CN207677631U - 一种开关电源及其控制器的启动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源及其控制器的启动系统，其中启动系统包括启动模块、充电电流控制模块、锁定控制模块和动态充电控制模块。启动模块从外部供电端取电，在自身的电压达到第一预设电压时，开启充电电流控制模块；进而由充电电流控制模块输出充电电流给充电电容充电；在充电电容的电压升高到第二预设电压时，锁定控制模块启动控制器，启动速度快。动态充电控制模块在充电电容的电压达到第三预设电压时，关闭充电电流控制模块以降低充电电容电压；在充电电容的电压降低到第四预设电压时启动充电电流控制模块；从而实现充电电容的动态充电，不需要辅助绕组供电，待机功耗低，启动系统外围电路结构简单，经济效益高。

Description

一种开关电源及其控制器的启动系统

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域，具体涉及一种开关电源及其控制器的启动系统。

背景技术

传统开关电源在系统启机时需要启动电路来给控制器的电源提供起始电压，直至控制器能够正常工作，此时控制器可由辅助绕组来供电。如图1所示，为现有技术中的AC-DC开关电源的电路结构图。在电源系统启动时，启动电压HV通过启动电阻Rs为控制器2的VDD脚外接电容Cin提供充电通路。当电容Cin的电压达到预设电压时控制器2开始工作，此时控制器2由辅助绕组LA来供电。

传统的外置启动电阻方式，充电电流取决于启动电阻Rs的大小，此电流决定系统的启动时间；而且在控制器2启动结束后启动电路1不能关断，因此在启动电阻Rs上将产生一定待机功耗，此功耗也取决于启动电阻Rs的大小。若启动电阻Rs取值过大系统启动时间过长，启动电路1待机功耗偏小；反之启动电阻Rs取值过小系统启动时间短，启动电路的待机功耗偏大。由此可知启动电阻Rs的取值要在系统启动时间和待机功耗之间折衷，很难同时满足较短的启动时间和较小的待机功耗。

这种采用外置启动电阻辅助绕组供电的架构，系统待机功耗大，启动时间过长，系统电路结构复杂，集成度低，PCB电路板面积大，生产制造成本高。

因此，现有技术有待改进和提高。

实用新型内容

本申请提供一种开关电源及其控制器的启动系统，在控制器完成启动后，不需要辅助绕组供电，以降低待机功耗。

根据本实用新型的第一方面，本实用新型提供一种开关电源控制器的启动系统，包括：

用于在自身的电压达到第一预设电压时，开启充电电流控制模块的启动模块；

用于产生给充电电容充电的充电电流的充电电流控制模块；

用于在充电电容的电压升高到第二预设电压时，启动控制器的锁定控制模块；

用于在控制器启动后，检测充电电容的电压，在充电电容的电压达到第三预设电压时，关闭充电电流控制模块，以降低充电电容的电压；在充电电容的电压降低到第四预设电压时，启动充电电流控制模块的动态充电控制模块；所述第三预设电压大于第四预设电压；

所述启动模块的输入端和充电电流控制模块的输入端均连接外部供电端，所述启动模块的输出端连接充电电流控制模块的控制端，所述充电电流控制模块的输出端连接充电电容的一端、锁定控制模块的输入端和动态充电控制模块的第一输入端；所述锁定控制模块的输出端连接动态充电控制模块的第二输入端和控制器；所述动态充电控制模块的输出端连接充电电流控制模块的控制端。

所述的开关电源控制器的启动系统，其中，所述启动模块包括第一电阻和第一二极管；所述第一电阻的一端连接外部供电端；所述第一电阻的另一端为启动模块的输出端，连接充电电流控制模块的控制端和第一二极管的负极，第一二极管的正极接地。

所述的开关电源控制器的启动系统，其中，所述充电电流控制模块包括第一晶体管、第二电阻和第二二极管；所述第一晶体管的控制极为充电电流控制模块的控制端，连接第一二极管的负极；所述第一晶体管的第一极通过第二电阻连接第二二极管的正极，所述第一晶体管的第二极连接外部供电端；第二二极管的负极为充电电流控制模块的输出端，连接充电电容的一端和锁定控制模块的输入端；所述充电电容的另一端接地；第一晶体管高电平导通。

所述的开关电源控制器的启动系统，其中，所述锁定控制模块为欠压锁定模块。

所述的开关电源控制器的启动系统，其中，所述动态充电控制模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一比较器、第二比较器、第二晶体管和充电控制逻辑单元；所述第三电阻的一端连接充电电容的一端，第三电阻的另一端连接第一比较器的正相输入端和第四电阻的一端；第四电阻的另一端连接第二比较器的正相输入端和第五电阻的一端；第五电阻的另一端接地；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端均接收参考电压；第一比较器的输出端和第二比较器的输出端均连接充电控制逻辑单元；第二晶体管的第一极接地，第二晶体管的第二极连接第一二极管的负极；第二晶体管的控制极连接充电控制逻辑单元的输出端；充电控制逻辑单元用于在接收到第二比较器输出的高电平信号时，打开第二晶体管；在接收到第一比较器输出的高电平信号时，关闭第二晶体管。

所述的开关电源控制器的启动系统，其中，所述第一预设电压为第一晶体管的开启电压。

所述的开关电源控制器的启动系统，其中，所述第一晶体管和第二晶体管均为N沟道MOS管。

所述的开关电源控制器的启动系统，其中，所述第三预设电压大于第四预设电压。

根据本实用新型的第二方面，本实用新型提供一种开关电源，包括控制器和如上所述的启动系统。

本实用新型的有益效果：启动模块从外部供电端取电，在自身的电压达到第一预设电压时，开启充电电流控制模块；进而由充电电流控制模块输出充电电流给充电电容充电；在充电电容的电压升高到第二预设电压时，锁定控制模块启动控制器，可见启动速度快。动态充电控制模块检测充电电容的电压，在充电电容的电压达到第三预设电压时，关闭充电电流控制模块，以降低充电电容的电压；在充电电容的电压降低到第四预设电压时，启动充电电流控制模块；从而实现充电电容的动态充电，不需要辅助绕组供电，待机功耗低，启动系统外围电路结构简单，具有较高的技术经济效益。

附图说明

图1为现有的开关电源的电路图；

图2为本实用新型提供的开关电源一实施例的电路图；

图3为本实用新型提供的开关电源一实施例中，控制器的启动系统的结构框图；

图4为本实用新型提供的开关电源一实施例中，控制器的启动系统的电路图；

图5为本实用新型提供的开关电源另一实施例中，控制芯片的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种开关电源，包括主电路和控制电路。所述主电路过滤交流电网存在的杂波及阻碍开关电源产生的杂波反馈回电网，将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，并对所述直流电进行变压以供给负载。所述控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据采样的数据，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

实施例一：

本实施例中，所述开关电源为AC-DC开关电源，如图2所示，所述主电路包括滤波模块60、整流模块70和变压器80。滤波模块60的输入端连接市电(交流电)，滤波模块60的输出端通过整流模块70连接变压器80的原边绕组Lp，变压器80的次级绕组Ls连接负载。

所述整流模块70，用于将电网交流电整流为直流电。本实施例中为整流桥。

所述变压器80，用于改变所述直流电的电压。

请一并参阅图3和图4，所述控制电路包括充电电容Cin、电源晶体管M0、采样电阻Rcs、控制器及其启动系统(电路)3。所述电源晶体管M0的第一极通过采样电阻Rcs接地，所述电源晶体管M0的控制极连接控制器的输出端GATE，所述电源晶体管M0的第一极连接变压器原边绕组Lp的一端。

所述控制器一方面从输出端取样，与设定值进行比较，采用PWM、PFM等技术对输出脉冲进行调整，使输出电压稳定，另一方面，根据采样的数据，提供控制电路对电源进行各种保护措施，本实施例中，AC-DC开关电源的控制器为常规控制器，不做赘述。

所述启动系统3用于启动控制器，其包括启动模块10、充电电流控制模块20、锁定控制模块30、动态充电控制模块40和故障保护模块50。所述启动模块10的输入端和充电电流控制模块20的输入端均连接外部供电端(原边绕组Lp的一端)，所述启动模块10的输出端连接充电电流控制模块20的控制端，所述充电电流控制模块20的输出端连接充电电容Cin的一端、锁定控制模块30的输入端和动态充电控制模块40的第一输入端；充电电容Cin的另一端接地；所述充电电容Cin在M0关闭时通过市电充电，此时控制器由市电供电；在M0打开时，自身放电给控制器供电，此时充电电容Cin不通过市电充电。所述锁定控制模块30的输出端连接动态充电控制模块40的第二输入端；故障保护模块50连接动态充电控制模块40的第三输入端；故障保护模块50的输出端和动态充电控制模块40的输出端连接充电电流控制模块20的控制端。

所述启动模块(电路)10，用于控制充电电流控制模块20的通断；具体的，用于在自身的电压(结点Clamp的电压)达到(大于或等于)第一预设电压时，开启充电电流控制模块20；在自身的电压(结点Clamp的电压)低于第一预设电压时，关闭充电电流控制模块20。本实施例中，所述启动模块10包括第一电阻R1和至少一个第一二极管D1；所述第一电阻R1的一端连接外部供电端；所述第一电阻R1的另一端为启动模块10的输出端，连接充电电流控制模块20的控制端和第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极接地。所述第一二极管D1优选为齐纳二极管(钳位管)，可采用多个齐纳二极管D1串联，具体数量根据钳位电压的设计需要而定。

所述充电电流控制模块(电路)20，用于产生给充电电容Cin充电的充电电流。所述充电电流控制模块20包括第一晶体管M1、第二电阻R2和第二二极管D2；所述第一晶体管M1的控制极为充电电流控制模块20的控制端，为高电平导通，连接第一二极管D1的负极；所述第一晶体管M1的第一极通过第二电阻R2连接第二二极管D2的正极，所述第一晶体管M1的第二极连接外部供电端；第二二极管D2的负极为充电电流控制模块20的输出端，连接充电电容Cin的一端和锁定控制模块30的输入端。所述第一晶体管M1为控制充电的开关管，优选为LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)，第二电阻R2用于限流，第二二极管D2则用于防电流倒灌。所述第一预设电压为第一晶体管M1的开启电压。本实施例中，所述第一晶体管M1为N沟道MOS管，其控制极为N沟道MOS管的栅极，第一极为N沟道MOS管的源极，第二极为N沟道MOS管的漏极。

所述锁定控制模块30，用于在充电电容Cin的电压升高到第二预设电压时，启动控制器；在充电电容Cin的电压小于第五预设电压时，关闭控制器，使控制电路处于保护状态。所述第二预设电压是控制器启动的最低工作电压，第五预设电压是控制器能接受的最低工作电压，第五预设电压小于第二预设电压。本实施例中，所述锁定控制模块30为欠压锁定模块(UVLO)。

所述动态充电控制模块(电路)40，用于在控制器启动之后，检测充电电容Cin的电压，例如，可通过检测充电电容Cin的分压来间接检测充电电容Cin的电压；在充电电容Cin的电压达到第三预设电压时，通过拉低充电电流控制模块20的控制端的电压(结点Clamp的电压)来关闭充电电流控制模块20，充电电容Cin放电，从而降低充电电容Cin的电压；在充电电容Cin的电压降低到第四预设电压时，提高充电电流控制模块20的控制端的电压(结点Clamp的电压)来启动充电电流控制模块20，从而对充电电容Cin充电。所述第三预设电压大于第四预设电压。所述第四预设电压大于第五预设电压。

所述动态充电控制模块40包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一比较器Q1、第二比较器Q2、第二晶体管M2和充电控制逻辑单元410；所述第三电阻R3的一端为动态充电控制模块40的第一输入端，连接充电电容Cin的一端，第三电阻R3的另一端连接第一比较器Q1的正相输入端和第四电阻R4的一端；第四电阻R4的另一端连接第二比较器Q2的正相输入端和第五电阻R5的一端；第五电阻R5的另一端接地；第一比较器Q1的反相输入端和第二比较器Q2的反相输入端均接收参考电压VREF；第一比较器Q1的输出端和第二比较器Q2的输出端均连接充电控制逻辑单元410；第二晶体管M2的第一极接地，第二晶体管M2的第二极为动态充电控制模块40的输出端，连接第一二极管D1的负极和第一晶体管M1的控制极；第二晶体管M2的控制极连接充电控制逻辑单元410的输出端。充电控制逻辑单元410用于在接收到第二比较器Q2输出的高电平信号时，打开第二晶体管M2，从而拉低Clamp的电压使M1关断；在接收到第一比较器Q1输出的高电平信号时，关闭第二晶体管M2，进而结点Clamp的电压升高。可见，参考电压VREF、第四预设电压决定了第五电阻R5的阻值，参考电压VREF、第三预设电压决定了R5和R4的阻值。本实施例中，所述第二晶体管M2为N沟道MOS管，其控制极为N沟道MOS管的栅极，高电平打开，低电平关断；第一极为N沟道MOS管的源极，第二极为N沟道MOS管的漏极。

本实用新型当图2的开关电源上电时，外围功率管M0为关断状态，M0的漏极Vdrain为高电压，Vdrain通过图4的启动电阻R1和钳位齐纳管D1产生一个输出电压Vclamp连接充电控制开关管M1的栅极，当Vclamp升高至M1的打开阈值时打开M1；此时高电压DRAIN通过M1和限流电阻R2以及第二二极管D2产生电流给VDD脚的充电电容Cin充电；当VDD脚的电压升高至第二预设电压时，UVLO模块输出信号给控制器，使控制器开始工作。

当控制器启动后外围功率管M0打开，M0的漏极电压Vdrain被拉低至最低电压，此时M0漏极电压Vdrain小于VDD脚的充电电容Cin电压，控制器由VDD脚的充电电容Cin来提供供电。

当控制器启动后动态充电控制模块40检测VDD的分压(即Cin的分压)，通过检测VDD的分压来间接检测VDD的电压；当第五电阻R5一端的电压升高至参考电压VREF时(VDD的电压升高至第三预设电压时)，第二比较器Q2输出高电平给充电控制逻辑单元(电路)410，触发充电控制逻辑单元410输出高电平打开M2将Vclamp迅速拉低至零并关闭M1停止给VDD脚的充电电容Cin充电，此时VDD电压开始下降，当第四电阻R4一端的电压(b点电压)下降至(≤)参考电压VREF时(VDD电压下降至第四预设电压时)，第一比较器Q1输出低电平给充电控制逻辑单元410，触发充电控制逻辑单元410输出低电平关闭M2，将Vclamp迅速拉高并打开M1给VDD的充电电容Cin充电，VDD电压开始升高，从而VDD脚的充电电容Cin完成一个周期的充电和放电过程，本实用新型通过Cin不停重复多个周期充电和放电的过程从而实现动态充电。

第三预设电压和第四预设电压决定了控制器的工作电压区间。所述第三预设电压大于第四预设电压；第四预设电压大于第五预设电压。由于先启动控制器，之后再启动充电控制逻辑单元410，故第二预设电压根据需求可以大于第三预设电压也可以小于第三预设电压，第二预设电压根据需求可以大于第四预设电压也可以小于第四预设电压。

本实用新型提供的启动系统，可实现高压启动以及对控制器的动态自供电，启动速度快，控制器启动结束后的动态充电方式不需要辅助绕组供电，待机功耗低，芯片集成度高，电源系统外围电路结构简单，PCB板面积小，方案开发成本低，具有较高的技术经济效益。

所述故障保护模块50，用于接收故障信号，在接收到故障信号时，关闭充电电流控制模块20(关断M1)，以降低充电电容的电压，以保护控制器。具体的，当控制器检测到故障信号后，输出给所述故障保护模块50，故障保护模块50强制输出或强制充电控制逻辑单元410输出一个高电平打开M2从而关闭M1管，VDD脚的充电电容Cin不能继续充电故其电压开始下降，当VDD电压下降至第五预设电压时，锁定控制模块30关闭控制器；之后，所述充电控制逻辑单元410输出低电平关断M2，从而拉高Vclamp打开M1给VDD的充电电容Cin充电，重新启动控制器，若控制器重启后仍然检测到电源故障，则重复上述充电和放电的过程直至电源故障解除从而实现电源系统的故障保护和自恢复功能。

实施例二：

本实施例中，所述充电控制逻辑单元410和故障保护模块50的功能由开关电源的控制器完成，换而言之，所述充电控制逻辑单元410和故障保护模块50整合到控制器内部，控制电路形成用于控制开关电源且能实现高压启动和动态自供电的控制芯片(如图5、图2中3所示)，其他结构与实施例一相同。所述控制芯片3的DRAIN端连接变压器80的原边绕组Lp的一端和电源晶体管M0的第二极；所述控制芯片3的GATE端为控制器的一输出端，连接电源晶体管M0的控制极；所述控制芯片3的CS端连接电源晶体管M0的第一极和采样电阻Rcs的一端；所述控制芯片的VDD端(电源端)连接充电电容Cin的一端。所述电源晶体管M0为功率管，N沟道MOS管，其控制极为功率管M0的栅极，第一极为功率管M0的源极，第二极为功率管M0的漏极。

本实施例中，所述开关电源的主电路还包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第三二极管D3、第四二极管D4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、光耦Q3和可控精密稳压源T。所述整流模块70的输出端连接第一电容C1的一端、第六电阻R6的一端、第二电容C2的一端和变压器原边绕组Lp的另一端；所述第一电容C1的另一端接地；第六电阻R6的另一端连接第二电容C2的另一端和第三二极管D3的负极，所述第三二极管D3的正极连接原边绕组Lp的一端、功率管M0的漏极和控制芯片3的DRAIN。所述变压器80的次级绕组Ls的一端接地，所述变压器80的次级绕组Ls的另一端连接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极连接第七电阻R7的一端、第八电阻R8的一端、第九电阻R9的一端，并通过第三电容C3接地。第七电阻R7的另一端连接光耦Q3的第一端，光耦Q3的第二端连接可控精密稳压源T的输出端、第八电阻R8的另一端和第四电容C4的一端；所述第四电容C4的另一端连接第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的一端和可控精密稳压源T的输入端，所述第十电阻R10的另一端接地。所述光耦Q3的第三端连接控制芯片3的FB端，所述光耦Q3的第四端接地。所述可控精密稳压源T的型号为TL431。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种开关电源控制器的启动系统，其特征在于，包括：

用于在自身的电压达到第一预设电压时，开启充电电流控制模块的启动模块；

用于产生给充电电容充电的充电电流的充电电流控制模块；

用于在充电电容的电压升高到第二预设电压时，启动控制器的锁定控制模块；

用于在控制器启动后，检测充电电容的电压，在充电电容的电压达到第三预设电压时，关闭充电电流控制模块，以降低充电电容的电压；在充电电容的电压降低到第四预设电压时，启动充电电流控制模块的动态充电控制模块；所述第三预设电压大于第四预设电压；

所述启动模块的输入端和充电电流控制模块的输入端均连接外部供电端，所述启动模块的输出端连接充电电流控制模块的控制端，所述充电电流控制模块的输出端连接充电电容的一端、锁定控制模块的输入端和动态充电控制模块的第一输入端；所述锁定控制模块的输出端连接动态充电控制模块的第二输入端和控制器；所述动态充电控制模块的输出端连接充电电流控制模块的控制端。

2.如权利要求1所述的开关电源控制器的启动系统，其特征在于，所述启动模块包括第一电阻和第一二极管；所述第一电阻的一端连接外部供电端；所述第一电阻的另一端为启动模块的输出端，连接充电电流控制模块的控制端和第一二极管的负极，第一二极管的正极接地。

3.如权利要求2所述的开关电源控制器的启动系统，其特征在于，所述充电电流控制模块包括第一晶体管、第二电阻和第二二极管；所述第一晶体管的控制极为充电电流控制模块的控制端，连接第一二极管的负极；所述第一晶体管的第一极通过第二电阻连接第二二极管的正极，所述第一晶体管的第二极连接外部供电端；第二二极管的负极为充电电流控制模块的输出端，连接充电电容的一端和锁定控制模块的输入端；所述充电电容的另一端接地；第一晶体管高电平导通。

4.如权利要求1所述的开关电源控制器的启动系统，其特征在于，所述锁定控制模块为欠压锁定模块。

5.如权利要求3所述的开关电源控制器的启动系统，其特征在于，所述动态充电控制模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一比较器、第二比较器、第二晶体管和充电控制逻辑单元；所述第三电阻的一端连接充电电容的一端，第三电阻的另一端连接第一比较器的正相输入端和第四电阻的一端；第四电阻的另一端连接第二比较器的正相输入端和第五电阻的一端；第五电阻的另一端接地；第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端均接收参考电压；第一比较器的输出端和第二比较器的输出端均连接充电控制逻辑单元；第二晶体管的第一极接地，第二晶体管的第二极连接第一二极管的负极；第二晶体管的控制极连接充电控制逻辑单元的输出端；充电控制逻辑单元用于在接收到第二比较器输出的高电平信号时，打开第二晶体管；在接收到第一比较器输出的高电平信号时，关闭第二晶体管。

6.如权利要求3所述的开关电源控制器的启动系统，其特征在于，所述第一预设电压为第一晶体管的开启电压。

7.如权利要求5所述的开关电源控制器的启动系统，其特征在于，所述第一晶体管和第二晶体管均为N沟道MOS管。

8.如权利要求1所述的开关电源控制器的启动系统，其特征在于，所述第三预设电压大于第四预设电压。

9.一种开关电源，其特征在于，包括控制器和如权利要求1-8所述的启动系统。