TWM580822U - 智慧升壓電路 - Google Patents

Abstract

一種智慧升壓電路，包括：電力傳輸路徑、升壓單元及控制單元。其中，當控制單元偵測輸出電源低於第一閾值時，控制單元控制電力傳輸路徑斷路，且控制升壓單元將輸入電源轉換為輸出電源，以在維持時間內維持輸出電源的電壓值高於第一閾值。

Description

智慧升壓電路

本創作係有關一種智慧升壓電路，尤指一種在維持時間內維持輸出電源的電壓值高於預設閾值的智慧升壓電路。

近年來，由於電子產品越來越普及，且為了穩定供應電子產品運作的電力品質，因此對電源供應裝置的供電要求也隨著電子產品的普及與其對電力品質的重視而逐漸提升。電源供應裝置對電子產品供電的過程中，一旦發生電源供應裝置斷電時，須能夠維持電源供應裝置持續輸出電源一段時間，以讓電子產品有足夠的時間反應，並在斷電前進行資料的完整儲存或備份。反之，若電源供應裝置無法於在斷電後的一段時間內提供穩定的輸出電源時，會容易造成因電子產品來不及反應，而使得電子產品的資料流失或電子產品的損壞。

尤其在現今的電子產品越來越注重高功率密度的功能，使得電源供應裝置為求高功率密度，而必須要儘可能的縮小電路體積，以及增加電路在運作時的效能。因此，電源供應裝置內部的升壓電路除了要在輸入電源斷電時，能夠維持電源供應裝置持續輸出電源一段時間外，升壓電路的設計還必須要儘可能的增加功率密度。

因此，如何設計出一種智慧升壓電路，使得輸入電源斷電時，延長電源供應裝置尚可提供輸出電源的時間，以及降低升壓電路的電路尺寸與提高功率密度，乃為本案創作人所研究的重要課題。

為了解決上述問題，本創作係提供一種智慧升壓電路，以克服習知技術的問題。因此，本創作智慧升壓電路包括：電力傳輸路徑，接收輸入電源，且提供輸出電源對負載供電。升壓單元，並聯電力傳輸路徑。及控制單元，耦接電力傳輸路徑與升壓單元。其中，當控制單元偵測輸出電源低於第一閾值時，控制單元控制電力傳輸路徑斷路，且控制升壓單元將輸入電源轉換為輸出電源，以在維持時間內維持輸出電源的電壓值高於第一閾值。

於一實施例中，其中當時間超過維持時間或輸入電源低於第二閾值時，控制單元控制升壓單元停止運作，第二閾值小於第一閾值。

於一實施例中，其中電力傳輸路徑包括開關單元，開關單元串聯於電力傳輸路徑上；當輸出電源低於第一閾值時，控制單元控制開關單元不導通，使電力傳輸路徑斷路。

於一實施例中，其中升壓單元包括：升壓電感，耦接電力傳輸路徑。功率開關，耦接升壓電感。及功率二極體，耦接功率開關。其中，當輸出電源低於第一閾值時，控制單元控制功率開關切換導通，使輸入電源通過升壓電感與功率二極體轉換為輸出電源。

於一實施例中，更包括：輸入電容，耦接電力傳輸路徑與升壓單元，且輸入電容儲存並穩定輸入電源的電壓值。

於一實施例中，更包括：輸出電容，耦接電力傳輸路徑與升壓單元，且輸出電容儲存並穩定輸出電源的電壓值；其中，輸入電容的電容值與靜電容量較輸出電容大。

於一實施例中，更包括：保護單元，耦接電力傳輸路徑、升壓單元及控制單元。其中，輸入電源的電壓極性反接、輸入電源產生浪湧電流或輸入電源產生逆流時，保護單元為斷路，以使電力傳輸路徑與升壓單元不接收輸入電源。

於一實施例中，其中維持時間為4毫秒，且控制單元在4毫秒的時間控制升壓單元轉換輸入電壓為輸出電壓。

於一實施例中，其中電力傳輸路徑導通時的輸入電源的電壓值為36~72伏特，且輸出電源的電壓值同於輸入電源的電壓值。

於一實施例中，其中控制單元控制升壓單元轉換出的輸出電源的電壓值為36~40伏特，且第一閾值為36伏特。

為了能更進一步瞭解本創作為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，相信本創作之目的、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，並非用來對本創作加以限制者。

茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：

請參閱圖1為本創作智慧升壓電路之方塊圖。智慧升壓電路100接收輸入電源Vin，且提供輸出電源Vo對負載200供電。智慧升壓電路100包括電力傳輸路徑10、升壓單元20及控制單元30，其中電力傳輸路徑10接收輸入電源Vin，且提供輸出電源Vo對負載200供電。升壓單元20並聯電力傳輸路徑10，且將輸入電源Vin轉換為輸出電源Vo。控制單元30選擇性地控制電力傳輸路徑10與升壓單元20，以使電力傳輸路徑10或升壓單元20對負載200供電。具體而言，電力傳輸路徑10包括開關單元102，且開關單元102串聯於電力傳輸路徑10上。電力傳輸路徑10根據開關單元102的導通或不導通，以提供(開關單元102導通時)或不提供(開關單元102不導通時)輸出電源Vo對負載200供電。

控制單元30耦接電力傳輸路徑10與升壓單元20的輸出端(圖未示)，以利用偵測輸出電源Vo的電壓值而判斷輸出電源Vo是否低於第一閾值。當控制單元30判斷輸出電源Vo未低於第一閾值時，控制單元30輸出第一控制訊號Sc1控制開關單元102導通，且不提供第二控制訊號Sc2控制升壓單元20，使升壓單元20不進行升壓轉換的運作。此時，輸入電源Vin通過電力傳輸路徑10傳遞至負載200(意即，輸入電源Vin即為輸出電源Vo)。當控制單元30判斷輸出電源Vo低於第一閾值時，控制單元30不輸出第一控制訊號Sc1，使開關單元102不導通而使電力傳輸路徑10斷路，且提供第二控制訊號Sc2控制升壓單元20，使升壓單元20進行升壓轉換的運作。此時，升壓單元20將輸入電源Vin升壓轉換為輸出電源Vo，以在維持時間(hold-up time)內維持輸出電源Vo的電壓值高於第一閾值。值得一提，於本創作之一實施例中，所述”不提供”控制訊號的涵義可包括不輸出控制訊號，或者輸出控制訊號的準位為使得後端耦接的裝置不運作的準位，舉凡可使得後端耦接的裝置不運作的訊號類別，皆應包涵在本實施例之範疇當中。

當升壓單元20由開始運作的時間超過維持時間，或輸入電源Vin低於第二閾值時，控制單元30控制升壓單元20停止運作，且第二閾值小於第一閾值。進一步而言，通常電源供應器在輸入電源Vin不足時，能夠維持輸出電源Vo高於第一閾值的維持時間，且電源供應器將輸出電源Vo維持超過4毫秒(ms)。因此當升壓單元20由開始運作的時間超過維持時間時，控制單元30即控制升壓單元20停止運作，以節省智慧升壓電路100不必要的電力浪費。而且，在一些實施例，當輸入電源Vin低於第二閾值時，為維持最大負載在維持時間內持續運作，而輸入電源Vin遽降至小於第二閾值時將導致輸入電流遽升而將升壓單元20燒燬。因此，控制單元30即控制升壓單元20停止運作，以避免造成升壓單元20發生故障的風險。

進一步而言，本創作之主要目的在於，當輸入電源Vin未低於第一閾值時，輸入電源Vin通過電力傳輸路徑10而成為輸出電源Vo，且提供輸出電源Vo至負載200。此時，升壓單元20不運作而不消耗能量，使得在輸入電源Vin正常時，能夠減少智慧升壓電路100所消耗的功率，進而提高智慧升壓電路100於正常運作時的電路效率。而在輸入電源Vin低於第一閾值時，由於維持時間限制為4毫秒，因此，於本創作之一實施例中，控制單元30僅在4毫秒的時間控制升壓單元20的運作。由於升壓單元20僅需在發生輸出電源Vo不足後的4毫秒內運作，因此可大幅減少智慧升壓電路100所消耗的功率。而且，由於升壓單元20僅運作於極短的時間，因此不需多增加散熱的機構器件，而可以省去加散熱的機構器件所佔的電路體積與元件成本。

復參閱圖1，智慧升壓電路100更包括保護單元40。保護單元40接收輸入電源Vin，且耦接電力傳輸路徑10、升壓單元20及控制單元30。保護單元40用以根據輸入電源Vin的狀況透過控制單元30的控制而導通或不導通，以保護電力傳輸路徑10、升壓單元20及後端耦接的負載200。當保護單元40導通時，輸入電源Vin通過保護單元40提供至電力傳輸路徑10與升壓單元20。當保護單元40不導通時，保護單元40為斷路，輸入電源Vin無法通過保護單元40傳輸至電力傳輸路徑10與升壓單元20。具體而言，當輸入電源Vin耦接智慧升壓電路100的瞬間容易產生浪湧電流(inrush current)。由於因浪湧電流瞬間的大電流衝擊，容易造成後端耦接的電力傳輸路徑10、升壓單元20及負載200發生故障。因此當輸入電源Vin產生浪湧電流時，保護單元40主動地抑制浪湧電流流至電力傳輸路徑10與升壓單元20的大小，以避免電力傳輸路徑10、升壓單元20及負載200的故障。

於本創作之一實施例中，輸入電源Vin為直流的輸入源，因此輸入電源Vin會有正極與負極的極性，且通常是輸入電源Vin的正極耦接保護單元40，負極耦接接地端。當輸入電源Vin的負極不可預期地耦接至保護單元40時，保護單元40會主動地防止極性反向的輸入電源Vin傳輸至電力傳輸路徑10與升壓單元20，以避免電力傳輸路徑10與升壓單元20故障。

當輸入電源Vin低於第一閾值或第二閾值時，會造成保護單元40的輸入的端電壓值會比輸出端的電壓值低，此時會造成電力傳輸路徑10與升壓單元20輸入端的輸入電源Vin由保護單元40的輸出端逆流回保護單元40的輸入端。當輸入電源Vin欲逆流回保護單元40的輸入端時，保護單元40會主動地防止輸入電源Vin逆流回保護單元40的輸入端。其中，上述”主動地防止”意指保護單元40自動地執行保護，而不用經過控制單元30偵測判斷後，再被動地控制保護單元40的導通或不導通。

由於在輸入電源Vin耦接智慧升壓電路100的瞬間所產生的浪湧電流，為電源電路常見的暫態物理現象，而並非為輸入電源Vin異常或智慧升壓電路100故障，因此當輸入電源Vin產生浪湧電流時，僅需要保護單元40主動地抑制浪湧電流流至電力傳輸路徑10與升壓單元20的大小。待浪湧電流結束後，智慧升壓電路100即可正常地運作，且後續無須控制單元30控制保護單元40的不導通。當輸入電源Vin的電壓極性反接或輸入電源Vin產生逆流時，代表輸入電源Vin的異常會至少持續一小段時間。因此當輸入電源Vin的電壓極性反接或輸入電源Vin產生逆流時，除了保護單元40主動地啟動保護功能外，控制單元30也能通過偵測輸入電源Vin而得知上述異常狀況發生。此時，控制單元30不會送出導通控制訊號給保護單元40，以使電力傳輸路徑10與升壓單元20不接收輸入電源Vin。

請參閱圖2為本創作智慧升壓電路之電路方塊示意圖，復配合參閱圖1。升壓單元20為升壓轉換器，且升壓單元20包括升壓電感L、功率開關S及功率二極體D。升壓電感L的一端耦接電力傳輸路徑10與輸入電源Vin，另一端耦接功率開關S與功率二極體D的一端。功率開關S的另一端耦接接地端，且功率二極體D的另一端耦接電力傳輸路徑10與輸出電源Vo。當輸出電源Vo低於第一閾值時，控制單元30輸出第一控制訊號Sc1控制開關單元102不導通，且輸出第二控制訊號Sc2控制功率開關S切換導通，使輸入電源Vin通過功率開關S的切換導通以及功率二極體D的順偏或逆偏而對升壓電感L儲能或釋能，進而使得輸入電源Vin根據升壓單元20的升壓比轉換為輸出電源Vo。

進一步而言，於本創作之一實施例中，智慧升壓電路100可接收的輸入電源Vin的電壓值為36~72伏特，且當電力傳輸路徑10導通時，輸出電源Vo的電壓值為36~72伏特。當電力傳輸路徑10不導通，且升壓單元20運作時，控制單元30控制升壓單元20所轉換出的輸出電源Vo的電壓值為36伏特，且第一閾值為36伏特。第二閾值為控制單元30設定控制單元30的最低操作電壓，通常最低操作電壓適合設定在控制單元30的低電壓保護點(Under Voltage Protection；UVP)。以本實施例為例，升壓單元20的低電壓保護點設定在10伏特。

當輸入電源Vin的電壓值不低於第一閾值的36伏特時，電力傳輸路徑10導通，輸出電源Vo的電壓值即同於輸入電源Vin的電壓值。當輸入電源Vin的電壓值低於36伏特時，控制單元30即控制升壓單元20將輸入電源Vin(低於36伏特)轉換為36伏特的輸出電源Vo，以使輸出電源Vo的電壓值不低於36伏特的電壓值。由於輸入電源Vin的電壓值在低於第一閾值時，在維持固定的變動電流值 (ΔI=V/L T) 的條件下，傳統設計電路需要將輸出電壓升高至180V(36V =＞180V)，故需要較大的電感。而本創作只需維持在輸出電壓36V，因此，升壓單元20不必相較於傳統的升壓電路必須使用較大的電感。所以，可大幅地減少升壓電感L的感值，進而大幅度地縮小升壓電感L的體積。

智慧升壓電路100更包括輸入電容Cin與輸出電容Co，輸入電容Cin耦接電力傳輸路徑10與升壓單元20的輸入端，且輸入電容Cin儲存並穩定輸入電源Vin的電壓值。輸出電容Co耦接電力傳輸路徑10與升壓單元20的輸出端，且輸出電容Co儲存並穩定輸出電源Vo的電壓值。其中，輸入電容Cin的靜電容量與電容值較輸出電容Co大。

具體而言，由於本創作之智慧升壓電路100為極小型化極高功率密度的電路設計，因此必須要在有限的電路空間中，儘可能縮小電子零件所佔的體積。由於升壓單元20所運作的時間僅在輸出電源Vo低於第一閾值至維持時間內或輸入電源Vin低於第二閾值時，因此智慧升壓電路100可以僅通過輸入電容Cin來儲存大部分的能量，而降低輸出電容Co能量維持度的功能(跟電容放電時間有關)。所以，於本創作之一實施例中，輸入電容Cin適用於靜電容量與電容值較大的電容元件(例如，但不限於電解電容)。而且，由於控制單元30僅在4毫秒的時間控制升壓單元20運作，因此，不需要為了維持太久的維持時間而必須提高輸入電容Cin的電容量，進而縮小輸入電容Cin的體積。此外，由於輸出電容Co能量維持度的功能可以被降低，因此輸出電容Co可適用於靜電容量與電容值較小的電容元件即可，進而大幅度減小輸出電容Co所佔的電路體積。

綜上所述，由於本創作之智慧升壓電路100的升壓電感L、輸入電容Cin及輸出電容Co皆可大幅度減小元件所佔的電路體積，因此相較於傳統的升壓電路，本創作之智慧升壓電路100可大幅度的提升功率密度。

復參閱圖2，保護單元40包括串聯耦接的第一保護開關Q1與第二保護開關Q2，以及並聯在第一保護開關Q1的熱敏電阻R。以保護開關為N-channel FET為例，第一保護開關Q1的洩極(D)耦接輸入電源Vin，且源極(S)耦接第二保護開關Q2的源極(S)。第二保護開關Q2的洩極(D)耦接電力傳輸路徑10與升壓單元20的輸入端，且第一保護開關Q1與第二保護開關Q2的閘極(G)耦接控制單元30。控制單元30耦接保護單元40的輸出端，以偵測保護單元40輸出端的電壓值。當輸入電源Vin耦接智慧升壓電路100時，控制單元判斷輸入電容Cin的電壓為正常值時，控制單元30提供第三控制訊號Sc3導通保護單元40，使輸入電源Vin通過保護單元40提供至電力傳輸路徑10與升壓單元20。

當輸入電源Vin耦接智慧升壓電路100的瞬間而產生浪湧電流時，熱敏電阻R可抑制浪湧電流流至電力傳輸路徑10與升壓單元20的大小。當輸入電源Vin的負極不可預期地耦接至保護單元40時，第二保護開關Q2的本體二極體BD2為逆偏，使得保護單元40為斷路，以防止極性反向的輸入電源Vin傳輸至電力傳輸路徑10與升壓單元20。當輸入電源Vin欲由保護單元40的輸出端逆流回保護單元40的輸入端時，第二保護開關Q2的本體二極體BD2為逆偏，使得保護單元40為斷路，以防止輸入電源Vin逆流回保護單元40的輸入端。當控制單元30通過偵測保護單元40輸出端的電壓值而得知輸入電源Vin的電壓極性反接或輸入電源Vin產生逆流時，控制單元30不輸出第三控制訊號Sc3至保護單元40，使保護單元40不導通，進而使得使電力傳輸路徑10與升壓單元20不接收輸入電源Vin。

請參閱圖3為本創作智慧升壓電路的波形示意圖，復配合參閱圖1~2。為區別本創作之智慧升壓電路100與傳統的升壓電路，本實施例係比較傳統的升壓電路的波形(I)與創作之智慧升壓電路100的波形(II)。傳統的升壓電路由於在輸入電源Vin耦接升壓電路時，升壓電路內部的升壓轉換器即開始運作，因此傳統的升壓電路的輸出電壓Vo立即升到比本創作智慧升壓電路100的輸出電源Vo還要高的電壓值(例如但不限於，180伏特)。而本創作由於在輸出電源Vo未低於第一閾值時，並未啟動升壓單元20，因此輸出電源Vo的電壓值等同於輸入電源Vin的電壓值(例如但不限於，72伏特)。

當時間t1時，輸入電源Vin斷電。此時由於傳統的升壓電路輸入電容大多應用容量較小的電容元件，因此傳統的升壓電路無法依靠輸入電容所儲存的能量而維持電路運作至要求的維持時間，。由於傳統的升壓電路的輸出電源Vo被提升至較高電壓值(180伏特)，且傳統的升壓電路的輸出電容大多為容量相對於輸入電容較大的電容元件，因此輸出電源Vo的電壓值可由180伏特的高電壓值緩慢落下以維持較長的維持時間。而本創作智慧升壓電路100的輸入電容Cin由於是可儲存大量容量的電容元件，因此輸入電容Cin所儲存的輸入電源Vin能夠維持相對較長的能量釋放時間。

當時間t2時，智慧升壓電路100的輸出電源Vo已經低於第一閾值V1(例如但不限於，36伏特)，因此智慧升壓電路100啟動升壓單元20，使得智慧升壓電路100於時間t2~t3時(例如但不限於，4毫秒)，維持輸出電源Vo的電壓值高於或等於第一閾值。此時，由於輸入電源Vin仍然斷電，因此輸入電容Cin所儲存的輸入電源Vin的電壓值持續地降低。當時間t3時，維持輸出電源Vo的時間已超過安全規範的限制時間(4毫秒)，或者輸入電源Vin的電壓值已經低於第二閾值V2(低電壓保護點)。此時，控制單元30控制升壓單元20停止運作，使得輸出電源Vo的電壓值依輸出電容Co所儲能量自然耗盡。而且，由於電力傳輸路徑10、升壓單元20以及保護單元40皆不運作，因此輸入電容Cin上所儲存剩餘的能量通過內阻或線阻緩慢地消耗。

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

100‧‧‧智慧升壓電路

10‧‧‧電力傳輸路徑

102‧‧‧開關單元

20‧‧‧升壓單元

L‧‧‧升壓電感

S‧‧‧功率開關

D‧‧‧功率二極體

30‧‧‧控制單元

40‧‧‧保護單元

Q1‧‧‧第一保護開關

Q2‧‧‧第二保護開關

BD1、BD2‧‧‧本體二極體

R‧‧‧熱敏電阻

Cin‧‧‧輸入電容

Co‧‧‧輸出電容

200‧‧‧負載

Vin‧‧‧輸入電源

Vo‧‧‧輸出電源

Sc1‧‧‧第一控制訊號

Sc2‧‧‧第二控制訊號

Sc3‧‧‧第三控制訊號

V1‧‧‧第一閾值

V2‧‧‧第二閾值

t1~t3‧‧‧時間點

(I)‧‧‧傳統的升壓電路的波形

(II)‧‧‧本創作的升壓電路的波形

圖1為本創作智慧升壓電路之方塊圖；

圖2為本創作智慧升壓電路之電路方塊示意圖；及

圖3為本創作智慧升壓電路的波形示意圖。

Claims (10)

1. 一種智慧升壓電路，包括： 一電力傳輸路徑，接收一輸入電源，且提供一輸出電源對一負載供電； 一升壓單元，並聯該電力傳輸路徑；及 一控制單元，耦接該電力傳輸路徑與該升壓單元； 其中，當該控制單元偵測該輸出電源低於一第一閾值時，該控制單元控制該電力傳輸路徑斷路，且控制該升壓單元將該輸入電源轉換為該輸出電源，以在一維持時間內維持該輸出電源的電壓值高於該第一閾值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之智慧升壓電路，其中當時間超過該維持時間或該輸入電源低於一第二閾值時，該控制單元控制該升壓單元停止運作； 其中該第二閾值小於該第一閾值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之智慧升壓電路，其中該電力傳輸路徑包括一開關單元，該開關單元串聯於該電力傳輸路徑上；當該輸出電源低於該第一閾值時，該控制單元控制該開關單元不導通，使該電力傳輸路徑斷路。
4. 如申請專利範圍第3項所述之智慧升壓電路，其中該升壓單元包括： 一升壓電感，耦接該電力傳輸路徑； 一功率開關，耦接該升壓電感；及 一功率二極體，耦接該功率開關； 其中，當該輸出電源低於該第一閾值時，該控制單元控制該功率開關切換導通，使該輸入電源通過該升壓電感與該功率二極體轉換為該輸出電源。
5. 如申請專利範圍第4項所述之智慧升壓電路，更包括： 一輸入電容，耦接該電力傳輸路徑與該升壓單元，且該輸入電容儲存並穩定該輸入電源的電壓值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之智慧升壓電路，更包括： 一輸出電容，耦接該電力傳輸路徑與該升壓單元，且該輸出電容儲存並穩定該輸出電源的電壓值； 其中，該輸入電容的一電容值與一靜電容量較該輸出電容大。
7. 如申請專利範圍第1項所述之智慧升壓電路，更包括： 一保護單元，耦接該電力傳輸路徑、該升壓單元及該控制單元； 其中，該輸入電源的電壓極性反接、該輸入電源產生一浪湧電流或該輸入電源產生逆流時，該保護單元為斷路，以使該電力傳輸路徑與該升壓單元不接收該輸入電源。
8. 如申請專利範圍第1項所述之智慧升壓電路，其中該維持時間為4毫秒，且該控制單元在4毫秒的時間內控制該升壓單元轉換該輸入電源為該輸出電源。
9. 如申請專利範圍第1項所述之智慧升壓電路，其中該電力傳輸路徑導通時的該輸入電源為36~72伏特，且該輸出電源的電壓值同於該輸入電源的電壓值。
10. 如申請專利範圍第1項所述之智慧升壓電路，其中該控制單元控制該升壓單元轉換出的輸出電源的電壓值為36伏特，且該第一閾值為36伏特。