TW497271B - Pulse width modulation integrated circuit chip - Google Patents

Description

497271 五、發明說明（1) 發明領域 本發明係關於一種波寬調變積體電路晶片（PWM controller I C c h i p )，特別是關於一種以具有8根腳位的 DIP (dual-in-line package)封裝方式或以具14根腳位的 S0P(small outline package)封裝方式的波寬調變積體電 路晶片。 發明背景

在交換式電源供應器（switching mode power s u p p 1 y，S Μ P S )的技術領域中，波寬調變積體電路（p u 1 s e width modulation integrated circuit， PWM IC)乃是被 應用以驅動一開關電晶體來切換開關電晶體的開關狀態， 藉以對市電之交流輸入電壓經整流與濾波而產生的直流電 壓輸入。經由一變壓器（t r a n s f 〇 r m e r )串接開關電晶體， 然後利用開關電晶體切換成脈動交流電壓後，將能量轉換 到變壓器的次級側（s e c ο n d a r y s i d e )再經整流渡波輸出直 流電壓，以供應電子元件所需的電源。

由以上所述可知，波寬調變控制器積體電路乃是應用 於交換式電源供應器與一般的電壓調節器中主要的控制電 路。但是，為了要使得波寬調變積體電路能夠更容易應用 在交換式電源供應器且增進其功能，便有其需要發展一種 具簡單電路佈局，並且具有較少的腳位數目、較高的封裝 密度且較低的成本。 職是之故，申請人一本鍥而不捨的研究精神，提出一 種具高封裝密度且具較少腳位的波寬調變積體電路晶片之

第5頁 497271 五、發明說明（2) 新穎電路佈局，其能夠以較少的腳位而提供完整的電壓調 節功能，而可得到減少成本以及增加封裝密度的優點。 發明概述

本發明之上述目的可由一種以8根腳位的DIP方式封裝 或以1 4根腳位的SOP方式封裝的波寬調變積體電路晶片來 達成。本發明提供一種波寬調變積體電路晶片，其包含複 數個内部控制電路，每個控制電路係分別產生與定義一根 腳位的腳位功能。這些内部控制電路提供了感測外部線性 電壓並與内部參考電壓比較，並且因應比較的結果輸出一 控制訊號以切換波寬調變積體電路晶片之一内部電源控制 電路的開關。此外，本發明採用内部電流源來完成這些内 部控制電路的控制功能，如調整波寬調變積體電路的操作 頻率，完成電源供應電路的電壓回授，感測外部的電流數 值以及控制波寬調變積體電路於電源啟動時緩慢地增加輸 出脈衝訊號的波寬。因此，本發明之波寬調變積體電路晶 片中絕大部份的腳位功能，乃是由内部電流源以取代外部 電壓源來產生與定義，因此大大地減化了電路佈局的複雜 度。 本發明之前的敘述與本發明之優點與特徵，得藉由下 面之實施例配合下列圖示詳細說明，俾得一更深入之瞭 解。

簡單圖示說明 圖一圖例顯示本發明之波寬調變積體電路晶片的腳位分配 與其内部控制電路。

第6頁 497271 五、發明說明（3) 圖二至圖六分別圖例解說本發明之波寬調變控制器積體電 路之各個腳位的功能與其内部控制電路。 較佳實施例說明

本發明之波寬調變積體電路晶片乃是基於以8根腳位 的DIP方式封裝或以14腳位的SOP方式封裝，而卻保有完整 的電壓調節功能的設計精神來完成。請參見圖一，其顯示 本發明之波寬調變積體電路晶片的腳位分配與其内部控制 電路。本發明之波寬調變積體電路晶片的電路結構與操作 原理將可由以下的實施例說明而得到充份的了解，使得熟 習本技藝之人士可據以完成之。然而本案之實施並非可由 下列實施例而被限制為其精確的實施型態。

在圖一中，與本發明相關之波寬調變積體電路晶片的 5根腳位與其所具備的腳位功能，將在此間以下面的說明 而詳細解說。在圖一中，以8根腳位D I P方式封裝的晶片腳 位編號乃是以被包圍的數字編號來表示，而以1 4根腳位 SOP方式封裝的晶片腳位編號乃是以未被包圍的數字編號 來表示。其它的腳位並非為本發明有興趣者，故不欲在本 文中做深入的探討。關於各個腳位的功能說明將分別由圖 二至圖六的電路拓樸圖而得到最佳的瞭解。在本實施例 中，將以具8根腳位的D I P方式封裝的積體電路晶片來做說 明，而在圖式中粗黑線的部份將代表與該腳位的功能相關 的内部控制電路與連接線路。 1. Vin腳位與Brown Out 腳位：本發明的波寬調變積體電

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路晶片之第7號腳位v in，乃杲妯八；^ 供PWM I C内部偏懕盥丁你仏不皮刀配以用來由外部輸入提 t、r WM i L円4偏堡與工作所需的電源。夂。 一般PWM 1C的起動電流甚高，為 ^ =見圖一由； PWM I C通常須外接一電源押制雷P名電源起見，習用之 省電的目的。 電原“工制電路以切斷起動電流，達到 本發明的波寬調變積體雷踗a 路内建於積體電路晶片中。♦電^ 疋將此電源控制電 待機模式（standby mode)，寺’錢其進入 當交換式電源供應器處於待機;J ^，原知耗。如前所述，

器尚有待機電源可以/出電，7達出成省此/曰交換式電源供應 PWM I C設計上需要一外加電源 ^電目的，在一般的 PWM 1C的起動電源。當電二、；電：:待機模式時關閉 會被起動而進入操作模^^制，路被導通時，PWM 1C才 源。 卞犋式（operating mode)以輸出主電 據ic，其將電源控制電路内建於"Μ 發明^波宽$ 杈式時由Brown 〇ut腳位（其分配於本 所有不必要的内部電路J ;片虎::能來關閉 換式電源供應器在j機j :乂亚：,起動^源Η使得交

源也能夠達到節省電2式2，：用關閉PWM IC的起動電 源的可靠度。名電源的目的，並且可簡化線路與增進電 法mTm腳位相關的功能與内部電路的操作方 法將在底下做更進一步的描述。

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r〇wn Out腳位主要是用來做pWM κ内部電壓源的 3 f控Brown 〇ut腳位之電位則由交流市電整流滤波 ^ 以为壓器分壓而得。當其被傳送至PWM IC内部後，將 與内部線路所提供的參考電壓經由比較器做比較，並因應 比較的結果發出控制訊號至pwM丨部的電源控制電路， 以控制PWM 1C的開關。Brown 〇ut腳位是唯一當pwM π内 部電源，閉時，仍維持正常供電的單元。其亦可用來感測 外部電壓的電位’以便控制pwM I 〇起動與關閉的時機以及 ^制PWM I C#作在正常的交流輸入電壓範圍内。當感測到 父流輸入電壓低於一正常範圍時，可以關閉内部的電源控 路’以中斷電源供應避免電子元件的電壓應力過大而 損壞同日守亦可利用光麵合器（photo coupler )_合變壓 為之-人級側的运端開關訊號（r e m 〇 t e ◦ n / 0 f f s i g n a 1 )以控 制Brown Out腳位的訊號電壓。 當感測到的電壓高於或等於p麗I C内部參考電壓時， PWM 1C内部的電源控制電路便導通而起動PWM κ。此時 PWM 1C内部會先建立一個5V的參考電壓，接著起動内部定 電流源以提供内部控制電路所需的電源。當内部控制電路 達到一正常的工作電壓後，便起動PWM〗C驅動電壓開關元 件以輸出電壓。 當内部電流被起動後，一定電流亦會經由Brown Out 腳位輸出。此定電流會經由接地電阻r b建立一附加電壓加 載於感測電壓上以提升感測電壓，確保開機動作正常。 然而’當感測到的電壓低於p觀I C内部參考電壓時，pwm

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五、發明說明（6) I C會停止工作並且同時切斷所有不必要的内部供電，俾以 降低起動電流以節省電源損耗。上述之定電流源亦會同時 被關閉而使得感測電壓的附加電壓消失，以瞬間降低感^ 電壓值來確保開機動作正常。 是，Brown Out腳位可使得PWΜ I G皮設定在較高的交 流線電壓才起動，而在較低的交流線電壓才關閉。因此 Brown Out腳位具有遲滯電壓的設定功能，以確保電壓正 常。 2 · CT腳位：其分配於本發明的波寬調變積體電路晶片之 第4號腳位，且其内部相關控制電路包含一内部振盪電路 3 1與二個定電流源3 2及3 3，如圖三所示。PWM I C的工作頻 率係由外接於該腳位與一接地端的一電容C义電容值來決 定。此外，驅動電壓開關元件時所能張開的最大波寬比率 (maximum pulse width ratio)已為内建之用於充電與放 電的兩定電流源32及3 3的比例預先設定。由於pwM 1C工作 頻率乃是由單一電容C來控制，PWM I C内部控制電路乃是 内建了用以對電容C充電的定電流源與一用以對電容c的 定電流源。當PWM I c起動時將預設用於充電的定電流源會 被起動且對電容C來充電，而用於放電的定電流源會被預 設為關閉。電容C i的電位因充電而線性上升，此時内部振 盡電路3 1偵測到電容c的電位達到且高於一預設的參考電 壓時’用於放電的定電流源與電容C !間的放電迴路立刻導 通並驅使電容C枚電，同時也切換參考電壓至低電壓準位

第10頁 497271 五、發明說明（7) 以保持讓電容c持續放電。當電容c!的電位因放電而降至 低於内部參考電壓時，放電迴路、變成開路而内部參考電壓 被強制上升至高電壓準位，用以對電容C此電的定電流源 再度被強制對電容C來充電。如此持續循環而形成一固定 的充電/放電週期，並且由内部控制迴路驅使PWM I C的輸 出腳位輸出同步的脈衝訊號來驅動電子元件，而完成交換 式電源供應器的基本操作。 3. COMP腳位：本發明的波寬調變積體電路晶片之第1號腳 位，乃是做為本發明之波寬調變控制器積體電路的電壓回 授輸入端，同時内建具腳位開路（過電壓）保護功能的控制 電路。請參見圖四。COMP腳位的相關内部控制電路乃是由 一起動定電流源4 1與一比較器4 2所組成。當PWM I C起動 時，定電流源4 1被接通，且被接往C S腳位的電流放大器之 參考電流輸入端以及從COMP腳位輸出，傳送至放大迴路以 建立控制電位。比較器4 2乃是用來偵測該腳位是否被開路 或過電壓。當該腳位被不當開路時，由於定電流源4 1無法 輸出而且内部控制電路具有高阻抗特性。因此，COMP腳位 的電位會急速升高。當達到一預設值後，比較器4 2即送出 一訊號以中斷驅動輸出，避免交換式電源供應器輸出失 控。當不當開路的原因消除後，則會自動回覆。當COMP腳 位之電壓因外力而昇高，也同樣具有保護的功能。 C 0 Μ P腳位的電位係由電壓控制放大迴路控制，而且將 此電位訊號饋入C S腳位的電流放大器，用以調節波寬以維

第11頁 497271 五、發明說明（8) ^ 持穩定的交換式電源供應器輸出電壓。 4 · CS腳位：本發明的波寬調變積體電路晶片之第3號腳 位’乃是被分配為電流回授以及電流感測的輸入腳位。請 參見圖五。CS腳位的内部相關相關電路，乃是包含一電流 放大器5 1與一延遲放大器5 2。電流放大器5 1的主要作用在 於耦合COMP腳位的輸入訊號與cs腳位的電流輸入訊號電流 放大’以強制調節驅動輸出脈衝波寬（d r i v e 〇 u t p u t pulse width)。其可被用來調節交換式電源的輪出電壓， 進而穩定輸出電壓。 當C S輸入電流號趨近於内部參考電流值時，其代表 C S輸入電流已經飽合，且驅動輸出脈衝波寬開始受到限 制。當c S輸入電流说號達到或超過此内部參考電流值時， 驅動輸出脈衝波寬會被強制縮小以限制交換式電源供應器 的輸出功率，進而使輸出電壓降低而降低輸出功率。 當延遲放大器5 2的作用為因電流訊號為脈衝電流，而 其訊號前緣則因變壓器之電感特性，產生一雜音訊號。此 相當高的前緣訊號則因高於内部參考訊號而對;部控b制電 路造成干擾。延遲放大器5 2的作用即在延遲電流訊號，使 得不正常的電流訊號無法饋入内部控制電路而造成干擾。 5 · S S腳位：本發明的波寬調變積體電路晶片之第8號腳 位’乃是被分配以執行交換式電源供應器的軟起動&〇ft start， SS)作業。請參見圖六。SS腳位的功能在於設定交 497271 五 、發明說明（9) 換 …式電源供應器的軟起動時間。也就是說當電源被起動 時’其乃是用以限制波寬與強制驅動輪出脈衝波寬由最小 開始慢慢增大’並且控制交換式電源供應器輸出電壓鱼起 動時緩緩上升，避免輸出的瞬間電壓過高以及避免功^元 件因過大的逆向電壓而造成過大的電壓應力（v〇ltage stress)。而SS腳位的相關内部控制電路乃是由一電壓比 較器6 1與一内建的SS腳位定電流源6 2所組成，且在該腳位 與一接地端之間設置一電容C典較器61的參考輸入端/由CT 腳位饋入CT的鋸齒波，同時當Brown Out腳位起動内部電 路時則會接通内建的SS腳位定電流源62輸出。同時將1(：内 =，電容C妁放電迴路開路，使該ss腳位定電流源62會對 電谷C苑電，用以建立s S腳位的訊號電位。 Μ I 訊號電位饋入另一訊號輸入端與CT腳位的訊號電 L。當CT腳位的訊號電位高於ss的訊號電位時，驅 動輸出脈衝波將會被強制中斷以減少輸出脈衝波的波寬。 電路了 = = i戶? f，可以明瞭的是本發明的波寬調變積體 電路日曰片之優點與特徵主要在於 1相具關有的^操作模式：本發明創造一 Brown 0ut腳位與 八相關的控制電路么士人甘 所在電源供库哭Ξ二二φ ί可感測波寬調變積體電路晶片 較以控制1C内部g为二二，，亚且將之與一參考電壓做比 l以内部電流源來Λ 路的開關，達成省電的功能。 調變積體電路晶'片乃ϋ部f的腳位功能：習知的波寬 月 乃疋利用外加的電壓源來產生與定義

第13頁 497271 五、發明說明（ίο) 各個腳位的功能。本發明乃是採用内建的電流源來產生絕 大部份的腳位功能與完成控制電路的控制功能，因此電路 佈局的複雜度可大幅度地降低，亦可穩定所輸出的脈衝訊 號。 本發明得由熟習此技藝之人士任施匠思而為諸般修 飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

第14頁 497271 圖式簡單說明 圖一圖例顯示本發明之波寬調變積體電路晶片的腳位分配 與其内部控制電路。 圖二至圖六分別圖例解說本發明之波寬調變控制器積體電 路之各個腳位的功能與其内部控制電路。

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Claims (1)

1. 497271 六、申請專利範圍 1. 一種波寬調變積體電路，其包括： 一第——控制電路，其係用以感測一外部電壓並與一參 考電壓比較，而因應比較的結果以控制一内部電源控制電 路的狀態切換。 2. 如申請專利範圍第1項之波寬調變積體電路，其中該波 寬調變積體電路具有8根腳位，且係以雙内線封裝 (dual-in-line package，DIP)的方式來封裝。 3. 如申請專利範圍第1項之波寬調變積體電路，其中該波 寬調變積體電路具有1 4根腳位，且係以小輪廓封裝（sma 1 1 outline package，SOP)的方式來封裝。 4. 如申請專利範圍第1項之波寬、調變積體電路，更包括： 一第二控制電路，其包含一電容串接於一相對應的腳 位與一接地端之間，以及一第一電流源與一第二電流源， 其交替地對該電容充電與放電，藉以調整該波寬調變積體 電路之一操作頻率。 5. 如申請專利範圍第1項之波寬調變積體電路，更包括： 一第三控制電路，其包含一電流源與一比較器，用以 自接收一外部回授電壓訊號以及偵測與其相對應之一腳位 是否開路，並且於當該相對應的腳位開路時，產生一控制 訊號以調節該波寬調變積體電路之一輸出脈衝訊號之一波 寬。 6. 如申請專利範圍第1項之波寬調變積體電路，更包括： 一第四控制電路，其包含一電流放大器與一延遲放大 器，用以感測一外部電流訊號，並將該外部電流訊號轉換

   第16頁 497271 六、申請專利範圍 成一波寬調節訊號以調節該波寬調變積體電路之一輸出脈 衝訊號之一波寬。 7.如申請專利範圍第1項之波寬調變積體電路，更包括： 一第五控制電路，其包含一電壓比較器與一電流源， 用以於當該波寬調變積體電路電源起動時，緩慢地將該波 寬調變積體電路之一輸出脈衝訊號之一波寬調大。

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