专利名称：具有过压保护的电源供应器的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于一种电源供应器，且特别是有关于一种具有过压保护的电源供应器。
背景技术：
图I为一种现有的电源供应器的部分电路图。请参见图1，电源供应器I通过交流电源线10接收交流电源Vin并将其转换为稳定的直流电压Vbus，以供后续如直流至直流转换器转换成不同电平的直流电压。电源供应器I包括电磁干扰(ElectiOMagneticInterference,EMI)滤波器11、桥式整流器12、功率因子修正器(Power Factor Corrector,PFC)13及电解电容器14。EMI滤波器11包括安规电容器Cl及共模电感器LI，用于抑制电磁噪声通过交流电源线10传入或传出电源供应器I。桥式整流器12包括二极管Dl D4，用于将交流电源Vin整流为脉动直流电压。PFC 13为升压型PFC，其包括作为开关的晶体管Q1、电感器L2及二极管D5，用于改善因桥式整流器12所造成交流电源Vin输入的电流畸形，以提高功率因子。电解电容器14用于滤除脉动直流电压中的交流成分以输出稳定的直流电压Vbus。电解电容器14通常采用铝质电解电容器，因其具有价格便宜、容量大及耐压值高的优点而被广泛应用于各种电器中。不过，目前铝质电解电容器多采用易燃的有机酸作为电解液，工作时两铝箔间会汇聚大量的静电能量，当静电能量达到崩溃点或产生极间短路飞弧时，可能发生爆炸或起火。例如，输入的交流电源Vin出现数个周期的电压突波，或者PFC 13因反馈不良导致开关导通时间或占空比(duty cycle)增大而造成其输出电压升高，最终都会影响到电解电容器14两端的跨压(即直流电压Vbus)升高，使两铝箔间快速汇聚大量静电能量而极有可能发生爆炸或起火。为了避免铝质电解电容器在爆炸或起火时发生延烧而产生危害，多家厂商先后提出具有阻燃特性的铝电解电容器，但其仅能在爆炸或起火时避免延烧的发生，并不会对电容器本体可允许的最大跨压有所提升，因此当电容器的跨压发生异常而超过其最大跨压时，阻燃铝电解电容器仍然会损坏，这对于市场不良率并没有直接的改善，加上其价格昂贵，因而很少用于一般的设计中。
发明内容有鉴于此，本实用新型的目的在提出一种具有过压保护的电源供应器，可防止电解电容器爆炸或起火，以避免电解电容器在爆炸或起火时发生延烧而产生危害。为达到上述目的或其它目的，本实用新型提出一种具有过压保护的电源供应器，包括继电器、交流至直流转换器、电解电容器、电压侦测器、滞回比较器及驱动电路。其中，继电器包括开关单元及控制单元，开关单元耦接于交流电源及交流至直流转换器之间，控制单元控制开关单元导通或断开。交流至直流转换器将接收到的交流电源整流为脉动直流电压。电解电容器将接收到的脉动直流电压滤波为直流电压。电压侦测器侦测电解电容器的跨压以输出相应的侦测电压。滞回比较器耦接于电压侦测器及驱动电路之间，滞回比较器根据侦测电压在电解电容器的跨压上升至大于上限阈值时通过驱动电路驱动控制单元控制开关单元由导通变成断开，并在电解电容器的跨压下降至小于下限阈值时通过驱动电路驱动控制单元控制开关单元由断开变成导通。在一实施例中，控制单元包括线圈，且驱动电路包括图腾柱电路。滞回比较器在电解电容器的跨压上升至大于上限阈值时输出的控制信号由第一电平变成第二电平，具有第二电平的控制信号使图腾柱电路产生电流，电流流过线圈而激磁以控制常闭型(normallyclosed)的开关单元断开。滞回比较器在电解电容器的跨压下降至小于下限阈值时输出的控制信号由第二电平变成第一电平，具有第一电平的控制信号使图腾柱电路不产生电流而使线圈停止激磁以控制常闭型的开关单元恢复导通。在一实施例中，控制单元包括设定线圈及复位线圈，且驱动电路包括第一单稳态多谐振荡器及第二单稳态多谐振荡器。滞回比较器在电解电容器的跨压上升至大于上限阈值时输出的控制信号由第一电平变成第二电平，由第一电平变成第二电平的转换触发第一 单稳态多谐振荡器产生第一脉冲信号，第一脉冲信号驱动设定线圈控制开关单元由导通变成断开。滞回比较器在电解电容器的跨压下降至小于下限阈值时输出的控制信号由第二电平变成第一电平，由第二电平变成第一电平的转换触发第二单稳态多谐振荡器产生第二脉冲信号，第二脉冲信号驱动复位线圈控制开关单元由断开变成导通。本实用新型因采用直接侦测电解电容器的跨压，在侦测到电解电容器的跨压发生异常但尚未超过其最大跨压时通过继电器立即切断交流电源输入，并在异常消失后通过继电器重新接回交流电源，因此不论是输入的交流电源电压出现异常突波或是PFC反馈异常产生的电压升高均不会影响到电解电容器，可防止电解电容器爆炸或起火，以避免电解电容器在爆炸或起火时发生延烧而产生危害。此外，在电解电容器的跨压的侦测上制订出上、下限阈值以作为继电器切断或接回交流电源的依据，如此可抑制噪声的干扰，确保继电器不会误动作或临界弹跳。为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
图I为一种现有的电源供应器的部分电路图。图2为根据本实用新型一实施例的电源供应器的部分电路图。图3为图2所示的驱动电路及控制单元的一实施例的电路图。图4为图2所示的驱动电路及控制单元的另一实施例的电路图。图5为图2所示的电源供应器在输入的交流电源电压出现异常突波时执行过压保护的波形示意图。图6为图2所示的电源供应器在PFC反馈异常时执行过压保护的波形示意图。标识说明I、2:电源供应器10、20:交流电源线11、21:EMI 滤波器[0021]12、22:桥式整流器13,23 PFC14、24:电解电容器25:继电器251 :开关单元252、352、452 :控制单元26 电压侦测器27:滞回比较器28、38、48 ■·驱动电路29:参考电压产生器481 :第一单稳态多谐振荡器482 :第二单稳态多谐振荡器Cl C6 :电容器Dl D7 :二极管L1、L2:电感器Lry :线圈Lst :设定线圈Lrst :复位线圈OPl :运算放大器Ql Q7:晶体管Rl R16 :电阻器Ul :并联稳压器Vin :交流电源Vbus、Vcc :直流电压Vsen:侦测电压Vref:参考电压Vctl :控制信号Vl :第一电平V0:第二电平Vdr、Vdrl、Vdr2 :驱动信号Vpl :第一脉冲信号Vp2 :第二脉冲信号Vth’ 上限阈值Vtl’ 下限阈值ON :开关单元导通OFF:开关单元断开t:时间t0 t4:时间点。
具体实施方式
图2为根据本实用新型一实施例的电源供应器的部分电路图。请参见图2，电源供应器2通过交流电源线20接收交流电源Vin并将其转换为稳定的直流电压Vbus，以供后续如直流至直流转换器转换成不同电平的直流电压，而且电源供应器2具有针对电解电容器的过压保护功能，可防止电解电容器爆炸或起火，以避免电解电容器在爆炸或起火时发生延烧而产生危害。电源供应器2包括EMI滤波器21、交流至直流转换器(包括桥式整流器22及PFC 23)、电解电容器24、继电器25、电压侦测器26、滞回比较器27、驱动电路28及参考电压产生器29。其中，EMI滤波器21、桥式整流器22及PFC 23可以采用如图I所示的EMI滤波器11、桥式整流器12及PFC 13，在此不再赘述其构成与功能，而电解电容器24可以采用一般铝质电解电容器。 继电器25包括开关单元251及控制单元252。开关单元251耦接于交流电源Vin及EMI滤波器21之间，而控制单元252利用磁力控制开关单元251导通或断开。当开关单元251导通时，允许输入的交流电源Vin传送到EMI滤波器21。当开关单元251断开时，不允许交流电源Vin传送到EMI滤波器21，即切断交流电源Vin输入。但本实施例并非用于限制本实用新型，例如，开关单元251可以改成耦接于EMI滤波器21及桥式整流器22之间。电压侦测器26耦接于电解电容器24的两端之间，用于侦测电解电容器24的跨压(即直流电压Vbus)以输出相应的侦测电压Vsen。在本实施例中，电压侦测器26包括电阻器Rl和R2，电阻器Rl和R2串联耦接于电解电容器24的两端之间，电阻器Rl和R2的共同端点输出与电解电容器24的跨压Vbus相应的侦测电压Vsen，其中，Vsen = R2/(R1+R2) XVbus。滞回比较器27耦接于电压侦测器26及驱动电路28之间。滞回比较器27根据侦测电压Vsen在电解电容器24的跨压Vbus上升至大于上限阈值时，即在电解电容器24的跨压Vbus发生异常但尚未超过其最大跨压时，通过驱动电路28驱动控制单元252控制开关单元251由导通变成断开，以便立即切断交流电源Vin输入。另外，滞回比较器27根据侦测电压Vsen在电解电容器24的跨压Vbus下降至小于下限阈值时，即在电解电容器24的跨压Vbus所发生的异常消失时，通过驱动电路28驱动控制单元252控制开关单元251由断开变成导通，以便重新接回交流电源Vin。藉由滞回比较器27在电解电容器24的跨压Vbus的侦测上制订出上、下限阈值以作为继电器25的开关单元251导通或断开的依据，如此可抑制噪声的干扰，确保继电器25不会误动作或临界弹跳。在一实施例中，交流电源Vin可以为90Vac 264Vac，PFC 23的输出电压可以设计为400V左右，此时上、下限阈值可以分别设计为570V及380V。在本实施例中，滞回比较器27为反相滞回比较器，其包括运算放大器OPl及电阻器R3和R4，且运算放大器OPl由内部产生的稳定的直流电压Vcc所供电。滞回比较器 27 提供高临界值 Vth = R4/(R3+R4) XVref + R3/(R3+R4) X Vcc，低临界值 Vtl = R4/(R3+R4) XVref - R3/(R3+R4) X Vcc。滞回比较器27在侦测电压Vsen上升至大于高临界值Vth时，表示电解电容器24的跨压Vbus上升至大于上限阈值Vth’，故输出的控制信号Vctl由第一电平Vl变成第二电平V0，具有第二电平VO的控制信号Vctl通过驱动电路28驱动控制单元252控制开关单元251由导通变成断开。另外，滞回比较器27在侦测电压Vsen下降至小于低临界值Vtl时，表示电解电容器24的跨压Vbus下降至小于下限阈值Vtl’，故输出的控制信号Vctl由第二电平VO变成第一电平VI，具有第一电平Vl的控制信号Vctl通过驱动电路28驱动控制单元252控制开关单元251由断开变成导通。其中，上限阈值 Vth’ = 0 1+1 2)/1 2\￥访，下限阈值￥七1’ = (Rl+R2)/R2XVtL·因此，可通过调整参考电压Vref及电阻器R3和R4来设计滞回比较器27提供的高、低临界值Vth和Vtl，进而在电解电容器24的跨压Vbus的侦测上制订出上、下限阈值Vth,和Vtl’。而参考电压Vref可以由参考电压产生器29所提供，此参考电压产生器29包括并联稳压器(shunt regulator)U1、电阻器R5及电容器C2。若米用型号TL431的并联稳压器Ul，则参考电压Vref为稳定 2. 5V。图3为图2所示的驱动电路28及控制单元252的一实施例的电路图。请同时参见图2及图3，驱动电路38包括由电阻器R6、PNP晶体管Q2及NPN晶体管Q3组成的图腾柱电路，其中，电阻器R6及晶体管Q2和Q3串联耦接于内部直流电压Vcc及地之间，由晶体管Q2和Q3的基极端接收滞回比较器27输出的控制信号Vctl，并由晶体管Q2和Q3的集电极端输出驱动信号Vdr。控制单元352包括线圈Lry，线圈Lry的一端耦接至驱动电路38以接收驱动信号Vdr且另一端耦接至地。在本实施例中，第一电平Vl及第二电平VO分别为高电平及低电平。具有低电平(或第二电平V0)的控制信号Vctl会使驱动电路38中的图腾柱电路的PNP晶体管Q2导通且NPN晶体管Q3截止以输出具有高电平的驱动信号Vdr，而具有高电平的驱动信号Vdr施加到控制单元352中的线圈Lry上会产生电流流过线圈Lry而激磁以控制常闭型的开关单元251断开。具有高电平(或第一电平VI)的控制信号Vctl会使驱动电路38中图腾柱电路的PNP晶体管Q2截止且NPN晶体管Q3导通以输出具有低电平的驱动信号Vdr，而具有低电平的驱动信号Vdr施加到控制单元352中的线圈Lry上将无法产生电流流过线圈Lry,故线圈Lry停止激磁以控制常闭型的开关单元251恢复导通。图4为图2所示的驱动电路28及控制单元252的另一实施例的电路图。请同时参见图2及图4，驱动电路48包括第一单稳态多谐振荡器481及第二单稳态多谐振荡器482。其中，第一单稳态多谐振荡器481包括由电容器C3及电阻器R7组成的第一微分电路、用于限制单向导通的二极管D6及由晶体管Q4和Q5、电容器C4、电阻器R8 Rll组成的第一单稳态多谐振荡电路。第一单稳态多谐振荡器481由第一微分电路接收控制信号Vctl而在控制信号Vctl的波形上升缘时间点输出正脉冲电压及在波形下降缘时间点输出负脉冲电压，并由第一单稳态多谐振荡电路接收正、负脉冲电压而在控制信号Vctl的波形下降缘时间点产生正电压的第一脉冲信号Vpl，故第一单稳态多谐振荡器481接收控制信号Vctl并输出具有第一脉冲信号Vpl的驱动信号Vdrl。第二单稳态多谐振荡器482包括由电容器C5及电阻器R12组成的第二微分电路、用于限制单向导通的二极管D7及由晶体管Q6和Q7、电容器C6、电阻器R13 R16组成的第二单稳态多谐振荡电路。第二单稳态多谐振荡器482由第二微分电路接收控制信号Vctl而在控制信号Vctl的波形上升缘时间点输出正脉冲电压及在波形下降缘时间点输出负脉冲电压，并由第二单稳态多谐振荡电路接收正、负脉冲电压而在控制信号Vctl的波形上升缘时间点产生正电压的第二脉冲信号Vp2,故第二单稳态多谐振荡器482接收控制信号Vctl并输出具有第二脉冲信号Vp2的驱动信号Vdr2。控制单元452包括设定线圈Lst及复位线圈Lrst,设定线圈Lst的一端稱接至第一单稳态多谐振荡器481以接收驱动信号Vdrl且另一端耦接至地，而复位线圈Lrst的一端耦接至第二单稳态多谐振荡器482以接收驱动信号Vdr2且另一端耦接至地。在本实施例中，第一电平Vl及第二电平VO分别为高电平及低电平。由高电平变成低电平的转换(或由第一电平Vl变成第二电平VO的转换)会触发第一单稳态多谐振荡器481在控制信号Vctl的波形下降缘时间点产生第一脉冲信号Vpl，而第一脉冲信号Vpl驱动设定线圈Lst控制开关单元251由导通变成断开。由低电平变成高电平的转换(或由第二电平VO变成第一电平Vl的转换)会触发第二单稳态多谐振荡器482在控制信号Vctl的波形上升缘时间点产生第二脉冲信号Vp2，而第二脉冲信号Vp2驱动复位线圈Lrst控制开关单元251由断开变成导通。因此,驱动电路48输出的驱动信号Vdrl和Vdr2实际上即是在控制信号Vctl由高电平变成低电平的转换时间点(或波形下降缘时间点)产生第一脉冲信号Vpl及在控制信号Vctl由低电平变成高电平的转换时间点(或波形上升缘时间点)产生第二脉冲信号Vp2，其余时间点上驱动信号Vdrl和Vdr2均为低电平，因此可节能省电且线圈Lst和Lrst较不 会发热。图5为图2所示的电源供应器2在输入的交流电源Vin电压出现异常突波时执行过压保护的波形示意图。请同时参见图2及图5，输入的交流电源Vin电压在时间点t0后数个周期(如4个)内出现异常突波，在电源供应器2正常工作下，PFC 23的输出电压升高且致使其反馈电压大于反馈保护点时，PFC 23会自行关闭，此时电解电容器24的跨压Vbus将受到交流电源Vin电压峰值影响而开始升高。在时间点tl时，侦测到电解电容器24的跨压Vbus上升至大于上限阈值Vth’时，通过继电器25的开关单元251的断开OFF切断交流电源Vin输入。在切断交流电源Vin输入期间，电源供应器2仍因电解电容器24上还具备能量而继续工作以提供直流电压Vbus和Vcc，但其电压值会持续下降。在时间点t2时，侦测到电解电容器24的跨压Vbus下降至小于下限阈值Vtl’，通过继电器25的开关单元251的导通ON重新接回交流电源Vin。但是，由于在时间点t2时交流电源Vin电压仍存在异常突波，故PFC 23仍关闭，电解电容器24的跨压Vbus又开始升高，并在时间点t3时上升至大于上限阈值Vth’时而会切断交流电源Vin输入，及在时间点t4时下降至小于下限阈值Vtl’而会接回交流电源Vin。最后，由于在时间点t4时交流电源Vin电压已回复正常，故PFC 23开始正常工作，使电解电容器24的跨压Vbus回复正
堂
巾O图6为图2所示的电源供应器2在PFC 23反馈异常时执行过压保护的波形示意图。请同时参见图2及图6,输入的交流电源Vin电压恒落于额定规范条件下,在时间点t0时，PFC 23因反馈不良导致开关导通时间或占空比增大而造成其输出电压升高，使电解电容器24的跨压Vbus直接升高。在时间点tl时，侦测到电解电容器24的跨压Vbus上升至大于上限阈值Vth’时，通过继电器25的开关单元251的断开OFF切断交流电源Vin输入。在切断交流电源Vin输入期间，即使PFC 23的开关导通时间或占空比再大，也会因为没有输入能量而无法工作，虽然PFC 23无法提供能量给电解电容器24，但电源供应器2仍因电解电容器24上还具备能量而继续工作以提供直流电压Vbus和Vcc，但其电压值会持续下降。在时间点t2时，侦测到电解电容器24的跨压Vbus下降至小于下限阈值Vtl’，通过继电器25的开关单元251的导通ON重新接回交流电源Vin。但是，假设在时间点t2时PFC 23仍存在反馈不良导致开关导通时间或占空比增大而造成其输出电压升高，使电解电容器24的跨压Vbus又开始升高，并在时间点t3时上升至大于上限阈值Vth’时而会切断交流电源Vin输入，及在时间点t4时下降至小于下限阈值Vtl’而会接回交流电源Vin。最后，由于在时间点t4时PFC 23反馈已回复正常，故电解电容器24的跨压Vbus也会回复正
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巾O综上所述，本实用新型因采用直接侦测电解电容器的跨压，在侦测到电解电容器的跨压发生异常但尚未超过其最大跨压时通过继电器立即切断交流电源输入，并在异常消失后通过继电器重新接回交流电源，因此不论是输入的交流电源电压出现异常突波或是PFC反馈异常产生的电压升高均不会影响到电解电容器，可防止电解电容器爆炸或起火，以避免电解电容器在爆炸或起火时发生延烧而产生危害。此外，在电解电容器的跨压的侦测 上制订出上、下限阈值以作为继电器切断或接回交流电源的依据，如此可抑制噪声的干扰，确保继电器不会误动作或临界弹跳。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用于限定本实用新型，任何熟习此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求的范围所界定者为准。
权利要求1.具有过压保护的电源供应器(2)，其特征在于它包括一继电器(25)、一交流至直流转换器(22及23)、一电解电容器(24)、一电压侦测器(26)、一滞回比较器(27)及一驱动电路(28、38或48)，其中， 该继电器(25)包括一开关单元(251)及一控制单元(252、352或452)，该开关单元耦接于一交流电源(Vin)及该交流至直流转换器之间，该控制单元控制该开关单元的导通或断开，该交流至直流转换器将接收到的该交流电源整流为一脉动直流电压， 该电解电容器(24)将接收到的该脉动直流电压滤波为一直流电压(Vbus)， 该电压侦测器(26)侦测该电解电容器的跨压以输出相应的一侦测电压(Vsen)， 该滞回比较器(27 )耦接于该电压侦测器及该驱动电路之间，该滞回比较器根据该侦测电压在该电解电容器的跨压上升至大于一上限阈值时通过该驱动电路驱动该控制单元控制该开关单元由导通变成断开，并在该电解电容器的跨压下降至小于一下限阈值时通过该驱动电路驱动该控制单元控制该开关单元由断开变成导通。
2.如权利要求I所述的具有过压保护的电源供应器，其中，该控制单元(352)包括一线圈(Lry)。
3.如权利要求2所述的具有过压保护的电源供应器，其中，该驱动电路(38)包括一图腾柱电路(R6、Q2及Q3)，该滞回比较器在该电解电容器的跨压上升至大于该上限阈值时输出的一控制信号(Vctl)由一第一电平(Vl)变成一第二电平(V0)，具有该第二电平的该控制信号使该图腾柱电路产生一电流，该电流流过该线圈而激磁以控制常闭型的该开关单元断开，该滞回比较器在该电解电容器的跨压下降至小于该下限阈值时输出的该控制信号由该第二电平变成该第一电平，具有该第一电平的该控制信号使该图腾柱电路不产生该电流而使该线圈停止激磁以控制常闭型的该开关单元恢复导通。
4.如权利要求I所述的具有过压保护的电源供应器，其中，该控制单元(452)包括一设定线圈(Lst)及一复位线圈(Lrst)。
5.如权利要求4所述的具有过压保护的电源供应器，其中，该驱动电路(48)包括一第一单稳态多谐振荡器(481)及一第二单稳态多谐振荡器(482),该滞回比较器在该电解电容器的跨压上升至大于该上限阈值时输出的一控制信号(Vctl)由一第一电平(Vl)变成一第二电平(VO),由该第一电平变成该第二电平的转换触发该第一单稳态多谐振荡器产生一第一脉冲信号(Vpl )，该第一脉冲信号驱动该设定线圈控制该开关单元由导通变成断开，该滞回比较器在该电解电容器的跨压下降至小于该下限阈值时输出的该控制信号由该第二电平变成该第一电平，由该第二电平变成该第一电平的转换触发该第二单稳态多谐振荡器产生一第二脉冲信号(Vp2)，该第二脉冲信号驱动该复位线圈控制该开关单元由断开变成导通。
专利摘要一种具有过压保护的电源供应器，其直接侦测电解电容器(24)的跨压，在侦测到电解电容器的跨压发生异常但尚未超过其最大跨压时通过继电器(25)立即切断交流电源(Vin)输入，并在异常消失后通过继电器重新接回交流电源，因此不论是输入电源突波或是回路异常产生的电压升高均不会影响到电解电容器，可防止电解电容器爆炸或起火，以避免电解电容器在爆炸或起火时发生延烧而产生危害。此外，在电解电容器的跨压的侦测上制订出上、下限阈值以作为继电器切断或接回交流电源的依据，如此可抑制噪声的干扰，确保继电器不会误动作或临界弹跳。
文档编号H02H3/20GK202586774SQ20122021130
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者林立韦, 杨永, 陈志阳, 谢璐银 申请人:冠捷投资有限公司