CN101611534A

CN101611534A - 电源控制器的形成方法及其结构

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Publication number: CN101611534A
Application number: CNA2007800512135A
Authority: CN
Inventors: F·勒米特
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: KR101285578B1; KR20100014943A; TW200840174A; US20090303757A1; TWI414123B; CN101611534B; HK1139518A1; US7986536B2; WO2008115231A1

Abstract

在一个实施方案中，开关控制器利用变压器的辅助绕组电压来形成代表通过变压器的二次绕组的电流的信号。

Description

电源控制器的形成方法及其结构

技术领域

本发明一般设计电子学，并且更具体地，涉及形成半导体器件的方法和结构。

背景技术

在过去，使用各种结构来形成电源控制器，电源控制器通过控制流过变压器的一次侧(原边)的电流而控制变压器的二次侧(副边)上的输出电压。在一些情况中，使用光耦合器来感测输出电压的值，并且形成用于控制通过一次侧的电流的反馈信号。然而，这样增加了系统的成本。在其他情况中，变压器包括辅助绕组，自变压器的一次侧感应产生电压进入该辅助绕组。辅助绕组上的信号用于控制连接至变压器的一次侧的电源控制器。在2006年9月5日颁布给Reinhard等人的美国专利号7,102,899中公开了一个这样的控制电路。这些现有电路的一个问题在于当将辅助绕组用作控制信号时输出电压调节的精度。一般，精度小于大约10％。

因此，期望具有一种降低系统成本的控制方法，其不使用光耦合器来形成反馈信号，并且提高了精度。

附图说明

图1根据本发明示意性示出了电源系统的一部分的实施方案；

图2为根据本发明图示地示出图1系统的一些信号的曲线图；以及

图3根据本发明示意性示出了包括图1的一部分电源系统的半导体器件的放大的平面视图。

为了简单明了的示意，图中的元件不一定按照比例，并且在不同的图中相同的参考号代表相同的元件。此外，为了说明的简要，省略了众所周知的步骤和元件的说明和细节。本文中使用的载流电极是指器件的元件，例如，MOS晶体管的源极或漏极、或双极晶体管的发射极或集电极、或二极管的正极或负极，其承载通过器件的电流，控制电极是指器件的元件，例如，MOS晶体管的栅极或者双电极晶体管的基极，其控制通过器件的电流。虽然本文中把器件解释为确定的N-沟道或P-沟道器件，本领域的普通技术人员应该理解根据本发明互补器件也是可能的。本领域的普通技术人员应该理解，本文中的词汇“在...期间”、“在...的时候”、以及“当...时”不是表示一旦开始操作马上就会出现反应的准确术语，而是可能会在被初始操作激起的反应之间有一些微小但合理的延迟，例如传播延迟。词汇的使用实质上是指元件的值具有期望非常接近于规定值或位置的参数。然而，正如本领域所公知，一直存在阻止值或位置如规定的精确的较小变化。在本领域中确认，达到大约10％的变化被认为是自所描述的精确的理想值的合理变化。

具体实施方式

图1示意性示出了以准谐振回扫(quasi-resonant flyback)结构连接的电源系统10的一部分的实施方案的示意性形式。系统10在功率输入11和功率返回12之间接收功率例如DC电压，并且形成用于各种应用的稳定输出电压，以便例如给电池24充电。系统10的变压器17具有一次侧电感器或绕组18、二次侧电感器或绕组19以及辅助电感器或辅助绕组21。二次绕组19用于在输出13和输出返回14之间形成稳定输出电压。负载电流或二次电流20流过绕组19。整流二极管22和电容器23用于对由绕组19形成的电压进行整流并形成实质上的DC输出电压。系统10的开关电源控制器40用于控制功率开关例如晶体管36的接通或关闭，以调整输出13和返回14之间的输出电压。连接电流感测电阻器37以接收来自晶体管36的电流35，并在用于限制通过电感器18的电流35值的节点38上形成电流控制(CC)信号。

晶体管36的接通或关闭在绕组21的端子27上引起辅助(AX)电压，并产生流过绕组21的辅助电流26。连接二极管28和电容器29以接收AX电压，并在功率端子30和返回12之间形成用于运行控制器40的运行电压。电阻器32和电容器33从端子27接收辅助(AX)电压，并在输出34上形成去磁或Dmag(DM)信号。Dmag(DM)的值和波形实质上与横跨绕组21两端的电压的值和波形相同，但在时间上由电阻器32和电容器33的时间常数所延迟。

因为变压器17的所有绕组磁性地耦合在一起，绕组19和21每个都产生形状上彼此相同的电压，但是值与其各自的匝数成比例。所以，对绕组21上的电压进行调节使得对绕组19上的电压产生调节。有效的输出电压等于绕组19上产生的电压减去二极管22的前向电压降。因此，系统10将输出电压值调节至在目标值附近的值的范围内的目标值。例如，目标值可以为10伏特(10V)，而值的范围可以在5伏特附近加上或减去5％。

控制器40连接至系统10的一次侧中，并且控制器40的电压参考一次侧。为了判断输出电压的值并调节输出电压，开关控制器40配置成从辅助绕组21接收辅助(AX)电压，并在节点81处产生伪电流感测(PS)信号，其表示电流20的值和波形。伪电流感测(PS)信号用于控制控制器40对辅助电压值进行采样并判断输出电压值的时间。此外，辅助电压的采样值用于形成帮助控制器40调节输出电压值的误差信号(ES)。误差信号(ES)还用于形成伪电流感测(PS)信号。产生PS信号允许控制器40调节输出电压，而不直接地连接至二次绕组19或电参考于二次绕组19。

控制器40连接成通过电压输入41和电压返回42从端子30和返回12接收功率。输入41和返回42一般分别连接至端子30和返回12。控制器40还包括连接成接收辅助(AX)电压的反馈(FB)输入43、连接至控制晶体管36的输出45、电流控制(CC)输入46、Dmag(DM)输入44和感测输入47。输入44一般连接至Demag(DM)输出34，以接收DM信号。输入47连接成通过外部电阻器16接收AX电压。

控制器40的开关控制部分50包括比较器51、开关控制锁存器54、缓冲驱动器或缓冲器61、磁滞比较器58和参考电压发生器或参考或ref 59。控制器40的信号处理部分包括辅助(AX)采样电路66、伪信号发生器电路65以及误差放大器74，误差放大器74除了包括包含电阻器75和电容器78的频率补偿器件之外还包括反馈和增益控制电阻器76和77。电阻器75和电容器78形成了用于稳定系统10的运行的电极。参考发生器电路或ref 72为放大器74提供了参考电压。AX采样电路66包括诸如晶体管68的采样开关以及诸如电容器67的存储元件。伪信号发生器电路65包括诸如晶体管80的采样开关、诸如电容器86的第二存储元件、衰减匹配电路82、负沿检测器73、以及过零检测电路或过零检测器或ZCD 87。ZCD 87包括比较器88、参考发生器或ref 89、以及正沿检测电路或正沿检测器90。衰减匹配电路82包括由电流镜连接晶体管83和84形成的电流镜。外部电流整形电阻器16辅助电路82的运行。控制器40的单元例如开关控制部分50、放大器74、ZCD 87和电路65一般连接成接收输入41和返回42之间的运行功率。

图2为具有图示地示出系统10中的一些信号的曲线图的图表。横坐标表示时间，而纵坐标表示所示信号的增加值。曲线91示出了节点62上的开关控制(SC)信号。曲线92示出了通过二次绕组19的电流20。曲线93示出了端子27上的AX电压。曲线94示出了边沿检测器73的输出上的传送(TR)信号。曲线95示出了节点81上的PS信号，而曲线96示出了边沿检测器90的输出上的采样信号(SP)。该说明参考图1和图2。

运行时，因为负载电流20流过二极管22，通过二极管22的电压降使得输出电压依赖于电流20的值。因此，辅助电压和DM信号因为横跨二极管22两端的电压值而不同于输出电压。对于大值的电流20，横跨二极管22两端的电压降也大，并且当电流20的值降低时，横跨二极管22两端的前向电压降也降低。在二极管22中的电流20实质上达到零时，横跨二极管22两端的前向电压降等于二极管22的最小前向电压，并且横跨二极管22两端的电压变为实质上恒定在二极管22的最小前向电压降。此时，AX电压值表示输出电压加上横跨二极管22两端的前向电压降的恒定值。因此，AX电压的值能够用作反馈信号以表示输出电压。控制器40使用采样(SP)信号来采样AX电压，并在电流26的值实质上等于零时在电容器67上形成采样信号。因为AX电压与绕组19上的电压成比例，并且具有相同的波形，在电流20实质上等于零时，对AX电压进行采样。采样信号表示辅助(AX)电压的值，因而当电流20的值实质上等于零时其表示输出电压。误差放大器74利用来自电容器67的采样值来形成误差(ES)信号，误差信号表示输出电压值和输出电压期望值之间的差异。开关控制部分50利用ES信号来形成开关控制(SC)信号并控制晶体管36。当开关控制信号(SC)降低以禁止晶体管36时，伪信号发生器电路65在电容器86上存储误差(ES)信号的值。衰减电路82以实质上等于电流20衰减速率的速率对电容器86放电，所以PS信号的值和波形与电流20的值和波形成比例。

当开关控制(SC)信号为高以导通晶体管36时，电流35流过电感器18。出于解释的目的，假定之前电容器67存储的值与AX电压值成比例。误差放大器74接收存储值并形成表示输出电压和输出电压期望值之间差异的误差(ES)信号。ES信号的值存储在电容器78上。部分50将ES信号与CC信号进行比较以判断用于禁止晶体管36的电流35的适当值。此时，ES和CC信号的值交叉并且比较器51的输出升高以复位锁存器54。如曲线91的T0时刻所示，来自锁存器54的低电压使得SC信号为低，以开始禁止晶体管36并抑制电流35。如曲线92的T0时刻所示，电流35的变化使得电流20流过二次绕组19，并使得电流26流过辅助绕组21。电流35的变化产生横跨绕组19两端的二次电压。二极管22和电容器23整流并过滤二次电压，以在输出13和返回14之间形成输出电压。如曲线93所示，电流35的变化还在端子27和返回12之间产生辅助(AX)电压。二极管28和电容器29整流并过滤辅助电压以在端子30上形成工作电压。电阻器32和电容器33接收辅助电压，并在输出34和返回12之间形成Demag(DM)信号。

辅助(AX)电压还被施加通过电阻器16的电阻以及晶体管83的导通电阻，这样形成了流过晶体管83的电流。一般，电阻器16的值远大于晶体管83的导通电阻，使得电阻器16和辅助电压的值决定流过晶体管83的电流值。晶体管83和84以电流镜像结构连接，使得通过晶体管84的电流85的值按照晶体管83和84之间的尺寸比与通过晶体管83的电流值成比例。因此，通过晶体管84的电流85表示AX电压。电流85用于对电容器86上存储的电压放电。因为电流85表示AX电压，所以在节点81处形成的伪信号(PS)表示电流20的值和波形。因为PS信号与电流20成比例，如曲线图92和95的T1时刻所示，在电流20达到零的同时，伪(PS)信号实质上达到零。当PS信号达到零时，过零检测器87的输出升高。边沿检测器90检测来自比较器88的上升沿，并形成窄带脉冲，其导通晶体管68以在电容器67上存储反馈(FB)信号，反馈信号表示辅助(AX)电压，因此，表示输出电压。FB信号由通过电阻器15和25配置的分压器形成。误差放大器74利用电容器67上的采样信号来形成ES信号。来自边沿检测器90的脉冲刚好足够宽地导通晶体管68一段时间，从而足以将电容器67充电至FB信号的值。

随后，当Dmag(DM)信号的值降低至比参考59的值小时，比较器58的输出升高以置位锁存器54，并使得开关控制(SC)信号再次为高。高的SC信号导通开关36并使得电流35再一次流过电感器18。晶体管36保持导通，直到ES信号与再次置位锁存器54的CS信号的值相交。来自锁存器54的低向信号(low going signal)使得边沿检测器73形成短脉冲，其再次暂时地导通晶体管80以将存储在电容器78上的信号传送至电容器86。

伪(PS)信号和电流20之间的关系如下列等式所示：

I20＝(I35_peak)/Np)-(((VO+VF)/LS)＊Toff)

其中，

I20——电流20的值；

I35_peak——电流35的峰值；

Np＝N20/N18——绕组20与绕组18的匝数比；

VO——输出电压的值；

VF——横跨二极管22两端的前向电压；

LS——绕组19的感应系数；以及

Toff——电流变为零所要求的时间。

当晶体管36由控制器40关断时，输入46上电流控制(CS)信号的值和误差信号(ES)的值等于如下所示：

Ves＝Vcc＝R37＊I35_peak

其中，

Ves——误差信号ES的值；

Vcc——输入46上的电流控制信号CC的值；以及

R37——电阻器37的值。

解出I35的Ves方程，并将其带入I20的方程，得到：

I20＝((Ves/(R37＊Np))-(((VO+VF)/LS)＊Toff)

当晶体管36关断时，如T0时刻所示，AX电压增加到峰值。在T0时刻，如曲线93所示，横跨二极管22两端的电压等于最大值。当电流20降低时，横跨二极管22两端的电压减小。AX电压不具有由二极管22引起的变化，所以AX电压开始处于比通过电感器19的电压更大的值。因为电流85由AX电压形成，存储在电容器86上的电压开始根据以下等式衰减：

PS＝Ves-(I85/C86)＊T

电流85可以表达为：

I85＝Vax/R16＊SR83

并且Vax可以表示为：

Vax＝(N2)(VO+VF)

其中，

PS——PS信号的值；

I85——通过晶体管84的电流85的值；

C86——电容器86的值；

T——对电容器C86放电的时间；

Vax——端子27上的AX电压的值；

SR83——晶体管83和84之间的尺寸比；以及

N2——绕组19和21之间的匝数比（N19/N21)。

将Vax的等式带入I85的等式并且将I85的等式带入PS的等式中，得到：

PS＝Ves-((N2(VO+VF))/(R16＊C86)).

解出PS的以上方程和I19的方程的公共项Ves，并使得方程彼此相等，得到：

((R37＊Np)/(R16＊C86))＝(1/L19)

针对被选为用于控制PS信号的外部元素，解上式，得到：

R16＊C86＝R37＊Np＊L19

一般，难以选择匝数比的值和变压器17的感应系数。因此，可以选择电容器86的值和电阻器16和37的值以便为PS信号提供期望的行为。在优选实施方案中，控制器40形成在半导体管芯上，并且电容器86形成在相同的半导体管芯上。在该优选实施方案中，电阻器16和37的值可以选择成使得上述方程平衡，并控制系统10的运行以使得PS信号的值和波形实质上与电流20的值和波形成比例。这样使得控制器40在电流20实质过零处使用输出电压的值，以调节输出电压的值。

电阻器15的第一端子一般连接至绕组21的端子27和电阻器16的第一端子。电阻器16的第二端子连接至输入47。输入47一般连接至晶体管83的漏极和栅极以及晶体管84的栅极。晶体管83的源极一般连接至晶体管84的源极和返回42。晶体管84的漏极一般连接至节点81、比较器88的反向输入、电容器86的第一端子和晶体管80的源极。电容器86的第二端子连接至返回42。晶体管80的漏极一般连接至节点79、比较器51的非反向输入、电容器78的第一端子和电阻器75的第一端子。电容器78的第二端子连接至返回42。电阻器75的第二端子一般连接至放大器74的输出和电阻器76的第一端子。电阻器76的第二端子一般连接至电阻器77的第一端子和放大器74的反向输入。放大器74的非反向输入连接至ref 72的输出。电阻器77的第二端子一般连接至电容器67的第一端子和晶体管68的源极。电容器67的第二端子连接至返回42。晶体管68的漏极连接至输入43。晶体管68的栅极连接至边沿检测器90的输出。边沿检测器90的输入连接至比较器88的输出。比较器88的非反向输入连接至ref 89的输出。晶体管80的栅极连接至边沿检测器73的输出，边沿检测器73的输入一般连接至锁存器54的Q输出和缓冲器61的输入。缓冲器61的输出连接至输出45。锁存器54的置位输入连接至比较器58的输出。比较器58的反向输入连接至输入46，而比较器58的非反向输入连接至ref 59的输出。锁存器54的复位输入连接至比较器51的输出。比较器51的反向输入连接至输入46。控制器40的输入43一般连接至电阻器15的第一端子和电阻器25的第一端子。电阻器25的第二端子连接至返回12。电阻器15的第二端子连接至绕组21的端子27。

图3示意性示出了形成在半导体管芯111上的半导体器件或集成电路110的实施方案的一部分的放大的平面视图。控制器40或可选的控制器101形成在管芯111上。管芯111还可以包括其他电路，出于简化视图的目的，未示出在图4中。控制器40和器件或集成电路110通过对于本领域的技术人员而言公知的半导体制备技术形成在管芯111上。

鉴于上述内容，显然，公开了一种新颖的器件和方法。包括在其中的其他特征在于形成了一种控制器，以便在二次电流的大致过零处利用AX电压的值，从而形成用于调整输出电压的反馈信号。反馈信号的值还用于形成用于判断二次电流过零的伪信号。该伪信号的使用提供了对于二次电压的精确判断。利用在过零处的辅助电压去除了二次侧整流二极管的影响并提高了调节的精度。

尽管利用具体的优选实施方案描述了本发明的主旨，但是显然对于半导体领域的技术人员而言，很多可选项和变化将是明显的。例如，伪信号发生器电路65可以具有各种其他的实施方案，例如模拟-数字转换器。此外，存储器件例如电容器86可以作为数字存储元件来实施。另外，为了清楚地描述，在全文中使用词语“连接(connect)”，但是，其意味着与词语“耦合(couple)”具有相同的意思。因此，应该将“连接”解释为包括直接连接或间接连接。

Claims

1.一种电池充电器，其包括：

开关控制器，其配置成形成适于控制功率开关的开关控制信号，以控制通过变压器的一次电感器的电流；以及

伪发生器电路，其配置成从所述变压器的辅助绕组接收辅助电压，并产生表示通过所述变压器的二次绕组的电流的电流感测信号。

2.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述开关控制器和所述辅助电压具有共同的参考。

3.根据权利要求1所述的电池充电器，其还包括采样电路，所述采样电路配置成在电流感测信号的实质上过零处对辅助电压进行采样，并响应于所述电流感测信号形成采样信号。

4.根据权利要求3所述的电池充电器，其还包括误差放大器，所述误差放大器耦合成接收所述采样信号并形成误差信号，其中，所述开关控制器利用所述误差信号来形成所述开关控制信号。

5.根据权利要求4所述的电池充电器，其中，所述伪发生器电路耦合成接收所述误差信号并存储表示所述误差信号的第一信号，并且配置成以代表通过所述二次绕组的所述电流的衰减速率的第一速率衰减所述第一信号。

6.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述伪发生器电路以代表通过所述二次绕组的所述电流的衰减速率的速率衰减所述电流感测信号。

7.根据权利要求6所述的电池充电器，其中，所述伪发生器电路在第一存储电容器上存储误差信号，将第二电容器充电至表示存储在所述第一存储电容器上的所述误差信号的值，并且以代表通过所述二次绕组的所述电流的衰减速率的第一速率对所述第二电容器放电。

8.根据权利要求1所述的电池充电器，其中，所述伪发生器电路包括第一采样电路，所述第一采样电路配置成接收代表所述辅助电压的信号，并在第一存储单元上形成第一存储信号。

9.根据权利要求8所述的电池充电器，其还包括误差放大器，所述误差放大器配置成接收所述第一存储信号，并形成表示输出电压与所述输出电压期望值的差异的误差信号。

10.根据权利要求9所述的电池充电器，其还包括第二采样电路，所述第二采样电路配置成形成表示所述误差信号的第二存储信号，对所述第二存储信号采样并形成代表所述第二存储信号的第三存储信号，以及以代表通过所述二次绕组的所述电流的衰减速率的速率衰减所述第三存储信号。

11.一种电源控制器的形成方法，其包括：

配置开关控制器以形成适于控制功率开关的开关控制信号，从而控制通过变压器的一次电感器的电流，进而调节所述变压器的二次绕组上的输出电压；

配置所述电源控制器以接收代表来自所述变压器的辅助绕组的辅助电压的感测信号，并形成代表所述输出电压与所述输出电压期望值的差异的误差信号；以及

配置所述电源控制器以利用所述误差信号形成代表通过所述二次绕组的电流的电流感测信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，配置电源控制器以利用误差信号来形成电流感测信号的所述步骤包括：配置所述电源控制器以存储所述误差信号，从而形成存储信号并以代表通过所述二次绕组的所述电流的衰减速率的速率衰减所述存储信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，配置电源控制器以存储误差信号来形成存储信号的所述步骤包括：利用所述辅助电压来形成所述存储信号的衰减速率。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电源控制器配置成在第一电容器上存储所述误差信号，并响应于所述开关控制信号将来自所述第一电容器的值传送至第二电容器。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，配置电源控制器以接收代表辅助电压的感测信号的所述步骤包括：配置所述电源控制器以响应于所述存储信号的过零而存储所述辅助电压的值。

16.一种形成电源控制器的方法，其包括：

配置开关控制器以形成适于控制功率开关的开关控制信号，从而控制通过变压器的一次电感器的电流以调节所述变压器的二次绕组上的输出电压；

配置所述电源控制器以利用来自所述变压器的辅助绕组的辅助电压，从而形成具有实质上与通过所述二次绕组的电流的过零相同的过零的电流感测信号；以及

配置所述电源控制器以利用所述电流感测信号来对所述辅助电压采样并形成第一采样信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，配置电源控制器的所述步骤包括：将所述开关控制器配置成参考所述辅助绕组所参考的公共电压。

18.根据权利要求16所述的方法，其还包括：配置误差放大器以使用所述第一采样信号来形成代表所述输出电压与所述输出电压期望值的差异的误差信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，配置误差信号以使用第一采样信号的所述步骤包括：配置所述电源控制器以响应于所述开关控制信号而在电容器上存储所述误差信号。

20.根据权利要求16所述的方法，其还包括：配置所述电源控制器以响应于所述开关控制信号而将所述电流感测信号衰减至实质上为零。