CN102195462B - 高压电源启动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压电源启动电路，包括功率电阻、稳压二极管、限流电阻、MOS管、滤波电容，稳压二极管的阴极连接到MOS管的栅极，稳压二极管的阳极连接到输入电压负极，MOS管的栅极经功率电阻和限流电阻连接到漏极，MOS管的源极连接滤波电容的一端，滤波电容的另一端连接到输入电压负极，滤波电容的两端为启动电路的输出端，还包括由至少两级分压电容串联组成的电容分压电路；电容分压电路并接在输入电压的正极和负极之间，最后一级分压电容的一端连接到输入电压负极，另一端连接到限流电阻和功率电阻的连接点。本发明启动电路损耗小、可靠性高和成本较低。

Description

高压电源启动电路
技术领域
本发明涉及一种开关电源变换器的启动电路，特别涉及一种高压宽输入范围的开关电源变换器的启动电路。
背景技术
近年来，随着光伏发电、超高压输电等电力行业的迅速发展，对开关电源的需求越来越多。但是，由于电力传输系统中的传输电压高达上千伏甚至更高，且电网电压波动范围比较大，同时光伏电池受光照强度及负载影响，电池电压波动范围也比较大，系统辅助电源的开发难度大大增加，尤其是高压启动电路的设计非常困难，一方面需要寻找可以承受高压的电子元器件，另一方面要从可靠性方面考虑，把启动部分的电路损耗减小，防止关键元器件发热损坏。
将启动电路与开关电源主功率电路、反馈电路、控制IC、驱动电路相连接即可构成各种适应应用要求的开关电源变换器。目前常用的开关电源启动电路方案如图1所示，电源启动瞬间，输入电压通过功率电阻R1给滤波电容C1充电，功率电阻R1上流过的电流需大于控制IC的启动电流，滤波电容C1上的电压缓慢上升至控制IC的正常工作电压后，开关电源开始工作，当输出电压稳定后，辅助绕组M1产生的电压经整流二极管D1整流和滤波电容C1滤波后给控制IC供电，并且输出电压稳定在一定的电压范围，由于R1一直与电源输入端Vin相连，其产生的功耗PR1＝(Vin-Vcc)2/R1，显然，如果在高压输入的情况下工作，电阻R1上的功耗将会非常大，这种电路主要存在以下缺点：
1、如果输入电压范围较大，为了保证能够在最低输入电压时启动正常，功率电阻R1取值不能太大，但这会使高压输入时损耗加大，影响电源转换效率、散热和可靠性，同时必须选用大功率电阻，而其所占空间较大，成本较高；
2、为降低损耗，现有技术中通过增加外围电路将电阻R1断开(如图2所示)，但是由于输入电压高，市面上难以找到能够承受高压的器件，即使有高压的IGBT可选用，其成本也会比较高；
要想做出体积小、成本低以及转换效率高的开关电源，设计一个可靠、高效的启动电路非常关键，因此，上述的启动电路方案已不太适合应用于高压输入的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压宽输入范围开关电源变换器的高压电源启动电路，且启动电路损耗小、可靠性高和成本较低。
为达到上述目的，本发明通过以下技术措施实现：一种高压电源启动电路，包括功率电阻、稳压二极管、限流电阻、MOS管、滤波电容，稳压二极管的阴极连接到MOS管的栅极，稳压二极管的阳极连接到输入电压负极，MOS管的栅极经功率电阻和限流电阻连接到漏极，MOS管的源极连接滤波电容的一端，滤波电容的另一端连接到输入电压负极，滤波电容的两端为启动电路的输出端，其特征在于：还包括由至少两级分压电容串联组成的电容分压电路；电容分压电路并接在输入电压的正极和负极之间，最后一级分压电容的一端连接到输入电压负极，另一端连接到限流电阻和功率电阻的连接点。
为了实现本发明的软启动，在所述稳压二极管的两端连接电容C4。
为了实现本发明的高压启动的可靠性，所述MOS管的源极与滤波电容之间连接二极管D2；MOS管的源极连接到二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接滤波电容。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、因引入电容分压电路，通过合理设置分压电容的比值以及限流电阻、稳压二极管的参数，即可为启动电路提供合适的工作电压以及满足控制IC对启动电流的要求，所以启动电路能使开关电源变换器在高压、宽范围输入的情况下正常工作，启动电路的兼容性高；
2、因分压电路采用的是电容分压的方式以及启动电路启动所需的能量较小，能有效降低MOS管上所承受的电压应力，所以启动电路可以选用电流小、耐压较低的开关器件；
3、因引入电容C4，开关电源上电时，因电容C4充电，MOS管Q1延时导通，启动电路软启动，所以避免了开关电源上电瞬间过载冲击电流对其造成的损坏，另外增加了二极管D2，提高了启动电路的可靠性；
4、因电路均采用市面上比较常用的电子元器件，原材料成本低且为设计者选择器件时提供了便利，所以启动电路成本较低。
附图说明
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。
图1为目前常用的开关电源启动电路的电路原理图；
图2为现有技术中改进的开关电源启动电路的电路原理图；
图3为本发明实施例一的电路原理图；
图4为本发明实施例二的电路原理图；
具体实施方式
如图3所示，本发明实施例一所述高压电源启动电路，包括：
串接的第一分压电容C2和第二分压电容C3组成的电容分压电路；输入电压Vin的正极连接到第一分压电容C2的一端，第一分压电容C2的另一端与第二分压电容C3的一端相连接，第二分压电容C3的另一端连接到输入电压Vin的负极。
功率电阻R3、电容C4和稳压二极管Z2连接成的延时控制回路；稳压二极管Z2的阴极通过功率电阻R3连接到第二分压电容C3与上级分压电容(即第一分压电容C2)的串接点，稳压二极管Z2的阳极连接到输入电压Vin的负极，电容C4并接在稳压二极管Z2的两端。
限流电阻R2、MOS管Q1和二极管D2联成开关电路；MOS管Q1的漏极通过限流电阻R2连接到第二分压电容C3与上级分压电容(即第一分压电容C2)的串接点，MOS管Q1的栅极与稳压二极管Z2的阴极相连接，MOS管Q1的源极与二极管D2的阳极相连接。
另外，图中整流二极管D3和辅助绕组M2组成辅助供电回路；整流二极管D3的阴极连接到二极管D2的阴极，整流二极管D3的阳极通过辅助绕组M2连接到稳压二极管Z2的阳极，滤波电容C5并接在整流二极管D3的阴极和稳压二极管Z2的阳极之间，滤波电容C5的两端为本发明启动电路的输出端，该输出端连接到控制IC的相应端口，输出端输出电压信号驱动控制IC工作。
本发明的工作原理如下：
开关电源上电后，输入电压给第一分压电容C2和第二分压电容C3充电，第二分压电容C3上的电压瞬间上升至一定的电压范围VC3；与此同时，输入电压经第一分压电容C2、功率电阻R3给电容C4充电，电容C4两端的电压缓慢上升，此时MOS管Q1仍在处于关断状态；
当电容C4两端的电压上升至MOS管的导通门限电压Vgs-th时，MOS管Q1开始导通，直至电容C4两端的电压上升至稳压二极管Z2的稳压值前，MOS管Q1饱和导通；在MOS管Q1开始导通的同时，第二分压电容C3储存的电荷经限流电阻R2、二极管D2向滤波电容C5转移，使滤波电容C5两端的电压上升，当滤波电容C5两端的电压达到控制IC的启动门限时，控制IC开始工作，为保证控制IC的正常启动，前述第二分压电容C3上的电压VC3的大小必须大于控制IC的开启电压，而且根据电容分压原理，第一分压电容C2和第二分压电容C3对输入电压Vin的分配可以由第一分压电容C2和第二分压电容C3电容量大小的比值来调节，所以根据能量守恒定律，在电源启动时所需要的能量W已知的情况下，可以根据公式
Figure BDA0000064052950000061
(由
Figure BDA0000064052950000062
推导出来)算出电容C2、C3所需要电容量的大小，从而保证滤波电容C5上的电压满足控制IC对启动电压的要求，同时，合理设置限流电阻R2的大小，使流经限流电阻R2的电流满足控制IC对启动电流的要求，控制IC即可正常启动。所以启动电路能使开关电源变换器在高压、宽范围输入的情况下正常工作，启动电路的兼容性高。
当控制IC受启动电路控制正常启动以后，辅助绕组M2两端的电压也逐渐升高并趋于稳定，此时通过整流二极管D3整流和滤波电容C5滤波，输出一个稳定的辅助供电电压使控制IC正常工作；
在电源正常工作后，由辅助绕组M2给滤波电容C5充电，同时二极管D2能确保滤波电容C5上的电荷不会回流至MOS管Q1，使滤波电容C5上的电压稳定在设定值，此设定值与稳压二极管Z2的稳压值Vz相配合，使MOS管Q1的栅源电压Vgs小于导通门限或者反偏，确保电路正常工作以后MOS管Q1自动关断，即断开了启动电路。
为适应更高的输入电压，本发明采用如图4所示的实施例，实施例二与实施例一基本相同，其区别在于所述电容分压电路由两级以上的分压电容串联组成，电容分压电路的最后一级分压电容的连接方式和实施例一所述第二分压电容C3的连接方式相同，实施例二的工作原理与实施例一相同，只是由两级以上的分压电容进行分压，所以启动电容能承受更高的输入电压范围，实现高电压、宽范围输入。
以上所述具体实施方式中，MOS管Q1也能以任何具有开关特性的器件替代，电容分压电路也能以电阻串联或是电阻电容并联再串联的等实施方式组成，所以，除上述说明的具体实施电路外，凡属于本领域的技术人员依据本发明所描述的方案和附图举例，通过使用不同特性的晶体管、更换主功率电路拓扑结构等相同构思的技术手段实施的，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高压电源启动电路，包括功率电阻、稳压二极管、限流电阻、MOS管、滤波电容，稳压二极管的阴极连接到MOS管的栅极，稳压二极管的阳极连接到输入电压负极，MOS管的栅极经功率电阻和限流电阻连接到漏极，MOS管的源极连接滤波电容的一端，滤波电容的另一端连接到输入电压负极，滤波电容的两端为启动电路的输出端，其特征在于：还包括由至少两级分压电容串联组成的电容分压电路；电容分压电路并接在输入电压的正极和负极之间，最后一级分压电容的一端连接到输入电压负极，另一端连接到限流电阻和功率电阻的连接点。
2.根据权利要求1所述的高压电源启动电路，其特征在于：所述稳压二极管的两端连接电容(C4)。
3.根据权利要求1或2所述的高压电源启动电路，其特征在于：所述MOS管的源极与滤波电容之间连接二极管(D2)；MOS管的源极连接到二极管(D2)的阳极，二极管(D2)的阴极连接滤波电容。
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