TWI688847B - 電壓維持電路 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種電壓維持電路，耦接於一裝置的第一端和第二端之間。電壓維持電路包含開關單元、第一電容與第二電容。開關單元受控於控制信號選擇性地切換並聯模式或供電模式，開關單元於並聯模式導通第一電流路徑，且開關單元於供電模式切換地導通第一電流路徑與第二電流路徑。第一電容耦接於第一端與第二端之間，第二電容耦接開關單元。於並聯模式中，第二電容並聯耦接第一電容。於供電模式中，當第二電流路徑導通時，第二電容蓄積電能於電感，當第一電流路徑導通時，電感輸出電能。

Description

電壓維持電路

本發明係關於一種電壓維持電路，特別是關於一種具有多個電容的電壓維持電路。

一般來說，市電並不是一個穩定的裝置，若是市電的電能要提供給高精密設備使用時，往往需要先經過穩壓或變壓的步驟，從而取得較穩定的供電電壓。然而，當廠房內各種設備同時運作時，每個設備的供電電壓很可能受到干擾，導致仍有輕微的波動。為了避免不穩定的供電電壓造成設備或負載的損壞，因此於設備到負載之間可以設置有電壓維持電路。

傳統上的電壓維持電路多數是使用一個大電容，請參閱圖1，圖1係繪示先前技術中的電壓維持電路的功能方塊圖。如圖1所示，裝置90可以有兩個端點900與902分別耦接到輸出級的隔離調壓模組92，其中隔離調壓模組92可包含具有隔離與調壓功能的電源轉換器以及調壓式電源轉換器。端點900與902可以例如是高電壓端與低電壓端，用以傳輸電力至隔離調壓模組92。隔離調壓模組92將電力轉換成符合負載94的額定電壓後，再輸出給負載94。為了使負載94有穩定的供電電壓，實務上隔離調壓模組92的調壓式電源轉換器可使用降壓式電源轉換器。從而，裝置90輸出給隔離調壓模組92的電壓會大於負載94的額定電壓，即端點900與902之間電壓差會大於負載94的額定電壓。為了維持端點900與902之間電壓差的穩定，傳統技術中可以有電容96，跨接在端點900與902之間用以儲存電能。

舉實際的例子來說，隔離調壓模組92的二次側電壓如果是一次側電壓的94%，且負載94的額定電壓如果是600V。計算可知，端點900與902之間電壓差至少要達到638V。此時，如果裝置90的供電發生異常，則電容96中儲存的電能應要能夠填補裝置90供電短缺的部分，並維持端點900與902之間電壓差在638V，直到供電異常的情況結束。常見的解決方式有，加大電容96的容量，使得電容96能夠儲存的電能有所提升。

然而，縱使加大了電容96的容量，於所屬技術領域具有通常知識者可知，電容96中儲存的電能仍有大部分是用於維持端點900與902之間電壓差在638V，僅只有少部分的電能能用於填補設備90供電短缺的部分。換句話說，增加電容96的容量，僅是大幅增加製造成本而已，對於電壓維持時間(hold up time)的幫助有限。顯見，供電發生異常時，傳統的電壓維持電路都沒有辦法維持太久的時間，普遍地有電壓維持時間不足的問題。因此，業界需要一種新的電壓維持電路，在不需要加大電容的情況下，能夠有更長的電壓維持時間。

本發明提供一種電壓維持電路，將用於維持端點電壓差的電容和用於填補供電短缺的電容隔離開來。從而本發明的電壓維持電路可以在不需要加大電容的情況下，有更長的電壓維持時間。

本發明提出一種電壓維持電路，耦接於裝置的第一端和第二端之間。電壓維持電路包含開關單元、第一電容與第二電容。開關單元受控於控制信號選擇性地切換並聯模式或供電模式，開關單元於並聯模式導通第一電流路徑，且開關單元於供電模式切換地導通第一電流路徑與第二電流路徑。 第一電容耦接於第一端與第二端之間，第二電容耦接開關單元。於並聯模式中，第二電容並聯耦接第一電容。於供電模式中，當第二電流路徑導通時，第二電容蓄積電能於電感，當第一電流路徑導通時，電感輸出電能。

於一些例子中，電壓維持電路可以更包含電壓偵測單元與控制單元，電壓偵測單元偵測第一電容的電壓值以產生電壓偵測信號，控制單元依據電壓偵測信號以產生控制信號。當控制單元依據電壓偵測信號判斷第一電容的電壓值上升，且第一電容的電壓值大於第一門檻值時，控制單元可以產生控制信號以指示開關單元操作於並聯模式。當控制單元依據電壓偵測信號判斷第一電容的電壓值下降，且第一電容的電壓值小於第二門檻值時，控制單元可以產生控制信號以指示開關單元操作於供電模式。

於一些例子中，第一電容的電容值可以大於第二電容的電容值。此外，開關單元可以包含第一開關與第二開關，第一開關耦接於第一端和第一節點之間，第二開關耦接於第一節點和第二端之間，第二電容並聯耦接第二開關。於並聯模式中，第一開關導通且第二開關截止，而於供電模式中，第一開關與第二開關切換地導通。

本發明提出另一種電壓維持電路，所述電壓維持電路包含第一電容、第一開關、第二開關、第二電容與電感。第一電容耦接於裝置的第一端和第二端之間。第一開關耦接於第一端和第一節點之間。第二開關耦接於第一節點和第二端之間。第二電容並聯耦接第二開關。電感串聯耦接第二電容。於並聯模式中，第一開關導通且第二開關截止。於供電模式中，第一開關與第二開關切換地導通。

綜上所述，本發明提供的電壓維持電路，藉由開關單元將第一電容與第二電容隔離開來，使得第一端與第二端之間電壓差可以由第一電容維持，第二電容和電感的組合可以用於填補供電短缺。從而本發明的電壓維持電路可以在不需要加大電容的情況下，有更長的電壓維持時間。

下文將進一步揭露本發明之特徵、目的及功能。然而，以下所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明之範圍，即但凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化及修飾，仍將不失為本發明之要意所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故應將視為本發明的進一步實施態樣。

請參閱圖2，圖2係繪示依據本發明一實施例之電壓維持電路的功能方塊圖。如圖2所示，電壓維持電路1係電性連接在裝置20和隔離調壓模組22之間，隔離調壓模組22可以將電力轉換成符合負載24的額定電壓後，再輸出給負載24。在本實施例中，隔離調壓模組22可包含具有隔離與調壓功能的電源轉換器以及調壓式電源轉換器，其中具有隔離與調壓功能的電源轉換器可為全橋式電源轉換器或諧振式電源轉換器等，調壓式電源轉換器可為降壓式電源轉換器或升壓式電源轉換器等。應注意的是，隔離調壓模組22並不以此為限，凡是具有隔離與調整功能的電路皆屬於本發明之範疇，例如隔離調壓模組22亦可僅包含單一個具有隔離與調壓功能的電源轉換器。一般來說，為了使負載24有穩定的供電電壓，隔離調壓模組22的調壓式電源轉換器可使用降壓式電源轉換器，從而裝置20輸出給隔離調壓模組22的電壓會大於負載24的額定電壓。在此，裝置20可以有端點200(第一端)和端點202(第二端)，端點200可以是高電壓端，端點202可以是低電壓端，從而端點200和端點202之間會具有電壓差。

本實施例的電壓維持電路1係為了維持端點200和端點202之間電壓差的穩定。如果裝置20的供電發生異常，電壓維持電路1應要於一定時間內夠填補裝置20供電短缺的部分，並維持端點200和端點202之間的電壓差。如此一來，在端點200和端點202之間的電壓差不變的情況下，代表隔離調壓模組22一次側的電壓是穩定的，從而能夠確保隔離調壓模組22二次側電壓不受影響。也就是說，在端點200和端點202之間的電壓差不變的情況下，可以維持負載24的正常工作。實務上，當裝置20的供電發生異常時，電壓維持電路1要維持端點200和端點202之間電壓差在可接受範圍內的時間，稱為電壓維持時間(hold up time)。電壓維持時間可例如是數毫秒到數秒不等，本實施例在此不加以限制。

圖2繪示的電壓維持電路1係具有電容10(第一電容)、開關SW1(第一開關)、開關SW2(第二開關)、電容12(第二電容)與電感14，並且電壓維持電路1可以具有控制單元16用以控制開關SW1與開關SW2。電容10耦接於裝置20的端點200和端點202之間，開關SW1耦接於端點200和節點A(第一節點)之間，開關SW2耦接於節點A和端點202之間。電容12與電感14係串聯耦接在一起，且開關SW2並聯耦接電容12與電感14。在此，開關SW1與開關SW2各自可以由一個或多個電晶體組成，只要能夠整體實現開關的功能，本實施例不加以限制開關SW1與開關SW2的電路架構。此外，開關SW1與開關SW2組合起來可以看成一個耦接於端點200和端點202之間的開關單元。由於控制單元16可以個別控制開關SW1與開關SW2(或稱控制開關單元)在並聯模式與供電模式之間進行切換。於一個例子中，並聯模式指的是開關SW1導通且開關SW2截止，而供電模式指的是開關SW1與開關SW2切換地導通。

為了詳細說明本實施例的電壓維持電路1，請一併參閱圖2與圖3，圖3係繪示依據本發明一實施例之電壓維持電路的波形示意圖。如圖所示，假設當裝置20的供電正常時，裝置20的端點200和端點202之間可以保持有穩定的電壓。此時，如圖3中的時間t0到時間t1之間，電容10會處在充電的狀態，從而電容10兩端的電壓值(圖3標示的V10)會逐漸升高。在此，電壓維持電路1更可以具有電壓偵測單元18，用以偵測電容10兩端的電壓值以產生電壓偵測信號。於一個例子中，電壓偵測單元18可以規律地取樣電容10兩端的電壓值，以產生電壓偵測信號，並且電壓偵測單元18可以把一連串的電壓偵測信號傳送給控制單元16。換句話說，控制單元16可以依據前後的、連續的電壓偵測信號判斷電容10兩端的電壓值是否正在上升，或判斷電容10兩端的電壓值是否正在下降。

當控制單元16判斷電容10兩端的電壓值正在上升，且電容10兩端的電壓值大於第一門檻值(例如電容10兩端於時間t1的電壓值)時，控制單元16可以產生控制信號以指示開關單元操作於並聯模式。此時，如圖3中的時間t1到時間t2之間，由於並聯模式表示開關SW1導通且開關SW2截止，於電路上電容10與電容12可以視為並聯，且同時處在充電的狀態。值得一提的是，時間t1之前，開關SW1和開關SW2可以都是截止狀態，從而可以視為優先替電容10充電，而在電容10充電到相當程度後，才會替電容12充電。

於一個例子中，時間t1到時間t2之間，並聯模式中的開關SW1也有可能切換導通與截止。舉例來說，本實施例的電壓維持電路1更可以有電阻R，電阻R串聯耦接電容12和電感14。電阻R例如可以是刻意設置的電阻或是迴路中的內阻，本實施例不加以限制。在此，控制單元16為了監控並聯模式下的電容12是否有過充的情況，可以藉由偵測電阻R兩端的電壓，推算出流經電容12的電流大小。實務上，如果控制單元16判斷流經電容12的電流過大，例如超過預設的門檻值，則控制單元16可以用脈衝寬度調變(PWM)的方式有規律地控制開關SW1，使開關SW1快速切換導通與截止，直到流經電容12的電流回到正常範圍。反之，如果控制單元16判斷流經電容12的電流正常，則控制單元16可以保持開關SW1導通。接著，假設電容10與電容12在時間t2已經完成充電，且此時裝置20的供電仍然是正常，如圖3中的時間t2到時間t3之間，則開關單元仍可繼續操作於並聯模式。於一個例子中，電容10與電容12雖然已經充飽電，但可以繼續保持浮充的狀態。

假設裝置20的供電於時間t3之後發生異常，如圖3中的時間t3之後，控制單元16可以依據電壓偵測信號判斷電容10兩端的電壓值下降。圖3中的時間t3到時間t4之間，由於電容10兩端的電壓差的波動相對較小(還沒有小於第二門檻值)，控制單元16仍然可以讓開關SW1導通且開關SW2截止，維持著電容10與電容12並聯的狀態。因電容10與電容12都耦接在端點200和端點202之間，從而裝置20的供電不足時，電容10與電容12都會開始消耗各自儲存的電能。由圖3可知，於時間t3到時間t4之間，電容10與電容12兩端的電壓差都開始下降。當電容10兩端的電壓差小於第二門檻值(例如電容10兩端於時間t4的電壓值)時，表示電容10兩端的電壓差的波動相對較大，則控制單元16可以產生控制信號以指示開關單元開始操作於供電模式。

實務上，第二門檻值可以是端點200和端點202之間可容忍的最低電壓差，本實施例不限制第二門檻值的數值。於供電模式中，如圖3中的時間t4到時間t5之間，開關SW1與開關SW2會切換地導通。詳細來說，開關SW2導通而開關SW1截止時，由於電容12已經有儲存了電能，可知電容12會開始放電。在此，電容12的一端(高電壓端)會輸出電流到電感14，而所述電流會流經電感14，並經過節點A、開關SW2之後，回到電容12的另一端(低電壓端)。換句話說，電容12、電感14和開關SW2會形成一個小型的迴路(第二電流路徑)。於所述技術領域具有通常知識者應可以明白，電感14可以具有暫時性儲存電能的功能。因此，當控制單元16控制開關SW1導通而開關SW2截止時，原本於電感14中的電流仍會持續著相同方向，使得電流仍由電容12流向節點A。

由圖2可知，此時電容12、電感14、開關SW1、端點200和端點202會形成另一個迴路(第一電流路徑)。換句話說，在供電模式中，當第二電流路徑導通時，電容12蓄積電能於電感14，當第一電流路徑導通時，電感14會將電能輸出至端點200。簡單來說，當開關SW1與開關SW2切換地導通，電感14便會規律地將原本儲存於電容12的電能送至端點200，用以填補不足的電能，使得端點200和端點202之間可以保持有穩定的電壓差。

此外，當端點200和端點202之間的電壓差不變時，表示電容10兩端的電壓值保持不變。雖然在時間t4到時間t5之間，電容10兩端的電壓差不繼續下降，但由於電容12的電能被電感14送出，電容12兩端的電壓值仍會持續下降直到無法繼續送出電能。如前所述，由於第二門檻值可以是端點200和端點202之間可容忍的最低電壓差，因此只要是端點200和端點202之間的電壓差大於第二門檻值，實務上還是可以被接受的。換句話說，縱使裝置20於時間t3即出現供電異常，但直到時間t5之前都還不至於影響隔離調壓模組22提供給負載24的電壓，即負載24還是處於可以正常工作的狀態。可知，本實施例的電壓維持時間(hold up time)係為時間t3到時間t5。

當然，假設裝置20的供電異常的時間過久，電容12消耗完儲存的電能，如圖3中的時間t5之後，電容10中的電能也會接續被消耗而快速降低。此一階段中，電容10已不能維持端點200和端點202之間的電壓差，顯然已經影響隔離調壓模組22能夠提供給負載24的電壓，導致負載24不處於可以正常工作的狀態。由於在時間t5之後已無關電壓維持時間，本實施例在此便不予討論。

整理上述的內容可知，當電容10兩端的電壓差小於第二門檻值時，控制單元16可以產生控制信號以指示開關單元操作於供電模式。此時會優先消耗電容12中的電能，而維持電容10兩端的電壓差。由於電容12兩端的電壓值會持續下降直到無法繼續送出電能，可知電容12的電能可以完全被用於填補裝置20供電短缺的情況。實務上，電容12的電容值可以大於電容10的電容值。於圖1的先前技術中，電容96大部分的電能要用於維持電容96兩端的電壓差在門檻值(如本實施例的第二門檻值)之上，能用在填補供電短缺的電能相對於電容96儲存的總電能來說，其實比例很低。

有別於先前技術，本實施例由於將電容10和電容12區分開來，供電異常時會優先使用電容12中儲存的電能，且電容12中儲存的電能幾乎可以完全被用盡。顯然，本實施例能用在填補供電短缺的電能，相對於電容10和電容12中儲存的總電能來說，比例非常高。特別是，在電容12的電容值大於電容10的電容值的例子中，能用在填補供電短缺的電能應會超過電容10和電容12儲存的總電能的一半。特別是，在電容10兩端的電壓差為較高的電壓差(例如600V以上)時，能用在填補供電短缺的電能甚至是電容10和電容12儲存的總電能的七成以上。可見，本實施例的電壓維持電路1可以更有效地利用成本，且對電壓維持時間提升更有助益。

綜上所述，本發明提供的電壓維持電路，藉由開關單元將第一電容與第二電容隔離開來，使得第一端與第二端之間電壓差可以由第一電容維持，第二電容和電感的組合可以用於填補供電短缺。從而本發明的電壓維持電路可以在不需要加大電容的情況下，有更長的電壓維持時間。

1:電壓維持電路 10、12:電容 14:電感 16:控制單元 18:電壓偵測單元 20:裝置 200、202:端點 22:隔離調壓模組 24:負載 A:節點 SW1、SW2:開關 90:裝置 900、902:端點 92:隔離調壓模組 94:負載 96:電容

圖1係繪示先前技術中的電壓維持電路的功能方塊圖。

圖2係繪示依據本發明一實施例之電壓維持電路的功能方塊圖。

圖3係繪示依據本發明一實施例之電壓維持電路的波形示意圖。

無

1:電壓維持電路

10、12:電容

14:電感

16:控制單元

18:電壓偵測單元

20:裝置

200、202:端點

22:隔離調壓模組

24:負載

A:節點

SW1、SW2:開關

Claims (12)

1. 一種電壓維持電路，耦接於一裝置的一第一端和一第二端之間，該電壓維持電路包含： 一開關單元，受控於一控制信號選擇性地切換一並聯模式或一供電模式，該開關單元於該並聯模式導通一第一電流路徑，且該開關單元於該供電模式切換地導通該第一電流路徑與一第二電流路徑； 一第一電容，耦接於該第一端與該第二端之間；以及 一第二電容，耦接該開關單元； 其中於該並聯模式中，該第二電容並聯耦接該第一電容； 其中於該供電模式中，當該第二電流路徑導通時，該第二電容蓄積電能於一電感，當該第一電流路徑導通時，該電感輸出電能。
2. 如請求項1所述之電壓維持電路，更包含一電壓偵測單元與一控制單元，該電壓偵測單元偵測該第一電容的電壓值以產生一電壓偵測信號，該控制單元依據該電壓偵測信號以產生該控制信號。
3. 如請求項2所述之電壓維持電路，其中當該控制單元依據該電壓偵測信號判斷該第一電容的電壓值上升，且該第一電容的電壓值大於一第一門檻值時，該控制單元產生該控制信號以指示該開關單元操作於該並聯模式。
4. 如請求項2所述之電壓維持電路，其中當該控制單元依據該電壓偵測信號判斷該第一電容的電壓值下降，且該第一電容的電壓值小於一第二門檻值時，該控制單元產生該控制信號以指示該開關單元操作於該供電模式。
5. 如請求項1所述之電壓維持電路，其中該第一電容的電容值大於該第二電容的電容值。
6. 如請求項1所述之電壓維持電路，其中該開關單元包含一第一開關與一第二開關，該第一開關耦接於該第一端和一第一節點之間，該第二開關耦接於該第一節點和該第二端之間，該第二電容並聯耦接該第二開關。
7. 如請求項6所述之電壓維持電路，其中於該並聯模式中，該第一開關導通且該第二開關截止，而於該供電模式中，該第一開關與該第二開關切換地導通。
8. 一種電壓維持電路，包含： 一第一電容，耦接於一裝置的一第一端和一第二端之間； 一第一開關，耦接於該第一端和一第一節點之間； 一第二開關，耦接於該第一節點和該第二端之間； 一第二電容，並聯耦接該第二開關；以及 一電感，串聯耦接該第二電容； 其中於一並聯模式中，該第一開關導通且該第二開關截止； 其中於一供電模式中，該第一開關與該第二開關切換地導通。
9. 如請求項8所述之電壓維持電路，更包含一電壓偵測單元與一控制單元，該電壓偵測單元偵測該第一電容的電壓值以產生一電壓偵測信號，該控制單元依據該電壓偵測信號以產生該控制信號。
10. 如請求項9所述之電壓維持電路，其中當該控制單元依據該電壓偵測信號判斷該第一電容的電壓值上升，且該第一電容的電壓值大於一第一門檻值時，該控制單元控制該第一開關導通並控制該第二開關截止。
11. 如請求項9所述之電壓維持電路，其中當該控制單元依據該電壓偵測信號判斷該第一電容的電壓值下降，且該第一電容的電壓值小於一第二門檻值時，該控制單元控制該第一開關與該第二開關切換地導通。
12. 如請求項11所述之電壓維持電路，其中於該供電模式中，當該第二開關導通且該第一開關截止時，該第二電容蓄積電能於該電感，當該第一開關導通且該第二開關截止時，該電感輸出電能。

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