一種用于開關(guān)電路的自供電電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于開關(guān)電路的自供電電路。本發(fā)明的電路，包括運(yùn)算放大器、功率管M0、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、負(fù)載電流源ILoad、第一電容C1、第二電容C2、第一二極管D1、第二D2；運(yùn)算放大器的負(fù)相輸入端接基準(zhǔn)電壓，其輸出端接功率管M0的柵極；功率管M0的漏極接電源，源極接地；運(yùn)算放大器的正相輸入端接第一分壓電阻R1；第一分壓電阻R1接功率管M0的漏極，第二分壓電阻R2接地；功率管M0的漏極接第一二極管D1的負(fù)極，第二二極管D2的正極接地；第一二極管D1正極接功率管M0的漏極電壓。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，具有架構(gòu)簡潔、能量自收集、系統(tǒng)整體效率高、避免高壓器件使用及低成本的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種用于開關(guān)電路的自供電電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于開關(guān)電路的自供電電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高壓功率轉(zhuǎn)換電路中，如Flyback、Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，通過反饋信號(hào)控制功率 開關(guān)管的開關(guān)以達(dá)到能量的傳遞。芯片的控制部分供電通常的做法有以下兩種：1、直接從 主電源上獲得直流電壓為1C供電。這種方法通常需要較多高壓器件，降低芯片的可集成度。 2、利用輔助繞組，通過變壓器原理利用輸出電壓為芯片供電。但這種方法需要較大的變壓 器體積，增加整體應(yīng)用成本。此外，這兩種方法其能量均來自總的電源，需要消耗額外的功 耗，導(dǎo)致芯片效率的降低。因此本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種自供電電路，充分利用系統(tǒng)中本被"浪費(fèi)" 的能量，形成能量收集，從而為芯片提供供電能量，具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決典型的高壓開關(guān)電路存在的上述問題，提出了自供電的 電路結(jié)構(gòu)，提尚了開關(guān)電路的性能。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種用于開關(guān)電路的自供電電路，包括運(yùn)算放大器、功 率管M0、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、負(fù)載電流源ILoad、第一電容C1、第二電容C2、第 一二極管D1、第二D2;運(yùn)算放大器的負(fù)相輸入端接基準(zhǔn)電壓VREF，其輸出端接功率管M0的柵 極；功率管M0的漏極接電源，源極接地;第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2串聯(lián)，運(yùn)算放大 器的正相輸入端接第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2的連接點(diǎn)；第一分壓電阻R1接功率管 M0的漏極，第二分壓電阻R2接地;第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2的串聯(lián)電路與負(fù)載電 流源ILoad和第一電容C1并聯(lián);功率管M0的漏極、第一分壓電阻R1、負(fù)載電流源ILoad和第一 電容C1的連接點(diǎn)接第一二極管D1的負(fù)極，第一二極管D1的正極接第二二極管D2的負(fù)極，第 二二極管D2的正極接地;第一二極管D1正極與第二二極管D2負(fù)極的連接點(diǎn)通過第二電容C2 接開關(guān)電路中功率管的漏極電壓。
[0005] 本發(fā)明的有益效果為:與目前典型的開關(guān)電路供電電路相比，具有架構(gòu)簡潔、能量 自收集、系統(tǒng)整體效率高、避免高壓器件使用及低成本的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0006] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖；
[0007] 圖2為本發(fā)明的技術(shù)方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0008] 圖3為本發(fā)明中的運(yùn)放A的全圖；
[0009] 圖4為本發(fā)明適用的開關(guān)電路中功率管柵段電平與漏端電平示意圖；
[0010] 圖5為本發(fā)明中的電壓動(dòng)態(tài)鉗位過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述：
[0012] 本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。當(dāng)功率管開關(guān)時(shí)，功率管漏端的電壓會(huì)隨時(shí)間變 化，通過檢測功率管關(guān)斷時(shí)漏端dv/dt來收集系統(tǒng)供電所需的電流，再經(jīng)過整流、動(dòng)態(tài)電流 匹配鉗位模塊來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓供電。下面將結(jié)合電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地分析。
[0013] 本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括運(yùn)算放大器、功率管M0、第一分壓電阻R1、第 二分壓電阻R2、負(fù)載電流源ILoad、第一電容C1、第二電容C2、第一二極管D1、第二D2;運(yùn)算放 大器的負(fù)相輸入端接基準(zhǔn)電壓VREF，其輸出端接功率管M0的柵極;功率管M0的漏極接電源， 源極接地;第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2串聯(lián)，運(yùn)算放大器的正相輸入端接第一分壓 電阻R1和第二分壓電阻R2的連接點(diǎn)；第一分壓電阻R1接功率管M0的漏極，第二分壓電阻R2 接地;第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2的串聯(lián)電路與負(fù)載電流源ILoad和第一電容C1并 聯(lián);功率管M0的漏極、第一分壓電阻R1、負(fù)載電流源ILoad和第一電容C1的連接點(diǎn)接第一二 極管D1的負(fù)極，第一二極管D1的正極接第二二極管D2的負(fù)極，第二二極管D2的正極接地;第 一二極管D1正極與第二二極管D2負(fù)極的連接點(diǎn)接開關(guān)電路中功率管的漏極電壓。
[0014] 圖中VCC將作為芯片的內(nèi)部電源為內(nèi)部電路供電，可以得到由運(yùn)放A，功率管M0，分 壓電阻R1、R2構(gòu)成的反饋回路將VCC電壓值鉗位為：
[0015]
[0016] 本發(fā)明的適用電路為開關(guān)電路，例如在Flyback開關(guān)電路中，功率管的漏端電壓隨 著功率管的開啟與關(guān)斷變化如圖4所示。當(dāng)功率管開啟時(shí)，它的漏端電壓為0;當(dāng)功率管在tl 時(shí)刻關(guān)斷時(shí)，漏端電壓在t2時(shí)刻快速拉高到Vin+Vo'，其中Vin為系統(tǒng)電源電壓，Vo'為系統(tǒng) 輸出電壓通過變壓器匝比折算到輸入端的等效電壓。直到下次功率管開啟時(shí)，漏端電壓再 次降為〇,由此可知功率管漏端電壓隨開關(guān)狀態(tài)的變化情況。
[0017] 結(jié)合圖2,本發(fā)明中供電系統(tǒng)在開關(guān)電路的一個(gè)周期中工作狀態(tài)的分析如下：當(dāng)功 率管關(guān)斷時(shí)，漏端電壓以一定的速率上升，此時(shí)電容C2與漏端連接的極板電壓會(huì)以漏端電 壓上升的速率上升，C2的另一極板電壓為VCC+VF，其中VF為二極管導(dǎo)通壓降，這樣可以得到 功率管漏端電壓從0上升到Vin+Vo'期間，通過電容C2流入VCC的電流大小為：
[0018]
[0019]其中K為漏端電壓的上升速率，這樣可以認(rèn)為電流IC2為一個(gè)固定值。
[0020] 當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，此時(shí)電容C2的一端隨著漏端電壓快速地下降為0,另一端的電壓 值由于二極管D2的存在，鉗位為-VF。此時(shí)C2為放電狀態(tài)，C2的電流是由GND經(jīng)過D2流入的， 二極管D1阻止了電流從VCC到C2的倒灌。
[0021] 這樣可以得到:在圖4的一個(gè)完整周期中，流入VCC的電流只在時(shí)間段t2-tl內(nèi)產(chǎn)生 并且大小可以看為一個(gè)定值IC2。當(dāng)漏端電壓VD的上升斜率為數(shù)伏每納秒，電容C2的值為一 百皮法時(shí)，可以粗略計(jì)算得到電流可以達(dá)到數(shù)百毫安。由此可知，流入電流可以看作一個(gè)電 流尖峰窄脈沖。圖2中的電容C1為一個(gè)微法數(shù)量級(jí)的電容，它的作用是在電流尖峰流入時(shí)吸 收大部分電荷，維持VCC電壓基本不變。由上述可以寫出周期內(nèi)電荷平衡等式為：
[0022] IC2 · (t2-tl) =QM0+QLoad
[0023] 其中QM0為周期內(nèi)流過功率管M0的電荷量，QLoad為周期內(nèi)部控制電路消耗的電荷 量。
[0024] 對(duì)于VCC電壓值的穩(wěn)定由一個(gè)動(dòng)態(tài)電流匹配電路構(gòu)建動(dòng)態(tài)鉗位的過程實(shí)現(xiàn)。由于 功率管漏端電壓VD的變化很快且并非為恒定的模擬信號(hào)，因此無法利用傳統(tǒng)的嵌位電路構(gòu) 建穩(wěn)定的電壓。本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)電流匹配方法，將VD上升期間引入的額外電荷與周期內(nèi)系 統(tǒng)消耗電荷的差值，通過動(dòng)態(tài)電流進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)周期內(nèi)"凈剩余電荷"為零，達(dá)到電壓 穩(wěn)定的目的。
[0025] 具體的所述運(yùn)放A如圖3所示，包括:匪0S管麗1、麗2、麗3、麗4、麗5、麗6、麗7、麗8， PM0S 管 MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10及N型JFET管NJFET1;MP9、MP10為輸 入對(duì)管，MP9、MP 10的源端接MP4的漏端，MP9的漏端接MN7的源端及MN5的漏端，MP10的漏端接 MN8的源端及MN6的漏端，麗1管的柵極接偏置電壓Vbl，MPl的柵端與MP2、MP3、MP4的柵端相連 形成電流鏡連接形式并與MN1的漏端相連，MN2為二極管連接形式，MP2的漏端與MN2的柵漏 及麗3、麗7、麗8的柵端相連，MP3的漏端與麗3的漏端及MN4、麗5、MN6的柵端相連，麗3的源端 與MN4的漏端相連，麗1、麗2、麗4、麗5、麗6的源端接地，]\0 31、]\032、]\033、]\034、]\^5、]\0 36的源端與 NJFET1的源端相連，N JFET1的柵端接地，NJFET1的漏端接VCC，MP5的柵端與MP6的柵端相連 形成電流鏡連接形式并與MP8的源端相連，MP8的漏端與MN7的漏端相連，MP6的漏端與MP7的 源端相連，MP7的漏端與MN8的漏端相連并引出輸出端V0。
[0026] 如圖5所示，當(dāng)IC2電流脈沖到來時(shí)，由于瞬間電荷量太大且速度過快，功率管M0反 饋回路來不及調(diào)整，電荷流入電容C1使得VCC上升。因?yàn)殡娙軨1是微法數(shù)量級(jí)，因此VCC的上 升值很小。電流尖峰過后，由于環(huán)路的調(diào)整，流過調(diào)整管M0的電流逐漸增大，VCC的值也隨之 以一定的斜率下降，M0電流在上升到一定值之后也緩慢回落，直到下一個(gè)電流脈沖來臨時(shí)， VCC下降到上一個(gè)電流脈沖來之前的值，M0的電流也下降到上升之前的值，這樣就完成一個(gè) 周期的調(diào)整。其中流過調(diào)整管M0的電流大小會(huì)根據(jù)VCC的大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，VCC電壓越高 則流過M0的電流越大，反之亦然。利用該機(jī)理構(gòu)建了動(dòng)態(tài)電流匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電壓VCC的 周期穩(wěn)定。
[0027] 如此重復(fù)上述過程，則可以在每個(gè)周期中由功率管關(guān)斷時(shí)漏端電壓上升的時(shí)間段 提供的脈沖電流為系統(tǒng)提供供電，同時(shí)，由于上述的動(dòng)態(tài)鉗位過程實(shí)現(xiàn)了VCC的電壓值基本 不變，因此此系統(tǒng)可以穩(wěn)定地給開關(guān)電路提供供電。
[0028] 本發(fā)明的有益效果為，設(shè)計(jì)了一種適用于開關(guān)電路的自供電系統(tǒng)電路，利用工作 周期中漏端電壓的變化產(chǎn)生的能量進(jìn)行自供電，并且對(duì)于電壓值實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)鉗位，保證了 自供電的穩(wěn)定性，由此提高了開關(guān)電路的效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于開關(guān)電路的自供電電路，包括運(yùn)算放大器、功率管M0、第一分壓電阻R1、第 二分壓電阻R2、負(fù)載電流源ILoad、第一電容CU第二電容C2、第一二極管Dl、第二D2;運(yùn)算放 大器的負(fù)相輸入端接基準(zhǔn)電壓VREF，其輸出端接功率管MO的柵極;功率管MO的漏極接電源， 源極接地;第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2串聯(lián)，運(yùn)算放大器的正相輸入端接第一分壓 電阻Rl和第二分壓電阻R2的連接點(diǎn)；第一分壓電阻Rl接功率管MO的漏極，第二分壓電阻R2 接地;第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2的串聯(lián)電路與負(fù)載電流源ILoad和第一電容Cl并 聯(lián);功率管MO的漏極、第一分壓電阻Rl、負(fù)載電流源ILoad和第一電容Cl的連接點(diǎn)接第一二 極管Dl的負(fù)極，第一二極管Dl的正極接第二二極管D2的負(fù)極，第二二極管D2的正極接地;第 一二極管Dl正極與第二二極管D2負(fù)極的連接點(diǎn)通過第二電容C2后接開關(guān)電路中功率管的 漏極電壓。
【文檔編號(hào)】H02M7/04GK105932890SQ201610529252
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】周澤坤, 董瑞凱, 張家豪, 石躍, 王卓, 張波
【申請人】電子科技大學(xué)