TWI460972B - 開關電源及其空載控制電路和空載檢測電路 - Google Patents

開關電源及其空載控制電路和空載檢測電路 Download PDF

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Yifang Xi
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Naixing Kuang
Yike Li
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Description

開關電源及其空載控制電路和空載檢測電路
本發明的實施例涉及一種開關電源，特別地，涉及一種開關電源及其空載控制電路和控制方法。
隨著能源效率和環保的日益重要，人們對開關電源待機效率的期望越來越高，客戶要求電源製造商提供的電源產品能滿足BLUE ANGEL、ENERGY STAR、ENERGY 2000等綠色能源標準。為了符合這些標準，很多新技術應運而生，例如脈衝跳躍模式(pulse skipping mode)、間歇模式(burst mode)及關斷時間調節(off time modulation)。這些新技術的主要思想是讓開關電源在輕載(負載電流很小)或空載(負載電流為零或大約為零，或負載從開關電源的輸出端斷開)時能夠以較低開關頻率操作。常用的空載檢測方法為將一感測電阻器串聯連接至負載，再將感測電阻器兩端的電壓與預設閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態。然而，感測電阻器阻值的選取是一個問題。若感測電阻器的阻值過大，在重載狀態下其功率損耗會過大，從而降低開關電源效率；若感測電阻器的阻值過小，在輕載狀態下感測電阻器兩端的電壓信號會過小，容易受干擾而無法準確地反映負載電流。
本發明的目的是提供一種開關電源及其空載控制電路和控制方法。
依據本發明實施例提出的一種用於開關電源的空載檢測電路，包括：可變電阻電路，串聯連接至負載；以及第一比較電路，電耦接至可變電阻電路的兩端，將可變電阻電路兩端的電壓與第一閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態；其中所述可變電阻電路在輕載狀態下的等效電阻值比在重載狀態下的等效電阻值大。依據本發明實施例提出的一種開關電源，包括：開關電路，提供電信號以驅動負載；以及如前所述的空載檢測電路，電耦接在開關電路和負載之間，判斷開關電源是否處於空載狀態並提供空載信號至開關電路。依據本發明實施例提出的一種用於開關電源的空載控制電路，該開關電源包括為負載提供電信號的開關電路，該空載控制電路包括：空載檢測電路，電耦接至負載，判斷開關電源是否進入空載狀態並產生空載信號；以及複載檢測電路，在空載檢測電路檢測到空載狀態後，向負載提供一電流，並將負載兩端的電壓與第三閾值進行比較，以檢測負載是否被接入並產生複載信號；其中所述開關電路在空載檢測電路檢測到空載狀態時被關閉，在複載檢測電路檢測到負載被接入時恢復正常工作。根據本發明的實施例，所述空載控制電路還包括計時電路，產生週期性的使能信號，使所述空載檢測電路每隔一段時間進行一次空載檢測。依據本發明實施例提出的一種開關電源，包括：開關電路，提供電信號以驅動負載；以及如上所述的空載控制電路，電耦接至開關電路和負載。依據本發明實施例提出的一種用於開關電源的空載控制方法，該開關電源包括為負載提供電信號的開關電路，該空載控制方法包括：將第一開關管串聯連接至負載；將第二開關管與第一開關管並聯；將第一開關管和第二開關管導通；將第一開關管的汲源極電壓與第二閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於輕載狀態，若處於輕載狀態，則關斷第二開關管；以及將第一開關管的汲源極電壓與第一閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態。依據本發明實施例提出的一種用於開關電源的負載檢測電路，包括：第一開關管，串聯連接至負載；第二開關管，與第一開關管並聯；第一比較電路電耦接至第一開關管，將第一開關管的汲源極電壓與第一閾值進行比較，以判斷負載電流是否小於第一電流閾值，在負載電流小 於所述第一電流閾值的情況下確定開關電源處於輕載狀態；以及第二比較電路，電耦接至第一開關管，將第一開關管的汲源極電壓與第二閾值進行比較，以判斷負載電流是否小於第二電流閾值，其中第二電流閾值大於第一電流閾值；其中在負載電流大於第二電流閾值時，第一開關管和第二開關管導通，在負載電流小於第二電流閾值時，第一開關管導通而第二開關管關斷。依據本發明實施例提出的一種用於開關電源的負載檢測電路，包括：第一開關管，串聯連接至負載，第一開關管的汲源極電壓被調節至參考值；第三開關管，其閘極和源極分別電連接至第一開關管的閘極和源極；第一電流源，電連接至第三開關管的漏極；以及第一比較電路，電耦接至第一開關管和第三開關管，將第一開關管的汲源極電壓與第三開關管的汲源極電壓進行比較，以判斷開關電源的負載狀態。
101、201、301、1531‧‧‧開關電路
102、202、302、502‧‧‧空載檢測電路
103、203、303、603、1533‧‧‧可變電阻電路
104、204、304、604‧‧‧第一比較電路
205、605‧‧‧第二比較電路
206‧‧‧第三比較電路
407‧‧‧空載控制電路
408‧‧‧控制電路
409‧‧‧信號隔離電路
510、1532‧‧‧複載檢測電路
511‧‧‧欠壓重啟電路
512‧‧‧計時電路
1113‧‧‧第四比較電路
1534‧‧‧第五比較電路
1535‧‧‧第六比較電路
1536‧‧‧第七比較電路
AMP1、AMP2‧‧‧運算放大器
AND1、OR1‧‧‧閘
C1‧‧‧電容器
Cout1、Cout2‧‧‧輸出電容器
COM‧‧‧比較器
D1、D2‧‧‧二極體
DRAIN、GND、ISOURCE、LINF、SOURCE、TIMER、VCC、VSENSE‧‧‧連接端
EN‧‧‧使能信號
FF1、FF2、FF3‧‧‧RS觸發器
I1、I2、I3‧‧‧電流源
Iload‧‧‧複載電流
LL‧‧‧輕載信號
NL‧‧‧空載信號
NOT1‧‧‧反閘
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、S1、S2、S3、S4‧‧‧開關管
RELOAD‧‧‧重新載入
RST‧‧‧重啟信號
T1‧‧‧變壓器
t、t1‧‧‧時刻
Vin‧‧‧輸入電壓
Vcc‧‧‧接收電源電壓
Vds1、Vds3、Vds4‧‧‧汲源極電壓
Vgs1、Vgs2‧‧‧信號
Vref‧‧‧參考值
Vth1‧‧‧第一閾值
Vth2、Vth5‧‧‧同相輸入端接收閾值
Vth3、Vth6‧‧‧反相輸入端接收閾值
Vth4、Vth7、Vth8、Vth9‧‧‧閾值
第1圖為根據本發明一實施例的開關電源的框圖；第2圖為根據本發明一實施例的開關電源的電路圖；第3圖為根據本發明另一實施例的開關電源的電路圖；第4圖為根據本發明一實施例的開關電源的電路圖；第5圖為第4圖所示空載控制電路的框圖；第6圖為根據本發明一實施例的第5圖所示空載檢測電路的電路圖；第7圖為根據本發明一實施例的第6圖所示空載檢測電路502的工作流程圖。
第8圖為根據本發明一實施例的第6圖所示空載檢測電路502在正常工作狀態下的波形圖；第9圖為根據本發明一實施例的第6圖所示空載檢測電路502在輕載狀態下的波形圖；第10圖為根據本發明一實施例的第6圖所示空載檢測電路502在空載狀態下的波形圖； 第11圖為根據本發明一實施例的第5圖所示複載檢測電路的電路圖；第12圖為根據本發明一實施例的第5圖所示欠壓重啟電路的電路圖；第13圖為根據本發明一實施例的第5圖所示計時電路的電路圖；第14圖為根據本發明一實施例的開關控制方法的流程圖；第15圖為根據本發明一實施例的開關電源的電路圖。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裏描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。第1圖為根據本發明一實施例的開關電源的框圖，包括開關電路101以及空載檢測電路102。開關電路101接收輸入電壓Vin，並提供電信號以驅動負載。空載檢測電路102電耦接在開關電路101和負載之間，判斷開關電源是否處於空載狀態並提供空載信號NL至開關電路101。開關電路101可為任何直流/直流變換電路、交流/直流變換電路、交流/交流變換電路或交流/直流變換電路，可採用例如半橋、全橋、LLC、反激等拓撲結構。空載檢測電路102包括可變電阻電路103和第一比較電路104。可變電阻電路103串聯連接至負載，該可變電阻電路103在輕載狀態下的等效電阻值比在重載狀態下的等效電阻值大。可變電阻電路103可通過MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)、BJT(雙結型電晶體)等可控半導體裝置來實現。第一比較電路104電耦接至可變電阻電路103，將可變電阻電路103兩端的電壓與第一閾值Vth1進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態，並產生空載信號NL。在一個實施例中，當可變電阻電路103兩端的電壓小於第一閾值Vth1時，判斷為開關電源處於空載狀態。在一個實施例中，當空載檢測電路102檢測到空載狀態時，開關電路101採取脈衝跳躍模式、或間歇模式、或關斷時間調節，以降低開關損耗。在一個實施例中，當空載檢測電路102檢測到空載狀態時，開關電路101被關閉，直至空載狀態消失。在一個實施例中，當空載 檢測電路102檢測到空載狀態時，開關電路101被關閉一預設時長，然後恢復正常工作。由於可變電阻電路103在重載狀態下的等效電阻值小，而在輕載狀態下的等效電阻值大，從而兼顧了重載狀態下的工作效率與輕載狀態下的檢測準確性。第2圖為根據本發明一實施例的開關電源的電路圖，包括開關電路201和空載檢測電路202。空載檢測電路202包括可變電阻電路203和第一比較電路204。可變電阻電路203包括開關管Q1和Q2。開關管Q1串聯連接至負載。開關管Q2與開關管Q1並聯。在重載狀態下，開關管Q1和Q2均導通；在輕載狀態下，開關管Q1導通而開關管Q2關斷。
第一比較電路204電耦接至開關管Q1，將開關管Q1的汲源極電壓Vds1與閾值Vth1進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態，並產生空載信號NL。在一個實施例中，開關管Q1和Q2為NMOS(n型MOSFET)，開關管Q2的導通電阻值小於開關管Q1的導通電阻值。在一個實施例中，開關管Q1的導通電阻值為開關管Q2導通電阻值的十倍以上。在一個實施例中，開關管Q1的導通電阻值為50mΩ，開關管Q2的導通電阻值為5mΩ，閾值Vth1為50uV。在一個實施例中，可變電阻電路203還包括第二比較電路205。第二比較電路205電耦接至開關管Q1，將電壓Vds1與閾值Vth2(例如5mV)進行比較，以判斷開關電源是否處於輕載狀態。在一個實施例中，當電壓Vds1小於閾值Vth2時，判斷為開關電源處於輕載狀態。在一個實施例中，第一比較電路204包括比較器COM1，第二比較電路205包括比較器COM2。可變電阻電路203還包括RS觸發器FF1。比較器COM1的同相輸入端接收閾值Vth1，反相輸入端電耦接至開關管Q1以接收電壓Vds1，輸出端電耦接至開關電路201以提供空載信號NL。比較器COM2的同相輸入端接收閾值Vth2，反相輸入端電耦接至開關管Q1以接收電壓Vds1。觸發器FF1的復位端電耦接至比較器COM2的輸出端，同相輸出端電耦接至開關管Q2的閘極。在一個實施例中，可變電阻電路203還包括第三比較電路206，將電壓Vds1與閾值Vth3進行比較，以判斷開關電源是否由輕載狀態恢復至重載狀態。在一個實施例中，第三比較電路206包括比較器COM3。比較器COM3的同相輸入端電耦接至開關管Q1以接收電壓Vds1，反相輸入端接收 閾值Vth3，輸出端電耦接至觸發器FF1的置位端。初始狀態下，開關管Q1和Q2均導通，可變電阻電路203的等效電阻值為開關管Q1和Q2導通電阻值的並聯值。當負載處於輕載狀態，使電壓Vds1小於閾值Vth2時，比較器COM2輸出高電平，觸發器FF1被重設，開關管Q2被關斷。此時可變電阻電路203的等效電阻值為開關管Q1的導通電阻值。當比較器COM1檢測到電壓Vds1小於閾值Vth1時，判斷為負載處於空載狀態，空載信號NL為高電平。由於可變電阻電路103在輕載狀態下的等效電阻值為開關管Q1的導通電阻值，而在重載狀態下的等效電阻值為開關管Q1和Q2導通電阻值的並聯值，其在重載狀態下的等效電阻值小，而在輕載狀態下的等效電阻值大，從而兼顧了重載狀態下的工作效率與輕載狀態下的檢測準確性。
開關管Q1和Q2也可為PMOS(p型MOSFET)。在一個實施例中，開關管Q1和Q2分別由多個開關管並聯組成。在一個實施例中，開關管Q2的導通電阻值小於開關管Q1的導通電阻值，在輕載狀態下導通開關管Q1關斷開關管Q2，而在重載狀態下導通開關管Q2關斷開關管Q1。在一個實施例中，可變電阻電路103還可包括更多開關管，例如Q3、Q4等等。根據負載電流的大小劃分多個負載狀態，通過在不同負載狀態下導通不同的開關管或開關管組合，以實現負載越輕，可變電阻電路103的等效電阻值越大，負載越重，可變電阻電路103的等效電阻值越小。第3圖為根據本發明另一實施例的開關電源的電路圖，包括開關電路301和空載檢測電路302。空載檢測電路302包括可變電阻電路303、第一比較電路304、開關管Q3和電流源I1。可變電阻電路303包括串聯連接至負載的開關管Q1，開關管Q1的汲源極電壓Vds1被調節至參考值Vref，例如50mV。開關管Q3的閘極和源極分別電連接至開關管Q1的閘極和源極。電流源I1電連接至開關管Q3的漏極，為其提供一個電流值為I1的電流。第一比較電路304電耦接至開關管Q1和Q3，將開關管Q1的汲源極電壓Vds1與被用作閾值Vth1的開關管Q3汲源極電壓Vds3進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態並產生空載信號NL。在一個實施例中，開關管Q1和Q3為NMOS，可變電阻電路303還包括運算放大器AMP1，第一比較電路304包括比較器COM1。
運算放大器AMP1的同相輸入端接收電壓Vds1，反相輸入端接收參考值Vref，輸出端電耦接至開關管Q1和Q3的閘極。比較器COM1的同相輸入端電耦接至開關管Q3的漏極，反相輸入端電耦接至開關管Q1的漏極，輸出端電耦接至開關電路301以提供空載信號NL。開關管Q1的汲源極電壓Vds1被運算放大器AMP1調節至參考值Vref。當負載電流Iload增大，使電壓Vds1增大至大於參考值Vref，運算放大器AMP1使開關管Q1和Q3的柵源極電壓增大，從而減小開關管Q1和Q3的導通電阻，降低電壓Vds1。負載電流Iload越大，開關管Q1的導通電阻值越小，反之亦然。由於開關管Q1和Q3的閘極、源極均連接在一起，開關管Q1和Q3構成電流鏡，假設開關管Q1和Q3寬長比的比值為n。在一個實施例中，開關管Q1的寬長比為開關管Q3寬長比的1000倍，即n=1000。當流過開關管Q1的電流(即負載電流Iload)為流過開關管Q3電流(即I1)的n倍時，開關管Q1的柵源極電壓Vds1等於開關管Q3柵源極電壓Vds3。當負載電流Iload小於n*I1時，電壓Vds1小於電壓Vds3，比較器COM1檢測到空載狀態，空載信號NL為高電平。由於可變電阻電路303的等效電阻值，即開關管Q1的導通電阻值，隨負載電流增大而減小，且開關管Q1的汲源極電壓Vds1被調節至參考值Vref，從而兼顧了重載狀態下的工作效率與輕載狀態下的檢測準確性。第4圖為根據本發明一實施例的開關電源的電路圖，包括開關電路401、空載控制電路407和信號隔離電路409。開關電路401採用反激拓撲結構，包括開關管S1、控制電路408、變壓器T1、二極體D1、D2、以及輸出電容器Cout1、Cout2。變壓器T1具有初級繞組、次級繞組和第三繞組。變壓器T1初級繞組的一端接收輸入電壓Vin，開關管S1電耦接在變壓器T1初級繞組的另一端和初級地之間。二極體D1的陽極電耦接至變壓器T1次級繞組的一端，二極體D1的陰極電耦接至輸出電容器Cout1的一端。輸出電容器Cout1的另一端電耦接至變壓器T1次級繞組的另一端和次級地。二極體D2的陽極電耦接至變壓器T1第三繞組的一端，二極體D2的陰極電耦接至輸出電容器Cout2的一端。輸出電容器Cout2的另一端電耦接至變壓器T1第三繞組的另一端和次級地。控制電路408電耦接至開關管S1的門極，以控制開關 管S1的導通與關斷。空載控制電路407電耦接在變壓器T1的次級繞組和負載之間，檢測開關電源是否進入空載狀態，例如負載是否從開關電源的輸出端斷開，以及負載是否重新接入，並產生反映負載狀態的信號LINF。
信號隔離電路409電耦接在空載控制電路407和控制電路408之間，將信號LINF傳遞至控制電路408。控制電路408在空載控制電路407檢測到開關電源進入空載狀態時將開關電路401關閉，在空載控制電路407檢測到負載被重新接入時使開關電路401恢復正常工作。在一個實施例中，關閉開關電路401包括將開關電路401中的開關管均關斷。在另一個實施例中，關閉開關電路401還包括停止向控制電路408提供電能。在一個實施例中，第4圖所示開關電源被用作電源適配器，為筆記本電腦供電。若電源適配器與筆記本電腦的連接斷開，電源適配器被關閉；若電源適配器被再次連接至筆記本電腦，電源適配器恢復正常工作。空載控制電路407包括多個連接端：SOURCE、VCC、GND、TIMER、LINF、VSENSE、ISOURCE和DRAIN，其連接方式如第4圖所示。電容器C1電耦接在TIMER端和GND端之間。在一個實施例中，空載控制電路407為積體電路IC，以上連接端均為積體電路接腳。第5圖為第4圖所示空載控制電路407的框圖，包括空載檢測電路502、複載(reload：重新載入)檢測電路510以及觸發器FF2。
空載檢測電路502通過DRAIN端和SOURCE端電耦接在開關電路401和負載之間，檢測開關管電源是否進入空載狀態。空載檢測電路502可採用現有的電阻採樣電路，也可採用如第1~3圖所示實施例中的空載檢測電路。
第2圖所示實施例中的閾值Vth1太小，不容易實現且易受干擾，而第3圖所示實施例中Q1的導通電阻值可變範圍有限。在一個實施例中，將第2圖與第3圖所示的空載檢測電路結合在一起，以克服上述障礙。複載檢測電路510在空載檢測電路509檢測到空載狀態後，通過ISOURCE端向負載提供一電流I2，例如1uA。複載檢測電路510通過VSOURCE和DRAIN端接收負載兩端的電壓，將其與閾值Vth4，例如1V，進行比較，以檢測負載是否被重新接入，並產生複載信號RELOAD。觸發器FF2的置位端電耦接至空載檢測電路502以接收空載信號NL，重定端電耦接至複載檢測電路510 以接收復載信號RELOAD，同相輸出端提供信號LINF。在一個實施例中，空載控制電路407還包括欠壓重啟電路511和或閘OR1。欠壓重啟電路511通過VCC端電耦接至二極體D2的陰極以接收電源電壓Vcc，並將電源電壓Vcc與閾值Vth5進行比較，並產生重啟信號RST。或閘OR1的一個輸入端電耦接至複載檢測電路510以接收複載信號RELOAD，另一個輸入端電耦接至欠壓重啟電路511以接收重啟信號RST，輸出端電耦接至觸發器FF2的復位端。當電源電壓Vcc降低至小於閾值Vth5時，欠壓重啟電路511通過或閘OR1和觸發器FF2使開關電路401恢復正常工作。在一個實施例中，空載控制電路407還包括計時電路512。計時電路512為空載檢測電路502提供週期性的使能信號EN，使空載檢測電路502每隔一段時間，例如1S，進行一次空載檢測，以降低功率損耗。第6圖為根據本發明一實施例的第5圖所示空載檢測電路502的電路圖，包括可變電阻電路603、第一比較電路604、開關管Q3和電流源I1。可變電阻電路603包括開關管Q1和Q2。開關管Q1通過DRAIN端和SOURCE端串聯連接至負載。開關管Q2與開關管Q1並聯。在一個實施例中，開關管Q2的導通電阻值小於開關管Q1的導通電阻值，開關管Q1的導通電阻值為開關管Q2導通電阻值的十倍以上。開關管Q3的閘極和源極分別電連接至開關管Q1的閘極和源極，開關管Q1和Q3構成電流鏡。電流源I1電連接至開關管Q3的漏極，為其提供一個電流值為I1的電流。在重載狀態下，開關管Q1和Q2均導通；在輕載狀態下，開關管Q2被關斷，開關管Q1的汲源極電壓Vds1被調節至參考值Vref。第一比較電路604電耦接至開關管Q1，將電壓Vds1與被用作閾值Vth1的開關管Q3汲源極電壓Vds3進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態並產生空載信號NL。在一個實施例中，其中若電壓Vds1小於(或小於等於)電壓Vds3，則判斷開關電源處於空載狀態，並關斷開關管Q1、Q2和Q3。
若電壓Vds1在被調節至參考值Vref後，仍大於電壓Vds3，則判斷開關電源未處於空載狀態，並導通開關管Q1和Q2。在一個實施例中，開關管Q1、Q2和Q3為NMOS，開關管Q1的漏極通過DRAIN端電耦接至負載，開關管Q1的源極通過SOURCE端電連接至次級地。可變電阻電路603還包括運 算放大器AMP1、第二比較電路605、比較器COM4、RS觸發器FF1、反閘NOT1、及閘AND1以及開關管S2。第一比較電路604包括比較器COM1，第二比較電路605包括比較器COM2。比較器COM1的同相輸入端電耦接至開關管Q3的漏極，反相輸入端電耦接至開關管Q1的漏極，輸出端提供空載信號NL。運算放大器AMP1的同相輸入端接收電壓Vds1，反相輸入端接收參考值Vref，輸出端通過開關管S2電耦接至開關管Q1和Q3的閘極。比較器COM2的同相輸入端接收閾值Vth2，反相輸入端接收電壓Vds1。比較器COM4的同相輸入端接收電壓Vds1，反相輸入端接收參考值Vref。及閘AND1的一個輸入端通過反閘NOT1電耦接至比較器COM1的輸出端，另一個輸入端電耦接至比較器COM4的輸出端。觸發器FF1的復位端電耦接至比較器COM2的輸出端，置位端電耦接至及閘AND1的輸出端，同相輸出端電耦接至開關管Q2的閘極，反相輸出端電耦接至開關管S2的門極。第7圖為根據本發明一實施例的第6圖所示空載檢測電路502的工作流程圖，包括步驟7001~7006。在步驟7001，開關管Q1和Q2被導通。此時可變電阻電路203的等效電阻值為開關管Q1和Q2導通電阻值的並聯值。在步驟7002，判斷是否到達使能信號EN的時間週期。若是，則至步驟7003；若否，則繼續等待。在步驟7003，判斷開關管Q1的汲源極電壓Vds1是否小於(或小於等於)閾值Vth2。若是，則判斷為負載處於輕載狀態，至步驟7004；若否，則本次檢測結束，回到步驟7001；在步驟7004，開關管Q2被關斷，開關管Q1的汲源極電壓Vds1被調節至參考值Vref。在步驟7005，在調節電壓Vds1的過程中判斷開關管Q1的汲源極電壓Vds1是否小於(或小於等於)開關管Q3的汲源極電壓Vds3。若是，則判斷為負載處於空載狀態，至步驟7006；若否，則本次檢測結束，返回步驟7001。由於可變電阻電路603在重載狀態下的等效電阻值為開關管Q1和Q2導通電阻值的並聯值，而在輕載狀態下的等效電阻值為開關管Q1的導通電阻值，且此時該導通電阻值隨負載減小而增大，從而兼顧了重載狀態下的工作效率與輕載狀態下的檢測準確性。第8~10圖分別為根據本發明一實施例的第6圖所示空載檢測電路502在正常工作狀態下、輕載狀態下和空載狀態下的 波形圖，其中信號Vgs1和Vgs2分別為開關管Q1和Q2的柵源極電壓。在0<t<t1時刻，使能週期未到，開關管Q1和Q2導通，空載檢測電路502不進行檢測工作。在t=t1時刻，使能週期到，空載檢測電路502開始檢測開關電源是否處於空載狀態。在第11圖為根據本發明一實施例的第5圖所示複載檢測電路510的電路圖，包括電流源I2、開關管S3以及第四比較電路1113。電流源I2的一端接收電源電壓Vcc，開關管S3電耦接在電流源I2的另一端和負載之間。開關管S3受信號LINF控制。電流源I2在空載檢測電路檢測到空載狀態時被電耦接至負載，為負載提供電流I2。第四比較電路1113電耦接至負載兩端，將負載的端電壓與閾值Vth4進行比較，以判斷負載是否被重新接入並產生負載信號LOAD。在一個實施例中，第四比較電路1113包括運算放大器AMP2和比較器COM5。運算放大器AMP2的同相輸入端電耦接至負載的一端，反相輸入端電耦接至負載的另一端。比較器COM5的同相輸入端接收閾值Vth4，反相輸入端電耦接至運算放大器AMP2的輸出端，輸出端提供複載信號RELOAD。當運算放大器AMP2的輸出電壓小於閾值Vth4時，判斷為負載被重新接入，複載信號RELOAD為高電平。
第12圖為根據本發明一實施例的第5圖所示欠壓重啟電路511的電路圖，包括比較器COM6。比較器COM6的同相輸入端接收閾值Vth5，反相輸入端通過VCC端接收電源電壓Vcc，輸出端提供重啟信號RST。當電源電壓Vcc小於閾值Vth5時，重啟信號RST為高電平。第13圖為根據本發明一實施例的第5圖所示計時電路512的電路圖，包括電流源I3、比較器COM7以及開關管S4。電流源I3的一端接收電源電壓Vcc，另一端通過TIMER端電耦接至電容器C1。開關管S4通過TIMER端與電容器C1並聯。比較器COM7的同相輸入端通過TIMER端電耦接至電容器C1，反相輸入端接收閾值Vth6，輸出端電耦接至開關管S4的門極，並為空載檢測電路502提供週期性使能信號EN。第14圖為根據本發明一實施例的用於開關電源的空載控制方法的流程圖，該開關電源包括為負載提供電信號的開關電路，包括步驟1401~1406。在步驟1401，將第一開關管串聯連接至負載。在步驟1402，將第二開關管與第一開關管並聯。在步驟1403，將第一開關管和第 二開關管導通。在步驟1404，將第一開關管的汲源極電壓與第二閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於輕載狀態。若是，則至步驟1405，否則重複步驟1404。在步驟1405，關斷第二開關管。在步驟1406，將第一開關管的汲源極電壓與第一閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於空載狀態，例如判斷負載是否從開關電源的輸出端斷開。在一個實施例中，該空載控制方法還包括：將第三開關管的閘極和源極分別電連接至第一開關管的閘極和源極；向第三開關管的漏極提供一電流；在第二開關管被關斷後，將第一開關管的汲源極電壓調節至參考值；以及將第一開關管的汲源極電壓與被用作第一閾值的第三開關管汲源極電壓進行比較，若第一開關管的汲源極電壓小於或等於第三開關管的汲源極電壓，則判斷開關電源處於空載狀態。在一個實施例中，該空載控制方法還包括：若第一開關管的汲源極電壓在被調節至參考值後，仍大於第三開關管的汲源極電壓，則導通第一和第二開關管。在一個實施例中，該空載控制方法還包括：在檢測到空載狀態後，將開關電路關閉，並向負載提供一電流；將負載兩端的電壓與第三閾值進行比較，以檢測負載是否被重新接入；以及若檢測到負載被重新接入，使開關電路恢復正常工作。前述的空載檢測電路及方法還可用作檢測其他負載狀態，例如輕載。第15圖為根據本發明一實施例的開關電源的電路圖，與第2圖所示開關電源類似，包括開關電路1531和複載檢測電路1532。複載檢測電路1532包括可變電阻電路1533和第五比較電路1534，第五比較電路1534檢測負載電流是否小於第一電流閾值(即開關電源是否處於輕載狀態)。可變電阻電路1533串聯連接至負載，其在負載電流較大時等效電阻值較小，而在負載電流較小時等效電阻值較大。可變電阻電路1533包括開關管Q4和Q5。開關管Q4串聯連接至負載。開關管Q5與開關管Q4並聯。在負載電流大於(或大於等於)第二電流閾值時，開關管Q1和Q2均導通；在負載電流小於(或小於等於)第二電流閾值時，開關管Q1導通而開關管Q2關斷，其中第二電流閾值大於第一電流閾值。第五比較電路1534電耦接至開關管Q4，將開關管Q4的汲源極電壓Vds4與閾值Vth7進行比較，以判斷負載電流是否小於第一電流閾值，並產生輕載信號 LL。在一個實施例中，開關管Q4和Q5為NMOS(n型MOSFET)，開關管Q5的導通電阻值小於開關管Q4的導通電阻值。在一個實施例中，可變電阻電路1533還包括第六比較電路1535。第五比較電路1535電耦接至開關管Q4，將電壓Vds4與閾值Vth8進行比較，以判斷負載電流是否小於第二電流閾值。在一個實施例中，當電壓Vds4小於閾值Vth8時，判斷為負載電流小於第二電流閾值。在一個實施例中，第五比較電路1534包括比較器COM8，第六比較電路1535包括比較器COM9。可變電阻電路1533還包括RS觸發器FF3。比較器COM8的同相輸入端接收閾值Vth7，反相輸入端電耦接至開關管Q4以接收電壓Vds4，輸出端電耦接至開關電路1531以提供輕載信號LL。比較器COM9的同相輸入端接收閾值Vth8，反相輸入端電耦接至開關管Q4以接收電壓Vds4。觸發器FF3的復位端電耦接至比較器COM9的輸出端，同相輸出端電耦接至開關管Q5的閘極。在一個實施例中，可變電阻電路1533還包括第七比較電路1536，將電壓Vds4與閾值Vth9進行比較，以判斷負載電流是否由小於第二電流閾值變化為大於第二電流閾值。在一個實施例中，第七比較電路1536包括比較器COM10。比較器COM10的同相輸入端電耦接至開關管Q4以接收電壓Vds4，反相輸入端接收閾值Vth9，輸出端電耦接至觸發器FF3的置位端。初始狀態下，開關管Q4和Q5均導通，可變電阻電路1533的等效電阻值為開關管Q4和Q5導通電阻值的並聯值。當負載電流小於第二電流閾值，使電壓Vds4小於閾值Vth8時，比較器COM9輸出高電平，觸發器FF3被重設，開關管Q5被關斷。
此時可變電阻電路1533的等效電阻值為開關管Q4的導通電阻值。當比較器COM8檢測到電壓Vds4小於閾值Vth7時，判斷為負載電流小於第一電流閾值，即開關電源處於輕載狀態，輕載信號LL為高電平。開關管Q4和Q5也可為PMOS(p型MOSFET)。在一個實施例中，開關管Q4和Q5分別由多個開關管並聯組成。在一個實施例中，開關管Q5的導通電阻值小於開關管Q4的導通電阻值，當負載電流小於第二電流閾值時導通開關管Q4關斷開關管Q5，而當負載電流大於第二電流閾值時導通開關管Q5關斷開關管Q4。在一個實施例中，可變電阻電路1533還可包括更多開關管。根 據負載電流的大小劃分多個負載狀態，通過在不同負載狀態下導通不同的開關管或開關管組合，以實現負載越輕，可變電阻電路1533的等效電阻值越大，負載越重，可變電阻電路1533的等效電阻值越小。類似地，第3圖和第6圖所示的空載檢測電路也可用作輕載狀態檢測，只是其中部分參考值和閾值需要做適應性調整。雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
101‧‧‧開關電路
102‧‧‧空載檢測電路
103‧‧‧可變電阻電路
104‧‧‧第一比較電路
Iload‧‧‧複載電流
NL‧‧‧空載信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vth1‧‧‧第一閾值

Claims (9)

  1. 一種用於開關電源的空載檢測電路，包括：一可變電阻電路，串聯連接至負載；以及一第一比較電路，電耦接至該可變電阻電路的兩端，將該可變電阻電路兩端的電壓與一第一閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於一空載狀態；其中該可變電阻電路在一輕載狀態下的等效電阻值比在一重載狀態下的等效電阻值大，其中該可變電阻電路包括：一第一開關管，串聯連接至負載；以及一第二開關管，與該第一開關管並聯；其中在該重載狀態下，該第一開關管和該第二開關管導通，在該輕載狀態下，該第一開關管導通而該第二開關管關斷；該第一比較電路電耦接至該第一開關管，將該第一開關管的汲源極電壓與該第一閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於該空載狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的空載檢測電路，還包括一第二比較電路，電耦接至該第一開關管，將該第一開關管的汲源極電壓與一第二閾值進行比較，以判斷開關電源是否處於該輕載狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的空載檢測電路，還包括：一第三開關管，其閘極和源極分別電連接至該第一開關管的閘極和源極；以及一第一電流源，電連接至該第三開關管的漏極；其中該第一開關管的汲源極電壓在該第二開關管關斷後被調節至一參考值，該第一比較電路將該第一開關管的汲源極電壓與被用作該第一閾值的該第三開關管的汲源極電壓進行比較，若該第一開關管的汲源極電壓小於或等於該第三開關管的汲源極電壓，則判斷開關電源處於該空載狀態。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的空載檢測電路，其中若該第一開關管的汲源極電壓在被調節至該參考值後，仍大於該第三開關管的汲源極電壓，則導通該第一開關管和該第二開關管。
  5. 一種開關電源，包括：一開關電路，提供一電信號以驅動負載；以及如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的空載檢測電路，電耦接在該開關電路和負載之間，判斷開關電源是否處於該空載狀態並提供一空載信號至該開關電路。
  6. 一種用於一開關電源的空載控制電路，該開關電源包括為負載提供一電信號的一開關電路，該空載控制電路包括：如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的空載檢測電路，電耦接至負載，判斷該開關電源是否進入該空載狀態並產生一空載信號；以及一複載檢測電路，在該空載檢測電路檢測到該空載狀態後，向負載提供一電流，並將負載兩端的電壓與一第三閾值進行比較，以檢測負載是否被接入並產生一複載信號；其中該開關電路在該空載檢測電路檢測到該空載狀態時被關閉，在該複載檢測電路檢測到負載被接入時恢復正常工作。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的空載控制電路，其中該複載檢測電路包括：一第二電流源，電耦接至該空載檢測電路，在該空載檢測電路檢測到該空載狀態時被電耦接至負載的一端；以及一第三比較電路，電耦接至負載兩端，將負載的端電壓與該第三閾值進行比較，以判斷負載是否被接入並產生該複載信號。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的空載控制電路，還包括：一欠壓鎖定電路，將電源電壓與一第四閾值進行比較，產生一重啟信號；一或閘，電耦接至該複載檢測電路和該欠壓鎖定電路，以接收該複載信號和該重啟信號；以及一觸發器，其置位端電耦接至該空載檢測電路以接受該空載信號，重定端電耦接至該或閘的輸出端，輸出端電耦接至該開關電路。
  9. 一種開關電源，包括：一開關電路，提供一電信號以驅動負載；以及如申請專利範圍第6項所述的空載控制電路，電耦接至該開關電路和負載。
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