TWI742830B - 具數位信號隔離之網路通訊電源供應器 - Google Patents

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Abstract

一種具數位信號隔離之網路通訊電源供應器包含一變壓器、一變壓器驅動電路、一整流器以及一調變信號佔空比偵測電路。該變壓器具有一初級側與一次級側。該變壓器驅動電路耦接該初級側，接收一數位信號輸入，且根據該數位信號輸入的一邏輯準位轉換該數位信號輸入為具有對應該邏輯準位的一佔空比的一驅動信號。其中，該數位信號輸入具有一電力內容。該整流器耦接該次級側，轉換該電力內容提供一電源。該調變信號佔空比偵測電路耦接該整流器，由該電源所供電，且根據該佔空比輸出高準位或低準位的一數位信號輸出。

Description

具數位信號隔離之網路通訊電源供應器
本發明係有關一種網路通訊電源供應器，尤指一種具數位信號隔離之網路通訊電源供應器。
5G 時代來臨，新一代網通伺服器、交換機、與迷你基地台(small cell)的需求呈現高速成長，而電源供應器的設計也隨之朝向高功率、小型化、及輕量化的趨勢發展。再者，隨著近年來電信、網路、電腦系統中的電力系統對於安全性、可靠性、功率密度、及智慧型管理等方面要求的不斷提高，隔離技術的地位將越趨重要。
數位電源隔離所要面對的挑戰，在於必須以快速、準確、且體積小的條件下，將類比或數位信號傳送跨越過隔離。舉例來說，現行技術中多採用光耦合器(photo coupler)，將類比或數位信號從二次側傳送至一次側，或從一次側傳送至二次側。光耦合器是由一對發光和受光的元件所組合而成的。它是利用光來傳輸信號，在輸入端和輸出端間做了電性絕緣。依光耦合器的特性，它可以被認為是一個繼電器或是一個信號轉換器，藉以達到輸入和輸出系統間電性完全隔離。
如圖1所示，其係為相關技術之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器的電路方塊圖。對網路通訊(網通)電源供應器而言，其所需要的數位信號，例如AC pre-warning信號、power good信號…等，係透過一次側傳送至二次側的負載端。如圖1所示，作為信號傳輸使用的光耦合器40A需要透過額外的輔助電源Vaux進行供電，以維持光耦合器40A的正常運作。舉例來說，所述輔助電源Vaux提供電力給光耦合器40A的信號準位轉換器(圖未示)，以便在電源供應器正式啟動前就能夠產生一個高準位邏輯信號至二次側的系統。然而，若無此輔助電源Vaux，或者此輔助電源Vaux移除，將無法正常地產生該高準位邏輯信號以告知二次側的系統。
其中，上述的輔助電源Vaux係透過變壓器驅動電路10A、變壓器20A以及整流器30A對輸入電源Vin進行轉換與處理所獲得，用以作為將一次側的數位信號輸入Vsi傳送至二次側的數位信號輸出Vso的光耦合器40A所需的電源。
本發明之一目的在於提供一種具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，解決使用光耦合器以及對其供電的輔助電源所造成增加的設備(裝置)成本、複雜的電路控制以及耗用輔助電源的電路設計的問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的具數位信號隔離之網路通訊電源供應器包含一變壓器、一變壓器驅動電路、一整流器以及一調變信號佔空比偵測電路。該變壓器具有一初級側與一次級側。該變壓器驅動電路耦接該初級側，接收一數位信號輸入，且根據該數位信號輸入的一邏輯準位轉換該數位信號輸入為具有對應該邏輯準位的一佔空比的一驅動信號；其中，該數位信號輸入具有一電力內容。該整流器耦接該次級側，轉換該電力內容提供一電源。該調變信號佔空比偵測電路耦接該整流器，由該電源所供電，且根據該佔空比輸出高準位或低準位的一數位信號輸出。
在一實施例中，該整流器係為一二極體-電容整流器。
在一實施例中，該整流器包含一二極體與一電容。該二極體的一陽極連接該次級側的一端。該電容的一第一端連接該二極體的陰極，且該電容的一第二端連接該次級側的另一端。
在一實施例中，該調變信號佔空比偵測電路包含一三端穩壓器、一濾波單元以及一開關單元。該三端穩壓器具有一陰極端、一陽極端以及一參考端，該陰極端與該陽極端接收該電源。該濾波單元耦接該參考端與該陽極端之間。該開關單元耦接該陰極端與該陽極端之間。
在一實施例中，該濾波單元包含一第一電容與一第一電阻。該第一電阻並聯該第一電容。
在一實施例中，該變壓器驅動電路根據該驅動信號的該佔空比驅動該變壓器的該初級側。
在一實施例中，當該佔空比大於50%，該數位信號輸出為高準位；當該佔空比小於或等於50%，該數位信號輸出為低準位。
在一實施例中，該變壓器驅動電路係為一積體電路所實現。
在一實施例中，該開關單元係為一雙極性接面電晶體。
在一實施例中，該整流器更包含一第一二極體。該第一二極體耦接於該二極體的該陽極與該三端穩壓器的該參考端之間。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖2與圖3所示，其係分別為本發明之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器的電路方塊圖以及電路圖。具數位信號隔離之網路通訊電源供應器(之後簡稱為網路通訊電源供應器)包含一變壓器20、一變壓器驅動電路10、一整流器30以及一調變信號佔空比偵測電路40。該變壓器20具有一初級側(primary side)與一次級側(secondary side)，且該初級側與該次級側係為電氣絕緣且迴路隔離。
該變壓器驅動電路10耦接該變壓器20的該初級側，用以接收一數位信號輸入Vsi。其中，該變壓器驅動電路10可稱為變壓器驅動器，其可為一積體電路(integrated circuit)所實現，然不以此為限制本發明。該變壓器驅動電路10根據該數位信號輸入Vsi的一邏輯準位轉換該數位信號輸入Vsi為具有對應該邏輯準位的一佔空比(或稱工作週期)的一驅動信號。換言之，當該數位信號輸入Vsi的該邏輯準位不同時，經由該變壓器驅動電路10所轉換出來的該驅動信號的該佔空比也就不同。該變壓器驅動電路10根據該驅動信號的該佔空比驅動該變壓器20的該初級側。在本發明中，該數位信號輸入Vsi具有一電力內容，亦即，該數位信號輸入Vsi除了具有資料內容外，也具有該電力內容。因此，可將資料與電力傳送需求整合在網路線中。基於此，本發明的網路通訊電源供應器可不再如現行網路通訊電源供應器需要光耦合器的使用(如圖1所示)以及用以產生對光耦合器供電的輔助電源(如圖1所示)。
該整流器30耦接該變壓器20的該次級側，用以轉換該電力內容提供一電源。如圖3所示，該整流器30係為一二極體-電容整流器。具體地，該整流器30包含一二極體D1與一電容C1。該二極體D1的一陽極連接該變壓器20的該次級側的一端(例如該次級側打點端)。該電容C1的一第一端連接該二極體D1的陰極，且該電容C1的一第二端連接該變壓器20的該次級側的另一端(例如該次級側的非打點端)。在一實施例中，經耦合到該變壓器20的該次級側的電力方波波形，透過該整流器30整流而在該電容C1的兩端產生(輸出)該電源。
該調變信號佔空比偵測電路40耦接該整流器30，且由該電源所供電。亦即，在該整流器30的該電容C1的兩端所產生的該電源係用以對該調變信號佔空比偵測電路40供電。如圖3所示，在一實施例中，該調變信號佔空比偵測電路40包含一三端穩壓器D3、一濾波單元，其包含一第一電容C2與並聯該第一電容C2的一第一電阻R1，以及一開關單元Q1。其中，該開關單元Q1係可為一雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor, BJT)。該三端穩壓器D3具有一陰極端、一陽極端以及一參考端。該陰極端與該陽極端並聯耦接該整流器30的該電容C1，以接收該電源，作為供應該調變信號佔空比偵測電路40所需的電源。該第一電容C2與該第一電阻R1並聯形成的該濾波單元耦接該參考端與該陽極端之間。該開關單元Q1耦接該陰極端與該陽極端之間。
在本實施例中，假設該三端穩壓器D3內部具有一個2.5伏特的參考電壓，亦即，當該三端穩壓器D3的該參考端所接收的電壓大於2.5伏特時，該三端穩壓器D3為反向擊穿的狀態，因此將使得該陰極端與該陽極端之間提供2.5伏特的穩定(固定)電壓，以實現穩壓器的功能。因此，如圖3所示，經由該變壓器20的該次級側所耦合的電能經由該濾波單元(包含該第一電容C2與該第一電阻R1)濾波後，若大於2.5伏特時，將使得該陰極端與該陽極端之間提供2.5伏特的電壓。
可透過電路設計，當該變壓器驅動電路10所轉換出來的該驅動信號的該佔空比大於一佔空比值，例如50%時，然不以此為限制本發明，由該整流器30的該二極體D1與該電容C1所輸出的該電源將大於2.5伏特。反之，當該驅動信號的該佔空比小於或等於該佔空比值，由該整流器30的該二極體D1與該電容C1所輸出的該電源將小於或等於2.5伏特。
具體地，由於該開關單元Q1(即該雙極性接面電晶體)的射極端(emitter)耦接該整流器30的該二極體D1與該電容C1，該開關單元Q1的基極端(base)耦接該三端穩壓器D3的該陰極端，因此當該電源大於2.5伏特時(相對應地，該三端穩壓器D3的該參考端所接收的電壓將大於2.5伏特)，該開關單元Q1的基極端的電壓為2.5伏特，而射極端的電壓大於2.5伏特，因此，該開關單元Q1將導通，使得該調變信號佔空比偵測電路40所輸出的一數位信號輸出Vso將為高(電壓)準位。反之，當該電源小於2.5伏特時(相對應地，該三端穩壓器D3的該參考端所接收的電壓將小於2.5伏特)，該開關單元Q1的基極端的電壓小於2.5伏特(並且小於射極端的電壓)，而射極端的電壓小於2.5伏特，因此，該開關單元Q1將關斷，使得該調變信號佔空比偵測電路40所輸出的該數位信號輸出Vso將為低(電壓)準位。故此，該調變信號佔空比偵測電路40可根據該佔空比輸出高準位或低準位的該數位信號輸出Vso。
在圖3中，該整流器30更包含一第一二極體D2，其耦接於該二極體D1的該陽極與該三端穩壓器D3的該參考端之間，作為單相(由該變壓器20往該調變信號佔空比偵測電路40的方向)導電的功能。另外，該調變信號佔空比偵測電路40更包含一第二電阻R2、一第三電阻R3以及一第四電阻R4。該第三電阻R3耦接於該開關單元Q1的基極端與該三端穩壓器D3的該陰極端之間，作為限制流入該開關單元Q1的基極端的電流大小，以保護該開關單元Q1。該第二電阻R2耦接於該整流器30的該二極體D1的該陰極與該三端穩壓器D3的該陰極端之間，以確保當該電源小於2.5伏特時，該開關單元Q1的基極端的電壓小於射極端的電壓，使得該開關單元Q1關斷。該第四電阻R4係耦接於該開關單元Q1的集極端(collector)與該三端穩壓器D3的陽極端之間，作為該數位信號輸出Vso的輸出端。
綜上所述，本發明具有以下之特徵與優點：
1、本發明的網路通訊電源供應器可不再如現行網路通訊電源供應器需要光耦合器的使用，因此可減少設備(裝置)成本，並且可簡化電路控制。
2、由於不需使用光耦合器，因此可不需要產生對光耦合器供電的輔助電源，因此可節省輔助電源的電路設計。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
10A:變壓器驅動電路
20A:變壓器
30A:整流器
40A:光耦合器
Vin:輸入電源
Vaux:輔助電源
Vsi:數位信號輸入
Vso:數位信號輸出
10:變壓器驅動電路
20:變壓器
30:整流器
40:調變信號佔空比偵測電路
D1:二極體
C1:電容
D2:第一二極體
D3:三端穩壓器
Q1:開關單元
C2:第一電容
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
圖1：係為相關技術之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器的電路方塊圖。
圖2：係為本發明之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器的電路方塊圖。
圖3：係為本發明之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器的電路圖。
10:變壓器驅動電路
20:變壓器
30:整流器
40:調變信號佔空比偵測電路
Vsi:數位信號輸入
Vso:數位信號輸出

Claims (10)

  1. 一種具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，包含： 一變壓器，具有一初級側與一次級側； 一變壓器驅動電路，耦接該初級側，接收一數位信號輸入，且根據該數位信號輸入的一邏輯準位轉換該數位信號輸入為具有對應該邏輯準位的一佔空比的一驅動信號；其中，該數位信號輸入具有一電力內容； 一整流器，耦接該次級側，轉換該電力內容提供一電源；及 一調變信號佔空比偵測電路，耦接該整流器，由該電源所供電，且根據該佔空比輸出高準位或低準位的一數位信號輸出。
  2. 如請求項1所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該整流器係為一二極體-電容整流器。
  3. 如請求項2所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該整流器包含： 一二極體，該二極體的一陽極連接該次級側的一端；及 一電容，該電容的一第一端連接該二極體的陰極，且該電容的一第二端連接該次級側的另一端。
  4. 如請求項2或請求項3所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該調變信號佔空比偵測電路包含： 一三端穩壓器，具有一陰極端、一陽極端以及一參考端，該陰極端與該陽極端接收該電源； 一濾波單元，耦接該參考端與該陽極端之間；及 一開關單元，耦接該陰極端與該陽極端之間。
  5. 如請求項4所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該濾波單元包含： 一第一電容；及 一第一電阻，並聯該第一電容。
  6. 如請求項1所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該變壓器驅動電路根據該驅動信號的該佔空比驅動該變壓器的該初級側。
  7. 如請求項1所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，當該佔空比大於50%，該數位信號輸出為高準位；當該佔空比小於或等於50%，該數位信號輸出為低準位。
  8. 如請求項1所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該變壓器驅動電路係為一積體電路所實現。
  9. 如請求項4所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該開關單元係為一雙極性接面電晶體。
  10. 如請求項4所述之具數位信號隔離之網路通訊電源供應器，其中，該整流器更包含： 一第一二極體，耦接於該二極體的該陽極與該三端穩壓器的該參考端之間。
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