CN103138551A - 一种小电流启动和欠压保护电路的控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种启动及欠压保护电路，包括启动电压检测模块和电压迟滞的状态锁存器，启动电压检测模块，用于检测芯片的供电电压，当供电电压高于上限电压阈值时，使能端输出使能信号，开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块；电压迟滞的状态锁存器，当供电电压低于下限电压阈值，使能信号关闭芯片的PWM控制模块时，实现欠压保护的功能。上述方案通过在开关电源芯片中集成亚微安级启动以及欠压保护电路，从而减小应用集成了本发明电路的PWM控制芯片的电源系统在启动电阻上消耗的功耗，降低了低待机功耗电系统的设计难度，提高电源系统的转换效率。

Description

一种小电流启动和欠压保护电路的控制方法与装置

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，具体而言，本发明涉及一种小电流启动和欠压保护电路的控制方法与装置。

背景技术

由于现代开关电源对于功耗的要求与日俱增，而且绿色开关电源是所有应用所必需的，而不仅是过去所指的手持式和电池供电系统，因此在保护环境生态的大前提下，降低电力线供电系统及电池供电系统的能耗都是必不可少的，对中国来说，这更可以带来特别的优点：降低燃煤发电站的负荷。这就不仅要求电源芯片控制核心具备低功耗特性，而且还要求它具备一些能进一步降低系统功耗的特性。

图1示了一个典型的开关电源应用方案，其中R_start为芯片的启动电阻，VCC端接320V电压，而芯片的VDD端电压为18V，那么流过R_start的电流为：

$I_{\mathrm{start}}=\frac{\mathrm{VCC}-\mathrm{VDD}}{R_{\mathrm{start}}}$

传统的芯片的启动电阻一般会在1M Ohm左右，那么当系统正常工作后消耗在该启动电阻上的功耗为：

$P_{\mathrm{diss}}=\frac{{(\mathrm{VCC}-\mathrm{VDD})}^2}{R}=\frac{{(311-16)}^2}{1000000}=87\mathrm{mW}$

由于能源之星出台了对现代小功率开关电源系统待机功耗要低于30mW，甚至低于4mW的要求，所以如果在启动电阻上消耗了过大的功耗，那么低功耗系统的设计难度就会大大的提高，电源系统的转换效率也受到影响。

因此，有必要提出有效的技术方案，解决现有技术中开关电源功率消耗过大的难题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别通过减小电源系统在启动电阻上消耗的功耗，降低了低待机功耗电系统的设计难度，提高电源系统的转换效率。

本发明实施例提出了一种启动及欠压保护电路，包括启动电压检测模块和电压迟滞的状态锁存器，

所述启动电压检测模块，用于检测芯片的供电电压，当所述供电电压高于上限电压阈值时，使能端输出使能信号，开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块；

电压迟滞的状态锁存器，当供电电压低于下限电压阈值，使能信号关闭芯片的PWM控制模块时，形成迟滞的电压关系，实现芯片欠压保护的功能。

本发明实施例还提出了一种开关电源，包括启动及欠压保护电路，PWM控制器，

所述启动及欠压保护电路，用于根据供电电压输出使能信号控制所述PWM控制器，其中，当所述供电电压高于上限电压阈值时，输出使能信号开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块，同时开关电源处于欠压保护状态；

所述PWM控制器，用于接收所述启动及欠压保护电路输出的使能信号和PWM控制信号输入，输出信号实现电源的开关。

本发明实施例提出的上述方案，通过在开关电源芯片中集成亚微安级启动以及欠压保护电路，从而减小应用集成了本发明电路的PWM控制芯片的电源系统在启动电阻上消耗的功耗，降低了低待机功耗电系统的设计难度，提高电源系统的转换效率。此外，本发明提出的上述方案，对现有的电路系统的改动很小，不会影响系统的兼容性，而且实现简单、高效。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为典型的开关电源应用方案；

图2为本发明实施例启动及欠压保护电路功能模块图；

图3为本发明实施例启动及欠压保护电路具体电路图；

图4为本发明实施例开关电源应用方案。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了实现本发明之目的，本发明实施例提出了一种启动及欠压保护电路，包括启动电压检测模块和电压迟滞的状态锁存器，

所述启动电压检测模块，用于检测芯片的供电电压，当所述供电电压高于上限电压阈值时，使能端输出使能信号，开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块；

电压迟滞的状态锁存器，当供电电压低于下限电压阈值，使能信号关闭芯片的PWM控制模块时，形成迟滞的电压关系，实现芯片欠压保护的功能。

如图2所示，为该电路模块的功能框图，该电路主要可以归结为一个启动检测模块和一个带电压迟滞的状态锁存器组成。

具体而言，启动电压检测模块通过所述启动电压检测模块通过比较芯片供电电压与芯片内部基准实现电压检测。

具体而言，电压迟滞的状态锁存器包括至少两个反相器。

图3展示了本发明启动与欠压保护电路实现，当芯片上电时，假设流过R1的最小启动电流为Imin，那么当M1刚好翻转时流过M1管的电流为I1，M1管的夸导为Gm1，开启阈值电压为Vth1，栅源电压为VGS1，得到以下等式：

$I_{\min }=\frac{1}{2}\mathrm{Gm}1*(V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{th}1})---\left(1\right)$

其中有：

V_GS1＝I_min*R1        (2)

此时M2管同时翻转，M2管的夸导为Gm2，开启阈值电压为Vth2，栅源电压为VGS2电流为：

$I2=\frac{1}{2}\mathrm{Gm}2*(V_{\mathrm{GS}2}-V_{\mathrm{th}2})---\left(3\right)$

其中：

V_GS2＝11*R2        (4)

结合(1)，(2)，(3)和(4)式可以求得：

$I_{\min }=\frac{\frac{1}{4}\mathrm{Gm}2*\mathrm{Gm}1*V_{\mathrm{th}1}*R2+\frac{1}{2}\mathrm{Gm}2\mathrm{Vth}2}{\frac{1}{4}\mathrm{Gm}2*\mathrm{Gm}1*R1*R2-1}---\left(5\right)$

由于分母中Gm2*Gm1*R1*R2＞＞1：

$I_{\min }\≈\frac{V_{\mathrm{th}1}}{R1}+\frac{2*V_{\mathrm{th}2}}{(\mathrm{Gm}1*R1*R2)}---\left(6\right)$

由于2*Vth2＜＜Gm2*R1*R2：

$I_{\min }\≈\frac{V_{\mathrm{th}1}}{R1}---\left(7\right)$

从(7)可以看出当启动电流Istart大于或等于I min时，电路启动。此时的VDD电压为：

${\mathrm{VDD}}_{\mathrm{start}}=\frac{V_{\mathrm{th}1}}{R1}*R4+V_{\mathrm{bv}1}+V_{\mathrm{bv}2}+V_{\mathrm{bv}3}+V_{\mathrm{th}1}---\left(8\right)$

(8)中的VDDstart本发明启动与欠压保护电路开启的上限电压阈值。当该启动电路正常工作时，由于M3管和M4管之间的正反馈关系，M3管的漏端电压被拉低，所以电路关闭时的电压会低于VDDstart，形成了一个迟滞的关系，实现了欠压保护的功能，具体的分析如下：

假设Ioff为本发明启动与欠压保护电路关闭时的流经R4的临界电流，其中Gm3为M3管的夸导，Gm4为M4管的夸导，Vth3和Vth4分别为M3和M4管的阈值电压，那么有如下关系：

$I_{\mathrm{off}}=\frac{1}{2}\mathrm{Gm}3*(V_{\mathrm{GS}3}-V_{\mathrm{th}3})---\left(9\right)$

其中：

$V_{\mathrm{GS}3}=\frac{1}{2}\mathrm{Gm}4*(I_{\mathrm{off}}*R4-\mathrm{Vth}4)*R5---\left(10\right)$

结合(9)和(10)整理可以得到以下关系：

$I_{\mathrm{off}}=\frac{\frac{1}{4}\mathrm{Gm}3*\mathrm{Gm}4*V_{\mathrm{th}4}*R5-\frac{1}{2}\mathrm{Gm}3*V_{\mathrm{th}3}}{\frac{1}{4}\mathrm{Gm}3*\mathrm{Gm}4*R4*R5-1}---\left(11\right)$

由于分母中Gm3*Gm4*R4*R5＞＞1，因此：

$I_{\mathrm{off}}\≈\frac{V_{\mathrm{th}4}}{R4}-\frac{2*V_{\mathrm{th}3}}{\mathrm{Gm}4*R4*R5}---\left(12\right)$

由于2*Vth3＜＜Gm4*R4*R5：

$I_{\mathrm{off}}\≈\frac{V_{\mathrm{th}4}}{R4}---\left(13\right)$

所以可以得到启动电路关闭时的下限阈值电压为：

V_off＝V_th4+V_bv1    (14)

该电路中的INV1和INV2为两个反相器，其作用用于将启动电路发生翻转时的信号转化为芯片中的逻辑信号，用于使能芯片中其余电路模块。

本发明实施例还提出了一种开关电源，包括启动及欠压保护电路，PWM控制器。

启动及欠压保护电路，用于根据供电电压输出使能信号控制所述PWM控制器，其中，当所述供电电压高于上限电压阈值时，输出使能信号开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块，同时开关电源处于欠压保护状态。

PWM控制器，用于接收所述启动及欠压保护电路输出的使能信号和PWM控制信号输入，输出信号实现电源的开关。

具体而言，所述启动及欠压保护电路包括启动电压检测模块和电压迟滞的状态锁存器。

启动电压检测模块用于检测芯片的供电电压，当所述供电电压高于上限电压阈值时，使能端输出使能信号，开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块；

电压迟滞的状态锁存器，当供电电压低于下限电压阈值，使能信号关闭芯片的PWM控制模块时，形成迟滞的电压关系，实现芯片欠压保护的功能。

具体而言，所述启动电压检测模块通过所述启动电压检测模块通过比较芯片供电电压与芯片内部基准实现电压检测。具体而言，所述电压迟滞的状态锁存器包括至少两个反相器。

图4为使用了该启动与欠压保护电路的应用实例，当芯片的供电电压高于上限电压阈值时，使能端输出使能信号，允许芯片正常工作，当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块。应用当中此模块可以很好的和传统的应用方案兼容，也就是说系统唯一需要改变的地方就是加大启动电阻以降低该电阻上的功耗。

本发明实施例提出的上述方案，通过在开关电源芯片中集成亚微安级启动以及欠压保护电路，从而减小应用集成了本发明电路的PWM控制芯片的电源系统在启动电阻上消耗的功耗，降低了低待机功耗电系统的设计难度，提高电源系统的转换效率。此外，本发明提出的上述方案，对现有的电路系统的改动很小，不会影响系统的兼容性，而且实现简单、高效。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。

因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种启动及欠压保护电路，其特征在于，包括启动电压检测模块和电压迟滞的状态锁存器，

所述启动电压检测模块，用于检测芯片的供电电压，当所述供电电压高于上限电压阈值时，使能端输出使能信号，开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块；

电压迟滞的状态锁存器，当供电电压低于下限电压阈值，使能信号关闭芯片的PWM控制模块时，形成电压迟滞的关系，实现芯片欠压保护的功能。

2.如权利要求1所述的启动及欠压保护电路，其特征在于，所述启动电压检测模块通过比较芯片供电电压与芯片内部基准实现电压检测。

3.如权利要求1所述的启动及欠压保护电路，其特征在于，所述电压迟滞的状态锁存器包括至少两个反相器。

4.一种开关电源，其特征在于，包括启动及欠压保护电路，PWM控制器，

所述启动及欠压保护电路，用于根据供电电压输出使能信号控制所述PWM控制器，其中，当所述供电电压高于上限电压阈值时，输出使能信号开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块，同时开关电源处于欠压保护状态；

所述PWM控制器，用于接收所述启动及欠压保护电路输出的使能信号和PWM控制信号输入，输出信号实现电源的开关。

5.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述启动及欠压保护电路包括启动电压检测模块和电压迟滞的状态锁存器，

所述启动电压检测模块，用于检测芯片的供电电压，当所述供电电压高于上限电压阈值时，使能端输出使能信号，开启芯片的PWM控制模块允许芯片正常工作；当供电电压低于下限电压阈值时，使能信号关闭芯片的PWM控制模块；

电压迟滞的状态锁存器，当供电电压低于下限电压阈值，使能信号关闭芯片的PWM控制模块时，形成迟滞的电压关系，实现芯片欠压保护的功能。

6.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述启动电压检测模块通过比较芯片供电电压与芯片内部基准实现电压检测。

7.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述电压迟滞的状态锁存器包括至少两个反相器。

Images