CN101594064A - 一种开关电源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源控制器，通过增加一单一的功能端，实现突发模式控制，在低负载状态下保持所述开关管断开状态；过压和欠压保护，当主电路输入电压过高或过低时使所述开关管处于断开状态；前馈控制，降低主电路输入电压变化对原边峰值电流控制的误差；最大占空比控制，使所述开关管最大占空比随所述主电路输入电压升高而降低，降低而升高；以及遥控控制，控制所述开关管的工作和停止状态。

Description

一种开关电源控制器

技术领域

本发明涉及隔离式电压变换电路，具体涉及隔离式电压变换电路系统的开关电源控制器中多功能管脚复用。

背景技术

隔离式电压变换器可用于对安全性要求高的适配器和充电器。如图1所示，反激式隔离电压变换器100包括原边电路和副边电路，通过变压器T隔离。原边电路包括整流电路10，原边绕组L1和开关电源控制器11。其中整流电路10将交流电压转变成直流输入电压Vin。输入电压Vin输入原边绕组L1。原边绕组L1另一端连接开关电源控制器11。开关电源控制器11包括一开关管和控制该开关管的控制电路，它的漏极端Drain即开关管的漏极端连接原边绕组L1，源极端Source即开关管的源极端连接原边地，反馈端FB接收反映副边输出电压Vout的反馈信号，电压输入端Vcc接收一电源信号以给开关电源控制器11供电。副边电路包括副边绕组L2，副边整流器D和滤波器Co。在控制电路的控制下，开关管重复开通断开动作，在原边绕组L1中产生周期脉冲信号，该脉冲信号经过变压器耦合将能量转移到副边绕组L2。副边绕组L2上的周期脉冲信号经整流器D整流和滤波器Co滤波，转换成直流输出电压Vout。

通常，电源控制器11为一开关电源控制器11芯片，有独立的封装，如外部一般包含漏极Drain管脚，源极Source管脚，反馈FB管脚和电源输入Vcc管脚，它控制隔离式电压变换器100的工作过程。一个功能完整的开关电源控制器11往往包括其它的功能，如过压/欠压保护(OVP/UVLO)，最大占空比控制，前馈控制和遥控功能等，这些功能将使开关电源控制器11芯片需引入其它的管脚。传统方式往往采用增加多个管脚一一实现其功能。然而，对一个芯片来说，管脚越多，其制造成本越高，外形尺寸也往往增大。因此，如何用尽可能少的管脚实现尽可能多的功能，同时增加尽可能简单的外部电路，是设计开关电源控制器11芯片的考虑要点之一。

发明内容

本发明的目的在于公开一种开关电源控制器，它接收负载反馈信号并控制开关管，与此同时，通过增加一单一的功能端，实现：突发模式控制，在低负载状态下保持所述开关管断开状态；过压和欠压保护，当主电路输入电压过高或过低时使所述开关管处于断开状态以及前馈控制，降低主电路输入电压变化对原边峰值电流控制的误差。通过该功能端，开关电源控制器可进一步实现最大占空比控制，使所述开关管最大占空比随所述主电路输入电压升高而降低，降低而升高。还可实现遥控控制，控制所述开关管的工作和停止状态。

其中开关电源控制器可为一集成电路芯片，其中所述功能端为所述集成电路芯片一引脚。该集成电路芯片可包括开关管，也可不包括开关管。它包含一漏极引脚、一源极引脚、一反馈引脚及一电源输入引脚，应用于反激式隔离电压变换器系统，所述漏极引脚连接原边绕组，源极引脚连接原边地，反馈引脚接收所述反馈信号。该集成电路芯片可包括开关管，也可不包括开关管。

开关电源控制器的内部可包括：晶振，接收所述反馈信号，输出一脉冲信号；RS触发器，置位端接收所述脉冲信号，输出第一控制信号；第一比较器，反相端耦接所述反馈信号，同相端耦接所述功能端，输出第二控制信号；第二比较器，反相端耦接所述功能端，同相端接收一参考电压，输出第三控制信号；第三比较器，同相端耦接所述功能端，反相端接收一参考电压，输出第四控制信号；前馈控制电路，其输入端耦接所述功能端；电流比较器，其同相端接收原边电流信号，反相端接收所述前馈控制电路的输出信号，输出端连接所述RS触发器复位端；与门电路，输入端接收所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号，输出端耦接所述开关管的门极。为了更灵活的调节设置点，电源控制器可进一步包括：一电流源，通过第一开关连接所述功能端；第二开关，连接于所述功能端与所述第一比较器之间；第三开关，连接于所述功能端与所述第二比较器反相端、第三比较器同相端之间；逻辑电路，接收所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号并控制所述第一开关、第二开关和第三开关。

上述电路结构实现了通过单一的功能端拥有OVP/UVLO保护、突发模式(Burst mode)控制和前馈控制。

电源控制器可进一步包括第四比较器，同相端连接所述晶振，反相端通过所述第二开关连接所述功能端，输出第五控制信号至所述与门电路。用于实现最大占空比控制。

该电源控制器可以有两种外部连接方式，一种为功能端通过电阻分压器接收主电路输入电压的采样电压。该连接方式可结合上述电路结构实现OVP/UVLO保护、突发模式(Burst mode)控制、前馈控制和最大占空比控制。第二种外部连接方式为功能端通过电阻分压器接收主电路输入电压的采样电压，同时所述功能端耦合到一晶体管，通过控制所述晶体管的门极电压将所述功能端电压拉到原边地电位。该连接方式结合上述开关电源控制器电路结构可进一步实现遥控控制。

本发明公开的开关电源控制器通过单一的端口实现了多种功能，使得开关电源控制器功能增强而成本和尺寸较低。并且外部电路简单。

附图说明

图1所示为现有技术的反激式隔离电压变换器。

图2A所示为包含主电路开关管的一种开关电源控制器模块；图2B为不包含主电路开关管的一种开关电源控制器模块。

图3所示为开关电源控制器内部电路示意图。

图4A所示为开关电源控制器的第一种外部连接方式；图4B为开关电源控制器的第二种外部连接方式。

图5所示为最大占空比调节波形示意图。

图6开关电源控制器的另一种内部电路示意图。

具体实施方式

本发明的电源控制器通过增加单一的引脚实现包括OVP/UVLO保护、突发模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前馈控制和遥控功能在内等功能。

如图2A所示，开关电源控制器200A含有反馈端FB，从外部接收反映开关电源系统负载的反馈信号，该反馈信号随负载增大而减小，约正比于输出电压Vout；电源输入端Vcc，为开关电压控制器200A提供电源；漏极端Drain，内部连接主电路开关管的漏极；以及源极端Source，内部连接主电路开关管的源极。除此之外，开关电源控制器200A还包括一个功能端Mul，通过该单一的Mul端实现包括OVP/UVLO保护、突发模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前馈控制和遥控功能在内等功能。

在另一种实施方式中，如图2B所示，开关电源控制器200B不包括主电路的开关管，相应地，它含有反馈端FB；电源输入端Vcc；门极驱动端Gate，输出驱动电压连接开关管的门极；原边电流输入端VId，输入正比于开关管漏极电流的原边电流信号；以及功能端Mul，通过该端口实现包括OVP/UVLO保护、突发模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前馈控制和遥控功能在内等功能。

在一种实施方式中，开关电源控制器200A或200B为一集成电路芯片，其端口即为芯片的引脚。对开关电源控制器200A而言，该集成电路芯片200A包括功能引脚Mul、漏极引脚Drain、源极引脚Source、反馈引脚FB以及电源输入引脚Vcc。

图3所示为本发明的实施例开关电源控制器200A的内部电路示意图。开关电源控制器包括开关管K，一晶振，RS触发器U7，作为第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3的三个滞环比较器，第四比较器U4，前馈控制电路31，电流比较器U6，与门电路U8，电流源Iburst，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和门电路U10～U14构成的逻辑电路32。开关管K通常为一MOSFET管，图3中所示采用NMOSFET。一个实施例中，前馈控制电路31包括放大器U5、四个阻值相同的电阻和参考电压Vref3，放大器U5的反相输入端和输出端、参考电压Vref3、第一开关S1三者之间分别连接有一个电阻，其同相输入端与地之间连接有一个电阻，参考电压Vref3的另一端接地。

晶振接收来自反馈端FB的反馈信号，输出频率随FB改变的脉冲信号。其中反馈信号为反映主电路负载的采样信号。在本实施例中，负载越高，即V_FB越低，脉冲信号的频率越高。脉冲信号输入RS触发器U7的置位端S。U7的复位端接收电流比较器U6的输出信号并输出第一控制信号A。第一比较器U1的同相端通过第二开关S2连接到Mul端，反相端连接FB端，输出第二控制信号B。同时，电流源Iburst通过第一开关S1连接Mul端。第二比较器U2反相端通过第三开关S3连接Mul端，同相端接收第一参考电压Vref1，输出第三控制信号C。第三比较器U3同相端通过第三开关S3连接Mul端，反相端接收第二参考电压Vref2，输出第四控制信号D。第四比较器U4的同相端接收来自晶振的另一锯齿波信号，该锯齿波的上升沿与脉冲信号的上升沿对齐，并与脉冲信号的频率一致。第四比较器U4的反相端通过第三开关S3连接Mul端。第四比较器U4输出第五控制信号E至与门U8。前馈控制电路31通过第一开关S1连接Mul端，其输出端输出经调制的峰值电流信号VIlimit至电流比较器U6的反相端，U6的同相端接收反映流过开关管K电流的原边电流信号VId。逻辑电路32接收控制信号A、B、C和D，输出两个开关控制信号，第一个控制信号控制第一开关S1和第二开关S2，第二个控制信号控制第三开关S3。与门U8的输入端接收控制信号A、B、C、D和E，输出门极控制信号至开关管K的门极。在另一种实施方式里，U8通过一驱动电路控制开关管K的门极。

图3中的电路在不包含开关管K时对应开关电源控制器200B，其中与门电路U8输出端连接开关电源控制器200B的门极驱动端Gate，电流比较器U6的同相端连接开关电源控制器200B的原边电流输入端VId。

图3所示的开关电源控制器可以分别通过如图4A和图4B所示的方式实现多功能控制。第一种连接方式是将功能端Mul通过电阻分压器接收主电路输入电压Vin以在Mul端获得

的Vin采样电压。该电阻分压器包括电阻R1和R2。电阻R1一端连接Vin，另一端连接Mul端。电阻R2一端连接Mul端，另一端连接原边地。第二种连接方式如图4B所示，在采样Vin的同时，将Mul端耦合到一晶体管T，通过控制该晶体管T的门极电压将Mul端电压拉到原边地电位。在第二种连接方式里，Mul端一方面通过由电阻R1、电阻R2组成的电阻分压器接收主电路输入电压Vin的采样电压，另一方面，晶体管T的漏极连接Mul端，源极连接原边地，门极接受外部的开关控制信号(ON/OFF)。当晶体管T的门极电压为低时，其不导通，Mul端电压为

当晶体管T的门极电压为高时，T管导通，Mul端电压被拉到原边地电位。

下面对图3所示电路结构的功能结合图4A、4B进行描述。

首先对开关电源控制器的基本工作方式进行说明。在不考虑OVP/UVLO保护、突发模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前馈控制和遥控功能的前提下，或者说当第四比较器U4输出信号与B、C、D、E控制信号都为高电位的情况下，当晶振输出的脉冲信号升高时，RS触发器U7的Q端被置高，开关管K导通；电流比较器U6同相端接收Id采样电压即原边电流信号VId，反相端接收峰值电流信号Vlimit，当流经开关管K的电流Id增大到峰值电流阈值时，电流比较器U6输出高电平，RS触发器U7复位，Q端被置低，开关管K断开。

此外，该电源控制器通过Mul端进一步实现多功能控制。当主电路(电压变换器系统)输出负载降低到一预定值时，启动Burst mode功能，第二控制信号B为低电平，与门U8输出低电平，开关管K被断开；当主电路输入电压过高时，启动OVP保护功能，第三控制信号C为低电平，与门U8输出低电平，开关管K被断开；当主电路输入电压过低时，启动UVLO保护功能，第四控制信号D为低电平，与门U8输出低电平，开关管K被断开；当主电路输入电压改变时，原边峰值电流阈值改变以实现前馈控制。同时，系统最大占空比随主电路输入电压Vin增大而减小，以限定最大输出功率，当最大占空比对应的下降沿到来时，第五控制信号E为低电平，开关管K被断开。当开关电源控制器以图4B方式与外部连接且Mul端被遥控信号拉到原边地电位时，第四控制信号D为低电平，开关管K被断开。

下面将具体介绍各功能：

1)Burst mode控制。该功能通过第一比较器U1，电流源Iburst实现。当进行Burst mode控制时，第一开关S1将Mul端与电流源Iburst连接，第二开关S2闭合而第三开关S3断开以避免相互干扰各自的正常工作。此时，第一比较器U1同相端电压即Burst mode阈值为 $\mathrm{Iburst}*R2+\mathrm{Vin}*\frac{R2}{R2+R1},$ 在R1/R2比例确定的情况下，即不改变过压/欠压保护点的情况下，通过选择电阻R2的阻值，调节进入Burst mode的阈值。当 $V_{\mathrm{FB}}>\mathrm{Iburst}*R2+\mathrm{Vin}*\frac{R2}{R2+R1},$ 即负载小于一预定值时，第一比较器U1输出低电平B信号，开关管K被断开。一旦负载上升使得第一比较器U1输出高电平，开关管K在下一个脉冲信号上升沿导通。

2)主电路输入电压的OVP保护功能。该功能通过第二比较器U2实现。当第三开关S3闭合，第二比较器U2反相端连接Mul端，Mul端电压为

当 $\mathrm{Vin}*\frac{R2}{R2+R1}>\mathrm{Vref}1,$ 即Vin过压时，第二比较器U2输出低电平C信号，开关管K被断开。

3)主电路输入电压的UVLO保护功能。该功能通过第三比较器U3实现。当第三开关S3闭合，第三比较器U3同相端连接Mul端，Mul端电压为

当 $\mathrm{Vin}*\frac{R2}{R2+R1}<\mathrm{Vref}2,$ 即Vin欠压时，第三比较器U3输出低电平D信号，开关管K被断开。

4)前馈控制。该功能通过前馈控制电路31实现。当原边电流Id上升到峰值电流阈值Ilimit时，开关管K被断开。但是，从检测到Id上升到峰值电流阈值Ilimit到断开开关管K存在一个电路本身固有的固定时间延迟ΔT。在ΔT内，原边电流Id以

的斜率继续上升，其中Lp为原边绕组的电感值。这样，真实的峰值电流为

因此Vin越高，真实的原边峰值电流离预设阈值的误差

越大。为了降低这种影响，采用前馈控制电路31降低误差。在开关电源控制器中，第一开关S1有两种状态，一是将Mul端与电流源Iburst连接，如上所述，另一种是将Mul端连接前馈控制电路31。当Mul端连接前馈控制电路31时，进入前馈控制状态，输入前馈控制电路31的输入电压为

输入前馈控制电路31产生随Vin变化的峰值电流信号VIlimit。如图3所示，前馈控制电路31由放大器U5、参考电压Vref3和相同阻值的电阻组成。此时 $V_{\mathrm{Ilimit}}=\mathrm{Vref}3-\mathrm{Vin}*\frac{R2}{R1+R2},$ 即峰值电流信号VIlimit随Vin增大而减小。这样，真实的原边峰值电流对应 $(\mathrm{Vref}3-\mathrm{Vin}*\frac{R2}{R1+R2})*k+\frac{\mathrm{Vin}}{\mathrm{Lp}}*\mathrm{\&Delta;T}.$ 其中k为Id的采样常数。可见

对原来的

误差进行了部分抵消。通过合理的分压电阻R1、R2和Lp的参数值设置，可以完全消除由于Vin变化带来的峰值电流误差，实现峰值电流阈值设定的前馈作用。

5)最大占空比控制。该功能通过晶振和第四比较器U4实现。第四比较器U4反相端通过第二开关S2连接Mul端，连接时电压为

晶振除产生脉冲信号外，还产生同频率的锯齿波信号，其上升沿对齐，该锯齿波信号输入第四比较器U4同相端。第四比较器U4输出第五控制信号E至与门U8。E信号为最大占空比信号，通过与门U8决定电压变换器系统最大占空比。如图5所示。当Vin上升时，

上升，见

其最大占空减小。当Vin降低时，

降低，见

其最大占空比增大。

6)遥控控制。此时开关电源控制器以图4B方式与外部电路连接，通过晶体管T门极接受外部开关控制信号ON/OFF的遥控控制。当外部开关控制信号为低时，晶体管T不导通，Mul端电压为此时开关电源控制器按上述方式运行，实现上述功能。当外部开关控制信号为高时，晶体管T导通，Mul端电压被拉到原边地电位。因此第三比较器U3输出低电平D信号，开关管K处于断开状态。

为确保各功能的正常实现互相不冲突，开关电源控制器采用逻辑电路32对第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3进行控制。逻辑电路32包括与门U10、或门U11和非门U12、U13、U14。非门U12接收信号A，输出A。与门U10接收信号A、C和D，输入U11。非门接收信号B，输出B至U11另一输入端。U11输出信号控制S1和S2，同时U11输出信号至非门U14并输出第二路信号控制第三开关S3。当U11输出高电平时，第一开关S1连接电流源Iburst，第二开关S2闭合，第三开关S3断开，进入Burst mode控制U11输出低电平时，第一开关S1连接前馈控制电路31，第二开关S2断开，第三开关S3闭合，进入OVP/UVLO保护，前馈控制和最大占空比控制。U11输出的电平符合A×C×D+B的逻辑，该逻辑电路使得在不过压(C＝1)、不欠压(D＝1)且RS触发器U7被置低(A＝0)时进入Burst mode监控。此时若输出负载小于预定值，第一比较器U1输出低电平B，启动Burst mode，开关管K被关断。在负载小于预定值 $(V_{\mathrm{FB}}>\mathrm{Iburst}*R2+\mathrm{Vin}*\frac{R2}{R2+R1})$ 期间(B＝0)，保持Burst mode监控，即第一开关S1连接电流源Iburst，第二开关S2闭合、第三开关S3断开。直到负载大于该预定值(B＝1)，在下一个脉冲信号上升时(A＝1)时，第一开关S1连接前馈控制电路31，第二开关S2断开，第三开关S3闭合。在B＝1的情况下，当出现过压(C＝0)，欠压(D＝0)或原边电流Id未到达峰值电流阈值前(A＝1)，第一开关S1连接前馈控制电路31，第二开关S2断开，第三开关S3闭合。

在另外一种实施方式里，见图6，开关电源控制器的Burst mode功能中不采用电流源，因此也不需要逻辑电路，其它部分与图3所示开关电源控制器相同。在该方式下，分压电阻R1、R2的阻值调节将联动调节Burst mode控制阈值、过压阈值、欠压阈值、前馈控制水平和占空比控制水平。

在本发明中，“耦接”可以是两物体之间的的直接电气连接，也可以为两物体通过中间部件的间接电气连接。

本发明所说的“反激式隔离电压变换器系统”可包括将交流电转化为直流线电压的整流电路，也可不包括该整流电路。

Claims (12)

1.一种开关电源控制器，接收负载反馈信号并控制开关电源的开关管，其特征在于，所述控制器包括与外部电路连接的功能端，实现：

突发模式控制，在低负载状态下保持所述开关管断开状态；

过压和欠压保护，当主电路输入电压过高或过低时使所述开关管处于断开状态；

以及前馈控制，降低主电路输入电压变化对原边峰值电流控制的误差。

2.如权利要求1所述的电源控制器，其特征在于通过所述功能端，进一步实现最大占空比控制，使所述开关管最大占空比随所述主电路输入电压升高而降低，降低而升高。

3.如权利要求2所述的电源控制器，其特征在于通过所述功能端，进一步实现遥控控制，控制所述开关管的工作和停止状态。

4.如权利要求1-3所述的电源控制器，其特征在于该电源控制器为集成电路芯片，其中所述功能端为所述集成电路芯片的引脚。

5.如权利要求4所述的电源控制器，其特征在于进一步包括所述开关管。

6.如权利要求5所述的电源控制器，其特征在于进一步包含一漏极引脚、一源极引脚、一反馈引脚及一电源输入引脚，应用于反激式隔离电压变换器系统，所述漏极引脚连接原边绕组，源极引脚连接原边地，反馈引脚接收所述反馈信号。

7.如权利要求1所述的电源控制器，包括：

晶振，接收所述反馈信号，输出脉冲信号；

RS触发器，置位端接收所述脉冲信号，输出第一控制信号；

第一比较器，反相端耦接所述反馈信号，同相端耦接所述功能端，输出第二控制信号；

第二比较器，反相端耦接所述功能端，同相端接收第一参考电压，输出第三控制信号；

第三比较器，同相端耦接所述功能端，反相端接收第二参考电压，输出第四控制信号；

前馈控制电路，其输入端耦接所述功能端；

电流比较器，其同相端接收原边电流信号，反相端接收所述前馈控制电路的输出信号，输出端连接所述RS触发器复位端；

与门电路，输入端接收所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号，输出端耦接所述开关管的门极。

8.如权利要求7所述的电源控制器，其特征在于进一步包括：

电流源，和前馈控制电路通过第一开关可选择地连接所述功能端；

第二开关，连接于所述功能端与所述第一比较器之间；

第三开关，连接于所述功能端与所述第二比较器反相端、第三比较器同相端之间；

逻辑电路，接收所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号并控制所述第一开关、第二开关和第三开关。

9.如权利要求7或8所述的电源控制器，其特征在于进一步包括第四比较器，同相端连接所述晶振，反相端通过所述第二开关连接所述功能端，输出第五控制信号至所述与门电路。

10.如权利要求9所述的电源控制器，其特征在于所述功能端通过电阻分压器接收开关电源主电路输入电压的采样电压。

11.如权利要求7所述的电源控制器，其特征在于所述功能端通过电阻分压器接收开关电源主电路输入电压的采样电压，同时所述功能端耦合到一晶体管，通过控制所述晶体管的门极电压将所述功能端电压拉到原边地电位。

12.如权利要求9所述的电源控制器，其特征在于所述功能端通过电阻分压器接收开关电源主电路输入电压的采样电压，同时所述功能端耦合到一晶体管，通过控制所述晶体管的门极电压将所述功能端电压拉到原边地电位。

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