一种开关电源输入电压检测和供电的控制电路和方法技术

本发明专利技术涉及开关电源芯片控制技术领域，具体公开了一种开关电源输入电压检测和供电的控制电路和方法，该控制电路包括高压开关、电流切换单元、采样保持单元、两个比较单元和与逻辑单元，电流切换单元的一端通过高压开关与高压引脚连接，电流切换单元的另一端分别连接供电引脚和第一比较单元，电流切换单元包括并联的两路电流源和一颗限流开关，限流开关串联在其中一路电流源上，采样保持单元分别与高压引脚、限流开关和第二比较单元连接，两个比较单元均与所述与逻辑单元连接，与逻辑单元还连接高压开关。本发明专利技术可以准确检测输入电压准位，在一定电压范围内给控制器供电，优化宽输出电压范围的开关电源的辅助绕组设计，从而降低系统损耗。低系统损耗。低系统损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种开关电源输入电压检测和供电的控制电路和方法


[0001]本专利技术涉及开关电源芯片控制
，尤其涉及一种开关电源输入电压检测和供电的控制电路和一种开关电源输入电压检测和供电的控制方法。

技术介绍

[0002]开关电源是大部分电气电子产品的能量来源，通常交流转直流是从电网获取能量的第一步。电网电压作为输入电压，地域变化范围非常宽：80
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280Vac，所以部分开关电源需要对输入电压进行精确检测，确保其工作在正常范围。另一方面输入电压的幅值也远高于输出电压和控制器的供电电压，常用3.3V/5V/12V/20V/48V。其中反激变换器广泛用于各类消费电子产品，是中小功率电源的主要拓扑。小体积充电器随着智能手机的普及，开始支持越来越宽的输出电压范围(例：PD/PPS:3
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21V）。由于控制器的供电电压通常是由变压器的辅助绕组提供的，因此该辅助绕组提供的电压通常与输出电压，以及开关频率存在正比例关系。对宽输出电压范围的电源适配器而言，当输出电压较低，或着输出空载的情况下，辅助绕组为控制芯片提供的供电电压可能低于正常工作电压，容易导致控制器重启。如果选择升高辅助绕组的圈数，来提高整体的供电电压，则当输出电压较高时，辅助绕组为控制器提供的供电电压会远高于控制电路所需的工作电压，会导致辅助绕组的功耗增大，电源适配器的效率降低，发热增加，甚至超过控制器耐压，损坏元件。
[0003]图1是典型小功率的反激变换器自供电电路，其中输入为AC交流电压，C1是交流整流后滤波电容。Q1是原边的主开关管。变压器T1有一个原边绕组Np，一个副边绕组Ns，一个辅助绕组Na。D1是输出整流管，D1的输出电压信息通过采样转换，传递到控制器的反馈引脚。控制器输出信号驱动Q1的开通和关断。在整个系统启动之前，控制器的供电电容C2通过R1从C1取电；启动后，控制器的供电电容C2通过D2从辅助绕组Na取电。由于R1保持接入电路且两端压差较大，通常会使用MΩ级电阻，来减小待机功耗，但会延长启动时间。其次也需要辅助绕组提供电压来满足宽输出电压时的控制器供电，会增加损耗和控制器的工艺耐压，从而降低了效率和提高控制器的成本。
[0004]图2是一种较大功率的反激变换器自供电电路。控制器需要增加一个高压接口，通过D3和D4接到整流桥BD前。高压接口内部有分压采样电阻，来实现整流桥BD前安规X电容拔线检测和放电功能。高压接口内部还有控制开关Q2连接到供电电容C2。在整个系统启动之前，Q2导通，输入交流通过D3和D4形成全波整流通道给供电电容C2供电。启动后，Q2保持关断，控制器输出信号驱动Q1工作，从而使得辅助绕组Na可以独立给控制器供电，即供电电容C2通过D2从辅助绕组Na取电。得益于Q2可以使R1在启动后断开，R1可以使用kΩ级电阻，能够同时满足快速启动和低待机功耗的要求。有以下不足之处：第一、因为Q2的切换，启动前流过R1的电流远大于启动后，在R1上产生的压降不同，会导致高压采样产生前后误差；第二、需要辅助绕组Na提供电压来满足宽输出电压时的控制器供电，此点与图1的不足点相同；
第三、为满足宽输出电压时，部分控制器会选择从高压接口直接供电，也会引起损耗增加，效率降低。
[0005]图3是一种非隔离的Buck变换器自供电电路。同样，C1是整流后的高压滤波电容，Q1是Buck变换器的主开关管。在系统启动之前，Q2导通，高压接口持续提供能量给供电电容C2（供电电容C2通过R1从C1取电）；启动后，Q2保持关闭，电感L1在Q1切换至关断时的部分续流会通过D2给C2供电。当输出电压（直流输出）变低，或负载变轻时，C2的电压也会随之变低，在应对宽范围输出应用时同样有供电不足的风险。同理，Boost，Buck
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Boost，正激等开关电源都会有类似的供电方式。
[0006]图4是现有的宽输出电压范围反激变换器在应对宽输出电压的控制示意图。其中U1的电压比控制器供电的关断电压高。正常工作时，控制器的供电电压高于U1，比较器输出为低，逻辑门电路控制闭环PWM模块直接连通到驱动模块，驱动Q1工作，PWM模块接收到整流管D1输出的反馈电压信号后对整流管D1的输出电压进行控制，以形成输出电压的闭环控制。当控制器的供电电压低于U1电压时，比较器翻转置高，逻辑门电路强制产生开关信号驱动Q1工作，从而使得辅助绕组Na产生能量提高供电电压，直到供电电压高于U1。由于强制产生的开关脱离了闭环控制，容易导致空载时输出电压高于设定电压，需要根据不同系统调配不同的强制开关的开通时间和周期。
[0007]综上所述，开关电源的自供电有两个最终来源：输入电压和电路中感性元件续流整流。在实际应用中，两者分别在启动前和启动后作用，如图5。常规的单靠输入电压供电无法改善宽输出电压范围反激变换器存在的问题，因为当启动后如果还存在高压接入，其在R1上产生的损耗将会严重影响效率。
[0008]基于以上考虑，需要有一种既满足低待机功耗，又能维持宽范围输出时控制器供电稳定，同时可采用常规芯片耐压工艺的控制供电方式。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种开关电源输入电压检测和供电的控制电路和方法，可以准确检测输入电压准位，在一定电压范围内给控制器供电，优化宽输出电压范围的开关电源的辅助绕组设计，从而降低系统损耗。
[0010]作为本专利技术的第一个方面，提供一种开关电源输入电压检测和供电的控制电路，应用在开关电源中，所述开关电源包括第一电阻R1、第二整流管D2、第二电容C2、主开关管Q1、感性元件L以及控制器，所述控制器的高压引脚通过所述第一电阻R1连接高压源，所述控制器的供电引脚分别与所述第二整流管D2和所述第二电容C2连接，所述控制器的驱动引脚通过所述主开关管Q1连接所述感性元件L，在所述主开关管Q1工作时，所述感性元件L两端的电压能够通过所述第二整流管D2整流后给所述第二电容C2充电，所述控制器的供电引脚电压为所述第二电容C2两端的电压，所述控制器包括所述开关电源输入电压检测和供电的控制电路，所述开关电源输入电压检测和供电的控制电路包括高压开关Q2、电流切换单元、采样保持单元、第一比较单元、第二比较单元和与逻辑单元，所述高压开关Q2的一端连接所述控制器的高压引脚，所述高压开关Q2的另一端与所述电流切换单元的一端连接，所述电流切换单元的另一端分别连接所述控制器的供电引脚和第一比较单元的负输入端，所述电流切换单元包括并联的两路电流源和一颗限流开关Q3，所述限流开关Q3串联在其中一
路电流源上，所述采样保持单元分别与所述控制器的高压引脚、所述限流开关Q3和所述第二比较单元的负输入端连接，所述第一比较单元的输出端和所述第二比较单元的输出端均与所述与逻辑单元的输入端连接，所述与逻辑单元的输出端连接所述高压开关Q2，所述第一比较单元的正输入端连接第一设定电压U1，所述第二比较单元的正输入端连接第二设定电压U2；其中，所述控制器的高压引脚电压由高压源提供；所述高压开关Q2导通时，所述控制器的供电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开关电源输入电压检测和供电的控制电路，应用在开关电源中，所述开关电源包括第一电阻R1、第二整流管D2、第二电容C2、主开关管Q1、感性元件L以及控制器，所述控制器的高压引脚通过所述第一电阻R1连接高压源，所述控制器的供电引脚分别与所述第二整流管D2和所述第二电容C2连接，所述控制器的驱动引脚通过所述主开关管Q1连接所述感性元件L，在所述主开关管Q1工作时，所述感性元件L两端的电压能够通过所述第二整流管D2整流后给所述第二电容C2充电，所述控制器的供电引脚电压为所述第二电容C2两端的电压，其特征在于，所述控制器包括所述开关电源输入电压检测和供电的控制电路，所述开关电源输入电压检测和供电的控制电路包括高压开关Q2、电流切换单元、采样保持单元、第一比较单元、第二比较单元和与逻辑单元，所述高压开关Q2的一端连接所述控制器的高压引脚，所述高压开关Q2的另一端与所述电流切换单元的一端连接，所述电流切换单元的另一端分别连接所述控制器的供电引脚和第一比较单元的负输入端，所述电流切换单元包括并联的两路电流源和一颗限流开关Q3，所述限流开关Q3串联在其中一路电流源上，所述采样保持单元分别与所述控制器的高压引脚、所述限流开关Q3和所述第二比较单元的负输入端连接，所述第一比较单元的输出端和所述第二比较单元的输出端均与所述与逻辑单元的输入端连接，所述与逻辑单元的输出端连接所述高压开关Q2，所述第一比较单元的正输入端连接第一设定电压U1，所述第二比较单元的正输入端连接第二设定电压U2；其中，所述控制器的高压引脚电压由高压源提供；所述高压开关Q2导通时，所述控制器的供电引脚电压由所述高压引脚通过所述电流切换单元提供；所述高压开关Q2关断时，所述控制器的供电引脚电压由所述感性元件L通过所述第二整流管D2提供；（1）所述开关电源启动前：所述控制器，用于控制所述高压开关Q2和所述限流开关Q3同时导通，此时由所述高压引脚通过所述电流切换单元提供供电电压，然后获取所述控制器的当前供电引脚电压，当所述控制器的当前供电引脚电压达到预设开启电压后，控制所述开关电源完成启动；（2）所述开关电源启动后：所述采样保持单元，用于控制所述限流开关Q3关断，以实时采集所述控制器的高压引脚电压；所述控制器，用于判定所述控制器的高压引脚电压满足预设电压范围时，控制所述高压开关Q2关断，所述开关电源开始正常工作，此时由所述感性元件L通过第二整流管D2提供供电电压；（3）所述开关电源正常工作后：所述第一比较单元，用于实时获取所述控制器的供电引脚电压，并比较所述控制器的供电引脚电压与所述第一设定电压U1之间的大小；所述第二比较单元，用于比较所述控制器的高压引脚电压与所述第二设定电压U2之间的大小；所述与逻辑单元，用于当所述控制器的供电引脚电压低于所述第一设定电压U1且所述控制器的高压引脚电压低于所述第二设定电压U2时，控制所述高压开关Q2和所述限流开关Q3再次同时导通，此时再次由所述高压引脚通过所述电流切换单元提供供电电压，所述控制器的供电引脚电压和所述控制器的高压引脚电压均升高；然后当所述控制器的供电引脚电压高于所述第一设定电压U1或者所述控制器的高压引脚电压高于所述第二设定电压U2
时，控制所述高压开关Q2关断，停止高压供电通路，返回至所述感性元件L供电。2.根据权利要求1所述的开关电源输入电压检测和供电的控制电路，其特征在于，所述开关电源为反激变换器，所述反激变换器包括交流电压、整流桥BD、第一整流管D1、第二整流管D2、第三整流管D3、第四整流管D4、由原边绕组Np、副边绕组Ns和辅助绕组Na构成的变压器T1、主开关管Q1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容CX、第一电阻R1、第二电阻R2以及控制器；其中，所述控制器的高压引脚电压由输入交流电压通过所述第三整流管D3和第四整流管D4提供；所述高压开关Q2导通时，所述控制器的供电引脚电压由所述高压引脚通过所述电流切换单元提供；所述高压开关Q2关断时，所述控制器的供电引脚电压由所述辅助绕组Na通过第二整流管D2提供。3.根据权利要求1所述的开关电源输入电压检测和供电的控制电路，其特征在于，所述开关电源为非隔离Buck变换器，所述非隔离Buck变换器包括交流电压、整流桥BD、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、主开关管Q1、第一整流管D1、第二整流管D2、电感L1以及控制器；其中，所述控制器的高压引脚电压由第一电容C1通过所述第一电阻R1提供；所述高压开关Q2导通时，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱皓，马任月，蒋万如，黄昊丹，
申请(专利权)人：无锡硅动力微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：