CN113644823B - 消除振铃效应的电源供应器 - Google Patents

Abstract

一种可消除振铃效应的电源供应器，包括：一输入级电路、一变压器、一输出级电路、一功率切换器、一脉冲宽度调变集成电路，以及一控制电路。变压器包括一主线圈、一副线圈，以及一励磁电感器。功率切换器是根据一脉冲宽度调变电位来选择性地将主线圈和励磁电感器皆耦接至一接地电位，其中功率切换器内建一寄生电容器。脉冲宽度调变集成电路可产生脉冲宽度调变电位。控制电路可监控励磁电感器和寄生电容器之间之一谐振电位。若谐振电位低于一临界电位，则控制电路将强制导通功率切换器，其中临界电位是根据输入级电路之一参考电位而决定。

Description

消除振铃效应的电源供应器

技术领域

本发明关于一种电源供应器，特别关于一种可消除振铃效应的电源供应器。

背景技术

在传统电源供应器中，功率切换器的非理想寄生电容往往会产生振铃效应，其不仅造成较大的切换损失，更导致电源供应器的整体转换效率下降。有鉴于此，势必要提出一种全新的解决方案，以克服现有技术所面临的困境。

发明内容

在较佳实施例中，本发明提出一种消除振铃效应的电源供应器，包括：一输入级电路，根据该输入电位来产生一参考电位；一变压器，包括一主线圈、一副线圈，以及一励磁电感器，其中该主线圈用于接收该输入电位，而该副线圈用于产生一感应电位；一输出级电路，根据该感应电位来产生一输出电位；一功率切换器，根据一脉冲宽度调变电位来选择性地将该主线圈和该励磁电感器皆耦接至一接地电位，其中该功率切换器内建一寄生电容器；一脉冲宽度调变集成电路，产生该脉冲宽度调变电位；以及一控制电路，监控该励磁电感器和该寄生电容器之间的一谐振电位，其中若该谐振电位低于一临界电位，则该控制电路将强制导通该功率切换器；其中该临界电位根据该参考电位而决定。

附图说明

图1显示根据本发明一实施例所述的电源供应器的示意图。

图2显示根据本发明一实施例所述的电源供应器的示意图。

图3显示传统电源供应器的电位波形图。

图4显示根据本发明一实施例所述的电源供应器的电位波形图。

其中：

100,200：电源供应器；

110,210：输入级电路；

120,220：变压器；

121,221：主线圈；

122,222：副线圈；

130,230：输出级电路；

140,240：功率切换器；

150,250：脉冲宽度调变集成电路；

160,260：控制电路；

262：比较器；

370：第一虚线框；

470：第二虚线框；

C1：第一电容器；

C2：第二电容器；

CP：寄生电容器；

D1：第一二极管；

D2：第二二极管；

D3：第三二极管；

I2：电流；

LM：励磁电感器；

M1：第一电晶体；

M2：第二电晶体；

M3：第三电晶体；

N1：第一节点；

N2：第二节点；

N3：第三节点；

N4：第四节点；

N5：第五节点；

N6：第六节点；

N7：第七节点；

N8：第八节点；

N9：第九节点；

N10：第十节点；

NIN：输入节点；

NOUT：输出节点；

R1：第一电阻器；

R2：第二电阻器；

R3：第三电阻器；

VA：脉冲宽度调变电位；

VE：参考电位；

VIN：输入电位；

VOUT：输出电位；

VR：谐振电位；

VS：感应电位；

VSS：接地电位；

VTH：临界电位。

具体实施方式

为让本发明之目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。

在说明书中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书中所提及的「包含」及「包括」一词为开放式的用语，故应解释成「包含但不仅限定于」。「大致」一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，「耦接」一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。

第1图显示根据本发明一实施例所述的电源供应器100的示意图。例如，电源供应器100可应用于台式电脑、笔记本电脑，或一体机电脑。如图1所示，电源供应器100包括：一输入级电路110、一变压器120、一输出级电路130、一功率切换器140、一脉冲宽度调变集成电路150，以及一控制电路160。必须注意的是，虽然未显示于图1中，但电源供应器100更可包括其他元件，例如：一稳压器或(且)一负反馈电路。

输入级电路110可根据一输入电位VIN来产生一参考电位VE。输入电位VIN可来自一外部输入电源。例如，输入电位VIN可大致为一直流电位，其电位位准可由100V至400V，但亦不仅限于此。变压器120包括一主线圈121、一副线圈122，以及一励磁电感器LM，其中主线圈121和励磁电感器LM皆可位于变压器120的同一侧，而副线圈122则可位于变压器120的相对另一侧。主线圈121可接收输入电位VIN，而作为对于输入电位VIN的回应，副线圈122可产生一感应电位VS。励磁电感器LM可为变压器120制造时所附带产生的一固有元件，其并非一外部独立元件。输出级电路130可根据感应电位VS来产生一输出电位VOUT。例如，输出电位VOUT可为另一直流电位，其电位位准可由18V至22V，但亦不仅限于此。功率切换器140根据一脉冲宽度调变电位VA来选择性地将主线圈121和励磁电感器LM皆耦接至一接地电位VSS(例如：0V)。例如，若脉冲宽度调变电位VA为高逻辑位准(亦即，逻辑「1」)，则功率切换器140即将主线圈121和励磁电感器LM皆耦接至接地电位VSS(亦即，功率切换器140可近似于一短路路径)；反之，若脉冲宽度调变电位VA为低逻辑位准(亦即，逻辑「0」)，则功率切换器140不会将主线圈121和励磁电感器LM耦接至接地电位VSS(亦即，功率切换器140可近似于一开路路径)。另外，功率切换器140可内建一寄生电容器CP。必须理解的是，功率切换器140的二端之间的总寄生电容可模拟为前述的寄生电容器CP，其并非一外部独立元件。脉冲宽度调变集成电路150可产生脉冲宽度调变电位VA。控制电路160可监控励磁电感器LM和寄生电容器CP之间的一谐振电位VR，而若谐振电位VR低于一临界电位VTH，则控制电路160将强制导通功率切换器140，使得主线圈121和励磁电感器LM皆被耦接至接地电位VSS。必须注意的是，临界电位VTH可根据输入级电路110的参考电位VE而决定。在此设计下，一旦励磁电感器LM与寄生电容器CP之间产生振铃效应，控制电路160将可立即导通功率切换器140以消除此一非理想特性。因此，本发明可减少功率切换器140的切换损失，同时提高电源供应器100的转换效率。

以下实施例将介绍电源供应器100的详细结构及操作方式。必须理解的是，这些附图和叙述仅为举例，而非用于限制本发明的范围。

图2显示根据本发明一实施例所述的电源供应器200的示意图。在图2的实施例中，电源供应器200具有一输入节点NIN和一输出节点NOUT，并包括一输入级电路210、一变压器220、一输出级电路230、一功率切换器240、一脉冲宽度调变集成电路250，以及一控制电路260。电源供应器200的输入节点NIN可由一外部输入电源处接收一输入电位VIN，而电源供应器200的输出节点NOUT可输出一输出电位VOUT至一电子装置。

输入级电路210包括一第一二极管D1、一第一电阻器R1，以及一第一电容器C1。第一二极管D1的阳极耦接至输入节点NIN，而第一二极管D1的阴极耦接至一第一节点N1以输出一参考电位VE。第一电阻器R1的第一端耦接至第一节点N1，而第一电阻器R1的第二端

耦接至一第二节点N2。第一电容器C1的第一端耦接至第二节点N2，而第一电容器C1的第二端耦接至一接地电位VSS。

变压器220包括一主线圈221、一副线圈222，以及一励磁电感器LM，其中主线圈221和励磁电感器LM皆可位于变压器220的同一侧，而副线圈222则可位于变压器220的相对另一侧。主线圈221的第一端耦接至输入节点NIN，而主线圈221的第二端是耦接至一第三节点N3。副线圈222的第一端耦接至一第四节点N4以输出一感应电位VS，而副线圈222的第二端耦接至一第五节点N5。励磁电感器LM的第一端耦接至输入节点NIN，而励磁电感器LM的第二端耦接至第三节点N3。

输出级电路230包括一第二二极管D2和一第二电容器C2。第二二极管D2的阳极耦接至第四节点N4以接收感应电位VS，而第二二极管D2的阴极耦接至输出节点NOUT。第二电容器C2的第一端耦接至输出节点NOUT，而第二电容器C2的第二端耦接至第五节点N5。第五节点N5可视为一共同节点或是另一接地节点。

功率切换器240包括一第一电晶体M1。第一电晶体M1可为一N型金氧半场效电晶体。第一电晶体M1的控制端耦接至一第六节点N6以接收一脉冲宽度调变电位VA，第一电晶体M1的第一端耦接至接地电位VSS，而第一电晶体M1的第二端耦接至第三节点N3。功率切换器240内建一寄生电容器CP。寄生电容器CP的第一端耦接至第三节点N3以输出一谐振电位VR，而寄生电容器CP的第二端耦接至接地电位VSS。必须理解的是，第一电晶体M1的第一端和第二端之间的总寄生电容可模拟为前述的寄生电容器CP，其并非一外部独立元件。

脉冲宽度调变集成电路250可于第六节点N6处输出脉冲宽度调变电位VA，而脉冲宽度调变电位VA可用于调整功率切换器240的工作周期。例如，脉冲宽度调变电位VA于电源供应器200初始化时可维持于一固定电位，而在电源供应器200进入正常使用阶段后则可提供周期性的时脉波形。另外，脉冲宽度调变电位VA亦有可能为控制电路260所改变。

控制电路260包括一比较器262、一第三二极管D3、一第二电晶体M2、一第三电晶体M3、一第二电阻器R2，以及一第三电阻器R3。比较器262可藉由一运算放大器来实施。第二电晶体M2和第三电晶体M3可各自为一N型金氧半场效电晶体。三二极管D3的阳极耦接至第三节点N3以接收谐振电位VR，而第三二极管D3的阴极耦接至一第七节点N7。第二电晶体M2的控制端耦接至第七节点N7，第二电晶体M2的第一端耦接至一第八节点N8以输出一临界电位VTH，而第二电晶体M2的第二端耦接至一第九节点N9。第二电阻器R2的第一端耦接至第一节点N1以接收参考电位VE，而第二电阻器R2的第二端耦接至第九节点N9。第三电阻器R3的第一端耦接至第八节点N8，而第三电阻器R3的第二端耦接至一第十节点N10。第三电晶体M3的控制端耦接至第三节点N3以接收谐振电位VR，第三电晶体M3的第一端耦接至接地电位VSS，而第三电晶体M3的第二端耦接至第十节点N10。比较器262的正输入端耦接至第八节点N8以接收临界电位VTH，比较器262的负输入端耦接至第三节点N3以接收谐振电位VR，而比较器262的输出端耦接至第六节点N6。若谐振电位VR高于或等于临界电位VTH，则比较器262不会影响脉冲宽度调变电位VA；反之，若谐振电位VR低于临界电位VTH，则比较器262会强制把脉冲宽度调变电位VA拉升至高逻辑位准以导通第一电晶体M1。

在一些实施例中，电源供应器200可操作于一初始模式、一第一模式，或是一第二模式，其操作原理将分别如下列所述。

在初始模式中，第一电晶体M1、第二电晶体M2、第三电晶体M3，以及第二二极管D2皆被关闭。

在第一模式中，脉冲宽度调变电位VA为高逻辑位准且第一电晶体M1被导通。第一电容器C1由输入电位VIN经过第一二极管D1和第一电阻器R2进行充电。此时，励磁电感器LM具有一正电压(亦即，输入节点NIN的输入电位VIN高于第三节点N3的谐振电位VR)。因此，第三二极管D3、第二电晶体M2，以及第三电晶体M3皆被关闭，而比较器262不会影响脉冲宽度调变电位VA。

在第二模式中，脉冲宽度调变电位VA为由高逻辑位准切换至低逻辑位准且第一电晶体M1被关闭。根据楞次定律，励磁电感器LM会瞬间转为具有一负电压(亦即，输入节点NIN的输入电位VIN低于第三节点N3的谐振电位VR)。此时，功率切换器240的寄生电容器CP会与变压器220的励磁电感器LM产生共振(亦即，振铃效应)，而第三二极管D3、第二电晶体M2，以及第三电晶体M3皆被导通，使得临界电位VTH成为参考电位VE的一特定比率。在一些实施例中，临界电位VTH恰与参考电位VE成正比关系，其可大致如下列方程式(1)所述：

VTH＝VE·R3/(R2+R3)…………………………(1)

其中「VTH」代表临界电位VTH的位准，「VE」代表参考电位VE的位准，「R2」代表第二电阻器R2的电阻值，而「R3」代表第三电阻器R3的电阻值。

当寄生电容器CP所储存的谐振电位VR低于临界电位VTH时，比较器262会强制把脉冲宽度调变电位VA拉升至高逻辑位准以导通第一电晶体M1。因此，电源供应器200会由第二模式被强制切换回第一模式，而电源供应器200中非理想的振铃效应亦可以被完全消除。

图3显示传统电源供应器的电位波形图，其中横轴代表时间，而纵轴代表电位位准或是电流值。若未使用控制电路260，在通过第二二极管D2的电流I2下降为0之后，功率切换器240的寄生电容器CP与变压器220的励磁电感器LM之间将容易发生振铃效应(如第一虚线框370处所示)。

图4显示根据本发明一实施例所述的电源供应器200的电位波形图，其中横轴代表时间，而纵轴代表电位位准或是电流值。根据图4的量测结果，若已使用控制电路260，在通过第二二极管D2的电流I2下降为0之后，功率切换器240的寄生电容器CP与变压器220的励磁电感器LM之间的振铃效应将会快速地被抑制(如第二虚线框470处所示)。详细而言，励磁电感器LM和寄生电容器CP之间的谐振电位VR可于其自身的第一次波谷处即被直接下拉至接地电位VSS，故电源供应器200的非理想特性将能有效被消除。

在一些实施例中，电源供应器200的元件参数可如下列所述。励磁电感器LM的电感值可介于285μH至315μH之间，较佳可为300μH。寄生电容器CP的电容值可介于90pF至110pF之间，较佳可为100pF。第一电容器C1的电容值可介于108μF至132μF之间，较佳可为120μF。第二电容器C1的电容值可介于612μF至748μF之间，较佳可为680μF。第一电阻器R1的电阻值可介于9.5KΩ至10.5KΩ之间，较佳可为10KΩ。第二电阻器R2的电阻值可介于13.3KΩ至14.7KΩ之间，较佳可为14KΩ。第三电阻器R3的电阻值可介于0.95KΩ至1.05KΩ之间，较佳可为1KΩ。主线圈221对副线圈222的匝数比值可介于1至100之间，较佳可为10。以上参数范围根据多次实验结果而得出，其有助于最佳化电源供应器200的转换效率。

本发明提出一种新颖的电源供应器，其包括控制电路以抑制振铃效应。根据实际量测结果，使用前述设计的电源供应器可几乎完全消除励磁电感器和寄生电容器之间的非理想特性。由于本发明可改善电源供应器的转换效率并降低其电磁干扰现象，故其很适合应用于各种各式的装置当中。

值得注意的是，以上所述的电位、电流、电阻值、电感值、电容值，以及其余元件参数均非为本发明的限制条件。设计者可以根据不同需要调整这些设定值。本发明的电源供应器并不仅限于图1-4所图示的状态。本发明可以仅包括图1-4的任何一或复数个实施例的任何一或复数项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的电源供应器当中。虽然本发明的实施例使用金氧半场效电晶体为例，但本发明并不仅限于此，本技术领域人士可改用其他种类的电晶体，例如：接面场效电晶体，或是鳍式场效电晶体等等，而不致于影响本发明的效果。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种消除振铃效应的电源供应器，包括：

一输入级电路，根据一输入电位来产生一参考电位；其中，该输入级电路包括：

一第一二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第一二极管的该阳极是耦接至一输入节点以接收该输入电位，而该第一二极管的该阴极是耦接至一第一节点以输出该参考电位；

一第一电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该第一电阻器的该第一端是耦接至该第一节点，而该第一电阻器的该第二端是耦接至一第二节点；以及

一第一电容器，具有一第一端和一第二端，其中该第一电容器的该第一端是耦接至该第二节点，而该第一电容器的该第二端是耦接至接地电位；

一变压器，包括一主线圈、一副线圈，以及一励磁电感器，其中该主线圈是用于接收该输入电位，而该副线圈是用于产生一感应电位；该主线圈具有一第一端和一第二端，该主线圈的该第一端是耦接至该输入节点以接收该输入电位，该主线圈的该第二端是耦接至一第三节点，该副线圈具有一第一端和一第二端，该副线圈的该第一端是耦接至一第四节点以输出该感应电位，该副线圈的该第二端是耦接至一第五节点，该励磁电感器具有一第一端和一第二端，该励磁电感器的该第一端是耦接至该输入节点，而该励磁电感器的该第二端是耦接至该第三节点；

一输出级电路，根据该感应电位来产生一输出电位；其中，该输出级电路包括：

一第二二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第二二极管的该阳极是耦接至该第四节点以接收该感应电位，而该第二二极管的该阴极是耦接至一输出节点以输出该输出电位；以及

一第二电容器，具有一第一端和一第二端，其中该第二电容器的该第一端是耦接至该输出节点，而该第二电容器的该第二端是耦接至该第五节点；

一功率切换器，根据一脉冲宽度调变电位来选择性地将该主线圈和该励磁电感器皆耦接至一接地电位，其中该功率切换器内建一寄生电容器；

该功率切换器包括：一第一电晶体，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第一电晶体的该控制端是耦接至一第六节点以接收该脉冲宽度调变电位，该第一电晶体的该第一端是耦接至该接地电位，而该第一电晶体的该第二端是耦接至该第三节点；

该寄生电容器具有一第一端和一第二端，该寄生电容器的该第一端是耦接至该第三节点以输出谐振电位，而该寄生电容器的该第二端是耦接至该接地电位；

一脉冲宽度调变集成电路，产生该脉冲宽度调变电位；以及

一控制电路，监控该励磁电感器和该寄生电容器之间的一谐振电位，其中若该谐振电位低于一临界电位，则该控制电路将强制导通该功率切换器；该临界电位是根据该参考电位而决定；该控制电路包括：

一第三二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第三二极管的该阳极是耦接至该第三节点以接收该谐振电位，而该第三二极管的该阴极是耦接至一第七节点；

一第二电晶体，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第二电晶体的该控制端是耦接至该第七节点，该第二电晶体的该第一端是耦接至一第八节点以输出该临界电位，而该第二电晶体的该第二端是耦接至一第九节点；以及

一第二电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该第二电阻器的该第一端是耦接至该第一节点以接收该参考电位，而该第二电阻器的该第二端是耦接至该第九节点。

2.如权利要求1所述的电源供应器，其特征在于，该控制电路更包括：

一第三电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该第三电阻器的该第一端是耦接至该第八节点，而该第三电阻器的该第二端是耦接至一第十节点；以及

一第三电晶体，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第三电晶体的该控制端是耦接至该第三节点以接收该谐振电位，该第三电晶体的该第一端是耦接至该接地电位，而该第三电晶体的该第二端是耦接至该第十节点。

3.如权利要求2所述的电源供应器，其特征在于，该控制电路更包括：

一比较器，具有一正输入端、一负输入端，以及一输出端，其中该比较器的该正输入端是耦接至该第八节点以接收该临界电位，该比较器的该负输入端是耦接至该第三节点以接收该谐振电位，而该比较器的该输出端是耦接至该第六节点。

4.如权利要求3所述的电源供应器，其特征在于，该脉冲宽度调变集成电路是于该第六节点处输出该脉冲宽度调变电位，而若该谐振电位低于该临界电位，则该比较器会强制把该脉冲宽度调变电位拉升至高逻辑位准。