CN101552545B - Ac-dc变换电路及用于该变换电路的启动电路和方法 - Google Patents

Ac-dc变换电路及用于该变换电路的启动电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种AC-DC变换电路及用于该变换电路的启动电路和方法，该AC-DC变换电路包括一整流桥、一变压器、和一控制芯片。其中当该AC-DC变换电路启动时，所述控制芯片对一与所述变压器的第三绕组并联连接的一辅助供电电容进行充电；当该AC-DC变换电路正常运行时，所述控制芯片停止对所述辅助供电电容充电。该AC-DC变换电路由于只需要一个高压管脚实现电路的启动及正常运行，因此减少了管脚数量，并且解决了多高压管脚间的爬电距离问题，降低了成本。

Description

AC-DC变换电路及用于该变换电路的启动电路和方法
技术领域
本发明涉及AC-DC变换电路，更具体地说，本发明涉及用一内置高压电流源实现启动的高压AC-DC变换电路。
背景技术
AC-DC变换电路通常在其整流桥之后用一反激变换电路得到所需的直流输出电压。典型地，电路采用一内置高压开关管的开通与关断来控制流过反激变换电路初级绕组的电流，从而控制反激变换电路副边的输出电压。如图1所示的反激变换电路50为传统高压AC-DC变换电路。如图1所示，交流输入信号VIN通过整流桥10和输入滤波电容CIN后得到一直流信号。变压器T的初级绕组T0、次级绕组T1、二极管D1、电容COUT、内置高压开关管M1构成一典型反激拓扑。电路20为控制电路，通常是一个集成芯片，包括一接收整流后的高压直流信号9的高压JFET管M2、电阻R、晶体管M3、参考电平V、和PWM调制器。变压器T的第三绕组T2、二极管D2，电容C1构成一辅助供电回路，用于电路正常运行时给控制电路20提供供电信号VCC。当电路50启动时，由于高压开关管M1没有进入工作状态，变压器次级绕组T1和第三绕组T2均没有电流流过，因此电容C1两端电压VCC为零，从而不能通过第三绕组T2提供控制电路20工作所需的供电电压。此时，高压JFET管M2的门极通过电阻R连接至整流桥10的输出端，同时其漏极也直接连接至整流桥10的输出端，因此高压JFET管M2被开通，并作为电流源给电容C1充电。电容C1两端电压VCC开始上升。当VCC上升到大于参考电平V的电压值时，晶体管M3被开通。于是晶体管M3的漏极电位被拉到其源极电位，而高压JFET管M2的门极与晶体管M3的漏极相连，高压JFET管M2的源极与晶体管M3的门极相连。此时，若将高压JFET管M2和晶体管M3的源漏电压VDS近似看成零，则VGS(M2)≈VDG(M3)≈VSG(M3)＜0，因此高压JFET管M2被关断。而此时电容C1两端电压VCC已足够使PWM调制器输出调制信号，来控制高压开关管M1的开通或关断，则第三绕组T2可以开始提供辅助供电信号给控制电路20。
可以看到，现有技术电路50中参考电平V的电压值为控制电路20可以控制高压开关管M1开通与关断时电容C1两端所需的电压值。由于电路50的控制电路20需要两个高压管脚(连接高压JFET管M2漏极的管脚A和连接高压开关管M1漏极的管脚D)，而在电路安规上，芯片的高压管脚间或高压管脚与低压管脚之间需要有一定的爬电距离，使得控制电路20在其芯片封装上需要考虑管脚间爬电距离问题，或者需要在芯片封装上留出足够的管脚间物理距离，从而增加了成本。
因此，有必要提供一种仅用一个高压管脚即可实现电路启动及正常运行的电路与方法。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种改进的AC-DC变换电路及用于该变换电路的启动电路和启动方法。基于该启动电路或启动方法的改进AC-DC变换电路只需一个高压管脚来实现电路的启动和正常运行。因此减少了管脚数量，并且解决了由于存在多高压管脚而带来的爬电距离问题，同时降低了成本。
为实现上述目的，本发明公开了一种用于AC-DC变换电路的启动电路，包括
高压电流源，用以通过变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，并对辅助供电电容进行充电；
欠压锁存模块，用以接收所述电容两端电压，并输出一第一信号和一第二信号；
晶体管，用以接收所述第一信号，并根据所述第一信号控制所述高压电流源的开通或关断；
PWM模块，用以接收所述辅助供电电容两端电压和所述第二信号；
高压开关管，用以通过所述变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，并根据所述PWM模块输出的驱动信号而被开通或关断。
本发明还公开了一种应用上述启动电路的一种AC-DC变换电路包括
整流桥，接收交流输入信号，并输出直流信号；
变压器，包括初级绕组、次级绕组和第三绕组；其中所述初级绕组用于接收所述直流信号，所述次级绕组输出所述变换电路的输出信号，所述第三绕组输出辅助供电信号；
控制芯片，所述控制芯片包括至少两个管脚，其中第一管脚为高压管脚，其通过所述初级绕组接收所述直流信号，第二管脚接收所述辅助供电信号；
所述控制芯片还包括：
高压电流源，用以当所述AC-DC变换电路启动时，所述控制芯片通过所述高压电流源对与所述第三绕组并联连接的辅助供电电容进行充电；当所述AC-DC变换电路正常运行时，所述控制芯片停止对所述辅助供电电容充电；
欠压锁存模块，接收所述辅助供电电容两端电压，输出第一信号和第二信号；
晶体管，具有控制端、第一电极端和第二电极端，其控制端接收所述第一信号，其第一电极端连接至所述高压电流源，其第二电极端接地。
PWM模块，用以接收所述辅助供电电容两端电压和所述第二信号；
高压开关管，用以通过所述初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，并根据所述PWM模块输出的驱动信号而被开通或关断。
以及本发明公开的一种用于AC-DC变换电路的启动方法，包括
启动初期，用高压电流源对辅助供电电容进行充电，直至所述电容两端电压达到第一预设值；
当所述电容两端电压大于所述第一预设值时，停止对所述电容的充电，并接通PWM模块，以控制高压开关管的开通或关断；
期间，由于所述PWM模块接通而使所述辅助供电电容两端电压有所下降，若所述辅助供电电容两端电压降至小于第二预设值时，所述高压电流源再次对所述辅助供电电容充电，且所述PWM模块被断开；若所述辅助供电电容两端电压始终大于第二预设值时，持续接通所述PWM模块，以控制所述高压开关管的开通或关断，启动完成。
本发明采用上述结构的启动电路，仅需要一个高压管脚就可完成AC-DC变换电路的启动过程，对于采用集成电路结构的启动控制芯片来说，具有明显的有益效果，即可以减少管脚数量，在满足安全规定的基础上，则可以避免现有技术因高压管脚多而造成的爬电距离问题，从而可以进一步减小芯片尺寸，降低成本，芯片尺寸的更小型化还可以带来应用该芯片的电子设备的进一步小型化，提高其便携性。
可见，本发明的启动电路、启动方法及应用该电路和方法的AC-DC变换电路，与现有技术相比，具有成本更低、结构更小型化、便携性更高的优点。
附图说明
图1为现有技术的AC-DC变换电路50。
图2为根据本发明的一种改进AC-DC变换电路100。
具体实施方式
图2为根据本发明的一种改进AC-DC变换电路100，电路100的外围电路与背景技术电路50相同的部分采用相同的附图标记。如图2所示，电路100包括一整流桥10、一输入滤波电容CIN，一控制电路20，一由变压器T的初级绕组T0、次级绕组T1、第一二极管D1、输出电容COUT构成的反激变换器，以及一由变压器T的第三绕组T2、第二二极管D2、辅助供电电容C1组成的一辅助供电回路。即次级绕组T1和第一二极管D1串联连接后与输出电容COUT并联连接，从而构成典型反激变换器。第三绕组T2与第二二极管D2串联连接后与辅助供电电容C1并联连接。
其中整流桥10接收一交流输入信号VIN，整流后的信号经过输入滤波电容CIN后得到一直流信号VDC。该直流信号VDC即为电路100输入端整流后的直流信号。其被送至变压器T初级绕组T0的一端，变压器T初级绕组T0的另一端连接至控制电路20的高压管脚D。应用中，控制电路20可以为一集成芯片，即控制电路20为一控制芯片。该控制电路20包括一高压电流源、一欠压锁存模块UVLO、一晶体管Q3、一PWM模块、一高压开关管Q1、以及一电阻R。在本实施例中，电流源为一高压JFET管Q2，其门极通过电阻R连接至高压管脚D，从而实现开启。
高压开关管Q1的漏极和高压JFET管Q2的漏极直接连接至高压管脚D，使得在电路100启动时，高压JFET管Q2通过变压器的初级绕组直接接收整流后的直流信号VDC；而在电路100启动完毕正常工作时，控制电路20通过控制高压开关管Q1的开通与关断来控制传输到变压器次级绕组T1的能量。高压JFET管Q2的门极和晶体管Q3的漏极连接在一起，此两者通过电阻R连接至高压管脚D。高压JFET管Q2的源极连接至电容C1的一端，使得在高压JFET管Q2被开通时，高压JFET管Q2通过变压器的初级绕组接收直流信号VDC，并作为所述高压电流源给辅助供电电容C1充电。PWM模块和欠压锁存模块UVLO的输入端也连接至高压JFET管Q2的源极，此三者共同连接在控制电路20的第二管脚F，以检测辅助供电电容C1两端电压VCC，并判断电路100是否启动完毕；以及在电路100启动完毕后正常运行时，接收辅助供电电容C1两端电压VCC，使得控制电路100正常工作，以控制高压开关管Q1的开通或关断。欠压锁存模块UVLO的一个输出端连接至晶体管Q3的门极，其另一个输出端连接至PWM模块的另一个输入端。即欠压锁存模块UVLO接收辅助供电电容两端电压VCC，并输出一第一信号至晶体管Q3，同时输出一第二信号至PWM模块。PWM模块输出的驱动信号用以控制高压开关管Q1的开通或关断。高压开关管Q1的源极接地。
电路100启动时，交流输入信号VIN经过整流桥10与输入滤波电容CIN后得到直流信号VDC，该直流信号VDC经过变压器T的初级绕组T0后被送至控制电路20的高压管脚D。起始时，辅助供电电容C1两端电压VCC为零，高压开关管Q1没有进入工作状态，高压JFET管Q2被开通。于是高压JFET管Q2开始对辅助供电电容C1充电，其两端电压VCC开始增大。当VCC增大但仍小于欠压锁存模块UVLO的第一门限时，欠压锁存模块UVLO输出的第一信号和第二信号均为低。即UVLO输出一低电平信号至晶体管Q3的门极，使得晶体管Q3不能被开通；同时UVLO输出一低电平信号给PWM模块，使得PWM模块不能使高压开关管Q1进入工作状态。当VCC增大至大于欠压锁存模块UVLO的第一门限时，欠压锁存模块UVLO输出的第一信号和第二信号均变高。即UVLO输出一高电平信号至晶体管Q3的门极，晶体管Q3被开通。于是晶体管Q3的漏极被拉至地，即高压JFET管Q2的门极被拉至地，于是高压JFET管Q2被关断，高压JFET管Q2停止对辅助供电电容C1充电。可以看到，晶体管Q3接收UVLO输出的第一信号，并根据该第一信号控制高压JFET管Q2的开通或关断。同时UVLO输出一高电平信号至PWM模块，使PWM模块产生驱动信号，进而控制高压开关管Q1的开通或关断。随着PWM模块的运行，辅助供电电容C1两端电压VCC有所下降。若电路100启动完成前，辅助供电电容C1两端电压VCC下降至小于欠压锁存模块UVLO的第二门限，欠压锁存模块UVLO输出的第一信号和第二信号均变低。即UVLO输出一低电平信号至晶体管Q3，关断晶体管Q3，使高压JFET管Q2导通，辅助供电电容C1继续被充电；同时UVLO输出一低电平信号至PWM模块，使得PWM模块不能使高压开关管Q1进入工作状态。若辅助供电电容C1两端电压VCC始终高于UVLO的第二门限，UVLO继续输出高电平信号给晶体管Q3和PWM模块，电路100启动完毕。其中欠压锁存模块UVLO的第一门限大于其第二门限。
电路100启动完毕后，开始正常运行。辅助供电电容C1通过第三绕组T2，保持控制电路20正常运行所需的电压VCC。
可以看到，欠压锁存模块UVLO的第一门限为一第一预设值，其第二门限为一第二预设值。当辅助供电电容C1两端电压VCC大于第一预设值时，欠压锁存模块UVLO输出的第一信号和第二信号均为高，此时晶体管Q3断开高压JFET管Q2对辅助供电电容C1的充电，同时PWM模块输出驱动信号至高压开关管Q1，使高压开关管Q1被开通或者被关断；当辅助供电电容C1两端电压VCC小于第二预设值时，第一信号和第二信号均为低，此时高压JFET管Q2继续对电容C1充电，PWM模块不能使高压开关管Q1进入工作状态。
可以看到，电路100只需要一个高压管脚D即可实现启动。因此，本发明提供的电路100减少了管脚数量，解决了多高压管脚引起的爬电距离问题，降低了成本。
本发明还提供了一种用于AC-DC变换电路的启动方法，包括：在启动初期，用高压电流源(在一实施例中，所述高压电流源由高压JFET管和电阻构成)对辅助供电电容进行充电，直至其两端电压达到第一预设值；当辅助供电电容两端电压大于所述第一预设值时，停止对其的充电并接通PWM模块，以控制高压开关管的开通或关断；启动期间，由于PWM模块接通而使辅助供电电容两端电压有所下降，若辅助供电电容两端电压降至小于第二预设值时，高压电流源继续对辅助供电电容充电，此时PWM模块被断开；若所述辅助供电电容两端电压始终大于第二预设值时，持续接通所述PWM模块，以控制所述高压开关管的开通或关断，启动完成。其中第一预设值和第二预设值可由一欠压锁存模块的门限设定，并且第一预设值大于第二预设值。
上述启动方法中，高压开关管如图1所示的现有技术和图2所示的本发明中的高压开关管一样，用以通过AC-DC变换电路中变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (20)

1.一种用于AC-DC变换电路的启动电路，包括
高压电流源，用以通过变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，并对辅助供电电容进行充电；
欠压锁存模块，用以接收所述电容两端电压，并输出一第一信号和一第二信号；
晶体管，用以接收所述第一信号，并根据所述第一信号控制所述高压电流源的开通或关断；
PWM模块，用以接收所述辅助供电电容两端电压和所述第二信号；
高压开关管，用以通过所述变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，并根据所述PWM模块输出的驱动信号而被开通或关断。
2.如权利要求1所述的用于AC-DC变换电路的启动电路，其中
当所述第一信号为高时，所述晶体管断开所述高压电流源，使其停止对所述辅助供电电容充电；
当所述第一信号为低时，所述高压电流源继续对所述辅助供电电容充电。
3.如权利要求1所述的用于AC-DC变换电路的启动电路，其中
当所述第二信号为高时，所述PWM模块输出所述驱动信号至所述高压开关管，使所述高压开关管在所述驱动信号的控制下开通或关断；
当所述第二信号为低时，所述PWM模块不能使所述高压开关管进入正常工作状态。
4.如权利要求2或3所述的用于AC-DC变换电路的启动电路，其中
当所述辅助供电电容两端电压达到第一预设值时，所述第一信号和所述第二信号均为高；
当所述辅助供电电容两端电压小于第二预设值时，所述第一信号和所述第二信号均为低。
5.如权利要求4所述的用于AC-DC变换电路的启动电路，其中
所述第一预设值和所述第二预设值为所述欠压锁存模块的两个门限，其中所述第一预设值大于所述第二预设值。
6.如权利要求1所述的用于AC-DC变换电路的启动电路，其中所述高压开关管的漏极通过所述变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，其源极接地。
7.如权利要求1所述的用于AC-DC变换电路的启动装置，其中所述高压电流源由高压JFET管和电阻构成，所述高压JFET管的漏极通过所述变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，其门极通过所述电阻和所述变压器的初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，其源极连接于所述辅助供电电容的一端。
8.如权利要求7所述的用于AC-DC变换电路的启动电路，其中所述晶体管的门极接收所述第一信号，其漏极连接至所述高压JFET管的门极，其源极接地。
9.如权利要求1所述的用于AC-DC变换电路的启动电路，其中所述辅助供电电容与所述变压器的第三绕组并联连接，所述变压器的第三绕组与所述变压器的初级绕组共地。
10.一种AC-DC变换电路，包括
整流桥，接收交流输入信号，并输出直流信号；
变压器，包括初级绕组、次级绕组和第三绕组；其中所述初级绕组用于接收所述直流信号，所述次级绕组输出所述变换电路的输出信号，所述第三绕组输出辅助供电信号；
控制芯片，所述控制芯片包括至少两个管脚，其中第一管脚为高压管脚，其通过所述初级绕组接收所述直流信号，第二管脚接收所述辅助供电信号；
其特征在于，所述控制芯片还包括：
高压电流源，用以当所述AC-DC变换电路启动时，所述控制芯片通过所述高压电流源对与所述第三绕组并联连接的辅助供电电容进行充电；当所述AC-DC变换电路正常运行时，所述控制芯片停止对所述辅助供电电容充电；
欠压锁存模块，接收所述辅助供电电容两端电压，输出第一信号和第二信号；
晶体管，具有控制端、第一电极端和第二电极端，其控制端接收所述第一信号，其第一电极端连接至所述高压电流源，其第二电极端接地。
PWM模块，用以接收所述辅助供电电容两端电压和所述第二信号；
高压开关管，用以通过所述初级绕组接收所述变换电路输入端整流后的直流信号，并根据所述PWM模块输出的驱动信号而被开通或关断。
11.如权利要求10所述的AC-DC变换电路，其特征在于，所述控制芯片还包括
高压JFET管，所述高压JFET管充当所述高压电流源，用于对所述辅助供电电容充电；
电阻，用于连接所述高压电流源的控制端和所述初级绕组，从而开启所述高压电流源。
12.如权利要求11所述的AC-DC变换电路，其中
当所述第一信号为高时，所述晶体管断开所述高压电流源，使其停止对所述辅助供电电容充电；
当所述第一信号为低时，所述高压电流源继续对所述辅助供电电容充电。
13.如权利要求11所述的AC-DC变换电路，其中
当所述第二信号为高时，所述PWM模块输出所述驱动信号至所述高压开关管，使所述高压开关管在所述驱动信号的控制下开通或关断；
当所述第二信号为低时，所述PWM模块不能使所述高压开关管进入正常工作状态。
14.如权利要求12或13所述的AC-DC变换电路，其中
当所述辅助供电电容两端电压达到第一预设值时，所述第一信号和所述第二信号均为高；
当所述辅助供电电容两端电压小于第二预设值时，所述第一信号和所述第二信号均为低。
15.如权利要求14所述的AC-DC变换电路，其中
所述第一预设值和所述第二预设值为所述欠压锁存模块的两个门限，其中所述第一预设值大于所述第二预设值。
16.如权利要求10所述的AC-DC变换电路，进一步包括一输入滤波电容，所述输入滤波电容与所述整流桥并联连接。
17.如权利要求10所述的AC-DC变换电路，进一步包括
第一二极管，与所述次级绕组串联连接；
输出电容，与所述串连连接的第一二极管和次级绕组并联连接；
第二二极管，与所述第三绕组串联连接。
18.一种用于AC-DC变换电路的启动方法，包括
启动初期，用高压电流源对辅助供电电容进行充电，直至所述电容两端电压达到第一预设值；
当所述电容两端电压大于所述第一预设值时，停止对所述电容的充电，并接通PWM模块，以控制高压开关管的开通或关断；
期间，由于所述PWM模块接通而使所述辅助供电电容两端电压有所下降，若所述辅助供电电容两端电压降至小于第二预设值时，所述高压电流源再次对所述辅助供电电容充电，且所述PWM模块被断开；若所述辅助供电电容两端电压始终大于第二预设值时，持续接通所述PWM模块，以控制所述高压开关管的开通或关断，启动完成。
19.如权利要求18所述的用于AC-DC变换电路的启动方法，其中所述高压电流源由高压JFET管和电阻构成，电阻两端分别连接于高压JFET管的漏极和门极之间。
20.如权利要求18所述的用于AC-DC变换电路的启动方法，其中所述第一预设值、第二预设值由欠压锁存模块的两个门限分别设定，其中所述第一预设值大于所述第二预设值。
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