CN217087757U

CN217087757U - 一种控制芯片及电源变换器

Info

Publication number: CN217087757U
Application number: CN202220205991.7U
Authority: CN
Inventors: 余凤兵
Original assignee: Suzhou Yuante Semiconductor Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Yuante Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2032-01-25

Abstract

本实用新型提供一种控制芯片及电源变换器，其中控制芯片包括钳位式稳压电路、二极管、MOS管NM1、MOS管NM0、低压线性稳压器和PWM控制电路；钳位式稳压电路的一端和MOS管NM1的栅极连接偏置电流输入引脚，钳位式稳压电路的另一端接地；MOS管NM1的漏极和MOS管NM0的漏极连接内置MOS管漏极引脚，MOS管NM1的源极连接二极管的正极，二极管的负极连接低压供电引脚和所述低压线性稳压器的输入端，低压线性稳压器的输出端连接PWM控制电路的输入端，PWM控制电路的输出端连接MOS管NM0的栅极，MOS管NM0的源极接地。本实用新型不需要额外增加高压ESD防护器件，节省面积和成本。

Description

一种控制芯片及电源变换器

技术领域

本实用新型涉及DC-DC启动电路领域，特别涉及一种控制芯片及电源变换器。

背景技术

在硅半导体集成电路工艺几十年的发展历程中，特别是适用于电源芯片设计的特色工艺，由最初仅包含双极晶体管的第一代Biporlar工艺，发展到具有更高集成度的绝缘栅MOS管的 CMOS工艺，之后又发展了包含双极器件、CMOS器件和DMOS器件的BCD工艺。最近几年模拟集成电路半导体的特色工艺快速发展，第三代BCD工艺与前两代工艺相比，具有显著的优势，最基本的优势就是电路设计者可以在高精度模拟的双极器件，高集成度的CMOS器件和作为功率输出级的DMOS器件之间自由选择。特别是LDMOS管在保持相同耐压下电阻率下降明显，使得将高压功率器件及低压信号处理电路和外围接口、检测、保护等功能电路集成到单芯片上的集成电路技术的智能功率集成电路(SPIC)成为趋势。

如图1所示，是现有技术集成功率MOS管(控制电路跟功率管在同一芯片内)的反激电源控制芯片及其变换器的简单原理图，粗实框内是控制芯片，它与外围的反激变压器、电阻、电容、二极管组成反激变换器。芯片内的PWM控制电路是指芯片的占空比控制电路，作用是根据变换器输出负载的变化产生相适应的脉宽信号，以控制功率管的NM0的开关，进而控制反激变换器的能量传输，使得变换器输出电压V_OUT稳定在所需范围内。图1所示的芯片供电框架是现有技术最常用的，即直接采用变换器输入V_IN作为芯片内部电路的正电源，优点是芯片外围器件少，芯片的端口少。然而它的缺点也是明显的：1、这种供电框架需要比V_IN更高耐压的线性稳压器，把V_IN降压后才能为芯片内部的低压工作电路供电，为了防止这个高压线性稳压器被静电损坏，需要增加高压ESD防护器件，高压线性和高压ESD在集成电路中面积都较大，增加成本；2、由于芯片直接由V_IN供电，输入高电压时功耗大，特别是对于中功率的变换器，V_IN需要为功率管NM0提供较大驱动电流，会使得芯片的温升迅速增加；3、不能像外置功率MOS管方案那样，通过VDD过压保护来实现变换器输出过压保护。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种控制芯片及电源变换器，可以解决现有技术中内置启动电路需要高压线性稳压器及高压ESD防护器件而增加产品成本的问题，还可以解决芯片直接由 V_IN供电，使得芯片温度增加的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本实用新型提供一种控制芯片，包括钳位式稳压电路、二极管D₀、MOS管NM1、 MOS管NM0、低压线性稳压器和PWM控制电路；所述钳位式稳压电路的一端和MOS管NM1的栅极连接控制芯片的偏置电流输入引脚，所述钳位式稳压电路的另一端接地；所述MOS管NM1 的漏极和所述MOS管NM0的漏极连接控制芯片的内置MOS管漏极引脚，所述MOS管NM1的源极连接所述二极管D₀的正极，所述二极管D₀的负极连接控制芯片的低压供电引脚和所述低压线性稳压器的输入端，所述低压线性稳压器的输出端连接所述PWM控制电路的输入端，所述 PWM控制电路的输出端连接所述MOS管NM0的栅极，所述MOS管NM0的源极接地。

进一步的，所述的控制芯片还包括采样电路，所述采样电路连接在所述MOS管NM1的源极和所述PWM控制电路之间。

进一步的，所述钳位式稳压电路包括n个齐纳管，第一个齐纳管的负极连接控制芯片的偏置电流输入引脚，第一个齐纳管的正极连接第二个齐纳管的负极，第二个齐纳管的正极连接第三个齐纳管的负极，依次类推，第n个齐纳管的正极接地，n≥1。

进一步的，在所述第n个齐纳管的正极和地之间还包括m个NMOS管，每个NMOS管的栅极和漏极连接在一起，第一个NMOS管的漏极连接第n个齐纳管的正极，第一个NMOS管的源极连接第二个NMOS管的漏极，第二个NMOS管的源极连接第三个NMOS管的漏极，依次类推，第m个NMOS管的源极接地，m≥1。

第二方面，本实用新型提供一种电源变换器，包括上述控制芯片，还包括电阻R_IN和电容 C_VDD,所述电阻R_IN的一端作为电源变换器的输入端连接输入电压，所述电阻R_IN的另一端连接控制芯片的偏置电流输入引脚；所述电容C_VDD的一端连接控制芯片的低压供电引脚，另一端接地。

进一步的，所述的电源变换器还包括三极管Q₀和电阻R_b，所述三极管Q₀的集电极连接控制芯片的偏置电流输入引脚，所述三极管Q₀的发射极接地，所述三极管Q₀的基极连接电阻R_b的一端；所述电阻R_b的另一端输入远程控制信号。

进一步的，当所述远程控制信号为高电平时，偏置电流输入引脚的电压被拉低，MOS管NM0关闭，电源变换器停止工作；当所述远程控制信号为低电平时，变换器恢复工作。

本实用新型的控制芯片及电源变换器，不需要额外增加高压ESD防护器件，节省面积和成本。可使变换器实现低功耗的自供电方案，芯片发热小，从而也适用于需要较大驱动电流的中大功率变换器的应用。

附图说明

图1为现有技术的控制芯片及电源变换器原理图；

图2为本实用新型的实施例一的控制芯片及电源变换器原理图；

图3至图6为钳位式稳压电路的电路原理图；

图7为本实用新型的电压变换器的另一原理图；

图8为本实用新型实施例二的控制芯片原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

如图2所示的粗实线框是本实施一的控制芯片，它包含偏置电流输入引脚RIN、低压供电引脚VDD、内置MOS管漏极引脚DRN、钳位式稳压电路、防倒灌二极管D₀、MOS管NM1、MOS管NM0、低压线性稳压器和PWM控制电路。钳位式稳压电路的一端和MOS管NM1的栅极连接偏置电流输入引脚RIN，钳位式稳压电路的另一端接地。MOS管NM1的漏极和MOS管NM0的漏极连接内置MOS管漏极引脚DRN，MOS管NM1的源极连接防倒灌二极管D₀的正极，防倒灌二极管D₀的负极连接低压供电引脚VDD和低压线性稳压器的输入端，低压线性稳压器的输出端连接PWM控制电路的输入端，PWM控制电路的输出端连接MOS管NM0的栅极，控制MOS管NM0 开通或关断。MOS管NM0的源极接地。

本实用新型还提供一种电源变换器，包括上述控制芯片，还包括偏置电阻R_IN和电容C_VDD, 电阻R_IN的一端作为电源变换器的输入端连接输入电压V_IN，电阻R_IN的另一端连接控制芯片的偏置电流输入引脚RIN。电容C_VDD的一端连接控制芯片的低压供电引脚VDD，另一端接地。

控制芯片和电源变换器的原理是：

控制芯片的RIN引脚与变换器输入电压V_IN之间连接偏置电阻R_IN，通过R_IN的偏置电流被钳位式稳压电路吸收，产生相对稳定的偏置电压V_B，为MOS管NM1的栅极提供驱动电压使其导通。启动电流从变换器输入V_IN出发，从变压器主绕组N_P的输入端口流入，从N_P的输出端口流出，再经过MOS管NM1和防倒灌二极管D₀后为电容C_VDD充电。VDD引脚处的电压V_DD通过NM1 能够到达的最大电压应为V_B-V_TH-V_BE，当V_DD达到最大电压时启动管NM1进入线性工作区，V_DD电压不再上升，其中V_TH是MOS管NM1的开启阈值，V_BE是防倒灌二极管D₀的正向导通压降。VDD 作为控制芯片的电源端口，经过低压线性稳压器为PWM控制电路供电。防倒灌二极管D₀的作用是：功率管NM0导通时防止电流从VDD通过启动管NM1，再经过NM0倒灌到地。

进一步的，钳位式稳压电路最简单的实现方式就是采用单一的齐纳管来稳压，如图3所示，齐纳管的负极作为钳位式稳压电路的一端连接控制芯片的偏置电流输入引脚RIN，齐纳管的正极接地。齐纳管是BCD半导体工艺常见的器件类型，一般齐纳击穿电压在4V～9V，视具体的工艺而定。优选的，若需要补偿启动MOS管NM1的温度系数或者小幅提高电容C_VDD的充电电压，可以将齐纳管跟栅极和漏极连接在一起的NMOS管串联，如图4所示，在根据实际需要也可串联多个NMOS管或多个齐纳管串联，如图5和图6所示。

根据本实施例启动电路的结构和工作原理，产生以下有益效果：

不需要额外增加高压ESD防护器件，节省面积和成本。启动MOS管NM1与功率管NM0的漏极连接在一起，功率管NMO面积大，本身具有很强的ESD泄放能力，可有效保护启动管NM1。

变换器的输入端抗电压冲击能力显著加强。因控制芯片的RIN引脚通过外接偏置电阻RIN 连接到变换器的输入端的电压V_IN，冲击电压由RIN电阻承接而有效保护芯片避免损坏。

进一步的，为了实现对变换器的远程控制功能，使变换器关闭后损耗低，在控制芯片外围增加三极管Q₀以及基极电阻R_b，如图7所示。三极管Q₀的集电极连接控制芯片的偏置电流输入引脚RIN，三极管Q₀的发射极接地，三极管Q₀的基极连接电阻R_b的一端，电阻R_b的另一端输入远程控制信号Ctr。

只要远程控制信号Ctr为高电平，芯片引脚RIN的电压被拉低，启动管NM0关闭，VDD引脚的电压也会跟随消去，变换器停止工作，且变换器的功耗仅有电阻RIN的功耗，损耗低，当Ctr变为低电平时，变换器会再次恢复工作。

可通过引脚RIN感应变换器输入电压V_IN的大小，从而一些跟输入电压V_IN相关的功能跟 RIN引脚复用，不需要额外增加引脚。图2中NM1的电流大小为(V_IN-V_B)/R_IN，采用电流镜镜像NM1就可复制该电流大小，由于该电流与输入电压V_IN成正比关系，如果控制芯片需要设计跟输入电压相关的功能，例如常见的前馈补偿、输入过压保护、根据输入电压改变驱动速度、根据输入电压改变变换器的频率等功能，可以跟RIN复用一个引脚。

实施例二

如图8所示，在实施例一的基础上，在启动管NM1的源极和PWM控制电路之间增加了采样电路。本实用新型提供的启动电路还有一个有益效果就是，可在启动管NM1源极采样功率管NM0的导通压降，采样电路不需要增加高压器件。它的采样原理是：

采样电路的工作时序与NM0的开通时序一致，当NM0开通时进行采样，NM0关断时停止采样；

在NM0关断时，采样电路的输入电压等于V_DD+V_BE，所以采样电路的输入端只需承担此低压输入，而不是NM0漏极的高电压，高电压已被启动管NM1承接。由于采样电路输入端不需要额外增加高压器件，减小芯片面积，降低成本。

在NM0开通时，防倒灌二极管D₀是反向截止的，NM0的漏极电压只有很小的导通压降，启动管NM1也就自动导通了，从而启动管NM1的源极电压等于NM0的导通压降。NM0的导通压降是变压器励磁电流与功率管导通内阻的乘积，所以通过检测NM1的源极电压可以感应变压器励磁电流，在PWM控制方式中实现对NMO开通脉宽的调制。

本实用新型对采样电路的具体电路结果不做限定，可以是受时序控制的简单比较器，也可以像专利申请号为201910596562.X所述的那样通过电流比例感应器来成比例地复制功率管NM0的电流。

以上仅为说明本实用新型的实施方式，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种控制芯片，其特征在于，包括钳位式稳压电路、二极管D₀、MOS管NM1、MOS管NM0、低压线性稳压器和PWM控制电路；所述钳位式稳压电路的一端和MOS管NM1的栅极连接控制芯片的偏置电流输入引脚，所述钳位式稳压电路的另一端接地；所述MOS管NM1的漏极和所述MOS管NM0的漏极连接控制芯片的内置MOS管漏极引脚，所述MOS管NM1的源极连接所述二极管D₀的正极，所述二极管D₀的负极连接控制芯片的低压供电引脚和所述低压线性稳压器的输入端，所述低压线性稳压器的输出端连接所述PWM控制电路的输入端，所述PWM控制电路的输出端连接所述MOS管NM0的栅极，所述MOS管NM0的源极接地。

2.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于，还包括采样电路，所述采样电路连接在所述MOS管NM1的源极和所述PWM控制电路之间。

3.根据权利要求1或2所述的控制芯片，其特征在于，所述钳位式稳压电路包括n个齐纳管，第一个齐纳管的负极连接控制芯片的偏置电流输入引脚，第一个齐纳管的正极连接第二个齐纳管的负极，第二个齐纳管的正极连接第三个齐纳管的负极，依次类推，第n个齐纳管的正极接地，n≥1。

4.根据权利要求3所述的控制芯片，其特征在于，在所述第n个齐纳管的正极和地之间还包括m个NMOS管，每个NMOS管的栅极和漏极连接在一起，第一个NMOS管的漏极连接第n个齐纳管的正极，第一个NMOS管的源极连接第二个NMOS管的漏极，第二个NMOS管的源极连接第三个NMOS管的漏极，依次类推，第m个NMOS管的源极接地，m≥1。

5.一种电源变换器，其特征在于，包括权利要求1至4任一项所述的控制芯片，还包括电阻R_IN和电容C_VDD,所述电阻R_IN的一端作为电源变换器的输入端连接输入电压，所述电阻R_IN的另一端连接控制芯片的偏置电流输入引脚；所述电容C_VDD的一端连接控制芯片的低压供电引脚，另一端接地。

6.根据权利要求5所述的电源变换器，其特征在于，还包括三极管Q₀和电阻R_b，所述三极管Q₀的集电极连接控制芯片的偏置电流输入引脚，所述三极管Q₀的发射极接地，所述三极管Q₀的基极连接电阻R_b的一端；所述电阻R_b的另一端输入远程控制信号。

7.根据权利要求6所述的电源变换器，其特征在于，当所述远程控制信号为高电平时，偏置电流输入引脚的电压被拉低，MOS管NM0关闭，电源变换器停止工作；当所述远程控制信号为低电平时，变换器恢复工作。