CN114285249A - 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在控制芯片处于退磁检测阶段时均处于关断状态，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，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在控制芯片处于退磁检测阶段时均处于关断状态，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。
根据本发明实施例的用于开关电源的控制方法，该开关电源包括位于开关电源的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在控制芯片处于退磁检测阶段时均处于关断状态，该控制方法包括：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。
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示出了包括开关电源的LED照明系统的系统架构图。
图2示出了根据本发明实施例的开关电源及其控制芯片的示例电路图。
图3示出了图2所示的控制芯片中与退磁检测功能相关的电路部分的示例电路图。
图4示出了图2和图3所示的电路中与退磁检测功能相关的多个信号的时序示意图。
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。
开关电源因其效率高、成本低、体积小等优势被广泛用在诸如，电源适配器、充电器、逆变器、发光二极管(LED)照明等各种电子电气领域。开关电源在正常工作时常常需要对系统磁性元器件(例如，变压器或电感)的退磁信息进行检测，并将检测到的退磁信息进行运算处理，以实现系统所需的准谐振控制、恒压或恒流控制等。
图1示出了包括开关电源100的LED照明系统的系统架构图。如图1所示，开关电源100采用BUCK控制架构，通过实现输出电流的恒流控制来实现LED的亮度控制；开关电源100主要包括整流器BD1，输入电容C1，输出电容C2，电感L1及其互感电感L2，续流二极管D1，系统级功率开关M1，检测电阻R2、R3和R4，以及控制芯片102；互感电感L2与检测电阻R3和R4组成退磁检测电路；控制芯片102经由HV引脚连接到直流输入电压VIN，经由FB引脚连接到检测电阻R3和R4之间的分压节点104，经由CS引脚连接到检测电阻R2与系统级功率开关M1连接的一端，并经由GATE引脚连接到系统级功率开关M1的栅极。
如图1所示，控制芯片102包括内部供电模块1022、退磁检测模块1024、电流检测模块1026、恒流控制模块1028、以及驱动器模块1030，其中：内部供电模块1022基于直流输入电压VIN生成内部供电电压AVCC；当内部供电电压AVCC高于控制芯片102的启动电压时，控制芯片102开始上电工作；退磁检测模块1024基于分压节点104处的电压生成退磁检测信号Dem，并将退磁检测信号Dem送入恒流控制模块1028；电流检测模块1026基于检测电阻R2上的电压生成过流保护信号OCP，并将过流保护信号OCP送入恒流控制模块1028(检测电阻R2上的电压可以表征流经电感L1的峰值电流)；恒流控制模块1028基于退磁检测信号Dem和过流保护信号OCP生成脉宽调制信号PWM，并将脉宽调制信号PWM送入驱动器模块1030；驱动器模块1030基于脉宽调制信号PWM生成栅极驱动信号，并基于栅极驱动信号驱动系统级功率开关M1的导通和关断，以实现输出电流的恒流控制。
在图1所示的开关电源100中，采用高压金属氧化物半导体(MOS)晶体管作为系统级功率开关M1并利用互感电感L2来组成退磁检测电路，一方面高压MOS晶体管的成本较高，另一方面退磁检测电路的外围元器件较多，增加了开关电源100的成本和体积。
鉴于图1所示的开关电源100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和控制方法。
图2示出了根据本发明实施例的开关电源200及其控制芯片202的示例电路图。与图1所示的开关电源100相比，根据本发明实施例的开关电源200的不同主要在于，采用位于控制芯片202外部的功率三极管Q1和位于控制芯片202内部的NMOS晶体管M1’作为系统级功率开关(即，功率三极管Q1和NMOS晶体管M1’组成开关电源200的系统级功率开关，并且在控制芯片202处于退磁检测阶段时均处于关断状态)，去除了外围的退磁检测电路，在控制芯片202内部实现退磁检测控制。
下面，为了避免模糊本发明，将主要针对图2所示的开关电源200及其控制芯片202不同于图1所示的开关电源100及其控制芯片102的部分进行说明，其他部分将不再赘述。
如图2所示，在一些实施例中，控制芯片202可被配置为基于功率三极管Q1的基极电压，生成退磁检测信号Dem；基于退磁检测信号Dem，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Q1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NMOS晶体管M1’的导通与关断的栅极驱动信号。
具体地，如图2所示，在一些实施例中，控制芯片202包括内部供电模块2022、退磁检测模块2024、电流检测模块2026、恒流控制模块2028、栅极驱动器模块2030、基极驱动器模块2032、以及NMOS晶体管M1’，其中：内部供电模块2022基于直流输入电压VIN生成内部供电电压AVCC；当内部供电电压AVCC高于控制芯片202的启动电压时，控制芯片202开始上电工作；退磁检测模块2024基于功率三极管Q1的基极电压生成退磁检测信号Dem，并将退磁检测信号Dem送入恒流控制模块2028；电流检测模块2026基于检测电阻R2上的电压生成过流保护信号OCP，并将过流保护信号OCP送入恒流控制模块2028(检测电阻R2上的电压可以表征流经电感L1的峰值电流)；恒流控制模块2028基于退磁检测信号Dem和过流保护信号OCP生成晶体管控制信号和三极管控制信号，并将晶体管控制信号和三极管控制信号分别送入栅极驱动器模块2030和基极驱动器模块2032；栅极驱动器模块2030基于晶体管控制信号生成栅极驱动信号，并基于栅极驱动信号驱动NMOS晶体管M1’的导通与关断；基极驱动器模块2032基于三极管控制信号生成基极驱动信号，并基于基极驱动信号驱动功率三极管Q1的导通与关断。
在一些实施例中，控制芯片202可进一步被配置为通过将功率三极管Q1的基极电压与预定电压进行比较来生成退磁检测信号Dem，其中：当功率三极管Q1的基极电压低于该预定电压时，退磁检测信号Dem为高电平；当功率三极管Q1的基极电压不低于该预定电压时，退磁检测信号Dem为低电平。
图3示出了图2所示的控制芯片中202与退磁检测功能相关的电路部分的示例电路图。如图3所示，在一些实施例中，退磁检测模块2024包括同源电流源I2a和I2b，电阻R3和R4，电压比较器2024-2，D触发器2024-4，以及逻辑反相器2024-6(这里，D触发器2024-4的输出电压为退磁检测信号Dem)；基极驱动器模块2032包括电流源I1，基极驱动开关M2(例如，PMOS晶体管)，以及基极驱动开关M3(例如，NMOS晶体管)；位于控制芯片202外部的功率三极管Q1和位于控制芯片202内部的NMOS晶体管M1’组成开关电源200的系统级功率开关；由于基极驱动器模块2032用于驱动位于控制芯片202外部的功率三极管Q1的导通与关断，栅极驱动器模块2030用于驱动位于控制芯片202内部的NMOS晶体管M1’的导通与关断，开关电源202的系统级功率开关的导通与关断由栅极驱动器模块2030和基极驱动器模块2032共同控制。
如图3所示，当控制芯片202处于退磁检测阶段时，基极驱动开关M2和M3均关断，NMOS晶体管M1’也关断，同源电流源I2a和I2b分别在电阻R3和R4上形成电压212和214，且电压212高于电压214；电压212和214输入到比较器2024-2的两个输入端，比较器2024-2的输出电压215为低电平；当电感L1上的电流退磁结束时，功率三极管Q1的集电极222发生谐振，受功率三极管Q1的基极和集电极之间的寄生电容Cbc的影响，功率三极管Q1的基极电压(即，电压212)发生变化；当电压212低于电压214时，比较器2024-2的输出电压215变为高电平；比较器2024-2的输出电压215从低电平变为高电平的上升过程被D触发器2024-4锁定，并在D触发器2024-4的Q-输出端产生高电平(即，退磁检测信号Dem为高电平)；反相器2024-6基于用于控制基极驱动开关M3的导通与关断的信号211生成清零信号，并将清零信号送入D触发器2024-4的清零端。这里，由于电阻R4的阻值比基极驱动开关M3的导通内阻大得多，所以电阻R4不影响对功率三极管Q1的基极电压(即，电压212)的控制，对系统效率也几乎无影响。
图4示出了图2和图3所示的电路中与退磁检测功能相关的多个信号的时序示意图。在图4中，210表示用于驱动基极驱动开关M2的导通与关断的信号，211表示用于驱动基极驱动开关M3的导通与关断的信号，212表示用于驱动功率三极管Q1的导通与关断的信号(即，功率三极管Q1的基极电压或者电流源I2a在电阻R4上形成的电压)；213表示晶体管控制信号，其中，栅极驱动器模块2030基于该信号生成用于驱动NMOS晶体管M1’的导通与关断的栅极驱动信号；214表示电流源I2b在电阻R3上形成的电压；Vcs表示开关电源202中的检测电阻R2上的电压；IL1表示流过开关电源202中的电感L1的电流；Dem表示退磁检测模块2024生成的退磁检测信号(即，D触发器2024-4的Q-输出端产生的电平)。
如图4所示，开关电源202的工作过程如下：
·当功率三极管Q1和NMOS晶体管M1’组成的系统功率开关处于导通状态时(t0～t1)，信号210为低电平，使得基极驱动开关M2处于导通状态；信号211为低电平，使得基极驱动开关M3处于关断状态；信号212为高电平，使得功率三极管Q1处于导通状态；信号213为高电平，使得NMOS晶体管M1’处于导通状态；形成从直流输入电压VIN流经LED负载、电感L1、功率三极管Q1、NMOS晶体管M1’、检测电阻R2到地的电流通路；流过电感L1的电流IL1和检测电阻R2上的电压逐渐增加。
·当功率三极管Q1和NMOS晶体管M1’组成的系统功率开关处于关断状态时(t1～t2)，信号210为高电平，使得基极驱动开关M2处于关断状态；信号211为高电平，使得基极驱动开关M3处于导通状态；信号212为低电平，使得功率三极管Q1处于关断状态；信号213为低电平，使得NMOS晶体管M1’处于关断状态；此时，续流二极管D1导通，流过电感L1的电流IL1流经续流二极管D1形成电流回路并逐渐减少。
·当控制芯片202处于退磁检测阶段时(t2～t3)，信号210为高电平，使得基极驱动开关M2处于关断状态；信号211为低电平，使得基极驱动开关M3处于关断状态；信号212为I2a*R4(小于功率三极管Q1的导通电压)，使得功率三极管Q1处于关断状态；信号213为低电平，使得NMOS晶体管M1’处于关断状态；此时，续流二极管D1导通，流过电感L1的电流IL1流经续流二极管D1形成电流回路并逐渐减少。当流过电感L1的电流IL1减小至0时，功率三极管Q1的集电极222发生谐振；受功率三极管Q1的基极与集电极之间的寄生电容Cbc的影响，功率三极管Q1的基极电压212发生变化。当电压212低于电压214时，比较器2024-2的输出电压215变为高电平。比较器2024-2的输出电压215从低电平变为高电平的上升过程被D触发器2024-4锁定，并在D触发器2024-4的Q-输出端产生高电平(即，退磁检测信号Dem为高电平)。
·恒流控制模块2028基于退磁检测信号Dem产生一定时间的关断延迟(t3～t4)，使得功率三极管Q1和NMOS晶体管M1’继续保持关断状态，然后在关断延迟的时间结束后使得功率三极管Q1和NMOS晶体管M1’从关断状态变为导通状态。
根据本发明实施例的用于开关电源200的控制芯片202通过其内部的退磁检测电路即可检测电感L1的退磁信息，减少了开关电源200中用于退磁检测功能的外围元器件。另外，在同样的耐受电压和功率下功率三极管的成本低于MOS晶体管，同时开关电源200的输出电压经过功率三极管Q1后在其发射极或控制芯片202的SW引脚上产生的电压小于控制芯片202的启动电压AVCC，所以控制芯片202内部的NMOS晶体管M1’可以采用低压NMOS晶体管来实现，这样可以在较少地增加控制芯片202的成本的条件下，有效地减少开关电源200的系统成本。
需要说明的是，根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片和控制方法可以适用于各种系统架构(例如，BUCK、Flyback、Boost、以及BUCK-BOOST架构等)的开关电源。
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 (14)

1.一种用于开关电源的控制芯片，所述开关电源包括位于所述控制芯片外部的功率三极管和位于所述控制芯片内部的MOS晶体管，所述功率三极管和所述MOS晶体管组成所述开关电源的系统级功率开关并且在所述控制芯片处于退磁检测阶段时均处于关断状态，所述控制芯片被配置为：
基于所述功率三极管的基极电压，生成退磁检测信号；
基于所述退磁检测信号，生成三极管控制信号和晶体管控制信号；
基于所述三极管控制信号，生成用于驱动所述功率三极管的导通与关断的基极驱动信号；以及
基于所述晶体管控制信号，生成用于驱动所述MOS晶体管的导通与关断的栅极驱动信号。
2.如权利要求1所述的控制芯片，进一步被配置为：
通过将所述功率三极管的基极电压与预定电压进行比较，生成所述退磁检测信号。
3.如权利要求2所述的控制芯片，其中：
当所述功率三极管的基极电压低于所述预定电压时，所述退磁检测信号为高电平；
当所述功率三极管的基极电压不低于所述预定电压时，所述退磁检测信号为低电平。
4.如权利要求2所述的控制芯片，其中，所述控制芯片包括第一电流源和第二电流源、连接在所述第一电流源与参考地之间的第一电阻、以及连接在所述第二电流源与参考地之间的第二电阻，所述功率三极管的基极连接到所述第一电阻的、与所述第一电流源连接的一端，所述预定电压是来自所述第二电流源的电流在所述第二电阻上产生的电压。
5.如权利要求4所述的控制芯片，其中，所述控制芯片还包括比较器和D触发器，其中，所述比较器用于比较所述功率三极管的基极电压和所述预定电压，所述D触发器用于基于所述比较器的输出电压生成所述退磁检测信号。
6.如权利要求5所述的控制芯片，其中，所述控制芯片还包括第三电流源以及串联在所述第三电流源和参考地之间的第一基极驱动开关和第二基极驱动开关，所述功率三极管的基极连接到所述第一基极驱动开关的、与所述第二基极驱动开关连接的一端。
7.如权利要求6所述的控制芯片，其中：
当所述第一基极驱动开关处于导通状态、所述第二基极驱动开关处于关断状态时，所述功率三极管处于导通状态，并且
当所述第一基极驱动开关处于关断状态时，所述功率三极管处于关断状态。
8.如权利要求6所述的控制芯片，其中，所述控制芯片还包括反相器，所述反相器基于用于控制所述第二基极驱动开关的导通与关断的信号生成清零信号并将所述清零信号送入所述D触发器的清零端。
9.如权利要求1所述的控制芯片，其中，所述功率三极管是NPN型功率三极管，所述MOS晶体管是NMOS晶体管。
10.如权利要求6所述的控制芯片，其中，所述第一基极驱动开关是PMOS晶体管，所述第二基极驱动开关是NMOS晶体管。
11.一种用于开关电源的控制方法，所述开关电源包括位于所述开关电源的控制芯片外部的功率三极管和位于所述控制芯片内部的MOS晶体管，所述功率三极管和所述MOS晶体管组成所述开关电源的系统级功率开关并且在所述控制芯片处于退磁检测阶段时均处于关断状态，所述控制方法包括：
基于所述功率三极管的基极电压，生成退磁检测信号；
基于所述退磁检测信号，生成三极管控制信号和晶体管控制信号；
基于所述三极管控制信号，生成用于驱动所述功率三极管的导通与关断的基极驱动信号；以及
基于所述晶体管控制信号，生成用于驱动所述MOS晶体管的导通与关断的栅极驱动信号。
12.如权利要求11所述的控制方法，其中，通过将所述功率三极管的基极电压与预定电压进行比较，生成所述退磁检测信号。
13.如权利要求12所述的控制方法，其中：
当所述功率三极管的基极电压小于所述预定电压时，所述退磁检测信号为高电平；
当所述功率三极管的基极电压大于所述预定电压时，所述退磁检测信号为低电平。
14.一种开关电源，包括权利要求1至10中任一项所述的用于开关电源的控制芯片。
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