CN115208186A - 升压式开关电源及其升压控制器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种升压式开关电源及其升压控制器。升压式开关电源包括变压器、脉宽调制控制器、以及升压控制器，升压控制器的开关控制引脚处的电压由变压器的辅助绕组提供，升压控制器的芯片供电引脚处的电压既是升压控制器的供电电压也是脉宽调制控制器的供电电压。升压控制器被配置为：升压控制器的芯片供电引脚处的电压在升压式开关电源上电后开始增大；以及升压控制器的开关控制引脚处的电压在脉宽调制控制器启动后开始增大。当升压控制器的开关控制引脚处的电压大于升压控制器的启动电压且升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于升压控制器的欠压锁定关断阈值时，升压控制器启动。

Description

升压式开关电源及其升压控制器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种升压式开关电源及其升压控制器。
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升压式开关电源的升压控制器，其中，升压式开关电源包括变压器、脉宽调制控制器、以及升压控制器，升压控制器的开关控制引脚处的电压由变压器的辅助绕组提供，升压控制器的芯片供电引脚处的电压既是升压控制器的供电电压也是脉宽调制控制器的供电电压，升压控制器被配置为：升压控制器的芯片供电引脚处的电压在升压式开关电源上电后开始增大；以及升压控制器的开关控制引脚处的电压在脉宽调制控制器启动后开始增大，其中，当升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于脉宽调制控制器的欠压锁定关断阈值时，脉宽调制控制器启动；当升压控制器的开关控制引脚处的电压大于升压控制器的启动电压且升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于升压控制器的欠压锁定关断阈值时，升压控制器启动。
根据本发明实施例的用于升压式开关电源的升压控制器，其中，升压式开关电源包括变压器、脉宽调制控制器、以及升压控制器，升压控制器的开关控制引脚处的电压由变压器的辅助绕组提供，升压控制器的芯片供电引脚处的电压既是升压控制器的供电电压也是脉宽调制控制器的供电电压，升压控制器被配置为：升压控制器的芯片供电引脚处的电压在升压式开关电源上电后开始增大；当升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于连接在升压控制器的芯片供电引脚和开关控制引脚之间的功率开关的导通电压时，功率开关导通，使得升压控制器的开关控制引脚处的电压等于升压控制器的芯片供电引脚处的电压；当升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于升压控制器的欠压锁定关断阈值时，升压控制器启动，功率开关断开，并且开关控制器的供电电压从开关控制器的芯片供电引脚处的电压切换为开关控制器的开关控制引脚处的电压，其中，当升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于脉宽调制控制器的欠压锁定关断阈值时，脉宽调制控制器启动。
根据本发明实施例的升压式开关电源，包括上述用于升压式开关电源的升压控制器。
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示出了根据本发明实施例的升压式开关电源的系统电路图。
图3示出了图2所示的升压控制器的升压控制电路的电路原理图。
图4示出了用于图2所示的升压控制器的启动控制电路的示例电路图。
图5示出了图4所示的启动控制电路实现的启动控制过程的流程图。
图6示出了图4所示的启动控制电路实现的关机/掉电控制过程的流程图。
图7示出了用于图2所示的升压控制器的另一启动控制电路的示例电路图。
图8示出了用于图2所示的升压控制器的又一启动控制电路的示例电路图。
图9示出了图8所示的启动控制电路实现的启动控制过程的流程图。
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。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。
图1示出了传统的反激式开关电源100的系统电路图。如图1所示，反激式开关电源100包括变压器T、连接到变压器T的原边绕组Np的功率开关M、以及脉宽调制(PWM)控制器U1，其中，PWM控制器U1基于表征流过变压器T的原边绕组Np的原边电流的电流感测信号CS和表征反激式开关电源100的系统输出电压Vout的输出反馈信号FB来控制功率开关M的导通与关断，从而控制反激式开关电源100的系统输出电压Vout。
在图1所示的反激式开关电源100中，PWM控制器U1的供电电压VDD由变压器T的辅助绕组Naux提供，并且随系统输出电压Vout成正比变化，因此在系统输出电压Vout的变化范围非常宽的情况下，PWM控制器U1的供电电压VDD的变化范围也必须非常宽(即，供电电压VDD的最大值VDDmax与最小值VDDmin之间的差值必须非常大)。然而，由于用在PWM控制器U1中的半导体器件具有一定的工作电压范围，在半导体器件的最大耐压确定的情况下，PWM控制器U1的供电电压VDD的最大值VDDmax基本是固定的(受半导体制造工艺限制)，PWM控制器U1的供电电压VDD的最小值VDDmin必须很低，才能满足PWM控制器U1的供电电压VDD的变化范围非常宽的要求。
但是，当PWM控制器U1的供电电压VDD的最小值VDDmin很低时，难以满足PWM控制器U1的供电要求，此时必须在反激式开关电源100中增加升压功能，通过升压功能将PWM控制器U1的供电电压VDD的最小值VDDmin提升到较高电压值，来确保PWM控制器U1的供电要求得到满足。
图2示出了根据本发明实施例的升压式开关电源200的系统电路图。图2所示的升压式开关电源200与图1所示的反激式开关电源100的区别在于，除了包括变压器T、连接到变压器T的原边绕组Np的功率开关M、以及PWM控制器U1以外还包括升压控制器U2，其中，升压控制器U2的开关控制引脚(即，SW引脚)连接到变压器T的辅助绕组Naux，并且升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw是变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin；升压控制器U2的芯片供电引脚(即，VDD引脚)连接到PWM控制器U1的VDD引脚，并且升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD既是升压控制器U2的供电电压也是PWM控制器U1的供电电压。这里，PWM控制器U1的工作原理与结合图1描述的工作原理类似，在此不再赘述。
下面，为了描述方便，升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw和变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin可以交换使用，并且升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD、升压控制器U1的供电电压VDD、以及PWM控制器U1的供电电压VDD可以交换使用。
在升压式开关电源200正常工作期间，如果变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin低于阈值电压V0，则升压控制器U2将输入电压Vin调节为阈值电压V0并将阈值电压V0作为PWM控制器U1的供电电压VDD提供给PWM控制器U1；如果变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin高于阈值电压V0，则升压控制器U2不对输入电压Vin进行调节，而直接将其作为PWM控制器U1的供电电压VDD提供给PWM控制器U1。因此，PWM控制器U1的供电电压VDD保持在阈值电压V0至VDDmax的范围内。
在升压式开关电源200的启动过程中，交流输入电压经由电磁干扰过滤器和分压网络处理得到的系统输入分压Vac通过启动电阻Rstart对电容C1充电，PWM控制器U1的供电电压VDD斜坡增大；当PWM控制器U1的供电电压VDD达到PWM控制器U1的欠压锁定关断阈值UVLO_off_bwm时，PWM控制器U1开始工作。
图3示出了图2所示的升压控制器U2的升压控制电路300的电路原理图。如图3所示，在升压控制器U2的升压控制电路中：二极管D1连接在升压控制器U2的SW引脚和VDD引脚之间；当升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw大于VDD引脚处的电压VDD与二极管D1的导通电压Vdio之和(即，Vsw>VDD+Vdio)时，二极管D1导通，升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw经由二极管D1提供给升压控制器U2的VDD引脚，用作PWM控制器U1的供电电压VDD；当升压控制器102的SW引脚处的电压Vsw小于VDD引脚处的电压VDD与二极管D1的导通电压Vdio之和(即，Vsw<VDD+Vdio)时，二极管D1关断，通过控制功率开关M11和M22的导通与关断来将升压控制器102的SW引脚处的电压Vsw调节为阈值电压V0，并将阈值电压V0提供给升压控制器U2的VDD引脚，用作PWM控制器U1的供电电压VDD。
如图3所示，在升压控制器U2的升压控制电路300中：跨导运算放大器Gm对升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD和阈值电压Vreg进行比较，并且在VDD<Vreg时产生充电电流对电容C11充电；电容C11上的电压VC增大，脉冲发生器Burst基于电容C11上的电压VC产生使能信号ENA＝1；时钟信号Fboost触发D触发器DFF1的Q输出端输出Q＝1，使得功率开关M11和M22导通；电阻Rocp采样流过功率开关M22的电流；比较器Comp对电阻Rocp上的电压VR与阈值电压Vref_ocp进行比较，并且在VR>Vref_ocp时产生保护信号SW_ocp＝0，此时D触发器DFF1的Q输出端输出Q＝0，使得功率开关M11和M22关断；当功率开关M11和M22的导通时间达到最大导通时间时，指示功率开关M11和M22的导通时间是否达到最大导通时间的最大占空比信号Duty max＝0，D触发器DFF1的Q输出端也输出Q＝0，使得功率开关M11和M22关断；当VDD>Vreg时，跨导运算放大器Gm产生放电电流对电容器C11放电，电容C11上的电压VC减小，脉冲发生器Burst基于电容C11上的电压VC产生使能信号ENA＝0，D触发器DFF1的Q输出端输出Q＝0，使得功率开关M11和M22断开。
目前，升压式开关电源200的启动方案包括以下两种：方案1)PWM控制器U1先启动，等变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin增大到一定值再启动升压控制器U2，但是在PWM控制器U1下次重启时变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin可能较高，使得升压控制器U2提前于PWM控制器U1启动，PWM控制器U1由于启动电流不够而无法启动；方案2)升压控制器U2先启动，PWM控制器U1后启动，但是由于升压控制器U2本身的耗电，可能导致PWM控制器U1由于启动电流不够而无法启动。
鉴于上述情况，提出了根据本发明实施例的用于图2所示的升压式开关电源200的启动方案，以保证升压式开关电源200能够正常启动、工作、和关闭。
图4示出了用于图2所示的升压控制器U2的启动控制电路400的示例电路图。图4所示的启动控制电路400可以控制升压控制器U2在PWM控制器U1启动之后再启动，并且可以避免系统重启时PWM控制器U1由于启动电流不够而无法重启的问题。
图5示出了图4所示的启动控制电路400实现的启动控制过程的流程图。结合图2、图4、和图5可以看出，在升压式开关电源200上电后：升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD斜坡增大；当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD大于PWM控制器U2的欠压锁定关断阈值UVLO_off_pwm时，PWM控制器U1启动，升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw斜坡增大；当升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw小于升压控制器U2的启动电压Vsw_on时，升压控制器U2不启动；当升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw大于升压控制器U2的启动电压Vsw_on并且升压变压器U2的VDD引脚处的电压VDD大于升压变压器U2的欠压锁定关断阈值UVLO_off_bst时，升压变压器U2启动。
图6示出了图4所示的启动控制电路实现的关机/掉电控制过程的流程图。结合图2、图4、和图6可以看出，在升压式开关电源200掉电或保护性关闭时：PWM控制器U1不输出用于驱动功率开关M的导通与关断的栅极驱动信号，升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw斜坡减小，升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD靠升压控制器U2维持一段之间后也斜坡降低；当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD小于放电阈值Vdischar时，放电使能信号Dischar_en＝1，主放电通路导通，升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw快速降低；当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD小于PWM控制器U1的欠压锁定开启阈值UVLO_on_pwm时，PWM控制器U1关闭；当升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw小于升压控制器U2的关闭电压Vsw_off且升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD小于升压控制器U2的欠压锁定开启阈值UVLO_on_bst时，升压控制器U2关闭，同时主放电通路关断，等待升压式开关电源200重启。
在一些实施例中，图4所示的启动控制电路400也可以不包括主放电通路，只要能确保VDD<UVLO_on_bst之前Vin<Vsw_off即可。在一些情况下，也可以在图4所示的启动控制电路400中额外增加辅助放电通路来确保VDD<UVLO_on_bst之前Vin<Vsw_off，例如，可以基于升压控制器U2内部的电源良好信号(即，PG信号)来控制放电通路导通。
图7示出了用于图2所示的升压控制器U2的启动控制电路700的示例电路图。图7所示的启动控制电路700与图4所示的启动控制电路400的不同在于：在升压式开关电源200启动时，无论变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin的大小如何，只要升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD大于升压控制器U2的欠压锁定关断阈值UVLO_off_bst，就产生PG信号；只有当变压器T的辅助绕组Naux提供的输入电压Vin大于升压控制器U2的启动电压Vsw_on时，升压控制器U2才启动。这样，升压控制器U2的PG信号产生电路先启动，只需等Vin>Vsw_on即可正常工作，不用担心Vin>Vsw_on时VDD是否大于UVLO_off_bst。
图8示出了用于图2所示的升压控制器U2的启动控制电路800的示例电路图。图8所示的启动控制电路800可以控制升压控制器U2在PWM控制器U1启动之前先启动，并且可以避免PWM控制器U1由于启动电流不够而无法启动的问题。
图9示出了图8所示的启动控制电路700实现的启动控制过程的流程图。结合图2、图8、和图9可以看出，在升压式开关电源200上电后：系统输入分压Vac通过电阻Rstart给电容C2充电，当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD大于功率开关S1的导通阈值Vs1_on时，功率开关S1导通，升压控制器U2的SW引脚处的电压Vsw等于VDD引脚处的电压VDD并给电容C1充电；当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD大于升压控制器U2的欠压锁定关断阈值UVLO_off_bst时，升压控制器U2启动，功率开关S1关断；开关使能信号EN_SW＝1，只有电容C1给升压控制器U2供电，电容C2不再给升压控制器U2供电；系统输入分压Vac通过电阻Rstart继续给电容C2充电，当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD大于PWM控制器U1的欠压锁定关断阈值UVLO_off_pwm时，PWM控制器U1启动，升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD斜坡下降；当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD小于阈值电压Vth1时，切换回电容C2给升压控制器U2供电；当升压控制器U2的VDD引脚处的电压VDD小于升压控制器U2的欠压锁定开启阈值UVLO_on_bst时，升压控制器U2关闭。
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 (8)

1.一种用于升压式开关电源的升压控制器，其中，所述升压式开关电源包括变压器、脉宽调制控制器、以及所述升压控制器，所述升压控制器的开关控制引脚处的电压由所述变压器的辅助绕组提供，所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压既是所述升压控制器的供电电压也是所述脉宽调制控制器的供电电压，所述升压控制器被配置为：
所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压在所述升压式开关电源上电后开始增大；以及
所述升压控制器的开关控制引脚处的电压在所述脉宽调制控制器启动后开始增大，其中
当所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于所述脉宽调制控制器的欠压锁定关断阈值时，所述脉宽调制控制器启动；
当所述升压控制器的开关控制引脚处的电压大于所述升压控制器的启动电压且所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于所述升压控制器的欠压锁定关断阈值时，所述升压控制器启动。
2.根据权利要求1所述的升压控制器，进一步被配置为：
所述升压控制器的开关控制引脚处的电压在所述升压式开关电源掉电或保护性关闭后开始下降；以及
所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压在所述升压控制器的开关控制引脚处的电压下降到无法维持所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压保持不变后开始下降，其中
当所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压小于所述脉宽调制控制器的欠压锁定开启阈值时，所述脉宽调制控制器关闭，
当所述升压控制器的开关控制引脚处的电压小于所述升压控制芯片的关闭电压且所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压小于所述升压控制器的欠压锁定开启阈值时，所述升压控制器关闭。
3.根据权利要求2所述的升压控制器，进一步被配置为：
当所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压小于放电阈值时，对所述升压控制器的开关控制引脚处的电压进行放电。
4.根据权利要求2所述的升压控制器，进一步被配置为：
在所述升压控制器启动后，生成电源良好信号；以及
基于所述电源良好信号对所述升压控制器的开关控制引脚处的电压进行放电。
5.根据权利要求2所述的升压控制器，进一步被配置为：
在所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于所述升压控制器的欠压锁定关断阈值时，生成电源良好信号；以及
基于所述电源良好信号对所述升压控制器的开关控制引脚处的电压进行放电。
6.一种用于升压式开关电源的升压控制器，其中，所述升压式开关电源包括变压器、脉宽调制控制器、以及所述升压控制器，所述升压控制器的开关控制引脚处的电压由所述变压器的辅助绕组提供，所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压既是所述升压控制器的供电电压也是所述脉宽调制控制器的供电电压，所述升压控制器被配置为：
所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压在所述升压式开关电源上电后开始增大；
当所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于连接在所述升压控制器的芯片供电引脚和开关控制引脚之间的功率开关的导通电压时，所述功率开关导通，使得所述升压控制器的开关控制引脚处的电压等于所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压；
当所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于所述升压控制器的欠压锁定关断阈值时，所述升压控制器启动，所述功率开关断开，并且所述开关控制器的供电电压从所述开关控制器的芯片供电引脚处的电压切换为所述开关控制器的开关控制引脚处的电压，其中
当所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压大于所述脉宽调制控制器的欠压锁定关断阈值时，所述脉宽调制控制器启动。
7.根据权利要求6所述的升压控制器，进一步被配置为：
所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压在所述脉宽调制控制器启动后开始下降；
当所述升压控制器的芯片供电引脚处的电压小于切换阈值时，将所述升压控制器的供电电压从所述升压控制器的开关控制引脚处的电压切换回所述升压控制器的供电引脚处的电压。
8.一种升压式开关电源，包括权利要求1至7中任一项所述的升压控制器。
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