专利名称：切换式电源供应器及其控制电路与方法
技术领域：
本发明涉及一种切换式电源供应器(switching regulator)及其控制 电路与方法，特别是指一种具有高效率又能够降低电磁波干扰(EMI， Electro-Magnetic Interference)的切换式电源供应器，以及其控制电路与 方法。
背景技术：
常用的切换式电源供应器包括降压型(Buck)、升压型(Booster)与反 压型(Inverter)三种。首先就降压型切换式电源供应器来加以说明，其电 路结构大致如图1所示，降压型切换式电源供应器1包含有两个晶体 管开关Q1、 Q2，通过脉宽调变控制电路10来控制此两晶体管Q1、 Q2 的开与关，藉以控制电感L上的电流量与方向，以将电能传送给输出 端OUT。脉宽调变控制电路IO接收从输出端萃取出来的反馈电压，与 一个参考电压Vref相比较，以决定如何控制切换两晶体管Q1、 Q2。现有技术中，早期的切换式电源供应器，其两晶体管Ql、 Q2的 开关时间是完全互补的，又称为同步切换式电源供应器，亦即如图2 所示，当晶体管Q1开启时，晶体管Q2即关闭；当晶体管Q2开启时， 晶体管Q1即关闭。(本说明书中，「开启」指完全导通；「关闭」指不 考虑漏电流的情况下，为完全不导通。)在此种安排下，其对应之电感 电流量Il与方向如圉中第三个波形所示，当晶体管Ql开启、晶体管 Q2关闭时，因输入端IN的电压大于输出端OUT的电压，电流往输出 端OUT流动(图中以+表示往输出端方向)，且流量不断增加；而当 晶体管Q2开启、晶体管Q1关闭时，因电感左方节点Lx的电位下降 为接近0，输出端OUT的电压大于此节点的电压，电流趋势于是改变， 先是流量减少，接着改往反方向流动(图中以一表示
图3与图4分别示出升压型切换式电源供应器2与反压型切换式 电源供应器3，其操作方式与前述类似，同样是由脉宽调变控制电路 IO根据反馈电压与参考电压Vref的比较结果，决定如何切换两晶体管 Ql、 Q2，来控制输出端OUT的电压。其详细电路操作方式为本技术领 域者所熟知，在此不予赘述。请回阅图1与图2，此种同步切换两晶体管Q1、 Q2的安排方式， 其缺点在于，当电感电流方向由正转负时，表示电流由输出端OUT， 通过电感L和晶体管Q2的路径而接地流失，亦即会损失输出端OUT 能量。因此，在现有技术之美国专利第6,580,258号案中，提出一种作法， 其主要概念如图5所示，通过适当控制晶体管Q1、 Q2，使得当电感电 流方向将要由正转负时，即关闭晶体管Q2，如此即不致有能量从输出 端OUT流失，可减少不必要的耗损。如图中所示，晶体管Q1、 Q2有 一段同时关闭的时间T，称为睡眠模式(sleep mode)。然而，此种现有技术的作法有其缺点。当晶体管Ql、 Q2同时关 闭而进入睡眠模式时，其实际在电感L上的电流与节点Lx处的电压， 并非很理想的波形，而是如图7所示，当晶体管Q1、 Q2同时关闭时， 电感L电流IL在零值附近微幅震荡，而此时节点Lx处的电压V^呈受 阻之简谐震荡(damped simple harmonic motion)波形。此因如图6所 示，在实际状态中，电感L上有一个串联的寄生电阻Rpa，而在晶体管 Q2上有一个并联的寄生电容Cpa。因此，假设电感L之电感值、寄生电阻Rpa之电阻值、与寄生电容Cpa的电容值分别为L、 Rpa、 Cpa，则节点Lx处的电压V^事实上等于VLx=(V0UT/LCpa) x{ l/[ S2+S(Rpa/L)+l/LCpa]}其中，V^为节点Lx处的电压，VouT为输出端OUT的电压，S为自时间域转换至频率域的常用转换变量。 由上式所表示的电压V^，是一个高频震荡波形，其角频率"o和 震荡质量Q (damping quality)分别等于 "『l/(LCpa)1/2 Q = lJ/2/[Rpa(Cpa1/2)]由于节点Lx处的电压Vh呈高频震荡波形，将产生所不欲之EMI 噪声，造成困扰。有鉴于此，本发明即针对上述现有技术之不足，提出一种能够降 低电磁波干扰的切换式电源供应器，以及其控制电路与方法。发明内容本发明之第一目的在于提供一种切换式电源供应器，其与同步切 换式电源供应器相较，具有节省能耗的优点，但与图5和图7所示的 现有技术作法相比，则能够大幅降低EMI噪声。本发明之第二目的在于提供一种用以控制切换式电源供应器的控 制电路。本发明之第三目的在于提供一种用以控制切换式电源供应器的控 制方法。为达上述之目的，在本发明的其中一个实施例中，提供了一种切 换式电源供应器，其中包含相互电连接的第一晶体管与第二晶体管; 一个脉宽调变积体控制电路，用以控制第一晶体管的开启与关闭和第 二晶体管的开启；以及一个电流源控制电路，用以控制使第二晶体管 成为一个电流源。上述实施例中所述之脉宽调变积体控制电路和电流源控制电路，
可以直接与第二晶体管的栅极节点电连接，或通过一个多工电路而与 第二晶体管的栅极节点电连接。此外，根据本发明的另一个实施例，也提供了一种切换式电源供 应器的控制电路，其中该切换式电源供应器包括相互电连接的第一晶 体管与第二晶体管，控制电路包含 一个电流源控制电路，用以控制 当第一晶体管关闭时，使第二晶体管为开启或低电流模式，在该低电流模式中，使通过第二晶体管的电流，为1微安培或其以上之低电流 流通状态。又，根据本发明的另一个实施例，也提供了一种切换式电源供应 器的控制方法，包含以下步骤提供一个切换式电源供应器，该切换 式电源供应器包括相互电连接的第一晶体管与第二晶体管；以及当第 一晶体管关闭时，使第二晶体管为开启或低电流模式，在该低电流模式中，使通过第二晶体管的电流，为1微安培或其以上之低电流流通 状态。上述各实施例中，所述的第二晶体管，可具有开启、关闭、低电 流流通三种状态，或具有开启与低电流流通两种状态。前者情形下， 当第一晶体管开启时，第二晶体管为关闭状态；当第一晶体管关闭时， 第二晶体管为开启或低电流流通状态。后者情形下，当第一晶体管开 启时，第二晶体管为低电流流通状态；当第一晶体管关闭时，第二晶 体管为开启或低电流流通状态。以下将通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明之目的、 技术内容、特点及其所达成之功效；其中，相似的元件以相同的符号来标示。
图1为现有技术之降压型切换式电源供应器的示意电路图。 图2为现有技术之同步切换式电源供应器的示意波形图。 图3为现有技术之升压型切换式电源供应器的示意电路图。 图4为现有技术之反压型切换式电源供应器的示意电路图。 图5为现有技术美国专利第6,580,258号案的理想波形示意图。 图6为降压型切换式电源供应器的寄生电容与寄生电阻示意电路图。图7为现有技术美国专利第6,580,258号案的实际波形示意图。 图8为本发明实施例之实际波形示意图。图9为本发明实施例之降压型切换式电源供应器的示意电路图。 图10为本发明实施例之升压型切换式电源供应器的示意电路图。 图11为本发明实施例之反压型切换式电源供应器的示意电路图。 图12为示意电路图，用以举例说明电流源控制电路20的一个实 施例。图13为示意电路图，用以举例说明电流源控制电路20的另一个 实施例。图14为本发明另一实施例之降压型切换式电源供应器的示意电路 图，说明多工电路30可以仅为一个节点。图15为示意电路图，用以举例说明多工电路30的一个实施例。图中符号说明:1降压型切换式电源供应器2升压型切换式电源供应器3反压型切换式电源供应器10脉宽调变控制电路1011降压型切换式电源供应器12升压型切换式电源供应器13反压型切换式电源供应器20电流源控制电路20。22路径24电流源 30多工电路Cpa 寄生电容(寄生电容值)CS 控制讯号II 通过电感的电流IN 输入端L 电感(电感值)OUT 输出端Ql、 Q2、 Q3、 Q4晶体管Rpa 寄生电阻(寄生电阻值)T 时段节点Lx处的电压 Vref参考电压具体实施方式
本发明的主要概念，在于不使晶体管Q1、 Q2同时关闭；当电感L 上的电流lL即将由正转负时，并不完全关闭晶体管Q2，而是改变其状 态，使其角色由晶体管开关，转换成一个电流源，而容许低流量的电 流通过。如此，与图2所示的现有技术作法相比，本发明仍然具有节 省能耗的高效率优点，但与图5和图7所示的现有技术作法相比，则 本发明将可大幅降低EMI噪声。请参考图9，其中以示意电路图的方式显示本发明的其中一个实施 例。本实施例是以降压型切换式电源供应器为例，如图所示，在本发 明的降压型切换式电源供应器11中，除了上下桥晶体管开关Q1、 Q2、 电感L、脉宽调变控制电路IO之外，另包含有一个电流源控制电路20， 且脉宽调变控制电路10与电流源控制电路20的输出讯号传送给一个 多工电路(MUX) 30，由该多工电路30的输出来决定晶体管Q2的受 控状态，亦即晶体管Q2选择性地受控于脉宽调变控制电路10或电流 源控制电路20。当晶体管Q2受控于脉宽调变控制电路10时，其角色 为开关，而当晶体管Q2受控于电流源控制电路20时，其角色转换为
电流源。(本发明所称之「电流源控制电路」，指该电路控制晶体管 Q2使其成为一个电流源，而非指该电路受电流源所控制。)以上内容，请参考图8，并对照图5，当可更易于了解。在现有技 术中，晶体管Q2的角色仅为开关，因此仅有全开与全闭两种状态。当 为了节省能耗，使晶体管Ql、 Q2进入前述「睡眠模式」时，晶体管 Ql、 Q2同时关闭。但根据本发明，则并无所谓「睡眠模式」；在第8 图中，当电感L上的电流k即将由正转负时，并不完全关闭晶体管Q2， 而是在时段T之中，将晶体管Q2转换成为一个电流源，容许低流量的 电流通过。对此，如图所示，可以有两种作法，第一种作法是令晶体 管Q2在晶体管Q1导通时，仍然完全关闭，而仅在时段T之中，将晶 体管Q2转换成低电流状态，如第一种波形中所示，晶体管Q2包括全 开、全闭、低电流三种状态；或是，令晶体管Q2除了导通之外，均处 于低电流状态，如第二种波形中所示，如此则晶体管Q2仅包括全开、 低电流两种状态。前者在节能效果上较好，后者之电路复杂度较低， 各有优劣，同属于本发明的范畴。熟悉本技术者当可立即发现，以上说明中之晶体管Ql、 Q2是以 NMOS为例。当然，晶体管Q1、 Q2亦可个别改以PMOS来制作，其 对应之波形图自亦不同，但并不脱离本发明的概念。请再对照图8与图7，在本发明的上述安排下，当晶体管Ql关闭、 且晶体管Q2在低电流状态中时，亦即在图中时段T之中，节点Lx处 的电压Vh虽同样呈受阻之简谐震荡波形，但其震荡快速衰减，迅速到 达平稳状态。由于高频震荡时间较为短暂，因此其EMI噪声所造成的 困扰，远较现有技术低得多。请再回阅图6，若令电路下方的晶体管与寄生电容Cpa，其并联电 阻为Rcs，则当晶体管Q2有低电流通过时，并联电阻Rcs的阻值会下降。 此时，节点Lx处的电压V^事实上等于<formula>formula see original document page 14</formula>
其中，V^为节点Lx处的电压，VouT为输出端OUT的电压，S为自时 间域转换至频率域的常用转换变量，L为电感L之电感值，Cpa为寄生电容Cpa的电容值，Rp为寄生电阻Rpa之电阻值，Res为并联电阻Rcs的电阻值。由上式所表示的电压Vlx，其震荡质量Q等于<formula>formula see original document page 14</formula>
由上式可以看出，当Rcs的值下降时，Q值也随之下降，表示震荡 更快收敛。因此，若维持使晶体管Q2有低电流通过而非完全关闭，将 使电路高频震荡时间较为短暂，可减少电路产生的EMI噪声。所述的低电流，根据本发明，是指为1mA (微安培)或其以上， 但在晶体管Q2完全导通之电流量(不含)以下，此范围内的电流量。 此外需说明的是，虽然在图8中的时段T内，晶体管Q2的栅极控制电 压是绘示为定值，但本发明并不局限于此；在时段T内，晶体管Q2的 栅极控制电压可以为任意的变化波形，仅需其所对应产生的电流量， 符合上述条件即可。上述本发明的概念，应用于升压型切换式电源供应器12与反压型 切换式电源供应器13时，其示意电路分别如第IO图与第11图，熟悉 本技术者当可类推得知其操作行为，在此不多予赘述。接下来说明电流源控制电路20如何控制晶体管Q2上的电流量。 请参考图12，此为电流源控制电路20的其中一个实施例，如图所示，
电流源控制电路20与晶体管Q2共同构成一个电流镜，将电流源控制 电路20内部路径22上的电流，成比例地复制到通过晶体管Q2源漏极 的路径上。至于电流源控制电路20内部路径22上的电流大小，可由 电流源24来控制决定。当然，电流源控制电路20的实施方式不只一种，例如，第13图 即为电流源控制电路20的另一个实施例，同样可将内部路径22上的 电流，成比例地复制到通过晶体管Q2源漏极的路径上；熟悉本技术者 当可举一反三，思及其它种实施型态。在图12与图13中，于电流源控制电路20和晶体管Q2的栅极之 间，省略绘示了多工电路30。此因多工电路30甚至并不需要是一个栅 电路，而可以仅为一个节点，只要能使晶体管Q2选择性地受控于脉宽 调变控制电路10或电流源控制电路20，即可。请参阅图14，在此实施例中多工电路30仅是一个节点；此时，脉 宽调变控制电路10必须有能力拉升节点30的电压(或当晶体管Q2为 PMOS时，有能力拉低节点30的电压)。当晶体管Q2为NMOS时， 此电路所产生的波形，对应于图8中的第二种Q2波形。详言之，在一 般情况下，晶体管Q2受电流源控制电路20控制，使其上有低电流流 通，亦即晶体管Q2之常态(normally)为低电流状态；此时脉宽调变控 制电路10并不控制节点30，对脉宽调变控制电路IO而言，节点30处 于浮动状态。而当脉宽调变控制电路10决定控制晶体管Q2使其完全 导通时，脉宽调变控制电路IO对节点30的输出讯号盖过(override) 电流源控制电路20的控制，将节点30的电压拉升(或拉低)至足以 使晶体管Q2完全导通。当然，多工电路30也可以是较复杂的电路，以达成较复杂的控制 功能，例如达成图8中的第一种Q2波形。此时多工电路30例如可如 图15所示，包含两个晶体管开关Q3、 Q4，并由控制讯号CS来控制。 当控制讯号CS为高位准时，晶体管Q2的栅极为电流源控制电路20 所控制，而当控制讯号CS为低位准时，晶体管Q2的栅极为脉宽调变 控制电路10所控制；且在后者情况下，脉宽调变控制电路IO可以输 出高或低位准的讯号，来控制晶体管Q2的开闭，如此即可达成图8中 的第一种Q2波形。当然，上述电路仅为举例说明，其中的两个晶体管开关Q3、 Q4， 未必一定如图所示为NMOS与PMOS，而可以是其它安排方式，其对 应的控制讯号设计，自也不同，此为熟悉本技术者所熟知，在此不予 赘述。以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使熟悉本 技术者易于了解本发明的内容而已，并非用来限定本发明之权利范围。 对于熟悉本技术者，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化； 例如，在所示各实施例中，举例以分压方式，从输出端萃取反馈电压 讯号，以供脉宽调变控制电路IO与参考电压Vref进行比较，但萃取反 馈讯号的方式，并不局限于此。又如，在电流源控制电路20内部路径 22上产生电流的方法，并不限于提供电流源24。故凡依本发明之概念 与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明之申请专利范围内。
权利要求
1.一种切换式电源供应器，包含相互电连接的第一晶体管与第二晶体管；一个脉宽调变积体控制电路，用以控制第一晶体管的开启与关闭和第二晶体管的开启；以及一个电流源控制电路，用以控制使第二晶体管成为一个电流源。
2. 如权利要求l所述的切换式电源供应器，其中第二晶体管具有 开启、关闭、低电流流通三种状态。
3. 如权利要求2所述的切换式电源供应器，其中当第一晶体管开 启时，第二晶体管为关闭；当第一晶体管关闭时，第二晶体管为开启 或低电流流通状态。
4. 如权利要求l所述的切换式电源供应器，其中第二晶体管具有 开启和低电流流通两种状态。
5. 如权利要求4所述的切换式电源供应器，其中当第一晶体管开 启时，第二晶体管为低电流流通状态；当第一晶体管关闭时，第二晶 体管为开启或低电流流通状态。
6. 如权利要求l所述的切换式电源供应器，其中该脉宽调变积体 控制电路和该电流源控制电路共同连接至第二晶体管的栅极节点。
7. 如权利要求6所述的切换式电源供应器，其中该脉宽调变积体 控制电路可控制该栅极节点的电压，使第二晶体管开启。
8. 如权利要求7所述的切换式电源供应器，其中除第二晶体管开 启时间外，第二晶体管受该电流源控制电路控制而为低电流流通状态。
9. 如权利要求l所述的切换式电源供应器，其中该脉宽调变积体 控制电路的一输出和该电流源控制电路的输出电连接至一个多工电 路，该多工电路的输出控制第二晶体管的栅极。
10. 如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该电流源控制 电路与第二晶体管共同构成一个电流镜。
11. 如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中第二晶体管成 为一个电流源时，通过第二晶体管源漏极的电流，为1微安培或其以 上，但在第二晶体管完全导通之电流量以下。
12. 如权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该切换式电源 供应器为降压型、升压型、反压型三者之一。
13. —种切换式电源供应器的控制电路，该切换式电源供应器包括相互电连接的第一晶体管与第二晶体管，控制电路包含一个电流源控制电路，用以控制当第一晶体管关闭时，使第二晶 体管为开启或低电流模式，在该低电流模式中，使通过第二晶体管的 电流，为l微安培或其以上之低电流流通状态。
14. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中该 切换式电源供应器包括输入端、输出端、及接地端，三者与一中间节 点连接，且其中，第一晶体管位于该输入端与该中间节点之间，第二 晶体管位于该中间节点与该接地端之间。
15. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中该 切换式电源供应器包括输入端、输出端、及接地端，三者与一中间节 点连接，且其中，第一晶体管位于该中间节点与该输出端之间，第二 晶体管位于该中间节点与该接地端之间。
16. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中该 切换式电源供应器包括输入端、输出端、及接地端，三者与一中间节 点连接，且其中，第一晶体管位于该输入端与该中间节点之间，第二 晶体管位于该中间节点与该输出端之间。
17. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中当 第一晶体管开启时，第二晶体管为关闭。
18. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中当 第一晶体管开启时，第二晶体管为低电流流通状态。
19. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中该 电流源控制电路与第二晶体管共同构成一个电流镜。
20. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中该 电流源控制电路与第二晶体管的栅极电连接。
21. 如权利要求13所述的切换式电源供应器的控制电路，其中该 电流源控制电路与第二晶体管的栅极通过一个多工电路而电连接。
22. —种切换式电源供应器的控制方法，包含以下步骤提供一个切换式电源供应器，该切换式电源供应器包括相互电连接的第一晶体管与第二晶体管；以及当第一晶体管关闭时，使第二晶体管为开启或低电流模式，在该低电流模式中，使通过第二晶体管的电流，为1微安培或其以上之低 电流流通状态。
23. 如权利要求22所述的切换式电源供应器的控制方法，其中该 切换式电源供应器包括输入端、输出端、及接地端，三者与一中间节 点连接，且其中，第一晶体管位于该输入端与该中间节点之间，第二 晶体管位于该中间节点与该接地端之间。
24. 如权利要求22所述的切换式电源供应器的控制方法，其中该 切换式电源供应器包括输入端、输出端、及接地端，三者与一中间节 点连接，且其中，第一晶体管位于该中间节点与该输出端之间，第二 晶体管位于该中间节点与该接地端之间。
25. 如权利要求22所述的切换式电源供应器的控制方法，其中该 切换式电源供应器包括输入端、输出端、及接地端，三者与一中间节 点连接，且其中，第一晶体管位于该输入端与该中间节点之间，第二 晶体管位于该中间节点与该输出端之间。
26. 如权利要求22所述的切换式电源供应器的控制方法，尚包含 以下步骤使第二晶体管在开启、关闭、低电流流通三种状态间变换。
27. 如权利要求26所述的切换式电源供应器的控制方法，其中当 第一晶体管开启时，第二晶体管为关闭。
28. 如权利要求22所述的切换式电源供应器的控制方法，尚包含 以下步骤使第二晶体管在开启和低电流流通两种状态间变换。
29. 如权利要求28所述的切换式电源供应器的控制方法，其中当 第一晶体管开启时，第二晶体管为低电流流通状态。
30. 如权利要求22所述的切换式电源供应器的控制方法，尚包含 以下步骤提供一个控制讯号，以将第二晶体管切换成低电流流通状态。
31. 如权利要求22所述的切换式电源供应器的控制方法，其中该切换式电源供应器尚包含有一个脉宽调变积体控制电路，且方法尚包 含以下步骤使第二晶体管常态为低电流流通状态；根据该脉宽调变积体控制电路的一输出，使第二晶体管开启。
全文摘要
本发明提出一种切换式电源供应器及其控制电路与方法，电源供应器包含相互电连接的第一晶体管与第二晶体管；一个脉宽调变积体控制电路，用以控制第一晶体管的开启与关闭和第二晶体管的开启；以及一个电流源控制电路，用以控制使第二晶体管成为一个电流源。本发明所述的两个晶体管不会同时进入关闭状态。本发明的脉宽调变积体控制电路和电流源控制电路，可以直接与第二晶体管的栅极节点电连接，或通过一个多工电路而与第二晶体管的栅极节点电连接。本发明与同步切换式电源供应器相比较，具有节省能耗的优点，并能够大幅降低EMI噪声。
文档编号H02M3/156GK101154888SQ20061014151
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月28日 优先权日2006年9月28日
发明者朱冠任, 龚能辉 申请人:立锜科技股份有限公司