CN102664516A - 一种驱动mos管的开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动MOS管的开关电源，包括：变压器、与所述变压器连接的MOS主开关管、控制所述MOS主开关管开启和闭合的控制器以及启动电阻；所述启动电阻的输入端连接输入电压；所述启动电阻的输出端与所述MOS主开关管的栅极连接；其中，所述开关电源启动时，在限流模块的控制下，所述MOS主开关管导通进而提供启动电流，所述启动电流通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。所述开关电源在启动时，其MOS主开关管受控导通，提供启动电流，通过设置其控制器内部电路控制所述启动电路为一个合适的较大的值，加快了启动速度。

Description

一种驱动MOS管的开关电源

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地说，涉及一种驱动MOS管的开关电源。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制控制MOSFET等电子器件构成。开关电源产品以其体积小、重量轻、电能转换效率高等特点而被广泛应用于工业自动化、仪器仪表、医疗设备、液晶显示、通讯设备、视听产品、数码产品等诸多领域。

驱动MOS管的开关电源（以MOS管为主开关管进行恒定输出的开关电源）是现如今常用的一种开关电源。参考图1，图1是现有技术中一种常见的驱动MOS管的开关电源的电路图，输入电压Vin直接通过启动电阻Rst为原边控制器U1的VCC端连接的启动电容C2充电，当启动电容C2两端的电压达到原边控制器U1的开启电压VCC_ON时，原边控制器U1开始正常工作，通过OUT端输出开关控制信号驱动控制外部MOS主开关管Q1。其中，CS端连接所述MOS主开关管Q1源极。

开关电源控制器的启动时间是衡量开关电源性能的一个重要参数。图1中，U1的启动时间为：

$t=-\mathrm{Rst}\×C2\×\ln (1-\frac{\mathrm{VCC}\_\mathrm{ON}}{\mathrm{Vin}})$

为了缩短启动时间，通过单纯的减小启动电阻或者VCC电容都是不可取的。启动电阻Rst上的功耗为：

$\mathrm{Prst}=\frac{{(\mathrm{Vin}-\mathrm{VCC})}^2}{\mathrm{Rst}}$

由于启动电阻Rst上的功耗会一直存在，通过上式可知，如果减小启动电阻Rst，会增加系统正常工作时的待机功耗。而减小启动电容C2会使得VCC端电压变化增大，原边控制器容易进入UVLO，将会影响开关电源的正常工作。其中，UVLO又称低压锁定，即当供电电压低于集成电路的开启门限电压时的一种保护模式，可保证所述原边控制器在供电电压不足时不致于被损坏。

因此，如何在不影响所述开关电源其他特性的前提下（不增加其功耗、避免开关电源进入UVLO）缩短开关电源的启动时间，提高开关电源的启动速度是驱动MOS管开关电源研发领域一个亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种驱动MOS管的开关电源，该开关电源在保证其他特性的前提下有效缩短了开关电源的启动时间，提高了启动速度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种驱动MOS管的开关电源，该开关电源包括：

变压器、与所述变压器连接的MOS主开关管、控制所述MOS主开关管开启和闭合的控制器以及启动电阻；

所述启动电阻的输入端连接输入电压；所述启动电阻的输出端与所述MOS主开关管的栅极连接；

其中，所述开关电源启动时，在限流模块的控制下，所述MOS主开关管导通进而提供启动电流，所述启动电流通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

优选的，上述开关电源中，所述控制器为原边控制器，其端口包括：VCC端、OUT端、SR端、VCS端以及GND端；

其中，OUT端与所述MOS主开关管的栅极连接，SR端与所述MOS主开关管的源极连接；GND端接地并通过调节电阻与VCS端连接；在开关电源启动时，对OUT端电压进行钳位，OUT端和VCC端均与GND断路，SR端与VCS端断路，通过SR端、VCC端为外部启动电容充电；启动完成后，SR端和VCC端断路，SR端与VCS端导通，通过OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

优选的，上述开关电源中，所述原边控制器的内部电路包括：启动电路、控制信号输出电路；

其中，所述启动电路在所述开关电源启动时，在对OUT端电压进行钳位的条件下，所述启动电路使所述MOS主开关管提供的电流依次通过SR端、限流模块、VCC端对所述开关电源的启动电容充电；所述控制信号输出电路在所述开关电源启动完成后，通过所述OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

优选的，上述开关电源中，所述启动电路通过一个反向截止二极管经过VCC端后与所述启动电容连接，所述反向二极管用以在电路启动后控制所述启动电路和控制信号输出电路断路，使所述启动电路在所述开关电源启动后对所述控制信号输出电路不起作用。

优选的，上述开关电源中，所述原边控制器通过第一开关连通SR端与VCS端，所述第一开关用以控制SR端与VCS端之间以及VCC端与VCS端之间的电路处于导通或是断路。

优选的，上述开关电源中，所述第一开关为MOS管。

优选的，上述开关电源中，在所述开关电源启动时，通过第二开关控制OUT端与VCC端断路。

优选的，上述开关电源中，所述第二开关为NPN型三极管。

优选的，上述开关电源中，在所述开关电源启动时，通过第三开关控制OUT端与GND端通路断开。

优选的，上述开关电源中，所述第三开关为MOS管。

优选的，上述开关电源中，所述限流模块包括：

限流元件，所述限流元件用于限制所述MOS主开关管的电流；

钳位元件，所述钳位元件用于对OUT端电压进行钳位；

其中，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接或者是分离设置。

优选的，上述开关电源中，所述限流元件为电阻元件或电感元件。

优选的，上述开关电源中，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件包括：

正输出端与所述OUT端连接的受电压控制的第一电流源；

输出端与所述第一电流源的负输入端连接的第一电压源；

其中，串联后的第一电流源和的第一电压源与所述限流元件并联后通过所述反向二极管连接VCC端。

优选的，上述开关电源中，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件包括：

PMOS管、MOS管镜像电流源；

其中，所述MOS管镜像电流源输出端连接OUT端，其输入端连接所述PMOS管漏极；所述PMOS管栅极和源极并联在所述限流元件两端。

优选的，上述开关电源中，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件为NMOS管，所述NMOS管漏极与OUT端连接，其栅极和源极并联在所述限流元件两端。

优选的，上述开关电源中，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件为稳压管，所述稳压管输入端连接与所述反向截止二极管与所述限流元件之间，其输出端连接OUT端。

优选的，上述开关电源中，所述限流元件与所述钳位元件分离设置时，所述钳位元件为：

设置在OUT端以及GND端之间的稳压管。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的驱动MOS管的开关电源，包括：变压器、与变压器连接的MOS主开关管、控制所述MOS主开关管开启和闭合的控制器、以及启动电阻，其特征在于，所述启动电阻的输入端连接输入电压；所述启动电阻的输出端与所述MOS主开关管的栅极连接；其中，所述开关电源启动时，在限流模块的控制下，所述MOS主开关管导通进而提供启动电流，所述启动电流通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电；启动完成后通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

由本发明技术方案可知，所述开关电源在进行启动时，在所述限流模块的控制下，所述MOS主开关管受控导通并提供启动电流，通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电。所述启动电流的大小由芯片内部电路设定为一个较大的合适的电流值，相对于现有技术中直接通过所述启动电阻为所述启动电容充电，本发明技术方案启动电流经过所述开关电源的主边电感Lm、所述MOS主开关管，然后通过其控制器内部电路，并通过所述限流模块调控后为所述启动电容充电，可通过对所述MOS主开关管的控制以及所述启动模块调控所述启动电流大小，使其为一个合适的较大值，所以能够使得启动电容电压快速到达所需要的启动电压值，使得所述控制器开始正常工作，完成开关电源的启动；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。因此，所述开关电源启动速度较快，有效缩短了启动时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种常见的驱动MOS管的开关电源的电路图；

图2为本发明实施例提供的一种驱动MOS管的开关电源的电路图；

图3为本发明实施例提供的另一种驱动MOS管的开关电源的电路图；

图4为本发明实施例提供的又一种驱动MOS管的开关电源的电路图；

图5为图4中所示开关电源的限流模块的另一种实现方式的电路图；

图6为图4中所示开关电源的限流模块的又一种实现方式的电路图；

图7为图6所示限流模块的等效电路图；

图8为本发明实施例提供的一种钳位元件和限流元件是独立设置的驱动MOS管的开关电源电路图。

具体实施方式

正如背景技术所述，如何在不改变现有集成电路其他性能的条件下，即在既不增加电路正常工作时的功率损耗，又不影响原边控制器的VCC端电压的情况下，改进所述驱动MOS管的开关电源电路，提高其启动速度，从而缩短启动时间是本发明技术方案所要解决的问题。

图1中所述开关电源的启动时间为：

$t=-\mathrm{Rst}\×C2\×\ln (1-\frac{\mathrm{VCC}\_\mathrm{ON}}{\mathrm{Vin}})$

上式等价于：

$t=\frac{C2\×\mathrm{VCC}\_\mathrm{ON}}{\mathrm{ICC}\_\mathrm{ST}}$

其中，ICC_ST是启动电流，即开关电源启动时对所述启动电容的充电电流。

由上式分析可知，由于启动电压值VCC_ON是一定的，所以，若想减少启动时间，加速集成电路的启动，还可以通过增大启动电流ICC_ST来实现。

发明人研究发现，所述开关电源的MOS主开关管Q1在集成电路启动时没有工作。同时，鉴于所述MOS主开关管Q1本身为一个电压控制元件的开关管且可以流过较大电流，所以可利用其上述特性并通过所述开关电源内部电路使得启动电流为一个合适的较大值，从而加快所述开关电源的启动速度。因此，本发明提供了一种驱动MOS管的开关电源，利用其所述MOS主开关管Q1实现所述开关电源的启动，加速了启动速度，缩短所述开关电源的启动时间，且不改变所述开关电源的其他性能。

基于上述研究，本发明提供了一种驱动MOS管的开关电源，该开关电源包括：变压器、与变压器连接的MOS主开关管、控制所述MOS主开关管开启和闭合的控制器、以及启动电阻；所述启动电阻的输入端连接输入电压；所述启动电阻的输出端与所述MOS主开关管的栅极连接；

其中，所述开关电源启动时，在限流模块的控制下，所述MOS主开关管导通进而提供启动电流，所述启动电流通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

所述开关电源在进行启动时，在所述限流模块的控制下，所述MOS主开关管受控导通并提供一个较大的启动电流，通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电。所述启动电流的大小由芯片内部电路设定为一个较大的合适的电流值，相对于现有技术中直接通过所述启动电阻为所述启动电容充电，增大了启动电流，所以能够使得启动电容电压快速到达所需要的启动电压值，使得所述控制器开始正常工作，完成开关电源的启动；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。因此，所述开关电源启动速度较快，有效缩短了启动时间。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例的具体附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。

实施例一：

基于所述核心思想，本实施例提供了一种驱动MOS管的开关电源，所述开关电源的启动电阻的输入端连接输入电压；所述启动电阻的输出端与所述开关电源的MOS主开关管的栅极连接。

启动时，在限流模块的控制下，所述MOS主开关管导通进而提供启动电流，所述启动电流通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

需要说明的是，所述限流模块可独立于所述控制器外分别单独设置，还可以将所述限流模块集成于所述控制器内部。由于将所述限流模块集成于所述控制器内部集成度更高，能够减小开关电源电路的空间体积，所以本发明实施例优选的将所述限流模块集成于所述控制器内部。

所述开关电源的限流模块包括相互耦合的限流元件和钳位元件。

参考图2，图2为本实施例所提供的一种驱动MOS管的开关电源的电路图，所述开关电源为原边控制开关电源，包括：

启动电阻Rst，所述启动电阻Rst的输入端连接输入电压Vin，其输出端连接所述开关电源的MOS主开关管Q1的栅极；

原边控制器U2，图2中较大虚线方框所示部分，所述原边控制器U2的端口包括：VCC端、OUT端、SR端、VCS端以及GND端；其中，OUT端与所述MOS主开关管Q1的栅极连接，SR端与所述MOS主开关管Q1的源极连接；GND端接地并通过调节电阻Rcs与VCS端连接；在开关电源启动时，对OUT端电压进行钳位，OUT端和VCC端均与GND断路，SR端与VCS端断路，通过SR端、VCC端为外部启动电容充电；启动完成后，SR端和VCC端断路，SR端与VCS端导通，通过OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管Q1的开关状态；

变压器T1，所述变压器T1包括：主边电感Lm、副边电感Lsec、辅助边电感Laux，其中，所述主边电感Lm的输入端连接所述输入电压Vin和所述启动电阻Rst的输入端，输出端连接所述MOS主开关管Q1的漏极；所述副边电感Lsec连接负载电路；所述辅助边电感输入端通过二极管D2连接所述启动电容C2，其输出端接地。

所述开关电源启动时，所述MOS主开关管Q1将受控导通，然后通过所述原边控制器U2的SR端、VCC端，对与所述VCC端连接的启动电容C2充电；启动完成后，SR端与VCC端之间电路断开，并且SR端与VCS端之间电路导通，通过OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管Q1的开关状态。其中，可通过第一开关M1控制SR端和VCS端之间的导通和断路。

具体的，所述原边控制器内部电路包括：启动电路、控制信号输出电路。所述启动电路在所述开关电源启动时，在对OUT端电压进行钳位的条件下，即对所述MOS主开关管Q1的栅极电压进行控制，使得所述MOS主开关管Q1受控导通，并通过限流模块10控制启动电流的大小，使其为一个合适的较大值，所述启动电流依次通过SR端、限流模块10、VCC端对所述启动电容C2充电；所述控制信号输出电路在所述开关电源启动完成后，通过所述OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管Q1的开关状态。

现有技术直接通过启动电阻Rst为所述启动电容C2充电，即启动电流流经过启动电阻Rst后直接对所述启动电容C2充电以启动开关电源，即启动开关电源的原边控制器，而上述启动方式为了缩短启动时间只能减小启动电阻Rst或是减小启动电容C2，但是如上分析这样会影响开关电源的其他特性。而本实施例技术方案，所述启动电阻并不提高启动电流，其作用时在开关电源启动阶段，即所述原边控制器启动阶段控制所述MOS主开关管导通，在输入电压Vin作用下，启动电流经过主边电感Lm、所述MOS主开关管、SR端、所述限流模块、VCC端这条电路为所述启动电容充电进行启动。此时，可通过所述MOS主开关管电压特性以及限流模块控制流经所述电路的启动电流的大小，使其为一个合适的较大值，增大了启动电流，从而提高了启动速度。

所述启动电路通过一个反向截止二极管D1经过VCC端后与所述启动电容连接，所述反向二极管D1用以在电路启动后控制所述启动电路和控制信号输出电路断路，使所述启动电路在所述开关电源启动后对所述控制信号输出电路不起作用。所述反向二极管D1输出端连接VCC端后与所述启动电容C2的输入端连接；其输入端与所述限流模块10的输出端连接。

所述限流模块10包括：钳位元件，所述钳位元件用于对OUT端电压进行钳位，在所述开关电源启动时，使所述MOS主开关管受控导通；限流元件，所述限流元件用于限制所述MOS主开关管Q1电流的限流元件，即用于控制所述启动电流为一个适当值的较大电流值，避免由于电流过大而造成所述MOS主开关管Q1被烧坏。

所述限流元件与所述钳位元件可以相互耦合连接或者是分离设置。本实施例所述限流模块10是由相互耦合在一起的限流元件和钳位元件构成，即所述限流模块10有两个输入端：与SR端连接的限流元件输入端11；与OUT端连接的钳位元件输入端12。其输出端13连接所述反向截止二极管D1的输入端。

其中，所述控制信号输出电路包括：控制模块（图中较小虚线方框所示部分）、第一开关M1。所述第二开关Q2的第一输入端连接电压源Va；其第二输入端依次通过开关k3、后连接电压源Vb，同时通过开关k2与所述GND端连接后接地；其输出端连接所述OUT端以及所述第三开关k1；所述第一开关M1连接于所述SR端以及VCS端之间。其中圆圈中所示箭头表示该处电流I1的方向。

和常规的控制芯片一样，在在启动之后的正常工作过程中，OUT端输出方波信号，驱动所述MOS主开关管Q1的栅极。当OUT端为“高”电平时，所述MOS主开关管Q1导通，这样Vin到地就有一个通路，这个通路是：输入信号Vin→主边电感Lm的输入端→主边电感Lm的输出端→所述MOS主开关管Q1的漏极→所述MOS主开关管Q1的源极→SR端→VCS端→Rcs的输入端→Rcs的输出端→地，有电流Ipri（即此时经过所述MOS主开关管Q1漏极和源极之间的电流）由Vin经过变压器T1的主边电感Lm和所述MOS主开关管Q1流向接地端，变压器T1的副边电感Lsec和辅助边电感Laux中电流为0，变压器T1的能量存储在主边电感Lm中；OUT端为“低”电平时，所述MOS主开关管Q1截止，变压器T1的主边电感Lm和所述MOS主开关管Q1中的电流Ipri为0，变压器T1的副边电感Lsec中有电流Isec流过，同时变压器T1辅助边电感Laux中有电流Iaux流过，主边电感Lm中存储的能量转移到副边电感Lsec和辅助边电感Laux中。

由上所述，本实施例所述驱动MOS管的开关电源在电路启动时缩短了开关电源的启动时间；同时保证了所述开关电源的其他性能，保证在启动后开关电源可以正常工作。

需要说明的是本发明所述技术方案在于提供一种驱动MOS管的开关电源，与采用其他开关管作为主开关管的开关电源不同的是，其MOS主开关管有自身特有的工作特性，为了使其能够在启动阶段提供可控的较大的启动电流用于启动所述开关电源，并在启动完成后控制变压器的恒定输出，所述原边控制器U2其端口的导通与否的控制是技术方案实现的关键。

下面所述开关电源的原边控制器U2的具体内部电路介绍所述开关电源的设计原理。

参考图3，图3为本发明提供的另一种驱动MOS管的开关电源的电路图，所述限流模块10（图3中实线方框所示结构）包括：限流元件Ri，所述限流元件Ri为电阻值为Ri的电阻或电感等电子元件，钳位元件，所述钳位元件包括：正控制输出端与所述OUT端连接的受电压控制的第一电流源G1；输入端与所述第一电流源的负输入端连接的第一电压源V1；其中，串联后的第一电流源G1和的第一电压源V1与所述限流元件Ri并联后通过所述反向二极管D1连接VCC端，即所述第一电流源G1的正控制输入端如所述限流元件Ri的输入端连接，所述第一电压源的输出端与所述限流元件Ri的输出端。

所述限流模块10与所述反向截止二极管D1构成所述原边控制器内部的启动电路。在所述开关电源启动时，所述启动电路配合所述原边控制器U2外部元件启动电阻Rst、主边电感Lm、MOS主开关管Q1、以及启动电容C2共同完成所述开关电源的启动。

图3中所示开关电源在保证其他性能不变的条件下，通过控制其所述MOS主开关管Q1的导通从而在启动阶段为所述启动电容C2提供一个合适的较大的启动电流，以此加快所述开关电源的启动速度，满足了驱动所述MOS主开关管Q1的三个条件。

第一：在快速启动的同时保证了启动时所述MOS主开关管Q1消耗的功率小于等于其允许的最大耗散功率，以避免所述MOS主开关管Q1由于启动电流过大而被烧坏。

通过所述第一开关管M1在所述开关电源启动时用以使所述MOS主开关管Q1的源极和所述VCS端断路，所述第一开关M1可以采用MOS管或其他具有开关特性的电子元件。

同时，所述第一开关M1还配合所述原边控制器U2内部启动电路避免所述MOS主开关管Q1被损坏，即确保所述MOS主开关管Q1上消耗的功率小于等于其允许的最大耗散功率，即：

${\mathrm{ID}}_{Q1}\≤\frac{{\mathrm{PD}}_{Q1}}{V{\mathrm{ds}}_{Q1}}$

ID_Q1是流过Q1的瞬时电流，PD_Q1是所述MOS主开关管Q1允许的最大耗散功率，Vds_Q1是所述MOS主开关管Q1漏极和源极之间的电压差。如果启动时所述MOS主开关管Q1的源极和所述VCS端不为断路，则有：

${\mathrm{ID}}_{Q1}=\mathrm{ICC}\_\mathrm{ST}+\frac{{\mathrm{VS}}_{Q1}}{\mathrm{Rcs}}$

VS_Q1是所述MOS主开关管Q1源极的电压，且VS_Q1_max≥VCC_ON。此时会导致所述MOS主开关管Q1上消耗的功率大于其最大耗散功率，从而导致所述MOS主开关管Q1的损坏。

本实施例所述第一开关管M1采用MOS管，在启动的过程中，所述第一开关管M1控制信号电压VDD为0V，即所述第一开关M1处于关断状态，所述MOS主开关管Q1中的电流不会流过控制电阻Rcs，此时有：

ID_Q1＝ICC_ST

在开关电源完成启动后开始正常工作的过程中，所述电压VDD为“高”电平，即所述第一开关M1处于导通状态，将SR端和VCS端连接起来，此时所述第一开关M1不影响芯片的正常工作。同时，通过所述启动电路来确保ICC_ST不会过大，通过图2中电路可得：

Vin-gm*（ICC_ST*Ri-V1）*Rst=VCC+ICC_ST*Ri+Vbe+Vth_Q1其中，Vbe是D1的正向导通压降，Vth_Q1是Q1的阈值电压。由上式得：

$\mathrm{ICC}\_\mathrm{ST}=\frac{\mathrm{Vin}+\mathrm{gm}*V1*\mathrm{Rst}-\mathrm{VCC}-\mathrm{Vbe}-{\mathrm{Vth}}_{Q1}}{\mathrm{Ri}*(1+\mathrm{Rst}*\mathrm{gm})}$

上述ICC_ST的表达式中Vin,VCC,Vbe,Vth_Q1是常量（是固定值），所以，通过设置限流元件Ri、所述第一电流源G1的跨导gm、启动电阻Rst、所述第一电压源V1之间的关系来设置启动电流ICC_ST的大小，使得有：

${\mathrm{ID}}_{Q1}=\mathrm{ICC}\_\mathrm{ST}\≤\frac{{\mathrm{PD}}_{Q1}}{{\mathrm{Vds}}_{Q1}}$

从而确保了启动时所述MOS主开关管Q1消耗的功率小于等于其允许的最大耗散功率。

如可以把上述这4个参数值设计到需要的值上。在我们的设计中，gm*Rst远大于1，gm*V1*Rst远大于Vin-Vcc-Vbe-Vth_Q1，所以ICC_ST可以简化为：

$\mathrm{ICC}\_\mathrm{ST}\≈\frac{\mathrm{gm}*V1*\mathrm{Rst}}{\mathrm{Ri}*\mathrm{Rst}*\mathrm{gm}}=\frac{V1}{\mathrm{Ri}}$

假设选定了固定大小的第一电压源V1，那么如果选择一个大的限流元件Ri，所得到的启动电流ICC_ST就小，而如果我们选择了一个小的限流元件Ri，所得到的ICC_ST就大。同理，如果选定了固定大小的限流元件Ri，那么如果选择一个大的第一电压源V1，所得到的ICC_ST就大，如果我们选择了一个小的第一电压源V1，所得到的启动电流ICC_ST就小。因此，能够控制启动电流为一个合适的较大值，从而加快启动速度。其中，所述电流很小是相对于上述限流过程之后而而言的，而相比于现有技术直接通过启动电阻进行启动的启动电流而言，这里所述的电流很小也是大于现有技术中的启动电流的。

第二：在所述开关电源启动时，可以使得所述MOS主开关管Q1顺利导通。

在所述开关电源刚好启动的时候，有：

Vout=VCC_ON+Vbe+V_Ri+VGS

要使开关电源启动时，要使开关电源能够启动，则VCC端电压VCC必须要能够达到启动电压VCC_ON，这就需要OUT端电压满足：

Vout≥VCC_ON+Vbe+V_Ri+VGS

也就是说启动公式为：

Vout_max-VCC_ON≥Vbe+ICC_ST*Ri+Vth_Q1

其中，Vout_max为所述OUT端电压Vout的最大值；VGS为所述MOS主开关管Q1栅极和源极的压降；V_Ri为限流元件Ri两端的压降。

本实施例所述开关电源，在所述开关电源启动时，OUT端和GND端断开；同时，对OUT端电压进行钳位，将电流通过所述MOS主开关管Q1上午漏极和源极、经过限流模块10、经过SR端为所述启动电容C2充电。此时，有关系式：

$\mathrm{Vout}=\mathrm{Vin}*\frac{R_{\mathrm{OG}}}{R_{\mathrm{OG}}+\mathrm{Rst}}$ 和Vout≥VCC_ON+Vbe+Vth_Q1

通过上述两关系式可得所述OUT端与所述GND端之间的等效阻抗R_OG为：

$R_{\mathrm{OG}}\≥\mathrm{Rst}*\frac{\mathrm{VCC}\_\mathrm{ON}+\mathrm{Vbe}+{\mathrm{Vth}}_{Q1}}{{\mathrm{Vin}}_{\min }-(\mathrm{VCC}\_\mathrm{ON}+\mathrm{Vbe}+{\mathrm{Vth}}_{Q1})}$

开关电源必须要满足上述公式才能满足所述启动公式。其中，Vin_min为所述开关电源工作时的最低线电压。

由于启动过程中需要Vout=VCC+Vbe+Vth_Q1，如果OUT端对GND端有电流通路，或者OUT端对VCC端由电流通路，使得电压Vout-VCC<Vbe+Vth_Q1,那么就会导致VGS<Vth_Q1，从而使所述MOS主开关管Q1不能开启，即Q1不导通。如果OUT端对VCC端有电流通路，导致Q1不能导通，此时电流只能经过启动电阻Rst→OUT端→VCC端流进而流向启动电容C2为其充电。这种情况下VCC电容通过流过启动电阻Rst的电流充电，该电流很小，故而需要很长的启动时间，不能达到快速启动的目的。

本实施例通过第三开关k1来控制所述OUT端和GND端的导通状态，即可以在所述开关电源启动时，通过断开所述第三开关k1使得所述OUT端和GND端之间断路。同时，通过第二开关Q2来控制所述OUT端和VCC端之间电路的断路，如在所述开关电源启动时，所述OUT端对图2中电压源Va和结点base都被断开，则所述OUT端和VCC端没有电流通过。优选的，所述第二开关采用NPN三极管，所述第三开关采用MOS管。

需要说明的是，本发明技术方案所述第一开关、第二开关以及第三开关的实现方式并不局限于实施例以及附图中所述器件，只要包括任意可实现所述功能的所有电子器件。

第三：能够保证启动完成后，所述开关电源可以正常工作，通过OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管Q1的开关状态，维持稳定的输出。

当所述开关电源启动完成以后，即所述原边控制器U2开始工作，通过其OUT端输出控制信号时，Ml导通，Vsr≈Vcs＜VCC，通过Dl反向截止，使电阻Ri中没有电流流过，电流源Gl的正输入端电压V+小于负输入端电压V-，即电流源Gl不对OUT端造成影响。此时，用于启动开关电源的启动电路不对控制信号输出电路产生作用。其中，所述Vsr、Vcs分别为SR端以及VCS端的电压。

具体的，当VCC端当前电压VCC大于开启电压VCC_ON时，U2正常工作，VDD=‘l’，Ml导通，D1反向偏置，Gl中的电流为O。

当开关k2和所述第三开关k1控制信号K有效时，即K=‘l’，此时开关k3的控制信号

无效，即

时，即此时K1，K2断开，K3闭合，所述第二开关Q2以Ie_Q2=I1*(1+β)对所述MOS主开关管Q1的栅极充电。其中，所述Ie_Q2为所述电流第二开关Q2发射极电流，β为其放大倍数。

当Vout＞Vth_Q1时，Ql导通，Vin到地就有一个通路，这个通路是：输入信号Vin→主边电感Lm的输入端→主边电感Lm的输出端→所述MOS主开关管Ql的漏极→所述MOS主开关管Ql的源极→SR端→VCS端→Rcs的输入端→Rcs的输出端→地，所以有电流Ipri由Vin经过变压器T1的主边电感Lm、所述MOS主开关管Ql和控制电阻Rcs流向接地端，变压器Tl的副边电感Lsec和辅助边电感Laux中电流为0，变压器的能量存储在主边电感Lm中；当K=‘0’，

时，k1，k2闭合，k3断开，OUT被kl拉到GND接地，这时所述MOS主开关管Ql截止，变压器的主边电感Lm和Ql中的电流Ipri为0，变压器的副边电感Lsec中有电流Isec流过，同时变压器辅助边电感Laux中有电流Iaux流过，主边电感Lm中的存储的能量转移到副边电感Lesc和辅助边电感Laux中。由此系统完成一次能量转移过程。

由上述三点可知，本实施例所述开关电源在启动阶段能够由受控的MOS主开关管提供启动电流以加快启动，缩短启动时间；同时，在启动完成后通过将控制信号输出电路和启动电路断开，通过所述OUT端输出控制信号，控制变压器T1的稳定输出。

需要说明的是，图3是在图2中所示开关电源电路基础上示出了所述限流模块10的一种具体设计方案，其控制信号输出电路的设计方案与图2中相同，包括：控制模块、第一开关M1。

同样，在所述开关电源启动阶段，所述第二开关Q2反向截止，对OUT端电压进行钳位，使得所述MOS主开关管Q1开启，即通过启动电路为所述启动电容C2充电；所述控制信号输出电路此时不工作。其中，所述第一电压源V1根据需要去设定电压值；电压源Va、电压源Vb可以为任意电压值，作为参考电压；电流源G1的电流I=gm*ICC_ST*Ri。

启动完成后，第一开关M1闭合，通过控制k1、k2、k3的开关状态来输出控制信号，通过OUT端控制所述MOS主开关管Q1的开关状态，进而控制变压器T1的稳定输出。其中电压源Va、电压源Vb提供基准电压Va、Vb，所述第一电压源V1等于设定的电压值。此时，由于第一开关M1闭合，将SR端电压拉低，所以所述反向截止D1反向偏置，处于截止状态，限流元件Ri中没有电流，第一电流源G1中没有电流通过。从而将启动电路与控制电路分离，通过控制信号输出电路输出控制信号。

综上所述，本实施例所述开关电源通过所述启动电路对启动电容C2充电，启动电流的路径：输入信号Vin→变压器主边电感Lm→所述MOS主开关管Q1漏极→所述MOS主开关管Q1的源极→SR端→所述限流模块10→所述反向截止二极管D1→VCC端，从而为所述启动电容C2充电。通过设置所述控制器内部电路设定启动电流的大小，设定一个合适的较大的启动电流值来满足小的启动时间的要求，完成开关电源的启动。启动完成后，通过内部电路控制SR端对VCC断路，所述原边控制器开始进行输出控制，通过OUT端输出控制信号。因此，该开关电源在保证其他性能的条件下，提高了开关电源的启动速度，有效缩短了开关电源的启动时间。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例提供了又一种驱动MOS管的开关电源，参考图4，本实施例所述开关电源其限流模块10的钳位元件由MOS管M8、M9以及PMOS管M7组成的镜像电路实现，限流元件Ri由电感或是电阻等电子元件实现。

所述开关电源能够实现实施例一中所述第一电流源G1和第一电压源V1相同的功能。即所述PMOS管M7的阈值电压与所述第一电压源V1的电源相同；其跨导的跨导gm=μ_p*C_ox*(W/L)*(Vgs-Vthp)，与所述第一电流源G1的跨导相同。其中μ_p空穴迁移率，C_ox是栅氧化层电容，W是所述PMOS管M7的沟道宽度，L是其沟道长度，Vgs是其栅极和源极之间的电压差，Vthp是其阈值电压。

与上述实施例相同，所述开关电源的控制信号输出电路同样包括：控制模块（图4中较小虚线方框所示结构）及第一开关M1。

具体的，本实施例通过MOS管M2实现实施例一中所述第三开关k1，通过MOS管M3实现实施例一中所述开关k2，通过MOS管M6实现实施例一中所述开关k3。并通过由MOS管M4、M5组成的镜像电路实现所述电压源Va和电压源Vb相同的功能。此时，当M6导通时，有电流I1流过所述镜像电路，因此M5的漏极输出一个和I1同样大小的电流，提供给Q2的基极，使Q2开启。

在系统刚上电时，VDD=0V，Va=0V，开关电源进入启动过程时，K=‘1’,所以M2和M3均截止，因Va=0V，所以所述第二开关Q2的E-B结（发射极-基极之间的PN结）被反向偏置，没有电流流过述第二开关Q2。所以此时OUT端对GND端没有直流通路。输入电压Vin通过启动电阻Rst对所述MOS主开关管Q1的寄生电容充电，当Vout=Vth_Q1时，所述MOS主开关管Q1导通。因VDD=0V，所述第一开关M1截止，所以所述MOS主开关管Q1的电流经过其漏极和源极后，通过SR端，经过限流模块，再经过所述反向截止二极管D1对与VCC端连接的启动电容C2进行充电，进行启动。如前所述，启动电流为：

$\mathrm{ICC}\_\mathrm{ST}=\frac{\mathrm{Vin}+\mathrm{gm}*\mathrm{Vgs}*\mathrm{Rst}-\mathrm{VCC}-\mathrm{Vbe}-{\mathrm{Vth}}_{Q1}}{\mathrm{Ri}*(1+\mathrm{Rst}*\mathrm{gm})}$

因为：

gm*Vgs*Rst>>Vin-VCC-Vbe-Vth_Q1；gm*Rst>>1

所以有：

$\mathrm{ICC}\_\mathrm{ST}\&ap;\frac{\mathrm{gm}*\mathrm{Vgs}*\mathrm{Rst}}{\mathrm{Ri}*\mathrm{Rst}*\mathrm{gm}}=\frac{\mathrm{Vgs}}{\mathrm{Ri}}$

整个电路系统以启动电流ICC_ST对启动电容C2充电，使VCC电压由0V线性上升。当VCC=VCC_ON时，开关电源完成启动。此时VDD=‘1’，所述第一开关M1导通；

K=‘0’，所述MOS主开关管Q1的基极电压为零，Q1截止。由于SR端、VCS端之间电路导通，则Vsr、Vcs均为零，又由于VCC端电压为VCC_ON，所以此时所述反向截止二极管D1反向偏置，故所述限流元件Ri中没有电流，则M7的漏极电流Id7、M9的漏极电流Id9均为零。所以，此时由限流模块和所述反向截止二极管D1构成的启动电路不会影响控制电路的输出。

所述开关电源启动后，控制信号输出电路开始驱动所述MOS主开关管Q1。当K=‘1’，

时，M2和M3均截止，M6开启，M4中有电流I1流过，通过M5、M4的镜像，M5为所述第二开关Q2的基极提供Id5=A*I1的电流，所述第二开关Q2的发射极能够为所述MOS主开关管Q1的栅极提供Ie_Q2=(1+β)*A*I1的电流，使所述MOS主开关管Q1开启。其中，

即M5的沟道宽度与M5沟道长度的比值除以M4的沟道宽度与M4沟道长度的比值，β=Ic/Ib是所述第二开关Q2的电流放大倍数。当K=‘0’，KN=‘1’时，M6截止，M4中没有电流流过，M4和M5均保持截止，同时M2和M3导通，将所述第二开关Q2的基极和发射极连接到GND端，因此Q2所述第二开关截止，所述MOS主开关管Q1截止。所以，图4所示开关电源与上述实施例相同也可在启动阶段通过控制所述MOS主开关管Q1导通，并通过限流模块使得启动电流经过所述MOS主开关管Q1导通、SR端、限流模块、反向截止二极管D1、VCC端为启动电容C2充电，且能够控制启动电流的大小，使其为一个合适的较大值，加快启动速度，同时在启动完成后将启动电路与控制信号输出电路断路，保证输出控制信号不受到所述启动电路的影响。

参考图5，图5为图4所示开关电源限流模块10的另一种实现方式，所述钳位元件通过MOS管M10实现。所述MOS管M10具有实施例一中所述第一电流源G1和第一电压源V1同样的功能。其阈值电压与所述第一电压源V1的电压值相同；其的跨导gm=μ_n*C_ox*(W/L)*(Vgs-Vthp)，等于所述第一电流源G1的跨导。

参考图6，图6为图4所示开关电源限流模块10的又一种实现方式，所述钳位元件通过稳压管Z1实现。所述稳压管Z1的输入端与所述反向截止二极管D1的输入端和所述限流元件Ri的输出端连接，其输出端连接OUT端。参考图7，图7为图6中所示限流模块电路图的等效电路图，即所述稳压管Z1可用第二电流源G2实现。所述第二电流源G2或是稳压管Z1可在所述第二开关Q2的控制下对所述MOS主开关管的栅极电压进行钳位控制，控制其导通与否。

同样，图5以及图6中所示开关电源均可在启动阶段通过控制所述MOS主开关管Q1导通，并通过限流模块使得启动电流经过所述MOS主开关管Q1导通、SR端、限流模块、反向截止二极管D1、VCC端为启动电容C2充电，且能够控制启动电流的大小，使其为一个合适的较大值，加快启动速度，同时在启动完成后将启动电路与控制信号输出电路断路，保证输出控制信号不受到所述启动电路的影响。

本实施例所述开关电源启动和启动后的工作阶段的工作过程与实施例一中相同，参照实施例一中开关的闭合与断开，本实施例中MOS管做对应的导通截止即可实现实施例一种相同的效果，实现开关电源的快速启动。

需要说明的是，本实施例所述开关电源为实施例一中所述开关电源的原边控制器内部电路的具体实现方式，其外部电路部件以及其连接方式与实施例一中相同。

本实施例所述开关电源可以通过控制器MOS主开关管，是启动电流经过特有的电流路径：输入信号Vin→变压器主边电感Lm→所述MOS主开关管Q1漏极→所述MOS主开关管Q1的源极→SR端→所述限流模块10→所述反向截止二极管D1→VCC端，从而为所述启动电容C2充电。同样，通过设置所述控制器内部电路设定启动电流的大小，设定一个合适的较大的启动电流值来满足小的启动时间的要求，完成开关电源的启动。启动完成后，通过内部电路控制SR端对VCC断路，所述原边控制器开始进行输出控制，通过OUT端输出控制信号。因此，该开关电源在保证其他性能的条件下，提高了开关电源的启动速度，有效缩短了开关电源的启动时间。

实施例三

在上述施例的基础上，本实施例提供了又一种驱动MOS管的开关电源，

与实施例一和实施例二不同的是，本实施例所述开关电源的限流模块的钳位元件和限流元件是独立设置的，其他组成部件、电路结构、各端口及其功能均相同。

参考图8，图8为本实施例所提供的一种钳位元件和限流元件是独立设置的驱动MOS管的开关电源电路图，其限流元件Ri可采用电感或是电阻等电子元件，本实施例优选的采用电阻元件，所述限流元件Ri的输入端连接SR端，输出端连接所述反向截止二极管D1的输入端。所述钳位元件采用稳压管Z2，所述稳压管Z2输出端连接OUT端，输入端连接GND端。

同样，所述钳位元件用于对OUT端的电压进行钳位，在所述开关电源启动时控制所述MOS主开关管的导通，同时通过所述限流元件限制经过所述MOS主开关管的漏极和源极的电流，避免由于电流过大烧坏所述MOS主开关管。即所述开关电源的启动电流是经过所述MOS主开关管的漏极和源极的电流，并在所述原边控制器内部电路控制下以一个合适的较大的值为通过SR端、限流元件Ri、反向截止二极管D1、VCC端后为启动电容C2充电，完成快速启动。

所述控制信号输出电路与实施例一中相同，启动完成后的控制过程与实施例一中相同。

本实施例所述开关电源同样是通过所述MOS主开关管受控导通并提供启动电流，通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电。所述启动电流的大小由芯片内部电路设定为一个较大的合适的电流值，相对于现有技术中直接通过所述启动电阻为所述启动电容充电，增大了启动电流，所以能够使得启动电容电压快速到达所需要的启动电压值，使得所述控制器开始正常工作，完成开关电源的启动；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。因此，所述开关电源启动速度较快，有效缩短了启动时间。

需要说明的是，本发明技术方案旨在对驱动MOS管的开关电源的启动方式进行改进，以提高其启动速度，缩短启动所用时间，所述开关电源输入电压Vin之前的整流电路以及与副边电感Lsec连接的负载电路与现有技术相同，故图2中并未示出所述结构。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (17)

1.一种驱动MOS管的开关电源，其特征在于，包括：

变压器、与所述变压器连接的MOS主开关管、控制所述MOS主开关管开启和闭合的控制器以及启动电阻；

所述启动电阻的输入端连接输入电压；所述启动电阻的输出端与所述MOS主开关管的栅极连接；

其中，所述开关电源启动时，在限流模块的控制下，所述MOS主开关管导通进而提供启动电流，所述启动电流通过所述控制器内部电路后为所述开关电源的启动电容充电；启动完成后，通过所述控制器内部电路输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制器为原边控制器，其端口包括：VCC端、OUT端、SR端、VCS端以及GND端；

其中，OUT端与所述MOS主开关管的栅极连接，SR端与所述MOS主开关管的源极连接；GND端接地并通过调节电阻与VCS端连接；在开关电源启动时，对OUT端电压进行钳位，OUT端和VCC端均与GND断路，SR端与VCS端断路，通过SR端、VCC端为外部启动电容充电；启动完成后，SR端和VCC端断路，SR端与VCS端导通，通过OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述原边控制器的内部电路包括：启动电路、控制信号输出电路；

其中，所述启动电路在所述开关电源启动时，在对OUT端电压进行钳位的条件下，所述启动电路使所述MOS主开关管提供的电流依次通过SR端、限流模块、VCC端对所述开关电源的启动电容充电；所述控制信号输出电路在所述开关电源启动完成后，通过所述OUT端输出控制信号控制所述MOS主开关管的开关状态。

4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述启动电路通过一个反向截止二极管经过VCC端后与所述启动电容连接，所述反向二极管用以在电路启动后控制所述启动电路和控制信号输出电路断路，使所述启动电路在所述开关电源启动后对所述控制信号输出电路不起作用。

5.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述原边控制器通过第一开关连通SR端与VCS端，所述第一开关用以控制SR端与VCS端之间以及VCC端与VCS端之间的电路处于导通或是断路。

6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述第一开关为MOS管。

7.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，在所述开关电源启动时，通过第二开关控制OUT端与VCC端断路。

8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述第二开关为NPN型三极管。

9.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，在所述开关电源启动时，通过第三开关控制OUT端与GND端通路断开。

10.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述第三开关为MOS管。

11.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述限流模块包括：

限流元件，所述限流元件用于限制所述MOS主开关管的电流；

钳位元件，所述钳位元件用于对OUT端电压进行钳位；

其中，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接或者是分离设置。

12.根据权利要求11所述的开关电源，其特征在于，所述限流元件为电阻元件或电感元件。

13.根据权利要求11所述的开关电源，其特征在于，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件包括：

正输出端与所述OUT端连接的受电压控制的第一电流源；

输出端与所述第一电流源的负输入端连接的第一电压源；

其中，串联后的第一电流源和的第一电压源与所述限流元件并联后通过所述反向二极管连接VCC端。

14.据权利要求11所述的开关电源，其特征在于，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件包括：

PMOS管、MOS管镜像电流源；

其中，所述MOS管镜像电流源输出端连接OUT端，其输入端连接所述PMOS管漏极；所述PMOS管栅极和源极并联在所述限流元件两端。

15.根据权利要求11所述的开关电源，其特征在于，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件为NMOS管，所述NMOS管漏极与OUT端连接，其栅极和源极并联在所述限流元件两端。

16.根据权利要求11所述的开关电源，其特征在于，所述限流元件与所述钳位元件相互耦合连接时，所述钳位元件为稳压管，所述稳压管输入端连接与所述反向截止二极管与所述限流元件之间，其输出端连接OUT端。

17.根据权利要求11所述的开关电源，其特征在于，所述限流元件与所述钳位元件分离设置时，所述钳位元件为：

设置在OUT端以及GND端之间的稳压管。

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