TWM455193U - 電源供應裝置 - Google Patents

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TWM455193U
TWM455193U TW101219661U TW101219661U TWM455193U TW M455193 U TWM455193 U TW M455193U TW 101219661 U TW101219661 U TW 101219661U TW 101219661 U TW101219661 U TW 101219661U TW M455193 U TWM455193 U TW M455193U
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Taiwan
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supply device
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TW101219661U
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English (en)
Inventor
Jia-Sing Hsu
Chen-Shing Ju
Han-Ching Lin
Chih-Ta Huang
Original Assignee
Whetron Electronic Co Ltd
China Motor Corp
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Description

電源供應裝置
本創作係關於一種電源供應裝置，尤其是一種整合預充電與餘電泄放控制電路之電源供應裝置。
由於電氣系統的供電迴路中可能存在容性負載和設備故障(如短路)問題，因此當電源供應裝置接通瞬間，將會對整個電氣系統造成暫態電流衝擊，嚴重者甚至毀損設備、危及用電安全。為了能夠安全接通電源供應裝置，需要提供一種防範暫態電流衝擊的預充電方法，以保護電氣系統。而當電源供應裝置斷開後，原電氣系統之供電迴路中仍會殘留電能，為了避免剩餘電能可能帶來的危害，電氣系統在電源供應裝置斷開後常會採取餘電泄放方法，將供電迴路中的殘存電能消耗殆盡。
請參照第1圖所示，其係美國公開第2008/0815999號「Power Supply Device」專利案所揭示之一種習知電源供應裝置，該電源供應裝置包含一電源90、一正極開關91、一負極開關92、一預充電開關93、一預充電電阻94、一負載95、一伏特計96及一控制單元97。啟動該電源供應裝置時，該負極開關92與該預充電開關93首先導通，使該電源90經由該預充電電阻94對該負載95兩端進行預充電動作，該伏特計96可量測該負載95兩端的實際電壓並傳輸至該控制單元97，以判斷預充電動作是否完成。當該控制單元97判定預充電已完成，即傳送控制 訊號將該預充電開關93斷開，並導通該正極開關91，使該電源90直接供應該負載95所需之工作電壓。
藉由上述電路結構，可以在啟動該電源供應裝置對負載95充電時，提供預充電之功能，且透過該伏特計96與控制單元97確認預充電完成後，才切換至負載95供電迴路，不會有預充電不完全的情況發生。惟，該電源供應裝置並未提供餘電泄放功能，這是因為餘電泄放功能通常較不受重視，習知電氣系統通常以外加迴路方式完成此功能，甚至直接省略此功能，其中外加迴路又容易產生製造成本增加以及系統整合困難等問題。
此外，習知之電源供應裝置鮮少針對預充電動作或餘電泄放動作進行過流或過熱保護，然而如上所述，電氣系統的供電迴路中可能存在短路問題，即使預充電迴路及放電迴路中通常存在充放電電阻，仍有可於預充電或餘電泄放階段造成電路元件燒毀。
基於上述原因，有必要進一步提供改良之電源供應裝置，以期不僅能夠整合預充電與餘電泄放功能之控制電路，亦能夠針對預充電動作或餘電泄放動作進行過流或過熱保護，藉以降低生產成本，並增加該電源供應裝置的使用壽命。
本創作主要目的係提供一種電源供應裝置，該電源供應裝置設有整合預充電與餘電泄放功能之控制電路，具有節省系統建構成本與空間之功效。
本創作另一目的係提供一種電源供應裝置，該電源供應裝置藉由一安全互鎖單元，可在切換預充電迴路、負載供電迴路與放電迴路時，避免短路情況發生，具有提高系統安全性之功效。
本創作再一目的係提供一種電源供應裝置，該電源供應裝置可監控一限流單元之使用情形，並據以調節預充電與餘電泄放之速率，避免充放電電流過大造成之溫升過高，導致電路元件燒毀，具有延長系統使用壽命之功效。
根據本創作之電源供應裝置，係包含一電源、一第一開關單元、一第二開關單元、一第三開關單元、一限流單元、一保護裝置、一電壓偵測器、一處理單元及一安全互鎖單元。該電源具有一第一極點與一第二極點，且該電源耦接一負載，該負載具有一第一端與一第二端，該第一極點耦接該第一端，該第二極點耦接該第二端；該第一開關單元具有兩端分別電性連接該電源之第一極點與該負載之第一端；該第二開關單元具有兩端分別電性連接該電源之第二極點與該負載之第二端；該第三開關單元包含一第一接腳、一第二接腳與一第三接腳，該第一接腳電性連接該電源之第一極點，該第二接腳電性連接該負載之第二端；該限流單元具有兩端分別電性連接該第三開關單元之第三接腳與該負載之第一端；該保護裝置設置於該限流單元上，並設有一訊號輸出端；該電壓感測器包含一第一感測端、一第二感測端及一訊號輸出端，該第一感測端與該第二感測端跨接於該負載之第一端與第二端；該處理單元耦接該保護裝置之訊號輸出端及該電壓感測器之訊號輸出端 ；該安全互鎖單元包含一輸入端及三輸出端，該輸入端耦接至該處理單元，該三輸出端分別耦接該第一開關單元、第二開關單元及第三開關單元。
本創作之電源供應裝置，其中，該保護裝置為溫度感測器。
本創作之電源供應裝置，其中，該保護裝置為電流感測器。
本創作之電源供應裝置，其中，該保護裝置為電流感測器包含溫度感測器與電流感測器。
本創作之電源供應裝置，其中，該處理單元設有一充電溫度限值與一放電溫度限值，且該安全互鎖單元具有至少四種操作模式，係包含系統停止模式、預充電模式、負載供電模式與餘電泄放模式。
本創作之電源供應裝置，其中，該電源為直流電池組。
本創作之電源供應裝置，其中，該第一開關單元、第二開關單元與第三開關單元為高壓繼電器。
本創作之電源供應裝置，其中，該處理單元另耦接一警示裝置。
本創作之電源供應裝置，其中，該處理單元為微控制器。
本創作之電源供應裝置，其中，該處理單元為數位訊號處理器。
本創作之電源供應裝置，其中，該安全互鎖單元為邏輯閘IC元件。
本創作之電源供應裝置，其中，該安全互鎖單元為軟體程式。
本創作之電源供應裝置，其中，該限流單元為電阻。
本創作之電源供應裝置，其中，該限流單元為包含驅動電路之電晶體。
為讓本創作之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本創作之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第2圖所示，其係繪示本創作之電源供應裝置的第一實施例，其中該電源供應裝置包含一電源S、一第一開關單元1、一第二開關單元2、一第三開關單元3、一限流單元4、一保護裝置5、一電壓感測器6、一處理單元7及一安全互鎖單元8。
該電源S為一直流電壓源，在本實施例當中由電池組所構成，具有一正極S1與一負極S2，該電源供應裝置另耦接一負載L，該負載具有一第一端L1與一第二端L2，該正極S1耦接該第一端L1，該負極S2耦接該第二端L2。由於該正極S1具有電源高電位VSH ，該負極具有電源低電位VSL ，因此該第一端具有負載高電位VLH ，該第二端具有負載低電位VLL 。此外，該負載L可並聯連接一平滑電容C，以降低該電源供應器於預充電階段之電壓波動，該平滑電容C亦可包含於該負載L中，毋需額外 獨立設置。
該第一開關單元1為一雙端開關，其兩端分別電性連接該電源S之正極S1與該負載L之第一端L1，可導通或斷開該正極S1與該第一端L1之間的電性連接狀態。該第二開關單元2亦為一雙端開關，其兩端分別電性連接該電源S之負極S2與該負載L之第二端L2，可導通或斷開該負極S2與該第二端L2之間的電性連接狀態。
該第三開關單元3為一三端雙向可控開關，具有第一接腳31、第二接腳32與第三接腳33，該第一接腳31電性連接該電源S之正極S1，該第二接腳32電性連接該負載L之第二端L2，該第三開關單元3可受控而電性連接該第一接腳31與第三接腳33、電性連接該第二接腳32與第三接腳33或者維持該第三接腳33與該第一接腳31及第二接腳32之間皆呈斷開的狀態。在本實施例當中，該各開關單元較佳由高壓繼電器組成，惟本創作並不以此為限。
該限流單元4可為被動元件(如電阻)或主動元件(如電晶體及其驅動電路)。在本實施例當中，該限流單元4係由高功率電阻所構成，且可為黃金鋁殼電阻器、水泥電阻器、各式鋁殼電阻器或大功率型電阻器，較佳阻值範圍約在1k歐姆以內。該限流單元4之一端電性連接該第三開關單元3之第三接腳33，其另一端則電性連接該負載L之第一端L1。
該保護裝置5可為溫度感測器或電流感測器(如檢流計、比流器)等偵測裝置，或者可同時包含溫度感測器及 電流感測器。在本實施例當中，該保護裝置5係為一溫度感測器，該保護裝置5設置於該限流單元4上，用以量測該限流單元4之溫度，係為限流單元溫度T，並且具有一訊號輸出端51，可將所量測之溫度資訊經由該訊號輸出端51輸出。
該電壓感測器6具有一第一感測端61、一第二感測端62、一第三感測端63及一訊號輸出端64。該第一感測端61電性連接該電源S之正極S1，該第二感測端62電性連接該負載L之第一端L1，該第三感測端63電性連接該負載L之第二端L2。藉此，該第一感測端61位於該電源S之電源高電位VSH ，該第二感測端62位於該負載L之負載高電位VLH ，該第三感測端63位於該負載L之負載低電位VLL ，且於該第二開關單元2導通時同時位於該電源S之電源低電位VSL 。因此，該電壓感測器6可透過該第一感測端61與第三感測端63量測該電源S之跨壓VSH -VSL ，係為電源電壓VS，並透過該第二感測端62與第三感測端63量測該負載L之跨壓VLH -VLL ，係為負載電壓VL，且該電壓感測器6可將所量測之電壓資訊經由該訊號輸出端64輸出。
該處理單元7係為微控制器(MCU)或數位訊號處理器(DSP)等具有運算控制功能之處理器。該處理單元7耦接該電源供應裝置內部之各感測器，在本實施例當中該處理單元7耦接該保護裝置5之訊號輸出端51及該電壓感測器6之訊號輸出端64，以接收該各感測器所量測之電力資訊，包含該保護裝置5所量測之溫度資訊及該電壓感測 器6所量測之電壓資訊，該溫度資訊係為該限流單元溫度T，該電壓資訊係包刮該電源電壓VS與該負載電壓VL。
此外，該處理單元7設有一充電溫度限值Tc與一放電溫度限值Td，該處理單元7可將所接收該限流單元溫度T與該充、放電溫度限值Tc、Td進行比較運算，或者將所接收之該電源電壓VS與該負載電壓VL進行比較運算，以判斷系統狀態，並根據判斷結果產生控制命令。該處理單元7可另耦接一警示裝置71，該警示裝置71係為蜂鳴器、警示燈或各種習知警示器具，用以在該處理單元7之控制下，對使用者發出警示訊號。
該安全互鎖單元8用以接收該處理單元7所下達之控制命令並據以進行作動，該安全互鎖單元8可透過軟體程式建構於該處理單元7內部，亦可由邏輯閘IC元件構成且獨立設置於該處理單元7外部。在本實施例當中，該安全互鎖單元8係由邏輯閘IC元件所組成。該安全互鎖單元8具有一輸入端及三輸出端，該輸入端耦接至該處理單元7以接收控制命令，該三輸出端分別耦接該第一開關單元1、第二開關單元2及第三開關單元3，可依據所接收之控制命令實際操控該各開關單元導通或斷開。
此外，該安全互鎖單元8僅允許該各開關單元間以特定模式操作，以確保該各開關單元之相互導通狀態不會使該電源供應裝置產生短路情形。該安全互鎖單元8具有至少四種操作模式，係包含系統停止模式、預充電模式、負載供電模式與餘電泄放模式。於系統停止模式，該第一、第二與第三開關單元1、2、3皆呈斷開，此時系統中 不存在任何迴路；於預充電模式如第3圖所示，該第二開關單元2導通且該第三開關單元3之第一接腳31與第三接腳33間導通，形成一充電迴路R1；於負載供電模式如第4圖所示，該第一與第二開關單元1、2導通，該第三開關單元之各接腳間皆呈斷開，形成一負載供電迴路R2；於餘電泄放模式如第5圖所示，該第一開關單元1與第二開關單元2斷開，且該第三開關單元3之第二接腳32與第三接腳33間導通，形成一放電迴路R3。且該安全互鎖單元8禁止該第一開關單元1、第二開關單元2及第三開關單元3之第二接腳32和第三接腳33間同時導通，造成該電源S與該限流單元4單獨形成迴路。
請參照第3、4及6圖所示，第3圖係為本創作之電源供應裝置第一實施例之預充電迴路圖，第4圖係為該電源供應裝置之負載供電迴路圖，第6圖係為該預充電迴路之控制流程圖。啟動系統時，該電源供應裝置進入預充電階段，該第二開關單元2導通且該第三開關單元3之第一接腳31與第三接腳33間導通，形成一預充電迴路R1，換言之，該各開關單元運作於該安全互鎖單元8之預充電模式，因此該電源S可透過該限流單元4對該負載L之兩端L1,L2作預充電。另，該保護裝置5回傳所量測該限流單元溫度T至該處理單元7，以和該充電溫度限值Tc進行比較運算，若該溫度T超出該充電溫度限值Tc，則判定該預充電迴路R1之電流過高造成溫升過高，為避免造成電路元件燒毀，該處理單元7將下達命令以控制該安全互鎖單元8限制該預充電迴路R1的通電時間，例如當 該安全互鎖單元8使用一PWM脈寬調制方式控制該第三開關單元3之第一接腳31與第三接腳33間的導通狀況時，可降低脈寬或頻率以減緩該限流單元4的溫升幅度；或者使用ON/OFF控制該第二開關單元2的導通狀況時，直接將該第二開關單元2斷開，經過一定時間後再導通，以減緩該限流單元4的溫升幅度。接著重複量測該限流單元溫度T的步驟以確認下達至該安全互鎖單元8的控制命令已達成降溫效果。同時，該處理單元7可記錄限制該預充電迴路R1通電時間的次數，一但達到預設次數，即判定系統狀態異常，該處理單元7將將下達命令以控制該警示裝置71對使用者發出警訊，例如警示音或警示燈號等，以利使用者查覺系統異常並檢修該電源供應裝置。
若該溫度T維持在低於該充電溫度限值Tc的範圍內，則該處理單元7將接收該電壓偵測器6回傳的該電源電壓VS與該負載電壓VL，並比對該負載電壓VL是否達到該電源電壓VS之準位，若該負載電壓VL仍小於該電源電壓VS，則預充電動作需繼續進行，回到量測該限流單元溫度T的步驟以在持續監控溫度的條件下繼續進行預充電；若該負載電壓VL已達到該電源電壓VS的準位，代表預充電已完成，此時該處理單元7將下達命令以控制該安全互鎖單元8斷開該第三開關單元3之第一接腳31與第三接腳33間的電性連接關係，並導通該第一開關單元1以形成如第4圖所示之負載供電迴路R2，換言之，該各開關單元運作於該安全互鎖單元8之負載供電模式，此時該電源供應裝置供應該負載L所需之工作電 壓，使系統正常運作。
請參照第5及7圖所示，第5圖係為本創作之電源供應裝置第一實施例之放電迴路圖，第7圖係為該放電迴路之控制流程圖。當系統關閉時，該電源供應裝置進入餘電泄放階段，該第一開關單元1與第二開關單元2斷開，且該第三開關單元3之第二接腳32與第三接腳33間導通，形成一放電迴路R3，換言之，該各開關單元運作於該安全互鎖單元8之餘電泄放模式，因此該負載L可透過該限流單元4作餘電泄放。另，該保護裝置5回傳所量測該限流單元溫度T至該處理單元7，以和該放電溫度限值Td進行比較運算，若該溫度T超出該放電溫度限值Td，則判定該放電迴路R3之電流過高造成溫升過高，為避免造成電路元件燒毀，該處理單元7將下達命令以控制該安全互鎖單元8限制該放電迴路R3的導通時間，例如當該安全互鎖單元8使用一PWM脈寬調制方式控制該第三開關單元3之第二接腳32與第三接腳33間的導通狀況時，可降低脈寬或頻率以減緩該限流單元4的溫升幅度；或者使用ON/OFF控制該第三開關單元3之第二接腳32與第三接腳33間的導通狀況時，直接將該第二接腳32與第三接腳33之電性連接狀態斷開，經過一定時間後再導通，以減緩該限流單元4的溫升幅度。接著重複量測該限流單元溫度T的步驟以確認控制該第三開關單元3的命令已達成降溫效果。同時，該處理單元7可記錄限制該放電迴路R3導通時間的次數，一但達到預設次數，即判定系統狀態異常，該處理單元7將將下達命令以控制該警示 裝置71對使用者發出警訊，例如警示音或警示燈號等，以利使用者查覺系統異常並檢修該電源供應裝置。若該溫度T維持在低於放電溫度限值Td的範圍內，則該處理單元7將接收該電壓偵測器6回傳的該負載電壓VL，並判斷是否完成放電動作，若該負載電壓VL仍不等於0，則放電動作仍需繼續進行，回到量測該限流單元溫度T的步驟以在持續監控溫度的條件下繼續進行餘電泄放；若該負載電壓VL已歸零，代表放電已完成，此時該處理單元7將下達命令以控制該安全互鎖單元8斷開該第三開關單元3之第二接腳32與第三接腳33間的電性連接關係，此時該電源S與該負載L均未形成於迴路中，換言之，該各開關單元運作於該安全互鎖單元8之系統停止模式，使系統停止運作。
藉由上述電路結構，本創作之電源供應器可整合預充電與餘電泄放功能之控制電路，以節省所需之電路空間，達成降低系統建構成本之功效。且，該電源供應裝置藉由一安全互鎖單元8，可在切換預充電迴路R1、負載供電迴路R2與放電迴路R3時，避免短路情況發生，具有提高系統安全性之功效。此外，該電源供應裝置可在預充電與餘電泄放過程中透過該保護裝置5監控該限流單元4之狀態，並據以調節預充電與餘電泄放之速率，避免充放電電流過大造成之溫升過高，進而導致電路元件燒毀，因此本創作亦具有延長系統使用壽命之功效。
雖然本創作已利用前述較佳實施例詳細揭示，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創 作之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
 〔本創作〕
1‧‧‧第一開關單元
2‧‧‧第二開關單元
3‧‧‧第三開關單元
31‧‧‧第一接腳
32‧‧‧第二接腳
33‧‧‧第三接腳
4‧‧‧限流單元
5‧‧‧保護裝置
51‧‧‧訊號輸出端
6‧‧‧電壓感測器
61‧‧‧第一感測端
62‧‧‧第二感測端
63‧‧‧第三感測端
64‧‧‧訊號輸出端
7‧‧‧處理單元
71‧‧‧警示裝置
8‧‧‧安全互鎖單元
S‧‧‧電源
S1‧‧‧正極
S2‧‧‧負極
L‧‧‧負載
L1‧‧‧第一端
L2‧‧‧第二端
C‧‧‧平滑電容器
R1‧‧‧預充電迴路
R2‧‧‧負載供電迴路
R3‧‧‧放電迴路
VSH ‧‧‧電源高電位
VSL ‧‧‧電源低電位
VLH ‧‧‧負載高電位
VSH ‧‧‧負載低電位
VS‧‧‧電源電壓
VL‧‧‧負載電壓
T‧‧‧限流單元溫度
Tc‧‧‧充電溫度限值
Td‧‧‧放電溫度限值
〔習知〕
90‧‧‧電源
91‧‧‧正極開關
92‧‧‧負極開關
93‧‧‧預充電開關
94‧‧‧預充電電阻
95‧‧‧負載
96‧‧‧伏特計
97‧‧‧控制單元
第1圖：一種習知電源供應裝置的電路圖。
第2圖：本創作電源供應裝置之第一實施例電路方塊圖。
第3圖：本創作電源供應裝置之第一實施例之預充電迴路圖
第4圖：本創作電源供應裝置之第一實施例之負載供電迴路圖
第5圖：本創作電源供應裝置之第一實施例之放電迴路圖
第6圖：本創作電源供應裝置之第一實施例之預充電迴路之控制流程圖
第7圖：本創作電源供應裝置之第一實施例之放電迴路之控制流程圖
1‧‧‧第一開關單元
2‧‧‧第二開關單元
3‧‧‧第三開關單元
31‧‧‧第一接腳
32‧‧‧第二接腳
33‧‧‧第三接腳
4‧‧‧限流單元
5‧‧‧保護裝置
51‧‧‧訊號輸出端
6‧‧‧電壓感測器
61‧‧‧第一感測端
62‧‧‧第二感測端
63‧‧‧第三感測端
64‧‧‧訊號輸出端
7‧‧‧處理單元
71‧‧‧警示裝置
8‧‧‧安全互鎖單元
S‧‧‧電源
S1‧‧‧正極
S2‧‧‧負極
L‧‧‧負載
L1‧‧‧第一端
L2‧‧‧第二端
C‧‧‧平滑電容器
VSH ‧‧‧電源高電位
VSL ‧‧‧電源低電位
VLII ‧‧‧負載高電位
VLL ‧‧‧負載低電位

Claims (15)

  1. 一種電源供應裝置，係包含：一電源，係具有一第一極點與一第二極點，該電源耦接一負載，該負載具有一第一端與一第二端，該第一極點耦接該第一端，該第二極點耦接該第二端；一第一開關單元，係具有兩端分別電性連接該電源之第一極點與該負載之第一端；一第二開關單元，係具有兩端分別電性連接該電源之第二極點與該負載之第二端；一第三開關單元，包含一第一接腳、一第二接腳與一第三接腳，該第一接腳電性連接該電源之第一極點，該第二接腳電性連接該負載之第二端；一限流單元，係具有兩端分別電性連接該第三開關單元之第三接腳與該負載之第一端；一保護裝置，設置於該限流單元上，並設有一訊號輸出端；一電壓感測器，包含一第一感測端、一第二感測端及一訊號輸出端，該第一感測端與該第二感測端跨接於該負載之第一端與第二端；一處理單元，耦接該保護裝置之訊號輸出端及該電壓感測器之訊號輸出端；以及一安全互鎖單元，包含一輸入端及三輸出端，該輸入端耦接至該處理單元，該三輸出端分別耦接該第一開關單元、第二開關單元及第三開關單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中，該保護裝置為溫度感測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中，該保護裝置為電流感測器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置，其中，該保護裝置包含溫度感測器與電流感測器。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置，其中，該處理單元設有一充電溫度限值與一放電溫度限值，且該安全互鎖單元具有至少四種操作模式，係包含系統停止模式、預充電模式、負載供電模式與餘電泄放模式。
  6. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該電源為直流電池組。
  7. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該第一開關單元、第二開關單元與第三開關單元為高壓繼電器。
  8. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該處理單元另耦接一警示裝置。
  9. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該處理單元為微控制器。
  10. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該處理單元為數位訊號處理器。
  11. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該安全互鎖單元為邏輯閘IC元件。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之電源供應裝置，其中， 該安全互鎖單元為軟體程式。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應裝置，其中，該安全互鎖單元為軟體程式。
  14. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該限流單元為電阻。
  15. 如申請專利範圍第1或5項所述之電源供應裝置，其中，該限流單元為包含驅動電路之電晶體。
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