CN106374733B - 一种用于开关电源快速启动的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于开关电源快速启动的系统。提供了一种用于开关电源快速启动的系统，包括：电磁干扰滤波电路、输入整流电路、启动电路、以及输出整流电路，其中：电磁干扰滤波电路的输入端与交流电源相连接，输出端与整流电路相连接；输入整流电路的输入端与电磁干扰滤波电路的输出端相连接，输出端与启动电路的输入端相连接；启动电路的输入端与输入整流电路的输出端相连接，输出端与反馈取样电路的输入端相连接；反馈取样电路一端与启动电路的输入端相连接，另一端接地；并且其中，启动电路包括第一电阻器、齐纳二极管、第一二极管、第二二极管、第一晶体管、第二晶体管、欠压检测电路、驱动器、电容器、第二电阻、以及第三电阻器。

Description

一种用于开关电源快速启动的系统

技术领域

本发明涉及电路领域，更具体地涉及用于开关电源快速启动的系统。

背景技术

近年来，开关电源技术不断发展，有着广泛的应用前景。但是由于开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差，在使用过程中给用户带来很大不便。为了保护开关电源自身和负载的安全，根据开关电源的原理和特点，设计了过热保护、过电流保护、过电压保护以及软启动保护电路。

一般而言，AC/DC(直流/交流)电源系统通过在bulk电容到IC VDD接启动电阻来实现IC启动，如下图1所示。图1是示出了传统AC/DC系统应用的图示。

在图1中，由电阻器R1给VDD电容器C1充电，当C1电容上电压高于UVLO电压，IC完成启动开始工作；由于考虑到待机功耗和效率，一般来说R1的阻值尽量大，但是R1的阻值太大会导致给电容器C1充电的时间增长，会导致启动时间过长。同时在输入AC电压不同的情况下，启动时间也不同。例如：假设R1取值3Mohm，C1取值4.7uF；并且假设IC UVLO(欠压锁定)电压为16V，则90V的AC下电路启动时间为1.8S，264V的AC下启动时间为0.6S，并且启动电阻器R1消耗功耗为46mW。启动电阻器消耗了较多的功率。

发明内容

鉴于以上所述的问题，本发明提供了一种用于开关电源快速启动的系统。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于开关电源快速启动的系统，包括：电磁干扰滤波电路、整流电路、启动电路、以及整流电路，其中：电磁干扰滤波电路的输入端与交流电源相连接，输出端与整流电路相连接；整流电路的输入端与电磁干扰滤波电路的输出端相连接，输出端与启动电路的输入端相连接；启动电路的输入端与整流电路的输出端相连接，输出端与反馈取样电路的输入端相连接；反馈取样电路一端与启动电路的输入端相连接，另一端接地；并且其中，启动电路包括串联连接的第一电阻器、齐纳二极管、第一二极管、第二二极管、第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET M1)，第二金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET M2)，VDD欠压检测电路(UVLO)，驱动器，电容器(C1)，第二电阻器(R0)，第三电阻器(R1)。，其中电容器一端接地，并与第一电阻器、第二二极管、第二电阻器、齐纳二极管的负极串联，第三电阻器通常一端接经整流的电源的正极、另一端接齐纳二极管负极，欠压检测电路一端接所述电容器、另一端接驱动器和第二金属氧化物半导体场效应晶体管，驱动器与欠压检测电路以及第一二极管相连接。

根据本申请实施例提供了一种用于开关电源快速启动的系统，其具有较低功率损耗。取决于实施例，还可以获得一个或多个益处。参考下面的详细描述和附图可以全面地理解本发明的这些益处以及各个另外的目的、特征和优点。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的示例性实施例的特征、优点和技术效果进行描述，附图中相似的附图标记表示相似的元件，其中：

图1是示出了传统AC/DC系统应用的图示。

图2是示出了根据本公开的实施例的、快速启动次级侧调节(SSR)的AC/DC的示例性图示。

图3是示出了根据本公开的实施例的、快速启动初级侧调节(PSR)的AC/DC的示例性图示。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图2是示出了根据本公开的实施例的、快速启动次级侧调节(SSR)的AC/DC的示例性图示。该图仅作为示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该理解很多变化、替代和修改。

如图2所示，AC/DC电源系统次级侧包括电磁干扰(EMI)滤波电路、输出整流滤波电路。根据不同的应用，EMI滤波电路可以包括一个或两个电感，也可以只包括一个共模电感(在包括一个或多个高压电解电容的同时)；可以只包括一个高压电解电容(在包括一个或两个电感或者一个共模电感的同时)；并且在有些场合中可以不包括ESD放电电阻。在图2所示的实施例中，输出整流滤波电路包括4个输出整流二极管，并且可选的包括滤波电容。针对不同的输出纹波要求，输出整流滤波电路可以增加π型滤波电路或者共模滤波电路来改善滤波效果。本领域技术人员可以根据需要对二极管设置不同接法，以达到不同的纹波要求。整流二极管上可以并有RC吸收电路，RC吸收电路根据需要可以调整或者不用。

AC/DC电源系统还包括脉冲宽度调制(PWM)控制芯片及必要的外围辅助元件。其中，PWM控制芯片具备全面的保护功能。AC/DC电源系统还包括UVLO组件。电源开启后，UVLO组件使内部电路处于待机状态，直到DC/DC转换器的输入电压(VIN)达到UVLO电压，以此来减少功率消耗并避免误操作。

根据本公开的实施例，AC/DC电源系统还包括启动系统。启动系统包括第一电阻器Rc、齐纳二极管Z1、二极管D1、二极管D2，第一功率晶体管，第二功率晶体管，VDD欠压检测电路(UVLO)，驱动器，电容器(C1)，第二电阻器(R0)，第三电阻器(R1)。在一个示例中，功率晶体管是双极结型晶体管。在又另一示例中，功率晶体管是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。优选地，功率晶体管是场效应晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。驱动器与启动电阻器R1、齐纳二极管Z1、二极管D1、二极管D2串联连接。

图3是示出了根据本公开的实施例的、快速启动初级侧调节(PSR)的AC/DC的示例性图示。该图仅作为示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该理解很多变化、替代和修改。相似的组件已参考图2进行了描述，此处不再重复。

根据本公开的实施例，AC/DC电源系统的初级侧还可以包括反馈取样电路。反馈取样电路可以包括反馈组件、采样和保持组件、误差放大器。反馈取样电路可以，例如对该电源电路的输出电压进行采样，通过TL431对采样电压进行调节，并将调节后的采样电压反馈到PWM控制芯片，进而开关电路中的占空比。

根据本公开的实施例，AC/DC电源系统通电后，由于低电压，最初集成电路IC处于UVLO状态。UVLO组件到驱动器的输出端por的输出为“0”，M2 MOS管(金属氧化物半导体二极管)为关断状态。启动电阻器R1放电将GATE pin处的电压一直上拉，直到齐纳二极管Z1和二极管D1导通。启动电阻器R1的阻值可以由本领域技术人员根据实际需要设定，其阻值可以非常大。此时，GATE pin处的电压V_GATE保持如下：

V_GATE＝VDD+Vz+Vd1 (等式1)

其中，VDD为电容器C1电压；Vz是齐纳二极管Z1的击穿电压；并且Vd1是二极管D1的导通电压。

由于V_{GATE pin}升高，MOS M1管导通，因此有电流从buck电容器流到M1(M1可以集成在集成电路内部，或者连接在集成电路外部)，SW引脚，二极管D2，电阻器Rc到VDD引脚，对电容器C1充电。其中在GATE-SW之间设置电阻器R0，以给功率MOS M1管一个确定的状态，防止AC开机瞬间或者反复直流导通/关断的较大的大电流流过M1管，导致电路过载，甚至器件损坏。

R0的阻值可以是R1阻值的1/5～1/10。假设M1MOS管的开启阈值为Vth，则流过R0电阻的电流为Vth/R0，由于R0阻值较大，而Vth阈值很小(例如，大约3V)，所以流过R0电阻器的电流远小于流过R1电阻电流，因此电阻器Rc上的电压降VRc计算如下：

VRc＝V_GATE-Vth-Vd2-VDD (等式2)

其中，Vth为M1MOS管开启阈值；VDD为电容器C1电压；Vd2为二极管D2导通压降；并且V_GATE为GATE pin处的电压。

由等式(1)可知V_GATE为VDD+Vz+Vd1，因此可以将电阻器Rc上电压将VRc计算如下：

VRc＝Vz+Vd1-Vd2-Vth (等式3)

因此对电容器C1的充电电流为：

Icharge＝(Vz+Vd1-Vd2-Vth)/R (等式4)

其中R为电阻器Rc的阻值。

从等式4可知，充电电流I_charge是固定值，不随AC输入电压变化，因此，不同输入电压下启动时间都是一样的。可以调节Rc阻值来实现不同的充电电流。

集成电路IC的启动时间Ton可以计算如下：

Ton＝C1*Vuvlo/I_charge (等式5)

假设Vz＝6V，Vd1＝Vd2＝0.7V，Vth＝3V；Rc取值20Kohm，R1取值100Mohm，R0取值20Mohm，C1＝4.7uF，IC UVLO为Vuvlo＝16V；则I_charge＝(6+0.7-0.7-3)/20＝150uA。

将I_charge＝150uA代入等式5，可以得到IC启动时间为：Ton＝4.7*16/150＝0.5s。

而启动电阻器R1(100Mohm)在264V下消耗功耗为1.4mW，相比传统启动电阻器R1＝3Mohm消耗的46mW功耗，只有其1/33，极大的降低了系统待机功耗以及提高了系统效率。

本领域技术人员将会理解，可以通过调整Rc电阻器的阻值R来控制启动时间。由等式4、等式5可得：

Ton＝C1*Vuvlo*R/(Vz+Vd1-Vd2-Vth) (等式6)

可知Rc电阻器的阻值R与集成电路IC的启动时间Ton成正比，所设定的R越大，则IC电路启动需要的时间越长。例如，在可选的实施例中，可以设置较高的Rc电阻器的阻值R以获得较长的启动时间；或者可以设置较低的Rc电阻器的阻值R以获得较短的启动时间。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而不是限定性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

本发明各个实施例中的一些或所有组件单独地和/或与至少另一组件相组合地是利用一个或多个软件组件、一个或多个硬件组件和/或软件与硬件组件的一种或多种组合来实现的。在另一示例中，本发明各个实施例中的一些或所有组件单独地和/或与至少另一组件相组合地在一个或多个电路中实现，例如在一个或多个模拟电路和/或一个或多个数字电路中实现。在又一示例中，本发明的各个实施例和/或示例可以相组合。

虽然已描述了本发明的具体实施例，然而本领域技术人员将明白，还存在于所述实施例等同的其它实施例。因此，将明白，本发明不受所示具体实施例的限制，而是仅由权利要求的范围来限定。

Claims (8)

1.一种用于开关电源快速启动的系统，包括：电磁干扰滤波电路、输入整流电路、启动电路、以及输出整流电路，其中：

所述电磁干扰滤波电路的输入端与交流电源相连接，输出端与所述输入整流电路相连接；

所述输入整流电路的输入端与所述电磁干扰滤波电路的输出端相连接，输出端与所述启动电路的输入端相连接；

所述启动电路的输入端与所述输入整流电路的输出端相连接，输出端与反馈取样电路一端相连接；

所述反馈取样电路一端与所述启动电路的输出端相连接，另一端接地；

并且其中，所述启动电路包括第一电阻器、齐纳二极管、第一二极管、第二二极管、第一晶体管、第二晶体管、欠压检测电路、驱动器、电容器、第二电阻器、以及第三电阻器，其中所述电容器一端接地，另一端通过所述第一电阻器与所述第二二极管的负极连接，所述第二二极管的正极与所述第二电阻器的第二端连接，所述第三电阻器一端接经整流的电源的正极、另一端接所述齐纳二极管负极，所述欠压检测电路一端接所述电容器的非接地端、另一端接所述驱动器和所述第二晶体管的控制端，所述驱动器一个输出与开关管的控制端连接，其中所述第一二极管与所述开关管反并联，所述第一二极管的正极连接到所述齐纳二极管的正极，负极连接到所述电容器的非接地端；其中所述第一晶体管漏极连接原边绕组非输入端的下端，控制端连接所述第三电阻器的另一端、所述齐纳二极管的负极和所述第二电阻器的第一端，源极连接所述第二电阻器的第二端、所述第二二极管的正极端和所述第二晶体管的漏极端；所述第二晶体管漏极端连接所述第二二极管的正极端、所述第二电阻器的第二端和所述第一晶体管的源极端，源极连接到电流检测电阻的非接地端；

并且其中所述电容器的充电电流根据下式来确定：

Icharge＝(Vz+Vd1-Vd2-Vth)/R

其中，I_charge表示所述电容器的充电电流，Vz表示所述齐纳二极管的击穿电压，Vd1表示所述第一二极管的导通电压，Vd2表示所述第二二极管的导通电压，Vth表示所述第一晶体管的开启阈值，R表示所述第一电阻器的阻值。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电阻器的电阻的值是可变的。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二电阻器的电阻的值在所述第三电阻器的电阻的值的1/5～1/10之间。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电磁干扰滤波电路包括π型滤波电路和/或共模滤波电路。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈取样电路包括一个或多个取样电阻。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述电磁干扰滤波电路包括电感和高压电解电容。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电磁干扰滤波电路还包括静电放电电阻。