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TW201810906A - 一種用於開關電源系統的控制裝置、及開關電源系統 - Google Patents

一種用於開關電源系統的控制裝置、及開關電源系統 Download PDF

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TW201810906A
TW201810906A TW105133595A TW105133595A TW201810906A TW 201810906 A TW201810906 A TW 201810906A TW 105133595 A TW105133595 A TW 105133595A TW 105133595 A TW105133595 A TW 105133595A TW 201810906 A TW201810906 A TW 201810906A
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TW105133595A
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朱力強
李萌
李卓研
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昂寶電子（上海）有限公司
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Abstract

本發明公開了一種用於開關電源系統的控制裝置、及開關電源系統。該控制裝置包括第一至第四引腳、連接在第一引腳與地之間的鉗位元模組、連接在第一與第二引腳之間的二極體、連接在第二與第三引腳之間的裝置功率開關、連接在第二與第四引腳之間的第一開關。第一引腳通過第一電阻與控制裝置的輸入電壓連接、通過第一電容與地連接、並與開關電源系統中的系統功率開關的閘極連接，第二引腳與系統功率開關的源極連接，第三引腳通過第二電阻與地連接，第四引腳通過第二電容與地連接。在第二電容上的電壓高於欠壓保護電壓閾值時，控制裝置通過控制裝置功率開關導通與關斷來控制系統功率開關導通與關斷，並且通過控制第一開關閉合與斷開來控制第二電容充電與放電。

Description

一種用於開關電源系統的控制裝置、及開關電源系統
本發明涉及電路領域，更具體地涉及一種用於開關電源系統的控制裝置、及開關電源系統。
源極驅動功率開關電源系統因結構簡單、系統啟動快等特點，被廣泛應用於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)照明、手機充電等領域。
第1圖是典型的BUCK-BOOST架構的源極驅動功率開關電源系統的電路圖。在第1圖所示的系統中，交流輸入電壓VAC經過全波整流器BD1整流後，在電容C1上產生電壓Vbulk；脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制器的GATE引腳通過電阻R1與電壓Vbulk連接並通過電容C4與地連接，電阻R1與電容C4一起構成RC充電電路；在電壓Vbulk通過電阻R1對電容C4進行充電的過程中，PWM控制器的GATE引腳處的電壓VGATE逐漸增大；PWM控制器內部存在用以維持電壓VGATE處於高電位的鉗位元電路；當功率開關M1的閘極電壓(即，電壓VGATE)與源極電壓(即，PWM控制器的SW引腳處的電壓VSW)之間的電壓差值高於功率開關M1的導通閾值時，功率開關M1導通並形成源極跟隨器；這時，PWM控制器內部的控制SW引腳到VDD引腳的供電通路的連接與斷開的開關閉合，PWM控制器開始對電容C3充電；當PWM控制器的VDD引腳處的電壓VDD(即，PWM控制器的供電電壓)高於PWM控制器內部設定的欠壓保護電壓閾值時，PWM控制器開始通過SW引腳控制功率開關M1的導通和關斷，同時控制SW引腳到VDD引腳的供電通路的連接與斷開的開關斷開，電壓VDD由輔組繞組L2 提供。
在包括第1圖所示的BUCK-BOOST架構的源極驅動功率開關電源系統在內的各種傳統的源極驅動功率開關電源系統中，都需要諸如，輔組繞組L2之類的額外的供電元器件對諸如，PWM控制器之類的控制裝置進行供電，所以存在成本高、供電效率低等不足。
本發明提供了一種新穎的用於開關電源系統的控制裝置、及開關電源系統。
根據本發明實施例的用於開關電源系統的控制裝置，包括第一引腳、第二引腳、第三引腳、第四引腳、連接在第一引腳與地之間的鉗位元模組、連接在第一引腳與第二引腳之間的二極體、連接在第二引腳與第三引腳之間的裝置功率開關、以及連接在第二引腳與第四引腳之間的第一開關，其中：第一引腳通過第一電阻與控制裝置的輸入電壓連接、通過第一電容與地連接、並且與開關電源系統中的系統功率開關的閘極連接，第二引腳與系統功率開關的源極連接，第三引腳通過第二電阻與地連接，第四引腳通過第二電容與地連接。在控制裝置上電後，第一引腳處的電壓逐漸增大，被鉗位元模組鉗位元，並且在系統功率開關導通時經由第二引腳和第四引腳對所述第二電容充電；在第二電容上的電壓高於控制裝置的欠壓保護電壓閾值時，控制裝置通過控制裝置功率開關的導通與關斷來控制系統功率開關的導通與關斷，並且通過控制第一開關的閉合與斷開來控制第二電容的充電與放電。
根據本發明實施例的用於開關電源系統的控制裝置，包括第一引腳、第二引腳、第三引腳、第四引腳、連接在第一引腳與地之間的鉗位元模組、連接在第一引腳與第二引腳之間的二極體、連接在第一引腳與第四引腳之間的二極體、連接在第二引腳與第三引腳之間的裝置功率開關、以及連接在第二引腳與第四引腳之間的第一開關，其中：第一引腳與開關電源系統中的系統功率開關的閘極連接，第二引腳與系統功率開關 的源極連接，第三引腳通過第二電阻與地連接，第四引腳通過第一電阻與控制裝置的輸入電壓連接、並且通過第一電容與地連接。在控制裝置上電後，第一引腳處的電壓跟隨第四引腳處的電壓逐漸增大，被鉗位元模組鉗位元，並且在系統功率開關導通時經由第二引腳和第四引腳對第一電容充電；在第二電容上的電壓高於控制裝置的欠壓保護電壓閾值時，控制裝置通過控制裝置功率開關的導通與關斷來控制系統功率開關的導通與關斷，並且通過控制第一開關的閉合與斷開來控制第一電容的充電與放電。
根據本發明實施例的開關電源系統，包括如上所述的控制裝置。
在包括根據發明實施例的控制裝置的開關電源系統中，通過控制系統功率開關的導通與關斷來產生對於控制裝置的供電電壓，因此不需增加額外的週邊元器件或變壓器繞組。這使得包括根據本發明實施例的控制裝置的開關電源系統的系統成本低、電源轉換效率高。
BD1‧‧‧全波整流器
Drain‧‧‧汲極電壓
U1‧‧‧鉗位元模組
Tblank‧‧‧遮罩時間
U2‧‧‧驅動模組
Clamp‧‧‧夾鉗
U3‧‧‧偵測模組
FUSE‧‧‧保險絲
U4‧‧‧比較器
VAC‧‧‧交流輸入電壓
RC‧‧‧充電電路
PWM‧‧‧脈波寬度調變
L2‧‧‧輔組繞組
D1、D2、D3‧‧‧二極體
Vref‧‧‧參考電壓
300、500、600‧‧‧控制裝置
R1、R2‧‧‧電阻
C1、C3、C4、C5‧‧‧電容
K1、K2‧‧‧開關
GATE、SW、VDD、CS‧‧‧引腳
M1、M2‧‧‧功率開關
Vbulk、VGATE、VSW、VDD、VCS‧‧‧電壓
通過閱讀以下參照附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的、和優點將會變得更明顯，其中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的特徵。
第1圖是典型的BUCK-BOOST架構的源極驅動功率開關電源系統的電路圖；第2圖是根據本發明實施例的開關電源系統的電路圖；第3圖是根據本發明第一實施例的用於第2圖所示的開關電源系統的控制裝置的電路圖；第4圖是第3圖所示的控制裝置中的PWM信號、CS引腳處的電壓信號、SW引腳處的電壓信號、以及開關K1的控制信號的時序圖；第5圖是根據本發明第二實施例的用於第2圖所示的開關電源系統的控制裝置的電路圖；以及 第6圖是根據本發明第三實施例的用於第2圖所示的開關電源系統的控制裝置的電路圖。
現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明更全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。在圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本發明的實施例的充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本發明的技術方案而沒有所述特定細節中的一個或更多，或者可以採用其它的方法、組元、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本發明的主要技術創意。
鑒於上述情況，本發明提出了一種新穎的用於開關電源系統的控制裝置和控制方法、及開關電源系統。下面，結合附圖詳細描述根據本發明實施例的用於開關電源系統的控制裝置和控制方法、及開關電源系統。
第2圖是根據本發明實施例的開關電源系統的電路圖。結合第1圖和第2圖可以看出，第2圖所示的開關電源系統與第1圖所示的開關電源系統的區別在於，PWM控制器的供電電壓VDD由PWM控制器內部產生，而不需要額外的變壓器繞組。下面將結合第3圖至第5圖，詳細描述用於第2圖所示的開關電源系統的控制原理。
需要說明的是，本發明並不拘泥於BUCK-BOOST架構的開關電源系統，以下描述的控制原理同樣適用於諸如FLY-BUCK、BUCK、以及BOOST之類架構的開關電源系統。所以，第3圖和第5圖中不再示出與開關電源系統的系統架構相關的器件，取而代之的是整流得 到的電壓Vbulk和功率開關M1的汲極電壓Drain。
第3圖是根據本發明第一實施例的用於第2圖所示的開關電源系統的控制裝置的電路圖。如第3圖所示，控制裝置300包括鉗位元模組U1、驅動模組U2、二極體D2、二極體D3、開關K1、以及功率開關M2；控制裝置300的外部連接關係如下：控制裝置300的GATE引腳通過電阻R1與電壓Vbulk連接並通過電容C4與地連接，電阻R1與電容C4一起構成RC充電電路；控制裝置300的GATE引腳還與功率開關M1的閘極連接；控制裝置300的SW引腳與功率開關M1的源極連接；控制裝置300的CS引腳通過電阻R2與地連接；控制裝置300的VDD引腳通過電容C5與地連接。這裡，開關K1是控制裝置300內部的控制SW引腳到VDD引腳的供電通路的連接與斷開的開關，其初始狀態是閉合狀態。
在包括控制裝置300的開關電源系統上電後，電壓Vbulk通過電阻R1對電容C4充電，使得控制裝置300的GATE引腳處的電壓VGATE逐漸增大；控制裝置300內部的鉗位元模組U1維持電壓VGATE的高電位不高於鉗位元電壓；當功率開關M1的閘極電壓(即，電壓VGATE)與源極電壓(即，控制裝置300的SW引腳處的電壓VSW)之間的電壓差值高於功率開關M1的導通閾值時，功率開關M1導通並形成源極跟隨器；這時，由於控制裝置300內部的控制SW引腳到VDD引腳的供電通路的連接與斷開的開關K1是閉合的，所以控制裝置300開始對電容C5充電；當控制裝置300的VDD引腳處的電壓VDD(即，控制裝置300的供電電壓)高於控制裝置300內部設定的欠壓保護電壓閾值時，控制裝置300開始產生PWM信號；驅動模組U2基於PWM信號控制功率開關M2的導通與關斷，從而控制功率開關M1的導通與關斷；開關K1基於PWM信號的反向信號閉合或斷開。
這裡，當PWM信號為高位準時，功率開關M2導通，開關K1斷開；當PWM信號為低位準時，功率開關M2關斷，開關K1閉合；當PWM信號從低位準變為高位準時，功率開關M2從關斷變為導 通，開關K1從閉合變為斷開。為了使在功率開關M2從導通變為關斷時控制裝置300的SW引腳處產生的振鈴電壓的主要電荷被提供給控制裝置300的GATE引腳，在PWM信號從高位準變為低位準時開關K1不會立即從斷開變為閉合而是經過一段遮罩時間之後才會從斷開變為閉合。
第4圖是第3圖所示的控制裝置中的PWM信號、CS引腳處的電壓信號、SW引腳處的電壓信號、以及開關K1的控制信號的時序圖。結合第3圖和第4圖可以看出：
當PWM信號為高位準時，功率開關M2導通，開關K1斷開，控制裝置300的SW引腳處的電壓VSW被功率開關M2下拉至較低位準，即，控制裝置300的CS引腳處的電壓VCS，二極體D2和二極體D3處於關斷狀態，控制裝置300的VDD引腳處的電壓VDD被電容C5保持，控制裝置300的GATE引腳處的電壓VGATE被電容C4保持。此時，由於功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值高於功率開關M1的導通閾值，所以功率開關M1是導通的。
當PWM信號從高位準變為低位準時，功率開關M2關斷，開關K1仍然斷開，控制裝置300的SW引腳處存在因LC諧振產生的較高的振鈴電壓；此時，由於開關K1仍然斷開，振鈴電壓被控制裝置300內部的鉗位元模組U1和SW引腳與GATE引腳之間的二極體D2鉗位元；振鈴電壓對應的多餘電荷流入與控制裝置300的GATE引腳連接的電容C4；振鈴電壓高於鉗位元模組U1的鉗位元電壓的部分被鉗位元模組U1泄放到地，控制裝置300的GATE引腳處的電壓VGATE維持在鉗位元模組U1的鉗位元電壓附近。此時，由於功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值低於功率開關M1的導通閾值，所以功率開關M1是關斷的。
當PWM信號從高位準變為低位準一段時間後，功率開關M2仍然關斷，開關K1閉合，由於控制裝置300的SW引腳處的電壓VSW與控制裝置300的VDD引腳處的電壓VDD之間的電壓差值大於二極 體D3的導通閾值，所以二極體D3導通，控制裝置300的SW引腳處的電壓VSW被二極體D3鉗位元到控制裝置300的VDD引腳處的電壓VDD附近；當控制裝置300的供電電壓(即，電壓VDD)因為對控制裝置300的供電而下降得較低時，功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值高於功率開關M1的導通閾值，功率開關M1導通並形成源極跟隨器；功率開關M1將其閘極電壓VGATE輸送給控制裝置300的VDD引腳，使電壓VDD維持在穩定位準。
具體地，控制裝置300的VDD引腳處的電壓VDD可以由以下等式表示：VDD=V GATE -V GS -V D3
其中，VGATE是控制裝置300的GATE引腳處的電壓並且等於鉗位元模組U1的鉗位元電壓，VGS是功率開關M1的導通閾值，VD3是二極體D3的導通閾值。
在第3圖所示的控制裝置300中，對控制裝置300的供電由控制裝置300內部控制實現，而不需要外部的輔組繞組。為了使控制裝置300的SW引腳處的、在功率開關M2關斷時產生的振鈴電壓的主要電荷被提供給控制裝置300的GATE引腳，在PWM信號從高位準變為低位準時，控制開關K1經過設定的遮罩時間Tblank後閉合。
第5圖是根據本發明第二實施例的用於第2圖所示的開關電源系統的控制裝置的電路圖。如第5圖所示，控制裝置500除了包括鉗位元模組U1、驅動模組U2、二極體D2、二極體D3、開關K1、以及功率開關M2以外，進一步包括開關K2、偵測模組U3、以及比較器U4；控制裝置500的外部連接關係如下：控制裝置500的GATE引腳通過電阻R1與電壓Vbulk連接並通過電容C4與地連接，電阻R1與電容C4一起構成RC充電電路；控制裝置500的GATE引腳還與功率開關M1的閘極連接；控制裝置500的SW引腳與功率開關M1的源極連接；控制裝置500的CS引腳通過電阻R2與地連接；控制裝置500的VDD引腳通過電容C5 與地連接。這裡，開關K1是控制裝置500內部的控制SW引腳到VDD引腳的供電通路的連接與斷開的開關，其初始狀態是閉合狀態；開關K2是控制裝置500內部的控制GATE引腳到VDD引腳的供電的開關，其初始狀態是斷開狀態。
在包括控制裝置500的開關電源系統上電後，電壓Vbulk通過電阻R1對電容C4進行充電，使得控制裝置500的GATE引腳處的電壓VGATE逐漸增大；控制裝置500內部的鉗位元模組U1維持電壓VGATE的高電位不高於鉗位元電壓；當功率開關M1的閘極電壓(即，電壓VGATE)與源極電壓(即，即，控制裝置500的SW引腳處的電壓VSW)之間的電壓差值高於功率開關M1的導通閾值時，功率開關M1導通並形成源極跟隨器；這時，由於控制裝置500內部的控制SW引腳到VDD引腳的供電通路的連接與斷開的開關K1是閉合的，所以控制裝置500開始對電容C5充電；當控制裝置500的VDD引腳處的電壓VDD(即，控制裝置500的供電電壓)高於控制裝置500內部設定的欠壓保護電壓閾值時，控制裝置500開始產生PWM信號；驅動模組U2基於PWM信號控制功率開關M2的導通與關斷，從而控制功率開關M1的導通與關斷；開關K1基於PWM信號的反向信號閉合或斷開。
這裡，當PWM信號為高位準時，功率開關M2導通，開關K1斷開；當PWM信號為低位準時，功率開關M2關斷，開關K1閉合；當PWM信號從低位準變為高位準時，功率開關M2從關斷變為導通，開關K1從閉合變為斷開。為了使在功率開關M2關斷時控制裝置500的SW引腳處產生的振鈴電壓的主要電荷被提供給控制裝置500的GATE引腳，在PWM信號從高位準變為低位準時開關K1不會立即從斷開變為閉合而是經過一段遮罩時間之後才會從斷開變為閉合。
當PWM信號為高位準時，功率開關M2導通，開關K1斷開，控制裝置500的SW引腳處的電壓VSW被功率開關M2下拉至較低位準，即，控制裝置500的CS引腳處的電壓VCS，所以二極體D2和二極 體D3處於關斷狀態，控制裝置500的VDD引腳處的電壓VDD被電容C5保持，控制裝置500的GATE引腳處的電壓VGATE被電容C4保持。此時，由於功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值高於功率開關M1的導通閾值，所以功率開關M1是導通的。
當PWM信號從高位準變為低位準時，功率開關M2關斷，開關K1仍然斷開，控制裝置500的SW引腳處存在因LC諧振產生的較高的振鈴電壓；此時，由於開關K1仍然斷開，振鈴電壓被控制裝置500內部的鉗位元模組U1和SW引腳與GATE引腳之間的二極體D2鉗位元；振鈴電壓對應的多餘電荷流入與控制裝置500的GATE引腳連接的電容C4；偵測模組U3偵測控制裝置500的GATE引腳處的電壓VGATE，並將偵測結果輸出到比較器U4；比較器U4在電壓VGATE高於參考電壓Vref時控制與控制裝置500的VDD引腳連接的開關K2閉合，並在電壓VGATE低於參考電壓Vref時控制與控制裝置500的VDD引腳連接的開關K2斷開，以將振鈴電壓高於參考電壓的部分對應的多餘電荷經由控制裝置500的引腳VDD提供給電容C5，從而提高供電效率；控制裝置500的GATE引腳處的電壓VGATE維持在鉗位元模組U1的鉗位元電壓附近。此時，由於功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值低於功率開關M1的導通閾值，所以功率開關M1是關斷的。這裡，參考電壓Vref可以是大於控制裝置500的VDD引腳處的電壓VDD並且小於鉗位元模組U1的鉗位元電壓的預定電壓。
當PWM信號從高位準變為低位準一段時間後，功率開關M2仍然關斷，開關K1閉合，由於控制裝置500的SW引腳處的電壓VSW與控制裝置500的VDD引腳處的電壓VDD之間的電壓差值大於二極體D3的導通閾值，所以二極體D3導通，控制裝置500的SW引腳處的電壓VSW被二極體D3下拉至控制裝置500的VDD引腳處的電壓VDD附近；當控制裝置500的供電電壓(即，電壓VDD)因為對控制裝置500的供電而下降得較低時，功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的 電壓差值高於功率開關M1的導通閾值，功率開關M1導通並形成源極跟隨器；功率開關M1將其閘極電壓VGATE輸送給控制裝置500的VDD引腳，使電壓VDD維持在穩定位準。
可以看出，結合第3圖至第5圖描述了這樣一種用於開關電源系統的控制裝置(例如，控制裝置300)，包括第一引腳(例如，GATE引腳)、第二引腳(例如，SW引腳)、第三引腳(例如，CS引腳)、第四引腳(例如，VDD引腳)、連接在第一引腳與地之間的鉗位元模組(例如，鉗位元模組U1)、連接在第一引腳與第二引腳之間的二極體(例如，二極體D2)、連接在第二引腳與第三引腳之間的裝置功率開關(例如，功率開關M2)、以及連接在第二引腳與第四引腳之間的第一開關(例如，開關K1)，其中：第一引腳通過第一電阻(例如，電阻R1)與控制裝置的輸入電壓(例如，電壓Vbulk)連接、通過第一電容(例如，電容C4)與地連接、並且與開關電源系統中的系統功率開關(例如，功率開關M1)的閘極連接，第二引腳與系統功率開關的源極連接，第三引腳通過第二電阻(例如，電阻R2)與地連接，第四引腳通過第二電容(例如，電容C5)與地連接。在控制裝置上電後，第一引腳處的電壓(例如，電壓VGATE)逐漸增大，被鉗位元模組鉗位元，並且在系統功率開關導通時經由第二引腳和第四引腳對所述第二電容充電；在第二電容上的電壓高於控制裝置的欠壓保護電壓閾值時，控制裝置通過控制裝置功率開關的導通與關斷來控制系統功率開關的導通與關斷，並且通過控制第一開關的閉合與斷開來控制第二電容的充電與放電。這裡，控制裝置基於第一控制信號(例如，PWM信號)控制裝置功率開關的導通與關斷，並且基於第一控制信號的反向信號控制第一開關的閉合與斷開。
在一些實施例中，控制裝置(例如，控制裝置500)還可以包括連接在第一引腳與第四引腳之間的第二開關(例如，開關K2)、偵測第一引腳處的電壓的偵測模組(例如，偵測模組U3)、以及基於偵測模組偵測到的電壓與預定電壓(例如，參考電壓Vref)的比較結 果生成控制第二開關的閉合與斷開的第二控制信號的比較器(例如，比較器U4)。其中，當偵測模組偵測到的電壓高於預定電壓時，第二控制信號為高位準，第二開關閉合；當偵測模組偵測到的電壓低於預定電壓時，第二控制信號為低位準，第二開關斷開。
第6圖是根據本發明第三實施例的用於第2圖所示的開關電源系統的控制裝置的電路圖。如第6圖所示，控制裝置600除了包括鉗位元模組U1、驅動模組U2、偵測模組U3、比較器U4、二極體D2、二極體D3、開關K1、開關K2、以及功率開關M2以外進一步包括二極體D4；並且控制裝置600的外部連接關係如下：控制裝置600的VDD引腳通過電阻R1與電壓Vbulk連接並通過電容C5與地連接，電阻R1與電容C4一起構成RC充電電路；控制裝置600的GATE引腳與功率開關M1的閘極連接；控制裝置600的SW引腳與功率開關M1的源極連接；控制裝置600的CS引腳通過電阻R2與地連接。這裡，開關K1是控制裝置600內部的控制SW引腳到VDD引腳的供電通路的連接與斷開的開關，其初始狀態是閉合狀態；開關K2是控制裝置600內部的控制GATE引腳到VDD引腳的供電的開關，其初始狀態是斷開狀態。
在包括控制裝置600的開關電源系統上電後，電壓Vbulk通過電阻R1對電容C5進行充電，使得控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD逐漸增大；當控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD(即，控制裝置600的供電電壓)高於控制裝置600內部設定的欠壓保護電壓閾值時，控制裝置600開始產生PWM信號；驅動模組U2基於PWM信號控制功率開關M2的導通與關斷，從而控制功率開關M1的導通與關斷；開關K1基於PWM信號的反向信號閉合或斷開。
這裡，當PWM信號為高位準時，功率開關M2導通，開關K1斷開；當PWM信號為低位準時，功率開關M2關斷，開關K1閉合；當PWM信號從低位準變為高位準時，功率開關M2從關斷變為導通，開關K1從閉合變為斷開。為了使在功率開關M2關斷時控制裝置600 的SW引腳處產生的振鈴電壓的主要電荷被提供給控制裝置600的GATE引腳，在PWM信號從高位準變為低位準時開關K1不會立即從斷開變為閉合而是經過一段遮罩時間之後才會從斷開變為閉合。
在控制裝置600內部，VDD引腳與GATE引腳通過二極體D4連接，在控制裝置600的開機階段其GATE引腳處的電壓VGATE受其VDD引腳處的電壓VDD控制。具體地，電壓VGATE可以由等式VGATE=VDD-D4表示，其中D4表示二極體D4的導通閾值。
當PWM信號為高位準時，功率開關M2導通，開關K1斷開，控制裝置600的SW引腳處的電壓VSW被功率開關M2下拉至較低位準，即，控制裝置600的CS引腳處的電壓VCS。此時，控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD被電容C5保持，控制裝置600的GATE引腳處的電壓VGATE被二極體D4鉗位元到電壓VDD附近，二極體D2和D3處於關斷狀態。由於功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值大於功率開關M1的導通閾值，所以功率開關M1導通。
當PWM信號從高位準變為低位準時，功率開關M2關斷，開關K1仍然斷開，控制裝置600的SW引腳處存在因LC諧振產生的較高的振鈴電壓；此時，由於開關K1仍然斷開，振鈴電壓被控制裝置600內部的鉗位元模組U1和SW引腳與GATE引腳之間的二極體D2鉗位元；振鈴電壓對應的多餘電荷流入與控制裝置600的GATE引腳；偵測模組U3偵測控制裝置600的GATE引腳處的電壓VGATE；比較器U4在控制裝置600的GATE引腳處的電壓VGATE低於參考電壓Vref時，控制與控制裝置600的VDD引腳連接的開關K2斷開，控制裝置600的GATE引腳處的電壓VGATE被二極體D4鉗位元在控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD附近，電容C5放電以對控制裝置600供電；比較器U4在控制裝置600的GATE引腳處的電壓VGATE高於參考電壓Vref時，控制與控制裝置600的VDD引腳連接的開關K2閉合，以將控制裝置600的GATE引腳處的電壓VGATE的電荷引導至控制裝置600的VDD引腳，對電容C5充電， 從而提高供電效率；如果控制裝置600的GATE引腳處的電壓VGATE繼續上升到達更高將被鉗位元模組U1鉗位元到其鉗位元電壓附近。此時，由於功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值低於功率開關M1的導通閾值，所以功率開關M1是關斷的。這裡，參考電壓Vref可以是大於控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD且小於鉗位元模組U1的鉗位元電壓的預定電壓。
當PWM信號從高位準變為低位準一段時間後，功率開關M2仍然關斷，開關K1閉合，當控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD由於對控制裝置600的供電下降得比較低時，控制裝置600的SW引腳處的電壓VSW與控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD之間的電壓差值大於二極體D3的導通閾值，二極體D3導通，控制裝置600的SW引腳處的電壓VSW被二極體D3下拉至控制裝置600的VDD引腳處的電壓VDD附近，功率開關M1的閘極電壓VGATE與源極電壓VSW之間的電壓差值高於功率開關M1的導通閾值，功率開關M1導通並形成源極跟隨器；功率開關M1將其閘極電壓VGATE輸送給控制裝置600的VDD引腳，使電壓VDD維持在穩定位準。
可以看出，結合第6圖描述了這樣一種控制裝置(例如，控制裝置600)，包括第一引腳(例如，GATE引腳)、第二引腳(例如，SW引腳)、第三引腳(例如，CS引腳)、第四引腳(例如，VDD引腳)、連接在第一引腳與地之間的鉗位元模組(例如，鉗位元模組U1)、連接在第一引腳與第二引腳之間的二極體(例如，二極體D2)、連接在第一引腳與第四引腳之間的二極體(例如，二極體D4)、連接在第二引腳與第三引腳之間的裝置功率開關(例如，功率開關M2)、以及連接在第二引腳與第四引腳之間的第一開關(例如，開關K1)，其中：第一引腳與開關電源系統中的系統功率開關(例如，功率開關M1)的閘極連接，第二引腳與系統功率開關的源極連接，第三引腳通過第二電阻(例如，電阻R2)與地連接，第四引腳通過第一電阻(例如，電阻R1) 與控制裝置的輸入電壓連接、並且通過第一電容(例如，電容C5)與地連接。在控制裝置上電後，第一引腳處的電壓跟隨第四引腳處的電壓逐漸增大，被鉗位元模組鉗位元，並且在系統功率開關導通時經由第二引腳和第四引腳對第一電容充電；在第二電容上的電壓高於控制裝置的欠壓保護電壓閾值時，控制裝置通過控制裝置功率開關的導通與關斷來控制系統功率開關的導通與關斷，並且通過控制第一開關的閉合與斷開來控制第一電容的充電與放電。
在一些實施例中，控制裝置(例如，控制裝置600)還可以包括連接在第一引腳與第四引腳之間的第二開關(例如，開關K2)、偵測第一引腳處的電壓的偵測模組(例如，偵測模組U3)、以及基於偵測模組偵測到的電壓與預定電壓(例如，參考電壓Vref)的比較結果生成控制第二開關的閉合與斷開的第二控制信號的比較器(例如，比較器U4)。其中，當偵測模組偵測到的電壓高於預定電壓時，第二控制信號為高位準，第二開關閉合；當偵測模組偵測到的電壓低於預定電壓時，第二控制信號為低位準，第二開關斷開。
在包括第1圖所示的BUCK-BOOST架構的源極驅動功率開關電源系統在內的各種傳統的源極驅動功率開關電源系統中，都需要諸如，輔組繞組L2之類的額外的供電元器件對諸如，PWM控制器之類的控制裝置進行供電，所以存在成本高、供電效率低等不足。
根據本發明實施例的控制裝置可以廣泛適用於採用源極開關控制的電源適配器、手機充電器、以及LED照明等多個開關電源領域。
但是，需要明確，本發明並不局限於上文所描述並在圖中示出的特定配置和處理。並且，為了簡明起見，這裡省略對已知方法技術的詳細描述。在上述實施例中，描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是，本發明的方法過程並不限於所描述和示出的具體步驟，本領域的技術人員可以在領會本發明的精神之後，作出各種改變、修改和添加， 或者改變步驟之間的順序。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
300‧‧‧控制裝置
R1、R2‧‧‧電阻
U1‧‧‧鉗位元模組
M1、M2‧‧‧功率開關
U2‧‧‧驅動模組
D2、D3‧‧‧二極體
K1‧‧‧開關
C4、C5‧‧‧電容
Drain‧‧‧汲極電壓
Vbulk‧‧‧電壓
PWM‧‧‧脈波寬度調變
Clamp‧‧‧夾鉗
GATE、SW、VDD、CS‧‧‧引腳

Claims (11)

  1. 一種用於開關電源系統的控制裝置，包括第一引腳、第二引腳、第三引腳、第四引腳、連接在所述第一引腳與地之間的鉗位元模組、連接在所述第一引腳與所述第二引腳之間的二極體、連接在所述第二引腳與所述第三引腳之間的裝置功率開關、以及連接在所述第二引腳與所述第四引腳之間的第一開關，其中：所述第一引腳通過第一電阻與所述控制裝置的輸入電壓連接、通過第一電容與地連接、並且與所述開關電源系統中的系統功率開關的閘極連接，所述第二引腳與所述系統功率開關的源極連接，第三引腳通過第二電阻與地連接，所述第四引腳通過第二電容與地連接，在所述控制裝置上電後，所述第一引腳處的電壓逐漸增大，被所述鉗位元模組鉗位元，並且在所述系統功率開關導通時經由所述第二引腳和所述第四引腳對所述第二電容充電，在所述第二電容上的電壓高於所述控制裝置的欠壓保護電壓閾值時，所述控制裝置通過控制所述裝置功率開關的導通與關斷來控制所述系統功率開關的導通與關斷，並且通過控制所述第一開關的閉合與斷開來控制所述第二電容的充電與放電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中，所述控制裝置基於第一控制信號控制所述裝置功率開關的導通與關斷，並且基於所述第一控制信號的反向信號控制所述第一開關的閉合與斷開。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的控制裝置，其中，所述第一開關在所述第一控制信號從低位準變為高位準時從閉合變為斷開，並且在所述第一控制信號從高位準變為低位準時經過一段遮罩時間後從斷開變為閉合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，進一步包括連接在所述第一引腳與所述第四引腳之間的第二開關、偵測所述第一引腳處的電壓的偵測模組、以及基於所述偵測模組偵測到的電壓與預定電壓的比較結果生成控制所述第二開關的閉合與斷開的第二控制信號的比較器，其中 當所述偵測模組偵測到的電壓高於所述預定電壓時，所述第二控制信號為高位準，所述第二開關閉合，當所述偵測模組偵測到的電壓低於所述預定電壓時，所述第二控制信號為低位準，所述第二開關斷開。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的控制裝置，其中，所述預定電壓大於所述第四引腳處的電壓且小於所述鉗位元模組的鉗位元電壓。
  6. 一種用於開關電源系統的控制裝置，包括第一引腳、第二引腳、第三引腳、第四引腳、連接在所述第一引腳與地之間的鉗位元模組、連接在所述第一引腳與所述第二引腳之間的二極體、連接在所述第一引腳與所述第四引腳之間的二極體、連接在所述第二引腳與所述第三引腳之間的裝置功率開關、以及連接在所述第二引腳與所述第四引腳之間的第一開關，其中：所述第一引腳與所述開關電源系統中的系統功率開關的閘極連接，所述第二引腳與所述系統功率開關的源極連接，第三引腳通過第二電阻與地連接，所述第四引腳通過第一電阻與所述控制裝置的輸入電壓連接、並且通過第一電容與地連接，在所述控制裝置上電後，所述第一引腳處的電壓跟隨所述第四引腳處的電壓逐漸增大，被所述鉗位元模組鉗位元，並且在所述系統功率開關導通時經由所述第二引腳和所述第四引腳對所述第一電容充電，在所述第二電容上的電壓高於所述控制裝置的欠壓保護電壓閾值時，所述控制裝置通過控制所述裝置功率開關的導通與關斷來控制所述系統功率開關的導通與關斷，並且通過控制所述第一開關的閉合與斷開來控制所述第一電容的充電與放電。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的控制裝置，其中，所述控制裝置基於第一控制信號控制所述裝置功率開關的導通與關斷，並且基於所述第一控制信號的反向信號控制所述第一開關的閉合與斷開。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的控制裝置，其中，所述第一開關在所 述第一控制信號從低位準變為高位準時從閉合變為斷開，並且在所述第一控制信號從高位準變為低位準時經過一段遮罩時間後從斷開變為閉合。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的控制裝置，進一步包括連接在所述第一引腳與所述第四引腳之間的第二開關、偵測所述第一引腳處的電壓的偵測模組、以及基於所述偵測模組偵測到的電壓與預定電壓的比較結果生成控制所述第二開關的閉合與斷開的第二控制信號的比較器，其中當所述偵測模組偵測到的電壓高於所述預定電壓時，所述第二控制信號為高位準，所述第二開關閉合，當所述偵測模組偵測到的電壓低於所述預定電壓時，所述第二控制信號為低位準，所述第二開關斷開。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的控制裝置，其中，所述預定電壓大於所述第四引腳處的電壓且小於所述鉗位元模組的鉗位元電壓。
  11. 一種開關電源系統，包括申請專利範圍第1至10項中任一項所述的控制裝置。
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