TWI573379B - 電源供應裝置 - Google Patents

Description

電源供應裝置

本發明是關於電源供應裝置，且特別是有關於依據負載電流條件改變輸出電壓的電源供應裝置。

一般的電子產品可供操作在待機模式及非待機模式。為了能同時提供電子產品在待機模式及非待機模式操作下的電力，傳統的電源供應裝置會分別提供待機電源及非待機電源予電子產品，以因應電子產品不同的操作；其中，待機電源多較非待機電源的電壓來得低。

然而，當電子產品操作於非待機模式時，若待機電源持續輸出，則將使得電源供應裝置的功率損耗提升；而且用以提供待機電源的電路會造成電源供應裝置體積與成本的增加。

本發明提供一種電源供應裝置，以單一輸出端提供電子產品在待機模式及非待機模式操作的兩組電力。

根據本發明提供一種電源供應裝置，具有電連接於一電子產品的一輸出端。電源供應裝置包含電源、變壓器、功率開關、電流感測器、光耦合分壓控制器、電壓回授單元、電壓比較器、控制器及脈波寬度調變器。變壓器包含初級繞組及次級繞組，初級繞組電連接於電源，次 級繞組電連接於輸出端，變壓器具有第一電感值及第二電感值，第二電感值小於第一電感值。功率開關電連接於初級繞組及電源。電流感測器電連接於功率開關。光耦合分壓控制器電連接於電流控制器，電壓回授單元電連接於光耦合分壓控制器及輸出端。電壓比較器電連接於電壓回授單元。控制器耦接於電壓比較器，脈波寬度調變器電連接於功率開關及控制器。電流感測器感測導通於初級繞組的電流並依據導通於初級繞組的電流設定光耦合分壓控制器，改變電壓回授單元的回授電壓；電壓比較器比較回授電壓及預設電壓並輸出比較信號，控制器依據比較信號控制脈波寬度調變器輸出的脈波寬度信號的脈波寬度，以改變輸出端輸出的電壓。

本發明的變壓器基於鐵芯氣隙的設計，於輕載時具有第一電感值，激磁電流小儲能小，適合低電壓/電流輸出；於非輕載時具有第二電感值，激磁電流變大儲能增加，適合高電壓電流輸出。

本發明的電源供應裝置的電流感測器感測通過初級繞組的電流，判斷輸出輕/重負載情況後，設定光耦合分壓控制器，改變電壓回授單元的分壓比例，變化輸出回授電壓。電壓比較器比較預設參考電位與回授電壓後輸出比較信號並控制光耦合回授單元，使回授電壓回授至位於初級側的控制器。控制器根據光耦合回授單元的回授電壓，控制脈波寬度調變器的脈波寬度，使電源供應裝置達到根據負載電流條件自動改變次級側輸出高/低電壓的目的。

本發明的電源轉換裝置的電路設計是透過單一輸出端於電產品在不同操作模式時輸出不同電壓，相較於傳統具備兩組輸出端以分別 輸出非待機電壓及待機電壓的電源轉換裝置，本發明的電源供應裝置的電路簡便，且實質利用率高。

10‧‧‧第一磁芯件

100‧‧‧第一主芯部

101‧‧‧電流感測器

102‧‧‧第一側翼部

103‧‧‧電壓回授單元

104‧‧‧端面

105‧‧‧光耦合分壓控制器

1050‧‧‧光產生元件

1052‧‧‧光接收元件

12‧‧‧第二磁芯部

120‧‧‧第二主芯部

122‧‧‧第二側翼部

124‧‧‧端面

201‧‧‧脈波寬度調變器

202‧‧‧控制器

203‧‧‧光耦合回授單元

2030‧‧‧光耦合二極體

2032‧‧‧光敏元件

204‧‧‧電壓比較器

A‧‧‧陽極

C‧‧‧電容器

Co‧‧‧濾波器

D1‧‧‧整流器

K‧‧‧陰極

Q‧‧‧功率開關

Q1‧‧‧電晶體開關

R‧‧‧電阻器

R1‧‧‧第一電阻器

R2‧‧‧第二電阻器

R3‧‧‧第三電阻器

R4‧‧‧第四電阻器

R5‧‧‧第五電阻器

R6‧‧‧第六電阻器

R7‧‧‧第七電阻器

R8‧‧‧第八電阻器

REF‧‧‧參考端

RL‧‧‧負載

TR‧‧‧變壓器

Vd‧‧‧電源

Vout‧‧‧輸出端

Wp‧‧‧初級繞組

Ws‧‧‧次級繞組

X1‧‧‧切換開關

圖1繪示本發明的變壓器的磁芯的剖視圖；圖2繪示本發明的變壓器的電感值對電流曲線圖；圖3繪示本發明的依據負載電流條件改變輸出電壓的電源供應裝置的電路方塊圖；圖4繪示本發明第一實施方式的依據負載電流條件改變輸出電壓的電源供應裝置的局部電路圖；以及圖5繪示本發明第二實施方式的依據負載電流條件改變輸出電壓的電源供應裝置的局部電路圖。

本發明提供一種依據負載電流條件改變輸出電壓的電源供應裝置(以下簡稱電源供應裝置)，具有單一輸出端。電源供應裝置透過輸出端供應電子產品在輕載(或待機模式)及非輕載(非待機模式)操作下的電力。其中，當電子產品操作於輕載時，電源供應裝置產生第一電壓，當電子產品操作於非輕載時，電源供應裝置輸出第二電壓，第二電壓不同於第一電壓，且第二電壓的準位高於第一電壓的準位。

請參照圖1，為本發明的變壓器的磁芯的剖視圖。如圖1所示的磁芯包含第一磁芯件10及一第二磁芯件12，第一磁芯件10及一第二磁芯件12可例如使用鐵氧體材料製作而成。

在圖1中，第一磁芯件10及第二磁芯件12以E形磁芯作為說明範例，但實際實施時不以此為限。如圖1所示，第一磁芯件10包含第一主芯部100及連接於第一主芯部100相對兩側的第一側翼部102，第一主芯部100的端面104為平面。第二磁芯件12包含第二主芯部120及連接於第二主芯部120相對兩側的第二側翼部122，第二主芯部120的端面124為非平面。

第一磁芯件10的第一側翼部102及第二磁芯件12的第二側翼部122對應接合，使第一主芯部100的端面104與第二主芯部120的端面124相對且相間隔，並於端面104及124之間形成非線性氣隙(air gap)14。如圖1所示，形成於端面104及124之間的氣隙14為二段步階式氣隙。在此要特別說明的是，在實際製作磁芯時，第一主芯部100的端面104及第二主芯部120的端面124可以同時為非平面，並形成至少二段步階式氣隙。

磁芯上纏繞如圖3所示的初級繞組Wp及次級繞組Ws，藉以形成圖3所示的變壓器TR。由於形成於端面104及124之間的氣隙14為非線性氣隙，造成磁芯可部分飽和，進而可以改變變壓器TR的電感值。更具體言之，藉由鐵芯氣隙的設計，使變壓器TR於輕載時具有第一電感值，激磁電流小儲能小，適合低電壓/電流輸出；而當變壓器TR於非輕載時具有第二電感值，激磁電流變大儲能增加，適合高電壓/電流輸出，第二電感值小於第一電感值，對應變壓器TR的電感值對電流曲線圖如圖2所示。

復參照圖3，其為本發明的電源供應裝置的電路方塊圖。為了方便說明，圖3更繪示了負載RL，負載RL為電子產品，負載RL連接於電源供應裝置的輸出端Vout。電源供應裝置包含電源Vd、變壓器TR、功率開關Q、電阻器R、整流器D1、濾波器Co、電流感測器101、電壓回授單元103、光耦合分壓控制器105、脈波寬度調變器201、控制器202、光耦合回授單元203及電壓比較器204。

變壓器TR包含初級繞組Wp及次級繞組Ws。初級繞組Wp的一端連接至電源Vd的高電壓準位端，另一端連接於功率開關Q；如圖3所示，功率開關Q為金屬氧化物半導體場效應電晶體，且初級繞組Wp連接於功率開關Q的汲極。功率開關Q的閘極電連接於脈波寬度調變器201，功率開關Q的源極除了電連接於電流感測器101，還通過電阻器R電連接於電源Vd的低電壓準位端(例如為地端)。

整流器D1連接在變壓器TR的次級繞組Ws及濾波器Co之間；如圖3所示，整流器D1以二極體實現之，濾波器Co以電容器實現之，整流器D1的陽極連接於次級繞組Ws，陰極連接於濾波器Co及輸出端Vout。

光耦合分壓控制器105設於電流感測器101及電壓回授單元103之間，並與電流感測器101及電壓回授單元103形成電性連接。電壓回授單元103還電連接至輸出端Vout及電壓比較器204。

光耦合回授單元203設於控制器202與電壓比較器204之間，並電連接於控制器202與電壓比較器204。脈波寬度調變器201設於控制器202及功率開關Q之間，並電連接於控制器202及功率開關Q的閘極。

請同時參照圖3及圖4，其中圖4為本發明第一實施例的電源供應裝置的局部電路圖。電壓比較器204包含切換開關X1、第一電阻器R1、第二電阻器R2及電容器C。如圖4所示，切換開關X1可以TL431型式電壓調整元件實現之；切換開關X1的陰極K電連接於第一電阻器R1，陽極A電連接於地端，第二電阻器R2電連接於第一電阻器R1及輸出端Vout，電容器C跨接於切換開關X1的陽極及參考端REF。當切換開關X1導通時，用以改變光耦合回授單元203的發光元件2030的電壓。

電壓回授單元103包含電晶體開關Q1、第三電阻器R3、第四電阻器R4、第五電阻器R5及第六電阻器R6。第三電阻器R3與電容器C並聯。如圖4所示，電晶體開關Q1以雙極性電晶體實現之，且電晶體開關Q1的射極電連接第二電阻器R2及輸出端Vout。第四電阻器R4跨接於電晶體開關Q1的射極及集極，第五電阻器R5跨接於電晶體開關Q1的射極及基極。第六電阻器R6設於第三電阻器R3及第四電阻器R4之間，並電連接第三電阻器R3及第四電阻器R4。

電晶體開關Q1的基極更電連接於光耦合分壓控制器105的光接收元件1052，光耦合分壓控制器105的光產生元件1050通過第七電阻器R7電連接於電流感測器101。光耦合分壓控制器105主要用以使電晶體開關Q1的導通或截止，並提供電氣隔離效果，避免電源供應裝置的初級側電力(即於變壓器TR的初級繞組Wp傳遞的電力)與次級側電力(即於變壓器TR的次級繞組Ws傳遞的電力)相互干擾。

光耦合回授單元203包含第八電阻器R8，以及由發光元件2030及光敏元件2032組合的光隔離器(未另標號)，發光元件2030跨接於第一電阻器R1兩端。如圖4所示，發光元件2030可例如以發光二極體實現之，光敏元件2032可例如以光電晶體實現之，且光敏元件2032的射極電連接於第八電阻器R8及控制器202。光耦合回授單元203中光隔離器除了提供與輸出電壓呈比例變化的回授電壓外，並提供電氣隔離效果，避免電源供應裝置的初級側電力與次級側電力相互干擾。

復參閱圖3。在實際操作時，功率開關Q是依照脈波寬度調變器201輸出的脈波寬度調變信號以進行導通或截止的切換。在脈波寬度調變信號的工作週期不變的形況下，當輸出端Vout輸出的電流變大時，變壓器TR的磁通密度增加且電感值下降，使得電源供應裝置初級側電流提高。反之，當輸出端Vout輸出的電流變小時，變壓器TR的磁通密度減少且電感值提高，使得電源供應裝置初級側電流降低。當功率開關Q導通時，電流感測器101會感測導通於初級繞組Wp的初級側電流，並將測得的初級側電流經內部比較器產生高電壓與低電壓兩種電位變化，其中高電壓與低電壓分別對應輕載與非輕載模式。電流感測器101產生的高電壓或低電壓輸出通過第七電阻器R7傳遞至光耦合分壓控制器105的光產生元件1050。其中，當負載RL操作於輕載模式，電流感測器101輸出高電壓，則使光產生元件1050導通。如此一來，光接收元件1052會感應光產生元件1050發出的光線並傳送對應的信號至電壓回授單元103。反之，當負載 RL操作於非輕載模式，電流感測器101輸出低電壓，並使光產生元件1050截止。

當光接收元件1052導通時(即負載RL操作於輕載模式)，電晶體開關Q1導通，而使切換開關X1的參考端REF的電壓提高。因切換開關X1的預設參考電位為定值，故形成等效降低輸出電壓設定值的效果。

當光接收元件1052截止時(即負載RL操作於非輕載模式)，使電晶體開關Q1截止，而使切換開關X1的參考端REF的電壓降低。因切換開關X1的預設參考電位為定值，故形成等效提高輸出電壓設定值的效果。

本發明的電源供應裝置的電流感測器101感測初級側的電流，判斷電源供應裝置輸出輕載或重載(即非輕負載)情況後，設定光耦合分壓控制器105以改變電壓回授單元103的分壓比例而調整輸出回授電壓。電壓比較器204比較預設參考電位與回授電壓後輸出比較信號，控制光耦合回授單元203將比較信號回授至位於變壓器TR初級側的控制器202。控制器202根據光耦合回授單元203的回授電壓，控制脈波寬度調變器201的脈波寬度，使電源供應裝置達到根據負載電流條件自動改變次級側輸出高/低電壓的目的。

本發明的電源轉換裝置的電路設計是透過單一輸出端於負載RL在不同操作模式時輸出不同電壓，相較於傳統具備兩組輸出端以分別輸出非待機電壓及待機電壓的電源轉換器，本發明的電源供應裝置的電路簡便，且實質利用率高。

請同時參照圖3及圖5，其中圖5為本發明第二實施例的電源供應裝置的局部電路圖。電壓比較器204包含切換開關X1、第一電阻器R1、第二電阻器R2及電容器C。如圖5所示，切換開關X1可以TL431型式電壓調整元件實現。切換開關X1的陰極K電連接於第一電阻器R1，陽極A電連接於地端，第二電阻器R2電連接於第一電阻器R1及輸出端Vout，電容器C跨接於切換開關X1的陽極及參考端。

電壓回授單元103包含第三電阻器R3、第四電阻器R4及第五電阻器R5。第三電阻器R3與電容器C並聯，第四電阻器R4電連接於第三電阻器R3及輸出端Vout，第五電阻器R5連接第三電阻器R3、第四電阻器R4及光耦合分壓控制器105的光接收元件1052，光耦合分壓控制器105的光產生元件1050通過第七電阻器R7電連接於電流感測器101。光耦合分壓控制器105主要用以使電晶體開關Q1的導通或截止，藉以提供電氣隔離效果，避免電源供應裝置的初級側電力與次級側電力相互干擾。

光耦合回授單元203包含第八電阻器R8，以及由發光元件2030及光敏元件2032組合的光隔離器(未另標號)，發光元件2030跨接於第一電阻器R1，如圖5所示，發光元件2030可例如以發光二極體實現之，光敏元件2032可例如以光電晶體實現之，且光敏元件2032的射極電連接於第八電阻器R8及控制器202。光耦合回授單元203中光隔離器用以提供與輸出電壓呈比例變化的回授電壓並提供電氣隔離效果，避免電源供應裝置的初級側電力與次級側電力相互干擾。

復參閱圖3。在功率開關Q導通時，電流感測器101感測導通於初級繞組Wp的電流，並將測得的初級側電流經內部比較器產生低電壓與高電壓兩種電位變化，分別對應輕載與非輕載模式。電流感測器101產生的低電壓或高電壓通過第七電阻器R7傳遞至光耦合器105的光產生元件1050，光接收元件1052感應光產生元件1050發出的光線並傳送對應的信號至電壓回授單元103。

當光接收元件1052導通時，通過第四電阻器R4的電流由第三電阻器R3與第五電阻器R5產生分流。若傳遞至切換開關X1的參考端REF的電壓小於切換開關X1的預設電壓，切換開關X1形成斷路，無電流通過第一電阻器R1。若切換開關X1的參考端的電壓大於切換開關X1的預設電壓，切換開關X1導通，產生電流通過第一電阻器R1，並驅動發光元件2030。光敏元件2032感應發光元件2030產生的光信號，並產生對應的電信號至控制器202，則控制器202可依據前述電信號發送驅動信號至脈波寬度調變器201。脈波寬度調變器201接收控制器202發送的電壓信號以改變輸出脈波寬度，控制功率開關Q的導通工作週期。藉此，便可以調整電源供應裝置輸出端Vout輸出的電壓值。

在實際操作時，當功率開關Q導通時，電流感測器101會感測導通於初級繞組Wp的初級側電流，並將測得的初級側電流經內部比較器產生低電壓與高電壓兩種電位變化，其中低電壓與高電壓分別對應電源供應裝置的輕載與非輕載模式。電壓輸出通過第七電阻器R7傳遞至光耦合分壓控制器105的光產生元件1050。其中，當負載RL 操作於非輕載模式，電流感測器101輸出高電壓，則使光產生元件1050導通。如此一來，光接收元件1052會感應光產生元件1050發出的光線並傳送對應的信號至電壓回授單元103。反之，當負載RL操作於輕載模式，電流感測器101輸出低電壓，並使光產生元件1050截止。

當光接收元件1052導通時(即負載RL操作於非輕載模式)，切換開關X1的參考端REF的電壓降低。因切換開關X1的預設參考電位為定值，故形成等效提高輸出電壓設定值的效果。

當光接收元件1052截止時(即負載RL操作於輕載模式)，切換開關X1的參考端REF的電壓提高。因切換開關X1的預設參考電位為定值，故形成等效降低輸出電壓設定值的效果。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準

101‧‧‧電流感測器

103‧‧‧電壓回授單元

105‧‧‧光耦合分壓控制器

201‧‧‧脈波寬度調變器

202‧‧‧控制器

203‧‧‧光耦合回授單元

204‧‧‧電壓比較器

Co‧‧‧濾波器

D1‧‧‧整流器

Q‧‧‧功率開關

R‧‧‧電阻器

RL‧‧‧負載

TR‧‧‧變壓器

Vd‧‧‧電源

Vout‧‧‧輸出端

Wp‧‧‧初級繞組

Ws‧‧‧次級繞組

Claims (9)

1. 一種電源供應裝置，具有電連接於一電子產品的一輸出端，該電源供應裝置包含：一電源；一變壓器，包含一初級繞組及一次級繞組，該初級繞組電連接於該電源，該次級繞組電連接於該輸出端，其中該變壓器具有一第一電感值及一第二電感值，該第二電感值小於該第一電感值；一功率開關，電連接於該初級繞組及該電源；一電流感測器，電連接於該功率開關；一光耦合分壓控制器，電連接於該電流感測器，該光耦合分壓控制器包含一光產生元件及一光接收元件，該光產生元件電連接於該電流感測器；一電壓回授單元，耦接於該光耦合分壓控制器之該光接收元件及該輸出端；一電壓比較器，電連接於該電壓回授單元；一控制器，耦接於該電壓比較器；以及一脈波寬度調變器，電連接於該功率開關及該控制器；其中，該電流感測器感測導通於該初級繞組的電流，並通過該光耦合分壓控制器以設定該電壓回授單元輸出之一回授電壓，該電壓比較器比較該回授電壓及一預設電壓並輸出一比較信號，該控制器依據該比較信號以控制該脈波寬度調變器輸出之一脈波寬度信號的脈波寬度，以改變由該電源供應裝置之該輸出端輸出之電壓。
2. 如請求項第1項所述之電源供應裝置，其中該電壓比較器包含一切換開關、一第一電阻器、一第二電阻器及一電容器，該切換開關電連接於該第一電阻器及該電容器，該第二電阻器電連接於該第一電阻器及該輸出端。
3. 如請求項第2項所述之電源供應裝置，其中該電壓回授單元包含一電晶體開關、一第三電阻器、一第四電阻器、一第五電阻器及一第六電阻器，該第三電阻器與該電容器並聯，該第四電阻器電連接於該電晶體開關及該輸出端，該第五電阻器電連接於該電晶體開關、該電流感測器及該輸出端，該第六電阻器電連接該第三電阻器及該第四電阻器。
4. 如請求項第2項所述之電源供應裝置，其中電壓回授單元包含一第三電阻器、一第四電阻器及一第五電阻器，該第三電阻器與該電容器並聯，該第四電阻器電連接於該第三電阻器及該輸出端，該第五電阻器電連接於該第三電阻器及該第四電阻器，並耦接該電流感測器。
5. 如請求項第1項所述之電源供應裝置，更包含一光耦合回授單元，設於該電壓比較器及該控制器之間，該光耦合回授單元包含一發光元件及一光敏元件，該發光元件電連接於該電壓比較器，該光敏元件電連接於該控制器。
6. 如請求項第2項所述之電源供應裝置，其中該切換開關為TL431型式電壓調整元件。
7. 如請求項第1項所述之電源供應裝置，其中變壓器更包含一磁芯，該磁芯上形成有二相對端面，其中之一端面上形成有一非線性氣隙，該初級繞組及該次級繞組分別纏繞於該磁芯上。
8. 如請求項第7項所述之電源供應裝置，其中該非線性氣隙為步階式氣隙。
9. 如請求項第1項所述之電源供應裝置，更包含：一整流器，電連接於該次級繞組；以及一濾波器，電連接於該整流器及該輸出端。