CN103853221B - 禁止信号发生电路、集成电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

提供了禁止信号发生电路、集成电路及开关电源。一种用于开关电源芯片的禁止信号发生电路，开关电源芯片包括一个电源输出管脚、一个反馈电压输入管脚、一个用于连接外部阻容网络的补偿管脚以及一个误差放大器，禁止信号发生电路包括：第一比较器，第一比较器的同相输入端连接至误差放大器的输出端，第一比较器的反相输入端连接至第一基准电压；第二比较器，第二比较器的同相输入端连接至误差放大器的反相输入端，第二比较器的反相输入端连接至第二基准电压；或电路，或电路的两个输入端分别连接至第一比较器的输出端和第二比较器的输出端，或电路的输出端用于提供禁止信号或者非禁止信号；其中误差放大器的同相输入端连接至第三基准电压，误差放大器的反相输入端连接至反馈电压输入管脚。

Description

禁止信号发生电路、集成电路及开关电源

技术领域

本发明的实施方式涉及集成电路设计，具体地，涉及一种用于开关电源芯片中的禁止信号发生电路。

背景技术

在现代电路设计中，出于降低芯片的空间维度和制造成本等目的，在能够满足预期功能的情况下，期望尽量降低集成电路芯片的管脚数量。集成电路芯片中通常会包括使能/禁止管脚，该管脚用于控制集成电路芯片是否处于工作状态。然而，在集成电路芯片中单独设置使能/禁止管脚，将会改变集成电路芯片的管脚布局进而造成其他额外开销，因而期望能够通过对集成电路芯片中的某个现有管脚的复用，来实现使能/禁止管脚的功能。

对于诸如开关电源的芯片而言，例如，升压器(boost)、降压器(buck)和降压-升压器(buck-boost)，现有技术中已经开发出了可以通过复用现有的补偿管脚，来实现使能/禁止管脚功能的技术方案。对于这类芯片，除了在补偿管脚上外接一个阻容网络用于环路补偿外，同时在阻容网络上并联一个开关元件，将该开关元件用作该类芯片的使能/禁止开关。在该类方案中，补偿管脚又可称为“COMP/EN”管脚，通过对该管脚的电压高低控制来实现使能/禁止功能。通常情况下，该管脚电压低于设定阈值时，芯片禁止工作。尽管该技术方案在某些情况下可以正常工作，然而在开关电源正常工作期间，在某些情况下(例如重载突然切换到轻载)可能出现补偿管脚处的电压过低，从而可能使开关电源芯片误认为COMP/EN管脚电压低于设定阈值，从而禁止该开关电源芯片工作。

发明内容

因而，期望能够提供一种可以对开关电源芯片中的现有管脚进行复用的技术方案，以便防止意外地产生禁止信号。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于开关电源芯片的禁止信号发生电路，开关电源芯片包括一个电源输出管脚、一个反馈电压输入管脚、一个用于连接外部阻容网络的补偿管脚以及一个误差放大器，禁止信号发生电路包括：第一比较器，第一比较器的同相输入端连接至误差放大器的输出端，第一比较器的反相输入端连接至第一基准电压；第二比较器，第二比较器的同相输入端连接至误差放大器的反相输入端，第二比较器的反相输入端连接至第二基准电压；以及或电路，或电路的两个输入端分别连接至第一比较器的输出端和第二比较器的输出端，或电路的输出端用于提供禁止信号或者非禁止信号；其中误差放大器的同相输入端连接至第三基准电压，误差放大器的反相输入端连接至反馈电压输入管脚；并且其中第一基准电压高于零伏并且低于第二基准电压，第二基准电压高于第一基准电压并且低于第三基准电压。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种集成电路芯片，包括上文的禁止信号发生电路。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种开关电源，包括：上文的集成电路芯片；连接至集成电路芯片的补偿管脚的阻容网络；与阻容网络并联的、连接于补偿管脚与地电位之间的机械或电子开关。

在本发明的一个实施方式中，进一步包括：连接至所述集成电路芯片的输出端的电感、电容和负载。

在本发明的一个实施方式中，进一步包括：反馈分压电阻串、功率开关MOS管和肖特基二极管。

采用本发明所述的禁止信号发生电路，可以将开关电源芯片中的补偿管脚复用为使能/禁止管脚，即，实现在一个管脚处输入补偿信号和使能信号两者，并保证开关电源芯片可以在两种模式中均正常工作。另外，本发明的实现仅需要较少数量的电子器件，并且成本低、占用空间小，还可以整合到开关电源芯片内部。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的标号表示相同或相似的元素。在附图中：

图1示意性示出了根据一个解决方案的对开关电源芯片中的补偿管脚进行复用的图示；

图2示意性示出了根据本发明的一个实施方式的禁止信号发生电路的电路图；以及

图3示意性示出了根据本发明的一个实施方式的、包括禁止信号发生电路的开关电源的示意图。

具体实施方式

下文将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。应当注意，在本发明的上下文中，将以开关电源芯片这一具体的集成电路芯片作为示例，用作阐明本发明的各个实施方式的工作原理和具体技术方案。

应当注意，附图中使用类似或者相同的附图标记，并且可能指示类似或者相同的功能性。附图仅为示例的目的描绘了本发明的实施例。本领域技术人员从下面的描述将容易理解，在不偏离此处描述的本发明的原理的情况下，可以采用示例的结构和方法的替代实施方式。

图1示意性示出了根据一个解决方案的对开关电源芯片中的补偿管脚进行复用的图示。如图1所示，补偿/使能管脚示出为COMP/EN，该管脚被并联至两个分支：左侧分支中连接有开关140，用作使能/禁止管脚时使用(当开关140被闭合时，COMP/EN被接地并且表示输入“禁止”信号)；右侧分支中连接有电阻Rc以及电容Cc(当开关140未被闭合时，COMP/EN管脚用作补偿管脚)。

VOUT管脚表示开关电源芯片100的输出，而反馈管脚VFB对应于基于对VOUT管脚输出的电压进行分压(例如，通过电阻Ro1和电阻Ro2)后得到的反馈电压。直流-直流控制器110和误差放大电路120即普通开关电源芯片中的器件，本领域技术人员可以参见电路领域的现有技术，在此不再赘述。另外，图1中还包括bias(偏置)150，该部分的作用是当COMP/EN管脚外部的开关140被断开后，由内部bias电流来向阻容补偿网络充电，当COMP/EN管脚处的电压超过第一基准电压(0.5V)时，芯片100开始工作。

为了更清晰示出的目的，如图1中所示电路中各个器件的参数以及各点电压如下文表1所示。应当注意，表1仅仅出于示出性而非限制性目的示出了示意性的参数，本领域技术人员还可以采用具有其他参数的器件。例如，电阻Rc和电容Cc不必采用表1所示的具体值，而是根据具体应用环境。例如，电阻Rc的电阻值可以选择为在20-100Kohm之间的任何值，电容Cc的电容值可以选择为在100-500pF之间的任何值。

表1

序号	参数名称	参数值	备注
				1	VOUT	5V	输出管脚
2	VFB	1.25V	反馈管脚
				3	Vref	1.25V	基准电压
4	vref_en	0.5V	使能基准电压
				5	Ro1	12.5Kohm	电阻
6	Ro2	37.5Kohm	电阻
				7	Rc	50Kohm	电阻
8	Cc	400pF	电容
				9	Gain	60dB(1000倍)	误差放大器增益

在图1所示的技术方案中，COMP/EN管脚连接至比较器130的同相输入端，而在反相输入端处输入使能基准电压vref_en。该使能基准电压vref_en可以选取0V至基准电压vref之间的一个预定范围(如，30％至50％)内的一个固定数值。不失一般性，在下面的例于中，vref_en取vref的40％。当开关140被闭合时，COMP/EN管脚接地因而在比较器130的同相输入端处输入0V。此时，由于0V＜vref_en，因而比较器130输出逻辑低或0信号(如，低电平信号)；即，此种情况下输出“禁止”信号。

当开关140被断开时，COMP/EN管脚用作补偿管脚，此时该处的电压为误差放大器120的输出电压，并且误差放大器120的输出等于(vref-vfb)×增益，即，(vref-vfb)×1000。在某些情况下，比如，当系统突然从重负载降到轻负载时，开关电源芯片100的电压输出VOUT可能突然升高，造成反馈电压VFB突然升高，从而误差放大器120的输出电压突然下降。比如，在芯片内部电源电压(误差放大器及所有比较器的电源)等于5V应用系统中，当反馈管脚处的电压大于1.255V时，误差放大器120的输出最多将降低(1.255V-1.25V)×1000＝5V，即，该点电压无限趋近于0V。这种情况下，由于比较器130的同相输入端处的电压(0V)小于反相输入端处电压(0.5V)，因而比较器130输出逻辑低或0信号(如，低电平信号)，即，输出“禁止”信号，以禁止开关电源芯片100工作。

在上述情况下，尽管开关140被断开(此时，COMP/EN管脚应当用作补偿管脚)，然而在开关电源芯片100正常工作期间，比较器130仍有可能产生禁止开关电源芯片100工作的“禁止”信号。在此技术方案中，尽管在某些情况下对于COMP/EN管脚的复用是成功的，然而在当比较器130的同相输入端处的电压低于0.5V时，该芯片将会错误地认为收到了“禁止”信号。

针对图1所示的技术方案中可能出现的错误，以下的实施方式中提出了另一种禁止信号发生电路。在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于开关电源芯片的禁止信号发生电路，开关电源芯片包括一个电源输出管脚、一个反馈电压输入管脚、一个用于连接外部阻容网络的补偿管脚以及一个误差放大器，禁止信号发生电路包括：第一比较器，第一比较器的同相输入端连接至误差放大器的输出端，第一比较器的反相输入端连接至第一基准电压；第二比较器，第二比较器的同相输入端连接至误差放大器的反相输入端，第二比较器的反相输入端连接至第二基准电压；以及或电路，或电路的两个输入端分别连接至第一比较器的输出端和第二比较器的输出端，或电路的输出端用于提供禁止信号或者非禁止信号；其中误差放大器的同相输入端连接至第三基准电压，误差放大器的反相输入端连接至反馈电压输入管脚；并且其中第一基准电压高于零伏并且低于第二基准电压，第二基准电压高于第一基准电压并且低于第三基准电压。

在此实施方式中，可以采用图2所示的电路来取代图1中比较器130，在将补偿管脚复用为使能管脚的同时，还可以消除可能出现的错误。

应当注意，与普通使能/禁止管脚的功能类似，将开关电源芯片禁止并不意味着将开关电源芯片全部禁止，而是需要保持开关电源芯片中的部分电路为激活。例如，需要保持与判断使能/禁止功能、供电功能、基准电压生成等部分相关联的电路为激活；否则，当将开关电源芯片禁止后无法再将其恢复至使能状态。

图2示意性示出了根据本发明的一个实施方式的禁止信号发生电路的电路图200。如图2所示，禁止信号发生电路包括第一比较器210、第二比较器220以及或电路230。其中，第一比较器210的同相输入端连接至误差放大器的输出端，第一比较器210的反相输入端连接至第一基准电压212；第二比较器220的同相输入端连接至误差放大器的反相输入端，第二比较器220的反相输入端连接至第二基准电压222；或电路230的两个输入端分别连接至第一比较器210的输出端和第二比较器220的输出端，或电路230的输出端用于提供禁止信号或者非禁止信号232。

应当注意，在本发明的上下文中所述的“比较器”和“或电路”是对于电子器件的功能的描述，在本发明的实施方式中并不限制采用何种方式来实现这些器件。例如，图2所示的比较器是接收两个模拟信号继而输出数字信号的电路，本领域技术人员还可以首先将模拟信号首先转换至数字域继而进行比较，等等。

具体地，误差放大器的同相输入端连接至第三基准电压，误差放大器的反相输入端连接至反馈电压输入管脚。

在本发明的一个实施方式中，第一基准电压高于零伏并且低于第二基准电压，第二基准电压高于第一基准电压并且低于第三基准电压。本领域技术人员可以自行定义第一基准电压和第二基准电压的数值。在一些例子中，将第一基准电压设定为第三基准电压的30％至50％范围内的一个固定值，并且将第二基准电压设定为第三基准电压的70％至90％范围内的另一个固定值。不失一般性，在一个例子中，将第一基准电压设定为第三基准电压的40％，将第二基准电压设定为第三基准电压的80％。第三基准电压的设定与具体电路参数(如，分压电阻Ro1和Ro2的预设值)相关。在一个例子中，例如结合上文参见表1所示的参数值，将第三基准电压预设为1.25V，将第一基准电压预设为0.5V，将第二基准电压预设为1.0V。

采用根据本发明的禁止信号发生电路，可将开关电源芯片的补偿管脚复用为使能管脚，即，实现COMP/EN管脚。具体地，利用图2所示的禁止信号发生电路200替代图1中的比较器130，可以实现管脚复用功能。具体地，图3示意性示出了根据本发明的一个实施方式的、包括禁止信号发生电路的开关电源的示意图300。在下文中，将参见图2并结合图3详述在将COMP/EN管脚用作使能管脚和补偿管脚期间的开关电源芯片中的信号流。在本发明的一个实施方式中，其中禁止信号是低电平信号，非禁止信号是高电平信号。为清楚起见，分别对使能模式和补偿模式下的信号流进行描述。

I.禁止模式

在本发明的一个实施方式中，响应于该使能输入端被接地，该使能输入端处的电压低于该第一基准电压，该第一比较器输出逻辑低或0信号(如，低电平信号)；该反馈管脚处的电压低于该第二基准电压，该第二比较器也输出逻辑低或0信号；以及该或电路输出禁止信号。

具体地，当开关320闭合时，COMP/EN管脚被接地，表示期望禁止开关电源芯片。此时，图2所示的第一比较器210的同相输入端输入为0V，低于第一基准电压(例如，设置为0.5V)，因而第一比较器210输出为逻辑低或0信号(如，低电平信号)。由于COMP/EN管脚处电压为0V，在经过一定时间后，输出管脚VOUT处电压为0V，反馈VFB管脚处电压也为0V。此时，图2所示的第二比较器220的同相输入端输入为0V，低于第二基准电压(例如，设置为1.0V)，因而第二比较器220输出为逻辑低或0信号。由于0OR0等于0，因而或电路230的输出为逻辑低或0信号。

从上述描述中可见，当将COMP/EN管脚接地并复用为使能管脚时，能够正确输出“禁止”信号。

II.非禁止(使能或补偿)模式

在本发明的一个实施方式中，响应于该反馈管脚的电压高于该第二基准电压，该第二比较器输出逻辑高或1信号(如，高电平信号)，以及该或电路输出非禁止信号。在本发明的一个实施方式中，该反馈管脚和该使能输入端分别连接至该开关电源芯片中的误差放大电路的反相输入端和输出端，响应于该反馈管脚处的电压低于或等于该第二基准电压，该使能输入端处的电压高于该第一基准电压，以使得该第一比较器输出逻辑高或1信号(如，高电平信号)，以及该或电路输出非禁止信号。

具体地，当COMP/EN管脚断开时，该管脚用作补偿管脚。在此，例如将第二基准电压设置为1.0V，将第一基准电压设置为0.5V，并且基于如上文表1所示的参数可知：

$\frac{\mathrm{VFB}}{\mathrm{VOUT}}=\frac{\mathrm{Ro}1}{R01+R02}=\frac{12.5}{12.5+37.5}=\frac{1}{4}$

在下文中将逐段分析反馈电压VFB在上述范围中取不同值时，禁止信号发生电路200输出的禁止/非禁止信号232是否正确。需要特别指出的是，芯片的内部电源电压，即，误差放大器和所有比较器的电源，要大于1.25V，典型应用有2.5V、3.3V、5V。

1.1V＜VFB≤1.25V

当1V＜VFB≤1.25V时，误差放大电路320的输出趋近于芯片内部电源电压。在第一比较器210的同相输入端和反相输入端处，由于芯片内部电源电压大于0.5V，因而第一比较器210输出逻辑高或1信号；此时，第二比较器220的同相输入端和反相输入端处，由于VFB大于1V，其输出为逻辑高或1信号，非禁止信号232为1OR1，即1，表示开关电源芯片被“使能”，此时COMP/EN管脚处于补偿模式。

2.0V＜VFB≤1V

当0V＜VFB≤1V时，误差放大电路320的输出趋近于芯片内部电源电压。在第一比较器210的同相输入端和反相输入端处，由于芯片内部电源电压大于0.5V，因而第一比较器210输出逻辑高或1信号；此时，第二比较器220的同相输入端和反相输入端处，由于VFB小于1V，其输出为逻辑低或0信号，非禁止信号232为1OR0，即1，表示开关电源芯片被“使能”，此时COMP/EN管脚处于补偿模式。

3.VFB＞1.25V

当VFB＞1.25V时，误差放大电路320的输出趋近于0V。在第一比较器210的同相输入端和反相输入端处，由于0V小于0.5V，因而第一比较器210输出逻辑低或0信号；此时，第二比较器220的同相输入端和反相输入端处，由于VFB大于1V，其输出为逻辑高或1信号，非禁止信号232为0OR1，即1，表示开关电源芯片被“使能”，此时COMP/EN管脚处于补偿模式。

可见，当开关320闭合时，禁止/非禁止信号232的输出为“禁止”信号，该COMP/EN管脚用作禁止管脚；而当开关320断开时，禁止/非禁止信号的输出为“非禁止”信号，该COMP/EN管脚用作补偿管脚。采用本发明的电路，消除了在现有技术中可能出现的错误。

在本发明的一个实施方式中，第一基准电压是在第三基准电压的30％至50％范围内的一个固定值，并且第二基准电压是在第三基准电压的70％至90％范围内的另一个固定值。

在本发明的一个实施方式中，第一基准电压是第三基准电压的40％，第二基准电压是第三基准电压的80％。结合上文参见表1所示的参数值，第一基准电压可以是0.5V，而第二基准电压可以是1.0V。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种集成电路芯片，包括根据上文所述的禁止信号发生电路。可以将根据本发明的各个实施方式的禁止信号发生电路封装至一集成电路芯片中，以便实现对补偿管脚的复用。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种开关电源，包括：根据上文的集成电路芯片；连接至集成电路芯片的补偿管脚的阻容网络；以及与阻容网络并联的、连接于补偿管脚与地电位之间的机械开关或电子开关(如，一个MOS晶体管)。该开关电源例如可以是如图3所示的开关电源。

在本发明的一个实施方式中，开关电源进一步包括：连接至所述集成电路芯片的输出端的电感、电容和负载。在本发明的一个实施方式中，开关电源进一步包括：反馈分压电阻串、功率开关MOS管和肖特基二极管。

在本发明的一个实施方式中，在开关电源芯片的VOUT管脚还可以连接至输出端外围器件(例如，如图3所示的输出端外围器件330)。该输出端外围器件例如可以包括，电源输出端连接的电感、电容、负载以及可能存在的反馈分压电阻串、功率开关MOS管和肖特基二极管。

应当注意，尽管在图1和图3中将分压电阻Ro1和Ro2分别示出为芯片外部的器件，在本发明的一个实施方式中，分压电阻Ro1和Ro2还可以部分地或者全部地包括在芯片内部，本领域技术人员可以参照本发明所示出的原理来实现其他的配置。

应当注意，在此使用的术语仅为了描述具体实施例而并非旨在于限制公开内容。例如，除非上下文另有明示，在此使用的单数形式“一个/一种”和“该”旨在于也包括复数形式。还将理解措词“包括”在使用于本说明书中时指定存在声明的特征、整件、步骤、操作、单元和/或部件而未排除存在或者添加一个或者多个其他特征、整件、步骤、操作、单元、部件和/或其组合。

应当理解，这些实施例和示例仅是示例性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求书，而不是由之前的描述所限定，并且因此旨在使权利要求书涵盖落入权利要求书的界定或者这种界定的等同范围内的所有改变。某些手段在相互不同的从属权利要求中记载的单个事实并不指示不能有利地使用这些手段的组合。实际上，这里所描述的实施例可以体现为多种其他形式或可以被组合；进一步地，可以进行以这里所描述的实施例的形式的多种省略、替换和改变，而不偏离本公开的精神。

Claims (8)

1.一种用于开关电源芯片的禁止信号发生电路，所述开关电源芯片包括一个电源输出管脚、一个反馈电压输入管脚、一个用于连接外部阻容网络的补偿管脚以及一个误差放大器，所述禁止信号发生电路包括：

第一比较器，所述第一比较器的同相输入端连接至所述误差放大器的输出端，所述第一比较器的反相输入端连接至第一基准电压；

第二比较器，所述第二比较器的同相输入端连接至所述误差放大器的反相输入端，所述第二比较器的反相输入端连接至第二基准电压；以及

或电路，所述或电路的两个输入端分别连接至所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端，所述或电路的输出端用于提供禁止信号或者非禁止信号；

其中所述误差放大器的同相输入端连接至第三基准电压，所述误差放大器的反相输入端连接至所述反馈电压输入管脚；并且

其中所述第一基准电压高于零伏并且低于所述第二基准电压，所述第二基准电压高于所述第一基准电压并且低于所述第三基准电压。

2.根据权利要求1所述的禁止信号发生电路，其中所述禁止信号是低电平信号，所述非禁止信号是高电平信号。

3.根据权利要求1所述的禁止信号发生电路，其中所述第一基准电压是在所述第三基准电压的30％至50％范围内的一个固定值，并且所述第二基准电压是在所述第三基准电压的70％至90％范围内的另一个固定值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的禁止信号发生电路，其中所述第一基准电压是所述第三基准电压的40％，所述第二基准电压是所述第三基准电压的80％。

5.一种集成电路芯片，包括根据权利要求1至4中任一项所述的禁止信号发生电路。

6.一种开关电源，包括：

根据权利要求5所述的集成电路芯片；

连接至所述集成电路芯片的补偿管脚的阻容网络；

与所述阻容网络并联的、连接于所述补偿管脚与地电位之间的机械或电子开关。

7.根据权利要求6所述的开关电源，进一步包括：

连接至所述集成电路芯片的输出端的电感、电容以及负载。

8.根据权利要求7所述的开关电源，进一步包括：

连接至所述集成电路芯片的输出端的反馈分压电阻串、功率开关MOS管和肖特基二极管。