CN202818109U - 功率模块电路、功率开关芯片及反激式开关电源 - Google Patents

Abstract

一种用于反激式开关电源的功率模块电路，功率模块电路包括：用于开关电源芯片快速启动的启动开关管、用于开关电源芯片的功率开关管、用于功率模块电路的温度检测的温度检测管、用于功率开关管导通状态检测的导通状态检测管以及用于驱动启动开关管的高压限流电阻；其中，启动开关管、功率开关管、温度检测管、导通状态检测管以及高压限流电阻集成在同一晶圆上。本实用新型还提出一种功率开关芯片以及反激式开关电源。本实用新型能够快速地启动开关电源、降低能源损耗以及电路的温度检测保护。

Description

功率模块电路、功率开关芯片及反激式开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种开关电源，尤其涉及一种用于反激式开关电源的功率模块电路、功率开关芯片以及反激式开关电源。

背景技术

反激式开关电源上电启动时，传统的启动方式包括外接电阻直接充电启动以及高压开关电流源充电启动。外接电阻充电启动是通过电阻对控制电路的供电储能电容进行充电从而启动电源。外接电阻充电启动的方式为了达到较快的启动速度，外接的启动电阻取值并不能取得过大，同时因为在启动完成后不能够关闭，启动后仍然会有能量损耗，为了避免启动电阻的损耗过大，取值又不能取值过小，外接启动电阻直接启动的方式启动速度不够快，同时有较大损耗。高压开关电流源启动方式是通过一个高压开关即一个高压耗尽型的MOS管流过受控的充电电流到开关电源芯片的供电电容进行充电从而启动电路。启动电阻的损耗在电源待机时的所有损耗中占据较大的比重，通过减少启动电阻的损耗就能够有效降低电源待机的损耗。

在反激式开关电源的各种损耗中，功率开关的损耗是最主要的一种损耗。现有技术中，如果设计开关电源时候没有考虑到功率开关的损耗，就会导致电源转换效率低下，造成能源浪费，不符合绿色能源的标准。功率开关管的主要损耗又分为开关损耗以及导通损耗。如果能够对功率开关管的导通状态进行监控，从而实现对功率开关管的开启、关断以及导通过程的最优控制，可以有效降低功率开关管的损耗，提高电源的转换效率。

功率器件一般是发热器件，如果温度升高超过器件所能承受的极限温度就会被损坏，因而要对功率器件的温度加以检测监控，确保功率器件的安全。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术中的开关电源无法快速启动、转换效率低下、能源浪费以及因为工作时发热导致电路被烧坏等问题，而提出一种具有快速启动开关电源、降低能源损耗以及温度检测等多功能的功率模块电路、功率开关芯片以及反激式开关电源。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种用于反激式开关电源的功率模块电路，反激式开关电源包括与功率模块电路配合使用的开关电源芯片，开关电源的开关电源芯片包括电源管理模块、驱动电路模块、温度检测模块以及导通检测模块，功率模块电路包括：用于开关电源芯片快速启动所需的启动开关管，包括第一控制端、第一输入端以及第一输出端，启动开关管的第一控制端和第一输出端连接开关电源芯片的电源管理模块；用于开关电源芯片的功率开关管，包括第二控制端、第二输入端以及第二输出端，功率开关管的第二控制端和第二输出端连接开关电源芯片的驱动电路模块；用于功率模块电路的温度检测的温度检测管，包括一输入端和一输出端，温度检测管的输入端和输出端均连接开关电源芯片的温度检测模块；用于功率开关管导通状态检测的导通状态检测管，包括输入端和输出端，导通状态检测管的输入端连接开关电源芯片的导通检测模块；以及用于驱动启动开关管的高压限流电阻，高压限流电阻连接启动开关管的第一控制端以及第一输入端；其中，启动开关管、功率开关管、温度检测管、导通状态检测管以及高压限流电阻集成在同一晶圆上，启动开关管的第一输入端、功率开关管的第二输入端和温度检测管的输出端连接在一起。

优选地，启动开关管为第一三极管，第一三极管的基极为启动开关管的第一控制端，第一三极管的集电极为启动开关管的第一输入端，第一三极管的发射极为启动开关管的第一输出端，第一三极管的基极与发射极连接开关电源芯片的电源管理模块。

优选地，功率开关管为第二三极管，第二三极管的基极为功率开关管的第二控制端，第二三极管的集电极为功率开关管的第二输入端，第二三极管的发射极为功率开关管的第二输出端，第二三极管的基极与发射极连接开关电源芯片的驱动电路模块，第二三极管的集电极连接第一三极管的集电极。

优选地，温度检测管为第一二极管，第一二极管的阴极和阳极均连接温度检测模块。

优选地，导通状态检测管为第二二极管，导通状态检测管的输入端为第二二极管的阳极，导通状态检测管的输出端为第二二极管的阴极，第二二极管的阳极连接开关电源芯片的导通检测模块，第二二极管的阴极连接功率开关管的第二输入端。

本实用新型还提供一种功率开关芯片，包括如上述的功率模块电路。

本实用新型还提供一种反激式开关电源，包括整流电路、变压器、采样反馈电路、开关电源芯片以及功率开关芯片，功率开关芯片为上述的功率开关芯片。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：本实用新型通过针对现有技术的开关电源存在启动慢、功耗大、容易发热的问题，通过功率模块电路与开关电源芯片的配合使用，使得开关电源能够迅速的启动，并且减少电源待机的损耗，更提高了电源的转换效率，并且能够对功率器件进行温度检测和保护。

附图说明

图1为本实用新型功率模块电路的优选实施例的电路原理图。

其中，附图标记说明如下：功率模块电路1：第一NPN三极管Q1 第二NPN三极管Q2 温度检测管D1 导通状态检测管D2 高压限流电阻R1 开关电源芯片2：控制模块21 电源管理模块22 驱动电路模块23温度检测模块24 导通检测模块25  整流电路3  变压器4  采样反馈电路5

具体实施方式

为了进一步说明本实用新型的原理和结构，现结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明。

请参阅图1，一种用于反激式开关电源的功率模块电路1，包括：一启动开关管、一功率开关管、一温度检测管、一导通状态检测管以及一高压限流电阻R1。

反激式开关电源包括一开关电源芯片2。开关电源芯片2包括一控制模块21、一电源管理模块22、一驱动电路模块23、一温度检测模块24以及一导通检测模块25。电源管理模块22、驱动电路模块23、温度检测模块24以及导通检测模块25均连接控制模块21。

其中，高压限流电阻驱动启动开关管，启动开关管配合电源管理模块22启动反激式开关电源，功率开关管配合驱动电路模块23开关控制反激式开关电源，导通状态检测管配合导通检测模块检测功率开关管导通状态，温度检测管配合温度检测模块24检测功率模块电路1温度。

启动开关管包括一第一控制端、一第一输入端以及一第一输出端。功率开关管包括一第二控制端、一第二输入端以及一第二输出端。温度检测管包括一输出端以及一输入端。导通状态检测管包括一输入端以及一输出端。启动开关管的第一控制端以及第一输入端均连接电源管理模块22，功率开关管的第一输入端连接启动开关管的第一输入端，功率开关管连接驱动电路模块23，温度检测管D1的输入端和输出端连接温度检测模块24，导通状态检测管的阴极连接功率开关管的第一输入端，高压限流电阻R1连接启动开关管的第一控制端以及第一输入端。其中，启动开关管、功率开关管、温度检测管、导通状态检测管以及高压限流电阻集成在同一晶圆上。

请参阅图1，本实用新型功率模块电路应用的优选实施例的电路原理图。本实施例中，启动开关管采用第一NPN三极管Q1，功率开关管采用第二NPN三极管Q2。第一NPN三极管Q1的基极为启动开关管的第一控制端，第一NPN三极管Q1的集电极为启动开关管的第一输入端，第一NPN三极管Q1的发射极为启动开关管的第一输出端。第一NPN三极管Q1的基极与发射极之间连接有电源管理模块22，第一NPN三极管Q1的基极与集电极之间连接有高压限流电阻R1。第二NPN三极管Q2的基极为功率开关管的第一控制端，第二NPN三极管Q2的集电极为功率开关管的第一输入端，第二NPN三极管Q2的发射极为功率开关管的第一输出端，第二NPN三极管Q2的基极与发射极连接驱动电路模块23。当然，在其他实施例中，也可以用PNP三极管来代替NPN三极管，也可以用MOS管来代替，此时电路需要根据实际情况进行调整。

当启动开关管采用三极管的时候，电源系统的启动方式为电流放大式启动方式。电流放大式启动方式是通过一个高压三极管将一个微弱的电流放大到一定的值，通过电源管理模块22对控制模块21的供电电容（未图示）进行充电从而启动电路。一般来说，利用该种方式启动都需要一个独立的外部电阻产生启动触发的电流，但是这就需要一个独立的外部引脚来连接外部电阻，由于常用的集成电路封装形式的引脚数量有限，占用掉一个独立引脚就会导致芯片设计其他功能时受到限制。所以，本实施例通过把一个用于提供驱动启动开关管的的高压限流电阻R1和第一NPN三极管Q1同时集成在同一个晶圆上，并且该高压限流电阻R1直接与第一NPN三极管Q1的基极和集电极相连，就不再需要独立的引出脚。该功率模块电路1连接于电路后即可通过第一NPN三极管Q1的放大作用将高压限流电阻R1的微弱电流放大后充电至供电电容从而启动系统。

第一NPN三极管Q1除了有启动电源的作用外还会作为功率开关来使用，但是这就需要额外的第二个开关管，以实现将放大后的电流充电到供电电容的控制。此时第一NPN三极管Q1额外的第二个开关管Q3在开关过程中产生功率消耗。该连接方式不是最好的方案。因此，本实施例还制作一个单独的用于开关控制的功率开关管第二NPN三极管Q2来解决上述问题。

本实施中，上电时由高压限流电阻R1和第一NPN三极管Q1同时完成启动充电工作，第二NPN三极管Q2专用于功率开关，这样不再需要如图2所示的第一NPN三极管Q1再充当功率开关管的功能，就降低了开关损耗。

导通状态检测管为第二二极管D2。导通状态检测管的输入端为第二二极管D2的阳极，导通状态检测管的输出端为第二二极管D2的阴极。第二二极管D2的阳极连接开关电源芯片的导通检测模块25，第二二极管D2的阴极连接第二NPN开关管Q2的第一输入端。

当功率开关管使用三极管的时候，一般均会将驱动电流加大到三极管在任意条件下均有足够的导通深度。功率开关管开通时均处于过度饱和状态，所以当关断功率开关管时就会因为过多的基区电荷导致关断速度极慢。若减小驱动电流使三极管工作在临界饱和状态则可实现较快的开关速度，但在不同温度和负载条件下将可能导致驱动不足，使功率开关管工作在线性状态，导致功率开关管转化效率低下，温度过高甚至热击穿。因此，本实施例通过增加一个导通状态检测管D2，通过配合导通检测模块对功率开关管开通状态进行检测，从而根据外部条件自动调整驱动条件，实现三极管的最佳化驱动。

本实施例中，第二二极管D2与第二NPN三极管Q2制作在同一个半导体芯片上，也可以把一个单独的二极管芯片通过金属与功率开关管互连或直接在PCB上互连实现。本实施例中，温度检测管D1的阳极和阴极均连接所述温度检测模块24。

本实用新型还提出一种功率开关芯片，包括上述的功率模块电路。此时，功率开关芯片的引脚包括启动开关管的第一控制端、启动开关管的第一输出端、功率开关管的第二控制端、功率开关管的第二输出端、温度检测管的输入端、温度检测管的输出端、导通状态检测管的输入端以及功率开关管的第二输入端。本实施例中，开关管均为NPN三极管，则该功率开关芯片对应的管脚为第一NPN三极管Q1的基极、发射极、第二NPN三极管Q2的基极、集电极、发射极、第一二极管D1的阳极和阴极以及第二二极管D2的阳极。该功率芯片与开关电源芯片配合使用，使得开关电源的启动速度加快、降低了开关电源的功率损耗以及防止开关电源温度过高而损坏。

请继续参阅图1，本实用新型还提出一种反激式开关电源，包括一整流电路3、一变压器4、一采样反馈电路5、一开关电源芯片2以及一功率开关芯片1。功率开关芯片为上述的功率开关芯片。变压器4的初级线圈的一端连接功率开关芯片中的导通状态检测管D2的阴极。从图中可以看到，在反激式开关电源的基础上，增加一个功率开关芯片，对原来的结构改动不大，并且提升了开关电源的性能。

本发明还提出一种用于反激式开关电源的功率模块电路的设计方法，包括以下步骤：设计用于配合所述开关电源芯片的电源管理模块快速启动所述反激式开关电源的启动开关管，包括第一控制端、第一输入端以及第一输出端，所述启动开关管的第一控制端和第一输出端连接所述开关电源芯片的电源管理模块22；设计用于开关电源芯片的功率开关管，包括第二控制端、第二输入端以及第二输出端，所述功率开关管的第二输入端连接所述启动开关管的第一输入端，所述功率开关管的第二控制端和第二输出端连接所述开关电源芯片的驱动电路模块23；设计用于配合开关电源芯片导通检测模块检测所述功率模块电路的功率开关管导通状态的导通状态检测管，包括输入端和输出端，所述导通状态检测管的输入端连接所述开关电源芯片的导通检测模块24，所述导通状态检测管的输出端连接所述启动开关管的第一输入端；以及设计用于驱动启动开关管的高压限流电阻，使高压限流电阻连接启动开关管的第一控制端以及第一输入端；设计启动开关管、功率开关管、温度检测管、导通状态检测管以及高压限流电阻集成在同一晶圆上。

值得注意的是，驱动电路模块23可以是PWM（脉宽调制电路），PFM（脉频调制电路）或者PSM（脉数调制电路）。

与现有技术相比，采用本实用新型用于反激式开关电源的功率模块电路，通过在反激式开关电源的基础上增加该功率模块电路，能够在上电时快速地启动开关电源、降低电路的待机损耗、提高开关电源的转换效率并且能够检测功率模块电路的温度使得电路不会发生热击穿而损坏。

以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非限制本实用新型的保护范围。凡运用本实用新型说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于反激式开关电源的功率模块电路，所述反激式开关电源包括与所述功率模块电路配合使用的开关电源芯片，所述开关电源的开关电源芯片包括电源管理模块、驱动电路模块、温度检测模块以及导通检测模块，其特征在于，所述功率模块电路包括：

用于开关电源芯片快速启动所需的启动开关管，包括第一控制端、第一输入端以及第一输出端，所述启动开关管的第一控制端和第一输出端连接开关电源芯片的电源管理模块；

用于开关电源芯片的功率开关管，包括第二控制端、第二输入端以及第二输出端，所述功率开关管的第二控制端和第二输出端连接开关电源芯片的驱动电路模块；

用于所述功率模块电路的温度检测的温度检测管，包括一输入端和一输出端，所述温度检测管的输入端和输出端均连接所述开关电源芯片的温度检测模块；

用于所述功率开关管导通状态检测的导通状态检测管，包括输入端和输出端，所述导通状态检测管的输入端连接所述开关电源芯片的导通检测模块；以及

用于驱动所述启动开关管的高压限流电阻，所述高压限流电阻连接所述启动开关管的第一控制端以及第一输入端；

其中，所述启动开关管、所述功率开关管、所述温度检测管、所述导通状态检测管以及所述高压限流电阻集成在同一晶圆上，所述启动开关管的第一输入端、功率开关管的第二输入端和温度检测管的输出端连接在一起。

2.如权利要求1所述的功率模块电路，其特征在于，所述启动开关管为第一三极管，所述第一三极管的基极为所述启动开关管的第一控制端，所述第一三极管的集电极为所述启动开关管的第一输入端，所述第一三极管的发射极为所述启动开关管的第一输出端，所述第一三极管的基极与发射极连接所述开关电源芯片的电源管理模块。

3.如权利要求2所述的功率模块电路，其特征在于，所述功率开关管为第二三极管，所述第二三极管的基极为所述功率开关管的第二控制端，所述第二三极管的集电极为所述功率开关管的第二输入端，所述第二三极管的发射极为所述功率开关管的第二输出端，所述第二三极管的基极与发射极连接所述开关电源芯片的驱动电路模块，所述第二三极管的集电极连接所述第一三极管的集电极。

4.如权利要求3所述的功率模块电路，其特征在于，所述温度检测管为第一二极管，所述第一二极管的阴极和阳极均连接所述温度检测模块。

5.如权利要求4所述的功率模块电路，其特征在于，所述导通状态检测管为所述第二二极管，所述导通状态检测管的输入端为所述第二二极管的阳极，所述导通状态检测管的输出端为所述第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接所述开关电源芯片的导通检测模块，所述第二二极管的阴极连接所述功率开关管的第二输入端。

6.一种功率开关芯片，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的功率模块电路。

7.一种反激式开关电源，包括整流电路、变压器、采样反馈电路、开关电源芯片以及功率开关芯片，其特征在于，所述功率开关芯片为权利要求6所述的功率开关芯片。

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