TWI699064B - 電源供應器 - Google Patents

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蔡憲逸
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群光電能科技股份有限公司
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Abstract

一種電源供應器，包含一直流轉直流轉換器、一儲能電容器、一電壓偵測器、一旁路單元及一倍壓單元。直流轉直流轉換器接收儲能電容器之一電容電壓並將其轉換成一輸出電壓；電壓偵測器用以偵測輸入電壓。旁路單元電連接於儲能電容器，並於輸入電壓不小於電容電壓時導通，於輸入電壓小於電容電壓時截止。倍壓單元電連接於儲能電容器及電壓偵測器，並包含一第一線圈及一第二線圈；倍壓單元於輸入電壓小於一臨界電壓時啟動，使第一線圈與第二線圈進行耦合來對輸入電壓執行一倍壓轉換，以維持直流轉直流轉換器於一定時間內持續提供輸出電壓。

Description

電源供應器
本創作是關於電源供應器，且特別是有關於在前級電路提供的電力發生中斷時，能夠讓輸出電壓的位準在一定時間內維持於預定值的電源供應器。
電子裝置是由電源供應器提供其所需的電力。於電子裝置使用電源供應器提供的電力時，若發生外部電源突然中斷的狀況，電源供應器必須要能夠在外部電源中斷後的一小段時間維持電力輸出，讓電子裝置進行資料的儲存。上述電源供應器於外部電源中斷後，能持續供應一定程度之電力輸出的時間通常稱為維持時間(hold-up time)。
一般來說，電源供應器的維持時間主要由其輸出電容器(bulk capacitor)決定，而輸出電容器的體積會與容量相關。為了有效地延長維持時間，提高輸出電容器的容量為最簡易之方式，但這使得輸出電容器的體積也隨之增大，致使電源供應器難以小型化。
本發明的一目的在於提供一種當輸入電壓中斷或降低時，能夠在一定時間內維持直流轉直流轉換器持續提供輸出電壓予負載的電源供應器。
有鑒於此，本創作提供一種電源供應器，用於接收一輸入電壓並提供一輸出電壓予一負載。電源供應器包含一儲能電容器、一直流轉直流轉換器、一電壓偵測器、一旁路單元及一倍壓單元。儲能電容器具有一電容電壓，直流轉直流轉換器用以接收電容電壓並將其轉換成輸出電壓，電壓偵測器用以偵測輸入電壓。旁路單元包含一二極體及一功率開關；二極體電連接於儲能電容器，並於輸入電壓小於電容電壓時截止；功率開關與二極體並聯連接，並於輸入電壓不小於電容電壓時導通，於輸入電壓小於電容電壓時截止，其中當功率開關導通時，輸入電壓經由功率開關傳遞至儲能電容器。倍壓單元包含一第一線圈及一第二線圈，第一線圈與第二線圈之間的一匝數比大於一；倍壓單元電連接於儲能電容器及電壓偵測器，倍壓單元於輸入電壓小於一臨界電壓時啟動，使輸入電壓經第一線圈耦合至第二線圈來執行一倍壓轉換並對該儲能電容器充電，以維持直流轉直流轉換器於一定時間內持續提供輸出電壓。
在本創作之一實施方式中可選擇性地包含一或多個下述特徵。倍壓單元可包含一切換元件及一控制器，切換元件連接第一線圈，控制器電連接於電壓偵測器及切換元件，控制器於輸入電壓小於臨界電壓時輸出一控制信號予切換元件，使輸入電壓經第一線圈耦合至第二線圈來維持該電容電壓。
電源供應器還可包含一回授單元，其電連接於儲能電容器及控制器，用以於臨界電壓為電容電壓時將偵測電容電壓的結果供給控制器。
電源供應器還可包含一緩衝電路，其包含一電容器、一二極體及一電阻器，電容器可電連接第一線圈的一端，二極體可串接於第一線圈的另一端與電容器之間，電阻器可與電容器並聯連接。旁路單元可更包含一功率開關控制器，其電連接功率開關，用以偵測輸入電壓與電容電壓，並於輸入電壓小於電容電壓時驅使功率開關截止。
在本創作之一實施方式中，第一線圈與第二線圈可相互隔離而配合構成一隔離型變壓器，該第一線圈接收輸入電壓，第二線圈電連接於直流轉直流轉換器。
在本創作之一實施方式中，第一線圈的一端接收輸入電壓並連接第二線圈，另一端電連接於切換元件；倍壓單元可更包含一放電開關，放電開關跨接在切換元件兩端，當切換元件截止時，放電開關導通。
根據本創作之電源供應器利用由第一線圈及第二線圈提供倍壓效果以維持直流轉直流轉換器於輸入電壓中斷或降低時在一定時間內持續提供輸出電壓；藉此可在不提高儲能電容器的容量及體積的前提下來維持電路穩定。
10:直流轉直流轉換器
12:儲能電容器
14:旁路單元
140、194:二極體
142:功率開關
144:功率開關控制器
16:電壓偵測器
18:倍壓單元
180:控制器
182:放電開關
19:緩衝電路
190:電容器
192:電阻器
20:交流轉直流轉換器
22:保護開關
24:回授單元
3:負載
SW:切換元件
Vac:交流電源
Vc:電容電壓
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
W1:第一線圈
W2:第二線圈
圖1繪示依照本創作第一實施方式之電源供應器之電路方塊圖； 圖2繪示依照本創作第一實施方式之電源供應器之電路圖；圖3繪示依照本創作第一實施方式之緩衝電路之電路圖；圖4繪示依照本創作第二實施方式之電源供應器之電路方塊圖；以及圖5繪示依照本創作第二實施方式之電源供應器之電路圖。
請參見圖1，其繪示依照本創作第一實施方式之電源供應器之電路方塊圖。電源供應器(未另標號)用於接收一輸入電壓Vin並提供一輸出電壓Vout予一負載3。在圖1中，電源供應器包含一直流轉直流轉換器10、一儲能電容器(bulk capacitor)12、一旁路單元14、一電壓偵測器16及一倍壓單元18。
當電源供應器應用於交流領域時，其更包含一交流轉直流轉換器20以提供輸入電壓Vin。更具體言之，交流轉直流轉換器20電連接至一交流電源Vac，其接收交流電源Vac提供的交流電力並將交流電力轉換為直流形式之輸入電壓Vin。交流轉直流轉換器20可包含橋式整流器。
旁路單元14、電壓偵測器16及倍壓單元18分別電連接於交流轉直流轉換器20，儲能電容器12電連接於旁路單元14及倍壓單元18並具有一電容電壓Vc。
直流轉直流轉換器10電連接於儲能電容器12，其接收儲能電容器12提供的電容電壓Vc並輸出經調節處理後相對應於負載條件的輸出電壓Vout予負載3。直流轉直流轉換器10可運作於升壓模式及降壓 模式中之一者，並可由非隔離式電路或具有隔離作用的諧振型電路或脈衝寬度調變電路實現其功能。
請參見圖2；旁路單元14包含一二極體140、一功率開關142及一功率開關控制器144；二極體140的陽極電連接於交流轉直流轉換器20，陰極電連接於直流轉直流轉換器10及儲能電容器12。二極體140可於輸入電壓Vin不小於電容電壓Vc時導通，並於輸入電壓Vin小於電容電壓Vc時截止。
功率開關142與二極體140並聯連接，並接受功率開關控制器144發出的驅動信號以導通或截止。功率開關控制器144的一端電連接於交流轉直流轉換器20以接收輸入電壓Vin，另一端電連接於儲能電容器12以接收電容電壓Vc。功率開關控制器144可於輸入電壓Vin不小於電容電壓Vc時驅使功率開關142導通，藉以讓輸入電壓Vin經由功率開關142傳遞至儲能電容器12以供儲能電容器12進行充電，並可達到降低輸入電壓Vin導通至儲能電容器12時的阻抗的功能。功率開關控制器144另可於輸入電壓Vin小於電容電壓Vc時驅使功率開關142截止，藉以防止電容電壓Vc回流至交流轉直流轉換器20。
電壓偵測器16電連接於交流轉直流轉換器20並將偵測輸入電壓Vin的結果傳遞給倍壓單元18。
倍壓單元18電連接於儲能電容器12、電壓偵測器16及交流轉直流轉換器20，並於輸入電壓Vin小於一臨界電壓時執行一倍壓功能，藉以維持直流轉直流轉換器10於一定時間內持續提供輸出電壓 Vout；其中，臨界電壓可為能夠維持直流轉直流轉換器10正常提供輸出電壓Vout予負載3的最小電壓。
倍壓單元18及儲能電容器12之間可設有一保護開關22，其用以防止電容電壓Vc灌入倍壓單元18。保護開關22可為二極體，且其陽極電連接於倍壓單元18，陰極電連接於儲能電容器12。
倍壓單元18可包含一第一線圈W1及一第二線圈W2；如圖2所示，第一線圈W1與第二線圈W2相互隔離並配合構成一隔離型變壓器。第一線圈W1電連接於交流轉直流轉換器20，第二線圈W2電連接於直流轉直流轉換器10；更具體言之，第二線圈W2的一端通過保護開關22電連接至儲能電容器12，另一端接地。當第一線圈W1的匝數為N1，第二線圈W2的匝數為N2時，滿足下列條件：N2/N1>1。
倍壓單元18更包含一控制器180及一切換元件SW，控制器180電連接於電壓偵測器16及切換元件SW，並可預設有臨界電壓。更具體言之，第一線圈W1的一端電連接於交流轉直流轉換器20，另一端通過切換元件SW接地。
控制器180接受電壓偵測器16輸出的電壓偵測結果，並於該輸入電壓Vin小於臨界電壓時輸出一控制信號予切換元件SW，使第一線圈W1與第二線圈W2進行電磁耦合而形成電力傳輸變壓器，並對儲能電容器12充電以維持電容電壓Vc在一定時間內足夠直流轉直流轉換器10提供輸出電壓Vout；其中，控制信號可為一脈衝寬度調變信號。當第一線圈W1的匝數為N1，第二線圈W2的匝數為N2 時，第一線圈的電壓為V1，第二線圈的電壓為V2，脈衝寬度調變信號的工作週期為D時，滿足下列條件：
Figure 107118053-A0305-02-0009-1
請同時參見圖1及圖2，若交流電源Vac穩定供電且交流轉直流轉換器20提供的輸入電壓Vin不小於電容電壓Vc時，二極體140導通，功率開關控制器144同時驅使功率開關142導通來讓輸入電壓Vin得以傳遞至儲能電容器12，以對儲能電容器12充電，據此直流轉直流轉換器10可提供輸出電壓Vout予負載3。
若交流電Vac發生異常或中斷而讓交流轉直流轉換器20提供的輸入電壓Vin小於電容電壓Vc時，二極體140截止；同時，功率開關控制器144驅使功率開關142截止。
當輸入電壓Vin小於臨界電壓時，控制器180輸出控制信號予切換元件SW，以讓第一線圈W1與第二線圈W2以電磁耦合方式對輸入電壓Vin執行一倍壓轉換，進而讓直流轉直流轉換器10於一定時間內維持提供輸出電壓Vout。
此外，電源供應器的倍壓單元18中還可包含一緩衝電路19，如圖3所示；緩衝電路190與第一線圈W1並聯連接，並包含一電容器190、一電阻器192及一二極體194。電容器190電連接第一線圈W1的一端，二極體194串接於第一線圈W1的另一端與電容器190之間，電阻器192與電容器190並聯連接。緩衝電路190用以抑制切換元件SW導通瞬間產生的脈衝電壓的電壓峰值，避免切換元件SW損壞。
請參見圖4及圖5，其等分別繪示依照本創作第二實施方式之電源供應器之電路方塊圖及電路圖。在圖4及圖5中，電源供應器包含一直流轉直流轉換器10、一儲能電容器12、一旁路單元14、一電壓偵測器16、一倍壓單元18及一回授單元24。
當電源供應器應用於交流領域時，其更包含一交流轉直流轉換器20以提供輸入電壓Vin。交流轉直流轉換器20可包含橋式整流器，其電連接至一交流電源Vac，接收交流電源Vac提供的交流電力並將其轉換為直流形式之輸入電壓Vin。
旁路單元14、電壓偵測器16及倍壓單元18分別電連接於交流轉直流轉換器20，儲能電容器12電連接於旁路單元14及倍壓單元18並具有一電容電壓Vc。
直流轉直流轉換器10電連接於儲能電容器12，其接收儲能電容器12提供的電容電壓Vc並輸出經調節處理後相對應於負載條件的輸出電壓Vout予負載。
旁路單元14包含一二極體140、一功率開關142及一功率開關控制器144；二極體140的陽極電連接於交流轉直流轉換器20，陰極電連接於直流轉直流轉換器10。功率開關142電連接於功率開關控制器144，接收功率開關控制器144輸出的驅動信號以導通或截止。
功率開關控制器144的一端電連接於交流轉直流轉換器20以接收輸入電壓Vin，另一端電連接於儲能電容器12以接收電容電壓Vc，並依據輸入電壓Vin及電容電壓Vc來決定導通或截止功率開關142(詳見後述)。
倍壓單元18電連接於交流轉直流轉換器20、儲能電容器12及電壓偵測器16，並包含一控制器180、一切換元件SW、一第一線圈W1、一第二線圈W2及一放電開關182。第一線圈W1的一端連接於交流轉直流轉換器20，另一端通過切換元件SW接地，第二線圈W2的一端通過一保護開關22連接於儲能電容器12，另一端連接通過切換元件SW接地；放電開關182跨接於切換元件SW兩端。當第一線圈W1的匝數為N1，第二線圈W2的匝數為N2時，滿足下列條件：N2/N1>1。
控制器180電連接於電壓偵測器16、切換元件SW及回授單元24。電壓偵測器16跨接於交流轉直流轉換器20的兩端，用以偵測輸入電壓Vin並將偵測的結果供給倍壓單元18的控制器180；回授單元24跨接於儲能電容器12的兩端，用以偵測電容電壓Vc並將偵測結果供給倍壓單元18的控制器180。控制器180接受電壓偵測器16及回授單元24輸出的電壓偵測結果，並於該輸入電壓Vin小於電容電壓Vc時輸出一控制信號予切換元件SW，來讓輸入電壓Vin通過第一線圈W1耦合至第二線圈W2來執行倍壓轉換並對儲能電容器12充電，進而讓直流轉直流轉換器10於一定時間內持續提供輸出電壓Vout。
當第一線圈W1的匝數為N1，第二線圈W2的匝數為N2時，第一線圈的電壓為V1，第二線圈的電壓為V2，控制信號的工作週期為D時，滿足下列條件：
Figure 107118053-A0305-02-0011-2
當切換元件SW截止時，放電開關182導通以提供一放電路徑。當切換元件SW導通時，放電開關182截止。放電開關182可為一二極體，且其陰極連接於切換元件SW與第一線圈W1、第二線圈W2相連接之一端，陽極接地。
若交流電源Vac穩定供電且交流轉直流轉換器20提供的輸入電壓Vin不小於電容電壓Vc時，二極體140導通；功率開關控制器144同時驅使功率開關142導通來讓輸入電壓Vin得以傳遞至儲能電容器12，以對儲能電容器12充電。保護開關22可於輸入電壓Vin不小於電容電壓Vc時截止，防止電容電壓Vc灌入倍壓單元18。
若交流電Vac發生異常或中斷時而讓交流轉直流轉換器20提供的輸入電壓Vin小於電容電壓Vc時，二極體140截止，功率開關控制器144同時驅使功率開關142截止。據此，可防止電容電壓Vc灌入交流轉直流轉換器20。
在此同時，控制器180輸出控制信號予切換元件SW，以讓輸入電壓Vin經第一線圈W1耦合至第二線圈W2來執行一倍壓轉換並對儲能電容器12充電，且保護開關22導通，使直流轉直流轉換器10於一定時間內維持提供輸出電壓Vout。
在本實施方式中，控制器180以電容電壓Vc和輸入電壓Vin的比較結果來判斷是否執行倍壓功能，可降低元件誤差造成判斷失準的問題產生。
雖然本創作已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作的精神和範圍內，當可作各 種的更動與潤飾，因此本創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:直流轉直流轉換器
12:儲能電容器
14:旁路單元
16:電壓偵測器
18:倍壓單元
20:交流轉直流轉換器
22:保護開關
3:負載
Vac:交流電源
Vc:電容電壓
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓

Claims (7)

  1. 一種電源供應器，用於接收一輸入電壓並提供一輸出電壓予一負載，該電源供應器包含：一儲能電容器，具有一電容電壓；一直流轉直流轉換器，用以接收該電容電壓並將其轉換成該輸出電壓；一電壓偵測器，用以偵測該輸入電壓；一旁路單元，包含：一二極體，接收該輸入電壓並電連接於該儲能電容器，該二極體於該輸入電壓小於該電容電壓時截止；及一功率開關，與該二極體並聯連接，該功率開關於該輸入電壓不小於該電容電壓時導通，並於該輸入電壓小於該電容電壓時截止，其中當該功率開關導通時，該輸入電壓經由該功率開關傳遞至該儲能電容器；以及一倍壓單元，具有一第一線圈及一第二線圈，其中該第一線圈的一端接收該輸入電壓，該第一線圈的另一端連接該第二線圈及該切換元件，該第一線圈與該第二線圈之間的一匝數比大於一，該倍壓單元電連接於該儲能電容器及該電壓偵測器，該倍壓單元於該直流轉直流轉換器提供該輸出電壓時，發生該輸入電壓突然中斷的狀況而使得該輸入電壓小於一臨界電壓時啟動，使該輸入電壓經該第一線圈耦合至該第二線圈來執行一倍壓轉換並對該儲能電容器充電，以維持該直流轉直流轉換器於該輸入電壓中斷後的一定時間內持續提供該輸出電壓。
  2. 如請求項第1項所述之電源供應器，其中該倍壓單元包含：一切換元件，連接該第一線圈；以及 一控制器，電連接於該電壓偵測器及該切換元件，該控制器於該輸入電壓小於該臨界電壓時輸出一控制信號予該切換元件，以使該輸入電壓經該第一線圈耦合至該第二線圈來對該儲能電容器充電。
  3. 如請求項第2項所述之電源供應器，更包含一回授單元，電連接於該儲能電容器及該控制器，並用以將偵測該電容電壓的結果供給該控制器，該臨界電壓為該電容電壓。
  4. 如請求項第2項所述之電源供應器，更包含一緩衝電路，包含：一電容器，電連接該第一線圈的一端；一二極體，串接於該第一線圈的另一端與該電容器之間；以及一電阻器，與該電容器並接。
  5. 如請求項第2項所述之電源供應器，其中該倍壓單元更包含一放電開關，跨於該切換元件兩端，當該切換元件截止時，該放電開關導通。
  6. 如請求項第1項所述之電源供應器，該旁路單元更包含一功率開關控制器，電連接該功率開關，其中該功率開關控制器於該輸入電壓不小於該電容電壓時驅使該功率開關導通，並於該輸入電壓小於該電容電壓時驅使該功率開關截止。
  7. 如請求項第1項所述之電源供應器，更包含一保護開關，電連接於該第二線圈及該儲能電容器之間，以防止該電容電壓灌入該倍壓單元。
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