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TWI780614B - 交換式電源供應器之電壓量測方法及其系統 - Google Patents

交換式電源供應器之電壓量測方法及其系統 Download PDF

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TWI780614B
TWI780614B TW110107596A TW110107596A TWI780614B TW I780614 B TWI780614 B TW I780614B TW 110107596 A TW110107596 A TW 110107596A TW 110107596 A TW110107596 A TW 110107596A TW I780614 B TWI780614 B TW I780614B
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洪國騰
施任軒
陳怡均
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亞碩綠能股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種交換式電源供應器之電壓量測方法，包含整流電源電壓提供步驟、控制信號提供步驟、開關控制步驟、電壓感應步驟及電壓量測步驟。整流電源電壓提供步驟係驅動電源電路提供整流電源電壓。控制信號提供步驟係驅動控制器提供控制信號。開關控制步驟係依據控制信號控制開關元件之工作狀態。電壓感應步驟係驅動儲能單元依據開關元件之工作狀態產生感應電壓。電壓量測步驟係驅動感測器量測感應電壓。其中，當開關元件之工作狀態為導通狀態時，感應電壓趨近整流電源電壓。藉此，透過儲能單元量測整流電源電壓。

Description

交換式電源供應器之電壓量測方法及其系統
本發明係關於一種電壓量測方法及其系統，特別是關於一種交換式電源供應器之電壓量測方法及其系統。
多數電子設備需透過直流電壓進行操作，線性電源供應器及交換式電源供應器皆具備輸出直流電壓之功能。交換式電源供應器透過電晶體在飽和狀態及截止狀態之間切換，可降低在電源供應器上的損耗，因此目前電子設備多為使用交換式電源供應器。為提供電子設備適當的電源電壓使電子設備得以正常運作，可對電源供應器之輸入電壓及輸出電壓進行檢測。然而同時檢測電源供應器之輸入電壓及輸出電壓需使用多個檢測儀器。
有鑑於此，開發一種透過交換式電源的切換特性自輸出端量測輸入電壓的交換式電源供應器之電壓量測方法及其系統，遂成相關業者值得開研發之目標。
因此，本發明之目的在於提供一種交換式電源供應器之電壓量測方法及其系統，其透過控制開關元件的工作狀態改變儲能單元所產生之感應電壓，進而測量出整流電源電壓。
根據本發明的方法態樣之一實施方式提供一種交換式電源供應器之電壓量測方法，包含一整流電源電壓提供步驟、一控制信號提供步驟、一開關控制步驟、一電壓感應步驟及一電壓量測步驟。整流電源電壓提供步驟係驅動一電源電路提供一整流電源電壓。控制信號提供步驟係驅動一控制器提供一控制信號。開關控制步驟係依據控制信號控制一開關元件之一工作狀態，工作狀態為一導通狀態及一截止狀態之其中一者。電壓感應步驟係驅動一儲能單元依據開關元件之工作狀態產生一感應電壓。電壓量測步驟係驅動一感測器量測感應電壓。其中，當開關元件之工作狀態為導通狀態時，感應電壓趨近整流電源電壓。
藉此，本發明之交換式電源供應器之電壓量測方法透過儲能單元量測整流電源電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：前述整流電源電壓提供步驟包含一初始電壓提供步驟及整流步驟。初始電壓提供步驟係驅動一市電電源提供一初始電源電壓。整流步驟係驅動一整流器將初始電源電壓整流並轉換為整流電源電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：前述儲能單元包含一二極體、一稽納二極體及一電感性元件。二極體包含一第一陽極及一第一陰極。稽納二極體包含一第二陽極及一第二陰極，稽納二極體之第二陽極電性連接二極體之第一陽極。電感性元件電性連接二極體之第一陰極及稽納二極體之第二陰極，電感性元件之二端之一電位差為感應電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：當前述開關元件為截止狀態時，電感性元件、二極體及稽納二極體皆被導通，且感應電壓為二極體之一順向導通電壓加上稽納二極體之一崩潰電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：前述交換式電源供應器之電壓量測方法更包含一頻率估算步驟。頻率估算步驟係依據感測器量測之感應電壓估算感應電壓之一頻率。
根據本發明的結構態樣之一實施方式提供一種交換式電源供應器之電壓量測系統，包含一電源電路、一控制器、一開關元件、一儲能單元及一感測器。電源電路包含一整流電源電壓。控制器包含一控制信號。開關元件電性連接控制器，並依據控制信號切換一工作狀態，工作狀態為一導通狀態及一截止狀態之其中一者。儲能單元電性連接電源電路及開關元件，並依據開關元件之工作狀態產生一感應電壓。感測器耦接儲能單元，並用以量測感應電壓。當開關元件之工作狀態為導通狀態時，感應電壓趨近整流電源電壓。
藉此，本發明之交換式電源供應器之電壓量測系統透過儲能單元量測整流電源電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：前述電源電路包含一市電電源及一整流器。市電電源包含一初始電源電壓。整流器電性連接市電電源，並將初始電源電壓整流並轉換為整流電源電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：前述儲能單元包含一二極體、一稽納二極體及一電感性元件。二極體包含一第一陽極及一第一陰極。稽納二極體包含一第二陽極及一第二陰極，稽納二極體之第二陽極電性連接二極體之第一陽極。電感性元件電性連接二極體之第一陰極及稽納二極體之第二陰極，電感性元件之二端之一電位差為感應電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：當前述開關元件為截止狀態時，電感性元件、二極體及稽納二極體皆被導通，且感應電壓為二極體之一順向導通電壓加上稽納二極體之一崩潰電壓。
前述實施方式之其他實施例如下：前述感測器包含一頻率估算單元。頻率估算單元依據感測器量測之感應電壓估算感應電壓之一頻率。
以下將參照圖式說明本發明之實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，閱讀者應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示。
請參照第1圖，第1圖係繪示本發明之第一實施例之交換式電源供應器之電壓量測方法100之步驟流程圖。交換式電源供應器之電壓量測方法100包含整流電源電壓提供步驟S01、控制信號提供步驟S02、開關控制步驟S03、電壓感應步驟S04及電壓量測步驟S05。
整流電源電壓提供步驟S01係驅動電源電路提供整流電源電壓。控制信號提供步驟S02係驅動控制器提供控制信號。開關控制步驟S03係依據控制信號控制開關元件之工作狀態，工作狀態為導通狀態及截止狀態之其中一者。電壓感應步驟S04係驅動儲能單元依據開關元件之工作狀態產生感應電壓。電壓量測步驟S05係驅動感測器量測感應電壓。其中，當開關元件之工作狀態為導通狀態時，感應電壓趨近整流電源電壓。因此，本發明之交換式電源供應器之電壓量測方法100可透過儲能單元之兩端量測整流電源電壓。
請參照第2圖，第2圖係繪示本發明之第二實施例之交換式電源供應器之電壓量測系統200之方塊示意圖。交換式電源供應器之電壓量測系統200使用第1圖之交換式電源供應器之電壓量測方法100，且包含電源電路210、控制器220、開關元件230、儲能單元240及感測器250。電源電路210包含整流電源電壓。控制器220包含控制信號。開關元件230電性連接控制器220，並依據控制信號切換工作狀態。工作狀態為導通狀態或截止狀態之其中一者。儲能單元240電性連接電源電路210及開關元件230，儲能單元240依據開關元件230之工作狀態產生感應電壓。感測器250耦接儲能單元240，並用以量測感應電壓。當開關元件230之工作狀態為導通狀態時，感應電壓趨近整流電源電壓。藉此，本發明之交換式電源供應器之電壓量測系統200可透過儲能單元240量測整流電源電壓。
請參照第3圖，第3圖係繪示本發明之第三實施例之交換式電源供應器之電壓量測方法100a之步驟流程圖。交換式電源供應器之電壓量測方法100a包含整流電源電壓提供步驟S11、控制信號提供步驟S12、開關控制步驟S13、電壓感應步驟S14、電壓量測步驟S15及頻率估算步驟S16。
整流電源電壓提供步驟S11係驅動電源電路提供整流電源電壓。整流電源電壓提供步驟S11包含初始電壓提供步驟S11a及整流步驟S11b。初始電壓提供步驟S11a係驅動市電電源提供初始電源電壓。整流步驟S11b係驅動整流器將初始電源電壓整流並轉換為整流電源電壓。控制信號提供步驟S12係驅動控制器提供控制信號。開關控制步驟S13係依據控制信號控制開關元件之工作狀態，工作狀態為導通狀態及截止狀態之其中一者。電壓感應步驟S14係驅動儲能單元依據開關元件之工作狀態產生感應電壓。電壓量測步驟S15係驅動感測器量測感應電壓。頻率估算步驟S16係依據感測器量測之感應電壓估算感應電壓之頻率。其中，當開關元件之工作狀態為導通狀態時，感應電壓趨近整流電源電壓。因此，本發明之交換式電源供應器之電壓量測方法100a可透過儲能單元量測整流電源電壓。
請參照第4圖及第5圖，第4圖係繪示本發明之第四實施例之交換式電源供應器之電壓量測系統300之導通狀態之電路示意圖；及第5圖係繪示依照第4圖實施方式之交換式電源供應器之電壓量測系統300之截止狀態之電路示意圖。交換式電源供應器之電壓量測系統300使用第3圖之交換式電源供應器之電壓量測方法100a，且包含電源電路310、控制器320、開關元件330、儲能單元340及次級側電路。
電源電路310包含市電電源311及整流器312。市電電源311包含初始電源電壓V ac，整流器312電性連接市電電源311，並將初始電源電壓V ac整流並轉換為整流電源電壓V bridge。在本實施例中，市電電源311可為110伏特或220伏特之市電電源，整流器312可為橋式整流器，但本發明不以此為限。
控制器320包含控制信號。具體而言，控制器320可為返馳控制器(Flyback Controller)，控制器320輸出之控制信號用以控制開關元件330之工作狀態。
開關元件330電性連接控制器320，並依據控制信號切換工作狀態。工作狀態為導通狀態或截止狀態之其中一者。換句話說，開關元件330可為金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；MOSFET)，但本發明不以此為限。當開關元件330之工作狀態為導通狀態時，端點A及端點B之間導通；當開關元件330之工作狀態為截止狀態時，端點A及端點B之間斷開。
交換式電源供應器之電壓量測系統300更包含電阻R，電阻R電性連接開關元件330。電阻R兩端之電阻電壓為V R。
儲能單元340電性連接電源電路310及開關元件330，儲能單元340依據開關元件330之工作狀態產生感應電壓V L。詳細地說，儲能單元340包含二極體D1、稽納二極體D2及電感性元件L。二極體D1包含第一陽極及第一陰極。稽納二極體D2包含第二陽極及第二陰極。稽納二極體D2之第二陽極電性連接二極體D1之第一陽極。電感性元件L電性連接二極體D1之第一陰極(即端點E)及稽納二極體D2之第二陰極(即端點C)。電感性元件L之二端之電位差即為感應電壓V L。
次級側電路包含另一電感性元件L'及感測器350。感測器350耦接儲能單元340，並用以量測感應電壓V L。感測器350包含頻率估算單元(圖未繪示)。頻率估算單元依據感測器350量測之感應電壓V L估算感應電壓V L之頻率。具體而言，感測器350透過電感性元件L'耦接儲能單元340，電感性元件L、L'可分別為一隔離變壓器之初級側繞組及次級側繞組，感測器350透過隔離變壓器之電磁感應測得電感性元件L兩端之感應電壓V L，感測器350可為示波器或其他電壓量測儀器，頻率估算單元透過感測器350所測得之感應電壓V L之波形估算感應電壓V L之頻率。
當開關元件330之工作狀態為導通狀態時，感應電壓V L趨近整流電源電壓V bridge。詳細地說，當開關元件330之工作狀態為導通狀態時，電流自端點E流向二極體D1，二極體D1不導通，二極體D1視為斷開，即端點E至端點C之間無電流通過，端點E至端點C之間亦視為斷開；電感性元件L為充電狀態，此時感應電壓V L與整流電源電壓V bridge之關係可如式(1)所示： V bridge=V L+V DS+V R(1)； 其中V DS為汲極-源極電壓，當汲極-源極電壓V DS及電阻電壓V R極小時，感應電壓V L趨近整流電源電壓V bridge。由於初始電源電壓V ac與整流電源電壓V bridge之間呈比例關係，可由整流電源電壓V bridge推測出初始電源電壓V ac之數值。
請參照第4圖及第5圖，當開關元件330之工作狀態為截止狀態時，電感性元件L、二極體D1及稽納二極體D2皆被導通，且感應電壓V L為二極體D1之順向導通電壓V D1加上稽納二極體D2之崩潰電壓V D2。具體而言，當開關元件330之工作狀態為截止狀態，端點A與端點B之間斷開，電感性元件L為放電狀態，此時電流自電感性元件L流出，由端點C流經端點F再到端點E，稽納二極體D2逆向導通，產生崩潰電壓V D2，二極體D1順向導通，產生順向導通電壓V D1。此時電感性元件L、稽納二極體D2及二極體D1形成迴路I。電感性元件L兩端之感應電壓V L為符合式(2)： V L=V D1+V D2(2)。
藉此，本發明之交換式電源供應器之電壓量測系統300在開關元件330之工作狀態為導通狀態時，可自電感性元件L之兩端測得趨近於整流電源電壓V bridge之感應電壓V L，並進一步估算感應電壓V L之頻率後得出整流電源電壓V bridge之頻率；在工作狀態為截止狀態時，可自電感性元件L之兩端獲得穩定輸出之感應電壓V L。
請參照第6圖，第6圖係繪示本發明之第五實施例之交換式電源供應器之電壓量測系統400之方塊示意圖。交換式電源供應器之電壓量測系統400包含電源電路410、控制器420、開關元件430、儲能單元440及次級側電路。電源電路410包含整流電源電壓V bridge。控制器420包含控制信號。開關元件430電性連接控制器420，並依據控制信號切換工作狀態。儲能單元440電性連接電源電路410及開關元件430，儲能單元440依據開關元件430之工作狀態產生感應電壓V L。次級側電路包含感測器450，感測器450耦接儲能單元440，並用以量測感應電壓V L。在本實施例中，電源電路410、控制器420、開關元件430、儲能單元440、感測器450及電阻R分別與第4圖實施方式之電源電路310、控制器320、開關元件330、儲能單元340、感測器350及電阻R結構相同，不再贅述。特別地是，交換式電源供應器之電壓量測系統400更包含補償單元460，儲能單元440透過補償單元460耦接感測器450。
補償單元460電性連接儲能單元440、開關元件430及電阻R。在開關元件430導通時，因開關元件430導通時會產生汲極-源極電壓V DS，電阻R之兩端亦產生電阻電壓V R，儲能單元440兩端之感應電壓V L雖趨近於整流電源電壓V bridge卻存在些微差距。補償單元460對感應電壓V L進行補償，藉以使感測器450所量測之電壓等於整流電源電壓V bridge。
由上述實施方式可知，本發明提供之交換式電源之電壓量測方法及其系統具有下列優點：其一，透過儲能單元量測整流電源電壓；其二，在開關元件之工作狀態為導通狀態時，可自電感性元件之兩端測得趨近於整流電源電壓之感應電壓，並進一步估算感應電壓之頻率後得出整流電源電壓之頻率；在工作狀態為截止狀態時，可自電感性元件之兩端獲得穩定輸出之感應電壓；其三，透過補償單元對感應電壓進行補償，藉以使感測器所量測之電壓等於整流電源電壓。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,100a:交換式電源供應器之電壓量測方法 200,300,400:交換式電源供應器之電壓量測系統 210,310,410:電源電路 220,320,420:控制器 230,330,430:開關元件 240,340,440:儲能單元 250,350,450:感測器 311: 市電電源 312:整流器 460:補償單元 S01,S11:整流電源電壓提供步驟 S11a:初始電壓提供步驟 S11b:整流步驟 S02,S12:控制信號提供步驟 S03,S13:開關控制步驟 S04,S14:電壓感應步驟 S05,S15:電壓量測步驟 S16:頻率估算步驟 V ac:初始電源電壓 V bridge:整流電源電壓 V D1:順向導通電壓 V D2:崩潰電壓 V DS:汲極-源極電壓 V L:感應電壓 A,B,C,E,F:端點 D1:二極體 D2:稽納二極體 L,L':電感性元件 R:電阻 V R:電阻電壓 I:迴路
第1圖係繪示本發明之第一實施例之交換式電源供應器之電壓量測方法之步驟流程圖； 第2圖係繪示本發明之第二實施例之交換式電源供應器之電壓量測系統之方塊示意圖； 第3圖係繪示本發明之第三實施例之交換式電源供應器之電壓量測方法之步驟流程圖； 第4圖係繪示本發明之第四實施例之交換式電源供應器之電壓量測系統之導通狀態之電路示意圖； 第5圖係繪示依照第4圖實施方式之交換式電源供應器之電壓量測系統之截止狀態之電路示意圖；及 第6圖係繪示本發明之第五實施例之交換式電源供應器之電壓量測系統之方塊示意圖。
100:交換式電源供應器之電壓量測方法 S01:整流電源電壓提供步驟 S02:控制信號提供步驟 S03:開關控制步驟 S04:電壓感應步驟 S05:電壓量測步驟

Claims (8)

  1. 一種交換式電源供應器之電壓量測方法，包含：一整流電源電壓提供步驟，係驅動一電源電路提供一整流電源電壓；一控制信號提供步驟，係驅動一控制器提供一控制信號；一開關控制步驟，係依據該控制信號控制一開關元件之一工作狀態，該工作狀態為一導通狀態及一截止狀態之其中一者；一電壓感應步驟，係驅動一儲能單元依據該開關元件之該工作狀態產生一感應電壓；以及一電壓量測步驟，係驅動一感測器透過一電感性元件量測該感應電壓；其中，當該開關元件之該工作狀態為該導通狀態時，該感應電壓與該整流電源電壓之差減小；其中該儲能單元包含：一二極體，包含一第一陽極及一第一陰極；一稽納二極體，包含一第二陽極及一第二陰極，該稽納二極體之該第二陽極電性連接該二極體之該第一陽極；及該電感性元件，電性連接該二極體之該第一陰極及該稽納二極體之該第二陰極，該電感性元件之二端之一電位差為該感應電壓。
  2. 如請求項1所述之交換式電源供應器之電壓量測方法，其中該整流電源電壓提供步驟包含：一初始電壓提供步驟，係驅動一市電電源提供一初始電源電壓；及一整流步驟，係驅動一整流器將該初始電源電壓整流並轉換為該整流電源電壓。
  3. 如請求項1所述之交換式電源供應器之電壓量測方法，其中當該開關元件為該截止狀態時，該電感性元件、該二極體及該稽納二極體皆被導通，且該感應電壓為該二極體之一順向導通電壓加上該稽納二極體之一崩潰電壓。
  4. 如請求項1所述之交換式電源供應器之電壓量測方法，更包含：一頻率估算步驟，係依據該感測器量測之該感應電壓估算該感應電壓之一頻率。
  5. 一種交換式電源供應器之電壓量測系統，包含：一電源電路，包含一整流電源電壓；一控制器，包含一控制信號；一開關元件，電性連接該控制器，該開關元件依據該控制信號切換一工作狀態，該工作狀態為一導通狀態及一截 止狀態之其中一者；一儲能單元，電性連接該電源電路及該開關元件，該儲能單元依據該開關元件之該工作狀態產生一感應電壓，該儲能單元包含：一二極體，包含一第一陽極及一第一陰極；一稽納二極體，包含一第二陽極及一第二陰極，該稽納二極體之該第二陽極電性連接該二極體之該第一陽極；及一電感性元件，電性連接該二極體之該第一陰極及該稽納二極體之該第二陰極，該電感性元件之二端之一電位差為該感應電壓；以及一感測器，透過該電感性元件耦接該儲能單元，該感測器用以量測該感應電壓；其中，當該開關元件之該工作狀態為該導通狀態時，該感應電壓與該整流電源電壓之差減小。
  6. 如請求項5所述之交換式電源供應器之電壓量測系統，其中該電源電路包含：一市電電源，包含一初始電源電壓；及一整流器，電性連接該市電電源，並將該初始電源電壓整流並轉換為該整流電源電壓。
  7. 如請求項5所述之交換式電源供應器之電壓量測系統，其中當該開關元件為該截止狀態時，該電感性 元件、該二極體及該稽納二極體皆被導通，且該感應電壓為該二極體之一順向導通電壓加上該稽納二極體之一崩潰電壓。
  8. 如請求項5所述之交換式電源供應器之電壓量測系統，其中該感測器包含：一頻率估算單元，依據該感測器量測之該感應電壓估算該感應電壓之一頻率。
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