑，耦接該開關組與該負載；其中，當該請求電壓低於一閾值電壓時，該控制單元控制該開關組搭接該直流-直流轉換單元與該輸出路徑，且控制該直流-直流轉換單元提供符合該請求電壓的該輸出電壓至該輸出路徑；當該請求電壓高於該閾值電壓時，該控制單元控制該開關組搭接該交流-直流轉換單元與該輸出路徑，且控制該交流-直流轉換單元提供符合該請求電壓的該直流電壓至該輸出路徑。
如請求項1所述之電力轉換系統，其中該控制單元維持該直流電壓與該輸出電壓兩者間差值在一電壓差的範圍內，當該控制單元基於該請求電壓由一當前電壓調整至一請求電壓，且該當前電壓與該請求電壓差距超過該電壓差的範圍時，分階段調整該直流電壓與該輸出電壓。
如請求項2所述之電力轉換系統，其中當該當前電壓小於該請求電壓時，該控制單元先調高該輸出電壓，再調高該直流電壓；當該當前電壓大於該請求電壓時，該控制單元先調低該輸出電壓，再調低該直流電壓。
如請求項1所述之電力轉換系統，其中該開關組包括：一第一開關單元，耦接該交流-直流轉換單元及一路徑切換節點；一第二開關單元，耦接該直流-直流轉換單元及該路徑切換節點；及一第三開關單元，耦接該路徑切換節點及該輸出路徑；其中，該控制單元基於該請求電壓低於該閾值電壓而控制該第二開關單元與該第三開關單元導通，且基於該請求電壓高於該閾值電壓而控制該第一開關單元與該第三開關單元導通。
如請求項4所述之電力轉換系統，其中當該請求電壓由低於該閾值電壓的一當前電壓提高至高於該閾值電壓時，該控制單元將該直流電壓由該當前電壓調整至一中繼電壓後，控制該第一開關單元導通，且於該第一開關單元導通後，將該直流電壓由該中繼電壓調整至該請求電壓。
如請求項5所述之電力轉換系統，其中該控制單元將該直流-直流轉換單元的一過電壓保護閾值設定在一最高請求電壓疊加一第一預定電壓後，再將該直流電壓由該當前電壓調整至該中繼電壓。
如請求項4所述之電力轉換系統，其中當該請求電壓由一當前電壓調降至低於該閾值電壓時，該控制單元控制該第一開關單元關斷，且將該輸出電壓由該當前電壓調整至該請求電壓。
如請求項4所述之電力轉換系統，其中該第二開關單元為一二極體，該二極體基於該路徑切換節點的電壓低於該輸出電壓而順偏導通，且基於該路徑切換節點的電壓高於該輸出電壓而逆偏截止。
如請求項4所述之電力轉換系統，其中該控制單元控制該第二開關單元於該第一開關單元導通前的一維持時間內關斷，且控制該第二開關單元於該第一開關單元關斷後的該維持時間內導通。
如請求項4所述之電力轉換系統，其中該控制單元基於該電力轉換系統發生一異常狀態而關斷該第三開關單元。
如請求項1所述之電力轉換系統，更包括：一放電電路，耦接該輸出路徑與一接地點；其中，該控制單元基於該請求電壓由一當前電壓調降時，控制該放電電路接通該輸出路徑與該接地點，且基於該請求電壓調降後，控制該放電電路斷開該輸出路徑與該接地點。
如請求項11所述之電力轉換系統，其中該放電電路包括：一電阻，耦接該輸出路徑；及一第四開關單元，耦接該電阻與該接地點；其中，該控制單元基於該請求電壓由該當前電壓調降時，導通該第四開關單元，且基於該請求電壓調降後，關斷該第四開關單元。
一種電力轉換系統，係轉換一輸入電壓對一負載供電，且該電力轉換系統包括：一交流-直流轉換單元，接收該輸入電壓，且轉換該輸入電壓為一直流電壓；一直流-直流轉換單元，接收該直流電壓，且轉換該直流電壓為一輸出電壓；一控制單元，與該負載進行一交握通訊，以得知該負載需求的一請求電壓，該控制單元基於該交握通訊將該輸出電壓由一當前電壓調整至該請求電壓；一輸出路徑，耦接該直流-直流轉換單元組與該負載；其中，當該當前電壓小於該請求電壓時，該控制單元先調高該輸出電壓，再調高該直流電壓；及其中，當該當前電壓大於該請求電壓時，該控制單元先調低該輸出電壓，再調低該直流電壓。
如請求項13所述之電力轉換系統，其中於該輸出電壓未調整前，且該輸出電壓於一預定電壓範圍內，該輸出電壓與該直流電壓間具有一電壓差；當於該預定範圍內，且該當前電壓小於該請求電壓時，該控制單元先調高該輸出電壓一第二預定電壓，再調高該直流電壓該第二預定電壓，以維持該電壓差。
如請求項13所述之電力轉換系統，其中於該輸出電壓未調整前，且該輸出電壓於一預定電壓範圍內，該輸出電壓與該直流電壓間具有一電壓差；當於該預定範圍內，且該當前電壓大於該請求電壓時，該控制單元先調低該輸出電壓一第二預定電壓，再調低該直流電壓該第二預定電壓，以維持該電壓差。
一種電力轉換系統的操作方法，係控制該電力轉換系統轉換一輸入電壓對一負載供電，且該電力轉換系統包括一交流-直流轉換單元、一直流-直流轉換單元、一開關組及一輸出路徑，該操作方法包括下列步驟：控制該交流-直流轉換單元轉換該輸入電壓為一直流電壓；控制該直流-直流轉換單元轉換該直流電壓為一輸出電壓；與該負載進行一交握通訊，以得知該負載需求的一請求電壓；當該請求電壓低於一閾值電壓時，控制該開關組搭接該直流-直流轉換單元與該輸出路徑，且控制該直流-直流轉換單元提供符合該請求電壓的該輸出電壓至該輸出路徑；及當該請求電壓高於該閾值電壓時，控制該開關組搭接該交流-直流轉換單元與該輸出路徑，且控制該交流-直流轉換單元提供符合該請求電壓的該直流電壓至該輸出路徑。
如請求項16所述之操作方法，更包括下列步驟：當該請求電壓需調整時，判斷該輸出路徑的一當前電壓與該請求電壓差距是否超過一電壓差的範圍；及當該當前電壓與該請求電壓差距超過該電壓差的範圍，分階段調整該直流電壓與該輸出電壓。
如請求項17所述之操作方法，更包括下列步驟：當該當前電壓小於該請求電壓時，先調高該輸出電壓，再調高該直流電壓；及當該當前電壓大於該請求電壓時，先調低該輸出電壓，再調低該直流電壓。
如請求項16所述之操作方法，更包括下列步驟：判斷該請求電壓是否由低於該閾值電壓的一當前電壓提高至高於該閾值電壓；基於該請求電壓欲由該當前電壓提高至高於該閾值電壓而控制該交流-直流轉換單元將該直流電壓調整為該請求電壓；及控制該開關組搭接該交流-直流轉換單元與該輸出路徑。
如請求項19所述之操作方法，更包括下列步驟：基於該請求電壓欲由該當前電壓提高而將該直流-直流轉換單元的一過電壓保護閾值設定在一最高請求電壓疊加一第一預定電壓；將該直流電壓由該當前電壓調整至一中繼電壓；控制該開關組搭接該交流-直流轉換單元與該輸出路徑；及將該直流電壓由該中繼電壓調整至該請求電壓。
如請求項16所述之操作方法，更包括下列步驟：判斷該請求電壓是否由一當前電壓降低至低於該閾值電壓；基於該請求電壓欲由該當前電壓降低至低於該閾值電壓而控制該開關組斷開該交流-直流轉換單元與該輸出路徑；控制該直流-直流轉換單元將該輸出電壓調整為該請求電壓。
如請求項21所述之操作方法，更包括下列步驟：控制該開關組搭接該直流-直流轉換單元與該輸出路徑。
如請求項16所述之操作方法，更包括下列步驟：基於該請求電壓由一當前電壓調降時，控制一放電電路接通該輸出路徑與一接地點；及基於該請求電壓調降後，控制該放電電路斷開該輸出路徑與該接地點。
一種電力轉換系統的操作方法，係控制該電力轉換系統轉換一輸入電壓對一負載供電，且該電力轉換系統包括一交流-直流轉換單元、一直流-直流轉換單元、一開關組及一輸出路徑，該操作方法包括下列步驟：控制該交流-直流轉換單元轉換該輸入電壓為一直流電壓；控制該直流-直流轉換單元轉換該直流電壓為一輸出電壓；與該負載進行一交握通訊，以得知該負載需求的一請求電壓，且基於該請求電壓將該輸出電壓由一當前電壓調整至該請求電壓；當該輸出電壓由該當前電壓調整至該請求電壓，且該當前電壓小於該請求電壓時，先調高該輸出電壓，再調高該直流電壓；及當該輸出電壓由該當前電壓調整至該請求電壓，且該當前電壓大於該請求電壓時，先調低該輸出電壓，再調低該直流電壓。
如請求項24所述之操作方法，其中當該輸出電壓未調整前，且該輸出電壓於一預定電壓範圍內，該輸出電壓與該直流電壓間具有一電壓差，且該操作方法更包括下列步驟：在該當前電壓小於該請求電壓時，先調高該輸出電壓一第二預定電壓，再調高該直流電壓該第二預定電壓，以維持該電壓差；及在該當前電壓大於該請求電壓時，先調低該輸出電壓該第二預定電壓，再調低該直流電壓該第二預定電壓，以維持該電壓差。