CN108173425A - 一种启动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种启动电路，P‑MOS管电路、稳压电路或电压钳位电路构成的电压限制电路来控制输出电压范围，保证输出电压满足后级超宽输入电压范围电源模块启动电路后级升压电路的工作电压范围。通过可调驱动电路对输入电压的采样，保证启动电路在低压工作时不会由于本身压差影响后级供电；在高压工作时输出电压能够控制在一个电压范围内，保证启动电路在工作电压区间内输出电压满足后级升压电路工作电压范围。同时电路工作状态的损耗极低。

Description

一种启动电路
技术领域
本发明涉及一种开关电源启动电路，特别涉及一种开关电源中为功率级电路的控制电路或者控制IC供电、或为启动电路后级升压电路供电的启动电路。
背景技术
启动电路广泛应用于开关电源领域。开关电源产品中，无论一次电源(AC-DC变换器) 或者二次电源(DC-DC变换器)，都需要从输入端获取能量，并提供一个稳定的供电电压为后级控制电路或者控制IC供电，从而通过控制电路工作来驱动开关通断，控制感性器件周期性地传递能量。
一般开关电源中，为解决输入电压低于控制电路或者控制IC最小启动电压时，控制电路或者控制IC因无法获得足够高的供电电压而进入欠压状态，造成对应的开关电源无法开机的问题，可使用两级供电电路(如图1①支路结构)，第一级电路将宽输入电压限制钳位到一个较低的电压值，第二级电路通过升压电路(一般为BOOST电路)将前级电压抬升到符合控制电路或控制IC工作的正常工作电压，使得开关电源系统启动工作；或使用单级供电电路(如图1②支路结构)，将宽输入电压限制钳位到一个较低的电压值，减小低压下输出电压Vo与 Vin之间的压差，扩大Vo在低压下符合控制电路或控制IC工作的正常工作电压区间，使得开关电源系统启动工作。但是由于电压钳位电路Vin到Vo之间压差太大，限制了第二级升压电路的启动电压。传统电压钳位电路方案如图2所示(负载为后级升压电路)，电路工作原理为：产品通电瞬间，晶体管Q1导通，晶体管Q1的发射极电流迅速向电容C2充电，当电容C2 电压(也即启动电路的输出正端提供给控制IC的供电端Vcc的电压)爬升至稳压二极管D1 的稳压值减去晶体管Q1的基极与发射极导通压降时，Vcc电压将稳定不再增加，在Vcc电压达到升压电路工作电压时，升压电路开始工作，建立起后级控制电路或者控制IC的供电电压，但是电路在低压工作时，晶体管Q1处于放大区，Q1及电阻R2上压降较大，限制了低压下 Vcc的电压值，限制了升压电路的启动电压，导致开关电源系统在Vin较低的时候难以启动。用其他类型的稳压电路或者电压钳位电路，也会出现低压下压差过大的问题。
综上所述，目前行业内宽电压范围开关电源启动电路的局限在：使用两级供电电路方案或单级供电电路方案的产品，第一级电压钳位电路会出现低压下输入输出压差过大，使得升压电路或后级控制电路无法启动的问题，无法满足从极低电压到高电压的启动电压范围。
发明内容
有鉴如此，本发明提出一种启动电路，能够对输入电压进行实时检测，当检测到输入电压低的时候，P-MOS管导通，使得启动电路的输出电压与输入电压的压差极低，保障后级升压电路启动电压基本跟随输入电压，或者后级控制电路或控制IC工作电压基本跟随输入电压；当检测到输入电压较高的时候，稳压电路或电压钳位电路构成的电压限制电路工作，将启动电路输出电压限制在后级升压电路的工作输入电压范围内，或限制在后级控制电路或控制IC工作电压范围内。
本发明本身损耗极低，当输入电压为低电压时，可调驱动电路本身损耗较低，同时因为采用P-MOS管，在低压工作时P-MOS管饱和导通，启动电路的导通阻抗跟导通电阻极低；在高压工作时，电压限制电路可采用满足损耗较低的电压钳位电路，既保障了高输入电压下启动电路的正常工作，又减小了启动电路工作的损耗。
本发明所述的一种启动电路，包括P-MOS管、可调驱动电路、电压限制电路。具体原理框图可见图3。
所述的可调驱动电路的输入端连接输入电压Vin，对输入电压Vin进行电压采样后产生驱动电压Vg，所述驱动电压Vg输出给所述P-MOS管的栅极，所述P-MOS管的源极连接输入电压Vin，所述P-MOS管的漏极作为启动电路的输出端连接到后级电路，为后级电路供电；电压限制电路的输入端和输出端分别连接在所述P-MOS管的源极和漏极；
所述的电压限制电路为输出固定电压值的稳压电路，或输出固定电压范围的电压限制电路；稳定工作时，电压限制电路输出电压为一个固定电压或一个符合后级电路正常工作的固定电压范围；
所述的可调驱动电路设有判断电压区间，当所述的输入电压Vin小于可调驱动电路判断电压区间的最小值时，所述的可调驱动电路输出的驱动电压Vg与所述输入电压Vin压差大于 P-MOS管的饱和导通电压，所述的P-MOS管进入饱和区导通，将所述的电压限制电路短路，由P-MOS管的漏极为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin在可调驱动电路判断电压区间内时，所述的可调驱动电路输出的驱动电压Vg与所述输入电压Vin压差逐渐减小，所述的P-MOS管进入放大区，同时所述的电压限制电路逐渐导通，由P-MOS的漏极和电压限制电路的输出端共同为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin大于可调驱动电路判断电压区间的最大值时，所述的可调驱动电路输出的驱动电压Vg与所述输入电压Vin无压差，所述的P-MOS管进入截至区关断，由所述的电压限制电路的输出端为后级电路供电。
优选的，当所述的输入电压Vin电压从小往大过度的过程，允许P-MOS管的输入电压即驱动电压Vg与所述启动电路的输入电压Vin压差逐渐减小；也允许P-MOS管的输入电压与所述启动电路的输入电压Vin的压差从大于P-MOS管的饱和导通电压突变为无压差；
当所述的控制电路的输出电压Vg从低电位向高电位过度的过程，允许P-MOS管从饱和导通区进入放大区，再逐渐进入截止区；也允许P-MOS管从饱和导通状态直接跳变为截止状态；
当所述的P-MOS管工作状态变化的过程，允许存在所述电压限制电路与P-MOS管同时导通的区间，也允许只存在P-MOS管或者电压限制电路独立导通的情况。
优选的，所述的电压限制电路包括第一芯片，所述的第一芯片具有将输入电压Vin转换为稳定的电压范围输出的功能；所述第一芯片的输入端连接输入电压Vin，所述第一芯片的接地端接地，所述第一芯片的输出端连接P-MOS管的漏极。
优选的，所述的电压限制电路包括第二芯片，所述的第二芯片具有将输入电压Vin转换为固定输出电压的功能；所述第二芯片的输入端连接输入电压Vin，所述第二芯片的接地端接地，所述第二芯片的输出端连接P-MOS管的漏极。
优选的，所述的电压限制电路包括第七电阻、第八电阻、第二NPN三极管、第一电容和第一二极管；所述的第七电阻的一端接第二NPN三极管的集电极，第七电阻的另一端连接输入电压Vin；第八电阻的一端连接输入电压Vin，第八电阻的另一端连接第二NPN三极管的基极；第一电容的一端连接第二NPN三极管的基极，第一电容的另一端连接地；第一二极管的阴极连接第二NPN三极管的基极，第一二极管的阳极连接输入地；第二NPN三极管的发射极连接P-MOS管的漏极。
优选的，所述的第一二极管为稳压二极管。
优选的，所述启动电路的地与外部供电装置、后级电路共地。
优选的，所述的可调驱动电路包括第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第五电阻，第六电阻，第一NPN三极管和第一PNP三极管；所述的第三电阻连接于输入电压Vin与第一NPN三极管的集电极之间；第五电阻连接于输入电压Vin与第六电阻之间；第六电阻另一端接地；第一NPN三极管的发射极接第四电阻的一端，第一NPN三极管的基极接第五电阻与第六电阻的连接点；第四电阻另一端接地；第二电阻的一端连接第一NPN三极管的集电极，第二电阻的另一端与第一PNP三极管的基极连接；第一PNP三极管的发射极连接输入电压Vin，第一PNP三极管的集电极连接第一电阻的一端并作为可调驱动电路的输出端输出驱动电压 Vg；第一电阻的另一端接地。
与现有技术相比，本发明具有如下的显著效果：
1、本发明采用P-MOS管电路来控制低压时启动电路的输出电压，从而保障了低压时启动电路输出电压与输入电压基本一致，满足了后级升压电路低压下的供电需求。
2、本发明电路结构采用了宽输入电压范围的稳压电路或者钳位电路组成的电压限制电路，从而保障了高压输入时启动电路输出电压不会过高，满足了后级升压电路高压下的输入电压范围。
3、本发明本身损耗极低，采用低损耗的恒流限压芯片组成的电压限制电路，可调驱动电路的电压采样损耗也较小，不会由于过流装置本身电路特性增大电路损耗。
附图说明
图1为传统的满足低压输入的宽输入范围启动电路的应用框图；
图2为传统的电压钳位电路原理图；
图3为本发明的原理框图；
图4为本发明第一实施例的应用原理图；
图5为本发明第一实施例的电路原理图；
图6为本发明第三实施例的电路原理图。
具体实施方式
图3示出了原理框图，遵循上述初始的技术方案的连接关系。先分点阐述一下本发明具有的3个特征：
1、外部供电装置正常工作，输入电压小于可调驱动电路判断电压区间的最小值时，启动电路的输出电压与输入电压几乎无压差。
2、外部供电装置正常工作，输入电压在可调驱动电路判断电压区间内时，启动电路的输出电压与输入电压的压差随输入电压的增大缓慢增大。
3、外部供电装置正常工作，输入电压超过可调驱动电路判断电压区间的最大值时，启动电路的输出电压稳定在一个电压值或稳定在一个输出电压范围，与输入电压的变化无关。
第一实施例
本发明的一种启动电路，包括P-MOS管TR1、可调驱动电路和电压限制电路，针对每个电路模块，结合附图5采用以下具体的电路对以上3个特征进行具体说明如下：
本发明所述的可调驱动电路包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第一NPN三极管Q3，第一PNP三极管Q2。所述的第三电阻R3连接于输入电压Vin与第一NPN三极管Q3的集电极之间；第五电阻R5连接于输入电压Vin与第六电阻R6之间；第六电阻R6另一端接地；第一NPN三极管Q3的发射极接第四电阻R4的一端，基极接第五电阻R5与第六电阻R6的连接点；第四电阻R4另一端接地；第二电阻R2 的一端连接第一NPN三极管Q3的集电极，另一端与第一PNP三极管Q2的基极连接；第一PNP 三极管Q2的发射极连接输入电压Vin，第一PNP三极管Q2的集电极连接第一电阻R1的一端并作为可调驱动电路的输出端输出驱动电压Vg；第一电阻R1的另一端接地。
本发明所述的P-MOS管TR1的栅极连接可调驱动电路的输出端，P-MOS管TR1的源极连接输入电压Vin，P-MOS管TR1的漏极作为所述启动电路的输出电压Vo。
本发明所述的电压限制电路是电压钳位电路，将输入电压Vin转换为稳定的电压范围输出，包括第一芯片IC1。第一芯片IC1可选用三端稳压IC 7805。所述的第一芯片IC1的输入端连接输入电压Vin，第一芯片IC1的接地端接地，第一芯片IC1的输出端连接P-MOS管TR1 的漏极作为所述启动电路的输出电压Vo。
下面结合图5对本发明的工作过程说明如下：
特征1供电装置正常工作，输入电压小于可调驱动电路判断电压区间的最小值时，启动电路的输出电压Vo与输入电压Vin几乎无压差：
当输入电压小于可调驱动电路判断电压区间的最小值时，NPN三极管Q3于截止状态，流过电阻R3的电流很小，NPN三极管Q3的集电极电压基本跟随输入电压，PNP三极管Q2的基极与发射极之间压差很小，PNP三极管Q2截止，Q2的集电极由电阻R1下拉；可调驱动电路的输出信号Vg为低电平，使得P-MOS管的栅极与源极之间的反向电压较大，P-MOS管饱和导通，将电压限制电路短接，启动电路输出电压Vo跟随输入Vin，压差为P-MOS管饱和导通压差，几乎无压差。
特征2供电装置正常工作，输入电压在可调驱动电路判断电压区间内时，启动电路的输出电压Vo与输入电压Vin的压差随输入电压的增大缓慢增大：
当输入电压逐渐升高，NPN三极管Q3进入放大区；流过电阻R3的电流逐渐增大，电阻 R3两端的压差逐渐增大，PNP三极管Q2的基极与发射极之间压差逐渐增大，三极管Q2进入放大区，流过Q2集电极电流跟随输入电压上升逐渐增大，Q2集电极电压跟随电阻R1电压逐渐增大；可调驱动电路的输出信号Vg逐渐增大，使得P-MOS管的栅极与源极之间的反向电压逐渐减小，P-MOS管进入放大区，Vin与Vo之间电流由P-MOS管电路与IC1 7805共同提供；Vin缓慢上升的过程中，启动电路输出电压Vo与输入电压Vin之间的压差跟随P-MOS管进入放大区而缓慢增大。
特征3供电装置正常工作，输入电压超过可调驱动电路判断电压区间的最大值时，启动电路的输出电压Vo稳定在一个电压值，与输入电压Vin的变化无关：
当输入电压超过可调驱动电路判断电压区间的最大值时，NPN三极管Q3集电极电路继续增大，流过电阻R3的电流继续增大，PNP三极管Q2的基极与发射极之间压差进入饱和导通区间(PN结压差)，三极管Q2饱和导通，集电极跟随输入电压Vin且压差很小；可调驱动电路的输出信号Vg近似等于输入电压Vin，使得P-MOS管的栅极与源极之间的压差近似为0，P-MOS管截止关断；Vin与Vo之间电流直接由IC1 7805提供，启动电路输出电压Vo直接由IC1 7805的稳压特性决定，并将输出电压稳定在5V。
第二实施例
在第一实施例的基础上，将电压限制电路进行改动可得到本发明的第二实施例，下面同样以附图5对第二实施例的具体的电路对以上3个特征进行具体说明如下：
本发明所述的可调驱动电路及PNP三极管电路与第一实施例一致。
与第一实施例不同的是：本发明所述的电压限制电路是一个稳压电路，包括第二芯片IC2。第二芯片IC2可选用具有将输入电压稳定到固定的电压值输出的功能的任何芯片。所述的第二芯片IC2的输入端连接输入电压Vin，第二芯片IC2的接地端接地，第二芯片IC2的输出端连接P-MOS管TR1的漏极作为所述启动电路的输出电压Vo。
本实施例与第一实施例的工作过程大致相同，相同的部分不再赘述，不相同的是由于电压限制电路替换成第二芯片IC2，当电压限制电路工作时，输入电压Vin经过电压限制电路后，输出电压Vo并非稳定在一个数值而是稳定在一个输出电压范围；主要影响了特征3，如下：
供电装置正常工作，输入电压超过可调驱动电路判断电压区间的最大值时，启动电路的输出电压Vo稳定在一个输出电压范围，与输入电压的变化无关：
当输入电压超过可调驱动电路判断电压区间时，NPN三极管Q3集电极电路继续增大，流过电阻R3的电流继续增大，PNP三极管Q2的基极与发射极之间压差进入饱和导通区间(PN 结压差)，三极管Q2饱和导通，集电极跟随输入电压Vin且压差很小；可调驱动电路的输出信号Vg近似等于输入电压Vin，使得P-MOS管的栅极与源极之间的压差近似为0，P-MOS管截止关断；Vin与Vo之间电流直接由第二芯片IC2提供，启动电路输出电压Vo直接由第二芯片IC2的稳压特性决定，并将输出电压稳定在一个输出电压范围。
第三实施例
在第一实施例与第二实施例的基础上，将电压限制电路进行改进可得到本发明的第三实施例，下面附图6对第三实施例的电压限制电路进行说明如下：
本实施例中的电压限制电路也是一个稳压电路，包括第七电阻R7、第八电阻R8、第二 NPN三极管Q4、第一电容C1和第一二极管Z1，第一二极管Z1可用10V稳压管。所述的第七电阻R7的一端接第二NPN三极管Q4的集电极，另一端连接Vin；第八电阻R8的一端连接Vin，另一端连接第二NPN三极管Q4的基极；第一电容C1的一端连接第二NPN三极管Q4的基极，另一端连接输入地；第一二极管Z1的阴极连接第二NPN三极管Q4的基极，阳极连接输入地；第二NPN三极管Q4的发射极连接P-MOS管TR1的漏极作为所述启动电路的输出电压Vo。
工作原理同第一实施例与第二实施例，当电压限制电路工作时，输入电压Vin经过电压限制电路后，输出电压Vo稳定在一个数值，在此不再赘述。
第一实施例及第二实施例所述的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一NPN三极管Q3、第一PNP三极管Q2构成的可控调节电路，只要能实现采样输入电压为低压时，Vg与所述输入电压Vin压差大于P-MOS管的饱和导通电压，输入电压为高压时，Vg与所述输入电压Vin压差为0，可用其他形式的判断电路替代该部分电路；所述的第一芯片IC1，由第七电阻、第八电阻、第二NPN三极管Q4、第一电容C1 和第一二极管Z1组成的稳压电路，或第二芯片IC2构成的电压限制电路，只要能实现将宽输入范围的电压限制钳位在一个电压值，或者一个满足后级升压电路工作范围的电压范围，可直接用宽输入电压稳压模块、或者其他类型的稳压IC跟稳压电路替代，也可以实现相同的功能。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为本发明的限制，在本发明图3原理框图及图1应用框图的基础上，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出另外的改进及润饰，这些改进及润饰也在本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种启动电路，其特征在于：包括P-MOS管、可调驱动电路和电压限制电路；
所述的可调驱动电路的输入端连接输入电压Vin，对输入电压Vin进行电压采样后产生驱动电压Vg，所述驱动电压Vg输出给所述P-MOS管的栅极，所述P-MOS管的源极连接输入电压Vin，所述P-MOS管的漏极作为启动电路的输出端连接到后级电路，为后级电路供电；电压限制电路的输入端和输出端分别连接在所述P-MOS管的源极和漏极；
所述的电压限制电路为输出固定电压值的稳压电路，或输出固定电压范围的电压限制电路；稳定工作时，电压限制电路输出电压为一个固定电压或一个符合后级电路正常工作的固定电压范围；
所述的可调驱动电路设有判断电压区间，当所述的输入电压Vin小于可调驱动电路判断电压区间的最小值时，所述的可调驱动电路输出的驱动电压Vg与所述输入电压Vin压差大于P-MOS管的饱和导通电压，所述的P-MOS管进入饱和区导通，将所述的电压限制电路短路，由P-MOS管的漏极为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin在可调驱动电路判断电压区间内时，所述的可调驱动电路输出的驱动电压Vg与所述输入电压Vin压差逐渐减小，所述的P-MOS管进入放大区，同时所述的电压限制电路逐渐导通，由P-MOS的漏极和电压限制电路的输出端共同为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin大于可调驱动电路判断电压区间的最大值时，所述的可调驱动电路输出的驱动电压Vg与所述输入电压Vin无压差，所述的P-MOS管进入截至区关断，由所述的电压限制电路的输出端为后级电路供电。
2.根据权利要求1所述的一种启动电路，其特征在于：当所述的输入电压Vin电压从小往大过度的过程，允许P-MOS管的输入电压即驱动电压Vg与所述启动电路的输入电压Vin压差逐渐减小；也允许P-MOS管的输入电压与所述启动电路的输入电压Vin的压差从大于P-MOS管的饱和导通电压突变为无压差；
当所述的驱动电压Vg从低电位向高电位过度的过程，允许P-MOS管从饱和导通区进入放大区，再逐渐进入截止区；也允许P-MOS管从饱和导通状态直接跳变为截止状态；
当所述的P-MOS管工作状态变化的过程，允许存在所述电压限制电路与P-MOS管同时导通的区间，也允许只存在P-MOS管或者电压限制电路独立导通的情况。
3.根据权利要求2所述的一种启动电路，其特征在于：所述的电压限制电路包括第一芯片，所述的第一芯片具有将输入电压Vin转换为稳定的电压范围输出的功能；所述第一芯片的输入端连接输入电压Vin，所述第一芯片的接地端接地，所述第一芯片的输出端连接P-MOS管的漏极。
4.根据权利要求2所述的一种启动电路，其特征在于：所述的电压限制电路包括第二芯片，所述的第二芯片具有将输入电压Vin转换为固定输出电压的功能；所述第二芯片的输入端连接输入电压Vin，所述第二芯片的接地端接地，所述第二芯片的输出端连接P-MOS管的漏极。
5.根据权利要求2所述的一种启动电路，其特征在于：所述的电压限制电路包括第七电阻、第八电阻、第二NPN三极管、第一电容和第一二极管；所述的第七电阻的一端接第二NPN三极管的集电极，第七电阻的另一端连接输入电压Vin；第八电阻的一端连接输入电压Vin，第八电阻的另一端连接第二NPN三极管的基极；第一电容的一端连接第二NPN三极管的基极，第一电容的另一端连接地；第一二极管的阴极连接第二NPN三极管的基极，第一二极管的阳极连接输入地；第二NPN三极管的发射极连接P-MOS管的漏极。
6.根据权利要求5所述的一种启动电路，其特征在于：所述的第一二极管为稳压二极管。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种启动电路，其特征在于：所述启动电路的地与外部供电装置、后级电路共地。
8.根据权利要求7所述的一种启动电路，其特征在于：所述的可调驱动电路包括第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第五电阻，第六电阻，第一NPN三极管和第一PNP三极管；所述的第三电阻连接于输入电压Vin与第一NPN三极管的集电极之间；第五电阻连接于输入电压Vin与第六电阻之间；第六电阻另一端接地；第一NPN三极管的发射极接第四电阻的一端，第一NPN三极管的基极接第五电阻与第六电阻的连接点；第四电阻另一端接地；第二电阻的一端连接第一NPN三极管的集电极，第二电阻的另一端与第一PNP三极管的基极连接；第一PNP三极管的发射极连接输入电压Vin，第一PNP三极管的集电极连接第一电阻的一端并作为可调驱动电路的输出端输出驱动电压Vg；第一电阻的另一端接地。
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