CN108173426A - 一种低导通压降的启动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低导通压降的启动电路，能够对输入电压进行实时检测，当检测到输入电压低于设定电压值时，N‑MOS管导通，使得启动电路的输出电压与输入电压的压差极低，保障后级升压电路启动电压基本跟随输入电压；当检测到输入电压高于设定电压值时，电压限制电路工作，将启动电路输出电压限制在后级电路的工作输入电压范围内。

Description

一种低导通压降的启动电路
技术领域
本发明涉及一种启动电路，特别涉及一种低导通压降的启动电路。
背景技术
启动电路广泛应用于开关电源领域。开关电源产品中，无论一次电源(AC-DC变换器) 或者二次电源(DC-DC变换器)，都需要从输入端获取能量，并提供一个相对稳定的供电电压为后级控制电路或者控制IC供电，从而通过控制电路工作来驱动开关通断，控制感性器件周期性地传递能量。
一般开关电源中，为解决输入电压低于控制电路或者控制IC最小启动电压时，控制电路或者控制IC因无法获得足够高的供电电压而不能够正常状态，造成对应的开关电源无法开机的问题，可使用两级供电电路(如图1结构)，第一级电路将宽输入电压限制钳位到一个较低的电压值，第二级电路通过升压电路(如BOOST电路)将前级电压升压到符合控制电路或控制IC工作的正常工作电压，使得开关电源***能够启动工作。但是由于电压钳位电路本身输入和输出端的压降较大，使得第二级升压电路的输入供电电压降低，导致第二级升压电路不能够正常工作，最终使得在低输入电压时，不能够为控制IC正常供电。
传统电压钳位电路方案如图2所示(负载为后级升压电路)，电路工作原理为：产品通电瞬间，三级管Q1导通，三级管Q1的发射极电流迅速向电容C2充电，当电容C2电压(也即启动电路的输出正端提供给控制IC的供电端Vcc的电压)爬升至稳压二极管D1的稳压值减去三级管Q1的基极与发射极导通压降时，Vcc电压将稳定不再增加，在Vcc电压达到升压电路工作电压时，升压电路开始工作，建立起后级控制电路或者控制IC的供电电压，但是电路在低压工作时，三级管Q1工作在放大区，三级管Q1及电阻R2上压降较大，降低了低压下Vcc的电压值，导致第二级升压电路不能够正常工作，使得开关电源***在Vin较低的时候难以启动。用其他类型的稳压电路或者电压钳位电路，也会出现低压下压差过大的问题。
综上所述，目前行业内宽电压范围开关电源启动电路的局限在：使用两级供电电路方案或单级供电电路方案的产品，第一级电压钳位电路会出现低压下输入输出压差过大，使得升压电路或后级控制电路无法启动的问题，无法满足从极低电压到高电压的启动电压范围。
发明内容
有鉴如此，本发明提出一种低导通压降的启动电路，能够对输入电压进行实时检测，当检测到输入电压低于设定电压值时，N-MOS管导通，使得启动电路的输出电压与输入电压的压差极低，保障后级升压电路启动电压基本跟随输入电压；当检测到输入电压高于设定电压值时，电压限制电路工作，将启动电路输出电压限制在后级升压电路的工作输入电压范围内。
本发明本身损耗极低，当输入电压为低电压时，驱动电路本身损耗较低，同时因为采用 N-MOS管，在低压工作时N-MOS管饱和导通，启动电路的导通电阻极低；在高压工作时，电压限制电路可采用满足损耗较低的稳压或限压电路，既保障了高输入电压下启动电路的正常工作，又减小了启动电路工作的损耗。
本发明所述的一种低导通压降的启动电路，包括电压限制电路、N-MOS管和驱动电路。具体原理框图可见图3。
所述的驱动电路的输入端连接输入电压Vin，对输入电压Vin进行电压采样后产生控制电压Vg，所述控制电压Vg输出给N-MOS管的栅极，N-MOS管的漏极连接输入电压Vin，N-MOS 管的源极连接到启动电路的输出端，为后级电路供电；电压限制电路的输入端和输出端分别连接在N-MOS管的漏极和源极；
所述的驱动电路设有判断电压区间，当所述的输入电压Vin小于驱动电路判断电压区间的最小值时，所述的N-MOS管导通，将所述的电压限制电路短路，由N-MOS管的源极为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin在驱动电路判断电压区间内时，所述的N-MOS管和所述的电压限制电路都导通，由N-MOS管的源极和电压限制电路的输出端共同为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin大于驱动电路判断电压区间的最大值时，所述的N-MOS管关断，由所述的电压限制电路的输出端为后级电路供电。
优选的，所述的电压限制电路是将输入电压Vin转换为稳定的输出电压范围的电压钳位电路，或者是将输入电压Vin转换为固定的输出电压值的稳压电路。
优选的，所述的电压钳位电路包括第一芯片，所述第一芯片的输入端连接输入电压Vin，所述第一芯片的接地端接地，所述第一芯片的输出端连接N-MOS管的源极。
优选的，所述的稳压电路包括第二电阻、第三电阻、第一NPN三极管、第一电容和第二稳压二极管；所述的第二电阻连接于输入电压Vin和第一NPN三极管的集电极之间，所述的第三电阻连接于输入电压Vin和第一NPN三极管的基极之间；所述的第一NPN三极管的基极连接所述的第二稳压二极管的阴极，第一NPN三极管的发射极连接驱动电路的输出端VDD；所述的第二稳压二极管的阳极连接地；所述的第一电容连接于驱动电路的输出端VDD与地之间。
优选的，所述的驱动电路包括第一电阻和第一稳压二极管，所述的第一电阻的一端连接于输入电压Vin，第一电阻的另一端与所述的第一稳压二极管的阴极相连，并且连接点作为驱动电路的输出端输出控制电压Vg，第一稳压二极管的阳极与接地。
优选的，所述第一稳压二极管的稳压值小于第二稳压二极管的稳压值。
优选的，所述的驱动电路判断电压区间的最小值为第一稳压二极管的稳压值，所述的驱动电路判断电压区间的最大值为第一稳压二极管的稳压值与N-MOS管的门限电压值之和。
与现有技术相比，本发明具有如下的显著效果：
1、本发明采用N-MOS管来控制低压时启动电路的输出电压，从而保障了低压时启动电路输出电压与输入电压基本一致，满足了后级升压电路低压下的供电需求。
2、本发明电路结构采用了宽输入电压范围的稳压电路或者钳位电路组成的电压限制电路，从而保障了高压输入时启动电路输出电压不过高，满足了后级升压电路高压下的输入电压范围。
3、本发明本身损耗极低，采用低损耗的恒流限压芯片组成的电压限制电路，驱动电路的电压采样损耗也较小，不会由于过流装置本身电路特性增大电路损耗。
附图说明
图1为传统的满足低压输入的宽输入范围启动电路的原理框图；
图2为传统的电压钳位电路原理图；
图3为本发明的原理框图；
图4为本发明第一实施例的原理图；
图5为本发明第二实施例的原理图；
图6为本发明第一实施例的应用原理图；
图7为本发明第二实施例的应用原理图。
具体实施方式
图3示出了原理框图，遵循上述初始的技术方案的连接关系。先分点阐述一下本发明具有的3个特征：
1、外部供电装置正常工作，输入电压小于驱动电路判断电压区间的最小值时，启动电路
的输出电压与输入电压几乎无压差。
2、外部供电装置正常工作，输入电压在驱动电路判断电压区间内时，启动电路的输出电
压与输入电压的压差随输入电压的增大缓慢增大。
3、外部供电装置正常工作，输入电压超过驱动电路判断电压区间的最大值时，启动电压
输出电压稳定在一个电压值或稳定在一个输出电压范围，与输入电压的变化无关。
第一实施例
本发明的电压限制电路、N-MOS管和驱动电路，驱动电路的输入端连接输入电压Vin，对输入电压Vin进行电压采样后产生控制电压Vg，所述控制电压Vg输出给N-MOS管的栅极， N-MOS管的漏极连接输入电压Vin，N-MOS管的源极连接到后级电路，为后级电路供电；电压限制电路的输入端和输出端分别连接在N-MOS管的漏极和源极。
针对每个电路模块，结合附图4采用以下具体的电路对以上3个特征进行具体说明如下：
N-MOS管TR1选择耗尽型N-MOS管，在Vgs电压大于某一负电压值VT即可导通。
电压限制电路是一个电压钳位电路，包括恒流限压芯片IC1和第一电容C1，IC1具有如下特性：当输出电压VDD低于设定电压值时，输出电压VDD跟随输入电压Vin，当输出电压高于限制电压值时，输出电压VDD限定在低于设定电压值的一个电压范围内。
驱动电路包括第一电阻R1和第一稳压二极管Z1。
所述的第一芯片IC1的输入端与Vin相连接，IC1的输出端VDD与后级电路相连接,IC1 接地端接地；所述的N-MOS管TR1的D极与Vin相连接，TR1的S极连接IC1的输出端VDD 并且共同连接后级电路，TR1的G极与所述的第一稳压二极管Z1的阴极相连接；所述的第一电阻R1的一端连接于Vin，另一端与所述的第一稳压二极管Z1的阴极相连，并且连接点作为驱动电路的输出端输出控制电压Vg，Z1的阳极与接地；所述的第一电容C1连接于IC1的输出端VDD与地之间。
下面结合图4对本发明的工作过程说明如下：
特征1供电装置正常工作，输入电压小于驱动电路判断电压区间的最小值时，启动电路输出电压与输入电压几乎无压差：
当输入电压未达到稳压二极管Z1的稳压值时，稳压二极管Z1于截止状态，输入电压Vin 通过电阻R1对N-MOS管TR1的G、S电容和电容C1充电，使得N-MOS管TR1的G极对GND的电压等于输入电压Vin，N-MOS管TR1的G极电压大于S极电压，N-MOS管TR1导通，使得启动电路的输出电压与输入电压几乎无压差。
特征2供电装置正常工作，输入电压在驱动电路判断电压区间内时，启动电路输出电压与输入电压的压差随输入电压的增大缓慢增大：
当输入电压逐渐升高到大于稳压二极管Z1的稳压值，且小于稳压二极管Z1的稳压值与 N-MOS管TR1的门限电压值VT的绝对值相加的电压值时，驱动电路的输出信号Vg电压值稳定在稳压二极管Z1的稳压值，N-MOS管进入放大区，Vin与VDD之间电流由N-MOS管与IC1共同提供，Vin缓慢上升的过程中，启动电路输出电压VDD与Vin之间的压差跟随N-MOS管进入放大区而缓慢增大。
特征3供电装置正常工作，输入电压超过驱动电路判断电压区间的最大值时，启动电路输出电压稳定在一个电压值或稳定在一个输出电压范围，与输入电压的变化无关：
当输入电压Vin超过驱动电路判断电压区间的最大值时，即输入电压Vin大于稳压二极管Z1的稳压值与N-MOS管TR1的门限电压值VT相加的电压值时，N-MOS管进入截止区，Vin 与VDD之间电流只由IC1提供，启动电路输出电压VDD直接由IC1的稳压特性决定，并将输出电压稳定在IC1的输出限压值范围内。
第二实施例
本实施例与第一实施例的区别在于：
电压限制电路是一个稳压电路，包括第二电阻R2，第三电阻R3，第一NPN三极管Q1、第一电容C2和第二稳压二极管Z2。
所述的第二电阻R2连接于输入电压Vin和第一NPN三极管Q1的C极之间，所述的第三电阻R3连接于输入电压Vin和第一NPN三极管Q1的B极之间；所述的第一NPN三极管Q1的 B极连接所述的第二稳压二极管Z2的阴极，E极连接驱动电路的输出端VDD；所述的第二稳压二极管Z2的阳极连接地GND；所述的第一电容C1连接于驱动电路的输出端VDD与地GND 之间。
第一稳压二极管Z1的稳压值需小于第二稳压二极管Z2的稳压值，如第一稳压二极管Z1 选择5.1V的稳压二极管，第二稳压二极管Z2选择12V的稳压二极管
下面结合图5对本发明的工作过程说明如下：
特征1供电装置正常工作，输入电压小于驱动电路判断电压区间的最小值时，启动电路输出电压与输入电压几乎无压差：
当输入电压未达到稳压二极管Z1的稳压值时，稳压二极管Z1于截止状态，输入电压Vin 通过电阻R1对N-MOS管TR1的G、S电容和电容C1充电，使得N-MOS管TR1的G极对GND的电压等于输入电压Vin，N-MOS管TR1的G极电压大于S极电压，N-MOS管TR1导通，使得启动电路的输出电压与输入电压几乎无压差。
特征2供电装置正常工作，输入电压在驱动电路判断电压区间内时，启动电路输出电压与输入电压的压差随输入电压的增大缓慢增大：
当输入电压逐渐升高到大于稳压二极管Z1的稳压值，且小于时稳压二极管Z1的稳压值与N-MOS管TR1的门限电压值VT的绝对值相加的电压值时，驱动电路的输出信号Vg电压值稳定在稳压二极管Z1的稳压值，N-MOS管进入放大区，Vin与VDD之间电流由N-MOS管与由R2、R3、Q1和Z2组成的线性稳压电路共同提供，Vin缓慢上升的过程中，启动电路输出电压VDD与Vin之间的压差跟随N-MOS管进入放大区而缓慢增大。
特征3供电装置正常工作，输入电压超过驱动电路判断电压区间的最大值时，启动电路输出电压稳定在一个电压值或稳定在一个输出电压范围，与输入电压的变化无关：
当输入电压Vin超过驱动电路判断电压区间的最大值时，即输入电压Vin大于稳压二极管Z1的稳压值与N-MOS管TR1的门限电压值VT相加的电压值时，N-MOS管进入截止区，Vin 与VDD之间电流只由R2、R3、Q1和Z2组成的线性稳压电路提供，启动电路输出电压VDD直接由R2、R3、Q1和Z2组成的线性稳压电路的稳压特性决定，并将输出电压稳定在稳压二极管Z1的稳压值减去三级管Q1的B、E的体二极管压降。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为本发明的限制，在本发明图3原理框图的基础上，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出另外的改进及润饰，这些改进及润饰也在本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种低导通压降的启动电路，其特征在于：包括N-MOS管、驱动电路和电压限制电路；
所述的驱动电路的输入端连接输入电压Vin，对输入电压Vin进行电压采样后产生控制电压Vg，所述控制电压Vg输出给N-MOS管的栅极，N-MOS管的漏极连接输入电压Vin，N-MOS管的源极连接到启动电路的输出端，为后级电路供电；电压限制电路的输入端和输出端分别连接在N-MOS管的漏极和源极；
所述的驱动电路设有判断电压区间，当所述的输入电压Vin小于驱动电路判断电压区间的最小值时，所述的N-MOS管导通，将所述的电压限制电路短路，由N-MOS管的源极为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin在驱动电路判断电压区间内时，所述的N-MOS管和所述的电压限制电路都导通，由N-MOS管的源极和电压限制电路的输出端共同为后级电路供电；
当所述的输入电压Vin大于驱动电路判断电压区间的最大值时，所述的N-MOS管关断，由所述的电压限制电路的输出端为后级电路供电。
2.根据权利要求1所述的一种低导通压降的启动电路，其特征在于：所述的电压限制电路是将输入电压Vin转换为稳定的输出电压范围的电压钳位电路，或者是将输入电压Vin转换为固定的输出电压值的稳压电路。
3.根据权利要求2所述的一种超宽输入电压的启动电路，其特征在于：所述的电压钳位电路包括第一芯片，所述第一芯片的输入端连接输入电压Vin，所述第一芯片的接地端接地，所述第一芯片的输出端连接N-MOS管的源极。
4.根据权利要求2所述的一种低导通压降的启动电路，其特征在于：所述的稳压电路包括第二电阻、第三电阻、第一NPN三极管、第一电容和第二稳压二极管；所述的第二电阻连接于输入电压Vin和第一NPN三极管的集电极之间，所述的第三电阻连接于输入电压Vin和第一NPN三极管的基极之间；所述的第一NPN三极管的基极连接所述的第二稳压二极管的阴极，第一NPN三极管的发射极连接驱动电路的输出端VDD；所述的第二稳压二极管的阳极连接地；所述的第一电容连接于驱动电路的输出端VDD与地之间。
5.根据权利要求4所述的一种超宽输入电压的启动电路，其特征在于：所述的驱动电路包括第一电阻和第一稳压二极管，所述的第一电阻的一端连接于输入电压Vin，第一电阻的另一端与所述的第一稳压二极管的阴极相连，并且连接点作为驱动电路的输出端输出控制电压Vg，第一稳压二极管的阳极与接地。
6.根据权利要求5所述的一种低导通压降的启动电路，其特征在于：所述第一稳压二极管的稳压值小于第二稳压二极管的稳压值。
7.根据权利要求6所述的一种低导通压降的启动电路，其特征在于：所述的驱动电路判断电压区间的最小值为第一稳压二极管的稳压值，所述的驱动电路判断电压区间的最大值为第一稳压二极管的稳压值与N-MOS管的门限电压值之和。
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