TW201414156A - 具有電源備源機制的電源供應裝置 - Google Patents

具有電源備源機制的電源供應裝置 Download PDF

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Abstract

本發明所提的電源供應裝置具備有電源備源機制，且其主要是透過由多個開關電晶體所組成的快速切換線路以對主直流電源與備用直流電源進行切換。由於開關電晶體的切換時間實質上小小於傳統繼電器的切換時間，故而就算主直流電源發生異常，備用直流電源也會在相當短的時間內被傳導至多路輸出直流-直流轉換器的輸入，以至於多路輸出直流-直流轉換器的輸出還是會持續地且穩定地供應負載所需的操作電力。

Description

具有電源備源機制的電源供應裝置
本發明是有關於一種電源供應技術，且特別是有關於一種具有電源備源機制的電源供應裝置。
傳統具有電源備源機制的電源供應裝置在運作時會同時產生一組主直流電源(main DC power)與一組備用直流電源(backup DC power)，並且透過繼電器(relay)接收並傳導主直流電源與備用直流電源其中之一給後端的直流-直流轉換器(DC-DC converter)進行轉換。如此一來，直流-直流轉換器將會產生多組操作直流電壓(operation DC voltages)給所應用的負載(例如：電腦系統、通訊系統…等)使用。
一般來說，當主直流電源正常供電時，繼電器會將所接收的主直流電源傳導給後端的直流-直流轉換器，但是當主直流電源發生異常(例如消失或喪失)時，則繼電器會進行切換以將所接收的備用直流電源傳導給後端的直流-直流轉換器。如此一來，就算主直流電源發生異常，電源供應裝置仍可維持既有的供電功效。
然而，以應用在通訊系統之具有電源備源機制的電源供應裝置而言，主直流電源、備用直流電源與所有的操作直流電壓都是負準位(negative level)。也亦因如此，當主直流電源發生異常(例如消失或喪失)時，由於繼電器 的切換時間過長(一般都大於50ms以上)，以至於直流-直流轉換器會短暫地停止輸出(其係因負準位的電壓會快速地爬升至接地電位)，直至繼電器在50ms後將備用直流電源傳導至直流-直流轉換器為止。
由此可知，直流-直流轉換器的輸出會在主直流電源發生異常(例如消失或喪失)時短暫地停止又恢復，而此舉將不但會造成所應用的通訊系統不穩，甚至更嚴重還會造成所應用的通訊系統當機。
有鑒於此，本發明提供一種具有電源備源機制的電源供應裝置，其可以有效地解決先前技術所述及的問題。
基於上述，本發明之一示範性實施例提供一種電源供應裝置，其包括：主直流電源產生單元、備用直流電源產生單元、電源轉換單元，以及快速切換線路。主直流電源產生單元用以產生一主直流電源。備用直流電源產生單元用以產生一備用直流電源。電源轉換單元用以反應於所述主直流電源與所述備用直流電源其中之一而產生負載所需的操作電力。
快速切換線路耦接主直流電源產生單元、備用直流電源產生單元與電源轉換單元，且包含多個開關電晶體。快速切換線路用以接收所述主直流電源與所述備用直流電源，並於所述主直流電源發生異常時，反應於一第一與一第二控制訊號而透過所述多個開關電晶體的第一部分傳導 所述備用直流電源給電源轉換單元，否則，於所述主直流電源正常供電時，反應於所述第一與所述第二控制訊號而透過所述多個開關電晶體的第二部分傳導所述主直流電源給電源轉換單元。
於本發明之一示範性實施例中，所述第一部分的開關電晶體可以包括：第一與第二開關電晶體。第一開關電晶體的汲極用以接收所述備用直流電源，而第一開關電晶體的閘極則用以接收所述第一控制訊號。第二開關電晶體的源極耦接第一開關電晶體的源極，第二開關電晶體的汲極耦接電源轉換單元的輸入，而第二開關電晶體的閘極則用以接收所述第一控制訊號。
於本發明之一示範性實施例中，所述第二部分的開關電晶體包括：第三開關電晶體，其源極用以接收所述主直流電源，其汲極耦接電源轉換單元的輸入，而其閘極則用以接收所述第二控制訊號。
於本發明之一示範性實施例中，所提之電源供應裝置可以更包括：控制單元，其耦接主直流電源產生單元與快速切換線路，用以接收並偵測所述主直流電源是否發生異常，並據以產生所述第一與所述第二控制訊號來切換所述多個開關電晶體，其中所述第一與所述第二控制訊號互為反向。
於本發明之一示範性實施例中，第一與第二開關電晶體反應於所述第一控制訊號而於所述主直流電源發生異常時導通，並於所述主直流電源正常供電時關閉；另外，第 三開關電晶體反應於第二控制訊號而於所述主直流電源正常供電時導通，並於所述主直流電源發生異常時關閉。
於本發明之一示範性實施例中，電源轉換單元可以包括多路輸出直流-直流轉換器。基此，所述操作電力可以包括多組操作直流電壓。
本發明之另一示範性實施例提供一種電源供應裝置，其包括：電源轉換單元與快速切換線路。電源轉換單元用以反應於一主直流電源與一備用直流電源其中之一而產生負載所需的操作電力。快速切換線路耦接電源轉換單元，且包含多個開關電晶體。快速切換線路用以接收所述主直流電源與所述備用直流電源，並於所述主直流電源發生異常時，反應於一第一與一第二控制訊號而透過所述多個開關電晶體的第一部分傳導所述備用直流電源給電源轉換單元，否則，於所述主直流電源正常供電時，反應於所述第一與所述第二控制訊號而透過所述多個開關電晶體的第二部分傳導所述主直流電源給電源轉換單元。
基於上述，本發明所提的電源供應裝置具備有電源備源機制，且其主要是透過由多個開關電晶體所組成的快速切換線路以對主直流電源與備用直流電源進行切換(即，傳導主直流電源或備用直流電源給後端的多路輸出直流-直流轉換器)。由於開關電晶體的切換時間(小於4ms)實質上小小於傳統繼電器的切換時間(大於50ms)，故而就算主直流電源發生異常(例如消失或喪失)，備用直流電源也會在相當短的時間內被傳導至多路輸出直流-直流 轉換器的輸入，以至於多路輸出直流-直流轉換器的輸出還是會持續地且穩定地供應負載所需的操作電力。如此一來，即可有效地改善/解決先前技術所述及的問題。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1繪示為本發明一示範性實施例具有電源備源機制(power backup mechanism)之電源供應裝置(power supply apparatus)10的方塊圖；而圖2繪示為圖1之快速切換線路107的實施示意圖。請合併參照圖1與圖2，電源供應裝置10用以產生負載(load)20所需的操作電力(operation power)OPP，且其包括：主直流電源產生單元(main DC power generating unit)101、備用直流電源產生單元(backup DC power generating unit)103、電源轉換單元(power conversion unit)105、快速切換線路(fast switching circuit)107，以及控制單元(control unit)109。
於本示範性實施例中，主直流電源產生單元101用以產生主直流電源MP。備用直流電源產生單元103用以產生備用直流電源BP。電源轉換單元105用以反應於快速切 換線路107所傳導並輸出的主直流電源MP或備用直流電源BP，而產生負載20所需的操作電力OPP。於此值得一提的是，電源轉換單元105可以利用多路輸出直流-直流轉換器(multi-output DC-DC converter)來實施，但並不限制於此。在此條件下，電源轉換單元105所產生的操作電力OPP即可包括多組操作直流電壓OPPi(i=1~N)，N可依實際應用需求而定。
快速切換線路107耦接主直流電源產生單元101、備用直流電源產生單元103與電源轉換單元105，且其可以包含多個開關電晶體(switch transistor)Q1~Q3。於本示範性實施例中，快速切換線路107用以接收來自主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP以及來自備用直流電源產生單元103所產生的備用直流電源BP。
而且，當快速切換線路107所接收的主直流電源MP發生異常(abnormal，例如消失或喪失，但並不限制於此)時，快速切換線路107會反應於來自控制單元109所產生的控制訊號(control signal)CS1、CS2，而透過開關電晶體Q1~Q3中的第一部分(例如開關電晶體Q1、Q2)傳導所接收的備用直流電源BP給電源轉換單元105；另外，當快速切換線路107所接收的主直流電源MP正常供電時，快速切換線路107會反應於來自控制單元109所產生的控制訊號CS1、CS2，而透過開關電晶體Q1~Q3中的第二部分(例如開關電晶體Q3)傳導所接收的主直流電源MP給電源轉換單元105。
更清楚來說，開關電晶體Q1的汲極(drain)用以接收備用直流電源產生單元103所產生的備用直流電源，而開關電晶體Q1的閘極(gate)則用以接收來自控制單元109所產生的控制訊號CS1。開關電晶體Q2的源極(source)耦接開關電晶體Q1的源極，開關電晶體Q2的汲極耦接電源轉換單元105的輸入(端)，而開關電晶體Q2的閘極則用以接收來自控制單元109所產生的控制訊號CS1。開關電晶體Q3的源極用以接收主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP，開關電晶體Q3的汲極耦接電源轉換單元105的輸入(端)，而開關電晶體Q3的閘極則用以接收來自控制單元109所產生的控制訊號CS2。
於本示範性實施例中，所有開關電晶體Q1~Q3皆可以利用功率開關(power switch)來實施，但並不限制於此，其他類型的開關元件亦可，例如：雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)、金氧半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field emission transistor,MOSFET)…等。
另一方面，控制單元109耦接主直流電源產生單元101與快速切換線路107，用以接收並偵測主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP是否發生異常，並據以產生互為反向的控制訊號CS1、CS2來切換快速切換線路107內的開關電晶體Q1~Q3。舉例來說，當控制單元109偵測出主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP低於 (以電源轉換單元105的輸出為正準位(positive level)而言)或高於(以電源轉換單元105的輸出為負準位(negative level)而言)某一預設值(predetermined value)時，則控制單元109就會判定主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP發生異常，但控制單元109對於主直流電源MP的偵測方式並不限制於此，亦可依實際設計需求而論。
於本示範性實施例中，開關電晶體Q1、Q2會反應於控制單元109所產生的控制訊號CS1而於主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP發生異常時導通(turned-on)，並於主直流電源產生單元101所產生的主直流電源正常供電時關閉(turned-off)。另外，開關電晶體Q3會反應於控制單元109所產生的控制訊號CS2而於主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP正常供電時導通，並於主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP發生異常時關閉。換言之，當開關電晶體Q1、Q2導通時，開關電晶體Q3就會關閉；另外，當開關電晶體Q1、Q2關閉時，開關電晶體Q3就會導通。
基於上述，在電源供應裝置10正常運作時，由主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP以及由備用直流電源產生單元101所產生的備用直流電源BP會被同時產生。而且，控制單元109會接收並偵測主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP是否發生異常。
假設主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP發生異常(例如消失或喪失，但並不限制於此)時， 則控制單元109就會產生控制訊號CS1、CS2，藉以同時導通開關電晶體Q1與Q2，並且關閉開關電晶體Q3。如此一來，快速切換線路107將會傳導所接收的備用直流電源BP給電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105，從而使得電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105對來自快速切換線路107的備用直流電源BP進行轉換，藉以產生負載20所需的操作電力OPP{OPP1~OPPN}。
另一方面，假設主直流電源產生單元101所產生的主直流電源MP正常供電時，則控制單元109就會產生控制訊號CS1、CS2，藉以同時關閉開關電晶體Q1與Q2，並且導通開關電晶體Q3。如此一來，快速切換線路107將會傳導所接收的主直流電源MP給電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105，從而使得電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105對來自快速切換線路107的主直流電源MP進行轉換，藉以產生負載20所需的操作電力OPP{OPP1~OPPN}。
由此可知，本示範性實施例主要是透過由多個開關電晶體Q1~Q3所組成的快速切換線路107以對主直流電源MP與備用直流電源BP進行切換(即，傳導主直流電源MP或備用直流電源BP給後端的電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105)。再加上，由於開關電晶體(Q1~Q3)的切換時間(小於4ms)實質上(小)小於傳統繼電器的切換時間(大於50ms)，故而就算主直流電源MP發生異常(例如消失或喪失)，備用直流電源BP也會在相當短 的時間內被傳導至電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105的輸入，以至於電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105的輸出還是會持續地且穩定地供應負載20所需的操作電力OPP。
在實際應用上，電源供應裝置10可以應用於如電腦系統(computer system)般的負載20，或者可以應用於如通訊系統(communication system)般的負載20，但並不限制於此。當電源供應裝置10應用在電腦系統般的負載20時，則其所提供的主直流電源MP、備用直流電源BP與所有操作直流電壓OPP(i=1~N)皆可以為正準位(positive level)。另外，當電源供應裝置10應用在通訊系統般的負載20時，則其所提供的主直流電源MP、備用直流電源BP與所有操作直流電壓OPP(i=1~N)皆可以為負準位(negative level)。
然而，無論電源供應裝置10應用在哪一種類型的系統負載，其都可以在主直流電源發生異常(例如消失或喪失)時，基於快速切換線路107所具備之快速切換的特性(相較於傳統的繼電器)，而得以在相當短的時間(例如4ms，但並不限制於此)內將備用直流電源BP傳導至電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105的輸入。如此一來，電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105的輸出將可持續地且穩定地供應負載20所需的操作電力OPP。
綜上所述，本發明所提的電源供應裝置10具備有電 源備源機制，且其主要是透過由多個開關電晶體Q1~Q3所組成的快速切換線路107以對主直流電源MP與備用直流電源BP進行切換(即，傳導主直流電源MP或備用直流電源BP給後端的電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105)。由於開關電晶體Q1~Q3的切換時間(小於4ms)實質上小小於傳統繼電器的切換時間(大於50ms)，故而就算主直流電源MP發生異常(例如消失或喪失)，備用直流電源BP也會在相當短的時間內被傳導至電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105的輸入，以至於電源轉換單元(多路輸出直流-直流轉換器)105的輸出還是會持續地且穩定地供應負載20所需的操作電力OPP。如此一來，即可有效地改善/解決先前技術所述及的問題。
除此之外，相較於傳統的繼電器，快速切換線路107除了具備有快速切換的特性外，其還具備有體積小的優點(其係因開關電晶體Q1~Q3可製作成表面黏著式(SMD)元件)，甚至還具備有低切換損失(low switching loss)的特點。整體來看，基於快速切換線路107的緣故，本發明不但可以改善/解決先前技術所述及的問題外，其還可以得到更好的實施效果/技術功效。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發 明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10‧‧‧電源供應裝置
20‧‧‧負載
101‧‧‧主直流電源產生單元
103‧‧‧備用直流電源產生單元
105‧‧‧電源轉換單元
107‧‧‧快速切換線路
109‧‧‧控制單元
Q1~Q3‧‧‧開關電晶體
MP‧‧‧主直流電源
BP‧‧‧備用直流電源
OPP‧‧‧操作電力
OPPi(i=1~N)‧‧‧操作直流電壓
CS1、CS2‧‧‧控制訊號
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1繪示為本發明一示範性實施例具有電源備源機制(power backup mechanism)之電源供應裝置(power supply apparatus)10的方塊圖。
圖2繪示為圖1之快速切換線路(fast switching circuit)107的實施示意圖。
10‧‧‧電源供應裝置
20‧‧‧負載
101‧‧‧主直流電源產生單元
103‧‧‧備用直流電源產生單元
105‧‧‧電源轉換單元
107‧‧‧快速切換線路
109‧‧‧控制單元
MP‧‧‧主直流電源
BP‧‧‧備用直流電源
OPP‧‧‧操作電力
CS1、CS2‧‧‧控制訊號

Claims (23)

  1. 一種電源供應裝置，包括：一主直流電源產生單元，用以產生一主直流電源；一備用直流電源產生單元，用以產生一備用直流電源；一電源轉換單元，用以反應於該主直流電源與該備用直流電源其中之一而產生一負載所需的一操作電力；以及一快速切換線路，耦接該主直流電源產生單元、該備用直流電源產生單元與該電源轉換單元，且包含多個開關電晶體，其中，該快速切換線路用以接收該主直流電源與該備用直流電源，並於該主直流電源發生異常時，反應於一第一與一第二控制訊號而透過該些開關電晶體的一第一部分傳導該備用直流電源給該電源轉換單元，否則，於該主直流電源正常供電時，反應於該第一與該第二控制訊號而透過該些開關電晶體的一第二部分傳導該主直流電源給該電源轉換單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該第一部分的開關電晶體包括：一第一開關電晶體，其汲極用以接收該備用直流電源，而其閘極則用以接收該第一控制訊號；以及一第二開關電晶體，其源極耦接該第一開關電晶體的源極，其汲極耦接該電源轉換單元的輸入，而其閘極則用以接收該第一控制訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中該第二部分的開關電晶體包括：一第三開關電晶體，其源極用以接收該主直流電源，其汲極耦接該電源轉換單元的輸入，而其閘極則用以接收該第二控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應裝置，其中每一開關電晶體利用一功率開關(power switch)來實施。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應裝置，更包括：一控制單元，耦接該主直流電源產生單元與該快速切換線路，用以接收並偵測該主直流電源是否發生異常，並據以產生該第一與該第二控制訊號來切換該些開關電晶體，其中該第一與該第二控制訊號互為反向。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應裝置，其中該第一與該第二開關電晶體反應於該第一控制訊號而於該主直流電源發生異常時導通，並於該主直流電源正常供電時關閉；以及該第三開關電晶體反應於該第二控制訊號而於該主直流電源正常供電時導通，並於該主直流電源發生異常時關閉。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該電源轉換單元包括一多路輸出直流-直流轉換器(multi-output DC-DC converter)，且該操作電力包括多組操作直流電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應裝置，其中該負載包括一電腦系統。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源供應裝置，其中該主直流電源、該備用直流電源與該些操作直流電壓皆為正準位。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應裝置，其中該負載包括一通訊系統。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應裝置，其中該主直流電源、該備用直流電源與該些操作直流電壓皆為負準位。
  12. 一種電源供應裝置，包括：一電源轉換單元，用以反應於一主直流電源與一備用直流電源其中之一而產生一負載所需的一操作電力；以及一快速切換線路，耦接該電源轉換單元，且包含多個開關電晶體，其中，該快速切換線路用以接收該主直流電源與該備用直流電源，並於該主直流電源發生異常時，反應於一第一與一第二控制訊號而透過該些開關電晶體的一第一部分傳導該備用直流電源給該電源轉換單元，否則，於該主直流電源正常供電時，反應於該第一與該第二控制訊號而透過該些開關電晶體的一第二部分傳導該主直流電源給該電源轉換單元。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電源供應裝置，其中該第一部分的開關電晶體包括： 一第一開關電晶體，其汲極用以接收該備用直流電源，而其閘極則用以接收該第一控制訊號；以及一第二開關電晶體，其源極耦接該第一開關電晶體的源極，其汲極耦接該電源轉換單元的輸入，而其閘極則用以接收該第一控制訊號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電源供應裝置，其中該第二部分的開關電晶體包括：一第三開關電晶體，其源極用以接收該主直流電源，其汲極耦接該電源轉換單元的輸入，而其閘極則用以接收該第二控制訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應裝置，其中每一開關電晶體利用一功率開關來實施。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應裝置，更包括：一主直流電源產生單元，耦接該快速切換線路，用以產生該主直流電源；以及一備用直流電源產生單元，耦接該快速切換線路，用以產生該備用直流電源。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電源供應裝置，更包括：一控制單元，耦接該主直流電源產生單元與該快速切換線路，用以接收並偵測該主直流電源是否發生異常，並據以產生該第一與該第二控制訊號來切換該些開關電晶體，其中該第一與該第二控制訊號互為反向。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之電源供應裝置，其中該第一與該第二開關電晶體反應於該第一控制訊號而於該主直流電源發生異常時導通，並於該主直流電源正常供電時關閉；以及該第三開關電晶體反應於該第二控制訊號而於該主直流電源正常供電時導通，並於該主直流電源發生異常時關閉。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之電源供應裝置，其中該電源轉換單元包括一多路輸出直流-直流轉換器，且該操作電力包括多組操作直流電壓。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應裝置，其中該負載包括一電腦系統。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之電源供應裝置，其中該主直流電源、該備用直流電源與該些操作直流電壓皆為正準位。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應裝置，其中該負載包括一通訊系統。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之電源供應裝置，其中該主直流電源、該備用直流電源與該些操作直流電壓皆為負準位。
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