TWI726465B

TWI726465B - 能夠降低輸出電容維持時間之電源供應器

Info

Publication number: TWI726465B
Application number: TW108139209A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-05-01
Also published as: TW202118210A

Abstract

電源供應器包含變壓器、輸入電容、輸出電容、激磁電感、功率開關、共振電路，及控制電路。變壓器將由市電供應之輸入電壓轉換成輸出電壓，其包含用來接收輸入電壓之初級側繞組及用來提供輸出電壓之次級側繞組。功率開關之第一端耦接於激磁電感和初級側繞組，第二端耦接接地電位，而控制端用來接收第一控制訊號。共振電路並聯於輸入電容，用來依據第二控制訊號來選擇性地和輸入電容形成一共振迴路。控制電路用來提供第一控制訊號，偵測該市電之通電狀態，並依據市電之通電狀態來提供第二控制訊號。

Description

能夠降低輸出電容維持時間之電源供應器

本發明相關於一種電源供應器，尤指一種能降低輸出電容維持時間之電源供應器。

筆記型電腦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(AC)市電轉換為直流電(DC)以驅動不同零組件。在交流市電通電的情況下，筆記型電腦會在交流模式下運作，此時其運作所需的電源由交流市電來提供；在交流市電未通電的情況下，筆記型電腦會在直流模式下運作，此時其運作所需的電源由電源供應器的輸出電容來提供。

在先前技術中，當在直流模式下運作之筆記型電腦要進入休眠時，若電源供應器之輸出電容尚儲存較大的電量，筆記型電腦之螢幕仍會在持續顯示的狀態，讓筆記型電腦無法順利進入休眠。因此，需要一種能降低輸出電容維持時間之電源供應器。

本發明提供一種可縮短輸出電容維持時間之電源供應器，其包含一變壓器、一輸入電容、一輸出電容、一激磁電感、一功率開關、一共振電路，以及一控制電路。該變壓器用來將由一市電所供應之一輸入電壓轉換成一輸出電壓，其包含用來接收該輸入電壓之一初級側繞組以及用來提供該輸出電壓之一次級側繞組。該輸入電容耦接於該輸入電壓和一接地電位之間，該輸出電容耦接於該輸出電壓和該接地電位之間，而該激磁電感並聯於該初級側繞組。該功率開關包含一第一端，耦接於該激磁電感和該初級側繞組；一第二端，耦接於該接地電位；以及一控制端，用來接收一第一控制訊號。該共振電路並聯於該輸入電容，用來依據一第二控制訊號來選擇性地和該輸入電容形成一共振迴路。該控制電路用來提供該第一控制訊號，偵測該市電之通電狀態，並依據該市電之通電狀態來提供該第二控制訊號。

10:變壓器

15:磁芯

20:共振電路

31、32:控制電路

40:偵測電路

50:筆記型電腦

100、200:電源供應器

Q1:功率開關

Q2:輔助開關

Lm:激磁電感

Lr:耦合共振電感

C_IN:輸入電容

C_OUT:輸出電容

D_O:輸出二極體

V_IN:輸入電壓

V_OUT:輸出電壓

I_IN:輸入電流

I_OUT:輸出電流

Np:初級側繞組

Ns:次級側繞組

Nc:耦合繞組

GD1、GD2:控制訊號

V_FB:回授電壓

GND:接地電位

P1~P3:接腳

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圖為本發明另一實施例中一電源供應器之功能方塊圖。

第3圖為本發明實施例中電源供應器在第二狀態和第三狀態下運作時其初級側之等效電路圖。

第4圖為本發明實施例中電源供應器在第四狀態下運作時其初級側之等效電路圖。

第5圖為本發明實施例中電源供應器在第四狀態下運作時其輸入電容內存能量之波形圖。

第1圖為本發明實施例中一電源供應器100之功能方塊圖。第2圖為本發明另一實施例中一電源供應器200之功能方塊圖。電源供應器100包含一變壓器10、一共振電路20、一控制電路31、一功率開關Q1、一激磁電感Lm、一輸入電容C_IN、一輸出電容C_OUT，以及一輸出二極體D_O。電源供應器200包含一變壓器10、一共振電路20、一控制電路32、一偵測電路40、一功率開關Q1、一激磁電感Lm、一輸入電容C_IN、一輸出電容C_OUT，以及一輸出二極體D_O。電源供應器100和200可將由市電供應之一輸入電壓V_IN轉換成一輸出電壓V_OUT，進而提供一筆記型電腦50運作所需之電力。I_IN代表電源供應器100和200運作時之輸入電流，而I_OUT代表電源供應器100和200運作時之輸出電流。

在電源供應器100和200中，變壓器10包含一初級側繞組(由匝數Np來表示)和一次級側繞組(由匝數Ns來表示)。初級側繞組Np耦接於輸入電壓V_IN，次級側繞組Ns透過輸出二極體D_O耦接於筆記型電腦50，流經初級側之輸入電流為I_IN，而流經次級側之輸出電流為I_OUT。在變壓器10之運作中，相關電壓和電流之關係為V_IN/V_OUT=I_OUT/I_IN=Np/Ns。在升壓應用中，次級側繞組之匝數Ns大於初級側繞組之匝數Np；在降壓應用中，次級側繞組之匝數Ns小於初級側繞組之匝數Np。在本發明實施例中，Np和Ns之值的比例可為50：2.5，然而初級側繞組之匝數Np和次級側繞組之匝數Ns並不限定本發明之範疇。

在電源供應器100和200中，激磁電感Lm並聯於變壓器10之初級側繞組Np，輸入電容C_IN耦接於輸入電壓V_IN和接地電位GND之間，而輸出電容C_OUT耦接於輸出電壓V_OUT和接地電位GND之間。功率開關Q1之第一端耦接至激磁電感Lm和變壓器10之初級側繞組Np，第二端耦接至接地電位GND，而控制端耦接至控制電路30，可依據控制電路30提供之控制訊號GD1來選擇性地導通或截止。共振電路20並聯於輸入電容C_IN，其包含一輔助開關Q2和一耦合共振電感Lr。在一實施例中，耦合共振電感Lr可由一耦合繞組(由匝數Nc來表示)來實作，其中初級側繞組Np、次級側繞組Ns和耦合繞組Nc皆纏繞在同一磁芯15上，用來依其匝數比來感應能量。輔助開關Q2之第一端耦接至耦合共振電感Lr，第二端耦接至接地電位GND，而控制端耦接至控制電路30，可依據控制電路30提供之控制訊號GD2來選擇性地導通或截止。

在第1圖所示之實施例中，電源供應器100之控制電路31包含2個接腳P1~P2和一計數器35。接腳P1用來輸出控制訊號GD1以導通或截止功率開關Q1，而接腳P2用來輸出控制訊號GD2以導通或截止輔助開關Q2。計數器35可透過偵測控制訊號GD1之準位變化來讓電源供應器100判斷市電之通電狀態，進而依此調整控制訊號GD2之準位。

在第2圖所示之實施例中，偵測電路40可為一電阻，用來提供相關於輸出電壓V_OUT之一回授電壓V_FB。電源供應器200之控制電路32包含3個接腳P1~P3，其中接腳P1用來輸出控制訊號GD1以導通或截止功率開關Q1，接腳P2用來輸出控制訊號GD2以導通或截止輔助開關Q2，而接腳P3用來接收回授電壓V_FB。控制電路32可依據回授電壓V_FB之值來判斷市電之通電狀態，進而依此調整控制訊號GD2之準位。

為了說明目的，接下來將電源供應器100和200之運作分為四個狀態來作說明。其中，第一狀態為在交流市電未通電下且未供電至負載時的初始狀態，第二狀態為在交流市電通電下的充電中狀態，第三狀態為在交流市電通電下的飽充狀態，而第四狀態為在交流市電未通電下且需要供電至負載時的放電中狀態。

在第一狀態下當交流市電並未通電且未供電至負載時，輸入電壓V_IN之值為0，此時功率開關Q1和輔助開關Q2皆為截止。

當交流市電開始通電後，電源供應器100和200會在第二狀態下運作，此時輸入電壓V_IN之值不再為0，進而對輸入電容C_IN充電，且激發激磁電感Lm開始儲能。同時，控制電路31和32會輸出具除能電位之控制訊號GD2以截止輔助開關Q2，且輸出以特定工作週期(duty cycle)在致能電位和除能電位之間切換之控制訊號GD1，以使得功率開關Q1能在導通和截止狀態之間做高頻切換。在功率開關Q1的導通週期，初級側能量便能透過初級側繞組Np感應至次級側繞組Ns，進而對輸出電容C_OUT充電。在交流市電通電的情況下，筆記型電腦運作所需的電源由交流市電來提供(交流模式)，然而在第二狀態下運作之電源供應器100和200其輸出電容C_OUT上建立之輸出電壓V_OUT也會傳遞至筆記型電腦50。

在交流市電通電一段時間後，電源供應器100和200中包含輸入電容C_IN和輸出電容C_OUT之所有電容皆會呈現充滿電的滿能量狀態，此時電源供應器100和200會在第三狀態下運作。在交流市電通電的情況下，筆記型電腦運作所需的電源由交流市電來提供(交流模式)，然而在第三狀態下運作之電源供應器100和200其輸出電容C_OUT上建立之輸出電壓V_OUT也會傳遞至筆記型電腦50。

此外，當電源供應器100和200在第二狀態和第三狀態下運作時，由於輔助開關Q2為截止，輸入電壓V_IN並無法對耦合繞組Nc充電，但初級側繞組Np會將能量感應至耦合繞組Nc，並在耦合共振電感Lr內儲存一耦合能量(由耦合共振電感電壓V_Lr來表示)。第3圖為本發明電源供應器100和200在第二狀態和第三狀態下運作時其初級側之等效電路圖。由於此時輔助開關Q2為截止，耦合共振電感Lr和輸入電容C_IN之間的共振迴路不動作。

當交流市電停止通電時，筆記型電腦50運作所需的電源將由在第四狀態下運作之電源供應器100和200來提供(直流模式)。第4圖為本發明電源供應器100和200在第四狀態下運作時其初級側之等效電路圖。第5圖為本發明電源供應器100和200在第四狀態下運作時其輸入電容C_IN內存能量(相關於輸出電壓V_OUT)之波形圖。

當控制電路31和32判斷交流市電已被移除時，就會輸出具致能電位之控制訊號GD2以導通輔助開關Q2。當耦合共振電感Lr透過導通之輔助開關Q2耦接至接地電位GND時，其內存之耦合能量會因冷次定律(Len’z law)而使耦合共振電感電壓V_Lr反向，如第4圖之等效電路圖所示。此時，耦合共振電感Lr和輸入電容C_IN之間的共振迴路開始動作(由第4圖之箭號表示)，輸入電容C_IN之內存能量會快速地被放電至接地電位GND，如第5圖所示。由於在第四狀態下輸入電容C_IN之內存能量會被快速放電，輸出電容C_OUT就不會持續地被充電，因此可縮短電源供應器100和200之輸出電容維持時間，進而使筆記型電腦50在直流模式下運作時能順利地進入休眠狀態。

在第1圖所示之實施例中，控制電路31之計數器35可偵測控制訊號GD1之準位，若控制訊號GD1在M個切換週期內皆無準位變化(M為正整數)，控制電路31會判定交流市電已被移除，進而輸出具致能電位之控制訊號GD2以導通輔助開關Q2。

在第2圖所示之實施例中，控制電路32可偵測回授電壓V_FB之之值，若回授電壓V_FB之值低於一預定值，控制電路32會判定交流市電已被移除，進而輸出具致能電位之控制訊號GD2以導通輔助開關Q2。

在本發明中，電源供應器100和200之額定功率可為330W(19.5V/16.9A)，輸入電容C_IN可採用一顆450V/680μF規格(誤差±20%)之電容器，輸出電容C_OUT可採用7顆25V/1000μF規格(誤差±20%)之電容器並聯而成，激磁電感Lm之值可為600μH(誤差±20%)，而耦合電感Lr之值可為100μH(誤差±20%)。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Q1和輔助開關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Q1和輔助開關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可監測交流市電的通電狀態，當判定交流市電停止通電時會啟動耦合共振電感Lr和輸入電容C_IN之間的共振迴路，使得輸入電容C_IN之內存能量能被快速放電以避免輸出電容C_OUT持續地被充電。因此，本發明可縮短電源供應器之輸出電容維持時間，進而使筆記型電腦在直流模式下運作時能順利地進入休眠狀態。

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。