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TWI835291B - 升壓式開關電源及其升壓控制器 - Google Patents

升壓式開關電源及其升壓控制器 Download PDF

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TWI835291B
TWI835291B TW111134561A TW111134561A TWI835291B TW I835291 B TWI835291 B TW I835291B TW 111134561 A TW111134561 A TW 111134561A TW 111134561 A TW111134561 A TW 111134561A TW I835291 B TWI835291 B TW I835291B
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boost controller
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黃曉敏
楊彭林
林元
孫運
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大陸商昂寶電子（上海）有限公司
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Abstract

提供了一種升壓式開關電源及其升壓控制器。升壓式開關電源包括變壓器、脈寬調變控制器、以及升壓控制器，升壓控制器的開關控制引腳處的電壓由變壓器的輔助繞組提供，升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓既是升壓控制器的供電電壓也是脈寬調變控制器的供電電壓。升壓控制器被配置為：升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓在升壓式開關電源上電後開始增大；以及升壓控制器的開關控制引腳處的電壓在脈寬調變控制器啟動後開始增大。當升壓控制器的開關控制引腳處的電壓大於升壓控制器的啟動電壓且升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於升壓控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，升壓控制器啟動。

Description

升壓式開關電源及其升壓控制器
本發明涉及積體電路領域，尤其涉及一種升壓式開關電源及其升壓控制器。
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，返馳(fly-back)架構、降壓(BUCK)架構、或升壓(BOOST)架構等)將一個位準的電壓轉換為使用者端所需要的電壓或電流。
根據本發明實施例的用於升壓式開關電源的升壓控制器，其中，升壓式開關電源包括變壓器、脈寬調變控制器、以及升壓控制器，升壓控制器的開關控制引腳處的電壓由變壓器的輔助繞組提供，升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓既是升壓控制器的供電電壓也是脈寬調變控制器的供電電壓，升壓控制器被配置為：升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓在升壓式開關電源上電後開始增大；以及升壓控制器的開關控制引腳處的電壓在脈寬調變控制器啟動後開始增大，其中，當升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於脈寬調變控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，脈寬調變控制器啟動；當升壓控制器的開關控制引腳處的電壓大於升壓控制器的啟動電壓且升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於升壓控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，升壓控制器啟動。
根據本發明實施例的用於升壓式開關電源的升壓控制器，其中，升壓式開關電源包括變壓器、脈寬調變控制器、以及升壓控制器，升壓控制器的開關控制引腳處的電壓由變壓器的輔助繞組提供，升壓控制器 的晶片供電引腳處的電壓既是升壓控制器的供電電壓也是脈寬調變控制器的供電電壓，升壓控制器被配置為：升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓在升壓式開關電源上電後開始增大；當升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於連接在升壓控制器的晶片供電引腳和開關控制引腳之間的功率開關的導通電壓時，功率開關導通，使得升壓控制器的開關控制引腳處的電壓等於升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓；當升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於升壓控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，升壓控制器啟動，功率開關斷開，並且升壓控制器的供電電壓從升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓切換為升壓控制器的開關控制引腳處的電壓，其中，當升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於脈寬調變控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，脈寬調變控制器啟動。
根據本發明實施例的升壓式開關電源，包括上述用於升壓式開關電源的升壓控制器。
100:返馳式開關電源
U2:升壓控制器
200:升壓式開關電源
300:升壓控制電路
400,700:啟動控制電路
Burst:脈衝發生器
C1,C2,C11:電容
CS:電流感測腳
D1:二極體
DFF1:D觸發器
Dischar_en:信號
Duty max:最大占空比信號
EN_SW:開關使能信號
ENA:使能信號
FB:輸出回饋信號
Fboost:時鐘信號
Gm:跨導運算放大器
M,M11,M22:功率開關
Naux:輔助繞組
Np:一次繞組
Q:輸出端
Rocp,Rstart:電阻
S1:功率開關
SW:開關控制引腳
SW_ocp:保護信號
T:變壓器
U1:脈寬調製(PWM)控制器
UVLO_off_bwm:欠壓鎖定關斷閾值
UVLO_on_bst,UVLO_on_pwm:欠壓鎖定開啟閾值
V0,Vreg,Vref_ocp,Vth1:閾值電壓
Vac:系統輸入分壓
VC,Vsw,VR:電壓
VDD:供電電壓
Vdio:導通電壓
Vin:輸入電壓
Vout:系統輸出電壓
Vs1_on:導通閾值
Vsw_on:啟動電壓
Vsw_off:關閉電壓
從下面結合圖式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示出了傳統的返馳式開關電源的系統電路圖。
圖2示出了根據本發明實施例的升壓式開關電源的系統電路圖。
圖3示出了圖2所示的升壓控制器的升壓控制電路的電路原理圖。
圖4示出了用於圖2所示的升壓控制器的啟動控制電路的示例電路圖。
圖5示出了圖4所示的啟動控制電路實現的啟動控制過程的流程圖。
圖6示出了圖4所示的啟動控制電路實現的關機/掉電控制過程的流程圖。
圖7示出了用於圖2所示的升壓控制器的另一啟動控制電路的示例電路圖。
圖8示出了用於圖2所示的升壓控制器的又一啟動控制電路的示例電路圖。
圖9示出了圖8所示的啟動控制電路實現的啟動控制過程的流程圖。
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。
圖1示出了傳統的返馳式開關電源100的系統電路圖。如圖1所示，返馳式開關電源100包括變壓器T、連接到變壓器T的一次繞組Np的功率開關M、以及脈寬調變(PWM)控制器U1，其中，PWM控制器U1基於表徵流過變壓器T的一次繞組Np的原邊電流的電流感測腳CS和表徵返馳式開關電源100的系統輸出電壓Vout的輸出回饋信號FB來控制功率開關M的導通與關斷，從而控制返馳式開關電源100的系統輸出電壓Vout。
在圖1所示的返馳式開關電源100中，PWM控制器U1的供電電壓VDD由變壓器T的輔助繞組Naux提供，並且隨系統輸出電壓Vout成正比變化，因此在系統輸出電壓Vout的變化範圍非常寬的情況下，PWM控制器U1的供電電壓VDD的變化範圍也必須非常寬(即，供電電壓VDD的最大值VDDmax與最小值VDDmin之間的差值必須非常大)。然而，由於用在PWM控制器U1中的半導體器件具有一定的工作電壓範圍，在半導體器件的最大耐壓確定的情況下，PWM控制器U1的供電電壓VDD的最大值VDDmax基本是固定的(受半導體製造工藝限制)，PWM控制器U1的供電電壓VDD的最小值VDDmin必須很低，才能滿足PWM控制器U1的供電電壓VDD的變化範圍非常寬的要求。
但是，當PWM控制器U1的供電電壓VDD的最小值VDDmin很低時，難以滿足PWM控制器U1的供電要求，此時必須在返馳式開關電源100中增加升壓功能，通過升壓功能將PWM控制器U1的供電電壓VDD的最小值VDDmin提升到較高電壓值，來確保PWM控制器U1的供電要求得到滿足。
圖2示出了根據本發明實施例的升壓式開關電源200的系統電路圖。圖2所示的升壓式開關電源200與圖1所示的返馳式開關電源100的區別在於，除了包括變壓器T、連接到變壓器T的一次繞組Np的功率開關M、以及PWM控制器U1以外還包括升壓控制器U2，其中，升壓控制器U2的開關控制引腳(即，SW引腳)連接到變壓器T的輔助繞組Naux，並且升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw是變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin；升壓控制器U2的晶片供電引腳(即，VDD引腳)連接到PWM控制器U1的VDD引腳，並且升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD既是升壓控制器U2的供電電壓也是PWM控制器U1的供電電壓。這裡，PWM控制器U1的工作原理與結合圖1描述的工作原理類似，在此不再贅述。
下面，為了描述方便，升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw和變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin可以交換使用，並且升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD、升壓控制器U2的供電電壓VDD、以及PWM控制器U1的供電電壓VDD可以交換使用。
在升壓式開關電源200正常工作期間，如果變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin低於閾值電壓V0，則升壓控制器U2將輸入電壓Vin調節為閾值電壓V0並將閾值電壓V0作為PWM控制器U1的供電電壓VDD提供給PWM控制器U1；如果變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin高於閾值電壓V0，則升壓控制器U2不對輸入電壓Vin進行調節，而直接將其作為PWM控制器U1的供電電壓VDD提供給PWM控制器U1。因此，PWM控制器U1的供電電壓VDD保持在閾值電壓V0 至VDDmax的範圍內。
在升壓式開關電源200的啟動過程中，交流輸入電壓經由電磁干擾篩檢程式和分壓網路處理得到的系統輸入分壓Vac通過啟動電阻Rstart對電容C1充電，PWM控制器U1的供電電壓VDD斜坡增大；當PWM控制器U1的供電電壓VDD達到PWM控制器U1的欠壓鎖定關斷閾值UVLO_off_bwm時，PWM控制器U1開始工作。
圖3示出了圖2所示的升壓控制器U2的升壓控制電路300的電路原理圖。如圖3所示，在升壓控制器U2的升壓控制電路中：二極體D1連接在升壓控制器U2的SW引腳和VDD引腳之間；當升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw大於VDD引腳處的電壓VDD與二極體D1的導通電壓Vdio之和(即，Vsw>VDD+Vdio)時，二極體D1導通，升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw經由二極體D1提供給升壓控制器U2的VDD引腳，用作PWM控制器U1的供電電壓VDD；當升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw小於VDD引腳處的電壓VDD與二極體D1的導通電壓Vdio之和(即，Vsw<VDD+Vdio)時，二極體D1關斷，通過控制功率開關M11和M22的導通與關斷來將升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw調節為閾值電壓V0，並將閾值電壓V0提供給升壓控制器U2的VDD引腳，用作PWM控制器U1的供電電壓VDD。
如圖3所示，在升壓控制器U2的升壓控制電路300中：跨導運算放大器Gm對升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD和閾值電壓Vreg進行比較，並且在VDD<Vreg時產生充電電流對電容C11充電；電容C11上的電壓VC增大，脈衝發生器Burst基於電容C11上的電壓VC產生使能信號ENA=1；時鐘信號Fboost觸發D觸發器DFF1的Q輸出端輸出Q=1，使得功率開關M11和M22導通；電阻Rocp採樣流過功率開關M22的電流；比較器Comp對電阻Rocp上的電壓VR與閾值電壓Vref_ocp進行比較，並且在VR>Vref_ocp時產生保護信號SW_ocp=0，此時D觸發器DFF1的Q輸出端輸出Q=0，使得功率開關M11和M22關斷；當功率開 關M11和M22的導通時間達到最大導通時間時，指示功率開關M11和M22的導通時間是否達到最大導通時間的最大占空比信號Duty max=0，D觸發器DFF1的Q輸出端也輸出Q=0，使得功率開關M11和M22關斷；當VDD>Vreg時，跨導運算放大器Gm產生放電電流對電容器C11放電，電容C11上的電壓VC減小，脈衝發生器Burst基於電容C11上的電壓VC產生使能信號ENA=0，D觸發器DFF1的Q輸出端輸出Q=0，使得功率開關M11和M22斷開。
目前，升壓式開關電源200的啟動方案包括以下兩種：方案1)PWM控制器U1先啟動，等變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin增大到一定值再啟動升壓控制器U2，但是在PWM控制器U1下次重啟時變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin可能較高，使得升壓控制器U2提前於PWM控制器U1啟動，PWM控制器U1由於啟動電流不夠而無法啟動；方案2)升壓控制器U2先啟動，PWM控制器U1後啟動，但是由於升壓控制器U2本身的耗電，可能導致PWM控制器U1由於啟動電流不夠而無法啟動。
鑒於上述情況，提出了根據本發明實施例的用於圖2所示的升壓式開關電源200的啟動方案，以保證升壓式開關電源200能夠正常啟動、工作、和關閉。
圖4示出了用於圖2所示的升壓控制器U2的啟動控制電路400的示例電路圖。圖4所示的啟動控制電路400可以控制升壓控制器U2在PWM控制器U1啟動之後再啟動，並且可以避免系統重啟時PWM控制器U1由於啟動電流不夠而無法重啟的問題。
圖5示出了圖4所示的啟動控制電路400實現的啟動控制過程的流程圖。結合圖2、圖4、和圖5可以看出，在升壓式開關電源200上電後：升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD斜坡增大；當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD大於PWM控制器U2的欠壓鎖定關斷閾值UVLO_off_pwm時，PWM控制器U1啟動，升壓控制器U2的SW引腳 處的電壓Vsw斜坡增大；當升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw小於升壓控制器U2的啟動電壓Vsw_on時，升壓控制器U2不啟動；當升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw大於升壓控制器U2的啟動電壓Vsw_on並且升壓變壓器U2的VDD引腳處的電壓VDD大於升壓變壓器U2的欠壓鎖定關斷閾值UVLO_off_bst時，升壓變壓器U2啟動。
圖6示出了圖4所示的啟動控制電路實現的關機/掉電控制過程的流程圖。結合圖2、圖4、和圖6可以看出，在升壓式開關電源200掉電或保護性關閉時：PWM控制器U1不輸出用於驅動功率開關M的導通與關斷的柵極驅動信號，升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw斜坡減小，升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD靠升壓控制器U2維持一段之間後也斜坡降低；當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD小於放電閾值Vdischar時，放電使能信號Dischar_en=1，主放電通路導通，升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw快速降低；當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD小於PWM控制器U1的欠壓鎖定開啟閾值UVLO_on_pwm時，PWM控制器U1關閉；當升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw小於升壓控制器U2的關閉電壓Vsw_off且升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD小於升壓控制器U2的欠壓鎖定開啟閾值UVLO_on_bst時，升壓控制器U2關閉，同時主放電通路關斷，等待升壓式開關電源200重啟。
在一些實施例中，圖4所示的啟動控制電路400也可以不包括主放電通路，只要能確保VDD<UVLO_on_bst之前Vin<Vsw_off即可。在一些情況下，也可以在圖4所示的啟動控制電路400中額外增加輔助放電通路來確保VDD<UVLO_on_bst之前Vin<Vsw_off，例如，可以基於升壓控制器U2內部的電源良好信號(即，PG信號)來控制放電通路導通。
圖7示出了用於圖2所示的升壓控制器U2的啟動控制電路700的示例電路圖。圖7所示的啟動控制電路700與圖4所示的啟動控制電路400的不同在於：在升壓式開關電源200啟動時，無論變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin的大小如何，只要升壓控制器U2的VDD 引腳處的電壓VDD大於升壓控制器U2的欠壓鎖定關斷閾值UVLO_off_bst，就產生PG信號；只有當變壓器T的輔助繞組Naux提供的輸入電壓Vin大於升壓控制器U2的啟動電壓Vsw_on時，升壓控制器U2才啟動。這樣，升壓控制器U2的PG信號產生電路先啟動，只需等Vin>Vsw_on即可正常工作，不用擔心Vin>Vsw_on時VDD是否大於UVLO_off_bst。
圖8示出了用於圖2所示的升壓控制器U2的啟動控制電路800的示例電路圖。圖8所示的啟動控制電路800可以控制升壓控制器U2在PWM控制器U1啟動之前先啟動，並且可以避免PWM控制器U1由於啟動電流不夠而無法啟動的問題。
圖9示出了圖8所示的啟動控制電路700實現的啟動控制過程的流程圖。結合圖2、圖8、和圖9可以看出，在升壓式開關電源200上電後：系統輸入分壓Vac通過電阻Rstart給電容C2充電，當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD大於功率開關S1的導通閾值Vs1_on時，功率開關S1導通，升壓控制器U2的SW引腳處的電壓Vsw等於VDD引腳處的電壓VDD並給電容C1充電；當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD大於升壓控制器U2的欠壓鎖定關斷閾值UVLO_off_bst時，升壓控制器U2啟動，功率開關S1關斷；開關使能信號EN_SW=1，只有電容C1給升壓控制器U2供電，電容C2不再給升壓控制器U2供電；系統輸入分壓Vac通過電阻Rstart繼續給電容C2充電，當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD大於PWM控制器U1的欠壓鎖定關斷閾值UVLO_off_pwm時，PWM控制器U1啟動，升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD斜坡下降；當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD小於閾值電壓Vth1時，切換回電容C2給升壓控制器U2供電；當升壓控制器U2的VDD引腳處的電壓VDD小於升壓控制器U2的欠壓鎖定開啟閾值UVLO_on_bst時，升壓控制器U2關閉。
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征。例如，特定實施例中所描述的算法可以被修改，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。
U1:脈寬調變(PWM)控制器
U2:升壓控制器
UVLO_on_bst,UVLO_on_pwm:欠壓鎖定開啟閾值
VDD:供電電壓
Vsw:電壓
Vsw_on:啟動電壓

Claims (6)

  1. 一種用於升壓式開關電源的升壓控制器，其中，所述升壓式開關電源包括變壓器、脈寬調變控制器、以及所述升壓控制器，所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓由所述變壓器的輔助繞組提供，所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓既是所述升壓控制器的供電電壓也是所述脈寬調變控制器的供電電壓，所述升壓控制器被配置為：所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓在所述升壓式開關電源上電後開始增大；以及所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓在所述脈寬調變控制器啟動後開始增大，其中當所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於所述脈寬調變控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，所述脈寬調變控制器啟動；當所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓大於所述升壓控制器的啟動電壓且所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於所述升壓控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，所述升壓控制器啟動；所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓在所述升壓式開關電源掉電或保護性關閉後開始下降；以及所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓在所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓下降到無法維持所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓保持不變後開始下降，其中當所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓小於所述脈寬調變控制器的欠壓鎖定開啟閾值時，所述脈寬調變控制器關閉，當所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓小於所述升壓控制晶片的關閉電壓且所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓小於所述升壓控制器的欠壓鎖定開啟閾值時，所述升壓控制器關閉。
  2. 如請求項1所述的升壓控制器，進一步被配置為： 當所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓小於放電閾值時，對所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓進行放電。
  3. 如請求項1所述的升壓控制器，進一步被配置為：在所述升壓控制器啟動後，生成電源良好信號；以及基於所述電源良好信號對所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓進行放電。
  4. 如請求項1所述的升壓控制器，進一步被配置為：在所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於所述升壓控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，生成電源良好信號；以及基於所述電源良好信號對所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓進行放電。
  5. 一種用於升壓式開關電源的升壓控制器，其中，所述升壓式開關電源包括變壓器、脈寬調變控制器、以及所述升壓控制器，所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓由所述變壓器的輔助繞組提供，所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓既是所述升壓控制器的供電電壓也是所述脈寬調變控制器的供電電壓，所述升壓控制器被配置為：所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓在所述升壓式開關電源上電後開始增大；當所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於連接在所述升壓控制器的晶片供電引腳和開關控制引腳之間的功率開關的導通電壓時，所述功率開關導通，使得所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓等於所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓；當所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於所述升壓控制器的欠壓鎖定關斷閾值時，所述升壓控制器啟動，所述功率開關斷開，並且所述升壓控制器的供電電壓從所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓切換為所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓，其中當所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓大於所述脈寬調變控制器 的欠壓鎖定關斷閾值時，所述脈寬調變控制器啟動；所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓在所述脈寬調變控制器啟動後開始下降；當所述升壓控制器的晶片供電引腳處的電壓小於切換閾值時，將所述升壓控制器的供電電壓從所述升壓控制器的開關控制引腳處的電壓切換回所述升壓控制器的供電引腳處的電壓。
  6. 一種升壓式開關電源，包括請求項1至5中任一項所述的升壓控制器。
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