CN102624240A

CN102624240A - 一种原边反馈开关电源控制芯片

Info

Publication number: CN102624240A
Application number: CN2012100813667A
Authority: CN
Inventors: 赖泽联
Original assignee: SHENZHEN HOTCHIP TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Huaxin Zhizao Semiconductor Co.,Ltd.
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN102624240B

Abstract

一种原边反馈开关电源控制芯片，包括电压控制单元（101）、RS触发器（102）、斩波器单元（103）、驱动单元（104）、电流控制单元（105），以及VDD、GND、OUT三个引脚，所述斩波器单元（103）经驱动单元（104）放大后由OUT引脚输出以驱动外部开关管，所述电压控制单元（101）和电流控制单元（105）分别联接到RS触发器（102）的S端和R端，以通过RS触发器（102）控制斩波器单元（103），其特征在于选择VDD引脚作为反馈电压采集点，选择OUT引脚作为原边电流信号采集点，本发明解决了现有技术存在的控制芯片耐压高、成本高以及应用不灵活的问题。

Description

一种原边反馈开关电源控制芯片

技术领域

本发明涉及一种原边反馈开关电源控制芯片，其属于开关电源控制装置类。

背景技术

开关电源是现今常用的交流转直流的电源装置，原边反馈开关电源由于其除了能根据反馈信息对输出电压进行调节外，还能根据从原边检测出的电流信息对输出电流进行适当的调节，为此原边反馈开关电源的应用越来越广泛，相应也出现了许多原边反馈开关电源控制芯片。

本案发明人注意到了CN102237812A所公开的一种原边反馈开关电源控制器，CN102237812A所公开的这种原边反馈开关电源控制器，尽管在电压控制回路和电流控制回路上有所变化，但其本质上与市售的AP3708原边反馈开关电源控制芯片为同一种类型，附图1是简化后的CN102237812A所公开的以及市售的AP3708原边反馈开关电源控制芯片系统框图。如附图1所示，所述的原边反馈控制芯片（1）包括电压控制单元（101）、RS触发器（102）、斩波器单元（103）、驱动单元（104）、电流控制单元（105），这类原边反馈控制芯片（1）的一个显著的特点是至少包括VDD、GND、OUT、FB、CS五个引脚，所述FB引脚为辅助绕组Na电压反馈引入脚，其从与辅助绕组Na相联接的由电阻R1和电阻R2构成取样电路中取得电压反馈信号。芯片内部，FB引脚联接到电压控制单元（101）的输入端，所述CS引脚为初级电流检测信号引入脚，功率三极管G的发射极通过电阻R3接地，所述功率三极管G的集电极接至变压器3的原边绕组Np的下端，原边绕组Np的上端接至VDD引脚，所述CS引脚外部电路接至功率三极管G的发射极，以获取原边绕组Np的电流值，在芯片内部CS引脚联接到过流保护单元（105）的输入端，电压控制单元（101）和电流控制单元（105）的输出端分别联接到RS触发器（102）的S端和R端，所述RS触发器（102）的输出端即Q端联接到斩波器单元（103）的输入端，所述斩波器单元（103）可以是PWM型的，也可以是PFM型的，所述斩波器单元（103）联接到驱动单元（104），所述驱动单元（104）的输出为OUT引脚，OUT引脚外部电路接至功率三极管G的基极。VDD引脚为原边反馈控制芯片（1）的电源引脚，用于为整个芯片接入电源；FB引脚为辅助绕组Na电压反馈引入脚，通过侦测辅助绕组Na的电压来调节驱动单元（104）的输出的，使得辅助绕组Na的电压稳定在设定的值，同时控制原边绕组Np的电流在规定的范围内，最终使次级绕组Ns的输出电压稳定在设定的值，当系统正常工作时，根据变压器原理，我们有(Vdd+Vz)/(Vo+Vz)=NA/NS，其中Vz为二极管D1和二极管D2的正向压降，Vo为次级绕组Ns二极管D2整流后的输出电压，NA为辅助绕组Na的圈数，NS为次级绕组Ns的圈数,Vdd为VDD引脚位置处的电压值。从而我们有FB引脚的电压为(Vdd +Vz)通过分压电阻R1和R2得到的分压，因此FB引脚的电压间接地反映了输出电压Vo的大小，所以可以作为输出电压Vo的反馈信号；OUT引脚为芯片的驱动单元（104）的输出引脚，用于驱动外部的功率三极管G，CS引脚为原边绕组Np电流侦测引脚，用于侦测原边绕组Np导通时的峰值电流；GND引脚为芯片的接地引脚、C1、C2为滤波电容。在采用原边反馈控制芯片（1）构成的开关电源系统中，VDD引脚位置处的电压值Vdd会随着输出电压和负载变化而在很大范围内变化，因此VDD引脚的耐压要求一般较高，即使从VDD引脚引入的外部电源的电压为5V的情况下，控制芯片（1）仍必须采用相对耐高压BI-CMOS工艺，因为VDD引脚的耐压值要考虑至少能耐压40V，所以现有技术的控制芯片面积较大、生产成本较高。

再者，现有技术的原边反馈控制芯片还存在由于外引脚较多，故采用这种原边反馈控制芯片来构建开关电源，所需的外围元件和应用电路亦相对复杂。

当然人们在减少开关电源控制芯片的外引脚，以使得配套的外部电路简单化，从而降低成本，提升可靠性方面还在做了不少的工作，本案发明人特别注意到了市售的TOP221-227开关电源控制芯片的结构特点，TOP221-227这种开关电源控制芯片只有漏极引脚、源极引脚以及控制极引脚三个外引脚，所述漏极引脚在使用中接原边绕组Np的下端，所述源极引脚接地，所述控制极引脚作电压信号采集端。TOP221-227这种开关电源控制芯片较为特别的地方在于将一个MOS开关管集成到了芯片中，在芯片内部利用MOS开关管的漏极作为原边绕组Np的电流信号采集点，其本质上是利用了MOS开关管导通时源极和漏极间等效于一个电阻特性实现的控制，TOP221-227这种开关电源控制芯片虽然外引脚极少，外部电路相对简单，但其存在的问题在于其功率受集成的MOS开关管的功率限制，应用起来不是太灵活，同时，在低成本应用的场合，开关管多采用普通三极管，显然TOP221-227这种开关电源控制芯片的结构特征决定了对普通三极管不适应。综上所述，现有技术有进一步改进的必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原边反馈开关电源控制芯片，其通过选择合适的电压反馈取样点以及通过选择合适的电流反馈取样点来降低原边反馈开关电源控制芯片的耐压等级，从而降低原边反馈开关电源控制芯片的面积和生产成本，并提升应用的灵活性，同时通过前述的技术措施来实现原边反馈开关电源控制芯片外引脚的减少，以简化外部配套电路，提高应用可靠性以及降低应用成本。

本发明的一种原边反馈开关电源控制芯片，包括电压控制单元（101）、RS触发器（102）、斩波器单元（103）、驱动单元（104）、电流控制单元（105），以及VDD、GND、OUT三个引脚，所述斩波器单元（103）经驱动单元（104）放大后由OUT引脚输出以驱动外部开关管，所述电压控制单元（101）和电流控制单元（105）分别联接到RS触发器（102）的S端和R端，以通过RS触发器（102）控制斩波器单元（103），其特征在于选择VDD引脚作为反馈电压采集点，选择OUT引脚作为原边电流信号采集点，还包括第一电压比较器(107)、第二电压比较器(108)，分别将 VDD引脚的电压信号和OUT引脚的电压信号接入到第一电压比较器(107)和第二电压比较器(108)的输入端，并使之与标准电压信号进行比较后分别输出到电压控制单元（101）和电流控制单元（105）。

本发明的这种原边反馈开关电源控制芯片，使用时与外部电路一起构成原边反馈开关电源，其中外部电路包括变压器（3）、开关三极管G以及整流滤波单元（2），所述变压器（3）包括原边绕组Np、辅助绕组Na以及次级绕组Ns，所述开关三极管G的发射极通过电阻R3接地，集电极接至变压器（3）的原边绕组Np的下端，基极与原边反馈开关电源控制芯片的OUT引脚联接，VDD引脚与外部整流滤波单元（2）的输出侧、原边绕组Np的上端并联接，且通过反接的二极管D1联接辅助绕组Na的上端，辅助绕组Na的下端和GND引脚接地。次级绕组Ns则通过二极管D2整流和电容C1滤波后输出到负载。

在前述的应用系统中，根据变压器原理我们有(Vdd+Vz)/(Vo+Vz)=NA/NS，其中Vdd为VDD引脚位置的电压值，Vz为二极管的结电压，Vo为次级绕组Ns经二极管D2整流、电容C2滤波后的输出电压值。因此VDD引脚位置的电压也间接反映了次级绕组Ns经二极管D2整流，电容C2滤波后的输出电压Vo的大小，所以VDD引脚可以作为输出电压Vo的反馈信号采集点。将VDD引脚直接作为了反馈信号采集点，为此 VDD引脚位置的电压值Vdd会被稳定在设定值附近，一般等于整流滤波单元（2）的输出电压值，不会随输出电压Vo和负载等外部参数而有太大的变化。在现有技术中，VDD引脚位置的电压值Vdd在5V时，考虑输出电压Vo和负载等外部参数变化的因素，芯片仍要按远高于5V的耐压值来设计，而本发明不需要，在整流滤波单元（2）的输出电压值为5V时，可以采用标准的5V低压CMOS工艺，从而降低芯片的面积和生产成本。

在本发明中，OUT引脚为芯片的驱动单元（104）的输出引脚，用于驱动外部的开关三极管G，同时在本发明中，OUT引脚还复用为原边绕组Np电流侦测引脚，在开关三极管G导通过程中，如果流经原边绕组Np的电流增加，电阻R3上压降Vcs亦增加，OUT引脚的电压也随之上升，OUT引脚上的电压Vout=Vbe+Vcs，Vbe为功率三极管G的基极与发射极间电压，Vcs 为原边绕组Np的电流流经电阻R3两端的所产生压降，由于Vbe是一个相对固定的值，因此OUT引脚上的电压Vout值的变化，直接反映了Vcs值的变化，即OUT引脚上的电压Vout可作为原边绕组Np电流信号采集点。在发明中，所述OUT引脚上的电压信号最好通过一过滤波单元（109）接至第二电压比较单元（108）的输入端，以避免杂波干扰。

选择OUT引脚作为原边电流信号采集点的积极效果在于这样使本发明的原边反馈开关电源控制芯片在应用时具有极大的灵活性，由其构建的开关电源的功率在许可的范围内仅取决于开关三极管G的功率，与驱动价格昂贵的MOS管相比，显然驱动普通大功率三极管有成本上的优势，这对开关电源的低成本应用极为重要。

另外，由于本发明的原边反馈开关电源控制芯片只有VDD、GND、OUT三个引脚，这也相应带来了外部电路的简单化，对降低开关电源的成本和可靠性显然有着积极的效果。

所述电压控制单元（101）可以是一个恒压控制单元，也可以是一个恒流控制单元，其具体的电路在CN102237812A所公开内容中以及以AP3708原边反馈开关电源控制芯片为代表的电路中均有充分的公开，在此不作详述。所述电流控制单元（105）主要根据采集的电流信号将原边绕组Np的电流值箝位在极限电流值上，其构成如电压控制单元（101）一样，为众多的现有技术所公开，包括CN102237812A以及以AP3708原边反馈开关电源控制芯片为代表的电路中均有充分的公开。

附图说明

图1是现有技术的一种简化的原边反馈开关电源控制芯片系统结构及其应用结构框图；

图2是本发明较佳实施例所提供的一种原边反馈开关电源控制芯片系统结构及其应用系统结构框图。

图3是本发明较佳实施例二所提供的一种原边反馈开关电源控制芯片系统结构及其应用系统结构框图。

各图中：

1为控制芯片；

101为电压控制单元；

102为RS触发器；

103为斩波器单元；

104为驱动单元；

105为电流控制单元；

106为基准电压单元；

107为第一电压比较器；

108为第二电压比较器；

109为滤波单元；

110为压控振荡单元；

2为整流滤波单元；

3为变压器。

具体实施方式

以下将结合本发明较佳实施例提供的一种原边反馈开关电源控制芯片及其附图对本发明作进一步说明。

实施例一：本较佳实施例所提供的一种原边反馈开关电源控制芯片，如附图2所示，所述控制芯片1包括电压控制单元101、RS触发器102、斩波器单元103、驱动单元104、电流控制单元105，以及VDD、GND、OUT三个引脚，所述斩波器单元103在本佳实施例中采用了PFM单元，其输出经驱动单元104放大后由OUT引脚输出到功率三极管G的基极，以驱动功率三极管G，所述电压控制单元101和电流控制单元105分别联接到RS触发器102的S端和R端，以通过RS触发器102控制斩波器单元103，在本较佳实施例中，所述电压控制单元101为恒压控制单元，在本较佳实施例中， VDD引脚作为反馈电压采集点，OUT引脚作为原边电流信号采集点，还包括第一电压比较器107、第二电压比较器108，分别将 VDD引脚的电压信号和OUT引脚的电压信号接入到第一电压比较器107和第二电压比较器108的输入端，并使之与标准电压信号进行比较后分别输出到电压控制单元101和电流控制单元105。在本较佳实施例中，所述标准电压信号由基准电压单元106产生，所述基准电压单元106产生ref1和ref2二路标准电压，其中ref1接至第一电压比较器107的一个输入端，ref2接至第二电压比较器108的一个输入端，所述第二电压比较器108的另一个输入端在本较佳实施例中通过滤波单元109接至原边电流信号采集点即OUT引脚上，第二电压比较器107和电流控制单元105共同作用根据采集原边绕组Np的电流信号将原边绕组Np的电流值箝位在极限电流值上。采用本较佳实施例的控制芯片1与外部电路一起将能十分简便地构成恒压输出的原边反馈开关电源，其中外部电路包括变压器3、开关三极管G以及整流滤波单元2，所述变压器3包括原边绕组Np、辅助绕组Na以及次级绕组Ns，所述开关三极管G的发射极通过电阻R3接地，集电极接至变压器3的原边绕组Np的下端，基极与原边反馈开关电源控制芯片的OUT引脚联接，VDD引脚与外部整流滤波单元2的输出侧、原边绕组Np的上端并联接，且通过反接的二极管D1联接辅助绕组Na的上端，辅助绕组Na的下端和GND引脚接地。次级绕组Ns则通过二极管D2整流和电容C1滤波后输出到负载。

实施例二：本较佳实施例所提供的一种原边反馈开关电源控制芯片，如附图3所示,与实施例一的不同之处在于所述电压控制单元101为恒流控制单元，同时为了配合恒流控制，在所述电压控制单元101的前端增设了一压控振荡单元110,所述压控振荡单元110的输入端接至VDD引脚，所述控振荡单元110的输出端接至电压控制单元101，所述压控振荡单元110主要是配合电压控制单元101根据从反馈电压采集点即VDD引脚采集的反馈电压信号对系统作出恒流控制。

综上所述，本发明的一种原边反馈开关电源控制芯片，包括电压控制单元（101）、RS触发器（102）、斩波器单元（103）、驱动单元（104）、电流控制单元（105），以及VDD、GND、OUT三个引脚，所述斩波器单元（103）经驱动单元（104）放大后由OUT引脚输出以驱动外部开关管，所述电压控制单元（101）和电流控制单元（105）分别联接到RS触发器（102）的S端和R端，以通过RS触发器（102）控制斩波器单元（103），其特征在于选择VDD引脚作为反馈电压采集点，选择OUT引脚作为原边电流信号采集点，本发明解决了现有技术存在的控制芯片耐压高、成本高以及应用不灵活的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式。但发明保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种原边反馈开关电源控制芯片，包括电压控制单元（101）、RS触发器（102）、斩波器单元（103）、驱动单元（104）、电流控制单元（105），以及VDD、GND、OUT三个引脚，所述斩波器单元（103）经驱动单元（104）放大后由OUT引脚输出以驱动外部开关管，所述电压控制单元（101）和电流控制单元（105）分别联接到RS触发器（102）的S端和R端，以通过RS触发器（102）控制斩波器单元（103），其特征在于选择VDD引脚作为反馈电压采集点，选择OUT引脚作为原边电流信号采集点，还包括第一电压比较器(107)、第二电压比较器(108)，分别将 VDD引脚的电压信号和OUT引脚的电压信号接入到第一电压比较器(107)和第二电压比较器(108)的输入端，并使之与标准电压信号进行比较后分别输出到电压控制单元（101）和电流控制单元（105）。

2.根据权利要求1所述的一种原边反馈开关电源控制芯片，其特征在于所述电压控制单元101为恒压控制单元。

3.根据权利要求1所述的一种原边反馈开关电源控制芯片，其特征在于所述标准电压信号由基准电压单元（106）产生，所述基准电压单元（106）产生ref1和ref2二路标准电压，其中ref1接至第一电压比较器（107）的一个输入端，ref2接至第二电压比较器（108）的一个输入端。

4.根据权利要求3所述的一种原边反馈开关电源控制芯片，其特征在于所述第二电压比较器（108）的另一个输入端通过滤波单元（109）接至原边电流信号采集点即OUT引脚上，第二电压比较器（107）和电流控制单元（105）共同作用根据采集的原边绕组Np的电流信号将原边绕组Np的电流值箝位在极限电流值上。

5.根据权利要求1所述的一种原边反馈开关电源控制芯片，其特征在于所述电压控制单元（101）为恒流控制单元，还包括一压控振荡单元（110），所述压控振荡单元（101）的输入端接至VDD引脚，所述控振荡单元（101）的输出端接至电压控制单元（101）。