CN106300962B - 一种自供电控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自供电控制电路，包括电源、供电电容、驱动控制电路、开关电源电路，开关电源电路耦接电源，其包括第一开关管和负载，第一开关管的控制极耦接驱动控制电路的输出端，驱动控制电路的供电端耦接供电电容的一端，供电电容的另一端耦接电源；在第一开关管的输出端和驱动控制电路的供电端之间设有包含第二开关管的单向开关电路；供电电容只在第二开关管导通并且第一开关管关断的情况进行充电，因此，第二开关管的压降很小，供电电容的充电损耗小，可以解决传统供电方案中功耗的问题，提高系统效率，且无需额外的辅助线圈供电电路，简化线路，降低成本。

Description

一种自供电控制电路

技术领域

本发明涉及自供电控制技术领域，特别涉及一种自供电控制电路。

背景技术

传统的控制电路供电方法中，一种是直接采用独立的电源给控制电路供电，如线性电源(LDO)或者小功率的开关电源。这些独立的电源将输入电压转换为控制电路所需要的供电，通常效率低下，特别是线性电源方法供电的方法。另一种方法是利用开关电源自身中的磁元件，利用电磁耦合，通过辅助绕组，产生一个合适的输出给控制电路供电，这一方法相对效率较高、成本较低，但增加了磁元件加工的复杂性，供电电压通常受输出电压和负载的影响，变化较大，品质不高。

以图1(a)所示的一个开关管在低端(Low Side)的Buck电路(降压电路)为例简要说明这一现有技术。在Buck电路工作期间，需要线性LDO功率管Q2持续供电给电容Vcc。优点是不需要增加外围器件，但是损耗较大，理论上损耗为(Vin-Vcc)*Ivcc。对于Vin比较高的应用，LDO的损耗很大。

以图1(b)所示为另一种供电方式。控制电路开始启动之前，消耗的电流很小，通常可以用一个启动电阻(图中所示的Rstart)或者高压电流源(较小的电流)给Vcc充电。为了降低损耗，通常启动电阻较大。当Vcc电压(即供电电压)达到启动电压后，驱动控制电路开始工作，输出门极控制信号驱动开关管Q1，Buck电路也开始工作，输入向负载提供能量。控制电路在工作后，消耗的电流会增加，较大的启动电阻不能提供控制电路正常工作时的电流，因此需要电容Cvcc中存储的能量支撑控制电路继续工作。在供电电压下降到不能维持控制电路正常工作的电压前，必须有其他途径给控制电路持续供电，维持其正常工作。图1(b)所示例子中利用与电感Lo耦合的辅助绕组Na产生控制电路的供电电压，因此需要额外增加一个辅助绕组Na，结构相对复杂。而且在实际电路中，辅助绕组Na与电感Lo之间不能完全耦合，导致辅助绕组的输出电压Va随着负载的变化会有变动，控制电路的供电电压可能不稳定。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例提供一种自供电控制电路，包括电源、供电电容、驱动控制电路、开关电源电路，

其中，所述开关电源电路耦接所述电源，所述开关电源电路包括第一开关管和负载，所述第一开关管的控制端耦接所述驱动控制电路的输出端，所述驱动控制电路的供电端耦接所述供电电容的一端，所述供电电容的另一端耦接所述电源的负端；

还包括单向开关电路，所述单向开关电路包括第二开关管，所述单向开关电路的一端耦接所述驱动控制电路的供电端，另一端耦接所述开关电源电路中第一开关管的输入端，所述第二开关管的控制极耦接所述驱动控制电路；

当第一开关管关断时，第二开关管导通，电源经开关电源电路和单向开关电路给供电电容充电。

作为一种实施方式，所述单向开关电路包括第二二极管，所述第二二极管与所述第二开关管串联形成串联电路，所述串联电路的一端耦接供电电容，另一端耦接第一开关管的输入端。

作为一种实施方式，还包括驱动电路，所述驱动电路一端耦接所述驱动控制电路，另一端耦接第二开关管的控制极。

作为一种实施方式，所述单向开关电路还包括JFET管，所述第二开关管为PMOS管，PMOS管漏极耦接供电电容，PMOS管源极和栅极耦接驱动控制电路，其中PMOS管源极还耦接JFET管源极，JFET管栅极接地，漏极耦接第二二极管负极，第二二极管正极耦接第一开关管的输入端。

作为一种实施方式，所述第二开关管为NMOS管，所述驱动电路包括第三二极管、第三电阻和第三电容，所述第三二极管与所述第三电阻并联，所述第三电容一端耦接第三二极管负极，另一端耦接驱动控制电路，所述NMOS管源极耦接第三二极管的正极和供电电容，栅极耦接第三二极管的负极，漏极耦接第二二极管的负极。

作为一种实施方式，所述第二开关管为耗尽型NMOS管，耗尽型NMOS管栅极耦接驱动控制电路，源极耦接第二二极管的正极或漏极耦接第二二极管的负极，当源极耦接第二二极管的正极时，第二二极管的负极耦接驱动控制电路的供电端；当漏极耦接第二开关管的负极时，第二二极管的正极耦接开关电源电路。

作为一种实施方式，所述开关电源电路为buck、boost、flyback中的任意一种。

作为一种实施方式，所述第一开关管为NMOS管，NMOS管栅极耦接驱动控制电路的输出端，源极接地，漏极耦接负载。

作为一种实施方式，所述开关电源电路包括第一电感、第一二极管和输出电容，所述第一二极管的负极耦接电源的正端，正极耦接所述第一电感的一端，第一电感的另一端耦接所述输出电容的一端，所述第一电容的另一端耦接第一二极管的负极。

作为一种实施方式，所述第一开关管和第二开关管为MOS管或三极管。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明提出的自供电控制电路，在第一开关管Q1的漏极和驱动控制电路的驱动电压输入端之间加入单向开关电路，该单向开关电路中，当第二开关管导通，第一开关管Q1关断时，输入电压Vin、负载、第一电感Lo、第二二极管D2、第二开关管、供电电容Cvcc形成回路，输入电压对第一电感Lo和供电电容Cvcc充电，第一电感Lo电流增加，VCC处的电压升高。第二开关管对供电电容Cvcc充电也可以在电感电流上升过程中的任何时刻，只要第一开关管Q1关断，第二开关管导通就可以对供电电容Cvcc进行充电。

附图说明

图1为传统的供电电路的电路图；

图2为本发明的实施例一的自供电控制电路的电路图；

图3为本发明的实施例二的自供电控制电路的电路图；

图4为本发明的实施例二的自供电控制时序图；

图5为本发明的实施例二的另一种自供电控制时序图；

图6为本发明的实施例三的自供电控制电路的电路图；

图7为本发明的实施例四的自供电控制电路的电路图；

图8为本发明的多种单向开关电路的电路图结构图。

附图标注：1、驱动控制电路；2、开关电源电路；3、单向开关电路；31、驱动电路。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

如图2、3、6、7所示，一种自供电控制电路，包括电源(输入电压Vin)、供电电容Cvcc、驱动控制电路1、开关电源电路2和单向开关电路3。其中，开关电源电路2耦接电源，开关电源电路2包括第一开关管Q1和负载，第一开关管Q1的控制端耦接驱动控制电路1的输出端，驱动控制电路1的输入端耦接供电电容的一端，供电电容的另一端耦接电源的负端；单向开关电路3的一端耦接驱动控制电路1的供电，另一端耦接第一开关管的输入端，单向开关电路3包括第二开关管，第二开关管的控制极耦接驱动控制电路1。第一开关管和第二开关管为MOS管或三极管。开关电源电路2为buck、boost、flyback中的任意一种。

如下的实施例中，均以开关电源电路2为BUCK电路、第一开关管为NMOS管进行阐述。NMOS管栅极耦接驱动控制电路1的供电端，源极接地，漏极耦接负载。BUCK电路包括第一电感Lo、第一二极管Dr、输出电容Co和负载，第一二极管Dr的负极耦接电源的正端，正极耦接第一电感Lo的一端，第一电感Lo的另一端耦接输出电容Co的一端，输出电容Co的另一端耦接第一二极管Dr是负极，负载与输出电容Co并联连接。

实施例一

如图2所示，单向开关电路3包括开关管Q2(即上述的第二开关管)和第二二极管D2，开关管Q2的控制极耦接驱动电路31，驱动电路31耦接驱动控制电路1。开关管Q2和第二二极管D2可以互换位置。

该电路工作时，当第一开关管Q1关断，开关管Q2导通，电源输入电压Vin、负载、第一电感Lo、第二二极管D2、开关管Q2、供电电容Cvcc形成回路，输入电压对第一电感Lo和供电电容Cvcc充电，第一电感Lo电流增加，供电电容Cvcc电压升高。当第一开关管Q1导通时，不论开关管Q2导通与否，都会停止对供电电容Cvcc充电。

实施例二

如图3-5所示，单向开关电路3包括第二二极管D2、JFET Q5和PMOS Q4(即上述的第二开关管，此处PMOS Q4位置，也可为MOS或三极管，由于有JFET管给驱动控制电路供电，因此，即使采用NMOS管，也不需要驱动电路)，PMOS Q4的栅极和源极连接到驱动控制电路1，且其源极连接到JFET Q5。在自供电控制电路启动时，图中VCC处的电压为0，第二二极管D2和JFET Q5导通，则PMOS Q4的源极电压升高。由于VCC处的电压为0，驱动控制电路1还未启动，PMOS Q4的栅极电压也为0，当PMOS Q4的源极电压比栅极电压高于其开启电压，则PMOS Q4导通，供电电容Cvcc被充电。当VCC处的电压高于一定值时，则驱动控制电路1开启，当驱动控制电路1对PMOS Q4的栅极下拉，使PMOS Q4继续导通，则PMOS Q4源极电压近似等于漏极电压，即VCC。当第一开关管Q1关断时，输入电压Vin通过负载或者输出电容Co、第一电感Lo、第二二极管D2、JFET Q5和PMOS Q4给供电电容Cvcc和第一电感Lo充电。在此期间，PMOS Q4导通，PMOS Q4漏极与源极之间的压降很小，JFET Q5工作在线性区，其压降也很小，所以PMOS Q4和JFET Q5损耗极小。第一电感Lo上电压为Vin-Vout-Vcc。在Vin-Vout远大于Vcc的情况下，第一电感Lo上电压约为Vin-Vout，电感电流上升。经过一定时间后，或驱动控制电路1检测到Vcc处的电压达到一定阈值，或通过电阻采样PMOS Q4电流的方式来检测流过PMOS Q4的电流达到一定阈值时，驱动控制电路1控制第一开关管Q1导通，由于第一开关管Q1导通，第一开关管Q1漏极的电压低于Vcc处的电压。由于第二二极管D2的存在，供电电容Cvcc的充电通路截止；PMOS Q4没有电流。电流经过第一开关管Q1，而不经过PMOS Q4。输入电压Vin通过负载或者输出电容Co、第一电感Lo、第一开关管Q1给第一电感Lo充电，第一电感Lo上电压为Vin-Vout，电感电流继续上升。PMOS Q4可以在第一开关管Q1导通的任何时刻关断，驱动控制电路1将PMOS Q4的栅极上拉到其源极即可关断PMOS Q4。当PMOS Q4关断时，由于JFET Q5和第二二极管D2都没有电流，PMOS Q4的源极电压为JFET Q5的夹断电压，一般该夹断电压略高于VCC处的电压。当电感电流上升到一定值或者经过一定时间后，驱动控制电路1控制第一开关管Q1关断，第一开关管Q1漏极电压上升，当第一电感Lo电流使得第一二极管Dr导通时，第一开关管Q1漏极电压接近Vin。在此阶段PMOS Q4一直处于关断状态，没有电流流经PMOS Q4，第一电感Lo上电压为-Vout，电感电流下降。电感电流iLo，第一开关管Q1、PMOS Q4驱动信号Vgs_Q1、Vgs_Q4，充点电容Cvcc的充电电流iQ4，Vcc处的电压波形和第一开关管Q1漏源电压波形如图4所示。

供电电容Cvcc只在PMOS Q4导通并且第一开关管Q1关断的情况进行充电，在此情况下，PMOS Q4、JFET Q5的压降很小，因此，供电电容Cvcc的充电损耗小，可以解决传统LDO供电方案中LDO功耗的问题，提高系统效率，且该电路无需额外的辅助线圈供电电路，简化线路，降低成本。

图5是基于图3的实现方式中，该实施例的另一种自供电控制时序图，供电电容Cvcc充电发生在电感电流上升过程中的中间时刻。

实施例三

如图6所示，单向开关电路3包括第二二极管D2和NMOS Q6(即上述的第二开关管)，自供电控制电路还包括驱动电路31，驱动电路31包括第三二极管D3、第三电阻R3和第三电容C3，第三二极管D3与第三电阻R3并联，第三电容C3一端耦接第三二极管D3负极，另一端耦接驱动控制电路1，NMOS管Q6源极耦接第三二极管D3的正极和供电电容Cvcc，栅极耦接第三二极管D3的负极，漏接耦接第二二极管D2的负极。当驱动控制电路1对NMOS Q6的栅极上拉，NMOS Q6导通。当第一开关管Q1关断时，则VDS_Q1通过第二二极管D2和NMOS Q6对供电电容Cvcc进行充电；由于NMOS Q6导通时，其栅极要大于VCC处的电压，即其源极电压，而VCC处的电压为驱动控制电路1供电，也就是驱动控制电路1中的电压都低于VCC处的电压，因此需要由第三电阻R3、第三二极管D3和第三电容C3组成的驱动电路31来驱动NMOS Q6。原理是利用自举电容C3，使Q6的栅源电压VGS大于开启电压Vth。具体为电容C3下极板(和驱动控制电路1连接的一端)初始接电位V1，此时电容上极板(连接到Q6栅极的一端)因为二极管D3和电阻R3的存在，使得电容C3上极板电压为VCC，此时Q6的VGS＝0，Q6关断。当驱动控制电路需要导通Q6时，上拉电容下极板电位到V2，由于电容两端电压不能突变，此时电容上极板电位会提高到VCC+V2-V1，所以Q6的VGS＝V2-V1，只要V2-V1>Vth，Q6即会导通。设计时C3容值比Q6的栅源寄生电容Cgs大很多，确保自举时可以把Q6的栅极电压举起来，同时R3电阻不能太小，确保Q6导通时间内不会把Cgs上的电荷放掉。当第一开关管Q1导通时，供电电容Cvcc充电停止；当驱动控制电路1不对第三电容C3进行充电，则第三电阻R3上电流为0，NMOS Q6的栅源电压为0，NMOS Q6关断，供电电容Cvcc充电停止。

实施例四

如图7所示，单向开关包括第二二极管D2和耗尽型MOS Q7(即上述的第二开关管)，Q7为耗尽型NMOS。一般MOS默认为增强型MOS，即对于NMOS来说，其栅源电压为0时，NMOS关断；栅源电压为正且大于开启电压时，NMOS导通。对于PMOS来说，其栅源电压为0时，PMOS关断；栅源电源为负，且其绝对值大于开启电压时，PMOS导通。而耗尽型NMOS的栅源电压为0时，NMOS导通，NMOS栅源电压为负且低于关断电压时，关断；耗尽型PMOS的栅源电压为0时导通，栅源电压为正且大于关断电压时，关断。由于耗尽型NMOS Q7在导通和关断时，其栅极电压都比源极电压低，也就是低于VCC处的电压，因此可以由驱动控制电路1直接控制。并且当VCC处的电压不足以启动驱动控制电路1时，耗尽型NMOS Q7导通，供电电容Cvcc被充电，当VCC处的电压高于一定值时，则驱动控制电路1可以启动工作。当供电电容Cvcc充电完成后，第一开关管Q1导通，驱动控制电路1可以下拉NMOS Q7的栅极电压将NMOS Q7关断。NMOS Q7和第一开关管Q1共漏极，当NMOS Q7和第一开关管Q1和驱动控制电路1做在同一个芯片中时，NMOS Q7可以和第一开关管Q1做在一起，可以大大节约芯片面积。

综上所述，单向开关电路3不局限与上述的几个实施例，可以有多种实现方式，可以是二极管与三极管串联组成，或者两个MOSFET的串联等等。如图8所示的几种单向开关。如图8(a)所示为二极管和PMOS串联；如图8(b)所示为二极管和NPN三极管串联；如图8(c)所示为二极管和PNP三极管串联；如图8(d)所示为两个NMOS串联，其中一个NMOS处于关断状态，可以栅极接源极，利用其体二极管，另一个NMOS作为开关。

本发明提出的自供电控制电路，在第一开关管Q1的漏极和驱动控制电路的驱动电压输入端之间加入单向开关电路，该单向开关电路中，当第二开关管导通，第一开关管Q1关断时，输入电压Vin、负载、第一电感Lo、第二二极管D2、第二开关管、供电电容Cvcc形成回路，输入电压对第一电感Lo和供电电容Cvcc充电，第一电感Lo电流增加，VCC处的电压升高。第二开关管对供电电容Cvcc充电也可以在电感电流上升过程中的任何时刻，只要第一开关管Q1关断，第二开关管导通就可以对供电电容Cvcc进行充电。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自供电控制电路，其特征在于，包括电源、供电电容、驱动控制电路、开关电源电路，

其中，所述开关电源电路耦接所述电源，所述开关电源电路包括第一开关管和负载，所述第一开关管的控制端耦接所述驱动控制电路的输出端，所述驱动控制电路的供电端耦接所述供电电容的一端，所述供电电容的另一端耦接所述电源的负端；

还包括单向开关电路，所述单向开关电路包括第二开关管，所述单向开关电路的一端耦接所述驱动控制电路的供电端，另一端耦接所述开关电源电路中第一开关管的输入端，所述第二开关管的控制极耦接所述驱动控制电路；

在电感电流上升过程中的任何时刻，当第一开关管关断时，第二开关管导通，电源经开关电源电路和单向开关电路给供电电容充电；

所述单向开关电路包括第二二极管，所述第二二极管与所述第二开关管串联形成串联电路，所述串联电路的一端耦接供电电容，另一端耦接第一开关管的输入端。

2.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，还包括驱动电路，所述驱动电路一端耦接所述驱动控制电路，另一端耦接第二开关管的控制极。

3.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述单向开关电路还包括JFET管，所述第二开关管为PMOS管，PMOS管漏极耦接供电电容，PMOS管源极和栅极耦接驱动控制电路，其中PMOS管源极还耦接JFET管源极，JFET管栅极接地，漏极耦接第二二极管负极，第二二极管正极耦接第一开关管的输入端。

4.根据权利要求2所述的自供电控制电路，其特征在于，所述第二开关管为NMOS管，所述驱动电路包括第三二极管、第三电阻和第三电容，所述第三二极管与所述第三电阻并联，所述第三电容一端耦接第三二极管负极，另一端耦接驱动控制电路，所述NMOS管源极耦接第三二极管的正极和供电电容，栅极耦接第三二极管的负极，漏极耦接第二二极管的负极。

5.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述第二开关管为耗尽型NMOS管，耗尽型NMOS管栅极耦接驱动控制电路，源极耦接第二二极管的正极或漏极耦接第二二极管的负极，当源极耦接第二二极管的正极时，第二二极管的负极耦接驱动控制电路的供电端；当漏极耦接第二开关管的负极时，第二二极管的正极耦接开关电源电路。

6.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述开关电源电路为buck、boost、flyback中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述第一开关管为NMOS管，NMOS管栅极耦接驱动控制电路的输出端，源极接地，漏极耦接负载。

8.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述开关电源电路包括第一电感、第一二极管和输出电容，所述第一二极管的负极耦接电源的正端，正极耦接所述第一电感的一端，第一电感的另一端耦接所述输出电容的一端，所述第一电容的另一端耦接第一二极管的负极。

9.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管为MOS管或三极管。