TWI388976B - Power supply for negative pressure load - Google Patents

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Description

負壓負載用之電源供應器
本發明係關於一種電源供應器的輔助電源電路，尤指一種負壓負載用之電源供應器。
請參閱第三圖所示，係為一種既有負壓負載電源供應器，其包含有：
一交換式電源單元(50)，係主要包含有一整流濾波電路(51)、一功率因數校正電路(52)及一直流對直流電源電路(53)，其中該整流濾波電路(51)係透過一開關電路(511)連接至一交流電源，以將該交流電源轉換為直流電源後輸出至功率因數校正電路(52)，由功率因數校正電路(52)調整電流及電壓相位一致後，將直流電源經直流對電流電源電路(53)予以降壓及穩壓輸出至少一組低壓直流電源，供一負壓負載(60)連接；
一監控單元(54)，係連接至該開關電路(511)的控制端，並連接至該交換式電源單元(50)整流濾波電路(51)的輸出端，以檢知交流電源狀態，並依據交流電源正常與否控制開關電路(511)啟閉；及
一輔助電源電路，係包含有一第一及第二輔助電路單元(55)(56)，其中該第一輔助電源單元(55)係連接該整流濾波電路(51)的輸出端，以將該直流電源予以轉換成一第一直流工作電源，並輸出至該第二輔助電源單元(56)，透過第二輔助電源單元(56)將第一直流工作電源予以轉換後提供予該監控單元(54)；又該第二輔助電路單元(56)係連接至交換式電源單元(50)的直流對直流電源電路(53)的輸出端，即與該負壓負載(60)並聯連接，將該低壓直流電源或負壓負載的負載轉換為第二直流工作電源予監控單元(54)。
由於負壓負載(60)通(-54V)常為電池組或系統母排，故當交流電源正常時，該等負壓負載會蓄電，此時該監控單元(54)會監控該交流電源是否保持正常，若是則持續對負壓負載(60)供電，反之則控制該開關電路(511)斷路，令交流電源不再輸入交換式電源單元(50)連接。在交流電源正常供電狀態下，該監控單元(54)的工作電源係由第一輔助電源單元(55)將交流電源轉換成第一直流電源，再由第二輔助電源單元(56)將第一直流電源再轉換為符合該監控單元工作電源的第二直流電源。當監控單元控制開關斷路(511)而中斷後，則第一輔助電源單元(55)不再輸出第一直流電源，此時由於該第二輔助電源單元(56)係與負壓負載(60)並聯連接，故可將負壓負載(60)蓄積的負壓電源轉換為第二直流電源，以持續提供予監控單元(54)工作電源，令該監控單元(54)於檢知交流電源正常時，再控制開關電路(511)開啟，令交流電源再輸入至該交換式電源單元(50)，對負壓負載(60)供電。
然而，上述提供負壓負載用的電源供應器仍存有以下缺點：
1.當交流電源正常時，監控單元的工作電源係由第一及第二輔助電源單元提供，因此整體電源供應器的轉換效率低。
2.以一負壓負載為例來說，其電壓為-54v，因此該輔助電源電路提供予使用正壓(+5v)工作電源的監控單元，其第一及第二輔助電源單元必須為隔離式電源電路，因此增加了電路整體體積及電路複雜度。
3.由於第一輔助電源單元的輸入端係連接至整流濾波電路，以取得轉換輸出第一直流電源的電源，然而為了提供第一輔助電源單元電源，該交換式電源單元濾波電路與功率因數校正電路之間必須設有一濾波電容，而此一濾波電容會將影響功率因數校正效果不佳。
請參閱第四圖所示，為了改善上述部份缺點，另一種既有負壓負載電源供應器被提出，其與上述電源供應器大致電路相同，惟該監控單元(54a)係連接至該第一輔助電源單元(55a)的輸出端，而第二輔助電源單元(56a)係透過第一輔助電源單元(55a)連接至監控單元(54a)；如此一來，當交流電源正常時僅由該第一輔助電源單元(55a)提供監控單元(54a)工作電源，若交流電源中斷時，則再由第二輔助電源單元(56a)透過第一輔助電源單元(55a)提供第二直流電源予監控單元(54a)。實際上，交流電源正常供電時間較中斷時間長；因此，此一電源供應器在交流電源正常時的整體轉換效率確實較上述電源供應器佳，但在交流電源中斷時，第二輔助電源單元(56a)仍須透過該第一輔助電源單元(55a)對監控單元(54a)供電，轉換效率仍差。再者，由於整流濾波電路(51)係包含有一濾波電容(CF )，以提供直流電源予第一輔助電源單元(55a)，故對於功率因數校正電路(52)的校正效果仍差。
有鑑於上述缺點，本發明的主要目的係提供一種負壓負載用之電源供應器，具有良好的功率因數校正值，有效提高不論在交流電源正常供電或中斷狀態下的轉換效率。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該負壓負載電源供應器包含有一整流電路的輔助電源電路包含有：
一交換式電源單元，係主要包含有一整流電路、一功率因數校正電路及一直流對直流電源電路，其中該整流電路係連接至一交流電源，以將該交流電源轉換為直流弦波電源後輸出至功率因數校正電路，由功率因數校正電路調整直流弦波電源的電流及電壓相位一致後，輸出一直流電源至該直流對直流電源電路，由該直流對直流電源電路予以降壓及穩壓，輸出至少一組低壓直流電源，供一負壓負載連接；
一監視單元，係與該交換式電源單元耦接，以檢知該交換式電源單元工作狀態；
一第一輔助電源單元，其輸入端係連接至該交換式電源單元之功率因數校正電路的輸出端，而輸出端則連接至該監視單元的電源端，該第一輔助電源單元係將直流電源轉換為第一直流電源後輸出至該監視單元的電源端；及
一第二輔助電源單元，其輸入端係連接至該交換式電源單元之直流對直流電源電路的輸出端及監視單元的輸入端，供與負壓負載並聯連接，又其輸出端則連接至該監視單元的電源端，該第二輔助電源單元係將負壓負載的負壓電源轉換為第二直流電源後輸出至該監視單元的電源端；其中該第二輔助電源單元係由該監視單元輸出控制訊號加以驅動之。
上述本發明主要令該監視單元的電源端與該第一輔助電源單元及第二輔助電源單元的輸出端連接，而且第一及第二輔助電源單元之間互不連接；當交流電源正常時，該第一輔助電源單元提供工作電源予監視單元，並同時控制第二輔助電源單元關閉；反之，當交流電源中斷時，第一輔助電源單元不再供電予監視單元，同時該監視單元係控制該第二輔助電源單元動作，由第二輔助電源單元將負壓負載的負壓電源轉換並供應予監視單元；是以，該監視單元不論交流電源存在否，均能維持運。由於該第一輔助電源單元的輸入端連接至交換式電源單源的功率因數校正電路的輸出端，故其整流單元不必再連接一整流電容，因此功率因數校正電路的功效因數校正效果提升，又同一時間僅由一組輔助電源單元提供電源予監視單元，故本發明供負壓負載之電源供應器的整體轉換效率得以有效提高。
首先請參閱第一圖所示，係為本發明負壓負載用的電源供應器方塊圖，其包含有：
一交換式電源單元(10)，係主要包含有一整流電路(11)、一功率因數校正電路(12)及一直流對直流電源電路(13)，其中該整流電路(11)係連接至一交流電源，以將該交流電源轉換為直流弦波電源後輸出至功率因數校正電路(12)，由功率因數校正電路(12)調整直流弦波電源的電流及電壓相位一致後，輸出一直流電源至該直流對直流電源電路(13)，由該直流對直流電源電路(13)予以降壓及穩壓，輸出至少一組低壓直流電源，供一負壓負載(20)連接；
一監視單元(14)，係與該交換式電源單元(10)耦接，該交換式電源單元(10)工作狀態；於本實施例中，該監視單元(14)係耦接於交換式電源單元(10)的直流對直流電源電路(13)輸出端，以監視其電壓及電流狀態後，將電壓及電流狀態輸出至一外部主機(30)；
一第一輔助電源單元(15)，其輸入端係連接至該交換式電源單元(10)之功率因數校正電路(12)的輸出端，而輸出端則連接至該監視單元(14)的電源端，該第一輔助電源單元(15)係將直流電源轉換為第一直流電源後輸出至該監視單元(14)的電源端；其中該第一輔助電源單元(15)係為隔離式電源電路；及
一第二輔助電源單元(16)，其輸入端係連接至該交換式電源單元(10)之直流對直流電源電路(13)的輸出端及監視單元(14)的輸入端，供與負壓負載(20)並聯連接，又其輸出端則連接至該監視單元(14)的電源端，該第二輔助電源單元(16)係將負壓負載(20)的負壓電源轉換為第二直流電源後輸出至該監視單元(14)的電源端；其中該第二輔助電源單元(16)係由該監視單元(14)輸出控制訊號加以驅動之；該第二輔助電源單元(16)係為非隔離式的電源電路。
請配合參閱第二A圖所示，係為上述第二輔助電源單元(16)第一較佳實施例的詳細電路圖，即為一非隔離式的升降壓(Buck-Boost)混合型電源電路，其包含有：
一儲能電感(161)，係透過一主動開關(162)與負壓負載(20)電源端並聯；於本實施例中，該主動開關(162)係為一MOSFET，其閘極係為控制端；
一濾波電容(163)，係透過一逆向二極體(164)與儲能電感(161)並聯，又該濾波電容(163)係連接至該監視單元(14)的電源端，提供一低正壓直流電源予該監視單元(14)電源端；
一脈寬調變控制器(165)，係連接至該負壓負載(20)電源端，並與該主動開關(162)的控制端連接，輸出一脈寬調變訊號子該主動開關(162)的控制端，又該脈寬調變控制器(165)的致能端係連接至該監視單元(14)，以接收該監視單元(14)的控制訊號；及
一電壓回饋單元(166)，係連接於該監視單元(14)的電源端與該脈寬調變控制器(165)的一電壓回饋端，令脈寬調變控制器(165)依據監視單元(14)電源端電壓變化調變脈寬調變訊號的脈寬寬度，進而決定該主動開關(162)的導通時間；於本實施例中，該電壓回饋單元(166)係為一差分放大器，其正相及反相輸入端係連接至該監視單元(14)源電源端。
又請配合參閱第二B圖所示，係第二輔助電源單元(16a)的第二較佳實施例，其電路結構與第一較佳實施例相同，惟該脈寬調變控制器(165a)係整合有主動開關(162)，故可省卻額外外加主動開關(162)。
上述第二輔助電源單元(16)(16a)係採用升降壓電源電路將負壓負載(20)的負壓直流電源轉換為低正壓直流電源，作為監視單元(14)的工作電源，由於監視單元(14)係依交流電源中斷與否的狀態，決定輸出控制訊號，因此第二輔助電源單元(16)(16a)的脈寬調變控制器係因接收到該監視單元(14)因交流電源中斷輸出控制訊號，而開始輸出脈寬調變訊號予主動開關(162)，令濾波電容(163)提供一低正壓直流電源予監視單元(14)電源端；反之，則停止輸出脈寬調變訊號，使串接於儲能電感(161)及負壓負載(20)電源端之主動開關(162)關閉，而停止供予監視單元(14)的電源端。由於本實施例的第二輔助電源單元(16)(16a)採用非隔離式電源電路，故有助於縮減電源供應器體積及成本。
以下謹進一步說明本發明電路動作：
1.交流電源正常：
本發明交流電源係先經過整流電路(11)整流成一直流弦波電源後，由該功率因數校正電路(12)升壓或降壓成一直流電源，再由該直流對直流電源電路(13)將該直流電源予以降壓至一低壓直流電源。由於負壓負載(20)的電源端正負極係與低壓直流的負正極連接，故構成一負壓直流電源。於交流電源正常狀態下，第一輔助電源單元(15)係直接連接該功率因數校正電路(12)的輸出端，將直流電源予以降壓輸出一第一直流電源，並提供予該監視單元(14)的電源端。此時，監視單元(14)依據交流電源正常狀態不輸出控制訊號予第二輔助電源單元(16)，故第二輔助電源單元(16)並不動作。
2.交流電源中斷：
當交流電源中斷，該交換式電源單元(10)不再輸出低壓直流電源予負壓負載(20)，且該第一輔助電源單元(15)亦不再輸出第一直流電源予監視單元(14)，在此同時該監視單元(14)立即輸出控制訊號予第二輔助電源單元(16)的致能端，令第二輔助電源單元(16)啟動並將負壓負載(20)的負壓電源轉換為第二直流電源，並提供予該監視單元(14)的電源端，維持該監視單元(14)運作；直到交流電源回復正常時，該第二輔助電源單元(16)不再輸出第二直流電源。
由上述說明可知，本發明具有以下優點：
1.本發明具有較佳功率因數效果：由於該第一輔助電源單元的輸入端連接至交換式電源單源的功率因數校正電路的輸出端，故其整流單元不必再連接一整流電容。
2.本發明整體轉換效率提升：本發明同一時間僅由一組輔助電源單元提供電源予監視單元，故本發明供負壓負載之電源供應器的整體轉換效率得以有效提高。
(10)．．．交換式電源單元
(11)．．．整流電路
(12)．．．功率因數校正電路
(13)．．．直流對直流電源電路
(14)．．．監視單元
(15)．．．第一輔助電源單元
(16)．．．第二輔助電源單元
(161)．．．儲能電感
(162)．．．主動開關
(163)．．．濾波電容
(164)．．．二極體
(165)(165a)．．．脈寬調變控制器
(166)．．．電壓回饋單元
(20)．．．負壓負載
(30)．．．外部主機
(50)．．．交換式電源單元
(51)．．．整流濾波電路
(511)．．．開關電路
(52)．．．功率因數校正電路
(53)．．．直流對直流電源電路
(54)(54a)．．．監控單元
(55)(55a)．．．第一輔助電源單元
(56)(56a)．．．第二輔助電源單元
(60)．．．負壓負載
第一圖：係本發明電源供應器的方塊圖。
第二A圖：係本發明第二輔助電源單元之第一較佳實施例的詳細電路圖。
第二B圖：係本發明第二輔助電源單元之第一較佳實施例的詳細電路圖。
第三圖：係一種既有負壓負載電源供應器方塊圖。
第四圖：係另一種既有負壓負載電源供應器方塊圖。
(10)．．．交換式電源單元
(11)．．．整流電路
(12)．．．功率因數校正電路
(13)．．．直流對直流電源電路
(14)．．．監視單元
(15)．．．第一輔助電源單元
(16)．．．第二輔助電源單元
(20)．．．負壓負載
(30)．．．外部主機

Claims (7)

  1. 一種負壓負載用之電源供應器，其包含有：一交換式電源單元，係主要包含有一整流電路、一功率因數校正電路及一直流對直流電源電路，其中該整流電路係連接至一交流電源，以將該交流電源轉換為直流弦波電源後輸出至功率因數校正電路，由功率因數校正電路調整直流弦波電源的電流及電壓相位一致後，輸出一直流電源至該直流對直流電源電路，由該直流對直流電源電路予以降壓及穩壓，輸出至少一組低壓直流電源，供一負壓負載連接；一監視單元，係與該交換式電源單元耦接，以檢知該交換式電源單元工作狀態；一第一輔助電源單元，其輸入端係連接至該交換式電源單元之功率因數校正電路的輸出端，而輸出端則連接至該監視單元的電源端，該第一輔助電源單元係將直流電源轉換為第一直流電源後輸出至該監視單元的電源端；及一第二輔助電源單元，其輸入端係連接至該交換式電源單元之直流對直流電源電路的輸出端及監視單元的輸入端，供與負壓負載並聯連接，又其輸出端則連接至該監視單元的電源端，該第二輔助電源單元係將負壓負載的負壓電源轉換為第二直流電源後輸出至該監視單元的電源端；其中該第二輔助電源單元係由該監視單元輸出控制訊號加以驅動之。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之負壓負載用之電源供應器，該第一輔助電源單元係為一隔離式電源電路電源電路。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之負壓負載用之電源供應器，該第二輔助電源單元係為一非隔離式電源電路。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之負壓負載用之電源供應器，該第二輔助電源單元係為一升降壓混合型電源電路，其包含有：一儲能電感，係透過一主動開關與負壓負載電源端並聯；一濾波電容，係透過一逆向二極體與儲能電感並聯，又該濾波電容係連接至該監視單元的電源端，提供一低正壓直流電源予該監視單元電源端；一脈寬調變控制器，係連接至該負壓負載電源端，並與該主動開關的控制端連接，輸出一脈寬調變訊號予該主動開關的控制端，又該脈寬調變控制器的致能端係連接至該監視單元，以接收該監視單元的控制訊號；及一電壓回饋單元，係連接於該監視單元的電源端與該脈寬調變控制器的一電壓回饋端，令脈寬調變控制器依據監視單元電源端電壓變化調變脈寬調變訊號的脈寬寬度，進而決定該主動開關的導通時間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之負壓負載用之電源供應器，該電壓回饋單元係為一差分放大器，其正相及反相輸入端係連接至該監控單元源電源端。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之負壓負載用之電源供應器，該主動開關係為一MOSFET，且其閘極係為控制端。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之負壓負載用之電源供應器，該主動開關係為一MOSFET，且其閘極係為控制端。
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