CN1388619A - 并联式电源供应器的失效保护装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于并联式电源供应器的失效保护装置,其包含一场效应晶体管(FET)耦合于并联式电源供应器的输出电压端与并联式电源供应器外部负载的输入电压端之间,以及一控制电路,用以迅速且精准地控制该场效应晶体管,当一正向电流自并联式电源供应器的输出电压端流向并联式电源供应器的外部负载时,驱动该场效应晶体管导通,当并联式电源供应器无法提供一正向输出电流时驱动场效应晶体管关闭,以避免反向电流回流至并联式电源供应器。

Description

并联式电源供应器的失效保护装置

本发明涉及一种应用于并联式电源供应器的失效保护装置，用以防止一反向电流自并联式电源供应器的外部流入并联式电源供应器。

为了增进电源供应系统的输出功率及可靠性，将二台或二台以上的电源供应器做并联使用的方式仍是最有效的方法。如图1所示的电源供应系统，其由两台可并联式电源供应器11与12通过一电压总线(voltage bus)13互相并联组成，而提供一综合式的电源输出。此种的电源供应系统设计方式的最主要的优点在于，万一其中一台电源供应器发生故障或无法输出电压时，另外一台可以持续地供应电源，而不影响到其它电路的工作。

然而，当二台或二台以上的电源供应器并联时，若其中一台电源供应器的输出电压基准位低于其它电源供应器的输出电压基准位或者是其中一台电源供应器发生故障时，便会产生不想要的反向电流(reverse current)自电压总线13流入至有缺陷的电源供应器，使得有缺陷的电源供应器变成其它电源供应器的负载(load)。对电源供应器而言，其本身的电能输出变成了负载，因此对电源供应系统造成相当严重的损害。

为了避免反向电流流向电源供应器的情形产生，便需要一个隔绝装置(isolation device)跨接于电源供应器的电压输出端与电压总线13之间，用以隔开电源供应器与不想要的反向电流。在图1中，二极管14与15便是常用于并联式电源供应器中用以隔绝反向电流的隔绝装置。众所熟知，二极管是单向导通的整流组件，其特性为若一正向偏压施加于二极管时，二极管导通，一正向电流自二极管的正极流经二极管的负极；反之，若一反向偏压施加于二极管时，二极管关闭。因此，二极管这种单向导通整流组件便非常适用于并联式电源供应器的设计中，作为防止反向电流回流至电源供应器的电路组件。

然而，采用二极管来防止反向电流的设计方式，却存在着一些难以克服的缺点。其最主要的缺点在于，当电流流经二极管的P-N结面(P-N junction)时，会产生相当大的功率损失。因此在实际的电路设计时，用一个晶体管开关如一场效应晶体管(FET)来取代二极管作为防止反向电流流入电源供应器的电路组件，将可降低电路的功率损失，提升电源供应器的整体效率。

尽管如此，FET是一种双向导通的电路组件，其导通与关闭的控制并非如控制二极管一般简单。因此若采用FET作为防止反向电流流入电源供应器的电路组件，便需要设计一套运作速度迅速且精确度高的控制电路来控制FET在电源供应器输出正向电流时导通，而在反向电流回流至电源供应器时关闭。

因此，本发明的目的在于提供一种应用于并联式电源供应器的失效保护装置，其以消耗较少功率的方式迅速且精准地防止一反向电流流入电源供应器。

本发明的另一目的在于提供一种电源供应系统中的反向电流保护装置，该电源供应系统是由数个电源供应器通过一电压总线互相并联所组成，用以避免当其中一台电源供应器发生故障或输出较低的电压基准位时，产生反向电流流入有缺陷的电源供应器。

根据本发明的第一较佳实施例，一种用以保护一电源供应器避免一反向电流自一负载流入电源供应器的装置是包含一晶体管开关，其一端连接于该电源供应器的一输出电压端，而其另一端连接于该负载的输入电压端；一晶体管控制电路，用以当一正向电流自该电源供应器的该输出电压端流向该负载时驱动该晶体管开关导通，而当一反向电流自该负载流向该电源供应器的该输出电压端时驱动该晶体管开关关闭。

该晶体管开关包含一场效应晶体管(FET)。上述的晶体管控制电路包含一电压比较器电路，该比较器用以比较该电源供应器的输出电压与该负载的输入电压，该电源供应器的输出电压与该负载的输入电压比较后，发出一第一控制信号；以及一任务比较器电路，该比较器用以比较代表该电源供应器的变压器的输出任务(output duty)的电压与一参考电压，并因代表变压器的输出任务的电压与该参考电压比较后，发出一第二控制信号；以及一晶体管驱动电路，用以执行该第一控制信号的状态与该第二控制信号的状态的逻辑和运算(logic AND operation)，而因该逻辑和运算的输出产生一控制信号控制晶体管开关的运作，用以防止反向电流自该负载流向该电源供应器。

此外，根据本发明的第一较佳实施例，该晶体管控制电路还包含一辅助电路，用以避免一反向电流在该电源供应器短路时流向该电源供应器。该辅助电路包含一存储元件如一电容，用以记忆该电源供应器的输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量至该电压比较器电路的比较器的反相输入端；以及一开关组件，如一二极管，用以受该存储元件的控制提供一放电回路予该存储元件放电至该电压比较器电路的比较器的反相输入端，用以驱动该电压比较器电路的比较器关闭该晶体管开关。

根据本发明的第二较佳实施例，上述的辅助电路的另一种电路设计布局可包含一存储元件如一电容，用以记忆该电源供应器的输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量，以及一闸级驱动组件，例如一双极结晶体管(BJT)，用以接受该存储元件所释放的能量而驱动该晶体管开关，当该电源供应器短路时，关闭该晶体管开关，以避免反向电流流向该电源供应器。

根据本发明第二方面的构想，一种应用于一电源供应系统的装置，其中该电源供应系统是由数个电源供应器通过一电压总线互相并联而组成，且该装置是电连接于其中一个电源供应器的一输出电压端与该电压总线之间，为避免一反向电流自该电压总线流入该电源供应器，其包含一场效应晶体管(FET)，其一端连接于该电源供应器的一输出电压端，而其另一端连接于该电压总线的一输入电压端，一电压比较器电路，该比较器用以比较该电源供应器的一输出电压与该电压总线的一输入电压，该电源供应器的输出电压与该电压总线的输入电压比较后，发出一第一控制信号；以及一任务比较器电路，该比较器用以比较代表电源供应器的变压器的输出任务(output duty)的电压与一参考电压，代表变压器的输出任务的电压与该参考电压比较后，发出一第二控制信号；以及一晶体管驱动电路，用以执行该第一控制信号的状态与该第二控制信号的状态的逻辑和运算(logic ANDoperation)，而因该逻辑和运算的输出产生一控制信号控制该场效晶体管的运作，以防止反向电流自电压总线流向电源供应器。

根据上述构想，本发明用以避免反向电流自该电压总线流入该电源供应器的装置还包含一辅助电路，其包含一存储元件如一电容，用以记忆该电源供应器的输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量至该电压比较器电路的比较器的反相输入端，以及一开关组件，如一二极管，用以受该存储元件的控制提供一放电回路予该存储元件放电至该电压比较器电路的比较器的反相输入端，以驱动该电压比较器电路的比较器关闭该场效应晶体管。

该辅助电路的另一种电路设计布局可由一存储元件与一闸级驱动组件所组成。该存储元件如一电容，用以记忆该电源供应器的输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量。该闸级驱动组件如一双极型晶体管(BJT)，用以接受该存储元件所释放的能量而驱动该晶体管开关，当该电源供应器短路时，关闭该场效应晶体管避免反向电流流向该电源供应器。

为了进一步理解本发明的优点与特征，下面结合实施例和附图作详细说明。

图1为常用的由并联式电源供应器所组成的电源供应系统的电路方块示意图；

图2为根据本发明由并联式电源供应器所组成的电源供应系统的电路方块示意图；

图3为根据本发明的第一较佳实施例的应用于电源供应系统的反向电流保护装置的电路架构示意图；

图4为根据本发明的第二较佳实施例的应用于电源供应系统的反向电流保护装置的电路架构示意图。

请参见图2，为了避免常用的电源供应器采用二极管为防止反向电流流向电源供应器而造成相当大的功率损失，在本发明中是采用一场效应晶体管(FET)开关Q1取代二极管，用以降低电路中的功率损失。如前所述，控制FET的开关操作并不如控制二极管的开关操作那样的简单。为了要控制FET开关Q1能够在正向电流(其流动方向为自晶体管Q1的源极至漏极)流经晶体管Q1时使晶体管Q1导通，而在反向电流(其流动方向为自晶体管Q1的漏极至源极)流经晶体管Q1时使晶体管Q1关闭，便要一套复杂的控制电路以控制晶体管Q1的导通与关闭操作。如图2所示，两台可并联式电源供应器21与22是通过一电压总线25互相并联，而场效应晶体管Q1与Q2分别作为并联式电源供应器21与并联式电源供应器22的反向电流保护装置。FET控制器23与24分别作为控制场效晶体管Q1与Q2的导通与关闭操作的控制电路。

关于并联式电源供应器的反向电流保护装置的场效应晶体管与其控制器的电路结构可由图3的实施例详加解说。在图3中，根据本发明的第一较佳实施例，控制晶体管Q1的控制电路包含一电压比较器电路(voltage comparatorcircuit)31、一任务比较器电路(duty comparator circuit)32、一晶体管驱动电路33以及一辅助电路34。电压比较器电路21包含一电压比较器U1，用以比较电源供应器的输出电压Vin(亦即晶体管Q1的源极电压)与电压总线的电压Vout(亦即晶体管Q1的漏极电压)。理论上，若电压总线的电压Vout大于电源供应器的输出电压Vin时，反向电流便会产生，电压比较器U1的输出状态便会变成0。电压比较器U1的输出可直接连接至晶体管Q1的栅极以驱动晶体管Q1关闭，阻止反向电流流入电源供应器。因此仅需要依靠电压比较器U1比较晶体管Q1的漏极与源极的电压差，便可迅速而准确地控制晶体管Q1于反向电流产生时关闭。

实际上，电压比较器U1本身具有所谓的偏移电压(offset voltage)存在，故电压总线的电压Vout与电源供应器的输出电压Vin之间的电压差值必须要大到足以克服电压比较器U1本身的偏移电压时，电压比较器的输出状态才会变为0以驱动晶体管Q1关闭。但是晶体管Q1本身的电阻很小，故流经晶体管Q1的反向电流值必须要足够高使得跨接于晶体管Q1的漏极与源极的电压差可克服电压比较器U1本身的偏移电压，电压比较器电路31才能够驱动晶体管Q1关闭。如此一来，仅使用电压比较器电路31控制晶体管Q1以避免反向电流回流至并联式电源供应器的操作并无法达到高精确度的设计要求，因此需要一个辅助的控制电路来弥补电压比较器U1因偏移电压无法防止微小的反向电流回流至电源供应器的缺点。

为了要能准确地控制晶体管Q1在即使反向电流很小的情况下也能够被驱动而关闭，一任务比较器电路(duty comparator circuit)32便被加入以辅助电压比较器电路31来控制晶体管Q1的导通与关闭运作。任务比较器电路22所采用的设计原理，是利用电源供应器中一项重要的系数，即变压器的输出任务(output duty)。若电源供应器有电流输出，则变压器的次级绕阻端(secondary winding)30便会有个大于零的输出任务。若电源供应器没有电流输出，则变压器的输出任务便为零。任务比较器电路22用以检测电源供应器的变压器的输出任务，而任务比较器U2是选取变压器的次级绕阻端30的尖峰充电电压(peak charging voltage)其代表变压器的输出任务与一参考电压Vref做比较(在本实施例中，该参考电压是由外界施加的电压Vcc经过由电阻R8与R9所组成的分压器分压而得)。若变压器次级绕阻的尖端充电电压(即代表变压器本身的输出任务)低于参考电压Vref时，任务比较器U2的输出状态会转变为0，驱动晶体管Q1关闭。

关于电压比较器U1与任务比较器U2控制晶体管Q1的方式，是由晶体管驱动电路33来决定。晶体管驱动电路33包含两个双极结晶体管(BJT)Q2与Q3、电阻R6与R7以及二极管D2。晶体管驱动电路33被用来提供驱动晶体管Q1切换其开关状态所需的栅极电压。晶体管驱动电路33驱动晶体管Q1的驱动能力，是由电压比较器U1的输出状态与任务比较器U2的输出状态在电路节点N1做逻辑和运算(logic ANDoperation)的输出来决定。若两比较器其中之一的输出状态为0，则Q2与Q3的基极电压便为低，Q2与Q3皆处于关闭的状态使得Q2与Q3的发射极电压为低，晶体管驱动电路33提供给晶体管Q1的栅极驱动电压(亦即Q2与Q3的射极电压)为低，晶体管Q1便关闭。若两比较器的输出状态皆为1，则Q2与Q3的基极电压便为高，Q2与Q3皆处于导通的状态使得Q2与Q3的发射极电压为高，晶体管驱动电路33提供给晶体管Q1的栅极驱动电压(亦即Q2与Q3的射极电压)为高，晶体管Q1便导通。

根据本发明的第一较佳实施例的反向电流保护装置的电路操作原理列述如下。当电源供应器开机时，由于电源供应器的输出电压较电源供应器的外部电压为高，电源供应器的变压器具有相当大的输出任务，因此电压比较器U1与任务比较器U2的输出状态皆为1，晶体管Q1导通。经过一段时间后，若是电源供应器的外部电压大于电源供应器的输出电压，则会有微小的反向电流开始产生。虽然电压比较器U1因为其本身的偏移电压之故保持其输出状态为1，但是任务比较器电路32检测变压器的输出任务降低，则变压器的次级绕阻端的尖峰充电电压下降至低于参考电压Vref的电压值，任务比较器的输出状态变为0，晶体管Q1便关闭。当电源供应器的变压器的输出任务降低之时，其输出电压也会下降，使得电源供应器的输出电压Vin与电源供应器外部的电压Vout之间的电压差提升，电压比较器U1的输出状态亦会变为0。此时，为了维持电源供应器的功率损耗，电源供应器的变压器的输出任务便会被驱动拉高，使得任务比较器的输出状态恢复为1。然而，此时晶体管Q1依然是处于关闭的状态。一旦电源供应器的输出电压提升至与电源供应器的外界电压相等时，电源供应器便可以提供一正向的输出电流，电压比较器U1的输出状态便恢复为1，晶体管Q1便导通。

关于辅助电路34的设计，其是避免当电源供应器发生短路时产生反向电流回流至电源供应器的问题。辅助电路34包含一存储元件，如电容C31。当电源供应器在正常操作时，其输出电压Vin为高，二极管D6便会导通，电源供应器的输出电压Vin便会通过二极管D6对电容C31充电。电容C31是用以记忆电源供应器的输出电压基准位。当电源供应器发生短路到地的问题时，其输出电压将会下降，二极管D6便会关闭，电容C31便经由二极管D7放电至电压比较器U1的反向输入端6。此时电压比较器U1的反向输入端6的电压基准位为高，电压比较器U1的输出状态将会变为0，驱动晶体管Q1关闭，避免反向电流流入电源供应器。

图4显示根据本发明的第二实施例的应用于并联式电源供应系统的反向电流保护装置的电路架构示意图。在图4的实施例中，变压器的次级绕阻端40、电压比较器电路41、任务比较器电路42、晶体管驱动电路43与图3实施例的变压器的次级绕阻端30、电压比较器电路31、任务比较器电路32、晶体管驱动电路33在电路结构与操作原理皆为相同。在辅助电路上面，图4的实施例的辅助电路44采用与图3的实施例的辅助电路34不相同的电路设计布局。在图4的实施例中，辅助电路44包含了一存储元件，如电容C3。当电源供应器在正常操作时，其输出电压Vin为高，二极管D7便会导通，电源供应器的输出电压Vin便会通过二极管D7对电容C3充电。电容C3是用以记忆电源供应器的输出电压基准位。当电源供应器发生短路到地的问题时，其输出电压下降，二极管D7便会关闭，电容C31便经由电阻R16放电至双极结晶体管(BJT)Q5的基极。此时Q5的基极电压基准位为高，Q5便会导通，驱动晶体管Q1关闭，避免反向电流流入电源供应器。

综上所述，本发明采用场效应晶体管(FET)作为控制反向电流回流至电源供应器的电路组件，使得电路的功率损失降低。同时配合迅速且精确的控制电路控制晶体管在电流正向流经场效应晶体管时导通，而在电流反向流入电源供应器时关闭。本发明利用一电压比较器电路比较电源供应器的外界电压是否高于电源供应器的输出电压，以驱动晶体管导通或关闭。本发明还利用一个任务比较器电路通过检测电源供应器的变压器的输出任务是否降低来判断是否电源供应器的外界电压高于电源供应器的输出电压，以避免电压比较器因为本身具有偏移电压而无法在反向电流微小的情况下驱动场效应晶体管关闭的缺点。而晶体管开关的切换动作，是由一晶体管驱动电路执行电压比较器电路的输出状态与任务比较器电路的输出状态的逻辑和运算的输出来决定以驱动晶体管导通或是关闭。本发明额外地设置一辅助电路，用以当电源供应器发生短路时，驱动场效应晶体管关闭以避免反向电流流向电源供应器。因此，本发明的反向电流保护装置不仅可降低电源供应系统的功率损失，更可迅速且精确地保护电源供应器避免在反向电流回流至电源供应器。

本发明可由熟悉本技术者加以修饰或改进，但都不能脱离本权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一装置，一种用以保护一电源供应器避免一反向电流自一负载流入该电源供应器的装置，其特征在于，它包含：

一晶体管开关，其一端连接于该电源供应器的一输出电压端，而其另一端连接于该负载的输入电压端；

一晶体管控制电路，用以控制该晶体管开关在一电流自该电源供应器流向该负载时驱动该晶体管开关导通，而在一电流自该负载流向该电源供应器时驱动该晶体管开关关闭。

2.如权利要求1的装置，其特征在于，该晶体管开关包含一场效应晶体管(FET)。

3.如权利要求1的装置，其特征在于，该晶体管控制电路包含：

一电压比较器电路，该比较器用以比较该电源供应器的一输出电压与该负载的一输入电压，该电源供应器的一输出电压与该负载的一输入电压比较后，发出一第一控制信号；

一任务比较器电路，该比较器用以比较代表该电源供应器的一变压器的一输出任务(output duty)的一电压与一参考电压，该代表该变压器的该输出任务的电压与该参考电压比较后，发出一第二控制信号；以及

一晶体管驱动电路，用以执行该第一控制信号的状态与该第二控制信号的状态的一逻辑和运算(logic AND operation)，而因该逻辑和运算的一输出产生一控制信号控制晶体管开关的运作，用以防止一电流自该负载流向该电源供应器。

4.如权利要求3的装置，其特征在于，该晶体管控制电路还包含一辅助电路，用以避免一电流在该电源供应器短路时，自该负载流向该电源供应器。

5.如权利要求4的装置，其特征在于，该辅助电路包含：

一存储元件，用以记忆该电源供应器的一输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量至该电压比较器电路的比较器的一反相输入端；

一开关组件，用以受该存储元件的控制提供一放电回路予该存储元件放电至该电压比较器电路的该比较器的该反相输入端，用以驱动该电压比较器电路的该比较器关闭该晶体管开关。

6.如权利要求5的装置，其特征在于，该存储元件包含一电容。

7.如权利要求5的装置，其特征在于，该开关组件包含一二极管。

8.如权利要求4的装置，其特征在于，该辅助电路包含：

一存储元件，用以记忆该电源供应器的一输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量；

一闸级驱动组件，用以接受该存储元件所释放的能量而驱动该晶体管开关，用以当该电源供应器短路时，关闭该晶体管开关避免一电流自该负载流向该电源供应器。

9.如权利要求8的装置，其特征在于，该存储元件包含一电容。

10.如权利要求8的装置，其特征在于，该闸级驱动组件包含一双极结晶体管(BJT)。

11.一装置，应用于一电源供应系统中，该电源供应系统由数个电源供应器通过一电压总线互相并联而组成，且该装置是电连接于其中一个该电源供应器的一输出电压端与该电压总线之间，用以避免一反向电流自该电压总线流入该电源供应器，其特征在于包含：

一场效应晶体管(FET)，其一端连接于该电源供应器的一输出电压端，而其另一端连接于该电压总线的一输入电压端；

一电压比较器电路，该比较器用以比较该电源供应的一输出电压与该电压总线的一输入电压，该电源供应器的一输出电压与该电压总线的一输入电压比较后，发出一第一控制信号；

一任务比较器电路，包含一比较器用以比较代表该电源供应器的一变压器的一输出任务(output duty)的一电压与一参考电压，该代表该变压器的该输出任务的电压与该参考电压比较后，发出一第二控制信号；以及

一晶体管驱动电路，用以执行该第一控制信号的状态与该第二控制信号的状态的一逻辑和运算(logic AND operation)，而因该逻辑和运算的一输出产生一控制信号控制该场效应晶体管的运作，用以防止一电流自该电压总线流向该电源供应器。

12.如权利要求11的装置，其特征在于，该晶体管控制电路还包含一辅助电路，用以避免一电流于该电源供应器短路时，自该负载流向该电源供应器。

13.如权利要求12的装置，其特征在于，该辅助电路包含：

一存储元件，用以记忆该电源供应器的一输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量至该电压比较器电路的比较器的一反相输入端；以及

一开关组件，用以受该存储元件的控制提供一放电回路予该存储元件放电至该电压比较器电路的该比较器的该反相输入端，用以驱动该电压比较器电路的该比较器关闭该场效应晶体管。

14.如权利要求13的装置，其特征在于，该存储元件包含一电容，而该开关组件包含一二极管。

15.如权利要求12的装置，其特征在于，该辅助电路包含：

一存储元件，用以记忆该电源供应器的一输出电压基准位，且当该电源供应器短路时，释放其所储存的能量；

一闸级驱动组件，用以接受该存储元件所释放的能量而驱动该场效应晶体管，用以于当该电源供应器短路时，关闭该场效应晶体管避免一电流自该电压总线流向该电源供应器。

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