一种实现零功耗待机开关电源集成电路的制作方法

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种实现零功耗待机开关电源集成电路。

背景技术：

开关电源由于效率高，成本低，体积小，重量轻等优点几乎被所有的用电设备采用。但是由于开关电源传统的启动电源都是采用耗电的电阻启动电路(如图1)，耗电的电容启动电路(如图2)，开关电源芯片从内部功率MOSFET的漏级吸收电流对Vdd储能电容充电启动电路(如图3)和高压耗尽型场效应管启动电路(如图4)等来实现开关电源的启动。所以它们在开关电源启动前或启动后，甚至由于某些需要电源完全停止工作时他们还消耗着电能，不仅影响电源的效率，而且使电源待机功耗不可能很小，更不可能做到完全的零功耗或微功耗待机。由于开关电源做不到零功耗待机，致使使用这样开关电源的各种电器设备也做不到零功耗待机。

技术实现要素：

为了解决目前开关电源无法将待机功耗降低到零功耗的技术问题，本发明提供了一种实现零功耗待机开关电源集成电路，

包括一个用于控制开关电源的零功耗控制器。

所述零功耗控制器包括电荷耦合电路、零功耗微处理器和零功耗电压调整电路，交流电源输入经电荷耦合电路依次进入零功耗电压调整电路、零功耗微处理器。

本发明中一种方案，交流电电荷输入可以只使用一个电容C1，交流电源第一端通过电容C1连接到零功耗控制器中两对MOS管中的其中一对接点，另一对MOS管接点空置，交流电源的第二端直接接零功耗控制器的地，开关电源的高压整流只使用一个二极管(当第一端为L端时，第二端对应的为N端；当第一端为N端时，第二端对应的为L端)；

在接通电源时，由于Vdd电压尚未建立，两对MOS管均为截止状态，在交流电的正半周期间，交流电源第一端正电荷通过电容C1流入零功耗控制器中MOS管M1的p型有源区和n阱，然后流入Vdd储能电容C3，最后回到交流电源第二端，向Vdd储能电容C3充电；

在交流电的负半周期间，交流电源第一端负电荷通过电容C1流入零功耗控制器中MOS管M3的n型有源区和p阱，然后回到交流电源第二端；

对电容C1通过控制MOS管M3和MOS管M4截止的方式来开通对电容C3充电，对电容C1通过MOS管M3和MOS管M4导通并联到交流电源两端的方式来断开电容C3的充电；

当零功耗控制器控制MOS管M3和MOS管M4从截止转为导通的情况下，M3和M4的漏极电压仅从Vdd下降到0V；或控制MOS管M3和MOS管M4从导通转为截止，漏极电压仅从0V上升到Vdd。

进一步地，本发明另一种方案，本发明同时包括电容C1和电容C2，从交流电源两端，通过电荷耦合电路的两个电容C1，C2分别连接到零功耗控制器中两对MOS管的接点，在接通电源时，由于Vdd电压尚未建立，两对MOS管均为截止状态，在交流电的正半周期间，交流电源第一端正电荷通过电容C1流入零功耗控制器中MOS管M1的p型有源区和n阱，然后流入Vdd储能电容C3，再经MOS管M4的p阱和n型有源区最后回到交流电源第二端，向Vdd储能电容C3充电；

在交流电的负半周期间，交流电源第二端正电荷通过电容C2流入零功耗控制器中MOS管M2的p型有源区和n阱，然后流入Vdd储能电容C3，再经MOS管M3的p阱和n型有源区回到交流电源第一端，向Vdd储能电容C3充电；

对C1，C2串联通过控制MOS管M3和MOS管M4截止的方式来开通对电容C3充电，对C1，C2串联通过MOS管M3和MOS管M4导通并联到交流电源两端的方式来断开电容C3的充电；

当零功耗控制器控制MOS管M3和MOS管M4从截止转为导通的情况下，M3和M4的漏极电压仅从Vdd下降到0V；或控制MOS管M3和MOS管M4从导通转为截止，漏极电压仅从0V上升到Vdd。

在只使用电容C1或者同时使用电容C1和C2的情况下，在工作的同时由零功耗控制器中的零功耗电压调整器通过MOS管M3、MOS管M4构成闭环稳压控制，当Vdd电压达到零功耗控制器所设定值时，且零功耗微处理器进行过压检测、欠压检测、过载检测和过温检测，如果未发生异常，则由零功耗控制器发出指令，启动开关电源，如果零功耗微处理器检测发现一项以上异常，或检测到开关电源输出空载，则立即通过零功耗微处理器控制开关电源停止工作，在开关电源停止工作的情况下，定时访问监测发生异常的参数，如发现各项参数恢复正常，则立即恢复开关电源正常工作。

只使用电容C1的情况下，当开关电源正常启动进入工作状态并向负载供电，同时开关电源变压器Vdd绕组T1_Na通过外置二极管向Vdd储能电容C3供电，零功耗电压调整器控制MOS管M3和MOS管M4导通，通过将电容C1与两对MOS管其中一对的接点接零功耗控制器电路的地，停止通过电容C1向Vdd储能电容充电，Vdd电压靠开关电源Vdd绕组供电维持，因为MOS管M3和MOS管M4导通时电阻为毫欧级，C1的纯电容电路中交流电流i相位超前其两端交流电压v相位90°，其有功功率表示相位角，因此电容C1中流过的电流是无功电流，不消耗任何电能。

使用电容C1和C2的情况下，当开关电源正常启动进入工作状态并向负载供电，同时开关电源变压器Vdd绕组T1_Na通过外置二极管向Vdd储能电容C3供电，零功耗电压调整器控制MOS管M3和MOS管M4导通，通过将电容C1，C2与两对MOS管的接点接零功耗控制器电路的地，停止通过电容C1，C2向Vdd储能电容充电，Vdd电压靠开关电源Vdd绕组供电维持，因为MOS管M3和MOS管M4导通时电阻为毫欧级，C1，C2在物理上为直接串联的纯电容并联到交流电源L和N端，C1，C2串联的纯电容电路中交流电流i相位超前其两端交流电压v相位90°，其有功功率表示相位角，因此通过电容C1和C2的电流是无功电流，不消耗任何电能。

无论开关电源是工作状态还是关闭状态，零功耗控制器都能够根据需要通过零功耗电压调整电路建立一个稳恒电压源，使零功耗控制器能够将整个开关电源管理起来。

在检测到负载空载时，由零功耗微处理器立即关闭开关电源，使开关电源在完全不耗电的情况下维持原有的输出电压；根据开关电源输出电容空载放电时间常数和空载时对输出电压稳压精度要求，定时定宽启动开关电源为输出电容补充失去的电荷，以维持输出端电压不变，这种方式开关电源停止工作的时间很长，为秒级，而启动为输出电容补充电荷的时间很短，为毫秒级，开关电源基本上处在停止工作状态，故整个开关电源的平均功耗几乎为零，从而实现开关电源空载待机时的零功耗。

本发明还包括由零功耗控制器控制的高压MOS管M0，使高压MOS管M0和开关电源联动；

M0的加入，使本发明零功耗电路保持着Vdd储能电容上的电压，每次启动开关电源时开通M0使高压整流器向开关电源的高压滤波电容充电，高压电容上的电压U(t)＝U^(-t/τ)，τ是RC时间常数，t表示时间，因为开关电源立即启动后，Vdd不必等待充电，开关电源的高压MOS管栅极立即被驱动，而MOS管漏极上的高压需要按上式指数形上升，这就使得开关电源的每次启动都做到真正的软启动，并且能够通过调整RC时间常数来设定软启动相关参数。

所述MOS管M1和M2能够用其他的任何单向导电子器件代替，只要p型半导体和n型半导体的方向与本发明中所叙述的一致或单向导电子器件。

有益效果：本发明的零功耗待机开关电源具有广泛推广应用前景：不仅是为人们节省了不必要的经济浪费，因为每个家庭就有十几到几十个待机还耗电的大小设备，如果全国十几亿人口和世界几十亿人口，社会总量是巨大的。当把所有的设备待机都变成绿色的不浪费电能的设备时，人类可以少建多少个发电厂，少烧多少吨煤和油，可以减少多少二氧化碳排放，可以减少多少安全事故，这是人们盼望已久的。通过这项发明的推广使用相信可以把中国和世界的待机功耗标准推到顶点“0”。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为电阻启动电路示意图。

图2为电容启动电路示意图。

图3为开关电源芯片从内部功率MOSFET的漏级吸收电流对Vdd储能电容充电启动电路示意图。

图4为高压耗尽型场效应管启动电路示意图。

图5为本发明电路图。

图6为本发明另一实施方式电路图。

图7为本发明电路流程图。

图8为安全检测模块工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明包括一个用于控制开关电源的零功耗控制器。

如图6所示，所述零功耗控制器包括电荷耦合电路、零功耗微处理器和零功耗电压调整电路，交流电源输入经电荷耦合电路依次进入零功耗电压调整电路、零功耗微处理器、开关电源状态检测器。

所述电荷耦合电路包括电容C1、C3或者电容C1、C2、C3。

两对MOS管、零功耗电压调整器以及基准电压组成零功耗电压调整电路。

两对MOS管分别为MOS管M1和MOS管M3、MOS管M2和MOS管M4。

所述开关电源包括高压滤波电容。

交流电源的L端通过电容C1与零功耗电压调整电路中的MOS管M1和MOS管M3的接点连接，MOS管M2和MOS管M4的接点空置，

交流电源的N端通过Vdd储能电容C3与零功耗控制器的地线连接；

所述Vdd储能电容C3依次连接二极管D1和开关电源变压器Vdd绕组(T1_Na)。

如图5所示，进一步地，本发明还可以包括电容C2，电容C2一端与交流电源N端连接，另一端连接MOS管M2和MOS管M4的接点。

在只包括电容C1的情况下：

在接通电源时，由于Vdd电压尚未建立，两对MOS管均为截止状态，在交流电的正半周期间，交流电源L端正电荷通过电容C1进入零功耗控制器内MOS管M1的p型有源区和n阱，然后经过Vdd储能电容C3，最后回到交流电源N端，从而向Vdd储能电容C3充电。

在交流电的负半周期间，交流电源L端负电荷通过电容C1进入零功耗控制器内MOS管M3的n型有源区和p阱，然后回到交流电源N端，同时由零功耗控制器内的零功耗电压调整器通过MOS管M3和MOS管M4构成闭环稳压控制。

在包括电容C2的情况下：

在接通电源时，由于Vdd电压尚未建立，两对MOS管均为截止状态，在交流电的正半周期间，交流电源L端正电荷通过电容C1进入零功耗控制器内MOS管M1的p型有源区和n阱，然后经过Vdd储能电容C3、MOS管M4的p阱和n型有源区，最后回到交流电源N端，从而向Vdd储能电容C3充电；

在交流电的负半周期间，交流电源N端正电荷通过电容C2进入零功耗控制器内MOS管M2的p型有源区和n阱，然后经过Vdd储能电容C3、MOS管M3的p阱和n型有源区回到交流电源L端，从而向Vdd储能电容C3充电，同时由零功耗控制器内的零功耗电压调整器通过MOS管M3和MOS管M4构成闭环稳压控制；

当Vdd电压达到零功耗控制器所设定值时，由零功耗控制器发出指令，启动开关电源，开关电源正常启动进入工作状态并向负载供电，同时开关电源变压器Vdd绕组通过二极管D1向Vdd储能电容C3供电，零功耗控制器内的零功耗电压调整器控制MOS管M3和MOS管M4导通，将电容C1、C2与两对MOS管的接点接零功耗控制器电路的地，停止通过电容C1、C2向Vdd储能电容C3充电，Vdd电压靠开关电源Vdd绕组供电维持。

当启动开关电源时，如果开关电源状态检测器检测到供电电压过压或欠压、零功耗控制器中芯片温度过温、电路处于过载或空载状态中任何一项或一项以上异常时，立即通过零功耗微处理器控制开关电源停止工作。

本发明还包括高压MOS管M0，零功耗控制器根据开关电源的工作需要控制M0，将整流器的输出向高压滤波电容C4充电；每次启动开关电源时开通高压MOS管M0，使整流器向开关电源的高压滤波电容充电，则开关电源启动后，开关电源的高压MOS管栅极立即被驱动，从而实现软启动。

实施例1

本发明包括一个用于控制开关电源的零功耗控制器。(如图7所示)

所述零功耗控制器包括电荷耦合电路、零功耗微处理器和零功耗电压调整电路，交流电源输入经电荷耦合电路依次进入零功耗电压调整电路、零功耗微处理器。

如图5所示，从交流电源两端L和N，通过电荷耦合的两个电容C1，C2分别连接到两对MOS管的接点。在接通电源时，由于Vdd电压尚未建立，两对MOS管均为截止状态。在交流电的正半周期间，交流电源L(N)端正电荷通过电容C1→硅芯片内MOS管M1的p型有源区和n阱→Vdd储能电容C3→MOS管M4的p阱和n型有源区最后回到交流电源N(L)，向Vdd储能电容C3充电。在交流电的负半周期间，交流电源N(L)正电荷通过电容C2→硅芯片内MOS管M2的p型有源区和n阱→Vdd储能电容C3→MOS管M3的p阱和n型有源区回到交流电源L(N)，向Vdd储能电容C3充电。

当开关电源正常启动进入工作状态并向负载供电。同时开关电源变压器Vdd绕组(T1_Na)通过外置二极管向Vdd储能电容C3供电。片内的零功耗电压调整器控制MOS管M3和MOS管M4导通，通过将C1，C2与两对MOS管的接点接芯片电路的地，停止通过C1，C2向Vdd储能电容充电。Vdd电压靠开关电源Vdd绕组供电维持。因为MOS管M3和MOS管M4导通时电阻为毫欧级，可以认为C1，C2在物理上为直接串联的纯电容并联到交流电源L和N端。C1，C2串联的纯电容电路中交流电流i相位超前其两端交流电压v相位90°。其有功功率故通过C1和C2的电流是无功电流，不消耗任何电能。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于，交流电电荷输入只使用一个电容C1。交流电源一端L(N)通过电容C1连接到芯片内两对MOS管中的其中一对接点。另一MOS管对接点空置，交流电源的另一端N(L)直接接芯片的地。而开关电源的高压整流只需用一个二极管。如图6所示，本实施例工作流程是在接通电源时，由于Vdd电压尚未建立，两对MOS管均为截止状态。在交流电的正半周期间，交流电源L(N)端正电荷通过电容C1→硅芯片内MOS管M1的p型有源区和n阱→Vdd储能电容C3最后回到交流电源N(L),向Vdd储能电容C3充电。在交流电的负半周期间，交流电源L(N)端负电荷通过电容C1→硅芯片内MOS管M3的n型有源区和p阱回到交流电源N(L)。

当开关电源正常启动进入工作状态并向负载供电，同时开关电源变压器Vdd绕组T1_Na通过外置二极管向Vdd储能电容C3供电，零功耗电压调整器控制MOS管M3和MOS管M4导通，通过将电容C1与两对MOS管其中一对的接点接零功耗控制器电路的地，停止通过电容C1向Vdd储能电容充电，Vdd电压靠开关电源Vdd绕组供电维持，因为MOS管M3和MOS管M4导通时电阻为毫欧级，C1的纯电容电路中交流电流i相位超前其两端交流电压v相位90°，其有功功率表示相位角，因此电容C1中流过的电流是无功电流，不消耗任何电能。

实施例1和实施例2中，对C1(或C1，C2串联)通过控制MOS管M3和MOS管M4截止的方式来开通对C3充电。对C1(或C1，C2串联)通过MOS管M3和MOS管M4导通并联到交流电源两端的方式来断开的C3的充电。这样当芯片内的零功耗控制器控制MOS管M3和MOS管M4从截止转为导通的情况下，M3和M4的漏极电压仅从Vdd(一般在10V-20V左右)下降到0V。或从导通转为截止,漏极电压仅从0V上升到Vdd(一般在10V-20V左右)。因为电压动态范围很小，故就是频繁的工作也不会产生大的开关功耗。这种控制方式不仅优于传统的电阻启动方式(图1)，电容启动方式(图2)，开关电源芯片从内部功率MOSFET的漏级吸收电流对Vdd储能电容充电启动电路(图3)，也优于为节省启动电路耗电而用高压电子器件切断充电回路的方式(图4)。图4中高压管M2由导通转为截止，其漏级动态电压从Vdd(一般在10V-20V)上升到300V。由于这个大动态范围由导通到截止是需要时间的一个斜率，必然发生开关损耗。特别是由于开关电源由于某些原因需要频繁关闭和启动时(如空载时)，损耗更大。

实施例1和实施例2在工作的同时由芯片内的零功耗电压调整器通过MOS管M3，MOS管M4构成闭环稳压控制。当Vdd电压达到芯片内零功耗控制器所设定值时，且芯片内置零功耗微处理器检测未发现过压检测；欠压检测；过载检测和过温检测发生异常。则由零功耗控制器发出指令，启动开关电源。如内置零功耗微处理器检测发现过压检测；欠压检测；过载检测和过温检测有异常，或检测到开关电源输出空载，则按零功耗微处理器流程处理直至进入正常工作状态。

本发明的技术方案还有一个其他开关电源启动方式都不具备的优点，就是传统的开关电源启动方式只能做启动(就是给储能电容充电)，而不能自身建立一个稳恒的电压源。本发明的技术方案不仅可靠地完成开关电源的启动任务，它更重要的特点就是无论开关电源是工作状态还是关闭状态，零功耗控制器都能根据需要通过零功耗电压调整电路建立一个稳恒电压源，使零功耗控制器能将整个开关电源管理起来。在完成开关电源启动后持续工作，使专设零功耗微处理器监测开关电源多项参数，如供电电压的过压和欠压，芯片的过温，负载的过载和空载。如当检测到过压或欠压，过温和过载任何一项或几项异常时，立即通过零功耗微处理器控制开关电源停止工作，确保开关电源系统的安全和省电。在开关电源停止工作的情况下，定时访问监测发生异常的参数。如发现各项参数恢复正常，则立即恢复开关电源正常工作(见图8：微处理器电路流程图)。

本发明方案零功耗启动控制器，利用开关电源输出电解电容很大(一般都在数千微法)，在空载和断开充电时，其上的电压自放电很慢，可以在数十秒甚至更长时间维持电压不变的特性，在检测到负载空载时，由零功耗微处理器立即关闭开关电源。使开关电源在完全不耗电的情况下维持原有的输出电压。根据开关电源输出电容空载放电时间常数和空载时对输出电压稳压精度要求，定时定宽启动开关电源为输出电容补充失去的电荷，以维持输出端电压不变。这种方式开关电源停止工作的时间很长(秒级)，而启动为输出电容补充电荷的时间很短(毫秒级)，开关电源基本上处在停止工作状态，故整个开关电源的平均功耗几乎为零。实现了开关电源空载待机时的零功耗。

为了进一步消除因开关电源高压滤波电容可能存在的漏电造成的功耗(实际上就是正品合格的高压电解电容在百伏以上的电压下都还是存在一定的漏电现象，哪怕是只漏电1uA的电流，在300V的情况下，就损耗了300uW的电能。)，所以在开关电源停止工作时，所以在开关电源停止工作时，本发明技术方案增加通过零功耗控制器控制高压MOS管(图5中的M0，图6中的M0)断开整流输出对高压电解电容供电。在开关电源开启工作时实时接通高压电源。这对于空载待机时实现零功耗和微功耗待机尤为重要。

M0的加入，使本发明技术方案零功耗电路保持着Vdd储能电容上的电压。每次启动开关电源时开通M0使高压整流器向开关电源的高压滤波电容充电，高压电容上的电压U(t)＝U^(-t/τ)，(τ是RC时间常数)。因为开关电源立即启动后(Vdd不必等待充电)，开关电源的高压MOS管栅极立即被驱动。而MOS管漏极上的高压需要按上式指数形上升。这就使得开关电源的每次启动都可以做到真正的软启动。并且可以通过调整RC时间常数来设定软启动相关参数。这也是传统的开关电源的硬开关无法做到的。它们只能在初始驱动时为了使启动变得软一些，只能靠调整栅极驱动脉宽由窄到宽来弥补。

由于不同工艺的需要，本发明的技术方案图5中的MOS管M1和M2可以用其他的任何单向导电子器件代替，只要p型半导体和n型半导体的方向与本技术方案所叙述的一致就可以。

本发明的技术方案适用于各种类型和各种功率的开关电源。比如手机充电器，无论是有线手机充电器或无线手机充电器可以一直插在插座上，当检测到手机时自动充电，电池充满自动断电。不仅是对手机电池断电，防止由于过充损伤电池，同时也断开开关电源芯片和高压整流部分的电，以完全防止因长时间接高压造成的器件老化，电容电解液干枯甚至发热起火等不安全因素。还比如大功率电动车充电器，电动车的充电一般被安排在夜里，如果过冲无论是对铅酸电池还是锂电池都是非常有害，且是很危险的。对于充电器由于是工作在大功率状态，过冲轻者影响充电器寿命，重者造成事故。使用本发明技术方案的零功耗待机开关电源集成电路的充电器，在电池充满后完全切断充电器的电源，既保护了电池，也保护了充电器。还有作为各类电器普遍使用的电源变换器，在主机关掉后，电源变换器还插在插座上时，零功耗集成电路检测到主机关机，使开关电源关闭进入到零功耗待机状态(使开关电源输出电容保持原有输出电压)。当主机打开时，电源变换器立即进入工作状态，向主机输出供电。

本发明还可以广泛用在各类使用交流电的设备上，比如家电中的电视，音响，空调，微波炉等；办公设备中的电脑，传真，打印，复印等以及工业中的各类电器设备。

本发明的零功耗待机开关电源的广泛推广应用：

不仅是为人们节省了不必要的经济浪费，因为每个家庭就有十几到几十个待机还耗电的大小设备，如果全国十几亿人口和世界几十亿人口，社会总量是巨大的。当把所有的设备待机都变成绿色的不浪费电能的设备时，人类可以少建多少个发电厂，少烧多少吨煤和油，可以减少多少二氧化碳排放，可以减少多少安全事故，这是人们盼望已久的。通过这项发明的推广使用相信可以把中国和世界的待机功耗标准推到顶点“0”。

本发明提供了一种实现零功耗待机开关电源集成电路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。