本發(fā)明涉及電路領域，更具體地涉及一種開關電源芯片及包括其的開關電源電路。

背景技術：

開關電源電路是通過利用控制電路控制電子開關器件(例如，晶體管、場效應管、可控硅閘流管等)不停地接通和關斷來對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(xiàn)交流-直流(ac/dc)或者直流-直流(dc/dc)電壓變換的電路。

圖1示出了傳統(tǒng)的開關電源電路的示例系統(tǒng)結(jié)構的示意圖。下面，以圖1所示的開關電源電路為例，來說明開關電源芯片的高壓啟動與線電壓檢測原理。

如圖1所示，vline為整流橋?qū)碜越涣?ac)電源的輸入電壓進行整流后得到的線電壓；cbulk為濾波電容；三繞組變壓器的原邊繞組、副邊繞組、輔助繞組之間的匝數(shù)比為np:ns:na；u1為開關電源芯片，包括控制器和三極管s1兩部分；cp為芯片供電電容；d1為供電二極管；rst為高壓啟動電阻；rup為線電壓上分壓電阻，rdn為線電壓下分壓電阻。

在ac電源接入時(即，在開關電源芯片u1的啟動過程中)，線電壓vline經(jīng)由高壓啟動電阻rst為開關電源芯片u1提供啟動電流。具體地，線電壓vline經(jīng)由高壓啟動電阻rst給芯片供電電容cp充電；當芯片供電電容cp上的電壓，即開關電源芯片u1的供電腳(即，vcc腳)處的電壓大于開關電源芯片u1的欠壓鎖存(uvlo)開啟閾值電壓時，開關電源芯片u1啟動，控制器以一定的開關頻率和占空比控制三極管s1接通和關斷。

在開關電源芯片u1啟動后(即，在開關電源芯片u1的工作過程中)，變壓器的輔助繞組na經(jīng)由供電二極管d1和開關電源芯片u1的vcc腳為開關電源芯片u1供電；控制器經(jīng)由開關電源芯片u1的線電壓檢測腳(即，rt腳)檢測線電壓vline的分壓，并將線電壓vline的分壓輸入到其內(nèi)部的比較器與預定的參考電壓進行比較，從而實現(xiàn)輸入過壓和欠壓保護功能。

在圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構中，由于高壓啟動電路(即，高壓啟動電阻rst)和線電壓檢測電路(即，線電壓分壓電阻rup、rdn)的使用，增加了開關電源芯片u1的外圍器件的數(shù)量，從而增加了開關電源電路的系統(tǒng)成本；另外，由于高壓啟動電路和線電壓檢測電路產(chǎn)生較大功耗，降低了開關電源電路的系統(tǒng)效率。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種開關電源芯片及包括其的開關電源電路。

根據(jù)本發(fā)明實施例的開關電源芯片，包括控制器和功率開關，控制器包括高壓二極管、第一電阻和第二電阻、第一比較器和第二比較器、第一開關管和第二開關管、以及控制信號生成模塊，其中：第一電阻、第二電阻、以及第一開關管連接在開關電源芯片的線電壓檢測腳與接地腳之間；第一電阻和高壓二極管連接在開關電源芯片的線電壓檢測腳與供電腳之間；第一電阻與第二電阻之間的連接節(jié)點經(jīng)由第二開關管連接至第一比較器的輸入端和第二比較器的輸入端；在開關電源芯片的啟動過程中，第一開關管、第二開關管、以及功率開關均處于關斷狀態(tài)，由線電壓檢測腳從外部接收的線電壓經(jīng)由第一電阻和高壓二極管為開關電源芯片提供啟動電流；在開關電源芯片的工作過程中，第一開關管和第二開關管均處于接通狀態(tài)，第一比較器通過比較第一電阻與第二電阻之間的連接節(jié)點處的線電壓采樣值和第一參考電壓生成線電壓過壓檢測信號，第二比較器通過比較線電壓采樣值和第二參考電壓生成線電壓欠壓檢測信號，控制信號生成模塊基于線電壓過壓檢測信號和線電壓欠壓檢測信號來生成控制功率開關接通與關斷的信號。

在根據(jù)本發(fā)明實施例的開關電源芯片中，第一電阻同時充當線電壓上分壓電阻和高壓啟動電阻，與第二電阻組成線電壓檢測電路來實現(xiàn)線電壓檢測功能，并且其自身組成高壓啟動電路來實現(xiàn)高壓啟動功能。

根據(jù)本發(fā)明實施例的開關電源電路，包括上述開關電源芯片。在使用根據(jù)本發(fā)明實施例的開關電源芯片的開關電源電路中，開關電源芯片的外圍組件的數(shù)量減少了，從而降低了開關電源電路的系統(tǒng)成本；另外，由于第一電阻同時充當高壓啟動電阻和線電壓上分壓電阻，省掉了傳統(tǒng)的線電壓檢測電路的功耗，提高了開關電源電路的系統(tǒng)效率。

附圖說明

從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發(fā)明，其中：

圖1示出了傳統(tǒng)的開關電源電路的示例系統(tǒng)結(jié)構的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的開關電源芯片及其外圍組件的示例電路結(jié)構的示意圖；

圖3示出了包括圖2所示的開關電源芯片及其外圍組件的開關電源電路的示例系統(tǒng)結(jié)構的示意圖；

圖4示出了圖2所示的開關電源芯片中的多個電壓信號的波形圖；

圖5示出了圖2所示的開關電源芯片的示例實現(xiàn)電路的示意圖。

具體實施方式

下面將詳細描述本發(fā)明的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的全面理解。但是，對于本領域技術人員來說很明顯的是，本發(fā)明可以在不需要這些具體細節(jié)中的一些細節(jié)的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發(fā)明的示例來提供對本發(fā)明的更好的理解。本發(fā)明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發(fā)明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結(jié)構和技術，以便避免對本發(fā)明造成不必要的模糊。

鑒于結(jié)合圖1所述的開關電源電路的一個或多個問題，提供了一種內(nèi)部集成有高壓啟動電路和線電壓檢測電路的開關電源芯片。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的開關電源芯片及其外圍組件的示例電路結(jié)構的示意圖。如圖2所示，開關電源芯片u2包括控制器202和功率開關204，控制器202包括高壓二極管d3、高壓啟動電阻rst、線電壓分壓電阻rdn、mos開關m1和m2(其中，m2可以為高壓mos開關)、比較器comp1和comp2、以及控制信號生成模塊。

在圖2所示的實施例中，高壓啟動電阻rs、線電壓分壓電阻rdn、以及mos開關m1連接在開關電源芯片u2的線電壓檢測腳(即，rt腳)與接地腳(即，gnd腳)之間；高壓啟動電阻rs和高壓二極管d3連接在開關電源芯片u2的rt腳與供電腳(即，vcc腳)之間；高壓啟動電阻rst與線電壓分壓電阻rdn之間的連接節(jié)點經(jīng)由mos開關m2連接至比較器comp1的正相輸入端和比較器comp2的負相輸入端。

在圖2所示的實施例中，mos開關m1的柵極輸入為開關電源芯片u2的芯片上電完成(pg)信號，該pg信號的初始狀態(tài)為邏輯低電平；mos開關m2的柵極輸入為開關電源芯片u2內(nèi)部的低壓電源avdd信號，該avdd信號的初始狀態(tài)為邏輯低電平。也就是說，在開關電源芯片u2尚未啟動或處于啟動過程中時，mos開關m1和m2處于關斷狀態(tài)。

圖3示出了包括圖2所示的開關電源芯片及其外圍組件的開關電源電路的示例系統(tǒng)結(jié)構的示意圖。下面以圖3所示的開關電源電路為例，詳細說明圖2所示的開關電源芯片u2的高壓啟動與線電壓檢測原理。

在ac電源接入時(即，在開關電源芯片u2的啟動過程中)，pg信號為邏輯低電平，mos開關m1處于關斷狀態(tài)；avdd信號為邏輯低電平，mos開關m2處于關斷狀態(tài)；線電壓vline經(jīng)由高壓啟動電阻rst和高壓二極管d3為開關電源芯片u2提供啟動電流。具體地，線電壓vline經(jīng)由高壓啟動電阻rst和高壓二極管d3給連接到開關電源芯片u2的vcc腳的芯片供電電容cp充電；在芯片供電電容cp上的電壓，即開關電源芯片u2的vcc腳處的電壓大于開關電源芯片u2的uvlo開啟閾值電壓時，開關電源芯片u2啟動。

在開關電源芯片u2啟動(即，上電完成)后，pg信號從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖?，mos開關m1從關斷狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)；avdd信號從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖?，mos開關m2從關斷狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)。在開關電源芯片u2的工作過程中，高壓啟動電阻rst與線電壓分壓電阻rdn組成線電壓分壓檢測電路，對線電壓vline進行分壓得到線電壓采樣值line_det(該線電壓采樣值小于開關電源芯片u2的vcc腳處的電壓)；比較器comp1將線電壓采樣值line_det與參考電壓vref_ovp進行比較，生成線電壓過壓檢測信號line_ovp_det；比較器comp2將線電壓采樣值line_det與參考電壓vref_bo進行比較，生成線電壓欠壓檢測信號brown_out_det；控制信號生成模塊基于線電壓過壓檢測信號line_ovp_det和線電壓欠壓檢測信號brown_out_de生成控制功率開關204接通和關斷的信號。

圖4示出了圖2所示的開關電源芯片中的線電壓vline、vcc引腳處的電壓、avdd信號、pg信號、線電壓采樣值line_det的波形圖。

從以上描述中可以看出，在開關電源芯片u2中，高壓啟動電阻rst和線電壓分壓電阻rdn組成線電壓檢測電路來實現(xiàn)線電壓檢測功能，并且高壓啟動電阻rst本身組成高壓啟動電路來實現(xiàn)高壓啟動功能。因此，在使用開關電源芯片u2的開關電源電路中，由于開關電源芯片u2中已經(jīng)集成有高壓啟動電阻rst和線電壓分壓電阻rdn，開關電源芯片u2的外圍組件的數(shù)量減少了，從而降低了開關電源電路的系統(tǒng)成本；另外，由于高壓啟動電阻rst不但用于高壓啟動功能而且用于線電壓檢測功能，省掉了傳統(tǒng)的線電壓檢測電路的功耗，提高了開關電源電路的系統(tǒng)效率。

在結(jié)合圖2和圖3描述的實施例中，當線電壓采樣值line_det大于參考電壓vref_ovp時，線電壓過壓檢測信號line_ovp_det從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖?，表明電源輸入電壓過高，線電壓過壓檢測信號line_ovp_det會強制關斷功率開關204，從而保護開關電源電路不受損壞；當線電壓采樣值line_det小于參考電壓vref_bo時，線電壓欠壓檢測信號brown_out_det從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖?，表明電源輸入電壓過低，線電壓欠壓檢測信號brown_out_det會強制關斷功率開關204，從而保護開關電源電路不受損壞；當線電壓采樣值line_det在兩個參考電壓vref_ovp、vref_bo之間時，線電壓過壓檢測信號line_ovp_det和線電壓欠壓檢測信號brown_out_det都為邏輯低電平，表明電源輸入電壓在要求范圍內(nèi)，開關電源電路正常工作。

圖5示出了圖2所示的開關電源芯片的示例實現(xiàn)電路的示意圖。在圖5所示的實現(xiàn)電路中，在開關電源芯片u2上電完成(即，啟動)后的預定數(shù)目的脈沖寬度調(diào)制(pwm)周期內(nèi)，線電壓過壓檢測信號line_ovp_det和線電壓欠壓檢測信號brown_out_det的邏輯或結(jié)果line_off_st信號被直接用于控制功率開關204接通和關斷。即，控制信號生成模塊通過對線電壓過壓檢測信號line_ovp_det和線電壓欠壓檢測信號brown_out_det進行邏輯或運算，來生成控制功率開關204接通和關斷的信號。此時，如果線電壓vline不在要求范圍內(nèi)，功率開關204被立刻關斷。

在圖5所示的實現(xiàn)電路中，如果輸入線電壓在要求范圍內(nèi)，則經(jīng)過例如，約3個pwm周期后使line_off_st信號失效(例如，對line_off_st信號進行屏蔽)，后續(xù)基于對線電壓過壓檢測信號line_ovp_det和線電壓欠壓檢測信號brown_out_det進行更為復雜的處理得到的line_off信號來控制功率開關204接通和關斷。

在圖5所示的實現(xiàn)電路中，時鐘信號clk的周期為tclk，對于輸入線電壓過壓的情況，當比較器comp1檢測到線電壓采樣值line_det大于參考電壓vref_ovp時，比較器comp1輸出的線電壓過壓檢測信號line_ovp_det從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖?，line_ovp_rst信號從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖?，?m2+1)個d觸發(fā)器構成的計數(shù)器使能，經(jīng)過(2^m2)xtclk的延時后，line_ovp信號從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖剑|發(fā)輸入過壓保護功能；因為線電壓vline有波動，為了使線電壓過壓檢測結(jié)果更準確，對線電壓過壓檢測功能增加一個峰值檢測功能，在(2^m2)xtclk的延時內(nèi)，如果線電壓過壓檢測信號line_ovp_det處于邏輯低電平的持續(xù)時間超過(2^m1)xtclk(一般取vline周期的1～2倍，且m1<m2)，則line_ovp_rst信號會從邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖?，line_ovp信號保持為邏輯低電平，不觸發(fā)輸入過壓保護功能；對于輸入線電壓欠壓的情況，當比較器comp2檢測到線電壓采樣值line_det小于參考電壓vref_bo時，線電壓欠壓檢測信號brown_out_det從邏輯低電平變?yōu)檫壿嫺唠娖?，?n+1)個d觸發(fā)器構成的計數(shù)器使能，經(jīng)過(2^n)xtclk的延時后，brown_out信號變?yōu)檫壿嫺唠娖?，觸發(fā)輸入欠壓保護功能。

也就是說，圖2所示的控制信號生成模塊可以包括第一延遲電路(例如，(m2+1)個d觸發(fā)器構成的計數(shù)器)和第二延遲電路(例如，(n+1)個d觸發(fā)器構成的計數(shù)器)，其中：第一延遲電路與比較器comp1的輸出端連接，用于將線電壓過壓檢測信號line_ovp_det延遲第一時間(例如，(2^m2)xtclk)；第二延遲電路與比較器comp2的輸出端連接，用于將線電壓欠壓檢測信號brown_out_det延遲第二時間(例如，(2^n)xtclk)。在開關電源芯片u2上電完成經(jīng)過預定數(shù)目的脈沖寬度調(diào)制周期后，控制信號生成模塊通過對經(jīng)延遲的線電壓過壓檢測信號(例如，line_ovp)和經(jīng)延遲的線電壓欠壓檢測信號(例如，brown_out)進行邏輯或運算，來生成控制功率開關204接通與關斷的信號。

另外，為了使線電壓過壓檢測結(jié)果更準確，圖2所示的控制信號生成模塊還可以包括峰值檢測電路，該峰值檢測電路連接在比較器comp1的輸出端與第一延遲電路之間，用于通過檢測線電壓過壓檢測信號line_ovp_det處于邏輯低電平的持續(xù)時間是否超過第三時間(例如，(2^m1)xtclk)生成線電壓峰值檢測信號(例如，line_ovp_rst)，第一延遲電路將線電壓峰值檢測信號延遲第一時間，控制信號生成模塊通過對經(jīng)延遲的線電壓峰值檢測信號和經(jīng)延遲的線電壓欠壓檢測信號進行邏輯或運算，來生成控制功率開關204接通與關斷的信號。

這里，峰值檢測電路包括反相器、第三延遲電路(例如，(m1+1)個d觸發(fā)器構成的計數(shù)器)、以及rs鎖存器，其中，反相器連接在比較器comp1的輸出端與第三延遲電路的輸入端之間，rs鎖存器的兩個輸入端分別與比較器comp1的輸出端和第三延遲電路的輸出端連接，rs鎖存器的輸出端與第一延遲電路的輸入端連接。

應該明白的是，本發(fā)明可以以其他的具體形式實現(xiàn)，而不脫離其精神和本質(zhì)特征。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(fā)明的范圍由所附權利要求而非上述描述定義，并且，落入權利要求的含義和等同物的范圍內(nèi)的全部改變從而都被包括在本發(fā)明的范圍之中。