TWI446155B - Can automatically switch the standby power supply power supply path - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電源供應器,尤指一種可自動切換待機電源供電路徑以提升整體用電效率的電源供應器。
在嵌入式系統中,待機(Standby)電源算是最容易實現的省電設計,在Standby模式下,多半只是關閉嵌入式系統的週邊設備,但使CPU與DRAM依然處於運行狀態,而令整體耗電變得稍微低一點。
一般電腦或伺服器系統與其電源供應系統的基本架構係如圖6所示,圖上方係揭示一電源供應器80,其包括一整流電路81、一功率因數校正電路82、一直流對直流轉換電路83及一輔助電源轉換電路84等;其中:該直流對直流轉換電路83包括一變壓器T1、一脈寬調變控制器U1及一功率開關S2,該脈寬調變控制器U1的一控制端係與功率開關S2連接,功率開關S2則與變壓器T1的一次側連接;又直流對直流轉換電路83的輸出端進一步設有一回授電路85,該回授電路85的輸入端係與直流對直流轉換電路83的輸出端連接,又回授電路85的輸出端則與脈寬調變控制器U1的回授端連接;再者,該脈寬調變控制器U1具有一致能端(Enable),用以接受來自電腦端的致能/關閉(En/Disable)指令;該輔助電源轉換電路84大多係由馳返式(flyback)轉換器所構成,其包括一變壓器T2,變壓器T2的一次側係與功率因數校正電路82的輸出端連接,並受一控制器所控制,其二次側則提供多組直流電源Vcc2、Vcc及VSB;其中,VSB係提供電腦端一待機(STANDBY)電源,其可為12V或5V。而前述直流對直流轉換電路83的輸出端係供應電腦端一主電源(Vmain),一般為12V。
又電腦端的電源控制架構大致如圖7所示,其包括一電源管理控制器90、數個切換開關91,92及數個電源穩壓模組93~95;其中:各切換開關91,92分別具有兩輸入端及一輸出端,其中一輸入端係與前述電源供應器80的主電源(Vmain)連接,另一輸入端則與待機電源(VSB)連接,各切換開關91,92的輸出端則分別與電源穩壓模組93,94連接,其中電源穩壓模組94的輸出端又與另一電源穩壓模組95的輸入端連接,從而由各電源穩壓模組93~95分別供應電源給硬碟機、通訊介面埠(USB)、記憶體及中央處理單元(CPU)等。
再者,前述電源管理控制器90係由電源供應器80的待機電源(VSB)所供應,又電源管理控制器90具有一指令輸出端(En/Disable),係與前述直流對直流轉換電路83的脈寬調變控制器U1之致能端(Enable)連接。
而電源管理控制器90將執行以下的電源控制功能:
1. 電腦端的電源管理控制器90獲得待機電源(VSB),但控制直流對直流轉換電路83的脈寬調變控制器U1將其關閉(disable),而等待開機或喚醒(wake up)命令。
2. 當開機(power on)或收到喚醒(wake up)命令後,該電源管理控制器90即致能(Enable)直流對直流轉換電路83的脈寬調變控制器U1,此時電源供應器80的主電源(Vmain)電位開始上升。
3. 檢查主電源(Vmain)之電位是否穩定?
4. 根據使用者送出的不同指令(如開機、喚醒、待機等),電源管理控制器90即控制切換開關91,92切換,令耗電的如中央處理單元及硬碟機等開始由主電源(Vmain)供電,或部分由主電源(Vmain)供電,其他部分由待機源(VSB)供電。
由上述可知,前述電源供應器80係提供電腦端兩組電源,分別為主電源(Vmain)及待機電源(VSB),該主電源(Vmain)只在電腦開機後供應,待機電源(VSB)則持續地供應給電腦端的電源管理控制器90,即使在開機後,電源管理控制器90的工作電源仍由待機電源(VSB)供應。但前述電源供應器80的問題在於:其用以供應待機電源(VSB)的輔助電源轉換電路84一般為低功率設計,且最常採用馳返式(flyback)架構,儘管馳返式架構的成本較低,效率卻不高(約80%)。
由於前述待機電源在電腦端開機後正常運作的狀態下,依然持續供應給電腦端的電源管理控制器90,甚至包括風扇,因而影響了整體用電效率。
由上述可知,待機電源是易於實現的省電設計,但基於成本考量採用了馳返式架構,復以系統端開機後正常運作時,仍持續以較低的效率供電給特定裝置(如電源管理控制器及風扇),因而影響了整體用電效率;如欲保留採用馳返式架構所具備的低成本優點,則關於用電效率的提升,即有待另闢蹊徑以尋求可行的解決之道。
因此本發明的主要目的在提供一種可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,其可在電源供應器的主電源電壓大於待機電源時,切換待機電源的供電路徑,由用電效率較高的主電源供電給系統端中原由待機電源供電的裝置,藉以有效提升整體用電效率,俟系統端關機或待機時,再自動恢復待機電源的供電功能。
為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述電源供應器包括有:一主電源供應模組,用以將交流電源轉換為直流電源,並提供一主電源輸出端;一輔助電源供應模組,具有一待機電源輸出端;一供電路徑切換控制電路,係設於前述主電源輸出端與待機電源輸出端之間;該供電路徑切換控制電路提供一電壓比較手段,當主電源電壓大於待機電源時,令主電源輸出端切入待機電源輸出端,使主電源同時經由待機電源輸出端送出;前述電源供應器仍分別提供一組主電源及一組待機電源,當電源供應器對一系統端供電時,待機電源在系統端未開機前或待機時仍正常供應,俟系統端開機或被喚醒時,主電源電位開始提升,此時前述供電路徑切換控制電路將自動比較主電源與待機電源,當主電源大於待機電源時,主電源除供應系統端開機後正常運作的工作電源外,亦同時取代待機電源,供電給系統端中原來由待機電源供電的裝置;在電源供應器的電源設計中,主電源係由直流對直流轉換電路所產生,其轉換效率明顯高於產生待機電源的馳返式架構,但產生待機電源的輔助電源供應模組採用馳返式架構可以有效降低成本,通常是無法輕易放棄的優點;而本發明利用前述的供電路徑自動切換技術,令系統端開機後,由主電源取代待機電源供電,除可保留輔助電源供應模組的低成本優點,更已進一步解決其影響整體用電效率的問題。
關於本發明之基本架構,請參閱圖1所示,主要係令一電源供應器包括一主電源供應模組10、一輔助電源供應模組20;該主電源供應模組10具有一主電源輸出端(Vmain),輔助電源供應模組20具有一待機電源輸出端(VSB),該主電源輸出端(Vmain)與待機電源輸出端(VSB)之間設有一供電路徑切換控制電路30;其中:該主電源供應模組10包括一整流電路11、一功率因數校正電路12及一直流對直流轉換電路13等;其中:該直流對直流轉換電路13包括一變壓器T1、一脈寬調變控制器U1及一功率開關S2,該脈寬調變控制器U1的一控制端係與功率開關S2連接,功率開關S2則與變壓器T1的一次側連接;又直流對直流轉換電路13的輸出端即為前述主電源輸出端(Vmain),其上進一步設有一回授電路14,該回授電路14的輸入端係與該主電源輸出端(Vmain)連接,又回授電路14的輸出端則與脈寬調變控制器U1的回授端連接;再者,該脈寬調變控制器U1具有一致能端(Enable);該輔助電源供應模組20包括一變壓器T2,變壓器T2的一次側係與功率因數校正電路12的輸出端連接,並受一控制器21所控制,其二次側則提供多組直流電源Vcc2、Vcc及VSB(待機電源),該變壓器T2二次側與待機電源輸出端(VSB)之間設有一二極體D1。而前述輔助電源供應模組20大多為一馳返式架構。
於本實施例中,係令主電源輸出端(Vmain)與待機電源輸出端(VSB)的輸出電壓相近(例如均約為12V),且主電源略大於待機電源(例如主電源12.2V,待機電源11.9V),又輔助電源供應模組20的Vcc2大於Vcc;該等電壓大小可分別在主電源供應模組10及輔助電源供應模組20上進行調整。
該供電路徑切換控制電路30係用以比較主電源與待機電源的電壓大小,進而根據比較結果切換待機電源輸出端(VSB)的供電路徑;又供電路徑切換控制電路30之一較佳實施例係如圖2所示,其包括:一比較器31,具有一反相輸入端、一非反相輸入端、一輸出端及一電源端;該電源端係連接輔助電源供應模組20提供的直流電源Vcc,該反相輸入端係與前述主電源輸出端(Vmain)連接,該非反相輸入端則與前述待機電源輸出端(VSB)連接;一開關組32,主要係由兩NMOS電晶體M1,M2組成,兩電晶體M1,M2是以汲極(D)相接,其源極(S)則分別與前述主電源輸出端(Vmain)、待機電源輸出端(VSB)連接,而為背對背接法,如是接法可防止待機電源經由電晶體M1,M2上的本體二極體逆向流向主電源輸出端(Vmain),進而避免輔助電源供應模組20因無法負擔主電源輸出端(Vmain)所需能量而當機或燒毀的問題;一第三電晶體M3,為NMOS形式,其汲極(D)係與開關組32上兩電晶體M1,M2的閘極(G)連接,該汲極(D)並透過一電阻與輔助電源供應模組20供應的直流電源Vcc2連接,該第三電晶體M3的閘極(G)則與比較器31的輸出端連接。
利用前述設計,當電源供應器接上AC電源後,輔助電源供應模組20的各組電源Vcc,Vcc2,VSB電位建立,故待機電源輸出端(VSB)開始供電;但主電源供應模組10的脈寬調變控制器U1未獲致能指令,故主電源輸出端(Vmain)未供電,在此狀況下,前述供電路徑切換控制電路30的比較器31為非反相輸入端電位大於反相輸入端,該比較器31輸出端即呈高電位,第三電晶體M3因而導通,並使開關組32的兩電晶體M1,M2閘極(G)接地,兩電晶體M1,M2不通,此時由待機電源輸出端(VSB)送出的電源仍來自輔助電源供應模組20。
當主電源供應模組10的脈寬調變控制器U1接獲系統端送出的致能指令時,其直流對直流轉換電路13的主電源輸出端(Vmain)電位開始上升,當主電源輸出端(Vmain)電位上升至大於待機電源輸出端(VSB)電位時,比較器31之反相輸入端電位大於非反相輸入端電位,其輸出端轉為低電位接地,第三電晶體M3因而截止,開關組32的兩電晶體M1,M2因閘極(G)呈高電位而導通,又主電源輸出端(Vmain)電位大於待機電源輸出端(VSB)電位,如是狀況下,此時由待機電源輸出端(VSB)送出的電源係來自主電源輸出端(Vmain),由於主電源輸出端(Vmain)輸出的直流電源係由直流對直流轉換電路13所產生,其效率遠高於馳返式架構的輔助電源供應模組20,在此狀況下,整體用電效率得以提高。
又前述供電路徑切換控制電路30由輔助電源供應模組20供應的兩組直流電源Vcc2,Vcc中,係令Vcc2大於Vcc,其效果是由Vcc2提供兩電晶體M1,M2較高的VGS
電壓,以相對降低兩電晶體M1,M2的導通電阻(Rds(on)
),而具有進一步提高用電效率的功效。再者,待機電源輸出端(VSB)與變壓器T2二次側之間的二極體D1將產生逆向隔離的作用,避免主電源(Vmain)流向變壓器T2二次側,干擾了輔助電源供應模組20的回授穩壓控制及造成輔助電源供應模組20供應的各組直流電源Vccp,Vcc2,Vcc的不正確(因各組直流電源Vccp,Vcc2,Vcc亦供應其他電路使用)。
當系統端進入待機模式或關機時,因主電源供應模組10的脈寬調變控制器U1被關閉(Disable),其主電源輸出端(Vmain)無電位,故供電路徑切換控制電路30的比較器31輸出高電位使第三電晶體M3導通,並使開關組32的兩電晶體M1,M2閘極(G)接地而不通,此時由待機電源輸出端(VSB)送出的電源即恢復由輔助電源供應模組20供應。
又前述供電路徑切換控制電路30的又一較佳實施例係如圖3所示,其包括:一比較器31,具有一反相輸入端、一非反相輸入端、一輸出端及一電源端;該電源端係連接輔助電源供應模組20提供的直流電源Vcc,且該Vcc大於主電源(例如Vcc拉高至20V),又該非反相輸入端係與前述主電源輸出端(Vmain)連接,該反相輸入端則與前述待機電源輸出端(VSB)連接;一開關組32,主要係由兩NMOS電晶體M1,M2組成,兩電晶體M1,M2仍以汲極(D)相接,其源極(S)則分別與前述主電源輸出端(Vmain)、待機電源輸出端(VSB)連接,又兩電晶體M1,M2的閘極(G)共同連接至前述比較器31的輸出端。
前述實施例相較前一實施例,減少一顆第三電晶體M3,其工作方式詳如以下所述:
當主電源供應模組10的脈寬調變控制器U1未獲致能指令,該主電源輸出端(Vmain)未供電,供電路徑切換控制電路30的比較器31為反相輸入端電位大於非反相輸入端,該比較器31輸出端呈低電位,進而使開關組32的兩電晶體M1,M2閘極(G)接地,兩電晶體M1,M2不通,此時由待機電源輸出端(VSB)送出的電源仍來自輔助電源供應模組20。
當主電源供應模組10的脈寬調變控制器U1接獲系統端送出的致能指令時,其直流對直流轉換電路13的主電源輸出端(Vmain)電位開始上升,當主電源輸出端(Vmain)電位上升至大於待機電源輸出端(VSB)電位時,比較器31之非反相輸入端電位大於反相輸入端電位,其輸出端轉為高電位,開關組32的兩電晶體M1,M2因而閘極(G)呈高電位而導通,如是狀況下,此時由待機電源輸出端(VSB)送出的電源即切換由主電源輸出端(Vmain)供應。
當系統端進入待機模式或關機時,因主電源供應模組10的脈寬調變控制器U1被關閉(Disable),其主電源輸出端(Vmain)無電位,故供電路徑切換控制電路30的比較器31輸出低電位使開關組32的兩電晶體M1,M2閘極(G)接地而不通,此時由待機電源輸出端(VSB)送出的電源即恢復由輔助電源供應模組20供應。
在前述實施例中,係令主電源輸出端(Vmain)電位略大於待機電源輸出端(VSB),因而在主電源輸出端(Vmain)上的電位建立後,經由供電路徑切換控制電路30的切換控制得以將主電源輸出端(Vmain)切入待機電源輸出端(VSB),並取而代之。在前述技術概念下,如圖4所揭示供電路徑切換控制電路30的另一實施例,在理論上亦屬可行,供電路徑切換控制電路30係由一順向連接於主電源輸出端(Vmain)與待機電源輸出端(VSB)之間的二極體所構成,一旦主電源輸出端(Vmain)的電位建立且大於待機電源輸出端(VSB)的電位時,主電源輸出端(Vmain)送出的電源即經由二極體送至待機電源輸出端(VSB)上,但如是作法之效率偏低。
再者,前述各實施例均應用在主電源電位與待機電源電位相近的場合(例如大致為12V上下);若系統端對於主電源與待機電源的電位要求不同(例如主電源12V,待機電源5V)時,則可如圖5所示,在待機電源輸出端(VSB)上進一步連接一降壓轉換單元(Buck converter)22,且供電路徑切換控制電路30的輸出端係與降壓轉換單元22的輸入端連接。在此狀況下,無論待機電源輸出端(VSB)輸出的電源是來自主電源供應模組10或輔助電源供應模組20,均將經由該降壓轉換單元22轉換為較低的電壓後再供應給系統端。
10...主電源供應模組
11...整流電路
12...功率因數校正電路
13...直流對直流轉換電路
14...回授電路
20...輔助電源供應模組
21...控制器
22...降壓轉換單元
30...供電路徑切換控制電路
31...比較器
32...開關組
80...電源供應器
81...整流電路
82...功率因數校正電路
83...直流對直流轉換電路
84...輔助電源轉換電路
85...回授電路
90...電源管理控制器
91,92...切換開關
93~95...電源穩壓模組
圖1 係本發明一較佳實施例之電路圖。
圖2 係本發明供電路徑切換控制電路之第一較佳實施例線路圖。
圖3 係本發明供電路徑切換控制電路之第二較佳實施例線路圖。
圖4 係本發明供電路徑切換控制電路之第三較佳實施例線路圖。
圖5 係本發明又一較佳實施例之電路圖。
圖6 係既有電源供應器的主電路圖。
圖7 係既有電源供應器中所設輔助電源供應模組的電路圖。
10‧‧‧主電源供應模組
11‧‧‧整流電路
12‧‧‧功率因數校正電路
13‧‧‧直流對直流轉換電路
14‧‧‧回授電路
20‧‧‧輔助電源供應模組
30‧‧‧供電路徑切換控制電路
Claims (7)
- 一種可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,包括有:一主電源供應模組,用以將交流電源轉換為直流電源,並提供一主電源輸出端;一輔助電源供應模組,具有多個直流電源輸出端及一待機電源輸出端,該待機電源輸出端的電位小於主電源輸出端電位;一供電路徑切換控制電路,係設於前述主電源輸出端與待機電源輸出端之間;該供電路徑切換控制電路提供一電壓比較手段,當主電源電壓大於待機電源時,令主電源輸出端切入待機電源輸出端,使主電源同時經由待機電源輸出端送出。
- 如申請專利範圍第1項所述可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,該供電路徑切換控制電路包括:一比較器,具有一反相輸入端、一非反相輸入端、一輸出端及一電源端;該反相輸入端係與前述主電源輸出端連接,該非反相輸入端則與前述待機電源輸出端連接;一開關組,主要係由兩NMOS電晶體M1,M2組成,兩電晶體M1,M2是以汲極相接,其源極係分別與前述主電源輸出端、待機電源輸出端連接;一第三電晶體M3,其汲極係與開關組上兩電晶體M1,M2的閘極連接,又第三電晶體M3的閘極係與比較器的輸出端連接。
- 如申請專利範圍第2項所述可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,該輔助電源供應模組具有多個直流電源輸出端Vcc2,Vcc;該比較器的電源端係連接輔助電源供應模組的直流電源輸出端Vcc;該第三電晶體M3的汲極透過一電阻與輔助電源供應模組供應的直流電源輸出端Vcc2連接;其中,直流電源輸出端Vcc2電壓大於另一直流電源輸出端Vcc的電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,該供電路徑切換控制電路包括:一比較器,具有一反相輸入端、一非反相輸入端、一輸出端及一電源端;該非反相輸入端係與前述主電源輸出端連接,該反相輸入端則與前述待機電源輸出端連接;一開關組,主要係由兩NMOS電晶體M1,M2組成,兩電晶體M1,M2以汲極相接,其源極分別與前述主電源輸出端、待機電源輸出端連接,又兩電晶體M1,M2的閘極共同連接至前述比較器的輸出端。
- 如申請專利範圍第4項所述可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,該比較器的電源端係連接輔助電源供應模組的直流電源輸出端,且該直流電源輸出端的電壓大於主電源。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,該主電源供應模組包括一整流電路、一功率因數校正電路及一直流對直流轉換電路等;其中:該直流對直流轉換電路包括一變壓器、一脈寬調變控制器及一功率開關,該脈寬調變控制器的一控制端係與功率開關連接,功率開關與變壓器的一次側連接;又直流對直流轉換電路的輸出端係作為主電源輸出端,其上進一步設有一回授電路,該回授電路的輸入端係與該主電源輸出端連接,又回授電路的輸出端則與脈寬調變控制器的回授端連接;該脈寬調變控制器具有一致能端;該輔助電源供應模組包括一變壓器,變壓器的一次側係與功率因數校正電路的輸出端連接,並受一控制器所控制,其二次側設有多組直流電源輸出端及該待機電源輸出端,該待機電源輸出端與變壓器二次側間設有一二極體。
- 如申請專利範圍第6項所述可自動切換待機電源供電路徑的電源供應器,該待機電源輸出端上進一步連接一降壓轉換單元(Buck converter),該供電路徑切換控制電路的輸出端係與降壓轉換單元的輸入端連接。
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