CN215734041U - Zvs型反激开关电源及其控制芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种ZVS型反激开关电源及其控制芯片。控制芯片包括供电电压输入引脚、芯片内部供电引脚、降压‑升压电压转换电路、ZVS检测控制电路、和内置低压功率开关管。供电电压输入引脚用于从控制芯片外部接收芯片供电电压；芯片内部供电引脚用于在控制芯片内部提供内部供电电压；降压‑升压电压转换电路被连接在供电电压输入引脚和芯片内部供电引脚之间，用于对芯片供电电压进行降压或升压以生成内部供电电压，并将内部供电电压输出到芯片内部供电引脚；ZVS检测控制电路用于间接实现对主绕组波形的退磁检测和ZVS检测，以控制主功率开关管和内置低压功率开关管的开启或关断；内置低压功率开关管用于驱动开关电源的ZVS绕组。

Description

ZVS型反激开关电源及其控制芯片

技术领域

本实用新型涉及电路领域，尤其涉及一种零电压开启(ZVS)型反激开关电源及其控制芯片。

背景技术

随着电子技术不断发展，电子产品的体积越来越小，尤其是在电源领域出现了高功率密度和小型化的需求。然而，传统的反激式开关电源在高频模式下，随着频率的升高，开关损耗增大，导致开关温升很高，系统效率变差，这成为制约电源小型化的一大障碍。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于ZVS型反激开关电源的控制芯片和包括该控制芯片的ZVS型反激开关电源。

根据本实用新型实施例的用于ZVS型反激开关电源的控制芯片，包括供电电压输入引脚、芯片内部供电引脚、降压-升压电压转换电路、ZVS 检测控制电路、以及内置低压功率开关管，其中：供电电压输入引脚用于从控制芯片外部接收芯片供电电压；芯片内部供电引脚用于为控制芯片内部提供内部供电电压；降压-升压电压转换电路被连接在供电电压输入引脚和芯片内部供电引脚之间，用于通过对芯片供电电压进行降压转换或升压转换来生成内部供电电压，并将内部供电电压输出到芯片内部供电引脚； ZVS检测控制电路用于通过对反激开关电源的辅助绕组波形进行检测，间接实现对主绕组波形的退磁检测和ZVS检测，以控制内置低压功率开关管和反激开关电源的主功率开关管的开启或关断；并且内置低压功率开关管用于驱动反激开关电源的ZVS绕组。

根据本实用新型实施例的控制芯片通过内部集成的低压功率开关管驱动反激开关电源的ZVS绕组，实现主功率开关管的ZVS导通，并且通过内部集成的降压-升压电压转换电路，对控制芯片的供电电压进行降压或升压处理，使得控制芯片的内部供电电压保持稳定，能够满足宽范围输出电压的应用，实现零电压开启，具有效率高、待机低、抗干扰性好等特点，可以有效提升系统效率和可靠性，有利于电源小型化。

根据本实用新型实施例的ZVS型反激开关电源，包括上述控制芯片。

根据本实用新型实施例的ZVS型反激开关电源可以提供宽范围输出电压，并且其系统效率和可靠性高。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中，可以更好地理解本实用新型，其中：

图1示出了本实用新型实施例提供的用于ZVS型反激开关电源的控制芯片的示例性引脚示意图；

图2示出了本实用新型实施例提供的包括图1所示的控制芯片的ZVS 型反激开关电源的示例性结构示意图；以及

图3示出了本实用新型实施例提供的控制芯片的内置组件和外接组件的示例性结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型，并不被配置为限定本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型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实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素和部件的任何修改、替换和改进。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，需要说明的是，这里使用的用语“A与B连接”可以表示“A与B直接连接”也可以表示“A与B经由一个或多个其他元件间接连接”。

传统的反激开关电源在高频模式下，随着频率的升高，开关损耗增大，导致开关温升很高，系统效率变差。在传统的反激开关电源架构中，通过增加零电压开启(ZeroVoltage Switch，ZVS)控制，即在非连续导通模式下，实现金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)(以下简称MOS管)的零电压导通，可以大大降低开关损耗，尤其是在例如高频模式下，可以明显提升系统效率。在此基础上，本实用新型提供了一种能够支持宽范围输出电压的用于 ZVS型反激开关电源的控制芯片，其具有结构简单、安全高效的特点，并可以有效提升系统效率。

具体而言，本实用新型提供一种用于ZVS型反激开关电源的控制芯片以及包括这样的控制芯片的ZVS型反激开关电源，通过在控制芯片内部集成的低压功率开关管(例如MOS管)驱动反激开关电源的ZVS绕组，实现主功率开关管的ZVS导通，并且通过在控制芯片内部集成的降压-升压电压转换电路，对供电绕组上的电压经整流后的电压进行降压或升压处理，来为控制芯片供电，可以使得控制芯片的内部供电电压保持稳定，适合于宽范围输出电压的应用。

下面首先对本实用新型实施例所提供的用于ZVS型反激开关电源的控制芯片进行介绍。

图1示出了本实用新型实施例提供的用于ZVS型反激开关电源的控制芯片100的示例性引脚示意图。如图1所示，该控制芯片100可以包括供电电压输入引脚VDD、降压电路引脚SW1、升压电路引脚SW2、芯片内部供电引脚AVDD、ZVS检测引脚DEM、驱动信号输出引脚GD1、电流感测引脚CS、输出电压反馈引脚FB、接地引脚GND、以及内置低压功率开关管的漏极引脚D2和源极引脚S2。

其中，供电电压输入引脚VDD用于从控制芯片100外部接收芯片供电电压；芯片内部供电引脚AVDD用于在控制芯片100内部提供内部供电电压；降压电路引脚SW1用于降压-升压电压转换电路110(如图1 中的虚线框所示)中的降压转换电路部分的输出端；升压电路引脚SW2 用于降压-升压电压转换电路110中的升压转换电路部分的输入端； ZVS检测引脚DEM用于连接到反激开关电源的辅助绕组分压检测电阻上，以接收反激开关电源的辅助绕组的电压波形；驱动信号输出引脚GD1 用于向反激开关电源的源边侧的主功率开关管提供栅极驱动电压；电流感测引脚CS用于从控制芯片外部接收表征流经主功率开关管的电流的电流感测信号；输出电压反馈引脚FB用于从控制芯片外部接收表征反激开关电源的输出电压的输出电压反馈信号；接地引脚GND用于连接到控制芯片的参考地；内置低压MOS管的漏极引脚D2连接到反激开关电源的 ZVS绕组的一端，源极引脚S2连接到参考地，以驱动ZVS绕组，实现主功率开关管的ZVS导通。

应注意，本实用新型实施例提供的上述控制芯片的11个引脚仅作为示例提供，在其他实施例中，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以存在与图1所示实施例相比更多的引脚、更少的引脚或不同的引脚。

为了更好地理解本实用新型实施例提供的控制芯片的结构和功能，下面对使用该控制芯片的ZVS型反激开关电源进行介绍。例如，参考图2，图2示出了本实用新型实施例提供的包括图1所示的控制芯片的ZVS型反激开关电源的示例性结构示意图，如图2所示，该反激开关电源可以包括控制芯片100等。

下面对控制芯片的各个引脚、内置组件、以及反激开关电源中的、位于控制芯片外部的相应组件之间的连接关系进行介绍。

具体地，供电绕组上的电压Vaux可以经由整流滤波模块(例如，包括二极管D1和电容C5)连接至供电电压输入引脚VDD(如虚线①所示)，使得供电绕组上的电压可以经过整流滤波模块进行整流和滤波，以得到稳定的直流电压(即，芯片供电电压VDD)。

降压电路引脚SW1可以连接至外接电感L的一端(如虚线②所示)。供电电压输入引脚VDD可以连接至内置的降压-升压电压转换电路 110。该降压-升压电压转换电路110还可以连接至降压电路引脚SW1，使得芯片供电电压VDD经过降压-升压电压转换电路110(例如，其中的降压转换电路部分，包括降压转换电路(buck converter)或线性稳压器 (linearregulator))的一系列处理之后，通过降压电路引脚SW1输出。

升压电路引脚SW2可以连接至外接电感L的另一端(如虚线③所示)。降压电路引脚SW1输出的电压经过外部电感L后输入至升压电路引脚SW2，进而输入至降压-升压电压转换电路110，使降压-升压电压转换电路110(例如，其中的升压转换电路部分，包括升压转换电路(boost converter))对该电压进行处理。应注意的是，在同一时间仅降压转换电路部分和升压转换电路部分中的一个会对供电电压进行处理，或者二者均不处理(即，仅执行降压转换，或者仅执行升压转换，或者两者均不执行)。

降压-升压电压转换电路110还可以连接至芯片内部供电引脚 AVDD，芯片内部供电引脚AVDD可以连接至外部旁路电容C6(如虚线④所示)。降压-升压电压转换电路110输出的内部供电电压经过内部整流后输出到芯片内部供电引脚AVDD。外接旁路电容C6起到稳压滤波的作用。

ZVS检测引脚DEM可以连接至反激开关电源中的、位于控制芯片100外部的分压模块200(包括例如电阻R7和R8)(如虚线⑤所示)，该分压模块200可以连接在供电绕组(也可以被称为辅助绕组)和参考地之间。ZVS检测引脚DEM可以连接至内置的ZVS检测模块130，该ZVS 检测模块130也可以被称为ZVS/过零检测(ZCD)模块，用于间接对反激开关电源中的主绕组的电压波形、退磁波形和退磁后的谐振波形进行检测，以便实现对反激开关电源中的主功率开关管M1的ZVS开关控制。

驱动信号输出引脚GD1可以连接至主功率开关管M1的栅极(如虚线⑥所示)，以输出用于控制主功率开关管M1的开启或关断的驱动信号。

电流感测引脚CS可以连接至电阻R2的远离地的一端(如虚线⑦所示)，作为电流采样引脚，用于检测主功率环电流，即用于检测流经主功率开关管M1的电流。

输出电压反馈引脚FB可以连接至光耦300(如虚线⑧所示)。如图2 所示，该光耦300跨接在开关电源源副边两侧，其一侧与电阻R3串联，连接至开关电源的输出端；另一侧连接到FB引脚。输出电压反馈引脚 FB引脚作为反馈引脚而提供，用于接收次级输出采样的反馈信号，即接收表征开关电源中的次级绕组的输出电压的输出电压反馈信号。

接地引脚GND可以连接至参考地(如虚线⑨所示)，其作为芯片参考地而提供。

内置低压功率开关管的漏极引脚D2可以连接至反激开关电源的ZVS 绕组的一端(如虚线⑩所示)，该ZVS绕组的另一端可以经由电容C7连接到参考地，内置低压功率开关管的源极引脚S2可以连接至参考地之间 (如虚线

所示)。

以下对控制芯片100中的各个示例组件进行介绍，以进一步帮助理解控制芯片100的工作原理。

如图2所示，控制芯片100可以包括降压-升压电压转换电路110、IC 供电模块120、ZVS检测模块130、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号生成器140、控制模块150、主功率开关管驱动模块160以及内置低压功率开关管M2等。以下对各个组件的连接关系以及功能进行详细介绍。

根据本实用新型的实施例，降压-升压电压转换电路110的一个输入端可以连接至供电电压输入引脚VDD，以接收VDD电压，一个输出端可以连接至降压电路引脚SW1，降压电路引脚SW1可以经由外接电感L连接至升压电路引脚SW2；降压-升压电压转换电路110的另一输入端可以连接至升压电路引脚SW2，另一输出端可以连接至芯片内部供电引脚AVDD。

具体地，该降压-升压电压转换电路110可以用于对VDD电压进行降压或升压处理，相应地，该降压-升压电压转换电路110可以包括降压转换电路部分和升压转换电路部分(图中未示出)。降压电路引脚SW1可以用作用于降压转换电路部分(降压转换电路或线性稳压器)的输出端，升压电路引脚SW2可以用作用于升压转换电路部分(升压转换电路)的输入端。

根据本实用新型的实施例，降压-升压电压转换电路110可以被配置用于：在芯片供电电压VDD大于预设的降压调制阈值时，通过对芯片供电电压VDD进行降压转换来生成内部供电电压，并输出至芯片内部供电引脚AVDD；在芯片供电电压VDD小于预设的升压调制阈值时，通过对芯片供电电压VDD进行升压转换来生成内部供电电压，并输出至芯片内部供电引脚AVDD；在芯片供电电压VDD介于预设的降压调制阈值和预设的升压调制阈值之间时，不对芯片供电电压VDD进行处理，以直接将芯片供电电压VDD输出至芯片内部供电引脚AVDD。

根据本实用新型的实施例，IC供电模块120的输入端可以连接至芯片内部供电引脚AVDD，输出端可以连接至控制芯片100中的相应组件，例如，ZVS检测模块130、PWM生成器140、控制模块150和主功率开关管驱动模块160。该IC供电模块120用于从芯片内部供电引脚AVDD接收经降压-升压电压转换电路110处理后的芯片内部供电电压，以利用该内部供电电压来为控制芯片100中的相应组件进行供电。

根据本实用新型的实施例，控制芯片100可以用于ZVS型反激开关电源，相应地，控制芯片100可以包括ZVS检测控制电路，用于间接对反激开关电源的主绕组进行ZVS检测和退磁检测，以控制反激开关电源的主功率开关管M1和控制芯片100的内置低压功率开关管M2的开启或关断。

例如，如图2所示，ZVS检测控制电路可以包括ZVS检测模块130、 PWM信号生成器140和控制模块150。其中，ZVS检测模块130可以用于通过对反激开关电源的辅助绕组的电压波形进行检测，来间接检测主绕组的电压波形、退磁波形和退磁后的谐振波形，实现对反激开关电源的输出电压的检测、退磁结束的检测、以及退磁结束之后的主绕组的谐振波形的检测，以便控制主功率开关管M1和内置低压功率开关管M2的开启时机。

PWM信号生成器140可以基于来自ZVS检测模块130的检测反馈信号、来自输出电压反馈引脚FB的用于表征反激开关电源的输出电压的输出电压反馈信号、以及来自电流感测引脚CS的用于表征流经主功率开关管M1的电流的电流感测信号，生成PWM信号，并将该PWM信号输出到控制模块150。

控制模块150可以用于基于来自PWM信号生成器140的PWM信号来生成控制信号，以控制主功率开关管M1和内置低压功率开关管M2的开启或关断。

功率开关管驱动模块160可以用于基于来自ZVS检测控制电路的控制信号(即，来自控制模块150的控制信号)来生成驱动信号，以驱动主功率开关管M1的开启或关断。

根据本实用新型的实施例，控制芯片100可以包括内置的低压功率开关管M2，用于驱动反激开关电源的ZVS绕组，从而实现主功率开关管 M1的ZVS导通。如图2所示，内置低压功率开关管M2的漏极引脚D2可以连接至反激开关电源的ZVS绕组的一端，该ZVS绕组的另一端可以经由电容C7连接到参考地，内置低压功率开关管M2的源极引脚S2可以连接至参考地。

本实用新型实施例提供的控制芯片和ZVS型反激开关电源，通过在控制芯片内部集成的低压功率开关管驱动反激开关电源的ZVS绕组，实现主功率开关管的ZVS导通，并且通过在控制芯片内部集成的降压-升压电压转换电路，对控制芯片的供电电压进行降压或升压处理，使得控制芯片的内部供电电压保持稳定，能够满足宽范围输出电压的应用，实现零电压开启，具有效率高、待机低、抗干扰性好等特点，可以有效提升系统效率和可靠性，有利于电源小型化。

此外，为了清楚起见，图3示出了本实用新型实施例提供的控制芯片的内置组件和外接组件的示例性结构示意图。关于这些内置组件和外接组件的功能以及连接关系等在以上结合图2进行说明时已经被描述，因此为了简洁起见，在此不再进行赘述。

本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。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，本实用新型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都被包括在本实用新型的范围中。

Claims (14)

1.一种用于零电压开启ZVS型反激开关电源的控制芯片，其特征在于，包括供电电压输入引脚、芯片内部供电引脚、降压-升压电压转换电路、ZVS检测控制电路、以及内置低压功率开关管，其中：

所述供电电压输入引脚用于从所述控制芯片外部接收芯片供电电压；

所述芯片内部供电引脚用于在所述控制芯片内部提供内部供电电压；

所述降压-升压电压转换电路被连接在所述供电电压输入引脚和所述芯片内部供电引脚之间，用于通过对所述芯片供电电压进行降压转换或升压转换来生成所述内部供电电压，并将所述内部供电电压输出到所述芯片内部供电引脚；

所述ZVS检测控制电路用于通过对所述反激开关电源的辅助绕组波形进行检测，间接实现对主绕组波形的退磁检测和ZVS检测，以控制所述内置低压功率开关管和所述反激开关电源的主功率开关管的开启或关断；并且

所述内置低压功率开关管用于驱动所述反激开关电源的ZVS绕组。

2.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于，还包括降压电路引脚和升压电路引脚，其中：

所述降压电路引脚用于所述降压-升压电压转换电路中的降压转换电路部分的输出端，

所述升压电路引脚用于所述降压-升压电压转换电路中的升压转换电路部分的输入端。

3.根据权利要求2所述的控制芯片，其特征在于，所述降压转换电路部分包括降压转换器或线性稳压器电路，并且所述升压转换电路部分包括升压转换器。

4.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于，所述降压-升压电压转换电路用于：在所述芯片供电电压大于预设的降压调制阈值时，通过对所述芯片供电电压进行降压转换来生成所述内部供电电压；在所述芯片供电电压小于预设的升压调制阈值时，通过对所述芯片供电电压进行升压转换来生成所述内部供电电压；并且在所述芯片供电电压介于所述预设的降压调制阈值和所述预设的升压调制阈值之间时，将所述芯片供电电压直接作为所述内部供电电压输出到所述芯片内部供电引脚。

5.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于，所述ZVS检测控制电路包括ZVS检测模块、脉冲宽度调制PWM信号生成器以及控制模块，所述内部供电电压用于为所述ZVS检测模块、所述PWM信号生成器和所述控制模块供电，其中：

所述ZVS检测模块用于通过检测所述反激开关电源的辅助绕组的电压波形，来间接检测所述反激开关电源的输出电压波形、所述主绕组的电压波形、退磁波形和退磁后的谐振波形，以向所述PWM信号生成器输出检测反馈信号；

所述PWM信号生成器用于基于所述检测反馈信号来生成PWM信号，并将该PWM信号输出到所述控制模块；

所述控制模块用于基于所述PWM信号来生成驱动控制信号，以控制所述内置低压功率开关管和所述主功率开关管的开启或关断。

6.根据权利要求5所述的控制芯片，其特征在于，还包括主功率开关管驱动模块，该主功率开关管驱动模块由所述内部供电电压供电，并且用于基于来自所述控制模块的驱动控制信号生成驱动信号，以驱动所述主功率开关管的开启或关断。

7.根据权利要求6所述的控制芯片，其特征在于，还包括驱动信号输出引脚，所述驱动信号输出引脚连接到所述主功率开关管驱动模块，用于向所述主功率开关管提供栅极驱动电压。

8.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于，还包括ZVS检测引脚，用于连接到所述反激开关电源的辅助绕组分压检测电阻上，以检测所述反激开关电源的辅助绕组的电压波形。

9.根据权利要求5所述的控制芯片，其特征在于，还包括：电流感测引脚，用于从所述控制芯片外部接收表征流经所述主功率开关管的电流的电流感测信号；以及输出电压反馈引脚，用于从所述控制芯片外部接收表征所述反激开关电源的输出电压的输出电压反馈信号，

其中，所述PWM信号生成器用于基于所述检测反馈信号、所述电流感测信号、以及所述输出电压反馈信号来生成所述PWM信号。

10.一种零电压开启ZVS型反激开关电源，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的控制芯片。

11.根据权利要求10所述的反激开关电源，其特征在于，所述控制芯片还包括：降压电路引脚，用作用于所述降压-升压电压转换电路中的降压转换电路部分的输出端；以及升压电路引脚，用作用于所述降压-升压电压转换电路中的升压转换电路部分的输入端，并且所述反激开关电源还包括连接在所述降压电路引脚和所述升压电路引脚之间的外接电感。

12.根据权利要求10所述的反激开关电源，其特征在于，所述控制芯片还包括内置低压功率开关管的漏极引脚和源极引脚，所述漏极引脚连接到所述反激开关电源的ZVS绕组的一端，所述ZVS绕组的另一端经由电容连接到参考地，并且所述源极引脚连接到所述参考地。

13.根据权利要求10所述的反激开关电源，其特征在于，还包括供电绕组，所述供电绕组经由包括二极管和电容器的整流滤波模块连接到所述供电电压输入引脚，为所述控制芯片提供所述芯片供电电压。

14.根据权利要求10所述的反激开关电源，其特征在于，所述控制芯片的所述芯片内部供电引脚经由外部旁路电容连接到参考地。

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