TWI527347B - 電源裝置 - Google Patents

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TWI527347B
TWI527347B TW104108821A TW104108821A TWI527347B TW I527347 B TWI527347 B TW I527347B TW 104108821 A TW104108821 A TW 104108821A TW 104108821 A TW104108821 A TW 104108821A TW I527347 B TWI527347 B TW I527347B
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周政廷
胡明麟
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和碩聯合科技股份有限公司
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Description

電源裝置
本發明係關於一種電源裝置，特別是關於一種具有電源協調功能之電源裝置。
現今，於我們日常生活中所使用之電子裝置的數量不斷增加，如影印機、列表機、音頻及視頻產品、桌上型電腦及筆記型電腦。這些電子裝置可透過電源供應器(Power Supply)取得電源，電源供應器提供單一或多種電子裝置穩定、適當電壓的電源，為不可或缺的重要功能元件之一。
電源供應器可將輸入之交流市電轉換為電子裝置所需之直流電，如圖1所示，習知之電源裝置100通常具有交流/直流電源轉換器200、直流/直流電源轉換器300、控制單元400及內部負載500。交流/直流電源轉換器200係將交流電壓(市電)轉換為直流電壓，當控制單元400處於一操作模式時，控制單元400會控制直流/直流電源轉換器300進行電源轉換，將直流電壓再轉換為內部負載500及外部負載600所需之各種直流低電壓。
但是，當控制單元400處於一保護模式時，控制單元400無法控制直流/直流電源轉換器300進行電源轉換，若內部負載500是具有功率消耗較大的電路，則此時內部負載500無法得到適當的電力進行運作。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種電源裝置，用以配合一外部負載。
應用本發明之電源裝置包含變壓器、電源協調單元、控制單元及內部負載。其中，變壓器對應於一操作信號轉換輸入電壓為輸出電壓及輔助電壓，變壓器具有彼此電磁耦合之第一線圈、第二線圈及輔助線圈， 第一線圈用以接收輸入電壓，第二線圈用以提供輸出電壓至外部負載，輔助線圈用以提供輔助電壓。
電源協調單元包含第一電阻、第二電阻、電晶體、二極體及電容。第一電阻耦接於輸入電壓與第一端點之間。電晶體之第一接腳連接至第一端點，電晶體之第二接腳連接至第二端點，輔助線圈耦接於第二端點與接地端點之間。第二電阻耦接於輸入電壓與電晶體之第三接腳之間。二極體耦接於第一端點與第二端點之間。電容耦接於第一端點與接地端點之間。
控制單元耦接於第一端點與第一線圈之間，控制單元選擇性地產生操作信號。
內部負載耦接第二端點，當控制單元處於保護模式時，控制單元不產生操作信號，電源協調單元透過第一端點之啟動電壓產生協調電流，協調電流用以供電至內部負載。
在本發明一實施例中，當控制單元處於操作模式時，控制單元產生操作信號，使輔助線圈於第二端點產生輔助電壓，電源協調單元透過輔助電壓截止協調電流，且輔助電壓用以供電至內部負載與控制單元。
在本發明一實施例中，控制單元包含低電壓鎖定單元及驅動單元。低電壓鎖定單元耦接至第一端點，低電壓鎖定單元根據第一端點之啟動電壓與一參考電壓的比較結果而產生控制信號。驅動單元耦接於低電壓鎖定單元與第一線圈之間，驅動單元依據控制信號而被致能或禁能，且驅動單元選擇性地產生操作信號。
在本發明一實施例中，參考電壓包含第一比較電壓與第二比較電壓，第一比較電壓大於第二比較電壓，當啟動電壓大於或等於第一比較電壓時，控制信號致能驅動單元，當啟動電壓小於或等於第二比較電壓時，控制信號禁能驅動單元。
在本發明一實施例中，電源裝置更包含開關單元。開關單元耦接於驅動單元與第一線圈之間，驅動單元選擇性地傳送操作信號至開關單元。
在本發明一實施例中，當控制單元處於操作模式時，驅動單 元依據一回授信號及一感測信號傳送操作信號至開關單元，回授信號係對應於輸出電壓，感測信號係對應於流經第一線圈之電流。
在本發明一實施例中，電晶體為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，第一接腳為N型金屬氧化物半導體場效電晶體之閘極，第二接腳為N型金屬氧化物半導體場效電晶體之源極，第三接腳為N型金屬氧化物半導體場效電晶體之汲極。
在本發明一實施例中，二極體之陰極耦接第一端點，二極體之陽極耦接第二端點。
在本發明一實施例中，第一電阻的電阻值大於第二電阻的電阻值。
承上所述，本發明之實施例提供一種電源裝置，藉由電源協調單元的配置，使得當控制單元處於保護模式時，電源協調單元可產生穩定的協調電流，以供電內部負載。當控制單元處於操作模式時，輔助電壓可供電至內部負載，且協調電流可透過輔助電壓而被截止，並藉由將協調電流截止而不會影響控制單元於操作模式時的電路運作。故，透過此種配置將可以實現提供一種具有電源協調功能的電源裝置。
1、100‧‧‧電源裝置
2、600‧‧‧外部負載
3‧‧‧變壓器
4‧‧‧電源協調單元
5、400‧‧‧控制單元
6、500‧‧‧內部負載
7‧‧‧開關單元
8‧‧‧第一輸出單元
9‧‧‧第二輸出單元
50‧‧‧低電壓鎖定單元
52‧‧‧驅動單元
200‧‧‧交流/直流電源轉換器
300‧‧‧直流/直流電源轉換器
V1‧‧‧第一比較電壓
V2‧‧‧第二比較電壓
Vi‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Va‧‧‧輔助電壓
Vs‧‧‧啟動電壓
Ic‧‧‧協調電流
L1‧‧‧第一線圈
L2‧‧‧第二線圈
L3‧‧‧輔助線圈
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
Q1‧‧‧電晶體
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
C3‧‧‧第三電容
N1‧‧‧第一端點
N2‧‧‧第二端點
G1‧‧‧接地端點
S1‧‧‧操作信號
S2‧‧‧控制信號
Sfb‧‧‧回授信號
Scs‧‧‧感測信號
圖1係繪示習知電源裝置的示意圖。
圖2係繪示本發明第一實施例之電源裝置的示意圖。
圖3係繪示本發明第一實施例當控制單元處於操作模式時啟動電壓的波形圖。
圖4係繪示本發明第一實施例當控制單元處於保護模式時啟動電壓的波形圖。
圖5係繪示本發明第二實施例之電源裝置的示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種電源裝置，其中相同的構件、元件將以相同的元件符號加以表示以及說明。
請參照圖2，圖2係繪示本發明第一實施例之電源裝置的示 意圖。電源裝置1用以配合一外部負載2。電源裝置1包含變壓器3、電源協調單元4、控制單元5及內部負載6。
於第一實施例中，變壓器3係對應於一操作信號S1而轉換輸入電壓Vi為輸出電壓Vo及輔助電壓Va，變壓器3具有彼此電磁耦合之第一線圈L1、第二線圈L2及輔助線圈L3，第一線圈L1用以接收輸入電壓Vi，第二線圈L2用以提供輸出電壓Vo至外部負載2，輔助線圈L3用以提供輔助電壓Va。輸入電壓Vi可為一直流電壓，此直流電壓可透過電源裝置1內的橋式整流器(圖未顯示)將交流電壓(市電)整流後而取得。
電源協調單元4包含第一電阻R1、第二電阻R2、電晶體Q1、第一二極體D1及第一電容C1。第一電阻R1耦接於輸入電壓Vi與第一端點N1之間。電晶體Q1之第一接腳連接至第一端點N1，電晶體Q1之第二接腳連接至第二端點N2，輔助線圈L3耦接於第二端點N2與接地端點G1之間。第二電阻R2耦接於輸入電壓Vi與電晶體Q1之第三接腳之間。第一二極體D1耦接於第一端點N1與第二端點N2之間。第一電容C1耦接於第一端點N1與接地端點G1之間。
控制單元5耦接於第一端點N1與第一線圈L1之間，且控制單元5選擇性地產生操作信號S1。操作信號S1可為一脈寬調變(Pulse-width modulation,PWM)信號，並用以控制變壓器3的輸出電壓Vo及輔助電壓Va。透過改變操作信號S1的頻率，可調整輸出電壓Vo及輔助電壓Va的大小。
內部負載6耦接第二端點N2。內部負載6可為電源裝置1的保護電路或其他額外應用，故本領域技術人員可經由設計不同的內部負載6，以擴增電源裝置1的功能。
當控制單元5處於保護模式時，控制單元5不產生操作信號S1，電源協調單元4可透過第一端點N1之啟動電壓Vs產生協調電流Ic，協調電流Ic可用以供電至內部負載6。
詳細而言，控制單元5的保護模式可能會因為電源裝置1的應用異常而被觸發，應用異常的情況可例如為：電路溫度過高、內部或外部電路短路、輸出電壓過高或一次側的感應電流過高…等情形。當控制 單元5處於保護模式時，控制單元5不會產生操作信號S1，因此變壓器3無法將輸入電壓Vi轉換為輸出電壓Vo及輔助電壓Va，此時變壓器3無法透過輔助電壓Va提供電力給內部負載6。在此情況中，藉由輸入電壓Vi於第一電阻R1所產生的電流對第一電容C1充電，以於第一端點N1產生啟動電壓Vs，啟動電壓Vs可用以供電至控制單元5，且第一二極體D1可透過啟動電壓Vs形成逆向偏壓，電晶體Q1亦可透過啟動電壓Vs形成導通狀態。當電晶體Q1處於導通狀態時，電源協調單元4可產生流經第二電阻R2的協調電流Ic，由於第一二極體D1處於逆向偏壓狀態，此協調電流Ic會流至內部負載6。因此，在控制單元5處於保護模式時，電源協調單元4可透過協調電流Ic供電至內部負載6。
當控制單元5處於操作模式時，控制單元5可產生操作信號S1，使輔助線圈L3於第二端點N2產生輔助電壓Va，電源協調單元4透過輔助電壓Va截止協調電流Ic，且輔助電壓Va用以供電至內部負載6與控制單元5。
詳細而言，在控制單元5處於操作模式時，亦即電源裝置1係處於正常供電狀態，控制單元5可產生操作信號S1，以控制變壓器3將輸入電壓Vi轉換為輸出電壓Vo及輔助電壓Va。此時，輔助線圈L3可於第二端點N2產生大於啟動電壓Vs之輔助電壓Va，第一二極體D1可透過輔助電壓Va形成順向偏壓，且電晶體Q1亦可透過輔助電壓Va形成截止狀態。當電晶體Q1處於截止狀態時，協調電流Ic亦同時被截止。因此，在控制單元5處於操作模式時，變壓器3可透過輔助電壓Va供電至內部負載6，輔助電壓Va亦可藉由第一二極體D1處於順向偏壓狀態而對控制單元5供電。
如圖2所示，電晶體Q1可為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體(N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，第一接腳可為N型金屬氧化物半導體場效電晶體之閘極，第二接腳可為N型金屬氧化物半導體場效電晶體之源極，第三接腳可為N型金屬氧化物半導體場效電晶體之汲極。第一二極體D1之陰極可耦接第一端點N1，第一二極體之陽極可耦接第二端點N2。
在本實施例中，第一電阻R1的電阻值可大於第二電阻R2的電阻值，第一電阻R1的電阻值可為百萬歐姆等級(如：MΩ等級)，第二電阻R2的電阻值可為千歐姆等級(如：KΩ等級)，但本發明並不以此為限。
如圖2所示，控制單元5可包含低電壓鎖定單元50及驅動單元52。低電壓鎖定單元50耦接至第一端點N1，低電壓鎖定單元50根據第一端點N1之啟動電壓Vs與一參考電壓的比較結果而產生控制信號S2。驅動單元52耦接於低電壓鎖定單元50與第一線圈L1之間，驅動單元52可依據控制信號S2而被致能或禁能，且驅動單元52選擇性地產生操作信號S1。
圖3係繪示本發明第一實施例當控制單元處於操作模式時啟動電壓的波形圖，圖4係繪示本發明第一實施例當控制單元處於保護模式時啟動電壓的波形圖。請同時參照圖3及圖4，縱軸為啟動電壓Vs，橫軸為時間，參考電壓可包含第一比較電壓V1與第二比較電壓V2，第一比較電壓V1大於第二比較電壓V2。當啟動電壓Vs大於或等於第一比較電壓V1時，控制信號S2會致能驅動單元52。當啟動電壓Vs小於或等於第二比較電壓V2時，控制信號S2會禁能驅動單元52。第一比較電壓V1可為16伏特，第二比較電壓V2可為10伏特，但本發明不以此為限。
如圖3所示，藉由輸入電壓Vi於第一電阻R1所產生的電流對第一電容C1充電，使得第一端點N1產生啟動電壓Vs。當啟動電壓Vs隨著時間持續升高，使啟動電壓Vs上升至第一比較電壓V1時，低電壓鎖定單元50會產生致能狀態的控制信號S2，以致能驅動單元52，驅動單元52被啟動並開始消耗啟動電壓Vs所提供的電力。此時，控制單元5處於操作模式，故驅動單元52可產生操作信號S1，以控制變壓器3將輸入電壓Vi轉換為輸出電壓Vo及輔助電壓Va。因此，在控制單元5處於操作模式的期間，啟動電壓Vs可透過輔助電壓Va持續提供電力至第一電容C1，以維持穩定的電壓。
如圖4所示，當啟動電壓Vs隨著時間持續升高，使啟動電壓Vs上升至第一比較電壓V1時，低電壓鎖定單元50會產生致能狀態的控 制信號S2，以致能驅動單元52，驅動單元52被啟動並開始消耗啟動電壓Vs所提供的電力。此時，控制單元5處於保護模式，驅動單元52不會產生操作信號S1，故變壓器3無法將輸入電壓Vi轉換為輸出電壓Vo及輔助電壓Va。在此情況下，由於不具有輔助電壓Va，啟動電壓Vs會因驅動單元52開始消耗電力而下降。接著，當啟動電壓Vs隨著時間持續下降，使啟動電壓Vs下降至第二比較電壓V2時，低電壓鎖定單元50會產生禁能狀態的控制信號S2，以禁能驅動單元52，驅動單元52被關閉並停止消耗啟動電壓Vs所提供的電力。此時，透過輸入電壓Vi對第一電容C1充電，啟動電壓Vs會再次地上升。因此，在控制單元5處於保護模式的期間，啟動電壓Vs會形成持續震盪的三角波。
基此，在控制單元5處於保護模式時，電晶體Q1透過啟動電壓Vs而形成導通狀態，電源協調單元4並透過啟動電壓Vs產生供電至內部負載6的協調電流Ic。當控制單元5由保護模式轉換為操作模式時，電晶體Q1透過輔助電壓Va而形成截止狀態，使協調電流Ic同時被截止，由於協調電流Ic被截止，因此協調電流Ic並不會影響控制單元5於操作模式時的運作，變壓器3可透過輔助電壓Va供電至內部負載6，且啟動電壓Vs可藉由輔助電壓Va提供控制單元5穩定的電壓。
請參照圖5，圖5係繪示本發明第二實施例之電源裝置的示意圖，圖5與圖1相同之元件以相同符號標示。電源裝置1可為一返馳式電源供應器(Flyback Power Supply)，但本發明不以此為限，電源裝置1亦可為順向式轉換器(Forward Power Supply)或其他類型的電源供應器。
如圖5所示，於第二實施例中，電源裝置1更可包含開關單元7、第一輸出單元8及第二輸出單元9。開關單元7耦接於驅動單元52與第一線圈L1之間，驅動單元52選擇性地傳送操作信號S1至開關單元7。開關單元7可為一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)或一絕緣柵雙極電晶體(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)，本發明不以此為限。
第一輸出單元8耦接第二線圈L2與外部負載2之間，第一 輸出單元8可用以提供輸出電壓Vo至外部負載2，且第一輸出單元8可包含第二電容C2及第二二極體D2。
第二輸出單元9耦接輔助線圈L3與第二端點N2之間，第二輸出單元9可用以提供輔助電壓Va至內部負載6，且第二輸出單元9可包含第三電容C3及第三二極體D3。第三電容C3耦接於第二端點N2與接地端點G1之間，且第三電容C3可透過協調電流Ic或輔助線圈L3產生之能量進行充電，以對內部負載6供電。
當控制單元5處於操作模式時，驅動單元52可依據一回授信號Sfb及一感測信號Scs傳送操作信號S1至開關單元7，回授信號Sfb係對應於輸出電壓Vo，感測信號Scs係對應於流經第一線圈L1之電流。
基於上述，在控制單元5處於操作模式時，驅動單元52會依據回授信號Sfb及感測信號Scs而傳送操作信號S1至開關單元7，以控制變壓器3的運作。操作信號S1可為一脈寬調變信號，當開關單元7反應於驅動單元52所產生之脈寬調變信號而導通(turned on)時，輸入電壓Vi會跨接於變壓器3的第一線圈L1，使第一線圈L1的電感電流線性地增加而進行儲能。此時，由於第二二極體D2會形成逆向偏壓，所以變壓器3的第二線圈L2將無電流流通。另外，變壓器3的輔助線圈L3也無電流流通。
另一方面，當開關單元7反應於驅動單元52所產生之脈寬調變信號而關閉(turned off)時，基於楞次定律(Lenz's law)，變壓器3之第一線圈L1所儲存的能量會轉移至第二線圈L2與輔助線圈L3。此時，由於第二二極體D2處於順向偏壓而導通，所以轉移至變壓器3的第二線圈L2的能量將會對第二電容C2進行充電，並且供應輸出電壓Vo給外部負載2。另外，轉移至變壓器3之輔助線圈L3的能量將會對第三電容C3進行充電，並供應輔助電壓Va給內部負載6。
由此可知，在控制單元5處於操作模式時，基於控制單元5所產生之操作信號S1(脈寬調變信號)而交替地導通與關閉開關單元7的運作方式，電源裝置1可持續地供應輸出電壓Vo與輔助電壓Va。
當控制單元5處於保護模式時，由於驅動單元52不傳送操作信號S1至開關單元7，變壓器3無法提供輸出電壓Vo及輔助電壓Va， 因此輔助電壓Va無法供電至內部負載6。此時，啟動電壓Vs的波形圖為三角波(如圖4所示)，啟動電壓Vs使第一二極體D1形成逆向偏壓，且電晶體Q1的閘極與源極之間亦形成導通狀態。當電晶體Q1透過啟動電壓Vs而形成導通狀態時，輸入電壓Vi於第二電阻R2上產生協調電流Ic，且協調電流Ic可提供電力至內部負載6。
在控制單元5處於保護模式時，若第一電阻R1的電阻值係大於第二電阻R2的電阻值，則由第二電阻R2所產生協調電流Ic會大於由第一電阻R1所產生的電流。故在此情況下，藉由原本流經第一電阻R1的小電流而產生流經第二電阻R2的大電流(協調電流Ic)，電源協調單元4的配置產生了電流放大的效果，並透過大電流(協調電流Ic)提供穩定的電力至內部負載6。
綜上所述，本發明實施例之電源裝置，藉由電源協調單元的配置，使得當控制單元處於保護模式時，電源協調單元可產生穩定的協調電流，以供電內部負載。當控制單元由保護模式轉換為操作模式時，變壓器所產生輔助電壓可供電至內部負載，且協調電流可透過輔助電壓而被截止，並藉由將協調電流截止而不影響控制單元於操作模式時的電路運作。故，透過此種配置將可以實現提供一種具有電源協調功能的電源裝置。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧電源裝置
2‧‧‧外部負載
3‧‧‧變壓器
4‧‧‧電源協調單元
5‧‧‧控制單元
6‧‧‧內部負載
50‧‧‧低電壓鎖定單元
52‧‧‧驅動單元
Vi‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Va‧‧‧輔助電壓
Ic‧‧‧協調電流
L1‧‧‧第一線圈
L2‧‧‧第二線圈
L3‧‧‧輔助線圈
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
Q1‧‧‧電晶體
D1‧‧‧第一二極體
C1‧‧‧第一電容
N1‧‧‧第一端點
N2‧‧‧第二端點
G1‧‧‧接地端點
S1‧‧‧操作信號
S2‧‧‧控制信號

Claims (9)

  1. 一種電源裝置，用以配合一外部負載，包含：一變壓器，對應於一操作信號轉換一輸入電壓為一輸出電壓及一輔助電壓，該變壓器具有彼此電磁耦合之一第一線圈、一第二線圈及一輔助線圈，該第一線圈用以接收該輸入電壓，該第二線圈用以提供該輸出電壓至該外部負載，該輔助線圈用以提供該輔助電壓；一電源協調單元，包含：一第一電阻，耦接於該輸入電壓與一第一端點之間；一電晶體，該電晶體之一第一接腳連接至該第一端點，該電晶體之一第二接腳連接至一第二端點，該輔助線圈耦接於該第二端點與一接地端點之間；一第二電阻，耦接於該輸入電壓與該電晶體之一第三接腳之間；一二極體，耦接於該第一端點與該第二端點之間；及一電容，耦接於該第一端點與該接地端點之間；一控制單元，耦接於該第一端點與該第一線圈之間，該控制單元選擇性地產生該操作信號；以及一內部負載，耦接該第二端點，當該控制單元處於一保護模式時，該控制單元不產生該操作信號，該電源協調單元透過該第一端點之一啟動電壓產生一協調電流，該協調電流用以供電至該內部負載。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源裝置，其中當該控制單元處於一操作模式時，該控制單元產生該操作信號，使該輔助線圈於該第二端點產生該輔助電壓，該電源協調單元透過該輔助電壓截止該協調電流，且該輔助電壓用以供電至該內部負載與該控制單元。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源裝置，其中該控制單元包含：一低電壓鎖定單元，耦接至該第一端點，該低電壓鎖定單元根據該第一端點之該啟動電壓與一參考電壓的比較結果而產生一控制信號；以及一驅動單元，耦接於該低電壓鎖定單元與該第一線圈之間，該驅動單元依據該控制信號而被致能或禁能，且該驅動單元選擇性地產生該操作信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源裝置，其中該參考電壓包含一第一比較電壓與一第二比較電壓，該第一比較電壓大於該第二比較電壓，當該啟動電壓大於或等於該第一比較電壓時，該控制信號致能該驅動單元，當該啟動電壓小於或等於該第二比較電壓時，該控制信號禁能該驅動單元。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電源裝置，更包含：一開關單元，耦接於該驅動單元與該第一線圈之間，該驅動單元選擇性地傳送該操作信號至該開關單元。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源裝置，其中當該控制單元處於一操作模式時，該驅動單元依據一回授信號及一感測信號傳送該操作信號至該開關單元，該回授信號係對應於該輸出電壓，該感測信號係對應於流經該第一線圈之一電流。
  7. 如申請專利範圍第1或3項所述之電源裝置，其中該電晶體為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體，該第一接腳為該N型金屬氧化物半導體場效電晶體之閘極，該第二接腳為該N型金屬氧化物半導體場效電晶體之源極，該第三接腳為該N型金屬氧化物半導體場效電晶體之汲極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源裝置，其中該二極體之陰極耦接該第一端點，該二極體之陽極耦接該第二端點。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源裝置，其中該第一電阻的電阻值大於該第二電阻的電阻值。
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