CN117118236B - 电源芯片及供电结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电源芯片及供电结构。所述电源芯片为非隔离型电源芯片，所述电源芯片基于功率管的占空比控制输出电压和输入电压的比值；所述功率管关闭时，流经负载的电流基于一续流二极管维持。所述电源芯片包括补偿电路，所述补偿电路用于测量流经所述功率管的平均电流的值，并基于测量结果反推流经所述续流二极管的电流的值，并基于反推结果输出补偿电流，所述补偿电流基于一外部电阻生成补偿电压，所述补偿电压用于减少或者抵消由所述续流二极管产生的压降。如此配置，基于所述补偿电路对所述续流二极管产生的压降进行补偿，解决了非隔离型电源芯片的输出电压随负载变化而不稳定的问题。

Description

电源芯片及供电结构
技术领域
本发明涉及电源芯片技术领域，特别涉及一种电源芯片及供电结构。
背景技术
在开关电源芯片应用过程中，常提到负载调整率的概念，通常负载（在本申请中，以输出电流进行表征）的变化会引起输出电压的变化。一般来讲，并联的负载增加，输出电压降低，相反负载减少，输出电压升高。良好的电源负载变化引起的输出电压变化较小，负载调整率是稳压电源（开关电源是一种稳压电源）的一项重要指标，负载调整率体现在当负载电流变化时稳压电源的输出电压相应的变化情况，通常指标为3%-5%。
开关电源芯片将高压转换成低压的应用方案中（如高压100V、低压5V）有隔离型应用方案、非隔离等应用方案等，其中非隔离型应用方案相对隔离型应用方案有转换效率高、系统应用电路相对较简单、成本相对较低等优点。在高压降压非隔离应用时，输入、输出电压差很大，降压型开关电源输入电压VIN、输出电压VOUT近似有下面关系：VOUT=VIN*Ton/(Ton+Toff)，Ton为开关电源功率管的导通时间，Toff为开关电源功率管的关断时间。可见输入、输出电压差越大，则开关电源功率管的导通时间Ton越小。
非隔离型拓扑如图1所示，100为开关电源芯片(本申请中，电源芯片和开关电源芯片指代同一个概念)，图中非隔离型开关电源芯片应用可以理解为将开关电源芯片串联在VIN和GND 之间，表现为开关电源芯片的最低电位“地”（这里芯片的最低电位为输出端SW的电位）不是系统应用的GND。
如图1所示非隔离应用方案的输出电压VOUT和续流二极管D1的导通压降VF有关系，而通过基础电路知识可知VF和流经D1的电流相关，也就是说输出电压VOUT会受到输出回路电流的影响。其中FB和内部基准电压VREF（固定值）分别连接误差放大器的反向、正向输入端，芯片正常工作时FB电压等于内部基准电压为一定值设为VFB，则VOUT=VFB×（R1+R2）/R2-VF。可见VOUT受VF大小影响即受到流经D1的电流大小的影响。
现有的非隔离型降压方案为了减小负载变化引起输出电压变化的问题，通常采取使用导通压降受电流变化较小的肖特基，而肖特基价格较贵，造成成本提高。另外在对输出电压要求精度比较高的应用场合，受电流变化较小的肖特基毕竟也是受电流变化影响，有时也不能满足精度要求。
总之，现有技术中存在续流二极管的压降导致非隔离型电源芯片的输出电压随负载变化而不稳定的问题。值得强调的是，本申请中，上述技术问题的定位不能认为是现有技术中的公知常识。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源芯片及供电结构，以解决现有技术中存在的续流二极管的压降导致非隔离型电源芯片的输出电压随负载变化而不稳定的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电源芯片，所述电源芯片为非隔离型电源芯片，所述电源芯片基于功率管的占空比控制输出电压和输入电压的比值；所述功率管关闭时，流经负载的电流基于一续流二极管维持。
所述电源芯片包括补偿电路，所述补偿电路用于测量流经所述功率管的平均电流的值，并基于测量结果反推流经所述续流二极管的电流的值，并基于反推结果输出补偿电流，所述补偿电流基于一外部电阻生成补偿电压，所述补偿电压用于减少或者抵消由所述续流二极管产生的压降。
可选的，所述电源芯片包括控制电路、输入端、采样端和输出端，所述功率管设置于所述输入端和所述输出端之间，所述控制电路基于所述采样端的电压控制所述功率管的开断。
可选的，所述控制电路包括控制模块和保持模块，所述保持模块用于在所述功率管关断时对所述采样端的电压进行采样，并在所述功率管导通时保持采样结果；所述控制模块基于所述保持模块的采样结果和参考电压的大小关系控制所述功率管的开断。
可选的，所述电源芯片包括内部采样电阻，所述内部采样电阻设置于所述功率管和所述输出端之间，所述补偿电路基于所述内部采样电阻两端的电压获取所述功率管的平均电流值。
可选的，所述补偿电路包括第一采样输入端、第二采样输入端和补偿输出端，所述第一采样输入端和所述第二采样输入端配合工作以获取采样电压，所述补偿电路基于所述采样电压获取所述功率管的平均电流值，所述补偿输出端用于输出所述补偿电流，所述补偿输出端与所述采样端连接。
所述采样端与外部采样分压电阻连接，所述补偿电流基于所述外部采样分压电阻中的至少一部分生成所述补偿电压。
可选的，所述补偿电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第五三极管和电阻。
其中，所述第一三极管为PNP型三极管，所述第一三极管的发射极用于连接所述电源芯片的内部电源，所述第一三极管的基极与自身的集电极连接。
所述第二三极管为NPN型三极管，所述第二三极管的基极被配置为所述补偿电路的第一采样输入端，所述第二三极管的集电极与所述第一三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述电阻的第一端连接，所述电阻的第二端被配置为所述第二采样输入端。
所述第三三极管为PNP型三极管，所述第三三极管的发射极用于连接所述内部电源，所述第三三极管的基极与所述第一三极管的基极连接。
所述第四三极管和所述第五三极管均为NPN型三极管，所述第四三极管的集电极与所述第三三极管的集电极连接，所述第四三极管的基极与自身的集电极连接，所述第四三极管的发射极与所述电阻的第二端连接。
所述第五三极管的基极与所述第四三极管的基极连接，所述第五三极管的集电极被配置为所述补偿输出端，所述第五三极管的发射极与所述电阻的第二端连接。
可选的，所述第一三极管和所述第三三极管的单管个数之比为1：M1，所述第四三极管和所述第五三极管的单管个数之比为1：M2，其中，M1和M2均为预设参数。
可选的，所述功率管的占空比小于10%。
可选的，所述续流二极管产生的压降大于肖特基二极管的压降。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种供电结构，包括输入滤波电容、第一外部采样分压电阻、第二外部采样分压电阻、电感、续流二极管、输出滤波电容和上述的电源芯片。
其中，所述电源芯片包括输入端、采样端和输出端；所述输入端用于连接外部电源，所述输入滤波电容连接于所述输入端和地之间，所述输出端与所述电感的第一端连接，所述电感的第二端用于连接负载，所述输出滤波电容连接于所述电感的第二端和地之间，所述续流二极管的正极与地连接，所述续流二极管的负极与所述电感的第一端连接，所述第一外部采样分压电阻的第一端与所述电感的第二端连接，所述第一外部采样分压电阻的第二端与所述第二外部采样分压电阻的第一端连接，所述第二外部采样分压电阻的第二端与所述输出端连接，所述采样端与所述第一外部采样分压电阻的第二端连接。
所述补偿电流基于所述第一外部采样分压电阻生成补偿电压。
与现有技术相比，本发明提供的一种电源芯片及供电结构中，所述电源芯片为非隔离型电源芯片，所述电源芯片基于功率管的占空比控制输出电压和输入电压的比值；所述功率管关闭时，流经负载的电流基于一续流二极管维持。所述电源芯片包括补偿电路，所述补偿电路用于测量流经所述功率管的平均电流的值，并基于测量结果反推流经所述续流二极管的电流的值，并基于反推结果输出补偿电流，所述补偿电流基于一外部电阻生成补偿电压，所述补偿电压用于减少或者抵消由所述续流二极管产生的压降。如此配置，基于所述补偿电路对所述续流二极管产生的压降进行补偿，解决了非隔离型电源芯片的输出电压随负载变化而不稳定的问题。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是现有技术一基于非隔离型电源芯片的供电拓扑结构的示意图。
图2是本发明一实施例的供电结构的示意图。
图3是本发明一实施例的电源芯片的结构示意图。
图4是本发明一实施例的补偿电路的电路图。
图5是现有技术和本发明一实施例的波形比较图。
其中：
100-现有技术中的开关电源芯片；200-本发明的电源芯片；1001-补偿电路；1002-控制电路；1003-控制模块；1004-保持模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的核心思想在于提供一种电源芯片及供电结构，以解决现有技术中存在的续流二极管的压降导致非隔离型电源芯片的输出电压随负载变化而不稳定的问题。
以下参考附图进行描述。
请参考图2，本实施例提供了一种供电结构，包括输入滤波电容C1、第一外部采样分压电阻R1、第二外部采样分压电阻R2、电感L1、续流二极管D1、输出滤波电容C2和电源芯片200。由于上述元件中，只有电源芯片200和现有技术不同，因此图1中除开关电源芯片100之外的各元件的名称及标号均和图2中的相同。
其中，所述电源芯片200包括输入端IN、采样端FB和输出端SW；所述输入端IN用于连接外部电源VIN，所述输入滤波电容C1连接于所述输入端IN和地GND之间，所述输出端SW与所述电感L1的第一端连接，所述电感L1的第二端用于连接负载（未图示）。因此，所述电感L1的第二端和地GND之间的电压即输出电源VOUT。所述输出滤波电容C2连接于所述电感L1的第二端和地GND之间，所述续流二极管D1的正极与地GND连接，所述续流二极管D1的负极与所述电感L1的第一端连接，所述第一外部采样分压电阻R1的第一端与所述电感L1的第二端连接，所述第一外部采样分压电阻R1的第二端与所述第二外部采样分压电阻R2的第一端连接，所述第二外部采样分压电阻R2的第二端与所述输出端SW连接，所述采样端FB与所述第一外部采样分压电阻R1的第二端连接。
所述电源芯片200为非隔离型电源芯片，所述电源芯片200基于功率管的占空比控制输出电压VOUT和输入电压VIN的比值；所述功率管关闭时，流经负载的电流基于所述续流二极管D1维持。
所述电源芯片200包括补偿电路1001，所述补偿电路1001用于测量流经所述功率管的平均电流的值，并基于测量结果反推流经所述续流二极管的电流ID1的值，并基于反推结果输出补偿电流I1，所述补偿电流基于所述第一外部采样分压电阻R1生成补偿电压VC，即I1×R1，所述补偿电压用于减少或者抵消由所述续流二极管产生的压降VF。
由图2可知， VOUT=VFB*（R1+R2）/R2-VF，可见VOUT受VF大小影响，而VF的大小受流经D1的电流ID1影响，VF=KT/q*ln（ID1/IS）;其中，q为电子的电量，K 为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，IS为反向饱和电流，常温时约为一常数，由Is=bT4+mexp(-Eg/KT)计算，其中，b是一个比例系数， m=-1.5（载流子迁移率的温度指数），Eg=1.12eV（硅的带隙能量）。exp(x)表示以自然常数e为底的指数函数。
由上述分析可知，VF的大小受流经D1的电流ID1影响，具体影响为ID1越大VF越大，在非隔离应用方案中表现为ID1越大VOUT越小。
具体地，请参考图3，所述电源芯片包括控制电路1002、输入端IN、采样端FB和输出端SW，所述功率管QN1设置于所述输入端IN和所述输出端SW之间，所述控制电路1002基于所述采样端FB的电压控制所述功率管QN1的开断。
所述控制电路1002的具体工作方式可以根据本领域公知常识进行理解，在一个较优的实施例中，所述控制电路1002包括控制模块1003和保持模块1004，所述保持模块1004用于在所述功率管QN1关断时对所述采样端FB的电压进行采样，并在所述功率管QN1导通时保持采样结果；所述控制模块1003基于所述保持模块1004的采样结果和参考电压VREF的大小关系控制所述功率管QN1的开断。
在本实施例中，通过NPN型三极管QN2实现上述技术效果，当QN1导通时，QN2关断，此时，所述保持模块1004不再和FB导通，因此其保持当前的采样结果。当QN1关断时，QN2导通，所述保持模块1004和FB导通，其不断用FB侧的电压刷新自身采集到的电压。误差放大器EA用于比较VREF和所述保持模块1004输出的电压（也即采样结果），并将比较结果输入所述控制模块1003，便于所述控制模块1003执行后续指令。QN2的通断状态通过所述控制模块1003控制，所述控制模块还接收所述参考电压VREF，以执行其他相关逻辑。
所述电源芯片200还包括内部采样电阻Rcs，所述内部采样电阻Rcs设置于所述功率管QN1和所述输出端SW之间，所述补偿电路1001基于所述内部采样电阻Rcs两端的电压Vcs获取所述功率管QN1的平均电流值Isw。
请结合图2，由于所述电感L1的存在，QN1导通时SW输出电流线性上升，QN1关断时SW输出电流线性下降；方便计算和描述设SW输出电流平均值为ISW，大小等于输出电流（近似为续流二极管电流ID1的平均值）；QN1导通时ISW经过L1、负载输出到GND；由于电感L1的存在，QN1关断时ISW经过负载、续流二极管D1流到L1。
请参考图4，所述补偿电路包括第一采样输入端、第二采样输入端和补偿输出端，所述第一采样输入端和所述第二采样输入端配合工作以获取采样电压Vcs，所述补偿电路1001基于所述采样电压Vcs获取所述功率管的平均电流值ISW，所述补偿输出端用于输出所述补偿电流I1，所述补偿输出端与所述采样端SW连接。
所述补偿电路包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5和电阻R11。
其中，所述第一三极管为PNP型三极管，所述第一三极管的发射极用于连接所述电源芯片的内部电源，所述第一三极管的基极与自身的集电极连接。
所述第二三极管为NPN型三极管，所述第二三极管的基极被配置为所述补偿电路的第一采样输入端，所述第二三极管的集电极与所述第一三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述电阻的第一端连接，所述电阻的第二端被配置为所述第二采样输入端。
所述第三三极管为PNP型三极管，所述第三三极管的发射极用于连接所述内部电源，所述第三三极管的基极与所述第一三极管的基极连接。
所述第四三极管和所述第五三极管均为NPN型三极管，所述第四三极管的集电极与所述第三三极管的集电极连接，所述第四三极管的基极与自身的集电极连接，所述第四三极管的发射极与所述电阻的第二端连接。
所述第五三极管的基极与所述第四三极管的基极连接，所述第五三极管的集电极被配置为所述补偿输出端，所述第五三极管的发射极与所述电阻的第二端连接。
Vcs电压提供Q2的基极电压，当Vcs大于Q2的开启电压后Q2导通产生1001模块的偏置电流IR11=(Vcs-Vbe)/R11，Vbe为Q2的基极发射极电压；Q1、Q3组成电流镜Q1集电极电流为IQC1(等于IR11)，Q3集电极电流为IQC3。Q4、Q5组成电流镜，Q4集电极电流为IQC4 (等于IQC3)，Q5集电极电流为IQC5 (等于I1)。设置Q1、Q3的单管个数之比为1：M1，Q4、Q5的单管个数之比为1：M2。则有I1=M1×M2×IR11= M1×M2×(Vcs-Vbe)/R11。Vcs近似为Rcs*ISW有Vcs=Rcs×ISW；整理相关等式得出I1= M1×M2×(Vcs-Vbe)/R11= M1×M2×(Rcs×ISW-Vbe)/R11。
ISW变大则由VF=KT/q*ln（ID1/IS）可知VF变大，如果没有补偿电路VOUT=VFB×（R1+R2）/R2-VF会随之变小；当引入补偿电路后 VOUT=VFB×（R1+R2）/R2-VF+VC=VFB×（R1+R2）/R2-VF+I1×R1=VFB×（R1+R2）/R2-VF+ M1×M2×(Rcs×ISW-Vbe)×R1/R11，可见引入补偿后VOUT相比没有引入补偿时增加量ΔV= M1×M2×(Rcs×ISW-Vbe)×R1/R11，且ΔV随ISW增大而增加，由此对输出电压起到了补偿作用。
请参考图5，在现有技术中，VOUT随负载变化曲线的斜率（绝对值）较大。在引入本发明的补偿电路1001后，VOUT随负载变化曲线的斜率（绝对值）变小，趋于水平，获得了良好的技术效果。
由以上分析可知加入补偿电路后，非隔离系统的输出电压受输出电流的影响减小，即改善了系统的负载调整率。
本实施例可应用于输入输出电压差别较大的场景，也即，所述功率管的占空比小于10%。
本实施例也可以摆脱对肖特基二极管的依赖，也即，所述续流二极管产生的压降大于肖特基二极管的压降。
综上所述，本实施例提供了一种电源芯片及供电结构。所述电源芯片为非隔离型电源芯片，所述电源芯片基于功率管的占空比控制输出电压和输入电压的比值；所述功率管关闭时，流经负载的电流基于一续流二极管维持。所述电源芯片包括补偿电路，所述补偿电路用于测量流经所述功率管的平均电流的值，并基于测量结果反推流经所述续流二极管的电流的值，并基于反推结果输出补偿电流，所述补偿电流基于一外部电阻生成补偿电压，所述补偿电压用于减少或者抵消由所述续流二极管产生的压降。如此配置，基于所述补偿电路对所述续流二极管产生的压降进行补偿，解决了非隔离型电源芯片的输出电压随负载变化而不稳定的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种电源芯片，其特征在于，所述电源芯片为非隔离型电源芯片，所述电源芯片基于功率管的占空比控制输出电压和输入电压的比值；所述功率管关闭时，流经负载的电流基于一续流二极管维持；
所述电源芯片包括补偿电路，所述补偿电路用于测量流经所述功率管的平均电流的值，并基于测量结果反推流经所述续流二极管的电流的值，并基于反推结果输出补偿电流，所述补偿电流基于一外部电阻生成补偿电压，所述补偿电压用于减少或者抵消由所述续流二极管产生的压降；
所述电源芯片包括控制电路、输入端、采样端和输出端，所述功率管设置于所述输入端和所述输出端之间，所述控制电路基于所述采样端的电压控制所述功率管的开断；
所述补偿电路包括第一采样输入端、第二采样输入端和补偿输出端，所述第一采样输入端和所述第二采样输入端配合工作以获取采样电压，所述补偿电路基于所述采样电压获取所述功率管的平均电流值，所述补偿输出端用于输出所述补偿电流，所述补偿输出端与所述采样端连接；
所述采样端与外部采样分压电阻连接，所述补偿电流基于所述外部采样分压电阻中的至少一部分生成所述补偿电压。
2.根据权利要求1所述的电源芯片，其特征在于，所述控制电路包括控制模块和保持模块，所述保持模块用于在所述功率管关断时对所述采样端的电压进行采样，并在所述功率管导通时保持采样结果；所述控制模块基于所述保持模块的采样结果和参考电压的大小关系控制所述功率管的开断。
3.根据权利要求1所述的电源芯片，其特征在于，所述电源芯片包括内部采样电阻，所述内部采样电阻设置于所述功率管和所述输出端之间，所述补偿电路基于所述内部采样电阻两端的电压获取所述功率管的平均电流值。
4.根据权利要求1所述的电源芯片，其特征在于，所述补偿电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第五三极管和电阻，其中，
所述第一三极管为PNP型三极管，所述第一三极管的发射极用于连接所述电源芯片的内部电源，所述第一三极管的基极与自身的集电极连接；
所述第二三极管为NPN型三极管，所述第二三极管的基极被配置为所述补偿电路的第一采样输入端，所述第二三极管的集电极与所述第一三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述电阻的第一端连接，所述电阻的第二端被配置为所述第二采样输入端；
所述第三三极管为PNP型三极管，所述第三三极管的发射极用于连接所述内部电源，所述第三三极管的基极与所述第一三极管的基极连接；
所述第四三极管和所述第五三极管均为NPN型三极管，所述第四三极管的集电极与所述第三三极管的集电极连接，所述第四三极管的基极与自身的集电极连接，所述第四三极管的发射极与所述电阻的第二端连接；
所述第五三极管的基极与所述第四三极管的基极连接，所述第五三极管的集电极被配置为所述补偿输出端，所述第五三极管的发射极与所述电阻的第二端连接。
5.根据权利要求4所述的电源芯片，其特征在于，所述第一三极管和所述第三三极管的单管个数之比为1：M1，所述第四三极管和所述第五三极管的单管个数之比为1：M2，其中，M1和M2均为预设参数。
6.根据权利要求1所述的电源芯片，其特征在于，所述功率管的占空比小于10%。
7.根据权利要求1所述的电源芯片，其特征在于，所述续流二极管产生的压降大于肖特基二极管的压降。
8.一种供电结构，其特征在于，包括输入滤波电容、第一外部采样分压电阻、第二外部采样分压电阻、电感、续流二极管、输出滤波电容和如权利要求1~7中任一项所述的电源芯片；其中，
所述电源芯片包括输入端、采样端和输出端；所述输入端用于连接外部电源，所述输入滤波电容连接于所述输入端和地之间，所述输出端与所述电感的第一端连接，所述电感的第二端用于连接负载，所述输出滤波电容连接于所述电感的第二端和地之间，所述续流二极管的正极与地连接，所述续流二极管的负极与所述电感的第一端连接，所述第一外部采样分压电阻的第一端与所述电感的第二端连接，所述第一外部采样分压电阻的第二端与所述第二外部采样分压电阻的第一端连接，所述第二外部采样分压电阻的第二端与所述输出端连接，所述采样端与所述第一外部采样分压电阻的第二端连接；
所述补偿电流基于所述第一外部采样分压电阻生成补偿电压。
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