一种开关电源供电电路及开关电源系统的制作方法

本公开属于电子电路技术领域，具体涉及一种开关电源供电电路及开关电源系统。

背景技术：

开关电源是电子设备及电子电器的供电电源变换设备，应用日益广泛。随着能源效率和环保的日益重要和对安全的日益重视，人们对开关电源的待机功耗提出了更高的要求。

开关电源待机时的功耗主要来源于启动电阻损耗和空载时的电路损耗。传统的开关电源电路如图1所示，开关电源的启动电路由启动电阻rstar和vcc充电电容c2组成，启动时电流流经rstar给c2充电，当充电电压达到内部预设值后，控制单元启动，通过控制开关管的开关状态维持充电电容c2的电压。但是，由于rstar始终接在整流后的高压输入电压vin和vcc之间，即使在待机时也会带来功率的持续消耗，且为了保证能为开关电源提供较大的充电电流实现快速启动，所选取的启动电阻rstar的阻值一般较小，rstar的阻值越小产生的待机功耗越大。

此外，该传统电路结构中，由于反激电压远高于vcc，需要增加电阻r7来限制，该电阻的引入将进一步加大功耗，致使该传统电路的功耗较高，无法满足高能效产品的需求。

综上，为解决现有技术中电路功耗大的问题，亟待设计一种开关电源供电电路、供电方法及开关电源系统。

技术实现要素：

针对以上不足，本公开的目的在于提供一种开关电源供电电路及开关电源系统。本公开通过自举供电开启时间段的控制，能够有效降低启动过程和待机过程中产生的功耗；通过采用启动电阻两端分别与电压驱动元件的漏极和栅极相连的方式，极大地降低了启动、正常工作及待机过程中由启动电阻产生的功耗。

本公开通过以下技术方案实现上述目的：

一种开关电源供电电路，包括：启动电阻、开关电路、控制单元、vcc充电电容和vcc充电管理单元；其中，

开关电路包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的漏极与电源vin相连，源极与第二开关管的漏极相连接；

并且，第一开关管和第二开关管的公共端通过所述vcc充电管理单元与vcc充电电容相连；

启动电阻的两端分别与第一开关管的漏极和栅极相连；

控制单元分别与第一开关管和第二开关管的栅极相连；

vcc充电管理单元与第一开关管的源极相连，用于保证充电回路的单向导通，并对充电回路进行限流以保护第一开关管。

优选的，所述控制单元包括pwm模块和驱动模块；其中，所述pwm模块的输出端和驱动模块的输入端相连，所述驱动模块的输出端分别与第一开关管和第二开关管的栅极相连，所述pwm模块通过驱动模块控制第一开关管和第二开关管的开关状态，实现自举供电和/或高压供电。

优选的，所述第一开关管和第二开关管为电压驱动型。

本公开还提供一种开关电源系统，包括：过压保护单元、欠压保护单元、电压信号采集单元和反馈单元

所述过压保护单元的输入端与所述电压信号采集单元相连，输出端与pwm模块相连，用于在检测到输出电压超出预设阈值时产生ovp信号并输出至pwm模块，使电源进入过压保护状态；

所述欠压保护单元的输入端与所述电压信号采集单元相连，输出端与pwm模块相连，在检测到电源vin低于预设阈值时，用于产生欠压信号并输出至pwm模块，使电源进入欠压保护状态；

所述电压信号采集单元分别与过压保护单元、欠压保护单元相连接，用于检测输出电压和/或vin，并反馈至过压保护单元、欠压保护单元；

所述反馈单元用于检测输出电压的变化并反馈至控制单元，并通过控制单元的pwm模块控制占空比来调节输出电压。

优选的，所述反馈单元包括三端稳压器件、光耦以及反馈辅助器件；

所述光耦包括二极管d3和光敏三极管q1；

所述反馈辅助器件包括分压电阻r3、r4、r5、r6、r7和电容c3；

所述光敏三极管q1与电容c3并联后一端与vcc充电电容的正极板或负极板相连，另一端与pwm模块相连。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、利用电压驱动元件的特性、启动电阻的连接方式以及自举供电开启时间段的控制，能够有效降低启动过程和待机过程中产生的功耗；

2、通过采用启动电阻两端分别与电压驱动元件的漏极和栅极相连的方式，极大地降低了启动、正常工作及待机过程中由启动电阻产生的功耗；

3、通过设计开关电源自举供电，自举供电过程中，由于开关管处于饱和导通状态，耗散的功率极小，进一步降低了待机功耗，从而使产品满足六级能效的要求；同时，通过自举供电开启时间段的控制，保证了导通状态下对主电路中的电流峰值的监测，有利于逐周期过流保护；

附图说明

图1为传统开关电源的电路结构示意图；

图2为本公开提出的一种开关电源供电电路结构示意图；

图3为本公开提出的一种开关电源系统结构示意图；

图4为本公开提出的另一种开关电源系统结构示意图；

图5为本公开提出的一种开关电源时序示意图。

图中标记表示如下：

1、供电电路；2、过压保护单元；3、欠压保护单元；4、电压信号采集单元；5、反馈单元(51、光耦；52、反馈辅助器件)；6、吸收单元；7、输出整流滤波单元；11、启动电阻；12、开关电路；13、控制单元(13-1、pwm模块；13-2、驱动模块)；14、vcc充电电容；15、vcc充电管理单元。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图1至附图5，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供的技术方案适用于buck、boost、buck-boost等多种电路拓扑结构，此处并不限定；本公开实施例提供的技术方案中涉及的开关管可以是mos、mosfet、jfet等晶体管，可以为增强型或耗尽型，本公开实施例中均以mos管为例进行阐述；技术方案中涉及的连接可为元器件的直接连接，也可为电性连接。

下面结合说明书附图对本公开各个实施例进行详细描述。需要说明的是，本公开实施例的展示顺序仅代表实施例的先后顺序，并不代表实施例所提供的技术方案的优劣。

如图2所示，本公开提供一种开关电源供电电路，包括：启动电阻11、开关电路12、控制单元13、vcc充电电容14和vcc充电管理单元15；其中，

开关电路12包括第一开关管m1和第二开关管m2，第一开关管m1的漏极与电源vin相连，源极与第二开关管m2的漏极相连；

并且，第一开关管m1和第二开关管m2的公共端通过vcc充电管理单元15与vcc充电电容c214相连；

启动电阻r111的两端分别与第一开关管m1的漏极和栅极相连；

控制单元13分别与第一开关管m1和第二开关管m2的栅极相连：

vcc充电管理单元15与第一开关管m1的源极相连，用于保证充电回路的单向导通，并对充电回路进行限流以保护第一开关管m1。

上述实施例与现有技术中启动电阻rstar始终接在整流后的高压输入电压vin和vcc之间而导致功率的持续消耗不同的是：上述实施例通过将启动电阻的两端分别与第一开关管m1的漏极和栅极相连，电源通过启动电阻给第一开关管m1的栅源寄生电容充电，从而抬高第一开关管m1的栅源电压至大于第一开关管m1的阈值电压使第一开关管m1导通，进而形成电源、第一开关管m1至充电电容的充电路径，为vcc充电至预设值时，控制单元启动。启动过程中，由于第一开关管m1的内阻很大，加电压控制时电流很小，近似为零，因此启动时启动电阻r1几乎不会产生功耗。

另一个实施例中，所述控制单元包括pwm模块和驱动模块；其中，所述pwm模块的输出端和驱动模块的输入端相连，所述驱动模块的输出端分别与第一开关管和第二开关管的栅极相连，所述pwm模块通过驱动模块控制第一开关管和第二开关管的开关状态，实现自举供电和/或高压供电。

本实施例中，当开关电源正常工作时，第一开关管m1、第二开关管m2同时导通，延迟一段时间后第二开关管m2关断，此时，第一开关管m1的栅源寄生电容cgs产生自举，第一开关管m1维持导通状态，形成与电源、充电电容c2的充电路径，为vcc充电，从而实现自举供电；由于此时第一开关管m1处于自举状态，栅压较大，且处于饱和导通状态，压降极小，因此与现有技术相比，电路产生的功耗极小。

进一步的，当第一开关管m1、第二开关管m2长期处于关断状态导致vcc供电不足时，控制单元13将第一开关管m1的栅压抬升至vcc，同时电源经启动电阻r111为第一开关管m1的栅源寄生电容cgs充电，抬高第一开关管m1的栅源电压vgs至大于第一开关管m1的阈值电压vth使其导通，形成电源、第一开关管m1至vcc充电电容c214的充电路径，进行高压供电。

可以理解的是，上述实施例通过将自举供电和高压供电相结合，相比与现有技术扩大了适用范围，能够适用于重载、轻载或空载等情况。

另一个实施例中，所述第一开关管m1和第二开关管m2为电压驱动型。

本实施例中，第一开关管m1和第二开关管m2可选用mos、mosfet、jeft等晶体管中的至少一种，本实施例优选nmos作为开关管。

另一个实施例中，本公开还提供一种开关电源的供电方法，包括如下步骤：

s100：当开关电源在主电路电流上升期间，控制单元控制开关电路中中第一开关管和第二开关管的状态进行自举供电为vcc充电电容供电；

s200：当开关电源电压降至预设值时，控制单元控制开关电路中第一开关管和第二开关管的状态进行高压供电。

在步骤100的具体实施例中，当开关电源正常工作时，控制单元13首先驱动开关电路12中的第一开关管m1、第二开关管m2同时导通，延迟一段时间后关断第二开关管m2。此时，第一开关管m1栅源寄生电容cgs产生自举，第一开关管m1维持导通状态，形成电源、第一开关管m1至充电电容c2的充电路径，为vcc充电，实现自举供电；在主电路电流上升到峰值前，将第二开关管m2再次导通，自举供电结束。

需要重点说明的是，为保证对主电路电流峰值的监控，实现逐周期过流保护，自举供电过程在主电路电流上升过程中进行，即在主电路导通后延迟一段时间开始自举供电，并在主电路电流上升到峰值之前结束。

在步骤s200的具体实施例中，当开关电源的工作频率较低时，单靠自举供电无法保障vcc供电充足，尤其是针对适配器或充电器等产品，存在空载工作模式，在此情况下，由于第一开关管m1、第二开关管m2长期处于关断状态导致vcc供电不足，因此，本实施例中当vcc电压降低至预设阈值vcc_min时，控制单元将第一开关管m1的栅压抬升至vcc，同时电源经启动电阻r111为第一开关管m1的栅极充电使其导通，进行高压供电。

另一个实施例中，在步骤s100之前，开关电源通过启动电阻驱动开关电路中的第一开关管导通，为vcc充电电容充电至预设值，使控制单元启动。

本实施例中，启动时电源通过启动电阻r111给第一开关管m1的栅源寄生电容cgs充电，抬高第一开关管m1的栅源电压vgs至大于第一开关管m1的阈值电压vth使第一开关管m1导通，形成电源、第一开关管m1至vcc充电电容c214的充电路径，为vcc充电电容c214充电至预设值，控制单元启动。

另一个实施例中，所述自举供电和高压供电的启动、结束时间通过时序控制和/或电压检测确定；其中，

所述时序控制是根据预设的时间或时间间隔启动或结束；

所述电压检测是通过检测vcc电压并与所设定的相应阈值进行比较，根据比较结果启动或结束。

以下分别对自举供电和高压供电的启动和结束进行说明：

1、自举供电：当开关电源系统正常工作时，控制单元首先驱动开关电路中的m1、m2同时导通，延迟一段时间后关断m2，此时m1的栅源寄生电容cgs产生自举，m1维持导通状态，形成电源、m1至充电电容c2的充电路径，为vcc充电，实现自举供电；在主电路电流上升到峰值前，将m2再次导通，自举供电结束。

需要说明的是，延迟关断m2和m2再次导通的时间可以通过vcc电压监测，在vcc电压降至预设阈值vcc_th2时，由控制单元驱动m2关断；在vcc电压升高至预设阈值vcc_th1时，m2再次导通。

另外，延迟关断m2和m2再次导通的时间也可通过时序控制的方式进行，即在固定时间点由控制电路驱动m2进行关断和导通。

2、高压供电：当开关电源的工作频率较低时，单靠自举供电无法保障vcc供电充足，尤其是针对适配器或充电器等产品，存在空载工作模式，在此情况下会由于m1、m2长期处于关断状态导致vcc供电不足，因此，本实施例中当vcc电压降低至预设阈值vcc_min时，控制电路将m1的栅压抬升至vcc，同时电源经启动电阻r1为m1栅极充电，使m1导通，进行高压供电。

需要说明的是，高压供电的开启和结束时间也可以根据预设的时间执行，通过时序控制实现。

另一个实施例中，所述步骤s100包括：

s101：控制单元首先驱动开关电路中的第一开关管和第二开关管同时导通；

s102：延迟一段时间后关断第二开关管，形成电源、第一开关管至充电电容c2的充电路径，为vcc充电，实现自举供电；

s103：延迟一段时间并在主电路电流上升到峰值前，将第二开关管再次导通，自举供电结束。

另一个实施例中，步骤s200中，所述控制单元控制开关电路中第一开关管和第二开关管的状态是指控制单元将第一开关管的栅压抬升至vcc，使第一开关管导通，第二开关管关断。

另一个实施例中，本公开还提供一种开关电源系统，包括供电电路1、过压保护单元2、欠压保护单元3和电压信号采集单元4；

所述过压保护单元(ovp)2的输入端与所述电压信号采集单元4相连，输出端与所述pwm模块13-1相连，用于在检测到输出电压vout超出预设阈值时产生信号并输出至pwm模块13-1，使电源进入过压保护状态；

所述欠压保护单元(brownout)3的输入端与电压信号采集单元4相连，输出端与所述pwm模块13-1相连，在检测到电源vin低于预设阈值时，用于产生欠压信号并输出至pwm模块13-1，使电源进入欠压保护状态；

所述电压信号采集单元4分别与过压保护单元、欠压保护单元相连接，用于检测输出电压和/或vin，并反馈至过压保护单元、欠压保护单元；

所述反馈单元5用于检测输出电压的变化并反馈至控制单元，并通过控制单元的pwm模块控制占空比来调节输出电压。

图3是上述实施例在双绕组副边反馈拓扑结构中的具体应用，需要说明的是，本公开开关电源系统不限于应用于双绕组副边反馈拓扑结构中，也可应用于其他拓扑结构中。

上述实施例中，第二开关管m2的源极通过采样电阻r2与变压器原边电感lp的一端连接，变压器原边电感lp的另一端接地。第一开关管m1、第二开关管m2接通时，原边导通，电容c1两端的电压加到变压器的原边，电流经m1、m2、r2和lp后流入地，变压器储存能量；当m1、m2关断时，原边截止，变压器通过副边续流，进行能量的释放。

设于电阻r8、r9公共端的输出端经芯片的prt引脚与过压保护单元(ovp)2、欠压保护单元(brownout)3相连接。在原边截止进入反激阶段时，利用lp两端电压与输出电压vout之间的匝比关系，如式(1)所示，通过lp两端的电压监测输出电压vout，实现精确的opv功能。

np：原边电感lp的匝数；

ns：副边电感ls的匝数；

vf(d2)：输出二极管d2的正向导通压降。

在原边导通时，欠压保护单元(brownout)3产生一路电流使prt电压与gnd电压相等，由于r2阻值很小，原边导通时vin与gnd近似相等，加在r8两端的电压约等于vin，则iprt＝vin/r8，芯片内部将iprt与基准电流ibias比较，当iprt＜ibias维持一段时间后，触发欠压保护单元(brownout)3保护，即输入欠压保护。

下面结合图2-图5，对本实施例的工作过程进行描述：

开关电源启动时，vcc初始电压为零，电源vin通过启动电阻r1给开关管m1的栅极加压，栅源寄生电容cgs充电，抬高第一开关管m1的栅源电压vgs至大于其阈值电压vth使其导通，形成电源、m1至充电电容c2的充电路径，为vcc充电至预设值vcc_th0时，控制单元启动。启动过程中，由于第一开关管m1的内阻很大，加电压控制时电流很小，近似为零，因此启动时启动电阻r1几乎不会产生功耗。

开关电源启动后进入正常工作阶段，在一个控制周期内，首先由pwm模块13-1通过驱动模块13-2控制第一开关管m1、第二开关管m2同时导通，电感lp电流ilp开始增加，随着ilp的增加，采样电阻r2上的电压vcs也逐渐增加，此时由于vcc充电电容处于放电状态，vcc电压降低；第一开关管m1处于饱和导通状态，源漏电压vds极小。

延迟一段时间或vcc降低至下限阈值vcc_th2后关断第二开关管m2，此时第一开关管m1栅源寄生电容cgs产生自举，第一开关管m1维持导通状态，形成电源、第一开关管m1至充电电容c2的充电路径，为vcc充电，实现自举供电。由于此时m1处于饱和导通状态，压降极小，因此，耗散的功率小，且效率也更高。第二开关管m2截止后流经采样电阻r2的电流被截止，vcs为零；但是由于原边仍然为导通状态，因此流过lp的电流ilp持续增加。

延迟一段时间或vcc升高至上限阈值vcc_th1后，pwm模块13-1驱动第二开关管m2导通，vcc充电结束，c2进入放电阶段，vcc电压逐渐降低。原边进入储能阶段，主电路电流ilp继续增加，r2处于导通状态，因此vcs随ilp的增大而增大。

同时关断第一开关管m1、第二开关管m2，原边截止，变压器通过副边续流，进行能量的释放，带动负载工作。原边进入反激阶段，vprt跳至高电平，电压信号采集电路在高电平期间进行采样，获得vout的输出状态。

当轻载或空载时，由于频率太低，一次自举供电的电量无法维持控制单元整个周期的消耗，多个周期后vcc电容会持续放电至欠压状态，将自举供电和高压供电相结合，当开关电源正常工作时，仍然采用自举供电的方式给充电电容c2充电，当长期处于待机状态导致vcc电压过低，进入欠压保护状态或低于预设的阈值vcc_min时，控制单元将第一开关管m1的栅压抬升至vcc，同时电源经启动电阻r1为第一开关管m1的栅极充电，使第一开关管m1导通，进行高压供电。以上控制过程也可通过时序方式控制，第一开关管在m1、第二开关管m2截止后延迟预设时间后开启高压供电。

另一个实施例中，所述反馈单元5包括三端稳压器件tl431、光耦51以及反馈辅助器件52；其中，

所述光耦51包括二极管d3和光敏三极管q1；

所述反馈辅助器件52包括分压电阻r3、r4、r5、r6、r7和电容c3；

所述光敏三极管q1与电容c3并联后一端与vcc充电电容的正极板或负极板相连，另一端与pwm模块13-1相连。

本实施例中，输出电压vout通过分压电阻分压后输入到tl431与基准电压比较，运放输出的误差电压信号控制流过光耦的电流，当输出电压vout偏高时，流过光耦的电流变大，控制器fb端口的电压变小，pwm模块13-1控制输出占空比变小来降低变压器传递到副边的能量，输出电压vout开始降低；反之，若输出电压偏vout低，根据光耦电流的反馈，由pwm模块13-1控制占空比增加来增大变压器传递到副边的能量，从而提高输出电压vout。通过该方式不断地调节控制把输出电压稳定在设定值。

另一个实施例中，所述开关电源系统还包括吸收单元6，用于避免开关管截止瞬间过高尖峰脉冲的出现毁坏开关管。

本实施例中，所述吸收单元6的两端分别与变压器原边电感lp的两端相连接，所述吸收单元包括分压电阻r1、电容c4和二极管d1，电阻r1和电容c4并联后一端经二极管d1与lp的正极相连接，另一端与lp的负极相连接。

另一个实施例中，所述开关电源系统还包括输出整流滤波单元7，所述整流滤波单元5包括二极管d2和电容c5。

本实施例中，当原边截止时，副边互感电动势使得整流二极管d2导通，电流一方面流入负载，另一方面向电容c5充电储能，以便原边再次导通时向负载释放能量。

以上仅是本公开的部分实施例，并不用于限制本公开的发明构思，本领域的技术人员可以在不脱离本公开发明构思的原则下进行一定替换和变形，但均应该落入本公开的保护范围。