CN1069348A

CN1069348A - 开关电源的指数曲线式软启动电路

Info

Publication number: CN1069348A
Application number: CN 92109532
Authority: CN
Inventors: 万体嘉; 马树民; 夏维新
Original assignee: METERING ADMINISTRATION BEIJING RAILWAY BUREAU
Current assignee: METERING ADMINISTRATION BEIJING RAILWAY BUREAU
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1993-02-24
Anticipated expiration: 2007-08-20
Also published as: CN1032719C

Abstract

本发明是一种用于脉宽调制式开关电源的指数曲线式软启动电路，它是在脉宽调制(PWM)集成器件的误差放大器同相输入端接入一个在加电压后其电压按指数曲线规律上升变化的电子线路而实现的。电路设计简单，元件少，解决了开关电源的开机大电流冲击问题。它不仅适用SG3525A芯片，也适用其它脉宽调制式开关电源。

Description

本发明涉及一种开关电源的软启动电路，确切地说，涉及一种用于脉宽调制型高频开关电源的指数曲线式软启动电路，属于电源技术领域中的电子电路范畴。

现代化电源都已实现高频开关化，这种电源因为可以省去工频变压器和巨大的散热器，体积和重量都大为减小;并且由于开关管是在饱和区继续工作的，其功耗较线性电源要小得多，故效率也高，在各种电子设备中获得广泛的应用，其中尤以脉宽调制式开关电源更具技术优势。这种电源的稳压和滤波通常都采用LC滤波电路，由于电源的输出电压都取自于滤波电路的电容两端，这就会造成加电启动时电容短路的大电流冲击状态。这种持续时间很短的大电流脉冲，会使承受瞬时过载能力很差的半导体器件击穿失效。所以，人们尽力研究克服开机时的大电流冲击问题。现在国际上通用的脉宽调制（PWM）专用集成电路器件中广泛采用的“电容-恒流源”软启动方式就是解决这个问题的。

但是，目前的PWM集成电路中，软启动（又称：慢启动）时间最多只能达到零点几秒，这就很难适应大功率负载的要求。实际上，开机启动时的大电流冲击问题仍未有效解决。例如，脉宽调制（PWM）集成电路芯片SG3525A（其电路框图参见图2）的外设软启动电容最大只允许用至10μF，这样，其慢启动时间最多只能延迟到Tss＝10μF/50μA＝0.2S，对于时间常数大于0.2秒的负载，就无法解决大电流冲击了。而且，上述数据还是空载情况，一旦带上负载，软启动功能还要减弱。这时的启动电流、输出电压特性分别如图1A和图1B所示，图中横座标表示开机后的时间轴，纵座标分别表示机内流过功率开关VMOS管的电流强度（图A）和输出电压（图B）。由图1A可看出，启动电流甚大，是一种近似于短路的强电流脉冲，虽然时间很短，但破坏性相当大。这也是现有开关电源技术中的一大缺陷。

本发明的目的是提供一种用于脉宽调制式开关电源的指数曲线式软启动电路，使启动瞬间，电压上升速率是由O伏开始的，而且逐渐加快，以克服现有技术所存在的加电启动时大电流冲击问题。

本发明是这样实现的：它包括有脉宽调制（PWM）集成电路芯片及其外围电路元件，其特征是：在PWM集成器件的误差放大器的同相输入端接入一个在加电后其电压按指数曲线规律上升变化的电子线路。

本发明的电路设计构思新颖独特，巧妙实用，电路结构简单，元件少，工作原理清晰。本发明的指数曲线式启动规律及其长达数十秒之多的软启动时间，是现有的各种“柔顺”启动方法所不能实现的。它不仅适应于本发明所例举的SG3525A芯片外，也可广泛适用于所有通用型脉宽调制集成电路芯片和脉宽调制式开关电源，并都能达到理想的启动保护效果。本发明为保护电源自身的启动安全提供一种卓有成效的技术措施。

下面结合附图，对本发明作具体阐述。

图1是现有开关电源的启动特性曲线图。（图A是电流特性、图B是电压特性）。

图2是PWM集成器件SG3525A芯片框图。

图3是本发明的电原理图。

图4是本发明的软启动特性曲线图。（图A是电流特性，图B是电压特性）。

图2是PWM集成器件SG3525A芯片的内部结构框图，其框外带圆圈的数字是引脚位置编号：1.反相输入，2.同相输入，3.同步，5.CT，6.RT，7.放电，8.柔顺启动，9.补偿，10.关闭，11.输出A，12.地，13.Vc，14.输出B，15.Vi，16.VREF（DC稳压源输出端）。由图可示：在15脚Vi和12脚间加上电源电压（8～40V）后，只要将5、6脚接上决定频率的电阻、电容，7脚与5脚间接上死区（安全区）电阻，在输出端11、14脚就可得到相位相差半周期的两个脉宽调制信号，可去驱动功率开关管，由SG3525组成的电源总输出电压，经分压后，反馈回“1”脚，供脉宽调制当反馈信号，自动调节输出电压，以达到稳压之目的。同时，在8脚上还可接一个小电解电容器，使输出电压慢慢建立起来，达到柔顺起动、减小开机大电流冲击的现象，这也是现有PWM式开关电源的比较简单的应用方法。

据发明人的实验确认，对于数千瓦以下的开关电源，无论其的负载为纯阻性还是非阻性，慢启动时间取在2～3秒时，就可有效防止大电流冲击现象的产生;而且在加电的最初时刻，以电流、电压上升的速度越慢越好。本发明正是据此采取指数曲线式加电的软启动措施，使得开机加电时加在输出滤波电容器两端的电压是由最初的0伏而缓慢增长的，而不是突然增长的，这样就能适应输出大电容积累电荷时响应时间长的特点，使其电压慢慢地建立，不会对机内产生冲击电流。而后输出电压上升速率迅速加快，不致使启动时间拖得太长。

图3是本发明电原理图，这里的IC1为典型的PWM器件SG3525A。本发明的主要特征是在开机时在PWM器件的误差放大器同相输入端（2脚）送入一个按指数规律变化的参考电压，使开机时器件的输出端（11、14脚）输出脉宽为0，然后再按指数曲线规律输出脉冲逐渐变宽，使总电源的输出电压变化规律为“先慢升、后快升”，能明显提高整个电源的带负载能力。

这种指数曲线式软启动电路是由电阻R1～R6、电容C和晶体管V构成的。如图3所示：三个电阻R1、R2、R3顺序串接于电源Vi（15脚-SG3525A）与地之间，其中R2的两端并联电容C1;晶体管V的基极接于电阻R2与R3之间，发射极接地，其集电极接至在VREF（16脚-SG3525A）与地之间相串接的两个电阻R4与R5之间，再通过电阻R6接至PWM芯片的误差放大器同相输入端（2脚-SG3525A）。开机瞬间，电容C将R2短路，电阻R1向晶体管V提供一个临界饱和的电流，使V1饱和，则集成器件中的误差放大器2脚被钳位于0伏，随后，“R1-C1-V与R3并联”形成一个向电容C1充电的支路，其充电时间常数可视输出上升时间而择定。这样，晶体管V的输出电压就随着C1的充电而上升，在设定的时间内例如4～10秒，输出电压达到R4、R5对稳压源（VREF、16脚）的串联分压数值后，晶体管V的变化就不再影响电路，电路进入稳定区，从而完成了软启动过程。对于总电源的输出，则是开始时输出电压上升很慢，后来逐渐加快，并在设定的时间内输出电压达到设计数值，这个电压上升规律就是指数曲线式的。图4的两图分别是本发明软启动特性的电流曲线和电压曲线上升示意图。R3的选择，应在C1充电终止时，R1～R3的分压结果在R3上的压降，使晶体管V截止。

本发明已经多次试验实施，取得了满意的技术效果。采用本发明后，软启动时间可长达30秒以上，没有启动冲击电流，开机后的PWM波形动态变化状况是开始脉宽为0，后逐渐加宽至额定宽度。而常规的软启动时间是＜＜0.1秒，启动冲击电流很大，开机后的PWM波形动态变化是开始脉宽最宽，后变窄至额定宽度。经多次试验比较，本发明取得下述两组典型数据：第一组是R1＝39K，R2＝100K，R3＝3.3K，C＝100μF，慢启动时间为5～7.5秒，适用于输出功率为0～1千瓦的开关电源;第二组是R1＝75K，R2＝200K，R3＝7.5K，C＝100μF，慢启动时间为15～20秒，适用于输出功率为1～2千瓦的开关电源。

Claims

1、一种用于脉宽调制式开关电源的指数曲线式软启动电路，包括有脉宽调制(PWM)集成电路芯片及其外围电路元件，其特征是：在PWM集成器件的误差放大器的同相输入端接入一个在加电后其电压按指数曲线规律上升变化的电子电路。

2、如权利要求1所述的指数曲线式软启动电路，其特征是：所述的在加电后其电压按指数曲线规律上升变化的电子电路是由电阻R1～R6、电容C和晶体管V构成的：三个电阻R1、R2、R3顺序串接于电源Vi（15脚-SG3525A）与地之间，其中R2的两端并联电容C1;晶体管V的基极接于电阻R2与R3之间，发射极接地，其集电极则接至在VREF（16脚-SG3525A）与地之间相串接的两个电阻R4与R5之间，再通过电阻R6接至PWM芯片（SG3525A）的2脚（其误差放大器的同相输入端）。

3、如权利要求1所述的指数曲线式软启动电路，其特征是：所述的电阻R3的阻值选择，应使在电容C1充电终止时，电阻R1～R3分压结果后，在R3上的压降，使晶体管V截止。