CN104124878A - 供电模块、开关电源芯片以及开关电源系统 - Google Patents

Abstract

一种供电模块，内置于开关电源芯片中，包括：一结型场效应晶体管，其漏极接至开关电源芯片的DRAIN引脚，其源极接一电阻器的一端，同时接一第一三极管的集电极，其栅极接电阻器的另一端，同时接第一三极管的基极以及开关管的漏极；第一三极管，其发射极接至开关电源芯片的VCC引脚；一滞回比较器，其正输入端接开关电源芯片的VCC引脚，其负输入端接一参考电压，其输出端接至开关管的栅极，以控制开关管的导通与截止。本发明实现在快速启动同时给芯片电源供电，且所述供电模块的所有元器件适合集成在开关电源芯片内部，减少了外围元器件，利于开关电源系统的小型化以及简单化。

Description

供电模块、开关电源芯片以及开关电源系统

技术领域

本发明涉及开关电源中的启动、供电技术领域，尤其涉及一种AC/DC开关电源芯片内部高压快速启动和高压供电的供电模块、开关电源芯片以及开关电源系统。

背景技术

AC/DC开关电源是开关电源的其中一类，AC是交流，DC是直流，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压。

图1是现有的AC/DC开关电源启动电路和供电电路的实现电路图，图1所示是一种浮地高端驱动buck结构。输入AC交流电源连接到整流桥11的两个输入端。整流桥11将交流电整流后经电容器C1滤波。开关电源芯片12的DRAIN引脚接母线Vbus端，其CS引脚接负载电路13。启动电阻器R1一端接母线Vbus端，并通过所述母线Vbus端接电容器C1以及整流桥11的一输出端，R1另一端与电容器C2相接，同时接开关电源芯片12的电源VCC引脚；启动电阻器R1和电容器C2产生一低压直流电使开关电源芯片12启动。供电电阻器R2一端接输出电压Vout端，另一端与二极管D1的阳极相接，二极管D1的阴极与电容器C2相接，同时接开关电源芯片12的VCC引脚；供电电阻器R2、二极管D1与电容器C2构成供电电路；当开关电源芯片12启动完成，输出电压Vout开始上升，当Vout上升到一定值后通过供电电路开始给开关电源芯片12供电。

上述现有启动电路的缺点是：开关电源芯片12启动完后，由于启动电阻器R1接在母线Vbus端和芯片VCC引脚之间，两者的压差导致R1消耗功率。R1越小，启动速度越快，但待机功耗越大；R1越大，待机功耗越小，但启动速度越慢。故启动速度和待机功耗需要折中。典型情况下，现有启动电路的启动速度慢且待机功率高。

上述现有供电电路的缺点是：输出电压Vout需上升到一定的电压之后才会通过供电电路给芯片供电，故在芯片启动完到Vout到达一定电压这段时间内，芯片电源VCC是下降的，所以需要电容器C2比较大，否则VCC会跌到UVLO（Under Voltage Lock Out，欠压锁定）以下，导致芯片不断重启。另一个缺点是，当Vout电压较低时无法实现供电。

且，现有的开关电源启动电路和供电电路都是用外部元器件来实现的，增加了系统的体积和复杂性。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中开关电源启动电路和供电电路存在的问题，提供一种供电模块、开关电源芯片以及开关电源系统，实现在快速启动同时给芯片电源供电，且所述供电模块的所有元器件适合集成在开关电源芯片内部，减少了外围元器件，利于开关电源系统的小型化以及简单化。

为实现上述目的，本发明提供了一种供电模块，包括：一结型场效应晶体管、一第一三极管、一开关管以及一滞回比较器；所述结型场效应晶体管的漏极电学连接至开关电源芯片的DRAIN引脚，所述结型场效应晶体管的源极电学连接一电阻器的一端，同时电学连接所述第一三极管的集电极，所述结型场效应晶体管的栅极电学连接所述电阻器的另一端，同时电学连接所述第一三极管的基极以及所述开关管的漏极；所述第一三极管的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚；所述滞回比较器的正输入端电学连接所述开关电源芯片的VCC引脚，所述滞回比较器的负输入端电学连接一参考电压，所述滞回比较器的输出端电学连接至所述开关管的栅极，以控制所述开关管的导通与截止。

为实现上述目的，本发明还提供了一种开关电源芯片，包括DRAIN引脚以及VCC引脚，所述DRAIN引脚用于电学连接母线Vbus端，所述VCC引脚用于电学连接一外部充电单元，所示开关电源芯片进一步包括本发明所述的供电模块；所述供电模块中的所述结型场效应晶体管的漏极电学连接至所述DRAIN引脚， 所述供电模块中的所述第一三极管的发射极电学连接至所述VCC引脚，所述供电模块中的所述滞回比较器的正输入端电学连接所述VCC引脚。

为实现上述目的，本发明还提供了一种开关电源系统，包括一整流桥、一滤波单元以及一开关电源芯片，所述整流桥的两个输入端电学连接一交流电源，所述滤波单元并接在所述整流桥的两个输出端之间，所述开关电源芯片包括本发明所述的供电模块；所述供电模块中的所述结型场效应晶体管的漏极电学连接至所述开关电源芯片的DRAIN引脚，所述DRAIN引脚电学连接母线Vbus端，并通过所述母线Vbus端电学连接所述滤波单元以及所述整流桥的一输出端；所述供电模块中的所述第一三极管的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚，所述供电模块中的所述滞回比较器的正输入端电学连接所述VCC引脚，所述VCC引脚电学连接一充电单元，并通过所述充电单元接地。

本发明的优点在于：本发明提供的开关电源系统可实现快速启动同时给芯片电源供电，解决了AC/DC开关电源的现有启动和供电电路的缺点，供电能力强，启动速度快；且当输出电压变化范围很大时，也能自主供电。本发明提供的开关电源系统中，所述供电模块适合集成在芯片里面，利于开关电源系统的小型化以及简单化；与AC/DC开关电源的现有启动和供电电路相比，省去了外部元器件，故整个系统更简洁，启动速度更快，待机功耗更低，供电更灵活。

附图说明

图1，现有的AC/DC开关电源启动电路和供电电路的实现电路图；

图2，本发明所述的供电模块一实施方式的示意图；

图3，本发明所述的开关电源系统的示意图；

图4为图3所示系统的工作模式对应波形图；

图5，本发明所述开关电源系统工作时各电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的供电模块、开关电源芯片以及开关电源系统做详细说明。

参考图2，本发明所述的供电模块一实施方式的示意图。所述供电模块包括：一结型场效应晶体管JFET、一第一三极管Q1、一开关管M1以及一滞回比较器CP1。其中，开关管M1为N型MOS晶体管；结型场效应晶体管是以PN结上的电场来控制所夹沟道中的电流；MOS晶体管是以表面电场来控制沟道中的电流。

所述结型场效应晶体管JFET的漏极电学连接至开关电源芯片的DRAIN引脚（即开关电源芯片内部功率管的漏极）；JFET的源极电学连接一电阻器R的一端，同时电学连接所述第一三极管Q1的集电极；JFET的栅极电学连接所述电阻器R的另一端，同时电学连接所述第一三极管Q1的基极以及所述开关管M1的漏极。所述第一三极管Q1的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚（电源引脚，为芯片供电）。所述滞回比较器CP1的正输入端电学连接所述开关电源芯片的VCC引脚，CP1的负输入端电学连接一参考电压Vref，CP1的输出端电学连接至所述开关管M1的栅极，以控制M1的导通与截止；其中，所述滞回比较器CP1的滞回窗口为Vhys。所述开关管M1的源极电学连接芯片地（IC GND）。

当DRAIN引脚端的电压DRAIN高于VCC引脚端的电源电压VCC，且电源电压VCC低于参考电压Vref时，充电电流通过JFET以及Q1从DRAIN引脚端流向VCC引脚端；VCC引脚外部通常接有电容，该充电电流对该电容充电，使得VCC电压逐渐升高。Q1基极电流流过电阻器R，导致JFET的源极电压比栅极略高；此时JFET的栅极电压比VCC电压高，JFET的电流能力很强；由于大电流对该电容充电，VCC电压可以快速升高到达芯片内设的启动电压阈值，完成芯片启动。本发明实现在快速启动同时给芯片电源供电，供电能力强，启动速度快，解决了AC/DC开关电源的常规启动和供电电路的缺点。且所述供电模块的所有元器件适合集成在开关电源芯片内部，减少了外围元器件；用于开关电源系统时，利于开关电源系统的小型化以及简单化。

作为优选的实施方式，所述供电模块进一步包括：一第二三极管Q2；所述第二三极管Q2的集电极电学连接所述第一三极管Q1的集电极，Q2的基极电学连接Q1的发射极，Q2的发射极电学连接至VCC引脚。若开关电源芯片耗电较大，可以采用两个三极管形成达林顿管，达林顿管的发射极电学连接到VCC引脚，达林顿管的基极电学连接结型场效应晶体管JFET的栅极以及开关管M1的漏极。达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管发射极为达林顿管发射极，用法与三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。 

作为优选的实施方式，所述供电模块进一步包括：一第一二极管D1以及一第二二极管D2，以作为正向导通、反向耐压器件。所述结型场效应晶体管JFET的源极电学连接所述第一二极管D1的阳极，并通过所述第一二极管D1电学连接至所述第一三极管Q1的集电极；所述结型场效应晶体管JFET的栅极电学连接所述第二二极管D2的阳极，并通过所述第二二极管D2电学连接至所述第一三极管Q1的基极。如果开关电源芯片VCC输出电压比较高，需要防止VCC引脚端的VCC电流倒灌入DRAIN引脚端，否则供电会不足，导致芯片反复重启。二极管D1和D2作为正向导通，反向耐压器件，使得VCC能工作于更高的电压。本发明中达林顿管和二极管D1可以用来防止电流倒灌，且同时用作反向耐压器件。如果VCC输出电压比较低，可以不设置D1和D2。D1和D2可以用实际二极管来实现，但不限于实际二极管，例如可以用基极-集电极短接的三极管来实现。

参考图3，本发明所述的开关电源系统的示意图，图3所示拓扑与图1相似，都是浮地高端驱动buck结构。所述开关电源系统包括一整流桥31、一滤波单元以及一开关电源芯片32。

所述整流桥31的两个输入端电学连接一交流电源AC，所述整流桥31的一输出端接系统地（System GND）；所述滤波单元并接在所述整流桥31的两个输出端之间，整流桥31将交流电整流后经滤波单元滤波。在本实施方式中，所述滤波单元采用电容器C1，在其它实施方式中，所述滤波单元也可采用其它滤波方式对经整流桥31整流后的直流电进行滤波。

所述开关电源芯片32的DRAIN引脚电学连接母线Vbus端，并通过所述母线Vbus端电学连接所述滤波单元以及所述整流桥31的一输出端；所述开关电源芯片32的VCC引脚通过一充电单元电学连接芯片地（IC GND）；所述开关电源芯片32的FB引脚通过一组分压电阻接输出电压端Vout；所述开关电源芯片32的CS引脚接负载电路33。在本实施方式中，所述充电单元采用一电容器C2；在其它实施方式中，所述充电单元也可采用电容和电阻并联，或两电容并联等方式，可以根据成本以及系统要求灵活选择。其中，芯片地（IC GND）电压为浮动电压。

所述开关电源芯片32进一步包括一供电模块；所述供电模块的一种电路实现方式如图2所示。所述供电模块中的所述结型场效应晶体管JFET的漏极电学连接至所述DRAIN引脚；所述供电模块中的所述第一三极管Q1的发射极电学连接至所述VCC引脚，所述供电模块中的所述滞回比较器CP1的正输入端电学连接所述VCC引脚。

作为优选的实施方式，所述供电模块进一步包括：一第二三极管Q2；所述第二三极管Q2的集电极电学连接所述第一三极管Q1的集电极，Q2的基极电学连接Q1的发射极，Q2的发射极电学连接至VCC引脚。若开关电源芯片耗电较大，可以采用两个三极管形成达林顿管，达林顿管的发射极电学连接到VCC引脚，达林顿管的基极电学连接结型场效应晶体管JFET的栅极以及开关管M1的漏极。

作为优选的实施方式，所述供电模块进一步包括：一第一二极管D1以及一第二二极管D2，以作为正向导通、反向耐压器件。所述结型场效应晶体管JFET的源极电学连接所述第一二极管D1的阳极，并通过所述第一二极管D1电学连接至所述第一三极管Q1的集电极；所述结型场效应晶体管JFET的栅极电学连接所述第二二极管D2的阳极，并通过所述第二二极管D2电学连接至所述第一三极管Q1的基极。如果开关电源芯片VCC输出电压比较高，需要防止VCC引脚端的VCC电流倒灌入DRAIN引脚端，否则供电会不足，导致芯片反复重启。二极管D1和D2作为正向导通，反向耐压器件，使得VCC引脚端能工作于更高的电压。本发明中达林顿管和二极管D1可以用来防止电流倒灌，且同时用作反向耐压器件。如果VCC引脚端输出电压比较低，可以不设置D1和D2。D1和D2可以用实际二极管来实现，但不限于实际二极管，例如可以用基极-集电极短接的三极管来实现。

本发明提供的开关电源系统可实现快速启动同时给芯片电源供电，解决了AC/DC开关电源的现有启动和供电电路的缺点，供电能力强，启动速度快；且当输出电压变化范围很大时，也能自主供电。本发明提供的开关电源系统中，所述供电模块适合集成在开关电源芯片里面，利于开关电源系统的小型化以及简单化；与图1所示AC/DC开关电源的现有启动和供电电路相比，省去了外部元器件：电阻器R1，电阻器R2和二极管D1；故整个系统更简洁，启动速度更快，待机功耗更低，供电更灵活。

以下结合附图2-3对本发明所述开关电源系统的工作原理进行说明。本发明所述开关电源系统工作于两种工作模式：充电模式（如图4中所示模式一）、停止充电模式（如图4中所示模式二）。正常工作时模式一和模式二交替出现，波形如图4所示。

充电模式（模式一）：此模式对应的开关电源芯片32的DRAIN引脚端电压为高压（高于芯片电源电压VCC），且芯片电源电压VCC低于参考电压Vref；在本实施例中，初始时VCC电压与芯片地（IC GND）电压相同。电流通过JFET，D1和Q2从DRAIN引脚端流向VCC引脚端，对VCC引脚外部的电容C2充电，使得VCC引脚端VCC电压逐渐升高。Q1基极电流流过电阻器R，导致JFET的源极电压比栅极略高。此时JFET的栅极电压比VCC引脚端VCC电压高， AC/DC开关电源芯片的启动就是对应于此种模式；由于JFET电流能力很强，大电流对电容C2充电，VCC电压可以快速升高到达开关电源芯片32内设的启动电压阈值，完成芯片启动。

停止充电模式（模式二）：此模式对应的电源电压VCC过压，高于参考电压Vref ，Q1和Q2的基极-发射极结以及二极管D2反向耐压。滞回比较器CP1输出为高电平控制M1导通， M1将JFET的栅极拉到地，JFET源极电压上升到接近JFET的夹断电压。Q1和Q2构成的达林顿管工作于截止状态，故没有电流从JFET流到VCC引脚端；由于开关电源芯片32耗电，VCC电压逐渐下降，直到回复充电阈值电压（Vref-Vhys）才开始再次进入充电模式。通常情况下，VCC电压会在参考电压Vref和充电阈值电压（Vref-Vhys）之间波动。

参考图5，本发明所述开关电源系统工作时各电压波形示意图。本发明所述开关电源系统在上述两种工作模式中，均要防止电流从VCC引脚端倒灌入DRAIN引脚端。在实际系统应用中，例如图2的应用中，当开关电源芯片内部功率管导通时，DRAIN电压接近芯片地（IC GND）电压，低于VCC工作电压，如图5所示。该情况需要防止VCC引脚端电流倒灌入DRAIN引脚端，否则供电会不足，导致开关电源芯片32反复重启。本发明中达林顿管和二极管D1正是用来防止电流倒灌，且同时用作反向耐压器件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，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 (9)

1.一种供电模块，内置于开关电源芯片中，其特征在于，包括：一结型场效应晶体管、一第一三极管、一开关管以及一滞回比较器； 

所述结型场效应晶体管的漏极电学连接至开关电源芯片的DRAIN引脚，所述结型场效应晶体管的源极电学连接一电阻器的一端，同时电学连接所述第一三极管的集电极，所述结型场效应晶体管的栅极电学连接所述电阻器的另一端，同时电学连接所述第一三极管的基极以及所述开关管的漏极； 

所述第一三极管的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚； 

所述滞回比较器的正输入端电学连接所述开关电源芯片的VCC引脚，所述滞回比较器的负输入端电学连接一参考电压，所述滞回比较器的输出端电学连接至所述开关管的栅极，以控制所述开关管的导通与截止。

2.根据权利要求1所述的供电模块，其特征在于，所述供电模块进一步包括：一第二三极管； 所述第二三极管的集电极电学连接所述第一三极管的集电极，所述第二三极管的基极电学连接所述第一三极管的发射极，所述第二三极管的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚。

3.根据权利要求1或2所述的供电模块，其特征在于，所述供电模块进一步包括：一第一二极管以及一第二二极管，以作为正向导通、反向耐压器件； 所述结型场效应晶体管的源极电学连接所述第一二极管的阳极，并通过所述第一二极管电学连接至所述第一三极管的集电极； 所述结型场效应晶体管的栅极电学连接所述第二二极管的阳极，并通过所述第二二极管电学连接至所述第一三极管的基极。

4.一种开关电源芯片，包括DRAIN引脚以及VCC引脚，所述DRAIN引脚用于电学连接母线Vbus端，所述VCC引脚用于电学连接一外部充电单元，其特征在于，进一步包括权利要求1所述的供电模块； 

所述供电模块中的所述结型场效应晶体管的漏极电学连接至所述DRAIN引脚， 所述供电模块中的所述第一三极管的发射极电学连接至所述VCC引脚，所述供电模块中的所述滞回比较器的正输入端电学连接所述VCC引脚。

5.根据权利要求4所述的开关电源芯片，其特征在于，所述供电模块进一步包括：一第二三极管； 所述第二三极管的集电极电学连接所述第一三极管的集电极，所述第二三极管的基极电学连接所述第一三极管的发射极，所述第二三极管的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚。

6.根据权利要求4或5所述的开关电源芯片，其特征在于，所述供电模块进一步包括：一第一二极管以及一第二二极管，以作为正向导通、反向耐压器件； 所述结型场效应晶体管的源极电学连接所述第一二极管的阳极，并通过所述第一二极管电学连接至所述第一三极管的集电极； 所述结型场效应晶体管的栅极电学连接所述第二二极管的阳极，并通过所述第二二极管电学连接至所述第一三极管的基极。

7.一种开关电源系统，包括一整流桥、一滤波单元以及一开关电源芯片，所述整流桥的两个输入端电学连接一交流电源，所述滤波单元并接在所述整流桥的两个输出端之间，其特征在于，所述开关电源芯片包括权利要求1所述的供电模块； 

所述供电模块中的所述结型场效应晶体管的漏极电学连接至所述开关电源芯片的DRAIN引脚，所述DRAIN引脚电学连接母线Vbus端，并通过所述母线Vbus端电学连接所述滤波单元以及所述整流桥的一输出端；

 所述供电模块中的所述第一三极管的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚，所述供电模块中的所述滞回比较器的正输入端电学连接所述VCC引脚，所述VCC引脚电学连接一充电单元，并通过所述充电单元接地。

8.根据权利要求7所述的开关电源系统，其特征在于，所述供电模块进一步包括：一第二三极管； 所述第二三极管的集电极电学连接所述第一三极管的集电极，所述第二三极管的基极电学连接所述第一三极管的发射极，所述第二三极管的发射极电学连接至所述开关电源芯片的VCC引脚。

9.根据权利要求7或8所述的开关电源系统，其特征在于，所述供电模块进一步包括：一第一二极管以及一第二二极管，以作为正向导通、反向耐压器件； 所述结型场效应晶体管的源极电学连接所述第一二极管的阳极，并通过所述第一二极管电学连接至所述第一三极管的集电极； 所述结型场效应晶体管的栅极电学连接所述第二二极管的阳极，并通过所述第二二极管电学连接至所述第一三极管的基极。