CN102570806B

CN102570806B - 电源模块及其所适用的供电系统

Info

Publication number: CN102570806B
Application number: CN201010603937.XA
Authority: CN
Inventors: 王为龙
Original assignee: TAISHANG TAIDA ELECTRONIC Co
Current assignee: TAISHANG TAIDA ELECTRONIC Co; Delta Electronics Inc
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102570806A

Abstract

本发明提供一种电源模块及其所适用的供电系统，该电源模块适用于一供电系统，至少包括：一电源转换电路，其输出一直流电压；一风扇，与该电源转换电路连接；一控制单元，输出一控制信号至该风扇，以控制该风扇运行；一电容器，与该风扇并联连接；一电流控制元件，与该电容器串联连接，用以控制流经该电容器的电流值大小；以及一软启动控制单元，与该电流控制元件连接，用以于该电源模块插接于该供电系统的连接器时，使通过该电流控制元件的电流值以递增方式增加，进而使流经电容器的电流值以递增方式增加。本发明可达到保护电源模块的电容器及供电系统的连接器的目的，还可解决因控制单元的信号异常而导致风扇停止运行所造成的热损坏等问题。

Description

电源模块及其所适用的供电系统

技术领域

本发明涉及一种电源模块，尤其涉及一种具有软启动控制单元及电流控制元件的电源模块及其所适用的供电系统。

背景技术

现今电子产品日趋进步，供电系统内部负责供电的电源模块也必须精益求精，可支持热插拔的电源模块已然成为当前趋势。而电源模块运行时产生的热能，必须通过主动散热机制，例如风扇，排出至外部，以维持电源模块的效能。

请参阅图1A，其为公知电源模块的电路方框图，如图所示，公知电源模块1包含电源转换电路10、控制单元11、第一风扇12以及第二风扇13。其中，电源转换电路10将输入电源Vin转换为一直流电压Vo，第一及第二风扇12、13相互并联于电源转换电路10的输出端。控制单元11电连接于第一及第二风扇12、13，用以接收由第一及第二风扇12、13所传递的转速信号Vrs1、Vrs2，并输出控制信号PWM予第一及第二风扇12、13。

请参阅图1B，其为电源模块内的相关信号的时序波形图。如图1B所示，该控制信号PWM为一矩形波。当控制信号PWM于相对逻辑高电位时，则电流即由电源转换电路10的输出端导入第一及第二风扇12、13，此时第一及第二风扇12、13将被驱动而转动。当控制信号PWM于相对逻辑低电位时，则无电流导入第一及第二风扇12、13，第一及第二风扇12、13不被驱动但仍会因惯性而继续转动，而转速会慢慢下降。通过该控制信号PWM的控制，可以使第一及第二风扇12、13依据控制信号PWM而调整其转速，无需都以最高转速运转，以达到节能的效果。

请再参阅图1B，当控制信号PWM于相对逻辑低电位时，第一及第二风扇12、13不会被驱动，此时直流电压Vo即为预设的电压值，例如12V。而当控制信号PWM于相对逻辑高电位时，第一及第二风扇12、13即接收能量并被驱动，由于第一及第二风扇12、13转动的能量由电源转换电路10的输出端所提供，如此会造成直流电压Vo下降，即直流电压Vo会被下拉至低于12V，造成直流电压Vo突波效应，使其输出效能降低。

请再参阅图1A，当控制信号PWM无法确实传递至第一及第二风扇12、13时，例如浮接(floating)，即会造成第一及第二风扇12、13停止运转，使得电源模块1的整体温度上升，而因过热造成损坏。

为解决直流电压突波效应，另一种电源模块架构于是被发展。请参阅图2A，其为另一种公知的电源模块的电路方框图。如图所示，为了解决直流电压Vo因第一及第二风扇12、13运行所造成的突波效应，公知技术在电源转换电路10的输出端并联一电容器C，该电容器C为一较大电容值的电容器，用以对直流电压Vo进行滤波，使直流电压Vo于无论第一及第二风扇12、13转动与否，均输出一稳定的直流电压，然而，此方法虽然解决了图1A所示的电源模块1的直流电压Vo的突波效应问题，却衍伸了其他缺点。

请参阅图2B并配合图2A，其中，图2B为具有图2A所示的电源模块的供电系统的架构示意图。如图所示，该供电系统2与负载4连接，并包含多个电源模块21、多个连接器22以及电源分配电路23(为便于简化说明，图式中仅显示两电源模块21及两连接器22)。其中每一电源模块21通过连接器22与电源分配电路23连接，且该电源模块21可支持热插拔，即于供电系统2运行时，可以直接将电源模块21由供电系统2中拔出或插入。然而，由于电源模块21内具有一较大电容值的电容器C，故当电源模块21未运行一段时间后，电容器C内即无电荷储存，此时若将其插入该运行中的供电系统2时，因无电荷储存的电容器C的暂态为短路，会造成瞬间大电流自电源分配电路23直接导入连接器22及电容器C，因而将对应的连接器22及电容器C烧毁。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电源模块及其所适用的供电系统，以解决公知电源模块输出的直流电压会因风扇被驱动运转而产生突波效应，以及于电源模块热插拔时供电系统瞬间大电流会将电源模块所设置的电容器及供电系统的连接器烧毁等问题。

为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种电源模块，适用于一供电系统，该电源模块可依热插拔方式插接于该供电系统的一连接器或自该供电系统的该连接器拔出。电源模块至少包括：一电源转换电路，其输出一直流电压；一风扇，与该电源转换电路连接；一控制单元，输出一控制信号至该风扇，以控制该风扇运行；一电容器，与该风扇并联连接；一电流控制元件，与该电容器串联连接，用以控制流经该电容器的电流值大小；以及一软启动控制单元，与该电流控制元件连接，用以于该电源模块插接于该供电系统的该连接器时，使通过该电流控制元件的电流值以递增方式增加，进而使流经该电容器的电流值以递增方式增加。

为达上述目的，本发明的一较广义实施方式为提供一种供电系统，包含一电源分配电路；多个连接器，每一连接器的第一端连接于该电源分配电路；以及多个电源模块，可依热插拔方式与对应的连接器的第二端连接或分离。其中每一个电源模块包括：一电源转换电路，其输出一直流电压；一风扇，与该电源转换电路连接；一控制单元，输出一控制信号至该风扇，以控制该风扇运行；一电容器，与该风扇并联连接；一电流控制元件，与该电容器串联连接，用以控制流经该电容器的电流值大小；以及一软启动控制单元，与该电流控制元件连接，用以于该电源模块插接于该供电系统的对应连接器时，使通过该电流控制元件的电流值以递增方式增加，进而使流经该电容器的电流值以递增方式增加。

本发明的电源模块及其所适用的供电系统，通过电容器来滤除直流电压的噪声，以避免突波效应，并通过软启动控制单元于电源模块插接于供电系统时，控制通过电流控制元件的电流值以递增方式增加，可达到保护电源模块的电容器及供电系统的连接器的目的。另外，本发明更通过设置于控制单元与风扇间的保护电路以解决因控制单元的信号异常而导致风扇停止运行所造成的热损坏等问题。

附图说明

图1A为公知电源模块的电路方框示意图。

图1B为电源模块内的相关信号的时序波形图。

图2A为另一公知的电源模块的电路方框图。

图2B为具有图2A所示电源模块的供电系统的架构示意图。

图3A为本发明较佳实施例的电源模块的电路方框图。

图3B为具有图3A所示的电源模块的供电系统的架构示意图。

图4为图3A所示的软启动控制单元的内部电路及局部电源模块的电路图。

图5为图3A所示的另一较佳软启动控制单元的内部电路及局部电源模块的电路图。

图6为图3A所示的另一较佳软启动控制单元的内部电路及局部电源模块的电路图。

图7为图3A所示的第一保护电路的内部电路及局部电源模块的电路图。

图8为适用于无内部电阻的风扇的第一保护电路的电路图。

上述附图中的附图标记说明如下：

电源模块：1、21、31

电源转换电路：10、310

控制单元：11、313

第一风扇：12、311

第二风扇：13、312

供电系统：2、3

负载：4

连接器：22、32

电源分配电路：23、33

第一保护电路：314

第二保护电路：315

软启动控制单元：316

电流控制元件：317

感应接脚：318

输入电源：Vin

直流电压：Vo

前端第一控制信号：PWM_1a

前端第二控制信号：PWM_2a

后端第一控制信号：PWM_1b

后端第二控制信号：PWM_2b

第一转速信号：Vrs1

第二转速信号：Vrs2

电容器：Co

控制电压：Vs

第一控制电压：Vs1

第一电阻器：R1

第二电阻器：R2

第三电阻器：R3

第四电阻器：R4

第五电阻器：R5

第六电阻器：R6

第七电阻器：R7

第八电阻器：R8

第九电阻器：R9

第一电容器：C1

第二电容器：C2

第三电容器：C3

第一开关元件：S1

第二开关元件：S2

第一二极管：D1

第二二极管：D2

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。

请参阅图3A，其为本发明较佳实施例的电源模块的电路方框图，如图所示，本发明的电源模块31包含电源转换电路310、第一风扇311、第二风扇312、控制单元313、第一保护电路314、第二保护电路315、软启动控制单元316、电流控制元件317以及电容器Co。其中电源转换电路310将一输入电压Vin转换为一直流电压Vo。第一风扇311、第二风扇312与电源转换电路310连接，用以加速电源模块31内部的散热效能。控制单元313接收自第一风扇311、第二风扇312所输出的第一转速信号Vrs1、第二转速信号Vrs2，并输出前端第一控制信号PWM_1a及前端第二控制信号PWM_2a分别经由第一保护电路314及第二保护电路315转换为后端第一控制信号PWM_1b及后端第二控制信号PWM_2b至第一风扇311及第二风扇312，以控制第一风扇311、第二风扇312的转速。电容器Co与电源转换电路310及电流控制元件317连接，用以滤除直流电压Vo的噪声使其为一稳定的直流电压，且可避免突波效应。电流控制元件317与电容器Co串联后接地，并于控制端与一软启动控制单元316连接，软启动控制单元316与直流电压Vo连接，且其根据插接于供电系统3时的外部能量而产生一控制电压Vs，并利用控制电压Vs控制电流控制元件317。

请参阅图3B，其为图3A所适用的供电系统的架构示意图，如图所示，该供电系统3电连接于负载4，且包含多个电源模块31、多个连接器32以及电源分配电路33(为简化说明，图中仅显示两电源模块31及两连接器32)。其中每一电源模块31通过连接器32与电源分配电路33连接，且该电源模块31可支持热插拔，即于供电系统3运行时，可以直接将电源模块31由供电系统3的连接器32拔出或插入。当电源模块31插接于供电系统3时，软启动控制单元316控制该电流控制元件317渐进式导通，其中，软启动控制单元316可通过内部所设置的感应接脚318(如图5及图6所示)而判断电源模块31与电源分配电路33是否连接，也可于电源模块31与电源分配电路33连接时，通过传送到软启动控制单元316的电能判断电源模块31与电源分配电路33是否连接(如图4所示)。再者，由于电流控制元件317与电容器Co串联连接，故可控制流经电容器Co的电流以递增方式增加，可避免久未运行的电源模块31插入供电系统3中时，因无电荷储存的电容器Co的暂态为短路，会造成瞬间大电流自电源分配电路33直接导入连接器32及电容器Co，进而造成对应的连接器32及电容器Co烧毁的情形。

请参阅图4并配合图3A，其中图4为图3A所示的软启动控制单元的内部电路及局部电源模块的电路图，如图所示，电流控制元件317可为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，且软启动控制单元316可为一充电电路316a，该充电电路316a可包含第一电阻器R1、第二电阻器R2以及第一电容器C1。第一电阻器R1的一端、第二电阻器R2的一端及第一电容器C1的一端均与电流控制元件317的控制端连接，第一电阻器R1的另一端与电源转换电路310的输出端连接，而第一电容器C1及第二电阻器R2的另一端连接一接地端。

其中，当电源模块31未插接于供电系统3时，系统为开路状态，电流控制元件317控制端的控制电压Vs为低电位，例如零电压，故电流控制元件317不导通。而当电源模块31插接于供电系统3时，由供电系统3的电源分配电路33灌入的能量导入电源模块31，经过第一电阻器R1对充电电路316a中的第一电容器C1进行充电，使得控制电压Vs慢慢提升，而当控制电压Vs提升至大于电流控制元件317的导通电压Vth时即可控制电流控制元件317导通，使通过电流控制元件317的电流以递增方式增加，如此即可避免当电源模块31插入供电系统3时瞬间大电流击穿电容器Co及连接器32的情形发生。

请参阅图5并配合图3A，其中图5为图3A所示的另一较佳软启动控制单元的内部电路及局部电源模块的电路图，如图所示，软启动控制单元316可由一充电电路316a及一放电电路316b所组成，其中充电电路316a包含第一电阻器R1、第二电阻器R2及第一电容器C1，而放电电路316b则可包含感应接脚318、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第五电阻器R5、第六电阻器R6、第二电容器C2以及第一开关元件S1。

其中，第一电阻器R1与第三电阻器R3的一端与电源转换电路310的输出端连接，第三电阻器R3的一另一端与第四电阻器R4的一端连接至感应接脚318，第四电阻器R4的另一端、第五电阻器R5的一端及第二电容器C2的一端均与第一开关元件S1的控制端连接，第五电阻器R5的另一端与第二电容器C2的另一端连接一接地端，而第六电阻器R6的一端与第一开关元件S1的电流接收端连接，其另一端与电流控制元件317的控制端连接。

当电源模块31插接于供电系统3时，感应接脚318接收到一低电压信号，将第一开关元件S1的控制端的第一控制电压Vs1下拉(pull down)，使第一开关元件S1截止，则外部能量将经过第一电阻器R1对第一电容器C1充电，直到控制电压Vs可使电流控制元件317导通，外部能量则始自电容器Co导入，且其电流值以递增方式增加，以避免瞬间大电流直接灌入电容器Co及连接器32而造成损坏。

而当电源模块31自供电系统3拔出时，感应接脚318将浮接，使电容器Co的能量经由第三电阻器R3、第四电阻器R4传送至第二电容器C2，使第一控制电压Vs1拉升(pull up)而第一开关元件S1导通，此时第一电容器C1经由第六电阻器R6及第一开关元件S1的路径进行放电，使控制电压Vs低于电流控制元件317的导通电压Vth，而使电流控制元件317不导通，以避免于下次将电源模块31插接于供电系统3时，电流控制元件317于插接时同时导通，而造成瞬间大电流损坏电容器Co及连接器32。

请参阅图6并配合图3A，其中图6为图3A所示的另一较佳软启动控制单元的内部电路及局部电源模块的电路图，如图所示，软启动控制单元316可由一充电电路316a、一放电电路316b及一加速放电电路316c所组成，其中充电电路316a可包含第一电阻器R1、第二电阻器R2及第一电容器C1，放电电路316b可包含感应接脚318、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第五电阻器R5、第六电阻器R6、第二电容器C2、第一开关元件S1，而加速放电电路316c则由第七电阻器R7以及第一二极管D1所组成。

其中，第一电阻器R1与第三电阻器R3的一端与电源转换电路310的输出端连接，第三电阻器R3的一另一端与第四电阻器R4的一端连接至感应接脚318，第四电阻器R4的另一端、第五电阻器R5的一端及第二电容器C2的一端均与第一开关元件S1的控制端连接，第五电阻器R5的另一端与第二电容器C2的另一端连接一接地端，而第六电阻器R6的一端与第一开关元件S1的电流接收端连接，其另一端与电流控制元件317的控制端连接，第七电阻器R7的一端与电源转换电路310的输出端连接，另一端则与第一二极管D1的阴极端连接，而第一二极管D1的阳极端与电流控制元件317的控制端连接。

而当电源模块31自供电系统3拔出时，感应接脚318将浮接，使电容器Co的能量经由第三电阻器R3、第四电阻器R4传送至第二电容器C2，使第一控制电压Vs1拉升(pull up)而第一开关元件S1导通，此时第一电容器C1经由第六电阻器R6及第一开关元件S1的路径进行放电，其中，第七电阻器R7与第一二极管D1用以加快第一电容器C1放电的速度，使控制电压Vs加速低于电流控制元件317的导通电压Vth，而使电流控制元件317不导通，以避免于下次将电源模块31插接于供电系统3时，电流控制元件317于插接时同时导通，而造成瞬间大电流损坏电容器Co及连接器32。

请参阅图7并配合图3A，其中图7为图3A所示的第一保护电路的内部电路及局部电源模块的电路图，如图所示，第一保护电路314包含第二开关元件S2、第八电阻器R8、第九电阻器R9、第三电容器C3以及第二二极管D2，且第二开关元件S2为金属氧化物半导体场效应晶体管。其中，第八电阻器R8的一端与控制单元313连接，另一端与第三电容器C3连接，而第三电容器C3的另一端与第九电阻器R9的一端与第二二极管D2的阴极端共同连接至第二开关元件S2的控制端S2a，第九电阻器R9的另一端接地，第二开关元件S2的电流接收端S2b与第一风扇311连接，而第二二极管D2的阳极端与第二开关元件S2的电流流出端S2c连接一接地端。第八电阻器R8及第三电容器C3用以对前端第一控制信号PWM_1a滤波，第九电阻器R9用以稳定前端第一控制信号PWM_1a，第二二极管D2用以当第二开关元件S2截止时，加速第三电容器C3的放电。

请再参阅图7，前端第一控制信号PWM_1a自控制单元313输出，当前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑高电位时，第二开关元件S2将导通，第一保护电路314输出一后端第一控制信号PWM_1b，其于相对逻辑低电位，使第二开关元件S2的电流接收端S2b为低电压，例如0V，则第一风扇311无能量导入。当前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑低电位时，第二开关元件S2即截止，第一保护电路314输出一后端第一控制信号PWM_1b，其于相对逻辑高电位，故第一风扇311内置的一内部电阻r可使直流电压Vo，例如12V，导入第一风扇311，而给予能量驱动其转动。且由于此第一保护电路314为一反相控制电路，即前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑高电位时，第一风扇311无能量导入，而前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑低电位时，第一风扇311有能量导入，故当控制单元313异常，例如浮接(floating)时，仍可确保第一风扇311可持续运转，避免因信号异常而导致电源模块31热损坏。

请参阅图8，其为适用于无内部电阻的风扇的第一保护电路的电路图，如图所示，本实施例的内部电阻r设置于第一风扇311外部，其一端与第二开关元件S2的电流接收端S2b连接，另一端与电源转换电路310的输出端连接。当前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑高电位时，第二开关元件S2将导通，第一保护电路314输出一后端第一控制信号PWM_1b，其于相对逻辑低电位，使第二开关元件S2的电流接收端S2b为低电压，例如0V，则第一风扇311无能量导入。当前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑低电位时，第二开关元件S2即截止，第一保护电路314输出一后端第一控制信号PWM_1b，其于相对逻辑高电位，且内部电阻r使直流电压Vo，例如12V，导入第一风扇311，而给予能量驱动其转动。且由于此第一保护电路314为一反相控制电路，即前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑高电位时，第一风扇311无能量导入，而前端第一控制信号PWM_1a于相对逻辑低电位时，第一风扇311有能量导入，故当控制单元313异常，例如浮接(floating)时，仍可确保第一风扇311持续运转，避免因信号异常而导致电源模块31热损坏。

请再参阅图3A，其中第二保护电路315的组成构件，以及第二保护电路315相对于控制单元313及第二风扇312的运行方式如同第一保护电路314，且已详述于图7及图8中，故于此不再赘述。

综上所述，本发明的电源模块及其所适用的供电系统，通过电容器来滤除直流电压的噪声，以避免突波效应，并通过软启动控制单元于电源模块插接于供电系统时，控制通过电流控制元件的电流值以递增方式增加，可达到保护电源模块的电容器及供电系统的连接器的目的。另外，本发明更通过设置于控制单元与风扇间的保护电路以解决因控制单元的信号异常而导致风扇停止运行所造成的热损坏等问题。

本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然而都不脱如附权利要求所欲保护的范围。

Claims

1.一种电源模块，适用于一供电系统，该电源模块依热插拔方式插接于该供电系统的一连接器或自该供电系统的该连接器拔出，该电源模块至少包括：

一电源转换电路，其输出一直流电压；

一风扇，与该电源转换电路连接；

一控制单元，输出一控制信号至该风扇，以控制该风扇运行；

一电容器，与该风扇并联连接；

一电流控制元件，与该电容器串联连接，用以控制流经该电容器的电流值大小；以及

一软启动控制单元，与该电流控制元件连接，用以于该电源模块插接于该供电系统的该连接器时，使通过该电流控制元件的电流值以递增方式增加，进而使流经该电容器的电流值以递增方式增加，其中该软启动控制单元还包含一充电电路与一放电电路，该充电电路使通过该电流控制元件的电流值以递增方式增加且包含至少一充电元件，该放电电路于该电源模块自该供电系统拔出后，对该充电电路内部的该充电元件进行放电。

2.如权利要求1所述的电源模块，其中该电容器用以对该直流电压进行滤波。

3.如权利要求1所述的电源模块，其中该控制单元用以接收该风扇所传递的一转速信号，并且根据该转速信号输出一控制信号予该风扇。

4.如权利要求1所述的电源模块，其中该软启动控制单元进一步包括一加速放电电路，该加速放电电路于该电源模块自该供电系统的该连接器拔出后，对该充电电路内部的该充电元件进行加速放电。

5.如权利要求1所述的电源模块，其中该控制单元通过一保护电路与该风扇连接。

6.如权利要求5所述的电源模块，其中该保护电路用以于该控制信号异常时，控制该风扇持续运转。

7.一种供电系统，包括：

一电源分配电路；

多个连接器，每一连接器的第一端连接于该电源分配电路；以及

多个电源模块，依热插拔方式与对应的连接器的第二端连接或分离，其中每一个电源模块包括：

一电源转换电路，其输出一直流电压；

一风扇，与该电源转换电路连接；

一电容器，与该风扇并联连接；

一软启动控制单元，与该电流控制元件连接，用以于该电源模块插接于该供电系统的对应连接器时，使通过该电流控制元件的电流值以递增方式增加，进而使流经该电容器的电流值以递增方式增加，其中该软启动控制单元还包含一充电电路与一放电电路，该充电电路使通过该电流控制元件的电流值以递增方式增加且包含至少一充电元件，该放电电路于该电源模块自该供电系统拔出后，对该充电电路内部的该充电元件进行放电。