TWM541674U

TWM541674U - 電源緩衝啟動器

Info

Publication number: TWM541674U
Application number: TW106201637U
Authority: TW
Inventors: Ching-Chuan Wei; sheng-rong Chen
Original assignee: Ching-Chuan Wei; sheng-rong Chen
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2017-05-11

Description

電源緩衝啟動器

本創作係有關於一種電路設計，特別是有關於一種電源緩衝啟動器的電路設計。

電源供應器之主要用途是提供電子產品穩定、適當電壓的電源，因此是不可或缺的重要元件。一般而言，在電源供應器通常在其輸入端以輸入開關連結於電源，而在其輸出端連結負載，藉此轉換電源輸入之能量以驅動負載。然而，在輸入開關導通的瞬間，會產生極高的湧浪電流(Inrush current)，其可能會導致電源供應器內部電路的損壞，使電源供應器無法正常工作。為了避免上述的情況發生，電源供應器通常會在輸入開關與電源供應電路之間設置熱敏電阻或其它緩啟動電路。

請參閱第1圖，其係為習知技藝之電源供應器之電路圖。如第1圖所示，電源供應器1包含輸入電路12、熱敏電阻HR及電源供應電路11。

輸入電路12包含輸入開關Sin，而輸入開關Sin之一端與電源ES(電源ES可為交流電源或直流電源)連結，電源供應電路11之輸出端與負載L連結，而輸入開關Sin之另一端則透過熱敏電阻HR與電源供應電路11之輸入端連結；在輸入開關Sin導通後，電源供應電路11則可轉換電源ES輸入之能量，使驅動負載L運作。

而在輸入開關Sin導通的瞬間會產生極高的湧浪電流，熱敏電阻HR的電阻值上升，以緩衝湧浪電流，而隨著流過熱敏電阻HR的電流增加，熱敏電阻HR溫度升高，而其電阻值則逐漸上升，並進入不正常(高阻抗)工作狀態。

然而，由於熱敏電阻HR本身的熱慣性，使其需要一定的時間才能重新恢復到低電阻值的狀態；因此，若是輸入開關Sin切換的速度太快，熱敏電阻HR無法有效地緩衝湧浪電流。此外，熱敏電阻R1較易損壞，故電源供應器1容易產生故障，使其使用壽命下降。

此外，部份習知技藝之電源供應器之輸入開關使用金屬氧化半導體場效電晶體(MOS)，且大多是在線性區進行操作，並利用金屬氧化半導體場效電晶體在線性區的高阻抗的特性來阻擋湧浪電流，然而，這種方式導致金屬氧化半導體場效電晶體容易損壞。

當然，部份習知技藝之電源供應器不具有輸入開關Sin，而是透過插頭直接連結於電源AC，但仍然會有上述的問題。

因此，如何有效改善習知技藝之電源供應器無法有效地抑制湧浪電流及容易產生故障的情況已經了成為一個刻不容緩的問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本創作之其中一目的就是在提供一種電源緩衝啟動器及包含此電源緩衝啟動器的電源供應器，以解決習知技藝之習知技藝之電源供應器無法有效地抑制湧浪電流及容易產生故障的問題。

根據本創作之其中一目的，提出一種電源緩衝啟動器，其可包含緩衝模組、開關模組及控制模組。在開關模組導通之前，緩衝模組可接收電源輸入之能量，並可降低電源輸入之能量以提供緩衝電流，並可將緩衝電流輸入至電源供應電路以對電源供應電路之總電容充電。開關模組可與緩衝模組並聯。控制模組可與開關模組連結。其中，控制模組可在軟啟動條件滿足後導通開關模組，使電源輸入之能量透過開關模組直接輸入至電源供應電路，使負載運作。

本創作之電源緩衝啟動器及包含此電源緩衝啟動器的電源供應器，其可具有一或多個下述優點：

(1)在本創作之一實施例中，電源供應器之電源緩衝啟動器可透過緩衝模組接收電源輸入之能量，並可降低上述能量以提供緩衝電流以對電源供應器之電源供應電路之總電容充電，且緩衝模組與電源供應電路之總電容構成的RC電路的充/放電速率接近控制模組構成的RC電路的充/放電速率，故即使輸入開關快速重覆切換，電源緩衝啟動器仍能夠以緩衝電流以對電源供應電路之總電容充電，故可以有效地抑制湧浪電流。

(2)在本創作之一實施例中，在電源供應器進入初始軟啟動狀態後，電源供應器之電源緩衝啟動器可提供緩衝電流以對電源供應器之電源供應電路之總電容充電，故即使輸入開關快速重覆切換，電源供應器仍能正常地進入初始軟啟動狀態，因此電源供應器不會因為輸入開關快速重覆切換而失去了軟啟動的功能，且由於輸入開關快速重覆切換的過程中，電源供應電路之總電容放電極慢，且電源供應電路之總電容之充電速率大於控制模組之電容之充電速率，而電源供應電路之總電容之放電速率也小於控制模組之電容之放電速率，因此不會延後軟啟動條件滿足的時間。

(3)在本創作之一實施例中，電源供應器之電源緩衝啟動器可透過緩衝模組接收電源輸入之能量，並可降低上述能量以提供緩衝電流以對電源供應器之電源供應電路之總電容充電，使電源供應器能進入初始軟啟動狀態，以達到軟啟動的效果，並非是使用熱敏電阻，因此使用壽命較長，且不容易產生故障的情況。

(4)在本創作之一實施例中，電源供應器之控制模組可軟啟動條件滿足後導通開關模組，使電源輸入之能量透過開關模組直接輸入至電源供應電路，因此可以更為精準的控制電源供應器的軟啟動，故可達到更佳的效能。

(5)在本創作之一實施例中，電源供應器可透過顯示模組表示電源供應器是處於初始軟啟動狀態或正常工作狀態，讓使用者更能了解電源供應器的使用狀態，故使用上更為方便。

(6)在本創作之電源緩衝啟動器可應用於各種直流對直流(DC/DC)、直流對交流(DC/AC)、交流對直流(AC/DC)及交流對交流(AC/AC)電源供應器，如降壓型電源轉換器(Buck converter)、升壓型電源轉換器(Boost converter)、升降壓型電源轉換器(Buck-boost converter)、返馳式電源轉換器(F1yback converter)及順向式電源轉換器(Forward converter)等等，因此應用上十分廣泛。

1‧‧‧電源供應器

12‧‧‧輸入電路

11‧‧‧電源供應電路

2‧‧‧電源供應器

21‧‧‧電源供應電路

22‧‧‧電源緩衝啟動器

221‧‧‧緩衝模組

222‧‧‧開關模組

223‧‧‧控制模組

224‧‧‧顯示模組

23‧‧‧輸入電路

ES‧‧‧電源

Sin‧‧‧輸入開關

Cin‧‧‧輸入電容

Cout‧‧‧輸出電容

D‧‧‧二極體

HR‧‧‧熱敏電阻

R‧‧‧電阻

IT‧‧‧電感

S1~S2‧‧‧開關

E‧‧‧電源電壓

t‧‧‧時間

V、V_R、V_C‧‧‧電壓

I‧‧‧電流

τ‧‧‧時間常數

L‧‧‧負載

第1圖係為習知技藝之電源供應器之電路圖。

第2圖係為本創作之電源供應器之第一實施例之電路圖。

第3圖係為本創作之電源供應器之第二實施例之電路圖。

第4圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之電路圖。

第5圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之第一示意圖。

第6圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之第二示意圖。

第7圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之第三示意圖。

第8圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之第四示意圖。

第9圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之第五示意圖。

第10圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之第六示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本創作之電源緩衝啟動器及包含此電源緩衝啟動器的電源供應器之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第2圖，係為本創作之電源供應器之第一實施例之電路圖。如圖所示，電源供應器2可包含輸入電路23、電源緩衝啟動器22及電源供應電路21。

電源緩衝啟動器22可與電源供應電路21連結，並可透過輸入電路23與電源ES連結，輸入電路23可包含輸入開關Sin，使電源ES之能量可通過輸入電路23及電源緩衝啟動器22輸入至電源供應電路21，電源供應電路21則可轉換電源E輸入之能量以驅動負載L；其中，上述的電源ES也可為直流電源或交流電源。

電源緩衝啟動器22可包含緩衝模組221、開關模組222及控制模組223；其中，緩衝模組221可為任何具有緩衝效果的元件。

開關模組222可與緩衝模組221並聯。

控制模組223可與開關模組222連結。

在輸入開關Sin導通後，緩衝模組221可提早接收電源ES輸入之能量，並可降低電源ES輸入之能量以提供緩衝電流，並可將緩衝電流輸入至電源供應電路21以對電源供應電路21之總電容充電，此時電源供應器2則進入初始軟啟動狀態；其中，電源供應電路21之總電容容量可為輸入電容Cin與輸出電容Cout之電容值之總和。

接下來，控制模組223可在一預設之軟啟動條件滿足後導通開關模組 222，使電源ES輸入之能量可透過開關模組222直接輸入至電源供應電路21，使負載L運作。在本實施例中，軟啟動條件可為一預設時間間隔。而控制模組223則可在電源供應器2開始進入初始軟啟動狀態後，經過預設時間間隔後導通開關模組222，使電源ES輸入之能量可以透過開關模組222直接輸入至電源供應電路21，使負載L運作。當然，上述僅為舉例，本創作並不以此為限。

由上述可知，在輸入開關Sin導通後，電源供應器2開始進入初始軟啟動狀態，此時緩衝模組221可提供緩衝電流，並輸入至電源供應電路21中慢慢地對電源供應電路21之總電容進行充電；而初始軟啟動狀態可持續預設時間間隔，直到電源供應電路21之目前總電容容量上升到一定程度後，控制模組223可導通開關模組222，使電源ES輸入之能量可透過開關模組222直接輸入至電源供應電路21，使負載L運作。因此，透過上述的機制，電源緩衝啟動器22可有效地防止輸入開關Sin導通後產生的湧浪電流，使電源供應器2不易損壞，大幅地降低了電源供應器2的故障率，並明顯地增加了電源供應器2的使用壽命。

此外，由於當電源供應電路21之總電容未達到預設百分比時，電源供應器2在輸入開關Sin導通後會進入初始軟啟動狀態，此時電源緩衝啟動器22可提供緩衝電流以對電源供應電路21之總電容緩緩充電；而若輸入開關Sin再次切斷，電源供應電路21之總電容則保持在當前的電量。因此，只要電源供應電路21之總電容未達到預設百分比，即使使用者快速地切換輸入開關Sin，電源緩衝啟動器22仍然會重覆上述的動作，電源供應器2仍能正常地進入初始軟啟動狀態，控制模組223並不會在電源供應電路21之總電容未達到預設百分比時導通開關模組222，因此電源供應器2不會因為輸入開關Sin快速重覆切換而失去了軟啟動的功能，且由於輸入開關Sin快速重覆切換的過程中，電源供應電路21之總電容仍可慢慢進行充電，因此不會延後軟啟動條件滿足的時間。

本實施例之電源緩衝啟動器22可應用於各種直流對直流(DC/DC)、直流對交流(DC/AC)、交流對直流(AC/DC)及交流對交流(AC/AC)電源供應器，如降壓型電源轉換器(Buck converter)、升壓型電源轉換器(Boost converter)、升降壓型電源轉換器(Buck-boost converter)、返馳式電源轉換器(Flyback converter)及順向式電源轉換器(Forward converter)等等，因此用途非常廣泛，並可提供極佳的效能。

請參閱第3圖，係為本創作之電源供應器之第二實施例之電路圖。如圖所示，電源供應器2可包含輸入電路23、電源緩衝啟動器22及電源供應電路21。

電源緩衝啟動器22可與電源供應電路21連結，並可透過輸入電路23與電源ES連結，輸入電路23可包含輸入開關Sin，使電源ES之能量可通過輸入電路23及電源緩衝啟動器22輸入至電源供應電路21，電源供應電路21則可轉換電源ES輸入之能量以驅動負載L。

電源緩衝啟動器22可包含緩衝模組221、開關模組222及控制模組223；其中，緩衝模組221可為除了電容之外任何具有緩衝效果的元件。

開關模組222可與緩衝模組221並聯。

控制模組223可與開關模組222連結。

同樣的，在輸入開關Sin導通後，緩衝模組221可接收電源ES輸入之能量，以降低上述的能量以提供緩衝電流，並可將緩衝電流輸入至電源供應電路21以對電源供應電路21之總電容充電，此時電源供應器2則進入初始軟啟動狀態；其中，電源供應電路21之總電容容量可為輸入電容Cin與輸出電容Cout之電容值之總和。

接下來，控制模組223可在一預設之軟啟動條件滿足後導通開關模組222，使電源ES輸入之能量可透過開關模組222直接輸入至電源供應電路21，使負載L運作。

與前述實施例不同的是，在本實施例中，電源緩衝啟動器22更可包含顯示模組224，其可與緩衝模組221並聯。顯示模組224可於緩衝模組221輸入緩衝電流至電源供應電路21之總電容時顯示狀態訊號，以表示電源供應器2此時進入初始軟啟動狀態，並可於控制模組223導通開關模組222後停止顯示狀態訊號，以表示初始軟啟動狀態結束，電源供應器2進入正常工作狀態。當然，上述僅為舉例，本創作並不以此為限。

透過上述的機制，使用者可透過顯示模組224得知電源供應器2是處於初始軟啟動狀態或正常工作狀態，讓使用者更能掌控電源供應器2的使用狀態，故使用上更為方便。其中，顯示模組224可為LED燈，或其它簡單的被動元件；當然，顯示模組224也可為顯示螢幕等較為複雜的元件。

請參閱第4圖，係為本創作之電源供應器之第三實施例之電路圖。如圖所示，電源供應器2可包含輸入電路23、電源緩衝啟動器22及電源供應電路21。

電源緩衝啟動器22可包含緩衝模組221、開關模組222、控制模組223及顯示模組224；其中，緩衝模組221可為任何具有緩衝效果的元件。

顯示模組224可與緩衝模組221並聯。

開關模組222可與緩衝模組221並聯。

控制模組223可與開關模組222連結。

與前述實施例不同的是，在本實施例中，控制模組223可在一預設之軟啟動條件滿足後導通開關模組222，使電源ES輸入之能量可透過開關模組222直接輸入至電源供應電路21，使負載L運作，而此軟啟動條件可為電源供應電路21之總電容容量之預設百分比；較佳的，此預設百分比可為電源供應電路21之總電容容量之60%~70%(如63%)，此預設百分比可依實際需求設定。

控制模組223也可構成一個RC電路，並可判斷其本身之目前電容容量；此外，控制模組223也可與電源供應電路21連結，並可接收回授訊號，再根據回授訊號判斷電源供應電路21之目前總電容容量是否已滿足上述的軟啟動條件中設定的預設百分比；當控制模組223偵測到電源供應電路21之目前總電容容量達到預設百分比時且其本身之目前電容容量也達到預設百分比且二者接近時，控制模組223可判斷軟啟動條件滿足，並可導通開關模組222，使電源ES輸入之能量可透過開關模組222直接輸入至電源供應電路21，使負載L運作。當然，在其它較佳的實施例中，軟啟動條件也可為控制模組223本身之目前電容容量達到預設百分比；換句話說，當控制模組223偵測到其本身之目前電容容量達到預設百分比時，控制模組223可判斷軟啟動條件滿足，並可導通開關模組222。

同樣的，顯示模組224可於緩衝模組221輸入緩衝電流至電源供應電路21之總電容時顯示狀態訊號，以表示電源供應器2此時進入初始軟啟動狀態，並可於控制模組223導通開關模組222後停止顯示狀態訊號，以表示初始軟啟動狀態結束，電源供應器2進入正常工作狀態。當然，上述僅為舉例，本創作並不以此為限。

請參閱第5圖至第10圖，係為本創作之電源供應器之第三實施例之第一示意圖至第六示意圖。如同前述，緩衝模組221可為任何具有緩衝效果的元件，而在緩衝模組221可接收並有效降低電源ES輸入之能量以提供緩衝電流，並將緩衝電流輸入至電源供應電路21以對電源供應電路21之總電容充電時，其可被發揮類似電阻的功能，故緩衝模組221與電源供應電路21之總電容可被視為一個RC電路。

第5圖所示為RC之充電暫態圖，其中E為電源電壓；t為時間；V _R為電阻R之電壓；V _C為電容C之電壓；I為充電電流。其中，電容電壓V _C可由下式表示：V _C=E*[1-exp(-T/RC)].........................(1)

T=RCLn[E/(E-V _C )].............................(2)

其中，T為時間常數(RC的整數倍)。

第6圖及第7圖所示為RC電路的充電特性曲線，其中第6圖為充電電流的放電曲線，而第7圖為電容電壓的充電曲線，其中為τ時間常數。

第8圖、第9圖及第10圖所示為RC電路的時間常數曲線，其中第8圖及第9圖為充電的時間常數曲線，而第10圖為放電的時間常數曲線。

根據上述各圖，可以看出緩衝模組221與電源供應電路21之總電容構成的RC電路之一個時間常數(1τ)，即控制模組223之電容之電壓為最大值的63%，即五個時間常數(充滿電的時間常數，5τ)的10%~30%，因此軟啟動條件的預設百分比可設定為電源供應電路21之總電容容量之 60%~70%。

此外，控制模組223也可被視為一個微型RC電路，而其一個時間常數(1 τ)，即控制模組223之電容之電壓為最大值的63%，即五個時間常數(充滿電的時間常數，5τ)的10%~30%。然而，但緩衝模組221與電源供應電路21之總電容構成的RC電路的一個時間常數要接近控制模組223構成的RC電路的一個時間常數，使緩衝模組221與電源供應電路21之總電容構成的RC電路的充/放電速率接近控制模組223構成的RC電路的充/放電速率，或控制模組223構成的RC電路的充電速率要慢但放電速率要快，如第9圖的虛線部份；也就是說，控制模組223構成的RC電路充電要慢但放電要快；相反的，緩衝模組221與電源供應電路21之總電容構成的RC電路充電要快但放電要慢，使控制模組223構成的RC電路的放電速率大於緩衝模組221與電源供應電路21之總電容構成的RC電路的放電速率，即可達到保護的效能。如此則可以確保電源供應電路21之總電容先充到一定程度時，控制模組223導通開關模組222，故可以有效地防止湧浪電流。

綜合上述，在本創作之一實施例中，電源供應器之電源緩衝啟動器可透過緩衝模組接收電源輸入之能量，並可降低上述能量以提供緩衝電流以對電源供應器之電源供應電路之總電容充電，且緩衝模組與電源供應電路之總電容構成的RC電路的充/放電速率接近控制模組構成的RC電路的充/放電速率，故即使輸入開關快速重覆切換，電源緩衝啟動器仍能夠以緩衝電流以對電源供應電路之總電容充電，故可以有效地抑制湧浪電流。

在本創作之一實施例中，在電源供應器進入初始軟啟動狀態後，電源供應器之電源緩衝啟動器可提供緩衝電流以對電源供應器之電源供應電路之總電容充電，故即使輸入開關快速重覆切換，電源供應器仍能正常地進入初始軟啟動狀態，因此電源供應器不會因為輸入開關快速重覆切換而失去了軟啟動的功能，且由於輸入開關快速重覆切換的過程中，電源供應電路之總電容放電極慢，且電源供應電路之總電容之充電速率大於控制模組之電容之充電速率，而電源供應電路之總電容之放電速率也小於控制模組之電容之放電速率，因此不會延後軟啟動條件滿足的時間。

又，在本創作之一實施例中，電源供應器之電源緩衝啟動器可透過緩衝模組接收電源輸入之能量，並可降低上述能量以提供緩衝電流以對電源供應器之電源供應電路之總電容充電，使電源供應器能進入初始軟啟動狀態，以達到軟啟動的效果，並非是使用熱敏電阻，因此使用壽命較長，且不容易產生故障的情況。

此外，在本創作之一實施例中，電源供應器之控制模組可軟啟動條件滿足後導通開關模組，使電源輸入之能量透過開關模組直接輸入至電源供應電路，因此可以更為精準的控制電源供應器的軟啟動，故可達到更佳的效能。

另外，在本創作之一實施例中，電源供應器可透過顯示模組表示電源供應器是處於初始軟啟動狀態或正常工作狀態，讓使用者更能了解第5圖係為本創作之電源供應器之第三實施例之第一示意圖。

電源供應器的使用狀態，故使用上更為方便。

再者，在本創作之電源緩衝啟動器可應用於各種直流對直流(DC/DC)、直流對交流(DC/AC)、交流對直流(AC/DC)及交流對交流(AC/AC)電源供應器，如降壓型電源轉換器(Buck converter)、升壓型電源轉換器(Boost converter)、升降壓型電源轉換器(Buck-boost converter)、返馳式電源轉換器(Flyback converter)及順向式電源轉換器(Forward converter)等等，因此應用上十分廣泛。

可見本創作在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請貴局核准本件新型專利申請案，以勵創作，至感德便。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本創作之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

2‧‧‧電源供應器

21‧‧‧電源供應電路

22‧‧‧電源緩衝啟動器

221‧‧‧緩衝模組

222‧‧‧開關模組

223‧‧‧控制模組

23‧‧‧輸入電路

ES‧‧‧電源

Sin‧‧‧輸入開關

Cin‧‧‧輸入電容

Cout‧‧‧輸出電容

D‧‧‧二極體

S1~S2‧‧‧開關

IT‧‧‧電感

L‧‧‧負載

Claims

一種電源緩衝啟動器，係包含：一緩衝模組，係在一開關模組導通之前接收一電源輸入之能量，並降低該電源輸入之能量以提供一緩衝電流，並將該緩衝電流輸入至一電源供應電路以對該電源供應電路之一總電容充電；一開關模組，係與該緩衝模組並聯；以及一控制模組，係與該開關模組連結；其中，該控制模組係在一軟啟動條件滿足後導通該開關模組，使該電源輸入之能量透過該開關模組直接輸入至該電源供應電路，使一負載運作。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，其中該軟啟動條件係為一預設時間間隔。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，其中該軟啟動條件係為該控制模組之一電容容量均達到之一預設百分比。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，其中該軟啟動條件係為該電源供應電路之一總電容容量及該控制模組之一電容容量均達到之一預設百分比。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，其中該軟啟動條件係為該電源供應電路之一總電容容量及該控制模組之一電容容量均達到之一預設百分比。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，更包含一顯示模組，係與該緩衝模組並聯，並於該緩衝模組輸入該緩衝電流至該電源供應電路之總電容時顯示一狀態訊號。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，其中該緩衝模組係透過一輸入開關與該電源連結。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，其中該電源供應電路之一總電容之充電速率大於該控制模組之一電容之充電速率。
如申請專利範圍第1項所述之電源緩衝啟動器，其中該電源供應電路之一總電容之放電速率小於該控制模組之一電容之放電速率。
如申請專利範圍第2項所述之電源緩衝啟動器，其中當該緩衝模組輸入該緩衝電流至該電源供應電路，並經過該預設時間間隔後，該控制模組導通該開關模組。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之電源緩衝啟動器，其中該控制模組係由該電源供應電路接收一回授訊號，並根據該回授訊號判斷該電源供應電路之一目前總電容容量。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之電源緩衝啟動器，其中該預設百分比係為60~70%。
如申請專利範圍第6項所述之電源緩衝啟動器，其中該顯示模組係於該開關模組導通後停止顯示該狀態訊號。
如申請專利範圍第7項所述之電源緩衝啟動器，其中該緩衝模組係在該輸入開關導通後輸入該緩衝電流至該電源供應電路。