CN109067183B - 开关电源芯片及其管脚复用电路、管脚复用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种开关电源芯片及其管脚复用电路、管脚复用方法,所述管脚复用电路连接开关电源芯片的一复用管脚,根据接收的外部信号对开关电源芯片进行BOP保护、OTP保护及OVP保护;所述开关电源芯片还包括一输出管脚,所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关;所述管脚复用电路包括:BOP保护电路、OTP保护电路、OVP保护电路、辅助绕组、功率开关;BOP保护电路,用于实现BOP保护;OTP保护电路用于实现OTP保护;OVP保护电路,用于实现OVP保护;辅助绕组用于耦合输入AC电压、输出DC电压;功率开关用于控制变压器的充放电。本发明可在不增加芯片封装管脚及封装成本的前提下,为开关电源系统提供完善的自保护方案。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域,涉及一种开关电源芯片,尤其涉及一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用电路;同时,本发明还涉及一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用方法。
背景技术
开关电源芯片被广泛地应用于许多电子设备中为其提供合适的电力。随着微电子和通讯技术的迅速发展,芯片的集成规模越来越大,相应的芯片集成功能越来越丰富。一方面,为了保护电子设备在极端的应用条件不被损坏,开关电源在设计时必须考虑各种保护措施,例如,输入侧母线电压上的欠压/过压保护(Brown out Protection,以下简称BOP)、输出过压保护(Over Output Voltage Protection,以下简称OVP)、过温保护(OverTemperature Protection:以下简称OTP),通常情况下,开关电源芯片需要分别为这些保护电路配置相互独立的管脚,以连接具体的外围应用功能;另一方面,集成电路小型化、高功率密度的发展趋势又要求芯片采用尽可能小的封装面积和尽可能少的封装管脚。
图1是开关电源系统的简化传统示意图。该开关电源系统100包括AC整流电路101,高压储能电容102,电阻103、104、114、115、118,整流器106、110和112,电容器105、111和113,变压器初级绕组107,次级绕组108,辅助绕组109,开关电源芯片116,开关117,以及反馈组件119。电阻104、电容器105以及整流器106构成了开关电源系统的缓冲吸收回路,辅助绕组109、整流器114以及电容器115构成了开关电源系统自供电回路。在图1所示的次级反馈(Secondary Side Feedback:以下简称SSR)开关电源系统中,开关电源芯片116至少包含供电管脚121(VDD)用于开关电源芯片的供电,电流检测管脚124(CS)用于检测流过初级线圈107的电流,输出管脚125(GATE)用作开关119的栅极,反馈管脚122(FB)用于接收DC输出的反馈信号,退磁检测管脚126(DEM)用于检测变压器退磁信号,同时检测DC输出是否达到过压,地电位参考管脚123(GND)。
由此可见,如果开关电源系统需要开关电源芯片116提供OTP及BOP功能,则需要额外增加两个管脚。芯片管脚数目增加,一方面使得芯片的封装复杂化,增加了芯片封装的难度和成本;另一方面,使得芯片体积增大,不符合小型化、高功率密度的集成电路发展趋势。
有鉴于此,如今迫切需要设计一种新的开关电源芯片,以便克服现有开关电源芯片存在的上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用电路,可在不增加芯片封装管脚及封装成本的前提下,为开关电源系统提供完善的自保护方案。
本发明还提供一种开关电源芯片,可在不增加芯片封装管脚及封装成本的前提下,为开关电源系统提供完善的自保护方案。
此外,本发明还提供一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用方法,可在不增加芯片封装管脚及封装成本的前提下,为开关电源系统提供完善的自保护方案。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用电路,所述管脚复用电路连接开关电源芯片的一复用管脚,根据接收的外部信号对开关电源芯片进行BOP保护、OTP保护及OVP保护;
所述开关电源芯片还包括一输出管脚,所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关;
所述管脚复用电路包括:
-BOP保护电路,用于实现BOP保护,包括第一电阻、第一整流器;
-OTP保护电路,用于实现OTP保护,包括第二电阻、第二整流器;
-OVP保护电路,用于实现OVP保护,包括第三电阻、第三整流器;
-辅助绕组,用于耦合输入AC电压、输出DC电压;以及
-功率开关,用于控制变压器的充放电;
所述第一电阻的一端连接到所述辅助绕组同名端,另一端连接到所述第一整流器的阴极,所述第一整流器的阳极连接到所述复用管脚;
所述第二电阻的一端连接到地,另一端连接到所述第二整流器的阴极,所述第二整流器的阳极连接到所述复用管脚;
所述第三电阻的一端连接到所述辅助绕组同名端,另一端连接到所述第三整流器的阳极;所述第三整流器的阴极连接到所述复用管脚。
作为本发明的一种优选方案,所述OTP保护电路包括OTP检测器,用于实现OTP检测;
所述OVP保护电路包括OVP检测器,用于实现OVP检测;以及
所述BOP保护电路包括BOP检测器,用于实现BOP检测。
作为本发明的一种优选方案,所述OTP检测器包含第五零一开关、第五零二开关、第五零三开关和第五零四开关,第一电容器和第二电容器,第五零七运放,第五零八比较器,第五零九计数器;其中,第五零三开关和第五零四开关的控制信号是SOTP2的反向信号;
所述第五零一开关的第一端连接复用管脚、第五零二开关的第一端、第三零三开关的第二端、第三零四开关的第二端,第三零三开关的第一端连接第三零一电流源,第三零四开关的第一端连接第三零二电流源;第五零一开关的第二端分别连接第一电容器的第一端、第五零八比较器的反相输入端,第一电容器的第二端接地;所述第五零二开关的第二端分别连接第二电容器的第二端、第五零四开关的第一端,第五零四开关的第二端接地;所述第五零三开关的第一端分别连接第五零七运放的输出端、第五零七运放的反相输入端,第五零三开关的第二端分别连接第二电容器的第一端、第五零八比较器的正相输入端;所述第五零七运放的正相输入端接入基准电压VREF;第五零八比较器的输出端连接所述第五零九计数器;
所述输出管脚变为低电平后的第一时间段,所述第一OTP电压被采样保持在第一电容器上;同时,基准电压VREF经过第五零七运放后将电压保存在第二电容器上;
所述输出管脚变为低电平后的第三时间段,所述第二OTP电压连接到第二电容器的下级板,所以第二电容器上极板的电压为所述第二OTP电压与基准电压VREF之和;第五零八比较器将所述第一OTP电压和所述第二OTP电压与基准电压VREF之和进行比较,若所述第二OTP电压与基准电压VREF之和大于所述第一OTP电压,则第五零九计数器开始计数,满足计数条件后将输出管脚拉低,开关电源系统停止工作。
作为本发明的一种优选方案,所述OVP检测器包含第六零一电流源和第六零二电流源,第六零三晶体管和第六零四晶体管,第六零五电阻和第六零六电阻,第六零七反相器,第六零八计数器;
所述第六零三晶体管的第一端分别连接第六零一电流源、第六零三晶体管的栅极、第六零四晶体管的栅极,第六零三晶体管的第二端分别连接第三零六开关的第二端、第六零五电阻的第一端,第三零六开关的第一端连接所述复用管脚,第六零五电阻的第二端接地;第六零四晶体管的第一端分别连接第六零二电流源、第六零七反相器的输入端,第六零四晶体管的第二端连接第六零六电阻的第一端,第六零六电阻的第二端接地;第六零七反相器的输出端连接第六零八计数器;
所述输出管脚变为低电平后的第二个时间段,辅助绕组同名端耦合次级绕组同名端的电压;在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关导通;从辅助绕组同名端经过第三电阻和第三整流器流向复用管脚的电流IOVP被OVP检测器接收;
触发OVP的条件为:
其中,VO为DC输出电压,IREF为OVP检测器内部设定的电流,k为OVP检测器内部第六零六电阻器606和第六零五电阻器605的比例系数,kSA为次级绕组和辅助绕组的匝比;通过调节第三电阻的电阻值ROVP的大小调整OVP的保护阈值。
作为本发明的一种优选方案,所述BOP检测器包含第四零一电流源、第四零七电流源和第四零八电流源,第四零二晶体管、第四零三晶体管、第四零四晶体管、第四零五晶体管、第四零六晶体管、第四零七晶体管和第四零八晶体管,第四零九反相器、第四一零反相器和第四一一反相器,第四一二或门,第四一三计数器;
所述第四零二晶体管的第一端分别连接第四零一电流源的第二端、第四零二晶体管的栅极、第四零三晶体管的栅极,第四零二晶体管的第二端接地;第四零四晶体管的第一端分别连接第四零一电流源的第一端、第四零五晶体管的第一端、第四零六晶体管的第一端;第四零四晶体管的第二端分别连接第四零三晶体管的第一端、第四零四晶体管的栅极、第四零五晶体管的栅极、第四零六晶体管的栅极;第四零三晶体管的第二端通过第三零五开关连接复用管脚;第四零五晶体管的第二端分别连接第四零七电流源的第一端、第四零九反相器的输入端,第四零七电流源的第二端接地;第四零六晶体管的第二端分别连接第四零八晶体管的第一端、第四一一反相器的输入端,第四零八晶体管的第二端接地;第四零九反相器的输出端连接第四一零反相器的输入端,第四一零反相器的输出端连接第四一二或门的第一输入端,第四一一反相器的输出端连接第四一二或门的第二输入端,第四一二或门的输出端连接第四一三计数器;
所述输出管脚变为高电平后,经过设定段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关导通;从复用管脚到辅助线圈同名端的电流IBOP被BOP检测器接收;
IBOP通过第四零四晶体管被镜像到第四零五晶体管和第四零六晶体管,再分别与第四零七电流源和第四零八电流源比较,如果第四零四晶体管的电流大于第四零七电流源的电流IBOP_H,则BOP_H输出高电平,表示输入AC电压大于最高限值;如果第四零五晶体管的电流小于第四零八电流源的电流IBOP_L,BOP_L输出高电平,表示AC电压小于最低限值;BOP_H和BOP_L经过第四一二或门后进入第四一三计数器开始计数,满足计数条件后将输出管脚拉低,开关电源系统停止工作。
一种上述的管脚复用电路的管脚复用方法,包括以下步骤:
输出管脚为高电平时,利用第一电阻和第一整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电流信号;
输出管脚为低电平的第一时间段和第三时间段,利用第二电阻和第二整流器将开关电源芯片内部提供的电流信号转换成电压信号;
输出管脚为低电平的第二时间段,利用第三电阻和第三整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电压信号,将复用管脚接收到的电压/电流信号输入到相应的检测器。
一种开关电源系统,所述开关电源系统包括:AC整流电路,高压储能电容,第二零三电阻、第二零四电阻、第三电阻、第二电阻、第二一八电阻和第一电阻,第二零六整流器、第二一零整流器、第二一二整流器、第二整流器、第一整流器和第三整流器,第二零五电容器、第二一一电容器和第二一三电容器,初级绕组,次级绕组,辅助绕组,开关电源芯片,功率开关,以及反馈组件;
所述第一电阻、第一整流器作为BOP保护电路的一部分,第二电阻、第二整流器作为OTP保护电路的一部分,第三电阻、第三整流器作为OVP保护电路的一部分;
所述OTP保护电路还包括OTP检测器,OVP保护电路包括OVP检测器,BOP保护电路包括BOP检测器;
所述功率开关为场效应晶体管或双极结型晶体管或绝缘栅双极晶体管;第二零四电阻、第二零五电容器以及第二零六整流器构成了开关电源系统的缓冲吸收回路,辅助绕组、第二一二整流器以及第二一三电容器构成了开关电源系统自供电回路;
所述开关电源芯片包含:
-供电管脚,用于开关电源芯片的供电;
-电流检测管脚,用于检测流过初级线圈的电流;
-输出管脚,用作功率开关的栅极;
-反馈管脚,用于接收DC输出的反馈信号;
-复用管脚,用于检测变压器退磁信号,同时用作OVP保护、BOP保护和OTP保护;
-地电位参考管脚;
所述复用管脚连接到第三整流器的阴极、第一整流器的阳极、第二整流器的阳极,第三电阻连接到第三整流器的阴极,第一电阻连接到第一整流器的阴极,第二电阻连接到第二整流器的阴极;第三电阻和第一电阻连接到辅助绕组,第二电阻连接到地电位参考管脚;第二电阻是热敏电阻,其阻值随温度变化;第二电阻具有负温度系数,即第二电阻的电阻随温度的增加而减小;
所述输出管脚连接到功率开关的栅极,为功率开关提供驱动信号以闭合和断开开关;当输出管脚输出高电平时,功率开关闭合,能量能储存在初级绕组中,初级绕组的同名端电压为低,辅助绕组的同名端电压为负;当输出管脚输出低电平时,功率开关断开,存储在初级绕组中的能量被释放到次级绕组,次级绕组的同名端电压为高,辅助绕组的同名端电压为正;
所述输出管脚输出高电平时,复用管脚通过第一电阻和第一整流器接收辅助绕组同名端的电压来判断是否触发BOP;如果触发了BOP,开关电源芯片在输出管脚输出低电平以使功率开关保持断开状态;次级绕组和辅助绕组的同名端电压降低,辅助绕组同名端通过第二一二整流器对第二一三电容器的供电减少,开关电源芯片的供电管脚电压降低,开关电源系统重新启动,启动完成后再次进行检测;
所述输出管脚输出低电平时,复用管脚通过第二电阻和第二整流器接收温度信息来判断是否触发OTP,通过第三电阻和第三整流器接收辅助绕组同名端的电压来判断是否触发OVP;
所述输出管脚输出低电平的第一时间段,复用管脚通过第二电阻和第二整流器接收温度信息来判断是否触发OTP;如果触发了OTP,开关电源芯片在输出管脚输出低电平以使功率开关保持断开状态;次级绕组和辅助绕组的同名端电压降低,辅助绕组同名端通过第二一二整流器对第二一三电容器的供电减少,开关电源芯片的供电管脚电压降低;在开关电源芯片的供电管脚电压降低至重启阈值之前,如果温度降低至允许工作的温度之下,开关电源芯片重新开始工作,并且再次进行检测;否则,开关电源系统重新启动,启动完成后再次进行检测;输出管脚输出低电平的第二时间段,复用管脚通过第三电阻和第三整流器接收辅助绕组同名端的电压来判断是否触发OVP;如果触发了OVP,开关电源芯片在输出管脚输出低电平以使功率开关保持断开状态;次级绕组和辅助绕组的同名端电压降低,辅助绕组同名端通过第二一二整流器对第二一三电容器的供电减少,开关电源芯片的供电管脚电压降低;开关电源系统重新启动,启动完成后再次进行检测;
所述开关电源系统还包括:第三零一电流源和第三零二电流源,第三零三开关、第三零四开关、第三零五开关、第三零六开关、第三零七开关和第三零八开关,第三一二或门;
其中,第三零三开关、第三零四开关、第三零五开关、第三零六开关、第三零七开关和第三零八开关分别由Sotp1信号、Sotp2信号、Sbop信号、Sovp信号、Sotp1信号和Sotp2信号控制;当控制信号为高电平时,相应的开关处于导通状态;当控制信号为低电平时,相应的开关处于断开状态;
所述输出管脚变为高电平后,辅助绕组的同名端的电压VA为负,且与AC输入电压相关;
其中,VAC为AC输入电压,kPA为初级线圈207和辅助绕组的匝数比;
复用管脚被嵌位至一固定电压;经过一小段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,开关305导通;从复用管脚到辅助绕组同名端的电流IBOP被BOP检测器接收;
IBOP与AC输入电压VAC正相关;在BOP检测器内设定两个电流阈值IBOP_L和IBOP_H,分别对应要进行BOP保护的AC输入低电压和AC输入高电压,通过调节第一电阻的电阻值RBOP的大小调整BOP的保护电压;
所述输出管脚变为低电平后的第一时间段,在其前半段设置为采样时段,SOTP1为高电平,第三零三开关和第三零七开关导通;第三零一电流源的电流IOTP1经过第三零三开关流向第一整流器和第一电阻及第二整流器和第二电阻,复用管脚的电压经过第三零七开关被OTP检测器接收并保存为第一OTP电压;
所述输出管脚变为低电平后的第三时间段,在其前半段设置为采样时段,SOTP2为高电平,第三零四开关和第三零八开关导通;第三零二电流源的电流IOTP2经过第三零四开关流向第一整流器和第一电阻及第二整流器和第二电阻,复用管脚的电压经过第三零八开关被OTP检测器接收并保存为第二OTP电压;
上述第二OTP电压和上述第一OTP电压的差值为:
由此可见,在确定了RBOP、IOTP1和IOTP2之后,ΔVOTP与RT相关;在OTP检测器内设定电压阈值ΔVOTP_TH,通过调节第二电阻的电阻值ROTP的大小和温度系数调整OTP的保护温度;第二电阻采用负温度系数的电阻,即其电阻值随温度的增加而减小;随着温度的升高,RT减小,ΔVOTP减小;当温度升至需要进行保护的温度时,ΔVOTP减小至ΔVOTP_TH,从而触发OTP保护;
所述输出管脚变为低电平后的第二时间段,辅助绕组同名端耦合次级绕组同名端的电压。在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关导通;复用管脚被嵌位至一固定电压;从辅助绕组同名端经过第三电阻和整流器230流向复用管脚的电流IBOP被OVP检测器接收;
其中,VO为DC输出电压,kSA为次级线圈208和辅助绕组的匝数比。
由此可见,IOVP与DC输出电压VO正相关;在OVP检测器内设定电流阈值IOVP_TH,通过调节第三电阻的大小调整OVP的保护电压;
所述OTP检测器包含第五零一开关、第五零二开关、第五零三开关和第五零四开关,第一电容器和第二电容器,第五零七运放,第五零八比较器,第五零九计数器;其中,第五零三开关和第五零四开关的控制信号是SOTP2的反向信号;
所述第五零一开关的第一端连接复用管脚、第五零二开关的第一端、第三零三开关的第二端、第三零四开关的第二端,第三零三开关的第一端连接第三零一电流源,第三零四开关的第一端连接第三零二电流源;第五零一开关的第二端分别连接第一电容器的第一端、第五零八比较器的反相输入端,第一电容器的第二端接地;所述第五零二开关的第二端分别连接第二电容器的第二端、第五零四开关的第一端,第五零四开关的第二端接地;所述第五零三开关的第一端分别连接第五零七运放的输出端、第五零七运放的反相输入端,第五零三开关的第二端分别连接第二电容器的第一端、第五零八比较器的正相输入端;所述第五零七运放的正相输入端接入基准电压VREF;第五零八比较器的输出端连接所述第五零九计数器;
所述输出管脚变为低电平后的第一时间段,所述第一OTP电压被采样保持在第一电容器上;同时,基准电压VREF经过第五零七运放后将电压保存在第二电容器上;
所述输出管脚变为低电平后的第三时间段,所述第二OTP电压连接到第二电容器的下级板,所以第二电容器上极板的电压为所述第二OTP电压与基准电压VREF之和;第五零八比较器将所述第一OTP电压和所述第二OTP电压与基准电压VREF之和进行比较,若所述第二OTP电压与基准电压VREF之和大于所述第一OTP电压,则第五零九计数器开始计数,满足计数条件后将输出管脚拉低,开关电源系统停止工作;
所述OVP检测器包含第六零一电流源和第六零二电流源,第六零三晶体管和第六零四晶体管,第六零五电阻和第六零六电阻,第六零七反相器,第六零八计数器;
所述第六零三晶体管的第一端分别连接第六零一电流源、第六零三晶体管的栅极、第六零四晶体管的栅极,第六零三晶体管的第二端分别连接第三零六开关的第二端、第六零五电阻的第一端,第三零六开关的第一端连接所述复用管脚,第六零五电阻的第二端接地;第六零四晶体管的第一端分别连接第六零二电流源、第六零七反相器的输入端,第六零四晶体管的第二端连接第六零六电阻的第一端,第六零六电阻的第二端接地;第六零七反相器的输出端连接第六零八计数器;
所述输出管脚变为低电平后的第二个时间段,辅助绕组同名端耦合次级绕组同名端的电压;在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关导通;从辅助绕组同名端经过第三电阻和第三整流器流向复用管脚的电流IOVP被OVP检测器接收;
触发OVP的条件为:
其中,VO为DC输出电压,IREF为OVP检测器内部设定的电流,k为OVP检测器内部第六零六电阻器606和第六零五电阻器605的比例系数,kSA为次级绕组和辅助绕组的匝比;通过调节第三电阻的电阻值ROVP的大小调整OVP的保护阈值;
所述BOP检测器包含第四零一电流源、第四零七电流源和第四零八电流源,第四零二晶体管、第四零三晶体管、第四零四晶体管、第四零五晶体管、第四零六晶体管、第四零七晶体管和第四零八晶体管,第四零九反相器、第四一零反相器和第四一一反相器,第四一二或门,第四一三计数器;
所述第四零二晶体管的第一端分别连接第四零一电流源的第二端、第四零二晶体管的栅极、第四零三晶体管的栅极,第四零二晶体管的第二端接地;第四零四晶体管的第一端分别连接第四零一电流源的第一端、第四零五晶体管的第一端、第四零六晶体管的第一端;第四零四晶体管的第二端分别连接第四零三晶体管的第一端、第四零四晶体管的栅极、第四零五晶体管的栅极、第四零六晶体管的栅极;第四零三晶体管的第二端通过第三零五开关连接复用管脚;第四零五晶体管的第二端分别连接第四零七电流源的第一端、第四零九反相器的输入端,第四零七电流源的第二端接地;第四零六晶体管的第二端分别连接第四零八晶体管的第一端、第四一一反相器的输入端,第四零八晶体管的第二端接地;第四零九反相器的输出端连接第四一零反相器的输入端,第四一零反相器的输出端连接第四一二或门的第一输入端,第四一一反相器的输出端连接第四一二或门的第二输入端,第四一二或门的输出端连接第四一三计数器;
所述输出管脚变为高电平后,经过设定段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关导通;从复用管脚到辅助线圈同名端的电流IBOP被BOP检测器接收;
IBOP通过第四零四晶体管被镜像到第四零五晶体管和第四零六晶体管,再分别与第四零七电流源和第四零八电流源比较,如果第四零四晶体管的电流大于第四零七电流源的电流IBOP_H,则BOP_H输出高电平,表示输入AC电压大于最高限值;如果第四零五晶体管的电流小于第四零八电流源的电流IBOP_L,BOP_L输出高电平,表示AC电压小于最低限值;BOP_H和BOP_L经过第四一二或门后进入第四一三计数器开始计数,满足计数条件后将输出管脚拉低,开关电源系统停止工作。
一种上述的开关电源系统的管脚复用方法,包括以下步骤:
输出管脚为高电平时,利用第一电阻和第一整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电流信号;
输出管脚为低电平的第一时间段和第三时间段,利用第二电阻和第二整流器将开关电源芯片内部提供的电流信号转换成电压信号;
输出管脚为低电平的第二时间段,利用第三电阻和第三整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电压信号,然后利用第三开关、第四开关、第五开关、第六开关将复用管脚接收到的电压/电流信号输入到相应的检测器。
作为本发明的一种优选方案,所述方法具体包括:
所述输出管脚输出低电平的第一时间段,复用管脚通过第二电阻和第二整流器接收温度信息来判断是否触发OTP;如果触发了OTP,开关电源芯片在输出管脚输出低电平以使功率开关保持断开状态;次级绕组和辅助绕组的同名端电压降低,辅助绕组同名端通过第二一二整流器对第二一三电容器的供电减少,开关电源芯片的供电管脚电压降低;在开关电源芯片的供电管脚电压降低至重启阈值之前,如果温度降低至允许工作的温度之下,开关电源芯片重新开始工作,并且再次进行检测;否则,开关电源系统重新启动,启动完成后再次进行检测;
输出管脚输出低电平的第二时间段,复用管脚通过第三电阻和第三整流器接收辅助绕组同名端的电压来判断是否触发OVP;如果触发了OVP,开关电源芯片在输出管脚输出低电平以使功率开关保持断开状态;次级绕组和辅助绕组的同名端电压降低,辅助绕组同名端通过第二一二整流器对第二一三电容器的供电减少,开关电源芯片的供电管脚电压降低;开关电源系统重新启动,启动完成后再次进行检测。
一种开关电源系统,所述开关电源系统包括:开关电源芯片、管脚复用电路;
所述开关电源芯片包含:复用管脚、输出管脚,复用管脚用于检测变压器退磁信号,同时用作OVP保护、BOP保护和OTP保护;所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关;所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关;
所述管脚复用电路包括:
-BOP保护电路,用于实现BOP保护,包括第一电阻、第一整流器;
-OTP保护电路,用于实现OTP保护,包括第二电阻、第二整流器;
-OVP保护电路,用于实现OVP保护,包括第三电阻、第三整流器;
-辅助绕组,用于耦合输入AC电压、输出DC电压;以及
-功率开关,用于控制变压器的充放电;
所述第一电阻的一端连接到所述辅助绕组同名端,另一端连接到所述第一整流器的阴极,所述第一整流器的阳极连接到所述复用管脚;
所述第二电阻的一端连接到地,另一端连接到所述第二整流器的阴极,所述第二整流器的阳极连接到所述复用管脚;
所述第三电阻的一端连接到所述辅助绕组同名端,另一端连接到所述第三整流器的阳极;所述第三整流器的阴极连接到所述复用管脚。
本发明的有益效果在于:本发明提出的开关电源芯片及其管脚复用电路、管脚复用方法,利用输出管脚的不同电位,通过外部电阻和整流器对相关信号进行采样,再通过不同的开关将复用管脚采样到的信号输入到相应的检测器中,以判断是否触发了保护条件。采用本发明的开关电源管脚复用电路和复用方法,能够在不增加芯片封装管脚及封装成本的前提下,为开关电源系统提供完善的自保护方案。
附图说明
图1为开关电源系统的简化传统框图。
图2为根据本发明一个实施例的一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用示意图。
图3为根据本发明一个实施例的开关电源芯片内部自保护的示意图及简化时序图。
图4为根据本发明一个实施例的输入欠压/过压保护示意图。
图5为根据本发明一个实施例的过温保护示意图。
图6为根据本发明一个实施例的输出过压保护示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图2,本发明揭示了一种开关电源系统,所述开关电源系统200包括:AC整流电路201,高压储能电容202,第二零三电阻203、第二零四电阻204、第三电阻214、第二电阻215、第二一八电阻218和第一电阻228,第二零六整流器206、第二一零整流器210、第二一二整流器212、第二整流器227、第一整流器229和第三整流器230,第二零五电容器205、第二一一电容器211和第二一三电容器213,初级绕组207,次级绕组208,辅助绕组209,开关电源芯片216,功率开关217,以及反馈组件219。
所述第一电阻228、第一整流器229作为BOP保护电路的一部分,第二电阻215、第二整流器227作为OTP保护电路的一部分,第三电阻214、第三整流器230作为OVP保护电路的一部分。
所述OTP保护电路还包括OTP检测器309,OVP保护电路包括OVP检测器310,BOP保护电路包括BOP检测器311。
所述功率开关217为场效应晶体管或双极结型晶体管或绝缘栅双极晶体管;第二零四电阻204、第二零五电容器205以及第二零六整流器206构成了开关电源系统的缓冲吸收回路,辅助绕组209、第二一二整流器212以及第二一三电容器213构成了开关电源系统自供电回路。
所述开关电源芯片216包含:供电管脚221、电流检测管脚224、输出管脚225、反馈管脚222、复用管脚226、地电位参考管脚223。供电管脚221用于开关电源芯片的供电;电流检测管脚224用于检测流过初级线圈207的电流;输出管脚225用作功率开关217的栅极;反馈管脚222用于接收DC输出的反馈信号;复用管脚226用于检测变压器退磁信号,同时用作OVP保护、BOP保护和OTP保护。
所述复用管脚226连接到第三整流器230的阴极、第一整流器229的阳极、第二整流器227的阳极,第三电阻214连接到第三整流器230的阴极,第一电阻228连接到第一整流器229的阴极,第二电阻215连接到第二整流器227的阴极;第三电阻214和第一电阻228连接到辅助绕组209,第二电阻215连接到地电位参考管脚223;第二电阻215是热敏电阻,其阻值随温度变化;第二电阻215具有负温度系数,即第二电阻215的电阻随温度的增加而减小。
所述输出管脚225连接到功率开关217的栅极,为功率开关217提供驱动信号以闭合和断开开关;当输出管脚225输出高电平时,功率开关217闭合,能量能储存在初级绕组207中,初级绕组207的同名端电压为低,辅助绕组209的同名端电压为负;当输出管脚225输出低电平时,功率开关217断开,存储在初级绕组207中的能量被释放到次级绕组208,次级绕组208的同名端电压为高,辅助绕组209的同名端电压为正。
所述输出管脚225输出高电平时,复用管脚226通过第一电阻228和第一整流器229接收辅助绕组209同名端的电压来判断是否触发BOP;如果触发了BOP,开关电源芯片216在输出管脚225输出低电平以使功率开关217保持断开状态;次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过第二一二整流器212对第二一三电容器213的供电减少,开关电源芯片216的供电管脚221电压降低,开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测。
所述输出管脚225输出低电平时,复用管脚226通过第二电阻215和第二整流器227接收温度信息来判断是否触发OTP,通过第三电阻214和第三整流器230接收辅助绕组209同名端的电压来判断是否触发OVP。
所述输出管脚225输出低电平的第一时间段,复用管脚226通过第二电阻215和第二整流器227接收温度信息来判断是否触发OTP;如果触发了OTP,开关电源芯片216在输出管脚225输出低电平以使功率开关217保持断开状态;次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过第二一二整流器212对第二一三电容器213的供电减少,开关电源芯片216的供电管脚221电压降低;在开关电源芯片216的供电管脚221电压降低至重启阈值之前,如果温度降低至允许工作的温度之下,开关电源芯片216重新开始工作,并且再次进行检测;否则,开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测;输出管脚225输出低电平的第二时间段,复用管脚226通过第三电阻214和第三整流器230接收辅助绕组209同名端的电压来判断是否触发OVP;如果触发了OVP,开关电源芯片216在输出管脚225输出低电平以使功率开关217保持断开状态;次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过第二一二整流器212对第二一三电容器213的供电减少,开关电源芯片216的供电管脚221电压降低;开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测。
图3是根据本发明实施例的开关电源芯片216内部OTP、OVP及BOP的简化示意图及简化时序图。请参阅图3,所述开关电源系统200还包括:第三零一电流源301和第三零二电流源302,第三零三开关303、第三零四开关304、第三零五开关305、第三零六开关306、第三零七开关307和第三零八开关308,第三一二或门312。
其中,第三零三开关303、第三零四开关304、第三零五开关305、第三零六开关306、第三零七开关307和第三零八开关308分别由Sotp1信号、Sotp2信号、Sbop信号、Sovp信号、Sotp1信号和Sotp2信号控制;当控制信号为高电平时,相应的开关处于导通状态;当控制信号为低电平时,相应的开关处于断开状态。
所述输出管脚225变为高电平后,即图3所示的TH阶段,辅助绕组209的同名端的电压VA为负,且与AC输入电压相关;
其中,VAC为AC输入电压,kPA为初级线圈207和辅助绕组209的匝数比;
复用管脚226被嵌位至一固定电压,比如零电位;经过一小段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关305导通;从复用管脚226到辅助绕组209同名端的电流IBOP被BOP检测器311接收;
IBOP与AC输入电压VAC正相关;在BOP检测器311内设定两个电流阈值IBOP_L和IBOP_H,分别对应要进行BOP保护的AC输入低电压和AC输入高电压,通过调节第一电阻228的电阻值RBOP的大小调整BOP的保护电压。
所述输出管脚225变为低电平后的第一时间段,即图3所示的TL1阶段,在其前半段设置为采样时段,SOTP1为高电平,第三零三开关303和第三零七开关307导通;第三零一电流源301的电流IOTP1经过第三零三开关303流向第一整流器229和第一电阻228及第二整流器227和第二电阻215,复用管脚226的电压经过第三零七开关307被OTP检测器309接收并保存为第一OTP电压。
所述输出管脚225变为低电平后的第三时间段,即图3所示的TL3阶段,在其前半段设置为采样时段,SOTP2为高电平,第三零四开关304和第三零八开关308导通;第三零二电流源302的电流IOTP2经过第三零四开关304流向第一整流器229和第一电阻228及第二整流器227和第二电阻215,复用管脚226的电压经过第三零八开关308被OTP检测器309接收并保存为第二OTP电压。
上述第二OTP电压和上述第一OTP电压的差值为:
由此可见,在确定了RBOP、IOTP1和IOTP2之后,ΔVOTP与RT相关;在OTP检测器309内设定电压阈值ΔVOTP_TH,通过调节第二电阻215的电阻值ROTP的大小和温度系数调整OTP的保护温度;例如,第二电阻215(RT)采用负温度系数的电阻,即其电阻值随温度的增加而减小;随着温度的升高,RT减小,ΔVOTP减小;当温度升至需要进行保护的温度时,ΔVOTP减小至ΔVOTP_TH,从而触发OTP保护。
所述输出管脚225变为低电平后的第二时间段,即图3所示的TL2阶段,辅助绕组209同名端耦合次级绕组同名端的电压。在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关306导通;复用管脚226被嵌位至一固定电压;从辅助绕组209同名端经过第三电阻214和整流器230流向复用管脚226的电流IBOP被OVP检测器310接收;
其中,VO为DC输出电压,kSA为次级线圈208和辅助绕组209的匝数比。
由此可见,IOVP与DC输出电压VO正相关;在OVP检测器310内设定电流阈值IOVP_TH,通过调节第三电阻214的大小调整OVP的保护电压。
图4是根据本发明实施例的BOP检测器简化示意图。请参阅图4,所述BOP检测器311包含第四零一电流源401、第四零七电流源407和第四零八电流源408,第四零二晶体管402、第四零三晶体管403、第四零四晶体管404、第四零五晶体管405、第四零六晶体管406、第四零七晶体管407和第四零八晶体管408,第四零九反相器409、第四一零反相器410和第四一一反相器411,第四一二或门412,第四一三计数器413。
所述第四零二晶体管402的第一端分别连接第四零一电流源401的第二端、第四零二晶体管402的栅极、第四零三晶体管403的栅极,第四零二晶体管402的第二端接地;第四零四晶体管404的第一端分别连接第四零一电流源401的第一端、第四零五晶体管405的第一端、第四零六晶体管406的第一端;第四零四晶体管404的第二端分别连接第四零三晶体管403的第一端、第四零四晶体管404的栅极、第四零五晶体管405的栅极、第四零六晶体管406的栅极;第四零三晶体管403的第二端通过第三零五开关305连接复用管脚226;第四零五晶体管405的第二端分别连接第四零七电流源407的第一端、第四零九反相器409的输入端,第四零七电流源407的第二端接地;第四零六晶体管406的第二端分别连接第四零八晶体管408的第一端、第四一一反相器411的输入端,第四零八晶体管408的第二端接地;第四零九反相器409的输出端连接第四一零反相器410的输入端,第四一零反相器410的输出端连接第四一二或门412的第一输入端,第四一一反相器411的输出端连接第四一二或门412的第二输入端,第四一二或门412的输出端连接第四一三计数器413。
所述输出管脚225变为高电平后,经过设定段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关305导通;从复用管脚226到辅助线圈209同名端的电流IBOP被BOP检测器311接收;
IBOP通过第四零四晶体管404被镜像到第四零五晶体管405和第四零六晶体管406,再分别与第四零七电流源407和第四零八电流源408比较,如果第四零四晶体管404的电流大于第四零七电流源407的电流IBOP_H,则BOP_H输出高电平,表示输入AC电压大于最高限值;如果第四零五晶体管405的电流小于第四零八电流源408的电流IBOP_L,BOP_L输出高电平,表示AC电压小于最低限值;BOP_H和BOP_L经过第四一二或门412后进入第四一三计数器413开始计数,满足计数条件后将输出管脚225拉低,开关电源系统停止工作。
图5是根据本发明实施例的OTP检测器简化示意图。请参阅图5,所述OTP检测器309包含第五零一开关501、第五零二开关502、第五零三开关503和第五零四开关504,第一电容器C1和第二电容器C2,第五零七运放507,第五零八比较器508,第五零九计数器509;其中,第五零三开关503和第五零四开关504的控制信号是SOTP2的反向信号。
所述第五零一开关501的第一端连接复用管脚226、第五零二开关502的第一端、第三零三开关303的第二端、第三零四开关304的第二端,第三零三开关303的第一端连接第三零一电流源301,第三零四开关304的第一端连接第三零二电流源302;第五零一开关501的第二端分别连接第一电容器C1的第一端、第五零八比较器508的反相输入端,第一电容器C1的第二端接地;所述第五零二开关502的第二端分别连接第二电容器C2的第二端、第五零四开关504的第一端,第五零四开关504的第二端接地;所述第五零三开关503的第一端分别连接第五零七运放507的输出端、第五零七运放507的反相输入端,第五零三开关503的第二端分别连接第二电容器C2的第一端、第五零八比较器508的正相输入端;所述第五零七运放507的正相输入端接入基准电压VREF;第五零八比较器508的输出端连接所述第五零九计数器509。
所述输出管脚225变为低电平后的第一时间段,即图3所示的TL1阶段,所述第一OTP电压被采样保持在第一电容器C1上;同时,基准电压VREF经过第五零七运放507后将电压保存在第二电容器C2上;
所述输出管脚225变为低电平后的第三时间段,即图3所示的TL3阶段,所述第二OTP电压连接到第二电容器C2的下级板,所以第二电容器C2上极板的电压为所述第二OTP电压与基准电压VREF之和;第五零八比较器508将所述第一OTP电压和所述第二OTP电压与基准电压VREF之和进行比较,若所述第二OTP电压与基准电压VREF之和大于所述第一OTP电压,则第五零九计数器509开始计数,满足计数条件后将输出管脚225拉低,开关电源系统停止工作。
图6是根据本发明实施例的OVP检测器简化示意图。请参阅图6,所述OVP检测器310包含第六零一电流源601和第六零二电流源602,第六零三晶体管603和第六零四晶体管604,第六零五电阻605和第六零六电阻606,第六零七反相器607,第六零八计数器608。
所述第六零三晶体管603的第一端分别连接第六零一电流源601、第六零三晶体管603的栅极、第六零四晶体管604的栅极,第六零三晶体管603的第二端分别连接第三零六开关306的第二端、第六零五电阻605的第一端,第三零六开关306的第一端连接所述复用管脚226,第六零五电阻605的第二端接地;第六零四晶体管604的第一端分别连接第六零二电流源602、第六零七反相器607的输入端,第六零四晶体管604的第二端连接第六零六电阻606的第一端,第六零六电阻606的第二端接地;第六零七反相器607的输出端连接第六零八计数器608。
所述输出管脚225变为低电平后的第二个时间段,即图3所示的TL2阶段,辅助绕组209同名端耦合次级绕组同名端的电压;在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关306导通;从辅助绕组209同名端经过第三电阻214和第三整流器230流向复用管脚226的电流IOVP被OVP检测器310接收;
触发OVP的条件为:
其中,IREF为OVP检测器310内部设定的电流,k为OVP检测器310内部第六零六电阻器606和第六零五电阻器605的比例系数,kSA为次级绕组208和辅助绕组209的匝比;通过调节第三电阻214的电阻值ROVP的大小调整OVP的保护阈值。
本发明还揭示一种上述的开关电源系统的管脚复用方法,包括以下步骤:
输出管脚为高电平时,利用第一电阻和第一整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电流信号;
输出管脚为低电平的第一时间段和第三时间段,利用第二电阻和第二整流器将开关电源芯片内部提供的电流信号转换成电压信号;
输出管脚为低电平的第二时间段,利用第三电阻和第三整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电压信号,然后利用第三开关、第四开关、第五开关、第六开关将复用管脚接收到的电压/电流信号输入到相应的检测器。
所述方法具体包括:
所述输出管脚225输出低电平的第一时间段,复用管脚226通过第二电阻215和第二整流器227接收温度信息来判断是否触发OTP;如果触发了OTP,开关电源芯片226在输出管脚225输出低电平以使功率开关217保持断开状态;次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过第二一二整流器212对第二一三电容器213的供电减少,开关电源芯片216的供电管脚221电压降低;在开关电源芯片216的供电管脚221电压降低至重启阈值之前,如果温度降低至允许工作的温度之下,开关电源芯片216重新开始工作,并且再次进行检测;否则,开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测;
输出管脚225输出低电平的第二时间段,复用管脚226通过第三电阻214和第三整流器230接收辅助绕组209同名端的电压来判断是否触发OVP;如果触发了OVP,开关电源芯片216在输出管脚225输出低电平以使功率开关217保持断开状态;次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过第二一二整流器212对第二一三电容器213的供电减少,开关电源芯片216的供电管脚221电压降低;开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测。
实施例二
请参阅图2,本发明揭示一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用电路,所述管脚复用电路连接开关电源芯片的一复用管脚226,根据接收的外部信号对开关电源芯片进行BOP保护、OTP保护及OVP保护。所述开关电源芯片还包括一输出管脚225,所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关。
所述管脚复用电路包括:BOP保护电路、OTP保护电路、OVP保护电路、辅助绕组209、功率开关217。
BOP保护电路用于实现BOP保护,包括第一电阻228、第一整流器229;OTP保护电路用于实现OTP保护,包括第二电阻215、第二整流器227;OVP保护电路用于实现OVP保护,包括第三电阻214、第三整流器230。辅助绕组209用于耦合输入AC电压、输出DC电压;功率开关217用于控制变压器的充放电。
所述第一电阻228的一端连接到所述辅助绕组209同名端,另一端连接到所述第一整流器229的阴极,所述第一整流器229的阳极连接到所述复用管脚226。
所述第二电阻215的一端连接到地,另一端连接到所述第二整流器227的阴极,所述第二整流器227的阳极连接到所述复用管脚226。
所述第三电阻214的一端连接到所述辅助绕组209同名端,另一端连接到所述第三整流器230的阳极;所述第三整流器230的阴极连接到所述复用管脚226。
本发明揭示一种上述的管脚复用电路的管脚复用方法,包括以下步骤:
输出管脚为高电平时,利用第一电阻和第一整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电流信号;
输出管脚为低电平的第一时间段和第三时间段,利用第二电阻和第二整流器将开关电源芯片内部提供的电流信号转换成电压信号;
输出管脚为低电平的第二时间段,利用第三电阻和第三整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电压信号,将复用管脚接收到的电压/电流信号输入到相应的检测器。
实施例三
图2是根据本发明的一个实施例芯片管脚复用的开关电源系统简化示意图。其中,管脚226为复用管脚。
开关电源系统200包括AC整流电路201,高压储能电容202,第二零三电阻203、第二零四电阻204、第三电阻214、第二电阻215、第二一八电阻218和第一电阻228,第二零六整流器206、第二一零整流器210、第二一二整流器212、第二整流器227、第一整流器229和第三整流器230,第二零五电容器205、第二一一电容器211和第二一三电容器213,变压器的初级绕组207,次级绕组208,辅助绕组209,开关电源芯片216,功率开关217,以及反馈组件219。功率开关217可以是场效应晶体管、双极结型晶体管、绝缘栅双极晶体管等。第二零四电阻204、第二零五电容器205以及第二零六整流器206构成了开关电源系统的缓冲吸收回路,辅助绕组209、第二一二整流器212以及第二一三电容器213构成了开关电源系统自供电回路。开关电源芯片216包含供电管脚221(VDD)用于开关电源芯片的供电,电流检测管脚224(CS)用于检测流过初级线圈207的电流,输出管脚225(GATE)用作开关217的栅极,反馈管脚222(FB)用于接收DC输出的反馈信号,复用管脚226(PRT)用于检测变压器退磁信号,同时用作OVP、BOP和OTP,地电位参考管脚223(GND)。
复用管脚226(PRT)连接到第三整流器230的阴极、第一整流器229的阳极、第二整流器227的阳极,第三电阻214连接到第三整流器230的阴极,第一电阻228连接到第一整流器229的阴极,第二电阻215连接到第二整流器227的阴极。第三电阻214和第一电阻228连接到辅助绕组209,第二电阻215连接到管脚223(GND)。第二电阻215可以是热敏电阻,其阻值随温度变化,比如,第二电阻215具有负温度系数,即第二电阻215的电阻随温度的增加而减小。
输出管脚225(GATE)连接到功率开关217的栅极,为功率开关217提供驱动信号以闭合和断开开关。例如,当输出管脚225(GATE)输出高电平时,开关217闭合,能量能储存在初级绕组207中,初级绕组207的同名端电压为低,辅助绕组209的同名端电压为负;当输出管脚225(GATE)输出低电平时,功率开关217断开,存储在初级绕组207中的能量被释放到次级绕组208,次级绕组208的同名端电压为高,辅助绕组209的同名端电压为正。
输出管脚225(GATE)输出高电平时,复用管脚226通过第一电阻228和第一整流器229接收辅助绕组209同名端的电压来判断是否触发BOP。如果触发了BOP,开关电源芯片226在管脚225(GATE)输出低电平以使功率开关227保持断开状态。次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过整流器212对电容器213的供电减少,开关电源芯片216的管脚221(VDD)电压降低,开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测。
输出管脚225(GATE)输出低电平时,复用管脚226通过第二电阻215和第二整流器227接收温度信息来判断是否触发OTP,通过第三电阻214和第三整流器230接收辅助绕组209同名端的电压来判断是否触发OVP。
更进一步地,输出管脚225(GATE)输出低电平的第一时间段,复用管脚226通过第二电阻215和第二整流器227接收温度信息来判断是否触发OTP。如果触发了OTP,开关电源芯片226在管脚225(GATE)输出低电平以使开关227保持断开状态。次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过整流器212对第二一三电容器213的供电减少,开关电源芯片216的管脚221(VDD)电压降低。在开关电源芯片216的管脚221(VDD)电压降低至重启阈值之前,如果温度降低至允许工作的温度之下,开关电源芯片216重新开始工作,并且再次进行检测。否则,开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测。输出管脚225(GATE)输出低电平的第二时间段,复用管脚226通过电阻214和整流器230接收辅助绕组209同名端的电压来判断是否触发OVP。如果触发了OVP,开关电源芯片226在管脚225(GATE)输出低电平以使功率开关227保持断开状态。次级绕组208和辅助绕组209的同名端电压降低,辅助绕组209同名端通过整流器212对电容器213的供电减少,开关电源芯片216的管脚221(VDD)电压降低。开关电源系统200重新启动,启动完成后再次进行检测。
图3是根据本发明实施例的开关电源芯片216内部OTP、OVP及BOP的简化示意图及简化时序图。例如,OTP、OVP及BOP的内部电路包括电流源301和302,开关303、304、305、306、307和308,OTP检测器309,OVP检测器310,BOP检测器311,或门312。其中,开关303、304、305、306、307和308分别由Sotp1、Sotp2、Sbop、Sovp、Sotp1和Sotp2控制。当控制信号为高电平时,相应的开关处于导通状态;当控制信号为低电平时,相应的开关处于断开状态。
输出管脚225(GATE)变为高电平后,即图3所示的TH阶段,辅助绕组209的同名端的电压VA为负,且与AC输入电压相关。
其中,VAC为AC输入电压,kPA为初级线圈207和辅助线圈209的匝数比。
复用管脚226(PRT)被嵌位至一固定电压,比如零电位。经过一小段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,开关305导通。从复用管脚226(PRT)到辅助线圈209同名端的电流IBOP被BOP检测器311接收。
由此可见,IBOP与AC输入电压VAC正相关。在BOP检测器311内设定两个电流阈值IBOP_L和IBOP_H,分别对应要进行BOP保护的AC输入低电压和AC输入高电压,通过调节电阻228(RBOP)的大小可以调整BOP的保护电压。
输出管脚225(GATE)变为低电平后的第一时间段,即图3所示的TL1阶段,在其前半段设置为采样时段,SOTP1为高电平,第三零三开关303和第三零七开关307导通。电流源301的电流IOTP1经过开关303流向整流器229和电阻228及第二整流器227和第二电阻215,复用管脚PRT的电压经过第三零七开关307被OTP检测器309接收并保存为第一OTP电压。
输出管脚225(GATE)变为低电平后的第三时间段,即图3所示的TL3阶段,在其前半段设置为采样时段,SOTP2为高电平,开关304和308导通。电流源302的电流IOTP2经过开关304流向第一整流器229和第一电阻228及第二整流器227和第二电阻215,复用管脚PRT的电压经过开关308被OTP检测器309接收并保存为第二OTP电压。
上述第二OTP电压和上述第一OTP电压的差值为:
由此可见,在确定了RBOP、IOTP1和IOTP2之后,ΔVOTP与RT相关。在OTP检测器309内设定电压阈值ΔVOTP_TH,通过调节第二电阻215(ROTP)的大小和温度系数可以调整OTP的保护温度。例如,第二电阻215(RT)采用负温度系数的电阻,即其电阻值随温度的增加而减小。随着温度的升高,RT减小,ΔVOTP减小。当温度升至需要进行保护的温度时,ΔVOTP减小至ΔVOTP_TH,从而触发OTP保护。
输出管脚225(GATE)变为低电平后的第二时间段,即图3所示的TL2阶段,辅助绕组209同名端耦合次级绕组同名端的电压。在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,开关306导通。复用管脚226(PRT)被嵌位至一固定电压,比如零电位。从辅助绕组209同名端经过第三电阻214(ROVP)和第三整流器230流向复用管脚226(PRT)的电流IBOP被OVP检测器310接收。
其中,VO为DC输出电压,kSA为次级线圈208和辅助线圈209的匝数比。
由此可见,IOVP与DC输出电压VO正相关。在OVP检测器310内设定电流阈值IOVP_TH,通过调节电阻214(ROVP)的大小可以调整OVP的保护电压。
图4是根据本发明实施例的BOP检测器简化示意图。BOP检测器311包含电流源401、电流源407和电流源408,晶体管402、晶体管403、晶体管404、晶体管405、晶体管406、晶体管407和晶体管408,反相器409、反相器410和反相器411,或门412,计数器413。
输出管脚225(GATE)变为高电平后,即图3所示的TH阶段,经过一小段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,开关305导通。从复用管脚226(PRT)到辅助线圈209同名端的电流IBOP被BOP检测器311接收。
IBOP通过晶体管404被镜像到晶体管405和晶体管406,再分别与电流源407和电流源408比较,如果晶体管404的电流大于电流源407的电流IBOP_H,则BOP_H输出高电平,表示输入AC电压大于最高限值;如果晶体管405的电流小于电流源408的电流IBOP_L,BOP_L输出高电平,表示AC电压小于最低限值。BOP_H和BOP_L经过或门412后进入计数器413开始计数,满足计数条件后将管脚225(GATE)拉低,开关电源系统停止工作。
图5是根据本发明实施例的OTP检测器简化示意图。OTP检测器309包含开关501、开关502、开关503和开关504,电容器C1和电容器C2,运放507,比较器508,计数器509。其中,开关503和开关504的控制信号是SOTP2的反向信号。
输出管脚225(GATE)变为低电平后的第一时间段,即图3所示的TL1阶段,所述第一OTP电压被采样保持在电容器C1上。同时,基准电压VREF经过运放507后将电压保存在电容器C2上。
输出管脚225(GATE)变为低电平后的第三时间段,即图3所示的TL3阶段,所述第二OTP电压连接到电容器C2的下级板,所以电容器C2上极板的电压为所述第二OTP电压与基准电压VREF之和。比较器508将所述第一OTP电压和所述第二OTP电压与基准电压VREF之和进行比较,若所述第二OTP电压与基准电压VREF之和大于所述第一OTP电压,则开始计数,满足计数条件后将管脚225(GATE)拉低,开关电源系统停止工作。
图6是根据本发明实施例的OVP检测器简化示意图。OVP检测器310包含电流源601和602,晶体管603和晶体管604,电阻605和电阻606,反相器607,计数器608。
输出管脚225(GATE)变为低电平后的第二个时间段,即图3所示的TL2阶段,辅助绕组209同名端耦合次级绕组同名端的电压。在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,开关306导通。从辅助绕组209同名端经过第三电阻214(ROVP)和整流器230流向复用管脚226(PRT)的电流IOVP被OVP检测器310接收。
例如,I1=I2=IREF,晶体管603和604大小相同,R2=k*R1(R2为第六零六电阻器606的阻值,R1为第六零五电阻器605的阻值)。则晶体管603和604的源级电压相等,即:
VS_603=VS_604=(IREF+IOVP)×R1
流过电阻606(可称为R2)的电流:
随着DC输出电压VO增大,IOVP增大,IR2也增大,当IR2增大到大于IREF后,反相器607的输出变为高电平,计数器413开始计数,满足计数条件后将管脚225(GATE)拉低,开关电源系统停止工作。
因此,触发OVP的条件为:
其中,IREF为OVP检测器310内部设定的电流,k为OVP检测器310内部第六零六电阻器606和第六零五电阻器605的比例系数,kSA为次级绕组208和辅助绕组209的匝比。通过调节第三电阻214的电阻值ROVP的大小,可以调整OVP的保护阈值。
实施例四
请参阅图2,本发明揭示一种开关电源系统,所述开关电源系统200包括:开关电源芯片216、管脚复用电路;
所述开关电源芯片216包含:复用管脚226、输出管脚225,复用管脚226用于检测变压器退磁信号,同时用作OVP保护、BOP保护和OTP保护;所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关;所述输出管脚225用于提供驱动信号以闭合和断开开关;
所述管脚复用电路包括:
-BOP保护电路,用于实现BOP保护,包括第一电阻228、第一整流器229;
-OTP保护电路,用于实现OTP保护,包括第二电阻215、第二整流器227;
-OVP保护电路,用于实现OVP保护,包括第三电阻214、第三整流器230;
-辅助绕组209,用于耦合输入AC电压、输出DC电压;以及
-功率开关,用于控制变压器的充放电;
所述第一电阻228的一端连接到所述辅助绕组209同名端,另一端连接到所述第一整流器229的阴极,所述第一整流器229的阳极连接到所述复用管脚226;
所述第二电阻215的一端连接到地,另一端连接到所述第二整流器227的阴极,所述第二整流器227的阳极连接到所述复用管脚226;
所述第三电阻214的一端连接到所述辅助绕组209同名端,另一端连接到所述第三整流器230的阳极;所述第三整流器230的阴极连接到所述复用管脚226。
综上所述,本发明提出的开关电源芯片及其管脚复用电路、管脚复用方法,利用输出管脚的不同电位,通过外部电阻和整流器对相关信号进行采样,再通过不同的开关将复用管脚采样到的信号输入到相应的检测器中,以判断是否触发了保护条件。采用本发明的开关电源管脚复用电路和复用方法,能够在不增加芯片封装管脚及封装成本的前提下,为开关电源系统提供完善的自保护方案。
这里本发明的描述和应用是说明性的,并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的,对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是,在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以以其它形式、结构、布置、比例,以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下,可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (8)
1.一种用于开关电源芯片自保护的管脚复用电路,其特征在于,所述管脚复用电路连接开关电源芯片的一复用管脚(226),根据接收的外部信号对开关电源芯片进行BOP保护、OTP保护及OVP保护;
所述开关电源芯片还包括一输出管脚(225),所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关;
所述管脚复用电路包括:
-BOP保护电路,用于实现BOP保护,包括第一电阻(228)、第一整流器(229);
-OTP保护电路,用于实现OTP保护,包括第二电阻(215)、第二整流器(227);
-OVP保护电路,用于实现OVP保护,包括第三电阻(214)、第三整流器(230);
-辅助绕组(209),用于耦合输入AC电压、输出DC电压;以及
-功率开关,用于控制变压器的充放电;
所述第一电阻(228)的一端连接到所述辅助绕组(209)同名端,另一端连接到所述第一整流器(229)的阴极,所述第一整流器(229)的阳极连接到所述复用管脚(226);
所述第二电阻(215)的一端连接到地,另一端连接到所述第二整流器(227)的阴极,所述第二整流器(227)的阳极连接到所述复用管脚(226);
所述第三电阻(214)的一端连接到所述辅助绕组(209)同名端,另一端连接到所述第三整流器(230)的阳极;所述第三整流器(230)的阴极连接到所述复用管脚(226);
所述OTP保护电路包括OTP检测器(309),用于实现OTP检测;
所述OVP保护电路包括OVP检测器(310),用于实现OVP检测;
所述BOP保护电路包括BOP检测器(311),用于实现BOP检测;
所述BOP检测器(311)包含第四零一电流源(401)、第四零七电流源(407)和第四零八电流源(408),第四零二晶体管(402)、第四零三晶体管(403)、第四零四晶体管(404)、第四零五晶体管(405)、第四零六晶体管(406)、第四零七晶体管(407)和第四零八晶体管(408),第四零九反相器(409)、第四一零反相器(410)和第四一一反相器(411),第四一二或门(412),第四一三计数器(413);
所述第四零二晶体管(402)的第一端分别连接第四零一电流源(401)的第二端、第四零二晶体管(402)的栅极、第四零三晶体管(403)的栅极,第四零二晶体管(402)的第二端接地;第四零四晶体管(404)的第一端分别连接第四零一电流源(401)的第一端、第四零五晶体管(405)的第一端、第四零六晶体管(406)的第一端;第四零四晶体管(404)的第二端分别连接第四零三晶体管(403)的第一端、第四零四晶体管(404)的栅极、第四零五晶体管(405)的栅极、第四零六晶体管(406)的栅极;第四零三晶体管(403)的第二端通过第三零五开关(305)连接复用管脚(226);第四零五晶体管(405)的第二端分别连接第四零七电流源(407)的第一端、第四零九反相器(409)的输入端,第四零七电流源(407)的第二端接地;第四零六晶体管(406)的第二端分别连接第四零八晶体管(408)的第一端、第四一一反相器(411)的输入端,第四零八晶体管(408)的第二端接地;第四零九反相器(409)的输出端连接第四一零反相器(410)的输入端,第四一零反相器(410)的输出端连接第四一二或门(412)的第一输入端,第四一一反相器(411)的输出端连接第四一二或门(412)的第二输入端,第四一二或门(412)的输出端连接第四一三计数器(413);
所述输出管脚(225)变为高电平后,经过设定段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关(305)导通;从复用管脚(226)到辅助线圈(209)同名端的电流IBOP被BOP检测器(311)接收;
IBOP通过第四零四晶体管(404)被镜像到第四零五晶体管(405)和第四零六晶体管(406),再分别与第四零七电流源(407)和第四零八电流源(408)比较,如果第四零四晶体管(404)的电流大于第四零七电流源(407)的电流IBOP_H,则BOP_H输出高电平,表示输入AC电压大于最高限值;如果第四零五晶体管(405)的电流小于第四零八电流源(408)的电流IBOP_L,BOP_L输出高电平,表示AC电压小于最低限值;BOP_H和BOP_L经过第四一二或门(412)后进入第四一三计数器(413)开始计数,满足计数条件后将输出管脚(225)拉低,开关电源系统停止工作。
2.根据权利要求1所述的用于开关电源芯片自保护的管脚复用电路,其特征在于:
所述OTP检测器(309)包含第五零一开关(501)、第五零二开关(502)、第五零三开关(503)和第五零四开关(504),第一电容器(C1)和第二电容器(C2),第五零七运放(507),第五零八比较器(508),第五零九计数器(509);其中,第五零三开关(503)和第五零四开关(504)的控制信号是SOTP2的反向信号;
所述第五零一开关(501)的第一端连接复用管脚(226)、第五零二开关(502)的第一端、第三零三开关(303)的第二端、第三零四开关(304)的第二端,第三零三开关(303)的第一端连接第三零一电流源(301),第三零四开关(304)的第一端连接第三零二电流源(302);第五零一开关(501)的第二端分别连接第一电容器(C1)的第一端、第五零八比较器(508)的反相输入端,第一电容器(C1)的第二端接地;所述第五零二开关(502)的第二端分别连接第二电容器(C2)的第二端、第五零四开关(504)的第一端,第五零四开关(504)的第二端接地;所述第五零三开关(503)的第一端分别连接第五零七运放(507)的输出端、第五零七运放(507)的反相输入端,第五零三开关(503)的第二端分别连接第二电容器(C2)的第一端、第五零八比较器(508)的正相输入端;所述第五零七运放(507)的正相输入端接入基准电压VREF;第五零八比较器(508)的输出端连接所述第五零九计数器(509);
所述输出管脚(225)变为低电平后的第一时间段,第一OTP电压被采样保持在第一电容器(C1)上;同时,基准电压VREF经过第五零七运放(507)后将电压保存在第二电容器(C2)上;
所述输出管脚(225)变为低电平后的第三时间段,第二OTP电压连接到第二电容器(C2)的下级板,所以第二电容器(C2)上极板的电压为所述第二OTP电压与基准电压VREF之和;第五零八比较器(508)将所述第一OTP电压和所述第二OTP电压与基准电压VREF之和进行比较,若所述第二OTP电压与基准电压VREF之和大于所述第一OTP电压,则第五零九计数器(509)开始计数,满足计数条件后将输出管脚(225)拉低,开关电源系统停止工作。
3.根据权利要求1所述的用于开关电源芯片自保护的管脚复用电路,其特征在于:
所述OVP检测器(310)包含第六零一电流源(601)和第六零二电流源(602),第六零三晶体管(603)和第六零四晶体管(604),第六零五电阻(605)和第六零六电阻(606),第六零七反相器(607),第六零八计数器(608);
所述第六零三晶体管(603)的第一端分别连接第六零一电流源(601)、第六零三晶体管(603)的栅极、第六零四晶体管(604)的栅极,第六零三晶体管(603)的第二端分别连接第三零六开关(306)的第二端、第六零五电阻(605)的第一端,第三零六开关(306)的第一端连接所述复用管脚(226),第六零五电阻(605)的第二端接地;第六零四晶体管(604)的第一端分别连接第六零二电流源(602)、第六零七反相器(607)的输入端,第六零四晶体管(604)的第二端连接第六零六电阻(606)的第一端,第六零六电阻(606)的第二端接地;第六零七反相器(607)的输出端连接第六零八计数器(608);
所述输出管脚(225)变为低电平后的第二个时间段,辅助绕组(209)同名端耦合次级绕组同名端的电压;在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关(306)导通;从辅助绕组(209)同名端经过第三电阻(214)和第三整流器(230)流向复用管脚(226)的电流IOVP被OVP检测器(310)接收;
触发OVP的条件为:
其中,VO为DC输出电压,IREF为OVP检测器(310)内部设定的电流,k为OVP检测器(310)内部第六零六电阻(606)和第六零五电阻(605)的比例系数,kSA为次级绕组(208)和辅助绕组(209)的匝比;通过调节第三电阻(214)的电阻值ROVP的大小调整OVP的保护阈值。
4.一种权利要求1所述的管脚复用电路的管脚复用方法,其特征在于,包括以下步骤:
输出管脚为高电平时,利用第一电阻和第一整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电流信号;
输出管脚为低电平的第一时间段和第三时间段,利用第二电阻和第二整流器将开关电源芯片内部提供的电流信号转换成电压信号;
输出管脚为低电平的第二时间段,利用第三电阻和第三整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电压信号,将复用管脚接收到的电压/电流信号输入到相应的检测器。
5.一种开关电源系统,其特征在于,所述开关电源系统(200)包括:AC整流电路(201),高压储能电容(202),第二零三电阻(203)、第二零四电阻(204)、第三电阻(214)、第二电阻(215)、第二一八电阻(218)和第一电阻(228),第二零六整流器(206)、第二一零整流器(210)、第二一二整流器(212)、第二整流器(227)、第一整流器(229)和第三整流器(230),第二零五电容器(205)、第二一一电容器(211)和第二一三电容器(213),初级绕组(207),次级绕组(208),辅助绕组(209),开关电源芯片(216),功率开关(217),以及反馈组件(219);
所述第一电阻(228)、第一整流器(229)作为BOP保护电路的一部分,第二电阻(215)、第二整流器(227)作为OTP保护电路的一部分,第三电阻(214)、第三整流器(230)作为OVP保护电路的一部分;
所述OTP保护电路还包括OTP检测器(309),OVP保护电路包括OVP检测器(310),BOP保护电路包括BOP检测器(311);
所述功率开关(217)为场效应晶体管或双极结型晶体管或绝缘栅双极晶体管;第二零四电阻(204)、第二零五电容器(205)以及第二零六整流器(206)构成了开关电源系统的缓冲吸收回路,辅助绕组(209)、第二一二整流器(212)以及第二一三电容器(213)构成了开关电源系统自供电回路;
所述开关电源芯片(216)包含:
-供电管脚(221),用于开关电源芯片的供电;
-电流检测管脚(224),用于检测流过初级线圈(207)的电流;
-输出管脚(225),用作功率开关(217)的栅极;
-反馈管脚(222),用于接收DC输出的反馈信号;
-复用管脚(226),用于检测变压器退磁信号,同时用作OVP保护、BOP保护和OTP保护;
-地电位参考管脚(223);
所述复用管脚(226)连接到第三整流器(230)的阴极、第一整流器(229)的阳极、第二整流器(227)的阳极,第三电阻(214)连接到第三整流器(230)的阴极,第一电阻(228)连接到第一整流器(229)的阴极,第二电阻(215)连接到第二整流器(227)的阴极;第三电阻(214)和第一电阻(228)连接到辅助绕组(209),第二电阻(215)连接到地电位参考管脚(223);第二电阻(215)是热敏电阻,其阻值随温度变化;第二电阻(215)具有负温度系数,即第二电阻(215)的电阻随温度的增加而减小;
所述输出管脚(225)连接到功率开关(217)的栅极,为功率开关(217)提供驱动信号以闭合和断开开关;当输出管脚(225)输出高电平时,功率开关(217)闭合,能量能储存在初级绕组(207)中,初级绕组(207)的同名端电压为低,辅助绕组(209)的同名端电压为负;当输出管脚(225)输出低电平时,功率开关(217)断开,存储在初级绕组(207)中的能量被释放到次级绕组(208),次级绕组(208)的同名端电压为高,辅助绕组(209)的同名端电压为正;
所述输出管脚(225)输出高电平时,复用管脚(226)通过第一电阻(228)和第一整流器(229)接收辅助绕组(209)同名端的电压来判断是否触发BOP;如果触发了BOP,开关电源芯片(216)在输出管脚(225)输出低电平以使功率开关(217)保持断开状态;次级绕组(208)和辅助绕组(209)的同名端电压降低,辅助绕组(209)同名端通过第二一二整流器(212)对第二一三电容器(213)的供电减少,开关电源芯片(216)的供电管脚(221)电压降低,开关电源系统(200)重新启动,启动完成后再次进行检测;
所述输出管脚(225)输出低电平时,复用管脚(226)通过第二电阻(215)和第二整流器(227)接收温度信息来判断是否触发OTP,通过第三电阻(214)和第三整流器(230)接收辅助绕组(209)同名端的电压来判断是否触发OVP;
所述输出管脚(225)输出低电平的第一时间段,复用管脚(226)通过第二电阻(215)和第二整流器(227)接收温度信息来判断是否触发OTP;如果触发了OTP,开关电源芯片(216)在输出管脚(225)输出低电平以使功率开关(217)保持断开状态;次级绕组(208)和辅助绕组(209)的同名端电压降低,辅助绕组(209)同名端通过第二一二整流器(212)对第二一三电容器(213)的供电减少,开关电源芯片(216)的供电管脚(221)电压降低;在开关电源芯片(216)的供电管脚(221)电压降低至重启阈值之前,如果温度降低至允许工作的温度之下,开关电源芯片(216)重新开始工作,并且再次进行检测;否则,开关电源系统(200)重新启动,启动完成后再次进行检测;输出管脚(225)输出低电平的第二时间段,复用管脚(226)通过第三电阻(214)和第三整流器(230)接收辅助绕组(209)同名端的电压来判断是否触发OVP;如果触发了OVP,开关电源芯片(216)在输出管脚(225)输出低电平以使功率开关(217)保持断开状态;次级绕组(208)和辅助绕组(209)的同名端电压降低,辅助绕组(209)同名端通过第二一二整流器(212)对第二一三电容器(213)的供电减少,开关电源芯片(216)的供电管脚(221)电压降低;开关电源系统(200)重新启动,启动完成后再次进行检测;
所述开关电源系统(200)还包括:第三零一电流源(301)和第三零二电流源(302),第三零三开关(303)、第三零四开关(304)、第三零五开关(305)、第三零六开关(306)、第三零七开关(307)和第三零八开关(308),第三一二或门(312);
其中,第三零三开关(303)、第三零四开关(304)、第三零五开关(305)、第三零六开关(306)、第三零七开关(307)和第三零八开关(308)分别由Sotp1信号、Sotp2信号、Sbop信号、Sovp信号、Sotp1信号和Sotp2信号控制;当控制信号为高电平时,相应的开关处于导通状态;当控制信号为低电平时,相应的开关处于断开状态;
所述输出管脚(225)变为高电平后,辅助绕组(209)的同名端的电压VA为负,且与AC输入电压相关;
其中,VAC为AC输入电压,kPA为初级线圈207和辅助绕组(209)的匝数比;
复用管脚(226)被嵌位至一固定电压;经过一小段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关(305)导通;从复用管脚(226)到辅助绕组(209)同名端的电流IBOP被BOP检测器(311)接收;
IBOP与AC输入电压VAC正相关;在BOP检测器(311)内设定两个电流阈值IBOP_L和IBOP_H,分别对应要进行BOP保护的AC输入低电压和AC输入高电压,通过调节第一电阻(228)的电阻值RBOP的大小调整BOP的保护电压;
所述输出管脚(225)变为低电平后的第一时间段,在其前半段设置为采样时段,SOTP1为高电平,第三零三开关(303)和第三零七开关(307)导通;第三零一电流源(301)的电流IOTP1经过第三零三开关(303)流向第一整流器(229)和第一电阻(228)及第二整流器(227)和第二电阻(215),复用管脚(226)的电压经过第三零七开关(307)被OTP检测器(309)接收并保存为第一OTP电压;
所述输出管脚(225)变为低电平后的第三时间段,在其前半段设置为采样时段,SOTP2为高电平,第三零四开关(304)和第三零八开关(308)导通;第三零二电流源(302)的电流IOTP2经过第三零四开关(304)流向第一整流器(229)和第一电阻(228)及第二整流器(227)和第二电阻(215),复用管脚(226)的电压经过第三零八开关(308)被OTP检测器(309)接收并保存为第二OTP电压;
上述第二OTP电压和上述第一OTP电压的差值为:
由此可见,在确定了RBOP、IOTP1和IOTP2之后,ΔVOTP与RT相关;在OTP检测器(309)内设定电压阈值ΔVOTP_TH,通过调节第二电阻(215)的电阻值ROTP的大小和温度系数调整OTP的保护温度;第二电阻(215)采用负温度系数的电阻,即其电阻值随温度的增加而减小;随着温度的升高,RT减小,ΔVOTP减小;当温度升至需要进行保护的温度时,ΔVOTP减小至ΔVOTP_TH,从而触发OTP保护;
所述输出管脚(225)变为低电平后的第二时间段,辅助绕组(209)同名端耦合次级绕组同名端的电压;在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关(306)导通;复用管脚(226)被嵌位至一固定电压;从辅助绕组(209)同名端经过第三电阻(214)和整流器230流向复用管脚(226)的电流IBOP被OVP检测器(310)接收;
其中,VO为DC输出电压,kSA为次级线圈208和辅助绕组(209)的匝数比;
由此可见,IOVP与DC输出电压VO正相关;在OVP检测器(310)内设定电流阈值IOVP_TH,通过调节第三电阻(214)的大小调整OVP的保护电压;
所述OTP检测器(309)包含第五零一开关(501)、第五零二开关(502)、第五零三开关(503)和第五零四开关(504),第一电容器(C1)和第二电容器(C2),第五零七运放(507),第五零八比较器(508),第五零九计数器(509);其中,第五零三开关(503)和第五零四开关(504)的控制信号是SOTP2的反向信号;
所述第五零一开关(501)的第一端连接复用管脚(226)、第五零二开关(502)的第一端、第三零三开关(303)的第二端、第三零四开关(304)的第二端,第三零三开关(303)的第一端连接第三零一电流源(301),第三零四开关(304)的第一端连接第三零二电流源(302);第五零一开关(501)的第二端分别连接第一电容器(C1)的第一端、第五零八比较器(508)的反相输入端,第一电容器(C1)的第二端接地;所述第五零二开关(502)的第二端分别连接第二电容器(C2)的第二端、第五零四开关(504)的第一端,第五零四开关(504)的第二端接地;所述第五零三开关(503)的第一端分别连接第五零七运放(507)的输出端、第五零七运放(507)的反相输入端,第五零三开关(503)的第二端分别连接第二电容器(C2)的第一端、第五零八比较器(508)的正相输入端;所述第五零七运放(507)的正相输入端接入基准电压VREF;第五零八比较器(508)的输出端连接所述第五零九计数器(509);
所述输出管脚(225)变为低电平后的第一时间段,所述第一OTP电压被采样保持在第一电容器(C1)上;同时,基准电压VREF经过第五零七运放(507)后将电压保存在第二电容器(C2)上;
所述输出管脚(225)变为低电平后的第三时间段,所述第二OTP电压连接到第二电容器(C2)的下级板,所以第二电容器(C2)上极板的电压为所述第二OTP电压与基准电压VREF之和;第五零八比较器(508)将所述第一OTP电压和所述第二OTP电压与基准电压VREF之和进行比较,若所述第二OTP电压与基准电压VREF之和大于所述第一OTP电压,则第五零九计数器(509)开始计数,满足计数条件后将输出管脚(225)拉低,开关电源系统停止工作;
所述OVP检测器(310)包含第六零一电流源(601)和第六零二电流源(602),第六零三晶体管(603)和第六零四晶体管(604),第六零五电阻(605)和第六零六电阻(606),第六零七反相器(607),第六零八计数器(608);
所述第六零三晶体管(603)的第一端分别连接第六零一电流源(601)、第六零三晶体管(603)的栅极、第六零四晶体管(604)的栅极,第六零三晶体管(603)的第二端分别连接第三零六开关(306)的第二端、第六零五电阻(605)的第一端,第三零六开关(306)的第一端连接所述复用管脚(226),第六零五电阻(605)的第二端接地;第六零四晶体管(604)的第一端分别连接第六零二电流源(602)、第六零七反相器(607)的输入端,第六零四晶体管(604)的第二端连接第六零六电阻(606)的第一端,第六零六电阻(606)的第二端接地;第六零七反相器(607)的输出端连接第六零八计数器(608);
所述输出管脚(225)变为低电平后的第二个时间段,辅助绕组(209)同名端耦合次级绕组同名端的电压;在其前半段设置为采样时段,SOVP为高电平,第三零六开关(306)导通;从辅助绕组(209)同名端经过第三电阻(214)和第三整流器(230)流向复用管脚(226)的电流IOVP被OVP检测器(310)接收;
触发OVP的条件为:
其中,IREF为OVP检测器(310)内部设定的电流,k为OVP检测器(310)内部第六零六电阻(606)和第六零五电阻(605)的比例系数,kSA为次级绕组(208)和辅助绕组(209)的匝比;通过调节第三电阻(214)的电阻值ROVP的大小调整OVP的保护阈值;
所述BOP检测器(311)包含第四零一电流源(401)、第四零七电流源(407)和第四零八电流源(408),第四零二晶体管(402)、第四零三晶体管(403)、第四零四晶体管(404)、第四零五晶体管(405)、第四零六晶体管(406)、第四零七晶体管(407)和第四零八晶体管(408),第四零九反相器(409)、第四一零反相器(410)和第四一一反相器(411),第四一二或门(412),第四一三计数器(413);
所述第四零二晶体管(402)的第一端分别连接第四零一电流源(401)的第二端、第四零二晶体管(402)的栅极、第四零三晶体管(403)的栅极,第四零二晶体管(402)的第二端接地;第四零四晶体管(404)的第一端分别连接第四零一电流源(401)的第一端、第四零五晶体管(405)的第一端、第四零六晶体管(406)的第一端;第四零四晶体管(404)的第二端分别连接第四零三晶体管(403)的第一端、第四零四晶体管(404)的栅极、第四零五晶体管(405)的栅极、第四零六晶体管(406)的栅极;第四零三晶体管(403)的第二端通过第三零五开关(305)连接复用管脚(226);第四零五晶体管(405)的第二端分别连接第四零七电流源(407)的第一端、第四零九反相器(409)的输入端,第四零七电流源(407)的第二端接地;第四零六晶体管(406)的第二端分别连接第四零八晶体管(408)的第一端、第四一一反相器(411)的输入端,第四零八晶体管(408)的第二端接地;第四零九反相器(409)的输出端连接第四一零反相器(410)的输入端,第四一零反相器(410)的输出端连接第四一二或门(412)的第一输入端,第四一一反相器(411)的输出端连接第四一二或门(412)的第二输入端,第四一二或门(412)的输出端连接第四一三计数器(413);
所述输出管脚(225)变为高电平后,经过设定段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关(305)导通;从复用管脚(226)到辅助线圈(209)同名端的电流IBOP被BOP检测器(311)接收;
IBOP通过第四零四晶体管(404)被镜像到第四零五晶体管(405)和第四零六晶体管(406),再分别与第四零七电流源(407)和第四零八电流源(408)比较,如果第四零四晶体管(404)的电流大于第四零七电流源(407)的电流IBOP_H,则BOP_H输出高电平,表示输入AC电压大于最高限值;如果第四零五晶体管(405)的电流小于第四零八电流源(408)的电流IBOP_L,BOP_L输出高电平,表示AC电压小于最低限值;BOP_H和BOP_L经过第四一二或门(412)后进入第四一三计数器(413)开始计数,满足计数条件后将输出管脚(225)拉低,开关电源系统停止工作。
6.一种权利要求5所述的开关电源系统的管脚复用方法,其特征在于,包括以下步骤:
输出管脚为高电平时,利用第一电阻和第一整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电流信号;
输出管脚为低电平的第一时间段和第三时间段,利用第二电阻和第二整流器将开关电源芯片内部提供的电流信号转换成电压信号;
输出管脚为低电平的第二时间段,利用第三电阻和第三整流器将变压器辅助绕组耦合的电压信号转换成电压信号,然后利用第三开关、第四开关、第五开关、第六开关将复用管脚接收到的电压/电流信号输入到相应的检测器。
7.根据权利要求6所述的开关电源系统的管脚复用方法,其特征在于:
所述方法具体包括:
所述输出管脚(225)输出低电平的第一时间段,复用管脚(226)通过第二电阻(215)和第二整流器(227)接收温度信息来判断是否触发OTP;如果触发了OTP,开关电源芯片(226)在输出管脚(225)输出低电平以使功率开关(217)保持断开状态;次级绕组(208)和辅助绕组(209)的同名端电压降低,辅助绕组(209)同名端通过第二一二整流器(212)对第二一三电容器(213)的供电减少,开关电源芯片(216)的供电管脚(221)电压降低;在开关电源芯片(216)的供电管脚(221)电压降低至重启阈值之前,如果温度降低至允许工作的温度之下,开关电源芯片(216)重新开始工作,并且再次进行检测;否则,开关电源系统(200)重新启动,启动完成后再次进行检测;
输出管脚(225)输出低电平的第二时间段,复用管脚(226)通过第三电阻(214)和第三整流器(230)接收辅助绕组(209)同名端的电压来判断是否触发OVP;如果触发了OVP,开关电源芯片(216)在输出管脚(225)输出低电平以使功率开关(217)保持断开状态;次级绕组(208)和辅助绕组(209)的同名端电压降低,辅助绕组(209)同名端通过第二一二整流器(212)对第二一三电容器(213)的供电减少,开关电源芯片(216)的供电管脚(221)电压降低;开关电源系统(200)重新启动,启动完成后再次进行检测。
8.一种开关电源系统,其特征在于,所述开关电源系统(200)包括:开关电源芯片(216)、管脚复用电路;
所述开关电源芯片(216)包含:复用管脚(226)、输出管脚(225),复用管脚(226)用于检测变压器退磁信号,同时用作OVP保护、BOP保护和OTP保护;所述输出管脚用于提供驱动信号以闭合和断开开关;所述输出管脚(225)用于提供驱动信号以闭合和断开开关;
所述管脚复用电路包括:
-BOP保护电路,用于实现BOP保护,包括第一电阻(228)、第一整流器(229);
-OTP保护电路,用于实现OTP保护,包括第二电阻(215)、第二整流器(227);
-OVP保护电路,用于实现OVP保护,包括第三电阻(214)、第三整流器(230);
-辅助绕组(209),用于耦合输入AC电压、输出DC电压;以及
-功率开关,用于控制变压器的充放电;
所述第一电阻(228)的一端连接到所述辅助绕组(209)同名端,另一端连接到所述第一整流器(229)的阴极,所述第一整流器(229)的阳极连接到所述复用管脚(226);
所述第二电阻(215)的一端连接到地,另一端连接到所述第二整流器(227)的阴极,所述第二整流器(227)的阳极连接到所述复用管脚(226);
所述第三电阻(214)的一端连接到所述辅助绕组(209)同名端,另一端连接到所述第三整流器(230)的阳极;所述第三整流器(230)的阴极连接到所述复用管脚(226);
所述OTP保护电路包括OTP检测器(309),用于实现OTP检测;
所述OVP保护电路包括OVP检测器(310),用于实现OVP检测;
所述BOP保护电路包括BOP检测器(311),用于实现BOP检测;
所述BOP检测器(311)包含第四零一电流源(401)、第四零七电流源(407)和第四零八电流源(408),第四零二晶体管(402)、第四零三晶体管(403)、第四零四晶体管(404)、第四零五晶体管(405)、第四零六晶体管(406)、第四零七晶体管(407)和第四零八晶体管(408),第四零九反相器(409)、第四一零反相器(410)和第四一一反相器(411),第四一二或门(412),第四一三计数器(413);
所述第四零二晶体管(402)的第一端分别连接第四零一电流源(401)的第二端、第四零二晶体管(402)的栅极、第四零三晶体管(403)的栅极,第四零二晶体管(402)的第二端接地;第四零四晶体管(404)的第一端分别连接第四零一电流源(401)的第一端、第四零五晶体管(405)的第一端、第四零六晶体管(406)的第一端;第四零四晶体管(404)的第二端分别连接第四零三晶体管(403)的第一端、第四零四晶体管(404)的栅极、第四零五晶体管(405)的栅极、第四零六晶体管(406)的栅极;第四零三晶体管(403)的第二端通过第三零五开关(305)连接复用管脚(226);第四零五晶体管(405)的第二端分别连接第四零七电流源(407)的第一端、第四零九反相器(409)的输入端,第四零七电流源(407)的第二端接地;第四零六晶体管(406)的第二端分别连接第四零八晶体管(408)的第一端、第四一一反相器(411)的输入端,第四零八晶体管(408)的第二端接地;第四零九反相器(409)的输出端连接第四一零反相器(410)的输入端,第四一零反相器(410)的输出端连接第四一二或门(412)的第一输入端,第四一一反相器(411)的输出端连接第四一二或门(412)的第二输入端,第四一二或门(412)的输出端连接第四一三计数器(413);
所述输出管脚(225)变为高电平后,经过设定段时间的消隐时间后,Sbop变为高电平,第三零五开关(305)导通;从复用管脚(226)到辅助线圈(209)同名端的电流IBOP被BOP检测器(311)接收;
IBOP通过第四零四晶体管(404)被镜像到第四零五晶体管(405)和第四零六晶体管(406),再分别与第四零七电流源(407)和第四零八电流源(408)比较,如果第四零四晶体管(404)的电流大于第四零七电流源(407)的电流IBOP_H,则BOP_H输出高电平,表示输入AC电压大于最高限值;如果第四零五晶体管(405)的电流小于第四零八电流源(408)的电流IBOP_L,BOP_L输出高电平,表示AC电压小于最低限值;BOP_H和BOP_L经过第四一二或门(412)后进入第四一三计数器(413)开始计数,满足计数条件后将输出管脚(225)拉低,开关电源系统停止工作。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: Switching power supply chip and its pin multiplexing circuit and pin multiplexing method Effective date of registration: 20230317 Granted publication date: 20201020 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Foshan branch Pledgor: FOSHAN SIFIRST TECHNOLOGIES Ltd. Registration number: Y2023980035214 |