非对称半桥反激式开关电源及其控制芯片的制作方法

1.本实用新型实施例涉及集成电路领域，尤其涉及一种非对称半桥反激式开关电源及其控制芯片。


背景技术：

2.随着电子技术的不断发展，电子产品的体积越来越小，尤其是在电源领域提出了高功率密度、小型化的需求。传统的反激式开关电源，在高频模式下，由于频率升高、开关损耗增大，会导致开关电源中的金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)的温升很高，进而导致系统效率变差。
3.在现有技术中，通过选用具有更低导通电阻(rdson)的mosfet或者选用氮化镓场效应晶体管(ganfet)来提升系统效率，然而，这会导致电源成本增加，且不利于产品的升级。


技术实现要素：

4.第一方面，本实用新型实施例提供了一种用于非对称半桥反激式开关电源的控制芯片，其特征在于，包括：第一驱动引脚，用于输出第一驱动信号，所述第一驱动信号用于驱动所述非对称半桥反激式开关电源中的双极结型晶体管的导通与关断；第二驱动引脚，用于输出第二驱动信号，所述第二驱动信号用于驱动所述非对称半桥反激式开关电源中的金属氧化物半导体晶体管的导通与关断；退磁检测引脚，用于接收表征所述非对称半桥反激式开关电源中的功率变压器的退磁情况的退磁检测信号和表征所述功率变压器的源边绕组和所述非对称半桥反激式开关电源中的谐振电容的谐振情况的谐振检测信号；输出反馈引脚，用于接收表征所述非对称半桥反激式开关电源的输出电压的输出反馈信号；以及主功率环电流检测引脚，用于接收表征所述非对称半桥反激式开关电源的主功率环路电流的电流检测信号。
5.第二方面，本实用新型实施例提供了一种非对称半桥反激式开关电源，其特征在于，包括双极结型晶体管、金属氧化物半导体晶体管、驱动变压器、以及如第一方面所述的控制芯片。
6.本实用新型实施例提供的非对称半桥反激式开关电源及其控制芯片，能够对双极结型晶体管和金属氧化物半导体晶体管二者进行驱动，具有结构简单，安全高效的特点，可以有效地提升系统效率，并降低成本。
附图说明
7.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
8.图1示出了本实用新型一个实施例提供的用于非对称半桥反激式开关电源的控制
芯片的引脚示意图；
9.图2示出了本实用新型一个实施例提供的非对称半桥反激式开关电源的结构示意图；以及
10.图3示出了本实用新型一个实施例提供的控制芯片的内部模块的示意图。
具体实施方式
11.下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型，并不被配置为限定本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。
12.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
13.为了解决现有技术问题中的一者或多者，本实用新型实施例提供了一种非对称半桥反激式开关电源及其控制芯片。下面首先对本实用新型一个实施例提供的用于非对称半桥反激式开关电源的控制芯片进行介绍。
14.图1示出了本实用新型一个实施例提供的用于非对称半桥反激式开关电源的控制芯片的引脚示意图。如图1所示，该控制芯片100的引脚可以包括：第一驱动引脚tx1、第二驱动引脚tx2、供电引脚vdd、退磁检测引脚dem、主功率环电流检测引脚cs、设置死区时间引脚sdt、输出反馈引脚fb以及接地引脚gnd等。
15.应注意的是，该控制芯片的引脚数量不限于8个，例如，引脚数量可以大于8个，图1所示引脚结构仅作为示例提供，而不应当被解释为限制性的。
16.为了更好地理解本实用新型实施例提供的控制芯片，以下对包括该控制芯片的非对称半桥反激式开关电源进行介绍。具体地，参见图2，图2示出了本实用新型一个实施例提供的非对称半桥反激式开关电源的结构示意图。
17.作为一个示例，该非对称半桥反激式开关电源主要包括整流电路或被动功率因数校正(power factor correction，pfc)升压电路或主动pfc升压电路210、控制芯片100、驱动变压器t1、功率变压器t2、双极结型晶体管(bjt)q1(以下称为上管q1)以及金属氧化物半导体晶体管(mos)m1(以下称为下管m1)等。
18.如图2所示，第一驱动引脚tx1可以用于输出第一驱动信号，该第一驱动信号可以用于驱动上管q1的导通与关断。具体地，第一驱动引脚tx1可以连接至驱动变压器t1的t1a绕组的一端(如虚线
①
所示)，t1a绕组的另一端可以接地，t1b绕组的一端可以连接至上管q1的基极，另一端可以连接至上管q1的发射极，q1的集电极可以连接至bulk电容的第一极
板，bulk电容的第二极板可以接地，使得第一驱动引脚tx1可以经由驱动变压器t1来驱动上管q1的导通与关断。
19.作为一个示例，第一驱动引脚tx1可以用于输出脉冲信号以控制上管q1的导通。当上管q1导通之后，第一驱动引脚tx1的输出信号可以变为hi-z状态。上管q1的基极电流可以由绕组t1b和t1c的耦合来提供。具体地，当第一驱动引脚tx1输出低电平时，上管q1可以从导通状态变为关断状态。
20.作为一个示例，第一驱动引脚tx1的输出信号可以有三种状态：高电平、hi-z以及低电平，用于驱动上管q1的导通与关断。
21.如图2所示，第二驱动引脚tx2可以用于输出第二驱动信号，该第二驱动信号可以用于控制下管m1的导通与关断。具体地，第二驱动引脚tx2可以连接至下管m1的栅极(如虚线
②
所示)，下管m1的漏极可以连接至上管q1的发射极，下管m1的源极可以经由电阻r4接地，使得第二驱动引脚tx2可以直接驱动下管m1的导通与关断。
22.作为一个示例，第二驱动引脚tx2的输出信号可以有两种状态：高电平和低电平，用于控制下管m1的导通与关断。
23.综上，第一驱动信号可以经由驱动变压器t1的三个绕组t1a、t1b和t1c之间的互感，来控制上管q1的导通和关断。第二驱动信号可以被直接提供至下管m1的栅极，以直接控制下管m1的导通与关断。
24.作为一个示例，供电引脚vdd可以用于接收来自功率变压器t2的辅助绕组t2aux的供电。
25.如图2所示，辅助绕组t2aux的第一端可以连接至整流模块(包括二极管d1和电容c1)的第一端，辅助绕组t2aux的第一端还可以经由电阻r1和r2接地，辅助绕组t2aux的第二端可以连接至整流模块的第二端，整流模块的第三端可以连接至供电引脚vdd(如虚线
③
所示)。可见，辅助绕组t2aux上的绕组电压vaux在经过整流模块的整流和滤波之后，可以得到稳定的直流电压。因此，供电引脚vdd可以用于接收来自功率变压器t2的辅助绕组t2aux的供电。
26.作为一个示例，退磁检测引脚dem可以连接至对aux波形的分压检测电阻上(例如，电阻r1和r2的公共端)(如虚线
④
所示)，退磁检测引脚dem可以用于接收表征功率变压器t2的退磁情况的退磁检测信号和表征功率变压器t2的源边绕组t2p和谐振电容cr的谐振情况的谐振检测信号。
27.具体地，在控制芯片100的内部可以内置有退磁检测模块(这将在下面进行介绍)，例如，当上管q1关断状态并且下管m1处于导通状态时，存储在功率变压器t2和谐振电容cr中的能量往二次侧传递，可以通过上述退磁检测模块来检测功率变压器t2的辅助绕组t2aux上的绕组电压vaux的负斜率来得到表征退磁完成的信息，从而可以控制下管m1从导通状态变为关断状态。
28.当退磁完成之后，上管q1和下管m1都处于关断状态，功率变压器t2的源边绕组t2p的电感和谐振电容cr发生谐振，可以通过利用功率变压器t2的辅助绕组t2aux和源边绕组t2p之间的耦合关系，间接地检测谐振波形，以为后续驱动控制做准备。
29.作为进一步示例，退磁检测引脚dem还可以用于接收表征非对称半桥反激式开关电源的输入电压vbulk的输入表征信号。
30.具体地，当上管q1导通时，可以利用功率变压器t2的辅助绕组t2aux和源边绕组t2p之间的耦合关系，间接地检测功率变压器t2的源边绕组t2p两端的电压，该电压跟随bulk电容上的电压vbulk的变化而变化，因而可以间接地反映输入电压。
31.作为进一步示例，退磁检测引脚dem还用于接收表征非对称半桥反激式开关电源的输出电压的输出表征信号。
32.具体地，当下管m1导通时，退磁检测引脚dem可以间接地检测到输出电压，实现输出过压(ovp)、欠压(uvp)保护。
33.作为一个示例，接地引脚gnd可以连接至系统地(如虚线
⑤
所示)，作为控制芯片的参考地。
34.作为一个示例，输出反馈引脚fb可以连接至光耦(如虚线
⑥
所示)，用于接收表征非对称半桥反激式开关电源的输出电压的输出反馈信号，即，接收次级输出采样的反馈信号。
35.作为一个示例，设置死区时间引脚sdt可以通过电阻r3连接至参考地(如虚线
⑦
所示)，并且可以用于输出第一驱动信号和第二驱动信号之间的死区时间。
36.作为一个示例，主功率环电流检测引脚cs可以连接至下管m1与电阻r4的公共端(即，下管m1的源极)(如虚线
⑧
所示)，用作电流采样引脚，可以用于接收非对称半桥反激式开关电源的主功率环路电流的电流检测信号，具体地，可以用于检测在上管q1导通时，流过上管q1、功率变压器t2p、谐振电容cr的主功率环路电流。
37.为了更好地理解本实用新型实施例提供的控制芯片，以下通过具体示例的方式对控制芯片内部的多个模块进行详细介绍。具体地，参见图3，图3示出了本实用新型一个实施例提供的控制芯片的内部模块的示意图。
38.如图3所示，在一些实施例中，控制芯片100可以包括芯片供电模块102、退磁检测模块104、谐振波形检测模块106、控制模块108、脉宽调制生成器模块110、第一驱动模块112、以及第二驱动模块114等。
39.作为一个示例，芯片供电模块102的第一端可以连接到供电引脚vdd，第二端可以连接到控制模块108、脉宽调制生成器模块110、第一驱动模块112、以及第二驱动模块114的供电接收端，以用于为控制模块108、脉宽调制生成器模块110、第一驱动模块112、以及第二驱动模块114进行供电。
40.作为一个示例，退磁检测模块104的第一端可以连接到退磁检测引脚dem，第二端可以连接到控制模块108的第一端。
41.作为一个示例，谐振波形检测模块106的第一端可以连接到退磁检测引脚dem，第二端可以连接到控制模块108的第二端。
42.作为一个示例，控制模块108的第三端、第四端、和第五端可以分别连接到输出反馈引脚fb、主功率环电流检测引脚cs、和脉宽调制生成器模块110的第一端。
43.作为一个示例，脉宽调制生成器模块110的第二端和第三端可以分别连接到第一驱动模块112的第一端和第二驱动模块114的第一端。
44.作为一个示例，第一驱动模块112的第二端可以连接到第一驱动引脚tx1。
45.作为一个示例，第二驱动模块114的第二端可以连接到第二驱动引脚tx2。
46.作为进一步示例，如图3所示，控制芯片100还可以包括输入电压检测模块116，其
中，输入电压检测模块116的第一端可以连接到退磁检测引脚dem，第二端可以连接到控制模块108的第六端。
47.作为进一步示例，如图3所示，控制芯片100还可以包括输出电压检测模块118，其中，输出电压检测模块118的第一端可以连接到退磁检测引脚dem，第二端可以连接到控制模块108的第七端。
48.作为进一步示例，如图3所示，控制芯片100还可以包括死区设置模块120，其中，死区设置模块120的第一端可以连接到设置死区时间引脚sdt，第二端可以连接到控制模块108的第八端。
49.结合图2和图3，以下对控制芯片100中包括的各个模块的具体功能进行详细介绍。
50.作为一个示例，芯片供电模块102可以接收外部供电，以用于为控制芯片100的内部模块进行供电。
51.作为一个示例，当上管q1处于关断状态且下管m1处于导通状态时，存储在功率变压器t2和谐振电容cr中的能量往功率变压器t2的副边绕组t2s传递，退磁检测模块104可以通过检测功率变压器t2的辅助绕组t2aux上的绕组电压vaux的负斜率来得到退磁完成信息，从而可以控制下管m1从导通状态变为关断状态。
52.作为一个示例，当上管q1和下管m1均处于关断状态时，功率变压器t2的源边绕组t2p和谐振电容cr发生谐振，谐振波形检测模块106可以利用功率变压器t2的辅助绕组t2aux和源边绕组t2p之间的耦合关系，间接地检测谐振波形，以为后续驱动控制做准备。
53.作为一个示例，控制模块108可以接收来自退磁检测模块104、谐振波形检测模块106、输入电压检测模块116、输出电压检测模块118、死区设置模块120、主功率环电流检测引脚cs以及输出反馈引脚fb中的一者或多者的信号，并通过对这些信号进行处理来输出控制信号。
54.作为一个示例，脉宽调制生成器模块110可以接收来自控制模块108的控制信号，并通过对该控制信号进行处理以分别向第一和第二驱动模块112和114输出第一和第二脉宽调制信号。
55.作为一个示例，第一驱动模块112可以接收第一脉宽调制信号，并基于第一脉宽调制信号输出第一驱动信号。
56.作为一个示例，第二驱动模块114可以接收第二脉宽调制信号，并基于第二脉宽调制信号输出第二驱动信号。
57.作为一个示例，在上管q1处于导通状态且下管m1处于关断状态时，输入电压检测模块116可以利用功率变压器t2的辅助绕组t2aux和源边绕组t2p之间的耦合关系，间接地检测功率变压器t2的源边绕组t2p两端的电压，该电压跟随bulk电容上的电压vbulk的变化而变化，因而可以间接地反映输入电压。
58.作为一个示例，当上管q1处于关断状态且下管m1处于导通状态时，输出电压检测模块118可以利用功率变压器t2的辅助绕组t2aux和副边绕组t2s之间的耦合关系，间接地检测输出电压vout，以实现输出电压vout的过压保护和欠压保护。
59.作为一个示例，设置死区时间引脚sdt可以外接电阻r3到地，死区设置模块120可以用于设置第一和第二驱动信号之间的死区时间。
60.由于mos管可以由电压进行驱动，因此，本实用新型实施例提供的非对称半桥反激
式开关电源中的下管通过采用mos管，使得控制芯片为上管bjt管q1提供电流驱动，为下管mos管m1提供电压驱动。
61.具体地，本实用新型通过控制流入驱动变压器t1中的电流来控制使用bjt管q1作为上管开关，和电压直接驱动mos管m1作为下管开关的自激振荡变换器，可以实现上管q1和下管m1的零电压开启(zvs)，具有效率高、成本低以及抗干扰性好等的益处，有效地提升了系统效率和可靠性，有利于使得开关电源向小型化方向发展。
62.此外，半桥谐振架构通过利用谐振电流可以实现功率开关管的零电压开启(zvs)，反激架构适合宽电压范围应用，通过将双极结型晶体管(bjt)和mosfet作为主功率开关又有低成本的优势，三者结合，既可以适合宽电压范围应用，又可以控制功率开关管的零电压开启(zvs)，实现低成本高效率。
63.基于以上优点，本实用新型实施例提供了一种非对称半桥反激式开关电源及其控制芯片，通过控制流入驱动变压器t1中的电流来控制使用双极结型晶体管(bjt)和直接电压驱动的mosfet作为开关的自激振荡变换器，实现双极结型晶体管(bjt)和mosfet开关管两者的零电压开启(zvs)，具有结构简单，安全高效的特点，可以有效地提升系统效率，并降低成本。
64.作为一个示例，上管可以采用npn bjt功率晶体管，并且该上管可以采用基极电流的驱动控制方式，以及下管可以采用mosfet功率晶体管，并且该下管可以采用直接栅极电压的驱动控制方式。在一些实施例中，mosfet可以包括n型mosfet，它可以是vdmos、cool mosfet、sj mosfet或gan mosfet等。
65.需要明确的是，本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本实用新型的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本实用新型的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
66.以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本实用新型的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
67.还需要说明的是，本实用新型中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本实用新型不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
68.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等
效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。