CN102437724B - 一种ac-dc芯片、系统及其高压启动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力转换领域，尤其涉及一种AC-DC芯片、系统及其高压启动控制电路。本发明利用现有的AC-DC芯片和系统，在不增加外围应用元器件的基础上，去掉了传统电路系统中的高压启动电阻，提供了一种待机功耗极低的AC-DC芯片、系统及其高压启动控制电路，一方面解决了传统AC-DC系统待机功耗消耗过大的技术问题；另一方面，本发明也使电路系统得以简化，也节省了系统板的空间和成本。
Description
技术领域
本发明属于电力转换领域，尤其涉及一种AC-DC芯片、系统及其高压启动控制电路。
背景技术
在许多情况下，一般电力(如市电)需要经过转换才能符合工业生产和生活使用的需要。为了达到将交流转换成直流、高电压变成低电压等的转换目的，手段是多种多样的。广义上讲，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转换为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制、闭环稳定输出并有保护电路的则称为开关电源。
一般而言，AC-DC变换包括整流及离线式变换，市电AC输入经过整流以后变成一个直流高压，再经过DC-DC变换就得到可用的低压直流电。之所以称为离线是因为变换器中有高频变压器隔离，使输出的直流离线的缘故。
一般的AC-DC系统如图1所示，虚线框内所示为AC-DC芯片200。市电AC输入经过整流以后，得到一个直流高压。系统刚上电时，VDD的电压为0，此时电源开关M1一直关闭，输出电压也为0。为了给VDD充电，传统的做法如图1所示，会采用一个启动电阻Rr给VDD的外挂电容C1充电。当输入VDD的电压达到启动电压阈值时，电源开关M1开始开关动作，而输出电压或电流将反馈到FB端口，来控制M1的打开时间，达到使输出电压或电流稳定的目的。这样一个AC-DC系统有一个缺点就是待机功耗较大。若AC电压为220V，则所得直流电压约为300V；若Rr＝1MΩ，则充电电流Ir约为300uA，那么其待机功耗约为300V×300uA＝90mW。在提倡节能环保的今天，此种AC-DC系统的待机功耗太大了，这样的启动电路已经慢慢不适应时代的发展了。
发明内容
本发明旨在提供一种待机功耗极低的高压启动控制电路，以解决现有的AC-DC系统待机功耗过大的问题。
改进后的AC-DC系统将图1所示的原系统中消耗了很大待机功耗的启动电阻Rr去掉了，取而代之的是在系统内部增加的高压启动控制电路。本发明是这样实现的：
一种AC-DC芯片的高压启动控制电路，与AC-DC系统变压器初级线圈的第二端与所述AC-DC芯片的电源开关M1的高电位端的公共连接端相连，用以控制对所述AC-DC芯片外的外挂电容C1的充电快慢，所述AC-DC芯片的高压启动控制电路包括：
高压启动开关管M0、二极管D0、电阻R0、电流源单元、PMOS管M3、PMOS管M4、NMOS管M5、开关管M6和比较器U0；
所述高压启动开关管M0的高电位端接所述AC-DC芯片的电源开关M1的高电位端，所述高压启动开关管M0的低电位端接所述二极管D0的阳极，所述二极管D0的阴极通过所述电阻R0同时接所述电流源单元的输入端、所述PMOS管M3的源极、所述PMOS管M4的源极和所述开关管M6的高电位端，所述PMOS管M3的漏极同时接所述PMOS管M3的栅极和所述电流源单元的第一输出端，所述PMOS管M3的栅极与所述PMOS管M4的栅极相连，所述PMOS管M4的漏极同时接所述NMOS管M5的漏极和所述开关管M6的控制端，所述NMOS管M5的栅极接所述比较器U0的输出端，所述NMOS管M5的源极与所述电流源单元的第二输出端相连并接地，所述比较器U0的同相输入端接所述开关管M6的低电位端，所述高压启动开关管M0的控制端与所述开关管M6的控制端相连，所述比较器U0的反相输入端接参考电压，所述外挂电容C1接在所述比较器U0的同相输入端与地之间。
其中，所述的电流源单元100包括：电阻R1、电阻R2、NMOS管M2和NMOS管M7；所述电阻R1的第一端是所述电流源单元100的输入端，所述电阻R1的第二端同时接所述NMOS管M2的栅极和所述NMOS管M7的漏极，所述NMOS管M2的漏极作为所述电流源单元100的第一输出端与所述PMOS管M3的漏极相连，所述NMOS管M2的源极同时接所述NMOS管M7的栅极和所述电阻R2的第一端，所述NMOS管M7的源极与所述电阻R2的第二端相连作为所述电流源单元100的第二输出端。
进一步的，所述的高压启动开关管M0可以为耗尽型高压NMOS管，所述耗尽型高压NMOS管的漏极为所述高压启动开关管M0的高电位端，所述耗尽型高压NMOS管的源极为所述高压启动开关管M0的低电位端，所述耗尽型高压NMOS管的栅极为所述高压启动开关管M0的控制端。
所述的高压启动开关管M0也可以为高压JFET，所述高压JFET的漏极为所述高压启动开关管M0的高电位端，所述高压JFET的源极为所述高压启动开关管M0的低电位端，所述高压JFET的栅极为所述高压启动开关管M0的控制端。
更进一步的，所述开关管M6为NMOS管，所述NMOS管的栅极为所述开关管M6的控制端，所述NMOS管的漏极为所述开关管M6的高电位端，所述NMOS管的源极为所述开关管M6的低电位端。
所述开关管M6也可以为PMOS管，所述PMOS管的栅极为所述开关管M6的控制端，所述PMOS管的源极为所述开关管M6的高电位端，所述PMOS管的漏极为所述开关管M6的低电位端。
本发明的另一目的在于提供一种AC-DC芯片，芯片连接在AC-DC系统变压器初级线圈的第二端与地之间，包括电源开关M1和电源控制电路，所述的AC-DC芯片还包括如上所述的高压启动控制电路，通过该高压启动控制电路调整对外挂电容C1充电的电流大小，进而控制AC-DC芯片的上电速度。
本发明的另一目的还在于提供一种AC-DC系统，所述AC-DC系统包括上述的AC-DC芯片。
本发明是在不增加外围应用元器件的基础上，将传统AC-DC电路系统中的高压启动电阻去掉，在系统芯片内增加高压启动控制电路，一方面解决了传统AC-DC系统功耗过大的技术问题，另一方面，也使电路系统得以简化，节省了系统板的空间和成本。
附图说明
图1是现有技术中的AC-DC系统的结构框图；
图2是本发明提供的高压启动控制电路应用于AC-DC系统后的结构框图；
图3是本发明实施例提供的高压启动控制电路的具体电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是现有技术中的AC-DC系统的结构框图。
图2是本发明提供的高压启动控制电路300应用于AC-DC芯片200后的AC-DC系统结构框图，虚线框内为AC-DC芯片200，本发明提供的高压启动控制电路为图中300所示部分。与图1所示的原系统不同的是，将消耗了很大待机功耗的启动电阻Rr去掉了，取而代之的是在系统芯片内部增加的高压启动控制电路。通过该高压启动控制电路调整对外挂电容C1充电的电流大小，进而控制AC-DC芯片的上电速度。
图3是本发明实施例提供的高压启动控制电路的具体电路结构图，如图3所示：
一种高压启动控制电路，与AC-DC系统变压器初级线圈的第二端与所述AC-DC芯片的电源开关M1的高电位端的公共连接端相连，用以控制对所述AC-DC芯片外的外挂电容C1的充电快慢，包括：高压启动开关管M0、二极管D0、电阻R0、电流源单元100、PMOS管M3、PMOS管M4、NMOS管M5、开关管M6、比较器U0；电容C1是外挂电容；
高压启动开关管M0的高电位端接AC-DC芯片的电源开关M1的高电位端，即电源开关M1的DRAIN端，高压启动开关管M0的低电位端接二极管D0的阳极，二极管D0的阴极通过电阻R0同时接电流源单元100的输入端、PMOS管M3的源极、PMOS管M4的源极和开关管M6的高电位端，PMOS管M3的漏极同时接PMOS管M3的栅极和电流源单元100的第一输出端，PMOS管M3的栅极与PMOS管M4的栅极相连，PMOS管M4的漏极同时接NMOS管M5的漏极和开关管M6的控制端，NMOS管M5的栅极接比较器U0的输出端，NMOS管M5的源极与电流源单元100的第二输出端相连并接地，比较器U0的同相输入端接开关管M6的低电位端，高压启动开关管M0的控制端与开关管M6的控制端相连，比较器U0的反相输入端接参考电压，外挂电容C1连接在比较器U0的同相输入端与地之间。
作为本发明的一种实施例，电流源单元100包括：电阻R1、电阻R2、NMOS管M2和NMOS管M7；电阻R1的第一端是电流源单元100的输入端，电阻R1的第二端同时接NMOS管M2的栅极和NMOS管M7的漏极，NMOS管M2的漏极作为电流源单元100的第一输出端与PMOS管M3的漏极相连，NMOS管M2的源极同时接NMOS管M7的栅极和电阻R2的第一端，NMOS管M7的源极与电阻R2的第二端相连作为电流源单元100的第二输出端并接地。
作为本发明的一种实施例，高压启动开关管M0为耗尽型高压NMOS管，该耗尽型高压NMOS管的阈值电压Vth(M0)为负压，且漏极耐压可高达700V。将耗尽型高压NMOS管的漏极作为高压启动开关管M0的高电位端，耗尽型高压NMOS管的源极为高压启动开关管M0的低电位端，耗尽型高压NMOS管的栅极为高压启动开关管M0的控制端。
作为本发明的另一种实施例，高压启动开关管M0为高压JFET，同样的，其阈值电压Vth(M0)为负压，且漏极耐压可高达700V。高压JFET的漏极为高压启动开关管M0的高电位端，高压JFET的源极为高压启动开关管M0的低电位端，高压JFET的栅极为高压启动开关管M0的控制端。
作为本发明的又一种实施例，开关管M6为NMOS管，NMOS管的栅极为开关管M6的控制端，NMOS管的漏极为开关管M6的高电位端，NMOS管的源极为开关管M6的低电位端。
作为本发明的又一种实施例，开关管M6为PMOS管，PMOS管的栅极为开关管M6的控制端，PMOS管的源极为开关管M6的高电位端，PMOS管的漏极为开关管M6的低电位端。
下面针对图3所示的高压启动控制电路的具体结构，对其工作原理进行说明。其中：开关管M6采用NMOS管、高压启动开关管M0采用耗尽型高压NMOS管或者高压JFET时。
高压启动开关管M0为耗尽型高压NMOS管或高压JFET，开关管M0的阈值电压Vth(M0)为负压，且漏极耐压可高达700V。系统刚上电时，高压启动开关管M0的栅极电压Vg＝0，源极电压Vs＝0，Vgs＞Vth，高压启动开关管M0导通，二极管D0也导通，电流通过二极管D0和电阻R0进入由电阻R1、电阻R2、NMOS管M2和NMOS管M7组成的电流源100。当电阻R0第二端处的电压值V1＞Vth(M7)+Vth(M2)时，NMOS管M2和NMOS管M7都导通，其所在的电流源100开始工作，向PMOS管M3输出电流，且流过PMOS管M3的电流值为Vgs(M7)/R2。
此时比较器U0同相输入端的电位VDD还较低，使能信号输出端E N为低电平，NMOS管M5不导通，所以Vgs(M0)＝-(VD0+I*R0)，其中VD0和I分别为二极管D0的压降和流过电阻R0的电流。充电期间高压启动开关管M0一直导通，即只要保证Vgs(M0)＝-(VD0+I*R0)＞Vth(M0)，当高压启动开关管M0栅极电压升高到Vg＞Vth(M6)时，因图中所示的开关管M6采用的是NMOS管，故NMOS管M6导通。设计使得流过电阻R0的电流足够大，那么流过NMOS管M6的电流，也即是对比较器U0同相输入端的外挂电容C1充电的电流，就约等于流过电阻R0的电流；所以通过调整电阻R0的大小，可以限制对外挂电容C1充电的电流大小，进而在一个较大范围内控制比较器U0的上电速度，即是控制AC-DC芯片的上电速度。
流过高压启动管M0的电流持续对比较器U0的外挂电容C1充电，使同相输入端电压VDD一直上升，直到VDD＞VR，使得比较器U0的芯片达到启动电压，开始正常工作，比较器U0将会翻转，使能信号输出端EN电平由低变高，NMOS管M5导通。NMOS管M5一导通，高压启动开关管M0栅极电压Vg被拉低，使得高压启动开关管M0和NMOS管M6都被关断，此时NMOS管M6相当于一个二极管，给PMOS管M3、PMOS管M4提供电流，并且V1＝VDD-Vd(M6)，Vd(M6)是NMOS管M6的寄生二极管的压降，则V1跟随VDD维持较高电压。二极管D0阻止了高压启动开关管M0的反向导通，即阻止VDD向电源开关M1的DRAIN端倒灌电流。
此时，该电路工作过程中必须保证Vgs(M0)＜Vth(M0)，即0-(V1+VD0)＜Vth(M0)，解这个不等式就是V1＞-Vth(M0)-VD0，这也说明要使高压启动开关管M0重新开启的条件是V1≤-Vth(M0)-VD0，即VDD≤-Vth(M0)-VD0+Vd(M6)。换言之，当VDD满足：VDD＞-Vth(M0)-VD0+Vd(M6)时，才能保证系统开始正常工作后，高压启动开关管M0被关断，不会再有电流从高压启动开关管M0进入系统。因图1所示的传统电路系统中消耗很大待机功耗的高压启动电阻Rr已不复存在，故采用本发明提供的高压启动控制电路的AC-DC系统的待机功耗极低。
本发明提供的AC-DC芯片和AC-DC系统，包括所述的任何一种实施例提供的高压启动控制电路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种AC-DC芯片的高压启动控制电路，与AC-DC系统变压器初级线圈的第二端与所述AC-DC芯片的电源开关M1的高电位端的公共连接端相连，用以控制对所述AC-DC芯片外的外挂电容C1的充电快慢，其特征在于，所述AC-DC芯片的高压启动控制电路包括：
高压启动开关管M0、二极管D0、电阻R0、电流源单元、PMOS管M3、PMOS管M4、NMOS管M5、开关管M6和比较器U0；
所述高压启动开关管M0的高电位端接所述AC-DC芯片的电源开关M1的高电位端，所述高压启动开关管M0的低电位端接所述二极管D0的阳极，所述二极管D0的阴极通过所述电阻R0同时接所述电流源单元的输入端、所述PMOS管M3的源极、所述PMOS管M4的源极和所述开关管M6的高电位端，所述PMOS管M3的漏极同时接所述PMOS管M3的栅极和所述电流源单元的第一输出端，所述PMOS管M3的栅极与所述PMOS管M4的栅极相连，所述PMOS管M4的漏极同时接所述NMOS管M5的漏极和所述开关管M6的控制端，所述NMOS管M5的栅极接所述比较器U0的输出端，所述NMOS管M5的源极与所述电流源单元的第二输出端相连并接地，所述比较器U0的同相输入端接所述开关管M6的低电位端，所述高压启动开关管M0的控制端与所述开关管M6的控制端相连，所述比较器U0的反相输入端接参考电压，所述外挂电容C1接在所述比较器U0的同相输入端与地之间。
2.如权利要求1所述的高压启动控制电路，其特征在于，所述的电流源单元包括：电阻R1、电阻R2、NMOS管M2和NMOS管M7；
所述电阻R1的第一端是所述电流源单元的输入端，所述电阻R1的第二端同时接所述NMOS管M2的栅极和所述NMOS管M7的漏极，所述NMOS管M2的漏极作为所述电流源单元的第一输出端与所述PMOS管M3的漏极相连，所述NMOS管M2的源极同时接所述NMOS管M7的栅极和所述电阻R2的第一端，所述NMOS管M7的源极与所述电阻R2的第二端相连作为所述电流源单元的第二输出端。
3.如权利要求1或2所述的高压启动控制电路，其特征在于，所述的高压启动开关管M0为耗尽型高压NMOS管，所述耗尽型高压NMOS管的漏极为所述高压启动开关管M0的高电位端，所述耗尽型高压NMOS管的源极为所述高压启动开关管M0的低电位端，所述耗尽型高压NMOS管的栅极为所述高压启动开关管M0的控制端。
4.如权利要求1或2所述的高压启动控制电路，其特征在于，所述的高压启动开关管M0为高压JFET，所述高压JFET的漏极为所述高压启动开关管M0的高电位端，所述高压JFET的源极为所述高压启动开关管M0的低电位端，所述高压JFET的栅极为所述高压启动开关管M0的控制端。
5.如权利要求1或2所述的高压启动控制电路，其特征在于，所述开关管M6为NMOS管，所述NMOS管的栅极为所述开关管M6的控制端，所述NMOS管的漏极为所述开关管M6的高电位端，所述NMOS管的源极为所述开关管M6的低电位端。
6.如权利要求1或2所述的高压启动控制电路，其特征在于，所述开关管M6为PMOS管，所述PMOS管的栅极为所述开关管M6的控制端，所述PMOS管的源极为所述开关管M6的高电位端，所述PMOS管的漏极为所述开关管M6的低电位端。
7.一种AC-DC芯片，连接在AC-DC系统变压器初级线圈的第二端与地之间，包括电源开关M1和电源控制电路，所述AC-DC芯片外接一个外挂电容C1，其特征在于，所述的AC-DC芯片还包括如权利要求1-6任一项所述的高压启动控制电路。
8.一种AC-DC系统，其特征在于，所述AC-DC系统包括变压器T、二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2、电阻R4、电感L0和如权利要求7所述的AC-DC芯片，所述变压器T的初级线圈的第一端接市电高压输入端，所述变压器T的初级线圈的第二端接所述AC-DC芯片上的电源开关M1的高电位端，所述AC-DC芯片同时接所述电容C1的第一端和所述电阻R4的第一端，所述电容C1的第二端接地，所述电阻R4的第二端接所述二极管D1的阴极，所述二极管D1的阳极通过所述电感L0与所述AC-DC芯片上的电源开关M1的低电位端相连并接地，所述变压器T的次级线圈通过所述二极管D2和所述电容C2输出低压直流电。
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