CN201266883Y - 降低开关模式电源待机功耗的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种用于将开关模式电源(SMPS)控制器耦合到整流后的线电压并降低SMPS待机功率的装置，包括：高压启动晶体管，用于在SMPS的启动期间提供充电电流并在SMPS控制器的正常操作期间不提供电流；开关，耦合到高压启动晶体管，该开关用于从SMPS控制器接收控制信号，该控制信号在SMPS启动阶段使高压启动晶体管工作在导通状态，而在SMPS正常操作期间使高压启动晶体管工作在截止状态；其中，当SMPS控制器处于正常操作阶段时流过启动晶体管的电流远小于SMPS控制器处于启动阶段时流过启动晶体管的电流，即充电电流。

Description

降低开关模式电源待机功耗的装置

技术领域

本实用新型涉及开关模式电源(SMPS)，更具体地说，涉及降低开关模式电源的待机功耗的装置。

背景技术

开关模式电源(SMPS)具有尺寸小、效率高和输出功率容量大的优点，并且被广泛地应用在移动电话充电器、笔记本电脑的电源适配器等领域。近些年，特别强调绿色电源，绿色电源要求更高的转换效率，尤其要求低的待机功耗。当应用于充电器或者电源适配器时，在该电源被连接到插座上但还没有连接到负载上的时候，其仅仅消耗待机功耗，这就要求待机功耗越低越好。

图1是传统的主侧调节开关模式电源系统的示意图。当线电压Vac被施加到该系统时，在Vcc电压低于一门限电压(称为启动电压，Vst)的时候，开关信号并不会出现(即输出管脚OUT维持低电平)。这个阶段称为开关模式电源的启动阶段。在该阶段，Vcc电容C1由经过整流后的线电压Vin通过启动电阻R1进行充电。当Vcc超过Vst时，启动阶段结束，控制器的输出管脚OUT产生开关信号以控制功率管2的导通及关断以调节次级线圈上的输出电压Vout。由于控制器1的操作电流在启动阶段之后会比控制器1在启动阶段所需要的电流大很多，Vcc电容C1必须在系统的正常操作期间通过辅助线圈4获得额外的能量来向控制器1提供操作电流。

在典型的，比如图1所示的开关模式电源中，Vcc电容C1是微法(μF)等级的电容。启动电阻R1的电阻值越小，越能为C1产生大的充电电流，以使得启动阶段能够快速地完成。但是大的电流通过R1会在正常操作期间消耗更多的能量，这会使得系统的待机功耗增加。

因此，需要一种降低开关模式电源的待机功耗的技术。

实用新型内容

本实用新型针对开关模式电源(SMPS)，旨在提供一种用于降低开关模式电源的待机功耗的设备和方法。作为一个例子，本实用新型被用于降低PWM或PFM模式开关电源系统的待机功耗。但是本实用新型具有更加广阔的应用范围。

本实用新型一方面提供一种用于将开关模式电源(SMPS)控制器耦合到整流后的线电压的装置，该装置包括：高压启动晶体管，用于在SMPS的启动期间提供充电电流并在SMPS控制器的正常操作期间不提供电流；开关，耦合到高压启动晶体管，该开关用于从SMPS控制器接收控制信号，该控制信号在SMPS启动阶段使高压启动晶体管工作在导通状态，而在SMPS正常操作期间使高压启动晶体管工作在截止状态；偏压设备，串联到该开关，该偏压设备用于在SMPS控制器的正常操作期间将启动晶体管维持在截止状态；其中，当SMPS控制器处于正常操作阶段时流过高压启动晶体管的电流远小于SMPS控制器处于启动阶段时的充电电流。

本实用新型另一方面提供一种用于将开关模式电源(SMPS)控制器耦合到整流后的线电压的装置，该装置包括：高压启动晶体管，用于在SMPS的启动期间提供充电电流并在SMPS控制器的正常操作期间不提供电流；齐纳二极管，耦合到高压启动晶体管的控制端，该齐纳二极管的击穿电压比SMPS控制器的启动电压高且比SMPS控制器的正常操作电压低；该高压启动晶体管在SMPS控制器的正常操作期间被关断，且当SMPS控制器处于正常操作阶段时流过高压启动晶体管的电流远小于SMPS控制器处于启动阶段时的充电电流。

本实用新型另一方面提供一种用于将SMPS控制器耦合到整流后的线电压并降低开关模式电源(SMPS)待机功率的装置，该SMPS控制器具有两种操作状态，当SMPS控制器电源端的电压低于第一基准电压时该SMPS控制器进入第一状态、当电源端的电压高于第二基准电压时该SMPS控制器进入第二状态。该装置包括：高压半导体设备，具有第一端、第二端和第三端，该第一端耦合至整流后的线电压端、第二端耦合至SMPS控制器的电源端、第三端用于控制第一端和第二端之间的电流；偏压电路，耦合至高压半导体设备，偏压电路用于在SMPS控制器处于第一状态时开启该高压半导体设备，并在SMPS控制器处于第二状态时关断该高压半导体设备。

本实用新型另一方面提供一种集成电路芯片构成的开关模式电源(SMPS)控制器，包括：第一端，用于检测SMPS的输出电压；第二端，用于输出控制SMPS输出电压的脉冲信号；电源端，用于从外部的高压半导体设备接收电流；控制端，用于向外部的高压半导体设备提供控制信号，使得该高压半导体设备在SMPS的启动期间提供充电电流并在SMPS控制器的正常操作期间不提供电流。

本实用新型另一方面提供一种用于调节SMPS的输出电压的多芯片半导体封装，该封装包括：第一半导体芯片，该第一半导体芯片包括开关模式电源(SMPS)控制器，该SMPS控制器具有：第一端，用于检测SMPS的输出电压；第二端，用于输出控制SMPS输出电压的脉冲信号；电源端，用于从外部的高压半导体设备接收电流；控制端，用于提供控制流过该高压半导体设备电流的控制信号，以及，第二半导体芯片，该第二半导体芯片包括高压半导体芯片，用于接收控制信号，以及作为响应，在SMPS的启动期间提供充电电流并在SMPS控制器的正常操作期间不提供电流。

本实用新型另一方面提供一种用于接收整流后的输入交流电压并提供直流输出电压的开关模式电源，包括：耦接至整流后的交流输入电压的变压器，该变压器包括主级线圈、次级线圈和辅助线圈；开关模式电源(SMPS)控制器，具有用于接收SMPS输出电压的反馈端和用于耦接至辅助线圈的电源端；高压半导体设备，具有第一端、第二端和第三端，该第一端耦接至整流后的交流输入电压，第二端耦接至SMPS控制器的电源端，第三端用于控制第一端和第二端之间的电流；以及偏压设备，耦接至该高压半导体设备，该偏压设备用于使得该高压半导体设备在SMPS的启动期间开启并在SMPS控制器的正常操作期间截止。

根据一实施例，本实用新型提供一种用于降低开关模式电源的待机功耗的电路实现。在一实施例中，在系统启动阶段，高压启动晶体管、偏压设备、开关、以及控制信号被用于从整流后的线电压向与开关模式电源控制器的Vcc管脚相关的电容器提供充电电流，并且在开关模式电源的正常操作期间切断从整流后的线电压提供给Vcc电容的充电电流。

根据一实施例，在启动阶段，开关被控制信号断开。所有来自整流后的线电压的电流通过启动电阻后进入到高压启动晶体管的基极并且被放大以提供Vcc电容的充电电流。在启动阶段之后，开关被控制信号闭合，以使得偏压设备能够吸收来自启动电阻的电流并将高压启动晶体管的基极电压维持在低于其发射极电压的水平。在这种情况下，启动晶体管处于截止状态。结果，启动电阻上消耗的功耗显著降低，因为在本实用新型的实施例中，启动电阻的阻值可以是传统技术中的开关模式电源中的电阻值的十倍或更大。

根据该实施例，高压启动晶体管可以是双极型晶体管或者MOSFET。在一个实施例中，偏压设备和开关被集成到开关模式电源控制器芯片中。此外，高压启动晶体管可以是电源系统中分离的设备，或者与集成的控制器芯片封装在一起以在电源系统的印刷电路板上形成多芯片的单个封装设备。在另一个实施例中，偏压设备是齐纳二极管，而作为一个特例，该开关始终处于闭合状态。高压启动晶体管、齐纳二极管和开关模式电源控制器可以形成具有极低的待机功耗的开关模式电源。

在一个实施例中，在启动阶段期间提供用于Vcc电容的充电电流，并在开关模式电源的正常操作期间切断该充电电流。

在一个实施例中，使用高压双极型晶体管的电流增益或者高压MOSFET的跨导在启动阶段提供用于Vcc电容充电的放大电流。

在一个实施例中，通过将启动阶段后的高压启动晶体管的基极或者栅极电压控制在低于其发射极或者源极的水平，而利用双极型晶体管或者MOSFET的关断特性在启动阶段之后切断来自整流后的线电压的充电电流。

在另一个实施例中，使用偏压设备、开关、控制信号来使得在启动阶段之后启动晶体管的发射极/源极电压高于基极/栅极电压。

在另一个实施例中，偏压设备和开关被集成到开关模式电源控制器中，以使得使用该集成芯片和一作为启动晶体管的低成本分离高压晶体管能够获得极低的系统待机功耗。

在另一个实施例中，在单一的封装中具有该集成的控制器芯片和该低成本高压晶体管芯片，以形成用于具有极低系统待机功耗的多芯片设备。

在另一个实施例中，使用齐纳二极管作为偏压设备并且在特定的情况下提供始终保持开启的开关。该高压启动晶体管、齐纳晶体管、以及传统的开关模式电源控制器(没有附加的启动控制电路)能够实现具有极低的待机功耗的开关模式电源。在一实施例中，选择齐纳二极管的击穿电压大于SMPS控制器的启动电压，而正常操作下的控制器的Vcc电压大于齐纳二极管的击穿电压。

应用本实用新型，当SMPS控制器处于正常操作阶段时流过启动晶体管的电流远小于SMPS控制器处于启动阶段时流过启动晶体管的电流(充电电流)，从而可以明显地降低系统的待机功耗。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图对实施例的描述而变得更加明显，其中，

图1是传统的主侧调节开关模式电源系统的示意框图；

图2是根据本实用新型的一实施例的开关模式电源(SMPS)200的简化框图；

图3是图2中的开关模式电源(SMPS)控制器10的波形的简化图；

图4是图2中的主侧调节开关模式电源(SMPS)控制器10的一部分的简化框图；

图5是根据本实用新型的一实施例，用于将开关模式电源(SMPS)控制器耦合至整流后的线电压的装置的简化的电路图；

图6是根据本实用新型的另一实施例的低待机功耗电源系统600的简化框图；

图7是根据本实用新型的另一实施例的低待机功耗电源系统700的简化框图；

图8A是图7中的双芯片封装310中的电源控制器的简化的接线图；

图8B是图7中的双芯片封装310中的电源控制器的简化的管脚输出图；

图9是根据本实用新型的另一实施例的低待机功耗电源系统900的简化框图；以及

图10是示出传统电源的待机功耗和本实用新型的电源的待机功耗的比较的简化图。

具体实施方式

图2是根据本实用新型的一实施例的开关模式电源(SMPS)200的简化框图。该框图仅仅是一个示例，不应被视为是对于本实用新型的范围的任何限制。本领域的技术人员可以认识到其他的变形、改变以及替代方式。如图所示，SMPS200包括控制器10。控制器10具有电源端Vcc、反馈端Vfb、输出端OUT、以及用于提供控制信号ENABLE的端。在一实施例中，启动晶体管13是高压NPN晶体管。其集电极连接到整流后的线电压Vin，其基极连接到启动电阻R1的一端以及偏压设备12的高压端。开关11具有从控制器10接收ENABLE信号的控制端。开关11插入在偏压设备12的低压端和地之间。

在启动阶段，ENABLE信号保持在低电平，开关11被断开。通过启动电阻R1的电流仅仅流入启动晶体管13的基极。该电流由晶体管13放大用于给Vcc电容C1充电。

在正常操作模式下，ENABLE信号保持在高电平，开关11闭合(导通)。偏压设备12可以用于确定晶体管13的基极电压Vb。偏压设备12被设计成将Vb维持在比Vcc小的幅度上并跟随Vcc电压的变化，以使得在ENABLE信号是高电平时启动晶体管13处于截止状态。

根据本发明的一实施例，如果在启动阶段为C1设置同样的充电电流，图2中的电源200中的R1的值可以比诸如图1中所示的传统电源中的启动电阻增加β倍，其中β是启动晶体管13的电流增益。电源200中在R1上的功率损耗与图1中的传统电源相比较可以降低到大约1/β，而总的系统待机功耗也显著地下降。

图3是图2中的开关模式电源(SMPS)控制器10的波形的简化图。该图仅仅是一个实例，不应当被用于限制本实用新型的范围。本领域的技术人员可以认识到其他的变形、改变以及替代方式。如图所示的，在系统的初始启动阶段，Vcc是低电平。控制器10的ENABLE端产生逻辑低信号。当Vcc达到门限电压Vst时，控制器10的ENABLE端输出逻辑高信号，此时启动阶段结束。如果由于一些原因(比如系统输出在次级线圈被短接到地)使得Vcc在系统正常操作期间掉落到另一个门限电压(Vuvlo)之下，控制器10的ENABLE端再次输出逻辑低信号。当Vcc降低到Vuvlo之下时，控制器10停止在输出端OUT输出开关信号。这称之为低电压锁止(UVLO)。需要在系统再次恢复到正常操作之前完成一个新的启动阶段来将Vcc提升到超过Vst。

图4是图2中的主侧调节开关模式电源(SMPS)控制器10的一部分的简化框图。如所示的，V1、V2、V3和V4是内部产生的用于控制器操作的电压基准。Vcc比较器检测Vcc电压并在系统的启动期间产生逻辑低信号。当Vcc达到门限电压Vst时，比较器输出逻辑高信号。如果由于一些原因(比如系统输出在次级线圈被短接到地)使得Vcc在系统正常操作期间掉落到另一个门限电压(Vuvlo)之下，比较器再次输出逻辑低信号。控制器10停止输出开关信号。这称之为低电压锁止(UVLO)。需要在系统再次恢复到正常操作之前完成一个新的启动阶段。Vcc比较器的输出被标记为ENABLE并且被用于控制开关11，如图2中的电源200所示。基准电压V1和V2与Vst和Vvulo相关。在特定的实施例中，Vst＝(1+Ra/Rb)＊V2，Vvulo＝(1+Ra/Rb)＊V1，且V2>V1。Vfb和电压基准V3输入到一误差放大器，控制器10的Vcs端输出的Vcs和电压基准V4输入到峰值电流检测器。误差放大器和峰值电流检测器的输出再输入到开关控制器。

图5是根据本实用新型的一实施例，用于将开关模式电源(SMPS)控制器耦合至整流后的线电压装置的简化的电路图。在图5所示的特定实施例中，NMOS晶体管111作为开关。偏压设备由PMOS晶体管121、122、123和电流源124构成。

当系统处于启动阶段时，ENABLE信号是低电平，NMOS晶体管111关断。NMOS晶体管111的漏极电压(Va)被拉升到与节点Vb的电压持平，于是电流不能通过PMOS晶体管121。所有经过电阻R1的启动电流进入到晶体管13的基极以提供经放大的充电电流用于Vcc电容C1。

当系统处于正常操作模式时，ENABLE信号处于高电平。节点Va被拉低到接地。PMOS晶体管121开启，电流流入121的源极。PMOS晶体管121的栅极电压由二极管连接的PMOS晶体管122、123和电流源124确定，为Vcc-2＊|Vtp|，其中Vtp是PMOS晶体管的门限电压。当系统处于正常操作状态时，节点Vb的电压在Vcc-|Vtp|附近。由于启动晶体管13的发射极电压是Vcc，高于其基极电压，因此晶体管13处于截止状态。

图6是根据本实用新型的另一实施例的低待机功耗电源系统600的简化框图。如图所示，电源600包括开关模式电源控制器210和分离的高压启动晶体管13，其被用于构建具有极低的待机功耗的系统。SMPS控制器210包括集成的偏压设备和开关，如图2所描述。与图1所示的传统的控制器1相比较，控制器210仅仅增加一个管脚(Vb)。Vb管脚连接到图6中所示的分离的高压启动晶体管13的基极。

根据本实用新型的一实施例，整个的系统元件数可进一步通过将高压启动晶体管芯片和控制器芯片放置在单个的封装中而降低。图7是根据本实用新型的另一实施例的低待机功耗电源系统700的简化框图。如所示的，电源700包括控制器310，其包括单一封装的控制器芯片，比如图6中的控制器210，以及高压启动晶体管芯片，比如图6中的设备13。

图8A是图7中的双芯片封装310中的电源控制器及高压启动晶体管芯片的简化的接线图。

图8B是图7中的双芯片封装310中的电源控制器及高压启动晶体管的简化的管脚图。

图9是根据本实用新型的另一实施例的低待机功耗电源系统900的简化框图。如图所示，电源系统900是具有极低的待机功耗的系统。电源系统900包括分离的高压启动晶体管13、齐纳二极管411、以及SMPS控制器410。齐纳二极管作为偏压设备。此实施例中，齐纳二极管411具有大于SMPS控制器410的启动电压Vst且小于SMPS控制器的Vcc的正常操作电压的击穿电压。在该实施例中，该高压启动晶体管13在SMPS系统的正常操作期间被关断。开关412在该特定情况下始终处于导通状态并可被忽略。

在图9中，齐纳二极管的击穿电压比Vst高，因此Vcc电容能够被充电达到高于Vst的电压以完成启动阶段。由辅助线圈提供的正常Vcc大于齐纳击穿电压以在启动阶段之后关闭启动晶体管。在该实施例中，Vcc大于Vst，在图3中，Vcc小于Vst。这种特定的条件可以由对于变压器、Vst、Vuvlo的设计而实现。如图9所示的，除了控制电路之外，电源900与图2中所示的电源200类似。

在一个实施例中，控制器410和齐纳二极管411可被包括在单一的半导体芯片中。在另一个实施例中，电源控制电路可以是包括SMPS控制器和高压半导体设备的多芯片封装。在该种情况下，SMPS控制器芯片还包括齐纳二极管。

图10是传统电源的待机功耗和本实用新型的电源的待机功耗的比较的简化图。如图所示，根据本实用新型的方案，系统待机功率比传统电源系统在80V-260Vac之间的待机功率降低很多。

对于本领域的技术人员来说，很明显的，本实用新型还可以包括下述的扩展实现：

集成电路芯片构成的开关模式电源(SMPS)控制器，包括：第一端，用于检测开关模式电源的输出；第二端，用于输出控制开关模式电源的脉冲信号；电源端，用于从外部的高压半导体设备接收电流；控制端，用于向外部的高压半导体设备提供控制信号，使得该高压半导体设备在SMPS的启动期间提供充电电流并在SMPS控制器的正常操作期间不提供电流。

用于调节开关模式电源的多芯片半导体封装，该封装包括：第一半导体芯片，该第一半导体芯片包括开关模式电源(SMPS)控制器，该SMPS具有：第一端，用于检测开关模式电源的输出电压；第二端，用于输出控制开关模式电源输出电压的脉冲信号；电源端，用于从外部的高压半导体设备接收电流；控制端，用于提供控制外部的高压半导体设备的控制信号；以及，第二半导体芯片，该第二半导体芯片包括高压半导体芯片，用于接收控制信号，以及作为响应，在SMPS的启动期间提供充电电流并在SMPS控制器的正常操作期间不提供电流。

上述的多芯片半导体封装包括SOIC88管脚封装。

用于接收整流后的输入交流电压并提供直流输出电压的开关模式电源，包括：耦合至整流后的交流输入电压的变压器，该变压器包括主级线圈、次级线圈和辅助线圈；开关模式电源(SMPS)控制器，具有用于检测输出电压的反馈端和用于耦合至辅助线圈的电源端；高压半导体设备，具有第一端、第二端和第三端，该第一端耦合至整流后的交流输入电压，第二端耦合至SMPS控制器的电源端，第三端用于控制第一端和第二端之间的电流；以及偏压设备，耦合至该高压半导体设备，该偏压设备用于使得该高压半导体设备在SMPS的启动期间导通并在SMPS控制器的正常操作期间截止。

虽然本实用新型结合上述的实施例进行描述，但是很明显本实用新型不限于这些实施例。本领域的技术人员可以得到种种改变、变化和等价实现而不脱离本实用新型的设计原理。本实用新型的范围应当由权利要求限定。尽管上面是针对开关模式电源系统的主侧控制拓扑结构进行描述，但是本实用新型也可被用于副侧控制的开关模式电源系统。

在上述的实施例中，高压双极型晶体管仅仅是作为一个例子。在其他的实施例中，高压半导体设备可以是双极型器件、包括NPN晶体管、PNP晶体管、PNPN开关、以及SCR中的一个或多个。在另一个实施例中，高压半导体设备可以是场效应器件，并且可以包括n型MOSFET、p型MOSFET、LDMOS、JFET、JFET和MOSFET的合成中的一个或多个。

本实用新型的方案，当SMPS控制器处于正常操作阶段时流过启动晶体管的电流远小于SMPS控制器处于启动阶段时流过启动晶体管的电流(充电电流)，从而可以明显地降低系统的待机功耗。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1.一种用于将开关模式电源控制器耦合到整流后的线电压并降低开关模式电源待机功率的装置，其特征在于，该装置包括：

高压启动晶体管，用于在开关模式电源的启动期间提供充电电流并在开关模式电源控制器的正常操作期间不提供电流；

开关，耦合到高压启动晶体管，该开关用于从开关模式电源控制器接收控制信号，该控制信号在开关模式电源启动阶段使高压启动晶体管工作在导通状态，而在开关模式电源正常操作期间使高压启动晶体管工作在截止状态；

偏压设备，串联到该开关，该偏压设备用于在开关模式电源控制器的正常操作期间将启动晶体管维持在截止状态；

其中，当开关模式电源控制器处于正常操作阶段时流过启动晶体管的电流远小于开关模式电源控制器处于启动阶段时流过启动晶体管的电流，即充电电流。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该启动晶体管是双极型晶体管，具有集电极、基极和发射极，其中：

集电极连接到整流后的线电压；

发射极连接到开关模式电源控制器的电源管脚Vcc；

基极通过启动电阻耦接到整流后的线电压，以及

基极还通过串联的偏压设备和开关耦接到地。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述开关是NMOS晶体管，该NMOS晶体管的栅极从开关模式电源控制器的Vcc比较器接收控制信号；

所述偏压设备是源极跟随连接的PMOS晶体管，其源极连接到启动晶体管的基极；

该装置还包括，

一个或多个串联的二极管连接的PMOS晶体管，连接到位于启动晶体管发射极和地之间的电流源，所述源极跟随连接PMOS晶体管的栅极耦接到二极管连接的PMOS晶体管，使得在系统启动阶段完成之后启动晶体管的基极电压小于或等于启动晶体管的发射极电压。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述开关、偏压设备、以及开关模式电源控制器被包括在单一的集成电路芯片中；或者

所述开关、偏压设备、以及开关模式电源控制器被包括在第一半导体芯片中，而高压启动晶体管被包括在第二半导体芯片中，第一和第二半导体芯片包括在单一的多芯片封装中。

5.一种用于将开关模式电源开关模式电源控制器耦合到整流后的线电压并降低开关模式电源待机功率的装置，其特征在于，该装置包括：

高压启动晶体管，用于在开关模式电源的启动期间提供充电电流并在开关模式电源控制器的正常操作期间不提供电流；

齐纳二极管，耦合到高压启动晶体管的控制端，该齐纳二极管的击穿电压比开关模式电源控制器的启动电压高且比开关模式电源控制器的正常操作电压低；

该高压启动晶体管在开关模式电源控制器的正常操作期间被关断，且当开关模式电源控制器处于正常操作阶段时流过启动晶体管的电流远小于开关模式电源控制器处于启动阶段时流过启动晶体管的电流，即充电电流。

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