TWI842143B

TWI842143B - 根據負載自動切換的開關模組及方法

Info

Publication number: TWI842143B
Application number: TW111139726A
Authority: TW
Inventors: 陳慶國; 黃文楠
Original assignee: 博盛半導體股份有限公司
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2024-05-11
Also published as: TW202418725A

Abstract

本發明揭露一種根據負載自動切換的開關模組及方法，藉由第一比較器和第二比較器基於第一電阻和第二電阻的分壓、及源極電阻的電壓，自動判斷負載輕重載，並輸出電壓控制訊號；再藉由複數個電晶體基於前述電壓控制訊號，接收閘極輸入訊號以選擇導通GaN電晶體或MOSFET電晶體，如此，在電路輕重載時，可根據不同電晶體的特性，提升電源供應器輕重載時的輸出品質和效率。

Description

根據負載自動切換的開關模組及方法

本發明涉及一種自動切換開關模組，尤指是一種提升電源供應器效率的自動切換開關模組。

當電源供應器因應不同應用需求時，例如不同負載，輸出的效率也會有所不同；又，電源供應器開關在導通及截止之間，會有切換損耗（switching loss）和導通損耗（conduction loss），使得輸出效率變差；據此，如何提升電源供應器的輸出品質和效率，此乃待須解決之問題。

有鑒於上述的問題，本發明人係依據多年來從事相關行業的經驗，針對自動切換開關模組進行改進；緣此，本發明之主要目的在於提供一種提升電源供應器的輸出品質和效率的根據負載自動切換開關模組及方法。

為達上述的目的，本發明之根據負載自動切換開關模組及方法主要藉由一第一比較器和一第二比較器基於一第一電阻和一第二電阻的分壓、及一源極電阻的電壓，自動判斷負載輕重載，並輸出一電壓控制訊號；再藉由複數個電晶體基於前述電壓控制訊號，接收一閘極輸入訊號，並選擇導通一第一開關或一第二開關，其中，第一開關為一氮化鎵場效電晶體(Gallium Nitride Field-Effect Transistor, GaN FET)，而第二開關為一金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

當重載時，第一比較器輸出電壓控制訊號給一第一電晶體和一第二電晶體，如此，GaN電晶體可基於外部的一閘極輸入信號，控制本身導通或截止，從而根據GaN切換損耗和導通損耗較小的特性，提升電源供應器重載時的效率；又，當輕載時，第二比較器輸出電壓控制訊號給一第三電晶體和一第四電晶體，如此，MOSFET電晶體可基於外部的閘極輸入信號，控制本身導通或截止，從而根據MOSFET電晶體驅動損失較小的特性，提升電源供應器輕載時的效率。

為使　貴審查委員得以清楚了解本發明之目的、技術特徵及其實施後之功效，茲以下列說明搭配圖示進行說明，敬請參閱。

請參閱「圖1」，係為本發明之電路方塊示意圖，如圖所示，本發明之根據負載自動切換的開關模組可包含一控制電路1、一驅動電路2、一開關電路3、及一源極電阻Rs，上述各電路和元件可整合為晶片，但不以此為限；其中，控制電路1電性連接一電路電壓V _cc和一源極端點S，驅動電路2電性連接一閘極端點G，開關電路3電性連接一汲極端點D，且源極電阻Rs電性連接源極端點S。

請參閱「圖2」，係為本發明之根據負載自動切換開關模組電路圖，如圖所示，控制電路1包含一第一比較器11、一第二比較器12、一第一電阻R1、及一第二電阻R2，第一比較器11具有一第一反向輸入端、一第一非反向輸入端、及一第一輸出端；又，第二比較器12具有一第二反向輸入端、一第二非反向輸入端、及一第二輸出端，其中，第一電阻R1一端電性連接電路電壓V _cc，另一端電性連接第一反向輸入端、第二非反向輸入端、及第二電阻R2，第二電阻R2另一端電性連接源極端點S和源極電阻Rs，源極電阻Rs另一端電性連接第一非反向輸入端和第二反向輸入端，如此，控制電路1可基於內部電阻的分壓、及外部電阻產生的電壓，自動判斷負載輕重載，從而產生控制訊號。

請續參閱「圖2」，驅動電路2包含一第一電晶體Tr1、一第二電晶體Tr2、一第三電晶體Tr3、及一第四電晶體Tr4，第一電晶體Tr1和第二電晶體Tr2相互串聯，第一電晶體Tr1的射極電性連接第一輸出端，第一電晶體Tr1的集極電性連接第二電晶體Tr2的集極，第二電晶體Tr2的射極電性連接源極端點S，而第一電晶體Tr1的基極和第二電晶體Tr2的基極電性連接閘極端點G；又，第三電晶體Tr3和第四電晶體Tr4相互串聯，第三電晶體Tr3的射極電性連接第二輸出端，第三電晶體Tr3的集極電性連接第四電晶體Tr4的集極，第四電晶體Tr4的射極電性連接源極端點S，而第三電晶體Tr3的基極和第四電晶體Tr4的基極電性連接閘極端點G，如此，驅動電路2根據控制電路1傳輸的控制訊號，接收閘極端點G輸入的輸入信號，從而驅動開關電路3。

請續參閱「圖2」，開關電路3包含一第一開關31、及一第二開關32，第一開關31和第二開關32相互並聯，且兩者汲極電性連接汲極端點D，兩者源極電性連接源極電阻Rs，而第一開關31的閘極電性連接第一電晶體Tr1和第二電晶體Tr2的集極，第二開關32的閘極電性連接第三電晶體Tr3和第四電晶體Tr4的集極，其中，第一開關31為一GaN電晶體，第二開關32為一金氧半場效電晶體，如此，開關電路3根據驅動電路2傳輸的驅動訊號，選擇控制第一開關31或第二開關32。

請參閱「圖3」，係為本發明之根據負載自動切換開關方法流程圖，如圖所示，本發明之根據負載自動切換開關的方法，其步驟如下：

判斷輕重載S1：控制電路1藉由第一比較器11、第二比較器12，基於電路內部電阻的分壓、及電路外部電阻產生的電壓，自動判斷負載輕重載，並輸出一電壓控制訊號；更進一步細說，內部電阻的分壓係由電路電壓V _cc對第一電阻R1和第二電阻R2進行分壓，控制電路1藉由用第一比較器11和第二比較器12，基於第二電阻R2的分壓和源極電阻Rs所產生的電壓，隨著輕重載的變化，自動選擇由第一輸出端或第二輸出端輸出電壓控制訊號。

切換內部開關S2：驅動電路2藉由第一電晶體Tr1、第二電晶體Tr2、第三電晶體Tr3、及第四電晶體Tr4，基於電壓控制訊號，將自閘極端點G接收的一閘極輸入訊號傳送至開關電路3，以選擇導通第一開關31或第二開關32，其中，第一開關31為GaN電晶體，第二開關32為金氧半場效電晶體。

在一實施例中，當電路整體負載為重載時，源極電阻Rs的電壓大於第二電阻R2的分壓，故第一比較器11輸出電壓控制訊號給第一電晶體Tr1和第二電晶體Tr2，第一開關31（GaN電晶體）因而可接受外部輸入的閘極輸入信號，從而導通或截止，如此，由於GaN電晶體的切換及導通損失較小，因此可提升電路在重載時的效率。

在一實施例中，當電路整體負載為輕載時，源極電阻Rs的電壓小於第二電阻R2的分壓，故第二比較器12輸出電壓控制訊號給第三電晶體Tr3和第四電晶體Tr4，第二開關32（MOSFET電晶體）因而可接受外部輸入的閘極輸入信號，從而導通或截止，如此，由於MOSFET電晶體的驅動損失較小，因此可提升電路在輕載時的效率。

由上所述可知，本發明之根據負載自動切換的開關模組及方法，藉由第一比較器和第二比較器基於第一電阻和第二電阻的分壓、及源極電阻的電壓，自動判斷負載輕重載，並輸出電壓控制訊號；再藉由複數個電晶體基於前述電壓控制訊號，接收閘極輸入訊號以選擇導通GaN電晶體或MOSFET電晶體，如此，在電路輕重載時，可根據不同電晶體的特性，提升電源供應器輕重載時的輸出品質和效率；本發明其據以實施後，確實可以達到提供一種提升電源供應器的輸出品質和效率的根據負載自動切換開關模組及方法之目的。

唯，以上所述者，僅為本發明之較佳之實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

綜上所述，本發明係具有「產業利用性」、「新穎性」與「進步性」等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向　鈞局提起發明專利之申請。

1 控制電路 11 第一比較器 12 第二比較器 2 驅動電路 3 開關電路 31 第一開關 32 第二開關 R1 第一電阻 R2 第二電阻 Rs 源極電阻 Tr1 第一電晶體 Tr2 第二電晶體 Tr3 第三電晶體 Tr4 第四電晶體 S 源極端點 G 閘極端點 D 汲極端點 V _cc電路電壓

圖1，為本發明之電路方塊示意圖。圖2，為本發明之根據負載自動切換開關模組電路圖。圖3，為本發明之根據負載自動切換開關方法流程圖。

11 第一比較器 12 第二比較器 31 第一開關 32 第二開關 R1 第一電阻 R2 第二電阻 Rs 源極電阻 Tr1 第一電晶體 Tr2 第二電晶體 Tr3 第三電晶體 Tr4 第四電晶體 S 源極端點 G 閘極端點 D 汲極端點 V _cc電路電壓

Claims

一種根據負載自動切換開關的方法，包含：藉由一第一比較器和一第二比較器基於一第一電阻和一第二電阻的分壓、及一源極電阻的電壓，自動判斷負載輕重載，並輸出一電壓控制訊號；藉由複數個電晶體基於該電壓控制訊號，接收一閘極輸入訊號，並選擇導通一第一開關或一第二開關；該第一開關為一GaN電晶體，該第二開關為一金氧半場效電晶體；以及當負載為重載時，該第一比較器輸出該電壓控制訊號給部分該電晶體，以選擇導通該第一開關。
如請求項1所述之根據負載自動切換開關的方法，其中，當負載為輕載時，該第二比較器輸出該電壓控制訊號給部分該電晶體，以選擇導通該第二開關。
一種根據負載自動切換的開關模組，包含：一源極電阻；一控制電路，電性連接該源極電阻，具有一第一比較器、一第二比較器、一第一電阻、及一第二電阻，且供以基於該第一電阻和該第二電阻的分壓、及該源極電阻的電壓，藉由該第一比較器和該第二比較器自動判斷負載輕重載，輸出一電壓控制訊號；一驅動電路，電性連接該控制電路，供以基於該電壓控制訊號，輸出一閘極輸入訊號；一開關電路，電性連接該驅動電路，供以基於該閘極輸入訊號導通一第一開關或一第二開關；該第一開關為一GaN電晶體，該第二開關為一金氧半場效電晶體；該第一電阻電性連接一電路電壓，該源極電阻電性連接一源極端點；以及當負載為重載時，該第一比較器輸出該電壓控制訊號給部分該電晶體，以選擇導通該第一開關。
如請求項3所述之根據負載自動切換的開關模組，其中，該第一比較器具有一第一反向輸入端和一第一非反向輸入端，該第一反向輸入端電性連接該第一電阻和該第二電阻，該第一非反向輸入端電性連接該源極電阻，該第二比較器具有一第二反向輸入端和一第二非反向輸入端，該第二反向輸入端電性連接該源極電阻，該第二非反向輸入端電性連接該第一電阻和該第二電阻。
如請求項3所述之根據負載自動切換的開關模組，其中，該驅動電路具有一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、及一第四電晶體，該第一電晶體和該第二電晶體相互串聯，該第三電晶體和該第四電晶體相互串聯，各該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、及該第四電晶體的基極電性連接一閘極端點。
如請求項3所述之根據負載自動切換的開關模組，其中，該第一開關和該第二開關相互並聯，該第一開關和該第二開關的汲極電性連接一汲極端點，該第一開關和該第二開關的源極電性連接該源極電阻，而該第一開關的閘極電性連接該第一電晶體和該第二電晶體的集極，該第二開關的閘極電性連接該第三電晶體和該第四電晶體的集極。