TWI804189B - 開關電源及其控制晶片和控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一種開關電源及其控制晶片和控制方法。該開關電源包括位於控制晶片外部的功率雙極性接面電晶體和位於控制晶片內部的金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)電晶體，該功率雙極性接面電晶體和MOS電晶體組成開關電源的系統級功率開關並且在控制晶片處於退磁檢測階段時均處於關斷狀態，該控制晶片被配置為：基於功率雙極性接面電晶體的基極電壓，生成退磁檢測信號；基於退磁檢測信號，生成雙極性接面電晶體控制信號和電晶體控制信號；基於雙極性接面電晶體控制信號，生成用於驅動功率雙極性接面電晶體的導通與關斷的基極驅動信號；以及基於電晶體控制信號，生成用於驅動MOS電晶體的導通與關斷的閘極驅動信號。

Description

開關電源及其控制晶片和控制方法
本發明涉及積體電路領域，更具體地涉及一種開關電源及其控制晶片和控制方法。
開關電源又稱交換式電源、開關變換器，是電源供應器的一種。開關電源的功能是通過不同形式的架構(例如，返馳(fly-back)架構、降壓(BUCK)架構、或升壓(BOOST)架構等)將一個位準的電壓轉換為使用者端所需要的電壓或電流。
根據本發明實施例的用於開關電源的控制晶片，該開關電源包括位於控制晶片外部的功率雙極性接面電晶體和位於控制晶片內部的MOS電晶體，該功率雙極性接面電晶體和MOS電晶體組成開關電源的系統級功率開關並且在控制晶片處於退磁檢測階段時均處於關斷狀態，該控制晶片被配置為：基於功率雙極性接面電晶體的基極電壓，生成退磁檢測信號；基於退磁檢測信號，生成雙極性接面電晶體控制信號和電晶體控制信號；基於雙極性接面電晶體控制信號，生成用於驅動功率雙極性接面電晶體的導通與關斷的基極驅動信號；以及基於電晶體控制信號，生成用於驅動MOS電晶體的導通與關斷的閘極驅動信號。
根據本發明實施例的用於開關電源的控制方法，該開關電源包括位於開關電源的控制晶片外部的功率雙極性接面電晶體和位於控制晶片內部的MOS電晶體，該功率雙極性接面電晶體和MOS電晶體組成開關電源的系統級功率開關並且在控制晶片處於退磁檢測階段時均處於關斷狀態，該控制方法包括：基於功率雙極性接面電晶體的基極電壓，生成退磁檢測信號；基於退磁檢測信號，生成雙極性接面電晶體控制信號和電晶體控制信號；基於雙極性接面電晶體控制信號，生成用於驅動功率雙極性接面電晶體的導通與關斷的基極驅 動信號；以及基於電晶體控制信號，生成用於驅動MOS電晶體的導通與關斷的閘極驅動信號。
根據本發明實施例的開關電源，包括上述用於開關電源的控制晶片。
100:開關電源
102:控制晶片
1022:內部供電模組
1024:退磁檢測模組
1026:電流檢測模組
1028:恒流控制模組
1030:驅動器模組
104:分壓節點
200:開關電源
202:控制晶片
2022:供電模組
2024:退磁檢測模組
2024-2:電壓比較器
2024-4:D觸發器
2024-6:邏輯反相器
2026:電流檢測模組
2028:恒流控制模組
2030:閘極驅動器模組
2032:基極驅動器模組
210,211,212:信號
212,214:電壓
215:輸出電壓
222:集極
232:電壓
AC:交流電
AVCC:內部供電電壓
Base:電壓212
BD1:整流器
C1:輸入電容
C2:輸出電容
Cbc:寄生電容
CS:引腳
D1:續流二極體
Dem:退磁檢測信號
FB:引腳
GATE:引腳
GND:地引腳
HV:引腳
I1:電流源
I2a,I2b:同源電流源
IL1:電流
L1:電感
L2:互感電感
M1:系統級功率開關
M1’:NMOS電晶體
M2:基極驅動開關
M3:基極驅動開關
OCP:過流保護信號
PWM:脈寬調變信號
Q1:雙極性接面電晶體
R2,R3,R4:檢測電阻
SW:引腳
Vcs:電壓
VIN:直流輸入電壓
從下面結合圖式對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：
圖1示出了包括開關電源的發光二極體(Light Emitting Diode，LED)照明系統的系統架構圖。
圖2示出了根據本發明實施例的開關電源及其控制晶片的示例電路圖。
圖3示出了圖2所示的控制晶片中與退磁檢測功能相關的電路部分的示例電路圖。
圖4示出了圖2和圖3所示的電路中與退磁檢測功能相關的多個信號的時序示意圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在圖式和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
開關電源因其效率高、成本低、體積小等優勢被廣泛用在諸如，電源配接器、充電器、變流器、發光二極體(LED)照明等各種電子電氣領域。開關電源在正常工作時常常需要對系統磁性元器件(例如，變壓器或電感)的退磁資訊進行檢測，並將檢測到的退磁資訊進行運算處理，以實現系統所需的準諧振控制、恒壓或恒流控制等。
圖1示出了包括開關電源100的LED照明系統的系統架構圖。如圖1所示，開關電源100採用BUCK控制架構，通過實現輸出電流的恒流控制來實現LED的亮度控制；開關電源100主要包括整流器BD1，輸入電容C1，輸出電容C2，電感L1及其互感電感L2，續流二極體D1，系統級功率開關M1，檢測電阻R2、R3和R4，以及控制晶片102；互感電感L2與檢測電阻R3和R4組成退磁檢測電路；控制晶片102經由HV引腳連接到直流輸入電壓VIN，經由FB引腳連接到檢測電阻R3和R4之間的分壓節點104，經由CS引腳連接到檢測電阻R2與系統級功率開關M1連接的一端，並經由GATE引腳連接到系統級功率開關M1的閘極。
如圖1所示，控制晶片102包括內部供電模組1022、退磁檢測模組1024、電流檢測模組1026、恒流控制模組1028、以及驅動器模組1030，其中：內部供電模組1022基於直流輸入電壓VIN生成內部供電電壓AVCC；當內部供電電壓AVCC高於控制晶片102的啟動電壓時，控制晶片102開始上電工作；退磁檢測模組1024基於分壓節點104處的電壓生成退磁檢測信號Dem，並將退磁檢測信號Dem送入恒流控制模組1028；電流檢測模組1026基於檢測電阻R2上的電壓生成過流保護信號OCP，並將過流保護信號OCP送入恒流控制模組1028(檢測電阻R2上的電壓可以表徵流經電感L1的峰值電流)；恒流控制模組1028基於退磁檢測信號Dem和過流保護信號OCP生成脈寬調變信號PWM，並將脈寬調變信號PWM送入驅動器模組1030；驅動器模組1030基於脈寬調變信號PWM生成閘極驅動信號，並基於閘極驅動信號驅動系統級功率開關M1的導通和關斷，以實現輸出電流的恒流控制。
在圖1所示的開關電源100中，採用高壓金屬氧化物半導體(MOS)電晶體作為系統級功率開關M1並利用互感電感L2來組成退磁檢測電路，一方面高壓MOS電晶體的成本較高，另一方面退磁檢測電路的週邊元器件較多，增加了開關電源100的成本和體積。
鑒於圖1所示的開關電源100存在的一個或多個問題，提出了根據本發明實施例的開關電源及其控制晶片和控制方法。
圖2示出了根據本發明實施例的開關電源200及其控制晶片202的示例電路圖。與圖1所示的開關電源100相比，根據本發明實施例的開關電 源200的不同主要在於，採用位於控制晶片202外部的功率雙極性接面電晶體Q1和位於控制晶片202內部的N型金氧半導體(N type Metal Oxide Semiconductor，NMOS)電晶體M1’作為系統級功率開關(即，功率雙極性接面電晶體Q1和NMOS電晶體M1’組成開關電源200的系統級功率開關，並且在控制晶片202處於退磁檢測階段時均處於關斷狀態)，去除了週邊的退磁檢測電路，在控制晶片202內部實現退磁檢測控制。
下面，為了避免模糊本發明，將主要針對圖2所示的開關電源200及其控制晶片202不同於圖1所示的開關電源100及其控制晶片102的部分進行說明，其他部分將不再贅述。
如圖2所示，在一些實施例中，控制晶片202可被配置為基於功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓，生成退磁檢測信號Dem；基於退磁檢測信號Dem，生成雙極性接面電晶體控制信號和電晶體控制信號；基於雙極性接面電晶體控制信號，生成用於驅動功率雙極性接面電晶體Q1的導通與關斷的基極驅動信號；以及基於電晶體控制信號，生成用於驅動NMOS電晶體M1’的導通與關斷的閘極驅動信號。
具體地，如圖2所示，在一些實施例中，控制晶片202包括內部供電模組2022、退磁檢測模組2024、電流檢測模組2026、恒流控制模組2028、閘極驅動器模組2030、基極驅動器模組2032、以及NMOS電晶體M1’，其中：內部供電模組2022基於直流輸入電壓VIN生成內部供電電壓AVCC；當內部供電電壓AVCC高於控制晶片202的啟動電壓時，控制晶片202開始上電工作；退磁檢測模組2024基於功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓生成退磁檢測信號Dem，並將退磁檢測信號Dem送入恒流控制模組2028；電流檢測模組2026基於檢測電阻R2上的電壓生成過流保護信號OCP，並將過流保護信號OCP送入恒流控制模組2028(檢測電阻R2上的電壓可以表徵流經電感L1的峰值電流)；恒流控制模組2028基於退磁檢測信號Dem和過流保護信號OCP生成電晶體控制信號和雙極性接面電晶體控制信號，並將電晶體控制信號和雙極性接面電晶體控制信號分別送入閘極驅動器模組2030和基極驅動器模組2032；閘極驅動器模組2030基於電晶體控制信號生成閘極驅動信號，並基於閘極驅動信號驅動NMOS電晶體M1’的導通與關斷；基極驅動器模組2032基於雙極性接 面電晶體控制信號生成基極驅動信號，並基於基極驅動信號驅動功率雙極性接面電晶體Q1的導通與關斷。
在一些實施例中，控制晶片202可進一步被配置為通過將功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓與預定電壓進行比較來生成退磁檢測信號Dem，其中：當功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓低於該預定電壓時，退磁檢測信號Dem為高位準；當功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓不低於該預定電壓時，退磁檢測信號Dem為低位準。
圖3示出了圖2所示的控制晶片中202與退磁檢測功能相關的電路部分的示例電路圖。如圖3所示，在一些實施例中，退磁檢測模組2024包括同源電流源I2a和I2b，檢測電阻R3和R4，電壓比較器2024-2，D觸發器2024-4，以及邏輯反相器2024-6(這裡，D觸發器2024-4的輸出電壓為退磁檢測信號Dem)；基極驅動器模組2032包括電流源I1，基極驅動開關M2(例如，P型金氧半導體(P type metal oxide semiconductor，PMOS)電晶體)，以及基極驅動開關M3(例如，NMOS電晶體)；位於控制晶片202外部的功率雙極性接面電晶體Q1和位於控制晶片202內部的NMOS電晶體M1’組成開關電源200的系統級功率開關；由於基極驅動器模組2032用於驅動位於控制晶片202外部的功率雙極性接面電晶體Q1的導通與關斷，閘極驅動器模組2030用於驅動位於控制晶片202內部的NMOS電晶體M1’的導通與關斷，開關電源202的系統級功率開關的導通與關斷由閘極驅動器模組2030和基極驅動器模組2032共同控制。
如圖3所示，當控制晶片202處於退磁檢測階段時，基極驅動開關M2和M3均關斷，NMOS電晶體M1’也關斷，同源電流源I2a和I2b分別在檢測電阻R3和R4上形成電壓212和214，且電壓212高於電壓214；電壓212和214輸入到電壓比較器2024-2的兩個輸入端，電壓比較器2024-2的輸出電壓215為低位準；當電感L1上的電流退磁結束時，功率雙極性接面電晶體Q1的集極222發生諧振，受功率雙極性接面電晶體Q1的基極和集極之間的寄生電容Cbc的影響，功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓(即，電壓212)發生變化；當電壓212低於電壓214時，電壓比較器2024-2的輸出電壓215變為高位準；電壓比較器2024-2的輸出電壓215從低位準變為高位準的上升過程被D觸發器 2024-4鎖定，並在D觸發器2024-4的Q-輸出端產生高位準(即，退磁檢測信號Dem為高位準)；邏輯反相器2024-6基於用於控制基極驅動開關M3的導通與關斷的信號211生成清零信號，並將清零信號送入D觸發器2024-4的清零端。這裡，由於檢測電阻R4的阻值比基極驅動開關M3的導通內阻大得多，所以檢測電阻R4不影響對功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓(即，電壓212)的控制，對系統效率也幾乎無影響。
圖4示出了圖2和圖3所示的電路中與退磁檢測功能相關的多個信號的時序示意圖。在圖4中，210表示用於驅動基極驅動開關M2的導通與關斷的信號，211表示用於驅動基極驅動開關M3的導通與關斷的信號，212表示用於驅動功率雙極性接面電晶體Q1的導通與關斷的信號(即，功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓或者電流源12a在檢測電阻R4上形成的電壓)；213表示電晶體控制信號，其中，閘極驅動器模組2030基於該信號生成用於驅動NMOS電晶體M1’的導通與關斷的閘極驅動信號；214表示電流源I2b在檢測電阻R3上形成的電壓；Vcs表示開關電源202中的檢測電阻R2上的電壓；IL1表示流過開關電源202中的電感L1的電流；Dem表示退磁檢測模組2024生成的退磁檢測信號(即，D觸發器2024-4的Q-輸出端產生的位準)。
如圖4所示，開關電源202的工作過程如下：
●當功率雙極性接面電晶體Q1和NMOS電晶體M1’組成的系統功率開關處於導通狀態時(t0~t1)，信號210為低位準，使得基極驅動開關M2處於導通狀態；信號211為低位準，使得基極驅動開關M3處於關斷狀態；電壓212為高位準，使得功率雙極性接面電晶體Q1處於導通狀態；信號213為高位準，使得NMOS電晶體M1’處於導通狀態；形成從直流輸入電壓VIN流經LED負載、電感L1、功率雙極性接面電晶體Q1、NMOS電晶體M1’、檢測電阻R2到地的電流通路；流過電感L1的電流IL1和檢測電阻R2上的電壓逐漸增加。
●當功率雙極性接面電晶體Q1和NMOS電晶體M1’組成的系統功率開關處於關斷狀態時(t1~t2)，信號210為高位準，使得基極驅動開關M2處於關斷狀態；信號211為高位準，使得基極驅動開關M3處於導通狀態；電壓212為低位準，使得功率雙極性接面電晶體Q1處於關斷狀態； 信號213為低位準，使得NMOS電晶體M1’處於關斷狀態；此時，續流二極體D1導通，流過電感L1的電流IL1流經續流二極體D1形成電流回路並逐漸減少。
●當控制晶片202處於退磁檢測階段時(t2~t3)，信號210為高位準，使得基極驅動開關M2處於關斷狀態；信號211為低位準，使得基極驅動開關M3處於關斷狀態；電壓212為I2a*R4(小於功率雙極性接面電晶體Q1的導通電壓)，使得功率雙極性接面電晶體Q1處於關斷狀態；信號213為低位準，使得NMOS電晶體M1’處於關斷狀態；此時，續流二極體D1導通，流過電感L1的電流IL1流經續流二極體D1形成電流回路並逐漸減少。當流過電感L1的電流IL1減小至0時，功率雙極性接面電晶體Q1的集極222發生諧振；受功率雙極性接面電晶體Q1的基極與集極之間的寄生電容Cbc的影響，功率雙極性接面電晶體Q1的基極電壓212發生變化。當電壓212低於電壓214時，電壓比較器2024-2的輸出電壓215變為高位準。電壓比較器2024-2的輸出電壓215從低位準變為高位準的上升過程被D觸發器2024-4鎖定，並在D觸發器2024-4的Q-輸出端產生高位準(即，退磁檢測信號Dem為高位準)。
●恒流控制模組2028基於退磁檢測信號Dem產生一定時間的關斷延遲(t3~t4)，使得功率雙極性接面電晶體Q1和NMOS電晶體M1’繼續保持關斷狀態，然後在關斷延遲的時間結束後使得功率雙極性接面電晶體Q1和NMOS電晶體M1’從關斷狀態變為導通狀態。
根據本發明實施例的用於開關電源200的控制晶片202通過其內部的退磁檢測電路即可檢測電感L1的退磁資訊，減少了開關電源200中用於退磁檢測功能的週邊元器件。另外，在同樣的耐受電壓和功率下功率雙極性接面電晶體的成本低於MOS電晶體，同時開關電源200的輸出電壓經過功率雙極性接面電晶體Q1後在其發射極或控制晶片202的SW引腳上產生的電壓小於控制晶片202的啟動電壓AVCC，所以控制晶片202內部的NMOS電晶體M1’可以採用低壓NMOS電晶體來實現，這樣可以在較少地增加控制晶片202的成本的條件下，有效地減少開關電源200的系統成本。
需要說明的是，根據本發明實施例的用於開關電源的控制晶片和 控制方法可以適用於各種系統架構(例如，BUCK、Flyback、Boost、以及BUCK-BOOST架構等)的開關電源。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附請求項而非上述描述定義，並且，落入請求項的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
200:開關電源
202:控制晶片
2022:供電模組
2024:退磁檢測模組
2026:電流檢測模組
2028:恒流控制模組
2030:閘極驅動器模組
2032:基極驅動器模組
212:電壓
222:集極
232:電壓
AC:交流電
AVCC:內部供電電壓
Base:電壓212
BD1:整流器
C1:輸入電容
C2:輸出電容
CS:引腳
D1:續流二極體
Dem:退磁檢測信號
GND:地引腳
HV:引腳
L1:電感
M1’:NMOS電晶體
OCP:過流保護信號
Q1:雙極性接面電晶體
R2:檢測電阻
SW:引腳
VIN:直流輸入電壓

Claims (14)

  1. 一種用於開關電源的控制晶片，所述開關電源包括位於所述控制晶片外部的功率雙極性接面電晶體和位於所述控制晶片內部的MOS電晶體，所述功率雙極性接面電晶體和所述MOS電晶體組成所述開關電源的系統級功率開關並且在所述控制晶片處於退磁檢測階段時均處於關斷狀態，所述控制晶片被配置為：
    基於所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓，生成退磁檢測信號；
    基於所述退磁檢測信號，生成雙極性接面電晶體控制信號和電晶體控制信號；
    基於所述雙極性接面電晶體控制信號，生成用於驅動所述功率雙極性接面電晶體的導通與關斷的基極驅動信號；以及
    基於所述電晶體控制信號，生成用於驅動所述MOS電晶體的導通與關斷的閘極驅動信號。
  2. 如請求項1所述的控制晶片，進一步被配置為：
    通過將所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓與預定電壓進行比較，生成所述退磁檢測信號。
  3. 如請求項2所述的控制晶片，其中：
    當所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓低於所述預定電壓時，所述退磁檢測信號為高位準；
    當所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓不低於所述預定電壓時，所述退磁檢測信號為低位準。
  4. 如請求項2所述的控制晶片，其中，所述控制晶片包括第一電流源和第二電流源、連接在所述第一電流源與參考地之間的第一電阻、以及連接在所述第二電流源與參考地之間的第二電阻，所述功率雙極性接面電晶體的基極連接到所述第一電阻的、與所述第一電流源連接的一端，所述預定電壓是來自所述第二電流源的電流在所述第二電阻上產生的電壓。
  5. 如請求項4所述的控制晶片，其中，所述控制晶片還包括比較器和D觸發器，其中，所述比較器用於比較所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓和所述預定電壓，所述D觸發器用於基於所述比較器的輸出電壓生成所 述退磁檢測信號。
  6. 如請求項5所述的控制晶片，其中，所述控制晶片還包括第三電流源以及串聯在所述第三電流源和參考地之間的第一基極驅動開關和第二基極驅動開關，所述功率雙極性接面電晶體的基極連接到所述第一基極驅動開關的、與所述第二基極驅動開關連接的一端。
  7. 如請求項6所述的控制晶片，其中：
    當所述第一基極驅動開關處於導通狀態、所述第二基極驅動開關處於關斷狀態時，所述功率雙極性接面電晶體處於導通狀態，並且
    當所述第一基極驅動開關處於關斷狀態時，所述功率雙極性接面電晶體處於關斷狀態。
  8. 如請求項6所述的控制晶片，其中，所述控制晶片還包括反相器，所述反相器基於用於控制所述第二基極驅動開關的導通與關斷的信號生成清零信號並將所述清零信號送入所述D觸發器的清零端。
  9. 如請求項1所述的控制晶片，其中，所述功率雙極性接面電晶體是NPN型功率雙極性接面電晶體，所述MOS電晶體是NMOS電晶體。
  10. 如請求項6所述的控制晶片，其中，所述第一基極驅動開關是PMOS電晶體，所述第二基極驅動開關是NMOS電晶體。
  11. 一種用於開關電源的控制方法，所述開關電源包括位於所述開關電源的控制晶片外部的功率雙極性接面電晶體和位於所述控制晶片內部的MOS電晶體，所述功率雙極性接面電晶體和所述MOS電晶體組成所述開關電源的系統級功率開關並且在所述控制晶片處於退磁檢測階段時均處於關斷狀態，所述控制方法包括：
    基於所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓，生成退磁檢測信號；
    基於所述退磁檢測信號，生成雙極性接面電晶體控制信號和電晶體控制信號；
    基於所述雙極性接面電晶體控制信號，生成用於驅動所述功率雙極性接面電晶體的導通與關斷的基極驅動信號；以及
    基於所述電晶體控制信號，生成用於驅動所述MOS電晶體的導通與關斷的閘極驅動信號。
  12. 如請求項11所述的控制方法，其中，通過將所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓與預定電壓進行比較，生成所述退磁檢測信號。
  13. 如請求項12所述的控制方法，其中：
    當所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓小於所述預定電壓時，所述退磁檢測信號為高位準；
    當所述功率雙極性接面電晶體的基極電壓大於所述預定電壓時，所述退磁檢測信號為低位準。
  14. 一種開關電源，包括請求項1至10中任一項所述的用於開關電源的控制晶片。
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