CN106329961A - Pwm控制器集成电路芯片及其操作方法、电源 - Google Patents

Pwm控制器集成电路芯片及其操作方法、电源 Download PDF

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Abstract

一种PWM控制器集成电路芯片及其操作方法、电源，控制晶体管控制变压器的初级绕组以在变压器的次级绕组上感生电流，从而产生输出电压。脉冲宽度调制PWM控制器集成电路IC芯片通过门驱动输出引脚驱动控制晶体管。PWM控制器IC芯片具有反馈引脚，反馈引脚接收指示输出电压的反馈信号。高压HV启动晶体管通过反馈引脚进行控制。高压启动晶体管在启动期间接通以由从电源输入电压接收的电流生成供电电压。当供电电压达到足以开始控制晶体管的切换操作，并由此从变压器的辅助绕组接收工作电流的启动电压水平时，高压启动晶体管关断。

Description

PWM控制器集成电路芯片及其操作方法、电源
技术领域
本发明总体上涉及电子电路，更确切地说涉及一种PWM控制器集成电路芯片及其操作方法、电源。
背景技术
一个反激拓扑式开关模式电源(SMPS)通常包括初级绕组由控制晶体管控制的变压器。脉冲宽度调制(PMW)控制器驱动控制晶体管，以在变压器的次级绕组上感生电流。次级绕组上感生的电流对输出电容器充电，以产生输出电压。PWM控制器的供电电压可从变压器辅助绕组上感生的工作电流产生。
在启动期间，PWM控制器可能不会完全工作驱动控制晶体管，以在辅助绕组上感生电流。因此，SMPS可包括高压(HV)启动电路，以便允许PWM控制器从电源的输入电压中接收电流。在一种典型的实施中，高压(HV)启动电路包括高压启动晶体管，高压启动晶体管在启动期间被接通以允许PWM控制器从电源输入电压中接收电流，来产生供电电压。一旦供电电压上升到足以切换控制晶体管并允许从辅助绕组接收工作电流，高压(HV)启动晶体管就被关断。
图1所示为具有内部高压(HV)启动电路的一种示例性PWM控制器集成电路(IC)芯片101。需要注意的是，PWM控制器IC芯片101具有八个引脚。图2显示了SMPS采用的PWM控制器IC芯片101。如图2所示，PWM控制器IC芯片101包括HV启动电路，HV启动电路包括用作HV启动晶体管的结型场效应晶体管(JFET)。内部HV启动电路简化了PWM控制器IC的使用，但增加了PWM控制器IC芯片的引脚数，至少增加了2个引脚：用于分接到初级绕组的高压引脚，和出于安全原因而用于提供高电压间隔的NC(无连接)引脚。
图3所示为具有外部HV启动晶体管152的一种示例性PWM控制器IC芯片151。需要注意的是，PWM控制器IC芯片101具有六个引脚。图4显示了SMPS采用的PWM控制器IC芯片151。PWM控制器IC芯片151从一个引脚(引脚3)控制高压启动晶体管152，并在另一引脚(引脚2)上接收指示输出电压的反馈信号。外部高压启动晶体管的使用减少了PWM控制器IC芯片的引脚数，但是需要额外的外部电路。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种集成电路IC芯片，包括：被配置为输出用于驱动开关模式电源的控制晶体管的控制信号的门驱动输出引脚；被配置为接收指示流过所述控制晶体管的电流的电流感测信号的电流感测引脚；被配置为接收指示所述开关模式电源的输出电压的反馈信号，并被配置为连接到所述IC芯片外部的高压HV启动晶体管的控制端的反馈引脚；以及被配置为基于所述反馈信号和所述电流感测信号通过脉冲宽度调制PWM生成在所述门驱动输出引脚处输出以调节所述输出电压的控制信号的脉冲宽度调制器。
根据本发明的第二方面，提供了一种电源，包括：包括第一绕组和第二绕组的变压器；控制晶体管，所述控制晶体管控制所述第一绕组以在所述第二绕组上感生电流从而产生所述电源的输出电压；脉冲宽度调制PWM控制器集成电路IC芯片，其中所述PWM控制器IC芯片具有输出控制所述控制晶体管的切换操作的驱动信号的第一引脚，所述PWM控制器IC芯片具有接收指示所述电源的所述输出电压的反馈信号的第二引脚；以及连接到所述第二引脚的高压HV启动晶体管，其中所述启动晶体管被配置为在所述电源的起动过程中接通以从输入电压生成供电电压，所述起动晶体管被配置为在所述电源的启动之后关断。
根据本发明的第三方面，提供了一种控制器集成电路IC芯片的操作方法，所述方法包括：在所述控制器IC芯片的反馈引脚上接收指示开关模式电源的输出电压的反馈信号；在所述控制器IC芯片的电流感测引脚上接收指示流过控制晶体管的电流的电流感测信号，所述控制晶体管被切换以维持所述输出电压处于调节中；以及在所述开关模式电源的启动期间，控制连接到所述反馈引脚的高压HV启动晶体管的切换。
本领域的一般技术人员将在阅读本公开的全文后容易明白本发明的这些和其他特征，本公开的全文包括附图和权利要求书。
附图说明
图1所示为具有内部高压启动电路的一种示例性PWM控制器IC芯片。
图2所示为图1所示的PWM控制器IC芯片被应用在SMPS中。
图3所示为具有外部高压启动晶体管的一种示例性PWM控制器IC芯片。
图4所示为图3所示的PWM控制器IC芯片被应用在SMPS中。
图5所示为根据本发明一个实施方案的SMPS的示意图。
图6所示为根据本发明一个实施方案的启动控制电路的示意图。
图7所示为根据本发明一个实施方案的图5所示SMPS的示例波形。
在不同图示中使用相同参考标记指示相同或相似部件。
具体实施方式
在本公开中，提供许多特定细节，诸如电路、部件和方法的例子，以提供对本发明的实施方案的透彻理解。然而，本领域的一般技术人员将认识到，可在没有这些特定细节中的一者或多者的情况下实践本发明。在其他情况下，未示出或描述熟知细节以免模糊本发明的方面。
图5所示为根据本发明一个实施方案的SMPS 500的示意图。在图5的实施例中，SMPS 500包括对交流线电压整流的整流器530。电容CIN对经整流的交流线电压进行滤波，以在高压节点504产生输入电压。
在图5的实施例中，SMPS 500包括控制晶体管505，其实现变压器T1的初级绕组与地电势的耦合和去耦合，以在变压器T1的次级绕组上感生电流。次级绕组上感生的电流对输出电容器COUT充电，以产生输出电压VO。在图5的实施例中，SMPS 500包括用于控制控制晶体管505的切换操作的PWM控制器IC芯片501。
在图5的实施例中，PWM控制器IC芯片501具有带多个引脚的封装。在图5的实施例中，PWM控制器IC芯片501具有六个引脚，即FB(反馈)引脚、GND(接地)引脚、VS(电压感测)引脚、VCC(供电电压)引脚、CS(电流感测)引脚和GATE(门驱动输出)引脚。
在图5的实施例中，PWM控制器IC芯片501在门驱动输出引脚上输出驱动信号，用以控制控制晶体管505的切换操作。PWM控制器IC芯片501还包括用于接收指示通过变压器T1初级绕组的电流的电流感测信号的CS引脚、和用于接收地电势基准的GND引脚。在图5的实施例中，由光耦合器代表反馈电路502(502-1，502-2)，光耦合器在次级侧上感测输出电压VO，并在初级侧上提供指示输出电压VO的反馈信号。也就是说，反馈电路502允许：出于调节目的在次级侧上感测输出电压VO；并在初级侧上向PWM控制器IC芯片501提供所感测的输出电压。
在图5的实施例中，PWM控制器IC芯片501包括用于接收指示输出电压VO的反馈信号的FB引脚。为了维持调节后的输出电压VO，PWM控制器IC芯片501包括脉宽调制器520，脉宽调制器520在基于FB引脚上接收到的反馈信号和CS引脚上接收到的电流感测信号通过PWM在门驱动输出引脚上输出控制信号，用于驱动控制晶体管505的栅极。
在图5的实施例中，偏置电路510产生为PWM控制器IC芯片501供电的供电电压。在启动之后的正常操作期间，偏置电路510由在变压器T1的辅助绕组(AUX)上感生的工作电流产生供电电压。PWM控制器IC芯片501在VCC引脚上接收供电电压。在启动过程中，因为PWM控制器IC芯片501尚未用来驱动控制晶体管505，所以不能从辅助绕组接收工作电流。因此，SMPS 500包括具有高压启动晶体管QD、起动晶体管QST和启动控制电路506的启动电路。在图5的实施例中，高压启动晶体管QD在PWM控制器IC芯片501外部，而起动晶体管QST和启动控制电路506在PWM控制器IC芯片501的内部。在启动过程中，启动电路被配置为由从晶体管T1的初级绕组接收的电流生成PWM控制器IC芯片501的供电电压。
在图5的实施例中，PWM控制器IC芯片501包括VS引脚，用于从变压器T1的辅助绕组(AUX)感测输出电压VO。VS引脚可被PWM控制器IC芯片501用于输出电压感测(当没有反馈电路502时)、准谐振操作的漏极电压谷值检测、输出电压过压保护(OVP)等。由于反馈电路502提供用于输出电压调节的输出电压感测，所以VS引脚在图5的实施例中仅用于谷值检测和输出电压OVP。偏置电路510可包括由电阻R4和R5形成的电阻分压器，用于产生指示输出电压VO的电压降。
在图5的实施例中，启动控制电路506集成在PWM控制器IC芯片501中，HV启动晶体管QD位于PWM控制器IC芯片501的外部。在一个实施方案中，高压启动晶体管QD是在高压节点504上耦合到初级绕组的耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一个实施方案中，反馈电路502的光电晶体管的集电极(见502-2)和高压启动晶体管QD的栅极都连接到FB引脚。反馈电路502的光电晶体管的发射极接地。
启动控制电路506可包括在启动期间接通启动高压启动晶体管QD以将偏置电路510耦合到电源的输入电压来产生供电电压的电路。启动控制电路506可在启动后关断高压启动晶体管QD，也就是说，一旦供电电压达到足以引发所述控制晶体管505切换并从辅助绕组接收工作电流的水平，就关断高压启动晶体管QD。启动控制电路506可监控VCC引脚上的供电电压。
有利的是，高压启动晶体管QD不需要PWM控制器IC芯片501上的专用引脚。在图5的实施例中，高压启动晶体管QD由PWM控制器IC芯片501的FB引脚控制，FB引脚也用于接收指示输出电压VO的反馈信号。即，PWM控制器IC芯片501的同一引脚(FB管脚)既可用于次级侧输出电压感测，也可用于控制高压启动晶体管QD。这可减少引脚数目，从而允许额外引脚可用于其它功能。
在SMPS 500的启动过程中，PWM控制器IC芯片501将FB引脚连接到VCC引脚。更具体地说，在启动过程中，起动晶体管为关断状态，从而将HV启动晶体管QD的源极和栅极连接在一起，这导致HV启动晶体管QD的栅极到源极的电压VGS为零(VGS＝0)。因为其电压VGS为零且HV启动晶体管QD是耗尽型MOSFET，所以高压启动晶体管QD被接通，从而允许来自电源输入电压的电流通过高压启动晶体管QD对电容器508充电，从而增加电容器508上的电荷，这指示供电电压。
在一个实施方案中，起动晶体管QST是双极结型晶体管。在图5的实施例中，起动晶体管QST的集电极连接到齐纳二极管512的阳极。齐纳二极管512的阴极通过电阻R1连接到FB引脚，并通过电阻R2连接到VCC引脚。起动晶体管QST的基极由起动控制电路506控制，且起动晶体管QST的发射器连接到地电势。当起动晶体管QST关断时，FB引脚通过电阻R1和R2连接到VCC引脚。当起动晶体管QST接通时，齐纳二极管512为FB引脚提供偏置电压。
启动控制电路506监控VCC引脚上的供电电压，当供电电压达到足以开始控制晶体管505的切换的起动电压水平(例如12伏)时，接通起动晶体管QST。换言之，当供电电压达到起动电压水平时，SMPS 500的启动可被视为结束。当起动晶体管QST接通时，齐纳二极管512反向偏置，并开始通过FB引脚偏置反馈电路502，从而关断HV启动晶体管QD并开始控制晶体管505的正常切换操作。切换控制晶体管505就允许从辅助线圈AUX接收工作电流以产生供电电压。
图6所示为根据本发明一个实施方案的启动控制电路506的示意图。在图6的实施例中，启动控制电路506包括将供电电压VCC与基准电压进行比较的迟滞比较器540。在一个实施方案中，基准电压VCC.ON是起动电压，表示供电电压已经准备好进行正常操作(例如12伏)，基准电压VCC.OFF是未就绪电压，表示供电电压没有准备好进行正常操作(例如8V)。迟滞比较器540可被配置为输出QST控制信号，QST控制信号在供电电压高于起动电压(VCC.ON)时接通起动晶体管QST；在供电电压低于未就绪电压(VCC.OFF)时关断起动晶体管QST。如能理解的那样，基准电压VCC.ON/VCC.OFF可由单个基准电压来表示，基准电压VCC.ON和VCC.OFF之间的差值是迟滞比较器540的迟滞。迟滞比较器540可从PWM控制器IC芯片501的VCC引脚感测供电电压，并且可向起动晶体管QST的控制节点(例如基极)输出QST控制信号。在不损害本发明优点的前提下，启动控制电路506也可以使用其他的电路拓扑结构来实施。
图7所示为根据本发明的一个实施方案的图5所示SMPS 500的示例性波形。图如7所示，从上到下分别为HV启动晶体管QD的状态、起动晶体管QST的状态、电容器508上的供电电压VCC、FB引脚脚上的反馈电压(VFB)、流过控制晶体管505的电流(IDS)。
如图7所示，当SMPS 500首次从关断状态给电时，HV启动晶体管QD是接通的，从而允许电容器508从电源的输入电压充电。FB引脚通过PWM控制器IC芯片501的VCC引脚连接到电容器508；FB引脚上的电压(VFB)因此随供电电压(VCC)增加而增加。因为控制晶体管505没有切换，所以在此期间，没有电流流过控制晶体管505的漏极和源极(IDS)。
当供电电压上升到起动电压时(起动电压在图7的实施例中为12V)，启动控制电路506接通起动晶体管QST，从而关断HV启动晶体管QD。此时，引发控制晶体管505的切换(参见电流IDS)，通过从变压器T1的辅助绕组AUX接收的工作电流来维持供电电压，由反馈环路来控制FB引脚上的电压。
尽管已经提供了本发明的特定实施方案，但应当理解，这些实施方案是用于说明目的而不具限制性。本领域的一般技术人员在阅读本公开后将会明白许多附加实施方案。

Claims (20)

1.一种集成电路IC芯片，包括：
被配置为输出用于驱动开关模式电源的控制晶体管的控制信号的门驱动输出(GATE)引脚；
被配置为接收指示流过所述控制晶体管的电流的电流感测信号的电流感测引脚；
被配置为接收指示所述开关模式电源的输出电压的反馈信号，并被配置为连接到所述IC芯片外部的高压HV启动晶体管的控制端的反馈引脚；以及
被配置为基于所述反馈信号和所述电流感测信号通过脉冲宽度调制PWM生成在所述门驱动输出引脚处输出以调节所述输出电压的控制信号的脉冲宽度调制器。
2.根据权利要求1所述的IC芯片，还包括：
被配置为接收供电电压的供电电压引脚。
3.根据权利要求2所述的IC芯片，其中所述IC芯片被配置为在所述开关模式电源的启动过程中将所述反馈引脚连接到供电电压引脚。
4.根据权利要求1所述的IC芯片，还包括起动晶体管，被配置为在所述供电电压达到操作水平时接通以在所述反馈引脚上生成偏置电压。
5.根据权利要求4所述的IC芯片，还包括齐纳二极管，所述齐纳二极管被连接到所述起动晶体管的端子并且在所述起动晶体管接通时提供所述偏置电压。
6.根据权利要求4所述的IC芯片，还包括启动控制电路，所述启动控制电路在所述供电电压引脚上的电压指示所述供电电压达到操作水平时，接通所述起动晶体管。
7.根据权利要求1所述的IC芯片，其中所述HV启动晶体管是耗尽型MOSFET。
8.根据权利要求7所述的IC芯片，所述IC芯片被配置为在所述开关模式电源的启动过程中将所述耗尽型MOSFET的栅极连接到所述耗尽型MOSFET的源极。
9.一种电源，包括：
包括第一绕组和第二绕组的变压器；
控制晶体管，所述控制晶体管控制所述第一绕组以在所述第二绕组上感生电流从而产生所述电源的输出电压；
脉冲宽度调制PWM控制器集成电路IC芯片，其中所述PWM控制器IC芯片具有输出控制所述控制晶体管的切换操作的驱动信号的第一引脚，所述PWM控制器IC芯片具有接收指示所述电源的所述输出电压的反馈信号的第二引脚；以及
连接到所述第二引脚的高压HV启动晶体管，其中所述启动晶体管被配置为在所述电源的起动过程中接通以从输入电压生成供电电压，所述起动晶体管被配置为在所述电源的启动之后关断。
10.根据权利要求9所述的电源，其中所述启动晶体管被配置为在所述供电电压达到起动电压水平时关断。
11.根据权利要求9所述的电源，其中所述控制晶体管包括耗尽型MOSFET。
12.根据权利要求9所述的电源，其中所述PWM控制器IC还包括接收供电电压的第三引脚。
13.根据权利要求12所述的电源，其中所述PWM控制器IC在所述电源的启动期间将所述第二引脚连接至所述第三引脚。
14.根据权利要求13所述的电源，其中所述PWM控制器IC还包括第四引脚，所述第四引脚被配置为接收指示流过所述控制晶体管的电流的电流感测信号。
15.根据权利要求9所述的电源，其中所述PWM控制器IC还包括起动晶体管，所述起动晶体管在所述供电电压达到操作水平时，在所述第二引脚上产生偏置电压。
16.根据权利要求9所述的电源，其中所述第二引脚连接到所述HV启动晶体管的栅极。
17.一种控制器集成电路IC芯片的操作方法，所述方法包括：
在所述控制器IC芯片的反馈引脚上接收指示开关模式电源的输出电压的反馈信号；
在所述控制器IC芯片的电流感测引脚上接收指示流过控制晶体管的电流的电流感测信号，所述控制晶体管被切换以维持所述输出电压处于调节中；以及
在所述开关模式电源的启动期间，控制连接到所述反馈引脚的高压HV启动晶体管的切换。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述HV启动晶体管在所述开关模式电源的启动期间接通，并且所述HV启动晶体管在所述开关模式电源的启动后关断。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
在所述开关模式电源的启动期间，将所述反馈引脚连接到所述控制器IC芯片的另一引脚。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括：
在所述开关模式电源的启动之后，在所述反馈引脚上提供偏置电压。
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