TWI433444B - 在ac/dc電源、轉換器中內部高壓電流源 - Google Patents

在ac/dc電源、轉換器中內部高壓電流源 Download PDF

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Description

在AC/DC電源、轉換器中內部高壓電流源 相關申請案的交叉參考
本申請案主張2009年2月25日申請的第200910058429.5號中國專利申請案的優先權，該案之全文以引用的方式併入本文中。
發明所屬之技術領域
本發明與電子電路有關，更特定言之，與交流電-直流電(AC/DC)電源轉換器有關。
第1圖係例示傳統AC/DC電源轉換器的示意圖。在第1圖中，虛線框101內的組件被整合在矽晶粒上。AC電壓施加於輸入埠102和104，且相對於接地108之經調節DC輸出電壓被提供在輸出埠106。第1圖顯示包含初級繞組110及次級繞組112的變壓器，且該變壓器亦包括用於在穩態操作期間對電容器116充電的另一次級繞組114。
矽晶粒101內之各組件需要經整流的電壓用於操作。在穩態操作期間，橫跨電容器116的電壓在節點122處提供脈衝寬度調變器(PWM)118所需之電壓。在穩態操作期間，PWM 118以足以激勵初級繞組110的速率切換開關金氧半導體場效電晶體(nMOSFET)120，使得反饋電壓經調整等於參考電壓(圖中未示)。
在起動期間，電容器116尚未被充電飽足，使 得節點122處產生的電壓初始為低，例如幾乎等於接地。為產生起動期間所需之電壓，使用高壓內部電流源。節點122連接至nMOSFET 124之閘極且連接至nMOSFET 126之源極。nMOSFET 104之源極被電壓源128偏壓。由於節點122處之電壓為低，nMOSFET 124為斷開且nMOSFET 126為接通。由於nMOSFET 126之汲極連接至節點130，nMOSFET 126之汲極係處於相對高的經整流電壓，使得nMOSFET 126在接通時當作高壓電流源，於起動期間向電容器116供應電流。
當節點122處之電壓高到足以接通nMOSFET 124時，nMOSFET 126之閘極被拉低，使得nMOSFET 128被斷開。此時，PWM 118開始運作，使得AC/DC轉換器進入穩態操作模式，其中nMOSFET 120被切換接通及斷開以調節輸出電壓。在穩態操作期間，次級繞組114及二極體132維持電容器116被充電。
如第1圖清楚可見，該電路包含二個高壓接腳134及136，分別連接至nMOSFET 126之汲極以及nMOSFET 120之汲極。在矽晶粒上製造個別高壓接腳134和136係昂貴且複雜的。因此，需要一種生產之複雜度及成本減低的電路。
101‧‧‧虛線框、矽晶粒
102、104、202、204‧‧‧輸入埠
106、206‧‧‧輸出埠
108、207‧‧‧接地
110、214‧‧‧初級繞組
112、114、220‧‧‧次級繞組
116、218‧‧‧電容器
118、210‧‧‧脈衝寬度調變器(PWM)
120、124、126、212、226‧‧‧金氧半導體場效電晶體(nMOSFET)
122、130、216‧‧‧節點
128‧‧‧電壓源
132、221‧‧‧二極體
134、136‧‧‧高壓接腳
208‧‧‧虛線、矽晶粒
224‧‧‧功能塊、低壓保持單元(UVLO)
228‧‧‧電晶體
230‧‧‧電阻器
302、304‧‧‧狀態
306、308‧‧‧事件
T1‧‧‧第一臨界值
T2‧‧‧第二臨界值
第1圖為依據習知技藝之AC/DC電源轉換器的示意圖。
第2圖為依據本發明實施例之AC/DC電源轉換器的示意圖。
第3圖為第2圖之AC/DC電源轉換器的狀態圖。
以下說明AC/DC轉換器之電子電路及相關方法的實施例。下文提出之一些細節(例如實例電路及這些電路組件之實例數值)係用來以足以讓熟習相關技藝者有能力實施、製作及使用下文所述實施例及方法的方式說明這些實施例及方法。在本文中，〝電流源〞可包含電流源或電流槽。但，下文提出之一些細節及優點不一定是實施此技術之某些實施例及方法所必需。因此，熟習相關技藝者會理解到此技術可能有具備附加元件之其他實施例，且/或可能有不具備下文參照第2圖和第3圖所述之一些特徵的其他實施例。
第2圖係依據本發明之實施例之AC/DC電源轉換器的示意圖。如第2圖所示，輸入AC源施加於輸入埠202和204，且經整流並調節的輸出電壓被提供在輸出埠206。該輸出電壓可為參照於接地207或其他期望值。虛線208以內的組件可被整合在矽晶粒/晶片上。在穩態操作期間，PWM 210以足以激勵初級繞組214的速率切換開關nMOSFET 212，使得反饋電壓經調整等於參考電壓。該反饋電壓及參考電壓的產生為求主題明確故不在此詳細說明。在穩態操作期間，次級繞組220及二極體221的組合對電容器218充電，且橫跨電容器218的電壓在節點216處提供夠高的經整流電壓以用於矽晶粒208之某些組件。
功能塊224大體上標出低壓保持(UVLO)單元。UVLO經構形以比較節點216處之電壓(橫跨電容器218之電壓)與第一和第二臨界值。第一臨界值大於第二臨界值。當第2圖之AC/DC轉換器首次被接通時，電容器218尚未被充電飽足。因此，節點216處之電壓可能低於第一臨界值。所以，UVLO 224防止PWM 210將nMOSFET 212接通，且nMOSFET 226之閘電壓為使nMOSFET 226為斷開的值。
nMOSFET 226之汲極被連接至電晶體228之閘極及電阻器230之閘極。電阻器230及電晶體228之汲極被連接至初級繞組214。在第2圖之特定實施例中，電晶體228係JFET(接面場效電晶體)。在其他實施例中，電晶體228可亦包含MOSFET、雙極電晶體、及/或其他適合類型之電晶體。
在nMOSFET 226為斷開的情況，當節點216處之電壓小於第二臨界值時，電晶體228被電阻器230偏壓為接通，使得流過初級繞組214的電流可用來對電容器218充電。隨著電容器218充電，節點216處的電壓升高至超過第二臨界值，然後超過第一臨界值。當節點216處之電壓升高至超過或等於第一臨界值，UVLO 224致能PWM 210接通及斷開nMOSFET 212。若節點216處之電壓可被維持為高於第二臨界值，即開始穩態操作，且UVLO 224輸出高電壓以接通nMOSFET 226之閘極。此拉低電晶體228之閘電壓，將電晶體228斷開。
當節點216處之電壓在起動期間首次升高至超過第一臨界值時，節點216處之電壓會在PWM 210首次被致能切換nMOSFET 212之時降回第二臨界值。在此情況中，PWM 210被停用且節點216處之電壓再次升高，最終越過(或到達)第一臨界值。此循環(其中PWM 210被UVLO 224致能及停用)可能發生超過一次。不論如何，最終會到達穩態操作。節點216處之電壓被維持高於第二臨界值，PWM 210被致能以接通及斷開nMOSFET 212，且電晶體228被維持為斷開。
據此，電晶體228當作高壓電流源以在電容器218尚未被充電飽足時提供相對高的經整流電壓給矽晶粒208，且在起動期間提供源電流給電容器218。一旦電容器218已被充電至超過第二臨界值的電壓，此高壓電流源即被 斷開。
第2圖中的電路之多個實施例之特徵為第2圖中的電路在有高於第二臨界值之第一臨界值的情況其運作會有滯後作用。舉例來說，一旦節點216處之電壓已升高至超過第一臨界值，實施例要到節點216處之電壓降到第二臨界值以下之時才會改變狀態，在此情況中，UVLO 224防止PWM 210切換nMOSFET 212，如第3圖所示。
第3圖係第2圖之AC/DC電源轉換器的狀態圖。如第3圖所示，在狀態302中，電晶體228為接通以對電容器218充電，且nMOSFET 226為斷開。〝電流源〞一辭在第3圖中被用來取代特定指向電晶體228，因為其他實施例可使用不同的電晶體配置來當作電流源。在狀態302中，nMOSFET 212(在第3圖中被稱為開關電晶體)為斷開。在狀態304中，電流源為斷開(例如第2圖中之電晶體228為斷開)且此時PWM 210被致能以將nMOSFET 212(開關電晶體)接通及斷開。在節點206處之電壓大於或等於第一臨界值T1時(如事件306所示)，該電路從狀態302轉換成狀態304。在節點216處之電壓小於第二臨界值T2時(如事件308所示)，該電路從狀態304轉換成狀態302。滯後作用的關係為T1>T2。
實務上，T1和T2的值可能不會長時間恆定。舉例來說，第一和第二臨界值的值可能因為UVLO 224之電路組件中之溫度及/或其他變化而改變。此外，節點216處之電壓與用來界定事件306和308之臨界值之間的關係可能不同於其他實施例。舉例來說，在一些實施例中，事件306可能在節點216處之電壓大於第一臨界值之時發生，且事件308可能在節點216處之電壓小於或等於T2之時發生。在其他實施例中，事件306和308可能在其他適當條件下發生。
應理解到在本揭露內容中，舉例來說A或B可為但不限於節點、裝置端子或埠的情況，〝A連接至B〞的意思是A和B藉由導電結構彼此電連接，使得對於在目標信號帶寬以內之頻率，由該導電結構引發之電阻率、電容率及電感率均可忽略。舉例來說，相較於目標信號波長為相對短的傳輸線(例如微型條帶)可經設計以引發相對小阻抗，使得在該傳輸線之每一端的二個電接觸裝置可被視為是彼此連接。
亦應理解到在本接露內容中，〝A耦接至B〞的意思是A和B如前所述彼此連接，或者儘管A和B可能不是如前所述彼此連接，但有連接至A和B二者的裝置或電路使得在兩元件A或B之一者的經適當定義電壓或電流對於該二個元件之另一者的經適當定義電壓或電流有一些影響。舉例來說，A可為微波結構之埠且B可為該微波結構之第二埠，其中埠A和B處之電壓(分別被定義為埠A和B處之橫向電場)係以轉移函數彼此相關。儘管該微波結構可能引發不可忽略的阻抗，元件A和B可被視為彼此耦接。
由上文將理解到本發明之指定實施例已為範例之目的而在揭露內容中說明，然可不脫離本發明做出各種修改。本揭露內容就特定實施例所述之某些觀點可能在其他實施例中被合併或省略。並非所有實施例必定呈現落入本發明之範圍內的此等優點。據此，本發明僅由隨附申請專利範圍項設限。
202、204‧‧‧輸入埠
206‧‧‧輸出埠
207‧‧‧接地
208‧‧‧虛線、矽晶粒
210‧‧‧脈衝寬度調變器(PWM)
212、226‧‧‧金氧半導體場效電晶體(nMOSFET)
214‧‧‧初級繞組
216‧‧‧節點
218‧‧‧電容器
220‧‧‧次級繞組
221‧‧‧二極體
224‧‧‧功能塊、低壓保持單元(UVLO)
228‧‧‧電晶體
230‧‧‧電阻器

Claims (7)

  1. 一種電源轉換器，包括：一初級繞組；一次級繞組，磁性地耦接至該初級繞組；一電容器，耦接至該次級繞組的；及一電流源，耦接至該初級繞組，該電流源經構形以用於在一橫跨該電容器之電壓小於一第二臨界值時對該電容器供應一電流；其中，在橫跨該電容器之電壓大於一第一臨界值時不對該電容器供應一電流，該第一臨界值大於該第二臨界值，且在橫跨該電容器之電壓減小至小於該第二臨界值時對該電容器再次供應該電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之電源轉換器，其中該電流源經構形以用於在且僅在橫跨該電容器之電壓小於該第二臨界值時對該電容器供應電流，且其中該電流源經構形以用於在且僅在橫跨該電容器之電壓大於或等於該第一臨界值時不對該電容器供應電流。
  3. 如申請專利範圍第1項之電源轉換器，進一步包括耦接至該初級繞組之一電晶體，其中，當橫跨該電容器的該電壓小於該第二臨界值時，該電晶體為斷開。
  4. 如申請專利範圍第3項之電源轉換器，其中該電流源包括連接至該初級繞組之一電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項之電源轉換器，其中該電流源包括連接至該初級繞組之一電晶體。
  6. 一種電源轉換器，包括：一初級繞組；一次級繞組，磁性地耦接至該初級繞組；一電容器，耦接至該次級繞組，該電容器具有一橫跨該電容器之一電壓；一低壓保持電路，耦接至該電容器；一第一電晶體，耦接至該初級繞組；一脈衝寬度調變器，耦接至開關電晶體且耦接至該低壓保持電路；及一第二電晶體，其具有耦接至該低壓保持電路的一閘極、耦接至該初級繞組的一第一端子、及連接至該電容器的一第二端子；其中該低壓保持電路具有一第一臨界值和一第二臨界值，該第一臨界值大於該第二臨界值，且其中該低壓保持電路經構形以導致該脈衝寬度調變器在橫跨該電容器之該電壓小於該第二臨界值時停止切換該第一電晶體且接通該第二電晶體，且其中該低壓保持電路亦經構形以在橫跨該電容器之該電壓大於該第一臨界值時致能該脈衝寬度調變器切換該第一電晶體且斷開該第二電晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項之電源轉換器，其中該低壓保持電路經構形以用於在且僅在橫跨該電容器之該電壓小於該第二臨界值時導致該脈衝寬度調變器停止切換該第一電晶體且接通該第二電晶體，且其中該低壓保持電路亦經構形以用於在且僅在橫跨該電容器之該電壓大於或等於該第一臨界值時致能該脈衝寬度調變器切換該第一電晶體且斷開該第二電晶體。
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