供電模塊、開關電源芯片以及開關電源系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種供電模塊、開關電源芯片以及開關電源系統。其中一種供電模塊，內置于開關電源芯片中，包括：一結型場效應晶體管，其漏極接至開關電源芯片的DRAIN引腳，其源極接一電阻器的一端，同時接一第一三極管的集電極，其柵極接電阻器的另一端，同時接第一三極管的基極以及開關管的漏極；第一三極管，其發射極接至開關電源芯片的VCC引腳；一滯回比較器，其正輸入端接開關電源芯片的VCC引腳，其負輸入端接一參考電壓，其輸出端接至開關管的柵極，以控制開關管的導通與截止。所述開關電源芯片包括上述的供電模塊。所述開關電源系統包括上述的開關電源芯片。本實用新型實現在快速啟動同時給芯片電源供電，且減少了外圍元器件，利于開關電源系統的小型化以及簡單化。
【專利說明】供電模塊、開關電源芯片以及開關電源系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及開關電源中的啟動、供電【技術領域】，尤其涉及一種AC/DC開關電源芯片內部高壓快速啟動和高壓供電的供電模塊、開關電源芯片以及開關電源系統。
【背景技術】
[0002]AC/DC開關電源是開關電源的其中一類，AC是交流，DC是直流，它自電網取得能量，經過高壓整流濾波得到一個直流高壓，供DC/DC變換器在輸出端獲得一個或幾個穩定的直流電壓。
[0003]圖1是現有的AC/DC開關電源啟動電路和供電電路的實現電路圖，圖1所示是一種浮地高端驅動buck結構。輸入AC交流電源連接到整流橋11的兩個輸入端。整流橋11將交流電整流后經電容器Cl濾波。開關電源芯片12的DRAIN引腳接母線Vbus端，其CS引腳接負載電路13。啟動電阻器Rl —端接母線Vbus端，并通過所述母線Vbus端接電容器Cl以及整流橋11的一輸出端，Rl另一端與電容器C2相接，同時接開關電源芯片12的電源VCC引腳；啟動電阻器Rl和電容器C2產生一低壓直流電使開關電源芯片12啟動。供電電阻器R2 —端接輸出電壓Vout端，另一端與二極管Dl的陽極相接，二極管Dl的陰極與電容器C2相接，同時接開關電源芯片12的VCC引腳；供電電阻器R2、二極管Dl與電容器C2構成供電電路；當開關電源芯片12啟動完成，輸出電壓Vout開始上升，當Vout上升到一定值后通過供電電路開始給開關電源芯片12供電。
[0004]上述現有啟動電路的缺點是:開關電源芯片12啟動完后，由于啟動電阻器Rl接在母線Vbus端和芯片VCC引腳之間，兩者的壓差導致Rl消耗功率。Rl越小，啟動速度越快，但待機功耗越大；R1越大，待機功耗越小，但啟動速度越慢。故啟動速度和待機功耗需要折中。典型情況下，現有啟動電路的啟動速度慢且待機功率高。
[0005]上述現有供電電路的缺點是:輸出電壓Vout需上升到一定的電壓之后才會通過供電電路給芯片供電，故在芯片啟動完到Vout到達一定電壓這段時間內，芯片電源VCC是下降的，所以需要電容器C2比較大，否則VCC會跌到UVL0(Under Voltage Lock Out，欠壓鎖定)以下，導致芯片不斷重啟。另一個缺點是，當Vout電壓較低時無法實現供電。
[0006]且，現有的開關電源啟動電路和供電電路都是用外部元器件來實現的，增加了系統的體積和復雜性。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在于，針對現有技術中開關電源啟動電路和供電電路存在的問題，提供一種供電模塊、開關電源芯片以及開關電源系統，實現在快速啟動同時給芯片電源供電，且所述供電模塊的所有元器件適合集成在開關電源芯片內部，減少了外圍元器件，利于開關電源系統的小型化以及簡單化。
[0008]為實現上述目的，本實用新型提供了一種供電模塊，包括:一結型場效應晶體管、一第一三極管、一開關管以及一滯回比較器；所述結型場效應晶體管的漏極電學連接至開關電源芯片的DRAIN引腳，所述結型場效應晶體管的源極電學連接一電阻器的一端，同時電學連接所述第一三極管的集電極，所述結型場效應晶體管的柵極電學連接所述電阻器的另一端，同時電學連接所述第一三極管的基極以及所述開關管的漏極；所述第一三極管的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳；所述滯回比較器的正輸入端電學連接所述開關電源芯片的VCC引腳，所述滯回比較器的負輸入端電學連接一參考電壓，所述滯回比較器的輸出端電學連接至所述開關管的柵極，以控制所述開關管的導通與截止。
[0009]為實現上述目的，本實用新型還提供了一種開關電源芯片，包括DRAIN引腳以及VCC引腳，所述DRAIN引腳用于電學連接母線Vbus端，所述VCC引腳用于電學連接一外部充電單元，所示開關電源芯片進一步包括本實用新型所述的供電模塊；所述供電模塊中的所述結型場效應晶體管的漏極電學連接至所述DRAIN引腳，所述供電模塊中的所述第一三極管的發射極電學連接至所述VCC引腳，所述供電模塊中的所述滯回比較器的正輸入端電學連接所述VCC引腳。
[0010]為實現上述目的，本實用新型還提供了一種開關電源系統，包括一整流橋、一濾波單元以及一開關電源芯片，所述整流橋的兩個輸入端電學連接一交流電源，所述濾波單元并接在所述整流橋的兩個輸出端之間，所述開關電源芯片包括本實用新型所述的供電模塊；所述供電模塊中的所述結型場效應晶體管的漏極電學連接至所述開關電源芯片的DRAIN引腳，所述DRAIN引腳電學連接母線Vbus端，并通過所述母線Vbus端電學連接所述濾波單元以及所述整流橋的一輸出端；所述供電模塊中的所述第一三極管的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳，所述供電模塊中的所述滯回比較器的正輸入端電學連接所述VCC引腳，所述VCC弓丨腳電學連接一充電單元，并通過所述充電單元接地。
[0011]本實用新型的優點在于:本實用新型提供的開關電源系統可實現快速啟動同時給芯片電源供電，解決了 AC/DC開關電源的現有啟動和供電電路的缺點，供電能力強，啟動速度快；且當輸出電壓變化范圍很大時，也能自主供電。本實用新型提供的開關電源系統中，所述供電模塊適合集成在芯片里面，利于開關電源系統的小型化以及簡單化；與AC/DC開關電源的現有啟動和供電電路相比，省去了外部元器件，故整個系統更簡潔，啟動速度更快，待機功耗更低，供電更靈活。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1，現有的AC/DC開關電源啟動電路和供電電路的實現電路圖；
[0013]圖2，本實用新型所述的供電模塊一實施方式的示意圖；
[0014]圖3，本實用新型所述的開關電源系統的示意圖；
[0015]圖4為圖3所示系統的工作模式對應波形圖；
[0016]圖5，本實用新型所述開關電源系統工作時各電壓波形示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本實用新型提供的供電模塊、開關電源芯片以及開關電源系統做詳細說明。
[0018]參考圖2，本實用新型所述的供電模塊一實施方式的示意圖。所述供電模塊包括:一結型場效應晶體管JFET、一第一三極管Q1、一開關管Ml以及一滯回比較器CP1。其中，開關管Ml為N型MOS晶體管；結型場效應晶體管是以PN結上的電場來控制所夾溝道中的電流;M0S晶體管是以表面電場來控制溝道中的電流。
[0019]所述結型場效應晶體管JFET的漏極電學連接至開關電源芯片的DRAIN引腳(即開關電源芯片內部功率管的漏極)JFET的源極電學連接一電阻器R的一端，同時電學連接所述第一三極管Ql的集電極JFET的柵極電學連接所述電阻器R的另一端，同時電學連接所述第一三極管Ql的基極以及所述開關管Ml的漏極。所述第一三極管Ql的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳(電源引腳，為芯片供電)。所述滯回比較器CPl的正輸入端電學連接所述開關電源芯片的VCC引腳，CPl的負輸入端電學連接一參考電壓Vref，CPl的輸出端電學連接至所述開關管Ml的柵極，以控制Ml的導通與截止；其中，所述滯回比較器CPl的滯回窗口為Vhys。所述開關管Ml的源極電學連接芯片地(IC GND)。
[0020]當DRAIN引腳端的電壓DRAIN高于VCC引腳端的電源電壓VCC，且電源電壓VCC低于參考電壓Vref時，充電電流通過JFET以及Ql從DRAIN引腳端流向VCC引腳端；VCC引腳外部通常接有電容，該充電電流對該電容充電，使得VCC電壓逐漸升高。Ql基極電流流過電阻器R，導致JFET的源極電壓比柵極略高；此時JFET的柵極電壓比VCC電壓高，JFET的電流能力很強；由于大電流對該電容充電，VCC電壓可以快速升高到達芯片內設的啟動電壓閾值，完成芯片啟動。本實用新型實現在快速啟動同時給芯片電源供電，供電能力強，啟動速度快，解決了 AC/DC開關電源的常規啟動和供電電路的缺點。且所述供電模塊的所有元器件適合集成在開關電源芯片內部，減少了外圍元器件；用于開關電源系統時，利于開關電源系統的小型化以及簡單化。
[0021]作為優選的實施方式，所述供電模塊進一步包括:一第二三極管Q2 ;所述第二三極管Q2的集電極電學連接所述第一三極管Ql的集電極，Q2的基極電學連接Ql的發射極，Q2的發射極電學連接至VCC引腳。若開關電源芯片耗電較大，可以采用兩個三極管形成達林頓管，達林頓管的發射極電學連接到VCC引腳，達林頓管的基極電學連接結型場效應晶體管JFET的柵極以及開關管Ml的漏極。達林頓管就是兩個三極管接在一起，極性只認前面的三極管，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達林頓管基極，后面三極管發射極為達林頓管發射極，用法與三極管一樣，放大倍數是兩個三極管放大倍數的乘積。
[0022]作為優選的實施方式，所述供電模塊進一步包括:一第一二極管Dl以及一第二二極管D2，以作為正向導通、反向耐壓器件。所述結型場效應晶體管JFET的源極電學連接所述第一二極管Dl的陽極，并通過所述第一二極管Dl電學連接至所述第一三極管Ql的集電極；所述結型場效應晶體管JFET的柵極電學連接所述第二二極管D2的陽極，并通過所述第二二極管D2電學連接至所述第一三極管Ql的基極。如果開關電源芯片VCC輸出電壓比較高，需要防止VCC引腳端的VCC電流倒灌入DRAIN引腳端，否則供電會不足，導致芯片反復重啟。二極管Dl和D2作為正向導通，反向耐壓器件，使得VCC能工作于更高的電壓。本實用新型中達林頓管和二極管Dl可以用來防止電流倒灌，且同時用作反向耐壓器件。如果VCC輸出電壓比較低，可以不設置Dl和D2。Dl和D2可以用實際二極管來實現，但不限于實際二極管，例如可以用基極-集電極短接的三極管來實現。
[0023]參考圖3，本實用新型所述的開關電源系統的示意圖，圖3所示拓撲與圖1相似，都是浮地高端驅動buck結構。所述開關電源系統包括一整流橋31、一濾波單元以及一開關電源芯片32。
[0024]所述整流橋31的兩個輸入端電學連接一交流電源AC，所述整流橋31的一輸出端接系統地(System GND);所述濾波單元并接在所述整流橋31的兩個輸出端之間，整流橋31將交流電整流后經濾波單元濾波。在本實施方式中，所述濾波單元采用電容器Cl，在其它實施方式中，所述濾波單元也可采用其它濾波方式對經整流橋31整流后的直流電進行濾波。
[0025]所述開關電源芯片32的DRAIN引腳電學連接母線Vbus端，并通過所述母線Vbus端電學連接所述濾波單元以及所述整流橋31的一輸出端；所述開關電源芯片32的VCC引腳通過一充電單元電學連接芯片地(IC GND);所述開關電源芯片32的FB引腳通過一組分壓電阻接輸出電壓端Vout ;所述開關電源芯片32的CS引腳接負載電路33。在本實施方式中，所述充電單元采用一電容器C2 ;在其它實施方式中，所述充電單元也可采用電容和電阻并聯，或兩電容并聯等方式，可以根據成本以及系統要求靈活選擇。其中，芯片地(ICGND)電壓為浮動電壓。
[0026]所述開關電源芯片32進一步包括一供電模塊；所述供電模塊的一種電路實現方式如圖2所示。所述供電模塊中的所述結型場效應晶體管JFET的漏極電學連接至所述DRAIN引腳；所述供電模塊中的所述第一三極管Ql的發射極電學連接至所述VCC引腳，所述供電模塊中的所述滯回比較器CPl的正輸入端電學連接所述VCC引腳。
[0027]作為優選的實施方式，所述供電模塊進一步包括:一第二三極管Q2 ;所述第二三極管Q2的集電極電學連接所述第一三極管Ql的集電極，Q2的基極電學連接Ql的發射極，Q2的發射極電學連接至VCC引腳。若開關電源芯片耗電較大，可以采用兩個三極管形成達林頓管，達林頓管的發射極電學連接到VCC引腳，達林頓管的基極電學連接結型場效應晶體管JFET的柵極以及開關管Ml的漏極。
[0028]作為優選的實施方式，所述供電模塊進一步包括:一第一二極管Dl以及一第二二極管D2，以作為正向導通、反向耐壓器件。所述結型場效應晶體管JFET的源極電學連接所述第一二極管Dl的陽極，并通過所述第一二極管Dl電學連接至所述第一三極管Ql的集電極；所述結型場效應晶體管JFET的柵極電學連接所述第二二極管D2的陽極，并通過所述第二二極管D2電學連接至所述第一三極管Ql的基極。如果開關電源芯片VCC輸出電壓比較高，需要防止VCC引腳端的VCC電流倒灌入DRAIN引腳端，否則供電會不足，導致芯片反復重啟。二極管Dl和D2作為正向導通，反向耐壓器件，使得VCC引腳端能工作于更高的電壓。本實用新型中達林頓管和二極管Dl可以用來防止電流倒灌，且同時用作反向耐壓器件。如果VCC引腳端輸出電壓比較低，可以不設置Dl和D2。Dl和D2可以用實際二極管來實現，但不限于實際二極管，例如可以用基極-集電極短接的三極管來實現。
[0029]本實用新型提供的開關電源系統可實現快速啟動同時給芯片電源供電，解決了AC/DC開關電源的現有啟動和供電電路的缺點，供電能力強，啟動速度快；且當輸出電壓變化范圍很大時，也能自主供電。本實用新型提供的開關電源系統中，所述供電模塊適合集成在開關電源芯片里面，利于開關電源系統的小型化以及簡單化；與圖1所示AC/DC開關電源的現有啟動和供電電路相比，省去了外部元器件:電阻器R1，電阻器R2和二極管Dl ;故整個系統更簡潔，啟動速度更快，待機功耗更低，供電更靈活。
[0030]以下結合附圖2-3對本實用新型所述開關電源系統的工作原理進行說明。本實用新型所述開關電源系統工作于兩種工作模式:充電模式(如圖4中所示模式一)、停止充電模式(如圖4中所示模式二)。正常工作時模式一和模式二交替出現，波形如圖4所示。
[0031]充電模式(模式一):此模式對應的開關電源芯片32的DRAIN引腳端電壓為高壓(高于芯片電源電壓VCC)，且芯片電源電壓VCC低于參考電壓Vref ;在本實施例中，初始時VCC電壓與芯片地(IC GND)電壓相同。電流通過JFET，Dl和Q2從DRAIN引腳端流向VCC引腳端，對VCC引腳外部的電容C2充電，使得VCC引腳端VCC電壓逐漸升高。Ql基極電流流過電阻器R，導致JFET的源極電壓比柵極略高。此時JFET的柵極電壓比VCC引腳端VCC電壓高，AC/DC開關電源芯片的啟動就是對應于此種模式；由于JFET電流能力很強，大電流對電容C2充電，VCC電壓可以快速升高到達開關電源芯片32內設的啟動電壓閾值，完成芯片啟動。
[0032]停止充電模式(模式二):此模式對應的電源電壓VCC過壓，高于參考電壓Vref ,Ql和Q2的基極-發射極結以及二極管D2反向耐壓。滯回比較器CPl輸出為高電平控制Ml導通，Ml將JFET的柵極拉到地，JFET源極電壓上升到接近JFET的夾斷電壓。Ql和Q2構成的達林頓管工作于截止狀態，故沒有電流從JFET流到VCC引腳端；由于開關電源芯片32耗電，VCC電壓逐漸下降，直到回復充電閾值電壓(Vref-Vhys)才開始再次進入充電模式。通常情況下，VCC電壓會在參考電壓Vref和充電閾值電壓(Vref-Vhys)之間波動。
[0033]參考圖5，本實用新型所述開關電源系統工作時各電壓波形示意圖。本實用新型所述開關電源系統在上述兩種工作模式中，均要防止電流從VCC引腳端倒灌入DRAIN引腳端。在實際系統應用中，例如圖2的應用中，當開關電源芯片內部功率管導通時，DRAIN電壓接近芯片地(IC GND)電壓，低于VCC工作電壓，如圖5所示。該情況需要防止VCC引腳端電流倒灌入DRAIN引腳端，否則供電會不足，導致開關電源芯片32反復重啟。本實用新型中達林頓管和二極管Dl正是用來防止電流倒灌，且同時用作反向耐壓器件。
[0034]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種供電模塊，內置于開關電源芯片中，其特征在于,包括:一結型場效應晶體管、一第一三極管、一開關管以及一滯回比較器； 所述結型場效應晶體管的漏極電學連接至開關電源芯片的DRAIN引腳，所述結型場效應晶體管的源極電學連接一電阻器的一端，同時電學連接所述第一三極管的集電極，所述結型場效應晶體管的柵極電學連接所述電阻器的另一端，同時電學連接所述第一三極管的基極以及所述開關管的漏極； 所述第一三極管的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳； 所述滯回比較器的正輸入端電學連接所述開關電源芯片的VCC引腳，所述滯回比較器的負輸入端電學連接一參考電壓，所述滯回比較器的輸出端電學連接至所述開關管的柵極，以控制所述開關管的導通與截止。
2.根據權利要求1所述的供電模塊，其特征在于，所述供電模塊進一步包括:一第二三極管；所述第二三極管的集電極電學連接所述第一三極管的集電極，所述第二三極管的基極電學連接所述第一三極管的發射極，所述第二三極管的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳。
3.根據權利要求1或2所述的供電模塊，其特征在于，所述供電模塊進一步包括:一第一二極管以及一第二二極管，以作為正向導通、反向耐壓器件；所述結型場效應晶體管的源極電學連接所述第一二極管的陽極，并通過所述第一二極管電學連接至所述第一三極管的集電極；所述結型場效應晶體管的柵極電學連接所述第二二極管的陽極，并通過所述第二二極管電學連接至所述第一三極管的基極。
4.一種開關電源芯片，包括DRAIN引腳以及VCC引腳，所述DRAIN引腳用于電學連接母線Vbus端，所述VCC引腳用于電學連接一外部充電單元，其特征在于，進一步包括權利要求1所述的供電模塊； 所述供電模塊中的所述結型場效應晶體管的漏極電學連接至所述DRAIN引腳，所述供電模塊中的所述第一三極管的發射極電學連接至所述VCC引腳，所述供電模塊中的所述滯回比較器的正輸入端電學連接所述VCC引腳。
5.根據權利要求4所述的開關電源芯片，其特征在于，所述供電模塊進一步包括:一第二三極管；所述第二三極管的集電極電學連接所述第一三極管的集電極，所述第二三極管的基極電學連接所述第一三極管的發射極，所述第二三極管的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳。
6.根據權利要求4或5所述的開關電源芯片，其特征在于，所述供電模塊進一步包括:一第一二極管以及一第二二極管，以作為正向導通、反向耐壓器件；所述結型場效應晶體管的源極電學連接所述第一二極管的陽極，并通過所述第一二極管電學連接至所述第一三極管的集電極；所述結型場效應晶體管的柵極電學連接所述第二二極管的陽極，并通過所述第二二極管電學連接至所述第一三極管的基極。
7.一種開關電源系統，包括一整流橋、一濾波單元以及一開關電源芯片，所述整流橋的兩個輸入端電學連接一交流電源，所述濾波單元并接在所述整流橋的兩個輸出端之間，其特征在于，所述開關電源芯片包括權利要求1所述的供電模塊； 所述供電模塊中的所述結型場效應晶體管的漏極電學連接至所述開關電源芯片的DRAIN引腳，所述DRAIN引腳電學連接母線Vbus端，并通過所述母線Vbus端電學連接所述濾波單元以及所述整流橋的一輸出端； 所述供電模塊中的所述第一三極管的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳，所述供電模塊中的所述滯回比較器的正輸入端電學連接所述VCC引腳，所述VCC引腳電學連接一充電單元，并通過所述充電單元接地。
8.根據權利要求7所述的開關電源系統，其特征在于，所述供電模塊進一步包括:一第二三極管；所述第二三極管的集電極電學連接所述第一三極管的集電極，所述第二三極管的基極電學連接所述第一三極管的發射極，所述第二三極管的發射極電學連接至所述開關電源芯片的VCC引腳。
9.根據權利要求7或8所述的開關電源系統，其特征在于，所述供電模塊進一步包括:一第一二極管以及一第二二極管，以作為正向導通、反向耐壓器件；所述結型場效應晶體管的源極電學連接所述第一二極管的陽極，并通過所述第一二極管電學連接至所述第一三極管的集電極；所述結型場效應晶體管的柵極電學連接所述第二二極管的陽極，并通過所述第二二極管電學連接至所述第一三極管的基極。
【文檔編號】H02M7/04GK204030994SQ201420408221
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】郜小茹, 孫順根, 于得水 申請人:上海晶豐明源半導體有限公司