CN102255489B - 用于开关电源变换器的高压启动的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于开关电源变换器的高压启动的电路，包括PWM控制器，PWM控制器包括高压启动模块、电压基准模块、电阻分压模块、第一比较器、第二比较器、RS触发器、PWM发生器。高压启动模块接受直流输入高压和高压启动模块控制信号，并产生一路电流信号，该电流信号对高压启动电容进行充电，转换成电源电压信号；电压基准模块接受所述电源电压信号并产生第一基准电压、第二基准电压和使能控制信号。本发明的优点是：应用该电路，使得开关电源变换器不需要变压器副边线圈为其提供能量，从而消除了副边线圈寄生电阻损耗和二极管导通损耗，提高开关电源变换器的整机效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路，具体是一种用于开关电源变换器的高压启动的电路。
背景技术
电源变换器被广泛的用于便携式电子设备中，电源变换器可以将电源从一种形式变换到另一种形式。例如：电源可以从交流(AC)变换到直流(DC)、从DC变换到AC或从DC变换到DC，电源变换器包括线性变换器和开关模式变换器两种主要类型，本发明涉及开关模式变换器。
图1是一个AC/DC开关电源变换器拓扑的简化示意图，交流输入电压经过整流滤波后转换成直流输入高压121，一般要求AC/DC开关电源变换器在交流输入电压85VAC到265VAC范围内能够正常工作，该交流电压范围对应的直流电压范围是120VDC到375VDC，即直流输入高压121的电压范围是120V到375V。
电路启动时，PWM控制器100没有开始工作，PWM控制器的输出端口是低电平，因此功率开关106关断。直流输入电压121通过电阻107对电容104进行充电，随着电容104上的电压上升，PWM控制器100的电源电压输入端口VDD的电压也上升，当电压上升到使PWM控制器100开始工作时，PWM控制器100的输出端口输出PWM调制信号，控制功率开关106的导通和关断，功率开关106导通时，能量储存在变压器的初级绕组101中，功率开关106截止时，能量传递给变换器的第一、第二次级绕组102和103，其中第一次级绕组102为负载提供能量，第二次级绕组103通过二极管105和电容104为PWM控制器100提供工作所需要的能量。
PWM控制器100正常工作后，其工作所需要的能量由变压器次级绕组103提供，但是由于无法切断电阻107的对地通路，会一直存在漏电流，造成功率损失，降低了AC/DC的整机效率。电阻107的值越大，电路启动完成后，在电阻107上损失的功率就越小，但是电阻107的值太大后，会导致在启动时对电容104的充电电流太小，电容104上的电压上升速度变慢，最终使得AC/DC整机启动时间延长。反之，电阻107的值取小，虽然会缩短AC/DC整机启动时间，但是损失的功率也随之增加。
图2是一种改进的高压启动的电路，包括PWM控制器100，PWM控制器100包括：高压启动模块207、欠压锁定模块208、PWM发生器209，此外还包括变压器初级绕组101、变压器第一、第二次级绕组102和103、高压启动电容204、功率开关106等。
系统上电启动时，PWM控制器100的输出引脚输出低电平，功率开关106关断，变压器绕组上没有能量传递，因此高压启动电容204上电压为零。直流输入高压121通过PWM控制器100的引脚HV输入到高压启动模块207上，高压启动模块207将输入高压转换成一恒定的电流，对高压启动电容204进行充电，电容204上的电压随着时间的推移上升，即PWM控制器100的电源电压引脚VDD上的电压上升，上述电压为PWM控制器100提供电源电压，当该电压超过某个预先设定的阈值电压时，欠压锁定模块208输出控制信号给PWM发生器209和高压启动模块207，PWM发生器209受控制信号作用后输出调制信号，功率开关106接受该调制信号，变压器开始传递能量，变压器的次级绕组103开始为PWM控制器100提供工作所需要的能量。高压启动模块207受控制信号作用后，切断对高压启动电容204的充电电流。该方法在系统启动完成后不存在漏电流，因此AC/DC的整机效率得以提高。
上述两种电路是目前AC/DC开关电源变换器中比较常用的高压启动电路，虽然图2针对图1存在的问题作了改进，提高了AC/DC整机效率，但是由于上述两种方法都采用变压器副边线圈对PWM控制器进行供电，不可避免的会引入副边线圈的寄生电阻损耗和二极管的导通损耗，因此需要一种新的高压启动电路，进一步降低AC/DC整机损耗，提高效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于开关电源变换器的高压启动的电路，降低开关电源变换器的整机损耗，提高效率。
按照本发明提供的技术方案，所述用于开关电源变换器的高压启动的电路，其特征是包括：PWM控制器，PWM控制器包括高压启动模块、电压基准模块、电阻分压模块、第一比较器、第二比较器、RS触发器、PWM发生器；高压启动模块的输入连接直流输入高压，高压启动模块还连接RS触发器的
端、PWM发生器的输入端、电压基准模块，以及通过高压启动电容接地、通过电阻分压模块接第一比较器负输入端和第二比较器正输入端；第一比较器和第二比较器的输出分别接RS触发器的S端和R端；PWM发生器的输出连接功率开关的栅极；
所述高压启动模块被配置用来接受直流输入高压和高压启动模块控制信号，并产生一路电流信号，该电流信号对高压启动电容进行充电，转换成电源电压信号；
所述电压基准模块被配置成接受所述电源电压信号并产生第一基准电压、第二基准电压和使能控制信号；
所述电阻分压模块被配置成接受所述电源电压信号并产生一个与电源电压成比例的分压信号；
所述第一比较器接受所述分压信号和第一基准电压，产生第一比较器控制信号；第二比较器接受所述分压信号和第二基准电压，产生第二比较器控制信号；
RS触发器接受第一比较器控制信号、第二比较器控制信号和所述使能控制信号，产生高压启动模块控制信号；
PWM发生器产生调制信号通过功率开关控制开关电源变换器的输入电流。
进一步的，所述高压启动模块包括：直流输入高压施加到结型场效应管的漏极，结型场效应管的栅极接地，源极接第一电阻的一端和第一NMOS晶体管漏极；第一NMOS晶体管的栅极接第一电阻的另一端，源极接PMOS晶体管的源极和第二电阻的一端，PMOS晶体管的栅极接电阻的另一端和PWM控制器的电源电压引脚；PMOS晶体管的漏极接第二NMOS晶体管的漏极和栅极；第二NMOS晶体管和第三NMOS晶体管栅极相连，源极接地；第三NMOS晶体管的漏极接第一NMOS晶体管的栅极和第四NMOS晶体管的漏极；NMOS晶体管的栅极接高压启动模块控制信号。
系统上电后，高压启动模块产生一路电流信号，对高压启动电容进行充电，随着时间的推移，高压启动电容上电压会增加；高压启动电容上的电压为芯片提供电源电压，随着电源电压的上升，电压基准模块产生基准电压1、基准电压2和使能控制信号，其中基准电压1大于基准电压2，在基准电压未能完全建立之前，使能控制信号输出低电平，控制RS触发器输出低电平，从而不影响高压启动模块产生充电电流，两路基准电压信号分别送给两个比较器作为比较参考信号；电阻分压模块将电源电压等比例转换成低电压送给两个比较器；当分压信号大于基准电压1时，比较器1输出低电平，比较器2输出高电平，使RS触发器输出高电平，控制高压启动模块停止对高压启动电容充电，高压启动电容上的电压停止上升；由于芯片不停的消耗能量，因此高压启动电容上的电压会下降，当分压信号下降到小于基准电压2时，比较器1输出高电平，比较器2输出低电平，使RS触发器输出低电平，控制高压启动模块对高压启动电容充电，高压启动电容上的电压恢复上升；如此周而复始，使得高压启动电容上的电压始终在两个值之间来回变化，高压启动电容上储存的能量为控制器工作提供能量。
本发明的优点是：应用该电路，使得开关电源变换器不需要变压器副边线圈为其提供能量，从而消除了副边线圈寄生电阻损耗和二极管导通损耗，提高开关电源变换器的整机效率。
附图说明
图1是现有技术中AC/DC开关电源变换器的高压启动电路原理示意图。
图2是另一种AC/DC开关电源变换器的高压启动电路原理示意图。
图3是本发明的电路框图。
图4是本发明具体实施方式中电源电压的变化曲线图。
图5是本发明具体实施方式的高压启动模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。以下本发明仅仅是以实施例的方式被应用于AC/DC开关电源变换器中，但是应当认识到本发明具有更加广阔的应用范围。
如图3所示，本发明包括：PWM控制器100，PWM控制器100包括高压启动模块207、电压基准模块306、电阻分压模块307、第一比较器308、第二比较器309、RS触发器312、PWM发生器209；高压启动模块207的输入连接直流输入高压121，高压启动模块207还连接RS触发器312的
端、PWM发生器209的输入端、电压基准模块306，以及通过高压启动电容204接地、通过电阻分压模块307接第一比较器308负输入端和第二比较器309正输入端；第一比较器308和第二比较器309的输出分别接RS触发器312的S端和R端；PWM发生器209的输出连接功率开关106的栅极。变压器初级绕组101一端接直流输入高压121，另一端接功率开关106的漏极，功率开关106源极接地。变压器次级绕组318接负载。
系统上电后，直流输入高压121经过高压启动引脚HV为高压启动模块207供电，高压启动模块207产生充电电流ICHARGE，通过电源电压引脚VDD为高压启动电容204充电，电源电压开始上升；电源电压上升过程中，电压基准模块306产生基准电压VREF1和VREF2，VREF1大于VREF2，在基准电压VREF1和VREF2未稳定之前，使能控制信号EN输出低电平，控制RS触发器
输出低电平，从而不影响高压启动模块产生充电电流；电源电压经过电阻分压模块307作用后产生分压信号VDD/N，其中N是实数。
当分压信号VDD/N小于VREF2时，第一比较器308和比较器309均输出高电平，RS触发器维持输出状态不变，即维持低电平，高压启动模块207继续对电容305充电，电源电压继续上升；当分压信号VDD/N上升到大于VREF2小于VREF1时，第一比较器308输出高电平，比较器309输出低电平，RS触发器的
输出低电平，高压启动模块207继续对电容305充电，电源电压继续上升；当分压信号VDD/N上升到大于VREF1时，第一比较器308输出低电平，第二比较器309输出高电平，RS触发器的
输出高电平，高压启动模块207停止对电容305充电，电源电压不再继续上升；由于PWM控制器工作所需要的能量来自于高压启动电容204在充电阶段所储存的能量，随着时间的推移，高压启动电容204的电压下降，当分压信号VDD/N下降到小于VREF2时，第一比较器308输出高电平，第二比较器309输出低电平，RS触发器的输出低电平，高压启动模块207开始对电容305充电，电源电压开始上升；如此周而复始，使得电源电压VDD在N·VREF2和N·VREF1之间来回变化，如图4所示。
图5是本发明具体实施方式的高压启动模块的电路简化示意图。直流输入高压施加到结型场效应管502的漏极，结型场效应管502的栅极接地，源极接第一电阻503的一端和第一NMOS晶体管504漏极；第一NMOS晶体管504的栅极接第一电阻503的另一端，源极接PMOS晶体管506的源极和第二电阻505的一端，PMOS晶体管506的栅极接电阻505的另一端和PWM控制器100的电源电压引脚VDD；PMOS晶体管506的漏极接第二NMOS晶体管508的漏极和栅极；第二NMOS晶体管508和第三NMOS晶体管509栅极相连，源极接地；第三NMOS晶体管509的漏极接第一NMOS晶体管504的栅极和第四NMOS晶体管510的漏极；NMOS晶体管510的栅极接控制信号313。
系统上电时，PWM控制器的电源电压VDD为零，控制信号313是低电平，第四NMOS晶体管510关断。随着直流输入高压的增加，结型场效应管502的源极电压512也跟随上升，当电压512上升到使第一NMOS晶体管504的栅极电压超过其阈值电压导通后，电流从第一NMOS晶体管504的源极流出，经过第二电阻505后给高压启动电容204充电。随着流经第二电阻505的电流增大，PMOS晶体管506导通产生电流，一旦PMOS晶体管506导通后，对高压启动电容204的充电电流就稳定在VGS506/R505，当VGS506变化时，电路中设计的负反馈环路会抑制其变化，从而稳定对高压启动电容的充电电流。
负反馈环路工作原理是，当VGS506增大时，IDS506会增大，使得第二NMOS晶体管508的漏源电流增大，第二NMOS晶体管508为了适应电流的增大，必然增大其栅源电压，导致第三NMOS晶体管509的栅源电压增大。VGS509的增大，同样会引起IDS509增大，该电流经过第一电阻503，因此第一电阻503上的压降增大，导致第一NMOS晶体管504的栅极电压下降，第一NMOS晶体管504的源极电压跟随其栅极电压下降，最终使得VGS506减小，完成一个负反馈控制过程。其中，V、I、R分别表示其下标数字在附图中所标识的元器件的电压、电流、电阻。
当所述RS触发器输出高电平控制信号313，第四NMOS晶体管510导通，第一NMOS晶体管504栅极被下拉到地而关断，切断了对高压启动电容204的充电电流。
此时，流经第一电阻503的电流是V512/R503，在直流输入高压上升过程中，电压512不会一直跟随其上升，因为结型场效应管502的栅极接地，随着HV电压的不断上升，其导电沟道会发生夹断，因此电压512稳定在结型场效应管的夹断电压附近。为了降低切断启动电容充电电流后高压启动电路所消耗的静态电流，第一电阻503一般取值较大，例如取值10M欧姆时，高压启动电流所消耗的静态电流是微安级别，大幅降低了系统静态功耗。
应用本发明所提出的高压启动的系统和方法，不需要额外的变压器副边绕组对PWM控制器进行供电，消除了变压器副边绕组线圈寄生电阻损耗和二极管导通损耗，进一步提高了AC/DC整机效率。
Claims (1)
1.用于开关电源变换器的高压启动的电路，包括PWM控制器（100），其特征是所述PWM控制器（100）包括高压启动模块（207）、电压基准模块（306）、电阻分压模块（307）、第一比较器（308）、第二比较器（309）、RS触发器（312）、PWM发生器（209）；高压启动模块（207）的输入连接直流输入高压（121），高压启动模块（207）还连接RS触发器（312）的 
端、PWM发生器（209）的输入端、电压基准模块（306），以及通过高压启动电容（204）接地、通过电阻分压模块（307）接第一比较器（308）负输入端和第二比较器（309）正输入端；第一比较器（308）和第二比较器（309）的输出分别接RS触发器（312）的S端和R端；PWM发生器（209）的输出连接功率开关（106）的栅极；
所述高压启动模块（207）被配置用来接受直流输入高压（121）和高压启动模块控制信号，并产生一路电流信号（ICHARGE），该电流信号（ICHARGE）对高压启动电容（204）进行充电，转换成电源电压信号；
所述电压基准模块（306）被配置成接受所述电源电压信号并产生第一基准电压、第二基准电压和使能控制信号；
所述电阻分压模块（307）被配置成接受所述电源电压信号并产生一个与电源电压成比例的分压信号；
所述第一比较器（308）接受所述分压信号和第一基准电压，产生第一比较器控制信号；第二比较器（309）接受所述分压信号和第二基准电压，产生第二比较器控制信号；
RS触发器（312）接受第一比较器控制信号、第二比较器控制信号和所述使能控制信号，产生高压启动模块控制信号；
PWM发生器（209）产生调制信号通过功率开关（106）控制开关电源变换器的输入电流；
所述高压启动模块（207）包括：直流输入高压施加到结型场效应管（502）的漏极，结型场效应管（502）的栅极接地，源极接第一电阻（503）的一端和第一NMOS晶体管（504）漏极；第一NMOS晶体管（504）的栅极接第一电阻（503）的另一端，源极接PMOS晶体管（506）的源极和第二电阻（505）的一端，PMOS晶体管（506）的栅极接第二电阻（505）的另一端和PWM控制器（100）的电源电压引脚（VDD）；PMOS晶体管（506）的漏极接第二NMOS晶体管（508）的漏极和栅极；第二NMOS晶体管（508）和第三NMOS晶体管（509）栅极相连，源极接地；第三NMOS晶体管（509）的漏极接第一NMOS晶体管（504）的栅极和第四NMOS晶体管（510）的漏极；NMOS晶体管（510）的栅极接高压启动模块控制信号。
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Denomination of invention: High-voltage start-up circuit for switching power supply converter Effective date of registration: 20131119 Granted publication date: 20130619 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd Wuxi science and Technology Branch Pledgor: WUXI SI-POWER MICRO-ELECTRONICS Co., LTD. Registration number: 2013990000872 |
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Date of cancellation: 20171225 Granted publication date: 20130619 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd Wuxi science and Technology Branch Pledgor: WUXI SI-POWER MICRO-ELECTRONICS Co., LTD. Registration number: 2013990000872 |