CN101009469B - 开关电源控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

在一种实施方式中，开关电源控制器在电源控制器的一部分操作期间断开电源控制器使之不接收检测信号，并且在另一部分操作期间耦合开关电源控制器以便接收检测信号。

Description

开关电源控制器及其方法

技术领域

本发明一般地涉及电子学，并且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，半导体工业使用各种方法和结构以形成调节功率控制系统的输出电压值的开关电源控制器。在一些应用中，操作开关电源控制器的功率来自变压器的辅助绕组。在这种应用中，由开关电源控制器消耗的功率量大于所需的值。此外，在某些情形中，开关电源控制器的输入电压的范围受到限制，这减小了开关电源控制器的可用操作电压范围。

因此，希望有一种具有减小的功耗、并且有利于较宽操作范围的输入电压的开关电源控制器。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种电源控制器，包括：第一输入，该第一输入被配置成从位于电源控制器外部的电压源接收操作电压；以及开关，该开关被配置成从被耦合以接收操作电压的电压调节器接收第一电流，该开关被配置成直至操作电压达到第一值之前断开电源控制器使之不接收第一电流，并且在操作电压达到第一值之后耦合电源控制器以接收第一电流。

根据本发明的另一方面，提供一种形成电源控制器的方法，包括：配置该电源控制器以便从位于电源控制器外部的电压源接收操作电压，在操作电压增加到第一值之前断开电源控制器使之不从被耦合成接收操作电压的电压调节器接收第一电流，并且响应操作电压增加到第一值而从电压调节器接收第一电流。

附图说明

图1示意性地说明根据本发明的具有开关电源控制器的一部分电源控制系统的实施方式。

图2示意性地说明根据本发明的具有示例性的另一种开关电源控制器实施方式的一部分另一种电源控制系统的实施方式。以及

图3示意性地说明根据本发明的包括图2的开关电源控制器的半导体器件的放大平面图。

为了说明的简化和清楚，在图中的元件(elements)并非按比例绘制，并且在不同的图中相同的标记数字表示相同的元件。此外，为了描述的简化，省去对公知的步骤和元件的描述和其细节。正如本文中使用的那样，电流承载电极表示承载流经器件的电流的器件元件，如MOS晶体管的源极和漏极，或双极晶体管的发射极或集电极，或二极管的阴极或阳极，而控制电极表示控制流经器件的电流的器件元件，如MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极。尽管本文中将器件解释为某些N沟道器件或P沟道器件，但本领域的人员将领会按照本发明互补的器件也是可能的。本领域的那些技术人员将领会在本文中使用的词语“在......期间”、“在......同时”以及“在......时”不是表示动作在初始动作之后立即发生的精确条件，而可以有一些小的但合理的延迟，如在由初始动作启动的反应之间的传播延迟。

具体实施方式

图1示意性地说明一部分电源控制系统10的实施方式，包括一部分开关电源控制器30的示例性框图实施方式。开关电源控制器30被配置成在减小操作系统所需的功率量，特别是在操作控制器30的启动阶段期间减小功耗，并且也增加了提供给控制器30的操作电压的可用范围。系统10通常从施加在输入端11和返回端12之间的高输入电压接收输入功率，并且在电压输出13和电压返回14之间输出电压。控制器30被配置成将输出电压值调节成所需数值范围内的目标值。例如，目标值可以是5伏(5V)，所需的范围可以是目标值加或减百分之五(5％)。系统10通常包括变压器16，该变压器包括初级绕组17、次级绕组18和辅助绕组19。整流二极管20和滤波电容器21可以被连接到次级绕组18上以帮助形成输出电压。辅助绕组19通常被用于帮助形成控制器30的输入电压，可用作用于操作至少一部分控制器30的第一操作电压。电容器24、电阻器22和二极管23可被连接到辅助绕组19上，以帮助提供用于形成控制器30的输入电压的外部电压源，如同将在下文中进一步看到的那样。为了便于控制器30调节输出电压值，诸如功率晶体管27的功率开关通常被连接到初级绕组17。尽管晶体管27被说明为在控制器30的外部，但在一些实施方式中，晶体管27可以在控制器30的内部。电压调节器28在该示例性的实施方式中被说明为齐纳二极管，通常被用于向控制器30提供表示输出电压值的检测信号。控制器30被配置成接收检测输入32上的检测信号。正如在下文中将看到的那样，在启动控制器30之后，电压调节器28也被用于将输入电压的最大值调节到不损坏控制器30的值。本领域的技术人员将领会调节器28可以是具有与齐纳二极管相似的电压-电流特性的任何类型的器件。这些器件的实例包括可以从NationalSemiconductor公司，Santa Clara，California获得的LM329和LM136。

控制器30被配置成接收输入电压或在电压输入34和电压返回33之间的用于操作控制器30的第一操作电压。控制器30通常包括用于在控制器30的PWM输出35上形成PWM开关信号的PWM控制器38。控制器38产生PWM开关信号从而将输出电压值调节到所需的范围内。控制器38可以是包括固定频率电流模式PWM控制器、固定频率电压模式PWM控制器、迟滞控制器(hysteretic controller)的各种不同的PWM控制器，或者本领域的技术人员公知的其它各种类型的PWM控制器。控制器38可以包括其它公知的PWM控制器功能，如软启动、前沿消隐(leading edge blanking)、跳跃周期(skip-cycle)和过电压保护。控制器30也包括被配置成检测来自输入34的输入电压值的第一电路，如欠电压锁定(UVLO)电路或UVLO48，以及用于产生第二操作电压或内部操作电压(Vdd)的偏压发生器39，控制器30的一些其它部分如控制器38使用该电压作为操作电压。UVLO48和偏压发生器39被连接在输入34和返回33之间以接收第一操作电压或输入电压。在启动控制器30期间，UVLO48监测输入电压值，并且如果输入电压值小于用于开始控制器30的操作所需的启动值则防止控制器30产生内部操作电压(Vdd)。在操作控制器30的该启动部分期间，控制器30的开关44也将断开控制器30使之不从电压调节器28接收检测信号。

在操作中，在端子11和12之间接收的高电压比需要用于操作控制器30和系统10的电压高得多。例如，施加在端子11和12之间的电压可以是一百伏(100V)或更大，而输出电压的目标值可以是大约五伏(5V)。在系统10的启动操作期间，电容器24被放电，并且在端子11和12之间接收的高电压通过电阻器22对电容器24充电。UVLO48监测输入电压值并形成帮助控制该控制器30的启动操作的控制信号47。在电容器24充电时，UVLO48否定(negates)控制信号47，直到从电容器24接收的输入电压值大于用于开始控制器30的操作所需的启动值。例如，用于操作控制器30的输入电压值的正常范围可以在十和十二伏(10-12V)之间，并且UVLO48可以不允许控制器30开始操作，直到输入电压达到大约15伏(15V)的启动值。发生器39接收防止控制器30产生Vdd并防止控制器38操作的否定控制信号47。开关44也接收禁止开关44进入打开状态的否定信号47，从而断开控制器30使之不从电压调节器28接收检测信号。在开关44打开时，调节器28也被阻止而不操作，从而被阻止而不调节输入电压值。电容器24继续充电，当输入电压不小于启动值时，UVLO48确证控制信号47。确证控制信号47使能开关44关闭，从而连接控制器30而从调节器28接收检测信号。关闭开关44也耦合电路49而从调节器28接收检测信号，并且形成表示输出电压值的反馈(FB)信号。控制器38使用FB信号以帮助调节输出电压值。确证控制信号47也使能偏压发生器39产生Vdd，并且随后控制器38开始操作，以调节输出电压值。应当注意，在一些实施方式中，检测允许控制器30操作的电压的UVLO48和产生Vdd的发生器39之间可以存在着附加的时间延迟。这种延迟通常被用于保证偏压发生器元件在操作控制器30的其它元件之前达到希望的值。由于PWM控制器38在输出35上产生PWM驱动脉冲以开关晶体管27，辅助绕组19接收功率并开始通过二极管23对电容器24充电。因而，调节输出电压的PWM控制器38也便于对电容器24充电。因为现在开关44关闭，所以调节器28被耦合到返回33，从而使能调节器28开始调节输入电压值至大体是控制器30的所希望的操作范围的第三值。控制器30输入电压的所希望的操作范围，即第三值，常常小于电容器24充电的启动值。例如，启动电压可以是十五伏，而调节器28可以将输入电压的第三值限制为不大于十一或十二伏。在UVLO检测到启动值之后，UVLO48不否定信号47，因为调节器28将输入电压值调节到较低的值。因而，可见开关44允许输入电压在宽范围数值中改变。因为开关晶体管45断开控制器30使之不接收检测信号，调节器28将输入电压调节到的电压值可能从比启动电压低得多的值向接近最大允许值的值改变，该最大允许值可以由控制器30维持而不引起损坏。输入电压的最低值可以接近能用于操作控制器30的最小值。例如，最低值可以接近八伏(8V)，并且最大值可以为大约二十伏(20V)。启动值可以被设定为十五伏(15V)，并且调节器28可以被选择为具有从八伏到二十伏(8-20V)任意的调节值。

没有开关44，调节器28将限制输入电压第三值到大于启动电压的范围，从而降低用于输入电压的可用电压范围。对于刚描述的实例，该范围将从大于十五伏到二十伏(15-20V)。这比控制器30八到二十伏(8-20V)的范围小得多。

图2示意性地说明一部分电源控制系统50的实施方式，作为在对图1的描述中解释的系统10的替代实施方式。系统50包括一部分开关电源控制器51的示例性实施方式，作为在对图1的描述中解释的控制器30的更详细的实例实施方式。控制器51包括类似地用作开关44的开关晶体管45，并且也包括类似地用作电路49的反馈电路57。电路57包括电流镜像连接的晶体管54、55和56，以及按照第二电流镜像配置连接的晶体管52和53。

在控制器51的启动操作期间，UVLO48迫使控制信号47为“低”，禁止晶体管45，从而断开调节器28与返回33，并阻止控制器51而不从调节器28接收检测信号。来自信号47的“低”也禁止晶体管56和55，从而禁止电路57。结果，电阻器61将FB信号上拉到大致返回33的值。当UVLO48检测到启动值的输入电压时，UVLO48迫使信号47为“高”，使能晶体管45。使能晶体管45通过晶体管55和电阻器59将调节器28耦合到返回33，从而耦合控制器51以便从调节器28接收检测信号。晶体管45也将检测信号耦合到晶体管55和56，这使能晶体管55和56，并形成流经晶体管45和55和电阻器59的电流58。因为调节器28正调节输入电压值，流经调节器28的电流代表输入34上的输入电压值。结果，电流值58也代表输入34上的输入电压值。电流镜像配置的晶体管54、55和56形成流经晶体管54和电阻器60的第二电流，这也代表输入电压值。电流镜像配置的晶体管52和53形成流经晶体管53和电阻器61的另一电流，这也代表输入电压值。流经电阻器61的电流在节点62处形成反馈(FB)电压，也代表输入电压值。因而，电路57在节点62处将电流58转换成FB电压。控制器38接收反馈电压，并响应地调节输出13和返回14之间的输出电压值。

本领域的技术人员将领会，尽管对于调节器28使用齐纳二极管解释控制器30和51的操作，但调节器28可以是如前所述的各种其它类型的调节器。另外，可以使用其它的电路配置将电流58转换成电压作为FB信号。配置成检测输入电压增加到启动值的任何电路可以用来代替UVLO48。

为了便于控制器51的功能实现，控制器51被配置成具有连接到输入34的调节器28第一端，以及具有连接到输入32的调节器28第二端。晶体管45的漏极被连接到输入32，并且源极被共同连接到晶体管56的基极和晶体管55的集电极。晶体管45的栅极被连接成接收控制信号47并被连接到晶体管56的集电极。晶体管56的发射极被共同连接到晶体管54和55的基极。晶体管55的发射极被连接到电阻器59的第一端，该电阻器59具有被连接到返回33的第二端。晶体管54的集电极被共同连接到晶体管52的栅极和漏极以及晶体管53的栅极。晶体管52的源极被共同连接到晶体管53的源极和输入34。晶体管53的漏极被共同连接到节点62和电阻器61的第一端。电阻器61的第二端被共同连接到返回33和电阻器60的第二端。

本领域的技术人员也将领会调节器28也可与控制器30或51一起形成在半导体管芯上。对于这种配置，控制器30或51从位于各自的控制器外部的源接收输入电压，并选择性地使能开关44或晶体管45以便将检测信号耦合到各自的控制器30或51。

图3示意性地说明在半导体管芯71上形成的半导体器件或集成电路70的一部分实施方式的放大平面图。控制器51被形成在管芯71上。管芯71也可包括为了附图简明的原因而未在图3中示出的其它电路。通过本领域的技术人员公知的半导体制造技术在管芯71上形成控制器51和器件或集成电路70。

考虑上述全部内容，显然公开了一种新型的器件和方法。连同其它特征，还包括使用开关断开开关电源控制器使之在控制器的启动操作期间不从调节器接收检测信号。这种功能降低了系统在启动操作期间的功耗。另外，使用开关44或开关晶体管45允许输入电压值为小于启动值的值，这增加了输入电压值的可用范围。开关44或45也在启动阶段提供了高阻抗，这降低了启动阶段的功耗。

尽管参照具体的优选实施方式描述了本发明的主题，显然对于半导体领域的技术人员可以有许多替代形式和变化。此外，为了清楚描述，在全文中使用词语“连接”，但希望其具有与词语“耦合”相同的含义。因此，“连接”应当被理解成包括直接的连接或间接的连接。

Claims (9)

1.一种电源控制器，包括：

第一输入，该第一输入被配置成从位于电源控制器外部的第一电压源接收具有第一值的操作电压；

第二输入，该第二输入被配置成从位于电源控制器外部的电压调节器接收第一电流，其中所述电压调节器被耦合以接收操作电压；以及

开关，该开关被配置成从电压调节器接收所述第一电流；以及

第一电路，该第一电路被耦合成监测所述操作电压并且响应于所述操作电压的值来控制所述开关，以在直至操作电压达到第一值之前断开电源控制器使之不接收第一电流，所述第一电路还被配置为响应于所述操作电压的值来控制所述开关，在操作电压达到第一值之后耦合电源控制器以接收第一电流，

其中响应于所述开关耦合电源控制器以接收第一电流，所述电压调节器将所述操作电压的第一值改变为小于所述第一值的第二值。

2.根据权利要求1的电源控制器，该第一电路被耦合成检测第一值，并响应地形成被耦合成使能开关的控制信号。

3.根据权利要求1的电源控制器，还包括第二电路，该第二电路被耦合成从开关接收第一电流并形成代表第一电流的电压。

4.根据权利要求1的电源控制器，其中所述开关包括第一晶体管，该第一晶体管具有被耦合成接收第一电流的第一电流承载电极、被耦合成从所述第一电路接收用于耦合以及断开电源控制器使之不接收第一电流的控制信号的控制电极、以及第二电流承载电极；并且还包括第二电路，该第二电路被耦合成从第一晶体管接收第一电流并形成代表第一电流的电压。

5.根据权利要求4的电源控制器，其中所述第二电路包括第二晶体管，该第二晶体管具有被耦合到第一晶体管控制电极的第一电流承载电极、被耦合到第一晶体管的第二电流承载电极的控制电极、以及第二电流承载电极；第三晶体管，该第三晶体管具有被耦合到第二晶体管的控制电极的第一电流承载电极、被耦合到第二晶体管的第二电流承载电极的控制电极、以及第二电流承载电极；以及第四晶体管，该第四晶体管具有被耦合到第三晶体管的控制电极的控制电极、第一电流承载电极和第二电流承载电极。

6.根据权利要求5的电源控制器，还包括被耦合到第四晶体管的第二电流承载电极的电流镜像。

7.一种形成电源控制器的方法，包括：

配置该电源控制器以便从位于电源控制器外部的电压源接收具有第一值的操作电压，

配置所述电源控制器的第一电路以监测所述操作电压并响应于所述操作电压的值来控制第一开关，以在操作电压增加到所述第一值之前断开电源控制器使之不从被耦合成接收操作电压的电压调节器接收第一电流；以及

配置所述第一电路以监测所述操作电压并且响应于所述操作电压的值来控制所述第一开关，以耦合所述电源控制器以响应操作电压增加到第一值而从电压调节器接收第一电流；

其中从电压调节器接收第一电流使得所述电压调节器将所述操作电压的第一值改变为小于所述第一值的第二值。

8.根据权利要求7的方法，其中配置电源控制器以便接收操作电压包括耦合所述第一开关以接收第一电流，并阻止将第一电流耦合到电源控制器的其它部分。

9.根据权利要求8的方法，其中配置电源控制器以便接收操作电压包括配置所述第一电路以便接收操作电压并在操作电压增加到第一值之前禁止第一开关，并且响应第一值使能第一开关以便将第一电流耦合到电源控制器的其它部分。

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