CN114337337A

CN114337337A - 开关电源及其控制芯片和控制方法

Info

Publication number: CN114337337A
Application number: CN202111591369.0A
Authority: CN
Inventors: 李萌; 翟向坤; 朱力强
Original assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-04-12
Also published as: TW202327277A; TWI807702B

Abstract

本发明提供了一种开关电源及其控制芯片和控制方法。根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片，包括：峰值采样模块，被配置为基于表征开关电源的输入电压的输入表征电压，产生随输入表征电压变化的峰值采样电压；跟随控制模块，被配置为基于峰值采样电压，产生随输入表征电压变化的、用来与表征开关电源的输出电压的输出反馈电压进行比较的基准电压；以及栅极控制模块，被配置为基于基准电压、输出反馈电压、以及表征流过开关电源中的系统开关管的电流的采样电压，产生栅极驱动电压。根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片，能够使开关电源的输出电压随输入电压的变化而变化，具有更高的功率转换效率，并且能够有效地降低系统成本。

Description

开关电源及其控制芯片和控制方法

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及一种开关电源及其控制芯片和控制方法。

背景技术

随着人们越来越依赖电气设备，对电的需求急剧增长。为了满足对电的需求，已经构建了大型电力发电机。一般来说，电力发电机远离需要电的顾客，因而需要长距离地传送电。随着感应电动机的发明，交变电流开始被用于长距离电力传输。交变电路电力线的一个特性是功率因数。功率因数是递送的功率和实际消耗的功率的系数。为了高效地传送和利用电力，经常需要功率因数校正设备。

过去已经开发和使用了各种类型的功率因数校正设备。但是，这些传统的技术在开关电源的输入电压较低时，由于开关电源的输出电压不变，会导致元器件的损坏以及转换损耗的增加，从而导致系统的功率转换效率降低。同时，由于元器件的温度较高，为满足系统的温升需求，需要更大的散热片。

发明内容

为了解决上面提出的一个或多个问题，本发明提供了一种开关电源及其控制芯片和控制方法。

根据本发明实施例的用于开关电源的控制芯片，包括：峰值采样模块，被配置为基于表征开关电源的输入电压的输入表征电压，产生随输入表征电压变化的峰值采样电压；跟随控制模块，被配置为基于峰值采样电压，产生随输入表征电压变化的、用来与表征开关电源的输出电压的输出反馈电压进行比较的基准电压；以及栅极控制模块，被配置为基于基准电压、输出反馈电压、以及表征流过开关电源中的系统开关管的电流的采样电压，产生用于控制系统开关管的导通与关断的栅极驱动电压，使得开关电源的输出电压随开关电源的输入电压的变化而变化。

根据本发明实施例的用于开关电源的控制方法，包括：基于表征开关电源的输入电压的输入表征电压，产生随输入表征电压变化的峰值采样电压；基于峰值采样电压，产生随输入表征电压变化的、用来与表征开关电源的输出电压的输出反馈电压进行比较的基准电压；以及基于基准电压、输出反馈电压、以及表征流过开关电源中的系统开关管的电流的采样电压，产生用于控制系统开关管的导通与关断的栅极驱动电压，使得开关电源的输出电压随开关电源的输入电压的变化而变化。

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，能够使开关电源的输出电压随开关电源的输入电压的变化而变化，具有更高的功率转换效率，特别在开关电源的输入电压较低时，可以使用更小的升压开关散热片以及更小的升压电感，进而能够有效降低系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要的使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了传统的开关电源及其控制芯片的示意图；

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意图；

图3示出了图2中的输入表征电压VI、峰值采样电压vin_p、基准电压vref_EA、以及输出电压Vout的时序图；

图4示出了根据本发明实施例的基准电压vref_EA和峰值采样电压vin_p的变化关系图；

图5示出了根据本发明实施例的峰值采样模块的示例电路实现的示意图；

图6示出了根据本发明实施例的跟随控制模块的示例电路实现的示意图；

图7示出了根据本发明实施例的用于开关电源及其控制芯片的控制方法的流程图。

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，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，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更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了更好地理解本发明，以下首先对传统的开关电源及其控制芯片进行介绍。

图1示出了传统的开关电源及其控制芯片的示意图。如图1所示，传统的开关电源包括整流二极管D1-D4、输入电容C1、储能电感L1、系统开关管(例如，MOS管)M1、续流二极管D5、输出电容C2、分压电阻R1和R2、以及控制芯片100，其中：分压电阻R1和R2用于对开关电源的输出电压Vout进行分压，以产生表征输出电压Vout的输出反馈电压FB；控制芯片100基于输出反馈电压FB、表征流过系统开关管M1的电流的电流感测电压CS、以及用来与输出反馈电压FB进行比较的基准电压Vref_EA来生成栅极驱动电压，以驱动系统开关管M1的导通与关断。

具体地，如图1所示，控制芯片100包括退磁检测模块101、计时器102、参考电压产生模块103、误差放大器104、以及脉宽调制比较器105等，其中：退磁检测模块101对系统开关管M1的栅极驱动信号Gate进行斜率检测并输出准谐振信号QR，用以控制系统开关管M1的导通；误差放大器104对输出反馈电压FB与参考电压产生模块103产生的基准电压vref_EA进行比较并产生误差放大信号；脉宽调制比较器105对计时器102产生的斜坡信号ramp与误差放大信号进行比较并产生比较信号，用以控制系统开关管M1的关断。

在图1所示的开关电源中，由于参考电压产生模块103产生的基准电压vref_EA固定不变，所以开关电源的输出电压Vout不随开关电源的输入电压Vin的变化而变化。当开关电源的输出电压Vout降低时，输出反馈电压FB也降低，此时误差放大器104产生的误差放大信号的电压升高，储能电感L1存储的能量增多，这使得传输到开关电源的输出能量增大，从而使输出电压Vout升高，输出反馈电压FB也升高。经过一段时间的调节之后，在误差放大器104处于稳态时，输出反馈电压FB与基准电压vref_EA相等。

当开关电源的输入电压Vin较低时，由于开关电源的输出电压Vout不变，导致系统开关管M1的寄生电容损坏、系统开关管M1的转换损耗增加，这使得开关电源的功率转换效率降低，同时系统开关管的温度较高，为满足开关电源的温升需求，需要更大的散热片。

为了解决上述存在的一个或多个问题，本发明提供了一种开关电源及其控制芯片和控制方法。下面结合附图，对根据本发明实施例的开关电源及其控制芯片进行详细介绍。

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的示意图。如图2所示，根据本发明实施例的开关电源200相对图1所示的开关电源新增了电阻R3和电阻R4。这里，电阻R3和电阻R4对开关电源200的输入电压Vin进行分压，以产生输入表征电压VI。

如图2所示，用于开关电源200的控制芯片202包括：峰值采样模块210，被配置为基于表征开关电源200的输入电压Vin的输入表征电压VI，产生随输入表征电压VI变化的峰值采样电压vin_p；跟随控制模块220，被配置为基于峰值采样电压vin_p，产生随输入表征电压VI变化的、用来与表征开关电源200的输出电压Vout的输出反馈电压FB进行比较的基准电压vref_EA；以及栅极控制模块230，被配置为基于基准电压vref_EA、输出反馈电压FB、以及表征流过开关电源200中的系统开关管M1的电流的电流采样电压CS，产生用于控制系统开关管M1的导通与关断的栅极驱动电压，使得开关电源200的输出电压Vout随开关电源200的输入电压Vin的变化而变化。

与图1所示的控制芯片100相比，根据本发明实施例的控制芯片202新增了峰值采样模块210和跟随控制模块220，能够使得开关电源200的输出电压Vout随着开关电源200的输入电压Vin的变化而变化，从而使得开关电源200具有更高的功率转换效率，特别是在开关电源200的输入电压Vin较低时，可以使用更小的升压开关散热片以及更小的升压电感，进而可以有效降低开关电源200的系统成本。

图3示出了图2中的输入表征电压VI、峰值采样电压vin_p、基准电压vref_EA、输出电压Vout的时序图。如图3所示，在时间t0到t1之间，输入表征电压VI呈抛物曲线式升高；在时间t1，输入表征电压VI上升至第二阈值电压V2p；在时间t1到t2之间，输入表征电压VI呈抛物曲线式降低；在时间t2之后的时间内，输入表征电压VI呈周期性抛物式升高和降低；在时间t5，输入表征电压VI达到第一阈值电压V1p。

如图3所示，从时间t0到t1之间，峰值采样电压vin_p呈抛物曲线式升高；从时间t1到t3，峰值采样电压vin_p保持不变；在时间t3之后的时间内，峰值采样电压vin_p呈周期性爬坡式增长。具体地，峰值采样电压vin_p在输入表征电压VI达到前一个波形中的VI最高值时开始增大，在输入表征电压VI继续增大时维持增大，在输入表征电压VI降低时以及尚未达到前一个波形中的VI最高值时维持不变。另外，基准电压vref_EA、开关电源的输出电压Vout与峰值采样电压vin_p呈现相同的变化规律。

图4示出了根据本发明实施例的基准电压vref_EA和峰值采样电压vin_p的变化关系图。如图4所示，当峰值采样电压vin_p小于第一阈值电压V1p且大于第二阈值电压V2p时，基准电压vref_EA以预定斜率增大；当峰值采样电压vin_p小于或等于第二阈值电压V2p时，基准电压vref_EA为下钳位电压V2；当峰值采样电压vin_p大于或等于第一阈值电压V1p时，基准电压vref_EA为上钳位电压V1。

从图4可以看出，在一些实施例中，跟随控制模块220可以被配置为当峰值采样电压vin_p小于第一阈值电压V1p且大于第二阈值电压V2p时，基于峰值采样电压vin_p和下钳位电压V2计算基准电压vref_EA；当峰值采样电压vin_p小于或等于第二阈值电压V2p时，采用下钳位电压V2作为基准电压vref_EA；当峰值采样电压vin_p大于或等于第一阈值电压V1p时，采用上钳位电压V1作为基准电压vref_EA。

图5示出了根据本发明实施例的峰值采样模块210的示例电路实现的示意图。如图5所示，峰值采样模块210包括比较器510、充电电阻R1、开关管NM1、放电电阻R2、以及电容C2，其中：比较器510将输入表征电压VI与电容C2上的电压进行比较；当输入表征电压VI高于电容C2上的电压时，开关管NM1处于导通状态，电压VDD经由充电电阻R1对电容C2进行充电；当输入表征电压VI低于电容C2上的电压时，开关管NM1处于关断状态，放电电阻R2对电容C2进行放电；当输入表征电压VI等于电容C2上的电压时，电容C2上的电压即为峰值采样电压vin_p。

在一些实施例中，放电电阻R2的阻值可以远大于充电电阻R1的阻值，例如放电电阻R2的阻值是充电电阻R1阻值的10倍甚至100倍，以方便峰值采样电压vin_p的采集。

在一些实施例中，峰值采样模块210还可以包括低通滤波电路520，用以对峰值采样电压vin_p进行低通滤波。例如，低通滤波电路520可以是由电阻R3和电容C3组成的RC电路。

图6示出了根据本发明实施例提跟随控制模块220的示例电路实现的示意图。如图6所示，跟随控制模块220包括运算子模块610、高电平钳位电路620、以及低电平钳位电路630，其中：运算子模块610基于峰值采样电压vin_p计算基准电压vref_EA，例如，vref_EA＝vin_p+ΔV，其中

高电平钳位电路620和低电平钳位电路630对基准电压vref_EA进行钳位，以将基准电压vref_EA限制在上钳位电压V1和下钳位电压V2之间。这里，需要说明的是，运算放大器OP5既用作运算子模块610中的元件也用低电平钳位电路630中的元件。

在一些实施例中，如图2所示，用于开关电源200的控制芯片202还可以包括参考电压产生模块250，用以向跟随控制模块220提供上钳位电压V1和下钳位电压V2。

图7示出了根据本发明实施例的用于开关电源的控制方法700的流程图。如图7所示，用于开关电源的控制方法700包括：

S101：基于表征开关电源的输入电压的输入表征电压，产生随输入表征电压变化的峰值采样电压；

S102：基于峰值采样电压，产生随输入表征电压变化的、用来与表征开关电源的输出电压的输出反馈电压进行比较的基准电压；以及

S103：基于基准电压、输出反馈电压、以及表征流过开关电源中的系统开关管的电流的采样电压，产生用于控制系统开关管的导通与关断的栅极驱动电压，使得开关电源的输出电压随开关电源的输入电压的变化而变化。

应当注意，用于开关电源的控制方法的其他方面与用于开关电源的控制芯片的相应方面类似，因此不再赘述。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于开关电源的控制芯片，包括：

峰值采样模块，被配置为基于表征所述开关电源的输入电压的输入表征电压，产生随所述输入表征电压变化的峰值采样电压；

跟随控制模块，被配置为基于所述峰值采样电压，产生随所述输入表征电压变化的、用来与表征所述开关电源的输出电压的输出反馈电压进行比较的基准电压；以及

栅极控制模块，被配置为基于所述基准电压、所述输出反馈电压、以及表征流过所述开关电源中的系统开关管的电流的采样电压，产生用于控制所述系统开关管的导通与关断的栅极驱动电压，使得所述开关电源的输出电压随所述开关电源的输入电压的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述峰值采样模块包括比较器、充电电阻、放电电阻、以及电容，其中：

所述比较器将所述输入表征电压与所述电容上的电压进行比较，

当所述输入表征电压高于所述电容上的电压时，通过所述充电电阻对所述电容进行充电，

当所述输入表征电压低于所述电容上的电压时，通过所述放电电阻对所述电容进行放电，

当所述输入表征电压等于所述电容上的电压时，所述电容上的电压即为所述峰值采样电压。

3.根据权利要求2所述的控制芯片，其中，所述放电电阻的阻值大于所述充电电阻的阻值。

4.根据权利要求2所述的控制芯片，其中，所述峰值采样模块进一步包括：

低通滤波电路，被配置为对所述峰值采样电压进行低通滤波。

5.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述跟随控制模块包括：

钳位电路，被配置为对所述基准电压进行钳位，以将所述基准电压限制在下钳位电压和上钳位电压之间。

6.根据权利要求5所述的控制芯片，其中，所述跟随控制模块进一步被配置为当所述峰值采样电压小于第一阈值电压且大于第二阈值电压时，基于所述峰值采样电压和所述下钳位电压计算所述基准电压。

7.根据权利要求6所述的控制芯片，其中，所述跟随控制模块进一步被配置为当所述峰值采样电压小于或等于所述第二阈值电压时，所述基准电压为所述下钳位电压。

8.根据权利要求7所述的控制芯片，其中，所述跟随控制模块进一步被配置为当所述峰值采样电压大于或等于所述第一阈值电压时，所述基准电压为所述上钳位电压。

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。

10.一种用于开关电源的控制方法，包括：

基于表征所述开关电源的输入电压的输入表征电压，产生随所述输入表征电压变化的峰值采样电压；

基于所述峰值采样电压，产生随所述输入表征电压变化的、用来与表征所述开关电源的输出电压的输出反馈电压进行比较的基准电压；以及

基于所述基准电压、所述输出反馈电压、以及表征流过所述开关电源中的系统开关管的电流的采样电压，产生用于控制所述系统开关管的导通与关断的栅极驱动电压，使得所述开关电源的输出电压随所述开关电源的输入电压的变化而变化。