專利名稱：一種開關電源控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及隔離式電壓變換電路，具體涉及隔離式電壓變換電路系統的開 關電源控制器中多功能管腳復用。
背景技術：
隔離式電壓變換器可用于對安全性要求高的適配器和充電器。如圖1所示，
反激式隔離電壓變換器100包括原邊電路和副邊電路，通過變壓器T隔離。原 邊電路包括整流電路10，原邊繞組Ll和開關電源控制器11。其中整流電路 10將交流電壓轉變成直流輸入電壓Ww。輸入電壓r/w輸入原邊繞組Ll。原邊 繞組L1另一端連接開關電源控制器11。開關電源控制器11包括一開關管和 控制該開關管的控制電路，它的漏極端Drain即開關管的漏極端連接原邊繞組 Ll，源極端Source即開關管的源極端連接原邊地，反饋端FB接收反映副邊輸 出電壓Vout的反饋信號，電壓輸入端Vcc接收一電源信號以給開關電源控制 器11供電。副邊電路包括副邊繞組L2，副邊整流器D和濾波器Co。在控制 電路的控制下，開關管重復開通斷開動作，在原邊繞組L1中產生周期脈沖信 號，該脈沖信號經過變壓器耦合將能量轉移到副邊繞組L2。副邊繞組L2上的 周期脈沖信號經整流器D整流和濾波器Co濾波，轉換成直流輸出電壓Vout。 通常，電源控制器ll為一開關電源控制器ll芯片，有獨立的封裝，如外 部一般包含漏極Drain管腳，源極Source管腳，反饋FB管腳和電源輸入Vcc 管腳，它控制隔離式電壓變換器100的工作過程。 一個功能完整的開關電源控 制器11往往包括其它的功能，如過壓/欠壓保護(OVP/UVLO)，最大占空比 控制，前饋控制和遙控功能等，這些功能將使開關電源控制器11芯片需引入其它的管腳。傳統方式往往采用增加多個管腳一一實現其功能。然而，對一個 芯片來說，管腳越多，其制造成本越高，外形尺寸也往往增大。因此，如何用 盡可能少的管腳實現盡可能多的功能，同時增加盡可能簡單的外部電路，是設 計開關電源控制器11芯片的考慮要點之一。
發明內容
本發明的目的在于公開一種開關電源控制器，它接收負載反饋信號并控制 開關管，與此同時，通過增加一單一的功能端，實現突發模式控制，在低負 載狀態下保持所述開關管斷開狀態；過壓和欠壓保護，當主電路輸入電壓過高 或過低時使所述開關管處于斷開狀態以及前饋控制，降低主電路輸入電壓變化 對原邊峰值電流控制的誤差。通過該功能端，開關電源控制器可進一步實現最 大占空比控制，使所述開關管最大占空比隨所述主電路輸入電壓升高而降低， 降低而升高。還可實現遙控控制，控制所述開關管的工作和停止狀態。
其中幵關電源控制器可為一集成電路芯片，其中所述功能端為所述集成電 路芯片一引腳。該集成電路芯片可包括開關管，也可不包括開關管。它包含一 漏極引腳、 一源極引腳、 一反饋引腳及一電源輸入引腳，應用于反激式隔離電 壓變換器系統，所述漏極引腳連接原邊繞組，源極引腳連接原邊地，反饋引腳 接收所述反饋信號。該集成電路芯片可包括開關管，也可不包括開關管。
開關電源控制器的內部可包括晶振，接收所述反饋信號，輸出一脈沖信 號；RS觸發器，置位端接收所述脈沖信號，輸出第一控制信號；第一比較器， 反相端耦接所述反饋信號，同相端耦接所述功能端，輸出第二控制信號；第二 比較器，反相端耦接所述功能端，同相端接收一參考電壓，輸出第三控制信號; 第三比較器，同相端耦接所述功能端，反相端接收一參考電壓，輸出第四控制信號；前饋控制電路，其輸入端耦接所述功能端；電流比較器，其同相端接收 原邊電流信號，反相端接收所述前饋控制電路的輸出信號，輸出端連接所述 RS觸發器復位端；與門電路，輸入端接收所述第一控制信號、所述第二控制 信號、所述第三控制信號和所述第四控制信號，輸出端耦接所述開關管的門極。 為了更靈活的調節設置點，電源控制器可進一步包括 一電流源，通過第一開 關連接所述功能端；第二開關，連接于所述功能端與所述第一比較器之間；第 三開關，連接于所述功能端與所述第二比較器反相端、第三比較器同相端之間； 邏輯電路，接收所述第一控制信號、所述第二控制信號、所述第三控制信號和 所述第四控制信號并控制所述第一開關、第二開關和第三開關。
上述電路結構實現了通過單一的功能端擁有OVP/UVLO保護、突發模式 (Burst mode)控制和前饋控制。
電源控制器可進一步包括第四比較器，同相端連接所述晶振，反相端通過 所述第二開關連接所述功能端，輸出第五控制信號至所述與門電路。用于實現 最大占空比控制。
該電源控制器可以有兩種外部連接方式， 一種為功能端通過電阻分壓器接 收主電路輸入電壓的采樣電壓。該連接方式可結合上述電路結構實現 OVP/UVLO保護、突發模式(Burst mode)控制、前饋控制和最大占空比控制。 第二種外部連接方式為功能端通過電阻分壓器接收主電路輸入電壓的采樣電 壓，同時所述功能端耦合到一晶體管，通過控制所述晶體管的門極電壓將所述 功能端電壓拉到原邊地電位。該連接方式結合上述開關電源控制器電路結構可 進一步實現遙控控制。
本發明公開的開關電源控制器通過單一的端口實現了多種功能，使得開關電源控制器功能增強而成本和尺寸較低。并且外部電路簡單。
圖1所示為現有技術的反激式隔離電壓變換器。
圖2A所示為包含主電路開關管的一種開關電源控制器模塊；圖2B為不包含主電路開關管的一種開關電源控制器模塊。圖3所示為開關電源控制器內部電路示意圖。
圖4A所示為開關電源控制器的第一種外部連接方式；圖4B為開關電源控制器的第二種外部連接方式。
圖5所示為最大占空比調節波形示意圖。
圖6開關電源控制器的另一種內部電路示意圖。
具體實施例方式
本發明的電源控制器通過增加單一的引腳實現包括OVP/UVLO保護、突發模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前饋控制和遙控功能在內等功能。
如圖2A所示，開關電源控制器200A含有反饋端FB，從外部接收反映開關電源系統負載的反饋信號，該反饋信號隨負載增大而減小，約正比于輸出電壓Vout;電源輸入端Vcc，為開關電壓控制器200A提供電源；漏極端Dmin，內部連接主電路開關管的漏極；以及源極端Source,內部連接主電路開關管的源極。除此之外，開關電源控制器200A還包括一個功能端Mul，通過該單一的Mul端實現包括OVP/UVLO保護、突發模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前饋控制和遙控功能在內等功能。
在另一種實施方式中，如圖2B所示，開關電源控制器200B不包括主電路的開關管，相應地，它含有反饋端FB;電源輸入端Vcc;門極驅動端Gate，輸出驅動電壓連接開關管的門極；原邊電流輸入端VId，輸入正比于開關管漏極電流的原邊電流信號；以及功能端Mul，通過該端口實現包括OVP/UVLO保護、突發模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前饋控制和遙控功能在內等功能。
在一種實施方式中，開關電源控制器200A或200B為一集成電路芯片，其端口即為芯片的引腳。對開關電源控制器200A而言，該集成電路芯片200A包括功能引腳Mul、漏極引腳Dmin、源極引腳Source、反饋引腳FB以及電源輸入引腳Vcc。
圖3所示為本發明的實施例開關電源控制器200A的內部電路示意圖。開關電源控制器包括開關管K， 一晶振，RS觸發器U7，作為第一比較器Ul、第二比較器U2、第三比較器U3的三個滯環比較器，第四比較器U4，前饋控制電路31，電流比較器U6，與門電路U8，電流源Iburst，第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3和門電路U10 U14構成的邏輯電路32。開關管K通常為一MOSFET管，圖3中所示采用NMOSFET。一個實施例中，前饋控制電路31包括放大器U5、四個阻值相同的電阻和參考電壓Vref3，放大器U5的反相輸入端和輸出端、參考電壓Vref3、第一開關S1三者之間分別連接有一個電阻，其同相輸入端與地之間連接有一個電阻，參考電壓Vref3的另一端接地。
晶振接收來自反饋端FB的反饋信號，輸出頻率隨FB改變的脈沖信號。其中反饋信號為反映主電路負載的采樣信號。在本實施例中，負載越高，即Vfb越低，脈沖信號的頻率越高。脈沖信號輸入RS觸發器U7的置位端S。 U7的復位端接收電流比較器U6的輸出信號并輸出第一控制信號A。第一比較器Ul的同相端通過第二開關S2連接到Mul端，反相端連接FB端，輸出第二控制信號B。同時，電流源Iburst通過第一開關Sl連接Mul端。第二比較器U2反相端通過第三開關S3連接Mul端，同相端接收第一參考電壓Vrefl，輸出第三控制信號C。第三比較器U3同相端通過第三開關S3連接Mul端，反相端接收第二參考電壓Vref2，輸出第四控制信號D。第四比較器U4的同相端接收來自晶振的另一鋸齒波信號，該鋸齒波的上升沿與脈沖信號的上升沿對齊，并與脈沖信號的頻率一致。第四比較器U4的反相端通過第三開關S3連接Mul端。第四比較器U4輸出第五控制信號E至與門U8。前饋控制電路31通過第一開關Sl連接Mul端，其輸出端輸出經調制的峰值電流信號VIlimit至電流比較器U6的反相端，U6的同相端接收反映流過開關管K電流的原邊電流信號VId。邏輯電路32接收控制信號A、 B、 C和D，輸出兩個開關控制信號，第一個控制信號控制第一開關S1和第二開關S2，第二個控制信號控制第三開關S3。與門U8的輸入端接收控制信號A、 B、 C、 D和E，輸出門極控制信號至開關管K的門極。在另一種實施方式里，U8通過一驅動電路控制開關管K的門極。
圖3中的電路在不包含開關管K時對應開關電源控制器200B，其中與門電路U8輸出端連接開關電源控制器200B的門極驅動端Gate,電流比較器U6的同相端連接開關電源控制器200B的原邊電流輸入端VId。
圖3所示的開關電源控制器可以分別通過如圖4A和圖4B所示的方式實現多功能控制。第一種連接方式是將功能端Mul通過電阻分壓器接收主電路輸入
電壓W 以在Mill端獲得h、*的F/w采樣電壓。該電阻分壓器包括電阻Rl
及2 + i l和R2。電阻R1 —端連接Vin，另一端連接Mul端。電阻R2—端連接Mul端，另一端連接原邊地。第二種連接方式如圖4B所示，在采樣Vin的同時，將Mul端耦合到一晶體管T，通過控制該晶體管T的門極電壓將Mul端電壓拉到原邊地電位。在第二種連接方式里，Mul端一方面通過由電阻Rl、電阻R2組成的電阻分壓器接收主電路輸入電壓Vin的采樣電壓，另一方面，晶體管T的漏極連接Mul端，源極連接原邊地，門極接受外部的開關控制信號(ON/OFF)。當晶體管T的門極電壓為低時，其不導通，Mul端電壓為W^-^;當晶體管
T的門極電壓為高時，T管導通，Mul端電壓被拉到原邊地電位。下面對圖3所示電路結構的功能結合圖4A、 4B進行描述。首先對開關電源控制器的基本工作方式進行說明。在不考慮OVP/UVLO保護、突發模式(Burst mode)控制、最大占空比控制、前饋控制和遙控功能的前提下，或者說當第四比較器U4輸出信號與B、 C、 D、 E控制信號都為高電位的情況下，當晶振輸出的脈沖信號升高時，RS觸發器U7的Q端被置高，開關管K導通；電流比較器U6同相端接收Id采樣電壓即原邊電流信號VId，反相端接收峰值電流信號Vlimit，當流經開關管K的電流W增大到峰值電流閾值時，電流比較器U6輸出高電平，RS觸發器U7復位，Q端被置低，開關管K斷開。
此外，該電源控制器通過Mul端進一步實現多功能控制。當主電路(電壓變換器系統)輸出負載降低到一預定值時，啟動Burst mode功能，第二控制信號B為低電平，與門U8輸出低電平，開關管K被斷開；當主電路輸入電壓過高時，啟動OVP保護功能，第三控制信號C為低電平，與門U8輸出低電平，開關管K被斷開；當主電路輸入電壓過低時，啟動UVLO保護功能，第四控制信號D為低電平，與門U8輸出低電平，開關管K被斷開；當主電路輸入電壓改變時，原邊峰值電流閾值改變以實現前饋控制。同時，系統最大占空比隨主電路輸入電壓Vin增大而減小，以限定最大輸出功率，當最大占空比對應的下降沿到來時，第五控制信號E為低電平，開關管K被斷開。當開關電源控制器以圖4B方式與外部連接且Mul端被遙控信號拉到原邊地電位時，第四控制信號D為低電平，開關管K被斷開。下面將具體介紹各功能
1) Burst mode控制。該功能通過第一 比較器Ul ，電流源Iburst實現。當進行Burst mode控制時，第一開關Sl將Mul端與電流源Iburst連接，第二開關S2閉合而第三開關S3斷開以避免相互干擾各自的正常工作。此時，第一比較器Ul同相端電壓即Burst mode閾值為歷町"及2 + W^』一，在R1/R2比例確定的情況下，即不改變過壓/
欠壓保護點的情況下，通過選擇電阻R2的阻值，調節進入Burst mode的閾值。當VFB>/6"^*i 2 + r/"*』一，即負載小于一預定值時，第
一比較器U1輸出低電平B信號，開關管K被斷開。 一旦負載上升使得第一比較器U1輸出高電平，開關管K在下一個脈沖信號上升沿導通。
2) 主電路輸入電壓的OVP保護功能。該功能通過第二比較器U2實現。
當第三開關S3閉合，第二比較器U2反相端連接Mul端，Mul端電壓為^7 *_ 1_。當^*_^一>^/1，即Vin過壓時，第二比較器
U2輸出低電平C信號，開關管K被斷開。
3) 主電路輸入電壓的UVLO保護功能。該功能通過第三比較器U3實現。當第三開關S3閉合，第三比較器U3同相端連接Mul端，Mul端電
壓為^ *_^。當,*_^<formula>formula see original document page 13</formula>即Vin欠壓時，第三比較器7 2 + i l / 2 + i l
U3輸出低電平D信號，開關管K被斷開。4) 前饋控制。該功能通過前饋控制電路31實現。當原邊電流Id上升到峰值電流閾值Ilimit時，開關管K被斷開。但是，從檢測到Id上升到峰值電流閾值Ilimit到斷開開關管K存在一個電路本身固有的固定
時間延遲Ar。在Ar內，原邊電流Id以，的斜率繼續上升，其中Lp
厶P
為原邊繞組的電感值。這樣，真實的峰值電流為.<formula>formula see original document page 13</formula>因
丄/
此Vin越高，真實的原邊峰值電流離預設閾值的誤差.，*^越大。
丄P
為了降低這種影響，采用前饋控制電路31降低誤差。在開關電源控制器中，第一開關S1有兩種狀態， 一是將Mul端與電流源Iburst連接，如上所述，另一種是將Mul端連接前饋控制電路31。當Mul端連接前饋控制電路31時，進入前饋控制狀態，輸入前饋控制電路31的輸入電壓為<formula>formula see original document page 13</formula>輸入前饋控制電路31產生隨Vin變化的
峰值電流信號VIlimit。如圖3所示，前饋控制電路31由放大器U5、參考電壓Vref3和相同阻值的電阻組成。此時<formula>formula see original document page 13</formula>即峰值電流信號VUimit隨Vin增大而減小。
這樣，真實的原邊峰值電流對應<formula>formula see original document page 13</formula>其中
k為Id的采樣常數。可見<formula>formula see original document page 13</formula>對原來的<formula>formula see original document page 13</formula> 誤差進行了部分抵消。通過合理的分壓電阻R1、 R2和Lp的參數值設置，可以完全消除由于Vin變化帶來的峰值電流誤差，實現峰值電流閾值設定的前饋作用。
5) 最大占空比控制。該功能通過晶振和第四比較器U4實現。第四比較器U4反相端通過第二開關S2連接Mul端，連接時電壓為F/一一^一。
晶振除產生脈沖信號外，還產生同頻率的鋸齒波信號，其上升沿對齊，該鋸齒波信號輸入第四比較器U4同相端。第四比較器U4輸出第五控制信號E至與門U8。 E信號為最大占空比信號，通過與門U8決定電壓變換器系統最大占空比。如圖5所示。當Vin上升時，上升，見W"—maX*~^—，其最大占空減小。當Vin降低時，降低，見K/"—min*^^,其最大占空比增大。
6) 遙控控制。此時開關電源控制器以圖4B方式與外部電路連接，通過晶體管T門極接受外部開關控制信號ON/OFF的遙控控制。當外部開關控制信號為低時，晶體管T不導通，Mul端電壓為W^^^—，此
時開關電源控制器按上述方式運行，實現上述功能。當外部開關控制信號為高時，晶體管T導通，Mul端電壓被拉到原邊地電位。因此第三比較器U3輸出低電平D信號，開關管K處于斷開狀態。為確保各功能的正常實現互相不沖突，開關電源控制器采用邏輯電路32對第一開關S1、第二開關S2和第三開關S3進行控制。邏輯電路32包括與門UIO、或門U11和非門U12、 U13、 U14。非門U12接收信號A，輸出5。與門U10接收信號:i、 C和D，輸入Ull。非門接收信號B，輸出5至U11另一輸入端。Ull輸出信號控制Sl和S2，同時Ull輸出信號至非門U14并輸出第二路信號控制第三開關S3。當Ull輸出高電平時，第一開關Sl連接電流源Iburst，第二開關S2閉合，第三開關S3斷開，進入Burst mode控制；Ull輸出低電平時，第一開關S1連接前饋控制電路31，第二開關S2斷開，第三開關S3閉合，進入OVP/UVLO保護，前饋控制和最大占空比控制。Ull輸出的電平符合^x Cx D + 5的邏輯，該邏輯電路使得在不過壓(C=l )、不欠壓(D-l)且RS觸發器U7被置低(A=0)時進入Burst mode監控。此時若輸出負載小于預定值，第一比較器U1輸出低電平B，啟動Burstmode，開關管K被關斷。
在負載小于預定值(VFB>/6"^*i 2 + W"*~~^~)期間(B=0)，保持Burstmode
及2 +及l
監控，即第一開關Sl連接電流源Iburst，第二開關S2閉合、第三開關S3斷開。直到負載大于該預定值(B=l)，在下一個脈沖信號上升時(A-l)時，第一開關Sl連接前饋控制電路31，第二開關S2斷開，第三開關S3閉合。在B=l的情況下，當出現過壓(C=0)，欠壓(D=0)或原邊電流Id未到達峰值電流閾值前(A=l)，第一開關S1連接前饋控制電路31，第二開關S2斷開，第三開關S3閉合。
在另外一種實施方式里，見圖6，開關電源控制器的Burst mode功能中不采用電流源，因此也不需要邏輯電路，其它部分與圖3所示開關電源控制器相同。在該方式下，分壓電阻R1、 R2的阻值調節將聯動調節Burst mode控制閾值、過壓閾值、欠壓閾值、前饋控制水平和占空比控制水平。
在本發明中，"耦接"可以是兩物體之間的的直接電氣連接，也可以為兩物體通過中間部件的間接電氣連接。
本發明所說的"反激式隔離電壓變換器系統"可包括將交流電轉化為直流線電壓的整流電路，也可不包括該整流電路。
權利要求
1.一種開關電源控制器，接收負載反饋信號并控制開關電源的開關管，其特征在于，所述控制器包括與外部電路連接的功能端，實現突發模式控制，在低負載狀態下保持所述開關管斷開狀態；過壓和欠壓保護，當主電路輸入電壓過高或過低時使所述開關管處于斷開狀態；以及前饋控制，降低主電路輸入電壓變化對原邊峰值電流控制的誤差。
2. 如權利要求l所述的電源控制器，其特征在于通過所述功能端，進一 步實現最大占空比控制，使所述開關管最大占空比隨所述主電路輸入電壓升高 而降低，降低而升高。
3. 如權利要求2所述的電源控制器，其特征在于通過所述功能端，進一 步實現遙控控制，控制所述開關管的工作和停止狀態。
4. 如權利要求l-3所述的電源控制器，其特征在于該電源控制器為集成 電路芯片，其中所述功能端為所述集成電路芯片的引腳。
5. 如權利要求4所述的電源控制器，其特征在于進一步包括所述開關管。
6. 如權利要求5所述的電源控制器，其特征在于進一步包含一漏極引腳、 一源極引腳、 一反饋引腳及一電源輸入引腳，應用于反激式隔離電壓變換器系 統，所述漏極引腳連接原邊繞組，源極引腳連接原邊地，反饋引腳接收所述反 饋信號。
7. 如權利要求l所述的電源控制器，包括 晶振，接收所述反饋信號，輸出脈沖信號；RS觸發器，置位端接收所述脈沖信號，輸出第一控制信號；第一比較器，反相端耦接所述反饋信號，同相端耦接所述功能端，輸出第二控制信號；第二比較器，反相端耦接所述功能端，同相端接收第一參考電壓，輸出第 三控制信號；第三比較器，同相端耦接所述功能端，反相端接收第二參考電壓，輸出第 四控制信號；前饋控制電路，其輸入端耦接所述功能端；電流比較器，其同相端接收原邊電流信號，反相端接收所述前饋控制電路 的輸出信號，輸出端連接所述RS觸發器復位端；與門電路，輸入端接收所述第一控制信號、所述第二控制信號、所述第三 控制信號和所述第四控制信號，輸出端耦接所述開關管的門極。
8. 如權利要求7所述的電源控制器，其特征在于進一步包括 電流源，和前饋控制電路通過第一開關可選擇地連接所述功能端； 第二開關，連接于所述功能端與所述第一比較器之間；第三開關，連接于所述功能端與所述第二比較器反相端、第三比較器同相 端之間；邏輯電路，接收所述第一控制信號、所述第二控制信號、所述第三控制信 號和所述第四控制信號并控制所述第一開關、第二開關和第三開關。
9. 如權利要求7或8所述的電源控制器，其特征在于進一步包括第四比 較器，同相端連接所述晶振，反相端通過所述第二開關連接所述功能端，輸出 第五控制信號至所述與門電路。
10. 如權利要求9所述的電源控制器，其特征在于所述功能端通過電阻分壓器接收開關電源主電路輸入電壓的采樣電壓。
11. 如權利要求7所述的電源控制器，其特征在于所述功能端通過電阻分 壓器接收開關電源主電路輸入電壓的采樣電壓，同時所述功能端耦合到一晶體 管，通過控制所述晶體管的門極電壓將所述功能端電壓拉到原邊地電位。
12. 如權利要求9所述的電源控制器，其特征在于所述功能端通過電阻分 壓器接收開關電源主電路輸入電壓的采樣電壓，同時所述功能端耦合到一晶體 管，通過控制所述晶體管的門極電壓將所述功能端電壓拉到原邊地電位。
全文摘要
本發明公開了一種開關電源控制器，通過增加一單一的功能端，實現突發模式控制，在低負載狀態下保持所述開關管斷開狀態；過壓和欠壓保護，當主電路輸入電壓過高或過低時使所述開關管處于斷開狀態；前饋控制，降低主電路輸入電壓變化對原邊峰值電流控制的誤差；最大占空比控制，使所述開關管最大占空比隨所述主電路輸入電壓升高而降低，降低而升高；以及遙控控制，控制所述開關管的工作和停止狀態。
文檔編號H02H3/20GK101594064SQ20091005945
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月31日 優先權日2009年5月31日
發明者恩 李, 路環宇 申請人:成都芯源系統有限公司