一种启动电路的制作方法

本发明涉及开关电源，特别涉及一种开关电源变换器的启动电路。

背景技术：

一般来讲，开关电源(以下简称“电源”)电路都会包含启动电路，以便在电源上电时启动控制器，驱动变压器转换电压，实现电源的正常工作，此时控制器的供电可由辅助绕组提供。

目前大部分控制器的启动电路部分采用传统的线性稳压电路，如图1所示，为传统线性启动电路的简化图，包括电阻r1和r2，电容c，稳压二极管dz和三极管t(或者mos管)。一个电源的输入电压经过电阻r1产生一个电流，输入到三极管的基极端，驱动三极管饱和导通，产生电流给启动电容cvdd充电以完成控制器的启动。图1所示的启动电路是不带任何控制的，因此该启动电路在电源启动过程中电阻r上会持续消耗能量。另外，当输出波动时，启动电路将重复启动，造成损耗。

可见，该启动电路存在较多的缺点，包括电阻r上的较大损耗，外围元器件多，pcb布板困难，体积大，采购成本和生产成本都很高，不利于高功率密度小体积模块电源的设计，以及启动电压外围无迟滞控制，容易造成启动电路反复开启，导致较高的损耗。因此节省启动电路的功耗较为有效的方案应该是使用可控启动电路(意为可控关断与开启的电路)来完成控制器的启动。

为解决以上问题，在2016年10月7日公开的公开号为cn105529914a的中国专利中提出了一种集成的可控启动电路，其基本原理图如图2。

在高压输入下，通过低限启动电流和高限启动电流为旁路电容充电，当输出电压vout建立后，高压启动电路关闭，此时可通过辅助绕组ns2给vdd引脚供电。图2所示的控制器的其它引脚连接关系和功能与本发明无关，并未示出。

综上可见，上诉专利虽然解决了传统线性稳压器的缺陷，但是其应用范围仍受限。一方面，在超低压直流输入应用场合下，存在无法正常启动的问题；另一方面，该专利的启动电流不够大，根据电容充放电公式：

其中cvdd为控制器vdd引脚的旁路电容，icharge为启动电路充电电流。

可知在控制器耗电需求更高的时候，则给电容充电电流减小，比如多级控制条件下，启动时间将大大加长，对于启动时间要求高的系统应用将不再适用，且由于输出的大容性负载要求，vdd所带的旁路电容cvdd无法做的很小，因此启动时间无法通过减小旁路电容来缩短，从而将导致较高的应用成本及占用较大的pcb板体积。

技术实现要素：

鉴于现有技术的受限，本发明要解决的技术问题是提供一种启动电路，使得满足超宽范围ac或dc输入电压的启动，且提供大充电电流，简化外围电路，减小pcb布板面积和体积，降低成本，以满足高密度小体积低成本电源系统的需求。

针对上述技术问题，本发明公开一种启动电路，用于在超宽范围电压输入启动时提供大充电电流给控制器的供电端vdd的旁路电容，其包括：两颗启动ic以及外围元器件。其中启动ic1与启动ic2均具有饱和大电流的特点，且启动ic2带开启与关断控制功能，启动阈值与关断阈值存在较大回差。所述启动电路的启动ic1输入端与电源输入vin连接，输出端与启动ic2的输入端相连，启动ic2的输出端与控制器的vdd供电端连接，控制端接地。

本发明原理为：在电源刚上电时，控制器尚未启动，其供电端vdd的电压为0v，输入通过启动ic1和启动ic2为控制器提供大电流，以给旁路电容cvdd充电；当供电端vdd的电压达到控制器启动电压后，控制器开始启动，输出g脉冲驱动信号，由于控制器的耗电，vdd引脚的充电速度将减缓。直至vdd端口电压达到启动ic2的关断阈值时，启动ic2关闭，则启动ic1也随之关闭，即启动电路关闭，此时启动电路将不再从输入电压取电，避免造成额外的功耗损失。待输出电压建立，控制器由辅助绕组供电，启动完成。

在控制器保护关断时，控制器的静态工作所需的能量由旁路电容提供给供电端vdd，在供电端vdd的电压下降至启动ic2的启动点时，启动电路重新开启，用于为控制器的供电端vdd提供大电流，以给旁路电容充电直至控制器重新启动，在vdd上升到启动ic2的关断阈值，再关闭启动电路，如此重复，控制器与启动电路交替开启与关闭，直至控制器检测到保护消除。

作为所述一种启动电路的一种方案，包括启动ic1、启动ic2、电阻r1、电阻r2、电容c1和电容c2，启动ic1的输入端口1作为启动电路的输入端接电源输入vin、电阻r1的一端和滤波电容c1的一端；电阻r1的另一端和电容c1的另一端、电阻r2的一端、电容c2的一端、启动ic1的控制端3连接，电阻r2的另一端和电容c2另一端连接到地；启动ic1的输出端2连接到启动ic2的输入端2，启动ic2的控制端3接地，启动ic2的输出端1作为启动电路的输出端接到外部的控制器的供电端，为控制器的供电端供电。

在电源上电后，输入通过电阻分压控制启动ic1的控制端3，在低压输入条件下，分压值保持高于启动ic2的关断阈值，可以确保启动ic2正常开启和关闭；高压条件下，上述电阻分压比例同样适用于低工艺的启动ic2，可以有效规避耐压问题。

作为所述启动电路的另一种方案，包括启动ic1、启动ic2、电阻rl和稳压二极管dz，启动ic1的输入端口1作为启动电路的输入端接电源输入vin；稳压二极管dz的阳极接地，稳压二极管dz的阴极接到启动ic1的控制端3和电阻rl的一端，电阻rl另一端连接到启动ic1的输出端2和启动ic2的输入端2；启动ic2的控制端3接地，启动ic2的输出端1作为启动电路的输出端接到外部的控制器的供电端，以给旁路电容cvdd充电，；在高压输入下，启动ic1的控制端3电压被钳位，同时启动ic2的输入端2电压也随之钳位，因此启动ic2的耐压问题可以不用考虑，摆脱工艺上的受限，且无需外围调控。

优选的，启动ic1和启动ic2具有饱和大电流的特点，且启动ic2带开启与关断控制功能，启动ic2的启动阈值与关断阈值存在较大回差。

优选的，电阻rl的阻值为兆欧级。

以上对本发明的实现方式和电路原理、作用等进行了简要分析，现将本发明的有益效果总结如下：

1、本发明可解决超宽ac或dc输入电压范围下的启动问题，可实现在低压输入下正常启动，并在控制器启动后关闭启动电路，节省功耗。

2、在全范围电压输入条件下实现大充电电流，使其适用于各类控制器ic应用。

3、启动电路所需器件少，外围结构简单，电路原理可靠，体积小，节省成本。

附图说明

图1为传统线性稳压电路实现控制器启动的电路原理图；

图2为现有技术实现控制器启动的高压启动电路；

图3为本发明的启动电路原理框图；

图4为本发明的启动电路实施例一的原理框图；

图5为本发明的启动电路实施例一实现控制器启动的相关波形；

图6为本发明实际应用的启机测试波形；

图7为本发明实际应用的保护重启测试波形；

图8为本发明的启动电路实施例二的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

图3为本发明在光耦反馈反激电源的应用场景中的电路简化图，其中省略了副边光耦与tl431及环路补偿部分。本发明所述启动电路为虚线框中的电路部分，因外围可有多种连接方式，此处未示出，详见实施例，另外其控制器和其他电路与本发明无关，此处不再赘述。gt引脚是控制器的驱动输出，用于控制功率管m1的开启和关断；vdd引脚是控制器的电源输入引脚，用于控制器的供电，其中vdd引脚接启动电路的输出端，可解决超宽范围输入在vin电压很低的情况下控制器无法正常启动的问题。图3所示的控制器的其它引脚连接关系和功能与本发明无关，因此图中并未标示出。

如图4所示，为本发明启动电路应用于开关电源第一实施例的电路原理图。

启动电路包括两颗启动ic、两个千欧级的电阻以及两个纳法级的滤波电容。启动ic1的输入端口1接电源输入vin，并接到电阻r1的一端和滤波电容c1的一端，电阻r1的另一端和电容c1的另一端与电阻r2的一端、电容c2的一端相连，并连接到启动ic1的控制端3，电阻r2的另一端和电容c2另一端连接到地。启动ic1的输出端2连接到启动ic2的输入端2，启动ic2的控制端3接地，启动ic2的输出端1接到控制器的供电端vdd。

本实施例的基本工作原理：

电源上电后，通过电阻分压控制ic1的控制端电压，从而控制从启动ic1流过的电流，启动ic2控制端直接连接到地，实现最大电流给控制器的vdd旁路电容充电，进而实现控制器的快速启动。

此实施方式中实现大电流和低压下启动的实现方法如下：

在启动ic1中，其控制端的电压为：

将启动ic1等效为一个耗尽mos管，其流过电流为：

其中，vs1为耗尽管的源极电压(即端口2电压)，vth为耗尽管的开启阈值电压。

通过电阻分压实现mos管工作在饱和导通状态的同时，可控制在低压输入时启动ic2的输出电压超过其启动电压和关断阈值电压，一方面可正常启动，另一方面又可以通过电阻配比减小启动ic2的应力，从而实现启动大电流给控制器充电，快速启动。

此处，电阻分压网络的电阻选择量级建议为千欧级，这样可以保证在低压时电阻分压精确，同时其分压比例应满足启动ic2的启动和关闭条件。

图5为实施例一的控制器启动时的vdd和gt引脚电压波形，由此可见，在输入上电后，启动电路提供大电流快速给vdd旁路电容充电，经过时间t1，vdd电压充电至控制器启动点vvdd_on，控制器开始工作，并输出脉冲波形，驱动外部功率管，并通过变压器向副边传输能量，由于控制器耗电，vdd充电速度减慢，但是充电电流大于耗电电流，仍继续充电，经过时间t2，vdd电压充电至启动ic2的关断阈值vic2_off，启动ic2关断，启动电路关闭，节省功耗，此时控制器vdd端口电压由于控制器耗电而开始掉电，经过时间t3，输出电压上升到vout_min，并通过变压器转换到辅助绕组电压，环路开始建立并趋于稳定，此时控制器vdd引脚通过辅助绕组供电。

如图6所示，为本发明应用时实际测试的启机波形图，其中gt引脚为脉冲波形，实测中需要将测试时间加长以观察启动过程vdd引脚电压变化和输出建立过程，因此gt引脚波形因密集而产生阴影，另外gate引脚幅值跟随vdd变化，在输出建立后保持稳定。由于控制器设计的启动电压与启动ic2的关断阈值相近，可以看到，在vdd电压上升到关断点时，启动电路关闭，节省损耗，同时控制器输出脉冲信号，控制器vdd端口电压由于控制器耗电而开始掉电，当输出逐渐建立，控制器转由辅助绕组供电。由图6可以看出，在启动时，其旁路电容(10uf)充电电流大小为：

可见充电电流很大，可以大大减小启机时间。

如图7所示，为本发明应用时实际测试的保护重启测试波形图，其中gt引脚为脉冲波形，因将测试时间加长而出现阴影。在控制器保护关断时，控制器的静态工作所需的能量由旁路电容提供给供电端vdd，在供电端vdd的电压下降至启动ic2的启动点时，启动电路重新工作，为控制器的供电端vdd提供大电流，以给旁路电容充电直至控制器重新启动，在vdd上升到启动ic2的关闭阈值，再次关闭启动电路，如此重复，控制器与启动电路交替开启与关闭，直至控制器检测到保护消除。

实施例二

如图8所示，与实施例一相比，区别在于不需要电阻实现分压，可利用稳压管钳位，节省外围，且减小启动ic2的电压应力，从而直接使用低压工艺ic。如图8，启动ic1的输入端口1接电源输入vin，稳压二极管dz阳极接地，阴极接到启动ic1的控制端3，并接到电阻rl的一端，电阻rl另一端连接到启动ic1的输出端2，并与启动ic2的输入端2相连。启动ic2的控制端3接地，输出端1接控制器的供电端vdd。

本实施例的基本工作原理：

电源上电后，启动ic1与启动ic2开启，启动电路产生大电流给控制器的供电端vdd的旁路电容充电，当vdd电压达到启动ic2的关断阈值，启动电路关闭，节省功耗。在输出电压逐渐建立后，控制器开始由辅助绕组供电。

将启动ic1等效为一个nmos管，在低压输入条件下，启动ic1的控制端3电压由于栅极与漏极之间的寄生电容将被充电至接近于初始输入电压vin，当vin电压高于钳位管击穿电压时，启动ic1的控制端3电压将被钳位在稳压二极管的钳位值，从而启动ic2的输入也将钳位，这种情况下则无需考虑启动ic2的耐压，启动ic2就可使用低压工艺，因此启动ic2可以灵活选择且不受工艺的限制，在应用时即使工艺变更仍旧不受影响，可满足低成本、多方案选择的需求。

此处，电阻rl的阻值选择兆欧级，电阻上的压降为钳位管电压与启动ic2输入电压之差，其值很小，因此可以有效地减小工作损耗。

需要说明的是：本发明涉及的是启动电路的申请，其中使用到两颗启动ic，这两颗启动ic的功能实现方式是所属技术领域的技术人员所熟知的，该技术领域的人员可以根据该发明的实施方式实现技术方案的实施，即便说明书中对于两颗启动ic的内部进行未作详细的介绍，也不能认为说明书中对于启动ic的使用说明是不充分的。关于第二颗启动ic的选择，则可以由所属技术领域的技术人员根据需求以及具体工艺提供来作出决定，这部分的具体实施方法应该是本领域技术人员所知晓的。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。