一种可应用于外接式硬盘的电源转换电路的制作方法

本发明是关于一种电源转换电路，且特别是关于一种内部装设有电容组件的电源转换电路

背景技术：

储存装置对于现代许多3C产品是一个重要的装置，举凡个人计算机、手机、相机或监视器系统都需要储存装置。而除了装置于3C产品中的储存装置，还有一种便于随身携带的行动储存装置，如记忆卡、随身碟或行动硬盘等等。其特征在于，行动硬盘因为其传输速度较快、储存容量较大，是目前广泛使用的行动储存装置。

目前，市面上常见的外接式硬盘分为2.5吋与3.5吋两种尺寸。虽然2.5吋硬盘的启动时所需要的能量相较于3.5吋硬盘小，但某些应用的场合与设计中，需要两个2.5吋硬盘的并联使用，此即称为双层机种(2Bay)。目前，硬盘在刚开始启动时都需要汲取大量电流或功率(power)，通常会是稳定运转时的电流或功率的2～4倍，随着时间的拉长，硬盘逐渐进入稳态运转时，工作电流便会下降并趋于稳定。在过往的外接式硬盘的设计中，不论是2.5吋硬盘的双层机种或者是3.5吋硬盘，通常仍采用具有交流电转直流电功能的适配器来解决启动瞬间电流的问题。

然而，需要使用适配器也意味着外接式硬盘的整体成本将提高。而且，需要使用适配器对于使用者来说也是非常不方便的，除了增加携带上的不方便性外，也失去外接式硬盘即插即用的便利性。

另外，虽然具有USB Type C插座的电子装置提供5V/1.5A与3A的电压源，甚至通过PD(power delivery)的沟通协议，可以将USB电压调高至12V。但是，对于2.5吋硬盘的双层机种或者是3.5吋硬盘来说，其启动瞬间所需要的功率仍然不足，故无法仅仅通过USB电源就能完全启动。

为了解决上述的问题，专利申请号101135837提出了以下的解决方案：在外壳内部加装一个电池，并且由电池来供应硬盘启动瞬间所需要的能量。此一方法虽然可让外接式硬盘不需要使用额外的适配器，但是却需要另外安装电池。这样一来，外接式硬盘的设计者对于电池的安全性与寿命便需要特别注意，而且消费者在购买此类的外接式硬盘时也会对电池安全性产生一定的忧虑，从而减少买气。因此，要如何利用电容让外接硬盘只使用USB电源与电容而不需要适配器，且能够用较安全、长寿的设计方式来启动，便是本领域具通常知识者值得去思量地。

技术实现要素：

本发明的有益效果是，提供一电源转换电路，此电源转换电路能让外接式硬盘无需额外连接电源转换器，且具有安全、长寿、便于携带的优点。

基于上述目的与其他目的，本发明提供一种电源转换电路，适于连接在一外部电源与至少一电子装置之间，电子装置具有尖峰电流负载特性。电子装置具有一第一电源输入端，第一电源输入端所需的电压位于一工作电压范围。电源转换电路包括：一电容组件、一开关组件、一突波电流抑制电路、及一第一电压侦测电路。电容组件电性连接于外部电源，而开关组件之一输入端是电性连接至电容组件之一输出端，而开关组件之一输出端则是连接至电子装置的第一电源输入端。突波电流抑制电路是电性连接于电容组件与外部电源之间，而第一电压侦测电路的一输出端连接于开关组件，且第一电压侦测电路适于侦测电容组件的输出电压。其特征在于，当第一电压侦测电路侦测到开关组件的输入电压大于或等于一第一电压默认值，第一电压侦测电路驱动开关组件为导通状态，以使电容组件对电子装置的第一电源输入端供电。

基于上述目的与其他目的，本发明还提供一种电源转换电路，适于连接在一外部电源与至少一电子装置之间，电子装置具有尖峰电流负载特性。电子装置具有一第一电源输入端，第一电源输入端所需的电压位于一工作电压范围。电源转换电路包括：一电容组件、一开关组件、一突波电流抑制电路、一第一计时电路。电容组件电性连接于外部电源，开关组件之一输入端是电性连接至电容组件之一输出端，而开关组件之一输出端则是连接至电子装置的第一电源输入端。突波电流抑制电路是电性连接于电容组件与外部电源之间，而第一计时电路的一输出端连接于开关组件，而第一计时电路的一输入端则电性连接于外部电源，于第一计时电路中设定有一第一时间默认值。其特征在于，当电源转换电路与外部电源的连接时间大于或等于该第一时间默认值时，第一计时电路驱动开关组件为导通状态，以使电容组件对电子装置的第一电源输入端供电。

在上述的电源转换电路，其特征在于，还包括一重置电路，重置电路的输出端电性连接于第一计时电路，重置电路的输入端则连接于外部电源，当重置电路侦测该外部电源被移除时，重置电路将会重置第一计时电路的时间。

在上述的电源转换电路，还包括一直流转换电路，该直流转换电路连接于突波电流抑制电路与电容组件间。其特征在于直流转换电路可以是降压电路或升压电路，甚至是升降压电路(SEPIC)。举例来说，假设电子装置的第一电源输入端所需的电压值为12V，当外部电源的输出电压比12V低时，直流转换电路采用升压电路，反之当外部电源的输出电压比12V高时，则直流转换电路采用降压电路，抑或是当外部电源的输出电压变化较大时，直流转换电路采用升降压电路。

附图说明

图1所示为本发明的电源转换电路的第一实施例。

图2所示为本发明的电源转换电路的第二实施例。

图3为本发明的第二实施例的电源转换电路的运作流程图。

图4所示为本发明的电源转换电路的第三实施例。

图5所示为本发明的电源转换电路的第四实施例。

图6为本发明的第四实施例的电源转换电路的运作流程图。

具体实施方式

请参照图1，图1所示为本发明的电源转换电路的第一实施例。其特征在于，此电源转换电路100是连接在一外部电源与至少一电子装置之间。在本实施例中，外部电源例如为一USB端口10，此USB端口10可输出5V(或在USB type C的PD模式中可上升到12V)的电压，且此USB端口10例如是设置在笔记本电脑、桌面计算机、或All in one PC上，或者USB端口10也可以是设置在集线器上。另外，电子装置具尖峰电流负载特性，所谓的尖峰电流负载特性是指在电子装置运作时，某段区间需消耗较大的电流。在本实施例中，电子装置例如为一3.5吋硬盘20，此3.5吋硬盘20具有一第一电源输入端22与一第二电源输入端24。而且，上述第一电源输入端22所需的电压是大于第二电源输入端24所需的电压。在本实施例中，第一电源输入端22所需的电压为10V～13.5V，此电压范围即为3.5吋硬盘20可瞬间承受的最低至最高工作电压范围，而3.5吋硬盘20在稳态下的额定工作电压值为12V。从第一电源输入端22所输入的电压是用于驱动3.5吋硬盘20中的马达(未绘示)，其特征在于当3.5吋硬盘20中的马达刚被启动时，驱动该马达可采用较高的启动电压约莫为13～13.5V左右，而当马达完成启动并运作一段时间进入稳态后，提供该马达运转的工作电压会降为12V。另外，第二电源输入端24所需的电压为5V，第二电源输入端24是电性连接到USB端口10，从第二电源输入端24所输入的电压是用于驱动3.5吋硬盘20中的控制电路。

请继续参照图1，电源转换电路100包括一直流转换电路110、一电容组件120、一回授电路130、一控制器140、一开关组件150、一第一电压侦测电路160、与一第二计时电路165。其特征在于，直流转换电路110的一输入端112电性连接于USB端口10。在本实施例中，直流转换电路110与USB端口10间还设置有一电流传感器180与一突波电流抑制电路115。另外，电容组件120在本实施例中例如为超级电容或电解电容，其是连接于直流转换电路110的一输出端116。而回授电路130的一输入端131也是连接到直流转换电路110的输出端116，以用于侦测直流转换电路110的输出电压。另外，控制器140的输出端则是电性连接到直流转换电路110的另一输入端114，而控制器140的其中一输入端则电性连接到回授电路130的一输出端132。此外，回授电路130控制器的其他输入端还分别电性连接到一外部电压侦测电路170与一电流传感器180。开关组件150的一输入端是电性连接至电容组件120的一输出端，该开关组件150的一输出端则是电性连接至3.5吋硬盘20的第一电源输入端22。

在图1所示的实施例中，当与电源转换电路100电性连接的一插头(未绘示，例如为USB连接头)插入至USB端口10后，由于电容组件120在没有储能的状态下形同短路，因此需要通过突波电流抑制电路115以限制输入电流的方式对电容组件120先进行初步储能。接着，直流转换电路110会将USB端口10所输出的电压升压至一第二电压默认值13V～13.5V，同时也对电容组件120进行充电。电容组件120在充电时，电容组件120的电压会逐渐升高，当第一电压侦测电路160侦测到电容组件120的输出电压(或开关组件150的输入电压)达到第二电压默认值(在本实施例为13V～13.5V)时，第一电压侦测电路160驱动该开关组件150为导通状态。于开关组件150导通后，电容组件120便会输出功率到3.5吋硬盘20的第一电源输入端22，以支应3.5吋硬盘20马达启动所需要的能量。

综上，由于电源转换电路100中设置有直流转换电路110与电容组件120，因此3.5吋硬盘20无需如习知般还需使用额外的电源供应器。而且，相较于专利申请号101135837，本实施例的电源转换电路100无需加装电池而是使用电容，故相对较为安全。另外，由于电容组件120的寿命较电池来得长，故本实施例的电源转换电路100具有较长的使用寿命。

请继续参照图1，第二计时电路165内设有一第二时间默认值，此第二时间默认值例如为10秒。当电源转换电路100与USB端口10电性连接后，第二计时电路165便会开始计时，当计时的时间大于或等于第二时间默认值后，第二计时电路165输出一调整信号至回授电路130，该回授电路130再通过控制器140降低直流转换电路110的输出电压至一第一电压默认值，此第一电压默认值例如为12V。这样一来，当3.5吋硬盘20的马达通过较高的输入电压启动并进入稳态后，直流转换电路110的输出电压便会降到12V，以稳定地持续驱动3.5吋硬盘20的马达。在本实施例中，第二计时电路165是从电源转换电路100与USB端口10电性连接后才开始计时，但本领域具有通常知识者也可采用其他基准，例如将第二计时电路165设计成从直流转换电路110的输出电压到达13.5V后才开始计时，此时第二计时电路165的输入端是连接到直流转换电路110的输出端。

在本实施例中，之所以要将直流转换电路110的输出电压先设定为第二电压默认值13.5V之后再降为第一电压默认值12V的原因在于：电容组件120的储存能量是与其电压的平方成正比(公式为E＝0.5*C*V^2)，因此直流转换电路110的输出电压一开始先设定在3.5吋硬盘20的工作电压范围的上限(例如：13.5V)，这样可使电容组件120有较高的储存能量，之后再将直流转换电路110的输出电压降为工作电压范围的平均值(即：12V)，以稳定的驱动3.5吋硬盘20的马达。也就是说，直流转换电路110的输出电压具有二段电平，初始的输出电压的电平较高，而当3.5吋硬盘20的马达进入稳态后，直流转换电路110的输出电压的电平较低。然而，本领域具有通常知识者也可将直流转换电路110的输出电压一开始便设定在第一电压默认值(即：12V)，且第一电压侦测电路160侦测到电容组件120的输出电压达到第一电压默认值时，第一电压侦测电路160驱动该开关组件150为导通状态。

另外，为了避免USB端口10在驱动3.5吋硬盘20的马达的过程中被连续插拔，造成第二计时电路165(或如图2所示的第一计时电路260)在计时上的误判，导致硬盘无法正常启动。因此，必须额外设计一重置电路190，此重置电路190的一输入端电性连接于USB端口10的一输出端，而重置电路190的一输入端电性连接于第二计时电路165(或如图2所示的第一计时电路260)。一旦侦测到USB电源被拔除，此重置电路190会将第二计时电路165(或如图2所示的第一计时电路260)所计数的时间重置(reset)。

在本实施例中，直流转换电路110与USB端口10间还设置有电流传感器180与突波电流抑制电路115。之所以设置突波电流抑制电路115的原因在于：由于电容组件120在尚未插入USB端口10前可能毫无储能，毫无储能的电容组件120在电路上形同短路。若USB端口10直接插入该电源转换电路100的瞬间，可能会造成瞬间较高的突波电流(inrush current)，此瞬间的突波电流并非控制器140可以立即反应处理，因此必须在直流转换电路110前加装抑制突波电流的电路(即：突波电流抑制电路115)。突波电流抑制电路115本身也是一个开关，只是拉长了从原本关断(高阻抗)到导通(低阻抗)的时间，藉此让电流无法瞬间流过，进而抑制了瞬间突波电流的问题。突波电流抑制电路115可通过限制输入电流，借由一个操作于线性区的开关组件，在不造成USB埠发生爆冲(过电流)的前提下，先对电容组件120进行初步储能。当输入电流越大，连接器与线材损失所造成的压降也会使得输入电压越低，因此突波电流抑制电路115亦可通过限制最低输入电压或合并使用限制输入电流的方式，来进行突波电流的抑制。此外，在本发明中，突波电流抑制电路115的实施例也可以较低成本的方式实现，例如为热敏电阻。或者，突波电流抑制电路115也可用限流器或稳压器来实现。

市面上有些电子装置对其上的USB端口10有保护措施，对其USB端口10所输出的电流大小具有限定，当USB端口10所输出的电流太大，USB端口10便会停止供电。而且，不同厂牌的NB与PC，其USB端口10所能提供的电流与保护设计参数多有差异。另外，当输出电流越高，压降也会越大，造成USB端口10的电压会越低。因此，为了应付这样的状况，于电源转换电路100还可设置有一外部电压侦测电路170及一电流传感器180。外部电压侦测电路170与电流传感器180皆电性连接于回授电路130与USB端口10间，在本实施例中外部电压侦测电路170的输入端是连接到电流传感器180的输出端。另外，电流传感器180的其中一输出端是电性连接于突波电流抑制电路115，且回授电路130的其中一输出端132是连接到控制器140。

请继续参照图1，当电流传感器180侦测到USB端口10的输出电流大于一电流默认值时，电流传感器180会输出一调整信号到回授电路130，回授电路130通过控制器140便会命令直流转换电路110的输出电压往下调整，这样一来USB端口10的输出电流的值便会保持一个定值以下。或者，当外部电压侦测电路170侦测到USB端口10的输出电压低于一个定值时，外部电压侦测电路170会输出一调整信号到回授电路130，回授电路130通过控制器140便会命令直流转换电路110的输出电压往下调整，这样一来USB端口10的输出电压便会保持一个定值以上。借由这样的方式，就可以避免当USB端口10所输出的电流太大而导致USB端口10停止运转或异常的情形。

更详细的说，当直流转换电路110的输出电压往下降时，直流转换电路110的输出功率也跟着减少，连带着USB端口10所输出的功率及直流转换电路110的输入功率也会随之减少，这样便可将USB端口10所输出的功率限制在一定的预设范围。而且，即使3.5吋硬盘20的马达所需的功率升高，USB端口10所输出的功率也将限制在一定的范围，超出USB端口10所能供给的额外所需功率将由电容组件120本身所储存的电能来提供，而电容组件120的容量选用亦需足以支应输出电压不会因此低于电子装置所需的最低工作电压。

接着，请参照图2，图2所示为本发明的电源转换电路的第二实施例。在图2中，与图1相同的组件将标以相同的组件符号，并不再赘述。在第二实施例中，图1所示的第一电压侦测电路160以一第一计时电路260取代。而且，第一计时电路260的一输出端是电性连接到开关组件150的输入端，而第一计时电路260的一输入端则是电性连接到重置电路190。在本实施例中，电源转换电路200是连接到二个2.5吋硬盘20’。因此，这二个2.5吋硬盘20’在启动时仍需要汲取大量功率。第二计时电路165是电性连接到USB端口10，当电源转换电路200与USB端口10相连接后，第二计时电路165开始计时。当计时时间未达到一第一时间默认值(约5秒)前，USB端口10持续对电容组件120进行充电，使电容组件120的电压值在限定的时间内达到一第二电压默认值(约5.8V)。当计时时间大于或等于一第一时间默认值后，第一计时电路260将命令开关组件150成为导通状态，此时电容组件120已经储存到5.8V，因此电容组件120开始对两颗2.5吋硬盘20’提供储能，以支应两颗2.5吋硬盘20’马达启动瞬间所需要的能量。当计时时间大于或等于一第二时间默认值后，第二计时电路165便会通过回授电路130影响到控制器140，使得直流转换电路110的输出电压恢复到5V的电平。在本实施例中，第一时间默认值是指将电容组件120进行充电到第二电压默认值所需花费的时间，当然本领域具有通常知识者也可依情况调整第一时间默认值与第二电压默认值。

请同时参照图3，图2所示的电源转换电路的运作流程将简述如下：

S110：通过突波电流抑制电路115对电容组件120先进行初步储能。而且，外部电压侦测电路170或/及电流传感器180随时监控并抑制USB端口10所输出的功率在一定的预设范围。

S120：启动直流转换电路110将输出至电容组件120的电压往上拉到第二电压默认值，进行电容组件120大量的储能。

S130：当第一计时电路260的计时时间到达第一时间默认值，第一计时电路260命令开关组件150导通，以使直流转换电路110与电容组件120输出功率以启动两颗2.5吋硬盘20’。

S140：当第二计时电路165的计时时间到达第二时间默认值，两颗2.5吋硬盘20的运作已进入稳态，第二计时电路165间接命令直流转换电路110的输出电压调整为第一电压默认值。

此外，需注意的是，当USB端口10与电源转换电路200失去电性连接时，重置电路190会对第一计时电路260与第二计时电路165进行重置。

在上述图1与图2的实施例中，是以3.5吋硬盘与两个2.5吋硬盘做为电子装置的实施例，但本领域具有通常知识者也可将光驱或其他具有类似特性的装置做为电子装置的实施例。另外，在上述的实施例中，是以USB端口做为外部电源的实施例，但本领域具有通常知识者也可将以太网供电(Power over Ethernet,简称：PoE)、USB type C PD(Power delivery)端口或其他同时具有信号传输与供电类似特性的连接器做为外部电源的实施例。而且，在本发明中，直流转换电路110也可依情况而不予设置，以下将以实施例说明之。

请参照图4与图5，图4所示为本发明的电源转换电路的第三实施例，图5所示为本发明的电源转换电路的第四实施例。在图4或图5中，与图1或图2相同的组件将标以相同的组件符号，并不再赘述。在第三实施例与第四实施例中，由于外部电源为USB Type-C端口10’，USB Type-C端口10’的输出电压可调整为12V或5V，且可供给的电流也较一般的非Type-C的USB端口更高，其特征在于12V恰对应图4的3.5吋硬盘的第一电源输入端22的工作电压范围，5V恰对应图5的2.5吋硬盘的工作电压范围。因此，在电源转换电路500、600中便无需设置直流转换电路110。另外，图4的电源转换电路500还包括一第一降压电路255，第一降压电路255之一输入端连接至开关组件150的输出端，而第一降压电路255之一输出端则连接至3.5吋硬盘20的第二电源输入端24，藉此输出5V的电压给3.5吋硬盘20的第二电源输入端24。

在图4与图5中，当电流传感器180侦测到USB Type-C端口10’的输出电流大于一电流默认值时，电流传感器180会命令突波电流抑制电路115提高其导通电阻，也就是说藉此限制USB Type-C端口10’的输出电流不超过电流默认值，超出USB Type-C端口10’所能供给的额外所需功率将由电容组件120本身所储存的电能来提供。

另外，在图4与图5中，也可通过一外部电压侦测电路170侦测外部电源的输出电压，当USB Type-C端口10’的输出电压小于一外部电压默认值时，外部电压侦测电路170会命令突波电流抑制电路115提高其导通电阻，也就是藉此限制USB Type-C端口10’的输出电压不低于该外部电压默认值，超出USB Type-C端口10’所能供给的额外所需功率将由电容组件120本身所储存的电能来提供。

以下，请同时参照图6，图5所示的电源转换电路的运作流程将简述如下：

S210：通过突波电流抑制电路115对电容组件120先进行初步储能。而且，外部电压侦测电路170或/及电流传感器180随时监控并抑制USB Type-C端口10’所输出的功率在一定的预设范围。

S220：当第一计时电路260的计时时间到达第一时间默认值，此时电容组件120的储能已到达一定程度，故第一计时电路260命令开关组件150导通，借由电容组件120中的储能启动二个2.5吋硬盘。

本发明说明如上，然其并非用以限定本创作所主张的专利权利范围。其专利保护范围当视后附的申请专利范围及其等同领域而定。凡本领域具有通常知识者，在不脱离本专利精神或范围内，所作的更动或润饰，均属于本创作所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含在下述的申请专利范围内。