TWI704754B - 電源供應器 - Google Patents

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Abstract

一種電源供應器，包括：一能量槽、一放電及啟動電路、一保險絲、一橋式整流器、一變壓器、一功率切換器、一輸出級電路，以及一控制器。能量槽包括一負溫度係數熱敏電阻器。能量槽可吸收突波高電壓，並將此突波高電壓轉換為熱能。放電及啟動電路係耦接至能量槽。放電及啟動電路包括一旁通路徑。當負溫度係數熱敏電阻器之電阻值小於一臨界值時，旁通路徑即被致能，使得能量槽經由旁通路徑耦接至大地和一接地電位。橋式整流器係經由保險絲耦接至能量槽。放電及啟動電路更可選擇性地致能控制器。

Description

電源供應器
本發明係關於一種電源供應器，特別係關於一種可避免突波損壞之電源供應器。
一般電源供應器都包括保險絲，其可避免電源供應器之內部零組件受到過大電流而發生損壞。然而，若保險絲因為瞬間之突波高電壓而被燒毀，則可能造成電源供應器無法產生任何輸出電位，此導致電源供應器之輸出穩定度下降。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之缺陷。
在較佳實施例中，本發明提出一種電源供應器，包括：一能量槽，包括一負溫度係數熱敏電阻器，其中該能量槽係根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一第一感應電位和一第二感應電位；一放電及啟動電路，耦接至該能量槽，並包括一旁通路徑，其中當該負溫度係數熱敏電阻器之電阻值小於一臨界值時，該旁通路徑即被致能，使得該能量槽經由該旁通路徑耦接至大地和一接地電位；一保險絲；一橋式整流器，經由該保險絲耦接至該能量槽，其中該橋式整流器係根據該第一感應電位和該第二感應電位來產生一整流電位；一變壓器，包括一主線圈、一副線圈，以及一輔助線圈，其中該主線圈係用於接收該整流電位，而該副線圈係用於產生一變壓電位；一功率切換器，其中該主線圈係經由該功率切換器耦接至該接地電位，而該功率切換器係根據一時脈電位來進行切換操作；一輸出級電路，根據該變壓電位來產生一輸出電位；以及一控制器，耦接至該放電及啟動電路，並用於產生該時脈電位。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器100之示意圖。電源供應器100可應用於一行動裝置，例如：桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，電源供應器100包括：一橋式整流器110、一能量槽120、一放電及啟動電路123、一保險絲125、一變壓器130、一功率切換器140、一輸出級電路150，以及一控制器160，其中能量槽120包括一負溫度係數(Negative Temperature Coefficient，NTC)熱敏電阻器(Thermistor)RH，而放電及啟動電路123包括一旁通路徑124，其係耦接至大地128及一接地電位VSS(例如：0V)。大地128可指地球，或指耦接至地球之任一接地路徑，其並非屬於電源供應器100之內部元件。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但電源供應器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。
第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之負溫度係數熱敏電阻器RH之操作特性圖，其中橫軸代表負溫度係數熱敏電阻器RH之溫度，而縱軸代表負溫度係數熱敏電阻器RH之電阻值。根據第1B圖之量測結果，若負溫度係數熱敏電阻器RH之溫度上升，則負溫度係數熱敏電阻器RH之電阻值將會下降。例如，當溫度為攝氏25度時，負溫度係數熱敏電阻器RH之電阻值可等於2kΩ，而當溫度上升至攝氏40度時，負溫度係數熱敏電阻器RH之電阻值可下降至20Ω(下降幅度可達99%)。
能量槽120係根據一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2來產生一第一感應電位VS1和一第二感應電位VS2。第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2皆可來自一外部電源，其中第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2之間可形成具有任意頻率和任意振幅之一交流電壓。例如，交流電壓之頻率可約為50Hz或60Hz，而交流電壓之方均根值可約為110V或220V，但亦不僅限於此。另外，能量槽120更可吸收突波高電壓，並將此突波高電壓轉換為熱能。橋式整流器110係經由保險絲125耦接至能量槽120。橋式整流器110係根據第一感應電位VS1和第二感應電位VS2來產生一整流電位VR。變壓器130包括一主線圈131、一副線圈132，以及一輔助線圈133，其中主線圈131和輔助線圈133可位於變壓器130之同一側，而副線圈132則可位於變壓器130之相對另一側。主線圈131係用於接收整流電位VR，而作為對整流電位VR之回應，副線圈132可用於產生一變壓電位VT。另外，主線圈131係經由功率切換器140耦接至接地電位VSS。功率切換器140係根據一時脈電位VA來進行切換操作，其可交替地導通或斷開。輸出級電路150係根據變壓電位VT來產生一輸出電位VOUT。控制器160可用於產生時脈電位VA。時脈電位VA於電源供應器100初始化時可維持於一固定電位，而在電源供應器100進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。必須注意的是，放電及啟動電路123係耦接至能量槽120和控制器160。初始時能量槽120之溫度較低，放電及啟動電路123之旁通路徑124可被禁能(或是斷路)。當能量槽120之溫度逐漸上升且負溫度係數熱敏電阻器RH之電阻值小於一臨界值時，放電及啟動電路123之旁通路徑124可被致能(或是導通)，使得能量槽120可經由旁通路徑124耦接至大地128和接地電位VSS。根據實際量測結果，此種電路設計方式可防止電源供應器100因突波高電壓而造成保險絲125意外燒毀，故能提升電源供應器100之可靠度。
以下實施例將介紹電源供應器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200之示意圖。在第2圖之實施例中，電源供應器200具有一第一輸入節點NIN1、一第二輸入節點NIN2，以及一輸出節點NOUT，並包括一橋式整流器210、一能量槽220、一放電及啟動電路223、一保險絲225、一變壓器230、一功率切換器240、一輸出級電路250，以及一控制器260，其中能量槽220包括一負溫度係數熱敏電阻器RH，而放電及啟動電路223包括一旁通路徑224，其係耦接至大地228及一接地電位VSS。電源供應器200之第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2可由一外部電源處分別接收一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2，而電源供應器200之輸出節點NOUT可用於輸出一輸出電位VOUT至一電子裝置(例如：一筆記型電腦)。
除了負溫度係數熱敏電阻器RH以外，能量槽220更可包括一第一電感器L1、一第二電感器L2，以及一第一電阻器R1。第一電感器L1之第一端係耦接至第一輸入節點NIN1，而第一電感器L1之第二端係耦接至一第一節點N1以輸出一第一感應電位VS1。第二電感器L2之第一端係耦接至第二輸入節點NIN2，而第二電感器L2之第二端係耦接至一第二節點N2以輸出一第二感應電位VS2。第一電阻器R1之第一端係耦接至第一輸入節點NIN1，而第一電阻器R1之第二端係耦接至第二輸入節點NIN2。負溫度係數熱敏電阻器RH之第一端係耦接至第一節點N1，而負溫度係數熱敏電阻器RH之第二端係耦接至第二節點N2。
放電及啟動電路223之旁通路徑224可包括一第一二極體D1和一第二二極體D2。第一二極體D1之陽極係耦接至第一節點N1，而第一二極體D1之陰極係耦接至一第三節點N3。第二二極體D2之陽極係耦接至第二節點N2，而第二二極體D2之陰極係耦接至第三節點N3。第三節點N3更可耦接至大地228。除了旁通路徑224以外，放電及啟動電路223更可包括一第二電阻器R2和一第一電容器C1。第二電阻器R2之第一端係耦接至第三節點N3，而第二電阻器R2之第二端係耦接至接地電位VSS。第一電容器C1之第一端係耦接至第三節點N3，而第一電容器C1之第二端係耦接至控制器260之一供應節點NS。控制器260可由其控制節點NS處接收一供應電位，並根據此供應電位決定是否要啟動或致能。
保險絲225可為超小型、電阻型、陶瓷管型，或是玻璃管型，皆不影響本發明之功效。保險絲225之第一端係耦接至第一節點N1，而保險絲225之第二端係耦接至一第四節點N4。
橋式整流器210包括一第三二極體D3、一第四二極體D4、一第五二極體D5，以及一第六二極體D6。第三二極體D3之陽極係耦接至第四節點N4以接收第一感應電位VS1，而第三二極體D3之陰極係耦接至一第五節點N5以輸出一整流電位VR。第四二極體D4之陽極係耦接至第四節點N4，而第四二極體D4之陰極係耦接至接地電位VSS。第五二極體D5之陽極係耦接至第五節點N5，而第五二極體D5之陰極係耦接至第二節點N2以接收第二感應電位VS2。第六二極體D6之陽極係耦接至接地電位VSS，而第六二極體D6之陰極係耦接至第二節點N2。
變壓器230包括一主線圈231、一副線圈232，以及一輔助線圈233，其中主線圈231和輔助線圈233可位於變壓器230之同一側，而副線圈232則可位於變壓器230之相對另一側。主線圈231之第一端係耦接至第五節點N5以接收整流電位VR，而主線圈231之第二端係耦接至一第六節點N6。副線圈232之第一端係耦接至一第七節點N7以輸出一變壓電位VT，而副線圈232之第二端係耦接至接地電位VSS。輔助線圈233之第一端係耦接至供應節點NS，而輔助線圈233之第二端係耦接至接地電位VSS。
功率切換器240包括一電晶體M1。電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體。電晶體M1之控制端係用於接收一時脈電位VA，電晶體M1之第一端係耦接至接地電位VSS，而電晶體M1之第二端係耦接至第六節點N6。控制器260係用於產生時脈電位VA。時脈電位VA於電源供應器200初始化時可維持於一固定電位(例如：接地電位VSS)，而在電源供應器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。
輸出級電路250包括一第七二極體D7和一第二電容器C2。第七二極體D7之陽極係耦接至第七節點N7以接收變壓電位VT，而第七二極體D7之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電容器C2之第二端係耦接至接地電位VSS。
在一些實施例中，電源供應器200之操作原理可如下列所述，其可依序操作於一第一狀態、一第二狀態、一第三狀態，以及一第四狀態。首先，在第一狀態中，沒有任何能量輸入至第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2，此時功率切換器240之電晶體M1和控制器260皆為禁能狀態。
在第二狀態中，第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2進入第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2，故能量槽220所儲存之能量會逐漸增加。此時，負溫度係數熱敏電阻器RH之溫度逐漸升高，而負溫度係數熱敏電阻器RH之電阻值則逐漸下降。必須注意的是，能量槽220可用於吸收突波高電壓，並將之轉換為熱能，從而可降低保險絲225因突波高電壓而意外燒毀之機率。另外，第一電阻器R1通常具有較高電阻值，用於避免第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2之間形成一短路路徑。
在第三狀態中，當負溫度係數熱敏電阻器RH之溫度夠高且負溫度係數熱敏電阻器RH之電阻值小於一臨界值時，放電及啟動電路223之旁通路徑224即被致能，使得能量槽220可經由旁通路徑224耦接至大地228和接地電位VSS。亦即，能量槽220所儲存之能量可由導通之第一二極體D1和第二二極體D2釋放至大地228和接地電位VSS。詳細而言，當第一輸入電位VIN1高於第二輸入電位VIN2時，第一二極體D1可形成能量槽220之一第一放電路徑；反之，當第二輸入電位VIN2高於第一輸入電位VIN1時，第二二極體D2可形成能量槽220之一第二放電路徑。
在第四狀態中，放電及啟動電路223之第一電容器C1已累積足夠能量，可用於啟動控制器260。換言之，當第三節點N3之電位V3高於一既定值時，控制器260即由放電及啟動電路223所啟動及致能。此後，控制器260可產生時脈電位VA，以交替地開關功率切換器240之電晶體M1，使得電源供應器200進入正常使用階段。
在一些實施例中，電源供應器200之元件參數可如下列所述。第一電阻器R1之電阻值可介於9.9MΩ至10.1MΩ之間，較佳為10MΩ。第二電阻器R2之電阻值可介於9.5kΩ至10.5kΩ之間，較佳為10kΩ。第一電容器C1之電容值可介於29.7μF至36.3μF之間，較佳為33μF。第二電容器C2之電容值可介於5600μF至8400μF之間，較佳為7000μF。第一電感器L1之電感值可介於285μH至315μH之間，較佳為300μH。第二電感器L2之電感值可介於285μH至315μH之間，較佳為300μH。主線圈231對副線圈232之匝數比值可介於1至20之間，較佳為10。主線圈231對輔助線圈233之匝數比值可介於1至20之間，較佳為10。關於負溫度係數熱敏電阻器RH之前述臨界值可約等於20Ω(亦即，負溫度係數熱敏電阻器RH之溫度約為攝氏40度)。關於第三節點N3之電位V3之前述既定值可約等於15V。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化電源供應器200之轉換效率及最佳化突波保護功能。
本發明提出一種新穎之電源供應器，其包括能量槽和放電及啟動電路。根據實際量測結果，使用前述設計之電源供應器可降低其保險絲因突波高電壓而意外燒毀之機率。大致而言，本發明可有效提高電源供應器之輸出穩定度，故其很適合應用於各種各式之電子裝置當中。
值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之電源供應器並不僅限於第1-2圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-2圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之電源供應器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200:電源供應器 110、210:橋式整流器 120、220:能量槽 123、223:放電及啟動電路 124、224:旁通路徑 125、225:保險絲 128、228:大地 130、230:變壓器 131、231:主線圈 132、232:副線圈 133、233:輔助線圈 140、240:功率切換器 150、250:輸出級電路 160、260:控制器 C1:第一電容器 C2:第二電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 D3:第三二極體 D4:第四二極體 D5:第五二極體 D6:第六二極體 D7:第七二極體 L1:第一電感器 L2:第二電感器 M1:電晶體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 N4:第四節點 N5:第五節點 N6:第六節點 N7:第七節點 NIN1:第一輸入節點 NIN2:第二輸入節點 NOUT:輸出節點 NS:供應節點 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 RH:負溫度係數熱敏電阻器 V3:第三節點之電位 VA:時脈電位 VIN1:第一輸入電位 VIN2:第二輸入電位 VOUT:輸出電位 VR:整流電位 VS1:第一感應電位 VS2:第二感應電位 VSS:接地電位 VT:變壓電位
第1A圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之示意圖。 第1B圖係顯示根據本發明一實施例所述之負溫度係數熱敏電阻器之操作特性圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之示意圖。
100:電源供應器
110:橋式整流器
120:能量槽
123:放電及啟動電路
124:旁通路徑
125:保險絲
128:大地
130:變壓器
131:主線圈
132:副線圈
133:輔助線圈
140:功率切換器
150:輸出級電路
160:控制器
RH:負溫度係數熱敏電阻器
VA:時脈電位
VIN1:第一輸入電位
VIN2:第二輸入電位
VOUT:輸出電位
VR:整流電位
VS1:第一感應電位
VS2:第二感應電位
VSS:接地電位
VT:變壓電位

Claims (10)

  1. 一種電源供應器，包括： 一能量槽，包括一負溫度係數熱敏電阻器，其中該能量槽係根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一第一感應電位和一第二感應電位； 一放電及啟動電路，耦接至該能量槽，並包括一旁通路徑，其中當該負溫度係數熱敏電阻器之電阻值小於一臨界值時，該旁通路徑即被致能，使得該能量槽經由該旁通路徑耦接至大地和一接地電位； 一保險絲； 一橋式整流器，經由該保險絲耦接至該能量槽，其中該橋式整流器係根據該第一感應電位和該第二感應電位來產生一整流電位； 一變壓器，包括一主線圈、一副線圈，以及一輔助線圈，其中該主線圈係用於接收該整流電位，而該副線圈係用於產生一變壓電位； 一功率切換器，其中該主線圈係經由該功率切換器耦接至該接地電位，而該功率切換器係根據一時脈電位來進行切換操作； 一輸出級電路，根據該變壓電位來產生一輸出電位；以及 一控制器，耦接至該放電及啟動電路，並用於產生該時脈電位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應器，其中該能量槽更包括： 一第一電感器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電感器之該第一端係耦接至一第一輸入節點以接收該第一輸入電位，而該第一電感器之該第二端係耦接至一第一節點以輸出該第一感應電位； 一第二電感器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電感器之該第一端係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位，而該第二電感器之該第二端係耦接至一第二節點以輸出該第二感應電位；以及 一第一電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電阻器之該第一端係耦接至該第一輸入節點，而該第一電阻器之該第二端係耦接至該第二輸入節點； 其中該負溫度係數熱敏電阻器具有一第一端和一第二端，該負溫度係數熱敏電阻器之該第一端係耦接至該第一節點，而該負溫度係數熱敏電阻器之該第二端係耦接至該第二節點。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該放電及啟動電路之該旁通路徑包括： 一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至該第一節點，而該第一二極體之該陰極係耦接至一第三節點；以及 一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第二節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該第三節點； 其中該第三節點更耦接至該大地。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應器，其中該放電及啟動電路更包括： 一第二電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電阻器之該第一端係耦接至該第三節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接至該接地電位；以及 一第一電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電容器之該第一端係耦接至該第三節點，而該第一電容器之該第二端係耦接至該控制器之一供應節點。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源供應器，其中當該第三節點之電位高於一既定值時，該控制器即由該放電及啟動電路所致能。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電源供應器，其中該保險絲具有一第一端和一第二端，該保險絲之該第一端係耦接至該第一節點，該保險絲之該第二端係耦接至一第四節點，而該橋式整流器包括： 一第三二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第三二極體之該陽極係耦接至該第四節點以接收該第一感應電位，而該第三二極體之該陰極係耦接至一第五節點以輸出該整流電位； 一第四二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第四二極體之該陽極係耦接至該第四節點，而該第四二極體之該陰極係耦接至該接地電位； 一第五二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第五二極體之該陽極係耦接至該第五節點，而該第五二極體之該陰極係耦接至該第二節點以接收該第二感應電位；以及 一第六二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第六二極體之該陽極係耦接至該接地電位，而該第六二極體之該陰極係耦接至該第二節點。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該主線圈具有一第一端和一第二端，該主線圈之該第一端係耦接至該第五節點以接收該整流電位，該主線圈之該第二端係耦接至一第六節點，該副線圈具有一第一端和一第二端，該副線圈之該第一端係耦接至一第七節點以輸出該變壓電位，該副線圈之該第二端係耦接至該接地電位，該輔助線圈具有一第一端和一第二端，該輔助線圈之該第一端係耦接至該供應節點，而該輔助線圈之該第二端係耦接至該接地電位。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應器，其中該功率切換器包括： 一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該電晶體之該第二端係耦接至該第六節點。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應器，其中該輸出級電路包括： 一第七二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第七二極體之該陽極係耦接至該第七節點以接收該變壓電位，而該第七二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；以及 一第二電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應器，其中該臨界值約等於20Ω，而該既定值約等於15V。
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