CN106533180A - 电源供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电源供应装置，包含变压器、功率开关、电流感测器、光耦合分压控制器、电压反馈单元、电压比较器、控制器及脉波宽度调变器。变压器有二电感值。功率开关电连接于变压器的初级绕组及脉波宽度调变器。电流感测器连接于功率开关及光耦合分压控制器，电压反馈单元耦接光耦合分压控制器、电压比较器及电源供应装置的输出端。控制器耦接于脉波宽度调变器及电压比较器。电流感测器依初级侧电流设定光耦合分压控制器以改变电压反馈单元输出的反馈电压。控制器依电压比较器输出的比较信号控制脉波宽度调变器的波宽以改变电源供应装置输出电压。本发明的电源供应装置的电路简便，且实质利用率高。

Description

电源供应装置

技术领域

本发明是关于电源供应装置，且特别是有关于依据负载电流条件改变输出电压的电源供应装置。

背景技术

一般的电子产品可供操作在待机模式及非待机模式。为了能同时提供电子产品在待机模式及非待机模式操作下的电力，传统的电源供应装置会分别提供待机电源及非待机电源予电子产品，以因应电子产品不同的操作；其中，待机电源多较非待机电源的电压来得低。

然而，当电子产品操作于非待机模式时，若待机电源持续输出，则将使得电源供应装置的功率损耗提升；而且用以提供待机电源的电路会造成电源供应装置体积与成本的增加。

发明内容

本发明提供一种电源供应装置，以单一输出端提供电子产品在待机模式及非待机模式操作的两组电力。

根据本发明提供一种电源供应装置，具有电连接于一电子产品的一输出端。电源供应装置包含电源、变压器、功率开关、电流感测器、光耦合分压控制器、电压反馈单元、电压比较器、控制器及脉波宽度调变器。变压器包含初级绕组及次级绕组，初级绕组电连接于电源，次级绕组电连接于输出端，变压器具有第一电感值及第二电感值，第二电感值小于第一电感值。功率开关电连接于初级绕组及电源。电流感测器电连接于功率开关。光耦合分压控制器电连接于电流控制器，电压反馈单元电连接于光耦合分压控制器及输出端。电压比较器电连接于电压反馈单元。控制器耦接于电压比较器，脉波宽度调变器电连接于功率开关及控制器。电流感测器感测导通于初级绕组的电流并依据导通于初级绕组的电流设定光耦合分压控制器，改变电压反馈单元的反馈电压；电压比较器比较反馈电压及预设电压并输出比较信号，控制器依据比较信号控制脉波宽度调变器输出的脉波宽度信号的脉波宽度，以改变输出端输出的电压。

本发明的变压器基于铁芯气隙的设计，于轻载时具有第一电感值，激磁电流小储能小，适合低电压/电流输出；于非轻载时具有第二电感值，激磁电流变大储能增加，适合高电压电流输出。

本发明的电源供应装置的电流感测器感测通过初级绕组的电流，判断输出轻/重负载情况后，设定光耦合分压控制器，改变电压反馈单元的分压比例，变化输出反馈电压。电压比较器比较预设参考电位与反馈电压后输出比较信号并控制光耦合反馈单元，使反馈电压反馈至位于初级侧的控制器。控制器根据光耦合反馈单元的反馈电压，控制脉波宽度调变器的脉波宽度，使电源供应装置达到根据负载电流条件自动改变次级侧输出高/低电压的目的。

本发明的电源转换装置的电路设计是透过单一输出端于电产品在不同操作模式时输出不同电压，相较于传统具备两组输出端以分别输出非待机电压及待机电压的电源转换装置，本发明的电源供应装置的电路简便，且实质利用率高。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1绘示本发明的变压器的磁芯的剖视图；

图2绘示本发明的变压器的电感值对电流曲线图；

图3绘示本发明的依据负载电流条件改变输出电压的电源供应装置的电路方块图；

图4绘示本发明第一实施方式的依据负载电流条件改变输出电压的电源供应装置的局部电路图；以及

图5绘示本发明第二实施方式的依据负载电流条件改变输出电压的电源供应装置的局部电路图。

其中，附图标记

10 第一磁芯件

100 第一主芯部

101 电流感测器

102 第一侧翼部

103 电压反馈单元

104 端面

105 光耦合分压控制器

1050 光产生元件

1052 光接收元件

12 第二磁芯部

120 第二主芯部

122 第二侧翼部

124 端面

201 脉波宽度调变器

202 控制器

203 光耦合反馈单元

2030 光耦合二极管

2032 光敏元件

204 电压比较器

A 阳极

C 电容器

Co 滤波器

D1 整流器

K 阴极

Q 功率开关

Q1 晶体管开关

R 电阻器

R1 第一电阻器

R2 第二电阻器

R3 第三电阻器

R4 第四电阻器

R5 第五电阻器

R6 第六电阻器

R7 第七电阻器

R8 第八电阻器

REF 参考端

RL 负载

TR 变压器

Vd 电源

Vout 输出端

Wp 初级绕组

Ws 次级绕组

X1 切换开关

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

本发明提供一种依据负载电流条件改变输出电压的电源供应装置(以下简称电源供应装置)，具有单一输出端。电源供应装置透过输出端供应电子产品在轻载(或待机模式)及非轻载(非待机模式)操作下的电力。其中，当电子产品操作于轻载时，电源供应装置产生第一电压，当电子产品操作于非轻载时，电源供应装置输出第二电压，第二电压不同于第一电压，且第二电压的准位高于第一电压的准位。

请参照图1，为本发明的变压器的磁芯的剖视图。如图1所示的磁芯包含第一磁芯件10及一第二磁芯件12，第一磁芯件10及一第二磁芯件12可例如使用铁氧体材料制作而成。

在图1中，第一磁芯件10及第二磁芯件12以E形磁芯作为说明范例，但实际实施时不以此为限。如图1所示，第一磁芯件10包含第一主芯部100及连接于第一主芯部100相对两侧的第一侧翼部102，第一主芯部100的端面104为平面。第二磁芯件12包含第二主芯部120及连接于第二主芯部120相对两侧的第二侧翼部122，第二主芯部120的端面124为非平面。

第一磁芯件10的第一侧翼部102及第二磁芯件12的第二侧翼部122对应接合，使第一主芯部100的端面104与第二主芯部120的端面124相对且相间隔，并于端面104及124之间形成非线性气隙(air gap)14。如图1所示，形成于端面104及124之间的气隙14为二段步阶式气隙。在此要特别说明的是，在实际制作磁芯时，第一主芯部100的端面104及第二主芯部120的端面124可以同时为非平面，并形成至少二段步阶式气隙。

磁芯上缠绕如图3所示的初级绕组Wp及次级绕组Ws，藉以形成图3所示的变压器TR。由于形成于端面104及124之间的气隙14为非线性气隙，造成磁芯可部分饱和，进而可以改变变压器TR的电感值。更具体言之，藉由铁芯气隙的设计，使变压器TR于轻载时具有第一电感值，激磁电流小储能小，适合低电压/电流输出；而当变压器TR于非轻载时具有第二电感值，激磁电流变大储能增加，适合高电压/电流输出，第二电感值小于第一电感值，对应变压器TR的电感值对电流曲线图如图2所示。

复参照图3，其为本发明的电源供应装置的电路方块图。为了方便说明，图3更绘示了负载RL，负载RL为电子产品，负载RL连接于电源供应装置的输出端Vout。电源供应装置包含电源Vd、变压器TR、功率开关Q、电阻器R、整流器D1、滤波器Co、电流感测器101、电压反馈单元103、光耦合分压控制器105、脉波宽度调变器201、控制器202、光耦合反馈单元203及电压比较器204。

变压器TR包含初级绕组Wp及次级绕组Ws。初级绕组Wp的一端连接至电源Vd的高电压准位端，另一端连接于功率开关Q；如图3所示，功率开关Q为金属氧化物半导体场效应晶体管，且初级绕组Wp连接于功率开关Q的漏极。功率开关Q的栅极电连接于脉波宽度调变器201，功率开关Q的源极除了电连接于电流感测器101，还通过电阻器R电连接于电源Vd的低电压准位端(例如为地端)。

整流器D1连接在变压器TR的次级绕组Ws及滤波器Co之间；如图3所示，整流器D1以二极管实现之，滤波器Co以电容器实现之，整流器D1的阳极连接于次级绕组Ws，阴极连接于滤波器Co及输出端Vout。

光耦合分压控制器105设于电流感测器101及电压反馈单元103之间，并与电流感测器101及电压反馈单元103形成电性连接。电压反馈单元103还电连接至输出端Vout及电压比较器204。

光耦合反馈单元203设于控制器202与电压比较器204之间，并电连接于控制器202与电压比较器204。脉波宽度调变器201设于控制器202及功率开关Q之间，并电连接于控制器202及功率开关Q的栅极。

请同时参照图3及图4，其中图4为本发明第一实施例的电源供应装置的局部电路图。电压比较器204包含切换开关X1、第一电阻器R1、第二电阻器R2及电容器C。如图4所示，切换开关X1可以TL431型式电压调整元件实现之；切换开关X1的阴极K电连接于第一电阻器R1，阳极A电连接于地端，第二电阻器R2电连接于第一电阻器R1及输出端Vout，电容器C跨接于切换开关X1的阳极及参考端REF。当切换开关X1导通时，用以改变光耦合反馈单元203的发光元件2030的电压。

电压反馈单元103包含晶体管开关Q1、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第五电阻器R5及第六电阻器R6。第三电阻器R3与电容器C并联。如图4所示，晶体管开关Q1以双极性晶体管实现之，且晶体管开关Q1的射极电连接第二电阻器R2及输出端Vout。第四电阻器R4跨接于晶体管开关Q1的射极及集极，第五电阻器R5跨接于晶体管开关Q1的射极及基极。第六电阻器R6设于第三电阻器R3及第四电阻器R4之间，并电连接第三电阻器R3及第四电阻器R4。

晶体管开关Q1的基极更电连接于光耦合分压控制器105的光接收元件1052，光耦合分压控制器105的光产生元件1050通过第七电阻器R7电连接于电流感测器101。光耦合分压控制器105主要用以使晶体管开关Q1的导通或截止，并提供电气隔离效果，避免电源供应装置的初级侧电力(即于变压器TR的初级绕组Wp传递的电力)与次级侧电力(即于变压器TR的次级绕组Ws传递的电力)相互干扰。

光耦合反馈单元203包含第八电阻器R8，以及由发光元件2030及光敏元件2032组合的光隔离器(未另标号)，发光元件2030跨接于第一电阻器R1两端。如图4所示，发光元件2030可例如以发光二极管实现之，光敏元件2032可例如以光晶体管实现之，且光敏元件2032的射极电连接于第八电阻器R8及控制器202。光耦合反馈单元203中光隔离器除了提供与输出电压呈比例变化的反馈电压外，并提供电气隔离效果，避免电源供应装置的初级侧电力与次级侧电力相互干扰。

复参阅图3。在实际操作时，功率开关Q是依照脉波宽度调变器201输出的脉波宽度调变信号以进行导通或截止的切换。在脉波宽度调变信号的工作周期不变的形况下，当输出端Vout输出的电流变大时，变压器TR的磁通密度增加且电感值下降，使得电源供应装置初级侧电流提高。反之，当输出端Vout输出的电流变小时，变压器TR的磁通密度减少且电感值提高，使得电源供应装置初级侧电流降低。当功率开关Q导通时，电流感测器101会感测导通于初级绕组Wp的初级侧电流，并将测得的初级侧电流经内部比较器产生高电压与低电压两种电位变化，其中高电压与低电压分别对应轻载与非轻载模式。电流感测器101产生的高电压或低电压输出通过第七电阻器R7传递至光耦合分压控制器105的光产生元件1050。其中，当负载RL操作于轻载模式，电流感测器101输出高电压，则使光产生元件1050导通。如此一来，光接收元件1052会感应光产生元件1050发出的光线并传送对应的信号至电压反馈单元103。反之，当负载RL操作于非轻载模式，电流感测器101输出低电压，并使光产生元件1050截止。

当光接收元件1052导通时(即负载RL操作于轻载模式)，晶体管开关Q1导通，而使切换开关X1的参考端REF的电压提高。因切换开关X1的预设参考电位为定值，故形成等效降低输出电压设定值的效果。

当光接收元件1052截止时(即负载RL操作于非轻载模式)，使晶体管开关Q1截止，而使切换开关X1的参考端REF的电压降低。因切换开关X1的预设参考电位为定值，故形成等效提高输出电压设定值的效果。

本发明的电源供应装置的电流感测器101感测初级侧的电流，判断电源供应装置输出轻载或重载(即非轻负载)情况后，设定光耦合分压控制器105以改变电压反馈单元106的分压比例而调整输出反馈电压。电压比较器204比较预设参考电位与反馈电压后输出比较信号，控制光耦合反馈单元203将比较信号反馈至位于变压器TR初级侧的控制器202。控制器202根据光耦合反馈单元203的反馈电压，控制脉波宽度调变器201的脉波宽度，使电源供应装置达到根据负载电流条件自动改变次级侧输出高/低电压的目的。

本发明的电源转换装置的电路设计是透过单一输出端于负载RL在不同操作模式时输出不同电压，相较于传统具备两组输出端以分别输出非待机电压及待机电压的电源转换器，本发明的电源供应装置的电路简便，且实质利用率高。

请同时参照图3及图5，其中图5为本发明第二实施例的电源供应装置的局部电路图。电压比较器204包含切换开关X1、第一电阻器R1、第二电阻器R2及电容器C。如图5所示，切换开关X1可以TL431型式电压调整元件实现。切换开关X1的阴极K电连接于第一电阻器R1，阳极A电连接于地端，第二电阻器R2电连接于第一电阻器R1及输出端Vout，电容器C跨接于切换开关X1的阳极及参考端。

电压反馈单元103包含第三电阻器R3、第四电阻器R4及第五电阻器R5。第三电阻器R3与电容器C并联，第四电阻器R4电连接于第三电阻器R3及输出端Vout，第五电阻器R5连接第三电阻器R3、第四电阻器R4及光耦合分压控制器105的光接收元件1052，光耦合分压控制器105的光产生元件1050通过第七电阻器R7电连接于电流感测器101。光耦合分压控制器105主要用以使晶体管开关Q1的导通或截止，藉以提供电气隔离效果，避免电源供应装置的初级侧电力与次级侧电力相互干扰。

光耦合反馈单元203包含第八电阻器R8，以及由发光元件2030及光敏元件2032组合的光隔离器(未另标号)，发光元件2030跨接于第一电阻器R1，如图5所示，发光元件2030可例如以发光二极管实现之，光敏元件2032可例如以光晶体管实现之，且光敏元件2032的射极电连接于第八电阻器R8及控制器202。光耦合反馈单元203中光隔离器用以提供与输出电压呈比例变化的反馈电压并提供电气隔离效果，避免电源供应装置的初级侧电力与次级侧电力相互干扰。

复参阅图3。在功率开关Q导通时，电流感测器101感测导通于初级绕组Wp的电流，并将测得的初级侧电流经内部比较器产生低电压与高电压两种电位变化，分别对应轻载与非轻载模式。电流感测器101产生的低电压或高电压通过第七电阻器R7传递至光耦合器105的光产生元件1050，光接收元件1052感应光产生元件1050发出的光线并传送对应的信号至电压反馈单元103。

当光接收元件1052导通时，通过第四电阻器R4的电流由第三电阻器R3与第五电阻器R5产生分流。若传递至切换开关X1的参考端REF的电压小于切换开关X1的预设电压，切换开关X1形成断路，无电流通过第一电阻器R1。若切换开关X1的参考端的电压大于切换开关X1的预设电压，切换开关X1导通，产生电流通过第一电阻器R1，并驱动发光元件2030。光敏元件2032感应发光元件2030产生的光信号，并产生对应的电信号至控制器202，则控制器202可依据前述电信号发送驱动信号至脉波宽度调变器201。脉波宽度调变器201接收控制器202发送的电压信号以改变输出脉波宽度，控制功率开关Q的导通工作周期。藉此，便可以调整电源供应装置输出端Vout输出的电压值。

在实际操作时，当功率开关Q导通时，电流感测器101会感测导通于初级绕组Wp的初级侧电流，并将测得的初级侧电流经内部比较器产生低电压与高电压两种电位变化，其中低电压与高电压分别对应电源供应装置的轻载与非轻载模式。电压输出通过第七电阻器R7传递至光耦合分压控制器105的光产生元件1050。其中，当负载RL操作于非轻载模式，电流感测器101输出高电压，则使光产生元件1050导通。如此一来，光接收元件1052会感应光产生元件1050发出的光线并传送对应的信号至电压反馈单元103。反之，当负载RL操作于轻载模式，电流感测器101输出低电压，并使光产生元件1050截止。

当光接收元件1052导通时(即负载RL操作于非轻载模式)，切换开关X1的参考端REF的电压降低。因切换开关X1的预设参考电位为定值，故形成等效提高输出电压设定值的效果。

当光接收元件1052截止时(即负载RL操作于轻载模式)，切换开关X1的参考端REF的电压提高。因切换开关X1的预设参考电位为定值，故形成等效降低输出电压设定值的效果。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电源供应装置，具有电连接于一电子产品的一输出端，其特征在于，该电源供应装置包含：

一电源；

一变压器，包含一初级绕组及一次级绕组，该初级绕组电连接于该电源，该次级绕组电连接于该输出端，其中该变压器具有一第一电感值及一第二电感值，该第二电感值小于该第一电感值；

一功率开关，电连接于该初级绕组及该电源；

一电流感测器，电连接于该功率开关；

一光耦合分压控制器，电连接于该电流感测器；

一电压反馈单元，耦接于该光耦合分压控制器及该输出端；

一电压比较器，电连接于该电压反馈单元；

一控制器，耦接于该电压比较器；以及

一脉波宽度调变器，电连接于该功率开关及该控制器；其中，该电流感测器感测导通于该初级绕组的电流，并通过光耦合分压控制器以设定该电压反馈单元输出的一反馈电压，该电压比较器比较该反馈电压及一预设电压并输出一比较信号，该控制器依据该比较信号以控制该脉波宽度调变器输出的一脉波宽度信号的脉波宽度，以改变由该电源供应装置的该输出端输出的电压。

2.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，该电压比较器包含一切换开关、一第一电阻器、一第二电阻器及一电容器，该切换开关电连接于该第一电阻器、该电容器，该第二电阻器电连接于该第一电阻器及该输出端。

3.如权利要求2所述的电源供应装置，其特征在于，该电压反馈单元包含一晶体管开关、一第三电阻器、一第四电阻器、一第五电阻器及一第六电阻器，该第三电阻器与该电容器并联，第四电阻器电连接于该晶体管开关及该输出端，第五电阻器电连接于该晶体管开关、该电流感测器及该输出端，第六电阻器电连接该第三电阻器及该第四电阻器。

4.如权利要求2所述的电源供应装置，其特征在于，电压反馈单元包含一第三电阻器、一第四电阻器及一第五电阻器，该第三电阻器与该电容器并联，第四电阻器电连接于该第三电阻器及该输出端，第五电阻器电连接于该第三电阻器及该第四电阻器，并耦接该电流感测器。

5.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，该光耦合分压控制器包含一光产生元件及一光接收元件，该光产生元件电连接于该电流感测器，该光接收元件电连接于该电压反馈单元。

6.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，该电源供应装置更包含一光耦合反馈单元，设于该电压比较器及该控制器之间，该光耦合反馈单元包含一发光元件及一光敏元件，该发光元件电连接于该电压比较器，该光敏元件电连接于该控制器。

7.如权利要求2所述的电源供应装置，其特征在于，该切换开关为TL431型式电压调整元件。

8.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，变压器更包含一磁芯，该磁芯上形成有二相对端面，其中一端面上形成有一非线性气隙，该初级绕组及该次级绕组分别缠绕于该磁芯上。

9.如权利要求8所述的电源供应装置，其特征在于，该非线性气隙为步阶式气隙。

10.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，电源供应装置更包含：

一整流器，电连接于该次级绕组；以及

一滤波器，电连接于该整流器及该输出端。