TWI511425B - 電源轉換電路的控制電路 - Google Patents

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Chien-Fu Tang
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Description

電源轉換電路的控制電路 【0001】
本發明有關於電源轉換電路的控制電路，尤指一種能降低晶片封裝接腳數目的控制電路。
 【0002】
隨著電子設備的體積越來越精簡，電子設備中的各個電子元件也必須隨著縮小，以便能容置於有限的空間內。以積體電路元件而言，由於積體電路元件常需要使用許多的輸入接腳(pin)及輸出接腳與其他電路元件進行耦接，因此必須使用接腳較多且體積較大的封裝(package)，導致晶片(die)的面積常常遠小於封裝的面積，不但會浪費材料而造成環保問題，也會造成積體電路產品的體積無法有效地縮小。
【0003】
在電源轉換電路的應用中，當電源轉換電路的控制電路以積體電路元件的方式實施時，其晶片的尺寸通常不大，然而需要許多接腳數與其他電路元件耦接，以進行設置功率級(power stage)、接收反饋信號及接收運作參數等運作。因此，控制電路常常會受限於所需的接腳數目而必須採用較大的封裝，使得產品設計的彈性受限。
【0004】
某些積體電路元件會讓內部的電路區塊共用晶片封裝的接腳，以減少所需的接腳數目，因而能夠選用較小尺寸的封裝。由於各種積體電路產品的特性不同，並沒有一種共通的設計規則可以適用各種產品。然而，積體電路內部的電路區塊共用接腳時仍必須藉由精確的控制，才能確保共用接腳的不同電路區塊能夠正常地運作。
 【0005】
有鑑於此，在電源轉換電路的控制電路中，如何讓不同的電路區塊共用晶片封裝的接腳，且能夠正常的運作，以有效地降低晶片封裝的接腳數目及晶片封裝的尺寸，實為業界有待解決的問題。
【0006】
本說明書提供一種電源轉換電路的控制電路的實施例，用於設置一電源轉換電路；該電源轉換電路包含有一變壓器及一電流開關，該變壓器的一第一側用於耦接一輸入電壓及該電流開關，該變壓器的一第二側耦接於一負載，該電流開關耦接於該變壓器及一預設電位之間；該控制電路包含：一電壓輸入接腳，用於接收該輸入電壓；一多用途接腳，用於耦接該變壓器的一輔助線圈端；一脈寬調變信號產生電路，用以設置該電流開關的導通狀態；一低電壓鎖定電路，耦接於該電壓輸入接腳及該脈寬調變信號產生電路；一電壓檢測電路，耦接於該多用途接腳及該脈寬調變信號產生電路；一零電流偵測電路，耦接於該多用途接腳及該脈寬調變信號產生電路；其中當該低電壓鎖定電路偵測到該電壓輸入接腳的一輸入信號小於一第一預設值時，該脈寬調變信號產生電路設置該電流開關呈現不導通狀態；其中於一第一時段，當該低電壓鎖定電路偵測到該電壓輸入接腳的該輸入信號大於該第一預設值時，該低電壓鎖定電路會設置該脈寬調變信號產生電路導通該電流開關一預設時間，當該電壓檢測電路偵測到該多用途接腳的一輔助線圈信號大於一第二預設值時，該電壓檢測電路會設置該脈寬調變信號產生電路於一第二時段間歇地導通該電流開關；其中於該第二時段，當該脈寬調變信號產生電路設置該電流開關呈現不導通狀態，該零電流偵測電路藉由偵測該多用途接腳的該輔助線圈信號，以設置該脈寬調變信號產生電路，於該變壓器的一電感電流小於一預設閾值時，導通該電流開關；其中於該第二時段，當該電壓檢測電路偵測到該電壓輸入接腳的該輔助線圈信號小於一第三預設值時，該電壓檢測電路會於一第三時段設置該脈寬調變信號產生電路，以將該電流開關設置為不導通狀態。
【0007】
上述實施例的優點之一是電源轉換器的控制電路能夠有效地降低晶片封裝的接腳數目，並且能夠使內部的電路區塊能夠正常的運作。因此，控制電路能夠採用接腳數較少且尺寸較小的封裝，而能有效地縮小積體電路元件的尺寸。本發明的其他優點將藉由以下的說明和圖式進行更詳細的解說。

 【0047】
100‧‧‧電源轉換電路
【0048】
110‧‧‧整流電路
【0049】
130‧‧‧變壓器
【0050】
150‧‧‧電流開關
【0051】
170‧‧‧控制電路
【0052】
172‧‧‧輸入電壓接腳
【0053】
174‧‧‧多用途接腳
【0054】
176‧‧‧開關控制接腳
【0055】
190‧‧‧負載
【0056】
210‧‧‧參考電壓產生電路
【0057】
230‧‧‧低電壓鎖定電路
【0058】
250‧‧‧電壓檢測電路
【0059】
270‧‧‧零電流偵測電路
【0060】
280‧‧‧脈寬調變信號產生電路
【0061】
290‧‧‧驅動電路
【0062】
410‧‧‧電流鏡電路
【0063】
430‧‧‧取樣電路
【0064】
450‧‧‧存儲裝置
【0065】
470‧‧‧比較電路
【0008】
圖1為本發明一實施例的電源轉換電路簡化後的功能方塊圖。
【0009】
圖2為圖1中的控制電路的一實施例簡化後的功能方塊圖。
【0010】
圖3為圖1中的電源轉換電路運作時的數個信號簡化後的時序圖。
【0011】
圖4為圖2中的電壓檢測電路的一實施例簡化後的功能方塊圖。
【0012】
圖5為圖3的信號於部分時段中更詳細的時序圖。
 【0013】
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。
【0014】
圖1為本發明一實施例的電源轉換電路100簡化後的功能方塊圖。電源轉換電路100包含有整流電路110、變壓器130、電流開關150以及控制電路170，用以依據交流信號Vac而對負載190進行供電。為了使圖面簡明而易於說明，電源轉換電路100的部分元件及連接關係並未繪示於圖1中。
【0015】
在本實施例中，整流電路110用於將交流信號Vac整流為直流的輸入電壓信號Vin，並且可以採用全橋整流電路、半橋整流電路或其他合適的整流電路等方式實現。
【0016】
變壓器130第一側的一端通過電容和電感等電路元件而耦接至整流電路110，變壓器130第一側的另一端耦接於電流開關150。變壓器130的第二側通過電容和電感等電路元件而耦接於負載190。
【0017】
電流開關150耦接於變壓器130的第一側以及預設電位V1之間。例如，可以將預設電位V1設置為接地端的電位或其他合適的電位。電流開關150的控制端耦接於控制電路170，以依據控制電路170的設置而呈現導通或不導通狀態。電流開關150可以採用雙極性接面電晶體(BJT)、場效電晶體(FET)或者其他合適的電路元件等方式實現。
【0018】
控制電路170包含有輸入電壓接腳172、多用途接腳174、及開關控制接腳176。輸入電壓接腳172通過電阻、電感及電容等電路元件而接收輸入電壓信號Vin，多用途接腳174通過電阻所組成的分壓電路而耦接於變壓器130的輔助線圈端，開關控制接腳176耦接於電流開關150的控制端。
【0019】
圖2為圖1控制電路170的一實施例簡化後的功能方塊圖。控制電路170包含有參考電壓產生電路210、低電壓鎖定電路230、電壓檢測電路250、零電流偵測電路270、脈寬調變信號產生電路280及驅動電路290。為了使圖面簡明而易於說明，控制電路170的部分元件及連接關係並未繪示於圖2中。
【0020】
參考電壓產生電路210用於產生合適的電壓信號，以提供其他的電路區塊進行運作。參考電壓產生電路210可以藉由產生合適的電壓及/或產生合適的電流，以提供所需的電壓信號。
【0021】
低電壓鎖定電路230耦接於電壓輸入接腳172，用以偵測輸入電壓信號Vin是否已經進入合適的工作電壓範圍。在本實施例中，低電壓鎖定電路230依據電壓輸入接腳172的輸入信號Vcc以及參考電壓產生電路210所產生的第一參考電壓信號Vr1，而對應地產生低電壓鎖定信號Vuvlo，使脈寬調變信號產生電路280及驅動電路290等電路能夠開始進入運作狀態。
【0022】
電壓檢測電路250耦接於多用途接腳174，藉由偵測多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux，以決定驅動電路290等電路能夠開始進入運作狀態。在本實施例中，電壓檢測電路250依據多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux以及參考電壓產生電路210所產生的第二參考電壓信號Vr2，而對應地產生電壓檢測信號Vbio，以藉由設置脈寬調變信號產生電路280產生適當的調變信號Vp，使驅動電路290能對應地設置電流開關150的運作狀態。
【0023】
零電流偵測電路270耦接於多用途接腳174，當電流開關150呈現不導通狀態時，藉由偵測多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux，以藉由設置脈寬調變信號產生電路280產生適當的調變信號Vp，使驅動電路290能設置電流開關150的運作狀態，而於適當的時間呈現導通狀態。零電流偵測電路270可以採用合適的電路架構實施。例如，在一實施例中，零電流偵測電路270可以依據輔助線圈信號Vaux進行信號處理，以於變壓器130的電感電流小於一預設閾值時(例如，電感電流為0或其他很小的數值)，使脈寬調變信號產生電路280將調變信號Vp設置為有效狀態，以設置驅動電路290將電流開關150設置為導通狀態。在另一實施例中，零電流偵測電路270也可以依據輔助線圈信號Vaux，以周期性的方式使脈寬調變信號產生電路280將調變信號Vp設置為有效狀態，以於變壓器130的電感電流小於預設閾值時設置驅動電路290將電流開關150設置為導通狀態。
【0024】
脈寬調變信號產生電路280可以藉由將調變信號Vp設置為有效狀態或無效狀態(例如，有效狀態時設置為高電位，無效狀態時設置為低電位)，而對應地設置驅動電路290設置電流開關150的導通時間。脈寬調變信號產生電路280可以間歇地導通電流開關150，以提供適當的電力至負載190。此外，脈寬調變信號產生電路280也可以依據低電壓鎖定電路230、電壓檢測電路250、零電流偵測電路270或其他電路區塊的設置，而將調變信號Vp設置為一個或多個預設電位，使驅動電路290將電流開關150設置為不導通狀態。脈寬調變信號產生電路280可以採用比較電路或誤差放大電路等方式實現，例如，脈寬調變信號產生電路280可以採用誤差放大電路比較週期性信號(例如，方波、弦波及鋸齒波等週期性信號)以及參考電壓產生電路210所提供的參考電壓信號，以產生調變信號Vp。
【0025】
驅動電路290會依據脈寬調變信號產生電路280所產生的調變信號Vp，而對應地產生開關信號Vsw，以將電流開關150設置為導通狀態或不導通狀態。
【0026】
圖3為的電源轉換電路100運作時的數個信號簡化後的時序圖，以下以圖3搭配圖1和圖2，進一步說明電源轉換電路100的運作方式。
【0027】
在圖3的實施例中，參考電壓產生電路210將第一參考電壓信號Vr1設置為第一預設值Vth1，將第二參考電壓信號Vr2設置為第二預設值Vth2。
【0028】
在時段T0時，輸入電壓信號Vin還不足以讓電源轉換電路100進行正常運作。低電壓鎖定電路230會偵測電壓輸入接腳172的輸入信號Vcc。由於電壓輸入接腳172的輸入信號Vcc的數值(magnitude)小於第一預設值Vth1的數值，低電壓鎖定電路230將低電壓鎖定信號Vuvlo設置為無效(在本實施例中為低電位)，並使用低電壓鎖定信號Vuvlo設置脈寬調變信號產生電路280將調變信號Vp設置為低電位，以使驅動電路290對應地設置電流開關150呈現不導通狀態。
【0029】
在時段T1中，輸入電壓信號Vin增加而能夠使電源轉換電路100進行正常運作。低電壓鎖定電路230會偵測電壓輸入接腳172的輸入信號Vcc。當電壓輸入接腳172的輸入信號Vcc的數值大於第一預設值Vth1的數值，低電壓鎖定電路230將低電壓鎖定信號Vuvlo設置為有效(在本實施例中為高電位)，並使用低電壓鎖定信號Vuvlo設置脈寬調變信號產生電路280設置調變信號Vp，使驅動電路290對應地將開關信號Vsw設置為有效狀態一預設時間dt，以設置電流開關150於預設時間dt中呈現道通狀態。當驅動電路290設置電流開關150於預設時間dt中呈現導通狀態時，電壓檢測電路250會偵測多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux。當電壓檢測電路250偵測到多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux的數值大於第二預設值Vth2的數值時，電壓檢測電路250會設置脈寬調變信號產生電路280，以使驅動電路290於第二時段T2間歇地導通電流開關150。
【0030】
圖5為圖3的信號於時段T2中更詳細的時序圖。
【0031】
在時段T2中，驅動電路290會間歇地導通電流開關150，以對負載190提供適當的電壓信號及/或電流信號。當電流開關150為不導通狀態時，零電流偵測電路270藉由偵測多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux，以於變壓器130的電感電流小於預設閾值時，使脈寬調變信號產生電路280將調變信號Vp設置為有效狀態，以設置驅動電路290將電流開關150設置為導通狀態。
【0032】
於時段T2時，當驅動電路290設置電流開關150呈現導通狀態時，電壓檢測電路250會偵測多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux，當電壓檢測電路250偵測到該多功能接腳174的輔助線圈信號Vaux的數值小於第三預設值Vth3的數值時，該電壓檢測電路會設置脈寬調變信號產生電路280設置調變信號Vp，以使驅動電路290於第三時段T3將電流開關150設置為不導通狀態。
【0033】
圖4為圖2電壓檢測電路250的一實施例簡化後的功能方塊圖。電壓檢測電路250包含有電流鏡電路410、取樣電路430、存儲裝置450及比較電路470。為了使圖面簡明而易於說明，電壓檢測電路250的部分元件及連接關係並未繪示於圖4中。
【0034】
在本實施例中，電流鏡電路410會由多用途接腳174接收電流形式的輔助線圈信號Vaux，並對應地產生電壓形式的信號Vdet。在其他實施例中，當電壓檢測電路250自多用途接腳174接收的輔助線圈信號Vaux為電壓形式的信號時，電流鏡電路410也可以省略。
【0035】
取樣電路430對信號Vdet進行取樣，並將取樣值Vsmp存儲於存儲裝置450。比較電路470會依據存儲裝置450的取樣值Vsmp與第二參考信號Vr2而進行比較，以確認輸入電壓信號Vin是否已經位於適當的工作電壓範圍內。
【0036】
取樣電路430可以採用各種合適的類比數位轉換電路等方式實施，存儲裝置450可以採用各種揮發性(volatile)或非揮發性的存儲裝置，例如，暫存器(register)及隨機存取記憶體(RAM)等。必較電路470可以採用具有增益或不具增益的比較電路實施。
【0037】
在上述的實施例中，在時段T1中，低電壓鎖定電路230也可以設置脈寬調變信號產生電路280，使驅動電路290多次地將設置電流開關150導通預設時間dt。當電壓檢測電路250偵測到多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux的數值大於第二預設值Vth2的數值的次數大於一第一預設次數時，電壓檢測電路250才會設置脈寬調變信號產生電路280設置調變信號Vp，使驅動電路290於第二時段T2間歇地導通電流開關150。此外，電壓檢測電路250也對應地使用取樣電路430進行多次的取樣，用於依據該多用途接腳於不同時間點的輔助線圈信號Vaux，而對應地產生多個取樣值，並使用比較電路470將多個取樣值與第二預設值Vth2進行比較。如此，可以更加確保輸入電壓Vin已經位於適當的工作範圍。此外，在時段T2中，電壓檢測電路250也可以在偵測到多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux的數值小於第三預設值Vth3的數值的次數大於一第二預設次數時，電壓檢測電路250才會設置脈寬調變信號產生電路280設置調變信號Vp，使驅動電路290於第三時段T3將電流開關150設置為不導通狀態。
【0038】
在上述的實施例中，參考電壓產生電路210可以在第一時段，將第二參考電壓信號Vr2設置為第二預設值Vth2，並且在第二時段，將第二參考電壓信號Vr2設置為第三預設值Vth3。並且可以依據不同的設計考量，而將第二預設值Vth2及第三預設值Vth3設置為相同或不相同。
【0039】
由前述說明可知，當控制電路170的電壓檢測電路250可以藉由多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux，而正確地判斷輸入電壓信號Vin是否已經位於適當的工作電壓範圍內。此外，控制電路170的零電流偵測電路270於運作時，同樣能夠藉由多用途接腳174的輔助線圈信號Vaux，來判斷是否應該導通電流開關150。 因此，當控制電路170採用積體電路的方式實施時，電壓檢測電路250及零電流偵測電路270能夠共用多用途接腳174，並且確保兩個電路區塊能夠正常運作。
【0040】
因此，電源轉換器100的控制電路170能夠有效地降低晶片封裝的接腳數目，並且能夠使內部的電路區塊能夠正常的運作。控制電路170因而能夠採用接腳數較少且尺寸較小的封裝，而能有效地縮小積體電路元件的尺寸。
【0041】
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
【0042】
在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。
【0043】
說明書及申請專利範圍中的「電壓信號」，在實作上可採用電壓形式或電流形式來實現。說明書及申請專利範圍中的「電流信號」，在實作上也可用電壓形式或電流形式來實現。
【0044】
圖式的某些元件的尺寸及相對大小會被加以放大，或者某些元件的形狀會被簡化，以便能更清楚地表達實施例的內容。因此，除非申請人有特別指明，圖式中各元件的形狀、尺寸、相對大小及相對位置等僅是便於說明，而不應被用來限縮本發明的專利範圍。此外，本發明可用許多不同的形式來體現，在解釋本發明時，不應僅侷限於本說明書所提出的實施例態樣。
【0045】
在說明書及申請專利範圍中，若描述第一元件位於第二元件上、在第二元件上方、連接、接合、耦接於第二元件或與第二元件相接，則表示第一元件可直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接於第二元件，亦可表示第一元件與第二元件間存在其他元件。相對之下，若描述第一元件直接位在第二元件上、直接連接、直接接合、直接耦接、或直接相接於第二元件，則代表第一元件與第二元件間不存在其他元件。
【0046】
以上僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
170‧‧‧控制電路
172‧‧‧輸入電壓接腳
174‧‧‧多用途接腳
176‧‧‧開關控制接腳
210‧‧‧參考電壓產生電路
230‧‧‧低電壓鎖定電路
250‧‧‧電壓檢測電路
270‧‧‧零電流偵測電路
280‧‧‧脈寬調變信號產生電路
290‧‧‧驅動電路

Claims (6)

  1. 【第1項】
    一種電源轉換電路的控制電路，用於設置一電源轉換電路；該電源轉換電路包含有一變壓器及一電流開關，該變壓器的一第一側用於耦接一輸入電壓及該電流開關，該變壓器的一第二側耦接於一負載，該電流開關耦接於該變壓器及一預設電位之間；該控制電路包含：
    一電壓輸入接腳，用於接收該輸入電壓；
    一多用途接腳，用於耦接該變壓器的一輔助線圈端；
    一脈寬調變信號產生電路，用以設置該電流開關的導通狀態；
    一低電壓鎖定電路，耦接於該電壓輸入接腳及該脈寬調變信號產生電路；
    一電壓檢測電路，耦接於該多用途接腳及該脈寬調變信號產生電路；
    一零電流偵測電路，耦接於該多用途接腳及該脈寬調變信號產生電路；
    其中當該低電壓鎖定電路偵測到該電壓輸入接腳的一輸入信號小於一第一預設值時，該脈寬調變信號產生電路設置該電流開關呈現不導通狀態；
    其中於一第一時段，當該低電壓鎖定電路偵測到該電壓輸入接腳的該輸入信號大於該第一預設值時，該低電壓鎖定電路會設置該脈寬調變信號產生電路導通該電流開關一預設時間，當該電壓檢測電路偵測到該多用途接腳的一輔助線圈信號大於一第二預設值時，該電壓檢測電路會設置該脈寬調變信號產生電路於一第二時段間歇地導通該電流開關；
    其中於該第二時段，當該脈寬調變信號產生電路設置該電流開關呈現不導通狀態，該零電流偵測電路藉由偵測該多用途接腳的該輔助線圈信號，以設置該脈寬調變信號產生電路，於該變壓器的一電感電流小於一預設閾值時，導通該電流開關；
    其中於該第二時段，當該電壓檢測電路偵測到該電壓輸入接腳的該輔助線圈信號小於一第三預設值時，該電壓檢測電路會於一第三時段設置該脈寬調變信號產生電路，以將該電流開關設置為不導通狀態。
  2. 【第2項】
    如請求項1所述的控制電路，其中於該第一時段，該低電壓鎖定電路會設置該脈寬調變信號產生電路多次導通該電流開關，當該電壓檢測電路偵測到該多用途接腳的該輔助線圈信號的數值大於該第二預設值的數值大於一第一預設次數，該電壓檢測電路才會設置該脈寬調變信號產生電路於該第二時段間歇地導通該電流開關。
  3. 【第3項】
    如請求項2所述的控制電路，其中該電壓檢測電路另包含：
    一取樣電路，用於依據該多用途接腳的該輔助線圈信號，而對應地產生複數個取樣值；以及
    一比較電路，用於比較該複數個取樣值與該第二預設值。
  4. 【第4項】
    如請求項2所述的控制電路，另包含：
    一電壓產生電路，用於在該第一時段產生該第二預設值，並且在該第二時段產生該第三預設值；
    其中該第二預設值與該第三預設值不相同。
  5. 【第5項】
    如請求項1所述的控制電路，其中於該第二時段，當該電壓檢測電路偵測到該多用途接腳的該輔助線圈信號的數值小於該第三預設值的數值大於一第二預設次數，該電壓檢測電路才會設置該脈寬調變信號產生電路於該第三時段將該電流開關設置為不導通狀態。
  6. 【第6項】
    如請求項5所述的控制電路，其中該電壓檢測電路另包含：
    一取樣電路，用於依據該多用途接腳的該輔助線圈信號，而對應地產生複數個取樣值；以及
    一比較電路，用於比較該複數個取樣值與該第三預設值。

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