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CN102332827B - 具省电机制的电源转换器及电源转换方法 - Google Patents

具省电机制的电源转换器及电源转换方法 Download PDF

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CN102332827B CN201110172191.6A CN201110172191A CN102332827B CN 102332827 B CN102332827 B CN 102332827B CN 201110172191 A CN201110172191 A CN 201110172191A CN 102332827 B CN102332827 B CN 102332827B
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Abstract

本发明提供一种电源转换器及电源转换方法,该电源转换器包含变压器、反馈电路、侦测单元以及调整单元。变压器依据电能转换比来将输入电压转换为输出电压,并依据反馈电压来调整电能转换比。反馈电路以一特定比例分压输出电压以提供反馈电压。侦测单元用来侦测电源转换器于输出端的负载损耗,且调整单元依据负载损耗来调整特定比例。通过本发明,能使电源转换器在轻载时减少不必要的功率消耗,并在重载时提供足够功率以维持系统效能。

Description

具省电机制的电源转换器及电源转换方法
技术领域
本发明相关于一种电源转换器及电源转换方法,尤指一种具省电机制的电源转换器及电源转换方法。
背景技术
电源转换器(power adaptor)可将高压交流或直流电源转换为低压直流电源,广泛应用于各种电子设备中做为电源供应器。常见的电源转换器架构包括反驰式(flyback)、顺向式(forward)及推挽式(push-pull)等。由于壳体内部空间有限,薄型电子设备多半会使用外接式电源转换器。
图1为先前技术中一外接式电源转换器100应用时的示意图。电源转换器100可将交流电源12所提供的输入电压VIN转换为负载装置14运作时所需的输出电压VOUT。负载装置14可为笔记本型电脑或是液晶显示屏幕。负载装置14在省电模式下运作时所需的电压低于在正常模式下运作时所需的电压,先前技术的外接式电源转换器100的电能转换比(VOUT/VIN)是由负载装置14在正常模式下运作时所需的电压来决定,不会因为重载(正常模式)或轻载(省电模式)而有所改变。当负载装置14进入省电模式时,先前技术的电源转换器100所提供的输出电压VOUT往往超过系统实际所需电压,因此会造成不必要的能量消耗。
发明内容
本发明提供一种具省电机制的电源转换器,其包含变压器,用来依据电能转换比来将输入电压转换为输出电压,并依据相关于该输出电压的反馈电压来调整该电能转换比,该变压器包含第一绕组以及第二绕组,该第一绕组设置于该电源转换器的一次侧以接收该输入电压,该第二绕组设置于该电源转换器的二次侧以提供该输出电压;输出端,用来输出该输出电压;反馈电路,用来以特定比例进行分压以提供相关于该反馈电压的参考电压;以及复数个调整单元,其分别耦接于该反馈电路,并依据该输出端的负载损耗以复数个阶段来调整该特定比例。
根据本发明所述的电源转换器还包含侦测单元,耦接该调整单元和该输出端,该侦测单元用来依据流经该输出端的负载电流或该输出电压以决定该负载损耗。
根据本发明所述的电源转换器,该反馈电路包含第一电阻与第二电阻,串联于该反馈电路的输入端与接地端之间,用来决定该特定比例;光耦合单元,并联于该第一电阻,用来提供该参考电压;以及三端稳压单元,用来依据该特定比例来驱动该光耦合单元。
进一步地,侦测单元包括阻抗元件,耦接于该第二绕组与该输出端之间以侦测该负载电流,且当该阻抗元件两端电压差大于一预定值时,该调整单元将一第三电阻并联于该第二电阻以调整该特定比例,使得该反馈电路拉高该反馈电压之值。更进一步地,该调整单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第一开关,该第一开关的第一端耦接于该第一电阻和该第二电阻之间,该第三电阻耦接于该第一开关的第二端和该接地端之间;该侦测单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第二开关,该第二开关的控制端耦接于该输出端,该第二开关的第一端耦接于该第二绕组,该第二开关的第二端耦接于该第一开关的控制端,其中该阻抗元件耦接于该第二开关的控制端和该第二开关的第一端之间。更进一步地,该反馈电路的输入端耦接于该第一开关的第一端。
根据本发明所述的电源转换器,变压器另包含第三绕组,设置于该二次侧以提供一比较电压至该侦测单元;且当该侦测单元侦测到该比较电压大于该输出电压超过一预定值时,该调整单元将一第三电阻并联于该第二电阻以调整该特定比例,使得该反馈电路拉高该反馈电压之值产生第一调整输出电压。进一步地,该侦测单元包括第一二极管,耦接于该输出电压和该比较电压之间;该调整单元包含该第三电阻,且当该侦测单元侦测到该比较电压大于该输出电压超过该预定值时,该调整单元将该第三电阻并联于该第二电阻以调整该特定比例,使得该反馈电路拉高该反馈电压之值产生第二调整输出电压,其中,该第二调整输出电压大于该第一调整输出电压。更进一步地,该调整单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第一开关,该第一开关的第一端耦接于该第一电阻和该第二电阻之间,该第三电阻耦接于该第一开关的第二端和该接地端之间;该侦测单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第二开关,该第二开关的控制端耦接于该输出端,该第二开关的第一端耦接于该第三绕组,该第二开关的第二端耦接于该第一开关的控制端。
本发明还提供一种具省电机制的电源转换方法,用来将输入电压转换为输出电压以驱动负载,该电源转换方法包含以下步骤。侦测相关于该负载的负载损耗;依据该负载损耗以复数个阶段来调整一特定比例;以该特定比例分压该输出电压以提供反馈电压;以及依据该反馈电压来调整变压器的电能转换比以将该输入电压转换为该输出电压。
本发明的电源转换器能侦测其输出端的负载损耗,以依据负载变化来弹性调整其输出电压之值,因此能在轻载时减少不必要的功率消耗,并在重载时提供足够功率以维持系统效能。
附图说明
图1为先前技术中一外接式电源转换器应用时的示意图。
图2为本发明中一种具省电机制的电源转换器的功能方块图。
图3至图6为本发明实施例的电源转换器的示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解,兹配合实施例详细说明如下。
图2为本发明中一种具省电机制的电源转换器的功能方块图。本发明的电源转换器可将输入电压VIN转换为输出电压VOUT,其包含有变压器20、反馈电路22、侦测单元24、调整单元26,以及电能转换比控制单元28。
变压器20可依据一特定电能转换比率来将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。反馈电路22能以一可调整的特定分压比来分压输出电压VOUT,进而提供相对应的反馈电压VFB。侦测单元24能侦测输出电压VOUT的电位,并依此决定输出端的负载损耗。调整单元26能依据负载损耗之值来调整特定分压比之值,进而调整反馈电压VFB之值。电能转换比控制单元28可依据反馈电压VFB来调整变压器20的电能转换比率。当电源转换器200的负载减少时,输出端的负载损耗变小,此时会调降变压器20的电能转换比率以降低输出电压VOUT,因此能在轻载时减少不必要的功率消耗;当电源转换器200的负载增加时,输出端的负载损耗变大,此时会调升变压器20的电能转换比率以提高输出电压VOUT,因此能在重载时提供足够功率以维持系统效能。
图3至图6为本发明实施例的电源转换器201~204的示意图。在电源转换器201~204中,变压器20包含第一绕阻N1和第二绕组N2,第一绕阻N1设置在一次侧而第二绕阻N2设置在二次侧。反馈电路22包含第一电阻R1、第二电阻R2、光耦合单元PH,以及三端稳压单元ZF。第一电阻R1和第二电阻R2组成分压电路,可分压输出电压VOUT以提供相对应的反馈电压VFB,其中VFB=VOUT*K(K代表反馈电路22的分压比)。三端稳压单元ZF可稳定反馈电压VFB以驱动光耦合单元PH,使其能输出对应于反馈电压VFB的参考电压VREF至电能转换比控制单元28。电能转换比控制单元28包含脉宽调变控制单元PWM和晶体管开关SW0。脉宽调变控制单元PWM可依据参考电压VREF来输出开关控制讯号VPWM,以控制晶体管开关SW0的运作。当晶体管开关SW0为导通时,输入电压VIN的能量会储存于变压器20的第一绕阻N1上。当晶体管开关SW0为关闭时,第一绕阻N1的能量会传递至第二绕阻N2,进而提供输出电压VOUT。换而言之,脉宽调变控制单元PWM可依据相关于反馈电压VFB的参考电压VREF来调整晶体管开关SW0的工作周期,透过增加或减少传递至二次侧的能量来调整变压器20的电能转换比。
在图3所示本发明第一实施例的电源转换器201中,侦测单元24耦接于第二绕组N2和输出电压VOUT之间,包含电阻R5和晶体管开关SW2(对应于第二开关,但本发明的开关元件并不以此为限),其中晶体管开关SW2的导通与关闭是由电阻R5的跨压VD来决定。调整单元26包含电阻R3~R4和晶体管开关SW1(对应于第一开关,但本发明的开关元件并不以此为限)。当电源转换器201的负载减少时,输出端的负载损耗变小,此时负载电流IL在电阻R5上形成的跨压VD不足以导通晶体管开关SW2,而电阻R4的跨压不足以导通晶体管开关SW1,此时调整单元26不会运作,因此轻载时反馈电路22的分压比KL为R2/(R1+R2)。当电源转换器201的负载增加时,输出端的负载损耗变大,此时负载电流IL在电阻R5上形成的跨压VD逐渐增加,当跨压VD之值足以导通晶体管开关SW2时,调整单元26会被电性连接至输出电压VOUT,而电阻R4的跨压亦会随之增加。当电阻R4的跨压足以导通晶体管开关SW1时,调整单元26开始运作以将电阻R3并联至反馈电路22,此时重载时反馈电路22的分压比KH为R2/(R1+R2’),其中由于R2>R2’,因此KL<KH,所以重载时的反馈电压会大于轻载时的反馈电压。在接到相对应的参考电压后,脉宽调变控制单元PWM在轻载时会缩短晶体管开关SW0的工作周期以降低输出电压,在重载时会增加晶体管开关SW0的工作周期以增加输出电压。
在图4所示本发明第二实施例中,电源转换器202包含复数个侦测单元24_1~24_N和复数个调整单元26_1~26_N,每一侦测单元和调整单元的结构和运作和第一实施例的侦测单元24和调整单元26类似,在此不另加赘述。当电源转换器202的负载减少时,输出端的负载损耗变小,此时负载电流IL在侦测单元24_1~24_N的电阻R5上形成的跨压VD皆不足以导通相对应的晶体管开关SW2,而调整单元26_1~26_N中电阻R4_1~R4_N的跨压皆不足以导通相对应的晶体管开关SW1,此时调整单元26_1~26_N不会运作,因此轻载时反馈电路22的分压比KL为R2/(R1+R2)。当电源转换器202的负载增加时,输出端的负载损耗变大,当负载电流IL逐渐增加使得在侦测单元侦测单元24_1~24_N的电阻R5上形成的跨压VD足以导通其晶体管开关SW2时,调整单元26_1~26_N会被电性连接至输出电压VOUT,此时电源转换器202可藉由个别设定电阻R6_1~R6_N的电阻值,使流经电阻R4_1~R4_N的电流值不同,进而决定调整单元26_1~26_N的晶体管开关SW1的导通数目n(n为介于1至N);或者,电源转换器202可藉由个别设定电阻R4_1~R4_N的电阻值,使电阻R4_1~R4_N的跨压不同,亦即使导通晶体管开关SW1的电流值不同,进而决定调整单元26_1~26_N的晶体管开关SW1的导通数目n。此时调整单元26_1~26_n开始运作以将n个电阻R3并联至电阻R2,因此重载时反馈电路22的分压比KHn为R2/(R1+R2’),其中换而言之,并联至电阻R2的电阻R3的数量n相关于负载电流IL之值:负载电流IL越大,n越大,而反馈电路22的分压比也越大以调升输出电压VOUT;负载电流IL越小,n越小,而反馈电路22的分压比也越小以降低输出电压VOUT。因此,本发明第二实施例的电源转换器202能以复数个阶段进行反馈控制,进而随时视负载变化来调整输出电压VOUT之值。
在图5所示本发明第三实施例的电源转换器203中,变压器20另包含第三绕阻N3,设置在二次侧,第二绕组N2和第三绕阻N3可感应第一绕组N1的能量,进而分别提供输出电压VOUT和比较电压VT。侦测单元24耦接于第二绕组N2、第三绕阻N3和输出电压VOUT,包含二极管ZD和晶体管开关SW2,其中晶体管开关SW2的导通与关闭是由输出电压VOUT和比较电压VT的压差VD来决定。当电源转换器203的负载减少时,输出端的负载损耗变小,输出电压VOUT和比较电压VT之值差异不大,此时压差VD不足以导通晶体管开关SW2,而电阻R4的跨压不足以导通晶体管开关SW1,此时调整单元26不会运作,因此轻载时反馈电路22的分压比KL为R2/(R1+R2)。当电源转换器201的负载增加时,输出端之负载损耗变大,此时负载电流IL在电阻R5上形成的跨压VD逐渐增加,当跨压VD之值足以导通晶体管开关SW2时,调整单元26会被电性连接至输出电压VOUT,而电阻R4的跨压亦会随之增加。当电阻R4的跨压足以导通晶体管开关SW1时,调整单元26开始运作以将电阻R3并联至电阻R2,此时重载时反馈电路22的分压比KH为R2/(R1+R2’),其中由于R2>R2’,因此KL<KH,所以重载时的反馈电压会大于轻载时的反馈电压。在接到相对应的参考电压后,脉宽调变控制单元PWM在轻载时会缩短晶体管开关SW0的工作周期以降低输出电压,在重载时会增加晶体管开关SW0的工作周期以增加输出电压。
在图6所示本发明第四实施例中,电源转换器204包含复数个侦测单元24_1~24_N和复数个调整单元26_1~26_N,每一侦测单元和调整单元的结构和运作和第三实施例的侦测单元24和调整单元26类似,在此不另加赘述。当电源转换器204的负载减少时,输出端的负载损耗变小,输出电压VOUT和比较电压VT之值差异不大,此时压差VD不足以导通侦测单元24_1~24_N的晶体管开关SW2,而调整单元26_1~26_N中电阻R4的跨压不足以导通晶体管开关SW1,此时调整单元26_1~26_N不会运作,因此轻载时反馈电路22的分压比KL为R2/(R1+R2)。当电源转换器204的负载增加时,输出端的负载损耗变大,当压差VD足以导通侦测单元24_1~24_n(n为介于1至N之间的整数)的晶体管开关SW2时,调整单元26_1~26_n会被电性连接至输出电压VOUT,而其电阻R4的跨压亦会随之增加直到足以导通晶体管开关SW1,此时调整单元26_1~26_n开始运作以将n个电阻R3并联至电阻R2,因此重载时反馈电路22的分压比KHn为R2/(R1+R2’),其中换而言之,并联至电阻R2的电阻R3的数量n相关于输出端的负载损耗(输出电压VOUT和比较电压VT的压差VD):压差VD越大,n越大,而反馈电路22的分压比也越大以调升输出电压VOUT;压差VD越小,n越小,而反馈电路22的分压比也越小以降低输出电压VOUT。因此,本发明第四实施例的电源转换器204能以复数个阶段进行反馈控制,进而随时视负载变化来调整输出电压VOUT之值。
本发明的电源转换器能侦测其输出端的负载损耗,以依据负载变化来弹性调整其输出电压之值,因此能在轻载时减少不必要的功率消耗,并在重载时提供足够功率以维持系统效能。
本发明已由上述相关实施例加以描述,然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是,已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地,在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰,均属本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种具省电机制的电源转换器,其特征在于包含:
变压器,用来依据电能转换比来将输入电压转换为输出电压,并依据相关于该输出电压的反馈电压来调整该电能转换比,该变压器包含第一绕组以及第二绕组,该第一绕组设置于该电源转换器的一次侧以接收该输入电压,该第二绕组设置于该电源转换器的二次侧以提供该输出电压;
输出端,用来输出该输出电压;
反馈电路,用来以一特定比例进行分压以提供相关于该反馈电压的参考电压,该反馈电路包含:
第一电阻与第二电阻,串联于该反馈电路的输入端与接地端之间,用来决定该特定比例;
光耦合单元,并联于该第一电阻,用来提供该参考电压;以及
三端稳压单元,用来依据该特定比例来驱动该光耦合单元;以及
复数个调整单元,其分别耦接于该反馈电路,并依据该输出端的负载损耗将n个第三电阻并联于该第二电阻,以复数个阶段来调整该特定比例;
轻载时该特定比例为R2/(R1+R2),重载时该特定比例为R2/(R1+R2’),其中R1为该第一电阻,R2为该第二电阻,R3为该第三电阻,n为大于1的整数,且
2.如权利要求1所述的电源转换器,其特征在于还包含侦测单元,耦接该调整单元和该输出端,该侦测单元用来依据流经该输出端的负载电流或该输出电压以决定该负载损耗。
3.如权利要求2所述的电源转换器,其特征在于该侦测单元包括阻抗元件,耦接于该第二绕组与该输出端之间以侦测该负载电流,且当该阻抗元件两端电压差大于一预定值时,该调整单元将该第三电阻并联于该第二电阻以调整该特定比例,使得该反馈电路拉高该反馈电压之值。
4.如权利要求3所述的电源转换器,其特征在于该调整单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第一开关,该第一开关的第一端耦接于该第一电阻和该第二电阻之间,该第三电阻耦接于该第一开关的第二端和该接地端之间;该侦测单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第二开关,该第二开关的控制端耦接于该输出端,该第二开关的第一端耦接于该第二绕组,该第二开关的第二端耦接于该第一开关的控制端,其中该阻抗元件耦接于该第二开关的控制端和该第二开关的第一端之间。
5.如权利要求4所述的电源转换器,其特征在于该反馈电路的输入端耦接于该第一开关的第一端。
6.如权利要求2所述的电源转换器,其特征在于该变压器另包含第三绕组,设置于该二次侧以提供一比较电压至该侦测单元;且当该侦测单元侦测到该比较电压大于该输出电压超过一预定值时,该调整单元将该第三电阻并联于该第二电阻以调整该特定比例,使得该反馈电路拉高该反馈电压之值产生第一调整输出电压。
7.如权利要求6所述的电源转换器,其特征在于该侦测单元包括第一二极管,耦接于该输出电压和该比较电压之间;该调整单元包含该第三电阻,且当该侦测单元侦测到该比较电压大于该输出电压超过该预定值时,该调整单元将该第三电阻并联于该第二电阻以调整该特定比例,使得该反馈电路拉高该反馈电压之值产生第二调整输出电压,其中,该第二调整输出电压大于该第一调整输出电压。
8.如权利要求7所述的电源转换器,其特征在于该调整单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第一开关,该第一开关的第一端耦接于该第一电阻和该第二电阻之间,该第三电阻耦接于该第一开关的第二端和该接地端之间;该侦测单元包含具有控制端、第一端以及第二端的第二开关,该第二开关的控制端耦接于该输出端,该第二开关的第一端耦接于该第三绕组,该第二开关的第二端耦接于该第一开关的控制端。
9.一种具省电机制的电源转换方法,用来将输入电压转换为输出电压以驱动负载,其特征在于该电源转换方法包含:
提供如权利要求1至8中任一项所述的电源转换器;
侦测相关于该负载的负载损耗;
依据该负载损耗以复数个阶段来调整该特定比例;
以该特定比例分压该输出电压以提供反馈电压;以及
依据该反馈电压来调整变压器的电能转换比以将该输入电压转换为该输出电压。
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