一种高压启动电路的制作方法

本实用新型涉及开关电源，特别涉及开关电源的高压启动电路。

背景技术：

在开关电源领域，开关电源都会设置启动电路，以便在电源上电时启动控制芯片，驱动变压器转换电压，实现电源的正常工作，控制芯片供电一般来自辅助绕组，但在电源刚启动时，副边输出未建立，辅助绕组电压较低，无法给控制芯片供电。所以电源刚启动时，控制芯片从输入取电，如图1所示，展示了传统的电源启动电路，通过大电阻RST(通常为兆欧量级)接到电源输入电压VIN和启动电容C3之间，来提供一个电流对电容C3充电以完成控制芯片的启动。

传统的启动电路可以满足启动要求，但也存在一些问题，如，通过电阻RST给启动电容 C3充电的电流较小，现按照一般情况给出以下参数：取输入电压VIN为311V(市电整流后的最大电压)，取电阻RST为2MΩ，经过电阻RST给电阻充电的电流约为150uA，取电容C3 为1uF，则通过计算得到电容C3的电压从0V充电至到15V所需的时间约为0.1s，可见电阻 RST的充电电流较小，控制器启动所需时间较长；并且在电源启机完成之后，副边电压建立后，控制器耗电由辅助绕组提供，即图1中的辅助绕组NA通过二极管DA给启动电容C3 和控制器供电，但电阻RST上仍有电流，这会造成不必要的功耗浪费。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

1、在控制器完成启动后，关闭启动电路，节省功耗；

2、提供mA级别的充电电流，完成控制器的快速启动；

3、易于集成，不耗费较大控制器面积。

(二)技术方案

针对上述技术问题，本实用新型公开一种高压启动电路，用以在启动时提供电流给控制器的供电端VDD及启动电容C3，其包括：包括晶体管ND1、电阻R1和电阻R2、NMOS管 NM1和NMOS管NM2、PMOS管PM1、钳位电路110、调整电路120；钳位电路110用于 PMOS管PM1的栅极电压钳位；调整电路120用于供电端VDD的电压的调整；钳位电路110 的输出端连接调整电路120的控制端，调整电路120的输入端连接电路调节电压LV节点，调整电路120的输出端连接供电端VDD；

电源启机时，控制器尚未启动，供电端VDD的电压为0V，钳位电路110截止、调整电路120导通，晶体管自然导通，高压启动电路开启，用以让输入电压通过晶体管ND1、调整电路120形成的电流通路为启动电容C3提供充电电流，使得供电端VDD的电压快速增大直至控制器启动；

控制器完成启动后，当调节电压LV节点电压高于电流镜工作阈值，钳位电路110导通， PMOS管PM1导通，用以通过PMOS管、NMOS管NM1、NMOS管NM2、电阻R1形成的电流通路为电阻R1提供电流，使晶体管ND1的栅源极电压达到其的关断阈值，进而关断晶体管ND1，关闭高压启动电路。

优选地，电源启机过程中，若辅助绕组供电较低，控制器耗电将拉低供电端VDD及调节电压LV节点电压，调节电压LV节点电压低于电流镜工作阈值时，通过导通晶体管ND1 使高压启动电路重新开启，调整电路工作，用以让输入电压通过晶体管ND1、调整电路形成的电流通路为启动电容C3提供充电电流，直至供电端VDD的电压增加至稳定，当调节电压 LV节点电压再次达到电流镜工作阈值时，关断晶体管ND1，使高压启动电路关闭，节省功耗。

其中，优选地，所述电流镜工作阈值为PMOS管PM1的导通阈值电压绝对值与钳位电路的输出钳位电压之和。

优选地，所述晶体管ND1选用高压结型场效应晶体管，或是选用耗尽型场效应晶体管，用于控制由电源输入电压产生的启动电流的通断，其漏极直接与电源输入电压连接，构成高压启动电路输入电压HV节点，其源极和PMOS管PM1的源极相连，构成调节电压LV节点，晶体管ND1栅极与源极之间接入电阻R1。

优选地，所述所述PMOS管PM1的源极连接调节电压节点LV，其栅极还通过电阻R2 连接至调节电压LV节点，其漏极连接NMOS管NM1漏极。

优选地，NMOS管NM1和NM2构成比例电流镜，NMOS管NM2镜像NMOS管NM1 的电流，NMOS管NM1的漏极连接其栅极、PMOS管PM1的漏极、NMOS管NM2的栅极， NMOS管NM1的源极与NMOS管NM2的源极同时接地，NMOS管NM2的漏极连接晶体管 ND1栅极。

优选地，作为钳位电路110的一种具体实施方式，所述钳位电路110，包括齐纳管DZ1、齐纳管DZ2和NMOS管NM3，齐纳管DZ1的阴极和PMOS管PM1的栅极连接，齐纳管DZ1 的阳极与齐纳管DZ2的阴极相连，齐纳管DZ2的阳极与NMOS管NM3的栅极和漏极连接， NMOS管NM3的源极接地。

优选地，作为钳位电路110的另一种具体实施方式，所述钳位电路110，包括齐纳管DZ1、齐纳管DZ2和电阻R3，齐纳管DZ1的阴极和PMOS管PM1的栅极连接，齐纳管DZ1的阳极与齐纳管DZ2的阴极相连，齐纳管DZ2的阳极与电阻R3一端连接，电阻R3另一端接地。

优选地，作为调整电路120的一种具体的实施方式，所述调整电路120，包括NMOS管 NM4，NMOS管NM4的漏极作为调整电路的输入端，NMOS管NM4的栅极作为调整电路的控制端，NMOS管NM4的源极作为调整电路120的输出端。

除额外说明外，本实用新型中出现的晶体管或MOS管的衬底均与其各自的源极相连接，上文及下文不再赘述。

以上对本实用新型的方法和电路各技术方案及技术特征的原理、作用等进行了分析，现将本实用新型的有益效果总结如下：

1、高压启动电路只有在控制器的启动过程中消耗能量，控制器启动后关闭高压启动电路，减小损耗；

2、高压启动电路结构简单，其关断过程由启动电路的反馈完成，不需要额外的控制逻辑；

3、当供电端VDD断路时，能够限制供电端VDD的电压，避免控制器过压损坏；

4、电源启机时，控制器启动电路可以为VDD启动电容提供mA级的充电电流，有益于控制器的快速启动。

附图说明

图1为传统的电源启动电路的电路示意图；

图2为本实用新型实施例1的高压启动电路的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1的高压启动电路的详细电路示意图；

图4为本实用新型实施例2的高压启动电路的详细电路示意图。

具体实施方式

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

实施例1

图2所示为本实用新型实施例1的高压启动电路100的结构示意图，其与整流桥10整流后的直流高压输入电压连接，以控制启动电路的通断和启动电流大小，完成控制器20的高压启动。高压启动电路100包括晶体管ND1、电阻R1和电阻R2、NMOS管NM1和NMOS管NM2、PMOS管PM1、钳位电路110、调整电路120。其中钳位电路110实现电压钳位功能，用于PMOS管PM1的栅极电压钳位；调整电路120用于供电端VDD的电压的调整；钳位电路110输出端连接调整电路120控制端，调整电路120的输入端连接电路调节电压LV节点，调整电路120的输出端连接；

在电源启机时，控制器尚未启动，其供电端VDD的电压为0V，调节电压LV节点的电压低于电流镜工作阈值，钳位电路110处于截止状态，流经电阻R2的电流较小，PMOS管 PM1的栅极电压不能被钳位电路110钳位，PMOS管PM1的栅极和源极电压接近相等，两者大小为调节电压LV节点电压，PMOS管PM1处于关断状态，则NMOS管NM1无电流流过，所以镜像NMOS管NM1电流的NMOS管NM2亦无电流流过，使得电阻R1无电流，晶体管ND1的栅极和源极电压相等，晶体管ND1导通，高压启动电路100开启，调整电路120 处于导通状态，供电端VDD的电压跟随PMOS管PM1的栅极电压，高压启动电路100输入电压HV到调节电压LV节点的电流较大，调节电压LV节点到供电端VDD的充电电流较大，供电端VDD对启动电容C3的充电电流较大，使得输入电压HV将通过晶体管ND1、调整电路120形成的电流通路为启动电容C3提供较大的充电电流，调节电压LV节点和供电端VDD 的电压快速增大；

控制器完成启动后，当调节电压LV节点电压达到电流镜工作阈值时，钳位电路110导通，PMOS管PM1的栅极电压被钳位电路110钳位，PMOS管PM1的栅极电压不变，供电端VDD的电压跟随PMOS管PM1的栅极电压被钳位不变，而调节电压LV节点的电压由于晶体管ND1的导通随输入电压HV增加，使得调节电压LV节点和PMOS管PM1栅极之间存在压降，此压降大于PMOS管PM1的导通阈值，进而使PMOS管PM1导通，则PMOS 管PM1和NMOS管NM1有一定电流流过，所以镜像NMOS管NM1电流的NMOS管NM2 也有电流输出，使得电阻R1两端产生压降，通过调节NMOS管NM1和NMOS管NM2的电流镜像比例，使得电阻R1两端产生在晶体管ND1的栅源极产生压降，使得晶体管ND1 的栅源极电压达到其关断阈值，进而使晶体管ND1截止，关断高压启动电路100，此时控制器已经完成启动，电源将启机。

在电源启机过程中，控制器由辅助绕组供电，若辅助绕组供电较低，控制器耗电将供电端VDD的电压拉低，调节电压LV节点已不再跟随输入电压HV增加，调节电压LV节点被供电端VDD拉至电流镜工作阈值以下，晶体管的栅源极电压达到其导通阈值而使得晶体管 ND1导通，输入电压HV再次通过晶体管ND1和调整电路120给供电端VDD供电，用以保证电源顺利完成启机，直至辅助绕组电压完全建立，电源顺利启机，供电管VDD电压稳定；待调节LV电压再次达到电流镜工作阈值，晶体管ND1关断，启动电路重新处于关断状态，节省功耗。

其中所述电流镜工作阈值等于钳位电路110钳位电压加上PMOS管PM1的导通阈值绝对值之和。

图3所示为本实用新型实施例1的高压启动电路100的详细电路示意图，如图3所示，晶体管ND1在实施例1中为高压耗尽型场效应晶体管，用于启动电路输入电压HV和调节电压LV节点的高低压隔离，并提供供电端VDD启动电容C3的充电电流，其漏极与整流桥10 整流后的直流高压连接，作为高压启动电路100的输入电压HV；其源极和PMOS管PM1的源极相连，构成调节电压LV节点；PMOS管PM1的栅极和钳位电路110相连，电阻R2的一端和调整电路120的控制端同时连接PMOS管PM1的栅极，电阻R2的另一端和调整电路 120的输入端同时连接调节电压LV节点，调整电路120的输出端即为供电端VDD，电源从输入电压HV经晶体管ND1到调节电压LV节点，再经调整电路120到供电端VDD的路径为启动电容C3充电电流的路径。PMOS管PM1的漏极和NMOS管NM1的漏极相连，NMOS 管NM1的漏极还与NMOS管NM1的栅极、NMOS管NM2的栅极相连，NMOS管NM1和 NM2的源极都接地，则NMOS管NM1和NM2构成公知的电流镜结构，NMSO管NM2镜像NM1的电流。NMOS管NM2的漏极和晶体管ND1的栅极相连，晶体管ND1的栅极和调节电压LV节点之间通过反馈电阻R1相连。

作为钳位电路110的一种具体实施方式，所述钳位电路110，包括齐纳管DZ1、齐纳管 DZ2和NMOS管NM3，齐纳管DZ1的阴极为钳位电路的钳位输出端和PMOS管PM1的栅极连接，齐纳管DZ1的阳极与齐纳管DZ2的阴极相连，齐纳管DZ2的阳极与NMOS管NM3 的栅极和漏极连接，NMOS管NM3的源极接地。

作为调整电路120的一种具体的实施方式，所述调整电路120包括NMOS管NM4，NMOS 管NM4的漏极作为调整电路120的输入端和调节电压LV节点相连，NMOS管NM4的栅极作为调整电路120的控制端和PMOS管PM1的栅极、钳位电路110的输出端相连，NMOS 管NM4的源极作为调整电路120的输出端和供电端VDD相连。

下面具体说明高压启动电路100的启动过程和原理。

(1)在电源启机时，控制器尚未启动，其供电端VDD的电压为0V，调节电压LV节点的电压低于电流镜工作阈值，电流镜工作阈值为钳位电路110钳位电压与PM1的导通阈值绝对值之和，钳位电路110中的齐纳管DZ1、DZ2和NMOS管NM3截止，电阻R2无电流流过， NMOS管NM4的栅极和漏极电压相等，供电端VDD的电压跟随NMOS管NM4的栅极电压，NMOS管NM4的栅极电压跟随调节电压LV节点的电压，可以得到式1：

VVDD＝VG_NM4-Vth_NM4＝VLV-Vth_NM4 (1)

式1中VVDD表示供电端VDD的电压，VG_NM4表示NMOS管NM4的栅极电压，Vth_NM4表示NMOS管NM4的导通阈值，VLV表示调节电压LV节点节点电压。

此时，电阻R2上无电流流过，PMOS管PM1的栅极和源极电压相等，PMOS管PM1截止，NMOS管NM1和NM2的电流镜结构无电流，电阻R1亦无电流，使得晶体管ND1的栅极和源极电压相等，晶体管ND1的栅源电压差为0，即VGS_ND1＝0，晶体管ND1导通。根据公知的场效应晶体管漏极电流公式有：

IND1＝β·(VGS_ND1-Vth_ND1)²＝β·(Vth_ND1)² (2)

其中式2中β是与工艺、晶体管尺寸相关的乘法因子，VGS_ND1是晶体管ND1的栅源电压差，IND1是晶体管ND1的漏极电流，Vth_ND1是晶体管ND1的阈值电压。由式2可见，调节电压LV节点的电压低于电流镜工作阈值时，高压启动电路100的提供的充电电流为晶体管ND1 的饱和电流，通过合理选择晶体管ND1的尺寸高压启动电路就可以为控制器供电端VDD的启动电容C3提供mA级的充电电流。

晶体管ND1的导通，高压启动电路100开启，用以使得输入电压HV通过晶体管ND1、调节电压点LV、NMOS管NM4的漏源极的电流路径为电容C3提供充电电流，使得供电端 VDD上的电压增加直至控制器启动。

(2)控制器完全启动后，调节电压LV节点的电压达到电流镜工作阈值时，钳位电路110 处于工作状态，NMOS管NM3导通，齐纳管DZ1、DZ2工作于钳位状态，PMOS管PM1的栅极电压被钳位电路110钳位，输出钳位电压大小为DZ1钳位值、DZ2钳位值和NMOS管 NM3的饱和压降之和，NMOS管NM3的饱和压降约等于其的导通阈值，所以PMOS管PM1 上的栅源电压大于其的导通阈值，进而使PMOS管PM1导通，有电流流经NMOS管NM1， NMOS管NM2将镜像NMOS管NM1的电流，NMOS管NM2的电流在电阻R1上产生压降，使晶体管ND1的栅源压差小于其的导通阈值，进而晶体管ND1截止，高压启动电路100关闭，此时，调节电压LV节点电压等于钳位电路110钳位电压加上PMOS管PM1的导通阈值，得到式3：

VLV＝|Vth_PM1|+VDZ1+VDZ2+Vth_NM3 (3)

式3中Vth_PM1为PMOS管PM1的导通阈值，其值为负数，式3中按其绝对值计算；VDZ1和VDZ2分别为齐纳管DZ1、DZ2的钳位电压值；Vth_NM4为NMOS管NM4的导通阈值。

由上文原理(1)分析可知，供电端VDD的电压跟随NMOS管NM4的栅极电压，故在调节电压LV节点的电压达到电流镜工作阈值时，钳位电路处于状态下，有式4：

VVDD＝VDZ1+VDZ2+Vth_NM3-Vth_NM4 (4)

根据式4的关系，如果NMOS管NM3和NMOS管NM4选择相同的NMOS管，则两者导通阈值相同，式4可简化为式5：

VVDD＝VDZ1+VDZ2 (5)

从式5的关系中可以发现，高压启动电路100关断后供电端VDD的稳压值为齐纳管DZ1、DZ2的钳位电压值之和。

(3)控制器启动后，高压启动电路100已经关断，供电端VDD将不再获得输入电压HV 的供电，控制器的供电由电源的副边绕组电压提供，在这个过程中，如果出现副边绕组供电不足的情况，控制器耗电将逐渐拉低供电端VDD的电压值，调节电压LV节点电压同样被供电端VDD拉低，当调节电压LV节点电压值再次低于电流镜工作阈值时，使得晶体管ND1 导通，高压启动电路100重新开启，用以让输入电压HV通过晶体管ND1、NMOS管NM4 为充电电容C3提供充电电流，使得供电端VDD的电压回升，直至副边绕组的电压完全建立，供电管VDD的电压重新稳定。当调节节点LV的电压回升再次达到电流镜工作阈值时，根据上文原理(2)关断晶体管ND1，重新关闭高压启动电路100，节省能耗。

高压启动电路100的启动将循环以上充电过程为控制器充电。

实施例2

图4所示为本实用新型实施例2的高压启动电路的详细电路示意图。如图4所示，与实施例1不同的是，图3中钳位电路110的NM3在图4中替换为电阻R3。图4中，电阻R3 的一端接地，另一端接齐纳管DZ2的阳极。其他电路连接关系与图3保持一致。

图4所示的实施例2与实施例1的工作过程相同，在此不再赘述，但实施例2的中，在控制器启动后，当电路调节电压LV电压大于电流镜工作阈值的阶段，供电端VDD的电压值计算公式与式4不同，实施例2的供电端VDD电压值的计算公式为式6：

VVDD＝VDZ1+VDZ2+VR3-Vth_NM4 (6)

式6中，VR3为R3的电压。

从式6中可以看出，供电端VDD的电压值可以通过电阻R3的电压进行调整，在实际应用需求，根据不同电阻值的电阻R3进行调整。

以上仅是本实用新型的优选实施例，应当指出的是，上述优选实施例不应视为对本实用新型的限制。本实用新型的高压启动电路可应用在直流输入电压为40Vdc～700Vdc的电压范围内(对应到交流输入可为29Vac～494Vac)，但还应认识到，通过增加外部电路或采用新工艺等其他方式，本实用新型可应用于其它更为广泛的范围中。按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，例如根据实际工艺修改相关的电压或电流表达式，来获得与本实用新型类似的有益效果，这些均落在本实用新型权利保护范围之内。专利中涉及到的所有“电联接”、“接”和“连接”关系，均并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构，本实用新型中明确用“电联接”的地方只是为了强调此含义，但并不排除用“接”和“连接”的地方也具备这样的含义。