【太全了】开关电源各式各样的VCC电路的特点、区别与设计!

目 录


●电源辅助供电的意义以及要求

●电源辅助供电的分类

●不同辅助供电的设计方法

●电源Vcc的启动过程与波形

●总结



电源辅助供电的意义以及要求


辅助供电的意义

●电源在庞大而复杂系统中的作用，就犹如心脏之于人体的作用，心脏是维持人体血液循环与正常新陈代谢的唯一动力源泉，同样电源是维持系统正常运转能量的唯一来源，所以人们越来越重视电源。

●但是人们却往往忽略了电源本身也是一个复杂的系统，其内部的各种不同电路模块需要有合适的电压与电流，且不同功能的电路模块对电压与电流的要求也是不同的，甚至是相互隔离的；总之，要想让电源稳定可靠的工作，就必须有稳定可靠的辅助供电；电源本身的辅助供电设计，同样是需要引起我们足够的重视。

辅助供电的要求

高稳定性，高可靠性

●能在不同的电气与环境下，输出稳定可靠的辅助电压与电流

●其本身的可靠性要求甚至比主电源更高

结构简单，成本低廉

●必须以最少的器件达到额定要求，且要求不能占用太大的空间，也不能有太重的重量。

●不能给整机带来明显的成本提升

高效率，低功耗

●随着能源之星的要求越来越高，任何的电源都需要有极高的转换效率，而且在待机时刻需要极低的功耗。

●辅助供电设计的好坏直接决定产品能否达到能源之星的要求，特别是待机功耗的要求

抗干扰性强

●当其它电路出现异常时，辅助电源不能受到干扰，需要提供稳定的电压给保护电路，使电源迅速进入保护状态，避免造成电源的损坏，或者给后端的负载造成损坏

自身不能产生强干扰

●辅助供电部分自身不能产生对主电路的干扰信号

●辅助供电的个绕组之间可能是相互隔离的，因此不能产生相互的干扰

易于设计与维护

●电路的复杂程度越低，对于整机供电的可靠性就越高，设计周期越短

●要便于生产维修与后期的维护

能抗短时过载的能力

●在电源（特别是大功率电源）启动时，各种监控，保护电路的电容电压都是从0V开始上升，故需要较大的瞬时电流值

●考虑到某些大动态场合对电源的瞬时输出功率也有一定要求，所以在设计辅助供电电源的时候就需要有一定的裕量。

满足相应的安规与EMC要求

●辅助供电部分的安规等级要求必须与主机保持一致，必须满足主机相应的安规标准要求，特别是一些独立的辅助电源，在设计时候就需要考虑相应的安规标准要求

●辅助供电EMC的特性也是在设计的时候需要考虑，一般为了节省成本都会跟整机的主EMC电路整合在一起，如果是单独的辅助供电电源，则需要分开单独调试EMC性能，以满足要求



电源辅助供电的分类


独立型

辅助供电电源独立于功率主回路。能适应非常宽的输入电压范围，主要用于大功率或中功率电源系统，比如在通讯电源、ATX电源中，需要电源正常或失败信号或电源远程控制的功能时，在功率主回路即使不工作时，辅助电源也要正常供电。

非独立型

由主变换器高频变压器输出的一部分构成辅助电源。主要用于中小功率电源系统，有利于减小整个电源的体积，实现小型化，节约成本。特点是辅助电源与主变换器二者的工作状态互相制约。如果辅助电源不给控制电路供电，主变换器将不工作。而当主电路不工作，辅助电路也随之关闭。所以在电源的启动阶段需要一些方法给控制电路提供能量，然后过渡到正常的工作状态。



不同辅助供电的设计方法


RC自举启动供电



RC自举启动+输出自供电



RC自举启动后关闭+输出自供电



上面三种供电方式的启动损耗由上到下是依次降低的！

RC自举启动+反激式绕组自供电



设计注意点：

●启动从高压（交流或者直流）取电自举启动IC工作，要注意启动电阻的功率与耐压问题，启动电阻的阻值不能太小，否则会影响整机的待机功耗与短路功率

●启动电容要有足够大的容量，以维持IC工作到次级建立正常的输出电压

RC自举启动+正激式绕组供电



特点：

●辅助供电绕组跟初级绕组同相位

●辅助供电电压建立比较快

●供电较为平稳，不受输入电压的影响

●输出短路或很低电压时辅助供电一直有，可以同时保证其他电路正常工作

●电路多一个整流管，多一个小电感

设计注意点：

●续流小电感L1的值一定要足够大，否则在轻载或者空载的时候，会出现电流不连续，导致Vcc电压跳动

阻容降压自供电



特点：

●阻容降压为恒流源供电，故供电电压会受到输入电压的影响

●阻容降压不适合大功率的供电场合，因为恒流源不适合大动态的供电

设计注意点：

●根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容

●可以在降压之后加入串联稳压电路或者三端稳压器稳压，或者串一个电阻

独立式工频变压器辅助供电电源



特点：

●电路结构简单，供电电压的纹波可以做到很小

●电路的可靠性极高，适合恶劣的工作环境中使用

●工频变压器的体积大，重量重，效率低，成本比较高

●输出电压会受到输入电压高低的影响，不适合宽范围的电压输入

设计注意点：

●设计工频变压器时需要充分的考虑到满足各种安全规范中对绝缘和漏电特性的要求。

独立式开关电源辅助供电电源



特点：

●适合宽电压输入，转换效率高

●可以轻松的输出几组不同输出电压值，且相互隔离的辅助供电电压

●轻便、小巧性能稳定、制作及调试方便

设计注意点：

●辅助电源的关键器件器件电压应力要大于主电路的器件

●设计之初需要考虑安规问题

●电路布局要跟主电路有明显的区分

耗尽型MOS自举启动+绕组供电电源



工作过程：

●电源上电——经过启动电阻，Q1，R8给C15充电——Vcc达到IC启动电压——IC开始工作——升压电感开始工作——辅助供电绕组正常供电——Q3导通工作——辅助供电直接由供电绕组供电

●同时IC的PWM信号通过D3，R24以及R26的分压，Q5导通——Q1的栅极电压被拉低——Q1的G极电压低于其S极电压——Q1关断

BOOST PFC电路供电



PFC供电设计注意点：

●PFC供电一般都是从升压电感上加一个供电绕组，但此绕组的输出电压会受到输入电压的影响，因为此绕组的占空比跟输入电压存在一个比例关系

●启动电路也要考虑到宽范围的输入电压带来的影响

电荷泵辅助供电电路



特点：

●可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即VOUT≈2VIN

●最大限度地降低输出电压纹波 ，产生的EMI噪声小，相对于串联稳压电路来说有较高的效率

设计注意点：

●电荷泵转换器所能达到的输出负载电流较小，一般低于 300mA ，不能带动大电流的负载

●每个电容的电压会跟电路占空比，本身容量有关

启动后关闭启动电路



工作过程：

●电源上电——Q8栅极高电平——Q8导通——经R20给Vcc电容充电——Vcc达到IC启动电压——IC开始工作——变压器开始工作——次级输出建立正常的工作电压——辅助供电绕组正常供电——Q9导通工作——Q10导通——Q8栅极被拉低电平——Q8截止——辅助供电直接由供电绕

组供电

特点：

●能提供较大的启动电流，减少系统启动时间

●启动之后可以关闭启动电路，减少系统的损耗，提高效率

设计注意点：

●Q10必须可靠的导通来拉低Q8栅极电位，否则容易烧启动电阻R20

●要注意Q10的耐压问题

电池或超级电容供电电路



吸收电路供电电路



特点：

●电容或者电池供电主要适用于需要持续供电，且供电的电流不大的电路中

●吸收电路供电，能够提供的能量有限，其供电能力跟开关频率有关，跟占空比无关，适用于工作电流小的芯片供电

双管反激辅助电源











电源Vcc的启动过程与波形





●t0-t1，电源通电，Vcc电容电压从最初的0V开始上升，当Vcc达到IC的Von_th (具体可以查IC的datasheet)之后，IC开始启动工作

●t1-t2， IC启动工作之后，需要消耗一定的电流(具体可以查IC的datasheet)，此时提供电流的主要是由Vcc电容，所以Vcc电容的电压会下降；直到t2时刻，辅助绕组开始供电。

●T2时刻之后，辅助绕组开始供电，Vcc电容又电压上升，此时电源供电全部由供电绕组提供，电源进入稳定工作状态

电源为何会启动时间过长？

电源的启动时间一般是由初始的启动电路决定的，比如简单的RC启动电路，其启动时间是由R的大小与C的大小决定的。电源通过R给C充电到Vcc_th的时间越长，其启动时间也就越长。

电源为何会启动失败？

主要是因为在t1-t2这段时间，如果电容不能提供足够电源IC所需要的启动电流，Vcc电容的电压下降的值太多，即Vcc<Voff_th，则电源的IC就会进入重新启动状态，电源启动失败



关于IC启动时间的计算



以上图RC启动电路为例来讲解



●t：IC启动时间，单位s

●R1：启动电阻的阻值，单位Ω

●C2：Vcc电容容量，单位F

●Vin：输入电压，单位V

●Von_th：IC启动电压门槛值，单位V

关于Vcc电容容量的计算



以上图RC电路为例来讲解



●C3：Vcc电容容量，单位F

●t1：IC开始启动工作的时间点，单位s

●t2：Vcc电容电压下降最低点时刻，单位s

●Ivcc：IC的启动电流，单位A

●Von_th：IC开始启动工作电压门槛值，单位V

●Voff_th：IC关闭门槛值，单位V



总 结


●辅助供电的设计不但影响到整个电源的体积、效率、稳定性、可靠性和成本，而且还将影响到整个开关电源的设计策略。

●虽然辅助电源所需要输出功率不大，但它是开关电源中的非常重要的组成部分，辅助电源系统的安全性、可靠性对主电源正常运行具有重要的影响。

●开关电源正向着轻、小、薄、高可靠、高稳定、高效率和智能化的方向发展，设计电源时应根据整个系统的规格要求来选择合适的辅助电源系统，在满足可靠性的前提下，应尽量设计简单、轻巧和经济的辅助电源。

作者：邹 超 洋