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TW202101885A - 一種電源控制裝置 - Google Patents

一種電源控制裝置 Download PDF

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TW202101885A
TW202101885A TW108121870A TW108121870A TW202101885A TW 202101885 A TW202101885 A TW 202101885A TW 108121870 A TW108121870 A TW 108121870A TW 108121870 A TW108121870 A TW 108121870A TW 202101885 A TW202101885 A TW 202101885A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
control device
power control
microelectronic
voltage
controller
Prior art date
Application number
TW108121870A
Other languages
English (en)
Inventor
林樹嘉
林志峰
詹祖懷
Original Assignee
產晶積體電路股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 產晶積體電路股份有限公司 filed Critical 產晶積體電路股份有限公司
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Publication of TW202101885A publication Critical patent/TW202101885A/zh

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Abstract

一種電源控制裝置,係應用於微電子元件(例如,MOSFET)驅動環境中,本發明之電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,可根據不同微電子元件(例如,MOSFET)之米勒電壓,設定驅動電壓,控制導通損與切換損以取得平衡,達到平均效率最佳值之功效,易於微電子元件(例如,MOSFET)選用替換,並同時解決該電源控制裝置的一電子系統的電磁干擾(Electromagnetic Interference;EMI)對周邊裝置的問題。

Description

一種電源控制裝置
本發明係有關於一種電源控制裝置,更詳而言之,係有關於一種具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,設定驅動電壓,控制導通損與切換損以取得平衡,並同時解決電磁干擾EMI的問題。
於具有切換模式電源供應的功率電子系統中,常使用功率金屬氧化物半導體場效電晶體MOSFET來做為一半導體切換裝置,而為達成高效能、具低電磁干擾EMI、與良好的控制展現之功率MOSFET的閘極驅動器,是至關重要。
台灣公開/公告號I250406「閘極驅動器多晶片模組」係揭露一種多晶片模組(MCM),該多晶片模組可提供在一電腦主機板上之電源電路,其封裝尺寸縮減,但不會犧牲性能。該MCM將一球柵陣列(BGA)基板上之必要電源電路元件共同封裝起來。兩個功率MOSFET,位於該BGA基板上,且在一輸入電壓與接地端間連接成一半橋排列。MOSFET閘極驅動器係電氣連接至此兩個功率MOSFET之各別閘極輸入以交替地切換該些功率MOSFET,以在該些功率MOSFET間之一共同輸出節點處產生一交流輸出電壓。
台灣公開/公告號I563788「用於提供電力給電子裝置之電路與電力模組,以及組裝降壓設備之方法」係揭露一種用於提供電力以用於給電子裝置供電之電路。該電路包含一初級電力電路及一次級電力電路。該初級電力電路從一電源接收一交流(AC)輸入電力信號且產生一中間直流(DC)電力信號。該中間DC電力信號以小於該AC輸入電力信號的一電壓位準的一第一電壓位準產生。該次級電力電路從該初級電力電路接收該中間DC電力信號且將一輸出DC電力信號傳輸至一電子裝置。該輸出DC電力信號按小於該中間DC電力信號的該第一電壓位準的一輸出電壓位準傳輸。
中國公開/公告號CN 103095137 B「動態MOSFET柵極驅動器」係揭露一種動態金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)柵極驅動器系統架構和控制方案。於該案中,一種切換功率轉換器,包括:變壓器,包括:初級繞組,耦合到輸入電壓;以及次級繞組,耦合到所述切換功率轉換器的輸出;場效應晶體管開關,耦合到所述變壓器的所述初級繞組,在所述場效應晶體管開關接通之時生成經過所述初級繞組的電流,而在所述場效應晶體管開關關斷之時不生成經過所述初級繞組的電流;以及驅動器控制電路,包括:第一場效應晶體管,具有可變接通電阻;第二場效應晶體管,與所述第一場效應晶體管串聯耦合併且也具有可變接通電阻,其中所述場效應晶體管開關的柵極耦合到在所述第一場效應晶體管與所述第二場效應晶體管之間的節點, 其中所述驅動器控制電路被配置成生成用於在所述場效應晶體管開關的多個切換週期期間接通或者關斷所述場效應晶體管開關的控制信號,所述切換週期中的每個切換週期包括其中所述場效應晶體管開關接通的第一部分和其中所述場效應晶體管開關關斷的第二部分,並且所述驅動器控制電路調整所述第一場效應晶體管的接通電阻以將所述控制信號的量值從所述場效應晶體管開關的所述切換週期的至少一個切換週期的第一部分的第一持續時間期間的第一電平調整至所述切換週期的所述一個切換週期的所述第一部分的第二持續時間期間的第二電平,所述第二電平高於所述第一電平,所述第二持續時間在時間上晚於所述第一持續時間。
台灣公開/公告號I473396「切換電力轉換器及控制切換電力轉換器之方法」係揭露一種動態金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)閘極驅動器系統架構及控制方案。該MOSFET閘極驅動器系統在一單個(亦即,一個)切換循環內動態地調整閘極驅動器接通電阻及閘極驅動器關斷電阻兩者以減小該系統中之電磁干擾(EMI)且最小化一電力MOSFET在操作期間之傳導損失。
台灣公開/公告號I399912「電力轉換器及在電力轉換器中提供控制之方法」係揭露一種使用一微控制器之電力轉換器。在一實施例中,該電力轉換器可以係一數位返馳(flyback)或正向轉換器。該微控制器可具有數位脈波寬度調變(PWM)控制器、算術邏輯單元(ALU)核心、內部隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)及一或多個類比對數位(A/D)及數位對類比(D/A)微控制器。為了在一內部電流控制迴路中達到一快速動態反應,一類比式比較器係用以提供類比式電流控制。該類比式比較器可比較一代表流入電力轉換器之電流的信號與一可程式的電壓參考值。該類比式比較器可以與數位微控制器整合成單一積體電路(IC)晶片。再者,該電力轉換器可以經由串列通訊埠來傳送各種不同條件(例如,輸出電壓位準、電流位準、誤差等等)之狀態的信號,或者可以接收用於系統控制指令(例如,輸出電壓、電流保護位準、用於一最低電力消耗之待機模式、正常模式及電力開(ON)或關(OFF)指令。
然而,綜觀上述之習知技術,就目前之電子系統而言,為達到平均效率最佳值之功效,易於微電子元件(例如,MOSFET)選用替換,並同時解決該電源控制裝置的一電子系統的電磁干擾(Electromagnetic Interference;EMI)對周邊裝置的問題,發明人經實驗及測試後,可藉具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,根據不同MOSFET之米勒電壓而設定驅動電壓,能控制導通損與切換損以取得平衡,,而以上種種所述,均是待解決的問題。
本發明之主要目的便是在於提供一種電源控制裝置,係應用於MOSFET驅動環境中,本發明之電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,可根據不同MOSFET之米勒電壓,設定驅動電壓,控制導通損與切換損以取得平衡,達到平均效率最佳值,易於MOSFET元件選用替換,並同時兼顧應用該電源控制裝置的一電子系統的電磁干擾EMI。
本發明之再一目的便是在於提供一種電源控制裝置,係應用於MOSFET驅動環境中,本發明之電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置的一電子系統中,驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,例如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率,控制驅動電壓以同時兼顧電磁干擾EMI。
本發明之又一目的便是在於提供一種電源控制裝置,以下係提供一應用於MOSFET之驅動環境,但不限定為該特定形式,本發明之電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置的一電子系統中,隨著電子系統中的負載與輸入電壓高低而調整驅動電壓位準,當負載愈低,驅動電壓位準愈低,例如,當電子系統115Vac交流輸入時(或是小於180Vac交流輸入時),在1/2載到滿載,驅動電壓為12V,而小於1/2載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為9V,換言之,隨著負載之不同,而有不同之驅動電壓,且隨著負載愈低則驅動電壓位準愈低。另,例如,當電子系統230Vac交流輸入時(或是大於180Vac交流輸入時),在滿載時,驅動電壓為11V,而小於8成載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為8V。
根據以上所述之目的,本發明提供一種電源控制裝置,該電源控制裝置包含控制器、以及微電子元件。
控制器,該控制器可為積體電路晶片、系統單晶片(System On Chip,SOC)、或部份前述元件。
微電子元件,該微電子元件可為單一之各種主動或被動微電子元件(Microelectronic Device),或是各種之主動及/或被動微電子元件之組合,其中該被動元件為電阻、電容、電感、二極體等…而該主動元件為金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistors,MOSFET)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)電晶體、雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistors,BJT)、橫向擴散的金屬氧化物半導體(Laterally Diffused MOS,LDMOS)電晶體、高功率的金屬氧化物半導體電晶體(High Power MOS transistor)、或其他類型的電晶體等…。
本發明之電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置的一電子系統中,控制器所調控之驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,例如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率,控制驅動電壓以同時解決電磁干擾EMI對周邊裝置的問題。
電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置的一電子系統中,隨著電子系統中的負載與輸入電壓高低控制器可調整微電子元件所需之驅動電壓位準,當負載愈低,驅動電壓位準愈低,例如,當電子系統115Vac交流輸入時(或是小於180Vac交流輸入時),在1/2載到滿載,控制器之驅動電壓為12V,而小於1/2載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為9V,換言之,隨著負載之不同,而有不同之驅動電壓,且隨著負載愈低則驅動電壓位準愈低。再者,當電子系統230Vac交流輸入時(或是大於180Vac交流輸入時),在滿載時,驅動電壓為11V,而小於8成載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為8V。
於應用電源控制裝置的一電子系統中,控制器所調控之驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同微電子元件特性,例如,MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,又如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率,控制驅動電壓以同時解決電磁干擾EMI之問題。
以具有本發明之電源控制裝置的單一電子系統而言,由控制器所調控之驅動電流、配合微電子元件而言,於相同驅動電流,驅動電壓低相較於驅動電壓高為效率好,於系統愈輕載時愈明顯,且,電磁干擾EMI輻射(radiation)較佳。
另,由控制器所調控之驅動電壓、配合微電子元件而言,於相同驅動電壓,驅動電流先慢後快則電磁干擾EMI較佳,而驅動電流先快後慢則效率較好。
電壓低相較於驅動電壓高時效率好,於系統愈輕載時愈明顯,且,電磁干擾EMI輻射(radiation)較佳。
爲使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效,茲藉由下述具體實施例,並配合所附之圖式,對本發明詳加說明如後:
以下將透過實施例來解釋本發明內容,其係關於一種電子書的線上教學動態圖示評價系統。然而,本發明之實施例並非用以限制實施本發明之任何特定的環境、應用或特殊方式。因此,關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的,而非用以限制本發明。需說明者,以下實施例及圖式中,與本發明非直接相關之元件均已省略而未繪示;且為求簡易瞭解起見,各元件間之尺寸關係並非依照實際比例繪示出。
第1圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的架構、以及運作情形。如第1圖中所示之,電源控制裝置1,該電源控制裝置1包含控制器2、以及微電子元件3,其中,該電源控制裝置1係可位於一電子系統10中,並配合電子系統10運作。
控制器2,該控制器2可為積體電路晶片、系統單晶片(System On Chip,SOC)、或部份前述元件。
微電子元件3,該微電子元件3可為單一之各種主動或被動微電子元件(Microelectronic Device),或是各種之主動及/或被動微電子元件之組合,其中該被動元件為電阻、電容、電感、二極體等…而該主動元件為金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistors,MOSFET)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)電晶體、雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistors,BJT)、橫向擴散的金屬氧化物半導體(Laterally Diffused MOS,LDMOS)電晶體、高功率的金屬氧化物半導體電晶體(High Power MOS transistor)、或其他類型的電晶體等…。
電源控制裝置1為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置1的一電子系統10中,控制器2所調控之驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,例如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率,控制驅動電壓並同時解決電磁干擾EMI對周邊裝置的問題。
電源控制裝置1為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置1的一電子系統10中,隨著電子系統10中的負載與輸入電壓高低控制器可調整微電子元件3所需之驅動電壓位準,當負載愈低,驅動電壓位準愈低,例如,當電子系統10之115Vac交流輸入時(或是小於180Vac交流輸入時),在1/2載到滿載,控制器2所調控之驅動電壓為12V,而小於1/2載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為9V,換言之,隨著負載之不同,而有不同之驅動電壓,且隨著負載愈低則驅動電壓位準愈低。又如如,當電子系統10之230Vac交流輸入時(或是大於180Vac交流輸入時),在滿載時,驅動電壓為11V,而小於8成載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為8V。
於應用電源控制裝置1的電子系統10中,控制器2所調控之驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同微電子元件3特性,例如,MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,例如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率最佳值之功效,控制驅動電壓並同時解決電磁干擾EMI對周邊裝置的問題。
以具有本發明之電源控制裝置1的單一電子系統10而言,由控制器2所調控之驅動電流、配合微電子元件3而言,於相同驅動電流,驅動電壓低相較於驅動電壓高為效率好,於系統愈輕載時愈明顯,且,電磁干擾EMI輻射(radiation)較佳。
另,由控制器2所調控之驅動電壓、配合微電子元件3而言,於相同驅動電壓,驅動電流先慢後快則電磁干擾EMI較佳,而驅動電流先快後慢則效率較好。
電壓低相較於驅動電壓高為效率好,於系統愈輕載時愈明顯,且,電磁干擾EMI輻射(radiation)較佳。
第2(a)圖為示意圖,用以顯示說明於第1圖中之電子系統之不同輸入交流電壓的情況下,微電子元件之驅動電壓與電子系統平均轉換效率的關聯性。
於微電子元件3為一MOSFET元件時,於不同之電子系統10的輸入交流電壓Vac=115V或Vac=230V時,微電子元件3 MOSFET之驅動電壓愈低時,電子系統10之平均轉換效率更好,其中,電子系統10之轉換效率係為(輸出功率/輸入功率)。
另,於微電子元件3為一MOSFET元件時,於不同之電子系統10的輸入交流電壓Vac=115V或Vac=230V時,電子系統10之空載功耗的情形,而當微電子元件3 MOSFET之驅動電壓愈低時,有助於降低電子系統10之空載功耗,另,當電子系統10之輸入交流電壓低時,例如,輸入交流電壓Vac=115V時,電子系統10之空載功耗為低。
再,於微電子元件3為一MOSFET元件時,於電子系統10中之控制器2所調控之不同驅動電壓的Low Line效應,例如,9Vcc(9V),12Vcc(12V),16Vcc(16V),24Vcc(24V),於不同之電源控制裝置1的輸出電流,電子系統1具有不同的轉換效率。
又,於微電子元件3為一MOSFET元件時,於電子系統10中之控制器2所調控之不同驅動電壓的High Line效應,例如,9Vcc(9V),12Vcc(12V),16Vcc(16V),24Vcc(24V),於不同之電源控制裝置1的輸出電流,電子系統1具有不同的轉換效率。
第2圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例、以及運作情形。如第2圖中所示之,電源控制裝置1,該電源控制裝置1包含控制器2、以及微電子元件3,其中,該電源控制裝置1係可位於一電子系統11中,並配合電子系統11運作。
控制器2,該控制器2可為積體電路晶片、系統單晶片(System On Chip,SOC)、或部份前述元件。
微電子元件3,該微電子元件3可為單一之各種主動或被動微電子元件(Microelectronic Device),或是各種之主動及/或被動微電子元件之組合,其中該被動元件為電阻、電容、電感、二極體等…而該主動元件為金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistors,MOSFET)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)電晶體、雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistors,BJT)、橫向擴散的金屬氧化物半導體(Laterally Diffused MOS,LDMOS)電晶體、高功率的金屬氧化物半導體電晶體(High Power MOS transistor)、或其他類型的電晶體等…。
電源控制裝置1為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置1的一電子系統11中,控制器2所調控之驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,例如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率之功效,控制驅動電壓並同時解決電磁干擾EMI對周邊裝置的問題
如第2圖中所示之,電源控制裝置1係位於電子系統11中,電子系統11具有包括漏感Lleak、初級繞組Lp和次級繞組Ls的功率變壓器。次級輸出級包括二極體D和輸出電容器C。電源控制器1之控制器2使用具有接通時間(Ton)和關斷時間(Toff)的脈衝形式的輸出驅動訊號來控制為MOSFET之微電子元件3的導通狀態和關斷狀態。
電子系統11輸入電壓為直流Vi,當導通為MOSFET之微電子元件3(開關3)時,輸入電力儲存於變壓器初次繞組Lp之中,此乃因當導通為MOSFET之微電子元件3(開關3)時,二極體D變得承受反向偏壓。然後,當關斷MOSFET之微電子元件3(開關3)時,經整流輸入電力跨越電容器C轉移至一負載Z,此乃因當關斷MOSFET之微電子元件3(開關3)時二極體D變得承受正向偏壓。二極體D作用為一輸出整流器且電容器C作用為一輸出濾波器,經調節輸出電壓Vo至負載Z。 控制器2產生適當開關驅動脈衝以控制為MOSFET之微電子元件3(開關3)之導通時間及關斷時間且調節輸出電壓Vo。控制器2在包含PWM(脈衝寬度調變)及/或PFM(脈衝頻率調變)模式之多種操作模式中基於切換電力轉換器之先前切換循環中之經感測輸出電壓Vs及經感測初級側電流Id使用一反饋迴路控制為MOSFET之微電子元件3(開關3)。
輸出電壓Vo經反射跨越至初級繞組Lp作為電壓Vs輸入至控制器2。基於經感測輸出電壓,控制器2判定切換功率轉換器之操作頻率,該操作頻率規定輸出驅動訊號中之接通時間(TON)及關斷時間(TOFF)之頻率。
第3圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的另一實施例、以及運作情形。如第3圖中所示之,電源控制裝置1,該電源控制裝置1包含控制器2、以及微電子元件3,其中,該電源控制裝置1係可位於一電子系統12中,並配合電子系統12運作。
控制器2,該控制器2可為積體電路晶片、系統單晶片(System On Chip,SOC)、或部份前述元件。
微電子元件3,該微電子元件3可為二個之各種主動或被動微電子元件(Microelectronic Device),或是二個之各種之主動及/或被動微電子元件之組合,其中該被動元件為電阻、電容、電感、二極體等…而該主動元件為金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistors,MOSFET)、互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)電晶體、雙極性接面電晶體(Bipolar Junction transistors,BJT)、橫向擴散的金屬氧化物半導體(Laterally Diffused MOS,LDMOS)電晶體、高功率的金屬氧化物半導體電晶體(High Power MOS transistor)、或其他類型的電晶體等…。
電源控制裝置1為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,於應用電源控制裝置1的一電子系統12中,控制器2所調控之驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,例如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率之功效,控制該驅動電壓,以同時解決電磁干擾EMI對周邊裝置的問題
如第3圖中所示之,電源控制裝置1係位於電子系統12中,電子系統12具有包括漏感Lleak、初級繞組Lp和次級繞組Ls的功率變壓器。次級輸出級包括二極體D和輸出電容器C。電源控制器1之控制器2使用具有接通時間(Ton)和關斷時間(Toff)的脈衝形式的輸出驅動訊號來控制為二個MOSFET之微電子元件3的第一開關31、第二開關32的導通狀態和關斷狀態。
電子系統12輸入電壓為直流Vi,當導通為MOSFET之微電子元件3(第一開關31、第二開關32)時,輸入電力儲存於變壓器Lp之中,此乃因當導通為MOSFET之微電子元件3(第一開關31、第二開關32) 時二極體D變得承受反向偏壓。然後,當關斷MOSFET之微電子元件3(第一開關31、第二開關32)時,經整流輸入電力跨越電容器C轉移至一負載Z,此乃因當關斷MOSFET之微電子元件3(第一開關31、第二開關32)時二極體D變得承受正向偏壓。二極體D作用為一輸出整流器且電容器C作用為一輸出濾波器,經調節輸出電壓Vo至負載Z。
控制器2產生適當開關驅動脈衝以控制為MOSFET之微電子元件3(第一開關31、第二開關32)之導通時間及關斷時間且調節輸出電壓Vo。控制器2在包含PWM(脈衝寬度調變)及/或PFM(脈衝頻率調變)模式之多種操作模式中基於切換電力轉換器之先前切換循環中之經感測輸出電壓Vo及經感測初級側電流Id使用一反饋迴路控制為MOSFET之微電子元件3(開關3)。
輸出電壓Vo經反射以跨越初級繞組LP作為電壓Vs輸入至控制器2。基於經感測輸出電壓,控制器2判定切換功率轉換器之操作頻率,該操作頻率規定輸出驅動訊號中之接通時間(TON)及關斷時間(TOFF)之頻率。
第4(a)為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例。如第4(a)圖中所示之,電源控制裝置1,該電源控制裝置1包含控制器2、以及微電子元件3。
控制器2,該控制器2可為積體電路晶片、系統單晶片(System On Chip,SOC)、或部份前述元件。
微電子元件3,該微電子元件3可為單一之各種主動或被動微電子元件(Microelectronic device),或是各種之主動及/或被動微電子元件之組合,於此,其中,該微電子元件3係包含MOS、以及電阻R,控制器2之輸出端與MOS閘極、以及電阻R之一端點連接。
第4(b)為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例。如第4(b)圖中所示之,電源控制裝置1,該電源控制裝置1包含控制器2、以及微電子元件3。
控制器2,該控制器2可為積體電路晶片、系統單晶片(System On Chip,SOC)、或部份前述元件。
微電子元件3,該微電子元件3可為單一之各種主動或被動微電子元件(Microelectronic fevice),或是各種之主動及/或被動微電子元件之組合,於此,其中,該微電子元件3係包含NPN型電晶體、以及PNP型電晶體。
第4(c)為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例。如第4(c)圖中所示之,電源控制裝置1,該電源控制裝置1包含控制器2、以及微電子元件3。
控制器2,該控制器2可為積體電路晶片、系統單晶片(System On Chip,SOC)、或部份前述元件。
微電子元件3,該微電子元件3可為單一之各種主動或被動微電子元件(Microelectronic Device),或是各種之主動及/或被動微電子元件之組合,於此,其中,該微電子元件3係包含MOS、以及電阻R,控制器2之輸出端與電阻R之一端點連接、並與MOS之汲極或源極連接。
第5圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置之控制器所調控的驅動電壓、驅動電流Ion的變化情況。
如第5圖中所示之,在此,例如,微電子元件3為MOSFET;T1為驅動電壓V、驅動電流Ion的第一上升時間,T2為第二上升時間,T3為第一下降時間,而T4則為第二下降時間。
於T1第一上升時間,驅動電壓V由VL上升至第一電壓位準V1、且驅動電流Ion上升;其中,在時間間隔T1期間,微電子元件3之閘極至源極電壓VGS升高至比微電子元件3臨界電壓VTH高之一第一電壓位準V1且微電子元件3開始導電。在此週期期間,微電子元件3之汲極至源極電壓VDS維持一高電壓。
於T2第二上升時間,驅動電壓V將上升至V2、且驅動電流Ion上升,其中,在時間間隔T2期間,微電子元件3之汲極至源極電壓VDS降低至一低位準且閘極至源極電壓VGS升高、並於T2與T3之間最終達到接近高電壓VH(Vcc)。
在T2與T3之間,驅動電壓V上升至高電壓VH、且驅動電流Ion上升。
於T3第一下降時間,驅動電壓V由高電壓VH下降至V2、且驅動電流Ion下降,其中,在時間間隔T3期間,微電子元件3之閘極至源極電壓VGS自VCC降低至高於臨限電壓VTH之一電壓V2且微電子元件3之汲極至源極電壓VDS仍保持在一低位準。
於T4第二下降時間,驅動電壓V由電壓V2下降至V1、再下降至VL、且驅動電流Ion下降,其中,在時間間隔T4期間微電子元件3之汲極至源極電壓VDS達到最大電壓、並於後續時間汲極至源極電壓VDS開始下降,此外,在時間間隔T4期間微電子元件3之閘極至源極電壓VGS降低至零。一旦閘極至源極電壓VGS下降至低於臨限電壓VTH,微電子元件3便關斷。
第6圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置之控制器所調控的驅動電壓的導通操作的波形圖。
在此,例如,微電子元件3為MOSFET;於T1第一上升時間,驅動電壓V由VL上升至第一電壓位準V1;其中,在時間間隔T1期間,微電子元件3之閘極至源極電壓VGS升高至比微電子元件3臨界電壓VTH高之一第一電壓位準V1且微電子元件3開始導電。在此週期期間,微電子元件3之汲極至源極電壓VDS維持一高電壓。
於T2第二上升時間,驅動電壓V將上升至V2,其中,在時間間隔T2期間,微電子元件3之汲極至源極電壓VDS降低至一低位準且閘極至源極電壓VGS升高、並於後續最終達到接近高電壓VH(Vcc)。
第7圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置之控制器所調控的驅動電壓的關斷操作的波形圖。
在此,例如,微電子元件3為MOSFET;於T3第一下降時間,驅動電壓V由高電壓VH下降至V2、且驅動電流Ion下降,其中,在時間間隔T3期間,微電子元件3之閘極至源極電壓VGS自VCC降低至高於臨限電壓VTH之一電壓V2且微電子元件3之汲極至源極電壓VDS仍保持在一低位準。
於T4第二下降時間,驅動電壓V由電壓V2下降至V1、再下降至VL、且驅動電流Ion下降,其中,在時間間隔T4期間微電子元件3之汲極至源極電壓VDS達到最大電壓、並於後續時間汲極至源極電壓VDS開始下降,此外,在時間間隔T4期間微電子元件3之閘極至源極電壓VGS降低至零。一旦閘極至源極電壓VGS下降至低於臨限電壓VTH,微電子元件3便關斷。
綜合以上之該些實施例,我們可以得到本發明之一種電源控制裝置,係應用於MOSFET驅動環境中,本發明之電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,可根據不同MOSFET之米勒電壓,設定驅動電壓,控制導通損與切換損以取得平衡,達到平均效率最佳值,易於MOSFET元件選用替換,並同時解決該電源控制裝置的一電子系統的電磁干擾EMI對周邊裝置的問題。本發明之電源控制裝置包含以下優點:
本發明之電源控制裝置為具有動態驅動能力調節的電源控制裝置,可根據不同MOSFET之米勒電壓,設定驅動電壓,控制導通損與切換損以取得平衡,達到平均效率最佳值,易於MOSFET元件選用替換,並同時解決該電源控制裝置的一電子系統的電磁干擾EMI對周邊裝置的問題。
於應用電源控制裝置的一電子系統中,驅動電壓位準可智慧彈性調整,根據所驅動的不同MOS/MOSFET特性,調整驅動位準,例如,驅動MOS的米勒平台電壓位準愈高,則調整驅動位準愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到最佳平均效率,控制驅動電壓並同時解決電磁干擾EMI對周邊裝置的問題。
於應用電源控制裝置的一電子系統中,隨著電子系統中的負載與輸入電壓高低而調整驅動電壓位準,當負載愈低,驅動電壓位準愈低,例如,當電子系統115Vac交流輸入時(或是小於180Vac交流輸入時),在1/2載到滿載,驅動電壓為12V,而小於1/2載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為9V,換言之,隨著負載之不同,而有不同之驅動電壓,且隨著負載愈低則驅動電壓位準愈低。另,例如,當電子系統230Vac交流輸入時(或是大於180Vac交流輸入時),在滿載時,驅動電壓為11V,而小於8成載時,驅動電壓慢慢降低,空載時驅動電壓為8V。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已,並非用以限定本發明之範圍;凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾,均應包含在下述之專利範圍內。
1:電源控制裝置 2:控制器 3:微電子元件 10:電子系統 11:電子系統 12:電子系統 31:第一開關 32:第二開關
第1圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的架構、以及運作情形; 第2圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例、以及運作情形; 第3圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的另一實施例、以及運作情形; 第4(a)為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例; 第4(b)為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例; 第4(c)為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置的一實施例; 第5圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置之控制器所調控的驅動電壓、驅動電流Ion的變化情況; 第6圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置之控制器所調控的驅動電壓的導通操作的波形圖;以及 第7圖為一示意圖,用以顯示說明本發明之電源控制裝置之控制器所調控的驅動電壓的關斷操作的波形圖。
1:電源控制裝置
2:控制器
3:微電子元件
4:電子系統

Claims (10)

  1. 一種電源控制裝置,該電源控制裝置具有動態驅動能力調節,包含: 控制器;以及 微電子元件,該控制器與該微電子元件連結、可設定該微電子元件的驅動電壓,控制導通損與切換損以取得平衡,達到平均效率最佳值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置,其中,該電源控制裝置係位於一電子系統中,並配合該電子系統運作。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置,其中,該控制器可為積體電路晶片、以及系統單晶片的其中之一,或為、或部份之該積體電路晶片、以及系統單晶片元件。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制裝置,其中,該微電子元件為主動、以及被動微電子元件的其中之一,或是主動及/或被動微電子元件之組合。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源控制裝置,其中,該被動元件為選取自電阻、電容、電感、二極體的至少其中之一,而該主動元件選取自金屬氧化物半導體場效電晶體MOSFET、互補式金屬氧化物半導體CMOS電晶體、雙極性接面電晶體BJT、橫向擴散的金屬氧化物半導體LDMOS電晶體、高功率金屬氧化物半導體電晶體(High Power MOS Transistor)的至少其中之一。
  6. 一種電源控制裝置,該電源控制裝置具有動態驅動能力調節,包含: 控制器;以及 微電子元件,該控制器與該微電子元件連結、可設定該微電子元件的驅動電壓,該控制器根據所驅動的該微電子元件特性,調整該驅動電壓位準,當驅動該微電子元件的米勒平台電壓位準愈高,則調整該驅動位準為愈高,控制導通損失與切換損失取得平衡,以達到平均效率最佳值,控制該驅動電壓以同時兼顧電磁干擾EMI。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制裝置,其中,該電源控制裝置係位於一電子系統中,並配合該電子系統運作。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制裝置,其中,該控制器可為積體電路晶片、以及系統單晶片的其中之一,或為、或部份之該積體電路晶片、以及系統單晶片元件。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制裝置,其中,該微電子元件為主動、以及被動微電子元件的其中之一,或是主動及/或被動微電子元件之組合。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源控制裝置,其中,該被動元件為選取自電阻、電容、電感、二極體的至少其中之一,而該主動元件選取自金屬氧化物半導體場效電晶體MOSFET、互補式金屬氧化物半導體CMOS電晶體、雙極性接面電晶體BJT、橫向擴散的金屬氧化物半導體LDMOS電晶體、高功率金屬氧化物半導體電晶體(High Power MOS Transistor)的至少其中之一。
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