TWI731674B

TWI731674B - 具有動態輸出之電源供應器

Info

Publication number: TWI731674B
Application number: TW109115542A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-06-21
Also published as: TW202143626A

Abstract

一種具有動態輸出之電源供應器，至少包括一橋式整流器、一變壓器，以及一輸出控制電路。橋式整流器係根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位。變壓器包括一主線圈、一第一副線圈，以及一第二副線圈，其中主線圈係用於接收整流電位，而第一副線圈係用於產生一感應電位。輸出控制電路係根據感應電位來產生一輸出電流，並包括耦接至第二副線圈之一計時切換器。若輸出電流大於或等於一臨界值，則計時切換器將會導通並開始計算一既定時間。當既定時間屆滿時，計時切換器將會斷開，使得輸出電流降低至臨界值以下。

Description

具有動態輸出之電源供應器

本發明係關於一種電源供應器，特別係關於一種具有動態輸出之電源供應器。

根據美國UL 60950-1所訂定之240VA規範，其定義內嵌式電源供應器輸出20A以上之大電流不得持續超過60秒，否則將視為危險電源。然而，傳統之電源供應器卻往往無法達到此一安全規範。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困境。

在較佳實施例中，本發明提出一種具有動態輸出之電源供應器，包括：一橋式整流器，根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位；一第一電容器，儲存該整流電位；一變壓器，包括一主線圈、一第一副線圈，以及一第二副線圈，其中該主線圈係用於接收該整流電位，而該第一副線圈係用於產生一感應電位；一功率切換器，根據一第一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該主線圈耦接至大地；一脈衝寬度調變積體電路，產生該第一脈衝寬度調變電位；以及一輸出控制電路，根據該感應電位來產生一輸出電流，並包括耦接至該第二副線圈之一計時切換器；其中若該輸出電流大於或等於一臨界值，則該計時切換器將會導通並開始計算一既定時間；其中當該既定時間屆滿時，該計時切換器將會斷開，使得該輸出電流降低至該臨界值以下。

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1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。例如，電源供應器100可應用於桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦，但亦不僅限於此。如第1圖所示，電源供應器100包括：一橋式整流器110、一第一電容器C1、一變壓器120、一功率切換器130、一脈衝寬度調變積體電路140，以及一輸出控制電路150。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。

橋式整流器110可根據一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2來產生一整流電位VR。第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2皆可來自一外部輸入電源，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由90V至264V，但亦不僅限於此。第一電容器C1可儲存整流電位VR。變壓器120包括一主線圈121、一第一副線圈122，以及一第二副線圈123，其中主線圈121可位於變壓器120之一側，而第一副線圈122和第二副線圈123皆可位於變壓器120之相對另一側。主線圈121可用於接收整流電位VR，而作為對於整流電位VR之回應，第一副線圈122可產生一感應電位VS。功率切換器130係根據一第一脈衝寬度調變電位VA1來選擇性地將主線圈121耦接至大地190。例如，若第一脈衝寬度調變電位VA1為高邏輯位準(例如：邏輯「1」)，則功率切換器130即將主線圈121耦接至大地190(亦即，功率切換器130可近似於一短路路徑)；反之，若第一脈衝寬度調變電位VA1為低邏輯位準(例如：邏輯「0」)，則功率切換器130不會將主線圈121耦接至大地190(亦即，功率切換器130可近似於一開路路徑)。大地190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。脈衝寬度調變積體電路140可產生第一脈衝寬度調變電位VA1。輸出控制電路150包括耦接至第二副線圈123之一計時切換器152。輸出控制電路150係根據感應電位VS來產生一輸出電流IOUT。必須注意的是，若輸出電流IOUT大於或等於一臨界值ITH，則計時切換器152將會導通並開始計算一既定時間TD。接著，當既定時間TD屆滿時，計時切換器152將會斷開，使得輸出電流IOUT降低至臨界值ITH以下。在此設計下，即使電源供應器100有相對較大之輸出電流IOUT，其持續時間亦將會受到嚴格限制，故所提之電源供應器100將可滿足美國UL 60950-1所訂定之240VA規範。

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、一第一電容器C1、一變壓器220、一功率切換器230、一脈衝寬度調變積體電路240，以及一輸出控制電路250。電源供應器200之第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2可由一外部輸入電源處分別接收一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2，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。電源供應器200之輸出節點NOUT可輸出一輸出電流IOUT和一輸出電位VOUT，其中輸出電位VOUT可大致為一直流電位。

橋式整流器210包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3，以及一第四二極體D4。第一二極體D1之陽極係耦接至第一輸入節點NIN1，而第一二極體D1之陰極係耦接至一第一節點N1以輸出一整流電位VR。第二二極體D2之陽極係耦接至大地290，而第二二極體D2之陰極係耦接至第一輸入節點NIN1。大地290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200之內部元件。第三二極體D3之陽極係耦接至第二輸入節點NIN2，而第三二極體D3之陰極係耦接至第一節點N1。第四二極體D4之陽極係耦接至大地290，而第四二極體D4之陰極係耦接至第二輸入節點NIN2。

第一電容器之第一端係耦接至第一節點N1以接收並儲存整流電位VR，而第一電容器C1之第二端係耦接至大地290。

變壓器220包括一主線圈221、一第一副線圈222，以及一第二副線圈223，其中主線圈221可位於變壓器220之一側，而第一副線圈222和第二副線圈223皆可位於變壓器220之相對另一側。主線圈221之第一端係耦接至第一節點N1以接收整流電位VR，主線圈221之第二端係耦接至一第二節點N2。第一副線圈222之第一端係耦接至一第三節點N3以輸出一感應電位，而第一副線圈222之第二端係耦接至一第四節點N4。第二副線圈223之第一端係耦接至一第五節點N5，而第二副線圈223之第二端係耦接至第四節點N4。

功率切換器230包括一第一電晶體M1，其可視為電源供應器200之一主要切換器。第一電晶體M1可以是一N型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1之控制端係用於接收一第一脈衝寬度調變電位VA1，第一電晶體M1之第一端係耦接至大地290，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第二節點N2。

脈衝寬度調變積體電路240可產生第一脈衝寬度調變電位VA1和一第二脈衝寬度調變電位VA2。例如，第一脈衝寬度調變電位VA1和第二脈衝寬度調變電位VA2於電源供應器200初始化時皆可維持於一固定位準，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。在一些實施例中，第一脈衝寬度調變電位VA1和第二脈衝寬度調變電位VA2具有相同波形，但其間之相位差大致等於180度。

輸出控制電路250包括一計時切換器252、一第二電晶體M2、一第三電晶體M3、一第四電晶體M4、一第五二極體D5、一第六二極體D6、一第七二極體D7、一第八二極體D8、一第二電容器C2、一第三電容器C3、一電感器L1，以及一電阻器R1。第二電晶體M2、第三電晶體M3，以及第四電晶體M4可以各自為一N型金氧半場效電晶體。第二電晶體M2之控制端係用於接收第二脈衝寬度調變電位VA2，第二電晶體M2之第一端係耦接輸出節點NOUT，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第三節點N3以接收感應電位VS。

計時切換器252具有一判斷端、一第一連接端，以及一第二連接端，其中計時切換器252之判斷端係耦接至一第六節點N6，計時切換器252之第一連接端係耦接至第五節點N5，而計時切換器252之第二連接端係耦接至一第七節點N7。計時切換器252係根據第六節點N6處之電位V6來選擇性地導通或斷開。例如，若第六節點N6處之電位V6為低邏輯位準，則計時切換器252將斷開，使得第七節點N7和第五節點N5不會互相耦接。另外，若第六節點N6處之電位V6由低邏輯位準切換至高邏輯位準，則計時切換器252將會導通並開始計算一既定時間TD，使得第七節點N7和第五節點N5在前述既定時間TD內會互相耦接；然而，在既定時間TD屆滿後，計時切換器252即斷開，且不再將第七節點N7耦接至第五節點N5。

第三電晶體M3之控制端係耦接至第六節點N6，第三電晶體M3之第一端係耦接一第八節點N8，而第三電晶體M3之第二端係耦接至第七節點N7。第四電晶體M4之控制端係用於接收第二脈衝寬度調變電位VA2，第四電晶體M4之第一端係耦接一第九節點N9，而第四電晶體M4之第二端係耦接至第八節點N8。第五二極體D5之陽極係耦接至第九節點N9，而第五二極體D5之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2之第一端係耦接至第九節點N9，而第二電容器C2之第二端係耦接至第四節點N4。

第六二極體D6之陽極係耦接至第四節點N4，而第六二極體D6之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第三電容器C3之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第三電容器C3之第二端係耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。電感器L1之第一端係耦接至第四節點N4，而電感器L1之第二端係耦接至第六節點N6。第七二極體D7之陽極係耦接至接地電位VSS，而第七二極體D7之陰極係耦接至第六節點N6。第八二極體D8之陽極係耦接至第四節點N4，而第八二極體D8之陰極係耦接至一第十節點N10。電阻器R1之第一端係耦接至第十節點N10，而電阻器R1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可操作於一初始模式、一第一模式、一第二模式，或是一第三模式，其操作原理將分別如下列所述。

在初始模式中，電源供應器200尚未接收到第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2，此時第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3，以及第四電晶體M4皆被禁能。

在第一模式中，電源供應器200已經接收到第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2，而脈衝寬度調變積體電路240產生第一脈衝寬度調變電位VA1和第二脈衝寬度調變電位VA2以控制第一電晶體M1和第二電晶體M2。輸出電流IOUT流經電感器L1，故電感器L1開始儲存能量。在第一模式中，輸出電流IOUT小於一臨界值ITH，而第六節點N6處之電位V6相對較低，以禁能第三電晶體M3並斷開計時切換器252。此時，第二電容器C2未儲存任何電荷。必須注意的是，第七二極體D7可避免第三電容器C3與電感器L1發生共振，從而可增加電源供應器200之穩定度。

在第二模式中，輸出電流IOUT已經大於或等於臨界值ITH，而第六節點N6處之電位V6相對較高，以致能第三電晶體M3並暫時導通計時切換器252。此時，計時切換器252開始計算前述之既定時間TD。因為第四電晶體M4亦由第二脈衝寬度調變電位VA2所切換，故第二電容器C2將進行充電，並拉升第九節點N9處之電位V9。必須注意的是，第二副線圈223在第二模式中之參與有助於維持相對較大之輸出電流IOUT。另外，第六二極體D6和第八二極體D8在第二模式中均為禁能狀態。

在第三模式中，當既定時間TD已屆滿時，計時切換器252又回到斷路狀態。由於沒有第二副線圈223之參與，輸出電流IOUT會再度降低至臨界值ITH以下。根據冷次定律，電感器L1之電壓極性會因此發生反轉，以致能第六二極體D6和第八二極體D8。此時，電感器L1上所儲存之能量會快速地經由一第一放電路徑和一第二放電路徑釋放至接地電位VSS，其中第一放電路徑包括第六二極體D6和第三電容器C3，而第二放電路徑包括第八二極體D8和電阻器R1。待第三模式結束後，電源供應器200可再度切回第二模式，以進行下一輪循環。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200之輸出波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準或電流值。根據第3圖之量測結果，電源供應器200之輸出電位VOUT為動態輸出，而每次當電源供應器200之輸出電流IOUT大於或等於臨界值ITH時，其持續時間均會小於或等於計時切換器252所界定之既定時間TD。藉由適當地控制既定時間TD，電源供應器200將不會被視為危險電源，而能完全符合美國UL 60950-1所訂定之240VA規範。

在一些實施例中，電源供應器200之元件參數可如下列所述。計時切換器252之既定時間TD可約為10秒。第二電容器C2之電容值可介於646μF至714μF之間，較佳為680μF。第三電容器C3之電容值可介於646μF至714μF之間，較佳為680μF。電感器L1之電感值可介於95μH至105μH之間，較佳為100μH。電阻器R1之電阻值可介於313.5Ω至346.5Ω之間，較佳為330Ω。第一脈衝寬度調變電位VA1和第二脈衝寬度調變電位VA2之切換頻率皆可約為65kHz。主線圈221對第一副線圈222之匝數比值可介於1至100之間，較佳可為20。主線圈221對第二副線圈223之匝數比值可介於1至100之間，較佳可為20。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之安全邊際。

本發明提出一種本發明提出一種新穎之電源供應器，其具有動態輸出。根據實際量測結果，使用前述設計之電源供應器可完全符合美國UL 60950-1所訂定之240VA規範。由於本發明可有效改善電源供應器之安全邊際，故其很適合應用於各種各式之裝置當中。

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1-3圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-3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。

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:變壓器 121,221:主線圈 122,222:第一副線圈 123,223:第二副線圈 130,230:功率切換器 140,240:脈衝寬度調變積體電路 150,250:輸出控制電路 152,252:計時切換器 190,290:大地 C1:第一電容器 C2:第二電容器 C3:第三電容器 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 D8:第八二極體 IOUT:輸出電流 ITH:臨界值 L1:電感器 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 M3:第三電晶體 M4:第四電晶體 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 N8:第八節點 N9:第九節點 N10:第十節點 NIN1:第一輸入節點 NIN2:第二輸入節點 NOUT:輸出節點 R1:電阻器 TD:既定時間 V6:第六節點處之電位 V9:第九節點處之電位 VA1:第一脈衝寬度調變電位 VA2:第二脈衝寬度調變電位 VIN1:第一輸入電位 VIN2:第二輸入電位 VOUT:輸出電位 VR:整流電位 VS:感應電位 VSS:接地電位

第1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。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之輸出波形圖。

100:電源供應器

110:橋式整流器

120:變壓器

121:主線圈

122:第一副線圈

123:第二副線圈

130:功率切換器

140:脈衝寬度調變積體電路

150:輸出控制電路

152:計時切換器

190:大地

C1:第一電容器

IOUT:輸出電流

TD:既定時間

VA1:第一脈衝寬度調變電位

VIN1:第一輸入電位

VIN2:第二輸入電位

VR:整流電位

VS:感應電位

Claims

一種具有動態輸出之電源供應器，包括：一橋式整流器，根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位；一第一電容器，儲存該整流電位；一變壓器，包括一主線圈、一第一副線圈，以及一第二副線圈，其中該主線圈係用於接收該整流電位，而該第一副線圈係用於產生一感應電位；一功率切換器，根據一第一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該主線圈耦接至大地；一脈衝寬度調變積體電路，產生該第一脈衝寬度調變電位；以及一輸出控制電路，根據該感應電位來產生一輸出電流，並包括耦接至該第二副線圈之一計時切換器；其中若該輸出電流大於或等於一臨界值，則該計時切換器將會導通並開始計算一既定時間；其中當該既定時間屆滿時，該計時切換器將會斷開，使得該輸出電流降低至該臨界值以下；其中該橋式整流器包括：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一第一輸入節點以接收該第一輸入電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一第一節點以輸出該整流電位；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大地，而該第二二極體之該陰極係耦接至該第一輸入節點；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一第二輸入節點以接收該第二輸入電位，而該第三二極體之該陰極係耦接至該第一節點；以及一第四二極體，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大地，而該第四二極體之該陰極係耦接至該第二輸入節點；其中該第一電容器具有一第一端和一第二端，該第一電容器之該第一端係耦接至該第一節點，而該第一電容器之該第二端係耦接至該大地。
如請求項1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一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二節點，該第一副線圈具有一第一端和一第二端，該第一副線圈之該第一端係耦接至一第三節點以輸出該感應電位，該第一副線圈之該第二端係耦接至一第四節點，該第二副線圈具有一第一端和一第二端，該第二副線圈之該第一端係耦接至一第五節點，而該第二副線圈之該第二端係耦接至該第四節點。
如請求項2所述之電源供應器，其中該功率切換器包括：一第一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第一電晶體之該控制端係用於接收該第一脈衝寬度調變電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至該大地，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第二節點。
如請求項3所述之電源供應器，其中該脈衝寬度調變積體電路更產生一第二脈衝寬度調變電位，而該輸出控制電路更包括：一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該第二脈衝寬度調變電位，該第二電晶體之該第一端係耦接一輸出節點以輸出該輸出電流，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第三節點以接收該感應電位。
如請求項4所述之電源供應器，其中該計時切換器具有一判斷端、一第一連接端，以及一第二連接端，該計時切換器之該判斷端係耦接至一第六節點，該計時切換器之該第一連接端係耦接至該第五節點，而該計時切換器之該第二連接端係耦接至一第七節點；其中該計時切換器係根據該第六節點處之電位來選擇性地導通或斷開。
如請求項5所述之電源供應器，其中該輸出控制電路更包括：一第三電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第三電晶體之該控制端係耦接至該第六節點，該第三電晶體之該第一端係耦接一第八節點，而該第三電晶體之該第二端係耦接至該第七節點；一第四電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第四電晶體之該控制端係用於接收該第二脈衝寬度調變電位，該第四電晶體之該第一端係耦接一第九節點，而該第四電晶體之該第二端係耦接至該第八節點；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九節點，而該第五二極體之該陰極係耦接至該輸出節點；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第九節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至該第四節點。
如請求項6所述之電源供應器，其中該輸出控制電路更包括：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第四節點，而該第六二極體之該陰極係耦接至該輸出節點；以及一第三電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第三電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第三電容器之該第二端係耦接至一接地電位。
如請求項7所述之電源供應器，其中該輸出控制電路更包括：一電感器，具有一第一端和一第二端，其中該電感器之該第一端係耦接至該第四節點，而該電感器之該第二端係耦接至該第六節點；以及一第七二極體，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接地電位，而該第七二極體之該陰極係耦接至該第六節點。
如請求項8所述之電源供應器，其中該輸出控制電路更包括：一第八二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第八二極體之該陽極係耦接至該第四節點，而該第八二極體之該陰極係耦接至一第十節點；以及一電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該電阻器之該第一端係耦接至該第十節點，而該電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。