CN102158091B - 初级控制恒流恒压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种初级控制恒流恒压变换器,所述变换器包括变压器,初级高压隔离及驱动单元,采用峰值电流模式PFWM的控制芯片;控制芯片包括第一晶体管、第二晶体管、PFWM控制单元;所述第一晶体管的漏极通过控制芯片的端口OUT连接所述初级高压隔离及驱动单元,源极连接到端口VDD,栅极由PFWM控制单元控制;所述第二晶体管的源极连接到控制芯片的端口GND,漏极通过端口SW连接所述初级高压隔离及驱动单元,栅极由PFWM控制单元控制。本发明提出的初级控制恒流恒压变换器,只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器恒流恒压输出控制,可用于NPN管发射极驱动或基极驱动,并可降低芯片及应用的成本。

Description

初级控制恒流恒压变换器
技术领域
本发明属于微电子设计技术领域,涉及一种恒流恒压变换器,尤其涉及一种初级控制恒流恒压变换器。
背景技术
多年来,各种反激式开关电源的控制IC(集成电路)已经得到发展和应用,以实现恒流恒压的控制,其应用包括LED驱动器、离线式AC/DC(交流/直流)电源适配器、充电器和移动设备的备用电源。
图1为一种现有的典型的NPN发射极驱动并通过变压器33的初级来控制的恒流恒压输出反激式变换器36的电路图。变压器33包含三个绕组:初级绕组Lp,次级绕组Ls及辅助绕组La。反激式变换器36包含作为初级高压隔离及驱动的NPN管16,起动电阻11,基极驱动电阻15,基极泄流二极管14,旁路电源整流二极管12,旁路电源电容13,辅助绕组的分压电阻24及25,一个表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻21,次级整流管22,输出电容23以及采用峰值电流模式PFWM(脉冲宽度调制及脉冲频率调制)的控制IC 10。控制IC 10起动的初始能量由电阻11和电容13提供。当反激变换器36稳定后,变压器33的辅助绕组La通过整流器12为控制IC 10提供能量。IC 10通过La耦合Ls的电压,并由电阻24及25进行分压采样所得到的信息来控制开关39的占空比及频率,以实现次级的OUT端得到恒流恒压的输出。反激变换器的缺点是NPN管16需要电阻15来产生驱动电流,且当开关39关闭时需要二极管14对NPN管16基极泄流,外围元件繁多。
综上所述,需要寻求一种方法,使得较小的基极驱动电流便足以驱动NPN管16的通过初级来控制,实现反激式变换器次级恒流恒压输出。这种方法在发射极驱动电路中,不需要外部的基极驱动电阻及基极泄流二极管,以减少外围器件数目。此外,较小的基极驱动电流需求使得在基极驱动电路中可减小产生基极驱动电流的驱动管的面积。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种初级控制恒流恒压变换器,只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器恒流恒压输出控制。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种初级控制恒流恒压变换器,所述变换器包括:变压器(17),初级高压隔离及驱动单元(27),采用峰值电流模式PFWM的控制芯片(26);
控制芯片(26)包括第一晶体管(28)、第二晶体管(29)、PFWM控制单元(30);
所述第一晶体管(28)的漏极通过控制芯片(26)的端口OUT连接所述初级高压隔离及驱动单元(27)的基极B,源极连接到端口VDD,栅极由PFWM控制单元(30)控制;
所述第二晶体管(29)的源极连接到控制芯片(26)的端口GND,漏极通过端口SW连接所述初级高压隔离及驱动单元(27)的发射极E,栅极由PFWM控制单元(30)控制;
控制芯片(26)根据采样得到的信号,通过PFWM控制单元(30)进行处理并对由变压器(17)的初级绕组(18)、初级高压隔离及驱动单元(27)及第二晶体管(29)组成的通路中的开关管(29)进行开关占空比及频率控制,实现次级的恒流恒压输出;
当作为开关的第一晶体管(28)、第二晶体管(29)闭合时,第一晶体管(28)即等效为电阻,当作为开关的第一晶体管(28)及第二晶体管(29)开路时,初级高压隔离及驱动单元(27)的基极电流通过第一晶体管(28)的漏极到衬底的正向二极管泄放,使基极电压钳在VDD+VBE,其中,VBE为第一晶体管(28)漏极到衬底二极管的正向压降。
作为本发明的一种优选方案,所述初级高压隔离及驱动单元(27)为NPN复合管。
作为本发明的一种优选方案,所述初级高压隔离及驱动单元(27)为NPN复合管;NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管;
NPN复合管中,第一级NPN管的集电极C1和第二级NPN管的集电极C2连接且为NPN复合管的集电极C;
第一级NPN管的发射极E1极与第二极NPN管的基极B2连接,第一级NPN管的基极B1为NPN复合管的B极,第二级NPN管的E2为NPN复合管的E极。
作为本发明的一种优选方案,第一级NPN管与第二级NPN管的电流放大倍数相同即β,NPN复合管的放大倍数即为β2
作为本发明的一种优选方案,变压器(17)包括三个绕组:初级绕组(18),次级绕组(19)及辅助绕组(20);
所述变换器进一步包括:起动电阻(11),旁路电源整流二极管(12),旁路电源电容(13),第一分压电阻(24),第二分压电阻(25),表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻(21),次级整流管(22),输出电容(23);
起动电阻(11)的一端连接输入端口VIN,另一端通过旁路电源电容(13)接地;
初级绕组(18)的一端连接输入端口VIN,另一端连接初级高压隔离及驱动单元(27)的集电极C;
次级绕组(19)的一端通过所述次级电阻(21)、次级整流管(22)连接输出端口VOUT,另一端接输出端的相对地;输出电容(23)一端连接输出端口VOUT,另一端接输出端的相对地;
辅助绕组(20)的一端接输入端的大地;另一端连接串联的第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25),同时连接旁路电源整流二极管(12)的正极;旁路电源整流二极管(12)的负极接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间;第二分压电阻(25)的一端接输入端的大地;
端口VDD接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间;PFWM控制单元(30)通过端口FB连接第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)之间。
作为本发明的一种优选方案,旁路电容的起动电流
Figure BDA0000049828690000041
其中,VIN为输入端电压,VDD为旁路电源电容正极电压,R11为连接VIN与旁路电源电容的起动电阻;
当所述变换器稳定工作后,旁路电源电容(13)上的能量主要由辅助绕组(20)通过旁路电源整流二极管(12)供给,以维持控制芯片(26)及初级高压隔离及驱动单元(27)所需能量;
控制芯片(26)通过第一分压电阻(24)和第二分压电阻(25)及变压器(17)的辅助绕组(20)与次级绕组(19)的耦合间接对输出信号进行采样,端口FB的电压
V FB = R 25 R 24 + R 25 × V AUX = R 25 R 24 + R 25 × N A N S × V SEC
= R 25 R 24 + R 25 × N A N S × ( I OUT × R 21 + V F + V OUT ) ;
其中,R24、R25为辅助绕组(20)两端电压VAUX的分压电阻,NA/NS为辅助绕组(20)与次级绕组(19)的线圈匝数比,VSEC为次级绕组(19)的两端电压,IOUT为输出电流,R21为表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻,VF为次级整流二极管的正向压降,VOUT为输出端电压。
作为本发明的一种优选方案,所述第一晶体管(28)为P型MOS管;所述第二晶体管(29)为N型MOS管。
本发明的有益效果在于:本发明提出的初级控制恒流恒压变换器,实现了集成图1中的电阻15及整流二极管14到控制IC的内部,减小了外围元件使用的数目。只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器恒流恒压输出控制,可用于NPN管发射极驱动或基极驱动,并可降低芯片及应用的成本。
附图说明
图1为现有的一种通过初级来控制的恒流恒压输出的发射极驱动反激式变换器的简单电路图。
图2为本发明所示的通过初级来控制的恒流恒压输出的发射极驱动反激式变换器的简单电路图。
图3为本发明所示的NPN复合管的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图2,本发明揭示了一种初级控制恒流恒压变换器,所述变换器包括:变压器17,初级高压隔离及驱动单元27,采用峰值电流模式PFWM的控制芯片26,起动电阻11,旁路电源整流二极管12,旁路电源电容13,第一分压电阻24,第二分压电阻25,表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻21,次级整流管22,输出电容23。所述第一晶体管28为P型MOS管、第二晶体管29为N型MOS管。
变压器17包括三个绕组:初级绕组18,次级绕组19及辅助绕组20。
其中,起动电阻11的一端连接输入端口VIN,另一端通过旁路电源电容13接地;初级绕组18的一端连接输入端口VIN,另一端连接初级高压隔离及驱动单元27的集电极C;次级绕组19的一端通过所述次级电阻21、次级整流管22连接输出端口VOUT,另一端接输出端的相对地;输出电容23一端连接输出端口VOUT,另一端接输出端的相对地。
辅助绕组20的一端接输入端的大地;另一端连接串联的第一分压电阻24、第二分压电阻25,同时连接旁路电源整流二极管12的正极;旁路电源整流二极管12的负极接入起动电阻11、旁路电源电容13之间;第二分压电阻25的一端接输入端的大地。
端口VDD接入起动电阻11、旁路电源电容13之间;PFWM控制单元30通过端口FB连接第一分压电阻24、第二分压电阻25之间。
控制芯片26包括第一晶体管28、第二晶体管29、PFWM控制单元30。
所述第一晶体管28的漏极通过控制芯片26的端口OUT连接所述初级高压隔离及驱动单元27的基极B,源极连接到端口VDD,栅极由PFWM控制单元30控制。所述第二晶体管29的源极连接到控制芯片26的端口GND,漏极通过端口SW连接所述初级高压隔离及驱动单元27的发射极E,栅极由PFWM控制单元30控制。控制芯片26根据采样得到的信号,通过PFWM控制单元30进行处理并对由变压器17的初级绕组18、初级高压隔离及驱动单元27及第二晶体管29组成的通路中的开关管29进行开关占空比及频率控制,实现次级的恒流恒压输出。
当作为开关的第一晶体管28、第二晶体管29闭合时,第一晶体管28即等效为电阻,当作为开关的第一晶体管28及第二晶体管29开路时,初级高压隔离及驱动单元27的基极电流通过第一晶体管28的漏极到衬底的正向二极管泄放,使基极电压钳在VDD+VBE,其中,VBE为第一晶体管28漏极到衬底二极管的正向压降。
所述初级高压隔离及驱动单元27为NPN复合管。请参阅图3,所述初级高压隔离及驱动单元27为NPN复合管,NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管。第一级NPN管的集电极C1和第二级NPN管的集电极C2连接且为NPN复合管的集电极C;第一级NPN管的发射极E1极与第二极NPN管的基极B2连接,第一级NPN管的基极B1为NPN复合管的B极,第二级NPN管的E2为NPN复合管的E极。第一级NPN管与第二级NPN管的电流放大倍数相同即β,NPN复合管的放大倍数即为β2
旁路电容13的起动电流
Figure BDA0000049828690000071
其中,VIN为输入端电压,VDD为旁路电源电容正极电压,R11为连接VIN与旁路电源电容的起动电阻。
当所述变换器稳定工作后,旁路电源电容13上的能量主要由辅助绕组20通过旁路电源整流二极管12供给,以维持控制芯片26及初级高压隔离及驱动单元27所需能量。
控制芯片26通过第一分压电阻24和第二分压电阻25及变压器17的辅助绕组20与次级绕组19的耦合间接对输出信号进行采样,端口FB的电压
V FB = R 25 R 24 + R 25 × V AUX = R 25 R 24 + R 25 × N A N S × V SEC
= R 25 R 24 + R 25 × N A N S × ( I OUT × R 21 + V F + V OUT ) ;
其中,R24、R25为辅助绕组20两端电压VAUX的分压电阻,NA/NS为辅助绕组20与次级绕组19的线圈匝数比,VSEC为次级绕组19的两端电压,IOUT为输出电流,R21为表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻,VF为次级整流二极管的正向压降,VOUT为输出端电压。
实施例二
图2为本发明用于的NPN发射极驱动并通过变压器17的初级来控制的恒流恒压输出反激式变换器37的电路图。变压器17包含三个绕组:初级绕组18,次级绕组19及辅助绕组20。反激式变换器37包含作为初级高压隔离及驱动的NPN组合管27,起动电阻11,旁路电源整流二极管12,旁路电源电容13,辅助绕组的分压电阻24及25,一个表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻21,次级整流管22,输出电容23以及采用峰值电流模式PFWM的控制IC 26。
旁路电容起动电流为
Figure BDA0000049828690000083
其中,VIN为输入端电压,VDD为旁路电源电容正极电压,R11为连接VIN与旁路电源电容的起动电阻。当变换器37稳定工作后,旁路电容上的能量主要由辅助绕组20通过二极整流二极管供给,以维持控制芯片26及NPN组合管27所需能量。控制IC通过分压电阻24、25及变压器的绕组20与19的耦合间接对输出信号进行采样,FB端口的电压
V FB = R 25 R 24 + R 25 × V AUX = R 25 R 24 + R 25 × N A N S × V SEC
= R 25 R 24 + R 25 × N A N S × ( I OUT × R 21 + V F + V OUT ) ;
其中,R24,R25为辅助绕组20两端电压VAUX的分压电阻,NA/NS为辅助绕组与次级绕组的线圈匝数比,VSEC为次级绕组19两端电压,IOUT为输出电流,R21为表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻,VF为次级整流二极管的正向压降,VOUT为输出端电压。
图3所示为复合NPN管27的电路结构,NPN复合管为第一级Stage1的集电极C1和第二级Stage2的集电极C2连接且为复合管27的集电极C,第一级NPN管的发射极E1与第二极NPN管的基极B2连接,第一级NPN管的基极B1为复合管的B极,第二级NPN管的发射极E2极为复合管的E极。第一级NPN管与第二级NPN管的电流放大倍数相同即β,复合NPN管的放大倍数即为β2。由于使用NPN复合管27,它的电流放大倍数的值为原来NPN管16的平方,即所需要的基极驱动电流数值即为原来的电流数值的开方,所以大大的降低了NPN管的基极驱动电流,即
Figure BDA0000049828690000093
其中,IB27为复合NPN管27基极驱动电流值,IB16为NPN管16的基极驱动电流值。
图2所示的电路中,根据FB的采样得到的信号,通过PFWM 30进行处理并对由初级绕组18、NPN管复合27及NMOSFET管(N型金属氧化物半导体场效应晶体管)29组成的通路中的开关管29进行开关占空比及频率控制,实现次级的恒流恒压输出。
采用NPN复合管27取代NPN管16后,图1所示的基极驱动电阻及泄流二极管便可以图3中的PMOSFET管28来实现,其中P管28漏极连接到控制IC 26的端口OUT,源极连接到VDD端口,栅极由PFWM 30控制。如此连接,当作为开关的PMOS管28及NMOS管29闭合时,PMOS管28即等效为电阻,当作为开关的PMOS管28及NMOS管29开路时,27的基极电流可以通过28的漏极到衬底的正向二极管泄放,使基极电压钳在(VDD+VBE),在这里VBE为28漏极到衬底二极管的正向压降。图2的方法及电路结构实现了集成图1中的电阻15及整流二极管14到控制IC的内部,减小了外围元件使用的数目。
综上所述,本发明提出的初级控制恒流恒压变换器,实现了集成图1中的电阻15及整流二极管14到控制IC的内部,减小了外围元件使用的数目。只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器恒流恒压输出控制,可用于NPN管发射极驱动或基极驱动,并可降低芯片及应用的成本。
这里本发明的描述和应用是说明性的,并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的,对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是,在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以以其它形式、结构、布置、比例,以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下,可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (5)

1.一种初级控制恒流恒压变换器,其特征在于,所述变换器包括:变压器(17),初级高压隔离及驱动单元(27),采用峰值电流模式PFWM的控制芯片(26),起动电阻(11),旁路电源整流二极管(12),旁路电源电容(13),第一分压电阻(24),第二分压电阻(25),表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻(21),次级整流管(22),输出电容(23);
变压器(17)包括三个绕组:初级绕组(18),次级绕组(19)及辅助绕组(20);
控制芯片(26)包括第一晶体管(28)、第二晶体管(29)、PFWM控制单元(30);
所述第一晶体管(28)的漏极通过控制芯片(26)的端口OUT连接所述初级高压隔离及驱动单元(27)的基极B,源极连接到VDD端口,栅极由PFWM控制单元(30)控制;
所述第二晶体管(29)的源极连接到控制芯片(26)的端口GND,漏极通过端口SW连接所述初级高压隔离及驱动单元(27)的发射极E,栅极由PFWM控制单元(30)控制;
控制芯片(26)根据从端口FB的采样得到的信号,通过PFWM控制单元(30)进行处理并对由初级绕组(18)、初级高压隔离及驱动单元(27)及第二晶体管(29)组成的通路中的开关管(29)进行开关占空比及频率控制,实现次级的恒流恒压输出;
当作为开关的第一晶体管(28)、第二晶体管(29)闭合时,第一晶体管(28)即等效为电阻,当作为开关的第一晶体管(28)及第二晶体管(29)开路时,初级高压隔离及驱动单元(27)的基极电流通过第一晶体管(28)的漏极到衬底的正向二极管泄放,使基极电压钳在VDD+VBE,其中,VBE为第一晶体管(28)漏极到衬底的二极管正向压降,VDD为旁路电源电容(13)正极的电压;
其中,所述初级高压隔离及驱动单元(27)为NPN复合管,NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管;第一级NPN管的集电极C1和第二级NPN管的集电极C2连接且为NPN复合管的集电极C;第一级NPN管的发射极E1和第二级NPN管的基极B2连接,第一NPN管的基极B1为NPN复合管的B极,第二级NPN管的E2为NPN复合管的E极;第一级NPN管与第二级NPN管的电流放大倍数相同即β,NPN复合管的放大倍数即为β2
2.一种初级控制恒流恒压变换器,其特征在于,所述变换器包括:变压器(17),初级高压隔离及驱动单元(27),采用峰值电流模式PFWM的控制芯片(26);控制芯片(26)包括第一晶体管(28)、第二晶体管(29)、PFWM控制单元(30);所述第一晶体管(28)的漏极通过控制芯片(26)的端口OUT连接所述初级高压隔离及驱动单元(27)的基极B,源极连接到端口VDD,栅极由PFWM控制单元(30)控制;
所述第二晶体管(29)的源极连接到控制芯片(26)的端口GND,漏极通过端口SW连接所述初级高压隔离及驱动单元(27)的发射极E,栅极由PFWM控制单元(30)控制;
控制芯片(26)根据采样得到的信号,通过PFWM控制单元(30)进行处理并对由变压器(17)的初级绕组(18)、初级高压隔离及驱动单元(27)及第二晶体管(29)组成的通路中的开关管29进行开关占空比及频率控制,实现次级的恒流恒压输出;
当作为开关的第一晶体管(28)、第二晶体管(29)闭合时,第一晶体管(28)即等效为电阻,当作为开关的第一晶体管(28)及第二晶体管(29)开路时,初级高压隔离及驱动单元(27)的基极电流通过第一晶体管(28)的漏极到衬底的正向二极管泄放,使基极电压钳在VDD+VBE,其中,VBE为第一晶体管(28)漏极到衬底二极管的正向压降,VDD为旁路电源电容(13)正极的电压;
其中,所述初级高压隔离及驱动单元(27)为NPN复合管,NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管;第一级NPN管的集电极C1和第二级NPN管的集电极C2连接且为NPN复合管的集电极C;第一级NPN管的发射极E1和第二级NPN管的基极B2连接,第一NPN管的基极B1为NPN复合管的B极,第二级NPN管的E2为NPN复合管的E极;第一级NPN管与第二级NPN管的电流放大倍数相同即β,NPN复合管的放大倍数即为β2
3.根据权利要求2所述的初级控制恒流恒压变换器,其特征在于:
变压器(17)包括三个绕组:初级绕组(18),次级绕组(19)及辅助绕组(20);所述变换器进一步包括:起动电阻(11),旁路电源整流二极管(12),旁路电源电容(13),第一分压电阻(24),第二分压电阻(25),表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻(21),次级整流管(22),输出电容(23);
起动电阻(11)的一端连接输入端口VIN,另一端通过旁路电源电容(13)接地;
初级绕组(18)的一端连接输入端口VIN,另一端连接初级高压隔离及驱动单元(27)的集电极C;次级绕组(19)的一端通过所述次级电阻(21)、次级整流管(22)连接输出端口VOUT,另一端接输出端的相对地;输出电容(23)一端连接输出端口VOUT,另一端接输出端的相对地;
辅助绕组(20)的一端接输入端的大地;另一端连接串联的第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25),同时连接旁路电源整流二极管(12)的正极;旁路电源整流二极管(12)的负极接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间;第二分压电阻(25)的一端接输入端的大地;
端口VDD接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间;PFWM控制单元(30)通过端口FB连接第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)之间。
4.根据权利要求3所述的初级控制恒流恒压变换器,其特征在于:
旁路电源电容(13)的起动电流
其中,VIN为输入端电压,VDD为旁路电源电容正极电压,R11为连接VIN与旁路电源电容的起动电阻;
当所述变换器稳定工作后,旁路电源电容(13)上的能量主要由辅助绕组(20)通过旁路电源整流二极管(12)供给,以维持控制芯片(26)及初级高压隔离及驱动单元(27)所需能量;
控制芯片(26)通过第一分压电阻(24)和第二分压电阻(25)及变压器(17)的辅助绕组(20)与次级绕组(19)的耦合间接对输出信号进行采样,端口FB的电压
V FB = R 25 R 24 + R 25 × V AUX = R 25 R 24 + R 25 × V SEC
= R 25 R 24 + R 25 × N A N S ( I OUT × R 21 + V F + V OUT )
其中,R24、R25为辅助绕组(20)两端电压VAUX的分压电阻,NA/NS为辅助绕组(20)与次级绕组(19)的线圈匝数比,VSEC为次级绕组(19)的两端电压,IOUT为输出电流,R21为表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻,VF为次级整流二极管的正向压降,VOUT为输出端电压。
5.根据权利要求2所述的初级控制恒流恒压变换器,其特征在于:
所述第一晶体管(28)为P型MOS管;
所述第二晶体管(29)为N型MOS管。
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