TWI392201B - 交換式電源供應控制器及其形成方法 - Google Patents

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Description

交換式電源供應控制器及其形成方法
本發明係大體而言係關於電子學，且更特定言之，本發明係關於形成半導體裝置及結構的方法。
過去，半導體工業利用各種方法及結構來形成調節功率控制系統之輸出電壓值的交換式電源供應控制器。在一些應用中，自變壓器之輔助繞組獲得用以操作交換式電源供應控制器的功率。在此應用中，由交換式電源供應控制器所消耗的功率量大於所要值。此外，在一些狀況下，至交換式電源供應控制器之輸入電壓的範圍為有限的，其減少交換式電源供應控制器之有用操作電壓範圍。
因此，需要具有一種已減少功率耗散且促進輸入電壓的較寬操作範圍的交換式電源供應控制器。
圖1示意性說明包括交換式電源供應控制器30之一部分之一例示性方塊圖實施例的電源供應控制系統10之一部分的一實施例。交換式電源供應控制器30經組態以減少操作系統所需要之功率量且尤其減少在操作控制器30之起動階段期間的功率耗散，且亦增加供應至控制器30之操作電壓的有用範圍。系統10通常自施加於輸入端子11與返回端子12之間的主體輸入電壓接收輸入功率，並在電壓輸出端13與電壓返回端14之間提供輸出電壓。控制器30經組態以將輸出電壓值調節為在值之所要範圍內的目標值。舉例而言，目標值可為五伏特(5 V)且所要範圍可為目標值加上或減去百分之五(5%)。系統10通常包括變壓器16，變壓器16包括初級繞組17、次級繞組18及輔助繞組19。整流二極體20及濾波電容器21可連接至次級繞組18以協助形成輸出電壓。輔助繞組19通常用以協助形成控制器30的輸入電壓，該輸入電壓可用作用於操作控制器30之至少一部分的第一操作電壓。電容器24、電阻器22及二極體23可連接至輔助繞組19以協助提供用於形成控制器30之輸入電壓的外部電壓源，如將自下文進一步看出。電源開關(諸如，功率電晶體27)通常連接至初級繞組17以促進控制器30調節輸出電壓值。儘管將電晶體27說明為在控制器30外部，但是在一些實施例中，電晶體27可在控制器30內部。在此例示性實施例中被說明為齊納二極體(zener diode)的電壓調節器28通常用以將表示輸出電壓值的感測信號提供至控制器30。控制器30經組態以在感測輸入端32上接收感測信號。如將自下文進一步看出，在控制器30起動之後，電壓調節器28亦用以將輸入電壓之最大值調節為不損壞控制器30的值。熟習此項技術者將瞭解，調節器28可為具有類似於齊納二極體之電壓電流特徵之電壓電流特徵的任何類型之裝置。此等裝置之實例包括可購自National Semiconductor,Inc.(Santa Clara,California)的LM329及LM136。
控制器30經組態以接收輸入電壓或第一操作電壓以用於操作電壓輸入端34與電壓返回端33之間的控制器30。控制器30通常包括PWM控制器38，其用以在控制器30之PWM輸出端35上形成PWM交換式信號。控制器38產生PWM交換式信號以將輸出電壓值調節至所要範圍內。控制器38可為各種不同PWM控制器中的任一者，該等控制器包括固定頻率電流模式PWM控制器、固定頻率電壓模式PWM控制器、磁滯控制器或熟習此項技術者熟知的其他各種類型之PWM控制器。控制器38可包括其他熟知之PWM控制器功能，諸如軟啟動、前緣遮沒(leading edge blanking)、節略循環(skip－cycle)及過電壓保護。控制器30亦包括諸如欠電壓閉鎖(UVLO)電路或UVLO 48的一第一電路，其經組態以偵測來自輸入端34的輸入電壓值；及偏壓產生器39，其用以產生第二操作電壓或內部操作電壓(Vdd)，該電壓由控制器30之某些其他部分(諸如控制器38)用作操作電壓。UVLO 48及偏壓產生器39連接於輸入端34與返回端33之間以接收第一操作電壓或輸入電壓。在控制器30之起動期間，UVLO 48監視輸入電壓值並阻止控制器30在輸入電壓值小於控制器30之起始操作所需要之起動值時產生內部操作電壓(Vdd)。在操作控制器30之此起動期間，控制器30之開關44亦去耦控制器30使其不能自電壓調節器28接收感測信號。
在操作中，在端子11與12之間接收的主體電壓可比操作控制器30及系統10所需要的電壓大得多。舉例而言，施加於端子11與12之間的電壓可為一百伏特(100 V)或更大，且輸出電壓之目標值可能僅約五伏特(5 V)。在系統10之起動期間，電容器24被放電且在端子11與12之間接收的主體電壓開始經由電阻器22對電容器24充電。UVLO 48監視輸入電壓的值且形成協助控制控制器30之起動操作的控制信號47。當電容器24正在充電時，UVLO 48否定控制信號47直到自電容器24接收之輸入電壓值大於控制器30之起始操作所需要的起動值。舉例而言，用於操作控制器30之輸入電壓的正常範圍可在十伏特與十二伏特之間(10至12 V)，且UVLO 48在輸入電壓達到約十五伏特(15 V)的起動值以前可不允許控制器30開始操作。產生器39接收否定控制信號47，該信號阻止控制器30產生Vdd且阻止控制器38操作。開關44亦接收否定信號47，該信號將開關44停用為打開狀態藉此去耦控制器30使其不能自電壓調節器28接收感測信號。在開關44打開的情況下，調節器28亦受抑制而不能操作，從而受抑制而不能調節輸入電壓值。電容器24繼續充電且當輸入電壓不小於起動值時，UVLO 48確定控制信號47。確定控制信號47啟用開關44閉合藉此耦接控制器30以自調節器28接收感測信號。閉合開關44亦耦接電路49以自調節器28接收感測信號並形成表示輸出電壓值的反饋(FB)信號。控制器38使用FB信號來協助調節輸出電壓值。確定控制信號47亦啟用偏壓產生器39產生Vdd，且隨後控制器38開始操作以調節輸出電壓值。應注意，在一些實施例中，在UVLO 48偵測到允許控制器30操作之電壓與產生器39產生Vdd之間可存在額外時間延遲。此延遲通常用以確保在操作控制器30之其他元件之前偏壓產生器元件達到所要值。當PWM控制器38在輸出端35上產生PWM驅動脈衝以切換電晶體27時，輔助繞組19接收功率並開始經由二極體23對電容器24充電。因此，PWM控制器38調節輸出電壓亦促進對電容器24充電。因為開關44現在閉合，所以調節器28耦接至返回端33，藉此啟用調節器28開始將輸入電壓值調節為通常為用於控制器30之所要操作範圍的第三值。至控制器30的輸入電壓之所要操作範圍(因此，第三值)通常小於起動值，電容器24被充電至該起動值。舉例而言，起動電壓可為十五伏特且調節器28可將輸入電壓之第三值限制為不大於十一或十二伏特。在UVLO偵測到起動值之後，UVLO 48不否定信號47，因為調節器28將輸入電壓值調節為較低值。因此可看出，開關44允許輸入電壓在寬範圍之值上變化。因為開關44去耦控制器30使其不能接收感測信號，所以調節器28將輸入電壓調節至的電壓值可自比起動電壓低得多的值變化至接近可由控制器30維持而不會引起損壞之最大允許值的值。輸入電壓之最低值可接近可用以操作控制器30的最小值。舉例而言，最低值可接近八伏特(8 V)且最大值可為約二十伏特(20 V)。起動值可經設定為十五伏特(15 V)且調節器28可經選擇為具有自八伏特至二十伏特(8至20 V)之間的任何調節值。
在不具有開關44的情況下，調節器28將使輸入電壓之第三值限於大於起動電壓的範圍藉此減少可用於輸入電壓的有用電壓範圍。對於剛描述之實例，該範圍將為自大於十五伏特至二十伏特(15至20 V)。此比控制器30之八至二十伏特(8至20 V)的範圍小得多。
圖2示意性說明電源供應控制系統50之一部分的一實施例，系統50為圖1之描述中所解釋之系統10之替代實施例。系統50包括交換式電源供應控制器51之一部分的一例示性實施例，該實施例為圖1之描述中所解釋之控制器30的較詳細例示性實施例。控制器51包括以類似於開關44的方式運作的開關電晶體45，且亦包括以類似於電路49的方式運作的反饋電路57。除了以第二電流鏡組態予以連接之電晶體52及53之外，電路57還包括電流鏡連接之電晶體54、55及56。
在控制器51之起動操作期間，UVLO 48迫使控制信號47為低位準，其停用電晶體45藉此將調節器28自返回端33去耦並抑制控制器51自調節器28接收感測信號。來自信號47的低位準亦停用電晶體56及55，藉此停用電路57。因此，電阻器61將FB信號大體上拉至返回端33的值。當UVLO 48偵測到輸入電壓的起動值時，UVLO 48迫使信號47為高位準，其啟用電晶體45。啟用電晶體45會將調節器28經由電晶體55及電阻器59耦接至返回端33，藉此耦接控制器51以自調節器28接收感測信號。電晶體45亦將感測信號耦接至電晶體55及56，其啟用電晶體55及56並形成流過電晶體45及55以及電阻器59的電流58。因為調節器28正在調節輸入電壓值，所以流過調節器28的電流表示輸入端34上的輸入電壓值。因此，電流58的值亦表示輸入端34上之輸入電壓值。電晶體54、55及56之電流鏡組態形成流過電晶體54及電阻器60的第二電流，其亦表示輸入電壓值。電晶體52及53之電流鏡形成流過電晶體53及電阻器61的另一電流，其亦表示輸入電壓值。流過電阻器61之電流在節點62處形成反饋(FB)電壓，其亦表示輸入電壓值。因此，電路57將電流58轉換為節點62處的FB電壓。控制器38接收反饋電壓且作為回應調節輸出端13與返回端14之間的輸出電壓值。
熟習此項技術者將瞭解，儘管將齊納二極體用於調節器28來解釋控制器30及51的操作，但是調節器28可為本文以上所描述之各種其他類型的調節器。同樣，其他電路組態可用以將電流58轉換為用於FB信號之電壓。可代替UVLO 48使用經組態以偵測增加至起動值之輸入電壓的任何電路。
為了促進控制器51之此功能性，控制器51經組態以使調節器28之第一端子連接至輸入端34，且使調節器28之第二端子連接至輸入端32。電晶體45之汲極連接至輸入端32，且源極共通地連接至電晶體56之基極及電晶體55之集極。電晶體45之閘極經連接以接收控制信號47且經連接至電晶體56之集極。電晶體56之發射極共通地連接至電晶體54及55之基極。電晶體55之發射極連接至電阻器59之第一端子，電阻器59之第二端子則連接至返回端33。電晶體54之集極共通地連接至電晶體52之閘極及汲極以及電晶體53之閘極。電晶體52之源極共通地連接至電晶體53之源極並連接至輸入端34。電晶體53之汲極共通地連接至節點62及電阻器61之第一端子。電阻器61之第二端子共通地連接至返回端33及電阻器60之第二端子。
熟習此項技術者亦將瞭解，調節器28亦可與控制器30或51之任一者一起形成於半導體晶粒上。對於此組態而言，控制器30或51自在各別控制器外部的電壓源接收輸入電壓，並選擇性啟用開關44或電晶體45以將感測信號耦接至各別控制器30或51。
圖3示意性說明形成於半導體晶粒71上之半導體裝置或積體電路70之一實施例之一部分的放大平面圖。控制器51形成於晶粒71上。晶粒71亦可包括圖3中為圖式之簡單起見而未展示的其他電路。控制器51及裝置或積體電路70藉由熟習此項技術者所熟知的半導體製造技術形成於晶粒71上。
鑒於以上所有內容，顯然揭示了新穎之裝置及方法。所包括的特徵尤其是在控制器之起動操作期間使用開關來去耦交換式電源供應控制器使其不能自調節器接收感測信號。此功能性在起動操作期間減少系統之功率耗散。此外，使用開關44或開關電晶體45允許輸入電壓值為小於起動值的值，其增加輸入電壓值的有用範圍。在起動階段期間，開關44或45亦提供高阻抗，其減少起動階段期間的功率耗散。
雖然用特定較佳實施例描述本發明之標的物，但是顯然，許多替代或變化對於熟習半導體技術者而言將為顯而易見的。此外，全文為描述之清晰起見而使用詞"連接"，然而，其並非意欲具有與詞"耦接"相同的含義。因此，"連接"應被解釋為包括直接連接或間接連接。
10．．．電源供應控制系統
11．．．輸入端子
12．．．返回端子
13．．．電壓輸出端
14．．．電壓返回端
16．．．變壓器
17．．．初級繞組
18．．．次級繞組
19．．．輔助繞組
20．．．整流二極體
21．．．濾波電容器
22．．．電阻器
23．．．二極體
24．．．電容器
27．．．功率電晶體/電晶體
28．．．電壓調節器/調節器
30．．．交換式電源供應控制器/控制器
32．．．感測輸入端/輸入端
33．．．電壓返回端/返回端
34．．．電壓輸入端/輸入端
35．．．PWM輸出端/輸出端
38．．．PWM控制器/控制器
39．．．偏壓產生器/產生器
44．．．開關
45．．．開關電晶體/電晶體
47．．．控制信號
48．．．欠電壓閉鎖(UVLO)電路/UVLO
49．．．電路
50．．．電源供應控制系統/系統
51．．．交換式電源供應控制器/控制器
52．．．電晶體
53．．．電晶體
54．．．電晶體
55．．．電晶體
56．．．電晶體
57．．．反饋電路/電路
58．．．電流
59．．．電阻器
60．．．電阻器
61．．．電阻器
62．．．節點
70．．．積體電路
71．．．半導體晶粒/晶粒
圖1示意性說明具有根據本發明之一交換式電源供應控制器之電源供應控制系統之一部分的一實施例；圖2示意性說明具有根據本發明之另一交換式電源供應控制器之一例示性實施例的另一電源供應控制系統之一部分的一實施例；且圖3示意性說明包括根據本發明之圖2之交換式電源供應控制器之半導體裝置的放大平面圖。
為說明之簡單及清晰起見，圖中之元件不必按照比例，且不同圖中之相同參考數字指示相同元件。此外，為描述之簡單起見，省略熟知步驟之描述及詳情。如本文所使用，載流電極意謂裝置之載運穿過裝置之電流的元件，諸如MOS電晶體之源極或汲極，或者雙極電晶體之發射極或集極，或者二極體之陰極或陽極，且控制電極意謂裝置之控制穿過裝置之電流的元件，諸如MOS電晶體之閘極，或者雙極電晶體之基極。儘管本文將該等裝置解釋為某些N通道或P通道裝置，但是一般熟習此項技術者將瞭解，根據本發明，補充裝置亦為可能的。熟習此項技術者將瞭解，本文所使用之詞在......期間(during)、同時(while)及當......時(when)並非為意謂在起始動作時動作立即發生的精確術語，而是在由起始動作起始之反應之間可存在一些小但是合理的延遲，諸如傳播延遲。
10．．．電源供應控制系統
11．．．輸入端子
12．．．返回端子
13．．．電壓輸出端
14．．．電壓返回端
16．．．變壓器
17．．．初級繞組
18．．．次級繞組
19．．．輔助繞組
20．．．整流二極體
21．．．濾波電容器
22．．．電阻器
23．．．二極體
24．．．電容器
27．．．功率電晶體/電晶體
28．．．電壓調節器/調節器
30．．．交換式電源供應控制器/控制器
32．．．感測輸入端/輸入端
33．．．電壓返回端/返回端
34．．．電壓輸入端/輸入端
35．．．PWM輸出端/輸出端
38．．．PWM控制器/控制器
39．．．偏壓產生器/產生器
44．．．開關
47．．．控制信號
48．．．欠電壓閉鎖(UVLO)電路/UVLO
49．．．電路

Claims (15)

  1. 一種電源供應控制器，其包含：一第一輸入端，其經組態以自一第一電壓源接收一具有一第一值之操作電壓，該第一電壓源係在該電源供應控制器之外部；一第二輸入端，其經組態以自一電壓調節器接收一第一電流，該電壓調節器係在該電源供應控制器之外部，其中該電壓調節器經耦接以接收該操作電壓；及一開關，其經組態以自該電壓調節器接收該第一電流，該開關經組態以去耦該電源供應控制器使其不能接收該第一電流；該電源供應控制器之一控制電路，經組態以監視該操作電壓之一值，以及控制該開關，回應於該操作電壓之該值以去耦該電源供應控制器使其在該操作電壓達到一第一值以前不能接收該第一電流，且其中該控制電路經組態以控制該開關，回應於該操作電壓之該值以耦接該電源供應控制器以在該操作電壓之該值到達該第一值後接收該第一電流，其中該電壓調節器改變該操作電壓之該第一值成為一小於該第一值之第二值，以回應於該開關耦接該電源供應控制器以接收該第一電流。
  2. 如請求項1之電源供應控制器，其中在該開關耦接該電源供應控制器以接收該第一電流之後，該電壓調節器將該操作電壓調節至該第二值。
  3. 如請求項2之電源供應控制器，其中該電壓調節器為一 具有一小於該第一值之齊納電壓的齊納二極體。
  4. 如請求項1之電源供應控制器，其進一步包括一電路，該電路經耦接以自該開關接收該第一電流並形成一表示該第一電流的電壓。
  5. 如請求項1之電源供應控制器，其中該開關包括一第一電晶體，該第一電晶體具有：一第一載流電極，其經耦接以接收該第一電流；一控制電極，其經耦接以從該控制電路接收一控制信號，該控制信號用以耦接該電源供應控制器以及去耦該電源供應控制器使其不能接收該第一電流；及一第二載流電極。
  6. 如請求項5之電源供應控制器，其進一步包括一第二電路，該第二電路經耦接以自該第一電晶體接收該第一電流並形成一表示該第一電流的電壓。
  7. 如請求項5之電源供應控制器，其中該控制電路包含一第二電晶體，該第二電晶體耦接至該第一電晶體，並經配置以去耦該電源供應控制器使其不能接收該第一電流，其中該第二電晶體亦被該控制信號所控制。
  8. 一種電源供應控制器，其包含：一第一輸入端，其經組態以自一電壓源接收一操作電壓，該電壓源係在該電源供應控制器之外部；一開關，其經組態以自一電壓調節器接收一第一電流，該電壓調節器經耦接以接收該操作電壓，該開關經組態以去耦該電源供應控制器使其不能接收該第一電流直到該操作電壓到達一第一值，並且耦接該電源供應控 制器以在該操作電壓到達該第一值後接收該第一電流，其中該開關包括一第一電晶體，該第一電晶體具有：一第一載流電極，其經耦接以接收該第一電流；一控制電極，其經耦接以接收一控制信號，該控制信號用以耦接該電源供應控制器以及去耦該電源供應控制器使其不能接收該第一電流；及一第二載流電極；一第二電路，經耦接以自該第一電晶體接收該第一電流，並形成一表示該第一電流的電壓，其中該第二電路包括：一第二電晶體，其具有一耦接至該第一電晶體之該控制電極的第一載流電極、一耦接至該第一電晶體之該第二載流電極的控制電極及一第二載流電極；一第三電晶體，其具有一耦接至該第二電晶體之該控制電極的第一載流電極、一耦接至該第二電晶體之該第二載流電極的控制電極及一第二載流電極；及一第四電晶體，其具有一耦接至該第三電晶體之該控制電極的控制電極、一第一載流電極及一第二載流電極。
  9. 如請求項8之電源供應控制器，其進一步包括一第一電阻以及一第二電阻，該第一電阻耦接於該第三電晶體之該第二載流電極，該第二電阻耦接於該第四電晶體之該第二載流電極。
  10. 如請求項8之電源供應控制器，其進一步包括一耦接至該第四電晶體之該第二載流電極的電流鏡。
  11. 一種形成一電源供應控制器的方法，其包含：組態該電源供應控制器以：自一電壓源接收一具有 一第一值之操作電壓，該電壓源係在該電源供應控制器之外部，及使用該操作電壓之該第一值以操作該電源供應控制器之一第一電流；組態該電源供應控制器之一控制電路以監視該操作電壓之一值，以及控制一第一開關，回應於該操作電壓之該值以去耦該電源供應控制器使其在該操作電壓增加到該第一值以前不能自一電壓調節器接收一第一電流，該電壓調節器經耦接以接收該操作電壓；及組態該控制電路以監視該操作電壓之該值，以及控制該第一開關，回應於該操作電壓之該值以耦接該電源供應控制器，使其回應於該操作電壓到達該第一值而從該電壓調節器接收該第一電流，其中從該電壓調節器接收該第一電流造成該電壓調節器改變該操作電壓之該第一值成為一小於該第一值之第二值。
  12. 如請求項11之方法，其中組態該電源供應控制器以接收該操作電壓之步驟包括耦接該第一開關以接收該第一電流並抑制將該第一電流耦接至該電源供應控制器的其他部分。
  13. 如請求項11之方法，其中耦接該第一開關之步驟包括耦接該電源供應控制器之一第一電晶體以接收該第一電流。
  14. 如請求項11之方法，其中進一步包括耦接該電源供應控制器之一第二電路以自該第一開關接收該第一電流並形成一表示該第一電流之一值的第一電壓。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包括耦接一PWM控制塊以自該第一電路接收該第一電壓，並回應於該第一電壓之一值而調節一輸出電壓的一值。
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