供電電路、開關電源系統及其供電方法與流程

2023-11-06 18:47:08 1

本發明涉及開關電源控制領域，尤其涉及適用於驅動功率三極體的AC-DC開關電源的供電電路、開關電源系統及其供電方法。

背景技術：

高壓buck(high-side buck)/升降壓(buck-boost)AC-DC開關電源廣泛應用於家電和電錶等領域，隨著科技的進步，業界對產品的性能要求越來越高，需要有更高效率，更低待機功耗，更好的EMI性能，更好的使用靈活性，以及更低的成本。

待機時功耗分為：dummy load(虛負載)消耗、控制器本身消耗、啟動電路消耗等，控制器本身消耗由控制器內部電路和控制器供電電壓決定，所以降低控制器的供電電壓可以有效降低待機功耗。由於功率三極體在成本、EMI特性等方面優於功率MOS管，可以很好的應用在開關電源系統中。現有的基於驅動功率三極體的AC-DC開關電源，其控制器的供電方式大多為輸出供電。

參考圖1，現有輸出供電的high-side buck結構，Q1為功率三極體。這種輸出供電的供電方式存在的不足之處在於：輸出電壓不能低於控制器的工作電壓，故輸出電壓的範圍就會受到限制(即輸出電壓必須滿足控制器工作電壓範圍)，從而導致控制器應用受限控制。

因此，亟需提供一種新的開關電源系統的控制器供電方式，以實現輸出電壓不受限於控制器的工作電壓，同時可以實現低功耗，高效率。

技術實現要素：

本發明的目的在於，提供一種供電電路、開關電源系統及其供電方法，採用自供電和高壓供電組合的方式，克服現有供電技術的缺點，實現輸出電壓不受限於控制器的工作電壓，同時可以實現低功耗，高效率。

為實現上述目的，本發明提供了一種供電電路，適用於開關電源系統，所述供電電路包括：高壓供電單元、自供電單元、控制單元以及充電電容；所述高壓供電單元，分別電性連接開關電源系統的直流電壓輸入端以及開關電源系統的VCC電壓輸入端；所述自供電單元，分別電性連接所述直流電壓輸入端、所述VCC電壓輸入端以及開關電源系統的負載端；所述控制單元，分別耦接所述VCC電壓輸入端、所述自供電單元以及所述高壓供電單元，用於生成驅動所述高壓供電單元導通或關斷的控制信號和/或生成驅動所述自供電單元導通或關斷的控制信號；所述充電電容，一端電性連接所述VCC電壓輸入端，另一端電性連接所述負載端；其中，當所述高壓供電單元導通時，所述高壓供電單元對充電電容進行充電；當所述高壓供電單元關斷時，在所述自供電單元導通時，所述自供電單元對所述負載端進行供電，在所述自供電單元收到所述控制單元輸出的關斷控制信號時，所述自供電單元對所述充電電容補電一補電時間後徹底關斷。

為實現上述目的，本發明還提供了一種開關電源控制晶片，所述控制晶片內設有本發明所述的供電電路。

為實現上述目的，本發明還提供了一種開關電源系統，包括交流電壓源、與所述交流電壓源電性連接的整流電路、與所述整流電路電性連接的母線電容、與所述母線電容和所述整流電路的公共端電性連接的直流電壓輸入端，以及負載端，所述系統還包括本發明所述的供電電路；當所述高壓供電單元導通時，所述高壓供電單元對充電電容進行充電；當所述高壓供電單元關斷時，在所述自供電單元導通時，所述自供電單元對所述負載端進行供電，在所述自供電單元收到所述控制單元輸出的關斷控制信號時，所述自供電單元對所述充電電容補電一補電時間後徹底關斷。

為實現上述目的，本發明還提供了一種開關電源系統供電方法，採用本發明所述的開關電源系統，包括如下步驟：(1)開關電源系統正常工作時，所述控制單元生成驅動所述自供電單元導通的控制信號控制所述自供電單元導通，所述自供電單元對負載端進行供電；(2)所述控制單元生成驅動所述自供電單元關斷的控制信號控制所述自供電單元對所述充電電容補電一補電時間後徹底關斷。

本發明的優點在於，採用自供電和高壓供電組合的方式，適用於驅動功率三極體的開關電源系統和LED驅動器。克服了現有供電技術的缺點，實現輸出電壓不受限於控制器的工作電壓(即VCC電壓)，提高了開關電源系統和LED驅動器的效率和EMI特性，擴展了應用範圍，特別是輸出電壓的範圍，同時可以實現低功耗，高效率。

附圖說明

圖1，現有輸出供電的high-side buck結構；

圖2，本發明所述的開關電源系統的架構示意圖；

圖3，本發明所述的開關電源系統一實施例的示意圖；

圖4為圖3所述實施例中各關鍵節點的波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明提供的供電電路、開關電源系統及其供電方法做詳細說明。

參考圖2，本發明所述的開關電源系統的架構示意圖；開關電源系統包括：包括交流電壓源Vin、與所述交流電壓源Vin電性連接的整流電路21、與所述整流電路21電性連接的母線電容Cin、與所述母線電容Cin和所述整流電路21的公共端電性連接的直流電壓輸入端Mdc、負載端29、以及供電電路22。所述供電電路22包括：高壓供電單元221、自供電單元222、控制單元223以及充電電容Cvcc。

所述高壓供電單元221，分別電性連接開關電源系統的直流電壓輸入端Mdc以及開關電源系統的VCC電壓輸入端Mvcc。所述自供電單元222，分別電性連接所述直流電壓輸入端Mdc、所述VCC電壓輸入端Mvcc以及開關電源系統的負載端29。所述控制單元223，分別耦接所述VCC電壓輸入端Mvcc、所述自供電單元222以及所述高壓供電單元221，用於生成驅動所述高壓供電單元221導通或關斷的控制信號和/或生成驅動所述自供電單元222導通或關斷的控制信號。所述充電電容Cvcc，一端電性連接所述VCC電壓輸入端Mvcc，另一端電性連接至所述負載端29。當所述高壓供電單元221導通時，所述高壓供電單元221對充電電容Cvcc進行充電。當所述高壓供電單元221關斷時，在所述自供電單元222導通時，所述自供電單元222對所述負載端29進行供電；在所述自供電單元222收到所述控制單元223輸出的關斷控制信號時，所述自供電單元222對所述充電電容Cvcc補電一補電時間Tch後徹底關斷。

具體的，在高壓供電單元221接收到控制單元223輸出的導通控制信號後導通；開關電源系統的直流電壓通過所述直流電壓輸入端Mdc輸入高壓供電單元221，並通過VCC電壓輸入端Mvcc輸出至充電電容Cvcc，從而實現開關電源系統通過所述高壓供電單元221對充電電容Cvcc進行充電。在高壓供電單元221接收到控制單元223輸出的關斷控制信號後，所述高壓供電單元221關斷。

具體的，在自供電單元222接收到控制單元223輸出的導通控制信號後，所述自供電單元222導通；開關電源系統的直流電壓通過所述直流電壓輸入端Mdc輸入自供電單元222，並通過所述自供電單元222輸出至負載端29，從而實現開關電源系統通過所述自供電單元222對所述負載端29進行供電。在自供電單元222接收到控制單元223輸出的關斷控制信號後，所述自供電單元222對所述充電電容Cvcc補電一補電時間Tch後徹底關斷。

優選的，所述供電電路22進一步包括VCC檢測單元224；所述VCC檢測單元224，用於檢測所述充電電容Cvcc上的VCC電壓(即VCC電壓輸入端Mvcc輸出的VCC電壓)，並在所述VCC電壓與第一參考電壓VCC-TH1比較後，在所述VCC電壓大於等於所述第一參考電壓時輸出第一檢測信號至所述控制單元223；所述控制單元223根據所述第一檢測信號生成驅動所述高壓供電單元222關斷的控制信號。具體的，開關電源系統啟動時，充電電容Cvcc上的VCC電壓初始為零，開關電源系統通過高壓供電單元221對充電電容Cvcc充電，VCC電壓逐漸上升。當VCC電壓大於等於第一參考電壓VCC_TH1時，VCC檢測單元224輸出第一檢測信號至所述控制單元223，控制單元223輸出驅動所述高壓供電單元221關斷的控制信號，控制高壓供電單元221導通關斷，系統啟動完成。

優選的，所述供電電路22進一步包括VCC檢測單元224；所述VCC檢測單元224用於檢測充電電容Cvcc上的VCC電壓(即VCC電壓輸入端Mvcc輸出的VCC電壓)，並在所述VCC電壓小於第二參考電壓VCC-TH2時輸出第二檢測信號至所述控制單元223；所述控制單元223進一步用於在所述自供電單元222收到所述控制單元223輸出的關斷控制信號徹底關斷後，根據所述第二檢測信號生成驅動所述高壓供電單元221導通的控制信號。

某些情況下僅靠自供電單元222自供電仍然會存在供電不足的情況，比如工作頻率特別低時，因為自供電單元222每個周期供一次電，供電的佔空比很小，容易導致供電不足，從而會導致控制單元反覆重啟，影響系統正常工作。因此，開關電源系統正常工作時，在自供電單元222供電不足的時候就需要高壓供電單元221及時補電，以防止控制單元223反覆重啟。當檢測到VCC電壓低於第二參考電壓VCC_TH2時，VCC檢測單元224輸出第二檢測信號至所述控制單元223，控制單元223根據所述第二檢測信號生成驅動所述高壓供電單元221導通的控制信號，控制高壓供電單元221導通；高壓供電單元221開始給充電電容Cvcc充電，直到VCC電壓高於第一參考電壓VCC_TH1時，高壓供電單元221停止充電。其中，第二參考電壓VCC_TH2小於第一參考電壓VCC_TH1。

優選的，所述供電電路22進一步包括退磁檢測單元225；所述退磁檢測單元225用於檢測退磁點，並將檢測到的退磁信號反饋至所述控制單元223；所述控制單元223進一步根據所述退磁信號生成驅動所述自供電單元222導通的控制信號。一旦退磁點檢測到後，控制單元223會輸出導通控制信號，控制自供電單元222導通。

優選的，所述供電電路22進一步包括CS檢測單元226；所述CS檢測單元226用於檢測所述負載端29的電流採樣電壓Vcs，並在所述電流採樣電壓Vcs大於預設電壓閾值時提供CS檢測信號至所述控制單元223；所述控制單元223進一步根據所述CS檢測信號生成驅動所述自供電單元222關斷的控制信號。

本發明採用自供電和高壓供電組合的方式，適用於驅動功率三極體的開關電源系統和LED驅動器。本發明克服了現有供電技術的缺點，因為不再需要從輸出給VCC供電，輸出電壓不再受到控制單元的電源電壓(即VCC電壓)的限制，提高了開關電源系統和LED驅動器的效率和EMI特性，擴展了應用範圍，特別是輸出電壓的範圍。

本發明還提供了一種開關電源控制晶片，控制晶片內設有本發明所述的供電電路。其中，自供電單元222、高壓供電單元221、控制單元223、VCC檢測單元224、退磁檢測單元225以及CS檢測單元226的一個或多個集成在同一控制晶片內，組成開關電源控制晶片。

參考圖3-圖4，其中，圖3為本發明所述的開關電源系統一實施例的示意圖；圖4為圖3所述實施例中各關鍵節點的波形圖。圖3為本發明在high-side buck拓撲中的典型應用，需要說明的是本發明不限於在high-side buck拓撲裡使用，也可以用於其他拓撲的開關電源系統和LED驅動器。

交流輸入Vin通過整流電路21輸入到母線電容Cin上得到直流電壓Vindc，直流電壓Vindc輸入直流電壓輸入端Mdc。負載端29包括採樣電阻Rcs、電感L0、電容C0、續流二極體D0以及負載291。採樣電阻Rcs一端電性連接所述充電電容Cvcc同時電性連接電感L0，另一端電性連接所述供電電路22的輸出端；電感L0的另一端電性連接負載291，負載291另一端接地；電容C0並聯在負載291的兩端；續流二極體D0陰極電性連接所述供電電路22的輸出端，陽極接地。

在本實施例中，所述高壓供電單元221包括高壓供電元件HD1以及第二開關S2；所述高壓供電元件HD1，輸入端電性連接直流電壓輸入端Mdc，輸出端電性連接所述第二開關S2的第一接入點；所述第二開關S2，第二接入點電性連接VCC電壓輸入端Mvcc(即電性連接充電電容Cvcc的上極板)，控制端電性連接所述控制單元223的第二輸出端OUT2。所述第二開關S2根據所述控制單元223生成的控制信號導通或關斷；當所述第二開關S2導通時，所述高壓供電元件HD1對充電電容Cvcc進行充電。所述高壓供電元件HD1通常為高壓JFET或者耗盡型MOS管(Depletion MOS)。第二開關S2採用開關管實現，開關管可以為MOS管或二極體、三極體等電晶體。

在本實施例中，所述自供電單元222包括功率三極體Q1、二極體D1以及第一開關S1。所述功率三極體Q1，集電極電性連接直流電壓輸入端Mdc，基極耦接至所述控制單元223的第三輸出端OUT3，發射極電性連接所述第一開關S1的第一接入點，同時電性連接所述二極體D1的陽極；所述第一開關S1，第二接入點電性連接至負載端29(具體為電性連接至採樣電阻Rcs)，控制端電性連接與所述控制單元223的第一輸出端OUT1；所述二極體D1，陰極電性連接VCC電壓輸入端Mvcc。第一開關S1以及功率三極體Q1根據所述控制單元223生成的控制信號導通或關斷；在所述第一開關S1根據所述控制單元223的第一輸出端OUT1輸出的關斷控制信號關斷時，當所述功率三極體Q1發射極的電壓Vce大於所述VCC電壓輸入端的VCC電壓VCC與所述二極體D1的正向壓降VD1之和時，即Vce>(VCC+VD1)，所述功率三極體Q1內電流通過所述二極體D1對所述充電電容Cvcc補電。當功率三極體Q1補電一定時間後，拉低功率三極體Q1的基極，二極體D1關斷，功率三極體Q1徹底關斷。第一開關S1採用開關管實現，開關管可以為MOS管或二極體、三極體等電晶體。其中，所述功率三極體Q1與所述第一開關S1的關斷在同一個周期內完成。

在本實施例中，所述供電電路22進一步包括驅動單元227；所述驅動單元227，一端電性連接所述功率三極體Q1的基極，另一端電性連接所述控制單元223的第三輸出端OUT3，用於根據所述控制單元223提供的邏輯控制信號輸出功率管控制信號為所述功率三極體Q1提供基極電流。

在本實施例中，所述VCC檢測單元224包括第一比較器CMP1。第一比較器CMP1的一輸入端電性連接VCC電壓輸入端，用於接收VCC電壓，另一輸入端用於接收第一參考電壓VCC_TH1；輸出端電性連接所述控制單元223。當VCC電壓高於VCC_TH1時，CMP1輸出高電平到控制單元223，控制單元223的第二輸出端OUT2輸出關斷控制信號控制開關管S2關斷，高壓供電元件HD1停止供電。

在本實施例中，所述VCC檢測單元224還包括第二比較器CMP2。第二比較器CMP2的一輸入端電性連接VCC電壓輸入端，用於接收VCC電壓，另一輸入端用於接收第二參考電壓VCC_TH2；輸出端電性連接所述控制單元223，其中VCC_TH2小於VCC_TH1。當VCC電壓低於VCC_TH2時，CMP2輸出低電平到控制單元223，控制單元223的第二輸出端OUT2輸出導通控制信號控制開關管S2導通；開關電源系統通過高壓供電元件HD1對充電電容Cvcc充電，直到VCC電壓重新上升至VCC_TH1；此時CMP1輸出高電平到控制單元223，控制單元223的第二輸出端OUT2輸出關斷控制信號控制開關管S2關斷，高壓供電元件HD1停止供電。

在本實施例中，所述退磁檢測單元225，輸入端電性連接所述功率三極體Q1的基極，輸出端電性連接所述控制單元223，用於檢測退磁點並將檢測到的退磁信號反饋至所述控制單元223；所述控制單元223進一步根據所述退磁信號生成導通控制信號導通所述功率三極體Q1。也即退磁檢測單元225一旦退磁點檢測到後，控制單元223會輸出導通控制信號，控制功率三極體Q1導通。

在本實施例中，所述CS檢測單元226，輸入端電性連接採樣電阻Rcs的一端，輸出端電性連接所述控制單元223，用於檢測採樣電阻Rcs上的電流採樣電壓Vcs(也即從Q1發射極流出的電流)，並在所述電流採樣電壓Vcs大於預設電壓閾值時提供CS檢測信號至所述控制單元223；所述控制單元223進一步根據所述CS檢測信號生成驅動所述自供電單元222關斷的控制信號。功率三極體Q1導通時間內，流過Q1的電流逐漸增大，由於流過Q1的電流同樣也流過採樣電阻Rcs，故Rcs上的電壓Vcs也逐漸升高；當Vcs高於CS檢測單元226內部設置的某一預設電壓閾值時，CS檢測單元226輸出高電平，控制單元223會輸出關斷控制信號至Q1以及S1，停止向Q1的基極提供電流，從而Q1基極浮空。

以下結合圖3-圖4對本發明所述實施例的工作原理進行描述。

開關電源系統啟動時，VCC電壓初始為零，第二比較器CMP2輸出低電平到控制單元223，控制單元223的第二輸出端OUT2輸出導通控制信號控制第二開關S2導通，系統通過高壓供電元件HD1對充電電容Cvcc充電，VCC電壓逐漸上升。這段時間內，功率三極體Q1一直處於關斷狀態。當VCC電壓大於等於第一參考電壓VCC_TH1時，第一比較器CMP1輸出高電平，控制單元223的第二輸出端OUT2輸出關斷控制信號控制S2關斷，啟動完成。

啟動結束後，開關電源系統開始進入正常開關工作階段。功率管三極體Q1導通前，Q1的集電極相對晶片地為高壓；Q1導通時，Q1與第一開關S1同時打開，電感L0電流開始增加，能量從輸入Vindc傳輸到輸出VOUT；輸入Vindc通過導通的Q1和晶片地連接在一起，Q1的集電極到晶片地的壓差很小。

Q1導通時間內，流過Q1的電流逐漸增大；由於流過Q1的電流同樣也流過採樣電阻Rcs，故Rcs上的電壓Vcs也逐漸升高，當Vcs高於CS檢測單元226內部設置的某一預設電壓閾值時，CS檢測單元226輸出高電平，控制單元223會輸出關斷控制信號至Q1以及S1，控制單元223停止向Q1的基極提供電流，從而Q1基極浮空。因Q1內部的儲存電荷，Q1短時間內仍然維持導通狀態，Q1發射極、基極電壓開始升高；當Q1發射極電壓升高到VCC+VD1(VD1為二極體正向壓降約0.7V)時，Q1內電流開始通過二極體D1對充電電容Cvcc補電，電感L0電流繼續增加。此時Vindc和地的壓差為VCC+VD1+Vce，因為Q1依然處於飽和區，Vce壓降很低，此時開關電源系統為低壓供電，功耗低、效率高。當Q1補電超過最大補電時間閾值Tch_max或者VCC電壓大於等於VCC_TH1後，拉低Q1基極，D1關斷，Q1徹底關斷,電感L0電流開始降低，續流二極體D0導通。

高壓和功率三極體組合供電原理：在某些情況下僅靠功率三極體自供電仍然會存在供電不足的情況；比如工作頻率特別低時，因為三極體每個周期供一次電，供電的佔空比很小，容易導致供電不足，從而會導致控制電路反覆重啟，影響系統正常工作。在上述供電不足的時候就需要高壓供電單元及時補電，以防止控制電路反覆重啟。故，當檢測到VCC電壓低於第二參考電壓VCC_TH2時，第二比較器CMP2輸出低電平，控制單元223控制S2打開，高壓供電元件HD1開始給充電電容Cvcc充電，直到VCC電壓重新上升至第一參考電壓VCC_TH1，高壓供電元件HD1停止充電。

圖4中Tbase為給Q1的基極提供電流的時間；Tch_max為Q1自供電最長時間；Toff為Q1關斷時間；Tch_hv為高壓供電時間。從圖3中可以看出，在給Q1提供基極電流時間(Tbase)內，由於基極電流是VCC提供的，耗電較多，VCC下降較快；CS檢測單元226輸出高電平後，OUT1和OUT3均跳變為低，驅動單元227停止向Q1提供基極電流，Q1開始給充電電容Cvcc補電，VCC電壓上升；但由於某些原因(比如頻率太低或者其他原因)導致即使Q1自供電時間達到設定的最大時間Tch_max，VCC電壓仍然低於VCC_TH2，此時高壓供電元件HD1開始補電，VCC電壓繼續上升；當VCC電壓上升到VCC_TH1後，高壓供電元件HD1停止供電。要說明的是，高壓供電元件HD1隻有在Toff時間段內供電。

本發明採用功率三極體自供電和高壓供電組合的方式，適用於驅動功率三極體的開關電源系統和LED驅動器。充分發揮了功率三極體的優勢，功率三極體自供電時段屬於低壓供電，在功率三極體Vce壓降比較低時對充電電容補電，確保了低功耗和高效率；而在功率三極體自供電不足時，高壓供電單元及時補電，防止系統反覆重啟。克服了現有供電技術的缺點，輸出電壓不受限於VCC電壓，提高了開關電源系統和LED驅動器的效率和EMI特性，擴展了應用範圍，特別是輸出電壓的範圍。

本發明還提供了一種開關電源系統供電方法，採用本發明所述的開關電源系統；該供電方法為：開關電源系統正常工作時，所述控制單元生成驅動所述自供電單元導通的控制信號控制所述自供電單元導通，所述自供電單元對負載端進行供電；所述控制單元生成驅動所述自供電單元關斷的控制信號控制所述自供電單元對所述充電電容補電一補電時間後徹底關斷。

在開關電源系統正常工作前，進一步進行開關電源系統啟動工作：所述控制單元生成驅動所述高壓供電單元導通的控制信號控制所述高壓供電單元導通，所述高壓供電單元對所述充電電容充電；所述控制單元生成驅動所述高壓供電單元關斷的控制信號控制所述高壓供電單元關斷，開關電源系統啟動完成。

所述控制單元生成驅動所述自供電單元關斷的控制信號進一步包括：所述供電電路接收負載端的反饋採樣電壓，並在所述反饋採樣電壓大於預設電壓閾值時，所述控制單元生成驅動所述自供電單元關斷的控制信號。

所述控制單元生成驅動所述自供電單元關斷的控制信號控制所述自供電單元對所述充電電容補電一補電時間後徹底關斷進一步包括：在所述自供電單元收到所述控制單元輸出的關斷控制信號後，當所述補電時間大於最大補電時間閾值或所述VCC電壓大於等於第一參考電壓時，所述自供電單元徹底關斷。

在所述自供電單元收到所述控制單元輸出的關斷控制信號徹底關斷後，進一步包括：當所述VCC電壓輸入端的VCC電壓小於第二參考電壓時，所述控制單元進一步生成驅動所述高壓供電單元導通的控制信號。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。