CN107769564A - 开关电源及开关电源中pwm芯片的供电芯片和方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关电源及开关电源中PWM芯片的供电芯片和方法，在开关电源的开关变压器的辅助绕组与PWM芯片的供电端之间，设置一开关型降压电路，用于将该辅助绕组的输出电压转化到该PWM芯片能够承受的范围；该开关型降压电路具有防止从该PWM芯片的供电端倒灌电流的功能；当该输出电压达到一阈值时，使该开关型降压电路处于开关降压状态；当该输出电压低于该阈值时，使该开关型降压电路处于跟随状态。本发明能够很好地满足对于开关电源的更加严格的能效指标要求。

Description

开关电源及开关电源中PWM芯片的供电芯片和方法
技术领域
本发明涉及开关电源，尤其涉及开关电源中PWM芯片的供电芯片。
背景技术
在USB Type-C标准发布后，具有输出电压切换功能的开关电源应用得到快速发展。依据该标准，这种开关电源在上电时输出默认的5V电压。然后，当终端连接并正确识别后，可以进一步依照终端的要求，在适当范围内，调整输出电压，例如：从5V升高至最高的20V。从而可以在端口连接器的有限电流能力下，例如：Type-C端口最大允许电流为5A，传输高达100W的功率给终端负载。同时，该开关电源依然可以兼容标准的5V设备的直流供给。
现有开关电源的PWM芯片是采用变压器辅助绕组进行供电。由于受负载和变压器漏感等影响，PWM芯片的供电电压会在较大的范围内变动，因此必然导致PWM芯片的供电范围设计成较宽范围(受限于合理的半导体工艺限制，一般最高为40V或30V)，例如：针对5V输出的应用需要，供电电压最低可以低到9V，最高可以高到接近30V。如此一来，为了满足输出为5V-20V范围的Type-C之类的应用需要，当输出电压从5V切换到20V时，辅助绕组电压也将升高相同比例，达到45-50V甚至超过50V，这将超过一般PWM芯片的供电承受能力。为了克服供电电压大大超过PWM芯片通常的供电承受值，例如：30V，参见图1所示的开关电源的电原理图，有人提出在PWM芯片U1的供电回路中串设限压电路10的供电方法。具体地，该限压电路10是由三极管Q1，稳压管Z1和电阻R1构成的一串联稳压网络。该限压电路10可以在开关变压器B1的辅助绕组NA的电压较高时，将PWM芯片U1的供电电压VDD限制在略低于稳压管Z1的稳压值的水平上。只需选用不高于PWM芯片U1的供电最大值的稳压值的稳压管Z1，即能够避免PWM芯片U1的过压损坏，从而满足该开关电源宽的工作电压环境。
然而，为了保障低输出电压时，PWM芯片U1有足够的供电，需要该限压电路10提供足够的电流能力，这会导致该限压电路10自身功耗较大。以PWM芯片U1选用力生美公司的LN3C50型芯片为例，其典型的空载工作电流约为1.2毫安，满载工作电流随所使用的外部高压MOS开关管的不同而不同，一般可达10mA左右。由上可见，PWM芯片U1的工作电流范围约为1～10mA，因此上述限压电路10将按照不小于10mA的供电能力进行设计。这在存在低输出电压，例如：输出电压为5V，以及低负载条件，例如：空载的情况下，势必导致限压电路10的限流电阻R1具有极小的取值，例如：10k量级。考虑到PWM芯片U1的最高电压范围在30V左右，一般稳压管Z1可能会选用24V的规格。于是，当输出电压升高至20V后，辅助供电电压VCC约为45V来看，上述限压电路10由静态电流约10mA所导致的功耗将达到94.5mW，加上待机时设PWM芯片U1的空载电流1mA，则总供电功耗约为139.5mW。随着世界各国对电源能效要求日益提高，例如：欧盟最新的CoC V5能效法案已要求小于49W的外部电源，在待机时功耗不得高于75mW，则上述开关电源，已无法满足新的能效指标要求。
另外，对于典型的反激式开关电源，合理的过功率保护阈值应在额定功率的110％-130％之间。由此，对于一5V、3A/20V、2A的可变电压的USB Type-C开关电源，合理的要求会是：5V输出时，过载保护阈值范围为16.5-19.5W；20V输出时，过载保护阈值范围为44-52W。可见，后者超过前者的2.5倍，这在现有的PWM芯片U1构成的开关电源上是无法直接实现的，只能统一地将过载保护阈值范围设定在最高点，即44-52W。如此一来，当输出电压为默认的5V输出时，过载电流将高达7A以上，这对于开关电源的次级侧的整流电路的压力是很大的，会使开关电源存在较大的安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种开关电源中PWM芯片的供电芯片，能够很好地满足对于开关电源的更加严格的能效指标要求。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种开关电源中PWM芯片的供电方法，在开关电源的开关变压器的辅助绕组与PWM芯片的供电端之间，设置一开关型降压电路，用于将该辅助绕组的输出电压转化到该PWM芯片能够承受的范围；该开关型降压电路具有防止从该PWM芯片的供电端倒灌电流的功能；
当该输出电压达到一阈值时，使该开关型降压电路处于开关降压状态；当该输出电压低于该阈值时，使该开关型降压电路处于跟随状态。
在一些实施例中，在该辅助绕组与该PWM芯片的电流检测端之间，设置一输出电压检测电路，用于检测该输出电压，并提供与该输出电压趋势相反的一电流源，给到该电流检测端。
在一些实施例中，使该电流源的变化与该该输出电压的变化为反比关系；或者，使该电流源的变化与该输出电压的变化是非反比关系的，以对应于该开关电源的多个输出功率档位。
在一些实施例中，在开关变压器的高压绕组与PWM芯片的供电端之间，设置一高压启动电流源电路，用于从该高压绕组的正极提供一电流源，给到该PWM芯片的供电端，为该PWM芯片提供初始的启动能量，并在该PWM芯片启动完成后，自动关闭该电流源。
在一些实施例中，在该高压绕组的正极与该高压启动电流源电路之间，设置一交流电掉电检测电路，用于在交流掉电时，通过该电流源为连接在该开关电源的交流输入端之间的一X电容提供泄放。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种开关电源中PWM芯片的供电芯片，包括：一开关型降压电路，用于将开关电源的开关变压器的辅助绕组的输出电压转化到该PWM芯片能够承受的范围；该开关型降压电路具有防止从该PWM芯片的供电端倒灌电流的功能；当该输出电压达到一阈值时，该开关型降压电路处于开关降压状态；当该辅助绕组的输出电压低于该阈值时，该开关型降压电路处于跟随状态。
在一些实施例中，还包括：一输出电压检测电路，用于检测将该输出电压，并提供与该输出电压趋势相反的一电流源，给到该PWM芯片的电流检测端。
在一些实施例中，该电流源的变化与该输出电压的变化为反比关系；或者，该电流源的变化与该输出电压的变化是非反比关系的，以对应于该开关电源的多个输出功率档位。
在一些实施例中，还包括：一高压启动电流源电路，用于从该开关变压器的高压绕组的正极提供一电流源，给到该PWM芯片的供电端，为该PWM芯片提供初始的启动能量，并在该PWM芯片启动完成后，自动关闭该电流源。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种开关电源，包括：开关变压器，PWM芯片，以及如上所述的供电芯片。
在一些实施例中，该供电芯片还包括：一高压启动电流源电路，用于从该开关变压器的高压绕组的正极提供一电流源，给到该PWM芯片的供电端，为该PWM芯片提供初始的启动能量，并在该PWM芯片启动完成后，自动关闭该电流源。
在一些实施例中，该开关电源还包括：设置在交流输入端之间的一X电容；以及一交流电掉电检测电路，设置在该高压绕组的正极与该高压启动电流源电路的输入端之间，能够在交流掉电时，使该X电容通过该电流源泄放。
与现有技术相比，本发明通过巧妙地设置一开关型降压电路，来将辅助绕组的输出电压转化到PWM芯片能够承受的范围，能够很好地满足对于开关电源的更加严格的能效指标要求。
附图说明
图1是现有技术的开关电源的电原理图。
图2是本发明的开关电源及供电芯片第一实施例的电路示意。
图3是本发明的供电芯片第一实施例的电原理图。
图4是本发明的开关电源及供电芯片第二实施例的电路示意。
图5A是图4的供电芯片第二实施例中输出电压检测电路的电原理图。
图5B是图5A所示输出电压检测电路的一种变形设计。
图6是本发明的开关电源及供电芯片第三实施例的电路示意。
图7是图6的供电芯片第三实施例中高压启动电流源电路的电原理图。
图8是本发明的开关电源及供电芯片第四实施例的电路示意。
图9是本发明的开关电源第五实施例的原理示意。
图10是本发明的开关电源第六实施例的原理示意。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
参见图2，图2是本发明的开关电源及供电芯片第一实施例的电路示意。本发明提出一种开关电源第一实施例，其包括：开关变压器B1，PWM芯片U1，以及供电芯片U2。
该供电芯片U2的内部包括一小电流的开关式降压电路21。该供电芯片U2的封装管脚包括：电压输入端口22，电压输出端口23，电感驱动端口24和接地端口25。其中，该电压输入端口22与开关变压器B1的辅助绕组NA的输出电压Vo相连。该电压输出端口23与该PWM芯片U1的供电端VDD相连。该电感驱动端口24与电感L1相连。该接地端口25与电性地相连。
该供电芯片U2可以通过开关方式为PWM芯片U1提供一电压受控的供电电压VDD。该供电芯片U2在开关电源的输出电压从5V升高到20V后，依然可以确保PWM芯片U1的供电电压VDD稳定在安全的设定值，例如：15V。假设该小电流的开关式降压电路21的转换效率为80％，则图2所示的开关电源在待机条件下的功耗只有18.75毫瓦，较现有的开关电源可以减少的功耗高达87％。
综上，图2所示的供电方法，采用一低功耗开关式降压BUCK架构，可在辅助绕组NA的输出电压Vo为10～60V范围内，输出不高于一般PWM芯片U1供电电压VDD所允许的最大范围，例如：9～15V。鉴于该PWM芯片U1的工作电压范围依然具有一定的适用范围，该开关电源并不需要像传统的BUCK降压系统那样必须具有较好的输出稳压性能。因此，只需要设定一阈值即可，例如：15V。当辅助绕组NA的输出电压Vo低于该阈值时，只需保持输出电压跟随下降，即可满足PWM芯片U1的正常工作需要。
参见图3，图3是本发明的供电芯片第一实施例的电原理图。前述的小电流的开关式降压电路21具体包括：误差放大器31，比较器32，锁存器33、受控开关34和震荡器35。其中，供电电压VDD反馈到该误差放大器31，与参考电压Vref比较产生误差信号Vea。误差信号Vea输入到比较器32，与震荡器35提供的三角波时钟OSC进行比较，从而在不同的误差信号Vea下得到不同的开通宽度脉冲信号Vc，该开通宽度脉冲信号Vc经过锁存器33输出，驱动受控开关34动作。这种电路结构，当工作电流达到最大电流限制时，可以提前终止当前导通周期，从而实现电流限制。
值得一提的是，虽然该开关式降压电路21的基本控制方式和传统的降压型DC/DC开关电源基本一致，但是二者的差异是显著的，参见下表。
值得一提的是，该开关式降压电路21的输出具有防止电流倒灌的功能，从而可以在启动时，微弱的启动电流被该开关式降压电路21旁路，而使得开关电源无法正常启动或启动速度缓慢。
参见图4，图4是本发明的开关电源及供电芯片第二实施例的电路示意。第二实施例的供电芯片U2与前述第一实施例的供电芯片U2的差异主要体现在：增设了一输出电压检测电路42。该输出电压检测电路42经由新增的输入端口43能够探知该输出电压Vo的大小，经由新增的输出端口44能够输出与该输出电压Vo具有相反趋势的一电流源，该电流源连接到PWM芯片U1的电流检测端口上。
具体而言，该输入端口43可以在输出电压Vo从一电压(例如：5V)切换为另一电压(例如：20V)时，跟随输出一对应的电流源。并且，输出电压Vo低时，输出电流源值较大；输出电压Vo高时，输出电流源值较小。将该输出端口44与该PWM芯片U1的电流检测端口相连后，可以在输出电压Vo低时，注入的电流较大，而使得开关电源的输出功率下降到需要的合理大小(例如，5V时最大输出功率为18W)；输出电压Vo高时，注入的电流较小，而使得开关电源的输出功率升高到需要的合理大小(例如，20V时最大输出功率为48W)。这种结构，可以在输出电压Vo不同时，实现对输出功率的补偿，以达到不同的输出电压Vo条件下，具有不同的过功率阈值的功能，从而可以降低在低的输出电压Vo下，开关电源对整流部分的压力，有效提高开关电源的可靠性。
输出电流源变化比例可设计为与该输出电压Vo变化成反比例关系，从而得到随输出电压Vo升高，逐渐升高的最大输出功率参数，例如：输出电压从5V逐渐升高为20V，最大输出功率逐渐从18W升高为48W。
输出电流源变化比例也可设计为与该输出电压Vo成非比例关系，从而得到不同的输出功率档位，例如：输出5V时，最大输出功率为18W(用于5V 3A规格)；输出9V时，最大输出功率为22W(用于9V 2A规格)；输出12V时，最大输出功率为29W(用于12V 2A规格)；输出14.5V时，最大输出功率为35W(用于14.5V 2A规格)；输出20V时，最大输出功率为48W(用于20V 2A规格)。
参见图5A，图5A是图4的供电芯片第二实施例中输出电压检测电路的电原理图。前述的输出电压检测电路42具体包括：采样保持51，误差放大器52，电流源53和电流源镜像54。其中，输出电压Vo经该采样保持51输入到该误差放大器51的负端，与参考电压Vref比较后，得到一成反比例的电流源53，再通过该电流源镜像54输出到供电芯片U2的输出端口44上。
参见图5B，图5B是图5A所示输出电压检测电路的一种变形设计。其与前述图5A所示输出电压检测电路42的差异之处主要体现在：省去采样保持51，误差放大器52的负端是与图4中的VCC相连，而不是与输出电压Vo相连。二者相较，采用图5A所示的方式，供电芯片U2需要新增一独立的电压采样端口，但不会受到漏感的影响；采用图5B所示的方式，供电芯片U2无需新增一独立的电压采样端口，但会受到漏感的影响，需要进行补偿处理。
参见图6，图6是本发明的开关电源及供电芯片第三实施例的电路示意。该第三实施例的供电芯片U2与前述第一实施例的供电芯片U2差异主要体现在：增设了一高压启动电流源电路62，增设了一输入端口63；在开关电源上电时，能够经由该输入端口63从开关变压器B1的高压绕组NP的正极HV提供一电流源到电压输出端口64，用于给PWM芯片U1提供初始的启动电源，并在开关电源工作后，自动关闭该电流源，从而节省功率。相比与传统的使用电阻，来给PWM芯片U1提供启动能量的方式，关闭该高压启动电流源电路62后，可进一步节省空载功耗，按通常使用3MR大小的启动电阻阻值计算，在230Vac输入时，该高压启动电流源电路62关闭后可节省约35mW的功率。
参见图7，图7是图6的供电芯片第三实施例中高压启动电流源电路的电原理图。前述的高压启动电流源电路62大致包括：比较器71，触发器72，耗尽型MOS管Q1以及电容E1。上电时，比较器71输出为高阻抗状态，比较器71的输入端连接到vref_H，MOS管Q1处于导通状态，从高压绕组NP的正极HV长生一电流给到电容E1，当电容E1的电压被充到vref_H时，比较器71改变输出状态至低电平，MOS管Q1被关断，触发器72被复位，比较器71的输入端被切换到vref_L，当电容E1的电压下降到vref_L时，MOS管Q1再次导通。
参见图8，图8是本发明的开关电源及供电芯片第四实施例的电路示意。该第四实施例的供电芯片U2与前述第三实施例的供电芯片U2差异主要体现在：增加了图4所示的输出电压检测电路42。可以理解的是，输出电压检测电路42的设置与高压启动电流源电路62的设置是相互独立的。
参见图9，图9是本发明的开关电源第五实施例的原理示意。该第五实施例的开关电源与前述第四实施例的开关电源的差异主要体现在：增设了一交流电掉电检测单元91，在交流掉电时，自动为X电容CX1进行放电操作，从而可以在使用X电容的开关电源中，免去泄放电路的使用，从而进一步降低系统待机功耗。例如：一典型的使用0.47uF X电容的开关电源，按照安规要求，将需要使用阻值为2.12MR的泄放电阻，这将在230Vac输入电压时产生25mW的功率消耗。使用交流电掉电检测单元91后，可进一步减少此损耗；并且在开关电源启动时，还可同时使用该交流电掉电检测单元91为PWM芯片U1提供启动能量，从而可以简化开关电源的电路。
参见图10，图10是本发明的开关电源第六实施例的原理示意。该第六实施例的开关电源与第五实施例的开关电源的差异限于：前者采用第三实施例的供电芯片U2，后者采用第四实施例的供电芯片U2，这二者的差异，已经在前面予以说明，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明通过在供电芯片U2中设置有一小电流的开关式降压电路21，并具有相应的封装管脚：电压输入端口22，电压输出端口23，电感驱动端口24和接地端口25，可以对高于PWM芯片U1的供电电压范围的辅助绕组NA的输出电压Vo进行限制，从而在辅助绕组NA的输出电压Vo电压过高时，有效地保证PWM芯片U1的安全，能够很好地满足对于开关电源的更加严格的能效指标要求。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种开关电源中PWM芯片的供电方法，其特征在于，在开关电源的开关变压器的辅助绕组与PWM芯片的供电端之间，设置一开关型降压电路，用于将该辅助绕组的输出电压转化到该PWM芯片能够承受的范围；该开关型降压电路具有防止从该PWM芯片的供电端倒灌电流的功能；
当该输出电压达到一阈值时，使该开关型降压电路处于开关降压状态；当该输出电压低于该阈值时，使该开关型降压电路处于跟随状态。
2.依据权利要求1所述的供电方法，其特征在于，在该辅助绕组与该PWM芯片的电流检测端之间，设置一输出电压检测电路，用于检测该输出电压，并提供与该输出电压趋势相反的一电流源，给到该电流检测端。
3.依据权利要求2所述的供电方法，其特征在于，使该电流源的变化与该该输出电压的变化为反比关系；或者，使该电流源的变化与该输出电压的变化是非反比关系的，以对应于该开关电源的多个输出功率档位。
4.依据权利要求1至3任一项所述的供电方法，其特征在于，在开关变压器的高压绕组与PWM芯片的供电端之间，设置一高压启动电流源电路，用于从该高压绕组的正极提供一电流源，给到该PWM芯片的供电端，为该PWM芯片提供初始的启动能量，并在该PWM芯片启动完成后，自动关闭该电流源。
5.依据权利要求4所述的供电方法，其特征在于，在该高压绕组的正极与该高压启动电流源电路之间，设置一交流电掉电检测电路，用于在交流掉电时，通过该电流源为连接在该开关电源的交流输入端之间的一X电容提供泄放。
6.一种开关电源中PWM芯片的供电芯片，其特征在于，包括：一开关型降压电路，用于将开关电源的开关变压器的辅助绕组的输出电压转化到该PWM芯片能够承受的范围；该开关型降压电路具有防止从该PWM芯片的供电端倒灌电流的功能；当该输出电压达到一阈值时，该开关型降压电路处于开关降压状态；当该辅助绕组的输出电压低于该阈值时，该开关型降压电路处于跟随状态。
7.依据权利要求6所述的供电芯片，其特征在于，还包括：一输出电压检测电路，用于检测将该输出电压，并提供与该输出电压趋势相反的一电流源，给到该PWM芯片的电流检测端。
8.依据权利要求7所述的供电芯片，其特征在于，该电流源的变化与该输出电压的变化为反比关系；或者，该电流源的变化与该输出电压的变化是非反比关系的，以对应于该开关电源的多个输出功率档位。
9.依据权利要求6至8任一项所述的供电芯片，其特征在于，还包括：一高压启动电流源电路，用于从该开关变压器的高压绕组的正极提供一电流源，给到该PWM芯片的供电端，为该PWM芯片提供初始的启动能量，并在该PWM芯片启动完成后，自动关闭该电流源。
10.一种开关电源，其特征在于，包括：开关变压器，PWM芯片，以及如权利要求6至8任一项所述的供电芯片。
11.依据权利要求10所述的开关电源，其特征在于，该供电芯片还包括：一高压启动电流源电路，用于从该开关变压器的高压绕组的正极提供一电流源，给到该PWM芯片的供电端，为该PWM芯片提供初始的启动能量，并在该PWM芯片启动完成后，自动关闭该电流源。
12.依据权利要求11所述的开关电源，其特征在于，该开关电源还包括：设置在交流输入端之间的一X电容；以及一交流电掉电检测电路，设置在该高压绕组的正极与该高压启动电流源电路的输入端之间，能够在交流掉电时，使该X电容通过该电流源泄放。
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