CN103166468A - 具低感测电流的交换式电源供应器及其电流感测模块 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具低感测电流的交换式电源供应器及其电流感测模块，是由电流感测模块电连接一交换式电路，且一控制器连接于电流感测模块与交换式电路之间；该交换式电路形成一电力回路，该电流感测模块包含有一分流电路与一信号输出电路，该分流电路串接于该电力回路中，其具有并联的第一、二线路，该信号输出电路耦合于该分流电路，并依所耦合的第一线路或第二线路的电流大小而产生一电压信号供控制器接收；是以，即使电力回路的电流提升，因信号输出电路所耦合的电流是经过分流电路辗转而得而较小，故可降低电源供应器的耗能。

Description

具低感测电流的交换式电源供应器及其电流感测模块

技术领域

本发明是有关一种电源供应器及其电流感测模块，特别是指具低感测电流的交换式电源供应器及其电流感测模块。

背景技术

电源供应器的用途是将电力公司所提供的交流电源转换为低压的直流电源，以供直流负载使用。请参考图8所示，一般电源供应器的电路方块图，电源供应器主要包含有一整流单元60与一直流转换电路70，该整流单元60的输入端连接市电，该直流转换电路70的输入端Vd连接该整流单元60的输出端，以将市电提供的交流电源V_AC转换为直流电，由直流转换电路70的输出端Vout供应给负载使用，其中该整流单元60与该直流转换电路70之间可进一步连接一功率因子校正电路80，以使功率因子校正电路80输入端的电流Iin相位追随输入端Vin电压的相位，进而改善功率因子。

常见的直流转换电路70有升压式(Boost)、降压式(Buck)、返驰式(Flyback)与顺向式(Forward)等，请参考图9所示的顺向式电路，其包含有一变压器T、一主动开关Q、一输出电路71、一电流感测模块72与一控制器73。

该变压器T的一次侧连接该整流单元60的输出端；该主动开关Q连接于该变压器T一次侧与该整流单元60之间，且该主动开关Q具有一控制端，该变压器T的一次侧与主动开关Q串接而形成一电力回路700；该电流感测模块72耦合连接于该变压器T与主动开关Q之间；该控制器73包含有一输入端与一输出端，该输入端连接该电流感测模块72，输出端连接该主动开关Q的控制端。

该电流感测模块72可通过电磁感应产生而信号的组件，例如霍尔元件；或如图9所示，该电流感测模块72包含有一比流器CT与一桥式电路720，比流器CT的一次侧连接该变压器T的一次侧，以感测该变压器T一次侧的电流，比流器CT的二次侧对应产生一感测电流Is；该桥式电路720的输入端连接该比流器CT的二次侧，该桥式电路720具有一电阻R，且该电阻R连接该控制器73，该感测电流Is通过电阻R后产生一压降Vcs，由该压降Vcs反映变压器T一次侧的电流大小。该控制器73则根据变压器T一次侧的电流大小控制该主动开关Q的导通周期，使输出电路71产生预期的直流电压。

随着电源供应器的输出功率越大，变压器T一次侧的电流将越大。然而，该比流器CT所产生的感测电流Is是依据该变压器T一次侧的电流而得，若变压器T一次侧的电流流量甚大，比流器CT所产生的感测电流I s随之增大；因感测电流I s增加，进一步提升电流感测模块72中电阻R所消耗的功率(Is²R)；此外，比流器CT的体积亦与其一次侧的电流成正比，即比流器CT一次侧可接收的电流越大，其体积越大。

综上所述，随着电源供应器的输出功率越大，该电流感测模块72为电源供应器带来的功率损失也越大，且因部份组件的体积较大，难以再缩小电源供应器产品的体积。

发明内容

因此本发明的主要目的是提供一种具低感测电流的交换式电源供应器，即使电力回路的电流随着电源功应器的功率变大而增加，电源功应器内的电流感测模块仍可维持较低的感测电流，以降低耗能。

为达前揭目的，本发明所采用的技术手段是令该具低感测电流的交换式电源供应器包含有：

一交换式电路，形成至少一电力回路且包含有一主动开关；

一电流感测模块，其包含：

一分流电路，以对该电力回路的电流进行分流，其包含有：

一第一线路，串接于该电力回路中，具有一第一阻抗；及

一第二线路，具有一第二阻抗且并联于该第一线路；以及

一信号输出电路，耦合于该分流电路，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小而产生一电压信号，由该电压信号反应该电力回路的电流大小；以及

一控制器，电连接该电流感测模块与该主动开关，根据该电压信号而输出一控制信号至该主动开关，以控制开主动开关的导通时间。

本发明的另一目的是提供一种电流感测模块，连接在一电源供应器的电力回路中，其包含有：

一分流电路，其包含有：

一第一线路，串接于所述电力回路中；及

一第二线路，并联于该第一线路；以及

一信号输出电路，耦合于该分流电路，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小而产生一电压信号，由该电压信号反应该电力回路的电流大小。

本发明的再一目的是提供一种电流感测模块，连接在一电源供应器的电力回路中，其包含有：

一基板；

一分流电路，设置于该基板上，其包含有：

一第一线路，串接于所述电力回路中，且其两端分别形成接点并外露于该基板；

一第二线路，电连接该第一线路的两端而并联于该第一线路；以及

一信号输出电路，设置于该基板上且耦合于该分流电路，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小而产生一电压信号，由该电压信号反映该电力回路的电流大小。

根据本发明电路，即使电源功应器的功率变大导致提升电力回路的电流，通过该电流感测模块中分流电路的设置，令信号输出电路所耦合的第一线路或第二线路电流的大小低于电力回路的电流，得以维持较低的感测电流，进而降低耗能。

此外，通过该电流感测模块的模块化设计，可利用标准的制程制造第一线路与第二线路，令每一个电流感测模块的质量趋近一致，彼此之间的第一线路等效阻抗相近，第二线路等效阻抗值亦是彼此接近，确保每一个电流感测模块产出的质量。

附图说明

图1：本发明第一较佳实施例电路示意图。

图2：分流电路的等效电路示意图。

图3：该电流感测模块为霍尔元件的电路示意图。

图4：本发明第二较佳实施例电路示意图。

图5：升压式电路示意图。

图6：降压式电路示意图。

图7：电流感测模块侧视示意图。

图8：电源供应器电路方块示意图。

图9：已知电源供应器电路示意图。

主要组件符号说明

10交换式电路   100电力回路

11输出电路     20电流感测模块

21分流电路     211第一线路

212第二线路    22信号输出电路

220桥式电路    221霍尔元件

30控制器       41第一接点

42第二接点     500电流感测模块

50基板         51第一线路

510接点        52第二线路

53比流器       530通道

54桥式电路     55导线

56精密电阻     60整流单元

700电力回路    70直流转换电路

71输出电路     72电流感测模块

720桥式电路    73控制器

80功率因子校正电路

具体实施方式

请参考图1所示，是本发明具低感测电流的交换式电源供应器的第一较佳实施例，本发明包含有一交换式电路10、一电流感测模块20与一控制器30。

该交换式电路10形成至少一电力回路100且包含有一主动开关Q，于第一较佳实施例中，该交换式电路10是顺向式(Forward)电路，其包含有一变压器T、一主动开关Q与一输出电路11。

该变压器T包含有一次侧与二次侧，且分别具有一第一端与一第二端，一次侧作为该交换式电路10的输入端Vd。

该主动开关Q连接于该变压器T一次侧的第二端与一第一接地源G之间，该主动开关Q与该变压器T一次侧构成所述的电力回路100；该主动开关Q具有一控制端，可为金氧半场效晶体管(MOSFET，以闸极作为控制端。

该输出电路11连接于该变压器T的二次侧，包含有一第一二极管D1、一第二二极管D2、一电感L与一电容C，该变压器T二次侧、第一二极管D1、电感L与电容C形成串接结构而形成另一电力回路100，并以电容C的两端作为交换式电路10的输出端Vout，该第一二极管D1的阳极连接该变压器T二次侧的第一端，该电容C的一端连接变压器T二次侧的第二端，该第二二极管D2的阴极端连接该第一二极管D1的阴极端，该第二二极管D2的阳极端则连接变压器T二次侧的第二端。

如图1所示，该电流感测模块20包含有一分流电路21与一信号输出电路22。

该分流电路21串接在前述的电力回路100中，以对电力回路100的的电流进行分流，该分流电路21包含有一第一线路211与一第二线路212，该第一线路211串接于该电力回路100中，其具有一第一阻抗Z1，该第二线路212并联于该第一线路211，其具有一第二阻抗Z2。

请参考图2所示，该分流电路21的等效电路图，因该第一线路211具有一第一阻抗Z1，第二线路212亦具有一第二阻抗Z2，根据分流原理，若第一线路211的电流为

则该第二线路212的电流为

其中IP是电力回路100电流，即变压器T的一次侧电流。因此只要透过选择第一线路211、第二线路212的阻抗值Z1、Z2，即可使期望的电流大小通过第一线路211与第二线路212，令第一、第二线路211、212的电流相对该电力回路100中的电流小。其中第一、第二线路211、212中可串接精密电阻以调整第一、第二阻抗Z1、Z2的大小，又，根据电阻公式：

$R=\mathrm{\ρ}\×\frac{l}{A}$

ρ：电阻系数；

l：导线长度；

A：导线截面积。

根据上式可知，除了直接串接精密电阻以改变阻抗，第一线路211与第二线路212之间还可透过选择材质、线路长度与截面积来取得期望的阻抗大小。

该信号输出电路22耦合于该分流电路21中的第一线路211或第二线路212，而根据所耦合的第一线路211或第二线路212的电流大小而产生一电压信号，由该电压信号反应该电力回路100的电流大小。

在本较佳实施例中，该信号输出电路22包含有一比流器CT、一桥式电路220与一电阻R，该比流器CT的一次侧可耦合至该第一线路211或第二线路212，并于二次侧根据所耦合的第一线路211或第二线路212的电流大小对应产生一感测电流信号Is，其中比流器CT一次侧与二次侧的电流比为n∶1，n可为数百至数千，因此感测电流Is是所耦合第一线路211或第二线路212电流的比例缩小。该桥式电路220的输入端电连接该比流器CT的二次侧，以接收该感测电流信号Is并进行整流，该桥式电路220可为全桥或半桥电路；该电阻R电连接该桥式电路220的输出端，该感测电流信号Is在该电阻R产生的压降Vcs作为所述的电压信号。

如图3所示，该信号输出电路22尚可为霍尔元件221，其输入端耦合第一线路211或第二线路212，并依所耦合第一线路211或第二线路212的电流大小所引起的磁场感应产生一霍尔电压VH，由霍尔电压VH作为所述的电压信号。

该控制器30电连接该电流感测模块20与该主动开关Q，根据该电压信号而输出一控制信号至该主动开关Q，以控制开主动开关Q的导通时间。在本较佳实施例中，该控制器30的输入端连接该电阻R的一端，该控制器30的输出端连接该主动开关Q的控制端，根据该压降Vcs而输出一控制信号至该主动开关Q，以控制主动开关Q的周期，进而使输出电路11产生预期的直流电。

综合以上所述，即使该变压器T一次侧电流提升，本发明透过第一阻抗Z1与第二阻抗Z2的配置，以调整通过第一线路211与第二线路212的电流，使通过第一线路211与第二线路212的电流小于变压器T一次侧电流，又该比流器CT感应产生的感测电流Is是根据所耦合的线路再感测而得，因此令感测电流Is得以维持较低的大小，进一步使该电阻R所消耗的功率不会随着变压器T一次侧电流增加而提升。

该交换式电路10尚可其它类型，常见的有返驰式(Flyback)、升压式(Boost)与降压式(Buck)。请参考图4所示，本发明的第二较佳实施例，该交换式电路10是返驰式(Flyback)电路，其包含有一变压器T、一主动开关Q与一输出电路11。

该变压器T包含有一次侧与二次侧，且分别具有一第一端与一第二端，一次侧作为该交换式电路10的输入端Vd。

该主动开关Q连接于该变压器T一次侧的第二端与一第一接地源G之间，该主动开关Q与该变压器T一次侧构成所述的电力回路100以供电流感测模块20耦合连接；该主动开关Q具有一控制端，其可为金氧半场效晶体管(MOSFET)，以闸极作为控制端。

该输出电路11连接于该变压器T的二次侧，包含有一二极管D与一电容C，该变压器T的二次侧、二极管D与电容C形成串接结构而形成另一电力回路100以供电流感测模块20耦合连接，该第二极管D的阳极连接该变压器T二次侧的第一端，该电容C的一端连接变压器T二次侧的第二端，该电容C的两端作为交换式电路10的输出端Vout。

请参考图5所示，该交换式电路10是升压式(Boost)电路，包含有所述的主动开关Q、一电感L、一二极管D、一电容C与一电阻R，该主动开关具有一控制端；该电感L、二极管D、电容C与电阻R串接而形成所述的电力回路100以供电流感测模块耦合连接，该主动开关Q电连接于该二极管D的阳极端与该电阻R之间，该电容C的两端作为交换式电路10的输出端Vo，该电感L与该电阻R的一端作为交换式电路10的输入端Vd。

请参考图6所示，该交换式电路10是降压式(Buck)电路，包含有所述主动开关Q、一电感L、一电容C、一电阻R与一二极管D，该主动开关Q具有一控制端；该主动开关Q、该电感L、该电容C与电阻R串接而形成所述的电力回路100以供电流感测模块耦合连接，该二极管D的阳极端连接该电阻R，阴极端连接于主动开关Q与电感L之间，该电容C的两端作为该交换式电路10的输出端Vout，该主动开关Q的一端与二极管D的阳极端作为交换式电路10的输入端Vd。

在实体电路中，该电流感测模块20是可拆组地连接于交换式电路10，即该分流电路21与交换式电路10是可组接、分离的。

请参考图7所示，在该交换式电路中，电力回路100的线路上可设置一第一接点41与一第二接点42，该第一接点41与第二接点42彼此隔开，其中若如图1的第一较佳实施例而言，第一接点41是电连接该变压器T的一次侧，该第二接点42电连接该主动开关Q。

电流感测模块500包含有一基板50，该基板50上设有所述的第一线路51与第二线路52，且第一、第二线路51、52可为金属线，该第一线路51设于该基板50上，其具有相对两端并形成两接点510，该两接点510外露于基板50下方，该第二线路52是跨接在基板50上方并连接该第一线路51的两端，该第一线路51或第二线路52上可连接精密电阻56；所述的信号输出电路设于该基板50上，例如由比流器53与桥式电路54设于该基板50上，该比流器53可为贯穿式的比流器，具有一贯穿的通道530，且该第二线路52穿过该通道530以作为比流器53的一次侧，比流器53的二次侧可由导线55连接该桥式电路54。当电流感测模块500连接该交换式电路时，是将第一线路51上的两接点510分别接触该交换式电路的第一接点41与第二接点42，以使该变压器T一次侧与该主动开关Q构成电性连接，以形成一完整的回路。

因为该电流感测模块500是可拆组的与该交换式电路连接，其中第一线路51与第二线路52是依本身等效电阻而分流，因此在生产制造电流感测模块500时，第一线路51与第二线路52的材质、长度与截面积必须谨慎控管；本发明透过模块化的设计，可以相同的生产制造流程产出质量较一致的电流感测模块500，有效提升电流感测模块的质量与良率。此外，因信号输出电路所耦合线路的电流已相对电力回路的电流低，故信号输出电路中可选用较小体积的电路组件，例如比流器或霍尔元件，进而缩小电源供应器产品的体积。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种具低感测电流的交换式电源供应器，其特征在于，包含有：

一交换式电路，形成至少一电力回路且包含有一主动开关；

一电流感测模块，其包含：

一分流电路，以对该电力回路的电流进行分流，其包含有：

一第一线路，串接于该电力回路中，具有一第一阻抗；及

一第二线路，具有一第二阻抗且并联于该第一线路；以及

一信号输出电路，耦合于该分流电路，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小而产生一电压信号，由该电压信号反应该电力回路的电流大小；以及

一控制器，电连接该电流感测模块与该主动开关，根据该电压信号而输出一控制信号至该主动开关，以控制开主动开关的导通时间。

2.如权利要求1所述具低感测电流的交换式电源供应器，其特征在于，该信号输出电路包含有：

一比流器，其一次侧耦合至该第一线路或第二线路，并于二次侧根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小对应产生一感测电流信号；

一桥式电路，其输入端电连接该比流器的二次侧以接收该感测电流信号；

一电阻，电连接该桥式电路的输出端及该控制器，该感测电流信号在该电阻产生的压降作为所述的电压信号。

3.如权利要求1所述具低感测电流的交换式电源供应器，其特征在于，该信号输出电路包含有：

一霍尔组件，其输入端耦合至该第一线路或第二线路且一输出端电连接该控制器，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小所引起的磁场而产生所述的电压信号。

4.如权利要求2所述具低感测电流的交换式电源供应器，其特征在于，该电流感测模块包含有：

一基板；

所述的分流电路设于该基板上，其中该第一线路的两端分别形成接点并外露于基板，该第二线路电连接该第一线路的两端；

该比流器设置在该基板上，供所耦合的第一线路或第二线路贯穿。

5.一种电流感测模块，连接在一电源供应器的电力回路中，其特征在于，该电流感测模块包含有：

一分流电路，其包含有：

一第一线路，串接于所述电力回路中；及

一第二线路，并联于该第一线路；以及

一信号输出电路，耦合于该分流电路，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小而产生一电压信号，由该电压信号反应该电力回路的电流大小。

6.如权利要求5所述的电流感测模块，其特征在于，该信号输出电路包含有：

一比流器，其一次侧耦合至该第一线路或第二线路，并根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小对应产生一感测电流信号；

一桥式电路，其输入端电连接该比流器的二次侧以接收该感测电流信号；

一电阻，电连接该桥式电路的输出端，该感测电流信号在该电阻产生的压降作为所述的电压信号。

7.如权利要求5所述的电流感测模块，其特征在于，该信号输出电路包含有：

一霍尔组件，耦合至该第一线路或第二线路，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小所引起的磁场而产生所述的电压信号。

8.一种电流感测模块，连接在一电源供应器的电力回路中，其特征在于，该电流感测模块包含有：

一基板；

一分流电路，设置于该基板上，其包含有：

一第一线路，串接于所述电力回路中，且其两端分别形成接点并外露于该基板；

一第二线路，电连接该第一线路的两端而并联于该第一线路；以及

一信号输出电路，设置于该基板上且耦合于该分流电路，根据所耦合的第一线路或第二线路的电流大小而产生一电压信号，由该电压信号反映该电力回路的电流大小。

9.如权利要求8所述的电流感测模块，其特征在于，该第一线路与第二线路上连接有精密电阻。

10.如权利要求8或9所述的电流感测模块，其特征在于，该信号输出电路包含有一比流器，设置在该基板上以供所耦合的第一线路或第二线路贯穿。

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