CN101183828B

CN101183828B - 具有内部调整的导通时间的集成开关

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Publication number: CN101183828B
Application number: CN2007101929528A
Authority: CN
Inventors: G·范
Original assignee: Power Integrations Inc
Current assignee: Power Integrations Inc
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-10-08
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2027-10-08
Also published as: CN103259406B; US7567066B2; JP2008092795A; CN101183828A; EP1909380B1; EP1909380A2; US7821241B2; US20080084194A1; US20090256536A1; CN103259406A; EP1909380A3

Abstract

一种具有内部调整的导通时间的集成开关。公开了响应于电流而提供脉宽调制信号的装置和方法。根据本发明的方面的集成电路调节电源的输出，并包括连接以接收外部电流的开关。该集成电路还包括控制器，其被连接到开关，以响应于外部控制信号和内部电流检测信号，通过开关控制外部电流的开关。内部电流检测信号与开关中的电流成比例。在缺少内部电流检测信号的情况下，调节电源输出。

Description

具有内部调整的导通时间的集成开关

技术领域

本发明通常涉及电源，本发明尤其涉及开关电源中的开关控制。

背景接术

在已知的开关电源中，响应控制信号而接通和切断开关，以调节从电源输入端传递到电源输出端的电能。控制信号是调节输出的反馈信号。通常在反馈信号的值和期望的开关导通时间之间存在一一对应。因此，对于一组给定的操作条件，反馈信号的值单独确定了开关的导通时间。

在已知的开关导通时间只对应于反馈信号的电源中，在开关可以响应之前，电源操作中的任何干扰一定通过系统传播，直到干扰出现在反馈信号中。反馈电路通常响应很慢，这是因为反馈电路被设计来调节很多开关周期上的输出的平均值。因此，诸如启动的瞬时事件会在控制电路建立期望的稳定状态条件之前，在电源中导致不期望的电压和电流偏移。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种调节电源输出的集成电路，该集成电路包括：开关，其被连接以接收外部电流；以及控制器，其被连接到所述开关，以响应于外部控制信号和内部电流检测信号，控制通过所述开关对外部电流进行切换的导通时间和相应的占空比，所述内部电流检测信号与所述外部电流成比例，其中所述开关的导通时间响应于所述开关中的电流的连续值，所述连续值的范围在开关中的零电流和最大允许电流之间，其中所述控制器响应于内部电流检测信号对所述开关的导通时间进行调节，并且其中对所述开关的导通时间的调节与通过所述开关的外部电流成比例，其中对所述开关的导通时间的调节是响应于所述开关中电流增加而减小所述开关的导通时间。

根据本发明的另一个方面，提供了一种控制电源输出的方法，包括：通过开关接收外部电流；响应于外部控制信号和与所述外部电流成比例的内部电流检测信号，利用连接到所述开关的控制器，控制通过所述开关对所述外部电流进行切换的导通时间和相应的占空比；以及与外部电流成比例地调节开关的导通时间，其中所述开关的导通时间响应于所述开关中的电流的连续值，所述连续值的范围在开关中的零电流和最大允许电流之间，其中对所述开关的导通时间的调节是响应于所述开关中电流增加而减小所述开关的导通时间。

附图说明

参考下面的附图描述了本发明的非限制和非穷举的实施例，其中贯穿各个视图的相同的参考标记代表相同的部分，除非另外指定。

图1一般地示出根据本发明教导的集成电路105的一个实例的应用100；

图2是曲线图200，其一般地说明根据本发明教导的图1实例中脉宽调制器111的性能；

图3一般地说明根据本发明教导的包括在集成电路105中的集成开关的一个实例300；

图4一般地示出根据本发明的教导，用于图3实例集成开关300的信号的定时关系400的波形；

图5一般地说明根据本发明教导的开关电源实例；

图6一般地示出根据本发明的教导，当开关在位置2以设置输入U_C为恒定开环信号U_COL时，对于三个不同负载值下的开关电流I_S1的实例波形。

具体实施方式

公开了用于控制开关电源中的开关的方法和装置。在下面的描述中阐明了大量具体细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，对本领域普通技术人员来讲显而易见的是，实施本发明不需要使用这些具体的细节。在其它例子中，为了避免混淆本发明，没有详细描述众所周知的材料或方法。

贯穿本说明书的“一个实施例”或“一实施例”意味着，结合该实施例描述的特定特征、结构或特点包含在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的各个位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指同一实施例。而且，该特定特征、结构或特点在一个或更多实施例中可以结合在任何合适的组合和/或子组合中。此外，这里提供的附图应当理解为对本领域普通技术人员起解释目的，并且这些图不需要按比例绘制。

在根据本发明教导的各种电路实例中，描述了开关电源中的开关控制。在一个实例中，开关和控制电路包括在集成电路中。控制电路接收对应于期望的开关导通时间的控制信号。在每个开关周期，响应于开关周期期间开关中的电流，控制电路使得期望的导通时间少量减少。根据本发明的教导，该独立于控制信号的导通时间的减少提高了电源对瞬时干扰的响应。根据本发明的教导，用于每个开关周期中开关电流增加的开关导通时间的减少产生了阻尼效应，其限制了来自瞬时干扰的偏移，减少了反馈电路的复杂性，并增加了调节电源的稳定性。

根据本发明的教导，在一个实例中，开关和一个机构集成，该机构与所述开关是一个整体，以使开关的导通时间依赖于开关中的电流。导通时间对电流的依赖是集成开关的固有属性。为了从该特征获益，不需要外部连接或元件。根据本发明的教导，在一个实例中，集成开关检测作为在金属导体上形成的电压形式的开关中的电流，其中该金属导体是集成电路的一部分。

为了说明，图1一般地示出根据本发明教导的集成电路105的一个实例的应用100。如所示的，集成电路105接收可能是电压或电流的控制信号U_C 110。脉宽调制器111接收与控制信号U_C 110相关的输入信号U_INPWM 155。脉宽调制器111还从振荡器120接收周期定时信号U_OSC125。定时信号U_OSC 125可以是具有周期T_OSC的电压或电流。脉宽调制器111产生输出U_OUTPWM 135，输出U_OUTPWM 135可以是耦合用于切换开关S1 130的电压或电流。开关S1 130开关被耦合的、将由集成电路105接收的外部电流I₁ 115。开关S1 130在周期T_OSC的一部分D中导通，其中D是占空比。开关S1 130中的电流I_S1 140作为内部信号U_IS 150而被检测，内部信号U_IS 150可能是通过因数k₁与电流I_S1 140相关的电压或电流，即

U_IS＝k₁I_S1 (1)

在该实例中，当内部电流检测信号U_IS 150是电压时，因数k₁具有电阻的单位或量纲。当电流检测信号U_IS 150是电流时，因数k₁没有量纲。根据本发明的教导，脉宽调制器1 11接收电流检测信号U_IS 150以调节占空比D。在一个实例中，注意，开关中的电流I_S1是具有连续值的模拟信号，因此，根据本发明的教导，由占空比D影响的开关的导通时间对开关中的电流I_S1的连续值敏感。在一个实例中，根据本发明的教导，开关中的电流I_S1的连续值在基本为零的电流和开关中的最大允许电流之间变化。

图2是曲线图200，其一般地说明图1实例中的脉宽调制器111的性能。特性线段210和220示出了对于电流检测信号U_IS150的两个值，响应于输入信号U_INPWM 155的开关S1 130的占空比D的值。线段210给出了当电流检测信号U_IS150总是为零时对应于因数k₁的零值的占空比D的值。线段220给出当电流检测信号U_IS150为开关S1 130中的电流I_S1 150非零部分时占空比D的值。

图2示出了介于0和1之间的占空比D，随着输入信号U_INPWM分别从值U_A1或U_A2增加到更大的值U_B1或U_B2，占空比D从最小值D_A线性增加到最大值D_B。对于具有在U_A2和U_B1之间的值U_X的输入信号U_INPWM，非零电流检测信号U_IS150的出现将占空比从值D_X缩小到更低值D₁。随着U_IS的值增大，D₁的值减小。

图3一般地说明根据本发明教导的包括在集成电路105中的集成开关的一个实例300。集成电路105包括脉宽调制器，该脉宽调制器包含电流源305和315、开关310和320、二极管D1 317、电容器C_D 330、反相器345、比较器350以及AND门355。振荡器120产生周期为T_OSC的周期性的定时信号U_OSC 125。来自振荡器120的定时信号U_OSC 125在周期T_OSC的部分k中为低。定时信号U_OSC连接到反相器345的输入，并连接到AND门355的输入。连接开关S2 310，以在反相器345的输出340为高时闭合。连接开关S3 320，以在定时信号U_OSC为高时闭合。本领域技术人员将理解，当各个开关S1 130，S2 310和S3 320打开时，电流源115，305和315具有有限的恒流制输出电压，其导致这些电流源的电流变为零。

在一个实例中，开关S1 130是金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，其被连接以从AND门355的输出接收信号U_OUTPWM135，AND门355的输出也是脉宽调制器的输出。集成晶体管开关S1130开关集成电路外部的电流。在该实例中，当信号U_OUTPWM 135为高时，集成晶体管开关S1 130导通开关电流I_S1 380。电流检测网络包括电流检测元件360、电阻器370和电阻器375。在一个实例中，电流检测元件360是在集成电路制作期间沉积的金属层的一部分，以在集成电路的区域之间建立电连接。在一个实例中，电流检测元件360具有电阻R_CS。开关电流I_S1 380作为电压V_CS1 365在电流检测元件360上被检测。如所示的，电阻器370和375一起形成电阻分压器，该电阻分压器连接在电流检测元件360两端，并将电压V_CS1 365按比例调节为作为电流检测信号U_IS 150的电流检测电压r₁I_S1。

在该实例中，集成电路105接收控制信号U_C 110，控制信号U_C 110确定来自电流源305的电流I_FB 385的值。电流I_FB 385是图1中所示的脉宽调制器111的输入信号U_INPWM 155。当定时信号U_OSC 125为低时，电容器C_D 330通过开关S2 310用来自电流源305的电流I_FB 385充电。当定时信号U_OSC 125为高时，电容器C_D 330通过开关S3以来自电流源315的基本固定的电流I₀放电。二极管D1 317为电压V_D 335设置更低的极限。比较器350将电容器C_D 330上的电压V_D 335和内部电流检测信号U_IS 150进行比较。当电容器C_D 330上的电压V_D 335大于电流检测信号U_IS 150时，比较器350的输出325为高。当电容器C_D 330上的电压V_D 335小于或等于电流检测信号U_IS 150时，比较器350的输出325为低。因此，根据本发明的教导，集成电路105以周期T_OSC周期地开关集成开关S1 130，并具有由控制信号U_C 110和开关电流I_S1 380共同确定、或对控制信号U_C 110和开关电流I_S1 380敏感的导通时间。

图4一般地示出说明图3实例集成开关300的信号的定时关系400的实例波形。当定时信号U_OSC 125变高时，电容器C_D 330在时间kT_OSC内被来自电流源305的电流I_FB 385充电，以达到电压V_FB。然后开关S1130开始导通电流I_S1 380。在图4示出的实例中，当开关S1 130导通时，开关电流I_S1 380是恒定电流。然后电容器C_D 330以来自电流源315的电流I₀放电。当电容器C_D上的电压V_D达到电流检测信号U_IS 150的值时，开关S1 130停止导通。因此，开关S1的导通时间受到开关S1130中的电流I_S1 380的值影响。对于控制信号U_C 110的给定值，集成开关S1 130的导通时间减少一定量，该一定量与内部电流检测信号U_IS150成比例。因此，图4示出了根据本发明的教导，在内部电流检测信号U_IS 150的影响下，图2中的占空比D是如何从值D_X减小到值D₁的。因此在该实例中，根据本发明的教导，对响应于内部电流检测信号U_IS 150的开关的占空比D或导通时间的调节是与开关S1 130中的电流I_S1 380成比例的。

图5一般地说明根据本发明教导的开关电源的实例。在该示出的实例中，图5中的电源的拓扑作为反激式调节器(flyback regulator)是已知的。应当理解，有许多开关调节器的拓扑和结构，图5中所示的反激式拓扑出于解释的目的而被提供，并且根据本发明的教导可以包括其它电源拓扑。

如说明的实例中所示的，图5中的电源从未调节的输入电压V_IN 505为负载530提供输出功率。输入电压V_IN 505连接到能量传递元件T1515和集成开关S1 130。在图1的实例中，注意到能量传递元件T1 515可以连接在电源的输入端和电源的输出端之间。在图5的实例中，能量传递元件T1 515示出具有两个绕组的变压器。通常，变压器可以具有多于两个的绕组，用附加的绕组提供功率给附加的负载，以提供偏置电压或检测负载处的电压。在图5中说明的实例中，箝位电路510连接到能量传递元件T1 515的初级绕组，用来控制包括在集成电路570中的集成开关S1130上的最大电压。

在该实例中，根据本发明的教导，集成开关S1 130响应于实例控制器电路575而被接通和切断，所述控制器电路575包括振荡器和脉宽调制器。在一个实例中，开关S1 130是晶体管，例如功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在操作中，实例集成开关S1 130在整流器D1 520中产生被电容器C1 525滤波的脉动电流，以在负载530产生基本恒定的输出电压V_O或基本恒定的输出电流I_O。

在一个实例中，要被调节的输出量是U_O 535，其通常可以是输出电压V_O、输出电流I_O或者两者的组合。在该实例中，调节的量不必是固定的，而是可以调节的，以响应于反馈信号以期望的方式变化。反馈电路560连接到输出量U_O 535，以产生反馈信号U_F 550，该反馈信号U_F550可以是输入到包含在集成电路570中的控制器575的外部输入U_C110。根据本发明的教导，输入到控制器575的内部输入是检测开关S1130中开关电流I_S1 540的电流检测信号U_IS 545。

当开关S1 130导通时，图5的开关电源实例中的开关电流I_S1不是恒定的，而是在导通时间期间线性增加到峰值I_PEAK，所述导通时间是开关周期T_S的一部分D。开关电流I_S1的峰值随着负载530中的电流I_O变化。在正常操作中，控制器575响应于反馈信号U_F而改变开关的占空比D，以响应于输入电压V_IN 505中的变化和负载530中的变化调节输出U_O 535。

在一个实例中，开关S4 555包括在图5的电源电路中，这样允许输入U_C 110为反馈信号U_F 550或者恒定的开环信号U_COL 565。在该实例中，当开关S4 555在位置1时，输入到控制器575的输入U_C是反馈信号U_F。当开关S4 555在位置2时，输入到控制器575的输入U_C是恒定的开环信号U_COL 565。在该实例中，根据本发明教导，当开关在位置2时，消除了反馈信号的影响，占空比只响应于峰值电流I_PEAK中的变化，如将在图6中所示的。

为了说明，图6一般地示出当开关S4 555在位置2以设置输入U_C110为恒定开环信号U_COL 565时，对于负载530的三个不同值的开关电流I_S1 540的实例波形。在该实例中，导通时间D_XT_S的占空比D_X对应于电流检测信号U_IS 545减小到零时的状态。如所示的，对于各个峰值电流I_PEAK LOAD1，I_PEAK LOAD2和I_PEAK LOAD3，如各个电流605，610和615所示的，有限的非零电流检测信号U_IS 545对应于导通时间D₁T_S，D₂T_S，和D₃T_S将占空比减小到D₁，D₂和D₃。因此，根据本发明的教导，内部电流检测信号U_IS 545对内部开关S1 130的导通时间进行调节，例如内部集成开关S1 130中的电流增加，减小了开关S1 130的导通时间和相应减小的占空比。因此，通过电流检测信号U_IS 545对导通时间的调节不足以稍微影响对输出U_O 535的调节。在正常操作中，开关S4 555在位置1，从而输入U_C是反馈信号U_F 550，当没有电流检测信号U_IS时，电源的输出U_O 535仍然被调节。换句话说，根据本发明的教导，即使在缺少内部电流检测信号的情况下，仍然调节电源的输出。

上述对本发明示例性实例的描述，包括摘要中描述的内容，不是旨在穷尽或限制公开的精确形式。虽然本发明的具体实施例和实例在这里是出于说明的目的而描述的，但不脱离本发明广泛精神和范围的各种等同修改都是可能的。实际上，应当理解的是，根据本发明的教导，提供具体的电压、电流、频率、功率范围值、时间等都是出于解释的目的，其它值也可以用在其它实施例和实例中。

按照上面的详细描述可以对发明的实例进行修改。下面权利要求书中使用的术语不应该被解释为将本发明限制在说明书和权利要求书中公开的具体实施例。相反，保护范围由下面的权利要求书完全确定，其中权利要求由确定的权利要求解释的基本原则来限定。因此本说明书和附图应当是说明性的，而不是限制性的。

Claims

1.一种调节电源输出的集成电路，该集成电路包括：

开关，其被连接以接收外部电流；以及

控制器，其被连接到所述开关，以响应于外部控制信号和内部电流检测信号，控制通过所述开关对外部电流进行切换的导通时间和相应的占空比，所述内部电流检测信号与所述外部电流成比例，其中所述开关的导通时间和相应的占空比响应于所述开关中的电流的连续值，所述连续值的范围在开关中的零电流和最大允许电流之间，其中所述控制器响应于内部电流检测信号对所述开关的导通时间和相应的占空比进行调节，并且其中对所述开关的导通时间和相应的占空比的调节与通过所述开关的外部电流成比例，其中对所述开关的导通时间和相应的占空比的调节是响应于所述开关中电流增加而从所述开关中与零外部电流相关的值开始减小导通时间和相应的占空比。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述内部电流检测信号是第一电压，该第一电压与开关中的电流和金属导体的电阻成比例，所述金属导体在集成电路的区域之间建立连接。

3.根据权利要求1所述的集成电路，进一步包括振荡器，其被连接到脉宽调制器，其中脉宽调制器连接到振荡器以产生输出，该输出具有响应于外部控制信号和内部电流检测信号的开关的占空比。

4.根据权利要求3所述的集成电路，其中开关被连接到脉宽调制器的输出。

5.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述控制器包括：

充电电流源，其被连接以生成具有响应于外部控制信号的值的充电电流；

第一开关，其被连接在所述充电电流源与电容器之间以生成所述电容器两端的响应于充电电流的电压；以及

放电电流源，其被连接到所述电容器以对所述电容器两端的电压进行放电；以及

第二开关，其被连接到所述放电电流源以使电流从所述放电电流源流出。

6.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述控制器还包括振荡器，其被连接以将定时信号提供给所述第一开关和所述第二开关从而控制所述电容器的充电和放电持续时间，其中，在所述定时信号的周期的一部分中所述定时信号为低，在所述定时信号为低时所述电容器通过所述第一开关充电，在所述定时信号为高时所述电容器通过所述第二开关放电。

7.根据权利要求5所述的集成电路，还包括被连接到所述电容器的二极管，其中所述二极管还被连接以对所述电容器施加更低的电压极限。

8.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述控制器还包括：

电流检测网络，所述电流检测网络包括：

电流检测元件，在所述电流检测元件上，来自所述开关的外部电流被检测为电流检测元件电压，以及

第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器和第二电阻器一起形成所述电流检测元件两端的电阻分压器，用于按比例调节所述电流检测元件电压从而产生作为所述内部电流检测信号的电流检测电压；以及

比较器，其被连接到所述电阻分压器和所述电容器以将所述电容器两端的电压与所述电流检测电压进行比较。

9.一种控制电源输出的方法，包括：

通过开关接收外部电流；

响应于外部控制信号和与所述外部电流成比例的内部电流检测信号，利用连接到所述开关的控制器，控制通过所述开关对所述外部电流进行切换的导通时间和相应的占空比；以及

与外部电流成比例地调节开关的导通时间和相应的占空比，其中所述开关的导通时间和相应的占空比响应于所述开关中的电流的连续值，所述连续值的范围在开关中的零电流和最大允许电流之间，其中对所述开关的导通时间和相应的占空比的调节是响应于所述开关中电流增加而从所述开关中与零外部电流相关的值开始减小导通时间和相应的占空比。

10.根据权利要求9所述的方法，其中响应于外部控制信号控制开关的开关包括：

用来自电流源的第二电流对电容器充电，从而生成电容器两端的电压，所述第二电流具有响应于外部控制信号的值并且响应于定时信号当所述定时信号为低时而流过第二开关；

将所述电容器两端的电压与所述内部电流检测信号进行比较以生成连接到AND门的第一输入端的比较器输出信号；

响应于定时信号，利用耦合到所述电容器用于对所述电容器两端的电压进行放电的放电电流源，以及耦合到所述放电电流源用于使电流能够从所述放电电流源流出的第三开关，周期性地对所述电容器两端的电压进行放电，其中，在所述定时信号的周期的一部分中所述定时信号为低，在所述定时信号为高时所述电容器通过所述第三开关放电；以及

通过被连接到所述AND门的第二输入端并产生周期性的定时信号的振荡器来将所述开关切换到关断状态，所述切换在所述电容器两端的电压大于所述电流检测信号的情况下被使能。