CN114865905A - 高压启动的开关电源 - Google Patents

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张�杰
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Abstract

本申请涉及一种高压启动的开关电源，包括变压器和与变压器原边线圈连接的电源，还包括控制芯片，包括充电电容、STA模块和主控模块，充电电容与STA模块的输入端电连接，主控模块与STA模块的输出端电连接，STA模块用以检测控制芯片的输入电压；高压启动支路和供能支路分别与充电电容和原边线圈电连接；切换开关，与高压启动支路和STA模块的输出端电连接，切换开关关断或导通以使高压启动支路或供能支路为充电电容充电；控制开关，与主控模块的输出端和原边线圈电连接；启动电压具有预设值，STA模块根据输入电压输出第一信号以使切换开关导通或关断；输入电压小于预设值，高压启动支路为充电电容充电；输入电压值大于预设值，供能支路为充电电容充电。

Description

高压启动的开关电源
技术领域
本发明涉及开关电路技术领域，具体涉及一种高压启动的开关电源。
背景技术
随着电子设备的普及，开关电源的领域越来越广。开关电源的控制芯片供电一般由辅助绕组提供，电源刚启动时，由于副边输出未建立，辅助绕组电压较低无法给控制芯片供电，从而导致电源在刚上电时无法正常工作，所以，一般开关电源都会设置启动电路，以便在电源上电时启动控制芯片，驱动变压器快速转换电压，实现开关电源的正常工作。
电源刚上电时，控制芯片需要从输入端获取启动电压，传统简单做法是在输入端接阻值较大的启动电阻RST至VCC电容，在电源刚上电时给VCC电容充电，以完成控制芯片的启动。此做法启动电路可以满足电压启动要求，但是当开关电源完成启动之后，副边电压建立以为控制芯片提供工作电压，此时启动电阻RST上仍有电流，会造成不必要的功耗浪费。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题为如何为开关电源的控制芯片提供启动电压和工作电压的同时避免功耗浪费。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压启动的开关电源，具有变压器及与所述变压器的原边线圈电连接的电源，所述变压器的副边线圈接负载，所述开关电源包括：
控制芯片，包括充电电容、STA模块和主控模块，所述充电电容与STA模块的输入端电连接，所述主控模块与STA模块的输出端电连接，所述STA模块用以检测控制芯片的输入电压；
高压启动支路，用于给所述控制芯片提供启动电压，与所述充电电容和原边线圈电连接；
供能支路，用于给所述控制芯片提供工作电压，与所述充电电容和原边线圈电连接；
切换开关，与所述高压启动支路和STA模块的输出端电连接，所述切换开关关断或导通以使所述高压启动支路或所述供能支路为所述充电电容充电；及
控制开关，用于控制所述原边线圈储能或断开，与所述主控模块的输出端和原边线圈电连接；
其中，所述启动电压具有预设值，所述STA模块根据所述输入电压输出第一信号以使所述切换开关导通或关断；所述输入电压小于所述预设值，所述高压启动支路为所述充电电容充电；所述输入电压值等于所述预设值，所述供能支路为所述充电电容充电。
进一步地，所述高压启动支路包括晶体管、第一二极管及启动电阻，所述晶体管与所述控制开关串联连接，所述第一二极管与所述启动电阻串联连接；
所述晶体管具有与所述原边线圈连接的第一引脚、与所述控制开关电连接的第二引脚和与所述切换开关电连接的第三引脚，所述充电电容与所述第二引脚通过所述第一二极管和所述启动电阻电连接；
所述切换开关关断或导通以使所述晶体管导通或关断；所述输入电压小于所述预设值，所述晶体管导通；所述输入电压值大于所述预设值，所述晶体管断开，同时，所述STA模块输出第二信号以使所述主控模块开始工作。
进一步地，所述晶体管为耗尽型氮化镓MOS管，所述控制开关、所述切换开关均为增强型MOS管，所述第一引脚为所述晶体管的漏极，所述第二引脚为所述晶体管的源极，所述第三引脚为所述晶体管的栅极，所述控制开关的漏极与所述晶体管的源极电连接，所述切换开关的漏极与所述晶体管的栅极电连接，所述控制开关的源极与所述切换开关的源极接地。
进一步地，所述第一二极管的阳极与所述晶体管的栅极电连接，所述充电电容的正极与所述第一二极管的阴极电连接，所述充电电容的负极接地。
进一步地，所述高压启动支路还包括保护电阻，所述保护电阻串联连接在所述第一二极管的阳极和所述晶体管的栅极之间。
进一步地，所述STA模块包括启动判断电路，所述启动判断电路包括比较器、非门电路、分压支路及调节开关；
所述切换开关和所述非门电路的输入端均与所述比较器的输出端电连接，所述比较器的反向输入端接入所述预设值，所述输入电压经所述分压支路分压后接入所述比较器的同相输入端，所述分压支路包括若干串联连接的电阻，所述调节开关导通或关断以使至少一个所述电阻接入所述分压支路或短路。
进一步地，所述分压支路包括串联连接的第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述调节开关并联在所述第三电阻两端，所述调节开关导通或关断以使所述第三电阻短路或接入；
所述比较器控制所述非门电路输出第三信号以使所述调节开关导通或关断；所述第三信号为高电平，所述第三电阻短路；所述第三信号为低电平，所述第三电阻接入所述分压支路。
进一步地，所述调节开关为增强型MOS管，所述调节开关的栅极与所述非门电路的输出端电连接，所述调节开关的源极接地。
进一步地，所述供能支路包括辅助线圈和第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述辅助线圈的高压端电连接，所述第二二极管的阴极与所述充电电容的正极连接，所述辅助线圈的低压端接地。
进一步地，所述控制芯片还包括检测模块，所述检测模块检测所述副边线圈的负载输出电压的大小并发送反馈信号至所述主控模块，所述主控模块根据所述反馈信号输出经脉宽调制的控制信号以控制所述控制开关导通或关断。
本发明的有益效果在于：通过在开关电源内设置高压启动支路和供能支路以分别为控制芯片提供启动电压和工作电压，并设置STA模块和切换开关配合，通过STA模块检测控制芯片的输入电压并控制切换开关切换，以控制高压启动支路或供能支路为控制芯片的充电电容充电。当输入电压小于启动电压的预设值时，高压启动支路给充电电容充电，当输入电压大于预设值时，供能支路为充电电容充电。使得开关电源启动完成后，高压启动支路可及时关闭，当输入电压小于预设值时，可再次启动高压启动支路为控制芯片提供启动电压，从而减少能量损耗。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例所示的开关电源的电路图；
图2为图1所示的STA模块的内部电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1和图2，本实施例提供一种高压启动的开关电源，该开关电源为反激式开关电源，反激式开关电源具有变压器及与变压器的原边线圈N1电连接的电源VIN，变压器的副边线圈N2接负载(未图示)。在本实施例中，该反激式开关电源包括控制芯片、给控制芯片提供启动电压的高压启动支路、给控制芯片提供工作电压的供能支路、切换开关Q3和控制开关Q2。该切换开关Q3导通或关断以切换高压启动支路或供能支路启动，控制开关2用以控制原边线圈N1导通或断开。
具体的，控制芯片包括充电电容C1、STA模块和主控模块PWM，充电电容C1与STA模块的输入端电连接，主控模块PWM与STA模块的输出端电连接，STA模块用以检测控制芯片的输入电压VCC。高压启动支路与充电电容C1和原边线圈N1电连接。供能支路与充电电容C1和原边线圈N1电连接。切换开关Q3与高压启动支路和STA模块的输出端电连接，切换开关Q3关断或导通以使高压启动支路或供能支路为充电电容C1充电。控制开关Q2与主控模块PWM的输出端和原边线圈N1电连接。其中，启动电压具有预设值VREF，STA模块根据输入电压VCC输出第一信号S1以使切换开关Q3导通或关断；输入电压VCC小于预设值VREF，高压启动支路为充电电容C1充电；输入电压值大于预设值VREF，供能支路为充电电容C1充电。
在本实施例中，高压启动支路包括晶体管Q1、第一二极管D2及启动电阻R2，晶体管Q1与控制开关Q2串联连接，第一二极管D2与启动电阻R2串联连接。晶体管Q1具有与原边线圈N1连接的第一引脚(未标号)、与控制开关Q2电连接的第二引脚(未标号)和与切换开关Q3电连接的第三引脚(未标号)，充电电容C1与第二引脚通过第一二极管D2和启动电阻R2电连接。
切换开关Q3关断或导通以使晶体管Q1导通或关断；输入电压小于预设值VREF，晶体管Q1导通；输入电压值大于预设值VREF，晶体管Q1断开，同时，STA模块输出第二信号以使主控模块PWM开始工作。
上述晶体管Q1为耗尽型氮化镓MOS管，控制开关Q2、切换开关Q3均为增强型MOS管，第一引脚为晶体管Q1的漏极，第二引脚为晶体管Q1的源极，第三引脚为晶体管Q1的栅极，控制开关Q2的漏极与晶体管Q1的源极电连接，切换开关的漏极与晶体管Q1的栅极电连接，控制开关Q2的源极与切换开关的源极接地GND。耗尽型MOS管及增强型MOS管的结构、原理及连通方式为本领域技术人员所熟知的，在此不详细展开。
在本实施例中，晶体管Q1选用半导体材料氮化镓(GaN)晶体管，其具有禁带宽度大、电子迁移率高和击穿电场强等优点，可应用于高温、高压和高频等工作环境中，可以提高开关电源的使用安全系数并延长使用寿命，以使晶体管Q1与控制开关Q2串联可工作在高频应用环境中，提高使用效率。同时由于氮化镓(GaN)晶体管可耐600V高压，控制开关Q2可以选用低压MOS管。
第一二极管D2的阳极与晶体管Q1的栅极电连接，充电电容C1的正极与第一二极管D2的阴极电连接，充电电容C1的负极接地GND。
本实施例中高压启动支路的工作原理为：电源VIN上电瞬间，晶体管Q1常态导通，充电电容C1经过与原边线圈N1连接的启动支路快速充电产生充电电流I1，电源VIN刚上电时，控制芯片尚未启动，控制开关Q2断开，充电电容C1通过高压启动支路充电，输入电压VCC逐渐上升，同时，STA模块检测输入电压VCC，当输入电压VCC达到预设值VREF时，STA模块输出第一控制信号S1控制切换开关Q3导通，晶体管Q1的栅极被拉低到地，晶体管Q1关断，高压启动完成。
在本实施例中，高压启动支路还包括保护电阻R1，保护电阻R1串联连接在第一二极管D2的阳极和晶体管Q1的栅极之间。保护电阻R1、启动电阻R2及晶体管Q1之间闭环形成自反馈，当晶体管Q1导通时，晶体管Q1的栅源电压须满足导通条件，以保证启动电阻R2两端的电压恒定，因此充电电流I1几乎恒定，充电电流I1的大小由晶体管Q1的栅源电压、启动电阻R2的阻值和充电电容C1的容值共同决定，即确定晶体管Q1的栅源电压后，通过改变启动电阻R2的阻值或充电电容C1的容值，可以控制充电电流I1的大小，从而调节开关电源的启动时间。
需要说明的是，当高压启动完成后，晶体管Q1与控制开关Q2串联的控制方式，可通过控制开关Q2的通断来控制晶体管Q1的通断，此时晶体管Q1用作耐高压的开关管，使得电路设计更灵活。
具体的，控制芯片的高压启动完成，之后由供能支路为充电电容C1充电，以为控制芯片提供工作电压，即STA模块会同时输出第二信号S2至主控模块PWM，由于晶体管Q1与控制开关Q2串联，当控制开关Q2导通时，晶体管Q1的源极下拉为低电压，晶体管Q1再次导通，此时晶体管Q1与控制开关Q2组成高压开关管组，用以控制原边线圈N1导通储能或断开，当控制开关Q2断开后，晶体管Q1也随之关断。以此开关电源的控制系统建立。
为了使控制芯片可以调节合适的工作频率和导通占空比，控制芯片还包括检测模块(未图示)，检测模块检测副边线圈N2的负载输出电压VOUT的大小并发送反馈信号至主控模块PWM，主控模块PWM根据反馈信号输出经脉宽调制的控制信号SW以控制控制开关Q2导通或关断。检测模块的工作原理及连接方式为本领域技术人员所熟知的，故在此不作赘述。
具体的，当主控模块PWM输出的控制信号SW为高电平时，控制开关Q2导通，晶体管Q1的源极被下拉到低电压，晶体管Q1再次导通，此时晶体管Q1作为高压控制开关使用，原边线圈N1导通储能；当主控模块PWM输出的控制信号SW为低电平时，控制开关Q2关断，由于切换开关Q3仍导通，晶体管Q1的栅极接地GND，因此晶体管Q1很迅速的关断，原边线圈N1断开，副边线圈N2导通以提供负载输出电压VOUT，并以此循环，实现稳定输出。
由前述可知，供能支路用于给控制芯片提供工作电压，在本实施例中，供能支路包括辅助线圈N3和第二二极管D1，第二二极管D1的阳极与辅助线圈N3的高压端电连接，第二二极管D1的阴极与充电电容C1的正极连接，辅助线圈N3的低压端接地GND。利用辅助线圈N3为充电电容C1充电为本领域的常规技术，故在此不作赘述。
如图2所示，STA模块包括启动判断电路，启动判断电路包括比较器CMP、非门电路NOT、分压支路及调节开关Q4。切换开关Q3和非门电路NOT的输入端均与比较器CMP的输出端电连接，比较器CMP的反向输入端接入预设值VREF，输入电压VCC经分压支路分压后接入比较器CMP的同相输入端，分压支路包括若干串联连接的电阻，调节开关Q4导通或关断以使至少一个电阻接入分压支路或短路。
具体的，输入电压VCC经分压支路分压后形成分压电压VA，分压电压VA接入比较器CMP的同相输入端，比较器CMP反相输入端接入预设值VREF，比较器CMP比较分压电压VA与预设值VREF后控制非门电路NOT输出第三信号S3以使调节开关Q4导通或关断。
在本实施例中，分压支路包括串联连接的第一电阻R3、第二电阻R4和第三电阻R5，调节开关Q4并联在第三电阻R5两端，调节开关Q4导通或关断以使第三电阻R5短路或接入。比较器CMP控制非门电路NOT输出第三信号S3以使调节开关Q4导通或关断；第三信号S3为高电平，第三电阻R5短路；第三信号S3为低电平，第三电阻R5接入分压支路。
上述调节开关Q4为增强型MOS管，调节开关Q4的栅极与非门电路NOT的输出端电连接，调节开关Q4的源极接地GND。
本实施例的判断电路的工作原理为：电源VIN刚上电时，输入电压VCC缓慢上升，分压电压VA小于VREF，比较器CMP输出第一信号S1为低电平，切换开关Q3不导通，启动支路给充电电容C1快速充电，输入电压VCC上升；第一信号S1经非门电路NOT输出高电平至调节开关Q4的栅极，调节开关Q4导通，分压电阻R5被短路，分压电压VA＝(R4)/(R3+R4)上升；当VA大于预设值VREF，比较器CMP输出第一信号S1由低电平转为高电平，切换开关Q3导通，晶体管Q1的栅极电压被拉低到地，晶体管Q1关断，高压启动支路完成启动过程，此时，第一信号S1经非门电路NOT输出低电平至调节开关Q4的栅极，调节开关Q4断开，分压电阻R5接入分压支路，分压电阻R5参与分压，此时VA＝(R4+R5)/(R3+R4+R5)，若想要重新启用启动支路给VCC电容充电，则需要满足VA＝(R4+R5)/(R3+R4+R5)小于VREF，比较器CMP输出第一信号S1由高电平转为低电平，晶体管Q1再次导通以为充电电容C1充电。
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。
以上所述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)

1.一种高压启动的开关电源，具有变压器及与所述变压器的原边线圈电连接的电源，所述变压器的副边线圈接负载，其特征在于，包括：
控制芯片，包括充电电容、STA模块和主控模块，所述充电电容与STA模块的输入端电连接，所述主控模块与STA模块的输出端电连接，所述STA模块用以检测控制芯片的输入电压；
高压启动支路，用于给所述控制芯片提供启动电压，与所述充电电容和原边线圈电连接；
供能支路，用于给所述控制芯片提供工作电压，与所述充电电容和原边线圈电连接；
切换开关，与所述高压启动支路和STA模块的输出端电连接，所述切换开关关断或导通以使所述高压启动支路或所述供能支路为所述充电电容充电；及
控制开关，用于控制所述原边线圈导通或断开，与所述主控模块的输出端和原边线圈电连接；
其中，所述启动电压具有预设值，所述STA模块根据所述输入电压输出第一信号以使所述切换开关导通或关断；所述输入电压小于所述预设值，所述高压启动支路为所述充电电容充电；所述输入电压值等于所述预设值，所述供能支路为所述充电电容充电。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述高压启动支路包括晶体管、第一二极管及启动电阻，所述晶体管与所述控制开关串联连接，所述第一二极管与所述启动电阻串联连接；
所述晶体管具有与所述原边线圈连接的第一引脚、与所述控制开关电连接的第二引脚和与所述切换开关电连接的第三引脚，所述充电电容与所述第二引脚通过所述第一二极管和所述启动电阻电连接；
所述切换开关关断或导通以使所述晶体管导通或关断；所述输入电压小于所述预设值，所述晶体管导通；所述输入电压值大于所述预设值，所述晶体管断开，同时，所述STA模块输出第二信号以使所述主控模块开始工作。
3.如权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述晶体管为耗尽型氮化镓MOS管，所述控制开关、所述切换开关均为增强型MOS管，所述第一引脚为所述晶体管的漏极，所述第二引脚为所述晶体管的源极，所述第三引脚为所述晶体管的栅极，所述控制开关的漏极与所述晶体管的源极电连接，所述切换开关的漏极与所述晶体管的栅极电连接，所述控制开关的源极与所述切换开关的源极接地。
4.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述第一二极管的阳极与所述晶体管的栅极电连接，所述充电电容的正极与所述第一二极管的阴极电连接，所述充电电容的负极接地。
5.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述高压启动支路还包括保护电阻，所述保护电阻串联连接在所述第一二极管的阳极和所述晶体管的栅极之间。
6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述STA模块包括启动判断电路，所述启动判断电路包括比较器、非门电路、分压支路及调节开关；
所述切换开关和所述非门电路的输入端均与所述比较器的输出端电连接，所述比较器的反向输入端接入所述预设值，所述输入电压经所述分压支路分压后接入所述比较器的同相输入端，所述分压支路包括若干串联连接的电阻，所述调节开关导通或关断以使至少一个所述电阻接入所述分压支路或短路。
7.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述分压支路包括串联连接的第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述调节开关并联在所述第三电阻两端，所述调节开关导通或关断以使所述第三电阻短路或接入；
所述比较器控制所述非门电路输出第三信号以使所述调节开关导通或关断；所述第三信号为高电平，所述第三电阻短路；所述第三信号为低电平，所述第三电阻接入所述分压支路。
8.如权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述调节开关为增强型MOS管，所述调节开关的栅极与所述非门电路的输出端电连接，所述调节开关的源极接地。
9.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述供能支路包括辅助线圈和第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述辅助线圈的高压端电连接，所述第二二极管的阴极与所述充电电容的正极连接，所述辅助线圈的低压端接地。
10.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制芯片还包括检测模块，所述检测模块检测所述副边线圈的负载输出电压的大小并发送反馈信号至所述主控模块，所述主控模块根据所述反馈信号输出经脉宽调制的控制信号以控制所述控制开关导通或关断。
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