TWI586091B - Control circuit, integrated circuit and the application of its switching converter - Google Patents

Description

控制電路、積體電路和應用其的開關型變換器

本發明涉及電力電子技術，具體涉及一種控制電路、積體電路和應用其的開關型變換器。

開關型變換器由主要由控制電路和功率級電路兩部分構成。功率級電路透過主開關對流過電感的電流進行斬波獲得穩定的輸出。控制電路需要獲得表示功率級電路的電感電流的回饋信號，並根據該回饋信號來控制功率級電路中的主開關的開關動作，使得功率級電路輸出實質恆定的電流。

現今，通常透過設置於主開關和接地端之間的電阻對電感電流進行檢測，以獲得回饋信號。因此，控制電路的積體電路需要至少設置偏置電源引腳、接地引腳、檢測引腳和輸入引腳等四個引腳。較多的引腳數量不利於晶片封裝，還會造成成本的增加。

有鑑於此，本發明提供一種控制電路、積體電路和應 用其的開關型變換器，不必專門設置檢測引腳，簡化了電路結構。在將控制電路形成為積體電路形式時，可以簡化積體電路封裝。

第一方面，提供一種控制電路，用於控制包括主開關的功率級電路，該控制電路包括：供電電路，包括連接在供電端和共用端之間的偏置電容，用於透過該偏置電容為該控制電路供電；檢測電路，連接在該主開關的電流輸出端和該共用端之間，用於檢測流過該主開關的電流；電流回饋電路，與該供電端連接，用於根據供電端電壓在該主開關關斷期間的採樣值與該供電端電壓的差值生成回饋信號，該回饋信號用於表示該功率級電路的電感電流；控制信號生成電路，用於根據該回饋信號生成控制信號控制該主開關。

較佳的，該檢測電路為電阻。

較佳的，該電流回饋電路包括：觸發電路，用於在每個開關週期中該控制信號指示關斷期間輸出觸發信號；採樣保持電路，用於根據該觸發信號採樣該供電端電壓，並保持輸出該採樣值；差分放大電路，用於根據該採樣值與該供電端電壓的差值生成該回饋信號。

較佳的，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信 號由指示關斷切換為指示導通觸發輸出該觸發信號。

較佳的，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信號由指示導通切換為指示關斷觸發在延遲預定時間後輸出該觸發信號。

第二方面，提供一種開關型變換器，包括：功率級電路，包括主開關；和如上該控制電路。

第三方面，提供一種積體電路，用於開關型變換器，該積體電路包括：供電引腳；電流回饋電路，與該供電引腳連接，根據供電引腳電壓在功率級電路的主開關關斷期間的採樣值與該供電引腳電壓生成回饋信號，該回饋信號用於表示功率級電路的電感電流；控制信號生成電路，根據該回饋信號生成控制信號控制該主開關。

較佳的，該積體電路還包括：接地引腳；輸入引腳；以及該主開關，連接在該輸入引腳和該接地引腳之間。

較佳的，該電流回饋電路包括：觸發電路，用於在每個開關週期中該控制信號指示關斷期間輸出觸發信號；採樣保持電路，用於根據觸發信號採樣該供電端電 壓，並保持輸出該採樣值；差分放大電路，用於根據該採樣值與該供電引腳電壓的差值生成該回饋信號。

較佳的，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信號由指示關斷切換為指示導通觸發輸出該觸發信號。

較佳的，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信號由指示導通切換為指示關斷觸發在延遲預定時間後輸出該觸發信號。

本發明實施例中，檢測電路被設置在主開關的電流輸出端和用於供電的偏置電容之間，使得在開關導通期間流過主開關的電流流過檢測電路並影響供電端電壓，使得供電端電壓在主開關關斷期間的大小與電感電流無關，而在主開關導通期間隨電感電流的增大而減小。由此，可以透過供電端電壓檢測電感電流，使供電引腳多路複用為電流檢測引腳。這可以簡化電路結構。在將控制電路形成為積體電路形式時，可以簡化積體電路封裝，減小晶片體積。

1‧‧‧功率級電路

2‧‧‧控制電路

21‧‧‧供電電路

21a‧‧‧充電控制電路

22‧‧‧檢測電路

23‧‧‧電流回饋電路

23a‧‧‧觸發電路

23b‧‧‧採樣保持電路

23c‧‧‧差分放大電路

24‧‧‧控制信號生成電路

C0‧‧‧電容

C1‧‧‧電容

C2‧‧‧差分放大電路

Cb‧‧‧偏置電容

D‧‧‧整流二極體

D1‧‧‧充電二極體

D2‧‧‧放電二極體

L1‧‧‧原邊繞組

L2‧‧‧副邊繞組

M1‧‧‧主開關

R1‧‧‧電阻

透過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：圖1A是本發明實施例的開關型變換器的電路示意圖；圖1B是可適用於本發明實施例的一個現有的供電電路的電路示意圖； 圖1C是可適用於本發明實施例的另一個現有的供電電路的電路示意圖；圖2是本發明實施例的積體電路的示意圖；圖3是本發明實施例一個實施方式的開關型變換器的工作波形圖；圖4是本發明實施例另一個實施例的開關型變換器的工作波形圖。

以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敘述。

此外，本領域具有通常知識者應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。

同時，應當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個元件或子電路透過電氣連接或電磁連接構成的導電迴路。當稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個節點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件“直接 耦接到”或“直接連接到”另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。

除非上下文明確要求，否則整個說明書和申請專利範圍中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限於”的含義。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

圖1A是本發明實施例的開關型變換器的電路示意圖。如圖1A所示，開關型變換器包括功率級電路1和控制電路2。

在本實施例中，開關型變換器被用作為LED驅動電路。功率級電路1為回掃拓撲。其包括主開關M1、原邊繞組L1、副邊繞組L2、整流二極體D和電容C0。

其中，原邊繞組L1的一端連接功率級電路1的電源輸入端IN。主開關M1連接在原邊繞組L1另一端和控制電路接地端GND之間。主開關M1為受控半導體開關裝置，例如，金屬半導體氧化物電晶體(MOSFET)或雙極性電晶體(BJT)。副邊繞組L2與原邊繞組L1耦合。整流二極體D連接在副邊繞組L2的一端和輸出端out之間。副邊繞組L2的另一端連接到副邊側接地端。電容C0連接在輸出端out和副邊側接地端之間。功率級電路1還包括 電容C1，其用於對電源電壓進行濾波，電容C1的一端連接到電源輸入端IN，另一端連接到共用端com。共用端com可以作為原邊側接地端使用。

應理解，其它已知拓撲形式的功率級電路，例如升壓型拓撲或降壓型拓撲，也可以得益於本發明實施例的教導。

控制電路2包括供電電路21、檢測電路22、電流回饋電路23和控制信號生成電路24。

供電電路21用於對作為其一部分的偏置電容Cb充電，從而可以在供電端p輸出電壓為控制電路的其它部分供電(亦即，為控制電路提供一個偏置電壓)。偏置電容Cb作為供電電路21的一部分連接在供電端p和共用端com之間。在本實施例中，供電電路21包括偏置電容Cb和充電控制電路21a。充電控制電路21a控制功率級電路線路中的電壓對偏置電容Cb充電，在供電輸端產生可以供控制電路2工作的電壓Vc。另外，供電電路21還可以包括電阻R1，電阻R1連接在功率電路1的輸入端IN和供電端p之間。電阻R1可以在電路啟動時對偏置電容Cb充電使得控制電路2啟動。供電電路21可以在供電端輸出供電端電壓Vc。在本實施例中，在主開關M1關斷期間，供電端電壓Vc為預定值Vcc，在主開關M1導通期間，供電端電壓Vc會隨著電感電流iL的增大而減小。應理解，本實施例的充電控制電路21a可以採用任何已知的，適於進行控制偏置電容充放電，從而對控制電路供電的電 路來實現，例如，基於輔助繞組的充電控制電路或者基於原邊繞組電壓進行充電的充電控制電路。充電控制電路21a可以採用適於被集成在積體電路中的電路結構，也可以採用其它類型的電路結構。較佳的，充電控制電路21a與電流回饋電路23以及控制信號生成電路24集成在同一個積體電路中。

圖1B是可適用於本發明實施例的一個現有的供電電路的電路示意圖。如圖1B所示，該供電電路基於輔助繞組AUX。輔助繞組AUX在主開關M1導通時沒有電流，在主開關M1關斷時產生感應電流，其與副邊繞組L2的電流同步變化。在圖1B所示的供電電路中，充電控制電路21a為二極體，其陽極連接輔助繞組AUX，陰極連接供電端p。因此，在主開關M1關斷期間，感應電流可以透過二極體為偏置電容Cb充電。在主開關M1導通期間，二極體阻止電流從偏置電容Cb流向輔助繞組AUX。由此，可以透過對Cb的充放電來對控制電路供電。

圖1C是適用於本發明實施例的另一個現有的供電電路的電路示意圖。如圖1C所示，該供電電路不需要借助於輔助繞組AUX，從而適於集成在積體電路晶片內部。充電控制電路21a分別連接偏置電容Cb和能量輸入端in，接收能量輸入端in提供的電能向偏置電容Cb充電。在現有的電路結構中，能量輸入端in通常連接到主開關M1的電流輸入端，也即，主開關M1與原邊繞組L1的連接點。

其中，充電控制電路21a包括一儲能電路、放電支路和充電支路；其中儲能電路的一端連接能量輸入端in，另一端分別連接放電支路和充電支路。放電支路包括放電二極體D2；充電支路包括充電二極體D1；儲能電路可以包括儲能電容C2，其一端連接至主開關M1的電流輸入端(以N型MOSFET為例，主開關M1的電流輸入端為N型MOSFET的汲極)，另一端分別連接到放電二極體D2的陰極和充電二極體D1的陽極；放電二極體D2的陽極連接至地用以構成儲能電容C2的放電迴路；充電二極體D1的陰極連接供電端p，用以保證電能由儲能電容C2向偏置電容Cb單向傳輸。因此，在主開關M1關斷期間，儲能電容C2可以透過充電二極體D1為偏置電容Cb充電。在主開關M1導通期間，充電二極體D1阻止電流從偏置電容Cb充電控制電路21a，同時，電流由放電二極體D2流向儲能電容C2，為其充電，同時，偏置電容Cb放電來對控制電路2供電。由此，透過偏置電容Cb的充放電來對控制電路供電。

檢測電路22連接在主開關M1的電流輸出端和共用端com之間。在本實施例中，共用端com可以作為功率級電路在原邊側的接地端。在本實施例中，開關的電流輸出端是指開關裝置連接較低電壓，電流從其中流出的一端。如圖1所示，在主開關M1採用N型MOSFET時，電流輸出端為源極。檢測電路22較佳為電阻Rv。

檢測電路22在主開關M1的電流輸出端和共用端 com之間形成電流通路，並進而經過電容C1形成功率級電路在原邊側的電流環路。因此，在主開關M1導通期間，流過主開關M1的電感電流iL全部經由檢測電路22流向共用端com。

電流回饋電路23與供電端p連接，用於根據供電端電壓Vc在主開關M1關斷期間(包括由關斷切換為導通的瞬間)的採樣值Vs與當前供電端電壓Vc的差值生成回饋信號Vfb，回饋信號Vfb用於表示功率級電路1的電感電流iL。

控制信號生成電路24用於根據回饋信號Vfb輸出控制信號控制主開關M1。在本實施例中，由於功率級電路1為回掃拓撲，控制信號生成電路24在電感電流峰值達到預定閾值時控制主開關M1關斷，從而可以實現恆流控制。當然，本領域技術人員可以理解，在功率級電路採用其它類型的拓撲時，也可以基於電感電流以其它控制方式進行控制。

在主開關M1關斷期間，供電端電壓Vc為預定值Vcc。在此期間對其採樣，可以獲得該供電電壓Vcc。

在主開關M1導通後，電感電流iL流過主開關M1，並進而流過檢測電路22。電感電流iL流過檢測電路22形成的電壓降會使得共用端com的電位下降。由此，使得供電端電壓Vc下降。供電端電壓Vc的下降幅度隨電感電流iL變化。

在檢測電路22為電阻Rv時，其上的電壓降為 iL*Rv。這使得共用端com的電壓下降iL*Rv。由於偏置電容Cb在飽和狀態下兩端電壓不發生變化或變化很小。在主開關M1導通期間，供電端電壓Vc=Vcc-iL*Rv。因此，透過計算採樣值Vs=Vcc和供電端電壓Vc之間的差值，即可獲得隨電感電流變化的回饋信號Vfb。

由此，透過對供電端電壓進行檢測就可以實現獲取電感電流變化，由此可以簡化電路結構。同時，如圖1所示，可以在將電流回饋電路23和控制信號生成電路24以及主開關M1集成為積體電路晶片，不需要設置專門的電流採樣引腳，只需要輸入引腳、接地引腳和供電引腳即可。因此，可以簡化積體電路封裝，減小積體電路體積。同時，積體電路也可以僅集成電流回饋電路23和控制信號生成電路24，而不包括主開關M1。該積體電路同樣可以不需要原有的電流採樣引腳，減少引腳數量。

圖2是本發明實施例的電流回饋電路的示意圖。如圖2所示，電流回饋電路23包括觸發電路23a、採樣保持電路23b和差分放大電路23c。

觸發電路23a輸入控制信號Q，用於在每個開關週期中控制信號Q指示關斷期間輸出觸發信號Tr。觸發信號Tr可以為脈衝信號。觸發電路23a較佳為單觸發電路。

採樣保持電路23b輸入觸發信號Tr和供電端電壓Vc，用於根據觸發信號Tr採樣供電端電壓Vc，並保持輸出採樣值Vs。

差分放大電路23c輸入採樣值Vs和供電端電壓Vc， 用於根據採樣值Vs與供電端電壓Vc的差值生成回饋信號Vfb。

圖3是本發明實施例一個實施例方式的開關型變換器的工作波形圖。如圖3所示，觸發電路23a在控制信號Q由指示導通切換為指示關斷後延遲預定時間(時刻t0)輸出觸發信號Tr，也即，在控制信號Q指示關斷並切換前進行採樣。由於供電電壓Vcc為恆定的值，因此，只要在主開關關斷期間進行採樣獲得的採樣值均可表示供電電壓Vcc。在本實施方式中，觸發電路23a為根據輸入信號下降沿觸發後延遲輸出脈衝的單觸發電路。採樣保持電路23b在時刻t0對供電端電壓Vc採樣，以獲得採樣值Vs=Vcc。在控制信號Q切換為指示導通後，供電端電壓Vc開始隨電感電流iL的增大而減小。由於採樣值Vs保持不變，因此，透過差分放大電路23c獲得採樣值Vs與主開關M1導通期間的供電端電壓Vc的差值，即可表示此期間電感電流iL的變化。

圖4是本發明實施例另一個實施方式的開關型變換器的工作波形圖。如圖4所示，在該實施方式中，觸發電路23a在控制信號Q由指示關斷切換為指示導通時(時刻t0)，也即，由圖3中控制信號Q的上升沿觸發輸出觸發信號Tr。在本實施方式中，觸發電路23a為由輸入信號上升沿觸發輸出脈衝的單觸發電路。採樣保持電路23b在該時刻對供電端電壓Vc採樣，以獲得採樣值Vs=Vcc。在控制信號Q切換為指示導通後，供電端電壓Vc開始隨電感 電流iL的增大而減小。由於採樣值Vs保持不變，因此，透過差分放大電路23c獲得採樣值Vs與主開關M1導通期間(時刻t0至時刻t1)的供電端電壓Vc的差值，即可表示此期間電感電流iL的變化。在主開關M1關斷期間，由於流過主開關M1的電流iL為0，因此，採樣值Vs與供電電壓Vcc相等，回饋信號Vfb為0。

本發明實施例中，檢測電路被設置在主開關的電流輸出端和用於供電的偏置電容之間，使得在開關導通期間流過主開關的電流流過檢測電路並影響供電端電壓，使得供電端電壓在主開關關斷期間的大小與電感電流無關，而在主開關導通期間隨電感電流的增大而減小。由此，可以透過供電端電壓檢測電感電流，使供電引腳複用為電流檢測引腳。這可以簡化電路結構。在將控制電路形成為積體電路形式時，可以簡化積體電路封裝，減小晶片體積。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用於限制本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

1‧‧‧功率級電路

2‧‧‧控制電路

21‧‧‧供電電路

21a‧‧‧充電控制電路

22‧‧‧檢測電路

23‧‧‧電流回饋電路

24‧‧‧控制信號生成電路

C0‧‧‧電容

C1‧‧‧電容

Cb‧‧‧偏置電容

D‧‧‧整流二極體

L1‧‧‧原邊繞組

L2‧‧‧副邊繞組

M1‧‧‧主開關

R1‧‧‧電阻

Claims (9)

1. 一種控制電路，用於控制包括主開關的功率級電路，該控制電路包括：供電電路，包括連接在供電端和共用端之間的偏置電容，用於透過該偏置電容為該控制電路供電；檢測電路，連接在該主開關的電流輸出端和該共用端之間，用於檢測流過該主開關的電流；電流回饋電路，與該供電端連接，用於根據供電端電壓在該主開關關斷期間的採樣值與該供電端電壓的差值生成回饋信號，該回饋信號用於表示該功率級電路的電感電流；以及控制信號生成電路，用於根據該回饋信號生成控制信號以控制該主開關，其中，該電流回饋電路包括：觸發電路，用於在每個開關週期中該控制信號指示關斷期間輸出觸發信號；採樣保持電路，用於根據該觸發信號採樣該供電端電壓，並保持輸出該採樣值；以及差分放大電路，用於根據該採樣值與該供電端電壓的差值生成該回饋信號。
2. 根據申請專利範圍第1項的控制電路，其中，該檢測電路為電阻。
3. 根據申請專利範圍第1項的控制電路，其中，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信號由指示關斷切 換為指示導通觸發輸出該觸發信號。
4. 根據申請專利範圍第1項的控制電路，其中，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信號由指示導通切換為指示關斷觸發在延遲預定時間後輸出該觸發信號。
5. 一種開關型變換器，包括：功率級電路，包括主開關；和根據申請專利範圍第1至4項中任一項的控制電路。
6. 一種積體電路，用於開關型變換器，該積體電路包括：供電引腳；電流回饋電路，與該供電引腳連接，根據供電引腳電壓在功率級電路的主開關關斷期間的採樣值與該供電引腳電壓生成回饋信號，該回饋信號用於表示功率級電路的電感電流；以及控制信號生成電路，根據該回饋信號生成控制信號控制該主開關，其中，該電流回饋電路包括：觸發電路，用於在每個開關週期中該控制信號指示關斷期間輸出觸發信號；採樣保持電路，用於根據觸發信號採樣該供電端電壓，並保持輸出該採樣值；以及差分放大電路，用於根據該採樣值與該供電引腳電壓的差值生成該回饋信號。
7. 根據申請專利範圍第6項的積體電路，其中，該 積體電路還包括：接地引腳；輸入引腳；以及該主開關，連接在該輸入引腳和該接地引腳之間。
8. 根據申請專利範圍第6項的積體電路，其中，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信號由指示關斷切換為指示導通觸發輸出該觸發信號。
9. 根據申請專利範圍第6項的積體電路，其中，該觸發電路輸入該控制信號，根據該控制信號由指示導通切換為指示關斷觸發在延遲預定時間後輸出該觸發信號。