CN210111859U - 通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，包括：至少一个集成电源控制器，工作在从控模式的集成电源控制器与工作在主控模式的集成电源控制器并联。本实用新型提供的开关电源通过集成电源控制器的并联实现了功率等级的扩展，可满足更大功率等级的应用，使得用户可根据具体的需要来设计，灵活方便；一款芯片，即一种集成电源控制器可实现多种输出功率的开关电源，不仅节省芯片厂商的开发费用和后续的产品管理费用，而且还为用户提供根据具体需求进行设计的自主性，满足用户对开关电源输出功率多样性的需求，提升用户体验；电源的性能更优。

Description

通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源

技术领域

本实用新型属于单芯片集成功率MOS管的开关电源技术领域，尤其涉及一种通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源。

背景技术

近些年随着集成电路工艺的多方面发展，越来越多的BCD工艺集成了各种耐压等级的MOS和LDMOS管，可以将控制器和功率LDMOS管集成在同一个晶圆上。如图1所示，是我们经常看到的把电源所需的控制电路和功率MOS管集成在同一个芯片的原理框图，由于把功率管集成在芯片内部后也便于把电流采样也集成在芯片内部，同时还会获得诸多有益效果。图1中的Rsense是采样电阻，它经常采用的是LDMOS管源极走线的寄生电阻，由于不需要特别串联而产生额外损耗，常称为内置的无损电流采样。这样采样电阻是非常小的，数量级在几十毫欧甚至几个毫欧姆，通过功率管的电流在此采样电阻上产生的压降也非常小，最大值常常在100mV以内，然而如此小的电压也不存在像外置电流采样那样突出的信噪比问题，是因为电流采样内置在芯片内部，采样环路小，且通过合理安排走线可消除相对大一部分共模信号。可见随着半导体工艺的完善，以及把功率MOS管和无损电流采样都集成芯片内部，不仅获得优良的特性，也简化了芯片的外围电路，所以这种高度集成的电源控制器越来越流行。

然而，控制芯片的集成度越高，意味着留给用户根据开关电源具体需求进行设计的余地就越小，从而不可能把多种规格的电源性能指标都做到最优，若要针对开关电源需求的多样性设计多种高度集成控制芯片，对芯片厂商来说代价是很大的，也不利于产品管理，所以高度集成是一把双刃剑。在电源需求的多种性中，表现最为突出的就是电源的输出功率等级不同，不能像非集成功率管的电源控制器和功率管分离的方案，客户只要选择不同大小的功率管就能实现不同功率等级的开关电源，电源控制器仍是同一个，不需要区分功率等级。假如有一个能实现30W输出功率的高集成电源芯片，用来实现10W输出功率的开关电源，自然是可以实现的，但是首先面临的是成本问题，集成在控制器内部的是平面型结构的LDMOS管，导通电阻率比垂直结构的VDMOS大很多，所以用30W的高集成芯片用来做10W或者更小输出功率的电源，成本过大，同时在一些指标上不能做到最优，例如空载功耗等。

发明内容

有鉴于现有单芯片集成功率MOS管的电源控制芯片难以用一款芯片在保证成本合理的情况下实现多种功率等级的开关电源，不易于满足用户对开关电源输出功率多样性的需求，本实用新型提出了一种通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，可通过并联一个或者多个集成电源控制器来实现功率等级的扩展。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本实用新型采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，包括：至少一个集成电源控制器，工作在从控模式的集成电源控制器与工作在主控模式的集成电源控制器并联；

所述集成电源控制器包括：模式选择电路；

当所述模式选择电路的模式选择输入信号端口接收到内驱动信号时，所述模式选择电路的内部驱动时序接收端口接收来自自身芯片内部的内部驱动时序信号，并依照所述内部驱动时序信号开通或者关断功率MOS管；

当所述模式选择电路的模式选择输入信号端口接收到外驱动信号时，所述模式选择电路的外部驱动时序收发端口接收来自工作在主控模式的单片集成电源控制器输出的外部驱动时序信号，并依照所述外部驱动时序信号开通或者关断功率MOS管。

在一些可选的实施例中，所述单片集成电源控制器还包括：电源功能电路及驱动电路；所述电源功能电路的内部驱动时序发送端口与所述模式选择电路的内部驱动时序接收端口连接，所述模式选择电路的驱动控制信号发送端口与所述驱动电路的驱动控制信号接收端口连接，所述驱动电路的驱动输出端口与所述功率MOS管的栅极连接；所述内部驱动时序信号由所述电源功能电路产生，且所述内部驱动时序信号通过所述驱动电路开通或者关断所述功率MOS管。

在一些可选的实施例中，所述模式选择电路包括：与非门NAND1、与非门NAND2、与非门NAND3，非门NOT及选择开关；

与非门NAND1的其中一个输入端口与选择开关的第一端口连接且作为所述模式选择电路的内部驱动时序接收端口，与非门NAND1的另一个输入端口与选择开关的控制端口及非门NOT的输入端口连接且作为所述模式选择电路的模式选择输入信号端口；

与非门NAND2的其中一个输入端口和非门NOT的输出端口连接，与非门NAND2的另一个输入端口与选择开关的第二端口连接且作为所述模式选择电路的外部驱动时序收发端口；

与非门NAND3的两个输入端口分别和与非门NAND2及与非门NAND1的输出端口连接，与非门NAND3的输出端口作为所述模式选择电路的驱动控制信号发送端口。

在一些可选的实施例中，所述集成电源控制器包括：MODE引脚、DORS引脚及DRN引脚；所述MODE引脚与所述模式选择电路的模式选择输入信号端口及所述电源功能电路的使能输入端口连接，接收来自集成电源控制器外部的模式选择信号；所述DORS引脚与所述模式选择电路的外部驱动时序收发端口连接，接收或发送所述外部驱动时序信号；所述DRN引脚与所述功率MOS管的漏极连接，输出电压。

在一些可选的实施例中，工作在从控模式的集成电源控制器的DORS引脚与工作在主控模式的集成电源控制器的DORS引脚连接，工作在从控模式的集成电源控制器的DRN引脚与工作在主控模式的集成电源控制器的DRN引脚连接。

本实用新型所带来的有益效果：本实用新型提供的开关电源通过集成电源控制器的并联实现了功率等级的扩展，可满足更大功率等级的应用，使得用户可根据具体的需要来设计，灵活方便；一款芯片，即一种集成电源控制器可实现多种输出功率的开关电源，不仅节省芯片厂商的开发费用和后续的产品管理费用，而且还为用户提供根据具体需求进行设计的自主性，满足用户对开关电源输出功率多样性的需求，提升用户体验；电源的性能更优。

附图说明

图1为现有技术把功率MOS管和控制电路集成在同一芯片上的原理图；

图2为本实用新型开关电源的单级使用的应用图；

图3为本实用新型模式选择电路的逻辑电路图；

图4为本实用新型开关电源的集成电源控制器并联使用的应用图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

如图2至4所示，在一些说明性的实施例中，提供一种通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，包括：至少一个集成电源控制器1，集成电源控制器1可并联使用。

单片集成电源控制器1包括：功率MOS管NMO、电源功能电路、驱动电路及模式选择电路。集成电源控制器1将电源功能电路、功率MOS管NMO和驱动电路集成在同一个芯片。

电源功能电路是指为达到开关电源稳定输出电压的目的而需要的输出电压采样、电流采样、保护功能等应有的电路集合，它最终产生一个占空比驱动时序信号，此驱动时序信号通过驱动电路开通或者关断功率MOS管NMO。如图1所示，控制器中误差放大器EA、比较器、频率控制、电流采样器、RS触发器就可组成基本的电源功能电路，其中频率控制通常为频率可控制的振荡器。

电源功能电路，包括：使能输入端口101及内部驱动时序发送端口102。

驱动电路，包括：驱动控制信号接收端口103、驱动输出端口104。图1中的控制器在RS触发器的输出端口Q产生一定占空比的控制信号，该控制信号是不具有驱动功率管进行开通和关断的能力，所以它需要经过驱动电路把驱动能力放大才能开关功率管，最简单的驱动电路可由一组驱动能力逐级放大的非门串联组成。当然，为了提高电源的可靠性，电源芯片中常常添加各种保护功能来完善电源的控制过程，驱动电路也有限定最大驱动电压以保护功率管等功能，这些是本领域技术人员能够实现的，本实施例不再针对某种特定的电源实现方式进行赘述。

模式选择电路，包括：模式选择输入信号端口105、内部驱动时序接收端口106、驱动控制信号发送端口107、外部驱动时序收发端口108。

集成电源控制器1包括：MODE引脚、DORS引脚及DRN引脚，MODE引脚即为集成电源控制器1的模式选择引脚，DORS引脚即为集成电源控制器1的外部驱动时序收发引脚，通过MODE引脚可使集成电源控制器1处于主控模式或从控模式。

使能输入端口101和模式选择输入信号端口105连接，并连接集成电源控制器的MODE引脚；内部驱动时序发送端口102和内部驱动时序接收端口106连接；驱动控制信号接收端口103和驱动控制信号发送端口107连接；驱动输出端口104和功率MOS管NMO的栅极连接；功率MOS管NMO的漏极和集成电源控制器1的DRN引脚连接；外部驱动时序收发端口108集成电源控制器1的DORS引脚连接。

当集成电源控制器1处于主控模式时，DORS引脚工作在发送驱动时序信号的模式，可把该控制器称为主控制器，主控制器从DORS引脚发出与其所述内部驱动时序信号同样的驱动时序信号，且主控制器的功率MOS管NMO按照内部驱动时序信号开通或关断。当集成电源控制器1处于从控制模式时，DORS引脚工作在接收外部驱动控制信号的模式，可把该控制器称为从控制器，从控制器接收来自外部驱动时序收发引脚的驱动时序信号，并且按照接收到的外部驱动时序信号来开通或关断功率MOS管NMO。

主控制器和从控制器是同一种集成电源控制器在不同工作模式下的名称。

一个主控制器用于开关电源中可实现最大输出功率达到一个标准的功率等级。

一个主控制器与一个或多个从控制器并联使用，可实现的最大功率等级是主控制器和从控制器的数量之和。

并联使用的方法如下：

工作在主控模式的集成电源控制器1中的功率MOS管NMO按照其自身电源功能电路提供的内部驱动时序进行开关，即模式选择电路的内部驱动时序接收端口106接收来自自身芯片内部的内部驱动时序信号，并依照内部驱动时序信号开通或者关断功率MOS管NMO，同时还从DORS引脚输出同样的驱动时序信号。

工作在从控模式的集成电源控制器1中的功率MOS管NMO不是按照其自身的内部驱动时序进行开关，而是按照主控制器提供的驱动时序信号进行开关，即模式选择电路的外部驱动时序收发端口108接收来自工作在主控模式的单片集成电源控制器输出的外部驱动时序信号，并依照外部驱动时序信号开通或者关断功率MOS管。只要把工作在主控模式的集成电源控制器的DORS引脚和工作在从控模式的集成电源控制器的DORS引脚连接在一起，就可传输驱动时序信号。工作在从控模式的集成电源控制器的DRN引脚与工作在主控模式的集成电源控制器的DRN引脚连接，完成并联。

模式选择电路包括：与非门NAND1、与非门NAND2、与非门NAND3，非门NOT及选择开关2。

与非门NAND1的其中一个输入端口与选择开关的第一端口连接且作为模式选择电路的内部驱动时序接收端口106，与非门NAND1的另一个输入端口与选择开关的控制端口及非门NOT的输入端口连接且作为模式选择电路的模式选择输入信号端口105。

与非门NAND2的其中一个输入端口和非门NOT的输出端口连接，与非门NAND2的另一个输入端口与选择开关2的第二端口连接且作为模式选择电路的外部驱动时序收发端口108。

与非门NAND3的两个输入端口分别和与非门NAND2及与非门NAND1的输出端口连接，与非门NAND3的输出端口作为模式选择电路的驱动控制信号发送端口107。

模式选择电路的模式选择输入信号端口接收到的内驱动信号可为高电平，接收到的外驱动信号可为低电平，当然也可以将内驱动信号定义为低电平，外驱动信号定义为高电平。下文以内驱动信号为高电平、外驱动信号为低电平进行解释模式选择电路的工作原理。

模式选择电路的工作原理如下：

当模式选择输入信号端口105为高电平时，不管外部驱动时序收发端口108是高电平还是低电平逻辑，与非门NAND2的输出都是高电平；内部驱动时序接收端口106的信号经过与非门NAND1和NAND3两次非运算后从驱动控制信号发送端口107输出。可见，当模式选择输入信号端口105为高电平时，从驱动控制信号发送端口107的逻辑信号与内部驱动时序接收端口106的相同，也就是按照内部驱动时序驱动功率MOS管NMO。同时，在模式选择输入信号端口105的高电平作用下选择开关闭合，那么外部驱动时序收发端口108连接内部驱动时序信号，将内部驱动时序信号从外部驱动时序收发端口108发出，外部驱动时序收发端口108也是内部驱动时序往外发送的端口。

当模式选择输入信号端口105为低电平时，不管内部驱动时序接收端口106是高电平还是低电平逻辑，与非门NAND1的输出都是高电平；外部驱动时序收发端口108的信号经过与非门NAND2和NAND3两次非运算后从驱动控制信号发送端口107输出。可见，当模式选择输入信号端口105为低电平时，驱动控制信号发送端口107的逻辑信号与外部驱动时序收发端口108的相同，也就是按照外部驱动时序驱动功率MOS管NMO，此外部驱动时序是从外部驱动时序收发端口108接收，因为在模式选择输入信号端口105的低电平作用下选择开关断开，切断外部驱动时序收发端口108与内部驱动时序信号之间的连接关系，从而外部驱动时序收发端口108处于接收外部驱动时序的工作状态。

集成电源控制器的工作原理如下：

若MODE引脚输入高电平，集成电源控制器工作在主控模式，在主控模式下电源功能电路正常工作，按照模式选择电路的工作原理，驱动控制信号发送端口107的信号与内部驱动时序接收端口106的相同，那么驱动电路按照电源功能电路提供的内部驱动时序来驱动功率MOS管NMO；同时，从外部驱动时序收发端口108发送处于主控模式下的集成电源控制器的内部驱动时序信号。

若MODE引脚输入低电平，集成电源控制器处于从控模式，在从控模式下电源功能电路可以选择关闭以节省功耗，它不再输出内部驱动控制信号。模式选择电路选通来自DORS引脚的信号作为模式选择电路的输出驱动时序，按照模式选择电路的工作原理，驱动控制信号发送端口107的信号与外部驱动时序收发端口108的相同，那么驱动电路按照来自外部驱动时序收发端口108的外部驱动时序信号来驱动功率MOS管NMO。

图2所示是集成电源控制器单级的应用，此时MODE引脚加正电压，它处于主控模式，可实现完整的开关电源控制，达到稳定电源输出电压的目的。根据主控模式的原理可知，在集成电源控制器的DORS引脚发送了内部驱动时序信号，只是它是单级应用而没有作为从控制器的外部驱动时序信号。

图4进行本实用新型的集成电源控制器并联使用进行功率等级扩展的原理图。工作在主控模式的集成电源控制器，它的MODE引脚接正电压，从而它内部的电源功能电路正常工作，稳定电源输出电压，并且从主控制器的DORS引脚提供驱动时序信号。

工作在从控模式的集成电源控制器，它的MODE引脚接地，工作在主控模式的集成电源控制器的DORS引脚和工作在从控模式的集成电源控制器的DORS引脚连接在一起，工作在从控模式的集成电源控制器的DORS引脚接收来自主控制器的驱动时序信号，那么从控制器就是按照主控制器提供的驱动时序信号进行驱动的。工作在从控模式的集成电源控制器的DRN引脚与工作在主控模式的集成电源控制器的DRN引脚连接，从而两个控制器的功率管都是按照主控制器的时序来驱动，功率管并联使得功率管的并联电阻减半，那么实际通过变压器的电流是通过主控制器的两倍，功率等级加倍了。

根据以上原理容易推出，只要并联多个从控制器，可满足更大功率等级的应用，所以用户可根据具体的需要来设计，灵活方便。由于每个集成电源控制器的功率管在不同的芯片和封装体上，是分离的，而不是几个功率管的总面积集成在同一个芯片的硅衬底上，会向硅衬底注入大量的电荷，引起在同一衬底上的控制电路的工作异常。

本实用新型提供的集成电源控制器实现了功率等级的扩展，一款芯片可实现多种输出功率的开关电源，不仅节省芯片厂商的开发费用和后续的产品管理费用，提供了用户根据具体需求进行设计的自主性，电源的性能更优。设计更大功率的芯片，芯片不能用常用的封装，定制封装牵扯到产业链的合作，开发周期长、费用高。大面积的功率管集中在芯片内部，会注入大量的开关噪声，更易影响功能电路的正常工作。本实用新型的提供的控制器通过封装隔离把这个问题大大消减了。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变，修饰，替代，组合，简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，其特征在于，包括：至少一个集成电源控制器，工作在从控模式的集成电源控制器与工作在主控模式的集成电源控制器并联；

所述集成电源控制器包括：模式选择电路；

当所述模式选择电路的模式选择输入信号端口接收到内驱动信号时，所述模式选择电路的内部驱动时序接收端口接收来自自身芯片内部的内部驱动时序信号，并依照所述内部驱动时序信号开通或者关断功率MOS管；

当所述模式选择电路的模式选择输入信号端口接收到外驱动信号时，所述模式选择电路的外部驱动时序收发端口接收来自工作在主控模式的单片集成电源控制器输出的外部驱动时序信号，并依照所述外部驱动时序信号开通或者关断功率MOS管。

2.根据权利要求1所述的通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，其特征在于，所述单片集成电源控制器还包括：电源功能电路及驱动电路；所述电源功能电路的内部驱动时序发送端口与所述模式选择电路的内部驱动时序接收端口连接，所述模式选择电路的驱动控制信号发送端口与所述驱动电路的驱动控制信号接收端口连接，所述驱动电路的驱动输出端口与所述功率MOS管的栅极连接；所述内部驱动时序信号由所述电源功能电路产生，且所述内部驱动时序信号通过所述驱动电路开通或者关断所述功率MOS管。

3.根据权利要求2所述的通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，其特征在于，所述模式选择电路包括：与非门NAND1、与非门NAND2、与非门NAND3，非门NOT及选择开关；

与非门NAND1的其中一个输入端口与选择开关的第一端口连接且作为所述模式选择电路的内部驱动时序接收端口，与非门NAND1的另一个输入端口与选择开关的控制端口及非门NOT的输入端口连接且作为所述模式选择电路的模式选择输入信号端口；

与非门NAND2的其中一个输入端口和非门NOT的输出端口连接，与非门NAND2的另一个输入端口与选择开关的第二端口连接且作为所述模式选择电路的外部驱动时序收发端口；

与非门NAND3的两个输入端口分别和与非门NAND2及与非门NAND1的输出端口连接，与非门NAND3的输出端口作为所述模式选择电路的驱动控制信号发送端口。

4.根据权利要求3所述的通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，其特征在于，所述集成电源控制器包括：MODE引脚、DORS引脚及DRN引脚；所述MODE引脚与所述模式选择电路的模式选择输入信号端口及所述电源功能电路的使能输入端口连接，接收来自集成电源控制器外部的模式选择信号；所述DORS引脚与所述模式选择电路的外部驱动时序收发端口连接，接收或发送所述外部驱动时序信号；所述DRN引脚与所述功率MOS管的漏极连接，输出电压。

5.根据权利要求4所述的通过并联使用控制器实现功率等级扩展的开关电源，其特征在于，工作在从控模式的集成电源控制器的DORS引脚与工作在主控模式的集成电源控制器的DORS引脚连接，工作在从控模式的集成电源控制器的DRN引脚与工作在主控模式的集成电源控制器的DRN引脚连接。

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