专利名称：开关电源控制器及其谷底切换方法
技术领域：
本发明涉及集成 电路领域，更具体地说，本发明涉及用于开关电源控制器芯片的功率开关自适应谷底切换模式的实现方式。
背景技术：
由于和传统线性电源相比所具有的多方面优点，诸如更高的效率，更低的待机功耗，更低的成本，更小的体积和更轻的重量，开关电源越来越广泛地应用于各种电子设备中。
图1示出了目前应用最广泛的电流模式开关电源系统的基本原理框图。该系统包含开关功率转换器100、开关电源控制器120以及反馈网络140。开关功率转换器100具有功率输入端口 102和功率输出端口 104。开关功率转换器100与开关电源控制器120之间通过开关控制信号和电流控制信号交互。反馈网络140向开关电源控制器120输入反馈信号。该系统的功能是把从功率输入端口 102输入的交流(AC)电源或直流(DC)电源转换成满足特定规格要求的直流(DC)或交流(AC)电源并从功率输出端口 104输出。图1中的开关功率转换器100 —般包括磁性储能元件(如电感或变压器)、功率开关器件(如功率MOS开关或功率三极管开关)、功率二极管和滤波电容等。功率开关器件受到开关控制信号的控制，周期性地导通或关断。其中，开关控制信号一般是脉宽被调制 (PWM)或频率被调制(PFM)的脉冲信号，也可能是PWM，PFM的混合调制信号。开关控制信号的脉冲宽度决定功率开关在一个周期内的导通时间，它和开关频率一起控制功率输入端口传递到功率输出端口的功率，即输出功率。在本说明书的上下文中，把开关控制信号统称为PWM信号。以AC-DC电流模式开关电源系统为例，为了能够在不同的负载条件下都能获得恒定的电压输出，则需要根据输出负载的大小来实时调节开关控制信号的频率和(或)脉冲宽度，进而控制输出功率的大小。如图1所示，反馈网络140从输出功率信号取样，并且产生反馈信号输入到开关电源控制器。同时，由开关功率转换器100输出的电流控制信号也输入到开关电源控制器120中。在反馈信号和电流控制信号的共同作用下，开关控制信号的脉冲宽度或(和)频率被调制，从而得到与输出负载相匹配的输出功率。为了能够更清楚地描述电流模式开关电源的工作原理，图2示例了一种传统的反激式(Flyback)开关电源系统及其控制芯片简图。参照图2所示，这种反激式(Flyback) 开关电源系统广泛应用于输入与输出间需要隔离的电子设备中，例如AC-DC或DC-DC适配器、便携式电子设备(如手机等)的充电器、LED驱动器等。图2中的开关电源系统包括 开关功率转换器200，开关电源控制器芯片220，反馈网络240，输入EMI滤波器260，输入整流器(Rectifier) 280，启动电阻Rl，Buck电容Cl，芯片供电整流二极管Dl，芯片电源退耦电容C2，电流控制信号的感应电阻Rs以及输出负载&。图2虚框中的反激式开关功率转换器(flyback converter) 200包括一个隔离变压器TX，一个功率整流二极管D2，一个滤波电容C3和一个功率开关SW。变压器初级侧线圈PRE的一端与LINE电压相连，另一端和一个功率开关SW相连，其中LINE电压是交流输入电压经过EMI滤波器260，桥式整流器280整流后的电压。功率开关SW的另一端通过电阻 Rs连接到地(GND)。电阻Rs的作用是把变压器TX初级侧线圈PRE的电流信号转换成电压信号，并把它输入到开关电源控制器芯片220作为电流控制信号。当开关SW导通时，LINE 电压施加在变压器TX的初级侧，变压器TX初级侧线圈PRE的电流开始线性增长，变压器处于储能阶段；当开关SW断开时，初级侧存储的能量被转移到次级侧线圈SEC，进而传递到输出负载。反激式开关功率转换器(flybackconverter)包括两种工作模式非连续式(DCM) 和连续式(CCM)。其中，DCM模式指，功率开关导通期间初级侧线圈PRE存储的能量将在功率开关截止期间全部转移到变压器次级侧的负载；而CCM模式中，功率开关截止期间，变压 器初级侧线圈PRE的能量只有部分转移到次级侧的输出负载。为了确保在负载&变化的情况下，输出电压仍然可以在可控的条件下保持恒定， 需要对输出电压取样。取样的输出电压经过反馈网络240产生反馈信号Sfb输入到开关电源控制器芯片220。该信号与初级侧的电流控制信号经过开关电源控制器芯片220的处理， 产生控制功率开关的信号VeATE。图2中的开关电源控制器芯片220的主要模块有UVL0(under voltage lockout, 欠压锁定)电路221，LD0(lOW dropout regulator，低压差线性稳压器)222，测试控制器 223，时钟发生器224，PWM信号发生器225，功率开关驱动器226，参考源227，PWM比较器 228和反馈信号处理器229。该芯片220基本工作原理是反馈信号Sfb经过反馈信号处理器229的处理，产生两个信号SFM，Vth0其中，Vth信号作为PWM比较器228的动态参考阈值与由CS引脚输入的Vcs信号比较，PWM比较器228的输出Cent信号被输入到PWM信号发生器225去控制PWM信号的关断；Sfm信号输入到时钟发生器224，被用来控制时钟CLK的频率，进而控制PWM信号的频率。图3所示的是控制器芯片的时序图。功率开关控制信号VeATE与PWM信号的相位和脉宽完全相同，不同的是脉冲的幅度和驱动能力。图3所描述的功率开关控制信号VeATE的产生过程如下1.时钟信号的下降沿触发PWM信号变高，这时功率开关开始导通，由于Rs和功率开关的串联电阻很小，Vd电压近似为零；2.功率开关的导通导致变压器初级侧线圈电流线性增大，进而导致Vcs信号线性增加；3.当Vcs信号的幅度达到PWM比较器阈值Vth的幅度时，PWM比较器发生翻转，这时PWM信号变低，进而导致功率开关截止；4.功率开关截止导致Vcs信号归零，PWM比较器翻转；5.功率开关截止之后变压器初级侧线圈电流变为零，磁场能量通过次级侧线圈对输出滤波电容C3充电，充电电流如图3中Id所示，此过程次级侧线圈电压为二极管的导通电压与输出电压之和，而Vd电压是输入的线电压与次级侧线圈电压按照初次级线圈匝数比映射到初级侧的电压之和；6.如果功率转换器工作在DCM模式下，那么当退磁完成后，即Id变为零后，Vd电压将根据由变压器初级侧的励磁电感和Vd点到地的寄生电容Cp所决定的频率进行震荡直到下一次时钟信号下降沿的到来。
反激式(Flyback)开关电源变换器主要有两种典型的反馈方式一种是变压器次级侧反馈；另一种是变压器初级侧反馈。对于变压器次级侧反馈，反馈网络，误差放大器和补偿网络都在变压器的次级侧，反馈信号通过电隔离器件光耦传递到初级。图4是一个典型的变压器次级侧反馈的反激式(Flyback)开关电源系统，在该系统中由变压器辅助线圈 AUX为开关电源控制芯片220供电，输出电压(DC out)通过隔离反馈补偿网络210转化为反馈电流输入开关电源控制芯片220的FB管脚。变压器原边电流通过Rs电阻转化为电压输入CS管脚，开关电源控制芯片220根据反馈电流的大小和CS管脚的电压来调节PWM信号的占空比，并且在GATE管脚输出一个与PWM信号相同的方波来控制功率开关SW。由于功率开关SW导通，存储在寄生电容Cp上的电荷通过功率开关释放，造成能量损失，该损失在一个周期内的平均值是
权利要求
1.一种开关电源控制器，用于一开关电源系统，该开关电源系统包括一开关功率转换器，该开关功率转换器包含一功率开关，用以控制该开关功率转换器初级侧的一第一电压， 该开关电源控制器包括时钟发生器，产生一第一时钟信号；反馈信号处理器，依据与该第一电压关联的反馈信号产生一指示信号，该指示信号指示该第一电压的震荡信息；谷底预测器，根据该指示信号产生预测该第一电压的谷底时刻的预测信号； 谷底时钟发生器，在该第一时钟信号的一边沿后的第一个预测信号处触发一第二时钟信号的一边沿，使该第二时钟信号的该边沿与该第一电压的谷底时刻同步；以及脉冲宽度调制器，利用该第二时钟信号触发一脉冲宽度调制信号，该脉冲宽度调制信号用以控制该功率开关的导通和截止。
2.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，该预测信号为脉冲信号。
3.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，该谷底预测器包括 比较器，比较该指示信号与一阈值电流并产生一比较信号；延迟电路，根据该比较信号产生该脉冲信号，该脉冲信号相对于该比较信号具有一延迟时间。
4.如权利要求3所述的开关电源控制器，其特征在于，该延迟电路包含一开关、一电流源以及一电容，该开关的控制端连接该比较器的输出端，该电流源连接该开关的一端，该开关的另一端接地，该电容连接于该开关的该一端与地之间。
5.如权利要求4所述的开关电源控制器，其特征在于，该电流源包含一电阻，该电流源的电流大小由该电阻决定。
6.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，该谷底时钟发生器包括 时钟预处理电路，根据该第一时钟信号的两边沿分别产生一窗口信号和一同步信号； 延迟检测电路，检测出该窗口信号的上升沿与其窗口内部第一个预测信号之间的延迟时间，并输出代表该延迟时间的第一差异信号；脉冲搬移电路，根据该同步信号的时刻和该第一差异信号的脉冲宽度得到第二差异信号；或门，输入该第一差异信号和该第二差异信号；以及触发器，连接该或门的输出端，根据该第一差异信号和该第二差异信号触发产生该第二时钟信号。
7.—种功率开关的谷底切换方法，用于一开关电源系统，该开关电源系统包括一开关功率转换器，该开关功率转换器包含一功率开关，用以控制该开关功率转换器初级侧的一第一电压，该方法包括以下步骤提供一第一时钟信号； 获得一与该第一电压关联的反馈信号； 根据该反馈信号产生指示该第一电压的震荡信息的指示信号； 根据该指示信号产生预测该第一电压的谷底时刻的预测信号； 在该第一时钟信号的一边沿后的第一个预测信号处触发一第二时钟信号的一边沿，使该第二时钟信号的该边沿与该第一电压的谷底时刻同步；使用该第二时钟信号触发一脉冲宽 度调制信号，该脉冲宽度调制信号用以控制该功率开关的导通和截止。
全文摘要
本发明涉及一种开关电源控制器及其谷底切换方法，用于一开关电源系统，该开关电源系统包括一开关功率转换器，该开关功率转换器包含一功率开关，用以控制该开关功率转换器初级侧的一第一电压。在该开关电源控制器中，一反馈信号处理器依据与该第一电压关联的反馈信号产生一指示信号，该指示信号指示该第一电压的震荡信息；一谷底预测器根据该指示信号产生预测该第一电压的谷底时刻的预测信号；一谷底时钟发生器在该第一时钟信号的一边沿后的第一个预测信号处触发一第二时钟信号的一边沿，使该第二时钟信号的该边沿与该第一电压的谷底时刻同步；一脉冲宽度调制器利用该第二时钟信号触发一脉冲宽度调制信号，以控制该功率开关的导通和截止。
文档编号H02M3/335GK102185482SQ20111009158
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者吴一一, 朱臻, 杨彪, 沈国平, 王为, 王多慧, 黄剑锋 申请人:聚辰半导体(上海)有限公司