专利名称：用于pwm控制器的欠压锁定电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及欠压锁定电路的电路结构，尤其涉及基于双极工艺实现的用于PWM控制器的低启动电流的欠压锁定电路。
背景技术：
目前，越来越多的家用电器、办公设备采用PWM开关类电源供电，图1所示是一个典型的开关电源控制电路如3842，他被广泛应用于开关电源供电系统中。在系统工作的初始阶段，通过启动电阻200对电容201充电，当电容上的电压达到启动阈值电压如16V，PWM控制电路开始输出PWM信号对负载供电。启动以后，变压器216的辅助线圈通过整流器开始对PWM控制器提供电源。电阻214与MOSFET 215串联，流过MOSFET的电流在电阻214上产生的电压降，电压降超过比较器的最大电压1V时，PWM控制器将中断此周期PWM控制信号的输出。
启动电阻200的阻值是由PWM控制器中欠压锁定电路(UVLO)202的启动电流确定的，启动电阻200消耗的功率完全取决于UVLO202的启动电流。图2为现有技术中UVLO的电路图。它包括两部分，一是基于能隙源结构的电源电压检测电路，当电源电压达到设定的启动阈值电压时，输出一使能信号EN使PWM控制器开始工作；二是由电阻118，连接为二极管形式的NPN管119，齐纳二极管121，和电流放大的NPN管120实现的预稳压电路，其目的是提供三路稳定的控制信号以保证相关的电路在UVLO202输出使能信号EN前具有正确的时序。
PNP管102、103、104和NPN管105、106与电阻106、107组成典型的能隙源结构，NPN管105、106基极输出温度补偿的1.25V基准电压；分压电阻115、116、117串联，而由电阻116、117连接点输出与电源电压成正比的电位，此电压与能隙源结构输出的基准电压比较，其比较结果经PNP(或衬底PNP)管109、110、电阻111、112、113正反馈至PNP管114的基极，其中PNP管109和电阻111以及PNP管110和电阻112分别组成放大级。PNP管114的发射极和集电极跨接于电阻115的两端，同时反馈至PNP 126的基极，PNP 126的发射极接电阻125到电源VIN。
当电源电压从0开始上升时，上述比较的结果使PNP管114的基极为高电平，PNP管114截止，由电阻125和PNP管126组成的受控电流源输出0电流；当电源电压继续上升到大于启动阈值电压时，反馈的结果使PNP管114饱和导通并将电阻115短路产生回差电压，使分压电阻检测到的电压远高于能隙源结构的基准电压，使PNP管114可靠导通保证工作状态稳定，此时由电阻125和PNP管126组成的电路输出一恒定电流，此电流作为后续电路的使能信号EN。
当电源电压由高电平开始下降时，UVLO电路维持上述状态不变。若电源电压继续下降，由分压电阻116、117(电阻115已被PNP管114短路)监测到的电压低于能隙源结构的基准电压时，反馈的结果使PNP管114截止并使电阻115重新回到电阻分压回路，使分压电阻检测到的电压远低于能隙源结构的基准电压，使PNP管114可靠截止，此时由电阻125和PNP管126组成的电路输出0电流。另外，NPN管100、101的作用是限流。
对于预稳压电路，要求其在10V(3842)下能够提供约3mA稳定的工作电流，因而流过电阻118的电流约为30uA，电阻118的阻值则可确定约为70KΩ；在UVLO启动阈值电压16V(3842)下，流过电阻118的电流约为120uA，计及能隙源结构、连接在电源和地之间的分压电阻、及三路信号C1，C2，C3的工作电流，UVLO的典型启动电流约为200uA～300uA。若按500uA启动电流选取图1中的启动电阻200，考虑到输入电源电压范围AC85V～AC265V，启动电阻200的阻值约为240KΩ。在AC220V下启动电阻200消耗的功率约为0.4W。
本电路的缺点是启动电流大，这是因为由电阻118、NPN管110、119，齐纳二极管121组成的稳压电路和由电阻122、123、124组成的控制电路对启动电流的贡献约为150uA～250uA(这是由信号VREF的负载决定的)，其他电路对启动电流的贡献约为20uA～50uA，整个电路的启动电流约为200uA～300uA。为了减小PWM开关电源系统在轻负载或待机状态下功耗，其首要任务则是减小欠压锁定电路UVLO的启动电流，降低启动电阻消耗的功率。减小启动电流是设计绿色电源的基础。
实用新型内容本实用新型给出了基于双极工艺实现小电流欠压锁定电路的电路结构。
具体说来本实用新型提供了一种用于PWM控制器的欠压锁定电路，包括分压电阻电路，包括相互串接的第一、第二和第三分压电阻，从所述第二和第三分压电阻的串接点输出分压信号；能隙源结构电路，其将所述分压信号与基准电压信号作比较以产生比较信号；反馈电路，包括第一电阻和第一PNP管，其中所述第一电阻的一端接收所述比较信号，另一端连接于所述第一PNP管的基极，而所述第一PNP管的发射极和集电极跨接于所述第一分压电阻的两端，所述欠压锁定电路还包括小电流镜像源电路，包括多个第二PNP管，其中所述第二PNP管基极相连，发射极连接于电源，并且一个所述第二PNP管的集电极和基极共同连接于所述第一PNP管的发射极，而其他第二PNP管的集电极提供用于控制所述PWM控制器的控制信号。
连接成二极管形式的PNP与分压电阻相连并镜像输出多路小电流源(约数uA)作为控制信号。这些电流源作为启动电流的一部分，可经发射极接地的NPN达林顿放大后用于PWM控制器相关电路的时序控制。
在较佳实施例中，所述欠压锁定电路还包括受控稳压电路，包括第二电阻，其一端接收所述比较信号；第三PNP管，其基极连接于所述第二电阻的另一端，发射极连接于所述第一PNP管的发射极；第一NPN管，其基极连接于所述第三PNP管的集电极，集电极连接于电源，发射极为所述PWM控制器输出稳压信号；以及齐纳二极管，其阴极连接于所述第三PNP管的集电极，阳极接地。
另有一路受控电流源输出，在电源电压低于设定的启动阈值电压时输出电流为零，当电路已启动且电源电压高于设定的关断阈值电压时，输出一定的电流，此电流不属于启动电流。此受控电流源在齐纳二极管上产生预稳压并经集电极接电源的NPN进行电流放大由发射极输出一稳压源供其它电路使用。
在进一步的较佳实施例中，所述受控稳压电路还包括NJFET管，其栅极接地，源极和漏极分别连接于所述第一NPN管的发射极和基极。
在电源电压的上升并逐渐接近于启动阈值电压的过程中，受控电流源会出现缓慢增加的漏电流(此电流若经NPN放大会使启动电流显著增加，从而会使设计低启动电流欠压锁定电路的努力失败)，而此时NJFET工作于VGS＝0状态下，输出阻抗很小，它可有效地吸收受控电流源的漏电流。
当电源在下降并逐渐接近关断阈值电压时，受控电流源会逐渐变小，而此时NJFET工作于VGS＝-7V，NJFET沟道已夹断且输出阻抗很高，流过NJFET的电流很小，它有助于维持稳压输出所需要的驱动电流，从而使欠压锁定电路可靠工作。此欠压锁定UVLO电路的典型启动电流可以控制在50uA以内。
本实用新型解决了基于双极工艺设计小电流欠压锁定(UVLO)电路的难题，使基于BIPOLAR工艺的绿色电源控制器的设计成为可能。
图1是典型的开关电源控制电路的电路框图。
图2是现有技术中欠压锁定电路的电路图。
图3根据本实用新型较佳实施例的欠压锁定电路的电路图。
图4示出了电源电压在上升过程中欠压锁定电路各点输出电压的曲线图。
图5示出了电源电压在下降过程中欠压锁定电路各点输出电压的曲线图。
图6示出了NJFET在电源电压变化过程中的工作状态图。
具体实施方式
图3是根据本实用新型给出的基于BIPOLAR工艺小电流欠压锁定电路。PNP管12、13、14和NPN管15、17与电阻18、19组成典型的能隙源结构，NPN管15、17基极输出温度补偿的1.25V基准电压。连接成二极管形式的PNP管29与分压电阻26、27、28串联，PNP管29、30、31、32组成小电流镜像源，其中PNP管29、30、31、32的基极相连，发射极连接于电源电压VIN，并且PNP管29的集电极和基极共同连接于PNP管24的发射极，而PNP管30、31、32的集电极输出三路镜像电流源I1、I2、I3再经过发射极接地NPN达林顿管放大后去控制PWM控制器的相关电路的工作时序。
由电阻27、28连接点输出与电源电压成正比的电压，此电压与能隙源结构输出的基准电压比较，其比较结果经PNP(或衬底PNP)20、电阻21、22正反馈至PNP管24的基极，其中PNP管20和电阻21组成放大级。本领域技术人员能够理解，可以使用不止一个放大级。PNP管24的发射极和集电极跨接于电阻26的两端。
在一实施例中，该欠压锁定电路包括受控稳压电路，其中PNP管25的基极通过电阻23接收经放大后的比较结果，其发射极连接于PNP管24的发射极。NPN管36的基极连接于PNP管25的集电极，集电极连接于电源VIN，发射极为PWM控制器输出稳压信号VREF。NPN管33的基极和集电极共同连接于PNP管25的集电极。齐纳二极管34的阴极连接于NPN管33的发射极，阳极接地。NJFET管35的栅极接地，源极和漏极分别连接于NPN管36的发射极和基极。
以下通过图4-6来描述该欠压锁定电路的工作过程。
在操作中，当电源电压VIN从0开始上升时，上述比较的结果使PNP管24的基极为高电平，PNP管24截止，由电阻23和PNP管25组成的受控电流源输出0电流；当电源电压继续上升并接近于启动阈值电压时，由于反馈电路增益有限，PNP管25的输出开始出现微弱的漏电流如图4所示，此漏电流若经NPN管36放大可使欠压锁定UVLO电路的电流显著增大，这是我们不希望发生的现象，将栅极接地的NJFET 35源、漏分别接于NPN管36的发射极和基极，在上述情况下，NJFET 35的工作状态为VGS＝0V，输出阻抗低，如图6中的过程A所示，它可有效地吸收PNP管25的漏电流。
当电源电压VIN继续增加并超过启动阈值电压时，反馈的结果使PNP管24饱和导通并将电阻26短路产生回差电压，使分压电阻检测到的电压远高于能隙源结构的基准电压，使PNP管24可靠导通保证工作状态稳定，此时由电阻23和PNP管25组成的受控电流源输出一恒定电流，此电流在接成二极管形式的NPN管33和齐纳二极管34上产生约8V的稳压并经NPN管36电流放大输出稳压信号VREF。
当电源电压VIN由高电平开始下降时，欠压锁定电路维持上述状态不变。若电源电压VIN继续下降，由连接成二极管形式的PNP管29和分压电阻27、28(26已被PNP管24短路)监测到的电压接近于能隙源结构的基准电压时，由于反馈电路的增益有限的同样原因，由电阻23和PNP管25组成的受控电流源输出电流缓慢减小，如图5所示，而此时NJFET 35工作状态为VGS＝-VREF＝-7V。由图6可以看出，NJFET 35的沟道已完全夹断，输出阻抗很高，流过NJFET 35的电流近似为0，如图6所示B过程，从而使有限的电流全部用于满足稳压信号VREF所需要的驱动电流。
当电源电压VIN继续减小并低于关断阈值电压时，反馈的结果使PNP管24截止并使电阻26重新回到电阻分压回路，使分压电阻检测到的电压远低于能隙源结构的基准电压，使PNP管24可靠截止，此时由电阻23和PNP管25组成的受控电流源输出0电流，稳压信号VREF为0。
图3中NPN管10、11作用是限流，当电源电压高于启动阈值电压时，将电阻22、23上的电压降固定为一个基极-发射极电压，从而限制了PNP管24、25的最大工作电流。
可以设定电阻22、23的阻值比，从而调节PNP管25的启动阈值点的漏电流和关断阈值点的集电极电流大小，从而满足稳压信号VREF负载所需要的驱动电流的大小。
将栅极接地NJFET35的源、漏分别连接于放大NPN管36的发射极和基极，利用NJFET35在漏-源电压不同的条件下的不同输出特性，从而有效解决了由电阻23和PNP管25组成的受控电流源在启动和关断时的矛盾。
镜像电流源I1、I2、I3作为发射极接地的达林顿的驱动电流，达林顿管的集电极使被控制的信号电平为0，因此I1、I2、I3只须要数uA就可满足要求，因而欠压锁定UVLO电路的典型启动电流可以控制在50uA以内，从而使图1中的启动电阻200可采用阻值为1MΩ的电阻，在AC220V下启动电阻消耗的功率可控制在100mW以内。
虽然，以上示出了三路镜像电流源，但是本领域的技术人员可以理解可以增加和减少该电流源的数量。另外，在一实施例中，可将NPN管33替换位PNP管。在另一实施例中，可交换NPN管33和齐纳二极管34的位置。在又一实施例中，可除去NPN管33。
应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
权利要求1.一种用于PWM控制器的欠压锁定电路，包括分压电阻电路，包括相互串接的第一、第二和第三分压电阻，从所述第二和第三分压电阻的串接点输出分压信号；能隙源结构电路，其将所述分压信号与基准电压信号作比较以产生比较信号；反馈电路，包括第一电阻和第一PNP管，其中所述第一电阻的一端接收所述比较信号，另一端连接于所述第一PNP管的基极，而所述第一PNP管的发射极和集电极跨接于所述第一分压电阻的两端，其特征在于所述欠压锁定电路还包括小电流镜像源电路，包括多个第二PNP管，其中所述第二PNP管的基极相连，发射极连接于电源，并且其中一个所述第二PNP管的集电极和基极共同连接于所述第一PNP管的发射极，而其他第二PNP管的集电极提供用于控制所述PWM控制器的控制信号。
2.如权利要求1所述的欠压锁定电路，其特征在于所述欠压锁定电路还包括受控稳压电路，包括第二电阻，其一端接收所述比较信号；第三PNP管，其基极连接于所述第二电阻的另一端，发射极连接于所述第一PNP管的发射极；第一NPN管，其基极连接于所述第三PNP管的集电极，集电极连接于电源，发射极为所述PWM控制器输出稳压信号；以及齐纳二极管，其阴极连接于所述第三PNP管的集电极，阳极接地。
3.如权利要求2所述的欠压锁定电路，其特征在于所述受控稳压电路还包括NJFET管，其栅极接地，源极和漏极分别连接于所述第一NPN管的发射极和基极。
4.如权利要求2或3所述的欠压锁定电路，其特征在于所述受控稳压电路还包括第二NPN管，其集电极和基极连接于所述第三PNP管的集电极，发射极连接于所述齐纳二极管的阴极。
5.如权利要求1-3中任一权利要求所述的欠压锁定电路，其特征在于所述反馈电路还包括放大电路，所述放大电路包括至少一个放大级，其中第一个放大级接收比较信号，并且所述第一电阻和第二电阻接收由最后一个放大级输出的放大的比较信号。
6.如权利要求5所述的欠压锁定电路，其特征在于每一放大级包括一电阻和一PNP管，并且电阻一端连接于电源，另一端连接于PNP管的发射极，而PNP管的集电极接地，其中第一个放大级中PNP管的基极接收比较信号，后一放大级的基极连接于前一放大级的发射极，并且最后一个放大级中PNP管的发射极输出放大的比较信号。
7.如权利要求4所述的欠压锁定电路，其特征在于所述反馈电路还包括放大电路，所述放大电路包括至少一个放大级，其中第一个放大级接收比较信号，并且所述第一电阻和第二电阻接收由最后一个放大级输出的放大的比较信号。
8.如权利要求7所述的欠压锁定电路，其特征在于每一放大级包括一电阻和一PNP管，并且电阻一端连接于电源，另一端连接于PNP管的发射极，而PNP管的集电极接地，其中第一个放大级中PNP管的基极接收比较信号，后一放大级的基极连接于前一放大级的发射极，并且最后一个放大级中PNP管的发射极输出放大的比较信号。
专利摘要本实用新型揭示一种用于PWM控制器的欠压锁定电路，包括分压电阻电路，输出分压信号；能隙源结构电路，其将分压信号与基准电压信号作比较以产生比较信号；反馈电路，接收比较信号以通过第一PNP管反馈于分压电阻电路，小电流镜像源电路，包括多个第二PNP管，其中第二PNP管基极相连，发射极连接于电源，并且其中一个第二PNP管的集电极和基极共同连接于第一PNP管的发射极，而其他第二PNP管的集电极提供用于控制所述PWM控制器的控制信号。本实用新型减小欠压锁定电路的启动电流，降低启动电阻消耗的功率，从而解决了基于双极工艺设计小电流欠压锁定电路的难题，使基于BIPOLAR工艺的绿色电源控制器的设计成为可能。
文档编号G05F1/56GK2810022SQ20052000459
公开日2006年8月23日 申请日期2005年4月11日 优先权日2005年4月11日
发明者张旭光, 尹小平, 孙圣文 申请人:Bcd半导体制造有限公司