TWI477954B - 適於電腦的電源供應裝置 - Google Patents

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TWI477954B TW100147472A TW100147472A TWI477954B TW I477954 B TWI477954 B TW I477954B TW 100147472 A TW100147472 A TW 100147472A TW 100147472 A TW100147472 A TW 100147472A TW I477954 B TWI477954 B TW I477954B
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Wen-Chang Han
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Description

適於電腦的電源供應裝置
本發明是有關於一種電源供應技術，且特別是有關於一種適於電腦的電源供應裝置。
應用於個人電腦(personal computer,PC)與伺服器(server)的多路輸出切換式電源(switching power supply)都需要一個待機電源來給電源本身和系統的控制電路供電。目前的電源規格要求待機電壓為5V，電流最大4A左右，由於反馳式電源轉換線路(flyback power conversion circuit)的結構簡單，且控制方式又容易的特點，所以目前的解決方案大都採用反馳式電源轉換線路將整流後的直流母線電壓(例如高壓400V)轉化成所需的5V待機電壓(5VSB)。
TOPSwitdh將高壓MOSFET、PWM控制器、故障保護電路及其他控制電路集成到單個CMOS晶片上。只需搭配極少數的外部元件即可組成一個反馳式電源轉換線路。因此，TOPSwitch成為目前追求高功率密度的切換式電源的首選(請特別參閱http://www.powerint.com)。
圖1是用TOPSwitch實現的一個5V輸出的待機電源(5VSB)示意圖。請參照圖1，電阻R1、電容C1和二極體D1構成吸收電路，用以吸收變壓器T1的漏感能量，從而避免高壓MOSFET承受大的電壓峰值。其中，整流二極體D2可使用肖特基二極體來實施。由於肖特基二極體的順向偏壓小且反向恢復時間很短，故而除了可以降低導通損耗外，還可以降低反向恢復損耗。
眾所周知，反馳式電源轉換線路因為自身的高電壓應力、吸收漏感能量的損耗性吸收器等特性，特別是硬開關特性導致其效率很低，典型值不大於80%，這成為多路輸出切換式電源輕載效率提高的瓶頸。後來，一些相對高效的改善性反馳式電源轉換線路被提出，亦即：1、輸出二極體改用同步整流器(SR)代替，這種方法對重載效率有改善，但是輕載效率改善甚微，而且因為同步整流器以及同步整流器的驅動IC導致成本大大提高；以及2、准諧振軟開關式的反馳式電源轉換線路，其主要的優點是利用開關MOSFET的輸出電容與變壓器的一次側電感產生諧振，通過適當控制實現了電壓的谷底電壓開通，減小了開關損耗，提高了整個負載範圍的效率。雖然這個電路可以實現效率的改善，但是相比TOPSwitch，需要一個獨立IC，和獨立的高壓MOSFET，還需要複雜的週邊控制電路和保護電路。
有鑒於此，本發明提供一種適於電腦的電源供應裝置，藉以提高電腦用電源效率。
本發明之一示範性實施例提供一種適於電腦的電源供應裝置，其包括：隔離直流-直流轉換器、輔助電源轉換線路，以及切換線路。隔離直流-直流轉換器用以接收一輸入電壓，並對所述輸入電壓進行轉換而產生一第一主電源。輔助電源轉換線路用以接收所述輸入電壓，並對所述輸入電壓進行轉換而產生一輔助電源。切換線路耦接隔離直流-直流轉換器與輔助電源轉換線路，用以接收所述第一主電源與所述輔助電源，並於電源供應裝置處於待機狀態時，輸出所述輔助電源以作為電源供應裝置的待機電源，且於電源供應裝置處於運作狀態時，輸出所述第一主電源以作為電源供應裝置的待機電源。
於本發明之一示範性實施例中，切換線路包括第一二極體與第二二極體。其中，第一二極體的陽極用以接收所述第一主電源。第二二極體的陽極用以接收所述輔助電源。第一與第二二極體的陰極耦接在一起以輸出所述第一主電源或所述輔助電源。
於本發明之一示範性實施例中，當電源供應裝置處於待機狀態時，隔離直流-直流轉換器被關閉，以至於所述第一主電源為0V，而第二二極體傳導輔助電源以作為電源供應裝置的待機電源。
於本發明之一示範性實施例中，所述第一主電源大於所述輔助電源，且當電源供應裝置處於運作狀態時，隔離直流-直流轉換器被啟動，以至於第一二極體傳導第一主電源以作為電源供應裝置的待機電源。
於本發明之另一示範性實施例中，切換線路包括第一功率開關與第二功率開關。其中，第一功率開關的第一端用以接收所述第一主電源，而第一功率開關的控制端則用以接收一第一控制訊號。第二功率開關的第一端用以接收所述輔助電源，而第二功率開關的控制端則用以接收一第二控制訊號。第一與第二功率開關的第二端耦接在一起以輸出所述第一主電源或所述輔助電源。
於本發明之一示範性實施例中，當電源供應裝置處於待機狀態時，第一功率開關反應於所述第一控制訊號而關閉，而第二功率開關反應於所述第二控制訊號而導通。另外，當電源供應裝置處於運作狀態時，第一功率開關反應於所述第一控制訊號而導通，而第二功率開關反應於所述第二控制訊號而關閉。
於本發明之一示範性實施例中，當電源供應裝置處於待機狀態時，隔離直流-直流轉換器被關閉，以至於所述第一主電源為0V，而第二功率開關傳導所述輔助電源以作為電源供應裝置的待機電源。另外，當電源供應裝置處於運作狀態時，隔離直流-直流轉換器被啟動，以至於第一功率開關傳導所述第一主電源以作為電源供應裝置的待機電源。
於本發明之一示範性實施例中，隔離直流-直流轉換器更用以對所述輸入電壓進行轉換而產生一第二主電源與一第三主電源。在此條件下，隔離直流-直流轉換器可以為隔離的多路輸出直流-直流轉換器。
於本發明之一示範性實施例中，所提之電源供應裝置可以為交換式電源供應裝置。
於本發明之一示範性實施例中，輔助電源轉換線路可以為反馳式電源轉換線路。
於本發明之一示範性實施例中，所提之電源供應裝置可以更包括：整流線路，其用以接收一交流電壓，並對所述交流電壓進行整流，藉以產生所述輸入電壓。
於本發明之一示範性實施例中，所提之電源供應裝置可以更包括：功率因素校正轉換器，其耦接整流線路，用以對所述輸入電壓進行功率因素校正。
於本發明之一示範性實施例中，所提之電源供應裝置可以更包括：電磁干擾濾波器，其耦接於所述交流電壓與整流線路之間，用以抑制所述交流電壓的電磁雜訊。
基於切換線路設置於電源供應裝置的緣故，本發明不但可以提高電源供應裝置整體的效率，而且不需要增加複雜的控制電路以及過多的元件。以最低的成本實現了高效率之待機電源的產生，適用於多路輸出切換式電源，如PC電源、伺服器電源等。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體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。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，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。
在此先值得一提的是，本發明所提出的技術方案是當電源正常工作時，利用多路輸出電路中的主輸出來代替傳統反馳式電路的輸出作為待機電源，其係因：多路輸出電源的主輸出具有比較高的效率，目前的白金PC電源5V輸出具有96%的效率，而傳統反馳式電路的效率低於80%。
基此想法，圖2繪示為本發明一示範性實施例之適於電腦的電源供應裝置(power supply apparatus)20示意圖。請參照圖2，電源供應裝置20可以是交換式電源供應裝置，但並不限制於此，且其包括：隔離的(多路輸出)直流-直流轉換器(isolated multi-output DC-DC converter)201、輔助電源轉換線路203、切換線路205、整流線路207、功率因素校正(PFC)轉換器209、電磁干擾(EMI)濾波器211，以及大電容Cbulk。
於本示範性實施例中，隔離的多路輸出直流-直流轉換器201用以接收輸入電壓VIN(例如400V的直流電壓，但並不限制於此)，並對輸入電壓VIN進行轉換(即，直流轉直流)而產生第一主電源5V、第二主電源12V以及第三主電源3.3V。其中，輸入電壓VIN乃是交流電壓(亦或稱為電網電壓)Grid經過電磁干擾濾波器211、整流線路207與功率因素校正轉換器209後而產生。
更清楚來說，整流線路207用以接收交流電壓Grid，並對交流電壓Grid進行整流，藉以產生輸入電壓VIN。功率因素校正轉換器209耦接整流線路207，用以對來自整流線路207的輸入電壓VIN進行功率因素校正，藉以於大電容Cbulk上產生400V的輸入(直流)電壓VIN。電磁干擾濾波器211耦接於交流電壓Grid與整流線路207之間，用以抑制交流電壓Grid的電磁雜訊。
另外，輔助電源轉換線路203可以為TOPSwitch反馳式電源轉換線路(TOPSwitch flyback power conversion circuit)。於本示範性實施例中，輔助電源轉換線路203用以接收輸入電壓VIN，並對輸入電壓VIN進行轉換(即，直流轉直流)而產生輔助電源5VSB1。詳細來說，電阻R1、電容C1和二極體D1構成吸收電路，用以吸收變壓器T2的漏感能量，從而避免設置在TOPSwitch控制晶片U1內的高壓MOSFET承受大的電壓峰值。輔助電源5VSB1係經由整流二極體D2(其可使用肖特基二極體來實施)的整流與電容C2的濾波後而產生。TOPSwitch控制晶片U1亦可反應於來自光耦合器(photocoupler)所輸出之關聯於輔助電源5VSB1的回授(feedback)而調整輔助電源5VSB1。
再者，切換線路205耦接隔離的多路輸出直流-直流轉換器201與輔助電源轉換線路203，用以接收來自隔離的多路輸出直流-直流轉換器201的第一主電源5V與來自輔助電源轉換線路203的輔助電源5VSB1，並於電源供應裝置20處於待機狀態(standby state)時，輸出輔助電源5VSB1以作為電源供應裝置20的待機電源5VSB，且於電源供應裝置20處於運作狀態(operation state)時，輸出第一主電源5V以作為電源供應裝置20的待機電源5VSB。
更清楚來說，圖3繪示為本發明一示範性實施例之切換線路205的實施示意圖。請合併參照圖2與圖3，切換線路205可以包括二極體(diode)D3與D4。其中，二極體D3的陽極(anode)用以接收來自隔離的多路輸出直流-直流轉換器201的第一主電源5V。二極體D4的陽極用以接收來自輔助電源轉換線路203的輔助電源5VSB1。二極體D3與D4的陰極(cathode)耦接在一起以輸出第一主電源5V或輔助電源5VSB1。
於本示範性實施例中，當電源供應裝置20處於待機狀態時，隔離的多路輸出直流-直流轉換器201會被關閉(inactivated)，以至於第一主電源5V不會被產生(即，0V)。在此條件下，二極體D4將傳導輔助電源轉換線路203所產生的輔助電源5VSB1以作為電源供應裝置20的待機電源5VSB。此時，5VSB=5VSB1-VD4，VD4為二極體D4的順向導通電壓。
另一方面，由於電源的規格允許電源的輸出有一定的誤差。以待機電源5VSB為例，允許誤差為±5%，即最大電壓為5.25V，最小電壓為4.75V。基此，通過適當的設計，本示範性實施例特將隔離的多路輸出直流-直流轉換器201所產生的第一主電源5V設計的偏向上限5.25V，並將輔助電源轉換線路203所產生之輔助電源5VSB1以經過二極體D4後的電壓設計的偏向下限4.75V，藉以達到在電源供應裝置20處於運作狀態時，待機電源5VSB的功率完全或者大部分由隔離的多路輸出直流-直流轉換器201所產生的第一主電源5V來供給。
由此，在第一主電源5V大於輔助電源5VSB1的條件下，當電源供應裝置20處於運作狀態時，隔離的多路輸出直流-直流轉換器201會被啟動(activated)，以至於第一主電源5V會被產生(即，上限的5.25V)。在此條件下，二極體D3將傳導隔離的多路輸出直流-直流轉換器201所產生的第一主電源5V以作為電源供應裝置20的待機電源5VSB。此時，5VSB=5.25V-VD3，VD3為二極體D3的順向導通電壓。
於此值得一提的是，在第一主電源5V大於輔助電源5VSB1的條件下，TOPSwitch構成的輔助電源轉換線路203(即，反馳式電源轉換線路)工作於空載模式，且TOPSwitch-JX系列可做到230VAC輸入時空載損耗為70mW。如此一來，由於隔離的多路輸出直流-直流轉換器201的轉換效率相對較高，所以本示範性實施例可以大大降低輔助電源轉換線路203(即，反馳式電源轉換線路)的損耗，從而提高電源供應裝置20整體的效率。
除此之外，圖4繪示為本發明另一示範性實施例之切換線路205的實施示意圖。請合併參照圖2與圖4，切換線路205可以包括功率開關(power switch)Q1與Q2。其中，功率開關Q1的第一端用以接收來自隔離的多路輸出直流-直流轉換器201的第一主電源5V，而功率開關Q1的控制端則用以接收控制訊號CS1。功率開關Q2的第一端用以接收來自輔助電源轉換線路203的輔助電源5VSB1，而功率開關Q2的控制端則用以接收控制訊號CS2。功率開關Q1與Q2的第二端耦接在一起以輸出第一主電源5V或該輔助電源5VSB1。
於本示範性實施例中，當電源供應裝置20處於待機狀態時，功率開關Q1反應於控制訊號CS1而關閉(turned off)，而功率開關Q1反應於控制訊號CS2而導通(turned on)。另外，當電源供應裝置20處於運作狀態時，功率開關Q1反應於控制訊號CS1而導通，而功率開關Q2反應於控制訊號CS2而關閉。
在此條件下，當電源供應裝置20處於待機狀態時，隔離的多路輸出直流-直流轉換器201會被關閉，以至於第一主電源5V不會被產生(即，0V)。在此條件下，功率開關Q1與Q2將反應於控制訊號CS1與CS2而各別地關閉與導通。如此一來，功率開關Q2將傳導輔助電源轉換線路203所產生的輔助電源5VSB1以作為電源供應裝置20的待機電源5VSB。
另一方面，當電源供應裝置20處於運作狀態時，隔離的多路輸出直流-直流轉換器201會被啟動，以至於第一主電源5V會被產生。在此條件下，功率開關Q1與Q2將反應於控制訊號CS1與CS2而各別地導通與關閉。如此一來，功率開關Q1將傳導隔離的多路輸出直流-直流轉換器201所產生的第一主電源5V以作為電源供應裝置20的待機電源5VSB。
相似地，反應於功率開關Q2在電源供應裝置20處於運作狀態的關閉，TOPSwitch構成的輔助電源轉換線路203(即，反馳式電源轉換線路)工作於空載模式，且TOPSwitch-JX系列可做到230VAC輸入時空載損耗為70mW。如此一來，由於隔離的多路輸出直流-直流轉換器201的轉換效率相對較高，所以本示範性實施例亦可以大大降低輔助電源轉換線路203(即，反馳式電源轉換線路)的損耗，從而提高電源供應裝置20整體的效率。
綜上所述，基於切換線路205設置於電源供應裝置20的緣故，本發明不但可以提高電源供應裝置20整體的效率(其係因：多路輸出電源的主輸出具有比較高的效率，而傳統反馳式電路的效率較低)，而且不需要增加複雜的控制電路以及過多的元件。以最低的成本實現了高效率之待機電源5VSB的產生，適用於多路輸出切換式電源，如PC電源、伺服器電源等，但並不限制於此。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。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。
R1．．．電阻
C1、C2．．．電容
Cbulk．．．大電容
D1~D4．．．二極體
Q1、Q2．．．功率開關
T1、T2．．．變壓器
U1．．．TOPSwitch控制晶片
5VSB．．．待機電源
5VSB1．．．輔助電源
5V．．．第一主電源
12V．．．第二主電源
3.3V．．．第三主電源
VIN．．．輸入電壓
Grid．．．交流電壓
CS1、CS2．．．控制訊號
20．．．電源供應裝置
201．．．隔離的多路輸出直流-直流轉換器
203．．．輔助電源轉換線路
205．．．切換線路
207．．．整流線路
209．．．功率因素校正(PFC)轉換器
211．．．電磁干擾(EMI)濾波器
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1是用TOPSwitch實現的一個5V輸出的待機電源(5VSB)示意圖。
圖2繪示為本發明一示範性實施例之適於電腦的電源供應裝置(power supply apparatus)20示意圖。
圖3繪示為本發明一示範性實施例之切換線路205的實施示意圖。
圖4繪示為本發明另一示範性實施例之切換線路205的實施示意圖。
R1．．．電阻
C1、C2．．．電容
Cbulk．．．大電容
D1、D2．．．二極體
T2．．．變壓器
U1．．．TOPSwitch控制晶片
5VSB．．．待機電源
5VSB1．．．輔助電源
5V．．．第一主電源
12V．．．第二主電源
3.3V．．．第三主電源
VIN．．．輸入電壓
Grid．．．交流電壓
20．．．電源供應裝置
201．．．隔離的多路輸出直流-直流轉換器
203．．．輔助電源轉換線路
205．．．切換線路
207．．．整流線路
209．．．功率因素校正(PFC)轉換器
211．．．電磁干擾(EMI)濾波器

Claims (16)

  1. 一種電源供應裝置，適於一電腦，該電源供應裝置包括：一隔離直流-直流轉換器，用以接收一輸入電壓，並對該輸入電壓進行轉換而產生一第一主電源；一輔助電源轉換線路，用以接收該輸入電壓，並對該輸入電壓進行轉換而產生一輔助電源；以及一切換線路，耦接該隔離直流-直流轉換器與該輔助電源轉換線路，用以接收該第一主電源與該輔助電源，並於該電源供應裝置處於一待機狀態時，輸出該輔助電源以作為該電源供應裝置的一待機電源，且於該電源供應裝置處於一運作狀態時，輸出該第一主電源以作為該電源供應裝置的該待機電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該切換線路包括：一第一二極體，其陽極用以接收該第一主電源；一第二二極體，其陽極用以接收該輔助電源，其中，該第一與該第二二極體的陰極耦接在一起以輸出該第一主電源或該輔助電源。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中當該電源供應裝置處於該待機狀態時，該隔離直流-直流轉換器被關閉，以至於該第一主電源為0V，而該第二二極體傳導該輔助電源以作為該電源供應裝置的該待機電源。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中該第一主電源大於該輔助電源，且當該電源供應裝置處於該運作狀態時，該隔離直流-直流轉換器被啟動，以至於該第一二極體傳導該第一主電源以作為該電源供應裝置的該待機電源。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該切換線路包括：一第一功率開關，其第一端用以接收該第一主電源，而其控制端則用以接收一第一控制訊號；以及一第二功率開關，其第一端用以接收該輔助電源，而其控制端則用以接收一第二控制訊號，其中，該第一與該第二功率開關的第二端耦接在一起以輸出該第一主電源或該輔助電源。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應裝置，其中當該電源供應裝置處於該待機狀態時，該第一功率開關反應於該第一控制訊號而關閉，而該第二功率開關反應於該第二控制訊號而導通。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應裝置，其中當該電源供應裝置處於該運作狀態時，該第一功率開關反應於該第一控制訊號而導通，而該第二功率開關反應於該第二控制訊號而關閉。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應裝置，其中當該電源供應裝置處於該待機狀態時，該隔離直流-直流轉換器被關閉，以至於該第一主電源為0V，而該第二功率開關傳導該輔助電源以作為該電源供應裝置的該待機電源。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應裝置，其中當該電源供應裝置處於該運作狀態時，該隔離直流-直流轉換器被啟動，以至於該第一功率開關傳導該第一主電源以作為該電源供應裝置的該待機電源。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該隔離直流-直流轉換器更用以對該輸入電壓進行轉換而產生一第二主電源與一第三主電源。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應裝置，其中該隔離直流-直流轉換器為一隔離的多路輸出直流-直流轉換器。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應裝置，其中該電源供應裝置為一交換式電源供應裝置。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中該輔助電源轉換線路為一反馳式電源轉換線路。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，更包括：一整流線路，用以接收一交流電壓，並對該交流電壓進行整流，藉以產生該輸入電壓。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應裝置，更包括：一功率因素校正轉換器，耦接該整流線路，用以對該輸入電壓進行功率因素校正。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應裝置，更包括：一電磁干擾濾波器，耦接於該交流電壓與該整流線路之間，用以抑制該交流電壓的電磁雜訊。
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