CN107317491A - 开关电源芯片及包括其的开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种开关电源芯片及包括其的开关电源电路。开关电源芯片包括控制器和功率开关，控制器包括高压二极管、第一电阻和第二电阻、第一比较器和第二比较器、第一开关管和第二开关管、以及控制信号生成模块。在开关电源芯片的启动过程中，由线电压检测脚从外部接收的线电压经由第一电阻和高压二极管为开关电源芯片提供启动电流。在开关电源芯片的工作过程中，第一比较器通过比较第一电阻与第二电阻之间的连接节点处的线电压采样值和第一参考电压生成线电压过压检测信号，第二比较器通过比较线电压采样值和第二参考电压生成线电压欠压检测信号，控制信号生成模块基于线电压过压检测信号和线电压欠压检测信号来生成控制功率开关接通与关断的信号。

Description

开关电源芯片及包括其的开关电源电路
技术领域
本发明涉及电路领域，更具体地涉及一种开关电源芯片及包括其的开关电源电路。
背景技术
开关电源电路是通过利用控制电路控制电子开关器件(例如，晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)不停地接通和关断来对输入电压进行脉冲调制，从而实现交流-直流(AC/DC)或者直流-直流(DC/DC)电压变换的电路。
图1示出了传统的开关电源电路的示例系统结构的示意图。下面，以图1所示的开关电源电路为例，来说明开关电源芯片的高压启动与线电压检测原理。
如图1所示，Vline为整流桥对来自交流(AC)电源的输入电压进行整流后得到的线电压；Cbulk为滤波电容；三绕组变压器的原边绕组、副边绕组、辅助绕组之间的匝数比为Np:Ns:Na；U1为开关电源芯片，包括控制器和三极管S1两部分；Cp为芯片供电电容；D1为供电二极管；Rst为高压启动电阻；Rup为线电压上分压电阻，Rdn为线电压下分压电阻。
在AC电源接入时(即，在开关电源芯片U1的启动过程中)，线电压Vline经由高压启动电阻Rst为开关电源芯片U1提供启动电流。具体地，线电压Vline经由高压启动电阻Rst给芯片供电电容Cp充电；当芯片供电电容Cp上的电压，即开关电源芯片U1的供电脚(即，VCC脚)处的电压大于开关电源芯片U1的欠压锁存(UVLO)开启阈值电压时，开关电源芯片U1启动，控制器以一定的开关频率和占空比控制三极管S1接通和关断。
在开关电源芯片U1启动后(即，在开关电源芯片U1的工作过程中)，变压器的辅助绕组Na经由供电二极管D1和开关电源芯片U1的VCC脚为开关电源芯片U1供电；控制器经由开关电源芯片U1的线电压检测脚(即，RT脚)检测线电压Vline的分压，并将线电压Vline的分压输入到其内部的比较器与预定的参考电压进行比较，从而实现输入过压和欠压保护功能。
在图1所示的系统结构中，由于高压启动电路(即，高压启动电阻Rst)和线电压检测电路(即，线电压分压电阻Rup、Rdn)的使用，增加了开关电源芯片U1的外围器件的数量，从而增加了开关电源电路的系统成本；另外，由于高压启动电路和线电压检测电路产生较大功耗，降低了开关电源电路的系统效率。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种开关电源芯片及包括其的开关电源电路。
根据本发明实施例的开关电源芯片，包括控制器和功率开关，控制器包括高压二极管、第一电阻和第二电阻、第一比较器和第二比较器、第一开关管和第二开关管、以及控制信号生成模块，其中：第一电阻、第二电阻、以及第一开关管连接在开关电源芯片的线电压检测脚与接地脚之间；第一电阻和高压二极管连接在开关电源芯片的线电压检测脚与供电脚之间；第一电阻与第二电阻之间的连接节点经由第二开关管连接至第一比较器的输入端和第二比较器的输入端；在开关电源芯片的启动过程中，第一开关管、第二开关管、以及功率开关均处于关断状态，由线电压检测脚从外部接收的线电压经由第一电阻和高压二极管为开关电源芯片提供启动电流；在开关电源芯片的工作过程中，第一开关管和第二开关管均处于接通状态，第一比较器通过比较第一电阻与第二电阻之间的连接节点处的线电压采样值和第一参考电压生成线电压过压检测信号，第二比较器通过比较线电压采样值和第二参考电压生成线电压欠压检测信号，控制信号生成模块基于线电压过压检测信号和线电压欠压检测信号来生成控制功率开关接通与关断的信号。
在根据本发明实施例的开关电源芯片中，第一电阻同时充当线电压上分压电阻和高压启动电阻，与第二电阻组成线电压检测电路来实现线电压检测功能，并且其自身组成高压启动电路来实现高压启动功能。
根据本发明实施例的开关电源电路，包括上述开关电源芯片。在使用根据本发明实施例的开关电源芯片的开关电源电路中，开关电源芯片的外围组件的数量减少了，从而降低了开关电源电路的系统成本；另外，由于第一电阻同时充当高压启动电阻和线电压上分压电阻，省掉了传统的线电压检测电路的功耗，提高了开关电源电路的系统效率。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
图1示出了传统的开关电源电路的示例系统结构的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的开关电源芯片及其外围组件的示例电路结构的示意图；
图3示出了包括图2所示的开关电源芯片及其外围组件的开关电源电路的示例系统结构的示意图；
图4示出了图2所示的开关电源芯片中的多个电压信号的波形图；
图5示出了图2所示的开关电源芯片的示例实现电路的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
鉴于结合图1所述的开关电源电路的一个或多个问题，提供了一种内部集成有高压启动电路和线电压检测电路的开关电源芯片。
图2示出了根据本发明实施例的开关电源芯片及其外围组件的示例电路结构的示意图。如图2所示，开关电源芯片U2包括控制器202和功率开关204，控制器202包括高压二极管D3、高压启动电阻Rst、线电压分压电阻Rdn、MOS开关M1和M2(其中，M2可以为高压MOS开关)、比较器comp1和comp2、以及控制信号生成模块。
在图2所示的实施例中，高压启动电阻Rs、线电压分压电阻Rdn、以及MOS开关M1连接在开关电源芯片U2的线电压检测脚(即，RT脚)与接地脚(即，GND脚)之间；高压启动电阻Rs和高压二极管D3连接在开关电源芯片U2的RT脚与供电脚(即，VCC脚)之间；高压启动电阻Rst与线电压分压电阻Rdn之间的连接节点经由MOS开关M2连接至比较器comp1的正相输入端和比较器comp2的负相输入端。
在图2所示的实施例中，MOS开关M1的栅极输入为开关电源芯片U2的芯片上电完成(PG)信号，该PG信号的初始状态为逻辑低电平；MOS开关M2的栅极输入为开关电源芯片U2内部的低压电源AVDD信号，该AVDD信号的初始状态为逻辑低电平。也就是说，在开关电源芯片U2尚未启动或处于启动过程中时，MOS开关M1和M2处于关断状态。
图3示出了包括图2所示的开关电源芯片及其外围组件的开关电源电路的示例系统结构的示意图。下面以图3所示的开关电源电路为例，详细说明图2所示的开关电源芯片U2的高压启动与线电压检测原理。
在AC电源接入时(即，在开关电源芯片U2的启动过程中)，PG信号为逻辑低电平，MOS开关M1处于关断状态；AVDD信号为逻辑低电平，MOS开关M2处于关断状态；线电压Vline经由高压启动电阻Rst和高压二极管D3为开关电源芯片U2提供启动电流。具体地，线电压Vline经由高压启动电阻Rst和高压二极管D3给连接到开关电源芯片U2的VCC脚的芯片供电电容Cp充电；在芯片供电电容Cp上的电压，即开关电源芯片U2的VCC脚处的电压大于开关电源芯片U2的UVLO开启阈值电压时，开关电源芯片U2启动。
在开关电源芯片U2启动(即，上电完成)后，PG信号从逻辑低电平变为逻辑高电平，MOS开关M1从关断状态变为接通状态；AVDD信号从逻辑低电平变为逻辑高电平，MOS开关M2从关断状态变为接通状态。在开关电源芯片U2的工作过程中，高压启动电阻Rst与线电压分压电阻Rdn组成线电压分压检测电路，对线电压Vline进行分压得到线电压采样值Line_det(该线电压采样值小于开关电源芯片U2的VCC脚处的电压)；比较器comp1将线电压采样值Line_det与参考电压Vref_OVP进行比较，生成线电压过压检测信号Line_OVP_det；比较器comp2将线电压采样值Line_det与参考电压Vref_BO进行比较，生成线电压欠压检测信号Brown_out_det；控制信号生成模块基于线电压过压检测信号Line_OVP_det和线电压欠压检测信号Brown_out_de生成控制功率开关204接通和关断的信号。
图4示出了图2所示的开关电源芯片中的线电压Vline、VCC引脚处的电压、AVDD信号、PG信号、线电压采样值Line_det的波形图。
从以上描述中可以看出，在开关电源芯片U2中，高压启动电阻Rst和线电压分压电阻Rdn组成线电压检测电路来实现线电压检测功能，并且高压启动电阻Rst本身组成高压启动电路来实现高压启动功能。因此，在使用开关电源芯片U2的开关电源电路中，由于开关电源芯片U2中已经集成有高压启动电阻Rst和线电压分压电阻Rdn，开关电源芯片U2的外围组件的数量减少了，从而降低了开关电源电路的系统成本；另外，由于高压启动电阻Rst不但用于高压启动功能而且用于线电压检测功能，省掉了传统的线电压检测电路的功耗，提高了开关电源电路的系统效率。
在结合图2和图3描述的实施例中，当线电压采样值Line_det大于参考电压Vref_OVP时，线电压过压检测信号Line_OVP_det从逻辑低电平变为逻辑高电平，表明电源输入电压过高，线电压过压检测信号Line_OVP_det会强制关断功率开关204，从而保护开关电源电路不受损坏；当线电压采样值Line_det小于参考电压Vref_BO时，线电压欠压检测信号Brown_out_det从逻辑低电平变为逻辑高电平，表明电源输入电压过低，线电压欠压检测信号Brown_out_det会强制关断功率开关204，从而保护开关电源电路不受损坏；当线电压采样值Line_det在两个参考电压Vref_OVP、Vref_BO之间时，线电压过压检测信号Line_OVP_det和线电压欠压检测信号Brown_out_det都为逻辑低电平，表明电源输入电压在要求范围内，开关电源电路正常工作。
图5示出了图2所示的开关电源芯片的示例实现电路的示意图。在图5所示的实现电路中，在开关电源芯片U2上电完成(即，启动)后的预定数目的脉冲宽度调制(PWM)周期内，线电压过压检测信号Line_OVP_det和线电压欠压检测信号Brown_out_det的逻辑或结果Line_off_st信号被直接用于控制功率开关204接通和关断。即，控制信号生成模块通过对线电压过压检测信号Line_OVP_det和线电压欠压检测信号Brown_out_det进行逻辑或运算，来生成控制功率开关204接通和关断的信号。此时，如果线电压Vline不在要求范围内，功率开关204被立刻关断。
在图5所示的实现电路中，如果输入线电压在要求范围内，则经过例如，约3个PWM周期后使Line_off_st信号失效(例如，对Line_off_st信号进行屏蔽)，后续基于对线电压过压检测信号Line_OVP_det和线电压欠压检测信号Brown_out_det进行更为复杂的处理得到的Line_off信号来控制功率开关204接通和关断。
在图5所示的实现电路中，时钟信号clk的周期为Tclk，对于输入线电压过压的情况，当比较器comp1检测到线电压采样值Line_det大于参考电压Vref_OVP时，比较器comp1输出的线电压过压检测信号Line_OVP_det从逻辑低电平变为逻辑高电平，Line_OVP_rst信号从逻辑低电平变为逻辑高电平，由(m2+1)个D触发器构成的计数器使能，经过(2^m2)xTclk的延时后，Line_OVP信号从逻辑低电平变为逻辑高电平，触发输入过压保护功能；因为线电压Vline有波动，为了使线电压过压检测结果更准确，对线电压过压检测功能增加一个峰值检测功能，在(2^m2)xTclk的延时内，如果线电压过压检测信号Line_OVP_det处于逻辑低电平的持续时间超过(2^m1)xTclk(一般取Vline周期的1～2倍，且m1<m2)，则Line_OVP_rst信号会从逻辑高电平变为逻辑低电平，Line_OVP信号保持为逻辑低电平，不触发输入过压保护功能；对于输入线电压欠压的情况，当比较器comp2检测到线电压采样值Line_det小于参考电压Vref_BO时，线电压欠压检测信号Brown_out_det从逻辑低电平变为逻辑高电平，由(n+1)个D触发器构成的计数器使能，经过(2^n)xTclk的延时后，Brown_out信号变为逻辑高电平，触发输入欠压保护功能。
也就是说，图2所示的控制信号生成模块可以包括第一延迟电路(例如，(m2+1)个D触发器构成的计数器)和第二延迟电路(例如，(n+1)个D触发器构成的计数器)，其中：第一延迟电路与比较器comp1的输出端连接，用于将线电压过压检测信号Line_OVP_det延迟第一时间(例如，(2^m2)xTclk)；第二延迟电路与比较器comp2的输出端连接，用于将线电压欠压检测信号Brown_out_det延迟第二时间(例如，(2^n)xTclk)。在开关电源芯片U2上电完成经过预定数目的脉冲宽度调制周期后，控制信号生成模块通过对经延迟的线电压过压检测信号(例如，Line_OVP)和经延迟的线电压欠压检测信号(例如，Brown_out)进行逻辑或运算，来生成控制功率开关204接通与关断的信号。
另外，为了使线电压过压检测结果更准确，图2所示的控制信号生成模块还可以包括峰值检测电路，该峰值检测电路连接在比较器comp1的输出端与第一延迟电路之间，用于通过检测线电压过压检测信号Line_OVP_det处于逻辑低电平的持续时间是否超过第三时间(例如，(2^m1)xTclk)生成线电压峰值检测信号(例如，Line_OVP_rst)，第一延迟电路将线电压峰值检测信号延迟第一时间，控制信号生成模块通过对经延迟的线电压峰值检测信号和经延迟的线电压欠压检测信号进行逻辑或运算，来生成控制功率开关204接通与关断的信号。
这里，峰值检测电路包括反相器、第三延迟电路(例如，(m1+1)个D触发器构成的计数器)、以及RS锁存器，其中，反相器连接在比较器comp1的输出端与第三延迟电路的输入端之间，RS锁存器的两个输入端分别与比较器comp1的输出端和第三延迟电路的输出端连接，RS锁存器的输出端与第一延迟电路的输入端连接。
应该明白的是，本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (10)

1.一种开关电源芯片，包括控制器和功率开关，所述控制器包括高压二极管、第一电阻和第二电阻、第一比较器和第二比较器、第一开关管和第二开关管、以及控制信号生成模块，其中：
所述第一电阻、所述第二电阻、以及所述第一开关管连接在所述开关电源芯片的线电压检测脚与接地脚之间；
所述第一电阻和所述高压二极管连接在所述开关电源芯片的线电压检测脚与供电脚之间；
所述第一电阻与所述第二电阻之间的连接节点经由所述第二开关管连接至所述第一比较器的输入端和所述第二比较器的输入端；
在所述开关电源芯片的启动过程中，所述第一开关管、所述第二开关管、以及所述功率开关均处于关断状态，由所述线电压检测脚从外部接收的线电压经由所述第一电阻和所述高压二极管为所述开关电源芯片提供启动电流；
在所述开关电源芯片的工作过程中，所述第一开关管和所述第二开关管均处于接通状态，所述第一比较器通过比较所述第一电阻与所述第二电阻之间的连接节点处的线电压采样值和第一参考电压生成线电压过压检测信号，所述第二比较器通过比较所述线电压采样值和第二参考电压生成线电压欠压检测信号，所述控制信号生成模块基于所述线电压过压检测信号和所述线电压欠压检测信号来生成控制所述功率开关接通与关断的信号。
2.如权利要求1所述的开关电源芯片，其中，所述控制信号生成模块通过对所述线电压过压检测信号和所述线电压欠压检测信号进行逻辑或运算，来生成控制所述功率开关接通与关断的信号。
3.如权利要求1或2所述的开关电源芯片，其中，所述控制信号生成模块包括：
第一延迟电路，与所述第一比较器的输出端连接，用于将所述线电压过压检测信号延迟第一时间；
第二延迟电路，与所述第二比较器的输出端连接，用于将所述线电压欠压检测信号延迟第二时间，其中
所述控制信号生成模块通过对经延迟的线电压过压检测信号和经延迟的线电压欠压检测信号进行逻辑或运算，来生成控制所述功率开关接通与关断的信号。
4.如权利要求3所述的开关电源芯片，其中，所述控制信号生成模块还包括：
峰值检测电路，连接在所述第一比较器的输出端与所述第一延迟电路之间，用于通过检测所述线电压过压检测信号处于逻辑低电平的持续时间是否超过第三时间生成线电压峰值检测信号，其中
所述第一延迟电路将所述线电压峰值检测信号延迟第一时间，所述控制信号生成模块通过对经延迟的线电压峰值检测信号和所述经延迟的线电压欠压检测信号进行逻辑或运算，来生成控制所述功率开关接通与关断的信号。
5.如权利要求4所述的开关电源芯片，其中，所述峰值检测电路包括反相器、第三延迟电路、以及RS锁存器，其中，所述反相器连接在所述第一比较器的输出端与所述第三延迟电路的输入端之间，所述RS锁存器的两个输入端分别与所述第一比较器的输出端和所述第三延迟电路的输出端连接，所述RS锁存器的输出端与所述第一延迟电路的输入端连接。
6.如权利要求5所述的开关电源芯片，其中，所述第一延迟电路包括第一数目的D触发器，所述第二延迟电路包括第二数目的D触发器，所述第三延迟电路包括第三数目的D触发器，其中，所述第三数目小于所述第一数目。
7.如权利要求1所述的开关电源芯片，其中，所述第一开关管的栅极输入为芯片上电完成信号，所述第二开关管的栅极输入为所述开关电源芯片内部的低压电源。
8.如权利要求1所述的开关电源芯片，其中，所述第一电阻与所述第二电阻之间的连接节点经由所述第二开关管连接至所述第一比较器的正相输入端和所述第二比较器的反相输入端。
9.如权利要求1所述的开关电源芯片，其中，所述第一开关管为MOS管，所述第二开关管为高压MOS管。
10.一种开关电源电路，包括权利要求1至9中任一项所述的开关电源芯片。
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