一种控制器IC及其应用
技术领域
本发明涉及一种控制器IC,特别涉及一种开关电源变换器的控制器IC。
背景技术
随着新能源技术的发展,开关电源中宽输入电压范围的直流-直流变换器得到了广泛关注。开关电源直流-直流变换器主要由主电路和控制器两部分构成。主电路用于电能转换,一般由开关装置和整流滤波电路等组成,电路结构有Buck、Boost、反激、全桥等等。控制器用于检测变换器电路的工作状态,并产生控制脉冲信号控制变换器中的开关装置,调节传递给负载的电量以稳定输出。
如图1所示,为宽范围输入应用电路简化图,主功率拓扑为公知技术,包括输入电压VIN、输出电压VOUT、电容CVIN、CVDD和COUT、采样模块、控制模块、振荡器模块、驱动模块、控制器、主功率变压器T、辅助绕组Ns2、主功率管M1和M2、采样电阻Rcs、二极管D1、D2、DOUT器件组成。GT引脚是控制器的驱动输出,用于控制功率管M2的开启和关断;VDD引脚是控制器的电源输入引脚,用于控制器的供电。为了满足宽范围输入,在VIN电压比较低的时候不能满足控制器的供电需求,需要将VIN升压后给控制器的VDD引脚供电,图1所示的升压电路原理是通过采样模块、控制模块、振荡器以及驱动模块结合电感L1、功率管M1和二极管D1构成的升压拓扑实现的。通过控制M1的开关,实现输出VDD电压的上升,当VDD电压达到控制器的启动点之后,通过采样VDD的电压控制振荡器不工作,使功率管M1关断,进而升压拓扑停止给VDD引脚供电。VDD引脚的掉电时间可通过旁路电容CVDD的大小来设计,当输出电压VOUT建立后,可通过辅助绕组Ns2给VDD引脚供电。图1所示的控制器的其它引脚连接关系和功能与本发明无关,图1并未示出。
可见,图1所示的现有技术中,外围模块复杂、元器件多,PCB布板困难,体积大,采购成本和生产成本都很高,不利于高功率密度小体积模块电源的设计。
如图2所示,也是现有技术实现宽范围输入的一种应用电路简化图,与图1相比,它把采样模块、控制模块、振荡器模块和驱动模块集成在控制器1里面,使升压功能通过控制器1和外围功率管M1、电感L1和二极管D1构成的升压拓扑来实现,减少了外围器件,使PCB布局相对简单。但整个电源系统需要用到两个控制器IC和两个功率管,使PCB布板体积增加,而且采购成本和生产成本也较高。
可见,在图1和图2所示的现有技术中,为了满足宽范围输入的要求,外围元器件多,PCB布板困难,体积大,采购成本和生产成本都很高,不满足高密度小体积低成本电源系统的需求。
发明内容
有鉴如此,本发明要解决的技术问题是提供一种控制器IC,集成功率管M1且带升压功能,使宽范围输入要求只通过一个控制器,并且升压拓扑外围只用电感和二极管来实现,简化外围电路,减小PCB布板面积和体积,降低成本,满足高密度小体积低成本电源系统的需求。
本发明解决上述技术问题的技术方案是:
一种控制器IC,应用于开关电源,所述开关电源包括由电感L1、二极管D1和旁路电容CVDD组成的升压外围电路,电感L1一端连接开关电源的输入电压VIN,电感L1另一端连接二极管D1的阳极,二极管D1的阴极连接旁路电容CVDD的一端,旁路电容CVDD的另一端接地;所述控制器IC包括控制器IC的BOS端、控制器IC的VDD端和控制器IC的VSS端,所述VDD端连接外部电压,给控制器IC内部电路供电;所述VSS端为控制器IC的地引脚,连接外部地电位;其特征在于:所述控制器IC内部集成了开关电源用于实现升压功能的主功率开关管M1且自带升压功能,所述控制器IC内部包括升压启动与关断点选择模块,所述升压启动与关断点选择模块能实现当所述BOS端连接外部器件时所述控制器IC具有升压功能,当所述BOS端接地时所述控制器IC无升压功能。
作为控制器IC的一种具体的实施方式,内部还包括:内部电源与基准模块、电阻分压网络模块、IC启动点选择模块、振荡器模块、驱动模块、N型沟道MOS管M2、N型沟道MOS管M3、N型沟道MOS管M4和P型沟道MOS管M5;
所述内部电源与基准模块的输入端与所述VDD端相连,所述内部电源与基准模块的第一输出端连接所述升压启动与关断点选择模块的第一输入端;所述内部电源与基准模块的第二输出端连接所述IC启动点选择模块的第一输入端;所述内部电源与基准模块的第三输出端连接所述N型沟道MOS管M4的栅极和所述P型沟道MOS管M5的源极;所述内部电源与基准模块的第四输出端连接所述N型沟道MOS管M2的栅极;所述内部电源与基准模块的第五输出端连接所述P型沟道MOS管M5的栅极;
所述电阻分压网络模块的输入端与所述VDD端口相连,所述电阻分压网络模块的第一输出端连接所述升压启动与关断点选择模块的第二输入端;所述电阻分压网络模块的第二输出端连接所述IC启动点选择模块的第二输入端;
所述升压启动与关断点选择模块的第三输入端与所述N型沟道MOS管M3的漏极以及所述P型沟道MOS管M5的漏极相连;所述升压启动与关断点选择模块的输出端与所述振荡器模块的第一输入端相连;
所述IC启动点选择模块的第三输入端连接所述N型沟道MOS管M3的漏极以及所述P型沟道MOS管M5的漏极;所述IC启动点选择模块的输出端连接所述振荡器模块的第二输入端;
所述振荡器模块的输出端与所述驱动模块的输入端相连;
所述驱动模块的输出端与所述N型沟道功率MOS管M1的栅极相连;
所述N型沟道功率MOS管M1的漏极和所述N型沟道MOS管M4的漏极分别连接所述BOS端口,所述MOS管M4的源极和所述MOS管M2的漏极分别连接所述MOS管M3的栅极,所述MOS管M3的漏极连接所述MOS管M5的漏极;所述MOS管M1、M2和M3的源极都与控制器IC的内部参考地VSS连接;所有的P沟道MOS管和N沟道MOS管的衬底都与各自的源极连接;
所述内部电源与基准模块,是将控制器的VDD端口电压转换成内部所需的低压电源VCC,用于IC内部所有低压模块供电;并产生所述升压启动与关断点选择模块所需要的基准电压Vref1和所述IC启动点选择模块所需要的基准电压Vref2;并产生两个偏置电压VBN和VBP,分别作为MOS管M2的栅极偏置电压和MOS管M5的栅极偏置电压,使其偏置在正常工作区;
所述电阻分压网络模块,是将控制器的VDD端口电压通过电阻分压网络转换成所述升压启动与关断点选择模块所需要的输入电压VDD1以及所述IC启动点选择模块所需要的输入电压VDD2;
所述升压启动与关断点选择模块,是通过将第一输入电压Vref1和第二输入电压VDD1进行比较,用于设置升压功能的启动点和关断点,其输出电压ENP_BT信号为高电平时,表示启动升压功能,其为低电平时,表示关断升压功能;所述升压启动与关断点选择模块在第三输入信号Boost_L为低电平时,表示升压功能有效,在Boost_L为高电平时,表示升压功能无效;
所述IC启动点与选择模块,是通过将第一输入信号Vref2和第二输入信号VDD2进行比较,用于在第三输入信号Boost_L为低电平时,即实现升压功能的情况下,选择的IC启动点较高;在Boost_L为高电平时,即升压功能无效时,选择的IC启动点较低;所述IC启动点与选择模块,其输出端ENP信号为高电平时,表示IC正常工作,其为低电平时,表示IC不工作;
所述振荡器模块,用于产生升压功能所需要的高频时钟信号CLK;所述振荡器模块只有在第一输入信号ENP_BT和第二输入信号ENP都为高电平时,才输出高频时钟信号CLK,否则输出CLK信号为低电平;
所述驱动模块,用于将输入高频时钟信号CLK转换成MOS管M1的栅极驱动信号DRV。
本发明还提供上述控制器IC在开关电源中的应用方案,如下:
应用方案一:所述BOS端口连接所述二极管D1的阳极,所述VDD端口连接所述二极管D1的阴极,实现所述控制器IC的升压功能。
应用方案二:所述BOS端口外部接地,不实现所述控制器IC的升压功能。
本发明的电路工作原理将在具体实施方式进行详细分析说明,与现有技术相比,将本发明的有益效果总结如下:
1、本发明设计一个检测升压功能与否的BOS引脚,通过其悬空或者接地,或者外接器件,实现升压功能是否有效的切换,满足不同客户对功能的要求,对于宽范围输入和正常范围输入灵活选择应用,增加集成电路的能力。
2、本发明增加了一个升压功能检测引脚BOS,在不增加封装成本的前提下,集成了功率MOS管M1和实现升压功能的模块,高度集成,而且控制器IC内部可使用低压器件,减小IC面积,降低芯片生产成本。
3、本发明只用了一个控制器,就可以实现升压功能,高度集成,使升压拓扑外围只用电感、二极管和旁路电容来实现,简化外围电路,减小PCB布板面积和体积,降低生产成本和采购成本,满足高密度小体积低成本电源系统的需求。
附图说明
图1为现有技术实现宽范围输入的系统应用电路1简化图;
图2为现有技术实现宽范围输入的系统应有电路2简化图;
图3为本发明的控制器IC电路原理框图;
图4为本发明在光耦反馈反激开关电源应用场景中的电路简化图;
图5为本发明控制器IC应用于开关电源第一实施例的电路图;
图6为本发明控制器IC应用于开关电源第二实施例的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进一步详细说明。
图3为本发明的控制器IC电路原理框图,所应用的开关电源包括由电感L1、二极管D1和旁路电容CVDD组成的升压外围电路,电感L1一端连接开关电源的输入电压VIN,电感L1另一端连接二极管D1的阳极,二极管D1的阴极连接旁路电容CVDD的一端,旁路电容CVDD的另一端接地;控制器IC外部引脚包括控制器IC的BOS端、控制器IC的VDD端、和控制器IC的VSS端,内部电路则包括:内部电源与基准模块、电阻分压网络模块、升压启动与关断点选择模块、IC启动点选择模块、振荡器模块、驱动模块、N型沟道功率MOS管M1、N型沟道MOS管M2、N型沟道MOS管M3和、N型沟道MOS管M4、和P型沟道MOS管M5;
内部电源与基准模块的输入端与VDD端相连,内部电源与基准模块的第一输出端连接升压启动与关断点选择模块的第一输入端;内部电源与基准模块的第二输出端连接IC启动点选择模块的第一输入端;内部电源与基准模块的第三输出端连接N型沟道MOS管M4的栅极和P型沟道MOS管M5的源极;内部电源与基准模块的第四输出端连接N型沟道MOS管M2的栅极;内部电源与基准模块的第五输出端连接P型沟道MOS管M5的栅极;
电阻分压网络模块的输入端与VDD端口相连,电阻分压网络模块的第一输出端连接升压启动与关断点选择模块的第二输入端;电阻分压网络模块的第二输出端连接IC启动点选择模块的第二输入端;
升压启动与关断点选择模块的第三输入端与N型沟道MOS管M3的漏极以及P型沟道MOS管M5的漏极相连;升压启动与关断点选择模块的输出端与振荡器模块的第一输入端相连;
IC启动点选择模块的第三输入端连接N型沟道MOS管M3的漏极以及P型沟道MOS管M5的漏极;IC启动点选择模块的输出端连接振荡器模块的第二输入端;
振荡器模块的输出端与驱动模块的输入端相连;
驱动模块的输出端与N型沟道功率MOS管M1的栅极相连;
N型沟道功率MOS管M1的漏极和N型沟道MOS管M4的漏极分别连接BOS端口,MOS管M4的源极和MOS管M2的漏极分别连接MOS管M3的栅极,MOS管M3的漏极连接MOS管M5的漏极;MOS管M1、M2和M3的源极都与控制器IC的内部参考地VSS连接;所有的P沟道MOS管和N沟道MOS管的衬底都与各自的源极连接。
各模块、MOS管的功能或工作原理如下:
内部电源与基准模块:将控制器的VDD端口电压转换成内部所需的低压电源VCC,用于IC内部所有低压模块供电;并产生升压启动与关断点选择模块所需要的基准电压Vref1和IC启动点选择模块所需要的基准电压Vref2;并产生两个偏置电压VBN和VBP,分别作为MOS管M2的栅极偏置电压和MOS管M5的栅极偏置电压,使其偏置在正常工作区;
电阻分压网络模块:将控制器的VDD端口电压通过电阻分压网络转换成升压启动与关断点选择模块所需要的输入电压VDD1以及IC启动点选择模块所需要的输入电压VDD2;可见,VDD1和VDD2的电压大小都可以反映控制器的VDD端口电压;
升压启动与关断点选择模块:通过将第一输入电压Vref1和第二输入电压VDD1进行比较,用于设置升压功能的启动点和关断点,其输出电压ENP_BT信号为高电平时,表示启动升压功能,其为低电平时,表示关断升压功能;一升压启动与关断点选择模块在第三输入信号Boost_L为低电平时,表示升压功能有效,在Boost_L为高电平时,表示升压功能无效;
IC启动点与选择模块:通过将第一输入信号Vref2和第二输入信号VDD2进行比较,用于在第三输入信号Boost_L为低电平时,即实现升压功能的情况下,选择的IC启动点较高;在Boost_L为高电平时,即升压功能无效时,选择的IC启动点较低;一IC启动点与选择模块,其输出端ENP信号为高电平时,表示IC正常工作,其为低电平时,表示IC不工作;
振荡器模块:用于产生升压功能所需要的高频时钟信号CLK;振荡器模块只有在第一输入信号ENP_BT和第二输入信号ENP都为高电平时,才输出高频时钟信号CLK,否则输出CLK信号为低电平;
驱动模块:用于将输入高频时钟信号CLK转换成MOS管M1的栅极驱动信号DRV,提高了驱动能力;
N型沟道功率MOS管M1:用于和控制器外部的电感L1、二极管D1、控制器的VDD端口、以及旁路电容CVDD一起构成升压拓扑,当功率MOS管M1的栅极驱动信号DRV为高电平时,M1管开启,电感L1储能;当功率MOS管M1的栅极驱动信号DRV为低电平时,电感L1存储的能量通过整流二极管D1传递给VDD端口的旁路电容CVDD,使其充电,VDD端口电压上升;
N型沟道MOS管M4:用于将BOS端口电压转换成控制器内部所需的电压信号BOS1,由于MOS管M4的栅极接低压电源VCC,所以使电压信号BOS1的最大电压被钳位在VCC-VTH(MOS管M4的导通阈值),这样与BOS1相连的管子M2和M3都可以用低压管来实现,节省面积;
N型沟道MOS管M2:用于判断控制器的BOS端口是否悬空,如果控制器的BOS端口悬空,那么MOS管M2的偏置电压VBN会使其导通,将电压信号BOS1电位拉到地电位;
N型沟道MOS管M3和P型沟道MOS管M5,这两个管子配合作用产生升压功能有效与否信号Boost_L;如果BOS端口悬空或者接地电位,这样N型沟道MOS管M3的栅极信号就是地电位,MOS管M3不导通,其漏极电位被P型沟道MOS管M5的导通拉成高电位,使输出信号Boost_L为高电平,升压功能无效;如果BOS端口通过电感L1接到输入信号VIN,VIN上电,BOS端口将VIN电位通过MOS管M4转换成BOS1信号,当VIN电位大于MOS管M3的导通阈值后,MOS管M3导通,当M3导通后的抽电流大于通过MOS管M5的灌电流时,其输出信号Boost_L为低电平,升压功能有效。
实施例一
图4为本发明在光耦反馈反激电源的应用场景中的电路简化图,省略了副边光耦与TL431及环路补偿部分。本发明所述一种控制器IC为控制器10中的电路,控制器10中其他电路与本发明无关,在此不展开描述。图4中主功率拓扑为公知技术,包括输入电压VIN、输出电压VOUT、电容CVIN、CVDD和COUT,控制器10、主功率变压器、辅助绕组Ns2、主功率管M1、二极管D1、D2和DOUT、电感L1和采样电阻RCS等器件组成。GT引脚是控制器10的驱动输出,用于控制功率管M1的开启和关断;VDD引脚是控制器10的电源输入引脚,用于控制器的供电;VSS引脚是控制器10的接地引脚,外接地电位;BOS引脚是控制器10的升压功能引脚,通过外接电感L1和二极管D1,结合本发明控制器10中的电路,实现升压功能,解决宽范围输入在VIN电压比较低的时候不能满足控制器10的供电需求问题。图4所示的控制器的其它引脚连接关系和功能与本发明无关,图4并未标示出。
如图5所示,为本发明控制器IC应用于开关电源第一实施例的电路原理图,一种控制器IC具有升压功能的电路,包括控制器的BOS端、控制器的VDD端、控制器的VSS端、内部电源与基准、电阻分压网络、升压启动与关断点选择、IC启动点选择、振荡器、驱动、N型沟道MOS管M1、N型沟道MOS管M2、N型沟道MOS管M3、N型沟道MOS管M4、P型沟道MOS管M5、BOS端口外接电感L1和二极管D1、VDD端口外接旁路电容CVDD。
内部电源与基准,其输入端与控制器的VDD端相连,其第一输出端Vref1与升压启动与关断点选择模块的第一输入端相连,其第二输出端Vref2与IC启动点选择模块的第一输入端相连,其第三输出端VCC与N型沟道MOS管M4的栅极和P型沟道MOS管M5的源极相连,其第四输出端VBN与N型沟道MOS管M2的栅极相连,其第五输出端VBP与P型沟道MOS管M5的栅极相连;
电阻分压网络,其输入端与控制器的VDD端口相连,其第一输出端VDD1与升压启动与关断点选择模块的第二输入端相连,其第二输出端VDD2与IC启动点选择模块的第二输入端相连;
升压启动与关断点选择,其第三输入端Boost_L与N型沟道MOS管M3的漏极以及P型沟道MOS管M5的漏极相连,其输出端ENP_BT与振荡器模块的第一输入端相连;
IC启动点选择,其第三输入端Boost_L与N型沟道MOS管M3的漏极以及P型沟道MOS管M5的漏极相连,其输出端ENP与振荡器模块的第二输入端相连;
振荡器,其输出端CLK与驱动模块的输入端相连;
驱动,其输出端DRV与N型沟道MOS管M1的栅极相连;
N型沟道MOS管M1,其漏极与N型沟道MOS管M4的漏极以及BOS端口相连;
控制器的BOS端口,外部与电感L1的一端及二极管D1的阳极相连;
电感L1的另一端与输入电压VIN相连;
二极管D1,其阴极与控制器的VDD端口以及旁路电容CVDD的一端相连,旁路电容CVDD的另一端接地;
N型沟道MOS管M4,其源极和N型沟道MOS管M2的漏极以及N型沟道MOS管M3的栅极相连,作为信号BOS1;
N型沟道MOS管M3,其漏极与P型沟道MOS管M5的漏极相连,作为输出信号Boost_L;
N型沟道MOS管M1、M2和M3的源极都与控制器IC的内部参考地VSS连接,并连接到控制器的VSS端口;
所有的P型沟道MOS管和N型沟道MOS管的衬底都与各自的源极连接。
本实施例的基本工作原理:
控制器的BOS端口通过与内部功率MOS管M1、控制器外部的电感L1、二极管D1、控制器的VDD端口、以及旁路电容CVDD一起构成升压拓扑,BOS端口通过电感L1接到输入信号VIN,VIN上电,电感L1通直隔交,BOS端口将VIN电位通过MOS管M4转换成BOS1信号,当BOS1信号电压大于MOS管M3的导通阈值后,MOS管M3导通,当M3导通后的抽电流大于通过MOS管M5的灌电流时,其输出信号Boost_L为低电平,升压功能有效。
此时,Boost_L信号输入到升压启动与关断点选择模块中,使其输出信号ENP_BT变成高电平,同时Boost_L信号输入到IC启动点选择模块中,使其输出信号ENP也变成高电平,这两个信号输入到振荡器模块中,使振荡器开始工作,输出高频时钟信号CLK,CLK信号再输入到驱动模块中,产生同步的驱动信号DRV,作为功率MOS管M1的栅极驱动信号。
当功率MOS管M1的栅极驱动信号DRV为高电平时,M1管开启,电感L1储能;当功率MOS管M1的栅极驱动信号DRV为低电平时,电感L1存储的能量通过整流二极管D1传递给VDD端口的旁路电容CVDD,使其充电,VDD端口电压上升,实现升压功能。
升压功能有效,表示根据客户需求,当输入电压VIN较低,需要通过升压,使控制器的VDD端口电压满足控制器IC的供电需求。
当控制器的VDD端口电压达到控制器IC的启动点后,无需再升压,此时升压启动与关断点选择模块输出信号ENP_BT变成低电平,使振荡器不工作,进而使功率MOS管M1不开启。
实施例二
如图6所示,与实施例一相比,区别在于控制器的BOS端外部与地相连,不实现升压功能。
本实施例的基本工作原理:
如图6所示,控制器的BOS端口接地电位,这样N型沟道MOS管M3的栅极信号就是地电位,MOS管M3不导通,其漏极电位被P型沟道MOS管M5的导通拉成高电位,使输出信号Boost_L为高电平,表示升压功能无效。
此时,Boost_L信号输入到升压启动与关断点选择模块中,使其输出信号ENP_BT变成低电平,使能无效;同时Boost_L信号输入到IC启动点选择模块中,使其输出信号ENP也变成低电平,使能无效;这两个信号输入到振荡器模块中,使振荡器不工作,输出信号CLK一直为低电平,CLK信号再输入到驱动模块中,使驱动信号DRV也一直为低电平,功率MOS管M1一直不开启,升压功能无效。
升压功能无效,表示根据客户需求,控制器IC不需要实现升压功能,输入电压VIN可以满足控制器IC的VDD端口的供电需求,所以IC启动点选择和升压启动与关断点选择模块输出都为无效电平。
需要说明的是:本发明涉及的是控制器IC电路架构的申请,其中使用到了多个基本功能电路单元模块,这些电路单元模块的构成及其基本功能都是所属技术领域的技术人员所熟知的,所属技术领域的技术人员只需知晓由基本功能电路单元所构成的整体电路架构以及完整的信号流向即可不花费创造性劳动实施该电路架构的技术方案,即便说明书中未对基本功能电路单元模块作详尽的记载,也不能认为说明书中针对该部分的公开是不充分的。至于各电路单元及其中相应的参数如何设定,则属于在保证整体电路功能的条件下,可以由本领域的技术人员根据具体情况的需要作出具体选择的情形,这些都是所属技术领域的技术人员可以理解并能够实现的。
本发明的实施方式不限于此,按照本发明的上述内容,利用本领域的普通技术知识和惯用手段,在不脱离本发明上述基本技术思想前提下,本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更,均落在本发明权利保护范围之内。