TW201817143A

TW201817143A - 一種用於開關電源快速啟動的系統

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Publication number: TW201817143A
Application number: TW105141647A
Authority: TW
Inventors: 張允超; 張秀紅; 夏正蘭; 方烈義
Original assignee: 昂寶電子（上海）有限公司
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-05-01
Also published as: CN106374733A; TWI622258B; CN106374733B

Abstract

本發明涉及一種用於開關電源快速啟動的系統。提供了一種用於開關電源快速啟動的系統，包括：電磁干擾濾波電路、輸入整流電路、啟動電路、以及輸出整流電路，其中：電磁干擾濾波電路的輸入端與交流電源相連接，輸出端與整流電路相連接；輸入整流電路的輸入端與電磁干擾濾波電路的輸出端相連接，輸出端與啟動電路的輸入端相連接；啟動電路的輸入端與輸入整流電路的輸出端相連接，輸出端與回饋取樣電路的輸入端相連接；回饋取樣電路一端與啟動電路的輸入端相連接，另一端接地；並且其中，啟動電路包括第一電阻器、齊納二極體、第一二級管、第二二極體、第一電晶體、第二電晶體、欠壓感測電路、驅動器、電容器、第二電阻、以及第三電阻器。

Description

一種用於開關電源快速啟動的系統

本發明涉及電路領域，更具體地涉及用於開關電源快速啟動的系統。

近年來，開關電源技術不斷發展，有著廣泛的應用前景。但是由於開關電源中控制電路比較複雜，電晶體和集成器件耐受電、熱衝擊的能力較差，在使用過程中給用戶帶來很大不便。為了保護開關電源自身和負載的安全，根據開關電源的原理和特點，設計了過熱保護、過電流保護、過電壓保護以及軟啟動保護電路。

一般而言，AC/DC(直流/交流)電源系統通過在bulk電容到IC VDD接啟動電阻來實現IC(Integrate Circuit，集成電路)啟動，如下第1圖所示。第1圖是示出了傳統AC/DC系統應用的圖示。

在第1圖中，由電阻器R1給VDD(Virtual Device Driver)電容器C1充電，當C1電容上電壓高於UVLO(Under Voltage Lock Out)電壓，IC完成啟動開始工作；由於考慮到待機功耗和效率，一般來說R1的阻值儘量大，但是R1的阻值太大會導致給電容器C1充電的時間增長，會導致啟動時間過長。同時在輸入AC電壓不同的情況下，啟動時間也不同。例如：假設R1取值3Mohm，C1取值4.7uF；並且假設IC UVLO(欠壓鎖定)電壓為16V，則90V的AC下電路啟動時間為1.8S，264V的AC下啟動時間為0.6S，並且啟動電阻器R1消耗功耗為46mW。啟動電阻器消耗了較多的功率。

鑒於以上所述的問題，本發明提供了一種用於開關電源快速啟動的系統。

根據本公開的一個方面，提供了一種用於開關電源快速啟動的系統，包括：電磁干擾濾波電路、整流電路、啟動電路、以及整流電路，其中：電磁干擾濾波電路的輸入端與交流電源相連接，輸出端與整流電路相連接；整流電路的輸入端與電磁干擾濾波電路的輸出端相連接，輸出端與啟動電路的輸入端相連接；啟動電路的輸入端與整流電路的輸出端相連接，輸出端與回饋取樣電路的輸入端相連接；回饋取樣電路一端與啟動電路的輸入端相連接，另一端接地；並且其中，啟動電路包括串聯連接的第一電阻器、齊納二極體、第一二極體、第二二極體、第一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET M1)，第二金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET M2)，VDD欠壓感測電路(UVLO)，驅動器，電容器(C1)，第二電阻器(R0)，第三電阻器(R1)。，其中電容器一端接地，並與第一電阻器、第二二極體、第二電阻器、齊納二極體的負極串聯，第三電阻器通常一端接經整流的電源的正極、另一端接齊納二極體負極，欠壓感測電路一端接所述電容器、另一端接驅動器和第二金屬氧化物半導體場效應電晶體，驅動器與欠壓感測電路以及第一二極體相連接。

根據本申請實施例提供了一種用於開關電源快速啟動的系統，其具有較低功率損耗。取決於實施例，還可以獲得一個或多個益處。參考下面的詳細描述和附圖可以全面地理解本發明的這些益處以及各個另外的目的、特徵和優點。

AC‧‧‧直流

Icharge‧‧‧啟動電流

DC‧‧‧交流

D1、D2‧‧‧二極體

C1‧‧‧電容器

Z1‧‧‧齊納二極體

Rc‧‧‧第一電阻器

PWM‧‧‧脈衝寬度調變

R0‧‧‧第二電阻器

PFM‧‧‧脈衝頻率調變

R1‧‧‧第三電阻器

M1‧‧‧第一金屬氧化物半導體場效應電晶體

UVLO‧‧‧欠壓鎖定

M2‧‧‧第二金屬氧化物半導體場效應電晶體

por‧‧‧輸出端

GATE、SW、VDD、FB、GND、CS‧‧‧引腳

下面，將結合附圖對本實用新型的示例性實施例的特徵、優點和技術效果進行描述，附圖中相似的附圖標記表示相似的元件，其中：

第1圖是示出了傳統AC/DC系統應用的圖示。

第2圖是示出了根據本公開的實施例的、快速啟動二次側調節(SSR)的AC/DC的示例性圖示。

第3圖是示出了根據本公開的實施例的、快速啟動一次側調節 (PSR)的AC/DC的示例性圖示。

下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。

第2圖是示出了根據本公開的實施例的、快速啟動二次側調節(SSR)的AC/DC的示例性圖示。該圖僅作為示例，其不應該不適當地限制申請專利範圍。本領域的普通技術人員應該理解很多變化、替代和修改。

如第2圖所示，AC/DC電源系統二次側包括電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)濾波電路、輸出整流濾波電路。根據不同的應用，EMI濾波電路可以包括一個或兩個電感，也可以只包括一個共模電感(在包括一個或多個高壓電解電容的同時)；可以只包括一個高壓電解電容(在包括一個或兩個電感或者一個共模電感的同時)；並且在有些場合中可以不包括ESD(Electrostatic Discharge，靜電放電)放電電阻。在第2圖所示的實施例中，輸出整流濾波電路包括4個輸出整流二極體，並且可選的包括濾波電容。針對不同的輸出紋波要求，輸出整流濾波電路可以增加π型濾波電路或者共模濾波電路來改善濾波效果。本領域技術人員可以根據需要對二極體設置不同接法，以達到不同的紋波要求。整流二極體上可以並有RC吸收電路，RC吸收電路根據需要可以調整或者不用。

AC/DC電源系統還包括脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制晶片及必要的週邊輔助元件。其中，PWM控制晶片具備全面的保護功能。AC/DC電源系統還包括UVLO元件。電源開啟後，UVLO元件使內部電路處於待機狀態，直到DC/DC轉換器的輸入電壓(VIN)達到UVLO電壓，以此來減少功率消耗並避免誤操作。

根據本公開的實施例，AC/DC電源系統還包括啟動系統。啟動系統包括第一電阻器Rc、齊納二極體Z1、二極體D1、二極體D2，第一功率電晶體，第二功率電晶體，VDD欠壓感測電路(UVLO)，驅動器，電容器(C1)，第二電阻器(R0)，第三電阻器(R1)。在一個示例中，功率電晶體是雙極結型電晶體。在又另一示例中，功率電晶體是絕緣閘雙極性接面電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。優選地，功率電晶體是場效應電晶體(例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))。驅動器與啟動電阻器R1、齊納二極體Z1、二極體D1、二極體D2串聯連接。

第3圖是示出了根據本公開的實施例的、快速啟動一次側調節(PSR)的AC/DC的示例性圖示。該圖僅作為示例，其不應該不適當地限制申請專利範圍。本領域的普通技術人員應該理解很多變化、替代和修改。相似的元件已參考第2圖進行了描述，此處不再重複。

根據本公開的實施例，AC/DC電源系統的一次側還可以包括回饋取樣電路。回饋取樣電路可以包括回饋元件、取樣和保持元件、誤差放大器。回饋取樣電路可以，例如對該電源電路的輸出電壓進行取樣，通過TL431(可控精密穩壓源)對取樣電壓進行調節，並將調節後的取樣電壓回饋到PWM控制晶片，進而開關電路中的占空比。

根據本公開的實施例，AC/DC電源系統通電後，由於低電壓，最初積體電路IC處於UVLO狀態。UVLO元件到驅動器的輸出端por的輸出為“0”，M2 MOS管(金屬氧化物半導體二極體)為關斷狀態。啟動電阻器R1放電將GATE pin處的電壓一直上拉，直到齊納二極體 Z1和二極體D1導通。啟動電阻器R1的阻值可以由本領域技術人員根據實際需要設定，其阻值可以非常大。此時，GATE pin處的電壓VGATE保持如下：VGATE=VDD+Vz+Vd1 (等式1)

其中，VDD為電容器C1電壓；Vz是齊納二極體Z1的擊穿電壓；並且Vd1是二極體D1的導通電壓。

由於VGATE pin升高，MOS M1管導通，因此有電流從buck電容器流到M1(M1可以集成在積體電路內部，或者連接在積體電路外部),SW引腳，二極體D2，電阻器Rc到VDD引腳，對電容器C1充電。其中在GATE-SW之間設置電阻器R0，以給功率MOS M1管一個確定的狀態，防止AC開機瞬間或者反復直流導通/關斷的較大的大電流流過M1管，導致電路超載，甚至器件損壞。

R0的阻值可以是R1阻值的1/5~1/10。假設M1 MOS管的開啟閾值為Vth，則流過R0電阻的電流為Vth/R0，由於R0阻值較大，而Vth閾值很小(例如，大約3V)，所以流過R0電阻器的電流遠小於流過R1電阻電流，因此電阻器Rc上的電壓降VRc計算如下：VRc=VGATE-Vth-Vd2-VDD (等式2)

其中，Vth為M1 MOS管開啟閾值；VDD為電容器C1電壓；Vd2為二極體D2導通壓降；並且VGATE為GATE pin處的電壓。

由等式(1)可知VGATE為VDD+Vz+Vd1，因此可以將電阻器Rc上電壓將VRc計算如下：VRc=Vz+Vd1-Vd2-Vth (等式3)

因此對電容器C1的充電電流為：Ich arg e=(Vz+Vd1-Vd2-Vth)/R (等式4)

其中R為電阻器Rc的阻值。

從等式4可知，充電電流Icharge是固定值，不隨AC輸入電壓變化，因此，不同輸入電壓下啟動時間都是一樣的。可以調節Rc 阻值來實現不同的充電電流。

積體電路IC的啟動時間Ton可以計算如下：Ton=C1*Vuvlo/Icharge (等式5)

限設Vz=6V,Vd1=Vd2=0.7V,Vth=3V；Rc取值20Kohm，R1取值100Mohm，R0取值20Mohm，C1=4.7uF，IC UVLO為Vuvlo=16V；則Icharge=(6+0.7-0.7-3)/20=150uA。

將Icharge=150uA代入等式5，可以得到IC啟動時間為：Ton=4.7*16/150=0.5s。

而啟動電阻器R1(100Mohm)在264V下消耗功耗為1.4mW，相比傳統啟動電阻器R1=3Mohm消耗的46mW功耗，只有其1/33，極大的降低了系統待機功耗以及提高了系統效率。

本領域技術人員將會理解，可以通過調整Rc電阻器的阻值R來控制啟動時間。由等式4、等式5可得：Ton=C1*Vuvlo*R/(Vz+Vd1-Vd2-Vth) (等式6)

可知Rc電阻器的阻值R與積體電路IC的啟動時間Ton成正比，所設定的R越大，則IC電路啟動需要的時間越長。例如，在可選的實施例中，可以設置較高的Rc電阻器的阻值R以獲得較長的啟動時間；或者可以設置較低的Rc電阻器的阻值R以獲得較短的啟動時間。

本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而不是限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而不是上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。

本發明各個實施例中的一些或所有元件單獨地和/或與至少另一元件相組合地是利用一個或多個軟體元件、一個或多個硬體元件和/或軟體與硬體元件的一種或多種組合來實現的。在另一示例中，本發明各個實施例中的一些或所有元件單獨地和/或與至少另一元件相組合地在一個或多個電路中實現，例如在一個或多個類比電路和/或一個或多個數位電路中實現。在又一示例中，本發明的各個實施例和/或示例可以相組合。

雖然已描述了本發明的具體實施例，然而本領域技術人員將明白，還存在於所述實施例等同的其它實施例。因此，將明白，本發明不受所示具體實施例的限制，而是僅由申請專利範圍來限定。

Claims

一種用於開關電源快速啟動的系統，包括：電磁干擾濾波電路、輸入整流電路、啟動電路、以及輸出整流電路，其中：所述電磁干擾濾波電路的輸入端與交流電源相連接，輸出端與所述輸入整流電路相連接；所述輸入整流電路的輸入端與所述電磁干擾濾波電路的輸出端相連接，輸出端與所述啟動電路的輸入端相連接；所述啟動電路的輸入端與所述整流電路的輸出端相連接，輸出端與所述回饋取樣電路的輸入端相連接；所述回饋取樣電路一端與所述啟動電路的輸入端相連接，另一端接地；並且其中，所述啟動電路包括第一電阻器、齊納二極體、第一二級管、第二二極體、第一電晶體、第二電晶體、欠壓感測電路、驅動器、電容器、第二電阻、以及第三電阻器，其中所述電容器一端接地，並與所述第一電阻器、所述第二二極體、所述第二電阻器、所述齊納二極體的負極串聯，所述第三電阻器通常一端接經整流的電源的正極、另一端接所述齊納二極體負極，所述欠壓感測電路一端接所述電容器、另一端接所述驅動器和所述第二電晶體，所述驅動器與所述欠壓感測電路以及所述第一二極體相連接。
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第一電晶體和所述第二電晶體是金屬氧化物半導體場效應電晶體。
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第一電阻器的電阻的是可變的。
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述第二電阻器的電阻的值在所述第三電阻器的電阻的值的1/5~1/10之間。
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述電容器的充電電流根據下式來確定： Ich arg e=( Vz+ Vd1- Vd2- Vth)/ R其中，Icharge表示所述電容器的充電電流，Vz表示所述齊納二極體的擊穿電壓，Vd1表示所述第一二極體的導通電壓，Vd2表示所述第一二極體的導通電壓，Vth表示所述第一電晶體的開啟閾值，R表示所述第一電阻器的阻值，
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述電磁干擾濾波電路包括π型濾波電路和/或共模濾波電路。
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述回饋取樣電路包括一個或多個取樣電阻。
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中所述電磁干擾濾波電路包括電感和高壓電解電容。
根據申請專利範圍第1項所述的系統，其特徵在於，電磁干擾濾波電路還包括靜電放電電阻。