TWI436540B - 電源供應器與電源供應器的控制方法以及其所適用之電源供電系統 - Google Patents

Description

電源供應器與電源供應器的控制方法以及其所適用之電源供電系統

本案係關於一種電源供應器與電源供應器的控制方法以及電源供電系統，尤指一種高可靠度且適用於備援式電源供電系統之電源供應器與電源供應器的控制方法，而該電源供電系統使用複數個電源供應器並聯供電運作。

近年來隨著科技的進步，具有各式各樣不同功能的電子產品已逐漸被研發出來，這些具有各式各樣不同功能的電子產品不但滿足了人們的各種不同需求，更融入每個人的日常生活，使得人們生活更為便利。

這些各式各樣不同功能的電子產品係由各種電子元件所組成，而每一個電子元件所需的電源電壓不盡相同，因此，現今的電力供電系統提供的交流電源(市電)並不適合直接提供給電子產品使用。為了提供適當的電壓給每一個電子元件使其正常運作，這些電子產品需要藉由電源轉換電路將交流電源，例如一般的市電，轉換為適當的電壓給電子產品使用。隨著電子產品的耗電量與應用的場合不同，為了提高供電的可靠度(reliability)與達到容錯式的運作要求，備援式的電源供電系統(redundancy power system)會使用複數個電源供應器同時並聯供電至電子產品，以防止因其中一個電源供應器故障或損毀，造成電源供電系統停止供電至電子產品而使電子產品停止運作。

請參閱第一圖，其係為習知電源供電系統之電路架構示 意圖。如第一圖所示，習知電源供電系統1包含結構相似且額定輸出電壓值相同之複數個電源供應器10，藉由複數個電源供應器10的輸出端電性並聯連接而構成備緩式的電源供電系統1。於運作時，每一個電源供應器10會將輸入電壓Vin轉換為電子產品(未圖示)運作時所需電壓值之輸出電壓Vo’，例如12V(伏特)，且每一個電源供應器10共同分攤(Current sharing)提供至電子產品(未圖示)之系統輸出電流Io’，即系統輸出電流Io’等於所有電源供應器10之輸出電流Io1’~Ion’之總合。

如第一圖所示，習知每一電源供應器10包含電源變換器101(converter)以及輸出保護電路102，電源供應器10藉由內部一開關電路(未圖示)導通或截止的切換運作(switching)將輸入電壓Vin轉換為內輸出電壓Vo1’後，內輸出電壓Vo1’之電能再經由輸出保護電路102傳送至電子產品(未圖示)。於本實施例中，輸出保護電路102由複數個二極體D(diode)並聯構成具有緩衝與保護特性之或閘二極體(ORing Diode)，每一個二極體D電性連接於電源變換器101的輸出端與電源供應器10的輸出端之間，用以限制流經輸出保護電路102之輸出電流Io1’之電流方向。當其中一個電源供應器10短路或故障時，輸出保護電路102的二極體D可以防止電源供應器10發生逆向電流(reverse current)，即防止電源供應器10之輸出電流Io1’逆向流回至電源供應器10內。例如其中一個電源供應器10短路時，輸出保護電路102可以有效防止逆向電流流入發生故障之電源供應器10，再如其中一個電源 供應器10發生故障導致輸出電壓昇高，輸出保護電路102可以有效防止逆向電流流入未發生故障之電源供應器10。雖然，利用二極體D組成之輸出保護電路102可以有效防止逆向電流發生，但是二極體D具有較大的導通電壓降，因此二極體D的導通損失(conduction loss)較大，電源供應器10與電源供電系統1的整體效率較低，且運作溫度較高。

請參照第二圖並配合第一圖，其中第二圖係為另一種習知電源供電系統的結構示意圖。如第二圖所示，習知電源供電系統2之電源供應器20係利用複數個功率電晶體M(power transistor)取代第一圖所示中之複數個二極體D，以構成具有緩衝與保護特性之或閘場效電晶體(Oring FET)輸出保護電路102。由於功率電晶體M具有導通阻抗較低且導通電壓降較小之特性，因此藉由複數個功率電晶體M構成之輸出保護電路102，可使電源供應器20與電源供電系統2之功率損失減少、運作溫度降低以及整體效率增加。於本實施例中，控制電路203依據輸出電壓Vo’及內輸出電壓Vo1’兩者的電壓差，即導通電壓降Vt(Vt=Vo’-Vo1’)，控制複數個功率電晶體M導通或截止，當電源供應器20發生逆向電流時，控制電路203會藉由導通電壓降Vt之電壓值判斷出電源供應器20發生逆向電流，並對應控制複數個功率電晶體M截止。

請參照第三圖並配合第二圖，其中第三圖係為功率電晶體之狀態與導通電壓降之對應關係示意圖。如第三圖所示，功率電晶體之狀態與導通電壓降之對應關係具遲滯 特性(hysteresis)，其運作方式說明如下：(1)當導通電壓降Vt之電壓值大於第二預設電壓值Vref2時(Vt>Vref2)，表示電源供應器10發生逆向電流，控制電路203會對應控制複數個功率電晶體M截止；(2)當導通電壓降Vt之電壓值小於第一預設電壓值Vref1時(Vt>Vref1)，表示電源供應器10未發生逆向電流，控制電路203會對應控制複數個功率電晶體M導通；(3)當導通電壓降Vt之電壓值介於第一預設電壓值Vref1與第二預設電壓值Vref2間之遲滯區間時，控制電路203會對應控制複數個功率電晶體M保持上一狀態；於本實施例中，如電源供應器20之電源變換器101為一諧振式之電源變換器，當其中一個電源供應器20故障時，故障的電源供應器20會使輸出電壓Vo’的電壓值上升而超過額定電壓值，例如超過12V，並對應使正常運作之電源供應器20之內輸出電壓Vo1’之電壓值上升，此時，正常運作之電源供應器20之電源變換器101為了使輸出電壓Vo’的電壓值下降至額定電壓值，例如12V，正常運作之電源供應器20之電源變換器101之開關電路(未圖示)之運作頻率會增加，當運作頻率到達一定程度之後會造成正常運作之電源供應器20之電源變換器101燒毀。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之電源供應器與電源供應器的控制方法以及其所適用之電源供電系統實為目前迫切需要解決之問題。

本案之目的在於提供一種電源供應器與電源供應器的控制方法以及其所適用之電源供電系統，以防止因故障的電源供應器使正常運作之電源供應器發生逆向電流或運作頻率會過高而燒毀，同時具有較高的整體效率、較少的功率損失以及較低的運作溫度。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種電源供應器，用以接收輸入電壓之電能並產生輸出電壓，係包含：電源變換器，用以將輸入電壓轉換為內輸出電壓；輸出保護電路，電性連接於電源變換器的輸出端與電源供應器的輸出端之間，用以藉由導通或截止之運作而保護電源供應器使其正常工作；以及控制單元，電性連接於輸出保護電路，用以控制輸出保護電路運作；其中，當電源變換器之運作頻率大於第一預設頻率值且內輸出電壓之電壓值大於第一預設電壓值時，控制單元藉由輸出第一控制訊號至輸出保護電路的控制端以控制輸出保護電路截止。

為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一種電源供電系統，用以接收輸入電壓之電能而產生輸出電壓及系統輸出電流，係包含：複數個電源供應器，係彼此並聯連接，且其中至少一電源供應器係包含：電源變換器，用以將輸入電壓轉換為內輸出電壓；輸出保護電路，電性連接於電源變換器的輸出端與電源供應器的輸出端之間，用以藉由導通或截止之運作而保護電源供應器使其正常工作；以及控制單元，電性連接於輸出保護電路，用以控制輸出保護電路運作；其中，當電源變換 器之運作頻率大於第一預設頻率值且內輸出電壓之電壓值大於第一預設電壓值時，控制單元藉由輸出第一控制訊號至輸出保護電路的控制端以控制輸出保護電路截止。

為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一種電源供應器的控制方法，係包含：提供電源變換器，用以將輸入電壓轉換為內輸出電壓；提供輸出保護電路，電性連接於電源變換器的輸出端與電源供應器的輸出端之間，用以藉由導通或截止之運作而保護電源供應器使其正常工作；檢測內輸出電壓；檢測電源變換器之運作頻率；比較內輸出電壓之電壓值與第一預設電壓值；比較運作頻率之頻率值與第一預設頻率值；以及當電源變換器之運作頻率之頻率值大於第一預設頻率值且內輸出電壓之電壓值大於第一預設電壓值時，控制輸出保護電路截止。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第四圖A並配合第四圖B，其中第四圖A係為本案較佳實施例之電源供電系統之電路方塊示意圖，而第第四圖B係為本案較佳實施例之電源變換器之直流增益與運作頻率之對應關係示意圖。如第四圖A所示，本案之電源供電系統3係具有複數個電源供應器4並聯提供輸出電壓Vo 至一負載(未圖示)，以構成備援式的電源供電系統。於運作時，每一個電源供應器4會將輸入電壓Vin轉換為負載(未圖示)運作時所需電壓值之輸出電壓Vo，例如12V，且每一個電源供應器4共同分攤(Current sharing)提供至負載(未圖示)之系統輸出電流Io，即系統輸出電流Io等於所有電源供應器4之輸出電流Io1~Ion之總合。其中，內輸出電壓Vo1的電壓值稍微高於輸出電壓Vo之電壓值，例如12.1V。

至少一個或者每一個電源供應器4包含：電源變換器40、輸出保護電路41以及控制單元42，其中，電源變換器40的輸入端與電源供應器4的輸入端電性連接，且藉由內部一開關電路(未圖示)導通或截止的切換運作(switching)將輸入電壓Vin轉換為一內輸出電壓Vo1(+12VL)後，內輸出電壓Vo1之電能再經由輸出保護電路41傳送至負載(未圖示)。輸出保護電路41電性連接於電源變換器40的輸出端與電源供應器4的輸出端之間，於本實施例中，輸出保護電路41包含至少一個開關元件41a電性連接於電源變換器40的輸出端與電源供應器4的輸出端之間，但不以此為限，更可由複數個開關元件電性並聯連接(未圖示)構成輸出保護電路41。

控制單元42電性連接於電源變換器40與輸出保護電路41，用以分別控制電源變換器40與輸出保護電路41運作。控制單元42包含：第一控制電路421與第二控制電路422，其中，第一控制電路421依據電源變換器40的運作頻率fs與內輸出電壓Vo1對應控制輸出保護電路41導通或截止，而第二控制電路422則依據內輸出電壓Vo1控制電源變 換器40運作，使內輸出電壓Vo1之電壓值維持為額定電壓值，例如12V。其中電源變換器40的運作頻率fs與內輸出電壓Vo1之狀態可通過第二控制電路422中的檢測模塊與迴授模塊(未圖示)經過採樣處理後輸出分別對應之訊號而取得，例如迴授訊號或/及頻率訊號。在本發明中控制單元42可以採用模擬電路(analog circuit)、數字電路(digital circuit)或模擬數字混合電路(analog-digital mixing circuit)實現，同樣的第一控制電路421與第二控制電路422也分別可以採用模擬電路、數字電路或模擬數字混合電路實現，具體之實施方式會在後續實施例中舉例說明但不限於本說明書之描述內容。請參閱第四圖B，於本實施例中，電源變換器40的直流增益(DC Gain(Vo1/Vin))會隨著運作頻率fs與額定頻率fo之比例值(fs/fo)而變化，即直流增益會隨著運作頻率fs的增加而對應降低，當內輸出電壓Vo1之電壓值大於額定電壓值時，第二控制電路422會對應調升電源變換器40的運作頻率fs。相反地，當內輸出電壓Vo1之電壓值小於額定電壓值時，第二控制電路422會對應調降電源變換器40的運作頻率fs。因此，第二控制電路422可藉由調整電源變換器40的運作頻率fs使內輸出電壓Vo1之電壓值維持為額定電壓值，例如12V。

請再參閱第四圖A並配合第四圖B，於本實施例中，當其中一個電源供應器4故障而使輸出電壓Vo與正常運作之電源供應器4之內輸出電壓Vo1之電壓值上升超過額定電壓值時，例如超過12V，正常運作之電源供應器4之電源變換器40為了使輸出電壓Vo與正常運作之電源供應器4之內 輸出電壓Vo1的電壓值下降至額定電壓值，例如12V，正常運作之電源供應器4之控制單元42會控制開關電路(未圖示)之運作頻率fs增加。當運作頻率fs持續增加，使正常運作之電源供應器4之電源變換器40之運作頻率fs大於第一預設頻率值fref1(fs>fref1)且正常運作之電源供應器4之內輸出電壓Vo1之電壓值大於第一預設電壓值Vref1(Vo1>Vref1)時，控制單元42會藉由輸出禁能狀態(disabled state)的第一控制訊號Vs至開關元件41a控制開關元件41a截止，除了可以防止正常運作之電源供應器4之電源變換器40因運作頻率增加而燒毀外，更可以有效地防止正常運作之電源供應器4發生逆向電流。

於本實施例中，第一控制電路421包含：第一比較電路4211、第二比較電路4212、及閘邏輯電路4213(AND logic circuit)以及驅動電路4214(driving cir-cuit)，其中第一比較電路4211電性連接於電源變換器40的輸出端與及閘邏輯電路4213之間，用以判斷內輸出電壓Vo1之電壓值是否大於第一預設電壓值Vref1(Vo1>Vref1)。第二比較電路4212電性連接於第二控制電路422與及閘邏輯電路4213之間，用以判斷運作頻率fs是否大於第一預設頻率值fref1(fs>fref1)。

及閘邏輯電路4213電性連接於第一比較電路4211、第二比較電路4212以及驅動電路4214，用以對第一比較電路4211輸出之第一比較訊號Vp1與第二比較電路4212輸出之第二比較訊號Vp2進行邏輯運算。驅動電路4214電性連接於開關元件41a的控制端與及閘邏輯電路4213的輸出端之間，用以因應及閘邏輯電路4213邏輯運算後之結果驅 動開關元件41a導通或截止。

當內輸出電壓Vo1之電壓值大於第一預設電壓值Vref1(Vo1>Vref1)且運作頻率fs大於第一預設頻率值fref1(fs>fref1)時，第一比較電路4211與第二比較電路4212會分別輸出致能狀態的第一比較訊號Vp1與第二比較訊號Vp2至及閘邏輯電路4213，並經由及閘邏輯電路4213邏輯運算後之結果，使驅動電路4214輸出禁能狀態的第一控制訊號Vs以驅動開關元件41a截止。

相反地，當內輸出電壓Vo1之電壓值小於第一預設電壓值Vref1(Vo1<Vref1)或運作頻率fs小於第一預設頻率值fref1(fs<fref1)時，第一比較電路4211或第二比較電路4212會分別對應輸出禁能狀態之第一比較訊號Vp1或第二比較訊號Vp2至及閘邏輯電路4213，並經由及閘邏輯電路4213邏輯運算後之結果，使驅動電路4214輸出致能狀態(enabled state)的第一控制訊號Vs以驅動開關元件41a導通。

本發明中並不限定於任何具體之實施方式來取得相關於電源變換器40的內輸出電壓Vo1以及運作頻率fs之訊號，從而控制保護電路41的截止或導通以達到保護電源變換器40之目的。由於，電源變換器40與控制單元42的種類眾多，以下將分別例舉用以說明其實現方式以及運作原理。

請參閱第五圖並配合第四圖A，其中第五圖係為本案較佳實施例之電源供應器之電路示意圖。如第五圖所示，電源變換器40為LLC(電感-電感-電容)串聯諧振式且包含：輸入電容Cin、開關電路400、諧振電路 401(resonant circuit)、變壓器T(Transformer)、輸出整流電路402以及輸出電容Co，而第二控制電路422包含：迴授電路4221(feedback circuit)、同步整流控制電路4222(Synchronous rectifier con-trolling circuit)以及控制器IC604。

於電源變換器40中，輸入電容Cin電性連接於開關電路400的輸入側，諧振電路401電性連接於開關電路400的輸出側與變壓器T的初級側Np(primary side)之間，輸出整流電路402電性連接於變壓器T的次級側Ns(secondary side)，輸出電容Co之一端電性連接於輸出整流電路402與輸出保護電路41，輸出電容Co之另一端電性連接於電源供應器4的負端(接地符號)。

迴授電路4221電性連接於電源變換器40的輸出端與控制器IC604之間，用以依據內輸出電壓Vo1之電壓值產生誤差放大訊號Veaout至控制器IC604，使控制器IC604藉由誤差放大訊號Veaout判斷內輸出電壓Vo1之電壓值是否維持在額定電壓值，例如12V。於本實施例中，隨著運作頻率fs變化之迴授訊號為誤差放大訊號Veaout，用以表示頻率訊號，迴授電路4221提供與運作頻率fs成反向變化趨勢的誤差放大訊號Veaout至第二比較電路4212，使第二比較電路4212藉由第二控制電路422提供的誤差放大訊號Veaout判斷運作頻率fs是否大於第一預設頻率值fref1(fs>fref1)，即判斷誤差放大訊號Veaout是否小於第一預設誤差放大訊號值Veaout1(Veaout<Veaout1)。

於本實施例中，迴授電路4221包含：誤差放大電路 4223(Error amplifier circuit)與分壓電路4224，內輸出電壓Vo1依序經由分壓電路4224與誤差放大電路4223處理後產生誤差放大訊號Veaout，因此，誤差放大訊號Veaout之電壓值會隨著內輸出電壓Vo1之電壓值變化。在本實施例中，誤差放大電路4223為一比例積分電路(Proportional-Integral circuit)，但不以此為限，於其他實施例中誤差放大電路4223可以是一比例電路(Proportional circuit)、一積分電路(Integral circuit)或其組合之電路，更可以是其他可以實現輸出誤差放大訊號Veaout的其他實現方式。

控制器IC604更電性連接於開關電路400的控制端，例如第一~第四開關元件Q1~Q4的控制端，用以依據誤差放大訊號Veaout產生至少一第二控制訊號OUTA至開關電路400的控制端，以控制開關電路400導通或截止的切換運作使內輸出電壓Vo1之電壓值維持在額定電壓值，例如12V，其中，控制器IC604藉由調整開關電路400的運作頻率fs或/及占空比(duty ratio)使內輸出電壓Vo1之電壓值維持在額定電壓值。

於本實施例中，開關電路400為全橋式(full bridge)且包含第一~第四開關元件Q1~Q4，其中第一開關元件Q1與第三開關元件Q3電性串聯連接構成第一開關橋(switch bridge)後再電性並聯連接於輸入電容Cin兩端，第二開關元件Q2與第四開關元件Q4電性串聯連接構成第二開關橋後再電性並聯連接於輸入電容Cin兩端，且第一開關橋與第二開關橋電性並聯連接於輸入電容Cin。

控制器IC604電性連接於第一~第四開關元件Q1~Q4的控 制端，且依據誤差放大訊號Veaout分別產生第二控制訊號OUTA與第三控制訊號OUTB傳送至第一~第四開關元件Q1~Q4的控制端。其中，控制器IC604藉由第二控制訊號OUTA控制第一、第四開關元件Q1,Q4導通或截止，且藉由第三控制訊號OUTB控制第二、第三開關元件Q2,Q3導通或截止。於本實例中，由於誤差放大訊號Veaout的電壓值會隨著內輸出電壓Vo1的電壓值變化，且控制器IC604根據誤差放大訊號Veaout調整第二控制訊號OUTA與第三控制訊號OUTB之運作頻率fs使輸出電壓Vo1之電壓值維持在額定電壓值，故於電源變換器40工作時，控制器IC604根據誤差放大訊號Veaout所產生之第二控制訊號OUTA與第三控制訊號OUTB之運作頻率fs會隨著誤差放大訊號Veaout成反向變化趨勢，使輸出電壓Vo之電壓值維持為額定電壓值。

諧振電路401可以是但不限為LLC串聯諧振式或LLC並聯諧振式(未圖示)，於本實施例中，諧振電路401為LLC串聯諧振式且包含：第一諧振電感Lr、諧振電容Cr以及第二諧振電感Lm，第一諧振電感Lr、諧振電容Cr以及第二諧振電感Lm在開關電路400的輸出側電性串聯連接。第二控制電路422控制開關電路400選擇性地將輸入電壓Vin之電能經由開關電路400傳送至諧振電路401，並利用諧振電路401之諧振特性決定電能傳送至變壓器T之初級側Np之多寡，而達到將輸入電壓Vin轉換為內輸出電壓Vo1之目的。

於本實施例中，輸出整流電路402為同步整流式但不以此為限，其包含：第五開關元件Q5與第六開關元件Q6，其 中，第五開關元件Q5電性連接於變壓器T之次級側Ns之一端與電源供應器4之負輸出端之間，第六開關元件Q6電性連接於變壓器T之次級側Ns之另一端與電源供應器4之負輸出端之間。同步整流控制電路4222電性連接於輸出整流電路402的控制端，即第五開關元件Q5與第六開關元件Q6的控制端，且藉由控制第五開關元件Q5與第六開關元件Q6的交錯導通或截止而達到整流之目的。當第五開關元件Q5導通且第六開關元件Q6截止時，電流會由變壓器T之次級側Ns之中心抽頭(center tap)流出，且依序流向輸出電容Co與第五開關元件Q5。當第六開關元件Q6導通且第五開關元件Q5截止時，電流會由變壓器T之次級側Ns之中心抽頭流出，且依序流向輸出電容Co與第六開關元件Q6。

請參閱第六圖並配合第四圖A與第五圖，其中第六圖係為本案較佳實施例之第一控制電路之電路示意圖。如第六圖所示，第一比較電路4211包含：第一電阻R649、第二電阻R650、第三電阻R651、第四電阻R652、第一二極體D605以及第一運算放大器OP1(Operation Amplifier)，其中第一電阻R649與電源變換器40的輸出端電性連接，且與第二電阻R650電性串聯連接。第三電阻R651電性連接於串聯端K1與第一運算放大器OP1(IC607)的正輸入端之間，第四電阻R652與第一二極體D605在第一運算放大器OP1的輸出端與正輸入端之間電性串聯連接，第一運算放大器OP1的負輸入端接收一第一電壓V1，例如2.5V。

於本實施例中，第二比較電路4212包含：第五電阻R643 、第六電阻R644、第七電阻R646、第八電阻R647、第二二極體D608以及第二運算放器OP2，其中第五電阻R643與第七電阻R646的一端電性連接於第二運算放器OP2的正輸入端，第五電阻R643的另一端電性連接於電源供應器4的負端(接地符號)，第二電壓V2，例如2.5V，傳送至第七電阻R646的另一端。第六電阻R644與第二二極體D608在第二運算放大器OP2的輸出端與正輸入端之間電性串聯連接，第八電阻R647的一端電性連接於第二運算放大器OP2的負輸入端，第八電阻R647的另一端電性連接於第二控制電路422(未圖示)，且誤差放大訊號Veaout傳送至第八電阻R647的另一端。

於本實施例中，由於第一比較電路4211之第一運算放大器OP1與第二比較電路4212之第二運算放大器OP2之輸出端為開汲極式(open drain)或開集極式(open col-lector)，及閘邏輯電路4213可藉由將第一運算放大器OP1與第二運算放大器OP2之輸出端以導線連接之方式(wire and)電性連接於第九電阻R645而構成及閘邏輯電路4213之功能，其中第九電阻R645的一端電性連接於第一比較電路4211與第二比較電路4212的輸出端，第九電阻R645的另一端接收一輔助電壓Vcc，例如5V。

於本實施例中，驅動電路4214包含：驅動開關元件Q605、第十電阻R603、第十一電阻Rp以及第三二極體D168，其中，驅動開關元件Q605電性連接於輸出保護電路41的控制端(未圖示)與電源供應器4的負端(接地符號)之間，而驅動開關元件Q605的控制端則電性連接於及閘邏輯電路4213的輸出端。第十電阻R603與第三二極體D168的一 端電性連接於驅動開關元件Q605的控制端，第十電阻R603與第三二極體D168的另一端電性連接於電源供應器4的負端(接地符號)。第十一電阻Rp的一端電性連接於電源供應器4的負端(接地符號)，第十一電阻Rp的另一端接收輔助電壓Vcc。

於本實施例中，當內輸出電壓Vo1之電壓值大於第一預設電壓值Vref1(Vo1>Vref1)且運作頻率fs大於第一預設頻率值fref1時(fs>fref1,Veaout<Veaout1)，第一比較電路4211之第一運算放大器OP1與第二比較電路4212之第二運算放大器OP2會分別輸出高電位之致能狀態之第一比較訊號Vp1與第二比較訊號Vp2至及閘邏輯電路4213，並經由及閘邏輯電路4213邏輯運算後之結果，使驅動電路4214之驅動開關元件Q605導通而輸出低電位之禁能狀態之第一控制訊號Vs以驅動開關元件41a截止。

於本實施例中，第一比較電路4211與第二比較電路4212皆具有遲滯特性，因此，當內輸出電壓Vo1之電壓值小於第一預設電壓值Vref1(Vo1<Vref1)與預設電壓遲滯區時(第一預設電壓值Vref1~第二預設電壓值Vref2)，此時，串聯端K1之電壓值小於第一電壓V1(Vref1=V1×(1+R649/R650))，第一比較電路4211之第一運算放大器OP1會對應輸出低電位之禁能狀態之第一比較訊號Vp1至及閘邏輯電路4213，並經由及閘邏輯電路4213邏輯運算後之結果而輸出低電位的訊號，使驅動電路4214之驅動開關元件Q605截止而輸出高電位之致能狀態之第一控制訊號Vs以驅動開關元件41a導通。相同地，當內輸出電壓Vo1之電壓值增加而大於第二預設電壓值 Vref2(Vo1<Vref2,Vref2=V1×(1+(R651+R649)/R652+R649×((R651+R652)/R650/R652)))時，即第一運算放大器OP1的正輸入端之電壓值大於第一電壓V1時，第一運算放大器OP1會輸出高電位之致能狀態之第一比較訊號Vp1。

相似地，於本實施例中，當運作頻率fs小於第一預設頻率值fref1(fs<fref1,Veaout>Veaout1)與預設頻率遲滯區時(第一預設頻率值fref1~第二預設頻率值fref2，即誤差放大訊號Veaout大於預設誤差放大訊號遲滯區(第一預設誤差放大訊號值Veaout1~第二預設誤差放大訊號值Veaout2))，此時，誤差放大訊號Veaout之電壓值大於第一預設誤差放大訊號值Veaout1(Veaout1=V2×R643/(R643+R646)，第二比較電路4212之第二運算放大器OP2會對應輸出低電位之禁能狀態之第二比較訊號Vp2至及閘邏輯電路4213，並經由及閘邏輯電路4213邏輯運算後之結果而輸出低電位的訊號，使驅動電路4214之驅動開關元件Q605截止而輸出高電位之致能狀態之第一控制訊號Vs以驅動開關元件41a導通。

於上述之實施例中，設計者可以藉由調整第一電壓V1的電壓值大小，而使第一預設電壓值Vref1與第二預設電壓值Vref2對應被調整。其中第一預設電壓值Vref1=V1*(1+R649/R650)，第二預設電壓值Vref2=V1×(1+(R651+R649)/R652+R649*((R651+R652)/R650/R652))。相似地，設計者可以藉由調整第二電壓V2的電壓值大小，而使第一預設頻率值fref1與第二預設頻率值fref2(第一預設誤差放大訊號值Veaout1與第二預設誤 差放大訊號值Veaout2)對應被調整。其中第一預設頻率值fref1對應之第一預設誤差放大訊號值Veaout1=V2*R643/(R643+R646)，第二預設頻率值fref2對應之第二預設誤差放大訊號值Veaout2=V2*(R643//R644)/(R646+R643//R644)，即第二運算放大器OP2之正輸入端之電壓值質值上等於第二預設誤差放大訊號值Veaout2。

於上述之實施例中，控制單元42中第一控制電路421以及第二控制電路422均為模擬電路，但本發明並不限於此，其中第一控制電路421可採用一數字信號處理器(DPS，Digital Signal Processor)將接收的模擬信號轉換為數字信號並通過算法指令(Algorithm/Instruction)完成比較與及閘功能，同樣的，第二控制電路422亦可採用類似的數字控制方式實現，例如採用數字誤差放大器將接收的模擬信號轉換為數字信號並通過算法指令完成，並且可以將第一控制電路421以及第二控制電路422整合至同一數字信號處理器中實現。

請參閱第七圖並配合第八圖與第五圖，其中第七圖係為本發明之另一較佳實施例之電源供應器之電路示意圖，而第八圖係為本發明之較佳實施例之電源供應器之控制方法示意圖。本實施例(第七圖所示)與前述實施例之差異在於，第七圖之第二控制電路422更設置一頻率檢測電路4225，例如計數電路，電連接於控制器IC604與第二比較電路4212，其中，頻率檢測電路4225可通過計算一特定時間內控制器IC604輸出至開關電路400之第二控制訊號OUTA或/與第三控制訊號OUTB的脈衝數量，從而得 到一與該電源變換器40之運作頻率fs相關之一計數訊號Vk，第二比較電路4212再藉由該計數訊號Vk判斷運作頻率fs是否大於第一預設頻率值fref1(fs>fref1)。於本實施例中，第二控制電路422具有檢測模塊與迴授模塊功能，而頻率檢測電路4225輸出至第二比較電路4212之迴授訊號為計數訊號Vk，用以表示頻率訊號，其中頻率檢測電路4225更可以通過檢測任意一具有與運作頻率fs相關之訊號而得到隨著運作頻率fs變化之頻率訊號，例如，利用開關電路400中第一~第四開關元件Q1~Q4上的電流或開關電路400中第一與第三開關元件Q1與Q3的接點(node)或者第二與第四開關元件Q2與Q4的接點的電壓等均可作為頻率檢測電路4225的檢測訊號輸入，從而得到隨著該電源變換器4之運作頻率fs變化之頻率訊號，例如計數訊號Vk。

於本實施例中，第一控制電路421可採用一數字信號處理器(DPS，Digital Signal Processor)將接收的模擬信號轉換為數字信號並通過算法指令完成比較與及閘功能，同樣的，第二控制電路422亦可採用數字信號處理器實現計數功能，並且可以將第一控制電路421以及第二控制電路422整合至同一數字信號處理器中實現。於本實施例中，計數電路檢測而產生相關於電源變換器40之運作頻率fs之計數訊號Vk可轉化為一電壓訊號，再通過前述之方式輸出至第二比較電路4212進行比較，亦即採用模擬電路控制方式實現。於上述之實施例中，開關元件可以是但不限為金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,MOSFET)、 雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)、矽控整流器(Silicon-Controlled Recti-fier,SCR)、絕緣柵雙載體電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)或雙向閘流體開關(The triode AC switch,TRIAC)。

由上述可知，本案較佳實施例之電源供應器之控制方法之細部步驟，係包含：(a)提供電源變換器40，用以將輸入電壓Vin轉換為內輸出電壓Vo1；(b)提供輸出保護電路41，電性連接於電源變換器40的輸出端與電源供應器4的輸出端之間，用以藉由導通或截止之運作而保護電源供應器4使其正常工作；(c)檢測內輸出電壓Vo1；(d)檢測電源變換器之運作頻率fs；(e)比較該內輸出電壓Vo1之電壓值與一第一預設電壓值Vref1；(f)比較該運作頻率fs之頻率值與一第一預設頻率值fref1；以及(g)當電源變換器40之運作頻率fs之頻率值大於第一預設頻率值fref1且內輸出電壓Vo1之電壓值大於第一預設電壓值Vref1時，控制單元42控制輸出保護電路41截止。

綜上所述，本案之電源供應器與電源供應器的控制方法以及其所適用之電源供電系統，當其中一個電源供應器故障而使正常運作之電源供應器之內輸出電壓之電壓值與運作頻率過高時，控制單元會控制輸出保護電路截止，以防止因故障的電源供應器使正常運作之電源供應器 發生逆向電流或運作頻率會過高而燒毀。此外，輸出保護電路之開關元件具有導通阻抗較低且導通電壓降較小之特性，因此可使本案之電源供應器以及其所適用之電源供電系統之功率損失減少、運作溫度降低以及整體效率增加。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1,2‧‧‧電源供電系統

10,20‧‧‧電源供應器

101‧‧‧電源變換器

102‧‧‧輸出保護電路

203‧‧‧控制電路

Vin‧‧‧輸入電壓

Vo’‧‧‧系統輸出電壓

Io’‧‧‧系統輸出電流

Vo1’‧‧‧內輸出電壓

Io1’~Ion’‧‧‧電源供應器之輸出電流

D‧‧‧二極體

M‧‧‧功率電晶體

Vt‧‧‧導通電壓降

Vs‧‧‧第一控制訊號

OUTA‧‧‧第二控制訊號

OUTB‧‧‧第三控制訊號

Vo‧‧‧輸出電壓

Vo1‧‧‧內輸出電壓

Io‧‧‧系統輸出電流

Io1~Ion‧‧‧電源供應器之輸出電流

fs‧‧‧運作頻率

fo‧‧‧額定頻率

Veaout‧‧‧誤差放大訊號

Vk‧‧‧計數訊號

Vp1‧‧‧第一比較訊號

Vp2‧‧‧第二比較訊號

Vref1‧‧‧第一預設電壓值

Vref2‧‧‧第二預設電壓值

V1~V2‧‧‧第一~第二電壓

Vcc‧‧‧輔助電壓

3‧‧‧電源供電系統

4‧‧‧電源供應器

40‧‧‧電源變換器

400‧‧‧開關電路

401‧‧‧諧振電路

402‧‧‧輸出整流電路

41‧‧‧輸出保護電路

41a‧‧‧開關元件

42‧‧‧控制單元

421‧‧‧第一控制電路

4211‧‧‧第一比較電路

4212‧‧‧第二比較電路

4213‧‧‧及閘邏輯電路

4214‧‧‧驅動電路

422‧‧‧第二控制電路

4221‧‧‧迴授電路

4222‧‧‧同步整流控制電路

4223‧‧‧誤差放大電路

4224‧‧‧分壓電路

4225‧‧‧頻率檢測電路

IC604‧‧‧控制器

R649‧‧‧第一電阻

R650‧‧‧第二電阻

R651‧‧‧第三電阻

R652‧‧‧第四電阻

R643‧‧‧第五電阻

R644‧‧‧第六電阻

R646‧‧‧第七電阻

R647‧‧‧第八電阻

R645‧‧‧第九電阻

R603‧‧‧第十電阻

Rp‧‧‧第十一電阻

D605‧‧‧第一二極體

D608‧‧‧第二二極體

D168‧‧‧第三二極體

OP1‧‧‧第一運算放大器

OP2‧‧‧第二運算放器

K1‧‧‧串聯端

Q1~Q4‧‧‧第一~第四開關元件

Q5~Q6‧‧‧第五~第六開關元件

Q605‧‧‧驅動開關元件

Cin‧‧‧輸入電容

Co‧‧‧輸出電容

Lr‧‧‧第一諧振電感

Cr‧‧‧諧振電容

Lm‧‧‧第二諧振電感

T‧‧‧變壓器

Np‧‧‧初級側

Ns‧‧‧次級側

第一圖：係為習知電源供電系統之電路架構示意圖。

第二圖：係為另一種習知電源供電系統的結構示意圖。

第三圖：係為功率電晶體之狀態與導通電壓降之對應關係示意圖。

第四圖A：係為本案較佳實施例之電源供電系統之電路方塊示意圖。

第四圖B：係為本案較佳實施例之電源變換器之直流增益與運作頻率之對應關係示意圖。

第五圖：係為本案較佳實施例之電源供應器之電路示意圖。

第六圖：係為本案較佳實施例之第一控制電路之電路示意圖。

第七圖：係為本發明之另一較佳實施例之電源供應器之電路示意圖。

第八圖：係為本發明之較佳實施例之電源供應器之 控制方法示意圖。

Vin‧‧‧輸入電壓

Vs‧‧‧第一控制訊號

Vo‧‧‧輸出電壓

Vo1‧‧‧內輸出電壓

Io‧‧‧系統輸出電流

Vt‧‧‧導通電壓降

Io1~Ion‧‧‧電源供應器之輸出電流

Vp1‧‧‧第一比較訊號

Vp2‧‧‧第二比較訊號

3‧‧‧電源供電系統

4‧‧‧電源供應器

40‧‧‧電源變換器

41‧‧‧輸出保護電路

41a‧‧‧開關元件

42‧‧‧控制單元

421‧‧‧第一控制電路

4211‧‧‧第一比較電路

4212‧‧‧第二比較電路

4213‧‧‧及閘邏輯電路

4214‧‧‧驅動電路

422‧‧‧第二控制電路

Claims (34)

1. 一種電源供應器，用以接收一輸入電壓之電能並產生一輸出電壓，係包含：一電源變換器，用以將該輸入電壓轉換為一內輸出電壓；一輸出保護電路，電性連接於該電源變換器的輸出端與該電源供應器的輸出端之間，用以藉由導通或截止之運作而保護該電源供應器使其正常工作；以及一控制單元，電性連接於該輸出保護電路，用以控制該輸出保護電路運作；其中，當該電源變換器之一運作頻率之頻率值大於一第一預設頻率值且該內輸出電壓之電壓值大於一第一預設電壓值時，該控制單元藉由輸出一第一控制訊號至該輸出保護電路的控制端以控制該輸出保護電路截止。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應器，其中該控制單元包含一第一控制電路，該第一控制電路包含：一第一比較電路，電性連接於該電源變換器的輸出端，用以判斷該內輸出電壓之電壓值是否大於該第一預設電壓值；一第二比較電路，用以判斷該運作頻率之頻率值是否大於該第一預設頻率值；以及一及閘邏輯電路，電性連接於該第一比較電路與該第二比較電路的輸出端，用以對該第一比較電路輸出之一第一比較訊號與該第二比較電路輸出之一第二比較訊號進行邏輯運算，使該輸出保護電路對應邏輯運算之結果導通或 截止。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該第一控制電路包含一驅動電路，該驅動電路電性連接於該輸出保護電路的控制端與該及閘邏輯電路的輸出端之間，用以因應該及閘邏輯電路邏輯運算後之結果驅動該輸出保護電路導通或截止。
4. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中當該內輸出電壓之電壓值大於該第一預設電壓值且該運作頻率之頻率值大於該第一預設頻率值時，該第一比較電路與該第二比較電路分別輸出致能狀態的該第一比較訊號與該第二比較訊號至該及閘邏輯電路，並經由該及閘邏輯電路邏輯運算後之結果，使該驅動電路輸出禁能狀態的該第一控制訊號而驅動該輸出保護電路截止。
5. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該控制單元更包含一第二控制電路，該第二控制電路電性連接於該電源變換器，用以控制該電源變換器將該輸入電壓轉換為該內輸出電壓。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應器，其中該第二控制電路包含一迴授電路，該迴授電路提供隨著該運作頻率變化之一迴授訊號至該第一控制電路，其中，該第一控制電路藉由該迴授訊號判斷該運作頻率之頻率值是否大於該第一預設頻率值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該第二控制電路更包含一控制器，該控制器電性連接於該電源變換器與該迴授電路，用以依據該迴授訊號產生至少一第二控制訊號至該電源變換器，以控制該電源變換器運作，使該 內輸出電壓之電壓值維持在額定電壓值。
8. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該迴授電路包含：一誤差放大電路，該誤差放大電路用以將該內輸出電壓轉化為該迴授訊號，該迴授訊號為一誤差放大訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電源供應器，其中該誤差放大電路選自一比例積分電路、一比例電路、一積分電路或其組合之電路。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電源供應器，其中該誤差放大訊號與該運作頻率成反向變化趨勢。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應器，其中該第二比較電路通過比較該誤差放大訊號與對應於該第一預設頻率值之一第一預設誤差放大訊號值，從而判斷該運作頻率之頻率值是否大於該第一預設頻率值。
12. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該第二比較電路包含：一第二運算放大器；一第五電阻，電性連接於該第二運算放器的正輸入端；一第二二極體；一第六電阻，該第六電阻與該第二二極體在該第二運算放大器的輸出端與正輸入端之間電性串聯連接；一第七電阻，該第七電阻的一端電性連接於該第二運算放器的正輸入端以接收一第二電壓；以及一第八電阻，該第八電阻的一端電性連接於該第二運算放大器的負輸入端，該第八電阻的另一端電性連接於該 第二控制電路以接收該誤差放大訊號。
13. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該第一比較電路包含：一第一電阻，電性連接於該電源變換器的輸出端與一串聯端；一第二電阻，與該第一電阻電性串聯連接於該串聯端；一第一運算放大器，該第一運算放大器的負輸入端接收一第一電壓；一第三電阻，電性連接於該串聯端與該第一運算放大器的正輸入端之間；一第一二極體；以及一第四電阻，該第四電阻與該第一二極體在該第一運算放大器的輸出端與正輸入端之間電性串聯連接。
14. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該迴授電路包含一計數電路，用於紀錄一定時間內的一檢測訊號的脈衝數量以輸出一反應該電源供應器工作頻率之該迴授訊號，該迴授訊號為一計數訊號。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應器，其中該第二控制電路更包含一控制器，該控制器控制該電源變換器運作，使該內輸出電壓之電壓值維持在額定電壓值，該控制器電性連接於該電源變換器與該迴授電路，該控制器產生至少一第二控制訊號至該電源變換器及該迴授電路，該檢測訊號為該第二控制訊號。
16. 如申請專利範圍第14項所述之電源供應器，其中該第二比較電路通過比較該計數訊號與該第一預設頻率值，從而判 斷該運作頻率之頻率值是否大於該第一預設頻率值。
17. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該第一比較電路與該第二比較電路之輸出端為開汲極式或開集極式，且該及閘邏輯電路包含：一第九電阻，該第九電阻的一端電性連接於該第一比較電路與該第二比較電路的輸出端，該第九電阻的另一端接收一輔助電壓。
18. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中當該內輸出電壓之電壓值小於該第一預設電壓值或該運作頻率小於該第一預設頻率值時，該第一比較電路或該第二比較電路分別對應輸出禁能狀態之該第一比較訊號或該第二比較訊號至該及閘邏輯電路，並經由該及閘邏輯電路邏輯運算後之結果，使該驅動電路輸出致能狀態的該第一控制訊號以驅動該輸出保護電路導通。
19. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該第一比較電路具有遲滯特性，當該內輸出電壓之電壓值小於該第一預設電壓值與一預設電壓遲滯區時，該第一比較電路對應輸出禁能狀態之該第一比較訊號至及該閘邏輯電路，並經由該及閘邏輯電路邏輯運算後之結果，使該驅動電路輸出致能狀態之該第一控制訊號以驅動該輸出保護電路導通。
20. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該第二比較電路具有遲滯特性，當該運作頻率小於該第一預設頻率值與一預設頻率遲滯區時，該第二比較電路對應輸出禁能狀態之該第二比較訊號至該及閘邏輯電路，並經由該及閘邏輯電路邏輯運算後之結果，使該驅動電路輸出致能狀態之該第一控制訊號以驅動該輸出保護電路。
21. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該電源變換器包含：一開關電路、一諧振電路以及一變壓器，其中該諧振電路電性連接於該開關電路的輸出側與該變壓器的初級側之間，該變壓器的次級側電性連接於該輸出保護電路。
22. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應器，其中該電源變換器為電感-電感-電容串聯諧振式或電感-電感-電容並聯諧振式。
23. 一種電源供電系統，用以接收一輸入電壓之電能而產生一輸出電壓及一系統輸出電流，係包含：複數個電源供應器，係彼此並聯連接，且其中至少一電源供應器係包含：一電源變換器，用以將該輸入電壓轉換為一內輸出電壓；一輸出保護電路，電性連接於該電源變換器的輸出端與該電源供應器的輸出端之間，用以藉由導通或截止之運作而保護該電源供應器使其正常工作；以及一控制單元，電性連接於該輸出保護電路，用以控制該輸出保護電路運作；其中，當該電源變換器之一運作頻率之頻率值大於一第一預設頻率值且該內輸出電壓之電壓值大於一第一預設電壓值時，該控制單元藉由輸出一第一控制訊號至該輸出保護電路的控制端以控制該輸出保護電路截止。
24. 如申請專利範圍第23項所述之電源供電系統，其中該控制單元包含一第一控制電路，該第一控制電路包含：一第一比較電路，電性連接於該電源變換器的輸出端 ，用以判斷該內輸出電壓之電壓值是否大於該第一預設電壓值；一第二比較電路，用以判斷該運作頻率之頻率值是否大於該第一預設頻率值；以及一及閘邏輯電路，電性連接於該第一比較電路與該第二比較電路的輸出端，用以對該第一比較電路輸出之一第一比較訊號與該第二比較電路輸出之一第二比較訊號進行邏輯運算，使該輸出保護電路對應邏輯運算之結果導通或截止。
25. 如申請專利範圍第24項所述之電源供電系統，其中該控制單元更包含一第二控制電路，該第二控制電路電性連接於該電源變換器，用以控制該電源變換器將該輸入電壓轉換為該內輸出電壓；該第二控制電路包含一迴授電路電性連接於該電源變換器的輸出端，該迴授電路提供隨著該運作頻率變化之一迴授訊號至該第一控制電路，其中，該第一控制電路藉由該迴授訊號判斷該運作頻率之頻率值是否大於該第一預設頻率值。
26. 一種電源供應器的控制方法，係包含：提供一電源變換器，用以將一輸入電壓轉換為一內輸出電壓；提供一輸出保護電路，電性連接於該電源變換器的輸出端與該電源供應器的輸出端之間，用以藉由導通或截止之運作而保護該電源供應器使其正常工作；檢測該內輸出電壓；檢測該電源變換器之一運作頻率；比較該內輸出電壓之電壓值與一第一預設電壓值； 比較該運作頻率之頻率值與一第一預設頻率值；以及當該電源變換器之該運作頻率之頻率值大於該第一預設頻率值且該內輸出電壓之電壓值大於該第一預設電壓值時，控制該輸出保護電路截止。
27. 如申請專利範圍第26項所述之電源供應器的控制方法，其中檢測該電源變換器之該運作頻率係通過檢測與該運作頻率相關之一檢測訊號並輸出隨著該運作頻率變化之一迴授訊號。
28. 如申請專利範圍第27項所述之電源供應器的控制方法，其中該檢測訊號為該內輸出電壓。
29. 如申請專利範圍第28項所述之電源供應器的控制方法，其中該迴授訊號為該內輸出電壓經過一誤差放大步驟輸出之一誤差放大訊號。
30. 如申請專利範圍第27項所述之電源供應器的控制方法，其中該檢測訊號具有與該運作頻率對應之頻率。
31. 如申請專利範圍第30項所述之電源供應器的控制方法，其中該迴授訊號為該檢測訊號經過一計數步驟輸出之一計數訊號。
32. 如申請專利範圍第31項所述之電源供應器的控制方法，其中該電源變換器係通過一控制器控制該電源變換器運作，其中該檢測訊號為該控制器之一輸出脈衝訊號。
33. 如申請專利範圍第27項所述之電源供應器的控制方法，其中比較該運作頻率之頻率值與一第一預設頻率值係為比較該迴授訊號與一反應該第一預設頻率值之一預設頻率值訊號。
34. 如申請專利範圍第26項所述之電源供應器的控制方法，其 中包含一及判斷步驟用以判斷該電源變換器之該運作頻率之頻率值大於一第一預設頻率值且該內輸出電壓之電壓值大於一第一預設電壓值。