CN112886837A - 开关电源及其控制芯片 - Google Patents

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Abstract

提供了一种开关电源及其控制芯片。该控制芯片包括高压N沟道JFET、电流路径控制模块、PWM控制模块、功率监测模块、及JFET控制模块。高压N沟道JFET的漏极连接控制芯片的高压输入脚、源极连接电流路径控制模块、栅极连接JFET控制模块。电流路径控制模块被配置为控制高压N沟道JFET与控制芯片的内部电路之间的电流路径的导通与关断。PWM控制模块表征控制芯片的内部电路中的耗电部分，被配置为控制开关电源中的功率开关的导通与关断。功率监测模块被配置为监测PWM控制模块的功率消耗，并根据PWM控制模块的功率消耗生成功耗控制信号。JFET控制模块被配置为根据功率控制信号控制高压N沟道JFET的栅极电压。

Description

开关电源及其控制芯片
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种开关电源及其控制芯片。
背景技术
开关电源又称交换式电源、开关变换器，是电源供应器的一种。开关电源的功能是通过不同形式的架构(例如，反激(fly-back)架构、降压(BUCK)架构、或升压(BOOST)架构等)将一个位准的电压转换为用户端所需要的电压或电流。
通常，开关电源用于交流到直流(AC/DC)或直流到直流(DC/DC)的转换，并且主要包括以下电路部分：电磁干扰(EMI)滤波电路、整流滤波电路、功率变换电路、脉宽调制(PWM)控制电路、输出整流滤波电路等，其中，PWM控制电路主要由PWM控制芯片实现。
发明内容
根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片，包括高压N沟道结型场效应晶体管(JFET)、电流路径控制模块、脉宽调制(PWM)控制模块、功率监测模块、以及JFET控制模块，其中：高压N沟道JFET的漏极连接控制芯片的高压输入脚、源极连接电流路径控制模块、栅极连接JFET控制模块；电流路径控制模块被配置为控制高压N沟道JFET与控制芯片的内部电路之间的电流路径的导通与关断；PWM控制模块表征控制芯片的内部电路中的耗电部分，并且被配置为控制开关电源中的功率开关的导通与关断；功率监测模块被配置为监测PWM控制模块的功率消耗，并根据PWM控制模块的功率消耗生成功耗控制信号；并且JFET控制模块被配置为根据功耗控制信号控制高压N沟道JFET的栅极电压，从而控制高压N沟道JFET提供给控制芯片的内部电路的电流。
根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片集成有高压可控供电电流源(即，高压N沟道JFET)，并且通过监测PWM控制模块的功率消耗来调整该高压可控供电电流源的电流输出，可以实现对开关电源的启动和供电。进一步地，由于该高压可控供电电流源集成在控制芯片的高压输入脚，利用高压输入脚即可实现对开关电源的启动和供电两个功能，所以根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片可以省去芯片供电脚。
根据本发明实施例的开关电源，包括如上所述的用于开关电源的控制芯片。
由于根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片可以实现对开关电源的启动和供电并且可以省去芯片供电脚，所以在应用于开关电源时可以省去使用与芯片供电脚连接的和/或用于实现开关电源的启动和供电的外围电路。因此，相比传统的开关电源，根据本发明实施例的开关电源的成本大大降低。
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示出了传统的反激式开关电源的系统电路图。
图2示出了传统的反激式开关电源的系统电路图。
图3示出了根据本发明实施例的反激式开关电源的示例电路图。
图4示出了图3所示的电流路径控制模块302的示例电路实现。
图5示出了图3所示的功率监测模块306的示例逻辑实现。
图6示出了图3所示的JFET控制模块308的示例逻辑实现。
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。
首先，结合图1和图2，说明传统的反激式开关电源及其控制芯片存在的一个或多个问题。
图1示出了传统的反激式开关电源100的系统电路图。在图1所示的反激式开关电源100上电后，输入线电压Vin经由高压启动电阻R1、R2向电容C1充电，并且在电容C1上的电压达到预定值时反激式开关电源100的启动过程完成(即，反激式开关电源100从启动状态进入正常工作状态)。由于在反激式开关电源100上电后高压启动电阻R1、R2两端始终存在很大的电压差值，所以高压启动电阻R1、R2会持续地消耗功率、造成功率损失，这会降低反激式开关电源100的系统效率。如果为了节省反激式开关电源100的功耗而选择较大阻值的高压启动电阻，则电容C1上的电压达到预定值所需要的充电时间会增加，这会使反激式开关电源100的启动时间增加。在兼顾反激式开关电源100的系统效率和启动时间的综合考虑下，高压启动电阻的选择会增加反激式开关电源100的设计难度。同时，高压启动电阻R1、R2和电容C1的使用会增加反激式开关电源100的成本。
另外，在反激式开关电源100处于正常工作状态时，控制芯片I1通过栅极驱动脚GATE驱动功率开关M1的导通与关断的过程会消耗很大的电流。此时，需要由变压器T的辅助绕组NAUX经由二极管D1为控制芯片I1供电，来满足控制芯片I1的电流消耗需求。这里，辅助绕组NAUX和二极管D1的使用也会增加反激式开关电源100的成本。
图2示出了传统的反激式开关电源200的系统电路图。在图2所示的反激式开关电源200上电后，输入线电压Vin经由集成在控制芯片I2的高压输入脚HV和芯片供电脚VDD之间的高压启动电路向电容C1充电，并且在电容C1上的电压达到预定值时反激式开关电源200的启动过程完成(同时，高压启动电路从导通状态变为关断状态)。这里，反激式开关电源200不需要高压启动电阻，并且高压启动电路可以在反激式开关电源200的启动过程完成后从导通状态变为关断状态，所以反激式开关电源200在成本和功耗两方面相比反激式开关电源100都有所降低。但是，控制芯片I2增加了一个高压输入脚HV，并且在反激式开关电源200处于正常工作状态时仍然需要由变压器T的辅助绕组NAUX为控制芯片I2供电来满足控制芯片I2的电流消耗需求。这里，辅助绕组NAUX和二极管D1的使用同样会增加反激式开关电源200的成本。
鉴于结合图1和图2描述的反激式开关电源100、200及其控制芯片I1、I2存在的一个或多个问题，提出了根据本发明实施例的开关电源及其控制芯片。下面，以反激式开关电源为例，详细说明根据本发明实施例的开关电源及其控制芯片。
图3示出了根据本发明实施例的反激式开关电源300的示例电路图。在图3所示的反激式开关电源300中，控制芯片I3包括高压N沟道结型场效应晶体管(JFET)J1、电流路径控制模块302、脉宽调制(PWM)控制模块304、功率监测模块306、以及JFET控制模块308，其中：高压N沟道JFET J1的漏极连接控制芯片I3的高压输入脚HV、源极连接电流路径控制模块302、栅极连接JFET控制模块308；电流路径控制模块302被配置为控制高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径的导通与关断；PWM控制模块304表征控制芯片I3的内部电路中的耗电部分，并且被配置为控制反激式开关电源300中的功率开关M1的导通与关断；功率监测模块306被配置为监测PWM控制模块304的功率消耗，并根据PWM控制模块304的功率消耗生成功耗控制信号；JFET控制模块308被配置为根据功耗控制信号控制高压N沟道JFET J1的栅极电压，从而控制高压N沟道JFET J1提供给控制芯片I3的内部电路的电流(使得高压N沟道JFET J1提供给控制芯片I3的内部电路的电流满足控制芯片I3在启动和正常工作过程中对供电电流的需求)。
在图3所示的反激式开关电源300中，由于控制芯片I3的高压输入脚HV连接输入线电压Vin，所以高压N沟道JFET J1可以利用输入线电压Vin经由电流路径控制模块302为控制芯片I3的内部电路供电。
这里，控制芯片I3集成有高压可控供电电流源(即，高压N沟道JFET)，并且通过监测PWM控制模块的功率消耗(由于PWM控制模块表征控制芯片I3的内部电路中的耗电部分，所以监测PWM控制模块的功率消耗相当于监测控制芯片I3的功率消耗)来调整该高压可控供电电流源的电流输出，可以实现对反激式开关电源300的启动和供电。进一步地，由于该高压可控供电电流源集成在控制芯片I3的高压输入脚HV，利用高压输入脚HV即可实现对反激式开关电源300的启动和供电两个功能，所以控制芯片I3可以省去芯片供电脚VDD。
在图3所示的反激式开关电源300中，电流路径控制模块302的初态设置为导通状态，JFET控制模块308的初态设置在零电位。在图3所示的反激式开关电源300的启动过程中，高压N沟道JFET J1向控制芯片I3的内部电路提供启动电流，以抬升控制芯片I3的内部电路的电源电压。
在一些实施例中，当控制芯片I3的内部电路的电源电压达到启动电压阈值UVLO_OFF时，电流路径控制模块302监测其自身的电流输入端口B和电流输出端口E的电压，并根据电流输入端口B和电流输出端口E之间的电压差值控制高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径的导通与关断。例如，当电流输入端口B和电流输出端口E之间的电压差值低于第一设定阈值时，电流路径控制模块302关断高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径，以防止控制芯片I3的内部电路对高压N沟道JFET J1的电流倒灌。
在一些实施例中，电流路径控制模块302在其电流输出端口E的电压超过第二设定阈值(例如，过压保护电压Vth_ovp)时，也会关断高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路经，以防止控制芯片I3的电源电压过高引起控制芯片I3的内部电路损坏。
在一些实施例中，在控制芯片I3的内部电路开始工作后，PWM控制模块304控制功率开关M1的导通与关断，功率监测模块306通过监测PWM控制模块304的电流消耗、电源电压、以及由PWM控制模块304生成的用于控制功率开关M1的导通与关断的开关控制信号中的至少一者，监测PWM控制模块304的功率消耗。这里，PWM控制模块304的电流消耗和电源电压可以表征控制芯片I3的静态功耗需求，而由PWM控制模块304生成的用于控制功率开关M1的导通与关断的开关控制信号可以表征控制芯片I3的动态功耗需求。功率监测模块308可以实时监测控制芯片I3的静态功耗需求，并且可以通过监测PWM控制模块304生成的用于控制功率开关M1的导通与关断的开关控制信号对控制芯片I3接下来的功耗需求(即，动态功耗需求)进行预判，以提早向JFET控制模块308提出电流输出需求，避免在剧烈的动态功耗变化时由于供电响应不足而造成控制芯片I3的内部电路的电源电压的掉落，从而防止控制芯片I3的内部电路工作异常。
在一些实施例中，功率监测模块306还根据PWM控制模块304的功率消耗生成路径控制信号，以使得电流路径控制模块302根据路径控制信号控制高压N沟道FET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径的导通与关断。例如，在功率监测模块306根据PWM控制模块304的功率消耗确定控制芯片I3的内部电路无电流输入需求时，可以生成指示电流路径控制模块302关断高压N沟道FET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径的路径关断控制信号，以快速切断对控制芯片I3的电流输入，保护控制芯片I3的内部电路不受到过流、过压的冲击。
图4示出了图3所示的电流路径控制模块302的示例电路实现。如图4所示，在一些实施例中，电流路径控制模块302包括开关K和开关控制子模块，开关控制子模块根据电流输入端B、电流输出端E、以及信号输入端D三个端子处的电压来控制开关K的闭合与断开，从而控制高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径的导通与关断。例如，开关控制子模块可以在电流输入端B和电流输出端E之间的电压差值低于第一设定阈值时控制开关K断开，从而关断高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径。再如，开关控制子模块可以在电流输出端E的电压超过第二设定阈值时控制开关K断开，从而关断高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径。再如，开关控制子模块可以在经由信号输入端D接收到来自功率监测模块306的路径关断控制信号时控制开关K断开，从而关断高压N沟道JFET J1与控制芯片I3的内部电路之间的电流路径。
图5示出了图3所示的功率监测模块306的示例逻辑实现。如图5所示，在一些实施例中，功率监测模块306包括电流信息处理子模块、电压信息处理子模块、开关信息处理子模块、以及控制信号生成子模块，其中：电流信息处理子模块监测PWM控制模块304的电流消耗并生成电流消耗表征信号；电压信息处理子模块监测PWM控制模块304的电源电压并生成电源电压表征信号；开关信息处理子模块监测由PWM控制模块304生成的用于控制功率开关M1的导通与关断的开关控制信号并生成开关信号表征信号；控制信号生成子模块根据电流消耗表征信号、电源电压表征信号、以及开关信号表征信号生成功耗控制信号。
图6示出了图3所示的JFET控制模块308的示例逻辑实现。如图6所示，JFET控制模块308包括动态响应控制子模块、调节控制子模块、预判控制子模块、以及控制信号生成子模块，其中：动态响应控制子模块根据功耗控制信号生成动态响应控制信号；调节控制子模块根据功耗控制信号生成调节控制信号；预判控制子模块根据功耗控制模块生成预判控制信号；控制信号生成子模块根据动态响应控制信号、调节控制信号、以及预判控制信号生成用于控制高压N沟道JFET J1的栅极电压的栅极控制信号(即，根据动态响应控制信号、调节控制信号、以及预判控制信号控制高压N沟道JFET J1的栅极电压)。这里，动态响应控制子模块、调节控制子模块、和预判控制子模块均经由端口C接收来自功率监测模块306的功耗控制信号，控制信号生成子模块经由端口A向高压N沟道JFET J1的栅极电压输出栅极控制信号。
从以上描述可以看出，控制芯片I3集成有高压可控供电电流源，通过监测控制芯片I3的功率消耗来调整该高压可控供电电流源的电流输出，可以实现对反激式开关电源300的启动和供电。这里，由于该高压可控供电电流源集成在控制芯片I3的高压输入脚HV，利用高压输入脚HV即可实现对反激式开关电源300的启动和供电两个功能，所以控制芯片I3可以省去芯片供电脚VDD。
在图3所示的反激式开关电源300中，由于控制芯片I3自身可以实现对反激式开关电源300的启动和供电，所以相比图1和图2所示的反激式开关电源100和200，可以省去使用连接在变压器T的辅助绕组NAUX和控制芯片I1/I2的芯片供电脚VDD之间的电容C1和二极管D1，极大地降低了成本。
本领域技术人员应该明白的是，控制芯片I3不仅适用于反激式开关电源300，而且适用于诸如，降压(BUCK)架构或升压(BOOST)架构等其他架构的开关电源。在控制芯片I3应用于例如，BUCK或BOOST架构的开关电源时，可以省去使用与芯片供电脚VDD连接的和/或用于实现BUCK或BOOST架构的开关电源的启动和供电的外围电路。因此，相比传统的BUCK或BOOST架构的开关电源，根据本发明实施例的BUCK或BOOST架构的开关电源的成本大大降低。
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。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。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 (9)

1.一种用于开关电源的控制芯片，包括高压N沟道结型场效应晶体管(JFET)、电流路径控制模块、脉宽调制(PWM)控制模块、功率监测模块、以及JFET控制模块，其中：
所述高压N沟道JFET的漏极连接所述控制芯片的高压输入脚、源极连接所述电流路径控制模块、栅极连接所述JFET控制模块；
所述电流路径控制模块被配置为控制所述高压N沟道JFET与所述控制芯片的内部电路之间的电流路径的导通与关断；
所述PWM控制模块表征所述控制芯片的内部电路中的耗电部分，并且被配置为控制所述开关电源中的功率开关的导通与关断；
所述功率监测模块被配置为监测所述PWM控制模块的功率消耗，并根据所述PWM控制模块的功率消耗生成功耗控制信号；并且
所述JFET控制模块被配置为根据所述功耗控制信号控制所述高压N沟道JFET的栅极电压，从而控制所述高压N沟道JFET提供给所述控制芯片的内部电路的电流。
2.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述电流路径控制模块进一步被配置为根据其自身的电流输入端口和电流输出端口之间的电压差值，控制所述高压N沟道JFET与所述控制芯片的内部电路之间的电流路径的导通与关断。
3.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述电流路径控制模块进一步被配置为根据其自身的电流输出端口的电压，控制所述高压N沟道JFET与所述控制芯片的内部电路之间的电流路径的导通与关断。
4.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述功率监测模块进一步被配置为通过监测所述PWM控制模块的电流消耗、电源电压、以及由所述PWM控制模块生成的用于控制所述功率开关的导通与关断的开关控制信号中的至少一者，监测所述PWM控制模块的功率消耗。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制芯片，其中，所述功率监测模块进一步被配置为根据所述PWM控制模块的功率消耗生成路径控制信号，并且所述电流路径控制模块进一步被配置为根据所述路径控制信号控制所述高压N沟道FET与所述控制芯片的内部电路之间的电流路径的导通与关断。
6.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述JFET控制模块进一步被配置为根据所述功耗控制信号生成动态响应控制信号、调节控制信号、以及预判控制信号，并根据所述动态响应控制信号、所述调节控制信号、以及所述预判控制信号控制所述高压N沟道JFET的栅极电压。
7.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述电流路径控制模块进一步被配置为在其自身的电流输入端口和电流输出端口之间的电压差值低于第一阈值时，关断所述高压N沟道JFET与所述控制芯片的内部电路之间的电流路径。
8.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述电流路径控制模块进一步被配置为在其自身的电流输出端口的电压超过第二阈值时，关断所述高压N沟道JFET与所述控制芯片的内部电路之间的电流路径。
9.一种开关电源，包括权利要求1至8中任一项所述的用于开关电源的控制芯片。
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