TWI423571B - 切換式電源供應器之高壓啟動裝置 - Google Patents

Description

切換式電源供應器之高壓啟動裝置

本發明係關於一種切換式電源供應器之高壓啟動裝置；特別是關於將一切換式電源供應器在啟動時，可精準控制高壓啟動電流之高壓啟動裝置。

一般而言，習用切換式電源供應器[switch mode power supply，SMPS]係大多採用高壓啟動方式進行操作控制。當切換式電源供應器採用高壓啟動方式時，需要將高壓啟動電源與系統工作電源各別單獨設置。為了降低能量耗損，當系統在穩定工作電壓、輕載[light load]或空載待機[standby]狀態時，可關閉高壓啟動電源。

習用高壓啟動裝置，如中華民國專利公告第M280501號之「啟動裝置[A START-UP APPARATUS FOR A POWER SUPPLY]」新型專利，其揭示一種啟動裝置，可於電源供應器啟動後，用來切斷輸入電壓源對維持電容充電的充電路徑，啟動裝置使用一電晶體之汲極端連接到輸入電壓源，源極端連接到一維持電容與一啟動控制單元之輸入端；該啟動控制單元之輸出端連接於該電晶體之閘極端與一切換開關。藉此，輸入電壓源控制該電晶體導通，並對維持電容進行充電，該啟動控制單元從維持電容取得一啟動電壓後，將控制該切換開關導通，以提供維持電容上之電源給一控制電路使用，並控制該電晶體截止，用以切斷該輸入電壓源對該維持電容充電的充電路徑。

另一習用高壓啟動裝置，如中華民國專利公告第M302199號之「功率轉換器之高壓啟動電路[A HIGH VOLTAGE START UP CIRCUIT FOR POWER CONVERTERS]」新型專利，其揭示一種功率轉換器之高壓啟動電路，其包含有一接面場效電晶體、一阻抗裝置、一第一電晶體、一第二電晶體與一二極體。接面場效電晶體耦接一電壓源。第一電晶體串聯於接面場效電晶體，以依據電壓源輸出一供應電壓至功率轉換器之一控制電路。二極體耦接於功率轉換器之一變壓器繞組與控制電路之間，以供應另一供應電壓至控制電路。第二電晶體依據一控制訊號控制第一電晶體與接面場效電晶體。阻抗裝置耦接接面場效電晶體與第一電晶體。當第二電晶體截止時，阻抗裝置提供一偏壓，以使接面場效電晶體與第一電晶體導通；當第二電晶體導通時，第一電晶體截止，且接面場效電晶體為負偏壓狀態。

另一習用高壓啟動裝置，如中華民國專利公告第I325636號之「具有啟動控制元件的電晶體[TRANSISTOR WITH START-UP CONTROL ELEMENT]」發明專利，其揭示一種具有啟動控制元件的電晶體，其包含：一個N型耗乏型電晶體，其汲極可供與一外界電壓源電性連接，閘極常態接地；以及一個N型增進型電晶體，其汲極與前述電壓源電性連接，閘極與該耗乏型電晶體的源極連接。

另一習用高壓啟動裝置，如美國專利第5,285,369號之「具高壓啟動自給偏壓之切換式電源供應晶片[SWITCH MODE POWER SUPPLY INTEGRATED CIRCUIT WITH START-UP SELF-BIASING]」專利，其亦揭示一切換式電源供應晶片包含高壓功率場效電晶體[high voltage power MOSFET]。

另一習用高壓啟動裝置，如美國專利第5,640,317號之「高壓啟動電路及其方法[HIGH VOLTAGE START-UP CIRCUIT AND METHOD THEREFOR]」專利，其亦揭示一切換式電源供應器之高壓啟動電路。該高壓啟動電路可操作低壓脈寬調變控制電路。

雖然有關高壓啟動電路技術已揭示於許多國內專利內容，但習用高壓啟動裝置仍然存在需要進一步改善於精準控制系統啟動電流之潛在需求。或，習用高壓啟動裝置需要進一步改善於系統達穩定工作電壓時，將啟動電路關閉後，再將系統控制在最小截止電流之潛在需求。

有鑑於此，本發明為了滿足上述需求，其提供一種切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其包含一高壓啟動電路，該高壓啟動電路包含一金氧半電晶體、一電壓調整單元、一電晶體及一二極體，以達成精準控制啟動電流及減少整體面積之目的。

本發明之主要目的係提供一種切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其包含一高壓啟動電路，該高壓啟動電路包含一金氧半電晶體、一電壓調整單元、一電晶體及一二極體，以達成精準控制啟動電流及減少整體面積之目的。

為了達成上述目的，本發明較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置包含：一高壓啟動電路，其連接一電源電路，且該電源電路包含一電容；該高壓啟動電路包含：一金氧半電晶體，其設置於該高壓啟動電路，將一電源電流輸入至該金氧半電晶體，且該金氧半電晶體具有一源極、一射極及一閘極；一電壓調整單元，其設置於該高壓啟動電路，該電壓調整單元連接該金氧半電晶體，以便該電壓調整單元調整該金氧半電晶體之電壓；及一電晶體，其設置於該高壓啟動電路，該電晶體連接至該金氧半電晶體之閘極；其中當該金氧半電晶體之閘極形成導通時，一充電電流流經該金氧半電晶體及二極體，並進行充電該電容；當充電該電容至一預定電壓時，控制導通該電晶體，以便關閉該金氧半電晶體，並截止該充電電流。

本發明較佳實施例之該金氧半電晶體選自一增強型金氧半電晶體或一空乏型金氧半電晶體。

本發明較佳實施例之該電壓調整單元之齊納二極體耦接於該金氧半電晶體之閘極。

本發明較佳實施例之該電壓調整單元由一電阻及一齊納二極體組成。

本發明較佳實施例之該電壓調整單元由一第一電阻及一第二電阻組成。

本發明較佳實施例之該電壓調整單元之第一電阻串接於該金氧半電晶體之源極。

本發明較佳實施例之該電壓調整單元之第二電阻耦接於該金氧半電晶體之閘極。

本發明較佳實施例之該金氧半電晶體及電源電路之間連接一二極體。

本發明較佳實施例之該金氧半電晶體之源極及電源電路之間連接一二極體。

為了充分瞭解本發明，於下文將例舉較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。

本發明較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置可適用於各種切換式電源供應裝置或類似電源供應裝置，以便精準控制高壓啟動電流，以降低其功率消耗，但其並非用以限定本發明之高壓啟動裝置之適用範圍。

第1圖揭示本發明第一較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置及電源電路之示意圖。請參照第1圖所示，該切換式電源供應器之高壓啟動裝置包含一高壓啟動電路1[如虛線所示]電性連接至一電源電路2，且一二極體3電性連接於該高壓啟動電路1及電源電路2之間。該電源電路2包含一電容21、一電阻22及一PWM控制電路23。

請再參照第1圖所示，該高壓啟動電路1包含一金氧半電晶體11、一電壓調整單元12及一電晶體13，其適當設置於該高壓啟動電路1內。該電壓調整單元12及電晶體13適當電性連接至該金氧半電晶體11，以構成該高壓啟動電路1。本發明第一較佳實施例之該電壓調整單元12由一電阻121及一齊納二極體122組成。

請再參照第1圖所示，將一電源電流輸入至該金氧半電晶體11，且該金氧半電晶體11一增強型金氧半電晶體[Enhance-Mode MOSFET]，其具有一源極[source]、一射極[emitter]及一閘極[gate]。將該電壓調整單元12耦接至該金氧半電晶體11之閘極，以便該電壓調整單元12調整該金氧半電晶體11之電壓。將該電晶體13連接至該金氧半電晶體11之閘極，將該二極體3連接至該金氧半電晶體11之源極。

請再參照第1圖所示，當啟動輸入電源Vin時，該電源電路2之輔助繞阻電壓Vaux及輸出電壓Vo均為零。當該電晶體13控制該金氧半電晶體11之閘極導通時，一充電電流I_HV 流經該電源電路2之電阻22、該高壓啟動電路1之金氧半電晶體11及該二極體3，並進行充電該電容21。利用調整控制該金氧半電晶體11、該電壓調整單元12之齊納二極體122及該電源電路2之電阻22可調整控制該充電電流I_HV 。另外，為了避免該金氧半電晶體11之閘極發生電壓過高，將該電壓調整單元12之齊納二極體122耦接於該金氧半電晶體11之閘極。此時，利用該齊納二極體122之崩潰電壓Vz，將該金氧半電晶體11之閘極箝制在Vz準位。

請再參照第1圖所示，當利用該充電電流I_HV 進行充電該電容21至一預定電壓[例如：額定啟動電壓]時，該PWM控制電路23可驅動一外接功率電晶體[未標示]。同時，為了減少整體電力耗損，需要關閉該高壓啟動電路1之充電電流I_HV 。此時，利用該PWM控制電路23產生一控制訊號UVLO導通該電晶體13方式，將該金氧半電晶體11之閘極形成接地，以便關閉該金氧半電晶體11，並利用該電壓調整單元12之電阻121之大阻抗值降低該高壓啟動電路1之充電電流I_HV 之電流值，直至截止該充電電流I_HV 。此時，由該電源電路2之輔助繞阻電壓Vaux可用以供電。

第2圖揭示本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置及電源電路之示意圖。請參照第2圖所示，相對於第一較佳實施例，第二較佳實施例之該高壓啟動裝置包含一高壓啟動電路1’，其包含一金氧半電晶體11’、一電壓調整單元12’及一電晶體13，其餘部分則對應於第一較佳實施例，於此併入參考，不予一一詳細贅述。

請再參照第2圖所示，該金氧半電晶體11’選自一空乏型金氧半電晶體[Depletion-Mode MOSFET]，其為負臨界電壓[-Vth]電晶體。該電壓調整單元12’由一第一電阻12a及一第二電阻12b組成。該第一電阻12a串接於該金氧半電晶體11’之源極，而該第二電阻12b耦接於該金氧半電晶體11’之閘極。

第3圖揭示本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置採用空乏型金氧半電晶體之電壓與電流關係之曲線示意圖，但其並非用以限定本發明之範圍。請參照第2及3圖所示，當該金氧半電晶體[負臨界電壓(-Vth)電晶體]11’之閘集端電壓為零時，該金氧半電晶體11’為導通狀態。此時，該金氧半電晶體11’之電壓與電流關係曲線，如第3圖所示，其中電晶體電壓為Vds，電晶體電流為Id，電晶體閘集端電壓為Vgs。

請再參照第3圖所示，當Vds>[Vgs-(-Vth)]時，該金氧半電晶體11’工作在飽和區[saturation region]，且電晶體電流Id為穩定電流。當Vds<[Vgs-(-Vth)]時，該金氧半電晶體11’工作在三極體區[triode region]，電晶體電流Id隨著Vds產生變化。當Vds<-Vth時，該金氧半電晶體11’工作在截止區[cutoff region]，電晶體電流Id趨近於零。

第4圖揭示本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置在電源開啟瞬間形成啟動電流之路徑示意圖，其對應於第2圖。請參照第4圖所示，當啟動輸入電源Vin時，該電源電路2之輔助繞阻電壓Vaux及輸出電壓Vo均為零。當該電晶體13控制該金氧半電晶體11’之閘極導通時，一啟動電流[充電電流]I_ST 分流經該電源電路2之電阻22、該高壓啟動電路1’之金氧半電晶體11’及該二極體3，並進行充電該電容21，如第4圖之虛線箭頭所示。利用調整控制該金氧半電晶體11’、該電壓調整單元12’之第一電阻12a及該電源電路2之電阻22可調整控制該充電電流I_ST 。此時，該金氧半電晶體11’之Vgs等於該電壓調整單元12’之第一電阻12a之電壓差。當該第一電阻12a之電壓差大於該金氧半電晶體11’之負臨界電壓-Vth時，可將該啟動電流I_ST 調控形成一穩定電流。

第5圖揭示本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置在已穩定工作電壓時，截止啟動電流之路徑示意圖，其對應於第2圖。請參照第5圖所示，當利用該啟動電流I_ST 進行充電該電容21至一預定電壓[例如：額定啟動電壓]時，該PWM控制電路23可驅動一外接功率電晶體[未標示]。同時，為了減少整體電力耗損，需要關閉該高壓啟動電路1’之啟動電流I_ST 。此時，利用該PWM控制電路23產生一控制訊號UVLO導通該電晶體13方式，將該金氧半電晶體11’之閘極形成接地，以便關閉該金氧半電晶體11’，並利用該電壓調整單元12’之第一電阻12a及第二電阻12b將該金氧半電晶體11’之Vgs調整至負臨界電壓[-Vth]。此時，該金氧半電晶體11’進入至截止區，並利用該電源電路2之電阻22之電阻值R_HV 將該高壓啟動電路1’之截止電流I_OFF 形成最小電流值。

請再參照第1及2圖所示，相對於第一較佳實施例，第二較佳實施例配置該高壓啟動電路1’之第一電阻12a及第二電阻12b，其避免需要設置高阻抗及大面積的該電壓調整單元12之電阻121及齊納二極體122，因此第二較佳實施例可相對降低整體面積。

前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。

1．．．高壓啟動電路

1’．．．高壓啟動電路

11．．．金氧半電晶體

11’．．．金氧半電晶體

12．．．電壓調整單元

12’．．．電壓調整單元

121．．．電阻

122．．．齊納二極體

12a．．．第一電阻

12b．．．第二電阻

13．．．電晶體

2．．．電源電路

21．．．電容

22．．．電阻

23．．．PWM控制電路

3．．．二極體

第1圖：本發明第一較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置及電源電路之示意圖。

第2圖：本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置及電源電路之示意圖。

第3圖：本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置採用空乏型金氧半電晶體之電壓與電流關係之曲線示意圖。

第4圖：本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置在電源開啟瞬間形成啟動電流之路徑示意圖。

第5圖：本發明第二較佳實施例之切換式電源供應器之高壓啟動裝置在已穩定工作電壓時，截止啟動電流之路徑示意圖。

1’．．．高壓啟動電路

11’．．．金氧半電晶體

12’．．．電壓調整單元

12a．．．第一電阻

12b．．．第二電阻

13．．．電晶體

2．．．電源電路

21．．．電容

22．．．電阻

23．．．PWM控制電路

3．．．二極體

Claims (8)

1. 一種切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其包含：一高壓啟動電路，其連接一電源電路，且該電源電路包含一電容；該高壓啟動電路包含：一金氧半電晶體，其設置於該高壓啟動電路，將一電源電流輸入至該金氧半電晶體，且該金氧半電晶體具有一源極、一射極及一閘極，該金氧半電晶體及電源電路之間連接一二極體；一電壓調整單元，其設置於該高壓啟動電路，該電壓調整單元連接該金氧半電晶體，以便該電壓調整單元調整該金氧半電晶體之電壓；及一電晶體，其設置於該高壓啟動電路，該電晶體連接至該金氧半電晶體之閘極；其中當該金氧半電晶體之閘極形成導通時，一充電電流流經該金氧半電晶體及二極體，並進行充電該電容；當充電該電容至一預定電壓時，控制導通該電晶體，以便關閉該金氧半電晶體，並截止該充電電流。
2. 依申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其中該金氧半電晶體選自一增強型金氧半電晶體或一空乏型金氧半電晶體。
3. 依申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器之高壓啟 動裝置，其中該電壓調整單元由一電阻及一齊納二極體組成。
4. 依申請專利範圍第3項所述之切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其中該電壓調整單元之齊納二極體耦接於該金氧半電晶體之閘極。
5. 依申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其中該電壓調整單元由一第一電阻及一第二電阻組成。
6. 依申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其中該電壓調整單元之第一電阻串接於該金氧半電晶體之源極。
7. 依申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其中該電壓調整單元之第二電阻耦接於該金氧半電晶體之閘極。
8. 依申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器之高壓啟動裝置，其中該金氧半電晶體之源極及電源電路之間連接一二極體。