TWI481171B - Exchange power supply with low sense current and its current sensing module - Google Patents

Description

具低感測電流的交換式電源供應器及其電流感測模組

本發明是有關一種電源供應器及其電流感測模組，特別是指具低感測電流的交換式電源供應器及其電流感測模組。

電源供應器的用途是將電力公司所提供的交流電源轉換為低壓的直流電源，以供直流負載使用。請參考圖8所示，係一般電源供應器的電路方塊圖，電源供應器主要包含有一整流單元60與一直流轉換電路70，該整流單元60的輸入端連接市電，該直流轉換電路70的輸入端Vd連接該整流單元60的輸出端，以將市電提供的交流電源V_AC 轉換為直流電，由直流轉換電路70的輸出端Vout供應給負載使用，其中該整流單元60與該直流轉換電路70之間可進一步連接一功率因數校正電路80，以使功率因數校正電路80輸入端的電流Iin相位追隨輸入端Vin電壓的相位，進而改善功率因數。

常見的直流轉換電路70有升壓式(Boost)、降壓式(Buck)、返馳式(Flyback)與順向式(Forward)等，請參考圖9所示的順向式電路，其包含有一變壓器T、一主動開關Q、一輸出電路71、一電流感測模組72與一控制器73。

該變壓器T的一次側連接該整流單元60的輸出端；該主動開關Q連接於該變壓器T一次側與該整流單元60之間，且該主動開關Q具有一控制端，該變壓器T的一次側與主動開關Q串接而形成一電力迴路700；該電流感測模組72耦合連接於該變壓器T與主動開關Q之間；該控制器73包含有一輸入端與一輸出端，該輸入端連接該電流感測模組72，輸出端連接該主動開關Q的控制端。

該電流感測模組72係可藉由電磁感應產生而信號的組件，例如霍爾元件；或如圖9所示，該電流感測模組72包含有一比流器CT與一橋式電路720，比流器CT的一次側連接該變壓器T的一次側，以感測該變壓器T一次側的電流，比流器CT的二次側對應產生一感測電流Is；該橋式電路720的輸入端連接該比流器CT的二次側，該橋式電路720具有一電阻R，且該電阻R連接該控制器73，該感測電流Is通過電阻R後產生一壓降Vcs，由該壓降Vcs反映變壓器T一次側的電流大小。該控制器73則根據變壓器T一次側的電流大小控制該主動開關Q的導通週期，使輸出電路71產生預期的直流電壓。

隨著電源供應器的輸出功率越大，變壓器T一次側的電流將越大。然而，該比流器CT所產生的感測電流Is是依據該變壓器T一次側的電流而得，若變壓器T一次側的電流流量甚大，比流器CT所產生的感測電流Is隨之增大；因感測電流Is增加，進一步提升電流感測模組72中電阻R所消耗的功率(Is² R)；此外，比流器CT的體積亦與其一次側的電流成正比，即比流器CT一次側可接收的電流越大，其體積越大。

綜上所述，隨著電源供應器的輸出功率越大，該電流感測模組72為電源供應器帶來的功率損失也越大，且因部份元件的體積較大，難以再縮小電源供應器產品的體積。

因此本發明的主要目的是提供一種具低感測電流的交換式電源供應器，即使電力迴路的電流隨著電源功應器的功率變大而增加，電源功應器內的電流感測模組仍可維持較低的感測電流，以降低耗能。

為達前揭目的，本發明所採用的技術手段是令該具低感測電流的交換式電源供應器包含有：一交換式電路，形成至少一電力迴路且包含有一主動開關；一電流感測模組，其包含：一分流電路，以對該電力迴路的電流進行分流，其包含有：一第一線路，串接於該電力迴路中，具有一第一阻抗；及一第二線路，具有一第二阻抗且並聯於該第一線路；以及一信號輸出電路，耦合於該分流電路，根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小而產生一電壓信號，由該電壓信號反應該電力迴路的電流大小；以及一控制器，電連接該電流感測模組與該主動開關，係根據該電壓信號而輸出一控制信號至該主動開關，以控制開主動開關的導通時間。

本發明的另一目的是提供一種電流感測模組，連接在一電源供應器的電力迴路中，其包含有：一分流電路，其包含有：一第一線路，串接於所述電力迴路中；及一第二線路，並聯於該第一線路；以及一信號輸出電路，耦合於該分流電路，根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小而產生一電壓信號，由該電壓信號反應該電力迴路的電流大小。

本發明的再一目的是提供一種電流感測模組，連接在一電源供應器的電力迴路中，其包含有：一基板；一分流電路，設置於該基板上，其包含有：一第一線路，串接於所述電力迴路中，且其兩端係分別形成接點並外露於該基板；一第二線路，電連接該第一線路的兩端而並聯於該第一線路；以及一信號輸出電路，設置於該基板上且耦合於該分流電路，根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小而產生一電壓信號，由該電壓信號反映該電力迴路的電流大小。

根據本發明電路，即使電源功應器的功率變大導致提升電力迴路的電流，藉由該電流感測模組中分流電路的設置，令信號輸出電路所耦合的第一線路或第二線路電流的大小低於電力迴路的電流，得以維持較低的感測電流，進而降低耗能。

此外，藉由該電流感測模組的模組化設計，可利用標準的製程製造第一線路與第二線路，令每一個電流感測模組的品質趨近一致，彼此之間的第一線路等效阻抗相近，第二線路等效阻抗值亦是彼此接近，確保每一個電流感測模組產出的品質。

請參考圖1所示，是本發明具低感測電流的交換式電源供應器的第一較佳實施例，本發明包含有一交換式電路10、一電流感測模組20與一控制器30。

該交換式電路10形成至少一電力迴路100且包含有一主動開關Q，於第一較佳實施例中，該交換式電路10是順向式(Forward)電路，其包含有一變壓器T、一主動開關Q與一輸出電路11。

該變壓器T包含有一次側與二次側，且分別具有一第一端與一第二端，一次側作為該交換式電路10的輸入端Vd。

該主動開關Q連接於該變壓器T一次側的第二端與一第一接地源G之間，該主動開關Q與該變壓器T一次側構成所述的電力迴路100；該主動開關Q具有一控制端，可為金氧半場效電晶體(MOSFET)，以閘極作為控制端。

該輸出電路11連接於該變壓器T的二次側，包含有一第一二極體D1、一第二二極體D2、一電感L與一電容C，該變壓器T二次側、第一二極體D1、電感L與電容C形成串接結構而形成另一電力迴路100，並以電容C的兩端作為交換式電路10的輸出端Vout，該第一二極體D1的陽極連接該變壓器T二次側的第一端，該電容C的一端連接變壓器T二次側的第二端，該第二二極體D2的陰極端連接該第一二極體D1的陰極端，該第二二極體D2的陽極端則連接變壓器T二次側的第二端。

如圖1所示，該電流感測模組20包含有一分流電路21與一信號輸出電路22。

該分流電路21串接在前述的電力迴路100中，以對電力迴路100的的電流進行分流，該分流電路21包含有一第一線路211與一第二線路212，該第一線路211串接於該電力迴路100中，其具有一第一阻抗Z1，該第二線路212並聯於該第一線路211，其具有一第二阻抗Z2。

請參考圖2所示，係該分流電路21的等效電路圖，因該第一線路211具有一第一阻抗Z1，第二線路212亦具有一第二阻抗Z2，根據分流原理，若第一線路211的電流為，則該第二線路212的電流為，其中I_P 是電力迴路100電流，即變壓器T的一次側電流。因此只要透過選擇第一線路211、第二線路212的阻抗值Z1、Z2，即可使期望的電流大小通過第一線路211與第二線路212，令第一、第二線路211、212的電流相對該電力迴路100中的電流小。其中第一、第二線路211、212中可串接精密電阻以調整第一、第二阻抗Z1、Z2的大小，又，根據電阻公式：

ρ ：電阻係數；l ：導線長度；A ：導線截面積。

根據上式可知，除了直接串接精密電阻以改變阻抗，第一線路211與第二線路212之間還可透過選擇材質、線路長度與截面積來取得期望的阻抗大小。

該信號輸出電路22耦合於該分流電路21中的第一線路211或第二線路212，而根據所耦合的第一線路211或第二線路212的電流大小而產生一電壓信號，由該電壓信號反應該電力迴路100的電流大小。

在本較佳實施例中，該信號輸出電路22包含有一比流器CT、一橋式電路220與一電阻R，該比流器CT的一次側可耦合至該第一線路211或第二線路212，並於二次側根據所耦合的第一線路211或第二線路212的電流大小對應產生一感測電流信號Is，其中比流器CT一次側與二次側的電流比為n:1，n可為數百至數千，因此感測電流Is是所耦合第一線路211或第二線路212電流之比例縮小。該橋式電路220的輸入端電連接該比流器CT的二次側，以接收該感測電流信號Is並進行整流，該橋式電路220可為全橋或半橋電路；該電阻R電連接該橋式電路220的輸出端，該感測電流信號Is在該電阻R產生的壓降Vcs作為所述的電壓信號。

如圖3所示，該信號輸出電路22尚可為霍爾元件221，其輸入端耦合第一線路211或第二線路212，並依所耦合第一線路211或第二線路212的電流大小所引起的磁場感應產生一霍爾電壓VH，由霍爾電壓VH作為所述的電壓信號。

該控制器30電連接該電流感測模組20與該主動開關Q，係根據該電壓信號而輸出一控制信號至該主動開關Q，以控制開主動開關Q的導通時間。在本較佳實施例中，該控制器30的輸入端連接該電阻R的一端，該控制器30的輸出端連接該主動開關Q的控制端，係根據該壓降Vcs而輸出一控制信號至該主動開關Q，以控制主動開關Q的週期，進而使輸出電路11產生預期的直流電。

綜合以上所述，即使該變壓器T一次側電流提升，本發明透過第一阻抗Z1與第二阻抗Z2的配置，以調整通過第一線路211與第二線路212的電流，使通過第一線路211與第二線路212的電流小於變壓器T一次側電流，又該比流器CT感應產生的感測電流Is是根據所耦合的線路再感測而得，因此令感測電流Is得以維持較低的大小，進一步使該電阻R所消耗的功率不會隨著變壓器T一次側電流增加而提升。

該交換式電路10尚可其他類型，常見的有返馳式(Flyback)、升壓式(Boost)與降壓式(Buck)。請參考圖4所示，係本發明的第二較佳實施例，該交換式電路10是返馳式(Flyback)電路，其包含有一變壓器T、一主動開關Q與一輸出電路11。

該變壓器T包含有一次側與二次側，且分別具有一第一端與一第二端，一次側作為該交換式電路10的輸入端Vd。

該主動開關Q連接於該變壓器T一次側的第二端與一第一接地源G之間，該主動開關Q與該變壓器T一次側構成所述的電力迴路100以供電流感測模組20耦合連接；該主動開關Q具有一控制端，其可為金氧半場效電晶體(MOSFET)，以閘極作為控制端。

該輸出電路11連接於該變壓器T的二次側，包含有一二極體D與一電容C，該變壓器T的二次側、二極體D與電容C形成串接結構而形成另一電力迴路100以供電流感測模組20耦合連接，該第二極體D的陽極連接該變壓器T二次側的第一端，該電容C的一端連接變壓器T二次側的第二端，該電容C的兩端作為交換式電路10的輸出端Vout。

請參考圖5所示，該交換式電路10是升壓式(Boost)電路，包含有所述的主動開關Q、一電感L、一二極體D、一電容C與一電阻R，該主動開關具有一控制端；該電感L、二極體D、電容C與電阻R串接而形成所述的電力迴路100以供電流感測模組耦合連接，該主動開關Q電連接於該二極體D的陽極端與該電阻R之間，該電容C的兩端作為交換式電路10的輸出端Vo，該電感L與該電阻R的一端作為交換式電路10的輸入端Vd。

請參考圖6所示，該交換式電路10是降壓式(Buck)電路，包含有所述主動開關Q、一電感L、一電容C、一電阻R與一二極體D，該主動開關Q具有一控制端；該主動開關Q、該電感L、該電容C與電阻R串接而形成所述的電力迴路100以供電流感測模組耦合連接，該二極體D的陽極端連接該電阻R，陰極端連接於主動開關Q與電感L之間，該電容C的兩端作為該交換式電路10的輸出端Vout，該主動開關Q的一端與二極體D的陽極端作為交換式電路10的輸入端Vd。

在實體電路中，該電流感測模組20是可拆組地連接於交換式電路10，即該分流電路21與交換式電路10是可組接、分離的。

請參考圖7所示，在該交換式電路中，電力迴路100的線路上可設置一第一接點41與一第二接點42，該第一接點41與第二接點42彼此隔開，其中若如圖1之第一較佳實施例而言，第一接點41是電連接該變壓器T的一次側，該第二接點42電連接該主動開關Q。

電流感測模組500包含有一基板50，該基板50上設有所述的第一線路51與第二線路52，且第一、第二線路51、52可為金屬線，該第一線路51設於該基板50上，其具有相對兩端並形成兩接點510，該兩接點510外露於基板50下方，該第二線路52是跨接在基板50上方並連接該第一線路51的兩端，該第一線路51或第二線路52上可連接精密電阻56；所述的信號輸出電路設於該基板50上，例如由比流器53與橋式電路54設於該基板50上，該比流器53可為貫穿式的比流器，具有一貫穿的通道530，且該第二線路52穿過該通道530以作為比流器53的一次側，比流器53的二次側可由導線55連接該橋式電路54。當電流感測模組500連接該交換式電路時，是將第一線路51上的兩接點510分別接觸該交換式電路的第一接點41與第二接點42，以使該變壓器T一次側與該主動開關Q構成電性連接，以形成一完整的迴路。

因為該電流感測模組500是可拆組的與該交換式電路連接，其中第一線路51與第二線路52是依本身等效電阻而分流，因此在生產製造電流感測模組500時，第一線路51與第二線路52的材質、長度與截面積必須謹慎控管；本發明透過模組化的設計，可以相同的生產製造流程產出品質較一致的電流感測模組500，有效提升電流感測模組的品質與良率。此外，因信號輸出電路所耦合線路的電流已相對電力迴路的電流低，故信號輸出電路中可選用較小體積之電路元件，例如比流器或霍爾元件，進而縮小電源供應器產品的體積。

10．．．交換式電路

100．．．電力迴路

11．．．輸出電路

20．．．電流感測模組

21．．．分流電路

211．．．第一線路

212．．．第二線路

22．．．信號輸出電路

220．．．橋式電路

221．．．霍爾元件

30．．．控制器

41．．．第一接點

42．．．第二接點

500．．．電流感測模組

50．．．基板

51．．．第一線路

510．．．接點

52．．．第二線路

53．．．比流器

530．．．通道

54．．．橋式電路

55．．．導線

56．．．精密電阻

60．．．整流單元

700．．．電力迴路

70．．．直流轉換電路

71．．．輸出電路

72．．．電流感測模組

720．．．橋式電路

73．．．控制器

80．．．功率因數校正電路

圖1：本創作第一較佳實施例電路示意圖。

圖2：分流電路的等效電路示意圖。

圖3：該電流感測模組為霍爾元件的電路示意圖。

圖4：本創作第二較佳實施例電路示意圖。

圖5：升壓式電路示意圖。

圖6：降壓式電路示意圖。

圖7：電流感測模組側視示意圖。

圖8：電源供應器電路方塊示意圖。

圖9：已知電源供應器電路示意圖。

10．．．交換式電路

100．．．電力迴路

11．．．輸出電路

20．．．電流感測模組

21．．．分流電路

211．．．第一線路

212．．．第二線路

22．．．信號輸出電路

220．．．橋式電路

30．．．控制器

Claims (10)

1. 一種具低感測電流的交換式電源供應器，其包含有：一交換式電路，包含有一變壓器、一主動開關與一輸出電路，該變壓器具有一次側與二次側，該主動開關連接於該變壓器一次側以形成一電力迴路，該輸出電路連接於該變壓器的二次側；一電流感測模組，包含：一分流電路，串接於該電力迴路中，以對該電力迴路的電流進行分流，該分流電路包含有：一第一線路，串接於該電力迴路中，具有一第一阻抗，該第一阻抗包含有電阻；及一第二線路，具有一第二阻抗且並聯於該第一線路，該第二阻抗包含有電阻；以及一信號輸出電路，磁耦合於該分流電路，根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小而產生一電壓信號，由該電壓信號反應該電力迴路的電流大小；以及一控制器，電連接該電流感測模組與該主動開關，係根據該電壓信號而輸出一控制信號至該主動開關，以控制開主動開關的導通時間。
2. 如請求項1所述具低感測電流的交換式電源供應器，該信號輸出電路包含有：一比流器，其一次側耦合至該第一線路或第二線路，並於二次側根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小 對應產生一感測電流信號；一橋式電路，其輸入端電連接該比流器的二次側以接收該感測電流信號；一電阻，電連接該橋式電路的輸出端及該控制器，該感測電流信號在該電阻產生的壓降作為所述的電壓信號。
3. 如請求項1所述具低感測電流的交換式電源供應器，該信號輸出電路包含有：一霍爾元件，其輸入端耦合至該第一線路或第二線路且一輸出端電連接該控制器，係根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小所引起的磁場而產生所述的電壓信號。
4. 如請求項2所述具低感測電流的交換式電源供應器，該電流感測模組包含有：一基板；所述的分流電路設於該基板上，其中該第一線路的兩端係分別形成接點並外露於基板，該第二線路電連接該第一線路的兩端，其中該第一、第二線路分別為金屬線；該比流器設置在該基板上，供所耦合的第一線路或第二線路貫穿。
5. 一種電流感測模組，連接在一電源供應器的交換式電路，其中該交換式電路包含有一變壓器、一主動開關與一輸出電路，該主動開關連接於該變壓器一次側以形成一電力迴路，該輸出電路連接於該變壓器的二次側，該電流感測模組包含有：一分流電路，其包含有： 一第一線路，串接於該電力迴路中且具有一第一阻抗，該第一阻抗包含有電阻；及一第二線路，並聯於該第一線路且具有一第二阻抗，該第二阻抗包含有電阻；以及一信號輸出電路，磁耦合於該分流電路，根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小而產生一電壓信號，由該電壓信號反應該電力迴路的電流大小。
6. 如請求項5所述之電流感測模組，該信號輸出電路包含有：一比流器，其一次側耦合至該第一線路或第二線路，並根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小對應產生一感測電流信號；一橋式電路，其輸入端電連接該比流器的二次側以接收該感測電流信號；一電阻，電連接該橋式電路的輸出端，該感測電流信號在該電阻產生的壓降作為所述的電壓信號。
7. 如請求項5所述之電流感測模組，該信號輸出電路包含有：一霍爾元件，耦合至該第一線路或第二線路，係根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小所引起的磁場而產生所述的電壓信號。
8. 一種電流感測模組，連接在一電源供應器的交換式電路，其中該交換式電路包含有一變壓器、一主動開關與一輸出電路，該主動開關連接於該變壓器一次側以形成一電力迴路，該輸出電路連接於該變壓器的二次側，該電流 感測模組包含有：一基板；一分流電路，設置於該基板上，其包含有：一第一線路，串接於該電力迴路中，且其兩端係分別形成接點並外露於該基板；一第二線路，電連接該第一線路的兩端而並聯於該第一線路，其中該第一、第二線路分別為金屬線；以及一信號輸出電路，設置於該基板上且磁耦合於該分流電路，根據所耦合的第一線路或第二線路的電流大小而產生一電壓信號，由該電壓信號反映該電力迴路的電流大小。
9. 如請求項8所述之電流感測模組，該第一線路與第二線路上連接有精密電阻。
10. 如請求項8或9所述之電流感測模組，該信號輸出電路包含有一比流器，係設置在該基板上以供所耦合的第一線路或第二線路貫穿。