CN110707913A - 开关电源电路及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电源电路及系统，开关控制模块在基准电压大于预设电压值输出第一开关信号，在基准电压小于预设电压值时输出第二开关信号。其中，在开关电源电路关机时，基准电压小于预设电压值时，可使得半导体开关器件的第一开关端和第二开关端导通，半导体开关器件泄放提供基准电压的电容的电压。基于此，保证软启动电路输出占比电压控制信号到开关电源功率级以进行软启动的过程不受影响，有效地降低浪涌电流和电压过冲，提高开关电源电路的可靠性。

Description

开关电源电路及系统
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别是涉及一种开关电源电路及系统。
背景技术
开关电源是现代电子系统中必不可少的关键部件。开关电源通过将误差信号转换成占空比控制信号驱动开关进行工作的。在DC-DC开关电源的启动阶段，由于环路响应的原因，输出电压不可能瞬间建立，导致反馈引脚电压原因小于基准电压，致使误差放大器工作在非平衡状态，其输出信号过高，环路处于100％占空比状态下工作，这时将有很大的浪涌电流流入输出电容，输出电压也将产生较大过冲。同时，较大的浪涌电流还有可能损耗开关晶体管和其他器件。软启动电路用于开机时，提供缓慢变化的电压信号，在误差放大器的输入端作为基准电压，与输出采样电压比较，其限制了工作占空比，达到消除浪涌电流和电压过冲的目的。然而在频繁的快速开关机试验中，提供基准电压的电容在关机时存在的电压会影响再次开机时的软启动功能，使电源存在可靠性隐患。
发明内容
基于此，有必要针对提供基准电压的电容在关机时存在的电压会影响再次开机时的软启动功能，，使电源存在可靠性隐患的缺陷，提供一种开关电源电路及系统。
一种开关电源电路，包括：
开关电源功率级，用于接入输入电压源的输入电压，并用于输出输出电压为负载供电；
软启动电路，用于采集输入电压源的输出电压，根据输出电压与基准电压的误差，输出占比电压控制信号至开关电源功率级中需要受控的开关管；
开关控制模块，用于采集基准电压，在基准电压大于预设电压值输出第一开关信号，在基准电压小于预设电压值时输出第二开关信号；
半导体开关器件，半导体开关器件的受控端用于接入第一开关信号或第二开关信号，半导体开关器件的第一开关端用于接入基准电压，半导体开关器件的第二开关端用于接地；其中，半导体开关器件在接入第一开关信号时，控制半导体开关器件的第一开关端和第二开关端关断；半导体开关器件在接入第二开关信号时，控制半导体开关器件的第一开关端和第二开关端导通。
上述开关电源电路，开关控制模块在基准电压大于预设电压值输出第一开关信号，在基准电压小于预设电压值时输出第二开关信号。其中，在开关电源电路关机时，基准电压小于预设电压值时，可使得半导体开关器件的第一开关端和第二开关端导通，半导体开关器件泄放提供基准电压的电容的电压。基于此，保证软启动电路输出占比电压控制信号到开关电源功率级以进行软启动的过程不受影响，有效地降低浪涌电流和电压过冲，提高开关电源电路的可靠性。
在其中一个实施例中，开关控制模块包括第一NMOS管、第一电阻和第二电阻；
第一NMOS管的栅极用于通过第一电阻接入逻辑高电平，第一NMOS管的的栅极还用于通过第二电阻接地，第一NMOS管的源极用于接地，第一NMOS管的漏极用于接入逻辑高电平，第一NMOS管的漏极还用于输出第一开关信号或第二开关信号。
在其中一个实施例中，开关控制模块还包括第一电容和第三电阻；
第一NMOS管的漏极用于通过第三电阻接入逻辑高电平；
第一电容并联连接在第二电阻两端。
在其中一个实施例中，软启动电路包括：
电压环，用于接入输出电压与基准电压，并用于根据输出电压与基准电压的误差输出调整信号；
PWM控制芯片，用于根据调整信号输出占比电压控制信号至开关电源功率级中需要受控的开关管。
在其中一个实施例中，开关电源功率级包括输入滤波电路、变压器原边绕组、原边开关管、变压器副边绕组、副边整流管和输出滤波线路；
变压器原边绕组一端用于连接输入电压源的一端，还用于通过输入滤波电路连接输入电压源的另一端，变压器原边绕组的另一端连接原边开关管的漏极，原边开关管的源极用于接地；
变压器副边绕组的一端通过输出滤波线路连接副边整流管的源极，副边整流管的漏极连接变压器副边绕组的另一端。
在其中一个实施例中，输入滤波电路包括第一滤波电容，输出滤波线路包括第二滤波电容。
在其中一个实施例中，原边开关管包括第二NMOS管；副边整流管包括第三NMOS管。
在其中一个实施例中，半导体开关器件包括场效应管或开关三极管。
在其中一个实施例中，半导体开关器件包括第二NMOS管；
第二NMOS管的栅极用于接入第一开关信号或第二开关信号，第二NMOS管的漏极用于接入基准电压，第二NMOS管的源极用于接地。
一种开关电源系统，包括输入电压源以及上述任一实施例的开关电源电路。
上述开关电源系统，开关控制模块在基准电压大于预设电压值输出第一开关信号，在基准电压小于预设电压值时输出第二开关信号。其中，在开关电源电路关机时，基准电压小于预设电压值时，可使得半导体开关器件的第一开关端和第二开关端导通，半导体开关器件泄放提供基准电压的电容的电压。基于此，保证软启动电路输出占比电压控制信号到开关电源功率级以进行软启动的过程不受影响，有效地降低浪涌电流和电压过冲，提高开关电源电路的可靠性。
附图说明
图1为一实施方式的开关电源电路模块结构图；
图2为另一实施方式的开关电源电路模块结构图；
图3为一实施方式的开关电源电路图；
图4为一实施方式的开关电源功率级电路图；
图5为一实施方式的开关电源系统模块结构图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明
本发明实施例提供了一种开关电源电路。
图1为一实施方式的开关电源电路模块结构图，如图1所示，一实施方式的开关电源电路包括开关电源功率级100、软启动电路101、开关控制模块102和半导体开关器件103：
开关电源功率级100，用于接入输入电压源的输入电压，并用于输出输出电压为负载供电；
如图1所示，图1以对应的拓扑电路为常见的开关电源电路，开关电源功率级100连接输入电压源的两输出端VIN+和VIN-，以接入输入电压源的输入电压。同时，开关电源功率级100通过输出端VOUT和地GND连接负载，为负载提供输出电压供电。
软启动电路101，用于采集输入电压源的输出电压，根据输出电压与基准电压VREF的误差，输出占比电压控制信号至开关电源功率级100中需要受控的开关管；
其中，如图1所示，软启动电路101接入开关电源功率级100的输出电压。一般地，如图1所示，软启动电路101通过分压网络接入开关电源功率级100的输出电压，即如图1所示的电阻RT1和电阻RT2，将VOUT与地之间的输出电压经分压网络给到软启动电路101。同时，软启动电路101还用于接入基准电压VREF，如图1所示，基准电容CV提供基准电压VREF。
在其中一个实施例中，软启动电路101可选用常见的PWM软启动控制电路。作为一个较优的实施方式，图2为另一实施方式的开关电源电路模块结构图，如图2所示，软启动电路101包括电压环200和PWM控制芯片201。
电压环200用于接入输出电压与基准电压VREF，并用于根据输出电压与基准电压VREF的误差输出调整信号；PWM控制芯片201用于根据调整信号输出占比电压控制信号至开关电源功率级100中需要受控的开关管。
其中，电压环200可选用误差放大器或比较电路，以将输出电压与基准电压VREF的误差输出为调整信号。PWM控制芯片201根据调制信号输出占比电压控制信号至开关电源功率级100中需要受控的开关管。
开关控制模块102，用于采集基准电压VREF，在基准电压VREF大于预设电压值输出第一开关信号，在基准电压VREF小于预设电压值时输出第二开关信号；
其中，开关控制模块102可选用单片机或比较电路。以根据基准电压VREF与预设电压的大小比较，输出第一开关信号或第二开关信号。
其中，预设电压值的设定满足：在开关电源电路开机时，基准电压VREF大于预设电压值；在开关电源电路关机时，基准电压VREF小于预设电压值。基于此，可根据开关电源功率级100与软启动电路101结构确定预设电压值。
在其中一个实施例中，图3为一实施方式的开关电源电路图，如图3所示，开关控制模块102包括第一NMOS管QN1、第一电阻R1和第二电阻R2；
第一NMOS管QN1的栅极用于通过第一电阻R1接入逻辑高电平，第一NMOS管QN1的的栅极还用于通过第二电阻R2接地，第一NMOS管QN1的源极用于接地，第一NMOS管QN1的漏极用于接入逻辑高电平，第一NMOS管QN1的漏极还用于输出第一开关信号或第二开关信号。
如图3所示，在基准电压VREF大于预设电压时，第一电阻R1与第二电阻R2间的电压(即第一NMOS管QN1栅极电压)满足第一NMOS管QN1的开启条件，第一NMOS管QN1导通后，其漏极被拉低至地，即第一开关信号为接地信号。在基准电压VREF小于预设电压时，第一电阻R1与第二电阻R2间的电压(即第一NMOS管QN1栅极电压)无法满足第一NMOS管QN1的开启条件，第一NMOS管QN1关断，其漏极被拉至逻辑高电平，即第二开关信号为逻辑高电平。其中，逻辑高电平与开关电源功率级100的输出电压正相关。
需要注意的是，图3所示的实施例为基于NMOS管的实施例，以实现第一开关信号为接地信号、第二开关信号为逻辑高电平的信号输出逻辑。基于这一特点的信号输出逻辑，通过PMOS管其他类型的半导体开关器件103也在本发明实施例的保护范围内。同时，改变信号输出逻辑下的实施例拓展，也在本发明实施例的保护范围内。
在其中一个实施例中，如图3所示，开关控制模块102还包括第一电容C1和第三电阻R3；
第一NMOS管QN1的漏极用于通过第三电阻R3接入逻辑高电平；
第一电容C1并联连接在第二电阻R2两端。
半导体开关器件103，半导体开关器件103的受控端用于接入第一开关信号或第二开关信号，半导体开关器件103的第一开关端用于接入基准电压VREF，半导体开关器件103的第二开关端用于接地；其中，半导体开关器件103在接入第一开关信号时，控制半导体开关器件103的第一开关端和第二开关端关断；半导体开关器件103在接入第二开关信号时，控制半导体开关器件103的第一开关端和第二开关端导通。
其中，开关控制模块102在输出第一开关信号时，半导体开关器件103的第一开关端和第二开关端关断。开关控制模块102在输出第二开关信号时，半导体开关器件103的第一开关端和第二开关端导通，基准电容一端的基准电压VREF被拉低至地，通过半导体开关器件103泄放基准电压VREF，在开关电源开机时快速有效地降低基准电压VREF。
在其中一个实施例中，半导体开关器件103包括场效应管或开关三极管。
通过场效应管的导通关断特性或开关三极管的导通关断特性，实现半导体开关器件103的第一开关端和第二开关端导通或关断。以场效应管为例，场效应管的栅极可为受控端，漏极可为第一开关端，源极可为第二开关端。
作为其中一个较优的实施方式，如图3所示，半导体开关器件103包括第二NMOS管QN2；
第二NMOS管QN2的栅极用于接入第一开关信号或第二开关信号，第二NMOS管QN2的漏极用于接入基准电压VREF，第二NMOS管QN2的源极用于接地。
其中，半导体开关器件103选用第二NMOS管QN2，对应第一开关信号为接地信号、第二开关信号为逻辑高电平的信号输出逻辑，在第二NMOS管QN2的栅极接收到接地信号时，第二NMOS管QN2关断，在第二NMOS管QN2的栅极接收到逻辑高电平时，第二NMOS管QN2导通。
在其中一个实施例中，开关电源功率级100包括输入滤波电路、变压器原边绕组、原边开关管、变压器副边绕组、副边整流管和输出滤波线路；
变压器原边绕组一端用于连接输入电压源的一端，还用于通过输入滤波电路连接输入电压源的另一端，变压器原边绕组的另一端连接原边开关管的漏极，原边开关管的源极用于接地；
变压器副边绕组的一端通过输出滤波线路连接副边整流管的源极，副边整流管的漏极连接变压器副边绕组的另一端。
在其中一个实施例中，图4为一实施方式的开关电源功率级电路图，如图4所示，基于变压器原边绕组VT1和变压器副边绕组VT2，输入滤波电路包括第一滤波电容，输出滤波线路包括第二滤波电容C12。原边开关管包括第二NMOS管QN2；副边整流管包括第三NMOS管QN3。
上述任一实施例的开关电源电路，开关控制模块102在基准电压VREF大于预设电压值输出第一开关信号，在基准电压VREF小于预设电压值时输出第二开关信号。其中，在开关电源电路关机时，基准电压VREF小于预设电压值时，可使得半导体开关器件103的第一开关端和第二开关端导通，半导体开关器件103泄放提供基准电压VREF的电容的电压。基于此，保证软启动电路101输出占比电压控制信号到开关电源功率级100以进行软启动的过程不受影响，有效地降低浪涌电流和电压过冲，提高开关电源电路的可靠性。
本发明实施例还提供一种开关电源系统。
图5为一实施方式的开关电源系统模块结构图，如图5所示，一实施方式的开关电源系统包括输入电压源以及上述任一实施例的开关电源电路。
上述开关电源系统，开关控制模块102在基准电压VREF大于预设电压值输出第一开关信号，在基准电压VREF小于预设电压值时输出第二开关信号。其中，在开关电源电路关机时，基准电压VREF小于预设电压值时，可使得半导体开关器件103的第一开关端和第二开关端导通，半导体开关器件103泄放提供基准电压VREF的电容的电压。基于此，保证软启动电路101输出占比电压控制信号到开关电源功率级100以进行软启动的过程不受影响，有效地降低浪涌电流和电压过冲，提高开关电源电路的可靠性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种开关电源电路，其特征在于，包括：
开关电源功率级，用于接入输入电压源的输入电压，并用于输出输出电压为负载供电；
软启动电路，用于采集输入电压源的输出电压，根据所述输出电压与基准电压的误差，输出占比电压控制信号至开关电源功率级中需要受控的开关管；
开关控制模块，用于采集所述基准电压，在所述基准电压大于预设电压值输出第一开关信号，在所述基准电压小于预设电压值时输出第二开关信号；
半导体开关器件，所述半导体开关器件的受控端用于接入所述第一开关信号或所述第二开关信号，所述半导体开关器件的第一开关端用于接入所述基准电压，所述半导体开关器件的第二开关端用于接地；其中，所述半导体开关器件在接入第一开关信号时，控制所述半导体开关器件的第一开关端和第二开关端关断；所述半导体开关器件在接入第二开关信号时，控制所述半导体开关器件的第一开关端和第二开关端导通。
2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关控制模块包括第一NMOS管、第一电阻和第二电阻；
所述第一NMOS管的栅极用于通过所述第一电阻接入逻辑高电平，所述第一NMOS管的的栅极还用于通过所述第二电阻接地，所述第一NMOS管的源极用于接地，所述第一NMOS管的漏极用于接入所述逻辑高电平，所述第一NMOS管的漏极还用于输出所述第一开关信号或第二开关信号。
3.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关控制模块还包括第一电容和第三电阻；
所述第一NMOS管的漏极用于通过所述第三电阻接入所述逻辑高电平；
所述第一电容并联连接在所述第二电阻两端。
4.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述软启动电路包括：
电压环，用于接入所述输出电压与所述基准电压，并用于根据所述输出电压与所述基准电压的误差输出调整信号；
PWM控制芯片，用于根据调整信号输出占比电压控制信号至开关电源功率级中需要受控的开关管。
5.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源功率级包括输入滤波电路、变压器原边绕组、原边开关管、变压器副边绕组、副边整流管和输出滤波线路；
所述变压器原边绕组一端用于连接输入电压源的一端，还用于通过所述输入滤波电路连接输入电压源的另一端，所述变压器原边绕组的另一端连接所述原边开关管的漏极，所述原边开关管的源极用于接地；
所述变压器副边绕组的一端通过所述输出滤波线路连接所述副边整流管的源极，所述所述副边整流管的漏极连接所述变压器副边绕组的另一端。
6.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，所述输入滤波电路包括第一滤波电容，所述输出滤波线路包括第二滤波电容。
7.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，所述原边开关管包括第二NMOS管；所述副边整流管包括第三NMOS管。
8.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述半导体开关器件包括场效应管或开关三极管。
9.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述半导体开关器件包括第二NMOS管；
所述第二NMOS管的栅极用于接入所述第一开关信号或所述第二开关信号，所述第二NMOS管的漏极用于接入所述基准电压，所述第二NMOS管的源极用于接地。
10.一种开关电源系统，其特征在于，包括输入电压源以及如权利要求1至9任意一项所述的开关电源电路。
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