CN102332835A - 电源供应电路的放电回路及其有源控制电路 - Google Patents

电源供应电路的放电回路及其有源控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电源供应电路的放电回路及其有源控制电路，该电源供应电路包含一滤波电容，并与该电源供应电路的输入侧连接，以滤除该一输入交流电压所引起的电磁干扰，该放电回路包含：一第一泄电电阻，与该滤波电容连接；以及一有源控制电路，连接于该第一泄电电阻以及该电源供应电路的输入侧，其包含：一开关，与该第一泄电电阻串联连接；以及一电压感测电路，连接于该电源供应电路的输入侧与该开关的一控制端，以控制该开关切换，该电压感测电路包含：一微分器，连接至该电源供应电路的输入侧；以及一半波整流器，连接至该微分器以及该开关的该控制端。本发明的有源控制电路可减少电路的电源损失并且加强电路的电源效率。

Description

电源供应电路的放电回路及其有源控制电路
技术领域
本发明涉及一种电源供应电路的放电回路，尤其涉及一种电源供应电路的放电回路的有源控制电路。
背景技术
利用电容来滤波及储能的电源供应电路是各种电子设备，例如计算机、服务器等不可或缺的电子电路，其用以接收交流电源，例如市电，并将其转换为驱动电子设备动作所需要的直流电压。
请参阅图1，其为公知电源供应电路的放电回路的结构示意图。如图所示，公知电源供应电路具有一滤波电容(filtering capacitor)C，其以并联的方式连接于电源供应电路的输入侧，用以滤除输入交流电源Vin所提供的交流电压的高频噪声，以减少电源供应电路动作时产生的电磁干扰。
再者，由于电子设备的安全规范里规定当电源供应电路脱离输入交流电源Vin时，滤波电容C所储存的电能需要在一秒钟内快速的泄放至峰值电压(peak voltage)的37％，以减少使用者因接触电源供应电路而触电的风险。故为了符合规定，如图1所示，公知电源供应电路具有一放电回路包含一泄电电阻(bleeder resistor)R，与滤波电容C并联，用以提供一放电路径给滤波电容C。当电源供应电路中断接收输入交流电源Vin所提供的交流电压时，使滤波电容C上的电压于一个时间常数(滤波电容C的总电容值乘上泄电电阻R的总电阻)经泄电电阻R放电至安全规范所订定的标准以下，借此电源供应电路便可符合安全规范的相关规定。
随着电子设备的电源消耗量不断增加，滤波电容C的电容值与电源供应电路的电源消耗也不断增加。如此便会减少电源供应电路的电源效率。
发明内容
本发明提出一种电源供应电路的放电回路的有源控制电路，以减少放电回路的电源损耗及增加电源供应电路的电源效率问题。
本发明的目的在于提供一种电源供应电路的放电回路及其有源控制电路，有源控制电路够操作放电回路使其能够使得电源供应电路的输入交流电压动作时，减少放电回路中不必要的电源消耗，而在当电源供应电路的输入交流电压中断时，迅速地让电源供应电路的能量储存元件所储存的能量释放。
本发明的主要架构在于提供一种电源供应电路的放电回路，该电源供应电路包含一滤波电容，并与电源供应电路的输入侧连接，以滤除输入交流电压所引起的电磁干扰。该放电回路包含(I)一第一泄电电阻，与该滤波电容连接，以允许当输入交流电压中断时，使该滤波电容所储存的能量经由该第一泄电电阻释放，以及(II)一有源控制电路，连接于该第一泄电电阻以及该电源供应电路的输入侧，依据该输入交流电压的状态控制该放电回路使该滤波电容的电能经由该第一泄电电阻的放电动作。有源控制电路包含(I)一开关，与该第一泄电电阻串联连接，以及(II)一电压感测电路，连接于该电源供应电路的输入侧与该开关的一控制端，以控制开关切换。该电压感测电路包含一(I)微分器，连接至该电源供应电路的输入侧，以检测该输入交流电压的变化，以及(II)一半波整流器，连接至该微分器以及该开关的该控制端，对该输入交流电压进行半波整流以得到一半波整流的直流电压，借此驱动开关切换。
本发明的次要架构在于提供一种有源控制电路，用于一电源供应电路的放电回路中，该电源供应电路包含一滤波电容，并与该电源供应电路的输入侧连接，以滤除一输入交流电压所引起的电磁干扰。该放电回路包含(I)一第一泄电电阻与该滤波电容连接，以允许当输入交流电压中断时，使该滤波电容所储存的能量经由该第一泄电电阻释放。该有源控制电路包含一(I)开关，与该第一泄电电阻串联连接，以及(II)一电压感测电路，连接于该电源供应电路的输入侧与该开关的一控制端，以控制该开关切换。该电压感测电路包含(I)一微分器，连接至该电源供应电路的输入侧，以检测该输入交流电压的变化，以及(II)一半波整流器，连接至该微分器以及该开关的控制端，对该输入交流电压进行半波整流以得到一半波整流的直流电压，借此驱动该开关切换。
本发明提供电源供应电路的放电回路的有源控制电路，其可以有源的方式来控制电源供应电路的放电回路的操作。本发明的有源控制电路可在输入交流电压动作时，避免电源供应电路的泄电电阻因为电流经过而造成电源损耗，并且在输入交流电压中断时，提供一迅速的放电路径给电源供应电路的滤波电容以加速放电。因此，本发明的有源控制电路可减少电路的电源损失并且加强电路的电源效率。
附图说明
图1：公知电源供应电路的放电回路的结构示意图；
图2：本发明的电源供应电路的放电回路及其有源控制电路的方框图；
图3：本发明的电源供应电路的一较佳实施例的电路图；
图4A为图3的电路的一变形；
图4B为图3的电路的一变形；
图5为图4B的电路的一变形；以及
图6为开关Q1的栅极-源极电压(Vgs)、感测电压Vsense、滤波电容C1经由泄电电阻R3放电的放电电流IR3-P以及滤波电容C1两侧的电压Vxcap的波形图。
上述附图中的附图标记说明如下：
202：电压感测电路
206：有源控制电路
SW1：开关电路
Vin：输入交流电源
Rb：泄电电阻
Cx：滤波电容
C1：滤波电容
R3：泄电电阻
(D5、D6、D7、D8)：桥式整流器
ZL：负载
C4：输入大电容
(D1、D2)：逆向电流保护电路
(R1、C2)：微分器
(D3、D4)：半桥整流器
Q1：开关
ZD1：齐纳二极管
(R2、C3)：滤波器
R4：泄电电阻
502：监测电路
(R5、R6)：串联电阻
Vsense：感测电压
COM：共同接地端
(R7、C5)：滤波器
D9：二极管
Vgs：栅极-源极电压
IR3-P：放电电流
Vxcap：滤波电容两侧的电压
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
图2显示本发明的电源供应电路的放电回路及其有源控制电路的方框图。在图2中，电源供应电路包含一滤波电容Cx跨接于输入交流电压Vin的火线与中性线之间，即并联连接于电源供应电路的输入侧，其中输入交流电压Vin提供作为电源供应电路的输入电压。本发明的放电回路包含一电压感测电路202，连接至电源供应电路的输入侧以检测输入交流电压Vin是否存在。本发明的放电回路还包含一泄电电阻Rb，其提供一放电路径给滤波电容Cx。滤波电容Cx与泄电电阻Rb的动作与功能与图1的滤波电容C与泄电电阻R相似，在此不予以赘述。须注意的是，本发明的放电回路还包含一开关电路SW1，与泄电电阻Rb串联且连接至电压感测电路202。开关电路SW1用来控制滤波电容Cx与泄电电阻Rb的放电动作。电压感测电路202用来控制开关电路SW1的开关动作。开关电路SW1与电压感测电路202组成一个有源控制电路206，借此依据输入交流电压Vin的状态有源地控制放电回路的开关电路SW1导通或截止使滤波电容Cx的电能是否经由泄电电阻Rb的放电动作。
图3显示本发明的电源供应电路的一较佳实施例的电路图，其中滤波电容C1与泄电电阻R3与图2的滤波电容Cx与泄电电阻Rb在功能与电路组成上相类似，在此不予以赘述。图3的电源供应电路还包含一桥式整流器，由整流二极管(D5、D6、D7、D8)所组成且连接至电源供应电路的输入侧以接收输入交流电压Vin，用来将输入交流电压Vin整流成为一个全波整流的直流电压，其中该桥式整流器的输入侧连接于滤波电容C1。桥式整流器所输出的全波整流的直流电压用来供电给一负载ZL。电源供应电路还包含一个输入大电容(input bulk capacitor)C4，与桥式整流器(D5、D6、D7、D8)的正负输出端并联连接，用来消除全波整流的直流电压的高频涟波(ripple)。电源供应电路还包含一逆向电流保护电路(D1、D2)，连接于电源供应电路的输入侧与泄电电阻R3之间，即与泄电电阻R3串联连接，用来避免逆向电流流向电源供应电路的输入端。电源供应电路还包含一个由电阻R1与电容C2所组成的微分器(differentiator)，连接至电源供应电路的输入侧且用来检测输入交流电压Vin的变化。电源供应电路还包含一个由整流二极管D3与D4所组成的半桥整流器(half-wave rectifier)，连接至微分器(R1、C2)以及开关Q1的栅极，用以对微分器(R1、C2)所检测到的交流电压进行半波整流而得到一半波整流的直流电压，借此驱动开关Q1切换(导通或截止)。该半波整流的直流电压的电平代表输入交流电压Vin的电压电平。电源供应电路还包含一个由一齐纳二极管ZD1所组成的一电压钳位器(voltage clamp)，其跨接于半波整流器(D3、D4)且用来固定半桥整流器(D3、D4)所输出的半波整流的直流电压的电压电平以及保护开关Q1避免发生过电压。注意的是齐纳二极管ZD1为一选择性的元件，于本实施例中，齐纳二极管ZD1一端连接至半波整流器以及开关Q1的栅极(控制端)，而另一端连接至共同接地端(桥式整流器的负输出端)。电源供应电路还包含一个由电阻R2与电容C3所组成的滤波器，其与电压钳位器ZD1并联连接且连接至开关Q1的栅极，用以滤除该半波整流的直流电压中的某些不想要频段的噪声，例如将大于交流电压频率60Hz(赫兹)的高频噪声滤除。电源供应电路还包含一开关Q1，其具有一漏极与泄电电阻R3串联，一栅极连接至半波整流器(D3、D4)，以及一源极连接至一共同接地端。开关Q1可为一结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)所组成，其可允许在栅极的驱动电压为负电压的情形下截止。逆向电流保护电路(D1、D2)、微分器(R1、C2)、半桥整流器(D3、D4)、滤波器(R2、C3)以及电压钳位器ZD1组成图2的电压感测电路202。开关Q1组成图2的开关电路SW1。关于图3的有源控制电路的动作，将在底下说明。
当输入交流电压Vin动作时，在输入交流电压Vin的负半周，电流会由输入交流电压Vin的中性线(neutral line)流经整流二极管D8、负载ZL、电阻R2、二极管D4、电阻R1以及电容C2，然后回到交流电压Vin的火线(liveline)。电流会对滤波电容C3充电，借此一负电压会产生于滤波电容C3上且为滤波电容C3所过滤。因此开关Q1的栅极驱动电压为一负电压使得开关Q1截止。因此没有电流会流经泄电电阻R3使得泄电电阻R3不会消耗电源。电压钳位器ZD1可用来保护开关Q1的栅极避免过电压的情形发生。在输入交流电压Vin的正半周，电容C2会重置而电流会由输入交流电压Vin的火线流经电容C2、电阻R1、二极管D3、整流二极管D6而回到输入交流电压Vin的中性线。当输入交流电压Vin中断时，流经电容C2的电流便会中止。此时，开关Q1的栅极驱动电压，也即滤波电容C3上的负电压便会经由电阻R2放电而下降至开关Q1的起始电压(threshold voltage)。因此，开关Q1便会导通。此时，滤波电容C1便会经由逆向电流保护电路(D1、D2)向泄电电阻R3放电。此外，滤波电容C1要放电时，其上的电压可以为一正电压或一负电压，视输入交流电压Vin中断时所在的相位而定。若滤波电容C1上的电压为一正电压，滤波电容C1所储存的能量经由二极管D1、泄电电阻R3、开关Q1以及整流二极管D6释放。若滤波电容C1上的电压为一负电压，滤波电容C1所储存的能量经由二极管D2、泄电电阻R3、开关Q1以及整流二极管D5释放。
图4A为图3的电路的一变形。与图3相比较，图4A的电路移除了逆向电流保护电路(D1、D2)，并且将滤波电容C1的泄电电阻由桥式整流器(D5、D6、D7、D8)的输入端移动到桥式整流器(D5、D6、D7、D8)的输出端。如图所示，图4A的电路包含了一个泄电电阻R4，其设置于桥式整流器(D5、D6、D7、D8)的输出端与输入大电容C4并联且连接至开关Q1的漏极。因此，滤波电容C1所储存的能量可经由整流二极管D7或D8、泄电电阻R4以及开关Q1释放。
图4B为图3的电路的一变形。与图3相比较，图4B的电路新增了图4A的设置于桥式整流器(D5、D6、D7、D8)的输出端的泄电电阻R4。如图所示，图4B的电路包含了两个泄电电阻R3与R4。因此，滤波电容C1所储存的能量不仅可经由整流二极管D7或D8、泄电电阻R4以及开关Q1释放，也可以经由二极管D1或D2、泄电电阻R3、开关Q1以及整流二极管D5或D6释放。
图5为图4B的电路的一变形。与图4B相比较，图5的电路新增一监测电路502，连接于开关Q1、泄电电阻R3与R4，用以产生代表输入交流电压Vin的电压电平的感测电压Vsense，其中监测电路502包含一串联电阻(R5、R6)，其与泄电电阻R3与R4以及共同接地端COM连接，以及一滤波器(R7、C5)，其与串联电阻(R5、R6)连接，以及一二极管D9，其连接于串联电阻(R5、R6)与滤波器(R7、C5)之间。串联电阻(R5、R6)作用为一分压器，连接于泄电电阻R3与R4，用来产生输入交流电压Vin的一分压电压。串联电阻(R5、R6)所产生的分压电压为代表输入交流电压Vin的电压电平的感测电压Vsense。若是忽略桥式整流器(D5、D6、D7、D8)的电压压降，感测电压Vsense的尖峰电压可通过下列公式计算而得：
Vsense＝1.414x Vin x R5/(R3+R6+R5)
感测电压Vsense会提供给电源供应系统的管家电路(housekeepingcircuit、未显示)来协助管家电路(未附图)了解输入交流电压Vin的变化。滤波器(R7、C5)会将感测电压Vsense中某些不想要频段中的噪声滤除，例如将大于输入交流电压频率60Hz的高频噪声滤除。当输入交流电压Vin中断时，开关Q1会导通且滤波电容C5所储存的能量可经由电阻R7、二极管D9与开关Q1来释放。
图6为开关Q1的栅极-源极电压(Vgs)、感测电压Vsense、滤波电容C1经由泄电电阻R3放电的放电电流IR3-P以及滤波电容C1两侧的电压Vxcap的波形图。现在本发明的有源控制电路的操作原理将经由图6来进一步详细说明。在时间点0时，电源供应电路电源启动，时间点0-t1的时间为电源供应电路的启动阶段。在这段期间内，开关Q1的栅极-源极电压(Vgs)逐渐由0下降约-5V的电压电平，因此开关Q1为截止。电源供应电路的输入交流电压Vin也逐步上升至其额定电压值，因此感测电压Vsense也会逐步上升至代表Vin的额定电压值的一分压电压的一电压电平。由于开关Q1截止，滤波电容C1不会经由泄电电阻R3来放电，因此滤波电容C1的放电电流IR3-P为零。滤波电容C1则在输入交流电压Vin的正半周与负半周分别以正电压与负电压充电，因此滤波电容C1两侧的电压Vxcap乃是在一正电压如300V与一负电压如-300V之间来回振荡。时间t1-t2的时间为电源供应电路的供电阶段。在这段时间，电源供应电路的输入交流电压Vin已经稳定在其额定电压值，使得电源供应电路能够输出一个稳定且校整好的输出电压。因此在这段期间，开关Q1的栅极-源极电压(Vgs)维持在低于-0.7V的电压电平而感测电压Vsense维持在稳定的电压电平上。在时间点t2时，输入交流电压Vin中断。此时输入交流电压Vin虽然已经中断，输入电压的电平还是会持续一段时间直到时间点t3才会开始下降。在时间点t3时，输入电压的电平完全下降至零，此时开关Q1的栅极-源极电压(Vgs)上升至大于其起始电压而导通，且代表输入交流电压Vin的电平的感测电压逐渐下降至零。由于开关Q1导通，滤波电容C1透过泄电电阻R3开始放电，因此流经泄电电阻R3的放电电流IR3-P开始上升且经过一段时间后下降至零以代表放电动作的结束，并且滤波电容C1上的电压Vxcap也逐渐下降至零。
总而言之，本发明提供电源供应电路的放电回路的有源控制电路，其可以有源的方式来控制电源供应电路的放电回路的操作。本发明的有源控制电路可在输入交流电压动作时，避免电源供应电路的泄电电阻因为电流经过而造成电源损耗，并且在输入交流电压中断时，提供一迅速的放电路径给电源供应电路的滤波电容以加速放电。因此，本发明的有源控制电路可减少电路的电源损失并且加强电路的电源效率。
本发明得由本领域普通技术人员任施匠思而为诸般修饰，都不脱如附权利要求所欲保护的范围。

Claims (16)

1.一种电源供应电路的放电回路，该电源供应电路包含一滤波电容，并与该电源供应电路的输入侧连接，以滤除该一输入交流电压所引起的电磁干扰，该放电回路包含：
一第一泄电电阻，与该滤波电容连接，以允许当该输入交流电压中断时，使该滤波电容所储存的能量经由该第一泄电电阻释放；以及
一有源控制电路，连接于该第一泄电电阻以及该电源供应电路的输入侧，依据该输入交流电压的状态控制该放电回路使该滤波电容的电能经由该第一泄电电阻的放电动作，其包含：
一开关，与该第一泄电电阻串联连接；以及
一电压感测电路，连接于该电源供应电路的输入侧与该开关的一控制端，以控制该开关切换，该电压感测电路包含：
一微分器，连接至该电源供应电路的输入侧，以检测该输入交流电压的变化；以及
一半波整流器，连接至该微分器以及该开关的该控制端，对该输入交流电压进行半波整流以得到一半波整流的直流电压，借此驱动该开关切换。
2.如权利要求1所述的放电回路，其中该电压感测电路还包含一逆向电流保护电路，与该第一泄电电阻串联连接，以避免一逆向电流流向该电源供应电路的输入端。
3.如权利要求1所述的放电回路，其中该逆向电流保护电路由一对二极管所组成。
4.如权利要求1所述的放电回路，其中该电压感测电路还包含一电压钳位器，其一端连接至该半波整流器以及该开关的该控制端，其另一端连接至一共同接地端，以固定该半波整流的直流电压以及保护该开关避免发生过电压。
5.如权利要求4所述的放电回路，其中该电压钳位器为一齐纳二极管所组成。
6.如权利要求1所述的放电回路，其中该电压感测电路还包含一滤波器，连接至该开关的该控制端，以滤除该半波整流的直流电压中噪声。
7.如权利要求6所述的放电回路，其中该滤波器由一电阻与一电容组成。
8.如权利要求1所述的放电回路，其中该电源供应电路还包含一桥式整流器，与该电源供应电路的输入侧连接，其中该第一泄电电阻设置于该桥式整流器的输入端。
9.如权利要求8所述的放电回路，其中该放电回路还包含一第二泄电电阻，设置于该桥式整流器的输出端。
10.如权利要求9所述的放电回路，还包含一监测电路，与该第二泄电电阻串联及该开关连接，以产生代表该输入交流电压的电压电平的一感测电压。
11.如权利要求10所述的放电回路，其中该监测电路包含：
一分压器，连接于该第一泄电电阻及该第二泄电电阻，以产生该输入交流电压的一分压电压；
一滤波器，与该分压器连接，以滤除该分压电压中噪声；以及
一二极管，连接于分压器及该滤波器之间。
12.如权利要求1所述的放电回路，其中该电源供应电路还包含一桥式整流器，与该电源供应电路的输入侧连接，其中该第一泄电电阻设置于该桥式整流器的输出端。
13.如权利要求1所述的放电回路，其中该开关为选自结型场效应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管及其组合所组成。
14.一种有源控制电路，用于一电源供应电路的放电回路中，该电源供应电路包含一滤波电容，并与该电源供应电路的输入侧连接，以滤除该一输入交流电压所引起的电磁干扰，其中该放电回路包含一第一泄电电阻，与该滤波电容连接，以允许当该输入交流电压中断时，使该滤波电容所储存的能量经由该第一泄电电阻释放，该有源控制电路包含：
一开关，与该第一泄电电阻串联连接；以及
一电压感测电路，连接于该电源供应电路的输入侧与该开关的一控制端，以控制该开关切换，该电压感测电路包含：
一微分器，连接至该电源供应电路的输入侧，以检测该输入交流电压的变化；
一半波整流器，连接至该微分器以及该开关的该控制端，对该输入交流电压进行半波整流以得到一半波整流的直流电压，借此驱动该开关切换；以及
一滤波器，连接至该开关的该控制端，以滤除该半波整流的直流电压中噪声。
15.如权利要求14所述的有源控制电路，其中该电压感测电路还包含一逆向电流保护电路，其由一对二极管组成且与该第一泄电电阻串联连接，以避免一逆向电流流向该电源供应电路的输入端。
16.如权利要求14所述的有源控制电路，其中该电压感测电路还包含由一齐纳二极管所组成的一电压钳位器，其一端连接至该半波整流器以及该开关的该控制端，其另一端连接至一共同接地端，以固定该半波整流的直流电压以及保护该开关避免发生过电压。
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