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CN108023482A - 电源设备 - Google Patents

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CN108023482A
CN108023482A CN201711012266.8A CN201711012266A CN108023482A CN 108023482 A CN108023482 A CN 108023482A CN 201711012266 A CN201711012266 A CN 201711012266A CN 108023482 A CN108023482 A CN 108023482A
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CN
China
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power
switch
electrode
supply device
power switch
Prior art date
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CN201711012266.8A
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Inventor
金泰星
梁承旭
朴仁琪
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QUICK KOREA SEMICONDUCTOR CO Ltd
Fairchild Korea Semiconductor Ltd
Original Assignee
QUICK KOREA SEMICONDUCTOR CO Ltd
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Abstract

本发明涉及电源设备。本发明公开了一种包括根据栅极电压进行切换的电源开关的电源设备。感测电阻器接收流过电源开关的开关电流，以形成感测电压。从感测电压检测初级侧电流的峰值。该栅极驱动器具有用于根据控制信号来生成栅极电压的一对开关。当根据控制信号打开栅极驱动器的低端开关时，随着灌电流经由晶体管从电源开关的栅极流动，电源开关的栅极电压降低。

Description

电源设备
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求在2016年11月1日提交于韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2016-0144752的优先权和权益，该专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及电路，并且更具体地但非排他性地涉及电源。
背景技术
采用有关流过初级侧电源开关的开关电流的峰值的信息，以预测初级侧调节(PSR)电源设备的次级侧输出。
普通开关模式电源(SMPS)的初级侧电流被感测，并且SMPS的保护电路从所感测到的初级侧电流生成保护信号，以保护SMPS的初级侧开关。
在电流模式控制方法中，由于有关流过初级侧电源开关的开关电流的峰值的信息用于控制输出功率，因此有利的是感测到未失真的开关电流。
驱动电源开关的栅极驱动电路通常包括高端开关和低端开关。低端开关连接到与电源开关相同的接地部。当关闭电源开关时，施加到低端开关的灌电流可使得在感测电源开关的开关电流的过程中发生失真，并且因此可发生感测误差。灌电流不直接影响开关电流，但使得在感测开关电流的过程中发生失真。在这种情况下，无法准确感测开关电流的峰值，并且因此无法准确预测输出。
发明内容
在一个实施方案中，电源设备包括：电源开关，该电源开关被配置为根据栅极电压来执行切换；感测电阻器，该感测电阻器具有连接到电源开关的一个电极并且连接到第一节点的一端、以及连接到接地部的另一端；以及第一晶体管，该第一晶体管连接在电源开关的栅极与第一节点之间并且被配置为根据控制信号进行切换，以用于控制电源开关的切换操作。第一晶体管根据控制信号而打开，并且随着灌电流经由第一晶体管从电源开关的栅极流动，栅极电压降低。
电源设备还可包括峰值检测器，该峰值检测器被配置为在第一晶体管的打开时间段中关闭电源开关时检测感测电压，并且基于所检测到的感测电压来检测有关流过电源开关的电流的峰值的信息。
电源设备可根据有关流过电源开关的电流的峰值的信息来生成控制信号。
电源设备还可包括第二晶体管，该第二晶体管具有向其施加预先确定的电压的一端、以及连接到电源开关的栅极并且被配置为根据控制信号进行切换的另一端。
电源设备还可包括拉电流源，该拉电流源被配置为被供给以预先确定的电压并且连接到第二晶体管的一端。
电源设备还可包括反相器，该反相器被配置为使控制信号反相并且将经反相的控制信号供应至相应的第一晶体管和第二晶体管的栅极。
相应的第一晶体管和第二晶体管的沟道类型可彼此不同。
电源设备还可包括：反相器，该反相器被配置为使控制信号反相并且将经反相的控制信号供应至第一晶体管的栅极；以及缓冲器，该缓冲器被配置为将控制信号供应至第二晶体管的栅极。
相应的第一晶体管和第二晶体管的沟道类型可相同。
电源设备还可包括缓冲器，该缓冲器被配置为使控制信号反相并且将经反相的控制信号供应至相应的第一晶体管和第二晶体管的栅极。
第一晶体管和第二晶体管可被体现为金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。作为另外一种选择，第一晶体管和第二晶体管可被体现为双极性结型晶体管(BJT)。
电源设备还可包括连接在第一晶体管的一端与第一节点之间的灌电流源。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施方案的初级侧调节(PSR)电源设备的示意图；
图2示出了根据本发明的实施方案的图1的PSR电源设备的信号的波形；
图3示出了根据本发明的实施方案的另一示例性栅极驱动器的示意图；
图4示出了根据本发明的实施方案的另一示例性栅极驱动器的示意图；
图5示出了根据本发明的实施方案的另一示例性栅极驱动器的示意图；以及
图6示出了根据本发明的实施方案的具有拉电流源和灌电流源的栅极驱动器的示意图。
具体实施方式
下文将参照附图详细描述本发明的实施方案，使得本领域的普通技术人员能够容易地实施本发明。然而，本发明可被体现为许多不同的形式，并不限于本文所述的实施方案。在附图中，为了清楚起见，省略与描述实施方案无关的细节和成分，并且在整个说明书中，类似的附图标记被分配给类似的元件。
在本公开中，当元件或层被称为“连接到”另一个元件或层时，该元件或层可直接连接到另一元件或层，或者可经由中间元件或层而被“电连接到”另一元件或层。参照初级侧调节(PSR)电源设备来描述实施方案。然而，本发明不限于此并且还可适用于例如采用电流模式控制的电源设备。
图1示出了根据本发明的实施方案的PSR电源设备的示意图。在图1的示例中，PSR电源设备1包括整流器电路10、输入电容器C输入、变压器20、整流二极管D、输出电容器CO、电源开关M、开关控制电路30、和感测电阻器RCS。
图1的PSR电源设备1被体现为反激转换器，但实施方案不限于此。
PSR电源设备1的输出端子连接到负载(未示出)。例如，该负载可为串联连接的多个发光二极管(LED)。
整流器电路10可包括形成全波整流器的全桥二极管电路。交流(AC)输入由整流器电路10进行整流，以生成由电容器C输入滤波的经整流的AC输入。
变压器20包括：连接到输入电压V输入的初级侧导线Lm形式的初级绕组、以及连接到输出电压VO的次级侧导线Ls形式的次级绕组。初级侧导线Lm和次级侧导线Ls彼此绝缘并且以n∶1的预先确定的匝数比(初级侧导线Lm的匝数：次级侧导线Ls的匝数)彼此耦接。
初级侧导线Lm的一端连接到输入电压V输入，并且初级侧导线Lm的另一端连接到电源开关M的电极(漏极)。在电源开关M的打开时间段中，由初级侧电流ILm所生成的能量被存储在初级侧导线Lm中。
次级侧导线Ls的一端连接到整流二极管D的阳极，并且次级侧导线Ls的另一端连接到次级侧接地部。在电源开关M的关闭时间段中，被存储在初级侧导线Lm中的能量转移到次级侧导线Ls。
电源开关M电连接到输入电压V输入并且控制PSR电源设备1的输出电流。电源开关M的控制电极(栅极)连接到开关控制电路30以接收栅极电压VG，并且电源开关M的另一个电极(源极)通过感测电阻器RCS而被连接到初级侧接地部。在图1的示例中，电源开关M在栅极电压VG处于高电平时打开，并且在栅极电压VG处于低电平时关闭。
感测电阻器RCS连接在电源开关M的另一个电极(源极)与初级侧接地部之间并且用于感测流过电源开关M的开关电流Ids。当开关电流Ids流过感测电阻器RCS时，在感测电阻器RCS上形成随开关电流Ids变化的感测电压VCS。
二极管DSn、电阻器RSn和电容器CSn形成跨初级侧导线Lm的相反两端的缓冲电路。二极管DSn的阳极连接到初级侧导线Lm的一端。电阻器RSn和电容器CSn并联连接在初级侧导线Lm的一端与二极管DSn的阴极之间。
输出电容器CO跨接在PSR电源设备1的两个输出端子上方。输出电容器CO的一个电极连接到整流二极管D的阴极，并且输出电容器CO的另一个电极连接到次级侧接地部。
当关闭电源开关M时，整流二极管D可传导电流，并且因此流过次级侧导线Ls的电流经过整流二极管D。经过整流二极管D的电流可对输出电容器CO充电或被供应至负载(未示出)。被供应至负载的电流被称为输出电流IO，并且被施加到负载的电压被称为输出电压VO。输出电压VO由输出电容器CO平滑化。
开关控制电路30生成用于控制电源开关M的切换操作的栅极电压VG。开关控制电路30检测初级侧电流ILm的峰值并且确定要供应至负载的输出电流。开关控制电路30可使用电源开关M的打开时间段和初级侧电流ILm的所检测到的峰值来计算输出电流。在关闭电源开关M时的开关电流Ids为初级侧电流ILm的切换周期中的峰值。因此，开关控制电路30可通过检测关闭电源开关M时的感测电压VCS来计算初级侧电流ILm的峰值。
开关控制电路30可包括具有多个引脚的集成电路(IC)芯片。开关控制电路30包括从其输出栅极电压VG的引脚P1、以及向其输入感测电压VCS的引脚P2。引脚P1连接到电源开关M的栅极。引脚P2连接到感测电阻器RCS的一端。
在图1的示例中，开关控制电路30包括栅极驱动器100、脉冲宽度调制(PWM)控制器200、和峰值检测器300。
栅极驱动器100根据从PWM控制器200接收的PWM信号PWM来生成栅极电压VG。例如，栅极驱动器100可根据处于高电平的PWM信号PWM来生成打开电平栅极电压VG，并且可根据处于低电平的PWM信号PWM来生成关闭电平栅极电压VG。PWM信号PWM仅为用于控制电源开关M的切换操作的控制信号的示例，并且因此本发明并不限于此。
栅极驱动器100可包括反相器101、晶体管Q1形式的高端开关、和晶体管Q2形式的低端开关。在图1的示例中，晶体管Q1为p沟道型晶体管，并且晶体管Q2为n沟道型晶体管。
反相器101使PWM信号PWM反相并且将经反相的PWM信号供应至节点N1。相应晶体管Q1和Q2的栅极连接到节点N1。
电压VDD被施加到晶体管Q1的源极。相应晶体管Q1和Q2的漏极连接到节点N2。节点N2经由引脚P1连接到电源开关M的栅极。晶体管Q2的源极连接到节点N3。节点N3经由引脚P2b被连接，以接收感测电压VCS。
图2示出了根据本发明的实施方案的PSR电源设备1的信号的波形。图2示出了PWM信号PWM、栅极电压VG、感测电压VCS、和初级侧电流ILm。
在图2的示例中，PWM信号PWM在时间T0升高到高电平。在与时间T0同步的时间，反相器101的输出降低到低电平，晶体管Q1打开，并且晶体管Q2关闭。然后，电压VDD经由晶体管Q1被施加到电源开关M的栅极，并且栅极电压VG开始升高。图2中所示的栅极电压VG的波形为示例，并且因此本发明并不限于此。当栅极电压VG升高时，可根据电压VDD将电流Ig供应至电源开关M的栅极(参见图1中表示Ig的箭头)。
在时间T1，PWM信号PWM降低到低电平。在与时间T1同步的时间，反相器101的输出升高到高电平，晶体管Q2打开，并且晶体管Q1关闭。然后经由晶体管Q2从电源开关M的栅极吸收电流Ig，并且因此栅极电压VG开始降低。当栅极电压VG降低时，灌电流Ig经由电源开关M的栅极、晶体管Q2以及电源开关M的栅极与源极之间的寄生电容器流动。灌电流Ig在与由在图1中表示Ig的箭头所指示的方向相反的方向上流动，并且灌电流Ig不流向感测电阻器RCS。
在PWM信号PWM降低的时间T1与栅极电压VG降低并且因此电源开关M关闭的时间T2之间发生预先确定的时间延迟。在预先确定的时间延迟的延迟时间段TD中，初级侧电流ILm升高并且感测电压VCS也升高。
在根据相关领域的栅极驱动器中，低端开关将连接到初级侧接地部。当打开低端开关时，经由低端开关从电源开关的栅极流动到初级侧接地部的电流将经由感测电阻器流动到电源开关的源极。然后在电源开关的栅极电压降低的时间段中，对初级侧电流的感测可受到流过感测电阻器的电流的影响。
在根据相关领域的栅极驱动器中，感测到因来自电源开关的栅极的灌电流所引起的开关电流的降低。即，如图2中的虚线所指示的，通过感测开关电流而生成的感测电压在时间段(图2中的T1-T2)中在灌电流的作用下降低，并且因此感测到初级侧电流的峰值的降低。然后，感测到因降低的感测电压而引起的初级侧电流的峰值的降低。这可导致在预测输出功率的过程中的错误。此外，当感测到初级侧电流的峰值降低时，即使需要执行保护操作，也可能没有执行保护操作。
根据本发明的实施方案的栅极驱动器100的晶体管Q2连接到节点N3，使得灌电流Ig不会流向初级侧接地部。因此，感测电压VCS不会在灌电流Ig的作用下降低。
峰值检测器300在时间T2基于感测电压VCS来检测初级侧电流ILm的峰值ILmp，并且将有关所检测到的峰值ILmp的信息传送至PWM控制器200。
PWM控制器200基于有关初级侧电流ILm的峰值ILmp和电源开关M的打开时间段的信息来预测输出功率。PWM控制器200根据有关预测输出功率的信息与预先确定的参考值的比较的结果来生成PWM信号PWM。例如，PWM控制器200可生成PWM信号PWM，使得有关预测输出功率的信息与预先确定的参考值之间的差异较低。
此外，PWM控制器200基于有关初级侧电流ILm的峰值ILmp的信息来控制保护操作。
在时间T10，PWM信号PWM升高到高电平，晶体管Q1打开，并且因此电压VDD被施加到电源开关M的栅极。因此，栅极电压VG在电流Ig的作用下升高。
在时间T11，PWM信号PWM降低到低电平，晶体管Q2打开，并且因此栅极电压VG在灌电流Ig的作用下降低。在从时间T11起的延迟时间段TD之后，在时间T12关闭电源开关M。
感测电压VCS的峰值VCSp为在与时间T12同步的时间与初级侧电流ILm的峰值ILmp对应的电压。峰值检测器300可基于感测电压VCS的峰值VCSp来生成有关初级侧电流ILm的峰值ILmp的信息。
根据实施方案的栅极驱动器100不限于如图1中所示的电路结构，并且可被体现为许多不同的形式。
图3示出了根据本发明的实施方案的另一示例性栅极驱动器的示意图。在图3的示例中，栅极驱动器110包括n沟道型晶体管Q3和Q4、反相器111、以及缓冲器112。可在开关控制电路30中采用栅极驱动器110，而非栅极驱动器100。
反相器111使PWM信号PWM反相并且将经反相的PWM信号PWM供应至晶体管Q4的栅极。缓冲器112将PWM信号PWM供应至晶体管Q3的栅极。
电压VDD被施加到晶体管Q3的漏极，并且晶体管Q3的源极和晶体管Q4的漏极连接到节点N2。节点N2经由引脚P1而被连接到电源开关M的栅极。晶体管Q4的源极连接到节点N3。节点N3经由引脚P2而被连接到感测电压VCS源极。
当PWM信号PWM处于高电平时，晶体管Q3打开并且晶体管Q4关闭。当PWM信号PWM处于低电平时，晶体管Q3关闭并且晶体管Q4打开。由晶体管Q3和晶体管Q4的切换、电源开关M的切换、以及电流Ig引起的栅极电压VG的变化如上文参照图2所述。
图4示出了根据本发明的实施方案的另一示例性栅极驱动器的示意图。在图4的示例中，栅极驱动器120包括双极性结型晶体管(BJT)，而非金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。例如，栅极驱动器120包括npn型BJT Q5、pnp型BJT Q6、和缓冲器121。可在开关控制电路30中采用栅极驱动器120，而非栅极驱动器100。
缓冲器121将PWM信号PWM供应至节点N1。BJT Q5的基极和BJT Q6的基极连接到节点N1。
电压VDD被施加到BJT Q5的集电极。BJT Q5的发射极和BJT Q6的发射极连接到节点N2。节点N2经由引脚P1而被连接到电源开关M的栅极。BJT Q6的集电极连接到节点N3。节点N3经由引脚P2而被连接到感测电压VCS。
当PWM信号PWM处于高电平时，BJT Q5打开并且BJT Q6关闭。当PWM信号PWM处于低电平时，BJT Q5关闭并且BJT Q6打开。由BJT Q5和BJT Q6的切换、电源开关M的切换、以及电流Ig引起的栅极电压VG的变化如上文参照图2所述。
图5示出了根据本发明的实施方案的另一示例性栅极驱动器的示意图。在图5的示例中，栅极驱动器130包括npn型BJT Q7和Q8、反相器131、以及缓冲器132。可在开关控制电路30中采用栅极驱动器130，而非栅极驱动器100。
反相器131使PWM信号PWM反相并且将经反相的PWM信号PWM供应至BJT Q8的基极。缓冲器132将PWM信号PWM供应至BJT Q7的基极。
电压VDD被施加到BJT Q7的集电极。BJT Q7的发射极和BJT Q8的集电极连接到节点N2。节点N2经由引脚P1而被连接到电源开关M的栅极。BJT Q8的发射极连接到节点N3。节点N3经由引脚P2而被连接到感测电压VCS。
根据处于高电平的PWM信号PWM，BJT Q7打开并且BJT Q8关闭。当PWM信号PWM处于低电平时，BJT Q7关闭并且BJT Q8打开。由BJT Q7和BJT Q8的切换、电源开关M的切换、以及电流Ig引起的栅极电压VG的变化如上文参照图2所述。
栅极驱动器100(图1)、110(图3)、120(图4)和130(图5)中的每个栅极驱动器还可包括拉电流源和灌电流源中的至少一者。
图6示出了根据本发明的实施方案的具有拉电流源和灌电流源的栅极驱动器的示意图。
与图1的栅极驱动器100相比，图6的栅极驱动器140还包括拉电流源102和灌电流源103。虽然图6示出了栅极驱动器140包括拉电流源102和灌电流源103两者，但本发明并不限于此，并且栅极驱动器140可仅包括拉电流源102和灌电流源103中的一者。为了清楚说明，不再重复与图1的栅极驱动器100中相同的栅极驱动器140的元件和操作。
拉电流源102被供应以电压VDD并且连接到晶体管Q1的源极。灌电流源103连接在晶体管Q2与节点N3之间。当晶体管Q1打开时，电源开关M的栅极利用来自拉电流源102的电流充电，并且因此栅极电压VG升高。当晶体管Q2打开时，电源开关M的栅极通过来自灌电流源103的电流放电，并且因此栅极电压VG降低。
如上所述，根据实施方案，可防止用于关闭电源开关M的灌电流流向感测电阻器，并且因此可准确测量初级侧峰值电流。
本发明的实施方案包括用于提供电源的开关控制的集成电路(IC)芯片，该IC芯片包括：第一引脚，该第一引脚被配置为输出用于控制电源开关的切换操作的栅极驱动信号；第二引脚，该第二引脚被配置为接收在感测电阻器上形成的感测电压；栅极驱动器，该栅极驱动器包括根据脉冲宽度调制(PWM)信号进行切换的第一晶体管和第二晶体管，以在第一引脚处生成栅极驱动信号，该第一晶体管具有连接到第二引脚的第一电极；以及PWM控制器，该PWM控制器被配置为基于从在第二引脚处接收的感测电压所检测到的初级侧电流的峰值来生成PWM信号。
公开了用于提供电源的开关控制的上述IC芯片，其中第一晶体管和第二晶体管为具有相同沟道类型的金属氧化物半导体(MOS)晶体管。
公开了用于提供电源的开关控制的上述IC芯片，其还包括反相器，该反相器被配置为接收PWM信号，使PWM信号反相，并且将经反相的PWM信号呈现至第一晶体管的栅极并呈现至第二晶体管的栅极。
公开了用于提供电源的开关控制的上述IC芯片，其还包括：反相器，该反相器被配置为接收PWM信号，使PWM信号反相，并且将经反相的PWM信号呈现至第一晶体管的栅极；以及缓冲器，该缓冲器被配置为缓冲PWM信号并且将经缓冲的PWM信号呈现至第二晶体管的栅极。
本发明的实施方案包括操作初级侧调节(PSR)电源设备的方法，该方法包括：使开关电流流过电源开关并流向感测电阻器；在感测电阻器上形成感测电压；从感测电压检测电源设备的初级侧电流的峰值；基于初级侧电流的所检测到的峰值来生成控制信号；根据控制信号通过关闭低端开关并打开高端开关以使至电源开关的栅极驱动信号生效来打开电源开关；根据控制信号通过打开低端开关并关闭高端开关以使至电源开关的栅极驱动信号失效来关闭电源开关；以及当打开低端开关时，通过使灌电流从电源开关的栅极流向低端开关来降低电源开关的栅极电压。
公开了用于操作初级侧调节(PSR)电源设备的上述方法，其还包括：在连接到第一节点的感测电阻器上形成感测电压，其中低端开关的电极连接到第一节点。
公开了用于操作初级侧调节(PSR)电源设备的上述方法，其还包括：将栅极驱动信号输出到连接至电源开关的栅极的第二节点。
公开了用于操作初级侧调节(PSR)电源设备的上述方法，其中生成控制信号包括：基于初级侧电流的所检测到的峰值来生成脉冲宽度调制(PWM)信号。
公开了用于操作初级侧调节(PSR)电源设备的上述方法，其还包括：使控制信号反相以生成经反相的控制信号；将经反相的控制信号呈现至低端开关的栅极；以及将控制信号呈现至高端开关的栅极。
虽然已提供了本发明的具体实施方案，但是应当理解，这些实施方案只是出于举例说明的目的而非进行限制。多个附加实施方案对于本领域的普通技术人员来说在阅读本公开的过程中将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种电源设备，包括：
电源开关，所述电源开关被配置为进行切换，以生成所述电源设备的输出电压；
感测电阻器，所述感测电阻器具有第一端和第二端，所述感测电阻器的所述第一端连接到所述电源开关的第一电极，所述感测电阻器的所述第二端连接到初级侧接地部，其中流过所述电源开关的开关电流在所述感测电阻器上形成感测电压；
栅极驱动器，所述栅极驱动器被配置为生成用于切换所述电源开关的驱动信号，所述栅极驱动器包括高端开关和低端开关，所述低端开关具有第一电极，所述低端开关的第一电极连接到所述电源开关的第一电极并且连接到所述感测电阻器的所述第一端以接收所述感测电压，所述低端开关具有第二电极，所述第二电极连接到所述电源开关的控制电极，所述高端开关和所述低端开关被配置为根据基于所述感测电压生成的控制信号进行切换。
2.根据权利要求1所述的电源设备，还包括灌电流源，所述灌电流源连接在所述低端开关的所述第一电极与所述感测电阻器的所述第一端之间。
3.根据权利要求1所述的电源设备，还包括：
峰值检测器，所述峰值检测器被配置为在所述电源开关关闭时检测所述感测电压，并且基于所检测到的感测电压来检测所述电源设备的初级侧电流的峰值。
4.根据权利要求3所述的电源设备，其中所述电源设备根据所检测到的所述初级侧电流的峰值来生成所述控制信号。
5.根据权利要求1所述的电源设备，其中所述高端开关的第一电极接收预先确定的电压，并且所述高端开关的第二电极连接到所述电源开关的所述控制电极并且连接到所述低端开关的所述第二电极。
6.根据权利要求5所述的电源设备，还包括拉电流源，所述拉电流源被供应以所述预先确定的电压并且连接到所述高端开关的所述第一电极。
7.根据权利要求5所述的电源设备，还包括反相器，所述反相器被配置为使所述控制信号反相，并且将经反相的控制信号供应至所述低端开关的所述控制电极并且供应至所述高端开关的控制电极。
8.根据权利要求7所述的电源设备，其中所述低端开关和所述高端开关为具有不同沟道类型的金属氧化物半导体晶体管。
9.根据权利要求5所述的电源设备，还包括：
反相器，所述反相器被配置为使所述控制信号反相并且将经反相的控制信号供应至所述低端开关的所述控制电极；和
缓冲器，所述缓冲器被配置为将所述控制信号供应至所述高端开关的控制电极。
10.根据权利要求5所述的电源设备，其中所述栅极驱动器位于集成电路芯片中，所述电源开关在所述集成电路芯片外部，所述低端开关的所述第一电极、所述电源开关的所述第一电极、以及所述感测电阻器的所述第一端连接到所述集成电路芯片的相同引脚。
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