TWI699083B - 具補償線損功能之電源供應電路 - Google Patents

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Abstract

電源供應電路包含變壓器、線材、線材損耗偵測電路、過度補償偵測電路、輸出電壓調整電路，以及脈衝寬度調變積體電路。變壓器於一次側繞組接收輸入電壓、於二次側主繞組提供第一輸出電壓，及於二次側輔助繞組提供第二輸出電壓。第一輸出電壓通過線材後會形成之第三輸出電壓。線材損耗偵測電路依據第二和第三輸出電壓之間的關係提供第一控制訊號。過度補償偵測電路依據第二和第三輸出電壓之間的關係提供第二控制訊號。輸出電壓調整電路依據第一和第二控制訊號來調整參考電壓。脈衝寬度調變積體電路依據參考電壓之值來調整第一輸出電壓。

Description

具補償線損功能之電源供應電路
本發明相關於一種能夠補償線損之電源供應電路，尤指一種能夠補償線損和避免過度補償之電源供應電路。
電腦系統中不同組件所需的操作電壓不同，因此普遍採用電源供應器(power supply)以通過變壓、整流與濾波的方式，將交流電(AC)室內電源轉換為直流電(DC)以驅動不同零組件。
電源供應器所提供的電壓可能會透過不同傳輸線輸出至負載，由於線材本身具備阻抗，因此會對傳導電壓和電流量造成損耗。部分先前技術電源供應器具備線補功能，但由於製程差異常會讓製造商無法準確掌握線材阻抗值，使得在重載時電源供應器容易因線損過大而無法提供足夠的輸出電壓。因此，需要一種能夠補償線損之電源供應電路。
本發明提供一種電源供應電路，其包含一變壓器、一線材、一線材損耗偵測電路、一過度補償偵測電路、一輸出電壓調整電路， 以及一脈衝寬度調變積體電路。該變壓器包含一一次側繞組，用來接收一輸入電壓；一二次側主繞組，用來提供一第一輸出電壓；以及一二次側輔助繞組，用來提供一第二輸出電壓。該線材於一第一端接收該第一輸出電壓，並將該第一輸出電壓通過該線材後所形成之一第三輸出電壓於一第二端輸出以驅動一負載。該線材損耗偵測電路用來依據該第二輸出電壓和該第三輸出電壓之間的關係來提供一第一控制訊號。該過度補償偵測電路用來依據一第一電壓和一第二電壓之間的關係來提供一第二控制訊號，其中該第一電壓相關於該第二輸出電壓，而該第二電壓相關於該第三輸出電壓。該輸出電壓調整電路耦接於該線材損耗偵測電路和該過度補償偵測電路，用來依據該第一控制訊號和該第二控制訊號來調整一參考電壓之值。該脈衝寬度調變積體電路用來依據該參考電壓之值來調整該第一輸出電壓之值。
10:輸出電壓調整電路
20:脈衝寬度調變積體電路
30:線材損耗偵測電路
40:過度補償偵測電路
50:負載
100:電源供應電路
TR:變壓器
Np:一次側繞組
Ns:二次側主繞組
Naux:二次側輔助繞組
COMP:比較器
EA:誤差放大器
VIN:輸入電壓
VOUT1~VOUT3:輸出電壓
IOUT:輸出電流
IREF1~IREF3:電流
RW:線材和其阻抗
VREF:參考電壓
V1、V2:電壓
GND:接地電位
DO1~DO3:輸出二極體
Daux1~Daux3:輔助二極體
CO1:輸出電容
Caux:輔助電容
R1~R7:電阻
Q1、Q2:功率開關
S1、S2:控制訊號
第1圖為本發明實施例中一種電源供應電路之功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例中電源供應電路實作方式之示意圖。
第3圖為先前技術之電源供應電路在不同負載下運作時於線材前端建立之電壓和於線材後端提供之電壓之折線圖。
第4圖為本發明電源供應電路在不同負載下運作時於線材前端建立之電壓和於線材後端提供之電壓之折線圖。
第1圖為本發明實施例中一種電源供應電路100之功能方塊 圖。電源供應電路100包含一變壓器TR、一輸出電壓調整電路10、一脈衝寬度調變積體電路20、一線材損耗偵測電路30、以及一過度補償偵測電路40，可將一輸入電壓VIN轉換成一輸出電壓VOUT1以驅動一負載50，其中變壓器TR和負載50之間的線材和其阻抗由RW來表示，而流經負載50之輸出電流由IOUT來表示。
第2圖為本發明實施例電源供應電路100實作方式之示意圖。變壓器TR包含一次側繞組(匝數Np)、二次側主繞組(匝數Ns)，以及二次側輔助繞組(匝數Naux)。一次側繞組耦接於輸入電壓VIN和脈衝寬度調變積體電路20。二次側主繞組耦接於一輸出二極體DO1和一輸出電容CO1，可在開機後於線材前端建立一輸出電壓VOUT1，而輸出電壓VOUT1在經過傳輸損耗後於線材後端會提供一輸出電壓VOUT3來驅動負載50。二次側輔助繞組耦接於一輔助二極體Daux和一輔助電容Caux，可在開機後建立一輸出電壓VOUT2，其中輸出電壓VOUT2之值相關於負載50之理想驅動電壓。在變壓器TR之運作中，相關電壓和電流之關係為VOUT1/VIN=Ns/Np且VOUT2/VIN=Naux/Np。然而變壓器TR中一次側繞組之匝數Np、二次側主繞組之匝數Ns，以及二次側輔助繞組之匝數Naux並不限定本發明之範疇。
輸出電壓調整電路10包含電阻R1~R3、一功率開關Q1，以及一功率開關Q2。電阻R1和R2串聯於變壓器TR二次側之線材前端和接地電位GND之間，可對輸出電壓VOUT1進行分壓以提供一參考電壓VREF，脈衝寬度調變積體電路20可將參考電壓VREF和其內建之穩壓電壓做出誤差比較，以調整變壓器TR從一次側傳送到二次側之能量以穩定輸出電 壓VOUT1之值。功率開關Q1之第一端耦接於電阻R1和R2之間和脈衝寬度調變積體電路20，而控制端耦接至線材損耗偵測電路30以接收一控制訊號S1。功率開關Q2之第一端耦接至功率開關Q1之第二端，第二端透過電阻R3耦接至接地電位GND，而控制端耦接至過度補償偵測電路40以接收一控制訊號S2。在輸出電壓調整電路10運作時，流經電阻R1~R3之電流分別由IREF1~IREF3來表示。
功率開關Q1和Q2可為雙載體接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)、場效電晶體(field effect transistor,FET)，或其它類似功能之開關元件。然而，功率開關Q1和Q2之種類並不限定本發明之範疇。在本發明實施例中，功率開關Q1會依據控制訊號S1而操作於飽和區或截止區，亦即只有導通(IREF3不為0)和截止(IREF3=0)兩種動作模式；功率開關Q2設置成一開機就會被控制訊號S2導通而在線性區操作，亦即當電流IREF3不為0時其值會隨著控制訊號S2之值而改變。
線材損耗偵測電路30包含一輔助二極體Daux2、一輸出二極體DO2，以及一比較器COMP。二次側輔助繞組所建立之輸出電壓VOUT2可透過輔助二極體Daux2傳送至比較器COMP之正向輸入端，而二次側主繞組所提供之輸出電壓VOUT1在經過傳輸損耗後所建立之輸出電壓VOUT3可透過輸出二極體DO2傳送至比較器COMP之反向輸入端，其中VOUT3=VOUT1-(IOUT*RW)。當判斷輸出電壓VOUT3不小於輸出電壓VOUT2時，代表經過傳輸損耗後之輸出電壓VOUT3尚能提供足夠驅動電壓，此時比較器COMP會於輸出端提供具除能電位之控制訊號S1至功率開關Q1之控制端以關閉功率開關Q1。當功率開關Q1在截止模式下時，電流IREF3=0 而IREF1=IREF2，其中對電流IREF1和IREF2來說其遇到的阻抗為R1+R2。當判斷輸出電壓VOUT3小於輸出電壓VOUT2時，代表經過傳輸損耗後之輸出電壓VOUT3已無法提供足夠驅動電壓，此時比較器COMP會於輸出端提供具致能電位之控制訊號S1至功率開關Q1之控制端以開啟功率開關Q1。當功率開關Q1在導通模式下時，電流IREF3之值不為0且IREF1=IREF2+IREF3，對電流IREF1來說其遇到的阻抗為R1+R’，其中1/R’=1/R3+1/R2。換句話說，高線材損耗下電流IREF1遇到的阻抗(R1+R’)大於低線材損耗下電流IREF1遇到的阻抗(R1+R2)，使得高線材損耗下之參考電壓VREF小於低線材損耗下之參考電壓VREF，因此脈衝寬度調變積體電路20在依據參考電壓VREF之值判斷高線材損耗時，其內部的誤差比較會增加變壓器TR從一次側傳送到二次側之能量以拉高輸出電壓VOUT1之值，進而提升輸出電壓VOUT3以補償高線材損耗造成的影響。
過度補償偵測電路40包含電阻R4~R7、一輔助二極體Daux3、一輸出二極體DO3，以及一誤差放大器EA。二次側輔助繞組所建立之輸出電壓VOUT2可透過輔助二極體Daux3傳送至由電阻R4和R5所組成的分壓電路，進而提供相對應之電壓V1至誤差放大器EA之正向輸入端，其中V1=VOUT1*R5/(R4+R5)。二次側主繞組所提供之輸出電壓VOUT1在經過傳輸損耗後所建立之輸出電壓VOUT3可透過輸出二極體DO3傳送至由電阻R6和R7所組成的分壓電路，進而提供相對應之電壓V2至誤差放大器EA之反向輸入端，其中V2=VOUT3*R7/(R6+R7)。在本發明實施例中，電阻R4和R5之值會使電壓V1對應至電源供應電路100之工作電壓上限值，亦即當電壓VOUT3超過工作電壓上限值時會有燒毀電源供應電路100的可能。當電壓V2大於電壓V1時，代表輸出電壓VOUT3之值已經超過電源 供應電路100之工作電壓上限值，此時誤差放大器EA會降低於輸出端所提供之控制訊號S2之值，使得在線性模式下之功率開關Q2其導通區間降低，而電流IREF3也會降低而拉低參考電壓VREF。因此脈衝寬度調變積體電路20在依據參考電壓VREF之值得知針對高線材損耗之補償已經過度，其內部的誤差比較會拉低輸出電壓VOUT1，進而同步降低輸出電壓VOUT3以避免過度補償電壓的問題。如前所述，當輸出電壓VOUT3因為過度補償偵測電路40之誤差比較而降至低於電壓VOUT2時，線材損耗偵測電路30之比較器COMP又會再次動作以提升輸出電壓VOUT1和VOUT3。
為了說明目的，假設電源供應器被設計在滿載時輸出190W，而線材阻抗被定義為300mΩ。第3圖為先前技術之電源供應電路在不同負載(輸出電流IOUT)下運作時於線材前端建立之電壓VOUT1和於線材後端提供之電壓VOUT2之折線圖。第4圖為本發明電源供應電路100在不同負載(輸出電流IOUT)下運作時於線材前端建立之電壓VOUT1和於線材後端提供之電壓VOUT2之折線圖。如第3圖所示，當先前技術之電源供應電路在滿載(IOUT=10A)運作時，線材損耗會讓實際驅動電壓VOUT2過低而僅能提供169.5W的功率。如第4圖所示，當本發明電源供應電路100在滿載(IOUT=10A)運作時，線材損耗偵測電路30會及時地補償線材損耗，以縮小電壓VOUT1和VOUT2之間的差值，因此能提供符合設計之190W功率。
綜上所述，本發明之電源供應電路使用線材損耗偵測電路來判斷線材損耗對輸出電壓的影響程度，以在高線材損耗時拉高輸出電壓來補償。此外，本發明之電源供應電路100使用過度補償偵測電路來 隨時監控輸出電壓之值，以避免針對高線材損耗過度補償的問題。因此，本發明之電源供應電路能夠補償線損以確保輸出電壓足以驅動負載，以及避免過度補償而損毀電路。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:輸出電壓調整電路
20:脈衝寬度調變積體電路
30:線材損耗偵測電路
40:過度補償偵測電路
50:負載
100:電源供應電路
TR:變壓器
Np:一次側繞組
Ns:二次側主繞組
Naux:二次側輔助繞組
COMP:比較器
EA:誤差放大器
VIN:輸入電壓
VOUT1~VOUT3:輸出電壓
IOUT:輸出電流
IREF1~IREF3:電流
RW:線材阻抗
VREF:參考電壓
V1、V2:電壓
GND:接地電位
DO1~DO3:輸出二極體
Daux1~Daux3:輔助二極體
CO1:輸出電容
Caux:輔助電容
R1~R7:電阻
Q1、Q2:功率開關
S1、S2:控制訊號

Claims (10)

  1. 一種電源供應電路，其包含：一變壓器，其包含：一一次側繞組，用來接收一輸入電壓；一二次側主繞組，用來提供一第一輸出電壓；以及一二次側輔助繞組，用來提供一第二輸出電壓；一線材，其於一第一端接收該第一輸出電壓，並將該第一輸出電壓通過該線材後所形成之一第三輸出電壓於一第二端輸出以驅動一負載；一線材損耗偵測電路，用來依據該第二輸出電壓和該第三輸出電壓之間的關係來提供一第一控制訊號；一過度補償偵測電路，用來依據一第一電壓和一第二電壓之間的關係來提供一第二控制訊號，其中該第一電壓相關於該第二輸出電壓，而該第二電壓相關於該第三輸出電壓；一輸出電壓調整電路，耦接於該線材損耗偵測電路和該過度補償偵測電路，用來依據該第一控制訊號和該第二控制訊號來調整一參考電壓之值；以及一脈衝寬度調變積體電路，用來依據該參考電壓之值來調整該第一輸出電壓之值。
  2. 如請求項1所述之電源供應電路，其中該輸出電壓調整電路包含：一第一電阻和一第二電阻，串聯於該線材之該第一端和一接地電位之間； 一第一功率開關，其包含：一第一端，耦接於該第一電阻和該第二電阻之間；一第二端；以及一控制端，耦接至該線材損耗偵測電路以接收該第一控制訊號；一第二功率開關，其包含：一第一端，耦接於該第一功率開關之該第二端；一第二端；以及一控制端，耦接至該過度補償偵測電路以接收該第二控制訊號；以及一第三電阻，耦接於該第二功率開關之該第二端和該接地電位之間。
  3. 如請求項2所述之電源供應電路，其中該第一功率開關依據該第一控制訊號而操作於一飽和區或一截止區。
  4. 如請求項2所述之電源供應電路，其中該第二功率開關依據該第二控制訊號而操作於一線性區。
  5. 如請求項2所述之電源供應電路，其中該線材損耗偵測電路包含：一比較器，其包含：一正向輸入端，耦接至該二次側輔助繞組以接收該第二輸出電壓； 一反向輸入端，耦接至該線材之該第二端以接收該第三輸出電壓；以及一輸出端，用來在該第三輸出電壓不小於該第二輸出電壓時輸出具一除能電位之該第一控制訊號以關閉該第一功率開關，以及在該第三輸出電壓小於該第二輸出電壓時輸出具一致能電位之該第一控制訊號以開啟該第一功率開關。
  6. 如請求項5所述之電源供應電路，其中該線材損耗偵測電路另包含：一第一二極體，其包含：一陽極，耦接至該二次側輔助繞組；以及一陰極，耦接至該比較器之該正向輸入端；一第二二極體，其包含：一陽極，耦接至該線材之該第二端；以及一陰極，耦接至該比較器之該反向輸入端。
  7. 如請求項2所述之電源供應電路，其中該過度補償偵測電路包含：一第四電阻和一第五電阻，串聯於該二次側輔助繞組和該接地電位之間；一第六電阻和一第七電阻，串聯於該線材之該第二端和該接地電位之間；以及一誤差放大器，其包含：一正向輸入端，耦接至該第四電阻和該第五電阻之間以接收相 關於該第二輸出電壓之該第一電壓；一反向輸入端，耦接至該第六電阻和該第七電阻之間以接收相關於該第三輸出電壓之該第二電壓；以及一輸出端，用來在該第二電壓大於該第一電壓時降低該第二控制訊號以減少該第二功率開關所導通之電流。
  8. 如請求項7所述之電源供應電路，其中該過度補償偵測電路另包含：一第三二極體，其包含：一陽極，耦接至該二次側輔助繞組；以及一陰極，耦接至該第四電阻；以及一第四二極體，其包含：一陽極，耦接至該線材之該第二端；以及一陰極，耦接至該誤差放大器之該反向輸入端。
  9. 如請求項1所述之電源供應電路，其中該脈衝寬度調變積體電路另用來：將該參考電壓和內建之一穩壓電壓來做比較；當該參考電壓小於該穩壓電壓時，增加該變壓器從該一次側繞組傳送到該二次側主繞組之能量以拉高該第一輸出電壓之值；以及當該參考電壓小於該穩壓電壓時，減少該變壓器從該一次側繞組傳送到該二次側主繞組之能量以拉低該第一輸出電壓之值。
  10. 如請求項1所述之電源供應電路，其另包含：一第五二極體，其包含：一陽極，耦接至該二次側主繞組；以及一陰極，耦接至該線材之該第一端；一第六二極體，其包含：一陽極，耦接至該二次側輔助繞組；以及一陰極，耦接至該線材之該第一端；一第一電容，耦接於該第五二極體之該陰極和一接地電位之間；以及一第二電容，耦接於該第六二極體之該陰極和該接地電位之間。
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