三端子、低电压脉宽调制控制器集成电路 相关申请的交叉参考
本申请与其同日申请的、其名称为“COMS数字脉宽调制控制器”，共同待审的共同转让的美国专利申请No.10/099,703相关，其内容的公开在此引作参考。
发明背景技术
【发明领域】
本发明涉及脉宽调制(PWM)控制器。更具体的说，本发明涉及一种三端子、低电压的脉宽调制(PWM)集成电路(IC)，它对电路中的开关元件提供源控制，该开关元件例如脱机的开关电源、直流电到直流电的升压变换器或电机控制器。
本发明的介绍
迫切需要最大化地减小低功率应用的低成本、脱机的开关电源的成本、尺寸和功耗，这些低功率应用，例如用在便携式消费电器用品如娱乐产品、个人数字助理、手机等中的可充电电池。达到这些迫切目标的方法之一就是使用一个或几个标准组合件里的集成电路，无论是用于实现脉宽调制(PWM)控制器的双列直插(DIP)式或三引脚芯片，该控制器控制电源开关的占空比。
脉宽调制控制器通常设计成能够调节开关电源的输出电压。一个脉宽调制开关电源需要一个可变的脉宽，该脉宽由一个通过将实际输出电压与一个精确参考电压相比较而获得的误差信号来控制。转换时间间隔地脉宽必须也被限制在最小持续时间与最大持续时间内。这些限制的强加是用于纠正脉宽调制电源或电机驱动操作。
一个常规的三引脚脉宽调制控制器集成电路(IC)例子可从美国专利No.5,313,381中找到。虽然该现有方法在那个时代看来是令人满意的，但它有几个缺点。第一，它使用了双极和MOS工艺，并因此而增加了制造过程的复杂性。第二，它包含一个在主板上的高压电源开关场效应管(FET)。这个高电压开关场效应管几乎占了芯片面积的一半，留给其它电路的面积就变得很有限了。因为这个高压开关场效应管在芯片上，所以在芯片的设计和制作上必须采取特殊的措施以适应在开关电路操作期间在芯片上出现的高电压波动。而且，这个高电压开关场效应管需要有一个较大的能够满足其漏电需要和传热到一个外部散热器的集成电路组件，例如具有散热片的TO-220三端子组件，以及具有一个散热极限值，该极限值最终限制了在一个使用该现有方法的开关电源中切换的电源的实际值而不必考虑外部散热装置。此外，因为启动时在开关电源的次级侧中没有电压可用，所以必须在一个高电压场效应管结构中提供一个特定低电压分接头并能够在现有方法中使用，以便能够得到初级侧的启动电压。
因此，一个迄今为止仍未解决的问题就是提供一种低成本、低电压的脉宽调制控制器集成电路，根据采用了克服现有方法中的限制和缺点的方式的应用，它可以被封装于各种各样的可用的、低成本的集成电路组件产品中。
发明概要
本发明的一个主要目的是提供一种克服了现有技术限制和缺点的三端子、低成本、低电压的脉宽调制控制器集成电路结构。
本发明的另一目的是提供一种低电压的脉宽调制控制器集成电路，该控制器集成电路提供对一个外部整流电路元件，例如一个高电压开关晶体管的源控制。
本发明的另一目的是提供一种低电压的脉宽调制控制器集成电路，该控制电路不需要高电压隔离并且能把多余的热量传导到外部环境，因此它能够被封装在各种低成本的塑料组件中，包括三端子组件。
本发明的另一目的是提供一种有效的配置使用本发明的低电压脉宽调制控制器集成电路的开关电源初级侧拓扑电路。
本发明的另一目的是提供一种在芯片上的启动电路，它能够提供初始启动电源来启动本发明的脉宽调制控制器而不需要一个附加的高压设备。
本发明的再一目的是提供一种脉宽调制控制器，它作为一个使用低电压IC制作方法的集成电路而实现的。
本发明的又一目的是提供一种三端子、低电压的脉宽调制控制器集成电路，它能够对产生调宽控制脉冲中的许多误差参数作出反应，例如输出电压反馈以及控制外部电路的内部开关电流。
依照本发明的原理，一种三端子、低电压的脉宽调制(PWM)控制器被嵌入到一个一体的集成电路(IC)中。该集成电路包括：一个第一端子，提供一个输入节点，该节点用于接收操作偏流源和由数字调宽控制器控制的电路输出参数相关的反馈控制信号；一个第二端子，提供一个输出节点，该节点连接一个数字输出开关，以一定的控制脉冲频率提供数字调宽控制脉冲以能控制电路的占空比，该数字调宽控制脉冲是相对于反馈控制值进行调宽的；一个第三端子，提供接地连接；时钟脉冲调宽电路响应于第二端子和第三端子之间的电流以及反馈控制值，用于以控制脉冲频率来控制数字输出开关；反馈信号分离电路，该电路用于将反馈控制信号从操作偏流源中分离开，它最好是一个与数字输出开关串联的电流感应电阻和被看作一个电压的接地端子，该接地端子用于感应第二端子和第三端子之间的电流。
作为本发明的一个方面，这个低电压脉宽调制控制器集成电路包括一个最初连接第二端子和第一端子的启动电路，它允许电压最初出现在第二端子以便对与第一端子连接的外部储能电容器进行充电，直到在第一端子中出现操作偏流源为止。在从第二端子到第一端子的传导路径上，这个启动电路最好包括一个第一晶体管和一个二极管，还包括一个控制第一晶体管的栅电极的第二晶体管，这个第二晶体管由响应于第一端子中出现的操作偏流源的逻辑电路进行控制。这个逻辑电路最好包括一个将第一端子的电压与参考高电压进行比较的高压比较器和一个由高压比较器重置的锁存器，这个锁存器直接控制第二晶体管的栅电极。这个逻辑电路还可以包括一个将第一端子的电压与参考低电压进行比较的低压比较器，这样如果检测到低压情况出现在第一端子，该锁存器就由低压比较器设定以便能够开启第一晶体管并且重建从第二端子到第一端子的一条传导通路。
作为本发明的另一方面，这个三端子、低电压脉宽调制控制器被封装在一个有三条引线TO-92的微缩塑料组件里，以便通过穿孔的方式安装在电路的电路板上，第一条引线对应于第一端子，第二条引线对应于第二端子，第三条引线对应于第三端子。
作为本发明的又一方面，该电路是一个开关电源，该开关电源具有一个共栅极模式的开关N沟道场效应管。在这种电路结构中，第二个端子能够直接连接开关场效应管的源极。
在本发明的又一方面中，该电路中是一个直流电到直流电的开关升压变换器，并且第二端子的连接使储能电感被旁路到地。
本发明的上述以及其它目的、优点、方面和特征在考虑到结合下面附图的出现较佳实施例的详细描述将会得到更充分的理解和明白。
附图简述
本发明通过附图进行说明，其中：
图1是依照本发明原理的具有一个低电压、四端子的脉宽调制控制器集成电路的脱机的开关电源的逻辑方框图和简略电路原理图。
图2是依照本发明原理的采用了升压结构、并包括低电压启动电路和配置了三端子组件的CMOS脉宽调制控制器集成电路的逻辑方框图和简略电路原理图。
图3是采用了如图2所示的三端子组件中的CMOS脉宽调制控制器集成电路的脱机的开关电源的逻辑方框图和简略电路原理图。
本发明的详细描述
图1说明了一个脱机的开关电源和一个在电源初级侧中提供源模式脉宽调制控制的低电压脉宽调制控制器集成电路IC 10。它基于接收来自次级侧的反馈和源电流，该源电流例如流过初级侧外部高电压开关场效应管(FET)。
如图1所示，这个低电压脉宽调制控制器集成电路有四个连接端子45、46、47和48，但例如图3所示能够在三端子结构中使用。偏置引脚47在启动期间和正常工作期间使偏流电源能够加在IC 10。在电源启动期间，启动偏流和高/低电压逻辑电路42将外部高电压开关场效应管124的源极与偏置引脚相连接，从而对与它相连接的外部电容器143充电(见图2和图3)。当偏置引脚47上的偏压到达需要启动集成电路10的最小阈值时，脉宽调制脉冲就产生了并且外部高电压MOS场效应管124开始接通，将功率经过绕组110和变压器的铁芯传到次级绕组112和三次绕组113，该三次绕组113将偏压经过整流器141和滤波电容器143加给偏置引脚。一旦达到了最小阈值电压，启动电路42就不工作了。低电压脉宽调制电路10所需要的所有的参考电压和工作电压都来自于偏置引脚47上所加的偏流电源。
如图1所示，一个脱机的开关电源100通过一个合适的连接或连接器装置接收来自商业交流电网的能量。一个保险丝102避免电源100发生故障状态。一个二极管桥104全波整流引入到脉动DC的交流电，一个滤波电容器106降低交流电的波动。该合成的直流电压加在接地端和例如降压变压器108的储能线圈110之间。尽管图1示出的是一个降压变换器，但电源能够提供一个升压变压器、一个SEPIC(单端初级电感变换器)，一个升压变换器、或一个逆变器、或一个补偿变换器。这些在脉宽调制电源的现有技术中都是公知的。
正如上面所提到的，变压器108还包括一个供给二极管整流器114、一个存储电容器116、一个输出滤波电感器118和一个输出滤波器120的次级线圈112。这些器件组成了电源100的“次级侧”。因为电源100的初级侧直接与典型的脱机开关电源中的交流电压线或干线相连接，次级侧必须与初级侧隔离并达到一个适当的电压电位或差值，例如为3000伏特峰值。次级侧接地端不与初级侧接地端相连，在图1中使用不同的接地端符号来标明初级接地端与次级接地端的这种分离。
在这个例子中，一个位于脉宽调制控制芯片10外部的高电压MOS开关晶体管124能够使开关电源100传送高压电流，它以一个预定的较高频率，例如大约130k赫兹使电流流过开关变压器的初级绕组110或使其中断开，来导通或截断电流。高压晶体管只有在高压开关应用中才需要；在低压应用中，外部高压晶体管124可以省略。缓冲电路128保护切换晶体管124抗击以别的方式出现在初级绕组110中的反向击穿过压峰值。调整晶体管124的占空比是为了准确的控制电源100以稳定的输出电压和电流的方式将电能传送到与次级侧相连接并由其供电的负载上。
依照本发明的一个方面，低电压脉宽调制控制器集成电路10提供对高压开关晶体管124的源控制。在脉宽调制控制器10的电路中高压开关晶体管124是连接成共栅且其电源100中的源极切换的拓扑结构工作的。在这种拓扑结构中，晶体管124的源电压通过操作脉宽调制控制器集成电路10仅仅在小于栅极电压和地电压之间进行转换，以能使用低压脉宽调制控制器集成电路10。例如125v正极电压建立栅极偏压为高压开关晶体管124以一个高于初级侧的额定低电压使稳压二极管125偏置为反向(调节)传导是通过一个电阻127从整流过的高压直流电中获得。电容器126进一步平滑根据稳压二极管125的反向击穿特性产生的直流栅极电压。因此，在图1的源控制结构中，脉宽调制控制器集成电路10只需要在零和正15伏之间转换。
如图1所示，初级侧CMOS数字脉宽调制控制器集成电路10包括与外部高电压开关晶体管124串联的、并由调宽脉冲控制的载流低电压开关场效应管20和与初级侧接地端连接低值过流感应电阻22。调宽脉冲通过栅极驱动器24加在场效应管20的栅极，从而控制开关电流流经外部高电压开关晶体管124。
应用到晶体管20的栅极控制依照名称为“COMS数字脉宽调制控制器”的相关专利申请的指导进行数字化开发设计，或者它也可能通过使用已知技术中的其它方法来产生。这种产生源控制开关的另一种可选择方法如图1所示。
如图1所示，初级侧的控制器IC 10接收来自两个源的控制信息。一个源是来自于电源100的次级侧的一个经过合适的隔离装置的输出反馈。该隔离装置对将电源100的初级侧与次级侧隔离的一个电压(例如3千伏特)隔离阻障提供绝缘是必需的。在图1所示的结构中，一个光隔离器50作为隔离设备并提供次级侧(负载)和初级侧(脱机的)之间的隔离。图1的电路具有一个优点，它可以直接测量输出电压，这个输出电压提供给负载而产生经过光隔离器50的反馈控制信号。光隔离器50的一个光发射器52连接串联网络的一个共用节点，这个网络包括一个连接到整流器114的共用节点的电阻54、电容器116、平滑线圈118、以及一个连接到次级侧接地端的放大器/电压参考装置58。这个误差放大器/电压参考装置58提供精确的参考电压和参考电压与测量输出电压之间的误差积分，该测量电压是从在次级侧输出端和次级侧接地端之间相连接的电阻60和62组成的串联阻抗网络而获得的。经过元件52到达光检测元件64的光亮度级提供了一种在加到外部负载的电源100的直流电输出端产生的电压量度。与参考工作电压有关的输出电压的各种变化都会导致光亮度级的变化，误差信号中的这些变化将反馈给反馈输入节点46中的脉宽调制控制器集成电路IC。
次级侧的输出电源线也可以包括一个电流感应电阻器，它能检测加给负载的输出电流值。一个源自于感应负载电流的误差电压应该和一个源自于感应电压的误差电压结合在一起，这种合成的误差电压将会以一种已知的方式进行反馈来控制初级侧的脉宽调制控制器集成电路IC10的操作。
除了栅极场效应管20、源电流感应电阻22和驱动器24外，初级侧的脉宽调制控制器集成电路IC10还包括一个用于产生至少一个参考电压的精确参考电压发生器电路26、一个用于使来自引脚46的误差信号放大并经过调整的误差放大器28、一个用于比较反馈电压和锯齿波的反馈比较器30，该锯齿波是通过感应在经过电阻22时变压器108中初级侧电流而产生的。当被放大并经过调整的反馈电压高于锯齿波的峰值时，脉宽调制控制逻辑将关闭外部高电压开关场效应管124。外部晶体管124将保持关闭直到时钟发生器40产生下一个时钟周期为止。在消隐周期中，一个消隐发生器32消隐反馈比较器30和过电流比较器34的输入。这个消隐周期中包含了一个在每个开关周期前沿中初始尖峰电流，尖峰电流的出现主要应归因于图1所示拓扑结构中开关电源的初级侧中寄生电容的耦合。
这个低电压脉宽调制控制器集成电路10还包括一个电流检测比较器34，当检测电阻22检测到电流超过了预定的电流极限值(消隐周期除外)时，电流检测比较器34就产生一个过电流逻辑电位，这时外部晶体管124就关闭而不考虑次级侧的反馈电位。为了提供反馈电压的过电流盈余，比较器30和34的逻辑结果在与门36相与，并且复合的误差电位用于重置触发器38，该触发器38确定具有由时钟40的时钟周期所固定的开关全周期的每一个脉宽调制周期。通过选通驱动器24加触发器38的逻辑输出来控制场效应管20的栅极。
外部高电压场效应管124代替常规的选通控制技术来提供源控制有以下几个优点。第一，通常由开关晶体管的源极来实现的过电流检测功能可以和驱动引脚结合在一起，因此当提供两个反馈控制时能使引脚的数量减为三个，并且使少引脚的、低成本的集成电路10的封装更为容易。第二，脉宽调制控制器集成电路10只需要一个足够大的偏压来驱动由共栅极、源开关结构中的外部开关晶体管124。因为可以使内部场效应管栅极20的开启阈值电压可需要开关比外部场效应晶体管124的阈值电压低得多，所以使用源控制的方法对于偏压的需求比惯用的选通控制的方法也低得多，并且这个结果能够使用低电压CMOS集成电路低成本的制作工艺，实质上降低了组件的成本。
集成电路组件12的外部引脚中最好包括一个初级侧的接地引脚45，一个次级侧的反馈引脚46，一个偏置引脚47以及一个直接连接到在图1的例子中所描述的外部开关晶体管124的源极的输出驱动引脚48。在集成电路在工厂里组装的过程中，这些引脚与集成电路IC10合适的焊接点进行电连接。
在图1的电路中，初级侧的控制集成电路接地引脚45接初级侧的接地端(该接地端主要是与次级侧的接地端55绝缘，以能在脱机的初级侧与次级侧的电压输出之间提供所需的电压绝缘)。在如图2和图3所示的三端子集成电路组件例子中，芯片供电电压和反馈误差电压一起出现在偏置引脚47中，并在经过一个由偏置引脚47和初级侧接地端45之间的串联电阻36和38组成的内部阻抗网络在内部进行分离。
在图1所示的结构中，初级侧的脉宽调制控制器10包含一个封装在一个多引脚的塑料组件12中的集成电路阵列，例如为了通用的穿孔或表面镶嵌和电连接而配置的一个4、6或8引脚的DIP或SOIC。尽管为了节约成本而最好是一个4引脚或8引脚的组件，其它结构的组件，例如3引脚或6引脚组件，也可用于初级侧的低电压脉宽调制控制器10的实施例中。
晶体管124中的电流由芯片10所限制并完全用来避免过电流事件的发生。本发明的三端子组件适合被采纳和使用于低压开关电源的应用中，与场效应管124的源极串联的集成电路10单片级的输出开关场效应管20能够耗散在切换时产生的热量到外部环境中。
依照本发明的这些方面，通过有选择性的将集成电路芯片10的输出端衰减器和连接引脚相连接，初级侧的控制器电路IC既可以作为三引脚设备11(图2)也可以作为四引脚或多引脚设备12(图1)来配置和使用。当集成电路IC10被封装在选定的组件里以及当它们的引线与集成电路IC芯片的焊接端子区电连接和为了特殊应用/所需特性而进行适当编程特殊芯片时，这个引脚/组件结构在工厂里就能被制造出来。
如图2中长方形虚线框中所示，初始启动电路42包含一个具有选通上拉电阻142、隔离驱动引脚48与偏置引脚47的二极管144的P沟道场效应管140，一个有选通上拉电阻147、过压比较器150、欠压比较器152的N沟道场效应管146，以及具有控制晶体管146栅极输出的锁存器148。
图2表示了在不失一般特性的情况下，低电压脉宽调制控制器10被使用在一个升压结构的开关变换器101时的启动电路42。当直流电首次加到变换器101的输入端Vin时，电能流经电感103和二极管105后储存在电容器107中。在这个初始时刻，因为电压出现在驱动引脚48中，所以P沟道场效应管140和N沟道场效应管146被偏置在导电状态。由于场效应管140和146都处于导电状态，来自于驱动引脚48的电压经过单向二极管144和偏置引脚47，从而被储存在外部电容器143中。在此过程中，在比较器150中设置最高电压参考和在比较器152设置最低电压参考的内部参考电压建立起来。当偏置引脚47中的电压达到最高参考电压时，比较器150重置锁存器148并且NMOS场效应管146被关断。当场效应管146中止导通时，场效应管140的栅极电压因为电阻142而升至驱动引脚48中的电压电位，PMOS场效应管140关断，从而断开从驱动引脚48到偏置引脚47的初始启动电压通路。这时，脉宽调制控制器集成电路10开始起作用，并且由储存在电容器143中的能量继续提供动力直到变换器101的输出电压升至供电给IC10所需的电位。
在升压变换器101正常工作期间，控制器集成电路10使电感103和二极管105之间的节点电压向零电势下降，从而使能量被储存在电感103中。当节点电压恢复到高电平时，所储存的能量经过二极管105并以常规的方式被储存在电容器107中。这种结构能够使输出电压升高到一个高于在输入端Vin出现的电位的电位。
如果出现在集成电路10的引脚47中的输出偏压因为某种原因降至低于低电压参考电平时，低压比较器152设置锁存器148，通过打开PMOS场效应管140，NMOS场效应管146被导通以重新恢复初始启动通路和工作。
图3显示了三引脚结构中的电压脉宽调制控制器集成电路10，该三引脚结构在图1中连接开关电源100。在这种结构中，不使用反馈端子46。通过一个包含在内部连接芯片10的偏置引脚47和接地引脚45的电阻36和38的阻抗隔离网络，可以获得输出电压/电流反馈控制信号。电阻36和38的共用节点在内部连接到反馈引脚46并提供反馈信号。IC 10的内部偏流的消耗尽可能设置成恒定不变，以便在放大器28的输入端的电压仅响应于输出端检测的电压变化。三端子结构组件11与低电压控制电路10一起能够使用低成本晶体管类的封装，例如标准TO-92封装等。
经过对本发明的优选实施例的描述，现在将会理解本发明的发明目的是可以充分实现的，本领域的普通技术人员应该明白本发明在不脱离本发明的精神和范围的情况下可有许多变化和更广泛不同的实施例和应用将会被他们自己想到。因此，在此公开和描述的内容纯粹是为说明用，而非用于限制。