[发明专利]开关电源及开关电源中PWM芯片的供电芯片和方法

说明书

一种开关电源及开关电源中PWM芯片的供电芯片和方法，在开关电源的开关变压器的辅助绕组与PWM芯片的供电端之间，设置一开关型降压电路，用于将该辅助绕组的输出电压转化到该PWM芯片能够承受的范围；该开关型降压电路具有防止从该PWM芯片的供电端倒灌电流的功能；当该输出电压达到一阈值时，使该开关型降压电路处于开关降压状态；当该输出电压低于该阈值时，使该开关型降压电路处于跟随状态。本发明能够很好地满足对于开关电源的更加严格的能效指标要求。

技术领域

本发明涉及开关电源，尤其涉及开关电源中PWM芯片的供电芯片。

背景技术

在USB Type-C 标准发布后，具有输出电压切换功能的开关电源应用得到快速发展。依据该标准，这种开关电源在上电时输出默认的5V电压。然后，当终端连接并正确识别后，可以进一步依照终端的要求，在适当范围内，调整输出电压，例如：从5V升高至最高的20V。从而可以在端口连接器的有限电流能力下，例如：Type-C 端口最大允许电流为 5A，传输高达100W的功率给终端负载。同时，该开关电源依然可以兼容标准的5V设备的直流供给。

现有开关电源的PWM芯片是采用变压器辅助绕组进行供电。由于受负载和变压器漏感等影响，PWM芯片的供电电压会在较大的范围内变动，因此必然导致PWM芯片的供电范围设计成较宽范围（受限于合理的半导体工艺限制，一般最高为 40V或 30V），例如：针对5V输出的应用需要，供电电压最低可以低到9V，最高可以高到接近 30V。如此一来，为了满足输出为5V-20V范围的 Type-C 之类的应用需要，当输出电压从5V切换到20V时，辅助绕组电压也将升高相同比例，达到45-50V甚至超过50V，这将超过一般 PWM 芯片的供电承受能力。为了克服供电电压大大超过PWM芯片通常的供电承受值，例如：30V，参见图1所示的开关电源的电原理图，有人提出在PWM芯片 U1的供电回路中串设限压电路10的供电方法。具体地，该限压电路10是由三极管Q1，稳压管Z1和电阻R1构成的一串联稳压网络。该限压电路10可以在开关变压器B1的辅助绕组NA的电压较高时，将PWM芯片U1的供电电压VDD限制在略低于稳压管Z1的稳压值的水平上。只需选用不高于 PWM 芯片U1的供电最大值的稳压值的稳压管Z1，即能够避免PWM芯片U1的过压损坏，从而满足该开关电源宽的工作电压环境。

然而，为了保障低输出电压时，PWM芯片U1有足够的供电，需要该限压电路10提供足够的电流能力，这会导致该限压电路10自身功耗较大。以PWM芯片U1选用力生美公司的LN3C50型芯片为例，其典型的空载工作电流约为1.2毫安，满载工作电流随所使用的外部高压 MOS 开关管的不同而不同，一般可达 10mA 左右。由上可见，PWM芯片U1的工作电流范围约为 1~10mA，因此上述限压电路10将按照不小于 10mA 的供电能力进行设计。这在存在低输出电压，例如：输出电压为 5V，以及低负载条件，例如：空载的情况下，势必导致限压电路10的限流电阻 R1 具有极小的取值，例如：10k 量级。考虑到PWM芯片U1的最高电压范围在30V左右，一般稳压管 Z1 可能会选用24V的规格。于是，当输出电压升高至 20V后，辅助供电电压VCC约为45V来看，上述限压电路10由静态电流约10mA所导致的功耗将达到 94.5mW，加上待机时设PWM芯片U1的空载电流1mA，则总供电功耗约为 139.5mW。随着世界各国对电源能效要求日益提高，例如：欧盟最新的CoC V5能效法案已要求小于 49W的外部电源，在待机时功耗不得高于75mW，则上述开关电源，已无法满足新的能效指标要求。

另外，对于典型的反激式开关电源，合理的过功率保护阈值应在额定功率的110%-130%之间。由此，对于一5V、3A/20V、2A的可变电压的USB Type-C 开关电源，合理的要求会是：5V输出时，过载保护阈值范围为16.5-19.5W；20V输出时，过载保护阈值范围为44-52W。可见，后者超过前者的2.5倍，这在现有的PWM芯片U1构成的开关电源上是无法直接实现的，只能统一地将过载保护阈值范围设定在最高点，即44-52W。如此一来，当输出电压为默认的5V输出时，过载电流将高达7A以上，这对于开关电源的次级侧的整流电路的压力是很大的，会使开关电源存在较大的安全隐患。