CN105119476B - 一种应用于开关电源中的x电容放电控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于开关电源中的X电容放电控制电路，利用耗尽型晶体管和第二开关管组成的开关电路对X电容进行放电，通过将当前采样的输入电压信息与上一周期的采样保持的输入电压信息进行比较，根据比较结果来判定输入端是否掉电，当发生掉电后，则控制第二开关管导通以对X电容进行放电。另一方面，还可以复用所述耗尽型晶体管，以利用输入端电压对供电电容充电，实现对开关电源控制芯片的高压快速启动。

Description

一种应用于开关电源中的X电容放电控制电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及一种应用于开关电源中的X电容放电控制电路。

背景技术

在AC/DC开关电源中，为了解决电磁干扰EMI问题，一般在输入端设置EMI滤波电路，所述滤波电路一般包含有并联在交流电源输入端火线和零线之间的X滤波电容。当AC/DC开关电源输入端的交流电源断开时，X滤波电容上会残留一定的电压，如果人触碰到开关电源的输入电极，X滤波电容上的残留电压会有电击伤人的可能性。因此，在安规标准中规定当开关电源从输入电源断开后，X滤波电容上的电压必须在额定的时间内(一般为1秒或以下)放到安全电压以下，因此需要设置X电容快速放电的电路。

传统的解决方案是，在X电容两端并联一个阻值较大的电阻，如图1所示为现有技术的一种开关电源的X电容放电电路，当开关电源输入端的交流电源断开时，并联的放电电阻对X电容上的残余电荷进行释放，从而使开关电源符合安规要求。但是这种方案由于放电电阻始终并联在X电容两端，当开关电源处于空载模式时，该放电电阻上产生的损耗将非常显著的增加了电源的空载损耗，对电源空载效率影响较大，在目前对开关电源的待机功耗要求越来越严格背景下，传统的解决方案不能再满足最新的能耗要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种应用于开关电源中的X电容放电控制电路，通过将当前采样的输入电压信息和上一周期的输入电压采样保持的信息进行比较，以判断输入电压是否掉电，当检测到输入端的电源掉电后，则控制开关管导通以对X电容进行放电。

依据本发明的一种应用于开关电源中的X电容放电控制电路，所述开关电源包括有连接在开关电源输入端之间的X电容，所述控制电路通过第一电阻和两个二极管连接至所述X电容的两端，所述控制电路包括第一开关管、第二开关管、输出电压检测电路、计时电路和逻辑电路，

所述第一开关管和第二开关管串联连接在所述第一电阻和一采样电阻之间，所述采样电阻的另一端接地；

所述输入电压检测电路输入端连接所述第二开关管和采样电路的公共连接点，以获得输入电压采样信号，所述输入电压检测电路将当前采样的输入电压采样信号和上一周期输入电压的采样保持信号进行比较，以获得一比较控制信号；

所述计时电路接收所述比较控制信号，当所述比较控制信号为无效状态的时间达到预定的时间值时，则所述计时电路输出的计时信号变为有效状态；

所述逻辑电路接收所述计时信号和时钟信号，经逻辑运算后输出第二开关控制信号以控制所述第二开关管的开关状态，

其中，当所述计时信号变为有效状态时，所述第二开关控制信号变为有效状态控制所述第二开关管导通，从而使得所述X电容进行放电。

进一步的，所述第一开关管为耗尽型晶体管，且所述第一开关管的控制端接地。

进一步的，所述控制电路还包括高压启动电路，

所述高压启动电路包括有第三二极管、第三开关管、第四开关管和第一比较器，

所述第三二极管的阳极连接至所述第一开关管的源极，阴极连接至所述第三开关管的第一功率端，所述第三开关管的第二功率端连接至供电电容；

所述第一比较器的第一输入端接所述第三开关管的第二功率端，第二输入端接收第一参考电压信号，输出端输出第一比较信号；

所述第四开关管的控制端接收所述第一比较信号，第一功率端通过第二电阻连接至所述第三二极管的阴极，第二功率端通过第一电流源接地；

所述第三开关管的控制端连接至所述第四开关管的第一功率端；

所述供电电容的电压作为所述开关电源中控制芯片的供电电压。

进一步的，所述输入电压检测电路包括第五开关管、第六开关管、保持电容和第二比较器，

所述第五开关管的第一功率端连接至所述第二开关管和采样电阻的公共连接点，第二功率端连接至所述第二比较器的第一输入端；

所述第六开关管的第一功率端连接至所述第二开关管和采样电阻的公共连接点，第二功率端连接至所述保持电容的第一端，所述保持电容的第二端接地；

所述保持电容的第一端连接至所述第二比较器的第二输入端；

所述第二比较器的输出端输出所述比较控制信号。

进一步的，所述输入电源检测电路还包括微电压源，

所述微电压源连接在所述保持电容和所述第二比较器的第二输入端之间，并且，所述微电压源的正极连接所述第二比较器的第二输入端，负极连接所述保持电容的第一端。

进一步的，所述计时电路包括充放电电路和第三比较器，

所述充放电电路接收所述比较信号，当所述比较信号为低电平无效状态时，所述充放电电路进行充电动作，以产生第一斜坡信号；当所述比较信号为高电平有效状态时，所述充放电电路进行放电动作，所述第一斜坡信号下降至零；

所述第三比较器的第一输入端接收所述第一斜坡信号，第二输入端接收第二参考电压信号，输出端输出所述计时信号。

进一步的，所述逻辑电路包括脉冲发生器、电压采样及保持驱动信号发生器和逻辑或门，

所述脉冲发生器用以产生预定宽度的时钟信号；

所述逻辑或门接收所述时钟信号和所述计时信号，以产生第二开关控制信号；

所述电压采样及保持驱动信号发生器接收所述时钟信号，以产生第五开关控制信号和第六开关控制信号控制所述第五开关管和第六开关管的开关动作。

通过上述的应用于开关电源中的X电容放电控制电路，利用耗尽型晶体管和第二开关管组成的开关电路对X电容进行放电，通过将当前采样的输入电压信息与上一周期的采样保持的输入电压信息进行比较，根据比较结果来判定输入端是否掉电，当发生掉电后，则控制第二开关管导通以对X电容进行放电。另一方面，还可以复用所述耗尽型晶体管，以利用输入电压对供电电容充电，实现开关电源控制芯片的快速启动。

附图说明

图1所示为现有技术的一种开关电源的X电容放电电路；

图2所示为依据本发明的应用于开关电源中的X电容放电控制电路；

图3所示为依据本发明的输入电压检测电路和计时电路的工作波形图；

图4所示为依据本发明的逻辑电路的工作波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2所示为依据本发明的应用于开关电源中的X电容放电控制电路，所述开关电源包括有连接在开关电源输入端之间的X电容，如图2所示，所述X电容连接在零线N和火线L之间，所述控制电路通过两个二极管(二极管D1和D2)和第一电阻R_HV连接至所述X电容的两端，控制电路100检测开关电源的输入端是否发生掉电，当掉电后，则控制所述X电容进行放电。

进一步的，控制电路100包括第一开关管J1、第二开关管M2、输出电压检测电路20、计时电路30和逻辑电路40。其中，第一开关管J1和第二开关管M2串联连接在第一电阻R_HV和采样电阻Rsen之间，采样电阻Rsen的另一端接地。其中，第一开关管J1为耗尽型晶体管，例如为J-FET晶体管，且所述第一开关管J1的控制端接地，漏极连接所述第一电阻R_HV；所述第二开关管M2为N型场效应晶体管。

在本发明实施方式中，控制电路100进一步包括高压启动电路10，所述高压启动电路10包括有第三二极管D3、第三开关管M3、第四开关管S4和第一比较器CMP1，这里，所述第三开关管M3为P型场效应晶体管；所述第三二极管D3的阳极连接至所述第一开关管J1的源极，阴极连接至所述第三开关管M3的第一功率端，所述第三开关管M3的第二功率端连接至供电电容C1；所述第一比较器CMP1的第一输入端接所述第三开关管M3的第二功率端，第二输入端接收第一参考电压信号V_REF1，输出端输出第一比较信号V1；所述第四开关管S4的控制端接收所述第一比较信号V1，第一功率端通过第二电阻R_G连接至所述第三二极管D3的阴极，第二功率端通过第一电流源I1接地；所述第三开关管M3的控制端连接至所述第四开关管S4的第一功率端；所述供电电容C1的电压作为所述开关电源中控制芯片的供电电压。

根据上述高压启动电路的结构，其工作过程为：当开关电源的输入端接入交流电源时，二极管D1(或D2)导通，由于第一开关管J1为耗尽型开关管，且控制端接地，则第一开关管J1处导通状态，这里，当第一比较器CMP1输出的第一比较信号为有效状态(低电平)，第四开关管S4为导通，则第二电阻R_G上会通过电流，并且该电流等于所述第一电流源的电流，第二电阻R_G上产生压降，使得第三开关管M3的源极电压高于栅极电压，第三开关管M3导通，输入端电源通过第三二极管D3、第三开关管M3给供电电容C1充电，当供电电容C1的电压充电至设定的阈值V_REF1时，即是控制芯片的工作电压时，控制芯片开始启动工作，这时，第一比较器CMP1输出的第一比较信号跳变为无效状态(高电平)，第四开关管S4关断，第二电阻R_G上没有电流，则第三开关管M3的源极电压等于栅极电压，第三开关管M3关断，输入端电源不再给供电电容充电，至此，高压启动过程结束。

进一步的，输入电压检测电路20具体包括第五开关管S5、第六开关管S6、保持电容C_hold和第二比较器CMP2；第五开关管S5的第一功率端连接至第二开关管M2和采样电阻Rsen的公共连接点，第二功率端连接至第二比较器CMP2的第一输入端(如正端)；第六开关管S6的第一功率端连接至第二开关管M2和采样电阻Rsen的公共连接点，第二功率端连接至保持电容C_hold的第一端，保持电容C_hold的第二端接地；保持电容C_hold的第一端连接至第二比较器CMP2的第二输入端(如负端)；第二比较器CMP2的输出端输出所述比较控制信号V_RST。

在本实施例中，输入电压检测电路20进一步包括微电压源V_offset，微电压源V_offset连接在保持电容C_hold和第二比较器CMP2的第二输入端之间，并且，微电压源V_offset的正极连接第二比较器CMP2的第二输入端(如负端)，负极连接保持电容C_hold的第一端。

本实施例中，计时电路30包括充放电电路和第三比较器CMP3，所述充放电电路包括并联的第七开关管M7、电容Ct和二极管D4，还包括充电电流It，所述第七开关管M7的控制端接收所述比较控制信号V_RST，当所述比较控制信号为无效状态(低电平)时，第七开关管M7断开，所述充放电电路进行充电动作，以产生第一斜坡信号V_slope；当所述比较控制信号为有效状态(高电平)时，第七开关管M7导通，所述充放电电路进行放电动作，所述第一斜坡信号快速下降至零，若所述比较控制信号一直保持高电平有效状态，则第一斜坡信号一直保持为零；所述第三比较器的第一输入端(如正端)接收所述第一斜坡信号V_slope，第二输入端(如负端)接收第二参考电压信号V_REF2，输出端输出计时信号V_DIS。

逻辑电路40包括脉冲发生器401、电压采样及保持驱动信号发生器402和逻辑或门403，所述脉冲发生器401用以产生预定宽度的时钟信号V_SMP；所述逻辑或门403接收所述时钟信号V_SMP和所述计时信号V_DIS，以产生第二开关控制信号V_M2；所述电压采样及保持驱动信号发生器402接收所述时钟信号V_SMP，以产生第五开关控制信号V_S5和第六开关控制信号V_S6控制所述第五开关管S5和第六开关管S6的开关动作。

下面参考图3所示的输入电压检测电路和计时电路的工作波形图以及图4所示为依据本发明的逻辑电路的工作波形图来阐述本发明的X电容的放电控制过程：

输入电压经过二极管D1和二极管D2整流后，得到一半波电压信号V_HV，由于时钟信号为固定频率且导通时间较短的脉冲信号，当时钟信号变为高电平时，如图3中t1时刻，第二开关管M2导通，这时，第一开关管J1的源极电压被拉低，由于第一开关管J1的栅极电压连接至地，则第一开关管J1导通。当第一开关管J1和第二开关管M2均导通后，则半波电压信号V_HV被第一电阻R_HV和采样电阻Rsen分压，在采样电阻的一端可以获得表征输入电压信息的输入电压采样信号Vsen，这里，第一电阻R_HV的阻值远大于采样电阻Rsen的阻值，因此，输入电压采样信号Vsen的幅值很小，可以安全被低压电路利用。在所述时钟信号V_SMP为高电平时间段，在图3中t2时刻，电压采样及保持驱动信号发生器402产生的第五开关控制信号V_S5变为高电平有效状态，第五开关管导通，这时，第二比较器的正向输入端接收所述输入电压采样信号Vsen，若第二比较器的正向输入端接收的输入电压采样信号大于上一周期采样保持的输入电压信号，则输出的比较控制信号V_RST为高电平有效状态，如图4所示的V_RST，由于第五开关管的导通时间较短，因此，比较控制信号V_RST为窄脉冲。然后至图3中t3时刻，第五开关控制信号V_S5变为低电平有效状态，第五开关管关断，第二比较器CMP2的正端电压变为零，比较控制信号V_RST变为低电平无效状态。到图3中t4时刻，电压采样及保持驱动信号发生器402产生的第六开关控制信号V_S6变为高电平有效状态，第六开关管导通，这时，第二比较器的负向输入端接收所述输入电压采样信号，所述保持电容保持本周期的输入电压采样信号的大小，以跟下一周期的输入电压采样信号进行比较。在图3中t5时刻，第六开关控制信号V_S6变为低电平无效状态，第六开关管关断，至图3中t6时刻，时钟信号V_SMP为低电平，第二开关管M2断开。

在本实施例中，为了保证输入电压检测电路20能够稳定工作，在第二比较器CMP2的负向输入端接入微电压源V_offset，由于第二比较器的反相输入端的保持电容上电压有可能为零，这样可以使得当第五开关管S5断开后，第二比较器的负向输入端的电压总是大于正向输入端的电压，使得比较控制信号V_RST为确定的低电平。

在上述过程中，当比较控制信号V_RST为低电平无效状态时，第七开关管M7断开，则充电电流It给电容Ct充电，第一斜坡信号V_slope上升；当比较控制信号V_RST为高电平有效状态时，第七开关管M7导通，则电容Ct通过第七开关管M7放电，第一斜坡信号V_slope下降至零。

当开关电源的输入端发生掉电后，如图4中的t1时刻，这时，实时采样的输入电压采样信号小于上一周期采样保持的输入电压信号，则第二比较器输出的比较控制信号V_RST持续为低电平，充电电流It持续给电容Ct充电，第一斜坡信号V_slope持续上升；当上述第一斜坡信号V_slope上升至所述第二参考电压V_REF2时，则表征输入端电压发生掉电，第一斜坡信号V_slope上升至所述第二参考电压V_REF2的时间即是图4中t1时刻至t2时刻的时间，t1至t2时刻的时间段为预设的时间值，一般设为至少2个以上的输入电压的半波周期。计时信号V_DIS变为有效状态(高电平)，则逻辑或门输出高电平，第二开关管M2导通，同时，第一开关管J1导通，X电容的电压通过第一电压R_HV、第一开关管J1、第二开关管M2和采样电阻Rsen放电，至此，则完成了X电容放电的全过程。

本发明的应用于开关电源中的X电容放电控制电路，利用耗尽型晶体管和第二开关管组成的开关电路对X电容进行放电，通过将当前采样的输入电压信息与上一周期的采样保持的输入电压信息进行比较，根据比较结果来判定输入端是否掉电，当发生掉电后，则控制第二开关管导通以对X电容进行放电。另一方面，还可以复用所述耗尽型晶体管，以利用输入电压对供电电容充电，实现开关电源控制芯片的高压快速启动。

以上对依据本发明的应用于开关电源中的X电容放电控制电路进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种应用于开关电源中的X电容放电控制电路，所述开关电源包括有连接在开关电源输入端之间的X电容，所述控制电路通过第一电阻和两个二极管连接至所述X电容的两端，其特征在于，所述控制电路包括第一开关管、第二开关管、输入电压检测电路、计时电路和逻辑电路，

所述第一开关管和第二开关管串联连接在所述第一电阻和一采样电阻之间，所述采样电阻的另一端接地；

所述输入电压检测电路输入端连接所述第二开关管和采样电阻的公共连接点，以获得输入电压采样信号，所述输入电压检测电路将当前采样的输入电压采样信号与一个和信号进行比较，所述和信号为上一周期输入电压的采样保持信号和一微电压源之和，以获得一比较控制信号；

所述输入电压检测电路还包括第五开关管、第六开关管、保持电容和第二比较器，

所述第五开关管的第一功率端连接至所述第二开关管和采样电阻的公共连接点，第二功率端连接至所述第二比较器的第一输入端；

所述第六开关管的第一功率端连接至所述第二开关管和采样电阻的公共连接点，第二功率端连接至所述保持电容的第一端，所述保持电容的第二端接地；

所述微电压源连接在所述保持电容和所述第二比较器的第二输入端之间，并且，所述微电压源的正极连接所述第二比较器的第二输入端，负极连接所述保持电容的第一端；

所述第二比较器的输出端输出所述比较控制信号；

所述计时电路接收所述比较控制信号，当所述比较控制信号为无效状态的时间达到预定的时间值时，则所述计时电路输出的计时信号变为有效状态；

所述逻辑电路接收所述计时信号和一时钟信号，经逻辑运算后输出第二开关控制信号以控制所述第二开关管的开关状态，

其中，当所述计时信号变为有效状态时，所述第二开关控制信号变为有效状态控制所述第二开关管导通，从而使得所述X电容进行放电。

2.根据权利要求1所述的X电容放电控制电路，其特征在于，所述第一开关管为耗尽型晶体管，且所述第一开关管的控制端接地。

3.根据权利要求2所述的X电容放电控制电路，其特征在于，所述控制电路进一步包括高压启动电路，

所述高压启动电路包括有第三二极管、第三开关管、第四开关管和第一比较器，

所述第三二极管的阳极连接至所述第一开关管的源极，阴极连接至所述第三开关管的第一功率端，所述第三开关管的第二功率端连接至供电电容；

所述第一比较器的第一输入端接所述第三开关管的第二功率端，第二输入端接收第一参考电压信号，输出端输出第一比较信号；

所述第四开关管的控制端接收所述第一比较信号，第一功率端通过第二电阻连接至所述第三二极管的阴极，第二功率端通过第一电流源接地；

所述第三开关管的控制端连接至所述第四开关管的第一功率端；

所述供电电容的电压作为所述开关电源中控制芯片的供电电压。

4.根据权利要求1所述的X电容放电控制电路，其特征在于，所述计时电路包括充放电电路和第三比较器，

所述充放电电路接收所述比较控制信号，当所述比较控制信号为低电平无效状态时，所述充放电电路进行充电动作，以产生第一斜坡信号；当所述比较控制信号为高电平有效状态时，所述充放电电路进行放电动作，所述第一斜坡信号下降至零；

所述第三比较器的第一输入端接收所述第一斜坡信号，第二输入端接收第二参考电压信号，输出端输出所述计时信号。

5.根据权利要求1所述的X电容放电控制电路，其特征在于，所述逻辑电路包括脉冲发生器、电压采样及保持驱动信号发生器和逻辑或门，

所述脉冲发生器用以产生预定宽度的时钟信号；

所述逻辑或门接收所述时钟信号和所述计时信号，以产生第二开关控制信号；

所述电压采样及保持驱动信号发生器接收所述时钟信号，以产生第五开关控制信号和第六开关控制信号控制所述第五开关管和第六开关管的开关动作。