CN209767367U - 开关电源的自供电电路、控制芯片及开关电源和电气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于开关电源的自供电电路、控制芯片及开关电源和电气装置。自供电电路包括：开关部件、储能电容、控制电路和电荷泵；开关部件第一端用于连接开关电源变换器的初级线圈、第二端通过储能电容接地；储能电容用于为控制电路和电荷泵供电；控制电路在预定的电压范围内根据储能电容电压的高低输出相应的控制信号至电荷泵以控制电荷泵的工作；电荷泵根据控制电路的控制信号，输出开关信号至开关部件的控制端，以控制开关部件的导通和关断。实施本实用新型，能够在开关电源轻载或空载时，通过将储能电容电压控制在预定的电压范围内，使其为开关电源的控制器或控制芯片提供正常的工作电源，以便开关电源的控制器或控制芯片能够正常工作。

Description

开关电源的自供电电路、控制芯片及开关电源和电气装置

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控制器在轻负载或空载时的自供电电路，及包含该自供电电路的控制芯片、开关电源，以及由该开关电源供电的电气装置。

背景技术

常用开关电源变换器的电路如图1所示，控制电路控制开关变换器的接通与关闭，以达到开关变换器的能量转换输出。控制电路本身也要消耗能量，故必须给控制电路供电，常用的方式是由开关变换器提供的反馈电路为控制电路提供能量，但是这种供电电路的输出供电电压会随输出负载变化，在重载的时候反馈供电电压高，在轻载或空载的时候，反馈供电电压会比满载时下降许多，甚至低于控制电路正常工作所需的电压，影响了控制电路的正常工作。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中开关电源在轻载或空载时为变换器的控制电路供电的反馈供电电压下降幅度大，可能影响控制电路正常工作的缺陷，提供一种用于在轻负载或空载时为开关电源控制器供电的自供电电路，及包含该自供电电路的控制芯片、开关电源和电气装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于开关电源的自供电电路，其特征在于，包括：开关部件、储能电容、控制电路和电荷泵；其中

所述开关部件第一端用于连接开关电源变换器的初级线圈、第二端通过所述储能电容接地；

所述储能电容用于为所述控制电路和电荷泵供电；

所述控制电路在预定的电压范围内根据所述储能电容的电压的高低输出相应的控制信号至所述电荷泵以控制所述电荷泵的工作；

所述电荷泵用于根据所述控制电路的控制信号，输出开关信号至所述开关部件的控制端，以控制所述开关部件的导通和关断；且，

所述控制电路当所述储能电容的电压下降至第一预定电压时，输出指示电荷泵工作的控制信号，并当所述储能电容的电压上升至第二预定电压时，输出指示电荷泵停止工作的控制信号，其中所述第二预定电压高于第一预定电压，所述预定的电压范围是第二预定电压到第一预定电压之间。

在本实用新型所述用于开关电源的自供电电路中，

所述开关部件为双极型三极管，所述双极型三极管的集电极用于与所述变换器初级线圈连接、发射极与所述储能电容连接，基极与所述电荷泵的输出端连接，或者

所述开关部件为N沟道MOS场效应管，所述N沟道MOS场效应管的漏极用于与所述变换器初级线圈连接、源极与所述储能电容连接，栅极与所述电荷泵的输出端连接。

在本实用新型所述用于开关电源的自供电电路中，所述电荷泵为升压电荷泵，用以产生高于所述储能电容电压一预定值的输出电压作为控制所述双极型三极管或N沟道MOS场效应管导通的开关信号，其中所述预定值为所述双极型三极管或N沟道MOS场效应管的导通电压值。

在本实用新型所述用于开关电源的自供电电路中，所述电荷泵为二倍升压电荷泵，用以产生所述储能电容电压二倍的输出电压作为控制所述双极型三极管或N沟道MOS场效应管导通的开关信号导通的开关信号。

在本实用新型所述用于开关电源的自供电电路中，所述二倍升压电荷泵包括：第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、PMOS管M1和第一NMOS管M2，其中：

第一二极管的正极与储能电容的电压输出端连接，第一二极管的负极连接第二二极管的正极，第二二极管的负极连接第二电容的第一端，第二电容的第二端接地；

PMOS管M1的漏极与储能电容的电压输出端连接，PMOS管M1的源极与第一NMOS管M2的漏极连接，第一NMOS管M2的源极接地，PMOS管M1和第一NMOS管M2的栅极连接所述控制电路的输出端；

第一电容的第一端与PMOS管M1的源极连接，第一电容的第二端与第一二极管的负极连接。

在本实用新型所述用于开关电源的自供电电路中，所述控制电路包括用于检测所述储能电容电压的检测电路、用于根据检测结果产生所述控制信号的信号发生电路。

在本实用新型所述用于开关电源的自供电电路中，所述检测电路包括比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第二NMOS管M3，所述信号发生电路包括振荡器，其中，

第一电阻、第二电阻、第三电阻依次串连在储能电容的电压输出端与地之间，比较器的正输入端接参考电位，负输入端连接第一电阻和第二电阻之间的节点，比较器的输出端连接振荡器的输入端，振荡器的输出端为控制信号的输出端；第二NMOS管M3的栅极连接比较器的输出端，源极接地，漏极连接第二电阻、第三电阻之间的节点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于开关电源的控制芯片，其上集成有如上所述的用于开关电源的自供电电路中的开关部件、控制电路和电荷泵，以便在轻载或空载时使用储能电容为所述控制芯片提供工作电源。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种开关电源，包括通过变换器电连接的输入电路和输出电路，其特征在于，变换器的初级线圈一端连接有如上所述的用于开关电源的自供电电路，以便在轻载或空载时使用储能电容为开关电源的控制器提供工作电源。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电气装置，包括如上所述的开关电源，并由所述开关电源提供工作电源。

电气装置，包括如上所述的开关电源，并由所述开关电源提供工作电源。

实施本实用新型，具有以下有益效果：能够在开关电源轻载或空载时，通过将储能电容的输出电压控制在预定的电压范围内，使其为开关电源的控制器或控制芯片提供正常的工作电源，以便开关电源的控制器或控制芯片能够正常工作。

另外，本实用新型的自供电电路结构简单,因而可以低成本且有效地为开关电源的控制器或控制芯片实现在轻载或空载时的自供电。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的开关电源变换器的电路原理图；

图2是本实用新型用于开关电源的自供电电路的电路原理图；

图3是根据本实用新型一实施例的开关电源的自供电电路的电路原理图；

图4是根据本实用新型一实施例的开关电源的自供电电路中二倍升压电荷泵的电路图；

图5是根据本实用新型一实施例的开关电源的自供电电路中控制电路的电路图；

图6是图5所示的控制电路的节点电压波形图；

图7是本实用新型用于开关电源的自供电电路的工作波形示意图。

具体实施方式

图2是本实用新型用于开关电源的自供电电路的电路原理图。本实用新型的各个实施例中，在开关电源轻载或空载时，将主开关(即开关部件K)配置为图2所示的连接方式。

如图2所示，输入电路1通过变换器3与输出电路2电连接(耦合)。

开关部件K第一端用于连接开关电源变换器3的初级线圈、第二端通过储能电容C接地；储能电容C为控制电路4和电荷泵5供电；控制电路4在预定的电压范围内根据储能电容C的电压Vcc的高低输出相应的控制信号V0至电荷泵5以控制电荷泵5的工作；电荷泵5用于根据控制电路4的控制信号V0，输出开关信号Vout至开关部件K的控制端，以控制开关部件K的导通和关断。

进一步地，控制电路4当储能电容C的电压Vcc下降至第一预定电压Vref1时，输出指示电荷泵工作的控制信号，并当储能电容C的电压Vcc上升至第二预定电压Vref2时，输出指示电荷泵停止工作的控制信号，其中第二预定电压Vref2高于第一预定电压Vref1，预定的电压范围是第二预定电压Vref2到第一预定电压Vref1之间。

具体工作过程如下，控制电路4从储能电容C取电，并检测储能电容上的电压，当电容电压下降到第一预定电压Vref1后，控制电路控制电荷泵工作，电荷泵从电容取电并转化出高于电容电压的信号以驱动打开开关部件K；开关部件K导通后电容电压上升，当电压上升到第二预定电压Vref2后，控制电路控制电荷泵停止工作，开关部件K截止，储能电容的电压停止上升，如此重复。储能电容的电压便会保持在预定的电压范围内，即第一预定电压Vref1与第二预定电压Vref2之间的区间中。

本实用新型的优选实施例中，在开关电源电路中，开关部件K可采用双极型三极管或者N沟道MOS场效应管实现，连接方式如图3。如图3所示的实施例中，双极型三极管Q的集电极用于与变换器初级线圈连接、发射极与储能电容C连接，基极与电荷泵5的输出端连接。当采用N沟道MOS场效应管，连接方式为：N沟道MOS场效应管的漏极用于与变换器初级线圈连接、源极与储能电容C连接，栅极与电荷泵5的输出端连接(图中未示出)。

在本实用新型的各实施例中，电荷泵5为升压电荷泵，用以产生高于储能电容C电压Vcc一预定值的输出电压作为控制双极型三极管Q或N沟道MOS场效应管导通的开关信号Vout，其中预定值为双极型三极管或N沟道MOS场效应管的导通电压值。

在本实用新型的一优选实施例中，电荷泵5为二倍升压电荷泵，其产生的输出电压是储能电容C电压Vcc的二倍，用作为控制双极型三极管Q或N沟道MOS场效应管导通的开关信号Vout。

图4是根据本实用新型一实施例的开关电源的自供电电路中二倍升压电荷泵的电路图。如图4所示，二倍升压电荷泵包括：第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、PMOS管M1和第一NMOS管M2。第一二极管D的正极与储能电容C的电压输出端连接，第一二极管D1的负极连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极连接第二电容C2的第一端(其输出开关信号Vout)，第二电容C2的第二端接地。PMOS管M1的漏极与储能电容C的电压输出端连接，PMOS管M1的源极与第一NMOS管M2的漏极连接，第一NMOS管M2的源极接地，PMOS管M1和第一NMOS管M2的栅极连接控制电路4的输出端，以接收来自控制电路4的控制信号V0。第一电容C1的第一端与PMOS管M1的源极连接，第一电容C1的第二端与第一二极管D1的负极连接。

图4中，V0是由控制电路产生的控制信号(例如方波信号)，V1是PMOS管M1的源极与第一NMOS管M2的漏极连接节点的电压，V2是第一二极管D1负极、第二二极管D2正极的电压。当控制信号V0为高电平的时候，PMOS管M1截止，第一NMOS管M2导通，PMOS管M1的源极与第一NMOS管M2的漏极连接节点处电压V1为低电平，储能电容电压Vcc通过第一二极管D1对第一电容C1充电。当控制信号V0变为低电平时，PMOS管M1导通，第一NMOS管M2截止，V1上升为高电平，VCC通过第一电容C1，第二二极管D2对第二电容C2进行充电。如果忽略二极管压降，则第二电容C2两端电压(即开关信号)Vout＝2*Vcc。

由于电荷泵整个工作过程的核心部分为电容充放电过程，所以最重要的公式为电容充放电公式：I*T＝ΔV*C，其中T为电容充放电周期，ΔV为每个充放电周期内电容两端电压波动，I为充放电电流。

在本实用新型各个实施例中，控制电路4包括用于检测储能电容C电压Vcc的检测电路、用于根据检测结果产生控制信号V0的信号发生电路。

图5是根据本实用新型一实施例的开关电源的自供电电路中控制电路的电路图，图6是图5所示的控制电路的节点电压波形图。

如图5所示，检测电路包括比较器41、分压电阻R0、R1、R2和第二NMOS管M3，信号发生电路包括振荡器42。其中，第一电阻R0、第二电阻R1、第三电阻R2依次串连在储能电容C的电压输出端与地之间，比较器41的正输入端接参考电位，负输入端连接第一电阻R0和第二电阻R1之间的节点，比较器的输出端连接振荡器42的输入端，振荡器的输出端为控制信号V0的输出端；第二NMOS管M3的栅极连接比较器的输出端，源极接地，漏极连接第二电阻R1、第三电阻R2之间的节点。

比较器41、作为分压电阻的第一电阻R0、第二电阻R1、第三电阻R2和第二NMOS管M3构成了典型的检测储能电容C电压Vcc的迟滞比较器。Vref_CP为参考电位，Va是经分压电阻分压后的采样电压(如图5所示)，Vb是比较器41的输出。如图6所示，当储能电容C电压Vcc比较低时，比机器41输出Vb为高电平，振荡器42接收到Vb高电平并开始工作，输出方波信号；当储能电容C的电压Vcc比较高时，比机器41输出Vb为低电平，振荡器接收到Vb低电平并停止工作，输出低电平信号。

本实用新型上述自供电电路中的开关部件K(例如双极型三极管Q或N沟道MOS场效应管)、控制电路4和电荷泵5可集成在用于开关电源的控制芯片(如图2和图3中所示的控制芯片6)中，以便在轻载或空载时使用储能电容C为开关电源的控制芯片提供正常工作电源。需要说明的是，本实用新型的一些实施例中，控制芯片6除了可包括上述3个模块(即开关部件K、控制电路4和电荷泵5)外，还可以包括用于重载时控制开关部件K的导通/关断、以及为储能电容C充电的电路模块。

图7为根据本实用新型一实施例的用于开关电源的控制芯片中的自供电电路的工作波形示意图,储能电容上的电压Vcc由于芯片内部电路的损耗,从高于第二预定电压Vref2的某一电压开始下降。当Vcc电压下降到第一预定电压Vref1时，控制电路输出的控制信号V0为方波信号，电荷泵接收到方波信号，输出高于储能电容电压Vcc的输出电压Vout信号驱动三极管的基极，三极管产生把基极电流放大并通过发射极给Vcc电容(即储能电容)充电，使得储能电容电压Vcc升高；当储能电容电压Vcc升高到第二预定电压Vref2时，控制电路输出的控制信号V0变为低电平，电荷泵停止工作，输出电压Vout下降，三极管停止对储能电容的供电，由于芯片的耗电，储能电容电压Vcc从上升变为下降，如此往复，储能电容电压Vcc能够基本保持在Vref1与Vref2之间波动。

当VCC电压高于第二预定电压Vref2，轻载供电方式就会停止，可以由重载供电方式给VCC提供高于第二预定电压Vref2的电压，那么轻载供电方式就不会介入，当负载渐渐减小重载供电方式不足以提供足够高的电压，VCC电压就会下降，当VCC下降到第一预定电压Vref1，轻载供电方式就会为VCC供电。

本实用新型的技术方案中，第一预定电压Vref1和第二预定电压Vref2由芯片或电路的工作电压或器件耐压决定，在一个实施例中可选Vref1＝4.9V，Vref2＝5.1V。

本实用新型上述自供电电路用于开关电源中。该开关电源包括通过变换器电连接(耦合)的输入电路和输出电路，变换器的初级线圈一端连接有如上所述的用于开关电源的自供电电路，以便在轻载或空载时使用储能电容C为开关电源的控制器提供工作电源。

包含本实用新型上述自供电电路的开关电源可应用于电气装置，例如小功率充电器、LED灯具等，由包含该自供电电路的开关电源提供工作电源。本实用新型尤其适用于间断使用的、并在轻载或空载时仍需要为开关电源变换器的控制器或控制芯片供电以保证控制器或控制芯片正常工作的电气装置。例如，当用户使用充电器为手机充满电后，手机已拿走，但充电器还连接在AC供电插座上未取下，此时需要由控制芯片控制开关电源的输入电路不再向输出电路传输电能，即控制芯片需要储能电容一直为其提供工作电源，因而储能电容的输出电压Vcc需要控制在预定的范围内。

本实用新型涉及轻载或空载情况下，变压器停止对输出传输能量时，利用主开关对VCC电容(储能电容)充电以避免VCC电容的电压下降至电路所需电压以下，且向输出端传输能量与对VCC充电是分时实现的。

以上实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据此实施，并不能限制本实用新型的保护范围。凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种用于开关电源的自供电电路，其特征在于，包括：开关部件(K)、储能电容(C)、控制电路(4)和电荷泵(5)；其中

所述开关部件(K)第一端用于连接开关电源变换器的初级线圈、第二端通过所述储能电容(C)接地；

所述储能电容(C)用于为所述控制电路(4)和电荷泵(5)供电；

所述控制电路(4)在预定的电压范围内根据所述储能电容(C)的电压(Vcc)的高低输出相应的控制信号(V0)至所述电荷泵(5)以控制所述电荷泵(5)的工作；

所述电荷泵(5)用于根据所述控制电路(4)的控制信号(V0)，输出开关信号(Vout)至所述开关部件(K)的控制端，以控制所述开关部件(K)的导通和关断；且，

所述控制电路(4)当所述储能电容(C)的电压(Vcc)下降至第一预定电压(Vref1)时，输出指示电荷泵工作的控制信号，并当所述储能电容(C)的电压(Vcc)上升至第二预定电压(Vref2)时，输出指示电荷泵停止工作的控制信号，其中所述第二预定电压(Vref2)高于第一预定电压(Vref1)，所述预定的电压范围是第二预定电压(Vref2)到第一预定电压(Vref1)之间。

2.根据权利要求1所述的用于开关电源的自供电电路，其特征在于，

所述开关部件(K)为双极型三极管(Q)，所述双极型三极管(Q)的集电极用于与所述变换器初级线圈连接、发射极与所述储能电容(C)连接，基极与所述电荷泵(5)的输出端连接，或者

所述开关部件(K)为N沟道MOS场效应管，所述N沟道MOS场效应管的漏极用于与所述变换器初级线圈连接、源极与所述储能电容(C)连接，栅极与所述电荷泵(5)的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的用于开关电源的自供电电路，其特征在于，所述电荷泵(5)为升压电荷泵，用以产生高于所述储能电容(C)电压(Vcc) 一预定值的输出电压作为控制所述双极型三极管(Q)或N沟道MOS场效应管导通的开关信号(Vout)，其中所述预定值为所述双极型三极管或N沟道MOS场效应管的导通电压值。

4.根据权利要求2所述的用于开关电源的自供电电路，其特征在于，所述电荷泵(5)为二倍升压电荷泵，用以产生所述储能电容(C)的电压(Vcc)二倍的输出电压作为控制所述双极型三极管(Q)或N沟道MOS场效应管导通的开关信号(Vout)导通的开关信号(Vout)。

5.根据权利要求4所述的用于开关电源的自供电电路，其特征在于，所述二倍升压电荷泵包括：第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、PMOS管(M1)和第一NMOS管(M2)，其中：

第一二极管D的正极与储能电容(C)的电压输出端连接，第一二极管(D1)的负极连接第二二极管(D2)的正极，第二二极管(D2)的负极连接第二电容(C2)的第一端，第二电容(C2)的第二端接地；

PMOS管(M1)的漏极与储能电容(C)的电压输出端连接，PMOS管(M1)的源极与第一NMOS管(M2)的漏极连接，第一NMOS管(M2)的源极接地，PMOS管(M1)和第一NMOS管(M2)的栅极连接所述控制电路(4)的输出端；

第一电容(C1)的第一端与PMOS管(M1)的源极连接，第一电容(C1)的第二端与第一二极管(D1)的负极连接。

6.根据权利要求1所述的用于开关电源的自供电电路，其特征在于，所述控制电路(4)包括用于检测所述储能电容(C)的电压(Vcc)的检测电路、用于根据检测结果产生所述控制信号(V0)的信号发生电路。

7.根据权利要求6所述的用于开关电源的自供电电路，其特征在于，所述检测电路包括比较器(41)、第一电阻(R0)、第二电阻(R1)、第三电阻(R2)和第二NMOS管(M3)，所述信号发生电路包括振荡器(42)，其中，

第一电阻(R0)、第二电阻(R1)、第三电阻(R2)依次串连在储能电容(C)的电压输出端与地之间，比较器的正输入端接参考电位，负输入端连接第一电阻(R0)和第二电阻(R1)之间的节点，比较器(41)的输出端连接振荡器的输入端，振荡器(42)的输出端为控制信号(V0)的输出端；第二NMOS管(M3)的栅极连接比较器的输出端，源极接地，漏极连接第二电阻(R1)、第三电阻(R2)之间的节点。

8.一种用于开关电源的控制芯片，其特征在于，其上集成有如权利要求1至7中任意一项所述的用于开关电源的自供电电路中的开关部件(K)、控制电路(4)和电荷泵(5)，以便在轻载或空载时使用储能电容(C)为所述控制芯片提供工作电源。

9.一种开关电源，包括通过变换器电连接的输入电路和输出电路，其特征在于，变换器的初级线圈一端连接有如权利要求1至7中任意一项所述的用于开关电源的自供电电路，以便在轻载或空载时使用储能电容(C)为开关电源的控制器提供工作电源。

10.一种电气装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的开关电源，并由所述开关电源提供工作电源。