TW201436441A - 電源供應裝置 - Google Patents

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Abstract

一種電源供應裝置，其包括電源轉換電路、單一變壓器、共軛儲能電感以及第一與第二整流濾波電路。變壓器具有一次側繞組、第一二次側繞組以及第二二次側繞組。一次側繞組耦接電源轉換電路，並且第一與第二二次側繞組基於一次側繞組上的電壓而分別感應出相應的電壓。共軛儲能電感具有第一共軛線圈與第二共軛線圈，其中第一共軛線圈耦接第一二次側繞組，且第二共軛線圈耦接第二二次側繞組。第一與第二整流濾波電路分別反應於第一與第二二次側繞組所感應的電壓而充放能，從而分別經由第一與第二整流濾波電路的輸出端提供第一與第二輸出電壓。

Description

電源供應裝置
本發明是有關於一種電源轉換裝置，且特別是有關於一種多輸出的電源轉換裝置。
在傳統的多輸出電源供應裝置設計中，一般會使用多個變壓器以及多組回授電路來實現多輸出電壓的電源供應架構。然而，傳統的設計一般會有造價成本高、佔空間等缺陷。而且，由於變壓器會產生磁損，故一般多輸出電源供應裝置的供電效率會因為多個變壓器所帶來的磁損而降低。另外，當電源供應裝置應用於需要長時間運作的電子系統時(例如監視系統)，由於需全天候使用，因此易因變壓器的持續運作而造成電源供應裝置內部溫度過高，而減短其使用壽命。
另一方面，在傳統的多輸出電源供應裝置中，在輕重載交替時，其中一組輸出電壓會受其中另一組輸出電壓的影響而產生電壓偏移(voltage offset)，例如：+12V輸出組在重載時會因為電流上升形成短路而產生漏感，而使-53V輸出組的輸出電壓大幅增加。
本發明提供一種電源供應裝置，其可利用單一變壓器及單一回授電路的架構來實現多組電壓輸出的電源供應機制。
本發明的電源供應裝置包括電源轉換電路、單一變壓器、共軛儲能電感以及第一與第二整流濾波電路。所述單一變壓器具有一次側繞組、第一二次側繞組以及第二二次側繞組。一次側繞組耦接電源轉換電路，並且第一與第二二次側繞組基於一次側繞組上的電壓而分別感應出相應的電壓。共軛儲能電感具有相互隔離的第一共軛線圈與第二共軛線圈，其中第一共軛線圈耦接第一二次側繞組，且第二共軛線圈耦接第二二次側繞組。第一與第二整流濾波電路，分別耦接第一與第二共軛線圈，其中第一與第二共軛線圈分別反應於第一與第二二次側繞組所感應的電壓而充放能，從而分別經由第一與第二整流濾波電路的輸出端提供第一輸出電壓與第二輸出電壓。
在本發明一實施例中，第一與第二二次側繞組至少其中之一以及共軛儲能電感是以絕緣線材纏繞而成。
在本發明一實施例中，所述絕緣線材為三層絕緣線(triple insulated wire)。
在本發明一實施例中，第一二次側繞組以及第一整流濾波電路以第一參考端的電位做為第一參考電位，且第二二次側繞組以及第二整流濾波電路以第二參考端的電位做為第二參考電 位。
在本發明一實施例中，電源供應裝置更包括交流安規電容。交流安規電容耦接於第一參考端與第二參考端之間，其中第一參考端與第二參考端於低頻時電性獨立。
在本發明一實施例中，電源供應裝置更包括回授電路。回授電路耦接第一與第二整流濾波電路其中之一，其中回授電路根據第一與第二輸出電壓其中之一控制電源轉換電路的運作，並且據以同時調節第一與第二輸出電壓。
在本發明一實施例中，電源轉換電路包括控制晶片以及脈寬調變電路。脈寬調變電路接收直流輸入電壓，並且受控於控制晶片而以切換的方式提供直流輸入電壓至一次側繞組。
在本發明一實施例中，電源供應裝置更包括電磁干擾濾波電路、整流電路以及功率因數校正電路。電磁干擾濾波電路接收交流電源，並且用以抑制交流電源的電磁雜訊。整流電路耦接電磁干擾濾波電路以接收抑制雜訊後的交流電源，並據以進行整流以產生直流訊號。功率因數校正電路耦接整流電路以接收直流訊號，並且受控於控制晶片而調整直流訊號之電壓-電流相位關係，從而產生直流輸入電壓提供給脈寬調變電路。
在本發明一實施例中，電源供應裝置更包括分壓電路，耦接於第一與第二整流濾波電路其中之一的輸出端上。
在本發明一實施例中，第一濾波電路的輸出端適於耦接第一負載且第二濾波電路的輸出端適於耦接第二負載。電源供應 裝置更包括保護電路。保護電路耦接第一與第二整流濾波電路的輸出端，用以偵測第一負載與第二負載的供電狀態，並根據偵測的結果決定是否啟動電源保護機制以停止電源轉換電路的運作。
在本發明一實施例中，電源供應裝置係以順向式(forward)轉換電路為基礎。
基於上述，本發明實施例提出一種電源供應裝置，其可利用單一變壓器的架構來實現多組電壓輸出的電源供應機制。其中，由於所述變壓器的至少其中一組二次側繞組以及共軛儲能電感的是由三層絕緣線纏繞而成，因此可有效地隔離電源供應裝置之各組輸出間的影響，從而在不影響輸出穩定性的條件下提高整體電源供應裝置的供電/轉換效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200‧‧‧電源供應裝置
110、210‧‧‧電源轉換電路
120、220‧‧‧變壓器
130、230‧‧‧共軛儲能電感
140、240‧‧‧第一整流濾波電路
150、250‧‧‧第二整流濾波電路
212‧‧‧控制晶片
214‧‧‧脈寬調變電路
260‧‧‧分壓電路
270‧‧‧回授電路
280‧‧‧保護電路
290‧‧‧電磁干擾濾波電路
300‧‧‧整流電路
310‧‧‧功率因數校正電路
CL1、CL2‧‧‧共軛線圈
Cout1、Cout2‧‧‧輸出電容
CY‧‧‧交流安規電容
LD1、LD2‧‧‧負載
NP‧‧‧一次側繞組
NS1、NS2‧‧‧二次側繞組
R1、R2、R3‧‧‧電阻
REF_1、REF_2‧‧‧參考端
S_PWM、S_PFC‧‧‧控制訊號
S_FB‧‧‧回授訊號
S_PR‧‧‧保護訊號
T1、T2、TD‧‧‧節點
Vac‧‧‧交流電源
Vdc‧‧‧直流訊號
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Vout1、Vout2‧‧‧輸出電壓
圖1為本發明一實施例的電源供應裝置的示意圖。
圖2為本發明另一實施例的電源供應裝置的示意圖。
本發明實施例提出一種電源供應裝置，其可利用單一變壓器及單一回授電路的架構來實現多組電壓輸出的電源供應機 制，從而降低電路設計成本並且提高電源供應效率。為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。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/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例的電源供應裝置的示意圖。請參照圖1，電源供應裝置100包括電源轉換電路110、變壓器120、共軛儲能電感130、第一整流濾波電路140以及第二整流濾波電路150。於此，所述之電源供應裝置100可例如為以順向式(forward)電路為基礎的電源供應裝置。
變壓器120具有一次側繞組NP、第一二次側繞組NS1以及第二二次側繞組NS2。共軛儲能電感130具有相互隔離的第一共軛線圈CL1以及第二共軛線圈CL2。變壓器120的一次側繞組NP耦接電源轉換電路110。共軛儲能電感130的第一共軛線圈CL1與第二共軛線圈CL2之一端分別耦接第一二次側繞組NS1與第二二次側繞組NS2，且共軛儲能電感130的第一共軛線圈CL1與第二共軛線圈CL2之另一端分別耦接第一整流濾波電路140與第二整流濾波電路150的輸入端。此外，第一濾波電路140的輸出端適於耦接負載LD1以對負載LD1提供第一輸出電壓Vout1(例如為12V)，而第二濾波電路150的輸出端適於耦接負載LD2以對負載LD2提供第二輸出電壓Vout2(例如為-53V)。
在本實施例中，電源轉換電路110用以將直流輸入電壓Vin以切換的方式輸出至變壓器120的一次側繞組NP，使得變壓 器120的第一二次側繞組NS1與第二二次側繞組NS2基於一次側繞組NP上的電壓而分別感應出相應的電壓，其中第一二次側繞組NS1感應出的電壓大小關聯於第一二次側繞組NS1與一次側繞組NP的線圈匝數比，而第二二次側繞組NS2感應出的電壓大小關聯於第二二次側繞組NS2與一次側繞組NP的線圈匝數比。第一共軛線圈CL1與第二共軛線圈CL2會分別反應於第一二次側繞組NS1與第二二次側繞組NS2所感應的電壓而充放能。第一整流濾波電路140與第二整流濾波電路150會分別對第一共軛線圈CL1與第二共軛線圈CL2充放能所產生的電壓進行整流及濾波，並據以從第一整流濾波電路140的輸出端提供第一輸出電壓Vout1至第一負載LD1，並從第二整流濾波電路150的輸出端提供第二輸出電壓Vout2至第二負載LD2。於此為便於說明，在後續實施例中，由第一二次側繞組NS1、第一共軛線圈CL1以及第一整流濾波電路140所組成的電路將以“第一輸出組”稱之，以及由第二二次側繞組NS2、第二共軛線圈CL2以及第二整流濾波電路150所組成的電路將以“第二輸出組”稱之。
基於上述的電路架構及電路運作流程，本實施例的電源供應裝置100即可實現利用單一變壓器120來產生兩組不同的輸出電壓Vout1與Vout2的電源供應機制。相較於利用多個變壓器來分別產生不同輸出電壓的傳統電源供應架構而言，本實施例的電源供應裝置100不僅可節省整體電源供應裝置100的電路佈局面積，還可因省去變壓器而使電源供應裝置100的磁損降低，進而 使供電/轉換效率得以提升。
除此之外，在電源供應裝置100的架構下，設計者僅需設計一組回授電路(未繪示，於後續實施例中會進一步說明)以依據兩輸出電壓Vout1與Vout2其中之一對一次側的電源轉換電路110進行回授控制，即可藉由跨接在各個二次側繞組NS1與NS2上的共軛儲能電感130的互感特性(mutual inductance)，實現同時調節兩輸出電壓Vout1與Vout2的功能。故本實施例的電源供應裝置100相較於傳統的電源供應裝置還可節省一組回授電路的佈局面積。相對的，整體的功率特性表現也會有所提升。
另一方面，為了避免利用單一變壓器來產生多組不同輸出電壓所可能發生的輸出隔離問題，本實施例的電源供應裝置100採用了以下的隔離手段以令各組輸出電壓Vout1與Vout2之間不會互相影響：1)以絕緣線材來纏繞二次側繞組NS1、NS2；2)以絕緣線材來纏繞共軛儲能電感130的共軛線圈CL1、CL2；以及3)分別以兩電性獨立的參考端上的電位做為第一輸出組與第二輸出組的參考電位。
以下分就上述各隔離手段進一步說明。首先，在本實施例中，變壓器120的第一二次側繞組NS1與第二二次側繞組NS2至少其中之一可利用絕緣線材纏繞而成，其中所述絕緣線材可例如為三層絕緣線(triple insulated wire)。於一範例實施例中，設計者可根據第一輸出電壓Vout1與第二輸出電壓Vout2的大小(也就是根據二次側繞組NS1與NS2的匝數)而選擇以三層絕緣線纏繞 成第一二次側繞組NS1或第二二次側繞組NS2。舉例來說，若第一輸出電壓Vout1為12V且第二輸出電壓Vout2為-53V，表示第一二次側繞組NS1的匝數小於第二二次側繞組NS2，故此時設計者可選擇以三層絕緣線纏繞成第一二次側繞組NS1，並且以一般銅線纏繞成第二二次側繞組NS2。於此值得一提的是，設計者亦可基於其設計需求而將第一二次側繞組NS1與第二二次側繞組NS2皆以三層絕緣線來實施，本發明不以此為限。
另一方面，為了進一步提高兩輸出間的隔離效果，本實施例的共軛儲能電感130亦可利用絕緣線材來實施。換言之，共軛儲能電感130中的第一共軛線圈CL1與第二共軛線圈CL2至少其中之一可利用絕緣線材纏繞而成，藉以隔絕兩共軛線圈CL1、CL2之間的影響。
再者，第一輸出組(第一二次側繞組NS1、第一共軛線圈CL1以及第一整流濾波電路140)與第二輸出組(第二二次側繞組NS2、第二共軛線圈CL2以及第二整流濾波電路150)分別會以不同的參考端REF1與REF2上的電位做為參考電位，而所述兩參考端REF1與REF2實質上相互電性獨立(也就是兩輸出組之間不共地(common ground))，因此可令第一輸出電壓Vout1與第二輸出電壓Vout2之間的隔離度可更進一步的提高。
基於上述的隔離手段，本實施例的電源供應裝置100即使僅具有單一變壓器120，各輸出組之間也不會因隔離度不佳而產生輸出電壓Vout1與Vout2相互干擾的問題。
為了更清楚的說明本發明實施例，圖2為本發明另一實施例的電源供應裝置的示意圖。請參照圖2，電源供應裝置200除了包括電源轉換電路210、變壓器220、共軛儲能電感230、第一整流濾波電路240以及第二整流濾波電路250外，還包括分壓電路260、回授調節電路270、保護電路280、電磁干擾濾波電路290、整流電路300以及功率因數校正電路310。其中，本實施例的電源轉換電路210可利用控制晶片212以及脈寬調變電路214所組成的電路架構來實現(但不僅限於此)。
電源轉換電路210、變壓器220、共軛儲能電感230、第一整流濾波電路240以及第二整流濾波電路250之間的配置關係類似於前述圖1實施例，而電磁干擾濾波電路290、整流電路300以及功率因數校正電路310則是依次耦接於電源轉換電路210的前級，以將交流電源Vac轉換為穩定的直流輸入電壓Vin並提供給電源轉換電路210使用。此外，本實施例的分壓電路260與回授電路270是以耦接至第一整流濾波電路240的輸出端為例，但本發明不僅限於此。換言之，分壓電路260與回授電路270可根據設計者的設計需求而選擇性地耦接至第一整流濾波電路240與第二整流濾波電路250其中之一的輸出端。
在本實施例中，電磁干擾濾波電路290是用以抑制交流電源Vac的電磁雜訊，並且將抑制雜訊後的交流電源提供給整流電路300。整流電路300對所接收的交流電源進行整流，並據以產生直流訊號Vdc。功率因數校正電路310耦接整流電路300的輸 出以接收直流訊號Vdc，並且受控於控制晶片212所提供的控制訊號S_PFC而調整直流訊號Vdc的電壓-電流相位關係，從而產生直流輸入電壓Vin給脈寬調變電路214。脈寬調變電路214即會受控於控制晶片212所提供的控制訊號S_PWM，而以切換的方式提供直流輸入電壓Vin至變壓器220的一次側繞組NP，以使二次側的第一輸出組及第二輸出組分別在對應的輸出電容Cout1與Cout2上建立第一輸出電壓Vout1與第二輸出電壓Vout2，其中輸出電容Cout1係耦接於節點T1(可視為第一整流濾波電路240的輸出端)與參考端REF_1之間，而輸出電容Cout2(可視為第二整流濾波電路250的輸出端)係耦接於節點T2與參考端REF_2之間。
回授電路270的輸入端耦接至節點T1，且回授電路270輸出端耦接至控制晶片212。在本實施例中，回授電路270會根據第一輸出電壓Vout1而產生一回授訊號S_FB，以藉由回授訊號S_FB來控制控制晶片212的運作(如調節控制訊號S_PFC與S_PWM的訊號頻率或訊號致能期間等)，並據以同時調節第一輸出電壓Vout1與第二輸出電壓Vout2的大小。
更具體地說，當控制晶片212反應於回授訊號S_FB而調整第一輸出電壓Vout1時，第二輸出電壓Vout2即會因為第一共軛線圈CL1與第二共軛線圈CL2之間的互感特性而產生相應的變化。基於此特性下，只要將其中一組輸出電壓Vout1/Vout2穩定在額定電壓值，即可令另一組輸出電壓Vout1/Vout2同樣地維持其對應的額定電壓值。因此，於本實施例中，電源供應裝置200僅需 配置一組回授電路270即可實現同時對兩組輸出電壓Vout1與Vout2進行回授控制的功能。
另一方面，本實施例的分壓電路260是以耦接於第一整流濾波電路240的輸出端的電阻R1~R3為例，其可視為輸出電壓回授調整。具體來說，所述分壓電路260可在對應的負載LD1操作於重載時，進一步降低第一輸出電壓Vout1的電壓值，以透過互感的方式連帶地降低第二輸出電壓Vout2的電壓值，使各組輸出電壓值(Vout1,Vout2)均能維持在正常/預設範圍內。基此，藉由分壓電路260的作用，電源供應裝置200可在兩負載LD1與LD2交替地操作於重載/輕載時，有效地降低第一輸出電壓Vout1與第二輸出電壓Vout2的電壓偏移。
此外，於一範例實施例中，對應於分壓電路(如260)的第一整流濾波電路240/第二整流濾波電路250可利用一定電壓控制晶片(constant voltage control chip)或一定電流控制晶片(constant current control chip)以及對應的外掛電路來實施。以圖2所繪示之架構為例，若第一整流濾波電路240採定電壓/定電流控制晶片的架構來實施，其還可藉由偵測分壓電路260之分壓點TD(即電阻R1與R2的共節點)上的電壓以做為穩壓/穩流控制的依據，藉以進一步維持負載LD1的驅動穩定性。
本實施例的保護電路280可例如由過壓保護(over voltage protection，OVP)電路、低壓保護(under voltage protection，UVP)電路、短路保護電路(short circuit protection，SCP)及/或過載保 護電路(over load protection circuit，OLP)所組成的電路。保護電路280的輸入端耦接至節點T1與T2，且保護電路的輸出端耦接至控制晶片212。其中，保護電路會偵測負載LD1與LD2的供電狀態(如負載LD1與LD2實際接收到的電壓與電流等)，並根據偵測的結果產生保護訊號S_PR來控制控制晶片212的運作，藉以決定是否啟動電源保護機制以停止電源轉換電路210的運作(如停止產生控制訊號S_PFC與S_PWM)。
除了上述之各個電路單元/構件外，本實施例的電源供應裝置200還可包括耦接於參考端REF_1與REF_2之間的交流安規電容CY(亦可稱之為Y電容)，其可於高頻時將兩參考端REF_1與REF_2相互短路，藉以提升高頻輸出隔離穩定性及降低雜訊。
綜上所述，本發明實施例提出一種電源供應裝置，其可利用單一變壓器的架構來實現多組電壓輸出的電源供應機制。其中，由於所述變壓器的至少其中一組二次側繞組以及共軛儲能電感的是由三層絕緣線纏繞而成，因此可有效地隔離電源供應裝置之各組輸出間的影響，從而在不影響輸出穩定性的條件下提高整體電源供應裝置的供電效率。此外，藉由耦合在各組輸出間的共軛儲能電感的互感特性，所述電源供應裝置還可實現利用單一回授電路來同時調整多組輸出電壓的回授控制機制，從而令整體電路設計的成本有效地降低。
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，在不脫離本發明的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電源供應裝置
110‧‧‧電源轉換電路
120‧‧‧變壓器
130‧‧‧共軛儲能電感
140‧‧‧第一整流濾波電路
150‧‧‧第二整流濾波電路
CL1、CL2‧‧‧共軛線圈
LD1、LD2‧‧‧負載
NP‧‧‧一次側繞組
NS1、NS2‧‧‧二次側繞組
REF_1、REF_2‧‧‧參考端
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Vout1、Vout2‧‧‧輸出電壓

Claims (11)

  1. 一種電源供應裝置，包括：一電源轉換電路；一單一變壓器，具有一一次側繞組、一第一二次側繞組以及一第二二次側繞組，其中該一次側繞組耦接該電源轉換電路，並且該第一與第二二次側繞組基於該一次側繞組上的電壓而分別感應出相應的電壓；一共軛儲能電感，具有相互隔離的一第一共軛線圈與一第二共軛線圈，其中該第一共軛線圈耦接該第一二次側繞組，並且該第二共軛線圈耦接該第二二次側繞組；以及一第一與一第二整流濾波電路，分別耦接該第一與第二共軛線圈，其中該第一與第二共軛線圈分別反應於該第一與第二二次側繞組所感應的電壓而充放能，從而分別經由該第一與第二整流濾波電路的輸出端提供一第一輸出電壓與一第二輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其中該第一與第二二次側繞組至少其中之一以及該共軛儲能電感是以一絕緣線材纏繞而成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電源供應裝置，其中該絕緣線材為三層絕緣線(triple insulated wire)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其中該第一二次側繞組以及該第一整流濾波電路以一第一參考端的電位做為一第一參考電位，且該第二二次側繞組以及該第二整流濾波電路 以一第二參考端的電位做為一第二參考電位。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電源供應裝置，更包括：一交流安規電容，耦接於該第一參考端與該第二參考端之間，其中該第一參考端與該第二參考端於低頻時電性獨立。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，更包括：一單一回授電路，耦接該第一與第二整流濾波電路其中之一，其中該回授電路根據該第一與第二輸出電壓其中之一控制該電源轉換電路的運作，並且據以同時調節該第一與第二輸出電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電源供應裝置，其中該電源轉換電路包括：一控制晶片；以及一脈寬調變電路，接收一直流輸入電壓，並且受控於該控制晶片而以切換的方式提供該直流輸入電壓至該一次側繞組。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電源供應裝置，更包括：一電磁干擾濾波電路，接收一交流電源，並且用以抑制該交流電源的電磁雜訊；一整流電路，耦接該電磁干擾濾波電路以接收抑制雜訊後的交流電源，並據以進行整流以產生一直流訊號；以及一功率因數校正電路，耦接該整流電路以接收該直流訊號，並且受控於該控制晶片而調整該直流訊號之電壓-電流相位關係，從而產生直流輸入電壓提供給該脈寬調變電路。
  9. 如申請專利範圍第1或第6項所述的電源供應裝置，更包 括：一分壓電路，耦接於該第一與第二整流濾波電路其中之一的輸出端上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其中該第一濾波電路的輸出端適於耦接一第一負載且該第二濾波電路的輸出端適於耦接一第二負載，該電源供應裝置更包括：一保護電路，耦接該第一與第二整流濾波電路的輸出端，用以偵測該第一負載與該第二負載的供電狀態，並根據偵測的結果決定是否啟動一電源保護機制以停止該電源轉換電路的運作。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其係以一順向式(forward)轉換電路為基礎。
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