CN108306495A - 用于开关式电源的双阶段Vcc充电 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于建立开关电源转换器的Vcc电压电平的启动电路。所述启动电路使用开关控制器和路径开关晶体管来提供两阶段Vcc电容器充电，该两阶段Vcc电容器充电减少了启动时间，同时通过高阻抗充电路径和低阻抗充电路径的交替使用避免了短路损坏。

Description

用于开关式电源的双阶段Vcc充电

技术领域

本申请主要涉及开关电源转换器，并且更特别地，涉及反激电源转换器的启动电路。

背景技术

开关电源转换器包括控制器，该控制器控制电源开关循环以调节对负载的功率传输。像所有的电子电路一样，所述控制器需要电源电压。在正常操作期间，用于控制器的电源电压的生成可以源自输出功率传输。例如，反激转换器通常包括用于其变压器的辅助绕组。每个电源开关周期期间电源开关循环关断之后，次级电流流动时，功率反射到该辅助绕组上。电源电容器通过正常操作充电电路耦接到辅助绕组，在正常操作期间所述正常操作充电电路有效以维持电源电压对电源电容器的充电。电源电压调节的是如降压转换器的非隔离开关电源转换器，电源电容器可以在正常操作期间耦接到输出电压，从而使得电源电压为电容器充电更加方便。

尽管这样可以通过在正常操作期间从对负载传输的功率中抽吸而维持控制器电源电压，但是启动时没有这样的功率传输。因此常规的是，开关电源转换器包括在启动时驱动电源电容器的单独的启动充电电路。例如，从AC交流电接收其输入功率的开关电源转换器通常将包括整流AC输入电压的二极管电桥。通过大容量输入电容器使产生的被整流的输入电压平滑。因此启动电路耦接到输入节点，该输入节点携带了被存储在大容量输入功率两端的被整流的输入电压，从而在开关电源转换器接通电源时生成电源电压。当正常操作接着发生时，启动电路失去作用，以便于正常操作充电电路可以为控制器维持电源电压。启动电路通常使用相对高阻抗的限流电阻器以限制开关电源转换器接通电源时进入电源电容的电流量。因为控制器通过电源引脚(Vcc引脚)接收控制器电源电压，因此这样的限流是重要。当Vcc引脚与地面短接，相对高阻抗的限流电阻器就防止了过量的充电电流通过启动电路，否则会损坏启动电路的元件。但是限流电阻器的高阻抗对开关电源转换器的启动操作可能产生负面影响。举个例子，限流电阻器的相对高阻抗使时间量延长直到便于使正常操作可以开始的电源电压达到适当高的电平为止。除此之外，当增加限流电阻器的电阻时，由于与电源开关晶体管的寄生电容的不期望的相互作用，电压振铃的可能性增加。

因此，期望降低启动电路中限流电阻器的电阻以减少启动充电时段和任何电压振铃。但是当控制器的Vcc引脚与地面短接或与地面软短路，这种用于限流电阻器的被降低的阻抗则会使启动电路遭受损害。相应地，对用于开关电源转换器的启动电路的领域存在一种需求：减少启动充电时段但不发生由控制器的电源引脚上的任何短路状况而招致的损坏。

发明内容

对于改善的开关电源转换器的启动操作，为了满足本领域的需要，提供一种启动电路，该启动电路具有变化的阻抗，该变化的阻抗用于在启动充电时段期间接于电源电容器(本文中也被称为Vcc电容器)的充电路径。尤其是，接于Vcc电容器的充电路径在启动充电时段的第一阶段期间是高阻抗充电路径，在启动充电时段的第二阶段期间是低阻抗充电路径。这样的低阻抗充电路径在以下方面是有利的，为电源电压(本文中也被称为Vcc)达到其额定或操作值以便正常操作可接着进行而提供了减少的充电时段。但是在充电启动时段的第一阶段期间激活的高阻抗充电路径保护启动电路不会遭受由控制器Vcc引脚处任何短路状况所引起的过量电流。

启动充电时段中第一和第二阶段的顺序是任意的。换句话说，本文所公开的启动电路可以在第一阶段发起操作，在第二阶段结束操作。相反地，所述启动电路可以在第二阶段开始操作，在第一阶段结束操作。不论第一和第二阶段的顺序如何，第二阶段的持续时间通常比第一阶段的持续时间要长，从而减少启动充电时段。而且，通过减少第一阶段的持续时间，所产生的任何电压振铃将在整个第二阶段更长的持续时间中被逐渐减弱。

为了提供启动充电时段的第一和第二阶段，启动电路包括低阻抗限流电阻器和高阻抗限流电阻器。这些限流电阻器可以并联或串联耦接。在串联的实施方式中，阻抗开关晶体管耦接在高阻抗限流电阻器两端，从而当该阻抗开关晶体管被接通时，高阻抗限流电阻器被短接。所述启动电路包括开关控制器，将该开关控制器配置为接通阻抗开关晶体管以激活启动充电时段的第二阶段，关断阻抗开关晶体管以激活启动充电时段的第一阶段。

通过在第二阶段期间使用低阻抗充电路径，通过对Vcc的更快速充电至期望的操作电压电平可以减少启动时间。但是，通过接于电源电容器的充电路径为高阻抗充电路径的启动充电时段的第一阶段，几乎消除了来自任何Vcc引脚短路状况的过量电流的损坏。因此，启动电路提供了两步式启动充电时段，其减少了启动时间，并且提高了免遭电压振铃的保护，还提供了保护开关电源转换器免遭Vcc引脚短路的电流限制。

通过以下详细的描述可以更好的理解这些有利特征和附加的有利特征。

附图说明

图1A是为双阶段Vcc充电而构造的反激转换器的示意图，其中根据所公开的一种实施方式，高阻抗限流电阻器和低阻抗限流电阻器并联布置。

图1B示出了根据所公开的一种实施方式的，在启动充电时段期间并且还在正常操作期间，作为时间函数的电源电压波形。

图2是为双阶段Vcc充电而构造的反激转换器的示意图，其中根据所公开的另一种实施方式，高阻抗限流电阻器和低阻抗限流电阻器串联布置。

图3是根据所公开的一种实施方式的，反激转换器的开关控制器的示意图。

图4是根据所公开的一种实施方式的，反激转换器的操作方法的流程图。

通过参考以下详细的描述，可以最好地理解本公开文本的实施方式和其优点。应当理解的是相似附图标记用来区分在一个或更多附图中所说明的相似部件。

具体实施方式

公开了两阶段启动电路，该两阶段启动电路提供了对开关电源转换器中控制器电源电压(Vcc)改善的充电。所述启动电路包括开关控制器和阻抗开关晶体管，以提供两阶段Vcc电容充电。两阶段形成了启动充电时段，开关电路在这个时段期间是起作用的。在第一阶段，开关控制器将阻抗开关晶体管切换到选择高阻抗充电路径，从而以控制器电源电压对电源电容器(Vcc电容器)充电。在第二阶段，开关控制器将阻抗开关晶体管切换到选择低阻抗充电路径，从而以控制器电源电压对电源电容器充电。第一阶段可以是这样的初始阶段，即启动充电时段包括第一阶段，该第一阶段接下来是第二阶段。相反地，第二阶段可以以接下来是其他启动电路实施方式中的第一阶段来开始启动充电时段。

尽管两个阶段顺序都提供了减少充电时段的相同的好处，但以第一阶段开始启动充电时段(激活高阻抗充电路径)还提供了防范由用于控制器的Vcc引脚与地面短路的好处。如果存在这样的短路，以在第二阶段激活的低阻抗充电路径来开始启动时段可能会使启动电路元件暴露于引起危险的高充电电路。以第一阶段来开始启动充电时段能够使开关控制器抑制这样的由短路诱发的损害，因为用于向第二阶段过渡的阈值电压不会在VCC引脚处达到假定的(given)短路。因此以下针对没有广义性损耗的第一阶段后接第二阶段的启动电路实施方式进行讨论。除此之外，以下还将针对反激转换器实施方式进行讨论，但可以理解的是，本文所公开的启动电路可以包括在几乎任何种类的开关电源转换器中，如升降压转换器的降压转换器、升压转换器。

如前所述，阻抗开关晶体管被耦接到低阻抗限流电阻器和高阻抗限流电阻器中的一个。该耦接取决于限流电阻器是以串联还是并联布置。首先就图1A所示的示例性反激转换器100来讨论并联的实施方式。反激电源转换器100包括具有初级绕组T1的变压器，该初级绕组连接于携带电压V_IN的输入电压节点，该电压V_IN例如可以源自AC交流电电压的整流。该初级绕组T1与nMOS启动开关晶体管M1是串联的，而该nMOS启动开关晶体管M1随后与nMOS电源开关晶体管M2串联。然而，可以理解的是，本文所公开的启动电路技术独立于电源开关晶体管的种类，因此可以适应于电源开关晶体管M2为双极结型晶体管(BJT)电源开关的替代性实施方式。

对于启动之后的正常操作，初级控制器U1构造为控制电源开关晶体管M2的接通状态和关断状态，以便对向耦接到变压器次级绕组T2的负载(Rload)供应的输出电压((V_OUT))或输出电流进行调节。二极管D1通过次级绕组T2对次级电流进行整流。与负载并联布置的输出电容器C1使输出电压平滑。反激转换器100包括与电源开关晶体管M2串联连接的电流检测电阻器Rsense，以监测正常操作期间的初级绕组电流。可以理解的是，在可替代性实施方式中，二极管D1可以被同步整流器开关所替代。控制器U1被构造为在启动电路起作用的时段期间维持电源开关晶体管M2关断。

所述启动电路包括与齐纳二极管串联的电阻R0。所述电阻R0耦接到输入电压节点，而齐纳二极管耦接到地面，使得被整流的输入电压在齐纳二极管和电阻器R0之间的节点处产生齐纳击穿电压。这个节点驱动启动开关晶体管M1的栅极，使得M1在启动时被齐纳击穿电压切换为接通。启动电路二极管D2耦接于电源开关晶体管M2的漏极(或相当于启动开关晶体管M1的源极)之间，并且通过节点105与高阻抗限流电阻器R1串联。如pMOS阻抗开关晶体管P1的阻抗开关晶体管耦接于节点105和低阻抗限流电阻器R2之间。可以理解的是，其他种类的阻抗开关晶体管可以在替代性实施方案中使用，如nMOS阻抗开关晶体管。高阻抗限流电阻器R1的阻抗比低阻抗限流电阻器R2的阻抗大。例如，高阻抗限流电阻器R1可以具有25KΩ的电阻值，而低阻抗限流电阻器R2可以具有3KΩ的电阻值。两个限流电阻器R1和R2都通过节点115并联耦接到Vcc电容器。

开关控制器110控制阻抗开关晶体管P1的接通和关断状态，从而在启动充电时段中选择第一和第二阶段，以在Vcc电容器两端产生电源电压Vcc。这一电源电压Vcc由控制器U1在Vcc引脚或终端上接收以激励控制器U1的操作。需注意的是，开关控制器110与控制器U1分别显示，但一种替代性实施方式在于开关控制器110通常会集成在控制器U1内。在控制器U1处VCC引脚上对电源电压Vcc的接收还为开关控制器110的操作提供了电源电压Vcc。

将被整流的输入电压应用于反激转换器100(例如，反激转换器100被插入到AC交流电电源口)时，启动二极管D2将正向偏压，使得被整流的输入电压可以驱动电流通过初级绕组T1、启动开关晶体管M1和启动二极管D2至充电节点105。由于高阻抗限流电阻器R1连接至节点105，对节点105的充电则驱动电流通过高阻抗限流电阻器R1从而在启动充电时段的第一阶段期间对Vcc缓慢充电。第一阶段的高阻抗充电路径则由高阻抗限流电阻器R1形成。因为开关控制器110构造为维持阻抗开关晶体管P1关断直到Vcc达到阈值电压为止，所以低阻抗限流电阻器R2在第一阶段期间无法促进这样的充电。所述阈值电压的大小决定了启动充电时段的第一阶段的持续时间。

当电源电压Vcc达到阈值电压时，开关控制器110将阻抗开关晶体管P1切换为接通，从而将低阻抗限流电阻器R2与高阻抗限流电阻器R1并联耦接在节点105和115之间。第二阶段的低阻抗充电路径则由限流电阻器R1和R2的并联组合形成。由于被阻抗开关晶体管P1接通而激活的低阻抗充电路径，从而通过初级绕组T1、启动开关晶体管M1、启动二极管D2的电流将在第二阶段期间显著增加。因此启动充电时段的第二阶段将产生电源电压Vcc的快速充电。维持这样的快速充电直到电源电压Vcc到达上电复位(POR)值，届时，启动电路不再起作用，以便电源电压Vcc可以通过常规正常充电路径(未示出)而充电。

第一和第二阶段的所产生的时序显示在图1B中。在时刻t0，被整流的输入电压被应用于反激转换器100，以使得Vcc充电的第一阶段接着发生。电源电压Vcc则缓慢升高直到在时刻t1达到它的阈值。开关控制器110则激活低阻抗充电路径，以使得Vcc充电的第二阶段开始。Vcc则被快速充电直到Vcc到达POR电平的时刻t2，届时正常操作接着发生。需要注意的是，与POR电平相比，阈值电压的值相对小，以使得第一阶段的持续时间基本上小于第二阶段的持续时间。因此在第一阶段中由高阻抗充电路径引起的任何电压振铃在第二阶段的相对长的持续时间期间得以阻滞。

现在就图2的反激转换器200，对限流电阻器R1和R2的串联组合进行讨论。所述初级绕组T1、次级绕组T2、二极管D1、输出电容器C1、负载、电阻器R0、齐纳二极管、启动开关晶体管M1、电源开关晶体管M2、检测电阻器Rsense和启动二极管D2如所讨论的反激转换器100那样布置。然而，高阻抗限流电阻器R1与低阻抗限流电阻器R2串联。特别地，输出二极管D2在节点200耦接于高阻抗限流电阻器R1。高阻抗限流电阻器R1通过在节点205通过耦接到低阻抗限流电阻R2而依次耦接到Vcc电容器。阻抗开关晶体管P1耦接到节点200和205，使得在阻抗开关晶体管P1接通时阻抗开关晶体管P1将高阻抗限流电阻器R1短接。再次参考图1B，可以看到，由于开关控制器110会在第一阶段期间保持阻抗开关晶体管P1关断，开关控制器110会如所讨论的反激转换器100那样运行。当电源电压Vcc达到阈值电压时，开关控制器110将阻抗开关晶体管P1接通从而短接高阻抗限流电阻器R1并激活第二充电阶段。

为了控制阻抗开关晶体管P1的接通和关断状态，开关控制器110可以包括图3所示的比较器300。在比较器300的正极输入端接收阈值电压，而在负极输入端接收电源电压Vcc。启动充电时段的第一阶段期间当电源电压Vcc小于阈值电压时，则对在阻抗开关晶体管P1的栅极接收的比较器300的输出端被充电为高以维持阻抗开关晶体管P1关断。但是当电源电压Vcc超过阈值电压时，将比较器300的输出端向地面放电，从而为启动充电时段的第二阶段将阻抗开关晶体管P1切换为接通。

现在，就图4的流程图对用于启动电路的操作方法进行讨论。该方法包括动作400，即，在启动充电时段的第一部分期间，通过高阻抗充电路径对电源电容器充电，从而以控制器电源电压为电源电容器充电。启动充电时段第一阶段期间对反激转换器100和200中的VCC电容器充电是动作400的一个例子。除此之外，该方法包括动作405，即，在启动充电时段余下的第二部分期间，通过低阻抗充电路径对电源电容器充电，从而进一步为控制器电源电压充电。启动充电时段第二阶段期间对反激转换器100和200中的Vcc电容器充电是动作405的一个例子。

至此，本领域技术人员要理解的是，取决于随后的具体申请，在不脱离其范围的情况下，可以对本公开文件的装置的材料、设备、构造和使用方法进行多种变形、置换和变化。鉴于此，本公开文件的范围不应被限定为本文所阐明和描述的具体实施方式，因为它们仅仅是作为具体实施方式的一些例子，本公开文件的范围反而应当与下文所附权利要求和其功能等同物充分相称。

Claims (21)

1.一种开关电源转换器的启动电路，所述启动电路包括：

高阻抗充电路径；

低阻抗充电路径；

阻抗开关晶体管，所述阻抗开关晶体管配置为在所述阻抗开关晶体管被关断时将所述高阻抗充电路径耦接到电源电容器，以及在所述阻抗开关晶体管被接通时将所述低阻抗充电路径耦接到所述电源电容器；以及

开关控制器，所述开关控制器配置为当存储在所述电源电容器上的电源电压小于阈值电压时将所述阻抗开关晶体管关断，以及当所述电源电压大于所述阈值电压时将所述阻抗开关晶体管接通。

2.根据权利要求1所述的启动电路，其中，所述阻抗开关晶体管为p沟道金属氧化物半导体(pMOS)阻抗开关晶体管。

3.根据权利要求1所述的启动电路，还包括：

电源开关；以及

电源开关控制器，其中所述电源开关控制器配置为由所述电源电压供电以控制所述电源开关的循环。

4.根据权利要求1所述的启动电路，其中，所述开关电源转换器为反激转换器，并且其中，所述启动电路还包括第一电阻器，所述第一电阻器与齐纳二极管串联耦接在所述反激转换器的输入电压节点和地面之间，并且其中，所述第一电阻器和所述齐纳二极管之间的节点耦接到启动开关晶体管的栅极，所述启动开关晶体管耦接到所述反激转换器中的变压器的初级绕组。

5.根据权利要求4所述的启动电路，还包括：

启动二极管，所述启动二极管耦接在启动开关晶体管的源极和第一节点之间；

高阻抗限流电阻器，所述高阻抗限流电阻器耦接在第一节点和第二节点之间，

低阻抗限流电阻器，所述低阻抗限流电阻器耦接到所述第二节点，其中，所述阻抗开关晶体管耦接在所述低阻抗限流电阻器和所述第一节点之间。

6.根据权利要求4所述的启动电路，还包括：

启动二极管，所述启动二极管耦接在启动开关晶体管的源极和第一节点之间；

高阻抗限流电阻器，所述阻抗限流电阻器耦接在第一节点和第二节点之间，

低阻抗限流电阻器，所述低阻抗限流电阻器耦接到所述第二节点，其中，所述阻抗开关晶体管耦接在所述第一节点和所述第二节点之间。

7.根据权利要求1所述的启动电路，其中，所述开关控制器被集成到电源开关控制器内。

8.根据权利要求1所述的启动电路，其中，所述开关控制器包括比较器，所述比较器配置为将Vcc与阈值电压进行比较，并且其中，所述比较器的输出端与所述阻抗开关晶体管的栅极耦接。

9.一种在启动充电时段期间改进用于开关电源转换器的控制器电源电压的启动方法，其中所述启动充电时段被分为第一部分和余下的第二部分，所述启动方法包括：

在所述启动充电时段的第一部分期间，通过高阻抗充电路径对电源电容器充电，从而以控制器电源电压为电源电容器充电；以及

在启动充电时段的所述余下的第二部分期间，通过低阻抗充电路径对电源电容器充电，从而进一步为控制器电源电压充电。

10.根据权利要求9所述的启动方法，还包括响应于所述控制器电源电压达到上电复位电平，终止所述启动充电时段的所述余下的第二部分。

11.根据权利要求10所述的启动方法，还包括在终止所述启动充电时段的所述余下的第二部分之后，用所述控制器电源电压为控制器供电，同时所述控制器控制所述开关电源转换器中的电源开关的循环以调节对负载传输的功率。

12.根据权利要求9所述的启动方法，其中，所述通过低阻抗充电路径对电源电容器充电包括：通过将耦接在高阻抗限流电阻器两端的阻抗开关晶体管接通，使与低阻抗限流电阻器串联的所述高阻抗限流电阻器短路。

13.根据权利要求12所述的启动方法，其中，将阻抗开关晶体管接通包括：响应于所述控制器电源电压超过阈值电压，而将pMOS阻抗开关晶体管接通。

14.根据权利要求9所述的启动方法，其中，所述通过低阻抗充电路径对电源电容器充电包括：将阻抗开关晶体管接通，以耦接与高阻抗限流电阻器并联的低阻抗限流电阻器。

15.根据权利要求14所述的启动方法，其中，将阻抗开关晶体管接通包括：响应于所述控制器电源电压超过阈值电压，而将pMOS阻抗开关晶体管接通。

16.根据权利要求15所述的启动方法，还包括：

对齐纳二极管充电以形成齐纳击穿电压；

响应于齐纳击穿电压，将耦接到变压器的初级绕组的启动开关晶体管接通，以对所述启动开关晶体管的源极充电；以及

通过启动二极管对所述启动开关晶体管的源极上的充电进行整流从而对第一节点充电，其中所述高阻抗充电路径和所述低阻抗充电路径都通过所述第一节点的充电而充电。

17.根据权利要求9所述的启动方法，进一步包括将所述控制器电源电压与阈值电压比较，其中，当所述控制器电源电压小于所述阈值电压时，在所述启动充电时段的第一部分期间通过所述高阻抗充电路径对所述电源电容器进行充电。

18.根据权利要求17的启动方法，其中，当所述控制器电压大于所述阈值电压并小于上电复位值时，通过所述低阻抗充电路径对所述电源电容器进行充电。

19.一种用于开关电源转换器的启动电路，所述启动电路包括：

第一电阻器，所述第一电阻器被连接以形成用于Vcc电容器的充电路径的一部分；

第二电阻器，所述第二电阻器被连接以形成用于所述Vcc电容器的所述充电路径的一部分；

路径开关晶体管，所述路径开关晶体管具有连接到所述第一电阻器的第一终端并具有连接到第二电阻器的第二终端，其中：

当所述路径开关晶体管处于接通状态时，所述第二电阻器对用于所述Vcc电容器的充电路径的阻抗起决定性作用，使得所述充电路径为用于对所述Vcc电容器充电的低阻抗路径；以及

当所述路径开关晶体管处于关断状态时，所述第一电阻器对用于所述Vcc电容器的充电路径的阻抗起决定性作用，使得所述充电路径为用于对所述Vcc电容器充电的高阻抗路径；以及

开关控制器，所述开关控制器耦接到所述路径开关晶体管并设置为将所述Vcc电容器两端的电容器电压与阈值电压进行比较，从而当所述电容器电压小于所述阈值电压时将所述路径开关晶体管置于接通状态，而当所述电容器电压达到或大于所述阈值电压时将所述路径开关晶体管置于关断状态。

20.根据权利要求19所述的启动电路，其中：

当所述路径开关晶体管处于接通状态时，所述第一电阻器和所述第二电阻器并联连接；以及

当所述路径开关晶体管处于关断状态时，所述第二电阻器与所述充电路径隔离。

21.根据权利要求19所述的启动电路，其中：

当所述路径开关晶体管处于关断状态时，所述第一电阻器和所述第二电阻器串联连接；以及

当所述路径开关晶体管处于接通状态时，所述第一电阻器从所述充电路径中短路。