TWI812354B - 高效率之電源供應器 - Google Patents

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Abstract

一種高效率之電源供應器，包括：一切換電路、一變壓器、一第一電容器、一輸出級電路，以及一脈波寬度調變積體電路。切換電路可根據一輸入電位、一第一脈波寬度調變電位，以及一第二脈波寬度調變電位來產生一切換電位。變壓器包括一主線圈、一第一副線圈，以及一第二副線圈。變壓器更內建一漏電感器和一激磁電感器。主線圈係經由漏電感器接收切換電位。輸出級電路係耦接至第一副線圈和第二副線圈，並可產生一輸出電位和一輸出電流。脈波寬度調變積體電路更可根據輸出電流來選擇性地調整第一脈波寬度調變電位之一切換頻率和一責任週期。

Description

高效率之電源供應器
本發明係關於一種電源供應器，特別係關於一種高效率之電源供應器。
在傳統電源供應器中，當輸出二極體由導通狀態切換至關閉狀態時，通過輸出二極體之輸出電流往往尚未下降至0，而此種非理想特性容易增加電源供應器之切換損耗，並使得電源供應器之整體效率降低。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之困境。
在較佳實施例中，本發明提出一種高效率之電源供應器，包括：一切換電路，根據一輸入電位、一第一脈波寬度調變電位，以及一第二脈波寬度調變電位來產生一切換電位；一變壓器，包括一主線圈、一第一副線圈，以及一第二副線圈，其中該變壓器內建一漏電感器和一激磁電感器，而該主線圈係經由該漏電感器接收該切換電位；一第一電容器，耦接至該激磁電感器；一輸出級電路，耦接至該第一副線圈和該第二副線圈，並產生一輸出電位和一輸出電流；以及一脈波寬度調變積體電路，產生該第一脈波寬度調變電位和該第二脈波寬度調變電位；其中該脈波寬度調變積體電路更根據該輸出電流來選擇性地調整該第一脈波寬度調變電位之一切換頻率和一責任週期。
在一些實施例中，該切換電路包括：一第一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第一電晶體之該控制端係用於接收該第一脈波寬度調變電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至一第一節點以輸出該切換電位，而該第一電晶體之該第二端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位；以及一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該第二脈波寬度調變電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至一接地電位，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第一節點。
在一些實施例中，該漏電感器具有一第一端和一第二端，該漏電感器之該第一端係耦接至該第一節點以接收該切換電位，該漏電感器之該第二端係耦接至一第二節點，該主線圈具有一第一端和一第二端，該主線圈之該第一端係耦接至該第二節點，該主線圈之該第二端係耦接至一第三節點，該激磁電感器具有一第一端和一第二端，該激磁電感器之該第一端係耦接至該第二節點，該激磁電感器之該第二端係耦接至該第三節點，該第一電容器具有一第一端和一第二端，該第一電容器之該第一端係耦接至該第三節點，該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位，該第一副線圈具有一第一端和一第二端，該第一副線圈之該第一端係耦接至一第四節點，該第一副線圈之該第二端係耦接至一共同節點，該第二副線圈具有一第一端和一第二端，該第二副線圈之該第一端係耦接至該共同節點，而該第二副線圈之該第二端係耦接至一第五節點。
在一些實施例中，該輸出級電路包括：一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至該第四節點，而該第一二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第五節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該輸出節點；以及一第二電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至一偵測節點。
在一些實施例中，該輸出級電路更包括：一感測電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該感測電阻器之該第一端係耦接至該偵測節點，而該感測電阻器之該第二端係耦接至該共同節點；其中該輸出電流更流經該第一二極體、該第二電容器，以及該感測電阻器，使得該感測電阻器能於該偵測節點處輸出一偵測電位。
在一些實施例中，該脈波寬度調變積體電路更持續地監控該偵測電位，以取得該偵測電位之一最大值。
在一些實施例中，該脈波寬度調變積體電路更於該第一脈波寬度調變電位之一下降邊緣處取得該偵測電位之一瞬時值。
在一些實施例中，該脈波寬度調變積體電路更藉由將該瞬時值除以該最大值來計算出一調整比例。
在一些實施例中，若該調整比例不等於0，則該脈波寬度調變積體電路將根據該調整比例來降低該第一脈波寬度調變電位之該切換頻率。
在一些實施例中，若該調整比例不等於0，則該脈波寬度調變積體電路將根據該調整比例來增加該第一脈波寬度調變電位之該責任週期。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器100之示意圖。例如，電源供應器100可應用於桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，電源供應器100包括：一切換電路110、一變壓器120、一第一電容器C1、一輸出級電路130，以及一脈波寬度調變積體電路(Pulse Width Modulation Integrated Circuit，PWM IC)150。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但電源供應器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。
切換電路110可根據一輸入電位VIN、一第一脈波寬度調變電位VM1，以及一第二脈波寬度調變電位VM2來產生一切換電位VW。例如，輸入電位VIN可為一直流電位，其電位位準可介於360V至440V之間，但亦不僅限於此。變壓器120包括一主線圈121、一第一副線圈122，以及一第二副線圈123。變壓器120更可內建一漏電感器LR和一激磁電感器LM，其中漏電感器LR、激磁電感器LM，以及主線圈121皆可位於變壓器120之同一側，而第一副線圈122和第二副線圈123則皆可位於變壓器120之相對另一側。主線圈121可經由漏電感器LR接收切換電位VW，而第一副線圈122和第二副線圈123則可回應於切換電位VW來進行操作。第一電容器C1係耦接至激磁電感器LM。在一些實施例中，漏電感器LR、激磁電感器LM，以及第一電容器C1三者可共同形成電源供應器100之一諧振槽(Resonant Tank)。輸出級電路130係耦接至第一副線圈122和第二副線圈123，並可產生一輸出電位VOUT和一輸出電流IOUT。例如，輸出電位VOUT可為另一直流電位，其電位位準可介於18V至20V之間，但亦不僅限於此。脈波寬度調變積體電路150可產生前述之第一脈波寬度調變電位VM1和第二脈波寬度調變電位VM2。在較佳實施例中，脈波寬度調變積體電路150更可根據輸出電流IOUT來選擇性地調整前述之第一脈波寬度調變電位VM1之一切換頻率(Switching Frequency)FS和一責任週期(Duty Cycle)DT。在此設計下，電源供應器100可藉由分析輸出電流IOUT來判斷其是否已達成理想之零電流切換(Zero Current Switching，ZCS)操作。若否，則電源供應器100將可執行一自我校正程序，從而可有效降低其切換損耗及提升整體之操作效率。
以下實施例將介紹電源供應器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200之電路圖。在第2圖之實施例中，在第2圖之實施例中，電源供應器200具有一輸入節點NIN和一輸出節點NOUT，並包括：一切換電路210、一變壓器220、一第一電容器C1、一輸出級電路230，以及一脈波寬度調變積體電路250。電源供應器200之輸入節點NIN可由一外部輸入電源處(未顯示)接收一輸入電位VIN，而電源供應器200之輸出節點NOUT則可用於輸出一輸出電位VOUT至一電子裝置(未顯示)。
切換電路210包括一第一電晶體M1和一第二電晶體M2。例如，第一電晶體M1和第二電晶體M2可各自為一N型金氧半場效電晶體(N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，NMOSFET)。第一電晶體M1具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第一電晶體M1之控制端係用於接收一第一脈波寬度調變電位VM1，第一電晶體M1之第一端係耦接至一第一節點N1以輸出一切換電位VW，而第一電晶體M1之第二端係耦接至輸入節點NIN。第二電晶體M2具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第二電晶體M2之控制端係用於接收第二脈波寬度調變電位VM2，第二電晶體M2之第一端係耦接至一接地電位VSS(例如：0V)，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第一節點N1。在一些實施例中，第一脈波寬度調變電位VM1和第二脈波寬度調變電位VM2兩者可具有相同之切換頻率FS和互補(Complementary)之邏輯位準。
變壓器220包括一主線圈221、一第一副線圈222，以及一第二副線圈223，其中變壓器220更內建一漏電感器LR和一激磁電感器LM。漏電感器LR和激磁電感器LM皆可為變壓器220製造時所附帶產生之固有元件，其並非外部獨立元件。漏電感器LR、主線圈221，以及激磁電感器LM皆可位於變壓器220之同一側(例如：一次側)，而第一副線圈222和第二副線圈223則皆可位於變壓器220之相對另一側(例如：二次側，其可與一次側互相隔離開來)。漏電感器LR具有一第一端和一第二端，其中漏電感器LR之第一端係耦接至第一節點N1以接收切換電位VW，而漏電感器LR之第二端係耦接至一第二節點N2。主線圈221具有一第一端和一第二端，其中主線圈221之第一端係耦接至第二節點N2，而主線圈221之第二端係耦接至一第三節點N3。激磁電感器LM具有一第一端和一第二端，其中激磁電感器LM之第一端係耦接至第二節點N2，而激磁電感器LM之第二端係耦接至第三節點N3。第一電容器C1具有一第一端和一第二端，其中第一電容器C1之第一端係耦接至第三節點N3，而第一電容器C1之第二端係耦接至接地電位VSS。在一些實施例中，漏電感器LR、激磁電感器LM，以及第一電容器C1三者可共同形成電源供應器200之一諧振槽。第一副線圈222具有一第一端和一第二端，其中第一副線圈222之第一端係耦接至一第四節點N4，而第一副線圈222之第二端係耦接至一共同節點NCM。例如，共同節點NCM可視為另一接地電位，其可與前述之接地電位VSS相同或相異。第二副線圈223具有一第一端和一第二端，其中第二副線圈223之第一端係耦接至共同節點NCM，而第二副線圈223之第二端係耦接至一第五節點N5。
輸出級電路230包括一第一二極體D1、一第二二體體D2、一第二電容器C2，以及一感測電阻器RS。第一二極體D1具有一陽極和一陰極，其中第一二極體D1之陽極係耦接至第四節點N4，而第一二極體D1之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二二極體D2具有一陽極和一陰極，其中第二二極體D2之陽極係耦接至第五節點N5，而第二二極體D2之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2具有一第一端和一第二端，其中第二電容器C2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電容器C2之第二端係耦接至一偵測節點ND。感測電阻器RS可提供相對較低之一電阻值(例如：小於或等於5Ω)。感測電阻器RS具有一第一端和一第二端，其中感測電阻器RS之第一端係耦接至偵測節點ND，而感測電阻器RS之第二端係耦接至共同節點NCM。必須注意的是，輸出級電路230之一輸出電流IOUT可流經第一二極體D1、第二電容器C2，以及感測電阻器RS，使得感測電阻器RS能於偵測節點ND處輸出一偵測電位VD。
根據歐姆定律，偵測電位VD之電位位準可與輸出電流IOUT之電流值兩者大致呈正比關係。因此，脈波寬度調變積體電路250將能藉由分析偵測電位VD來取得輸出電流IOUT之相關資訊。然後，脈波寬度調變積體電路250還可根據偵測電位VD來選擇性地執行一自我校正程序。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200執行自我校正程序之前之信號波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準。在第3圖之實施例中，脈波寬度調變積體電路250可持續地監控偵測電位VD，以取得偵測電位VD之一最大值VDMAX。另外，脈波寬度調變積體電路250更可於第一脈波寬度調變電位VM1之一下降邊緣(Falling Edge)處取得偵測電位VD之一瞬時值VDS。舉例而言，若第一脈波寬度調變電位VM1於一特定時間點TE處由高邏輯位準切換至低邏輯位準，則脈波寬度調變積體電路250亦可於此特定時間點TE處量測出偵測電位VD之瞬時值VDS。接著，脈波寬度調變積體電路250還可藉由將前述之瞬時值VDS除以前述之最大值VDMAX來計算出一調整比例X。詳細而言，此調整比例X可如下列方程式(1)、(2)所述：
…………………………………………(1)
…………………………………………(2)
若調整比例X恰好等於0，則代表輸出電流IOUT於第一脈波寬度調變電位VM1之下降邊緣處亦恰好等於0。換言之，電源供應器200已達成理想之零電流切換操作。因此，脈波寬度調變積體電路250將會維持第一脈波寬度調變電位VM1之切換頻率FS和責任週期DT。
反之，若調整比例X不等於0，則代表輸出電流IOUT於第一脈波寬度調變電位VM1之下降邊緣處亦不等於0。換言之，電源供應器200尚未達成理想之零電流切換操作。因此，脈波寬度調變積體電路250將會執行一自我校正程序，以更新及最佳化第一脈波寬度調變電位VM1之切換頻率FS和責任週期DT。在一些實施例中，脈波寬度調變積體電路250可根據調整比例X來降低第一脈波寬度調變電位VM1之切換頻率FS。例如，脈波寬度調變積體電路250可將原本之切換頻率FS乘以調整比例X，但亦不僅限於此。在一些實施例中，脈波寬度調變積體電路250更可根據調整比例X來增加第一脈波寬度調變電位VM1之責任週期DT。例如，脈波寬度調變積體電路250可將原本之責任週期DT除以調整比例X，但亦不僅限於此。根據實際量測結果，前述之自我校正程序有助於提升電源供應器200之電壓增益，同時可確保諧振槽內之能量皆釋放完畢。
第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200執行自我校正程序之後之信號波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準或電流值。根據第4圖之量測結果，無論初始設定為何，前述之自我校正程序皆能確保電源供應器200可回復至理想之零電流切換操作。
本發明提出一種新穎之電源供應器，其可大幅降低切換損失。根據實際量測結果，使用前述設計之電源供應器其整體之操作效率將有明顯改善，故其很適合應用於各種各式之裝置當中。
值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之電源供應器並不僅限於第1-4圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-4圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之電源供應器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,200:電源供應器
110,210:切換電路
120,220:變壓器
121,221:主線圈
122,222:第一副線圈
123,223:第二副線圈
130,230:輸出級電路
150,250:脈波寬度調變積體電路
C1:第一電容器
C2:第一電容器
D1:第一二極體
D2:第一二極體
DT:責任週期
FS:切換頻率
IOUT:輸出電流
LM:激磁電感器
LR:漏電感器
M1:第一電晶體
M2:第二電晶體
N1:第一節點
N2:第二節點
N3:第三節點
N4:第四節點
N5:第五節點
NCM:共同節點
ND:偵測節點
NIN:輸入節點
NOUT:輸出節點
RS:感測電阻器
TE:特定時間點
VD:偵測電位
VDMAX:偵測電位之最大值
VDS:偵測電位之瞬時值
VIN:輸入電位
VM1:第一脈波寬度調變電位
VM2:第一脈波寬度調變電位
VOUT:輸出電位
VW:切換電位
X:調整比例
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之示意圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之電路圖。 第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器執行自我校正程序之前之信號波形圖。 第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器執行自我校正程序之後之信號波形圖。
100:電源供應器
110:切換電路
120:變壓器
121:主線圈
122:第一副線圈
123:第二副線圈
130:輸出級電路
150:脈波寬度調變積體電路
C1:第一電容器
DT:責任週期
FS:切換頻率
IOUT:輸出電流
LM:激磁電感器
LR:漏電感器
VIN:輸入電位
VM1:第一脈波寬度調變電位
VM2:第一脈波寬度調變電位
VOUT:輸出電位
VW:切換電位

Claims (10)

  1. 一種高效率之電源供應器，包括：一切換電路，根據一輸入電位、一第一脈波寬度調變電位，以及一第二脈波寬度調變電位來產生一切換電位；一變壓器，包括一主線圈、一第一副線圈，以及一第二副線圈，其中該變壓器內建一漏電感器和一激磁電感器，而該主線圈係經由該漏電感器接收該切換電位；一第一電容器，耦接至該激磁電感器；一輸出級電路，耦接至該第一副線圈和該第二副線圈，並產生一輸出電位和一輸出電流；以及一脈波寬度調變積體電路，產生該第一脈波寬度調變電位和該第二脈波寬度調變電位；其中該脈波寬度調變積體電路更根據該輸出電流來選擇性地調整該第一脈波寬度調變電位之一切換頻率和一責任週期；其中該輸出級電路包括一感測電阻器，該感測電阻器為一獨立元件，而該感測電阻器之電阻值係小於或等於5Ω。
  2. 如請求項1之電源供應器，其中該切換電路包括：一第一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第一電晶體之該控制端係用於接收該第一脈波寬度調變電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至一第一節點以輸出該切換電位，而該第一電晶體之該第二端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位；以及 一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該第二脈波寬度調變電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至一接地電位，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第一節點。
  3. 如請求項2之電源供應器，其中該漏電感器具有一第一端和一第二端，該漏電感器之該第一端係耦接至該第一節點以接收該切換電位，該漏電感器之該第二端係耦接至一第二節點，該主線圈具有一第一端和一第二端，該主線圈之該第一端係耦接至該第二節點，該主線圈之該第二端係耦接至一第三節點，該激磁電感器具有一第一端和一第二端，該激磁電感器之該第一端係耦接至該第二節點，該激磁電感器之該第二端係耦接至該第三節點，該第一電容器具有一第一端和一第二端，該第一電容器之該第一端係耦接至該第三節點，該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位，該第一副線圈具有一第一端和一第二端，該第一副線圈之該第一端係耦接至一第四節點，該第一副線圈之該第二端係耦接至一共同節點，該第二副線圈具有一第一端和一第二端，該第二副線圈之該第一端係耦接至該共同節點，而該第二副線圈之該第二端係耦接至一第五節點。
  4. 如請求項3之電源供應器，其中該輸出級電路包括：一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至該第四節點，而該第一二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位； 一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第五節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該輸出節點；以及一第二電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至一偵測節點。
  5. 如請求項4之電源供應器，其中：該感測電阻器具有一第一端和一第二端，該感測電阻器之該第一端係耦接至該偵測節點，而該感測電阻器之該第二端係耦接至該共同節點；該輸出電流更流經該第一二極體、該第二電容器，以及該感測電阻器，使得該感測電阻器能於該偵測節點處輸出一偵測電位。
  6. 如請求項5之電源供應器，其中該脈波寬度調變積體電路更持續地監控該偵測電位，以取得該偵測電位之一最大值。
  7. 如請求項6之電源供應器，其中該脈波寬度調變積體電路更於該第一脈波寬度調變電位之一下降邊緣處取得該偵測電位之一瞬時值。
  8. 如請求項7之電源供應器，其中該脈波寬度調變積體電路更藉由將該瞬時值除以該最大值來計算出一調整比例。
  9. 如請求項8之電源供應器，其中若該調整比例不等於0，則該脈波寬度調變積體電路將根據該調整比例來降低該第一脈波寬度調變電位之該切換頻率。
  10. 如請求項8之電源供應器，其中若該調整比例不等於0，則該脈波寬度調變積體電路將根據該調整比例來增加該第一脈波寬度調變電位之該責任週期。
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