TWI764406B - 電源路徑開關電路 - Google Patents
電源路徑開關電路Info
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- TWI764406B TWI764406B TW109142813A TW109142813A TWI764406B TW I764406 B TWI764406 B TW I764406B TW 109142813 A TW109142813 A TW 109142813A TW 109142813 A TW109142813 A TW 109142813A TW I764406 B TWI764406 B TW I764406B
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Abstract
一種電源路徑開關電路包含:一功率電晶體單元,該功率電晶體單元包括:一第一垂直雙擴散金屬氧化物半導體(VDMOS)元件,其中該第一VDMOS元件之第一電流流出端耦接於一電源路徑之輸出端;以及一第二VDMOS元件,其中該第一VDMOS元件之第一電流流入端及該第二VDMOS元件之第二電流流入端均耦接於該電源路徑之供應端;以及一電壓鎖定電路,分別與該第一電流流出端及該第二電流流出端耦接,以將該第二電流流出端之電壓鎖定於該第一電流流出端之電壓,藉此使流經該第一VDMOS元件之一第一導通電流與流經該第二VDMOS元件之一第二導通電流具有一預設比例。
Description
本發明係有關於電源路徑開關電路,特定而言係有關於可縮小印刷電路板之佈線面積的電源路徑開關電路。
圖1係顯示一習知之返馳式電源供應電路之二次側電路。如圖1所示,習知之返馳式電源供應電路之二次側電路係利用電阻Rcs來偵測二次側之電流,並利用電晶體bMOS來切換電流。電阻Rcs需要採用高準確度之電阻以用於感測電流,故其成本昂貴,且需額外的印刷電路板空間來容納電阻Rcs。
有鑑於此,本發明即針對上述先前技術之不足,提出一種創新的電源路徑開關電路。
於一觀點中,本發明提供一種電源路徑開關電路,用以導通或不導通一電源路徑,該電源路徑開關電路包含:一功率電晶體單元,耦接於該電源路徑之一供應端與一輸出端之間,該功率電晶體單元包括:一第一垂直雙擴散金屬氧化物半導體(vertical double-diffused metal oxide semiconductor, VDMOS)元件,具有一第一電流流入端、一第一電流流出端與一第一控制端,其中該第一電流流入端耦接於該供應端,該第一電流流出端耦接於該輸出端,且該第一控制端接收一控制訊號,並據以操作而導通或不導通該電源路徑;以及一第二VDMOS元件,具有一第二電流流入端、一第二電流流出端與一第二控制端,其中該第二電流流入端耦接於該供應端,該第二控制端接收該控制訊號;以及一電壓鎖定電路,分別與該第一電流流出端及該第二電流流出端耦接,以將該第二電流流出端之電壓鎖定於該第一電流流出端之電壓,藉此使流經該第一VDMOS元件之一第一導通電流與流經該第二VDMOS元件之一第二導通電流具有一預設比例。
於一實施例中,該電壓鎖定電路包括:一誤差放大器,具有一非反向輸入端與一反向輸入端,分別與該第一電流流出端及該第二電流流出端耦接;一橫向雙擴散金屬氧化物半導體(lateral double-diffused metal oxide semiconductor, LDMOS)元件,其閘極與該誤差放大器之輸出端耦接,且該LDMOS元件之一第三電流流入端與該第二電流流出端耦接,以及一電流感測元件,耦接於該LDMOS元件之一第三電流流出端與一接地電位之間,以提供一電流感測訊號,其中該電流感測訊號用以示意該第一導通電流之位準。
於一實施例中,該功率電晶體單元與該電壓鎖定電路皆為積體電路,且該功率電晶體單元與該電壓鎖定電路組合為多晶片模組(multi-chip module, MCM)。
於一實施例中,該電源路徑用於一返馳式電源供應電路之二次側電路。
於一實施例中,該電源路徑用於一通訊協定(protocol)電路,其中該通訊協定電路與一負載電路以一通訊協定進行通訊,並產生該控制訊號,而決定導通或不導通該電源路徑,其中,該電源路徑用以提供一電源予該負載電路。
於一實施例中,該第一導通電流與該第二導通電流之該預設比例為M:1,其中M為大於1之正實數。
本發明之一優點在於本發明可省略電阻Rcs及電晶體bMOS,故可縮小印刷電路板之佈線面積,進而可減少變壓器之尺寸。
底下藉由具體實施例詳加說明,當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意,主要意在表示各電路間之耦接關係,以及各訊號波形之間之關係,至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖2係根據本發明之一實施例顯示電源路徑開關電路之示意圖。本發明之電源路徑開關電路20可應用於任何類型之電源路徑203。如圖2所示,電源路徑開關電路20包含一功率電晶體單元201以及一電壓鎖定電路202。功率電晶體單元201係耦接於電源路徑203之一供應端IN與一輸出端OUT之間。
功率電晶體單元201包括一第一垂直雙擴散金屬氧化物半導體(vertical double-diffused metal oxide semiconductor, VDMOS)元件2011以及一第二VDMOS元件2012。第一VDMOS元件2011具有一第一電流流入端2011i、一第一電流流出端2011o與一第一控制端2011g。第一電流流入端2011i耦接於供應端IN,而第一電流流出端2011o則耦接於輸出端OUT。第一控制端2011g接收一控制訊號VG,並據以操作而導通或不導通電源路徑203。
第二VDMOS元件2012具有一第二電流流入端2012i、一第二電流流出端2012o與一第二控制端2012g。第二電流流入端2012i係耦接於供應端IN,而第二電流流出端2012o則耦接於輸出端OUT。第二控制端接收控制訊號VG,並據以操作而導通或不導通電源路徑。
電壓鎖定電路202分別與第一電流流出端2011o及第二電流流出端2012o耦接,以將第二電流流出端2012o之電壓鎖定於第一電流流出端2011o之電壓,且第一電流流出端2011o與第二電流流出端2012o不直接電連接,藉此使流經第一VDMOS元件2011之一第一導通電流Im與流經第二VDMOS元件2012之一第二導通電流I1具有一預設比例。也就是說,藉由將第一VDMOS元件2011以及第二VDMOS元件2012的電流流入端(即第一電流流入端2011i與第二電流流入端2012i)電連接,且將第一VDMOS元件2011以及第二VDMOS元件2012的控制端(即第一控制端2011g與第二控制端2012g)電連接(都接收控制訊號VG),並將第一VDMOS元件2011以及第二VDMOS元件2012的電流流出端(即第一電流流出端2011o與第二電流流出端2012o) 透過電壓鎖定電路202鎖定於相同電壓,其中第一VDMOS元件2011以及第二VDMOS元件2012的電流流出端彼此不直接電連接;而使得前述第一導通電流Im與第二導通電流I1維持在該預設比例。於一實施例中,第一導通電流Im與第二導通電流I1之預設比例為M:1,其中M為大於1之正實數。於一實施例中,M例如可為但不限於為大於100之正實數,在一種較佳的實施例中,M例如可為但不限於2000或500。
於一實施例中,功率電晶體單元201與電壓鎖定電路202皆為積體電路。於一較佳實施例中,功率電晶體單元201與電壓鎖定電路202可組合為多晶片模組(multi-chip module, MCM)。如上所述本發明之電源路徑開關電路20可應用於任何類型之電源路徑。例如,於一實施例中,該電源路徑203可用於一返馳式電源供應電路之二次側電路。於另一實施例中,該電源路徑203可用於一通訊協定(protocol)電路,其中該通訊協定電路與一負載電路以一通訊協定進行通訊,並產生該控制訊號,而決定導通或不導通該電源路徑203,其中,該電源路徑203用以提供一電源予該負載電路。於又一實施例中,該電源路徑203可用於交流直流轉換系統電路。
圖3係根據本發明之一實施例顯示返馳式電源供應電路之二次側電路之示意圖。圖3所示之實施例係將本發明之電源路徑開關電路30應用在返馳式電源供應電路之二次側電路,例如但不限於將電源路徑開關電路30與返馳式電源供應電路之二次側電路整合為晶片模組。藉此可免除在印刷電路板上設置電阻Rcs及電晶體bMOS(blocking MOS),藉此可減小印刷電路板佈線空間,並節省製造成本。在一種實施例中,也可以將電源路徑開關電路30中的電壓鎖定電路整合於前述二次側電路之積體電路中,僅將電源路徑開關電路30中的功率電晶體單元201獨立於二次側電路之積體電路之外。
圖4係根據本發明之一實施例顯示應用在返馳式電源供應電路之二次側電路之電源路徑開關電路的示意圖。如圖4所示,本發明之電源路徑開關電路40可用以導通或不導通自供應端VD至電壓匯流排Vbus之一電源路徑。電源路徑開關電路40可包含一功率電晶體單元401以及一電壓鎖定電路402。於一實施例中,電壓鎖定電路402可設置於二次側電路之控制器中。功率電晶體單元401係耦接於該電源路徑之一供應端VD與二次側電路之控制器的一輸出端Vs之間。此處的供應端VD係對應於圖3之接腳VDD。於一實施例中,功率電晶體單元401包括一第一垂直雙擴散金屬氧化物半導體(vertical double-diffused metal oxide semiconductor, VDMOS)元件4011以及一第二VDMOS元件4012。第一VDMOS元件4011具有一第一電流流入端4011i、一第一電流流出端4011o與一第一控制端4011g。第一電流流入端4011i透過D端之等效電阻Rd1耦接於供應端VD,而第一電流流出端4011o透過S端的等效電阻Rs1耦接於輸出端Vs1。第一控制端4011g接收一控制訊號VG,並據以操作而導通或不導通該電源路徑。
第二VDMOS元件4012具有一第二電流流入端4012i、一第二電流流出端4012o與一第二控制端4012g。第二電流流入端4012i透過D端之等效電阻Rd2耦接於供應端VD,而第二電流流出端4012o透過S端的等效電阻Rs2耦接於輸出端Vs2。第二控制端4012g接收控制訊號VG,並據以操作而導通或不導通該電源路徑。於一實施例中,等效電阻Rd1、Rd2成一特定比例關係。於一實施例中,等效電阻Rs1、Rs2成一特定比例關係。於一實施例中,第一VDMOS元件4011之通道電阻Ron1及第二VDMOS元件4012之通道電阻Ron2成一特定比例關係。
電壓鎖定電路402分別與第一電流流出端4011o及第二電流流出端4012o耦接,且第一電流流出端4011o與第二電流流出端4012o不直接電連接,以將第二電流流出端4012o之電壓鎖定於第一電流流出端4011o之電壓,藉此使流經第一VDMOS元件4011之一第一導通電流Im與流經第二VDMOS元件4012之一第二導通電流I1具有一預設比例。於一實施例中,第一導通電流Im與第二導通電流I1之預設比例為M:1,其中M為大於1之正實數。於一實施例中,M例如可為但不限於為大於100之正實數,在一種較佳的實施例中,M例如可為但不限於2000或500。
電壓鎖定電路402可包括一誤差放大器4021、一橫向雙擴散金屬氧化物半導體(lateral double-diffused metal oxide semiconductor, LDMOS)元件4022以及一電流感測元件4023。誤差放大器4021具有一非反向輸入端與一反向輸入端,分別透過電阻Rb3及電阻Rb2與第一電流流出端4011o及第二電流流出端4012o耦接。將第一電流流出端4011o及第二電流流出端4012o分別耦接於誤差放大器4021的非反向輸入端與反向輸入端,藉由誤差放大器4021的迴路設計,使得第一電流流出端4011o與第二電流流出端4012o鎖定於相同電壓。
LDMOS元件4022之閘極4022g與誤差放大器4021之輸出端耦接,且LDMOS元件4022之一第三電流流入端4022i透過電阻Rb4與第二電流流出端4012o耦接。電流感測元件4023係耦接於LDMOS元件4022之一第三電流流出端4022o與一接地電位之間,以提供一電流感測訊號,電流感測訊號係為第二導通電流I1之感測訊號,由於第一導通電流Im與第二導通電流I1具有一預設比例,故可由此得知第一導通電流Im之位準。是故,該電流感測訊號可用以示意第一導通電流Im之位準。根據本發明,以Kelvin Sense 方式,將電壓鎖定與感測電流,經由不同節點與路徑完成,以避免寄生元件(如寄生電阻)影響電壓鎖定與感測電流的精確度。 如圖4所示,電壓匯流排Vbus係透過電阻Rb1耦接至第一電流流出端4011o。藉此可透過電流感測元件4023偵測電流,並透過電壓匯流排Vbus偵測電壓。
於一實施例中,功率電晶體單元401與電壓鎖定電路402皆為積體電路。於一較佳實施例中,功率電晶體單元401與電壓鎖定電路402可形成於分開的基板上的晶片,且可組合為多晶片模組(multi-chip module, MCM)。需說明的是,在一實施例中,如圖4中的電阻Rb1~Rb4可對應於銲線的寄生電阻,而電阻Rb1~Rb4各自之兩端於圖4中所連接的含有叉號的方框符號例如對應於晶片上或導線架上的銲墊。此外,如圖4中的等效電阻Rs1~Rs2與Rd1~Rd2可對應於各自對應的VDMOS元件的源極或汲極的寄生電阻,在一實施例中,也包括了晶片上的佈局金屬線的寄生電阻。
應注意者為,本發明之電源路徑開關電路可應用於任何類型之電源路徑。例如,於一實施例中,該電源路徑可用於一返馳式電源供應電路之二次側電路。於另一實施例中,該電源路徑可用於一通訊協定(protocol)電路,其中該通訊協定電路與一負載電路以一通訊協定進行通訊,並產生該控制訊號,而決定導通或不導通該電源路徑,其中,該電源路徑用以提供一電源予該負載電路。於又一實施例中,該電源路徑可用於交流直流轉換系統電路。
如上所述,本發明之電源路徑開關電路可省略電阻Rcs及電晶體bMOS,故可縮小印刷電路板之佈線面積,進而可減少變壓器之尺寸。
以上已針對較佳實施例來說明本發明,唯以上所述者,僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已,並非用來限定本發明之最廣的權利範圍。所說明之各個實施例,並不限於單獨應用,亦可以組合應用,舉例而言,兩個或以上之實施例可以組合運用,而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外,在本發明之相同精神下,熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合,舉例而言,本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」,不限於根據該訊號的本身,亦包含於必要時,將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及/或比例轉換等,之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知,在本發明之相同精神下,熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合,其組合方式甚多,在此不一一列舉說明。因此,本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
20, 30, 40: 電源路徑開關電路
201, 401: 功率電晶體單元
2011, 4011: 第一垂直雙擴散金屬氧化物半導體(VDMOS)元件
2011g, 4011g: 第一控制端
2011i, 4011i: 第一電流流入端
2011o, 4011o: 第一電流流出端
2012, 4012: 第二VDMOS元件
2012g, 4012g: 第二控制端
2012i, 4012i: 第二電流流入端
2012o, 4012o: 第二電流流出端
202, 402: 電壓鎖定電路
203: 電源路徑
4021: 誤差放大器
4022: 橫向雙擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)元件
4022g: 閘極
4022i: 第三電流流入端
4022o: 第三電流流出端
4023: 電流感測元件
aIFB: 節點
bMOS: 電晶體
CC1, CC2, CS+, CS-, D+, D-, GND, OPTO, RT, USBP, V2, VDD, VFB: 接腳
I1: 第二導通電流
IN, VD: 供應端
Im: 第一導通電流
OUT, Vs, Vs1, Vs2: 輸出端
Rb1, Rb2, Rb3, Rb4, Rcs: 電阻
Rd1, Rd2, Rs1, Rs2: 等效電阻
Ron1, Ron2: 通道電阻
Vbus: 電壓匯流排
VG: 控制訊號
圖1係顯示一習知之返馳式電源供應電路之二次側電路之示意圖。
圖2係根據本發明之一實施例顯示電源路徑開關電路之示意圖。
圖3係根據本發明之一實施例顯示返馳式電源供應電路之二次側電路之示意圖。
圖4係根據本發明之一實施例顯示應用在返馳式電源供應電路之二次側電路之電源路徑開關電路的示意圖。
20: 電源路徑開關電路
201: 功率電晶體單元
2011: 第一垂直雙擴散金屬氧化物半導體(VDMOS)元件
2011g: 第一控制端
2011i: 第一電流流入端
2011o: 第一電流流出端
2012: 第二VDMOS元件
2012g: 第二控制端
2012i: 第二電流流入端
2012o: 第二電流流出端
202: 電壓鎖定電路
203: 電源路徑
I1: 第二導通電流
Im: 第一導通電流
IN: 供應端
OUT: 輸出端
VG: 控制訊號
Claims (5)
- 一種電源路徑開關電路,用以導通或不導通一電源路徑,該電源路徑開關電路包含:一功率電晶體單元,耦接於該電源路徑之一供應端與一輸出端之間,該功率電晶體單元包括:一第一垂直雙擴散金屬氧化物半導體(vertical double-diffused metal oxide semiconductor,VDMOS)元件,具有一第一電流流入端、一第一電流流出端與一第一控制端,其中該第一電流流入端耦接於該供應端,該第一電流流出端耦接於該輸出端,且該第一控制端接收一控制訊號,並據以操作而導通或不導通該電源路徑;以及一第二VDMOS元件,具有一第二電流流入端、一第二電流流出端與一第二控制端,其中該第二電流流入端耦接於該供應端,該第二控制端接收該控制訊號;以及一電壓鎖定電路,分別與該第一電流流出端及該第二電流流出端耦接,以將該第二電流流出端之電壓鎖定於該第一電流流出端之電壓,藉此使流經該第一VDMOS元件之一第一導通電流與流經該第二VDMOS元件之一第二導通電流具有一預設比例,其中該電壓鎖定電路包括:一誤差放大器,具有一非反向輸入端與一反向輸入端,分別與該第一電流流出端及該第二電流流出端耦接;一橫向雙擴散金屬氧化物半導體(lateral double-diffused metal oxide semiconductor,LDMOS)元件,其閘極與該誤差放大器之輸出端耦接,且該LDMOS元件之一第三電流流入端與該第二電流流出端耦接;以及 一電流感測元件,耦接於該LDMOS元件之一第三電流流出端與一接地電位之間,以提供一電流感測訊號,其中該電流感測訊號用以示意該第一導通電流之位準。
- 如請求項1所述之電源路徑開關電路,其中該功率電晶體單元與該電壓鎖定電路皆為積體電路,且該功率電晶體單元與該電壓鎖定電路組合為多晶片模組(multi-chip module,MCM)。
- 如請求項1所述之電源路徑開關電路,其中該電源路徑用於一返馳式電源供應電路之二次側電路。
- 如請求項1所述之電源路徑開關電路,其中該電源路徑用於一通訊協定(protocol)電路,其中該通訊協定電路與一負載電路以一通訊協定進行通訊,並產生該控制訊號,而決定導通或不導通該電源路徑,其中,該電源路徑用以提供一電源予該負載電路。
- 如請求項1所述之電源路徑開關電路,其中該第一導通電流與該第二導通電流之該預設比例為M:1,其中M為大於1之正實數。
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