专利名称：一种用于开关电源的片内低功耗启动电路装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源领域，具体涉及一种用于开关电源的片内低功耗高压启动电路。
背景技术：
开关电源需要一个电路在其启动时提供启动电流并在正常工作时与高压电源隔离，这样的电路称为启动电路。在开关电源启动时，启动电路对外接电容充电，电容电压上升，一旦电容电压上升到芯片内部UVLO的上限电压，启动完成，芯片开始正常工作，此时芯片的工作电压由辅助线圈提供。
传统的开关电源启动电路，由一个大电阻(通常为兆欧量级)接到电源电压和启动电容之间来提供一个电流对电容充电以完成芯片启动。图1展示了传统的启动电路的结构示意图。如图1所示，Vin为经过娃桥整流后的高电压,约为311V, R为启动电阻,其值为2ΜΩ。当电源上电后，Vin作用在R上产生启动电流，大小约为150 μ A，对电容C (IOOnF)进行充电，当电容充电至内部UVLO的上限电压16V时，整个芯片完成启动，芯片内部各模块开始工作，可以计算出其启动时间为10ms。启动完成后，芯片的供电由辅助线圈来完成，但此时电阻上的启动电流依然存在，这样就带来了额外的功耗浪费，其浪费的功耗为45mW。在启动完成之后，这部分功耗会白白浪费掉，如果想要提高启动速度的话，电阻值要相应减小，由此带来的功耗损失会更大，不符合低功耗设计的初衷；而且，由于启动电阻阻值较大，使得启动电流很小，这样既降低了启动速度，也不便于集成到芯片内部。启动电路作为开关电源不可或缺的组成部分之一，其低功耗设计对于降低整个开关电源的待机功耗有十分重要的意义。发明内容
(一 )要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低功耗启动电路，通过关断芯片启动完成后的启动电流，降低整个电源系统的功耗，提高系统的效率，并且该发明可以很容易的实现启动电路和控制电路集成在冋一芯片内。
( 二 )技术方案
本发明公开了一种适用于开关电源的低功耗启动电路，其包括:
高压结型场效应管:其用于控制外部电源电压产生的电流的通断，其漏极与电源电压相连，其源极连接至启动电容的电容电压，栅极由所述开关电源芯片内部的控制逻辑信号所控制；
电容，其为开关电源芯片内部逻辑电路供电；
其中，该启动电路启动后，在所述控制逻辑信号的控制下，所述高压结型场效应管导通电源电压产生的电流，并向所述启动电容充电；在充电完毕之后，在所述控制逻辑信号的控制下所述高压结型场效应管关断所述电源电压产生的电流，并由所述启动电容为所述开关电源供电。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，与传统的启动电路相比，本发明所提供的低功耗启动电路具有以下有益效果:
1、由于高压结型场效应管可提供很大的充电电流，所以能够更快地对电容进行充电，缩短启动时间。
2、在充电完毕后自动关闭启动电路，避免了充电电流一直存在而造成的功耗损失，从而降低了功耗，提高了效率。
3、由于目前工艺可提供700V高压结型场效应管，因此该启动电路可以很容易的与控制电路集成在同一芯片内。
图1是传统的开关电源启动电路的结构示意图2是根据本发明的低功耗开关电源启动电路的结构示意图3是根据本发明的低功耗开关电源启动电路的启动电流和VPP随时间变化的仿真结果；
图4是根据本发明的开关电源启动电路集成到开关电源内部的示意图5是本发明中流片后对开关电源启动电路的测试结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的基本思想是:①增加启动时的电流大小，以便快速的完成启动过程启动完成后关闭启动电流，最大可能的减小整个系统的功耗浪费，提闻系统的效率。
图2给出了本发明提供的用于开关电源的低功耗启动电路的结构示意图。如图2所示，该启动电路包括:电平移位电路20 (LS)、高压反相器21 (INV)、高压结型场效应管22(Jl)、二极管 23 (Dl)、二极管 24 (D2)、电容 25 (C)、控制器 26。
其中，电平移位电路20包括一个输入端201和一个输出端202，其输入端201连接开关电源芯片内部电源模块产生的低压逻辑信号Vcc_ok，该低压逻辑信号Vcc_ok由所述控制器26产生，用于控制所述高压结型场效应管22导通或断开外部电源电压产生的电流；输出端202连接高压反相器21的输入端211。所述电平移位电路20由40V高压MOS管组成，其用于把输入端201输入的低压逻辑信号Vcc_ok转换成输出端202输出的高压逻辑信号，这样经过电平移位电路后，低压逻辑信号变成O VPP范围内的高压逻辑信号，从而有效的作用于高压反相器21的输入端。所述VPP为电容25的电容电压。
高压反相器21包括一个输入端211和一个输出端212,其输入端连接电平移位电路20的输出端202，输出端连接高压结型场效应管22的栅极，其用于把电平移位电路20输出的高压逻辑信号进行反相，以控制高压结型场效应管的栅极，实现正确的逻辑控制。
高压结型场效应管22，其用作开关，控制外部电源电压产生的电流的通断；其包括漏极221、源极222和栅极223，所述漏极与Vin相连，所述源极与二极管23的阳极231相连，所述栅极与高压反相器21的输出212相连；其漏极可耐压700V，关断电压为-9V，其漏极可以直接接到经过整流后的高压直流电Vin，用于控制充电电流的打开和关断；其中Vin为外部电源电压经过硅桥整流后的高电压，大小约为311V。
二极管23 (Dl)的阳极231与Jl的源极222连接，阴极232与二极管24 (D2)的阳极241连接；D2的阳极241与Dl的阴极232连接，阴极242与VPP连接。所述二极管23(Dl)和二极管24(D2)使得高压结型场效应管的源极电压等于电容电压VPP加上两个二极管的导通压降，用于保证高压结型场效应管在8.5V < VPP < 9V时可靠的截止，避免出现电路正常工作期间存在一个启动电流，造成功耗的浪费。假如没有这个二极管，当VPP =8.5V时，开关电源芯片内部的逻辑电路还正常工作，但由于此时高压结型场效应管的栅源电压为-8.5V，不能使高压结型场效应管截止，仍会存在一个充电电流对电容C充电。为了保证高压结型场效应管在芯片正常工作期间更加有效、可靠的截止，可以根据需要串入1-3个二极管，本实例中选用了两个二极管。串入过多的晶体管会导致启动电流变小，从而延长启动时间。实际中可根据工艺提供的结型场效应管的关断电压和芯片正常工作时的最低电压最终确定二极管的数目。
电容25(C)用于存储电荷，其用于向开关电源芯片内部的逻辑电路供电，其输出电压为VPP。由于其数值较大(在微法的量级)，集成在芯片内部的成本比较大，目前采用片外电解电容实现，其正极251连接VPP，负极252接地。
控制器26，其内部包含产生Vcc_ok的逻辑电路，且其一端连接VPP，当VPP电压上升到上限阈值电压，如16V时，经过判断和一系列逻辑电路，所述产生Vcc_ok的逻辑电路使得Vcc_ok变为高，作用在高压结型场效应管LS的输入端201，使得高压结型场效应管关闭，即关断外部电源电压产生的电流，充电完毕，进而由所述电容输出的电容电压VPP向开关电源芯片内部逻辑电路供电；反之，当VPP电压下降至下限阈值电压，如8.5V时，所述产生Vcc_ok的逻辑电路使得Vcc_ok变为低，作用在高压结型场效应管的输入端201后，开通所述外部电源电压产生的电流，以向所述电容25充电。
该启动电路的具体工作流程如下:当启动电路开始启动时，此处电容25输出的电容电压未达到上限阈值如16V，则控制器产生的Vcc_ok为低电平，此时高压结型场效应管22打开，使得外部电源电压产生的电流对电容C进行充电，VPP上升。当VPP达到上限阈值时，表示充电完毕，控制器产生的Vcc_ok变高，并通过LS和INV后输出低电平，作用在高压结型场效应管22的栅极，这样其栅极为0，源极为:VPP+2Vdio = 16+1.5 = 17.5V，栅源电压为-17.5V( < -9V)，此时高压结型场效应管22夹断，停止对C充电，完成启动。当由于某些原因如电容25对芯片内部逻辑电路供电过程中使得VPP降至下限阈值电压如8.5V时，电容25无法向芯片内部逻辑电路输出正常电压，这时控制器产生的Vcc_ok变低，其通过LS和INV后输出大小等于VPP的电压信号，其作用在高压结型场效应管22的栅极，这样其栅极电压为VPP = 8.5V，源极电压为:VPP+2Vdio = 8.5V+2X0.7V = 9.9V，栅源电压为-1.4V( > -9V)，高压结型场效应管22打开，则重新对电容C进行充电，VPP上升。当VPP达到UVLO的上限时，充电完毕，Vcc_ok变高，重复以上过程。这样就降低了整个系统的功耗，达到低功耗的设计目的，而且目前工艺支持这种管子集成到芯片内部。
图3为本发明所述的启动电路的启动电流和VPP随时间变化的仿真结果图。图中i (mcore)是流过Jl的充电电流的曲线，横坐标为仿真时间，纵坐标为电流值；v(vpp)为电容C上的充电电压的曲线，横坐标为仿真时间，纵坐标为电压值。通过上述两条曲线可以看出:在启动阶段，有一个大约3.5mA的充电电流Umcore)对电容C进行充电，电容C上电压V(VPP)逐渐升高，当V(vpp)升至设定的阈值电压16V时,启动完成,启动电路关闭，充电电流Umcore)变为0，比起传统的启动电路，该电路避免了启动完成后启动电流一直存在而带来的功耗损失。经计算，其启动时间为0.5ms，和图3所示的仿真结果基本吻合，这比图1所示的传统启动电路的启动时间IOms快了 20多倍。
值得指出的是，虽然启动电流比较大，但是该电流仅存在于启动阶段，当启动完成后该电流关闭，所以在启动完成后整个启动电路消耗的功耗几乎为零，比起传统的启动电路功耗大大降低，提闻了开关电源的效率。另外，目如工艺可提供700V的闻压JFET管,所以该启动电路可以很方便的集成在芯片内部。
图4为本发明提供的用于开关电源的启动电路被集成到开关电源芯片内部的示意图。如图4所示，为了简洁明了，高压结型场效应管栅极的控制电路即电平移位电路及高压反相器和开关电源芯片本身的控制逻辑电路即控制器26合起来统称为控制逻辑(Control Logic),高压结型场效应管和控制逻辑(Control Logic)集成到同一芯片内。比起传统的采用电阻的启动电路，该启动电路减少了一个片外电阻，因此减少了 PCB上的元器件、走线与焊点的数量，避免了走线上的寄生效应，从而降低了整个系统的功耗，提高了系统的可靠性。
图5示出了本发明中将启动电路集成到开关电源芯片后流片测试后的结果图。如图5所示，测试过程中，主要测试电源加电之后VPP电压上升情况，纵坐标表示VPP电压，每个大格代表5V，从图中曲线可以清晰的看出VPP电压上升到16V之后开始下降，之后由辅助线圈接替工作，电压一直保持在13V左右。这说明采用本发明设计的片内高压启动电路后，芯片能够正常启动，充分证明了本发明所提出的上述方案是可行的，有较好的实际应用意义。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种适用于开关电源的低功耗启动电路装置，其包括: 高压结型场效应管:其用于控制外部电源电压产生的电流的通断，其漏极与电源电压相连，其源极连接至启动电容的电容电压，栅极由所述开关电源芯片内部的控制逻辑信号所控制； 电容，其为开关电源芯片内部逻辑电路供电； 其中，该启动电路装置启动后，在所述控制逻辑信号的控制下，所述高压结型场效应管导通电源电压产生的电流，并向所述启动电容充电；在充电完毕之后，在所述控制逻辑信号的控制下所述高压结型场效应管关断所述电源电压产生的电流，并由所述启动电容为所述开关电源供电。
2.如权利要求1所述的启动电路装置，其特征在于，所述启动电路装置还包括: 电平移位电路，其用于将所述开关电源芯片内部产生的控制逻辑信号转换成高压控制逻辑信号； 高压反相器，其用于将所述低压控制逻辑信号进行反相，并将反相后的高压控制逻辑信号提供至所述高压结型场效应管的栅极。
3.如权利要求1所述的启动电路装置，其特征在于，所述启动电路装置还包括至少一个二极管，其阳极与所述高压结型场效应管的源极相连，其阴极与所述启动电容的电容电压VPP相连，以用于保证所述高压结型场效应管的可靠截止。
4.如权利要求1所述的启动电路装置，其特征在于，所述启动电路装置还包括控制器，其根据启动电容电压的大小产生所述控制逻辑信号。
5.如权利要求4所述的启动电路装置，其特征在于，在充电过程中，当所述启动电容的电容电压达到上限阈值后，所述控制器产生的所述控制逻辑信号用于控制所述高压结型场效应管关断外部电源电压产生的电流。
6.如权利要求4所述的启动电路装置，其特征在于，在向开关电源芯片供电过程中，当所述启动电容的电容电压达到下限阈值后，所述控制器产生的所述控制逻辑信号用于控制所述高压结型场效应管导通所述外部电源电压产生的电流。
7.如权利要求5所述的启动电路装置，其特征在于，所述上限阈值为16V。
8.如权利要求6所述的启动电路装置，其特征在于，所述下限阈值为8.5V。
全文摘要
本发明公开了一种用于开关电源的可单片集成的低功耗高压启动电路，该启动电路在启动阶段提供一个充电电流，当启动完成后，关闭充电电流，比起传统的启动电路，降低了功耗损失。由于高压结型场效应管可提供很大的电流，所以在降低功耗的同时也提高了启动速度。本发明的启动电路主要由一个耐压700V的高压结型场效应管，一个电平移位电路，一个反相器、两个二极管、一个电解电容以及控制逻辑组成，利用芯片内部已有的控制信号Vcc_ok对高压结型场效应管进行控制，仅需增加很少的电路，具有结构简单，易于实现的特点。
文档编号H02M1/36GK103199692SQ20131008120
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者姜伟, 赵野, 黑勇 申请人:中国科学院微电子研究所