TWI715487B - 消除振鈴效應之電源供應器 - Google Patents

Abstract

一種可消除振鈴效應之電源供應器，包括：一輸入級電路、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，以及一激磁電感器。功率切換器係根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將主線圈和激磁電感器皆耦接至一接地電位，其中功率切換器內建一寄生電容器。脈衝寬度調變積體電路可產生脈衝寬度調變電位。控制電路可監控激磁電感器和寄生電容器之間之一諧振電位。若諧振電位低於一臨界電位，則控制電路將強制導通功率切換器，其中臨界電位係根據輸入級電路之一參考電位而決定。

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：一輸入級電路，根據該輸入電位來產生一參考電位；一變壓器，包括一主線圈、一副線圈，以及一激磁電感器，其中該主線圈係用於接收該輸入電位，而該副線圈係用於產生一感應電位；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和該激磁電感器皆耦接至一接地電位，其中該功率切換器內建一寄生電容器；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，監控該激磁電感器和該寄生電容器之間之一諧振電位，其中若該諧振電位低於一臨界電位，則該控制電路將強制導通該功率切換器；其中該臨界電位係根據該參考電位而決定。

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：一輸入級電路110、一變壓器120、一輸出級電路130、一功率切換器140、一脈衝寬度調變積體電路150，以及一控制電路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。

輸入級電路110可根據一輸入電位VIN來產生一參考電位VE。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，其電位位準可由100V至400V，但亦不僅限於此。變壓器120包括一主線圈121、一副線圈122，以及一激磁電感器LM，其中主線圈121和激磁電感器LM皆可位於變壓器120之同一側，而副線圈122則可位於變壓器120之相對另一側。主線圈121可接收輸入電位VIN，而作為對於輸入電位VIN之回應，副線圈122可產生一感應電位VS。激磁電感器LM可為變壓器120製造時所附帶產生之一固有元件，其並非一外部獨立元件。輸出級電路130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140係根據一脈衝寬度調變電位VA來選擇性地將主線圈121和激磁電感器LM皆耦接至一接地電位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140即將主線圈121和激磁電感器LM皆耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器140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140不會將主線圈121和激磁電感器LM耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器140可近似於一開路路徑)。另外，功率切換器140可內建一寄生電容器CP。必須理解的是，功率切換器140之二端之間之總寄生電容可模擬為前述之寄生電容器CP，其並非一外部獨立元件。脈衝寬度調變積體電路150可產生脈衝寬度調變電位VA。控制電路160可監控激磁電感器LM和寄生電容器CP之間之一諧振電位VR，而若諧振電位VR低於一臨界電位VTH，則控制電路160將強制導通功率切換器140，使得主線圈121和激磁電感器LM皆被耦接至接地電位VSS。必須注意的是，臨界電位VTH可根據輸入級電路110之參考電位VE而決定。在此設計下，一旦激磁電感器LM與寄生電容器CP之間產生振鈴效應，控制電路160將可立即導通功率切換器140以消除此一非理想特性。因此，本發明可減少功率切換器140之切換損失，同時提高電源供應器100之轉換效率。

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，並包括一輸入級電路210、一變壓器220、一輸出級電路230、一功率切換器240、一脈衝寬度調變積體電路250，以及一控制電路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。

輸入級電路210包括一第一二極體D1、一第一電阻器R1，以及一第一電容器C1。第一二極體D1之陽極係耦接至輸入節點NIN，而第一二極體D1之陰極係耦接至一第一節點N1以輸出一參考電位VE。第一電阻器R1之第一端係耦接至第一節點N1，而第一電阻器R1之第二端係耦接至一第二節點N2。第一電容器C1之第一端係耦接至第二節點N2，而第一電容器C1之第二端係耦接至一接地電位VSS。

變壓器220包括一主線圈221、一副線圈222，以及一激磁電感器LM，其中主線圈221和激磁電感器LM皆可位於變壓器220之同一側，而副線圈222則可位於變壓器220之相對另一側。主線圈221之第一端係耦接至輸入節點NIN，而主線圈221之第二端係耦接至一第三節點N3。副線圈222之第一端係耦接至一第四節點N4以輸出一感應電位VS，而副線圈222之第二端係耦接至一第五節點N5。激磁電感器LM之第一端係耦接至輸入節點NIN，而激磁電感器LM之第二端係耦接至第三節點N3。

輸出級電路230包括一第二二極體D2和一第二電容器C2。第二二極體D2之陽極係耦接至第四節點N4以接收感應電位VS，而第二二極體D2之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電容器C2之第二端係耦接至第五節點N5。第五節點N5可視為一共同節點或是另一接地節點。

功率切換器240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之第一端係耦接至接地電位VSS，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第三節點N3。功率切換器240內建一寄生電容器CP。寄生電容器CP之第一端係耦接至第三節點N3以輸出一諧振電位VR，而寄生電容器CP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寄生電容器CP，其並非一外部獨立元件。

脈衝寬度調變積體電路250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240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。另外，脈衝寬度調變電位VA亦有可能為控制電路260所改變。

控制電路260包括一比較器262、一第三二極體D3、一第二電晶體M2、一第三電晶體M3、一第二電阻器R2，以及一第三電阻器R3。比較器262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。三二極體D3之陽極係耦接至第三節點N3以接收諧振電位VR，而第三二極體D3之陰極係耦接至一第七節點N7。第二電晶體M2之控制端係耦接至第七節點N7，第二電晶體M2之第一端係耦接至一第八節點N8以輸出一臨界電位VTH，而第二電晶體M2之第二端係耦接至一第九節點N9。第二電阻器R2之第一端係耦接至第一節點N1以接收參考電位VE，而第二電阻器R2之第二端係耦接至第九節點N9。第三電阻器R3之第一端係耦接至第八節點N8，而第三電阻器R3之第二端係耦接至一第十節點N10。第三電晶體M3之控制端係耦接至第三節點N3以接收諧振電位VR，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十節點N10。比較器262之正輸入端係耦接至第八節點N8以接收臨界電位VTH，比較器262之負輸入端係耦接至第三節點N3以接收諧振電位VR，而比較器262之輸出端係耦接至第六節點N6。若諧振電位VR高於或等於臨界電位VTH，則比較器262不會影響脈衝寬度調變電位VA；反之，若諧振電位VR低於臨界電位VTH，則比較器262會強制把脈衝寬度調變電位VA拉升至高邏輯位準以導通第一電晶體M1。

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，或是一第二模式，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，以及第二二極體D2皆被關閉。

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被導通。第一電容器C1係由輸入電位VIN經過第一二極體D1和第一電阻器R2進行充電。此時，激磁電感器LM具有一正電壓(亦即，輸入節點NIN之輸入電位VIN高於第三節點N3之諧振電位VR)。因此，第三二極體D3、第二電晶體M2，以及第三電晶體M3皆被關閉，而比較器262不會影響脈衝寬度調變電位VA。

在第二模式中，脈衝寬度調變電位VA為由高邏輯位準切換至低邏輯位準且第一電晶體M1被關閉。根據冷次定律，激磁電感器LM會瞬間轉為具有一負電壓(亦即，輸入節點NIN之輸入電位VIN低於第三節點N3之諧振電位VR)。此時，功率切換器240之寄生電容器CP會與變壓器220之激磁電感器LM產生共振(亦即，振鈴效應)，而第三二極體D3、第二電晶體M2，以及第三電晶體M3皆被導通，使得臨界電位VTH成為參考電位VE之一特定比率。在一些實施例中，臨界電位VTH恰與參考電位VE成正比關係，其可大致如下列方程式(1)所述：

…………………………(1) 其中「VTH」代表臨界電位VTH之位準，「VE」代表參考電位VE之位準，「R2」代表第二電阻器R2之電阻值，而「R3」代表第三電阻器R3之電阻值。

當寄生電容器CP所儲存之諧振電位VR低於臨界電位VTH時，比較器262會強制把脈衝寬度調變電位VA拉升至高邏輯位準以導通第一電晶體M1。因此，電源供應器200會由第二模式被強制切換回第一模式，而電源供應器200中非理想之振鈴效應亦可以被完全消除。

第3圖係顯示傳統電源供應器之電位波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準或是電流值。若未使用控制電路260，在通過第二二極體D2之電流I2下降為0之後，功率切換器240之寄生電容器CP與變壓器220之激磁電感器LM之間將容易發生振鈴效應(如第一虛線框370處所示)。

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，若已使用控制電路260，在通過第二二極體D2之電流I2下降為0之後，功率切換器240之寄生電容器CP與變壓器220之激磁電感器LM之間之振鈴效應將會快速地被抑制(如第二虛線框470處所示)。詳細而言，激磁電感器LM和寄生電容器CP之間之諧振電位VR可於其自身之第一次波谷處即被直接下拉至接地電位VSS，故電源供應器200之非理想特性將能有效被消除。

在一些實施例中，電源供應器200之元件參數可如下列所述。激磁電感器LM之電感值可介於285μH至315μH之間，較佳可為300μH。寄生電容器CP之電容值可介於90pF至110pF之間，較佳可為100pF。第一電容器C1之電容值可介於108μF至132μF之間，較佳可為120μF。第二電容器C1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9.5KΩ至10.5KΩ之間，較佳可為10KΩ。第二電阻器R2之電阻值可介於13.3KΩ至14.7KΩ之間，較佳可為14KΩ。第三電阻器R3之電阻值可介於0.95KΩ至1.05KΩ之間，較佳可為1KΩ。主線圈221對副線圈222之匝數比值可介於1至100之間，較佳可為10。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激磁電感器和寄生電容器之間之非理想特性。由於本發明可改善電源供應器之轉換效率並降低其電磁干擾現象，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1-4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:輸入級電路 120,220:變壓器 121,221:主線圈 122,222:副線圈 130,230:輸出級電路 140,240:功率切換器 150,250:脈衝寬度調變積體電路 160,260:控制電路 262:比較器 370:第一虛線框 470:第二虛線框 C1:第一電容器 C2:第二電容器 CP:寄生電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 D3:第三二極體 I2:電流 LM:激磁電感器 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 N9:第九節點 N10:第十節點 NIN:輸入節點 NOUT:輸出節點 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 R3:第三電阻器 VA: 脈衝寬度調變電位 VE:參考電位 VIN:輸入電位 VOUT:輸出電位 VR:諧振電位 VS:感應電位 VSS:接地電位 VTH:臨界電位

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之電位波形圖。 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:輸入級電路

120:變壓器

121:主線圈

122:副線圈

130:輸出級電路

140:功率切換器

150:脈衝寬度調變積體電路

160:控制電路

CP:寄生電容器

LM:激磁電感器

VA:脈衝寬度調變電位

VE:參考電位

VIN:輸入電位

VOUT:輸出電位

VR:諧振電位

VS:感應電位

VSS:接地電位

VTH:臨界電位

Claims (10)

1. 一種消除振鈴效應之電源供應器，包括： 一輸入級電路，根據該輸入電位來產生一參考電位； 一變壓器，包括一主線圈、一副線圈，以及一激磁電感器，其中該主線圈係用於接收該輸入電位，而該副線圈係用於產生一感應電位； 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和該激磁電感器皆耦接至一接地電位，其中該功率切換器內建一寄生電容器； 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，監控該激磁電感器和該寄生電容器之間之一諧振電位，其中若該諧振電位低於一臨界電位，則該控制電路將強制導通該功率切換器； 其中該臨界電位係根據該參考電位而決定。
2. 如請求項1所述之電源供應器，其中該輸入級電路包括： 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一輸入節點以接收該輸入電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一第一節點以輸出該參考電位； 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一節點，而該第一電阻器之該第二端係耦接至一第二節點；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二節點，而該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
3. 如請求項2所述之電源供應器，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輸入節點以接收該輸入電位，該主線圈之該第二端係耦接至一第三節點，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四節點以輸出該感應電位，該副線圈之該第二端係耦接至一第五節點，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輸入節點，而該激磁電感器之該第二端係耦接至該第三節點。
4. 如請求項3所述之電源供應器，其中該輸出級電路包括： 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以接收該感應電位，而該第二二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輸出節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至該第五節點。
5. 如請求項4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三節點。
6. 如請求項5所述之電源供應器，其中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三節點以輸出該諧振電位，而該寄生電容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以接收該諧振電位，而該第三二極體之該陰極係耦接至一第七節點； 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，該第二電晶體之該第一端係耦接至一第八節點以輸出該臨界電位，而該第二電晶體之該第二端係耦接至一第九節點；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一節點以接收該參考電位，而該第二電阻器之該第二端係耦接至該第九節點。
8. 如請求項7所述之電源供應器，其中該控制電路更包括： 一第三電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第三電阻器之該第一端係耦接至該第八節點，而該第三電阻器之該第二端係耦接至一第十節點；以及 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耦接至該第三節點以接收該諧振電位，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十節點。
9. 如請求項8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該第八節點以接收該臨界電位，該比較器之該負輸入端係耦接至該第三節點以接收該諧振電位，而該比較器之該輸出端係耦接至該第六節點。
10. 如請求項9所述之電源供應器，其中該脈衝寬度調變積體電路係於該第六節點處輸出該脈衝寬度調變電位，而若該諧振電位低於該臨界電位，則該比較器會強制把該脈衝寬度調變電位拉升至高邏輯位準。

Images