TWI715356B - 可解除直流交流栓鎖關閉之電源供應器及相關方法 - Google Patents

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Abstract

電源供應器運作時，將其第一連接座連結至市電之連接座以接收輸入電壓，接著透過變壓器來將輸入電壓轉換成輸出電壓，再將其第二連接座連結系統之連接座以將輸出電壓供應至系統。在電源供應器進入一栓鎖關閉狀態後，將第一連接座和市電之連接座重新插拔，進而啟動電源供應器之內部電路以供應輸出電壓。接著再將第二連接座和系統之連接座重新插拔，進而在電源供應器內建立一補償回授路徑以穩定輸入電壓。

Description

可解除直流交流栓鎖關閉之電源供應器及相關方法
本發明相關於一種電源供應器及相關運作方法，尤指一種可解除直流交流栓鎖關閉之電源供應器及相關方法。
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。為了確保正常穩定的運作，電源供應器大多具備過電壓保護、過電流保護、過溫保護或短路保護等功能。一旦進入上述保護狀態，電源供應器會暫時栓鎖關閉(latch off)電源而停止運作，而在保護狀態的電源供應器100需經過重置才能再次正常運作。
在先前技術中，在重置電源供應器以解除栓鎖關閉保護狀態之方式是將市電交流端的插頭重新插拔，以啟動內部晶片來讓電源供應器重新運作。然而在重置市電交流端之後，電源供應器之變壓器可能會因為瞬間能量不足、內部晶片啟動時間過久，或內部搭配系統的迴路無法回復，使其無法順利地在直流輸出端建立正確的輸出電壓， 進而造成安規疑慮。
本發明提供一種電源供應器，其包含一第一連接座，用來接收一市電供應之一輸入電壓；一第二連接座，用來輸出一輸出電壓至一系統；一變壓器，其包含一初級側繞組和一次級側繞組，用來將該輸入電壓轉換成該輸出電壓；一驅動電壓供應電路，用來在該第一連接座連結至該市電時提供一第一驅動電壓和一第二驅動電壓；一脈衝寬度調變積體電路，用來在被該第一驅動電壓啟動時調節該第一變壓器從該第一初級側繞組感應至該第一次級側繞組之能量；一控制電路，用來在被該第二驅動電壓啟動時提供一參考電壓；以及一系統端偵測電路，用來在該第二連接座連結至該系統時提供一補償回授路徑以穩定該輸出電壓。
本發明另提供一種對一電源供應器解除栓鎖關閉之方法，其包含將該電源供應器之一第一連接座連結至一市電之連接座以接收該市電供應之一輸入電壓；該電源供應器透過一變壓器來將該輸入電壓轉換成一輸出電壓；將該電源供應器之一第二連接座連結一系統之連接座以輸出該輸出電壓至該系統；在該電源供應器進入一栓鎖關閉狀態後，將該第一連接座和該市電之連接座重新插拔，進而啟動該電源供應器之內部電路以供應該輸出電壓；在將該第一連接座和該市電之連接座重新插拔後，將該第二連接座和該系統之連接座重新插拔，進而在該電源供應器內建立一補償回授路徑以穩定該輸入電壓。
10:驅動電壓供應電路
15:磁芯
20:系統端偵測電路
30:脈衝寬度調變積體電路
40:控制電路
100:電源供應器
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VREF:參考電壓
VCC1、VCC1:啟動電壓
IIN:輸入電流
IOUT:輸出電流
GND:接地電位
P1~P6:接腳
TR1:第一變壓器
TR2:第二變壓器
TR3:第三變壓器
CP:比較器
CAUX1、CAUX2:輔助電容
COUT:輸出電容
CX:雜訊抑制電容
R1、R2:限流電阻
DOUT:輸出二極體
DAUX1、DAUX2:輔助二極體
Q1~Q3:開關
NP1、NS1、NP2、NS2、NP3、NS3:繞組匝數
JACK1、JACK2、PLUG1、PLUG1:連接座
PL、PN、POUT、PGND、PDP、PL’、PN’、POUT’、PGND’、PDP’:接點
第1圖為本發明實施例中一電源供應器之功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例中電源供應器實作方式之示意圖。
第3~6和7A~7D圖為本發明實施例之電源供應器在不同狀態下和市電與系統的插拔狀態示意圖。
第1圖為本發明實施例中一電源供應器100之功能方塊圖。電源供應器100包含一第一變壓器TR1、一驅動電壓供應電路10、一系統端偵測電路20、一脈衝寬度調變積體電路30、一控制電路40、一輸入端連接座JACK1，以及一輸出端連接座PLUG1。電源供應器100可透過位於其交流輸入端之連接座JACK1連結至市電，並可透過位於其直流輸出端之連接座PLUG1連結至系統，因此可將由市電供應之一輸入電壓VIN轉換成一輸出電壓VOUT，進而提供系統運作所需之電力。IIN代表電源供應器100運作時之輸入電流，IOUT代表電源供應器100運作時之輸出電流，PL和PN分別代表電源供應器100之連接座JACK1中的一正輸入接點和一負輸入接點，而POUT、PGND和PDP分別代表電源供應器100之連接座PLUG1中的一輸出接點、一接地接點和一偵測接點。
第2圖為本發明實施例電源供應器100實作方式之示意圖。第一變壓器TR1包含一初級側繞組(由匝數NP1來表示)和一次級側繞組(由匝數NS1來表示)。初級側繞組NP1耦接於輸入電壓VIN，而次級側繞 組NS1透過輸出二極體DOUT耦接至連接座PLUG1和輸出電容COUT，在主變壓器TR1之運作中，相關電壓和電流之關係為VIN/VOUT=IOUT/IIN=NP1/NS1。在升壓應用中，次級側繞組之匝數NS1大於初級側繞組之匝數NP1；在降壓應用中，次級側繞組之匝數NS1小於初級側繞組之匝數NP1。在本發明一實施例中，NP1和NS1之值的比例可為40：4，然而第一變壓器TR1中初級側繞組之匝數NP1和次級側繞組之匝數NS1並不限定本發明之範疇。
驅動電壓供應電路10包含輔助電容CAUX1~CAUX2、輔助二極體DAUX1~DAUX2以及一輔助變壓器TR2。第二變壓器TR2包含一初級側繞組(由匝數NP2來表示)和一次級側側繞組(由匝數NP2來表示)。初級側繞組NP2透過輔助二極體DAUX1耦接至輔助電容CAUX1，而次級側繞組NS2透過輔助二極體DAUX2耦接至輔助電容CAUX2。在接收到主變壓器TR1感應來的能量後，驅動電壓供應電路10可在輔助電容CAUX1上建立脈衝寬度調變積體電路30運作所需之驅動電壓VCC1，且在輔助電容CAUX2上建立控制電路40運作所需之驅動電壓VCC2。
在本發明之第一變壓器TR1和第二變壓器TR2中，初級側繞組NP1~NP2和次級側繞組NS1~NS2皆纏繞在同一磁芯15上，其中初級側繞組NP1和次級側繞組NS1形成一電壓感應單元，次級側繞組NS1和初級側繞組NP2形成一電壓感應單元，而初級側繞組NP2和次級側繞組NS2形成一電壓感應單元。在本發明一實施例中，NP1、NS1、NP2和NS2之值的比例可為40：4：4：4，然而第一變壓器TR1和第二變壓器TR2中初級側繞組之匝數NP1~NP2和次級側繞組之匝數NS1~NS2並不 限定本發明之範疇。
系統端偵測電路20包含輔助開關Q1~Q2、一雜訊抑制電容CX、限流電阻R1~R2、一比較器CP，以及一第三變壓器TR3。輔助開關Q1之第一端耦接於主開關Q0之第二端，第二端耦接於接地電位GND，而控制端耦接於第三變壓器TR3。輔助開關Q2之第一端透過限流電阻R1耦接於驅動電壓供應電路10之輔助電容CAUX2，第二端耦接於連接座PLUG1中的偵測接腳PDP，而控制端透過限流電阻R2耦接於驅動電壓供應電路10之輔助電容CAUX2。比較器CP之正輸入端耦接於控制電路40以接收一參考電壓VREF，負輸入端耦接於輔助開關Q2之第一端和限流電阻R1之間，而輸出端耦接於第三變壓器TR3。雜訊抑制電容CX耦接於脈衝寬度調變積體電路30和控制電路40之間。第三變壓器TR3包含一初級側繞組(由匝數NP3來表示)和一次級側側繞組(由匝數NP3來表示)，其中初級側繞組NP3耦接至輔助開關Q1之控制端，而次級側繞組NS3耦接至比較器CP之輸出端。次級側繞組NS3和初級側繞組NP3形成一電壓感應單元，次級側繞組NS3可將相關比較器CP輸出端之能量感應至初級側繞組NP3，進而提供一控制電壓GD1以選擇性地導通或截止輔助開關Q1。
脈衝寬度調變積體電路30設置在第一變壓器TR1之初級側，其包含3個接腳P1~P3，接腳P1耦接至主開關Q0之控制端以提供一控制訊號GD0，接腳P2耦接至驅動電壓供應電路10以接收運作所需之驅動電壓VCC1，而接腳P3耦接至接地電位GND。功率開關Q0之第一端耦接至主變壓器TR1之初級側繞組NP1，第二端耦接至輔助開關Q1之第一 端，而控制端耦接至脈衝寬度調變積體電路30之接腳P1，可依據脈衝寬度調變積體電路30提供之控制訊號GD0來選擇性地導通或截止。
控制電路40設置在主變壓器TR1之次級側，其包含3個接腳P4~P6，接腳P4耦接至比較器CP之正輸入端以提供參考電壓VREF，接腳P5耦接至驅動電壓供應電路10以接收運作所需之驅動電壓VCC2，而接腳P6耦接至接地電位GND。
為了說明目的，接下來將電源供應器100之運作分為五個狀態來作說明。其中，第一狀態為在交流市電未通電下且未供電至系統時的初始狀態，第二狀態為在交流市電通電下但未供電至系統的充電狀態，第三狀態為在交流市電通電下且供電至系統的狀態，第四狀態為保護狀態，而第五狀態為恢復運作的過程。
第3~6和7A~7D圖為本發明實施例中電源供應器100在不同狀態下和市電與系統的插拔狀態示意圖。交流市電的連接座PLUG2包含一正輸入接點PL’和一負輸入接點PN’，分別對應電源供應器100之連接座JACK1中的正輸入接點PL和負輸入接點PN。系統的連接座JACK2包含的一輸出接點POUT’、一接地接點PGND’和一偵測接點PDP’，分別對應電源供應器100之連接座PLUG1中的輸出接點POUT、接地接點PGND和偵測接點PDP，其中偵測接點PDP’耦接至接地電位GND。在第3~6和7A~7D圖所示之實施例中，電源供應器100之連接座JACK1和系統的連接座JACK2為插座，而電源供應器100之連接座PLUG1和交流市電的連接座PLUG2為插頭。然而，連接座JACK1、JACK2、PLUG1和PLUG2之 形式並不限定本發明之範疇。
在第3圖所示之第一狀態下，電源供應器100並未接上交流市電或系統，在交流市電未通電的情況下輸入電壓VIN之值為0，主變壓器TR1和輔助變壓器TR2未感應能量，此時脈衝寬度調變電路30和控制電路40皆未啟動，而功率開關Q0和輔助開關Q1~Q2都是截止，因此電源供應器100之輸出電壓VOUT為0。
在第4圖所示之第二狀態下，當交流市電的連接座PLUG2插入電源供應器100之連接座JACK1時，交流市電開始供電至電源供應器100(由箭頭A1來表示供電路徑)，此時輸入電壓VIN之值不再為0。主變壓器TR1中的初級側繞組NP1會將初級側能量感應至次級側繞組NS1，進而在輸出電容COUT上建立一浮動的輸出電壓VOUT。接著，主變壓器TR1中的次級側繞組NS1會將次級側能量感應至輔助變壓器TR2之初級側繞組NP2，進而在輔助電容CAUX1上建立啟動電壓VCC1。接著，輔助變壓器TR2中的初級側繞組NP2會將初級側能量感應至次級側繞組NS2，進而在輔助電容CAUX2上建立啟動電壓VCC2。
當電源供應器100在第二狀態下運作時，初級側之脈衝寬度調變電路30和次級側之控制電路40會分別被啟動電壓VCC1和VCC2所開啟，脈衝寬度調變電路30會輸出具特定工作週期(duty cycle)之控制訊號GD0以使得功率開關Q0能在導通和截止狀態之間做高頻切換。由於第二狀態下電源供應器100之連接座PLUG1尚未插入系統的連接座JACK2，電源供應器100之偵測接點PDP和系統之偵測接點PDP’之間為開 路，使得輔助開關Q2因第二端開路而截止，而比較器CP之負輸入端為開路，因此比較器CP之輸出端並無輸出。在此種狀態下，輔助變壓器TR3中的次級側繞組NS3並無法感應足夠能量至初級側繞組NP3，因此具除能電位之控制訊號GD1會截止輔助開關Q1。由於功率開關Q0之第二端因截止的輔助開關Q1而呈開路，系統端偵測電路20並無法在電源供應器100中建立整體補償回授路徑，因此電源供應器100在第二狀態下運作時是處於半啟動狀態，亦即輸出電壓VOUT之值為浮動而非穩定的輸出。
在第5圖所示之第三狀態下，在交流市電的連接座PLUG2插頭插入電源供應器100之連接座JACK1的情況下當電源供應器100之連接座PLUG1插入系統的連接座JACK2時，電源供應器100會開始供電至系統(由箭頭A2來表示供電路徑)。電源供應器100之偵測接點PDP和系統之偵測接點PDP’之間為短路，進而將輔助開關Q2之第二端拉至偵測接點PDP’之接地電位GND。此時，輔助開關Q2會被輔助電容CAUX1上建立的電壓導通，進而將比較器CP之負輸入端拉至低於正輸入端的電位(亦即低於參考電壓VREF)，因此比較器CP會在輸出端提供一正飽和電壓。接著，輔助變壓器TR3中的次級側繞組NS3會將上述正飽和電壓之能量感應至初級側繞組NP3以提供具致能電位之控制訊號GD1，進而導通輔助開關Q1。當功率開關Q0之第二端被導通之輔助開關Q1拉到接地電位GND時，系統端偵測電路20會在電源供應器100中建立整體補償回授路徑，使得功率開關Q0可正常地進行高頻切換而讓電源供應器100處於完全啟動狀態，亦即可提供穩定的輸出電壓VOUT。
在第6圖所示之第四狀態下，在交流市電的連接座PLUG2插入電源供應器100之連接座JACK1且電源供應器100之連接座PLUG1插入系統的連接座JACK2的情況下，電源供應器100可能會因為過電壓、過電流、過溫或短路而進入保護狀態，以避免電源供應器100或系統端的元件受到損壞。在保護狀態下，初級側之脈衝寬度調變電路30和次級側之控制電路40皆會被栓鎖關閉，此時交流市電無法供電至電源供應器100，而電源供應器100也無法輸出。
第7A-7D圖依序顯示在第五狀態下解除保護狀態以讓電源供應器100恢復電路動作的步驟。在電源供應器100進入保護狀態後，恢復電路動作之第一步驟是將交流市電的連接座PLUG2和電源供應器100之連接座JACK1重新插拔，依序如第7A和7B圖所示。在交流輸入端重新插拔後，電源供應器100之運作類似第二狀態，初級側之脈衝寬度調變電路30和次級側之控制電路40首先被重新啟動，但輸出電壓VOUT之值為浮動。同時，雜訊抑制電容CX可抑制插拔瞬間及訊號傳遞時的雜訊干擾。
第五狀態下恢復電路動作之第二步驟是在交流市電的插頭PLUG2連接座插入電源供應器100之連接座JACK1的情況下，將電源供應器100之連接座PLUG1和系統的連接座JACK2重新插拔，依序如第7C和7D圖所示。在直流輸出端也重新插拔後，電源供應器100之運作類似第三狀態，透過讓電源供應器100之偵測接點PPD和系統之偵測接點PDP’彼此短路來使系統端偵測電路20建立整體補償回授路徑，因此讓電源供應器100再次處於完全啟動狀態，亦即可提供穩定的輸出電壓 VOUT。同時，雜訊抑制電容CX可抑制插拔瞬間及訊號傳遞時的雜訊干擾。
在本發明實施例中，透過選擇限流電阻R2之值、初級側繞組NP1~NP2和次級側繞組NS1~NS2之匝數，可使第三狀態下輸入電壓VIN依序被初級側繞組NP1、次級側繞組NS1和初級側繞組NP2感應至次級側繞組NS2後在輔助電容CAUX2上建立的電壓，其電位對輔助開關Q2來說是具致能電位。
在本發明實施例中，透過選擇限流電阻R1之值、次級側繞組NS3之匝數和初級側繞組NP3之匝數，可使第三狀態下比較器CP輸出之正飽和電壓在被次級側繞組NS3感應至初級側繞組NP3後所建立之控制訊號GD1，其電位對輔助開關Q1來說是具致能電位。
在本發明中，輸出電容COUT可採用1顆1500μF(誤差±20%)之電容器，輔助電容CAUX1和CAUX2可各採用一顆47μF(誤差±10%)之電容器，限流電阻R1之值可為15KΩ(誤差±1%)，限流電阻R2之值可為10KΩ(誤差±1%)，而雜訊抑制電容CX之值可為100nF(誤差±10%)。然而，上述元件之實作方式並不限定本發明之範疇。
在本發明實施例中，功率開關Q0和輔助開關Q1~Q2可為金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)、雙極性接面型電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，或其它具類似功能的元件。對N型電晶體來說，致能 電位為高電位，而除能電位為低電位；對P型電晶體來說，致能電位為低電位，而除能電位為高電位。然而，功率開關Q0和輔助開關Q1~Q2之種類並不限定本發明之範疇。
綜上所述，本發明之電源供應器在進入保護狀態後，可透過依序在交流輸入端和直流輸入端進行重新插拔來解除栓鎖關閉，以避免發生變壓器瞬間能量不足、啟動時間過久，或內部搭配系統的迴路無法回復的狀況，進而確保電源供應器在解除栓鎖關閉保護狀態後可以順利地重新啟動電路。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:驅動電壓供應電路
15:磁芯
20:系統端偵測電路
30:脈衝寬度調變積體電路
40:控制電路
100:電源供應器
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VREF:參考電壓
VCC1、VCC1:啟動電壓
IIN:輸入電流
IOUT:輸出電流
GND:接地電位
P1~P6:接腳
TR1:第一變壓器
TR2、TR3:輔助變壓器
CP:比較器
CAUX1、CAUX2:輔助電容
COUT:輸出電容
CX:雜訊抑制電容
R1、R2:限流電阻
DOUT:輸出二極體
DAUX1、DAUX2:輔助二極體
Q1~Q3:開關
NP1、NS1、NP2、NS2、NP3、NS3:繞組匝數
JACK1、JACK2、PLUG1、PLUG1:連接座
PL、PN、POUT、PGND、PDP:接點

Claims (7)

  1. 一種電源供應器，其包含：一第一連接座，用來接收一市電供應之一輸入電壓；一第二連接座，用來輸出一輸出電壓至一系統；一第一變壓器，其包含一第一初級側繞組和一第一次級側繞組，用來將該輸入電壓轉換成該輸出電壓；一驅動電壓供應電路，用來在該第一連接座連結至該市電時提供一第一驅動電壓和一第二驅動電壓，其包含：一第二變壓器，其包含一第二初級側繞組和一第二次級側繞組，其中該第一初級側繞組、該第一次級側繞組、該第二初級側繞組和該第二次級側繞組係纏繞在同一磁芯上；一第一輔助二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二初級側繞組，以及一陰極；一第二輔助二極體，其包含：一陽極，耦接於該第二次級側繞組，以及一陰極；一第一輔助電容，其包含：一第一端，耦接於該第一輔助二極體之陰極，以及一第二端，耦接於一接地電位；以及一第二輔助電容，其包含：一第一端，耦接於該第二輔助二極體之陰極，以及一第二端，耦接於該接地電位；一脈衝寬度調變積體電路，用來在被該第一驅動電壓啟動時調節 該第一變壓器從該第一初級側繞組感應至該第一次級側繞組之能量；一控制電路，用來在被該第二驅動電壓啟動時提供一參考電壓；以及一系統端偵測電路，用來在該第二連接座連結至該系統時提供一補償回授路徑以穩定該輸出電壓。
  2. 一種電源供應器，其包含：一第一連接座，用來接收一市電供應之一輸入電壓；一第二連接座，用來輸出一輸出電壓至一系統；一第一變壓器，其包含一第一初級側繞組和一第一次級側繞組，用來將該輸入電壓轉換成該輸出電壓；一驅動電壓供應電路，用來在該第一連接座連結至該市電時提供一第一驅動電壓和一第二驅動電壓；一脈衝寬度調變積體電路，用來在被該第一驅動電壓啟動時調節該第一變壓器從該第一初級側繞組感應至該第一次級側繞組之能量；一功率開關，其包含：一第一端，耦接於該第一初級側繞組，以及一第二端；以及一控制端，耦接於該脈衝寬度調變積體電路；一控制電路，用來在被該第二驅動電壓啟動時提供一參考電壓；以及一系統端偵測電路，用來在該第二連接座連結至該系統時提供一 補償回授路徑以穩定該輸出電壓，其包含：一第三變壓器，其包含一第三初級側繞組和一第三次級側繞組；一第一輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該功率開關之第二端，以及一第二端，耦接於一接地電位；以及一控制端，耦接於該第三初級側繞組；一第二輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該驅動電壓供應電路；一第二端，耦接於該第二連接座；以及一控制端，耦接於該驅動電壓供應電路；以及一比較器，其包含：一第一輸入端，耦接於該控制電路以接收該參考電壓；一第二輸入端，耦接於該第二輔助開關之第一端；以及一輸出端，耦接於該第三次級側繞組。
  3. 如請求項2所述之電源供應器，其中該系統端偵測電路另包含：一第一限流電阻，耦接於該驅動電壓供應電路和該第二開關之第一端之間；以及一第二限流電阻，耦接於該驅動電壓供應電路和該第二開關之控制端之間。
  4. 如請求項2所述之電源供應器，其中該系統端偵測電路另包 含一雜訊抑制電容，耦接於該脈衝寬度調變積體電路和該控制電路之間。
  5. 如請求項2所述之電源供應器，其中該第二連接座包含：一輸出接點和一接地接點，用來輸出該輸出電壓；以及一偵測接點，耦接至該第二輔助開關之第二端。
  6. 如請求項1和2中任一項所述之電源供應器，其另包含一輸出電容，並聯於該第一初級側繞組。
  7. 一種對一電源供應器解除栓鎖關閉之方法，其包含：將該電源供應器之一第一連接座連結至一市電之連接座以接收該市電供應之一輸入電壓；該電源供應器透過一變壓器來將該輸入電壓轉換成一輸出電壓；將該電源供應器之一第二連接座連結一系統之連接座以輸出該輸出電壓至該系統；在該電源供應器進入一栓鎖關閉狀態後，將該第一連接座和該市電之連接座重新插拔，進而啟動該電源供應器之內部電路以供應該輸出電壓；在將該第一連接座和該市電之連接座重新插拔後，將該第二連接座和該系統之連接座重新插拔，進而在該電源供應器內建立一補償回授路徑以穩定該輸入電壓。
TW108146033A 2019-12-16 2019-12-16 可解除直流交流栓鎖關閉之電源供應器及相關方法 TWI715356B (zh)

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