TW202030968A

TW202030968A - 直流輸出不斷電電源供應器

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Publication number: TW202030968A
Application number: TW108104003A
Authority: TW
Inventors: 鄭仲結
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-16
Also published as: TWI739064B

Abstract

一種直流輸出不斷電電源供應器，包括：耦接交流電源且輸出第一直流電源的交流直流轉換電路；輸出第二直流電源的充放電模組；耦接交流直流轉換電路以及充放電模組的至少一電源模組；以及配置於該至少一電源模組與至少一負載之間的使用者操作介面，使用者操作介面並具有至少一操作單元；各操作單元依據各負載所需的電源使至少一電源模組對各負載提供電源。

Description

直流輸出不斷電電源供應器

本發明係有關一種直流輸出電源供應器，尤指可自由調整各埠輸出且具有不斷電系統功能的一種直流輸出不斷電電源供應器。

一般而言，現有技術的電源供應器中，在使用上通常會因應各電子裝置所需的功率(或電壓、電流)而進行配置。由於現代人使用電子產品多樣化的情況下，有相關業者開發出了具有多輸出埠的電源供應器，讓使用者可以同時搭配多種或多數個電子裝置進行使用，且僅需占用一市電輸入埠，而達成一輸入對多輸出的供電架構。

然而，前述具有多埠輸出的電源供應器在實際使用時，由於必須適配多樣化的需求，而各輸出埠若無法依使用需求自由調整輸出相關電性數值，將致使輸出埠的數量則難以降低，不僅體積大不易攜帶，且生產成本較高。此外，現有技術的電源供應器在遭遇市電突然異常的情況下，並無法保護與其電連接的多數個負載的使用安全，尤其是電腦主機、監控系統、精密電子儀器、及醫療儀器等電子裝置，當市電中斷時，電子設備很可能因突發性的電力中斷而導致內部零件毀損或資料遺失，進而造成嚴重且不可逆的後果。

為此，如何設計出一種直流輸出不斷電電源供應器，來解決前述的技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之主要目的在於提供一種直流輸出不斷電電源供應器，通過電路匹配整合，能夠解決前述各輸出埠無法依使用需求自由調整輸出相關電性數值、以及在遭遇市電突然關斷的情況下無法保護與其電連接的多數個負載的安全的技術問題，以達到縮小體積、降低生產成本以及避免因突發性的電力中斷而導致硬體毀損與資料遺失之目的。

為了達到前述目的，本發明所提出的一種直流輸出不斷電電源供應器，包括：交流直流轉換電路，耦接交流電源，且輸出第一直流電源；充放電模組，輸出第二直流電源；至少一電源模組，耦接交流直流轉換電路以及充放電模組，且接收第一直流電源以及第二直流電源的其中一者；以及使用者操作介面，配置於至少一電源模組與至少一負載之間，並具有至少一操作單元；其中，各操作單元依據各負載所需的電源使至少一電源模組對各負載提供電源。

為了達到前述目的，本發明所提出的另一種直流輸出不斷電電源供應器，包括：功率因數校正級電路，耦接交流電源，且輸出第一直流電源；充放電模組，輸出第二直流電源；至少一電源模組，耦接功率因數校正級電路，且接收第一直流電源以及第二直流電源的其中至少一者；以及使用者操作介面，配置於至少一電源模組與至少一負載之間，並具有至少一操作單元；其中，各操作單元依據各負載所需的電源使該至少一電源模組對各負載提供電源。

在使用本發明所述任一種直流輸出不斷電電源供應器的期間，當交流電源正常時，至少一電源模組接收第一直流電源；當交流電源異常時，至少一電源模組接收第二直流電源；此外，由於使用者可以通過至少一操作單元(可以為指撥開關、旋鈕等)選擇各負載所需的電源，使至少一電源模組轉換第一直流電源以及第二直流電源的其中一者，對至少一負載提供不間斷供電。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參閱圖1至圖2F所示，其中，圖1為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第一實施例的架構示意圖；圖2A至圖2F為本發明直流輸出不斷電電源供應器之交流直流轉換電路的電路圖。

如圖1所示，本發明的直流輸出不斷電電源供應器之第一實施例包括：交流直流轉換電路10、充放電模組20、至少一電源模組30以及使用者操作介面40。

其中，交流直流轉換電路10耦接一交流電源100，且轉換交流電源100以輸出一第一直流電源(圖中未示)。充放電模組20耦接交流直流轉換電路10，且輸出一第二直流電源(圖中未示)。

充放電模組20包括：電池單元21、升壓轉換單元22以及充電單元23。其中，電池單元21可以為鋰電池、鎳氫電池、氫氧電池、或鉛酸電池等可充放電的電能儲存元件，然不以此為限制本發明。升壓轉換單元22耦接電池單元21與至少一電源模組30。在本發明的第一實施例中，充電單元23耦接電池單元21與交流直流轉換電路10的直流輸出側(如圖1所示)。當電池單元21進行充電時，充電單元23接收交流直流轉換電路10所輸出的第一直流電源，並轉換成適合對電池單元21充電的電壓大小。

至少一電源模組30耦接交流直流轉換電路10以及充放電模組20，且接收第一直流電源以及第二直流電源的其中一者。進一步而言，當交流電源100正常時，各電源模組30接收第一直流電源，且轉換第一直流電源，提供各負載200所需的電源；當交流電源100異常時，電池單元21輸出電能，通過升壓轉換單元22將輸出的電壓升壓，以提供第二直流電源，使各電源模組30接收第二直流電源，且轉換第二直流電源，提供各負載200所需的電源，以實現對各負載200的不間斷供電。

使用者操作介面40耦接至少一電源模組30以及至少一負載200，且使用者操作介面40配置有控制各電源模組30與各負載200之間耦接(導通)或解耦(關斷)以及選擇各負載200所需電源的至少一操作單元41。所述各操作單元41可以是指撥開關、旋鈕等可調整結構，然不以此為限制本發明，讓使用者可以自由搭配不同數量的負載、調整各負載200所需功率數值、依使用需求或各負載200所需而自由調整至少一電源模組30輸出的相關電性數值(如電壓值、電流值的其中至少一者)，再本發明所述第一實施例中，各操作單元41可以控制一個電源模組30，各操作單元41也可以同時控制兩個或兩個以上的電源模組30，以滿足高功率需求的負載，使各電源模組30轉換第一直流電源以及第二直流電源的其中一者，對各負載200提供不間斷供電。

如圖2A至圖2F所示，在本發明直流輸出不斷電電源供應器之第一實施例中，交流直流轉換電路10可以包括耦接交流電源100的一隔離式拓樸結構。在本發明的第一實施例中，所述隔離式拓樸結構可以是返馳式(flyback)電路11a (如圖2A所示)、半橋式(half-bridge)電路11b (如圖2B所示)、全橋式(full-bridge)電路11c (如圖2C所示)、前向式(forward)電路11d (如圖2D所示)以及推挽式(push-pull)電路11e (如圖2E所示)的其中一者。進一步而言，交流直流轉換電路10可以更包括一抗電磁干擾濾波器12 (如圖2F所示)，可以與前述任一隔離式拓樸結構進行搭配，形成所述交流直流轉換電路10。

請參閱圖3A以及圖3B所示，圖3A為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第二實施例的交流直流轉換電路與充放電模組配置的電路方塊圖；圖3B為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第三實施例的交流直流轉換電路與充放電模組配置的電路方塊圖。

如圖3A所示，本發明直流輸出不斷電電源供應器之第二實施例與前述第一實施例大致相同，惟交流直流轉換電路與充放電模組的配置關係不同。在所述第二實施例中，充電單元23耦接電池單元21與交流直流轉換電路10的一交流輸入側(如圖3A所示，使充電單元23耦接交流電源100)。當電池單元21進行充電時，充電單元23接收交流電源100所輸出的交流電源，並轉換成適合對電池單元21充電的電壓大小。再者，當交流電源100異常時，電池單元21輸出電能，通過升壓轉換單元22將輸出的電壓升壓，以提供第二直流電源，使各電源模組30接收第二直流電源，且轉換第二直流電源，提供各負載200所需的電源，以實現對各負載200的不間斷供電。

如圖3B所示，本發明直流輸出不斷電電源供應器之第三實施例與前述第一實施例大致相同，惟交流直流轉換電路與充放電模組的配置關係不同。在所述第三實施例中，充電單元23耦接電池單元21與交流直流轉換電路10的一內部直流側(如圖3B所示，使充電單元23耦接於交流直流轉換電路10的交流輸入側以及直流輸出側之間)。以圖2A所示交流直流轉換電路10為返馳式電路11a為例，充電單元23可耦接於全波整流電路的輸出側(即返馳式電路11a的輸入側)，以實現充電單元23耦接交流直流轉換電路10的內部直流側之方案。

請參閱圖4A至圖4C所示，為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第一實施例的電源模組與操作單元配置電路方塊圖。在本發明的第一實施例中，各電源模組30包括具有一功率開關(如圖4A所示的SW1、SW2…SWn)的一降壓電路，所述降壓電路接收第一直流電源以及第二直流電源的其中一者，且轉換第一直流電源以及第二直流電源的其中一者，控制各電源模組30的輸出電壓，以提供各負載200所需的電源。在圖4A至圖4C中，各操作單元41可以控制一個電源模組30，各操作單元41也可以同時控制兩個或兩個以上的電源模組30。進一步而言，各操作單元41可以通過一個子控制器300而控制各功率開關(SW1、SW2…SWn)，各操作單元41也可以同時通過兩個或兩個以上的子控制器300而進一步控制兩個或兩個以上的功率開關(SW1、SW2…SWn)

如圖4A所示，本發明之第一實施例中，電源模組30與操作單元41的第一種配置關係是：各操作單元41通過至少一電源模組30包括的子控制器300而控制至少一功率開關(SW1、SW2…SWn)。例如，一子控制器300輸出控制訊號Sc1來控制功率開關SW1，另一子控制器300輸出控制訊號Sc2來控制功率開關SW2，又另一子控制器300輸出控制訊號Scn來控制功率開關SWn。其中，所述控制訊號Sc1~Scn可為脈波寬度調變(PWM)控制信號，通過控制各功率開關(SW1、SW2…SWn)的責任週期(Duty cycle)，進而控制各電源模組30的輸出電壓。其中，各功率開關(SW1、SW2…SWn)對應耦接各子控制器300，且各子控制器300之間彼此通訊耦接，以提供各功率開關(SW1、SW2…SWn)之間的控制通訊。所述控制通訊可以根據選擇各負載200所需的電源，用以對應地控制各電源模組30之間功率分配的通訊方式。

如圖4B所示，本發明之第一實施例中，電源模組30與操作單元41的第二種配置關係是：各操作單元41通過主控制器400而控制至少一功率開關(SW1、SW2…SWn)。例如，主控制器400輸出控制訊號Sc1來控制功率開關SW1，輸出控制訊號Sc2來控制功率開關SW2，輸出控制訊號Scn來控制功率開關SWn。同樣地，所述控制訊號Sc1~Scn可為脈波寬度調變控制信號，通過控制各功率開關(SW1、SW2…SWn)的責任週期，進而控制各電源模組30的輸出電壓。其中，各功率開關(SW1、SW2…SWn)分別耦接主控制器400，且主控制器400提供各功率開關(SW1、SW2…SWn)之間的控制通訊。所述控制通訊可以根據選擇各負載200所需的電源，用以對應地控制各電源模組30之間功率分配的通訊方式。

如圖4C所示，本發明之第一實施例中，電源模組30與操作單元41的第三種配置關係是：各操作單元41通過主控制器400以及至少一電源模組30所包括的子控制器300而控制至少功率開關(SW1、SW2…SWn)。例如，至少一子控制器300接收各操作單元41選擇各負載200所需電源的資訊，然後將各負載200所需電源的資訊傳送至主控制器400，主控制器400根據所接收的所需電源的資訊輸出控制訊號Sc1來控制功率開關SW1，輸出控制訊號Sc2來控制功率開關SW2，輸出控制訊號Scn來控制功率開關SWn。同樣地，所述控制訊號Sc1~Scn可為脈波寬度調變控制信號，通過控制各功率開關(SW1、SW2…SWn)的責任週期，進而控制各電源模組30的輸出電壓。其中，主控制器400耦接各子控制器300以及各功率開關(SW1、SW2…SWn)，且主控制器400提供各功率開關(SW1、SW2…SWn)之間的控制通訊。所述控制通訊可以根據選擇各負載200所需的電源，用以對應地控制各電源模組30之間功率分配的通訊方式。

為方便說明本發明直流輸出不斷電電源供應器之第一實施例的操作原理，以下以舉例數值的方式加以說明，然不以此為限制本發明。以圖1為例，當交流電源100正常時，交流直流轉換電路10將交流電源100的電壓(例如為110伏特)轉換且升壓為直流400伏特，作為第一直流電源，使得各電源模組30可接收第一直流電源，以供應各負載200所需的電源。當電池單元21進行充電時，充電單元23將第一直流電源的電壓(直流400伏特，且可提供的額定功率為2400瓦特)轉換成電池單元21的充電電壓(例如直流48伏特)，並對電池單元21進行充電。當交流電源100異常時，電池單元21的輸出電壓經升壓轉換單元22轉換且升壓為直流400伏特，作為第二直流電源，使得各電源模組30可接收第二直流電源，以供應各負載200所需的電源，以實現對各負載200的不間斷供電。

再者，當使用者通過操作單元41 (可以為指撥開關、旋鈕等)選擇第一負載200所需的電源，例如選擇第一負載200的供電電壓(例如直流60伏特)和／或供電功率(例如300瓦特)，此時，配合參見圖4A至圖4C的其中一者，通過主控制器400和／或子控制器300接收第一負載200所需電源的資訊(即直流60伏特的供電電壓和／或300瓦特的供電功率)，因此，控制第一電源模組30的功率開關SW1的責任週期，使得第一電源模組30輸出的電壓為60伏特和／或輸出的電流為5安培，以供應第一負載200所需電源。進一步而言，若第一電源模組30的最大輸出功率僅為150瓦特的情況，當一個操作單元41對應第一負載200調整至所需的300瓦特數值時，主控制器400和／或子控制器300可以依據所述一個操作單元41而同時調用第一電源模組30 (150瓦特)以及第二電源模組30 (150瓦特)同時供應給第一負載200，以滿足第一負載200所需電源(300瓦特)。然而本發明欲保護的操作單元41、電源模組30以及負載200彼此之間的數量關係並不在此限。

再者，若當負載200的數量為多個時，則通過主控制器400和／或子控制器300接收各負載200所需電源的資訊，進而控制各電源模組30的功率開關(SW1、SW2…SWn)的責任週期，以供應所選擇的各負載200所需的供電電壓和／或供電功率。

進一步地，若所選擇的各負載200所需的供電功率總和超過交流直流轉換電路10可供應的額定功率，則可通過各子控制器300之間的通訊(如圖4A所示)、主控制器400的整合(如圖4B所示)或者各子控制器300與主控制器400的整合(如圖4C所示)，得知各負載200所需的供電功率的資訊，藉此可通過等比例降低供電功率的方式，控制所對應的電源模組30的功率開關(SW1、SW2…SWn)的責任週期，以達到對各負載200皆能夠持續地供電；或者，可通過權重高低供電功率的方式，控制所對應的電源模組30的功率開關(SW1、SW2…SWn)的責任週期，使得權重較高的負載200能確保獲得所需的供電功率，其餘的負載200則依權重高低獲得部分所需的供電功率，以達到對各負載200皆能夠持續地供電。

參閱圖5至圖6B所示，圖5為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第四實施例的架構示意圖；圖6A至圖6B為本發明直流輸出不斷電電源供應器之功率因數校正級電路的電路圖。

如圖5所示，本發明的直流輸出不斷電電源供應器之第四實施例與前述第一實施例大致相同，惟第一實施例中具有隔離式拓樸結構的交流直流轉換電路10替換為具有非隔離式拓樸結構的功率因數校正級電路10’，並且第四實施例中的各電源模組30’相較於第一實施例中的各電源模組30更包括一隔離式拓樸結構31(配合參見圖8A至圖8C)

在本發明的第四實施例中，充放電模組20的充電單元23耦接電池單元21與功率因數校正級電路10’的一內部直流側(如圖5所示，使充電單元23耦接於功率因數校正級電路10’的交流輸入側以及直流輸出側之間)。以圖6A所示功率因數校正級電路10’為升壓式功率因數校正級電路為例，充電單元23可耦接於全波整流電路的輸出側(即升壓式轉換器的輸入側)，以實現充電單元23耦接功率因數校正級電路10’的內部直流側之方案。

如圖6A至圖6B所示，為本發明直流輸出不斷電電源供應器之功率因數校正級電路的電路圖。在本發明直流輸出不斷電電源供應器之第四實施例中，功率因數校正級電路10’可以為具有全波整流電路與升壓式轉換器所組成的升壓式功率因數校正級電路(如圖6A所示)，功率因數校正級電路10’亦可以為升壓式功率因數校正級電路更包括一抗電磁干擾濾波器12 (如圖6B所示)。

參閱圖7所示，為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第五實施例的功率因數校正級電路與充放電模組配置的電路方塊圖。在本發明的第五實施例中，與前述第四實施例大致相同，惟充放電模組20的充電單元23耦接電池單元21與功率因數校正級電路10’的一交流輸入側(如圖7所示，使充電單元23耦接交流電源100)。當電池單元21進行充電時，充電單元23接收交流電源100所輸出的交流電源，並轉換成適合對電池單元21充電的電壓大小。再者，當交流電源100異常時，電池單元21輸出電能，通過升壓轉換單元22將輸出的電壓升壓，以提供第二直流電源，使各電源模組30接收第二直流電源，且轉換第二直流電源，提供各負載200所需的電源，以實現對各負載200的不間斷供電。

請參閱圖8A至圖8C所示，為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第四實施例的電源模組與操作單元配置的電路方塊圖，其操作單元41與電源模組30之間的控制方式與前述第一實施例的描述相近似，其差異在於第四實施例中的各電源模組30’相較於第一實施例中的各電源模組30更包括一隔離式拓樸結構31，其他部分可參見第一實施例相應的記載說明，在此不再贅述。

在使用本發明所述任一實施例的直流輸出不斷電電源供應器的期間，當交流電源100正常時，至少一電源模組30接收該一直流電源，且轉換第一直流電源，提供至少一負載200所需的電源；當交流電源100異常時，至少一電源模組30接收第二直流電源，且轉換第二直流電源，提供至少一負載200所需的電源；此外，由於使用者可以通過至少一操作單元41 (可以為指撥開關、旋鈕等)選擇各負載200所需的電源，使至少一電源模組30、30’轉換第一直流電源以及第二直流電源的其中一者，對至少一負載200提供不間斷供電；為此，讓使用者可以自由搭配不同數量的負載200、調整各負載200所需功率數值、依使用需求或各負載所需而自由調整至少一電源模組30輸出的相關電性數值(如電壓值、電流值的其中至少一者)、以及在遭遇市電突然關斷的情況下可以保護與其電連接的多數個負載200的安全，以達到縮小體積、降低生產成本以及避免因突發性的電力中斷而導致硬體毀損與資料遺失之目的。

以上僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10:交流直流轉換電路

10’:功率因數校正級電路

11a:返馳式電路

11b:半橋式電路

11c:全橋式電路

11d:前向式電路

11e:推挽式電路

12:抗電磁干擾濾波器

20:充放電模組

21:電池單元

22:升壓轉換單元

23:充電單元

30、30’:電源模組

31:隔離式拓樸結構

40:使用者操作介面

41:操作單元

100:交流電源

200:負載

300:子控制器

400:主控制器

SW1~SWn:功率開關

Sc1~Scn:控制訊號

圖1為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第一實施例的架構示意圖；

圖2A至圖2F為本發明直流輸出不斷電電源供應器之交流直流轉換電路的電路圖；

圖3A為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第二實施例的交流直流轉換電路與充放電模組配置的電路方塊圖；

圖3B為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第三實施例的交流直流轉換電路與充放電模組配置的電路方塊圖；

圖4A至圖4C為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第一實施例的電源模組與操作單元配置的電路方塊圖；

圖5為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第四實施例的架構示意圖；

圖6A至圖6B為本發明直流輸出不斷電電源供應器之功率因數校正級電路的電路圖；

圖7為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第五實施例的功率因數校正級電路與充放電模組配置的電路方塊圖；以及

圖8A至圖8C為本發明直流輸出不斷電電源供應器之第四實施例的電源模組與操作單元配置的電路方塊圖。