开关电源控制单元和具有高压启动时间控制及线电压检测的电路的制作方法

本实用新型涉及电源电路技术领域，尤其是一种具有高压启动时间控制及线电压检测的电路。

背景技术：

新能效标准已经实施，对开关电源的能效等级有明确的规范。新能效标准着重定义了待机功耗和平均转换效率两个指标，根据美国能源之星DOE 6级能效标准的定义，小于49W的中小功率开关电源待机功耗要小于等于100mW，平均转换效率指标要求也提高，如12W输出功率的开关电源，平均转换效率需要大于83％；而欧盟的CoC V5能效标准对待机功耗和平均转换效率两个指标要求更高，如小于49W的中小功率开关电源的待机功耗需要小于等于75mW。

随着能效标准的提升，传统的电阻启动方式在新能效标准设计中开始变得非常局限。在整个开关电源系统中，启动支路会消耗掉较大的功耗，因此，设计师往往会采用更大的启动电阻来降低待机功耗，但这会引起开关电源启动时间过长，无法满足系统应用的启动时间要求，一般地，开关电源的启动时间是被要求小于3秒钟。

高压启动电路因为能较大幅度的降低系统待机功耗而开始被采用，常见的高压启动主要有三种方式：其一是采用片外的高压功率管来构建启动电路；其二是采用控制器片内集成高压启动电路；其三是采用高压功率管集成高压启动电路。

高压启动能为降低待机功耗带来益处，但同时也存在不足。高压启动电路的设计必须要满足高压设计规则，而按照最小工艺规则设计的高压启动管面积依然偏大，导致高压功率管的电流能力也偏大，造成启动时间短，输出短路时平均输入功率会很高，而实际应用中对输出短路状态下的平均输入功率这项指标是有要求的。为解决上述问题，现有技术一般是采用增加额外控制电路来实现，这不但增加了控制复杂度，也增加了芯片成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种开关电源控制单元，以及采用该开关电源控制单元的具有高压启动时间控制及线电压检测的电路，解决了由于高压启动充电电流偏大而带来的输出短路功耗大的问题；同时，本实用新型还利用了高压启动模块的特征，巧妙地实现了线电压检测功能，简化应用并降低系统成本。本实用新型采用的技术方案是：

一种开关电源控制单元，包括：高压启动模块、VDD过压欠压保护模块、以及PWM控制模块；

高压启动模块的一个输入端用于接交流整流后的高压母线，高压启动模块的另一个输入端接VDD过压欠压保护模块的一个输出端；高压启动模块的一个输出端接VDD过压欠压保护模块的输入端，并用于外接VDD电容C113的正端；高压启动模块的另一个输出端接PWM控制模块的一个输入端，并用于向PWM控制模块输出母线分压信号VBUS_DIV；

VDD过压欠压保护模块的输入端用于接VDD电容C113的正端；VDD过压欠压保护模块的一个输出端接高压启动模块的另一个输入端，并用于向高压启动模块输出使能信号POWERON；VDD过压欠压保护模块的另一个输出端接PWM控制模块的另一个输入端，作为PWM控制模块的供电；

PWM控制模块的输出端用于连接功率开关管Q122的开关控制端。

进一步地，所述的开关电源控制单元，启动过程为：当VDD电容C113上的电压VDD低于VDD过压欠压保护模块开启门限时，VDD过压欠压保护模块输出的使能信号POWERON为低电平，高压启动模块工作并导通高压启动路径，高压母线通过该高压启动路径向VDD电容C113进行充电，VDD电容C113电压逐渐抬高，当VDD电容C113电压高于VDD过压欠压保护模块开启门限时，VDD过压欠压保护模块输出的使能信号POWERON由低变高，高压启动模块的高压启动路径关断并停止对VDD电容C113充电；高压启动模块输出的母线分压信号VBUS_DIV由零上升，稳定后输出一个高压母线上电压的分压值给PWM控制模块；

当使能信号POWERON由低变高后，VDD过压欠压保护模块会产生直流电源对PWM控制模块进行供电，PWM控制模块开始工作，在工作过程中实时检测母线分压信号VBUS_DIV，当母线分压信号VBUS_DIV超过线电压保护阈值范围时，PWM控制模块停止工作并锁定保护状态，直到电压VDD掉电触发VDD过压欠压保护模块的过压欠压保护，从新回到启动过程。

具体地，高压启动模块包括高压启动管Q210、上拉电阻R220、二极管D211、D213、限流检测电阻R212、限流控制模块、高压启动控制管Q221、下拉电阻R222；其中Q210、Q221均为NMOS管；

上拉电阻R220的一端和高压启动管Q210的漏端相连接作为高压启动模块的一个输入端，用于接交流整流后的高压母线；高压启动管Q210的栅端接上拉电阻R220的另一端和高压启动控制管Q221漏端，以及限流控制模块的电流泄流端，并作为节点N231；高压启动管Q210的源端接二极管D211的正端和二极管D213的负端，二极管D213的正端接原边地端；

限流检测电阻R212的一端接二极管D211的负端；限流检测电阻R212的两端接限流控制模块的两个输入端，其中限流检测电阻R212与二极管D211负端相连的节点接限流控制模块的正输入端，限流检测电阻R212的另一端接限流控制模块的负输入端，并作为高压启动模块的一个输出端用于连接VDD电容C113的正端；

高压启动控制管Q221的栅端作为高压启动模块的另一个输入端接所述VDD过压欠压保护模块的一个输出端；高压启动控制管Q221的源端接下拉电阻R222的一端，并作为高压启动模块的另一个输出端接所述PWM控制模块的一个输入端；下拉电阻R222的另一端接原边地端。

更进一步地，限流控制模块包括：限流采样模块、压控电流源；限流采样模块的正、负输入端分别接限流检测电阻R212的一端和另一端，限流采样模块的输出端接压控电流源的正输入端，压控电流源的负输入端接基准信号V241；压控电流源的电流流入端接节点N231。

或者，限流控制模块包括：PMOS管Q301、NMOS管Q302、Q303；PMOS管Q301的源端接二极管D211的负端和限流检测电阻R212的一端，PMOS管Q301的栅端接限流检测电阻R212的另一端；PMOS管Q301的漏端接NMOS管Q302的漏端、栅端以及NMOS管Q303的栅端；NMOS管Q302和Q303的源端均接原边地端；NMOS管Q303的漏端接节点N231。

进一步地，上拉电阻R220大于等于10兆欧姆。

进一步地，下拉电阻R220为10k欧姆至数十k欧姆。

一种具有高压启动时间控制及线电压检测的电路，包括上述的开关电源控制单元、输入整流滤波电路、变压器T106、二极管D111、VDD电容C113、功率管Q112、输出整流滤波电路；

输入整流滤波电路的正输出端接高压母线，高压启动模块的一个输入端以及变压器T106的原边绕组异名端；输入整流滤波电路的负输出端接原边地；变压器T106的原边绕组同名端接功率管Q112的电流流入端，功率管Q112的开关控制端接PWM控制模块的输出端，电流输出端接原边地；

变压器T106的辅助绕组同名端接二极管D111的正端，二极管D111的负端接VDD电容C113的正端；变压器T106的辅助绕组异名端接原边地；高压启动模块的一个输出端和VDD过压欠压保护模块的输入端连接VDD电容C113的正端；

变压器T106的副边绕组接输出整流滤波电路，通过输出整流滤波电路输出直流电压。

本实用新型的优点在于：本实用新型通过控制高压启动电流来控制启动时间，从而解决输出短路功耗大这个问题；此外，本实用新型还利用高压启动模块的特征，巧妙地实现了线电压检测功能，应用方案简单，成本降低。

附图说明

图1为本实用新型的总电原理图。

图2为本实用新型的高压启动模块的一个例子示意图。

图3为本实用新型的高压启动模块的另一个例子示意图。

图4为本实用新型的高压启动过程时序图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型提出一种具有高压启动时间控制及线电压检测的电路，其核心是一个开关电源控制单元120，如图1中的虚线框120所示；本实用新型的重点在于开关电源控制单元120，因此详细介绍该部分的电路原理；

一种开关电源控制单元120，包括：高压启动模块121、VDD过压欠压保护模块122、以及PWM控制模块123；

高压启动模块121的一个输入端用于接交流整流后的高压母线102，高压启动模块121的另一个输入端接VDD过压欠压保护模块122的一个输出端；高压启动模块121的一个输出端接VDD过压欠压保护模块122的输入端，并用于外接VDD电容C113的正端；高压启动模块121的另一个输出端接PWM控制模块123的一个输入端，并用于向PWM控制模块123输出母线分压信号VBUS_DIV；

VDD过压欠压保护模块122的输入端用于接VDD电容C113的正端；VDD过压欠压保护模块122的一个输出端接高压启动模块121的另一个输入端，并用于向高压启动模块12输出使能信号POWERON；VDD过压欠压保护模块122的另一个输出端接PWM控制模块123的另一个输入端，作为PWM控制模块123的供电；

PWM控制模块123的输出端用于连接功率开关管Q122的开关控制端。

具体地，高压启动模块121包括高压启动管Q210、上拉电阻R220、二极管D211、D213、限流检测电阻R212、限流控制模块200、高压启动控制管Q221、下拉电阻R222；其中Q210、Q221均为NMOS管；

上拉电阻R220的一端和高压启动管Q210的漏端相连接作为高压启动模块121的一个输入端，用于接交流整流后的高压母线102；高压启动管Q210的栅端接上拉电阻R220的另一端和高压启动控制管Q221漏端，以及限流控制模块220的电流泄流端，并作为节点N231；高压启动管Q210的源端接二极管D211的正端和二极管D213的负端，二极管D213的正端接原边地端；

限流检测电阻R212的一端接二极管D211的负端；限流检测电阻R212的两端接限流控制模块200的两个输入端，其中限流检测电阻R212与二极管D211负端相连的节点接限流控制模块200的正输入端，限流检测电阻R212的另一端接限流控制模块200的负输入端，并作为高压启动模块121的一个输出端用于连接VDD电容C113的正端；

高压启动控制管Q221的栅端作为高压启动模块121的另一个输入端接所述VDD过压欠压保护模块122的一个输出端；高压启动控制管Q221的源端接下拉电阻R222的一端，并作为高压启动模块121的另一个输出端接所述PWM控制模块123的一个输入端；下拉电阻R222的另一端接原边地端。原边地端用于接原边地。

限流控制模块200的一个实例如图2所示，包括：限流采样模块242、压控电流源243；限流采样模块242的正、负输入端分别接限流检测电阻R212的一端和另一端，限流采样模块242的输出端接压控电流源243的正输入端，压控电流源243的负输入端接基准信号V241；压控电流源243的电流流入端接节点N231；

启动过程为：当VDD电容C113上的电压VDD低于VDD过压欠压保护模块122开启门限时，VDD过压欠压保护模块122输出的使能信号POWERON为低电平，高压启动模块121工作并导通高压启动路径，高压母线102通过该高压启动路径向VDD电容C113进行充电，VDD电容C113电压逐渐抬高，当VDD电容C113电压高于VDD过压欠压保护模块122开启门限时，VDD过压欠压保护模块122输出的使能信号POWERON由低变高，高压启动模块121的高压启动路径关断并停止对VDD电容C113充电；此外，高压启动模块121输出的母线分压信号VBUS_DIV由零上升，稳定后输出一个高压母线上电压的分压值给PWM控制模块123；

当使能信号POWERON由低变高后，VDD过压欠压保护模块122会产生直流电源对PWM控制模块123进行供电，PWM控制模块123开始工作，在工作过程中实时检测母线分压信号VBUS_DIV，当母线分压信号VBUS_DIV超过线电压保护阈值范围时(这里指低于线电压保护下限阈值或高于线电压保护上限阈值)，PWM控制模块123停止工作并锁定保护状态，直到电压VDD掉电触发VDD过压欠压保护模块122的过压欠压保护，电路从新回到上述启动过程；

一种具有高压启动时间控制及线电压检测的电路，如图1所示，包括上述开关电源控制单元120、输入整流滤波电路101、变压器T106、二极管D111、VDD电容C113、功率管Q112、输出整流滤波电路107；

输入整流滤波电路101的正输出端接高压母线102，高压启动模块121的一个输入端以及变压器T106的原边绕组异名端；高压母线102上的电压为VBUS；输入整流滤波电路的负输出端接原边地；变压器T106的原边绕组同名端接功率管Q112的电流流入端，功率管Q112的开关控制端接PWM控制模块123的输出端，电流输出端接原边地；功率管Q112可采用NMOS管，其漏端、源端分别作为电流输入端和电流输出端，其栅端作为开关控制端；功率管Q112也可采用IGBT管；

变压器T106的辅助绕组同名端接二极管D111的正端，二极管D111的负端接VDD电容C113的正端，VDD电容C113正端电压为VDD；变压器T106的辅助绕组异名端接原边地；；高压启动模块121的一个输出端和VDD过压欠压保护模块122的输入端连接VDD电容C113的正端；

变压器T106的副边绕组接输出整流滤波电路107，通过输出整流滤波电路107输出直流电压；输入整流滤波电路101和输出整流滤波电路107均为常规电路，图1中给出了实现的具体电路，不再赘述；

电源系统上电后，高压母线102上的直流电压逐渐上升，高压母线102通过上拉电阻R220对高压启动管Q210的栅端进行充电，高压启动管Q210的栅端电压逐渐抬高超过高压启动管Q210的开启阈值后，高压启动管Q210导通；

上拉电阻R220一般会选用十兆欧姆级以上的电阻，其一可以减缓高压启动管Q210导通过程，降低导通电流对功率管的冲击；其二可以降低高压启动模块121中高压启动路径关断后，由于上拉电阻R220到地存在通路而造成的损耗。

当高压启动管Q210导通后，直流高压母线102经过高压启动管210、二极管D211、限流检测电阻R212构成的高压启动路径对VDD电容C113进行充电，充电电流在限流检测电阻R212产生压降，该压降电压作为限流控制模块200的输入信号，限流控制模块200根据上述压降电压的大小来控制充电电流的大小。

二极管D211、D213是防止高压母线102在负压情况下VDD充电电流反灌问题。当高压母线102接到上述图1原边侧功率管Q112的漏极，即变压器T106原边绕组同名端时，在功率管Q112导通或者系统谐振过程中，高压母线102上会出现负压，此时二极管D213是作为高压母线102上电压的负压箝位，二极管D211是防止VDD电流反灌(即从图2中限流检测电阻R212右侧向左侧方向反灌)。

压控电流源243根据限流采样模块242输出电压与基准信号V241的大小关系，控制节点N231到地的泄放电流大小；当VDD电容C113的充电电流变大，限流检测电阻R212产生的压降也相应变大，限流采样模块242的输出信号会高于基准信号V241，压控电流源243增加节点N231到地的泄放电流，节点N231电位下降，高压启动管Q210的开启变弱，充电电流减小；

当VDD电容C113上的电压超过VDD过压欠压保护模块122开启门限时，VDD过压欠压保护模块122输出使能信号POWERON由低变高，表示启动过程结束，启动支路可以关闭。当使能信号POWERON变成高电平后，高压启动控制管Q221导通，通过下拉电阻R222将节点N231的电位拉到接近地，此时构成了由上拉电阻R220、高压启动控制管Q221、下拉电阻R222组成从高压母线102到地的一条通路；

如上面所述，上拉电阻R220通常是要求十兆欧姆级以上的电阻，高压启动控制管Q221的导通阻抗可以忽略，下拉电阻R220为10k欧姆至数十k欧姆；因此Q221与R222连接的节点N131可以看作是只与上拉电阻R220、下拉电阻R222相关的母线电压分压节点；节点N131上的母线分压信号VBUS_DIV可由以下公式表示：

其中Rd为下拉电阻R222的阻值，Rp为上拉电阻R220的阻值，VBUS为高压母线102上的电压；

图3显示了本实用新型中限流控制模块200的另一个实现例子；限流控制模块200包括PMOS管Q301、NMOS管Q302、Q303；PMOS管Q301的源端接二极管D211的负端和限流检测电阻R212的一端，PMOS管Q301的栅端接限流检测电阻R212的另一端；PMOS管Q301的漏端接NMOS管Q302的漏端、栅端以及NMOS管Q303的栅端；NMOS管Q302和Q303的源端均接原边地端；NMOS管Q303的漏端接节点N231。

当充电电流ICHG变大，在限流检测电阻R212上产生的压降大于PMOS管Q301的开启阈值时，PMOS管Q301开始导通，从启动支路(高压启动路径)上分流了部分充电电流，流经NMOS管Q302、Q303构成的电流镜，控制节点N231电压使其变小，从而降低高压启动电流；

通常地，流过限流检测电阻R212的电流ICHG远远大于流过功率管Q301的电流IP1，电流IP1可以忽略，因此限流公式可以简化为：

通过公式(2)可以得到，高压启动充电电流只与限流检测电阻R212的阻值Rlimit和PMOS管Q301的开启阈值P1_vth有关，与线电压的大小没有关系，实现全电压范围内高压启动电流的一致性和启动时间的一致性。

图4为本实用新型的高压启动过程时序图；VBUS表示直流高压母线102上电压信号，ICHG表示高压充电电流，Tstart表示高压启动充电时间，VDD表示VDD电容C113正端电压，POWERON表示高压启动模块的使能信号，VBUS_DIV表示母线分压信号；

系统上电后，直流高压母线102上电压VBUS升高，高压启动路径开启并进入VDD电容C113充电过程，VDD电容C113的充电时间的计算公式是：

CVDD是VDD电容C113的电容值；

将上述公式(2)代入公式(3)，得到：

公式(4)中的参数VDD、CVDD、P1_vth分别表示上述VDD电容C113的电压和电容值、以及PMOS管Q301的开启阈值，它们的参数确定，因此，只要通过设定限流检测电阻R212的阻值Rlimit的大小，即可实现高压启动时间的设定。

当VDD电容C113上的电压VDD超过VDD过压欠压保护模块122开启门限时，使能信号POWERON由低变高，指示高压启动过程关断，PWM控制模块工作。

使能信号POWERON由低变高后高压启动路径关断，高压启动模块输出高压母线的母线分压信号VBUS_DIV，该信号是PWM控制模块的一个输入信号，作为线电压过压欠压检测的判别信号。

当输出短路时，原边向副边传递最大功率，以最大电流对输出电容(输出整流滤波电路107中的滤波电容)进行充电，但是输出因为短路而电压始终为零，N倍比例的辅助绕组电压也为零，因此VDD电容C113只有在高压启动阶段才能被充电，充电时间为Tstart；启动结束后电路工作，由于辅助绕组电压还是为零，VDD电容C113开始放电直到VDD电压低于VDD过压欠压保护模块122开启门限时，回到高压启动过程，放电时间为Tuvlo；在VDD电容C113放电过程中，系统的输入功率是Pinmax，输出短路时系统的平均输入功率是Pinavg＝Pinmax*Tuvlo/(Tuvlo+Tstart)，其中Pinmax和Tuvlo参数与系统设置相关，可以认为是常量，因此输出短路时系统的平均输入功率主要与启动时间Tstart大小相关；本实用新型通过设置Rlimit阻值精确控制启动时间Tstart的大小，解决传统高压启动时间Tstart过小而导致输出短路时平均输入功率高这个问题。

本实用新型通过对高压启动模块中高压启动管的控制，实现了高压启动电流的精确控制，实现全电压范围内高压启动电流的一致性和启动时间的一致性，很好地解决因输出短路等造成的平均输入功耗过大等问题；此外，本实用新型还巧妙地运用了高压启动模块的电路特征，用及其简单的方式实现了线电压的检测。

仅仅作为示例，本实用新型已应用于反激式电源变换器。但是将认识到，本实用新型具有更广泛的应用范围。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。