CN116805836A - 一种自供电电源驱动电路及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了自供电电源驱动电路及芯片，本发明在导通周期的预关断阶段通过关断所述电流采样开关管并导通所述充电开关管，将流过驱动管的电流引出到储能电路进行充电，充电的时机选择的是导通周期的预关断阶段内，这样不会影响达驱动管本身的正常开关周期，不会影响能量的正常输出，而且这种利用导通周期的预关断阶段进行充电的方式无需借助外部绕组，可以实现自充电，解决了辅助绕组充电的诸多工艺、功耗、成本方面的缺陷；进一步地，在前述充电方式下，驱动管采用达林顿管实现时，其放大倍数更大，需要的驱动电流更小，可以达到更好的转换效率，而且在预关断后有足够的时间在原边导通阶段为储能电路充电，以更低的成本实现同等的输出功率。

Description

一种自供电电源驱动电路及芯片
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其涉及一种自供电电源驱动电路及芯片。
背景技术
AC-DC芯片用于将AC电压转为DC电压，该芯片需要供电才能正常工作，因此需要设计供电电路为该芯片进行供电。图1为传统的SSR拓扑AC-DC电路框图，其工作过程为：当输入电源Vin上电时，通过电阻Rstart对VCC电容充电，VCC检测电路实时检测VCC电容的电压VCC，直到其检测到电压VCC达到需求，则输出VCC_ON信号触发芯片开始工作。由于系统待机功耗有严格的要求，所以电阻Rstart的阻值很大，其充电电流完全不能满足芯片的工作电流，因此需辅助绕组为芯片进行供电，其中Np/Ns＝n，Np/Na＝m。辅助绕组为芯片进行供电的工作原理是，当开关管M1导通时，变压器两端电压变化为Vin，根据变压器的特性，此时：
当开关管M1关断后：
Vs＝Vo+VD1；
根据所需要的VCC电压设计辅助绕组即可。系统在次边放电阶段通过辅助绕组对VCC电容充电，保证芯片正常工作。其电流关系为：
IL*NP＝IS*NS+Ia*Na；
此方法需要额外的一路辅助绕组供电，同时需要一个二极管D2在原边导通时隔断通路，防止VCC电容反向放电。当应用在PD3.0带PPS协议的充电器领域时，输出电压Vo的变化范围为3.3V～20V，当用VCC驱动开关管M1时，需要最小10V的VCC工作电压，因此m/n的最小值为3，当输出电压为20V，VCC的电压达到60V，对工艺的要求比较高，IC功耗也比较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述基于辅助绕组供电导致的工艺、功耗、成本方面的缺陷，提供一种无需辅助绕组的自供电电源驱动电路及芯片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种自供电电源驱动电路，用于接入驱动管实现电源驱动以及给储能电路充电，所述电源驱动电路包括：
充电检测电路，与所述储能电路连接，用于检测储能电路的供电电压，并在供电电压低于自充电阈值时，产生自充电信号；
电流采样开关管，所述驱动管的输入用于接入输入电源，所述驱动管的输出经由所述电流采样开关管接地；
充电开关管，其输入连接于所述驱动管和所述电流采样开关管之间，其输出连接至所述储能电路；
采样电路，其输入连接于所述驱动管和所述电流采样开关管之间，用于获取从所述驱动管流出到电流采样开关管的电流并产生采样电压；
控制电路，连接所述采样电路的输出并获取所述采样电压，以及连接所述充电检测电路的输出和所述充电开关管的控制端，用于基于所述采样电压对所述驱动管进行控制使其周期性地交替进入导通周期和关断周期；
所述控制电路在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后处于第一导通控制状态，其中，所述第一导通控制状态是导通所述电流采样开关管并关断所述充电开关管；
所述控制电路在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后在前期处于第一导通控制状态，在后期的预关断阶段内切换至第二导通控制状态以利用所述预关断阶段内流过所述驱动管的电流给所述储能电路充电从而实现自供电，其中，所述预关断阶段为导通周期中从停止驱动所述驱动管到完全关断所述驱动管的时段，所述第二导通控制状态是关断所述电流采样开关管并导通所述充电开关管。
优选地，还包括：
电流输入电路，连接所述驱动管的控制端，用于输入电流驱动所述驱动管导通；
放电电路，连接所述驱动管的控制端，用于对所述驱动管的控制端进行放电；
所述控制电路具体用于在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后处于第一导通控制状态，并且当所述采样电压达到第一参考电压时关断所述电流输入电路以停止驱动所述驱动管，并在所述采样电压继续上升达到第二参考电压时关断电流采样开关管并同步控制所述放电电路放电以强行完全关断所述驱动管使其进入关断周期；
所述控制电路具体用于在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先处于第一导通控制状态，然后记录所述采样电压从第三参考电压上升到所述第一参考电压的时间作为当前导通周期的充电参考时长，基于充电参考时长得到充电执行时长，且在所述采样电压达到所述第一参考电压时关断所述电流输入电路以停止驱动所述驱动管，在停止驱动所述驱动管的同时同步切换到所述第二导通控制状态且开始计时，在计时时间到所述达充电执行时长时关断所述充电开关管且同步控制所述放电电路放电以强行完全关断所述驱动管使其进入关断周期。
优选地，充电执行时长和当前导通周期的所述充电参考时长满足以下关系：
(Vref2-Vref1)/tcharge＝(Vref1-Vref3)/t1；
t1代表充电参考时长，tcharge代表充电执行时长，Vref1代表第一参考电压，Vref2代表第二参考电压，Vref3代表第三参考电压。
优选地，还包括电源直充电路，连接于驱动管的输入和所述储能电路之间，所述电源直充电路用于：在所述芯片上电时，直接从所述输入电源取电给所述储能电路充电至所述供电电压大于芯片启动阈值；以及在所述驱动管的工作无法满足自供电需求时，直接从所述输入电源取电给所述储能电路充电并保证所述供电电压大于芯片启动阈值。
优选地，所述驱动管为达林顿管，其包括前级三极管和后级三极管，所述放电电路包括第一放电开关和第二放电开关，所述第一放电开关连接于所述前级三极管的基极和地之间，所述第二放电开关连接于所述后级三极管的基极和地之间，所述第一放电开关和第二放电开关同时导通时所述放电电路放电。
优选地，所述电流输入电路包括电流源和电流输入开关，所述电流源从所述供电电压取电产生电流，所述电流输入开关连接于所述前级三极管的基极和所述电流源之间，所述电流输入开关导通时所述电流输入电路输入电流驱动所述驱动管导通。
优选地，所述控制电路包括第一PWM比较器、第二PWM比较器、第三PWM比较器、逻辑电路，其中：
第三PWM比较器，其一个输入端接入所述第三参考电压、另一个输入端连接所述采样电路的输出，用于在所述采样电压上升到所述第三参考电压时输出第三触发信号；
第一PWM比较器，其一个输入端接入所述第一参考电压、另一个输入端连接所述采样电路的输出，用于在所述采样电压上升到所述第一参考电压时输出第一触发信号；
第二PWM比较器，其一个输入端接入所述第二参考电压、另一个输入端连接所述采样电路的输出，用于在所述采样电压上升到所述第二参考电压时输出第二触发信号；
逻辑电路，与所述第三PWM比较器、第一PWM比较器、第二PWM比较器、充电检测电路、电流采样开关管、电流输入电路、放电电路分别连接；
所述逻辑电路用于在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先导通所述电流采样开关管并关断所述充电开关管，且当接收到所述第一触发信号时关断所述电流输入电路，当接收到所述第二触发信号时关断电流采样开关管并同步控制所述放电电路放电；
所述逻辑电路还用于在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先导通所述电流采样开关管并关断所述充电开关管，在接收所述第三触发信号时开始第一次计时，在接收到所述第一触发信号时结束第一次计时得到所述充电参考时长，在结束第一次计时的同时开始第二次计时且同步关断所述电流输入电路、关断所述电流采样开关管并导通所述充电开关管，在第二次计时到达所述充电执行时长时，关断所述充电开关管且同步控制所述放电电路放电。
优选地，所述采样电路还包括一个受控端，且所述采样电路的受控端和所述电流采样开关管的受控端共接后与所述控制电路连接，以使得所述控制电路在控制所述电流采样开关管导通时同步控制所述采样电路进行采样，以及在控制所述电流采样开关管关断时同步控制所述采样电路停止采样。
优选地，所述采样电路包括：误差放大器、采样启动开关、构成电流镜的第一电流镜开关和第二电流镜开关、基准电流开关、采样电阻，所述误差放大器的第一个输入端连接到所述驱动管和所述电流采样开关管之间，所述误差放大器的第二个输入端经由所述采样启动开关接地，所述采样启动开关和电流采样开关管的控制端后与所述控制电路连接，所述误差放大器的输出端连接所述基准电流开关的控制端，所述第一电流镜开关的输出经由所述基准电流开关连接到所述采样启动开关和所述误差放大器的第二个输入端之间，所述第二电流镜开关的输出连接至所述采样电阻的第一端，所述采样电阻的第一端连接所述控制电路，所述采样电阻的第二端接地。
本发明另一方面构造了一种自供电电源驱动芯片，内部集成有如前任一项所述的自供电电源驱动电路。
本发明的自供电电源驱动电路及芯片，具有以下有益效果：本发明在输入电源和地之间接入的是串联形式的驱动管和电流采样开关管，在导通周期的预关断阶段通过关断所述电流采样开关管并导通所述充电开关管，将流过驱动管管的电流引出到储能电路进行充电，充电的时机选择的是导通周期的预关断阶段内，这样不会影响达驱动管本身的正常开关周期，不会影响能量的正常输出，而且这种利用导通周期的预关断阶段进行充电的方式无需借助外部绕组，可以实现自充电，解决了辅助绕组充电的诸多工艺、功耗、成本方面的缺陷；
进一步地，在前述充电方式下，驱动管采用达林顿管实现时，相对于三极管来说，其放大倍数更大，需要的驱动电流更小，可以达到更好的转换效率；相对于MOS管来说，其相对较大的Cbe电容，可以利用其存储特性，在预关断后有足够的时间在原边导通阶段为储能电路充电，不会影响达林顿管本身的正常开关周期，不会影响能量的正常输出，同时其成本也具有显著的优势，以更低的成本实现同等的输出功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是传统的SSR拓扑AC-DC电路框图；
图2是本发明自供电电源驱动电路的结构示意图；
图3是本发明较佳实施例中的电源驱动电路的结构示意图；
图4是本发明的一个具体实施例中SSR拓扑AC-DC电源芯片的应用场景示意图；
图5是图4中采样电路的一个具体实施方式示意图；
图6是图4所示电路的工作波形图。
具体实施方式
为了解决传统电源电路中基于辅助绕组供电导致的工艺、功耗、成本方面的缺陷，提供一种无需辅助绕组的自供电电源驱动电路及芯片。本发明在输入电源和地之间接入的是串联形式的驱动管和电流采样开关管。正常工作时，控制电路可基于采样电压对所述驱动管进行反馈式控制使其周期性处于导通周期和关断周期。当储能电路供电不够，充电检测电路会输出自充电信号，控制电路在每一次新接收到一个来自充电检测电路的自充电信号后，在接下来的导通周期中的预关断阶段内，关断所述电流采样开关管并导通所述充电开关管，利用所述预关断阶段内流过所述驱动管的电流给所述储能电路充电，这样即实现了无需辅助绕组的自供电，而且不会影响原有的开关周期，不会影响正常的能量输出。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本发明的自供电电源驱动电路可应用于AC-DC、DC-DC等电源芯片中，参考图2，该电路既可以控制驱动管T周期开关实现电源驱动，还可以用于给储能电路1充电，储能电路1用于提供供电电压VCC，例如储能电路1是芯片外挂的VCC电容，整个自供电电源驱动电路可以集成在一个自供电电源驱动芯片内，储能电路1、驱动管T不建议集成在自供电电源驱动芯片内，而是一般外挂于自供电电源驱动芯片外。
本发明的电源驱动电路包括：充电检测电路2、电流采样开关管K1、充电开关管K2、采样电路3、控制电路4。
充电检测电路2，与所述储能电路1连接，用于检测供电电压VCC，并在供电电压VCC低于自充电阈值Vth2时，产生自充电信号。充电检测电路2的实现方式不做限制，例如可以是常规的电压采样电路和电压比较电路构成，电压采样电路不限于分压采样电路，电压比较电路的参考值设置为Vth2等需要进行比较的值。
驱动管T和电流采样开关管K1串联在输入电源和地之间，具体来说，所述驱动管T的输入用于接入输入电源，所述驱动管T的输出经由所述电流采样开关管K1接地。关于输入到驱动管T的输入电源，主要是交流电，参考图4，比如说可以将AC-DC电源系统中的变压器的原边的一端直接连接外部输入电源，变压器的原边的另一端与驱动管T的输入连接，流入驱动管T的电流即为电感电流IL。驱动管T是周期性开关的，其一个工作周期由导通周期和关断周期组成。驱动管T的工作周期和电流IL的峰值，是根据能量供应需求决定的，比如说以图4的应用为例，其驱动管T的工作周期和电流IL的峰值是受到副边绕组一侧的负载影响的。
充电开关管K2，其输入连接于所述驱动管T和所述电流采样开关管K1之间，其输出连接至所述储能电路1；
采样电路3，其输入连接于所述驱动管T和所述电流采样开关管K1之间，用于获取从所述驱动管T流出到电流采样开关管K1的电流并产生采样电压Vcs。
控制电路4，连接所述采样电路3的输出并获取所述采样电压Vcs，以及连接所述充电检测电路2的输出、所述充电开关管K2的控制端。
控制电路4用于基于所述采样电压Vcs对所述驱动管T进行控制使其周期性地交替进入导通周期和关断周期；
其中，所述控制电路4在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后处于第一导通控制状态，其中，所述第一导通控制状态是导通所述电流采样开关管K1并关断所述充电开关管K2；
其中，所述控制电路4在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后在前期处于第一导通控制状态，在后期的预关断阶段内切换至第二导通控制状态以利用所述预关断阶段内流过所述驱动管T的电流给所述储能电路1充电从而实现自供电，其中，所述第二导通控制状态是关断所述电流采样开关管K1并导通所述充电开关管K2。
一方面，在不需要充电的正常工作状态时，充电开关管K2时钟关断，控制电路4是基于所述采样电压Vcs对所述驱动管T进行反馈式控制使其周期性处于导通周期和关断周期，具体的：在供电电压VCC正常、无需充电时，驱动管T结束关断周期、进入导通周期一般是由芯片的振荡器触发实现，而结束导通周期、进入关断周期是由控制电路4根据采样电压Vcs来反馈式控制实现的。
二方面，本发明为了取消辅助绕组，实现自供电，同时不影响驱动管T正常的开关周期，不影响电流IL的正常能量转移，在需要充电时，是利用一个或者多个导通周期的预关断阶段给储能电路1充电，具体的，控制电路4在每一次新接收到一个所述自充电信号后，在接下来的导通周期(有可能是接下来的一个导通周期或者接下来的多个导通周期)中的预关断阶段内，关断所述电流采样开关管K1并导通所述充电开关管K2，利用所述预关断阶段内流过所述驱动管T的电流给所述储能电路1充电。当然，自供电时，驱动管T结束关断周期、进入导通周期和之前正常工作状态是一致的，也是由芯片的振荡器触发实现。
所述预关断阶段为导通周期中从停止驱动所述驱动管T到完全关断所述驱动管T的时段。具体来说，驱动管T是需要一个电流输入其控制端来驱动才可以导通，如图3，电流输入电路5连接所述驱动管T的控制端，电流输入电路5用于输入电流驱动所述驱动管T导通。我们关断驱动管T时，是先撤销这个电流输入，比如在每一个所述导通周期内，当所述采样电压Vcs达到第一参考电压Vref1时关断所述电流输入电路5以停止驱动所述驱动管T。但是即使输入电流被撤销，这个时候驱动管T并没有真正关断，流过驱动管T的电流IL还是会继续，并且会增大，直至驱动管T被完全关断。驱动管T的控制端被撤销输入电流起(即从停止驱动所述驱动管T起)到完全关断所述驱动管T的这段时间即为所述预关断阶段，我们即是利用所述预关断阶段来充电。
但是，我们在撤销驱动管T的控制端的输入电流后，并非放任其自己缓慢达到完全关断，因为如果这样则完全关断驱动管T时的电流IL的峰值不一定符合我们的能量供给，峰值不可控。参考图3，优选的，为了让驱动管T完全关断时的电流IL可控并符合能量输出需求，我们进一步设计了放电电路6，放电电路6连接所述驱动管T的控制端，用于对所述驱动管T的控制端进行放电。具体的，我们在停止驱动所述驱动管T后，在所述采样电压Vcs继续上升达到第二参考电压Vref2时关断电流采样开关管K1且同步控制所述放电电路6放电，如此可强行完全关断所述驱动管T。可见，预关断阶段，是导通周期中从停止驱动所述驱动管T到完全关断所述驱动管T的时段，其实也是所述采样电压Vcs从第一参考电压Vref1上升到第二参考电压Vref2的这段时间。
因此，总的来说，所述控制电路4用于：
一方面，在没有接收到所述自充电信号的正常工作状态下，在每一个所述导通周期内，当所述采样电压Vcs达到第一参考电压Vref1时关断所述电流输入电路5以停止驱动所述驱动管T，并在所述采样电压Vcs继续上升达到第二参考电压Vref2时关断电流采样开关管K1且同步控制所述放电电路6开始放电以实现强行完全关断所述驱动管T；
二方面，每一次新接收到一个所述自充电信号后，在接下来的每一个导通周期内执行充电操作直至当前的所述自充电信号解除。
所谓充电操作，具体包括：在导通周期内对于驱动管T的控制端输入电流的撤销(即停止驱动驱动管T)还是与没有充电的正常工作状态下相同，所不同的是，执行充电操作情况下，在停止驱动驱动管T的同时还会关断电流采样开关管K1，而且在关断电流采样开关管K1的同时会同步导通所述充电开关管K2，这样流过驱动管T的电流就得以全部通过充电开关管K2到达储能电路1。因为理论上我们还是要保证驱动管T正常的开关周期，保证流过驱动管T的电流在每个导通周期的峰值是符合能量输出需求的，所以我们不一定是一次性完成充电，很多情况下是利用多个导通周期多次充电。但是在导通所述充电开关管K2充电时已经是同步关断了电流采样开关管K1，也就意味着无法通过采样电路3获取采样电压Vcs了，所以控制电路4无法在通过监测采样电压Vcs是否到达第二参考电压Vref2来判断是否需要完全关断驱动管T，基于此，我们会在每一个导通周期中，在充电之前提前记录所述采样电压Vcs从第三参考电压Vref3上升到所述第一参考电压Vref1的时间作为当前导通周期的充电参考时长，在所述采样电压Vcs达到所述第一参考电压Vref1时开始计时，并同步关断所述电流输入电路5、关断所述电流采样开关管K1且导通所述充电开关管K2，在计时时间到达充电执行时长时关断所述充电开关管K2且同步控制所述放电电路6开始放电以强行完全关断所述驱动管T，从而结束当前的导通周期进入下一个关断周期，如果下一个关断周期结束之后，紧接着的导通周期到来时，自充电信号还是维持在，则紧接着的那个导通周期会再次执行上述充电操作，依次类推，直至自充电信号解除。
其中，充电执行时长和充电参考时长满足以下关系：
(Vref2-Vref1)/tcharge＝(Vref1-Vref3)/t1；
t1代表充电参考时长，即从第三参考电压Vref3上升到所述第一参考电压Vref1的时间，tcharge代表充电执行时长。当我们取Vref2-Vref1＝Vref1-Vref3时，则意味着t1＝tcharge。以上计算式的成立，是因为同一个导通周期内流过驱动管T的电流的变化斜率是稳定的。
另外，需要说明的是，前文提到的“接下来的导通周期”，是指的从下一个导通周期开始的N个导通周期，N为整数，且N≥1，N具体是多少是不确定的，这N个导通周期的充电操作可以使得自充电信号解除即可。比如说，如果是在第i个工作周期时产生了自充电信号(无论当前具体是第i个工作周期中的导通周期还是关断周期)，则会在进入第i+1个导通周期时检测到自充电信号，所以第i+1个导通周期的预关断阶段内会进行充电，如果第i+1个导通周期结束自充电信号还是维持在，则经过一个关断周期后自充电信号还是维持在，还没有解除，所以在进入第i+2个导通周期时又会检测到自充电信号，第i+2个导通周期的预关断阶段内会再次进行充电，如果自充电信号还是维持在，则经过一个关断周期后，继续在第i+3个导通周期的预关断阶段内进行充电，以此类推，直至自充电信号解除，自充电信号解除后驱动管T恢复到正常工作状态。
下面总结了一个完整的工作周期(导通周期和关断周期组成)中各个开关导通和关断时刻：
1)振荡器触发控制电路4的逻辑电路，则导通电流输入电路5、电流采样开关管K1，放电电路6关断，此时一个导通周期开始。
如果在进入当前导通周期时没有自充电信号，则当采样电压Vcs达到第一参考电压Vref1时关断所述电流输入电路5，在采样电压Vcs继续上升达到第二参考电压Vref2时，关断电流采样开关管K1且同步导通所述放电电路6开始放电，此时一个导通周期结束；
如果在进入当前导通周期时有自充电信号，则当采样电压Vcs达到第三参考电压Vref3时开始第一次计时，当采样电压Vcs达到第一参考电压Vref1时停止第一次计时得到t1并同时开始第二次计时，在停止第一次计时的同时还同步关断所述电流输入电路5、关断电流采样开关管K1以及导通所述充电开关管K2，在第二次计时到达tcharge时关断所述充电开关管K2且同步导通所述放电电路6放电，此时一个导通周期结束。
2)导通周期结束后进入关断周期，等待下一个振荡器触发到来再进入导通周期。
优选的，本发明的驱动电路还包括电源直充电路7，连接于驱动管T的输入和所述储能电路1之间。所述电源直充电路7用于：在所述芯片上电时，直接从所述输入电源取电给所述储能电路1充电至所述供电电压VCC大于芯片启动阈值Vth1；以及在所述驱动管T的工作无法满足自供电需求时(驱动管T并未停止工作，只是其工作周期无法满足自供电需求)，直接从所述输入电源取电给所述储能电路1充电并保证所述供电电压VCC大于芯片启动阈值Vth1。电源直充电路7可以是可控开关，需要充电时，可控开关导通，可控开关受控于上电使能信号(POR信号)和充电检测电路2。
所述充电检测电路2还用于在检测到所述电源直充电路7在上电时给所述储能电路1充电至所述供电电压VCC大于芯片启动阈值Vth1时，触发所述电源直充电路7停止给所述储能电路1充电，并输出芯片启动信号vcc_on触发芯片开始正常工作，所述芯片启动阈值Vth1大于所述自充电阈值Vth2。
所述充电检测电路2还用于在所述驱动管T停止工作后，检测到所述储能电路1放电至芯片复位阈值Vth3时，输出芯片关闭信号vcc_off触发芯片复位并停止工作，所述自充电阈值Vth2大于所述芯片复位阈值Vth3。
以一个场景为例说明：假设本发明的驱动电路用在PD充电器上，则在PD充电器刚插入插座时，即开始上电时，电源直充电路7先给储能电路充电，充到芯片启动阈值Vth1后，就不再利用电源直充电路7充电了，发送芯片启动信号vcc_on触发电路复位后，我们是基于设置的自充电阈值Vth2来实现自充电的，当我们从插座拔掉PD充电器，则驱动管T会停止工作，也就不会自充电了，则储能电路1会放电，当放电至芯片复位阈值Vth3时，就会输出芯片关闭信号vcc_off触发芯片复位并停止工作。另外，在插入插座后，当带载是轻载时，整个系统会工作在跳周期模式，电流IL比较小，工作周期也比较少，因此利用驱动管T进行自供电的方式不足以提供芯片的工作电流，会重新启动电源直充电路7对储能电路1充电，保证不会复位vcc_off信号，整个芯片可以正常工作。
参考图4，下面以集成了本发明的电源驱动电路的SSR拓扑的AC-DC电源芯片为例，给出一个具体的电路实例。该AC-DC电源芯片内部包括自供电电源驱动芯片和驱动管T，外部连接储能电路1等结构。该AC-DC电源芯片的引脚包括电源输入引脚、芯片电压引脚VCC、反馈引脚FB。所述驱动管T的输入连接所述电源输入引脚。所述储能电路1连接所述芯片电压引脚。反馈引脚FB是连接副边绕组的光耦的，从而获取第二参考电压Vref2，如此控制电路4就可以根据第二参考电压Vref2知道Vout的情况，从而决定给多大的能量。
具体的，所述驱动管T为达林顿管，包括前级三极管T1和后级三极管T2，所述放电电路6包括第一放电开关K3和第二放电开关K4，第一放电开关K3、第二放电开关K4均具体为NMOS管NM3、NM2。所述第一放电开关K3连接于所述前级三极管T1的基极和地之间，所述第二放电开关K4连接于所述后级三极管T2的基极和地之间，所述第一放电开关K3和第二放电开关K4同时导通时所述放电电路6放电。
具体的，所述电流输入电路5包括电流源Ibase和电流输入开关K5，所述电流源Ibase从所述供电电压VCC取电产生电流，电流输入开关K5具体是PMOS管PM1。所述电流输入开关K5连接于所述前级三极管T1的基极和所述电流源Ibase之间，所述电流输入开关K5导通时所述电流输入电路5输入电流驱动所述驱动管T导通。
具体的，所述控制电路包括：第一PWM比较器CP1、第二PWM比较器CP2、第三PWM比较器CP3和逻辑电路。
第三PWM比较器CP3，其一个输入端接入所述第三参考电压Vref3、另一个输入端连接所述采样电路3的输出，用于在所述采样电压Vcs上升到所述第三参考电压Vref3时输出第三触发信号comp_out3；
第一PWM比较器CP1，其一个输入端接入所述第一参考电压Vref1、另一个输入端连接所述采样电路3的输出，用于在所述采样电压Vcs上升到所述第一参考电压Vref1时输出第一触发信号comp_out1；
第二PWM比较器CP2，其一个输入端接入所述第二参考电压Vref2、另一个输入端连接所述采样电路3的输出，用于在所述采样电压Vcs上升到所述第二参考电压Vref2时输出第二触发信号comp_out2；
逻辑电路，与所述第三PWM比较器CP3、第一PWM比较器CP1、第二PWM比较器CP2、充电检测电路2、电流采样开关管K1、电流输入电路5、放电电路6分别连接；
所述逻辑电路用于在没有接收到所述自充电信号时：当接收到所述第一触发信号comp_out1时关断所述电流输入电路5，当接收到所述第二触发信号comp_out2时控制所述放电电路6开始放电且同步关断电流采样开关管K1；
所述逻辑电路用于在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先导通所述电流采样开关管K1并关断所述充电开关管K2，且当接收到所述第一触发信号comp_out1时关断所述电流输入电路5，当接收到所述第二触发信号comp_out2时关断电流采样开关管K1并同步控制所述放电电路6放电；
所述逻辑电路还用于在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先导通所述电流采样开关管K1并关断所述充电开关管K2，在接收所述第三触发信号comp_out3时开始第一次计时，在接收到所述第一触发信号comp_out1时结束第一次计时得到所述充电参考时长t1，在结束第一次计时的同时开始第二次计时且同步关断所述电流输入电路5、关断所述电流采样开关管K1并导通所述充电开关管K2，在第二次计时到达所述充电执行时长tcharge时，关断所述充电开关管K2且同步控制所述放电电路(6)放电。
其中，所述采样电路3还包括一个受控端，且所述采样电路3的受控端和所述电流采样开关管K1的受控端共接后与所述控制电路4连接，以使的所述控制电路4在控制所述电流采样开关管K1导通时同步控制所述采样电路3进行采样，以及在控制所述电流采样开关管K1关断时同步控制所述采样电路3停止采样。具体来说，参考图5，所述采样电路3包括：误差放大器EA、采样启动开关K6、构成电流镜的第一电流镜开关K7和第二电流镜开关K8、基准电流开关K9、采样电阻Rsense，采样启动开关K6、基准电流开关K9是NMOS管，第一电流镜开关K7和第二电流镜开关K8是PMOS管。所述误差放大器EA的第一个输入端连接到所述驱动管T和所述电流采样开关管K1之间，所述误差放大器EA的第二个输入端经由所述采样启动开关K6接地，所述采样启动开关K6和电流采样开关管K1的控制端后与所述控制电路4连接，所述误差放大器EA的输出端连接所述基准电流开关K9的控制端，所述第一电流镜开关K7的输出经由所述基准电流开关K9连接到所述采样启动开关K6和所述误差放大器EA的第二个输入端之间，所述第二电流镜开关K8的输出连接至所述采样电阻Rsense的第一端，所述采样电阻Rsense的第一端连接所述控制电路4中第三PWM比较器CP3、第一PWM比较器CP1、第二PWM比较器CP2的输入端，所述采样电阻Rsense的第二端接地。
本实施例中用NM1取代了图1中的Rcs电阻集成在了芯片内部，考虑到了芯片内部发热问题，其阻抗要比图1中的Rcs小许多。VFB的值比较大，因此将采样到的电感电流IL通过采样电路镜像后转换为电压Vcs输入到三个PWM比较器。NM1与NM4尺寸成比例，系数为K，根据EA的虚短、虚断特性，V1＝V2，则有IL*Rds1＝I4*Rds4，Rds4＝KRds1，得到I4＝IL/K，Isense＝I4＝IL/K，Vcs＝IL/K*Rsense，可见选择合适的比例参数K和电阻Rsense即可保证系统的正常工作。
下面结合附图5、6，以一个具体的例子(假设Vref2＝VFB，Vref1＝0.8VFB，Vref3＝0.6VFB，则t1＝t2)说明本发明的完整工作原理是：
1)芯片上电时，通过电源直充电路对VCC电容充电，当充电检测电路2检测到VCC电压达到Vth1时，触发vcc_on信号，芯片开始正常工作，同时停止电源直充电路对VCC供电，芯片开始通过自身驱动管T的工作对VCC电容自供电；
2)正常工作时，Vcs＝0.8VFB时，PWM比较器CS1输出comp_out1变高，PM1关断，此时驱动管T的Cbe电容存储的电荷依旧可以保证其正常工作，当Vcs＝VFB时，PWM比较器CS2输出comp_out2使NM1关断，NM2和NM3导通，完全关断驱动管T，次边开始放电，直到下次驱动管T导通，完成一个工作周期。
3)当检测到VCC电压小于Vth2，触发VCC_charge信号翻转，即输出自充电信号，此时逻辑电路判定需要给VCC电容充电，因此在达林顿T的下一个导通周期开始，利用电感电流IL对VCC充电，一个导通周期内的充电过程为：Vcs升高到等于0.8VFB时，comp_out1变高时，NM1关断，PM1关断，PM2导通，由于电感电流IL不能突变，此时V1的电压变为VCC+RPM3*IL，驱动管T由于其自身电容Cbe的存在，T2和T1的Base电压分别被抬高到V1+Vbe2和V1+Vbe2+Vbe1，驱动管T依然处于正常导通状态，电感电流IL通过PM2给VCC电容充电。当给VCC电容充电时，由于NM1关断，采样电路3采样不到电感电流IL，即Vcs在此时变为0，根本达不到所需要的最终值VFB，因此需要一个参考量来判断电感电流IL的最终值，所以引入了比较器CP3，其将Vcs与0.6VFB比较，逻辑电路4通过计时Vcs从0.6VFB上升到0.8VFB的时间t1，t1即充电参考时长，将t1作为当前导通周期内给VCC电容进行充电的充电执行时长tcharge，即从Vcs上升到0.8VFB开始，又一次计时，当计时时间到tcharge后PM2关断，NM2和NM3导通，驱动管T完全关断，次边开始放电，直到下次驱动管T导通，完成一个工作周期。
4)当工作在轻载时，整个系统会工作在跳周期模式，电感电流IL比较小，工作周期也比较少，因此对VCC的充电能量不足以提供芯片的工作电流，会重新启动电源直充电路7对VCC电容充电，保证不会复位vcc_off信号，整个芯片可以正常工作。
5)当达林顿停止开关动作时，VCC电容持续放电至Vth3时，复位vcc_off信号。
综上所述，本发明的自供电电源驱动电路及芯片，具有以下有益效果：
1)将流过驱动管的电流引出到储能电路进行充电，也就说无需借助外部绕组，可以实现自充电，解决了辅助绕组充电的诸多工艺、功耗、成本方面的缺陷，而且充电的时机选择的是在接收到每一次新接收到一个所述自充电信号后，在接下来的导通周期中的预关断阶段内，这样不会影响驱动管本身的正常开关周期，不会影响能量的正常输出
2)在上充电过程的基础上，因为采用的达林顿管替代传统的三极管或者MOS管，相对于三极管来说，其放大倍数更大，需要的驱动电流更小，可以达到更好的转换效率；相对于MOS管来说，其相对较大的Cbe电容，使得有足够的时间在原边导通阶段为储能电路充电，同时其成本也具有显著的优势，以更低的成本实现同等的输出功率；
3)本发明不是直接利用外置电阻采样流过达林顿管的电流，而是利用电流采样开关管充当原来的采样电阻，可以集成在芯片内，节省了外围元器件，同时在需要充电时，其可以完全被关断，从而使得流过达林顿管的电流全部通过充电开关管给储能电路充电。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。两个实体之间的“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种自供电电源驱动电路，用于接入驱动管(T)实现电源驱动以及给储能电路(1)充电，其特征在于，所述电源驱动电路包括：
充电检测电路(2)，与所述储能电路(1)连接，用于检测储能电路(1)的供电电压(VCC)，并在供电电压(VCC)低于自充电阈值(Vth2)时，产生自充电信号；
电流采样开关管(K1)，所述驱动管(T)的输入用于接入输入电源，所述驱动管(T)的输出经由所述电流采样开关管(K1)接地；
充电开关管(K2)，其输入连接于所述驱动管(T)和所述电流采样开关管(K1)之间，其输出连接至所述储能电路(1)；
采样电路(3)，其输入连接于所述驱动管(T)和所述电流采样开关管(K1)之间，用于获取从所述驱动管(T)流出到所述电流采样开关管(K1)的电流并产生采样电压(Vcs)；
控制电路(4)，连接所述采样电路(3)的输出并获取所述采样电压(Vcs)，以及连接所述充电检测电路(2)的输出和所述充电开关管(K2)的控制端，用于基于所述采样电压(Vcs)对所述驱动管(T)进行控制使其周期性地交替进入导通周期和关断周期；
所述控制电路(4)在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后处于第一导通控制状态，其中，所述第一导通控制状态是导通所述电流采样开关管(K1)并关断所述充电开关管(K2)；
所述控制电路(4)在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后在前期处于第一导通控制状态，在后期的预关断阶段内切换至第二导通控制状态以利用所述预关断阶段内流过所述驱动管(T)的电流给所述储能电路(1)充电从而实现自供电，其中，所述预关断阶段为导通周期中从停止驱动所述驱动管(T)到完全关断所述驱动管(T)的时段，所述第二导通控制状态是关断所述电流采样开关管(K1)并导通所述充电开关管(K2)。
2.根据权利要求1所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，还包括：
电流输入电路(5)，连接所述驱动管(T)的控制端，用于输入电流驱动所述驱动管(T)导通；
放电电路(6)，连接所述驱动管(T)的控制端，用于对所述驱动管(T)的控制端进行放电；
所述控制电路(4)具体用于在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后处于第一导通控制状态，并且当所述采样电压(Vcs)达到第一参考电压(Vref1)时关断所述电流输入电路(5)以停止驱动所述驱动管(T)，并在所述采样电压(Vcs)继续上升达到第二参考电压(Vref2)时关断电流采样开关管(K1)并同步控制所述放电电路(6)放电以强行完全关断所述驱动管(T)使其进入关断周期；
所述控制电路(4)具体用于在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先处于第一导通控制状态，然后记录所述采样电压(Vcs)从第三参考电压(Vref3)上升到所述第一参考电压(Vref1)的时间作为当前导通周期的充电参考时长，基于充电参考时长得到充电执行时长，且在所述采样电压(Vcs)达到所述第一参考电压(Vref1)时关断所述电流输入电路(5)以停止驱动所述驱动管(T)，在停止驱动所述驱动管(T)的同时同步切换到所述第二导通控制状态且开始计时，在计时时间到所述达充电执行时长时关断所述充电开关管(K2)且同步控制所述放电电路(6)放电以强行完全关断所述驱动管(T)使其进入关断周期。
3.根据权利要求2所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，其中，充电执行时长和当前导通周期的所述充电参考时长满足以下关系：
(Vref2-Vref1)/tcharge＝(Vref1-Vref3)/t1；
t1代表充电参考时长，tcharge代表充电执行时长，Vref1代表第一参考电压(Vref1)，Vref2代表第二参考电压(Vref2)，Vref3代表第三参考电压(Vref3)。
4.根据权利要求1所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，还包括电源直充电路(7)，连接于驱动管(T)的输入和所述储能电路(1)之间，所述电源直充电路(7)用于：在所述芯片上电时，直接从所述输入电源取电给所述储能电路(1)充电至所述供电电压(VCC)大于芯片启动阈值(Vth1)；以及在所述驱动管(T)的工作无法满足自供电需求时，直接从所述输入电源取电给所述储能电路(1)充电并保证所述供电电压(VCC)大于芯片启动阈值(Vth1)。
5.根据权利要求2所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，所述驱动管(T)为达林顿管，其包括前级三极管(T1)和后级三极管(T2)，所述放电电路(6)包括第一放电开关(K3)和第二放电开关(K4)，所述第一放电开关(K3)连接于所述前级三极管(T1)的基极和地之间，所述第二放电开关(K4)连接于所述后级三极管(T2)的基极和地之间，所述第一放电开关(K3)和第二放电开关(K4)同时导通时所述放电电路(6)放电。
6.根据权利要求5所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，所述电流输入电路(5)包括电流源(Ibase)和电流输入开关(K5)，所述电流源(Ibase)从所述供电电压(VCC)取电产生电流，所述电流输入开关(K5)连接于所述前级三极管(T1)的基极和所述电流源(Ibase)之间，所述电流输入开关(K5)导通时所述电流输入电路(5)输入电流驱动所述驱动管(T)导通。
7.根据权利要求2所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括第一PWM比较器(CP1)、第二PWM比较器(CP2)、第三PWM比较器(CP3)、逻辑电路，其中：
第三PWM比较器(CP3)，其一个输入端接入所述第三参考电压(Vref3)、另一个输入端连接所述采样电路(3)的输出，用于在所述采样电压(Vcs)上升到所述第三参考电压(Vref3)时输出第三触发信号(comp_out3)；
第一PWM比较器(CP1)，其一个输入端接入所述第一参考电压(Vref1)、另一个输入端连接所述采样电路(3)的输出，用于在所述采样电压(Vcs)上升到所述第一参考电压(Vref1)时输出第一触发信号(comp_out1)；
第二PWM比较器(CP2)，其一个输入端接入所述第二参考电压(Vref2)、另一个输入端连接所述采样电路(3)的输出，用于在所述采样电压(Vcs)上升到所述第二参考电压(Vref2)时输出第二触发信号(comp_out2)；
逻辑电路，与所述第三PWM比较器(CP3)、第一PWM比较器(CP1)、第二PWM比较器(CP2)、充电检测电路(2)、电流采样开关管(K1)、电流输入电路(5)、放电电路(6)分别连接；
所述逻辑电路用于在每一次进入一个导通周期时如果没有接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先导通所述电流采样开关管(K1)并关断所述充电开关管(K2)，且当接收到所述第一触发信号(comp_out1)时关断所述电流输入电路(5)，当接收到所述第二触发信号(comp_out2)时关断电流采样开关管(K1)并同步控制所述放电电路(6)放电；
所述逻辑电路还用于在每一次进入一个导通周期时如果接收到所述自充电信号，则在进入导通周期后先导通所述电流采样开关管(K1)并关断所述充电开关管(K2)，在接收所述第三触发信号(comp_out3)时开始第一次计时，在接收到所述第一触发信号(comp_out1)时结束第一次计时得到所述充电参考时长，在结束第一次计时的同时开始第二次计时且同步关断所述电流输入电路(5)、关断所述电流采样开关管(K1)并导通所述充电开关管(K2)，在第二次计时到达所述充电执行时长时，关断所述充电开关管(K2)且同步控制所述放电电路(6)放电。
8.根据权利要求2所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，所述采样电路(3)还包括一个受控端，且所述采样电路(3)的受控端和所述电流采样开关管(K1)的受控端共接后与所述控制电路(4)连接，以使得所述控制电路(4)在控制所述电流采样开关管(K1)导通时同步控制所述采样电路(3)进行采样，以及在控制所述电流采样开关管(K1)关断时同步控制所述采样电路(3)停止采样。
9.根据权利要求8所述的自供电电源驱动电路，其特征在于，所述采样电路(3)包括：误差放大器(EA)、采样启动开关(K6)、构成电流镜的第一电流镜开关(K7)和第二电流镜开关(K8)、基准电流开关(K9)、采样电阻(Rsense)，所述误差放大器(EA)的第一个输入端连接到所述驱动管(T)和所述电流采样开关管(K1)之间，所述误差放大器(EA)的第二个输入端经由所述采样启动开关(K6)接地，所述采样启动开关(K6)和电流采样开关管(K1)的控制端后与所述控制电路(4)连接，所述误差放大器(EA)的输出端连接所述基准电流开关(K9)的控制端，所述第一电流镜开关(K7)的输出经由所述基准电流开关(K9)连接到所述采样启动开关(K6)和所述误差放大器(EA)的第二个输入端之间，所述第二电流镜开关(K8)的输出连接至所述采样电阻(Rsense)的第一端，所述采样电阻(Rsense)的第一端连接所述控制电路(4)，所述采样电阻(Rsense)的第二端接地。
10.一种自供电电源驱动芯片，其特征在于，内部集成有如权利要求1-9任一项所述的自供电电源驱动电路。
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