開關電源控制器及其控制方法
【專利摘要】公開了一種開關電源控制器及其控制方法。該開關電源控制器用于控制開關管的導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定，包括：驅動電路，該驅動電路根據開關電源的拓撲結構產生預定頻率和占空比的PWM信號；驅動電流控制電路，該驅動電流控制電路的輸入端接收PWM信號，輸出端向該開關管的控制端提供驅動電流，其中，該開關電源控制器在開始正常工作之前執行測試操作，該驅動電流控制電路在測試操作中檢測該開關管的輸入電容，并且在正常工作期間產生與該開關管的輸入電容相應級別的驅動電流。該開關電源控制器自動匹配開關管的驅動電流，使得在抑制EMI的同時可以兼顧開關電源的轉換效率，并且降低了開關電源控制器的調試難度和制造成本。
【專利說明】開關電源控制器及其控制方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及開關電源，更具體地，涉及可以抑制電磁干擾(EMI)的開關電源控制器及其控制方法。

【背景技術】
[0002]在開關電源中的開關器件高速導通和斷開過程中，電壓和電流的快速跳變帶來嚴重的電磁干擾，其中包括輻射電磁干擾。輻射電磁干擾是在開關電源周圍空間的輻射。如何降低電磁干擾噪聲使得電源產品達到相關標準，是業界普遍關注的一個問題。
[0003]已知電壓和電流的變化速度直接影響電磁干擾的大小。開關管的驅動電流越小，啟動過程越長，電壓和電流的跳變就越緩慢，則開關管的導通和斷開產生的電磁干擾越小。
[0004]傳統的減小開關電源的電磁干擾噪聲的方法是在開關管的柵極串聯調節電阻來限制主開關管在導通或關斷之前的柵源電容充電或放電電流，從而延長主開關管的柵源電壓達到導通或關斷閾值電壓所需的時間，減小電壓變化率dv/dt，以抑制EMI的輻射噪聲。然而，大電阻值的調節電阻使得開關管的導通或斷開過程延長。開關管的啟動和斷開過程延長將導致電壓電流曲線的交疊面積變大，即開關管的損耗增加，轉換效率降低。
[0005]在選擇調節電阻的電阻值時應當平衡抑制EMI的需求和減小損耗的需求。在開關電源應用時，根據驅動電路的驅動電壓和開關管的參數選擇合適的調節電阻。然而，調節電阻的選擇需要經過多次實驗，調試效率低。由于不同功率級的開關管的參數不同，如果驅動電路所驅動的開關管更換，則需要重新配置調節電阻。甚至需要為不同功率級的開關管分別提供驅動電路。
[0006]因此，期望在抑制開關電源的EMI的同時可以簡化驅動電路的調試以及減小開關管的損耗。


【發明內容】

[0007]有鑒于此，本發明提供了一種開關電源控制器及其控制方法，該開關電源控制器利用驅動電流的自動選擇來抑制輻射電磁干擾。
[0008]根據本發明的一方面，提供一種開關電源控制器，所述開關電源控制器用于控制開關管的導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定，包括:驅動電路，所述驅動電路根據開關電源的拓撲結構產生預定頻率和占空比的PWM信號；驅動電流控制電路，所述驅動電流控制電路的輸入端接收PWM信號，輸出端向所述開關管的控制端提供驅動電流，其中，所述開關電源控制器在開始正常工作之前執行測試操作，所述驅動電流控制電路在測試操作中檢測所述開關管的輸入電容，并且在正常工作期間產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流。
[0009]優選地，所述驅動電流控制電路包括:驅動電流檢測電路，所述驅動電流檢測電路的第一輸出端與所述開關管的控制端相連，用于向其提供檢測電流，第二輸出端用于提供表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓；以及驅動電流選擇電路，所述驅動電流選擇電路的第一輸入端接收PWM信號，第二輸入端接收檢測電壓，輸出端提供所述開關管的驅動電流，其中，在系統上電時，所述驅動電流檢測電路獲得所述電壓并且所述驅動電流選擇電路鎖存所述檢測電壓，在開關電源的正常工作期間，所述驅動電流選擇電路產生與所述檢測電壓相對應的驅動電流。
[0010]優選地，所述驅動電流檢測電路的第一輸出端和第二輸出端之間具有公共節點，并且所述驅動電流檢測電路包括:第一電流源，用于提供檢測電流；第一開關，連接在所述第一電流源和所述公共節點之間，其中，所述第一開關在所述開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開。
[0011]優選地，所述檢測電流足夠小使得在測試操作期間所述開關管未完全導通。
[0012]優選地，所述驅動電流選擇電路包括:第一開關，根據PWM信號閉合或斷開；多個電流源，所述多個電流源產生不同級別的驅動電流；多個第二開關，分別連接在所述多個電流源和所述第一開關的第一端之間；第三開關，在開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開；多個比較器，所述多個比較器的同相輸入端共同連接至第三開關的第二端，反相輸入端分別接收各自的參考電壓；以及多個鎖存器，所述多個鎖存器的輸入端分別連接至相應的一個比較器的輸出端，所述多個鎖存器的輸出端分別連接至所述多個第二開關的相應一個開關的控制端，其中，所述第一開關的第二端連接至所述開關管的控制端，所述第三開關的第一端連接至所述開關管的控制端。
[0013]優選地，所述驅動電流選擇電路包括:多個電流源，所述多個電流源產生不同級別的驅動電流；多個第一開關，分別連接在相應的一個電流源和所述開關管的控制端之間；第二開關，在開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開；多個比較器，所述多個比較器的同相輸入端共同連接至第二開關的第二端，反相輸入端分別接收各自的參考電壓；多個鎖存器，所述多個鎖存器的輸入端分別連接至相應的一個比較器的輸出端；以及多個與門，所述多個與門的第一輸入端分別連接至相應的一個鎖存器的輸出端，所述多個與門的第二輸入端分別接收PWM信號，所述多個與門的的輸出端分別連接至所述多個第一開關的相應一個開關的控制端。
[0014]優選地，所述驅動電流選擇電路包括:驅動模塊，所述驅動模塊接收PWM信號，并且根據PWM信號產生用于驅動所述開關管的驅動電壓；多個調節電阻，所述多個調節電阻的第一端分別連接至所述驅動模塊的輸出端；多個第一開關，分別連接在相應的一個調節電阻和所述開關管的控制端之間；第二開關，在開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開；多個比較器，所述多個比較器的同相輸入端共同連接至第二開關的第二端，反相輸入端分別接收各自的參考電壓；多個鎖存器，所述多個鎖存器的輸入端分別連接至相應的一個比較器的輸出端，所述多個鎖存器的輸出端分別連接至所述多個第一開關的相應一個開關的控制端。
[0015]優選地，所述開關管為場效應晶體管。
[0016]根據本發明的另一方面，提供一種開關電源控制方法，用于控制開關管的導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定，包括:在開關電源開始正常工作之前執行測試操作，以檢測所述開關管的輸入電容；以及在開關電源的正常工作期間產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流，其中，在正常工作期間，根據開關電源的拓撲結構產生預定頻率和占空比的PWM信號，并且根據PWM信號供給或斷開驅動電流。
[0017]優選地，執行測試操作的步驟包括:采用電流源向所述開關管的控制端提供檢測電流，所述檢測電流小于所述驅動電流；在檢測電流持續預定時間后，獲得所述開關管的控制端的電壓，作為表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓。
[0018]優選地，在系統上電時獲得并鎖存所述檢測電壓。
[0019]優選地，產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括:將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別；根據所述輸入電容的級別，選擇多個電流源中的一個電流源；以及根據PWM信號將所述多個電流源中的所述一個電流源周期性地連接至所述開關管的控制端。
[0020]優選地，產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括:將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別；根據所述輸入電容的級別和PWM信號，周期性地選擇多個電流源中的一個電流源；以及將所述多個電流源中的所述一個電流源連接至所述開關管的控制端。
[0021]優選地，產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括:根據PWM信號產生用于驅動所述開關管的驅動電壓；將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別；根據所述輸入電容的級別選擇多個調節電阻中的一個調節電阻；以及將所述驅動電壓經由所述多個調節電阻中的所述一個電阻接至所述開關管的控制端。
[0022]本發明提出的自適應驅動方法無需搭配外部調節電阻，通過檢測開關管的控制端電壓上升的速率算出外部開關管的輸入電容Ciss大小。開關電源控制器根據Ciss大小的不同自行匹配合適的驅動電流，從而實現不同的功率的開關管使用同一個驅動芯片，并且自動取得EMC和效率平衡的目標。
[0023]本發明將電容的檢測和電流的選擇合并到開關電源控制器中，只需要一塊芯片就可以驅動不同功率的開關管，可以兼顧電磁干擾和效率的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其他目的、特征和優點將更為清楚，在附圖中:
[0025]圖1為根據現有技術的開關電源控制器的示意性框圖；
[0026]圖2為根據本發明的開關電源控制器的示意性框圖；
[0027]圖3為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流控制電路的示意性框圖；
[0028]圖4為開關管的輸入電容與驅動電流之間的關系曲線；
[0029]圖5為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流檢測電路的示意性電路圖；
[0030]圖6為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流選擇電路的第一實施例的示意性電路圖；
[0031]圖7為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流選擇電路的第二實施例的示意性電路圖；
[0032]圖8為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流選擇電路的第三實施例的示意性電路圖；
[0033]圖9為根據本發明的開關電源控制方法的流程圖；
[0034]圖10為采用根據本發明的開關電源控制器的開關電源實例的示意性框圖。

【具體實施方式】
[0035]以下結合附圖對本發明的幾個優選實施例進行詳細描述，但本發明并不僅僅限于這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精神和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。
[0036]為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
[0037]圖1為根據現有技術的開關電源控制器的示意性框圖。在圖1中還示出了開關電源的功率級的開關管Q1。由于該開關電源控制器可以應用于各種類型的開關電源(如，BUCK拓撲開關電源、反激式開關電源)，因此在圖1中省略開關電源的功率級的其他細節。
[0038]開關管Ql是本領域中可以用作功率開關的各種類型的晶體管，例如場效應晶體管。開關管Ql不限于已知的功率開關，還可以包括將來開發的功率晶體管。例如，開關管Ql是NMOS場效應晶體管。開關管Ql的寄生電容包括柵源極間的電容Cgs，柵漏極間的電容Cgd，漏源極間的電容Cds，因而，開關管Ql的輸入電容Ciss = Cgs+Cgd，輸出電容Coss=Cgd+Cds，反向傳輸電容Crss = Cgd。
[0039]開關電源控制器包括驅動電路100、第一調節電阻Ron、第二調節電阻Roff和二極管Doff。第一調節電阻Ron連接在驅動電路100的輸出端和開關管Ql的柵極之間。此外，第二調節電阻Roff和二極管Doff串聯連接在驅動電路100的輸出端和開關管Ql的柵極之間。
[0040]在工作中，驅動電路100產生柵極驅動信號Vg。開關電源控制器控制開關管Ql周期性地導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定。
[0041]當PWM信號從低電平轉變為高電平時，驅動電路100產生高電平的柵極驅動信號Vgo在開關管Ql的柵極和源極之間產生驅動電流。第一調節電阻Ron限制開關管Ql導通初始階段的驅動電流的大小。驅動電流對開關管Ql的柵源寄生電容Cgs充電，從而逐漸升高開關管Ql的柵源電壓。在開關管Ql的柵源寄生電容Cgs充電完成之后，開關管Ql的柵源電壓大于開關管Ql的導通閾值電壓，開關管Ql完全導通。可以通過改變第一調節電阻Ron的電阻值來改變驅動電流，從而控制開關管Ql啟動的延遲時間。
[0042]當PWM信號從高電平轉變為低電平時，驅動電路100產生低電平的柵極驅動信號Vgo開關管Ql在電平轉變的瞬間仍處于導通狀態。開關管Ql的柵源寄生電容Cgs經由第一調節電阻Ron、第二調節電阻Roff和二極管Doff放電，使得開關管Ql的柵源電壓逐漸減小。在開關管Ql的柵源寄生電容Cgs放電完成之后，開關管Ql斷開。可以通過改變第一調節電阻Ron和第二調節電阻Roff的電阻值來改變放電電流，從而控制開關管Ql斷開的延遲時間。在放電過程中，第一調節電阻Ron和第二調節電阻Roff并聯連接成放電路徑，從而可以減小開關管Ql斷開的延遲時間，從而避免由于斷開過程過長并且產生附加的功耗。
[0043]然而，在選擇第一調節電阻Ron和第二調節電阻Roff的電阻值時應當平衡抑制EMI的需求和減小損耗的需求。由于第一調節電阻Ron和第二調節電阻Roff的選擇需要經過多次實驗，因此調試效率低。另一方面，由于第一調節電阻Ron和第二調節電阻Roff的選擇與驅動電路100產生的柵極驅動信號Vg的大小以及開關管Ql的輸入電容Ciss相關，因此，開關電源控制器需要針對不同的開關管Ql專門設計，導致制造成本增加。
[0044]圖2為根據本發明的開關電源控制器的示意性框圖。在圖2中還示出了開關電源的功率級的開關管Q1。與圖1所示的開關電源控制器類似，根據本發明的開關電源控制器可以應用于各種類型的開關電源(如，BUCK拓撲開關電源、反激式開關電源)，因此在圖2中省略開關電源的功率級的其他細節。
[0045]開關電源控制器包括驅動電路100和驅動電流控制電路200。驅動電流控制電路200連接在驅動電路100的輸出端和開關管Ql的柵極之間。
[0046]在工作中，驅動電路100根據開關電源的拓撲結構產生期望頻率和占空比的PWM信號，驅動電流控制電路200根據PWM信號產生合適的驅動電流。開關電源控制器控制開關管Ql周期性地導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定。
[0047]當PWM信號從低電平轉變為高電平時，驅動電路100產生高電平的PWM信號。在開關管Ql的柵極和源極之間產生驅動電流。驅動電流控制電路200限制開關管Ql導通初始階段的驅動電流的大小。驅動電流對開關管Ql的柵源寄生電容Cgs充電，從而逐漸升高開關管Ql的柵源電壓。在開關管Ql的柵源寄生電容Cgs充電完成之后，開關管Ql的柵源電壓大于開關管Ql的導通閾值電壓，開關管Ql完全導通。驅動電流控制電路200產生的驅動電流與開關管Ql的輸入電容Ciss相對應，從而控制開關管Ql啟動的延遲時間。
[0048]當PWM信號從高電平轉變為低電平時，驅動電路100產生低電平的PWM信號。開關管Ql在電平轉變的瞬間仍處于導通狀態。開關管Ql的柵源寄生電容Cgs放電，使得開關管Ql的柵源電壓逐漸減小。在開關管Ql的柵源寄生電容Cgs放電完成之后，開關管Ql斷開。
[0049]根據本發明的開關電源控制器根據PWM信號產生與開關管Ql的輸入電容Ciss相對應的驅動電流，從而可以自動適配，以平衡抑制EMI的需求和減小損耗的需求。因此，該開關電源控制器可以適用于不同功率的開關管，從而降低開關電源的制造成本。
[0050]圖3為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流控制電路200的示意性框圖。該驅動電流控制電路200包括與驅動電路100的輸出端相連接以接收PWM信號的輸入端、以及與開關管Ql的柵極連接以向其提供驅動電流Ie的輸出端。該驅動電流控制電路200還包括驅動電流檢測電路210和驅動電流選擇電路220。
[0051]驅動電流檢測電路210的第一輸出端與開關管Ql的柵極相連，用于向其提供檢測電流IDET，第二輸出端與驅動電流選擇電路220相連，用于向其提供表征開關管Ql的輸入電容Ciss的檢測電壓VDET。
[0052]驅動電流選擇電路220的第一輸入端接收PWM信號，第二輸入端接收檢測電壓Vdet，輸出端與開關管Ql的柵極相連。驅動電流選擇電路220根據PWM信號產生與檢測電壓Vdet (即開關管Ql的輸入電容Ciss)相對應的驅動電流Ie。
[0053]圖4為開關管的輸入電容Ciss與驅動電流Ie之間的關系曲線。開關管Ql的輸入電容Ciss越大，則對應的驅動電流Ie越大。可以根據實驗數據得到輸入電容Ciss與驅動電流Ie的關系曲線。
[0054]根據對多個不同功率的開關管進行檢測，在理想情況下，以^-^曲線為線性的，這樣可以效率達到最高，但這種方式不利于芯片的設計。在本發明實施例中，首先對含有多個不同功率開關管的開關電源進行電流調節測試，檢測其周圍的輻射電磁干擾和檢測工作效率。在上述檢測的基礎上，將電磁干擾和效率取得平衡的基礎上，將開關管的輸入電容Ciss進行區間劃分，以獲得圖4所示的曲線。在圖4中，將開關管的輸入電容Ciss分為四個級別，包括Cissl至Ciss4，根據實驗數據得到對應于四個級別的輸入電容Ciss的理想驅動電流I。;!至I CM。
[0055]在設計開關電源控制器時，根據圖4所示的曲線，只需要檢測出開關管的輸入電容Ciss落到曲線的哪一段，就可以獲得合適的驅動電流值。
[0056]圖5為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流檢測電路210的示意性電路圖。驅動電流檢測電路210的第一輸出端和第二輸出端具有公共節點。驅動電流檢測電路210包括電流源Il和開關S11。電流源Il經由開關SI連接至公共節點。
[0057]在開關電源控制器開始正常工作之前(例如在系統上電時)，開關電源控制器執行測試操作。驅動電流檢測電路210工作，以檢測開關管Ql的輸入電容Ciss。為此，開關Sll閉合，電流源Il向開關管Ql的柵極提供恒定的檢測電流IDET。開關Sll的閉合狀態持續一段時間TDET。選擇檢測電流Idet小于正常工作時的驅動電流，因此在持續時間Tdet內，開關管Ql未完全導通。在持續時間Tdet之后，測量開關管Ql的柵極處的電壓VDET。由于在此時間段內，開關管的輸入電容Ciss可近似認為是恒定的值，根據電量平衡公式有:Idet*Tdet=Ciss*VDET，可知此時的檢測電壓Vdet可以表征開關管Ql的輸入電容Ciss。
[0058]在測試操作中，開關Sll閉合。在獲得檢測電壓Vdet之后，開關Sll斷開，開關電源控制器進入開始正常工作狀態。
[0059]圖6為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流選擇電路220的第一實施例的示意性電路圖。如上所述，驅動電流選擇電路220的第一輸入端接收PWM信號，第二輸入端接收檢測電壓Vdet，輸出端與開關管Ql的柵極相連。
[0060]在該實施例中，驅動電流選擇電路220還包括四個驅動電流源IGl至IG4。驅動電流源IGl至IG4經由開關SI至S4分別連接至開關S22的第一端。開關S22的第二端連接至開關管Ql的柵極從而向其提供驅動電流Ie。開關S22的控制端接收PWM信號，從而在PWM信號的控制下閉合或斷開。
[0061]開關S21的第一端連接至檢測電壓。比較器221a至221d的同相輸入端分別連接至開關S21的第二端以接收檢測電壓Vdet，反相輸入端分別接收參考電壓Vl至V4中的相應一個，輸出端連接至鎖存器222a至222d中的相應一個。鎖存器222a至222d的輸出端分別連接至開關SI至S4的控制端。
[0062]在開關電源控制器的測試操作中，開關S21閉合。根據檢測電壓Vdet的大小，比較器221a至221d中的相應一個輸出高電平信號，其余則輸出低電平信號。鎖存器222a至222d分別鎖存比較器221a至221d的輸出信號。因此，開關SI至S4中的一個根據檢測電壓Vdet閉合，其余則斷開。
[0063]在開關電源控制器的正常工作期間，開關S21斷開。由于鎖存器222a至222d的存在，開關SI至S4仍然維持各自的狀態。因而，驅動電流選擇電路220中的電流源Il至14之一連接至開關管Ql的柵極，向其提供驅動電流Ie。因而，驅動電流選擇電路220根據PWM信號產生與檢測電壓Vdet (即開關管Ql的輸入電容Ciss)相對應的驅動電流Ie。
[0064]在圖6所示的實施例中，采用四個驅動電流源IGl至IG4分別提供與四個級別的輸入電容Ciss相對應的驅動電流Iei至I e4。可以理解，采用更多的驅動電流源及其相關模塊可以實現更多級別的驅動電流的選擇。
[0065]圖7為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流選擇電路220的第二實施例的示意性電路圖。如上所述，驅動電流選擇電路220的第一輸入端接收PWM信號，第二輸入端接收檢測電壓Vdet，輸出端與開關管Ql的柵極相連。
[0066]在該實施例中，驅動電流選擇電路220還包括四個驅動電流源IGl至IG4。驅動電流源IGl至IG4經由開關SI至S4分別連接至開關管Ql的柵極從而向其提供驅動電流I,。
[0067]開關S21的第一端連接至檢測電壓。比較器221a至221d的同相輸入端分別連接至開關S21的第二端以接收檢測電壓Vdet，反相輸入端分別接收參考電壓Vl至V4中的相應一個，輸出端連接至鎖存器222a至222d中的相應一個。鎖存器222a至222d的輸出端分別連接至與門223a至223d的第一輸入端。與門223a至223d的第二輸入端分別接收PWM信號，輸出端分別連接至開關SI至S4的控制端。
[0068]在開關電源控制器的測試操作中，開關S21閉合。根據檢測電壓Vdet的大小，比較器221a至221d中的相應一個輸出高電平信號，其余則輸出低電平信號。鎖存器222a至222d分別鎖存比較器221a至221d的輸出信號，從而根據檢測電壓Vdet選擇開關SI至S4中的相應一個開關。
[0069]在開關電源控制器的正常工作期間，開關S21斷開。由于鎖存器222a至222d的存在，可以根據檢測電壓Vdet和PWM信號選擇開關SI至S4中的相應一個開關。因而，驅動電流選擇電路220中的電流源Il至14之一連接至開關管Ql的柵極，向其提供驅動電流Ie。
[0070]驅動電流選擇電路220根據PWM信號產生與檢測電壓VDET(即開關管Ql的輸入電容Ciss)相對應的驅動電流Ie。
[0071]在圖7所示的實施例中，采用四個驅動電流源IGl至IG4分別提供與四個級別的輸入電容Ciss相對應的驅動電流Iei至I e4。可以理解，采用更多的驅動電流源及其相關模塊可以實現更多級別的驅動電流的選擇。
[0072]圖8為在根據本發明的開關電源控制器中采用的驅動電流選擇電路220的第三實施例的示意性電路圖。如上所述，驅動電流選擇電路220的第一輸入端接收PWM信號，第二輸入端接收檢測電壓Vdet，輸出端與開關管Ql的柵極相連。
[0073]在該實施例中，驅動電流選擇電路220還包括驅動模塊225和四個調節電阻Rl至R4。驅動模塊225接收PWM信號，并且根據P麗信號產生用于驅動開關管Ql的驅動電壓Vgo調節電阻Rl至R4的第一端分別連接至驅動模塊225的輸出端，第二端分別連接至開關SI和S4。因而，調節電阻Rl至R4經由開關SI至S4,分別連接至開關管Ql的柵極從而向其提供驅動電流Ic。
[0074]開關S21的第一端連接至檢測電壓。比較器221a至221d的同相輸入端分別連接至開關S21的第二端以接收檢測電壓Vdet，反相輸入端分別接收參考電壓Vl至V4中的相應一個，輸出端連接至鎖存器222a至222d中的相應一個。鎖存器222a至222d的輸出端分別連接至開關SI至S4的控制端。
[0075]在開關電源控制器的測試操作中，開關S21閉合。根據檢測電壓Vdet的大小，比較器221a至221d中的相應一個輸出高電平信號，其余則輸出低電平信號。鎖存器222a至222d分別鎖存比較器221a至221d的輸出信號。因此，開關SI至S4中的一個根據檢測電壓Vdet閉合，其余則斷開。
[0076]在開關電源控制器的正常工作期間，開關S21斷開。由于鎖存器222a至222d的存在，開關SI至S4仍然維持各自的狀態。因而，驅動電流選擇電路220中的電阻Rl至R4之一連接至開關管Ql的柵極，向其提供驅動電流Ie。電阻Rl至R4的作用類似于圖1所示的開關電源控制器中的第一調節電阻Ron。然而，電阻Rl至R4的電阻值可以根據圖4預設為不同的數值，并且在開關電源控制器的工作期間動態選擇。因而，驅動電流選擇電路220根據PWM信號產生與檢測電壓Vdet(即開關管Ql的輸入電容Ciss)相對應的驅動電流Ie。
[0077]在圖8所示的實施例中，采用四個調節電阻分別提供與四個級別的輸入電容Ciss相對應的驅動電流Iei至IG4。可以理解，采用更多的調節電阻及其相關模塊可以實現更多級別的驅動電流的選擇。
[0078]圖9為根據本發明的開關電源控制方法的流程圖。該開關電源控制方法用于控制開關管的導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定。
[0079]在步驟SOl中，在開關電源開始正常工作之前(例如在系統上電時)執行測試操作，以檢測所述開關管的輸入電容。執行測試操作的步驟包括:采用電流源向所述開關管的控制端提供檢測電流，所述檢測電流小于所述驅動電流；在檢測電流持續預定時間后，獲得所述開關管的控制端的電壓，作為表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓。在一個實施例中，在系統上電時鎖存所述檢測電壓。
[0080]在步驟S02中，在開關電源的正常工作期間產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流，其中，在正常工作期間，根據開關電源的拓撲結構產生預定頻率和占空比的PWM信號，并且根據PWM信號供給或斷開驅動電流。產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括:將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別；根據所述輸入電容的級別，選擇多個電流源中的一個電流源；以及根據PWM信號將所述多個電流源中的所述一個電流源周期性地連接至所述開關管的控制端。在一個實施例中，產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括:將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別；根據所述輸入電容的級別和PWM信號，周期性地選擇多個電流源中的一個電流源；以及將所述多個電流源中的所述一個電流源連接至所述開關管的控制端。在另一個實施例中，產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括:根據PWM信號產生用于驅動所述開關管的驅動電壓；將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別；根據所述輸入電容的級別選擇多個調節電阻中的一個調節電阻；以及將所述驅動電壓經由所述多個調節電阻中的所述一個電阻接至所述開關管的控制端。
[0081]圖10為采用根據本發明的開關電源控制器的開關電源實例的示意性框圖。該開關電源采用反激式拓撲結構。開關電源包括變壓器T，變壓器T具有原邊繞組NP、副邊繞組NS，用于傳遞能量和信號反饋。變壓器T的原邊繞組NP的第一端、副邊繞組NS的第二端以及輔助繞組NA的第二端為同名端，以及變壓器T的原邊繞組NP的第二端、副邊繞組NS的第一端以及輔助繞組NA的第一端為同名端。
[0082]在原邊側，外部交流輸入經整流濾波之后，作為輸入電壓提供至電源變換器的輸入端Vin。輸入電容Cin連接在輸入端Vin和地之間，對輸入電壓進行濾波。所述變壓器T的原邊繞組NP的第一端連接至輸入端Vin。開關管Ql的漏極連接在變壓器T的原邊繞組NP的第二端，源極經由采樣電阻Rs接地。
[0083]在副邊側，變壓器T的副邊繞組NS的第一端連接二極管Dl的陽極，第二端接地。在二極管Dl的陰極和地之間并聯連接電容Co，在電容Co的兩端產生輸出電壓Vout。
[0084]在開關管Ql導通時，變壓器T的原邊繞組NP承受正電壓Vin，電感電流從零開始線性上升。當該電流在采樣電阻Rs上產生的采樣信號達到控制電壓時，開關管Ql關斷。
[0085]在開關管Ql關斷時，副邊二極管Dl續流，等效到副邊繞組承受負電壓Vout。此時原邊電感電流線性下降。在連續導通(CCM)模式下，電感電流還未減小達到O時，開關管Ql再次導通。在非連續導通模式(DCM)模式下，直至電感電流至O以后，開關管Ql才再次導通。在準諧振模式，開關管Ql在其源漏電壓波形的谷底才再次導通。
[0086]在工作中，驅動電路100產生期望頻率和占空比的PWM信號，驅動電流控制電路200根據PWM信號產生與開關管Ql的輸入電容Ciss相對應的驅動電流。開關電源控制器控制開關管Ql周期性地導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定。
[0087]依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬【技術領域】技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受權利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【權利要求】
1.一種開關電源控制器，所述開關電源控制器用于控制開關管的導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定，包括: 驅動電路，所述驅動電路根據開關電源的拓撲結構產生預定頻率和占空比的PWM信號; 驅動電流控制電路，所述驅動電流控制電路的輸入端接收PWM信號，輸出端向所述開關管的控制端提供驅動電流， 其中，所述開關電源控制器在開始正常工作之前執行測試操作，所述驅動電流控制電路在測試操作中檢測所述開關管的輸入電容，并且在正常工作期間產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流。
2.根據權利要求1所述的開關電源控制器，其中所述驅動電流控制電路包括: 驅動電流檢測電路，所述驅動電流檢測電路的第一輸出端與所述開關管的控制端相連，用于向其提供檢測電流，第二輸出端用于提供表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓；以及 驅動電流選擇電路，所述驅動電流選擇電路的第一輸入端接收PWM信號，第二輸入端接收檢測電壓，輸出端提供所述開關管的驅動電流， 其中，在系統上電時，所述驅動電流檢測電路獲得所述檢測電壓并且所述驅動電流選擇電路鎖存所述檢測電壓，在開關電源的正常工作期間，所述驅動電流選擇電路產生與所述檢測電壓相對應的驅動電流。
3.根據權利要求2所述的開關電源控制器，其中所述驅動電流檢測電路的第一輸出端和第二輸出端之間具有公共節點，并且所述驅動電流檢測電路包括: 第一電流源，用于提供檢測電流； 第一開關，連接在所述第一電流源和所述公共節點之間， 其中，所述第一開關在所述開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開。
4.根據權利要求3所述的開關電源控制器，其中所述檢測電流足夠小使得在測試操作期間所述開關管未完全導通。
5.根據權利要求2所述的開關電源控制器，其中所述驅動電流選擇電路包括: 第一開關，根據PWM信號閉合或斷開； 多個電流源，所述多個電流源產生不同級別的驅動電流； 多個第二開關，分別連接在所述多個電流源和所述第一開關的第一端之間； 第三開關，在開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開； 多個比較器，所述多個比較器的同相輸入端共同連接至第三開關的第二端，反相輸入端分別接收各自的參考電壓；以及 多個鎖存器，所述多個鎖存器的輸入端分別連接至相應的一個比較器的輸出端，所述多個鎖存器的輸出端分別連接至所述多個第二開關的相應一個開關的控制端， 其中，所述第一開關的第二端連接至所述開關管的控制端，所述第三開關的第一端連接至所述開關管的控制端。
6.根據權利要求2所述的開關電源控制器，其中所述驅動電流選擇電路包括: 多個電流源，所述多個電流源產生不同級別的驅動電流； 多個第一開關，分別連接在相應的一個電流源和所述開關管的控制端之間； 第二開關，在開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開； 多個比較器，所述多個比較器的同相輸入端共同連接至第二開關的第二端，反相輸入端分別接收各自的參考電壓； 多個鎖存器，所述多個鎖存器的輸入端分別連接至相應的一個比較器的輸出端；以及多個與門，所述多個與門的第一輸入端分別連接至相應的一個鎖存器的輸出端，所述多個與門的第二輸入端分別接收PWM信號，所述多個與門的的輸出端分別連接至所述多個第一開關的相應一個開關的控制端。
7.根據權利要求2所述的開關電源控制器，其中所述驅動電流選擇電路包括: 驅動模塊，所述驅動模塊接收PWM信號，并且根據PWM信號產生用于驅動所述開關管的驅動電壓； 多個調節電阻，所述多個調節電阻的第一端分別連接至所述驅動模塊的輸出端； 多個第一開關，分別連接在相應的一個調節電阻和所述開關管的控制端之間； 第二開關，在開關電源的測試操作中閉合，以及在所述開關電源的正常工作期間斷開； 多個比較器，所述多個比較器的同相輸入端共同連接至第二開關的第二端，反相輸入端分別接收各自的參考電壓； 多個鎖存器，所述多個鎖存器的輸入端分別連接至相應的一個比較器的輸出端，所述多個鎖存器的輸出端分別連接至所述多個第一開關的相應一個開關的控制端。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的源極驅動電路，其中所述開關管為場效應晶體管。
9.一種開關電源控制方法，用于控制開關管的導通和斷開，以維持輸出電壓和/或輸出電流基本恒定，包括: 在開關電源開始正常工作之前執行測試操作，以檢測所述開關管的輸入電容；以及 在開關電源的正常工作期間產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流， 其中，在正常工作期間，根據開關電源的拓撲結構產生預定頻率和占空比的PWM信號，并且根據PWM信號供給或斷開驅動電流。
10.根據權利要求9所述的方法，其中執行測試操作的步驟包括: 采用電流源向所述開關管的控制端提供檢測電流，所述檢測電流小于所述驅動電流；在檢測電流持續預定時間后，獲得所述開關管的控制端的電壓，作為表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓。
11.根據權利要求10所述的方法，其中在系統上電時獲得并鎖存所述檢測電壓。
12.根據權利要求9所述的方法，其中產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括: 將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別； 根據所述輸入電容的級別，選擇多個電流源中的一個電流源；以及 根據PWM信號將所述多個電流源中的所述一個電流源周期性地連接至所述開關管的控制端。
13.根據權利要求9所述的方法，其中產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括: 將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別； 根據所述輸入電容的級別和PWM信號，周期性地選擇多個電流源中的一個電流源；以及 將所述多個電流源中的所述一個電流源連接至所述開關管的控制端。
14.根據權利要求9所述的方法，其中產生與所述開關管的輸入電容相應級別的驅動電流的步驟包括: 根據PWM信號產生用于驅動所述開關管的驅動電壓； 將表征所述開關管的輸入電容的檢測電壓與多個參考電壓相比較，以獲得所述輸入電容的級別； 根據所述輸入電容的級別選擇多個調節電阻中的一個調節電阻；以及 將所述驅動電壓經由所述多個調節電阻中的所述一個電阻接至所述開關管的控制端。
【文檔編號】H02M1/08GK104467372SQ201410795808
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月18日 優先權日:2014年12月18日
【發明者】張丹, 白永江, 胡志亮 申請人:矽力杰半導體技術(杭州)有限公司