TWI877577B

TWI877577B - 電源供應裝置

Info

Publication number: TWI877577B
Application number: TW112107781A
Authority: TW
Inventors: 魏隆吉; 林茂寬
Original assignee: 全漢企業股份有限公司
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2023-03-03
Publication date: 2025-03-21
Also published as: US12362554B2; CN118589806A; TW202338875A; US20230299574A1

Abstract

一種電源供應裝置包括轉換模組、塑膠殼體及無機材，且轉換模組包括輸入端、潛在起火元件、轉換電路及輸出端。輸入端用以接收輸入源，且潛在起火元件用以抑制輸入源的突波。轉換電路轉換輸入源為輸出源，且輸出端用以提供輸出源至負載。塑膠殼體容置轉換模組，且塑膠殼體具有內表面。無機材配置於潛在起火元件與內表面之間，且潛在起火元件與內表面的距離小於13毫米。

Description

電源供應裝置

本發明係有關一種電源供應裝置，尤指一種具有防焰功能之小型化電源供應裝置。

現有的電源供應器或適配器(以下簡稱電源供應裝置)為了因應可攜性的需求，對於電源供應裝置體積的要求日趨嚴苛，尤其是電子設備(例如手機、筆電、遊戲機等)的適配器，其體積大小對消費者而言更是需要考量的點。然而，雖然電源供應裝置的體積縮小，但其輸出功率仍須達到與原先體積相當之電源供應裝置的要求，因此其內部的電源功率密度被迫提高。如此，將大幅地壓縮電子元件配置的空間。其中，電源供應裝置內部通常具有一至數個不等的潛在起火元件(Potential Ignition Source；PIS)，例如但不限於突波吸收器(Varistor)、功率開關等。以突波吸收器為例，為了防止電源供應裝置因突波或浪湧而發生異常或故障的狀況，勢必會在電源供應裝置的輸入端加裝保險絲及突波吸收器(Varistor)等保護元件，以避免衝擊電源供應裝置內部的元件或後端的負載。

除了保險絲之外，突波吸收器在輸入源發生過高的突波或浪湧等異常狀況，且超過突波吸收器耐壓/耐流的規格時，會造成突波吸收器發生燒毀的狀況。在突波吸收器準備要燒毀前，通常會產生大量的熱與火焰，恐會因此造成整個電源供應裝置起火燃燒的狀況。例如，如圖1~2習知的小型化電源供應裝置100的實驗結果照片圖所示，在突波吸收器因異常狀況燒毀後，會波及外部的塑膠殼體、電路板…等元件，造成小型化電源供應裝置100的塑膠殼體發生大面積燒穿的現象。如此，恐會導致火焰燒穿電源供應裝置100後，延燒至周遭設備而造成火災的風險。

為了避免發生上述狀況，如何設計出一種具有防焰功能之電源供應裝置，以避免突波吸收器因異常狀況燒毀後，造成小型化電源供應裝置的塑膠殼體發生大面積燒穿的現象，乃為本發明創作人所欲行研究的一大課題。

為了解決上述問題，本發明係提供一種具有防焰功能之電源供應裝置，以克服習知技術的問題。因此，本發明的電源供應裝置包括轉換模組、塑膠殼體及無機材，且轉換模組包括輸入端、潛在起火元件、轉換電路及輸出端。輸入端用以接收輸入源，且潛在起火元件耦接輸入端，以抑制輸入源的突波。轉換電路耦接潛在起火元件，且轉換輸入源為輸出源。輸出端用以提供輸出源至負載，以對負載供電。塑膠殼體容置轉換模組，且塑膠殼體具有內表面。無機材配置於潛在起火元件與內表面之間，且潛在起火元件與內表面的距離小於13毫米。

於一實施例中，潛在起火元件為突波吸收單元。

於一實施例中，無機材為貼覆物，且可撓性地包覆潛在起火元件。

於一實施例中，無機材為擋板，且被配置於潛在起火元件與內表面之間。

於一實施例中，無機材為貼覆物，且貼附於內表面。

於一實施例中，電源供應裝置符合IEC 62368-1：2018過載測試的要求。

於一實施例中，更包含溫度保險絲。溫度保險絲串接潛在起火元件，且溫度保險絲與潛在起火元件的距離小於8毫米。

於一實施例中，無機材的防火等級為UL 94 5VA。

於一實施例中，無機材為一FRB系列的材質。

本發明之主要目的及功效在於，在小型化電源供應裝置的潛在起火元件難以與塑膠殼體保持安全的絕緣距離(例如但不限於，13毫米的規範限制)的狀況下，通過在潛在起火元件與塑膠殼體之間配置無機材，即可達到抑制潛在起火元件燒毀時，火焰貫穿或溢散的問題，且不會因高溫而致使塑膠殼體產生碳化(或脆化)的現象。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100:電源供應裝置

1:轉換模組

12:輸入端

14:潛在起火元件

16:轉換電路

18:輸出端

FUt:溫度保險絲

2:塑膠殼體

2A、2B:端口

1A:電路板

3:無機材

L:電力線

200:負載

Vr:電源

Rx:測試電阻

FU:保險絲

V、A:功率計

Vin:輸入源

Vo:輸出源

X:絕緣距離

Y:距離

圖1為習知未具有防焰功能之小型化電源供應裝置第一實驗例的實驗結果照片圖；圖2為習知未具有防焰功能之小型化電源供應裝置第二實驗例的實驗結果照片圖；圖3為本發明具有防焰功能之小型化電源供應裝置的電路配置示意圖；圖4為本發明的小型化電源供應裝置第一視角的內部配置實體圖；圖5為本發明的小型化電源供應裝置第二視角的內部配置實體圖；圖6A為本發明無機材配置方式的第一實施例示意圖；圖6B為本發明無機材配置方式的第二實施例示意圖；圖6C為本發明無機材配置方式的第三實施例示意圖；圖7所示的過載/超載測試方式的接線示意圖；圖8為本發明具有防焰功能之小型化電源供應裝置第一實驗例的實驗結果照片圖；及圖9為本發明具有防焰功能之小型化電源供應裝置第二實驗例的實驗結果照片圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參閱圖3為本發明具有防焰功能之小型化電源供應裝置的電路配置剖面圖。電源供應裝置100耦接電力線L與負載200，且包括轉換模組1與塑膠殼體2。轉換模組1可配置於電路板1A上，且包括輸入端12、潛在起火元件14(即突波吸收器)、轉換電路16及輸出端18。輸入端12用以耦接電力線L，以接收由電力線L所提供的輸入源Vin。潛在起火元件14耦接輸入端12，以抑制輸入源Vin的突波。轉換電路16耦接潛在起火元件14，且轉換輸入源Vin為輸出源Vo。其中，轉換電路16可以為隔離式(例如但不限於Flyback、Forward)或非隔離式(例如但不限於Buck、Boost)切換式的轉換電路，且其內部包括至少一功率開關，以通過功率開關的切換導通/關斷而轉換輸入源Vin為輸出源Vo。輸出端18耦接轉換電路16，且接收輸出源Vo，以提供輸出源Vo至負載200。

塑膠殼體2容置轉換模組1，且開設二端口2A、2B，輸入端12與輸出端18分別配置於二端口2A、2B的一者(例如但不限於，輸入端12配置於端口2A，且輸出端18配置於端口2B)。其中，塑膠殼體2的防火等級以V-0的等級為最佳。另一方面，轉換模組1可選擇性地包括溫度保險絲(Thermal Fuse)FUt，且溫度保險絲FUt串接潛在起火元件14。溫度保險絲FUt主要是感應轉換模組1在非正常運作中產生的過熱，並據以熔斷而致使轉換模組1的輸入端12至潛在起火元件14之間的路徑斷路，以避免火災的發生。值得一提，於本發明之一實施例中，圖3的溫度保險絲FUt的配置位置僅為示意，實際上並不以圖3的位置為限，其一般可配置於輸入端12附近。

一般而言，為了避免潛在起火元件14(在此指的是突波吸收器)因異常狀況燒毀後，造成小型化電源供應裝置100的塑膠殼體2發生大面積燒穿的現象。因此，電源供應裝置100在出廠前，必須要通過安規測試，並符合安規的規範。具體地，在IEC 62368-1：2018的規範下，電源供應裝置100內部的潛在起火元件14(突波吸收器)必須要與塑膠殼體2保持最小13毫米的距離，抑或是使用防火等級為V-0的塑膠殼體2。然而，由於小型化的電源供應裝置100具有功率密度高及內部空間狹小之特徵，潛在起火元件14通常無法與塑膠殼體2保持最小13毫米的距離(若這段距離的中間有麥拉(mylar)片或其他零件，皆視為此距離不合乎規定，且不得以此元件做為距離的延伸)。主要原因在於，潛在起火元件14通常緊接於輸入端12後，其安裝的位置通常位於電路板1A的一側邊，勢必會非常地接近電源供應裝置100的塑膠殼體2。如圖4及圖5的本發明的小型化電源供應裝置的內部配置實體圖為例，輸入端12旁的潛在起火元件14根本不可能與塑膠殼體2保持13毫米的距離。

因此，勢必要在塑膠殼體2與潛在起火元件14之間加設防火材。然而，一般的防火材通常在瞬間的高溫下，會因為材料含有碳等有機元素而碳化或脆化。如此，碳化或脆化的防火材會有結構上的龜裂甚至於脫落，造成火焰仍然會由這些結構因碳化(或脆化)而損壞的地方貫穿或溢散出去，仍會有波及其他元件或塑膠殼體2的危險。

為解決上述問題，目前一般解決上述問題的對策方式如下：

a.設計上不使用突波吸收器(即潛在起火元件14)。

b.設計上使用突波吸收器(即潛在起火元件14)，但突波吸收器的本體必須與塑膠殼體2保持最小13毫米以上的距離。

c.電源供應裝置100利用土法煉鋼的方式，整機隨機去評估突波吸收器(即潛在起火元件14)的過載規範與暫態過壓規範。

其中，上述的對策a恐會導致電源供應裝置100因突波或浪湧而發生異常或故障的狀況，具有較高地故障風險。上述的對策b則需要較大的電路板1A面積，不利於電源供應裝置100小型化的需求。上述的對策c主要係將每個型號的保險絲與每個型號的突波吸收器搭配不同材質的塑膠殼體2，交叉配對出所有的組合。每個組合的樣品，在測試過程中，只要在保險絲做動斷開前，突波吸收器產生的火焰不會燒毀塑膠殼體2，安規測試就判定為合格。如此，為增加測試成功機率，突波吸收器勢必要被迫選用高一階的耐壓/耐流型號，或使用內建溫度斷路器的突波吸收器。因此，無論選擇上述a~c的對策，不外乎勢必得增加電路設計的複雜度，抑或是增加電路成本。

由於本發明電源供應裝置100為小型化的設計，具有功率密度高，塑膠殼體2內部配置的空間狹小之特徵，且轉換電路16已佔去電路板1A上幾乎所有的配置空間。除此之外，由於潛在起火元件14(即突波吸收器)緊接於輸入端12後，其安裝的位置位於電路板1A的側邊而非常地接近塑膠殼體2，勢必無法與塑膠殼體2保持最小13毫米的距離。此外，若轉換模組1還配置有溫度保險絲FUt的狀況，由於溫度保險絲FUt通常被配置於輸入端12與潛在起火元件14之間，勢必距離塑膠殼體2更為接近。因此，潛在起火元件14與溫度保險絲FUt的距離Y通常無法保持最小8毫米的距離。

本發明之電源供應裝置100的潛在起火元件14與塑膠殼體2的內表面的距離無可避免地會小於13毫米，需使用防火等級為V-0的塑膠殼體2來符合安規的規範。再者，本發明之電源供應裝置100更包括無機材3，且無機材3配置於潛在起火元件14與塑膠殼體2相應位置的內表面之間，以避免潛在起火元件14燒毀時，火焰貫穿或溢散出塑膠殼體2外。具體地，無機材3可以為石棉、雲母、金剛石、石墨、水晶等材料，主要係未含有碳元素。因此，在瞬間600℃~700℃的高溫下，材料本身並不會發生碳化或脆化的狀況，而不會有火焰從這些結構因碳化(或脆化)而損壞的地方貫穿或溢散出去的風險。其中，無機材3又以3M所開發的FRB系列的材質為最佳。其主要適用於OEM電氣耐燃應用的絕緣片，產品主要是以本質上屬於耐燃、具有良好介電強度的無機材3具有UL 94 5VA的防火等級。

除此之外，電源供應裝置100內部其餘的潛在起火元件14(例如但不限於，功率開關)一般配置於電路板1A的其餘位置，且由於其餘的潛在起火元件14並非必須要配置在接近於輸入端12或輸入端12的位置。因此，其餘的潛在起火元件14通常可與塑膠殼體2保持最小13毫米以上的距離。然而，若其餘的潛在起火元件14無法與塑膠殼體2保持最小13毫米以上的距離，則可以配置上述無機材3在這二者之間，同樣可避免燒毀時，火焰貫穿或溢散出塑膠殼體2外的狀況。

復參閱圖3，由於潛在起火元件14(即突波吸收器)安裝的位置位於電路板1A的側邊，且非常接近塑膠殼體2，因此潛在起火元件14與塑膠殼體2內表面的距離會小於絕緣距離X。以安規IEC 62368-1的規定，絕緣距離X為13毫米以下。由於本發明在潛在起火元件14與塑膠殼體2之間設有無機材3，用以避免瞬間的高溫而造成火焰貫穿或溢散出去的風險，因此在絕緣距離X小於13毫米的狀況下，電源供應裝置100仍然可以符合安規。

請參閱圖6A為本發明無機材配置方式的第一實施例示意圖、圖6B為本發明無機材配置方式的第二實施例示意圖、圖6C為本發明無機材配置方式的第三實施例示意圖，復配合參閱圖3~5。在圖6A中，無機材3可以被設計為例如但不限於膠帶等貼覆物，且以纏繞的方式可撓性地包覆於潛在起火元件14的外表面，用以阻擋潛在起火元件14產生的火焰，且不會因高溫而產生碳化的現象。其中，無機材3纏繞的圈數並不限制。在圖6B中，無機材3可以被設計為擋板，且被配置於潛在起火元件14與內表面之間，同樣可用以阻擋潛在起火元件14產生的火焰，且不會因高溫而產生碳化的現象。較佳地，無機材3的寬度可以被設計為大於潛在起火元件14，以有較佳地阻擋效果。在圖6C中，無機材3可以被設計為貼覆物(其可以為可撓性或不可撓性的貼覆物)，且貼附於塑膠殼體2對應潛在起火元件14位置的內表面，用以阻擋潛在起火元件14產生的火焰燒穿塑膠殼體2的狀況，且不會因高溫而產生碳化(或脆化)的現象，避免塑膠殼體2發生大面積燒穿的狀況。同樣地，無機材3的寬度可以被設計為大於潛在起火元件14，以有較佳地阻擋效果。

值得一提，於本發明之一實施例中，圖6A~6C的無機材3僅出示部分地配置方向。然而，在實際應用中，無機材3通常可配置的位置可以包括潛在起火元件14的前、後、左、右及上方(下方鄰近電路板)，其根據潛在起火元件14與內表面的絕緣距離X而定。

進一步地，通過上述圖6A~6C的無機材3配置方式，本發明係經過如圖7所示的IEC 62368-1：2018過載/超載測試(overload test)方式。在圖7中，包括待測的電源供應裝置100與潛在起火元件14(即突波吸收器)，且包括測試電源供應裝置100的電源Vr、測試電阻Rx、保險絲FU，以及用以量測功率的功率計V、A。其中，Vr例如但不限於，可以為240V的交流電源，且其測試條件如下：第一階段Rx=16×Vr(Ω)；第二階段Rx=8×Vr(Ω)；第三階段Rx=4×Vr(Ω)；第四階段Rx=2×Vr(Ω)，依此類推。

上述測試中，會分階段逐一地進行測試，且依階段之遞增而逐步遞減測試電阻Rx的大小，一直持續至突波吸收器燒毀為止。待突波吸收器燒毀後，再對電源供應裝置100的塑膠殼體2進行檢查，確認有無大面積燒穿而導致塑膠殼體2碳化或脆化的現象。在上述測試條件下，其測試結果如圖8及圖9所示的實驗結果照片圖所示。由實驗結果照片圖可知，在有設置無機材3的情況下，使用如圖6A~6C的方式來將無機材3配置於塑膠殼體2內表面及突波吸收器之間的情況下，塑膠殼體2於過載測試完成前後，皆未有火焰竄出。此外，突波吸收器燒毀後，僅發生塑膠殼體2因高溫而被熔破，並未有火焰貫穿或溢散的狀況。此外，電源供應裝置100內部其餘的潛在起火元件14(例如但不限於，功率開關)同樣適用前述的測試，並產生相似的功效，在此不再加以贅述

因此，綜上所述，本發明的主要目的及功效在於，在小型化電源供應裝置的潛在起火元件14(例如本發明的突波吸收單元)難以與塑膠殼體2保持安全的絕緣距離X(例如但不限於，13毫米的規範限制)的狀況下，通過在潛在起火元件14與塑膠殼體2之間配置無機材3，即可達到抑制潛在起火元件14燒毀時，火焰貫穿或溢散的問題，且不會因高溫而致使塑膠殼體2產生碳化(或脆化)的現象。

惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本發明之專利範圍。