专利名称：电源供应装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源供应装置及其操作方法，且特别是有关于一种开关模式电源供应装置的拓朴结构及其操作方法。
背景技术：
在设计开关模式电源时，要求系统达到高转换效率、高功率密度、高可靠性、低成本以及快速负载动态响应。同时，由于能源节约运动在世界范围内的广泛推行，所以对开关模式电源也要求具有低的待机损耗。对此，国际能源组织(IEA)、美国和欧洲等国家已制定出或正在制定相关标准，以限制使用开关模式电源的电器产品在待机时的功率损耗。
国际能源组织和欧洲推荐的标准是对于额定输入功率75W以下电源，2003年1月1日后其空载损耗应该小于0.75W。而对于额定输入功率大于75W以上电源，暂时还没有现成标准。相信随着时间的推移，将会对于大功率电源制定出更加严格的标准。
在待机状态时，现有待机损耗降低方法有1、待机时降低转换器的开关工作频率。因为功率组件的开关损耗在待机损耗中占有较大的比例，所以降低开关频率可以有效地降低开关损耗，进而降低待机损耗。然而，若采用这种方法，当开关频率降低到20KHz以下时会出现音频噪声。因此一些厂家在开发此类控制芯片时加入频率抖动和峰值电流限制技术来削弱与降低噪声。另外，此种降低开关频率的方法只限用于脉冲宽度调变(PWM，pulse width modulation)转换器。
2、开关间歇式工作。通过控制电压误差放大信号或直接控制输出电压，可以在待机时让转换器间歇式工作，这样在单位时间内的开关次数与开关损耗将因而减少。然而，采用此种方法在待机时输出电压纹波较大，再者也容易出现音频噪声。此方法可应用于脉冲宽度调变转换器与谐振转换器。
3、采用小功率开关工作。由于开关损耗及驱动损耗是与功率组件的寄生电容等参数有关，而小功率开关的寄生电容较小，所以在待机时采用小功率开关工作可以在一定程度上降低转换器的开关损耗和驱动损耗。
以上方法虽然能够降低待机损耗，但对于较大功率的开关模式电源，却难以满足一些严格的待机损耗要求。例如美国戴尔公司对150W适配器的1W要求，即在电源输出0.5W负载时输入功率不能大于1W，同时还要达到高转换效率、高功率密度、高可靠性、低成本以及快速负载动态响应等要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源供应装置，以主/辅转换器并联输出的拓朴结构共同提供输出功率。在正常负载的时候，绝大部分功率由主转换器提供，此时辅助转换器工作于限功率模式(即输出功率总是不大于某个定值)。在待机的时候，关断该直流-直流转换器使之不工作，仅由该辅助转换器提供输出功率给负载，同时通过功率因子校正器与第一电容用以维持该主转换器的输出动态响应。因此，可同时达到高变换效率以及低待机耗损的目的。
本发明的再一目的是提供一种电源供应装置的操作方法，当该电源供应装置工作于待机模式时，关断主转换器使之不工作，仅由辅助转换器提供输出给负载，同时通过功率因子校正器与第一电容用以维持该主转换器的输出动态响应。
本发明提出一种电源供应装置，包括主转换器(main converter)以及辅助转换器(auxiliary converter)。主转换器包含功率因子校正器(PFC，power factor corrector)、与功率因子校正器并联的第一电容以及与该第一电容并联的一直流-直流转换器(DC/DC converter)。辅助转换器并联于主转换器。其中，当电源供应装置工作于正常工作模式时，主转换器的直流-直流转换器与辅助转换器共同提供第一输出给输出负载；以及当电源供应装置工作于待机模式时，关断直流-直流转换器使之不工作，仅由辅助转换器提供第二输出给输出负载，同时功率因子校正器仍然工作以维持第一电容的电压，以满足主转换器的输出动态响应的要求。
依照本发明的较佳实施例所述电源供应装置，还包括整流器以及第二电容。整流器耦接至主转换器与辅助转换器的输入端。第二电容并联于主转换器与辅助转换器的输出端。
依照本发明的较佳实施例所述电源供应装置，上述的主转换器还包括第一光耦器以及第一控制器。第一光耦器与输出负载相连接，用以侦测电源供应装置的工作状态，并据以输出第一控制信号。第一控制器与第一光耦器相连接，用以接收第一控制信号并且输出第二控制信号以控制直流-直流转换器。
依照本发明的较佳实施例所述电源供应装置，上述的辅助转换器还包括第二光耦器以及第二控制器。第二光耦器与输出负载相连接，用以侦测电源供应装置的工作状态，并据以输出第三控制信号。第二控制器与第二光耦器相连接，用以接收并依据第三控制信号以控制辅助转换器。
依照本发明的较佳实施例所述电源供应装置，上述的直流-直流转换器以及辅助转换器均为脉冲宽度调变(PWM，pulse width modulation)转换器。例如，直流-直流转换器可以为非对称半桥转换器(asymmetrical halfbridge converter)，功率因子校正器可以为升压型(Boost)结构，而辅助转换器可以为飞返式转换器(Flyback converter)。
本发明另提出一种电源供应装置的操作方法，包括步骤如下。首先侦测电源供应装置的工作模式。当电源供应装置工作于正常工作模式时，控制主转换器的直流-直流转换器与辅助转换器共同提供第一输出给输出负载。以及，当电源供应装置工作于待机模式时，关断主转换器使之不工作，仅由辅助转换器提供第二输出给输出负载，同时通过功率因子校正器与第一电容维持主转换器的输出动态响应。
本发明因采用主/辅转换器并联输出的拓朴结构以共同提供输出功率，因此在正常负载的时候，绝大部分功率由主转换器提供，此时辅助转换器工作于限功率模式(即输出功率总是不大于某个固定值)。在待机的时候，输出的功率全由辅助转换器来提供，此时主转换器不工作。因此，可同时达到高变换效率以及低待机耗损的目的。另因为有电容并联配置于功率因子校正器与直流-直流转换器之间，因此，在待机模式时，可以通过功率因子校正器维持第一电容的电压，以满足主转换器的输出动态响应。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
图1是依照本发明较佳实施例所绘示的一种输出并联主、辅转换器拓朴结构。
图2是依照本发明较佳实施例所绘示的一种具有输出并联主、辅转换器拓朴结构的详细电路图。
图3是依照本发明较佳实施例所绘示于不同输出负载的一种功率输出图表。
图4是空载损耗对照图表。
图5是0.5W输出负载的条件下的输入功率对照图表。
图6是90V输入电压时不同输出负载下效率对照图表。
图7是满载时不同输入电压下的效率对照图表。
符号说明110、210主转换器(main converter)111、211功率因子校正器(PFC，power factor corrector)112、212直流-直流转换器(DC/DC converter)120、220辅助转换器(auxiliary converter)130、230整流器CB、Co电容Pin输入功率
Po输出功率Po1主转换器的输出功率Po2辅助转换器的输出功率具体实施方式
图1是依照本发明较佳实施例所绘示的一种输出并联主、辅转换器拓朴结构。请参照图1，主转换器(main converter)110与辅助转换器(auxiliary converter)120在A1、A2以及B1、B2处并联。自A1、A2接收的输入功率Pin通过整流器130整流后提供给主转换器110与辅助转换器120。A1、A2表示开关模式电源的输入端，其例如连接至交流电源。B1、B2表示是开关模式电源的输出端子以提供输出功率Po，其中B1、B2通常连接至输出负载。
开关模式电源为满足高变换效率和高功率密度的要求，在设计主转换器时，其效率最佳化点是在满载功率附近，因此在轻载时主转换器的效率相对较低。如果待机时的输出负载由主转换器提供，则耗损相对较大。而辅助转换器的输出功率不大，所以在设计时，辅助转换器于待机时的效率容易得到最佳化，从而待机时的耗损相应较小。
主转换器110可以是单级或是多级结构，用以在满载时提供主要功率输出。辅助转换器120不仅提供少量的输出负载(其最大输出功率是限定的)，而且还要提供系统的控制功率。当在待机模式时，主转换器110没有功率输出，所有输出功率由辅助转换器120提供。在正常工作模式时，主转换器110与辅助转换器120共同提供输出功率(辅助转换器120的最大输出功率是限定的)。
本实施例中主转换器110是为两级结构，即由功率因子校正器(PFC，power factor corrector)111以及直流-直流转换器(DC/DC converter)112所组成。功率因子校正器111与直流-直流转换器112之间并联一个具有储能稳压作用的第一电容CB，并且直流-直流转换器112的输出端组也并联一个第二电容CO。
当该电源供应装置工作在正常工作模式时，控制主转换器的直流-直流转换器与辅助转换器共同提供第一输出功率给输出负载。在待机模式时，关断直流-直流转换器112使之不工作(以减小待机时的损耗)，仅由辅助转换器120提供第二输出功率给该输出负载。此时，功率因子校正器111仍然工作，以维持第一电容CB上的电压稳定，而使系统能够满足输出负载动态响应的需求。在回复正常工作模式的初时，第一电容CB提供直流-直流转换器112功率转换时所需的稳定电压。
上述辅助转换器120、功率因子校正器111以及直流-直流转换器112可参照图2实施的。图2是依照本发明较佳实施例所绘示的一种并联主、辅转换器拓朴结构的详细电路图。辅助转换器220例如采用飞返式转换器(Flyback converter)的拓朴结构。于本实施例中，辅助转换器220中还包含第二光耦器与第二控制器。第二光耦器与该输出负载相连接，用以侦测该电源供应装置的工作状态(例如侦测输出功率Po的输出负载状态)，并据以输出第三控制信号。第二控制器与第二光耦器相连接，用以接收并依据第三控制信号以控制辅助转换器220的输出功率Po2。
主转换器210分为两级结构，即功率因子校正器211以及直流-直流转换器212。功率因子校正器211例如采用升压型转换器(Boost converter)结构实施的，而直流-直流转换器212例如以非对称半桥转换器(AHBC，asymmetrical half bridge converter)实施的。有关Boost电路、AHBC电路以及Flyback电路不在此赘述。于本实施例中，主转换器210中还包含第一光耦器与第一控制器。第一光耦器与该输出负载相连接，用以侦测该电源供应装置的工作状态(例如侦测电源供应装置输出功率Po的输出负载状态)，并据以输出一第一控制信号。第一控制器与第一光耦器相连接，用以依据第一控制信号以决定第二控制信号的脉宽并输出的，以控制直流-直流转换器212。直流-直流转换器212依据第二控制信号将功率因子校正器211所输出的电能加以转换，并且输出功率Po1。
图3是依照本发明较佳实施例所绘示于不同输出负载的一种功率输出图表。请参照图3，其中横轴表示电源供应装置的总输出功率Po，纵轴表示主转换器的输出功率Po1与辅助转换器的输出功率Po2。输出功率Po1与Po2之和等于输出功率Po。当输出功率Po介于0～Pa时(待机工作状态)，主转换器没有输出，即Po1＝0，Po2＝Po。当输出功率Po介于Pa～Pb时(轻载工作状态)，主转换器开始有输出，即Po＝Po1+Po2。当输出功率Po大于Pb时(正常工作状态)，主转换器与辅助转换器共同输出，其中辅助转换器工作在限功率输出状态，即Po2＝Po2max。
以下是以150W，12V/12.5A输出适配器的基础上，采用上述实施例所得到的试验结果。图4是空载损耗对照图表。请参照图4，其中纵轴表示输入功率，横轴表示输入电压。图中A线为采用习知技术于150W，12V/12.5A输出适配器下在不同输入电压的空载耗损，而B线则为依照本发明的实施例于相同输出条件下在不同输入电压的空载耗损。两者比对，可明显获知B线比A线降低系统的空载损耗0.105～0.343W，尤其于低输入电压段效果更加明显。
图5是0.5W输出负载的条件下的输入功率对照图表。请参照图5，图中A线为采用公知技术在150W，12V/12.5A输出适配器在不同输入电压下的0.5W输出负载时的输入功率，而B线则为依照本发明的实施例于相同输出条件在不同输入电压下的0.5W输出负载时的输入功率。两者比对，可明显获知B线比A线还可降低系统于0.5W输出负载时的输入功率0.257～0.533W，尤其于低输入电压段效果还加明显。在输入电压为90V～150V，待机损耗已小于1W。
图6是90V输入电压时不同输出负载下效率对照图表。请参照图6，其中纵轴表示效率，横轴表示输出负载。图中A线为采用公知技术于150W，12V/12.5A输出适配器在不同输出负载时的效率，而B线则为依照本发明的实施例于相同条件下在不同输出负载时的效率。图中A线与B线近似重合，说明本发明不影响系统的效率。
图7是满载时不同输入电压下的效率对照图表。请参照图7，其中纵轴表示效率，横轴表示输入电压。图中A线为采用公知技术于150W，12V/12.5A输出适配器在不同输入电压时的满载效率，而B线则为依照本发明的实施例于相同条件下在不同输入电压时的满载效率。图中A线与B线近似重合，说明本发明不影响系统的效率。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的还动与润饰，因此本发明的保护范围当根据权利要求中所界定的为准。
权利要求
1.一种电源供应装置，其特征在于包括一主转换器，包含一功率因子校正器、与该功率因子校正器并联的一第一电容以及与该第一电容并联的一直流-直流转换器；以及一辅助转换器，并联于主转换器；其中，当电源供应装置工作于正常工作模式时，该主转换器的直流-直流转换器与该辅助转换器共同提供第一输出给输出负载；以及当电源供应装置工作于一待机模式时，关断该直流-直流转换器使之不工作，仅由该辅助转换器提供一第二输出给该输出负载，同时功率因子校正器仍然工作以维持第一电容的电压，以满足主转换器的输出动态响应的要求。
2.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于还包括一整流器，该整流器耦接至主转换器与辅助转换器的输入端。
3.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于还包括一第二电容，并联于主转换器与辅助转换器的输出端。
4.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于该主转换器还包括一第一光耦器，与输出负载相连接，用以侦测该电源供应装置的工作状态，并据以输出一第一控制信号；以及一第一控制器，与第一光耦器相连接，用以接收第一控制信号并且输出一第二控制信号以控制直流-直流转换器。
5.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于辅助转换器还包括一第二光耦器，与输出负载相连接，用以侦测该电源供应装置的工作状态，并据以输出一第三控制信号；以及一第二控制器，与第二光耦器相连接，用以接收并依据第三控制信号以控制辅助转换器。
6.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于直流-直流转换器以及辅助转换器均为脉冲宽度调变转换器。
7.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于直流-直流转换器系为非对称半桥转换器。
8.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于该功率因子校正器是为升压型转换器结构。
9.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于该辅助转换器是为飞返式转换器。
10.一种电源供应装置的操作方法，其特征在于电源供应装置包括一主转换器以及一与该主转换器相并联的一辅助转换器，其中主转换器包含一功率因子校正器、与功率因子校正器并联的一第一电容以及与第一电容并联的一直流-直流转换器，该电源供应装置的操作方法包括侦测该电源供应装置的工作模式；当该电源供应装置工作于一正常工作模式时，控制该主转换器的该直流-直流转换器与该辅助转换器共同提供一第一输出给一输出负载；以及当该电源供应装置工作于一待机模式时，关断该主转换器使之不工作，仅由该辅助转换器提供一第二输出给该输出负载，同时功率因子校正器仍然工作以维持第一电容的电压，以满足主转换器的输出动态响应的要求。
11.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于还包括提供一整流器，该整流器耦接至该主转换器与该辅助转换器的输入端。
12.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于还包括提供一第二电容，并联于该主转换器与该辅助转换器的输出端。
13.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于该主转换器还包括一第一光耦器，与该输出负载相连接，用以侦测电源供应装置的工作状态，并据以输出一第一控制信号；以及一第一控制器，与该第一光耦器相连接，用以接收该第一控制信号并且输出一第二控制信号以控制该直流-直流转换器。
14.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于该辅助转换器还包括一第二光耦器，与该输出负载相连接，用以侦测该电源供应装置的工作状态，并据以输出一第三控制信号；一第二控制器，与第二光耦器相连接，用以接收并依据该第三控制信号以控制该辅助转换器。
15.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于该直流-直流转换器以及该辅助转换器均为脉冲宽度调变转换器。
16.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于该直流-直流转换器是为非对称半桥转换器。
17.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于该功率因子校正器是为升压型转换器结构。
18.如权利要求10所述电源供应装置的操作方法，其特征在于该辅助转换器是为飞返式转换器。
全文摘要
一种电源供应装置及其操作方法，其中电源供应装置包括主转换器以及辅助转换器。主转换器包含功率因子校正器、与功率因子校正器并联的第一电容以及与第一电容并联的直流－直流转换器。辅助转换器并联于主转换器。其中，当电源供应装置工作于正常工作模式时，主转换器的直流－直流转换器与辅助转换器共同提供第一输出给输出负载；以及当电源供应装置工作于待机模式时，关断直流－直流转换器使之不工作，仅由辅助转换器提供第二输出给输出负载，同时功率因子校正器仍然工作以维持第一电容的电压，以满足主转换器的输出动态响应的要求。
文档编号H02M1/00GK1790884SQ20041009859
公开日2006年6月21日 申请日期2004年12月14日 优先权日2004年12月14日
发明者林昆祈, 张友军, 孔庆刚, 楼俊山, 甘鸿坚 申请人:台达电子工业股份有限公司