TW201417431A - 具有輸出保護功能的電源供應器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種具有輸出保護功能的電源供應器及其控制方法，主要係在一預設的過電流保護值之前設定一個以上的前置檢測值，當電源供應器的輸出電流超過前置檢測值，但未達過電流保護值之前，先判斷電源供應器是否有其他異常狀況，若無即回到初始步驟，若有異常則讓電源供應器可自動回復地暫停輸出；若電源供應器的輸出電流進一步超過過電流保護值，則啟動過電流保護；利用上述的多重監控技術可對電源供應器的輸出提供適切的過電流保護，由於無須提高電源供應器的規格，故可降低負載端的電源建置成本。

Description

具有輸出保護功能的電源供應器及其控制方法

本發明係關於一種電源供應器及其控制方法，尤指一種可以適切規格提供電源供應器輸出過電流保護的相關技術。

如圖4所示係一種已知的電源供應器，其包括一整流電路81、一功率因數校正電路82、一變壓器83、一輸出電路84、一功率開關85、一脈寬調變控制器86、一回授電路87及一微控制器88；其中：輸出電路84的輸入端與變壓器83二次側連接，輸出電路84的輸出端則與負載(如伺服器系統)連接；該功率開關85係與變壓器83的一次側連接，並受脈寬調變控制器86所驅動，以控制輸出電路84是否對負載供電；該脈寬調變控制器86並透過回授電路87與輸出電路84的輸出端連接，以取得輸出電壓。

該微控制器88具有一輸出電流檢測端Cs1、一警告訊息輸出端IO1及一輸出端；其輸出電流檢測端Cs1係透過一差動放大器89與輸出電路84的輸出端連接，以取得輸出電流，進一步的具體構造係輸出電路84的輸出端具有一輸出電阻Rs1，輸出電阻Rs1的兩端分別和差動放大器89的兩輸入端連接，差動放大器89的輸出端則連接至微控制器88的輸出電流檢測端Rs1，該微控制器88遂可透過差動放大器89取得輸出電流的電流值，而微控制器 88的警告訊息輸出端IO1及輸出端則分別與負載、脈寬調變控制器86連接。

前述電源供應器具有輸出保護功能，一般係採取用過電流保護，如前揭所述，微控制器88可以透過差動放大器89自輸出電路84的輸出端取得輸出電流，當輸出電流超過額定電流至一設定比例(例如125%)，即到達過電流保護點，此時微控制器88將關閉脈寬調變控制器86，使輸出電路84停止對負載供電，並同時由警告訊息輸出端IO1通知負載，當負載由電源供應器抽取的電流低於過電流保護點，電源供應器才能被重新啟動並供應電源。

儘管上述技術可以達到過電流保護，然而對於電源供應器的製造商而言在設計選擇過電流保護點時必須非常謹慎，因過電流保護點設計過高，將造成電源供應器損壞及負載系統損壞的機率提高，過電流保護點過低則無法發揮保護電源供應器及負載系統的作用。

此外，電源供應器開機時的輸出電流較大，容易接近甚至高於過電流保護點，但常態使用時卻不會超過過電流保護點，但為避免開機時誤觸過電流保護而影響供電穩定，使用者選購電源供應器時必須遷就開機時的電流變化而使用較高功率的電源供應器，其意味著採用較高規格的電源供應器只為因應開機時的短時間需求，穩態運作後即無用武之地，卻將提高伺服系統建置電源的成本。

因此本發明主要目的在提供一種具有輸出保護的電源 供應器及其控制方法，其可對電源供應器設定適切的過電流保護點，並在過電流保護點之前設前置保護點，藉以有效落實輸出保護外，因無須使用較高功率的電源供應器，故可降低負載端的電源建置成本。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述具有輸出保護的電源供應器控制方法，主要係令一電源供應器執行以下步驟：提供一過電流保護值；設定一個以上小於前述過電流保護值的前置保護值；取得輸出電流，並判斷輸出電流是否大於等於前置檢測值；若輸出電流大於前置檢測值且小於過電流保護值，即進一步執行一第一溫度異常判別程序，若溫度異常則停止供電，無異常則回到取得輸出電流步驟；若輸出電流大於等於過電流保護值，則執行過電流保護；前述方法主要是在過電流保護值之前設定一個以上的前置檢測值，在輸出電流值大於前置檢測值，但小於過電流保護值的條件下執行前置檢測，其進一步判斷電源供應器是否出現其他異常現象(例如過熱)，若出現異常現象，則暫時停止供電；當輸出電流進一步大於過電流保護值，方進入過電流保護判斷程序，利用上述技術可對電源供應器的過電流保護點提供前置檢測，以因應一些非常態性且短暫的電流升高狀況，藉此不僅可以確保電源供應器的安全，且可將過電流保護點拉高至適切的值，使電源供應器 不僅可承受開機時的較大電流，卻無須選購較高功率的電源供應器。

為達成前述目的採取的又一主要技術手段係令前述電源供應器包括：一整流電路，具有一交流電源輸入端及一直流電源輸出端；一功率因數校正電路，具有一輸入端及一輸出端，其輸入端係與整流電路的直流電源輸出端連接；一變壓器，其一次側與功率因數校正電路的輸出端連接；一輸出電路，具有一輸入端及一輸出端，其輸入端係與變壓器的二次測連接；一功率開關，係與變壓器的一次側連接；一脈寬調變控制器，具有一個以上的回授輸入端及一脈寬調變訊號輸出端，其脈寬調變訊號輸出端係連接並功率開關的啟閉；一微控制器，具有一輸出電流檢測端、一警告訊息輸出端、一溫度訊號輸入端、一鎖閂訊號輸入端及一輸出端；其輸出端係與脈寬調變控制器的回授輸入端連接；該微控制器並預設一過電流保護值；一電流檢測器，具有一輸入端與一輸出端，其輸入端係與輸出電路的輸出端連接，電流檢測器的輸出端係微控制器的輸出電流檢測端連接；一前置檢測電路，具有一電流訊號輸入端及一鎖閂訊號輸出端，其電流訊號輸入端係與電流檢測器的輸出端連 接，其鎖閂訊號輸出端係與微控制器的鎖閂訊號輸入端連接；該前置檢測電路提供一小於但接近過電流保護值的前置保護值，並在輸出電路的輸出電流到達該前置保護值時，由前置檢測電路送出一警告訊息給微控制器；一溫度檢測器，係設於微控制器的溫度訊號輸入端上；上述電源供應器主要係由微控制器配合前置檢測電路提供輸出保護，該微控制器預設一過電流保護值及一個以上的前置檢測值，並由電流檢測器取得電源供應器的輸出電流，當輸出電流大於前置檢測值但小於過電流保護值時，即進一步由溫度檢測器檢測電源供應器的溫度狀況，若有溫度過高狀況時，由微控制器送出控制訊號給脈寬調變控制器，啟動過高溫保護(OTP)，使脈寬調變控制器暫時關閉，輸出電路遂不再對負載供電；若輸出電流不僅大於前置保護值且接近過電流保護值，將由前置檢測電路檢知，並通知微控制器，微控制器將關閉脈寬調變控制器，並通知負載，由負載降低抽取電流後，始能以手動方式重置以恢復供電。舉例來說，若過電流保護值為輸出電流超出設定值的150%，前置檢測值可設為130%，當輸出電流大於130%，但小於150%，則微控制器即進一步判斷溫度是否異常，以決定是否啟動過高溫保護，若溫度沒有異常，表示輸出電流提高可能是短暫的非常態狀況，例如開機時的電流升高，一旦開機完成，輸出電流即會恢復正常，且除了輸出電流升高，不會造成其他的異常現象(例如因過載而使溫度驟升)，則利用本發明的前置檢測機制，可將其排 除在過電流保護以外，直至真正過載時造成輸出電流進一步升高，才進入過電流保護程序；利用上述技術，可使電源供應器製造商適當的調高過電流保護值，以避免在開機時即誤觸過電流保護，卻仍可有效達成輸出保護的目的。

關於本發明電源供應器的一較佳實施例，請參閱圖1所示，主要係由一整流電路11、一功率因數校正電路12、一變壓器13、一輸出電路14、一功率開關15、一脈寬調變控制器16、一微控制器10、一電流檢測器17等組成；其中：該整流電路11具有一交流電源輸入端AC in及一直流電源輸出端；該功率因數校正電路12具有一輸入端及一輸出端，其輸入端係與整流電路11的直流電源輸出端連接；該變壓器13的一次側係與功率因數校正電路12的輸出端連接；該輸出電路14具有一輸入端及一輸出端，其輸入端係與變壓器13的二次測連接；該功率開關15可為一功率電晶體，其與變壓器13的一次側連接，並由脈寬調變控制器16控制其開關；該脈寬調變控制器16具有一回授輸入端Vs、一致能禁能端(ENABLE/DISABLE)及一脈寬調變訊號輸出端，其脈寬調變訊號輸出端係與功率開關15連接；該微控制器10具有一輸出電流檢測端Cs1、一警告訊息輸出端IO1及一輸出端，其輸出端係與脈寬調變控制器16的致能禁能端(ENABLE/DISABLE)連接，用以開關脈寬調變控制器16 之用；其警告訊息輸出端IO1係用與一負載的主板連接，以便在脈寬調變控制器16將關閉前通知負載的主板；在本實施例中，微控制器10進一步包括一溫度訊號輸入端Ts1、一鎖閂訊號輸入端，其溫度訊號輸入端Ts1係與一溫度檢測器18連接，其鎖閂訊號輸入端係與電流檢測器17連接，該電流檢測器17主要係由一差動放大器及一設於輸出電路14輸出端上的輸出電阻Rs1組成，差動放大器的兩輸入端係與輸出電阻Rs1的兩端連接，以取得輸出電流，差動放大器的輸出端係與微控制器10的輸出電流檢測端Cs1連接。

又本發明的電源供應器進一步設有一前置檢測電路20，在本實施例中，該前置檢測電路20主要係由一比較器21及一鎖閂(Latch)電路22所組成，比較器21具有一電流訊號輸入端及一輸出端，其電流訊號輸入端係與電流檢測器17的輸出端連接，又鎖閂電路22具有一輸入端及一鎖閂訊號輸出端，其輸入端係與比較器21的輸出端連接，其鎖閂訊號輸出端係與微控制器10的鎖閂訊號輸入端連接。前述比較器21係用以設定一趨近過電流保護值的預警值，以便在輸出電流接近過電流保護值時，由鎖閂電路22送出一鎖閂訊號給微控制器10，使微控制器10送出一警告訊息給負載的主板，並關閉脈寬調變控制器16以停止對負載供電。

關於上述電源供應器進一步的工作方式詳如以下所述：前述微控制器10設定有一過電流保護值及一個以上 的前置保護值，或進一步設定一保護門檻值，其中：保護門檻值小於前置保護值，前置保護值小於過電流保護值，為方便說明，謹分別以具體的數值提出說明，必須聲明的是：下列的數值只是舉例，並非用以限制其具體實現的數值；其中：過電流保護值為150%，前置保護值130%，保護門檻值110%。而前置保護電路20設定的預警值為148%。

關於微控制器10一可行的工作流程請參閱圖2所示，主要係透過電流檢測器17檢知輸出電路14輸出端的電流值(即輸出電流)(201)；接著判斷輸出電流是否大於等於110%(202)，若未大於等於110%，表示輸出電流在110%以下，在此階段不啟動任何保護措施；若輸出電流大於等於110%，則進一步判斷是否大於等於130%(203)，當輸出電流大於等於110%，但未大於等於130%時，即進入一第一溫度異常判別程序(204)，以決定是否執行過高溫保護(OTP)；在本實施例中，該第一溫度異常判別程序(204)包括：判斷溫度是否大於等於一警告值(204A)，若未超過警告值即回到初始步驟；若超過警告值則對負載送出一警告訊息(204B)，此時不關閉脈寬調變控制器16，且進一步判斷溫度是否大於等於一過高溫保護值(204C)，若未大於等於係回到初始步驟(201)，若已超過過高溫保護值，即啟動過高溫保護(OTP)(204D)。所述的過高溫保護(OTP)是由微控制器10暫時關閉脈寬調變控制器16，並暫停對負載供 電；然而當電源供應器的溫度下降，微控制器10將使脈寬調變控制器16恢復工作；換言之，過高溫保護(OTP)是電源供應器溫度恢復正常後，可以自動恢復正常工作的保護機制。

在前述步驟(203)中，若輸出電流大於等於130%，則進一步判斷輸出電流是否大於等於150%(205)，若已大於等於150%，即直接啟動過電流保護(OCP)，所稱的過電流保護(OCP)是由微控制器10關閉脈寬調變控制器16而停止對負載供電；雖然一樣是停止供電，與過高溫保護(OTP)不同的是：過電流保護不會自動恢復，必須以手動方式重置，以確保安全。

而在前述步驟(205)中，若輸出電流未大於等於150%，則進一步判斷輸出電流是否到達預警值(148%)(206)，當輸出電流大於等於148%，即進入溫度異常判別程序(207)，該溫度異常判別程序(207)包括：判斷溫度是否超過一警告值(207A)，若未超過警告值即由微控制器10重置前置保護電路後回到初始步驟(201)；若超過警告值則對負載送出一警告訊息(207B)，此時不關閉脈寬調變控制器16，且進一步判斷溫度是否超過一過高溫保護值(207C)，若未超過係回到初始步驟(201)，若已超過過高溫保護值，即啟動過高溫保護(OTP)(207D)。

而在前述步驟(206)中，若輸出電流未大於等於148%，係進入另一溫度異常判別程序(208)，該溫度異常判別程序(208)包括：判斷溫度是否超過一警告值(208A)，若未超過警告值 ，則進一步判斷是否持續一段時間(例如15ms)(208E)，若未持續即回到初始步驟(201)；若超過一段時間則啟動過電流保護；在前述步驟(208A)中，若是超過警告值則對負載送出一警告訊息(208B)，但不關閉脈寬調變控制器16，且在進一步判斷溫度是否超過一過高溫保護值(208C)，若未超過係回到初始步驟(201)，若已超過過高溫保護值，即啟動過高溫保護(OTP)(208D)。

由上述說明可瞭解本發明電源供應器的整體結構及其微控制器10執行的工作流程，主要係對電源供應器的輸出電流執行多階段監控，在輸出電流確實大於過電流保護值之前，針對輸出電流不同的超過比例分別執行不同的監控保護，如此狀況下，不僅可以達到輸出保護的目的，而且可以有效排除暫時性的電流升高狀況(例如開機時)，藉此可利於電源供應器製造商將過電流保護點提高到開機時輸出電流可能升高的幅度以上，對於使用者而言即無須購買較高規格的電源供應器，故可降低系統電源的建置成本。

如圖3所示，係本發明電源供應器的又一較佳實施例，其基本架構與前一實施例大致相同，不同處在於：該前置保護電路20的鎖閂訊號輸出端連接至微控制器10的鎖閂訊號輸入端外，亦經由一反相器23直接連接至微控制器10的警告訊息輸出端。由於微控制器10的警告訊息輸出端是連接到負載主板，其意味著一旦前置保護電路20確認輸出電流已達趨近過電流保護值的預警值，將不經微控制器10而直接通知負載主板，藉此爭取負載主板反應 的時間。

10‧‧‧微控制器

11‧‧‧整流電路

12‧‧‧功率因數校正電路

13‧‧‧變壓器

14‧‧‧輸出電路

15‧‧‧功率開關

16‧‧‧脈寬調變控制器

17‧‧‧電流檢測器

18‧‧‧溫度檢測器

20‧‧‧前置檢測電路

21‧‧‧比較器

22‧‧‧鎖閂電路

23‧‧‧反相器

81‧‧‧整流電路

82‧‧‧功率因數校正電路

83‧‧‧變壓器

84‧‧‧輸出電路

85‧‧‧功率開關

86‧‧‧脈寬調變控制器

87‧‧‧回授電路

88‧‧‧微控制器

89‧‧‧差動放大器

圖1 係本發明一較佳實施例的電路方塊圖。

圖2 係本發明的方法流程圖。

圖3 係本發明又一較佳實施例的電路方塊圖。

圖4 係既有電源供應器的電路方塊圖。

10‧‧‧微控制器

11‧‧‧整流電路

12‧‧‧功率因數校正電路

13‧‧‧變壓器

14‧‧‧輸出電路

15‧‧‧功率開關

16‧‧‧脈寬調變控制器

17‧‧‧電流檢測器

18‧‧‧溫度檢測器

20‧‧‧前置檢測電路

21‧‧‧比較器

22‧‧‧鎖閂電路

Claims (9)

1. 一種具有輸出保護的電源供應器控制方法，主要係令一電源供應器執行以下步驟：提供一過電流保護值；設定一個以上小於前述過電流保護值的前置保護值；取得輸出電流，並判斷輸出電流是否大於等於前置檢測值；若輸出電流大於前置檢測值且小於過電流保護值，即進一步執行一第一溫度異常判別程序，若溫度異常則停止供電，無異常則回到取得輸出電流步驟；若輸出電流大於等於過電流保護值，則執行過電流保護。
2. 如請求項1所述具有輸出保護的電源供應器控制方法，若輸出電流未大於等於過電流保護值，則進一步判斷輸出電流是否到達預警值，當輸出電流大於等於預警值，即進入一第二溫度異常判別程序，該第二溫度異常判別程序包括：判斷溫度是否超過一警告值，若未超過警告值即回到取得輸出電流步驟；若超過警告值則對負載送出一警告訊息，此時不停止供電，且進一步判斷溫度是否超過一過高溫保護值，若未超過係回到取得輸出電流步驟，若已超過過高溫保護值，即啟動過高溫保護。
3. 如請求項2所述具有輸出保護的電源供應器控制方法，若輸出電流未大於等於預警值，係進入一第三溫度異常判別程序，該第三溫度異常判別程序包括： 判斷溫度是否超過一警告值，若未超過警告值，則進一步判斷是否持續一段時間，若未持續即回到取得輸出電流步驟；若超過一段時間則啟動過電流保護。
4. 如請求項3所述具有輸出保護的電源供應器控制方法，該第三溫度異常判別程序中，若溫度超過警告值則對負載送出一警告訊息，但不停止供電，且在進一步判斷溫度是否超過一過高溫保護值，若未超過係回到取得輸出電流步驟，若已超過過高溫保護值，即啟動過高溫保護。
5. 如請求項1至4中任一項所述具有輸出保護的電源供應器控制方法，在判斷輸出電流是否大於等於前置檢測值之前，先判斷是否大於等於一保護門檻值，當輸出電流未大於等於保護門檻值，不啟動保護。
6. 一種具有輸出保護的電源供應器，包括：一整流電路，具有一交流電源輸入端及一直流電源輸出端；一功率因數校正電路，具有一輸入端及一輸出端，其輸入端係與整流電路的直流電源輸出端連接；一變壓器，其一次側與功率因數校正電路的輸出端連接；一輸出電路，具有一輸入端及一輸出端，其輸入端係與變壓器的二次測連接；一功率開關，係與變壓器的一次側連接；一脈寬調變控制器，具有一個以上的回授輸入端及一脈寬調變訊號輸出端，其脈寬調變訊號輸出端係連接並功率開關的啟閉； 一微控制器，具有一輸出電流檢測端、一警告訊息輸出端、一溫度訊號輸入端、一鎖閂訊號輸入端及一輸出端；其輸出端係與脈寬調變控制器的回授輸入端連接；該微控制器並預設一過電流保護值；一電流檢測器，具有一輸入端與一輸出端，其輸入端係與輸出電路的輸出端連接，電流檢測器的輸出端係微控制器的輸出電流檢測端連接；一前置檢測電路，具有一電流訊號輸入端及一鎖閂訊號輸出端，其電流訊號輸入端係與電流檢測器的輸出端連接，其鎖閂訊號輸出端係與微控制器的鎖閂訊號輸入端連接；該前置檢測電路提供一小於但接近過電流保護值的前置保護值，並在輸出電路的輸出電流到達該前置保護值時，由前置檢測電路送出一警告訊息給微控制器；一溫度檢測器，係設於微控制器的溫度訊號輸入端上。
7. 如請求項6所述具有輸出保護的電源供應器，該前置檢測電路主要係由一比較器及一鎖閂電路所組成，比較器具有一電流訊號輸入端及一輸出端，其電流訊號輸入端係與電流檢測器的輸出端連接；該鎖閂電路具有一輸入端及一鎖閂訊號輸出端，其輸入端係與比較器的輸出端連接，其鎖閂訊號輸出端係與微控制器的鎖閂訊號輸入端連接。
8. 如請求項6或7所述具有輸出保護的電源供應器，該前置檢測電路的鎖閂訊號輸出端係與微控制器的警告訊號輸出端連接。
9. 如請求項8所述具有輸出保護的電源供應器，該前置檢測電路的鎖閂訊號輸出端係透過一反相器與微控制器的警告訊號輸出端連接。