CN114567152B - 开关电源芯片及开关电源电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种开关电源芯片及开关电源电路,该开关电源芯片包括:电源模块,用于给其他各模块提供工作电压,电源模块包括充电电容;基准模块,用于给其他各模块提供基准,基准模块与电源模块电连接;控制模块,用于输出经过脉宽调制的电源开关信号,控制模块包括控制主模块以及驱动模块,驱动模块的输入端与控制主模块电连接;开关管组,与驱动模块的输出端以及供电电源电连接,开关管组导通或断开以使充电电容充电或放电;二极管,串联在电源模块与开关管组之间,用于给充电电容充电;控制主模块控制驱动模块的输出端输出控制信号以控制开关管组导通或断开;控制信号为高电平,充电电容放电;控制信号为低电平,充电电容充电。
Description
技术领域
本发明涉及开关电路技术领域,具体涉及一种开关电源芯片及开关电源电路。
背景技术
随着电子设备的功能越来越复杂,电源技术更是得到空前的发展,开关速度越来越快,功率越来越大。针对更广泛的负载,新一代的快充电源已经开始逐步推向市场,对新一代快充电源技术的发展指标的要求也逐步提高,特别表现在对电源宽输出电压范围的要求。
现有开关电源本身的工作电压由外接辅助线圈绕组提供,常见的开关电源电路如反激式开关电源电路中的变压器存在线圈间的耦合关系,由外接辅助线圈提供给开关电源的供电电压会受到输出电压的影响,一般电源适配器都是单一输出电压,辅助线圈的电压也相对稳定,但目前可变的宽范围输出电压使得辅助线圈提供给开关电源的供电电压变化非常大,因此对与开关电源芯片耐压、功耗等的要求也越来越高。所以如何能够在满足宽输出电压范围的同时稳定控制芯片的工作电压就成为新一代快充电源设计的难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种满足宽输出电压范围的同时稳定开关电源芯片的工作电压的开关电源芯片。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:一种开关电源芯片,包括:
电源模块,用于给其他各模块提供工作电压,所述电源模块包括充电电容;
基准模块,用于给其他各模块提供基准,所述基准模块与所述电源模块电连接;
控制模块,用于输出经过脉宽调制的电源开关信号,所述控制模块包括控制主模块以及驱动模块,所述驱动模块的输入端与所述控制主模块电连接;
开关管组,与所述驱动模块的输出端以及供电电源电连接,所述开关管组导通或断开以使所述充电电容充电或放电;及
二极管,串联在所述电源模块与所述开关管组之间,用于给所述充电电容充电;
其中,所述控制主模块控制所述驱动模块的输出端输出控制信号以控制所述开关管组导通或断开;所述控制信号为高电平,所述充电电容放电;所述控制信号为低电平,所述充电电容充电。
进一步地,所述控制模块还包括震荡模块、电流检测模块和反馈检测模块;所述震荡模块、所述电流检测模块和所述反馈检测模块的输出端均与所述控制主模块电连接;所述震荡模块的输入端与所述反馈检测模块的输出端电连接;
所述电流检测模块检测所述开关管组的电流并发送第一信号至所述控制主模块,所述控制主模块根据所述第一信号输出经过脉宽调制的电源开关信号。
进一步地,所述开关管组包括串联连接的第一开关管和第二开关管,所述第一开关管与所述驱动模块的输出端电连接,所述第二开关管与所述供电电源电连接;
所述第二开关管具有与所述供电电源连接的第一引脚和与所述第一开关管连接的第二引脚,所述充电电容与所述第二开关的第二引脚通过二极管电连接;
所述控制主模块控制所述驱动模块的输出端输出控制信号以使所述第一开关管导通或关断;所述控制信号为高电平,所述第一开关管导通,所述充电电容放电;所述控制信号为低电平,所述第一开关管关断,所述充电电容充电;
所述电流检测模块检测所述第一开关管的电流并发送第一信号至所述控制主模块,所述控制主模块根据所述第一信号输出经过脉宽调制的电源开关信号。
进一步地,所述第一开关管为增强型MOS管,所述第二开关管为耗尽型MOS管,所述第一引脚为所述耗尽型MOS管的漏极,所述第二引脚为所述耗尽型MOS管的源极,所述增强型MOS管的漏极与所述耗尽型MOS管的源极电连接,所述增强型MOS管的源极与所述耗尽型MOS管的栅极连接并接地。
进一步地,所述二极管的阳极与所述耗尽型MOS管的源极电连接,所述充电电容的正极与所述二极管的阴极电连接,所述充电电容的负极接地。
进一步地,所述充电电容与所述第二开关管的第二引脚之间串联连接有限流电阻。
进一步地,所述开关电源芯片具有封装壳,所述开关管组和所述充电电容集成在所述封装壳内。
进一步地,所述开关电源芯片具有引出所述封装壳的高压脚、反馈检测脚和芯片地脚;所述开关管组与所述高压脚电连接,所述充电电容、所述开关管组与所述芯片地脚电连接,所述反馈检测模块的输入端与所述反馈检测脚电连接。
进一步地,所述开关电源芯片还包括给所述电源模块供电的辅助电容,所述辅助电容位于所述封装壳外。
本发明还提供一种开关电源电路,包括如上述任一项所述的开关电源芯片和与所述开关电源芯片电连接的负载输出端;
其中,所述反馈检测模块检测所述负载输出模块输出电压的大小并发送第二信号至所述控制主模块,所述控制主模块根据所述第一信号和所述第二信号输出经过脉宽调制的电源开关信号。
进一步地,所述开关电源电路包括变压器,所述芯片地脚与所述变压器原边线圈的高压端电连接,所述反馈检测脚与所述变压器原边线圈的低压端电连接;所述反馈检测脚与所述变压器原边线圈的低压端之间串联连接有第一电阻。
进一步地,所述开关电源电路包括电感,所述电感串联连接在所述芯片地脚与所述负载输出端之间,所述负载输出端与所述反馈检测脚之间连接有反馈电阻。
本发明的有益效果在于:通过在驱动模块的输出端串联连接用以控制充电电容充电或放电的开关管组,该开关管组与供电电源端连通,控制主模块控制驱动模块的输出端输出控制信号以使开关管组导通或截止以控制充电电容充电或放电。当控制信号为高电平,充电电容放电,当控制信号为低电平,充电电容充电,使得开关电源芯片电源模块的供电电压不受输出电压的影响,在满足宽输出电压范围的同时稳定开关电源芯片的工作电压。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例1所示的开关电源芯片的内部电路图;
图2为图1所示的开关电源芯片中接入限流电阻与辅助电容后的电路图;
图3为本发明实施例2所示的反激式开关电源电路的电路图;
图4为现有技术反激式开关电源电路的电路图;
图5为本发明实施例2所示的降压式开关电源电路的电路图;
图6为现有技术降压式开关电源电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种开关电源芯片,请参见图1,该开关电源芯片包括电源模块POWER、基准模块BIAS、控制模块、开关管组和二极管D1。电源模块POWER用于给其他各模块提供工作电压,电源模块POWER包括充电电容C1。基准模块BIAS用于给其他各模块提供基准,基准模块BIAS与电源模块POWER电连接。控制模块用于输出经过脉宽调制的电源开关信号,控制模块包括控制主模块PWM以及驱动模块DRV,驱动模块DRV的输入端与控制主模块PWM电连接。开关管组与驱动模块DRV的输出端以及供电电源(未图示)电连接,开关管组导通或断开以使充电电容C1充电或放电。二极管D1串联在电源模块POWER与开关管组之间,用于给充电电容C1充电。其中,控制主模块PWM控制驱动模块DRV的输出端输出控制信号SW以控制开关管组导通或断开;控制信号为高电平,充电电容C1放电;控制信号为低电平,充电电容C1充电。需要说明的是,电源模块POWER用于给其他模块提供工作电压VDD,基准模块BIAS用于给其他模块提供参考电压Vref,充电电容C1用于给电源模块POWER提供工作电压,以保证电源模块POWER正常工作。
控制模块还包括震荡模块OSC、电流检测模块CS和反馈检测模块FB;震荡模块OSC、电流检测模块CS和反馈检测模块FB的输出端均与控制主模块PWM电连接;震荡模块OSC的输入端与反馈检测模块FB的输出端电连接;电流检测模块CS检测开关管组的电流并发送第一信号至控制主模块PWM,控制主模块PWM根据第一信号输出经过脉宽调制的电源开关信号。震荡模块OSC、电流检测模块CS和反馈检测模块FB均采用现有技术,震荡模块OSC为控制主模块PWM提供时钟信号。当本实施例的开关电源芯片应用于开关电源电路中,反馈检测模块FB用于检测开关电源电路的负载输出电压。震荡模块OSC、电流检测模块CS和反馈检测模块FB的工作原理为本领域技术人员所熟知的,故在此不作赘述。
在本实施例中,开关管组包括串联连接的第一开关管Q1和第二开关管Q2,第一开关管Q1与驱动模块DRV的输出端电连接,第二开关管Q2与供电电源电连接。第二开关管Q2具有与供电电源连接的第一引脚(未标号)和与第一开关管Q1连接的第二引脚(未标号),充电电容C1与第二开关管Q2的第二引脚通过二极管D1电连接。
详细的,控制主模块PWM控制驱动模块DRV的输出端输出控制信号SW以使第一开关管Q1导通或关断;控制信号SW为高电平,第一开关管Q1导通,充电电容C1放电;控制信号SW为低电平,第一开关管Q1关断,充电电容C1充电。电流检测模块CS检测第一开关管Q1的电流并发送第一信号至控制主模块PWM,控制主模块PWM根据第一信号输出经过脉宽调制的电源开关信号。
上述第一开关管Q1为增强型MOS管;第二开关管Q2为耗尽型MOS管,第一引脚为耗尽型MOS管Q2的漏极,第二引脚为耗尽型MOS管Q2的源极,增强型MOS管Q1的漏极与耗尽型MOS管Q2的源极电连接,二极管D1阳极与耗尽型MOS管Q2的源极电连接,充电电容C1的正极与二极管D1的阴极电连接,增强型MOS管Q1的源极与耗尽型MOS管Q2的栅极连接并接地。
耗尽型MOS管可耐高压同时还可以工作在高频的应用环境中,但是耗尽型MOS管Q2需要施加负压才能使其关断,将耗尽型MOS管Q2与增强型MOS管Q1串联,耗尽型MOS管Q2的源极通过二极管D1接入充电电容C1,控制增强型MOS管Q1关断时,耗尽型MOS管Q2不施加负压,耗尽型MOS管Q2通过二极管D1和充电电容C1连通,可给充电电容C1充电。具体的,二极管D1具有正向导通,反相截止的特性,当驱动模块DRV输出的信号SW为高电平时,增强型MOS管Q1导通,耗尽型MOS管Q2的源极下拉为低电压,二极管D1反相截止,充电电容C1不充电,给电源模块POWER放电;当驱动模块DRV输出的信号SW为低电平时,增强型MOS管Q1关断,耗尽型MOS管Q2的源极电压升高,二极管D1正向导通,充电电容C1开始充电。
在本实施例中,耗尽型MOS管Q2可选用半导体材料氮化镓(GaN)晶体管,其具有禁带宽度大、电子迁移率高和击穿电场强等优点,可应用于高温、高压和高频等工作环境中,可以提高开关电源芯片的使用安全系数并延长使用寿命,以使该耗尽型MOS管Q2与增强型MOS管Q1串联可工作在高频应用环境中,提高使用效率。同时由于耗尽型MOS管Q2耐高压,增强型MOS管Q1可以选用低压MOS功率场效应晶体管。
二极管D1的阳极与耗尽型MOS管Q2的源极电连接,充电电容C1的正极与二极管D1的阴极电连接,充电电容C1的负极接地。充电电容C1的负极、增强型MOS管Q1的源极与耗尽型MOS管Q2的栅极均接地,以使开关电源芯片内部电路形成回路。
请参见图2,本实施例中,充电电容C1与第二开关管Q2的第二引脚之间串联连接有限流电阻R1。限流电阻R1采用现有技术,用以限制所在支路电流的大小,以防止电流过大烧坏所串联的元器件,同时限流电阻R1也能起分压作用,提高电路使用安全性,延长使用寿命。充电电容C1和限流电阻R1的结构及工作原理为本领域技术人员所熟知的,在此不做详细展开。在其他实施例中也可不设置限流电阻R1,在此不做具体限定。
在本实施例中,开关电源芯片具有封装壳(未图示),开关管组和充电电容C1集成在封装壳内。具体的,本实施例中的充电电容C1的大小为1nF,由于充电电容C1选用小电容、且开关管组为体积较小的元器件,可以将充电电容C1、开关管组集成在封装壳内,以使得开关电源芯片的整体结构更加紧凑,同时便于将开关电源芯片与使用电路的连接,操作方便,在其他实施例中,开关管组和充电电容C1也可设置在封装壳外。
在本实施例中,开关电源芯片具有引出封装壳的高压脚HV、反馈检测脚VS和芯片地脚VSS;开关管组与高压脚HV电连接,充电电容C1、开关管组与芯片地脚VSS电连接,反馈检测模块FB的输入端与反馈检测脚VS电连接。在其他实施例中,可结合实际设计需求增加开关电源芯片引脚的数量,在此不做具体限定。
为了使该开关电源芯片可以应用于大功率输出场合,开关电源芯片还包括给电源模块POWER供电的辅助电容C11,辅助电容C11位于封装壳外。具体的,辅助电容C11采用大电容,将辅助电容C11并联在充电电容C1的两端。通过在外部增加辅助电容C11与充电电容C1配合,以使开关电源芯片可以工作在大功率输出场合,使得该开关电源芯片可以适用于更多使用环境。
实施例2
本实施例提供一种开关电源电路,包括开关电源芯片和与开关电源芯片电连接的负载输出端(未标号)。该开关电源芯片的电路结构与前述实施例1的开关电源芯片的电路结构相同或相似,具体可参见前述实施例1,在此不做赘述。
反馈检测模块FB检测负载输出端输出电压的大小并发送第二信号至控制主模块PWM,控制主模块PWM根据第一信号和第二信号输出经过脉宽调制的电源开关信号。
需要说明的是,开关电源芯片的高压HV脚作为高压输入端与整流后的供电电源连接,耗尽型MOS管Q2的漏极与高压脚HV电连接,反馈检测脚VS与反馈检测模块FB连接,充电电容C1的负极、增强型MOS管Q1的源极与耗尽型MOS管Q2的栅极均与芯片地脚VSS连接。在本实施例中,增强型MOS管Q1、耗尽型MOS管Q2和充电电容C1集成在封装壳内。
请参见图3,在本实施例中,该开关电源芯片应用于反激式开关电源电路。具体的,开关电源电路包括变压器,芯片地脚VSS与变压器原边线圈N1的高压端电连接,反馈检测脚VS与变压器原边线圈N1的低压端电连接;反馈检测脚VS与变压器原边线圈N1的低压端之间串联连接有第一电阻R。
开关电源电路还包括与变压器的副边线圈N2连接的整流二极管D0和输出电容C0,其中副边线圈N2的两端形成用于连接负载(未图示)的负载输出端,开关电源芯片的反馈检测脚VS串联连接第一电阻R后与变压器原边线圈N1的低压端电连接。以使检测到的输出电压VOUT的大小的反馈信号可直接在变压器原边线圈N1的低压端通过第一电阻R连接至开关电源芯片的检测反馈脚VS。
请参见图4,图4为现有技术反激式开关电源电路的电路图。具体的,开关电源芯片连接在变压器(未标号)的低压端,且开关电源芯片与变压器的原边线圈(未标号)以及辅助线圈N3共地连接,第一分压电阻R31和第二分压电阻R32对辅助线圈N3的电压进行分压取样后将输出端(未标号)的输出电压反馈至开关电源芯片。
与现有技术相比,本实施例的反激式开关电源电路的开关电源芯片与变压器不共地,简化了电路,节省了辅助绕组的设置,使***应用更方便。
本实施例中的反激式变压器为现有技术,其特性为原边线圈N1导通储能时副边线圈N2截止;原边线圈N1截止时,原边线圈N1上的能量转移至副边线圈N2上,其原理及特性为本领域技术人员所熟知的,在此不详细展开。当原边线圈N1上的能量转移至副边线圈N2时会同时给输出电容C0充电,当原边线圈N1导通储能副边线圈N2截止时,输出电容C0给负载供电。
本实施例的反激式开关电源电路的工作原理为:开关电源电路正常工作后,当驱动模块DRV输出端输出控制信号SW为高电平时,增强型MOS管Q1导通,耗尽型MOS管Q2导通,二极管D1截止,原边线圈N1导通并储能,副边线圈N2截止,整流二极管D0截止,此时输出电容C0给连接在负载输出端上的负载供电,电流检测模块CS检测原边线圈N1的Ipeck电流,当原边线圈N1的Ipeck电流达到预设值时,电流检测模块CS发送第一信号至控制主模块PWM中,控制主模块PWM控制驱动模块DRV输出端输出的控制信号SW由高电平转为低电平,增强型MOS管Q1截止,此时耗尽型MOS管Q2漏极仍是高电位,二极管D1导通,充电电容C1通过二极管D1充电,以保证各模块正常工作,反馈检测模块FB检测输出电压VOUT的大小,若输出电压VOUT小于预设值时,反馈检测模块FB发送第二信号传至控制主模块PWM中,控制主模块PWM根据接收的第二信号控制驱动模块DRV输出端输出的控制信号SW由低电平转为高电平,并重复上述流程。
在另一可选的实施方案中,请参见图4,该开关电源芯片应用于降压式开关电源电路。具体的,开关电源电路包括电感L1,电感L1串联连接在芯片地脚VSS与负载输出端之间,负载输出端与反馈检测脚VS之间连接有反馈电阻R2。反馈信号通过反馈电阻R2直接将输出电压VOUT反馈至开关电源芯片。该降压式开关电源电路还包括第一电容Cin、二极管D0、第二电容C0和负载RL。
请参见图6,图6为现有技术降压式开关电源电路的电路图。检测到的输出电压大小的反馈信号通过二极管D01、第一分压电阻R01和第二分压电阻R02将输出端(未标号)的输出电压反馈至开关电源芯片。
与现有技术相比,本实施例的降压式开关电源电路的接连更加简便,同时,反馈检测脚VS存在下拉电流,因此反馈检测脚VS还可通过反馈电阻R2对输出电压VOUT进行调节。
该可选实施方案的降压式开关电源电路的工作原理为:开关电源电路正常工作后,当驱动模块DRV输出端输出驱动控制信号SW为高电平时,增强型MOS管Q1导通,耗尽型MOS管Q2导通,二极管D1截止,二极管DO截止,电感L1电流上升同时储能,第二电容C0充电,负载输出端的输出电压VOUT上升给负载RL供电,电流检测模块CS检测流过电感L1上的电流,当电流达到预设值时,电流检测模块CS发送第一信号至控制主模块PWM中,控制主模块PWM控制驱动模块DRV输出端输出的控制信号SW由高电平转为低电平,增强型MOS管Q1截止,此时耗尽型MOS管Q2漏极仍是高电位,二极管D1导通,充电电容C1通过二极管D1充电,以保证各模块正常工作,由于电感L1上电流不能突变,因此二极管DO导通,电感L1上的能量给负载RL供电,输出电压VOUT下降,通过反馈电阻R2将输出电压VOUT反馈给开关电源芯片,当输出电压VOUT下降到预设值时,反馈检测模块FB发送第二信号至控制主模块PWM中,控制主模块PWM控制驱动模块DRV输出端输出的控制信号SW由低电平转为高电平,增强型MOS管Q1再次导通,并重复上述流程。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种开关电源芯片,其特征在于,包括:
电源模块,用于给其他各模块提供工作电压,所述电源模块包括充电电容;
基准模块,用于给其他各模块提供基准,所述基准模块与所述电源模块电连接;
控制模块,用于输出经过脉宽调制的电源开关信号,所述控制模块包括控制主模块、驱动模块、震荡模块、电流检测模块和反馈检测模块,所述驱动模块的输入端与所述控制主模块电连接,所述震荡模块、所述电流检测模块和所述反馈检测模块的输出端均与所述控制主模块电连接;所述震荡模块的输入端与所述反馈检测模块的输出端电连接;
开关管组,与所述驱动模块的输出端以及供电电源电连接,所述开关管组导通或断开以使所述充电电容充电或放电;所述开关管组包括串联连接的第一开关管和第二开关管,所述第一开关管与所述驱动模块的输出端电连接,所述第二开关管与所述供电电源电连接;所述第二开关管具有与所述供电电源连接的第一引脚和与所述第一开关管连接的第二引脚;及
二极管,串联在所述充电电容与所述第二开关的第二引脚之间,用于给所述充电电容充电;
其中,所述电流检测模块检测所述第一开关管的电流并发送第一信号至所述控制主模块,所述控制主模块根据所述第一信号输出经过脉宽调制的电源开关信号;
所述第一开关管为增强型MOS管,所述第二开关管为耗尽型MOS管,所述第一引脚为所述耗尽型MOS管的漏极,所述第二引脚为所述耗尽型MOS管的源极,所述增强型MOS管的漏极与所述耗尽型MOS管的源极电连接,所述增强型MOS管的源极与所述耗尽型MOS管的栅极连接并接地;
所述控制主模块控制所述驱动模块的输出端输出控制信号以使所述第一开关管导通或关断;所述控制信号为高电平,所述第一开关管导通,所述第二开关管的源极电压降低,所述二极管反向截止,所述充电电容放电;所述控制信号为低电平,所述第一开关管关断,所述第二开关管的源极电压升高,所述二极管正向导通,所述充电电容充电。
2.如权利要求1所述的开关电源芯片,其特征在于,所述二极管的阳极与所述耗尽型MOS管的源极电连接,所述充电电容的正极与所述二极管的阴极电连接,所述充电电容的负极接地。
3.如权利要求2所述的开关电源芯片,其特征在于,所述充电电容与所述第二开关管的第二引脚之间串联连接有限流电阻。
4.如权利要求1所述的开关电源芯片,其特征在于,所述开关电源芯片具有封装壳,所述开关管组和所述充电电容集成在所述封装壳内。
5.如权利要求4所述的开关电源芯片,其特征在于,所述开关电源芯片具有引出所述封装壳的高压脚、反馈检测脚和芯片地脚;所述开关管组与所述高压脚电连接,所述充电电容、所述开关管组与所述芯片地脚电连接,所述反馈检测模块的输入端与所述反馈检测脚电连接。
6.如权利要求4所述的开关电源芯片,其特征在于,所述开关电源芯片还包括给所述电源模块供电的辅助电容,所述辅助电容位于所述封装壳外。
7.一种开关电源电路,其特征在于,包括如权利要求1-6任一项所述的开关电源芯片和与所述开关电源芯片电连接的负载输出端;
其中,所述反馈检测模块检测所述负载输出端输出电压的大小并发送第二信号至所述控制主模块,所述控制主模块根据所述第一信号和所述第二信号输出经过脉宽调制的电源开关信号。
8.如权利要求7所述的开关电源电路,其特征在于,所述开关电源电路包括变压器,所述芯片地脚与所述变压器原边线圈的高压端电连接,所述反馈检测脚与所述变压器原边线圈的低压端电连接;所述反馈检测脚与所述变压器原边线圈的低压端之间串联连接有第一电阻。
9.如权利要求7所述的开关电源电路,其特征在于,所述开关电源电路包括电感,所述电感串联连接在所述芯片地脚与所述负载输出端之间,所述负载输出端与所述反馈检测脚之间连接有反馈电阻。
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