CN206452296U - 一种超宽输入电压范围开关电源启动电路 - Google Patents
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Abstract
一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，包括稳压启动电路、控制开关电路、辅助供电电路和控制芯片。所述的稳压启动电路的输入端连接到到开关电源的输入端Vin，稳压启动电路的输出端连到所述控制开关电路的输入端，控制开关电路的输出端连接到所述的控制芯片供电的输入端VCC，所述的辅助供电电路的辅助绕组NS为开关电源变压器内部的一个绕组，辅助供电电路的输出端也是连接到所述控制芯片供电输入端VCC。本实用新型可以克服现有启动电路在超宽压输入电压范围应用中，开关电源在低输入电压时启动能力不足和高输入电压时启动电路损耗大的矛盾，也可以在启动完成后自动关闭启动电路，避免开关电源在一些状态下启动电路被带载工作而产生很大的损耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种开关电源启动电路，特别涉及宽输入电压范围开关电源的启动电路，以及适用宽输入电压变化的开关电源应用领域。
背景技术
开关电源的输入电压都有一定的范围，如我国电网电压为220VAC，其输入范围的要求为165-264VAC，为了兼容欧标的110VAC，通常的开关电源输入电压范围为85VAC-264VAC。在DC-DC直流开关电源应用中，通常也有多个输入母线的类别，如通信行业一般为48VDC 输入，其范围为36-75VDC，工业控制行业一般为24VDC和12VDC，24V输入的范围为18-36VDC，12VDC输入的范围为9-18VDC，铁路行业的母线为110VDC，输入电压范围为 66-160VDC。
传统的DC-DC开关电源启动电路一般采用如图1所示的线性稳压启动电路，在常规2:1 输入电压范围期内，不同的输入电压启动下，稳压二极管D1固定了三极管的最终基极电压，从而固定了三极管的最终发射极电压，以达到稳定启动电压的目的。但是该类型启动电路存在以下问题。
其一、在超宽输入电压范围的应用中，模块在低输入电压时启动能力不足和高输入电压时启动电路损耗大的矛盾无法解决。目前一些应用终端设备为了适应更恶劣的输入电压环境，提出了超宽输入电压范围的开关电源需求，如4:1或10:1甚至更高输入电压范围的需求。
如图1所示的传统的DC-DC开关电源启动电路，在启动过程中电阻R1决定了三极管Q1的发射极电流，其关系为ibq1≈(Vin-1.5-Vccx)÷R1，三级管Q1的基极电流决定了集电极电流，其关系为ic＝βib，在启动过程中三极管Q1集电极电流差不多就就是VCC的启动电流。在低输入电压时，流过的电阻R1的电流最小，三极管Q1的ic电流也就是最小，也就是启动电流最小。为了保证在低输入电压时模块能正常启动，因此电阻R1的最大取值被限制。当开关电源处于最高输入电压时，R1上的电流变大，长期工作的功耗增加，长期工作的功耗为PR2＝(Vin max-Vref)2/R1，如设计一个10W、10V-100VDC输入电压的开关电源，在保证低压输入启动的同时，高压输入时，启动电路R2上功耗将达到8W左右，这时候、电阻的体积、模块成本、效率指标、产品的发热都无法满足设计要求。
其二为：输出负载为空载和输出电压下调时，启动电路功耗变大的问题。
如图1所示的电路中，启动电路和辅助绕组输出并联给控制芯片的VCC供电，其启动过程中由启动电路提供电压给控制芯片供电。当电路启动完成后，辅助绕组产生的输出电压被建立，该电压稍高于启动电路产生的电压，启动电路的电流自动断开。如果启动电路输出电压高于辅助绕组输出电压，将导致启动电路继续承担控制芯片的负载电流，造成启动电路长期功耗增加。但是开关电源在两种状态下会改变这种绕组产生的电压高于启动电路产生电压的情况。
第一种状态为轻载或空载工作时，在开关电源内部的辅助绕组和输出绕组都集成在一个变压器中，其产生的辅助供电输出和开关电源的输出其实等效成一个双路输出的电源。本领域的都知道，双路输出的开关电源有个指标叫交叉调整率，就是当主路输出电压为满载，二路输出的电压会变高。主路输出为空载或轻负载时，二路输出的电压低。同理，我们开关电源的输出电压为空载时，辅助绕组的电压将比满载时的输出电压低1-2V左右。这样辅助绕组产生的供电电压会低压启动电路产生的启动电压，控制芯片或驱动芯片所需要的工作电流全部来自启动电路，启动电路其实就是一个线性电源，其功耗的关系为：Ps＝(Vin-Vout)×i，在高压输入时启动电路功耗非常大，如100V输入时，如果控制芯片的需求为10mA的话，启动电路的功耗为10×(100-10)＝900mW。如果控制芯片的需求电流达到20mA。启动电路的功耗为20×(100-10)＝1800mW。如果热处理不好这个功耗足够烧坏启动三极管。
第二种工作状态为输出电压被下调的时候，一般DC-DC模块电源都具备输出电压上下调节功能，调节幅度一般10％，当输出电压被向下调节应用时，辅助绕组输出的电压也会被向下调节10％，也会造成辅助绕组输出电压低于启动电路输出电压，启动电路也将带负载工作。
注1：Vccx为启动输出的变化电压。
注2：Vref为稳压二极管的稳定电压。
实用新型内容
本实用新型提供一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，其优势一为本实用新型的一种超宽输入电压范围开关电源启动电路可以克服现有启动电路在超宽输入电压范围的应用中，开关电源在低输入电压时启动能力不足和高输入电压时启动电路损耗大的矛盾。其优势二为本实用新型的开关电源启动电路可以在启动完成后自动关闭启动电路，避免开关电源在一些状态下启动电路被带载工作而产生很大的损耗。
如图2一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，包括稳压启动电路、控制开关电路、辅助供电电路和控制芯片。
所述的稳压启动电路的输入端连接到开关电源的输入端Vin，稳压启动电路的输出端连到所述控制开关电路的输入端，控制开关电路的输出端连接到所述的控制芯片供电的输入端 VCC，所述的辅助供电电路的辅助绕组NS为开关电源变压器内部的一个绕组，辅助供电电路的输出端也是连接到所述控制芯片供电输入端VCC。
所述的稳压启动电路，其特征是采用恒流电源采集输入端电流，以适应超宽输入电压范围；
在开关电源启动过程中，所述的控制开关电路导通，启动完成后控制开关电路关闭，防止启动电路产生带载功耗；
所述的辅助供电电路，将稳压启动电路的输出电压和辅助供电电路的输出电压隔离，为控制开关电路的开通和关闭提供一判断逻辑。
所述的稳压启动电路包括恒流源U1、稳压二极管D1、限流电阻R1、调整三极管Q1、防反向二极管D2，所述的恒流管U1的输入端连接到模块的电源的输入端Vin，输出端连接到稳压二极管D1的阴极，并同时连接到调整三极管Q1的基极，稳压二极管D1的阳极连接开关电源原边参考地。限流电阻R1的一端连接到开关电源的输入端Vin，另一端连接到调整三极管Q1的集电极，调整三极管Q1的发射极连接到防反向二极管D2的阳极，防反向二极管D2的阴极连接所述控制开关电路的输入端，也就是所述的稳压启动电路的输出端。
所述稳压启动电路能实现超宽输入电压范围的工作机理为：
在差异较大的不同输入电压Vin启动下，所述的恒流源能为稳压二极管和调整三极管基极提供一稳定的电流，让启动电路正常启动，达到在超宽输入电压范围内启动电路的功耗变化差异小的目的。
所述的控制开关电路包括三极管Q2和基极限流电阻R3，所述的三极管Q2为PNP型三极管。三极管的Q2的发射极连接到所述控制开关电路的输入端，三极管Q2基极连接到基极限流电阻R3的一端，基极限流电阻R3的另一端连接到辅助供电电路的电压检测点A，三极管Q2的集电极连接到控制开关电路的输出端。
所述的辅助供电电路包括辅助绕组NS、整流二极管D4，滤波电容C2、滤波电容C3，隔离二极管D3。所述辅助绕组NS的一端连接到整流二极管D4的阳极，辅助绕组的另一端连接到原边参考地。整流二极管D4的阴极连接到滤波电容C2的一端，并连接到隔离二极管 D3的阳极。滤波电容C2的另一端连接到开关电源的原边参考地。隔离二极管D3的阴极连接到滤波电容C1的一端，并连接到所述的辅助供电电路的输出端，也就是所述控制芯片的供电电端VCC。滤波电容C1的另一端也连接到开关电源的原边参考地。
所述辅助供电电路较传统的辅助供电电路而言，其主要特征是增加了隔离二极管D3。其作用将启动电路输出电压和辅助绕组输出电压进行隔离，为控制开关电路提供准确的控制电平。
所述的控制芯片包括一个供电输入端VCC和参考地，供电输入端VCC连接到所述的控制开关电路的输出和辅助供电电路的输出。参考地连接到开关电源的原边参考地。
所述的控制开关电路在开关电源启动完成后，将所述稳压启动电路的工作电流断开，已达到在输出电压下调和负载电流为零的情况下稳压启动电路功耗也不会变大的目的。
所述控制开关电路在开关电源启动完成后关闭稳压启动电路的原理为：开关电源开机后，稳压启动电路输出的电流经过D2、三极管Q2的发射极到基极、电阻R3，给滤波电容C2充电，这个过程中三极管Q2中有基极电流，导致三极管Q2的发射极到集电极导通。VCC电压逐渐建立，当电压达到控制芯片的阈值电压后，控制芯片工作，输出驱动脉冲信号，所述的辅助绕组供电A点电压被建立，当A点电压高于三极管Q2的发射极电压后，三极管Q2 发射极到集电极被断开，启动电路输出电流被断开。
本实用新型电源启动电路的优势原理一如下：
所述的稳压启动电路在超宽输入电压范围工作时，U1的电流在低输入电压和高输入电压的电流基本不变，在低输入电压时的功耗为(Vin min-Vref)×IU1，在高输入电压时的功耗为 (Vin max-Vref)×IU1，其功耗的变化比为恒流源U1上压降的变化比。而传统电路在低压的功耗为(Vin min-Vref)2÷R1，在高输入电压下的功耗为(Vin max-Vref)2÷R1，其功耗的变化比为电阻R1上压降的平方比。
例如在同样设计一个10W、10V-100VDC输入电压的开关电源。
如图1采用传统的电源启动电路。
假设三极管的发射极电流最小为10mA，可以满足启动要求，三极管Q1的放大倍数为 50倍，控制芯片最低启动电压为8V，为满足低输入电压启动则R1可以取 R1＝(10-8-1.5)÷0.5＝1K，低压时的功耗为PR1min＝(12-10)2÷1＝4mW，高输入电压时的功耗为PR1max＝(100-10)2÷1＝8100mW。
这个损耗在设计上是无法接受的。
如图2采用本实用新型的启动电路，假设恒流源U1的电流为0.5mA，在低输入电压的功耗：Pu1min＝(12-10)×0.5＝1mW，在高输入电压时的功耗：Pu1max＝(100-10)×0.5＝45mW。
因此本实用新型在启动电路功耗上比传统启动电路功耗小很多。
附图说明
图1现有DC-DC开关电源启动电路。
图2本实用新型实施案例一一种超宽输入电压范围开关电源启动电路。
图3本实用新型实施案例二一种超宽输入电压范围开关电源启动电路。
具体实施方式
实施例一
图2示出了本实用新型一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，用于克服现有启动电路在超宽输入电压范围的应用中，开关电源在低输入电压时启动能力不足和高输入电压时启动电路损耗大的矛盾。和在开关电源启动完成后自动关闭稳压启动电路，避免开关电源在一些状态下启动电路被带载工作而产生很大的损耗。其包括稳压启动电路1、控制开关电路2、辅助供电电路3和控制芯片4。
所述的稳压启动电路的输入端连接到到开关电源的输入端Vin，稳压启动电路的输出端连到所述控制开关电路的输入端，控制开关电路的输出端连接到所述的控制芯片供电的输入端VCC，所述的辅助供电电路的辅助绕组NS为开关电源变压器内部的一个绕组，辅助供电电路的输出端也是连接到所述控制芯片供电输入端VCC。
所述的稳压启动电路包括恒流源U1、稳压二极管D1、限流电阻R1、调整三极管Q1、防反向二极管D2，所述的恒流源U1的输入端连接到模块的电源的输入端Vin，输出端连接到稳压二极管D1的阴极，并同时连接到调整三极管Q1的基极，稳压二极管D1的阳极连接开关电源原边参考地。限流电阻R1的一端连接到开关电源的输入端Vin，另一端连接到调整三极管Q1的集电极，调整三极管Q1的发射极连接到防反向二极管D2的阳极，防反向二极管D2的阴极连接所述控制开关电路的输入端，也就是所述的稳压启动电路的输出端。
所述的控制开关电路包括三极管Q2和基极限流电阻R3，所述的三极管Q2为PNP型三极管。三极管Q2的发射极连接到所述控制开关电路的输入端，三极管Q2基极连接到基极限流电阻R3的一端，基极限流电阻R3的另一端连接到辅助供电电路的电压检测点A，三极管Q2的集电极连接到控制开关电路的输出端。
所述的辅助供电电路包括辅助绕组NS、整流二极管D4，滤波电容C2、滤波电容C3，隔离二极管D3。所述辅助绕组NS的一端连接到整流二极管D4的阳极，辅助绕组的另一端连接到原边参考地。整流二极管D4的阴极连接到滤波电容C2的一端，并连接到隔离二极管 D3的阳极。滤波电容C2的另一端连接到开关电源的原边参考地。隔离二极管D3的阴极连接到滤波电容C1的一端，并连接到所述的辅助供电电路的输出端，也就是所述控制芯片的供电电端VCC。滤波电容C1的另一端也连接到开关电源的原边参考地。
所述的控制芯片包括一个供电输入端VCC和参考地，供电输入端VCC连接到所述的控制开关电路的输出和辅助供电电路的输出。参考地连接到开关电源的原边参考地。
本实用新型所述的开关电源启动电路的工作原理在实用新型内容中已经说明，在此不再赘述。
实施案例二
图3所示为本实用新型实施案例二电路图，实施案例二和实施案例一的区别是在控制开关电路中增加放电电阻R4，电阻R4的一端连接到控制三极管Q2的基极，另一端连接到开关电源的原边参考地。
实施案例一的电路在启动过程中，控制三极管Q2导通的条件有两个，一个是R3电阻对 C2滤波电容充电，充电完成后，三极管Q2会自动关闭。另一个是辅助绕组输出电压建立后关闭控制三极管Q2。本案例中电阻R4为控制三极管Q2的基极电流提供了一个长期回路。
实施案例二较实施案例一的优势是，可以避免因电阻R3和滤波电容C2的参数设置不当导致控制三极管Q2在辅助绕组输出电压还未建立的时候提前关闭。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (6)
1.一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，其特征在于：包括稳压启动电路、控制开关电路、辅助供电电路和控制芯片；所述的稳压启动电路的输入端连接到开关电源的输入端Vin，稳压启动电路的输出端连到所述控制开关电路的输入端，控制开关电路的输出端连接到所述的控制芯片的供电输入端VCC，所述的辅助供电电路的辅助绕组NS为开关电源变压器内部的一个绕组，辅助供电电路的输出端也是连接到所述控制芯片的供电输入端VCC；
所述的稳压启动电路，采用恒流电源采集输入端电流，以适应超宽输入电压范围；
在开关电源启动过程中，所述的控制开关电路导通，启动完成后控制开关电路关闭，防止启动电路产生带载功耗；
所述的辅助供电电路，将稳压启动电路的输出电压和辅助供电电路的输出电压隔离，为控制开关电路的开通和关闭提供一判断逻辑。
2.根据权利要求1所述的一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，其特征在于：所述的稳压启动电路包括恒流源U1、稳压二极管D1、限流电阻R1、调整三极管Q1、防反向二极管D2，所述的恒流源U1的输入端连接到开关电源的输入端Vin，所述恒流源U1的输出端连接到稳压二极管D1的阴极，并同时连接到调整三极管Q1的基极，稳压二极管D1的阳极连接开关电源原边参考地；限流电阻R1的一端连接到开关电源的输入端Vin，限流电阻R1的另一端连接到调整三极管Q1的集电极，调整三极管Q1的发射极连接到防反向二极管D2的阳极，防反向二极管D2的阴极连接所述控制开关电路的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，其特征在于：所述的控制开关电路包括三极管Q2和基极限流电阻R3；三极管Q2的发射极连接到所述控制开关电路的输入端，三极管Q2的基极连接到基极限流电阻R3的一端，基极限流电阻R3的另一端连接到辅助供电电路的电压检测点A，三极管Q2的集电极连接到控制开关电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，其特征在于：所述的辅助供电电路包括辅助绕组NS、整流二极管D4，滤波电容C2、滤波电容C3、隔离二极管D3；所述辅助绕组NS的一端连接到整流二极管D4的阳极，辅助绕组NS的另一端连接到原边参考地；整流二极管D4的阴极连接到滤波电容C2的一端，并连接到隔离二极管D3的阳极；滤波电容C2的另一端连接到开关电源的原边参考地；隔离二极管D3的阴极连接到滤波电容C1的一端，并连接到所述的辅助供电电路的输出端；滤波电容C1的另一端也连接到开关电源的原边参考地。
5.根据权利要求3所述的一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，其特征在于：所述的控制开关电路还包括放电电阻R4，放电电阻R4的一端连接到三极管Q2的基极，放电电阻R4的另一端连接到开关电源的原边参考地。
6.根据权利要求3或5所述的一种超宽输入电压范围开关电源启动电路，其特征在于：所述的三极管Q2为PNP型三极管。
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