TW202114334A

TW202114334A - 電源供應器

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Publication number: TW202114334A
Application number: TW108133352A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-04-01
Also published as: TWI698075B

Abstract

一種電源供應器，包括：一橋式整流器、一第一電容器、一變壓器、一功率切換器，以及一輸出級電路。橋式整流器係根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位。變壓器係根據整流電位來產生一變壓電位。輸出級電路包括一第一電晶體，並根據變壓電位來產生一輸出電位。第一電晶體包括一寄生二極體和一切換元件。當電源供應器操作於第一模式時，寄生二極體即關閉且切換元件為斷路狀態。當電源供應器操作於第二模式時，寄生二極體即啟動且切換元件為斷路狀態。當電源供應器操作於第三模式時，寄生二極體即關閉且切換元件為導通狀態。

Description

電源供應器

本發明係關於一種電源供應器，特別係關於一種可提升輸出效率之電源供應器。

傳統電源供應器之輸出端通常使用一輸出二極體作高頻切換控制，然而，此輸出二極體通常會有損耗較大、輸出效率較低之缺點。若改以一同步整流開關來取代輸出二極體，則仍會面臨電路複雜度及整體製造成本均太高之問題。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所遭遇之困境。

在較佳實施例中，本發明提出一種電源供應器，包括：一橋式整流器，根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位；一第一電容器，儲存該整流電位；一變壓器，包括一主線圈和一副線圈，其中該主線圈係用於接收該整流電位，而該副線圈係用於產生一變壓電位；一功率切換器，其中該主線圈係經由該功率切換器耦接至一接地電位，而該功率切換器係根據一時脈電位來進行切換操作；一輸出級電路，包括一第一電晶體，並根據該變壓電位來產生一輸出電位，其中該第一電晶體包括並聯耦接之一寄生二極體和一切換元件；以及一控制器，產生該時脈電位；其中當該電源供應器操作於一第一模式時，該寄生二極體即關閉且該切換元件為斷路狀態，當該電源供應器操作於一第二模式時，該寄生二極體即啟動且該切換元件為斷路狀態，而當該電源供應器操作於一第三模式時，該寄生二極體即關閉且該切換元件為導通狀態。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器100之示意圖。電源供應器100係用於驅動一負載元件190。例如，負載元件190可以是桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，電源供應器100包括：一橋式整流器110、一第一電容器C1、一變壓器130、一功率切換器140、一輸出級電路150，以及一控制器160，其中輸出級電路150包括一第一電晶體M1，而第一電晶體M1包括並聯耦接之一寄生二極體DP和一切換元件SW。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但電源供應器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。

橋式整流器110係根據一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2來產生一整流電位VR。第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2皆可來自一外部電源，其中第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2之間可形成具有任意頻率和任意振幅之一交流電壓。例如，交流電壓之頻率可約為50Hz或60Hz，而交流電壓之方均根值可約為110V或220V，但亦不僅限於此。第一電容器C1可用於儲存整流電位VR。變壓器130包括一主線圈131和一副線圈132，其中主線圈131可位於變壓器130之一側，而副線圈132則可位於變壓器130之相對另一側。主線圈131係用於接收整流電位VR，而作為對整流電位VR之回應，副線圈132可用於產生一變壓電位VT。主線圈131更經由功率切換器140耦接至一接地電位VSS。功率切換器140係根據一時脈電位VA來進行切換操作，其可交替地導通或斷開。輸出級電路150係根據變壓電位VT來產生一輸出電位VOUT，以驅動外部之負載元件190。控制器160可以是一控制積體電路，其中控制器160係用於產生時脈電位VA。時脈電位VA於電源供應器100初始化時可維持於一固定電位，而在電源供應器100進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。在較佳實施例中，電源供應器100可操作於一第一模式、一第二模式，或是一第三模式。詳細而言，當電源供應器100操作於第一模式時，寄生二極體DP即關閉且切換元件SW為斷路狀態。當電源供應器100操作於第二模式時，寄生二極體DP即啟動且切換元件SW為斷路狀態。當電源供應器100操作於第三模式時，寄生二極體DP即關閉且切換元件SW為導通狀態。根據實際量測結果，此種電路設計方式可消除傳統輸出二極體之非理想功率損耗，故使用輸出級電路150之電源供應器100將可大幅提升其輸出效率。

以下實施例將介紹電源供應器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200之示意圖。在第2圖之實施例中，電源供應器200具有一第一輸入節點NIN1、一第二輸入節點NIN2，以及一輸出節點NOUT，並包括一橋式整流器210、一第一電容器C1、一變壓器230、一功率切換器240、一輸出級電路250，以及一控制器260，其中輸出級電路250包括一第一電晶體M1。電源供應器200之第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2可由一外部電源處分別接收一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2，而電源供應器200之輸出節點NOUT可用於輸出一輸出電位VOUT至一負載元件290。

橋式整流器210包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3，以及一第四二極體D4。第一二極體D1之陽極係耦接至第一輸入節點NIN1，而第一二極體D1之陰極係耦接至一第一節點N1以輸出一整流電位VR。第二二極體D2之陽極係耦接至第一輸入節點NIN1，而第二二極體D2之陰極係耦接至一接地電位VSS。第三二極體D3之陽極係耦接至第一節點N1，而第三二極體D3之陰極係耦接至第二輸入節點NIN2。第四二極體D4之陽極係耦接至接地電位VSS，而第四二極體D4之陰極係耦接至第二輸入節點NIN2。

第一電容器C1之第一端係耦接至第一節點N1以接收並儲存整流電位VR，而第一電容器C1之第二端係耦接至接地電位VSS。

變壓器230包括一主線圈231和一副線圈232。主線圈231之第一端係耦接至第一節點N1以接收整流電位VR，而主線圈231之第二端係耦接至一第二節點N2。副線圈232之第一端係耦接至一第三節點N3以輸出一變壓電位VT，而副線圈232之第二端係耦接至接地電位VSS。

功率切換器240包括一第二電晶體M2。第二電晶體M2可為一N型金氧半場效電晶體。第二電晶體M2之控制端係用於接收一時脈電位VA，第二電晶體M2之第一端係耦接至接地電位VSS，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第二節點N2。控制器260係用於產生時脈電位VA。時脈電位VA於電源供應器200初始化時可維持於一固定電位(例如：接地電位VSS)，而在電源供應器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。

在輸出級電路250中，第一電晶體M1包括並聯耦接之一寄生二極體DP和一切換元件SW。例如，第一電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體，而寄生二極體DP和切換元件SW皆可為第一電晶體M1之內建元件。寄生二極體DP之陽極係耦接至第三節點N3以接收變壓電位VT，而寄生二極體DP之陰極係耦接至輸出節點NOUT。切換元件SW之控制端係耦接至一第四節點N4，切換元件SW之第一端係耦接至第三節點N3，而切換元件SW之第二端係耦接至輸出節點NOUT。在另一些實施例中，寄生二極體DP未與切換元件SW互相整合，使得寄生二極體DP可改為獨立之另一二極體，而切換元件SW可改為獨立之另一N型金氧半場效電晶體。

在一些實施例中，輸出級電路250更包括一第二電容器C2、一電感器L1，以及一第五二極體D5。第二電容器C2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電容器C2之第二端係耦接至接地電位VSS。電感器L1之第一端係耦接至第四節點N4，而電感器L1之第二端係耦接至接地電位VSS。第五二極體D5之陽極係耦接至輸出節點NOUT，而第五二極體D5之陰極係耦接至第四節點N4。

詳細而言，電源供應器200可操作於一第一模式、一第二模式，或是一第三模式。在一些實施例中，電源供應器200係依次序操作於第一模式、第二模式，以及第三模式，再不斷重複，請參考下列所述。

在第一模式中，第一節點N1之整流電位VR係高於第二節點N2之電位V2，而接地電位VSS係高於第三節點N3之變壓電位VT。此時，功率切換器240之第二電晶體M2被致能，寄生二極體DP被關閉，且切換元件SW為斷路狀態。另外，電感器L1會進行充電，第五二極體D5被啟動，而第二電容器C2所儲存之電荷則經由負載元件190和第五二極體D5來進行放電。

在第二模式中，第一節點N1之整流電位VR係低於第二節點N2之電位V2，而接地電位VSS係低於第三節點N3之變壓電位VT。此時，功率切換器240之第二電晶體M2被禁能，寄生二極體DP被啟動，且切換元件SW為斷路狀態。另外，第五二極體D5被啟動，而第二電容器C2會進行充電，但電感器L1之電位極性則因冷次定律而發生倒轉。亦即，若在第一模式中第四節點N4之電位V4低於接地電位VSS，則在第二模式中第四節點N4之電位V4會高於接地電位VSS。

在第三模式中，第一節點N1之整流電位VR仍低於第二節點N2之電位V2，而接地電位VSS仍低於第三節點N3之變壓電位VT。第三模式係發生於第二模式持續一段時間之後。此時，功率切換器240之第二電晶體M2被禁能，寄生二極體DP被關閉，且第五二極體D5被啟動。另外，充滿電之第二電容器C2將經由第五二極體D5與電感器L1發生共振，以拉高第四節點N4之電位V4並使切換元件SW為導通狀態。在第三模式結束後，電源供應器200又可回到第一模式，再周而復始前述各個模式。

必須注意的是，電源供應器200之輸出級電路250係以第一電晶體M1取代傳統之輸出二極體，且無須使用任何同步整流開關即能正常運作。根據實際量測結果，此種設計方式不僅能降低電路複雜度，更可提升電源供應器200之輸出效率。

在一些實施例中，電源供應器200之元件參數可如下列所述。第一電容器C1之電容值可介於96μF至144μF之間，較佳為120μF。第二電容器C2之電容值可介於544μF至816μF之間，較佳為680μF。電感器L1之電感值可介於40μH至60μH之間，較佳為50μH。主線圈231對副線圈232之匝數比值可介於1至40之間，較佳為20。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化電源供應器200之輸出效率。

本發明提出一種新穎之電源供應器，其輸出級電路包括具有寄生二極體和切換元件之第一電晶體。根據實際量測結果，使用前述輸出級電路之電源供應器可消除傳統輸出二極體之非理想功率損耗，而省略同步整流開關還可降低電路複雜度和壓縮整體製造成本。因此，本發明之電源供應器很適合應用於各種各式高輸出效率之電子裝置當中。

值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之電源供應器並不僅限於第1-2圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-2圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之電源供應器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此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。

100、200:電源供應器 110、210:橋式整流器 130、230:變壓器 131、231:主線圈 132、232:副線圈 140、240:功率切換器 150、250:輸出級電路 160、260:控制器 190、290:負載元件 C1:第一電容器 C2:第二電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 D3:第三二極體 D4:第四二極體 D5:第五二極體 DP:寄生二極體 L1:電感器 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 N4:第四節點 NIN1:第一輸入節點 NIN2:第二輸入節點 NOUT:輸出節點 SW:切換元件 V2、V4:電位 VA:時脈電位 VIN1:第一輸入電位 VIN2:第二輸入電位 VOUT:輸出電位 VR:整流電位 VSS:接地電位 VT:變壓電位

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之示意圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之示意圖。

100:電源供應器

110:橋式整流器

130:變壓器

131:主線圈

132:副線圈

140:功率切換器

150:輸出級電路

160:控制器

190:負載元件

C1:第一電容器

DP:寄生二極體

M1:第一電晶體

SW:切換元件

VA:時脈電位

VIN1:第一輸入電位

VIN2:第二輸入電位

VOUT:輸出電位

VR:整流電位

VSS:接地電位

VT:變壓電位

Claims

一種電源供應器，包括：一橋式整流器，根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位；一第一電容器，儲存該整流電位；一變壓器，包括一主線圈和一副線圈，其中該主線圈係用於接收該整流電位，而該副線圈係用於產生一變壓電位；一功率切換器，其中該主線圈係經由該功率切換器耦接至一接地電位，而該功率切換器係根據一時脈電位來進行切換操作；一輸出級電路，包括一第一電晶體，並根據該變壓電位來產生一輸出電位，其中該第一電晶體包括並聯耦接之一寄生二極體和一切換元件；以及一控制器，產生該時脈電位；其中當該電源供應器操作於一第一模式時，該寄生二極體即關閉且該切換元件為斷路狀態，當該電源供應器操作於一第二模式時，該寄生二極體即啟動且該切換元件為斷路狀態，而當該電源供應器操作於一第三模式時，該寄生二極體即關閉且該切換元件為導通狀態。
如申請專利範圍第1項所述之電源供應器，其中該橋式整流器包括：一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至一第一輸入節點以接收該第一輸入電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一第一節點以輸出該整流電位；一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第一輸入節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該接地電位；一第三二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第三二極體之該陽極係耦接至該第一節點，而該第三二極體之該陰極係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位；以及一第四二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第四二極體之該陽極係耦接至該接地電位，而該第四二極體之該陰極係耦接至該第二輸入節點。
如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該第一電容器具有一第一端和一第二端，該第一電容器之該第一端係耦接至該第一節點以接收該整流電位，而該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該主線圈具有一第一端和一第二端，該主線圈之該第一端係耦接至該第一節點以接收該整流電位，該主線圈之該第二端係耦接至一第二節點，該副線圈具有一第一端和一第二端，該副線圈之該第一端係耦接至一第三節點以輸出該變壓電位，而該副線圈之該第二端係耦接至該接地電位。
如申請專利範圍第4項所述之電源供應器，其中該功率切換器包括：一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第二節點。
如申請專利範圍第4項所述之電源供應器，其中該寄生二極體具有一陽極和一陰極，該寄生二極體之該陽極係耦接至該第三節點以接收該變壓電位，而該寄生二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位。
如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該切換元件具有一控制端、一第一端，以及一第二端，該切換元件之該控制端係耦接至一第四節點，該切換元件之該第一端係耦接至該第三節點，而該切換元件之該第二端係耦接至該輸出節點。
如申請專利範圍第7項所述之電源供應器，其中該輸出級電路更包括：一第二電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
如申請專利範圍第7項所述之電源供應器，其中該輸出級電路更包括：一電感器，具有一第一端和一第二端，其中該電感器之該第一端係耦接至該第四節點，而該電感器之該第二端係耦接至該接地電位。
如申請專利範圍第7項所述之電源供應器，其中該輸出級電路更包括：一第五二極體，具有一陰極和一陽極，其中該第五二極體之該陽極係耦接至該輸出節點，而該第五二極體之該陰極係耦接至該第四節點。