TWI740663B - 具穩定補償電流設計之電源供應器 - Google Patents
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Abstract
電源供應器包含變壓器、回授電路、穩壓補償電路、脈衝寬度調變積體電路，和功率開關。變壓器將一輸入電壓從初級側感應至次級側以提供一輸出電壓。回授電路依據輸出電壓來提供補償電流，並將補償電流轉換成回授電壓。穩壓補償電路包含雙極接面電晶體，其操作在主動區以穩定補償電流。脈衝寬度調變積體電路依據回授電壓來選擇性地導通或截止功率開關，以調節變壓器從初級側感應至次級側之能量。
Description
本發明相關於一種具穩定補償電流設計之電源供應器，尤指一種使用運作於主動區之雙極接面電晶體來穩定補償電流之電源供應器。
電腦系統中不同組件所需的操作電壓不同，因此普遍採用電源供應器(power supply)以通過變壓、整流與濾波的方式，將交流電(AC)室內電源轉換為直流電(DC)以驅動不同零組件。傳統馳返式架構下的電源供應器會使用一功率開關來控制變壓器的初級側路徑，並使用一整流開關來控制變壓器的次級側路徑。當功率開關導通時，輸入電能會轉換而磁能而儲存在變壓器中，此時會截止整流開關以隔絕輸出路徑；當功率開關截止時，變壓器內存能量會經由導通之整流開關釋放至輸出端，並藉由一輸出電容來平滑電量輸出。
傳統電源供應器的外殼溫度因受到效率和熱損耗之影響，需加入較大的散熱片及散熱元件來達到溫度均勻，導致有著體積較大等問題，使功率密度較低。一個改善方法是在相同輸出功率的條件下將
輸出電壓提高，透過降低其輸出電流以降低電源供應器整體之關鍵零組件溫度。然而，由於輸出電壓會有誤差範圍(通常為±5%)，提高輸出電壓之值會增加回授補償範圍。舉例來說，假設輸出電壓之誤差範圍為±5%)，當輸出電壓之值為19V時，其回授補償範圍為1.9V(19V*10%)；當輸出電壓之值為40V時，其回授補償範圍為4V(40V*10%)。
當輸出電壓上下限差距較大，為了使其電壓穩定，回授補償範圍必須增大，而回授補償範圍較大會導致其補償電流較不穩定，造成輸出端震盪，因此需要一種具穩定補償電流設計之電源供應器。
本發明提供一種具穩定補償電流設計之電源供應器，其包含一輸入端、一輸出端、一變壓器、一回授電路、一穩壓補償電路、一脈衝寬度調變積體電路，以及一功率開關。該輸入端用來接收一輸入電壓，且該輸出端用來輸出該輸出電壓。該變壓器用來將該輸入電壓從一初級側感應至一次級側以供應該輸出電壓。該回授電路用來依據該輸出電壓來提供一補償電流，並將該補償電流轉換成一回授電壓。該穩壓補償電路包含一雙極接面電晶體，該雙極接面電晶體操作在一主動區以穩定該補償電流。該脈衝寬度調變積體電路用來依據該回授電壓來提供一控制訊號，並調整該控制訊號之工作週期。該功率開關用來依據該控制訊號而選擇性地導通或截止，以調節該變壓器從該初級側感應至該次級側之能量。
10:脈衝寬度調變積體電路
20:回授電路
22:發光二極體
24:光敏電晶體
30:穩壓補償電路
100:電源供應器
NP1:初級側繞組和匝數
NS1:次級側繞組和匝數
GND1、GND2:接地電位
TR:變壓器
Q1:功率開關
COUT:輸出電容
DOUT:輸出二極體
CFB:回授電容
CC:補償電容
CX:抗雜訊電容
RD1、RD2:分壓電阻
BJT:雙極接面電晶體
R1-R3:電阻
ZD:稽納二極體
DX:抗雜訊二極體
PC:線性光耦合器
TL:穩壓器
K:陰極端
A:陽極端
R:參考端
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VFB:回授電壓
VREF:參考電壓
VKA:穩壓器跨壓
IIN:輸入電流
IOUT:輸出電壓
GD1:控制訊號
VBE:基極-射極電壓
VBC:基極-集極電壓
VCE:代表集極-射極電壓
IC:補償電流
IB:基極電流
第1圖為本發明實施例中一種具穩定補償電流設計之電源供應器的功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例電源供應器實作方式之示意圖。
第3圖為本發明電源供應器中雙極接面電晶體運作時相關電壓和電流之示意圖。
第4圖為本發明穩壓補償電路在輸出電壓具下限值運作時相關電壓和電流之示意圖。
第5圖為本發明穩壓補償電路在輸出電壓具上限值運作時相關電壓和電流之示意圖。
第1圖為本發明實施例中一種具穩定補償電流設計之電源供應器100的功能方塊圖。電源供應器100包含一變壓器TR、一功率開關Q1、一輸出電容COUT、一輸出二極體DOUT、一脈衝寬度調變積體電路10、一回授電路20，以及一穩壓補償電路30。電源供應器100可對其輸入端接收到之輸入電壓VIN進行電壓轉換，以於一輸出端提供一輸出電壓VOUT以驅動一負載。穩壓補償電路30耦接至輸出電壓VOUT，其依據輸出電壓VOUT之誤差範圍而設計，可依據輸出電壓VOUT之變化提供一補償電流IC。回授電路20耦接至輸出電壓VOUT，可依據輸出電壓VOUT之值提供一回授電壓VFB。脈衝寬度調變積體電路10可依據回授電壓VFB來提供控制訊號GD1，並調整控制訊號GD1之工作週期(duty cycle)，進而選擇性地導通或截止功率開關Q1以調節變壓器TR從初級側感應至次級側之能量。IIN代表電源供應器100運作時之輸入電流，IOUT代表電源供應器
100運作時之輸出電流。
第2圖為本發明實施例電源供應器100實作方式之示意圖。變壓器TR包含一初級側繞組(由匝數NP1來表示)和一次級側繞組(由匝數NS1來表示)，每一繞組各包含一打點端和一非打點端，其中打點端以圓點標示。初級側繞組NP1之打點端耦接於輸入電壓VIN，而其非打點端透過功率開關Q1耦接至一接地電位GND1。次級側繞組NS1之非打點端透過輸出二極體DOUT耦接於輸出電壓VOUT，而其打點端耦接至一接地電位GND2。在變壓器TR之運作中，相關電壓和電流之關係為VIN/VOUT=IOUT/IIN=NP1/NS1。在升壓應用中，次級側繞組之匝數NS1大於初級側繞組之匝數NP1；在降壓應用中，次級側繞組之匝數NS1小於初級側繞組之匝數NP1。在本發明一實施例中，NP1和NS1、之值的比例可為40：2，然而變壓器TR中初級側繞組之匝數NP1和次級側繞組之匝數NS1並不限定本發明之範疇。
功率開關Q1之第一端耦接至初級側繞組NP1之非打點端，其第二端耦接至接地電位GND1，而控制端耦接至脈衝寬度調變積體電路10以接收控制訊號GD1。如前所述，回授電壓VFB之值相關於輸出電壓VOUT之值，而脈衝寬度調變積體電路10是依據回授電壓VFB來提供控制訊號GD1並調整控制訊號GD1之工作週期，進而選擇性地導通或截止功率開關Q1以調節變壓器TR從初級側感應至次級側之能量，因此能達到穩定輸出電壓VOUT的效果。
回授電路20包含一回授電容CFB、一補償電容CC、分壓電阻
RD1和RD2、一線性光耦合器PC，以及一穩壓器TL。分壓電阻RD1和RD2串聯於輸出電壓VOUT和接地電位GND2之間，可在分壓電阻RD2上建立相關輸出電壓VOUT之一參考電壓VREF，其中VREF=VOUT＊RD2/(RD1+RD2)。穩壓器TL包含一陰極端K、一陽極端A，以及一參考端R，可依據參考端R之狀態來調整流經陰極端K和陽極端A之補償電流IC。穩壓器TL之參考端R耦接於分壓電阻RD1和RD2之間以接收參考電壓VREF，穩壓器TL之陽極端A耦接至接地電位GND2，而陰極端K耦接至穩壓補償電路30，其中VKA代表穩壓器TL陰極端K和陽極端A之間的跨壓。穩壓器TL會將其參考端R接收到之參考電壓VREF和一內建基準電壓做誤差比較。當有誤差值發生時，耦接於穩壓器TL之陰極端K和參考端R之間的補償電容CC可依此調整穩壓器TL之增益，使得補償電流IC之值能反應輸出電壓VOUT之值。
線性光耦合器PC包含一發光二極體22和一光敏電晶體24，可在變壓器TR之次級側和初級側之間進行電-光-電轉換。發光二極體22設置在變壓器TR之次級側，且耦接於線性光耦合器PC之第一輸入端和第二輸入端之間。光敏電晶體24設置在變壓器TR之初級側，且耦接於線性光耦合器PC之第一輸出端和第二輸出端之間。如前所述，由於流經發光二極體22之補償電流IC相關輸出電壓VOUT之值，線性光耦合器PC可利用輸入側之發光二極體22來感應輸出電壓VOUT之變化量，並將相關輸出電壓VOUT變化量之電能轉換成光能，再由輸出側之光敏電晶體接收後轉換成一回授電流IFB，進而對回授電容CFB充電以提供相對應之回授電壓VFB。
穩壓補償電路30包含一雙極接面電晶體(bipolar junction transistor)BJT、電阻R1-R3、稽納二極體ZD、一抗雜訊電容CX，以及一抗雜訊二極體DX。電阻R1耦接於雙極接面電晶體BJT之基極和輸出電壓VOUT之間，電阻R2耦接於雙極接面電晶體BJT之集極和基極之間，而電阻R3耦接於雙極接面電晶體BJT之射極和穩壓器TL之陰極端K之間。雙極接面電晶體BJT之集極耦接至線性光耦合器PC中發光二極體22之陰極，其射極透過電阻R3耦接至穩壓器TL之陰極端K，而其基極透過電阻R1耦接至輸出電壓VOUT。稽納二極體ZD陽極耦接至穩壓器TL之陰極端K，而其陰極耦接至雙極接面電晶體BJT之基極。
第3圖為本發明電源供應器100中雙極接面電晶體BJT運作時相關電壓和電流之示意圖。VBE代表基極-射極電壓，VBC代表基極-集極電壓，VCE代表集極-射極電壓，IB代表基極電流，而流經其集極和射極之間的電流即為補償電流IC。如相關領域具備通常知識者皆知，依據所加偏壓(基極-射極電壓VBE和基極-集極電壓VBC)雙極接面電晶體BJT可在飽和區、主動區或截止區工作。在飽和區內VBE和VBC均為順向偏壓，集極和射極之間的電阻非常小，此時雙極接面電晶體BJT可視為短路，而補償電流IC會為維持在固定的最大值。在截止區內VBE和VBC均為逆向偏壓，集極和射極之間的電阻非常大，此時雙極接面電晶體BJT可視為開路(IC=0)。在主動區內VBE為順向偏壓而VBC為逆向偏壓，電流IC之值會隨著基極電流IB而變化(IC=β IB)，此時雙極接面電晶體BJT可視為增益值為β之訊號放大器。
在本發明中，雙極接面電晶體BJT會操作在主動區，透過控
制電壓VBE之值使其維持在順向導通，就能穩定控制流經線性光耦合器PC內部發光二極體22的補償電流IC，進而穩定感應至線性光耦合器PC中光敏電晶體22之回授電流IFB和在回授電容CFB上建立之回授電壓VFB。
為了說明目的，假設輸出電壓VOUT之值介於一上限值VMAX和一下限值VMIN之間，接下來針對輸出電壓VOUT具上限值VMAX和下限值VMIN的兩種情況來說明本發明電源供應器100之運作。第4圖為本發明穩壓補償電路30在輸出電壓VOUT具下限值VMIN運作時相關電壓和電流之示意圖。第5圖為本發明穩壓補償電路30在輸出電壓VOUT具上限值VMAX運作時相關電壓和電流之示意圖。
如第4圖所示，當VOUT=VMIN時稽納二極體ZD無法被崩潰，因此可視為開路。此時輸出電壓VOUT和穩壓器TL跨壓VKA之間的壓差(VOUT-VKA)會跨在電阻R1、電阻R2和電阻R3上(輸出電壓VOUT跨壓VKA之間的訊號路徑由箭頭表示)，而雙極接面電晶體BJT之基極-射極電壓VBE由電阻R2上建立的電壓來提供，其中VBE=(VOUT-VKA)*R2/(R1+R2+R3)。透過選擇電阻R1-R3之電阻值，可使在電阻R2上建立之基極-射極電壓VBE大於將雙極接面電晶體BJT之BE接面維持在順向偏壓所需之電壓VBE_MAX，如此即能建立一穩定的基極電流IB以穩定控制流經線性光耦合器PC內部發光二極體22的補償電流IC，進而穩定感應至線性光耦合器PC中光敏電晶體22之回授電流IFB和在回授電容CFB上建立之回授電壓VFB。
如第5圖所示，當VOUT=VMAX時稽納二極體ZD會崩潰，因此可
視為短路(輸出電壓VOUT跨壓VKA之間的訊號路徑由箭頭表示)。此時稽納二極體ZD的崩潰電壓VZD會跨在電阻R2和電阻R3上，而雙極接面電晶體BJT之基極-射極電壓VBE由電阻R2上建立的電壓來提供，其中VBE=VZD*R2/(R2+R3)。透過選擇電阻R2-R3之電阻值和稽納二極體ZD之崩潰電壓，可使在電阻R2上建立之基極-射極電壓VBE大於將雙極接面電晶體BJT之BE接面維持在順向偏壓所需之電壓VBE_MAX，如此即能建立一穩定的基極電流IB以穩定控制流經線性光耦合器PC內部發光二極體22的補償電流IC，進而穩定感應至線性光耦合器PC中光敏電晶體22之回授電流IFB和在回授電容CFB上建立之回授電壓VFB。
在穩壓補償電路30中，抗雜訊電容CX之第一端耦接至輸出電壓VOUT，抗雜訊電容CX之第二端耦接至抗雜訊二極體DX之陽極，而雜訊二極體DX之陰極耦接至稽納二極體ZD之陽極。在穩壓補償電路30的運作期間，抗雜訊電容CX和抗雜訊二極體DX可防止補償電容CC和穩壓器TL去影響其穩定補償電流IC之功能，同時也防止穩定補償電流IC之功能去影響到補償電容CC和穩壓器TL的運作。
在本發明中，回授電容CFB之電容值/耐壓可為10pF/50V(誤差±10%)，輸出電容COUT之電容值可為680μF(誤差±10%)，抗雜訊電容CX之電容值/耐壓可為1nF/50V(誤差±10%)，補償電容CC之電容值/耐壓可為1.5nF/50V(誤差±10%)，電阻R1之電阻值可為49.9Ω(誤差±1%)，電阻R2之電阻值可為8.2Ω(誤差±1%)，電阻R3之電阻值可為2.32Ω(誤差±1%)，分壓電阻RD1之電阻值可為150KΩ(誤差±5%)，分壓電阻RD2之電阻值可為10.3KΩ(誤差±5%)，稽納二極體ZD之崩潰電壓可介於7.8V和
8.6V，電源供應器100之輸出電壓VOUT可為40V(誤差±5%)，穩壓器TL之跨壓VKA可為2A(誤差±5%)，維持雙極接面電晶體BJT之BE接面順向偏壓所需之電壓VBE_MAX可為0.7V，雙極接面電晶體BJT之電流增益β可為200，回授電路20和穩壓補償電路30之相位邊限(phase margin)可大於45度，而回授電路20和穩壓補償電路30之增益邊限(gain margin)可小於-10dB。然而，上述元件之實作方式和規格並不限定本發明之範疇。
綜上所述，本發明提供一種具有穩定補償電流設計之電源供應器，將穩壓補償電路之雙極接面電晶體操作在主動區以穩定補償電流。當在相同輸出功率的條件下將輸出電壓提高以降低熱損耗時，穩壓補償電路可提供較大的回授補償範圍，進而改善輸出端震盪的問題。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。
10:脈衝寬度調變積體電路
20:回授電路
22:發光二極體
24:光敏電晶體
30:穩壓補償電路
100:電源供應器
NP1:初級側繞組和匝數
NS1:次級側繞組和匝數
GND1、GND2:接地電位
TR:變壓器
Q1:功率開關
COUT:輸出電容
DOUT:輸出二極體
CFB:回授電容
CC:補償電容
CX:抗雜訊電容
RD1、RD2:分壓電阻
BJT:雙極接面電晶體
R1-R3:電阻
ZD:稽納二極體
DX:抗雜訊二極體
PC:線性光耦合器
TL:穩壓器
K:陰極端
A:陽極端
R:參考端
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VFB:回授電壓
VREF:參考電壓
VKA:穩壓器跨壓
IIN:輸入電流
IOUT:輸出電壓
GD1:控制訊號
VBE:基極-射極電壓
VBC:基極-集極電壓
VCE:代表集極-射極電壓
IC:補償電流
IB:基極電流
Claims (10)
- 一種具穩定補償電流設計之電源供應器，其包含：一輸入端，用來接收一輸入電壓；一輸出端，用來輸出該輸出電壓；一變壓器，用來將該輸入電壓從一初級側感應至一次級側以供應該輸出電壓；一回授電路，用來依據該輸出電壓來提供一補償電流，並將該補償電流轉換成一回授電壓，該回授電路包含：一第一分壓電阻和一第二分壓電阻，串聯於該輸出端和一接地電位之間，用來分壓該輸出電壓以提供一參考電壓；一穩壓器，其包含：一陰極端；一陽極端，耦接至該接地電位；以及一參考端，耦接於該第一分壓電阻和該第二分壓電阻以接收該參考電壓；一補償電容，耦接於該穩壓器之該陰極端和該參考端之間；一線性光耦合器，用來將相關該輸出電壓變化量之一電能轉換成一光能，再將該光能轉換成一回授電流；以及一回授電容，用來儲存該回授電流之能量以提供該回授電壓；一穩壓補償電路，其包含一雙極接面電晶體，該雙極接面電晶體操作在一主動區以穩定該補償電流；一脈衝寬度調變積體電路，用來依據該回授電壓來提供一控制訊號，並調整該控制訊號之工作週期；以及一功率開關，用來依據該控制訊號而選擇性地導通或截止，以調 節該變壓器從該初級側感應至該次級側之能量。
- 如請求項1所述之電源供應器，其中該線性光耦合器包含：一發光二極體，設置在該次級側，用來感應該輸出電壓之變化量以產生該電能；以及一光敏電晶體，設置在該初級側，用來將該光能轉換成該回授電流。
- 如請求項2所述之電源供應器，其中該穩壓補償電路包含：一第一電阻；一第二電阻；一第三電阻；一雙極接面電晶體，其包含：一集極，耦接至該發光二極體之陰極；一射極，透過該第三電阻耦接至該穩壓器之該陰極端；以及一基極，透過該第一電阻耦接至該輸出端，其中該第二電阻耦接於該集極和該基極之間；以及一稽納二極體，其包含：一陽極，耦接至該穩壓器之該陰極端；以及一陰極，耦接至該基極。
- 如請求項3所述之電源供應器，其中該穩壓補償電路另包 含：一抗雜訊電容，其包含：一第一端，耦接至該輸出端；以及一第二端；以及一抗雜訊二極體，其包含：一陽極，耦接至該抗雜訊電容之該第二端；以及一陰極，耦接至該稽納二極體之該陽極。
- 如請求項1所述之電源供應器，其中該穩壓補償電路包含：一第一電阻；一第二電阻；一第三電阻；一雙極接面電晶體，其包含：一集極，用來接收該補償電流；一射極，透過該第三電阻耦接至該回授電路；以及一基極，透過該第一電阻耦接至該輸出端，其中該第二電阻耦接於該集極和該基極之間；以及一稽納二極體，其包含：一陽極，透過該第三電阻耦接至該射極；以及一陰極，耦接至該基極。
- 如請求項5所述之電源供應器，其中該穩壓補償電路另包含： 一抗雜訊電容，其包含：一第一端，耦接至該輸出端；以及一第二端；以及一抗雜訊二極體，其包含：一陽極，耦接至該抗雜訊電容之該第二端；以及一陰極，耦接至該稽納二極體之該陽極。
- 如請求項4所述之電源供應器，其中：該輸出電壓之值介於一上限值和一下限值之間；當輸出電壓之值為該下限值時，該稽納二極體未崩潰，而該輸出電壓和該回授電路之間的壓差係跨在該第一電阻、該第二電阻和該第三電阻上；且該第二電阻之跨壓大於將該雙極接面電晶體之一基極-射極接面維持在順向偏壓所需之電壓值。
- 如請求項4所述之電源供應器，其中：該輸出電壓之值介於一上限值和一下限值之間；當輸出電壓之值為該上限值時，該稽納二極體為崩潰，而該稽納二極體之一崩潰電壓係跨在該第二電阻和該第三電阻上；且該第二電阻之跨壓大於將該雙極接面電晶體之一基極-射極接面維持在順向偏壓所需之電壓值。
- 一種具穩定補償電流設計之電源供應器，其包含：一輸入端，用來接收一輸入電壓； 一輸出端，用來輸出該輸出電壓；一變壓器，用來將該輸入電壓從一初級側感應至一次級側以供應該輸出電壓；一回授電路，用來依據該輸出電壓來提供一補償電流，並將該補償電流轉換成一回授電壓；一穩壓補償電路，其包含：一第一電阻；一第二電阻；一第三電阻；一雙極接面電晶體，其操作在一主動區以穩定該補償電流，且包含：一集極，用來接收該補償電流；一射極，透過該第三電阻耦接至該回授電路；以及一基極，透過該第一電阻耦接至該輸出端，其中該第二電阻耦接於該集極和該基極之間；以及一稽納二極體，其包含：一陽極，透過該第三電阻耦接至該射極；以及一陰極，耦接至該基極；一脈衝寬度調變積體電路，用來依據該回授電壓來提供一控制訊號，並調整該控制訊號之工作週期；以及一功率開關，用來依據該控制訊號而選擇性地導通或截止，以調節該變壓器從該初級側感應至該次級側之能量。
- 如請求項1和9中任一項所述之電源供應器，其另包含： 一輸出電容，耦接於該輸出端和一接地電位之間；以及一輸出二極體，其陽極耦接於該次級側，而其陰極耦接於該輸出端。
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