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TWI731675B - 消除振鈴效應之電源供應器 - Google Patents

消除振鈴效應之電源供應器 Download PDF

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TWI731675B
TWI731675B TW109115545A TW109115545A TWI731675B TW I731675 B TWI731675 B TW I731675B TW 109115545 A TW109115545 A TW 109115545A TW 109115545 A TW109115545 A TW 109115545A TW I731675 B TWI731675 B TW I731675B
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inductor
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Inventor
詹子增
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宏碁股份有限公司
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Abstract

一種可消除振鈴效應之電源供應器，包括：一變壓器、一輸出級電路、一功率切換器、一脈衝寬度調變積體電路，以及一控制電路。變壓器包括一主線圈、一副線圈，以及一輔助線圈，其中變壓器內建一漏電感器。主線圈係經由漏電感器來接收一輸入電位，而副線圈則產生一感應電位。輸出級電路係根據感應電位來產生一輸出電位。功率切換器內建一第一寄生電容器。控制電路包括耦接至輔助線圈之一輔助電感器。控制電路可監控功率切換器，其中若功率切換器由一致能狀態切換為一禁能狀態，則控制電路即將輔助電感器耦接至變壓器之主線圈和漏電感器。

Description

消除振鈴效應之電源供應器
本發明係關於一種電源供應器，特別係關於一種可消除振鈴效應之電源供應器。
在傳統電源供應器中，功率切換器之非理想寄生電容往往會產生振鈴效應，其不僅造成較大之切換損失，更導致電源供應器之整體轉換效率下降。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之困境。
在較佳實施例中，本發明提出一種消除振鈴效應之電源供應器，包括：一變壓器，包括一主線圈、一副線圈，以及一輔助線圈，其中該變壓器內建一漏電感器，該主線圈係經由該漏電感器來接收一輸入電位，而該副線圈則產生一感應電位；一輸出級電路，根據該感應電位來產生一輸出電位；一功率切換器，根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該主線圈耦接至一接地電位，其中該功率切換器內建一第一寄生電容器；一脈衝寬度調變積體電路，產生該脈衝寬度調變電位；以及一控制電路，監控該功率切換器，並包括耦接至該輔助線圈之一輔助電感器，其中若該功率切換器由一致能狀態切換為一禁能狀態，則該控制電路即將該輔助電感器耦接至該變壓器之該主線圈和該漏電感器。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器100之示意圖。例如，電源供應器100可應用於桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，電源供應器100包括：一變壓器110、一輸出級電路120、一功率切換器130、一脈衝寬度調變積體電路140，以及一控制電路150。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但電源供應器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。
變壓器110包括一主線圈111、一副線圈112，以及一輔助線圈113，其中變壓器110至少內建一漏電感器LR，而漏電感器LR可視為主線圈111之一非理想寄生元件。主線圈111、漏電感器LR，以及輔助線圈113皆可位於變壓器110之同一側，而副線圈112則可位於變壓器110之相對另一側。主線圈111可經由漏電感器LR接收輸入電位VIN，而作為對於輸入電位VIN之回應，副線圈112可產生一感應電位VS。輸入電位VIN可來自一外部輸入電源。例如，輸入電位VIN可大致為一直流電位或一交流電位，其方均根值可由100V至400V，但亦不僅限於此。輸出級電路120可根據感應電位VS來產生一輸出電位VOUT。例如，輸出電位VOUT可為另一直流電位，其電位位準可由18V至22V，但亦不僅限於此。功率切換器130係根據一脈衝寬度調變電位VA來選擇性地將主線圈111耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。例如，若脈衝寬度調變電位VA為高邏輯位準(亦即，邏輯「1」)，則功率切換器130即將主線圈111耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器130可近似於一短路路徑)；反之，若脈衝寬度調變電位VA為低邏輯位準(亦即，邏輯「0」)，則功率切換器130不會將主線圈111耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器130可近似於一開路路徑)。另外，功率切換器130至少內建一第一寄生電容器CP1。必須理解的是，功率切換器130之二端之間之總寄生電容可模擬為前述之第一寄生電容器CP1，其並非一外部獨立元件。脈衝寬度調變積體電路140可產生脈衝寬度調變電位VA。控制電路150包括一輔助電感器LA，其係耦接至變壓器110之輔助線圈113。控制電路150可監控功率切換器130之一操作狀態。例如，若功率切換器130由一致能狀態切換為一禁能狀態，則控制電路150即將輔助電感器LA耦接至變壓器110之主線圈111和漏電感器LR；否則，輔助電感器LA將不會被直接耦接至主線圈111和漏電感器LR。在此設計下，一旦變壓器110之漏電感器LR與功率切換器130之第一寄生電容器CP1之間產生振鈴效應，控制電路150可立即將其輔助電感器LA耦接至漏電感器LR以弱化此一非理想特性。因此，本發明可減少功率切換器130之切換損失，同時提高電源供應器100之轉換效率。必須注意的是，所提之電源供應器100並未使用由電阻器所組成之一緩振電路來抑制振鈴效應，故其不會額外增加電源供應器100之功率損耗量。
以下實施例將介紹電源供應器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200之示意圖。在第2圖之實施例中，電源供應器200具有一輸入節點NIN和一輸出節點NOUT，並包括一變壓器210、一輸出級電路220、一功率切換器230、一脈衝寬度調變積體電路240，以及一控制電路250。電源供應器200之輸入節點NIN可由一外部輸入電源處接收一輸入電位VIN，而電源供應器200之輸出節點NOUT可輸出一輸出電位VOUT至一電子裝置。
變壓器210包括一主線圈211、一副線圈212，以及一輔助線圈213，其中變壓器210內建一漏電感器LR和一激磁電感器LM。漏電感器LR和激磁電感器LM皆可為變壓器210製造時所附帶產生之固有元件，其並非外部獨立元件。主線圈211、漏電感器LR、激磁電感器LM，以及輔助線圈213皆可位於變壓器210之同一側，而副線圈212則可位於變壓器210之相對另一側。詳細而言，漏電感器LR之第一端係耦接至輸入節點NIN，而漏電感器LR之第二端係耦接至一第一節點N1。激磁電感器LM之第一端係耦接至第一節點N1，而激磁電感器LM之第二端係耦接至一第二節點N2。主線圈211之第一端係耦接至第一節點N1，而主線圈211之第二端係耦接至第二節點N2。副線圈212之第一端係耦接至一第三節點N3以輸出一感應電位VS，而副線圈212之第二端係耦接至一共同節點NCM。輔助線圈213之第一端係耦接至一第四節點N4，而輔助線圈213之第二端係耦接至一第五節點N5。
輸入級電路220包括一第一二極體D1和一輸出電容器CO。第一二極體D1之陽極係耦接至第三節點N3以接收感應電位VS，而第一二極體D1之陰極係耦接至輸出節點NOUT。輸出電容器CO具有一第一端和一第二端，其中輸出電容器CO之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而輸出電容器CO之第二端係耦接至共同節點NCM。
功率切換器230包括一第一電晶體M1。第一電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1之控制端係耦接至一第六節點N6以接收一脈衝寬度調變電位VA，第一電晶體M1之第一端係耦接至一接地電位VSS(例如：0V)，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第二節點N2。功率切換器230內建一第一寄生電容器CP1和一第二寄生電容器CP2。詳細而言，第一寄生電容器CP1之第一端係耦接至第二節點N2，而第一寄生電容器CP1之第二端係耦接至接地電位VSS。第二寄生電容器CP2之第一端係耦接至第六節點N6，而第二寄生電容器CP2之第二端係耦接至接地電位VSS。必須理解的是，第一電晶體M1之第一端和第二端之間之總寄生電容可模擬為前述之第一寄生電容器CP1，而第一電晶體M1之控制端和第一端之間之總寄生電容可模擬為前述之第二寄生電容器CP2，此二者均非外部獨立元件。
脈衝寬度調變積體電路240可於第六節點N6處輸出脈衝寬度調變電位VA，而脈衝寬度調變電位VA可用於調整功率切換器230之工作週期。例如，脈衝寬度調變電位VA於電源供應器200初始化時可維持於一固定電位，而在電源供應器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。
控制電路250包括一比較器252、一第二電晶體M2、一第三電晶體M3、一第二二極體D2、一輔助電感器LA、一第一電阻器R1，以及一第二電阻器R2。比較器252可藉由一運算放大器來實施。第二電晶體M2和第三電晶體M3可各自為一N型金氧半場效電晶體。比較器252之正輸入端係耦接至一第七節點N7，比較器252之負輸入端係耦接至第六節點N6，而比較器252之輸出端係用於輸出一控制電位VC。例如，若第七節點N7處之電位V7低於或等於第六節點N6處之脈衝寬度調變電位VA，則控制電位VC將具有低邏輯位準；反之，若第七節點N7處之電位V7高於第六節點N6處之脈衝寬度調變電位VA，則控制電位VC將具有高邏輯位準。第一電阻器R1之第一端係耦接至第二節點N2，而第一電阻器R1之第二端係耦接至第七節點N7。第二電阻器R2具有一第一端和一第二端，其中第二電阻器R2之第一端係耦接至第七節點N7，而第二電阻器R2之第二端係耦接至接地電位VSS。亦即，第一電阻器R1和第二電阻器R2共同形成一分壓電路。
第二電晶體M2之控制端係用於接收控制電位VC，第二電晶體M2之第一端係耦接至一第八節點N8，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第二節點N2。第二二極體D2之陽極係耦接至第八節點N8，而第二二極體D2之陰極係耦接至第四節點N4。輔助電感器LA之第一端係耦接至第四節點N4，而輔助電感器LA之第二端係耦接至接地電位VSS。第三電晶體M3之控制端係用於接收控制電位VC，第三電晶體M3之第一端係耦接至接地電位VSS，而第三電晶體M3之第二端係耦接至第五節點N5。
在一些實施例中，電源供應器200可操作於一初始模式、一第一模式、一第二模式，或是一第三模式，其操作原理將分別如下列所述。
在初始模式中，第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3，以及第一二極體D1皆被禁能。
在第一模式中，脈衝寬度調變電位VA為高邏輯位準且第一電晶體M1被致能。此時，第一寄生電容器CP1會被完全充滿電。另一方面，致能之第一電晶體M1會將第二節點N2處之電位V2幾乎下拉至接地電位VSS。在使用分壓電路(由第一電阻器R1和第二電阻器R2所組成)之情況下，由於第七節點N7處之電位V7必然低於第六節點N6處之脈衝寬度調變電位VA，故比較器252將輸出低邏輯位準之控制電位VC，以同時禁能第二電晶體M2和第三電晶體M3。
在第二模式中，脈衝寬度調變電位VA由高邏輯位準切換至低邏輯位準，而第一電晶體M1亦由致能狀態切換為禁能狀態。當第一電晶體M1進行切換同時，前述之分壓電路會根據第二節點N2處之瞬間高電位V2來拉升第七節點N7處之電位V7。由於第七節點N7處之電位V7高於第六節點N6處之脈衝寬度調變電位VA，故比較器252將輸出高邏輯位準之控制電位VC，以同時致能第二電晶體M2和第三電晶體M3。此時，輔助電感器LA將與漏電感器LR並聯耦接，從而可避免漏電感器LR單獨與功率切換器230之第一寄生電容器CP1發生共振。必須注意的是，前述非理想之振鈴效應通常發生於第二模式當中。
在第三模式中，脈衝寬度調變電位VA仍維持於低邏輯位準，其中第一電晶體M1仍維持於禁能狀態，而第二電晶體M2和第三電晶體M3則皆維持於致能狀態。此時，激磁電感器LM會因冷次定律而發生電壓反轉，故第二節點N2處之電位V2會大致等於輸入電位VIN再加上激磁電感器LM之反轉電壓。直到第一電晶體M1再次由禁能狀態切換回致能狀態，第二節點N2處之電位V2才會下降至接地電位VSS。
第3圖係顯示傳統電源供應器在第二模式下之等效共振電路圖。第4圖係顯示傳統電源供應器在第二模式下之電位波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準。根據第4圖之量測結果，若未使用控制電路250及其輔助電感器LA，則功率切換器230之第一寄生電容器CP1與變壓器210之漏電感器LR之間將容易發生相對較大之振鈴效應(如第一虛線框470處所示)。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200在第二模式下之等效共振電路圖。第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200在第二模式下之電位波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準。必須注意的是，在有使用控制電路250及其輔助電感器LA之前提下，當第一電晶體M1由致能狀態切換為禁能狀態時，變壓器210之漏電感器LR會與控制電路250之輔助電感器LA作並聯耦接，從而大幅降低此二者之總電感值。因此，功率切換器230之第一寄生電容器CP1與變壓器210之漏電感器LR之間之振鈴效應可以幾乎被完全消除(如第二虛線框670處所示)。
在一些實施例中，電源供應器200之元件參數可如下列所述。漏電感器LR之電感值可介於57μH至63μH之間，較佳可為60μH。激磁電感器LM之電感值可介於285μH至315μH之間，較佳可為300μH。輔助電感器LA之電感值可介於0.95μH至1.05μH之間，較佳可為1μH。第一寄生電容器CP1之電容值可介於90pF至110pF之間，較佳可為100pF。第二寄生電容器CP2之電容值可介於760pF至840pF之間，較佳可為800pF。輸出電容器CO之電容值可介於612μF至748μF之間，較佳可為680μF。第一電阻器R1之電阻值可介於18.81KΩ至19.19KΩ之間，較佳可為19KΩ。第二電阻器R2之電阻值可介於0.99KΩ至1.01KΩ之間，較佳可為1KΩ。主線圈211對副線圈212之匝數比值可介於1至100之間，較佳可為10。主線圈211對輔助線圈213之匝數比值可介於1至200之間，較佳可為40。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化電源供應器200之轉換效率。
本發明提出一種新穎之電源供應器，其包括控制電路以抑制振鈴效應。根據實際量測結果，使用前述設計之電源供應器可幾乎完全消除變壓器和功率切換器之間之非理想特性。由於本發明可有效改善電源供應器之轉換效率並降低電磁干擾現象，故其很適合應用於各種各式之裝置當中。
值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之電源供應器並不僅限於第1-6圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-6圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之電源供應器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,200:電源供應器 110,210:變壓器 111,211:主線圈 112,212:副線圈 113,213:輔助線圈 120,220:輸出級電路 130,230:功率切換器 140,240:脈衝寬度調變積體電路 150,250:控制電路 252:比較器 470:第一虛線框 670:第二虛線框 CO:輸出電容器 CP1:第一寄生電容器 CP2:第二寄生電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 LA:輔助電感器 LM:激磁電感器 LR:漏電感器 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 M3:第三電晶體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 N4:第四節點 N5:第五節點 N6:第六節點 N7:第七節點 N8:第八節點 NCM:共同節點 NIN:輸入節點 NOUT:輸出節點 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 V2:第二節點處之電位 V7:第七節點處之電位 VA:脈衝寬度調變電位 VC:控制電位 VIN:輸入電位 VOUT:輸出電位 VS:感應電位 VSS:接地電位
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之示意圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之示意圖。 第3圖係顯示傳統電源供應器在第二模式下之等效共振電路圖。 第4圖係顯示傳統電源供應器在第二模式下之電位波形圖。 第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器在第二模式下之等效共振電路圖。 第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器在第二模式下之電位波形圖。
100:電源供應器
110:變壓器
111:主線圈
112:副線圈
113:輔助線圈
120:輸出級電路
130:功率切換器
140:脈衝寬度調變積體電路
150:控制電路
CP1:第一寄生電容器
LA:輔助電感器
LR:漏電感器
VA:脈衝寬度調變電位
VIN:輸入電位
VOUT:輸出電位
VS:感應電位
VSS:接地電位

Claims (8)

  1. 一種消除振鈴效應之電源供應器，包括：一變壓器，包括一主線圈、一副線圈，以及一輔助線圈，其中該變壓器內建一漏電感器，該主線圈係經由該漏電感器來接收一輸入電位，而該副線圈則產生一感應電位；一輸出級電路，根據該感應電位來產生一輸出電位；一功率切換器，根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該主線圈耦接至一接地電位，其中該功率切換器內建一第一寄生電容器；一脈衝寬度調變積體電路，產生該脈衝寬度調變電位；以及一控制電路，監控該功率切換器，並包括耦接至該輔助線圈之一輔助電感器，其中若該功率切換器由一致能狀態切換為一禁能狀態，則該控制電路即將該輔助電感器耦接至該變壓器之該主線圈和該漏電感器；其中該變壓器更內建一激磁電感器，該漏電感器具有一第一端和一第二端，該漏電感器之該第一端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位，該漏電感器之該第二端係耦接至一第一節點，該激磁電感器具有一第一端和一第二端，該激磁電感器之該第一端係耦接至該第一節點，而該激磁電感器之該第二端係耦接至一第二節點；其中該主線圈具有一第一端和一第二端，該主線圈之該第一端係耦接至該第一節點，該主線圈之該第二端係耦接至該第二節點，該副線圈具有一第一端和一第二端，該副線圈之該第一端係耦接至一第三節點以輸出該感應電位，該副線圈之該第二端係耦接至一共 同節點，該輔助線圈具有一第一端和一第二端，該輔助線圈之該第一端係耦接至一第四節點，而該輔助線圈之該第二端係耦接至一第五節點。
  2. 如請求項1所述之電源供應器，其中該輸出級電路包括：一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至該第三節點以接收該感應電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；以及一輸出電容器，具有一第一端和一第二端，其中該輸出電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該輸出電容器之該第二端係耦接至該共同節點。
  3. 如請求項2所述之電源供應器，其中該功率切換器包括：一第一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第一電晶體之該控制端係耦接至一第六節點以接收該脈衝寬度調變電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第二節點。
  4. 如請求項3所述之電源供應器，其中該功率切換器更內建一第二寄生電容器，該第一寄生電容器具有一第一端和一第二端，該第一寄生電容器之該第一端係耦接至該第二節點，該第一寄生電容器之該第二端係耦接至該接地電位，該第二寄生電容器具 有一第一端和一第二端，該第二寄生電容器之該第一端係耦接至該第六節點，而該第二寄生電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
  5. 如請求項4所述之電源供應器，其中該控制電路更包括：一比較器，具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中該比較器之該正輸入端係耦接至一第七節點，該比較器之該負輸入端係耦接至該第六節點，而該比較器之該輸出端係用於輸出一控制電位。
  6. 如請求項5所述之電源供應器，其中該控制電路更包括：一第一電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電阻器之該第一端係耦接至該第二節點，而該第一電阻器之該第二端係耦接至該第七節點；以及一第二電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電阻器之該第一端係耦接至該第七節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
  7. 如請求項6所述之電源供應器，其中該控制電路更包括：一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該控制電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至一第八節點，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第二節點；以及 一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第八節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該第四節點；其中該輔助電感器具有一第一端和一第二端，該輔助電感器之該第一端係耦接至該第四節點，而該輔助電感器之該第二端係耦接至該接地電位。
  8. 如請求項7所述之電源供應器，其中該控制電路更包括：一第三電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第三電晶體之該控制端係用於接收該控制電位，該第三電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第三電晶體之該第二端係耦接至該第五節點。
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