TWI499190B - 應用在ｂｃｍ電源供應器供實現多功能腳位的裝置及方法 - Google Patents

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Description

應用在BCM電源供應器供實現多功能腳位的裝置及方法
本發明係有關一種邊界導通模式(Boundary Conduction Mode；BCM)電源供應器供，特別是關於一種應用在BCM電源供應器供實現多功能腳位的裝置及方法。
傳統的升壓式、馳返式及降壓式等BCM電源供應器都需要一支腳位來達成零電流偵測(Zero Current Detector；ZCD)以決定功率開關的切換。圖1為習知升壓式BCM電源供應器，其中整流器10整流交流電壓Vac產生輸入電壓Vin，電感L1、功率開關M1及二極體D1組成非同步式功率級，控制積體電路(Integrated Circuit；IC)12具有腳位14用以控制功率開關M1以使該功率級將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo，輔助線圈La感測電感L1的電壓變化，當電流為0時產生感測信號VZCD 至控制IC 12的腳位16，控制IC 12根據感測信號VZCD 判斷電感電流IL降為零的時間點，並在電感電流IL降為零時打開(turn on)功率開關M1。
圖2是習知半諧振馳返式(quasi-resonant flyback)BCM電源供應器，其中整流器10整流交流電壓Vac產生輸入電壓Vin，作為一次側線圈的電感Lp連接在整流器10及功率開關M1之間，作為二次側線圈的電感Ls連接在輸出端Vo及接地端之間，控制IC 20的腳位22控制功率開關M1的切換以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo，輔助線圈La感測電感Ls的電感電流Is產生零電流感測信號VZCD 至控制IC 20的腳位24以供控制IC 20判斷電感電流Is降為零的時間點，在電感電流Is降為零時，控制IC 20打開功率開關M1。
圖3是習知降壓式BCM電源供應器，其中控制IC 30的腳 位32控制功率開關M1的切換以使電感L1充放電而產生穩定的電流ILED給LED串36，由電阻Rf1、Rf2及Rf3以及電容Cf組成的濾波電路38偵測電感L1的電感電流IL，並在電感電流IL降為零時送出零電流感測信號VZCD 至控制IC30的腳位34，控制IC30根據感測信號VZCD 打開功率開關M1。
由圖1至圖3可知，傳統的BCM電源供應器需要二支腳位分別驅動功率開關M1及偵測零電流，如果用一支多功能腳位就能驅動功率開關M1及偵測零電流，將可以減少控制IC的腳位數量及成本。美國專利第7,355,373號提出一種BCM電源供應器，其利用一支多功能腳位上的信號來驅動功率開關及偵測零電流，但是此BCM電源供應器的控制IC無法打開功率開關，其需要由控制IC外部的電路來打開功率開關，因此使用者必須自行設定外部電路的參數使該功率開關可以被打開及關閉(turn off)，造成使用者的不便。
本發明的目的之一，在於提出一種應用在BCM電源供應器供實現多功能腳位的裝置及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種使用單一腳位來驅動功率開關及達成零電流偵測的裝置及方法。
根據本發明，一種應用在BCM電源供應器供實現多功能腳位的裝置包括三態輸出驅動器、零電流訊號產生電路、零電流偵測器及箝制電路。該三態輸出驅動器在被啟動時提供第一電壓以打開功率開關，並在該功率開關打開一第一時間後提供第二電壓以關閉該功率開關，其中該三態輸出驅動器在功率開關關閉一第二時間後被關閉。該零電流訊號產生電路偵測電感的電壓變化，以在該電感的電感電流為零時送出感測信號至該多功能腳位。該零電流偵測器偵測該多功能腳位的電壓，在該多功能腳位的電壓達到臨界值時，送出零電流信號以啟動該三態輸出驅動器。該箝制電路在該三態輸出驅動器關閉期間，提供第三電壓以關閉該功率開關。
根據本發明，一種應用在BCM電源供應器供實現多功能腳位的方法包括提供第一電壓至該多功能腳位以打開功率開關；在該功率開 關打開一第一時間後，提供第二電壓至該多功能腳位以關閉該功率開關；在該功率開關關閉一第二時間後，提供第三電壓至該多功能腳位以關閉該功率開關；偵測電感的電壓變化，以在該電感的電感電流為零時送出感測信號至該多功能腳位；以及偵測該多功能腳位的電壓，在該多功能腳位的電壓達到臨界值時，觸發零電流信號以提供該第一電壓打開該功率開關。
10‧‧‧整流器
12‧‧‧控制IC
14‧‧‧控制IC 12的腳位
16‧‧‧控制IC 12的腳位
20‧‧‧控制IC
22‧‧‧控制IC 20的腳位
24‧‧‧控制IC 20的腳位
30‧‧‧控制IC
32‧‧‧控制IC 30的腳位
34‧‧‧控制IC 30的腳位
36‧‧‧LED串
38‧‧‧濾波電路
40‧‧‧用以實現多功能腳位的裝置
42‧‧‧箝制電路
44‧‧‧零電流訊號產生電路
46‧‧‧三態輸出驅動器
48‧‧‧控制電路
50‧‧‧零電流偵測器
52‧‧‧及閘
54‧‧‧運算放大器
56‧‧‧電流源
58‧‧‧比較器
圖1係習知升壓式BCM電源供應器；圖2係習知半諧振馳返式BCM電源供應器；圖3係習知降壓式BCM電源供應器；圖4顯示本發明的第一實施例；圖5係圖4中訊號的波形圖；以及圖6顯示本發明的第二實施例。
圖4顯示應用本發明第一實施例的升壓式BCM電源供應器，其中電感L1、功率開關M1及二極體D1組成非同步式功率級，本發明用以實現多功能腳位的裝置40藉由多功能腳位GD控制功率開關M1以使該功率級將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo，同時利用此多功能腳位GD達成零電流偵測。用以實現多功能腳位的裝置40包括箝制電路42、預設電阻Rp、零電流訊號產生電路44、三態輸出驅動器46、控制電路48、零電流偵測器50和及閘52。箝制電路42包括運算放大器54、致能開關SW、電晶體M2及電流源56，運算放大器54的反相輸入端接收參考電壓Vref，運算放大器54的非反相輸入端連接多功能腳位GD，致能開關SW、電晶體M2及電流源56串聯在多功能腳位GD及接地端之間，致能開關SW受控於控制信號Sen，當致能開關SW被打開(turn on)時，箝制電路42被啟動，根據虛短路原理，運算放大器54的反相輸入端的參考電壓Vref將被施加至多功能腳位GD。零電流訊號產生電路44包括輔助線圈L2用以感應電感 L1的跨壓產生與電感電流IL相關的電壓Vs，以及電容Cr及電阻Rr串聯在輔助線圈L2及多功能腳位之間，其中電容Cr用以濾除電壓Vs的低頻成份以產生感測信號VZCD ，而電阻Rr為限流電阻。三態輸出驅動器46包括開關M3連接在電源端Vcc及多功能腳位GD之間以及開關M4連接在多功能腳位及接地端GND之間。控制電路48提供控制信號GD_H、GD_L及Sen分別控制開關M3、M4及SW。零電流偵測器50包括偏移電壓源Vth用以偏移多功能腳位GD的電壓產生電壓Vof，以及比較器58比較參考電壓Vrefz及電壓Vof，當參考電壓Vrefz大於電壓Vof時，比較器58產生零電流信號Szcd1。為了避免零電流信號Szcd1被誤觸發而導致誤動作，及閘52利用控制信號Sen來遮蔽非預期的零電流信號Szcd1產生零電流信號Szcd2。
圖5係圖4中信號的波形圖，用以說明圖4的裝置40的操作。參照圖4及圖5，在時間t1時，控制電路48輸出控制信號GD_H以使三態輸出驅動器46的開關M3打開，三態輸出驅動器46因而被啟動並送出電壓Vcc至多功能腳位GD以打開功率開關M1，此時電感電流IL上升。在功率開關M1打開一段時間Ton後，如時間t2所示，控制電路48結束控制信號GD_H並輸出控制信號GD_L以使三態輸出驅動器46的開關M4打開，三態輸出驅動器46因而送出電壓GND=0V至多功能腳位GD以關閉功率開關M1，此時電感電流IL開始下降。在功率開關M1關閉一段時間Toff後，如時間t3所示，控制電路48結束控制信號GD_L並輸出控制信號Sen，此時三態輸出驅動器46被關閉，其可以視為高阻抗元件，同時箝制電路42被致能因而提供電壓Vref至多功能腳位GD使功率開關M1維持關閉，此時多功能腳位GD的輸出阻抗係由預設電阻Rp決定。在功率開關M1關閉期間，如時間t2至t4，電感電流IL下降，功率開關M1的輸入端的電壓VD隨著電感電流IL慢慢下降，此時輔助線圈L2的電壓Vs為低頻信號，故電壓Vs被電容Cr阻擋而無法傳遞至多功能腳位。當電感電流IL降為零時，如時間T4所示，電壓VD等於輸入電壓Vin，此時電壓VD將出現高頻振盪，輔助線圈L2的電壓Vs也因而產生高頻振盪，此時的電壓Vs將通過電容Cr形成感測信號VZCD 施加至多功能腳位GD，多功能腳位 GD的電壓因而被拉至負電壓。電壓Vof隨著多功能腳位GD的電壓下降而下降，當電壓Vof低於參考電壓Vrefz時，如時間t5所示，比較器58送出零電流信號Szcd1，及閘52根據信號Szcd1及Sen產生零電流信號Szcd2給控制電路48，控制電路48在收到零電流信號Szcd2後，結束控制信號Sen並輸出控制信號GD_H以啟動三態輸出驅動器46，接著重覆之前所述的操作。
圖6顯示本發明用以實現多功能腳位的裝置40的第二實施例，其與圖4的電路同樣包括箝制電路42、預設電阻Rp、零電流訊號產生電路44、三態輸出驅動器46、控制電路48、零電流偵測器50和及閘52，但是使用在電感L1及多功能腳位GD之間的高壓電容Chv來作為零電流訊號產生電路44，在此實施例中高壓電容Chv可以是外加的電容或是功率開關M1的輸入端及控制端之間的寄生電容。參照圖5及圖6，箝制電路42、三態輸出驅動器46、控制電路48、零電流偵測器50和及閘52的操作如前所述。在功率開關M1關閉期間，如時間t2至t4，電感電流IL下降，功率開關M1的輸入端的電壓VD隨著電感電流IL慢慢下降，此時電壓VD為低頻信號，故電壓VD被電容Chv阻擋而無法傳遞至多功能腳位。當電感電流IL降為零時，如時間T4所示，電壓VD將出現高頻振盪，電壓VD將通過電容Chv形成感測信號VZCD 施加至多功能腳位GD，多功能腳位GD的電壓因而被拉至負電壓。
在前述的實施例中，雖然僅以升壓式BCM電源供應器為例，但本發明可以應用在任何類型的BCM電源供應器，例如馳返式及降壓式BCM電源供應器。
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，本發明的技術思想由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
40‧‧‧用以實現多功能腳位的裝置
42‧‧‧箝制電路
44‧‧‧零電流訊號產生電路
46‧‧‧三態輸出驅動器
48‧‧‧控制電路
50‧‧‧零電流偵測器
52‧‧‧及閘
54‧‧‧運算放大器
56‧‧‧電流源
58‧‧‧比較器

Claims (12)

  1. 一種應用在邊界導通模式電源供應器供實現多功能腳位的裝置，該邊界導通模式電源供應器包含電感及功率開關，該裝置包括：三態輸出驅動器，經該多功能腳位連接該功率開關的控制端，在被啟動時提供第一電壓以打開該功率開關，並在該功率開關打開一第一時間後提供第二電壓以關閉該功率開關，其中該三態輸出驅動器在功率開關關閉一第二時間後被關閉；零電流訊號產生電路，連接該多功能腳位，偵測該電感的電壓變化以在該電感的電感電流為零時送出感測信號至該多功能腳位；零電流偵測器，連接該多功能腳位，偵測該多功能腳位的電壓，在該多功能腳位的電壓達到臨界值時，送出零電流信號以啟動該三態輸出驅動器；以及箝制電路，連接該多功能腳位，在該三態輸出驅動器關閉期間，提供第三電壓以關閉該功率開關。
  2. 如請求項1之裝置，其中該三態輸出驅動器包括：第一開關，具有第一端接收該第一電壓及第二端連接該多功能腳位，被導通時將該第一電壓施加至該多功能腳位；以及第二開關，具有第一端連接該多功能腳位及第二端接收該第二電壓，被導通時將該第二電壓施加至該多功能腳位。
  3. 如請求項1之裝置，其中該零電流訊號產生電路包括：輔助線圈，用以感應該電感的跨壓產生第四電壓；以及電容，連接在該輔助線圈及該多功能腳位之間，用以濾除該第四電壓 的低頻成分以產生該感測信號。
  4. 如請求項1之裝置，其中該零電流訊號產生電路包括高壓電容連接在該電感及該多功能腳位之間，用以將該電感上電壓的高頻成份耦合至該多功能腳位以產生該感測信號。
  5. 如請求項1之裝置，其中該功率開關的輸入端連接該電感。
  6. 如請求項5之裝置，其中該零電流訊號產生電路包括在該功率開關的輸入端及控制端之間的寄生電容，用以將該電感上電壓的高頻成份耦合至該多功能腳位以產生該感測信號。
  7. 如請求項1之裝置，其中該零電流偵測器包括：偏移電壓源，連接該多功能腳位，用以偏移該多功能腳位的電壓產生第四電壓；以及比較器，連接該偏壓電壓源，在該第四電壓低於參考電壓時，產生該零電流信號。
  8. 如請求項1之裝置，其中該箝制電路更包括：電晶體；電流源；致能開關，與該電晶體及電流源串聯在該多功能腳位及一接地端之間；以及運算放大器，具有非反相輸入端連接該多功能腳位、反相輸入端接收第三電壓以及輸出端連接該電晶體的控制端；其中，當該致能開關被打開時，該第三電壓被施加至該多功能腳位。
  9. 一種應用在邊界導通模式電源供應器供實現多功能腳位的方法，該邊界 導通模式電源供應器包含電感及功率開關，該方法包括下列步驟：(A)提供第一電壓至該多功能腳位以打開該功率開關；(B)在該功率開關打開一第一時間後，提供第二電壓至該多功能腳位以關閉該功率開關；(C)在該功率開關關閉一第二時間後，提供第三電壓至該多功能腳位以關閉該功率開關；(D)偵測該電感的電壓變化，以在該電感的電感電流為零時送出感測信號至該多功能腳位；以及(E)偵測該多功能腳位的電壓，在該多功能腳位的電壓達到臨界值時，觸發零電流信號以提供該第一電壓打開該功率開關。
  10. 如請求項9之方法，其中該步驟D包括：感應該電感的跨壓產生第四電壓；以及濾除該第四電壓的低頻成份以產生該感測信號。
  11. 如請求項9之方法，其中該步驟D包括將該電感上電壓的高頻成份耦合至該多功能腳位以產生該感測信號。
  12. 如請求項9之方法，其中該步驟E包括：偏移該多功能腳位的電壓產生第四電壓；以及在該第四電壓低於參考電壓時，觸發該零電流信號。
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