TWI411205B - 應用在切換式電源供應器的電流感測電路 - Google Patents

Description

應用在切換式電源供應器的電流感測電路

本發明係有關一種切換式電源供應器，特別是關於一種應用在切換式電源供應器的電流感測電路。

在交流對直流切換式電源供應器中，由於極高的輸入電壓(約200~800V)，使得高壓功率開關及控制電路整合到同一基板成為重要的課題。傳統的交流對直流切換式電源供應器係將高壓功率開關及控制電路分別做在二基板上，再將該二基板整合入一封裝中。拜製程技術的進步，目前已可將耐極高壓之元件整合在同一基板上，但是須耗費大面積，因此高度整合兼具小晶片面積成為一個設計上的難題。

圖1係傳統的交流對直流切換式電源供應器的部份電路，其中高壓功率開關M1在基板15上，而感測電阻Rcs、調變器17及比較器18在基板16上，二基板15及16都整合在控制器晶片14中，輸入電壓VAC經整流器10及電容Cin整流及濾波後產生電壓VDC給變壓器12，高壓功率開關M1連接變壓器12的一次側線圈Lp，調變器17提供控制信號Vgate切換高壓功率開關M1以使變壓器12將電壓VDC轉換為輸出電壓Vo。此電源供應器利用與高壓功率開關M1串聯的感測電阻Rcs來取得與通過高壓功率開關M1的電流Ip相關的感測信號Vcs。比較器18比較感測信號Vcs及臨界值Vth，當感測信號Vcs大於臨界值Vth時，比較器18送出信號給調變器17以使高壓功率開關M1變為閉路(off)。如果使用較大的感測電阻Rcs，將造成較大的功率消耗，降低控制器晶片14的效能，而且將產生高電位的感測信號Vcs，因而須使用較高準位的控制信號Vgate。如果使用較小的感測電阻Rcs，感測信號Vcs會變小，這將使得設計變複雜，而且感測信號Vcs也比較容易受到地端雜訊的干擾。

圖2係另一種感測電流Ip的習知方法，其係利用高壓功率開關M1的導通阻值Ron作為感測電阻來提供與電流Ip相關的感測信號Vcs，比較器18的正輸入端連接高壓功率開關M1的輸入端以取得感測信號Vcs。此方法無需感測電阻Rcs，因此可以減少控制器晶片14的面積及功率消耗。但是輸入電壓VAC為極高壓(Ultra High Voltage;UHV)，所以在高壓功率開關M1為閉路時，其輸入端上的電壓很高，比較器18必須改用UHV元件，導致晶片面積增加以及成本提高。

美國專利號5,285,269使用一種疊接(cascade)功率開關來取代圖2中的高壓功率開關M1，其包括接面場效電晶體(JFET)以及金氧半電晶體(MOSFET)。JFET的輸入端連接變壓器12的一次側線圈Lp，輸出端連接MOSFET的輸入端，而MOSFET的輸出端連接地端GND。JFET阻擋UHV，MOSFET為低壓元件，比較器18的正輸入端連接MOSFET的輸入端以取得該MOSFET上的電壓Vcs，進而判斷電流Ip的大小。由於JFET可以阻擋高壓，因此比較器18不必改用UHV元件。但是這樣複雜的UHV功率開關結構，需要增加複雜的製程、設計和開發過程。

美國專利號7,696,566提出一種感測電流Ip的方法，其係利用執行啟動功能的JFET來感測電流Ip，因此無需增加額外的UHV元件或製程。然而，此方法需要使用多晶片模組封裝，高壓功率開關與控制電路無法整合在同一基板上。

本發明的目的之一，在於提出一種應用在切換式電源供應器的電流感測電路。

根據本發明，一種應用在切換式電源供應器的電流感測電路，包括高壓功率開關、高壓啟動電晶體以及整流二極體。該高壓功率開關受控於控制信號以調節該切換式電源供應器的輸出電壓。該高壓啟動電晶體與該高壓功率開關在同一基板上，其具有輸入端連接該高壓功率開關的輸入端、控制端接收第一電壓以及輸出端提供第二電壓。整流二極體連接該高壓啟動電晶體的輸出端，用以避免電流回流至該高壓啟動電晶體的輸出端，影響偵測通過該高壓功率開關的電流結果。在該高壓功率開關由閉路變為開路時，使該高壓啟動電晶體的輸出端放電一段時間。該段時間遠小於該高壓功率開關為開路的時間。在該高壓功率開關為開路期間，該第一及第二電壓之間的壓差大於該高壓啟動電晶體的臨界電壓，造成該高壓啟動電晶體導通，因此該第二電壓等於該高壓功率開關的跨壓，而且與通過該高壓功率開關的電流具有比例關係。

本發明利用高壓啟動電晶體在切換式電源供應器啟動完成後，作為感測電流的高壓元件，因此不需要增加晶片面積，而後端處理電路可以用低壓元件實現，故更有成本競爭力。

圖3係使用本發明的電流感測電路20的切換式電源供應器，其中轉換器晶片19中的元件都製作在同一基板上。在電流感測電路20中，高壓啟動電晶體22的輸入端連接高壓功率開關M1的輸入端，高壓啟動電晶體22可以是JFET或空乏型MOSFET，開關M2及電壓源V2串聯在高壓啟動電晶體22的控制端及地端GND之間，用以切換高壓啟動電晶體22的工作狀態，整流二極體D4連接在高壓啟動電晶體22的輸出端及電容Cvdd之間，用以防止電流由電容Cvdd回流至高壓啟動電晶體22的輸出端，影響偵測通過高壓功率開關M1的電流結果，放電開關M3連接在高壓啟動電晶體22的輸出端及地端GND之間，分壓電路28連接高壓啟動電晶體22的輸出端，電容C3連接分壓電路28的輸出端，放電開關M5與電容C3並聯，時序電路24根據控制信號Vgate產生短脈衝信號Sshort控制放電開關M3，時序電路26根據控制信號Vgate產生前緣遮蔽信號LEB控制放電開關M5。分壓電路28包括電阻R2及R3以及開關M4，電阻R2及開關M4串聯在高壓啟動電晶體22的輸出端及分壓電路28的輸出端之間，電阻R3連接在分壓電路28的輸出端及地端GND之間。電流感測電路20利用既有的高壓啟動電晶體22，無需使用複雜的UHV功率開關結構和額外的高壓元件。

如同美國專利號7,696,566所描述的，在切換式電源供應器中原本就有高壓啟動電晶體用來執行啟動功能，因此圖3中的電流感測電路20只要使用該高壓啟動電晶體即可。當圖3的切換式電源供應器啟動時，致能信號SS_EN使開關M2為閉路(off)，造成高壓啟動電晶體22的控制端及輸出端之間的壓差Vgs大於其臨界電壓Vth，因此高壓啟動電晶體22導通(on)。該臨界電壓Vth為負電壓。在高壓啟動電晶體22導通期間，來自一次側線圈Lp的電流將經過高壓啟動電晶體22及二極體D4對電容Cvdd充電，使得高壓啟動電晶體22的輸出端電壓V1上升。當電壓VDD上升至內部電路所設定的電壓準位後，開關M2被切換為開路(on)，高壓啟動電晶體22因而夾止(cut off)，此時，電容Cvdd能提供轉換器晶片14足夠的電壓VDD，讓切換式電源供應器完成啟動。

圖4係圖3電路的波形圖。參照圖3及圖4，在切換式電源供應器完成啟動後，調變器17提供控制信號Vgate切換高壓功率開關M1，當控制信號Vgate由低準位轉為高準位使高壓功率開關M1由閉路(off)變為開路(on)時，如時間t1所示，時序電路24觸發短脈衝信號Sshort使放電開關M3變為開路，因而使高壓啟動電晶體22的輸出端在預設時間Ts內被放電。其中，放電開關M3是為了加快高壓啟動電晶體22的輸出端的放電速度，即使沒有放電開關M3，高壓啟動電晶體22的輸出端的電荷仍可經由其他電流路徑(圖中未示)來釋放。預設時間Ts遠小於高壓功率開關M1為開路的時間Ton。高壓啟動電晶體22的控制端及輸出端之間的壓差Vgs也因而大於高壓啟動電晶體22的臨界電壓Vth，進而使得高壓啟動電晶體22導通，同時分壓電路28內的開關M4也因控制信號Vgate而變為開路，故電阻R2及R3分壓高壓啟動電晶體22的輸出端電壓V1產生感測信號Vcs儲存在電容C3中。在高壓功率開關M1為開路期間，如時間t1至t3所示，高壓啟動電晶體22導通，故其輸出端電壓V1等於高壓功率開關M1的跨壓，又因為高壓功率開關M1的跨壓等於通過高壓功率開關M1的電流Ip乘上高壓功率開關M1的導通阻值Ron，所以電壓V1與電流Ip具有比例關係。感測信號Vcs係分壓電壓V1產生的，故感測信號Vcs也與電流Ip具有比例關係。此外，在高壓功率開關M1由閉路變為開路時，電流Ip會產生突波，因而使電壓V1也具有突波，為了避免該突波造成誤動作，在高壓功率開關M1由閉路變為開路時，前緣遮蔽信號LEB在時間t1至t2將維持放電開關M5為開路以遮蔽該突波。

在高壓功率開關M1由開路(on)變為閉路(off)時，如時間t3所示，高壓功率開關M1的輸入端電壓立即變得很高，因此高壓啟動電晶體22的輸出端電壓V1也快速上升，一旦高壓啟動電晶體22的控制端及輸出端之間的壓差Vgs等於臨界電壓Vth，高壓啟動電晶體22便截止(off)，而且電壓V1也維持固定在某一準位。假設臨界電壓Vth=-6V，電壓V2=1V，則電壓V1將維持在7V。同時，時序電路26也在此時控制放電開關M5為開路(on)使電容C3被放電。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．整流器

12．．．變壓器

14．．．控制器晶片

15．．．基板

16．．．基板

17．．．調變器

18．．．比較器

19．．．轉換器晶片

20．．．電流感測電路

22．．．高壓啟動電晶體

24．．．時序電路

26．．．時序電路

28．．．分壓電路

圖1係傳統的交流對直流切換式電源供應器的電流感測方法；

圖2係另一種習知的電流感測方法；

圖3係本發明的電流感測電路；以及

圖4係圖3電路的波形圖。

10．．．整流器

12．．．變壓器

17．．．調變器

18．．．比較器

19．．．轉換器晶片

20．．．電流感測電路

22．．．高壓啟動電晶體

24．．．時序電路

26．．．時序電路

28．．．分壓電路

Claims (7)

1. 一種應用在切換式電源供應器的電流感測電路，包括：高壓功率開關，受控於控制信號以調節該切換式電源供應器的輸出電壓；高壓啟動電晶體，與該高壓功率開關在同一基板上，且具有輸入端連接該高壓功率開關的輸入端、控制端接收第一電壓以及輸出端提供第二電壓；以及整流二極體，連接該高壓啟動電晶體的輸出端，用以避免電流回流至該輸出端；其中，在該高壓功率開關為開路期間，該第一及第二電壓之間的壓差大於該高壓啟動電晶體的臨界電壓，且該第二電壓與通過該高壓功率開關的電流具有比例關係。
2. 如請求項1之電流感測電路，其中該高壓啟動電晶體包括JFET。
3. 如請求項1之電流感測電路，其中該高壓啟動電晶體包括空乏型MOSFET。
4. 如請求項1之電流感測電路，更包括放電開關連接該高壓啟動電晶體的輸出端，在該高壓功率開關由閉路變為開路時，使該高壓啟動電晶體的輸出端放電一段時間，該段時間小於該高壓功率開關為開路的時間。
5. 如請求項4之電流感測電路，更包括時序電路根據該控制信號產生短脈衝信號控制該放電開關。
6. 如請求項1之電流感測電路，更包括分壓電路連接該高壓啟動電晶體的輸出端，在該高壓功率開關為開路時分壓該第二電壓產生感測信號。
7. 如請求項6之電流感測電路，更包括：電容，連接該分壓電路的輸出端，儲存該感測信號；以及放電開關，與該電容並聯，在該高壓功率開關為閉路期間使該電容的放電。