CN102545571A

CN102545571A - 应用在切换式电源供应器的电流感测电路

Info

Publication number: CN102545571A
Application number: CN2010105975423A
Authority: CN
Inventors: 潘均宏; 唐健夫; 陈曜洲
Original assignee: Richtek Technology Corp
Current assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-07-04
Also published as: TWI411205B; TW201225499A

Abstract

一种应用在切换式电源供应器的电流感测电路，包括高压功率开关、高压启动晶体管及整流二极管。该高压启动晶体管的输入端连接该高压功率开关的输入端，而该整流二极管连接该高压启动晶体管的输出端。在该高压功率开关由闭路变为开路时，该高压启动晶体管的输出端会先短暂放电，因而使该高压启动晶体管导通且在其输出端上产生与通过该高压功率开关的电流相关的电压。

Description

应用在切换式电源供应器的电流感测电路

技术领域

本发明是有关一种切换式电源供应器，特别是关于一种应用在切换式电源供应器的电流感测电路。

背景技术

在交流对直流切换式电源供应器中，由于极高的输入电压(约200～800V)，使得高压功率开关及控制电路整合到同一基板成为重要的课题。传统的交流对直流切换式电源供应器将高压功率开关及控制电路分别做在二基板上，再将该二基板整合入一封装中。由于工艺技术的进步，目前已可将耐极高压的元件整合在同一基板上，但是须耗费大面积，因此高度整合兼具小芯片面积成为一个设计上的难题。

图1是传统的交流对直流切换式电源供应器的部份电路，其中高压功率开关M1在基板15上，而感测电阻Rcs、调变器17及比较器18在基板16上，二基板15及16都整合在控制器芯片14中，输入电压VAC经整流器10及电容Cin整流及滤波后产生电压VDC给变压器12，高压功率开关M1连接变压器12的一次侧线圈Lp，调变器17提供控制信号Vgate切换高压功率开关M1以使变压器12将电压VDC转换为输出电压Vo。此电源供应器利用与高压功率开关M1串联的感测电阻Rcs来取得与通过高压功率开关M1的电流Ip相关的感测信号Vcs。比较器18比较感测信号Vcs及临界值Vth，当感测信号Vcs大于临界值Vth时，比较器18送出信号给调变器17以使高压功率开关M1变为闭路(off)。如果使用较大的感测电阻Rcs，将造成较大的功率消耗，降低控制器芯片14的效能，而且将产生高电位的感测信号Vcs，因而须使用较高准位的控制信号Vgate。如果使用较小的感测电阻Rcs，感测信号Vcs会变小，这将使得设计变复杂，而且感测信号Vcs也比较容易受到地端噪声的干扰。

图2是另一种感测电流Ip的现有方法，其是利用高压功率开关M1的导通阻值Ron作为感测电阻来提供与电流Ip相关的感测信号Vcs，比较器18的正输入端连接高压功率开关M1的输入端以取得感测信号Vcs。此方法无需感测电阻Rcs，因此可以减少控制器芯片14的面积及功率消耗。但是输入电压VAC为极高压(Ultra High Voltage；UHV)，所以在高压功率开关M1为闭路时，其输入端上的电压很高，比较器18必须改用UHV元件，导致芯片面积增加以及成本提高。

美国专利号5,285,269使用一种迭接(cascade)功率开关来取代图2中的高压功率开关M1，包括接面场效晶体管(JFET)以及金氧半晶体管(MOSFET)。JFET的输入端连接变压器12的一次侧线圈Lp，输出端连接MOSFET的输入端，而MOSFET的输出端连接地端GND。JFET阻挡UHV，MOSFET为低压元件，比较器18的正输入端连接MOSFET的输入端以取得该MOSFET上的电压Vcs，进而判断电流Ip的大小。由于JFET可以阻挡高压，因此比较器18不必改用UHV元件。但是这样复杂的UHV功率开关结构，需要增加复杂的工艺、设计和开发过程。

美国专利号7,696,566提出一种感测电流Ip的方法，利用执行启动功能的JFET来感测电流Ip，因此无需增加额外的UHV元件或工艺。然而，此方法需要使用多芯片模块封装，高压功率开关与控制电路无法整合在同一基板上。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种应用在切换式电源供应器的电流感测电路。

根据本发明，一种应用在切换式电源供应器的电流感测电路，包括高压功率开关、高压启动晶体管以及整流二极管。该高压功率开关受控于控制信号以调节该切换式电源供应器的输出电压。该高压启动晶体管与该高压功率开关在同一基板上，其具有输入端连接该高压功率开关的输入端、控制端接收第一电压以及输出端提供第二电压。整流二极管连接该高压启动晶体管的输出端，用以避免电流回流至该高压启动晶体管的输出端，影响检测通过该高压功率开关的电流结果。在该高压功率开关由闭路变为开路时，使该高压启动晶体管的输出端放电一段时间。该段时间远小于该高压功率开关为开路的时间。在该高压功率开关为开路期间，该第一及第二电压之间的压差大于该高压启动晶体管的临界电压，造成该高压启动晶体管导通，因此该第二电压等于该高压功率开关的跨压，而且与通过该高压功率开关的电流具有比例关系。

本发明利用高压启动晶体管在切换式电源供应器启动完成后，作为感测电流的高压元件，因此不需要增加芯片面积，而后端处理电路可以用低压元件实现，故更有成本竞争力。

附图说明

图1是传统的交流对直流切换式电源供应器的电流感测方法；

图2是另一种现有的电流感测方法；

图3是本发明的电流感测电路；以及

图4是图3电路的波形图。

附图标号：

10整流器

12变压器

14控制器芯片

15基板

16基板

17调变器

18比较器

19转换器芯片

20电流感测电路

22高压启动晶体管

24时序电路

26时序电路

28分压电路

具体实施方式

图3是使用本发明的电流感测电路20的切换式电源供应器，其中转换器芯片19中的元件都制作在同一基板上。在电流感测电路20中，高压启动晶体管22的输入端连接高压功率开关M1的输入端，高压启动晶体管22可以是JFET或空乏型MOSFET，开关M2及电压源V2串联在高压启动晶体管22的控制端及地端GND之间，用以切换高压启动晶体管22的工作状态，整流二极管D4连接在高压启动晶体管22的输出端及电容Cvdd之间，用以防止电流由电容Cvdd回流至高压启动晶体管22的输出端，影响检测通过高压功率开关M1的电流结果，放电开关M3连接在高压启动晶体管22的输出端及地端GND之间，分压电路28连接高压启动晶体管22的输出端，电容C3连接分压电路28的输出端，放电开关M5与电容C3并联，时序电路24根据控制信号Vgate产生短脉冲信号Sshort控制放电开关M3，时序电路26根据控制信号Vgate产生前缘遮蔽信号LEB控制放电开关M5。分压电路28包括电阻R2及R3以及开关M4，电阻R2及开关M4串联在高压启动晶体管22的输出端及分压电路28的输出端之间，电阻R3连接在分压电路28的输出端及地端GND之间。电流感测电路20利用既有的高压启动晶体管22，无需使用复杂的UHV功率开关结构和额外的高压元件。

如同美国专利号7,696,566所描述的，在切换式电源供应器中原本就有高压启动晶体管用来执行启动功能，因此图3中的电流感测电路20只要使用该高压启动晶体管即可。当图3的切换式电源供应器启动时，使能信号SS EN使开关M2为闭路(off)，造成高压启动晶体管22的控制端及输出端之间的压差Vgs大于其临界电压Vth，因此高压启动晶体管22导通(on)。该临界电压Vth为负电压。在高压启动晶体管22导通期间，来自一次侧线圈Lp的电流将经过高压启动晶体管22及二极管D4对电容Cvdd充电，使得高压启动晶体管22的输出端电压V1上升。当电压VDD上升至内部电路所设定的电压准位后，开关M2被切换为开路(on)，高压启动晶体管22因而夹止(cut off)，此时，电容Cvdd能提供转换器芯片14足够的电压VDD，让切换式电源供应器完成启动。

图4是图3电路的波形图。参照图3及图4，在切换式电源供应器完成启动后，调变器17提供控制信号Vgate切换高压功率开关M1，当控制信号Vgate由低准位转为高准位使高压功率开关M1由闭路(off)变为开路(on)时，如时间t1所示，时序电路24触发短脉冲信号Sshort使放电开关M3变为开路，因而使高压启动晶体管22的输出端在预设时间Ts内被放电。其中，放电开关M3是为了加快高压启动晶体管22的输出端的放电速度，即使没有放电开关M3，高压启动晶体管22的输出端的电荷仍可经由其他电流路径(图中未示)来释放。预设时间Ts远小于高压功率开关M1为开路的时间Ton。高压启动晶体管22的控制端及输出端之间的压差Vgs也因而大于高压启动晶体管22的临界电压Vth，进而使得高压启动晶体管22导通，同时分压电路28内的开关M4也因控制信号Vgate而变为开路，故电阻R2及R3分压高压启动晶体管22的输出端电压V1产生感测信号Vcs储存在电容C3中。在高压功率开关M1为开路期间，如时间t1至t3所示，高压启动晶体管22导通，故其输出端电压V1等于高压功率开关M1的跨压，又因为高压功率开关M1的跨压等于通过高压功率开关M1的电流Ip乘上高压功率开关M1的导通阻值Ron，所以电压V1与电流Ip具有比例关系。感测信号Vcs是分压电压V1产生的，故感测信号Vcs也与电流Ip具有比例关系。此外，在高压功率开关M1由闭路变为开路时，电流Ip会产生突波，因而使电压V1也具有突波，为了避免该突波造成误动作，在高压功率开关M1由闭路变为开路时，前缘遮蔽信号LEB在时间t1至t2将维持放电开关M5为开路以遮蔽该突波。

在高压功率开关M1由开路(on)变为闭路(off)时，如时间t3所示，高压功率开关M1的输入端电压立即变得很高，因此高压启动晶体管22的输出端电压V1也快速上升，一旦高压启动晶体管22的控制端及输出端之间的压差Vgs等于临界电压Vth，高压启动晶体管22便截止(off)，而且电压V1也维持固定在某一准位。假设临界电压Vth＝-6V，电压V2＝1V，则电压V1将维持在7V。同时，时序电路26也在此时控制放电开关M5为开路(on)使电容C3被放电。

以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求及其均等来决定。

Claims

1.一种应用在切换式电源供应器的电流感测电路，其特征在于，所述的电流感测电路包括：

高压功率开关，受控于控制信号以调节所述切换式电源供应器的输出电压；

高压启动晶体管，与所述高压功率开关在同一基板上，且具有输入端连接所述高压功率开关的输入端、控制端接收第一电压以及输出端提供第二电压；以及

整流二极管，连接所述高压启动晶体管的输出端，用以避免电流回流至所述输出端；

其中，在所述高压功率开关为开路期间，所述第一及第二电压之间的压差大于所述高压启动晶体管的临界电压，且所述第二电压与通过所述高压功率开关的电流具有比例关系。

2.如权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，所述高压启动晶体管包括JFET。

3.如权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，所述高压启动晶体管包括空乏型MOSFET。

4.如权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，所述的电流感测电路更包括放电开关，连接所述高压启动晶体管的输出端，在所述高压功率开关由闭路变为开路时，使所述高压启动晶体管的输出端放电一段时间，所述段时间小于所述高压功率开关为开路的时间。

5.如权利要求4所述的电流感测电路，其特征在于，所述的电流感测电路更包括时序电路，根据所述控制信号产生短脉冲信号控制所述放电开关。

6.如权利要求1所述的电流感测电路，其特征在于，所述的电流感测电路更包括分压电路，连接所述高压启动晶体管的输出端，在所述高压功率开关为开路时分压所述第二电压产生感测信号。

7.如权利要求6所述的电流感测电路，其特征在于，所述的电流感测电路更包括：

电容，连接所述分压电路的输出端，储存所述感测信号；以及

放电开关，与所述电容并联，在所述高压功率开关为闭路期间使所述电容的放电。