CN101442260A

CN101442260A - 次级恒流恒压控制器芯片及其变换器

Info

Publication number: CN101442260A
Application number: CNA200710170885XA
Authority: CN
Inventors: 黄树良; 班福奎
Original assignee: Active Semi Shanghai Co Ltd; Active Semi International Inc USA
Current assignee: Active-Semi Co., Ltd.; Active Semi Shanghai Co Ltd
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2027-11-23
Also published as: CN101442260B

Abstract

本发明公开了一种次级恒流恒压控制器芯片及其变换器，所述芯片仅采用四个管脚即可保持同样的性能，进而降低了成本。该次级恒流恒压控制器芯片，它具有一个FB管脚，该管脚同时作为输出电压的反馈端和芯片的工作电压输入端。它还具有一个SOURCE管脚，该管脚同时作为输出电流的反馈端和芯片的工作电压回路端。它还包括一个OPTO管脚，作为输出电压和输出电流的控制端。它进一步包括一个SENSE管脚，该管脚作为次级参考地电平端。

Description

次级恒流恒压控制器芯片及其变换器

技术领域

本发明涉及一种应用于电源变化领域的次级恒流恒压反激式变换器，尤其涉及一种次级恒流恒压控制器芯片。

背景技术

多年来，用在反激式电源上的不同的恒流恒压控制器芯片(IC)已经得到应用。例如，图1就是一个次级反激式恒流恒压变换器的示意图。这个变换器包括初级控制器芯片(Switcher IC)101，初级主开关102，变压器201，光耦合器202，次级恒流恒压控制器芯片(CC/CV Controller IC)301，次级整流管302和输出电容303。由电阻305和306组成的电阻分压电路为次级恒流恒压控制器芯片301提供反馈信号来设定次级输出电压，次级恒流恒压控制器301里面的电压放大器生成误差信号，并通过光耦合器202传到主开关控制器101来控制主开关102的导通关断时间，从而来控制输出电压。同样地，由电阻311，312和313组成的电路，通过检测电流测量电阻320上的压降来给IC301提供反馈信号来控制输出电流。次级恒流恒压控制器301里面的电流控制放大器生成误差信号，并同样地通过光耦合器202传到主开关控制器101来控制主开关102的导通关断时间从而控制输出电流。电阻308和电容307组成电压补偿网络，电阻309和电容310组成电流补偿网络。光耦合器202、主开关控制器101和主开关102组成主开关控制电路。隔断二极管314和315可保证301里面电流和电压误差放大器互相不影响从而达到恒流恒压的控制，电阻304限定光耦合器202电流。从图1可以看到，次级恒流恒压控制器301有8个脚位，其中电压误差放大器用了3个脚位，电流误差放大器用了3个脚位，另外2个是控制器的电源和地脚位。次级恒流恒压控制器301可以从次级输出电压来供电或从其它输出电压来供电。

图2是另外一种次级恒流恒压反激变换器的简图。它包括初级控制IC 101，初级主开关102，变压器201，光耦合器202，次级恒流恒压控制器301，次级整流管302和输出电容303。电压环路的控制是由次级恒流恒压控制器301上方的跨导放大器，电压分压电阻305，306和直接连接在放大器输出端的光耦合器202组成。电压误差信号通过光耦合器202反馈到主开关控制器101来控制主开关102的导通关断时间从而来控制输出电压。电流环路的控制是由次级恒流恒压控制器301下方的跨导放大器，电流测量电阻320和光耦合器202组成。跟电压回路类似，次级恒流恒压控制器301里面的电流控制放大器产生误差信号并通过光耦合器202传到主开关控制器101来控制主开关102的导通关断时间从而控制输出电流电阻307和电容308组成电压补偿网络，电阻309和电容310组成电流补偿网络。从图2可以看到，次级恒流恒压控制器301有6个脚位，其中包括电压控制跨导放大器的反相输入端，电流控制跨导放大器的反相输入端，用作驱动光耦合器的电流电压共同输出端，电流控制输入端，和两个供电端(VCC和GND)。控制器301可以从次级输出电压来供电或从其它输出电压来供电。

我们需要的是一个低成本的在保持同样性能的情况下，仍然能对反激变换器实现电流电压控制的芯片。降低成本的一个方法是减少控制器IC301的脚位数。本发明就是给出了一种能准确调节电压电流的，用最少脚位和外接元件数从而减少整体成本的恒流恒压控制器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种次级恒流恒压控制器芯片，它仅采用四个管脚即可保持同样的性能，进而降低了成本。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种次级恒流恒压控制器芯片，它具有一个反馈管脚，该管脚同时作为输出电压的反馈端和芯片的工作电压输入端。

它还具有一个对地管脚，该管脚同时作为输出电流的反馈端和芯片的工作电压回路端。

它还包括一个光耦管脚，作为输出电压和输出电流的控制端。

它进一步包括一个检测管脚，该管脚作为次级参考地电平端。

另外，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种次级恒流恒压反激式变换器，它所采用的零件减少，进而降低了变换器的成本。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种次级恒流恒压反激式变换器，它包括一个开关控制电路，其中，它还包括一个次级恒流恒压控制器芯片，所述次级恒流恒压控制器芯片有反馈管脚、对地管脚、光耦管脚和检测管脚四个管脚；所述反馈管脚直接与次级输出的分压电阻相连，该反馈管脚同时作为输出电压的反馈端和芯片的工作电压输入端；所述对地管脚直接与外部的变压器以及电流感应电阻相连，该管脚同时作为输出电流的反馈端和芯片的工作电压回路端；所述光耦管脚直接连接所述开关控制电路的光耦合器，该管脚作为输出电压和输出电流的控制端；所述检测管脚与次级输出的参考地以及外部的电流感应电阻相连，该管脚作为次级参考地电平端。

另外，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种次级恒流恒压控制器芯片，它采用四个管脚即可实现恒流恒压控制，进而降低了芯片的成本。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种次级恒流恒压控制器芯片，它包括恒压环路、恒流环路以及反馈管脚、对地管脚、光耦管脚和检测管脚；所述恒压环路包括稳压管、基准源电路、分压电阻、电压环路放大器、欠压锁定电路和电压分流器件，所述恒流环路包括低压电流控制电路、基准电压、电流环路放大器和电流分流器件；其中反馈管脚与外部的分压电阻相连，并且同时作为输出电压的反馈端和作为基准源电路、欠压锁定电路、电压环路放大器和低压电流控制电路的电源；所述对地管脚直接与外部的变压器以及电流感应电阻相连，该管脚同时与欠压锁定电路、电压环路放大器、电流环路放大器、低压电流控制电路以及基准电压的参考地连接，并且与所述电压分流器件和电流分流器件的源极相连；所述光耦管脚直接连接外部的光耦合器，并且与所述电压分流器件和电流分流器件的漏极相连；所述检测管脚与次级输出的参考地以及外部的电流感应电阻相连，该管脚与分压电阻和稳压管连接，同时与低压电流控制电路的输出及基准源电路的参考地连接；其中所述稳压管、基准源电路和分压电阻并联在反馈管脚和检测管脚之间，通过分压电阻得到的电压作为电压环路放大器的输入，而基准源电路产生的基准电压作为电压环路放大器的基准电压，电压环路放大器利用运算结果控制电压分流器件的开关，而欠压锁定电路通过与反馈管脚电压的比较控制电压环路放大器是否工作；所述恒流环路的基准电压作为电流环路放大器的基准电压与电流通过连接于检测管脚和对地管脚外部的电流感应电阻产生的压降进行比较运算，得到的输出结果控制电流分流器件的开关；所述低压电流控制电路与所述恒流环路的基准电压并联，并连接电流环路放大器的输入端，该低压电流控制电路用于提供过电流保护。

因为本发明的次级恒流恒压控制器芯片仅仅使用了四个管脚实现了原来六个甚至八个管脚的功能，并且简化了与之连接的主开关控制的元器件，因此可以降低芯片以及变换器的成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有使用8个管脚实现的次级恒流恒压反激式变换器的电路示意图；

图2是另一个现有使用6个管脚实现的次级恒流恒压反激式变换器的电路示意图；

图3是本发明的次级恒流恒压反激式变换器的电路示意图；

图4是本发明次级恒流恒压控制器芯片电路示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明的次级恒流恒压反激式变换器(以下简称“变换器”)的电路示意图。它包括一个初级控制芯片101，一个初级主开关102，一个变压器201，一个光耦合器202，一个次级恒流恒压控制器芯片(以下简称为“芯片”)301，一个次级整流器302和一个输出电容303。电阻305、306为芯片301提供必需的反馈信号，进而设置和稳定输出电压，使其工作在恒压(CV)模式。这个微小的芯片301只有4个管脚，分别为反馈管脚(以下简称为“FB管脚”)、光耦管脚(以下简称为“OPTO管脚”)，检测管脚(以下简称为“SENSE管脚”)，对地管脚(以下简称“SOURCE管脚”)。芯片的OPTO管脚直接连接在光耦合器202中LED的阴极。FB管脚的作用有两个，一个是作为恒定电压的反馈点，另一个是作为芯片301的电源使用。SENSE管脚作为次级的参考地电平。SOURCE管脚通过电流检测电阻320可以作为在恒流控制时的检测负电流的反馈点，也可以作为芯片的地，和OPTO管脚的驱动电路公共端形成回路。

如图4所示，它是本发明次级恒流恒压控制器芯片电路示意图。FB管脚为恒压控制时提供反馈信号，另外也为芯片301供电。基准源电路401为电压环路放大器403提供参考电压，进而可以通过电阻410和411调节FB管脚得到一个稳定的电压。电压环路放大器403和电流环路放大器404为跨导误差放大器，分别控制恒压环路和恒流环路。恒压环路包括稳压管405、基准源电路401、分压电阻410和411、电压环路放大器403、欠压锁定电路(UVLO)402和电压分流器件420，恒流环路包括低压电流控制电路406、基准电压407、电流环路放大器404和电流分流器件421。当FB管脚电压小于欠压锁定电路402设定的阈值电压时，欠压锁定电路402关断恒压环路(即通过信号EN控制电压环路放大器403的工作状态，即可以通过该信号EN关闭电压环路放大器403)，保证当次级输出电压小于稳定的电压时恒压环路停止工作，此时控制器芯片调节使输出电流为恒定的值。低压电流控制电路406可以保证当输入电源电压很低时得到一个稳定的电流，并且当输出电压很低时提供过电流保护的功能，也就是说，当芯片301的工作电压小于最小的电压(例如，小于1.6V)时，低压电流控制电路406仍然能提供非常好的稳定的电流。通过比较图3所示的电流检测电阻320上的电压与精准的低参考电压，再经过电流环路放大器404，就可以得到稳定的输出电流。电流分流器件(MOSFET)420和电压分流器件(MOSFET)421是漏极开路器件，用以驱动连接在OPTO管脚上的光耦合器中的LED。

芯片301的管脚外部连接如图3所示，FB管脚与电阻305和306连接；OPTO管脚与光耦合器器件202连接；SENSE管脚与次级输出的参考地、电阻306和320连接；SOURCE管脚与电阻320和变压器201连接。芯片301的管脚内部连接如图4所示，FB管脚与稳压管405和电阻410连接，同时也是基准源电路401、欠压锁定电路402、电压环路放大器403及电流环路放大器404和低压电流控制电路406的电源；OPTO管脚与电压分流器件420和电流分流器件421的漏极连接；SENSE管脚与电阻411和稳压管405连接，同时与低压电流控制电路406的输出及基准源电路401参考地连接；SOURCE管脚与欠压锁定电路402、电压环路放大器403及电流环路放大器404、低压电流控制电路406和基准电压407的参考地连接。FB管脚作为芯片301的工作电源的同时，通过电阻410和411的分压得到电压环路放大器403的输入并与基准电压1.25V进行比较运算，以便输出控制电压分流器件420的开关程度和状态；SOURCE管脚作为次级恒流恒压控制器芯片的参考地，也是基准电压407的参考地，基准电压407为电流环路放大器404的一个输入，电流通过连接于SENSE管脚和SOURCE管脚外部电流检测电阻(RSENSE)320产生的压降与基准电压407进行比较运算，得到的输出控制电流分流器件421。由此可见，FB管脚和SOURCE管脚同时实现了两种功能。

重新研究一下图3和图4，在恒压工作模式中，电压环路放大器403控制输出电压。由于变换器的输出电流小于恒流环路的基准电压407所预先设定的恒定电流的阈值，所以电流分流器件421关闭，但是电压分流器件420是开启还是关闭取决于反激式变换器的输出电压Vo。在稳压时，输出电压有以下的表达式：

VO＝VFB·(1+RFB1/RFB2)+IFB·RFB1 (1)

此处，IFB为流入FB管脚的正常的偏置电流，即恒压/恒流控制芯片301的工作电流，RFB1、RFB2分别是电阻305、306的阻值，VFB是FB管脚电压。IFB的变化会导致输出电压Vo有一个比较小的误差，如果芯片301的工作电流IFB具有零温度系数且远小于流入电阻306的电流，但是这个误差几乎可以忽略不计。例如，根据本发明中所阐述的技术，芯片301工作电流典型值在100μA左右，并且此电流在工艺，温度和电压变化的条件下误差为±25μA。在RFB1的典型值为1kΩ和输出电压的典型值为5V的情况下，Vo的误差是±25mV或者是±0.5％。这个误差在很多的应用中是可以被接受的，例如离线式充电器和适配器。因此，用FB管脚同时作为输出电压的反馈和控制芯片的电源输入不会影响输出电压的精度。如此复用FB管脚，可以减少控制器芯片封装时的管脚数目，从而可以使用如图4所示的4个管脚的低成本TO94封装。

在恒流模式下，电流控制电流环路放大器404开始工作，同时由于变换器的输出电压低于式(1)所示的恒定电压值，电压分流器件420关闭。电流分流器件421是开启还是关闭取决于变换器的输出电流。由于电压分流器件420和电流分流器件421不会在同一时刻开启，所以OPTO管脚可以被电压分流器件420和电流分流器件421复用。在输出稳定的情况下，恒定输出电流IO的表达式为：

IO＝V_TH/RSENSE (2)

此处，V_TH为基准电压407所建立的恒定电流阈值电压。注意到在恒流工作模式时，以次级GND或SENSE管脚为参考地线，芯片301的工作电压为：

VFB＝(VO-IFB·RFB1)·RFB2/(RFB1+RFB2) (3)

若以SOURCE管脚为参考电压，芯片301的工作电压则为：

VFB＝(VO-IFB·RFB1)·RFB2/(RFB1+RFB2)+IO·RSENSE

(4)

因此，在恒流控制模式时，芯片301的内部控制电路有一个比FB管脚所提供的电源电压稍微大一点的工作电压。例如，在恒流模式下，如果芯片301可以通过恒流控制使RSENSE管脚上的压降为200mV，那么内部控制电路就会多出一个200mV的电压空间，从而使芯片301可以工作在更低的输出电压。

本文所阐述的芯片301的典型应用是一个5V恒定电压输出和1A恒定电流输出的5W离线式恒流恒压充电器(以下简称“充电器”)。当输出电流小于最大的设定输出电流1A时，充电器工作在恒压模式，调节得到稳定的5V输出电压；当负载电流大于1A时，芯片301工作在恒流模式，得到一个稳定的1A输出电流。此时因为充电器限制了输出电流，所以输出电压和芯片301工作电压会下降。典型情况下，当输出电压下降到2.5V时，芯片301仍需正常工作并使输出电流稳定在设计时所设定的1A。在这个应用的例子中，VFB的正常值为4V，它由内部的基准源电路401和电阻410、411所设定，见图4。由外部的Vo可以分别设定反馈电阻305的值为1KΩ，电阻306的值为4.4KΩ。如果芯片的工作电流为100μA(典型值)，那么输出的恒定电压为5.009V，此值可以从式(1)得到。在恒流模式中，当Vo为2.5V且V_TH＝200mV时，从式(4)得到芯片工作电压为2.155V。因此，在工作电压下降到2.155V时，芯片仍需正常工作以精确控制输出电流。

Claims

1、一种次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，它具有一个反馈管脚，该管脚同时作为输出电压的反馈端和芯片的工作电压输入端。

2、如权利要求1所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，它还具有一个对地管脚，该管脚同时作为输出电流的反馈端和芯片的工作电压回路端。

3、如权利要求1或2所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，它还包括一个光耦管脚，作为输出电压和输出电流的控制端。

4、如权利要求1或2所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，它还包括一个检测管脚，该管脚作为次级参考地电平端。

5、如权利要求3所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，它还包括一个检测管脚，该管脚作为次级参考地电平端。

6、如权利要求1所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，所述的反馈管脚与次级输出的分压电阻连接，反馈管脚也连接到该芯片内部的稳压管和分压电阻，同时也是该芯片内基准源电路、欠压锁定电路、放大器和低压电流控制电路的电源。

7、如权利要求2所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，所述的对地管脚与外部的电流感应电阻以及变压器连接，并与该芯片内部的欠压锁定电路、放大器、低压电流控制电路和基准电压的参考地连接。

8、如权利要求3所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，所述的光耦管脚与外部光耦合器连接，并与该芯片内部的分流器件漏极连接。

9、如权利要求4所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，所述的检测管脚与次级输出的参考地以及外部的电流感应电阻连接，同时检测管脚连接到该芯片内部的分压电阻和稳压管，也与该芯片内部的低压电流控制电路的输出及基准源电路参考地连接。

10、如权利要求5所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，所述的检测管脚与次级输出的参考地以及外部的电流感应电阻连接，同时检测管脚连接到该芯片内部的分压电阻和稳压管，也与该芯片内部的低压电流控制电路的输出及基准源电路参考地连接。

11、一种次级恒流恒压反激式变换器，它包括一个开关控制电路，其特征在于，它还包括一个次级恒流恒压控制器芯片，所述次级恒流恒压控制器芯片有反馈管脚、对地管脚、光耦管脚和检测管脚四个管脚；所述反馈管脚直接与次级输出的分压电阻相连，该反馈管脚同时作为输出电压的反馈端和芯片的工作电压输入端；所述对地管脚直接与外部的变压器以及电流感应电阻相连，该管脚同时作为输出电流的反馈端和芯片的工作电压回路端；所述光耦管脚直接连接所述开关控制电路的光耦合器，该管脚作为输出电压和输出电流的控制端；所述检测管脚与次级输出的参考地以及外部的电流感应电阻相连，该管脚作为次级参考地电平端。

12、如权利要求11所述的次级恒流恒压反激式变换器，其特征在于，所述的反馈管脚连接到所述次级恒流恒压控制器芯片内部的稳压管和分压电阻，同时也是该芯片内基准源电路、欠压锁定电路、放大器和低压电流控制电路的电源。

13、如权利要求11所述的次级恒流恒压反激式变换器，其特征在于，所述的对地管脚与所述次级恒流恒压控制器芯片内部的欠压锁定电路、放大器、低压电流控制电路和基准电压的参考地连接。

14、如权利要求11所述的次级恒流恒压反激式变换器，其特征在于，所述的光耦管脚与所述次级恒流恒压控制器芯片内部的分流器件漏极连接。

15、如权利要求11所述的次级恒流恒压反激式变换器，其特征在于，所述的检测管脚连接到所述次级恒流恒压控制器芯片内部的分压电阻和稳压管，也与该芯片内部的低压电流控制电路的输出及基准源电路参考地连接。

16、一种次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，它包括恒压环路、恒流环路以及反馈管脚、对地管脚、光耦管脚和检测管脚；所述恒压环路包括稳压管、基准源电路、分压电阻、电压环路放大器、欠压锁定电路和电压分流器件，所述恒流环路包括低压电流控制电路、基准电压、电流环路放大器和电流分流器件；其中反馈管脚与外部的分压电阻相连，并且同时作为输出电压的反馈端和作为基准源电路、欠压锁定电路、电压环路放大器和低压电流控制电路的电源；所述对地管脚直接与外部的变压器以及电流感应电阻相连，该管脚同时与欠压锁定电路、电压环路放大器、电流环路放大器、低压电流控制电路以及基准电压的参考地连接，并且与所述电压分流器件和电流分流器件的源极相连；所述光耦管脚直接连接外部的光耦合器，并且与所述电压分流器件和电流分流器件的漏极相连；所述检测管脚与次级输出的参考地以及外部的电流感应电阻相连，该管脚与分压电阻和稳压管连接，同时与低压电流控制电路的输出及基准源电路的参考地连接；其中所述稳压管、基准源电路和分压电阻并联在反馈管脚和检测管脚之间，通过分压电阻得到的电压作为电压环路放大器的输入，而基准源电路产生的基准电压作为电压环路放大器的基准电压，电压环路放大器利用运算结果控制电压分流器件的开关，而欠压锁定电路通过与反馈管脚电压的比较控制电压环路放大器是否工作；所述恒流环路的基准电压作为电流环路放大器的基准电压与电流通过连接于检测管脚和对地管脚外部的电流感应电阻产生的压降进行比较运算，得到的输出结果控制电流分流器件的开关；所述低压电流控制电路与所述恒流环路的基准电压并联，并连接电流环路放大器的输入端，该低压电流控制电路用于提供过电流保护。

17、如权利要求16所述的次级恒流恒压控制器芯片，其特征在于，所述电流环路放大器和电压环路放大器均为跨导放大器。