CN102711306B - 一种冲击电流消除电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲击电流消除电路，应用于开关电源中，其通过两级延时电路来控制功率开关管的缓启动，以对启动过程中的冲击电流进行抑制，从而使LED电流维持在一个最小值，消除了冲击电流对LED负载的影响，并且，本发明电路的最小导通压降较现有技术大大减小，因此，其功率损耗更小，有效提高了电路的整体输出效率。

Description

一种冲击电流消除电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体的说，涉及应用于开关电源中的一种冲击电流消除电路。

背景技术

在利用开关电源为LED负载供电的过程中，当LED负载接电瞬间，往往会产生一个较大的冲击电流，该冲击电流的幅值大于LED负载所能承受的最大电流值，因此，需要对此冲击电流进行限制或者消除，以防止LED负载及其他电路元件被损坏。

参考图1，所示为现有的一种软启动冲击电流消除电路的电路图，当开关电源中的变换器Tr的副边电压经整流滤波后输出一电压，该电压首先通过电阻R1*对电容C1*进行充电，当电容C1*充电达到开关管Q1*的导通电压后，开关管Q1*才缓慢导通，之后，LED电流才会逐渐上升，这样，利用电容C1*的充电时间，可延缓开关管Q1*的导通速度，以使得启动时的LED电流能维持在一个较小值，防止LED负载遭大电流冲击而损坏。

但是这种软启动电路最大的不足在于，由于其正向导通压降值是开关管Q1*的阈值电压，如图1所示，若其开关管Q1*为三极管时，其导通压降为：

$U_{\mathrm{on}}=\frac{1}{\mathrm{\β}}{I}_{\mathrm{LED}}({R_1}^{*}+{R_2}^{*})+0.7V...\left(1\right)$

公式（1）中β为所述开关管Q1*的放大系数，I_LED为所述LED负载的驱动电流，从公式（1）中可以看出，所述开关管Q1*的导通压降至少在0.7V以上，并且与LED负载的驱动电流有关，当LED的驱动电流较大时，其导通压降将进一步增大，这么大的导通压降值会导致电路产生很大的功率损耗，以致电路的整体输出效率降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种冲击电流消除电路，其通过两级延时电路来延缓功率开关管的导通速度，以消除冲击电流对LED负载的影响，使LED启动电流维持在一个最小值，并且，本发明电路的最小导通压降较现有技术大大减小，因此，其功率损耗更小，有效提高了电路的整体输出效率。

依据本发明所述的一种冲击电流消除电路，应用于一开关电源，所述冲击电流消除电路设置在所述开关电源的输出端和一LED负载之间，用以消除所述开关电源在启动所述LED负载过程中产生的冲击电流，所述冲击电流消除电路包括一第一延时电路、第二延时电路和控制电路，其中，

所述第一延时电路接收所述开关电源输出端传输的能量，并据此产生一第一控制信号；

所述第二延时电路接收所述第一控制信号，并据以产生一第二控制信号和第三控制信号；

在第一延时时间后，所述第一控制信号控制所述第二控制信号至一固定值；

在第二延时时间后，所述第三控制信号根据所述第二控制信号控制所述控制电路开通，以使所述开关电源的输出能量传递至所述LED负载。

进一步的，所述第一延时电路包括有第一开关管和第一电容，所述第一开关管的第一端经串联连接的第一电阻和第二电阻接所述开关电源输出端的正极，所述第一开关管的第二端接地，其控制端接一串联连接的第三电阻和第四电阻的公共连接点，其中，所述第三电阻和第四电阻串联连接在所述LED负载的负极和地之间；

所述第一电容的第一端接所述第三电阻和第四电阻的公共连接点，其第二端接地；

所述第一电阻和第二电阻的公共连接点的电压为所述第一控制信号。

进一步的，所述第一延时电路包括有一第一三端稳压二极管，所述第一三端稳压二极管的参考端接一串联连接的第五电阻和第六电阻的公共连接点，阴极通过一第七电阻接所述开关电源的输出端的正极，其阳极接地，其中，所述第五电阻和第六电阻依次串联连接在所述开关电源的输出端的正极和地之间；

所述第一三端稳压二极管的阴极和所述第七电阻的公共连接点的电压为所述第一控制信号。

进一步的，所述第二延时电路包括第二开关管和第二电容，所述第二开关管的第一端通过一第八电阻接所述开关电源输出端的正极，其第二端通过第九电阻接地，所述第二开关管的控制端接所述第一电阻和第二电阻的公共连接点；

所述第二电容的第一端接所述第二开关管的第二端，其第二端接地；

所述第二电容的第一端的电压为所述第三控制信号。

进一步的，所述第二延时电路包括第三电容，所述第三电容的第一端接一串联连接的第十电阻和第十一电阻的公共连接点，其中，所述第十电阻和第十一电阻依次串联连接在所述第一三端稳压二极管的阴极和地之间，所述第三电容的第二端接地；

所述第三电容的第一端的电压为所述第三控制信号。

进一步的，所述控制电路包括一功率开关管和限流电阻，所述功率开关管的第一端接所述LED负载的负极，其第二端接地，所述功率开关管的控制端接收所述第二延时电路输出的第三控制信号；

所述限流电阻第一端与所述功率开关管的第一端连接，其第二端与所述功率开关管的第二端连接。

进一步的，还包括一箝位电路，所述箝位电路的第一端与所述第一三端稳压二极管的阴极连接，其第二端接地。

通过本发明的一种冲击电流消除电路，其通过两级延时电路来实现功率开关管导通速度的延缓，有效抑制了开关电源在启动LED负载过程中产生的冲击电流，避免了LED负载遭冲击电流的损坏。并且，本发明电路工作过程中的最小导通压降可为0.15V甚至更低，较现有技术的导通压降大大减小，其功率损耗更小，有效提高了电路的整体输出效率。

附图说明

图1所示为为现有的一种软启动冲击电流消除电路的电路图；

图2所示为依据本发明的一种冲击电流消除电路第一实施例的电路图；

图3所示为依据本发明的一种冲击电流消除电路第二实施例的电路图；

图4所示为依据本发明的一种冲击电流消除电路第三实施例的电路图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2，所示为依据本发明的一种冲击电流消除电路第一实施例的电路图，所述冲击电流消除电路应用于一开关电源中，如图2所示，所述开关电源用以将一直流电压供给LED负载，所述LED负载可以由一个或多个LED灯串联后组成，所述开关电源输出端的正极与所述LED负载的正极端相连接，所述冲击电流消除电路设置在所述开关电源的输出端和所述LED负载之间。从图2中可以得知，所述开关电源至少还包含有一电解电容C4，用以在LED负载未接通之前储存能量。具体的，所述冲击电流消除电路包括第一延时电路、第二延时电路和控制电路，下面详细描述在本实施例中所述第一延时电路、第二延时电路和控制电路的具体实现方式。

在本实施例中，所述第一延时电路201包括有第一开关管Q1和第一电容C1，所述第一开关管的第一端经串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2接所述开关电源输出端的正极，所述第一开关管Q1的第二端接地，其控制端接一串联连接的第三电阻R3和第四电阻R4的公共连接点D，其中，所述第三电阻R3和第四电阻R4串联连接在所述LED负载的负极和地之间；所述第一电容C1的第一端接所述第三电阻R3和第四电阻R4的公共连接点D，其第二端接地；其中，所述第一电阻R1和第二电阻R2的公共连接点B的电压为所述第一控制信号V_C1。所述第二延时电路202包括第二开关管Q2和第二电容C2，所述第二开关管Q2的第一端通过一第八电阻R8接所述开关电源输出端的正极，其第二端通过第九电阻R9接地，所述第二开关管Q2的控制端接所述第一电阻R1和第二电阻R2的公共连接点B；所述第二电容C2的第一端接所述第二开关管Q2的第二端，其第二端接地；其中，所述第二电容C2的第一端的电压为所述第三控制信号V_C3。所述控制电路203包括一功率开关管Q_M，所述功率开关管Q_M的第一端接所述LED负载的负极，其第二端接地，所述功率开关管Q_M的控制端接收所述第二延时电路202输出的第三控制信号，具体地，所述功率开关管Q_M的控制端通过一第十二电阻R12与所述第二电容C2的第一端相连接以接收所述第三控制信号V_C3，所述第十二电阻R12为驱动电阻，以防止所述功率开关管Q_M的栅极电流过大；所述限流电阻R_L第一端与所述功率开关管Q_M的第一端连接，其第二端与所述功率开关管Q_M的第二端连接。

本实施例中所述第一开关管Q1、第二开关管Q2为双极型晶体管，所述功率开关管Q_M为N型场效应晶体管，所述第一开关管Q1的第一端、第二端和控制端分别为集电极、发射极和基极；所述第二开关管Q2的第一端、第二端和控制端分别为发射极、集电极和基极；所述功率开关管Q_M的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

本实施例中所述冲击电流消除电路工作过程为：第一开关管Q1、第二开关管Q2和功率开关管Q_M初始状态均为关断状态，当LED负载接电瞬间，功率开关管Q_M的漏极即图2中A点会产生一电压u_A，所述A点的电压即为表征所述开关电源输出端输出的能量，所述电压u_A经第三电阻R3和第四电阻R4分压后，由第三电阻R3提供的电流对所述第一电容C1充电，当第一电容C1两端电压达到第一开关管Q1的导通电压时，所述第一开关管Q1导通，第一开关管Q1的导通会使所述第一电阻R1和第二电阻R2的公共连接点B的电压拉低，所述公共连接点B点的电压为所述第一控制信号V_C1；这样，所述第二开关管Q2的基极接收所述第一控制信号V_C1，致使所述第二开关管Q2的基极电压被拉低，从而使第二开关管Q2导通，所述第二开关管Q2导通后，表征所述开关电源输出能量的电压信号经第八电阻R8和第九电阻R9分压，由第八电阻R8提供电流给所述第二电容C2充电，这里，所述第八电阻R8提供的电流为所述第二控制信号I_C2，其为一稳定的固定值，如图2所示，其值为所述第八电阻的压降与其阻值的比值；也即是所述第二控制信号I_C2作为充电电流给所述第二电容C2充电。所述第二电容C2的第一端电压为所述第三控制信号V_C3，当第三控制信号V_C3充电达到所述功率开关管Q_M的导通电压时，所述功率开关管Q_M导通，此时，LED电流才会因为功率开关管Q_M导通而上升，因此，由上述过程可知，由于所述第一电容C1的充电时间的延时，会带来第一开关管Q1的导通速度的延缓，然后由于第二电容C2充电时间的延时会延缓功率开关管Q_M的导通速度，这样，足以保证启动时的冲击电流被有效抑制，所述功率开关管Q_M在所述冲击电流消除之后才接通所述LED负载，达到了安全启动的目的。

进一步的，所述冲击电流消除电路还包括一限流电阻R_L，所述限流电阻R_L用以在所述功率开关管Q_M导通之前，使所述LED负载和开关电源的输出形成一回路，并且，所述限流电阻的阻值为较大，这样，在所述LED负载未正式启动前，由限流电阻R_L限制所述LED负载流过一较微小的电流，达到缓启动的效果，对启动过程中的冲击电流也能有更好的抑制作用。

此外，从根据图2所示的冲击电流消除电路可以推出，本实施例的电路工作过程中的开关管的导通压降U_on为：

$U_{\mathrm{on}}=U_{\mathrm{BE}}\×\frac{R_3+R_4}{R_4}...\left(2\right)$

公式（2）中U_BE为第一开关管Q1导通时的基射极电压，一般为0.7V。另外，本实施例在电路设计中，电阻R3的阻值要远小于电阻R4的阻值，因此电路中的导通压降U_on≈U_BE，即大约为0.7V，其导通压降不受LED负载驱动电流的影响，要小于现有技术中的导通压降，因此，其开关管的功率损耗会更小，电源利用效率得到进一步的提高。

综上所述，依照本发明实施例所公开的一种冲击电流消除电路，可通过延缓功率开关管的导通速度，消除启动过程中的冲击电流对LED负载的影响，使LED电流维持在一个最小值，并且，本发明电路的最小导通压降较现有技术大大减小，因此，其功率损耗更小，有效提高了电路的整体输出效率。

参考图3，所示为依据本发明的一种冲击电流消除电路第二实施例的电路图，本实施例中的控制电路303与图2所示实施例中的控制电路结构相同，在此不重复阐述，下面详细介绍本实施例中的第一延时电路和第二延时电路的具体实现方式。

在本实施例中，所述第一延时电路301包含有一第一三端稳压二极管D2，所述第一三端稳压二极管D2的参考端接一串联连接的第五电阻R5和第六电阻R6的公共连接点E，阴极通过一第七电阻R7接所述开关电源的输出端的正极，其阳极接地，其中，所述第五电阻R5和第六电阻R6依次串联连接在所述开关电源的输出端的正极和地之间；所述第一三端稳压二极管D2的阴极和所述第七电阻R7的公共连接点F的电压为所述第一控制信号V_C1。所述第二延时电路302包含有第三电容C3，所述第三电容C3的第一端接一串联连接的第十电阻R10和第十一电阻R11的公共连接点G，其中，所述第十电阻R10和第十一电阻R11依次串联连接在所述第一三端稳压二极管的阴极和地之间，所述第三电容的第二端接地；所述第三电容C3的第一端的电压为所述第三控制信号V_C3。所述控制电路303中的功率开关管Q_M与所述第三电容C3的第一端连接以接收所述第三控制信号V_C3。

本实施例中所述冲击电流消除电路工作过程为：功率开关管Q_M初始状态为关断状态，在所述LED负载没有接电时，所述开关电源的输出能量存储在电解电容C4中，当LED负载接通之后，表征所述开关电源输出能量的电压信号经所述第五电阻R5和第六电阻R6分压后得到电压V_E，在初始时，所述电压V_E会较大，根据三端稳压二极管的特性，其阴极的电压V_F就会较小，也即是所述第一控制信号V_C1较小；所述第二延时电路接收所述第一控制信号V_C1，所述第一控制信号V_C1即电压V_F经第十电阻R10和第十一电阻R11分压，由第十电阻R10提供电流给第三电容C3充电，这里，所述第十电阻R10提供的电流为所述第二控制信号I_C2，其值为第十电阻的压降与其阻值的比值，所述第二控制信号I_C2作为充电电流给所述第三电容充电，但此时由于第二控制信号I_C2较小，因此所述第三电容C3的两端电压也较小，即所述第三控制信号V_C3较小，不足以驱动所述功率开关管Q_M导通，所述功率开关管Q_M仍保持关断状态。在所述LED负载接电后，由限流电阻R_L、LED负载和开关电源的输出端构成一回路，在本发明实施例中，所述限流电阻R_L的阻值为较大，这样，所述LED负载中会限制为流过一较微小的电流，之后，所述电解电容C4储存的能量会逐渐转移到LED负载和所述限流电阻R_L上，因此，所述第五电阻R5和第六电阻R6的公共连接点E的电压也会减小，根据三端稳压二极管的特性，其阴极的电压V_F就会增大，即第一控制信号V_C1增大，此时，所述第二控制信号I_C2随之增大，并且达到一个稳定的固定值，如图3所示，其值为所述开关电源的输出电压与所述第七电阻R7、第十电阻R10和第十一电阻R11之和的比值。所述第二控制信号I_C2作为充电电流继续给第三电容C3充电，所述第三电容C3的第一端电压增大，当第三控制信号V_C3充电达到所述功率开关管Q_M的导通电压时，所述功率开关管Q_M导通，此时，LED电流才会因为功率开关管Q_M导通而上升。

从上述过程可以看出，由于所述第三电容C3的充电时间的延时，会带来功率开关管Q_M的导通速度的延缓，这样，足以保证启动时的冲击电流被有效抑制，开关电源能够安全启动，并且本发明中实施例中使所述LED负载在启动前流过一较微小的电流，达到缓启动的效果，对启动过程中的冲击电流也能有更好的抑制作用。此外，根据图3所示的冲击电流消除电路，本实施例电路在工作过程中的开关管的导通压降为：

U_on=R_{ds_on}×I_LED.......................(3)

公式（3）中R_{ds_on}为功率开关管Q_M的漏极到源极的导通电阻值，I_LED为所述LED负载的驱动电流值，通过选择较小的R_{ds_on}值的场效应晶体管，可将功率开关管的功耗控制到最小。例如，常规的场效应晶体管的R_{ds_on}值为0.3Ω，在LED负载驱动电流为500mA的情况下，其导通电压仅为0.15V，远远小于现有技术中的导通压降，因此，其开关管的功率损耗会更小，开关电源的整机利用效率得到大幅提高。

参考图4，所示为依据本发明的一种冲击电流消除电路第三实施例的电路图，本实施例在图3所示实施例的基础上进一步包括一箝位电路404，所述箝位电路404的第一端与所述第一三端稳压二极管D2的阴极连接，其第二端接地。所述箝位电路具有一箝位电压值，其用以将所述三端稳压二极管D2的阴极电压箝位至所述箝位电压。本实施例中所述箝位电路具体为一稳压二极管D3，所述稳压二极管D3的阴极与所述三端稳压二极管D2的阴极连接，其阳极接地。本领域技术人员可知，所述箝位电路也可以为其他具有相同功能的电路替代。

本实施例通过所述箝位电路404的设置，可使所述开关电源的输出电压变化时，不用改变第七电阻R7、第十电阻R10和第十一电阻R11的阻值，以使所述功率开关管Q_M的栅极电压不会过高，保证所述功率开关管安全导通且不造成能量的浪费。

综上所述，依照本发明所公开的一种冲击电流消除电路，可通过两级延时电路延缓功率开关管的导通速度，消除了启动过程中的冲击电流对LED负载的影响，使LED启动电流维持在一个最小值，保证开关电源的安全启动，并且，本发明电路的最小导通压降较现有技术大大减小，因此，其功率损耗更小，有效提高了电路的整体输出效率。

以上对依据本发明的优选实施例的一种冲击电流消除电路进行了详尽描述，在本发明中所述的开关管可由双极型晶体管和场效应晶体管相互替代，具体要求可根据用户需要自己设置。另外，本领域普通技术人员据此可以推知其他相同功能的技术或者结构以及元器件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种冲击电流消除电路，应用于一开关电源，所述冲击电流消除电路设置在所述开关电源的输出端和一LED负载之间，用以消除所述开关电源在启动所述LED负载过程中产生的冲击电流，其特征在于，所述冲击电流消除电路包括一第一延时电路、第二延时电路和控制电路，其中，

所述第一延时电路包括有第一开关管和第一电容，所述第一开关管的第一端经串联连接的第一电阻和第二电阻接所述开关电源输出端的正极，所述第一开关管的第二端接地，其控制端接一串联连接的第三电阻和第四电阻的公共连接点，其中，所述第三电阻和第四电阻串联连接在所述LED负载的负极和地之间；所述第一电阻和第二电阻的公共连接点的电压作为第一控制信号；

所述第二延时电路接收所述第一控制信号，并据以产生一第二控制信号和第三控制信号；

在第一延时时间后，所述第一控制信号控制所述第二控制信号至一固定值；

在第二延时时间后，所述第三控制信号根据所述第二控制信号控制所述控制电路开通，以使所述开关电源的输出能量传递至所述LED负载。

2.根据权利要求1所述的一种冲击电流消除电路，其特征在于，所述第二延时电路包括第二开关管和第二电容，

所述第二开关管的第一端通过一第八电阻接所述开关电源输出端的正极，其第二端通过第九电阻接地，所述第二开关管的控制端接所述第一电阻和第二电阻的公共连接点；

所述第二电容的第一端接所述第二开关管的第二端，其第二端接地；

所述第二电容的第一端的电压为所述第三控制信号。

3.根据权利要求1所述的一种冲击电流消除电路，其特征在于，所述控制电路包括一功率开关管和限流电阻，

所述功率开关管的第一端接所述LED负载的负极，其第二端接地，所述功率开关管的控制端接收所述第二延时电路输出的第三控制信号；

所述限流电阻第一端与所述功率开关管的第一端连接，其第二端与所述功率开关管的第二端连接。

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