TWI338207B - Power supply controller and method therefor - Google Patents

Description

1338207 電阻器17及濾波電容器18過濾來自輸入30之輸入電壓並將 一電壓提供給控制器11之一電壓輸入12。阻擋二極體16防 止電流從電容器1 8流向負載60。 控制器11 一般包括一電壓調整器19、一參考電壓產生器 或參考22、一跨導放大器33、一平均電流偏離放大器32、 一瞬時電流誤差放大器3 1、一上限比較器36、一輸出電晶 體37及一緩衝放大器或緩衝器34。控制器11接收施加於電 麼輸入12與一返回13之間的電壓，並作為回應而控制流經 負載60之一負載電流35之平均值。控制器J i線性控制電晶 體37以提供電流35之一瞬時值，當於該輸入3〇上的輸入電 壓週期平均該瞬時值時，產生負載6〇的電流35之一所需平 均值。 凋整器1 9及電容器1 8之功能係提供一操作電壓用以操作 控制器η之各種元件’包括緩衝器34、比較器36及放大器 31 32及33。凋整器19可為提供一經調整電壓的各種電壓 調整器中的任m。在該項較佳具體實施例中，調整 器19係一齊納二極體21。在此項較佳具體實施例中，電阻 器17及二極體21之值係選擇成為調整器19提供—適當的輸 入電壓’而電容器18之值係選擇成提供對該操作電壓之適 控· U之參考22可能係為控制Μ提供各種參 :的各種參考電壓產生器中的任一參考電壓產生器。 在该項較佳具體實施例中，參 , 芩2係形成為串聯連接於輸 入12與返回13之間的電阻器23、 實施例中，在電阻器26旬 ^ S°在此項較佳具體 〃之間的串聯連接處形成一平均 96113.doc 1338207 電流參考節點27 ’而在電阻器23與26之間的串聯連接處形 成一箝位參考節點24。 【實施方式】 圖2係以曲線圖66來表示輸入3〇上的輸入電壓而以曲線 圖67來表示負載電流35的瞬時值之—曲線圖。橫座標表示 時間’曲線圖66之縱座標表示„，而曲線圖以縱座標 表不電流。此說明將參考圖i及圖2。下文將可看出，接收 於輸入30上的輸入電壓係分成一作用區以與一非作 作用區64係在一下限（以電壓68來說明）與一上限（以電壓的 來說明）之間的一輸入電壓值帶。 在控制器11與系統1〇之操作期間，可橫跨控制心之輸 入30與-電流輸出20之間的負載6〇而逐漸形成—負載電壓 63。負載電壓63之存在及其值取決於負載6()之性質。當輪 入30上的輸入電壓之值小於該負載電壓時，整流器心的』 二極體被反向偏壓而阻擋電流流經負載6〇,因此，負載電 流35為零而系統1G抑制負載電流35流動。控制器η進行操 作但電流35為零。當該輸入電壓大於負載電壓叫，負載 電流35流經負載6G而控制器i】驅動電晶體墙制電流^之 平均值。負載60之性質影響負载電壓63之值，從而影響作 用區64的下限68之值。但是，無論該下限或該上限之值為 多少，該操作皆相同。例如，若該負載係一純粹的電阻器’， 則在電晶體37不導電時負載電壓63為零，而且一旦該輸入 電壓大於零，負載電流35便開始流動，從而作用㈣^ 限約為零。若該負載具有一電容器（例如’電容器6 i )，則該 96113.doc 1J38207 電容器變為充電至一雷厭 g ^ 土，以電壓在該負載操作時橫跨該 負栽而下降。例如，對 α A 耵於包括與電容器61並聯的四個發光 —極體（LED)62之負栽60,電窳考 電各裔61充電至操作led 62所需 之一值。假定LED 62且右幼丄处a 〃、有Ί、伙特之一總電壓降，則在該 輸入電壓大於六伏特時，電 T电，瓜35開始流動。因此，作用區 64之下限變為六伏特。 „ 女下文將可看出，電流35之流動時 日、僅為該輸入電壓的一循環之一部分。因此，控制器U形 成電流35之瞬時值，從而使得於該輸入電壓週期平均該瞬 時電流產生電流35之所需平均值。 當該輸入電壓Α於負載電㈣時（® 2巾以電㈣來說 :)’負載電流35流經負載6〇及電晶體37至返回13，而控制 器η線性控制電晶體37以提供電流35之一瞬時值，該瞬時 值產生電流35之所需平均值。控制器】丨包括產生一感測電 流40之一感測電路，電流4〇具有與流經電晶體”的負載電 他35之嘛時值成比例之—值。在該項較佳具體實施例中， 電晶體37係具有-感測輸出之一電晶體，該感測輸出形成 該感測電路並提供與電流35成比例之一電流。該電晶體之 感測輸出提供感測電流40。此類電晶體已為熟習此項技術 者所熟知且其銷售商標為SENSEFET。在其他具體實施例 _，可藉由熟習此項技術者所熟知的各種方法，例如使用 電流3 5所流經之一電流鏡或一電阻器，來形成電流4〇。電 流40流經一感測電阻器38並形成橫跨電阻器38之—感測電 壓’該感測電壓表示負載電流35之瞬時值。跨導放大器33 接收並放大s亥感測電壓。一電阻器4 4控制放大器3 3之增 96113.doc 10 1338207 盈。在某些具體實施例中，電阻器44可能係從外部連接至 半導體晶粒，在該半導體晶粒上形成控制器丨丨，從而可 合易地δ周整放大器33之增益。在另一項具體實施例中，放 大器33可為具有回授電阻器之一運算放大器而非一跨導放 大器。-平均渡波器連同放大器33藉由過渡放大器”之輸 出而形成產生一平均信號或平均電壓之一平均電路，該平 均信號或平均電壓表示負載電流35之平均值。一電阻器44 ^ 一電容器43形成該平均渡波器。可藉由改變該平均滤波 =之增益來調整電流35之平均值。藉由改變電阻器料之值 來改變該增益。改變電容器43之值便改變該平均渡波器之 頻寬。電阻器44與電容器43中任一個或二者可能在一半導 體晶粒外部，在該半導體晶粒上形成控制器η以輔助改變 電阻器44及電容器43之值。放大器叫妾收該平均電壓，將 該平均電壓與來自節點27之平均電流參考電壓相比，並形 成一偏離電壓，該偏離電壓表示電流35之平均值自一所需 平均電流值的偏離。如先前所示，可藉由選擇電容器极 電阻器38及44之值來選定該所需平均值。來自節點27之平' 均電流參考電愿係一不變值。熟習此項技術者認識到亦可 改變來自節點27的平均電流參考電壓之值以選擇所需平均 電流之值。藉由放大器32而形成之偏離電屢係用作—參考 電磨’該參考電屡表示形成電流35之所需平均值所需要的 電流35之最高瞬時值。選擇橫跨放大器加連接之—電容 器47以及一電阻器46以將一低頻寬提供給放大器32，從： 使得放大器32之偏離電麼很緩慢地改變。一般在約—愈上 96ii3.doc 1338207 每田如所s兒明而藉由曲線圖67之不同峰值來致動電晶 體37時’電流35之瞬時值可能改變。例如，該輸入電壓之 值可月匕改變而使得控制器u改變電流35之瞬時值，從而提 供電流3 5之所需平均值。 亦形成控制器11以在輸入3〇與返回13之間的輸入電壓值 大於作用區64之上限時停用電晶體37。該上限-般係選擇 成負載60能藉以有效操作之一負載電壓^之上限。該下限 與該上限之間的差係該作用區差動…般地，該作用區差 在至十五伏特（2至1 5 V)之間，而較佳的係五伏特 (5 V)。因Λ ’該上限—般大於該下限而在二至十五伏特（2 至I5V)之間，且較佳的係五伏特（5,當該輸人電璧之值 小於或等於作用區64之下限時，輸㈣處的電壓值約為 零。隨著該輸入電壓之值增加超過該下限，輸出2〇處之電 壓亦開始以與該輸入電遷相同的速率增加。可看出，在輸 :20處橫跨電晶體37而下降之電壓亦開始於零，然後便跟 從該輸入電壓。因此，橫跨電晶體37而Τ降之電壓表示該 作用區差動電壓。當該輸入電壓之值增加至該上限時，例 如，如圖2中時間Τ2處電壓69所說明，輸出2〇處的電壓值已 增加至該作用區差動電壓’該差動電壓使得比較器％之輸 出變低並停用電晶體37。一電阻器54及一電阻器W係選擇 成為比較器36提供-參考電壓以建立該作用區差動電壓。 因此，比較器36連同所施加的參考電壓執行—停用電路之 功能。因此’比較器36所接收的參考電壓之值亦表 區64之上限。亦能看出，作用區64^ ^ ^ ^ ^ ^ 工限係荨於該負載電 96ll3.doc 13 1338207 制器1丨提供—相等的操作電壓值。負載60包括在輸入30與 輸出20之間串聯連接的四個LED 62。每一 LED皆具有約一 個半伏特（1_5V)之一電壓降。負載60亦包括能量儲存電容器 61。因此’作用區64之下限由橫跨LED 62而下降之電壓來 决疋並儲存於電容器6[上，或者約為六伏特。.電阻器54及 55係選擇成提供約五伏特（5〇v)之一作用區差動電壓以及 大於負載電壓63約五伏特之一相對應的作用區上限電壓。 因此，當輸入30處之輸入電壓達到約六伏特（6V)時致動電 晶體37 ,而當該輸入電壓達到約十一伏特（1 i v)時，比較器 36用電晶體37。在作用區64内，電流35提供一電流以操 作LED 62並對電谷器61充電。在作用區64以外，停用電晶 而LED 62係電容器61之一負載並使電容器61放電。 電容器61之值係選擇成使負載電壓63在此週期部分期間不 降低過夕。電阻器23、26及28係選擇成在節點27處提供約 〇‘2伏特之一平均電流參考電壓，而在節點以處提供約4 之一箱位參考電壓。對於此範例，負載電流35之平均值約 為7 9毫安培。 將該輸入電壓改變為十五伏特之一峰值使得 電流35減小至78毫安培而將該輸人f壓改變為十二伏特之 β因此’控制器11對百

端子係連接至輸入]2，而一第 一峰值使得電流3 5減小為7 6毫安培 分之二十（20%)之一線電壓變化楛私 %113.doc •15· 1338207 二端子係連接至返回13。在該項較佳具體實施例中，電阻 器23之一第一立而子係連接至輸入12 ’而一第二端子係連接 至節點24並連接至電阻器26之一第一端子。同樣，在該項 較佳具體實施例中，電阻器26之一第二端子係連接至節點 27並連接至電阻器28之一第一端子，同時，電阻器μ之一 第二端子係連接至返回13。比較器36有一非反向輸入連接 至電阻器54之一第一端子及電阻器55之一第一端子。電阻 器54之一第二端子係連接至輸入12而電阻器55之一第二端 子係連接至返回13。比較器3 6之一反向輸入係連接至電阻 益'56之一第一 子及一極體39之一陰極。二極體39之·一陽 極係連接至返回13。電阻器56之一第二端子係連接至輸出 20。比較器36之一輸出係連接至電晶體37之閘極並連接至 二極體51之一陽極。二極體51之陰極係連接至放大器μ之 輸出並連接至電容器49之一第一端子。電容器49之一第二 端子係連接至放大器31之一反向輸入並連接至電阻器48之 一第一端子。電阻器48之一第二端子係連接至緩衝器34之 一輸出並連接至電阻器52之一第一端子。放大器31之一非 反向輸入係連接至放大器32之輸出並連接至電容器47之一 第一端子。電容器47之一第二端子係連接至放大器32之一 反向輸入並連接至電阻器46之一第一端子。放大器32之一 非反向輸入係連接至節點27。電阻器46之一第二端子係連 接至放大器33之輸出並連接至電阻器44與電容器43之一第 一端子。電阻器44與電容器43之一第二端子係連接至返回 13。放大器33之一反向輸入係連接至返回13。緩衝器34有 96113.doc -16- 考電屋之間的誤差。其以此方式調整該峰值電流以產生— 平均電流，該平均電流在橫跨負載60之阻抗而下降時產生 負載電壓63之所需電壓。 圖4示意性說明形成於一半導體晶粒81上的一半導體裝 置80之一項具體實施例之一部分之一放大平面圖。控制器 "係形成於晶粒81上。晶粒81亦可包括圖4中為簡化該圖而 未顯示的其他電路。 綜觀上述，已明顯揭示一種新穎的裝置及方法。將控制 器11形成為一線性調整器使得控制器u及系統丨〇之複雜性 減小，從而降低相關成本。將該作用區形成為一電壓帶而 使得該輸出電壓保持接近該輸入電壓並提供控制器n及系 統10之有效線性操作。於大於該作用區之電壓停用該輸出 電晶體使得橫跨該輸出電晶體之電壓降減小並進一步提高 效率。 【圖式簡單說明】 圖1示意性說明依據本發明一電源供應系統之一部分之 一項具體實施例； 圖2係以曲線圖說明依據本發明在圖丨之電源供應系統内 某些彳§號的關係之一曲線圖； 圖3不意性說明依據本發明一電源供應系統之另一項具 體實施例之一部分；以及 圖4說明依據本發明在其上面形成圖丨中的電源供應系統 之一半導體晶粒之一放大平面圖。 為說明之簡潔與清晰，圖式中的元件不一定係按比例繪 96113.doc •18- 1338207 製，而且不同圖式中的相同參考數字表示相同元件。此外， 為簡化說明而省略對熟知步驟及元件之說明及其細節。 【主要元件符號說明】 10 電源供應系統 11 電源控制器 12 電壓輸入 13 返回 14 整流器 16 阻擋二極體 17 濾波電阻器 18 濾波電容器 19 電壓調整器 20 電流輸出 21 齊納二極體 22 參考電壓產生器或參考 23 電阻器 24 節點 26 電阻器 27 平均電流參考節點/箝位參考節點 28 電阻器 29 電晶體 30 輸入電壓/輸入節點或輸入 31 誤差放大器 32 平均電流偏離放大器 96113.doc •19- 1338207 33 跨導放大器/平均電 34 緩衝放大器或緩衝 35 負載電流 36 比較器/停用電路 37 輸出電晶體 38 感測電阻器 39 二極體 40 感測電流 43 電容器/平均電路 44 電阻器/平均電路 45 洩漏電阻 46 電阻器 47 電容器 48 電晶體 49 電容器 51 阻擋二極體 52 電阻器 53 電阻器 54 電阻器 55 電阻器 56 電阻器 60 負載 61 電容器 62 發光二極體（LED) 96113.doc -20- 1338207 63 負載電壓 64 作用區 66 曲線圖 67 曲線圖 68 第一電壓/作用區64的下限 69 第二電壓 70 電源供應系統 71 電源供應控制器 72 差動放大器 80 半導體裝置 81 半導體晶粒 96113.doc -21 -

Claims (1)

1. 第093130260號專利申請案 . 中文申請專利範圍替換本(99年u月） 十、申請專利範圍： 跑n 1 · 一種電源供應控制方法，其包含： 耦合-電源供應系統之—輸入以接收具有一整流之正 弦波波形之-輸入電壓，該整流之正弦波對於該波 形之每一循環具有一非零週期； 麵& 負栽以接收該輸入電塵； 士當該輸入電壓介於一第_電壓值與一第二電壓值之間 X在該輸入電壓之一循環的一部分期間組態一電源供 「工制益以產生經由該負載之一負載電流，其中該第一 電壓值與該第二電壓值小於該輸人電壓之—最大值；以 及 '組，該電源供應控制器以決定該負載電流之—平均值 ::疋介於該負載電流之該平均值與一所需平均值之間 t差、以及使用該差與該負載電流之—瞬時電流以在 辰的該部分期間控制該負載電流之該瞬時電流，而 =整該負載電流之該平均值為該負載電流之該所需平均 如》月求項1之方法，進一步包括當該輸入電壓小於該第一 3電：時，形成該電源供應系統以停用該負載電流。 I IS項1之方法，其中耦合該電源供應系統之該輸入以 錢入電壓包括耦合該電源供應系統之該輸入以接 收一整流之直流電壓。 4.如請求項1 彳法’其中當該輸入電壓介於該第一電壓值 —-電壓值之間時’在該輸人電壓之該循環的該部 96n3-991H8.doc 5. 5. 分期間組態該電源供應控制器以產生經由該負載之該負 載電流包括形成該電源供應控制器而以一線性模式驅動 6. 該電源供應控制器之一輸出電晶體來產生該瞬時電流。 如請求項4之方法’進一步包括當橫跨該輸出電晶體之— 電壓降係一第三電壓’而該第三電壓係該第二電壓之表 示時，形成該電源供應控制器以停用該負載電流。" 如凊求項4之方法，其中形成該電源供應控制器而以該線 性模式驅動該電源供應控制器之該輪出電晶體來產生該 瞬時電流包括形成該電源供應控制器以產生_平均信< 號該平均k號係在該循環期間該負載電流之該平均值 如凊求項6之方法，其中形成該電源供應控制器而以該線 ::::動該電源供應控制器之該輸出電晶體來產生該 广電^包括形成該電源供應控制器以產生表示介於該 :句“虎與一參考信號之間的一差之—偏離信號，以及 生表示介於該偏離信號與該瞬時電流之 誤差信號。 差之一 如請求項1之方法，其中當該輸 與該第二電壓值之間時，在該輸入電塵之該循環的兮 =射:組態該電源供應控制器以產生經由該負載之： 二電錢九於该第-電壓值且小於該 一 ^值時，形成該電源供應控制器 該負载電流。 玍母循％- 9. 一種電源供應控制器，其包含： 96113-9911]8.d( 丄祝2ϋ7 -平均電路，其餘合以接收表示經由該電源控_ 的一負載之1載電流之—輸人信號，並形成表示該負 載電流的—平均值之—平均信號，該平均電路具有一互 導放大态’其係耦合以捿收該輸入信號，及一濾波器， 其係耗合至該互導放大器之一輸出； 第放大裔，其係耦合以接收該平均信號及—第一 參考電壓’並喊地形成表示介於該平均信號與該第一 參考電壓之間的一差之一偏離信號； -第二放大器，其係耦合以接收該偏離信號及該輸入 ㈣，並回應地驅動-輸出電晶體以產生經由該電源控 制态之-電流輸出上的負載之負载電流；以及 .V用電路’其係麵合以當橫跨該輸出電晶體之一電 壓大於一第一值時，回應地停用該輸出電晶體。 Α如請求項9之電源供應控制器’其中該平均電路係耗合以 接收^示經由該電源控制器的該負載之該負載電流之該 輸入t號’並形成表示該負載電流的該平均值之該平均 信號，該平均電路包括—感測電路，該感測電路係耗合 =接收該負載電流、產生表示該負载電流之一感測電 流、自該感測電流產生一感測電壓以及使用該感測電壓 作為該輸入信號。 求項9之電源供應控制器’其中該停用電路係麵合以 d頁跨該輸出電晶體的該電壓大於該第一值時，回應而 停用該輸出電晶體’該停用電路包括一比較器，該比較 "係耗合以接收橫跨該輸出電晶體之該電壓以及-參考 96113-99lll8.doc 1338207 電壓並回應而停用該輸出電晶體。 12. 如清求項11之電源供應控制器，其中該比較器係耦合以 接收榼跨該輸出電晶體之該電壓以及該參考電壓並回應 而停用該輸出電晶體包括當該第一電壓介於2至15伏特 之間時’該比較器係耦合以停用該輸出電晶體。 13. 如請求項9之電源供應控制器，纟中該第—放大器係耗合

   以接收該平均信號及一第—I考電壓，該第一放大器包 括一差動放大器。

   1 4. 一種形成一電源供應控制器之方法，其包含： 耦合一輸出電晶體以形成經由一負載之一負載電流， 該負載係耦合至該電源供應控制器之一輸出；

   形成-平均電路以接收表示該負載電流之一輸入信號 並回應地形成表示該負載電流的一平均值之一平均信號 ，包括耗合一第一放大器以接收該輸入信1、麵合一滤 波器以接收該第一放大器之一輸出、以及耦合該第一放 大器之該輸出至一第二放大器之一輸入； 形成該電源供應控制器，以產生表示介於該平均信號 與一所需常數之間的一差之一偏離信號； 形成該電源供應控制器，以回應介於該偏離信號與該 輸入信號之間的一差而驅動該輪出電晶體以產生該負載 電流之-瞬時值，該瞬時值將於—第—時間週期期間產 生該負載電流之一平均值；以及 形成-停用電路，其係麵合以當橫跨該輪出電晶體之 -電壓大於-第-值時回應地停用該輸出電晶體。 96113-991U8.doc 1 5 ·如請求項i 4 之万去，其中形成該停用 跨該輪出命曰〜Y 电峪係耦合以當橫 出％日日肢的该電壓大於該第— 輸出電曰鞞., 值旰口應而停用該 期間至少P 在。亥第一時間週期 王夕h用遠輪出電晶體一次。 1 6 ’如请求項14之方法 _ 、 ，’、中形成該電源供應控制器，以產 離二介於該平均信號與該所需常數之間的該差之該偏 L ，&括形成―具有—放大器之偏 :路係轉合以接收該平均信號及-參考信號，並且:: ^形成表不介於該平均信號與該參考信號之間的該差之 該偏離信號。 叫求項14之方法’其中形成該電源供應控制器以回應 介：該偏離信號與該輸入信號之間的該差而驅動該輸： 電晶體’包括形成該輸出電晶體以吸收來自該負載之該 負載電流’其中藉由施加於該負載之一整流直流電壓： 提供該負載電流，而且其中該整流直流電壓之一 成該第-時間週期。 心 8·如叫求項14之方法，其中形成該停用電路係耦合以在橫 5 X輸出电曰曰體的戎電壓大於該第一值時回應而停用該 輸出電晶體’包括形成—比較器，該比較器係耦合以接 收橫跨該輸出電晶體之該電壓並接收一參考電壓以及當 杈跨忒輸出電晶體之該電壓大於該參考電壓時回應而停 用該輸出電晶體。 96113-991118.doc