一种电源变换系统及其控制芯片的制作方法

1.本实用新型涉及电子领域，具体但不限于涉及一种用于电源变换系统的控制芯片。


背景技术：

2.电源变换器是电子系统中必不可少的组件。众所周知，电源变换器包括线形变换器和开关电源变换器两种主要类型，在转换方式上又可以分为隔离式和非隔离式两种类型。在开关电源场合，广泛适用的是隔离式变换器，因为隔离式开关电源变换器可以保护负载免受输入母线的高压冲击和损坏，在电信无线网络、汽车和医疗设备中具备广泛的应用。在隔离式变换器各种拓扑中，由于反激变换器(flyback converter)电路结构简单、输出隔离、成本低，在终端设备的应用中占有很高的比例。隔离式电源变换系统由于上述优点被用于usb-pd快充协议的电源适配器中。通常，反激变换系统在启动阶段，一般是通过启动电阻或者芯片内置的高压启动结型场效应管(jfet)管从母线取电，用于为功率控制器中的电路供电。启动结束后，由辅助绕组给功率控制器芯片持续供电。但是辅助绕组的电压受限于输出电压的变化，导致反激变换系统的供电电压也是变化的。然而，在pd快充场合，由电源变换系统提供的负载需要的输出电压具有很大的变化范围，比如对于pd3.0，输出电压从3v到21v变化，这样要求供电电压的工作范围变化也大。当供电电压较高时，芯片内部的供电电路的损耗也较大。同时，对于pd-快充电源变换系统，小型化也是一种重要指标。
3.有鉴于此，需要提供一种新的结构或控制方法，以期解决上述至少部分问题。


技术实现要素：

4.至少针对背景技术中的一个或多个问题，本实用新型提出了一种用于电源变换系统的控制芯片。
5.根据实用新型的一个方面，提出了一种用于电源变换系统的控制芯片，其中电源变换系统包括功率器件、原边绕组和辅助绕组，控制芯片具有第一管脚用于对外耦接辅助绕组，其特征在于，控制芯片包括：供电电路，包括开关和电感，供电电路具有供电输入端和供电输出端，其中供电输入端耦接第一管脚，供电输出端提供供电电压；以及控制电路，具有供电端和控制输出端，其中供电端耦接供电电路的供电输出端用于为控制电路供电，控制输出端用于耦接功率器件的控制端。
6.在一个实施例中，供电电路包括升压电路，升压电路包括开关、电感和整流管，其中电感的第一端耦接供电电路的供电输入端，电感的第二端耦接开关的第一端和整流管的第一端，开关的第二端接地，整流管的第二端耦接供电电路的供电输出端。
7.在一个实施例中，供电电路包括：升压电路，包括开关、电感和整流管，其中电感的第一端耦接供电电路的供电输入端，电感的第二端耦接开关的第一端和整流管的第一端，开关的第二端接地；线性电路，包括线性器件；以及选择电路，耦接升压电路和线性电路，选择电路基于供电电压控制开关和线性器件。
8.在一个实施例中，控制芯片为电子封装体。
9.在一个实施例中，控制芯片进一步具有第二管脚，其中第一管脚对内耦接电感的第一端，对外耦接二极管的第一端和第一电容的第一端，二极管的第二端耦接辅助绕组的第一端，第一电容的第二端和辅助绕组的第二端接地；第二管脚对内耦接供电输出端，对外耦接第二电容的第一端，第二电容的第二端接地。
10.根据实用新型的另一个方面，提出了一种控制芯片，包括：供电电路，具有供电输入端和供电输出端，供电电路包括开关和电感；以及控制电路，具有供电端和控制输出端，控制电路的供电端耦接供电电路的供电输出端，控制电路的控制输出端耦接功率器件的控制端用于提供控制功率器件的控制信号。
11.在一个实施例中，其中供电电路包括：升压电路，包括开关、电感和整流管，其中电感的第一端耦接供电电路的供电输入端，电感的第二端耦接开关的第一端和整流管的第一端，开关的第二端接地，整流管的第二端耦接供电电路的供电输出端；线性电路，包括线性器件，线性器件具有第一端、第二端和控制端，其中线性器件的第一端耦接供电电路的供电输入端或电感的第二端，线性器件的第二端耦接供电电路的供电输出端；以及选择电路，具有输入端和两个使能输出端，其中选择电路的输入端耦接供电电路的供电输出端、选择电路的两个使能输出端分别耦接升压电路和线性电路，选择电路基于供电输出端提供的供电电压使能开关电路或线性电路。
12.在一个实施例中，供电电路包括：升压电路，包括开关、电感和整流管，其中电感的第一端耦接供电电路的供电输入端，电感的第二端耦接开关的第一端和整流管的第一端，开关的第二端接地，整流管的第二端耦接供电电路的供电输出端；线性电路，包括线性器件，线性器件具有第一端、第二端和控制端，其中线性器件的第一端耦接供电电路的供电输入端，线性器件的第二端耦接供电电路的供电输出端；以及选择电路，耦接供电电路的供电输入端、升压电路和线性电路，选择电路基于供电输入端的供电输入电压使能开关电路或线性电路。
13.在一个实施例中，控制芯片具有第一管脚和第二管脚，其中第一管脚对外用于耦接第一电容并通过第一二极管耦接辅助绕组，对内耦接电感；第二管脚对外用于耦接第二电容并提供供电电压，对内耦接供电电路的供电输出端和控制电路的供电端。
14.根据本实用新型的另一个方面，提出了一种电源变换系统，其特征在于，电源变换系统包括功率器件、原边绕组、辅助绕组和如上任一实施例所述的控制芯片。
15.在一个实施例中，电源变换系统具有反激式电压变换结构。
16.本实用新型提出的控制芯片和电源变换系统，可以在较大的输出电压范围内给芯片内的控制电路供电，同时具有较少的外围电路和较小的体积。
附图说明
17.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，与说明描述一起用于解释本实用新型的实施例，并不构成对本实用新型的限制。
18.图1示出了根据本实用新型一实施例的电源变换系统示意图；
19.图2示出了根据本实用新型一实施例的控制芯片20内部结构示意图；
20.图3示出了根据本实用新型另一实施例的控制芯片30内部结构示意图。
具体实施方式
21.为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。
22.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本实用新型并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本实用新型描述和保护的范围内。
23.说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。
24.图1示出了根据本实用新型一实施例的电源变换系统示意图。在图示的实施例中，电源变换系统为隔离式电源变换系统，包括原边电路和副边电路，通过变压器隔离，其中原边电路具有原边绕组lp和功率器件q1。副边电路具有副边绕组ls和整流管do。基于对功率器件q1的控制，电源变换系统将输入原边电路的输入电压vin转换成副边电路输出端的输出电压vout，用于驱动负载。在一个实施例中，输出电压vout为满足usb-pd快充协议的电压源，该电源变换系统用于pd快充电源适配器中。电源变换系统进一步包括辅助绕组la、第一电容c1、第二电容c2二极管d1和用于控制功率器件q1的控制芯片10，控制芯片10具有第一管脚vddh，第二管脚vddl，第三管脚gate和第四管脚cs。其中辅助绕组la的第一端和第一二极管d1的阳极耦接，辅助绕组la的第二端接地，二极管d1的阴极耦接第一电容 c1的第一端和控制芯片10的第一管脚vddh并对内连接控制芯片10供电电路101的供电输入端11，第一电容c1的第二端接地。第一电容c1用于通过第一管脚vddh向控制芯片10提供供电输入电压。第二电容c2耦接第二管脚vddl并在第二管脚vddl处提供供电电压。控制芯片10包括供电电路101和控制电路102。供电电路101包括开关k和电感k，即开关 k和电感l制作在控制芯片10内部。控制芯片10可以基于电子封装技术制作。供电电路101 具有供电输入端11和供电输出端12，其中供电电路101的供电输入端11耦接第一管脚vddh 用于耦接辅助绕组la，供电电路101的供电输出端12耦接第二管脚vddl用于提供供电电压。优选地，供电电路101包括升压(boost)电路，包括耦接第一管脚vddh的电感l，耦接电感l的开关k，以及耦接电感l与开关k的整流管，boost电路的输出端耦接第二电容 c2用于在第二管脚vddl处提供供电电压。在其他的实施例中，供电电路101也可以包括升降压(buck-boost)电路或其他类型的开关电路。控制电路102具有供电端13和控制输出端 14，其中控制电路102的供电端13耦接供电电路的供电输出端12，即第二管脚vddl用于实现供电电路101为控制电路102供电，控制电路102的控制输出端14通过第三管脚gate 耦接功率器件q1的控制端，用于提供控制功率器件q1的控制信号，调节输出电压vout。在一个实施例中，控制芯片10为电子封装体，将控制电路102晶片和电感l包封在内部。在一个实施例中，控制芯片10内部包括第一晶片、第二晶片和电感l，其中第一晶片中制作有控制电路102，第二晶片内部制作有开关k。
25.图示的电源变换系统具有反激式(flyback)电压变换结构，在其他的实施例中，电源变换系统也可以采用其他拓扑，如正激式电压变换器，buck型电压变换器等，例如辅助绕
组通过变压器和buck电路的电感耦合来获取辅助电压源等。
26.在图示的实施例中，第一电容c1和二极管d1不设置在控制芯片10中，控制芯片10的第一管脚vddh对外耦接二极管d1的阴极和第一电容c1的第一端，第一电容的第二端接地，二极管d1的阳极耦接辅助绕组la的第一端，辅助绕组la的第二端接地。在另一个实施例中，第一电容c1和二极管d1制作在控制芯片10内部，控制芯片10的第一管脚vddh可直接耦接辅助绕组la。
27.在图示的实施例中，第二电容c2为外围器件，通过第二管脚vddl耦接控制芯片10。在另一个实施例中，第二电容c2制作在控制芯片10内部，控制芯片10可不具有提供供电电压的第二管脚vddl。
28.在图示的实施例中，控制芯片10具有第三管脚gate和第四管脚cs，第三管脚gate对外耦接功率器件q1的控制端，第四管脚cs将电流采样信号输入控制电路102中。在另一个实施例中，功率器件q1设置在控制芯片10内部，第三管脚直接耦接原边绕组lp的第二端，其中原边绕组lp的第一端接收输入电压vin。
29.通过供电电路，可以有效地提升或控制供电电压vddh，使得供电系统可以在需要输出电压vout较低或输出电压vout变化较大的pd快充适配器场合为控制电路提供足够的驱动电压。同时通过将电感内置在控制芯片中，减少了外围器件，使得系统具有高密度和高集成度，使电源变换系统更小型化。
30.图2示出了根据本实用新型一实施例的控制芯片20内部结构示意图。控制芯片20包括供电电路201和控制电路202。其中供电电路201包括boost电路，boost电路包括电感l、开关k和第二整流管d2。其中电感l的第一端耦接供电电路201的供电输入端21并经第一管脚vddh经二极管d1耦接辅助绕组la。电感l的第二端耦接开关k的第一端和整流管 d2的第一端，开关k的第二端接地，整流管d2的第二端耦接供电电路201的供电输出端22 并经控制芯片20的第二管脚vddl耦接第二电容c2以为控制电路202提供供电电压源。
31.图3示出了根据本实用新型另一实施例的控制芯片30内部结构示意图。控制芯片30中的供电电路301包括升压(boost)电路31、线性电路32和选择电路33。其中boost电路31 包括电感l、开关k和第二整流管d2。其中电感l的第一端耦接供电电路301的供电输入端并经第一管脚vddh通过二极管d1耦接辅助绕组la。电感l的第二端耦接开关k的第一端和整流管d2的第一端，开关k的第二端接地，整流管d2的第二端提供boost电路31的输出电压。线性电路32包括线性器件ln，线性器件ln的第一端耦接第一管脚vddh或电感 l1的第二端。在另一个实施例中，线性器件ln的第一端耦接电感l的第二端。线性器件ln 的第二端提供线性电路32的输出电压。在图示的实施例中，boost电路31的输出端和线性电路32的输出端均直接耦接供电电路301的供电输出端，即耦接第二管脚vddl，其中第二管脚vddl对外耦接第二电容c2，用于为控制电路302提供供电电压源vdd。选择电路33具有两个使能输出端en1和en2，分别用于耦接boost电路31的使能端和线性电路32的使能端，选择电路33基于供电电路301的供电输出端的供电电压vdd或供电电路301供电输入端的供电输入电压vin选择使能boost电路31或线性电路32。在另一个实施例中，选择电路包括两个开关管，分别耦接在升压电路31的输出端和第二管脚vddl之间以及线性电路32 的输出端和第二管脚vddl之间。选择电路33通过控制两个开关管的导通与否将boost电路 31或线性电路32的输出电压耦接到第二管脚vddl上。
32.当电源变换系统的输出电压较低时，供电输入电压vin也较低，此时选择开关升压电路 31工作，用于使供电电压vdd高于供电输入电压vin，升压后对控制电路进行供电。当输出电压较高时，供电输入电压vin也较高，此时选择线性电路32工作，用于使供电电压vdd 低于供电输入电压vin，降压后对控制电路进行供电。这样，无论输出电压如何变化，供电电压可以被限制在一个合理的范围，可以拓展pd快充协议等场合下输出电压的输出范围。
33.这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对实用新型范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。