CN100588097C - 电源控制器方法和结构 - Google Patents

Abstract

一种形成电源控制器的方法包括：耦合电源控制器以接收代表输入电压的第一信号和代表输入电流的第二信号以及响应性地形成代表输入功率的功率信号；耦合电源控制器以接收代表输出电压的反馈信号；以及耦合电源控制器以同时响应于功率信号和反馈信号两者形成用于调整输出电压的驱动脉冲。如上构造的电源控制器在大负载条件下通过维持基本上恒定的输入功率而防止遭到损坏。

Description

电源控制器方法和结构

技术领域

本发明一般地涉及电子学，更具体地，涉及形成半导体器件和结构的方法。

背景技术

过去，半导体工业利用各种方法和结构来生产电源控制器。典型地，电源控制器利用电压模式或电流模式调整技术来调整输出电压的值。电压模式控制器利用输出电压的值作为反馈信号来调整输出电压的值。电流模式控制器利用输出电压和流经开关式晶体管的开关电流值两者来调整输出电压值。这种电流模式控制器的一个实例在2001年6月26日授予Dong-Young Huh的美国专利号6,252,783中公开。

当输出电压值例如由于负载电流的增加而降低时，控制器就增加开关电流以增加负载电流。在一些情况下，例如输出短路时，控制器将负载电流增加到会导致控制器和电源系统损坏的值。

因此，期望具有能够防止控制器在大负载条件下的损坏的电源控制器。

附图说明

图1示意性图示了具有根据本发明的电源控制器实施例的电源系统实施例的一部分；

图2是示意性图示了具有根据本发明的图1电源控制器另一个实施例的另一个电源系统实施例的一部分；以及

图3示意性图示了包括根据本发明的电源控制器的半导体器件实施例的放大平面图。

为了图示的简单清楚，图中的单元不一定是按比例的，并且不同图中的相同标号指代相同的单元。此外，为了简化描述，省略了公知步骤和单元的描述和细节。

具体实施方式

图1示意性图示了包括电源控制器40实施例的电源系统10实施例的一部分，电源控制器40使用到系统10的输入功率以调整系统10的输出电压并防止对控制器40和系统10的损坏。其它部分典型地从外部连接到控制器40，以为系统10提供功能性。例如，从例如家用电源线的AC源接收源电压的桥式整流器11、能量存储电容器17和70、包括串联连接的和跨整流器11耦合的电阻器14和15的分压器、变压器18、阻塞二极管19、输出存储电容器21、输出晶体管或开关式晶体管26、反馈网络29和感流电阻器27典型地被从外部连接到控制器40。整流器11在整流器11的连接12与13之间形成典型地被电容器70滤波到基本为DC波形的本体(bulk)电压。电阻器14和15将在连接12与13之间形成的本体电压分割成可由控制器40使用的输入电压。在输入端41接收的输入电压典型地代表对系统10的本体输入电压。控制器40接收输入电压，并将其用于由控制器40进行的控制功能。电阻器14和15的值通常被选择为用于提供期望的功能，并且还可以被选择为用于设置掉电检测的电压电平，这将在后面进一步说明。控制器40接收本体输入电压作为电源输入端50和电压返回42之间的电源电压，且系统10在输出端22与23之间提供输出电压。控制器40使用在电源输入端50与返回42之间接收的电源电压来为控制器40提供内部运行电压。负载24典型地连接在输入端22与23之间，以在除了输出电压之外从系统10接收负载电流。

晶体管26典型地是串联连接在变压器18原线圈的一支与电阻器27之间的开关功率晶体管。控制器40具有连接到驱动晶体管26的输出端46。感流电阻器27被串联连接在晶体管26与返回42之间，以在节点28提供感流(CS)信号。CS信号是代表流经晶体管26的开关电流68，进而代表到系统10的输入电流的电压。感流(CS)信号在感流(CS)输入端43被控制器40接收。反馈网络29典型地是提供代表输出端22与23之间输出电压的反馈(FB)电流33的光耦合器。光耦合器典型地具有连接在输出端22与基准连接30之间的发光二极管。基准电压一般被施加到连接30，使得基准电压加上网络29中发光二极管上压降的值近似等于输出端22与23之间的期望输出电压。例如，齐纳二极管可以连接在连接30与输出端23之间，以提供期望的基准电压。光耦合器还包括光学晶体管，其具有耦合到控制器40的反馈(FB)输入端44的发射极和连接到控制器40的电压端16的集电极。反馈网络29还可以是包括串联连接电阻器的多种公知反馈网络的一种。变压器18、电容器21、电容器70、二极管19、整流器11、电容器17和电阻器14与15被示出用于帮助描述控制器40的操作。在大部分实施例中，网络29、晶体管26、变压器18、电容器21和二极管19位于其上形成控制器40的半导体模的外部，但是在一些实施例中，晶体管26和电阻器27中的一个或两者可以包含在控制器40中。

控制器40包括脉冲宽度调制(PWM)控制器或PWM 61、基准发生器或基准47、内部调整器45、乘法器51和包括误差放大器52和感流(CS)比较器56的误差块69。控制器40典型地包括驱动器66，并且还可以包括用于向控制器40提供额外功能的其它电路例如掉电检测器48以及未示出的其它公知电路，例如电压下锁定(UVLO)、上升边缘消隐电路(blanking)、软启动和过压保护。调整器45从电源输入端50接收电源电压，并为包括基准47、检测器48、PWM 61、乘法器51、放大器52和比较器56的控制器40内的元件提供内部运行电压。虽然为了简化附图没有示出，但是调整器45连接在输入端50与返回42之间，以接收施加给输入端50的电压。调整器45还具有连接到电压端16的电压输出，以为控制器40和控制器40的外部电路提供内部运行电压。基准47产生由放大器52使用的电压基准信号Vref1，并且还可以在控制器40内的其它地方使用。PWM 61包括以周期速率提供时钟信号的时钟发生器或时钟62，复位支配(resetdominant)RS/锁存器63，以及典型地被用于基于例如检测器48的其它控制逻辑而修改的PWM驱动信号的控制逻辑64。在大部分实施例中，放大器52和比较器56被看作是PWM 61的一部分。时钟62在输出端60上提供周期时钟脉冲，该脉冲用于设置锁存器63和形成施加给晶体管26栅极以导通或使能晶体管26的驱动脉冲的上升边缘。导通晶体管形成流经晶体管26和电阻器27的电流68，并形成到负载24的负载电流并给电容器21充电。锁存器63被复位以通过将比较器56的输出被驱动为逻辑高而形成驱动脉冲的后沿。

控制器40被形成用于使用输入端41上的输入电压和输入端43上的CS信号来计算到系统10的输入功率的瞬时值，以及用于使用FB信号和系统输入功率的平均值来将输出端22和23上的输出电压值调整到期望运行值。例如，如果期望的正常运行值是3.5伏，那么控制器40使用输入功率将输出电压调整到约3.5伏。输出电压的值一般被调整到位于期望值的加减百分之十(10％)范围之内。如将从下面看到的，控制器40使用输入功率来帮助调制由PWM 61形成的用于驱动晶体管26的驱动脉冲的工作循环。当来自时钟62的时钟边缘设置锁存器63时，控制器40使能晶体管26，并且开关电流68流经晶体管26和电阻器27并形成CS信号。乘法器51接收输入电压和CS信号，并相应地将两个信号相乘到一起，以形成功率感知信号作为代表对系统10的瞬时输入功率的电流67。反馈网络29产生FB电流33。FB电流33和67在节点55被相加到一起形成功率FB控制电流34，该电流34被电阻器31和电容器32转变为功率FB控制电压。电阻器31上的功率FB控制电压表示代表输入功率的信号被加到代表期望输出电压与实际输出电压之间差的量所得的和。功率FB控制电压由误差放大器52接收，其响应性地在输出端59上产生误差信号。结果，误差信号的值也代表将输出电压保持为基本上恒定所需的输入功率量。电阻器53和54被用于设置放大器52的增益。比较器56接收误差电压和CS信号，并响应性地比较CS信号和误差信号，以确定以其复位锁存器63的电流69的合适值。复位锁存器63终止到晶体管26的电流驱动脉冲。本领域的技术人员将认识到，因为系统10是以典型地称为非连续电流操作的模式运行的，所以电流67具有三角波形。在其中系统10以典型地称为连续电流模式的模式操作的其它实施例中，电流67将具有梯形波形。非连续和连续电流操作模式都是本领域的技术人员所公知的。电阻器31和电容器32的滤波对电流67的三角波形积分，以提供由电流67代表的功率的平均值。滤波还积分电流33中的瞬时改变，以提供由电流33代表的电压的平均值。滤波的时间常数典型地在10到100(10-100)微秒的范围内变化。

当负载24需要负载电流的增加时，输出端22与23之间的输出电压降低，导致电流33的相应降低。输出电压的改变代表从期望的稳定状态输出电压值或第一值的条件到另一个稳定状态调整的电压条件的转变。注意，当输出电压为第一值时，输出端44处的功率FB控制电压处于第一稳定状态值或第一值，并且当电流33改变时功率FB控制电压值也改变，但是这种改变可能很小。本领域的技术人员理解完成从一个稳定状态条件到另一个稳定状态条件的这种转变可能需要几个循环来完成。为了使描述清楚，下面的描述缩短了循环数。电阻器31和电容器32的滤波将电流33的改变积分，以形成使施加给放大器52的功率FB控制电压值从第一值下降到第二值的电压改变的平均值。功率FB控制电压的下降的第二值被放大器52接收。因此放大器52是反相的，所以输出端59上的电压从第一电压增加到第二电压。放大器52具有高增益，因此，由放大器52所接收电压的值的很小改变就会导致输出端59上电压的很大改变以及电流68的相应很大改变。在优选实施例中，放大器52具有约十(10)的增益。当时钟62设置锁存器63时，在输出端43处的相应感流信号被乘法器51和比较器56接收。如前面提到的，可能需要几个循环的这种改变来完成稳定状态条件之间的转变。输出端59的增加第二电压值要求电流68和CS信号的值在比较器56的输出走高到复位锁存器63之前增加。电流68的增加值将输出电压移到与第一稳定状态值接近的第二稳定状态值。当电流68和CS信号的值增加时，电流67的值也增加。电流67的增加与电流33的减少相加，以形成功率FB控制电压的第二稳定状态值。结果，电流33和67的相加将输出电压调整到期望输出电压值，同时控制传递给输出端的输入功率量。如之前提到的，控制器40将输出电压调整到典型地为基本上恒定的值，并使其处于期望输出电压值的加减百分之十(10％)范围内。结果，输入端44上的电压也被调整到基本上恒定的值，并且位于Vref1的加减百分之十(10％)范围内。电流68的增加增加了负载电流，以向负载24提供需要的增加了的负载电流，并使电容器21被充电到期望输出电压以维持输出电压的调整。

如之前说明的，电流68典型地具有三角或斜坡形状，因此，电流67也具有斜坡形状。电阻器31和电容器32的滤波对其积分以提供代表输入功率平均值的电压。电阻器27和31的值也被选择用来设置对系统10的最大输入功率。电阻器57和电容器58是可选的，并且帮助隔离到乘法器51的输入以改进其操作。电阻器57和电容器58还提供电流68脉冲的额外积分。

对于负载电流的降低，会出现相同的操作，但是极性相反。对于负载电流增加的描述，也可能在几个循环上出现从一个稳定调整状态到另一个稳定调整状态的转变，但是，为了使描述清楚，下面的说明缩短了循环数。输出电压和电流33增加，使得放大器52的输出降低。到晶体管26的随后驱动脉冲由于输出59的降低而更窄，使得电流68的相应脉冲具有更短的持续时间和更低的幅度。电流67降低，并且与电流33的增加相加在一起以形成功率FB控制电压的第二稳定状态值，以及用于控制被传送到输出的输入功率量。

如果在连接12和13之间形成的本体电压改变而此时负载24所需的电压和电流仍旧不变，那么就会发生相同类型的调整。如果本体电压增加或降低，电流67分别降低或增加，并且与电流33相加在一起以形成分别降低或增加的电流34。控制器40如前所述响应性地改变电流68以调整输出电压。

在输出端22和23为过载条件的情况下，电流33降低到几乎为0。所得到的输出59的值显著增加，使得电流68的下一个脉冲具有大很多的持续时间和幅度，直到CS信号等于输出59上的值。CS信号的增加增加了电流67的值，其中电流67与电流33的下降相加在一起以使电容器32被充电，并使输出59向使输出59的值基本恒定的前一个值回移。通过电流68的增加而传递的能量不足以维持输出电压的调整，因此输出电压值降低。但是，被传递到负载24的功率以及因此的输入功率仍旧基本恒定，即使在输出端22与23之间有短路。使功率保持基本恒定防止了对控制器40以及系统10的其它部分的损坏。对于输出端22与23之间为开路的情况，出现相反的情况，即，电流33增加，并且电流67基本上回到0。控制器40在输入端44处接收电压值的增加，并使用输入功率用于将输出电压保持为基本恒定。

为了便于该操作，调整器45的电压输入端被连接到输入端50，并且调整器45的电压返回被连接到返回42。基准47的Vref1输出端被连接到放大器52的非反相输出端。放大器52的反相输入端通常被连接到电阻器53的第一端和电阻器54的第一端。电阻器53的第二端被连接到放大器52的输出端59以及比较器56的非反相输入端。比较器56的反相输入端被连接到输入端43以及电阻器57的第一端，比较器56的输出端被连接到锁存器63的复位输入端。锁存器63的输出端被连接到逻辑64的输入端。锁存器63的设置输入端被连接到时钟62的输入端。逻辑64的输出端连接到驱动器66的输入端。输出驱动器66被连接到输出端46。乘法器51的第一输入端被连接到输入端41，乘法器51的第二输入端通常被连接到电阻器57的第二端和电容器58的第一端。电容器58的第二端被连接到返回42。乘法器51的输出端通常被连接到电阻器54的第二端和输入端44。

图2示意性图示了包括电压控制器91的电压系统90实施例的一部分，控制器91是图1描述中描述的控制器40的替换实施例。系统90被配置成升压转换器，并且包括输入感应器36、阻塞二极管37以及被连接用于提供FB电流33和相应反馈电压的电阻器38和39。控制器91和系统90的操作类似于系统10的描述。但是，系统90在连续传导模式下操作。连接12与13之间的本体电压没有被滤波，因此，本体电压具有半正矢波形。电流68具有通过使能和禁止晶体管26形成的倾斜波形调整的半正矢包的波形。结果，电流67具有与电流68相同的波形。因为这是连续传导模式，所以倾斜波形依靠在半正矢波形之上。还要注意，在该实施例中，时钟62具有额外的倾斜输出65，并且发生器74在输出Vref2上具有额外的电压基准信号(Vref2)。

控制器91包括误差块95，其具有放大器52、除法器94、加法器92和比较器93。在输入端44上接收的功率FB控制电压，以及因此的放大器52的输出，都代表输出电压，并且跟随输出电压的增加或降低。除法器94用输出电压除输入功率移形成代表输出电压改变所需的输入功率改变的信号。如果输出电压下降，例如由于负载电流的增加，那么输入端44上的电压下降，因此，除法器94的输出下降，表示需要增加输入功率。相反，输出电压的增加导致除法器94输出的增加。加法器92将来自时钟62的斜波加到除法器94的输出，以形成用于调整晶体管26的工作循环的信号。比较器93将加法器92的输出与基准电压Vref2相比，以将加法器输出的电压电平设置在晶体管26将转换的位置。

图3示意性图示了在半导体模96上形成的半导体器件97的实施例一部分的放大平面图。控制器40被形成在模96上。为了附图的简化，模96还可以包括未在图3中示出的其它电路。控制器40和器件97通过本领域技术人员公知的半导体制造技术被形成在模96上。

考虑所有上述内容，很显然，公开了一种新颖的器件和方法。除了包括有其它特征之外，还包括使用输入功率值来将输出电压值调整到期望的输出电压值。使用输入功率值来调整输出电压便于检测本体输入电压的改变，并便于改变工作循环以维持基本上恒定的输出电压。此外，使用输入功率还便于在过载状态期间维持基本上恒定的输入功率，从而防止系统和控制器40损坏。将反馈电流值与乘法器电流值相加便于使用单引脚半导体封装来形成用于电压控制器的反馈信号。使用输入电压用于输入电压和掉电检测两者还减少了在半导体封装上使用的引脚数量。

虽然通过具体的优选实施例描述了本发明，但是对于半导体领域的技术人员来说，很显然有很多替换和改变。例如，乘法器51可以被形成为具有电流输入而不是电压输入，并且乘法器51的输出可以是电压而不是电流。此外，乘法器51可以根据本领域技术人员公知的多种实现来形成。

Claims (7)

1.一种形成电源控制器的方法，包括：

耦合电源控制器以接收代表输入电压的第一信号和代表输入电流的第二信号以及响应性地形成代表输入功率的功率信号；

耦合电源控制器以接收代表输出电压的反馈信号；以及

耦合电源控制器以同时响应于功率信号和反馈信号两者而形成用于调整输出电压的驱动脉冲，包括耦合电源控制器以将反馈信号与功率信号相加而形成功率反馈控制信号。

2.权利要求1的方法，其中，耦合电源控制器以接收代表输入电压的第一信号和代表输入电流的第二信号以及响应性地形成功率信号包括：耦合乘法器以接收第一信号和第二信号并响应性地形成功率信号。

3.权利要求1的方法，其中，耦合电源控制器以将反馈信号与功率信号相加进一步包括耦合误差放大器以接收功率反馈控制信号并响应性地形成误差信号，并且还包括耦合比较器以接收误差信号和第二信号以调制驱动脉冲的工作循环。

4.权利要求1的方法，其中，耦合电源控制器以接收代表输入电压的第一信号和代表输入电流的第二信号以及响应性地形成功率信号包括：耦合电源控制器以响应性地形成具有半正矢波形的功率信号。

5.一种形成电源控制器的方法，包括：

耦合电源控制器以接收代表输入电压的第一信号和代表输入电流的第二信号以及响应性地形成代表输入功率的功率信号；

耦合电源控制器以接收代表输出电压的反馈信号；以及

耦合电源控制器以同时响应于功率信号和反馈信号两者而形成用于调整输出电压的驱动脉冲，包括耦合电源控制器以用反馈信号来除功率信号。

6.一种电源控制器，包括：

乘法器，其被耦合用于接收代表输入电压的电压，以及接收代表输入电流的感流信号，并响应性地形成代表输入功率的功率信号；

电源控制器的PWM控制器，其被耦合用于形成驱动脉冲以调整输出电压；以及

电源控制器的误差块，其被耦合用于接收功率信号、反馈信号和感流信号，并控制PWM控制器以同时响应于功率信号和反馈信号两者而形成用于调整输出电压的驱动脉冲，该误差块包括被耦合用于接收反馈信号并响应性地形成输出的放大器、以及被耦合用于用放大器的输出来除功率信号的除法器。

7.权利要求6的电源控制器，其中，被耦合用于接收功率信号、反馈信号和感流信号的电源控制器的误差块包括：所述放大器，其被耦合用于接收功率信号和反馈信号，并且响应性地在该放大器的输出端上形成电压，

其中所述电源控制器还包括比较器，其被耦合用于接收感流信号和所述放大器输出端上的电压，并调制驱动脉冲的工作循环。

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