CN103199690B - 应用于反激式电源的x电容放电控制装置 - Google Patents

应用于反激式电源的x电容放电控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于反激式电源的X电容放电控制装置，包括高压启动电路、交流电源检测电路和X电容放电电路；高压启动电路在反激式电源的X电容两端接通交流电源后以恒定电流给反激式电源的控制芯片的电源稳压电容充电，并在该电源稳压电容两端的电压达到所述控制芯片的工作电压之后关闭；交流电压检测电路，在高压启动电路关闭之后进入交流电压检测模式，检测所述X电容两端有无交流电压；当所述交流电压检测电路没有检测到所述X电容两端有交流电压时，控制所述X电容放电电路为所述X电容放电。本发明既可以加快X电容放电，又可以消除X电阻上的待机功耗。

Description

应用于反激式电源的X电容放电控制装置
技术领域
本发明涉及一种放电控制装置，尤其涉及一种应用于反激式电源的X电容放电控制装置。
背景技术
随着人类社会的不断进步和发展，对能源的消耗越来越大，能源逐渐成为稀缺资源，为了在有限的资源条件下，实现最大利用率，对于电源系统来讲，就需要降低待机功耗，提高效率。为了降低电源系统的待机功耗，就需要从电源系统的设计上着手，以减小电流并复用电路。
图1是传统的反激式电源的典型应用电路图。如图1所示，是传统的反激式电源的典型应用电路图，其中X-cap是X电容，用于抑止交流输入的差模噪声，X-Res(X电阻)是X电容的泄放电阻。U1是控制芯片，线电压通过Rs连接到控制芯片U1的高压引脚HV。电容C1是控制芯片U1的电源引脚VCC的电源稳压电容C1。对于该反激式电源，由于有X-Res连接在交流电源两端，在系统工作过程中它会一直消耗能量，一般会有几十毫瓦的功耗。
在图1中，X-cap(X电容)可以抑制交流输入的差模噪声，其放电电阻为X-Res。在电压安全规范中，要求当电源插头拔下后，X电容上的电压要在一定时间之内泄放到安全电压以下，以防因触摸电源线插头而引起电击。因此，在中大功率离线式电源设计中，为了给X电容提供泄放通路，并在规定的时间内将X电容上的电压泄放至安全电压以下，需加入泄放电阻X-Res。由于该泄放电阻上的电流一直存在，其上所消耗的功耗大概为几十毫瓦，该功耗视该泄放电阻的大小而定。然而要满足安规对X电容放电时间的限制，该泄放电阻又不能取太大，因此该泄放电阻的取值是一个折衷的选择。而且，对于中大功率电源系统，由于该泄放电阻上的功耗，要把待机功耗减低到30mW以下非常困难，因此目前已经出现了单一的为X电容放电的芯片，但是这样电源系统的成本高，不利于降低成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种应用于反激式电源的X电容放电控制装置，既加快X电容放电，又可以消除X电阻上的待机功耗。
为了达到上述目的，本发明提供了一种应用于反激式电源的X电容放电控制装置，包括高压启动电路、交流电源检测电路和X电容放电电路，其中，
所述高压启动电路，用于在反激式电源的X电容两端接通交流电源后以恒定电流给反激式电源的控制芯片的电源稳压电容充电，并在该电源稳压电容两端的电压达到所述控制芯片的工作电压之后关闭；
所述交流电压检测电路，在高压启动电路关闭之后进入交流电压检测模式，检测所述X电容两端有无交流电压；当所述交流电压检测电路没有检测到所述X电容两端有交流电压时，控制所述X电容放电电路为所述X电容放电。
实施时，所述高压启动电路包括第一薄膜晶体管、第二薄膜晶体管、第三薄膜晶体管、第四薄膜晶体管、第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管及UVLO控制模块；
所述第一薄膜晶体管，栅极分别与第一电阻的负极、第二薄膜晶体管的漏极和第四薄膜晶体管的漏极连接，源极与所述第二薄膜晶体管的栅极和第二电阻的正极连接，漏极与高压线连接；
所述第二薄膜晶体管，源极与所述第二电阻的负极以及第一二极管的阳极连接；
所述第三薄膜晶体管，栅极和漏极与所述第四薄膜晶体管的源极连接，源极接地；
所述UVLO控制模块，输入端与反激式电源的控制芯片的电源引脚连接，输出端与所述第四薄膜晶体管的栅极连接；
所述第一电阻的正极与高压线连接；
所述第一二极管的阴极与第二二极管的阳极连接；
所述第二二极管的阴极与电源稳压电容连接。
实施时，当所述电源引脚上的电压上升达到该控制芯片的启动阈值时，所述UVLO控制模块输出的UVLO信号是高电平信号，当所述电源引脚上的电压下降到该控制芯片的关断阈值时，所述UVLO控制模块输出的UVLO信号是低电平信号。
实施时，所述第一薄膜晶体管是高压NMOS晶体管；所述第一电阻是高压电阻。
实施时，所述交流电源检测电路包括第五薄膜晶体管、第一电流源和第一计时器，其中，
所述第五薄膜晶体管的栅极与所述第三薄膜晶体管的栅极连接，构成电流镜；
所述第五薄膜晶体管的漏极分别所述第一电流源的一端和所述第一计时器的复位端连接；
所述第五NMOS晶体管的源极接地；
所述第一电流源的另一端与所述控制芯片的电源引脚连接。
实施时，所述第一计时器，用于判断在预定时间内是否有复位信号输入所述复位端，如果有输出低电平信号，否则输出高电平信号。
实施时，所述X电容放电电路包括第六薄膜晶体管和第三电阻元件，其中，
所述第六薄膜晶体管的漏极与第三电阻元件的负极连接；
所述第六薄膜晶体管的源极接地；
所述第六薄膜晶体管的栅极与第一计时器的输出端连接；
所述第三电阻元件的正极与高压线连接。
实施时，所述第六薄膜晶体管为高压NMOS晶体管，所述第三电阻元件是高压电阻。
实施时，所述第六薄膜晶体管为低压NMOS晶体管。
实施时，所述第三电阻元件是比MOS管、JFET晶体管或恒流源。
与现有技术相比，本发明所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，既可以加快X电容放电，又可以消除X电阻上的待机功耗。
附图说明
图1是传统的反激式电源典型应用电路图；
图2为采用本发明的反激式电源典型应用电路图；
图3为本发明第一实施例所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置的电路图；
图4为本发明第二实施例所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置的电路图；
图5为拔掉交流输入插头后在没有发生UVLO的放电时序图；
图6为本发明第三实施例所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置的电路图；
图7为本发明第四实施例所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置的电路图；
图8为本发明第五实施例所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
首先，对本发明所涉及的专业术语进行说明：
UVLO：Under Voltage Lockout，欠压锁定；
NJFET：N-channel Junction Field Effect Transistor，N沟道结型场效应晶体管；
PMOS：P-channel metal oxide semiconductor FET，P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管；
NMOS：N-channel metal oxide semiconductor FET，N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。
如图2所示，为采用应用了本发明所述的X电容放点控制装置的反激式电源的典型应用电路图，相对于图1，去掉了X电容放电电阻X-Res，交流电源AC的火线L通过二极管D3和高压线HVL连接到高压引脚HV，交流电源AC的零线N通过二级管D4和高压线HVL连接到高压引脚HV。同样，当反激式电源的X电容两端接通交流电源后，高压启动电路会为电源引脚VCC的电源稳压电容C1充电，当电源引脚VCC上的电压达到启动阈值(即反激式电源的控制芯片的工作电压)后，高压启动电路关闭，反激式电源开始工作。当交流输入断开后，由控制芯片U1内部的X电容放电电路为X电容提供一个快速的放电通路。对于该反激式电源，由于去掉了X-Res，也去掉了系统工作过程中相应的功耗。
如图3所示，本发明提供了一种应用于反激式电源的X电容放电控制装置，包括依次连接的高压启动电路10、交流电源检测电路20和X电容放电电路30，其中，
所述高压启动电路10，用于在反激式电源的X电容两端接通交流电源后以恒定电流给反激式电源的控制芯片的电源稳压电容充电，并在该电源稳压电容两端的电压达到所述控制芯片的工作电压之后关闭；
所述交流电压检测电路20，在高压启动电路10关闭之后进入交流电压检测模式，检测所述X电容两端有无交流电压；当所述交流电压检测电路20没有检测到所述X电容两端有交流电压时，控制所述X电容放电电路30为所述X电容放电。
如图4所示，根据一种具体实施方式，所述高压启动电路10包括第一薄膜晶体管M1、第二薄膜晶体管M2、第三薄膜晶体管M3、第四薄膜晶体管M4、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二二极管D2及UVLO控制模块101；
其中，第一薄膜晶体管M1是高压NMOS晶体管；
所述第一电阻R1是高压电阻；
所述第一薄膜晶体管M1，栅极分别与第一电阻R1的负极、第二薄膜晶体管M2的漏极和第四薄膜晶体管M4的漏极连接，源极与所述第二薄膜晶体管M2的栅极和第二电阻R2的正极连接，漏极与高压线HVL连接；
所述第二薄膜晶体管M2，源极与所述第二电阻R2的负极以及第一二极管D1的阳极连接；
所述第三薄膜晶体管M3，栅极和漏极与所述第四薄膜晶体管M4的源极连接，源极接地；
所述UVLO控制模块101，输入端与电源引脚VCC连接，输出端与所述第四薄膜晶体管M4的栅极连接，当电源引脚VCC上的电压上升达到控制芯片的启动阈值时，所述UVLO控制模块101输出的UVLO信号是高电平信号，当电源引脚VCC上的电压下降到控制芯片的关断阈值时，所述UVLO控制模块101输出的UVLO信号是低电平信号；
所述第一电阻R1的正极与高压线HVL连接；
所述第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极连接；
所述第二二极管D2的阴极与电源稳压电容C1连接。
所述高压启动电路10的第一恒流控制模块包括第一薄膜晶体管M1、第二薄膜晶体管M2、第一电阻R1、第二电阻R2和用于整流的第一二极管D1和第二二极管D2。
该第一恒流控制模块的作用是通过负反馈的控制方式设定一恒定电流，为控制芯片的电源稳压电容充电，使控制芯片的电源引脚VCC上的电压达到控制芯片的启动阈值；该第一恒流控制模块的另外一个作用是当交流插头拔掉时，如果控制芯片的电源引脚VCC上的电压小于设置的最低工作电压，UVLO信号翻转为低电平，则该高压启动电路10为控制芯片的电源稳压电容C1充电，也将X电容上的电荷泄放，也起到为X电容放电的目的。
所述高压启动电路10的第二恒流控制模块包括第三薄膜晶体管M3和第四薄膜晶体管M4。M3在高压启动完成后打开，通过M4将交流电压转换为交流电流信号，并将该交流电流信号提供给所述交流电压检测电路20。
如图4所示，所述交流电源检测电路20的一实施例包括第五薄膜晶体管M5、第一电流源21和第一计时器22，其中，
所述第五薄膜晶体管M5的栅极与所述第三薄膜晶体管M3的栅极连接，构成电流镜；
所述第五薄膜晶体管M5的漏极分别所述第一电流源21的一端和所述第一计时器22的复位端R连接；
所述第五NMOS晶体管M5的源极接地；
所述第一电流源21的另一端与控制芯片的电源引脚VCC连接。
根据一种具体实施方式，在30毫秒的固定时间内，如果有复位信号Reset输入所述第一计时器22，所述的第一计时器22由其输出端Q输出低电平信号，反之，如果在30毫秒的固定时间内，没有复位信号Reset输入所述第一计时器22，所述的第一计时器22将溢出，输出高电平信号。
所述交流电源检测电路20的原理为：在高压启动电路10完成控制芯片的启动之后，将单方向脉动电压转为单方向脉动电流，并将该单方向脉动电流进行镜像，与一个由第一电流源21提供的固定偏置电流进行比较。复位信号Reset若持续输出100/120Hz的脉冲波形，则视为有交流电压输入；复位信号Reset若输出持续的低电平，则视为没交流电压输入。固定偏置电流用来设定对X电容放电的最低电平，该最低电平低于安全电压，因此可以保证X电容能够被放电到安全电压以下。
在该实施例中，所述交流电源检测电路20将交流电压信号转换成交流电流信号之后，再将该交流电流信号与第一电流源21提供的固定偏置电流比较得出判断信号。在具体实施时，所述交流电源检测电路20也可以将所述交流电流信号转换为交流电压信号，再使用比较器得出判断信号。
所述交流电源检测电路20，也可以增加固定放电时间逻辑电路(如图7、图8所示)，该固定放电时间逻辑电路用于将正脉冲信号转换为固定时间的高电平信号，加入固定放电时间来控制放电电路。
如图4所示，所述X电容放电电路30包括第六薄膜晶体管M6和第三电阻元件R3，其中，
所述第六薄膜晶体管M6的漏极与第三电阻元件R3的负极连接；
所述第六薄膜晶体管M6的源极接地；
所述第六薄膜晶体管M6的栅极与第一计时器22的输出端连接；
所述第三电阻R3的正极与高压线HVL连接；
其中，所述第六薄膜晶体管M6为高压NMOS晶体管，所述第三电阻元件R3是高压电阻；
流过M6的栅极的电流是放电电流Idischarge。
所述X电容放电电路30在获得所述的第一计时器22输出的高电平信号后给所述的X电容放电。
所述的X电容放电电路30中的第三电阻元件R3是起限流作用，所以该第三电阻元件R3除了可以为电阻之外，也可以利用等效为电阻的其他器件，例如倒比MOS管(金属-氧化物-半导体场效应晶体管，沟道长度大于宽度的MOS管，可以当作电阻使用)，JFET(结型场效应)晶体管，恒流源等代替。
在本发明中，电阻和电阻元件的正极指的是与较高电位连接的一端，而电阻和电阻元件的负极指的是与较低电位连接的一端。
图5为拔掉交流输入插头后在没有发生UVLO的放电时序图，其中，Id_M3是当M3导通时流过M3的漏极和源极的电流，UL指的是交流电源AC的火线L上的电压，UN指的是交流电源AC的零线N上的电压，UHV指的是反激式电源的高压引脚HV上的电压。
图6展示了另一种X电容放电电路30，复用高压启动电路10的恒流电路作为限流电阻，可以实现恒流放电，这样做还可以获得另一个好处，M6可以使用低压NMOS器件。
图7展示了另一种X电容放电电路30，在图4的基础上增加固定放电时间逻辑电路，使用固定放电时间为X电容放电。
图8展示了另一种放电电路，在图6的基础上增加固定放电时间逻辑电路，使用固定放电时间为X电容放电。
本发明所述的应用于反激式电源的X电容放电控制电路包括高压启动电路10、交流电源检测电路20和X电容放电电路30。高压启动电路10将AC输入经过整流后的电压转换为恒定的电流，并在启动时为控制芯片的电源稳压电容充电；当控制芯片的电源引脚上的电压上升到控制芯片启动阈值时关断充电电路，停止为控制芯片的电源稳压电容充电，将从高压线HVL流入控制芯片的电流减小到几个微安甚至更小，大大地降低了待机损耗，同时将整流后的全波电压转换为全波电流，送给交流电压检测电路。在电压插头被拔出后，若控制芯片内部的UVLO信号翻转为低电平信号，则高压启动电路10将再次启动，将X-cap上的电压以电流的形式充入电源引脚VCC的电源稳压电容，将X-cap上的电压降至安全电压以下；若控制芯片内部的UVLO信号没有发生翻转，则交流电源检测电路20由于没有检测到交流电压，进而无法复位第一定时器22，在第一定时器22溢出时，就会送出高电平信号，使X电容放电电路打开，为X-cap提供毫安级的放电通路，在很短的时间内将X-cap上的电压泄放到安全电压以下。
通常交流AC的输入电压是有效值在85V～264V之间的频率为50/60Hz的正弦信号，通过全波整流之后生成幅值在120V～373V之间、频率为100/120Hz的单方向脉动电压。在本发明中，所述高压启动电路就是将这一频率为100/120Hz的单方向脉动电压转换为电流，给电源引脚VCC的电源稳压电容充电，使控制芯片启动。控制芯片启动之后，再将频率为100/120Hz的单方向脉动电压转换为单方向脉动电流，通过检测该单方向脉动电流的过零点，来判断有无交流电压。
综合得知，本发明一方面可以在控制芯片启动时为控制芯片的电源稳压电容提供较大的恒定充电电流，在控制芯片启动以后，可以将从高压端流入控制芯片的电流降到一个很小的值，从而降低待机功耗；另一方面在插头拔出后，高压启动电流或者X电容放电电路均可以独立为X电容放电，保证了X电容上的电压在规定的时间之内放电到安全电压以下，满足了安全规范的要求；此外，省去了X电容的外接放电电阻，消除了X电容的放电电阻的功率，降低了待机损耗。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，包括高压启动电路、交流电源检测电路和X电容放电电路，其中，
所述高压启动电路，用于在反激式电源的X电容两端接通交流电源后以恒定电流给反激式电源的控制芯片的电源稳压电容充电，并在该电源稳压电容两端的电压达到所述控制芯片的工作电压之后关闭；
所述交流电压检测电路，在高压启动电路关闭之后进入交流电压检测模式，检测所述X电容两端有无交流电压；当所述交流电压检测电路没有检测到所述X电容两端有交流电压时，控制所述X电容放电电路为所述X电容放电；
所述高压启动电路包括第一薄膜晶体管、第二薄膜晶体管、第三薄膜晶体管、第四薄膜晶体管、第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管及UVLO控制模块；
所述第一薄膜晶体管，栅极分别与第一电阻的负极、第二薄膜晶体管的漏极和第四薄膜晶体管的漏极连接，源极与所述第二薄膜晶体管的栅极和第二电阻的正极连接，漏极与高压线连接；
所述第二薄膜晶体管，源极与所述第二电阻的负极以及第一二极管的阳极连接；
所述第三薄膜晶体管，栅极和漏极与所述第四薄膜晶体管的源极连接，源极接地；
所述UVLO控制模块，输入端与反激式电源的控制芯片的电源引脚连接，输出端与所述第四薄膜晶体管的栅极连接；
所述第一电阻的正极与高压线连接；
所述第一二极管的阴极与第二二极管的阳极连接；
所述第二二极管的阴极与电源稳压电容连接；
所述交流电源检测电路包括第五薄膜晶体管、第一电流源和第一计时器，其中，
所述第五薄膜晶体管的栅极与所述第三薄膜晶体管的栅极连接，构成电流镜；
所述第五薄膜晶体管的漏极分别所述第一电流源的一端和所述第一计时器的复位端连接；
所述第五薄膜晶体管的源极接地；
所述第一电流源的另一端与所述控制芯片的电源引脚连接。
2.如权利要求1所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，当所述电源引脚上的电压上升达到该控制芯片的启动阈值时，所述UVLO控制模块输出的UVLO信号是高电平信号，当所述电源引脚上的电压下降到该控制芯片的关断阈值时，所述UVLO控制模块输出的UVLO信号是低电平信号。
3.如权利要求1或2所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，所述第一薄膜晶体管是高压NMOS晶体管；所述第一电阻是高压电阻。
4.如权利要求1或2所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，
所述第一计时器，用于判断在预定时间内是否有复位信号输入所述复位端，如果有输出低电平信号，否则输出高电平信号。
5.如权利要求1或2所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，
所述X电容放电电路包括第六薄膜晶体管和第三电阻元件，其中，
所述第六薄膜晶体管的漏极与第三电阻元件的负极连接；
所述第六薄膜晶体管的源极接地；
所述第六薄膜晶体管的栅极与第一计时器的输出端连接；
所述第三电阻元件的正极与高压线连接。
6.如权利要求5所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，
所述第六薄膜晶体管为高压NMOS晶体管，所述第三电阻元件是高压电阻。
7.如权利要求5所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，
所述第六薄膜晶体管为低压NMOS晶体管。
8.如权利要求5所述的应用于反激式电源的X电容放电控制装置，其特征在于，所述第三电阻元件是MOS管、JFET晶体管或恒流源。
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