專(zhuān)利名稱(chēng)：開(kāi)關(guān)電源的指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開(kāi)關(guān)電源的軟啟動(dòng)電路，確切地說(shuō)，涉及一種用于脈寬調(diào)制型高頻開(kāi)關(guān)電源的指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域中的電子電路范疇。
現(xiàn)代化電源都已實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)化，這種電源因?yàn)榭梢允∪スゎl變壓器和巨大的散熱器，體積和重量都大為減小;并且由于開(kāi)關(guān)管是在飽和區(qū)繼續(xù)工作的，其功耗較線性電源要小得多，故效率也高，在各種電子設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用，其中尤以脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這種電源的穩(wěn)壓和濾波通常都采用LC濾波電路，由于電源的輸出電壓都取自于濾波電路的電容兩端，這就會(huì)造成加電啟動(dòng)時(shí)電容短路的大電流沖擊狀態(tài)。這種持續(xù)時(shí)間很短的大電流脈沖，會(huì)使承受瞬時(shí)過(guò)載能力很差的半導(dǎo)體器件擊穿失效。所以，人們盡力研究克服開(kāi)機(jī)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題?，F(xiàn)在國(guó)際上通用的脈寬調(diào)制(PWM)專(zhuān)用集成電路器件中廣泛采用的“電容-恒流源”軟啟動(dòng)方式就是解決這個(gè)問(wèn)題的。
但是，目前的PWM集成電路中，軟啟動(dòng)(又稱(chēng)慢啟動(dòng))時(shí)間最多只能達(dá)到零點(diǎn)幾秒，這就很難適應(yīng)大功率負(fù)載的要求。實(shí)際上，開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題仍未有效解決。例如，脈寬調(diào)制(PWM)集成電路芯片SG3525A(其電路框圖參見(jiàn)圖2)的外設(shè)軟啟動(dòng)電容最大只允許用至10μF，這樣，其慢啟動(dòng)時(shí)間最多只能延遲到Tss＝10μF/50μA＝0.2S，對(duì)于時(shí)間常數(shù)大于0.2秒的負(fù)載，就無(wú)法解決大電流沖擊了。而且，上述數(shù)據(jù)還是空載情況，一旦帶上負(fù)載，軟啟動(dòng)功能還要減弱。這時(shí)的啟動(dòng)電流、輸出電壓特性分別如

圖1A和圖1B所示，圖中橫座標(biāo)表示開(kāi)機(jī)后的時(shí)間軸，縱座標(biāo)分別表示機(jī)內(nèi)流過(guò)功率開(kāi)關(guān)VMOS管的電流強(qiáng)度(圖A)和輸出電壓(圖B)。由圖1A可看出，啟動(dòng)電流甚大，是一種近似于短路的強(qiáng)電流脈沖，雖然時(shí)間很短，但破壞性相當(dāng)大。這也是現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源技術(shù)中的一大缺陷。
本發(fā)明的目的是提供一種用于脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路，使啟動(dòng)瞬間，電壓上升速率是由O伏開(kāi)始的，而且逐漸加快，以克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的加電啟動(dòng)時(shí)大電流沖擊問(wèn)題。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括有脈寬調(diào)制(PWM)集成電路芯片及其外圍電路元件，其特征是在PWM集成器件的誤差放大器的同相輸入端接入一個(gè)在加電后其電壓按指數(shù)曲線規(guī)律上升變化的電子線路。
本發(fā)明的電路設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎獨(dú)特，巧妙實(shí)用，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少，工作原理清晰。本發(fā)明的指數(shù)曲線式啟動(dòng)規(guī)律及其長(zhǎng)達(dá)數(shù)十秒之多的軟啟動(dòng)時(shí)間，是現(xiàn)有的各種“柔順”啟動(dòng)方法所不能實(shí)現(xiàn)的。它不僅適應(yīng)于本發(fā)明所例舉的SG3525A芯片外，也可廣泛適用于所有通用型脈寬調(diào)制集成電路芯片和脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源，并都能達(dá)到理想的啟動(dòng)保護(hù)效果。本發(fā)明為保護(hù)電源自身的啟動(dòng)安全提供一種卓有成效的技術(shù)措施。
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作具體闡述。
圖1是現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)特性曲線圖。(圖A是電流特性、圖B是電壓特性)。
圖2是PWM集成器件SG3525A芯片框圖。
圖3是本發(fā)明的電原理圖。
圖4是本發(fā)明的軟啟動(dòng)特性曲線圖。(圖A是電流特性，圖B是電壓特性)。
圖2是PWM集成器件SG3525A芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，其框外帶圓圈的數(shù)字是引腳位置編號(hào)1.反相輸入，2.同相輸入，3.同步，5.CT，6.RT，7.放電，8.柔順啟動(dòng)，9.補(bǔ)償，10.關(guān)閉，11.輸出A，12.地，13.Vc，14.輸出B，15.Vi，16.VREF(DC穩(wěn)壓源輸出端)。由圖可示在15腳Vi和12腳間加上電源電壓(8～40V)后，只要將5、6腳接上決定頻率的電阻、電容，7腳與5腳間接上死區(qū)(安全區(qū))電阻，在輸出端11、14腳就可得到相位相差半周期的兩個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，可去驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，由SG3525組成的電源總輸出電壓，經(jīng)分壓后，反饋回“1”腳，供脈寬調(diào)制當(dāng)反饋信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，以達(dá)到穩(wěn)壓之目的。同時(shí)，在8腳上還可接一個(gè)小電解電容器，使輸出電壓慢慢建立起來(lái)，達(dá)到柔順起動(dòng)、減小開(kāi)機(jī)大電流沖擊的現(xiàn)象，這也是現(xiàn)有PWM式開(kāi)關(guān)電源的比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用方法。
據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，對(duì)于數(shù)千瓦以下的開(kāi)關(guān)電源，無(wú)論其的負(fù)載為純阻性還是非阻性，慢啟動(dòng)時(shí)間取在2～3秒時(shí)，就可有效防止大電流沖擊現(xiàn)象的產(chǎn)生;而且在加電的最初時(shí)刻，以電流、電壓上升的速度越慢越好。本發(fā)明正是據(jù)此采取指數(shù)曲線式加電的軟啟動(dòng)措施，使得開(kāi)機(jī)加電時(shí)加在輸出濾波電容器兩端的電壓是由最初的0伏而緩慢增長(zhǎng)的，而不是突然增長(zhǎng)的，這樣就能適應(yīng)輸出大電容積累電荷時(shí)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，使其電壓慢慢地建立，不會(huì)對(duì)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生沖擊電流。而后輸出電壓上升速率迅速加快，不致使啟動(dòng)時(shí)間拖得太長(zhǎng)。
圖3是本發(fā)明電原理圖，這里的IC1為典型的PWM器件SG3525A。本發(fā)明的主要特征是在開(kāi)機(jī)時(shí)在PWM器件的誤差放大器同相輸入端(2腳)送入一個(gè)按指數(shù)規(guī)律變化的參考電壓，使開(kāi)機(jī)時(shí)器件的輸出端(11、14腳)輸出脈寬為0，然后再按指數(shù)曲線規(guī)律輸出脈沖逐漸變寬，使總電源的輸出電壓變化規(guī)律為“先慢升、后快升”，能明顯提高整個(gè)電源的帶負(fù)載能力。
這種指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路是由電阻R1～R6、電容C和晶體管V構(gòu)成的。如圖3所示三個(gè)電阻R1、R2、R3順序串接于電源Vi(15腳-SG3525A)與地之間，其中R2的兩端并聯(lián)電容C1;晶體管V的基極接于電阻R2與R3之間，發(fā)射極接地，其集電極接至在VREF(16腳-SG3525A)與地之間相串接的兩個(gè)電阻R4與R5之間，再通過(guò)電阻R6接至PWM芯片的誤差放大器同相輸入端(2腳-SG3525A)。開(kāi)機(jī)瞬間，電容C將R2短路，電阻R1向晶體管V提供一個(gè)臨界飽和的電流，使V1飽和，則集成器件中的誤差放大器2腳被鉗位于0伏，隨后，“R1-C1-V與R3并聯(lián)”形成一個(gè)向電容C1充電的支路，其充電時(shí)間常數(shù)可視輸出上升時(shí)間而擇定。這樣，晶體管V的輸出電壓就隨著C1的充電而上升，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)例如4～10秒，輸出電壓達(dá)到R4、R5對(duì)穩(wěn)壓源(VREF、16腳)的串聯(lián)分壓數(shù)值后，晶體管V的變化就不再影響電路，電路進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，從而完成了軟啟動(dòng)過(guò)程。對(duì)于總電源的輸出，則是開(kāi)始時(shí)輸出電壓上升很慢，后來(lái)逐漸加快，并在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)輸出電壓達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)值，這個(gè)電壓上升規(guī)律就是指數(shù)曲線式的。圖4的兩圖分別是本發(fā)明軟啟動(dòng)特性的電流曲線和電壓曲線上升示意圖。R3的選擇，應(yīng)在C1充電終止時(shí)，R1～R3的分壓結(jié)果在R3上的壓降，使晶體管V截止。
本發(fā)明已經(jīng)多次試驗(yàn)實(shí)施，取得了滿意的技術(shù)效果。采用本發(fā)明后，軟啟動(dòng)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)30秒以上，沒(méi)有啟動(dòng)沖擊電流，開(kāi)機(jī)后的PWM波形動(dòng)態(tài)變化狀況是開(kāi)始脈寬為0，后逐漸加寬至額定寬度。而常規(guī)的軟啟動(dòng)時(shí)間是＜＜0.1秒，啟動(dòng)沖擊電流很大，開(kāi)機(jī)后的PWM波形動(dòng)態(tài)變化是開(kāi)始脈寬最寬，后變窄至額定寬度。經(jīng)多次試驗(yàn)比較，本發(fā)明取得下述兩組典型數(shù)據(jù)第一組是R1＝39K，R2＝100K，R3＝3.3K，C＝100μF，慢啟動(dòng)時(shí)間為5～7.5秒，適用于輸出功率為0～1千瓦的開(kāi)關(guān)電源;第二組是R1＝75K，R2＝200K，R3＝7.5K，C＝100μF，慢啟動(dòng)時(shí)間為15～20秒，適用于輸出功率為1～2千瓦的開(kāi)關(guān)電源。
權(quán)利要求
1.一種用于脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路，包括有脈寬調(diào)制(PWM)集成電路芯片及其外圍電路元件，其特征是在PWM集成器件的誤差放大器的同相輸入端接入一個(gè)在加電后其電壓按指數(shù)曲線規(guī)律上升變化的電子電路。
2.如權(quán)利要求1所述的指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路，其特征是所述的在加電后其電壓按指數(shù)曲線規(guī)律上升變化的電子電路是由電阻R1～R6、電容C和晶體管V構(gòu)成的三個(gè)電阻R1、R2、R3順序串接于電源Vi(15腳-SG3525A)與地之間，其中R2的兩端并聯(lián)電容C1;晶體管V的基極接于電阻R2與R3之間，發(fā)射極接地，其集電極則接至在VREF(16腳-SG3525A)與地之間相串接的兩個(gè)電阻R4與R5之間，再通過(guò)電阻R6接至PWM芯片(SG3525A)的2腳(其誤差放大器的同相輸入端)。
3.如權(quán)利要求1所述的指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路，其特征是所述的電阻R3的阻值選擇，應(yīng)使在電容C1充電終止時(shí)，電阻R1～R3分壓結(jié)果后，在R3上的壓降，使晶體管V截止。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的指數(shù)曲線式軟啟動(dòng)電路，它是在脈寬調(diào)制(PWM)集成器件的誤差放大器同相輸入端接入一個(gè)在加電壓后其電壓按指數(shù)曲線規(guī)律上升變化的電子線路而實(shí)現(xiàn)的。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，元件少，解決了開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)機(jī)大電流沖擊問(wèn)題。它不僅適用SG3525A芯片，也適用其它脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源。
文檔編號(hào)G05F1/10GK1069348SQ9210953
公開(kāi)日1993年2月24日 申請(qǐng)日期1992年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月20日
發(fā)明者萬(wàn)體嘉, 馬樹(shù)民, 夏維新 申請(qǐng)人:北京鐵路局計(jì)量管理所