CN105991051A - 电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源装置，用以配合一外部负载。电源装置包含变压器、电源协调单元、控制单元及内部负载。变压器对应于一操作信号转换输入电压为输出电压及辅助电压，变压器具有彼此电磁耦合的第一线圈、第二线圈及辅助线圈。电源协调单元包含第一电阻、第二电阻、晶体管、二极管及电容。控制单元耦接于电源协调单元与第一线圈之间，控制单元选择性地产生操作信号。当控制单元处于保护模式时，控制单元不产生操作信号，电源协调单元通过一启动电压产生协调电流，协调电流用以供电至内部负载。

Description

电源装置

技术领域

本发明关于一种电源装置，特别是关于一种具有电源协调功能的电源装置。

背景技术

现今，于我们日常生活中所使用之电子装置的数量不断增加，如复印机、打印机、音频及视频产品、台式机及笔记本电脑。这些电子装置可通过电源供应器(Power Supply)取得电源，电源供应器提供单一或多种电子装置稳定、适当电压的电源，为不可或缺的重要功能元件之一。

电源供应器可将输入之交流市电转换为电子装置所需之直流电，如图1所示，现有之电源装置100通常具有交流/直流电源转换器200、直流/直流电源转换器300、控制单元400及内部负载500。交流/直流电源转换器200将交流电压(市电)转换为直流电压，当控制单元400处于一操作模式时，控制单元400会控制直流/直流电源转换器300进行电源转换，将直流电压再转换为内部负载500及外部负载600所需之各种直流低电压。

但是，当控制单元400处于一保护模式时，控制单元400无法控制直流/直流电源转换器300进行电源转换，若内部负载500是具有功率消耗较大的电路，则此时内部负载500无法得到适当的电力进行运作。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明之目的为提供一种电源装置，用以配合一外部负载。

应用本发明之电源装置包含变压器、电源协调单元、控制单元及内部负载。其中，变压器对应于操作信号转换输入电压为输出电压及辅助电压，变压器具有彼此电磁耦合的第一线圈、第二线圈及辅助线圈，第一线圈用以接收输入电压，第二线圈用以提供输出电压至外部负载，辅助线圈用以提供辅助电压。电源协调单元包含第一电阻、第二电阻、晶体管、二极管及电容。第一电阻耦接于输入电压与第一端点之间。晶体管的第一接脚连接至第一端点，晶体管的第二接脚连接至第二端点，辅助线圈耦接于第二端点与接地端点之间。第二电阻耦接于输入电压与晶体管的第三接脚之间。二极管耦接于第一端点与第二端点之间。电容耦接于第一端点与接地端点之间。控制单元耦接于第一端点与第一线圈之间，控制单元选择性地产生操作信号。内部负载耦接第二端点，当控制单元处于保护模式时，控制单元不产生操作信号，电源协调单元通过第一端点的启动电压产生协调电流，协调电流用以供电至内部负载。

在本发明一实施例中，当控制单元处于操作模式时，控制单元产生操作信号，使辅助线圈于第二端点产生辅助电压，电源协调单元通过辅助电压截止协调电流，且辅助电压用以供电至内部负载与控制单元。

在本发明一实施例中，控制单元包含低电压锁定单元及驱动单元。低电压锁定单元耦接至第一端点，低电压锁定单元根据第一端点的启动电压与参考电压的比较结果而产生控制信号。驱动单元耦接于低电压锁定单元与第一线圈之间，驱动单元依据控制信号而被致能或禁能，且驱动单元选择性地产生操作信号。

在本发明一实施例中，参考电压包含第一比较电压与第二比较电压，第一比较电压大于第二比较电压，当启动电压大于或等于第一比较电压时，控制信号致能驱动单元，当启动电压小于或等于第二比较电压时，控制信号禁能驱动单元。

在本发明一实施例中，电源装置还包含开关单元。开关单元耦接于驱动单元与第一线圈之间，驱动单元选择性地传送操作信号至开关单元。

在本发明一实施例中，当控制单元处于操作模式时，驱动单元依据反馈信号及感测信号传送操作信号至开关单元，反馈信号系对应于输出电压，感测信号对应于流经第一线圈的电流。

在本发明一实施例中，晶体管为N型金属氧化物半导体场效晶体管，第一接脚为N型金属氧化物半导体场效晶体管的栅极，第二接脚为N型金属氧化物半导体场效晶体管的源极，第三接脚为N型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极。

在本发明一实施例中，二极管的阴极耦接第一端点，二极管的阳极耦接第二端点。

在本发明一实施例中，第一电阻的电阻值大于第二电阻的电阻值。

承上所述，本发明之实施例提供一种电源装置，藉由电源协调单元的配置，使得当控制单元处于保护模式时，电源协调单元可产生稳定的协调电流，以供电内部负载。当控制单元处于操作模式时，辅助电压可供电至内部负载，且协调电流可通过辅助电压而被截止，并通过将协调电流截止而不会影响控制单元于操作模式时的电路运作。故，通过此种配置将可以实现提供一种具有电源协调功能的电源装置。

附图说明

图1是现有电源装置的示意图；

图2是本发明第一实施例的电源装置的示意图；

图3是本发明第一实施例当控制单元处于操作模式时启动电压的波形图；

图4是本发明第一实施例当控制单元处于保护模式时启动电压的波形图；

图5是本发明第二实施例的电源装置的示意图。

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例之一种电源装置，其中相同的构件、元件将以相同的元件符号加以表示以及说明。

请参照图2，图2是本发明第一实施例的电源装置的示意图。电源装置1用以配合一外部负载2。电源装置1包含变压器3、电源协调单元4、控制单元5及内部负载6。

于第一实施例中，变压器3对应于一操作信号S1而转换输入电压Vi为输出电压Vo及辅助电压Va，变压器3具有彼此电磁耦合之第一线圈L1、第二线圈L2及辅助线圈L3，第一线圈L1用以接收输入电压Vi，第二线圈L2用以提供输出电压Vo至外部负载2，辅助线圈L3用以提供辅助电压Va。输入电压Vi可为一直流电压，此直流电压可通过电源装置1内的桥式整流器(图未显示)将交流电压(市电)整流后而取得。

电源协调单元4包含第一电阻R1、第二电阻R2、晶体管Q1、第一二极管D1及第一电容C1。第一电阻R1耦接于输入电压Vi与第一端点N1之间。晶体管Q1的第一接脚连接至第一端点N1，晶体管Q1的第二接脚连接至第二端点N2，辅助线圈L3耦接于第二端点N2与接地端点G1之间。第二电阻R2耦接于输入电压Vi与晶体管Q1的第三接脚之间。第一二极管D1耦接于第一端点N1与第二端点N2之间。第一电容C1耦接于第一端点N1与接地端点G1之间。

控制单元5耦接于第一端点N1与第一线圈L1之间，且控制单元5选择性地产生操作信号S1。操作信号S1可为一脉宽调制(Pulse-widthmodulation,PWM)信号，并用以控制变压器3的输出电压Vo及辅助电压Va。通过改变操作信号S1的频率，可调整输出电压Vo及辅助电压Va的大小。

内部负载6耦接第二端点N2。内部负载6可为电源装置1的保护电路或其他额外应用，故本领域技术人员可经由设计不同的内部负载6，以扩增电源装置1的功能。

当控制单元5处于保护模式时，控制单元5不产生操作信号S1，电源协调单元4可通过第一端点N1之启动电压Vs产生协调电流Ic，协调电流Ic可用以供电至内部负载6。

详细而言，控制单元5的保护模式可能会因为电源装置1的应用异常而被触发，应用异常的情况可例如为：电路温度过高、内部或外部电路短路、输出电压过高或一次侧的感应电流过高等情形。当控制单元5处于保护模式时，控制单元5不会产生操作信号S1，因此变压器3无法将输入电压Vi转换为输出电压Vo及辅助电压Va，此时变压器3无法通过辅助电压Va提供电力给内部负载6。在此情况中，藉由输入电压Vi于第一电阻R1所产生的电流对第一电容C1充电，以于第一端点N1产生启动电压Vs，启动电压Vs可用以供电至控制单元5，且第一二极管D1可通过启动电压Vs形成逆向偏压，晶体管Q1亦可通过启动电压Vs形成导通状态。当晶体管Q1处于导通状态时，电源协调单元4可产生流经第二电阻R2的协调电流Ic，由于第一二极管D1处于逆向偏压状态，此协调电流Ic会流至内部负载6。因此，在控制单元5处于保护模式时，电源协调单元4可通过协调电流Ic供电至内部负载6。

当控制单元5处于操作模式时，控制单元5可产生操作信号S1，使辅助线圈L3于第二端点N2产生辅助电压Va，电源协调单元4通过辅助电压Va截止协调电流Ic，且辅助电压Va用以供电至内部负载6与控制单元5。

详细而言，在控制单元5处于操作模式时，亦即电源装置1处于正常供电状态，控制单元5可产生操作信号S1，以控制变压器3将输入电压Vi转换为输出电压Vo及辅助电压Va。此时，辅助线圈L3可于第二端点N2产生大于启动电压Vs之辅助电压Va，第一二极管D1可通过辅助电压Va形成顺向偏压，且晶体管Q1亦可通过辅助电压Va形成截止状态。当晶体管Q1处于截止状态时，协调电流Ic亦同时被截止。因此，在控制单元5处于操作模式时，变压器3可通过辅助电压Va供电至内部负载6，辅助电压Va亦可通过第一二极管D1处于顺向偏压状态而对控制单元5供电。

如图2所示，晶体管Q1可为一N型金属氧化物半导体场效晶体管(N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，第一接脚可为N型金属氧化物半导体场效晶体管的栅极，第二接脚可为N型金属氧化物半导体场效晶体管的源极，第三接脚可为N型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极。第一二极管D1的阴极可耦接第一端点N1，第一二极管的阳极可耦接第二端点N2。

在本实施例中，第一电阻R1的电阻值可大于第二电阻R2的电阻值，第一电阻R1的电阻值可为百万欧姆等级(如：MΩ等级)，第二电阻R2的电阻值可为千欧姆等级(如：KΩ等级)，但本发明并不以此为限。

如图2所示，控制单元5可包含低电压锁定单元50及驱动单元52。低电压锁定单元50耦接至第一端点N1，低电压锁定单元50根据第一端点N1之启动电压Vs与一参考电压的比较结果而产生控制信号S2。驱动单元52耦接于低电压锁定单元50与第一线圈L1之间，驱动单元52可依据控制信号S2而被致能或禁能，且驱动单元52选择性地产生操作信号S1。

图3是本发明第一实施例当控制单元处于操作模式时启动电压的波形图，图4是本发明第一实施例当控制单元处于保护模式时启动电压的波形图。请同时参照图3及图4，纵轴为启动电压Vs，横轴为时间，参考电压可包含第一比较电压V1与第二比较电压V2，第一比较电压V1大于第二比较电压V2。当启动电压Vs大于或等于第一比较电压V1时，控制信号S2会致能驱动单元52。当启动电压Vs小于或等于第二比较电压V2时，控制信号S2会禁能驱动单元52。第一比较电压V1可为16伏特，第二比较电压V2可为10伏特，但本发明不以此为限。

如图3所示，藉由输入电压Vi于第一电阻R1所产生的电流对第一电容C1充电，使得第一端点N1产生启动电压Vs。当启动电压Vs随着时间持续升高，使启动电压Vs上升至第一比较电压V1时，低电压锁定单元50会产生致能状态的控制信号S2，以致能驱动单元52，驱动单元52被启动并开始消耗启动电压Vs所提供的电力。此时，控制单元5处于操作模式，故驱动单元52可产生操作信号S1，以控制变压器3将输入电压Vi转换为输出电压Vo及辅助电压Va。因此，在控制单元5处于操作模式的期间，启动电压Vs可通过辅助电压Va持续提供电力至第一电容C1，以维持稳定的电压。

如图4所示，当启动电压Vs随着时间持续升高，使启动电压Vs上升至第一比较电压V1时，低电压锁定单元50会产生致能状态的控制信号S2，以致能驱动单元52，驱动单元52被启动并开始消耗启动电压Vs所提供的电力。此时，控制单元5处于保护模式，驱动单元52不会产生操作信号S1，故变压器3无法将输入电压Vi转换为输出电压Vo及辅助电压Va。在此情况下，由于不具有辅助电压Va，启动电压Vs会因驱动单元52开始消耗电力而下降。接着，当启动电压Vs随着时间持续下降，使启动电压Vs下降至第二比较电压V2时，低电压锁定单元50会产生禁能状态的控制信号S2，以禁能驱动单元52，驱动单元52被关闭并停止消耗启动电压Vs所提供的电力。此时，通过输入电压Vi对第一电容C1充电，启动电压Vs会再次地上升。因此，在控制单元5处于保护模式的期间，启动电压Vs会形成持续震荡的三角波。

基此，在控制单元5处于保护模式时，晶体管Q1通过启动电压Vs而形成导通状态，电压协调单元4并通过启动电压Vs产生供电至内部负载6的协调电流Ic。当控制单元5由保护模式转换为操作模式时，晶体管Q1通过辅助电压Va而形成截止状态，使协调电流Ic同时被截止，由于协调电流Ic被截止，因此协调电流Ic并不会影响控制单元5于操作模式时的运作，变压器3可通过辅助电压Va供电至内部负载6，且启动电压Vs可藉由辅助电压Va提供控制单元5稳定的电压。

请参照图5，图5是本发明第二实施例的电源装置的示意图，图5与图1相同之元件以相同符号标示。电源装置1可为一反激式电源供应器(Flyback Power Supply)，但本发明不以此为限，电源装置1亦可为正激式转换器(Forward Power Supply)或其他类型的电源供应器。

如图5所示，于第二实施例中，电源装置1还可包含开关单元7、第一输出单元8及第二输出单元9。开关单元7耦接于驱动单元52与第一线圈L1之间，驱动单元52选择性地传送操作信号S1至开关单元7。开关单元7可为一金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)、一双极结型晶体管(Bipolar JunctionTransistor，BJT)或一绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolartransistor，IGBT)，本发明不以此为限。

第一输出单元8耦接第二线圈L2与外部负载2之间，第一输出单元8可用以提供输出电压Vo至外部负载2，且第一输出单元8可包含第二电容C2及第二二极管D2。

第二输出单元9耦接辅助线圈L3与第二端点N2之间，第二输出单元9可用以提供辅助电压Va至内部负载6，且第二输出单元9可包含第三电容C3及第三二极管D3。第三电容C3耦接于第二端点N2与接地端点G1之间，且第三电容C3可通过协调电流Ic或辅助线圈L3产生之能量进行充电，以对内部负载6供电。

当控制单元5处于操作模式时，驱动单元52可依据一反馈信号Sfb及一感测信号Scs传送操作信号S1至开关单元7，反馈信号Sfb对应于输出电压Vo，感测信号Scs对应于流经第一线圈L1之电流。

基于上述，在控制单元5处于操作模式时，驱动单元52会依据反馈信号Sfb及感测信号Scs而传送操作信号S1至开关单元7，以控制变压器3的运作。操作信号S1可为一脉宽调制信号，当开关单元7反应于驱动单元52所产生之脉宽调制信号而导通(turned on)时，输入电压Vi会跨接于变压器3的第一线圈L1，使第一线圈L1的电感电流线性地增加而进行储能。此时，由于第二二极管D2会形成逆向偏压，所以变压器3的第二线圈L2将无电流流通。另外，变压器3的辅助线圈L3也无电流流通。

另一方面，当开关单元7反应于驱动单元52所产生之脉宽调制信号而关闭(turned off)时，基于楞次定律(Lenz's law)，变压器3之第一线圈L1所储存的能量会转移至第二线圈L2与辅助线圈L3。此时，由于第二二极管D2处于顺向偏压而导通，所以转移至变压器3的第二线圈L2的能量将会对第二电容C2进行充电，并且供应输出电压Vo给外部负载2。另外，转移至变压器3之辅助线圈L3的能量将会对第三电容C3进行充电，并供应辅助电压Va给内部负载6。

由此可知，在控制单元5处于操作模式时，基于控制单元5所产生之操作信号S1(脉宽调制信号)而交替地导通与关闭开关单元7的运作方式，电源装置1可持续地供应输出电压Vo与辅助电压Va。

当控制单元5处于保护模式时，由于驱动单元52不传送操作信号S1至开关单元7，变压器3无法提供输出电压Vo及辅助电压Va，因此辅助电压Va无法供电至内部负载6。此时，启动电压Vs的波形图为三角波(如图4所示)，启动电压Vs使第一二极管D1形成逆向偏压，且晶体管Q1的栅极与源极之间亦形成导通状态。当晶体管Q1通过启动电压Vs而形成导通状态时，输入电压Vi于第二电阻R2上产生协调电流Ic，且协调电流Ic可提供电力至内部负载6。

在控制单元5处于保护模式时，若第一电阻R1的电阻值大于第二电阻R2的电阻值，则由第二电阻R2所产生协调电流Ic会大于由第一电阻R1所产生的电流。故在此情况下，藉由原本流经第一电阻R1的小电流而产生流经第二电阻R2的大电流(协调电流Ic)，电源协调单元4的配置产生了电流放大的效果，并通过大电流(协调电流Ic)提供稳定的电力至内部负载6。

综上所述，本发明实施例之电源装置，藉由电源协调单元的配置，使得当控制单元处于保护模式时，电源协调单元可产生稳定的协调电流，以供电内部负载。当控制单元由保护模式转换为操作模式时，变压器所产生辅助电压可供电至内部负载，且协调电流可通过辅助电压而被截止，并藉由将协调电流截止而不影响控制单元于操作模式时的电路运作。故，通过此种配置将可以实现提供一种具有电源协调功能的电源装置。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范围，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于权利要求的范围中。

Claims (9)

1.一种电源装置，用以配合外部负载，其特征在于，所述电源装置包含：

变压器，对应于操作信号转换输入电压为输出电压及辅助电压，所述变压器具有彼此电磁耦合的第一线圈、第二线圈及辅助线圈，所述第一线圈用以接收所述输入电压，所述第二线圈用以提供所述输出电压至所述外部负载，所述辅助线圈用以提供所述辅助电压；

电源协调单元，包含：

第一电阻，耦接于所述输入电压与第一端点之间；

晶体管，所述晶体管的第一接脚连接至所述第一端点，所述晶体管的第二接脚连接至第二端点，所述辅助线圈耦接于所述第二端点与接地端点之间；

第二电阻，耦接于所述输入电压与所述晶体管的第三接脚之间；

二极管，耦接于所述第一端点与所述第二端点之间；及

电容，耦接于所述第一端点与所述接地端点之间；

控制单元，耦接于所述第一端点与所述第一线圈之间，所述控制单元选择性地产生所述操作信号；以及

内部负载，耦接所述第二端点，当所述控制单元处于保护模式时，所述控制单元不产生所述操作信号，所述电源协调单元通过所述第一端点的启动电压产生协调电流，所述协调电流用以供电至所述内部负载。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，当所述控制单元处于操作模式时，所述控制单元产生所述操作信号，使所述辅助线圈于所述第二端点产生所述辅助电压，所述电源协调单元通过所述辅助电压截止所述协调电流，且所述辅助电压用以供电至所述内部负载与所述控制单元。

3.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述控制单元包含：

低电压锁定单元，耦接至所述第一端点，所述低电压锁定单元根据所述第一端点的所述启动电压与参考电压的比较结果而产生控制信号；以及

驱动单元，耦接于所述低电压锁定单元与所述第一线圈之间，所述驱动单元依据所述控制信号而被致能或禁能，且所述驱动单元选择性地产生所述操作信号。

4.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于，所述参考电压包含第一比较电压与第二比较电压，所述第一比较电压大于所述第二比较电压，当所述启动电压大于或等于所述第一比较电压时，所述控制信号致能所述驱动单元，当所述启动电压小于或等于所述第二比较电压时，所述控制信号禁能所述驱动单元。

5.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于，还包含：

开关单元，耦接于所述驱动单元与所述第一线圈之间，所述驱动单元选择性地传送所述操作信号至所述开关单元。

6.根据权利要求5所述的电源装置，其特征在于，当所述控制单元处于操作模式时，所述驱动单元依据反馈信号及感测信号传送所述操作信号至所述开关单元，所述反馈信号对应于所述输出电压，所述感测信号对应于流经所述第一线圈的电流。

7.根据权利要求1或3所述的电源装置，其特征在于，所述晶体管为N型金属氧化物半导体场效晶体管，所述第一接脚为所述N型金属氧化物半导体场效晶体管的栅极，所述第二接脚为所述N型金属氧化物半导体场效晶体管的源极，所述第三接脚为所述N型金属氧化物半导体场效晶体管的漏极。

8.根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于，所述二极管的阴极耦接所述第一端点，所述二极管的阳极耦接所述第二端点。

9.根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于，所述第一电阻的电阻值大于所述第二电阻的电阻值。