CN205377665U - 自供电控制电路及开关电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自供电控制电路及开关电路，自供电控制电路与开关主电路相连接，包括控制电路和为控制电路提供工作电压的自供电电路，自供电电路包括充电电容、第一开关管、第二开关管和供电回路。充电电容分别与开关主电路和控制电路相连接，充电电容上的电压为控制电路提供工作电压。第一开关管和第二开关管依次串联在开关主电路上，第二开关管的控制极连接控制电路，接收来自控制电路的控制信号。供电回路与第一开关管和充电电容相连接。在一个控制周期内，充电电容为第一开关管供电，第一开关管先导通，开关主电路经第一开关管和供电回路为充电电容充电，充电结束后第二开关管导通。

Description

自供电控制电路及开关电路

技术领域

本实用新型涉及开关控制领域，且特别涉及一种自供电控制电路及开关电路。

背景技术

传统的控制电路供电方法中，一种是直接采用独立的电源给控制电路供电，如线性电源(LDO)或者小功率的开关电源。这些独立的电源将输入电压转换为控制电路所需要的供电，通常成本较高或者效率低下(特别是线性电源方法供电的方法)。另一种方法是利用开关电源自身中的磁元件，利用电磁耦合，通过辅助绕组，产生一个合适的输出给控制电路供电，这一方法相对效率较高、成本较低，但增加了磁元件加工的复杂性，供电电压通常受输出电压和负载的影响，变化较大，品质不高。

以图1所示的一个开关管在低端(LowSide)的Buck电路(降压电路)为例简要说明利用电磁耦合实现控制电路供电这一现有技术。控制电路开始启动之前，消耗的电流很小，通常可以用一个启动电阻(图1中所示的Rstart)或者高压电流源(较小的电流)给控制电路供电引脚VCC上的电容C_VCC充电。为了降低损耗，通常启动电阻较大。当电容C_VCC两端的电压(即供电电压)达到启动电压后，控制电路开始工作，输出门极控制信号PWM驱动开关管Q1，Buck电路也开始工作，输入向负载提供能量。控制电路在工作后，消耗的电流会增加，较大的启动电阻不能提供控制电路正常工作时的电流，因此需要电容C_vcc中存储的能量支撑控制电路继续工作。在供电电压下降到不能维持控制电路正常工作的电压前，必须有其他途径给控制电路持续供电，维持其正常工作。图1所示例子中利用与电感Lo耦合的辅助绕组Na产生控制电路的供电电压，因此需要额外增加一个辅助绕组Na，结构相对复杂。而且在实际电路中，辅助绕组Na与电感Lo之间不能完全耦合，导致辅助绕组的输出电压Va随着负载的变化会有变动，从而使得控制电路的供电电压不稳定。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有控制电路供电方法结构复杂、成本高以及效率低的问题，提供一种电路结构简单、体积小且成本低的自供电控制电路及开关电路。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种与开关主电路相连接的自供电控制电路，自供电控制电路包括控制电路和为控制电路提供工作电压的自供电电路，自供电电路包括充电电容、第一开关管、第二开关管和供电回路。充电电容分别与开关主电路和控制电路相连接，充电电容上的电压为控制电路提供工作电压。第一开关管和第二开关管依次串联在开关主电路上，第二开关管的控制极连接控制电路，接收来自控制电路的控制信号。供电回路与第一开关管和充电电容相连接。在一个控制周期内，充电电容为第一开关管供电，第一开关管先导通，开关主电路经第一开关管和供电回路为充电电容充电，充电结束后第二开关管导通。

于本实用新型一实施例中，供电回路包括第三开关管、二极管和第四开关管。第三开关管连接在充电电容和第一开关管的控制极之间。二极管连接在第一开关管和第二开关管的公共端与充电电容之间。第四开关管连接在第一开关管和第二开关管的公共端与地之间。在一个控制周期的第一阶段，第四开关管导通，第二开关管关断，第三开关管关断，充电电容、第三开关管的寄生体二极管和第四开关管之间形成一个电荷泵回路为第一开关管的控制极提供电压，第一开关管导通；在第二阶段，第二开关管和第四开关管关断，开关主电路经第一开关管和二极管为充电电容充电；第三阶段，充电结束后，第二开关管导通；第四阶段，控制电路输出的控制信号关断第二开关管，第三开关管在第二开关管关断前导通，第一开关管栅源电压低于其开通阈值后关断。

于本实用新型一实施例中，供电回路包括第三开关管、第五开关管和第四开关管。第三开关管连接在充电电容和第一开关管的控制极之间。第五开关管连接在第一开关管和第二开关管的公共端与充电电容之间。第四开关管连接在第一开关管和第二开关管的公共端和地之间。在一个控制周期的第一阶段，第四开关管导通，第二开关管关断，第三开关管关断，第五开关管关断，充电电容、第三开关管的寄生体二极管和第四开关管之间形成一个电荷泵回路为第一开关管的控制极提供电压，第一开关管导通；在第二阶段，第五开关管导通，第二开关管和第四开关管关断，开关主电路经第一开关管和第五开关管为充电电容充电；第三阶段，充电结束后，第五开关管关断，第二开关管导通，第五开关管在第二开关管导通前关断；第四阶段，控制电路输出的控制信号关断第二开关管，第三开关管在第二开关管关断前导通，第一开关管栅源电压低于其开通阈值后关断。

于本实用新型一实施例中，第三开关管在第二开关管关断前导通。

于本实用新型另一方面还提供一种开关电路，包括开关主电路和上述所述的与开关主电路相连接的自供电控制电路。

于本实用新型一实施例中，开关主电路为buck电路、buck-boost电路或flyback电路中的任一种。

综上所述，本实用新型提供的自供电控制电路及开关电路与现有技术相比，具有以下优点：

通过设置与开关主电路相连接的充电电容、第一开关管和第二开关管并在第一开关和充电电容之间设置供电回路。在一个控制周期的初始阶段，充电电容为第一开关管提供开启电压，第一开关导通。当第一开关管导通后，开关主电路经第一开关管和供电回路为充电电容充电，实现自主供电。此时，在一个控制周期的初始阶段且第二开关管关断，开关主电路内的电流较小，采用该较小的电流对充电电容进行充电可减小充电回路的损耗，在实现自主供电的同时大大减低了充电损耗并且二极管或第五开关管的开关应力较小，非常容易实现。本实用新型提供的自供电控制电路仅仅只是在充电电容和第一开关管之间增加由体积较小的元件所组成的供电回路，电路结构简单，电路成本低，且方便集成，大大减小了控制电路的体积。

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为现有开关电路中通过电磁耦合的方式实现控制电路供电的电路原理图。

图2所示为本实用新型实施例一提供的自供电控制电路的原理图。

图3所示为图2中各元件上的时序图。

图4所示为本实用新型实施例一提供的开关电路的原理图。

图5所示为本实用新型实施例二提供的自供电控制电路的原理图。

图6所示为图5中各元件上的时序图。

图7所示为本实用新型实施例二提供的开关电路的原理图。

图8所示为图5中各开关管的驱动信号产生原理图。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，本实施例提供一种与开关主电路100相连接的自供电控制电路200，自供电控制电路200包括控制电路1和为控制电路1提供工作电压的自供电电路2，自供电电路2包括充电电容C_VCC、第一开关管Q1、第二开关管Q2和供电回路21。充电电容C_VCC分别与开关主电路100和控制电路1相连接，充电电容C_VCC上的电压为控制电路1提供工作电压。第一开关管Q1和第二开关管Q2依次串联在开关主电路100上。第二开关管Q2的控制极连接控制电路1，接收来自控制电路1的控制信号。供电回路21与第一开关管Q1和充电电容C_VCC相连接。在一个控制周期内，充电电容C_VCC为第一开关管Q1供电，第一开关管Q1先导通，开关主电路100经第一开关管Q1和供电回路21为充电电容C_VCC充电，充电结束后第二开关管Q2导通。

本实施例提供的自供电控制电路在一个控制周期内通过充电电容C_VCC让第一开关管Q1先导通而第二开关管Q2延时一定时间后导通，开关主电路100经第一开关管Q1和供电回路21实现充电电容C_VCC的自主供电，使得充电电容C_VCC两端的电压能稳定的为控制电路1提供工作电压。进一步的，由于在一个控制周期的初始阶段，开关主电路100的电流较小，利用该较小的电流为充电电容C_VCC，有效值小，相应的，充电回路上的损耗也较小，大大降低了电路的损耗。

于本实施例中，供电回路21包括第三开关管Q3、二极管D1和第四开关管Q4。第三开关管Q3连接在充电电容C_VCC和第一开关管Q1的控制极之间。二极管D1连接在第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端与充电电容C_VCC之间。第四开关管Q4连接在第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端与地之间。具体的自供电过程如下：

如图3所示的时序图，其中，VGS_Q1、VGS_Q2、VGS_Q3、VGS_Q4分别为开关第一开关管Q1、第二开关管Q2，第三开关管Q3和第四开关管Q4的门极驱动电压。ID1为二极管D1上的电流，Vcc_limit为充电电容C_VCC上的充电上限阈值，Vds_Q2为第二开关管Q2的漏源电压，IL为开关主电路内电感上的电流。

在一个控制周期的第一阶段t1～t2，第四开关管Q4导通，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3关断，充电电容C_VCC、第三开关管Q3的寄生体二极管和第四开关管Q4之间形成一个电荷泵回路为第一开关管Q1的控制极提供电压，第一开关管Q1导通。第四开关管Q4的导通时间可以是一个固定的延时时间或者等第一开关管Q1的漏源电压低于阀值电压或者等第一开关管Q1的栅源电压高于阀值电压就可以关断第四开关管Q4。

在第二阶段t2～t3，第二开关管Q2和第四开关管Q4关断，开关主电路100经导通的第一开关管Q1和二极管D1为充电电容C_VCC充电。

第三阶段t3～t4，充电结束，第二开关管Q2导通，开关主电路100经导通的第一开关管Q1和第二开关管Q2形成回路，为负载供电。

第四阶段t4～t5，一个控制周期结束，控制电路1输出的控制信号关断第二开关管Q2，第三开关管Q3在第二开关管Q2关断前导通，第二开关管Q2的漏源电压被电感电流充电而抬升，当第二开关管Q2的漏源电压达到Vcc-Vth1(Vth1为第一开关管Q1的阈值电压)时，第一开关管Q1的栅源极电压低于其开通阈值，第一开关管Q1关断，电感电流开始下降。

于本实施例中，第一开关管Q1、第二开关管Q2，第三开关Q3和第四开关管Q4均为mos管。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，第一开关管Q1、第二开关管Q2，第三开关Q3和第四开关管Q4可为三极管或IGBT等全控型半导体器件。如图2所示，第一开关管Q1的源极与第二开关管Q2的漏极串联。

相对应的，如图4所示，本实施例还提供一种开关电路。所述开关电路包括上述自供电控制电路200和开关主电路100，开关主电路100与自供电控制电路200相连接。于本实施例中，开关主电路100为buck电路。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，开关主电路100可为buck-boost电路或flyback电路中的任一种。

本实用新型还提供一种自供电控制电路的控制方法为，自供电控制电路200与开关主电路100相连接，自供电控制电路200包括控制电路1和为控制电路1提供工作电压的自供电电路2，自供电电路2包括与开关主电路100和控制电路1相连接充电电容C_VCC、供电回路21以及依次串联在开关主电路的第一开关管Q1和第二开关管Q2，控制方法包括：

步骤S1，在一个控制周期的第一阶段t1～t2，充电电容C_VCC为第一开关管Q1提供开通电压，第一开关管Q1导通。于本实施例中，充电电容C_VCC、第三开关管Q3的寄生体二极管和第四开关管Q2之间形成一个电荷泵回路为第一开关管Q1的控制极提供电压使得第一开关管Q1导通。

步骤S2，在一个控制周期的第二阶段t2～t3，开关主电路100经第一开关管Q1和供电回路21为充电电容C_VCC充电。于本实施例中，供电回路21由第三开关管Q3、二极管D1和第四开关管Q4组成。

步骤S3，在一个控制周期的第三阶段t3～t4，充电结束后第二开关管Q2导通，开关主电路100经第一开关管Q1和第二开关管Q2形成回路，为负载R供电。

步骤S4，在一个控制周期的第四阶段t4～t5，控制电路100关断第一开关管Q1和第二开关管Q2。具体而言，控制电路100输出的PWM门极控制信号的高电平阶段结束时，第二开关管Q2关断。当第二开关管Q2的漏源电压被抬高到Vcc-Vth1且第三开关管Q3导通，第一开关管Q1的栅源电压低于其开通阈值，第一开关管Q1关断。于本实施例中，第三开关管Q3在第二开关管Q2关断前导通。

本实用新型提供的自供电控制电路是基于一个PWM控制周期。然而，并非限定充电电容C_VCC在每个PWM控制周期内均要充电。在实际使用中，当充电电容C_VCC两端电压小于充电上限阈值Vcc_limit时自供电控制电路对充电电容C_VCC充电。因此，可通过调节第二开关管Q2的驱动电压来实现是否对充电电容C_VCC充电。具体而言，当需要对充电电容C_VCC充电时，输出至第二开关管Q2的PWM控制信号经一定延时后再使第二开关管Q2导通；而当无需对充电电容C_VCC充电时，第二开关管Q2的导通时间与PWM控制信号保持一致，即在周期的初始阶段t1～t2，第一开关管Q1和第二开关管Q2同时导通。

实施例二

本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于：如图5所示，将实施例一种供电回路21中的二极管D1替换为本实施例中的第五开关管Q5，该设置可进一步降低充电损耗。

于本实施例中，供电回路21包括第三开关管Q3、第五开关管Q5和第四开关管Q4。第三开关管Q3连接在充电电容C_VCC和第一开关管Q1的控制极之间。第五开关管Q5连接在第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端与充电电容C_VCC之间。第四开关管Q4连接在第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端与地之间。

图6所示为本实施例提供的自供电控制电路中各元件的时序图。VGS_Q1、VGS_Q2、VGS_Q3、VGS_Q4、VGS_Q5分别为开关第一开关管Q1、第二开关管Q2，第三开关Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5的门极驱动电压。Vcc_limit为充电电容C_VCC上的充电上限阈值，Vds_Q2为第二开关管Q2的漏源电压，IL为开关主电路内电感上的电流。MN为图8中MN输出端的电压。

在一个控制周期的第一阶段t1～t2，第四开关管Q4导通，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3关断，第五开关管Q5关断，充电电容C_VCC、第三开关管Q3的寄生体二极管和第四开关管Q4之间形成一个电荷泵回路为第一开关管Q1的控制极提供电压，第一开关管Q1导通。

在第二阶段t2～t3，第五开关管Q5导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4关断，开关主电路100经第一开关管Q1和第五开关管Q5为充电电容充电，实现自主供电。

第三阶段t3～t4，充电结束后，第五开关管Q5关断，第二开关管Q2导通，且第五开关管Q5在第二开关管Q2导通前关断，防止电容Cvcc被Q2放电。开关主电路100经导通的第一开关管Q1和第二开关管Q2形成回路，为负载供电。

第四阶段t4～t5，控制电路100输出的控制信号关断第二开关管Q2，第三开关管Q3在第二开关管Q2关断前导通，第一开关管Q1低于其开通阈值后关断。

相对应的，本实施例还提供一种开关电路，如图7所示。开关电路包括本实施例提供的自供电控制电路200和开关主电路100。于本实施例中，开关主电路为buck电路。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，开关主电路100可为buck-boost电路或flyback电路中的任一种。

与实施例一相同，本实施例提供的自供电控制电路是基于一个PWM控制周期。然而，并非限定充电电容C_VCC在每个PWM控制周期内均要充电。图8中给出了一种产生第二开关管Q2，第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5的门极驱动电压的电路图。在图8中，通过MN信号和PWM门极控制信号相与来实现充电电容C_VCC的选择性自主充电。

在图8中，第一比较器CMP1是一个滞环比较器，当充电电容C_VCC的电压Vcc低于极限电压Vcc_limit时，第一比较器CMP1的输出负端EN_CHR输出1。PWM信号与EN_CHR信号经第一与门U1后经过一个one-shot的单稳态触发电路产生第四开关管Q4驱动信号VGS_Q4，第四开关管Q4导通，形成电荷泵回路为第一开关管Q1的栅极供电，第一开关管Q1导通。当第四开关管Q4驱动结束时，通过一个反向门，VGS_Q4的下降沿触发第一RS触发器U2，使其置1(即VGS_Q5信号为1)，第五开关管Q5导通，开关主电路经第一开关管Q1和第五开关管Q5为充电电容C_VCC充电。

当充电电容C_VCC电压高于Vcc_limit时，比较器CMP1输出1，或者达到设定的第五开关管Q5的最大的导通时间TonmaxofQ5，或者第五开关管Q5的充电电流峰值CurrentsenseofQ5达到限定值CS_limit时(由第二比较器CMP2进行判断)或门U3输出信号1将第一RS触发器U2复位，VGS_Q5信号为0，第五开关管Q5关断，对充电电容C_VCC充电结束。

MN信号由第二RS触发器U4产生，VGS_Q4置位第二RS触发器U4，VGS_Q5的反向信号VGS_Q5N复位第二RS触发器U4。MN信号和PWM经第二与门U5相与产生第二开关管Q2的驱动信号VGS_Q2。具体而言，当充电电容C_VCC的电压低于Vcc_limit时，EN_CHR为1，当PWM信号为高电平时，VGS_Q4输出1置位第二RS触发器U4，MN信号为0，VGS_Q2信号为0，第二开关管Q2关断，开关主电路经供电回路对充电电容C_VCC充电。当VGS_Q4为0时，VGS_Q5N信号的下降沿复位第二RS触发器U4，MN信号为1，VGS_Q2信号受PWM控制。而当充电电容C_VCC的电压大于或等于极限电压Vcc_limit时，EN_CHR为0，VGS_Q4为0，VGS_Q5为1，MN信号为1，此时VGS_Q2与PWM信号同步，第二开关管Q2在PWM信号的初始阶段就导通，充电电容C_VCC不充电。VGS_Q3由第三RS触发器U5产生，PWM信号经过上升沿延时电路置位第三RS触发器U5，PWM的反向信号复位第三RS触发器U5。

综上所述，通过设置与开关主电路相连接的充电电容、第一开关管和第二开关管并在第一开关和充电电容之间设置供电回路。在一个周期的初始阶段，充电电容为第一开关管提供开启电压，第一开关导通。当第一开关管导通后，开关主电路经第一开关管和供电回路为充电电容充电，实现自主供电。此时，在一个周期的初始阶段且第二开关管关断，开关主电路内的电流较小，采用该较小的电流对充电电容进行充电可减小充电回路的损耗，在实现自主供电的同时大大减低了充电损耗并且二极管或第五开关管的开关应力较小，非常容易实现。本实用新型提供的自供电控制电路仅仅只是在充电电容和第一开关管之间增加由体积较小的元件所组成的供电回路，电路结构简单，电路成本低，且方便集成，大大减小了控制电路的体积。

虽然本实用新型已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟知此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (5)

1.一种自供电控制电路，其特征在于，与开关主电路相连接，所述自供电控制电路包括控制电路和为控制电路提供工作电压的自供电电路，所述自供电电路包括：

充电电容，分别与开关主电路和控制电路相连接，充电电容上的电压为控制电路提供工作电压；

依次串联在开关主电路的第一开关管和第二开关管，第二开关管的控制极连接控制电路，接收来自控制电路的控制信号；

供电回路，与第一开关管和充电电容相连接；

在一个控制周期内，充电电容为第一开关管供电，第一开关管先导通，开关主电路经第一开关管和供电回路为充电电容充电，充电结束后第二开关管导通。

2.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述供电回路包括：

第三开关管，连接在充电电容和第一开关管的控制极之间；

二极管，连接在第一开关管和第二开关管的公共端与充电电容之间；

第四开关管，连接在第一开关管和第二开关管的公共端与地之间；

在一个控制周期的第一阶段，第四开关管导通，第二开关管关断，第三开关管关断，充电电容、第三开关管的寄生体二极管和第四开关管之间形成一个电荷泵回路为第一开关管的控制极提供电压，第一开关管导通；在第二阶段，第二开关管和第四开关管关断，开关主电路经第一开关管和二极管为充电电容充电；第三阶段，充电结束后，第二开关管导通；第四阶段，控制电路输出的控制信号关断第二开关管，第三开关管在第二开关管关断前导通，第一开关管栅源电压低于其开通阈值后关断。

3.根据权利要求1所述的自供电控制电路，其特征在于，所述供电回路包括：

第三开关管，连接在充电电容和第一开关管的控制极之间；

第五开关管，连接在第一开关管和第二开关管的公共端与充电电容之间；

第四开关管，连接在第一开关管和第二开关管的公共端与地之间；

在一个控制周期的第一阶段，第四开关管导通，第二开关管关断，第三开关管关断，第五开关管关断，充电电容、第三开关管的寄生体二极管和第四开关管之间形成一个电荷泵回路为第一开关管的控制极提供电压，第一开关管导通；在第二阶段，第五开关管导通，第二开关管和第四开关管关断，开关主电路经第一开关管和第五开关管为充电电容充电；第三阶段，充电结束后，第五开关管关断，第二开关管导通，第五开关管在第二开关管导通前关断；第四阶段，控制电路输出的控制信号关断第二开关管，第三开关管在第二开关管关断前导通，第一开关管栅源电压低于其开通阈值后关断。

4.一种开关电路，其特征在于，包括：

开关主电路，为负载供电；

权利要求1～3任一项所述的自供电控制电路，与所述开关主电路相连接。

5.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，所述开关主电路为buck电路、buck-boost电路或flyback电路中的任一种。