一種利用PowerMOS管實現高壓快速啟動的AC‑DC開關電源用供電電路的製作方法

2024-03-05 00:34:15

本實用新型涉及一種集成電路，具體涉及一種AC-DC開關電源用供電電路，尤其涉及一種利用Power MOS管實現高壓快速啟動的AC-DC開關電源上電啟動用供電電路。

背景技術：

AC-DC(交流轉直流)開關電源應用在一些感性類負載上，其使用特性為工作時間短，空載待機狀態長。根據全世界要求的低碳生活，尤其是歐美市場正不斷能效標準，對此類電源產品的待機功耗的要求是越來越高。在現有的AC-DC開關電源中通常採用反激變換器實現交直流轉換，這種反激式AC-DC開關電源上電啟動時，傳統的啟動方式包括外接電阻直接充電啟動以及高壓開關電流源充電啟動。

外接電阻充電啟動是通過電阻對控制電路的供電儲能電容進行充電從而啟動電源。外接電阻充電啟動的方式為了達到較快的啟動速度，外接的啟動電阻取值並不能取得過大，同時因為在啟動完成後不能夠關閉，啟動後仍然會有能量損耗，為了避免啟動電阻的損耗過大，取值又不能取值過小，外接啟動電阻直接啟動的方式啟動速度不夠快，同時有較大損耗。如圖1所示的外接電阻充電啟動供電電路，啟動電路101和PWM電路102集成在一起，作為控制電路103，功率開關管M1作為功率輸出級，Rcs為電流採樣電阻，變壓器T1包含三個繞組，原邊繞組AB，副邊繞組EF，輔助繞組CD，R1為啟動電阻，C1為控制電路103的電源濾波電容，VIN為來自AC經過整流後的電源。上電時，通過R1對C1進行充電，當VCC電壓達到開啟電壓時，電路啟動，並通過輔助繞組CD給控制電路103持續供電，啟動過程完成。但啟動後，啟動電阻R1也一直在消耗能量，R1的大小，影響待機功耗，電阻越小，功耗越大，電阻越大，功耗越小，但電阻過大無法滿足啟動所需要的電流，會造成啟動困難或啟動時間過長的問題，所以綜合起來該種方式待機功耗非常大，無法滿足日益嚴格的能效要求。而且大的電流通過採樣電阻Rcs，也會增加功耗，降低系統效率。

高壓開關電流源充電啟動方式是通過一個高壓開關即一個高壓增強型的MOS管流過受控的充電電流到開關電源晶片的供電電容進行充電從而啟動電路。如圖2所示的高壓開關電流源充電啟動供電電路，將高壓MOS管M2和電容D2集成到控制電路203中，啟動時，通過M2可以實現快速啟動，啟動完畢時，通過啟動電路201關閉M2，則可實現降低電路功耗的目的，但高壓集成工藝複雜，成本較高。採樣電阻Rcs與圖1中的採樣電阻Rcs具有同樣的增加功耗的問題。因此，迫切的需要一種新型的成本低、啟動速度快且待機功耗小的反激式AC-DC開關電源上電啟動的供電電路來解決上述技術問題。

技術實現要素：

本實用新型正是針對現有技術中存在的技術問題，提供一種利用Power MOS管實現高壓快速啟動的AC-DC開關電源用供電電路，該電路整體結構設計巧妙，利用Power MOS管來實現高壓快速啟動的目的，具有啟動速度快、整體能耗低、無需複雜的高壓集成工藝流程、實現方式簡單以及待機功耗低等優點。

為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為，一種利用PowerMOS管實現高壓快速啟動的AC-DC開關電源用供電電路，包括開關電源管理晶片、變壓器、供電二極體、電源濾波電容、高壓MOS管、偏置電阻和輸出整流濾波器，所述變壓器包括原邊繞組、副邊繞組和輔助繞組，所述原邊繞組的一端引出作為供電電路的輸入端，所述供電電路的輸入端連接直流輸入電源，所述直流輸入電源為交流電經過整流濾波後的電源，原邊繞組的另一端連接高壓MOS管的漏極，所述副邊繞組連接輸出整流濾波器的輸入端，所述輸出整流濾波器的輸出端引出作為供電電路的輸出端，所述輔助繞組的一端連接供電二極體的正極，另一端接地；供電二極體的負極串聯電源濾波電容後接地，在供電二極體和電源濾波電容之間引出支路連接開關電源管理晶片的VCC引腳，所述偏置電阻連接在高壓MOS管的漏極和柵極之間，所述高壓MOS管的源極連接開關電源管理晶片的開關SW（Switch）引腳，高壓MOS管的柵極連接開關電源管理晶片的驅動輸出DRV（Driver）或GATE引腳，所述開關電源管理晶片的GND引腳接地。

作為本實用新型的一種改進， 還包括第一低壓MOS管、第二低壓MOS管、內部啟動供電二極體和電流採樣電阻，所述第一低壓MOS管、第二低壓MOS管、內部啟動供電二極體和電流採樣電阻採用常規CMOS工藝集成在開關電源管理晶片中，所述開關電源管理晶片包括啟動電路和PWM電路，所述啟動電路的輸入端連接VCC引腳，啟動電路的輸出端連接PWM電路的輸入端，PWM電路的輸出端連接DRV引腳，所述內部啟動供電二極體的正極連接SW引腳，負極連接啟動電路的輸入端，所述第一低壓MOS管和第二低壓MOS管的漏極連接SW引腳，第一低壓MOS管和第二低壓MOS管的柵極連接DRV引腳，第一低壓MOS管的源極連接GND引腳，第二低壓MOS管的源極串聯電流採樣電阻後連接GND引腳，所述PWM電路的電流採樣CS（Current sampling）引腳連接在第二低壓MOS管的源極上。

作為本實用新型的一種改進， 所述第一低壓MOS管和第二低壓MOS管的寬長比成比例設置，其中第一低壓MOS管的寬長比比第二低壓MOS管的寬長比小，第一低壓MOS管的寬長比為第二低壓MOS管寬長比的幾百至幾千分之一。

作為本實用新型的一種改進， 所述高壓MOS管的耐壓值範圍為500V-1000V，所述第一低壓MOS管和第二低壓MOS管的耐壓值範圍為20-40V。

作為本實用新型的一種改進， 所述偏置電阻採用高阻值電阻，其取值為兆歐及以上級別。

作為本實用新型的一種改進， 所述高壓MOS管、第一低壓MOS管和第二低壓MOS管均採用N溝道增強型MOS管。

作為本實用新型的一種改進，所述輸出整流濾波器包括續流二極體和濾波電容，輸出整流濾波器的輸入端為續流二極體的正極端，續流二極體的正極連接變壓器的副邊繞組的一端，副邊繞組的另一端接地，續流二極體的負極串聯濾波電容後接地，在續流二極體的負極與濾波電容之間引出支路作為輸出整流濾波器的輸出端。

相對於現有技術，本實用新型的整體結構設計巧妙實用，成本較低，通過Power MOS管（即高壓MOS管）本身就可實現AC-DC開關電源的高壓快速啟動，上電啟動速度快，用戶體驗度高，由於對高壓MOS管進行偏置的偏置電阻採用兆歐及以上級別的高阻值電阻，在不影響電路啟動效果的基礎上，可大大降低整個電源的待機功耗，提高產品的可靠性和市場競爭力；而且通過將低壓MOS管以及電流採樣電阻採用CMOS工藝集成到開關電源管理晶片內，這樣不需要採用複雜的高壓工藝就可以實現高壓快速啟動，簡化產品生產流程，降低了產品的成本。另外，通過利用兩個低壓MOS管按較大的寬長比比例（幾百至幾千）分流的方式對高壓MOS管進行電流採樣，可有效降低電流採樣電阻的功耗，提高系統效率。

附圖說明

圖1為現有AC-DC開關電源用外接電阻充電啟動供電電路結構圖。

圖2為現有AC-DC開關電源用高壓開關電流源充電啟動供電電路結構圖。

圖3為本實用新型優選實施例的電路結構圖。

具體實施方式

為了加深對本實用新型的理解和認識，下面結合附圖和優選實施例對本實用新型作進一步描述和介紹。

如圖3所示，一種利用Power MOS管實現高壓快速啟動的AC-DC開關電源用供電電路，包括開關電源管理晶片303、變壓器T1、供電二極體D1、電源濾波電容C2C1、高壓MOS管M1、第一低壓MOS管M2、第二低壓MOS管M3、內部啟動供電二極體D2、電流採樣電阻Rcs、偏置電阻Rst和輸出整流濾波器。所述高壓MOS管M1即為Power MOS管。其中，所述變壓器T1包括原邊繞組AB 、副邊繞組EF和輔助繞組CD，原邊繞組AB 的一端引出作為供電電路的輸入端VIN，輸出整流濾波器的輸出端引出作為供電電路的輸出端VOUT。所述供電電路的輸入端連接直流輸入電源，所述直流輸入電源為交流電經過整流濾波後的電源。原邊繞組AB 的另一端連接高壓MOS管M1的漏極，所述副邊繞組EF連接輸出整流濾波器的輸入端，所述輔助繞組CD的一端連接供電二極體D1的正極，另一端接地。供電二極體D1的負極串聯電源濾波電容C2C1後接地，在供電二極體D1和電源濾波電容C2C1之間引出支路連接開關電源管理晶片303的VCC引腳，所述偏置電阻Rst連接在高壓MOS管M1的漏極和柵極之間，所述高壓MOS管M1的源極連接開關電源管理晶片303的SW引腳，高壓MOS管M1的柵極連接開關電源管理晶片303的DRV引腳，所述開關電源管理晶片303的GND引腳接地。

所述第一低壓MOS管M2、第二低壓MOS管M3、內部啟動供電二極體D2和電流採樣電阻Rcs採用常規CMOS工藝集成設置在開關電源管理晶片303中，從而可有效降低生產成本，也降低生產工藝複雜度。所述開關電源管理晶片303包括啟動電路301和PWM電路302，所述啟動電路301的輸入端連接VCC引腳，啟動電路301的輸出端連接PWM電路302的輸入端，PWM電路302的輸出端連接DRV引腳。所述啟動電路301採用電壓比較器，對VCC引腳的電壓進行檢測，在當VCC引腳的電壓達到開關電源管理晶片303的正常工作電壓範圍時，啟動開關電源管理晶片303工作，同時啟動PWM電路302驅動DRV引腳進行工作。

所述內部啟動供電二極體D2的正極連接SW引腳，負極連接啟動電路301的輸入端。所述第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3的漏極連接SW引腳，第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3的柵極連接DRV引腳，第一低壓MOS管M2的源極連接GND引腳，第二低壓MOS管M3的源極串聯電流採樣電阻Rcs後連接GND引腳，所述PWM電路302的CS引腳連接在第二低壓MOS管M3的源極上。

優選的是，所述第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3的寬長比成比例設置，其中第一低壓MOS管M2的寬長比比第二低壓MOS管M3的寬長比小，第一低壓MOS管M2的寬長比為第二低壓MOS管M3寬長比的幾百至幾千分之一。這裡的寬長比是指MOS管的導電溝道的寬與長的比，寬長比越大，MOS管的Id就越大，也就是寬長比與Id成正比。將第一低壓MOS管M2的寬長比設置成第二低壓MOS管M3寬長比的幾百至幾千分之一，可使得流過第二低壓MOS管M3的電流只有總電流的幾百至幾千分之一（流過兩個低壓MOS管的電流是按照寬長比的比例進行分配），這樣，通過電流採樣電阻Rcs的電流就大幅減小，電流採樣電阻Rcs所產生的功耗也會大幅降低，從而提高系統效率，降低整個電源的功耗。

進一步優選的是，所述高壓MOS管M1的耐壓值通常範圍為500V-1000V，實際使用中不限於該範圍，所述第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3的耐壓值通常範圍為20-40V，實際使用中不限於該範圍。並且，所述高壓MOS管M1、第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3均採用N溝道增強型MOS管。供電電路在啟動時可通過偏置電阻Rst、第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3來對高壓MOS管M1的開啟與關閉進行控制，從而在具有低成本及簡潔結構的基礎上使得供電電路通過Power MOS管自身實現高壓快速啟動的目的，並可以降低待機功耗。

更進一步優選的是，所述偏置電阻Rst採用高阻值電阻，其取值為兆歐及以上級別。通常在實際應用中採用兆歐甚至幾十兆歐的高阻值電阻來作為偏置電阻Rst，然而卻不會影響供電電路的啟動速度，並且也可以降低待機功耗。此外，所述偏置電阻Rst也可以集成到開關電源管理晶片303中，這樣可有效縮小整個電路的尺寸與體積，擴大電路的適用範圍。

更進一步優選的是，所述輸出整流濾波器包括續流二極體D3和濾波電容C2，輸出整流濾波器的輸入端為續流二極體D3的正極端，續流二極體D3的正極連接變壓器T1的副邊繞組EF的一端，副邊繞組EF的另一端接地，續流二極體D3的負極串聯濾波電容C2後接地，在續流二極體D3的負極與濾波電容C2之間引出支路作為輸出整流濾波器的輸出端。經過輸出整流濾波器處理後的直流輸出電壓具有良好的穩定性。

本供電電路在啟動時，偏置電阻Rst給高壓MOS管M1提供偏置，使高壓MOS管M1開啟，則電流從VIN依次通過變壓器T1原邊繞組AB 、高壓MOS管M1、內部啟動供電二極體D2給電源濾波電容C2C1充電，在這一過程中，開關電源管理晶片303的DRV引腳為低電平，未能達到第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3的開啟電壓，因此此時兩者處於關閉狀態，隨著充電的持續，電源濾波電容C2C1的電壓逐步上升，在當開關電源管理晶片303的DRV引腳達到啟動電路301的預設開啟電壓時，開關電源管理晶片303完成啟動，而後由變壓器T1輔助繞組CD通過供電二極體D1給開關電源管理晶片303進行持續供電。

在開關電源管理晶片303啟動後，其DRV引腳輸出高電平，此時，高壓MOS管M1、第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3均開啟，這樣通過高壓MOS管M1的電流等於流過第一低壓MOS管M2和第二低壓MOS管M3的電流之和，而由於第二低壓MOS管M3的Id比較小，因此，通過第二低壓MOS管M3的電流也就只有流過高壓MOS管M1電流的幾百至幾千分之一，這樣通過電流採樣電阻Rcs的電流就會大幅減小，從而使得電流採樣電阻Rcs產生的功耗也會大幅降低，進而提高系統效率。

需要說明的是上述實施例，並非用來限定本實用新型的保護範圍，在上述技術方案的基礎上所作出的等同變換或替代均落入本實用新型權利要求所保護的範圍。在權利要求中，單詞第一、第二以及第三等的使用不表示任何順序，可將這些單詞解釋為名稱。

本實用新型方案所公開的技術手段不僅限於上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護範圍。