CN1050017C - 可快速回复启动的省电型电源供应器 - Google Patents

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Abstract

一种可快速回复启动的省电型电源供应器，包括：一整流装置；一控制晶体管；一电源变压器至少包括一第一绕组、一第二绕组、及一第三绕组；一电源控制线路；一启动电阻，提供一路径以便使上述直流电源对一启动电容器充电，而供给电源控制线路启动时所需的启动电压电平；一开关线路分别与启动电阻、及电源控制线路串接；一开关控制线路用以开启及关闭开关线路。当电源控制线路的参考电源输出端由第一电平变至第二电平时，开关控制线路将导通而使开关线路及启动电阻不导通。

Description

可快速回复启动的省电型电源供应器
本发明有关于一种电源供应器，特别是有关于一种利用电源控制线路的参考电源输出信号作为电源供应器的快速回复启动信号的一种可快速回复启动的省电型电源供应器，同时也利用上述参考电源输出信号作为一开关线路和一开关控制线路的控制信号以避免启动电阻消耗不必要功率。
目前，绝大部分的电脑产品及其周边装置均采用切换式电源(switchingpower)，而切换式电源中的核心都是使用脉宽调制(pulse width modulation)控制集成电路(IC)来做为电源控制线路。一般此类脉宽调制控制IC都必须有足够的电压及电流才能启动，例如3842、及3844系列的IC控制器，因此都需要有所谓的启动电路使IC能够正常动作；但因启动电路的电压源较启动后产生的辅助电压源的电压为高，为省电起见，在IC启动以后，即改由辅助电源来供应后续操作的能量，此时该启动电路反而成为无用且消耗功率的累赘。
图1表示一传统交换式电源供应器的线路方框图，为简化起见在此图中输出电压的回授稳压控制线路则省略未予图示。如图1所示，一整流器1，例如是桥式整流器，将交流输入电压予以转换成为直流电压；一整流电容器2用以降低直流电压的波纹(ripple)电压。上述直流电压经一启动电阻3充电至启动电容器4来启动电源控制线路5(在此以3842控制器为例)，电源控制线路5启动后将输出一高频脉冲信号给一控制晶体管6(在此以N型金属氧化物半导体晶体管NMOS为例)的控制栅极，用以使得控制晶体管6进行快速的切换动作。变压器7包含第一绕组7a(或称主要绕组)、第二绕组7b、及第三绕组7c，其中第一绕组7a耦接至NMOS晶体管6的漏极，通过由上述控制晶体管6的动作，第二绕组7b、及第三绕组7c将分别感应得到一高频脉冲电压。第二绕组7b所感应的脉冲电压经一输出二极管9整流、及一输出电容器10降低波纹后用以作为电源供应器的输出，而第三绕组7c所感应的脉冲电压经一辅助二极管8整流、及一上述启动电容器4降低波纹后提供上述电源控制线路5工作的所需。
上述电源供应器的工作原理如下所述，当上述电源供应器输入交流电压时，交流电压经整流器1、及整流电容器2转换成为直流电压，上述直流电压经由启动电阻3而对启动电容器4充电，随着A端点直流电压的增加，B端点的电压电平也随之升高。当B端点的电压到达一特定电压时(以3842控制器为例是16V)电源控制线路5将会启动，而输出一高频脉冲信号(其中B端电压于启动后将降低至介于10～16V之间)。控制晶体管6接受上述高频信号而进行切换动作，以便将能量转换至第二绕组7b、及第三绕组7c。第二绕组7b所感应的脉冲电压经一输出二极管9整流、及一输出电容器10降低波纹后用以作为电源供应器的输出，以供给其他线路(未图示)动作的所需。第三绕组7c所感应的脉冲电压经一辅助二极管8整流、及启动电容器4降低波纹后，将提供上述电源控制线路5工作的所需。
由上述可知，电源供应器在输入交流电压之初，电源控制线路5启动所需的电压是直流电压经启动电阻对启动电容器4充电而提供；而控制晶体管6开始进行其切换动作后，电源控制线路5工作所需的电压则是由变压器7的第三绕组7c所提供。然而，在启动电阻之上一直流通一电流将造成额外功率的损耗。启动电阻3的功率消耗可计算如下(以电源控制线路是3842控制器为例)。
一般电脑及其周边装置的输入电源规格为交流电压90V～264V之间，当交流输入电压为最低90V时，经由整流器1、及整流电容器2得到的直流电压约为90V×1.414＝127.6V，3842控制器所需的启动电流最少为1mA，因此启动电阻3的最大阻值为：(DC电压-启动电压)/1mA＝(127.26V-16V)/1mA＝111260Ω；当交流输入电压为最高264V时，经由整流器1、及整流电容器2得到的直流电压约为264V×1.414＝373.296V，因为3842控制器启动后只需10V以上的工作电压，所以启动电阻3的功率消耗为(DC电压-工作电压)2/(启动电阻值)＝(373.296V-10V)2/111260Ω＝1.18W。一般电脑及其周边设备所必备的省电功能(power saving function)均要求在省电模式(off-mode)下的功率消耗需介于5～8W之间或更低，因此上述约1.18W的消耗亦不可以忽视。
为了降低启动电阻所消耗的功率，已有如图2所示的现有技术被提出(请参阅美国专利案号第5,581,453号专利)。如图2所示，其主要是利用一开关线路11串接于启动电阻3与电源控制线路5之间，再利用一开关控制线路12来控制开关线路11的导通与否。当电源控制线路5启动之前，开关线路11保持导通故直流电源得以透过启动电阻3而对启动电容4充电，以提供电源控制线路5所需的启动电压电平。启动后第三绕组7c的电压经整流后，提高B点的电压使得开关控制线路12动作而将开关线路11关闭，以避免启动电阻于启动后仍然消耗功率。
然而，上述的已知技术虽然可以降低启动电阻的功率消耗，但是无法配合省电IC动作，而进行快速再启动(restart)。现今的电源供应器常需要配合省电IC(power saving IC)在其省电模式(off-mode)下操作，一般是由省电IC控制切断一些暂不使用线路的电源，例如屏幕的水平、及垂直扫描信号，但是电源供应器又必须能够继续供应省电IC所需的约+5V电压、及约数10mA电流的输出。为了满足此项要求，若让电源供应器持续动作，仅将其他输出切断而留下+5V输出给省电IC(如此水平、垂直信号恢复时才能自动回复)则成本太高且无法达到功率消耗需介于5～8W之间或更低的规格要求。若采用其他方式，例如由辅助电源取出控制信号，会因为放电时间过长(因为一般辅助电源输出电容器的电容值均相当大)，致使重新启动速度太慢而造成传输能量不足，且易会被省电IC误判造成逻辑操作上的错误。
因此，上述已知的电源供应器(如图2所示)无法在：一、成本与功率消耗很低，以及，二、重新启动速度够快不会造成传输能量不足与省电IC逻辑误判等二项要求下配合省电IC动作。
有鉴于此，本发明主要目的是提供一种可快速回复的省电型电源供应器，其利用电源控制线路的参考电压输出信号作为启动控制信号，可以配合省电IC做快速的回复启动操作，并可以简化电路的复杂度以及降低制造成本。
另外，本发明的另一目的是，同时利用上述参考电压源输出信号以控制一开关控制线路进而控制开关线路的导通与否，用以在电源控制线路启动之后使启动电阻不再流通电流，以降低功率损耗。又其利用低于已知技术所需的电压来控制上述开关线路，更可以降低功率损耗，以及使得元件耐压等特性的要求无须太过严格而降低成本。
为达到上述目的，本发明提供一种可快速回复启动的省电型电源供应器，包括：一整流装置，用以提供一直流电源；一控制晶体管，用以接收一切换信号，执行导通及关闭动作；一电源变压器，至少包括一第一绕组、一第二绕组、及一第三绕组，其中所述直流电源施加于所述第一绕组及所述控制晶体管上，并通过由所述控制晶体管的动作使得所述第二绕组及第三绕组之上分别产生一输出电源，第二绕组连接到电源控制线路的启动端；一电源控制线路，当其启动端的电压电平上升至一启动电压电平时，所述电源控制线路将会启动，启动后输出端输出所述切换信号用以控制所述电源变压器的输出电源大小；一启动电阻，提供一路径以便使所述直流电源对一启动电容器充电，而供给所述电源控制线路启动时所需的启动电压电平；一开关线路，它的一端与所述启动电阻连接，另一端分别与启动电容器及所述电源控制线路连接；一开关控制线路，用以开启及关闭所述开关线路，所述电源控制线路，当启动后其参考电源输出端的电压电平由一第一电压电平快速地变化至一第二电压电平，又启动后当所述电源控制线路接收一省电模式信号时，将会进入重新启动的状态且同时其参考电源输出端的电压电平由所述第二电压电平快速地变化回到所述第一电压电平；所述开关控制线路，它的输入端连接到电源控制线路的参考电压输出端，当所述电源控制线路的参考电源输出端由所述第一电压电平变化至第二电压电平时，所述开关控制线路将导通而使得所述开关线路不导通，当所述电源控制线路的参考电源输出端由所述第二电压电平变化至第一电压电平时，所述开关控制线路将不导通而使得所述开关线路及启动电阻导通。
本发明有以下几点优于图2所示的已知技术：
一、本发明巧妙地应用一般电源控制线路所具有的参考电压源输出信号作为控制启动电阻导通与否的控制信号而达到降低启动电阻所消耗的功率。更重要的是，本发明可配合省电IC做快速的重新启动操作，且成本低廉、电路简单、及正确性高。
二、本发明控制开关控制线路的电压值低于已知技术，故更可以降低功率损耗以及开关控制线路构成元件的耐压等特性要求而降低成本。
为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特结合若干较佳实施例，并参考附图，做详细说明。
附图简要说明：
图1表示一传统交换式电源供应器的线路方框图；
图2表示一可降低启动电阻消耗功率的交换式电源供应器的先有技术的线路方框图；
图3表示依据本发明的第一实施例线路方框图；
图4表示依据本发明的第二实施例线路方框图；以及
图5表示本发明配合省电IC动作的时序图。
实施例一：
图3表示本发明的第一实施例线路方框图，为简化起见在此图中输出电压的回授稳压控制线路省则略未予图示，其中与已知传统技术相同的零件均以相同的符号标示。如图3所示，一开关线路11串接在启动电阻3、及电源控制线路5之间，通过由一开关控制线路12来控制开关线路的导通与关闭。开关控制线路12则接受电源控制线路5的参考电压输出信号Vref的控制而导通或关闭。
上述电源供应器的工作原理如下所述，当上述电源供应器输入交流电压时，交流电压经整流器1、及整流电容器2转换成为直流电压，一开始开关线路11为导通状态，上述直流电压得以经由启动电阻3而对启动电容器4充电，随着A端点直流电压的增加，B端点的电压电平亦随之升高。当B端点的电压到达一特定电压时电源控制线路5将会启动，而输出一高频脉冲信号Vout。控制晶体管6接受上述高频信号Vout而进行切换动作，以便将能量转换至第二绕组7b、及第三绕组7c。第二绕组7b所感应的脉冲电压经一输出二极管9整流、及一输出电容器10降低波纹后用以作为电源供应器的输出，以供给其他线路(未图示)动作的所需。电源控制线路5一经启动后则其参考电压输出将由一第一电压电平变化至一第二电压电平，使开关控制线路12动作而使上述开关线路11不导通。如此启动电阻3将不会再流通电流而造成功率的损耗。
而当在省电IC动作时(省电模式下)，除了切断大多数电源输出之外，其也持续送出一信号给电源控制线路5的一回授输入端(未图示)，电源控制线路接收上述信号而做周期性的重复启动，故而电源控制线路5的参考电压输出也将随之在第一电压电平与一第二电压电平两者间做快速周期性变化，所以开关线路11仅能周期性地导通。因为电源控制线路5仅做周期性的短暂时间的重复启动，所以电源控制线路5仅能周期性短时间输出上述高频信号Vout使控制晶体管6工作，藉以送出少量足够省电IC工作所需的能量，又能满足低耗功率的要求。
实施例二：
图4表示本发明的第二实施例线路方框图，为简化起见在此图中输出电压的回授稳压控制线路同样予以省略未图示，其中与已知传统技术相同的零件均以相同的符号标示。本实施例系使用IC编号3842的脉宽调制控制器作为电源控制线路5。如图4所示，一第一晶体管(例如是NPN晶体管)Q1作为开关线路11其更连接一保护二极管D1再串接于启动电阻3、及3842控制器5之间，又其基极经一第一偏压电阻R1而连接至直流电压端点A。一第二晶体管(例如是NPN晶体管)Q2与第一偏压电阻器R1、第二偏压电阻R2构成开关控制线路12，用以开关第一晶体管Q1。第二晶体管Q2的集极连接第一晶体管Q1的基极，其射极耦接至3842控制器5的参考接地端，基极经第二偏压电阻R2而接受3842控制器5的参考电压输出信号Vref。
上述电源供应器的工作原理如下所述，开始时启动电容器4的电压为OV，3842控制器5未启动而无参考电压输出Vref，所以第二晶体管Q2是不导通的。当上述电源供应器输入交流电压时，交流电压经整流器1、及整流电容器2转换成为直流电压，第一偏压电阻R1使得第一晶体管Q1导通，而直流电压将经由启动电阻3、第一晶体管Q1、及保护二极管D1而对启动电容器4充电，随着A端点直流电压的增加，B端点的电压电平亦随之升高。当B端点的电压到达一特定电压(约16V)时3842控制器5将会启动，而输出一高频脉冲信号Vout。一控制晶体管6接受上述高频信号Vout而进行高频切换动作，以便将能量转换至变压器7的第二绕组7b、及第三绕组7c。第二绕组7b所感应的脉冲电压经一输出二极管9整流、及一输出电容器10降低波纹后用以作为电源供应器的输出，以供给其他线路(未图示)动作的所需。3842控制器5启动后，其参考电压输出Vref将由约OV变化至5V，而令第二晶体管Q2导通、及第一晶体管Q1关闭，所以启动电阻3将不会有电流流通，而3842控制器5所需的工作电压则改由变压器7的第三绕组7c供应。保护二极管D1的作用是当Q2导通时保护Q1的基极、射极不会被过高的逆向偏压(此实施例中约为16V)所破坏。
因为电阻R1的阻值约为启动电阻3阻值乘上晶体管Q1的电流增益hfe，而实际应用上晶体管Q1的hfe约为60左右，亦即可省下原来启动电阻3约等于59/60≈98％的功率损耗。所以将可节省1.18W×0.98＝1.16W的功率。而在实际应用中，因为启动速度一般要求较快，所以启动电阻的阻值可能更低，则应用本发明所可节省的功率瓦数将更大，约可省到2W的程度。ZD、R2、及Q2的功率消耗皆微乎其微可忽略不计。另外，本发明优于已知技术之处为本发明用以控制开关控制线路12的信号是由3842控制器的参考电源输出端取出其电压值最大仅为5V，相较于图2所示的已知技术于采用相同的电源控制线路IC 3842的情形下，已知技术中开关控制线路的控制信号是由3842控制器的启动端取得，为了使开关控制线路于3842控制器启动前不动作，则其开始动作的电压至少需为16V，远大于本发明所需的电压值。因此已知技术将造成开关控制线路构成元件的耐压等特性要求增加而使制造成本大增，同时也较本发明更消耗功率。
至于本发明与省电IC的动作配合，请参照图5的动作时序图，于T0时间开启电源供应器，如上所述经整流后的直流电源经启动电阻对启动电容4充电，而使得3842控制器5启动端的电压慢慢上升至16V，3842控制器5在T1时间启动后，输出一高频脉冲信号Vout，参考电压源输出信号Vref也从OV变化至约5V，而3842控制器5的启动端电压将会于下降至10～16V之间，又3842控制器的回授输入端的输入电压Vfb将介于0～5V之间。
当省电IC于T2时间开始进入省电模式，其将输出一省电模式信号，例如经由光耦合器(photo-coupler)传送至3842控制器5的回授输入端，回授输入端的电压一上升至约+5V将会使3842控制器5重新启动，启动端的电压将开始下降以使3842控制器5关闭。到时间T3时3842控制器5关闭(3842控制器的关闭电压为低于10V)此时3842控制器的输出Vout为OV。紧接着，省电模式信号亦降至OV，所以3842控制器5重新启动，因为参考电压源的输出已由5V下降至OV而使第二晶体管关闭，第一晶体管导通，促使直流电源得以通过启动电阻而提供3842控制器5重新启动所需的电压。3842控制器5启动后回授输入端的电压同时由OV变化至5V，3842控制器5再次进行重复启动的操作，如此周而复始。当3842控制器5的回授输入端接收到省电模式信号直到3842控制器5关闭的短暂时段中(T3-T2)，3842控制器5仍然继续输出其高频脉冲信号，以使电源供应器能够传送少量但是足够的能量以提供省电IC工作的所需。
因为重新启动速度的快慢将决定传输能量的多寡，而3842控制器的参考电压输出信号Vref不需并联电解电容，故其储存时间极短，所以非常适合使用在需快速重复启动3842控制器的场合中控制启动电阻的导通与否，以便传输微小的能量。又3842控制器的参考电压输出信号Vref的导通及关闭(on/off)的速度与3842控制器IC的on/off速度几乎同步，故本发明完全不影响其重新启动的速度。
综上所述，虽然本发明已以两个较佳的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉本项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做更动和润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的权利要求所界定者为准。

Claims (5)

1.一种可快速回复启动的省电型电源供应器，包括：
一整流装置，用以提供一直流电源；
一控制晶体管，用以接收一切换信号，执行导通及关闭动作；
一电源变压器，至少包括一第一绕组、一第二绕组、及一第三绕组，其中所述直流电源施加于所述第一绕组及所述控制晶体管上，并通过由所述控制晶体管的动作使得所述第二绕组及第三绕组之上分别产生一输出电源，第二绕组连接到电源控制线路的启动端；
一电源控制线路，当其启动端的电压电平上升至一启动电压电平时，所述电源控制线路将会启动，启动后输出端输出所述切换信号用以控制所述电源变压器的输出电源大小；
一启动电阻，提供一路径以便使所述直流电源对一启动电容器充电，而供给所述电源控制线路启动时所需的启动电压电平；
一开关线路，它的一端与所述启动电阻连接，另一端分别与启动电容器及所述电源控制线路连接；
一开关控制线路，用以开启及关闭所述开关线路，
其特征在于，
所述电源控制线路，当启动后其参考电源输出端的电压电平由一第一电压电平快速地变化至一第二电压电平，又启动后当所述电源控制线路接收一省电模式信号时，将会进入重新启动的状态且同时其参考电源输出端的电压电平由所述第二电压电平快速地变化回到所述第一电压电平；
所述开关控制线路，它的输入端连接到电源控制线路的参考电压输出端，当所述电源控制线路的参考电源输出端由所述第一电压电平变化至第二电压电平时，所述开关控制线路将导通而使得所述开关线路不导通，当所述电源控制线路的参考电源输出端由所述第二电压电平变化至第一电压电平时，所述开关控制线路将不导通而使得所述开关线路及启动电阻导通。
2.如权利要求1所述的电源供应器，其特征在于，所述开关线路包括一第一晶体管其集极耦接所述启动电阻的一端，其射极耦接所述电源控制线路的启动端，以及其基极耦接所述开关控制线路；所述开关控制线路包括一第二晶体管其集极耦接所述第一晶体管的基极，并经一偏压电阻耦接所述直流电源，其射极耦接所述电源控制线路的参考接地端，以及其基极耦接所述电源控制线路的参考电源输出端。
3.如权利要求1所述的电源供应器，其特征在于，所述电源控制线路可为集成电路型号3842、及3844系列中之一集成电路。
4.如权利要求2所述的电源供应器，其特征在于，所述电源控制线路可为集成电路型号3842、及3844系列中之一集成电路。
5.如权利要求4所述的电源供应器，其特征在于，还包括一保护二极管顺向配置于所述第一晶体管射极与所述启动电容器之间。
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