TWI396965B - 電源供應裝置 - Google Patents

Description

電源供應裝置

本發明是有關於一種電源供應裝置，且特別是有關於一種具有外部過壓補償與/或壓差檢知補償回授功能的電源供應裝置。

在某些高階電子產品(例如伺服器、工業電腦)的應用中，常將兩組規格相同且具有負回授控制功能的電源供應器(power supplier)並接在一起，藉以同時供應電子產品運作時所需的電力(electric power)。當其中一組電源供應器因過壓(over voltage)而發生失效時，則利用另一組電源供應器來持續供應電力給電子產品使用。

在實務上，當其中一組電源供應器過壓時，或者二組電源供應器的回授有偏差時，由於負回授控制之故，該組電源供應器內部之電壓回授控制器所產生的控制訊號之工作週期會進行對應的縮減，但在縮減至極的情況下，該組電源供應器就會發生失效。此時，由於另一組電源供應器的負載加劇許多，故很有可能會造成該組電源供應器所供應之電力發生過大的電壓降(voltage drop)。如果此電力突然掉到電子產品之最低電源規格以下時，則很有可能會造成電子產品無預警的關機，或者會造成電子系統非常的不穩定。

有鑒於此，本發明提供一種電源供應裝置，其得以解決先前技術所述及的問題。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明所提供的電源供應裝置包括第一組電源供應器，用以接收一直流輸入電壓，並據以產生一直流輸出電壓。此第一組電源供應器包括主電源產生單元、隔離二極體、第一電阻、電壓回授控制器，以及壓差檢知單元。其中，主電源產生單元用以接收並轉換所述直流輸入電壓，藉以產生一主電源。隔離二極體耦接主電源產生單元，且其陽極用以接收所述主電源，而其陰極則用以輸出所述直流輸出電壓。

第一電阻的第一端耦接隔離二極體的陽極。電壓回授控制器耦接第一電阻的第二端與主電源產生單元，用以依據第一電阻之第二端的電壓，提供控制訊號以控制主電源產生單元，從而調節所述主電源。壓差檢知單元耦接隔離二極體的陰極與第一電阻的第二端，用以比較隔離二極體之陰極的電壓與第一電阻之第二端的電壓，藉以控制第一電阻之第二端的電壓恆等於隔離二極體之陰極的電壓，從而使得第一組電源供應器穩定地輸出所述直流輸出電壓。

於本發明的一實施例中，電源供應裝置更包括第二組電源供應器，用以接收所述直流輸入電壓，並據以產生所述直流輸出電壓。其中，第一組與第二組電源供應器所各別產生的直流輸出電壓係同時供應給一負載使用。在此條件下，第一組電源供應器更包括過壓檢知單元，耦接隔離二極體的陰極與第一電阻的第二端，用以當第二組電源供應器過壓時，拉低第一電阻之第二端的電壓，藉以增加所述控制訊號的工作週期，從而提升所述主電源。

基於上述可知，本發明所提出的電源供應裝置利用壓差檢知單元，以控制第一電阻之第二端的電壓恆等於隔離二極體之陰極的電壓，從而使得第一組電源供應器穩定地/精準地輸出所預期的直流輸出電壓給負載(例如伺服器、工業電腦等高階電子產品)使用。另外，本發明所提出的電源供應裝置更利用過壓檢知單元，以於第二組電源供應器過壓時，事先提升第一組電源供應器之主電源產生單元所產生的主電源，從而使得第一組電源供應器所產生的直流輸出電壓不因負載加劇(亦即第二組電源供應器因過壓而發生失效時)而造成過大的電壓降，且得以確保不低於電子產品的最低電源規格。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下，但是上述一般描述及以下實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之多個實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。另外，現將詳細參考本發明之實施例，並在附圖中說明所述實施例之實例。再者，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。

圖1繪示為本發明一實施例之電源供應裝置100的示意圖。請參照圖1，電源供應裝置100包括兩組具有負回授控制功能的電源供應器101與103。於本實施例中，第一組電源供應器101與第二組電源供應器103係並接在一起，且分別用以接收直流輸入電壓Vin，並據以產生直流輸出電壓Vout給負載105使用(例如伺服器，但並不限制於此，以下改稱負載105為伺服器105)。換言之，第一組電源供應器101與第二組電源供應器103係同時供應伺服器105運作時所需的電力。

從先前技術所揭示的內容可知，當第二組電源供應器103過壓時，或者二組電源供應器101與103的回授有偏差時(其導致的原因有可能為二組電源供應器101與103內部回授零件的誤差，亦即：電阻阻值的誤差)，由於負回授控制之故，第二組電源供應器103內部之電壓回授控制器(未繪示)所產生的控制訊號之工作週期會進行對應的縮減，但在縮減至極的情況下，第二組電源供應器103就會發生失效。於本實施例中，雖然此時第一組電源供應器101的負載加劇許多，但是第一組電源供應器101所產生的直流輸出電壓Vout並不會發生過大的電壓降，且得以維持在伺服器105之最低電源規格以上。如此一來，本實施例即得以解決先前技術所述及的問題。

更清楚來說，圖2繪示為本發明一實施例之第一組電源供應器101的方塊圖，而圖3繪示為本發明一實施例之第一組電源供應器101的電路圖。請合併參照圖1~圖3，第一組電源供應器101包括主電源產生單元201、隔離二極體D1、第一電阻R1、電壓回授控制器203、壓差檢知單元205，以及過壓檢知單元207。

於本實施例中，主電源產生單元201為直流轉直流轉換器(DC-to-DC converter)，例如為降壓型轉換器(bulk converter)，但並不限制於此，其餘隔離型或非隔離型的升壓型與/或降壓型轉換器皆可。主電源產生單元201用以接收並轉換直流輸入電壓Vin，藉以產生主電源MP。

隔離二極體D1耦接主電源產生單元201，且其陽極(anode)用以接收主電源MP，而其陰極(cathode)則用以輸出直流輸出電壓Vout。第一電阻R1的第一端耦接隔離二極體D1的陽極。電壓回授控制器203耦接第一電阻R1的第二端與主電源產生單元201，用以依據第一電阻R1之第二端的電壓VC，提供控制訊號CS以控制主電源產生單元201，從而調節(例如提升或縮減)主電源MP。

於此先值得一提的是，在本發明的其他實施例中，亦可利用金屬氧化物半導體場效應電晶體(以下簡稱MOSFET)之寄生二極體來實現隔離二極體D1的功效。如此一來，僅需於電源供應器101內多增設一個控制機制以控制MOSFET的開或關即可。

壓差檢知單元205耦接隔離二極體D1的陰極與第一電阻R1的第二端，用以比較隔離二極體D1之陰極的電壓VB與第一電阻R1之第二端的電壓VC，藉以控制第一電阻R1之第二端的電壓VC恆等於隔離二極體D1之陰極的電壓VB，從而使得第一組電源供應器101穩定地/精準地輸出直流輸出電壓Vout。過壓檢知單元207耦接隔離二極體D1的陰極與第一電阻R1的第二端，用以當第二組電源供應器103過壓時，拉低第一電阻R1之第二端的電壓VC，藉以增加控制訊號CS的工作週期，從而提升主電源MP。

於本實施例中，主電源產生單元201包括開關SW、二極體D2、電感L，以及電容C。其中，開關SW得以利用MOS電晶體實現之，且其第一端用以接收直流輸入電壓Vin，而其控制端則用以接收控制訊號CS。二極體D2的陽極耦接至接地電位GND，而二極體D2的陰極則耦接開關SW的第二端。電感L的第一端耦接開關SW的第二端，而電感L的第二端則耦接第一電阻R1的第一端以產生主電源MP。電容C的第一端耦接電感L的第二端，而電容C的第二端則耦接至接地電位GND。

壓差檢知單元205包括比較器(comparator)CP與第二電阻R2。其中，比較器CP的正輸入端(+)耦接隔離二極體D1的陰極，而比較器CP的負輸入端(-)則耦接第一電阻R1的第二端。第二電阻R2的第一端耦接比較器CP的輸出端，而第二電阻R2的第二端則耦接第一電阻R1的第二端。

過壓檢知單元207包括齊納二極體(Zener diode)ZD、第三電阻R3、NPN型雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)T，以及第四電阻R4。其中，齊納二極體ZD的陰極耦接隔離二極體D1的陰極。第三電阻R3的第一端耦接齊納二極體ZD的陽極。NPN型雙載子接面電晶體T的基極(base)耦接第三電阻R3的第二端，而載子接面電晶體T的射極(emitter)則耦接至接地電位GND。第四電阻R4的第一端耦接第一電阻R1的第二端，而第四電阻R4的第二端則耦接NPN型雙載子接面電晶體T的集極(collector)。

於本實施例中，若第二組電源供應器103過壓時，齊納二極體ZD會導通。換言之，本實施例之齊納二極體ZD僅會在第二組電源供應器103過壓時而導通。此時，由於NPN型雙載子接面電晶體T也會導通，以至於第一電阻R1之第二端的電壓VC會被拉低，從而增加電壓回授控制器203所提供之控制訊號CS的工作週期，藉以提升主電源產生單元201所產生的主電源MP。

也亦因如此，當第二組電源供應器103因過壓而發生失效時，第一組電源供應器101所產生的直流輸出電壓Vout並不會因負載加劇而造成過大的電壓降(其係因主電源產生單元201所產生的主電源MP在第二組電源供應器103失效前已事先被提升)，從而使得第一組電源供應器101在這瞬間所產生的直流輸出電壓Vout還能維持在不低於伺服器105的最低電源規格，藉以避免/防止伺服器105發生無預警的關機事件，或者避免/防止伺服器105之系統發生不穩定的現象。

另一方面，為了要使得第一組電源供應器101穩定地/精準地輸出直流輸出電壓Vout給伺服器105使用。當第一組電源供應器101的輸出電流增加時(亦即負載加重時)，隔離二極體D1之陰極的電壓VB也會跟著下降，但是由於比較器CP會比較隔離二極體D1之陰極的電壓VB與第一電阻R1之第二端的電壓VC，所以當隔離二極體D1之陰極的電壓VB下降時，比較器CP的輸出端也會把第一電阻R1之第二端的電壓VC拉低，藉以致使第一電阻R1之第二端的電壓VC恆等於隔離二極體D1之陰極的電壓VB，亦即VB=VC。

如此一來，由於電壓回授控制器203用以調節主電源MP的參考依據(亦即第一電阻R1之第二端的電壓VC)恆等於隔離二極體D1之陰極的電壓VB(亦即直流輸出電壓Vout)，所以第一組電源供應器101便能穩定地/精準地輸出所預期的直流輸出電壓Vout給伺服器105使用。除此之外，當隔離二極體D1之陰極的電壓VB過高時，亦會被比較器CP隔離，藉以防止過高的直流輸出電壓Vout倒灌入第一組電源供應器101內。

基此可知，本實施例利用壓差檢知單元205以控制第一電阻R1之第二端的電壓VC恆等於隔離二極體D1之陰極的電壓VB，從而使得第一組電源供應器101穩定地/精準地輸出所預期的直流輸出電壓Vout給伺服器105使用。另外，本實施例更利用過壓檢知單元207，以於第二組電源供應器103過壓時，事先提升第一組電源供應器101之主電源產生單元201所產生的主電源MP，從而使得第一組電源供應器101所產生的直流輸出電壓Vout不因負載加劇(亦即第二組電源供應器103因過壓而發生失效時)而造成過大的電壓降，且得以確保不低於伺服器105的最低電源規格。

圖4繪示為本發明另一實施例之第一組電源供應器101的電路圖。請合併參照圖3與圖4，圖4與圖3不同之處僅在於：圖4之壓差檢知單元205係利用運算放大器(operational amplifier)OP、第二電阻R2，以及二極體D3來實現之。其中，運算放大器OP的正輸入端(+)耦接隔離二極體D1的陰極，而運算放大器OP的負輸入端(-)則耦接第一電阻R1的第二端。第二電阻R2的第一端耦接運算放大器OP的輸出端。二極體D3的陽極耦接第一電阻R1的第二端，而二極體D3的陰極則耦接第二電阻R2的第二端。

於本實施例中，由於運算放大器OP的輸出級(output stage)結構不同於比較器CP的輸出級結構，所以圖4之壓差檢知單元205中必需多增設二極體D3，藉以防止過高的直流輸出電壓Vout倒灌入第一組電源供應器101內。於此，由於圖4之第一組電源供應器101的整體運作實質上類似於圖3的第一組電源供應器101，故而在此並不再加以贅述之。

綜上所述，本發明所提出的電源供應裝置利用壓差檢知單元，以控制第一電阻之第二端的電壓恆等於隔離二極體之陰極的電壓，從而使得第一組電源供應器穩定地/精準地輸出所預期的直流輸出電壓給負載(例如伺服器、工業電腦等高階電子產品)使用。另外，本發明所提出的電源供應裝置更利用過壓檢知單元，以於第二組電源供應器過壓時，事先提升第一組電源供應器之主電源產生單元所產生的主電源，從而使得第一組電源供應器所產生的直流輸出電壓不因負載加劇(亦即第二組電源供應器因過壓而發生失效時)而造成過大的電壓降，且得以確保不低於電子產品的最低電源規格。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100．．．電源供應裝置

101．．．第一組電源供應器

103．．．第二組電源供應器

105．．．負載

201．．．主電源產生單元

203．．．電壓回授控制器

205．．．壓差檢知單元

207．．．過壓檢知單元

D1．．．隔離二極體

D2、D3．．．二極體

R1~R4．．．第一至第四電阻

CP．．．比較器

OP．．．運算放大器

ZD．．．齊納二極體

T．．．雙載子接面電晶體

L．．．電感

C．．．電容

SW．．．開關

CS．．．控制訊號

MP．．．主電源

VB、VC．．．節點電壓

Vin．．．直流輸入電壓

Vout．．．直流輸出電壓

GND．．．接地電位

圖1繪示為本發明一實施例之電源供應裝置的示意圖。

圖2繪示為本發明一實施例之第一組電源供應器的方塊圖。

圖3繪示為本發明一實施例之第一組電源供應器的電路圖。

圖4繪示為本發明另一實施例之第一組電源供應器的電路圖。

101．．．第一組電源供應器

201．．．主電源產生單元

203．．．電壓回授控制器

205．．．壓差檢知單元

207．．．過壓檢知單元

D1．．．隔離二極體

R1．．．第一電阻

CS．．．控制訊號

MP．．．主電源

VB、VC．．．節點電壓

Vin．．．直流輸入電壓

Vout．．．直流輸出電壓

Claims (10)

1. 一種電源供應裝置，包括：一第一組電源供應器，用以接收一直流輸入電壓，並據以產生一直流輸出電壓，該第一組電源供應器包括：一主電源產生單元，用以接收並轉換該直流輸入電壓，藉以產生一主電源；一隔離二極體，耦接該主電源產生單元，且其陽極用以接收該主電源，而其陰極則用以輸出該直流輸出電壓；一第一電阻，其第一端耦接該隔離二極體的陽極；一電壓回授控制器，耦接該第一電阻的第二端與該主電源產生單元，用以依據該第一電阻之第二端的電壓，提供一控制訊號以控制該主電源產生單元，從而調節該主電源；以及一壓差檢知單元，耦接該隔離二極體的陰極與該第一電阻的第二端，用以比較該隔離二極體之陰極的電壓與該第一電阻之第二端的電壓，藉以控制該第一電阻之第二端的電壓恆等於該隔離二極體之陰極的電壓，從而使得該第一組電源供應器穩定地輸出該直流輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，更包括：一第二組電源供應器，用以接收該直流輸入電壓，並據以產生該直流輸出電壓，其中，該第一組與該第二組電源供應器所各別產生的該直流輸出電壓係同時供應給一負載使用。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中該第一組電源供應器更包括：一過壓檢知單元，耦接該隔離二極體的陰極與該第一電阻的第二端，用以當該第二組電源供應器過壓時，拉低該第一電阻之第二端的電壓，藉以增加該控制訊號的工作週期，從而提升該主電源。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應裝置，其中該壓差檢知單元包括：一比較器，其正輸入端耦接該隔離二極體的陰極，而其負輸入端則耦接該第一電阻的第二端；以及一第二電阻，其第一端耦接該比較器的輸出端，而其第二端則耦接該第一電阻的第二端。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應裝置，其中該壓差檢知單元包括：一運算放大器，其正輸入端耦接該隔離二極體的陰極，而其負輸入端則耦接該第一電阻的第二端；一第二電阻，其第一端耦接該運算放大器的輸出端；以及一二極體，其陽極耦接該第一電阻的第二端，而其陰極則耦接該第二電阻的第二端。
6. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應裝置，其中該過壓檢知單元包括：一齊納二極體，其陰極耦接該隔離二極體的陰極；一第三電阻，其第一端耦接該齊納二極體的陽極；一雙載子接面電晶體，其基極耦接該第三電阻的第二端，而其射極則耦接至一接地電位；以及一第四電阻，其第一端耦接該第一電阻的第二端，而其第二端則耦接該雙載子接面電晶體的集極。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應裝置，其中該雙載子接面電晶體為一NPN型雙載子接面電晶體。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該主電源產生單元包括：一開關，其第一端用以接收該直流輸入電壓，而其控制端則用以接收該控制訊號；一二極體，其陽極耦接至一接地電位，而其陰極則耦接該開關的第二端；一電感，其第一端耦接該開關的第二端，而其第二端則耦接該第一電阻的第一端以產生該主電源；以及一電容，其第一端耦接該電感的第二端，而其第二端則耦接至該接地電位。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電源供應裝置，其中該主電源產生單元為一直流轉直流轉換器。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電源供應裝置，其中該直流轉直流轉換器包括一隔離型或非隔離型的升壓型與/或降壓型轉換器。