CN101651426A - 一种自启动的输出端控制功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自启动的输出端控制功率变换器，包括主功率变压器、变换器原边电路、变换器副边电路、第一PWM控制芯片，所述第一PWM控制芯片输入端连接变换器输出端；所述启动电路通过所述开关控制电路得到电源输入，输出方波信号经过所述驱动选择电路驱动所述变换器原边电路中的功率开关管，使所述主功率变压器开始工作；当所述变换器副边电路输出电压达到使所述第一PWM控制芯片开始工作的值后，所述第一PWM控制芯片输出控制所述驱动变压器，通过所述驱动选择电路驱动所述变换器原边电路中的功率开关管，同时所述第一PWM控制芯片输出控制所述开关控制电路，使所述启动电路的工作电压关断，停止方波信号输出。

Description

一种自启动的输出端控制功率变换器

技术领域

本发明涉及一种功率变换器，特别涉及一种自启动的输出端控制功率变换器。

背景技术

如图1所示，在现有的小功率电源中，由于成本和体积的限制，一般没有额外的辅助电源变换器，因此广泛应用的方案是将主控制PWM芯片放置在变压器原边，这样可以利用输入电源进行启动。

而如图2所示，在现有的中大功率电源中，一般应用一个小功率的反激变换器作为整个电源的辅助电源，从而在原副边均可以取得主电路以外的辅助供电，这样的好处是显而易见的，比如容易实现副边同步整流、实现复杂的时序控制以及实现各种保护逻辑功能等。上述图中变换器由变换器原边电路、变换器副边电路和主功率变压器组成，可以是反激也可以是正激、半桥等各种电路拓扑结构；所述主功率变压器原副两边分别连接所述变换器原边电路和所述变换器副边电路；所述变换器原边电路与电源输入连接，变换器副边电路与电源输出连接；。其中变换器原边电路包括功率开关管、电流采样、缓冲或变压器复位电路等；变换器副边电路包括整流滤波电路等。

如果能够如中大功率架构中将PWM控制芯片放置在副边，从而实现各种复杂的功能，同时又像小功率电源架构那样不需要使用辅助电源，从而减小产品体积降低成本，这样的功率变换器是十分有应用前景的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以将PWM控制芯片放在变压器副边，而又不需要额外的辅助电源供电的功率变换器。

本发明通过以下的技术方案来实现，一种自启动的输出端控制功率变换器，包括主功率变压器、变换器原边电路、变换器副边电路、第一PWM控制芯片，其特征在于还包括开关控制电路、启动电路、驱动选择电路和驱动变压器；所述启动电路的工作电压端通过所述开关控制电路连接到电源输入，所述启动电路的驱动信号输出端通过所述驱动选择电路连接到所述变换器原边电路；所述开关控制电路的控制信号输入端与所述驱动变压器的输出端连接；所述第一PWM控制芯片输入端连接变换器输出端，第一PWM控制芯片的输出端再通过所述驱动变压器和所述驱动选择电路连接到所述变换器原边电路；所述启动电路通过所述开关控制电路得到电源输入，输出方波信号经过所述驱动选择电路驱动所述变换器原边电路中的功率开关管，使所述主功率变压器开始工作；当所述变换器副边电路输出电压达到使所述第一PWM控制芯片开始工作的值后，所述第一PWM控制芯片输出控制所述驱动变压器，通过所述驱动选择电路驱动所述变换器原边电路中的功率开关管，同时所述第一PWM控制芯片输出控制所述开关控制电路，使所述启动电路的工作电压关断，停止方波信号输出。

所述开关控制电路包括电阻R41、电阻R43、开关管Q41、二极管D41、电阻R44、储能电容C41、电容C42、电阻R42及晶体管Q44；  所述开关管Q41集电极连接到电源输入，所述开关管Q41基极通过所述电阻R41连接到电源输入；所述开关管Q41发射极通过所述电阻R43为所述启动电路供电，通过所述电容C42连接到地；所述晶体管Q44集电极连接所述开关管Q41基极。所述驱动变压器的输出端通过所述二极管D41、所述电阻R44、所述电阻R42连接到所述晶体管Q44的基极，所述晶体管Q44发射极接地；所述储能电容C41一引脚连接在所述电阻R44及所述电阻R42之间，一引脚接地；电源输入通过所述开关管Q41为所述启动电路供电；所述驱动变压器的驱动信号通过所述晶体管Q44使所述开关管Q41截止，停止启动电路供电。

所述开关控制电路包括电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54，电阻R55、电阻R56、电阻R57，电容C51，二极管D51，稳压二极管Z51，NPN型晶体管Q51，PNP型晶体管Q52，以及比较器U51；所述晶体管Q51的集电极直接连接到电源输入，发射极为启动电路供电；所述比较器U51的负输入端通过所述电阻R51连接到电源输入，通过所述电容C51接地；所述比较器U51的正输入端通过所述电阻R53接地；所述稳压二极管Z51阴极通过所述电阻R54连接到所述晶体管Q51的集电极，阳极接地；所述比较器U51的电源端与所述稳压二极管Z51的阴极相连；所述电阻R52连接于所述比较器U51的正输入端和所述稳压二极管Z51阴极之间；所述比较器U1的输出端连接所述晶体管Q51的基极，通过所述电阻R56连接所述晶体管Q52的基极；所述晶体管Q52集电极接地，发射极通过所述电阻R55连接到所述比较器U51的负输入端；所述驱动变压器的输出端通过所述电阻R57与所述二极管D51的并联网络连接到所述比较器U51的负输入端；电源输入通过所述晶体管Q51为启动电路供电；电源输入通过所述电阻R54为所述比较器U51提供电源；所述比较器U51通过所述电阻R52、所述电阻R53分压比较器U51电源得到基准电压；所述驱动变压器的驱动信号使所述电容C51充电至大于基准电压，所述比较器U51输出端输出负电压使所述晶体管Q51关断，切断所述启动电路的供电。

所述驱动选择电路包括或门U61、电阻R61、电平转换电路、互补对称功率放大电路；所述或门U61输入端连接所述启动电路驱动信号和驱动变压器驱动信号，输出端通过所述电阻R61连接到所述电平转换电路，所述电平转换电路通过互补对称功率放大电路输出驱动信号。

所述驱动选择电路包括模拟开关、电阻R71、电阻R72、二极管D71、电容C71、互补对称功率放大电路；所述模拟开关的常闭触点端连接启动电路输出端，常开触点端连接所述驱动变压器的输出端；所述驱动变压器的驱动信号通过所述二极管D71串联所述电阻R71连接所述模拟开关的控制端IN；所述电阻R72连接在所述驱动变压器输出端与所述模拟开关控制端IN之间；所述模拟开关控制端IN通过所述电容C71接地；所述模拟开关输出端连接互补对称功率放大电路输出。

所述启动电路主要包含第二PWM控制芯片，所述第二PWM控制芯片的电源端连接开关控制电路的启动电路供电输出端，第二PWM控制芯片的输出端输出启动电路驱动信号。

为了更快速关断启动电路，还包括用于停止启动电路工作的反馈电路，包括二极管D81、电阻R81、电阻R82、电容C81、晶体管Q81；所述驱动变压器驱动信号通过所述正向二极管D81、所述电阻R81、所述电阻R82连接到所述晶体管Q81基极；所述电容C81一引脚连接在所述电阻R81及所述电阻R82之间，电容C81另一引脚接地；所述晶体管Q81集电极与所述第二PWM控制芯片的运放输出端或使能端连接，发射极接地。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、在本发明电路中，由于PWM电路以及反馈回路都处于变压器输出侧，这样就很容易实现同步整流控制方式，另外对于副边的各种时序和保护控制功能的实现也非常方便；

2、通过本发明中的电路，可以在实现上述复杂功能的情况下，不需要额外的辅助电源给IC供电，降低了成本，同时也节省了空间，因此本特别适合既对产品性能要求较高(如输出电流较大、输出保护功能较复杂)，又对产品体积要求严格、且要求成本低廉的应用场合。

附图说明

图1为小功率电源现有常用架构图；

图2为中大功率电源现有常用架构图；

图3为本发明的自启动的输出端控制功率变换器电路示意图；

图4为本发明中开关控制电路的实施例一的电路图；

图5为本发明中开关控制电路实施例二的电路图；

图6为本发明中驱动选择电路的实施例一电路图；

图7为本发明中驱动选择电路的实施例二电路图；

图8为本发明中启动电路实施例电路图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图3所示，当电路启动时，电源输入通过开关控制电路直接给启动电路供电。启动电路输出用于启动的方波信号，信号经过驱动选择电路去驱动变换器原边电路中的功率开关管，从而使得主功率变压器传递能量。经过副边电路整流滤波后，逐步建立输出电压，当输出电压达到PWM控制芯片的供电电压时，PWM控制芯片开始工作，其产生驱动信号经过驱动变压器传递到变换器原边电路，一方面通过驱动选择电路后去驱动原边电路，另一方面反馈控制启动电路及开关控制电路关断，由此电路完成启动进入正常工作状态。

驱动选择电路的功能是没在有驱动变压器输入信号时传递启动电路的驱动信号，一旦有了驱动变压器的驱动信号后，则屏蔽启动电路传递过来的信号，取用驱动变压器的驱动信号来驱动变换器原边电路中的功率开关管。

当任何故障发生时(例如短路、过流等)，输出电压将被动或者通过保护电路拉低，PWM控制芯片将失去供电而停止工作，而启动电路供电开关仍然处于截止状态，所以驱动选择电路将失去输入从而停止驱动原边功率开关管。整个电路掉电后，启动电路供电开关回到开通的初始状态，电路进入一个新的启动过程。

如图4所示，开关控制电路的实施例中。输入信号一方面直接连接到开关管Q41集电极，另一方面通过电阻R41连接到开关管Q41的基极。开关管Q41射极通过电阻R43后一方面为启动电路供电，另一方面通过电容C42连接到地。晶体管Q44通过集电极直接控制开关管Q41的基极电压。驱动变压器的信号通过二极管D41、电阻R44、电阻R42后去控制晶体管Q44的基极电压，以此控制晶体管Q44的开通及关断。储能电容C41一端连接在电阻R44及电阻R42之间，另一端接地。晶体管Q44的射极直接接地。

信号输入时，开关管Q41直接导通，通过电阻R43后为启动电路供电，同时给电容C42充电。电路正常启动后，当输出电压达到PWM控制芯片的供电电压时，PWM控制芯片开始工作，其产生驱动信号经过驱动变压器传递到原边。当驱动变压器驱动信号为高电平时，驱动变压器的驱动信号通过二极管D41、电阻R43、电阻R42后使晶体管Q44导通，因此导致开关管Q41基极电流变为零，开关管Q41关断，即使启动电路关断；同时，驱动变压器驱动信号通过二极管D41及电阻R45后为电容C41充电。当驱动变压器驱动信号为低电平时，由于在高电平时电容C41会充电，只要电容C41的大小选取合适，低电平时晶体管Q44基极仍能保持高电压，晶体管Q44持续导通，开关管Q41关断，启动电路关断。若PWM控制芯片产生的PWM信号占空比很小，可能导致晶体管Q44无法导通，使开关管Q41不关断，启动电路就会持续供电，所以需要选择大小合适的电容C42来控制启动电路自动关断的时间。开关管Q41导通时，电容C42持续充电，经过一定时间后，若启动电路仍持续供电，电容C42上充电电压就达到某个等于或大于输入电压的值，使开关管Q41自动关断，即启动电路自动关断。因此，只要PWM控制芯片开始正常工作后，或者启动电路工作一段时间后，启动电路都会处于关断状态，而电路进入正常工作状态。

在图5所示，开关控制电路的实施例二中，电路主要包括电阻R51，R57，R56，R55，采样电阻R54，R52，R53，电容C51，二极管D51，稳压二极管Z51，NPN型晶体管Q51，PNP型晶体管Q52，以及比较器U51。输入信号一方面通过电阻R51后连接到比较器U51的负输入端，另一方面通过采样电阻R54后与稳压二极管Z51的阴极相连，稳压二极管Z51的阳极直接接地。电阻R52的一端接Z51的阴极，另一端接比较器U51的正输入端。电阻R53连接在比较器U51的正输入端与地之间。电容C51连接在比较器U51的负输入端与地之间。比较器U51的电源端与稳压二极管的阴极相连。比较器U51的输出端一方面直接连接到晶体管Q51的基极，另一方面通过电阻R56与晶体管Q52的基极相连。电阻R55连接在晶体管Q52的射极与比较器U51的负输入端之间。晶体管Q2的集电极直接接地。晶体管Q51的集电极直接与输入信号相连，而射极直接为启动电路供电。驱动变压器驱动信号通过R57与二极管D51的并联网络后连接到比较器的负输入端。二极管D51的阳极接驱动变压器驱动信号，阴极接比较器负输入端。

当有信号输入时，输入信号通过电阻R54串联稳压二极管Z51支路，一方面为比较器U51提供电源，另一方面再通过稳压二极管Z51并联R52与R53的串联支路为比较器正输入端提供一个基准电压。由于此时没有驱动变压器驱动信号，只有输入信号通过电阻R51为电容C51充电，电容C51上电压从最开始时的零电压逐渐增大。因此，在输入信号开始输入时的一段时间内，比较器负输入端的电压小于基准电压，比较器输出正电压，晶体管Q51导通。随着电容C51的充电，电容C51电压逐渐升高，当电容C51电压升高到某个大于基准电压的值时，比较器输出翻转，使晶体管Q51关断，同时晶体管Q52导通。随着晶体管Q52的导通，电容C51电压被拉低，当电容C51电压拉低到某个小于基准电压的值时，比较器输出又翻转为正电压，晶体管Q51导通，晶体管Q52关断。如此不断下去，其功能是如果副边驱动信号没有产生时，如发生故障时，启动电路将处在一个试图重新启动间歇工作状态。

当有驱动变压器驱动信号时，输入信号和变压器驱动信号同时为电容C51充电。电容C51两端电压大小迅速增加至大于比较器基准电压，因此比较器输出一个负电压，使晶体管Q51关断，晶体管Q52导通。晶体管Q52导通会拉低电容C51电压，但通过适当选取电阻R55的大小，可以使电容C51电压在此时持续大于比较器基准电压，即使晶体管Q51持续关断，以此启动电路进入关断状态，电路进入正常工作状态。

在图6所示，驱动选择电路的实施例，驱动选择电路由一个或门电路，电阻R61，电平转换电路，电阻R64及互补对称功率放大电路组成。启动电路驱动信号及驱动变压器驱动信号通过或门电路后再通过R61与电平转换电路连接。电平转换电路由电阻R62、R63，晶体管Q61、Q62组成。晶体管Q61集电极通过电阻R9与VCC连接。晶体管Q62基极直接与晶体管Q61集电极连接；晶体管Q62集电极通过电阻R63与VCC连接。晶体管Q61及Q62射极均直接接地。电平转换电路与互补对称功率放大电路之间的连接为晶体管Q62集电极通过电阻R64与晶体管Q63及晶体管Q64基极相连。互补对称功率放大电路由晶体管Q63及晶体管Q64组成。

驱动选择电路的功能是在没有驱动变压器输入信号时传递启动电路的驱动信号，一旦有了驱动变压器的驱动信号后，则屏蔽启动电路传递过来的信号，取用驱动变压器的驱动信号来驱动变换器原边电路中的功率开关管。

在此实施例中，若或门电路输出的信号电压能满足驱动电压要求，可以不需要电平转换电路，而直接将或门电路的输出通过一个电阻连接功率放大电路。

在图7所示本发明中驱动选择电路的实施例二中，通过模拟开关实现对驱动信号的选择。驱动选择电路由一个模拟开关，电阻R71、R72，二极管D71，电容C71，电阻R73及互补对称功率放大电路组成。启动电路驱动信号直接连接模拟开关的常闭触点端Nc。驱动变压器驱动信号一方面直接连接模拟开关的常开触点端No，另一方面通过二极管D71串联R71后连接到模拟开关的控制端IN。二极管D71的阳极接驱动变压器驱动信号，阴极连接电阻R71。同时，电阻R72也连接在驱动变压器驱动信号与模拟开关控制端IN之间。电容C71连接在模拟开关控制端IN与地之间。

当没有驱动变压器驱动信号时，由于启动电路驱动信号连接模拟开关常闭触点端，因此启动电路驱动信号通过模拟开关后进入互补对称功率放大电路，再去驱动变换器原边电路中的功率开关管；当有驱动信号变压器信号时，驱动变压器驱动信号通过二极管D71和电阻R71为电容C71充电，控制端IN脚从低电压变为高电压，使模拟开关中的常开触点端连接导通，而断开常闭触点端，以此屏蔽启动电路传递过来的信号，取用驱动变压器的驱动信号来驱动变换器原边电路中的功率开关管。当驱动变压器驱动信号为低电平时，电容C71通过电阻R72放电，适当选择电阻R72和电容C71的大小，使电容C71放电缓慢，控制端IN在一定时间内保持高电平，使模拟开关中的常开触点端持续连接导通，而断开常闭触点端，以此屏蔽启动电路传递过来的信号，取用驱动变压器的驱动信号来驱动变换器原边电路中的功率开关管。

在图8所示，启动电路的实施例主要由第二PWM控制芯片组成，当控制开关电路的输出电源到第二PWM控制芯片的电源端，使其工作输出驱动信号到原边电路的功率开关管工作，当控制开关电路的无输出电源到第二PWM控制芯片的电源端，使其停止工作，无输出驱动信号。这种控制启动电路的方式相对缓慢，为了能跟迅速的关断启动电路，增设一个反馈电路，主要包括二极管D81、电阻R81、电阻R82、电容C81、晶体管Q81；变压器驱动信号通过二极管D81、电阻R81、电阻R82后到晶体管的基极，以此控制晶体管的开关。当驱动变压器驱动信号为高电平时，驱动信号通过二极管D81，电阻R81，电阻R82后为电容C81充电，  晶体管Q81导通，拉低通用PWM控制芯片内部运放输出端，使通用PWM控制芯片停止输出PWM波，即无启动电路驱动信号输出；当驱动变压器驱动信号为低电平时，由于在高电平期间对电容C81充电，对相关元器件参数进行选择，使电容C81在此时放电缓慢，即在一定时间内保持晶体管Q81导通，持续无启动电路驱动信号输出。当无驱动变压器驱动信号时，晶体管Q81关断，通用PWM控制芯片内部运放输出端为高阻态，只要有启动电路供电信号，启动电路就工作，输出启动电路驱动信号去驱动变换器原边电路中的功率开关管工作。在此实施例中，通用的第二PWM控制芯片亦可用其他方波发生器替代。

除上述附图说明的几种实施电路外，凡属本行业技术人员通过以上描述与附图举例所能自然联想到的等同替换电路，均可实现本发明目的，都属于本专利的保护范围。

Claims (7)

1、一种自启动的输出端控制功率变换器，包括主功率变压器、变换器原边电路、变换器副边电路、第一PWM控制芯片，其特征在于还包括开关控制电路、启动电路、驱动选择电路和驱动变压器；所述启动电路的工作电压端通过所述开关控制电路连接到电源输入，所述启动电路的驱动信号输出端通过所述驱动选择电路连接到所述变换器原边电路；所述开关控制电路的控制信号输入端与所述驱动变压器的输出端连接；所述第一PWM控制芯片输入端连接变换器输出端，第一PWM控制芯片的输出端再通过所述驱动变压器和所述驱动选择电路连接到所述变换器原边电路；所述启动电路通过所述开关控制电路得到电源输入，输出方波信号经过所述驱动选择电路驱动所述变换器原边电路中的功率开关管，使所述主功率变压器开始工作；当所述变换器副边电路输出电压达到使所述第一PWM控制芯片开始工作的值后，所述第一PWM控制芯片输出控制所述驱动变压器，通过所述驱动选择电路驱动所述变换器原边电路中的功率开关管，同时，所述第一PWM控制芯片输出控制所述开关控制电路，关断所述启动电路的供电。

2、根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述开关控制电路包括电阻R41、电阻R43、开关管Q41、二极管D41、电阻R44、储能电容C41、电容C42、电阻R42及晶体管Q44；所述开关管Q41集电极连接到电源输入，所述开关管Q41基极通过所述电阻R41连接到电源输入；所述开关管Q41发射极通过所述电阻R43为所述启动电路供电，通过所述电容C42连接到地；所述晶体管Q44集电极连接所述开关管Q41基极；所述驱动变压器的输出端通过所述二极管D41、所述电阻R44、所述电阻R42连接到所述晶体管Q44的基极，所述晶体管Q44发射极接地；所述储能电容C41一引脚连接在所述电阻R44及所述电阻R42之间，储能电容C41另一引脚接地；电源输入通过所述开关管Q41为所述启动电路供电；所述驱动变压器的驱动信号通过所述晶体管Q44使所述开关管Q41截止，停止启动电路供电。

3、根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述开关控制电路包括电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54，电阻R55、电阻R56、电阻R57，电容C51，二极管D51，稳压二极管Z51，NPN型晶体管Q51，PNP型晶体管Q52，以及比较器U51；所述晶体管Q51的集电极直接连接到电源输入，发射极为启动电路供电；所述比较器U51的负输入端通过所述电阻R51连接到电源输入，通过所述电容C51接地；所述比较器U51的正输入端通过所述电阻R53接地；所述稳压二极管Z51阴极通过所述电阻R54连接到所述晶体管Q51的集电极，阳极接地；所述比较器U51的电源端与所述稳压二极管Z51的阴极相连；所述电阻R52连接于所述比较器U51的正输入端和所述稳压二极管Z51阴极之间；所述比较器U1的输出端连接所述晶体管Q51的基极，通过所述电阻R56连接所述晶体管Q52的基极；所述晶体管Q52集电极接地，发射极通过所述电阻R55连接到所述比较器U51的负输入端；所述驱动变压器的输出端通过所述电阻R57与所述二极管D51的并联网络连接到所述比较器U51的负输入端；电源输入通过所述晶体管Q51为启动电路供电；电源输入通过所述电阻R54为所述比较器U51提供电源；所述比较器U51通过所述电阻R52、所述电阻R53分压比较器U51电源得到基准电压；所述驱动变压器的驱动信号使所述电容C51充电至大于基准电压，所述比较器U51输出端输出负电压使所述晶体管Q51关断，切断所述启动电路的供电。

4、根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述驱动选择电路包括或门U61、电阻R61、电平转换电路、互补对称功率放大电路；所述或门U61输入端连接所述启动电路驱动信号和驱动变压器驱动信号，输出端通过所述电阻R61连接到所述电平转换电路，所述电平转换电路通过互补对称功率放大电路输出驱动信号。

5、根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述驱动选择电路包括模拟开关、电阻R71、电阻R72、二极管D71、电容C71、互补对称功率放大电路；所述模拟开关的常闭触点端连接启动电路输出端，常开触点端连接所述驱动变压器的输出端；所述驱动变压器的驱动信号通过所述二极管D71串联所述电阻R71连接所述模拟开关的控制端IN；所述电阻R72连接在所述驱动变压器输出端与所述模拟开关控制端IN之间；所述模拟开关控制端IN通过所述电容C71接地；所述模拟开关输出端连接互补对称功率放大电路输出。

6、根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述启动电路主要包含第二PWM控制芯片，所述第二PWM控制芯片的电源端连接开关控制电路的启动电路供电输出端，第二PWM控制芯片的输出端输出启动电路驱动信号。

7、根据权利要求6所述的功率变换器，其特征在于还包括用于停止启动电路工作的反馈电路，包括二极管D81、电阻R81、电阻R82、电容C81、晶体管Q81；所述驱动变压器驱动信号通过所述正向二极管D81、所述电阻R81、所述电阻R82连接到所述晶体管Q81基极；所述电容C81一引脚连接在所述电阻R81及所述电阻R82之间，电容C81另一引脚接地；所述晶体管Q81集电极与所述第二PWM控制芯片的运放输出端或使能端连接，发射极接地。

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