CN102185468B - 高压启动开关和检测晶体管复用电路及开关电源 - Google Patents

高压启动开关和检测晶体管复用电路及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高压启动开关及检测晶体管（SenseFET）复用电路，可应用于开关电源等，其通过高压启动开关完成启动并在启动后能够关闭启动开关避免启动电路损耗。同时，启动后高压启动开关自动充当SenseFET，完成开关电源变压器主边限流检测功能。此外，本发明还提供一种应用上述高压启动开关及SenseFET复用电路的开关电源，该电源能较好的抑制启动电路损耗问题并且节省Vs脚位成本。

Description

高压启动开关和检测晶体管复用电路及开关电源
技术领域
本发明涉及一种高压启动开关和检测晶体管（SENSEFET）复用电路及应用该电路的开关电源。 
背景技术
广泛应用于消费类电子产品上的开关电源转换器通常包括两种形式：交流转直流（AC-DC）和直流到直流（DC-DC）。传统开关模电源转换器中的启动器多为电阻。电源上电启动后，启动电阻存在较大的功率损耗，对电源效率在轻载或待机状态影响较大。此外，传统开关电源转换器开关电流检测均采用外接限流电阻，既增加了功耗也增加了脚位成本。
为解决上述问题，需要提供新技术来完成开关电源启动和变压器主边限流检测。
传统启动方法主要使用电阻启动，如图1所示，图1描绘了一种基于传统启动技术的电源转换器10。一控制电路20藕接于一回授单元15，以产生一开关信号VSW，该开关信号调节电源转换器10的输出信号VO，该回授单元15藕接于电源转换器10的输出，以产生一回授信号VFB。其中该开关信号VSW是依照回授信号VFB而变化。一变压器TR1的一开关电流IS经由捡流电阻器RS被转换成电压信号VS。该信号VS被控制电路20接受且据此产生开关信号VSW。开关信号VSW依据控制电路20内部UVLO电路进行启动。图中，控制电路20含有一个UVLO电路。该UVLO电路藕接至VCC，依据VCC脚位电压Vcc用以产生一内部电路供电信号VBIAS。VBAIS为内部其他电路提供供电电源，用以启动电路20进行正常工作。脚位VCC藕接至电容器CVCC，用以对VCC脚位供电。此外，脚位VCC藕接至启动电阻RST，启动电阻RST藕接至输入电源VIN，用以在初始上电期间对电容器CVCC充电。在充电期间，当CVCC上电位上升至一预设电位Vccon后，UVLO电路响应VCC脚位产生VBIAS,电路20完全启动工作，启动周期结束。对从以上分析来看，启动电阻RST在启动周期结束后仍旧有电流流过，然而传统开关电源启动电阻RST一般约为1MΩ，则其最大功耗为：PST0=380V2/1MΩ=144mW。因此，传统启动器对轻载效率影响很大，不容易通过国际能效规范（比如美国能源之星）。此外，Vs外部脚位增加了IC成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高压启动开关及检测晶体管（SenseFET）复用电路，可应用于开关电源等，通过高压启动开关完成启动并在启动后能够关闭启动开关避免启动电路损耗。同时，启动后高压启动开关自动充当SenseFET，完成开关电源变压器主边限流检测功能。
本发明的高压启动开关和检测晶体管复用电路，包括开关信号（VSW）输入端、启动电流输入端（VST）、开关电流输入端（DRAIN）、欠压锁定输入端（UVLO）、供电输入端（VCC）以及检流端（VS），其特征在于，还包括：一功率管，其栅极与所述开关信号输入端连接，漏极与所述开关电流输入端连接，源极接地；一高压开关管，其栅极与所述启动电流输入端连接，漏极与所述功率管的漏极连接；一第一二极管，其阳极与所述开关信号输入端连接，阴极与所述高压开关管的栅极连接；一第一晶体管，其集电极经一第一电阻与所述高压开关管的栅极连接，基极经一第二电阻与所述欠压锁定输入端连接，发射极接地；一嵌位稳压管，其阳极接地，阴极与所述高压开关管的栅极连接；一恒流器，其包括：第一输出端与所述高压开关管的栅极连接，第二输出端经一第二二极管与所述供电输入端连接，以及第一输入端与所述的检流端连接；以及一第二晶体管，其集电极经一第三电阻与所述的检流端连接，基极经一第四电阻与所述的欠压锁定输入端连接，发射极接地。
在本发明一实施例中，所述的恒流器由一第三晶体管、一电容、一第五电阻和第六电阻组成，所述的第三晶体管的集电极与所述高压开关管的栅极连接，所述第三晶体管的发射极、所述电容的第一端以及第六电阻的第一端与所述第二二极管的阳极连接，所述第三晶体管的基极与所述电容的第二端和第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述检流端连接，所述第六电阻的第二端与所述检流端连接。
在本发明一实施例中，所述的高压启动开关和检测晶体管复用电路集成于一集成块中。
本发明的另一目的是提供一种应用上述高压启动开关及SenseFET复用电路的开关电源，该电源能较好的抑制启动电路损耗问题并且节省Vs脚位成本。
该目的采用以下方案实现：一种应用上述的高压启动开关和检测晶体管复用电路的开关电源，其特征在于：包括变压器和一控制电路，其特征在于：所述控制电路藕接一设于变压器输出端的回授单元，所述的控制电路包含所述复用电路和一PWM控制器；所述变压器初级的第一端经一电阻与所述复用电路的启动电流输入端连接，所述变压器初级的第二端与所述复用电路的开关电流输入端连接；所述PWM控制器的输出端藕接于所述复用电路。
在本发明一实施例中，所述复用电路和PWM控制器集成于一集成块中。
本发明采用高压启动开关及SenseFET复用电路实现开关电源上电启动性能不变前提下，大大降低启动电路在开关电源启动完成后的损耗，同时能够完成开关电源变压器主边限流检测而不需要增加外部Vs脚位。此电路可设计成集成电路，成本低，具有较好的市场价值。
附图说明
图1是基于传统启动电路和变压器主边限流检测的电源转换器。
图2是本发明高压启动开关及检测晶体管复用电路的电路连接示意图。
图3是本发明一实施例的高压启动开关及检测晶体管复用电路的电路连接示意图。
图4是基于一种高压启动开关及SenseFET复用电路的电源转换器的电路原理示意框图。
主要组件符号说明：
SenseFET：检测晶体管
20、300：控制电路
    Q1、Q2、Q3、Q4：晶体管
    TR1：变压器
D1、D2、D3：二极管
Z1：稳压管
M1：高压开关管
M2：功率管
15、104：回授单元
RS、R1、R2、R4、R5、R6、R7、RST：电阻器
C1、C2、CVCC：电容器
1000：一种高压启动开关及SenseFET复用电路
2000： PWM控制器
    FB：回授端
VCC：供电电压输入端
VCC：供电电压
SW：切换输出端
VFB：回授电压
VIN：输入电压
VO：输出电压
VS：检流电压
IS：切换电流
IVST：输入电流
Uin：输入电压
VSW：开关信号。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图2所示，本发明提供一种高压启动开关和检测晶体管复用电路，包括开关信号VSW输入端、启动电流输入端VST、开关电流输入端DRAIN、欠压锁定输入端UVLO、供电输入端（VCC）以及检流端VS，其特征在于，还包括：一功率管M2，其栅极与所述开关信号输入端连接，漏极与所述开关电流输入端连接，源极接地；一高压开关管M1，其栅极与所述启动电流输入端连接，漏极与所述功率管M2的漏极连接；一第一二极管D3，其阳极与所述开关信号输入端连接，阴极与所述高压开关管M1的栅极连接；一第一晶体管Q3，其集电极经一第一电阻R7与所述高压开关管M1的栅极连接，基极经一第二电阻R4与所述欠压锁定输入端，发射极接地；一嵌位稳压管Z1，其阳极接地，阴极与所述高压开关管M1的栅极连接；一恒流器，其包括：第一输出端与所述高压开关管M1的栅极连接，第二输出端经一第二二极管D2与所述供电输入端连接，以及第一输入端与所述的检流端连接；以及一第二晶体管Q4，其集电极经一第三电阻R6与所述的检流端连接，基极经一第四电阻R5与所述的欠压锁定输入端连接，发射极接地。
具体的，参见图3，图3是本实施例子的高压启动开关及SenseFET复用电路的电路连接示意图，图中，所述的晶体管M1的栅电极藕接至VST、Z1和D3的阴极、Q2的集电极、R7的第一端，该M1的源电极藕接至R1、R2、R6的第二端以及VS，该M1的漏电极藕接至DRAIN以及M2的漏电极；所述M2的栅电极藕接至Vsw以及D3的阳极，该M2的源电极藕接至地电位；所述Q2的基电极藕接至C2的第二端以及R2的第二端，该Q2的发射电极藕接至C2的第一端以及R1的第一端和D2的阳极；所述Q3的基电极藕接至R4的第一端，该Q3的发射电极藕接至地电位；该Q3的集电极藕接至R7的第二端；所述Z1的阳极藕接至地电位；所述D2的阴极藕接至VCC；所述R4的第二端藕接至UVLO；所述UVLO藕接至R5的第一端；所述R5的第二端藕接至Q4的基电极；所述的Q4的发射极藕接至地电位；所述的Q4的集电极藕接至R6的第一端。
本发明所述的高压启动开关及SenseFET复用电路可集成于一集成块中，可大大减小电路的体积及成本。
为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面我们结合电路对本发明的工作原理做进一步的描述：
请继续参见图3，高压启动开关及SenseFET复用电路1000由晶体管M1，功率管M2，晶体管Q2、Q3、Q4，二极管D2、D3，稳压管Z1，电阻R1、R2 、R4、R5、R6和R7，以及电容器C2组成。上电初始时，VST被设定于26V，同时UVLO=“0”，Q3关断，M1导通对VCC端口进行充电进行启动过程，当VCC端口电压升高到预设电压VCCon后，UVLO=“1”导通Q3将R7连接至地电位，VST电位将取决于Vsw，启动结束。同时，UVLO=“1”导通Q4将R6连接至地电位。PWM控制器2000工作产生脉冲信号VSW，M1依据VSW进行开关动作。上电后，由于VCC电位大于VS，那么D2截止，M1电流全部流经R6，M1自动充当SenseFET检测变压器主边电流值。详细工作过程如下：
上电启动期间，VST端口被设定于26V。R1、R2、Q2、C1构成恒流器，对M1的沟道电流进行恒流控制。
上电启动期间：初始时，VCC端口电位为0。UVLO=“0”，VSW为地电位，N型管Q3、Q4关断，高压开关M1的栅电极被嵌位在26V，M1导通，通过恒流器（由R1、R2、Q2、C1构成）及D2对VCC端口恒流充电到预设值VCCon，UVLO翻转为“1”，Q3导通将R7第二端导通到地电位上，同时Q4导通将R6第二端导通到地电位上，启动结束。PWM控制器2000工作产生脉冲信号VSW，M1依据VSW进行开关动作，由于D2因VCC电位大于VS电位而截止，M1电流全部流经R6，M1充当SenseFET。脉冲信号VSW，通过D3、R6、R7、Q3、Q4同步控制管子M1、M2的导通和关断，因此，M1对M2产生了镜像关系，M1管产生的镜像电流流过电阻器R6产生检流电压信号VS输出到PWM控制器2000，完成对开关电源变压器主边电流的检测。
正常工作期间：启动结束后，只要VCC端口电位高于VCCmin，UVLO=“1”。D2就截止，没有电流，整个启动器电路仅有VST端口有电流IVST流过（IVST= VIN /Rst= VIN /20MΩ≤19uA），因此启动器正常工作期间的功耗估算为：PST=VIN*IVST≤380V*19uA=7.22mW（其中开关电源输入电压VIN≤380V）。所以采用该电路的电源转换器启动电路最大功耗远远小于传统电源转换器。（传统电源转换器启动电路最大功耗为144mW）。同时还完成了开关电源变压器主边电流检测的内置，节省了Sense脚位成本。
这里要说明的是本发明尽管以示例方式应用于电源转换器中，但本发明本身具有示例以外的更广应用范围。比如Q2、Q3、Q4可以使用其他晶体管也能达到同等功效，D3、Z1拆分成几个电学器件也能达到同等功效，去除Q2、C2、R1、R2、R4或改变网络连接等来达到同等功效。
请参见图4，图4是基于高压启动开关及SenseFET复用电路1000的电源转换器100，包括一电阻RST（RST大于20MΩ），藕接在端口VIN与VST之间，用以通过该电阻对电路300的VCC端口充电来启动电源转换器100。该端口VST的最大电流为VINmax/RST=380V/20MΩ=19uA。一电容器Cvcc藕接至端口VCC与地电位之间，用以对电路300进行供电。
一控制电路300藕接于一回授单元104，以产生一开关信号VSW，该开关信号VSW调节电源转换器的输出信号VO。该回授单元104藕接于电源转换器的输出VO，以产生一回授信号VFB。其中，该开关信号VSW是依照回授信号VFB而变化。
该控制电路300通过内部高压启动开关及SenseFET复用电路1000及与其级联的RST对电源转换器100进行启动。该电路1000藕接至电路2000和VST端口，响应UVLO信号经由端口VST、电路1000对VCC端口藕接的电容器Cvcc进行充电启动。该电路1000藕接至电路2000、DRAIN端口。端口DRAIN响应Vsw信号产生开关电流Is，该开关电流Is流经电路1000产生电压信号Vs。该电路2000藕接至电路1000、FB端口，响应信号VFB和Vs产生信号Vsw。该电路2000藕接至VCC端口，接受VCC端口供电，并产生控制信号UVLO。信号UVLO输入到电路1000。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而其并不应限定本发明，任何熟悉此领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许改动与替换。因此本发明的保护范围当视后附的专利范围所界定者为准。

Claims (5)

1.一种高压启动开关和检测晶体管复用电路，包括开关信号（VSW）输入端、启动电流输入端（VST）、开关电流输入端（DRAIN）、欠压锁定输入端（UVLO）、供电输入端（VCC）以及检流端（VS），其特征在于，还包括：
一功率管，其栅极与所述开关信号输入端连接，漏极与所述开关电流输入端连接，源极接地；
一高压开关管，其栅极与所述启动电流输入端连接，漏极与所述功率管的漏极连接；
一第一二极管，其阳极与所述开关信号输入端连接，阴极与所述高压开关管的栅极连接；
一第一晶体管，其集电极经一第一电阻与所述高压开关管的栅极连接，基极经一第二电阻与所述欠压锁定输入端连接，发射极接地；
一箝位稳压管，其阳极接地，阴极与所述高压开关管的栅极连接；
一恒流器，其包括：第一输出端与所述高压开关管的栅极连接，第二输出端经一第二二极管与所述供电输入端连接，以及第一输入端与所述的检流端连接；
以及一第二晶体管，其集电极经一第三电阻与所述的检流端连接，基极经一第四电阻与所述的欠压锁定输入端连接，发射极接地。
2.根据权利要求1所述的高压启动开关和检测晶体管复用电路，其特征在于：所述的恒流器由一第三晶体管、一电容、一第五电阻和第六电阻组成，所述的第三晶体管的集电极与所述高压开关管的栅极连接，所述第三晶体管的发射极、所述电容的第一端以及第六电阻的第一端与所述第二二极管的阳极连接，所述第三晶体管的基极与所述电容的第二端和第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述检流端连接，所述第六电阻的第二端与所述检流端连接。
3.根据权利要求1所述的高压启动开关和检测晶体管复用电路，其特征在于：所述的高压启动开关和检测晶体管复用电路集成于一集成块中。
4.一种应用权利要求1所述的高压启动开关和检测晶体管复用电路的开关电源，其特征在于：包括变压器和一控制电路，其特征在于：所述控制电路耦接一设于变压器输出端的回授单元，所述的控制电路包含所述复用电路和一PWM控制器；所述变压器初级的第一端经一电阻与所述复用电路的启动电流输入端连接，所述变压器初级的第二端与所述复用电路的开关电流输入端连接；所述PWM控制器的输出端耦接于所述复用电路。
5.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于：所述复用电路和PWM控制器集成于一集成块中。
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