TWI669586B - Primary side integrated circuit module of power supply - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種電源供應器的一次側集成電路模組，包含設在一封裝體內的控制單元、整流單元、第一開關元件；整流單元的兩電源輸入端、一正電源輸出端和一負電源輸出端分別電連接封裝體上的兩交流電源接腳及直流電源接腳、接地接腳；第一開關元件的一第一端、第二端分別和封裝體的開關元件接腳連接，控制單元的一第一控制輸出端電連接第一開關元件的控制端，控制單元的一電流檢測輸入端連接封裝體上的其中一開關元件接腳，藉由封裝技術整合電源供應器的一次側主要電晶體及電路，降低整體電路的元件數量，簡化設計，提高整體電路的可靠性。

Description

電源供應器的一次側集成電路模組

一種電路模組，尤指一種電源供應器的一次側集成電路模組。

電源轉換器是多數電子裝置必須配備的基礎電路，該電源轉換器將一固定的外部電源提供之電壓轉換為該電子裝置之負載電路之額定輸入電壓，以供該電子裝置使用。如圖9所示是一常見的電源轉換器，一般來說包含一一次側電路41、一二次側電路42、一變壓器43，該一次側電路41包含一交流輸入端ACinput、一整流器411、一控制單元412、一開關元件413及緩衝電路414等，該二次側電路42的一直流輸出端DCoutput供電連接一負載電路。

在高電壓且高頻切換的電壓轉換器中，因線路本身及各個電路元件的寄生及雜散元件所產生的高頻雜訊是不可避免的，該高頻雜訊可能使得輸出不穩定，或造成電子元件的損壞，因此如何經由最佳化電路板上的元件設置位置及佈線以降低高頻雜訊的產生是電路設計中必要的考量要件。進一步來說，當電路中元件數量龐大或電連接複雜，而電路板的面積大小又受到整體裝置規格的限制時，往往難以達到優良的佈線設計以降低高頻雜訊的干擾，且技術人員在進行元件的銲接時的困難度也會提升，造成電路成品的良率降低。因此現有技術的電源轉換器組勢必須進行進一步改良。

因此，本創作提供一種電源供應器的一次側集成電路模組，其將電源供應器中一次側的主要半導體元件整合於一體，以減少元件與接腳數量，進而提升電路模組可靠性、降低銲接成本。

為達成前述目的採取的主要技術手段是使前述電源供應器一次側集成電路模組包括： 一封裝體，設有兩交流電源接腳、一直流電源接腳、兩開關元件接腳； 一整流單元，設在該封裝體內，該整流電路具有兩電源輸入端、一正電源輸出端和一負電源輸出端，該兩電源輸入端分別和該封裝體上的兩交流電源接腳電連接；該正電源輸出端和該封裝體的直流電源接腳電連接； 一第一開關元件，設在該封裝體內，該第一開關元件具有一第一端、一第二端和一控制端；其中，該第一端、第二端分別和該封裝體的兩開關元件接腳電連接； 一控制單元，設在該封裝體內，該控制單元具有一第一控制輸出端、一電流檢測端；所第一控制輸出端電連接該第一開關元件的控制端，該電流檢測端連接該封裝體上的其中一開關元件接腳。

該集成電路模組提供作為一電源供應轉換器的一次側主要電路連接使用，該整流單元經由該二交流電源接腳接收一交流電源經整流後由該正電源輸出端輸出，該正電源輸出端供電連接一變壓器的一次側繞組的其中一端，該負電源輸出端經由該接地接腳電連接一接地端。該兩開關元件接腳的其中一開關元件接腳供電連接該變壓器的一次側繞組的另端，另一開關元件接腳係供經由一電阻電連接該接地端。該控制單元的電流檢測端則經由電連接該開關元件接腳以接收一檢測訊號，據以產生一第一控制訊號，並由該第一控制輸出端輸出該第一控制訊號。該第一開關元件經由該控制端接收該第一控制訊號並調控一導通週期，使得該變壓器的二次側繞組提供一輸出端一穩定的輸出電壓。

本創作的集成電路模組整合了一電源供應器一次側的主要電路元件，包含整流單元、控制單元及開關元件，藉由模組化主要的電晶體元件並藉由封裝技術的整合，相較以分別的各電路元件進行電性連接形成之電源電路而言電路穩定性高。該集成電路模組體積微小且成本低廉，對於整體電源供應器電路而言，則大幅減少外接電路元件數量，使得電壓轉換電路的其他電路元件的設置也更為寬裕，擁有更良好的電路設計彈性，並降低電路銲接成本，也降低元件連接不良的機率，提升整體電壓轉換電路的穩定性及良率。

本創作提供一種電源供應器的一次側集成電路模組，包含一封裝體10、一整流單元21、一第一開關元件22及一控制單元23。該整流單元21、第一開關元件22及控制單元23均是設在該封裝體10內。該封裝體10設有兩交流電源接腳11、12、一直流電源接腳13、一接地接腳14、兩開關元件接腳15、16。該整流單元21具有兩電源輸入端、一正電源輸出端和一負電源輸出端，該兩電源輸入端分別和該封裝體10上的兩交流電源接腳11、12電連接；該正電源輸出端和該封裝體10的直流電源接腳13電連接，該負電源輸出端和該接地接腳14電連接。該第一開關元件22，該第一開關元件22具有一第一端、一第二端和一控制端，其中該第一端、第二端分別和該封裝體10的兩開關元件接腳電連接。該控制單元23具有一第一控制輸出端及一電流檢測端，該第一控制輸出端電連接該第一開關元件22的控制端，該電流檢測端電連接該封裝體10上的其中一開關元件接腳16。較佳的，該整流單元21係一全橋整流器。較佳的，該第一開關元件22是一金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），該第一端、第二端分別是金屬氧化物半導體場效電晶體的汲極、源極，該控制端是金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極。

請參閱圖2所示，該集成電路模組提供作為一電源供應轉換器的一次側主要電路連接使用，該整流單元21由該二交流電源接腳11、12接收一交流電源AC1、AC2經整流後由該正電源輸出端輸出，該正電源輸出端供電連接一變壓器30的一次側繞組N1的其中一端，該負電源輸出端經由該接地接腳14電連接一接地端。該兩開關元件接腳15、16的其中一開關元件接腳15供電連接該變壓器30的一次側繞組N1的另端，另一開關元件接腳16係供經由一電阻電連接該接地端。該控制單元23的電流檢測端則經由電連接該開關元件接腳16以接收一檢測訊號，據以產生一第一控制訊號。並由該第一控制輸出端輸出一第一控制訊號，該第一開關元件22經由該控制端接收該第一控制訊號並產生一導通週期，使得該變壓器30的二次側繞組N2提供一輸出端Vo一穩定的輸出電壓。

本創作的電源供應器的一次側集成電路模組整合了一電源供應器的主要電路元件，包含整流單元21、控制單元23及第一開關元件22，藉由模組化主要的電晶體元件並藉由封裝技術的整合，相較以分別的各電路元件進行電性連接形成之電源電路而言電路穩定性高。該集成電路模組體積微小且成本低廉，對於整體電源供應器電路而言，則大幅減少外接電路元件數量，使得電壓轉換電路的其他電路元件的設置也更為寬裕，擁有更良好的電路設計彈性，並降低電路銲接成本，也降低元件連接不良的機率，提升整體電壓轉換電路的穩定性及良率。

請參閱圖3所示，在本創作的一第一較佳實施例中，該封裝體10內進一步設有一緩衝電路24，該緩衝電路24具有一第一節點和一第二節點，該第一節點、第二節點分別和該第一開關元件22的第一端、第二端電連接。

本較佳實施例中，係進一步包含一與該第一開關元件22並接的一緩衝電路24，當該第一開關元件22切換為一截止狀態時，限制該第一開關元件22的電壓上升突波，並提供該一次側繞組N1的電流一替代路徑。

請參閱圖4所示，在本創作的一第二較佳實施例中，該封裝體10進一步包含一緩衝電路接腳16A，且該緩衝電路24的第一節點和該第一開關元件22的第一端電連接，該緩衝電路24的第二節點和該緩衝電路接腳16A電連接。

該緩衝電路接腳16A提供該電源供應器電路進一步的電路設計彈性，當該緩衝電路24接腳電連接於該一次側繞組N1的電源輸入端，也就是電連接該封裝體10的該直流電源接腳13時，該緩衝電路24與該一次側繞組N1並接，提供作為該一次側繞組N1在該第一開關元件22截止時的電流路徑，避免該一次側繞組N1上因電流的突然截斷產生電壓突波。進一步來說，電路設計人員只須將緩衝電路接腳16A與該開關元件接腳16短路，即能使封裝體10內部的緩衝電路24與該第一開關元件22並接，也就是形成本創作第一較佳實施例中緩衝電路的等效電路。

請參閱圖5及圖6所示，在上述第一及第二較佳實施例中，較佳的，該緩衝電路24是在其第一節點和第二節點間設有依序串接的一二極體D1、一電阻R1和一電容C。當該第一開關元件22關閉(turn off)時，一次側的漏感電流流過該緩衝電路24，如此可降低該第一開關元件22的電壓應力。

請參閱圖7所示，較佳的，該封裝體10上進一步設有一控制單元電源接腳17，該封裝體10內進一步設有一第二開關元件25，該第二開關元件25具有一第一端、一第二端及一控制端，該第二開關元件25的第一端通過一電阻R1和該整流單元21的正電源輸出端連接；該控制單元23具有一第二控制輸出端、一電源輸入端，該第二控制輸出端與該第二開關元件25的控制端電連接，該電源輸入端分別和該第二開關元件25的第二端、該封裝體10的控制單元電源接腳17電連接。請一併參閱圖8所示，該第二開關元件25為一常開(normally on)半導體元件，當一交流電尚未輸入兩交流電源接腳11、12之前，該第二開關元件25保持導通，該交流電輸入之後，電流流經電阻R2以及該第二開關元件25以對電容Cv充電。當電容Cv上的電壓建立後，控制單元23輸出一訊號以關閉該第二開關元件25。

再請參閱圖7所示，在本創作的一第三較佳實施例中，該封裝體10上進一步設有一第一輔助電源接腳18，該封裝體10內進一步設有一二極體D2，該二極體D2的兩端分別和該封裝體10的第一輔助電源接腳18、控制單元電源接腳17電連接。

請參閱8所示，該第一輔助電源接腳18係供電連接該電源供應器電路的一第一輔助繞組N1’。該第一輔助繞組N1’與該電源供應器電路的一次側繞組N1耦合。

再請參閱圖7所示，在本創作的一第四較佳實施例中，該封裝體10具有一第二輔助電源接腳19，且該封裝體10內進一步設有一低壓差穩壓器26。該低壓差穩壓器26的一輸入端電連接該第二輔助電源接腳19，該低壓差穩壓器26的一輸出端電連接該控制單元23的電源輸入端。

請參閱圖8所示，該第二輔助電源接腳19係供電連接該電源供應器電路的一第二輔助繞組N1＂。較佳的，該第一輔助繞組N1＂係該第二輔助繞組N1‘的一中心抽頭輸出端。也就是說，該第一輔助電源接腳18的電壓以一固定比例低於該第二輔助電源接腳19的電壓。

舉例來說，當該控制單元23的電源輸入端的額定輸入電壓是12V，且該第一輔助繞組N1’與該第二輔助繞組N1＂的繞組比例為1:6。當該第二輔助繞組N1＂的電壓約為12V時，由於該低壓差穩壓器26的輸入端及輸出端的電壓相近，該低壓差穩壓器26作動並導通，進行一穩壓並且由該輸出端輸出一穩定的12V至該控制單元23的電源輸入端。此時該第一輔助繞組N1’的電壓根據繞組比例遠低於該12V，該二極體D2為逆偏而不導通。

當該第二輔助繞組N1＂的電壓上升至遠高於12V，例如為72V時，由於該低壓差穩壓器26的輸入端及輸出端的電壓差大，該低壓差穩壓器26不作動並且形成一開路，此時該第一輔助繞組N1’的電壓根據繞組比例約為12V，該二極體D2為一順向偏壓，該二極體D2導通並輸出該12V的第一繞組輸出電壓至該控制單元23的電源輸入端。據此，即使輸出端Vo的電壓變化範圍大，控制單元23所接收之輸入電壓仍可穩定維持一較小的變動範圍，可改善寬輸出範圍下，輔助電源功耗過高的問題。

請繼續參閱圖7及圖8所示，在本創作的一第五較佳實施例中，該封裝體10具有一回授電壓接腳20，該控制單元23進一步包含一回授電壓輸入端，該回授電壓輸入端電連接該回授電壓接腳20。該回授電壓接腳20係供接收該第二輔助繞組N1”的一分壓，該控制單元23經由該回授電壓輸入端接收該第二輔助繞組N1”的分壓，以作為一一次側回授參考電壓，該控制單元23根據該回授參考電壓產生該第一控制訊號。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10‧‧‧封裝體

11、12‧‧‧交流電源接腳

13‧‧‧直流電源接腳

14‧‧‧接地接腳

15、16‧‧‧開關元件接腳

16A‧‧‧緩衝電路接腳

17‧‧‧控制單元電源接腳

18‧‧‧第一輔助電源接腳

19‧‧‧第二輔助電源接腳

21‧‧‧整流單元

22‧‧‧第一開關元件

23‧‧‧控制單元

24‧‧‧緩衝電路

25‧‧‧第二開關元件

26‧‧‧低壓差穩壓器

30‧‧‧變壓器

AC1、AC2‧‧‧交流電源

Vo‧‧‧輸出端

D2‧‧‧二極體

D1‧‧‧二極體

R1‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

Cv‧‧‧電容

N1‧‧‧一次側繞阻

N2‧‧‧二次側繞組

N1’‧‧‧第一輔助繞阻

N1”‧‧‧第二輔助繞阻

41‧‧‧一次側電路

411‧‧‧整流器

412‧‧‧控制單元

413‧‧‧開關元件

414‧‧‧緩衝電路

42‧‧‧二次側電路

43‧‧‧變壓器

圖1係本創作電源供應器的一次側集成電路模組的方塊示意圖。 圖2係本創作電源供應器的一次側集成電路模組的應用電路示意圖。 圖3係本創作電源供應器的一次側集成電路模組第一較佳實施例的方塊示意圖。 圖4係本創作電源供應器的一次側集成電路模組第二較佳實施例的方塊示意圖。 圖5係本創作電源供應器的一次側集成電路模組第三較佳實施例的方塊示意圖。 圖6係本創作電源供應器的一次側集成電路模組第二較佳實施例的方塊示意圖。 圖7係本創作電源供應器的一次側集成電路模組第四及第五較佳實施例的方塊示意圖。 圖8係本創作電源供應器的一次側集成電路模組的應用電路示意圖。 圖9係習知電源供應器的電路示意圖。

Claims (8)

1. 一種電源供應器的一次側集成電路模組，包含：一封裝體，設有兩交流電源接腳、一直流電源接腳、一接地接腳及兩開關元件接腳；一整流單元，設在該封裝體內，該整流電路具有兩電源輸入端、一正電源輸出端和一負電源輸出端，該兩電源輸入端分別和該封裝體上的兩交流電源接腳電連接，該正電源輸出端和該封裝體的直流電源接腳電連接；該負電源輸出端和該封裝體的接地接腳電連接；一第一開關元件，設在該封裝體內，該第一開關元件具有一第一端、一第二端和一控制端；其中，該第一端、第二端分別和該封裝體的兩開關元件接腳電連接；一控制單元，設在該封裝體內，該控制單元具有一第一控制輸出端、一電流檢測端；該第一控制輸出端電連接該第一開關元件的控制端，該電流檢測端連接該封裝體上的其中一開關元件接腳；一緩衝電路，設在該封裝體內，該緩衝電路具有一第一節點和一第二節點，該第一節點和第二節點間設有依序串接的一二極體、一電阻和一電容，該第一節點和該第一開關元件的第一端電連接。
2. 如請求項1所述之電源供應器的一次側集成電路模組，該緩衝電路的第二節點和該第一開關元件的第二端電連接。
3. 如請求項1所述之電源供應器的一次側集成電路模組，該封裝體進一步包含一緩衝電路接腳，該緩衝電路的第二節點和該緩衝電路接腳電連接。
4. 如請求項1所述之電源供應器的一次側集成電路模組，該封裝體上設有一控制單元電源接腳，且該封裝體內進一步設有一第二開關元件，該第 二開關元件具有一第一端、一第二端及一控制端，該第二開關元件的第一端通過一電阻和該整流電路的正電源輸出端連接；該控制單元具有一第二控制輸出端、一電源輸入端，該第二開關控制端與該第二開關元件的控制端電連接，該電源輸入端和該第二開關元件的第二端、該控制單元的電源接腳電連接。
5. 如請求項4所述之電源供應器的一次側集成電路模組，該封裝體上設有一第一輔助電源接腳，該封裝體內進一步設有一二極體，該二極體的兩端分別和該封裝體的第一輔助電源接腳、電源接腳電連接。
6. 如請求項5所述之電源供應器的一次側集成電路模組，該封裝體設有一第二輔助電源接腳，且該封裝體內進一步設有一低壓差穩壓器；其中，該低壓差穩壓器的一輸入端電連接該第二輔助電源接腳，該低壓差穩壓器的一輸出端電連接該控制單元的電源輸入端。
7. 如請求項1所述之電源供應器的一次側集成電路模組，該封裝體設有一回授電壓接腳；該控制單元進一步包含一回授電壓輸入端，該回授電壓輸入端電連接該回授電壓接腳。
8. 如請求項1所述之電源供應器的一次側集成電路模組，該第一開關元件是一金屬氧化物半導體場效電晶體，該第一端、第二端分別是金屬氧化物半導體場效電晶體的汲極、源極，該控制端是金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極。