CN117013830B - 一种恒压恒流控制开关电源芯片 - Google Patents

一种恒压恒流控制开关电源芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒压恒流控制开关电源芯片；包括封装块，所述封装块的一端引出有第一引脚组和第二引脚组；所述第一引脚组中包括有电源引脚VDD、电源引脚GND和输出引脚CS；所述第二引脚组中包括有输入引脚FB、悬空引脚NC和输出引脚Drain；所述封装块的内部集成有集成电路；本发明是一款高性能、高集成度DCM原边反馈控制、离线式小功率开关电源转换芯片；内建无补偿电容的原边恒压控制电路，同时芯片具有输出线缆补偿功能，芯片采用多模式控制方式以提高电源转换效率和可靠性，同时在轻载模式时能够有效降低音频噪声；芯片具有输出短路保护功能，整机电源在输出发生异常短路现象时，该功能可有效保护电源***以及后级电路。

Description

一种恒压恒流控制开关电源芯片
技术领域
本发明属于电源芯片技术领域，具体涉及一种恒压恒流控制开关电源芯片。
背景技术
电源开关IC是一种在电路中控制另一个设备电源的电子元件。用于启用或禁用电源导轨。开关为可能经历过载或高工作温度的电路提供保护。负载开关在电源接通时处于活动状态，因此可提供低泄漏电流。负载开关通常用于代替MOSFET，因为它们通过较小的封装提供更多的保护。选择电源开关时，必须考虑电流限制级别。这些级别可固定，也可调节，具体取决于设备。电源开关IC采用标准半导体封装，然而市面上各种的开关电源芯片仍存在各种各样的问题。
如授权公告号为CN207706059U所公开的一种恒压恒流控制电路、芯片以及开关电源，其虽然实现了配合作为功率开关的达林顿管进行恒压恒流控制，达林顿管的驱动电流极低，极大的降低了高输出功率的功率器件的成本，提高了输出功率，降低芯片VCC端电压要求，供电电容的容值降低，使该芯片可使用标准的5V CMOS工艺制造，降低了生产成本，但是并未解决现有开关电源芯片存在的无法实现有效的补偿输出，以及恒流恒压的输出，并且保护措施较为单一等的问题，为此我们提出一种恒压恒流控制开关电源芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种恒压恒流控制开关电源芯片，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种恒压恒流控制开关电源芯片，包括封装块，所述封装块的一端引出有第一引脚组和第二引脚组；
所述第一引脚组中包括有电源引脚VDD、电源引脚GND和输出引脚CS，所述电源引脚VDD是芯片的供电引脚，所述电源引脚GND是芯片的电源接地引脚，所述输出引脚CS是芯片的电流采样引脚，外部连接采样电阻对流过MOSFET管的电流进行逐周期采样；
所述第二引脚组中包括有输入引脚FB、悬空引脚NC和输出引脚Drain，所述输入引脚FB是芯片的电压反馈引脚，外部连接上下拉电阻进行分压采样输出信号，所述输出引脚Drain是芯片中的高压MOSFET管的漏极，所述悬空引脚NC是芯片的悬空不接引脚；
所述封装块的内部集成有集成电路，所述集成电路中包括有所述电源引脚VDD、所述电源引脚GND、所述输出引脚CS、所述输入引脚FB和HV，所述电源引脚VDD、所述电源引脚GND、所述输出引脚CS、所述输入引脚FB和所述HV构成回路，所述电源引脚VDD上电性连接有欠压锁定电路UVLO，所述欠压锁定电路UVLO上电性连接有过压保护电路OVP，所述过压保护电路OVP上电性连接有偏置电路Bias，所述输入引脚FB上电性连接有比较器，所述比较器上电性连接有恒压模式芯片CV Control，所述输入引脚FB上电性连接有恒流模式芯片CCControl，所述恒压模式芯片CV Control和所述恒流模式芯片CC Control上均电性连接有逻辑门Logic，所述逻辑门Logic上电性连接有驱动电路Driver Control，所述驱动电路Driver Control的一端与所述高压MOSFET管的栅极电性连接，所述恒压模式芯片CVControl的一端上电性连接有补偿电路Cable Compensation，所述输入引脚FB上电性连接有反馈电路Buffer，所述反馈电路Buffer上电性连接有噪声滤除电路Noise Suppression。
优选的，所述集成电路中还包括有理想电源，所述理想电源与所述补偿电路CableCompensation的一端电性连接，所述理想电源与所述输入引脚FB电性连接。
优选的，所述比较器的另一引脚电性连接有参考电流Ref，所述逻辑门Logic上电性连接有峰值电流模式控制电路Peak Current Control&LEB，所述峰值电流模式控制电路Peak Current Control&LEB的一端与所述输出引脚CS电性连接。
优选的，所述高压MOSFET管的漏极与所述HV电性连接，所述高压MOSFET管和所述HV组成驱动晶体管，所述高压MOSFET管的源极与所述输出引脚CS电性连接。
优选的，所述集成电路通过所述补偿电路Cable Compensation实现芯片具有输出线缆补偿功能，从而能够达到优秀的恒压输出特性，所述集成电路通过所述恒压模式芯片CV Control和所述恒流模式芯片CC Control的多模式控制方式以提高电源转换效率和可靠性。
优选的，所述集成电路中通过所述反馈电路Buffer和所述噪声滤除电路NoiseSuppression同时在轻载模式时能够有效降低音频噪声，所述集成电路通过所述欠压锁定电路UVLO、所述过压保护电路OVP和所述偏置电路Bias有效保护电源***以及后级电路。
优选的，该开关电源芯片运用在移动电源、PDA、数码相机等设备、电池充电器、替代线性变压器、RCC结构的开关电源、中功率开关电源和AC to DC电源转换器；
所述开关电源芯片的运用电路中包括有绕组匝Np和Ns、电感L1和开关电源芯片。
优选的，所述集成电路在DCM模式下运行的时候，功率传递函数为：
在上式中，P为输出功率，V0和I0分别为***输出电压和电流，η为***功率传输效率，Lm为变压器一次电感，fs为***开关频率，Ipk为开关周期中的一次峰值电流；
所述集成电路通过辅助绕组在每个开关周期中产生一个退磁信号，且Tdem是CV/CC控制的退磁时间，在DCM模式下，Tdem表示为：
Np和Ns分别为一次和二次绕组匝，
结合两式得到平均输出电流：
优选的，所述恒流模式芯片CC Control在实现CC控制有两种方法：
一种是脉冲调频PFM，控制方案是保持Ipk不变，让fs×Tdem的乘积为常数，这样，I0将是一个独立于V0、Lm和线路输入电压变化的值；
另一个实现方法是PWM占空比控制，控制方案是保持fs恒定，串联×Ipk是一个常数，换句话说，通过调制***占空比实现恒定I0独立的变化，Lm和线电压。
优选的，所述恒压模式芯片CV Control的CV控制应对反相的辅助绕组电压平台采样，CV控制有很多实现，如PWM或PFM，或两者的组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明是一款高性能、高集成度DCM(断续工作模式)原边反馈控制、离线式小功率开关电源转换芯片；恒流、恒压模式输出精度小于±4％；内建无补偿电容的原边恒压控制电路，同时芯片具有输出线缆补偿功能，从而能够达到优秀的恒压输出特性；芯片采用多模式控制方式以提高电源转换效率和可靠性，同时在轻载模式时能够有效降低音频噪声；采用整机电源可轻松将待机功耗降至70mW以下；芯片具有输出短路保护功能，整机电源在输出发生异常短路现象时，该功能可有效保护电源***以及后级电路；具有多种特性以及异常保护功能：FB引脚短路保护、VDD引脚欠压锁定，过压保护、CS引脚软启动、逐周期电流检测、引脚开路等异常保护功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖面示意图；
图3为本发明的仰视示意图；
图4为本发明的极限参数示意图；
图5为本发明的推荐参数示意图；
图6为本发明的功能引脚描述示意图；
图7为本发明的***示意图；
图8为本发明的电器参数示意图；
图9为本发明的图像曲线示意图组；
图10为本发明的典型应用电路图；
图11为本发明的典型应用电路图的开关周期中的波形示意图。
图中：1、封装块；2、第一引脚组；201、电源引脚VDD；202、电源引脚GND；203、输出引脚CS；3、第二引脚组；301、输入引脚FB；302、悬空引脚NC；303、输出引脚Drain。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图11，本发明提供一种技术方案：一种恒压恒流控制开关电源芯片，包括封装块1，所述封装块1的一端引出有第一引脚组2和第二引脚组3；
所述第一引脚组2中包括有电源引脚VDD201、电源引脚GND202和输出引脚CS203，所述电源引脚VDD201是芯片的供电引脚，所述电源引脚GND202是芯片的电源接地引脚，所述输出引脚CS203是芯片的电流采样引脚，外部连接采样电阻对流过MOSFET管的电流进行逐周期采样；
所述第二引脚组3中包括有输入引脚FB301、悬空引脚NC302和输出引脚Drain303，所述输入引脚FB301是芯片的电压反馈引脚，外部连接上下拉电阻进行分压采样输出信号，所述输出引脚Drain303是芯片中的高压MOSFET管的漏极，所述悬空引脚NC302是芯片的悬空不接引脚；
所述封装块1的内部集成有集成电路，所述集成电路中包括有所述电源引脚VDD201、所述电源引脚GND202、所述输出引脚CS203、所述输入引脚FB301和HV，所述电源引脚VDD201、所述电源引脚GND202、所述输出引脚CS203、所述输入引脚FB301和所述HV构成回路，所述电源引脚VDD201上电性连接有欠压锁定电路UVLO，所述欠压锁定电路UVLO上电性连接有过压保护电路OVP，所述过压保护电路OVP上电性连接有偏置电路Bias，所述输入引脚FB301上电性连接有比较器，所述比较器上电性连接有恒压模式芯片CV Control，所述输入引脚FB301上电性连接有恒流模式芯片CC Control，所述恒压模式芯片CV Control和所述恒流模式芯片CC Control上均电性连接有逻辑门Logic，所述逻辑门Logic上电性连接有驱动电路Driver Control，所述驱动电路Driver Control的一端与所述高压MOSFET管的栅极电性连接，所述恒压模式芯片CV Control的一端上电性连接有补偿电路CableCompensation，所述输入引脚FB301上电性连接有反馈电路Buffer，所述反馈电路Buffer上电性连接有噪声滤除电路Noise Suppression。
为了实现对电路进行补偿电压，保持电压的稳定输出，本实施例中，优选的，所述集成电路中还包括有理想电源，所述理想电源与所述补偿电路Cable Compensation的一端电性连接，所述理想电源与所述输入引脚FB301电性连接。
为了实现对电压和电流进行判定，便于实现对恒流和恒压的输出进行调控，本实施例中，优选的，所述比较器的另一引脚电性连接有参考电流Ref，所述逻辑门Logic上电性连接有峰值电流模式控制电路Peak Current Control&LEB，所述峰值电流模式控制电路Peak Current Control&LEB的一端与所述输出引脚CS203电性连接。
为了实现对***进行驱动调节控制，本实施例中，优选的，所述高压MOSFET管的漏极与所述HV电性连接，所述高压MOSFET管和所述HV组成驱动晶体管，所述高压MOSFET管的源极与所述输出引脚CS203电性连接。
为了实现对***电路进行补偿控制，并且实现对恒流和恒压的输出进行控制，提高电源转换效率和可靠性，本实施例中，优选的，所述集成电路通过所述补偿电路CableCompensation实现芯片具有输出线缆补偿功能，从而能够达到优秀的恒压输出特性，所述集成电路通过所述恒压模式芯片CV Control和所述恒流模式芯片CC Control的多模式控制方式以提高电源转换效率和可靠性。
为了实现对***电路进行有效的安全防护，本实施例中，优选的，所述集成电路中通过所述反馈电路Buffer和所述噪声滤除电路Noise Suppression同时在轻载模式时能够有效降低音频噪声，所述集成电路通过所述欠压锁定电路UVLO、所述过压保护电路OVP和所述偏置电路Bias有效保护电源***以及后级电路。
为了实现对该开关电源芯片进行有效的运用，本实施例中，优选的，该开关电源芯片运用在移动电源、PDA、数码相机等设备、电池充电器、替代线性变压器、RCC结构的开关电源、中功率开关电源和AC to DC电源转换器；
所述开关电源芯片的运用电路中包括有绕组匝Np和Ns、电感L1和开关电源芯片。
为了实现对该开关芯片在运用情况下的功率传递进行计算，本实施例中，优选的，所述集成电路在DCM模式下运行的时候，功率传递函数为：
在上式中，P为输出功率，V0和I0分别为***输出电压和电流，η为***功率传输效率，Lm为变压器一次电感，fs为***开关频率，Ipk为开关周期中的一次峰值电流；
所述集成电路通过辅助绕组在每个开关周期中产生一个退磁信号，且Tdem是CV/CC控制的退磁时间，在DCM模式下，Tdem表示为：
Np和Ns分别为一次和二次绕组匝，
结合两式得到平均输出电流：
为了实现对恒流模式进行有效控制调节，本实施例中，优选的，所述恒流模式芯片CC Control在实现CC控制有两种方法：
一种是脉冲调频PFM，控制方案是保持Ipk不变，让fs×Tdem的乘积为常数，这样，I0将是一个独立于V0、Lm和线路输入电压变化的值；
另一个实现方法是PWM占空比控制，控制方案是保持fs恒定，串联×Ipk是一个常数，换句话说，通过调制***占空比实现恒定I0独立的变化，Lm和线电压。
为了实现对恒压模式进行控制调节，本实施例中，优选的，所述恒压模式芯片CVControl的CV控制应对反相的辅助绕组电压平台采样，CV控制有很多实现，如PWM或PFM，或两者的组合。
本发明的工作原理及使用流程：在使用的时候，开关电源芯片在封装块1的一端引出有第一引脚组2和第二引脚组3；且第一引脚组2中包括有电源引脚VDD201、电源引脚GND202和输出引脚CS203，电源引脚VDD201是芯片的供电引脚，电源引脚GND202是芯片的电源接地引脚，输出引脚CS203是芯片的电流采样引脚，外部连接采样电阻对流过MOSFET管的电流进行逐周期采样；以及第二引脚组3中包括有输入引脚FB301、悬空引脚NC302和输出引脚Drain303，输入引脚FB301是芯片的电压反馈引脚，外部连接上下拉电阻进行分压采样输出信号，输出引脚Drain303是芯片中的高压MOSFET管的漏极，悬空引脚NC302是芯片的悬空不接引脚；
在封装块1的内部集成有集成电路，电源引脚VDD201、电源引脚GND202、输出引脚CS203、输入引脚FB301和HV构成回路，电源引脚VDD201上电性连接有欠压锁定电路UVLO，欠压锁定电路UVLO上电性连接有过压保护电路OVP，过压保护电路OVP上电性连接有偏置电路Bias，通过欠压锁定电路UVLO和过压保护电路OVP实现对***进行安全防护，有效的实现保护***的运行，输入引脚FB301上电性连接有比较器，比较器上电性连接有恒压模式芯片CVControl，输入引脚FB301上电性连接有恒流模式芯片CC Control，恒压模式芯片CVControl和恒流模式芯片CC Control上均电性连接有逻辑门Logic，逻辑门Logic上电性连接有驱动电路Driver Control，驱动电路Driver Control的一端与高压MOSFET管的栅极电性连接，恒压模式芯片CV Control的一端上电性连接有补偿电路Cable Compensation，通过逻辑门Logic实现对恒压模式芯片CV Control和恒流模式芯片CC Control进行判定，便于实现对恒流和恒压的输出方式进行判定，输入引脚FB301上电性连接有反馈电路Buffer，反馈电路Buffer上电性连接有噪声滤除电路Noise Suppression，通过反馈电路Buffer和噪声滤除电路Noise Suppression能够有效降低音频噪声；为了实现对电路进行补偿电压，保持电压的稳定输出，集成电路中还包括有理想电源，理想电源与补偿电路CableCompensation的一端电性连接，理想电源与输入引脚FB301电性连接；为了实现对电压和电流进行判定，便于实现对恒流和恒压的输出进行调控，比较器的另一引脚电性连接有参考电流Ref，逻辑门Logic上电性连接有峰值电流模式控制电路Peak Current Control&LEB，峰值电流模式控制电路Peak Current Control&LEB的一端与输出引脚CS203电性连接；为了实现对***进行驱动调节控制，高压MOSFET管的漏极与HV电性连接，高压MOSFET管和HV组成驱动晶体管，高压MOSFET管的源极与输出引脚CS203电性连接；为了实现对***电路进行补偿控制，并且实现对恒流和恒压的输出进行控制，提高电源转换效率和可靠性，集成电路通过补偿电路Cable Compensation实现芯片具有输出线缆补偿功能，从而能够达到优秀的恒压输出特性，集成电路通过恒压模式芯片CV Control和恒流模式芯片CC Control的多模式控制方式以提高电源转换效率和可靠性；为了实现对***电路进行有效的安全防护，集成电路中通过反馈电路Buffer和噪声滤除电路Noise Suppression同时在轻载模式时能够有效降低音频噪声，集成电路通过欠压锁定电路UVLO、过压保护电路OVP和偏置电路Bias有效保护电源***以及后级电路。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种恒压恒流控制开关电源芯片，包括封装块(1)，其特征在于：所述封装块(1)的一端引出有第一引脚组(2)和第二引脚组(3)；
所述第一引脚组(2)中包括有电源引脚VDD(201)、电源引脚GND(202)和输出引脚CS(203)，所述电源引脚VDD(201)是芯片的供电引脚，所述电源引脚GND(202)是芯片的电源接地引脚，所述输出引脚CS(203)是芯片的电流采样引脚，外部连接采样电阻对流过MOSFET管的电流进行逐周期采样；
所述第二引脚组(3)中包括有输入引脚FB(301)、悬空引脚NC(302)和输出引脚Drain(303)，所述输入引脚FB(301)是芯片的电压反馈引脚，外部连接上下拉电阻进行分压采样输出信号，所述输出引脚Drain(303)是芯片中的高压MOSFET管的漏极，所述悬空引脚NC(302)是芯片的悬空不接引脚；
所述封装块(1)的内部集成有集成电路，所述集成电路中包括有所述电源引脚VDD(201)、所述电源引脚GND(202)、所述输出引脚CS(203)、所述输入引脚FB(301)和HV，所述电源引脚VDD(201)、所述电源引脚GND(202)、所述输出引脚CS(203)、所述输入引脚FB(301)和所述HV构成回路，所述电源引脚VDD(201)上电性连接有欠压锁定电路UVLO，所述欠压锁定电路UVLO上电性连接有过压保护电路OVP，所述过压保护电路OVP上电性连接有偏置电路Bias，所述输入引脚FB(301)上电性连接有比较器，所述比较器上电性连接有恒压模式芯片CV Control，所述输入引脚FB(301)上电性连接有恒流模式芯片CC Control，所述恒压模式芯片CV Control和所述恒流模式芯片CC Control上均电性连接有逻辑门Logic，所述逻辑门Logic上电性连接有驱动电路Driver Control，所述驱动电路Driver Control的一端与所述高压MOSFET管的栅极电性连接，所述恒压模式芯片CV Control的一端上电性连接有补偿电路Cable Compensation，所述输入引脚FB(301)上电性连接有反馈电路Buffer，所述反馈电路Buffer上电性连接有噪声滤除电路Noise Suppression；
所述比较器的另一引脚电性连接有参考电流Ref，所述逻辑门Logic上电性连接有峰值电流模式控制电路Peak Current Control&LEB，所述峰值电流模式控制电路Peak CurrentControl&LEB的一端与所述输出引脚CS(203)电性连接；
所述集成电路通过所述补偿电路Cable Compensation实现芯片具有输出线缆补偿功能，从而能够达到优秀的恒压输出特性，所述集成电路通过所述恒压模式芯片CV Control和所述恒流模式芯片CC Control的多模式控制方式以提高电源转换效率和可靠性；
所述集成电路中通过所述反馈电路Buffer和所述噪声滤除电路Noise Suppression同时在轻载模式时能够有效降低音频噪声，所述集成电路通过所述欠压锁定电路UVLO、所述过压保护电路OVP和所述偏置电路Bias有效保护电源***以及后级电路；
该开关电源芯片运用在移动电源、PDA、数码相机等设备、电池充电器、替代线性变压器、RCC结构的开关电源、中功率开关电源和AC to DC电源转换器；
所述开关电源芯片的运用电路中包括有绕组匝Np和Ns、电感L1和开关电源芯片；
所述集成电路在DCM模式下运行的时候，功率传递函数为：
在上式中，P为输出功率，V0和I0分别为***输出电压和电流，η为***功率传输效率，Lm为变压器一次电感，fs为***开关频率，Ipk为开关周期中的一次峰值电流；
所述集成电路通过辅助绕组在每个开关周期中产生一个退磁信号，且Tdem是CV/CC控制的退磁时间，在DCM模式下，Tdem表示为：
Np和Ns分别为一次和二次绕组匝，
结合两式得到平均输出电流：
所述恒流模式芯片CC Control在实现CC控制有两种方法：
一种是脉冲调频PFM，控制方案是保持Ipk不变，让fs×Tdem的乘积为常数，这样，I0将是一个独立于V0、Lm和线路输入电压变化的值；
另一个实现方法是PWM占空比控制，控制方案是保持fs恒定，串联×Ipk是一个常数，换句话说，通过调制***占空比实现恒定I0独立的变化，Lm和线电压。
2.根据权利要求1所述的一种恒压恒流控制开关电源芯片，其特征在于：所述集成电路中还包括有理想电源，所述理想电源与所述补偿电路Cable Compensation的一端电性连接，所述理想电源与所述输入引脚FB(301)电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种恒压恒流控制开关电源芯片，其特征在于：所述高压MOSFET管的漏极与所述HV电性连接，所述高压MOSFET管和所述HV组成驱动晶体管，所述高压MOSFET管的源极与所述输出引脚CS(203)电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种恒压恒流控制开关电源芯片，其特征在于：所述恒压模式芯片CV Control的CV控制应对反相的辅助绕组电压平台采样，CV控制有很多实现，如PWM或PFM，或两者的组合。
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