CN102882359B - 一种偏置电压产生电路以及应用其的开关电源 - Google Patents

一种偏置电压产生电路以及应用其的开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明的一种偏置电压产生电路及应用其的开关电源，克服了现有技术中开关电源的偏置电压产生电路成本高、体积大且效率低的问题，其包括偏置电容和充放电电路，而所述充放电电路在所述主开关管关断时对偏置电容充电以得到偏置电压。依据本发明的偏置电压产生电路能够满足控制电路的供电需求，其电路结构简单，无需使用辅助绕组等复杂器件，成本较低。另外通过调整启动电阻和偏置电容的参数，能够减小电能损耗并缩短控制电路的启动时间达到高效率供电和快速启动的技术效果。

Description

一种偏置电压产生电路以及应用其的开关电源
技术领域
本发明涉及一种电力电子领域，尤其涉及一种偏置电压产生电路及应用其的开关电源。
背景技术
随着电子信息产业的飞速发展，开关电源被广泛的应用在计算机、电力设备、仪器仪表、LED照明、医疗器械、军工设备等领域。目前比较常用的开关电源的电路结构中除了功率级电路和控制电路外，一般还要设置为控制电路供电的偏置电压电路。
如图1A所示的为LED装置供电的开关电源，主电路采用反激式的隔离型拓扑，其为控制电路供电的偏置电压电路包括一与变压器耦合的辅助绕组Na，通过辅助绕组来接收功率级电路中的电能对电容C2进行充电得到所需要的偏置电压Vbias，但辅助绕组使变压器的结构更加复杂且增加成本。在图1B所示的电路框图中，无需辅助绕组，而是直接利用开关电源的输出电压通过一二极管和线性调节器LDO为电容提供充电电流，所述线性调节器LDO为一独立的电源，它的加入必然导致成本和体积的增加，且效率较低。从上述可以看出，目前的开关电源电路亟需一种高效率、低成本的偏置电压产生电路为控制电路供电，进而保证功率级电路顺利进行电能转换工作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种偏置电压产生电路及应用其的开关电源，以克服现有技术中开关电源的偏置电压产生电路成本高、体积大且效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
依据本发明一实施例的一种偏置电压产生电路，用以向开关电源的控制电路提供一偏置电压，包括充放电电路和偏置电容；其中
所述充放电电路分别连接所述偏置电容和所述开关电源的主开关管的第一功率端，并接收功率级电路提供的电能；当所述主开关管导通时，所述充放电电路进行放电动作；当所述主开关管关断时，所述充放电电路对所述偏置电容进行充电以为所述控制电路提供所述偏置电压。
进一步的，所述充放电电路包括储能电路、放电支路和充电支路；其中，
所述储能电路的一端连接至所述主开关管的第一功率端，另一端分别连接所述放电支路和充电支路；
当所述主开关管导通时，所述储能电路通过所述放电支路进行放电；当所述主开关管关断时，所述储能电路通过所述充电支路对所述偏置电容充电；所述偏置电容的电压作为所述偏置电压。
进一步的，所述放电支路包括第一二极管；所述充电支路包括第二二级管；
所述储能电路分别连接所述第一二极管和所述第二二极管；
所述第一二极管用以构成所述储能电路的放电回路。
所述第二二极管用以保证电能由所述储能电路向所述偏置电容的单向传输。
优选的，所述放电支路进一步包括一与所述第一二极管串联的限流电阻。
优选的，所述储能电路包括第一储能电容。
优选的，进一步包括第一电阻，所述第一电阻与第一储能电容并联或串联连接。
优选的，进一步包括与所述第一储能电容串联连接的第一电感。
优选的，进一步包括与所述第一电感并联连接的第二电阻。
依据本发明一实施例的一种开关电源，包括功率级电路和控制电路，进一步包括依据本发明的任一合适的偏置电压产生电路；
所述偏置电压产生电路分别连接所述功率级电路和控制电路，并产生一偏置电压对所述控制电路进行供电；
所述控制电路通过控制所述功率级电路的开关动作进行电能转换，以在开关电源的输出端得到一输出电信号。
优选的，所述功率级电路的拓扑结构为隔离型或非隔离型变换器。
优选的，所述输出电信号为一恒压信号或恒流信号。
优选的，当所述输出电信号为恒流信号时，所述开关电源为LED负载供电。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的偏置电压产生电路包括偏置电容和充放电电路，而所述充放电电路在所述主开关管关断时对偏置电容充电以得到偏置电压。依据本发明的偏置电压产生电路能够满足控制电路的供电需求，其电路结构简单，无需使用辅助绕组等复杂器件，成本较低。另外通过调整启动电阻和偏置电容的参数，能够减小电能损耗并缩短控制电路的启动时间达到高效率供电和快速启动的技术效果。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1A所示为现有的一种应用在反激式LED驱动电路中的偏置电压产生电路的原理框图；
图1B所示为现有的一种应用在非隔离型LED驱动电路中的偏置电压产生电路的原理框图；
图2所示为依据本发明的偏置电压产生电路的第一实施例的原理框图；
图3所示为储能电路的实现方式示意图；
图4所示为依据本发明的偏置电压产生电路的第二实施例的原理框图；
图5所示为依据本发明的偏置电压产生电路的第三实施例的原理框图；
图6所示为依据本发明的偏置电压产生电路的第四实施例的原理框图。
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偏置电压产生电路应用于反激式拓扑的开关电源中，所述开关电源向LED负载提供一稳定的输出电流。所述偏置电压产生电路为控制电路提供一偏置电压Vbias。其中所述偏置电压产生电路包括充放电电路201和偏置电容Cb；其中
所述充放电电路201分别连接所述偏置电容Cb和所述开关电源的主开关管Q1的第一功率端，并接收功率级电路提供的电能；当所述主开关管Q1导通时，所述充放电电路201进行放电动作；当所述主开关管Q1关断时，所述充放电电路201对所述偏置电容Cb进行充电以为所述控制电路提供所述偏置电压Vbias。
另外，所述偏置电容Cb可以通过一启动电阻Rst连接至所述开关电源的直流母线，所述偏置电容Cb的另一端接地。在所述控制电路开始工作时，所述功率级电路中的电能通过所述启动电阻Rst对所述偏置电容Cb充电得到所述控制电路的启动电压，当所述偏置电容Cb上的电压大于欠压锁定阈值时，所述控制电路结束欠压锁定状态而进入正常工作状态。
在开关电源的工作过程中，所述启动电阻上有可能仍存在微量的电流，由此可以看出适当增大所述启动电阻Rst的阻值来减小电能损耗，而根据所述启动电阻Rst和偏置电容Cb得到的时间常数决定了启动时间的长短，因此可以通过适当减小偏置电容Cb的容值来缩短所述控制电路的启动时间实现快速启动。
所述充放电电路201包括一储能电路、放电支路和充电支路；其中所述储能电路的一端连接至所述主开关管Q1的第一功率端，另一端分别连接所述放电支路和所述充电支路。当所述主开关管Q1导通时，所述储能电路通过所述放电支路进行放电；当所述主开关管Q1关断时，所述储能电路通过所述充电支路对所述偏置电容Cb充电；所述偏置电容Cb的电压即所述偏置电压Vbias。
所述储能电路具有多种实现形式，为了便于说明，在本实施例中以所述储能电路包括第一储能电容C1为例进行说明。如图3所示的四种电路形式：（1）加入一第一电阻R1，其与所述第一储能电容C1串联连接；（2）所述第一电阻R1与所述第一储能电容C1并联连接；（3）加入一第一电感L1，其与所述第一储能电容C1串联连接；（4）加入一第二电阻R2，所述第一电感L1与所述第二电阻R2并联连接后与所述第一储能电容C1串联连接；以及在这些电路的基础上进行的变形、替换等得到的实现形式均可以适用于储能电路。
所述放电支路包括一第一二极管D1；所述充电支路包括一第二二级管D2；所述第一储能电容C1的一端连接至所述主功率管Q1的漏极（以MOSFET晶体管为例），另一端分别连接所述第一二极管D1的阴极和所述第二二极管D2的阳极；所述第一二极管D1的阳极连接至地用以构成所述第一储能电容C1的放电回路；所述第二二极管D2的阴极连接至所述启动电阻Rst和所述偏置电容Cb的公共连接点，用以保证电能由所述第一储能电容C1向所述偏置电容Cb单向传输。
这里需要说明的是，所述第一二极管D1的阳极可以接到任何一电位来和所述主功率管Q1组成放电回路，例如所述主功率管Q1的源极。另外，为了限制放电电流，可以串联一限流电阻在所述第一二极管D1构成的放电回路中。
当所述主功率管Q1导通时，其漏源电压VDS被拉低，所述第一储能电容C1进行放电，所述第一二极管D1为其提供放电回路；当所述主功率管Q1关断时，其漏源电压VDS上升，所述第一储能电容C1通过所述第二二极管D2对所述偏置电容Cb充电以提供并维持所述偏置电压Vbias，其充电电流可以表示为
Figure BDA00002306022700051
由此可以看出充电电流一定时，需要一定的充电时间以保证功率级电路提供足够的电能给所述控制电路，因此在参数设计时要保证所述第一储能电容C1具有一定的容值，优选的，可以选择1pF～100pF范围内的电容。
另外，在本实施例中所述第一二极管和第二二极管可以为任意形式的二极管。优选的，可以采用肖特基二极管，其参数可以优选为30V/0.1A。
这里需要说明的是，依据本发明的偏置电压生成电路其应用的开关电源具有多种形式，而不限制于LED驱动电路，其他的AC/DC、DC/DC等开关型调节器都可以应用，开关电源的拓扑形式可以为隔离型变换器，如正激、反激等，也可以为非隔离型变换器，如下文所列举的图4、5、6中所示的结构。
图4、5、6所示实施例中的偏置电压发生电路与图2所示的实施例的电路构成和工作原理基本相同，其功率级电路的拓扑机构为非隔离的变换器，并有相应的变形和转换，由已知的说明和公知技术，本领域的技术人员能够轻易理解并掌握，在此不再赘述。需要说明的是由于第一二极管和第二二极管的类型选择并没有一定的限制，因此在图6所示实施例中，第一二极管和第二二极管选择齐纳二极管，同时由于主电路的浮动型结构，因此所述偏置电容的接地端连接至控制电路的地端（GND1），而功率级电路的接地端为GND2，以示区别。
本发明还提供了一种开关电源，包括功率级电路和控制电路，还包括依据本发明的任一一种合适的偏置电压产生电路，所述偏置电压产生电路分别连接所述功率级电路和控制电路，并产生一偏置电压对所述控制电路进行供电；所述控制电路通过控制所述功率级电路的开关动作进行电能转换，以在开关电源的输出端得到一输出电信号。
其中所述功率级电路的拓扑结构可以为任意合适的开关型调节器，包括隔离型或非隔离型变换器。
而所述开关电源输出的电信号可以为交流信号或直流信号，如恒压信号或恒流信号。当输出电信号为恒流信号时，所述开关电源可以对LED负载进行供电。
以上对依据本发明的优选实施例的偏置电压产生电路以及应用其的开关电源的电路结构和工作原理进行了描述，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。本领域技术人员在本发明实施例公开的电路的基础上所做的相关的改进、多个实施例的结合，以及采用其他技术、电路布局或元件而实现的相同功能的电路结构，如储能电路、放电支路、充电支路等也在本发明实施例的保护范围之内。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种偏置电压产生电路，用以向开关电源的控制电路提供一偏置电压，其特征在于，包括充放电电路和偏置电容；其中，
所述充放电电路包括储能电路、放电支路和充电支路；
所述放电支路包括第一二极管，所述充电支路包括第二二极管；
所述储能电路的一端连接至开关电源的主开关管的第一功率端，另一端分别连接至所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极；
所述第一二极管的阳极连接至所述控制电路的地；
所述第二二极管的阴极连接至所述偏置电容的一端，所述偏置电容的另一端连接至控制电路的地；
当所述主开关管导通时，所述储能电路进行放电，所述第一二极管用以构成所述储能电路的放电回路；
当所述主开关管关断时，所述主开关管的第一功率端和第二功率端之间的电压通过所述储能电路、所述第二二极管对所述偏置电容进行充电，所述偏置电容的电压作为所述偏置电压。
2.根据权利要求1所述的偏置电压产生电路，其特征在于，所述放电支路进一步包括一与所述第一二极管串联的限流电阻。
3.根据权利要求1所述的偏置电压产生电路，其特征在于，所述储能电路包括第一储能电容。
4.根据权利要求3所述的偏置电压产生电路，其特征在于，进一步包括第一电阻，所述第一电阻与所述第一储能电容并联或串联连接。
5.根据权利要求3所述的偏置电压产生电路，其特征在于，进一步包括与所述第一储能电容串联连接的第一电感。
6.根据权利要求5所述的偏置电压产生电路，其特征在于，进一步包括与所述第一电感并联连接的第二电阻。
7.一种开关电源，包括功率级电路和控制电路，其特征在于，进一步包括权利要求1-6所述的任一项偏置电压产生电路；
所述偏置电压产生电路分别连接所述功率级电路和所述控制电路，并产生一偏置电压对所述控制电路进行供电；
所述控制电路通过控制所述功率级电路的开关动作进行电能转换，以在所述开关电源的输出端得到一输出电信号。
8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述功率级电路的拓扑结构为隔离型或非隔离型变换器。
9.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述输出电信号为一恒压信号或恒流信号。
10.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，当所述输出电信号为恒流信号时，所述开关电源为LED负载供电。
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