CN101577481B - 一种开关电源的零电流启动电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源的零电流启动电路，包括：启动电压检测电路、正反馈电路和欠压锁定电路；所述启动电压检测电路，用于检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作；所述正反馈电路，用于当所述启动电压检测电路检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态；所述欠压锁定电路，用于当所述启动电压检测电路检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述正反馈电路的锁定状态。本发明还提供一种开关电源的零电流启动方法。

Description

一种开关电源的零电流启动电路及方法
技术领域
本发明涉及电气控制技术领域，特别涉及一种开关电源的零电流启动电路及方法。
背景技术
开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，因此被广泛应用于手机充电器和笔记本电脑适配器等场合。近年来，由于绿色电源概念的兴起，更加强调高转换效率和低待机功耗。
参见图1，该图为现有技术中反激式开关电源转换器电路图。
当线电压Vac加到开关电源转换器输入端时，在电压VCC小于启动电压之前，芯片102不输出开关脉冲。这个阶段称为启动阶段。
在启动阶段，芯片102的供电主要由Vin通过启动电阻100(Rst)和启动电容101(Cst)来提供。启动电流Is＝I1+I2。其中I1为电容101的充电电流，I2为芯片102的启动电流，它与启动电容101的电容值共同决定了启动时间Tst的大小：
Tst＝Cst*Vst/(Is-I2)
其中，Is＝(Vin-VCC)/Rst
从上面的公式可以看出，在相同的线电压Vac和启动电阻Rst及启动电容Cst情况下，可以通过减小芯片102的启动电流I2来降低启动时间Tst。
当电压VCC高于启动电压Vst之后，启动阶段结束，芯片102的OUT端输出开关信号来控制功率管107的开通和关断，从而控制副边绕组114的输出电压。因为启动以后芯片102的工作电流要远大于启动阶段芯片的启动电流，所以启动电容101在芯片的正常工作阶段必须要从辅助绕组115获得能量。
上述开关电源转换器的缺点是启动电流Is必须足够大，因为在芯片102正常工作之前，启动电流Is一方面要提供芯片102的启动电流I2，另一方面要提供电容101的充电电流。芯片102的启动电流I2很大，造成电阻100不能选择很大的电阻值，否则系统将不能启动。系统的待机功耗主要来自Vin和VCC的电势差在电阻100上造成的损耗，电阻100越大，在其上面的功率损耗就越小；同时由于I2分流的原因，延缓了启动时间。
综上所述，现有技术中反激式开关电源转换器的电路存在启动电流大，待机功耗大，启动时间长的缺点。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种开关电源的零电流启动电路及方法，能够使开关电源的启动电流为零，缩短启动时间。
本发明提供一种开关电源的零电流启动电路，包括：启动电压检测电路、正反馈电路和欠压锁定电路；
所述启动电压检测电路，用于检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作；
所述正反馈电路，用于当所述启动电压检测电路检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态；
所述欠压锁定电路，用于当所述启动电压检测电路检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述正反馈电路的锁定状态。
优选地，所述启动电压检测电路包括第一二极管和第一电阻；
所述第一二极管的阴极接第一节点，阳极接第二节点；
所述第一电阻的两端分别连接所述第二节点和第三节点。
优选地，所述正反馈电路包括第二电阻、第二NMOS管、第一PMOS管、第四电阻、第二二极管和第一电压源模块；
所述第二电阻的一端和所述第一PMOS管的漏极均接所述第一节点；
所述第二电阻的另一端同时连接所述第一PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极；
所述第四电阻的一端连接所述第一PMOS管的源极，另一端连接同时连接所述第一电压源模块的正极和所述第二二极管的阳极；
所述第二NMOS管的栅极同时连接所述第二节点和所述第二二极管的阴极；
所述第二NMOS管的源极和所述第一电压源模块的负极均接所述第三节点。
优选地，所述欠压锁定电路包括第三电阻、第一电容、第二PMOS管、基准源模块、比较器、第一分压电阻、第二分压电阻、下拉电阻和第一NMOS管；
所述第三电阻的一端连接所述第一PMOS管的栅极，另一端同时连接所述第一电容和所述第二PMOS管的栅极；
所述第一电容的另一端和所述第二PMOS管的漏极均连接所述第一节点；
所述第二PMOS管的源极同时连接所述第一分压电阻和所述基准源模块的输入端；
所述基准源模块输出的基准电压连接所述比较器的正输入端，输出的电源VDD连接所述比较器的电源输入端；
所述比较器的负输入端同时连接所述第一分压电阻和第二分压电阻；
所述第二分压电阻的另一端接所述第三节点；
所述比较器的输出端同时连接所述下拉电阻和所述第一NMOS管的栅极；
所述第一NMOS管的源极接所述第三节点，漏极接所述第二节点。
优选地，所述启动电压检测电路还包括第三二极管和第四二极管；
所述第三二极管的阳极连接所述第一节点，阴极连接所述第四二极管的阳极；所述第四二极管的阴极连接所述第一二极管的阴极。
优选地，所述第一电压源模块为电压源、高阻值电阻或4-7个串联的二极管。
本发明还提供一种开关电源的零电流启动方法，包括：
检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作；
当检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态；
当检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述启动电路的锁定状态。
优选地，所述检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作的步骤由启动电压检测电路实现：
所述启动电压检测电路包括第一二极管和第一电阻；
所述第一二极管的阴极接第一节点，阳极接第二节点；
所述第一电阻的两端分别连接所述第二节点和第三节点。
优选地，所述步骤当检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态由正反馈电路实现：
所述正反馈电路包括第二电阻、第二NMOS管、第一PMOS管、第四电阻、第二二极管和第一电压源模块；
所述第二电阻的一端和所述第一PMOS管的漏极均接所述第一节点；
所述第二电阻的另一端同时连接所述第一PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极；
所述第四电阻的一端连接所述第一PMOS管的源极，另一端连接同时连接所述第一电压源模块的正极和所述第二二极管的阳极；
所述第二NMOS管的栅极同时连接所述第二节点和所述第二二极管的阴极；
所述第二NMOS管的源极和所述第一电压源模块的负极均接所述第三节点。
优选地，所述步骤当检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述启动电路的锁定状态由欠压锁定电路实现：
所述欠压锁定电路包括第三电阻、第一电容、第二PMOS管、基准源模块、比较器、第一分压电阻、第二分压电阻、下拉电阻和第一NMOS管；
所述第三电阻的一端连接所述第一PMOS管的栅极，另一端同时连接所述第一电容和所述第二PMOS管的栅极；
所述第一电容的另一端和所述第二PMOS管的漏极均连接所述第一节点；
所述第二PMOS管的源极同时连接所述第一分压电阻和所述基准源模块的输入端；
所述基准源模块输出的基准电压连接所述比较器的正输入端，输出的电源VDD连接所述比较器的电源输入端；
所述比较器的负输入端同时连接所述第一分压电阻和第二分压电阻；
所述第二分压电阻的另一端接所述第三节点；
所述比较器的输出端同时连接所述下拉电阻和所述第一NMOS管的栅极；
所述第一NMOS管的源极接所述第三节点，漏极接所述第二节点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的开关电源的零电流启动电路及方法，通过启动电压检测电路控制当供电电压小于启动电压时，启动电路不工作，从而使启动电流为零。通过正反馈电路使开关电源控制器继续工作直到VCC低于关断电压。当VCC低于关断电压时，通过欠压锁定电路打破正反馈电路的工作状态，使开关电源控制器停止工作。本发明提供的零电流启动电路，可以说使开关电源控制器在VCC低于启动电压之前不消耗电流，从而使启动电流大幅度降低，从而可以将启动电阻做大，降低系统的待机功耗。
附图说明
图1是现有技术中反激式开关电源转换器电路图；
图2是基于本发明电路第一实施例结构图；
图3是基于本发明电路第二实施例电路原理图；
图4是基于本发明电路第三实施例电路原理图；
图5是基于本发明方法第一实施例流程图；
图6是基于本发明的零电流启动电路及方法的主要节点波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为基于本发明电路第一实施例结构图。
本实施例提供的开关电源的零电流启动电路包括：启动电压检测电路100、正反馈电路200和欠压锁定电路300。
所述启动电压检测电路100，用于检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作。
所述正反馈电路200，用于当所述启动电压检测电路100检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态。
所述欠压锁定电路300，用于当所述启动电压检测电路100检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述正反馈电路200的锁定状态。
本发明提供的开关电源的零电流启动电路，通过启动电压检测电路控制当供电电压小于启动电压时，启动电路不工作，从而使启动电流为零。通过正反馈电路使开关电源控制器继续工作直到VCC低于关断电压。当VCC低于关断电压时，通过欠压锁定电路打破正反馈电路的工作状态，使开关电源控制器停止工作。本发明提供的零电流启动电路，可以使开关电源控制器在VCC低于启动电压之前不消耗电流，从而使启动电流大幅度降低，从而可以将启动电阻做大，降低系统的待机功耗。
下面结合附图来详细描述本发明的具体实现电路。
参见图3，该图为基于本发明电路的第二实施例电路原理图。
所述启动电压检测电路100包括第一二极管301和第一电阻302(R1)。
所述第一二极管301的阴极接第一节点1，阳极接第二节点2。
所述第一电阻302的两端分别连接第二节点2和第三节点3。
所述正反馈电路200包括第二电阻303、第二NMOS管304、第一PMOS管305、第四电阻306、第二二极管307和第一电压源308。
需要说明的是，本实施例中第一电压源模块具体有第一电压源308来实现。
所述第二电阻303的一端和所述第一PMOS管305的漏极均接所述第一节点1。
所述第二电阻303的另一端同时连接所述第一PMOS管305的栅极和所述第二NMOS管304的漏极。
所述第四电阻306的一端连接所述第一PMOS管305的源极，另一端同时连接所述第一电压源308的正极和所述第二二极管307的阳极。
所述第二NMOS管304的栅极同时连接所述第二节点2和所述第二二极管307的阴极。
所述第二NMOS管304的源极和所述第一电压源308的负极均接所述第三节点3。
所述欠压锁定电路包括第三电阻309(R3)、第一电容310(C1)、第二PMOS管311、基准源模块312、比较器315、第一分压电阻313、第二分压电阻314、下拉电阻317(R6)和第一NMOS管316。
所述第三电阻309(R3)的一端连接所述第一PMOS管305的栅极，另一端同时连接所述第一电容310(C1)和所述第二PMOS管311的栅极。
所述第一电容310(C1)的另一端和所述第二PMOS管311的漏极均连接所述第一节点1。
所述第二PMOS管311的源极同时连接所述第一分压电阻313(R4)和所述基准源模块312的输入端。
所述基准源模块312输出的基准电压Vref连接所述比较器315的正输入端，输出的电源VDD连接所述比较器312的电源输入端。
所述比较器315的负输入端A同时连接所述第一分压电阻313(R4)和第二分压电阻314(R5)。
所述第二分压电阻314(R5)的另一端接所述第三节点3。
所述比较器315的输出端同时连接所述下拉电阻317(R6)和所述第一NMOS管316的栅极。
所述第一NMOS管316的源极接所述第三节点3，漏极接所述第二节点2。
当开关电源控制器102供电电压VCC低于第一二极管301的反向击穿电压Vb时，流过第一二极管301的电流和在第一电阻302上的电压降为零。
此时，第二NMOS管304和第一PMOS管305处于关断状态，VCC到地的通路为高阻，所以没有电流流经开关电源控制器102内部电路。
当开关电源控制器102的供电电压VCC大于第一二极管301的反向击穿电压Vb之后，电流开始流过第一电阻302。
如果第一电阻302上面的压降高于第二NMOS管304的阈值电压Vthn，正反馈回路200开始工作。当正反馈建立之后，第二NMOS管304和第一PMOS管305完全进入线形区，此时开关电源控制器102的内部基准源建立，电路开始工作。
启动电压Vst由公式(1)决定：
Vst＝Vb+Vthn    (1)
开关电源控制器102在启动之前消耗电流为第一二极管301的反向漏电流，此电流几乎为零。在建立正反馈的过程中需要一定的电流，此电流主要由两条支路构成，一条是由第一二极管301和第一电阻302构成的支路，另一条是由第二电阻303和第二NMOS管304构成的支路。因电压源308的电压电流特性，只要很小的电流流经电压源308，第二二极管307的阳极电压就可以建立。
建立正反馈需要的电流由公式(2)决定：
I＝Vthn/R1+Vthp/R2     (2)
正反馈需要的电流决定了启动电流Is的最小值，从公式(2)可以看出，增大第一电阻R1和第二电阻R2的阻值可以线性的降低启动电流的要求值。采用此电路，启动电流可以做到小于一个微安。
第三电阻309和第一电容310还组成延迟单元。
延迟单元的作用是保证在开关电源控制器102正常工作之前，正反馈环路可以建立。
下拉电阻317的作用是保证在开关电源控制器102正常工作之前，‘STATE’的电平为低电位。
在开关电源控制器102进入正常工作区以后，第二PMOS管311处于线性工作区，其等效电阻很小，此时内部供电电压‘internal VCC’的电压等于VCC，A点的电位由VCC通过第一分压电阻313和第二分压电阻314的分压决定：
VA＝VCC*R5/(R4+R5)    (3)
当VA的电压小于Vref时，比较器315输出高电位信号，使第一NMOS管316开通，拉低第一NMOS管304的栅极电位，从而使A点的电压更低，最后把正反馈环锁存的状态打破，第一NMOS管304和第一PMOS管305截至，开关电源控制器102停止工作。
开关电源控制器102的关断电压由公式(4)给出：
Voff＝Vref(R4+R5)/R5      (4)
本发明利用二极管的反向击穿特性作为控制开关电源启动电压的方法。在VCC电压低于二极管的反向击穿电压之前，开关电源控制器不工作，I2为零。当VCC电压高于二极管的反向击穿电压后，开关电源控制器开始工作，此时I2＞Is，电容101放电，VCC的电压降低。本实施例提供的启动电路通过内部的正反馈电路使开关电源控制器继续工作，直到VCC的电压低于关断电压，通过比较器输出一高电位信号来阻断正反馈环路，开关电源控制器停止工作。因此，启动电路的启动电压由二极管的反向击穿电压决定，关断电压由VCC的分压和内部电路的基准决定。
参见图4，该图为基于本发明电路第三实施例的电路原理图。
实施例三与实施例二的区别是：增加了第三二极管和第四二极管402来补偿启动电压的温度特性。
所述第三二极管的阳极连接所述第一节点1，阴极连接所述第四二极管的阳极；所述第四二极管的阴极连接所述第一二极管301的阴极。
此时的启动电压等于第二NMOS管304的阈值电压，第一二极管301的反向击穿电压和第三二极管和第四二极管402的导通电压的和。
与实施例二不同的是，比较器315的负输入端通过第二电阻R2和第五电阻R5分压。
关断电压Voff由第二电阻303、第五电阻407的分压和基准源Vref决定。在电路进入正常工作状态时，第二NMOS管304工作在线性区，等效电阻非常小，所以B点的电位由以下的公式决定：
VB＝VCC*R3/(R2+R3)
与实施例二不同的是，第一电压源模块在此用于7个串联的二极管410代替，也可以用高阻值的电阻来代替。
需要说明的是，串联的二极管的个数可以根据实际电路的需要增减个数。
基于以上提供的一种开关电源零电流启动电路，本发明还提供一种开关电源零电流启动方法。
参见图5，该图为基于本发明的方法第一实施例流程图。
本实施例提供的开关电源零电流启动方法，包括：
S501：检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作。
S502：当检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态。
S503：当检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述启动电路的锁定状态。
本发明提供的开关电源的零电流启动方法，当供电电压小于启动电压时，启动电路不工作，从而使启动电流为零。当检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态。当VCC低于关断电压时，打破正反馈电路的工作状态，使开关电源控制器停止工作。本发明提供的开关电源的零电流启动方法，可以使开关电源控制器在VCC低于启动电压之前不消耗电流，从而使启动电流大幅度降低，从而可以将启动电阻做大，降低系统的待机功耗。
需要说明的是，实现本发明方法的具体电路可以由电路实施例中的具体电路来实现，在此不再赘述。
参见图6，该图为基于本发明的零电流启动电路及方法的主要节点波形图。
在系统的启动阶段，开关电源控制器的供电电压VCC为低电位。
当VCC到达启动电压Vst以后，启动阶段结束，开关电源控制器内部的基准开始建立。
当开关电源控制器内部基准建立完成之后，开关电源控制器输出高电位‘ENABLE’信号，此时开关电源控制器进入正常工作状态。
如果由于某种原因，开关电源控制器的供电电压VCC低于关断电压Voff，那么比较器输出高电位‘STATE’信号，正反馈环被打破，此时开关电源控制器内部的供电电压也跌落为零，‘ENABLE’信号也为零，直到VCC再次到达启动电压Vst为止。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种开关电源的零电流启动电路，其特征在于，包括：启动电压检测电路、正反馈电路和欠压锁定电路；
所述启动电压检测电路，用于检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作；
所述启动电压检测电路包括第一二极管和第一电阻；
所述第一二极管的阴极接第一节点，所述第一节点在供电电压和第一二极管之间；阳极接第二节点，所述第二节点在第一二极管和第一电阻和第二NMOS管的栅极之间；
所述第一电阻的两端分别连接所述第二节点和第三节点；所述第三节点为接地点；
所述正反馈电路，用于当所述启动电压检测电路检测的开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，锁定启动电路处于正常工作状态；
所述正反馈电路包括第二电阻、所述第二NMOS管、第一PMOS管、第四电阻、第二二极管和第一电压源模块；
所述第二电阻的一端和所述第一PMOS管的漏极均接所述第一节点；
所述第二电阻的另一端同时连接所述第一PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极；
所述第四电阻的一端连接所述第一PMOS管的源极，另一端同时连接所述第一电压源模块的正极和所述第二二极管的阳极；
所述第二NMOS管的栅极连接所述第二二极管的阴极；
所述第二NMOS管的源极和所述第一电压源模块的负极均接所述第三节点；
所述欠压锁定电路，用于当所述启动电压检测电路检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述正反馈电路的锁定状态。
2.根据权利要求1所述的开关电源的零电流启动电路，其特征在于，所述欠压锁定电路包括第三电阻、第一电容、第二PMOS管、基准源模块、比较器、第一分压电阻、第二分压电阻、下拉电阻和第一NMOS管；
所述第三电阻的一端连接所述第一PMOS管的栅极，另一端同时连接所述第一电容和所述第二PMOS管的栅极；
所述第一电容的另一端和所述第二PMOS管的漏极均连接所述第一节点；
所述第二PMOS管的源极同时连接所述第一分压电阻和所述基准源模块的输入端；
所述基准源模块输出的基准电压连接所述比较器的正输入端，输出的电源VDD连接所述比较器的电源输入端；
所述比较器的负输入端同时连接所述第一分压电阻和第二分压电阻；
所述第二分压电阻的另一端接所述第三节点；
所述比较器的输出端同时连接所述下拉电阻和所述第一NMOS管的栅极；
所述第一NMOS管的源极接所述第三节点，漏极接所述第二节点。
3.根据权利要求1所述的开关电源的零电流启动电路，其特征在于，所述启动电压检测电路还包括第三二极管和第四二极管；
所述第三二极管的阳极连接所述第一节点，阴极连接所述第四二极管的阳极；所述第四二极管的阴极连接所述第一二极管的阴极。
4.根据权利要求1所述的开关电源的零电流启动电路，其特征在于，所述第一电压源模块为电压源或4-7个串联的二极管。
5.一种开关电源的零电流启动方法，其特征在于，所述方法包括：
由启动电压检测电路检测开关电源控制器的供电电压小于启动电压之前，控制启动电路不工作；
所述启动电压检测电路包括第一二极管和第一电阻；所述第一二极管的阴极接第一节点，所述第一节点在供电电压和第一二极管之间；阳极接第二节点，所述第二节点在第一二极管和第一电阻和第二NMOS管的栅极之间；所述第一电阻的两端分别连接所述第二节点和第三节点；所述第三节点为接地点；
当检测到开关电源控制器的供电电压大于启动电压之后，由正反馈电路锁定启动电路处于正常工作状态；
所述正反馈电路包括第二电阻、所述第二NMOS管、第一PMOS管、第四电阻、第二二极管和第一电压源模块；
所述第二电阻的一端和所述第一PMOS管的漏极均接所述第一节点；
所述第二电阻的另一端同时连接所述第一PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的漏极；
所述第四电阻的一端连接所述第一PMOS管的源极，另一端同时连接所述第一电压源模块的正极和所述第二二极管的阳极；
所述第二NMOS管的栅极连接所述第二二极管的阴极；
所述第二NMOS管的源极和所述第一电压源模块的负极均接所述第三节点；
当检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述启动电路的锁定状态。
6.根据权利要求5所述的零电流启动方法，其特征在于，所述步骤当检测的开关电源控制器的供电电压低于启动电路的关断电压时，打破所述启动电路的锁定状态由欠压锁定电路实现：
所述欠压锁定电路包括第三电阻、第一电容、第二PMOS管、基准源模块、比较器、第一分压电阻、第二分压电阻、下拉电阻和第一NMOS管；
所述第三电阻的一端连接所述第一PMOS管的栅极，另一端同时连接所述第一电容和所述第二PMOS管的栅极；
所述第一电容的另一端和所述第二PMOS管的漏极均连接所述第一节点；
所述第二PMOS管的源极同时连接所述第一分压电阻和所述基准源模块的输入端；
所述基准源模块输出的基准电压连接所述比较器的正输入端，输出的电源VDD连接所述比较器的电源输入端；
所述比较器的负输入端同时连接所述第一分压电阻和第二分压电阻；
所述第二分压电阻的另一端接所述第三节点；
所述比较器的输出端同时连接所述下拉电阻和所述第一NMOS管的栅极；
所述第一NMOS管的源极接所述第三节点，漏极接所述第二节点。
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