功率变换器和集成电路的制作方法

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种功率变换器和可以用于构建所述功率变换器的集成电路。

背景技术：

开关型变换器广泛应用于电子产品的电源中。电子产品通常具有连接高电压电源或连接低电压电源两种不同的应用场景，在连接高电压电源时，需要功率变换器进行电压变换后再将能量输出到负载，而在连接低电压电源时则可以直接以直通方式将能量输出到负载。为了兼容两种应用场景，功率变换器通常会设置与主开关并联的保护开关或直通开关。图1是现有技术的开关型变换器集成电路的示意图。如图1所示，在降压型拓扑的开关型变换器中，主开关M1连接在功率变换器的输入端VIN和中间端LX之间，整流开关M2连接在中间端LX和接地端之间。开关控制电路SLC与主开关M1以及整流开关M2的控制端连接，控制两者交替导通和关断。保护开关M3与功率开关M1并联，其控制端与电荷泵CP连接。在需要进入保护模式时，开关控制电路SLC停止工作，电荷泵CP控制保护开关M3切换为直通，使得输入电压直接输出到功率变换器的输出端。

但是，单独设置保护开关M3增加了芯片的面积，导致成本上升。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种功率变换器和集成电路，使得在集成电路内部将一个功率开关复用作为开关型变换器的主开关和保护开关(或直通开关)，从而减小芯片面积，降低制造成本。

第一方面，提供一种功率变换器，包括：

功率开关，连接在电压输入端和中间端之间；

开关控制电路，与功率开关的控制端连接；以及，

模式选择电路，适于在选择信号为第一状态时使得功率开关的控制端电压随开关控制电路的输出变化，在选择信号为第二状态时控制功率开关切换为直通状态。

优选地，所述功率变换器还包括：

电荷泵，与电压输入端连接；

其中，所述模式选择电路在选择信号为第二状态时使得所述功率开关的控制端电压随电荷泵输出变化。

优选地，所述功率变换器还包括：

储能电容，连接在模式选择电路供电端和中间端之间。

优选地，所述功率变换器还包括：

三态缓冲器，连接在所述开关控制电路和功率开关的控制端之间；

所述模式选择电路包括：

选择电路，根据输入电压选择所述模式选择电路供电端或中间端电压输出，所述选择电路的输出端与所述三态缓冲器的使能端连接；

第一开关，连接在所述电荷泵的输出端和所述功率开关的控制端之间；以及，

第二开关，与所述选择电路的输入端连接，用于调节所述选择电路的输入电压；

其中，所述第一开关在选择信号为第二状态时导通。

优选地，所述模式选择电路还包括：

第一电流源，连接在所述电荷泵的输出端和所述第一开关之间；

第二电流源，连接在所述电荷泵的输出端和所述选择电路的输入端之间；

第三电流源，与接地端连接；

其中，所述第二开关连接在所述选择电路的输入端和所述第三电流源之间；所述第二开关在所述选择信号为第二状态时导通。

优选地，所述模式选择电路还包括：

第四电流源，与所述电荷泵的输出端连接；

第三开关，连接在所述第四电流源和所述选择电路的供电端之间；

其中，所述第三开关由所述选择电路的输出信号控制。

优选地，所述电荷泵在工作时的输出电压幅值等于功率变换器输入电压加上控制电路供电电压。

优选地，所述功率变换器还包括：

整流开关，在选择信号为第一状态时受开关控制电路控制导通和关断，在选择信号为第二状态时保持关断状态。

第二方面，提供一种集成电路，应用于功率变换器，所述集成电路包括:

功率开关，连接在电压输入端和中间端之间；

开关控制电路，与功率开关的控制端连接；以及，

模式选择电路，适于在选择信号为第一状态时使得功率开关的控制端电压随开关控制电路的输出变化，在选择信号为第二状态时控制功率开关切换为直通状态。

优选地，所述功率变换器还包括：

电荷泵，与电压输入端连接；

其中，所述模式选择电路在选择信号为第二状态时使得所述功率开关的控制端电压水电荷泵输出变化。

优选地，所述模式选择电路包括：

三态缓冲器，连接在所述开关控制电路和功率开关的控制端之间；

选择电路，根据输入电压选择所述模式选择电路供电端或中间端电压输出，所述选择电路的输出端与所述三态缓冲器的使能端连接；

第一开关，连接在所述电荷泵的输出端和所述功率开关的控制端之间；

第二开关，与所述选择电路的输入端连接，用于调节所述选择电路的输入电压；

其中，所述第一开关在选择信号为第一状态时导通。

优选地，所述模式选择电路还包括：

第一电流源，连接在所述电荷泵的输出端和所述第一开关之间；

第二电流源，连接在所述电荷泵的输出端和所述选择电路的输入端之间；

第三电流源，与接地端连接；

其中，所述第二开关连接在所述选择电路的输入端和所述第三电流源之间；所述第二开关在所述选择信号为第二状态时导通。

优选地，所述模式选择电路还包括：

第四电流源，与所述电荷泵的输出端连接；

第三开关，连接在所述第四电流源和所述选择电路的供电端之间；

其中，所述第三开关由所述选择电路的输出信号控制。

本发明实施例通过设置模式选择电路，在集成电路内部复用功率开关器件，在第一模式下使得其作为主开关工作，在第二模式下使得其作为保护开关工作，由此，可以有效减小芯片面积，降低制造成本。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术的开关型变换器集成电路的示意图；

图2是本发明实施例的开关型变换器集成电路的示意图；

图3是本发明实施例的集成电路构建的降压型拓扑的开关型变换器的电路示意图；

图4是本发明实施例的集成电路构建的带保护开关的直通电路的电路示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2是本发明实施例的开关型变换器集成电路的示意图。如图2所示，所述应用于构建开关型变换器的集成电路IC包括功率开关M1、整流开关M2、开关控制电路SLC以及模式选择电路MODE。其中，功率开关M1连接在电压输入端VIN和中间端LX之间。整流开关M2连接在中间端LX和接地端之间。功率开关M1和整流开关M2的连接方式使得两者适于构建降压型拓扑的开关型变换器。开关控制电路SLC通过一个三态缓冲器T1与功率开关M1的控制端连接，同时通过一个缓冲器BUF1与整流开关M2的控制端连接。三态缓冲器T1可以根据使能端的信号在工作状态或高阻抗状态(截止状态)之间切换。模式选择电路MODE适于在选择信号SEL为第一状态(例如低电平)时使得功率开关的控制端电压随开关控制电路的输出变化，在选择信号为第二状态(例如高电平)时控制功率开关切换为直通状态。

在图2所示的电路中，模式选择电路MODE在选择信号SEL为第一状态时，控制三态缓冲器T1切换到工作状态，使得来自开关控制电路SLC的控制信号能够通过三态缓冲器T1施加到功率开关M1，同时，来自开关控制电路SLC的控制信号能够通过BUF1施加到整流开关M2。功率开关M1和整流开关M2根据开关控制电路SLC的控制交替导通和关断，以使得开关型变换器输出稳定的电流或电压。由此，在第一模式下，功率开关M1作为开关型变换器的主开关使用。模式选择电路MODE在选择信号SEL为第二状态时，控制三态缓冲器T1切换到高阻抗状态，从而屏蔽开关控制电路SLC对于功率开关的影响，同时，将电荷泵CP的输出施加到功率开关M1，从而使得功率开关M1切换到直通状态。同时，整流开关M2受控于开关控制电路SLC或模式选择电路MODE在选择信号SEL为第二状态时处于关断状态。由此，电流可以从电压输入端VIN经由功率开关M1流向输出端，此时，功率开关M1用作直通模式的保护开关。由此，可以对同一个功率开关器件进行复用，从而减小芯片面积，降低制造成本。

优选地，集成电路设置有为模式选择电路MODE供电的供电端BS，在应用该集成电路的功率变换器中，可以在供电端BS和中间端LX之间设置电容C1以维持两者之间的电压差。

同时，电荷泵CP与电压输入端VIN连接，在其工作时，可以将电压输入端的电压升压后输出。模式选择电路MODE在选择信号SEL为第二状态使得功率开关M1的控制端电压随电荷泵CP的输出变化，从而使得功率开关M1切换到直通状态。

具体地，如图2所示，模式选择电路MODE包括选择电路B1、开关S1、S2以及电流源I1、I2和I3。其中，选择电路B1根据输入电压选择模式选择电路供电端BS或中间端LX的电压输出。选择电路B1的输出端与三态缓冲器T1的使能端连接。开关S1连接在所述电荷泵的输出端和功率开关M1的控制端之间，其在选择信号为第二状态时导通，从而在第二模式下，使得电荷泵的输出可以施加到功率开关M1的控制端。开关S2与选择电路的输入端连接，通过状态的切换调节选择电路的输入电压在高电平和低电平之间切换，从而使得选择电路输出供电端BS的电压或中间端LX的电压。开关S2在选择信号SEL为第一状态时导通。具体地，开关S2与电流源I2以及I3配合进行选择电路的输入电压的调节。如图2所示，电流源I2连接在电荷泵的输出端和选择电路的输入端N1之间。开关S2和电流源I3串联连接在选择电路的输入端N1和接地端之间。电流源I3连接在开关S2和接地端之间。由此，在开关S2导通时，节点N1的电压被拉低到接近中间端LX的电压，在开关S2关断时，节点N1的电压被拉高到电荷泵输出电压。同时，电流源I2和电流源I3能够为选择电路的工作提供电流供应。

在选择信号SEL处于第一状态时，开关控制电路SLC处于工作状态，开关S1关断，开关S2导通。从而节点N1的电压被拉低，选择电路B1选择输出中间端LX的电压，这是一个较低的电压，会控制使得三态缓冲器T1处于工作状态。同时开关S1关断，使得电荷泵CP输出端对于功率开关M1的控制端不构成影响。由此，功率开关M1根据开关控制电路SLC的控制工作，使得整个电路以开关变换器的方式工作。

在选择信号SEL处于第二状态时，电荷泵CP处于工作状态，开关S1导通，开关S2关断。从而节点N1的电压被拉高，选择电路B1输出供电端BS的电压，该电压使得三态缓冲器T1处于截止状态。同时，开关S1导通使得电荷泵CP输出的电压Vpump＝Vin+Vcc通过电流源I1施加到功率开关M1控制端。由于在直通状态下，功率开关M1的驱动控制需要电流，因此，必要时可以设置电流源I1提供必要的驱动电流。

优选地，模式选择电路MODE还可以包括开关S3和电流源I4，两者串联在电荷泵CP的输出端和选择电路B1的供电端BS之间。其中，电流源I4与电荷泵CP的输出端连接，开关S3连接在电流源I4和选择电路B1的供电端BS之间。同时，开关S3由选择电路B1的输出信号控制。由此，在选择信号SEL处于第二状态时，选择电路B1输出较高的供电端BS的电压，这使得开关S3导通，由此，电流源I4可以为选择电路B1提供驱动电压，从而满足选择电路B1在输出为高电平时较高的电流输出需求。同时，可以保持供电端BS的电压。在选择信号SEL处于第一状态时，选择电路B1对于电流的需求较小，因此，开关S3被关断，不提供额外的电流，而且也可以消除电荷泵输出端电压变化可能对供电端BS造成的不利影响。

本领域技术人员可以理解，以上以电荷泵作为直通模式下功率开关的驱动为例进行说明，但是其它的对于功率开关的驱动方式也可以适用于本实施例。同时，在驱动电流需求较小时，模式选择电路中的电流源可以被省略。同时，模式选择电路可以采用类似的其它电路结构实现相同的功能。

图3是本发明实施例的集成电路构建的降压型拓扑的开关型变换器的电路示意图。如图3所示，通过将选择信号输入端SEL接地使得选择信号SEL处于低电平(第一状态)，在供电端BS和中间端LX之间连接储能电容C1。同时，电感L1连接到中间端LX。电感L1的另一端连接到开关型变换器的输出端。同时，电容C2连接在开关型变换器的输出端和接地端之间。输出端电压Vo经由分压网络(连接在输出端和接地端之间的电阻R1和R2)分压后输入到集成电路的反馈引脚FB，该引脚的信号被引入到开关控制电路以实现闭环控制。

图4是本发明实施例的集成电路构建的带保护开关的直通电路的电路示意图。如图4所示，通过将选择信号输入端SEL连接到电压输入单使得选择信号SEL处于高电平(第二状态)，在供电端BS和中间端LX之间连接储能电容C1。同时，可以在带保护开关的直通电路的输出端和接地端之间连接电容C2以保证输出电压的平滑。

由此，本实施例的集成电路可以通过改变外围电路的设置在开关型变换器和带保护开关的直通电路之间变化。

本发明实施例的集成电路通过设置模式选择电路，在集成电路内部复用功率开关器件，在第一模式下使得其作为功率开关工作，在第二模式下使得其作为保护开关工作，由此，可以有效减小芯片面积，降低制造成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。