TWI586063B - 電源供應裝置 - Google Patents

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鄭慶福
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Description

電源供應裝置
本案是有關於一種電源供應裝置，且特別是有關於一種具有過壓保護的電源供應裝置。
目前市面上的電子裝置，需配合相對應的電源供應器來進行供電，或是與電源適配器連接來進行充電。在供電或充電的過程中，若是有不穩定的電源輸入，則可能導致電子裝置中重要的精密零組件毀損。
舉例來說，電子裝置中的中央處理器(central processing unit)為高精密度的電子元件，在操作上有很嚴格的輸出入電源規格，若是有過高的突波電壓或是過大的瞬間電流，超過中央處理器的最大耐壓或是最大電流，將可能導致中央處理器故障或是燒毀。為了提高電子產品的穩定性，需要設計相對應之保護線路。
本案的一態樣為一種電源供應裝置，包含電源供應模組、電壓調節模組以及過壓保護模組。電源供應模組用以供應待機電壓。電壓調節模組耦接至電源供應模組，電壓調節 模組包含至少一相位調節電路，該至少一相位調節電路包含高壓側功率開關、低壓側功率開關以及電感器。電感器之輸入端分別耦接至高壓側功率開關與低壓側功率開關，電感器之輸出端耦接至負載。過壓保護模組耦接至電源供應模組以及電壓調節模組，用以將待機電壓傳遞至該至少一相位調節電路，並偵測電感器上的至少一偵測電位，過壓保護模組根據該至少一偵測電位選擇性地將該至少一相位調節電路的低壓側功率開關導通。
透過本揭示文件的過壓保護模組，可以在待機電壓建立後至電壓調節控制訊號開始致能以前進行前端的過壓保護(over-voltage protection,OVP)。也就是說，在電源供應裝置的初始啟動的過程中，提供完整的過壓保護效果。
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：
100‧‧‧電源供應裝置
120‧‧‧電源供應模組
121‧‧‧待機電壓端
122‧‧‧主要電壓端
140‧‧‧電壓調節模組
141‧‧‧第一相位調節電路
142‧‧‧第二相位調節電路
143‧‧‧第三相位調節電路
160‧‧‧過壓保護模組
161‧‧‧偵測電路
162‧‧‧訊號產生單元
163‧‧‧比較電路
200‧‧‧負載
第1圖為根據本揭示文件之一實施例所繪示的電源供應裝置的示意圖。
第2圖繪示根據本揭示文件之一實施例中電源供應裝置在正常情況下的相關訊號時序圖。
第3圖繪示根據本揭示文件之一實施例中在特定時間點之間若高壓側功率開關任一者發生短路而呈現導通狀態下的相關訊號時序圖。
第4圖繪示根據本揭示文件之一實施例中在特定時間點之間若高壓側功率開關任一者發生短路而呈現導通狀態下的相 關訊號時序圖。
第5圖繪示在偵測到其中一個高壓側功率開關發生異常時電源供應裝置的示意圖
第6圖繪示根據本揭示文件之另一實施例所繪示的電源供應裝置的示意圖。
第7圖繪示根據本揭示文件之另一實施例所繪示的電源供應裝置的示意圖。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本案的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本案所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本案所涵蓋的範圍。
於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。
請參考第1圖。第1圖為根據本揭示文件之一實施例所繪示的電源供應裝置100的示意圖。如圖1所示，電源供應裝置100用以供應負載200運行時所需的電能或是對負載 200進行充電。
於一實施例中，負載200可為電子裝置的中央處理器(central processing unit,CPU)、處理單元或是其他電能負載。電源供應裝置100為電源供應器(power supply unit,PSU)或電源適配器(power adapter)，用以供電給負載200。實際應用中，中央處理器的電源供給須具備穩定且精準的輸入電壓(例如5V±5%、3.75V±5%或是其他電壓)與電流，以避免中央處理器故障或毀損。
於此實施例中，電源供應裝置100用以提供穩定的電力，且在初始啟動的各個階段電源供應裝置100具有過壓保護機制，以保護負載200。如第1圖所示，電源供應裝置100包含電源供應模組120、電壓調節模組140以及過壓保護模組160。
電源供應模組120具有待機電壓端121以及主要電壓端122。電源供應模組120用以供應各種電壓。於此實施例中，電源供應模組120根據其操作狀態而擇擇性地提供待機電壓Vstb(透過待機電壓端121)以及主要電壓Vmain(透過主要電壓端122)。於一實施例中，電源供應模組120所提供的待機電壓Vstb可為+5V電壓，主要電壓Vmain可為+12V電壓。請一併參閱第2圖，其繪示根據本揭示文件之一實施例中電源供應裝置100在正常情況下的相關訊號時序圖。
如第2圖所示，在電源供應裝置100初始啟動時(例如剛接上插座、剛連接電池或是開啟總開關時)，待機電壓Vstb在時間點T1時建立完成。隨著待機電壓Vstb建立，於一 實施例中，主機板開關訊號MBON切換至高準位。電源開啟訊號PSON隨著主機板開關訊號MBON在時間點T2被致能。隨後電源供應模組120根據致能的電源開啟訊號PSON，在時間點T3開始提供主要電壓Vmain。
如第1圖所示，電壓調節模組140耦接至主要電壓端122與負載200之間。電壓調節模組140用以將主要電壓Vmain轉換為負載200所要求的特定電壓。於一實施例中，電壓調節模組140可為降壓式調節器(Buck Convertor)，用以將+12V的主要電壓Vmain轉換為3.75V的三相輸出電壓，並供負載200使用，但本揭示文件並不以此為限。
電壓調節模組140包含至少一相位調節電路。於此實施例中，電壓調節模組140具有共三個相位的相位調節電路，即包含第一相位調節電路141、第二相位調節電路142以及第三相位調節電路143。第一相位調節電路141、第二相位調節電路142以及第三相位調節電路143各自包含高壓側功率開關HM1/HM2/HM3、低壓側功率開關LM1/LM2/LM3以及電感器L1/L2/L3。實際應用中，電壓調節模組140並不以三個相位的相位調節電路為限。
第一相位調節電路141、第二相位調節電路142以及第三相位調節電路143當中，電感器L1/L2/L3之輸入端分別耦接至高壓側功率開關HM1/HM2/HM3與低壓側功率開關LM1/LM2/LM3的其中一端。於一實施例中，第一相位調節電路141的電感器L1耦接至高壓側功率開關HM1與低壓側功率開關LM1，依此類推。電感器L1~L3三者之輸出端均耦接至負 載200。
第一相位調節電路141、第二相位調節電路142以及第三相位調節電路143任一者當中，高壓側功率開關HM1/HM2/HM3具有第一端以及第二端，高壓側功率開關HM1/HM2/HM3的第一端耦接至電源供應模組140之主要電壓輸出122，高壓側功率開關HM1/HM2/HM3的第二端耦接至電感器L1/L2/L3之輸入端。
低壓側功率開關LM1/LM2/LM3具有第一端以及第二端，低壓側功率開關LM1/LM2/LM3的第一端耦接至高壓側功率開關HM1/HM2/HM3的第二端以及電感器L1/L2/L3之輸入端，低壓側功率開關LM1/LM2/LM3的第二端耦接至接地端。
於一實施例中，第一相位調節電路141、第二相位調節電路142以及第三相位調節電路143各自更包含開關驅動器DRV1/DRV2/DRV3，開關驅動器DRV1/DRV2/DRV3根據電壓調節控制訊號EN是否致能而產生高壓側閘極訊號Hgate1/Hgate2/Hgate3至高壓側功率開關HM1/HM2/HM3以及低壓側閘極訊號Lgate1/Lgate2/Lgate3至低壓側功率開關LM1/LM2/LM3，藉此依時間順序切換三個相位的高壓側功率開關及低壓側開關，其中同一相位調節電路中的高壓側閘極訊號與低壓側閘極訊號為相反極性(如第2圖所示的高壓側閘極訊號Hgate1與低壓側閘極訊號Lgate1在時間點T4之後彼此為反向訊號)。
於一實施例中，開關驅動器DRV1/DRV2/DRV3 根據電壓調節控制訊號EN是否致能以決定是否產生高壓側閘極訊號Hgate1~Hgate3以及低壓側閘極訊號Lgate1~Lgate3。如第2圖所示，在電源供應裝置100初始啟動的過程中，待機電壓Vstb最先建立，接著電源開啟訊號PSON被致能，接著主要電壓Vmain建立。於時間點T4開始，電壓調節控制訊號EN開始致能，使開關驅動器DRV1~DRV3產生高壓側閘極訊號Hgate1~Hgate3以及低壓側閘極訊號Lgate1~Lgate3。由時間點T4開始，主要電壓Vmain便能通過電壓調節模組140並形成輸出電壓Vo，供應給負載200。
如第1圖所示，於一實施例中，過壓保護模組160更包含偵測電路161、訊號產生單元162、第一開關SW1、第二開關SW2以及複數個隔離驅動器ID1/ID2/ID3。
訊號產生單元162用以產生電源開啟訊號PSON至電源供應單元140。訊號產生單元162是根據外界輸入(例如操作總開關或是外部輸入的主機板開關訊號MBON)來產生電源開啟訊號PSON。電源供應模組140根據電源開啟訊號PSON是否致能而供應主要電壓Vmain至電壓調節模組140。
偵測電路161用以偵測該些電感器L1~L3上的偵測電位Vp1~Vp3，於此實施例中，偵測電位Vp1~Vp3為該些電感器L1~L3之輸入端上的電位，但本揭示文件並不以此為限。於另一實施例中亦可偵測該些電感器L1~L3上的跨壓或是輸出端上的電位。
第二開關SW2耦接於電源供應模組120之待機電壓輸出121以及該些高壓側功率開關HM1~HM3的第一端，如 第2圖所示，在時間點T1~時間點T3之間，當待機電壓Vstb建立完成後，即經由第二開關SW2將待機電壓Vstb傳送至該些高壓側功率開關HM1~HM3的第一端，並且藉由待機電壓Vstb來偵測該些高壓側功率開關HM1~HM3是否短路或浮接。
正常情況下，時間點T4之前，開關驅動器DRV1~DRV3並未輸出任何閘極控制訊號至高壓側功率開關HM1~HM3以及低壓側閘極訊號Lgate1~Lgate3，此時閘極電位通常處於高阻態(High Impedance)或是低阻態(Low Impedance)的情況，使高壓側功率開關HM1~HM3以及低壓側閘極訊號Lgate1~Lgate3均為關斷，因此，正常情況下偵測電位Vp1~Vp3均為接地電位。
請參閱第3圖，在時間點T1~時間點T3之間，若高壓側功率開關HM1~HM3任一者發生短路而呈現導通狀態，將使得待機電壓Vstb通過該些高壓側功率開關HM1~HM3其中一者並在相對應之電感器L1~L3上形成較高的偵測電位(約等於待機電壓Vstb的電位)。
在時間點T1~時間點T3之間，同理，若高壓側功率開關HM1~HM3任一者的閘極為浮接，則高壓側功率開關HM1~HM3第一端的待機電壓Vstb將透過寄生電容的耦合效應，使高壓側功率開關HM1~HM3導通，亦將使得待機電壓Vstb通過該些高壓側功率開關HM1~HM3其中一者並在相對應之電感器L1~L3上形成較高的偵測電位Vp1~Vp3。
在時間點T1~時間點T3之間，當偵測電路161所偵測之該些偵測電位Vp1~Vp3至少一者不為接地(或超過相 對應之過壓保護電位)時，則表示有高壓側功率開關HM1~HM3至少一者存在短路或浮接的情況。此時，訊號產生單元162禁能電源開啟訊號PSON，使電源供應裝置100的啟動流程中斷，通知電源供應模組120停止後續流程。
如第1圖所示，隔離驅動器ID1/ID2/ID3分別耦接於該些開關驅動器DRV1/DRV2/DRV3與該些低壓側功率開關LM1/LM2/LM3。當該些偵測電位Vp1~Vp1至少一者不為接地(或超過相對應之過壓保護電位)時，第一開關SW1致能隔離驅動器ID1~ID3每一者，因此，三個相位的隔離驅動器ID1~ID3同時導通三個相位上的低壓側功率開關LM1、LM2以及LM3。
請參閱第3圖，其繪示在時間點T1~時間點T3之間偵測到其中一個高壓側功率開關發生異常時的訊號時序圖。如第3圖所示，偵測電路161發現偵測電位Vp1存在暫態高電位，表示高壓側功率開關HM1存在短路或浮接的情況，此時，訊號產生單元162禁能電源開啟訊號PSON，同時，第一開關SW1致能隔離驅動器ID1~ID3，使得三個相位上的低壓側功率開關LM1、LM2以及LM3導通並接地。
因此，過壓保護模組160可用以將待機電壓Vstb傳遞至第一相位調節電路141、第二相位調節電路142以及第三相位調節電路143，並偵測電感器L1~L3上的偵測電位Vp1~Vp3，過壓保護模組160根據該些偵測電位Vp1~Vp3選擇性地將第一相位調節電路141、第二相位調節電路142以及第三相位調節電路143每一者的該些低壓側功率開關 LM1~LM3導通。
此外，請一併參閱第4圖，其繪示在時間點T3~時間點T4之間偵測到其中一個高壓側功率開關發生異常時的訊號時序圖。於時間點T3之後，電源供應模組120開始供應主要電壓Vmain，使主要電壓Vmain電位上升，並傳送至高壓側功率開關HM1~HM3的第一端。此時第二開關SW2可以關閉不再將待機電壓Vstb傳送至高壓側功率開關HM1~HM3的第一端。若此時高壓側功率開關HM1~HM3其中一者異常(例如短路或浮接)時，第4圖中假設高壓側功率開關HM1發生異常，主要電壓Vmain將通過高壓側功率開關HM1，使偵測電位Vp1存在暫態高電位。此時，訊號產生單元162禁能電源開啟訊號PSON，並且第一開關SW1致能隔離驅動器ID1~ID3，使得三個相位上的低壓側功率開關LM1、LM2以及LM3導通並接地。
請一併參閱第5圖，其繪示在偵測到其中一個高壓側功率開關發生異常時電源供應裝置100的示意圖。如第5圖所示，高壓側功率開關HM1因短路或浮接而導通，此時，三個相位上的低壓側功率開關LM1、LM2以及LM3導通並接地，因此，通過高壓側功率開關HM1的異常電壓(例如待機電壓Vstb、主要電壓Vmain或是其他暫態過壓訊號)，可以經由放電路徑Cpth1(通過低壓側功率開關LM1)、放電路徑Cpth2(通過電感器L1、電感器L2以及低壓側功率開關LM2)以及放電路徑Cpth3(通過電感器L1、電感器L3以及低壓側功率開關LM3)進行放電，利用電壓調節模組140本身所形成三條放電路徑便可以分擔異常狀態下的放電需求。
於上述實施例中，過壓保護模組160是根據偵測電位Vp1~Vp3是否偏離正常的接地電位，來判斷是否需要將三個相位上的低壓側功率開關LM1、LM2以及LM3導通。本揭示文件並不以此為限。
請一併參閱第6圖，其繪示根據本揭示文件之另一實施例所繪示的電源供應裝置100的示意圖。於第6圖中的電源供應裝置100的內部元件大致與先前第1圖的實施例相似，可參照先前實施例的完整說明。第6圖與第1圖的實施例的不同之處在於，過壓保護模組160更包含比較電路163，比較電路163中的比較器C1用以將偵測電位Vp1~Vp3分別與過壓保護基準電位Vth比較。於此實施例中，當偵測電路中的比較器C1判斷偵測電位Vp1~Vp3至少一者超過相對應之過壓保護基準電位Vth時，第一開關致能該些隔離驅動器ID1~ID3以導通該些低壓側功率開關LM1~LM3。
於一實施例中，過壓保護基準電位Vth可以設定為0.5V或1V，以避免雜訊導致偵測電位Vp1~Vp3略微提高(偏離接地電位)便錯誤觸發了過壓保護的操作。也就是說，第6圖之實施例提供偵測電位Vp1~Vp3一定程度的容許空間，以避免過壓保護的靈敏度過高。
請一併參閱第7圖，其繪示根據本揭示文件之另一實施例所繪示的電源供應裝置100的示意圖。於第7圖中的電源供應裝置100的內部元件大致與先前第1圖的實施例相似，可參照先前實施例的完整說明。第7圖與第1圖的實施例的不同之處在於，過壓保護模組160更包含比較電路163，比較 電路163中包含比較器C1以及比較器C2。
比較器C1用以將偵測電位Vp1~Vp3分別與第一過壓保護基準電位Vth1比較。而比較器C2則用以將輸出電壓Vo與第二過壓保護基準電位Vth2比較。
於此實施例中，當偵測電路中的比較器C1判斷偵測電位Vp1~Vp3至少一者超過相對應之第一過壓保護基準電位Vth1時，第一開關致能該些隔離驅動器ID1~ID3以導通該些低壓側功率開關LM1~LM3，比較器C1用以負責時間點T1~T4之間的過壓保護。
於時間點T4之後，電源供應裝置100已建立輸出電壓Vo並供給至負載200，此時，若其中一個高壓側功率開關HM1~HM3突然損毀，或是其中一個高壓側功率開關HM1~HM3突然發生過電壓，使偵測電路中的比較器C1判斷偵測電位Vp1~Vp3至少一者超過相對應之第二過壓保護基準電位Vth2時，亦可透過第一開關致能該些隔離驅動器ID1~ID3以導通該些低壓側功率開關LM1~LM3，也就是說，比較器C2用以負責時間點T4之後的過壓保護。
於一實施例中，第一過壓保護基準電位Vth1可以設定為0.5V或1V，以避免雜訊導致偵測電位Vp1~Vp3略微提高(偏離接地電位)便錯誤觸發了過壓保護的操作。第二過壓保護基準電位Vth2則高於第一過壓保護基準電位Vth1。
透過第7圖之實施例所示之過壓保護模組160，可以在待機電壓Vstb(時間點T1)建立後至電壓調節控制訊號EN開始致能(時間點T4)以前進行前端的過壓保護(over-voltage protection,OVP)，也可以在時間點T4之後，進行後續的過壓保護。也就是說，在電源供應裝置100的初始啟動以及正常運作的過程中，都能提供完整的過壓保護效果。
上述各實施例中的各個元件可以由各種類型的數位或類比電路實現，亦可分別由不同的積體電路晶片實現。各個元件亦可整合至單一的數位控制晶片。上述僅為例示，本案並不以此為限，本領域具有通常知識者可根據實際需求選擇各個元件的具體實現方式。舉例來說，第一開關、第二開關、各個高壓側功率開關以及各個低壓側功率開關可為金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)、雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)或其他適當的半導體元件。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電源供應裝置
120‧‧‧電源供應模組
121‧‧‧待機電壓端
122‧‧‧主要電壓端
140‧‧‧電壓調節模組
141‧‧‧第一相位調節電路
142‧‧‧第二相位調節電路
143‧‧‧第三相位調節電路
160‧‧‧過壓保護模組
161‧‧‧偵測電路
162‧‧‧訊號產生單元
200‧‧‧負載

Claims (10)

  1. 一種電源供應裝置，包含：一電源供應模組，用以供應一待機電壓和一主要電壓；一電壓調節模組，耦接至該電源供應模組，該電壓調節模組包含至少一相位調節電路，其中該至少一相位調節電路包含：一高壓側功率開關；一低壓側功率開關；以及一電感器，該電感器之輸入端分別耦接至該高壓側功率開關與該低壓側功率開關，該電感器之輸出端耦接至一負載；一過壓保護模組，耦接至該電源供應模組以及該電壓調節模組，該過壓保護模組包含一訊號產生單元，用以產生一電源開啟訊號至該電源供應模組，該電源供應模組根據該電源開啟訊號是否致能，而供應該主要電壓至該電壓調節模組，其中當該至少一偵測電位不為接地或超過相對應之該過壓保護電位時，該訊號產生單元禁能該電源開啟訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其中該相位調節電路包含一第一相位調節電路以及一第二相位調節電路，該過壓保護模組用以將該待機電壓分別傳遞至該第一相位調節電路以及該第二相位調節電路，並分別偵測該些相位電感器上的複數個偵測電位，該過壓保護模組根據該些偵測電位選擇性地將該第一相位調節電路及/或該第二相位調節電路的該些低壓側功率開關導通。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其中該過壓保護模組用以將該待機電壓傳遞至該至少一相位調節電路，並偵測該電感器上的至少一偵測電位，該過壓保護模組根據該至少一偵測電位選擇性地將該至少一相位調節電路的該低壓側功率開關導通。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其中該至少一相位調節電路更包含：一開關驅動器，用以產生一高壓側閘極訊號至該高壓側功率開關以及一低壓側閘極訊號至該低壓側功率開關。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電源供應裝置，其中該至少一相位調節電路更包含：一個隔離驅動器，耦接於該開關驅動器與該低壓側功率開關，當該偵測電位不為接地或超過相對應之一過壓保護電位時，該隔離驅動器用以導通該低壓側功率開關。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電源供應裝置，其中該過壓保護模組更包含：一偵測電路，用以偵測該些電感器上的該偵測電位；以及一第一開關，耦接於該偵測電路以及該隔離驅動器之間，當該偵測電路偵測到該偵測電位不為接地時，該第一開關致能該些隔離驅動器以導通該些低壓側功率開關。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的電源供應裝置，其中該過壓保護模組更包含：一偵測電路，用以偵測該至少一電感器上的該至少一偵測電位；一比較電路，用以將該至少一偵測電位與一過壓保護基準電位比較；以及一第一開關，耦接於該至少一偵測電路以及該至少一隔離驅動器之間，當該偵測電路偵測到該至少一偵測電位超過相對應之過壓保護基準電位時，該第一開關致能該至少一隔離驅動器以導通該些低壓側功率開關。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電源供應裝置，其中該高壓側功率開關具有第一端以及第二端，該高壓側功率開關的第一端耦接至該電源供應模組之該主要電壓，該高壓側功率開關的第二端耦接至該電感器之輸入端；該低壓側功率開關具有第一端以及第二端，該低壓側功率開關的第一端耦接至該高壓側功率開關的第二端以及該電感器之輸入端，該低壓側功率開關的第二端耦接至一接地端。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電源供應裝置，其中該過壓保護模組更包含：一第二開關，耦接於該電源供應模組之一待機電壓輸出以及該至少一高壓側功率開關的第一端，該第二開關將該待機電壓傳送至該些高壓側功率開關的第一端，用以偵測該些 高壓側功率開關是否短路或浮接。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電源供應裝置，其中當該至少一高壓側功率開關發生短路或浮接時，該待機電壓通過該至少一高壓側功率開關，並在相對應之該電感器上形成該偵測電位。
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