CN110611434A - 一种反激式开关电源及其反馈单元、反馈单元芯片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反激式开关电源及其反馈单元、反馈单元芯片及其制作方法，反激式开关电源包括交流电输入端、变压器原边绕组、变压器副边绕组、原边开关管、直流输出端及反馈单元；反馈单元包括压差频率转换电路、电容C1、电容C2、鉴频电路及控制电路；压差频率转换电路包括电压比较电路及压控振荡器，电压比较电路的输入端连接副边电压，压控振荡器的输出端的正负极分别通过电容C1、电容C2连接鉴频电路的输入端，鉴频电路的输出端连接控制电路的输入端，控制电路用于根据鉴频电路输出的信号输出反馈控制信号控制原边开关管。本发明缩小了反激式开关电源的体积，提高了集成度，降低了成产制造成本。

Description

一种反激式开关电源及其反馈单元、反馈单元芯片及其制作 方法
技术领域
本发明属于电路结构技术领域，特别涉及一种反激式开关电源及其反馈单元、反馈单元芯片及其制作方法。
背景技术
与传统的电源相比，反激式开关电源具有结构简单、稳定性好和成本低的特点，因此反激式开关电源渐渐地应用在手机充电器、电源适配器多种产品中。
反激式开关电源利用负反馈调节使输出电压趋于目标电压。在该负反馈环节中，采集低压侧电压后与比较电压进行比较，将比较得到的差值信号传递给高压侧的控制芯片来控制开关占空比从而调节输出电压。在此过程中，高压侧和低压侧之间需要进行隔离，现有技术普遍使用光耦进行隔离，但光耦是个独立的器件，无法集成在芯片中，因此导致反激式开关电源的体积很难再减小，集成度不够高。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中采用光耦进行隔离导致反激式开关电源体积难以减小的问题，本发明提供一种反激式开关电源及其反馈单元。
本发明另一目的是提供一种反激式开关电源的反馈单元芯片及其制作方法。
技术方案：一种反激式开关电源的反馈单元，包括压差频率转换电路、电容C1、电容C2、鉴频电路及控制电路；所述压差频率转换电路包括电压比较电路和压控振荡器，电压比较电路包括信号输入端和目标电压设置端，目标电压设置端用于输入目标电压信号，信号输入端连接反激式开关电源的变压器副边，电压比较电路的输出端连接压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出端的正负极分别通过电容C1、电容C2连接鉴频电路的输入端，鉴频电路的输出端连接控制电路的输入端，控制电路用于根据鉴频电路输出的信号输出反馈控制信号，所述反馈控制信号用于控制反激式开关电源的原边开关管。
进一步地，电压比较电路还包括目标电压设置模块，所述目标电压设置端连接目标电压设置模块，目标电压设置模块用于根据固定条件或外部信号设置相应的目标电压。
进一步地，目标电压设置模块包括USB PD模块或QC模块，通过USB PD协议或DQ协议实现目标电压的设置。
进一步地，所述鉴频电路包括差转单放大器、单稳态触发器和电荷泵，差转单放大器用于将电容C1、电容C2传递的差分信号转换成单端信号，单端信号从单稳态触发器的输入端输入，单稳态触发器的输出端连接电荷泵，电荷泵的输出为鉴频电路的输出信号。
进一步地，所述差转单放大器包括偏置电流源、第一P型MOS管、第二P型MOS管、第一N型MOS管、第二N型MOS管，所述第一P型MOS管、第二P型MOS管的栅极分别连接电容C1、电容C2；第一P型MOS管、第二P型MOS管的源极均连接偏置电流源；第一P型MOS管的漏极连接第一N型MOS管的漏极，第二P型MOS管的漏极连接第二N型MOS管的漏极，第一N型MOS管的源极与第二N型MOS管的源极均连接电源；第一N型MOS管的栅极与第二N型MOS管的栅极连接，第一N型MOS管的栅极与漏极连接，第二N型MOS管的栅极输出为单端信号。
一种采用反激式开关电源的反馈单元的反激式开关电源，包括交流电输入端、变压器原边绕组、变压器副边绕组、原边开关管、直流输出端及反馈单元，交流电输入端与变压器原边绕组连接；原边开关管与变压器原边绕组串联，用于控制变压器原边绕组通断电；直流输出端与变压器副边绕组连接；反馈单元与直流输出端连接，用于采集直流输出端电压并控制原边开关管通断。
一种反激式开关电源的反馈单元芯片，至少包括第一裸片和第二裸片合封，鉴频电路、电容C1及电容C2集成在第一裸片中，压差频率转换电路集成在第二裸片中；鉴频电路的正极输入端和负极输入端分别与电容C1、电容C2的一端连接，电容C1、电容C2的另一端连接第一裸片的压焊点，压差频率转换电路的输出端连接第二裸片的压焊点，第一裸片的压焊点与第二裸片的压焊点之间通过至少两根芯片内引线连接。
进一步地，还包括第三裸片，控制电路和原边开关管集成在第三裸片中，第三裸片与第一裸片之间通过芯片内引线连接。
进一步地，第一裸片中还集成有控制电路，控制电路与鉴频电路连接。
进一步地，还包括原边开关管，原边开关管与第一裸片、第二裸片一同合封在芯片中，原边开关管与第一裸片通过芯片内引线连接；或者原边开关管也集成在第一裸片中。
一种反激式开关电源的反馈单元芯片的制作方法，包括以下步骤：
(a1)制作第一裸片，第一裸片包括鉴频电路、电容C1及电容C2；制作第二裸片，第二裸片包括压差频率转换电路；
(b1)用芯片内引线将第一裸片和第二裸片的压焊点连接起来；
(c1)将第一裸片和第二裸片合封成芯片。
进一步地，步骤(a1)中，所述电容C1、电容C2采用超厚的层间隔离工艺制成。
进一步地，步骤(a1)中的第一裸片还包括控制电路及原边开关管。
进一步地，步骤(a1)中的第一裸片还包括控制电路；步骤(c1)还包括：将原边开关管与第一裸片、第二裸片合封成芯片。
有益效果：本发明提供的一种反激式开关电源及其反馈单元，相比较现有技术，反馈单元通过使用电容替代光耦，将输出端采集电压信号转换成频率信号，通过电容传递频率信号，再将频率信号转换成电压或电流信号，从而实现反馈信号的传递，电容可以起到隔离作用，又可以和其他电路一同集成在芯片内，提高了反激式开关电源的集成度，减小体积，降低成本。
本发明提供的一种反激式开关电源的反馈电源芯片及其制造方法，相比较现有技术，最终仅需要一个芯片或两个芯片便可以集成该反馈单元，无需另外添加电容器件，极大地缩小了产品的体积，减少制作步骤，加快制作速度，降低生产制造成本。
附图说明
图1为反激式开关电源的结构示意图；
图2为反馈单元的结构示意图；
图3为差转单放大器的电路原理图；
图4为实施例一的反馈单元芯片内部结构示意图；
图5为实施例二的反馈单元芯片内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例一：
如图1所示，一种反激式开关电源，包括交流电输入端101、变压器原边绕组102、变压器副边绕组103、原边开关管105、直流输出端104及反馈单元106，交流电输入端101与变压器原边绕组102连接；原边开关管105与变压器原边绕组102串联，用于控制变压器原边绕组102通断电；直流输出端104与变压器副边绕组103连接；反馈单元106与直流输出端104连接，用于采集直流输出端104电压并驱动原边开关管105的导通。
该反馈单元106包括压差频率转换电路110、电容C1、电容C2、鉴频电路108及控制电路109；压差频率转换电路包括电压比较电路与压控振荡器107，电压比较电路包括信号输入端和目标电压设置端，目标电压设置端用于输入目标电压信号，本实施例通过在目标电压设置端连接目标电压设置模块，目标电压设置模块中包含USB PD模块或QC模块，通过USB PD协议或QC协议完成目标电压的设置，根据外部信号设置相应的目标电压，当然也可以使用其他通讯模块甚至是自定义通讯协议模块获取外部信号，根据实际需要，也可以通过目标电压设置模块根据固定条件自动设置相应的目标电压，或者从目标电压设置端直接输入目标电压，亦或者在目标电压设置端固定设置某一目标电压值均可；信号输入端连接反激式开关电源的变压器副边绕组103，电压比较电路的输出端连接压控振荡器的输入端，电压比较电路用于将反激式开关电源的副边电压与目标电压相比较得到电压差。压控振荡器107输出端的正负极分别通过电容C1、电容C2连接鉴频电路108的输入端，因为压控振荡器107输出的正负极的信号是反向信号，所以需要两个电容，每根线各接一个电容，从而实现频率信号的传递；鉴频电路108的输出端连接控制电路109的输入端，控制电路109用于根据鉴频电路108输出的信号输出反馈控制信号来控制原边开关管105的通断，鉴频电路108根据实际情况可以输出电压信号也可以输出电流信号。
该反馈单元106根据采集的变压器副边输出端电压与目标电压进行比较，不断调整原边开关管的导通占空比，从而使输出端电压趋于目标电压。但是由于变压器两侧一侧是高压一侧是低压，电压信号不能直接传递，必须经过隔离操作。本实施例将反馈所需的压差信号通过压控振荡器转换成频率信号，通过电容C1、电容C2传递频率信号，这里电容C1、电容C2不仅起到传递反馈信号的作用，还起到隔离作用，将低压侧与高压侧隔离开，电容C1、电容C2将频率信号传递到高压侧，经鉴频电路108将频率信号转换为电压或电流信号。
如图2所示，所述鉴频电路108包括差转单放大器、单稳态触发器和电荷泵，差转单放大器用于将电容C1、电容C2传递的差分信号转换成单端信号，单端信号从单稳态触发器的输入端输入，单稳态触发器的输出端连接电荷泵，电荷泵的输出为鉴频电路108的输出信号，本实施例鉴频电路108输出的是电压信号，若需要输出电流信号给控制电路109，在电荷泵后面增加电压电流转换电路即可。鉴频电路108也可以采用其他可以将频率转换成电压或电流信号的电路，作用相同。
差转单放大器用于将差分信号转换成单端信号，如图3所示，差转单放大器包括偏置电流源Is、第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2、第一N型MOS管M3、第二N型MOS管M4，所述第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2的栅极分别连接电容C1、电容C2；第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2的源极均连接偏置电流源Is；第一P型MOS管M1的漏极连接第一N型MOS管M3的漏极，第二P型MOS管M2的漏极连接第二N型MOS管M4的漏极，第一N型MOS管M3的源极与第二N型MOS管M4的源极均连接电源；第一N型MOS管M3的栅极与第二N型MOS管M4的栅极连接，第一N型MOS管M3的栅极与漏极连接，第二N型MOS管M4的栅极输出为单端信号。
单端信号经过单稳态触发器，单稳态触发器输出控制电荷泵对电容进行充放电，当电容上的充放电保持平衡，电压保持稳定。
反激式开关电源芯片在实际生产制作中，要想尽可能地减小产品体积、降低成本，电容C1、电容C2就需要与其他电路集成起来，由于普通的集成电容耐压不够高，因此本实施例采用超厚的上下极板层间隔离工艺实现，确保电容耐高压。此外，考虑到成本和面积的因素，电容C1、电容C2的电容值一般都会非常小，远小于10pf，这就导致电容上的信号必将相当微弱，已受到干扰，考虑到性能的需求，在其芯片的生产制作过程中，将电容C1、电容C2与鉴频电路集成在一个裸片上。
反激式开关电源的反馈单元芯片，如图4所示，至少包括第一裸片201和第二裸片202合封，鉴频电路108、电容C1、电容C2集成在第一裸片201中，压差频率转换电路110集成在第二裸片202中。控制电路部分单独另封成芯片，在使用时芯片与芯片之间通过芯片外引线连接。鉴频电路108的正极输入端和负极输入端分别与电容C1、电容C2的一端连接，电容C1、电容C2的另一端连接第一裸片的压焊点，压差频率转换电路110的输出端连接第二裸片的压焊点，第一裸片的压焊点与第二裸片的压焊点之间通过芯片内引线203连接，第一裸片201与第二裸片202之间至少通过两根芯片内引线连接。此外，第一裸片201与第二裸片202底板需要隔离，这样才能起到高压侧低压侧的隔离作用。
此外，控制电路109单独另封成芯片时，可以与反激式开关电源的原边开关管105集成在一起，也可以不与原边开关管105集成。
该反激式开关电源的反馈单元芯片的制作方法，包括以下步骤：
(a1)制作第一裸片，第一裸片包括鉴频电路、电容C1、电容C2，所述电容C1、电容C2采用超厚的层间隔离工艺制成；制作第二裸片，第二裸片包括压差频率转换电路；
(b1)用芯片内引线将第一裸片和第二裸片的压焊点连接起来；
(c1)将第一裸片和第二裸片合封成芯片。
实施例二：
实施例二除了将控制电路109也集成在第一裸片中外，其他内容与实施例一相同。原边开关管105可以与控制电路一同集成在第一裸片中，也可以与第一裸片、第二裸片合封成一个芯片。
如图5所示，控制电路109和鉴频电路108、电容C1、电容C2共同集成在第一裸片301上，和第二裸片302合封在一个芯片中。控制电路109集成在第一裸片301中时，鉴频电路108的输出端连接控制电路109的输入端，控制电路109用于接收鉴频电路108输出的电压信号并输出反馈控制信号。
该反激式开关电源的反馈单元芯片的制作方法，包括以下步骤：
(a2)制作第一裸片，第一裸片包括控制电路、鉴频电路、电容C1、电容C2，所述电容C1、电容C2采用超厚的层间隔离工艺制成；制作第二裸片，第二裸片包括压差频率转换电路；
(b2)用芯片内引线将第一裸片和第二裸片的压焊点连接起来；
(c2)将第一裸片和第二裸片合封成芯片。
原边开关管可以在步骤(a2)中与控制电路一同集成在第一裸片中，也可以在步骤(c2)中将演变开关、第一裸片、第二裸片合封成芯片。

Claims (14)

1.一种反激式开关电源的反馈单元，其特征在于，包括压差频率转换电路、电容C1、电容C2、鉴频电路及控制电路；所述压差频率转换电路包括电压比较电路和压控振荡器，电压比较电路包括信号输入端和目标电压设置端，目标电压设置端用于输入目标电压信号，信号输入端连接反激式开关电源的变压器副边，电压比较电路的输出端连接压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出端的正负极分别通过电容C1、电容C2连接鉴频电路的输入端，鉴频电路的输出端连接控制电路的输入端，控制电路用于根据鉴频电路输出的信号输出反馈控制信号，所述反馈控制信号用于控制反激式开关电源的原边开关管。
2.根据权利要求1所述的反激式开关电源的反馈单元，其特征在于，电压比较电路还包括目标电压设置模块，所述目标电压设置端连接目标电压设置模块，目标电压设置模块用于根据固定条件或外部信号设置相应的目标电压。
3.根据权利要求2所述的反激式开关电源的反馈单元，其特征在于，目标电压设置模块包括USB PD模块或QC模块，通过USB PD协议或QC协议实现目标电压的设置。
4.根据权利要求1所述的反激式开关电源的反馈单元，其特征在于，所述鉴频电路包括差转单放大器、单稳态触发器和电荷泵，差转单放大器用于将电容C1、电容C2传递的差分信号转换成单端信号，单端信号从单稳态触发器的输入端输入，单稳态触发器的输出端连接电荷泵，电荷泵的输出为鉴频电路的输出信号。
5.根据权利要求4所述的反激式开关电源的反馈单元，其特征在于，所述差转单放大器包括偏置电流源、第一P型MOS管、第二P型MOS管、第一N型MOS管、第二N型MOS管，所述第一P型MOS管、第二P型MOS管的栅极分别连接电容C1、电容C2；第一P型MOS管、第二P型MOS管的源极均连接偏置电流源；第一P型MOS管的漏极连接第一N型MOS管的漏极，第二P型MOS管的漏极连接第二N型MOS管的漏极，第一N型MOS管的源极与第二N型MOS管的源极均连接电源；第一N型MOS管的栅极与第二N型MOS管的栅极连接，第一N型MOS管的栅极与漏极连接，第二N型MOS管的栅极输出为单端信号。
6.一种采用如权利要求1至5任一反激式开关电源的反馈单元的反激式开关电源，其特征在于，包括交流电输入端、变压器原边绕组、变压器副边绕组、原边开关管、直流输出端及反馈单元，交流电输入端与变压器原边绕组连接；原边开关管与变压器原边绕组串联，用于控制变压器原边绕组通断电；直流输出端与变压器副边绕组连接；反馈单元与直流输出端连接，用于采集直流输出端电压并控制原边开关管通断。
7.一种反激式开关电源的反馈单元芯片，其特征在于，至少包括第一裸片和第二裸片合封，鉴频电路、电容C1及电容C2集成在第一裸片中，压差频率转换电路集成在第二裸片中；鉴频电路的正极输入端和负极输入端分别与电容C1、电容C2的一端连接，电容C1、电容C2的另一端连接第一裸片的压焊点，压差频率转换电路的输出端连接第二裸片的压焊点，第一裸片的压焊点与第二裸片的压焊点之间通过至少两根芯片内引线连接。
8.根据权利要求7所述的反激式开关电源的反馈单元芯片，其特征在于，还包括第三裸片，控制电路和原边开关管集成在第三裸片中，第三裸片与第一裸片之间通过芯片内引线连接。
9.根据权利要求7所述的反激式开关电源的反馈单元芯片，其特征在于，第一裸片中还集成有控制电路，控制电路与鉴频电路连接。
10.根据权利要求9所述的反激式开关电源的反馈单元芯片，其特征在于，还包括原边开关管，原边开关管与第一裸片、第二裸片一同合封在芯片中，原边开关管与第一裸片通过芯片内引线连接；或者原边开关管也集成在第一裸片中。
11.一种如权利要求7所述的反激式开关电源的反馈单元芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a1)制作第一裸片，第一裸片包括鉴频电路、电容C1及电容C2；制作第二裸片，第二裸片包括压差频率转换电路；
(b1)用芯片内引线将第一裸片和第二裸片的压焊点连接起来；
(c1)将第一裸片和第二裸片合封成芯片。
12.根据权利要求11所述的反激式开关电源的反馈单元芯片的制作方法，其特征在于，步骤(a1)中，所述电容C1、电容C2采用超厚的层间隔离工艺制成。
13.根据权利要求11或12所述的反激式开关电源的反馈单元芯片的制作方法，其特征在于，步骤(a1)中的第一裸片还包括控制电路及原边开关管。
14.根据权利要求11或12所述的反激式开关电源的反馈单元芯片的制作方法，其特征在于，步骤(a1)中的第一裸片还包括控制电路；步骤(c1)还包括：将原边开关管与第一裸片、第二裸片合封成芯片。
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