高效率小体积AC-DC电源控制器模块的制作方法

技术特征：
1.高效率小体积ac-dc电源控制器模块，包括开关输出引脚sw、电源引脚vcc、反馈电压信号引脚fb、地电压引脚vss，其特征是，该模块内部包括：第一封装基板(31)、第二封装基板(32)，在第一封装基板(31)上焊接有高压功率mosfet晶体管(301)，在第二封装基板(32)上焊接有ac-dc控制芯片(302)；所述高压功率mosfet晶体管(301)的漏极连接到模块的开关输出引脚sw，高压功率mosfet晶体管(301)的栅极连接到ac-dc控制芯片(302)的栅驱动引脚vo，高压功率mosfet晶体管(301)的源极连接到ac-dc控制芯片(302)的输出电流信号引脚cs；所述ac-dc控制芯片(302)的高压电源引脚连接到模块的电源引脚vcc，ac-dc控制芯片(302)的反馈电压信号引脚连接到模块的反馈电压信号引脚fb，ac-dc控制芯片(302)的地电压引脚连接到模块的地电压引脚vss。2.根据权利要求1所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，当高压功率mosfet晶体管(301)的源极位于芯片反面，则高压功率mosfet晶体管(301)的源极通过焊锡连接到第一封装基板(31)，第一封装基板(31)通过引线连接到ac-dc控制芯片(302)的输出电流信号引脚cs，即高压功率mosfet晶体管(301)的源极经过导电性良好的第一封装基板(31)间接连接到ac-dc控制芯片(302)的输出电流信号引脚cs。3.根据权利要求1所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，所述高压功率mosfet晶体管(301)采用单颗芯片，或采用多颗芯片并联实现；当所述高压功率mosfet晶体管(301)采用多颗芯片并联实现时，需要使用导电基板进行并联连接，每个mosfet晶体管芯片的栅极均连接到共同的导电基板，经过导电基板连接ac-dc控制芯片(302)的栅驱动引脚vo；每个mosfet晶体管芯片的源极连接到共同的导电基板，经过导电基板连接ac-dc控制芯片(302)的输出电流信号引脚cs，或者每个mosfet晶体管芯片的源极通过焊锡连接到第一封装基板(31)，第一封装基板(31)再通过引线连接到ac-dc控制芯片(302)的输出电流信号引脚cs。4.根据权利要求1所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，所述ac-dc控制芯片(302)包括：电流检测电阻rcs、反馈电压检测电路(1)、原边峰值电流检测模块(2)、反馈电流检测电路(3)、电压电流混合检测电路(4)、参考电压产生电路(5)、第一电压判别电路(6)、第二电压判别电路(7)、电流综合补偿电路(9)、综合比较器(10)、总体功能控制电路(11)、输出驱动模块(12)和保护电路(13)；电流检测电阻rcs连接在开关电源输出电流信号引脚cs和地电压引脚vss之间；所述反馈电压检测电路(1)用于检测开关电源输出的反馈电压fb，并产生检测信号vf；所述原边峰值电流检测模块(2)用于检测开关电源输出电流信号cs，并产生检测信号leb，分别连接到反馈电流检测电路(3)和电压电流混合检测电路(4)；所述反馈电流检测电路(3)用于对检测信号leb进行处理，并产生检测信号vcs2；所述电压电流混合检测电路(4)的输入端连接开关电源输出的反馈电压fb、检测信号leb、检测信号vcs2，用于对反馈电压fb和检测信号leb进行处理，并结合检测信号vcs2产生检测信号vcs1；所述第一电压判别电路(6)的输入端连接检测信号vcs1、电流综合补偿电路(9)反馈的补偿参考电压vrc，用于对检测信号vcs1和补偿参考电压vrc比较得到补偿信号vc1；所述第二电压判别电路(7)的输入端连接开关电源输出的反馈电压fb和电流综合补偿电路(9)反馈的补偿参考电压vrc，对反馈电压fb和补偿参考电压vrc比较得到补偿信号vc2；所述电流综合补偿电路(9)的输入端连接补偿信号vc1、补偿信号vc2、参考电压vadj1，在控制信号ctr4的控制下，将补偿信号vc1、补偿
信号vc2、参考电压vref和参考电压vadj1进行补偿处理，得到电流补偿信号vcom；综合比较器(10)的输入端连接电流补偿信号vcom、参考电压vadj2，对电流补偿信号vcom和参考电压vadj2进行比较，得到补偿输出信号dcom；总体功能控制电路(11)的输入端连接补偿输出信号dcom、检测信号vf、检测信号vcs2、欠压保护信号uvlo、过压保护信号ovp、过温保护信号otp、过流保护信号ocp，总体功能控制电路(11)产生控制信号ctr1～ctr5分别用于控制反馈电压检测电路(1)、反馈电流检测电路(3)、电压电流混合检测电路(4)、电流综合补偿电路(9)和综合比较器(10)的工作状态，并根据检测信号vf、检测信号vcs2、补偿输出信号dcom、欠压保护信号uvlo、过压保护信号ovp、过温保护信号otp以及过流保护信号ocp，综合处理产生脉冲驱动信号vin，输出给输出驱动模块(12)；所述输出驱动模块(12)用于将脉冲驱动信号vin进行电流和电压放大，输出有大电流驱动能力的栅驱动信号vo；所述保护电路10内部包括欠压保护电路、过压保护电路、过温保护电路和过流保护电路，分别产生欠压保护信号uvlo、过压保护信号ovp、过温保护信号otp以及过流保护信号ocp；所述参考电压产生电路(5)的输入端连接到外部高压电源，用于产生可调整的参考电压vadj1和参考电压vadj2，还产生上述所有电路工作需要的片内低压电源和参考信号。5.根据权利要求4所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是：所述ac-dc控制芯片(302)上电之后，参考电压产生电路(5)和总体功能控制电路(11)最先工作，然后总体功能控制电路(11)按照先后次序分别输出控制信号ctr1～ctr5，输出控制信号ctr1～ctr5的次序为：首先，同时输出控制信号ctr3、控制信号ctr4和控制信号ctr5，分别控制电压电流混合检测电路(4)、电流综合补偿电路(9)和综合比较器(10)开始工作，使反馈电压fb和检测信号leb形成一个简单控制环路，并输出脉冲驱动信号vin使驱动信号vo输出一个初始输出电压；然后，输出控制信号ctr1和控制信号ctr2，分别控制反馈电压检测电路(1)和反馈电流检测电路(3)开始工作；此时整体ac-dc电源控制器的所有控制环路开启，芯片形成多环路控制模式。6.根据权利要求4所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，所述总体功能控制电路(11)包括：时钟产生电路(90)、第一数字滤波器(91)、第二数字滤波器(92)、错误处理逻辑(93)、计数器组(94)、判别控制逻辑(95)和寄存器组(96)；所述时钟产生电路(90)产生的高频时钟clk同时输入到第一数字滤波器(91)、第二数字滤波器(92)、计数器组(94)和判别控制逻辑(95)；所述第一数字滤波器(91)在高频时钟clk的控制下，对检测信号vf进行滤波处理，得到补偿数据dc1；所述第二数字滤波器(92)在高频时钟clk的控制下，对检测信号vcs2进行滤波处理，得到补偿数据dc2；所述错误处理逻辑(93)根据欠压保护信号uvlo、过压保护信号ovp、过温保护信号otp以及过流保护信号ocp的情况产生错误信号err；所述计数器组(94)根据判别控制逻辑(95)输出的计数选择信号sel的情况选择计数输出count，并将计数输出count输出给判别控制逻辑(95)；判别控制逻辑(95)的输入端分别连接上述补偿数据dc1、补偿数据dc2、错误信号err、计数输出count以及补偿输出信号dcom，根据各信号状态进行逻辑运算，先产生输出给寄存器组(96)的状态控制信号set，然后综合处理产生脉冲驱动信号vin；电路上电之后，时钟产生电路(90)和错误处理逻辑(93)开始工作，时钟产生电路(90)正常工作后输出高频时钟clk；紧接着，判别控制逻辑(95)先产生第一种状态控制信号set并输出给寄存器组(96)，寄存器组(96)根据第一种状态控制信号set先输出控制信号ctr3、
ctr4和ctr5，同时将脉冲驱动信号vin设置为一种固定频率的方波脉冲；紧接着经过一段延时时间td1，待补偿输出信号dcom由初始状态开始改变为脉冲信号时，判别控制逻辑(95)将会解锁脉冲驱动信号vin，使之改为由补偿输出信号dcom控制；然后经过一段延时时间td2，判别控制逻辑(95)产生第二种状态控制信号set并输出给寄存器组(96)，寄存器组(96)根据第二种状态控制信号set输出控制信号ctr1和ctr2，开启其余控制环路；上述判别控制逻辑(95)改变状态控制信号set所依据的延时时间td1、延时时间td2和延时时间td3，均由判别控制逻辑(95)通过依次提供不同的计数选择信号sel给计数器组(94)进而通过计数器组(94)产生不同计数输出count进行控制。7.根据权利要求4所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，所述电流综合补偿电路(9)包括：pmos管m401、pmos管m402、pmos管m404、pmos管m405、pmos管m406、pmos管m407、pmos管m408、pmos管m409、pmos管m410、pmos管m411、pmos管m412、nmos管m413、nmos管m414、pmos管m415、pmos管m416、nmos管m417、nmos管m418、nmos管m419、nmos管m420、nmos管m421、nmos管m422、nmos管m423、nmos管m424、nmos管m425、nmos管m426、nmos管m427、nmos管m428、nmos管m429、电阻r41、电阻r42、电阻r43、电阻r44、电阻r45、电阻r46、电容c41、电容c42、电容c43和电容c44；pmos管m430、pmos管m431、pmos管m432、pmos管m433、nmos管m434、pmos管m435、pmos管m436、nmos管m437、nmos管m438、nmos管m439、nmos管m440、nmos管m441、电阻r47、电阻r48和电容c45；其中，pmos管m401、pmos管m402、pmos管m404、电阻r41、电阻r42、nmos管m413、nmos管m414、nmos管m419、nmos管m420、nmos管m428、nmos管m429、电容c41和电容c42构成补偿信号调整电路；pmos管m401漏极连接pmos管m401栅极、pmos管m402栅极、pmos管m404栅极、电容c41下端，并作为偏置输入信号ibc41的输入端；pmos管m402漏极连接nmos管m419漏极、nmos管m419栅极、nmos管m420栅极、nmos管m429漏极；pmos管m404漏极连接nmos管m420漏极、nmos管m413源极、nmos管m414源极、nmos管m428漏极和电阻r44左端，并作为补偿参考电压vrc的输出端；nmos管m413漏极连接电阻r41下端，nmos管m413栅极连接补偿信号vc1，nmos管m414漏极连接电阻r42下端，nmos管m414栅极连接补偿信号vc2；pmos管m401源极、pmos管m402源极、pmos管m404源极、电容c41上端、电阻r41上端和电阻r42上端均连接到电源电压vccl；nmos管m419源极、nmos管m420源极、nmos管m428源极、nmos管m429源极、电容c42下端均连接地电压vss；电容c41和电容c42为滤波电容，nmos管m429和nmos管m428为受复位信号s1控制的复位晶体管；pmos管m405、pmos管m406、pmos管m409、pmos管m410、pmos管m415、pmos管m416、电阻r43、电阻r44、电阻r45、nmos管m421、nmos管m422、nmos管m426、nmos管m427构成补偿信号放大电路；其中pmos管m405、pmos管m406、pmos管m409、pmos管m410和电阻r43构成自偏置共源共栅镜像电流源电路，电阻r43的下端作为偏置输入信号ibc42的输入端，还连接pmos管m409栅极、pmos管m410栅极、pmos管m411栅极、pmos管m412栅极，电阻r43上端连接pmos管m409漏极、pmos管m405栅极、pmos管m406栅极，pmos管m409源极连接pmos管m405漏极，pmos管m406漏极连接pmos管m410源极；pmos管m406和pmos管m410构成共源共栅电流源，pmos管m410漏极连接pmos管m415源极和pmos管m416源极，pmos管m415栅极连接到电阻r44右端和电阻r46下端，pmos管m416栅极连接到电阻r45左端，r45右端连接所述电流综合补偿电路(9)的调制参考信号vadj1，pmos管m415漏极连接nmos管421漏极、nmos管421栅极、nmos管
m423栅极、nmos管m427漏极，pmos管m416漏极连接nmos管m422漏极、nmos管m422栅极、nmos管m424栅极、nmos管m426漏极，nmos管m427和nmos管m426为受复位信号s1控制的复位晶体管；pmos管m405源极、pmos管m406源极均连接到电源电压vccl；nmos管m421源极、nmos管m422源极、nmos管m426源极、nmos管m427源极均连接地电压vss；pmos管m407、pmos管m408、pmos管m411、pmos管m412、nmos管m417、nmos管m418、nmos管m423、nmos管m424、nmos管m425、电容c43、电容c44、电阻r46构成补偿输出电路，pmos管m407、pmos管m408、pmos管m411和pmos管m412组成共源共栅镜像电流源电路，pmos管m407栅极连接pmos管m408栅极、pmos管m411漏极、pmos管m417漏极，pmos管m407漏极连接pmos管m411源极，pmos管m408漏极连接pmos管m412源极，pmos管m411的漏极和pmos管m412的漏极为共源共栅镜像电流源的输出端；pmos管m411漏极连接nmos管m417漏极，nmos管m417栅极连接偏置电压vbc41，pmos管m412漏极连接nmos管m418漏极、nmos管m418栅极、nmos管m424漏极、nmos管m425漏极、电容c43上端、电容c44上端，并作为电流补偿信号vcom输出端；电容c43下端连接电阻r46上端；nmos管m417源极连接nmos管m423漏极和nmos管m418源极；nmos管m425为受复位信号s1控制的复位晶体管，电容c44为滤波电容；pmos管m407源极、pmos管m408源极均连接到电源电压vccl；nmos管m423源极、nmos管m424源极、nmos管m425源极、电容c44下端均连接地电压vss；剩余部分电路构成一个单位增益缓冲器，包括：pmos管m430栅极连接到参考电压vref；pmos管m431栅极、pmos管m432栅极、pmos管m433栅极连接偏置电压vbc43，nmos管m441栅极连接偏置电压vbc44；pmos管m430漏极连接电阻r47上端和pmos管m435栅极；pmos管m431漏极连接pmos管m435源极和pmos管m436源极；pmos管m435漏极连接nmos管m438漏极、nmos管m438栅极、nmos管m439栅极；pmos管m436漏极连接nmos管m439漏极、nmos管m440栅极、电阻r48上端，电阻r48下端连接电容c45上端；pmos管m432漏极与nmos管m440漏极相连，并连接到nmos管m437源极；pmos管m433漏极连接nmos管m437栅极、nmos管m437漏极、nmos管m434栅极；nmos管m434源极连接nmos管m441漏极、pmos管m436栅极，并作为电流补偿信号vcom输出端，还反馈连接到电容c43上端、nmos管m424的漏极；pmos管m430源极、pmos管m431源极、pmos管m432源极、pmos管m433源极和nmos管m434漏极同时连接到电源电压vccl；nmos管m438源极、nmos管m439源极、nmos管m440源极、nmos管m441源极、电阻r47下端、电容c45下端同时连接到地电压vss；其中，pmos管m431、pmos管m432、pmos管m435、pmos管m436和nmos管m438、nmos管m439、nmos管m440构成一个两级运算放大器，nmos管m434和nmos管m441构成一个源跟随器，nmos管m434的偏置点信号需要较高电压，所以两级运算放大器的输出端连接了一个由pmos管m433和nmos管m437构成的电平移位电路，然后再输出到nmos管m434栅极；nmos管m434和nmos管m441构成的源跟随器的输出即为电流综合补偿电路(9)的电流补偿信号vcom输出端，该输出端重新连接到两级运算放大器的输入端，使得总体电路构成一个单位增益缓冲器；参考电压vref经过pmos管m430和电阻r47构成输入偏置电路，输入偏置电路的偏置信号输出到pmos管m435栅极。8.根据权利要求4所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，所述电压电流混合检测电路(4)内部包括：单位增益放大器(80)、分压电路(81)、可变增益运算放大器(82)和同相加法运算放大器电路(83)，单位增益放大器(80)将反馈电压fb信号进行隔离缓冲输出电压信号vf_in，连接到同相加法运算放大器电路(83)；分压电路(81)对信号leb进
行电流转电压转换，输出电压vc_det，连接到可变增益运算放大器(82)，经可变增益运算放大器(82)转换放大得到电压信号vc_in，再连接到同相加法运算放大器电路(83)；同相加法运算放大器电路(83)对电压信号vf_in和vc_in求和，输出最终的检测信号vcs1。9.根据权利要求4所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，所述保护电路(13)包括：温度检测电路(1012)的输入端连接第一钳位电路(1011)构成温度检测支路，电流检测电路(1022)的输入端连接第二钳位电路(1021)构成电流检测支路，第一电压检测电路(1032)的输入端连接第三钳位电路(1031)构成欠压检测支路，第二电压检测电路(1042)的输入端连接第四钳位电路(1041)构成过压检测支路；所述温度检测电路(1012)、电流检测电路(1022)、第一电压检测电路(1032)、第二电压检测电路(1042)的输出端均连接检测输入开关选择电路(103)，检测输入开关选择电路(103)的输出端依次连接高精度比较器(104)、整形缓冲电路(105)、检测输出开关选择电路(106)；所述检测输出开关选择电路(106)输出过温保护信号otp、温度锁定信号otlock、过流保护信号ocp、过流锁定信号oclock、欠压保护信号uvlo、欠压锁定信号uvlock、过压保护信号ovp和过压锁定信号ovlock，其中温度锁定信号otlock连接到第一钳位电路(1011)的输入端，过流锁定信号oclock连接到第二钳位电路(1021)的输入端，欠压锁定信号uvlock连接到第三钳位电路(1031)的输入端，过压锁定信号ovlock连接到第四钳位电路(1041)的输入端；所述第一钳位电路(1011)根据温度锁定信号otlock的状态提供偏置电压vbt，并输出给温度检测电路(1012)，温度检测电路(1012)根据偏置电压vbt得到温度检测输出信号vint；所述第二钳位电路(1021)根据过流锁定信号oclock的状态提供偏置电压vbc，并输出给电流检测电路(1022)，电流检测电路(1022)根据偏置电压vbc得到电流检测输出信号vinc；所述第三钳位电路(1031)根据欠压锁定信号uvlock的状态提供偏置电压vbl，并输出给电流检测电路(1032)，电流检测电路(1032)根据偏置电压vbc得到欠压检测输出信号vinl；所述第四钳位电路(1041)根据过压锁定信号ovlock的状态提供偏置电压vbh，并输出给电流检测电路(1042)，电流检测电路(1042)根据偏置电压vbh得到过压检测输出信号vinh；所述温度检测输出信号vint、电流检测输出信号vinc、欠压检测输出信号vinl、过压检测输出信号vinh同时进入检测输入开关选择电路(103)，经开关选择控制信号selp选择，输出检测信号vind；所述开关选择控制信号selp共有4种开关状态，状态一时温度检测输出信号vint选通并连接到检测信号vind，状态二时电流检测输出信号vinc选通并连接到检测信号vind，状态三时欠压检测输出信号vinl选通并连接到检测信号vind，状态四时过压检测输出信号vinh选通并连接到检测信号vind；所述高精度比较器(104)将检测信号vind和内部参考信号进行比较，得到比较输出信号vo；整形缓冲电路(105)将比较输出信号vo进行处理得到保护信号op和保护锁定信号opl，同时连接检测输出开关选择电路(106)的输入端；经开关选择控制信号selp选择，状态一时保护信号op和保护锁定信号opl选通分别连接过温保护信号otp和温度锁定信号otlock，状态二时选通分别连接过流保护信号ocp和过流锁定信号oclock，状态三时选通分别连接欠压保护信号uvlo和欠压锁定信号uvlock，状态四时选通分别连接过压保护信号ovp和过压锁定信号ovlock。10.根据权利要求9所述的高效率小体积ac-dc电源控制器模块，其特征是，所述高精度比较器(104)包括：pmos管m121、nmos管m122、nmos管m123、pmos管m124、pmos管m125、pmos管
m126、pmos管m127、nmos管m128、nmos管m129、nmos管m1210、pmos管m1211、pmos管m1212和pmos管m1213、nmos管m1214、nmos管m1215、电阻r121和电容c121；其中，pmos管m121栅极连接偏置电压，pmos管m121漏极连接nmos管m122漏极、nmos管m122栅极、nmos管m123栅极、nmos管m128栅极和nmos管m129栅极；nmos管m123漏极连接pmos管m124漏极、pmos管m124栅极、pmos管m125栅极；pmos管m125漏极连接pmos管m126源极和pmos管m127源极；pmos管m126栅极连接到高精度比较器(104)的参考电压；pmos管m127栅极为比较电压输入端，连接vind；pmos管m126漏极连接nmos管m129漏极和nmos管m1210栅极；pmos管m127漏极连接nmos管m128漏极和nmos管m1214栅极；pmos管m1211漏极连接nmos管m1210漏极和pmos管m1212栅极；pmos管m1212漏极连接pmos管m1211的栅极、nmos管m1214漏极、pmos管m1213栅极和nmos管m1215栅极；pmos管m1213漏极连接nmos管m1215的漏极、电阻r121上端和电容c121上端，并作为信号vo输出端；nmos管m122源极、nmos管m123源极、nmos管m128源极、nmos管m129源极、nmos管m1210源极、nmos管m1214源极、nmos管m1215源极、电阻r121下端和电容c121下端均连接到地电压vss；pmos管m121源极、pmos管m124源极、pmos管m125源极、pmos管m1211源极、pmos管m1212源极、pmos管m1213源极均连接到电源电压vccl。

技术总结
本发明涉及一种高效率小体积AC-DC电源控制器模块，包括第一封装基板、第二封装基板、焊接在第一封装基板上的高压功率MOSFET晶体管和焊接在第二封装基板上的AC-DC控制芯片。本发明首先将AC-DC控制芯片、功率MOSFET和电阻Rcs进行封装集成实现体积优化，减小开关电源系统的PCB布局面积实现高功率密度，并减少外部引脚和外部电阻进一步降低系统成本；此外，本发明对AC-DC控制芯片进行效率优化，增加了电压电流混合检测控制环路和多环路控制逻辑，提高反馈信号控制精度和响应速度的同时，保持AC-DC控制器的稳定性，对各环路的工作模式和状态进行精确控制，最终实现更高效率。最终实现更高效率。最终实现更高效率。


技术研发人员：朱宁 王强
受保护的技术使用者：瀚昕微电子（无锡）有限公司
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/9/13