TW512580B - Switching power-supply unit - Google Patents

Description

512580 五、發明說明（1) 發明背景 技術範圍 本發明係有關一種用於脈寬調變（p u 1 s e w i d t h modulation，下文簡稱PWM)系統、使用共振等之頻率控制 或相位控制系統之切換式電源供應單元。 先前技藝 在傳統上，廣泛使用的切換式電源供應單元切換高頻 (例如100仟赫）整流與平化商用交流產生之直流，並使用 變壓器有效地將該電流轉換成所要的電遂。 此切換式電源供應單元使用輸出電磨控制系統，類如根 據輸出電壓變化控制切換脈波的責務比例之控制系 統、使用共振等控制切換脈波頻率或相位之頻率控相 位控制系統。 〆 當在未載入電流的等待狀態，負載功率 剛控制之切換式電源供應單元提供控制將導通責= 以穩定輸出電壓。零化導通責務而要 、 可能的’提供假電阻器可確保定值之導通責；，振盈疋' 因此，在PWM控制之切換式電貝才力 所需之功率防止功率消耗降至最'供應早70中，假電阻器 未使用假電阻器時，增加輪出電壓 停止穩定輸出電壓之振盪。若振 :^導通責務，仓 降低，將在5至1〇仟赫發生間、T且輸出電壓重複喊 換頻率降至聲音頻帶，且； 、 ^ 間歇振盪將切 且在不—致週期下可產生 丘流載入之等待狀態期， i 2二t之切換式電源供應單元 壓。總之，增加振盪 兀件之知矣， 、夭 因而防止功率消耗 發明簡述 干月耗 本發明係考量前述有關傳統切 因此本發明之目的θ 曰的疋要提供一種 的巧音而將功率消耗降至最低之 提ϋ 一種具有將來自交流電源 整流器電路、切換此整流器電路 件以及供應將由此切換元件切換 式電源供應單元，可達成上述目 一變壓器，具有用以感應對應 之電力的次級線圈； 直流輸出裝置，用以將在此變 電力整流及平化，俾輸出次級直 切換控制裝置，用以控制該切 此直流輸出裝置輸出特定的電壓 控制裝置’用以控制該切換控 在正常操作模式下，該控制裝 裝置’以在基本振盡頻率下操作 下，該控制裝置間歇地動作該切 時間週期以既定的重複間隔導通 模式下負載及該直流輸出裝置之 當負載功率變得極小時， 提供控制增加振盈頻率以 頻率亦增加變壓器及切換 降至最低。 換式電源供應單元而成。 在等待狀態期不產生刺耳 切換式電源供應單元。 供應之交流轉換成直流的 整流過的電流用之切換元 的電流之初級線圈的切換 的’其包含： 於供至此初級線圈的電流 壓器之次級線圈所感應之 流電力； 換元件之切換操作，俾從 :及 制裝置之操作， 置持續地動作該切換控制 該切換元件，在備用模式 換控制裝置，俾在既定的 該切換元件，由於在備用 功率消耗，該重複間隔是

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出裝置之輸出電壓降至保證之負載操作電 ^定$首^ =入聲音頻帶之時間為長，而該時間週期較 私疋έ亥直流輸出裝罟 w竿乂 帶之時間為長/置的輸出之化間為I’且較進入聲音頻 姓ί ί ί ^明之切換式電源供應單元藉由正常操作模弋下 :續地動作切換控制裝置以在 =下 且& ϋ 怨期間之功率消耗降至最低而不會產生削 耳的雜s ，或備用模式下間歇地 ^刺 期以既定的重複間隔導通切換元 =間而較進入聲音頻帶之時間為*，而該電 之時間為長。的輪出之k間為長’且較進入聲音頻帶 圖式數個觀點之簡述 圖1為顯示根據本發 塊電路圖； 圖2為示出切換式電 之時間圖；及 明之切換式電源供應單元架構之方 源供應單元在等待模式的切換動作 源供應單元中模式切換控制器之 “圖3為顯示在切換式電 板式控制程序流程圖。 發明之詳細說明 將參考附圖對本發明之具體實施例做更詳細 歹如，根據本發明之切換式電源供應單元之架構如圖 512580

=示。圖1中之切換式電源供應單元包含經交流輸入濾波 f 2，連接至商用電源輸入端丨之交流整流器3。交流整流 =3是由來自商用電源輸入端丨之交流電源經交流輸入濾波 為2供應的。交流整流器3將交流電源整流及平化，以將之 轉換成直流電源輸出。交流整流器3與起動電路4並經切換 元件5與轉換器變壓器丨〇之初級線圈丨〇a相連接。 —2換器變壓器1〇之次級線圈1〇β係連接含二極體21及電 谷的2 2之整流及平化電路2 〇。整流及平化電路2 〇經電壓偵 測電阻器23連接次級電壓控制器24。再者，整流及平化電 〇二模式切換控制#號產生器2 6並經電流偵測電阻器2 $ 與負載電路30相連接。整流及平化電路2〇之整流過及平順 化的輸出供予以次級電壓控制器24及模式切換控制信號產 生器2。6之電源端以做為驅動電力。備用信號輸入端& ς備 用#，供予模式切換控制信號產生器26。次級電壓控制器 24及模式切換控制信號產生器26使用CM〇s(互 °° 化物半導體）1 c以將電力消耗降低至5 0微安。 此一切換式電源供應單元是基於脈寬調變（pwM)的。該 Γϋί源供應單元使用PWM控制電路6，以響應來自：級 電[控制器24之控制輸出做切換元件5之PWM控制之切 作/WM控制電路6使用在備用模式消耗8微安電流之c‘ 。來自起動電路4經二極體7a之驅動輸出供予_控制電路 νΛ/端變壓Λ1。之三次線圈10c的三次輪出經二極體7b 贤主冤源鳊。來自次級電壓控制器2 4經光耦合器11之控制

第8頁 512580 五、發明說明（5) 輸出供予PWM控制電路6。 :亥：換式電源供應單元包含模式切換控制器8，其由模 二53產生益26經光鵜合器12供予模式切換控制 制器8使用τ由微晶片（Microchips)公 】二==14位元單晶片微電腦PIC12C671。ριπ 2c67i在睡 :权式消耗7微安電流。來自轉換器變壓器1〇之三次線圈 i〇c的三次輸出經二極體7C供予模式切換控制器8之電源 =。，式切換控制器8根據來自模式切換控制信號產生器 6 !光耦合益12提供之模式切換控制信號控制 及_制電路6之操作，在正常操作模式，模式切換控制 8持績地動作PWM控制電路6，俾在基本振盪頻率下操作切 換凡件5。在備用模式下，模式切換控制器8間歇地操作 PWM控制電路6，俾在既定的時間週期以既定的重複間隔 通切換元件5。由於在備用模式下負載及整流與平化電路 2 0之功率消耗，此一重複間隔是短於將整流與平化電路2 〇 之輸出電壓降至保證之負載操作電壓之時間而較進入聲音 頻帶之時間為長。該時間週期較穩定直流輸出裝置的輸^ 之時間為長，且較進入聲音頻帶之時間為長。 光耦合器1 1及1 2為用以將信號從次級側送回至初級側之 信號耦合器。這些耦合器為使用光M〇s裝置以節省備用時 電流之低功率消耗、常閉式的光耦合器。 在如此架構之切換式電源供應單元中，由商用電源輸入 端1之交流電經交流輸入濾波器2供應交流整流器3。經整 流及平化所供應之交流電源後，交流整流器3輸出直流電

第9頁 512580 五、發明說明（6) 源。在此時，該直流電源驅動起動電路4，以將驅動信號 供至PWM控制電路6。PWM控制電路6在約1 00仟赫之頻率開 始振盡。PWM控制電路6之振盪輸出使得切換元件5進行切 ，動作。切換元件5切換了交流整流器3供應至轉換器變壓 為1 〇的初級線圈1 〇 A之直流電流。轉換器變壓器丨〇在次級 線圈10B及三次線圈10C分別產生次級輸出及三次輸出。、 在轉換器變壓器1〇之三次線圈1〇c產生之三次輸出是 為PWM控制電路6及模式切換控制器8之驅動電源。 ★ 2換器變壓器10之次級線圈1〇B產生之次級 及平化電路20中整流與平順化。 正 1 式切換控制信號產生器26之驅動電源。a 、巧出經電流偵測電阻器25供至負載電路3〇。 、 -人級電壓控制器24經電壓偵 電路2。所整流及平化過之直流輪=2。3 =流及平化 2 4比較此直流輸出電壓與參考電壓，：=制器 、、及電壓控制器24將對應此誤差電 差電壓。次 11送回至PWM控制電路6。 幺之抆制輸出經光耦合器 PWM控制電路6根據該控制 :之誤差電壓)改變振盪輸出脈出(：二人級電壓控制器24送 件5之切換動作。 戍見度，以PWM控制切換元 由PWM控制切換元件5之切換 路2〇供至負載電路30之直流輸定從整流及平化電 此-切換式電源供應單元在正3 :可能的。 作。 吊知作模式下如上述地操 512580 五、發明說明（7) 在=切換式電源供應單元之正常操作模式下，模式切換 控制#號產生器26經電流偵測電阻器25偵測流至負載電路 3^之電流（即負載消耗電流）降至低於一特定值（例如2毫 選擇性地，經由備用信號輸入端27將備用信號供予 模式切換控制信號產生器2 6。在這些情況下，模式切換控 ，=產生器26以起動備用模式用之模式切換控制信號^ 光搞合器1 2供予模式切換控制器8。 當模式切換控制信號產生器26供給起動備用模式用之 式切換控制信號時，模式切換控制器8做了從正常操作模、 式切換成備用模式之準備。當模式切換控供' 特 秒)時，模式切換控制器8之控制將以： 杈式改變成備用模式。 Φ w 用莫式切換控制器8將表示備用模式之備 用b唬供予起動電路4及PWM控制電路6，然後停 路4以將PWM控制電路6置入備用狀態。 ” ，備用模式下，模式切換控制信號產生器26檢查供 ，電路30之電流（即負載消耗電流）是否增加。選性' :Ϊ : ί Ϊ制信號產生器26檢查經備用信號輸入端27供认 電，則電阻器25的介入進行這些檢查。當改過 =切換控制信號產生器26將起動正常操作模 ： 換控制信號經光耦合器1 2供至模式切換控制器8。、式刀 ”換控制器8使用中斷處理控制操作模式： 起動正常操作模式用之模式切換控制信號中斷時，田模式

第11頁 五、發明說明（8) 切換控制器8立即將起動正常 起動電路4及PWM控制電路6。缺後槿；觸發信號供予 t^4^PWM^ #j 4=…、後杈式切換控制器8將起動 略4及技制電路6之操作恢復成正常操 如圖2所示，怠惰狀態可持續一 ’、、工 φ b \ 貝 符疋期間（例如2 5秒或 更長），而不對起動正常操作桓 V U如Z. b咎戏 =中斷。在此情況’模式切換㈣器 3;;ί!ΓΛΡΜ控制電路6達例如°·2秒，以動7這 錮：ΐί“ 輸電壓。對於從備用狀態之觸發，使用 類如增加的負載電流、來自機 能的。 个曰械、、且的^说4之各種信號是可 仟：Ϊ下，Λ切換式電源供應單元使用約1〇〇 1敫薄妒；r从項率之基本振盪頻率而如PWM控制之切換式 =ίΪ 備用模式下，胃切換式電源供應單元以 in 定導通責務進行切換動作，該頻率是固定 至最‘第一頻率為長之週期。此將備用模式之功率消耗降 頻1:^:頻率使用°.37赫及7.5%之導通責務。該第二 Λ ^ I貝務視存在初級電容器的可用能量與可使用兮 能ί :持次級輸出電壓的時間之間的關係而定。對於2 6: 伏又/爪輸入’在備用模式下操作期間的功率消耗是36〇毫 瓦Χ0. 2秒=〇· 〇72瓦秒，而在睡眠模式為35毫瓦χ2· 5秒 一〇\〇88瓦秒。平均功率消耗為59毫瓦。在1〇〇伏之低輸乂入 電，，在備用模式之功率消耗約為2 64伏交流輸入者之一 半或更低。在備用模式之切換頻率是低至0· 37赫。此係在 512580 五、發明說明（9) 聲音頻帶之外且不會產生刺耳的雜音 在切換式電源供應單元之此具體實施例中，頻率及導通 責務係如下決定的：假設輸入容量為47微法/4〇〇伏；次級 輸出電容器大小是1，2 〇 〇微法/1 6伏；且控制電源容量為 1，0 0 0微法/ 3 5伏。 假設電源供應之保證操作電壓為9〇伏至4 〇〇伏直流，而 初級電容器大小為47微法，對1〇〇伏交流（141伏直^ 用能量為： 47 微法 χ(ΐ4 12 -9 02 )/2 = 0· 277 焦耳 若確保次級輸出電壓所需功率為35毫瓦，最A怠惰㈣ 馬： 0· 2 77焦耳/35毫瓦=7· 9秒 此例使用具有餘裕之2· 5秒。操作時之有效功 Ϊ籍，若=供應為軟式起動，心。毫秒内電源輸出; ίίΐ二=PWM控制以穩定次級輸出電壓。此操作 日π間可正好疋1 〇耄秒或更長。 如對此切換式電源供應單元之圖 晶Μ料雷聪夕指斗丄h 口ύ机权圖所不，使用早 日日片掀電恥之杈式切換控制器8在 S2)，設定中斷（步驟S3) 提升輸入（步驟S5)。 當在步驟S2設定WDT日夺 驟：設定CPU環境（步驟S1)，設定起始牯執仃下列步 ； 4視計時器（WDT )(步驟 设定輪入/輸出埠（步驟S4)，並 首頁槽用以將WDT設定成2. 秒。 然後將糊設定成輪出（步驟S6)，是設定成輸入

第13異 512580 五、發明說明（ίο) (步驟S7)。 然後打開埠B 0輸出（步驟S 8 )以驅動起動電路4及ρ ψ μ控制 電路6。 為維持在備用模式的輸出，在強制地動作PWM控制電路6 之時間（0 · 2秒）到達前，模式切換控制器等待（步驟g g )。 然後防止埠B1之輸入顫動（步驟S1 0 )。當在埠b 1相同的 輸入狀況持續2秒時，顫動防止處理在埠B丨接受此輸入為 有效之輸入（新STB)。可由多數決定有效輸入。 假設被接受為有效輸入之最近結果（新STB)在步驟1〇受 到顏=防止’次一最近結果（舊STB)被接受為有效輸入， 及目別的運轉模式（d a t S T B )，下列之條件生效。 dat STB = (新STB & 舊STB) | (新STB & dat STB) | (dat STB & 舊STB)

舊STB=新STB 日，於1些條件，視dat STB是否為i決定備用模式。也就 疋4 ，式切換控制器檢查操作模式，當dat STB=1，其 為備用模式；或者當dat STB = 〇，其為正常模式（步驟 田^驟S 1 1結果為否時，正常操作模式生效。在此情況 cnu 丁 ΐ埠β〇之輪出（步驟Sl2)以再起動監視計時器（步驟 舍半後控制回至步驟％並重複步驟S 6至^3之處理。 閉：bV於2結果為是時，備用模式生效。在此情況，關 式切換=制号步/^S10以再起動監視計時器（步驟S15)。模 、二。在睡眠模式等待（步驟S1 6)。在2. 5秒後，控

512580 五、發明說明（11) 制回至步驟S6並重複步驟S6至S1 6之處理。 此切換式電源供應單元使用以可程式化的單晶片微電腦 為基礎之模式切換控制器8。修改程式軟體，自由地設定 控制時間並提供適用之電源供應器是可能的。若程式執行 異常時，即使用再起動監視計時器執行軟式重定。切換式 電源供應單元自動重新開始。

第15頁 512580 背，^修正 ft. S.24 案號 90101655 圖式簡單說明 圖式元 件符 號 說 明 1 商 用 電 源 2 交 流 輸 入 濾、 波 器 3 交 流 整 流 器 4 起 動 電 路 5 切 換 元 件 6PWM 控 制 電 路 7a 二 極 體 7b 二 極 體 7c 二 極 體 δ 模 式 切 換 控 制 器 10 轉 換 器 變 壓 器 1 ΟΑ 初 級 線 圈 1 ΟΒ 次 級 線 圈 10C -一 次 線 圈 11 光 耦 合 器 12 光 耦 合 器 20 整 流 與 平 化 電 路 * 21 二 極 體 22 電 容 器 23 電 壓 偵 測 電 阻 器 24 次 級 電 壓 控 制 器 25 電 流 偵 測 電 阻 器 26 模 式 切 換 控 制 信號產生器 27 備 用 信 號 輸 入 端

O:\67\67234-9i0524.ptc 第16頁 512580 案號 90101655 圖式簡單說明 30 負載電路 liiii 第17頁 O:\67\67234-910524.ptc

Claims (1)

1. 512580 91. 年 案號 9010165$ δ. tr -，-ί t . rj；：； 兮/年^曰 修正 六、申請專利範 」 1 . 之交 整流 換的 流之 應之 俾從 切換 一備 置， 件， 消耗 至保 長， 之時 2. 含 定期 一種 流轉 過的 電流 一變 電力 一直 電力 一切 此直 一控 在一 控制 用模 俾在 其中 ，該 證之 且其 間而 如申 電流 其中 間内 圍 切換式電源供應單元，具有將來自交流電源供應 換成直流的整流器電路、用以切換此整流器電路 電流的切換元件以及用以供應將由此切換元件切 的初級線圈，包含： 壓器，具有用以感應對應於供至此初級線圈的電 的次級線圈， 流輸出裝置，用以將在此變壓器的次級線圈所感 整流及平化，俾輸出次級直流電力； 換控制裝置，用以控制該切換元件之切換操作， 流輸出裝置輸出特定之電壓；及 制裝置，用以控制該切換控制裝置之操作， 正常操作模式下，其中該控制裝置持續地動作該 裝置，以在基本振盪頻率下操作該切換元件，在 式下，其中該控制裝置間歇地操作該切換控制裝 既定的時間期間以既定的重複間隔導通該切換元 由於在備用模式下負載及該直流輸出裝置之功率 重複間隔是短於將該直流輸出裝置之輸出電壓降 負載操作電壓之時間而較進入音頻頻帶之時間為 中該時間期間是長於穩定該直流輸出裝置的輸出 較進入音頻頻帶之時間為長。 請專利範圍第1項之切換式電源供應單元，尚包 偵測裝置，用以偵測負載電流已低於一特定值， 在正常操作模式下當該電流偵測裝置偵測到在特 負載電流低於一特定值時，該控制裝置進行備用

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