專利名稱：應(yīng)用于ac-dc開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自供電電路，尤其是一種應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，屬于電源變換器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電源變換器被廣泛的用于電子設(shè)備中，電源變換器可以將電源從一種形式變換到另一種形式。例如電源可以從交流(AC)變換到直流(DC)、從DC變換到AC或從DC變換到DC，電源變換器包括線性變換器和開關(guān)模式變換器兩種主要類型。圖1是一個(gè)AC/DC開關(guān)電源變換器拓?fù)涞暮喕疽鈭D，其包含全波整流電路，由第一整流二極管101、第二整流二極管102、第三整流二極管103及第四整流二極管104構(gòu)成；濾波電容105、儲能電容107、輸出濾波電容116 ;高壓啟動(dòng)電阻106 ;變壓器110，由初級繞組111和輔助繞組112、次級繞組113構(gòu)成；開關(guān)模式電源第一控制芯片108 ;功率管114 ；輔助繞組整流二極管109、輸出繞組整流二極管115 ;輸出假負(fù)載117，所述輸出假負(fù)載117為預(yù)設(shè)的輸出負(fù)載，防止開關(guān)電源變換器的輸出電壓在空載情況下升高。電源變換器正常工作時(shí)，輔助繞組112、輔助繞組整流二極管109、儲能電容107為第一控制芯片108提供工作電壓Kbias ;但是在電路啟動(dòng)時(shí)，電壓Kbias為0，第一控制芯片108不會(huì)控制功率管114開關(guān)，變壓器初級繞組111開路，變壓器110沒有儲存能量，輔助繞組112無法提供能量給第一控制芯片108;因此，需要引入高壓啟動(dòng)電阻106，在電源變換器上電初期為對儲能電容107充電，當(dāng)儲能電容107的電壓Kbias上升到第一控制芯片108的正常工作閾值電壓后，功率管114開始開關(guān)，變壓器110將能量從初級繞組111傳遞給輔助繞組112和次級繞組113。輔助繞組112的輸出電壓Kbias和次級繞組113的輸出電壓Fom與各自繞組的線圈匝數(shù)成比例關(guān)系。上述中，其所述結(jié)構(gòu)存在高壓啟動(dòng)電阻106會(huì)持續(xù)消耗功率的缺點(diǎn)，因?yàn)楦邏簡?dòng)電阻106始終接在整流后的高壓和低壓Kbias之間，即使變壓器110的輔助繞組112已經(jīng)能夠?yàn)榈谝豢刂菩酒?08提供工作電壓。高壓啟動(dòng)電阻106造成功率損失，降低了 AC/DC的整機(jī)效率。而且高壓啟動(dòng)電阻106的選擇需要綜合考慮，增加了應(yīng)用難度。如果高壓啟動(dòng)電阻106的電阻值大，電路啟動(dòng)完成后，在高壓啟動(dòng)電阻106上損失的功率就小，但是高壓啟動(dòng)電阻106的電阻值大之后，會(huì)導(dǎo)致在啟動(dòng)時(shí)，對儲能電容107的充電電流變小，儲能電容107上的電壓上升速度變慢，最終使得AC/DC整機(jī)啟動(dòng)時(shí)間延長。反之，如果高壓啟動(dòng)電阻106的電阻值小，雖然可以縮短AC/DC整機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，但是在高壓啟動(dòng)電阻106上損失的功率也隨之增加。為了克服上述一般AC/DC啟動(dòng)電路的缺點(diǎn)，業(yè)界又發(fā)明了帶高壓啟動(dòng)電路的控制芯片，如圖2所示，第二控制芯片200內(nèi)部包含高壓啟動(dòng)電路201、電壓檢測電路202、PWM控制器203等模塊。電源變換器剛上電時(shí)，經(jīng)過第一整流二極管101、第二整流二極管102、第三整流二極管103、第四整流二極管104、濾波電容105進(jìn)行整流、濾波，所產(chǎn)生的直流高壓，通過第二控制芯片200的HV引腳接到高壓啟動(dòng)電路201上，高壓啟動(dòng)電路將直流高壓轉(zhuǎn)換成電流，對儲能電容107進(jìn)行充電，儲能電容107的電壓Kbias上升，當(dāng)該電壓超過預(yù)先設(shè)定的閾值電壓后，電壓檢測電路202輸出控制信號給PWM控制器203和高壓啟動(dòng)電路201，PWM控制器203受控制信號作用后，驅(qū)動(dòng)功率管114開關(guān)，變壓器110開始傳遞能量，變壓器110的輔助繞組112開始為第二控制芯片200提供工作所需要的能量。高壓啟動(dòng)模塊201受控制信號作用后，切斷對儲能電容107的充電電流。該方法不需要高壓啟動(dòng)電阻106，而且在系統(tǒng)啟動(dòng)完成后可以關(guān)斷高壓啟動(dòng)電路，因此可以消除高壓啟動(dòng)電路的功耗。但是控制芯片增加了一個(gè)用于啟動(dòng)的高壓引腳，在某些集成電路設(shè)計(jì)中，會(huì)將控制芯片和功率管114通過雙島封裝集成在同一個(gè)芯片中，如虛線框204所示，整個(gè)芯片將有兩個(gè)高壓引腳，分別是功率管114的漏端和高壓啟動(dòng)引腳HV端，高壓引腳要求滿足安全爬電距離，使封裝復(fù)雜，同時(shí)芯片引腳的增加會(huì)提聞芯片成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其結(jié)構(gòu)緊湊，能降低電源變換器的功耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率，降低封裝的復(fù)雜性及芯片成本，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，包括電源控制芯片，所述電源控制芯片包括高壓LDMOS管，所述高壓LDMOS管包括JFET管及低壓MOS管，所述JFET管的源極端與低壓MOS管的漏極端連接，JFET管的柵極端及低壓MOS管的源極端均接地JFET管的源極端及低壓MOS管的漏極端與第三MOS管的漏極端及偏置電阻的一端連接；
偏置電阻的另一端與第三MOS管的柵極端及第二 MOS管的源極端連接，第二 MOS管的柵極端與第三MOS管的源極端及第一分壓電阻的一端連接，且第二 MOS管的柵極端、第三MOS管的源極端及第一分壓電阻的一端相互連接后形成VIN端；
第一分壓電阻的另一端與電壓比較器的同相輸入端及第二分壓電阻的一端連接，第二分壓電阻的另一端接地；電壓比較器的輸出端與邏輯或門的第一輸入端及PWM模塊的輸入端連接，PWM模塊的輸出端與低壓MOS管的柵極端及邏輯或門的第二輸入端連接，邏輯或門的輸出端與第一 MOS管的柵極端連接，第一 MOS管的源極端接地，第一 MOS管的漏極端與第
二MOS管的漏極端連接。所述PWM模塊的電源端與VIN端電連接。所述第一 MOS管及第三MOS管均為NMOS管，第二 MOS管采用PMOS管。所述電壓比較器的反相輸入端與參考電壓Vkef連接。所述VIN端與儲能電容的一端及輔助繞組整流二極管的陰極端連接，儲能電容的另一端接地，輔助繞組整流二極管的陽極端與輔助繞組的一端連接，輔助繞組的另一端接地；JFET管的漏極端與變壓器的初級繞組的一端連接，初級繞組的另一端與濾波電容的一端連接，濾波電容的另一端與第三整流二極管的陽極端及第四整流二極管的陽極端連接，且濾波電容的另一端接地；第三整流二極管的陰極端與第一整流二極管的陽極端連接，第四整流二極管的陰極端與第二整流二極管的陽極端連接，第一整流二極管的陰極端與第二整流二極管的陰極端連接，且第二整流二極管的陰極端與濾波電容的一端連接。所述次級繞組的一端與輸出繞組整流二極管的陽極端連接，輸出繞組整流二極管的陰極端通過輸出濾波電容與次級繞組的另一端連接。所述高壓LDMOS管、第一分壓電阻、第二分壓電阻、電壓比較器、邏輯或門、PWM模塊、第一 MOS管、第二 MOS管、第三MOS管及偏置電阻均集成在同一芯片襯底上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)電源控制芯片根據(jù)不同狀態(tài)控制JFET管是否向儲能電容充電，不需要用于啟動(dòng)的高壓電阻，可以降低電源變換器的功耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率，不需要專門用于高壓啟動(dòng)的高壓引腳，降低了封裝的復(fù)雜性，降低了芯片成本，采用全集成方式，只需要一個(gè)高壓引腳，減少了芯片的引腳數(shù)目，提高了芯片的可靠性，降低了應(yīng)用的復(fù)雜度。
圖1為現(xiàn)有AC-DC開關(guān)電源變換器的聞壓啟動(dòng)電路的原理不意圖。圖2為現(xiàn)有改進(jìn)的AC-DC開關(guān)電源變換器的高壓啟動(dòng)電路的原理示意圖。圖3為本發(fā)明的使用狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖3所示為了解決現(xiàn)有開關(guān)模式電源變換器的供電問題，本發(fā)明包括電源控制芯片300，所述電源控制芯片300包括高壓LDMOS管301，所述高壓LDM0S(橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)管301包括JFET (Junction FET)管302及低壓MOS管303，所述JFET管302的源極端與低壓MOS管303的漏極端連接，JFET管302的柵極端及低壓MOS管303的源極端均接地JFET管302的源極端及低壓MOS管303的漏極端與第三MOS管312的漏極端及偏置電阻313的一端連接；
偏置電阻313的另一端與第三MOS管312的柵極端及第二 MOS管311的源極端連接，第二 MOS管311的柵極端與第三MOS管312的源極端及第一分壓電阻305的一端連接，且第二 MOS管311的柵極端、第三MOS管312的源極端及第一分壓電阻305的一端相互連接后形成VIN端；
第一分壓電阻305的另一端與電壓比較器307的同相輸入端及第二分壓電阻306的一端連接，第二分壓電阻306的另一端接地；電壓比較器307的輸出端與邏輯或門308的第一輸入端及PWM (Pulse Width Modulation)模塊309的輸入端連接，PWM模塊309的輸出端與低壓MOS管303的柵極端及邏輯或門308的第二輸入端連接，邏輯或門308的輸出端與第一 MOS管310的柵極端連接，第一 MOS管310的源極端接地，第一 MOS管310的漏極端與第二 MOS管311的漏極端連接。具體地，所述PWM模塊309的電源端與VIN端電連接。所述第一 MOS管310及第
三MOS管312均為NMOS管，第二 MOS管311采用PMOS管。所述電壓比較器307的反相輸入端與參考電壓Vkef連接。本發(fā)明實(shí)施例中，高壓LDMOS管301采用低壓MOS管303與JFET管302的串聯(lián)組合形式，其中，JFET管302制作于低壓MOS管303的漂移區(qū)內(nèi)；在低壓MOS管303關(guān)斷時(shí)，經(jīng)過整流濾波后的直流高壓落在JFET管302上，經(jīng)過漂移區(qū)夾斷后在JFET管302的源極端產(chǎn)生低壓，即得到電壓304，利用電壓304對儲能電容107充電，實(shí)現(xiàn)自供電的控制。本發(fā)明實(shí)施例中，經(jīng)過JFET管302夾斷后的電壓是25V，即電壓304的最高電壓被限制在25V，高壓LDMOS管301由晶圓工廠提供，具體結(jié)構(gòu)及制造方法為本技術(shù)領(lǐng)域所熟知，此處不再詳述。同時(shí)，根據(jù)高壓LDMOS管301的制造工藝條件不同，電壓304的最高電壓也能被限制在18V，電壓304的電壓只要高壓VIN端的啟動(dòng)電壓即可。進(jìn)一步地，所述高壓LDMOS管301、第一分壓電阻305、第二分壓電阻306、電壓比較器307、邏輯或門308、PWM模塊309、第一 MOS管310、第二 MOS管311、第三MOS管312及偏置電阻313均集成在同一襯底上。如圖3所示本發(fā)明與外部電源及變壓器110連接時(shí)，所述VIN端與儲能電容107的一端及輔助繞組整流二極管109的陰極端連接，儲能電容107的另一端接地，輔助繞組整流二極管109的陽極端與輔助繞組112的一端連接，輔助繞組112的另一端接地JFET管302的漏極端與變壓器110的初級繞組111的一端連接，初級繞組111的另一端與濾波電容105的一端連接，濾波電容105的另一端與第三整流二極管103的陽極端及第四整流二極管104的陽極端連接，且濾波電容105的另一端接地；第三整流二極管103的陰極端與第一整流二極管101的陽極端連接，第四整流二極管104的陰極端與第二整流二極管102的陽極端連接，第一整流二極管101的陰極端與第二整流二極管102的陰極端連接，且第二整流二極管102的陰極端與濾波電容105的一端連接。輔助繞組112的同名端與輔助繞組整流二極管109的陽極端連接，初級繞組111的同名端與JFET管302的漏極端連接，次級繞組113的同名端與輸出繞組整流二極管115的陽極端連接。所述次級繞組113的一端與輸出繞組整流二極管115的陽極端連接，輸出繞組整流二極管115的陰極端通過輸出濾波電容116與次級繞組113的另一端連接。具體地，電源變換器剛上電時(shí)，儲能電容107的電壓為0V，高壓LDMOS管301截止，經(jīng)過整流二極管及濾波電容105整流濾波后的直流輸入高壓Kune經(jīng)過JFET管302降壓后，得到一個(gè)不超過25V的低壓電壓304，電壓304使第三MOS管312導(dǎo)通，通過芯片引腳VIN端對儲能電容107充電，VIN端電壓開始上升；第一分壓電阻305、第二分壓電阻306，電壓比較器307對VIN端的電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)VIN端的電壓超過第一閾值電壓時(shí)，電壓比較器307輸出高電平，在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，第一閾值電壓是6.1V ；電壓比較器307的高電平輸出信號控制第一 MOS管310導(dǎo)通，形成電壓304、偏置電阻313、第二 MOS管311、第一 MOS管310的對地通路，其中第二 MOS管311導(dǎo)通時(shí)的柵源電壓小于第三MOS管312的閾值電壓，因此第三MOS管312截止，停止對儲能電容107充電；當(dāng)VIN端的電壓低于第二閾值電壓時(shí)，電壓比較器307輸出低電平,在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，第二閾值電壓是5. 9V ;電壓比較器307的低電平輸出信號控制第一 MOS管310截止，進(jìn)而使第三MOS管312導(dǎo)通，開始對儲能電容107充電；VIN端平均電壓在上述充放電控制下可以穩(wěn)定在6. OV左右。同時(shí)，第三MOS管312呈現(xiàn)出可變電阻特性，電壓304對儲能電容107充電，并不會(huì)通過第一分壓電阻305及第二分壓電阻306分壓后直接作用于電壓比較器307的同相輸入端。VIN端的電壓第一次超過第一閾值電壓后，電壓比較器307輸出的高電平輸入到PWM模塊309內(nèi)，PWM模塊309開始工作，輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號控制高壓LDMOS管301開關(guān)，在開關(guān)信號的作用下變壓器110開始傳遞能量，變壓器110的輔助繞組112開始為儲能電容107充電；在電源變換器啟動(dòng)完成后，變壓器輔助繞組112和次級繞組113之間的線圈匝比關(guān)系，使得輸出電壓Ktot和輔助繞組輸出電壓Kbias之間成比例，在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，通過設(shè)置輔助繞組112和次級繞組113的線圈匝比，在輸出電壓Fom為5V時(shí)，使Kbias電壓為6. 2V ;即電源控制芯片300的VIN端電壓為6. 2V，VIN端電壓超過電壓比較器307的第一閾值電壓6.1V，第三MOS管312停止對儲能電容107充電，電源控制芯片300的電源供電完全由變壓器輔助繞組112提供。電源控制芯片300也可以利用芯片自身提供正常工作所需的工作電壓和工作電流，從而不需要變壓器輔助繞組112?？刂菩酒?00正常工作后，PWM模塊309輸出的控制信號在驅(qū)動(dòng)低壓MOS管303開關(guān)的同時(shí)也送給邏輯或門308，控制第三MOS管312是否對儲能電容107充電；當(dāng)高壓LDMOS功率管301截止時(shí)，如果電源控制芯片300的VIN端電壓低于電壓比較器307的第二閾值電壓，則控制第三MOS管312對儲能電容107進(jìn)行充電；當(dāng)高壓LDMOS功率管301導(dǎo)通時(shí)，禁止第三MOS管312對儲能電容107進(jìn)行充電；當(dāng)高壓LDMOS管301截止時(shí)，JFET管302具有足夠的電流能力為芯片提供工作電流并對儲能電容107進(jìn)行充電，在電壓比較器307的控制下，儲能電容107的平均電壓維持在6. OV左右。本發(fā)明實(shí)施例中，高壓LDMOS管301為700V LDMOS功率管，利用700V LDMOS功率管的漂移區(qū)制作JFET管302，JFET管302能向儲能電容107充電，儲能電容107為電源控制芯片300提供工作電壓和工作電流；電源控制芯片300根據(jù)不同狀態(tài)控制JFET管302是否向儲能電容107充電，如700V LDMOS管導(dǎo)301通時(shí)，控制JFET管302停止對儲能電容107充電，700V LDMOS管301關(guān)斷時(shí)，控制JFET管302對儲能電容107充電；當(dāng)儲能電容107電壓超過某一預(yù)設(shè)值時(shí)，停止對儲能電容107充電。本發(fā)明不需要高壓電阻，也不需要用于啟動(dòng)的高壓引腳，而且將高壓LDMOS管301和集成電路集成在同一個(gè)襯底中，減少了芯片引腳數(shù)量，與傳統(tǒng)的啟動(dòng)電路相比，具有明顯的優(yōu)勢。本發(fā)明不需要用于啟動(dòng)的高壓電阻，可以降低電源變換器的功耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率，不需要專門用于高壓啟動(dòng)的高壓引腳，降低了封裝的復(fù)雜性，降低了芯片成本，采用全集成方式，只需要一個(gè)高壓引腳，減少了芯片的引腳數(shù)目，提高了芯片的可靠性，降低了應(yīng)用的復(fù)雜度。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其特征是包括電源控制芯片(300 )，所述電源控制芯片(300 )包括高壓LDMOS管(301)，所述高壓LDMOS管(301)包括JFET管(302 )及低壓MOS管(303 )，所述JFET管(302 )的源極端與低壓MOS管(303 )的漏極端連接，JFET管(302)的柵極端及低壓MOS管(303)的源極端均接地JFET管(302)的源極端及低壓MOS管(303)的漏極端與第三MOS管(312)的漏極端及偏置電阻(313)的一端連接；偏置電阻(313)的另一端與第三MOS管(312)的柵極端及第二 MOS管(311)的源極端連接，第二 MOS管(311)的柵極端與第三MOS管(312)的源極端及第一分壓電阻(305)的一端連接，且第二 MOS管(311)的柵極端、第三MOS管(312)的源極端及第一分壓電阻(305) 的一端相互連接后形成VIN端；第一分壓電阻(305)的另一端與電壓比較器(307)的同相輸入端及第二分壓電阻(306)的一端連接，第二分壓電阻(306)的另一端接地；電壓比較器(307)的輸出端與邏輯或門(308)的第一輸入端及PWM模塊(309)的輸入端連接，PWM模塊(309)的輸出端與低壓 MOS管(303)的柵極端及邏輯或門(308)的第二輸入端連接，邏輯或門(308)的輸出端與第一 MOS管(310)的柵極端連接，第一 MOS管(310)的源極端接地，第一 MOS管(310)的漏極端與第二 MOS管(311)的漏極端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其特征是所述PWM模塊(309)的電源端與VIN端電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其特征是所述第一 MOS管(310)及第三MOS管(312)均為NMOS管，第二 MOS管(311)采用PMOS 管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其特征是所述電壓比較器(307)的反相輸入端與參考電壓Vkef連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其特征是所述VIN端與儲能電容(107)的一端及輔助繞組整流二極管(109)的陰極端連接，儲能電容(107)的另一端接地，輔助繞組整流二極管(109)的陽極端與輔助繞組(112)的一端連接，輔助繞組(112)的另一端接地JFET管(302)的漏極端與變壓器(110)的初級繞組(111)的一端連接，初級繞組(111)的另一端與濾波電容(105 )的一端連接，濾波電容(105 ) 的另一端與第三整流二極管(103)的陽極端及第四整流二極管(104)的陽極端連接，且濾波電容(105)的另一端接地；第三整流二極管(103)的陰極端與第一整流二極管(101)的陽極端連接，第四整流二極管(104)的陰極端與第二整流二極管(102)的陽極端連接，第一整流二極管(101)的陰極端與第二整流二極管(102)的陰極端連接，且第二整流二極管(102) 的陰極端與濾波電容(105)的一端連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其特征是所述次級繞組(113)的一端與輸出繞組整流二極管(115)的陽極端連接，輸出繞組整流二極管(115)的陰極端通過輸出濾波電容(116)與次級繞組(113)的另一端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其特征是所述高壓LDMOS管(301)、第一分壓電阻(305)、第二分壓電阻(306)、電壓比較器(307)、邏輯或門(308)、PWM模塊(309)、第一 MOS 管(310)、第二 MOS 管(311)、第三 MOS 管(312)及偏置電 阻(313)均集成在同一芯片襯底上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于AC-DC開關(guān)模式電源變換器中的自供電電路，其包括電源控制芯片，高壓LDMOS管包括JFET管及低壓MOS管，JFET管的源極端與第三MOS管的漏極端及偏置電阻的一端連接；偏置電阻的另一端與第三MOS管的柵極端及第二MOS管的源極端連接，第二MOS管的柵極端與第三MOS管的源極端及第一分壓電阻的一端連接；第一分壓電阻的另一端與電壓比較器的同相輸入端及第二分壓電阻的一端連接；電壓比較器的輸出端與邏輯或門的第一輸入端及PWM模塊的輸入端連接，PWM模塊的輸出端與低壓MOS管的柵極端及邏輯或門的第二輸入端連接，邏輯或門的輸出端與第一MOS管的柵極端連接。本發(fā)明能降低電源變換器的功耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率，降低封裝的復(fù)雜性及芯片成本，安全可靠。
文檔編號H02M1/36GK103023298SQ20131000296
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者朱勤為, 黃飛明, 趙文遐, 丁國華, 賀潔 申請人:無錫硅動(dòng)力微電子股份有限公司