TWI736275B - 具有過電流保護功能之電源供應器 - Google Patents

Abstract

一種具有過電流保護功能之電源供應器，包括：一第一變壓器、一輸出級電路、一偵測電路、一第二變壓器、一保護電路，以及一控制積體電路。第一變壓器包括可接收一輸入電位之一第一主線圈、可產生一第一感應電位之一第一副線圈，以及可產生一第二感應電位之一輔助線圈。輸出級電路係根據第一感應電位來產生一輸出電流。偵測電路可監控輸出電流並根據輸出電流來產生一偵測電位。第二變壓器包括可接收偵測電位之一第二主線圈，以及可產生一控制電位之一第二副線圈。保護電路係根據第二感應電位和控制電位來選擇性地致能或禁能控制積體電路。

Description

具有過電流保護功能之電源供應器

本發明係關於一種電源供應器，特別係關於一種具有過電流保護功能之電源供應器。

傳統電源供應器通常於其輸出端處設計一感測電阻器以達成過電流保護之功能，然而，若電源供應器之功率較大，則此感測電阻器必須承受動態之大電流，故在多次使用週期後容易發生損壞，同時導致電源供應器之可靠度不足。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，本發明提出一種具有過電流保護功能之電源供應器，包括：一第一變壓器，包括一第一主線圈、一第一副線圈，以及一輔助線圈，其中該第一主線圈係用於接收一輸入電位，該第一副線圈係用於產生一第一感應電位，而該輔助線圈係用於產生一第二感應電位；一輸出級電路，根據該第一感應電位來產生一輸出電流；一偵測電路，監控該輸出電流，並根據該輸出電流來產生一偵測電位；一第二變壓器，包括一第二主線圈和一第二副線圈，其中該第二主線圈係用於接收該偵測電位，而該第二副線圈係用於產生一控制電位；一控制積體電路；以及一保護電路，根據該第二感應電位和該控制電位來選擇性地致能或禁能該控制積體電路。

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：一第一變壓器110、一輸出級電路120、一偵測電路130、一第二變壓器140、一保護電路150，以及一控制積體電路160。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。

第一變壓器110包括一第一主線圈111、一第一副線圈112，以及一輔助線圈113，其中第一主線圈111和輔助線圈113皆可位於第一變壓器110之同一側，而第一副線圈112則可位於第一變壓器110之相對另一側。第一主線圈111可接收一輸入電位VIN，而作為對於輸入電位VIN之回應，第一副線圈112可產生一第一感應電位VS1，而輔助線圈113可產生一第二感應電位VS2。輸入電位VIN可來自一外部輸入電源，其中輸入電位VIN可具有任意頻率和任意振幅。例如，輸入電位VIN之頻率可約為50Hz或60Hz，而輸入電位VIN之方均根值可約為110V或220V，但亦不僅限於此。輸出級電路120可根據第一感應電位VS1來產生一輸出電流IOUT。偵測電路130可監控輸出電流IOUT，並根據輸出電流IOUT來產生一偵測電位VD。在一些實施例中，輸出級電路120更可產生一輸出電位VOUT，其可經由偵測電路130傳送至一電子裝置。第二變壓器140包括一第二主線圈141和一第二副線圈142，其中第二主線圈141可位於第二變壓器140之一側，而第二副線圈142則可位於第二變壓器140之相對另一側。第二主線圈141可接收偵測電位VD，而作為對於偵測電位VD之回應，該第二副線圈142可產生一控制電位VC。保護電路150可根據第二感應電位VS2和控制電位VC來選擇性地致能或禁能控制積體電路160。根據偵測電路130之監控及偵測結果，若輸出電流IOUT尚未達到一臨界值，則保護電路150將致能控制積體電路160，而若輸出電流IOUT已達到前述臨界值，則保護電路150將禁能控制積體電路160。控制積體電路160可視為電源供應器100之一處理核心，若其被禁能，則電源供應器100亦會同步關閉，以達成過電流保護之功效。在此設計下，由於輸出電流IOUT已能完全被監控及限制，故偵測電路130、第二變壓器140，以及保護電路150三者之組合可有效避免電源供應器100之內部元件發生損壞，從而能改善電源供應器100之可靠度。

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，並包括一第一變壓器210、一輸出級電路220、一偵測電路230、一第二變壓器240、一保護電路250，以及一控制積體電路260。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。

第一變壓器210包括一第一主線圈211、一第一副線圈212，以及一輔助線圈213，其中第一主線圈211和輔助線圈213皆可位於第一變壓器210之同一側，而第一副線圈212則可位於第一變壓器210之相對另一側。第一主線圈211之第一端係耦接至輸入節點NIN，而第一主線圈211之第二端係耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。第一副線圈212之第一端係耦接至一第一節點N1以輸出一第一感應電位VS1，而第一副線圈212之第二端係耦接至一第二節點N2。輔助線圈213之第一端係耦接至一第三節點N3以輸出一第二感應電位VS2，而輔助線圈213之第二端係耦接至接地電位VSS。

輸出級電路220包括一第一二極體D1和一第一電容器C1。第一二極體D1之陽極係耦接至第一節點N1以接收第一感應電位VS1，而第一二極體D1之陰極係耦接至一第四節點N4。第一電容器C1之第一端係耦接至第四節點N4，而第一電容器C1之第二端係耦接至第二節點N2。第四節點N4係用於輸出一輸出電流IOUT至偵測電路230。

偵測電路230包括一第一電晶體M1、一第二電容器C2、一第三電容器C3，以及一第二二極體D2。第一電晶體M1可以是一N型金氧半場效電晶體，其中第一電晶體M1係內建一寄生電容器CP1。第一電晶體M1之控制端係耦接至第四節點N4，第一電晶體M1之第一端係耦接至一第五節點N5，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第四節點N4。必須注意的是，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寄生電容器CP1，其並非一外部獨立元件。寄生電容器CP1之第一端係耦接至第四節點N4，而寄生電容器CP1之第二端係耦接至第五節點N5。第二電容器C2之第一端係耦接至第四節點N4以接收輸出電流IOUT，而第二電容器C2之第二端係耦接至輸出節點NOUT。第三電容器C3之第一端係耦接至第五節點N5，而第三電容器C3之第二端係耦接至輸出節點NOUT。第二二極體D2之陽極係耦接至第四節點N4，而第二二極體D2之陰極係耦接至一第六節點N6以輸出一偵測電位VD。必須注意的是，此處偵測電位VD可等同於第六節點N6和輸出節點NOUT之間之一電位差。

第二變壓器240包括一第二主線圈241和一第二副線圈242，其中第二主線圈241可位於第二變壓器240之一側，而第二副線圈242則可位於第二變壓器240之相對另一側。第二主線圈241之第一端係耦接至第六節點N6以接收偵測電位VD，而第二主線圈241之第二端係耦接至輸出節點NOUT。第二副線圈242之第一端係耦接至一第七節點N7以輸出一控制電位VC，而第二副線圈242之第二端係耦接接地電位VSS。

保護電路250包括一第二電晶體M2、一第三二極體D3，以及一第四電容器C4。第二電晶體M2可以是一N型金氧半場效電晶體。第二電晶體M2之控制端係耦接至第七節點N7以接收控制電位VC，第二電晶體M2之第一端係耦接至接地電位VSS，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第三節點N3以接收第二感應電位VS2。第三二極體D3之陽極係耦接至第三節點N3，而第三二極體D3之陰極係耦接至一供應節點NP。第四電容器C4之第一端係耦接至供應節點NP，而第四電容器C4之第二端係耦接至接地電位VSS。供應節點NP係用於輸出一供應電位VP至控制積體電路260。

整體而言，若輸出電流IOUT尚未達到一臨界值，則保護電路250將輸出具有高邏輯位準之供應電位VP以致能控制積體電路260；反之，若輸出電流IOUT已達到前述臨界值，則保護電路250將輸出具有低邏輯位準之供應電位VP以禁能控制積體電路260。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測電路230之等效電容器370之示意圖。如第3圖所示，當第一電晶體M1啟動時，偵測電路230之等效電容器370之總電容值(亦即，第四節點N4和輸出節點NOUT之間之總電容值)可如下列方程式(1)所述：

…………………………………..(1)

其中「CT」代表偵測電路230之等效電容器370之總電容值，「CP1」代表寄生電容器CP1之電容值，「C2」代表第二電容器C2之電容值，而「C3」代表第三電容器C3之電容值。

另一方面，由於輸出電流IOUT會同時通過寄生電容器CP1、第二電容器C2，以及第三電容器C3，其與偵測電路230之等效電容器370所儲存之電荷之關聯性可如下列方程式(2)所述：

…………………………….(2) 其中「Q」代表等效電容器370所儲存之電荷，「CT」代表等效電容器370之總電容值，「VD」代表偵測電位VD之位準，「IOUT」代表輸出電流IOUT之大小，而「TD」代表輸出電流IOUT通過等效電容器370所費之延遲時間(此處假設第二二極體D2為理想，其切入電位可視同0V)。

在一些實施例中，電源供應器200之可操作於一正常模式或一保護模式，其操作原理將分別如下列所述。

在正常模式中，輸出電流IOUT尚未達到一臨界值，故偵測電路230之等效電容器370上亦未儲存足夠之電荷。此時，偵測電位VD和對應之控制電位VC皆相對較低，以關閉第二電晶體M2，而保護電路250將輸出具有高邏輯位準之供應電位VP以致能控制積體電路260。

在保護模式中，輸出電流IOUT已達到前述臨界值，故偵測電路230之等效電容器370上已儲存足夠之電荷。此時，偵測電位VD和對應之控制電位VC皆相對較高，以啟動第二電晶體M2，而保護電路250將輸出具有低邏輯位準之供應電位VP以禁能控制積體電路260。由於控制積體電路260可視為電源供應器200之一處理核心，禁能之控制積體電路260會同步關閉電源供應器200，以避免過大之輸出電流IOUT造成內部電路損壞。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器200之電位波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準或是電流值。根據第4圖之量測結果，當輸出電流IOUT上升且達到一臨界值ITH時，偵測電位VD和對應之控制電位VC皆會同步升高，最終，第二電晶體M2會形成一短路路徑並禁能控制積體電路260，使得電源供應器200之輸出電位VOUT快速下降至0V。

在一些實施例中，電源供應器200之元件參數可如下列所述。第一電容器C1之電容值可介於646μF至714μF之間，較佳可為680μF。第二電容器C2之電容值可介於108.9mF至111.1mF之間，較佳為110mF。第三電容器C3之電容值可介於9.9mF至10.1mF之間，較佳可為10mF。第一主線圈211對第一副線圈212之匝數比值可介於5至100之間，較佳可為20。第一主線圈211對輔助線圈213之匝數比值可介於0.5至10之間，較佳可為1.33。第二主線圈241對第二副線圈242之匝數比值可介於0.1至5之間，較佳可為0.67。輸出電流IOUT之臨界值ITH可介於10A至30A之間，較佳可為21.97A。輸出電流IOUT通過等效電容器370之延遲時間可介於10mS至100mS之間，較佳可為50mS。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之過電流保護功能和可靠度。

本發明提出一種新穎之電源供應器，其包括偵測電路和保護電路所形成之負回授機制。根據實際量測結果，使用前述設計之電源供應器可大幅降低其因輸出電流過大而發生損壞之風險。因為捨棄了傳統感測電阻器之設計，本發明可進一步改善電源供應器之可靠度，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1-4圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-4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:第一變壓器 111,211:第一主線圈 112,212:第一副線圈 113,213:輔助線圈 120,220:輸出級電路 130,230:偵測電路 140,240:第二變壓器 141,241:第二主線圈 142,242:第二副線圈 150,250:保護電路 160,260:控制積體電路 370:偵測電路之等效電容器 C1:第一電容器 C2:第二電容器 C3:第三電容器 C4:第四電容器 CP1:寄生電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 D3:第三二極體 IOUT:輸出電流 ITH:臨界值 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 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 NIN:輸入節點 NOUT:輸出節點 NP:供應節點 VC:控制電位 VD:偵測電位 VIN:輸入電位 VOUT:輸出電位 VP:供應電位 VS1:第一感應電位 VS2:第二感應電位 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圖係顯示根據本發明一實施例所述之偵測電路之等效電容器之示意圖。 第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應器之電位波形圖。

100:電源供應器

110:第一變壓器

111:第一主線圈

112:第一副線圈

113:輔助線圈

120:輸出級電路

130:偵測電路

140:第二變壓器

141:第二主線圈

142:第二副線圈

150:保護電路

160:控制積體電路

IOUT:輸出電流

VC:控制電位

VD:偵測電位

VIN:輸入電位

VOUT:輸出電位

VS1:第一感應電位

VS2:第二感應電位

Claims (7)

1. 一種具有過電流保護功能之電源供應器，包括：一第一變壓器，包括一第一主線圈、一第一副線圈，以及一輔助線圈，其中該第一主線圈係用於接收一輸入電位，該第一副線圈係用於產生一第一感應電位，而該輔助線圈係用於產生一第二感應電位；一輸出級電路，根據該第一感應電位來產生一輸出電流；一偵測電路，監控該輸出電流，並根據該輸出電流來產生一偵測電位；一第二變壓器，包括一第二主線圈和一第二副線圈，其中該第二主線圈係用於接收該偵測電位，而該第二副線圈係用於產生一控制電位；一控制積體電路；以及一保護電路，根據該第二感應電位和該控制電位來選擇性地致能或禁能該控制積體電路；其中該第一主線圈具有一第一端和一第二端，該第一主線圈之該第一端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位，該第一主線圈之該第二端係耦接至一接地電位，該第一副線圈具有一第一端和一第二端，該第一副線圈之該第一端係耦接至一第一節點以輸出該第一感應電位，該第一副線圈之該第二端係耦接至一第二節點，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 第三節點以輸出該第二感應電位，而該輔助線圈之該第二端係耦接至該接地電位；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一節點以接收該第一感應電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一第四節點；以及一第一電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電容器之該第一端係耦接至該第四節點，而該第一電容器之該第二端係耦接至該第二節點；其中該第四節點係用於輸出該輸出電流至該偵測電路；其中該偵測電路包括：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該第四節點，該第一電晶體之該第一端係耦接至一第五節點，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第四節點。
2. 如請求項1所述之電源供應器，其中該第一電晶體係內建一寄生電容器，該寄生電容器具有一第一端和一第二端，該寄生電容器之該第一端係耦接至該第四節點，而該寄生電容器之該第二端係耦接至該第五節點。
3. 如請求項1所述之電源供應器，其中該偵測電路更包括： 一第二電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電容器之該第一端係耦接至該第四節點以接收該輸出電流，而該第二電容器之該第二端係耦接至一輸出節點；一第三電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第三電容器之該第一端係耦接至該第五節點，而該第三電容器之該第二端係耦接至該輸出節點；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四節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至一第六節點以輸出該偵測電位。
4. 如請求項3所述之電源供應器，其中該第二主線圈具有一第一端和一第二端，該第二主線圈之該第一端係耦接至該第六節點以接收該偵測電位，該第二主線圈之該第二端係耦接至該輸出節點，該第二副線圈具有一第一端和一第二端，該第二副線圈之該第一端係耦接至一第七節點以輸出該控制電位，而該第二副線圈之該第二端係耦接該接地電位。
5. 如請求項4所述之電源供應器，其中該保護電路包括：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耦接至該第七節點以接收該控制電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第三節點以接收該第二感應電位。
6. 如請求項5所述之電源供應器，其中該保護電路更包括：一第三二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第三二極體之該陽極係耦接至該第三節點，而該第三二極體之該陰極係耦接至一供應節點；以及一第四電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第四電容器之該第一端係耦接至該供應節點，而該第四電容器之該第二端係耦接至該接地電位；其中該供應節點係用於輸出一供應電位至該控制積體電路。
7. 如請求項6所述之電源供應器，其中若該輸出電流尚未達到一臨界值，則該保護電路將輸出具有高邏輯位準之該供應電位以致能該控制積體電路，而若該輸出電流已達到該臨界值，則該保護電路將輸出具有低邏輯位準之該供應電位以禁能該控制積體電路。

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