CN115149825A - 电源转换器 - Google Patents

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CN115149825A CN202210520590.5A CN202210520590A CN115149825A CN 115149825 A CN115149825 A CN 115149825A CN 202210520590 A CN202210520590 A CN 202210520590A CN 115149825 A CN115149825 A CN 115149825A
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Abstract

提供了一种电源转换器，包括变压器、第一和第二功率开关管、第一和第二电流源、第一、第二、第三、和第四开关管、以及开关控制电路。第一、第二、第三、和第四开关管的第一电极分别连接到开关控制电路的第一、第二、第三、和第四输出端，第一和第三开关管的第二电极分别连接到第一和第二电流源，第二开关管的第二电极连接到第一开关管的第三电极和第一功率开关管的基极，第四开关管的第二电极连接到第三开关管的第三电极和第二功率开关管的基极，第一功率开关管的集电极连接到变压器的原边绕组、发射极连接到第二功率开关管的基极，第二功率开关管的集电极连接到变压器的原边绕组、发射极经由电流感测电阻接地。

Description

电源转换器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种电源转换器。
背景技术
在中小功率电源转换器领域，反激变换器以其电路简单、转换效率高、输入电压范围宽等优势占据100W以下应用市场的绝对主导地位。近年来，功率开关管(又称双极型晶体管)因其良好的开关特性和低廉的价格优势被广泛应用于10W以下的小功率市场。
随着手机、平板电脑等移动设备的功能越来越多，为移动设备供电的电池的容量爆发式增加，并且为移动设备供电的充电器或适配器的输出功率不断提高，已经从原来的5W发展到20W、30W、45W、65W甚至更高。如何在低成本的基础上提高电源转换器的系统整体效率和功率密度，使得电源转换器既满足充电器或适配器小型化的发展需求也满足越来越严苛的电源能效标准，成为当今研究的重点。
发明内容
根据本发明实施例的电源转换器，包括变压器、第一和第二功率开关管、第一和第二电流源、第一、第二、第三、和第四开关管、以及开关控制电路，其中：第一、第二、第三、和第四开关管的第一电极分别连接到开关控制电路的第一、第二、第三、和第四输出端，第一和第三开关管的第二电极分别连接到第一和第二电流源，第二开关管的第二电极连接到第一开关管的第三电极和第一功率开关管的基极，第四开关管的第二电极连接到第三开关管的第三电极和第二功率开关管的基极，第二开关管的第三电极接地或者连接到第三开关管的第三电极和第四开关管的第二电极，第四开关管的第三电极接地，第一功率开关管的集电极连接到变压器的原边绕组、基极连接到第一开关管的第三电极和第二开关管的第二电极、发射极连接到第二功率开关管的基极，第二功率开关管的集电极连接到变压器的原边绕组、基极连接到第三开关管的第三电极和第四开关管的第二电极、发射极经由电流感测电阻接地。
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1A示出了根据本发明实施例的电源转换器的示例电路图。
图1B示出了根据本发明实施例的电源转换器的另一示例电路图。
图2示出了图1A/1B所示的电源转换器中的多个信号的工作波形图。
图3A示出了图1A所示的电源转换器中的控制芯片的示例框图。
图3B示出了图1B所示的电源转换器中的控制芯片的示例框图。
图4示出了图1A/1B所示的电源转换器中的第一和第二功率开关管的示例封装示意图。
图5示出了图1A/1B所示的电源转换器中的第一和第二功率开关管以及控制芯片的示例封装示意图。
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，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素和部件的任何修改、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。另外，需要说明的是，这里使用的用语“A与B连接”可以表示“A与B直接连接”也可以表示“A与B经由一个或多个其他元件间接连接”。
目前，功率开关管只能应用于小功率市场的主要原因在于，功率开关管的导通是电流驱动的，必须有足够的驱动电流才可以使功率开关管导通。另外，功率开关管的驱动损耗大、导通损耗大、且关断速度慢，这些因素也限制了其在更高功率市场上的应用。
鉴于上述情况，提出了根据本发明实施例的电源变换器，其中，采用四个开关管来组合驱动功率开关管，以降低功率开关管的驱动电流损耗、提高功率开关管的开通速度和/或关断速度、和/或降低功率开关管的关断损耗。
图1A示出了根据本发明实施例的电源转换器100A的示例电路图。如图1A所示，电源转换器100A包括变压器T、第一和第二功率开关管Q1和Q2、第一和第二电流源Isource1和Isource2、第一、第二、第三、和第四开关管D1至D4、以及开关控制电路102，其中：第一、第二、第三、和第四开关管D1至D4的第一电极分别连接到开关控制电路102的第一、第二、第三、和第四输出端，第一和第三开关管D1和D3的第二电极分别连接到第一和第二电流源Isource1和Isource2，第二开关管D2的第二电极连接到第一开关管D1的第三电极和第一功率开关管Q1的基极，第四开关管D4的第二电极连接到第三开关管D3的第三电极和第二功率开关管Q2的基极，第二开关管D2的第三电极和D4的第三电极接地，第一功率开关管Q1的集电极连接到变压器T的原边绕组、基极连接到第一开关管D1的第三电极和第二开关管D2的第二电极、发射极连接到第二功率开关管Q2的基极，第二功率开关管Q2的集电极连接到变压器T的原边绕组、基极连接到第三开关管D3的第三电极和第四开关管D4的第二电极、发射极经由电流感测电阻Rs接地。
图1B示出了根据本发明实施例的电源转换器100B的示例电路图。图1B所示的电源转换器100B与图1A所示的电源转换器100A在结构上的主要不同在于，第二开关管D2的第三电极连接到第三开关管D3的第三电极和第四开关管D4的第二电极(即，连接到第一功率开关管Q1的发射极和第二功率开关管Q1的基极)，其他部分的连接关系与图1所示的相应部分相同，在此不再赘述。
图2示出了图1A/1B所示的电源转换器100A/100B中的多个信号的工作波形图，其中，D1至D4分别表示用于驱动第一至第四开关管D1至D4的导通与关断的驱动信号，IB1表示用于第二功率开关管Q2的第一驱动电流，IB2表示用于第二功率开关管Q2的第二驱动电流，Is表示流过电流感测电阻Rs的原边电流。
如图1A/1B和图2所示，在一些实施例中，在第二功率开关管Q2从关断状态变为导通状态的过程中，第一开关管D1和第一功率开关管Q1处于导通状态且第二、第三、和第四开关管D2至D4处于关断状态，第二功率开关管Q2的基极电流由第一电流源Isource1经由第一开关管D1和第一功率开关管Q1提供(即，使用第一驱动电流IB1作为第二功率开关管Q2的驱动电流)。
如图1A/1B和图2所示，在一些实施例中，在第二功率开关管Q2处于导通状态期间，在电流感测电阻Rs上的电压Vcs达到预定设置值之前，第一开关管D1和第一功率开关管Q1处于导通状态且第二、第三、和第四开关管D2至D4处于关断状态，第二功率开关管Q2的基极电流由第一电流源Isource1经由第一开关管D1和第一功率开关管Q1提供(即，使用第一驱动电流IB1作为第二功率开关管Q2的驱动电流)。
如图1A/1B和图2所示，在一些实施例中，在第二功率开关管Q2处于导通状态期间，在电流感测电阻Rs上的电压Vcs达到预定设置值之后，第一开关管D1、第四开关管D4、以及第一功率开关管Q1处于关断状态，第二和第三开关管D2和D3处于导通状态，第二功率开关管Q2的基极电流由第二电流源Isource2经由第三开关管D3提供(即，使用第二驱动电流IB2作为第二功率开关管Q2的驱动电流)。
如图1A/1B和图2所示，在一些实施例中，在第二功率开关管Q2处于关断状态期间，第一开关管D1、第三开关管D3、以及第一功率开关管Q1处于关断状态，第二和第四开关管D2和D4处于导通状态。
在图1A/1B所示的电源转换器100A/B中，第一和第二开关管D1和D2用于控制第一驱动电流IB1是否被用作第二功率开关管Q2的驱动电流(第一驱动电流IB1也用作第一功率开关管Q1的驱动电流，所以第一和第二开关管D1和D2实际用于控制第一功率开关管Q1的导通与关断)，第三和第四开关管D3和D4用于控制第二驱动电流IB2是否被用作第二功率开关管Q2的驱动电流。在第二功率开关管Q2处于导通状态期间，分时段使用第一和第二驱动电流IB1和IB2作为第二功率开关管Q2的驱动电流。在第二功率开关管Q2从关断状态变为导通状态的过程中，使用第一驱动电流IB1作为第二功率开关管Q2的驱动电流，在这种情况下第一驱动电流IB1要足够大，使得第二功率开关管Q2能够迅速进入饱和区，以最大限度地降低第二功率开关管Q2的开通损耗，提高第二功率开关管Q2的开关速度。但是，第二功率开关管Q2的驱动电流过大会降低第二功率开关管Q2的关断速度，增加第二功率开关管Q2的关断损耗，因此在第二功率开关管Q2从导通状态变为关断状态的过程开始之前，将第二功率开关管Q2的驱动电流从第一驱动电流IB1切换到第二驱动电流IB2(也称为预关断驱动电流)，可以使第二功率开关管Q2处于导通状态期间存储在基极区的少数载流子迅速复合以减小第二功率开关管Q2的关断时间，降低第二功率开关管Q2的关断损耗，提高电源转换器100A/B的系统效率和输出功率。
具体地，在第二功率开关管Q2从关断状态变为导通状态的过程中，使用第一驱动电流IB1作为第二功率开关管Q2的驱动电流，由于第一功率开关管Q1的放大作用，第二功率开关管Q2的基极电流为hfe*IB1(hfe是第一功率开关管Q1的放大倍数)，较大的基极电流促使第二功率开关管Q2迅速进入饱和区，降低了第二功率开关管Q2的开通损耗；在第二功率开关管Q2处于导通状态期间，流过电流感测电阻Rs的原边电流Is＝Ic+hfe*IB1(Ic是流过变压器T的原边绕组的电流)；电流感测电阻Rs上的电压Vcs达到预定设置值(例如，电流感测电阻Rs上的最大电压值Vcsmax的90％)之后，使用第二驱动电流IB2作为第二功率开关管Q2的驱动电流，由于IB2<<IB1，所以在使用第二驱动电流IB2维持第二功率开关管Q2处于导通状态期间，第二功率开关管Q2存储在基极区的载流子较少，第二功率开关管Q2关断时其基极区较少的载流子能迅速复合以减小第二功率开关管Q2的关断时间，降低第二功率开关管Q2的关断损耗。
图3A示出了图1A所示的电源转换器100A中的控制芯片U1A的示例框图。图3B示出了图1B所示的电源转换器100B中的控制芯片U1B的示例框图。下面为了简单，将控制芯片U1A和U1B统称为控制芯片U1。如图3A/3B所示，第一至第四开关管D1至D4以及开关控制电路102可以被包括在控制芯片U1中，并且控制芯片U1还可以包括：
芯片供电电路104：连接到控制芯片U1的VDD引脚，包括欠压锁定(UVLO)、过压保护(OVP)、参考电压与参考电流(Vref&Iref)三部分，用于为芯片内部电路提供工作电压、参考电压Vref、以及参考电流Iref。当VDD引脚处的电压超过UVLO电压后，芯片内部电路开始工作。当VDD引脚处的电压超过OVP阈值时，芯片内部电路进入自动恢复保护状态，以防止控制芯片U1损坏。
反馈控制电路106：连接到控制芯片U1的FB引脚，包括连续导通模式(CCM)/准谐振(QR)模式/绿色模式/突发模式控制、脉宽调制(PWM)比较器、脉宽调制预关断(PWM_pre)比较器三部分。PWM比较器和PWM_pre比较器将FB引脚接收的输出电压反馈信号和CS引脚接收的电流感测信号(例如，电流感测电阻Rs上的电压Vcs)进行比较，产生PWM信号和PWM_pre信号，并输出PWM信号和PWM_pre信号给逻辑控制电路112。另外，CCM/QR模式/绿色模式/突发模式控制部分根据FB引脚接收的输出电压反馈信号，实现CCM、QR模式、绿色模式、以及突发模式的切换控制，并且输出模式控制信号给逻辑控制电路112。
电流感测控制电路108：连接到控制芯片U1的CS引脚，包括前沿消隐(LEB)、斜坡补偿、过流保护(OCP)比较器、过流保护预关断(OCP_pre)比较器四部分。当经由CS引脚检测到系统工作模式处于深度CCM时，需要进行斜波补偿，以维持系统稳定。OCP比较器将CS引脚接收的电流感测信号与OCP阈值进行比较，并输出OCP关断信号给逻辑控制电路112。OCP_pre比较器将CS引脚接收的电流感测信号与OCP预关断阈值进行比较，并输出OCP预关断信号给逻辑控制电路112。
振荡器(OSC)电路110：用于产生高频锯齿波信号提供给逻辑控制电路112，供逻辑控制电路112用以生成占空比可调的方波信号。
逻辑控制电路112：用于将来自各个电路模块的输入信号进行逻辑分析，输出逻辑控制信号给开关控制电路102。
保护电路114：用于在检测到异常故障信息时，使控制芯片U1进入自动恢复保护状态，避免控制芯片U1损坏。
这里，需要说明的是，开关控制电路102用于根据逻辑控制电路112提供的逻辑控制信号产生分别用于控制第一至第四开关管D1至D4的导通与关断的四个控制信号，第一至第四开关管D1至D4在开关控制电路102的控制下导通和关断，从而形成第一和第二驱动电流IB1和IB2。第一至第四开关管D1、D2、D3、D4可以采用N型金属氧化物半导体场效应晶体管(N-MOSFET)或双极型晶体管(BJT)来实现。第一和第三开关管D1和D3也可以采用P型金属氧化物半导体场效应晶体管(P-MOSFET)来实现。
在一些实施例中，可以通过第一开关控制电路来控制第一和第二开关管D1和D2的导通与关断，并通过第二开关控制电路来控制第三和第四开关管D3和D4的导通与关断。另外，第一和第二功率开关管Q1和Q2可以是两个独立的功率开关管，也可以形成在一个芯片封装中；或者控制芯片U1可以与第一和第二功率开关管Q1和Q2形成在一个三芯片封装中。
图4示出了图1A/B所示的电源转换器100A/B中的第一和第二功率开关管Q1和Q2的示例封装示意图。如图4所示，第一和第二功率开关管Q1和Q2可以被包括在同一个单基岛芯片封装中(其中，第一和第二功率开关管Q1和Q2的集电极相连)，并且该单基岛芯片封装的详细引脚信息如下：
1引脚为第一电流引脚，用于接收第一驱动电流IB1，连接到第一功率开关管Q1的基极区；
2引脚为第二电流引脚，用于接收第二驱动电流IB2，连接到第一功率开关管Q1的发射极区和第二功率开关管Q2的基极区；
3/4引脚为发射极引脚，连接到第二功率开关管Q2的发射极区，为了增大散热面积、降低温度，可以采用多根打线、多引脚封装，例如分别通过两组打线连接两个引脚，每组打线包含的打线的具体根数可以根据第二功率开关管Q2的发射极区的面积确定；
5～8引脚为集电极引脚，连接到第一和第二功率开关管Q1和Q2的集电极区，为了散热和印刷电路板布局方便，采用多引脚封装，第一和第二功率开关管Q1和Q2的集电极区位于晶体管背面，所以第一和第二功率开关管Q1和Q2可以采用导电胶和芯片基岛连接，无需打线，阻抗最小。
图5示出了图1A/B所示的电源转换器100A/B中的第一和第二功率开关管Q1和Q2以及控制芯片U1的示例封装示意图。如图5所示，第一和第二功率开关管Q1和Q2采用平铺形式封装，控制芯片U1和第二功率开关管Q2采用叠代形式封装。具体的封装形式可以根据基岛个数和形状进行调整，不局限于8引脚封装形式。图5所示的示例封装的详细引脚信息如下：
1、2、3引脚为用于控制芯片U1的控制引脚，连接到控制芯片U1的内部焊垫；
4引脚为发射极引脚，连接到第二功率开关管Q2的发射极区，为了增大散热面积、降低温度，可以采用多根打线方式降低打线阻抗，打线的具体根数可以根据第二功率开关管Q2的发射极区的面积确定；
5～8引脚为集电极引脚，连接到第一和第二功率开关管Q1和Q2的集电极区，为了散热和印刷电路板布局方便，采用多引脚封装，第一和第二功率开关管Q1和Q2的集电极区位于晶体管背面，采用导电胶和基岛连接，无需打线，阻抗最小。
图5所示的示例封装可以增加多余引脚，不增加系统引脚成本，整个系统电路简单、外围器件少、系统成本低。
综上所述，在根据本发明实施例的电源转换器中，采用四个开关管来组合驱动功率开关管，降低了功率开关管的驱动电流损耗，提高了功率开关管的开通速度。另外，通过在功率开关管准备从导通状态变为关断状态时设置预关断驱动电流，减少了功率开关管处于导通状态期间基极区的载流子，使得关断时能迅速抽取功率开关管的基极区中剩余的少数载流子，提高关断速度，降低关断损耗，从而可以提高功率开关管在中功率系统上的应用范围。
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。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都被包括在本发明的范围中。

Claims (11)

1.一种电源转换器，其特征在于，包括变压器、第一和第二功率开关管、第一和第二电流源、第一、第二、第三、和第四开关管、以及开关控制电路，其中：
所述第一、第二、第三、和第四开关管的第一电极分别连接到所述开关控制电路的第一、第二、第三、和第四输出端，所述第一和第三开关管的第二电极分别连接到所述第一和第二电流源，所述第二开关管的第二电极连接到所述第一开关管的第三电极和所述第一功率开关管的基极，所述第四开关管的第二电极连接到所述第三开关管的第三电极和所述第二功率开关管的基极，所述第二开关管的第三电极接地或者连接到所述第三开关管的第三电极和所述第四开关管的第二电极，所述第四开关管的第三电极接地，
所述第一功率开关管的集电极连接到所述变压器的原边绕组、基极连接到所述第一开关管的第三电极和所述第二开关管的第二电极、发射极连接到所述第二功率开关管的基极，
所述第二功率开关管的集电极连接到所述变压器的原边绕组、基极连接到所述第三开关管的第三电极和所述第四开关管的第二电极、发射极经由电流感测电阻接地。
2.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，在所述第二功率开关管从关断状态变为导通状态的过程中，所述第一开关管和所述第一功率开关管处于导通状态且所述第二、第三、和第四开关管处于关断状态，所述第二功率开关管的基极电流由所述第一电流源经由所述第一开关管和所述第一功率开关管提供。
3.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，在所述第二功率开关管处于导通状态期间，在所述电流感测电阻上的电压达到预定设置值之前，所述第一开关管和所述第一功率开关管处于导通状态且所述第二、第三、和第四开关管处于关断状态，所述第二功率开关管的基极电流由所述第一电流源经由所述第一开关管和所述第一功率开关管提供。
4.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，在所述第二功率开关管处于导通状态期间，在所述电流感测电阻上的电压达到预定设置值之后，所述第一开关管、所述第四开关管、以及所述第一功率开关管处于关断状态，所述第二和第三开关管处于导通状态，所述第二功率开关管的基极电流由所述第二电流源经由所述第三开关管提供。
5.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，在所述第二功率开关管处于关断状态期间，所述第一开关管、所述第三开关管、以及所述第一功率开关管处于关断状态，所述第二和第四开关管处于导通状态。
6.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四开关管被实现为功率开关管或场效应晶体管。
7.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，还包括控制芯片，所述第一、第二、第三、和第四开关管以及所述开关控制电路被包括在所述控制芯片中。
8.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述第一和第二功率开关管被包括在同一个单基岛芯片封装中。
9.如权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，所述单基岛芯片封装具有第一电流引脚、第二电流引脚、至少一个发射极引脚、以及至少一个集电极引脚。
10.如权利要求7所述的电源转换器，其特征在于，所述第一和第二功率开关管以及所述控制芯片被包括在同一个芯片封装中。
11.如权利要求10所述的电源转换器，其特征在于，所述第一和第二功率开关管采用平铺形式封装，并且所述控制芯片和所述第二功率开关管采用叠代形式封装。
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