TWI465896B - 電源供應電路與其方法 - Google Patents

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Novatek Microelectronics Corp
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Description

電源供應電路與其方法
本發明是有關於一種電源供應電路，且特別是有關於一種高效率的電源供應電路。
顯示器或電視機等顯示裝置已成為現代人們生活不可或缺的物品。顯示器可當成個人電腦的螢幕，顯示電腦資料。而看電視則是人們娛樂之一。
隨著環保意識的抬頭，愈多的電子裝置具有省電功能。然而，當傳統電子進入省電模式時，較耗電的開關電源電路(switching power circuit)可能仍處於工作狀態，故而其省電效率有限。
本發明係有關於一種電源供應電路與方法，其中，於省電模式下，電源回授為開回路；於正常模式下，電源回授為閉回路。當偵測到電源回授持續處於開回路時，且實質處於零輸出狀態，則電源供應電路進入電源關閉(power down)狀態。
本發明係有關於一種電源供應電路與方法，其中，若後端電路再度需要電源，則回授切回至閉回路，使電源供應電路回復正常動作。
根據本發明之一方面，提出一種電源供應電路，提供一電源電壓給一後端電路。該電源供應電路包括：一開關 電源電路，控制該電源電壓；一閉回路回授控制，在一正常模式下，該閉回路回授控制以一閉回路回授該電源電壓至該開關電源電路；以及一開回路回授控制，在一省電模式下，該開回路回授控制以一開回路使得該電源電壓無法經由該閉回路回授至該開關電源電路。當該開關電源電路持續偵測到該開回路且該開關電源電路處於一實質零輸出狀態時，該開關電源電路進入一關閉模式。
根據本發明之另一方面，提出一種電源供應方法，提供一電源電壓給一後端電路。該電源供應方法包括：在一正常模式下，以一閉回路回授該電源電壓；在一省電模式下，以一開回路使得該電源電壓無法經由該閉回路回授；以及其中當持續偵測到該開回路，進入一關閉模式。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
在本發明實施例中，於省電模式下，電源回授為開回路；正常動作時，電源回授為閉回路。因此，當偵測到電源回授持續處於開回路時，且開關電源電路處於零輸出狀態，則開關電源電路就會進入電源關閉(power down)狀態。若後端電路再度需要電源，則回授回切至閉回路，使電源供應電路會回復正常動作。
第1圖顯示根據本發明實施例的低功率電源供應電路。低功率電源供應電路裝置於電子裝置內，如顯示器、LCD螢幕等。如第1圖所示，低功率電源供應電路100 包括：濾波器110、整流器120、變壓器130、開關電源電路140、閉回路回授控制150、開回路回授控制160、電容C1~C2與二極體D1~D2。低功率電源供應電路100將電壓源AC_in轉換成直流電壓源，以供應給後端電路191。電壓源AC_in比如為110V的市電。
小電壓源190則可將電子裝置內之選擇性直流電壓源(比如DVI、VGA)等經由二極體D3與D4整流後供應給後端電路191。不過，小電壓源190的供應電流較低，而且選擇性直流電壓源不一定存在。
濾波器110用以對電壓源AC_in進行濾波。濾波器110比如是電磁干擾(EMI)濾波器。濾波器110的輸出電壓乃輸入至整流器120。整流器120將濾波器110的輸出電壓整流成直流電壓。整流器120比如是橋式整流器。
根據經由閉回路回授控制150所回授的電壓，開關電源電路140輸出控制電壓V2。此控制電壓V2輸入至變壓器130的主級側(primary side)。經由變壓器130的耦合，此控制電壓V2耦合至變壓器130的次級側(secondary side)。開關電源電路140控制變壓器130的耦合；詳細地說，當開關電源電路140的輸出責任周期愈大時，變壓器130的耦合期間愈久；反之亦然。此外，當開關電源電路140的輸出責任周期為0時，變壓器130不會進行耦合，以更進一步降低磁損。
二極體D1與D2將變壓器130的次級側輸出電壓整流，以供應給後端電路191。後端電路191比如縮放電路(scaler)等。此外，為更一進達到穩壓，在後端電路191 與二極體D2之間可更包括低壓降穩壓器(LDO(Low Drop Out)regulator)。
閉回路回授控制150將直流電壓V3以閉回路(closed loop)回授至開關電源電路140。也就是，開關電源電路140會根據閉回路回授控制150的輸出電壓V1而產生PWM輸出信號，此PWM輸出信號會控制著控制電壓V2的位準。當低功率電源供應電路100處於正常操作時，閉回路回授控制150會處於閉回路狀態，以將電壓V3回授至開關電源電路140。如此，低功率電源供應電路100可快速反應後端電路191的負載變化。比如，負載大時，開關電源電路140所產生的PWM輸出信號之責任周期(duty cycle)大；反之亦然。
當進入省電模式時，開回路回授控制160會形成開回路且使得閉回路無法形成。如此，將使得電壓V3無法經由閉回路回授控制150而回授至開關電源電路140，而且，在某條件下，開關電源電路140會進入關閉模式，以更進一步省電。由於開關電源電路140進入關閉模式，變壓器130不進行能量耦合，所以，變壓器130不會將能量傳送至電容C2。由於此時電荷無法繼續累積於電容C2內，當儲存於電容C2內的電荷被消耗(比如被閉回路回授控制150內的元件所消耗)，電壓V3將會降低。如果電壓V3太低的話，將導致開關電源電路140被重設，而造成電路的誤動作。故而，在本實施例中，如果電壓V3低於臨界值時，開關電源電路140會由關閉模式回復至正常模式。藉由讓開關電源電路140切換於關閉模式與正常操作 模式之間，可達到節省開關電源電路140之功率消耗。
第2圖顯示根據本發明實施例的低功率電源供應電路100中的閉回路回授控制150與開回路回授控制160的詳細電路圖。如第2圖所示，閉回路回授控制150包括：光耦合電路151、電壓參考控制器152與電阻R1。電壓參考控制器152包括二極體D5、電阻R2與R3。開回路回授控制160包括電晶體Q1、電阻R4與R5。
於正常模式下，電晶體Q1為關閉，電壓回授路徑乃為光耦合電路151與電壓參考控制器152(閉回路回授形成)，使得電壓V3由變壓器130的次級側回授至主級側。相反地，當處於省電模式下，電晶體Q1為導通，並電壓參考控制器152被啟動；由於電壓V4被電晶體Q1所鉗制住，所以，閉回路回授無法形成。開回路回授控制160要吸(sink)電流(電流由電壓參考控制器152所提供)，且不可輸出電流給電壓參考控制器152。此時，當處於省電模式下，由於開關電源電路140之輸出責任周期會降低(甚至為0)，電壓V3會慢慢往下掉，因為電阻R2與R3消耗儲存於電容C2內的電荷。另外，電壓參考控制器152可讓電壓V3穩壓；而且，當開回路存在時(亦即閉回路不存在時)，電壓參考控制器152無法正常操作。
第3圖顯示根據本發明實施例的開關電源電路140的電路圖。如第3圖所示，開關電源電路140包括：PWM產生電路310、比較器320、延遲回圈(delay loop)330、比較器340與電容C4。比較器320、延遲回圈330與比較器340形成PWM控制電路，以控制PWM產生電路310 是否進入關閉模式。詳細地說，於省電狀態下，且PWM產生電路310的輸出責任周期低於一臨界點或為0%時，則PWM產生電路310進入關閉模式，以節省功率消耗。
PWM產生電路310之輸出責任周期(亦即，其輸出信號OUT的責任周期)有關於電壓V1。PWM產生電路310之架構在此不需特別限定。PWM產生電路310更包括一振盪電路(oscillator)(未顯示於圖中)。
比較器320比較電壓V1與參考電壓VDET1 。比如，當電壓V1高於參考電壓VDET1 ，比較器320的輸出信號為低邏輯狀態，反之亦然。
延遲回圈330包括電流源331與電容C4。當比較器320輸出高邏輯狀態的信號時，電流源331所輸出電荷會累積於電容C4中，使得節點N1的電壓逐漸上升。當比較器320輸出低邏輯狀態的信號時，累積於電容C4內的電荷會經由比較器320的內部放電路徑而放電，使得節點N1的電壓降為0。
當後端電路191的負載變化很大時，可能會使得電壓V1過低，在這種情況下，不能使開關電源電路140進入關閉模式，否則會有誤動作產生。在本實施例中，最好是在省電模式下，才使開關電源電路140進入關閉模式。延遲回圈330與比較器340可避免誤動作的產生，在此所謂的誤動作乃是令開關電源電路140錯誤地進入關閉模式。亦即，在本實施例中，當進入省電模式且開關電源電路140的輸出信號OUT的責任周期為0時，延遲回圈330會將此條件延遲後才輸出，以控制開關電源電路140進入關閉 模式。更詳細地說，當進入省電模式且開關電源電路140的輸出信號OUT的責任周期為0，最好經過一段延遲時期後，開關電源電路140才進入關閉模式。延遲時期的長久是可依需要而定。
比較器340比較節點電壓N1與參考電壓VDET2 。比如，當節點電壓N1高於參考電壓VDET2 時，比較器320的輸出信號PWM_OFF為高邏輯狀態，反之亦然。當輸出信號PWM_OFF為高邏輯狀態時，開關電源電路140會進入關閉模式；反之，當輸出信號PWM_OFF為低邏輯狀態時，開關電源電路140會回復至正常模式。
電晶體390是大功率電晶體，可提供高直流電壓給變壓器130。電阻R6將電晶體390的一端耦接至地。電晶體390之閘極接收由PWM產生電路310所產生的輸出信號OUT，其源極耦接至變壓器130，其汲極耦接至電阻R6。對開關電源電路140而言，電晶體390可為外部電晶體，或是內建電晶體。
第4圖顯示第3圖中之信號波形圖。現請參考第3圖與第4圖，以說明如何令開關電源電路140切換於關閉模式與正常模式。在第4圖中，OSC代表PWM產生電路310中的振盪電路的輸出信號。
首先，在軟啟動(soft start)期間，電壓V1會上升。接著，當於正常模式下，電壓V1會固定，而且，PWM產生電路310的輸出信號OUT的責任周期亦會固定。接著，於時間T1時，後端電路191的負載開始改變，所以，電壓V1隨之升高。比如，當後端電路191包括發光二極體 (LED)時，如果LED的亮度改變，則對於本實施例的電源供應電路而言，此即為負載改變。
在負載改變期間，PWM產生電路310的輸出信號OUT的責任周期亦改變。當負載變重時，輸出信號OUT的責任周期變大；反之，當負載變輕時，輸出信號OUT的責任周期變小。接著，於時間T2時，由於電壓V1低於參考電壓VDET1 ，使得比較器320的輸出信號由邏輯低狀態改為邏輯高狀態，所以，因為電流源331對電容C4的充電電流，節點電壓N1開始上升。
之後，於時間T3時，由於回復至正常模式，所以電壓V1升高至高於參考電壓VDET1 ，則節點電壓N1變成低邏輯狀態(因為比較器320輸出低邏輯輸出信號)。
接著，於時間T4時，進入省電狀態，使得電壓V1低於參考電壓VDET1 ，而且，信號OUT的責任周期為0%(但此時，開關電源電路140尚未進入關閉模式)。由於電壓V1低於參考電壓VDET1 ，使得節點電壓N1開始上升。於時間T5時，節點電壓N1已高於參考電壓VDET2 (亦即，延遲時期已過)，所以，信號PWM_OFF成為高邏輯狀態，並將開關電源電路140關閉(開關電源電路140內的PWM產生電路310會被關閉)。由第4圖可看出，參考電壓VDET2 之值會決定延遲時間。延遲時間指的是，在省電模式下，在輸出信號OUT之責任周期為0%後，於延遲時間(第4圖的時間T4至T5間的期間)後，開關電源電路140便會被關閉。在此，開關電源電路140被關閉代表是，PWM產生電路310會被關閉，而比較器320、延遲回圈330與 比較器340仍處於正常操作狀態。
接著，於時間T6時，回復至正常操作狀態(可能是因為後端電路191的要求或是電壓V3低於臨界值)，電壓V1回升至高於參考電壓VDET1 ，使得節點電壓N1與信號PWM_OFF於時間點T6變為邏輯低狀態。故而，在時間點T6之後，開關電源電路140回復至正常模式。
在第3圖中，延遲回圈330以類比電路實施。然而，本發明並不受限於此，延遲回圈330亦以用數位電路實施。現請參考第5圖，其顯示根據本發明實施例的數位延遲回圈。如第5圖所示，延遲回圈330包括計數器510。當電壓N1為邏輯低時，計數器510會被重設。反之，當電壓N1為邏輯高時，計數器510會計數。亦即，可視為計數器計數電壓N1(或是計數比較器320的高邏輯輸出信號)。計數器510會輸出計數值CN給比較器520。比較器520比較此計數值CN與計數參考值CNREF 。當計數值CN小於計數參考值CNREF 時，比較器520輸出低邏輯信號PWM_OFF；反之，當計數值CN大等於計數參考值CNREF 時，比較器520輸出高邏輯信號PWM_OFF。計數參考值CNREF 有關於延遲回圈330的延遲時間。
本發明上述實施例所揭露之電源供應電路，具有多項優點，以下僅列舉部分優點說明如下。於省電模式下，可令開關電源電路進入關閉模式，以關閉其內部較耗能元件，更進一步節省功率消耗。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識 者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧低功率電源供應電路
110‧‧‧濾波器
120‧‧‧整流器
130‧‧‧變壓器
140‧‧‧開關電源電路
150‧‧‧閉回路回授控制
160‧‧‧開回路回授控制
190‧‧‧小電壓源
191‧‧‧後端電路
C1~C4‧‧‧電容
D1~D5‧‧‧二極體
151‧‧‧光耦合電路
152‧‧‧電壓參考控制器
R1~R6‧‧‧電阻
Q1‧‧‧電晶體
310‧‧‧PWM產生電路
320、340‧‧‧比較器
330‧‧‧延遲回圈
331‧‧‧電流源
390‧‧‧電晶體
510‧‧‧計數器
520‧‧‧比較器
第1圖顯示根據本發明實施例的低功率電源供應電路。
第2圖顯示根據本發明實施例的低功率電源供應電路中的閉回路回授控制與開回路回授控制的詳細電路圖。
第3圖顯示根據本發明實施例的開關電源電路的電路圖。
第4圖顯示第3圖中之信號波形圖。
第5圖顯示根據本發明實施例的數位延遲回圈。
100‧‧‧低功率電源供應電路
110‧‧‧濾波器
120‧‧‧整流器
130‧‧‧變壓器
140‧‧‧開關電源電路
150‧‧‧閉回路回授控制
160‧‧‧開回路回授控制
190‧‧‧小電壓源
191‧‧‧後端電路
C1~C2‧‧‧電容
D1~D4‧‧‧二極體

Claims (20)

  1. 一種電源供應電路，提供一電源電壓給一後端電路，該電源供應電路包括：一開關電源電路，控制該電源電壓；一閉回路回授控制，在一正常模式下，該閉回路回授控制以一閉回路將該電源電壓回授至該開關電源電路；以及一開回路回授控制，在一省電模式下，該開回路回授控制以一開回路使得該電源電壓無法經由該閉回路回授至該開關電源電路；其中當該開關電源電路持續偵測到該開回路且該開關電源電路處於一實質零輸出狀態時，該開關電源電路進入一關閉模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中，當該後端電路需要電源時，該閉回路回授控制以該閉回路將該電源電壓回授至該開關電源電路，使該開關電源電路操作於該正常模式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，更包括：一變壓器，該開關電源電路耦合至該變壓器之一主級側，該後端電路與該閉回路回授控制耦合至該變壓器之一次級側；其中，該變壓器將該開關電源電路之一輸出電壓耦合至其次級側，以成為該電源電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應電路，其 中，該變壓器的一耦合期間受控於該開關電源電路的一輸出責任周期。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應電路，其中，回應該閉回路之出現，該開關電源電路控制該輸出電壓。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應電路，其中，當進入該省電模式時，該開回路回授控制形成該開回路且使得該閉回路回授控制無法形成該閉回路。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中，當該電源電壓低於一臨界值時，該開關電源電路由該關閉模式回復至該正常模式。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應電路，其中，該閉回路回授控制包括：一光耦合電路，耦合至該開關電源電路；以及一電壓參考控制器，耦合至該光耦合電路，該電壓參考控制器穩壓該電源電壓；其中，在該正常模式下，該光耦合電路與該電壓參考控制器形成該閉回路，使得該電源電壓由該變壓器的該次級側回授至該變壓器的該主級側。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源供應電路，其中，當處於該省電模式下，該電壓參考控制器被啟動，且該電壓參考控制器的一節點電壓被該開回路回授控制鉗制住，所以，該閉回路無法形成。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源供應電路，其中，該開回路回授控制吸收由該電壓參考控制器所提供的 一電流。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應電路，其中該開關電源電路包括：一信號產生電路，耦合至該變壓器；以及一控制電路，耦合至該信號產生電路，該控制電路控制該信號產生電路進入該關閉模式。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應電路，其中該控制電路包括：一第一比較器，耦合至該閉回路回授控制，該第一比較器比較該閉回路回授控制所回授的一第一電壓與一第一參考電壓，並輸出一比較信號；一延遲回圈，根據該比較信號而產生一第二電壓；以及一第二比較器，比較該第二電壓與一第二參考電壓，以輸出一控制信號至該信號產生電路，該控制信號控制該信號產生電路是否進入該關閉模式。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電源供應電路，其中該延遲回圈包括：一電流源；以及一電容，接收該比較信號，該電流源對該電容充電。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應電路，其中該控制電路包括：一第一比較器，耦合至該閉回路回授控制，該第一比較器比較該閉回路回授控制所回授的一第一電壓與一第一參考電壓，並輸出一比較信號； 一計數器，計數該比較信號而產生一計數信號；以及一第二比較器，比較該計數信號與一計數參考值，以輸出一控制信號至該信號產生電路，該控制信號控制該信號產生電路是否進入該關閉模式。
  15. 一種電源供應方法，用於一電源供應電路，該電源供應電路包括一開關電源電路，提供一電源電壓給一後端電路，該電源供應方法包括：在一正常模式下，經由一閉回路以回授該電源電壓；在一省電模式下，經由一開回路使得該電源電壓無法經由該閉回路回授；以及其中當持續偵測到該開回路，該開關電源電路進入一關閉模式。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電源供應方法，更包括：當進入該省電模式時，形成該開回路且打斷該閉回路。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之電源供應方法，更包括：當該電源電壓低於一臨界值時，由該關閉模式回復至該正常模式。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之電源供應方法，更包括：利用該閉回路來穩壓該電源電壓。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之電源供應方法，更包括： 比較經由該閉回路而回授的一第一電壓與一第一參考電壓，以輸出一比較信號；根據該比較信號而產生一第二電壓；以及比較該第二電壓與一第二參考電壓，以輸出一控制信號，該控制信號控制是否進入該關閉模式。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之電源供應方法，更包括：比較經由該閉回路而回授的一第一電壓與一第一參考電壓，並輸出一比較信號；一計數器，計數該比較信號而產生一計數信號；以及一第二比較器，比較該計數信號與一計數參考值，以輸出一控制信號，該控制信號控制是否進入該關閉模式。
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