CN1050018C - 低耗功率的电源供应器 - Google Patents

Abstract

一种具有省电型电源启动装置的电源供应器，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；一开关线路分别与上述启动电阻、及上述电源控制线路串接；一开关控制线路用以开启及关闭上述开关线路，以及一隔离装置，耦接于上述电源控制线路启动端与上述变压器第三绕组输出电源之间，以确保上述特定电压电平不致于需要高于上述启动电压电平，就可驱动上述开关控制线路。

Description

低耗功率的电源供应器

本发明有关于一种电源供应器，特别是有关于一种利用一隔离装置来达到降低开关控制线路动作电压的一种改良型低耗功率的电源供应器，其不论于制造成本或功率消耗上均优于已知技术。

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；但是在IC启动以后其变成改由辅助电源(启动后产生)来供应后续操作的能量，此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端点的电压电平亦随之升高。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，用以供给其它线路(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＝111260；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)²/111260＝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所示的先有技术被提出(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。

根据图2所示已知技术的方法，例如以传统上最常被采用的3842控制器作为电源控制线路，因为3842控制器需要16V的电压才能启动，所以开关控制线路12的动作电压1必需至少为16V以上，否则在3842控制器5尚未完成启动前开关控制线路12就动作使得开关线路11开路，将造成直流电源无法经启动电阻3而对启动电容4充电，如此一来3842控制器将无法顺利启动。在3842控制器启动后，触发开关控制线路12动作的电压来自第三绕组7c的输出电源，所以为了达到上述的电压要求，必需提高第三绕组7c输出电源的电平，故必需增加第三绕组7c的绕线圈数，而将造成变压器7制造成本以及功率损耗增加。又随着第三绕组7c输出电源电平的提高，辅助二极管8、启动电容器4及控制晶体管6的耐压及寿命等电性要求将更严格，如此其零件成本也相对提高。当所使用的电源供应器具有更高的启动电压时，则上述情形将更不容忽视。

另外，一般电源控制线路启动后，其输出脉冲信号电平均正比于其启动端的电压电平。启动后的3842控制器其启动端电压，将下降至10～16V之间。然而在上述图2所示的已知技术中，如上所述为确保开关控制线路12能够正常动作，3842控制器的启动端电压必需保持在至少16V以上，大于一般启动后3842控制器启动端电压，因此其输出脉冲信号的电平也随之增加，导致MOS晶体管必需选用栅极与源极间电压规格较高的晶体管而增加成本、及消耗功率。若是使用启动电压更高的电源供应器则上述情形将更严重。

为克服上述现有技术中的缺陷以便降底电源供应器的功耗，本发明的目的在于提供一种改良型低耗功率的电源供应器，其主要是应用一隔离装置使将启动电压与提供开关控制线路动作电压的第三绕组输出电源分隔开，如此即能在不提高开关控制线路动作电压之下，使开关控制线路能正常动作。又启动后启动端电压不会受第三绕组输出电源的影响，而可以较低的电压保持电源控制线路工作。故而可降低制造成本且降低功率消耗。

为了达到上述目的，本发明提供的一种改良型低耗功率的电源供应器，为一种具有省电型电源启动装置的电源供应器，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，而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，另一端分别连接启动电容器、及所述电源控制线路；一开关控制线路，用以开启及关闭所述开关线路，它的输入端连接到变压器的第三绕组，其中当所述变压器第三绕组的输出电源的电压电平达到一特定电压电平时，所述开关控制线路将导通而使得所述开关线路开路，以避免所述启动电阻消耗不必要的功率。其特征在于：一隔离装置，耦接于所述电源控制线路启动端与所述变压器第三绕组输出电源之间，以确保所述特定电压电平不致于需要高于所述启动电压电平，就可驱动所述开关控制线路。

本发明利用一隔离装置配置于开关控制线路、第三绕组整流输出的共接点与电源控制线路启动端之间，可以改进已知技术的缺点，而获得以下优点：

一、降低开关控制线路导通所需的电压，而降低变压器绕组所需的圈数使其成本及功率消耗均得以降低，另外构成开关控制线路所需的零件其所承受的电压可较低故可延长期寿命。

二、启动后电源控制开关的工作电压远低于已知技术，所以电源控制线路的输出信号电平相对低于已知技术，除了可节省功率外也因此所使用的控制晶体管其耐压等特性要求不似已知技术严格，故可以使用成本较低的控制晶体管，而不会降低其效能表现。

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，做详细说明如下：

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表示一传统可降低启动电阻消耗功率的交换式电源供应器的线路方框图；

图3表示本发明的第一实施例线路方框图；以及

图4表示本发明的第二实施例线路方框图。

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则省略未予图示，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则接受由变压器7的第三绕组7c的输出电压经辅助二极管8、及辅助电容器13整流后输出电压的控制而动作。一隔离装置14其耦接于电源控制线路5的启动端B与第三绕组7c的整流输出端之间，如此开关控制线路的工作电压就不需要在高于电源控制线路5的启动电压的电平下动作。

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。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，以供给其它线路(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、及辅助电容器13降低波纹后，其输出直流电压升高至一特定电平时将触发开关控制线路12动作，而将开关线路11关闭，如此电源控制线路的动作电压改由储存在辅助电容器13上的电压供给，而启动电阻3将不会再流通电流而造成功率的损耗。另外，当电源控制线路5未启动时，开关控制线路12不可以动作，如此开关线路11才能导通而使得电容器4得以继续经由启动电阻充电而到达启动电压的电平，然而若无隔离装置14的存在，则储存在辅助电容器13上的电压至少必须大于电源控制线路5的启动电压才能使开关控制线路12动作而关闭开关线路13，则将造成如前文已知技术所述的缺点。

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3所示，一第一晶体管连接一保护二极管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PNP晶体管)Q2与第一偏压电阻器R1、第二偏压电阻器R2以及一齐纳二极管(zener diode)ZD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，基极经由第二偏压电阻R2、及齐纳二极管ZD耦接至做为隔离装置的隔离二极管Ds的阳极，隔离二极管的阴极则耦接至3842控制器的启动端。

上述电源供应器的工作原理如下所述，开始时辅助电容器13的电压为0V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端点的电压电平也随之升高。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。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，以供给其它线路(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整流而对辅助电容器13充电，随着辅助电容器13电压的升高达一特定的电压(由调整齐纳ZD及第二偏压电阻R2)，晶体管Q2导通而将Q1关闭，所以启动电阻3将不会有电流流通，而3842控制器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。

晶体管Q2从输入交流电源之初，直到辅助电容器13的电压需到达一定电压电平之前是处于关闭的状态，倘若没有隔离二极管Ds的存在，因为晶体管Q2在3842控制器未启动前不能动作，所以辅助电容器13的电压至少需要大于16V时才能使晶体管Q2动作。为了满足此一需求，势必要将第三绕组7c的绕线圈数增加，以提高电压，如此将使变压器制作成本增加而且消耗更多的功率，而辅助二极管8、辅助电容器13以及控制晶体管的耐压等特性需求将更严格，所以使得其零件成本亦增加。应用本发明的隔离装置，一隔离二极管Ds顺向配置在第三绕组电源输出与启动端之间，当3842控制器5启动前，第三绕组尚未有电源输出，隔离二极管Ds处于逆向偏压的情形，所以启动端电压不会使开关控制线路12中的Q2导通。启动后第三绕组的电源输出经整流后逐渐上升至一设计好的特定电压时Q2将导通使启动电阻不再流通电流，此一特定电压可远低于16V，最后第三绕组整流后的电源输出仅需要约(10V+Vf)的电压电平即可以提供3842控制器工作的所需，其中Vf为隔离二极管Ds的顺向导通电压值，因为3842控制器启动后仅需要约10V左右的工作电压。故而使用隔离二极管仅需要约10V左右的工作电压。故而使用隔离二极管Ds可以降低开关控制线路12的动作电压，并且使得3842控制器5的工作电压(约10V左右)远小于已知技术至少所需的电压16V，进而降低3842控制器的输出信号电平，如此NMOS控制晶体管6就可以使用控制栅极与源极间电压规格较小的NMOS晶体管，以降低零件成本。

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 (12)

1.一种具有省电型电源启动装置的电源供应器，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，而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，另一端分别连接启动电容器、及所述电源控制线路；

一开关控制线路，用以开启及关闭所述开关线路，它的输入端连接到变压器的第三绕组，其中当所述变压器第三绕组的输出电源的电压电平达到一特定电压电平时，所述开关控制线路将导通而使得所述开关线路开路，以避免所述启动电阻消耗不必要的功率。

其特征在于：一隔离装置，耦接于所述电源控制线路启动端与所述变压器第三绕组输出电源之间，以确保所述特定电压电平不致于需要高于所述启动电压电平，就可驱动所述开关控制线路。

2.如权利要求1所述的电源供应器，其特征在于，所述隔离装置为一二极管其阳极耦接于所述开关控制线路及所述变压器第三绕组的输出电源，其阴极耦接于所述电源控制线路的启动端。

3.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变压器第三绕组的输出电源，以便从所述第三绕组的输出电源获得供应基极的电流。

4.如权利要求3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系列的一集成电路。

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。

6.如权利要求4所述的电源供应器，其特征在于，所述隔离装置为一二极管其阳极耦接于所述开关控制线路及所述变压器第三绕组的输出电源，其阴极耦接于所述电源控制线路的启动端。

7.如权利要求6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。

8.如权利要求3所述的电源供应器，其特征在于，所述隔离装置为一二极管其阳极耦接于所述开关控制线路及所述变压器第三绕组的输出电源，其阴极耦接于所述电源控制线路的启动端。

9.如权利要求8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。

10.如权利要求3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。

11.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系列的一集成电路。

12.如权利要求11所述的电源供应器，其特征在于，所述隔离装置为一二极管其阳极耦接于所述开关控制线路及所述变压器第三绕组的输出电源，其阴极耦接于所述电源控制线路的启动端。

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