TWI492017B

TWI492017B - 喚醒電路、整合式功率二極體及使用其之電源供應器

Info

Publication number: TWI492017B
Application number: TW102123097A
Authority: TW
Inventors: Min Chu Chien; Fu Yuan Chen
Original assignee: Noveltek Semiconductor Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2015-07-11
Also published as: TW201500878A

Description

喚醒電路、整合式功率二極體及使用其之電源供應器

本發明係關於一種電源供應器的省電之應用技術，更進一步來說，本發明係關於一種喚醒電路、整合式功率二極體及使用其之電源供應器。

隨著科技的發展，電子產品在我們日常生活中佔有極重要的地位，而這些電子產品所仰賴的動力來源，仍然是以直流電源為主。交換式電源供應器具有重量輕、體積小及效率高等特點，而被廣泛的應用於通訊、控制等電子系統以及各種家用電器。然能源問題日益嚴重，各國皆開始對電源供應器的運行功率消耗做出更高的要求。例如歐盟制訂極輕載時的輸入功率消耗必須低於500毫瓦。另外，歐盟委員會的整合性產品策略(IPP)計畫提出希望手機製造商能將空載待機功耗控制在30毫瓦以下。

大部分的電源控制積體電路廠商都知道許多降低空載及輕載時輸入功耗的方法，比如，降低開關的頻率、使用跳頻(cycle skipping)或使用叢式降頻(burst mode)，但是對於回授電路及電源控制積體電路本身的功耗並無很大的進展。通常他們都受限於積體電路的敏感度及最低操作電流，例如，5瓦充電器的空載待機功耗很難做到低於100毫瓦，更遑論低於30毫瓦。其困難點如下：

1、大部分電源控制積體電路的供應電流約≧1毫安培，所以，電源控制積體電路本身就至少耗損30~50毫瓦。

2、光耦合器需耗損15毫瓦以上。

3、回授回路可能約需耗損20~30毫瓦，否則電源控制積體電路將無法正確偵測輸出端的實際狀況。

4、一次側回授的假負載可能耗損10毫瓦以上。

本發明的一目的在於提供一種喚醒電路、整合式功率二極體及使用其之電源供應電路，藉此，無須使用光耦合器以及先前技術的回授電路，藉此減低待機功率消耗。

有鑒於此，本發明提供一種電源供應器，此電源供應器包括變壓器、一次側控制器、整流二極體以及喚醒電路。變壓器包括一次側繞組、二次側繞組以及輔助繞組。一次側控制器的一切換控制端透過一功率開關耦接該一次側繞組，一次側控制器的一回授端耦接該輔助繞組。整流二極體第一端耦接該二次側繞組，整流二極體的第二端輸出一輸出電壓。喚醒電路的第一端耦接整流二極體的第一端，喚醒電路的第二端耦接整流二極體的第二端。當輸出電壓與整流二極體的第一端的電壓之一電壓差大於一第一門檻電壓，且維持一預設時間，喚醒電路啟動。當喚醒電路啟動後，且電壓差小於一第二門檻電壓，喚醒電路的第一端輸出一喚醒脈衝，透過二次側繞組與該輔助繞組的互感，傳遞給一次側控制器。

本發明另外提供一種喚醒電路，此喚醒電路用以將一次側控制器由待機狀態喚醒為正常操作狀態，其中，一次側控制器的一回授端耦接一輔助繞組，一次側控制器的一切換控制端透過一功率開關耦接一次側繞組，其中，二極體耦接於二次側繞組與一輸出電壓端之間。此喚醒電路的特徵在於此喚醒電路僅包括一第一端以及一第二端，其中，此喚醒電路的第一端耦接整流二極體的第一端，此喚醒電路的第二端耦接整流二極體的第二端。當輸出電壓端的輸出電壓與整流二極體的第一端的電壓之一電壓差大於一第一門檻電壓，且維持一預設時間，喚醒電路啟動，其中，喚醒電路啟動後，且電壓差小於一第二門檻電壓，喚醒電路的第一端輸出一喚醒脈衝，透過二次側繞組與該輔助繞組的互感，傳遞給一次側控制器。

本發明另外提供一種整合式功率二極體，此整合式功率二極體。用以將一次側控制器由待機狀態喚醒為正常操作狀態，其中，一次側控制器的一回授端耦接一輔助繞組，一次側控制器的一切換控制端透過一功率開關耦接一次側繞組，其中，整合式功率二極體耦接於二次側繞組與一輸出電壓端之間，此整合式功率二極體的特徵在於此整合式功率二極體的第一端以及第二端之間包括喚醒電路，其中，此喚醒電路的第一端耦接整合式功率二極體的第一端，此喚醒電路的第二端耦接此整合式功率二極體的第二端。當輸出電壓端的輸出電壓與整流二極體的第一端的電壓之一電壓差大於一第一門檻電壓，且維持一預設時間，此喚醒電路啟動。當喚醒電路啟動後，且電壓差小於一第二門檻電壓，喚醒電路的第一端輸出一喚醒脈衝，透過二次側繞組與輔助繞組的互感，傳遞給一次側控制器。

本發明之精神在於利用僅有兩個接腳的喚醒電路，耦接在二次側繞組的整流二極體的兩端，檢測二次側的整流二極體之兩端的電壓，判定是否電源供應器的輕載轉重載。再者，由於本發明的喚醒電路只需要兩個接腳，並耦接在二次側的整流二極體之兩端，因此，本發明的喚醒電路可與上述整流二極體整合在同一積體電路中。另外，利用本發明的喚醒電路，可以節省先前技術所需的光耦合器以及回授電路。除了減低成本外，還減少了上述光耦合器以及回授電路的待機功率消耗。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

101‧‧‧變壓器

102‧‧‧一次側控制器

301‧‧‧低壓鎖定電路

302‧‧‧參考電壓產生電路

303‧‧‧電壓比較電路

304‧‧‧計時電路

305‧‧‧開關電路

306‧‧‧阻抗電路

401‧‧‧整合式功率二極體

C_VCC 、C_O ‧‧‧整流電容

D01‧‧‧二次側的整流二極體

D02‧‧‧二極體

L_P ‧‧‧一次側繞組

L_S ‧‧‧二次側繞組

L_AUX ‧‧‧輔助繞組

M1‧‧‧功率開關

R_HV ‧‧‧高壓啟動電阻

R_CS ‧‧‧電流感測電阻

R1、R2‧‧‧回授電阻

TA-Tx‧‧‧喚醒電路

TA-Rx‧‧‧暫態喚醒模組

第1圖繪示為本發明一較佳實施例之電源供應器的電路圖。

第2圖繪示為本發明一較佳實施例之電源供應器的輸出電壓V_OUT 與二次側繞組的電壓V_SEC 之波形圖。

第3圖繪示為本發明一較佳實施例之喚醒電路TA-Tx的電路圖。

第4圖繪示為本發明一較佳實施例之電源供應器的電路圖。

第1圖繪示為本發明一較佳實施例之電源供應器的電路圖。請參考第1圖，此電源供應器係一次側回授控制的返馳式轉換器。此返馳式轉換器包括變壓器101、一次側控制器102、功率開關M1、二次側的整流二極體D01以及本發明實施例的二次側之喚醒電路TA-Tx。另外，在本實施例中，第1圖還繪示了其餘週邊電路，包括高壓啟動電阻R_HV 、整流電容C_VCC 、C_O 、電流感測電阻R_CS 、二極體D02以及回授電阻R1、R2。由於一般操作模式，週邊元件的運作與先前相同，故不予贅述。

第2圖繪示為本發明一較佳實施例之電源供應器的輸出電壓V_OUT 與二次側繞組的電壓V_SEC 之波形圖。請同時參考第1圖以及第2圖，當此電源供應器的輸出為輕載或空載時，進入待機模式。此時，一次側控制器102的操作頻率會變的極低，且其輸出之脈波V_G 的頻率也會降低到待機頻率，一般是10Hz到20Hz。在此待機模式期間，一次側控制器102內部的許多工能區塊是不運作的。然，此時，在一次側控制器102的回授接腳FB內部所耦接的暫態喚醒模組TA-Rx以及控制功率開關M1的脈波輸出模組是作動的。

在功率開關M1受到脈波控制導通後，由於電感與電容諧振，二次側繞組的電壓V_SEC 振盪一段時間後，才會回到共接電壓0V。為了讓喚醒電路TA-Tx操作於穩定的狀態，因此，本實施例的喚醒電路TA-Tx內部設計一計時電路。當電壓差V_DIFF 大於門檻電壓V_onthreshold 時，喚醒電路TA-Tx內部的計時電路便開始運作。此計時電路在電壓差V_DIFF 大於門檻電壓V_onthreshold 之後開始計數，在計數時間大於T_blanking1才會啟動喚醒電路TA-Tx。因此，即使電壓差V_DIFF 大於門檻電壓V_onthrcshold ，喚醒電路TA-Tx在電壓不穩定的時間T_blanking2以及T_blanking1是不會作動的。

當喚醒電路TA-Tx開始動作時，便開始檢測輸出電壓V_OUT 。當輸出電壓V_OUT 下降到一低門檻電壓V_THL 時，喚醒電路TA-Tx會由耦接在整流二極體D01 的陰極的接腳發出一喚醒脈衝I_PULSE ，此喚醒脈衝I_PULSE 會透過二次側繞組L_S 與輔助繞組L_AUX 的互感，傳遞到一次側控制器102的回授接腳FB。此時，暫態喚醒模組TA-Rx透過回授接腳FB接收到上述喚醒脈衝I_PULSE ，便把一次側控制器102由待機模式轉為正常工作模式。

另外，當喚醒電路TA-Tx開始動作時，且輸出電壓V_OUT 上升到大於一高門檻電壓V_THH 時，喚醒電路TA-Tx會啟動一假負載，把輸出端的電壓V_OUT 藉由假負載對二次側繞組放電，用以將輸出電壓V_OUT 降低到正常工作電壓範圍。

第3A圖繪示為本發明一較佳實施例之喚醒電路TA-Tx的電路圖。請參考第3A圖，此喚醒電路TA-Tx包括低壓鎖定電路301、參考電壓產生電路302、電壓比較電路303、計時電路304、開關電路305以及阻抗電路306。由於本發明實施例的二次側之喚醒電路TA-Tx僅有兩個接腳，分別耦接在二次側的整流二極體D01的兩端，因此，輸出電壓V_OUT 與二次側繞組的電壓V_SEC 用以做為二次側之喚醒電路TA-Tx的電源電壓與接地電壓。而在本實施例中，在輸出電壓V_OUT 與二次側繞組的電壓V_SEC 的電壓差V_DIFF 大於門檻電壓V_onthreshold 時，二次側之喚醒電路TA-Tx才開始運作。

承上述，低壓鎖定電路301接收輸出電壓V_OUT 以及整流二極體D01的第一端的電壓V_SEC 。當輸出電壓V_OUT 與整流二極體D01的第一端的電壓V_SEC 之電壓差V_DIFF 大於門檻電壓V_onthreshold ，將釋放低壓鎖定訊號UVLO。在本實施例中，低壓鎖定電路301實際的操作是偵測檢測電壓V_DET ，檢測電壓V_DET 與電壓差V_DIFF 成比例，而低壓鎖定電路301所接收的門檻電壓V_onthreshold 在電路設計時，也會有所調整。

在低壓鎖定訊號UVLO被釋放後，計時電路304開始運作。當計時電路304計算到時間大於T_blanking1，電壓比較電路303被啟動，電壓比較電路303開始將與輸出電壓V_OUT 成比例的檢測電壓V_DET 與參考電壓V_THH 、V_THL 分別作比較。當檢測電壓V_DET 小於低參考電壓V_THL ，表示輸出電壓V_OUT 下降，負載變大，此時，電壓比較電路303控制開關電路305導通，輸出電壓V_OUT 會直接的對二次側繞組L_S 放電，產生喚醒脈衝。

當檢測電壓V_DET 大於高參考電壓V_THH ，表示輸出電壓V_OUT 上升，此時，電壓比較電路303控制阻抗電路306，輸出電壓V_OUT 會透過阻抗電路306對二次側繞組L_S 放電，以降低輸出電壓。一般來說，阻抗電路306是以電子開關以及一負載構成，因此，輸出電壓V_OUT 對二次側繞組L_S 的放電的速度較為緩慢，因此，產生的脈衝之振幅較小，一次側控制器102的暫態喚醒模組TA-Rx並無法檢測到此脈衝而進行喚醒的動作。因此，此喚醒電路TA-Tx在作輸出電壓V_OUT 的高壓保護(放電)時，並不會造成一次側控制器102的暫態喚醒模組TA-Rx的誤判而產生誤動作的情況。

由上述實施例可以看出，由於本發明實施例的電源供應器採用一次側回授，因此，節省了先前技術的光耦合器以及回授回路的損耗。另外，由於本發明實施例的喚醒電路TA-Tx之運作，在低負載或空載時，不需要額外的回授控制，因此，一次側控制器102內部的許多工能區塊可以關閉。當電壓過高時，喚醒電路TA-Tx會直接將輸出電壓V_OUT 透過阻抗電路306放電，避免電壓過高，也同時避免使用一次側的假負載，以減少待機時的電力消耗以及元件數目。當電壓過低時，喚醒電路TA-Tx會發出喚醒脈衝I_PULSE ，透過二次側繞組L_S 與輔助繞組L_AUX 的互感，傳遞此喚醒脈衝I_PULSE 給一次側控制器102的回授接腳FB內部所耦接的暫態喚醒模組TA-Rx，暫態喚醒模組TA-Rx接收到此喚醒脈衝I_PULSE 後，便控制一次側控制器102回到一般操作模式。

另外，上述第3A圖的實施例雖是以如此的電路實施，然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，電路的設計可以隨著設計者的想法不同而改變。如第3B圖所示，第3A圖繪示為本發明一較佳實施例之喚醒電路TA-Tx的電路圖。請同時參考第3A圖與第3B圖，兩喚醒電路TA-Tx之差異在於，第3B圖的喚醒電路TA-Tx的計時電路307、308分別耦接於開關電路305、阻抗電路306與電壓比較電路303之間，用以在T_blanking1時間內，阻隔電壓比較電路303的輸出，只有在電壓差V_DIFF 大於門檻電壓V_onthreshold ，且超過T_blanking1時間，電壓比較電路303的輸出才會被傳送給上述開關電路305、阻抗電路306。因此，只要是喚醒電路僅具有兩個接腳，耦接在二次側的整流二極體的兩端，並且輸出電壓與整流二極體與二次側繞組耦接的節點的電壓之電壓差大於一門檻電壓，且維持一預設時間，喚醒電路被啟動，且喚醒電路啟動後，電壓差小於另一門檻電壓，喚醒電路的第一端輸出一喚醒脈衝，透過二次側繞組與輔助繞組的互感，傳遞給一次側控制器，便屬於本發明的精神。設計者可以根據上述精神，任意改變設計。故本發明不以上述第3A圖的電路、第3B圖的電路為限。

第4圖繪示為本發明一較佳實施例之電源供應器的電路圖。請參考第1圖與第4圖，在此實施例中，喚醒電路TA-Tx與二次側的整流二極體D01整合成一個整合式功率二極體401。如此，本實施例可以更加減少電路板的佈局面積、元件數以及成本。由於此實施例的運作與上述實施例相同，故在此不予贅述。

綜上所述，本發明之精神在於利用僅有兩個接腳的喚醒電路，耦接在二次側繞組的整流二極體的兩端，檢測二次側的整流二極體之兩端的電壓，判定是否電源供應器的輕載轉重載。再者，由於本發明的喚醒電路只需要兩個接腳，並耦接在二次側的整流二極體之兩端，因此，本發明的喚醒電路可與上述整流二極體整合在同一積體電路中。另外，利用本發明的喚醒電路，可以節省先前技術所需的光耦合器以及回授電路。除了減低成本外，還減少了上述光耦合器以及回授電路的待機功率消耗。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。