一种ACDC转换器及其管理芯片的制作方法

本发明属于电源管理技术领域，尤其涉及一种ACDC转换器及其管理芯片。

背景技术

现今，电力电子技术成为社会中不可缺少的部分，电子设备离不开电源，开关电源具有体积小、效率高、重量轻和对电网拨动不敏感等特点，在家用电子设备和通信设备中得到广泛应用。开关电源可分为ACDC和DCDC两大类，DCDC变换器的设计技术和声场工艺在国内外已经成熟，模块化和标准化已经实现，且得到了用户的一致认可。然而，由于技术和工艺制造问题的限制，ACDC转换器在实现模块化的过程中存在一些困难。

ACDC转换器将交流转换为直流，由于ACDC转换器输入往往是50/60Hz的交流电，对应的电源功耗越来越大，而对于电源的转换效率、功耗提出了新的要求，电源多是使用线性电源来供电，线性电源结构简单、稳定性好和抗噪音性能好，但线性稳压电源工作时调整管会产生大量的热，导致效率不高且损耗严重，而且线性稳压电源一般需要使用工频变压器，再加上调整管的散热片，造成线性稳压电源体积庞大，导致电源效率降低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种可以提高过压和过温保护、减少开关损耗的ACDC转换器及其管理芯片，来解决上述存在的技术问题，具体采用以下技术方案来实现。

第一方面，本发明提供了一种ACDC转换器，包括基准产生模块、恒压控制模块、恒流控制模块和逻辑控制模块，所述基准产生模块、所述恒压控制模块、所述恒流控制模块与所述逻辑控制模块连接；

所述基准产生模块包括高压稳压器电路、基准电压源电路、基准电流源电路和过压保护电路，所述高压稳压器电路用于接收芯片VDD引脚的高压并将其转换为内部预设电源电压，给芯片内部所有低压模块提供稳定低压电源，所述基准电压源电路用于产生高电源抑制比并在室温下具有接近零温度系数的基准电压并为芯片内部电路电压提供参考电平，所述基准电流源电路用于给芯片内部电路提供可靠电流基准，所述过压保护电路用于确定芯片最小工作电压和最大关断电压的保护电路；

所述恒压控制模块包括恒压开启信号和恒压关断信号控制环路，恒压开启信号控制环路对输出电压采样并经过FB采样电路、误差放大器和负反馈电阻组成一个具有固定增益的误差放大器，FB采样电压通过电阻连接至误差放大器的反相输入端，误差放大器的同相输入端连接预设基准电压；误差放大器输出电压发送至第一比较器，用于产生功率管的开启信号，输出电压信号经过电阻分压和滤波器处理后发送至过压保护电路，以产生恒压模式下功率管的关断信号；

所述恒流控制模块，用于产生恒流开启信号和恒流关断信号，电流采样信号经过CS采样电路与跨到运放的基准电压比较，经过缓冲器进行预设比例的缩放后发送至第二比较器，第二比较器根据前级电路的输出和相应基准电压的比较生成对应的恒流关断信号；采用谷底导通模式使开关管在电压过零时完成开关转换，以实现谷底导通并产生对应的恒流开启信号；

所述逻辑控制模块根据各端口的采样信号判断当前负载条件，选择所需的恒压或恒流的开启或关断信号，并产生功率管的驱动信号，以维持输出电压或电流的恒定。

作为上述技术方案的进一步改进，所述过压保护电路连接负载，当FB采样电路采集的电压大于预设电源电压时，通过所述误差放大器的负输入端检测FB引脚的分压，所述第一比较器输出低电平。

作为上述技术方案的进一步改进，所述谷底导通模式包括当开关管关闭后圆边的辅助绕组的能量全部转换到次级绕组，辅助绕组与开关管漏极为两个同名端，通过VS引脚对其进行电压采样并与所述预设基准电压比较，当所述第二比较器输出为高电平时，ACDC转换器进入谷底导通模式。

作为上述技术方案的进一步改进，ACDC转换器还包括：

软启动模块，与所述逻辑控制模块连接，在CLK输入端进行时钟频率八分频后的脉冲输入，每八个时钟周期内M3管开启一段时间，IA电流通过电流镜对C1电容进行充电，经过M7和M8的比较电路和VCS引脚的输入进行比较时，当VCS超过C1上的电压时使M11开启，SS端的输出变低使开关管关闭，当电路关闭后复位管M4把C1两端的电压清零，启动模块正常工作。

作为上述技术方案的进一步改进，ACDC转换器还包括：

消隐模块，与所述逻辑控制模块连接，所述消隐模块的GATE用于控制开关管开启的驱动信号，经过两个反相器输入到RS触发器的R端，当使能信号EN和GATE输入的电压为高时，RS触发器的XQ端置一，M3管开启，M1和M2组成的电流镜开始给C1电容充电，当C1上的充电达到一定程度，施密特触发器的输入端输入为高且输出为高，经过两个反相器和GATE信号一起输出LEB信号从低变高。

第二方面，本发明还提供了一种ACDC转换器的管理芯片，包括依次连接的ACDC转换器、电源供电模块和过温保护模块；

所述电源供电模块包括启动电路和上电复位电路，启动电路实时监控VCC并当VCC到达启动电压后启动电路产生一个参考电压OUT，再由OUT电压生成基准电压VREF，当内部电源的VDD电压达到芯片所需的电压需求时，上电复位电路产生复位信号使芯片内部所有电路模块开始工作；当VCC电压欠压时，启动电路不产生OUT电压，芯片在VCC停止工作；当触发预设保护条件时，过温保护模块产生保护信号；

所述启动电路包括启动电阻、多个开关管、JFET管和肖特基二极管，当系统开始上电时，高压接入产生上电完成标识信号输出低电平，控制M2管关断，JFET管栅极电平缓慢升高，JFET管开启，高压电平通过JFET管、肖特基二极管D1给稳压电容Cvdd充电；当电容电压达到额定电压后，芯片内部开始正常工作；当M2管保持开启状态，JFET管被关断，部分电流从启动电阻流过；

所述过温保护模块包括三个来自所述ACDC转换器的基准产生模块的与绝对温度成正比的PTAT电流、触发器、三个反相器、两个带有正温度系数的电阻，当芯片工作温度低于预设温度时，节点C电压低于开关管Q1导通阈值电压，开关管Q1管截止；节点A电平为高，经过反相器后输出端OTP输出低电平；当芯片温度上升时Q1的基极-发射极电压VBE降低，PTAT电流上升，电阻R1和R2的阻值也上升；当芯片温度达到预设温度时，节点C电压高于开关管Q1的导通阈值电压，开关管Q1导通，节点A电压被拉低，输出端OTP对应输出高电平。

本发明提供了一种ACDC转换器及其管理芯片，相对于现有技术，具有以下的有益效果：

通过将基准产生模块、恒压控制模块、恒流控制模块和逻辑控制模块进行连接，基准产生模块中的高压稳压器电路可以将输入高压转换成预设电源电压，可以减少电路过压冲击，过压保护电路可以确保芯片工作时产生瞬时电压的保护，恒温控制模块和恒流控制模块可以给负载提供稳定的电压或电流输出，第一比较器和第二比较器为PWM，可以提供两种不同的工作模式，以提高ACDC转换器的工作稳定性。在电路中加入谷底导通模式、软启动模块和消隐模块可以降低开关损耗和降低干扰，确保芯片内部正常工作，过温保护模块在芯片的工作温度超过预设温度时，改变开关管的开闭，从而降低电路中的电压，也可以防止热震荡使得芯片内电路频繁关断造成的损害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的ACDC转换器的结构框图；

图2为本发明实施例提供的ACDC转换器的电路图；

图3为本发明实施例提供的过压保护电路的电路图；

图4为本发明实施例提供的谷底导通模式的电路图；

图5为本发明实施例提供的软启动模块的电路图；

图6为本发明实施例提供的消隐模块的电路图；

图7为本发明实施例提供的ACDC转换器的管理芯片的结构框图。

主要元件符号说明如下：

100-ACDC转换器；110-基准产生模块；120-高压稳压器电路；130-基准电压源电路；140-基准电流源电路；150-过压保护电路；160-恒压控制模块；170-FB采样电路；180-误差放大器；190-负反馈电阻；200-第一比较器；210-第二比较器；220-恒流控制模块；230-CS采样电路；240-逻辑控制模块；250-软启动模块；260-消隐模块；270-电源供电模块；280-启动电路；290-上电复位电路；300-过温保护模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1和图2，本发明提供了一种ACDC转换器100，包括基准产生模块110、恒压控制模块160、恒流控制模块220和逻辑控制模块240，所述基准产生模块110、所述恒压控制模块160、所述恒流控制模块220与所述逻辑控制模块240连接；

所述基准产生模块110包括高压稳压器电路120、基准电压源电路130、基准电流源电路140和过压保护电路150，所述高压稳压器电路120用于接收芯片VDD引脚的高压并将其转换为内部预设电源电压，给芯片内部所有低压模块提供稳定低压电源，所述基准电压源电路130用于产生高电源抑制比并在室温下具有接近零温度系数的基准电压并为芯片内部电路电压提供参考电平，所述基准电流源电路140用于给芯片内部电路提供可靠电流基准，所述过压保护电路150用于确定芯片最小工作电压和最大关断电压的保护电路；

所述恒压控制模块160包括恒压开启信号和恒压关断信号控制环路，恒压开启信号控制环路对输出电压采样并经过FB采样电路170、误差放大器180和负反馈电阻190组成一个具有固定增益的误差放大器180，FB采样电压通过电阻连接至误差放大器180的反相输入端，误差放大器180的同相输入端连接预设基准电压；误差放大器180输出电压发送至第一比较器200，用于产生功率管的开启信号，输出电压信号经过电阻分压和滤波器处理后发送至过压保护电路150，以产生恒压模式下功率管的关断信号；

所述恒流控制模块220，用于产生恒流开启信号和恒流关断信号，电流采样信号经过CS采样电路230与跨到运放的基准电压比较，经过缓冲器进行预设比例的缩放后发送至第二比较器210，第二比较器210根据前级电路的输出和相应基准电压的比较生成对应的恒流关断信号；采用谷底导通模式使开关管在电压过零时完成开关转换，以实现谷底导通并产生对应的恒流开启信号；

所述逻辑控制模块240根据各端口的采样信号判断当前负载条件，选择所需的恒压或恒流的开启或关断信号，并产生功率管的驱动信号，以维持输出电压或电流的恒定。

本实施例中，开关电源的基本控制类型分为电压控制型和电流控制型，根据应用场合的不同，可以选择对应的控制类型。高压稳压器电路接收来自芯片VDD引脚的高压如7.6V到26.2V，将其转换成内部5V电源电压，在恒压环路中，误差放大器EA和负反馈电阻共同构成一个具有40倍固定增益的反相放大器，误差放大器的同相输入端接2.5V基准电压，误差放大器输出电压发送至第一比较器即PWM比较器，用于产生功率管的开启信号CV_ON，Vcomp信号经过电阻分压和滤波处理后发送至CV_OCP，用于产生恒压模式下功率管的关断信号CV_OFF。在恒压控制环路中，首先对输出电压采样并经过采样保持电路，将其与预设基准电压如2.5v进行比较，然后通过误差放大器EA将两者差值放大，误差放大信号Vcomp经由两路分别对开关频率和限流点进行调节。系统进入恒压工作模式的标识信号是PWM比较器的输出从1变成0，即当系统工作在输出过流条件下输出低电压，反馈输入脚FB电压低于2.5v，第一比较器输出高电平，系统由恒流环路控制。随着负载逐渐减轻，工作在限流点以内的中载或轻载或空载条件下，输出电压逐渐升高，反馈输入脚FB电压高于2.5v，第一比较器输出低电平，此时系统由恒流环路控制进入由恒压环路控制的工作状态。

需要说明的是，误差放大器是将FB采样电压和2.5V基准电压进行比较，输出一个能够反映负载情况的电压信号Vcomp，电路模块再根据该电压产生一系列的控制信号，例如，功率管开启信号、功率管关断信号等。当FB采样电压低于2.4375时，EA输出电压Vcomp为5v，当FB采样电压高于2.5625v时，Vcomp电压为0v，当FB采样电压增大时，Vcomp电压对应减小，当FB采样电压减小时，Vcomp电压则对应增大。芯片正常工作情况下，会存在内部传播延时，实际限流点随着输入线电压变化，在输入线电压低时如85vAC，实际限流点低；在输入线电压高时如265vAC，实际限流点高；当为恒流工作时，输出电流不一致，即85vAC输入时的输出电流小，265vAC输入时的输出电流大；或者是恒压工作时系统的最大输出功率不一致，在85vAC输入时小，265vAC输入时大，即需要线电压补偿电路。而本实施例中的ACDC转换器不需要外部环路补偿电容，可工作在DCM和QR模式，可使恒流精度控制在±3％以内，恒压精度控制在±5％以内。系统恒压或恒流输出时，恒压与恒流状态无法同时工作，当负载发生变化时，恒压与恒流模式根据负载需求进行切换。在充电器应用中，未充电的电池先以恒定电流状态充电，当电池即将充满电时，充电阶段将转换为恒压模式。在电源适配器应用中，系统通常只工作在恒压状态。在恒流模式下，系统限制了输出电流，不论输出电压如何下降，系统确保输出电流恒定，在恒压模式下，系统通过原边采样调节输出电压，提高了ACDC转换器的工作稳定性。

可选地，所述过压保护电路连接负载，当FB采样电路采集的电压大于预设电源电压时，通过所述误差放大器的负输入端检测FB引脚的分压，所述第一比较器输出低电平。

参阅图3，本实施例中，过压保护电路检测到VDD引脚的输入电压超过26.2v时，该模块驱动逻辑控制模块发送高电平，控制外置功率管关断，芯片停止工作，一定程度上可以提高ACDC转换器的工作可靠性。

可选地，所述谷底导通模式包括当开关管关闭后圆边的辅助绕组的能量全部转换到次级绕组，辅助绕组与开关管漏极为两个同名端，通过VS引脚对其进行电压采样并与所述预设基准电压比较，当所述第二比较器输出为高电平时，ACDC转换器进入谷底导通模式。

参阅图4，本实施例中，谷底导通是一种导通模式，也称为准谐振模式，在开关管的开启和关闭过程中，开关电源会损失一定程度的能量，这部分能量占总损耗的一大部分，可以通过检测开关管漏端电压的最小值，当它处于最低点时使其导通，可以实现在寄生电容引起的尖刺最不明显时开启开关，对芯片的效率和稳定性有较大的改善。变压器的绕组数量和产生的谐振电压的大小在实际使用时采用0.3v作为基准，谷底导通是在每个周期的尾端进行的，每个周期的时间有限，不能把电容中存储的能量完全释放掉，可以很大程度优化芯片的抗干扰性和稳定性。

可选地，ACDC转换器还包括：

软启动模块250，与所述逻辑控制模块240连接，在CLK输入端进行时钟频率八分频后的脉冲输入，每八个时钟周期内M3管开启一段时间，IA电流通过电流镜对C1电容进行充电，经过M7和M8的比较电路和VCS引脚的输入进行比较时，当VCS超过C1上的电压时使M11开启，SS端的输出变低使开关管关闭，当电路关闭后复位管M4把C1两端的电压清零，启动模块正常工作。

参阅图5，本实施例中，软启动模块250的作用是在芯片启动时，输出电压上升是一个逐渐的过程，通过逐步提升过流限定阈值与电流的采样电压控制开关管，启动速度比较平稳，对电网的影响较小，可以提高芯片的使用寿命，价低了负载的损耗。在CLK输入端进行时钟频率八分频后的脉冲输入，分频电路采用常用的D触发器实现，每八个时钟周期M3管会开启一段时间，此时IA电流通过电流镜对C1电容进行充电，但每次的充电时间较短，不会使C1两端的电压达到VDD电压，经过M7和M8的比较电路和VCS引脚的输入进行比较时，当VCS超过C1上的电压会使M11开启，SS端的输出变为低，此时的开关管就会被强制关闭，使负载电路的电压不会直接达到一个很高的水平。经过几个周期之后，C1上的电压达到最大值，软启动模块就不会起作用，VCS的大小不会影响软启动模块的开启，当电路关闭后，需要用复位管M4把C1两端的电压清零，易变下一次芯片启动时，软启动模块正常工作。

可选地，ACDC转换器还包括：

消隐模块260，与所述逻辑控制模块240连接，所述消隐模块260的GATE用于控制开关管开启的驱动信号，经过两个反相器输入到RS触发器的R端，当使能信号EN和GATE输入的电压为高时，RS触发器的XQ端置一，M3管开启，M1和M2组成的电流镜开始给C1电容充电，当C1上的充电达到一定程度，施密特触发器的输入端输入为高且输出为高，经过两个反相器和GATE信号一起输出LEB信号从低变高。

参阅图6，本实施例中，消隐模块260可以减少电路中的尖峰信号对内部逻辑的干扰，开关管在开启和关闭时，电压的变化比较大，开关管存在寄生电容而会产生尖峰电流信号，经过电感电流检测电阻后，电压会在短时间内产生波动，若保留这部分不准确的电压，原边电流检测会受到影响，导致开关管无法正常工作，需要一个电路来屏蔽这段不稳定信号，这段信号的存在时间较短，消隐模块260对信号的屏蔽不会影响其余部分的正常工作。GATE是控制开关管开启的驱动信号，经过两个反相器输入到RS触发器的R端，当使能信号EN为高，且GATE输入的电压为高时，此时M3管开启，由M1和M2组成的电流镜开始给C1电容充电，充电电流等于1A，当C1上的充电达到一定程度，施密特触发器的输入端输入为高且输出也为高，再经过两个反相器后和GATE信号一起输入一个与门，输出的LEB信号会从低变高。GATE的信号输入和LEB的信号输出存在一个时间差，可以起到前沿消隐作用，这个时间是由几个延迟器件加上电容C1的充电时间决定的，调节电容的充电电流大小即可调整LEB的宽度，延迟时间取值为260ns。

参阅图7，本发明还提供了一种ACDC转换器的管理芯片，包括依次连接的ACDC转换器100、电源供电模块270和过温保护模块300；

所述电源供电模块270包括启动电路280和上电复位电路290，启动电路280实时监控VCC并当VCC到达启动电压后启动电路产生一个参考电压OUT，再由OUT电压生成基准电压VREF，当内部电源的VDD电压达到芯片所需的电压需求时，上电复位电路产生复位信号使芯片内部所有电路模块开始工作；当VCC电压欠压时，启动电路不产生OUT电压，芯片在VCC停止工作；当触发预设保护条件时，过温保护模块产生保护信号；

所述启动电路280包括启动电阻、多个开关管、JFET管和肖特基二极管，当系统开始上电时，高压接入产生上电完成标识信号输出低电平，控制M2管关断，JFET管栅极电平缓慢升高，JFET管开启，高压电平通过JFET管、肖特基二极管D1给稳压电容Cvdd充电；当电容电压达到额定电压后，芯片内部开始正常工作；当M2管保持开启状态，JFET管被关断，部分电流从启动电阻流过；

所述过温保护模块300包括三个来自所述ACDC转换器的基准产生模块的与绝对温度成正比的PTAT电流、触发器、三个反相器、两个带有正温度系数的电阻，当芯片工作温度低于预设温度时，节点C电压低于开关管Q1导通阈值电压，开关管Q1管截止；节点A电平为高，经过反相器后输出端OTP输出低电平；当芯片温度上升时Q1的基极-发射极电压VBE降低，PTAT电流上升，电阻R1和R2的阻值也上升；当芯片温度达到预设温度时，节点C电压高于开关管Q1的导通阈值电压，开关管Q1导通，节点A电压被拉低，输出端OTP对应输出高电平。

本实施例中，通过原边反馈和副边反馈相结合的方式实现恒压和恒流输出，加入谷底导通、消隐、软启动等模块，提高了芯片的效率。开关电源芯片的调制模式包括脉宽调制模式PWM、脉冲调制模式PFM和两者混合的工作模式，PWM固定了系统的工作周期只调节了开关管的导通时间进行控制输出，PWM调制模块一般由振荡器、比较器、误差放大器、参考电压生成等模块组成，将反馈来的电压与参考电压进行比较放大后将该信号与三角波输入到比较器中进行比较，当误差信号大于三角波时输出PWM信号，当三角波大于误差信号时输出低电平，若此时反馈信号变低，则误差放大信号会变高，从而使得输出PWM信号脉冲加宽，传递的功率增大输出电压增大，从而实现恒压的目的。副边侧有正偏的整流二极管存在，辅助绕组反馈回来的FB电压会受到温度影响使采样电压不准，副边二极管温度系数有关的一个电压作为基准电压，可以抵消副边导通二极管压降的温漂影响。

本发明提供了一种ACDC转换器及其管理芯片，通过将基准产生模块、恒压控制模块、恒流控制模块和逻辑控制模块进行连接，基准产生模块中的高压稳压器电路可以将输入高压转换成预设电源电压，可以减少电路过压冲击，过压保护电路可以确保芯片工作时产生瞬时电压的保护，恒温控制模块和恒流控制模块可以给负载提供稳定的电压或电流输出，第一比较器和第二比较器为PWM，可以提供两种不同的工作模式，以提高ACDC转换器的工作稳定性。在电路中加入谷底导通模式、软启动模块和消隐模块可以降低开关损耗和降低干扰，确保芯片内部正常工作，过温保护模块在芯片的工作温度超过预设温度时，改变开关管的开闭，从而降低电路中的电压，也可以防止热震荡使得芯片内电路频繁关断造成的损害。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。