專利名稱：自偏置電源管理集成電路芯片電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及電源管理集成電路芯片電源建立；更具體地 說，本發(fā)明涉及一種簡單高效的自偏置電源管理集成電路芯片電源方案。
背景技術(shù)：
在相當多的開關(guān)型直流_直流或交流_直流變換器應(yīng)用中，其電源管理集成電 路芯片電源建立是一項具有挑戰(zhàn)性的課題。如何低成本、高效率、迅速地、可靠地自偏 置這芯片電源是非常有意義。在高壓開關(guān)型直流-直流或交流-直流變換器應(yīng)用中，如 果將高壓直流電壓經(jīng)電阻分壓電路產(chǎn)生上述電源管理集成電路芯片電源，那么該電阻分 壓電路將產(chǎn)生相當大的功耗。另一種方法是用兩組電路來建立該電源管理集成電路芯片 電源，即一路建立初始電源管理集成電路芯片電源，另一路通過磁性元件的附加繞組建 立后續(xù)電源管理集成電路芯片電源。該建立初始電源管理集成電路芯片電源的一路可以 由一電阻組成，該電阻將與電源管理集成電路芯片的旁路電容及該芯片的靜態(tài)功耗電阻 構(gòu)成一充電支路。該電源管理集成電路芯片旁路電容電壓的建立時間是由其充電支路的 時間常數(shù)決定?？紤]到該旁路電容所需提供能量的維持時間，即，保證另一路通過磁性 元件的附加繞組能有足夠的時間建立后續(xù)電源管理集成電路芯片電源，該旁路電容值必 須大于一預(yù)置值。在實際應(yīng)用中，該電源管理集成電路芯片電源希望能盡快建立起來， 對大于一預(yù)置值的旁路電容值而言，該充電電阻值應(yīng)該相當?shù)男?，從而使該電源管理?成電路芯片電源盡快建立起來。但對一小阻值電阻而言，由于該電阻上的高電壓，其直 流功耗將是相當?shù)馗??？梢娊⒊跏茧娫垂芾砑呻娐沸酒娫吹囊宦反嬖陔妷航r 間與其直流功耗的矛盾，特別當該芯片的靜態(tài)功耗電阻比較小時。在已有的解決方案 中(如圖1所示)，是將建立初始電源管理集成電路芯片電源的一路的電阻改成一開關(guān)電 阻。這樣當建立初始電源管理集成電路芯片電源時，該建立初始電源管理集成電路芯片 電源的一路的電阻是一低阻值電阻以便盡快建立電源管理集成電路芯片電源電壓；當另 一路通過磁性元件的附加繞組建立后續(xù)電源管理集成電路芯片電源的電壓建立之后，該 建立初始電源管理集成電路芯片電源的一路的電阻由其低阻變?yōu)楦咦瑁粡亩鉀Q電壓建 立時間與其直流功耗的矛盾。但這使得系統(tǒng)的復雜性增加、可靠性下降。上述另一路通過磁性元件的附加繞組建立后續(xù)電源管理集成電路芯片電源，由 于磁性元件的附加繞組建立的電源是基于開關(guān)電源的概念產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的效率相當 高、但其也受到功率電路的一些制約而使相應(yīng)的系統(tǒng)比較復雜。這種用兩組電路來建立電源管理集成電路芯片電源的方案存在著成本高、結(jié)構(gòu) 復雜和可靠性低的問題。簡化和高可靠性地建立電源管理集成電路芯片電源的方案是具 有挑戰(zhàn)性的課題。在開關(guān)型感性直流_直流或交流_直流變換器中，通常有磁性元件和電感來完成 輸入輸出能量的傳輸和控制。通常由開關(guān)型感性直流_直流或交流_直流變換器中的開 關(guān)導通的占空比大小來控制磁性元件和電感電流的大小。也就是說，當開關(guān)導通占空比增加時，電感電流增加。正因為如此，當開關(guān)導通時，開關(guān)的電流為電感電流；當開關(guān) 截止時，開關(guān)的電流為零，電感電流經(jīng)其他回路續(xù)流。由電感工作特性可知，其電流是 不能突變的。也就是說，當開關(guān)導通時，開關(guān)流過的電感電流可看作一電流源。如何利 用這電流源來建立這電源管理集成電路芯片電源正是人們迫切要解決的問題，從而解決 已有用兩組電路來建立電源管理集成電路芯片電源的方案存在著成本、復雜性和低可靠 性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種自偏置電源管理集成電路芯片電源，其是 針對開關(guān)型感性直流_直流或交流-直流變換器、并充分利用電感工作特性所建立的；其 能簡化已有的兩組電路來建立電源管理集成電路芯片電源方案，并且使其芯片電源能迅 速和可靠地建立起來。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種自偏置電源管理集成電路芯片電源， 是由開關(guān)型感性直流_直流或交流_直流變換器的功率電路的電感L、開關(guān)型感性直 流-直流或交流-直流變換器的功率電路的主功率開關(guān)S以及非線性網(wǎng)絡(luò)組成；所述主 功率開關(guān)S與電感L的組合為所述非線性網(wǎng)絡(luò)提供高效電流源；所述非線性網(wǎng)絡(luò)控制所 述主功率開關(guān)S的導通截止；所述非線性網(wǎng)絡(luò)為可控切換直通支路和充電支路功能的網(wǎng) 絡(luò)，非線性網(wǎng)絡(luò)控制所述高效電流源對芯片電源旁路電容Cd充電。作為本發(fā)明的自偏置電源管理集成電路芯片電源的改進所述非線性網(wǎng)絡(luò)由自 偏置電源管理集成電路芯片、內(nèi)置或外置的二極管Dl、D2、穩(wěn)壓管Dz和低壓功率開關(guān) Si、S2以及外接的電阻Rl和芯片電源旁路電容Cd所構(gòu)成；所述電阻Rl用于建立穩(wěn)壓管Dz的偏壓；穩(wěn)壓管Dz、二極管D2和低壓功率開 關(guān)Si、S2用于控制所述主功率開關(guān)S的導通或截止；所述二極管Dl和外接的芯片電源 旁路電容Cd構(gòu)成所述充電支路；低壓功率開關(guān)Sl構(gòu)成所述直通支路；所述充電支路與直通支路相并聯(lián)；所述低壓功率開關(guān)Sl的導通截止可完成直通 支路和充電支路的切換；自偏置電源管理集成電路芯片根據(jù)所述芯片電源旁路電容Cd的 電壓控制低壓功率開關(guān)Sl的導通截止。作為本發(fā)明的自偏置電源管理集成電路芯片電源的進一步改進非線性網(wǎng)絡(luò)是 由自偏置電源管理集成電路芯片控制芯片電源旁路電容Cd的充電，控制方式為采用磁滯 回線控制所述芯片電源旁路電容Cd的峰值和谷值電壓；當所述芯片電源旁路電容Cd的 電壓充電到達其設(shè)定的峰值時，非線性網(wǎng)絡(luò)由充電支路切換到直通支路，使充電結(jié)束； 當所述芯片電源旁路電容Cd的電壓放電到達其設(shè)定的谷值時，非線性網(wǎng)絡(luò)由直通支路切 換到充電支路，使充電開始。作為本發(fā)明的自偏置電源管理集成電路芯片電源的進一步改進所述非線性網(wǎng) 絡(luò)中，芯片電源旁路電容Cd的充電是以開關(guān)方式控制的，開關(guān)型直流-直流或交流-直 流變換器的主功率開關(guān)S的電流對芯片電源旁路電容Cd恒流充電或充電電流為零。本發(fā)明的優(yōu)點是正是當這開關(guān)型直流_直流或交流_直流變換器的主功率開關(guān)S 導通時，這主功率開關(guān)S的電流是這開關(guān)型直流-直流或交流-直流變換器的電感電流、 而當這開關(guān)型直流-直流或交流-直流變換器的主功率開關(guān)S截止時，這主功率開關(guān)S的電流是零。這樣這開關(guān)型直流_直流或交流_直流變換器的主功率開關(guān)S能夠提供_高 效開關(guān)電流源。本發(fā)明的優(yōu)點是在非線性網(wǎng)絡(luò)中，芯片電源旁路電容Cd的充電也是以開關(guān)方式 控制從而使得這非線性網(wǎng)絡(luò)對芯片電源旁路電容Cd的充電也是高效的。本發(fā)明的優(yōu)點是芯片電源旁路電容Cd的充電電流就是這開關(guān)型直流-直流或交 流-直流變換器的電感電流，它是從輸入高壓電源中獲得的。在非線性網(wǎng)絡(luò)中由于直通 和充電支路之間的切換將這從輸入高壓電源中獲得的電流或能量轉(zhuǎn)移到這芯片電源旁路 電容Cd上，從而為這自偏置電源管理集成電路芯片提供芯片電源電壓。本發(fā)明的優(yōu)點是其充放電是由兩狀態(tài)變量，S卩，電感電流，電容電壓決定。而 狀態(tài)變量一般是不能突變的。這使得這充放電的時間有很好的預(yù)測性?？蛇x擇合適電感 電容值來控制這非線性網(wǎng)絡(luò)中直通和充電支路之間的切換頻率。本發(fā)明的優(yōu)點是這非線性網(wǎng)絡(luò)是與這開關(guān)型直流-直流或交流-直流變換器的主 功率開關(guān)S的源極和柵極相連。這非線性網(wǎng)絡(luò)與輸入高壓電源之間有主功率開關(guān)S、功率 負載和電感這些功率元件來承受高壓。因此這非線性網(wǎng)絡(luò)是一低壓網(wǎng)絡(luò)不需承受高壓。本發(fā)明的優(yōu)點是省去了已有用兩組電路來建立該電源管理集成電路芯片電源方 案中所需的開關(guān)電阻以及附加磁元件繞組。它可以解決“建立初始電源管理集成電路芯 片電源的一路存在電壓建立時間與其直流功耗的矛盾，特別當該芯片的靜態(tài)功耗電阻比 較小時”這個問題并降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜性及成本。本發(fā)明的優(yōu)點是可以產(chǎn)生相當迅速、可靠和精確地建立電源管理集成電路芯片 電源。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。圖1是現(xiàn)有用兩組電路來建立這電源管理集成電路芯片電源；虛線方框是對應(yīng) 于電源管理集成電路芯片；圖2是本發(fā)明的自偏置電源管理集成電路芯片電源的方框圖；虛線方框內(nèi)是對 應(yīng)于非線性網(wǎng)絡(luò)；圖3是本發(fā)明的自偏置電源管理集成電路芯片電源的具體實例電路圖；虛線方 框內(nèi)是對應(yīng)于自偏置電源管理集成電路芯片，它與外置的二極管D1、穩(wěn)壓管Dz、電阻 Rl和芯片電源旁路電容Cd構(gòu)成相應(yīng)的非線性網(wǎng)絡(luò)。
具體實施例方式實施例1、圖3給出了 一種自偏置電源管理集成電路芯片電源，以降壓式直 流-直流變換器為例，包括電感L、主功率開關(guān)S和非線性網(wǎng)絡(luò)，非線性網(wǎng)絡(luò)由自偏置電 源管理集成電路芯片(它包括芯片內(nèi)置二極管D2、芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Si、S2、比較 器COMP以及PWM發(fā)生器)與外接的二極管D1、穩(wěn)壓管Dz、電阻Rl和芯片電源旁路 電容Cd所構(gòu)成。由主功率開關(guān)S、電感L、負載R、續(xù)流二極管D及輸入電源Vin構(gòu)成一降壓式 直流-直流變換器的主功率變換電路。主功率開關(guān)S的柵極通過穩(wěn)壓管Dz、芯片內(nèi)置二極管D2經(jīng)其電源管理集成電路芯片腳Vg受控于芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)S2。電阻Rl是 用于建立穩(wěn)壓管Dz的偏壓Vdz，即電阻Rl與輸入電源Vin相連。主功率開關(guān)S的源極 經(jīng)一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)與“地線”相連與輸入電源Vin構(gòu)成回路。該源極的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是由自偏置 電源管理集成電路芯片(它包括芯片內(nèi)置二極管D2、芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Si、S2、比 較器COMP以及PWM發(fā)生器)與外接的二極管D1、穩(wěn)壓管Dz、電阻Rl和芯片電源旁 路電容Cd組成。如圖3所示，在這自偏置電源管理集成電路芯片中，內(nèi)置二極管D2分別與內(nèi)置 低壓功率開關(guān)S2和自偏置電源管理集成電路芯片的電源腳Vcc。內(nèi)置低壓功率開關(guān)S2 受其自偏置電源管理集成電路芯片根據(jù)控制方法所產(chǎn)生的PWM發(fā)生器的反向信號控制。 比較器COMP的一輸入端連接自偏置電源管理集成電路芯片的電源腳Vcc以檢測及控制 其電壓通過控制內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl的導通截止。內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl同時經(jīng)與門受 其PWM發(fā)生器控制。內(nèi)置低壓功率開關(guān)Si、S2的源極與自偏置電源管理集成電路芯片 的接地腳GND相連。這芯片電源旁路電容Cd是與自偏置電源管理集成電路芯片的電源腳Vcc和接地 腳GND相連。二極管Dl和電源管理集成電路的芯片電源旁路電容Cd構(gòu)成的充電支路與經(jīng)電 源管理集成電路芯片腳Vs與芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl構(gòu)成的直通支路并聯(lián)組成。當主功率開關(guān)S要導通時，自偏置電源管理集成電路芯片是以如下操作來完 成芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)S2截止，芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl導通或截止。這樣，主 功率開關(guān)S的源極是O (對應(yīng)芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl導通)或Vcc (對應(yīng)芯片內(nèi)置低壓 功率開關(guān)Sl截止)。主功率開關(guān)S的門極經(jīng)穩(wěn)壓管Dz、二極管D2連接到自偏置電源管 理集成電路芯片電源Vcc。主功率開關(guān)S的門極與源極電位差是Vdz或Vdz加自偏置電 源管理集成電路芯片電源電壓Vcc。只要Vdz大于主功率開關(guān)S的開啟電壓Vth，主功 率開關(guān)S是處于導通狀態(tài)。當主功率開關(guān)S要關(guān)斷時，自偏置電源管理集成電路芯片是以如下操作來完 成芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)S2導通，芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl截止。這樣，主功率開 關(guān)S的門極電位是Vdz。主功率開關(guān)S的源極電位是Vcc。只要Vdz與Vcc的電壓差小 于主功率開關(guān)S的開啟電壓Vth，主功率開關(guān)S是處于截止狀態(tài)。 本發(fā)明的自偏置電源管理集成電路芯片電源的充電過程是在當主功率開關(guān)S導 通條件下實現(xiàn)。如前所述，當主功率開關(guān)S導通時，主功率開關(guān)S導通電感L電流。如 果芯片電源旁路電容Cd上的電壓低于所設(shè)置的芯片工作峰值電壓Vp，主功率開關(guān)S的電 流經(jīng)二極管Dl對芯片電源旁路電容Cd充電、并向電源管理集成電路芯片供電。由于主 功率開關(guān)S的電流是電感L電流，這可看成一電流源對芯片電源旁路電容Cd充電。當芯 片電源旁路電容Cd上電壓高于所設(shè)置的芯片工作峰值電壓Vp，自偏置電源管理集成電 路芯片使其芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl導通，主功率開關(guān)S的電流經(jīng)這導通的內(nèi)功率開關(guān) Sl入地，即，主功率開關(guān)S繼續(xù)導通，而芯片電源旁路電容Cd充電結(jié)束。在這充電過 程中，由于穩(wěn)壓管Dz的電壓Vdz，主功率開關(guān)S始終是導通的，僅僅其驅(qū)動電壓有些變 化。選擇合適的穩(wěn)壓管Dz的電壓Vdz是能夠使得主功率開關(guān)S的導通電阻基本恒定。
當芯片電源旁路電容Cd充電結(jié)束后，芯片電源旁路電容Cd繼續(xù)向芯片供電。芯片電源旁路電容Cd電壓下降，當芯片電源旁路電容Cd的電壓低于所設(shè)置的芯片工作 谷值Vv電壓時，自偏置電源管理集成電路芯片使其芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl截止，電 流源又開始對芯片電源旁路電容Cd充電并向電源管理集成電路芯片供電。芯片電源旁路 電容Cd的電壓自芯片工作谷值Vv電壓往芯片工作峰值電壓Vp方向增加，直至達到Vp， 芯片電源旁路電容Cd充電結(jié)束。這樣周而復始以使得芯片電源旁路電容Cd的電壓Vcc 控制在芯片工作峰值和谷值電壓之間變化。由本發(fā)明的簡單高效的自偏置電源管理集成電路芯片電源的充放電過程看出， 當主功率開關(guān)S導通時，主功率電路中的電流基本沒有變化，但是電流回路經(jīng)主功率開 關(guān)S源極的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，即，對自偏置電源管理集成電路的芯片電源旁路電容Cd 充電或不充電。自偏置電源管理集成電路芯片以開關(guān)方式控制主功率電路中的電流對芯 片電源旁路電容Cd充放電。由于主功率開關(guān)S是以開關(guān)方式工作，這使得高效率建立 自偏置電源管理集成電路芯片電源成為可能。由于自偏置電源管理集成電路芯片控制芯 片電源旁路電容Cd的電壓，電壓可以相當精確和可靠地控制。本發(fā)明的簡單高效的自偏 置電源管理集成電路芯片電源結(jié)構(gòu)適用于所有電感型開關(guān)變換器，如，升降壓，升壓等 等。本發(fā)明的簡單高效的自偏置電源管理集成電路芯片電源結(jié)構(gòu)是將系統(tǒng)的控制芯片， 控制芯片的電源及主功率開關(guān)有機地自成一體而如同一智能型功率開關(guān)；它不需外加額 外電源。在如圖3所示的本發(fā)明的簡單高效的自偏置電源管理集成電路芯片電源方案具 體實例電路中，主功率開關(guān)S是N溝道增強型MOSFET功率管，其開啟電壓Vth通常是 大約4V左右。穩(wěn)壓管Dz只要大于這開啟電壓Vth與芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)S2串聯(lián)可以 保證與芯片內(nèi)置低壓功率開關(guān)Sl組合使該N型增強型MOSFET功率管可靠地導通截止。 如果主功率開關(guān)S是其他類型功率管，如，耗盡型MOSFET功率管，其開啟電壓Vth通 常是小于0，這時這穩(wěn)壓管Dz可以省略。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本 發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的 內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.自偏置電源管理集成電路芯片電源，其特征是是由開關(guān)型感性直流-直流或交 流-直流變換器的功率電路的電感L、開關(guān)型感性直流_直流或交流-直流變換器的功率 電路的主功率開關(guān)S以及非線性網(wǎng)絡(luò)組成；所述主功率開關(guān)S與電感L的組合為所述非 線性網(wǎng)絡(luò)提供高效電流源；所述非線性網(wǎng)絡(luò)控制所述主功率開關(guān)S的導通截止；所述非 線性網(wǎng)絡(luò)為可控切換直通支路和充電支路功能的網(wǎng)絡(luò)，非線性網(wǎng)絡(luò)控制所述高效電流源 對芯片電源旁路電容Cd充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自偏置電源管理集成電路芯片電源，其特征是所述非線 性網(wǎng)絡(luò)由自偏置電源管理集成電路芯片、內(nèi)置或外置的二極管Dl、D2、穩(wěn)壓管Dz和低 壓功率開關(guān)Si、S2以及外接的電阻Rl和芯片電源旁路電容Cd所構(gòu)成；所述電阻Rl用于建立穩(wěn)壓管Dz的偏壓；穩(wěn)壓管Dz、二極管D2和低壓功率開關(guān) Si、S2用于控制所述主功率開關(guān)S的導通或截止；所述二極管Dl和外接的芯片電源旁 路電容Cd構(gòu)成所述充電支路；低壓功率開關(guān)Sl構(gòu)成所述直通支路；所述充電支路與直通支路相并聯(lián)；所述低壓功率開關(guān)Sl的導通截止可完成直通支路 和充電支路的切換；自偏置電源管理集成電路芯片根據(jù)所述芯片電源旁路電容Cd的電壓 控制低壓功率開關(guān)Sl的導通截止。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自偏置電源管理集成電路芯片電源，其特征是所述非線 性網(wǎng)絡(luò)是由自偏置電源管理集成電路芯片控制芯片電源旁路電容Cd的充電，控制方式為 采用磁滯回線控制所述芯片電源旁路電容Cd的峰值和谷值電壓；當所述芯片電源旁路電 容Cd的電壓充電到達其設(shè)定的峰值時，非線性網(wǎng)絡(luò)由充電支路切換到直通支路，使充電 結(jié)束；當所述芯片電源旁路電容Cd的電壓放電到達其設(shè)定的谷值時，非線性網(wǎng)絡(luò)由直通 支路切換到充電支路，使充電開始。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自偏置電源管理集成電路芯片電源，其特征是所述非線 性網(wǎng)絡(luò)中，芯片電源旁路電容Cd的充電是以開關(guān)方式控制的，開關(guān)型直流-直流或交 流_直流變換器的主功率開關(guān)S的電流對芯片電源旁路電容Cd恒流充電或充電電流為 零。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自偏置電源管理集成電路芯片電源，是由開關(guān)型感性直流-直流或交流-直流變換器的功率電路的電感L、開關(guān)型感性直流-直流或交流-直流變換器的功率電路的主功率開關(guān)S以及非線性網(wǎng)絡(luò)組成；主功率開關(guān)S與電感L的組合為所述非線性網(wǎng)絡(luò)提供高效電流源；非線性網(wǎng)絡(luò)控制所述主功率開關(guān)S的導通截止；非線性網(wǎng)絡(luò)為可控切換直通支路和充電支路功能的網(wǎng)絡(luò)，非線性網(wǎng)絡(luò)控制高效電流源對芯片電源旁路電容Cd充電。本發(fā)明是針對開關(guān)型感性直流-直流或交流-直流變換器、并充分利用電感工作特性所建立的；其能簡化已有的兩組電路來建立電源管理集成電路芯片電源方案，并且使其芯片電源能迅速和可靠地建立起來。
文檔編號H02M3/155GK102013801SQ20101055814
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者翁大豐 申請人:魏其萃