TWI565208B - 電源供應器以及電源控制器 - Google Patents

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Description

電源供應器以及電源控制器
本發明係關於電源供應器，尤其是關於電源供應器之安全防護。
幾乎每個電子產品都需要有電源供應器，來將外來電源(可能是市電也可能是電池)，轉換成其中核心電路(core circuit)所需要的電源。準諧振(quadrature resonance，QR)電源供應器可以降低功率開關的切換損失(switching loss)，在眾多的電源供應器中，其轉換效率在理論上是相對地優良，為廣受歡迎的電源供應器之架構之一。
第1圖為一習知的QR電源供應器8。轉換器10顯示一返馳式轉換器(flyback converter)10。QR電源控制器(power controller)18可以是一單晶片的積體整合電路，具有六隻接腳：分別為VCC、GND、GATE、CS、FB、以及QRD。電源控制器(power controller)18的閘接腳GATE耦接到功率開關15的控制端，來控制一次側繞組(primary winding)PRM的儲能與釋能。回饋電路20偵測輸出端OUT的電壓，產生回饋信號VFB於QR電源控制器(power controller)18的回饋接腳FB。電源接腳VCC提供QR電源控制器18的操作電源。QR電源控制器18透過電流偵測接腳CS，偵測流經功率開關15或一次側繞組PRM的電流。操作電源產生器12包含有輔助繞組AUX，利用輔助繞組AUX的放電，在電源接腳VCC產生QR電源控制器18所需要的操作電源。分壓電阻14與13串接在輔助繞組AUX與接地線之間，所以，準諧振偵測接腳QRD上的電壓可以反映輔助繞組AUX的電壓信號VAUX。
第2圖顯示第1圖中的一些信號波形，其中，由上而下分別是，電壓信號VAUX，表示輔助繞組AUX的兩端跨壓；以及，閘信號VGATE表示閘接腳GATE的電壓。QR電源控制器18透過準諧振偵測接腳QRD，來偵測電壓信號VAUX是否大約掉交越過(drop across)0V。在電壓信號VAUX大約掉交越過0V的一段延遲時間△t之後，QR電源控制器18就致能閘信號VGATE，期望功率開關15實現谷底切換，也就是在電壓信號VAUX近乎是谷底時，功率開關15才被開啟，進入下一開關周期的開啟時間TON。谷底切換可以有效降低開關損失(switching loss)。
電源供應器不僅僅需要注重轉換效能(conversion efficiency)，也需要設計一些安全上的防護，譬如過電壓防護(over voltage protection，OVP)、過電流防護(over current protection，OCP)、過負載防護(over load protection，OLP)、過高溫防護(over temperature protection，OTP)等。只是，如何在有限的接腳數目中，在積體電路中實現這些防護功能，往往需要巧思與經驗。
本發明實施例揭露一種電源供應器，包含有一電源控制器、一功率開關、一輔助繞組、一第一電路、以及一第二電路。該電源控制器為一單晶片積體電路，具有一多功能接腳以及一閘接腳。該功率開關具有一控制端耦接到該閘接腳。該第一電路，耦接於該多功能接腳與該輔助繞組之間，具有一二極體。該第二電路耦接於該多功能接腳以及一接地線之間，具有一熱敏電阻。
本發明實施例揭露一種電源控制器，為一單晶片積體電路。該電源控制器具有一閘接腳、一多功能接腳、一電阻值偵測器、以及一準諧振偵測電路。該閘接腳用以輸出一閘信號。當該閘信號被致能時，該電阻值偵測器用以偵測該多功能接腳到一接地線的一電阻值。當該電阻值低於一預設值時，該電阻值偵測器致能一保護信號。當該閘信號被禁能時，該準諧振偵測電路透過該多功能接腳，偵測一外界電感元件之一放電時間，以致能一觸發信號。該觸發信號可致能該閘信號，且被致能之該保護信號保持該閘信號不被致能。
在本說明書中，具有相同符號的元件，為具有大致相同或是類似的功能、結構、組織、或應用之元件，不必然需要彼此完全相同。此業界具有普通相關知識者，基於本說明書的教導，將知道 替換或是改變實施例中的元件，來實現本發明。本發明的實施例，並不用於限制本發明的權利範圍。
第3圖為依據本發明實施之QR電源供應器28。第3圖中，與第1圖相同的部分，為簡潔的緣故，不再重述。
QR電源控制器60可以是一單晶積體電路，具有六隻接腳：分別為VCC、GND、GATE、CS、FB、以及QRD/OTP。其中，接腳QRD/OTP為一多功能接腳，同時用來準諧振偵測以及OTP的功能。輔助繞組AUX具有一第一端ND1與一第二端ND2。輔助繞組AUX之第二端ND2耦接至接地線。在輔助繞組AUX之第一端ND1與接腳QRD/OTP之間耦接有電路32，其具有串接的電阻36以及二極體38。在接腳QRD/OTP與接地線之間耦接有電路34，其具有串接的電阻42以及熱敏電阻40。所謂熱敏電阻指的是電阻值會隨著溫度改變而顯著變化的電阻，其溫度係數可以是正的或是負的。在此揭示之實施例中，採用負溫度係數(negative temperature coefficient，NTC)的熱敏電阻。其他實施例可能採用正溫度係數(positive temperature coefficient，PTC)的熱敏電阻。
第4圖顯示第3圖中部份的電路以及QR電源控制器60內的電路。第5圖顯示第4圖中的一些信號波形，其中，由上而下，分別是電壓信號VAUX、閘信號VGATE、信號S1、信號S2、接腳QRD/OTP上的電壓信號VQRD/OTP、從接腳QRD/OTP流入電源控制器60的電流信號IQRD/OTP、以及流入電流比較器58的電流信號IIN。
請同時參考第4圖與第5圖。從第4或5圖中可以發現，信號 S1邏輯上等同於閘信號VGATE，信號S2則邏輯上相反於閘信號VGATE。當閘信號VGATE被致能而功率開關15開啟的開啟時間(ON time)TON時，信號S1使開關SW1開啟，呈現短路狀態；信號S2則使開關SW2關閉，呈現開路狀態。反之，於閘信號VGATE被禁能的關閉時間TOFF時，開關SW1關閉，開關SW2開啟。從第4圖中可推知，大致在電壓信號VCS超過回饋接腳FB上之回饋信號VFB所對應的一個值時，比較器66將透過SR紀錄器(SR register)50結束開啟時間TON。而稍後將說明，大致在電壓信號VAUX近乎是谷底時，電流比較器58、時間延遲器(delay device)62、脈衝產生器(pulse generator)64、以及及閘(AND gate)68所構成的信號路徑，將設定(set)SR紀錄器50來結束關閉時間TOFF。
當信號S1為致能而信號S2為禁能時，因為電壓信號VAUX為負值，二極體38為逆偏壓，所以電流源52所提供的定電流ISET，將流過短路的開關SW1、接腳QRD/OTP、以及電路34中的電阻42與熱敏電阻40，而到接地線。此時，電流信號IQRD/OTP為定電流ISET的負值。電壓比較器54比較接腳QRD/OTP上的電壓信號VQRD/OTP與一固定的參考電壓VREF-TH。以某一方面而言，電源控制器60中的電流源52以及電壓比較器54可以視為一電阻值偵測器，以定電流ISET來偵測電路34的電阻值。如果，電路34的電阻值高於參考電壓VREF-TH與定電流ISET所對應定義的值(=VREF-TH/ISET)，意味著熱敏電阻40的溫度尚未過高，熱敏電阻40的電阻值還在一可以接受的高準位，電壓比較器54不觸發保護裝 置56，禁能保護信號SPRT。所以，後續脈衝產生器64所產生的脈衝(pulse)便可以通過及閘(AND gate)68，到達SR紀錄器(SR register)50的S端。相反的，如果電路34的電阻值低於VREF-TH/ISET，電壓比較器54便認定熱敏電阻40的溫度過高，所以觸發保護裝置56，致能保護信號SPRT，因此SR紀錄器的S端便會被一直維持在邏輯上的”0”，無法開啟功率開關15，阻止更進一步的電能轉換。在一實施例中，QR電源控制器60在電路34的電阻值恢復到高於VREF-TH/ISET時，就禁能保護信號SPRT，自動回復(auto recover)電能轉換。在另一實施例中，保護信號SPRT被栓鎖(latched)，QR電源控制器60的電源接腳VCC之電壓必須低到一定程度後，QR電源控制器60才會解鎖(delatch)保護信號SPRT，回復(recover)電能轉換。
當開關SW1關閉而開關SW2開啟時(在剛剛進入關閉時間TOFF時)，因為電壓信號VAUX為正值，二極體38為順偏壓。此時，電流信號IIN會大致與電流信號IQRD/OTP相同。舉例來說，電流比較器58的負輸入端大約維持一定電壓，從接腳QRD/OTP汲取產生電流信號IIN。電流比較器58比較電流信號IIN與參考電流IREF-TH。輔助繞組AUX放電完畢時，輔助繞組AUX的電壓信號VAUX將會開始掉落，電流信號IIN便漸漸降低。因此，當電流信號IIN低於參考電流IREF-TH時，便可視為電壓信號VAUX即將接近谷底，所以電流比較器58致能觸發信號SDET。時間延遲器62提供觸發信號SDET一延遲時間，來產生延遲信號SDLY。延遲信號SDLY的上升 緣使脈衝產生器64產生一脈衝，其設置(set)SR紀錄器50，致能閘信號VGATE，使功率開關15大約在電壓信號VAUX近乎是谷底時，被開啟，進入一開啟時間TON。在此實施例中，電流比較器58可以視為一準諧振偵測電路，透過接腳QRD/OTP，偵測輔助繞組AUX之放電時間，以致能觸發信號SDET。
第4圖中的電源控制器60，如果以一單晶片的積體電路實施的話，可以就只需六隻接腳：VCC、GND、GATE、CS、FB、以及QRD/OTP。電源控制器60所成的QR電源供應器28，不僅僅是可以操作在幾乎沒有切換損失的QR模式，而且還具有OTP的功能。與第1圖之QR電源控制器18相較之下，QR電源控制器60在不增加接腳的條件下，就提供了QR電源供應器28額外的安全防護。
QR模式並不限於使用在返馳式轉換器，也可以使用在其他種架構之隔離式轉換器；此外本發明也可以適用於非隔離式轉換器，譬如說，昇壓轉換器(booster)、降壓轉換器(buck converter)、昇降壓轉換器(buck booster)等。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
8‧‧‧QR電源供應器
10‧‧‧返馳式轉換器
12‧‧‧操作電源產生器
13、14‧‧‧分壓電阻
15‧‧‧功率開關
18‧‧‧QR電源控制器
20‧‧‧回饋電路
28‧‧‧QR電源供應器
32‧‧‧電路
34‧‧‧電路
36‧‧‧電阻
38‧‧‧二極體
40‧‧‧熱敏電阻
42‧‧‧電阻
50‧‧‧SR紀錄器
52‧‧‧電流源
54‧‧‧電壓比較器
56‧‧‧保護裝置
58‧‧‧電流比較器
60‧‧‧QR電源控制器
62‧‧‧時間延遲器
64‧‧‧脈衝產生器
66‧‧‧比較器
68‧‧‧及閘
AUX‧‧‧輔助繞組
CS‧‧‧電流偵測接腳
FB‧‧‧回饋接腳
GATE‧‧‧閘接腳
IIN‧‧‧電流信號
IQRD/OTP‧‧‧電流信號
IREF-TH‧‧‧參考電流
ISET‧‧‧定電流
ND1‧‧‧第一端
ND2‧‧‧第二端
OUT‧‧‧輸出端
PRM‧‧‧一次側繞組
QRD‧‧‧準諧振偵測接腳
QRD/OTP‧‧‧接腳
S1、S2‧‧‧信號
SDET‧‧‧觸發信號
SDLY‧‧‧延遲信號
SPRT‧‧‧保護信號
SW1、SW2‧‧‧開關
TOFF‧‧‧關閉時間
TON‧‧‧開啟時間
VCC‧‧‧電源接腳
VAUX‧‧‧電壓信號
VCS‧‧‧電壓信號
VFB‧‧‧回饋信號
VGATE‧‧‧閘信號
VQRD/OTP‧‧‧電壓信號
VREF-TH‧‧‧參考電壓
△t‧‧‧延遲時間
第1圖為一習知的QR電源供應器。
第2圖顯示第1圖中的一些信號波形。
第3圖為依據本發明實施之一QR電源供應器。
第4圖顯示第3圖中部份的電路以及QR電源控制器60內的電路。
第5圖顯示第4圖中的一些信號波形。
10‧‧‧返馳式轉換器
12‧‧‧操作電源產生器
15‧‧‧功率開關
20‧‧‧回饋電路
28‧‧‧QR電源供應器
32‧‧‧電路
34‧‧‧電路
36‧‧‧電阻
38‧‧‧二極體
40‧‧‧熱敏電阻
42‧‧‧電阻
60‧‧‧QR電源控制器
AUX‧‧‧輔助繞組
CS‧‧‧電流偵測接腳
FB‧‧‧回饋接腳
GATE‧‧‧閘接腳
GND‧‧‧接地接腳
OUT‧‧‧輸出端
PRM‧‧‧一次側繞組
SEC‧‧‧二次側繞組
QRD/OTP‧‧‧接腳
VCC‧‧‧電源接腳

Claims (10)

  1. 一種電源供應器，包含有：一電源控制器，為一單晶片積體電路，具有一多功能接腳以及一閘接腳；一功率開關，具有一控制端耦接到該閘接腳；一輔助繞組，具有一第一端以及一第二端，其中該第二端耦接至一接地線；一第一電路，耦接於該多功能接腳與該第一端之間，具有一二極體；以及一第二電路，耦接於該多功能接腳以及該接地線之間，具有一熱敏電阻；其中，當該功率開關關閉時，該電源控制器透過該多功能接腳，偵測該輔助繞組之一放電時間。
  2. 如申請專利範圍第1項之電源供應器，其中，該第一電路包含有該二極體以及一電阻，串接於該多功能接腳與該輔助繞組之間。
  3. 如申請專利範圍第1項之電源供應器，其中，該第二電路具有該熱敏電阻以及一電阻，串接於該多功能接腳以及該接地線之間。
  4. 如申請專利範圍第1項之電源供應器，包含有：一操作電源產生器，包含有該輔助繞組，用以產生該電源控制器所需要的一操作電源。
  5. 如申請專利範圍第1項之電源供應器，其中，當該功率開關開啟時，該電源控制器透過該多功能接腳，偵測該第二電路之一電阻值。
  6. 一種電源控制器，為一單晶片積體電路，包含有：一閘接腳，用以輸出一閘信號；一多功能接腳；一電阻值偵測器，當該閘信號被致能時，用以偵測該多功能接腳到一接地線的一電阻值，且當該電阻值低於一預設值時，該電阻值偵測器致能一保護信號；以及一準諧振偵測電路(QR detector)，當該閘信號被禁能時，透過該多功能接腳，偵測一外界電感元件之一放電時間，以致能一觸發信號；其中，該觸發信號可致能該閘信號，且被致能之該保護信號保持該閘信號不被致能。
  7. 如申請專利範圍第6項之電源控制器，其中，當該閘信號被致能時，該電阻值偵測器透過該多功能接腳，輸出一固定之第一 電流，並偵測該多功能接腳之一接腳電壓，當該接腳電壓高於一預設電壓時，該電阻值偵測器致能該保護信號。
  8. 如申請專利範圍第6項之電源控制器，其中，當該閘信號被禁能時，該準諧振偵測電路偵測由該多功能接腳輸入之一輸入電流，且當該輸入電流小於一預設電流值時，致能該觸發信號。
  9. 如申請專利範圍第6項之電源控制器，其中，該電阻值偵測器包含有：一第一電流源，用以提供一第一電流，由該多功能接腳流出；以及一電壓比較器，用以比較該多功能接腳之一接腳電壓以及一預設電壓。
  10. 如申請專利範圍第6項之電源控制器，其中，該準諧振偵測電路包含有：一電流比較器，用以比較該多功能接腳輸入之一輸入電流，與一預設電流值。
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