TWI505613B - 啟動供電器、包括該啟動供電器的系統、以及操作該啟動供電器的方法 - Google Patents

Description

啟動供電器、包括該啟動供電器的系統、以及操作該啟動供電器的方 法

本發明涉及一種供電器。

除非在此另外指出，在本部分中所描述的方法對本申請中的申請專利範圍不是現有技術，而且並不通過包含在本部分中而被承認為現有技術。

開關模式供電器(SMPS)調節輸入電壓以提供輸出電壓。功率因數校正(PFC)控制器被用在轉換和調節中。PFC控制器通常需要最小供應電壓來操作。在操作期間，SMPS的輸出電壓被用來為PFC控制器供應所需要的操作電壓。然而，在某些時候，例如在SMPS啟動期間或當裝置在待機模式中時(例如，SMPS的輸出電壓下降)，需要輸入電壓用於PFC控制器。

在啟動期間和當裝置在待機模式中時，啟動供電器可用來為PFC控制器供應操作電壓。供應操作電壓直到SMPS啟動。在SMPS啟動後，啟動供電器然後停用，直到再次被需要。

在一個實施方式中，一設備包括具有閘極、汲極和源極的電晶體。耦合汲極以接收交流(AC)供電器信號。一部件在輸出節點和電晶體的閘極之間耦合。該部件耦合來自輸出節點的輸出電壓，以在AC供電器信號的第一部分期間充電閘極-源極電容器。電晶體配置以在AC供電器信號的第二部分期間開啟，以發送電荷至輸出節點，其中該電荷用來供電給供電器的電路。

在一個實施方式中，該部件包括第一部件，而且該設備還包括耦合到電晶體的源極和輸出節點的第二部件。該第二部件使電晶體的源極跟隨AC供電器信號，直到電晶體開啟。

在一個實施方式中，一開關配置以經控制來放電閘極-源極電容器。

在一個實施方式中，一系統包括一電容器，配置以當電晶體開啟時被充電。

在一個實施方式中，一方法包括：將AC供電器信號耦合到電晶體；將來自輸出節點的輸出電壓耦合到電晶體的閘極，以充電閘極-源極電容器；以及開啟電晶體以將電荷發送到輸出節點，該電荷用來供電給供電器的電路。

以下詳細描述和附圖提供對本發明的性質和優勢的更詳細的理解。

用於啟動供電器的技術在此被描述。以下描述中，為了解釋的目的，陳述了很多實施例和具體細節，以便提供對本發明的實施方式的徹底理解。如申請專利範圍限定的特定的實施方式可僅包括這些實施例中的一些或所有特徵或結合下述其他特徵的一些或所有特徵，而且還可包括在此描述的特徵和概念的修改和等效形式。

圖1描述根據一個實施方式的開關模式供電器(SMPS)100的實施例。提供啟動供電器102、功率因數校正控制器104、以及交流電(AC)供電器電路106。儘管討論開關模式供電器，但特定的實施方式可與需要啟動供電器102的其他供電器配置一起使用。

AC供電器電路106提供AC信號給啟動供電器102的節點VAC。如下更詳細地描述，可提供半整流信號給節點VAC。

啟動供電器102配置以接收AC供電器信號並在節點VOUT提供輸出信號以充電電容器CL。充電電容器CL以在SMPS 100不供應足夠的輔助電壓的時間期間供應足夠的電壓給PFC控制器104。輔助電壓可為來自不同於啟動供電器102的輸出電壓Vout的SMPS 100的輸出電壓。SMPS 100的輔助電壓是供應到由SMPS 100供電的計算裝置的電壓。來自啟動供電器102的輸出電壓和輔助電壓是直流(DC)電壓。

啟動供電器102可供應必要的電荷給電容器CL，該電容器CL提供電荷給PFC控制器104。在計算裝置啟動期間和也在計算裝置在待機模式中時，可供應電荷。當計算裝置啟動或在待機模式中時，輔助電壓下降。

當SMPS 100啟動並提供足夠的輔助電壓時，輔助電壓可用來給PFC控制器104供電。此時，不需要啟動供電器102。因此，啟動供電器102可關掉(例如，關掉啟動供電器102中的電晶體(未顯示))，使得啟動供電器102不給電容器CL供應電荷。這種狀態持續，直到再次需要啟動供電器102，例如當計算裝置被斷電且重啟時，或當計算裝置在待機模式中且重啟時。

啟動供電器102可包括在積體電路(IC)晶片上，該晶片包括三個接腳：用於節點VAC的接腳、用於節點VOUT的接腳和用於接地(GND)的接腳。通過僅使用三個接腳，對於晶片限制接腳數。此外，如下更詳細地描述，來自節點VOUT的電壓用來提供必要的電壓以充電啟動供電器102中的電晶體(未顯示)的閘極-源極電容器。

圖2描述根據一個實施方式之啟動供電器102更詳細的實施例。AC供電器電路106包括AC供電器202和橋式整流器204。AC供電器202可提供AC信號，例如220伏均方根(RMS)信號。橋式整流器204包括二極體D1、D2、D3和D4。橋式整流器204可以是半波整流器，該半波整流器採用AC供電器信號並阻止AC供電器信號的負半周。在這種情況下，AC供電器信號的正半周被提供到啟動供電器102的節點VAC。

電晶體Q1從節點VAC接收整流AC供電器信號並在節點VOUT提供輸出電壓。電晶體Q1具有耦合到節點VAC的汲極。此外，電晶體Q1的主體耦合到電晶體Q1的源極，而且二極體D7通過主體耦合到電晶體Q1的汲極。閘極-源極電容器Cgs被顯示為表示在電晶體Q1的閘極和源極之間的電容。

二極體D5將源極耦合到輸出節點VOUT。此外，輸出節點VOUT通過二極體D6耦合到電晶體Q1的閘極。特定的實施方式在AC供電器信號的至少一部分期間使用輸出電壓VOUT以充電閘極-源極電容器Cgs到必要的驅動電壓。例如，如下更詳細地描述，當AC供電器信號為負時，閘極-源極電容器Cgs被充電。這允許電晶體Q1在允許傳導的相期間但在AC電壓變得足夠充足以開始為電容器CL充電之前開啟。開啟時間由作為AC供電器信號的週期的一部分的傳導角確定，在此期間電晶體Q1傳導。

針對圖2和圖3描述啟動供電器102的操作。圖3描述根據一個實施方式的SMPS 100的波形。曲線302顯示AC供電器信號，曲線304顯示整流AC供電器信號，曲線306顯示在電晶體Q1的源極處的電壓，以及曲線308顯示在電晶體Q1的閘極處的電壓。

在AC供電器信號的負半周期間，基於橋式整流器204上電容器CB上的負載，電晶體Q1的汲極在部分或整個時期內被保持在低於接地的電位(例如，通過經由二極體D7的二極體壓降)。

當在節點VAC處的電壓為零時，閘極-源極電容器Cgs通過二極體D6被充電到輸出電壓。例如，輸出電壓開啟二極體D6，而且電容器Cgs被充電。充電點顯示在AC供電器信號為負的310處。

當AC供電器信號的正週期開始時，在節點VAC處的VAC電壓增加到零之上。由於在合適的位置上有二極體D5，Q1的源極(節點VS)也跟隨在節點VAC處的VAC電壓。例如，二極體D5可被反向偏置，直到電晶體Q1的源極足以使二極體D5正向偏置。當電晶體Q1開始傳導以給電容器CL充電時，電晶體Q1的源極跟隨VAC電壓，直到電壓VS變得和電壓VOUT相等(為了討論目的，二極體D5兩端的二極體壓降被忽略)。當電晶體Q1的源極在零之上移動時，閘極-源極電容器Cgs兩端的電壓不改變，因為沒有從電晶體Q1的閘極放電閘極-源極電容器Cgs的路徑。因此，在電晶體Q1的閘極的電壓繼續提供足夠的驅動來使電晶體Q1傳導。

電晶體Q1在AC供電器信號的某個相內傳導(根據傳導角)。當傳導角結束時，電晶體Q1關掉以停止充電電容器CL。傳導角用來提高效率。例如，當VAC電壓較小時，效率較大。因此，如圖3中所示，電容器Cgs放電，而且當傳導角達到時，電晶體Q1被關掉。此時，電容器CL不被啟動供電器102充電。開關S1可關閉以提供放電閘極-源極電容器Cgs的路徑。閘極-源極電容器Cgs的放電將在下面更詳細地被描述。在充分地充電輸出電壓VOUT之後，藉由對AC供電器信號週期的其餘部分關掉電晶體Q1，充電過程實現了更高的供電效率。

當AC供電器信號變成負的且閘極-源極電容器Cgs被充電時，上面的過程繼續。然後，當電壓VS變得與電壓VOUT相等時，電晶體Q1開啟以充電電容器CL。

如上所討論，電容器CL兩端的電荷用來供應電壓給PFC控制器104。上面的過程繼續，直到SMPS 100啟動，而且由SMPS 100輸出之足夠的輔助電壓被供應到PFC控制器104。輔助電壓可然後被用來充電電容器CL。此時，電晶體Q1關掉，直到再次需要它來提供啟動電荷。

回來參考圖2，輸出調節和傳導角調節將更詳細地描述。輸出電壓調節可由電阻器R1、電阻器R2和比較器COMP1提供。同樣地，傳導角調節可由電阻器R3、電阻器R4和比較器COMP2提供。

輸出調節被用來確定何時控制開關S1來關掉電晶體Q1。此時，SMPS 100能夠提供輔助電壓來給PFC控制器104供電。在一個實施方式中，當進入比較器COMP1的正端子的電壓輸入與參考電壓VREF比較達到某個位準時，開關S1被控制為閉合的。在這種情況下，閘極-源極電容器Cgs不能被充電以允許電晶體Q1傳導。例如，當啟動時，電壓VOUT可低於使進入比較器COMP1的輸入低於電壓參考VREF的電壓(通過電阻器R1和R2的電阻分壓器)。當SMPS 100可供應輔助電壓時，電壓VOUT變得高於一位準，在該位準處，進入比較器COMP1的輸入變得高於電壓參考VREF。比較器COMP1然後輸出邏輯高信號。邏輯閘(例如或閘)206將邏輯高信號輸出到位準轉換器208。位準轉換器208可被用來將電壓位準轉移到可開啟充當開關的以關閉開關S1的電晶體(未顯示)的位準。

在傳導角調節中，當進入比較器COMP2的正端子的電壓輸入與電壓參考VREF比較達到某個位準時，控制開關S1以放電電容器Cgs。例如，當VAC電壓達到某個位準時，根據傳導角，閉合開關S1以放電閘極-源極電容器Cgs。VAC電壓由電阻器R3和電阻器R4的電阻分壓器網路劃分。當從電阻分壓器網路進入比較器COMP2的輸入信號變得高於電壓參考VREF時，比較器COMP2輸出邏輯高信號。邏輯閘206將邏輯高信號輸出到位準位移器208。在一個實施例中，來自比較器COMP2的輸出此時可以是邏輯低位準(例如，因為電壓VOUT低於電壓參考VREF，因為在啟動期間電壓VOUT沒有達到期望位準)。位準位移器208將電壓位準轉移到開啟電晶體(未顯示)來閉合開關S1的位準。

當VAC電壓變得低於某個位準時，進入比較器COMP1的信號輸入變得低於電壓參考VREF。比較器COMP2然後輸出邏輯低位準，該邏輯低位準關掉電晶體(未顯示)且打開開關S1。根據傳導角，當開關S1閉合和打開時，上面的過程繼續。

在某些時候，例如在SMPS 100啟動前，電容器CL放鬆或不包括其兩端的電荷。因此，輸出電壓VOUT不能用來充電閘極-源極電容器Cgs。因此，啟動協助用來充電閘極-源極電容器Cgs。圖4描述根據一個實施方式提供用於充電閘極-源極電容器Cgs的路徑的啟動供電器102的實施例。VAC電壓用來充電閘極-源極電容器Cgs。圖2的電阻器R3可被修改成電阻器R3a、R3b和R3c。這提供用於從節點VAC充電閘極-源極電容器Cgs的路徑。例如，提供通過電阻器R3c和二極體D8充電閘極-源極電容器Cgs的路徑。

一旦電容器CL第一次被完全地充電，就不需要這個路徑。更確切地說，如上所述，輸出電壓VOUT用來充電閘極-源極電容器Cgs。因此，開關S2用來使路徑去耦以充電閘極-源極電容器Cgs。例如，當電壓VOUT達到某個位準時，比較器COMP1的輸出變高，而且鎖存器402被用來控制開關S2。例如，開關S2閉合以將電阻器R3c耦合到地。此時，電阻器R3a、R3b和R3c和R4一起確定傳導角。此外，二極體D8阻止電荷通過電阻器R3c從輸出電壓流動。

圖5描述根據一個實施方式之用於操作啟動供電器102的方法的簡化流程圖500。在步驟502，來自節點VOUT的輸出電壓耦合到電晶體Q1的閘極以充電閘極-源極電容器Cgs。在步驟504，電晶體Q1開啟以充電電容器CL。在步驟506，當到達傳導角的端部時，放電閘極-源極電容器Cgs。

圖6描述根據一個實施方式之用於提供啟動幫助的方法的簡化流程圖600。在步驟602，VAC電壓耦合到電晶體Q1的閘極。在步驟604，閘極-源極電容器Cgs由VAC電壓充電。在步驟606，當電容器CL第一次被完全地充電時，開關S2關閉。

因此，特定的實施方式提供避免較高的能量損耗的啟動供電器，因為晶片外的第二整流信號不用來充電閘極-源極電容器Cgs。更確切地說，輸出電壓VOUT用來充電閘極-源極電容器Cgs。這避免使用在電晶體Q1的閘極與接腳之間耦合的額外的電阻器，該接腳需要耦合第二整流信號以充電閘極-源極電容器Cgs。此外，這降低功率消耗和IC晶片的接腳數。進一步地，二極體D5被放置在晶片上，這減少了製造SMPS 100所需的材料清單(bill of materials/BOM)。

如在這裡所描述和接下來的全部申請專利範圍中所使用的，除非上下文清楚地另外規定，“a”、“an”和“the”包括複數的引用。同樣地，如在這裡所描述和接下來的全部申請專利範圍中所使用的，除非上下文清楚地另外規定，“在...中”包括“在...中”和“在...上”。

上面的描述使用可如何實現本發明的方面的實施例說明本發明的各種實施方式。上面的實施例和實施方式不應被視為唯一的實施方式，而是被提出為說明如以下申請專利範圍所限定的本發明的靈活性和優勢。基於上述公開和以下的申請專利範圍，其他佈置、實施方式、實現和等效形式可被使用而不偏離如申請專利範圍所限定的本發明的範圍。

本內容要求2009年12月23日提交之“High-Input Voltage SMPS Start-Up Supply”的美國臨時申請第61/289,897號的優先權，其為了所有的目的在此通過引用被全部併入。

100．．．開關模式供電器(SMPS)

102．．．啟動供電器

104．．．功率因數校正控制器

106．．．AC供電器電路

202．．．AC供電器

204．．．橋式整流器

206．．．邏輯閘

208．．．位準轉換器

302、304、306、308．．．曲線

310．．．充電點

402．．．鎖存器

500、600．．．流程

502、504、506、602、604、606．．．步驟

CB．．．電容器

Cgs．．．閘極-源極電容器

CL．．．電容器

COMP1、COMP2．．．比較器

D1~D8．．．二極體

GND．．．接地

Q1．．．電晶體

R1~R4、R3a、R3b、R3c．．．電阻器

S1、S2．．．開關

VAC、VOUT．．．節點

VREF．．．參考電壓

VS．．．節點

圖1描述根據一個實施方式的開關模式供電器(SMPS)的實施例；

圖2描述根據一個實施方式的啟動供電器的更詳細的實施例；

圖3描述根據一個實施方式的啟動供電器的波形；

圖4描述根據一個實施方式的提供用於從AC供電器給閘極-源極電容器Cgs充電的路徑的啟動供電器的實施例；

圖5描述根據一個實施方式的用於操作啟動供電器的方法的簡化流程圖；以及

圖6描述根據一個實施方式的用於提供啟動幫助的方法的簡化流程圖。

100．．．開關模式供電器(SMPS)

102．．．啟動供電器

106．．．AC供電器電路

202．．．AC供電器

204．．．橋式整流器

206．．．邏輯閘

208．．．位準轉換器

COMP1、COMP2．．．比較器

D1~D7．．．二極體

R1~R4．．．電阻器

Claims (20)

1. 一種啟動供電器，包括：一電晶體，具有一閘極、一汲極和一源極，其中耦合該汲極以接收一交流(AC)供電器信號；以及一部件，在一輸出節點和該電晶體的該閘極之間耦合，其中該部件耦合來自該輸出節點的一輸出電壓，以在該AC供電器信號的一第一部分期間充電一閘極-源極電容器，其中該電晶體配置以在該AC供電器信號的一第二部分期間開啟以將電荷發送到該輸出節點，該電荷用來供電給一供電器的電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述的啟動供電器，其中該部件包括一第一部件，該啟動供電器還包括耦合到該電晶體的該源極和該輸出節點的一第二部件，其中該第二部件使該電晶體的該源極跟隨該AC供電器信號直到該電晶體開啟。
3. 如申請專利範圍第2項所述的啟動供電器，其中該第一部件包括一第一二極體，而該第二部件包括一第二二極體。
4. 如申請專利範圍第1項所述的啟動供電器，其中該電晶體配置以在該AC供電器信號的一第三部分期間關掉。
5. 如申請專利範圍第4項所述的啟動供電器，其中，該第二部分包括當充電該閘極-源極電容器時的一第一時間段；以及該第三部分包括當放電該閘極-源極電容器時的一第二時間段。
6. 如申請專利範圍第1項所述的啟動供電器，還包括一開關，配置以經控制來放電該閘極-源極電容器。
7. 如申請專利範圍第6項所述的啟動供電器，還包括一傳導角電路，配置以當該AC供電器信號到達一臨界值時控制該開關以放電該閘極-源極電容器。
8. 如申請專利範圍第6項所述的啟動供電器，還包括一輸出調節電路，該輸出調節電路配置以當該輸出電壓到達一臨界值時控制該開關以保持該閘極-源極電容器為放電。
9. 如申請專利範圍第1項所述的啟動供電器，其中該電路包括一第一電路，該啟動供電器還包括一第二電路，配置以充電該閘極-源極電容器，該第二電路將該AC供電器信號耦合到該電晶體的該閘極。
10. 如申請專利範圍第9項所述的啟動供電器，其中當耦合到該輸出節點的一外部電容器在跨越該外部電容器兩端沒有電荷時，該第二電路將該AC供電器信號耦合到該電晶體的該閘極直到該輸出電壓到達一臨界值。
11. 如申請專利範圍第9項所述的啟動供電器，其中該第二電路包括：一電阻器，耦合到該AC供電器信號一第二開關；以及一第二開關控制電路，配置以控制該第二開關以將該電阻器耦合到接地。
12. 如申請專利範圍第1項所述的啟動供電器，其中該啟動供電器包括三個接腳，其中該三個接腳包括：一第一接腳，耦合到該AC供電器信號；一第二接腳，耦合到該輸出節點；以及一第三接腳，耦合到接地。
13. 一種包括申請專利範圍第1項所述的啟動供電器的系統，該系統包括：一電容器，配置以當該電晶體開啟時被充電。
14. 如申請專利範圍第13項所述的系統，其中：該電路包括一功率因數校正電路，該功率因數校正電路配置以使用來自該供電器的輔助輸出電壓來提供電荷給該電容器，以及該電晶體配置以當該輔助輸出電壓處於提供電荷給該電容器的一位準時不提供電荷給該輸出節點。
15. 一種操作啟動供電器的方法，包括：將一AC供電器信號耦合到一電晶體；藉由一部件，將來自一輸出節點的一輸出電壓耦合到該電晶體的一閘極，以充電一閘極-源極電容器；以及開啟該電晶體以將電荷發送到該輸出節點，該電荷用來供電給一供電器的電路。
16. 如申請專利範圍第15項所述的操作啟動供電器的方法，還包括當該AC供電器信號到達一臨界值時放電該閘極-源極電容器。
17. 如申請專利範圍第15項所述的操作啟動供電器的方法，當該輸出電壓到達一臨界值時，關掉該晶體。
18. 如申請專利範圍第15項所述的操作啟動供電器的方法，還包括將該AC供電器信號耦合到該電晶體的該閘極，以充電該閘極-源極電容器。
19. 如申請專利範圍第18項所述的操作啟動供電器的方法，其中當耦合到該輸出節點的一外部電容器在跨越該外部電容器兩端沒有電荷時，該AC供電器信號耦合到該電晶體的該閘極，直到該輸出電壓到達一臨界值。
20. 如申請專利範圍第15項所述的操作啟動供電器的方法，其中：該電路包括一功率因數校正電路，以及該電荷提供到該輸出節點以充電一電容器，該電容器配置以提供電荷給該功率因數校正電路。