切換式電源供應器及其控制電路與方法

專利名稱：切換式電源供應器及其控制電路與方法
技術領域：
本發明涉及一種切換式電源供應器(switching regulator)及其控制 電路與方法，特別是指一種具有高效率又能夠降低電磁波干擾(EMI， Electro-Magnetic Interference)的切換式電源供應器，以及其控制電路與 方法。
背景技術：
常用的切換式電源供應器包括降壓型(Buck)、升壓型(Booster)與反 壓型(Inverter)三種。首先就降壓型切換式電源供應器來加以說明，其電 路結構大致如圖1所示，降壓型切換式電源供應器1包含有兩個晶體 管開關Q1、 Q2，通過脈寬調變控制電路10來控制此兩晶體管Q1、 Q2 的開與關，藉以控制電感L上的電流量與方向，以將電能傳送給輸出 端OUT。脈寬調變控制電路IO接收從輸出端萃取出來的反饋電壓，與 一個參考電壓Vref相比較，以決定如何控制切換兩晶體管Q1、 Q2。現有技術中，早期的切換式電源供應器，其兩晶體管Ql、 Q2的 開關時間是完全互補的，又稱為同步切換式電源供應器，亦即如圖2 所示，當晶體管Q1開啟時，晶體管Q2即關閉；當晶體管Q2開啟時， 晶體管Q1即關閉。(本說明書中，「開啟」指完全導通；「關閉」指不 考慮漏電流的情況下，為完全不導通。)在此種安排下，其對應之電感 電流量Il與方向如圉中第三個波形所示，當晶體管Ql開啟、晶體管 Q2關閉時，因輸入端IN的電壓大于輸出端OUT的電壓，電流往輸出 端OUT流動(圖中以+表示往輸出端方向)，且流量不斷增加；而當 晶體管Q2開啟、晶體管Q1關閉時，因電感左方節點Lx的電位下降 為接近0，輸出端OUT的電壓大于此節點的電壓，電流趨勢于是改變， 先是流量減少，接著改往反方向流動(圖中以一表示
圖3與圖4分別示出升壓型切換式電源供應器2與反壓型切換式 電源供應器3，其操作方式與前述類似，同樣是由脈寬調變控制電路 IO根據反饋電壓與參考電壓Vref的比較結果，決定如何切換兩晶體管 Ql、 Q2，來控制輸出端OUT的電壓。其詳細電路操作方式為本技術領 域者所熟知，在此不予贅述。請回閱圖1與圖2，此種同步切換兩晶體管Q1、 Q2的安排方式， 其缺點在于，當電感電流方向由正轉負時，表示電流由輸出端OUT， 通過電感L和晶體管Q2的路徑而接地流失，亦即會損失輸出端OUT 能量。因此，在現有技術之美國專利第6,580,258號案中，提出一種作法， 其主要概念如圖5所示，通過適當控制晶體管Q1、 Q2，使得當電感電 流方向將要由正轉負時，即關閉晶體管Q2，如此即不致有能量從輸出 端OUT流失，可減少不必要的耗損。如圖中所示，晶體管Q1、 Q2有 一段同時關閉的時間T，稱為睡眠模式(sleep mode)。然而，此種現有技術的作法有其缺點。當晶體管Ql、 Q2同時關 閉而進入睡眠模式時，其實際在電感L上的電流與節點Lx處的電壓， 并非很理想的波形，而是如圖7所示，當晶體管Q1、 Q2同時關閉時， 電感L電流IL在零值附近微幅震蕩，而此時節點Lx處的電壓V^呈受 阻之簡諧震蕩(damped simple harmonic motion)波形。此因如圖6所 示，在實際狀態中，電感L上有一個串聯的寄生電阻Rpa，而在晶體管 Q2上有一個并聯的寄生電容Cpa。因此，假設電感L之電感值、寄生電阻Rpa之電阻值、與寄生電容Cpa的電容值分別為L、 Rpa、 Cpa，則節點Lx處的電壓V^事實上等于VLx=(V0UT/LCpa) x{ l/[ S2+S(Rpa/L)+l/LCpa]}其中，V^為節點Lx處的電壓，VouT為輸出端OUT的電壓，S為自時間域轉換至頻率域的常用轉換變量。 由上式所表示的電壓V^，是一個高頻震蕩波形，其角頻率"o和 震蕩質量Q (damping quality)分別等于 "『l/(LCpa)1/2 Q = lJ/2/[Rpa(Cpa1/2)]由于節點Lx處的電壓Vh呈高頻震蕩波形，將產生所不欲之EMI 噪聲，造成困擾。有鑒于此，本發明即針對上述現有技術之不足，提出一種能夠降 低電磁波干擾的切換式電源供應器，以及其控制電路與方法。發明內容本發明之第一目的在于提供一種切換式電源供應器，其與同步切 換式電源供應器相較，具有節省能耗的優點，但與圖5和圖7所示的 現有技術作法相比，則能夠大幅降低EMI噪聲。本發明之第二目的在于提供一種用以控制切換式電源供應器的控 制電路。本發明之第三目的在于提供一種用以控制切換式電源供應器的控 制方法。為達上述之目的，在本發明的其中一個實施例中，提供了一種切 換式電源供應器，其中包含相互電連接的第一晶體管與第二晶體管; 一個脈寬調變積體控制電路，用以控制第一晶體管的開啟與關閉和第 二晶體管的開啟；以及一個電流源控制電路，用以控制使第二晶體管 成為一個電流源。上述實施例中所述之脈寬調變積體控制電路和電流源控制電路，
可以直接與第二晶體管的柵極節點電連接，或通過一個多工電路而與 第二晶體管的柵極節點電連接。此外，根據本發明的另一個實施例，也提供了一種切換式電源供 應器的控制電路，其中該切換式電源供應器包括相互電連接的第一晶 體管與第二晶體管，控制電路包含 一個電流源控制電路，用以控制 當第一晶體管關閉時，使第二晶體管為開啟或低電流模式，在該低電流模式中，使通過第二晶體管的電流，為1微安培或其以上之低電流 流通狀態。又，根據本發明的另一個實施例，也提供了一種切換式電源供應 器的控制方法，包含以下步驟提供一個切換式電源供應器，該切換 式電源供應器包括相互電連接的第一晶體管與第二晶體管；以及當第 一晶體管關閉時，使第二晶體管為開啟或低電流模式，在該低電流模式中，使通過第二晶體管的電流，為1微安培或其以上之低電流流通 狀態。上述各實施例中，所述的第二晶體管，可具有開啟、關閉、低電 流流通三種狀態，或具有開啟與低電流流通兩種狀態。前者情形下， 當第一晶體管開啟時，第二晶體管為關閉狀態；當第一晶體管關閉時， 第二晶體管為開啟或低電流流通狀態。后者情形下，當第一晶體管開 啟時，第二晶體管為低電流流通狀態；當第一晶體管關閉時，第二晶 體管為開啟或低電流流通狀態。以下將通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發明之目的、 技術內容、特點及其所達成之功效；其中，相似的元件以相同的符號來標示。


圖1為現有技術之降壓型切換式電源供應器的示意電路圖。 圖2為現有技術之同步切換式電源供應器的示意波形圖。 圖3為現有技術之升壓型切換式電源供應器的示意電路圖。 圖4為現有技術之反壓型切換式電源供應器的示意電路圖。 圖5為現有技術美國專利第6,580,258號案的理想波形示意圖。 圖6為降壓型切換式電源供應器的寄生電容與寄生電阻示意電路圖。圖7為現有技術美國專利第6,580,258號案的實際波形示意圖。 圖8為本發明實施例之實際波形示意圖。圖9為本發明實施例之降壓型切換式電源供應器的示意電路圖。 圖10為本發明實施例之升壓型切換式電源供應器的示意電路圖。 圖11為本發明實施例之反壓型切換式電源供應器的示意電路圖。 圖12為示意電路圖，用以舉例說明電流源控制電路20的一個實 施例。圖13為示意電路圖，用以舉例說明電流源控制電路20的另一個 實施例。圖14為本發明另一實施例之降壓型切換式電源供應器的示意電路 圖，說明多工電路30可以僅為一個節點。圖15為示意電路圖，用以舉例說明多工電路30的一個實施例。圖中符號說明:1降壓型切換式電源供應器2升壓型切換式電源供應器3反壓型切換式電源供應器10脈寬調變控制電路1011降壓型切換式電源供應器12升壓型切換式電源供應器13反壓型切換式電源供應器20電流源控制電路20。22路徑24電流源 30多工電路Cpa 寄生電容(寄生電容值)CS 控制訊號II 通過電感的電流IN 輸入端L 電感(電感值)OUT 輸出端Ql、 Q2、 Q3、 Q4晶體管Rpa 寄生電阻(寄生電阻值)T 時段節點Lx處的電壓 Vref參考電壓具體實施方式
本發明的主要概念，在于不使晶體管Q1、 Q2同時關閉；當電感L 上的電流lL即將由正轉負時，并不完全關閉晶體管Q2，而是改變其狀 態，使其角色由晶體管開關，轉換成一個電流源，而容許低流量的電 流通過。如此，與圖2所示的現有技術作法相比，本發明仍然具有節 省能耗的高效率優點，但與圖5和圖7所示的現有技術作法相比，則 本發明將可大幅降低EMI噪聲。請參考圖9，其中以示意電路圖的方式顯示本發明的其中一個實施 例。本實施例是以降壓型切換式電源供應器為例，如圖所示，在本發 明的降壓型切換式電源供應器11中，除了上下橋晶體管開關Q1、 Q2、 電感L、脈寬調變控制電路IO之外，另包含有一個電流源控制電路20， 且脈寬調變控制電路10與電流源控制電路20的輸出訊號傳送給一個 多工電路(MUX) 30，由該多工電路30的輸出來決定晶體管Q2的受 控狀態，亦即晶體管Q2選擇性地受控于脈寬調變控制電路10或電流 源控制電路20。當晶體管Q2受控于脈寬調變控制電路10時，其角色 為開關，而當晶體管Q2受控于電流源控制電路20時，其角色轉換為
電流源。(本發明所稱之「電流源控制電路」，指該電路控制晶體管 Q2使其成為一個電流源，而非指該電路受電流源所控制。)以上內容，請參考圖8，并對照圖5，當可更易于了解。在現有技 術中，晶體管Q2的角色僅為開關，因此僅有全開與全閉兩種狀態。當 為了節省能耗，使晶體管Ql、 Q2進入前述「睡眠模式」時，晶體管 Ql、 Q2同時關閉。但根據本發明，則并無所謂「睡眠模式」；在第8 圖中，當電感L上的電流k即將由正轉負時，并不完全關閉晶體管Q2， 而是在時段T之中，將晶體管Q2轉換成為一個電流源，容許低流量的 電流通過。對此，如圖所示，可以有兩種作法，第一種作法是令晶體 管Q2在晶體管Q1導通時，仍然完全關閉，而僅在時段T之中，將晶 體管Q2轉換成低電流狀態，如第一種波形中所示，晶體管Q2包括全 開、全閉、低電流三種狀態；或是，令晶體管Q2除了導通之外，均處 于低電流狀態，如第二種波形中所示，如此則晶體管Q2僅包括全開、 低電流兩種狀態。前者在節能效果上較好，后者之電路復雜度較低， 各有優劣，同屬于本發明的范疇。熟悉本技術者當可立即發現，以上說明中之晶體管Ql、 Q2是以 NMOS為例。當然，晶體管Q1、 Q2亦可個別改以PMOS來制作，其 對應之波形圖自亦不同，但并不脫離本發明的概念。請再對照圖8與圖7，在本發明的上述安排下，當晶體管Ql關閉、 且晶體管Q2在低電流狀態中時，亦即在圖中時段T之中，節點Lx處 的電壓Vh雖同樣呈受阻之簡諧震蕩波形，但其震蕩快速衰減，迅速到 達平穩狀態。由于高頻震蕩時間較為短暫，因此其EMI噪聲所造成的 困擾，遠較現有技術低得多。請再回閱圖6，若令電路下方的晶體管與寄生電容Cpa，其并聯電 阻為Rcs，則當晶體管Q2有低電流通過時，并聯電阻Rcs的阻值會下降。 此時，節點Lx處的電壓V^事實上等于<formula>formula see original document page 14</formula>
其中，V^為節點Lx處的電壓，VouT為輸出端OUT的電壓，S為自時 間域轉換至頻率域的常用轉換變量，L為電感L之電感值，Cpa為寄生電容Cpa的電容值，Rp為寄生電阻Rpa之電阻值，Res為并聯電阻Rcs的電阻值。由上式所表示的電壓Vlx，其震蕩質量Q等于<formula>formula see original document page 14</formula>
由上式可以看出，當Rcs的值下降時，Q值也隨之下降，表示震蕩 更快收斂。因此，若維持使晶體管Q2有低電流通過而非完全關閉，將 使電路高頻震蕩時間較為短暫，可減少電路產生的EMI噪聲。所述的低電流，根據本發明，是指為1mA (微安培)或其以上， 但在晶體管Q2完全導通之電流量(不含)以下，此范圍內的電流量。 此外需說明的是，雖然在圖8中的時段T內，晶體管Q2的柵極控制電 壓是繪示為定值，但本發明并不局限于此；在時段T內，晶體管Q2的 柵極控制電壓可以為任意的變化波形，僅需其所對應產生的電流量， 符合上述條件即可。上述本發明的概念，應用于升壓型切換式電源供應器12與反壓型 切換式電源供應器13時，其示意電路分別如第IO圖與第11圖，熟悉 本技術者當可類推得知其操作行為，在此不多予贅述。接下來說明電流源控制電路20如何控制晶體管Q2上的電流量。 請參考圖12，此為電流源控制電路20的其中一個實施例，如圖所示，
電流源控制電路20與晶體管Q2共同構成一個電流鏡，將電流源控制 電路20內部路徑22上的電流，成比例地復制到通過晶體管Q2源漏極 的路徑上。至于電流源控制電路20內部路徑22上的電流大小，可由 電流源24來控制決定。當然，電流源控制電路20的實施方式不只一種，例如，第13圖 即為電流源控制電路20的另一個實施例，同樣可將內部路徑22上的 電流，成比例地復制到通過晶體管Q2源漏極的路徑上；熟悉本技術者 當可舉一反三，思及其它種實施型態。在圖12與圖13中，于電流源控制電路20和晶體管Q2的柵極之 間，省略繪示了多工電路30。此因多工電路30甚至并不需要是一個柵 電路，而可以僅為一個節點，只要能使晶體管Q2選擇性地受控于脈寬 調變控制電路10或電流源控制電路20，即可。請參閱圖14，在此實施例中多工電路30僅是一個節點；此時，脈 寬調變控制電路10必須有能力拉升節點30的電壓(或當晶體管Q2為 PMOS時，有能力拉低節點30的電壓)。當晶體管Q2為NMOS時， 此電路所產生的波形，對應于圖8中的第二種Q2波形。詳言之，在一 般情況下，晶體管Q2受電流源控制電路20控制，使其上有低電流流 通，亦即晶體管Q2之常態(normally)為低電流狀態；此時脈寬調變控 制電路10并不控制節點30，對脈寬調變控制電路IO而言，節點30處 于浮動狀態。而當脈寬調變控制電路10決定控制晶體管Q2使其完全 導通時，脈寬調變控制電路IO對節點30的輸出訊號蓋過(override) 電流源控制電路20的控制，將節點30的電壓拉升(或拉低)至足以 使晶體管Q2完全導通。當然，多工電路30也可以是較復雜的電路，以達成較復雜的控制 功能，例如達成圖8中的第一種Q2波形。此時多工電路30例如可如 圖15所示，包含兩個晶體管開關Q3、 Q4，并由控制訊號CS來控制。 當控制訊號CS為高位準時，晶體管Q2的柵極為電流源控制電路20 所控制，而當控制訊號CS為低位準時，晶體管Q2的柵極為脈寬調變 控制電路10所控制；且在后者情況下，脈寬調變控制電路IO可以輸 出高或低位準的訊號，來控制晶體管Q2的開閉，如此即可達成圖8中 的第一種Q2波形。當然，上述電路僅為舉例說明，其中的兩個晶體管開關Q3、 Q4， 未必一定如圖所示為NMOS與PMOS，而可以是其它安排方式，其對 應的控制訊號設計，自也不同，此為熟悉本技術者所熟知，在此不予 贅述。以上已針對較佳實施例來說明本發明，以上所述，僅為使熟悉本 技術者易于了解本發明的內容而已，并非用來限定本發明之權利范圍。 對于熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化； 例如，在所示各實施例中，舉例以分壓方式，從輸出端萃取反饋電壓 訊號，以供脈寬調變控制電路IO與參考電壓Vref進行比較，但萃取反 饋訊號的方式，并不局限于此。又如，在電流源控制電路20內部路徑 22上產生電流的方法，并不限于提供電流源24。故凡依本發明之概念 與精神所為之均等變化或修飾，均應包括于本發明之申請專利范圍內。
權利要求
1.一種切換式電源供應器，包含相互電連接的第一晶體管與第二晶體管；一個脈寬調變積體控制電路，用以控制第一晶體管的開啟與關閉和第二晶體管的開啟；以及一個電流源控制電路，用以控制使第二晶體管成為一個電流源。
2. 如權利要求l所述的切換式電源供應器，其中第二晶體管具有 開啟、關閉、低電流流通三種狀態。
3. 如權利要求2所述的切換式電源供應器，其中當第一晶體管開 啟時，第二晶體管為關閉；當第一晶體管關閉時，第二晶體管為開啟 或低電流流通狀態。
4. 如權利要求l所述的切換式電源供應器，其中第二晶體管具有 開啟和低電流流通兩種狀態。
5. 如權利要求4所述的切換式電源供應器，其中當第一晶體管開 啟時，第二晶體管為低電流流通狀態；當第一晶體管關閉時，第二晶 體管為開啟或低電流流通狀態。
6. 如權利要求l所述的切換式電源供應器，其中該脈寬調變積體 控制電路和該電流源控制電路共同連接至第二晶體管的柵極節點。
7. 如權利要求6所述的切換式電源供應器，其中該脈寬調變積體 控制電路可控制該柵極節點的電壓，使第二晶體管開啟。
8. 如權利要求7所述的切換式電源供應器，其中除第二晶體管開 啟時間外，第二晶體管受該電流源控制電路控制而為低電流流通狀態。
9. 如權利要求l所述的切換式電源供應器，其中該脈寬調變積體 控制電路的一輸出和該電流源控制電路的輸出電連接至一個多工電 路，該多工電路的輸出控制第二晶體管的柵極。
10. 如權利要求1所述的切換式電源供應器，其中該電流源控制 電路與第二晶體管共同構成一個電流鏡。
11. 如權利要求1所述的切換式電源供應器，其中第二晶體管成 為一個電流源時，通過第二晶體管源漏極的電流，為1微安培或其以 上，但在第二晶體管完全導通之電流量以下。
12. 如權利要求1所述的切換式電源供應器，其中該切換式電源 供應器為降壓型、升壓型、反壓型三者之一。
13. —種切換式電源供應器的控制電路，該切換式電源供應器包括相互電連接的第一晶體管與第二晶體管，控制電路包含一個電流源控制電路，用以控制當第一晶體管關閉時，使第二晶 體管為開啟或低電流模式，在該低電流模式中，使通過第二晶體管的 電流，為l微安培或其以上之低電流流通狀態。
14. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中該 切換式電源供應器包括輸入端、輸出端、及接地端，三者與一中間節 點連接，且其中，第一晶體管位于該輸入端與該中間節點之間，第二 晶體管位于該中間節點與該接地端之間。
15. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中該 切換式電源供應器包括輸入端、輸出端、及接地端，三者與一中間節 點連接，且其中，第一晶體管位于該中間節點與該輸出端之間，第二 晶體管位于該中間節點與該接地端之間。
16. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中該 切換式電源供應器包括輸入端、輸出端、及接地端，三者與一中間節 點連接，且其中，第一晶體管位于該輸入端與該中間節點之間，第二 晶體管位于該中間節點與該輸出端之間。
17. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中當 第一晶體管開啟時，第二晶體管為關閉。
18. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中當 第一晶體管開啟時，第二晶體管為低電流流通狀態。
19. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中該 電流源控制電路與第二晶體管共同構成一個電流鏡。
20. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中該 電流源控制電路與第二晶體管的柵極電連接。
21. 如權利要求13所述的切換式電源供應器的控制電路，其中該 電流源控制電路與第二晶體管的柵極通過一個多工電路而電連接。
22. —種切換式電源供應器的控制方法，包含以下步驟提供一個切換式電源供應器，該切換式電源供應器包括相互電連接的第一晶體管與第二晶體管；以及當第一晶體管關閉時，使第二晶體管為開啟或低電流模式，在該低電流模式中，使通過第二晶體管的電流，為1微安培或其以上之低 電流流通狀態。
23. 如權利要求22所述的切換式電源供應器的控制方法，其中該 切換式電源供應器包括輸入端、輸出端、及接地端，三者與一中間節 點連接，且其中，第一晶體管位于該輸入端與該中間節點之間，第二 晶體管位于該中間節點與該接地端之間。
24. 如權利要求22所述的切換式電源供應器的控制方法，其中該 切換式電源供應器包括輸入端、輸出端、及接地端，三者與一中間節 點連接，且其中，第一晶體管位于該中間節點與該輸出端之間，第二 晶體管位于該中間節點與該接地端之間。
25. 如權利要求22所述的切換式電源供應器的控制方法，其中該 切換式電源供應器包括輸入端、輸出端、及接地端，三者與一中間節 點連接，且其中，第一晶體管位于該輸入端與該中間節點之間，第二 晶體管位于該中間節點與該輸出端之間。
26. 如權利要求22所述的切換式電源供應器的控制方法，尚包含 以下步驟使第二晶體管在開啟、關閉、低電流流通三種狀態間變換。
27. 如權利要求26所述的切換式電源供應器的控制方法，其中當 第一晶體管開啟時，第二晶體管為關閉。
28. 如權利要求22所述的切換式電源供應器的控制方法，尚包含 以下步驟使第二晶體管在開啟和低電流流通兩種狀態間變換。
29. 如權利要求28所述的切換式電源供應器的控制方法，其中當 第一晶體管開啟時，第二晶體管為低電流流通狀態。
30. 如權利要求22所述的切換式電源供應器的控制方法，尚包含 以下步驟提供一個控制訊號，以將第二晶體管切換成低電流流通狀態。
31. 如權利要求22所述的切換式電源供應器的控制方法，其中該切換式電源供應器尚包含有一個脈寬調變積體控制電路，且方法尚包 含以下步驟使第二晶體管常態為低電流流通狀態；根據該脈寬調變積體控制電路的一輸出，使第二晶體管開啟。
全文摘要
本發明提出一種切換式電源供應器及其控制電路與方法，電源供應器包含相互電連接的第一晶體管與第二晶體管；一個脈寬調變積體控制電路，用以控制第一晶體管的開啟與關閉和第二晶體管的開啟；以及一個電流源控制電路，用以控制使第二晶體管成為一個電流源。本發明所述的兩個晶體管不會同時進入關閉狀態。本發明的脈寬調變積體控制電路和電流源控制電路，可以直接與第二晶體管的柵極節點電連接，或通過一個多工電路而與第二晶體管的柵極節點電連接。本發明與同步切換式電源供應器相比較，具有節省能耗的優點，并能夠大幅降低EMI噪聲。
文檔編號H02M3/156GK101154888SQ20061014151
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月28日 優先權日2006年9月28日
發明者朱冠任, 龔能輝 申請人:立锜科技股份有限公司