CN203027228U - 软启动电子开关及直流电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种软启动电子开关，该软启动电子开关包括启动电路、开关电路和开关控制电路；其中，启动电路通过开关控制电路与开关电路连接，该启动电路根据所接收的开关信号的电平状态，启动开关控制电路进行充电或放电，该开关控制电路通过控制充放电的时间来控制开关电路的开启与闭合。本实用新型还公开一种直流电源，该直流电源包括软启动电子开关。本实用新型的软启动电子开关通过控制充放电时间来控制开关电路的开启或闭合，可在一定程度上保证电子开关的打开和关断时间的准确性，避免由于电子开关的快速打开而产生冲击电流，保护了电子开关，在一定程度上延长了电子开关的使用寿命。

Description

软启动电子开关及直流电源

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，尤其涉及一种软启动电子开关及直流电源。

背景技术

在LCD电视或者LED电视中，主板需要给显示屏的时序控制板（Timing-Control，简称TCON）供电，这个供电需要满足特定的要求，既不能比某些信号早，也不能晚，并且供电电压从0V上升到稳定电压，有严格的上升时间控制。例如图1为一LCD电视中时序控制板的上电时序图。时间间隔T1、T2、T5、T6、T8都有严格的要求。为了满足上述时序要求，必须使用供电开关来控制供电电源的上电和掉电。

传统的设计利用继电器作为控制时序的供电开关，通过软件来控制继电器的开和关。但是，由于继电器的体积大，成本又贵，故已逐步被淘汰。目前，大多使用功率PMOS管代替继电器作为控制时序的供电开关。但如果功率PMOS开关电路设计不当，会造成冲击电流过大，超过功率PMOS管的最大极限电流，而烧毁功率PMOS管，进而影响开关电路的使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种软启动电子开关及直流电源，旨在控制电子开关的启动及闭合时间，保护电子开关在快速打开时不会因为过流而被损坏，进而延长电子开关的使用寿命。

为了达到上述目的，本实用新型提出一种软启动电子开关，该软启动电子开关包括启动电路和开关电路，还包括开关控制电路；其中：

所述启动电路通过所述开关控制电路与所述开关电路连接，所述启动电路根据所接收的开关信号的电平状态，启动所述开关控制电路进行充电或放电，所述开关控制电路通过控制充放电的时间来控制所述开关电路的开启与闭合。

优选地，所述启动电路包括开关信号输入端和三极管；所述开关信号输入端与所述三极管的基极连接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与所述开关控制电路连接。

优选地，所述启动电路还包括第一电阻，所述第一电阻连接于所述开关信号输入端和所述三极管的基极之间。

优选地，所述三极管为NPN三极管。

优选地，所述开关控制电路包括一二极管、第一电容、第二电容、第二电阻和第三电阻；其中：

所述第一电容的一端与电源输入端连接，另一端与所述二极管的阳极连接；所述第二电阻与所述第一电容并联；所述第三电阻的一端分为两路，一路与所述二极管的阳极连接，另一路与所述启动电路连接，所述第三电阻的另一端分为三路，第一路与所述二极管的阴极连接，第二路与所述第二电容的一端连接，第三路与所述开关电路连接；所述第二电容的另一端与电源输出端连接。

优选地，所述第二电阻的阻值远小于所述第三电阻的阻值。

优选地，所述开关电路包括一MOS管；所述MOS管的源极与所述电源输入端连接，所述MOS管的漏极与所述电源输出端连接，所述MOS管的栅极与所述第二电容和所述第三电阻的公共端连接。

优选地，所述MOS管为PMOS管。

优选地，所述开关电路的输出端连接有电容负载，所述MOS管的漏极作为所述开关电路的输出端，与所述电容负载的一端连接，所述电容负载的另一端接地。

本实用新型还提出一种直流电源，该直流电源包括软启动电子开关，该软启动电子开关包括启动电路和开关电路，还包括开关控制电路；其中：

所述启动电路通过所述开关控制电路与所述开关电路连接，所述启动电路根据所接收的开关信号的电平状态，启动所述开关控制电路进行充电或放电，所述开关控制电路通过控制充放电的时间来控制所述开关电路的开启与闭合。

本实用新型的软启动电子开关通过控制充放电时间来控制开关电路的开启或闭合，可在一定程度上保证电子开关的打开和关断时间的准确性，避免由于电子开关的快速打开而产生冲击电流，保护了电子开关，在一定程度上延长了电子开关的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术一LCD电视中时序控制板的上电时序图；

图2为本实用新型软启动电子开关较佳实施例的电路结构示意图；

图3为本实用新型软启动电子开关中MOS管导通过程中各电流、电压随时间变化示意图。

本实用新型的目的、功能特点及优点的实现，将结合实施例，并参照附图作进一步说明。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提出一种软启动电子开关。

参照图2和图3，图2为本实用新型软启动电子开关较佳实施例的电路结构示意图；图3为本实用新型软启动电子开关中MOS管Q2导通过程中各电流、电压随时间变化示意图。

本实施例中，软启动电子开关包括启动电路10、开关电路20和开关控制电路30。其中，启动电路10的输出端与开关控制电路30连接，其输入端接收开关信号SW；开关控制电路30连接电源输入端VIN及电源输出端VOUT，并与开关电路20连接；开关电路20的一端与电源输入端VIN连接，另外一端与电源输出端VOUT连接。启动电路10根据所接收的开关信号SW的电平状态，启动开关控制电路30进行充电或放电，该开关控制电路30通过控制充放电的时间来控制该开关电路20的开启与闭合。

本实施例中，当启动电路10接收到的开关信号SW为低电平时，直流电源输入电压流经开关控制电路30，控制开关控制电路30进入充电状态，开关控制电路30控制开关电路20保持断开状态，不会发生误操作，直流电源不向负载输出电源输出电压；当启动电路10接收到的开关信号SW为高电平时，控制开关控制电路30进入放电状态，且开关电路20导通，使得直流电源向负载输出电源输出电压。

本实施例中，启动电路10包括开关信号输入端VSW和三极管Q1；开关信号输入端VSW与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与开关控制电路30连接。在本实施例中三极管Q1为NPN三极管。

具体地，启动电路10还包括第一电阻R1，第一电阻R1连接于开关信号输入端VSW和三极管Q1的基极之间。第一电阻R1为三极管Q1的基极限流电阻，保护三极管Q1不会因为基极电流过大而被烧坏。

本实施例中，开关控制电路30包括二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2和第三电阻R3。

其中，第一电容C1的一端与电源输入端VIN连接，第一电容C1的另一端与二极管D1的阳极连接；第二电阻R2与第一电容C1并联；第三电阻R3的一端分为两路，一路与二极管D1的阳极连接，另一路与启动电路10连接，即与三极管Q1的集电极连接，第三电阻R3的另一端分为三路，第一路与二极管D1的阴极连接，第二路与第二电容C2的一端连接，第三路与开关电路连接20；第二电容C2的另一端与电源输出端VOUT连接。

具体地，在本实施例中第二电阻R2的阻值应尽量的小，第二电阻R2的阻值远小于第三电阻R3的阻值。

本实施例中，开关电路20包括MOS管Q2；MOS管Q2的源极与电源输入端VIN连接，MOS管Q2的漏极与电源输出端VOUT连接，MOS管Q2的栅极与第二电容C2和第三电阻R3的公共端连接。在本实施例中，MOS管Q2为PMOS管。

具体地，开关电路20的输出端连接有电容负载CL，MOS管Q2的漏极作为开关电路20的输出端，与电容负载CL的一端连接，电容负载CL的另一端接地。

本实用新型实施例提出的软启动电子开关的电路工作原理具体描述如下：

首先对MOS管Q2的导通时间进行分析，如图3所示，将MOS管Q2的导通时间分为四个阶段，分别为t1、t2、t3和t4。

t1时间段：从开关信号输入端VSW输入的开关信号SW加到三极管Q1的基极，开关信号SW开始置高电平，三极管Q1饱和导通，第二电容C2放电，由于第二电容C2的电容量远大于MOS管Q2内部产生的寄生电容，在本实施例中，可忽略MOS管Q2内部产生的寄生电容的影响，MOS管Q2的栅极电压Vg开始下降，并最终下降到Vin-Vg=-Vth，其中Vin为直流电源输入电压，-Vth为MOS管Q2的门槛电压，t1为MOS管Q2的栅极电压从Vg下降到Vin-Vg=-Vth的时间，在t1时间段内，MOS管Q2始终未导通，直流电源输出电压Vout保持为0不变，即直流电源没有输出，MOS管Q2的源极和漏极之间的电流Id为0。

t2时间段：第二电容C2继续放电，MOS管Q2的栅极电压Vg继续下降，当下降到Vin-Vg<-Vth时，MOS管Q2开始导通，MOS管Q2的源极和漏极之间的电流Id逐渐增大，并最终稳定在电流最大值Io，MOS管Q2进入放大区，MOS管Q2的源极和漏极之间的电流最大值Io与MOS管Q2的栅极电压Vg符合如下关系式：

Io=β(Vin-Vg-Vth) （β为MOS管Q2的跨导系数），

但直流电源输出电压Vout仍保持为0不变。

t3时间段：由于MOS管Q2的源极和漏极之间的电流最大值Io不再增大，因此MOS管Q2的栅极电压Vg也不再变化，此时电容负载CL被电流最大值Io充电，使得直流电源输出电压Vout开始上升，且

，同时使得第二电容C2继续放电，由于MOS管Q2的栅极电压Vg不变，因此流经第二电容C2的电流I_C2=Vg/R3，直流电源输出电压Vout呈线性上升，并最终上升到直流电源输入电压Vin后不再上升，此时MOS管Q2的源极和漏极之间的电流Id接近于0。

在t3时间段内，MOS管Q2的栅极电压从0-Vg变化到Vin-Vg，故第二电容C2放电的电荷：

$\mathrm{\&Delta;Q}={\&Integral;}_{t2}^{t2+t3}{I}_{c2}\mathrm{dt}=I_{c2}*t3=\frac{\mathrm{Vg}}{R3}*t3$

根据第二电容C2两端的电压变化：

$\mathrm{\&Delta;Q}=C_2*[(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vg})-(0-\mathrm{Vg})]=C_2*\mathrm{Vin}$

式中，C₂为第二电容C2的电容量。

故：

$t3=\frac{C_2*\mathrm{Vin}}{\frac{\mathrm{Vg}}{R_3}}=\frac{C_2*\mathrm{Vin}}{\frac{(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vth})-\frac{I_o}{\mathrm{\&beta;}}}{R_3}}=\frac{R_3*C_2*\mathrm{Vin}}{(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vth})-\frac{I_o}{\mathrm{\&beta;}}}$

式中，R₃为第三电阻R3的阻值。

对于电容负载CL来说，做同样推导，得：

$t3=\frac{\mathrm{Vin}*C_L}{I_o}$

式中，C_L为电容负载CL的电容量。

故：

$t3=\frac{\mathrm{Vin}*C_L}{I_o}=\frac{R_3*C_2*\mathrm{Vin}}{(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vth})-\frac{I_o}{\mathrm{\&beta;}}}$     

$I_o=\frac{\mathrm{Vin}-\mathrm{Vth}}{R_3*\frac{C_2}{C_L}+\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}}$

综合之：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_o=\frac{\mathrm{Vin}-\mathrm{Vth}}{R_3*\frac{C_2}{C_L}+\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)\\ t3=\frac{\mathrm{Vin}}{(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vth})}*(R_3*C_2+\frac{C_L}{\mathrm{\&beta;}})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)\end{array}\right.$

t4时间段：直流电源输出电压Vout上升到直流电源输入电压Vin，MOS管Q2的源极和漏极之间的电流Id接近于0，MOS管Q2进入饱和区，上述关系式Io=β(Vin-Vg-Vth)不再成立，MOS管Q2的栅极电压Vg下降，直至第二电容C2被反向充电后，MOS管Q2的栅极电压Vg逐渐下降至0。

如图2中，在开关信号SW为低电平，即SW=0时，三极管Q1不导通，第二电容C2不会接地，因此从电源输入端VIN输入的电流流经开关控制电路30时，给第二电容C2充电。在开关控制电路30中，由于第一电容C1两端的电压不能突变，且第二电阻R2与第一电容C1并联，第三电阻R3与二极管D1并联，第二电阻R2的阻值远小于第三电阻R3的阻值，那么第二电阻R2和第三电阻R3相当于被短路，第一电容C1在此处起到加速电容的作用，电流经过第一电容C1和二极管D1，快速给第二电容C2充电，第二电容C2的充电速度几乎同步直流电源输入电压Vin的上电速度，因此直流电源如果非常迅速上电，MOS管Q2的源极和栅极之间很难建立使MOS管Q2导通所需的电压差，即门槛电压-Vth，从而MOS管Q2不会误打开。

在开关信号SW为低电平，即SW=0时，直流电源如果缓慢上电，在这里由于第三电阻R3与二极管D1并联，并且第二电阻R2的阻值远小于第三电阻R3的阻值，因此第三电阻R3相当于被短路，那么电流经过第二电阻R2和二极管D1，给第二电容C2充电，由于第二电容C2的充电常数τ=R2*C2，此时第二电容C2的充电速度也非常快，即MOS管Q2的源极和栅极之间很难建立使MOS管Q2导通所需的电压差，MOS管Q2也不会误打开。

参照上述t1至t4时间段的描述，如图2中，在开关信号SW为高电平时，开关信号SW加在三极管Q1的基极，三极管Q1饱和导通，因此第三电阻R3相当于接地，即第二电容C2经第三电阻R3接地，此时第二电容C2会进行放电，第二电容C2放电电流经过第三电阻R3，从图2可知，MOS管Q2的导通时间为t3时间段，且根据式(2)可知，可以通过调节第三电阻R3的阻值和第二电容C2的电容量，得到所需的MOS管Q2的导通时间，达到调整直流电源的软启动时间的目的，能够更准确地保证电子开关的打开和关断时间。同时，通过调节第三电阻R3的阻值和第二电容C2的电容量，也可以调节MOS管Q2的源极和漏极之间的电流最大值Io，即可以调节MOS管Q2的最大导通电流，使其不超过MOS管Q2的最大极限电流，使得MOS管Q2因为电流冲击而被烧毁，延长MOS管Q2的使用寿命。

本实用新型提出的软启动电子开关，通过启动电路10根据所接收的开关信号SW的电平状态，启动开关控制电路30进行充电或放电，开关控制电路30通过控制充放电的时间控制该开关电路20的开启与闭合。本实用新型的软启动电子开关通过控制充放电时间来控制开关电路10的开启或闭合，可在一定程度上保证电子开关的打开和关断时间的准确性，避免由于电子开关的快速打开而产生冲击电流，保护了电子开关，在一定程度上延长了电子开关的使用寿命。

本实用新型还提供一种直流电源，该直流电源包括软启动电子开关，该软启动电子开关的电路结构、工作原理以及该软启动电子开关所带来的技术效果也与上述实施例的一致，此处均不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种软启动电子开关，包括启动电路和开关电路，其特征在于，还包括开关控制电路；其中：

所述启动电路通过所述开关控制电路与所述开关电路连接，所述启动电路根据所接收的开关信号的电平状态，启动所述开关控制电路进行充电或放电，所述开关控制电路通过控制充放电的时间来控制所述开关电路的开启与闭合。

2.如权利要求1所述的软启动电子开关，其特征在于，所述启动电路包括开关信号输入端和三极管；所述开关信号输入端与所述三极管的基极连接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与所述开关控制电路连接。

3.如权利要求2所述的软启动电子开关，其特征在于，所述启动电路还包括第一电阻，所述第一电阻连接于所述开关信号输入端和所述三极管的基极之间。

4.如权利要求3所述的软启动电子开关，其特征在于，所述三极管为NPN三极管。

5.如权利要求1所述的软启动电子开关，其特征在于，所述开关控制电路包括一二极管、第一电容、第二电容、第二电阻和第三电阻；其中：

所述第一电容的一端与电源输入端连接，另一端与所述二极管的阳极连接；所述第二电阻与所述第一电容并联；所述第三电阻的一端分为两路，一路与所述二极管的阳极连接，另一路与所述启动电路连接，所述第三电阻的另一端分为三路，第一路与所述二极管的阴极连接，第二路与所述第二电容的一端连接，第三路与所述开关电路连接；所述第二电容的另一端与电源输出端连接。

6.如权利要求5所述的软启动电子开关，其特征在于，所述第二电阻的阻值远小于所述第三电阻的阻值。

7.如权利要求5或6所述的软启动电子开关，其特征在于，所述开关电路包括一MOS管；所述MOS管的源极与所述电源输入端连接，所述MOS管的漏极与所述电源输出端连接，所述MOS管的栅极与所述第二电容和所述第三电阻的公共端连接。

8.如权利要求7所述的软启动电子开关，其特征在于，所述MOS管为PMOS管。

9.如权利要求7所述的软启动电子开关，其特征在于，所述开关电路的输出端连接有电容负载，所述MOS管的漏极作为所述开关电路的输出端，与所述电容负载的一端连接，所述电容负载的另一端接地。

10.一种直流电源，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的软启动电子开关。

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