TWI652889B

TWI652889B - 高壓啟動電路與高壓充電控制方法

Info

Publication number: TWI652889B
Application number: TW106123563A
Authority: TW
Inventors: 邱國卿
Original assignee: 通嘉科技股份有限公司
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-03-01
Also published as: US10230297B2; US20190020266A1; TW201909529A

Abstract

本發明實施例提供一種高壓啟動電路，適用於一積體電路。該積體電路包含有一高壓接腳以及一操作電源接腳，該操作電源接腳可連接至一操作電源電容。該高壓啟動電路包含有一充電NMOS電晶體、一耐超高壓電晶體、以及一反向器。該充電NMOS電晶體具有一第一閘極。該耐超高壓電晶體，可耐受超過400V的一輸入電壓，該耐超高壓電晶體與該充電NMOS透過一連接點串聯於該高壓接腳與該操作電源接腳之間。該反向器具有一上拉電路，受控於一充電停止信號，用以拉高該第一閘極之一第一閘電壓，連接於該第一閘極與該連接點之間。該反向器具有一下拉電路，受控於該充電停止信號，用以拉低該第一閘極之該第一閘電壓。當該充電停止信號禁能時，該充電停止信號使該上拉電路耦接該第一閘極至該連接點，該下拉電路呈現一斷路，因而一充電電流可由該高壓接腳流經該耐超高壓電晶體與該充電NMOS，對該操作電源電容充電。當該充電停止信號致能時，該充電停止信號使該上拉電路呈現一斷路，該下拉電路拉低該第一閘電壓，使該充電NMOS關閉，該充電電流消失。

Description

高壓啟動電路與高壓充電控制方法

本發明係關於一種高壓啟動電路，尤指一種關閉時具有非常低漏電的高壓啟動電路以及其控制方法。

第1圖為一習知的交流轉直流(AC-to-DC)返馳式電源轉換器10。電源控制器12可能直接或是間接地偵測輸出電源V_O的狀態，據以控制功率開關MN，來調整變壓器(包含主繞組PRM、次繞組SEC、以及輔助繞組AUX)所轉換的能量。

現今的電源轉換器都被要求在輕載或是無載狀態時，必須要盡可能的降低電能損耗。當第1圖中的負載14為無載時，整個電源轉換器10最主要消耗功率的部分，大致有四個：1)抑制器(snubber)11；2)電源控制器12中的高壓啟動電路18；3)電源轉換器10中用來偵測輸出電源V_O的狀態的電路；以及，4)功率開關MN的開關損失(switching loss)。

高壓啟動電路18主要負責的時機，是在於電源轉換器10的操作電源電壓V_CC還沒有建立起來，電源控制器12的核心電路(core circuit)尚未能正常工作時。電源控制器12可以是一積體電路，具有高壓接腳HV、操作電源接腳VCC、驅動接腳GD、接地接腳GND。在核心電路尚未能正常工作時，高壓啟動電路18能夠從高壓接腳HV汲取一充電電流I_CHG，透過一操作電源接腳VCC，對操作電源電容C1充電。當操作電源接腳VCC上的操作電源電壓V_CC足夠高時，高壓啟動電路18應該使充電電流I_CHG消失，而且本身自己應該盡可能的不消耗電流。

本發明實施例提供一高壓充電控制方法，適用於一高壓啟動電路。該高壓啟動電路包含有一耐超高壓電晶體以及一充電NMOS電晶體，該充電NMOS電晶體，具有一第一閘極。該耐超高壓電晶體可耐受超過400V 的一輸入電壓。該耐超高壓電晶體與該充電NMOS透過一連接點串聯於該高壓接腳與該操作電源接腳之間。該高壓充電控制方法包含有：使該連接點耦接至該第一閘極，以開啟該充電NMOS，因此，一充電電流可由該高壓接腳流經該耐超高壓電晶體與該充電NMOS，對該操作電源電容充電；以及，使該第一閘極離耦於該連接點，並拉低該第一閘極之該第一閘電壓，以關閉該充電NMOS，使該充電電流消失。

10‧‧‧電源轉換器

11‧‧‧抑制器

12、12a、12b、12c、12d、12e‧‧‧電源控制器

14‧‧‧負載

15‧‧‧高壓啟動控制器

18、18a、18b、18c、18d、18e‧‧‧高壓啟動電路

20‧‧‧反向器

22‧‧‧上拉電路

24‧‧‧下拉電路

26‧‧‧定電流控制電路

30‧‧‧反向器

32‧‧‧上拉電路

34‧‧‧下拉電路

AUX‧‧‧輔助繞組

C1‧‧‧操作電源電容

D1‧‧‧二極體

GD‧‧‧驅動接腳

GND‧‧‧接地接腳

HV‧‧‧高壓接腳

I_CHG‧‧‧充電電流

J_HV、J_C、J_HV2‧‧‧JFET

MN‧‧‧功率開關

N_CHG、N_CC、N_INV、N_D‧‧‧NMOS

NS1、NS2、NS3‧‧‧連接點

P_INV‧‧‧PMOS

PRM‧‧‧主繞組

R_CC、R_H、R_S‧‧‧電阻

SEC‧‧‧次繞組

S_NCHG‧‧‧充電停止信號

V_CC‧‧‧操作電源電壓

VCC‧‧‧操作電源接腳

V_g‧‧‧閘電壓

V_LINE‧‧‧線電壓

V_O‧‧‧輸出電源

第1圖為一習知的交流轉直流返馳式電源轉換器。

第2圖顯示一種電源控制器。

第3圖至第6圖為依據本發明所實施的4種電源控制器。

在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。

第2圖顯示一種電源控制器12a，為一積體電路，具有高壓啟動電路18a以及一高壓啟動控制器15。高壓啟動電路18a包含有一JFET J_HV、電阻R_H與R_CC、NMOS N_CHG、N_CC與N_INV、二極體D1，彼此的電性連接如同第2圖所示。JFET J_HV為一耐超高壓電晶體，可耐受超過400V的一輸入電壓。如同第2圖所示，JFET J_HV的閘極，也就是控制端，直接連接到一接地線。高壓啟動控制器15以操作電源電壓V_CC作為操作電源，同時偵測操作電源電壓V_CC。

當高壓啟動控制器15發現操作電源電壓V_CC低於一預設的下限電壓V_BTM(譬如10V)時，高壓啟動控制器15使充電停止信號S_NCHG禁能，其邏輯電壓準位大約為0V，使得NMOS N_INV關閉。NMOS N_CHG開啟。因此，充電電流I_CHG從第1圖中線電壓V_LINE開始，流經電阻R_S、第2圖中的高壓接腳HV、JFET J_HV、NMOS N_CHG、電阻R_CC、二極體D1、以及操作電源接腳VCC，對第1圖中的操作電源電容C1充電。這樣的動作稱為高壓充電。因此，操作電源電壓V_CC隨著時間漸漸地上升。

當高壓啟動控制器15發現操作電源電壓V_CC超過於一預設的上限電壓V_TOP(譬如20V)時，高壓啟動控制器15使充電停止信號S_NCHG致能，其邏輯電壓準位大約為5V，使得NMOS N_INV開啟。開啟的NMOS N_INV拉低了NMOS N_CHG的閘電壓V_g，使得NMOS N_CHG關閉。因此，充電電流I_CHG消失。高壓充電停止。

高壓啟動電路18a的設計，需要考慮兩個點：充電開始的反應速度與高壓充電停止後的電流損耗。

為了讓高壓啟動電路18a在充電停止信號S_NCHG禁能時，能快速地開始進行高壓充電，電阻R_H需要小。如此，流經電阻R_H的電流I_H才能夠使得NMOS N_INV的閘電壓V_g快速的上升，使得NMOS N_INV快速地被開啟，進行高壓充電。

但是，為了降低高壓充電停止後的電流損耗，電阻R_H需要大。當充電停止信號S_NCHG致能時，開啟的JFET J_HV、電阻R_H、以及NMOS N_INV提供了一漏電路徑，造成電流損耗。這個漏電路徑中，電阻R_H大，電流I_H 小，電流損耗就小。

從以上分析可知，第2圖中的電阻R_H之選擇將無法兩全其美，不是降低了充電開始的反應速度，不然就是增加了對高壓充電停止後的電流損耗。

第3圖顯示了依據本發明所實施的一種電源控制器12b。在一實施例中，為一積體電路，可以取代第1圖中的電源控制器12。電源控制器12b具有高壓啟動電路18b以及一高壓啟動控制器15。高壓啟動電路18b包含有一JFET J_HV、J_C、NMOS N_CHG、N_D與N_INV、PMOS P_INV、以及二極體D1，彼此的電性連接如同第3圖所示。JFET J_HV與該NMOS N_CHG透過連接點NS1串聯於高壓接腳HV與操作電源接腳VCC之間。高壓啟動控制器15以操作電源電壓V_CC作為操作電源，同時偵測操作電源電壓V_CC。跟第2圖不同的，在第3圖中，JFET J_HV的閘極，也就是控制端，連接到JFET J_C的閘極，以及NMOS N_CHG的閘極。

NMOS N_INV、JFET J_C、以及PMOS P_INV一起，可以視為一反向器20，其接收充電停止信號S_NCHG，用以控制NMOS N_CHG的閘極。JFET J_C以及PMOS P_INV可以視為一上拉電路22，用以拉高NMOS N_CHG的閘極之閘電壓V_g。NMOS N_INV可以視為一下拉電路24，用以拉低NMOS N_CHG的閘極之閘電壓V_g。

NMOS N_D可以視為一二極體，逆向的連接於連接點NS1與NMOS N_CHG的閘極之間。NMOS N_D的漏電流，可以些許地提供上拉閘電壓V_g的能力。在一些實施例中，NMOS N_D可以省略。

在第3圖之實施例中，JFET J_HV與J_C的臨界電壓V_TH-HV與V_TH-C 大約分別是20V與5V。高壓啟動電路18b中所有的NMOS與PMOS都是高壓元件，最大耐受跨壓為30V。PMOS P_INV具有一獨立的N型井，其沒有跟電源控制器12b其他的N型井相電連接。如同第3圖所示，PMOS P_INV的N型井，作為基極，短路到PMOS P_INV的源極，也就是連接點NS2。

在第3圖中，當高壓啟動控制器15發現操作電源電壓V_CC低於一預設的下限電壓V_BTM(譬如10V)時，高壓啟動控制器15使充電停止信號S_NCHG禁能，其邏輯電壓準位大約為0V，使得NMOS N_INV關閉，PMOS P_INV開啟。此時，PMOS P_INV短路了JFET J_C的閘極與源極，所以JFET J_C處以開啟狀態。開啟的PMOS P_INV與JFET J_C使得上拉電路22耦接NMOS N_CHG的閘極至連接點NS1，因此NMOS N_CHG開啟。下拉電路24呈現一斷路。充電電流I_CHG從第1圖中線電壓V_LINE開始，流經電阻R_S、第3圖中的高壓接腳HV、JFET J_HV、NMOS N_CHG、二極體D1、以及操作電源接腳VCC，對第1圖中的操作電源電容C1充電，進行高壓充電。因此，操作電源電壓V_CC隨著時間漸漸地上升。

在第3圖中，當高壓啟動控制器15發現操作電源電壓V_CC超過於一預設的上限電壓V_TOP(譬如20V)時，高壓啟動控制器15使充電停止信號S_NCHG致能，其邏輯電壓準位大約為5V，使得NMOS N_INV開啟，也降低了流經PMOS P_INV的電流。閘電壓V_g隨之下降。下降的閘電壓V_g可以關閉NMOS N_CHG。因此，充電電流I_CHG消失。高壓充電停止。

NMOS N_CHG的開關大致決定了充電電流I_CHG的存在或是消失，可以視為一充電NMOS電晶體。

當充電停止信號S_NCHG致能，高壓充電停止時，高壓啟動電路18b幾乎沒有電流損耗。當高壓充電停止時，連接點NS1的電壓大約會維持在20V，介於JFET J_C與PMOS P_INV之間的連接點NS2的電壓大約會維持在5V。JFET J_C使得連接點NS2的電壓不大於PMOS P_INV的閘電壓。JFET J_HV、J_C與PMOS P_INV都關閉，上拉電路22呈現一斷路。N_CHG的閘極離耦於連接點NS1。NMOS N_INV開啟，下拉電路24將閘電壓V_g拉下到約0V。關閉的JFET J_HV就可以證明第3圖中，在高壓充電停止時，高壓啟動電路18b除了被關閉元件本身的漏電流之外，幾乎沒有電流損耗。

第3圖中，當充電停止信號S_NCHG由致能轉變成禁能時，NMOS N_INV可以快速地關閉，PMOS P_INV快速地開啟。隨後JFET J_C快速地開啟，使得JFET J_HV與NMOS N_CHG接著開啟，產生充電電流I_CHG，進行高壓充電。因此，只要PMOS P_INV與JFET J_C在開啟時的驅動電流夠大，充電開始的反應速度就可以非常的快。

從以上分析可知，要增加高壓啟動電路18b充電開始的反應速度，只要提高PMOS P_INV與JFET J_C在開啟時的驅動電流。而且，高壓啟動電路18b在高壓充電停止後的電流損耗，幾乎就是0，跟充電開始的反應速度無關。因此，高壓啟動電路18b可以同時具有高反應速度與低電流損耗兩種優點，非常適用於現今的高壓啟動電路設計。

第4圖顯示了依據本發明所實施的一種電源控制器12c，其為第3圖中的電源控制器12b修改加上第2圖中的NMOS N_CC與電阻R_CC。第4圖中，NMOS N_CC與電阻R_CC一起可以視為一定電流控制電路26，連接於NMOS N_CHG與操作電源接腳VCC之間。定電流控制電路26可以限制充電電流I_CHG的值，使其大約不大於NMOS N_CC的臨界電壓對電阻R_CC之電阻值的比值。高壓啟動電路18c一樣也可以有高反應速度與低電流損耗兩種優點。

第5圖顯示了依據本發明所實施的一種電源控制器12d，為一積體電路，其具有高壓啟動電路18d以及一高壓啟動控制器15。高壓啟動電路18d包含有一JFET J_HV2、NMOS N_CHG、N_D與N_INV、PMOS P_INV、以及二極體D1，彼此的電性連接如同第5圖所示。JFET J_HV與該NMOS N_CHG透過連接點NS3串聯於高壓接腳HV與操作電源接腳VCC之間。高壓啟動控制器15以操作電源電壓V_CC作為操作電源，同時偵測操作電源電壓V_CC。第5圖與第3、4圖之間相似或是相同之處，可以透過先前的解說而得知，不再累述。

NMOS N_INV以及PMOS P_INV一起，可以視為一反向器30，其接收充電停止信號S_NCHG，用以控制NMOS N_CHG的閘極。PMOS P_INV可以視為一上拉電路32，用以拉高NMOS N_CHG的閘極之閘電壓V_g。NMOS N_INV可以視為一下拉電路34，用以拉低NMOS N_CHG的閘極之閘電壓V_g。

在第5圖之實施例中，JFET J_HV2為一耐超高壓電晶體，可耐受超過400V的一輸入電壓。JFET J_HV2的臨界電壓V_TH-HV大約是5V。高壓啟動電路18d中所有的NMOS與PMOS都是高壓元件，最大耐受跨壓為30V。

在第5圖中，當充電停止信號S_NCHG禁能時，其邏輯電壓準位大約為0V，NMOS N_INV關閉，PMOS P_INV開啟。開啟的PMOS P_INV使得上拉電路32耦接NMOS N_CHG的閘極至連接點NS3，下拉電路24呈現一斷路，因此NMOS N_CHG開啟。JFET J_HV2的源極連接到自己的閘極，所以JFET J_HV2開啟。充電電流I_CHG從第1圖中線電壓V_LINE開始，流經電阻R_S、第5圖中的高壓接腳HV、JFET J_HV、NMOS N_CHG、二極體D1、以及操作電源接腳VCC，對第1圖中的操作電源電容C1充電，進行高壓充電。因此，操作電源電壓V_CC 隨著時間漸漸地上升。

當第5圖中的充電停止信號S_NCHG致能時，其邏輯電壓準位大約為5V，NMOS N_INV開啟，流經PMOS P_INV的電流降低。閘電壓V_g隨之下降。下降的閘電壓V_g可以關閉NMOS N_CHG。因此，充電電流I_CHG消失。高壓充電停止。

當第5圖中的充電停止信號S_NCHG致能，高壓充電停止時，高壓啟動電路18b幾乎沒有電流損耗。當高壓充電停止時，連接點NS3的電壓大約會維持在5V，因此，JFET J_HV2與PMOS P_INV都關閉，NMOS N_INV開啟。上拉電路32呈現一斷路，使NMOS N_CHG的閘極離耦於連接點NS3。下拉電路34將閘電壓V_g拉下到約0V。關閉的JFET J_HV2、NMOS N_CHG、PMOS P_INV可以證明第3圖中，在高壓充電停止時，高壓啟動電路18d除了被關閉元件本身的漏電流之外，幾乎沒有電流損耗。

要增加高壓啟動電路18d充電開始的反應速度，只要提高PMOS P_INV在開啟時的驅動電流。高壓啟動電路18d在高壓充電停止後的電流損耗，幾乎就是0，跟充電開始的反應速度無關。因此，跟高壓啟動電路18a與18b類似的，高壓啟動電路18d可以同時具有高反應速度與低電流損耗兩種優點。

第6圖顯示了依據本發明所實施的一種電源控制器12e，其為第5圖中的電源控制器12d修改加上第2圖中的NMOS N_CC與電阻R_CC。第6圖中的高壓啟動電路18e一樣也可以有高反應速度與低電流損耗兩種優點。

以上實施例以返馳式電源轉換器作為應用的例子，但本發明並不限於此。本發明也可適用於其他的需要高壓啟動或是高壓充電的應用。舉例來說，本發明也可適用於升壓器、降壓器、LLC諧振電源轉換器等等。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims

一種高壓啟動電路，適用於一積體電路，其包含有一高壓接腳以及一操作電源接腳，該操作電源接腳可連接至一操作電源電容，該高壓啟動電路包含有：一充電NMOS電晶體，具有一第一閘極；一耐超高壓電晶體，可耐受超過400V的一輸入電壓，該耐超高壓電晶體與該充電NMOS透過一連接點串聯於該高壓接腳與該操作電源接腳之間；以及一反向器，接收一充電停止信號，用以控制該第一閘極，包含有：一上拉電路，受控於該充電停止信號，用以拉高該第一閘極之一第一閘電壓，連接於該第一閘極與該連接點之間；以及一下拉電路，受控於該充電停止信號，用以拉低該第一閘極之該第一閘電壓；其中，當該充電停止信號禁能時，該充電停止信號使該上拉電路耦接該第一閘極至該連接點，該下拉電路呈現一斷路，因而一充電電流可由該高壓接腳流經該耐超高壓電晶體與該充電NMOS，對該操作電源電容充電；當該充電停止信號致能時，該充電停止信號使該上拉電路呈現一斷路，該下拉電路拉低該第一閘電壓，使該充電NMOS關閉，該充電電流消失。
如申請專利範圍第1項之該高壓啟動電路，其中，該上拉電路包含有一PMOS電晶體，連接於該第一閘極與該連接點之間。
如申請專利範圍第2項之該高壓啟動電路，其中，該上拉電路另包含有一JFET，連接於該PMOS電晶體與該連接點之間。
如申請專利範圍第3項之該高壓啟動電路，其中，該JFET具有一控制端，耦接至該第一閘極。
如申請專利範圍第3項之該高壓啟動電路，其中，該JFET的一臨界電壓，大約等於該充電停止信號致能的一邏輯電壓準位。
如申請專利範圍第2項之該高壓啟動電路，其中，該PMOS電晶體具有一獨立的N型井區，短路至該PMOS電晶體之一源極。
如申請專利範圍第1項之該高壓啟動電路，其中，該耐超高壓電晶體具有一控制端，耦接至該第一閘極。
如申請專利範圍第1項之該高壓啟動電路，另包含有：一定電流控制電路，連接於該充電NMOS電晶體與該操作電源接腳之間，用以使該充電電流大約不超過一定值。
一種高壓充電控制方法，適用於一高壓啟動電路，該高壓啟動電路包含有一耐超高壓電晶體以及一充電NMOS電晶體，該充電NMOS電晶體，具有一第一閘極，該耐超高壓電晶體可耐受超過400V的一輸入電壓，該耐超高壓電晶體與該充電NMOS透過一連接點串聯於一高壓接腳與一操作電源接腳之間，該高壓充電控制方法包含有：使該連接點耦接至該第一閘極，以開啟該充電NMOS，因此，一充電電流可由該高壓接腳流經該耐超高壓電晶體與該充電NMOS，對一操作電源電容充電；以及使該第一閘極離耦於該連接點，並拉低該第一閘極之一第一閘電壓，以關閉該充電NMOS，使該充電電流消失。
如申請專利範圍第9項之該高壓充電控制方法，其中，該耐超高壓電晶體具有一控制端，耦接至該第一閘極。
如申請專利範圍第9項之該高壓充電控制方法，另包含有：提供一PMOS電晶體，連接於該第一閘極與該連接點之間；以及當該充電NMOS關閉時，使該PMOS電晶體之一源極的一源電壓，不高於該PMOS電晶體之一閘極的一閘電壓。
如申請專利範圍第11項之該高壓充電控制方法，另包含有：提供一JFET，連接於該PMOS電晶體與該連接點之間；以及耦接該JFET之一控制端至該第一閘極。
如申請專利範圍第9項之該高壓充電控制方法，其中，該耐超高壓電晶體具有一控制端，耦接至該第一閘極。