TWI238591B - Power supply capable of providing stable procedure-controlled power output - Google Patents

Description

1238591 五、發明說明Q) ''" ---- 發明所屬之技術領域： 本=明係一種可提供穩定程序控制電源輸出之電源供 二―曰種藉由將箝制電路（Clamping Circuit)與變 二大側相連接，使金氧半場效電晶體在〇ff狀態時， =·所承受之高壓，可透過該箝制電路（clamping circuit)得以先行箝制，使得金氧半場效電晶體承受之高 電壓降低，以增加金氧半場效電晶體之可靠度。 先前技術： 按’一般待測物廣泛使用交換式電源供應器 (swi tching power supply )提供所需電源，在傳統上提 供待測物所需之電源供應器多是用線性式電源供應器。線 性式電源供應器常用於可提供定電壓或定電流的電源供應 器中’並且提供如低漣波雜訊（L〇w ripple noise)、低 、避干援、L ο ϊ; Ε Μ I )、良好滿節特.性與容易控制等多項 優點。雖然線性式電源供應器已在市場上廣為一般使用者 所接受，但它仍有一些缺點，如：功率損耗大與電源效率 低。再者，由於電源供應器的體積龐大且效率不高，因此 利用父換式技術（switching-mode technique)來製作電 源供應器已成為必然之趨勢，並以此提供電源密度和電源 效率。 傳統的交換式電源供應器，請參閱第1圖所示，係利 用迴路的導通及戴止反覆變化時，將輸入電壓整流濾波後 之直流電壓做一定的頻率切換，其結果再加以濾波，即可

1238591 五、發明說明（2) 得到一固定的輸出電壓，而非隨程序控制而變動之電壓輸 出。 一般而言，交換式電源供應器都是屬於高頻的電子裝 置，其工作頻率目前大部份處於20KHz至200 KHz之間。在 系統電路中，其功率開關，如電晶體或金氧半場效電晶體 (MOSFET)，會工作於飽和（Saturation)與戴止（Cut o f f )之特性區域中。而傳統的線性式電源供應器通常使 用工作在線性區域的電晶體，用它來做變阻器，以調節不 穩定的輸入電壓。在這種型式的電路中，被動元件必須承 受隨負載而改變的電流，一旦輸入電壓發生變化或是負載 突然增加，則被動元件所消耗的功率也隨之變化或增加。 因此，整個系統損失之功率也隨之提高，而效率則隨之下 降。然而交換式電源供應器並非完全工作於線性區域之 中，所以，即使輸入電壓範圍變化甚廣、負載變化甚大， 仍可獲得比線性式電源供麾器更高之效率。 再者，請參照第2圖所示，其為返馳式（Flyback)電源 電路，由於它的變壓器又兼作輸出儲能電感使用，且次級 端僅需一個二極體D1，而C1主要係用來調整電源供應器的 功率因數，。 再者’由PW Μ 1C、Q1 'T1組成之p〇Wer stage，主要係 藉由PWM 1C控制Q1電子開關的導通與否，再配合次級側的 二極體D1和電容C 0，而得到DC電壓的輸出，惟因電晶體Q 1 導通時，變壓器T 1之初級側會有初級電流流過，不過由於 變壓器T1之初級側與二次側之極性係相反，使二極體D丨會

第6頁 1238591 五、發明說明（3) 被逆向偏壓，而無能量輸出，進而無法經回授電路來控制 PWM I C之開閉週期；更因電流皆儲存在變壓器叮1中，造成 變壓器T1之損耗大。 此外，該變壓器之初極或連接有一箝制電路 (C 1 am p i n g C i r c u i t )，以箝制經過電流之電壓，但由於初 級電流電壓較高，故會造成效率較原來低外，更因箝制電 路（Clamping Circuit)元件必須耐高壓，所以成本較一般 高。 請參照第3圖所示，其為順向式（F 〇 r w a r d)電源電路， 其與返馳式電路的主要差別在於Power s t age的次級側部 分，順向式多用了一個肖特基二級體和電感，當Q 1截止 時，隔離變壓器T1之繞組上的電壓極性會反轉，使得D2二 極體變成逆向偏壓而不導通，而D3二級體則處於導通狀 態，此時負載端之能量，則由L 0和C 0所儲存的能量經由D 3 來供給。因此在顋向弍電路拓樸中；LG和C0除了作為低通 濾波器之外，亦為一儲能元件。在元件的採用上和 Flyback電路大同小異，然而由於在電晶體Q2關閉（OFF)時 來自T1初級側的反向電壓會和C0上的輸出電壓相累積而成 為兩倍的輸出電壓，故Q1的耐壓有高達800V以上，且該順 向式（Forward)電源電路雖可使流經變壓器初級側及次級 側的電流較小，因此變壓器的銅損小，但變壓器增加第三 繞組，進而增加成本。

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五、發明說明（4) 發明内容： 發明人有鑑於前述傳統 入電壓發生變化或是負載突 功率也隨之變化或增加，造 提兩，而效率則隨之下降等 之製造經驗和技術累積，針 的方法，在經過不斷的研究 計出本發明之一種可提供穩 應器的發明，該電源供應器 制電路（Clamping Circuit) Circuit)可將金氧半場效電 感所產生之高電壓與瞬間儲 放’使得金氧半場效電晶體 氧半場效電晶體之可靠度。 的線性式電源供應器，一旦輸 然增加，則被動元件所消耗的 成整個系統損失之功率也隨之 缺點’乃依其從事電源供應器 對上述缺失悉心研究各種解決 實驗與改良後，終於開發設 定程序控制電源輸出之電源供 之變壓器二次側相連接有一箝 ，俾該箝制電路（Clamping 晶體OFF時因該變壓器磁漏電 存於該變壓器之能量得以釋 承受之高電壓降低，以增加金 本發明之一目的，係本發明之可提供穩定程序控制電 源輸出之電源供應器之直流輸出端設有一差動程序控制 I C ’俾透過該差動程序控制IC之比對功能，將直流輸出端 之輸出電壓與一預先設定之電壓/時間v (t)程序相比對， 並將比對後之差異經由一光揭合器（Opto Coupler)傳送到 一脈波寬度調節積體電路（PWM 1C)，令該脈波寬度調節積 體電路依據此差異控制該電源供應器輸入端之一金氧半場 效電晶體（M0SFET )的切換（ON-OFF)負載週期，令調節流 入該電源供應器之一變壓器初級側之輸入電源的電流切換 (ON-OFF)時間，進而使該電源供應器之直流輸出端能提供

• I 1238591 fi、發明說明（5) " 一 ^ ---- 預先设定之程序控制穩定電流之輸出。 本發明之再一目的，係本發明之可提供穩定程序控制 電源輸出之電源供應器設有一分壓電路，該分壓電路與該 電源供應器輸入端整流/濾波電路之直流電源相連接，該" 分壓電路並連接至脈波寬度調節積體電路晶片輸入端，/俾 當施於OVRV之電壓因AC電源過高而超過設定值時，㈣”可 使金氧半場效電晶體關閉（〇f f暫停作業），而使該電源 供應器獲得保護，避免遭受高電壓之破壞，同時可提供變 壓器初級側驅動電路所需之偏壓電路。 本發明之另一目的，係本發明之可提供穩定程序控制 電源輸出之電源供應器設有一緩衝電路（Snubber Circuit)，該緩衝電路（Snubber Circuit)與該金氧半場 效電晶體相連接，該緩衝電路（Snubber Circui t)可防止 因變壓器在金氧半場效電晶體關閉（SWITCH OFF )時，因 變赛器初鈒側電壓反向造成之脈衝高壓可能對金氧半場效 電晶體擊穿破壞，其工作原理為當金氧半場效電晶體〇FF 時，將變壓器初級側所產生之高壓脈？，藉由一電容充 電’而可以減緩瞬間產生的電壓變化，以保全金氧半場效 電晶體及減低磁波干擾訊號之產生；當金氧半場效電晶體 啟動（ON)時’該二極體呈順向偏壓原貯存於電容的能量因 經電容放電，將原本因為脈衝電流所貯存於電容能量消耗 掉。 /

1238591 五、發明說明（6) ' 賁施方式： 本發明係一種可提供穩定程序控制電源輸出之電源供 應器，請參閱第4、5圖所示，該電源供應器2〇主要包括有 一整流/減波電路2〗、一變壓器22 '一二次渡波電路以及 一直流輸出端24，其中該整流/濾波電路21連接至一市電 之交流（AC)電源31，利用其電容C2及電感u構成之全波 整流/遽波電路’將AC電源3 1予以整流及濾波，而獲得一 較穩定之直流電源，而該變壓器22連接至該整流/濾波電 路2 1 ’令其將整流及渡波後，並將程序控制切換電路調變 之交流電源降低其電壓值，經該二次濾波電路2 3之二次濾 波，由該直流輸出端24輸出直流電。 另，請參閱第4、5圖所示，該電源供應器20之直流輸 出端24與二次濾波電路23之間設有一差動程序控制IC25， 俾透過該差動程序控制I C2 5之比對功能，將直流輸出端24 i输出電壓與-顸先設定之電壓/時問V (t)程序控制相比 對，並將比對後之差異經由一光藕合器（Opto Coupler)26 傳送到一脈波寬度調節控制晶片（PWM IC ) 27，令該脈波 寬度調節控制晶片（PWM 1C ) 27依據此差異控制該整流/ 濾波電路2 1與該變壓器2 2間之一金氧半場效電晶體 (M0SFET ) 28的波形負載週期，令調節流入該變壓器22初 級側之輸入電源的電流切換（0N —OFF )比例，進而使該電源 供應器20之直流輸出端24能提供依原設定之電壓波形輸 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該電源供應器

第10頁 1238591 五、發明說明（7) -一~〜 20成有分壓電路29’該分壓電路29與該電源供應器輸入 端的整流/濾波電路2 1相連接，該分壓電路2 9並連接至脈 波寬度調節控制晶片（PffM IC ) 27之〇VRV端，該分壓電路 2 9 I將整流/濾波電路2丨之DC電源電壓傳送至該脈波寬度 調節控制晶片（PWM 1C ) 27，俾當OVRV之電壓因AC電源過 尚，而使整流後之DC電壓超過設定值時，〇vrv可使金氧半 場效電晶體28關閉（〇f f )，而使該電源供應器2〇獲得保 護，避免遭受高電壓之破壞。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該電源供應器 20設有一緩衝電路（Snubber Circuit)210，該緩衝電路 (Snubber Circuit)210 由電容 C4、電阻R3、R1 及二極體 D3 (Diode)所組成，該緩衝電路（Snubber circuit)210與該 金氧半場效電晶體（M0SFET)28相連接，該緩衝電路 (Snubber Circuit )210可防止因變壓器22在金氧半場效電 晶體（M0SFET )28關閉（OFF )時，因電壓反向造成之脈衝 電流與高電壓；當金氧半場效電晶體（M0SFET) 2 8 OFF時， 此時二極體為逆向偏壓，將變壓器22初級側22b所產生之 高壓脈衝，藉由一電容C4充電，以吸收該脈衝電流；當金 氧半場效電晶體（MOSFET)28開啟（ON)時，該二極體D3呈順 向偏壓且該電容C4進行放電，將脈衝電流能量消耗掉，以 保全金氧半場效電晶體（M0SFET)28及減低電磁波（EMI )干 擾訊號之產生。 在本發明中，復請參閱第4 .、5圖所示，該電源供應器 2〇設有一箝制電路（(：1311^11^(^1^1^1:)211，藉由變壓器

第11頁 1238591 五、發明說明（8) 交鏈，該箝制電路（Clamping Circuit)211與談够 壓器22之二次側相以，俾該籍制電路（ciaroping與切

Ci=cui t)21 1可將金氧半場效電晶體28〇Fft時產生之高 因=變壓器22磁漏、電感產生與儲存於該變壓器以藉 通交鏈之立即反應而將能量釋放，使得金氧半場效電 28承受之高電壓降低，以增加金氧半場效電晶體“之 度。 4 * 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該箝制電路 (Clamping Circuit)211之能量釋放方式，係在金氧半 效電晶體28 OF F時，其一二極體由原先之逆向偏壓變成順 向’而稽納二極體（Zener Diodes)則為逆向偏壓，使得其 能在超過逆向額定參考電壓時，稽納二極體（Zener 八

Diodes)自身放電而將能量釋放及消除，同時，可以免除 變壓器22產生飽和。 ” 在本發明中，復請參閲第4、5圖所示，該變壓器22之 初級側之a端接到該整流/濾波電路2 1之後的正端，而整流 後之負端接到共同地端。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該變壓器22之 初級側之22b端接到金氧半場效電晶體（M0SFET) 28之沒極 (Drain)，而金氧半場效電晶體28主要作用在於將直流電 壓截波。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該變壓器22之 次級側接到該二次濾波電路2 3，該二次濾波電路2 3包含一 二極體（Diode)30及一濾波電容32。

第12頁 1238591 五、發明說明（9) 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該脈波寬度調 節控制晶片（PWM 1C) 27之驅動電力，是由該.整流/濾波 電路21透過降壓及穩壓電路電阻R12 、電容C7及稽納二 極體（Zener Diodes)Zl所提供，使輸入該脈波寬度調節控 制晶片（PWM 1C) 27之驅動電力的電壓Vcc保持恆定並持 績。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該脈波寬度調 郎控制晶片（PWM 1C) 27係藉由電阻R5固定其頻率。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，輪入AC電壓之 過電壓保護是由電阻Rll(a、b)、電容C1及電阻R12所構成 之分壓電路29，經電阻Rlla'Rllb之連接點之電壓接至該 脈波寬度調節積體電路（PWM 1C ) 27之OVRV所控制，俾當 OVRV之電壓因AC電源31過高而超過設定值時，OVRV可使金 氧半場效電晶體（MOSFET ) 28關閉（SWITCH OFF )，而使 該電源供應器20獲得保護。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，脈波寬度調節 控制晶片（PWM 1C ) 27上之PDRV及NDRV透過電阻R1 〇a、 R 10b將脈波寬度調節控制晶片（PWM 1C ) 27之ON、OFF電 壓波形上升及下降斜率控制，並將脈波寬度調節積體電路 (PWM 1C) 27訊號輸出至金氧半場效電晶體（M0SFET)28之 閘極，使通過源極（Source)到沒極（Drain)及該變壓器22 初級側之電流受到閘極電壓信號之控制。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，通過金氧半場 效電晶體（M0SFET)28之電流，流經電阻R4產生之偏壓輸入

第13頁 1238591 五、發明說明（ίο) 至脈波寬度調節控制晶片（PWM IC ) 2 7之電流偵測端 ILMT，由ILMT預設之容許電壓值使脈波寬度調節控制晶片 2 7產生過電流保護之功能，以避免金氧半場效電晶體 (MOSFET)28及變壓器22負載電流過大。 在本發明中，復請參閱第4、5圖所示，該變壓器22可 以為一環型變壓器，令其具有增加磁能轉換效率、減少磁 漏之優點。

以上所述，僅為本發明最佳具體實施例，惟本發明之 構造特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明領 域内，可輕易思及之變化或修飾及減少部分電路功能 ，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

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Claims (1)

1238591 六、申請專利範圍 申請專利範圍： 1 · 一種可提供穩定程序控制電源輸出之寫源供應 。’該電源供應器主要包括有一整流/濾波電路、一變壓 器、一二次濾波電路及一直流輸出端，其中該整流/濾波 電路連接至一市電之父流（AC)電源，利用其電容及電感 構成之全波整流電路’將AC電源整流及濾波，而獲得〆較 穩定之直流電源，而該變壓器連接至該整流/濾波電路， 々其將整流及滤波後之直流電源降低電壓值，經該二次遽

波電路之二次遽波’由該直流輪出端輸出直流電；其特徵 在於： 該電源供應裔δ又有一掛制電路（Clamping Circuit)， 該箝制電路（Clamping Circui t)與該變壓器之二次側相連 接，俾該箝制電路（Clam ping Circuit)可將金氧半場效電 晶體（MOSFET)OFF時在汲極（Drain)承受產生之高麼得以先 行箝制及因該變壓器磁漏、電感產生與儲存於該變壓器之 能量釋放，使得金氧半場效電晶體（M0SFET)承受之高電壓 降低，以增加金氧半場效電晶體（M0SFET)之可靠度。

2·如申請專利範圍第1項所述之可提供穩定程序控 制電源輸出之電源供應器’其括制電路（Clamping Circuit)之能量釋放方式，係在金氧半場效電晶體0FF 時，其一二極體（Di ode)由原先之逆向偏壓變成順向，而 使得其能在超過逆向額定參考電壓時，自身放電而將能量 釋放及消除，同時，其稽納二極體（Zener Diode)亦為逆 向偏壓，以免除變壓器產生飽和。

第16頁 1238591 - __ 六、申請專利範圍 3,如申請專利範圍第1項所述之可提供穩定程 制電源輸出之電源供應器，其電源供應器之直流輸^^ 二次濾波電路之間設有一差動程序控制Ic，俾 2 程序控制1C之比對功能，將直流輸出端之輸出電壓^ = 先設定之電壓/時間v(t)相比對，並將比對後之差異預 一光藕合器（Opto Coupler)傳送到—脈波寬姑 IC - 差異控制該整流/濾波電路、該變壓器間之一 電晶體（M0SFET )的波形自#调人 览乳牛場效 初級側之輸X電源的電流大+ : ::二入該變壓器 流輸出端能提供穩定程序丄==電源供應器之直 制電器，1 Λ所述之可提供穩定程序控 電路，該分壓電路與該電源供應：：源供應15設有-分壓 路相連接，該分壓電路應15輸入端的整流/濾波電 受該脈波寬度調節控制曰 ^脈波寬度調節控制晶片而 將整流/濾波電路之ac^^Hrv所控制，該分壓電路可 制晶片，俾當0VRV之電壓 壓傳送至該脈波寬度調節控 0VRV可使金氧半場钕雷曰蚰C電源過高而超過設定值時， 保護，避免遭受高電壓Z破=閉，而使該電源供應器獲得 5·如申請專利範圍第i ° 制電源輸出之電源供應器，’所述之可提供穩定程序控 電路（Snubber Circuit),其中該電源供應器設有一緩衝 由電容、電阻所組成，該^緩衝電路（Snubber Circuit) 街電路（Snubber Circuit)與 $ 17頁 1238591 六、申請專利範圍 該金氧半場效電晶體相連接，該緩衝電路（Snubber Circui t)可防止因變壓器在金氧半場效電晶體補閉 (OFF )時，因電壓反向造成之脈衝電流；當金氧半場效 電晶體OFF時，將變壓器初級側所產生之高壓脈衝經逆向 偏壓之一二極體，藉由一電阻將一電容充電抵消該脈衝電 流；當金氧半場效電晶體ON時，該二極體呈順向偏壓且該 電容進行放電，將脈衝電流能量消耗掉，以保全金氧半場 效電晶體及減低電磁波干擾訊號之產生。

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