TWI817586B - 可調散熱功能之電源供應器 - Google Patents

Abstract

一種可調散熱功能之電源供應器，包括：一橋式整流器、一變壓器、一功率切換器、一輸出級電路、一風扇元件，以及一偵測及控制電路。橋式整流器可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和一副線圈，其中主線圈可接收整流電位，而副線圈則可產生一感應電位。輸出級電路可根據感應電位來產生一輸出電位。風扇元件具有一風扇轉速。若電源供應器操作於一輕載模式，則偵測及控制電路會將風扇轉速設定為一固定值。若電源供應器操作於一重載模式，則偵測及控制電路會根據整流電位來動態地調整風扇轉速。

Description

可調散熱功能之電源供應器

本發明係關於一種電源供應器，特別係關於一種可調散熱功能之電源供應器。

在傳統電源供應器中，其風扇元件具有固定之轉速。然而，在固定散熱條件下，若電源供應器之輸入電流增加或輸出電流滿載，則容易造成較高之熱損耗和較差之溫度響應。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，本發明提出一種可調散熱功能之電源供應器，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；一變壓器，包括一主線圈和一副線圈，其中該主線圈接收該整流電位，而該副線圈則產生一感應電位；一功率切換器，根據一脈波寬度調變電位來選擇性地將該主線圈耦接至一接地電位；一輸出級電路，根據該感應電位來產生一輸出電位，其中一輸出電流係流經該輸出級電路；一偵測及控制電路，產生該脈波寬度調變電位，其中該偵測及控制電路更根據該輸出電流來判斷該電源供應器是否操作於一輕載模式或是一重載模式；以及一風扇元件，具有一風扇轉速；其中若該電源供應器操作於該輕載模式，則該偵測及控制電路會將該風扇轉速設定為一固定值；其中若該電源供應器操作於該重載模式，則該偵測及控制電路會根據該整流電位來動態地調整該風扇轉速。

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、一變壓器120、一功率切換器130、一輸出級電路140、一風扇元件150，以及一偵測及控制電路160。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，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。變壓器120包括一主線圈121和一副線圈122，其中主線圈121可位於變壓器120之一側，而副線圈122則可位於變壓器120之相對另一側。主線圈121可接收整流電位VR，而作為回應，副線圈122可產生一感應電位VS。功率切換器130可根據一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電位VM來選擇性地將主線圈121耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。例如，若脈波寬度調變電位VM為高邏輯位準，則功率切換器130可將主線圈121耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器130可近似於一短路路徑)；反之，若脈波寬度調變電位VM為低邏輯位準，則功率切換器130不會將主線圈121耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器130可近似於一斷路路徑)。輸出級電路140可根據感應電位VS來產生一輸出電位VOUT，其中一輸出電流IOUT可流經輸出級電路140。例如，輸出電位VOUT可為一直流電位，其電位位準可介於18V至20V之間，但亦不僅限於此。風扇元件150具有一風扇轉速FS，其為可調整的。偵測及控制電路160可產生前述之脈波寬度調變電位VM。另外，偵測及控制電路160更可根據輸出電流IOUT來判斷電源供應器100是否操作於一輕載模式或是一重載模式。若電源供應器100操作於輕載模式，則偵測及控制電路160可將風扇元件150之風扇轉速FS設定為一固定值；反之，若電源供應器100操作於重載模式，則偵測及控制電路160可根據整流電位VR來動態地調整風扇元件150之風扇轉速FS。在此設計下，電源供應器100將能根據其不同操作狀態來適當地控制風扇元件150，從而可達成最佳化之散熱功效。

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之電路圖。在第2圖之實施例中，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、一變壓器220、一功率切換器230、一輸出級電路240、一風扇元件250，以及一偵測及控制電路260。電源供應器200之第一輸入節點NIN1和第二輸出節點NIN2可分別由一外部輸入電源處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則可用於輸出一輸出電位VOUT至一電子裝置(未顯示)。

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具有一陽極和一陰極，其中第一二極體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具有一陽極和一陰極，其中第二二極體D2之陽極係耦接至第二輸入節點NIN2，而第二二極體D2之陰極係耦接至第一節點N1。第三二極體D3具有一陽極和一陰極，其中第三二極體D3之陽極係耦接至一接地電位VSS，而第三二極體D3之陰極係耦接至第一輸入節點NIN1。第四二極體D4具有一陽極和一陰極，其中第四二極體D4之陽極係耦接至接地電位VSS，而第四二極體D4之陰極係耦接至第二輸入節點NIN2。

變壓器220包括一主線圈221和一副線圈222，其中變壓器220更可內建一激磁電感器LM。激磁電感器LM可為變壓器220製造時所附帶產生之一固有元件，其並非一外部獨立元件。主線圈221和激磁電感器LM皆可位於變壓器220之同一側(例如：一次側)，而副線圈222則可位於變壓器220之相對另一側(例如：二次側，其可與一次側互相隔離開來)。主線圈221具有一第一端和一第二端，其中主線圈221之第一端係耦接至第一節點N1以接收整流電位VR，而主線圈221之第二端係耦接至一第二節點N2。激磁電感器LM具有一第一端和一第二端，其中激磁電感器LM之第一端係耦接至第一節點N1，而激磁電感器LM之第二端係耦接至第二節點N2。副線圈222具有一第一端和一第二端，其中副線圈222之第一端係耦接至一第三節點N3以輸出一感應電位VS，而副線圈222之第二端係耦接至一共同節點NCM。例如，共同節點NCM可視為另一接地電位，其可與前述之接地電位VSS相同或相異。

功率切換器230包括一第一電晶體M1。例如，第一電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體(N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，NMOSFET)。第一電晶體M1具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第一電晶體M1之控制端係用於接收一脈波寬度調變電位VM，第一電晶體M1之第一端係耦接至接地電位VSS，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第二節點N2。

輸出級電路240包括一第五二極體D5、一第一電阻器R1，以及一輸出電容器CO。第五二極體D5具有一陽極和一陰極，其中第五二極體D5之陽極係耦接至第三節點N3以接收感應電位VS，而第五二極體D5之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第一電阻器R1具有一第一端和一第二端，其中第一電阻器R1之第一端係耦接至共同節點NCM，而第一電阻器R1之第二端係耦接至一偵測節點ND以輸出一偵測電位VD。輸出電容器CO具有一第一端和一第二端，其中輸出電容器CO之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而輸出電容器CO之第二端係耦接至偵測節點ND。另外，一輸出電流IOUT可流經第一電阻器R1。根據歐姆定律，偵測電位VD可與輸出電流IOUT兩者成正比關係。因此，偵測及控制電路260將可藉由分析偵測電位VD而能得到輸出電流IOUT之相關資訊。

風扇元件250具有一風扇轉速FS，其可由偵測及控制電路260所控制。在一些實施例中，風扇轉速FS係以每分鐘轉數(Revolutions Per Minute，RPM)來進行定義。

偵測及控制電路260包括：一微控制器(Microcontroller Unit，MCU)270、一第二電晶體M2、一第三電晶體M3、一第二電阻器R2，以及一第三電阻器R3。例如，第二電晶體M2和第三電晶體M3可各自為一N型金氧半場效電晶體。

第二電晶體M2具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第二電晶體M2之控制端係用於接收一控制電位VC，第二電晶體M2之第一端係耦接至一第四節點N4，而第二電晶體M2之第二端係用於接收脈波寬度調變電位VM。第二電阻器R2具有一第一端和一第二端，其中第二電阻器R2之第一端係耦接至第四節點N4，而第二電阻器R2之第二端係耦接至一第五節點N5。第三電晶體M3具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第三電晶體M3之控制端係用於接收偵測電位VD，第三電晶體M3之第一端係耦接至第五節點N5，而第三電晶體M3之第二端係耦接至一第六節點N6。第三電阻器R3具有一第一端和一第二端，其中第三電阻器R3之第一端係耦接至第六節點N6，而第三電阻器R3之第二端係用於接收一轉速調整電位VP。

詳細而言，微控制器270包括一脈波寬度調變產生模組272、一比較模組274、一平均模組276，以及一映射模組278，其中映射模組278可儲存有一對照表279。例如，微控制器270中之各個模組可用軟體程式、硬體電路，或是軟硬體互相整合之方式來實施。

脈波寬度調變產生模組272可用於產生脈波寬度調變電位VM，並將之輸出至第一電晶體M1和第二電晶體M2。脈波寬度調變電位VM可具有恆定之一責任週期(Duty Cycle)，例如：50%。

比較模組274可比較偵測電位VD與一最大偵測電位VDMAX。例如，最大偵測電位VDMAX可等於輸出電流IOUT之最大值與第一電阻器R1之電阻值兩者之相乘積。若偵測電位VD未達最大偵測電位VDMAX(亦即，VD＜VDMAX)，則代表電源供應器200可能操作於一輕載模式，而比較模組274將可輸出具有高邏輯位準之控制電位VC。反之，若偵測電位VD已達最大偵測電位VDMAX(亦即，VD=VDMAX)，則代表電源供應器200可能操作於一重載模式(或一滿載模式)，而比較模組274將可輸出具有低邏輯位準之控制電位VC。

平均模組276可根據整流電位VR來產生一平均電位VAV。例如，平均電位VAV可等同於整流電位VR於一段時間區間內之一平均值。映射模組278可根據平均電位VAV來查詢對照表279，以產生轉速調整電位VP並調整其責任週期。接著，映射模組278更可將前述之轉速調整電位VP輸出至第三電阻器R3。

在一些實施例中，電源供應器200可操作於一輕載模式或一重載模式兩者擇一，其操作原理可如下列所述。

在輕載模式中，輸出級電路240之輸出電流IOUT相對較小，故偵測電位VD未達最大偵測電位VDMAX。此時，第二電晶體M2被致能，而第三電晶體M3被禁能。由於風扇元件250係由具有恆定之責任週期之脈波寬度調變電位VM所控制，故風扇元件250之風扇轉速FS將維持於一固定值。

在重載模式中，輸出級電路240之輸出電流IOUT相對較大，故偵測電位VD可達最大偵測電位VDMAX。此時，第二電晶體M2被禁能，而第三電晶體M3被致能。由於風扇元件250係由具有可變之責任週期之轉速調整電位VP所控制，故風扇元件250之風扇轉速FS將可根據不同使用需求而進行適當調整。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200操作於重載模式時之信號波形圖。如前所述，在重載模式中，微控制器270可根據整流電位VR之平均電位VAV來動態地調整風扇元件250之風扇轉速FS。在輸入功率不變之前提下，若平均電位VAV相對較低，則代表電源供應器200之一輸入電流相對較大，故須對應於較強之散熱功能；反之，若平均電位VAV相對較高，則代表電源供應器200之輸入電流相對較小，故可對應於較弱之散熱功能。

如第3圖所示，電源供應器200可依序操作於一第一階段T1、一第二階段T2、一第三階段T3，以及一第四階段T4。根據第3圖之量測結果可知，每一階段之風扇轉速FS係根據前一階段之平均電位VAV來決定。例如，因為平均電位VAV於第二階段T2中降低，所以在第三階段T3中，轉速調整電位VP之責任週期將會變大且風扇元件250之風扇轉速FS將會變快。又例如，因為平均電位VAV於第三階段T3中升高，所以在第四階段T4中，轉速調整電位VP之責任週期將會變小且風扇元件250之風扇轉速FS將會變慢。在此設計下，電源供應器200將可最佳化其整體之散熱功效。

在一些實施例中，當電源供應器200操作於重載模式時，其平均電位VAV、風扇轉速FS，以及轉速調整電位VP之責任週期三者之關係可如下表一所述：

平均電位VAV	風扇轉速FS	轉速調整電位VP之責任週期
210V	400RPM	14%
200V	420RPM	20%
190V	440RPM	26%
180V	460RPM	32%
170V	480RPM	38%
160V	500RPM	44%
150V	520RPM	50%
140V	540RPM	56%
130V	560RPM	62%
120V	580RPM	68%
110V	600RPM	74%
100V	620RPM	80%
90V	640RPM	86%

表一：平均電位、風扇轉速，以及轉速調整電位之責任週期 三者之間之關聯性

本發明提出一種新穎之電源供應器，其具有可調之散熱功能。根據實際量測結果，使用前述設計之電源供應器其安全性和操作效率均可大幅提升，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。

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:變壓器

121,221:主線圈

122,222:副線圈

130,230:功率切換器

140,240:輸出級電路

150,250:風扇元件

160,260:偵測及控制電路

270:微控制器

272:脈波寬度調變產生模組

274:比較模組

276:平均模組

278:映射模組

279:對照表

CO:輸出電容器

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

FS:風扇轉速

IOUT:輸出電流

LM:激磁電感器

M1:第一電晶體

M2:第二電晶體

M3:第三電晶體

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

NCM:共同節點

ND:偵測節點

NIN1:第一輸入節點

NIN2:第二輸入節點

NOUT:輸出節點

R1:第一電阻器

R2:第二電阻器

R3:第三電阻器

T1:第一階段

T2:第二階段

T3:第三階段

T4:第四階段

VAV:平均電位

VC:控制電位

VD:偵測電位

VDMAX:最大偵測電位

VIN1:第一輸入電位

VIN2:第二輸入電位

VM:脈波寬度調變電位

VOUT:輸出電位

VP:轉速調整電位

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電路圖。 第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器操作於重載模式時之信號波形圖。

100:電源供應器

110:橋式整流器

120:變壓器

121:主線圈

122:副線圈

130:功率切換器

140:輸出級電路

150:風扇元件

160:偵測及控制電路

FS:風扇轉速

IOUT:輸出電流

VIN1:第一輸入電位

VIN2:第二輸入電位

VM:脈波寬度調變電位

VOUT:輸出電位

VR:整流電位

VS:感應電位

VSS:接地電位

Claims (9)

1. 一種可調散熱功能之電源供應器，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；一變壓器，包括一主線圈和一副線圈，其中該主線圈接收該整流電位，而該副線圈則產生一感應電位；一功率切換器，根據一脈波寬度調變電位來選擇性地將該主線圈耦接至一接地電位；一輸出級電路，根據該感應電位來產生一輸出電位，其中一輸出電流係流經該輸出級電路；一偵測及控制電路，產生該脈波寬度調變電位，其中該偵測及控制電路更根據該輸出電流來判斷該電源供應器是否操作於一輕載模式或是一重載模式；以及一風扇元件，具有一風扇轉速；其中若該電源供應器操作於該輕載模式，則該偵測及控制電路會將該風扇轉速設定為一固定值；其中若該電源供應器操作於該重載模式，則該偵測及控制電路會根據該整流電位來動態地調整該風扇轉速；其中該偵測及控制電路包括一微控制器，而該微控制器包括：一平均模組，根據該整流電位來產生一平均電位；以及一映射模組，儲存有一對照表，其中該映射模組更根據該平均電位來查詢該對照表，以產生一轉速調整電位並調整其責任週期。
2. 如請求項1之電源供應器，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一第二輸入節點以接收該第二輸入電位，而該第二二極體之該陰極係耦接至該第一節點；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該接地電位，而該第三二極體之該陰極係耦接至該第一輸入節點；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接地電位，而該第四二極體之該陰極係耦接至該第二輸入節點。
3. 如請求項2之電源供應器，其中該變壓器更內建一激磁電感器，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，該激磁電感器具有一第一端和一第二端，該激磁電感器之該第一端係耦接至該第一節點，該激磁電感器之該第二端係耦接至該第二節點，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三節點以輸出該感應電位，而該副線圈之該第二端係耦接至一共同節點。
4. 如請求項3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脈波寬度調變電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第二節點。
5. 如請求項3之電源供應器，其中該輸出級電路包括：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三節點以接收該感應電位，而該第五二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；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共同節點，而該第一電阻器之該第二端係耦接至一偵測節點以輸出一偵測電位；以及一輸出電容器，具有一第一端和一第二端，其中該輸出電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該輸出電容器之該第二端係耦接至該偵測節點；其中該輸出電流係流經該第一電阻器。
6. 如請求項5之電源供應器，其中該偵測及控制電路更包括：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一控制電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至一第四節點，而該第二電晶體之該第二端係用於接收該脈波寬度調變電位；以及 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四節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接至一第五節點。
7. 如請求項6之電源供應器，其中該偵測及控制電路更包括：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用於接收該偵測電位，該第三電晶體之該第一端係耦接至該第五節點，而該第三電晶體之該第二端係耦接至一第六節點；以及一第三電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第三電阻器之該第一端係耦接至該第六節點，而該第三電阻器之該第二端係用於接收該轉速調整電位。
8. 如請求項7之電源供應器，其中該微控制器更包括：一脈波寬度調變產生模組，產生該脈波寬度調變電位；以及一比較模組，比較該偵測電位與一最大偵測電位，其中若該偵測電位未達該最大偵測電位，則該比較模組將輸出具有高邏輯位準之該控制電位，而若該偵測電位已達該最大偵測電位，則該比較模組將輸出具有低邏輯位準之該控制電位。
9. 如請求項1之電源供應器，其中若該平均電位降低，則該轉速調整電位之該責任週期將會變大且該風扇轉速將會變快，而若該平均電位升高，則該轉速調整電位之該責任週期將會變小且該風扇轉速將會變慢。

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