CN114244153A - 开关电源及其控制芯片和控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种开关电源及其控制芯片和控制方法。该开关电源包括位于控制芯片外部的功率三极管和位于控制芯片内部的MOS晶体管，该功率三极管和MOS晶体管组成开关电源的系统级功率开关并且同时处于关断状态或导通状态，该控制芯片被配置为：基于功率三极管的基极电压，生成退磁检测信号；基于退磁检测信号，生成三极管控制信号和晶体管控制信号；基于三极管控制信号，生成用于驱动功率三极管的导通与关断的基极驱动信号；以及基于晶体管控制信号，生成用于驱动MOS晶体管的导通与关断的栅极驱动信号。

Description

开关电源及其控制芯片和控制方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种开关电源及其控制芯片和控制方法。
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。
发明内容
根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片，被配置为：基于开关电源的输入电压和用于表征开关电源的输出电压的环路反馈电压，产生振荡控制电流；基于振荡控制电流，产生时钟信号，其中，开关电源的开关频率与时钟信号的频率有关；基于时钟信号、环路反馈电压、以及用于表征流过开关电源中的变压器的原边绕组和功率开关的电流的电流感测电压，产生脉宽调制信号；以及基于脉宽调制信号，产生用于驱动功率开关的导通与关断的栅极驱动信号。
根据本发明实施例的用于开关电源的控制方法，包括：基于开关电源的输入电压和用于表征开关电源的输出电压的环路反馈电压，产生振荡控制电流；基于振荡控制电流，产生时钟信号，其中，开关电源的开关频率与时钟信号的频率有关；基于时钟信号、环路反馈电压、以及用于表征流过开关电源中的变压器的原边绕组和功率开关的电流的电流感测电压，产生脉宽调制信号；以及基于脉宽调制信号，产生用于驱动功率开关的导通与关断的栅极驱动信号。
根据本发明实施例的开关电源，包括上述用于开关电源的控制芯片。
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示出了典型的开关电源的结构示意图。
图2示出了用于图1所示的开关电源的、传统的控制芯片的部分或全部的逻辑框图。
图3示出了根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片的部分或全部的逻辑框图。
图4示出了图3所示的输入调节单元的示例电路实现。
图5示出了在采用图4所示的示例电路实现的情况下时钟信号的频率与开关电源的输入电压之间的关系的曲线图。
图6示出了图3所示的输入调节单元的另一示例电路实现。
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。
在传统的开关电源中，开关电源的工作频率不随开关电源的输入电压变化；当开关电源的输入电压较低时，只能通过提高流过其中的变压器或电感以及功率开关的电流来输出更多能量，这会导致功率开关的导通损耗增大，开关电源的系统效率降低且温升增高。
图1示出了典型的开关电源的结构示意图。在图1所示的开关电源中，当功率开关M1的栅极电压由低电平变为高电平(通常为6V到20V)时，功率开关M1从关断状态变为导通状态(即，功率开关M1导通)，形成从变压器T1的原边绕组经由功率开关M1和电流感测电阻Rs到地的电流通路；当电流感测电阻Rs上的电压Vrs达到控制芯片U1内部设置的阈值时，功率开关M1的栅极电压由高电平变为低电平，功率开关M1从导通状态变为关断状态(即，功率开关M1关断)，存储在变压器T1的原边绕组中的能量被递送到开关电源的输出端；功率开关M1的导通与关断由控制芯片U1以一定的开关频率控制。
在图1所示的开关电源中，功率开关M1在处于导通状态时会产生导通损耗，并且在导通状态与关断状态之间切换时会产生开关损耗；当功率开关M1的开关频率较高时，其开关损耗较高同时其导通损耗较小；当功率开关M1的开关频率较低时，其开关损耗较小同时其导通损耗较高；当开关电源的输入电压不同时，功率开关M1的开关损耗与导通损耗之间的比值不同；在开关频率相同的情况下，当开关电源的输入电压较高时，功率开关M1的开关损耗较高，而当开关电源的输入电压较低时，功率开关M1的开关损耗则小得多。期望基于开关电源的输入电压来控制其开关频率，以优化开关电源的系统效率和热性能。
这里，功率开关M1可以是金属氧化物半导体(MOS)晶体管、功率三极管、氮化镓(GaN)晶体管、或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
图2示出了用于图1所示的开关电源的、传统的控制芯片200的部分或全部的逻辑框图。如图2所示，控制芯片200包括振荡控制模块202、振荡器模块204、脉宽调制(PWM)模块206、以及栅极驱动器模块208，其中：振荡控制模块202基于环路反馈电压FB产生振荡控制电流Iosc0；振荡器模块204基于振荡控制电流Iosc0产生时钟信号Clk；PWM模块206基于时钟信号Clk、环路反馈电压FB、以及电流感测电压CS产生脉宽调制信号PWM；栅极驱动器模块208基于脉宽调制信号PWM产生栅极驱动信号GATE，用以驱动功率开关M1的导通与关断。这里，环路反馈电压FB用于表征开关电源的输出电压，电流感测电压CS用于表征流过变压器T1的原边绕组和功率开关M1的电流，开关电源的开关频率与时钟信号Clk的频率有关。
结合图1和图2的以上描述可知，功率开关M1的开关频率由环路反馈电压FB控制，与开关电源的输入电压无关。
图3示出了根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片300的部分或全部的逻辑框图。如图3所示，在一些实施例中，控制芯片300包括振荡控制模块302、振荡器模块305、PWM模块306、以及栅极驱动器模块308，其中：振荡控制模块302基于开关电源的输入电压Vin和用于表征开关电源的输出电压的环路反馈电压FB，产生振荡控制电流Iosc；振荡器模块305基于振荡控制电流Iosc，产生时钟信号Clk，其中，开关电源的开关频率与时钟信号Clk的频率有关；PWM模块306基于时钟信号Clk、环路反馈电压FB、以及用于表征流过开关电源中的变压器的原边绕组和功率开关的电流的电流感测电压CS，产生脉宽调制信号PWM；栅极驱动器模块308基于脉宽调制信号PWM，产生用于驱动开关电源中的功率开关的导通与关断的栅极驱动信号GATE。
如图3所示，在一些实施例中，振荡控制模块302可以包括电压转电流变换单元3022、输入调节单元3024、以及加法器单元3026，其中：电压转电流变换单元3022基于环路反馈电压FB，产生原始控制电流Iosc0；输入调节单元3024基于开关电源的输入电压Vin和固定电流I_fix，产生输入调节电流ΔIosc；加法器单元3026基于原始控制电流Iosc0和输入调节电流ΔIosc，产生振荡控制电流Iosc(即，通过将原始控制电流Iosc0和输入调节电流ΔIosc相加，产生振荡控制电流Iosc)。
如图3所示，在一些实施例中，输入调节单元3024可以进一步被配置为：基于开关电源的输入电压Vin，产生用于表征开关电源的输入电压Vin的输入采样电压Vin_s；基于输入采样电压Vin_s，产生用于表征开关电源的输入电压Vin的输入采样电流Iin_s；以及基于输入采样电流Iin_s和固定电流I_fix，产生输入调节电流ΔIosc。
在图3所示的控制芯片300中，输入调节单元3024可以通过直接或间接地对开关电源的输入电压Vin进行采样来产生输入采样电压Vin_s，通过对输入采样电压Vin_s进行电压转电流变换来产生输入采样电流Iin_s，并基于输入采样电流Iin_s和固定电流I_fix来产生输入调节电流ΔIosc用于控制时钟信号Clk的频率。
图4示出了图3所示的输入调节单元3024的示例电路实现。在图4所示的示例电路实现中，控制芯片300的退磁检测脚(DEM脚)经由电阻R1连接到开关电源中的变压器的辅助绕组(例如，图1中的变压器T1的辅助绕组)，并经由电阻R2接地；当开关电源中的功率开关(例如，图1中的功率开关M1)处于导通状态时，控制芯片300的DEM脚用来检测开关电源的输入电压Vin；当开关电源中的功率开关(例如，图1中的功率开关M1)处于关断状态时，控制芯片300的DEM脚用来检测开关电源的其他信息。
在图4所示的示例电路实现中，输入调节单元3024可以被配置为，当开关电源中的功率开关(例如，图1中的功率开关M1)处于导通状态时：将控制芯片300的DEM脚处的电压钳位在预定电位，该预定电位与零电位之间的电压差值小于预定阈值(例如，0.2V、0.3V、0.4V等，只要能满足控制芯片300的DEM脚流出的电流Iaux基本正比于开关电源的输入电压Vin即可)；将开关电源中的变压器的辅助绕组(例如，图1中的变压器T1的辅助绕组)上的电压作为输入采样电压Vin_s，其中，输入采样电压Vin_s与开关电源的输入电压Vin成正比；将控制芯片300的DEM脚流出的电流作为输入采样电流Iin_s，其中，输入采样电流Iin_s与开关电源中的变压器的辅助绕组(例如，图1中的变压器T1的辅助绕组)上的电压成正比。
具体地，如图4所示，当开关电源中的功率开关(例如，图1中的功率开关M1)处于导通状态时，运算放大器OP1将控制芯片300的DEM脚处的电压钳位到接近于零电位，例如0.1V(因为在实际电路中很难实现真正的零电位)，此时控制芯片300的DEM脚流出的电流为：
Figure BDA0003369517830000051
Vaux＝-K0*Vin (2)
其中，Iaux表示从控制芯片300的DEM脚流出的电流，Vaux表示开关电源中的变压器的辅助绕组(例如，图1中的变压器T1的辅助绕组)上的电压，K0表示开关电源中的变压器的辅助绕组与原边绕组的比值(例如，图1中的变压器T1的辅助绕组与原边绕组的比值)。
由于开关电源中的变压器的辅助绕组上的电压Vaux远大0.1V，所以控制芯片300的DEM脚流出的电流Iaux可以简化为：
Figure BDA0003369517830000061
从等式(3)可以看出，控制芯片300的DEM脚流出的电流Iaux近似正比于开关电源的输入电压Vin。
在图4所示的示例电路实现中，输入调节单元3024可以进一步被配置：通过对输入采样电流Iin_s和固定电流I_fix之间的差分电流在电阻Rsp上产生的电压进行采样，产生差分采样电压；以及通过对差分采样电压进行电压转电流变换，产生输入调节电流ΔIosc。例如，固定电流I_fix与控制芯片300的DEM脚流出的电流Iaux之间的差分电流差流过电阻Rsp，PWM采样信号在开关电源中的功率开关(例如，图1中的功率开关M1)结束导通之前将电阻Rsp上产生的电压采样到电容Csp，电容Csp上的电压经过电压转电流变换产生输入调节电流ΔIosc。
在图4所示的示例电路实现中，输入调节电流ΔIosc可以表示为：
ΔIosc＝K1*(I_fix–K0*Vin/R1) (4)
其中，K1表示采样电阻Rsp与电压转电流变换电阻的倍数关系。
从等式(4)可以看出，当开关电源的输入电压Vin较低或者在电网电压的谷底时，输入调节电流ΔIosc较大，时钟信号Clk的频率较大，这使得开关电源的开关频率也较大。
图5示出了在采用图4所示的示例电路实现的情况下时钟信号的频率与开关电源的输入电压之间的关系的曲线图。在图4所示的示例电路实现中，当控制芯片300的DEM脚流出的电流Iaux大于固定电流I_fix时，输入调节电流ΔIosc＝0，时钟信号Clk的频率最小；当控制芯片300的DEM脚流出的电流Iaux接近“0”时，ΔIosc＝I_fix，时钟信号Clk的频率最大。图5中的电压阈值V1和V0可以根据不同的应用通过调整K0和R1来选择。例如，V1可以被选择为200V，同时V0可以被选择为70V。
图6示出了图3所示的输入调节单元3024的另一示例电路实现。在图6所示的示例电路实现中，输入调节单元3024被配置为：通过对PWM模块306产生的脉宽调制信号PWM进行RC滤波，产生作为输入采样电压Vin_s的直流方波信号，其中，脉宽调制信号PWM处于高电平的时间与开关电源的输入电压Vin成反比；通过对输入采样电压Vin_s进行电压转电流变换，产生输入采样电流Iin_s；通过对输入采样电流Iin_s进行电流映射，产生输入采样电流的映射电流，其中，输入采样电流Iin_s的映射电流是输入采样电流Iin_s的整数倍；以及通过对输入采样电流Iin_s的映射电流与固定电流I_fix相减，产生输入调节电流ΔIosc。例如，在应用于图1所示的开关电源的情况下，控制芯片300针对流过功率开关M1的电流设置的电流感测阈值不变时，脉宽调制信号PWM处于高电平的时间Ton和开关电源的输入电压Vin成反比；电流感测电阻Rs上的电压Vrs＝I_L*Rs＝(Vin*Ton/L)*Rs，其中，Vin是开关电源的输入电压，L是变压器T1的原边绕组的电感，I_L是当功率开关M1处于导通状态时流过变压器T1的原边绕组、功率开关M1、以及电流感测电阻Rs的电流。
在图6所示的示例电路实现中，对脉宽调制信号PWM进行RC(例如R＝10Meg，C＝20p)滤波，产生直流方波信号Vdc_pwm(用作输入采样电压Vin_s)；对直流方波信号Vdc_pwm进行电压转电流变换得到占空比电流Iduty(用作输入采样电流Iin_s)：
Figure BDA0003369517830000071
Figure BDA0003369517830000072
其中，K2是用于对占空比电流Iduty进行电流映射的电流映射系数。
在图6所示的示例电路实现中，当开关电源的输入电压Vin较低或者在电网电压的谷底时，直流方波信号Vdc_pwm较大，输入调节电流ΔIosc较大，因而时钟信号Clk的频率较高。
根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片，通过基于开关电源的输入电压Vin来控制开关电源的开关频率，使得开关电源能够在不同的输入电压下工作在不同的开关频率，从而可以在开关电源的输入电压Vin较低时提升开关电源的开关频率，降低流过开关电源中的功率开关的电流，减小开关电源中的功率开关的导通损耗，提升系统效率并减小系统温升。
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 (15)

1.一种用于开关电源的控制芯片，被配置为：
基于开关电源的输入电压和用于表征所述开关电源的输出电压的环路反馈电压，产生振荡控制电流；
基于所述振荡控制电流，产生时钟信号，其中，所述开关电源的开关频率与所述时钟信号的频率有关；
基于所述时钟信号、所述环路反馈电压、以及用于表征流过所述开关电源中的变压器的原边绕组和功率开关的电流的电流感测电压，产生脉宽调制信号；以及
基于所述脉宽调制信号，产生用于驱动所述功率开关的导通与关断的栅极驱动信号。
2.根据权利要求1所述的控制芯片，进一步被配置为：
基于所述环路反馈电压，产生原始控制电流；
基于所述开关电源的输入电压和固定电流，产生输入调节电流；以及
基于所述原始控制电流和所述输入调节电流，产生所述振荡控制电流。
3.根据权利要求2所述的控制芯片，进一步被配置为：
基于所述开关电源的输入电压，产生用于表征所述开关电源的输入电压的输入采样电压；
基于所述输入采样电压，产生用于表征所述开关电源的输入电压的输入采样电流；以及
基于所述输入采样电流和所述固定电流，产生所述输入调节电流。
4.根据权利要求3所述的控制芯片，进一步被配置为，在所述功率开关处于导通状态时：
将所述控制芯片的退磁检测脚处的电压钳位在预定电位，其中，所述控制芯片的退磁检测脚经由第一电阻连接到所述变压器的辅助绕组，所述预定电位与零电位之间的电压差值小于预定阈值；
将所述变压器的辅助绕组上的电压作为所述输入采样电压，其中，所述输入采样电压与所述开关电源的输入电压成正比；
将所述控制芯片的退磁检测脚流出的电流作为所述输入采样电流，其中，所述输入采样电流与所述变压器的辅助绕组上的电压成正比。
5.根据权利要求4所述的控制芯片，进一步被配置为：
通过对所述输入采样电流和所述固定电流之间的差分电流在第二电阻上产生的电压进行采样，产生差分采样电压；以及
通过对所述差分采样电压进行电压转电流变换，产生所述输入调节电流。
6.根据权利要求3所述的控制芯片，进一步被配置为：
通过对所述脉宽调制信号进行RC滤波，产生作为所述输入采样电压的直流方波信号，其中，所述脉宽调制信号处于高电平的时间与所述开关电源的输入电压成反比；
通过对所述输入采样电压进行电压转电流变换，产生所述输入采样电流；
通过对所述输入采样电流进行电流映射，产生所述输入采样电流的映射电流，其中，所述输入采样电流的映射电流是所述输入采样电流的整数倍；以及
通过对所述输入采样电流的映射电流与所述固定电流相减，产生所述输入调节电流。
7.根据权利要求2所述的控制芯片，进一步被配置为：
通过将所述原始控制电流和所述输入调节电流相加，产生所述振荡控制电流。
8.一种用于开关电源的控制方法，包括：
基于开关电源的输入电压和用于表征所述开关电源的输出电压的环路反馈电压，产生振荡控制电流；
基于所述振荡控制电流，产生时钟信号，其中，所述开关电源的开关频率与所述时钟信号的频率有关；
基于所述时钟信号、所述环路反馈电压、以及用于表征流过所述开关电源中的变压器的原边绕组和功率开关的电流的电流感测电压，产生脉宽调制信号；以及
基于所述脉宽调制信号，产生用于驱动所述功率开关的导通与关断的栅极驱动信号。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其中，产生所述振荡控制电流的处理包括：
基于所述环路反馈电压，产生原始控制电流；
基于所述开关电源的输入电压和固定电流，产生输入调节电流；以及
基于所述原始控制电流和所述输入调节电流，产生所述振荡控制电流。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，产生所述输入调节电流的处理包括：
基于所述开关电源的输入电压，产生用于表征所述开关电源的输入电压的输入采样电压；
基于所述输入采样电压，产生用于表征所述开关电源的输入电压的输入采样电流；以及
基于所述输入采样电流和所述固定电流，产生所述输入调节电流。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其中，产生所述输入调节电流的处理还包括，在所述功率开关处于导通状态时：
将所述控制芯片的退磁检测脚处的电压钳位在预定电位，其中，所述控制芯片的退磁检测脚经由第一电阻连接到所述变压器的辅助绕组，所述预定电位与零电位之间的电压差值小于预定阈值；
将所述变压器的辅助绕组上的电压作为所述输入采样电压，其中，所述输入采样电压与所述开关电源的输入电压成正比；
将所述控制芯片的退磁检测脚流出的电流作为所述输入采样电流，其中，所述输入采样电流与所述变压器的辅助绕组上的电压成正比。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其中，产生所述输入调节电流的处理还包括：
通过对所述输入采样电流和所述固定电流之间的差分电流在第二电阻上产生的电压进行采样，产生差分采样电压；以及
通过对所述差分采样电压进行电压转电流变换，产生所述输入调节电流。
13.根据权利要求10所述的控制方法，其中，产生所述输入调节电流的处理包括：
通过对所述脉宽调制信号进行RC滤波，产生直流方波信号作为所述输入采样电压，其中，所述脉宽调制信号处于高电平的时间与所述开关电源的输入电压成反比；
通过对所述输入采样电压进行电压转电流变换，产生所述输入采样电流；
通过对所述输入采样电流进行电流映射，产生所述输入采样电流的映射电流，其中，所述输入采样电流的映射电流是所述输入采样电流的整数倍；以及
通过对所述输入采样电流的映射电流与所述固定电流相减，产生所述输入调节电流。
14.根据权利要求9所述的控制方法，其中，产生所述振荡控制电流的处理包括：
通过将所述原始控制电流和所述输入调节电流相加，产生所述振荡控制电流。
15.一种开关电源，包括权利要求1至7中任一项所述的控制芯片。
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