TWM678663U - 返馳式電源轉換器 - Google Patents

返馳式電源轉換器

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大陸商昂寶集成電路股份有限公司
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Abstract

公開了一種返馳式電源轉換器。該返馳式電源轉換器包括變壓器、第一和第二功率電晶體、第一和第二電流源、第一至第四電晶體、第一和第二下拉單元、以及開關控制電路，第一至第四電晶體的控制端分別連接到開關控制電路，第一電流源在第一電晶體的控制下提供第一驅動電流，第二電流源在第三電晶體的控制下提供第二驅動電流，第一功率電晶體的基極接收第一驅動電流並連接第二電晶體的第一端和第一下拉單元的第一端，第二電晶體的第二端接地或連接到第二功率電晶體的基極，第二功率電晶體的基極接收第二驅動電流並連接第一功率電晶體的發射極、第一下拉單元的第二端、第四電晶體的第一端、以及第二下拉單元的第一端，第四電晶體的第二端接地。

Description

返馳式電源轉換器　
本創作涉及電路領域，尤其涉及一種返馳式電源轉換器。
在中小功率電源轉換器領域，返馳變換器以其電路簡單、轉換效率高、輸入電壓範圍寬等優勢佔據應用市場的絕對主導地位。雙極性接面電晶體（Bipolar Junction Transistor, BJT）又稱功率電晶體，因其良好的開關特性、低廉的價格優勢，近年來被廣泛應用於18W以下的小功率市場 。
隨著手機、平板電腦等移動設備的功能越來越多，為移動設備供電的電池容量爆發式增加，為移動設備的電池供電的充電器或適配器的輸出功率不斷提高，已經從原來的5W發展到20W、30W、45W、65W甚至更高。如何提高系統整體效率和功率密度，使得電源轉換器既滿足充電器或適配器小型化的發展需求，也滿足越來越嚴苛的電源能效標準，成為當今研究的重點。
根據本創作實施例的返馳式電源轉換器，包括變壓器、第一功率電晶體、第二功率電晶體、第一電流源、第二電流源、第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、包括第一電阻的第一下拉單元、包括第二電阻的第二下拉單元以及開關控制電路，其中：第一電晶體的控制端、第二電晶體的控制端、第三電晶體的控制端、第四電晶體的控制端分別連接到開關控制電路，第一電流源在第一電晶體的控制下提供第一驅動電流，第二電流源在第三電晶體的控制下提供第二驅動電流，第二電晶體的第一端和第一下拉單元的第一端連接到第一功率電晶體的基極，第一功率電晶體的基極還接收第一驅動電流，第二電晶體的第二端接地或連接到第二功率電晶體的基極，第一功率電晶體的發射極、第一下拉單元的第二端、第四電晶體的第一端、以及第二下拉單元的第一端連接到第二功率電晶體的基極，第二功率電晶體的基極還接收第二驅動電流，第四電晶體的第二端接地，第一功率電晶體的集極和第二功率電晶體的集極連接到變壓器的原級繞組，第二功率電晶體的發射極經過電流感測電阻接地。
下面將詳細描述本創作的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本創作的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本創作可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本創作的示例來提供對本創作的更好的理解。本創作決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本創作的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在圖式和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本創作造成不必要的模糊。另外，需要說明的是，這裡使用的用語“A與B連接”可以表示“A與B直接連接”也可以表示“A與B經由一個或多個其他元件間接連接”。
現有的功率電晶體只能應用於小功率市場，主要原因是功率電晶體是電流型驅動方式，必須足夠的驅動電流才可以使其導通。另外，功率電晶體的驅動損耗大、關斷速度慢限制了其在更高的輸出功率市場上的應用。
提出了本創作實施例的返馳式電源轉換器，其中採用六個電晶體和兩個下拉單元的組合控制功率電晶體的驅動，在確保功率電晶體正常驅動的同時，提高功率電晶體的通斷速度，並降低功率電晶體的損耗。
圖1A示出了根據本創作實施例的返馳式電源轉換器100A的示例電路圖。如圖1A所示，返馳式電源轉換器100A包括變壓器T、第一功率電晶體Q1、第二功率電晶體Q2、第一電流源ISB1、第二電流源ISB2、第一電晶體D1、第二電晶體D2、第三電晶體D3、第四電晶體D4、包括第一電阻R1的第一下拉單元、包括第二電阻R2的第二下拉單元以及開關控制電路130，其中：第一電晶體D1的控制端、第二電晶體D2的控制端、第三電晶體D3的控制端、第四電晶體D4的控制端分別連接到開關控制電路130，第一電流源ISB1在第一電晶體D1的控制下提供第一驅動電流IB1，第二電流源ISB2在第三電晶體D3的控制下提供第二驅動電流IB2，第二電晶體D2的第一端和第一下拉單元的第一端連接到第一功率電晶體Q1的基極，第一功率電晶體Q1的基極還接收第一驅動電流IB1，第二電晶體D2的第二端連接到第二功率電晶體Q2的基極，第一功率電晶體Q1的發射極、第一下拉單元的第二端、第四電晶體D4的第一端、以及第二下拉單元的第一端連接到第二功率電晶體Q2的基極，第二功率電晶體Q2的基極還接收第二驅動電流IB2，第四電晶體D4的第二端接地，第一功率電晶體Q1的集極和第二功率電晶體Q2的集極連接到變壓器T的原級繞組，第二功率電晶體Q2的發射極經過電流感測電阻Rs接地。
圖1B示出了根據本創作實施例的返馳式電源轉換器100B的另一示例電路圖。圖1B所示的返馳式電源轉換器100B與圖1A所示的返馳式電源轉換器100A在電路上的不同在於，第二電晶體D2的第二端接地，其他部分的連接關係與圖1A所示的相應部分相同，此處不再贅述。
在一些實施例中，第一下拉單元還可以包括與第一電阻R1串聯的第五電晶體D5，第二下拉單元還可以包括與第二電阻R2串聯的第六電晶體D6，第五電晶體D5的控制端和第六電晶體D6的控制端分別連接到開關控制電路130。進一步地，第一電晶體D1、第二電晶體D2、第三電晶體D3、第四電晶體D4、第五電晶體D5和第六電晶體D6可以被實現為N型金屬氧化物半導體場效應電晶體（N-type Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, N-MOSFET）。
在一些實施例中，第一下拉單元中可以僅包括第一電阻R1（也可以看作第一下拉單元包括串聯的第一電阻R1和第五電晶體D5，且第五電晶體D5始終保持導通狀態），第二下拉單元可以僅包括第二電阻R2（也可以看作第二下拉單元包括串聯的第二電阻R2和第六電晶體D6，且第六電晶體D6始終保持導通狀態）。這種情況下，一個脈寬調變（Pulse Width Modulation, PWM）開關週期中第二功率電晶體Q2包括以下幾個階段：第二功率電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態，第二功率電晶體Q2處於導通狀態且電流感測電阻Rs的感測電壓小於預設電壓值，第二功率電晶體Q2處於導通狀態且電流感測電阻Rs的感測電壓不小於預設電壓值，第二功率電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態，第二功率電晶體Q2處於關斷狀態。這幾個狀態所對應的其他電路元件的狀態如下： 在第二功率電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態的過程中，以及在第二功率電晶體Q2處於導通狀態且電流感測電阻Rs上的感測電壓小於預設電壓值的情況下，第一電晶體D1處於導通狀態以使第一電流源ISB1提供第一驅動電流IB1，第三電晶體D3處於關斷狀態以使第二電流源ISB2暫停提供第二驅動電流IB2，第二電晶體D2和第四電晶體D4處於關斷狀態，第二功率電晶體Q2的基極電流由第一驅動電流IB1經過第一功率電晶體Q1放大後提供。
在第二功率電晶體Q2處於導通狀態且電流感測電阻Rs上的感測電壓不小於預設電壓值的情況下，第一電晶體D1處於關斷狀態以使第一電流源ISB1暫停提供第一驅動電流IB1，第三電晶體D3處於導通狀態以使第二電流源ISB2提供第二驅動電流IB2，第二電晶體D2和第四電晶體D4處於關斷狀態，第二功率電晶體Q2的基極電流由第二驅動電流IB2和第一功率電晶體Q1的發射極電流共同提供。
在第二功率電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態的過程中，以及在第二功率電晶體Q2處於關斷狀態的情況下，第一電晶體D1處於關斷狀態以使第一電流源ISB1暫停提供第一驅動電流IB1，第三電晶體D3處於關斷狀態以使第二電流源ISB2暫停提供第二驅動電流IB2，第二電晶體D2和第四電晶體D4處於導通狀態。
圖2A和圖2B分別示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器100A/100B中的多個信號的兩種示例的工作波形圖，其中IS表示流過電流感測電阻Rs的感測電流，第五電晶體D5和第六電晶體D6根據第二功率電晶體Q2的狀態動作，D1-D4的動作與上文相同。具體地，在第二功率電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態的過程中，以及在第二功率電晶體Q2處於導通狀態且電流感測電阻Rs上的感測電壓小於預設電壓值的情況下，第五電晶體D5和第六電晶體D6處於關斷狀態。在第二功率電晶體Q2處於導通狀態且電流感測電阻Rs上的感測電壓不小於預設電壓值的情況下、在第二功率電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態的過程中、以及在第二功率電晶體Q2處於關斷狀態的情況下，第五電晶體D5和第六電晶體D6處於導通狀態。
如圖1A/1B和圖2A/2B所示，在一些實施例中，一個脈寬調變開關週期開始時（即t1時刻），第一電晶體D1從關斷狀態變為導通狀態，第一驅動電流IB1傳導到第一功率電晶體Q1的基極，使得第一功率電晶體Q1從關斷狀態變為導通狀態，進而第一功率電晶體Q1的發射極向第二功率電晶體Q2注入較大的基極電流（第一功率電晶體Q1最大可注入的電流為β×IB1），促使第二功率電晶體Q2迅速進入飽和區（也即導通狀態），以降低開通損耗。在第二功率電晶體Q2處於導通狀態時，感測電流IS逐漸增大，電流感測電阻Rs的感測電壓Vcs相應升高，當感測電壓Vcs達到預設電壓值（即t2時刻），第一電晶體D1關斷，第三電晶體D3、第五電晶體D5和第六電晶體D6導通，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2處於弱下拉狀態，同時靠存儲在基區的載流子維持導通狀態。當感測電壓Vcs上升至關斷閾值（即t3a時刻），第三電晶體D3關斷，第二電晶體D2和第四電晶體D4同時打開，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態，感測電流IS在延遲一段時間後下降（即t3時刻），以上各元件保持狀態直到下一個脈寬調變開關週期開始（即t4時刻）為止。由於第五電晶體D5和第六電晶體D6的提前打開，使得第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的基區載流子變少，從而能夠迅速被關斷，降低了功率電晶體的關斷損耗。
如圖2A和圖2B所示，時間段t1-t3可記為Ton；時間段t1-t2內第二功率電晶體Q2處於導通狀態，基極電流由第一驅動電流IB1提供；時間段t2-t3可記為Pre_off，第二功率電晶體Q2處於弱下拉的導通狀態，基極電流由第二驅動電流IB2提供；時間段t3-t4可記為Toff，第二功率電晶體Q2處於關斷狀態，基極電流為0。
在一些實施例中，第一電阻R1和第二電阻R2的阻值較大，通常取值在幾百歐姆至上千歐姆，例如600歐姆或1200歐姆。電流感測電阻Rs所對應的預設電壓值，其取值位於感測電壓Vcs的最大值的70%-90%區間，例如將預設電壓值取值為感測電壓Vcs的最大值的75%。 在一些實施例中，由於Ton時間段的第二功率電晶體Q2需要快速進入飽和區，要求較大的基極電流，而Pre_off時間段的第二功率電晶體Q2在為關斷做準備，要求基極電流減小，因此第一驅動電流IB1為第二功率電晶體Q2提供的基極電流遠大於第二驅動電流IB2為第二功率電晶體Q2的基極電流。
圖2A和圖2B的不同在於， Ton時間段內第一驅動電流IB1的大小不同，圖2A中第一驅動電流IB1為恆定電流，圖2B中第一驅動電流IB1包括高脈衝與斜坡上升電流。第一驅動電流IB1還可以是隨著流過電流感測電阻Rs的感測電流IS以正相關關係變化的電流，其大小只要足夠提供第二功率電晶體Q2的基極電流即可。 在一些實施例中，如圖2B所示，為了加快第二功率電晶體Q2的導通速度，第一驅動電流IB1可以在脈衝調變開關週期開始時取較大值，之後根據與感測電流IS的正相關關係變化。
在圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器100A/100B中，雖然第一電流源ISB1和第一電晶體D1被示出為直接連接在一起，但是實際實現時，第一電流源ISB1並不是一定要直接連接第一電晶體D1，只要第一電流源ISB1能夠在第一電晶體D1的控制下提供第一驅動電流IB1或暫停提供第一驅動電流IB1即可；類似地，雖然第二電流源ISB2和第三電晶體D3被示出為直接連接在一起，但是實際實現時，第二電流源ISB2並不是一定要直接連接第三電晶體D3，只要第二電流源ISB2能夠在第三電晶體D3的控制下提供第二驅動電流IB2或暫停提供第二驅動電流IB2即可。
換句話說，圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器100A/100B中與第一/第二電流源ISB1/ISB2和第一/第三電晶體D1/D3有關的電路部分也可以實現為其他形式，其中，用於第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的第一驅動電流IB1由第一電流源ISB1在第一電晶體D1的控制下提供，用於第二功率電晶體Q2的第二驅動電流IB2由第二電流源ISB2在第三電晶體D3的控制下提供。
圖3A示出了與第一/第二電流源ISB1/ISB2和第一/第三電晶體D1/D3有關的電路部分的示例替代實現方式的示意圖。如圖3A所示，第一/第二驅動電流IB1/IB2由第一/第二電流源ISB1/ISB2在第一/第三電晶體D1/D3的控制下提供，其中：當第一/第三電晶體D1/D3處於導通狀態時，第一/第二電流源ISB1/ISB2的電流全部流經第一/第三電晶體D1/D3並用作第一/第二驅動電流IB1/IB2；當第一/第三電晶體D1/D3處於關斷狀態時，第一/第二電流源ISB1/ISB2的電流不流過第一/第三電晶體D1/D3，第一/第二驅動電流IB1/IB2為零。在這種情況下，第一/第三電晶體D1/D3的面積相對較大。
圖3B示出了與第一/第二電流源ISB1/ISB2和第一/第三電晶體D1/D3有關的電路部分的另一示例替代實現方式的示意圖。如圖3B所示，第一/第二電流源ISB1/ISB2被實現為鏡像電流源，用於鏡像電流源的基準電流源ISBN（N=1,2）在第一/第三電晶體D1/D3的控制下被包括在鏡像電流源中或不被包括在鏡像電流源中，其中：當第一/第三電晶體D1/D3處於導通狀態時，基準電流源ISBN的電流經鏡像產生作為第一/第二驅動電流IB1/IB2的鏡像電流，基準電流源ISBN的電流僅為第一驅動電流IB1的1/n，n為正數；當第一/第三電晶體D1/D3處於關斷狀態時，基準電流源ISBN的電流不被鏡像，第一/第二驅動電流IB1/IB2為零。在這種情況下，流經第一電晶體D1的電流比較小，第一電晶體D1的面積相對圖3A所示的情況大大減小。
圖3C示出了與第一/第二電流源ISB1/ISB2和第一/第三電晶體D1/D3有關的電路部分的又一示例替代實現方式的示意圖。如圖3C所示，第一/第二電流源ISB1/ISB2被實現為鏡像電流源，第一/第三電晶體D1/D3用於鏡像電流源的開關控制，其中：當第一/第三電晶體D1/D3處於導通狀態時，用於第一/第二電流源ISB1/ISB2的基準電流源ISBN的電流經鏡像產生作為第一/第二驅動電流IB1/IB2的鏡像電流，基準電流源ISBN的電流僅為第一驅動電流IB1的1/n；當第一/第三電晶體D1/D3處於關斷狀態時，基準電流源ISBN的電流不被鏡像。在這種情況下，流經第一/第三電晶體D1/D3的電流是第一驅動電流IB1的1/n，第一/第三電晶體D1/D3的面積相對圖3A所示的情況大大減小。
圖4A示出了圖1A所示的返馳式電源轉換器100A中的控制晶片U1A的示例框圖。圖4B示出了圖1B所示的返馳式電源轉換器100B中的控制晶片U1B的示例框圖。簡便起見，後續將控制晶片U1A和U1B統稱為晶片U1。如圖4A/4B所示，第一電晶體D1、第二電晶體D2、第三電晶體D3、第四電晶體D4、第一下拉單元、第二下拉單元以及開關控制電路130封裝於同一個控制晶片U1中。並且控制晶片U1還可以包括： 晶片供電電路104：連接到控制晶片U1的電源端（VDD）引腳，包括欠壓鎖定（Under Voltage Lock Out, UVLO）、過壓保護（Over Voltage Protection, OVP）、參考電壓與參考電流（Vref&Iref）三部分，用於為晶片內部電路提供工作電壓、參考電壓Vref、以及參考電流Iref。當VDD引腳處的電壓超過UVLO的電壓後，晶片內部電路開始工作。當VDD引腳處的電壓超過OVP的閾值時，晶片內部電路進入自動恢復保護狀態，以防止控制晶片U1損壞。
回饋控制電路106：連接到控制晶片U1的回饋端（Feedback, FB）引腳、恆壓（Constant Voltage, CV）控制電路108、以及邏輯控制電路116，包括採樣器、運算放大器（EA）、壓降補償、以及輸出過壓/欠壓保護（OVP/ Under Voltage Protection, UVP）等部分。採樣器根據從變壓器T的輔助繞組接收到的、表徵變壓器T的二次繞組上的系統輸出電壓的輸出電壓回饋信號，生成輸出電壓採樣信號並將輸出電壓採樣信號提供給運算放大器。運算放大器根據輸出電壓採樣信號和參考電壓Vref生成誤差放大信號，並將誤差放大信號提供給恆壓（CV）控制電路108和壓降補償部分。壓降補償部分基於誤差放大信號生成壓降補償信號（此環路為正回饋）。輸出OVP和UVP部分根據輸出電壓回饋信號生成OVP信號和UVP信號，並將OVP信號和UVP信號提供給邏輯控制電路116。
CV控制電路108：連接到控制晶片U1的CS引腳和回饋控制電路106，用於控制基於一次側回饋的返馳式電源轉換器100A/100B的輸出電壓恆定。 恆流（Constant Current, CC）控制電路110：連接到控制晶片U1的FB引腳和邏輯控制電路116，用於控制基於一次側回饋的返馳式電源轉換器100A/100B的輸出電流恆定，並且可以通過電流感測電阻Rs來調整基於一次側回饋的返馳式電源轉換器100A/100B的輸出電流的大小。 電流感測控制電路112：連接到控制晶片U1的感測端（Current Sensor, CS）引腳和邏輯控制電路116，包括前沿消隱（Leading Edge Blanking, LEB）和過流保護（Over Current Protection, OCP）比較器兩個部分，用於實現基於一次側回饋的返馳式開關電源轉換器100A/100B的過流保護。 振盪器（Oscillator, OSC）電路114：用於產生高頻鋸齒波信號提供給邏輯控制電路116，供邏輯控制電路116用以生成占空比可調的方波信號。 邏輯控制電路116：用於將來自各個電路模組的輸入信號進行邏輯分析，輸出邏輯控制信號給開關控制電路102。 保護電路118：用於在檢測到異常故障資訊時，使控制晶片U1進入自動恢復保護狀態，避免控制晶片U1損壞。
這裡，需要說明的是，開關控制電路130用於根據邏輯控制電路116提供的邏輯控制信號產生分別用於控制第一電晶體D1至第六電晶體D6的導通與關斷的六個控制信號，第一電晶體D1至第六電晶體D6在開關控制電路130的控制下導通和關斷，從而形成第一和第二驅動電流IB1和IB2。 如圖1A/1B和圖4A/4B所示，控制晶片U1的感測端接收電流感測電阻Rs的感測電壓Vcs，控制晶片U1的電源端接收變壓器T的輔助繞組提供的電壓，控制晶片U1的回饋端接收變壓器T的輔助繞組對應的電壓（即表徵變壓器T的二次繞組上的系統輸出電壓的輸出電壓回饋信號，可以是輔助繞組提供的電壓的分壓）。 在一些實施例中，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2可以是兩個獨立的功率電晶體，也可以形成在同一個晶片封裝中，也可以是集成的達林頓管結構；控制晶片U1可以與第一功率電晶體Q1、第二功率電晶體Q2形成在一個三晶片封裝中。
圖5示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器100A/100B的第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的示例封裝示意圖。如圖5所示，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2可以被包括在同一個單基島晶片封裝中（其中，第一功率電晶體Q1的集極和第二功率電晶體Q2的集極相連），並且該單基島晶片封裝的詳細引腳資訊如下： 1引腳為第一電流引腳，用於接收第一驅動電流IB1，連接到第一功率電晶體Q1的基極區； 2引腳為第二電流引腳，用於接收第二驅動電流IB2，連接到第一功率電晶體Q1的發射極區和第二功率電晶體Q2的基極區； 3/4引腳為發射極引腳，連接到第二功率電晶體Q2的發射極區，為了增大散熱面積、降低溫度，可以採用多根打線、多引腳封裝，例如分別通過兩組打線連接兩個引腳，每組打線包含的打線的具體根數可以根據第二功率電晶體Q2的發射極電流大小確定； 5~8引腳為集極引腳，連接到第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的集極區，為了散熱和印刷電路板佈局方便，採用多引腳封裝，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的集極區位於電晶體背面，所以第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2可以採用導電膠和晶片基島連接，無需打線，阻抗最小。
圖6示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器100A/100B的第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2以及控制晶片U1A/U1B的示例封裝示意圖。如圖6所示，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2以平鋪式封裝，控制晶片U1和第二功率電晶體Q2以疊代式封裝。具體的封裝形式可以根據基島個數和形狀進行調整，不局限於8引腳封裝形式。圖6所示的示例封裝的詳細引腳資訊如下： 1、2、3引腳為用於控制晶片U1的控制引腳，連接到控制晶片U1的內部焊墊； 4引腳為發射極引腳，連接到第二功率電晶體Q2的發射極區，為了增大散熱面積、降低溫度，可以採用多根打線方式降低打線阻抗，打線的具體根數可以根據第二功率電晶體Q2的發射極區的面積確定； 5~8引腳為集極引腳，連接到第一和第二功率電晶體Q1和Q2的集極區，為了散熱和印刷電路板佈局方便，採用多引腳封裝，第一和第二功率電晶體Q1和Q2的集極區位於電晶體背面，採用導電膠和基島連接，無需打線，阻抗最小。 圖6所示的示例封裝可以增加多餘引腳，不增加系統引腳成本，整個系統電路簡單、週邊器件少、系統成本低。
圖7示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器100A/100B的第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的另一示例封裝示意圖。如圖7所示，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2可以以集成達林頓功率電晶體的形式被包括在同一個單基島晶片封裝中，並且該單基島晶片封裝的詳細引腳資訊如下： 1引腳為第一電流引腳，用於接收第一驅動電流IB1，連接到集成達林頓功率電晶體的第一基極區，也即第一功率電晶體Q1的基極區； 2引腳為第二電流引腳，用於接收第二驅動電流IB2，連接到集成達林頓功率電晶體的第二基極區，也即第一功率電晶體Q1的發射極區和第二功率電晶體Q2的基極區； 3/4引腳為發射集引腳，連接到第二功率電晶體Q2的發射極區，為了增大散熱面積降低溫度，可以採用多根線、多引腳封裝，例如分別通過兩組打線連接兩個引腳，每組打線所包含的打線的具體根數需要根據第二開功率電晶體Q2的發射極電流大小決定； 5~8引腳為集極引腳，連接到集成達林頓功率電晶體的集極區，為了散熱和PCB layout方便，採用多引腳封裝（如5-8引腳），第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的集極區位於電晶體背面，採用導電膠和基島連接，無需打線，阻抗最小。
圖7所示的示例封裝的集成達林頓複合管的基極是封裝內部引腳，不增加多餘引腳，不增加系統引腳成本，整個系統電路簡單、週邊器件少、系統成本低。
圖8A和圖8B分別示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器100A/100B的第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2以及控制晶片U1A/U1B的兩種示例封裝示意圖。如圖8A和圖8B所示，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2以集成達林頓功率電晶體的形式封裝，控制晶片U1與集成達林頓功率電晶體被包括在同一個晶片封裝中，控制晶片U1和集成達林頓功率電晶體可以採用疊代形式或平鋪形式，可以根據需求調整基島個數和形狀。
如圖8A所示，集成達林頓功率電晶體和控制晶片U1以疊代形式被包括在單基島的晶片封裝中；如圖8B所示，集成達林頓功率電晶體和控制晶片U1以平鋪形式被包括在雙基島的晶片封裝中。圖8A和圖8B的晶片封裝的詳細引腳資訊如下： 1、2、3引腳控制晶片U1的控制引腳； 4引腳為發射極引腳，為了增大散熱面積降低溫度，可以採用多根打線方式降低打線阻抗，打線的具體根數需要根據發射極電流大小決定； 5~8引腳，連接到集成達林頓複合管的集極區，為了散熱和印刷電路板佈局方便，採用多引腳封裝，例如5~8引腳，第一功率電晶體Q1和第二功率電晶體Q2的集極區位於電晶體背面，採用導電膠和基島連接，無需打線，阻抗最小。 綜上所述，在根據本創作實施例的返馳式電源轉換器中，採用四個電晶體和兩個下拉單元來組合驅動功率電晶體，降低了功率電晶體的驅動電流損耗，提高了功率電晶體的開通速度。另外，通過在功率電晶體從導通狀態變為關斷狀態過程開始之前設置預關斷驅動電流，減少了功率電晶體處於導通狀態期間基極區的載流子，使得關斷時能迅速抽取功率電晶體的基極區中剩餘的少數載流子，提高關斷速度，降低關斷損耗，從而可以提高功率電晶體在中功率系統上的應用範圍。
本創作可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本創作的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本創作的範圍由所附請求項而非上述描述定義，並且，落入請求項的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本創作的範圍之中。
1、2、3、4、5、6、7、8、CS、VDD、FB:引腳 100A、100B:返馳式電源轉換器 102、130:開關控制電路 104:晶片供電電路 106:回饋控制電路 108:恆壓（CV）控制電路 110:恆流(CC)控制電路 112:電源感測控制電路 114:振盪器(OSC) 電路 116:邏輯控制電路 118:保護電路 D1:第一電晶體 D2:第二電晶體 D3:第三電晶體 D4:第四電晶體 D5:第五電晶體 D6:第六電晶體 EA:運算放大器 GND:晶片參考地 IB1:第一驅動電流 IB2:第二驅動電流 Ic:BJT C級電流 Iref:參考電流 IS:感測電流 ISB1:第一電源流 ISB2:第二電源流 ISBN:基準電源流 Q1:第一功率電晶體 Q2:第二功率電晶體 R1:第一電阻 R2:第二電阻 Rs:電流感測電阻 T:變壓器 t1、t2、t3、t3a、t4:時刻 t1-t3、t1-t2、t2-t3、t3-t4、Ton、Pre_off、Toff:時間段 U1:晶片 U1A、U1B:控制晶片 Vcs:感測電壓 Vo:輸出電壓 Vref:參考電壓
從下面結合圖式對本創作的具體實施方式的描述中可以更好地理解本創作，其中： 圖1A示出了根據本創作實施例的返馳式電源轉換器的示例電路圖。 圖1B示出了根據本創作實施例的返馳式電源轉換器的另一示例電路圖。 圖2A示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器的多個信號的示例工作波形圖。 圖2B示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器的多個信號的另一示例工作波形圖。 圖3A示出了與第一/第二電流源、第一/第三電晶體有關的電路部分的示例替代實現方式的示意圖。 圖3B示出了與第一/第二電流源、第一/第三電晶體有關的電路部分的另一示例替代實現方式的示意圖。 圖3C示出了與第一/第二電流源、第一/第三電晶體有關的電路部分的又一示例替代實現方式的示意圖。 圖4A示出了圖1A所示的返馳式電源轉換器中的控制晶片的示例框圖。 圖4B示出了圖1B所示的返馳式電源轉換器中的控制晶片的示例框圖。 圖5示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器的第一功率電晶體和第二功率電晶體的示例封裝示意圖。 圖6示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器的第一功率電晶體和第二功率電晶體以及控制晶片的示例封裝示意圖。 圖7示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器的第一功率電晶體和第二功率電晶體的另一示例封裝示意圖。 圖8A和圖8B分別示出了圖1A/1B所示的返馳式電源轉換器的第一功率電晶體和第二功率電晶體以及控制晶片的兩種示例封裝示意圖。
100A:返馳式電源轉換器
130:開關控制電路
CS、VDD、FB:引腳
D1:第一電晶體
D2:第二電晶體
D3:第三電晶體
D4:第四電晶體
D5:第五電晶體
D6:第六電晶體
GND:晶片參考地
IB1:第一驅動電流
IB2:第二驅動電流
Ic:BJT C級電流
IS:感測電流
Q1:第一功率電晶體
Q2:第二功率電晶體
R1:第一電阻
R2:第二電阻
Rs:電流感測電阻
T:變壓器
U1A:控制晶片
Vo:輸出電壓

Claims (14)

  1. 一種返馳式電源轉換器，其特徵在於，包括變壓器、第一功率電晶體、第二功率電晶體、第一電流源、第二電流源、第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、包括第一電阻的第一下拉單元、包括第二電阻的第二下拉單元以及開關控制電路，其中： 所述第一電晶體的控制端、所述第二電晶體的控制端、所述第三電晶體的控制端、所述第四電晶體的控制端分別連接到所述開關控制電路，所述第一電流源在所述第一電晶體的控制下提供第一驅動電流，所述第二電流源在所述第三電晶體的控制下提供第二驅動電流， 所述第二電晶體的第一端和所述第一下拉單元的第一端連接到所述第一功率電晶體的基極，所述第一功率電晶體的基極還接收所述第一驅動電流，所述第二電晶體的第二端接地或連接到所述第二功率電晶體的基極，所述第一功率電晶體的發射極、所述第一下拉單元的第二端、所述第四電晶體的第一端、以及所述第二下拉單元的第一端連接到所述第二功率電晶體的基極，所述第二功率電晶體的基極還接收所述第二驅動電流，所述第四電晶體的第二端接地， 所述第一功率電晶體的集極和所述第二功率電晶體的集極連接到所述變壓器的原級繞組，所述第二功率電晶體的發射極經過電流感測電阻接地。
  2. 如請求項1所述的返馳式電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體從關斷狀態變為導通狀態的過程中，以及在所述第二功率電晶體處於導通狀態且所述電流感測電阻上的感測電壓小於預設電壓值的情況下，所述第一電晶體處於導通狀態以使所述第一電流源提供所述第一驅動電流，所述第三電晶體處於關斷狀態以使所述第二電流源暫停提供所述第二驅動電流，所述第二電晶體和所述第四電晶體處於關斷狀態，所述第二功率電晶體的基極電流由所述第一驅動電流經過所述第一功率電晶體放大後提供。
  3. 如請求項1所述的返馳式電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體處於導通狀態且所述電流感測電阻上的感測電壓不小於預設電壓值的情況下，所述第一電晶體處於關斷狀態以使所述第一電流源暫停提供所述第一驅動電流，所述第三電晶體處於導通狀態以使所述第二電流源提供所述第二驅動電流，所述第二電晶體和所述第四電晶體處於關斷狀態，所述第二功率電晶體的基極電流由所述第二驅動電流和所述第一功率電晶體的發射極電流共同提供。
  4. 如請求項1所述的返馳式電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體從導通狀態變為關斷狀態的過程中，以及在所述第二功率電晶體處於關斷狀態的情況下，所述第一電晶體處於關斷狀態以使所述第一電流源暫停提供所述第一驅動電流，所述第三電晶體處於關斷狀態以使所述第二電流源暫停提供所述第二驅動電流，所述第二電晶體和所述第四電晶體處於導通狀態。
  5. 如請求項1所述的返馳式電源轉換器，其中，所述第一下拉單元還包括與所述第一電阻串聯的第五電晶體，所述第二下拉單元還包括與所述第二電阻串聯的第六電晶體，所述第五電晶體的控制端和所述第六電晶體的控制端分別連接到所述開關控制電路。
  6. 如請求項5所述的返馳式電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體從關斷狀態變為導通狀態的過程中，以及在所述第二功率電晶體處於導通狀態且所述電流感測電阻上的感測電壓小於預設電壓值的情況下，所述第一電晶體處於導通狀態以使所述第一電流源提供所述第一驅動電流，所述第三電晶體處於關斷狀態以使所述第二電流源暫停提供所述第二驅動電流，所述第二電晶體、所述第四電晶體、所述第五電晶體和所述第六電晶體處於關斷狀態，所述第二功率電晶體的基極電流由所述第一驅動電流提供。
  7. 如請求項5所述的返馳式電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體處於導通狀態且所述電流感測電阻上的感測電壓不小於預設電壓值的情況下，所述第一電晶體處於關斷狀態以使所述第一電流源暫停提供所述第一驅動電流，所述第三電晶體處於導通狀態以使所述第二電流源提供所述第二驅動電流，所述第二電晶體和所述第四電晶體處於關斷狀態，所述第五電晶體和所述第六電晶體處於導通狀態，所述第二功率電晶體的基極電流由所述第二驅動電流提供。
  8. 如請求項5所述的返馳式電源轉換器，其中，在所述第二功率電晶體從導通狀態變為關斷狀態的過程中，以及在所述第二功率電晶體處於關斷狀態的情況下，所述第一電晶體處於關斷狀態以使所述第一電流源暫停提供所述第一驅動電流，所述第三電晶體處於關斷狀態以使所述第二電流源暫停提供所述第二驅動電流，所述第二電晶體、所述第四電晶體、所述第五電晶體和所述第六電晶體處於導通狀態。
  9. 如請求項5所述的返馳式電源轉換器，其中，所述第一電晶體、所述第二電晶體、所述第三電晶體、所述第四電晶體、所述第五電晶體和所述第六電晶體被實現為N型金屬氧化物半導體場效應電晶體。
  10. 如請求項1所述的返馳式電源轉換器，其中，所述第一電晶體的第一端連接到所述第一電流源的輸出端，所述第一電晶體的第二端連接到所述第一功率電晶體的基極；所述第三電晶體的第一端連接到所述第二電流源的輸出端，第三電晶體的第二端連接到所述第二功率電晶體的基極。
  11. 如請求項1所述的返馳式電源轉換器，其中，所述第一電流源被實現為輸出所述第一驅動電流的鏡像電流源，所述第一電晶體用於實現所述第一電流源的開關控制；所述第二電流源被實現為輸出所述第二驅動電流的鏡像電流源，所述第三電晶體用於實現所述第二電流源的開關控制。
  12. 如請求項1所述的返馳式電源轉換器，其中，所述第一電晶體、所述第二電晶體、所述第三電晶體、所述第四電晶體、所述第一下拉單元、所述第二下拉單元以及所述開關控制電路封裝於同一個控制晶片中。
  13. 如請求項12所述的返馳式電源轉換器，其中，所述控制晶片的回饋端接收所述變壓器的輔助繞組對應的電壓。
  14. 如請求項13所述的返馳式電源轉換器，其中，所述第一功率電晶體和所述第二功率電晶體以平鋪式封裝，所述控制晶片與所述第二功率電晶體以疊代式封裝。
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