TWM481439U - 交換式電源供應器及其保護裝置 - Google Patents

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San-Shan Hong
Sheng-Hao Ke
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San-Shan Hong
Sheng-Hao Ke
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交換式電源供應器及其保護裝置
本新型係一種電源供應器的保護裝置,尤指一種具有短路保護及過電流保護之交換式電源供應器的保護裝置。
現有交換式電源供應器(Switching Power Supply)常應用於各種電子產品中,該交換式電源供應器是連接於一交流電源與一直流負載之間,其於電源線路上串接有一個以上的半導體開關,該半導體開關連接至一控制器,該控制器是以脈波寬度調變(PWM)或以脈衝頻率調變(PFM)的功率因素校正(PFC)方式控制該半導體開關的啓閉,藉此提高該交換式電源供應器的電源轉換效率。當前述交換式電源供應器是一隔離型電源電路時,因其不具有短路保護或過電流保護的功能,若電路發生電流過大或短路時,該交換式電源供應器即會產生故障或燒毀的問題,實有改進之必要。
如前揭所述,現有交換式電源供應器因不具有短路保護或過電流保護的功能,若發生過電流或短路即會產生故障,因此本新型主要目的在提供一交換式電源供應器及其保護裝置,主要是偵測交換式電源供應器之輸出電流,當該輸出電流超過設定值時,代表發生故障即令交換式電源供應器的控制器停止運作,解決現有隔離型之交換式電源供應器不具短路或過電流保護的問題。
為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述交換式電源供應器包含有一隔離型電源電路與一保護裝置,其中: 該隔離型電源電路包含有一輸入電源模組、一高頻變壓器、一二次側電源模組、一控制器與一個以上的半導體開關,該高頻變壓器分別與輸入電源模組及二次側電源模組電連接,該控制器是分別與輸入電源模組及半導體開關電連接,又半導體開關是與高頻變壓器電連接; 該保護裝置包含有: 一電流偵測器,其連接至二次側電源模組的其中一輸出端,該電流偵測器用以偵測該輸出端的電流值並轉換為一電壓訊號; 一電源偵測比較模組,其與電流偵測器電連接,該電源偵測比較模組係取得電流偵測器偵測之電壓訊號,該電壓訊號大於一設定值即由電源偵測比較模組輸出一控制訊號;以及 一隔離器,其包含有一發射端與一接收端,該發射端是與電源偵測比較模組電連接,該接收端是與控制器的一控制端電連接,該隔離器的發射端是接受前述控制訊號致動並由接收端產生一停止訊號以送至控制器的控制端,該停止訊號用以停止該控制器的運作。
為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述交換式電源供應器的保護裝置,包含有: 一電流偵測器,其連接至一交換式電源供應器的一輸出端,該電流偵測器用以偵測該輸出端的電流值並轉換為一電壓訊號; 一電源偵測比較模組,其與電流偵測器電連接,該電源偵測比較模組係取得電流偵測器偵測之電壓訊號,該電壓訊號大於一設定值即由電源偵測比較模組輸出一控制訊號;以及 一隔離器,其包含有一發射端與一接收端,該發射端是與電源偵測比較模組電連接,該接收端是與交換式電源供應器的一控制端電連接,該隔離器的發射端是接受前述控制訊號致動並由接收端產生一停止訊號以送至交換式電源供應器的控制端,該停止訊號用以停止該交換式電源供應器的運作。
利用前述元件組成的交換式電源供應器及其保護裝置,由該電流偵測器偵測交換式電源供應器之輸出電流,當發生短路或過電流時代表線路上的電流增加,該電流偵測器會因增加的電流而對應輸出較高的電壓訊號,該電源偵測比較模組判斷該電壓訊號大於設定值即會輸出控制訊號,該控制訊號經隔離器轉換為停止訊號並送至交換式電源供應器或控制器的控制端後,即令交換式電源供應器或控制器停止運作,避免過電流或短路時仍繼續供電而造成故障,解決現有現有隔離型之交換式電源供應器不具短路或過電流保護,而造成產生故障的問題。
關於本新型的第一較佳實施例,請參閱圖1與2所示,係於一交換式電源供應器10連接有一保護裝置20,該交換式電源供應器10具有二輸入端(AC L、AC N)與二輸出端,兩輸入端(AC L、AC N)是連接至一交流電源(圖中未示),兩輸出端是連接至一負載30,其中,該交換式電源供應器10包含有一電磁干擾濾波模組11、一輸入電源模組12、一高頻變壓器13、一低電壓電源供給模組14、一主控制器15、一半導體開關151、一電流偵測單元152、一二次側電源模組16與一電源偵測控制模組17。
該電磁干擾濾波模組11具有二輸入端與二輸出端,其兩輸入端為該交換式電源供應器10的兩輸入端(AC L、AC N)。該電磁干擾濾波模組11用以濾除及隔離輸入之交流電源所夾帶之干擾雜訊,以及抑制交換式電源供應器10本身工作時所產生的高頻雜訊。
該輸入電源模組12用以提供一直流電源(VBUS),其具有整流及濾波功能(例如包含有一整流電路與一個以上的濾波電容),該輸入電源模組12具有二輸入端與二輸出端,其兩輸入端是分別與電磁干擾濾波模組11的兩輸出端電連接,其兩輸出端分別為一正端(+)與一負端(-),該負端(-)亦為接地端。該輸入電源模組12是將輸入之交流電源轉換成可供開關電源使用之直流電源(VBUS)。
該高頻變壓器13具有一一次側與一二次側,該一次側包含有一一次側主繞組與一個以上的一次側偏置繞組,該二次側包含有複數二次側繞組;該一次側主繞組具有複數接點,該一次側主繞組的其中一個接點是與輸入電源模組12的正端(+)電連接,該一次側主繞組的另一個接點是與半導體開關151電連接,而一次側偏置繞組的其中一個接點是與低電壓電源供給模組14電連接,又該一次側偏置繞組的另一個接點是與主控制器15電連接;該二次側繞組是與二次側電源模組16電連接。該高頻變壓器13是用以將一次側輸入之直流電源(VBUS)耦合輸出至二次側電源模組16,以提供二次側電源模組16所需的電壓值或電流值。
該低電壓電源供給模組14用以提供主控制器15所需之低電壓電源,該低電壓電源供給模組14並具有整流及濾波功能(例如包含有一整流電路與一個以上的濾波電容),其具有一電源輸入端、一電源輸出端與一接地端,該電源輸入端是連接前述高頻變壓器13之一次側偏置繞組的其中一個接點,該電源輸出端是與主控制器15之一電源端電連接,該接地端是與輸入電源模組12之負端(-)(接地端)電連接。
該半導體開關151的一端是與高頻變壓器13之一次側主繞組的另一個接點電連接,該半導體開關151的另一端是與電流偵測單元152的一端電連接,該半導體開關151的控制端是與主控制器15電連接。又電流偵測單元152的另端是與輸入電源模組12的負端(-)(接地端)電連接,使該半導體開關151與電流偵測單元152呈串接狀。於本較佳實施例中,該電流偵測單元152為一電阻(R1),該半導體開關151為一MOSFET(Q1),當半導體開關151導通後會有電流通過電流偵測單元152而產生電壓訊號並回傳至主控制器15。
該主控制器15包含有一控制端接腳、一感測接腳與一電源接腳,該控制端接腳是與半導體開關151的控制端電連接,該控制端接腳用以控制半導體開關151的導通或截止,該感測接腳是連接至半導體開關151及電流偵測單元152的串接處,該感測接腳用以偵測通過電流偵測單元152的電壓值,再者,該主控制器15的電源接腳是與輸入電源模組12的正端(+)電連接,該主控制器15的另一接腳是與高頻變壓器13的一次側偏置繞組的另一個接點電連接。該主控制器15是以電流偵測單元152與迴授數據進行比較運算,使主控制器15以高頻輸出脈衝頻率調變(PFM)或脈衝寬度調變(PWM)的脈衝波控制該半導體開關151,藉此控制交換式電源供應器10之整體開關轉換電源電路,而將直流電源(VBUS)的直流能量透過高頻變壓器13轉換耦合而提供給二次側輸出使用。於本較佳實施例中,該主控制器15是一脈波寬度調變(PWM)控制器或一脈衝頻率調變(PFM)的功率因素校正(PFC)控制器。
該二次側電源模組16用以提供負載30所需之穩定的直流電源並具有整流與濾波功能,其具有二輸入端與二輸出端,其兩輸入端分別與高頻變壓器13之二次側繞組的接點電連接,其兩輸出端分別為一正極(+)與一負極(-),兩輸出端為該交換式電源供應器10的兩輸出端。該二次側電源模組16是利用一二極體(圖中未示)或一同步整流電路(圖中未示)將高頻變壓器13所提供之高頻交流電源轉換成直流電源,並以一電解電容器(圖中未示)濾除漣波,以滿足其輸出端所需之直流電壓與直流電流。
該電源偵測控制模組17係一定電壓或定電流偵測控制模組,其具有二輸入端與一個以上的輸出端,兩輸入端是分別與二次側電源模組16的兩輸出端電連接,該電源偵測控制模組17的輸出端是與保護裝置20電連接。該電源偵測控制模組17是對二次側電源模組16的輸出端取樣,取樣訊號為來自二次側電源模組16之正極(+)與負極(-)之電壓或電流訊號,經分壓或分流轉換成小訊號後進入該模組之一比較迴路(圖中未示)或一鉗位迴路(圖中未示)作迴授訊號處理,此迴授提供由二次側對一次側之迴授訊號,以控制輸出端所需之電能需求。
請配合參閱圖2所示,該保護裝置20包含有一電流偵測器21、一電源偵測比較模組22、一控制迴路用電源模組23、一開關元件24與一隔離器25,該控制迴路用電源模組23是與高頻變壓器13的之二次側繞組的接點電連接,以提供電源偵測比較模組22所需電源,又該控制迴路用電源模組23分別與電源偵測比較模組22及開關元件24電連接,該控制迴路用電源模組23具有整流、濾波及穩壓功能(例如包含有一整流電路、一個以上的濾波電容與一穩壓電路或一穩壓IC),該開關元件24分別與隔離器25及電源偵測比較模組22電連接;該電流偵測器21是串接於二次側電源模組16的負極(-)與負載30之間,於本較佳實施例中,該電流偵測器21是一電阻(R2),其用以偵測二次側電源模組16之負極(-)所流過的電流值,並將所偵測之電流值轉換為電壓訊號,再送至電源偵測比較模組22。
該電源偵測比較模組22具有二電源端、一控制端與一感測端,兩電源端是與提供電源的控制迴路用電源模組23電連接,該控制端是與開關元件24電連接,該感測端是與電流偵測器21電連接,藉此當電流偵測器21的電壓訊號高於該電源偵測比較模組22的一電流設定值時,即由該電源偵測比較模組22的控制端控制該開關元件24導通,以令隔離器25輸出對應訊號。
如圖2所示,該電源偵測比較模組22包含有一比較器(U3)與一電壓調整器(U4),該比較器(U3)具有一正端(+)、一負端(-)與一輸出端,該負端(-)為電源偵測比較模組22的感測端以與電流偵測器21電連接,該正端(+)是透過一電阻(R4)與電壓調整器(U4)的一端電連接,該輸出端為電源偵測比較模組22的控制端並與開關元件24電連接。該比較器(U3)主要是將電壓調整器(U4)與電流偵測器21所提供的電壓訊號作比較,適時提供輸出訊號驅動開關元件24,以執行電路的保護工作。該電壓調整器(U4)的一端是透過一限流電阻(R7)與控制迴路用電源模組23電連接,其提供電能給電壓調整器(U4)做為參考電壓源,該電壓調整器(U4)的其中一種實施方式是由稽納二極體或穩壓的積體電路所組成,用於提供比較器(U3)固定值的參考電壓,該電壓調整器(U4)的定電壓經電阻(R4)與另一電阻(R5)分壓後,供給比較器(U3)作為參考電壓。該比較器(U3)以其正端及負端的訊號比較,當發生過電流或短路時,電流偵測器21所提供的偵測訊號大於比較器(U3)的輸入參考電壓,比較器(U3)即輸出一電壓訊號以驅動開關元件24導通。
於本較佳實施例中,該開關元件24為半導體開關元件,其為一BJT、一MOSFET或一SCR。如圖2所示,該開關元件24於接近發光二極體(U2-1)處可依需求適時加入一電阻(R3)與一稽納二極體(ZD1),用以保護發光二極體(U2-1)免於燒毀。該隔離器25是一光耦合器(U2),其具有一發光二極體(U2-1)(發射端)與一光電晶體(U2-2)(接收端),該發光二極體(U2-1)的一端是分別與開關元件24及電源偵測控制模組17電連接,該發光二極體(U2-1)的另端是與控制迴路用電源模組23電連接,該光電晶體(U2-2)的兩端是分別與低電壓電源供給模組14及主控制器15電連接,藉此迴授訊號給主控制器15。於本較佳實施例中,該光電晶體(U2-2)的集極(C)是與低電壓電源供給模組14電連接,該光電晶體(U2-2)的射極(E)是與主控制器15電連接,但可依該主控制器15的類型而改以集極(C)連接主控制器15,並以射極(E)連接至接地端,本新型在此並不加以限制。
當開關元件24導通後,該控制迴路用電源模組23提供的電能可將光耦合器(U2)之發光二極體(U2-1)驅動至最大亮度輸出,發光二極體(U2-1)之最大亮度輸出訊號迴授至設於一次側的光電晶體(U2-2),經主控制器15整合所有迴授數據運算,使主控制器15停止對半導體開關151之脈衝頻率調變(PFM)或脈衝寬度調變(PWM)控制訊號的輸出,該半導體開關151因而停止動作,使該高頻變壓器13不再執行電能轉換工作,此時其二次側輸出端降至接近於零電位。
當高頻變壓器13的輸出接近於零電位時,該開關元件24依舊持續鎖定,該動作使控制迴路用電源模組23中的一電容器(C9)持續對發光二極體(U2-1)放電,直至該電容器(C9)的殘存電能耗盡為止,此時開關元件24重新關閉,位於一次側的主控制器15重新啟動並開始工作,使二次側重新獲得輸出,電流偵測器21與電源偵測比較模組22即重新偵測輸出端是否依舊為過電流或短路的故障狀態,若仍為故障狀態時,本新型之保護裝置20將再次重新啟動,直至故障問題排除時,本保護裝置20方停止工作,否則只要在交流電源輸入處於開啟狀態,本保護裝置20永遠以此方式循環,而具有自動恢復與重新啟動之功能。
綜上所述,本新型之保護裝置20具有下列優點: 1. 當偵測到過載、過電流或短路等故障問題時,即啓動保護機制,若故障問題排除時,即自動重新啟動並提供輸出電能給負載30使用。 2. 保護迴路使用材料及成本較少,僅二次側需額外增加保護電路的元件,因此電路的可靠度較高。 3. 二次側可因保護模組的啟動而立即關閉輸出電源。 4. 可利用於PFC或PWM控制器所組成的各種隔離型架構的開關電源電路。
關於本新型的第二較佳實施例,請參閱圖3所示,係與第一較佳實施例大致相同,不同的是,該主控制器15與隔離器25之光電晶體(U2-2)間連接有一迴授訊號處理模組40,該迴授訊號處理模組40用以將光電晶體(U2-2)之轉換後送至主控制器15。
關於本新型的第三較佳實施例,請參閱圖4所示,係與第一較佳實施例大致相同,不同的是,該驅動電路改為半橋驅動電路,是由一半橋驅動控制器50取代原主控制器15,另由形成串接的二半導體開關51、52取代原半導體開關151,兩半導體開關51、52的最外兩端分別連接至輸入電源模組12的正端(+)及電流偵測單元(R1),兩半導體開關51、52的串接處是連接至高頻變壓器13之一次側主繞組的另一個接點,半橋驅動控制器50的一感測接腳是連接至半導體開關52及電流偵測單元(R1)的連接處。藉此,本新型之保護裝置20可與半橋驅動電路結合,產生保護電路的功能。該電流偵測單元(R1)為一電阻,該半導體開關51、52為一MOSFET(Q1A、Q1B)。
關於本新型的第四較佳實施例,請參閱圖5所示,係與第三較佳實施例大致相同,不同的是,該輸入電源模組12的輸出端連接有一功因校正及昇壓模組60,藉由增加該功因校正及昇壓模組60以提高交換式電源供應器10的功率因數。
10‧‧‧交換式電源供應器
11‧‧‧電磁干擾濾波模組
12‧‧‧輸入電源模組
13‧‧‧高頻變壓器
14‧‧‧低電壓電源供給模組
15‧‧‧主控制器
151‧‧‧半導體開關
152‧‧‧電流偵測單元
16‧‧‧二次側電源模組
17‧‧‧電源偵測控制模組
20‧‧‧保護裝置
21‧‧‧電流偵測器
22‧‧‧電源偵測比較模組
23‧‧‧控制迴路用電源模組
24‧‧‧開關元件
25‧‧‧隔離器
30‧‧‧負載
40‧‧‧迴授訊號處理模組
50‧‧‧半橋驅動控制器
51、52‧‧‧半導體開關
60‧‧‧功因校正及昇壓模組
圖1是本新型第一較佳實施例的電路方塊圖。 圖2是本新型第一較佳實施例的電路圖。 圖3是本新型第二較佳實施例的電路方塊圖。 圖4是本新型第三較佳實施例的電路方塊圖。 圖5是本新型第四較佳實施例的電路方塊圖。
10‧‧‧交換式電源供應器
11‧‧‧電磁干擾濾波模組
12‧‧‧輸入電源模組
13‧‧‧高頻變壓器
14‧‧‧低電壓電源供給模組
15‧‧‧主控制器
151‧‧‧半導體開關
152‧‧‧電流偵測單元
16‧‧‧二次側電源模組
17‧‧‧電源偵測控制模組
20‧‧‧保護裝置
21‧‧‧電流偵測器
22‧‧‧電源偵測比較模組
23‧‧‧控制迴路用電源模組
24‧‧‧開關元件
25‧‧‧隔離器
30‧‧‧負載

Claims (10)

  1. 一種交換式電源供應器的保護裝置,包含有: 一電流偵測器,其連接至一交換式電源供應器的一輸出端,該電流偵測器用以偵測該輸出端的電流值並轉換為一電壓訊號; 一電源偵測比較模組,其與電流偵測器電連接,該電源偵測比較模組係取得電流偵測器偵測之電壓訊號,該電壓訊號大於一設定值即由電源偵測比較模組輸出一控制訊號;以及 一隔離器,其包含有一發射端與一接收端,該發射端是與電源偵測比較模組電連接,該接收端是與交換式電源供應器的一控制端電連接,該隔離器的發射端是接受前述控制訊號致動並由接收端產生一停止訊號以送至交換式電源供應器的控制端,該停止訊號用以停止該交換式電源供應器的運作。
  2. 如請求項1所述之交換式電源供應器的保護裝置,該電源偵測比較模組包含有一控制端與一感測端,該控制端是與一開關元件電連接,該開關元件的兩端分別與一電源及前述隔離器的發射端電連接,該感測端是與電流偵測器電連接。
  3. 如請求項2所述之交換式電源供應器的保護裝置,該電源偵測比較模組包含有一比較器(U3)與一電壓調整器(U4),該比較器(U3)具有一正端(+)、一負端(-)與一輸出端,該負端(-)為電源偵測比較模組的感測端以與電流偵測器電連接,該正端(+)是透過一電阻(R4)與電壓調整器(U4)的一端電連接,該輸出端為電源偵測比較模組的控制端並與開關元件電連接。
  4. 如請求項3所述之交換式電源供應器的保護裝置,該電壓調整器(U4)是一稽納二極體或一穩壓積體電路,該開關元件為一BJT、一MOSFET或一SCR。
  5. 如請求項4所述之交換式電源供應器的保護裝置,該隔離器是一光耦合器(U2),其具有一發光二極體(U2-1)與一光電晶體(U2-2),該發光二極體(U2-1)為隔離器的發射端,該光電晶體(U2-2)為隔離器的接收端。
  6. 一種交換式電源供應器,包含有一隔離型電源電路與一保護裝置,其中: 該隔離型電源電路包含有一輸入電源模組、一高頻變壓器、一二次側電源模組、一控制器與一個以上的半導體開關,該高頻變壓器分別與輸入電源模組及二次側電源模組電連接,該控制器是分別與輸入電源模組及半導體開關電連接,又半導體開關是與高頻變壓器電連接; 該保護裝置包含有: 一電流偵測器,其連接至二次側電源模組的其中一輸出端,該電流偵測器用以偵測該輸出端的電流值並轉換為一電壓訊號; 一電源偵測比較模組,其與電流偵測器電連接,該電源偵測比較模組係取得電流偵測器偵測之電壓訊號,該電壓訊號大於一設定值即由電源偵測比較模組輸出一控制訊號;以及 一隔離器,其包含有一發射端與一接收端,該發射端是與電源偵測比較模組電連接,該接收端是與控制器的一控制端電連接,該隔離器的發射端是接受前述控制訊號致動並由接收端產生一停止訊號以送至控制器的控制端,該停止訊號用以停止該控制器的運作。
  7. 如請求項6所述之交換式電源供應器,該高頻變壓器連接有一低電壓電源供給模組與一控制迴路用電源模組,該低電壓電源供給模組是與控制器及隔離器的接收端電連接,該控制迴路用電源模組是分別與電源偵測比較模組及隔離器的發射端電連接。
  8. 如請求項7所述之交換式電源供應器,該控制迴路用電源模組與隔離器的發射端之間串接有一開關元件,該開關元件的一控制端是與電源偵測比較模組電連接。
  9. 如請求項6至8中任一項所述之交換式電源供應器,該隔離型電源電路的控制器為一半橋控制器,該半橋控制器連接有二半導體開關,兩半導體開關的兩端分別連接至一電源及一電流偵測單元,又兩半導體開關的串接處是連接至高頻變壓器。
  10. 如請求項6至8中任一項所述之交換式電源供應器,該隔離型電源電路的輸入電源模組與其中一半導體開關之間連接有一功因校正及昇壓模組。
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