CN202004671U - 一种初级控制恒流恒压变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种初级控制恒流恒压变换器，所述变换器包括：变压器，初级高压隔离及驱动单元，采用峰值电流模式PFWM的控制芯片；变压器包括三个绕组：初级绕组、次级绕组及辅助绕组；所述初级高压隔离及驱动单元为NPN复合管；NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管；所述控制芯片包括第一晶体管、第二晶体管、PFWM控制单元；PFWM控制单元分别与第一晶体管、第二晶体管连接；所述NPN复合管连接控制芯片、初级绕组。本实用新型提出的初级控制恒流恒压变换器，只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器的恒流恒压输出控制，可用于NPN管发射极驱动或基极驱动，并可降低芯片及应用的成本。

Description

一种初级控制恒流恒压变换器

技术领域

本实用新型属于微电子设计技术领域，涉及一种恒流恒压变换器，尤其涉及一种初级控制恒流恒压变换器。

背景技术

多年来，各种反激式开关电源的控制IC(集成电路)已经得到发展和应用，以实现恒流恒压的控制，其应用包括LED驱动器、离线式AC/DC(交流/直流)电源适配器、充电器和移动设备的备用电源。

图1为一种现有的典型的NPN基极驱动并通过变压器33的初级来控制的恒流恒压输出反激式变换器38的电路图。变压器33包含三个绕组：初级绕组Lp，次级绕组Ls及辅助绕组La。反激式变换器38包含作为初级高压开关的NPN管16，初级电流感应电阻31，起动电阻11，旁路电源整流二极管12，旁路电源电容13，辅助绕组的分压电阻24及25，一个表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻21，次级整流管22，输出电容23以及采用峰值电流模式PFWM的控制IC 42。控制IC 42起动的初始能量由电阻11和电容13提供。当反激变换器38稳定后，变压器33的辅助绕组La通过整流器12为控制IC 42提供能量。IC 42通过La耦合Ls的电压，并由电阻24及25进行分压采样所得到的信息来控制开关40及41的占空比及频率，从而控制NPN管16开关的占空比及频率，以实现次级的OUT端得到恒流恒压的输出。反激变换器的缺点是NPN管16需要的基极驱动电流较大，使得芯片开关40及41占用的面积较大以保证得到足够的电流驱动能力。

综上所述，需要寻求一种方法，使得较小的基极驱动电流便足以驱动NPN管16的通过初级来控制，实现反激式变换器次级恒流恒压输出。这种方法在发射极驱动电路中，不需要外部的基极驱动电阻及基极泄流二极管，以减少外围器件数目。此外，较小的基极驱动电流需求使得在基极驱动电路中可减小产生基极驱动电流的驱动管的面积。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种初级控制恒流恒压变换器，只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器恒流恒压输出控制。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种初级控制恒流恒压变换器，所述变换器包括：变压器(17)，初级高压隔离及驱动单元，采用峰值电流模式PFWM的控制芯片(42)；

变压器(17)包括三个绕组：初级绕组(18)，次级绕组(19)及辅助绕组(20)；

所述初级高压隔离及驱动单元为NPN复合管(27)；NPN复合管(27)包括第一级NPN管、第二级NPN管；

所述控制芯片(42)包括第一晶体管(34)、第二晶体管(35)、PFWM控制单元(30)；PFWM控制单元(30)分别与第一晶体管(34)、第二晶体管(35)连接；

所述NPN复合管连接控制芯片(42)、初级绕组(18)。

作为本实用新型的一种优选方案，所述NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管；

所述第一级NPN管的集电极C1和第二级NPN管的集电极C2连接且作为NPN复合管的集电极C；

所述第一级NPN管的发射极E1极与第二极NPN管的基极B2连接，第一级NPN管的基极B1为NPN复合管的B极，第二级NPN管的E2为NPN复合管的E极。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第一晶体管(34)的源极及第二晶体管(35)的漏极连接到控制芯片(42)的端口OUT，第一晶体管(34)的漏极连接到端口VDD，第二晶体管(35)的源极连接到控制芯片(42)的地端口GND；

第一晶体管(34)的栅极连接PFWM控制单元(30)，第二晶体管(35)的栅极通过反相器(32)连接PFWM控制单元(30)。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第一晶体管(34)、所述第二晶体管(35)为N型MOS管。

作为本实用新型的一种优选方案，所述变换器进一步包括：起动电阻(11)，旁路电源整流二极管(12)，旁路电源电容(13)，第一分压电阻(24)，第二分压电阻(25)，表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻(21)，次级整流管(22)，输出电容(23)，初级电流感应电阻(31)；

起动电阻(11)的一端连接输入端口VIN，另一端通过旁路电源电容(13)接地；

初级绕组(18)的一端连接输入端口VIN，另一端连接NPN复合管(27)的集电极C；

次级绕组(19)的一端通过所述次级电阻(21)、次级整流管(22)连接输出端口VOUT，另一端接输出端的相对地；输出电容(23)一端连接输出端口VOUT，另一端接输出端的相对地；

辅助绕组(20)的一端接输入端的大地；另一端连接串联的第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)，同时连接旁路电源整流二极管(12)的正极；旁路电源整流二极管(12)的负极接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间；第二分压电阻(25)的一端接输入端的大地；

端VDD接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间；PFWM控制单元(30)通过端口FB连接第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)之间；

初级电流感应电阻(31)的一端连接输入端的大地，另一端分别连接控制芯片(42)的端口CS及NPN复合管(27)的发射极E。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的初级控制恒流恒压变换器，只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器的恒流恒压输出控制，可用于NPN管发射极驱动或基极驱动，并可降低芯片及应用的成本。

附图说明

图1为现有的一种通过初级来控制的恒流恒压输出的基极驱动反激式变换器的简单电路图。

图2为本发明所示的通过初级来控制的恒流恒压输出的基极驱动反激式变换器的简单电路图。

图3为本发明所示的NPN复合管的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例一

请参阅图2，本实用新型揭示了一种初级控制恒流恒压变换器，所述变换器包括：变压器(17)，初级高压隔离及驱动单元，采用峰值电流模式PFWM的控制芯片(42)。

变压器(17)包括三个绕组：初级绕组(18)，次级绕组(19)及辅助绕组(20)。所述初级高压隔离及驱动单元为NPN复合管(27)；NPN复合管(27)包括第一级NPN管、第二级NPN管。所述控制芯片(42)包括第一晶体管(34)、第二晶体管(35)、PFWM控制单元(30)；PFWM控制单元(30)分别与第一晶体管(34)、第二晶体管(35)连接。所述NPN复合管连接控制芯片(42)、初级绕组(18)。

所述NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管；所述第一级NPN管的集电极C1和第二级NPN管的集电极C2连接且作为NPN复合管的集电极C；所述第一级NPN管的发射极E1极与第二极NPN管的基极B2连接，第一级NPN管的基极B1为NPN复合管的B极，第二级NPN管的E2为NPN复合管的E极。

所述第一晶体管(34)的源极及第二晶体管(35)的漏极连接到控制芯片(42)的端口OUT，第一晶体管(34)的漏极连接到端口VDD，第二晶体管(35)的源极连接到控制芯片(42)的地端口GND。第一晶体管(34)的栅极连接PFWM控制单元(30)，第二晶体管(35)的栅极通过反相器(32)连接PFWM控制单元(30)。本实施例中，所述第一晶体管(34)、所述第二晶体管(35)为N型MOS管。

如图2所示，所述变换器进一步包括：起动电阻(11)，旁路电源整流二极管(12)，旁路电源电容(13)，第一分压电阻(24)，第二分压电阻(25)，表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻(21)，次级整流管(22)，输出电容(23)，初级电流感应电阻(31)。

起动电阻(11)的一端连接输入端口VIN，另一端通过旁路电源电容(13)接输入端的大地。初级绕组(18)的一端连接输入端口VIN，另一端连接NPN复合管(27)的集电极C。次级绕组(19)的一端通过所述次级电阻(21)、次级整流管(22)连接输出端口VOUT，另一端接输出端的相对地；输出电容(23)一端连接输出端口VOUT，另一端接输出端的相对地。辅助绕组(20)的一端接输入端的大地；另一端连接串联的第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)，同时连接旁路电源整流二极管(12)的正极；旁路电源整流二极管(12)的负极接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间；第二分压电阻(25)的一端接输入端的大地。端VDD接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间；PFWM控制单元(30)通过端口FB连接第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)之间。初级电流感应电阻(31)的一端连接输入端的大地，另一端分别连接控制芯片(42)的端口CS及NPN复合管(27)的发射极E。

实施例二

本发明所要解的技术问题是提供一种只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器恒流恒压输出控制的方法及电路结构，用于NPN管发射极驱动或基极驱动，并可降低芯片及应用的成本。

图2为本发明用于的NPN基极驱动并通过变压器17的初级来控制的恒流恒压输出反激式变换器39的电路图。变压器17包含三个绕组：初级绕组18，次级绕组19及辅助绕组20。反激式变换器37包含作为初级高压驱动的NPN组合管27，初级电流感应电阻31，起动电阻11，旁路电源整流二极管12，旁路电源电容13，辅助绕组的分压电阻24及25，一个表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻21，次级整流管22，输出电容23以及采用峰值电流模式PFWM的控制IC 42。

图2中，旁路电容起动电流为

$I_{\mathrm{ST}}=\frac{V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{DD}}}{R_{11}},---\left(1\right)$

其中V_IN为输入端电压，V_DD为旁路电源电容正极电压，R₁₁为连接V_IN与旁路电源电容的起动电阻。当变换器37或39稳定工作后，旁路电容上的能量主要由辅助绕组20通过二极整流二极管供给，以维持控制IC 26或IC 42及组合NPN管27所需能量。控制IC通过分压电阻24和25及变压器的绕组20与19的耦合间接对输出信号进行采样，FB端口的电压

$V_{\mathrm{FB}}=\frac{R_{25}}{R_{24}+R_{25}}\×V_{\mathrm{AUX}}=\frac{R_{25}}{R_{24}+R_{25}}\×\frac{N_A}{N_S}\×V_{\mathrm{SEC}},$ (2)

$=\frac{R_{25}}{R_{24}+R_{25}}\×\frac{N_A}{N_S}\×(I_{\mathrm{OUT}}\×R_{21}+V_F+V_{\mathrm{OUT}})$

其中，R₂₄，R₂₅为辅助绕组20两端电压V_AUX的分压电阻，N_A/N_S为辅助绕组与次级绕组的线圈匝数比，V_SEC为次级绕组19两端电压，I_OUT为输出电流，R₂₁为表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻，V_F为次级整流二极管的正向压降，V_OUT为输出端电压。

图3所示为复合NPN管27的电路结构，NPN复合管为第一级Stage1的集电极C1和第二级Stage2的集电极C2联接且为复合管27的集电极C，第一级NPN管的发射极E1与第二极NPN管的基极B2联接，第一级NPN管的基极B1为复合管的B极，第二级NPN管的发射极E2极为复合管的E极。第一级NPN管与第二级NPN管的电流放大倍数相同即β，复合NPN管的放大倍数即为β²。由于使用NPN复合管27，它的电流放大倍数的值为原来NPN管16的平方，即所需要的基极驱动电流数值即为原来的电流数值的开方，所以大大的降低了NPN管的基极驱动电流，即

其中，I_B27为复合NPN管27基极驱动电流值，I_B16为NPN管16的基极驱动电流值。

图2所示的电路中，根据FB的采样得到的信号，通过PFWM 30进行处理，对电流驱动开关管34及35的开关占空比及频率进行控制，以便控制由初级绕组18、复合NPN管27及初级电流感应电阻31组成的通路中的开关管27的开关占空比及频率，实现次级的恒流恒压输出。

采用复合NPN管27取代NPN管16后，图1所示的电流驱动开关40与41的面积就可以大大的减小，只要提供原来驱动电流的1/β即可驱动复合NPN管27。其中N管34源极及N管35的漏极联接到控制IC 42的端口OUT，N管34的漏极联接到VDD端口，N管35的源极联接到IC 42的地GND。如此联接，当开关34闭合时，开关35开路，复合NPN管27即为闭合；当开关34开路时，开关35闭合，复合NPN管27即为开路。图2的方法及电路结构允许输出基极驱动电流的开关管在减小面积时也能保证有足够的基极驱动电流，可减少控制IC的成本。

综上所述，本实用新型提出的初级控制恒流恒压变换器，只需较小的基极驱动电流便可实现反激变换器的恒流恒压输出控制，可用于NPN管发射极驱动或基极驱动，并可降低芯片及应用的成本。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (5)

1.一种初级控制恒流恒压变换器，其特征在于，所述变换器包括：变压器(17)，初级高压隔离及驱动单元，采用峰值电流模式PFWM的控制芯片(42)；

变压器(17)包括三个绕组：初级绕组(18)，次级绕组(19)及辅助绕组(20)；

所述初级高压隔离及驱动单元为NPN复合管(27)；NPN复合管(27)包括第一级NPN管、第二级NPN管；

所述控制芯片(42)包括第一晶体管(34)、第二晶体管(35)、PFWM控制单元(30)；PFWM控制单元(30)分别与第一晶体管(34)、第二晶体管(35)连接；

所述NPN复合管连接控制芯片(42)、初级绕组(18)。

2.根据权利要求1所述的初级控制恒流恒压变换器，其特征在于：

所述NPN复合管包括第一级NPN管、第二级NPN管；

所述第一级NPN管的集电极C1和第二级NPN管的集电极C2连接且作为NPN复合管的集电极C；

所述第一级NPN管的发射极E1极与第二极NPN管的基极B2连接，第一级NPN管的基极B1为NPN复合管的B极，第二级NPN管的E2为NPN复合管的E极。

3.根据权利要求1所述的初级控制恒流恒压变换器，其特征在于：

所述第一晶体管(34)的源极及第二晶体管(35)的漏极连接到控制芯片(42)的端口OUT，第一晶体管(34)的漏极连接到端口VDD，第二晶体管(35)的源极连接到控制芯片(42)的地端GND；

第一晶体管(34)的栅极连接PFWM控制单元(30)，第二晶体管(35)的栅极通过反相器(32)连接PFWM控制单元(30)。

4.根据权利要求3所述的初级控制恒流恒压变换器，其特征在于：

所述第一晶体管(34)、所述第二晶体管(35)为N型MOS管。

5.根据权利要求1至4之一所述的初级控制恒流恒压变换器，其特征在于：

所述变换器进一步包括：起动电阻(11)，旁路电源整流二极管(12)，旁路电源电容(13)，第一分压电阻(24)，第二分压电阻(25)，表示次级绕组的阻抗损耗的次级电阻(21)，次级整流管(22)，输出电容(23)，初级电流感应电阻(31)；

起动电阻(11)的一端连接输入端口VIN，另一端通过旁路电源电容(13)接输入端的大地；

初级绕组(18)的一端连接输入端口VIN，另一端连接NPN复合管(27)的集电及C；

次级绕组(19)的一端通过所述次级电阻(21)、次级整流管(22)连接输出端口VOUT，另一端接输出端的相对地；输出电容(23)一端连接输出端口VOUT，另一端接输出端的相对地；

辅助绕组(20)的一端接输入端的大地；另一端连接串联的第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)，同时连接旁路电源整流二极管(12)的正极；旁路电源整流二极管(12)的负极接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间；第二分压电阻(25)的一端接输入端的大地；

端口VDD接入起动电阻(11)、旁路电源电容(13)之间；PFWM控制单元(30)通过端口FB连接第一分压电阻(24)、第二分压电阻(25)之间；

初级电流感应电阻(31)的一端连接输入端的大地，另一端分别连接控制芯片(42)的端口CS及NPN复合管(27)的发射极E。

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