PWM控制器集成電路芯片及其操作方法、電源與流程

本發明總體上涉及電子電路，更確切地說涉及一種PWM控制器集成電路芯片及其操作方法、電源。

背景技術：

一個反激拓撲式開關模式電源(SMPS)通常包括初級繞組由控制晶體管控制的變壓器。脈沖寬度調制(PMW)控制器驅動控制晶體管，以在變壓器的次級繞組上感生電流。次級繞組上感生的電流對輸出電容器充電，以產生輸出電壓。PWM控制器的供電電壓可從變壓器輔助繞組上感生的工作電流產生。

在啟動期間，PWM控制器可能不會完全工作驅動控制晶體管，以在輔助繞組上感生電流。因此，SMPS可包括高壓(HV)啟動電路，以便允許PWM控制器從電源的輸入電壓中接收電流。在一種典型的實施中，高壓(HV)啟動電路包括高壓啟動晶體管，高壓啟動晶體管在啟動期間被接通以允許PWM控制器從電源輸入電壓中接收電流，來產生供電電壓。一旦供電電壓上升到足以切換控制晶體管并允許從輔助繞組接收工作電流，高壓(HV)啟動晶體管就被關斷。

圖1所示為具有內部高壓(HV)啟動電路的一種示例性PWM控制器集成電路(IC)芯片101。需要注意的是，PWM控制器IC芯片101具有八個引腳。圖2顯示了SMPS采用的PWM控制器IC芯片101。如圖2所示，PWM控制器IC芯片101包括HV啟動電路，HV啟動電路包括用作HV啟動晶體管的結型場效應晶體管(JFET)。內部HV啟動電路簡化了PWM控制器IC的使用，但增加了PWM控制器IC芯片的引腳數，至少增加了2個引腳：用于分接到初級繞組的高壓引腳，和出于安全原因而用于提供高電壓間隔的NC(無連接)引腳。

圖3所示為具有外部HV啟動晶體管152的一種示例性PWM控制器IC芯片151。需要注意的是，PWM控制器IC芯片101具有六個引腳。圖4顯示了SMPS采用的PWM控制器IC芯片151。PWM控制器IC芯片151從一個引腳(引腳3)控制高壓啟動晶體管152，并在另一引腳(引腳2)上接收指示輸出電壓的反饋信號。外部高壓啟動晶體管的使用減少了PWM控制器IC芯片的引腳數，但是需要額外的外部電路。

技術實現要素：

根據本發明的第一方面，提供了一種集成電路IC芯片，包括：被配置為輸出用于驅動開關模式電源的控制晶體管的控制信號的門驅動輸出引腳；被配置為接收指示流過所述控制晶體管的電流的電流感測信號的電流感測引腳；被配置為接收指示所述開關模式電源的輸出電壓的反饋信號，并被配置為連接到所述IC芯片外部的高壓HV啟動晶體管的控制端的反饋引腳；以及被配置為基于所述反饋信號和所述電流感測信號通過脈沖寬度調制PWM生成在所述門驅動輸出引腳處輸出以調節所述輸出電壓的控制信號的脈沖寬度調制器。

根據本發明的第二方面，提供了一種電源，包括：包括第一繞組和第二繞組的變壓器；控制晶體管，所述控制晶體管控制所述第一繞組以在所述第二繞組上感生電流從而產生所述電源的輸出電壓；脈沖寬度調制PWM控制器集成電路IC芯片，其中所述PWM控制器IC芯片具有輸出控制所述控制晶體管的切換操作的驅動信號的第一引腳，所述PWM控制器IC芯片具有接收指示所述電源的所述輸出電壓的反饋信號的第二引腳；以及連接到所述第二引腳的高壓HV啟動晶體管，其中所述啟動晶體管被配置為在所述電源的起動過程中接通以從輸入電壓生成供電電壓，所述起動晶體管被配置為在所述電源的啟動之后關斷。

根據本發明的第三方面，提供了一種控制器集成電路IC芯片的操作方法，所述方法包括：在所述控制器IC芯片的反饋引腳上接收指示開關模式電源的輸出電壓的反饋信號；在所述控制器IC芯片的電流感測引腳上接收指示流過控制晶體管的電流的電流感測信號，所述控制晶體管被切換以維持所述輸出電壓處于調節中；以及在所述開關模式電源的啟動期間，控制連接到所述反饋引腳的高壓HV啟動晶體管的切換。

本領域的一般技術人員將在閱讀本公開的全文后容易明白本發明的這些和其他特征，本公開的全文包括附圖和權利要求書。

附圖說明

圖1所示為具有內部高壓啟動電路的一種示例性PWM控制器IC芯片。

圖2所示為圖1所示的PWM控制器IC芯片被應用在SMPS中。

圖3所示為具有外部高壓啟動晶體管的一種示例性PWM控制器IC芯片。

圖4所示為圖3所示的PWM控制器IC芯片被應用在SMPS中。

圖5所示為根據本發明一個實施方案的SMPS的示意圖。

圖6所示為根據本發明一個實施方案的啟動控制電路的示意圖。

圖7所示為根據本發明一個實施方案的圖5所示SMPS的示例波形。

在不同圖示中使用相同參考標記指示相同或相似部件。

具體實施方式

在本公開中，提供許多特定細節，諸如電路、部件和方法的例子，以提供對本發明的實施方案的透徹理解。然而，本領域的一般技術人員將認識到，可在沒有這些特定細節中的一者或多者的情況下實踐本發明。在其他情況下，未示出或描述熟知細節以免模糊本發明的方面。

圖5所示為根據本發明一個實施方案的SMPS 500的示意圖。在圖5的實施例中，SMPS 500包括對交流線電壓整流的整流器530。電容CIN對經整流的交流線電壓進行濾波，以在高壓節點504產生輸入電壓。

在圖5的實施例中，SMPS 500包括控制晶體管505，其實現變壓器T1的初級繞組與地電勢的耦合和去耦合，以在變壓器T1的次級繞組上感生電流。次級繞組上感生的電流對輸出電容器COUT充電，以產生輸出電壓VO。在圖5的實施例中，SMPS 500包括用于控制控制晶體管505的切換操作的PWM控制器IC芯片501。

在圖5的實施例中，PWM控制器IC芯片501具有帶多個引腳的封裝。在圖5的實施例中，PWM控制器IC芯片501具有六個引腳，即FB(反饋)引腳、GND(接地)引腳、VS(電壓感測)引腳、VCC(供電電壓)引腳、CS(電流感測)引腳和GATE(門驅動輸出)引腳。

在圖5的實施例中，PWM控制器IC芯片501在門驅動輸出引腳上輸出驅動信號，用以控制控制晶體管505的切換操作。PWM控制器IC芯片501還包括用于接收指示通過變壓器T1初級繞組的電流的電流感測信號的CS引腳、和用于接收地電勢基準的GND引腳。在圖5的實施例中，由光耦合器代表反饋電路502(502-1，502-2)，光耦合器在次級側上感測輸出電壓VO，并在初級側上提供指示輸出電壓VO的反饋信號。也就是說，反饋電路502允許：出于調節目的在次級側上感測輸出電壓VO；并在初級側上向PWM控制器IC芯片501提供所感測的輸出電壓。

在圖5的實施例中，PWM控制器IC芯片501包括用于接收指示輸出電壓VO的反饋信號的FB引腳。為了維持調節后的輸出電壓VO，PWM控制器IC芯片501包括脈寬調制器520，脈寬調制器520在基于FB引腳上接收到的反饋信號和CS引腳上接收到的電流感測信號通過PWM在門驅動輸出引腳上輸出控制信號，用于驅動控制晶體管505的柵極。

在圖5的實施例中，偏置電路510產生為PWM控制器IC芯片501供電的供電電壓。在啟動之后的正常操作期間，偏置電路510由在變壓器T1的輔助繞組(AUX)上感生的工作電流產生供電電壓。PWM控制器IC芯片501在VCC引腳上接收供電電壓。在啟動過程中，因為PWM控制器IC芯片501尚未用來驅動控制晶體管505，所以不能從輔助繞組接收工作電流。因此，SMPS 500包括具有高壓啟動晶體管QD、起動晶體管QST和啟動控制電路506的啟動電路。在圖5的實施例中，高壓啟動晶體管QD在PWM控制器IC芯片501外部，而起動晶體管QST和啟動控制電路506在PWM控制器IC芯片501的內部。在啟動過程中，啟動電路被配置為由從晶體管T1的初級繞組接收的電流生成PWM控制器IC芯片501的供電電壓。

在圖5的實施例中，PWM控制器IC芯片501包括VS引腳，用于從變壓器T1的輔助繞組(AUX)感測輸出電壓VO。VS引腳可被PWM控制器IC芯片501用于輸出電壓感測(當沒有反饋電路502時)、準諧振操作的漏極電壓谷值檢測、輸出電壓過壓保護(OVP)等。由于反饋電路502提供用于輸出電壓調節的輸出電壓感測，所以VS引腳在圖5的實施例中僅用于谷值檢測和輸出電壓OVP。偏置電路510可包括由電阻R4和R5形成的電阻分壓器，用于產生指示輸出電壓VO的電壓降。

在圖5的實施例中，啟動控制電路506集成在PWM控制器IC芯片501中，HV啟動晶體管QD位于PWM控制器IC芯片501的外部。在一個實施方案中，高壓啟動晶體管QD是在高壓節點504上耦合到初級繞組的耗盡型金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。在一個實施方案中，反饋電路502的光電晶體管的集電極(見502-2)和高壓啟動晶體管QD的柵極都連接到FB引腳。反饋電路502的光電晶體管的發射極接地。

啟動控制電路506可包括在啟動期間接通啟動高壓啟動晶體管QD以將偏置電路510耦合到電源的輸入電壓來產生供電電壓的電路。啟動控制電路506可在啟動后關斷高壓啟動晶體管QD，也就是說，一旦供電電壓達到足以引發所述控制晶體管505切換并從輔助繞組接收工作電流的水平，就關斷高壓啟動晶體管QD。啟動控制電路506可監控VCC引腳上的供電電壓。

有利的是，高壓啟動晶體管QD不需要PWM控制器IC芯片501上的專用引腳。在圖5的實施例中，高壓啟動晶體管QD由PWM控制器IC芯片501的FB引腳控制，FB引腳也用于接收指示輸出電壓VO的反饋信號。即，PWM控制器IC芯片501的同一引腳(FB管腳)既可用于次級側輸出電壓感測，也可用于控制高壓啟動晶體管QD。這可減少引腳數目，從而允許額外引腳可用于其它功能。

在SMPS 500的啟動過程中，PWM控制器IC芯片501將FB引腳連接到VCC引腳。更具體地說，在啟動過程中，起動晶體管為關斷狀態，從而將HV啟動晶體管QD的源極和柵極連接在一起，這導致HV啟動晶體管QD的柵極到源極的電壓VGS為零(VGS＝0)。因為其電壓VGS為零且HV啟動晶體管QD是耗盡型MOSFET，所以高壓啟動晶體管QD被接通，從而允許來自電源輸入電壓的電流通過高壓啟動晶體管QD對電容器508充電，從而增加電容器508上的電荷，這指示供電電壓。

在一個實施方案中，起動晶體管QST是雙極結型晶體管。在圖5的實施例中，起動晶體管QST的集電極連接到齊納二極管512的陽極。齊納二極管512的陰極通過電阻R1連接到FB引腳，并通過電阻R2連接到VCC引腳。起動晶體管QST的基極由起動控制電路506控制，且起動晶體管QST的發射器連接到地電勢。當起動晶體管QST關斷時，FB引腳通過電阻R1和R2連接到VCC引腳。當起動晶體管QST接通時，齊納二極管512為FB引腳提供偏置電壓。

啟動控制電路506監控VCC引腳上的供電電壓，當供電電壓達到足以開始控制晶體管505的切換的起動電壓水平(例如12伏)時，接通起動晶體管QST。換言之，當供電電壓達到起動電壓水平時，SMPS 500的啟動可被視為結束。當起動晶體管QST接通時，齊納二極管512反向偏置，并開始通過FB引腳偏置反饋電路502，從而關斷HV啟動晶體管QD并開始控制晶體管505的正常切換操作。切換控制晶體管505就允許從輔助線圈AUX接收工作電流以產生供電電壓。

圖6所示為根據本發明一個實施方案的啟動控制電路506的示意圖。在圖6的實施例中，啟動控制電路506包括將供電電壓VCC與基準電壓進行比較的遲滯比較器540。在一個實施方案中，基準電壓VCC.ON是起動電壓，表示供電電壓已經準備好進行正常操作(例如12伏)，基準電壓VCC.OFF是未就緒電壓，表示供電電壓沒有準備好進行正常操作(例如8V)。遲滯比較器540可被配置為輸出QST控制信號，QST控制信號在供電電壓高于起動電壓(VCC.ON)時接通起動晶體管QST；在供電電壓低于未就緒電壓(VCC.OFF)時關斷起動晶體管QST。如能理解的那樣，基準電壓VCC.ON/VCC.OFF可由單個基準電壓來表示，基準電壓VCC.ON和VCC.OFF之間的差值是遲滯比較器540的遲滯。遲滯比較器540可從PWM控制器IC芯片501的VCC引腳感測供電電壓，并且可向起動晶體管QST的控制節點(例如基極)輸出QST控制信號。在不損害本發明優點的前提下，啟動控制電路506也可以使用其他的電路拓撲結構來實施。

圖7所示為根據本發明的一個實施方案的圖5所示SMPS 500的示例性波形。圖如7所示，從上到下分別為HV啟動晶體管QD的狀態、起動晶體管QST的狀態、電容器508上的供電電壓VCC、FB引腳腳上的反饋電壓(VFB)、流過控制晶體管505的電流(IDS)。

如圖7所示，當SMPS 500首次從關斷狀態給電時，HV啟動晶體管QD是接通的，從而允許電容器508從電源的輸入電壓充電。FB引腳通過PWM控制器IC芯片501的VCC引腳連接到電容器508；FB引腳上的電壓(VFB)因此隨供電電壓(VCC)增加而增加。因為控制晶體管505沒有切換，所以在此期間，沒有電流流過控制晶體管505的漏極和源極(IDS)。

當供電電壓上升到起動電壓時(起動電壓在圖7的實施例中為12V)，啟動控制電路506接通起動晶體管QST，從而關斷HV啟動晶體管QD。此時，引發控制晶體管505的切換(參見電流IDS)，通過從變壓器T1的輔助繞組AUX接收的工作電流來維持供電電壓，由反饋環路來控制FB引腳上的電壓。

盡管已經提供了本發明的特定實施方案，但應當理解，這些實施方案是用于說明目的而不具限制性。本領域的一般技術人員在閱讀本公開后將會明白許多附加實施方案。