一种用于开关电路的自供电电路的制作方法
【专利摘要】本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种用于开关电路的自供电电路。本发明的电路，包括运算放大器、功率管M0、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、负载电流源ILoad、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二D2；运算放大器的负相输入端接基准电压，其输出端接功率管M0的栅极；功率管M0的漏极接电源，源极接地；运算放大器的正相输入端接第一分压电阻R1；第一分压电阻R1接功率管M0的漏极，第二分压电阻R2接地；功率管M0的漏极接第一二极管D1的负极，第二二极管D2的正极接地；第一二极管D1正极接功率管M0的漏极电压。本发明的结构，具有架构简洁、能量自收集、系统整体效率高、避免高压器件使用及低成本的优点。
【专利说明】
一种用于开关电路的自供电电路
技术领域
[0001] 本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种用于开关电路的自供电电路。
【背景技术】
[0002] 在高压功率转换电路中，如Flyback、Buck拓扑结构电路，通过反馈信号控制功率 开关管的开关以达到能量的传递。芯片的控制部分供电通常的做法有以下两种：1、直接从 主电源上获得直流电压为1C供电。这种方法通常需要较多高压器件，降低芯片的可集成度。 2、利用辅助绕组，通过变压器原理利用输出电压为芯片供电。但这种方法需要较大的变压 器体积，增加整体应用成本。此外，这两种方法其能量均来自总的电源，需要消耗额外的功 耗，导致芯片效率的降低。因此本发明设计了一种自供电电路，充分利用系统中本被"浪费" 的能量，形成能量收集，从而为芯片提供供电能量，具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决典型的高压开关电路存在的上述问题，提出了自供电的 电路结构，提尚了开关电路的性能。
[0004] 本发明采用的技术方案是:一种用于开关电路的自供电电路，包括运算放大器、功 率管M0、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、负载电流源ILoad、第一电容C1、第二电容C2、第 一二极管D1、第二D2;运算放大器的负相输入端接基准电压VREF，其输出端接功率管M0的栅 极；功率管M0的漏极接电源，源极接地;第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联，运算放大 器的正相输入端接第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的连接点；第一分压电阻R1接功率管 M0的漏极，第二分压电阻R2接地;第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的串联电路与负载电 流源ILoad和第一电容C1并联;功率管M0的漏极、第一分压电阻R1、负载电流源ILoad和第一 电容C1的连接点接第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极接第二二极管D2的负极，第 二二极管D2的正极接地;第一二极管D1正极与第二二极管D2负极的连接点通过第二电容C2 接开关电路中功率管的漏极电压。
[0005] 本发明的有益效果为:与目前典型的开关电路供电电路相比，具有架构简洁、能量 自收集、系统整体效率高、避免高压器件使用及低成本的优点。
【附图说明】
[0006] 图1为本发明的系统原理图；
[0007] 图2为本发明的技术方案拓扑结构图；
[0008] 图3为本发明中的运放A的全图；
[0009] 图4为本发明适用的开关电路中功率管栅段电平与漏端电平示意图；
[0010] 图5为本发明中的电压动态钳位过程示意图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图对本发明进行详细的描述：
[0012] 本发明的系统原理图如图1所示。当功率管开关时，功率管漏端的电压会随时间变 化，通过检测功率管关断时漏端dv/dt来收集系统供电所需的电流，再经过整流、动态电流 匹配钳位模块来实现稳压供电。下面将结合电路对系统进行详细地分析。
[0013] 本发明的拓扑结构图如图2所示，包括运算放大器、功率管M0、第一分压电阻R1、第 二分压电阻R2、负载电流源ILoad、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二D2;运算放 大器的负相输入端接基准电压VREF，其输出端接功率管M0的栅极;功率管M0的漏极接电源， 源极接地;第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联，运算放大器的正相输入端接第一分压 电阻R1和第二分压电阻R2的连接点；第一分压电阻R1接功率管M0的漏极，第二分压电阻R2 接地;第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的串联电路与负载电流源ILoad和第一电容C1并 联;功率管M0的漏极、第一分压电阻R1、负载电流源ILoad和第一电容C1的连接点接第一二 极管D1的负极，第一二极管D1的正极接第二二极管D2的负极，第二二极管D2的正极接地;第 一二极管D1正极与第二二极管D2负极的连接点接开关电路中功率管的漏极电压。
[0014] 图中VCC将作为芯片的内部电源为内部电路供电，可以得到由运放A，功率管M0，分 压电阻R1、R2构成的反馈回路将VCC电压值钳位为：
[0015]
[0016] 本发明的适用电路为开关电路，例如在Flyback开关电路中，功率管的漏端电压随 着功率管的开启与关断变化如图4所示。当功率管开启时，它的漏端电压为0;当功率管在tl 时刻关断时，漏端电压在t2时刻快速拉高到Vin+Vo'，其中Vin为系统电源电压，Vo'为系统 输出电压通过变压器匝比折算到输入端的等效电压。直到下次功率管开启时，漏端电压再 次降为〇,由此可知功率管漏端电压随开关状态的变化情况。
[0017] 结合图2,本发明中供电系统在开关电路的一个周期中工作状态的分析如下：当功 率管关断时，漏端电压以一定的速率上升，此时电容C2与漏端连接的极板电压会以漏端电 压上升的速率上升，C2的另一极板电压为VCC+VF，其中VF为二极管导通压降，这样可以得到 功率管漏端电压从0上升到Vin+Vo'期间，通过电容C2流入VCC的电流大小为：
[0018]
[0019]其中K为漏端电压的上升速率，这样可以认为电流IC2为一个固定值。
[0020] 当功率管关断时，此时电容C2的一端随着漏端电压快速地下降为0,另一端的电压 值由于二极管D2的存在，钳位为-VF。此时C2为放电状态，C2的电流是由GND经过D2流入的， 二极管D1阻止了电流从VCC到C2的倒灌。
[0021] 这样可以得到:在图4的一个完整周期中，流入VCC的电流只在时间段t2-tl内产生 并且大小可以看为一个定值IC2。当漏端电压VD的上升斜率为数伏每纳秒，电容C2的值为一 百皮法时，可以粗略计算得到电流可以达到数百毫安。由此可知，流入电流可以看作一个电 流尖峰窄脉冲。图2中的电容C1为一个微法数量级的电容，它的作用是在电流尖峰流入时吸 收大部分电荷，维持VCC电压基本不变。由上述可以写出周期内电荷平衡等式为：
[0022] IC2 · (t2-tl) =QM0+QLoad
[0023] 其中QM0为周期内流过功率管M0的电荷量，QLoad为周期内部控制电路消耗的电荷 量。
[0024] 对于VCC电压值的稳定由一个动态电流匹配电路构建动态钳位的过程实现。由于 功率管漏端电压VD的变化很快且并非为恒定的模拟信号，因此无法利用传统的嵌位电路构 建稳定的电压。本发明采用动态电流匹配方法，将VD上升期间引入的额外电荷与周期内系 统消耗电荷的差值，通过动态电流进行补偿，从而实现周期内"净剩余电荷"为零，达到电压 稳定的目的。
[0025] 具体的所述运放A如图3所示，包括:匪0S管丽1、丽2、丽3、丽4、丽5、丽6、丽7、丽8， PM0S 管 MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10及N型JFET管NJFET1;MP9、MP10为输 入对管，MP9、MP 10的源端接MP4的漏端，MP9的漏端接MN7的源端及MN5的漏端，MP10的漏端接 MN8的源端及MN6的漏端，丽1管的栅极接偏置电压Vbl，MPl的栅端与MP2、MP3、MP4的栅端相连 形成电流镜连接形式并与MN1的漏端相连，MN2为二极管连接形式，MP2的漏端与MN2的栅漏 及丽3、丽7、丽8的栅端相连，MP3的漏端与丽3的漏端及MN4、丽5、MN6的栅端相连，丽3的源端 与MN4的漏端相连，丽1、丽2、丽4、丽5、丽6的源端接地，]\0 31、]\032、]\033、]\034、]\^5、]\0 36的源端与 NJFET1的源端相连，N JFET1的栅端接地，NJFET1的漏端接VCC，MP5的栅端与MP6的栅端相连 形成电流镜连接形式并与MP8的源端相连，MP8的漏端与MN7的漏端相连，MP6的漏端与MP7的 源端相连，MP7的漏端与MN8的漏端相连并引出输出端V0。
[0026] 如图5所示，当IC2电流脉冲到来时，由于瞬间电荷量太大且速度过快，功率管M0反 馈回路来不及调整，电荷流入电容C1使得VCC上升。因为电容C1是微法数量级，因此VCC的上 升值很小。电流尖峰过后，由于环路的调整，流过调整管M0的电流逐渐增大，VCC的值也随之 以一定的斜率下降，M0电流在上升到一定值之后也缓慢回落，直到下一个电流脉冲来临时， VCC下降到上一个电流脉冲来之前的值，M0的电流也下降到上升之前的值，这样就完成一个 周期的调整。其中流过调整管M0的电流大小会根据VCC的大小进行动态调节，VCC电压越高 则流过M0的电流越大，反之亦然。利用该机理构建了动态电流匹配技术，实现了电压VCC的 周期稳定。
[0027] 如此重复上述过程，则可以在每个周期中由功率管关断时漏端电压上升的时间段 提供的脉冲电流为系统提供供电，同时，由于上述的动态钳位过程实现了VCC的电压值基本 不变，因此此系统可以稳定地给开关电路提供供电。
[0028] 本发明的有益效果为，设计了一种适用于开关电路的自供电系统电路，利用工作 周期中漏端电压的变化产生的能量进行自供电，并且对于电压值实现了动态钳位，保证了 自供电的稳定性，由此提高了开关电路的效率。
【主权项】
1. 一种用于开关电路的自供电电路，包括运算放大器、功率管M0、第一分压电阻R1、第 二分压电阻R2、负载电流源ILoad、第一电容CU第二电容C2、第一二极管Dl、第二D2;运算放 大器的负相输入端接基准电压VREF，其输出端接功率管MO的栅极;功率管MO的漏极接电源， 源极接地;第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2串联，运算放大器的正相输入端接第一分压 电阻Rl和第二分压电阻R2的连接点；第一分压电阻Rl接功率管MO的漏极，第二分压电阻R2 接地;第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2的串联电路与负载电流源ILoad和第一电容Cl并 联;功率管MO的漏极、第一分压电阻Rl、负载电流源ILoad和第一电容Cl的连接点接第一二 极管Dl的负极，第一二极管Dl的正极接第二二极管D2的负极，第二二极管D2的正极接地;第 一二极管Dl正极与第二二极管D2负极的连接点通过第二电容C2后接开关电路中功率管的 漏极电压。
【文档编号】H02M7/04GK105932890SQ201610529252
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】周泽坤, 董瑞凯, 张家豪, 石跃, 王卓, 张波
【申请人】电子科技大学