CN104953840B - 采样装置和具其的开关电源管理芯片及充电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于开关电源管理芯片的采样装置和具有该采样装置的开关电源管理芯片以及具有该开关电源管理芯片的充电器。该采样装置包括：用于生成第一延时时间的可变延时产生模块；用于判断次级消磁是否结束并生成消磁结束信号的消磁结束判断模块；用于生成第一采样信号的第一采样模块；以及用于生成第二采样信号的第二采样模块。该采样装置以及具有该采样装置的开关电源管理芯片提高了开关电源管理芯片的采样抗干扰能力，并提高了输出电压的恒压精度。

Description

采样装置和具其的开关电源管理芯片及充电器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种用于开关电源管理芯片的采样装置和具有该采样装置的开关电源管理芯片以及具有该开关电源管理芯片的充电器。

背景技术

如今的小功率开关电源充电器通常会采用开关电源管理芯片来得到恒定的输出电压。如图1所示，现有的开关电源管理芯片IC通常采用初级控制的方式来实现对输出电压的控制，即，现有的开关电源管理芯片IC通过变压器的次级绕组和辅助绕组之间的电压耦合来对输出电压进行检测和采样，并且根据采样所得的电压来控制功率三极管Q1的开关，从而调整输出功率的大小，以得到恒定的输出电压。其中，当功率三极管Q1导通时，交流输入电压会给初级电感充电，而当功率三极管Q1关断时，初级电感上的能量会向次级传递。因此，开关电源管理芯片IC对输出电压的检测和采样只能发生在次级的消磁时间（简称TDS）内。同时，输出电压的采样一旦结束，采样所得的电压将通过电容一直保持到下一次输出电压的采样周期的开始。

目前，输出电压的检测与采样通常在功率管关断后的一段固定长度的延时时间内进行，并且在消磁结束时结束。然而，当开关电源管理芯片工作在脉冲宽度调制（PulseWidth Modulation，简称PWM）模式时，开关电源管理芯片的功率管的导通峰值电流（简称IPK）会随着负载的变化而变化，进而导致次级的消磁时间TDS也发生相应的变化，即，负载越大，则导通峰值电流越大，进而次级的消磁时间TDS也越长。同时，在功率管关断时，漏感效果会导致输出电压的反馈波形出现震荡毛刺，并且该震荡毛刺与功率管输出能量有关，即，峰值电流越大，则功率管输出的能量越大，进而反馈波形的震荡毛刺越严重。如图2所示，输出电压的检测与采样是在功率管关断后固定的一段固定长度的延时时间内进行的。因此，当功率管的导通峰值电压IPK较大时，输出电压的采样极有可能会采到震荡波形，进而导致开关电源管理芯片无法将电压控制在恒定值。

如图3所示，为现有的开关电源充电器的输出电压的采样装置的示意图。如图3所示在消磁的过程中，延时时间是固定的。因此，在次级二极管上会存在一定的压降，而压降的大小是与通过次级二极管的电流的大小直接相关的，即，在变压器消磁结束时，输出二极管的两端电压差最小。对于目前所采用的输出电压的检测和采样方式，次级二极管的压降会使得采样的输出电压出现误差，即，采样的输出电压的平均值会高于输出电压的实际反馈值。同时，导通峰值电流IPK越大，次级的消磁时间TDS就越长，则输出电压的采样时间也越长，这样的采样方式所得到的平均输出电压将进一步地大于该输出电压的实际反馈值。因此，在不同负载的情况下，采样电压的偏差将很大程度上地降低开关电源管理芯片的输出负载调整效果，进而降低小功率开关电源充电器的输出电压的恒压精度。

发明内容

本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种用于开关电源管理芯片的采样装置，以提高开关电源管理芯片的采样的抗干扰能力，并提高输出电压的恒压精度。

本发明实施例的第一方面提出一种用于开关电源管理芯片的采样装置，包括：可变延时产生模块，用于根据次级消磁时间TDS生成第一延时时间；消磁结束判断模块，用于判断次级消磁是否结束并生成消磁结束信号；第一采样模块，用于根据该第一延时时间和该消磁结束信号生成第一采样信号；以及第二采样模块，用于根据第一延时时间和该第一采样信号生成第二采样信号。

在本发明的实施例中，该采样装置具有以下两方面的技术效果：

首先，可变延时产生模块生成第一延时时间，而该第一延时时间是根据次级的消磁时间TDS变换的，这就使得第一采样模块避免了采到震荡毛刺的问题，进而有效地降低了不同的次级消磁时间TDS所带来的采样时间的偏差，提高了开关电源管理芯片的采样抗干扰能力。

其次，本发明实施例的采样装置在设置了第一采样模块之后，又设置了第二采样模块。该第二采样模块根据第一延时时间和第一采样信号生成第二采样信号，使得最终得到的处理信号跟随消磁结束点的反馈电压，进而提高输出电压的恒压精度。

在本发明的一个具体实施例中，该第一采样模块包括：第一脉冲生成子模块、第一触发器子模块和第一采样子模块。其中，第一脉冲生成子模块用于根据该第一延时时间生成第一脉冲信号；第一触发器子模块与第一脉冲生成子模块和消磁结束判断模块相连，并用于根据第一脉冲信号和消磁结束信号生成第一脉冲序列；第一采样子模块与第一触发器子模块相连，并用于根据第一脉冲序列进行采样以生成该第一采样信号。

此外，在本发明的一个具体实施例中，第二采样模块包括：第二脉冲生成子模块和第二采样子模块。其中，第二脉冲生成子模块用于根据第一脉冲序列生成第二脉冲序列信号；第二采样子模块与第二脉冲生成子模块相连，并用于根据第二脉冲序列对第一采样信号进行采样以生成第二采样信号。

在本发明的一个实施例中，可变延时产生模块包括：镜像电流生成子模块和控制子模块。其中，镜像电流生成子模块用于根据峰值电流基准电压生成镜像充电电流，并且该镜像充电电流与该次级消磁时间相关；控制子模块用于根据开关电源管理芯片的导通信号和镜像充电电流生成该第一延时时间。

此外，在本发明的一个具体实施例中，镜像电流生成子模块包括：用于根据该峰值电流基准电压生成第一镜像电流的第一级电流镜，以及用于根据该第一镜像电流生成该镜像充电电流的第二级电流镜。

在本发明的一个具体实施例中，可变延时产生模块包括：反相器，该反相器的输入端与开关电源管理芯片的导通信号相连；延迟电容，该延迟电容的一端与该反相器的输出端相连，该延迟电容的另一端接地；比较器，该比较器的第一输入端与该反相器的输出端相连，该比较器的第二输入端与峰值电流基准电压相连；以及或非门，该或非门的第一输入端与该开关电源管理芯片的导通信号相连，该或非门的第二输入端与该比较器的输出端相连，该或非门的输出端输出该第一延时时间。

本发明实施例的第二方面提出一种开关电源管理芯片，包括：如本发明以上实施例所述的采样装置，该采样装置与该开关电源管理芯片的采样反馈端相连；消磁时间采样装置，用于对次级消磁时间进行采样；控制装置，用于根据该第二采样信号生成控制信号；以及驱动装置，用于根据该控制信号生成驱动信号。

此外，本发明实施例的第三方面提出一种充电器，包括如本发明以上实施例所述的开关电源管理芯片。

总而言之，根据本发明实施例所述的用于开关电源管理芯片的采样装置、开关电源管理芯片和充电器提高了开关电源管理芯片的采样抗干扰能力，并提高输出电压的恒压精度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的开关电源充电器的电路示意图；

图2为现有的开关电源充电器的输出电压的采样的波形示意图；

图3为现有的开关电源充电器的输出电压的采样装置的示意图；

图4为本发明实施例的开关电源管理芯片的原理示意图；

图5为本发明实施例的用于开关电源管理芯片的采样装置的结构示意图；

图6为本发明实施例的开关电源管理芯片的输出电压的采样装置的示意图；

图7为本发明实施例的开关电源管理芯片所采样的输出电压的波形示意图；

图8为本发明第一具体实施方式的输出电压的采样装置的电路示意图；以及

图9为本发明第二具体实施方式的输出电压的采样装置的电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的用于开关电源管理芯片的采样装置和具有该采样装置的开关电源管理芯片以及具有该开关电源管理芯片的充电器。

图4为本发明实施例的开关电源管理芯片的原理示意图；图5为本发明实施例的开关电源管理芯片的输出电压的采样装置的示意图；图6为本发明实施例的开关电源管理芯片的输出电压的采样装置的示意图。

如图4至图6所示，本发明实施例的用于开关电源管理芯片的采样装置包括：可变延时产生模块10，用于根据次级消磁时间TDS生成第一延时时间；消磁结束判断模块20，用于判断次级消磁是否结束并生成消磁结束信号；第一采样模块30，用于根据该第一延时时间和该消磁结束信号生成第一采样信号；以及第二采样模块40，用于根据第一延时时间和该第一采样信号生成第二采样信号。

在本发明的实施例中，该采样装置具有以下两方面的技术效果：

首先，可变延时产生模块10生成第一延时时间，而该第一延时时间是根据次级的消磁时间TDS变换的，这就使得第一采样模块30避免了采到震荡毛刺的问题，进而有效地降低了不同的次级消磁时间TDS所带来的采样时间的偏差，提高了开关电源管理芯片的采样抗干扰能力。

其次，本发明实施例的采样装置在设置了第一采样模块30之后，又设置了第二采样模块40。该第二采样模块40根据第一延时时间和第一采样信号生成第二采样信号，使得最终得到的处理信号跟随消磁结束点的反馈电压，进而提高输出电压的恒压精度。

此外，在本发明的一个具体实施例中，该第一采样模块30包括：第一脉冲生成子模块301、第一触发器子模块302和第一采样子模块303。其中，第一脉冲生成子模块301用于根据该第一延时时间生成第一脉冲信号；第一触发器子模块302与第一脉冲生成子模块301和消磁结束判断模块20相连，并用于根据第一脉冲信号和消磁结束信号生成第一脉冲序列；第一采样子模块303与第一触发器子模块302相连，并用于根据第一脉冲序列进行采样以生成该第一采样信号。

此外，在本发明的一个具体实施例中，第二采样模块40包括：第二脉冲生成子模块401和第二采样子模块403。其中，第二脉冲生成子模块401用于根据第一脉冲序列生成第二脉冲序列信号；第二采样子模块403与第二脉冲生成子模块401相连，并用于根据第二脉冲序列对第一采样信号进行采样以生成第二采样信号。

图7为本发明实施例的开关电源管理芯片所采样的输出电压的波形示意图。以下结合图7对本发明的具体过程进行详细介绍，其中，在图6中INV为开关电源管理芯片的反馈端接收的信号，PUL为导通信号开关电源管理芯片的导通信号、Ps为第一延时时间后触发的信号、P0为第一延时时间后触发的信号、Ts1为第一采样信号、Ts2为第二采样信号、VFBSH为第一次采样的结果、Vsample为第二次采样的结果。从图中可以看出，通过本发明可生成与导通信号开关电源管理芯片的导通信号PUL存在一定延时td的信号puld（即Ps），其中td随次级消磁时间TDS的大小变化而变化。第一采样信号Ts1以puld高电平开始而开始，判断到消磁时间结束则结束，采样到的信号VFBSH为一段与次级二极管相关的变化的电压。二次采样在一次采样结束后开始，由一次采样结束信号触发产生一个第二采样信号Ts2作为二次采样控制信号，二次采样后得到的波形Vsample比较平滑而且近似跟随的是输出消磁结束点的电压。

在本发明的实施例中，提出了两种可变延时产生模块对应的具体结构，分别如图8和图9所示，以下分别进行详细描述。

如图8所示，为本发明第一具体实施方式的输出电压的采样装置的电路示意图。在本发明的一个实施例中，

可变延时产生模块10包括：镜像电流生成子模块和控制子模块103。其中，镜像电流生成子模块用于根据峰值电流基准电压生成镜像充电电流，并且该镜像充电电流与该次级消磁时间相关；控制子模块103用于根据开关电源管理芯片的导通信号和镜像充电电流生成该第一延时时间。

此外，在本发明的一个具体实施例中，镜像电流生成子模块包括：用于根据该峰值电流基准电压生成第一镜像电流的第一级电流镜101，以及用于根据该第一镜像电流生成该镜像充电电流的第二级电流镜102。

具体地，通过以下公式证明镜像充电电流I5与该次级消磁时间的相关性。其中，VOCP为峰值电流基准电压，与功率管导通峰值电流IPK成正比，具体见公式（1）

其中，R_CS为图1中的检流电阻R9。

通过第一级电流镜中的运算放大器的负反馈产生一路电流与VOCP成正比，并镜像产生第一镜像电流I3。

再通过减法产生镜像充电电流I5用于给电容C5充电，其中

又

其中，NS为次级线圈匝数；NP为主边线圈匝数；Lp为主边电感量；VOUT为输出电压；VF为次级二极管压降；M为常量且

（4）代入（3）得到

即次级消磁时间TDS越大，则镜像充电电流I5越小。

一旦功率管关断，PUL信号为“0”，控制子模块中的M2导通而M3关断，电容C5上的电压缓慢上升直到施密特的翻转阈值VH，有

综合考虑（6），即次级消磁时间TDS越长，延时时间td越长。

上述方案是采用减法得到的，因此延时时间td与次级消磁时间TDS的关系不完全成正比。

图9为本发明第二具体实施方式的输出电压的采样装置的电路示意图。在本发明的一个具体实施例中，可变延时产生模块10包括：反相器104，该反相器104的输入端与开关电源管理芯片的导通信号相连；延迟电容105，该延迟电容105的一端与该反相器104的输出端相连，该延迟电容105的另一端接地；比较器106，该比较器106的第一输入端与该反相器104的输出端相连，该比较器106的第二输入端与峰值电流基准电压相连；以及或非门107，该或非门107的第一输入端与该开关电源管理芯片的导通信号相连，该或非门107的第二输入端与该比较器106的输出端相连，该或非门107的输出端输出该第一延时时间。

本实施方式直接采用峰值电流基准电压VOCP作为比较判断电压来得到与次级消磁时间TDS完全成正比的延时时间td，具体实现原理如下所述：

一旦图1中的功率管导通，当PUL为高时，通过或非门，延时信号puld为低，此时反相器中的M0关断而M1导通，M1对延迟电容105进行复位到0，此处M1的下拉能力很强，确保PUL信号翻转前延迟电容105上电压V105=0，即比较器输出Vo=1，将延时信号puld暂时锁定为低。

当PUL翻转为0时，反相器中的M0导通而M1关断，I1对延迟电容105进行充电，有如下公式：

比较器的正端输入电压为峰值电流基准电压VOCP，当V105电压超过VOCP则比较器翻转，考虑（8），此时Δt为：

一旦比较器翻转，puld输出’1’。Δt即为可变延时时间td，则有：

由公式（1）和（4），得到

即延时时间td与次级消磁时间TDS成正比。

参照本发明实施例的图4，本发明实施例的开关电源管理芯片包括：如本发明以上实施例所述的采样装置，该采样装置与该开关电源管理芯片的采样反馈端相连；消磁时间采样装置，用于对次级消磁时间进行采样；控制装置，用于根据该第二采样信号生成控制信号；以及驱动装置，用于根据该控制信号生成驱动信号。

此外，本发明实施例的充电器包括如本发明以上实施例所述的开关电源管理芯片。

总而言之，根据本发明实施例所述的用于开关电源管理芯片的采样装置以及具有该采样装置的开关电源管理芯片提高了开关电源管理芯片的采样抗干扰能力，并提高输出电压的恒压精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种用于开关电源管理芯片的采样装置，其特征在于，包括：

可变延时产生模块，用于根据次级消磁时间生成第一延时时间；

消磁结束判断模块，用于判断次级消磁是否结束并生成消磁结束信号；

第一采样模块，用于根据所述第一延时时间和所述消磁结束信号生成第一采样信号；以及

第二采样模块，用于根据所述第一延时时间和所述第一采样信号生成第二采样信号。

2.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述第一采样模块包括：

第一脉冲生成子模块，用于根据所述第一延时时间生成第一脉冲信号；

第一触发器子模块，所述第一触发器子模块与所述第一脉冲生成子模块和所述消磁结束判断模块相连，用于根据所述第一脉冲信号和所述消磁结束信号生成第一脉冲序列；以及

第一采样子模块，所述第一采样子模块与所述第一触发器子模块相连，用于根据所述第一脉冲序列进行采样以生成所述第一采样信号。

3.如权利要求2所述的采样装置，其特征在于，所述第二采样模块包括：

第二脉冲生成子模块，用于根据所述第一脉冲序列生成第二脉冲序列；以及

第二采样子模块，所述第二采样子模块与所述第二脉冲生成子模块相连，用于根据所述第二脉冲序列对所述第一采样信号进行采样以生成所述第二采样信号。

4.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述可变延时产生模块包括：镜像电流生成子模块，用于根据峰值电流基准电压生成镜像充电电流，其中，所述镜像充电电流与所述次级消磁时间相关；以及

控制子模块，用于根据开关电源管理芯片的导通信号和所述镜像充电电流生成所述第一延时时间。

5.如权利要求4所述的采样装置，其特征在于，所述镜像电流生成子模块包括：

第一级电流镜，用于根据所述峰值电流基准电压生成第一镜像电流；

第二级电流镜，用于根据所述第一镜像电流生成所述镜像充电电流。

6.如权利要求1所述的采样装置，其特征在于，所述可变延时产生模块包括：

反相器，所述反相器的输入端与所述开关电源管理芯片的导通信号相连；

延迟电容，所述延迟电容的一端与所述反相器的输出端相连，所述延迟电容的另一端接地；

比较器，所述比较器的第一输入端与所述反相器的输出端相连，所述比较器的第二输入端与峰值电流基准电压相连；

或非门，所述或非门的第一输入端与所述开关电源管理芯片的导通信号相连，所述或非门的第二输入端与所述比较器的输出端相连，所述或非门的输出端输出所述第一延时时间。

7.一种开关电源管理芯片，其特征在于，包括：

如权利要求1-6任一项所述的采样装置，所述采样装置与所述开关电源管理芯片的采样反馈端相连；

消磁时间采样装置，用于对次级消磁时间进行采样；

控制装置，用于根据所述第二采样信号生成控制信号；以及

驱动装置，用于根据所述控制信号生成驱动信号。

8.一种充电器，其特征在于，包括如权利要求7所述的开关电源管理芯片。