TWI678605B - 電源適配器 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種電源適配器，其包含有變壓器、功率開關、控制電路以及電流偵測電路。變壓器包含有一次側繞組、二次側繞組以及輔助繞組。變壓器用來將輸入電壓轉換成輸出電壓。功率開關之第一端耦接於一次側繞組。控制電路耦接於功率開關之第二端，用來產生開關控制訊號，以控制功率開關之運作。電流偵測電路耦接於功率開關之第三端，用來根據有關於輔助繞組之第一電壓與參考電壓感測電流偵測電壓以提供至控制電路。

Description

電源適配器

本發明係指一種電源適配器，尤指一種可有效提升整體輸出功率之電源適配器

隨著科技的發展，電子產品種類日益增多，如行動通訊裝置、筆記型電腦、個人隨身助理、多媒體播放器等，這些電子產品皆需使用電源適配器(adaptor)來將高電壓之交流電源或直流電源轉換成符合需求的穩定直流電源，以作為進行充電或是正常運作時的電力來源。再者，為了實現為各種不同用電設備供電，通用序列匯流排電力傳輸(Universal Serial Bus Power Delivery，USB PD)標準規範提出不同輸出電壓的規格。例如，電源適配器至少可提供5伏特、9伏特、15伏特以及20伏特等輸出電壓。

為求電源適配器正常穩定的運作，通常會利用自動保護機制，以於諸如過電流、過電壓、過功率、過載、短路、等情況發生時停止電源適配器的運作，以避免內部元件或相關設備遭受損害。舉例來說，請參考第1圖，第1圖為傳統之電源適配器1之示意圖。電源適配器1包含有一變壓器10、一控制電路12、一功率開關SW1以及電阻R1。變壓器10可將一輸入電壓VI轉換成一輸出電壓VO。變壓器10包含有一一次側繞組NP、一二次側繞組NS以及一輔助繞組NA。控制電路12感測一次側繞組NP之電流流過電阻R1所產生的電流偵測電壓來執行過電流保護(over current protection)。當電流偵測電壓到達一定值時讓功率開關SW1截止或電源適配器以防止輸出端的電流過大而造成損害。然而，從另外 一個角度來看，過電流保護的機制反而會限制電源適配器的最大功率輸出，無法將輸出能量最大化。因此，習知技術實有改進的必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可有效提升整體輸出功率之電源適配器。

本發明揭露一種電源適配器，包含有：一變壓器，包含有一一次側繞組、一二次側繞組以及一輔助繞組，用來將一輸入電壓轉換成一輸出電壓；一功率開關，該功率開關之一第一端耦接於該一次側繞組；一控制電路，耦接於該功率開關之一第二端，用來產生一開關控制訊號，以控制該功率開關之運作；以及一電流偵測電路，耦接於該功率開關之一第三端，用來根據有關於該輔助繞組之一第一電壓與一參考電壓感測一電流偵測電壓以提供至該控制電路。

1、2‧‧‧電源適配器

10、20‧‧‧變壓器

12、22‧‧‧控制電路

24‧‧‧電流偵測電路

242‧‧‧比較器

244‧‧‧驅動器

26‧‧‧穩壓電路

C1、C2、CO‧‧‧電容

CS、GD、GND、Vcc‧‧‧引腳

D1、D2、DO‧‧‧二極體

GND1‧‧‧第一接地

GND2‧‧‧第二接地

ICS‧‧‧一次側繞組電流

Load‧‧‧負載

NA‧‧‧輔助繞組

NP‧‧‧一次側繞組

NS‧‧‧二次側繞組

Q1‧‧‧電晶體

R1、R2、R3‧‧‧電阻

S1‧‧‧控制訊號

S2‧‧‧驅動訊號

SW1‧‧‧功率開關

SW2‧‧‧輔助開關

VC1、VC2‧‧‧電容電壓

VCC‧‧‧電源電壓

VCS‧‧‧電流偵測電壓

VI‧‧‧輸入電壓

VO‧‧‧輸出電壓

VNA‧‧‧輔助繞組電壓

VR‧‧‧參考電壓

ZD‧‧‧齊納二極體

第1圖為傳統電源適配器之示意圖。

第2圖為本發明實施例之一電源適配器之示意圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來做為 區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的準則。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。以外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例之一電源適配器2之示意圖。電源適配器2用以提供一輸出電壓VO至一負載Load。其中，負載Load可為任何需要電力之電子產品，輸出電壓VO可做為電子產品進行充電或是正常運作時的電力來源。電源供應裝置2包含有一變壓器20、一控制電路22、一電流偵測電路24、一穩壓電路26、一功率開關SW1、一電容CO以及一二極體DO。變壓器20可將一輸入電壓VI轉換成一輸出電壓VO。變壓器20包含有一一次側繞組NP、一二次側繞組NS以及一輔助繞組NA。一次側繞組NP之第一端接收輸入電壓VI，以及一次側繞組NP之第二端耦接於功率開關SW1。二次側繞組NS之第一端耦接於二極體DO，以及二次側繞組NS之第二端耦接於一第二接地GND2。輔助繞組NA之第一端耦接於穩壓電路26，以及輔助繞組NA之第二端耦接於第一接地GND1。二極體DO之陽極耦接於二次側繞組之第一端，以及二極體DO之陰極耦接於電容CO與負載Load。電容CO之一第一端耦接於二極體DO之陰極與負載Load，電容CO之一第二端耦接於一第二接地GND2。

功率開關SW1之第一端耦接於一次側繞組NP之第二端。功率開關SW1之第二端耦接於控制電路22用以接收一控制訊號S1。功率開關SW1之第三端耦接於電流偵測電路24。功率開關SW1可依據控制訊號S1之電位來控制第一 端和第三端之間的訊號傳送路徑，以呈現導通狀態(短路)或不導通狀態(開路)。功率開關SW1可為功率電晶體。例如功率開關SW1可為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、雙載子接面電晶體(bipolar Junction Transistor，BJT)或其它具備類似功能的元件，但不以此為限。當功率開關SW1導通時，一次側繞組電流ICS流過一次側繞組NP及功率開關SW1，且一次側繞組NP會儲存能量。此時，由電容CO產生輸出電壓VO以對負載Load供電。當功率開關SW1不導通時，一次側繞組NP所儲存能量會傳遞至二次側繞組NS，以對電容CO進行供電。

控制電路22耦接於功率開關SW1、電流偵測電路24以及穩壓電路26。控制電路22包含有引腳GD、CS、Vcc及GND。控制電路22可經由引腳Vcc接收一電源電壓VCC並據以進行相關運作。控制電路22用以產生一開關控制訊號S1來控制功率開關SW1之運作。例如控制電路22可根據一電流偵測電壓VCS來產生開關控制訊號S1，以控制功率開關SW1之運作。在一實施例中，當電流偵測電壓VCS大於一第一臨限值時，控制電路22可根據電流偵測電壓VCS來產生開關控制訊號S1，以控制功率開關SW1切換至不導通狀態。在另一實施例中，當電流偵測電壓VCS大於一第二臨限值時，控制電路22可根據電流偵測電壓VCS而控制電源適配器2進行關機。

電流偵測電路24耦接於功率開關SW1之第三端以及控制電路22。電流偵測電路24可根據有關於輔助繞組NA之一第一電壓與一參考電壓VR感測出電流偵測電壓VCS。詳細來說，電流偵測電路24包含有一比較器242、一驅動器244、一輔助開關SW2以及電阻R1、R2。電阻R1之第一端耦接於功率開關SW1之第三端，且電阻R1之第二端耦接於第一接地GND1。電阻R2之第一端耦接於 功率開關SW1之第三端，且電阻R2之第二端耦接於輔助開關SW2之第一端。比較器242包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端。電流偵測電路24之比較器242可比較第一輸入端與第二輸入端所接收之訊號以產生一比較訊號。其中所述比較訊號可以是電壓訊號或電流訊號，但不以此為限。比較器242之第一輸入端用來接收有關於輔助繞組NA之一第一電壓。在一實施例中，如第2圖所示，比較器242之第一輸入端耦接於穩壓電路26，用來接收有關於輔助繞組NA之一電容電壓VC1。在此情況下，前述有關於輔助繞組NA之第一電壓為電容電壓VC1。在另一實施例中，比較器242之第一輸入端可接收輔助繞組NA之輔助繞組電壓VNA或是其他與輔助繞組NA有關之電壓訊號，也就是說前述有關於輔助繞組NA之第一電壓亦可為輔助繞組NA之輔助繞組電壓VNA或是其他與輔助繞組NA有關之電壓訊號。進一步地，比較器242之第二輸入端用來接收一參考電壓VR，且比較器242之輸出端用來輸出比較訊號。驅動器244耦接於比較器242之輸出端，用來接收比較訊號並據以產生一驅動訊號S2至輔助開關SW2。輔助開關SW2之第一端耦接於電阻R2之第二端，輔助開關SW2之第二端耦接於驅動器244，用來接收驅動訊號S2。輔助開關SW2之第三端耦接於第一接地GND1。

當比較器242之第一輸入端(非反相端)之電壓(即，有關於輔助繞組NA之第一電壓)小於或等於第二輸入端之電壓(即，參考電壓VR)時，比較器242產生比較訊號至驅動器244。驅動器244根據比較訊號產生一驅動訊號S2至輔助開關SW2，在此情況下，因應驅動訊號S2，輔助開關SW2處於不導通狀態。換言之，當有關於輔助繞組NA之第一電壓小於或等於參考電壓VR時，比較器242輸出相應比較訊號至驅動器244，以讓驅動器244據以產生相應之驅動訊號S2至輔助開關SW2，以控制輔助開關SW2處於不導通狀態。在此情況下，由於輔助開關SW2處於不導通狀態，電阻R2為開路狀態。因此，耦接於開關SW1與第一 接地GND1之間的負載電阻的總電阻值為電阻R1之電阻值。

當比較器242之第一輸入端(非反相端)之電壓(即有關於輔助繞組NA之第一電壓)大於第二輸入端之電壓(即參考電壓VR)時，比較器242產生並輸出比較訊號至驅動器244。驅動器244根據比較訊號產生驅動訊號S2至輔助開關SW2，在此情況下，因應驅動訊號S2，輔助開關SW2處於導通狀態。換言之，當有關於輔助繞組NA之第一電壓大於參考電壓VR時，比較器242輸出相應比較訊號至驅動器244，以讓驅動器244據以產生相應之驅動訊號S2至輔助開關SW2，以控制輔助開關SW2處於導通狀態。在此情況下，由於輔助開關SW2處於導通狀態，電阻R2為短路狀態。因此，耦接於開關SW1與第一接地GND1之間的負載電阻的總電阻值為電阻R1與電阻R2並聯後的並聯電阻值。由於電阻並聯後的等效電阻將小於各別電阻之電阻值，如此一來，相較於電阻R1之電阻值，耦接於開關SW1與第一接地GND1之間的負載電阻的總電阻值變小(電阻R1與電阻R2之並聯電阻值<電阻R1之電阻值)，如此一來將可容許有較大的一次側繞組電流ICS才會達到過電流保護的觸發電壓而能有效提升電源適配器2的整體功率輸出能量。

穩壓電路26耦接於輔助繞組NA以及控制電路22，用來根據輔助繞組NA之一輔助繞組電壓VNA產生一電源電壓VCC至控制電路22以及產生一電容電壓VC1至電流偵測電路24。第2圖所示，穩壓電路26包含有二極體D1及D2、電容C1及C2、齊納二極體ZD、電晶體Q1以及電阻R3。二極體D1之陽極耦接於輔助繞組NA之第一端，二極體D1之陰極耦接於電容C1、電晶體Q1、電阻R3及比較器242之第一輸入端。電容C1之第一端耦接於二極體D1之陰極及比較器242之第一輸入端，且電容C1之第二端耦接於第一接地GND1，其中電容電壓VC1為電 容C1之一跨壓，電容電壓VC1係有關於輔助繞組NA之一輔助繞組電壓VNA。電阻R3之第一端耦接於二極體D1之陰極、電容C1之第一端及比較器242之第一輸入端，電阻R3之第二端耦接於齊納二極體ZD。齊納二極體ZD之陰極耦接於電阻R3之第二端以及電晶體Q1，且齊納二極體ZD之陽極耦接於第一接地GND1。電晶體Q1之第一端耦接於二極體D2之陽極，電晶體Q1之第二端耦接於齊納二極體ZD之陰極以及電阻R3之第二端，電晶體Q1之第三端耦接於二極體D1之陰極、電阻R3之第一端及比較器242之第一輸入端。二極體D2之陽極耦接於電晶體Q1之第一端，且二極體D2之陰極耦接於控制電路22之引腳Vcc。電容C2之第一端耦接於二極體D2之陰極以及控制電路22之引腳Vcc，以輸出電源電壓VCC至控制電路22，且電容C2之第二端耦接於第一接地GND1。

在一實施例中，比較器242比較第一輸入端所接收之電容電壓VC1與第二輸入端所接收之參考電壓VR，以決定輔助開關SW2的導通與不導通。假設一次側繞組NP、二次側繞組NS以及輔助繞組NA之匝數比為35：5：15。控制電路22可承受之最大電源電壓值為40伏特。比較器242之第二輸入端耦接至一定電壓源以接收一參考電壓VR，其中參考電壓VR為40伏特。當輸出電壓VO為5伏特或9伏特時，輔助繞組NA之輔助繞組電壓VNA介於15伏特至27伏特之間以及電容電壓VC1介於15伏特至27伏特之間。此時，齊納二極體ZD尚未崩潰，電容C2之電容電壓VC2的最大值等於電源電壓VCC的最大值，其中電容C2之電容電壓VC2的最大值以及電源電壓VCC的最大值可依據下式而得：VC2=VCC=27伏特-二極體D1之順向偏壓-電晶體Q1之順向偏壓VBE-二極體D2之順向偏壓=27伏特-0.7伏特-0.7伏特-0.7伏特 =24.9伏特 (1)

由式(1)可知，電源電壓VCC的最大值為24.9伏特而沒有超出控制電路22可承受之電源電壓值。也就是說，穩壓電路26確實達到穩壓的目的。進一步地，由於電容電壓VC1介於15伏特至27伏特之間且參考電壓VR為40伏特，此時比較器242之第一輸入端之電壓(15伏特至27伏特)小於第二輸入端之電壓(40伏特)，比較器242產生並輸出低電壓準位之比較訊號至驅動器244。驅動器244根據低電壓準位之比較訊號產生一低準位之驅動訊號S2至輔助開關SW2，在此情況下，因應低準位之驅動訊號S2，輔助開關SW2處於不導通狀態。在此情況下，由於輔助開關SW2處於不導通狀態，電阻R2為開路狀態。因此，耦接於開關SW1與第一接地GND1之間的負載電阻的總電阻值為電阻R1之電阻值。

當輸出電壓VO為15伏特或20伏特時，輔助繞組NA之輔助繞組電壓VNA介於45伏特至60伏特之間以及電容電壓VC1介於45伏特至60伏特之間。此時，齊納二極體ZD崩潰導通且齊納二極體ZD之電壓維持在30伏特。在此情況下，電容C2之電容電壓VC2的最大值等於電源電壓VCC的最大值，其中電容C2之電容電壓VC2的最大值以及電源電壓VCC的最大值可依據下式而得：VC2=VCC=30伏特-電晶體Q1之順向偏壓VBE-二極體D2之順向偏壓=30伏特-0.7伏特-0.7伏特 =28.6伏特 (2)

由式(2)可知，電源電壓VCC的最大值為28.6伏特而沒有超出控制電路22可承受之電源電壓值。因此，穩壓電路26確實達到穩壓的目的。再者，由於電容電壓VC1介於45伏特至60伏特之間且參考電壓VR為40伏特，此時比較器242之第一輸入端(非反相端)之電壓(45伏特至60伏特)大於第二輸入端(反相端)之電壓(40伏特)，比較器242產生並輸出高電壓準位之比較訊號至驅動 器244。驅動器244根據高電壓準位之比較訊號產生一高準位之驅動訊號S2至輔助開關SW2，在此情況下，因應高準位之驅動訊號S2，輔助開關SW2處於導通狀態。由於輔助開關SW2處於導通狀態，電阻R2為短路狀態，耦接於開關SW1與第一接地GND1之間的負載電阻的總電阻值為電阻R1與電阻R2並聯後的並聯電阻值。由於電阻並聯後的等效電阻將小於各別電阻之電阻值，如此一來，一次側繞組電流ICS將可容許有較大的一次側繞組電流ICS才會達到過電流保護的觸發電壓而能有效提升電源適配器2整體的輸出能量。

綜上所述，本發明實施例在不影響過電流保護的條件下可因應不同輸出電壓動態調整感測電流容忍值而能有效提升電源整體的輸出功率。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。

Claims (7)

1. 一種電源適配器，包含有：一變壓器，包含有一一次側繞組、一二次側繞組以及一輔助繞組，用來將一輸入電壓轉換成一輸出電壓；一功率開關，該功率開關之一第一端耦接於該一次側繞組；一控制電路，耦接於該功率開關之一第二端，用來產生一開關控制訊號，以控制該功率開關之運作；以及一電流偵測電路，耦接於該功率開關之一第三端，用來根據有關於該輔助繞組之一第一電壓與一參考電壓感測一電流偵測電壓以提供至該控制電路，該電流偵測電路包含有：一第一電阻，該第一電阻之一第一端耦接於該功率開關之該第三端，且該第一電阻之一第二端耦接於一第一接地；一第二電阻，該第二電阻之一第一端耦接於該功率開關之該第三端；一輔助開關，該輔助開關之一第一端耦接於該第二電阻之一第二端，該輔助開關之一第二端用來接收一驅動訊號，該輔助開關之一第三端耦接於該第一接地；一比較器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，用來比較該第一輸入端與該第二輸入端所接收之訊號以產生一比較訊號，其中該第一輸入端用來接收有關於該輔助繞組之該第一電壓，該第二輸入端用來接收該參考電壓，以及該輸出端用來輸出該比較訊號；以及一驅動器，耦接於該比較器之該輸出端，用來根據該比較訊號產生該驅動訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其中當有關於該輔助繞組之該第一電壓小於該參考電壓時，該比較器產生並輸出該比較訊號，該驅動器據以產生該驅動訊號至該輔助開關以及該輔助開關因應該驅動訊號而處於不導通狀態。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其中當有關於該輔助繞組之該第一電壓大於該參考電壓時，該比較器產生並輸出該比較訊號，該驅動器據以產生該驅動訊號至該輔助開關以及該輔助開關因應該驅動訊號而處於導通狀態。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其中有關於該輔助繞組之該第一電壓為該輔助繞組之一輔助繞組電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其另包含有：一穩壓電路，耦接於該輔助繞組以及該控制電路，用來根據該輔助繞組之一輔助繞組電壓產生一電源電壓至該控制電路以及產生有關於該輔助繞組之該第一電壓至該電流偵測電路。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電源適配器，其中該穩壓電路包含有：一第一二極體，該第一二極體之一陽極耦接於該輔助繞組之一第一端，且該第一二極體之一陰極耦接於該電流偵測電路；一第一電容，該第一電容之一第一端耦接於該第一二極體之該陰極以及該電流偵測電路，且該第一電容之一第二端耦接於該第一接地，其中有關於該輔助繞組之該第一電壓為該第一電容之一跨壓；一第三電阻，該第三電阻之一第一端耦接於該第一二極體之該陰極；一齊納二極體，該齊納二極體之一陰極耦接於該第三電阻之一第二端，且該齊納二極體之一陽極耦接於該第一接地；一電晶體，包含有一第一端、一第二端以及一第三端，該電晶體之該第二端耦接於該齊納二極體之該陰極，該電晶體之該第三端耦接於該第一二極體之該陰極；一第二二極體，該第二二極體之一陽極耦接於該電晶體之該第一端，且該第二二極體之一陰極耦接於該控制電路；以及一第二電容，該第二電容之一第一端耦接於該第二二極體之該陰極以及該控制電路，且該第二電容之一第二端耦接於該第一接地。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其另包含有：一第三二極體，該第三二極體之一陽極耦接於該二次側繞組；以及一第三電容，該第三電容之一第一端耦接於該第三二極體之一陰極，該第三電容之一第二端耦接於一第二接地。