CN102013801B - 自偏置电源管理集成电路芯片电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自偏置电源管理集成电路芯片电源，是由开关型感性直流-直流或交流-直流变换器的功率电路的电感L、开关型感性直流-直流或交流-直流变换器的功率电路的主功率开关S以及非线性网络组成；主功率开关S与电感L的组合为所述非线性网络提供高效电流源；非线性网络控制所述主功率开关S的导通截止；非线性网络为可控切换直通支路和充电支路功能的网络，非线性网络控制高效电流源对芯片电源旁路电容Cd充电。本发明是针对开关型感性直流-直流或交流-直流变换器、并充分利用电感工作特性所建立的；其能简化已有的两组电路来建立电源管理集成电路芯片电源方案，并且使其芯片电源能迅速和可靠地建立起来。

Description

自偏置电源管理集成电路芯片电源

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及电源管理集成电路芯片电源建立；更具体地说，本发明涉及一种简单高效的自偏置电源管理集成电路芯片电源方案。

背景技术

在相当多的开关型直流-直流或交流-直流变换器应用中，其电源管理集成电路芯片电源建立是一项具有挑战性的课题。如何低成本、高效率、迅速地、可靠地自偏置这芯片电源是非常有意义。在高压开关型直流-直流或交流-直流变换器应用中，如果将高压直流电压经电阻分压电路产生上述电源管理集成电路芯片电源，那么该电阻分压电路将产生相当大的功耗。另一种方法是用两组电路来建立该电源管理集成电路芯片电源，即一路建立初始电源管理集成电路芯片电源，另一路通过磁性元件的附加绕组建立后续电源管理集成电路芯片电源。该建立初始电源管理集成电路芯片电源的一路可以由一电阻组成，该电阻将与电源管理集成电路芯片的旁路电容及该芯片的静态功耗电阻构成一充电支路。该电源管理集成电路芯片旁路电容电压的建立时间是由其充电支路的时间常数决定。考虑到该旁路电容所需提供能量的维持时间，即，保证另一路通过磁性元件的附加绕组能有足够的时间建立后续电源管理集成电路芯片电源，该旁路电容值必须大于一预置值。在实际应用中，该电源管理集成电路芯片电源希望能尽快建立起来，对大于一预置值的旁路电容值而言，该充电电阻值应该相当的小，从而使该电源管理集成电路芯片电源尽快建立起来。但对一小阻值电阻而言，由于该电阻上的高电压，其直流功耗将是相当地高。可见建立初始电源管理集成电路芯片电源的一路存在电压建立时间与其直流功耗的矛盾，特别当该芯片的静态功耗电阻比较小时。在已有的解决方案中(如图1所示)，是将建立初始电源管理集成电路芯片电源的一路的电阻改成一开关电阻。这样当建立初始电源管理集成电路芯片电源时，该建立初始电源管理集成电路芯片电源的一路的电阻是一低阻值电阻以便尽快建立电源管理集成电路芯片电源电压；当另一路通过磁性元件的附加绕组建立后续电源管理集成电路芯片电源的电压建立之后，该建立初始电源管理集成电路芯片电源的一路的电阻由其低阻变为高阻；从而解决电压建立时间与其直流功耗的矛盾。但这使得系统的复杂性增加、可靠性下降。

上述另一路通过磁性元件的附加绕组建立后续电源管理集成电路芯片电源，由于磁性元件的附加绕组建立的电源是基于开关电源的概念产生的，其产生的效率相当高、但其也受到功率电路的一些制约而使相应的系统比较复杂。

这种用两组电路来建立电源管理集成电路芯片电源的方案存在着成本高、结构复杂和可靠性低的问题。简化和高可靠性地建立电源管理集成电路芯片电源的方案是具有挑战性的课题。

在开关型感性直流-直流或交流-直流变换器中，通常有磁性元件和电感来完成输入输出能量的传输和控制。通常由开关型感性直流-直流或交流-直流变换器中的开关导通的占空比大小来控制磁性元件和电感电流的大小。也就是说，当开关导通占空比增加时，电感电流增加。正因为如此，当开关导通时，开关的电流为电感电流；当开关截止时，开关的电流为零，电感电流经其他回路续流。由电感工作特性可知，其电流是不能突变的。也就是说，当开关导通时，开关流过的电感电流可看作一电流源。如何利用这电流源来建立这电源管理集成电路芯片电源正是人们迫切要解决的问题，从而解决已有用两组电路来建立电源管理集成电路芯片电源的方案存在着成本、复杂性和低可靠性的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自偏置电源管理集成电路芯片电源，其是针对开关型感性直流-直流或交流-直流变换器、并充分利用电感工作特性所建立的；其能简化已有的两组电路来建立电源管理集成电路芯片电源方案，并且使其芯片电源能迅速和可靠地建立起来。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自偏置电源管理集成电路芯片电源，是由开关型感性直流-直流或交流-直流变换器的功率电路的电感L、开关型感性直流-直流或交流-直流变换器的功率电路的主功率开关S以及非线性网络组成；所述主功率开关S与电感L的组合为所述非线性网络提供高效电流源；所述非线性网络控制所述主功率开关S的导通截止；所述非线性网络为可控切换直通支路和充电支路功能的网络，非线性网络控制所述高效电流源对芯片电源旁路电容Cd充电。

作为本发明的自偏置电源管理集成电路芯片电源的改进：所述非线性网络由自偏置电源管理集成电路芯片、内置或外置的二极管D1、D2、稳压管Dz和低压功率开关S1、S2以及外接的电阻R1和芯片电源旁路电容Cd所构成；

所述电阻R1用于建立稳压管Dz的偏压；稳压管Dz、二极管D2和低压功率开关S1、S2用于控制所述主功率开关S的导通或截止；所述二极管D1和外接的芯片电源旁路电容Cd构成所述充电支路；低压功率开关S1构成所述直通支路；

所述充电支路与直通支路相并联；所述低压功率开关S1的导通截止可完成直通支路和充电支路的切换；自偏置电源管理集成电路芯片根据所述芯片电源旁路电容Cd的电压控制低压功率开关S1的导通截止。

作为本发明的自偏置电源管理集成电路芯片电源的进一步改进：非线性网络是由自偏置电源管理集成电路芯片控制芯片电源旁路电容Cd的充电，控制方式为采用磁滞回线控制所述芯片电源旁路电容Cd的峰值和谷值电压；当所述芯片电源旁路电容Cd的电压充电到达其设定的峰值时，非线性网络由充电支路切换到直通支路，使充电结束；当所述芯片电源旁路电容Cd的电压放电到达其设定的谷值时，非线性网络由直通支路切换到充电支路，使充电开始。

作为本发明的自偏置电源管理集成电路芯片电源的进一步改进：所述非线性网络中，芯片电源旁路电容Cd的充电是以开关方式控制的，开关型直流-直流或交流-直流变换器的主功率开关S的电流对芯片电源旁路电容Cd恒流充电或充电电流为零。

本发明的优点是正是当这开关型直流-直流或交流-直流变换器的主功率开关S导通时，这主功率开关S的电流是这开关型直流-直流或交流-直流变换器的电感电流、而当这开关型直流-直流或交流-直流变换器的主功率开关S截止时，这主功率开关S的电流是零。这样这开关型直流-直流或交流-直流变换器的主功率开关S能够提供-高效开关电流源。

本发明的优点是在非线性网络中，芯片电源旁路电容Cd的充电也是以开关方式控制从而使得这非线性网络对芯片电源旁路电容Cd的充电也是高效的。

本发明的优点是芯片电源旁路电容Cd的充电电流就是这开关型直流-直流或交流-直流变换器的电感电流，它是从输入高压电源中获得的。在非线性网络中由于直通和充电支路之间的切换将这从输入高压电源中获得的电流或能量转移到这芯片电源旁路电容Cd上，从而为这自偏置电源管理集成电路芯片提供芯片电源电压。

本发明的优点是其充放电是由两状态变量，即，电感电流，电容电压决定。而状态变量一般是不能突变的。这使得这充放电的时间有很好的预测性。可选择合适电感电容值来控制这非线性网络中直通和充电支路之间的切换频率。

本发明的优点是这非线性网络是与这开关型直流-直流或交流-直流变换器的主功率开关S的源极和栅极相连。这非线性网络与输入高压电源之间有主功率开关S、功率负载和电感这些功率元件来承受高压。因此这非线性网络是一低压网络不需承受高压。

本发明的优点是省去了已有用两组电路来建立该电源管理集成电路芯片电源方案中所需的开关电阻以及附加磁元件绕组。它可以解决“建立初始电源管理集成电路芯片电源的一路存在电压建立时间与其直流功耗的矛盾，特别当该芯片的静态功耗电阻比较小时”这个问题并降低了系统实现的复杂性及成本。

本发明的优点是可以产生相当迅速、可靠和精确地建立电源管理集成电路芯片电源。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是现有用两组电路来建立这电源管理集成电路芯片电源；虚线方框是对应于电源管理集成电路芯片；

图2是本发明的自偏置电源管理集成电路芯片电源的方框图；虚线方框内是对应于非线性网络；

图3是本发明的自偏置电源管理集成电路芯片电源的具体实例电路图；虚线方框内是对应于自偏置电源管理集成电路芯片，它与外置的二极管D1、稳压管Dz、电阻R1和芯片电源旁路电容Cd构成相应的非线性网络。

具体实施方式

实施例1、图3给出了一种自偏置电源管理集成电路芯片电源，以降压式直流-直流变换器为例，包括电感L、主功率开关S和非线性网络，非线性网络由自偏置电源管理集成电路芯片(它包括芯片内置二极管D2、芯片内置低压功率开关S1、S2、比较器COMP以及PWM发生器)与外接的二极管D1、稳压管Dz、电阻R1和芯片电源旁路电容Cd所构成。

由主功率开关S、电感L、负载R、续流二极管D及输入电源Vin构成一降压式直流-直流变换器的主功率变换电路。主功率开关S的栅极通过稳压管Dz、芯片内置二极管D2经其电源管理集成电路芯片脚Vg受控于芯片内置低压功率开关S2。电阻R1是用于建立稳压管Dz的偏压Vdz，即电阻R1与输入电源Vin相连。主功率开关S的源极经一开关网络与“地线”相连与输入电源Vin构成回路。该源极的开关网络是由自偏置电源管理集成电路芯片(它包括芯片内置二极管D2、芯片内置低压功率开关S1、S2、比较器COMP以及PWM发生器)与外接的二极管D1、稳压管Dz、电阻R1和芯片电源旁路电容Cd组成。

如图3所示，在这自偏置电源管理集成电路芯片中，内置二极管D2分别与内置低压功率开关S2和自偏置电源管理集成电路芯片的电源脚Vcc。内置低压功率开关S2受其自偏置电源管理集成电路芯片根据控制方法所产生的PWM发生器的反向信号控制。比较器COMP的一输入端连接自偏置电源管理集成电路芯片的电源脚Vcc以检测及控制其电压通过控制内置低压功率开关S1的导通截止。内置低压功率开关S1同时经与门受其PWM发生器控制。内置低压功率开关S1、S2的源极与自偏置电源管理集成电路芯片的接地脚GND相连。

这芯片电源旁路电容Cd是与自偏置电源管理集成电路芯片的电源脚Vcc和接地脚GND相连。

二极管D1和电源管理集成电路的芯片电源旁路电容Cd构成的充电支路与经电源管理集成电路芯片脚Vs与芯片内置低压功率开关S1构成的直通支路并联组成。

当主功率开关S要导通时，自偏置电源管理集成电路芯片是以如下操作来完成：芯片内置低压功率开关S2截止，芯片内置低压功率开关S1导通或截止。这样，主功率开关S的源极是0(对应芯片内置低压功率开关S1导通)或Vcc(对应芯片内置低压功率开关S1截止)。主功率开关S的门极经稳压管Dz、二极管D2连接到自偏置电源管理集成电路芯片电源Vcc。主功率开关S的门极与源极电位差是Vdz或Vdz加自偏置电源管理集成电路芯片电源电压Vcc。只要Vdz大于主功率开关S的开启电压Vth，主功率开关S是处于导通状态。

当主功率开关S要关断时，自偏置电源管理集成电路芯片是以如下操作来完成：芯片内置低压功率开关S2导通，芯片内置低压功率开关S1截止。这样，主功率开关S的门极电位是Vdz。主功率开关S的源极电位是Vcc。只要Vdz与Vcc的电压差小于主功率开关S的开启电压Vth，主功率开关S是处于截止状态。

本发明的自偏置电源管理集成电路芯片电源的充电过程是在当主功率开关S导通条件下实现。如前所述，当主功率开关S导通时，主功率开关S导通电感L电流。如果芯片电源旁路电容Cd上的电压低于所设置的芯片工作峰值电压Vp，主功率开关S的电流经二极管D1对芯片电源旁路电容Cd充电、并向电源管理集成电路芯片供电。由于主功率开关S的电流是电感L电流，这可看成一电流源对芯片电源旁路电容Cd充电。当芯片电源旁路电容Cd上电压高于所设置的芯片工作峰值电压Vp，自偏置电源管理集成电路芯片使其芯片内置低压功率开关S1导通，主功率开关S的电流经这导通的内功率开关S1入地，即，主功率开关S继续导通，而芯片电源旁路电容Cd充电结束。在这充电过程中，由于稳压管Dz的电压Vdz，主功率开关S始终是导通的，仅仅其驱动电压有些变化。选择合适的稳压管Dz的电压Vdz是能够使得主功率开关S的导通电阻基本恒定。

当芯片电源旁路电容Cd充电结束后，芯片电源旁路电容Cd继续向芯片供电。芯片电源旁路电容Cd电压下降，当芯片电源旁路电容Cd的电压低于所设置的芯片工作谷值Vv电压时，自偏置电源管理集成电路芯片使其芯片内置低压功率开关S1截止，电流源又开始对芯片电源旁路电容Cd充电并向电源管理集成电路芯片供电。芯片电源旁路电容Cd的电压自芯片工作谷值Vv电压往芯片工作峰值电压Vp方向增加，直至达到Vp，芯片电源旁路电容Cd充电结束。这样周而复始以使得芯片电源旁路电容Cd的电压Vcc控制在芯片工作峰值和谷值电压之间变化。

由本发明的简单高效的自偏置电源管理集成电路芯片电源的充放电过程看出，当主功率开关S导通时，主功率电路中的电流基本没有变化，但是电流回路经主功率开关S源极的开关网络发生变化，即，对自偏置电源管理集成电路的芯片电源旁路电容Cd充电或不充电。自偏置电源管理集成电路芯片以开关方式控制主功率电路中的电流对芯片电源旁路电容Cd充放电。由于主功率开关S是以开关方式工作，这使得高效率建立自偏置电源管理集成电路芯片电源成为可能。由于自偏置电源管理集成电路芯片控制芯片电源旁路电容Cd的电压，电压可以相当精确和可靠地控制。本发明的简单高效的自偏置电源管理集成电路芯片电源结构适用于所有电感型开关变换器，如，升降压，升压等等。本发明的简单高效的自偏置电源管理集成电路芯片电源结构是将系统的控制芯片，控制芯片的电源及主功率开关有机地自成一体而如同一智能型功率开关；它不需外加额外电源。

在如图3所示的本发明的简单高效的自偏置电源管理集成电路芯片电源方案具体实例电路中，主功率开关S是N沟道增强型MOSFET功率管，其开启电压Vth通常是大约4V左右。稳压管Dz只要大于这开启电压Vth与芯片内置低压功率开关S2串联可以保证与芯片内置低压功率开关S1组合使该N型增强型MOSFET功率管可靠地导通截止。如果主功率开关S是其他类型功率管，如，耗尽型MOSFET功率管，其开启电压Vth通常是小于0，这时这稳压管Dz可以省略。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.自偏置电源管理集成电路芯片电源，其特征是：是由开关型感性直流-直流或交流-直流变换器的功率电路的电感L、开关型感性直流-直流或交流-直流变换器的功率电路的主功率开关S以及非线性网络组成；所述主功率开关S与电感L的组合为所述非线性网络提供高效电流源；所述非线性网络控制所述主功率开关S的导通截止；所述非线性网络为可控切换直通支路和充电支路功能的网络，非线性网络控制所述高效电流源对芯片电源旁路电容Cd充电；

所述非线性网络由自偏置电源管理集成电路芯片与外接的二极管D1、稳压管Dz、电阻R1和芯片电源旁路电容Cd所构成；所述自偏置电源管理集成电路芯片包括芯片内置二极管D2、芯片内置低压功率开关S1、S2、比较器COMP以及PWM发生器；

所述电阻R1用于建立稳压管Dz的偏压；稳压管Dz、二极管D2和低压功率开关S1、S2用于控制所述主功率开关S的导通或截止；所述二极管D1和芯片电源旁路电容Cd构成所述充电支路；低压功率开关S1构成所述直通支路；

所述充电支路与直通支路相并联；所述低压功率开关S1的导通截止可完成直通支路和充电支路的切换；自偏置电源管理集成电路芯片根据所述芯片电源旁路电容Cd的电压控制低压功率开关S1的导通截止。

2.根据权利要求1所述的自偏置电源管理集成电路芯片电源，其特征是：所述非线性网络是由自偏置电源管理集成电路芯片控制芯片电源旁路电容Cd的充电，控制方式为采用磁滞回线控制所述芯片电源旁路电容Cd的峰值和谷值电压；当所述芯片电源旁路电容Cd的电压充电到达其设定的峰值时，非线性网络由充电支路切换到直通支路，使充电结束；当所述芯片电源旁路电容Cd的电压放电到达其设定的谷值时，非线性网络由直通支路切换到充电支路，使充电开始。

3.根据权利要求2所述的自偏置电源管理集成电路芯片电源，其特征是：所述非线性网络中，芯片电源旁路电容Cd的充电是以开关方式控制的，开关型直流-直流或交流-直流变换器的主功率开关S的电流对芯片电源旁路电容Cd恒流充电或充电电流为零。

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