CN100530921C - 具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，采用双极性晶体管结构的集成电路工艺完成，使用在电源供应器中，使用振荡器电路输出周期性脉冲信号。该周期性脉冲信号通过放大电路传送到功率开关的控制端，用以周期性的导通该功率开关。同时使用闩锁电路连接到该振荡器电路、该放大电路、该功率开关及该电源供应器的反馈端，根据该反馈端产生的反馈信号，周期性的拉下该功率开关控制端的电位，以截止该功率开关，并在电源供应器轻载下，持续停止该振荡器电路工作，待该反馈信号电位下降时才恢复该振荡器电路输出，实现了省电模式的功能，改善了耐压较差的问题以及产品成本高的缺点。

Description

具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置
技术领域
本发明有关于一种具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，尤指一种利用双极性晶体管结构的集成电路工艺完成，使用在电源供应器中，用来控制功率开关切换的脉冲宽度调制装置。
背景技术
按目前已知的直流电源供应装置，如交换式电源供应器中(AC To DCSwitching Power Supply)中，为缩小变压器的体积，大多使用高频的脉冲宽度调制(PWM)控制直流输出电压，如图1所示，为公知返驰式电源供应装置的电路示意图，变压器T1将电路区分成为一次侧前级电路101与二次侧后级电路102，该一次侧101与该二次侧102间是以光敏晶体管111及光二极管112分离该一次侧101与该二次侧102的电信号，但却可利用光信号反馈二次侧102的电压或电流输出变化信号到一次侧101，以同步调整该一次侧101及二次侧102的电压及电流变化量，或者做为过电流及短路保护的反馈信号。
请再参考图1，其中在一次侧101输入交流电压VAC，交流电压VAC经过EMI滤波器1010、桥式整流器BD1及高压滤波电容C1后成为直流电压Vin。直流电压Vin借由脉冲调制控制单元U1控制功率晶体管开关Q1的导通周期，进而传送到该变压器T1的一次侧绕组。同时，变压器T1的二次侧绕组是感应输出电压，该输出电压通过二极管D1及电解电容C2整流滤波后，产生稳定直流电压Vout输出。
直流电压Vout通过反馈稳压器D3与光耦合器11将输出直流电压Vout转换成电压信号VFB反馈到一次侧101的脉冲宽度调制控制单元U1。同时，在功率晶体管开关Q1导通时通过电阻器R2取得电流反馈信号Vcs，电流反馈信号Vcs被传送到脉冲宽度调制控制单元U1，脉冲宽度调制控制单元U1取得该电流反馈信号Vcs与该电压信号VFB通过运算输出调制脉冲PWM到功率晶体管开关Q1，用来稳定输出直流电压Vout。
同时基于环保意识的逐渐提高，具有省电模式(Green Mode)设计的电源供应器已经越来越普遍化，各个脉冲宽度调制控制器(PWM IC)设计厂商无不竞相推出具有省电模式设计的新一代脉冲宽度调制控制器(PWM IC)来取代旧有产品。具有省电模式的脉冲宽度调制控制器大多以互补金属氧化物半导体(CMOS)结构的IC工艺设计完成，但是互补金属氧化物半导体结构的IC有其耐压较差的缺点，如果设计不当的话在静电防护(ElectrostaticDischarge；ESD)及冲击波(SURGE)测试时容易出现不良情形。市面上具有省电模式设计的新一代脉冲宽度调制控制器其线路复杂且使用不少的组件，而且无法采用双极性晶体管BYPOLAR结构的集成电路IC工艺完成，因为极性晶体管BYPOLAR结构的集成电路IC工艺其晶体面积大且较为耗电。并且，价格比一般的脉冲宽度调制控制器(PWM IC)价格更为昂贵。
发明内容
有鉴于此，本发明一种具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，是基于公知具有省电模式的脉冲宽度调制控制器(PWM IC)技术所使用互补金属氧化物半导体(CMOS)结构的IC工艺，对其耐压较差的问题以及产品成本高的缺点进行改善。
本发明一种具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，是采用双极性晶体管结构的集成电路工艺完成，其使用在电源供应器中，用来控制功率开关进行省电模式的切换，本发明使用振荡器电路，通过电源供应器中的辅助电源端接收辅助电源电压，并输出周期性脉冲信号。该周期性脉冲信号通过放大电路传送到功率开关的控制端，用以周期性的导通该功率开关。同时使用闩锁电路连接到该振荡器电路、该放大电路、该功率开关及该电源供应器的反馈端，根据该反馈端产生的反馈信号，周期性的拉下该功率开关控制端的电位以截止该功率开关。另外，电源供应器在轻载状态下，该反馈信号的电位变高，将使该闩锁电路持续停止该振荡器电路工作，待该反馈信号电位下降时才恢复该振荡器电路输出，以实现省电模式(Green Mode)的功能。
根据所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，进一步包括有短路保护电路，连接于该辅助电源端与电流检测电阻，以取得该电流检测电阻上的检测电流信号，当检测电流信号大于内部设定的保护临界值时，用以拉低该辅助电源的电压，使其无法提供足够电压供该振荡器电路正常工作。
根据所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，该闩锁电路包括有：第一晶体管，其集电极端连接到该振荡器电路，发射极端连接到参考端，基极端连接到该电源供应器的反馈端；第二晶体管，其集电极端连接到该第一晶体管的基极端，发射极端连接到该功率开关的控制端，基极端则连接到该第一晶体管的集电极端；滤波电容器，其一端连接于该电源供应器的反馈端，另一端则连接到该参考端；以及偏压电阻，并接于该第二晶体管的基极端与发射极端。
根据所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，该放大电路为射极跟随器。
根据所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，该放大电路为第三晶体管，其基极端连接于该振荡器电路，集电极端连接于该辅助电源端，发射极端则连接于该功率开关的控制端。
与现有技术相比本发明具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，采用双极性晶体管结构的集成电路工艺完成，使用在电源供应器中，用来控制功率开关进行省电模式的切换，改善了耐压较差的问题以及产品价格高的缺点。另外，电源供应器在轻载状态下，反馈信号的电位变高，将使闩锁电路持续停止该振荡器电路工作，待反馈信号电位下降时才恢复振荡器电路输出，实现了省电模式的功能。
以上的概述与接下来的详细说明都为示范性的，是为了进一步说明本发明的权利要求。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的说明与图示中加以阐述。
附图说明
图1为公知返驰式电源供应装置的电路示意图；
图2为本发明电路示意图；
图3为本发明在电源供应器正常负载下电路各点的波形示意图；以及
图4为本发明在电源供应器低负载下电路各点的波形示意图。
其中，附图标记说明如下：
公知：
T1         变压器
101        一次侧电路
1010       EMI滤波器
102        二次侧电路
VAC        交流电压
11         光耦合器
12         振荡电路
121、122   比较器
123        触发器
111        光敏晶体管
112        光二极管
U1         脉冲宽度调制控制单元
本发明：
Q2         功率开关
10         振荡器电路
12         闩锁电路
14         短路保护电路
16         放大电路
VFB        反馈信号
Vc         辅助电源端
R13        电流检测电阻
Vcs        检测电流信号
Clock      周期性脉冲信号
Q6         第一晶体管
Q5         第二晶体管
C8         滤波电容器
R9         偏压电阻
具体实施方式
请参考图2，为本发明电路示意图。本发明具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置是采用双极性晶体管结构的集成电路工艺完成，并且使用在电源供应器中，用来控制功率开关Q2的切换。本发明装置的电路构件包括有：振荡器电路10、闩锁电路12及放大电路16。
如图2所示，振荡器电路10连接于电源供应器中的辅助电源端Vc以接收辅助电源电压，并且输出周期性脉冲信号Clock，该周期性脉冲信号Clock通过放大电路16传送到该功率开关Q2的控制端，用以周期性的导通该功率开关Q2，该放大电路16为第三晶体管Q1，其基极端连接于该振荡器电路10，集电极端连接于辅助电源端Vc，发射极端则连接于该功率开关Q2的控制端，为射极跟随器。同时，闩锁电路12连接于该振荡器电路10、该放大电路16、该功率开关Q2及该电源供应器的反馈端FB，根据该反馈端FB产生的反馈信号VFB，周期性的拉下该功率开关Q2控制端的电位以截止该功率开关Q2。所以，本发明可以控制功率开关Q2周期性的导通或截止，在电源供应器正常工作下，使电源供应器输出的电力得以稳定及提供负载所需的电力。
另外，上述中的电源供应器在轻载状态下，该反馈信号VFB的电位持续为高电位，将使该闩锁电路12持续停止该振荡器电路10工作，待该反馈信号VFB电位下降时才恢复该振荡器电路10的输出。
再参考图2，本发明装置进一步包括有短路保护电路14，连接于该辅助电源端Vc与电流检测电阻R13，取得该电流检测电阻R13上的检测电流信号Vcs，当检测电流信号Vcs大于短路保护电路14设定的保护临界值时，则短路保护电路14会降低该辅助电源的电压，使其无法提供足够电压供该振荡器电路10正常工作，以达到电源供应器负载端短路时的保护。
再参考图2，结合图3本发明在电源供应器正常负载下电路各点的波形示意图。振荡器电路10是由晶体管Q3、Q4等构件连接组成，其周期性脉冲信号Clock产生说明如下：振荡器电路10中的电容C6通过电阻R5连接到电源供应器中的辅助电源端Vc以接收辅助电源电压，并进行充电动作。当电容器C6上建立的电压经分压到电阻R6上，使得电阻R6上的电压大于晶体管Q3的基极-发射极(B-E)结的电压时，晶体管Q3与晶体管Q4会相继导通，此时，在二极管D4的输出端会产生脉冲信号Clock。接着，电容器C6会通过放电路径进行放电，然后，再次如上述说明进行充电动作。如此，振荡器电路10利用电容器C6反复的充电与放电动作，以输出周期性脉冲信号Clock。
再参考图2，该闩锁电路12包括有：第一晶体管Q6，其集电极端连接到该振荡器电路10的输出，发射极端连接到参考端G，基极端连接到该电源供应器的反馈端FB；第二晶体管Q5，其集电极端连接到该第一晶体管Q6的基极端，发射极端连接到该功率开关Q2的控制端，基极端则连接到该第一晶体管Q6的集电极端；滤波电容器C8，其一端连接到该电源供应器的反馈端FB，另一端则连接到该参考端G；偏压电阻R9，并接于该第二晶体管Q5的基极端与发射极端。其中该第一晶体管Q6与该第二晶体管Q5等效于硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier；SCR)，具有硅控整流器SCR的各种特性。
结合图2，再参考图3，当电源供应器正常工作时，振荡器电路10输出周期性的脉冲信号Clock通过放大电路16到功率开关Q2控制其导通，同时电流检测电阻R13会接收流过功率开关Q2的电流而产生检测电流信号Vcs，闩锁电路12同时接收该检测电流信号Vcs与电源供应器的反馈信号VFB，当两信号的总和值大于闩锁电路12内部第一晶体管Q6的基极-发射极(B-E)结的电压时，第一晶体管Q6与第二晶体管Q5会相继导通，而拉下功率开关Q2控制端的电位以截止该功率开关Q2。如此，本发明使用振荡器电路10输出周期性的脉冲信号Clock配合闩锁电路12即可以输出周期性的PWM控制信号到功率开关Q2的栅极端，控制功率开关Q2的切换，以让电源供应器输出的电力得以稳定及提供负载所需的电力。
结合图2，参考图4为本发明在电源供应器低负载下电路各点的波形示意图。当电源供应器在低负载工作时，电源供应器的反馈信号VFB会拉高，而反馈信号VFB与检测电流信号Vcs的总和值会很快的到达闩锁电路12内部第一晶体管Q6的基极-发射极(B-E)结的电压，让第一晶体管Q6与第二晶体管Q5相继导通，而拉下功率开关Q2控制端的电位以截止该功率开关Q2。如此，在电源供应器低负载下，本发明输出的周期性PWM控制信号，其工作周期(Duty Cycle)会小于工作在正常负载下，以让电源供应器输出的电力得以稳定及提供负载所需的电力。
如上述说明中，由于电源供应器在低负载下，本发明所使用的闩锁电路12会在电源供应器的反馈端FB取得持续高电位的反馈信号VFB，该持续高电位的反馈信号VFB将使该闩锁电路12持续停止该振荡器电路10工作，待该反馈信号VFB电位下降时才恢复该振荡器电路10输出，以实现省电模式的功能。
综上所述，本发明具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，采用双极性晶体管结构的集成电路工艺完成，其使用在电源供应器中，用来控制功率开关进行省电模式的切换。本发明使用振荡器电路，通过电源供应器中的辅助电源端接收辅助电源电压，并输出周期性脉冲信号，该周期性脉冲信号通过放大电路传送到功率开关的控制端，用以周期性的导通该功率开关。同时使用，闩锁电路连接到该振荡器电路、该放大电路、该功率开关及该电源供应器的反馈端，根据该反馈端产生的反馈信号，周期性的拉下该功率开关控制端的电位，以截止该功率开关。
另外，电源供应器在轻载状态下，该反馈信号的电位变高，将使该闩锁电路持续停止该振荡器电路工作，待该反馈信号电位下降时才恢复该振荡器电路输出，以实现省电模式的功能。
以上所述，仅为本发明优选的具体实施例的详细说明与附图，本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡属于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，都应包含在本发明的范畴中，任何本领域的技术人员可轻易思及的变化或修饰都可涵盖在以下本发明的权利要求中。

Claims (5)

1.一种具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，其特征在于，采用双极性晶体管结构的集成电路工艺完成，使用在电源供应器中，用来控制功率开关的切换，包括有：
振荡器电路，连接到电源供应器中的辅助电源端以接收辅助电源电压，且输出周期性脉冲信号，该周期性脉冲信号通过放大电路传送到该功率开关的控制端，用以周期性的导通该功率开关；以及
闩锁电路，连接到该振荡器电路、该放大电路、该功率开关及该电源供应器的反馈端，根据该反馈端产生的反馈信号，周期性的拉下该功率开关控制端的电位，以截止该功率开关，同时，电源供应器在轻载状态下，该反馈信号的电位变高，将使该闩锁电路持续停止该振荡器电路工作，待该反馈信号电位下降时才恢复该振荡器电路输出。
2.如权利要求1所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，其特征在于，进一步包括有短路保护电路，连接到该辅助电源端与电流检测电阻，以取得该电流检测电阻上的检测电流信号，当检测电流信号大于内部设定的保护临界值时，用以拉低该辅助电源的电压，使其无法提供足够电压供该振荡器电路正常工作。
3.如权利要求1所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，其特征在于，该闩锁电路包括有：
第一晶体管，其集电极端连接到该振荡器电路，发射极端连接到参考端，基极端连接到该电源供应器的反馈端；
第二晶体管，其集电极端连接到该第一晶体管的基极端，发射极端连接到该功率开关的控制端，基极端则连接到该第一晶体管的集电极端；
滤波电容器，其一端连接到该电源供应器的反馈端，另一端则连接到该参考端；以及
偏压电阻，并接到该第二晶体管的基极端与发射极端。
4.如权利要求1所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，其特征在于，该放大电路为射极跟随器。
5.如权利要求1所述的具有省电模式的返驰式脉冲宽度调制装置，其特征在于，该放大电路为第三晶体管，其基极端连接到该振荡器电路，集电极端连接到该辅助电源端，发射极端则连接到该功率开关的控制端。
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