開關電源控制晶片的製作方法

2023-04-25 09:55:36

專利名稱：開關電源控制晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子技術，特別涉及集成電路技術。
技術背景
AC/DC開關電源(SMPS)被廣泛應用，AC/DC直接對電網電壓進行整流濾波調整， 然後由開關調整管進行穩壓，不需要電源變壓器；開關工作頻率在幾十千赫，濾波電容器、 電感器數值較小。因此AC/DC開關電源具有重量輕，體積小等特點。在電網電壓從IlOV ^OV範圍內變化時，都可獲得穩定的輸出電壓。目前常見的開關調整管使用外部、分立式高 壓功率管。即使有少部分集成內部功率管的結構，也或者是單電源系統，或者是集成的低壓 功率管。發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種具有高精度和較寬適應範圍的開關電源 控制晶片。
本發明解決所述技術問題採用的技術方案是，開關電源控制晶片，包括第一級電 壓調整模塊、第二級電壓調整模塊、低壓控制模塊和高壓控制模塊，所述第一級電壓調整模 塊包括由一個耗盡型MOSFET器件和運放構成的反饋迴路，耗盡型MOSFET器件的源極為第 一級電壓調整模塊的輸出端；
在低壓控制模塊和高壓控制模塊之間串聯有電平轉換電路，電平轉換電路還與第 一級電壓調整模塊的輸出端、第二級電壓調整模塊的輸出端連接。高壓控制模塊與高壓功 率管的柵極連接。
所述第二級電壓調整模塊包括高增益運放和第一 MOS管，第二級電壓調整模塊的 輸出端為第一 MOS管的輸出端，第一 MOS管的輸出端通過第一電阻接高增益運放的負性輸 入端，第一 MOS管的控制端接高增益運放的輸出端，高增益運放的負性輸入端通過第二電 阻接地。
所述電平轉換電路包括串聯於高電壓輸入端和地電平之間的第二 MOS管和第四 MOS管，以及串聯於高電壓輸入端和地電平之間的第三MOS管和第五MOS管，第二 MOS管的 柵極接第三MOS管的輸出端，第三MOS管的柵極接第二 MOS管的輸出端，第四MOS管的控制 端接反相器的輸出端，反相器的第一輸入端接電平轉換電路的PWM輸入端和第五MOS管的 控制端，第二輸入端接電平轉換電路的低電壓輸入端，第三MOS管的輸出端為電平轉換電 路的輸出端。本發明的有益效果是，本發明保證系統控制精度的同時，能提供更高的驅動電 壓。本發明的技術拓寬了外部功率器件的選型範圍。本發明非常適合於集成電路晶片，具 有經濟的晶片面積，特別適用於開關電源領域。本發明用多電壓等級開關電源控制系統的 高壓等級(5V 20V左右)驅動內部集成的高壓(700V)LDMOS功率管，滿足高壓功率器件 的驅動要求。這樣的多電壓集成功率管系統，既滿足控制精度的要求，也滿足功率器件驅動 能力的要求，同時簡化了系統外圍應用電路的要求。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。


圖1是現有技術的示意圖。
圖2是本發明的電路結構示意圖。
圖3是本發明的第二級電壓調整模塊電路圖。
圖4是本發明的電平轉換電路的電路圖。
圖中虛線框表示晶片集成範圍，虛線框外為晶片周邊電路。
具體實施方式
圖1所示為現有技術的典型結構。電阻R和電容C形成阻容降壓，低壓差電壓調 制器(LDO)電路102把電阻R和電容C得到的電壓調整到內部控制電路需要的電壓值，內 部電路包括低壓控制模塊103和高壓控制模塊104。通過這樣的結構，輸出一個控制驅動 脈寬調製(PWM)信號到外部的功率器件200。系統再通過採樣電阻10上的採樣電壓VS，由 內部控制電路的比較器來比較VS電壓和內部帶隙基準參考電壓，從而調整PWM信號的佔空 比，進而控制外部功率器件200的導通/關斷比例，達到控制輸出電壓的目的。這種AC/DC 開關電源典型結構的電路，採用的功率器件是外部高壓功率管200。在系統應用中，需要額 外選擇合適的外部高壓功率管200，比如，功率管的閾值電壓，柵電荷的大小。板級設計的時 候，也給設計人員設計電路板(PCB)提出了更高的要求。
參見圖2 4。
本發明的晶片集成有第一級電壓調整模塊101、第二級電壓調整模塊102、低壓控 制模塊103、高壓控制模塊104和高壓功率管200(可達700V)，所述第一級電壓調整模塊 101包括耗盡型MOSFET器件3、運放13、第三電阻R3和第四電阻R4構成的反饋迴路，運放 13的輸出端接耗盡型MOSFET器件3的柵極，耗盡型MOSFET器件3的漏極為高電壓輸入端， 源極為第一級電壓調整模塊101的輸出端，接第二級電壓調整模塊102，耗盡型MOSFET器件 3的源極還通過第三電阻R3接運放13的負性輸入端，運放13的負性輸入端通過第四電阻 R4接地。第一級電壓調整模塊101的輸出端還與電平轉換電路6和高壓控制模塊104連 接，高壓功率管200的柵極接高壓控制模塊104的輸出端。
在低壓控制模塊103和高壓控制模塊104之間串聯有電平轉換電路6，電平轉換電 路6還與第二級電壓調整模塊102的輸出端連接。
第二級電壓調整模塊102包括高增益運放14和第一 MOS管15，第二級電壓調整模 塊102的輸出端為第一 MOS管15的輸出端，第一 MOS管15的輸出端通過第一電阻Rl接高 增益運放14的負性輸入端，第一 MOS管15的控制端接高增益運放14的輸出端，高增益運 放14的負性輸入端通過第二電阻R2接地。
本發明採用增加耗盡型MOSFET器件3，內部形成了不止一個電壓等級的控制系 統。此外，在內部不同電壓等級控制電路之間，增加電平轉換電路6，以保證正確的電路功 能。
本發明的工作流程為外部的高電壓首先輸入到包含高壓耗盡型MOSFET器件3的 第一級電壓調整模塊101，耗盡型MOSFET器件3的控制柵級通過第三電阻R3、第四電阻R4和和運放13構成的反饋網絡產生控制電壓。在開關電源系統啟動初期，耗盡型MOSFET器 件3的柵極和源極電位均為低電位，耗盡型MOSFET器件3存在導電溝道，電路可以導通。因 此，耗盡型MOSFET器件3開始給系統供電，源極電位(也是內部高壓電源)緩慢升高，在該 電壓上升過程中，到某個設定的開啟電壓，內部電路開始工作，環路開始自動調整該輸出電 壓，最終達到一個精確的電壓值。因此在耗盡型MOSFET器件3的源極形成了穩定的系統第 一電壓等級。相對於圖1的結構，該電壓具有很高的精度，且受外部輸入高壓的影響很小。 在耗盡型MOSFET器件3之後，第二級電壓調整模塊102用來獲得稍低的第二個電壓等級。 該低壓電源提供給內部低壓控制模塊，獲得高精度的控制信號。為了在兩個電壓等級之間 傳遞信號，電平轉換電路6被插入進它們之間。最終，控制系統給出具有高精度，高電平的 驅動信號。
圖3為本發明中的第二級電壓調整模塊102的具體實現。高增益運算放大器14 的正性輸入端接入系統的參考電平REF，負性輸入端接入採樣電阻網絡(第一電阻R1、第二 電阻似)反饋的輸出採樣電壓vfb。OP的輸出由跟隨器電路15緩衝，提供驅動能力，在輸 出端out得到需要的高精度電源。
圖4的電路為本發明中的電平轉換電路的具體實現。輸入脈寬調製(PWM)信號20 和反相器21為低壓系統，電源19為低電壓，電源18為高電壓。MOS器件22，23，24，25把低 壓系統邏輯電平轉換為高壓邏輯電平，由out端輸出。
本發明內部的電源是雙電源系統。輸出驅動電壓為高電壓(5V 20V)。
說明書已經充分說明了本發明的原理及必要技術細節，普通技術人員完全能夠依 據說明書實施本發明，故對於現有技術的內容及詳細參數不再贅述。
權利要求
1.開關電源控制晶片，集成有下述部分第一級電壓調整模塊(101)、第二級電壓調整 模塊(10 、低壓控制模塊(10 和高壓控制模塊(104)，其特徵在於所述第一級電壓調整 模塊(101)包括由一個耗盡型MOSFET器件(3)和運放(13)構成的反饋迴路，耗盡型MOSFET 器件(3)的源極為第一級電壓調整模塊的輸出端；在低壓控制模塊(10 和高壓控制模塊 (104)之間串聯有電平轉換電路(6)，電平轉換電路(6)還與第一級電壓調整模塊(101)的 輸出端、第二級電壓調整模塊(10 的輸出端連接；高壓控制模塊與高壓功率管(200)的柵 極連接。
2.如權利要求1所述的開關電源控制晶片，其特徵在於，所述第二級電壓調整模塊 (102)包括高增益運放(14)和第一 MOS管(15)，第二級電壓調整模塊(102)的輸出端為第 一MOS管(15)的輸出端，第一MOS管(15)的輸出端通過第一電阻(Rl)接高增益運放(14) 的負性輸入端，第一 MOS管(15)的控制端接高增益運放(14)的輸出端，高增益運放(14) 的負性輸入端通過第二電阻(似)接地。
3.如權利要求1所述的開關電源控制晶片，其特徵在於，所述電平轉換電路(6)包括 串聯於高電壓輸入端和地電平之間的第二 MOS管02)和第四MOS管04)，以及串聯於高 電壓輸入端和地電平之間的第三MOS管03)和第五MOS管(25)，第二 MOS管Q2)的柵極 接第三MOS管03)的輸出端，第三MOS管03)的柵極接第一 MOS管Q2)的輸出端，第四 MOS管04)的控制端接反相器的輸出端，反相器的第一輸入端接電平轉換電路 的PWM輸入端和第五MOS管05)的控制端，第二輸入端接電平轉換電路的低電壓輸入端， 第三MOS管03)的輸出端為電平轉換電路(6)的輸出端。
全文摘要
開關電源控制晶片，涉及電子技術。本發明包括第一級電壓調整模塊、第二級電壓調整模塊、低壓控制模塊和高壓控制模塊，所述第一級電壓調整模塊包括由一個耗盡型MOSFET器件和運放構成的反饋迴路，耗盡型MOSFET器件的源極為第一級電壓調整模塊的輸出端；在低壓控制模塊和高壓控制模塊之間串聯有電平轉換電路，電平轉換電路還與第一級電壓調整模塊的輸出端、第二級電壓調整模塊的輸出端連接，高壓控制模塊與高壓功率管的柵極連接。本發明既滿足控制精度的要求，也滿足功率器件驅動能力的要求，同時簡化了系統外圍應用電路的要求。
文檔編號H02M3/156GK102035409SQ20101058548
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月13日 優先權日2010年12月13日
發明者於廷江, 劉劍, 李文昌, 高繼, 黃雲川, 黃國輝 申請人:成都成電矽海科技股份有限公司