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TWI785731B - 開關電源及其控制晶片 - Google Patents

開關電源及其控制晶片 Download PDF

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TWI785731B
TWI785731B TW110129675A TW110129675A TWI785731B TW I785731 B TWI785731 B TW I785731B TW 110129675 A TW110129675 A TW 110129675A TW 110129675 A TW110129675 A TW 110129675A TW I785731 B TWI785731 B TW I785731B
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翟向坤
陳耀璋
朱力強
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大陸商昂寶電子（上海）有限公司
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Abstract

提供了一種開關電源及其控制晶片。該控制晶片包括高壓N溝道JFET、電流路徑控制模組、脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制模組、功率監測模組、及接面場效電晶體(Junction Field Effect Transistor,JFET)控制模組。高壓N溝道JFET的汲極連接控制晶片的高壓輸入腳、源極連接電流路徑控制模組、閘極連接JFET控制模組。電流路徑控制模組被配置為控制高壓N溝道JFET與控制晶片的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷。PWM控制模組表徵控制晶片的內部電路中的耗電部分，被配置為控制開關電源中的功率開關的導通與關斷。功率監測模組被配置為監測PWM控制模組的功率消耗，並根據PWM控制模組的功率消耗生成功耗控制信號。JFET控制模組被配置為根據功率控制信號控制高壓N溝道JFET的閘極電壓。

Description

開關電源及其控制晶片
本發明涉及電路領域，尤其涉及一種開關電源及其控制晶片。
開關電源又稱交換式電源、開關變換器，是電源供應器的一種。開關電源的功能是通過不同形式的架構(例如，反激(fly-back)架構、降壓(BUCK)架構、或升壓(BOOST)架構等)將一個位准的電壓轉換為使用者端所需要的電壓或電流。
通常，開關電源用於交流到直流(AC/DC)或直流到直流(DC/DC)的轉換，並且主要包括以下電路部分：電磁干擾(EMI)濾波電路、整流濾波電路、功率變換電路、脈寬調變(PWM)控制電路、輸出整流濾波電路等，其中，PWM控制電路主要由PWM控制晶片實現。
根據本發明實施例的用於開關電源的控制晶片，包括高壓N溝道結型接面場效應電晶體(JFET)、電流路徑控制模組、脈寬調變(PWM)控制模組、功率監測模組、以及JFET控制模組，其中：高壓N溝道JFET的汲極連接控制晶片的高壓輸入腳、源極連接電流路徑控制模組、閘極連接JFET控制模組；電流路徑控制模組被配置為控制高壓N溝道JFET與控制晶片的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷；PWM控制模組表徵控制晶片的內部電路中的耗電部分，並且被配置為控制開關電源中的功率開關的導通與關斷；功率監測模組被配置為監測PWM控制模組的功率消耗，並根據PWM控制模組的功率消耗生成功耗控制信號；並且JFET控制模組被配置為根據功耗控制信號控制高壓N溝道JFET的閘極電 壓，從而控制高壓N溝道JFET提供給控制晶片的內部電路的電流。
根據本發明實施例的用於開關電源的控制晶片集成有高壓可控供電電流源(即，高壓N溝道JFET)，並且通過監測PWM控制模組的功率消耗來調整該高壓可控供電電流源的電流輸出，可以實現對開關電源的啟動和供電。進一步地，由於該高壓可控供電電流源集成在控制晶片的高壓輸入腳，利用高壓輸入腳即可實現對開關電源的啟動和供電兩個功能，所以根據本發明實施例的用於開關電源的控制晶片可以省去晶片供電腳。
根據本發明實施例的開關電源，包括如上所述的用於開關電源的控制晶片。
由於根據本發明實施例的用於開關電源的控制晶片可以實現對開關電源的啟動和供電並且可以省去晶片供電腳，所以在應用于開關電源時可以省去使用與晶片供電腳連接的和/或用於實現開關電源的啟動和供電的週邊電路。因此，相比傳統的開關電源，根據本發明實施例的開關電源的成本大大降低。
N:信號控制高壓
100,200,300:返馳變換器電源
Vin:輸入線電壓
R1,R2:電阻
C1:電容
I1,I2,I3:控制晶片
GATE:閘極驅動腳
M1:功率開關
NAUX:輔助繞組
D1:二極體
HV:高壓輸入腳
VDD:晶片供電腳
T:變壓器
302:電流路徑控制模組
304:脈寬調製(PWM)控制模組
306:JFET(功率監測模組)
308:JFET控制模組
B:電流輸入埠(端)
E:電流輸出埠(端)
K:開關
D:信號輸入端
306:功率監測模組
A、C:埠
J1:高壓N溝道結型接面場效應電晶體(JFFT)
F:功率檢測信號
Np:變壓器原邊繞組
Ns:變壓器次級繞組
Co:輸出電容
從下面結合附圖對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：
圖1示出了傳統的返馳變換器電源的系統電路圖。
圖2示出了傳統的返馳變換器電源的系統電路圖。
圖3示出了根據本發明實施例的返馳變換器電源的示例電路圖。
圖4示出了圖3所示的電流路徑控制模組302的示例電路實現。
圖5示出了圖3所示的功率監測模組306的示例邏輯實現。
圖6示出了圖3所示的JFET控制模組308的示例邏輯實現。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施 例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
首先，結合圖1和圖2，說明傳統的返馳變換器電源及其控制晶片存在的一個或多個問題。
圖1示出了傳統的返馳變換器電源100的系統電路圖。在圖1所示的返馳變換器電源100上電後，輸入線電壓Vin經由高壓啟動電阻R1、R2向電容C1充電，並且在電容C1上的電壓達到預定值時返馳變換器電源100的啟動過程完成(即，返馳變換器電源100從啟動狀態進入正常工作狀態)。由於在返馳變換器電源100上電後高壓啟動電阻R1、R2兩端始終存在很大的電壓差值，所以高壓啟動電阻R1、R2會持續地消耗功率、造成功率損失，這會降低返馳變換器電源100的系統效率。如果為了節省返馳變換器電源100的功耗而選擇較大阻值的高壓啟動電阻，則電容C1上的電壓達到預定值所需要的充電時間會增加，這會使返馳變換器電源100的啟動時間增加。在兼顧返馳變換器電源100的系統效率和啟動時間的綜合考慮下，高壓啟動電阻的選擇會增加返馳變換器電源100的設計難度。同時，高壓啟動電阻R1、R2和電容C1的使用會增加返馳變換器電源100的成本。
另外，在返馳變換器電源100處於正常工作狀態時，控制晶片I1通過閘極驅動腳GATE驅動功率開關M1的導通與關斷的過程會消耗很大的電流。此時，需要由變壓器T的輔助繞組NAUX經由二極體D1為控制晶片I1供電，來滿足控制晶片I1的電流消耗需求。這裡，輔助繞 組NAUX和二極體D1的使用也會增加返馳變換器電源100的成本。
圖2示出了傳統的返馳變換器電源200的系統電路圖。在圖2所示的返馳變換器電源200上電後，輸入線電壓Vin經由集成在控制晶片I2的高壓輸入腳HV和晶片供電腳VDD之間的高壓啟動電路向電容C1充電，並且在電容C1上的電壓達到預定值時返馳變換器電源200的啟動過程完成(同時，高壓啟動電路從導通狀態變為關斷狀態)。這裡，返馳變換器電源200不需要高壓啟動電阻，並且高壓啟動電路可以在返馳變換器電源200的啟動過程完成後從導通狀態變為關斷狀態，所以返馳變換器電源200在成本和功耗兩方面相比返馳變換器電源100都有所降低。但是，控制晶片I2增加了一個高壓輸入腳HV，並且在返馳變換器電源200處於正常工作狀態時仍然需要由變壓器T的輔助繞組NAUX為控制晶片I2供電來滿足控制晶片I2的電流消耗需求。這裡，輔助繞組NAUX和二極體D1的使用同樣會增加返馳變換器電源200的成本。
鑒於結合圖1和圖2描述的返馳變換器電源100、200及其控制晶片I1、I2存在的一個或多個問題，提出了根據本發明實施例的開關電源及其控制晶片。下面，以返馳變換器電源為例，詳細說明根據本發明實施例的開關電源及其控制晶片。
圖3示出了根據本發明實施例的返馳變換器電源300的示例電路圖。在圖3所示的返馳變換器電源300中，控制晶片I3包括高壓N溝道結型場效應電晶體(JFET)J1、電流路徑控制模組302、脈寬調變(PWM)控制模組304、功率監測模組306、以及JFET控制模組308，其中：高壓N溝道JFET J1的汲極連接控制晶片I3的高壓輸入腳HV、源極連接電流路徑控制模組302、閘極連接JFET控制模組308；電流路徑控制模組302被配置為控制高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷；PWM控制模組304表徵控制晶片I3的內部電路中的耗電部分，並且被配置為控制返馳變換器電源300中的功率開關M1的導通與關斷；功率監測模組306被配置為監測PWM控制模組304的 功率消耗，並根據PWM控制模組304的功率消耗生成功耗控制信號；JFET控制模組308被配置為根據功耗控制信號控制高壓N溝道JFET J1的閘極電壓，從而控制高壓N溝道JFET J1提供給控制晶片I3的內部電路的電流(使得高壓N溝道JFET J1提供給控制晶片I3的內部電路的電流滿足控制晶片I3在啟動和正常工作過程中對供電電流的需求)。
在圖3所示的返馳變換器電源300中，由於控制晶片I3的高壓輸入腳HV連接輸入線電壓Vin，所以高壓N溝道JFET J1可以利用輸入線電壓Vin經由電流路徑控制模組302為控制晶片I3的內部電路供電。
這裡，控制晶片I3集成有高壓可控供電電流源(即，高壓N溝道JFET)，並且通過監測PWM控制模組的功率消耗(由於PWM控制模組表徵控制晶片I3的內部電路中的耗電部分，所以監測PWM控制模組的功率消耗相當於監測控制晶片I3的功率消耗)來調整該高壓可控供電電流源的電流輸出，可以實現對返馳變換器電源300的啟動和供電。進一步地，由於該高壓可控供電電流源集成在控制晶片I3的高壓輸入腳HV，利用高壓輸入腳HV即可實現對返馳變換器電源300的啟動和供電兩個功能，所以控制晶片I3可以省去晶片供電腳VDD。
在圖3所示的返馳變換器電源300中，電流路徑控制模組302的初態設置為導通狀態，JFET控制模組308的初態設置在零電位。在圖3所示的返馳變換器電源300的啟動過程中，高壓N溝道JFET J1向控制晶片I3的內部電路提供啟動電流，以抬升控制晶片I3的內部電路的電源電壓。
在一些實施例中，當控制晶片I3的內部電路的電源電壓達到啟動電壓閾值UVLO_OFF時，電流路徑控制模組302監測其自身的電流輸入埠(端)B和電流輸出埠(端)E的電壓，並根據電流輸入埠(端)B和電流輸出埠(端)E之間的電壓差值控制高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷。例如，當電電流輸入埠(端)和 電流輸出埠(端)E之間的電壓差值低於第一設定閾值時，電流路徑控制模組302關斷高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑，以防止控制晶片I3的內部電路對高壓N溝道JFET J1的電流倒灌。
在一些實施例中，電流路徑控制模組302在其電流輸出埠E的電壓超過第二設定閾值(例如，過壓保護電壓Vth_ovp)時，也會關斷高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路經，以防止控制晶片I3的電源電壓過高引起控制晶片I3的內部電路損壞。
在一些實施例中，在控制晶片I3的內部電路開始工作後，PWM控制模組304控制功率開關M1的導通與關斷，功率監測模組306通過監測PWM控制模組304的電流消耗、電源電壓、以及由PWM控制模組304生成的用於控制功率開關M1的導通與關斷的開關控制信號中的至少一者，監測PWM控制模組304的功率消耗。這裡，PWM控制模組304的電流消耗和電源電壓可以表徵控制晶片I3的靜態功耗需求，而由PWM控制模組304生成的用於控制功率開關M1的導通與關斷的開關控制信號可以表徵控制晶片I3的動態功耗需求。功率監測模組308可以即時監測控制晶片I3的靜態功耗需求，並且可以通過監測PWM控制模組304生成的用於控制功率開關M1的導通與關斷的開關控制信號對控制晶片I3接下來的功耗需求(即，動態功耗需求)進行預判，以提早向JFET控制模組308提出電流輸出需求，避免在劇烈的動態功耗變化時由於供電回應不足而造成控制晶片I3的內部電路的電源電壓的掉落，從而防止控制晶片I3的內部電路工作異常。
在一些實施例中，功率監測模組306還根據PWM控制模組304的功率消耗生成路徑控制信號，以使得電流路徑控制模組302根據路徑控制信號控制高壓N溝道FET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷。例如，在功率監測模組306根據PWM控制模組304的功率消耗確定控制晶片I3的內部電路無電流輸入需求時，可以生成指示電流路徑控制模組302關斷高壓N溝道FET J1與控制晶片I3的內部 電路之間的電流路徑的路徑關斷控制信號，以快速切斷對控制晶片I3的電流輸入，保護控制晶片I3的內部電路不受到過流、過壓的衝擊。
圖4示出了圖3所示的電流路徑控制模組302的示例電路實現。如圖4所示，在一些實施例中，電流路徑控制模組302包括開關K和開關控制子模組，開關控制子模組根據電流輸入埠(端)B、電流輸出埠(端)E、以及信號輸入端D三個端子處的電壓來控制開關K的閉合與斷開，從而控制高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷。例如，開關控制子模組可以在電流輸入埠(端)B和電流輸出端E之間的電壓差值低於第一設定閾值時控制開關K斷開，從而關斷高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑。再如，開關控制子模組可以在電流輸出端E的電壓超過第二設定閾值時控制開關K斷開，從而關斷高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑。再如，開關控制子模組可以在經由信號輸入端D接收到來自功率監測模組306的路徑關斷控制信號時控制開關K斷開，從而關斷高壓N溝道JFET J1與控制晶片I3的內部電路之間的電流路徑。
圖5示出了圖3所示的功率監測模組306的示例邏輯實現。如圖5所示，在一些實施例中，功率監測模組306包括電流資訊處理子模組、電壓資訊處理子模組、開關資訊處理子模組、以及控制信號生成子模組，其中：電流資訊處理子模組監測PWM控制模組304的電流消耗並生成電流消耗表徵信號；電壓資訊處理子模組監測PWM控制模組304的電源電壓並生成電源電壓表徵信號；開關資訊處理子模組監測由PWM控制模組304生成的用於控制功率開關M1的導通與關斷的開關控制信號並生成開關信號表徵信號；控制信號生成子模組根據電流消耗表徵信號、電源電壓表徵信號、以及開關信號表徵信號生成功耗控制信號。
圖6示出了圖3所示的JFET控制模組308的示例邏輯實現。如圖6所示，JFET控制模組308包括動態回應控制子模組、調節控制子模組、預判控制子模組、以及控制信號生成子模組，其中：動態回應控 制子模組根據功耗控制信號生成動態回應控制信號；調節控制子模組根據功耗控制信號生成調節控制信號；預判控制子模組根據功耗控制模組生成預判控制信號；控制信號生成子模組根據動態回應控制信號、調節控制信號、以及預判控制信號生成用於控制高壓N溝道JFET J1的閘極電壓的閘極控制信號(即，根據動態回應控制信號、調節控制信號、以及預判控制信號控制高壓N溝道JFET J1的閘極電壓)。這裡，動態回應控制子模組、調節控制子模組、和預判控制子模組均經由埠C接收來自功率監測模組306的功耗控制信號，控制信號生成子模組經由埠A向高壓N溝道JFET J1的閘極電壓輸出閘極控制信號。
從以上描述可以看出，控制晶片I3集成有高壓可控供電電流源，通過監測控制晶片I3的功率消耗來調整該高壓可控供電電流源的電流輸出，可以實現對返馳變換器電源300的啟動和供電。這裡，由於該高壓可控供電電流源集成在控制晶片I3的高壓輸入腳HV，利用高壓輸入腳HV即可實現對返馳變換器電源300的啟動和供電兩個功能，所以控制晶片I3可以省去晶片供電腳VDD。
在圖3所示的返馳變換器電源300中，由於控制晶片I3自身可以實現對返馳變換器電源300的啟動和供電，所以相比圖1和圖2所示的返馳變換器電源100和200，可以省去使用連接在變壓器T的輔助繞組NAUX和控制晶片I1/I2的晶片供電腳VDD之間的電容C1和二極體D1，極大地降低了成本。
本領域技術人員應該明白的是，控制晶片I3不僅適用於返馳變換器電源300，而且適用于諸如，降壓(BUCK)架構或升壓(BOOST)架構等其他架構的開關電源。在控制晶片I3應用於例如，BUCK或BOOST架構的開關電源時，可以省去使用與晶片供電腳VDD連接的和/或用於實現BUCK或BOOST架構的開關電源的啟動和供電的週邊電路。因此，相比傳統的BUCK或BOOST架構的開關電源，根據本發明實施例的BUCK或BOOST架構的開關電源的成本大大降低。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附請求項而非上述描述定義，並且，落入請求項的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
300:返馳變換器電源
Vin:輸入線電壓
I3:控制晶片
GATE:閘極驅動腳
M1:功率開關
HV:高壓輸入腳
T:變壓器
302:電流路徑控制模組
304:脈寬調製(PWM)控制模組
306:JFET(功率監測模組)
B:電流輸入埠(端)
E:電流輸出埠(端)
D:信號輸入端
A、C:埠
J1:高壓N溝道結型接面場效應電晶體(JFET)
F:功率檢測信號
Np:變壓器原邊繞組
Ns:變壓器次級繞組
Co:輸出電容

Claims (8)

  1. 一種用於開關電源的控制晶片，包括高壓N溝道結型場效應電晶體(JFET)、電流路徑控制模組、脈寬調變(PWM)控制模組、功率監測模組、以及JFET控制模組，其中：所述高壓N溝道JFET的汲極連接所述控制晶片的高壓輸入腳、源極連接所述電流路徑控制模組、閘極連接所述JFET控制模組；所述電流路徑控制模組被配置為控制所述高壓N溝道JFET與所述控制晶片的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷；所述PWM控制模組表徵所述控制晶片的內部電路中的耗電部分，並且被配置為控制所述開關電源中的功率開關的導通與關斷；所述功率監測模組被配置為監測所述PWM控制模組的功率消耗，並根據所述PWM控制模組的功率消耗生成功耗控制信號；並且所述JFET控制模組被配置為根據所述功耗控制信號控制所述高壓N溝道JFET的閘極電壓，從而控制所述高壓N溝道JFET提供給所述控制晶片的內部電路的電流，且，根據所述功耗控制信號生成動態回應控制信號、調節控制信號、以及預判控制信號，並根據所述動態回應控制信號、所述調節控制信號、以及所述預判控制信號控制所述高壓N溝道JFET的閘極電壓。
  2. 根據請求項1所述的控制晶片，其中，所述電流路徑控制模組進一步被配置為根據其自身的電流輸入埠和電流輸出埠之間的電壓差值，控制所述高壓N溝道JFET與所述控制晶片的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷。
  3. 根據請求項1所述的控制晶片，其中，所述電流路徑控制模組進一步被配置為根據其自身的電流輸出埠的電壓，控制所述高壓N溝道JFET與所述控制晶片的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷。
  4. 根據請求項1所述的控制晶片，其中，所述功率監測模組進一步被配置為通過監測所述PWM控制模組的電流消耗、電源電壓、以及由所述 PWM控制模組生成的用於控制所述功率開關的導通與關斷的開關控制信號中的至少一者，監測所述PWM控制模組的功率消耗。
  5. 根據請求項1至4中任一項所述的控制晶片，其中，所述功率監測模組進一步被配置為根據所述PWM控制模組的功率消耗生成路徑控制信號，並且所述電流路徑控制模組進一步被配置為根據所述路徑控制信號控制所述高壓N溝道FET與所述控制晶片的內部電路之間的電流路徑的導通與關斷。
  6. 根據請求項1所述的控制晶片，其中，所述電流路徑控制模組進一步被配置為在其自身的電流輸入埠和電流輸出埠之間的電壓差值低於第一閾值時，關斷所述高壓N溝道JFET與所述控制晶片的內部電路之間的電流路徑。
  7. 根據請求項1所述的控制晶片，其中，所述電流路徑控制模組進一步被配置為在其自身的電流輸出埠的電壓超過第二閾值時，關斷所述高壓N溝道JFET與所述控制晶片的內部電路之間的電流路徑。
  8. 一種開關電源，包括請求項1至7中任一項所述的用於開關電源的控制晶片。
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