TWI825709B - 可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路 - Google Patents

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Abstract

電源供應電路包含變壓器、輸入電容、功率開關、低阻抗高耐壓電路、電感式高壓偵測電路，和輔助開關電路。輸入電容可儲存輸入電壓之能量，而變壓器可將一輸入電壓轉換成輸出電壓。電感式高壓偵測電路可監測輸入電壓的狀況，並在偵測到電壓突波時透過輔助開關電路來啟動低阻抗高耐壓電路，使得電壓突波造成的能量能經由低阻抗高耐壓電路傳送至輸入電容，以避免輸入電容因異常電壓突波而損毀。

Description

可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路
本發明相關於一種電源供應電路，尤指一種可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路。
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。先前技術的電源供應器通常包含一整流器、一變壓器、一功率開關、一脈衝寬度調變積體電路，以及儲能元件(例如輸入電容和激磁電感)。藉由採用特定頻率來切換功率開關，電源供應器可依據一輸入電壓來重複地對儲能元件進行充電或放電，進而提供不同於輸入電壓的一輸出電壓。脈衝寬度調變積體電路可依據相關輸出電壓之一回授電壓來控制切換條件，進而適當地調節輸出電壓之值以維持恆定輸出。
在電力系統較不完善的國家，供電品質較不穩定，發生市電異常的機會也相對提高。一旦發生輸入電壓不穩定等狀況，就會有很高的機率造成電源供應器損壞。最常見的情況是當輸入電壓異常飄高 時，電壓突波會高出輸入電容可承受之耐壓值，導致其損毀並直接影響到電源供應器初級側與次級側能量之轉換。因此，需要一種可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路。
本發明提供一種可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路，其包含一變壓器、一輸入電容、一功率開關、一低阻抗高耐壓電路、一電感式高壓偵測電路，以及一輔助開關電路。該變壓器用來將一輸入電壓之能量從一初級側感應至一次級側以供應一輸出電壓，其包含一初級側繞組和一次級側繞組。該初級側繞組設置在該初級側，其包含一第一打點端和一第一非打點端。該次級側繞組設置在該次級側，其包含一第二打點端和一第二非打點端。該輸入電容包含一第一端和一第二端，該輸入電容之該第一端耦接至該初級側繞組之該第一打點端。該功率開關之第一端耦接至該初級側繞組之該第一非打點端，第二端耦接至一接地電位，且控制端用來接收一控制訊號。該低阻抗高耐壓電路包含一第一端和一第二端，該低阻抗高耐壓電路之該第二端耦接至該輸入電容之第一端。該電感式高壓偵測電路用來偵測該輸入電壓之狀態。該輔助開關電路耦接於該輸入電壓、該電感式高壓偵測電路和該低阻抗高耐壓電路之該第一端，用來在該電感式高壓偵測電路在該輸入電壓中偵測到一電壓突波時將該低阻抗高耐壓電路之該第一端耦接至該輸入電壓，以使該輸入電壓經由該低阻抗高耐壓電路對該輸入電容充電。
本發明另提供一種可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應 電路，其包含一變壓器、一輸入電容、一第一輸入電阻、一第二輸入電阻、一功率開關、一電感式高壓偵測電路、第一至第三輔助開關、一低阻抗高耐壓電路、一放電二極體，以及一放電電阻。該變壓器用來將一輸入電壓之能量從一初級側感應至一次級側以供應一輸出電壓，其包含一初級側繞組和一次級側繞組。該初級側繞組設置在該初級側，其包含一第一打點端和一第一非打點端。該次級側繞組設置在該次級側，其包含一第二打點端和一第二非打點端。該輸入電容包含一第一端和一第二端，該輸入電容之該第一端耦接至該初級側繞組之該第一打點端。該第一輸入電阻之第一端耦接至該輸入電壓，該第二輸入電阻之第一端耦接至該第一輸入電阻之第二端，且該第二輸入電阻之第二端耦接至該初級側繞組之該第一打點端。該功率開關之第一端耦接至該初級側繞組之該第一非打點端，第二端耦接至一接地電位，且控制端用來接收一控制訊號。該電感式高壓偵測電路包含一線圈式電感組、一偵測電阻和一驅動電阻，其中該線圈式電感組之第一端耦接於該第一輸入電阻和該第二輸入電阻之間，該偵測電阻之第一端耦接於該線圈式電感組之該第二端，該偵測電阻之第二端耦接至該接地電位。該驅動電阻包含一第一端和耦接至該線圈式電感組之該第二端的一第二端。該第一輔助開關之第一端耦接於該第一輸入電阻和該第二輸入電阻之間，而控制端耦接於該驅動電阻之該第一端。該第二輔助開關之第一端耦接於該第一輔助開關之該第二端，而控制端耦接於該輸出電壓。該第三輔助開關之第一端耦接於該輸入電容之該第二端，第二端耦接於該接地電位，而控制端耦接於該輸出電壓。該低阻抗高耐壓電路包含N個串聯之電容，其中該低阻抗高耐壓電路之第一端耦接至該第二輔助開關之該第二端，該低阻抗高耐壓電路之第二 端耦接至該輸入電容之該第一端，且N為正整數。該放電二極體之陽極耦接至該第一輔助開關之該第二端和該第二輔助開關之該第一端之間，該放電電阻之第一端耦接於該放電二極體之該陰極，且該放電電阻之第二端耦接至該接地電位。
10:整流器
20:輔助開關電路
30:電感式高壓偵測電路
40:低阻抗高耐壓電路
50:突波能量放電電路
60:控制電路
100:電源供應電路
TR:變壓器
NP:初級側繞組和匝數
NS:次級側繞組和匝數
Q1:功率開關
QX1-QX3:輔助開關
DOUT:輸出二極體
DB:寄生二極體
DD:放電二極體
RIN1、RIN2:輸入電阻
RL:偵測電阻
R1:驅動電阻
RD:放電電阻
LL:線圈式電感組
LM:激磁電感
CIN:輸入電容
COUT:輸出電容
C1-CN:電容
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VAC:交流電壓
VFB:回授電壓
VRL:跨壓
GD1:控制訊號
GND1、GND2:接地電位
CH1、CH2:充電路徑
T1、T2:時間點
第1圖為本發明實施例中一種電源供應電路之示意圖。
第2圖為本發明實施例中電源供應電路實作方式之示意圖。
第3圖為本發明實施例中電源供應電路運作時相關電壓之波形圖。
第4圖為本發明實施例中電源供應電路運作時相關電壓之波形圖。
第5圖為本發明實施例中電源供應電路運作時相關電壓之波形圖。
第6圖為本發明實施例中在交流市電穩定通電的情況下輸入電容充電路徑之示意圖。
第7圖為本發明實施例中在交流市電出現異常電壓突波的情況下輸入電容充電路徑之示意圖。
第1圖為本發明實施例中一種電源供應電路100之示意圖。電源供應電路100包含一功率開關Q1、輸入電阻RIN1和RIN2、一輸出二極體DOUT、一輸入電容CIN、一輸出電容COUT、一激磁電感LM、一變壓器TR、一整流器10、一輔助開關電路20、一電感式高壓偵測電路30、一低阻抗高耐壓電路40、一突波能量放電電路50，以及一控制電路60。電源供應電路100可將市電供應之交流電壓VAC轉換成一輸出電壓VOUT以驅 動一負載(未顯示)。電感式高壓偵測電路30可偵測交流電壓VAC之狀態，並在偵測到電壓突波時透過輔助開關電路20來啟動低阻抗高耐壓電路40，進而增加輸入電容CIN的耐壓能力。另一方面，當電感式高壓偵測電路30判定電壓突波消失時，可透過輔助開關電路20來使低阻抗高耐壓電路40內存能量能經由突波能量放電電路50放電至一接地電位GND1。
第2圖為本發明實施例中電源供應電路100實作方式之示意圖。整流器10可為一橋式整流器，用來將市電供應之交流電源VAC轉換成輸入電壓VIN，其中IIN代表流經變壓器TR初級側之輸入電流。然而，整流器10之實施方式並不限定本發明之範疇。
變壓器TR包含設置在初級側(primary side)之一初級側繞組(由匝數NP來表示)和設置在次級側(secondary side)之一次級側繞組(由匝數NS來表示)。激磁電感LM之第一端耦接至變壓器TR中初級側繞組NP之打點端，而第二端耦接至變壓器TR中初級側繞組NP之非打點端。輸入電阻RIN1和RIN2串聯於整流器10和變壓器TR中初級側繞組NP之打點端之間。輸入電容CIN之第一端耦接至變壓器TR中初級側繞組NP之打點端，而第二端耦接至輔助開關電路20。輸出二極體DOUT之陽極耦接至變壓器TR中次級側繞組NS之非打點端，而陰極耦接至電源供應電路100之輸出端(輸出電壓VOUT)。輸出電容COUT之第一端耦接至電源供應電路100之輸出端，而第二端耦接至變壓器TR中次級側繞組NS之打點端，其中變壓器TR中次級側繞組NS之打點端耦接至一接地電位GND2。
功率開關Q1之第一端耦接至變壓器TR中初級側繞組NP之非打點端，第二端耦接至接地電位GND1，而控制端接收一控制訊號GD1。功率開關Q1會依據控制訊號GD1來在導通和截止狀態之間做高頻切換，進而週期性地將變壓器TR的初級側能量透過初級側繞組NP感應至次級側繞組NS。
在本發明中，輔助開關電路20包含輔助開關QX1-QX3，其中DB代表輔助開關QX2之寄生二極體。輔助開關QX1之第一端耦接至輸入電阻RIN1和RIN2之間，第二端耦接至輔助開關QX2，而控制端耦接至電感式高壓偵測電路30。輔助開關QX2之第一端耦接於輔助開關QX1之第二端，第二端耦接至低阻抗高耐壓電路40，而控制端耦接至電源供應電路100之輸出端(輸出電壓VOUT)。輔助開關QX3之第一端耦接於輸入電容CIN之第二端，第二端耦接至接地電位GND1，而控制端耦接至電源供應電路100之輸出端(輸出電壓VOUT)。
在本發明中，電感式高壓偵測電路30包含一線圈式電感組LL、一偵測電阻RL，以及一驅動電阻R1，其中IL代表流經偵測電阻RL之電流，而VRL代表偵測電阻RL之跨壓。線圈式電感組LL之第一端耦接至輸入電阻RIN1和RIN2之間，而第二端耦接至偵測電阻RL。偵測電阻RL之第一端耦接於線圈式電感組LL之第二端，而第二端耦接至接地電位GND1。驅動電阻R1之第一端耦接至輔助開關QX1之控制端，而第二端耦接至線圈式電感組LL之第二端和偵測電阻RL之第一端之間。
在本發明中，低阻抗高耐壓電路40包含複數個電容C1-CN， 串聯於輔助開關QX2之第二端和輸入電容CIN之第一端之間，其中N為正整數。在一實施例中，電容C1-CN各為高耐壓無極性電容，但不限定本發明之範疇。
在本發明中，突波能量放電電路50包含一放電二極體DD和一放電電阻RD。放電二極體DD之陽極耦接至輔助開關QX1之第二端和輔助開關QX2之第一端之間，放電電阻RD之第一端耦接至放電二極體DD之陰極，而放電電阻RD之第二端耦接至接地電位GND1。
在本發明中，控制電路60可為一脈衝寬度調變(pulse width modulation,PWM)積體電路，設置在變壓器TR之初級側，可依據相關於輸出電壓VOUT之一回授電壓VFB來提供控制訊號GD1。然而，控制電路60之實作方式並不限定本發明之範疇。
第3圖至第5圖為本發明實施例中電源供應電路100運作時相關電壓之波形圖。第6圖為本發明實施例中在交流市電穩定通電的情況下輸入電容CIN充電路徑之示意圖。第7圖為本發明實施例中在交流市電出現異常電壓突波的情況下輸入電容CIN充電路徑之示意圖。
當交流市電並未供應交流電源VAC時，輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT之值為0，此時功率開關Q1和輔助開關QX1-QX3皆為截止。在交流市電開始供應交流電源VAC後，輸入電壓VIN之值會隨著交流電源VAC而變化。如第3圖所示，VMAX代表在交流市電穩定供電的情況下輸入電壓VIN之最大值，而VMAX_SPIKE代表在交流市電出現異常電壓突波的情況 下輸入電壓VIN之最大值。
在交流市電的供電期間，輸入電壓VIN首先會經由輸入電阻RIN1和RIN2對輸入電容CIN充電，且激發激磁電感LM開始儲能。同時，控制電路60會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，變壓器TR的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COUT充電以提供輸出電壓VOUT。此時，輸出電壓VOUT會導通輔助開關QX2和QX3。
另一方面，在交流市電穩定供電的情況下，輸入電流IIN之值也會維持穩定，此時電感式高壓偵測電路30之線圈式電感組LL不會感應到任何電流變化(IL=0)，因此偵測電阻RL上之跨壓VRL為0，進而截止輔助開關QX1。當輸入電壓VIN至低阻抗高耐壓電路40之訊號傳送路徑被截止狀態之輔助開關QX1切斷時，輸入電流IIN不會流經低阻抗高耐壓電路40。因此，在交流市電穩定供電的情況下，輸入電容CIN的充電路徑CH1如第6圖之箭號所示。
在交流市電無法穩定供電的情況下，當出現異常電壓突波時(第3圖之時間點T1)會讓輸入電流IIN之值瞬間被提升，此時電感式高壓偵測電路30之線圈式電感組LL會產生電動勢來抵抗電流的改變，此時電感電流IL之值不再為0，而偵測電阻RL之跨壓VRL也會隨之變大，進而導通輔助開關QX1。因此，在交流市電無法穩定供電的情況下，電壓突波造成的能量會經由低阻抗高耐壓電路40傳送至輸入電容CIN，此 時輸入電容CIN的跨壓VCIN如第4圖所示，而輸入電容CIN的充電路徑CH2如第7圖之箭號所示。
如前所述，本發明低阻抗高耐壓電路40之電容C1-CN為串聯架構，電容C1-CN可各為高耐壓無極性電容，因此耐壓性是累加的設計。透過適當地選擇N之值，低阻抗高耐壓電路40可提升充電路徑CH2之耐壓，避免輸入電容CIN因異常電壓突波而損毀。
在偵測到異常電壓突波後，電感式高壓偵測電路30會持續偵測輸入電壓VIN之狀態。在電壓突波消失後(第3圖之時間點T2之後)，電感式高壓偵測電路30之線圈式電感組LL不會感應到任何電流變化(IL=0)，因此偵測電阻RL上之跨壓VRL會降至0，進而截止輔助開關QX1，輸出電壓VOUT依舊會導通輔助開關QX2。此時，低阻抗高耐壓電路40內存能量會依序經由輔助開關QX2之寄生二極體DB、突波能量放電電路50之放電二極體DD和放電電阻RD放電至接地電位GND1，此時輸入電容CIN的充電路徑CH1如第6圖之箭號所示。
在本發明實施例中，功率開關Q1和輔助開關QX1~QX3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。然而，功率開關Q1和輔助開關QX1~QX3之種類並不限定本發明之範疇。
綜上所述，本發明之電源供應電路使用電感式高壓偵測電路 來監測輸入電壓的狀況，並在偵測到電壓突波時透過輔助開關電路來啟動低阻抗高耐壓電路，使得電壓突波造成的能量能經由低阻抗高耐壓電路傳送至輸入電容，以避免輸入電容因異常電壓突波而損毀。因此本發明可提供一種可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路。
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:整流器
20:輔助開關電路
30:電感式高壓偵測電路
40:低阻抗高耐壓電路
50:突波能量放電電路
60:控制電路
100:電源供應電路
TR:變壓器
NP:初級側繞組和匝數
NS:次級側繞組和匝數
Q1:功率開關
DOUT:輸出二極體
RIN1、RIN2:輸入電阻
CIN:輸入電容
COUT:輸出電容
LM:激磁電感
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VAC:交流電壓
GND1、GND2:接地電位

Claims (10)

  1. 一種可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路，其包含：一變壓器，用來在一初級側接收一輸入電壓，將該初級側之能量從該初級側感應至一次級側以在該次級側供應一輸出電壓，其包含：一初級側繞組，設置在該初級側，其包含一第一打點端和一第一非打點端；一次級側繞組，設置在該次級側，其包含一第二打點端和一第二非打點端；以及一輸入電容，其包含一第一端和一第二端，該輸入電容之該第一端耦接至該初級側繞組之該第一打點端；一功率開關，其包含：一第一端，耦接至該初級側繞組之該第一非打點端；一第二端，耦接至一接地電位；以及一控制端，用來接收一控制訊號；一低阻抗高耐壓電路，其包含一第一端和一第二端，該低阻抗高耐壓電路之該第二端耦接至該輸入電容之該第一端；一電感式高壓偵測電路，用來偵測該輸入電壓之狀態；以及一輔助開關電路，耦接於該輸入電壓、該電感式高壓偵測電路和該低阻抗高耐壓電路之該第一端，用來在該電感式高壓偵測電路偵測到一電壓突波時將該低阻抗高耐壓電路之該第一端耦接至該輸入電壓，以使該輸入電壓經由該低阻抗高耐壓電路對該輸入電容充電。
  2. 如請求項1所述之電源供應電路，其另包含：一第一輸入電阻，其包含：一第一端，耦接至該輸入電壓；以及一第二端；一第二輸入電阻，其包含：一第一端，耦接至該第一輸入電阻之該第二端；以及一第二端，耦接至該初級側繞組之該第一打點端，其中該輔助開關電路另用來在該電感式高壓偵測電路未偵測到該電壓突波時，切斷該輸入電壓至該低阻抗高耐壓電路之訊號傳送路徑，以使該輸入電壓依序經由該第一輸入電阻和該第二輸入電阻對該輸入電容充電。
  3. 如請求項2所述之電源供應電路，其中該電感式高壓偵測電路路包含：一線圈式電感組，其包含：一第一端，耦接於該第一輸入電阻和該第二輸入電阻之間；以及一第二端；一偵測電阻，其包含：一第一端，耦接於該線圈式電感組之該第二端；以及一第二端，耦接至該接地電位；以及一驅動電阻，其包含：一第一端，耦接於該輔助開關電路；以及 一第二端，耦接至該線圈式電感組之該第二端。
  4. 如請求項2所述之電源供應電路，其中該輔助開關電路包含：一第一輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該第一輸入電阻和該第二輸入電阻之間；一第二端；以及一控制端，耦接於該電感式高壓偵測電路；一第二輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該第一輔助開關之該第二端；一第二端，耦接於該低阻抗高耐壓電路；以及一控制端，耦接於該輸出電壓；以及一第三輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該輸入電容之該第二端；一第二端，耦接於該接地電位；以及一控制端，耦接於該輸出電壓。
  5. 如請求項4所述之電源供應電路，其另包含：一放電二極體，其包含：一陽極，耦接於該第一輔助開關之該第二端和該第二輔助開關之該第一端之間；以及一陰極；以及一放電電阻，其包含：一第一端，耦接於該放電二極體之該陰極；以及 一第二端，耦接至該接地電位。
  6. 如請求項1所述之電源供應電路，其中該低阻抗高耐壓電路包含N個串聯之電容，且N為正整數。
  7. 如請求項1所述之電源供應電路，其另包含一突波能量放電電路，其中當電感式高壓偵測電路判定該電壓突波消失後，該輔助開關電路另用來使該低阻抗高耐壓電路內存能量經由該突波能量放電電路放電至該接地電位。
  8. 如請求項1所述之電源供應電路，其另包含：一輸出二極體，其包含：一陽極，耦接至該次級側繞組之該第二非打點端；以及一陰極，耦接至該輸出電壓；一輸出電容，其包含：一第一端，耦接至該輸出電壓；以及一第二端，耦接至該次級側繞組之該第二打點端。
  9. 如請求項1所述之電源供應電路，其另包含一激磁電感，耦接於該初級側繞組之該第一打點端和該第一非打點端之間。
  10. 一種可自適應調整儲能電容耐壓之電源供應電路，其包含：一變壓器，用來在一初級側接收一輸入電壓，將該初級側之能量 從該初級側感應至一次級側以在該次級側供應一輸出電壓，其包含：一初級側繞組，設置在該初級側，其包含一第一打點端和一第一非打點端；一次級側繞組，設置在該次級側，其包含一第二打點端和一第二非打點端；以及一輸入電容，其包含：一第一端，耦接至該初級側繞組之該第一打點端；以及一第二端；一第一輸入電阻，其包含：一第一端，耦接至該輸入電壓；以及一第二端；一第二輸入電阻，其包含：一第一端，耦接至該第一輸入電阻之該第二端；以及一第二端，耦接至該初級側繞組之該第一打點端；一功率開關，其包含：一第一端，耦接至該初級側繞組之該第一非打點端；一第二端，耦接至一接地電位；以及一控制端，用來接收一控制訊號；一電感式高壓偵測電路，其包含：一線圈式電感組，其包含：一第一端，耦接於該第一輸入電阻和該第二輸入電阻之間；以及一第二端； 一偵測電阻，其包含：一第一端，耦接於該線圈式電感組之該第二端；以及一第二端，耦接至該接地電位；以及一驅動電阻，其包含：一第一端；以及一第二端，耦接至該線圈式電感組之該第二端；一第一輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該第一輸入電阻和該第二輸入電阻之間；一第二端；以及一控制端，耦接於該驅動電阻之該第一端；一第二輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該第一輔助開關之該第二端；一第二端；以及一控制端，耦接於該輸出電壓；以及一第三輔助開關，其包含：一第一端，耦接於該輸入電容之該第二端；一第二端，耦接於該接地電位；以及一控制端，耦接於該輸出電壓；一低阻抗高耐壓電路，其包含N個串聯之電容，其中該低阻抗高耐壓電路之第一端耦接至該第二輔助開關之該第二端，該低阻抗高耐壓電路之第二端耦接至該輸入電容之該第一端，且N為正整數；一放電二極體，其包含：一陽極，耦接至該第一輔助開關之該第二端和該第二輔助開關 之該第一端之間；以及一陰極；以及一放電電阻，其包含：一第一端，耦接於該放電二極體之該陰極；以及一第二端，耦接至該接地電位。
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