CN104753328B - 超宽输入电压开关电源的限流高压启动电路 - Google Patents

超宽输入电压开关电源的限流高压启动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超宽输入电压开关电源的限流高压启动电路，至少包括高压启动电路和限流电路。高压启动电路包括：第五电阻一端和第四MOSFET管漏极与直流高压提供电路连接，接收一直流高压；第四MOSFET管栅极与第五电阻另一端连接；第七电阻，一端与第四MOSFET管源极连接；第五二极管，正极与第七电阻另一端连接，负极连接到辅助绕组电路。限流电路包括：第三三极管，集电极与第五电阻另一端连接，发射极与第五二极管正极连接；第六电阻，一端与第三三极管基极连接，另一端与第四MOSFET管源极连接；第七电阻，一端与第四MOSFET管源极连接，另一端与第五二极管正极连接。其中，第七电阻是高压启动电路和限流电路共用的。本发明功能全面、可靠性高且电路结构简单。

Description

超宽输入电压开关电源的限流高压启动电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，具体来说，本发明涉及一种超宽输入电压范围三相开关电源的限流高压启动电路。
背景技术
随着开关电源朝着高频化、集成化发展，开关电源已经得到广泛运用。与线性电源相比，其具有效率高、灵活性强、输入输出电压范围宽、体积小和重量轻等众多优点。
众所周知，对于功率等级为150W（或者更低）的单端多输出的开关电源而言，反激式开关拓扑是一种普遍选择，不但高效可靠，而且外围器件少、成本低。
一般的开关电源是由单相供电的，输入电压范围为：85Vac～265Vac。但是在三相供电系统中，要求设备电源能适应三相电网。这样就要求在很宽的输入电压范围能正常运行，常见的范围为：65Vac～420Vac。
通常在反激式开关电源中，开机启动时从母线直流高压（VH）经过一个电阻充电，充电电流不小于1mA。当充电电压达到PWM控制芯片的启动电压门限值后，转而由辅助绕组供电。但是该方式存在以下缺点：
1）充电电路存在尖峰电压
直流母线电压高达600V，启动瞬间，充电回路上存在高于2KV的尖峰脉冲电压，将导致PWM控制芯片损坏，甚至炸机。
2）启动电阻功耗大
由于电源正常工作后并没有断开启动电路，启动电阻存在压降VR。
启动电阻的阻值：取82kΩ。
启动电阻的压降：VR=VH-Vcc=600V-12V=588V。
启动电阻的功耗：
其中，启动电阻上的功耗以发热的形式消耗。
3）可靠性低
由于启动电阻的功耗达4.2W，都以热量的散发，因此即使增加体积很大的散热器或者风扇，周边器件的温度仍会骤升，导致整个电源的可靠性和使用寿命大大降低。
为了解决高压启动问题，人们经过大量探索，并提出多种解决方案。例如，中国专利文献中公开了一种开关电源控制器的恒定电流高压启动电路（公开号：CN102761239）。其由高压恒流电路和恒流控制电路组成，通过检测充电电压值来关断（或启动）启动电路。该方案通过恒定的高压启动电流给开关电源控制器充电，从而实现了开关电源控制器的快速启动，且在开启动后能有效关断恒定的高压启动电路。
但是，由于恒流控制电路必须检测启动、关断两个电压门限值，而且还需提供一个参考电压值。这就必然存在以下不足：1.存在启动瞬间的高压脉冲信号；2.不能限幅充电电流；3.需增加参考电压和电压比较电路，电路结构复杂，降低其可靠性。
还有人发明了一种高压启动电路（公开号：CN102255489），包括PWM控制器，PWM控制器包括高压启动模块、电压基准模块、电阻分压模块、两个比较器、RS触发器、PWM发生器等组成。高压启动模块产生一路充电电流和两个基准电压信号，利用两个电压比较器和一个RS触发器完成充电回路的开通和关断。这种方式主要针对PWM控制芯片的启动门限电压和关断门限电压设计的，可以使启动时的充电电压始终保持在这个电压值之间。
但是该方案还需增加电压比较器和RS触发器两种集成芯片，而芯片本身的供电电源来自于充电电压，所以在上电启动时并不能正常工作，只有当充电电压达到其最低工作电压值时才能正常运行。这就必然存在以下不足：1.启动时间较长；2.存在启动瞬间的高压脉冲冲击信号；3.不能限幅充电电流；4.电路结构复杂，降低可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种功能全面、可靠性高、电路结构简单的超宽输入电压开关电源的限流高压启动电路。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超宽输入电压开关电源的限流高压启动电路，包括：
高压启动电路，其分别与一直流高压提供电路、一吸收缓冲电路和一辅助绕组电路相连接；所述高压启动电路包括：
第五电阻，其一端与所述直流高压提供电路相连接，接收所述直流高压提供电路输出的一直流高压；
第四MOSFET管，其漏极也与所述直流高压提供电路相连接，接收所述直流高压，其栅极与所述第五电阻的另一端相连接；
第七电阻，其一端与所述第四MOSFET管的源极相连接；以及
第五二极管，其正极与所述第七电阻的另一端相连接，其负极连接到所述辅助绕组电路；
限流电路，其分别与所述高压启动电路、所述辅助绕组电路和一PWM控制芯片相连接；所述限流电路包括：
第三三极管，其集电极与所述第五电阻的另一端相连接，其发射极与所述第五二极管的正极相连接；
第六电阻，其一端与所述第三三极管的基极相连接，另一端与所述第四MOSFET管的源极相连接；以及
第七电阻，其一端与所述第四MOSFET管的源极相连接，另一端与所述第五二极管的正极相连接；
其中，所述第七电阻是所述高压启动电路和所述限流电路共用的。
可选地，所述限流高压启动电路还包括保护电路；所述保护电路包括：
第二二极管，其负极与所述第五电阻的另一端、所述第四MOSFET管的栅极和所述第三三极管的集电极的一共同连接点相连接，其正极与所述第五二极管的正极、所述第七电阻的另一端和所述第三三极管的发射极的一共同连接点相连接；
第四电阻，其一端与所述第二二极管的负极相连接；
第一三极管，其集电极与所述第四电阻的另一端相连接，其发射极接地；以及
第三电阻，其一端与所述第一三极管的基极相连接，另一端与所述PWM控制芯片相连接，等待接收一参考电压，使所述第二二极管导通。
可选地，所述辅助绕组电路包括：
第三电容，其一端与所述第五二极管的负极相连接，另一端接地；
第七二极管，其负极与所述第三电容的一端相连接；以及
辅助绕组，其分别与所述第七二极管的正极和所述第三电容的另一端相连接；
其中，所述第三电容的一端、所述第七二极管的负极与所述第五二极管的负极的一共同连接点抽出形成一充电电压提供端，向所述PWM控制芯片提供一充电电压。
可选地，所述直流高压提供电路包括整流桥堆、滤波和均压电路。
可选地，所述滤波和均压电路包括第一电容、第二电容、第一电阻以及第二电阻；所述第一电容和所述第一电阻的一端均连接到所述整流桥堆的一第一输出端，所述第二电容和所述第二电阻的一端均连接到所述整流桥堆的一第二输出端并接地；所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端相连接，所述第一电阻的另一端和所述第二电阻的另一端相连接；所述第一电容和所述第二电容之间的连接点又与所述第一电阻和所述第二电阻之间的连接点相连接。
可选地，所述直流高压提供电路中的所述整流桥堆与一三相开关电源相连接，所述三相开关电源的交流电压的输入范围为65Vac～420Vac。
可选地，所述直流高压的输入范围为85Vdc～600Vdc。
可选地，当所述充电电压达到所述PWM控制芯片的一启动电压门限值时，所述PWM控制芯片开始正常工作，同时输出所述参考电压。
可选地，所述参考电压为+5V。
可选地，所述第四MOSFET管和所述第五二极管的导通时间均为纳秒级；和/或所述第四MOSFET管的源漏电压大于等于900V。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）启动速度快
由于第四MOSFET管和第五二极管（快速二极管）的导通时间均为纳秒（ns）级，三相开关电源上电启动时，充电电压能快速达到PWM控制芯片的启动电压门限值。
2）无需设置参考电压和启动、关断电压门限值
由于采用限流电路控制高压启动部分的充电电流不至于过高，快速充电启动后能自动断开高压启动电路，所以在高压启动电路和限流电路中均无需设置参考电压和门限电压，无需增加窗口比较电路。
3）可靠性高
由于充电回路中有限流、保护电路，而且第四MOSFET管的源漏电压（VDS）高达900V或以上，有效地避免了启动瞬间产生的高压脉冲对弱电控制系统的冲击，保证高压启动电路本身以及PWM控制电路安全可靠地运行。
4）电路结构精简
高压启动电路和限流电路均由分离元件组成，无需使用电压比较器和RS触发器等集成电路，不必待充电电压达到启动电压门限值后才能工作，缩短了启动时间，同时降低了启动电流、漏电流和电源功耗。
5）功耗低
当电源正常工作后，高压启动电路能自动快速地断开，改由辅助绕组电路供电，其待机总功耗小于0.2W。
6）高寿命
由于充电电流小，且第四MOSFET管的耐压高，能长期承受高电压而不发烫，对电源的温升无影响，提高电源使用寿命。
综上所述，本发明的限流高压启动电路功能全面、可靠性高并且电路结构简单。该电路能实现快速地启动，并限制启动电流，能有效地保护PWM控制芯片和辅助电源供电等弱电控制电路。当电源正常运行后能自动断开高压启动回路，提高了电源效率，而且电路精简，系统可靠性高。综合实现了开关电源启动的快速化、智能化和高可靠性。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本发明一个实施例的限流高压启动电路所位于的一超宽输入电压范围三相开关电源的总电路框图；
图2为图1所示实施例的超宽输入电压范围三相开关电源的限流高压启动电路与所连接的辅助绕组的内部结构框图。
附图标记说明：
101 高压启动电路
102 限流电路
103 保护电路
111 直流高压提供电路
112 吸收缓冲电路
113 辅助绕组电路
114 PWM控制芯片
121 整流桥堆
122 滤波和均压电路
R1 第一电阻
R2 第二电阻
R3 第三电阻
R4 第四电阻
R5 第五电阻
R6 第六电阻
R7 第七电阻
R8 第八电阻
R9 第九电阻
C1 第一电容
C2 第二电容
C3 第三电容
C4 第四电容
C5 第五电容
C6 第六电容
V1 第一三极管
V2 第二二极管
V3 第三三极管
V4 第四MOSFET管
V5 第五二极管
V6 第六二极管
V7 第七二极管
V8 第八MOSFET管
V9 第九二极管
V10 第十二极管
A、B、C 三相开关电源的火线
N 三相开关电源的零线
VH 直流高压
VCC 直流电源
Vref 参考电压
GND 大地
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于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根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1为本发明一个实施例的限流高压启动电路所位于的一超宽输入电压范围三相开关电源的总电路框图；图2为图1所示实施例的超宽输入电压范围三相开关电源的限流高压启动电路与所连接的辅助绕组的内部结构框图。需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
请结合图1和图2一起来理解，该限流高压启动电路至少是由高压启动电路101和限流电路102两部分组成。其中，该高压启动电路101分别与一直流高压提供电路111、一吸收缓冲电路112和一辅助绕组电路113相连接；该限流电路102分别与高压启动电路101、辅助绕组电路113和一PWM控制芯片114相连接。
在本实施例中，该高压启动电路101主要包括有第五电阻R5、第四MOSFET管V4、第七电阻R7以及第五二极管V5。其中，第五电阻R5的一端与直流高压提供电路111相连接，接收直流高压提供电路111输出的一直流高压VH。第四MOSFET管V4的漏极也与直流高压提供电路111相连接，接收直流高压VH，其栅极与第五电阻R5的另一端相连接。第七电阻R7的一端与第四MOSFET管V4的源极相连接。第五二极管V5的正极与第七电阻R7的另一端相连接，其负极连接到辅助绕组电路113。
此外，该限流电路102主要包括有第三三极管V3、第六电阻R6以及第七电阻R7。其中，第三三极管V3的集电极与第五电阻R5的另一端相连接，其发射极与第五二极管V5的正极相连接。第六电阻R6的一端与第三三极管V3的基极相连接，另一端与第四MOSFET管V4的源极相连接。而第七电阻R7的一端与第四MOSFET管V4的源极相连接，另一端与第五二极管V5的正极相连接。可见，第七电阻R7是高压启动电路101和限流电路102共用的。
在本实施例中，为了更佳的保护性能，该限流高压启动电路最好还具有保护电路103。保护电路103主要包括有第二二极管V2、第四电阻R4、第一三极管V1以及第三电阻R3。其中，第二二极管V2的负极与第五电阻R5的另一端、第四MOSFET管V4的栅极和第三三极管V3的集电极的一共同连接点相连接；第二二极管V2的正极与第五二极管V5的正极、第七电阻R7的另一端和第三三极管V3的发射极的一共同连接点相连接。第四电阻R4的一端与第二二极管V2的负极相连接。第一三极管V1的集电极与第四电阻R4的另一端相连接，其发射极接地。第三电阻R3的一端与第一三极管V1的基极相连接，另一端与PWM控制芯片114相连接，等待接收一参考电压Vref（+5V），使第二二极管V2导通。
在图1或图2所示的实施例中，该辅助绕组电路113主要包括第三电容C3、第七二极管V7以及辅助绕组（未标示）。其中，第三电容C3的一端与第五二极管V5的负极相连接，另一端接地。第七二极管V7的负极与第三电容C3的一端相连接。辅助绕组分别与第七二极管V7的正极和第三电容C3的另一端相连接。另外，第三电容C3的一端、第七二极管V7的负极与第五二极管V5的负极的一共同连接点抽出形成一充电电压提供端，向该PWM控制芯片114提供一充电电压VCC。
所以，本实施例中高压启动电路101直接连接到母线的直流高压VH上，上电启动时，产生一组充电电流，供辅助绕组电路113的充电电容（即第三电容C3）充电。限流电路102则将充电电流限定在一个固定值，当充电电压VCC达到PWM控制芯片114的启动电压门限值时，PWM控制芯片114开始正常工作，同时向高压启动电路101输出参考电压Vref（+5V），高压启动电路101自动断开，改由辅助绕组电路113供电。
另外，在图1所示的实施例中，该直流高压提供电路111可以包括整流桥堆121、滤波和均压电路122。其中，整流桥堆121与一三相开关电源相连接，三相开关电源的交流电压的输入范围可以为65Vac～420Vac。滤波和均压电路122包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1以及第二电阻R2。第一电容C1和第一电阻R1的一端均连接到整流桥堆121的一第一输出端，第二电容C2和第二电阻R2的一端均连接到整流桥堆121的一第二输出端并接地（GND）。第一电容C1的另一端和第二电容C2的另一端相连接，第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的另一端相连接。第一电容C1和第二电容C2之间的连接点又与第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点相连接。由此，输入到高压启动电路101的直流高压VH的输入范围可以为85Vdc～600Vdc。
本发明的一个更为详细的具体工作过程可以描述如下：
1）电源启动时，三相交流电压经过全波整流、滤波和均压形成直流高压VH，三相交流电压的输入范围可以为：65Vac～420Vac。经过整流、滤波和均压后产生的直流高压VH的范围可以为：85Vdc～600Vdc。通过第五电阻R5把第四MOSFET管V4的控制极（栅极，G极）拉高，第四MOSFET管V4导通。
2）经过第七电阻R7和第五二极管V5供辅助绕组电路113的第三电容C3充电。当第七电阻R7的压降达到第三电容C3的导通电压VBE时，第三电容V3导通，第四MOSFET管V4关断。第七电阻R7（限流电阻）限制充电电流在一固定值，保护PWM控制芯片114。
3）当充电电压VCC达到PWM控制芯片114的启动电压门限值时，PWM控制芯片114开始正常工作，同时输出参考电压Vref（+5V），使第二二极管V2导通，第四MOSFET管V4的控制极（栅极，G极）电位被拉低，第四MOSFET管V4关断。此时，高压启动电路101断开，PWM控制芯片114改由辅助绕组电路113供电。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1）启动速度快
由于第四MOSFET管和第五二极管（快速二极管）的导通时间均为纳秒（ns）级，三相开关电源上电启动时，充电电压能快速达到PWM控制芯片的启动电压门限值。
2）无需设置参考电压和启动、关断电压门限值
由于采用限流电路控制高压启动部分的充电电流不至于过高，快速充电启动后能自动断开高压启动电路，所以在高压启动电路和限流电路中均无需设置参考电压和门限电压，无需增加窗口比较电路。
3）可靠性高
由于充电回路中有限流、保护电路，而且第四MOSFET管的源漏电压（VDS）高达900V或以上，有效地避免了启动瞬间产生的高压脉冲对弱电控制系统的冲击，保证高压启动电路本身以及PWM控制电路安全可靠地运行。
4）电路结构精简
高压启动电路和限流电路均由分离元件组成，无需使用电压比较器和RS触发器等集成电路，不必待充电电压达到启动电压门限值后才能工作，缩短了启动时间，同时降低了启动电流、漏电流和电源功耗。
5）功耗低
当电源正常工作后，高压启动电路能自动快速地断开，改由辅助绕组电路供电，其待机总功耗小于0.2W。
6）高寿命
由于充电电流小，且第四MOSFET管的耐压高，能长期承受高电压而不发烫，对电源的温升无影响，提高电源使用寿命。
综上所述，本发明的限流高压启动电路功能全面、可靠性高并且电路结构简单。该电路能实现快速地启动，并限制启动电流，能有效地保护PWM控制芯片和辅助电源供电等弱电控制电路。当电源正常运行后能自动断开高压启动回路，提高了电源效率，而且电路精简，系统可靠性高。综合实现了开关电源启动的快速化、智能化和高可靠性。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽输入电压开关电源的限流高压启动电路，其特征在于，包括：
高压启动电路(101)，其分别与一直流高压提供电路(111)、一吸收缓冲电路(112)和一辅助绕组电路(113)相连接；所述高压启动电路(101)包括：
第五电阻(R5)，其一端与所述直流高压提供电路(111)相连接，接收所述直流高压提供电路(111)输出的一直流高压(VH)；
第四MOSFET管(V4)，其漏极也与所述直流高压提供电路(111)相连接，接收所述直流高压(VH)，其栅极与所述第五电阻(R5)的另一端相连接；以及
第五二极管(V5)，其正极与所述第七电阻(R7)的另一端相连接，其负极连接到所述辅助绕组电路(113)；
限流电路(102)，其分别与所述高压启动电路(101)、所述辅助绕组电路(113)和一PWM控制芯片(114)相连接；所述限流电路(102)包括：
第三三极管(V3)，其集电极与所述第五电阻(R5)的另一端相连接，其发射极与所述第五二极管(V5)的正极相连接；
第六电阻(R6)，其一端与所述第三三极管(V3)的基极相连接，另一端与所述第四MOSFET管(V4)的源极相连接；以及
第七电阻(R7)，其一端与所述第四MOSFET管(V4)的源极相连接，另一端与所述第五二极管(V5)的正极相连接；
其中，所述第七电阻(R7)是所述高压启动电路(101)和所述限流电路(102)共用的；
其中，所述超宽输入电压的输入范围65Vac～420Vac。
2.根据权利要求1所述的限流高压启动电路，其特征在于，还包括保护电路(103)；所述保护电路(103)包括：
第二二极管(V2)，其负极与所述第五电阻(R5)的另一端、所述第四MOSFET管(V4)的栅极和所述第三三极管(V3)的集电极的一共同连接点相连接，其正极与所述第五二极管(V5)的正极、所述第七电阻(R7)的另一端和所述第三三极管(V3)的发射极的一共同连接点相连接；
第四电阻(R4)，其一端与所述第二二极管(V2)的负极相连接；
第一三极管(V1)，其集电极与所述第四电阻(R4)的另一端相连接，其发射极接地；以及
第三电阻(R3)，其一端与所述第一三极管(V1)的基极相连接，另一端与所述PWM控制芯片(114)相连接，等待接收一参考电压(Vref)，使所述第二二极管(V2)导通。
3.根据权利要求2所述的限流高压启动电路，其特征在于，所述辅助绕组电路(113)包括：
第三电容(C3)，其一端与所述第五二极管(V5)的负极相连接，另一端接地；
第七二极管(V7)，其负极与所述第三电容(C3)的一端相连接；以及
辅助绕组，其分别与所述第七二极管(V7)的正极和所述第三电容(C3)的另一端相连接；
其中，所述第三电容(C3)的一端、所述第七二极管(V7)的负极与所述第五二极管(V5)的负极的一共同连接点抽出形成一充电电压提供端，向所述PWM控制芯片(114)提供一充电电压(VCC)。
4.根据权利要求3所述的限流高压启动电路，其特征在于，所述直流高压提供电路(111)包括整流桥堆(121)、滤波和均压电路(122)。
5.根据权利要求4所述的限流高压启动电路，其特征在于，所述滤波和均压电路(122)包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一电阻(R1)以及第二电阻(R2)；所述第一电容(C1)和所述第一电阻(R1)的一端均连接到所述整流桥堆(121)的一第一输出端，所述第二电容(C2)和所述第二电阻(R2)的一端均连接到所述整流桥堆(121)的一第二输出端并接地；所述第一电容(C1)的另一端和所述第二电容(C2)的另一端相连接，所述第一电阻(R1)的另一端和所述第二电阻(R2)的另一端相连接；所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)之间的连接点又与所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)之间的连接点相连接。
6.根据权利要求5所述的限流高压启动电路，其特征在于，所述直流高压提供电路(111)中的所述整流桥堆(121)与一三相开关电源相连接。
7.根据权利要求6所述的限流高压启动电路，其特征在于，所述直流高压(VH)的输入范围为85Vdc～600Vdc。
8.根据权利要求7所述的限流高压启动电路，其特征在于，当所述充电电压(VCC)达到所述PWM控制芯片(114)的一启动电压门限值时，所述PWM控制芯片(114)开始正常工作，同时输出所述参考电压(Vref)。
9.根据权利要求8所述的限流高压启动电路，其特征在于，所述参考电压(Vref)为+5V。
10.根据权利要求9所述的限流高压启动电路，其特征在于，所述第四MOSFET管(V4)和所述第五二极管(V5)的导通时间均为纳秒级；和/或所述第四MOSFET管(V4)的源漏电压大于等于900V。
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