切换式电源供应器及使用其的电源供应设备 |
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| 申请号 | CN201620180322.3 | 申请日 | 2016-03-09 | 公开(公告)号 | CN205829445U | 公开(公告)日 | 2016-12-21 |
| 申请人 | 律源兴业股份有限公司; | 发明人 | 萧敏学; 洪健智; | ||||
| 摘要 | 一种切换式电源供应器，具有输入端及输出端，且包括功率级 电路 、 电流 传感器 、电流监测器、增益模 块 、分压电路、回授电路、与交换式电源 控制器 。功率级电路是耦接于输入端及输出端间，电流传感器是耦接至并感测功率级电路以产生电流感测值。电流监测器耦接至电流传感器，并产生对应的感测值。增益模块耦接于电流监测器，用以提供增益值，并产生第一回授值。分压电路耦接至输出端，并产生第二回授值。回授电路耦接至电流监测器及分压电路，用以产生回授 信号 。交换式电源控制器耦接于回授电路及功率级电路间，并控制功率级电路的电源转换。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种切换式电源供应器，具有一输入端及一输出端，其特征在于，该切换式电源供应器包括： |
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| 说明书全文 | 切换式电源供应器及使用其的电源供应设备技术领域[0001] 本实用新型是关于一种电源供应器及电源供应设备，且特别是一种切换式电源供应器及使用该切换式电源供应器的电源供应设备。 背景技术[0002] 随着网络带宽的提升，所谓的云计算(cloud computing)也愈来愈普及，因此数据中心(data center)也愈盖愈多，而每一数据中心的规模也愈来愈大。随着数据中心的规模愈来愈大，其所需要的电能也会跟着加大，故所需要的切换式电源供应器也愈来愈多。而且，为了要提供较大的功率，实务的做法是将数个切换式电源供应器进行并联，而非特别制作一个输出功率较大的切换式电源供应器。 [0003] 然而，由于制作精度的关系，即使二个规格相等的切换式电源供应器，其输出电压也会有些许的差异。请参照图1，图1所示为公知的并联使用的切换式电源供应器的示意图。在图1中，二个切换式电源供应器100,100’并联使用，以将电力供给到同一个负载10。切换式电源供应器100与切换式电源供应器100’例如具有相同的额定输出电压且输出功率相同，因此，理论上，切换式电源供应器100与切换式电源供应器100’能平均地供给电力至同一个负载10中。然而，因为制程上的原因，切换式电源供应器100与切换式电源供应器100’的参考电压会有所不同，而导致彼此的输出电压会有所差异。因此，若切换式电源供应器 100的参考电压小于切换式电源供应器100’的参考电压，且切换式电源供应器100与切换式电源供应器100’都电性连接到同一个负载10时，会导致切换式电源供应器100’的回授电路所检知到的电压永远高于切换式电源供应器100’本身的参考 电压，而导致切换式电源供应器100’不运作，而完全由切换式电源供应器100输出电流。这样一来，负载10所需的电力便无法由切换式电源供应器100与切换式电源供应器100’共同分担。 [0004] 另外，在数据中心内，多个切换式电源供应器会排列在柜架(Rack)上，根据热空气上升的原理，位于柜架上方的切换式电源供应器操作温度将会高于位于柜架下方的切换式电源供应器，但这样一来便可能导致上方的切换式电源供应器的寿命会比下方的切换式电源供应器还短。此时，使用者可以适当的调高置于下方的切换式电源供应器的使用率，并将位于上方的切换式电源供应器的使用率调低，从而使各个切换式电源供应器的热损耗趋于一致，来延长切换式电源供应器的生命周期。 [0005] 目前，公知的作法是使用信号线与沟通汇流排(current share bus)去联系每一台切换式电源供应器，以调整每一台切换式电源供应器的使用率，然而这会导致线路复杂且此信号线容易受到环境干扰造成系统不稳定。 [0006] 此外，节能减碳已蔚为趋势，有愈来愈多的数据中心或制造工厂开始使用再生能源(例如：太阳能面板或风力发电机)，以为环境贡献一些心力。然而，受限于天气状况，再生能源的供应往往没那么稳定或充足，因此大部分的数据中心或制造工厂都不会只单纯依靠再生能源，仍然会合并使用由一般电厂所提供的市电。然而，对于不同种类的输入电源，必须搭配使用不同的切换式电源供应器，而不同的切换式电源供应器就会有参考电压彼此不同，而无法并联使用的问题。因此，当不同种类的输入电源合并使用时，一般是将再生能源所产生的电力储存在一蓄电池中，再由蓄电池输出电力给数据中心。然而，由于再生能源所产生的电源需要储存到蓄电池后再进行输出，这会降低输出效率。发明内容 [0007] 为了解决上述的问题，本实用新型其中一目的在于提供一种切换式电源供应器，此切换式电源供应器无须使用信号线与沟通汇流排便可达到调整使用率的目的。 [0008] 基于上述目的与其他目的，本实用新型提供一种切换式电源供应器，此切换式电源供应器具有一输入端及一输出端。此切换式电源供应器包括一功率级电路、一电流传感器、一电流监测器、一增益模块、一分压电路、一回授电路、与一交换式电源控制器。其中，功率级电路是耦接于输入端及输出端之间，电流传感器是耦接至并传感该功率级电路以产生一电流传感值。电流监测器耦接至电流传感器，用以根据电流传感值产生一对应的传感值。增益模块耦接于电流监测器，用以提供一增益值，使传感值通过增益值以产生一第一回授值。分压电路耦接至输出端，用以根据该输出端上的一输出电压进行分压以产生一第二回授值。回授电路耦接至电流监测器及分压电路，用以根据第一回授值及第二回授值的和(亦即：加总回授值)产生一回授信号。交换式电源控制器耦接于回授电路及功率级电路之间，用以根据回授信号控制功率级电路的电源转换。 [0009] 在上述的切换式电源供应器中，电流传感器耦接至功率级电路的后端以传感该功率级电路的一输出电流，且电流监测器根据电流传感值输出电流产生该对应的传感值，并放大该传感值以产生该第一回授值。 [0010] 在上述的切换式电源供应器中，电流传感器包括一电流传感电阻，该电流传感电阻耦接于功率级电路及输出端之间。其中，电流监测器耦接至电流传感电阻两端以传感输出电流流过电流传感电阻所产生的传感值，并根据传感电压产生传感值。 [0011] 在上述的切换式电源供应器中，电流传感器耦接至与功率级电路的一内部变压器串联之一电流变压器的一二次侧以传感一二次侧电流。电流监测器根据 二次侧电流产生对应的传感值，并放大传感值以产生第一回授值。 [0012] 上述的切换式电源供应器中，电流传感器包括一电流变压器、一整流滤波电路、及一取样电路。电流变压器耦接至功率级电路的一初级侧，用以传感流过该初级侧的初级侧电流以产生一对应的传感电流至二次侧。整流滤波电路耦接至该流变压器，用以对传感电流进行整流及滤波以产生一对应的第一传感电压。取样电路耦接至整流滤波电路，用以对第一传感电压进行取样以产生一对应的第二传感电压。电流监测器耦接至取样电路，用以根据第二传感电压产生传感值。 [0013] 在上述的切换式电源供应器中，分压电路包括一第一电阻、一第二电阻及一第三电阻，该第一电阻、第二电阻及第三电阻是串联耦接于输出端及一接地端之间。第一电阻及第二电阻的共同端输出第一回授值及第二回授值的和至回授电路。第二电阻及第三电阻的共同端耦接至电流监测器以接收传感值。 [0014] 在上述的切换式电源供应器中，增益模块耦接于电流监测器及接地端之间，增益模块所产生的传感值是输出至第二电阻及第三电阻的共同端。 [0015] 在上述的切换式电源供应器中，增益模块为一可变电阻，该可变电阻借由其可变的阻值而调整增益值。 [0016] 在上述的切换式电源供应器中，还包括一调整接口，该调整接口耦接到增益模块，通过该调整接口可对增益值进行调整。调整接口更进一步耦接到回授电路，以控制该回授电路的一参考电压。而且，调整接口更进一步耦接到分压电路，通过调整接口可对加总回授值进行调整。 [0017] 基于上述目的与其他目的，本实用新型还提供一种电源供应设备。电源供应设备包括至少二上述的切换式电源供应器，且该二切换式电源供应器的输出端并联。而且，二切换式电源供应器是可分别连接至不同种类的输入电源。 [0018] 在上述的切换式电源供应器中，二切换式电源供应器的额定输出功率彼此不同。或者，二切换式电源供应器的增益值也彼此不同。 附图说明[0020] 图1所示为公知的并联使用的切换式电源供应器的示意图。 [0021] 图2A所示为本实用新型的第一实施例的切换式电源供应器的方块图。 [0022] 图2B所示为第一实施例的切换式电源供应器的电路图。 [0023] 图3所示为本实用新型的电源供应设备的其中一实施例。 [0024] 图4A所示为本实用新型的第二实施例的切换式电源供应器的方块图。 [0025] 图4B所示为第二实施例的切换式电源供应器的电路图。 [0026] 图5所示为本实用新型的电源供应设备的另外一实施例。 [0027] 图6所示为本实用新型的第三实施例的切换式电源供应器的电路图。 [0028] 图7所示为本实用新型的电源供应设备的再一实施例。 具体实施方式[0029] 请同时参照图2A与图2B，图2A所示为本实用新型的第一实施例的切换式电源供应器的方块图，图2B所示为第一实施例的切换式电源供应器的电路图。在本实施例中，切换式电源供应器1具有一输入端IN及一输出端OUT，此切换式电源供应器1包括一功率级电路11、一电流传感器12、一电流监测器13、一分压电路14、一回授电路15、与一交换式电源控制器16。其中，功率级电路11是耦接于输入端IN及输出端OUT之间，而电流传感器12耦接至功率级电路11的后端以 传感功率级电路11的一输出电流Io。在本实施例中，电流传感器12包括一电流传感电阻Rs，该电流传感电阻Rs耦接于功率级电路11及输出端OUT之间。电流监测器 13耦接至电流传感器12，用以根据输出电流Io产生一对应的传感值Vs，并放大该传感值Vs以产生一第一回授值Vk。分压电路14耦接至输出端OUT，用以根据输出端OUT上的一输出电压Vo进行分压以产生一第二回授值Vd。在本实施例中，分压电路14包括一第一分压电路141与一第二分压电路142，其中第一分压电路141包括一第一电阻R1，而第二分压电路142则包括一第二电阻R2及一第三电阻R3，第一电阻R1、第二电阻R2、及第三电阻R3是串联耦接于输出端OUT及接地端GND之间。其中，第一回授值Vk及第二回授值Vd的和Vfb(以下称「加总回授值Vfb」)是从第一电阻R1及第二电阻R2的共同端输出，而第二电阻R2及第三电阻R3的共同端则耦接至电流监测器13以接收传感值Vk。 [0030] 在本实施例中，功率级电路11的输出端还包括一滤波电路(未绘示)，该滤波电路包括至少一电容，用来稳压与滤波。而且，功率级电路11可为非隔离型拓扑转换器或隔离型拓扑转换器。非隔离型拓扑转换器例如为升压式转换器(boost converter)、降压式转换器(buck converter)、或SPEIC转换器(SPEIC converter)，而隔离型拓扑转换器例如为返驰式变换器(flyback converter)、顺向式变换器(forward converter)、半桥式变换器(half-bridge converter)、或谐振式变换器(resonant converter)等。 [0031] 此外，在本实施例中，增益模块132耦接于电流监测器13及接地端GND之间，用以提供一增益值K，使侦测值通过增益值K产生传感值Vk，此传感值Vk是输出至第二电阻R2及第三电阻R3的共同端。增益模块132例如为一可变电阻，此可变电阻借由其可变的阻值来调整增益值K。 [0032] 回授电路15耦接至该电流监测器13及分压电路14，用以根据第一回授值Vk 及第二回授值Vd的和Vfb产生一回授信号S1。在本实施例中，第一回授值Vk及第二回授值Vd的和Vfb是与回授电路15中的参考电压Vref相比较，当加总回授值Vfb超过参考电压Vref时，回授电路15便会产生回授信号S1，此回授信号S1会传送到交换式电源控制器16。交换式电源控制器16耦接于回授电路15及功率级电路11之间，用以根据回授信号S1控制功率级电路11的电源转换。当交换式电源控制器16接受到回授信号S1后，便会调降功率级电路11的输出电流。在本实施例中，交换式电源控制器16是依据功率级电路11之拓扑而选用对应的控制器，例如：脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)电路或脉波频率调变(Pulse Frequency Modulation,PFM)电路等。 [0033] 再来，请同时参照图3，图3所示为本实用新型的电源供应设备的其中一实施例。其中，此电源供应设备包括一切换式电源供应器1a与一切换式电源供应器1，切换式电源供应器1a的电路结构是相同于切换式电源供应器1的电路结构，且切换式电源供应器1a与切换式电源供应器1具有相同的额定输出功率与增益值。切换式电源供应器1a与切换式电源供应器1的输入端都是耦接到相同种类的输入电源(例如：市电)，而输出端则皆是耦接到同一个负载10，且由于切换式电源供应器1的参考电压较高的关系，切换式电源供应器1的实际输出电流Io会远高于切换式电源供应器1a的输出电流Io。此时，在切换式电源供应器1中，电流传感器12会传感到功率级电路11的输出电流Io，且电流监测器13与分压电路14也会分别对应地产生第一回授值Vk与第二回授值Vd。也由于切换式电源供应器1的输出电流Io较大，故其所产生的第一回授值Vk也会较大，也因此切换式电源供应器1的加总回授值Vfb会更快超过参考电压Vref。当加总回授值Vfb超过参考电压Vref时，回授电路15便会产生并传送回授信号S1至交换式电源控制器16，而使功率级电路11的输出电流Io下降。随着输出电流Io的下降，第一回授值Vk 也会下降，从而导致加总回授值Vfb跟着下降。当加总回授值Vfb低于参考电压Vref时，回授电路15便不会再传送回授信号S1至交换式电源控制器16，而使交换式电源控制器16再次调高功率级电路11的输出电流Io。 [0034] 当功率级电路11的输出电流Io下降时，因为负载10需要固定的能量供给，切换式电源供应器1a的功率级电路11的输出电流Io便会上升，同时也会连带使切换式电源供应器1a的电流监测器13产生的第一回授值Vk提高，从而让加总回授值Vfb也会跟着提高。之后，当切换式电源供应器1a的加总回授值Vfb超过参考电压Vref时，回授电路15便会产生并传送回授信号S1至交换式电源控制器16，而使功率级电路11的输出电流Io下降。 [0035] 由上可知，当切换式电源供应器1的输出电流Io较高时，切换式电源供应器1a的输出电流Io便会降低；反之，当切换式电源供应器1的输出电流Io降低时，切换式电源供应器1a的输出电流Io便会提高，如此周而复始。因此，当二个第一实施例所示的切换式电源供应器1,1a并联后，即使二者实际的参考电压有所差异，但借由图2A、图2B、与图3所示的方式，亦即借由电流传感器12、电流监测器13、与分压电路14所构成的控制机制，可使切换式电源供应器1与切换式电源供应器1a共同分担负载10所需的电力。也就是说，相较于公知，负载 10所需的电力可由切换式电源供应器1与切换式电源供应器1a共同分担，且无须使用到信号线与沟通汇流排。在图3中，仅绘示出二个并联的切换式电源供应器，但即使将更多个(例如：3个、4个)切换式电源供应器并联，也是能达到相似的效果。 [0036] 请参照图4A与图4B，图4A所示为本实用新型的第二实施例的切换式电源供应器的方块图，图4B所示为第二实施例的切换式电源供应器的电路图。在本实施例中，与第一实施例相同的组件将标以相同的组件符号。切换式电源供应器1’ 具有一输入端IN及一输出端OUT，此切换式电源供应器1’包括一功率级电路11’、一电流传感器12’、一电流监测器13、一分压电路14、一回授电路15、与一交换式电源控制器16。其中，功率级电路11’耦接于输入端IN及该输出端OUT之间，且功率级电路11’具有一内部变压器111’，而此内部变压器111’还串联有一电流变压器121’。内部变压器111’是耦接至电流变压器121’的一二次侧以传感一二次侧电流Is。更详细的说，电流变压器121’耦接至功率级电路11’的一初级侧，用以传感流过初级侧的初级侧电流Ip以于电流变压器121’的二次侧产生一对应的传感电流(Is)。此外，整流滤波电路122’耦接至电流变压器121’，用以对传感电流进行整流及滤波以产生一对应的第一传感电压。取样电路123’耦接至整流滤波电路122’，用以对第一传感电压进行取样以产生对应的一传感值Vs’。 [0037] 在本实施例中，功率级电路11’与电流传感器12’是整合在一起，在图4A中功率级电路11’与电流传感器12’是用一虚线相区隔。电流监测器13耦接至电流传感器12’，用以根据二次侧电流Is产生对应的传感值Vs’，并放大传感值Vs’以产生一第一回授值Vk’。分压电路14耦接至输出端OUT，用以根据输出端OUT上的一输出电压Vo进行分压以产生一第二回授值Vd。在本实施例中，分压电路14包括一第一分压电路141与一第二分压电路142，其中第一分压电路141包括一第一电阻R1，而第二分压电路142则包括一第二电阻R2及一第三电阻R3，第一电阻R1、第二电阻R2、及第三电阻R3是串联耦接于输出端OUT及接地端GND之间。 [0038] 回授电路15耦接至该电流监测器13及分压电路14，用以根据第一回授值Vk’及第二回授值Vd的和Vfb(亦即：加总回授值Vfb)产生一回授信号S1。在本实施例中，加总回授值Vfb是与回授电路15中的参考电压Vref相比较，当加总回授值Vfb超过参考电压Vref时，回授电路15便会产生回授信号S1，此回授信号S1会传送到交换式电源控制器16。交换式电源控制器16耦接于回授电路15及功率级 电路11之间，用以根据回授信号S1控制功率级电路11的电源转换。当交换式电源控制器16接受到回授信号S1后，便会调降功率级电路11的输出电流Io。 [0039] 此外，因为图2A与图2B所使用的电流传感器12是为一串联于功率级电路11的电流传感电阻Rs，当大电流经过该电流传感电阻Rs会有很大的损耗，因此切换式电源供应器可使用图4A与图4B的架构。也就是说，在需要高额定输出功率或大电流输出的情况下，图3中的切换式电源供应器1a与切换式电源供应器1也可采用如图4A与图4B的切换式电源供应器1’，也能达到同样的效果，亦即：负载10所需的电力可以被各个切换式电源供应器分担。 [0040] 在图3中，负载10是被切换式电源供应器1a与切换式电源供应器1所分担。然而，因为零件的误差造成回授条件有所差别，故各台切换式电源供应器的输出电流会有不均的情况，若要使切换式电源供应器1a与切换式电源供应器1平均分担负载10所需的电流，使用增益模块调整至各台切换式电源供应器有相同的回授条件即可。 [0041] 在某些状况下，即使所使用的切换式电源供应器具有相同额定输出功率，但使用者却希望各切换式电源供应器在实际上有不同的输出功率。例如，在数据中心内，考虑到热空气上升、冷空气下降的物理现象，在使用率相同的情况下，位于上方的切换式电源供应器的温度会大于置于下方的切换式电源供应器的温度。因此，使用者会希望调高置于下方的切换式电源供应器的使用率，并将位于上方的切换式电源供应器的使用率调低，从而使各个切换式电源供应器的热损耗趋于一致。此时，就可以对各切换式电源供应器的增益值K进行调整，以下将举例说明。 [0042] 请同时参照图5，图5所示为本实用新型的电源供应设备的另外一实施例。其中，此电源供应设备包括一切换式电源供应器2a与一切换式电源供应器2，切 换式电源供应器2a与切换式电源供应器2具有相同的额定输出功率，但却具有不同的增益值。在本实施例中，切换式电源供应器2a的增益值K2a大于切换式电源供应器2的增益值K2，因此在数据中心内，切换式电源供应器2a是放在切换式电源供应器2的上方。在本实施例中，切换式电源供应器2a与切换式电源供应器2例如是采用图4A与图4B所示的切换式电源供应器。以下，将结合图4A、图4B、与图5进行说明。 [0043] 当切换式电源供应器2a与切换式电源供应器2被启动后，其个别的电流监测器13皆会产生第一回授值Vk’，然而由于切换式电源供应器2a具有较大的增益值K，因此切换式电源供应器2a的第一回授值Vk’会较大。也因此，切换式电源供应器2a的加总回授值Vfb也会较切换式电源供应器2的加总回授值Vfb来得大。这样一来，切换式电源供应器2a的回授电路15也会较快产生回授信号S1，而调降功率级电路11的输出电流Io。当输出电流Io被调降后，加总回授值Vfb也会跟着下降，当加总回授值Vfb下降到低于参考电压Vref时，回授电路15便会停止传送回授信号S1至交换式电源控制器16，而使功率级电路11的输出电流Io再次升高，如此周而复始。 [0044] 反之，在切换式电源供应器2中，由于负载10需要固定的能量供给，因此当切换式电源供应器2a的输出电流Io下降时，切换式电源供应器2的输出电流Io便会提高，这会导致切换式电源供应器2的第一回授值Vk’与加总回授值Vfb也跟着提高，当切换式电源供应器2的加总回授值Vfb超过参考电压Vref时，回授电路15便会产生并传送回授信号S1至交换式电源控制器16，而使切换式电源供应器2的输出电流Io下降，如此周而复始。 [0045] 综上可知，即使切换式电源供应器2a与切换式电源供应器2具有相同的额定输出功率，但由于切换式电源供应器2a具有较高的增益值K，故在整体运作时间 内，切换式电源供应器2a的实际输出功率便会低于切换式电源供应器2的实际输出功率，从而达到使二个切换式电源供应器2,2a的热损耗趋于一致的目的。 [0046] 请参照图6，图6所示为本实用新型的第三实施例的切换式电源供应器的电路图。相较于图2B所示的切换式电源供应器1，本实施例的切换式电源供应器3还包括一调整接口 17，该调整接口17是耦接到增益模块132、回授电路15、与第二分压电路142，以分别对增益模块132的增益值K、回授电路15的参考电压Vref、与第二分压电路142的第三电阻R3的电阻值进行调整。其中，调整接口17例如是借由调整第三电阻R3的电阻值以改变第二回授值Vd。 借由调整增益值K，可对加总回授值Vfb进行调整。当加总回授值Vfb愈高或参考电压Vref愈低，回授电路15便会愈早产生并传送回授信号S1至交换式电源控制器16，而使功率级电路 11的输出电流Io下降。此外，图4A所示的切换式电源供应器1’也可设置调整接口17。另外，调整接口17也可只与增益模块132、回授电路15、及第二分压电路142的其中之一进行耦接，而无须与全部进行耦接。也就是说，只要改变增益模块132的增益值K、回授电路15的参考电压Vref、及第二分压电路142的第三电阻R3的电阻值的其中之一参数，都可以调整各台交换式电源供应器于并联使用时的输出功率比例。 [0047] 请参照图7，图7所示为本实用新型的电源供应设备的再一实施例。其中，此电源供应设备包括一切换式电源供应器3、一切换式电源供应器3’、与一切换式电源供应器3”。此外，切换式电源供应器3是耦接到市电20，切换式电源供应器3’是耦接到太阳能面板30，而切换式电源供应器3”是耦接到风力发电机40。此外，切换式电源供应器3,3’,3”彼此间的额定输出功率并不相同，但切换式电源供应器3,3’,3”的电路结构都与图4A所示的切换式电源供应器1’相同或相似，具有由电流传感器12’、电流监测器13、与分压电路14所构成的控制机制，因此 切换式电源供应器3,3’,3”彼此之间可并联使用。相较于公知，本实施例的电源供应设备无需使用到蓄电池，故输出效率较高。 [0048] 综上所述，使用本创作的交换式电源供应器可以达到以下的功效： [0049] (1)相同种类的输入电源且相同额定输出功率的切换式电源供应器可两个或两个以上并联使用。 [0050] (2)不同种类的输入电源且相同额定输出功率的切换式电源供应器可两个或两个以上并联使用。 [0051] (3)相同种类的输入电源且不同额定输出功率的切换式电源供应器可两个或两个以上并联使用。 [0052] (4)不同种类的输入电源且不同额定输出功率的切换式电源供应器可两个或两个以上并联使用 [0053] (5)上述的切换式电源供应器在并联情况下可以任意调整每个切换式电源供应器的负担比例。 |
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