本发明的实施例总体上涉及电子硬件和用于操作电子硬件的方法，并且更具体地说，涉及用于开关模式功率转换器的控制器集成电路(ic)装置和用于操作用于开关模式功率转换器的控制器ic装置的方法。
背景技术
开关模式功率转换器使用开关调节器将输入电压转换成期望输出电压。控制器ic可以用于控制开关模式功率转换器的功能。典型地，控制器ic的不同输入/输出节点(例如，引脚)用于不同目的。然而，控制器ic的输入/输出节点的数量可能由于控制器ic的封装要求而受限。
技术实现要素：
描述了一种用于开关模式功率转换器的控制器ic装置以及一种操作开关模式功率转换器的控制器ic装置的方法的实施例。在一个实施例中，一种用于开关模式功率转换器的控制器ic装置包括输入/输出单元和控制器单元，所述输入/输出单元连接至所述控制器ic装置的输入/输出节点。所述输入/输出单元被配置成从所述输入/输出节点接收输入电流并且响应于在所述输入/输出单元处接收到的输入电压而通过所述输入/输出节点输出输出电压。所述控制器单元被配置成响应于从所述输入/输出单元接收到的所述输入电流而控制所述开关模式功率转换器的电压调节并且生成所述输入/输出单元的所述输入电压。还描述了其它实施例。
在实施例中，所述输入/输出单元包括电流镜单元。
在实施例中，所述电流镜单元包括：电流镜电路；晶体管，连接至所述电流镜电路的第一端；以及电阻器，连接至所述电流镜电路的第二端。
在实施例中，所述晶体管连接至所述输入/输出节点并且连接至所述控制器单元，所述输入电压是在所述晶体管的栅极端处从所述控制器单元接收到的，并且所述晶体管被配置成从所述输入/输出节点接收所述输入电流并且响应于所述输入电压而通过所述输入/输出节点输出所述输出电压。
在实施例中，所述晶体管是nmos晶体管。所述nmos晶体管的漏极端连接至所述电流镜电路的所述第一端，并且所述nmos晶体管的源极端连接至所述输入/输出节点。
在实施例中，第一电流从所述电流镜电路的所述第一端输出，第二电流从所述电流镜电路的所述第二端输出，并且所述第二电流与所述第一电流完全相同。
在实施例中，所述电阻器连接至所述控制器单元并且连接至参考电压。
在实施例中，所述控制器ic装置另外包括驱动器电路，所述驱动器电路被配置成响应于由所述输入/输出单元接收到的所述输入电流而生成所述开关模式功率转换器的电压调节器的驱动电压。
在实施例中，所述输入/输出单元被配置成从所述开关模式功率转换器的光耦合器接收所述输入电流，所述光耦合器可连接至所述开关模式功率转换器的输出电压。
在实施例中，所述输出电压指示所述开关模式功率转换器的电压调节状态。
在实施例中，所述输入/输出单元被配置成使用所述输出电压来驱动连接至所述开关模式功率转换器的光耦合器的开关。
在实施例中，一种用于开关模式功率转换器的控制器ic装置包括：电流镜单元，连接至所述控制器ic装置的接触引脚并且被配置成从所述开关模式功率转换器的第一光耦合器接收输入电流，所述第一光耦合器可连接至所述开关模式功率转换器的来自所述接触引脚的输出电压并且响应于在所述电流镜单元处接收到的输入电压而通过所述接触引脚输出指示所述开关模式功率转换器的电压调节状态的输出电压以驱动连接至所述开关模式功率转换器的第二光耦合器的开关；以及控制器单元，被配置成响应于从所述电流镜单元接收到的所述输入电流而控制所述开关模式功率转换器的电压调节并且生成所述电流镜单元的所述输入电压。
在实施例中，所述电流镜单元包括：电流镜电路；晶体管，连接至所述电流镜电路的第一端；以及电阻器，连接至所述电流镜电路的第二端。
在实施例中，所述晶体管连接至所述接触引脚并且连接至所述控制器单元，所述输入电压是在所述晶体管的栅极端处从所述控制器单元接收到的，并且所述晶体管被配置成从所述接触引脚接收所述输入电流并且响应于所述输入电压而通过所述接触引脚输出所述输出电压。
在实施例中，所述晶体管是nmos晶体管，所述nmos晶体管的漏极端连接至所述电流镜电路的所述第一端，并且所述nmos晶体管的源极端连接至所述接触引脚。
在实施例中，第一电流从所述电流镜电路的所述第一端输出，第二电流从所述电流镜电路的所述第二端输出，并且所述第二电流与所述第一电流完全相同。
在实施例中，所述电阻器连接至所述控制器单元并且连接至参考电压。
在实施例中，一种用于操作开关模式功率转换器的控制器集成电路ic装置的方法涉及：从所述控制器ic装置的输入/输出节点接收输入电流；响应于从所述输入/输出节点接收到的所述输入电流而控制所述开关模式功率转换器的电压调节；以及通过所述输入/输出节点输出指示所述开关模式功率转换器的电压调节状态的输出电压。
在实施例中，从所述控制器ic装置的所述输入/输出节点接收所述输入电流涉及：从所述开关模式功率转换器的光耦合器接收所述输入电流，所述光耦合器可连接至所述开关模式功率转换器的输出电压。
在实施例中，所述方法另外涉及：使用所述输出电压来驱动连接至光耦合器的开关。
根据结合附图进行的以下详细说明，本发明的实施例的其它方面和优点将变得明显，所述附图通过本发明的原理的实例的方式得以描绘。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的包括控制器ic装置的开关模式功率转换器的示意性框图。
图2描绘了图1的控制器ic装置的实施例。
图3示出了图2中描绘的控制器ic装置的信号时序图。
图4是示出根据本发明实施例用于操作开关模式功率转换器的控制器ic装置的方法的过程流程图。
在整个说明书中，类似参考号可以用于标识类似元件。
具体实施方式
将容易理解的是，如本文中总体上描述的且在附图中示出的实施例的部件可以被安排和设计成各种不同配置。因此，以下对如附图中表示的各个实施例的详细说明并不旨在限制本公开的范围，而仅仅表示各个实施例。虽然在附图中呈现了实施例的各个方面，但是除非具体指明，附图不一定按比例绘制。
所描述实施例将在所有方面被视为仅仅是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由此详细说明指定。落入权利要求书的等效方案的含义和范围内的所有改变都将涵盖在权利要求书的范围内。
在整个本说明书中对特征、优点或类似语言的提及并不暗示可以使用本发明来实现的所有特征和优点应当处于或处于任何单个实施例中。相反，提及特征和优点的语言被理解成意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中对特征和优点的讨论以及类似语言可以但不一定指代同一实施例。
此外，所描述的本发明特征、优点和特性可以以任何适当的方式组合到一个或多个实施例中。相关领域的技术人员将认识到，鉴于本文中的说明，可以在没有具体实施例的特定特征或优点中的一个或多个的情况下实践本发明。在其它情况下，可以认识到某些实施例中的、可能并不存在于在本发明的所有实施例中的附加特征和优点。
在整个本说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的提及意味着结合所指示实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”以及类似语言可以但不一定全都指代同一实施例。
图1是根据本发明的实施例的包括控制器ic装置106的开关模式功率转换器100的示意性框图。开关模式功率转换器将输入电压转换成期望输出电压。开关模式功率转换器可以用于各种应用中，比如，汽车应用、通信应用、工业应用、医疗应用、计算机应用和/或消费者或电器应用。在图1中描绘的实施例中，开关模式功率转换器包括电源输入滤波器102、功率因数控制器(pfc)104、控制器ic装置106、开关调节器108、第一光耦合器110、第二光耦合器112以及电压调节器114。在一些实施例中，开关模式功率转换器包括在如智能电话、平板计算机、膝上型计算机等计算装置中。尽管开关模式功率转换器在图1中被示出为包括某些电路元件，但是在其它实施例中，开关模式功率转换器可以包括一个或多个额外电路元件。例如，开关模式功率转换器可以包括一个或多个电容器116；一个或多个电阻器118、120、122、124；和/或连接在控制器ic装置与第二光耦合器之间的一个或多个开关126。尽管电阻器118在图1中被示出为连接至5v的正电压，但是在其它实施例中，电阻器118连接至其它适当电压。
电源输入滤波器102被配置成对开关模式功率转换器100的输入信号进行滤波。在其它实施例中，电源输入滤波器102被配置成对从输入端“电源-l”、“电源-n”接收到的输入信号进行滤波以使来自和朝向电源的干扰减少或最小化。
pfc104被配置成控制开关模式功率转换器100的功率因数值。开关模式功率转换器的功率因数值可以被定义为开关模式功率转换器所使用/耗散的实际电功率与向开关模式功率转换器供应的总功率之比。在一些实施例中，pfc被配置成使开关模式功率转换器的功率因数值保持超过/高于阈值。例如，可以在高功率应用(例如，具有超过75w的电功率的应用)中将pfc用于使开关模式功率转换器的功率因数值保持高于最小pf值。
控制器ic装置106被配置成控制开关模式功率转换器100的某些功能。可以在如半导体晶片等基板中实施控制器ic装置。在实施例中，控制器ic装置被封装为半导体ic芯片。控制器ic装置可以被实施为逻辑电路。在图1中描绘的实施例中，控制器ic装置包括输入/输出单元152；控制器单元154；以及输入/输出节点156、158、160。在实施例中，输入/输出节点是控制器ic装置的电气端，比如，控制器ic装置的电气接触焊盘或电气接触引脚。例如，控制器ic装置被封装为ic芯片，并且输入/输出节点156、158、160是ic芯片上的接触引脚。在一些实施例中，输入/输出节点156也被称为电源良好/感测反馈(pgood/snsfb)输入/输出节点；输入/输出节点160也被称为接地(gnd)输入/输出节点；并且输入/输出节点158也被称为驱动器输入/输出节点。尽管控制器ic装置在图1中被示出为包括输入/输出单元和控制器单元，但是在其它实施例中，控制器ic装置可以包括一个或多个附加电路元件。例如，开关模式功率转换器可以包括驱动器电路，该驱动器电路被配置成响应于通过输入/输出节点156接收到的输入电流而生成开关模式功率转换器的开关调节器108的驱动电压。此外，尽管控制器ic装置在图1中被示出为包括输入/输出节点156、158、160，但是在其它实施例中，控制器ic装置可以包括一个或多个附加输入/输出节点。
在图1中描绘的实施例中，输入/输出单元152被配置成从输入/输出节点156接收输入电流并且响应于在输入/输出单元处接收到的输入电压而通过同一输入/输出节点156输出输出电压。通过输入/输出节点156输出的输出电压可以指示开关模式功率转换器的电压调节状态。开关模式功率转换器的电压调节状态可以指定开关模式功率转换器是否适当操作并且将输入电压转换成期望输出电压。例如，通过输入/输出节点156输出的输出电压可以指示开关模式功率转换器100的输出电压vout处于调节中(即，在开关模式功率转换器中被适当调节)。可替换的是，通过输入/输出节点156输出的输出电压可以指示开关模式功率转换器正常操作以生成期望输出电压vout。在另一个例子中，通过输入/输出节点156输出的输出电压可以指示开关模式功率转换器100的输出电压vout将脱离调节(即，未在开关模式功率转换器中被适当调节)。可替换的是，通过输入/输出节点156输出的输出电压可以指示开关模式功率转换器未正常操作以生成期望输出电压vout。在如个人计算机(pc)应用等一些应用中，电源良好信号可以用于指示开关模式功率转换器100的输出电压vout处于调节中。如果开关模式功率转换器例如由于电源输入断开而停止调节输出电压，则开关模式功率转换器经由电源良好(pgood)信号向相应装置提供预警，从而指示开关模式功率装换器的输出电压即将脱离调节。相应设备可以使用预警与输出电压脱离调节之间的时间来存储重要信息或执行其它动作。输入/输出单元可以被另外配置成从可连接至开关模式功率转换器的输出电压vout的第一光耦合器110接收输入电流。在一些实施例中，输入/输出单元被配置成使用输出电压来驱动连接至第二光耦合器112的开关126。输入/输出单元可以在如晶体管和/或电阻器等适当电路元件中实施。在一些实施例中，输入/输出单元被实施为具有拥有可分辨电流的两个分支的电流镜单元。
在图1中描绘的实施例中，控制器单元154被配置成响应于从输入/输出单元152接收到的输入电流而控制开关模式功率转换器100的电压调节并且生成输入/输出单元的输入电压。控制器单元可以在适当的逻辑电路中实施。在一些实施例中，控制器单元被实施为微控制器。在控制器ic装置106的示例性操作中，输入/输出单元将来自pgood/snsfb输入/输出节点156的电流转换成控制器单元的数字信息。控制器单元向输入/输出单元发送反映电源良好状态的电源良好状态信号，输入/输出单元将电源良好状态信号转换成施加到pgood/snsfb输入/输出节点上的电压。
在图1中描绘的实施例中，控制器ic装置106使用输入/输出节点156来接收可以用于控制开关模式功率转换器100的电压调节的输入电流并且输出可以用于指示开关模式功率转换器的电压调节状态的输出电压。因此，控制器ic装置可以将输入/输出节点156用于不同目的。相比于将一个输入/输出节点用于接收输入电流并且将另一个输入/输出节点用于输出输出电压的控制器ic，图1中描绘的控制器ic装置可以减小控制器ic装置所需的输入/输出节点(例如，引脚)的总数。因此，在图1中描绘的控制器ic装置可以用于具有严格封装要求的应用中。
开关调节器108被配置成响应于在电源输入滤波器102处接收到的输入信号或来自控制器ic装置106的驱动信号而生成输出电压vout。在一些实施例中，在电源输入滤波器处接收到的输入信号是交流(ac)信号，并且输出电压vout是直流(dc)电压。在图1中描绘的实施例中，开关调节器将pfc104的输出转换成经调节输出电压。开关调节器可以被实施为谐振转换器、反激式转换器或本领域中熟知的其它类型的开关调节器。在一些实施例中，开关调节器包括至少一个晶体管128、变压器130、和/或二极管132。
第一光耦合器110用于控制将在开关模式功率转换器100中转换的功率，并且用于在开关模式功率转换器的一次侧与开关模式功率转换器的二次侧之间进行电隔离(如通过虚线150表示的)。在图1中描绘的实施例中，第一光耦合器包括发光二极管(led)134和光晶体管136。在一些实施例中，led由误差回路驱动，该误差回路感测和调节开关模式功率转换器的二次侧变量，比如，开关模式功率转换器的输出电压。在这些实施例中，光晶体管136限定控制器ic装置106的输入/输出节点156中的电流水平。例如，由电压调节器114、控制器ic装置、开关调节器108和第一光耦合器形成的调节回路感测期望输出电压与实际输出电压vout之间的差异，并且在电流域(例如，电流信号)中向一次侧(例如，控制器ic装置的输入/输出节点156)发送误差信号。在实施例中，光晶体管136的集电极连接至控制器ic装置106的内部电压源，并且电压源中的电流被感测且用于导出开关模式功率转换器的经转换功率水平。
第二光耦合器112用于在开关模式功率转换器的一次侧与开关模式功率转换器的二次侧之间进行电隔离。在图1中描绘的实施例中，第二光耦合器包括led144和光晶体管146。在一些实施例中，led由例如通过开关126来自控制器ic装置106的电压信号驱动。开关126可以被实施为如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)等具有连接至其源极端的二极管至少一个晶体管，该至少一个晶体管提供充足的电压余量以供光晶体管进行操作。在这些实施例中，光晶体管146响应于来自控制器ic装置的电压信号而设置电源良好信号。例如，当控制器ic装置的输入/输出节点156上的电压信号为逻辑高时，第二光耦合器将电源良好输出信号设置为逻辑低。
电压调节器114被配置成调节或控制开关模式功率转换器100的输出电压vout。在图1中描绘的实施例中，电压调节器114、控制器ic装置106、开关调节器108、以及第一光耦合器110形成调节回路。在示例性操作中，当输出电压vout增大时，通过电压调节器的电流以及通过第一光耦合器的电流增大。在控制器ic装置106的pgood/snsfb输入/输出节点上接收到(例如，由其拉入)的电流是输出电压vout的量度，并且相应地控制器ic装置可以在需要时控制开关调节器以调整输出电压vout。在一些实施例中，电压调节器包括至少一个电容器138、电阻器140、和/或电压调节器142。在一些实施例中，电阻器122是电压调节器114的一部分。
图2描绘了图1的控制器ic装置106的实施例。在图2中描绘的实施例中，控制器ic装置206包括电流镜单元252、控制器单元254、驱动器单元262、pgood/snsfb引脚256、驱动器引脚258、以及接地(gnd)引脚260。电流镜单元可以被配置成从开关模式功率转换器100的可连接至开关模式功率转换器的来自pgood/snsfb引脚256的输出电压vout的第一光耦合器110(图1)接收输入电流并且响应于在电流镜单元处接收到的输入电压而通过pgood/snsfb引脚输出指示开关模式功率转换器的电压调节状态的输出电压以驱动连接至开关模式功率转换器的第二光耦合器112(图1)的晶体管126(图1)。控制器单元可以被配置成响应于从电流镜单元接收到的输入电流而控制开关模式功率转换器的电压调节并且生成电流镜单元的输入电压。驱动器单元可以被配置成响应于由电流镜单元通过pgood/snsfb引脚接收到的输入电流而生成开关模式功率转换器100的开关调节器108的驱动电压。图2中描绘的电流镜单元、控制器单元、pgood/snsfb引脚、驱动器引脚、以及gnd引脚分别是图1中描绘的输入/输出单元152、控制器单元154、以及输入/输出节点156、158、160的实施例。图2中描绘的控制器ic装置是图1中描绘的控制器ic装置的可能实施方式。然而，图1中描绘的控制器ic装置的实施方式可以不同于图2中描绘的控制器ic装置。
在图2中描绘的实施例中，电流镜单元252包括电流镜电路264、连接至电流镜电路的第一端270的n沟道mosfet(nmos)晶体管266、以及连接至电流镜电路的第二端272的电阻器268。电流镜电路可以被实现为本领域中已知的适当电流镜。电流镜电路的示例包括但不限于mosfet电流镜、双极结型晶体管(bjt)电流镜、以及反馈辅助电流镜。第一电流“i1”从电流镜电路的第一端270输出，并且复制(mirror)第一电流i1的第二电流“i2”从电流镜电路的第二端272输出。nmos晶体管包括源极端“s”、栅极端“g”、以及漏极端“d”。在图2中描绘的实施例中，nmos晶体管的源极端s连接至pgood/snsfb引脚256；nmos晶体管的栅极端g连接至控制器单元254；并且nmos晶体管的漏极端d连接至电流镜单元的端270。电阻器连接至控制器单元并且连接至参考电压，比如，接地电压或其它适当电压。nmos晶体管从控制器单元接收参考电压“vref”并且从pgood/snsfb引脚256接收输入电流，并且响应于参考电压vref而通过pgood/snsfb引脚输出输出电压。从pgood/snsfb引脚拉出的电流可以用作开关模式功率转换器100的输出电压vout的量度，而pgood/snsfb引脚处的输出电压可以用于驱动开关126(图1)，该开关126驱动生成电源良好信号的第二光耦合器112(图1)。
在图2中描绘的实施例中，控制器单元254包括处理器278，该处理器278可以是如中央处理单元(cpu)等通用处理器或专用处理器。处理器可以被配置成基于内部电源良好信号(ipowergood)生成待施加到nmos晶体管266上的参考电压vref并且响应于来自电流镜单元252的电压“vpower”而控制驱动单元262以生成开关调节器108的驱动电压。
图3示出了图2中描绘的控制器ic装置206的信号时序图。在时间点“t1”处，控制器单元254的内部电源良好信号(ipowergood)指示开关模式功率转换器100的输出电压vout未(例如，还未)处于调节中(即，未在开关模式功率转换器中被适当调节)。因此，控制器单元将参考电压vref设置处于高水平。高水平被施加在晶体管266的栅极端g处，这将pgood/snsfb引脚256处的电压vsnsfb上拉至高水平。由于pgood/snsfb引脚上的高电压，第二光耦合器112将电源良好信号拉低，从而向负载装置指示开关模式功率转换器的输出电压vout未处于调节中。作为开关模式功率转换器的输出电压vout的量度的从pgood/snsfb引脚拉出的电流经由电流镜电路264复制到电阻器268。电阻器268两端的电压vpower是开关模式功率转换器的输出电压vout的量度。
在时间点“t2”处，控制器单元254的内部电源良好信号(ipowergood)指示开关模式功率转换器100的输出电压vout处于调节中(即，在开关模式功率转换器中被适当调节)。因此，控制器单元将参考电压vref设置处于低水平。低水平被施加在晶体管266的栅极端g处，从而也将pgood/snsfb引脚256处的电压vsnsfb拉至低水平。由于pgood/snsfb引脚上的低电压，第二光耦合器112不导通并且电阻器124将电源良好信号拉高，从而向负载装置指示开关模式功率转换器的输出电压vout处于调节中。保持不变的从pgood/snsfb引脚拉出的电流经由电流镜电路264复制到电阻器268。电阻器268两端的电压vpower仍是开关模式功率转换器的输出电压vout的量度。因此，可以独立于电源良好信号而调节开关模式功率转换器的输出电压vout。当内部电源良好信号(ipowergood)改变值时，pgood/snsfb引脚处的电压vsnsfb经由某个斜率改变值，这在电源良好信号改变值时用于避免由电压调节器114、控制器ic装置、开关调节器108、以及第一光耦合器110形成的调节回路中的干扰。
在时间点“t3”处，控制器单元254的内部电源良好信号(ipowergood)指示开关模式功率转换器100的输出电压vout不再处于调节中。因此，控制器单元将参考电压vref设置处于高水平。该高水平应用于晶体管266的栅极端g处，从而也将pgood/snsfb引脚256处的电压vsnsfb拉至高水平。由于pgood/snsfb引脚上的高电压，第二光耦合器112将电源良好信号拉低，从而向负载装置指示开关模式功率转换器的输出电压vout未处于调节中。作为开关模式功率转换器的输出电压vout的量度的从pgood/snsfb引脚拉出的电流经由电流镜电路264复制到电阻器268。电阻器268两端的电压“vpower”是开关模式功率转换器的输出电压vout的量度。
图4是示出根据本发明实施例用于操作开关模式功率转换器的控制器ic装置的方法的过程流程图。在框402处，从控制器ic装置的输入/输出节点接收输入电流。在框404处，响应于从输入/输出节点接收到的输入电流而控制开关模式功率转换器的电压调节。在框406处，通过输入/输出节点输出指示开关模式功率转换器的电压调节状态的输出电压。控制器ic装置可以与图1中描绘的控制器ic装置106和/或图2中描绘的控制器ic装置206相同或类似。开关模式功率转换器可以与图1中描绘的开关模式功率转换器100相同或类似。输入/输出节点可以与图1中描绘的输入/输出节点156和/或图2中描绘的pgood/snsfb引脚256相同或类似。
虽然以特定顺序示出和描述了本文中的方法的操作，但是可以改变该方法的操作的顺序，使得某些操作可以按相反的顺序执行，或者使得某些操作可以至少部分地与其它操作同时执行。在另一个实施例中，不同操作的指令或子操作可以以间歇性和/或交替的方式实施。
另外，尽管已经描述或描绘的本发明特定实施例包括本文中描述或描绘的若干组件，但是本发明的其它实施例可以包括更少或更多组件以便实施更少或更多特征。
此外，尽管已经描述并描绘了本发明的特定实施例，但是本发明将不限于如此描述和描绘的特定部件形式或安排。本发明的范围将由在此所附权利要求书及其等效物限定。