CN110690823B - 切换式电源供应器及其功率开关控制电路 - Google Patents

切换式电源供应器及其功率开关控制电路 Download PDF

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Abstract

一种切换式电源供应器及其功率开关控制电路。切换式电源供应器包括：功率级电路、辅助绕组、开机开关以及功率开关控制电路。功率开关控制电路包括共享引脚、开机控制电路以及反馈补偿电路。共享引脚耦接于开机开关的控制端，用以于至少两种不同模式中，对应传递不同功能的信号。开机控制电路用以于开机模式中，产生开机信号，并经由共享引脚传递至开机开关的控制端。反馈补偿电路的输出端耦接于共享引脚，用以于操作模式中，于共享引脚产生补偿信号。

Description

切换式电源供应器及其功率开关控制电路
技术领域
本发明涉及一种切换式电源供应器，特别是指一种具有以共享引脚执行多重功能的切换式电源供应器。本发明也涉及用于切换式电源供应器中的功率开关控制电路。
背景技术
与本申请相关的申请有：美国专利申请US 2017/0005583 A1以及中国专利申请CN106329961 A。
图1显示一种现有技术的切换式电源供应器(切换式电源供应器1)，其中切换式电源供应器1包含变压器110、整流电路120、一次侧控制电路130、辅助绕组WA以及开机开关SSU。辅助绕组WA与变压器110耦接，用以产生控制器供应电压VDD以作为一次侧控制电路130的电源，此外，在电源启动阶段，也就是开机模式中，当控制器供应电压VDD仍低于一开机电压阈值时，可通过引脚ASU控制开机开关SSU导通，而直接从输入电压VIN对供应电容器CDD充电，以快速提高控制器供应电压VDD的电压而完成电源启动阶段。
图1中所示的现有技术，其缺点在于，一次侧控制电路130例如为一集成电路芯片，在电源启动阶段，需要一专属的引脚ASU以控制开机开关SSU，但此专属的引脚ASU在其他的阶段却无任何功能，因而会提高制造成本以及该集成电路芯片的尺寸。
本发明相较于图1的现有技术，可以一共享引脚，控制开机开关SSU，且于完成电源启动阶段后，结束开机模式，再以该共享引脚进行其他功能，因而可降低制造成本以及电路的尺寸。
发明内容
就其中一个观点言，本发明提供了一种切换式电源供应器，包含：一功率级电路，包括一电感与至少一功率开关；其中该功率开关与该电感耦接，用以根据一开关控制信号而操作，以控制该电感的导通状态，而将一输入电源转换为一输出电源；一辅助绕组，与该电感形成一变压器，以产生一控制器供应电压；一开机开关，耦接于一输入电压相关信号与该控制器供应电压之间，其中该输入电压相关信号相关于该输入电源的一输入电压；以及一功率开关控制电路，与该功率级电路耦接，以该控制器供应电压为电源，用以产生该开关控制信号，并控制该开机开关，该功率开关控制电路包括：一共享引脚，耦接于该开机开关的控制端，用以于至少两种不同模式中，对应传递不同功能的信号；一开机控制电路，通过该共享引脚耦接于该开机开关的控制端，用以于一开机模式中，产生一开机信号，并经由该共享引脚传递至该开机开关的控制端，使得当该控制器供应电压未超过一开机电压阈值时，控制该开机开关为导通，且当该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，控制该开机开关为不导通；以及一反馈补偿电路，具有一误差放大电路，其输出端耦接于该共享引脚，用以于一操作模式中，于该共享引脚产生一补偿信号，使得该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该功率开关控制电路根据该补偿信号，产生该开关控制信号。
在一较佳实施例中，该切换式电源供应器还包含一逆止二极管，与该开机开关串接，用以防止一逆向电流及/或降低该开机开关所需承受的电压。
在一较佳实施例中，该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该反馈补偿电路通过一反馈信号与一参考信号以产生该补偿信号，其中该反馈信号相关于该输出电压。
在一较佳实施例中，该功率开关控制电路还包括一辅助感测引脚，其中该反馈补偿电路通过该辅助感测引脚耦接于该辅助绕组，以自该辅助绕组接收该反馈信号
在一较佳实施例中，该反馈补偿电路还包括一取样保持电路，用以于该功率开关不导通时，取样保持该反馈信号而产生一取样保持信号；该误差放大电路用以根据该取样保持信号以及该参考信号而产生该补偿信号。
在一较佳实施例中，该功率开关控制电路还包括一电流感测引脚，其中该反馈补偿电路通过该电流感测引脚耦接于该功率开关，以根据流经该功率开关的一开关电流，取得该反馈信号。
在一较佳实施例中，该输入电压相关信号直接耦接于该输入电压。
在一较佳实施例中，切换式电源供应器还包含一整流电路，用以将一交流输入信号整流而产生该输入电压，其中该输入电压相关信号耦接于该交流输入信号的一正相端或一反相端。
在一较佳实施例中，该开机控制电路包括：一比较电路，用以比较该控制器供应电压以及一开机参考电压而产生该开机信号，其中该开机参考电压的位准相关于该开机电压阈值；以及一开机控制开关，其电流流入端与电流流出端耦接于该控制器供应电压与该共享引脚之间，其控制端电气耦接于该开机信号，当该控制器供应电压未超过该开机电压阈值时，该开机控制开关受控制为导通，以导通该开机开关，且当该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该开机控制开关受控制为不导通，以控制该开机开关为不导通。
在一较佳实施例中，该功率开关控制电路还包括一重置电路，耦接于该共享引脚，用以于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，将该共享引脚的一共享引脚电压，调整为一重置电压。
在一较佳实施例中，该重置电路包括：一逻辑电路，用以于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，根据一设置信号，而产生一重置控制信号；一重置开关，分别与该共享引脚及该逻辑电路耦接，用以根据该重置控制信号，将该共享引脚电压，调整为该重置电压；以及一判断电路，与该逻辑电路耦接，用以根据该共享引脚电压与一重置电压阈值，产生该设置信号；其中，于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，且该共享引脚电压高于该重置电压阈值，该设置信号使该重置控制信号导通该重置开关，以将该共享引脚电压，调整为该重置电压；其中，于该共享引脚电压下降至该重置电压阈值后，该设置信号使该重置控制信号不导通该重置开关，以停止将该共享引脚电压，调整为该重置电压。
在一较佳实施例中，该功率开关控制电路还包括一缓启动(soft-start)电路，与该反馈补偿电路耦接，自该开机阶段结束后，于该操作模式中，执行一段缓启动程序，以限制该共享引脚的一共享引脚电压上升的速率，进而控制该输出电压上升的速率。
在一较佳实施例中，该功率开关控制电路还包括一开关控制信号产生电路，与该反馈补偿电路耦接，用以根据该补偿信号，而产生具有脉宽调制(pulse widthmodulation，PWM)的该开关控制信号以控制该功率开关，进而控制该电感的导通状态。
就另一个观点言，本发明也提供了一种功率开关控制电路，用以控制一切换式电源供应器，该切换式电源供应器包括：一功率级电路，包括：一电感与至少一功率开关；其中该功率开关与该电感耦接，用以根据一开关控制信号而操作，以控制该电感的导通状态，而将一输入电源转换为一输出电源；一辅助绕组，与该电感形成一变压器，以产生一控制器供应电压；一开机开关，耦接于一输入电压相关信号与该控制器供应电压之间，其中该输入电压相关信号相关于该输入电源的一输入电压；以及该功率开关控制电路，与该功率级电路耦接，以该控制器供应电压为电源，用以产生该开关控制信号，并控制该开机开关，该功率开关控制电路包含：一共享引脚，耦接于该开机开关的控制端，用以于至少两种不同模式中，对应传递不同功能的信号；一开机控制电路，通过该共享引脚耦接于该开机开关的控制端，用以于一开机模式中，产生一开机信号，并经由该共享引脚传递至该开机开关的控制端，使得当该控制器供应电压未超过一开机电压阈值时，控制该开机开关为导通，且当该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，控制该开机开关为不导通；以及一反馈补偿电路，具有一误差放大电路，其输出端耦接于该共享引脚，用以于一操作模式中，于该共享引脚产生一补偿信号，使得该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该功率开关控制电路根据该补偿信号，产生该开关控制信号。
以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。
附图说明
图1显示一种现有技术切换式电源供应器的示意图。
图2A-2D显示本发明的切换式电源供应器，以及其中的功率开关控制电路的实施例的示意图。
图3A-3K显示同步或异步的降压型、升压型、反压型、升降压型、升反压型、及返驰型功率级电路。
图4A-4B显示本发明的切换式电源供应器，以及其中的功率开关控制电路的实施例的示意图。
图5显示本发明的切换式电源供应器，以及其中开机控制电路的一种实施例示意图。
图6显示本发明的切换式电源供应器，以及其功率开关控制电路的一种实施例示意图。
图7显示发明的切换式电源供应器，以及其功率开关控制电路的一种实施例示意图。
图8显示对应本发明切换式电源供应器实施例的波形示意图。
图9显示本发明的切换式电源供应器中反馈补偿电路的一种实施例示意图。
图10显示本发明的切换式电源供应器实施例的波形示意图。
图11显示本发明的切换式电源供应器，以及其中反馈补偿电路与开关控制信号产生电路的一种具体实施例示意图。
图12显示本发明的重置电路的一实施例的示意图。
图13A-13C显示本发明的切换式电源供应器，以及其中的功率开关控制电路的实施例的示意图。
图14显示本发明的切换式电源供应器以及其中的功率开关控制电路的实施例的示意图。
图15显示对应本发明切换式电源供应器实施例的波形示意图。
具体实施方式
本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。
请参阅图2A，图中所示为本发明的切换式电源供应器的一种实施例(切换式电源供应器2A)，切换式电源供应器2A包含功率级电路10、辅助绕组WA、开机开关SSU以及功率开关控制电路30。功率级电路10包括电感W1与至少一功率开关N1；其中功率开关N1与电感W1耦接，用以根据开关控制信号GATE而操作，以控制电感W1的导通状态，而将输入电源转换为输出电源。其中输入电源包括输入电压VIN与输入电流(在本实施例中，输入电流相等于电感电流IP)；输出电源包括输出电压VOUT与输出电流。根据本发明，切换式电源供应器根据应用需要，而调节输出电压VOUT或输出电流于预设的位准。在本实施例中，电感W1例如用以接收输入电压VIN(在其他型态的功率级电路，如图3A-3K所示，则可由电感W1或功率开关N1接收输入电压VIN)。辅助绕组WA与电感W1形成变压器，以产生辅助电压VAUX，进而提供控制器供应电压VDD；其中控制器供应电压VDD相关于辅助电压VAUX。在一实施例中，控制器供应电压VDD可为辅助电压VAUX例如但不限于整流、滤波及/或调节后的结果。功率开关N1耦接于电感W1，功率开关N1与电感W1连接方式例如但不限于如图所示的串联。功率级电路10可为同步或异步的降压型、升压型、反压型、升降压型、升反压型、或返驰型功率级电路，如图3A-3K所示。
在一实施例中，功率开关控制电路30例如为一集成电路芯片，在一实施例中，功率开关控制电路30可包括如图2A所示的共享引脚COMP、电源引脚(耦接于控制器供应电压VDD的引脚)、辅助感测引脚DMAG与开关控制引脚(耦接于开关控制信号GATE的引脚)等引脚，其中各引脚的功能详述如后。功率开关控制电路30与功率级电路10耦接，以控制器供应电压VDD为电源，而产生开关控制信号GATE以控制功率开关N1，进而控制电感W1的导通状态。在一实施例中，于操作模式中，功率开关控制电路30中的开关控制信号产生电路33例如但不限于经由共享引脚COMP接收补偿信号VCOMP，并以例如PWM等调制方式而产生开关控制信号GATE以控制功率开关N1。在一实施例中，于操作模式中，切换式电源供应器2A例如以分压电阻RA与RB，取得辅助电压VAUX的分压，例如为辅助感测信号VDMAG，而经由功率开关控制电路30的辅助感测引脚DMAG，接收辅助感测信号VDMAG，以取得输出电压VOUT相关信息而进行反馈控制，在此情况下，辅助感测信号VDMAG可视为一反馈信号。其中，在本实施例中，反馈信号相关于输出电压VOUT。在另一种实施例中，功率开关控制电路30也可以根据一输出电流相关信号，作为该反馈信号，而对功率开关N1进行控制，其中输出电流相关信号相关于例如但不限于流经电感W1的电感电流或流经功率开关N1的电流等。
请继续参阅图2A，在一实施例中，开机开关SSU的电流流入端耦接于输入电压相关信号VHV，而开机开关SSU的电流流出端耦接于控制器供应电压VDD，其中输入电压相关信号VHV相关于输入电压VIN。在一实施例中，如图2A所示，输入电压相关信号VHV直接电连接于输入电压VIN。请同时参阅第2B与2C图，在一实施例中，如第2B与2C图所示，切换式电源供应器(切换式电源供应器2B与2C)还包含整流电路20，用以将交流输入信号VAC整流而产生输入电压VIN，其中输入电压相关信号VHV耦接于交流输入信号VAC的一正相端(如图2B)或一反相端(如第2C图)。在一实施例中，开机开关SSU可为例如但不限于JFET晶体管。在一实施例中，可于开机开关SSU的电流流出端与控制器供应电压VDD之间串接一逆止二极管(例如图13A-13C中的DR)，在一实施例中，可于开机开关SSU与输入电压相关信号VHV之间串接一逆止二极管。其中所述的逆止二极管可用以防止自控制器供应电压VDD流回输入电压相关信号VHV的逆向电流，而在一实施例中，逆止二极管也可用以降低开机开关SSU所需承受的电压(例如但不限于逆止二极管为逆偏压时)，因而可采用较低耐压的开机开关SSU而降低成本。
请继续参阅图2A，在一实施例中，功率开关控制电路30包括共享引脚COMP、开机控制电路31、反馈补偿电路32以及开关控制信号产生电路33。共享引脚COMP耦接于开机开关SSU的控制端GSU，用以于至少两种不同模式中，对应传递不同功能的信号。根据本发明，共享引脚COMP例如于开机模式中，传递开机信号至开机开关SSU的控制端GSU，以快速提高控制器供应电压VDD的电压而完成电源启动阶段；而于操作模式中，传递补偿信号VCOMP至功率开关控制电路30中的开关控制信号产生电路33，以产生开关控制信号GATE以控制功率开关N1，而控制电感W1的导通状态。
开机控制电路31通过共享引脚COMP耦接于开机开关SSU的控制端GSU，用以当控制器供应电压VDD低于一开机电压阈值VTH时(亦即控制器供应电压VDD尚未达到功率开关控制电路30的正常操作电压)，控制开机开关SSU为导通，直接从输入电压VIN对供应电容器CDD充电，以快速提高控制器供应电压VDD的位准而完成电源启动阶段，且当控制器供应电压VDD高于开机电压阈值VTH时(亦即控制器供应电压VDD已达到功率开关控制电路30的正常操作电压)，控制开机开关SSU为不导通，以结束电源启动阶段。
共享引脚COMP除了用于开机模式外，也可用于至少一种其他模式，例如操作模式。在本实施例中，反馈补偿电路32通过共享引脚COMP产生补偿信号VCOMP，使得其中一误差放大电路(未示出，于后详述)，其输出端耦接于共享引脚COMP，并于操作模式中，于共享引脚COMP产生补偿信号VCOMP，且于控制器供应电压VDD超过开机电压阈值VTH时，使得功率开关控制电路30根据补偿信号VCOMP，产生开关控制信号GATE。根据本发明，在其中一种实施例中，当控制器供应电压VDD高于开机电压阈值VTH时，开关控制信号产生电路33，根据补偿信号VCOMP，例如但不限于通过操作功率开关N1，而控制切换式电源供应器2A将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。以下将以数种实施例详述细节。
请参阅图4A，图中所示为本发明的切换式电源供应器的一种实施例(切换式电源供应器4A)，切换式电源供应器4A包含功率级电路10、辅助绕组WA、开机开关SSU以及功率开关控制电路30。功率级电路10例如但不限于包括如图所示的变压器(其具有电感W1与W2)以及至少一功率开关N1；其中功率开关N1与电感W1耦接，用以根据开关控制信号GATE而操作，以控制电感W1的导通状态，而将输入电源(包括输入电压VIN)转换为输出电源(包括输出电压VOUT)。其中电感W1用以接收输入电压VIN；二次侧绕组W2用以产生输出电压VOUT；而辅助绕组WA与电感W1形成变压器，以产生辅助电压VAUX而提供控制器供应电压VDD；其中控制器供应电压VDD相关于辅助电压VAUX。在一实施例中，控制器供应电压VDD可为辅助电压VAUX例如但不限于整流、滤波及/或调节后的结果。功率开关N1耦接于电感W1。
在一实施例中，功率开关控制电路30例如为一集成电路芯片，在一实施例中，功率开关控制电路30可包括如图4A所示的共享引脚COMP、电源引脚(耦接于控制器供应电压VDD的引脚)、辅助感测引脚DMAG与开关控制引脚(耦接于开关控制信号GATE的引脚)等引脚，其中各引脚的功能详述如后。功率开关控制电路30位于功率级电路10的一次侧，以控制器供应电压VDD为电源，用以产生开关控制信号GATE以控制功率开关N1，而控制电感W1的导通状态。在一实施例中，于操作模式中，功率开关控制电路30中的开关控制信号产生电路33例如但不限于以共享引脚COMP接收补偿信号VCOMP，并以例如PWM等调制方式而产生开关控制信号GATE以控制功率开关N1。在一实施例中，于操作模式中，切换式电源供应器4A可由功率级电路10的一次侧取得反馈信号而进行反馈控制，例如以分压电阻RA与RB，取得辅助电压VAUX的分压，例如为辅助感测信号VDMAG，而经由功率开关控制电路30的辅助感测引脚DMAG，接收辅助感测信号VDMAG，以取得输出电压信息而进行反馈控制，在此情况下，辅助感测信号VDMAG可对应为一种反馈信号。其中，在一实施例中，功率开关控制电路30还可感测一电流相关信号作为反馈信号，而对功率开关N1进行控制，其中电流相关信号可相关于例如但不限于流经电感W1的电感电流IP、流经功率开关N1的电流、流经二次侧绕组W2的二次测二极管电流IDO等。在一实施例中，如图4B所示，切换式电源供应器4B的功率开关控制电路30例如可通过反馈引脚FB，通过耦合元件40(包括接收单元41与发射单元42)自功率级电路10的二次侧取得输出电压信息，作为反馈信号VFB，而进行反馈控制。
请继续参阅图4A，在一实施例中，开机开关SSU的电流流入端耦接于输入电压相关信号VHV，而开机开关SSU的电流流出端耦接于控制器供应电压VDD，其中输入电压相关信号VHV相关于输入电压VIN。在一实施例中，如图4A与图4B所示，输入电压相关信号VHV直接电连接于输入电压VIN。在一实施例中，开机开关SSU可为例如但不限于JFET晶体管。
请继续参阅图4A，在一实施例中，功率开关控制电路30包括共享引脚COMP、开机控制电路31、反馈补偿电路32以及开关控制信号产生电路33。共享引脚COMP耦接于开机开关SSU的控制端GSU，用以于至少两种不同模式中，对应传递不同功能的信号。根据本发明，共享引脚COMP例如于开机模式中，传递开机信号至开机开关SSU的控制端GSU，以快速提高控制器供应电压VDD的电压而完成电源启动阶段；而于操作模式中，传递补偿信号VCOMP至功率开关控制电路30中的开关控制信号产生电路33，以产生开关控制信号GATE以控制功率开关N1，而控制电感W1的导通状态。
开机控制电路31通过共享引脚COMP耦接于开机开关SSU的控制端GSU，用以当控制器供应电压VDD低于一开机电压阈值VTH时(亦即控制器供应电压VDD尚未达到功率开关控制电路30的正常操作电压)，控制开机开关SSU为导通，直接从输入电压VIN对供应电容器CDD充电，以快速提高控制器供应电压VDD的位准而完成电源启动阶段，且当控制器供应电压VDD高于开机电压阈值VTH时(亦即控制器供应电压VDD已达到功率开关控制电路30的正常操作电压)，控制开机开关SSU为不导通，以结束电源启动阶段。
共享引脚COMP除了用于开机模式外，也可用于至少一种其他模式，例如操作模式。在本实施例中，反馈补偿电路32通过共享引脚COMP产生补偿信号VCOMP，使得其中一误差放大电路(未示出，于后详述)，其输出端耦接于共享引脚COMP，并于操作模式中，于共享引脚COMP产生补偿信号VCOMP，且于控制器供应电压VDD超过开机电压阈值VTH时，使得功率开关控制电路30根据补偿信号VCOMP，产生开关控制信号GATE。根据本发明，在其中一种实施例中，当控制器供应电压VDD高于开机电压阈值VTH时，开关控制信号产生电路33，根据补偿信号VCOMP，例如但不限于通过操作功率开关N1，而控制切换式电源供应器4A将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。以下将以数种实施例详述细节。
请参阅图5，图中所示为本发明的切换式电源供应器5，以及其中开机控制电路的一种实施例(开机控制电路31)示意图。开机控制电路31包括比较电路311以及开机控制开关SSC。比较电路311用以比较控制器供应电压VDD以及开机参考电压VREF1而产生比较输出信号CPO，其中开机参考电压VREF1的位准相关于开机电压阈值VTH，在一实施例中，开机参考电压VREF1的位准可等于开机电压阈值VTH或具有一预设的倍率关系。开机控制开关SSC的电流流入端与电流流出端耦接于控制器供应电压VDD与共享引脚COMP之间(亦即开机开关SSU的电流流出端与控制端之间)，开机控制开关SSC的控制端则电气耦接于比较输出信号CPO，当控制器供应电压VDD低于开机电压阈值VTH时，进入一开机模式，开机控制开关SSC受控制为导通，控制器供应电压VDD作为开机信号，经由共享引脚COMP传递至开机开关SSU的控制端GSU，以于控制器供应电压VDD低于开机电压阈值VTH时，导通开机开关SSU，而直接从输入电压相关信号VHV(例如为输入电压VIN)对供应电容器CDD充电，以快速提高控制器供应电压VDD的位准而完成电源启动阶段；且当控制器供应电压VDD高于开机电压阈值VTH时，开机控制开关SSC受控制为不导通，以控制开机开关SSU为不导通，而结束开机模式。本实施例中，开机开关SSU例如可为JFET晶体管或空乏型晶体管，其导通阈值电压一般而言为一负值电压，根据本发明，通过控制开机控制开关SSC为导通(亦即将开机开关SSU的电流流出端与控制端之间短路)，即可控制开机开关SSU为导通。
请参阅图6，图中所示为本发明的切换式电源供应器6，以及其中功率开关控制电路30的一种实施例示意图。如图所示，根据本发明，功率开关控制电路30还包含重置电路34，耦接于共享引脚COMP，用以于控制器供应电压VDD上升超过开机电压阈值VTH后，将共享引脚COMP的共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)，调整为重置电压。共享引脚COMP在开机模式中，耦接于输入电压相关信号VHV(例如为输入电压VIN)与控制器供应电压VDD之间，虽然快速提高控制器供应电压VDD的位准而完成电源启动阶段，但同时也对电连接于共享引脚COMP的补偿电容CCOMP充电，使共享引脚COMP的共享引脚电压上升；且当控制器供应电压VDD高于开机电压阈值VTH时，结束开机模式的电源启动阶段，耦接于输入电压相关信号VHV(例如为输入电压VIN)与控制器供应电压VDD之间的开机开关SSU不导通，但补偿电容CCOMP已经被充电，而使共享引脚COMP的共享引脚电压上升，为了使共享引脚COMP在开机模式之后的操作模式中，可以顺利操作，在操作模式开始之前，需要一段期间，也就是重置阶段，对补偿电容CCOMP放电。例如以重置电路34经由共享引脚COMP对补偿电容CCOMP放电，以将共享引脚COMP的共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)，调整为重置电压，其中重置电压例如可为接地电位或是其他电位。
请参阅图7，图中所示为本发明的切换式电源供应器7，以及其中功率开关控制电路30的一种实施例示意图。如图所示，根据本发明，功率开关控制电路30还包含缓启动电路35，与反馈补偿电路32耦接，以自开机阶段结束后，于操作模式开始的一段期间，也就是缓启动阶段，执行一段缓启动(soft-start)程序，以限制共享引脚COMP的共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)以及输出电压VOUT上升的速率。缓启动程序旨在防止于操作模式中，由于输出端所要调节的信号，例如输出电压VOUT，与目标值差距较大，在反馈控制初期，会因差距大产生冲击电流，而让输出电压VOUT发生较大的波动(fluctuation)，需要较长的时间，才能达到目标值，因此，调节补偿信号VCOMP上升的速率，可以避免上述波动。此外，需注意的是，当冲击电流产生时，功率开关控制电路30的过电流保护程序会运作，有时会发生电源不启动(闩锁关闭状态)的问题。因此，缓启动电路35一方面可以缩短达到输出信号达到调节目标值的时间，另一方面也可以避免触发过电流保护程序。缓启动电路35的实施方式很多，例如直接设定补偿信号VCOMP的位准等等，其为本领域技术人员在本发明的教示下可适当选用，在此不予赘述。
请参阅图8，图中显示对应本发明切换式电源供应器实施例的波形示意图。如图中所示，在电源启动阶段(例如时间点T0-T1)，控制器供应电压VDD低于开机电压阈值VTH(亦即如图中的VTHON)，开机控制开关SSC受控制为导通(比较输出信号CPO为高位准)，而导通开机开关SSU，此时COMP共享引脚的电压(即补偿信号VCOMP)随着控制器供应电压VDD一同上升，而当控制器供应电压VDD上升到达开机电压阈值VTH的时间点(亦即如图中的时间点T1)，开机控制开关SSC转为不导通(比较输出信号CPO为低位准)，而使开机开关SSU不导通，以结束电源启动阶段。
开机模式中的电源启动阶段结束后，根据本发明，例如进入重置阶段(例如时间点T1-T2)，以重置电路34对共享引脚COMP的补偿电容CCOMP放电，将共享引脚COMP的共享引脚电压，也就是补偿信号VCOMP，调整为重置电压VTH0，如图中补偿信号VCOMP在时间点T2所对应的位准。
重置阶段结束后，根据本发明，例如进入操作模式的缓启动阶段(例如时间点T2-T3)。在缓启动阶段中，缓启动电路35例如但不限于逐渐增加补偿信号VCOMP的位准，使得输出电压VOUT(或输出电流)逐渐上升，如图8中，补偿信号VCOMP与输出电压VOUT在时间点T2-T3的信号波形所示意。
缓启动阶段结束后，如图8中时间点T3-T4，在一种实施方式中，反馈补偿电路32通过共享引脚COMP产生补偿信号VCOMP，使得功率开关控制电路30中的开关控制信号产生电路33根据补偿信号VCOMP，产生开关控制信号GATE以操作功率开关N1，而控制切换式电源供应器，将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。
而此时由于控制器供应电压VDD已达功率开关控制电路30的操作电压，因此功率开关控制电路30可开始操作功率开关N1(即GATE开始具有例如但不限于PWM等开关信号)，因而输出电压VOUT开始上升，且辅助电压VAUX也同时上升，而得以持续供应控制器供应电压VDD。此外，在一实施例中，当控制器供应电压VDD由正常操作电压下降时，其开机电压阈值VTH可具有一迟滞电压，使得开机开关SSU重新转为导通的阈值为如同中所示的VTHOFF，以重新进行另一次的重新启动，重新进入电源启动阶段(如时间点T4-T5)，当然，接着例如是重置阶段，如时间点T5-T6所示意。
在一实施例中，功率开关控制电路30的反馈补偿电路32，用以于控制器供应电压VDD超过开机电压阈值VTH时，自辅助感测引脚DMAG，接收辅助感测信号VDMAG而获得一相关于输入电压VIN的信息。请参阅图9，图中所示为本发明的切换式电源供应器中，反馈补偿电路32的一种实施例，反馈补偿电路32包括电流产生电路361以及电流乘法电路362。电流产生电路361用以于功率开关N1导通时，控制辅助感测引脚DMAG的电压位准大致上为一预设的电压位准(例如但不限于为0)，且根据辅助感测信号VDMAG，而于辅助感测引脚DMAG上产生一辅助感测电流IDMG。在一实施例中，如图所示，电流产生电路361可包括一对共基极的晶体管电路(Q1与Q2)，其中晶体管Q1与Q2的发射极电压大致上相同，本实施例中，大致上皆为接地电位。电流乘法电路362用以根据辅助感测电流IDMG而产生输入电压相关电流IVIN，该输入电压相关电流IVIN相关于输入电压VIN，就一观点而言，辅助感测电流IDMG本身也相关于输入电压VIN。在一实施例中，电流乘法电路362可为例如但不限于电流镜。
请同时参阅图10，图中显示对应于本发明切换式电源供应器实施例的波形示意图。如图所示，于功率开关N1导通时(如图中的时间点T1-T2)，辅助电压VAUX的位准为VAUX＝VIN*NA/NP，其中NA/NP为辅助绕组WA对电感W1的绕组圈数比，而在图9的实施例中，电流产生电路361于功率开关N1导通时，控制辅助感测引脚DMAG的电压位准(亦即辅助感测信号VDMAG)大致上为0V，因而此时的辅助感测电流ICOMP的位准大致上为：
IDMG＝(VDAMG-VAUX)/RA＝(VIN*NA/NP)/RA，而本实施例中，电流乘法电路362将辅助感测电流ICOMP乘以K倍(通过例如但不限于K倍电流镜)而产生输入电压相关电流IVIN，亦即IVIN＝K*IDMG，因此本实施例中，输入电压相关电流IVIN正比于输入电压VIN。在一实施例中，本发明的切换式电源供应器可根据上述的输入电压VIN相关信息(例如输入电压相关电流IVIN)作为反馈信号而操作，进而产生开关控制信号GATE，以调节输出电压VOUT于预设电压位准。
在一实施例中，于功率开关N1不导通时，反馈补偿电路32可根据辅助感测信号VAUX而获得一相关于输出电压VOUT的信息。请继续参阅图10，于功率开关N1不导通时(如图中的时间点T2-T3)，辅助电压VAUX的位准为VAUX＝(VOUT+VDO)*NA/NS，其中NA/NS为辅助绕组WA对二次侧绕组W2的绕组圈数比，而VDO为二次侧二极管DO的顺向导通电压，而辅助感测信号VDMAG为辅助电压VAUX的分压，亦即VCOMP＝VAUX*RB/(RA+RB)，因此本发明的切换式电源供应器的反馈补偿电路32可根据辅助感测信号VDMAG而获得相关于输出电压VOUT的信息作为反馈信号。在一实施例中，本发明的切换式电源供应器可根据上述相关于输出电压VOUT的信息(例如辅助感测信号VDMAG)而操作。
在一实施例中，本发明的切换式电源供应器可根据上述相关于输出电压VOUT的信息(亦即辅助感测信号VDMAG)而以反馈方式调节输出电压VOUT。请参阅图11，图中所示为本发明的切换式电源供应器中，功率开关控制电路的另一种具体实施例(功率开关控制电路30)。在本实施例中，反馈补偿电路32包括取样保持电路321以及误差放大电路322；开关控制信号产生电路包括调制电路331。取样保持电路321用以于功率开关N1不导通时，取样保持辅助感测信号VDMAG而产生一取样保持信号VSH。误差放大电路322用以根据取样保持信号VSH以及参考电压VREF2而产生补偿信号COMP。调制电路331用以调制(例如但不限于以PWM的调制方式)补偿信号COMP而产生开关控制信号GATE，以反馈方式调节输出电压VOUT。
请参阅图12，图中所示为本发明的切换式电源供应器中，重置电路的一种实施例(重置电路34)。本实施例中，重置电路34包括逻辑电路341、重置开关N2以及判断电路342。逻辑电路341用以于控制器供应电压上升VDD超过开机电压阈值VTH后，于重置阶段中，根据设置信号SET，而产生重置控制信号DIS。重置开关N2分别与共享引脚COMP及逻辑电路341耦接，用以根据重置控制信号DIS，将共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)，调整为重置电压(如图6所示的重置电压VTH0)。判断电路342与逻辑电路341耦接，用以根据共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)与重置电压阈值VTH1，产生设置信号SET。其中，于控制器供应电压VDD上升超过开机电压阈值VTH后，且共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)高于重置电压阈值VTH1，设置信号SET使重置控制信号DIS导通重置开关N2，以将共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)，调整为重置电压VTH0。其中，于共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)下降至重置电压阈值VTH1后，设置信号SET使重置控制信号DIS不导通重置开关N2，以停止将共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)，调整为重置电压VTH0。其中，重置电压VTH0例如但不限于等于重置电压阈值VTH1。
其中，在本实施例中，切换式电源供应器例如根据比较输出信号CPO的下降缘(falling edge)而产生一使能信号EN，以示意控制器供应电压上升VDD超过开机电压阈值VT，以使能逻辑电路341开始根据设置信号SET决定是否导通重置开关N2。逻辑电路341例如但不限于包含一SR正反器。判断电路342例如包括比较器，用以比较共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)与重置电压阈值VTH1，产生设置信号SET，以于共享引脚电压(即补偿信号VCOMP)下降至重置电压阈值VTH1后，使重置控制信号DIS不导通重置开关N2。逻辑电路341、重置开关N2以及判断电路342有各种不同的实施方式，只要能实现前述的功能即可，其为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。
在一实施例中，功率开关控制电路的反馈补偿电路32，用以于控制器供应电压VDD超过开机电压阈值VTH时，自电流感测引脚CS，接收电流感测信号VCS而获得一相关于输出电流VOUT的信息。请参阅图14，图中所示为本发明的切换式电源供应器中，功率开关控制电路30的一种实施例(功率开关控制电路30)，功率开关控制电路30包括共享引脚COMP、辅助感测引脚DNAG、电流感测引脚CS、开机控制电路31、反馈补偿电路32以及开关控制信号产生电路33。反馈补偿电路32通过电流感测引脚CS耦接于功率开关N1，以根据流经功率开关N1的开关电流，取得电流感测信号VCS，作为反馈信号。
请同时参阅图15，图中显示对应于本发明切换式电源供应器实施例的波形示意图。如图所示，于功率开关N1不导通，且辅助感测信号VDMAG的膝时点(Knee time point)前(如图中的时间点T2-T3)，辅助电压VAUX的位准为VAUX＝(VOUT+VDO)*NA/NS，其中NA/NS为辅助绕组WA对电感W2的绕组圈数比。而在图14的实施例中，输出电流IOUT的位准大致上为：
IOUT＝1/2*(Toff/Ts)*IDO_pk＝1/2*(Toff/Ts)*(NP/NS)*(VCS_pk/RC)。在一实施例中，本发明的切换式电源供应器可根据上述的输出电流IOUT相关信息(例如电流感测信号VCS)而操作。其中，期间Toff为时间点T2-T3，期间Ts为时间点T1-T4，二次侧二极管电流峰值IDO_pk为二次侧二极管电流IDO的极大值，NP/NS为电感W1对电感W2的绕组圈数比，电流感测信号VCS例如相关于流经功率开关N1的开关电流流经电阻RC时所产生的电压降，而电流感测信号峰值VCS_pk为电流感测信号VCS的极大值。在本实施例中，切换式电源供应器例如根据相关于输出电流IOUT的电流感测信号VCS作为反馈信号，而产生开关控制信号GATE，以调节输出电流IOUT于预设电流位准。
如前所述，本发明的切换式电源供应器，可通过共享引脚COMP，在电源启动阶段，控制开机开关SSU，以快速提升控制器供应电压VDD，且于完成电源启动后，以共享引脚COMP进行其他如前述的多种功能，因而可降低成本以及电路的尺寸。在完成电源启动后，共享引脚COMP的电压，亦即补偿信号VCOMP，必须确保不可使开机开关SSU导通。在一实施例中，本发明的切换式电源供应器中，根据开机开关SSU的一导通阈值而决定补偿信号VCOMP的电压范围，举例而言，如图2A的实施例中，反馈补偿电路32的取样保持电路321与误差放大电路322可根据开机开关SSU的一导通阈值而设计，进而确保补偿信号VCOMP的电压范围不致使开机开关SSU导通。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用；举其中一例，“根据辅助感测信号VDMAG，产生补偿信号VCOMP”和“通过共享引脚COMP的补偿电容CCOMP放电”可以并用，如前所述，使本发明的切换式电源供应器除可通过共享引脚COMP操作开机模式的功能外，也可同时具有此二功能。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。

Claims (26)

1.一种切换式电源供应器，包含：
一功率级电路，包括一电感与至少一功率开关；其中该功率开关与该电感耦接，用以根据一开关控制信号而操作，以控制该电感的导通状态，而将一输入电源转换为一输出电源；
一辅助绕组，与该电感形成一变压器，以产生一控制器供应电压；
一开机开关，耦接于一输入电压相关信号与该控制器供应电压之间，其中该输入电压相关信号相关于该输入电源的一输入电压；以及
一功率开关控制电路，与该功率级电路耦接，以该控制器供应电压为电源，用以产生该开关控制信号，并控制该开机开关，该功率开关控制电路包括：
一共享引脚，耦接于该开机开关的控制端，用以于至少两种不同模式中，对应传递不同功能的信号；
一开机控制电路，通过该共享引脚耦接于该开机开关的控制端，用以于一开机模式中，产生一开机信号，并经由该共享引脚传递至该开机开关的控制端，使得当该控制器供应电压未超过一开机电压阈值时，控制该开机开关为导通，且当该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，控制该开机开关为不导通；以及
一反馈补偿电路，具有一误差放大电路，其输出端耦接于该共享引脚，用以于一操作模式中，于该共享引脚产生一补偿信号，使得该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该功率开关控制电路根据该补偿信号，产生该开关控制信号。
2.如权利要求1所述的切换式电源供应器，还包含一逆止二极管，与该开机开关串接，用以防止一逆向电流及/或降低该开机开关所需承受的电压。
3.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该反馈补偿电路通过一反馈信号以产生该补偿信号，其中该反馈信号相关于该输出电源。
4.如权利要求3所述的切换式电源供应器，其中该功率开关控制电路还包括一辅助感测引脚，其中该反馈补偿电路通过该辅助感测引脚耦接于该辅助绕组，以自该辅助绕组接收该反馈信号。
5.如权利要求4所述的切换式电源供应器，其中该反馈补偿电路还包括一取样保持电路，用以于该功率开关不导通时，取样保持该反馈信号而产生一取样保持信号；该误差放大电路用以根据该取样保持信号以及一参考信号而产生该补偿信号。
6.如权利要求3所述的切换式电源供应器，其中该功率开关控制电路还包括一电流感测引脚，其中该反馈补偿电路通过该电流感测引脚耦接于该功率开关，以根据流经该功率开关的一开关电流，取得该反馈信号。
7.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该输入电压相关信号直接耦接于该输入电压。
8.如权利要求1所述的切换式电源供应器，还包含一整流电路，用以将一交流输入信号整流而产生该输入电压，其中该输入电压相关信号耦接于该交流输入信号的一正相端或一反相端。
9.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该开机控制电路包括：
一比较电路，用以比较该控制器供应电压以及一开机参考电压而产生该开机信号，其中该开机参考电压的位准相关于该开机电压阈值；以及
一开机控制开关，其电流流入端与电流流出端耦接于该控制器供应电压与该共享引脚之间，其控制端电气耦接于该开机信号，当该控制器供应电压未超过该开机电压阈值时，该开机控制开关受控制为导通，以导通该开机开关，且当该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该开机控制开关受控制为不导通，以控制该开机开关为不导通。
10.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该功率开关控制电路还包括一重置电路，耦接于该共享引脚，用以于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，于一重置阶段中，将该共享引脚的一共享引脚电压，调整为一重置电压。
11.如权利要求10所述的切换式电源供应器，其中该重置电路包括：
一逻辑电路，用以于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，根据一设置信号，而产生一重置控制信号；
一重置开关，分别与该共享引脚及该逻辑电路耦接，用以根据该重置控制信号，将该共享引脚电压，调整为该重置电压；以及
一判断电路，与该逻辑电路耦接，用以根据该共享引脚电压与一重置电压阈值，产生该设置信号；
其中，于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，且该共享引脚电压高于该重置电压阈值，该设置信号使该重置控制信号导通该重置开关，以将该共享引脚电压，调整为该重置电压；
其中，于该共享引脚电压下降至该重置电压阈值后，该设置信号使该重置控制信号不导通该重置开关，以停止将该共享引脚电压，调整为该重置电压。
12.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该功率开关控制电路还包括一缓启动电路，与该反馈补偿电路耦接，以自该开机阶段结束后，于该操作模式中，执行一段缓启动程序，以限制该共享引脚的一共享引脚电压上升的速率，进而控制该输出电源的一输出电压上升的速率。
13.如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该功率开关控制电路还包括一开关控制信号产生电路，与该反馈补偿电路耦接，用以根据该补偿信号，而产生具有脉宽调制的该开关控制信号以控制该功率开关，进而控制该电感的导通状态。
14.一种功率开关控制电路，用以控制一切换式电源供应器，该切换式电源供应器包括：一功率级电路，包括：一电感与至少一功率开关；其中该功率开关与该电感耦接，用以根据一开关控制信号而操作，以控制该电感的导通状态，而将一输入电源转换为一输出电源；一辅助绕组，与该电感形成一变压器，以产生一控制器供应电压；一开机开关，耦接于一输入电压相关信号与该控制器供应电压之间，其中该输入电压相关信号相关于该输入电源的一输入电压；以及该功率开关控制电路，与该功率级电路耦接，以该控制器供应电压为电源，用以产生该开关控制信号，并控制该开机开关，该功率开关控制电路包含：
一共享引脚，耦接于该开机开关的控制端，用以于至少两种不同模式中，对应传递不同功能的信号；
一开机控制电路，通过该共享引脚耦接于该开机开关的控制端，用以于一开机模式中，产生一开机信号，并经由该共享引脚传递至该开机开关的控制端，使得当该控制器供应电压未超过一开机电压阈值时，控制该开机开关为导通，且当该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，控制该开机开关为不导通；以及
一反馈补偿电路，具有一误差放大电路，其输出端耦接于该共享引脚，用以于一操作模式中，于该共享引脚产生一补偿信号，使得该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该功率开关控制电路根据该补偿信号，产生该开关控制信号。
15.如权利要求14所述的功率开关控制电路，其中该切换式电源供应器，还包含一逆止二极管，与该开机开关串接，用以防止一逆向电流及/或降低该开机开关所需承受的电压。
16.如权利要求14所述的功率开关控制电路，其中该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该反馈补偿电路通过一反馈信号以产生该补偿信号，其中该反馈信号相关于该输出电源。
17.如权利要求16所述的功率开关控制电路，还包括一辅助感测引脚，其中该反馈补偿电路通过该辅助感测引脚耦接于该辅助绕组，以自该辅助绕组接收该反馈信号。
18.如权利要求17所述的功率开关控制电路，其中该反馈补偿电路还包括一取样保持电路，用以于该功率开关不导通时，取样保持该反馈信号而产生一取样保持信号；该误差放大电路用以根据该取样保持信号以及一参考信号而产生该补偿信号。
19.如权利要求16所述的功率开关控制电路，还包括一电流感测引脚，其中该反馈补偿电路通过该电流感测引脚耦接于该功率开关，以根据流经该功率开关的一开关电流，取得该反馈信号。
20.如权利要求14所述的功率开关控制电路，其中该输入电压相关信号直接耦接于该输入电压。
21.如权利要求14所述的功率开关控制电路，其中该切换式电源供应器还包含一整流电路，用以将一交流输入信号整流而产生该输入电压，其中该输入电压相关信号耦接于该交流输入信号的一正相端或一反相端。
22.如权利要求14所述的功率开关控制电路，其中该开机控制电路包括：
一比较电路，用以比较该控制器供应电压以及一开机参考电压而产生该开机信号，其中该开机参考电压的位准相关于该开机电压阈值；以及
一开机控制开关，其电流流入端与电流流出端耦接于该控制器供应电压与该共享引脚之间，其控制端电气耦接于该开机信号，当该控制器供应电压未超过该开机电压阈值时，该开机控制开关受控制为导通，以导通该开机开关，且当该控制器供应电压超过该开机电压阈值时，该开机控制开关受控制为不导通，以控制该开机开关为不导通。
23.如权利要求14所述的功率开关控制电路，还包括一重置电路，耦接于该共享引脚，用以于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，于一重置阶段中，将该共享引脚的一共享引脚电压，调整为一重置电压。
24.如权利要求23所述的功率开关控制电路，其中该重置电路包括：
一逻辑电路，用以于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，根据一设置信号，而产生一重置控制信号；
一重置开关，分别与该共享引脚及该逻辑电路耦接，用以根据该重置控制信号，将该共享引脚电压，调整为该重置电压；以及
一判断电路，与该逻辑电路耦接，用以根据该共享引脚电压与一重置电压阈值，产生该设置信号；
其中，于该控制器供应电压上升超过该开机电压阈值后，且该共享引脚电压高于该重置电压阈值，该设置信号使该重置控制信号导通该重置开关，以将该共享引脚电压，调整为该重置电压；
其中，于该共享引脚电压下降至该重置电压阈值后，该设置信号使该重置控制信号不导通该重置开关，以停止将该共享引脚电压，调整为该重置电压。
25.如权利要求14所述的功率开关控制电路，还包括一缓启动电路，与该反馈补偿电路耦接，自该开机阶段结束后，于该操作模式中时，执行一段缓启动程序，以限制该共享引脚的一共享引脚电压上升的速率，进而控制该输出电源的一输出电压上升的速率。
26.如权利要求14所述的功率开关控制电路，还包括一开关控制信号产生电路，与该反馈补偿电路耦接，用以根据该补偿信号，而产生具有脉宽调制的该开关控制信号以控制该功率开关，进而控制该电感的导通状态。
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