CN113037070B - 开关电源快速启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明申请公开了一种开关电源快速启动电路。所述开关电源快速启动电路包括原边控制器、变压器、功率开关管、启动电阻、供电电容；所述开关电源启动时，通过启动电阻给供电电容充电，之后启动内部的原边控制器的快速充电模块控制功率开关管给供电电容充电，完成快速启动。原边控制器的快速充电模块包括：栅极预充电电路，VCC供电电路，电流采样电路。栅极预充电电路连接到功率开关管的栅极，用来给功率管的栅极充电，VCC供电电路连接于功率开关管的源极和VCC供电电容之间，电流采样电路连接于功率管的源极和原边控制器的地之间，用于检测流过功率开关管的电流，当功率开关管的电流达到预设之后，将电流引入VCC的供电通路，利用功率开关管给VCC供电电容充电，完成开关电源的快速启动。

Description

开关电源快速启动电路

技术领域

本发明涉及开关电源技术，特别地，本发明涉及一种具有快速启动功能的控制电路。

背景技术

开关电源具有尺寸小、转换效率高等优点，其应用领域不断扩大，包括充电器、适配器等。启动时间是开关电源的一个重要参数，越来越多的开关电源应用者把快速完成启动时间作为重要的追求目标。

发明内容

本发明提供一种开关电源快速启动电路，在保证其它性能的前提下有效缩短了开关电源的启动时间，提高了启动速度。

为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：

一种开关电源快速启动电路，包括：

原边控制器，与原边控制器相连的功率开关管，变压器，启动电阻，供电电容；

所述启动电阻的一端耦合到输入电压，启动电阻的另一端连接原边控制器和供电电容，供电电容的另一端对地短接；

其中，所述开关电源启动时，通过启动电阻给供电电容充电，之后启动内部的原边控制器的快速充电模块，并利用功率开关管给供电电容充电，直到开关电源启动完成。

优选的，原边控制器的快速充电模块包括：栅极预充电电路，VCC供电电路，电流采样电路。栅极预充电电路连接到功率开关管的栅极，用来给功率管的栅极充电，VCC供电电路连接于功率开关管的源极和VCC供电电容之间，电流采样电路连接于功率管的源极和原边控制器的地之间，用于检测流过功率开关管的电流。

优选的，所述原边控制器快速充电实现电路包括：

第一NMOS管，第一NMOS管的漏极连接功率开关的源极，第一NMOS管的源极和衬底相连并连接到采样电阻的一端，栅极连接内部反相器的输出和第二开关的栅极。

第二NMOS管，第二NMOS管的漏极连接内部PMOS电流镜的输入，第二NMOS管的源极和衬底相连并连接到内部的电流源，栅极连接内部反相器的输出。

采样电阻，电阻的两段分别连接第一开关管的源极和原边控制器的地。

比较器，比较器的输入正端连接第一开关的源极，比较器的输入负端连接内部的参考电压，比较器的输出连接反相器的输入端。

所述反相器，反相器的输入端连接比较器的输出，反相器的输出端连接第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极。

第一单向导通二极管，二极管的阳极连接功率开关管的源极，阴极连接供电电容。

第二单向导通二极管，二极管的阳极连接内部PMOS电流源，阴极连接功率开关管的栅极。

优选的，所述PMOS电流镜：第一PMOS管和第二PMOS管；

其中第一PMOS管的栅极和漏极与所述第二PMOS管的栅极相连；第一PMOS管和第二PMOS管的源极均与其相对应的衬底相连，并连接到启动电阻和供电容的公共端。第一PMOS管的源极连接到第二NMOS管的漏极，第二PMOS管的漏极连接到第一单向导通二极管的阳极。

本发明的开关电源集成电路启动时，开始阶段输入电压通过启动电阻给原边控制器供电电容充电，当电压达到功率开关管的阈值电压且能让内部逻辑电路正常工作时，启动内部快速充电电路，并利用功率开关管的压控特性，由功率开关管输出一路受控的电流给原边控制器供电电容充电，直到启动结束。

附图说明

图1为现有的开关电源原理图；

图2为基于本发明的开关电源中加速启动的原理图；

图3为基于本发明的开关电源中加速启动实现方式的电路图；

图4为基于本发明图3所示的开关电源控制器关键节点波形示意图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的具体实施。实施例的示例在附图中给出。应当注意，这里描述的实例只是用来举例说明，并不用于限制本发明。基于本发明中的实施例，本领域一般技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在实施例的描述中，为了避免混淆本发明，对本领域众所周知的电路，例如原边控制器中典型的恒流，驱动等模块未作具体描述。

图1是常用的反激电路，其中U1是原边控制器，输入电压VIN通过启动电阻给供电电容C1充电，当VCC的电压到达原边控制器的开启电压时，原边控制器开始正常工作。电阻Rcs串联在原边控制器的CS端和原边控制器的地之间，决定了原边电感的峰值电流，从而控制了最大的输出功率。变压器的辅助边通过Ru和Rd分压，连接到原边控制器的VS端，形成了反馈网络，通过控制开关的周期或者占空比，从而调整输出电压。

图1所提供的电路的启动时间为：

或者

其中Ist是启动电流，大小为启动电阻Rst两端的电压除以启动电阻的值。

从上面公式可知，如果想减少启动时间，可以通过减小启动电阻Rst和减小电容C1来实现。实际应用中，一味减小C1是不可取的，会影响正常工作时VCC的稳定性，导致VCC波动变大，容易进入欠压锁定。另一方面，通过单纯的地减小启动电阻Rst的阻值来提供启动速度也是不可取的，过小的启动电阻会使消耗在电阻上的功耗变大，会降低***的工作效率，同时不利于低待机的实现。因此在不改变现有电路的性能条件下，提高电源的启动速度成为了本发明要解决的问题。

考虑到所述开关电源的功率开关管Q1在集成电路启动时没有工作，而Q1本身是一个压控器件，并且可以提供很大的电流，因此可以利用这个特性在，在启动过程中通过开关电源内部电路的控制使功率管输出一路合适的电流值，并利用此电流给VCC供电，加快启动速度，同时不改变开关电源的其他性能。

参考图2，本发明所提供的开关电源控制电路包括原边控制器，原边控制器的外部结构和图1种所描述的结构一致。与所述原边控制相连的功率开关管，功率开关管的栅极连接到原边控制器的GATE 端，源极连接到原边控制器的SRC端。

为了完成快速启动的功能，原边控制器内增加了三个模块，分别是栅极预充电电路，VCC供电通路和电流采样电路。

上述开关电源集成电路启动时，VIN通过启动电阻给VCC的电容充电，当VCC充到设定电压后，通常为3V左右(保证内部的逻辑电路能够正常工作和高于功率开关管的阈值电压)，原边控制器的内部电路将会给功率管的栅极充电，同时检测从功率开关管源极流出的电流值，当电流达到预设的给VCC充电的电流时，同时切断给栅极充电的通路和电流采样通路，并将此电流引入到给VCC供电的通路，完成快速启动。

需要说明的是，由于在整个启动过程中上图1中VS和CS两个端口并没有参与，所以在图2中并没有将这两个端口示意出来。

为了更详细和清楚的说明本发明实施例，下面将结合图3对电路的启动过程进行详细描述。如图3所示，原边控制器包括：

第一NMOS管MN1，MN1的漏极连接到功率开关管Q1的源极和第一单向导通二极管D3的阳极，栅极连接第二NMOS管MN2的栅极和内部反相器INV1的输出，源极和衬底连接到采样电阻Rsa的一端；

所述第一单向导通二极管D3，D3的阳极与MN1的漏极相连，阴极与供电电容C1相连；

所述第二NMOS管MN2，MN2的漏极连接到内部PMOS电流镜的输入端，源极和衬底连接到内部电流源MIR1，栅极连接到MN1的栅极；

所述采样电阻Rsa，Rsa一端连接到MN1的源极和内部比较器的正输入端，另一端和开关电源的地相连。

所述比较器CMP1，比较器的输入正端连接到MN1的源极，比较器的负输入端连接到内部基准Vref，比较器的输出和反相器INV1的输入端相连；

所述反相器INV1，反相器的输入端和比较器的输出端相连接，反相器的输出端连接到MN1和MN2的栅极；

所述PMOS电流镜由MP1和MP2构成；

PMOS管MP1的漏极和栅极相连并连接到第二NMOS管MN2的漏极，源极和衬底连接到VCC；PMOS管MP2的栅极和MP1栅极连接，MP2的源极和衬底连接到VCC，漏极连接到第二单向导通二极管D4的阳极；

所述第二单向导通二极管D4，D4的阳极与MP2的漏极相连，D4的阴极连接到功率开关管Q1的栅极；

开关电源启动时，首先通过启动电阻给供电电容C1充电，此时反相器的输出为低电平，功率开关管Q1的栅极和源极初始电位是低电位。

需要说明的是功率开关管Q1的栅极和源极初始状态，以及反相器的输出初始状态都是低电平，具体电路比较简单，这里不做阐述。

VCC充电到内部的逻辑电路可以工作时，MN1和MN2的栅极使能到高电位，PMOS电流镜开始工作，并给功率开关管Q1的栅极开始充电，当栅极的电压高到功率开关管的阈值电压时，功率管开启，将会有电流从功率管的源极流出，随着栅极的电压越来越高，流出功率管的电流将会越来越大，通过MN1流入到电阻Rsa，设定Vref=I×Rsa，当I>Vref/Rsa时，比较器将会翻转，PMOS电流将不会再给功率管的栅极充电，流入MN1的电流通路同步也被切断，此时流过功率管的电流将会把SRC端的电位充高，由于栅源电容的存在，GATE的电位也会随着SRC的电位升高而升高，一旦SRC的电位高过了VCC的电压，流过功率管将会给VCC的电容充电，电流的大小约等于Vref/Rsa，并保持不变，直到启动结束。

由于给VCC充电的电流可以通过Vref和Rsa来调节，所以可以根据启动速度的要求来给定Vref和Rsa的值。

当VCC的电压冲到了VCC的启动电压VCC_st，开关电源启动结束，内部PWM电路开始工作，GATE和SRC被拉到低电位，等待正常PWM脉冲信号。

需要说明的是由于在PMOS电流镜的漏端到衬底有个寄生的正向二极管，所以当MP2的衬底和源极连接后，MP2的漏极到VCC有二极管通路，限制了GATE电压为VCC+Vbe，由于SRC有流向VCC电流时，SRC电压也为VCC+Vbe，功率开关管栅源电压约等于0，功率管将会关闭，不会有给VCC的供电通路。为了解决这个问题，需要在MP2和功率管的栅极之间串一个二极管，这样当通过D1给VCC电容供电时，GATE电位抬高时，不会有到VCC的放电通路，功率开关管的栅源电压保持恒定。

同时需要说明的是VCC的启动电压V_st通常为十几伏左右，功率管的Vgs大约十伏左右，需要D4的反向耐压为二十多伏左右。

给出了重要节点的波形图，结合图2和图3，启动开始后，VIN通过启动电阻给VCC电容C1充电，此时功率开关管Q1的栅极GATE，源极SRC，采样电阻Rsa和MN1的栅极V_G_MN1都是低电平，当VCC冲到内部逻辑电路可以工作时，V_G_MN1翻转为高电平，PMOS电流镜通过D4给GATE充电，GATE电位逐渐升高，超过功率管的阈值电压后，SRC会流出电流，随着Gate逐渐变高，电流越来越大，采样电阻上的V_sa将会升高，直到V_Rsa的电压达到Vref时，MN1和MN2的栅电压V_G_MN1变为低电平，电流镜停止给GATE充电，GATE电位随着SRC电位的升高而升高，当SRC的电位超过VCC+Vbe时，功率管流出的电流将会给VCC供电，直到VCC升高到VCC_st，启动结束，GATE和SRC的电压被拉到低电位，等待PWM信号到来。

虽然已经根据上述典型实施例描述了本发明，但是应该理解，所用的术语是说明和示例性的，而不是限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例并不限于任何前面所述的具体细节，而应当在权利要求所限定的精神和范围内广泛地理解。因此，落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都为权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种开关电源快速启动电路，其特征在于，包括：

原边控制器；

与所述原边控制器相连接的功率开关管；

与功率管连接的变压器；

与原边控制器和高压输入端连接的启动电阻；

原边控制器和启动电阻连接端与原边控制器的地之间跨接的供电电容；

所述开关电源启动时，首先通过启动电阻给原边控制器供电电容充电到预设值，之后启动原边控制器的内部电路控制功率开关管，把功率开关管的栅源电压设定到固定值，从而以恒定的电流值给原边控制器充电，直到启动完成；

所述原边控制器的内部电路模块包括：

PWM控制电路、栅极预充电电路、VCC供电电路和电流采样电路；

启动电阻给原边控制器VCC充电到预设值后，栅极预充电电路给功率开关管的栅极充电，同时电流采样电路检测功率开关管源端流出的电流值，当电流达到设定值后，切断栅极预充电电路和电流采样电路两条通路，电流将会流向VCC供电电路给VCC充电，直到启动结束，之后等待PWM控制电路正常工作。

2.根据权利要求1所述的开关电源快速启动电路，其特征在于，所述VCC供电电路包括第一单向导通二极管，第一单向导通二极管的阳极连接到功率开关管的源极，第一单向导通二极管的阴极连接到VCC的供电电容。

3.根据权利要求1所述的开关电源快速启动电路，其特征在于，所述电流采样电路包括：

第一开关管、采样电阻、比较器和反相器；

所述电流采样电路包括第一开关管，第一开关管的源极和衬底相连并连接到采样电阻的一端，栅极连接到反相器的输出并和第二开关管的栅极相连，其漏极连接到功率开关管的源极；

所述电流采样电路包括采样电阻，采样电阻的一端连接到第一开关管的源极，另一端连接到原边控制器的地；

所述电流采样电路包括比较器和反相器，比较器输入的一端连接到第一开关管的源极，另一端连接到内部参考基准电压，比较器输出连接到反相器的输入，反相器的输出连接到第一开关管和第二开关管的栅极。

4.根据权利要求1所述的开关电源快速启动电路，其特征在于，所述栅极预充电电路包括：

PMOS电流镜、第二开关管、内部电流源和第二单向导通二极管；

所述PMOS电流镜包括第一PMOS管和第二PMOS管；

第一PMOS管的栅极和漏极相连并连接到第二PMOS管的栅极和第二开关管的漏极，第一PMOS管的源极和衬底相连并连接到VCC；

第二PMOS管的栅极连接到第一PMOS管的栅极，第二PMOS管的源极和衬底相连并连接到VCC，第二PMOS管的漏极连接到第二单向导通二极管的阳极；

所述第二开关管的栅极与第一开关管的栅极相连，源极和衬底相连并连接到内部电流源，漏极连接到第一PMOS管的漏极；

所述第二单向导通二极管的阳极连接到第二PMOS管的漏极，第二单向导通二极管的阴极连接到功率开关管的栅极。

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