CN110518790B - 一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统 - Google Patents

一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统，包括输入电路、变压器、输出电路、开关管、电容C和控制电路；设置两个开关管M1和M2以及检测电阻RCS，初级绕组的非同名端连接M1的漏极和M2的漏极，M1的源极连接电容C的一端并连接控制电路，作为控制电路的电源电压VCC供电端，电容C的另一端接地M2的源极连接检测电阻RCS的一端和控制电路，检测电阻RCS的另一端接地，控制电路输出控制信号W1和W2，控制信号W1连接NMOS管M1的栅极，控制信号W2连接NMOS管M2的栅极。

Description

一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统
技术领域
本发明涉及开关电源变换器，尤其涉及一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统，属于集成电路技术领域。
背景技术
随着技术的进步和国际电源标准能源之星的标准要求不断提高，系统启动响应时间要尽量短,同时要求系统待机功耗尽量小。传统的启动电路如果想要启动时间短,那么启动电阻的值不能太大,这就会导致电源系统的待机功耗偏大,所以我们需要在启动时间和待机功耗之间进行折中考虑。此外，移动便携式设备的普及和客户使用体验的提升，对电源产品体积希望越小越好，对于厂商来说系统外部元件越少越好，可以有效降低系统成本。传统结构的开关电源系统需要三个绕组：初级绕组、副边绕组和辅助绕组，初级绕组和副边绕组实现电源的隔离和能量传输，辅助绕组主要用于控制电路VCC供电和部分保护检测。
图1为传统开关电源启动电路和VCC供电电路，启动时输入电路直接经过启动电阻Rst给VCC电容C充电，若此时输入电压为Vin，则启动电流为Ist＝Vin/Rst，在相同的输入电压和VCC电容，启动电流越大，启动速度越快，而启动电阻上的功耗是Pst＝Vin2/Rst，若要降低待机功耗，满足最新的能效标准，则Rst的值必须取大，但是又会导致传统启动电路的启动电流Ist变小，启动时间变长，如果需要快速启动，则需要减小启动电阻Rst，但这会导致系统的待机功耗Pst变大。所以在传统的启动电路中，启动时间和待机功耗是相互矛盾的。图1所示的传统VCC供电电路在启动完成以后，需要采用变压器的辅助绕组和电容C供电给控制电路，电路变压器架构复杂，外围元器件也多，体积大，成本高。
中国专利200810198334.9公开的一种变换器自供电控制电路如图2所示，包括输入电路、变换器、输出电路、开关K1、K2、K3以及电容C和控制电路。控制电路控制开关K1、K2、K3的接通和断开，使输入电路通过变换器与输出电路连接，以达到变换器的能量输出。200810198334.9省去了图1的反馈供电电路，简化了结构，降低了成本。其不足之处在于，其中K1，K2，K3是控制开关，由于K1和K2串联在一起到地，所以K1和K2都走相同的功率级大电流，在实际电路中，K1承受高压和大电流，可以采用外置功率管实现，而K2虽然不承受高压但是必须流经大电流，在实际半导体芯片电路加工中K2必须采用DMOS工艺才能保证其导通能力。根据实际工艺实现方式，K2、K3和控制电路组合成单芯片。因为K2DMOS集成在芯片上，所以会带来芯片整体成本增加和可靠性问题(如DMOS温升发热)。而且在实际工作中，芯片的供电和功率级电路是一个系统，芯片的电源需要通过K1、K2、K3的不停切换来维持供电，逻辑复杂，容易出错。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统，将该系统应用于开关电源中以减小系统待机功耗，同时还能快速启动，减小启动时间，此外VCC自供电电路能够省略辅助绕组，减小电源系统的体积，采用普通半导体工艺就能实现降低芯片成本和整个系统的成本，可将芯片供电电路和功率级电路分开(即图2中K1和K2分开，去掉K3)，安全可靠性增加。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统，包括输入电路、变压器、输出电路、开关管、电容C和控制电路，输入电路连接变压器的初级绕组，输出电路连接变压器的次级绕组，其特征在于，设置两个开关管NMOS管M1和NMOS管M2以及检测电阻RCS，初级绕组的非同名端连接NMOS管M1的漏极和NMOS管M2的漏极，NMOS管M1的源极连接电容C的一端并连接控制电路，作为控制电路的电源电压VCC供电端，电容C的另一端接地，NMOS管M2的源极连接检测电阻RCS的一端和控制电路，检测电阻RCS的另一端接地，控制电路输出控制信号W1和W2，控制信号W1连接NMOS管M1的栅极，控制NMOS管M1的开通和关断，控制信号W2连接NMOS管M2的栅极，控制NMOS管M2的开通和关断，NMOS管M1开通时，NMOS管M2关断，NMOS管M1关断时，NMOS管M2开通。
所述控制电路包括VCC启动和采样稳压电路、VCC充电时序控制电路、PWM信号模块、CS限流比较器、RS触发器Ⅰ和驱动模块，VCC启动和采样稳压电路的输入端连接NMOS管M1的源极与电容C的连接端，VCC启动和采样稳压电路的信号流输出端连接VCC充电时序控制电路的输入端，CS限流比较器的正输入端连接NMOS管M2的源极与检测电阻RCS的连接端，CS限流比较器的负输入端连接基准电压Vref，CS限流比较器的输出端连接RS触发器Ⅰ的输入端S，RS触发器Ⅰ的输入端R连接PWM信号模块的输出端，RS触发器Ⅰ的输出端Q连接驱动电路，驱动电路输出控制信号W2连接NMOS管M2的栅极，同时，该控制信号W2还连接VCC充电时序控制电路的另一个输入端，VCC充电时序控制电路输出控制信号W1连接NMOS管M1的栅极。
所述VCC启动和采样稳压电路包括电阻R1、电阻R2、比较器Ⅰ和比较器Ⅱ，电阻R1的一端作为VCC启动和采样稳压电路的输入端连接NMOS管M1的源极与电容C的连接端，电阻R1的另一端通过电阻R2接地，比较器Ⅰ的负输入端与比较器Ⅱ的正输入端互连并连接电阻R1与电阻R2的连接端，电阻R2的另一端接地，比较器Ⅰ的正输入端连接VCC采样电压的设定值V1，比较器Ⅱ的负输入端连接采样电压的另一个设定值V2，V1<V2，比较器Ⅰ的输出信号L1和比较器Ⅱ的输出信号L2共同作为VCC启动和采样稳压电路的信号流输出给VCC充电时序控制电路。
所述VCC充电时序控制电路包括反相器、延时电路、与门和RS触发器Ⅱ，反相器的输入端连接控制信号W2，反相器的输出端连接延时电路，RS触发器Ⅱ的输入端S连接输出信号L1，RS触发器Ⅱ的输入端R连接输出信号L2，RS触发器Ⅱ的输出端Q连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接延时电路的输出，与门的输出作为VCC充电时序控制电路的输出端，输出控制信号W1。
系统的工作过程：NMOS管M1的初态是开通状态，NMOS管M2的初态是关断状态，系统启动时，NMOS管M1开通，NMOS管M2关断，输入电路通过变压器初级和开通的NMOS管M1快速给电容C充电，当电容C上的电压VCC上升到设定的启动电压值V_start时，系统启动完成，控制电路关断NMOS管M1、开通NMOS管M2，停止给电容C充电，此时芯片工作电流消耗电容C的电荷，电容C上的电压VCC开始下降，当VCC启动和采样稳压电路得到的VCC采样电压下降到设定值V1时，开通NMOS管M1给电容C充电，当电容C上的电压VCC开始上升，当VCC启动和采样稳压电路得到的VCC采样电压上升到设定值V2时，关断NMOS管M1，停止充电，形成一个NMOS管M1的开关周期，维持电容C上的VCC电压。
本发明的优点及显著效果：
(1)本发明应用于开关电源时，无需启动电阻，可以降低系统待机功耗，同时还能快速启动，减小启动时间。
(2)本发明能够省略辅助绕组，减小电源系统的体积，同时还能降低系统的成本。
(3)本发明中的电路架构清晰，芯片供电电路和功率级电路分开，集成电路工艺简单、成本低、可靠性高。
附图说明
图1是传统开关电源启动电路和变压器架构供电电路示意图；
图2是现有的一种变换器自供电控制电路的结构示意图；
图3是本发明电源变换器的快速启动和自供电系统结构示意图；
图4是本发明系统中控制电路内部结构框图；
图5是本发明控制电路内部VCC启动和采样稳压电路结构示意图；
图6是本发明控制电路内部VCC充电时序控制电路逻辑示意图；
图7是本发明控制信号W1和W2的时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进一步详细描述。
如图3，本发明包括现有技术的输入电路、变压器、输出电路、开关管、电容C和控制电路，输入电路连接变压器的初级绕组，输出电路连接变压器的次级绕组，其特征在于，设置两个开关管NMOS管M1和NMOS管M2以及检测电阻RCS，初级绕组的非同名端连接M1的漏极和M2的漏极，M1的源极连接电容C的一端并连接控制电路，作为控制电路的电源电压VCC供电端，电容C的另一端接地，M2的源极连接检测电阻RCS的一端和控制电路，检测电阻RCS的另一端接地，控制电路输出控制信号W1和W2，控制信号W1连接M1的栅极，控制M1的开通和关断，控制信号W2连接M2的栅极，控制M2的开通和关断，M1开通时，M2关断，M1关断时，M2开通。
图4是本发明系统中控制电路的实施例，包括芯片供电端VCC启动电路和采样稳压电路、VCC充电时序控制电路、PWM信号模块、CS限流比较器、RS触发器I和驱动模块。PWM信号和CS限流比较器信号经过RS触发器I，再通过驱动模块增强，产生W2信号，驱动功率开关管M2。其中VCC启动和采样稳压电路中的VCC启动电路部分、PWM信号模块、CS限流比较器、RS触发器I和驱动模块都是现有技术，而VCC启动和采样稳压电路中的VCC采样稳压电路部分和VCC充电时序控制电路是本发明重点，目的是产生W1信号控制M1，实现VCC稳压。
如图5，VCC采样稳压电路包括电阻R1、R2、比较器I、比较器II，VCC通过电阻R1和R2串联到地，R1和R2串联点同时连接比较器I的负端和比较器II的正端，比较器I的正端连接内部设定电压值V1，比较器I的输出逻辑是L1，比较器II的负端连接内部设定电压值V2，比较器II的输出逻辑是L2，其中V1<V2，ΔV＝V2-V1，一般控制比值
Figure BDA0002182242780000041
在10％以内。
如图6，VCC充电时序控制电路包括反相器、delay延时电路、与门、RS触发器II，其特征在于W2信号经过反相器再经过delay延时电路，和L1、L2经过RS触发器II的信号相与产生W1，控制NMOS管M1。
系统工作过程：NMOS管M1的初态是开通状态，NMOS管M2的初态是关断状态，系统启动时，M1开通，M2关断，输入电路通过变压器初级和开通的M1快速给电容C充电，当电容C上的电压VCC上升到设定的启动电压值V_start时，系统启动完成，控制电路关断M1、开通M2，停止给电容C充电，此时芯片工作电流消耗电容C的电荷，电容C上的电压VCC开始下降，经过电路内部采样，VCC采样电压下降到设定值V1时，开通NMOS管M1给电容C充电，当电容C上的电压VCC开始上升，经过电路内部采样，VCC采样电压上升到设定值V2时，关断NMOS管M1，停止充电，形成一个M1的开关周期，维持电容C上的VCC电压。其中M1不走大电流需耐高压，M2走大电流耐高压是高压功率管，因为M1和M2是同类型的NMOS开关管，只是走的电流大小不一致而已，所以可以集成外置。控制电路芯片与功率级隔离，只作为驱动器，所以可以采用普通半导体工艺实现。工艺简单成本低，可靠性高。
本发明系统启动时，输入电路通过变压器初级，经过初态开通的开关管M1给电容C快速充电，M2此时关断。电容C上的电压VCC上升到内部设定启动阈值电压V_start时，VCC启动电路发出启动完成信号会关闭M1，启动完成。
启动完成后，PWM信号和CS限流比较器信号经过RS触发器I和驱动模块产生控制信号W2来控制功率管M2，实现外围功率级的传递(初级到次级)。由于没有辅助绕组供电，所以芯片VCC的电压靠电容C的充放电维持平衡。其原理是：芯片工作电流消耗VCC电容上的电荷，VCC电压会降低，VCC采样稳压电路实时监测VCC电压值，当VCC采样电压降低到设定值V1时，VCC采样稳压电路里的比较器I发出充电信号L1，L1连接VCC充电时序控制电路内部RS触发器II的S端，S端高电平时Q端输出高电平，此时W2进入VCC充电时序控制电路经过反相器和delay延时电路再和RS触发器II Q端信号相与产生W1。VCC采样电压低于V1时，L1输出高电平，Q输出高电平，W2信号经过反相器和delay延时电路产生W1，所以在一个开关周期内当W2控制M2关闭的时候，W1控制M1开通给电容C充电。当M1给电容C充电，VCC采样电压上升到设定值V2时，VCC采样稳压电路里的比较器II发出关闭M1信号L2，L2连接VCC充电时序控制电路内部RS触发器II的R端，VCC采样电压高于V2时，L2输出高电平，Q输出低电平，此时与门屏蔽W2信号的传递，W1为低电平，关闭M1，停止给电容C充电。形成一个M1的开关周期，维持电容C上的VCC电压。
W1和W2的控制时序见图7，W2是控制M2开关的方波信号，高电平是HV，低电平是LV，高电平开通M2，低电平关闭M2，方波开关周期为T，W1是控制M1的开关方波信号，高电平是HV，电平是LV，高电平开通M1给电容C充电，电容C上电压VCC开始上升，低电平关闭M1，芯片工作电流消耗电容C上的电荷，VCC开始下降。在一个周期T内，当W2信号变低电平后，经过delay延时电路，延时t_delay时间后，W1再翻转变高，当W2为高电平时，W1始终保持低电平。VCC的时序波形横坐标是时间，纵坐标是电压值，设定的启动电压是V_start，VCC代表电容上的电压，这个电压是动态的，是个变量，启动时候电容C上的电压VCC快速上升到启动阈值电压V_start，芯片内部开始工作，当启动完成后，这个变量值被电路限定在
Figure BDA0002182242780000061
和
Figure BDA0002182242780000062
之间波动。

Claims (2)

1.一种开关电源变换器的快速启动和自供电系统，包括输入电路、变压器、输出电路、开关管、电容C和控制电路，输入电路连接变压器的初级绕组，输出电路连接变压器的次级绕组，其特征在于，设置两个开关管NMOS管M1和NMOS管M2以及检测电阻RCS，初级绕组的非同名端连接NMOS管M1的漏极和NMOS管M2的漏极，NMOS管M1的源极连接电容C的一端并连接控制电路，作为控制电路的电源电压VCC供电端，电容C的另一端接地，NMOS管M2的源极连接检测电阻RCS的一端和控制电路，检测电阻RCS的另一端接地，控制电路输出控制信号W1和W2，控制信号W1连接NMOS管M1的栅极，控制NMOS管M1的开通和关断，控制信号W2连接NMOS管M2的栅极，控制NMOS管M2的开通和关断，NMOS管M1开通时，NMOS管M2关断，NMOS管M1关断时，NMOS管M2开通；
所述控制电路包括VCC启动和采样稳压电路、VCC充电时序控制电路、PWM信号模块、CS限流比较器、RS触发器Ⅰ和驱动模块，VCC启动和采样稳压电路的输入端连接NMOS管M1的源极与电容C的连接端，VCC启动和采样稳压电路的信号流输出端连接VCC充电时序控制电路的输入端，CS限流比较器的正输入端连接NMOS管M2的源极与检测电阻RCS的连接端，CS限流比较器的负输入端连接基准电压Vref，CS限流比较器的输出端连接RS触发器Ⅰ的输入端R，RS触发器Ⅰ的输入端S连接PWM信号模块的输出端，RS触发器Ⅰ的输出端Q连接驱动电路，驱动电路输出控制信号W2连接NMOS管M2的栅极，同时，该控制信号W2还连接VCC充电时序控制电路的另一个输入端，VCC充电时序控制电路输出控制信号W1连接NMOS管M1的栅极；
所述VCC启动和采样稳压电路包括电阻R1、电阻R2、比较器Ⅰ和比较器Ⅱ，电阻R1的一端作为VCC启动和采样稳压电路的输入端连接NMOS管M1的源极与电容C的连接端，电阻R1的另一端通过电阻R2接地，比较器Ⅰ的负输入端与比较器Ⅱ的正输入端互连并连接电阻R1与电阻R2的连接端，电阻R2的另一端接地，比较器Ⅰ的正输入端连接VCC采样电压的设定值V1，比较器Ⅱ的负输入端连接采样电压的另一个设定值V2，V1＜V2，比较器Ⅰ的输出信号L1和比较器Ⅱ的输出信号L2共同作为VCC启动和采样稳压电路的信号流输出给VCC充电时序控制电路；
所述VCC充电时序控制电路包括反相器、延时电路、与门和RS触发器Ⅱ，反相器的输入端连接控制信号W2，反相器的输出端连接延时电路，RS触发器Ⅱ的输入端S连接输出信号L1，RS触发器Ⅱ的输入端R连接输出信号L2，RS触发器Ⅱ的输出端Q连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接延时电路的输出，与门的输出作为VCC充电时序控制电路的输出端，输出控制信号W1。
2.根据权利要求1所述的开关电源变换器的快速启动和自供电系统，其特征在于，系统的工作过程：NMOS管M1的初态是开通状态，NMOS管M2的初态是关断状态，系统启动时，NMOS管M1开通，NMOS管M2关断，输入电路通过变压器初级和开通的NMOS管M1快速给电容C充电，当电容C上的电压VCC上升到设定的启动电压值V_start时，系统启动完成，控制电路关断NMOS管M1、开通NMOS管M2，停止给电容C充电，此时芯片工作电流消耗电容C的电荷，电容C上的电压VCC开始下降，当VCC启动和采样稳压电路得到的VCC采样电压下降到设定值V1时，开通NMOS管M1给电容C充电，当电容C上的电压VCC开始上升，当VCC启动和采样稳压电路得到的VCC采样电压上升到设定值V2时，关断NMOS管M1，停止充电，形成一个NMOS管M1的开关周期，维持电容C上的VCC电压。
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