專利名稱：具有安全裝置的smps,操作smps的方法及其控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)模式電源，針對開關(guān)模式電源的控制器以及操作方法。
背景技術(shù)：
為了抑制電磁干擾(EMI)，在大多數(shù)情況下，在開關(guān)模式電源(SMPS)的輸入側(cè)需要輸入濾波器。除了電感，EMI濾波器典型地還包括一個或多個連接在干線端子之間的電容器。這些電容器也稱作)(Cap。EMI濾波器典型地還包括連接在干線端子之一與保護地之間的一個或多個電容(也稱作YCap)。典型地，保護地采用與YCap連接的次級地的形式，而橋式整流器接地至分離的原級地。原級地和次級地具有干線分離，但是典型地可以通過一個或多個其他的YCap連接。希望以及在一些規(guī)定狀況下可能是強制的，在拔掉了干線之后的一定時間內(nèi)開關(guān)模式電源的干線端子之間的電壓減小到安全值。否則，存在風(fēng)險，如果用戶不經(jīng)意地接觸到插頭的端子，可能受到電沖擊。例如，根據(jù)針對音頻、視頻和類似電子設(shè)備的國際安全要求標準IEC600665，要求在拔掉電源的2秒內(nèi)，端子之間的電壓應(yīng)該小于60V。此外，根據(jù)IEC60950，該減小應(yīng)該發(fā)生在1秒內(nèi)。當例如拔掉干線來斷開至SMPS的干線供電時，XCap和YCap上的殘留電荷可能初始地造成安全電平以上的電壓。如果電源正在全負載地操作，則在大多數(shù)情況下負載會快速地導(dǎo)致電容器上的電荷的釋放。然而，在無負載情況下，電源可能已被禁用；此外，在干線電壓已經(jīng)下降到可接受電平以下的情況下(所謂的“局部停電(brownout)”情況)，電源可能已被關(guān)斷。在這些情況下，整流器的輸出側(cè)的電容可能阻止在整流器輸入側(cè)在可接受時段內(nèi)將)CCap和YCap電容器放電到可接受電平。因此，在這些情況下，需要其他措施來確保對電容器適當放電。已知的是提供與干線輸入并聯(lián)的附加電阻器放電網(wǎng)絡(luò)，以允許這種放電。在一種已知配置中，該放電電阻器還適于用作感測電阻器，來測量瞬時干線電壓，用于局部停電保護。現(xiàn)有的電阻性放電方案的不足在于電阻器耗散功率。雖然這種功率耗散對于典型應(yīng)用可能在20和IOOmW之間，在大多數(shù)全負載情況下是微不足道的，然而在無負載情況下， 這種功率耗散相對顯著。希望提供)CCap和YCap的放電方法，其不會導(dǎo)致這種繼續(xù)的功率耗用。JP 11308857公開了一種在切斷至開關(guān)電源的供電源時對輸入電容器放電的機制。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種由權(quán)利要求1限定的開關(guān)模式電源。通過將放電路徑設(shè)置為可開關(guān)的放電路徑，可以如下布置在操作期間斷開該路徑，并且僅在需要放電功能時(具體地，例如由于拔掉了 SMPS而斷開了干線時)才連接該路徑。因此，可以避免在正常操作期間與放電元件的永久性連接相關(guān)聯(lián)的功率耗散。檢測器和可開關(guān)放電路徑的安全裝置包括放電元件，從而提供了在干線供電斷開時選擇性地連接至SMPS的電路，以對輸入電容器放電，該輸入電容器可以是單個部件，或者例如)CCap和 /或YCap等多個組成器件的組合。該電路也可以稱作安全電路，其在正常操作期間典型地是不連接的，或者不連接成在正常操作期間的相同配置。該電路的各個部分可以不同配置來連接，這些部分在SMPS正常操作期間(或例如啟動期間)使用。此外，輸入電容器中存儲的能量沒有被耗散，而是全部或部分地轉(zhuǎn)移到總線電容器。這減少了能量浪費并允許更少的操作放熱。應(yīng)該注意，雖然常規(guī)使用的術(shù)語“電流源”是與在放電路徑中使用電流源對輸入電容中存儲的電荷放電的比較示例相關(guān)地提及的，但是可以理解電流源實際上用作電流 “宿”(sink)，這有助于對本發(fā)明的更好理解。由于在本文中，對正電流進行“源”(sourcing) 直接等同于對負電流進行“宿”(sinking)，所以將(正)電流源描述為(負)電流宿是等同有效的，反之亦然。以下將使用電流源的常規(guī)術(shù)語。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作上述開關(guān)模式電源的方法，該方法包括 檢測干線供電從輸入的斷開；以及接通可開關(guān)放電路徑，以釋放輸入電容器中存儲的電荷。根據(jù)本發(fā)明再一方面，提供了一種開關(guān)模式電源的控制器，其適于執(zhí)行上述方法。本發(fā)明的上述和其他方面將從以下實施例描述中顯而易見并得以參照實施例來闡明。


參照附圖通過示例描述本發(fā)明的實施例，附圖中圖1示出了輸入濾波器和整流器的電路圖；圖2示出了開關(guān)模式電源的簡化框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的不同開關(guān)模式電源的簡化示意框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的不同開關(guān)模式電源的另一簡化示意框圖；圖5是開關(guān)模式電源的框圖，包括具有電流源的安全電路，電流源包括功率因子控制器開關(guān)；圖6是開關(guān)模式電源的框圖，包括從高壓電源得到的電流源；圖7是開關(guān)模式電源的框圖，在第二級包括放電元件；圖8是另一開關(guān)模式電源的框圖，在第二級包括不同的放電元件；圖9是又一開關(guān)模式電源的框圖，在第二級包括另一放電元件；圖10(a)示出了輸入濾波器和整流器，包括一對電阻器Rl，R2 ；圖10(b)示出了圖10(a)的入口的電壓的仿真結(jié)果，包括電壓差L_N以及電壓和 L+N，圖10(c)示出了 Rl和R2中的電流和；圖11是輸入濾波器和整流器的示意電路圖，具有使用電流感測的干線電壓檢測；圖12是輸入濾波器和整流器的示意電路圖，具有使用電流感測的干線電壓檢測；圖13(a)是輸入濾波器和整流器的示意電路圖，其通過多個二極管連接至作為電流源的放電元件，圖13(b)示出了端子電壓以其最大值和電壓差。
圖14是輸入濾波器和整流器的示意電路圖，具有使用電流感測的干線電壓檢測并且在放電路徑上具有二極管；圖15是輸入濾波器和整流器的示意電路圖，具有使用電壓感測的干線電壓檢測并且在放電路徑上具有二極管；以及圖16是輸入濾波器和整流器的示意電路圖，具有使用電容性檢測器的干線電壓檢測。應(yīng)該注意，附圖是圖示性的，沒有按照比例繪制。附圖中各個部分的相對尺寸和比例在大小上是放大的或縮小的，以便清楚和方便地示出。相同的附圖標記一般用于指示不同修改實施例中的相應(yīng)或類似特征。
具體實施例方式圖1示出了輸入濾波器和整流器的電路圖。該電路具有輸入10，具有火線(live) 和中性端子IOa和IOb用于連接至干線電壓，以及保護地端子IOc用于連接至保護地12 ； 以及共模電感Lcm。在該示例性輸入濾波器中，存在一對Y電容器(YCap) Cy，連接在次級地 (即，SMPS的輸出側(cè)的地或次級側(cè)的地)與各個干線端子IOa和IOb之間。示出的輸入濾波器具有兩個X電容器O(Cap) Cx,連接至輸入端子IOa和IOb，分別在差模電感Ldm的兩側(cè)， 一側(cè)一個。示出的輸入濾波器還具有在輸入端子上連接的一對串聯(lián)電阻器Rl和R2。上述輸入濾波器連接至包括二極管D1-D4的全橋式整流器，整流器的輸出連接至下一級，該輸出上連接有平滑電容器C2。整流器輸出的原級地側(cè)14可以通過另一 YCap(未示出)連接至保護地。由于保護地IOc典型地連接至次級地，所以該YCap提供原級與次級地之間的短路路徑。在所示的常規(guī)濾波器中，電阻器Rl和R2可以提供兩個功能。首先是在例如通過拔掉干線將其斷開的情況下，電阻器Rl和R2用作放電電阻器，以減小輸入端子上的電壓。 其次，該電阻器可以提供瞬時電壓感測，以實施局部停電保護。在這種常規(guī)濾波器中，用于對輸入上的電容放電的電流在標稱的無負載情況下與從輸入汲取的附加功率直接相關(guān)。對于入口處的典型電容值220nF-l μ F，為了達到在2秒或更少的放電時間內(nèi)將325V的干線電壓降低到60V(需要的時間為RC時間常數(shù)τ的1. 7 倍)，需要Rl和R2的總電阻為1. 2ΜΩ或更??；使用功率=2302/R，R為1. 2ΜΩ (對于1 μ F) 到4. 8ΜΩ (對于220nF)，這典型地會造成ll_44mW的功耗。在本發(fā)明實施例中，當干線斷開時不再需要Rl和R2來釋放存儲的殘余電荷；因此，Rl和R2的電阻值的上限不再適用，如果使用Rl和R2，則可以選擇具有足夠高的電阻值來提供可忽略的功率耗用。因此，根據(jù)本發(fā)明實施例，Rl和R2可以僅用于提供電壓感測功能，以例如實現(xiàn)局部停電保護。圖2示出了開關(guān)模式電源20的簡化框圖。SMPS 20包括干線輸入10，并依次包括濾波器和整流器級22、可選的功率因子校正(PFC)級M、以及作為轉(zhuǎn)換器級的第二級沈。 電容器Cbus可以連接在PFC級M與第二級沈之間的節(jié)點與地之間。圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的不同開關(guān)模式電源的簡化示意框圖。該圖示出了如圖 2所示的SMPS，其具有輸入濾波器和整流器級22、可選的功率因子校正級24、以及第二轉(zhuǎn)換器級26。當然，可以理解，對于沒有可選的PFC級M的實施例，輸入濾波器和整流器級22直接連接至第二級沈；在這種情況下，第二級可以是唯一的轉(zhuǎn)換器級，而沒有“第一級”(雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解可能還有其他級，例如反激式轉(zhuǎn)換器之后跟隨一個或多個降壓型轉(zhuǎn)換器，以提供多種輸出電壓)。然而，為保持用語一致，下面使用術(shù)語“第二級”來指示后一轉(zhuǎn)換器級，而不管是否存在第一 PFC轉(zhuǎn)換器級。輸入濾波器22中存在一個或多個電容器，其典型地包括一個或多個)(Cap，并且可以包括一個或多個YCap，下面將這些電感器統(tǒng)一地或單獨地作為輸入電容器來描述。干線電壓檢測單元或檢測器32示為與輸入濾波器和整流器22電連接。檢測器32 用于檢測干線供電從輸入斷開以及檢測入口的殘余電壓。檢測器32向放電控制器34提供輸入信息。放電控制器34配置為控制放電元件36。該放電元件36形成放電路徑38的一部分；放電路徑38布置為，響應(yīng)于檢測器32檢測到干線供電從輸入10斷開，通過放電元件 36釋放輸入電容器中存儲的電荷。雖然放電路徑38布置為釋放形成了輸入濾波器和整流器22的一部分的電容器中存儲的電荷，但是該路徑可以連接至SMPS中多個點或節(jié)點之中的任何一個。圖3示出了三條這種路徑38a、38b和38c，它們分別將放電元件36連接至輸入濾波器和整流器級22的輸入側(cè)的節(jié)點37a、至輸入濾波器和整流器級22與PFC級M之間的節(jié)點37b、以及至PFC級M與第二級沈之間的節(jié)點37c。如圖所示，放電路徑38連接至總線電容器Cbus的PFC側(cè)的節(jié)點37c，以使能夠?qū)θ肟诜烹?，而無需對例如在標準升壓型轉(zhuǎn)換器的整流器二極管之前的Cbus放電。在其他非限制性實施例中，放電路徑38可以連接至位于升壓電容器Cbus與第二級沈之間的節(jié)點37d。因此，圖3示出了本發(fā)明的如下方面放電路徑可以連接至SMPS電路中不同位置處的多個節(jié)點之一。圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的不同開關(guān)模式電源的另一簡化示意框圖。 圖4示出了本發(fā)明的另一方面放電元件36可以形成SMPS的多個不同部分之一的一部分， 或者是與這多個不同部分之一協(xié)同定位的。具體而言，圖4示出了圖3所示SMPS的相同布置，其具有連接至輸入濾波器和整流器級22的輸入10，從而輸入10還連接至可選的PFC級 M和第二級沈。檢測器32與輸入濾波器和整流器級22電連接，檢測器向放電控制器34 提供信息。放電控制器用于響應(yīng)于檢測到干線供電從輸入斷開，可開關(guān)地連接包括放電元件36的放電路徑38。然而，如圖4所示，在不同實施例中，放電元件36a、36b或36c可以形成輸入濾波器和整流器級22、PFC級M和第二級沈之中任何一個的一部分，或者可以與這些級之中任何一個協(xié)同定位或相鄰。如圖4所示，放電元件36a形成輸入濾波器和整流器級22的一部分。通過控制線40從控制器34向放電元件36a引導(dǎo)控制信息。在其他實施例中，如果放電元件36與PFC級M協(xié)同定位或形成為其一部分，則控制線40是從控制器 34至放電元件36b的。類似的，當放電元件36與第二級沈協(xié)同定位或形成為其一部分，則控制線40將信息從控制器34路由至放電元件36c。圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的開關(guān)模式電源的框圖，包括具有電流源的安全電路， 電流源包括功率因子控制器開關(guān)。在這些實施例中，PFC開關(guān)用于傳遞電流，該電路可以是直流電流或脈沖電流，開關(guān)的漏級(或集電極)用作針對控制電路的供電端。因此，在這些實施例中，在放電模式下使用附加的控制電路來驅(qū)動開關(guān)。應(yīng)該理解，PFC控制器的正常供電電壓保持可用，直到Cfilter已被放電到所需安全值以下，例如，如果SMPS插入了僅僅很短的時段，則IC可能沒有足夠時間來建立其自己的正常供電電壓。因此，為了確保經(jīng)由 Cfilter對存儲的電荷的適當釋放，當拔掉干線時，可以利用Cfilter本身的電壓，作為對放電功能的供電。由于開關(guān)的漏級經(jīng)由電感器與Cfilter相連，所以開關(guān)的漏級可以用于產(chǎn)生針對控制電路的供電。圖5示意性示出了連接至輸入濾波器和整流器級22、PFC級M和第二級沈的可連接干線的輸入10 ；第二級沈與PFC級M之間的電壓是總線電壓Vbus。PFC級M包括開關(guān)52，在正常操作中，開關(guān)52周期性地將電感器Lpfc的輸出經(jīng)由可選的感測電阻器M 連接至地。PFC級還包括輸出二極管Dpfc。如圖5所示，PCF級可以包括控制器56，控制器 56控制開關(guān)52提供無源放電功能，以對輸入電容器放電。控制器56可以形成為PFC控制器51的一部分。圖5所示的輸入電容器為Cin，可以理解，為了對輸入電容器Cin放電，使用PFC控制器，則也會對Cfilter放電，這是因為Cfilter位于Cin與PFC控制器之間；對 Cfilter放電沒有直接的好處，因為如果輸入短路，Cfilter就不會被放電；對Cfilter放電僅僅是使用PFC控制器的無意的后果。在正常操作期間禁用或不使用控制器56，而在檢測到干線供電從輸入10斷開時， 啟用控制器56。可以使用放電控制器34 (圖5中未示出)來啟用控制器56，或者控制器56 可以形成為放電控制器34的一部分或全部。當開關(guān)52用于提供無源放電功能時，為了對輸入電容器放電，可以通過控制功能來使用感測電阻器M，以限定開關(guān)中的電流。備選的， 例如且非限制性的，可以通過向其柵極或基級施加固定電壓脈沖電壓來控制開關(guān)。如圖5 所示，虛線57是針對電容器Cin同時針對Cfilter的放電路徑。通過使用開關(guān)52的脈沖方式的關(guān)斷和接通，可以將能量從輸入電容器轉(zhuǎn)移至PFC 級M與第二級沈之間的總線電容器Cbus。該總線電容器Cbus典型地實現(xiàn)為電解電容器，并具有可以高達100 μ F或更高的大電容。將電荷從輸入電容器Cin (也稱作入口電容器)轉(zhuǎn)移至該電容器避免了對附加的無源入口放電網(wǎng)絡(luò)的需要，從而減少了部件中的能量耗散，否則會出現(xiàn)部件中能量耗散。由于輸入電容典型地僅僅是幾μ F，所以對輸入電容放電并將釋放的能量轉(zhuǎn)移至Cbus會引起Cbus上從第一電壓Vl到第二電壓V2的電壓上升 deltaV，這典型地是可接受的。轉(zhuǎn)移至Cbus的能量W為W = O. 5XCX (Vl2-V22) = CXVXdeltaV其中V是Cbus處的電壓加上deltaV的一半。由于認為deltaV相比于Vbus較小， 所以認為V等于Vbus。則Cin 處釋放的能量=0. 5XCinXVmains_peak2從而deltaV = 0. 5 X CinXVmains_peak2/ (Cbus XVbus)所以，對于典型的電容器值(Cin =IuF, Cbus = 100 μ F)，干線值(Vmains = 365Vpeak max, Vbus = 400VDC)和輸入電壓降低(365V 至 0)deltaV = 0. 5X1 μ X3652/(100 μ X400) = 1. 7V因此，在該示例中，輸入電容器的放電只造成了總線電壓Vbus升高1. 7V。在一些情況下，特別是當簡單地把插頭從插座拔出時，有可能在斷開干線時，接觸引起電反彈(electrical bounce)，導(dǎo)致多個放電周期。在這種情況下，有益的是將PFC升壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)定到盡可能低但同時仍然以指定時間將輸入電容器放電的功率電平，從而減少了在反彈期間將額外的功率傳遞給Vbus (電解)電容器。例如且非限制性的，可以通過在需要時汲取額外功率，例如通過提高第二級的供電電流來提高第二級中的耗散，在PCF級下游對總線電壓Vbus設(shè)置限制。應(yīng)該注意，當轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時，PFC開關(guān)的漏級處的電壓等于干線電壓，該干線電壓小于與橋式整流器二極管上的電壓對應(yīng)的兩個二極管正向電壓。因此，在PFC開關(guān)的漏極處仍然有足夠電壓，用于該開關(guān)提供無源放電功能，直到電壓低于所需的可接受電平(在一些規(guī)定狀況下，為60V)。圖5中，沒有指示或指明什么類型的轉(zhuǎn)換器級用于第二級26。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，可以使用很多類型的不同轉(zhuǎn)換器，例如但非限制性的，諧振轉(zhuǎn)換器、反激式、前向、 降壓型或升壓型轉(zhuǎn)換器或其他轉(zhuǎn)換器。圖6是開關(guān)模式電源的框圖，包括從高壓啟動電流源導(dǎo)出的電流源。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，使用高壓啟動電流源是一種已知方法，其使用例如Vbus或濾波電容器節(jié)點等高壓節(jié)點對IC電源電壓充電，將至低壓IC電源(通常連接至電容器)的電流驅(qū)動至IC 開始正常操作的水平。類似于圖5所示實施例，該圖示出了 SMPS具有可連接至干線的輸入 10、輸入濾波器和整流器級22、PFC級M和第二級26。檢測器32與輸入濾波器和整流器級 22電連接，檢測器向放電控制器34提供信息。放電控制器用于將放電路徑34 (未示出)可開關(guān)地連接。在該實施例中，放電元件是高壓電流源62。對于一些類型的SMPS裝置，將高壓電流源包括作為控制IC內(nèi)的內(nèi)部電流源。在已知裝置中，提供這種內(nèi)部高壓電流源，以促進從整流后的干線的啟動；通常，提供設(shè)施在正常操作期間關(guān)斷電流源，以節(jié)省功率。通過在輸入放電間隔期間啟用電流源，電流源可以提供放電過程。在該實施例中，高壓電流源是放電元件。其端子67x必須經(jīng)由放電路徑連接至電路中的合適節(jié)點。對于沒有PFC級的實施例(即，從圖6中完全省略PFC級M)，合適節(jié)點應(yīng)該在位置67a處，剛好在橋式整流器的下游。雖然該節(jié)點也可以用于具有PFC級M的 SMPS，但是還需要的是，在(一般的，大的電解)電容器Cbus連接至節(jié)點Vbus時該電容器 Cbus需要放電，并且該電容器和輸入電容器中存儲的能量會通過部件耗散。由于Cbus的電容值一般較大，在一些實施例中，這可能不適合或者甚至不可能。在其他實施例中，高壓電流源可以連接至PFC級的輸入側(cè)的節(jié)點67a。在該位置，電流源直接對Cin和Cfilter放電，但是電感器Lpfc和二極管Dpfc阻止Cbus的放電。在其他實施例中，高壓電流源可以連接至PFC的開關(guān)節(jié)點67b。在其他實施例中，可以使用第二級沈內(nèi)的放電點67c ；例如但非限制性的，在反激式轉(zhuǎn)換器中，可以是開關(guān)MOSFET的漏極。圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的在第二級中包括放電元件的開關(guān)模式電源的框圖。這些實施例使用一個或多個來自第二級沈的部件作為負載，以對入口電容放電。這些部件可以在第二級26內(nèi)用于其他目的，或者可以是專門提供來創(chuàng)建放電功能的附加部件。 后一情況的示例是經(jīng)由負載電阻器72串聯(lián)在第二級輸入(在節(jié)點67g處)與地之間的受控開關(guān)71。該開關(guān)可以在整流器的輸出67a處與放電節(jié)點一起使用，放電節(jié)點是至整流器的輸入67d和67e之一，或者該開關(guān)可以與節(jié)點67g處的總線電壓一起使用。此外，放電節(jié)點可以是次級干線開關(guān)的漏極(或者是雙極性晶體管的集電極)。注意，由于至整流器的輸入67d和67e可以是正或負，所以在這兩個輸入之一或兩者用作放電節(jié)點37的實施例中，兩個放電元件是必要的，其中一個放電元件連接至67d(并且能夠在節(jié)點67d的電勢高于節(jié)點67e時進行電流宿)，并且另一放電元件連接至67e (并且能夠在節(jié)點67e的電勢高于節(jié)點67d時進行電流宿)。圖8是在第二級中包括不同的放電元件的另一開關(guān)模式電源的框圖。在該實施例中，利用控制器86作為電流源，驅(qū)動反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)晶體管?？刂破?6可以形成放電控制器34的一部分或全部。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所使用的控制器的具體形式對于放電功能的操作一般是不重要的，并且可以是已知的形式，例如但不限于恒定電流、恒定功率、脈沖、DC等，全部在本發(fā)明范圍內(nèi)。應(yīng)該注意，雖然圖7和8都示出了第二級是反激式轉(zhuǎn)換器，但是本發(fā)明不限于此， 其他適合的第二級轉(zhuǎn)換器的形式在本發(fā)明范圍內(nèi)。圖9是在第二級中包括另一放電元件的另一開關(guān)模式電源的框圖。在如圖9所示的實施例中，使用第二級本身作為負載，與已有負載組合，或者使用已有負載、或可以響應(yīng)于檢測器檢測到干線的斷開而接通的附加負載，來對入口端子放電。在正常操作期間，在大多數(shù)應(yīng)用中，存在局部停電檢測，以保護SMPS免受輸入電壓至預(yù)定閾值電平以下的下傾 (dipping)。局部停電檢測電平通常高于輸入端子上允許的殘余安全電壓，因此需要其他措施，以在由于局部停電而禁用或關(guān)斷電源之后降低輸入端子電壓。圖9是超控(overrule) 了通常的局部停電保護的實施例的示例，該示例按需添加負載或減小功率，以將輸入放電至安全電平。例如但不限于，可以通過控制應(yīng)用中的附加部件或者使用現(xiàn)有部件來增加負載。如圖9所示，放電控制器34輸出利用控制器信號9 超控了第二級控制器IC 96內(nèi)的常規(guī)局部停電保護96a。因此，針對干線輸入10處的低電壓，將SMPS保持在操作模式。此外，利用控制輸入96b，放電控制器34根據(jù)對總線電容器Cbus以及輸入電容器 Cin+Cfilter放電所需的時間，將第二轉(zhuǎn)換器級沈設(shè)定到轉(zhuǎn)換后功率電平。在低負載狀況下，為了汲取足夠的電流對Cbus放電，要求將功率電平設(shè)定到高電平，該高電平會造成對輸出電容器Cout的放電，并且造成輸出電壓上升到可接受電平以上。在這種低負載狀況下，為了防止這種過電壓，通過放電控制器34接通第二級(圖中示出的可以為反激式轉(zhuǎn)換器，但是不限于此)內(nèi)的附加電流線路，從輔助繞組中汲取附加負載， 這在圖9中示出為Laux。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，顯而易見的是該附加電流源可以在控制器 IC 96內(nèi)部或外部，并且可以實現(xiàn)為多種方式之一，例如，實現(xiàn)為帶有電流控制環(huán)的MOS晶體管。通常，轉(zhuǎn)換器設(shè)計為能夠在最小輸入電壓處產(chǎn)生最大功率。然而，在將入口從局部停電電平放電到省電值的間隔期間，可能無法產(chǎn)生這種功率。這種高負載狀況會造成該間隔期間輸出處的電壓降；如果IC供電處的電壓下降到預(yù)定閾值Vcc電平以下，則會以局部停電保護相同的方式觸發(fā)欠電壓閉鎖(lockout)電平，并且阻止對輸入電容器放電。為了防止這種情況發(fā)生，在實施例中，可以將高電壓電流源(例如參照圖8描述的啟動電流源) 接通，以在放電期間保持供電電壓Vcc足夠高。類似于圖7和8，應(yīng)該注意，雖然圖9中示出的第二級是反激式轉(zhuǎn)換器，但是本發(fā)明不限于此，其他適合形式的第二級轉(zhuǎn)換器都在本發(fā)明范圍內(nèi)。與如上所述的實施例一樣，為了使得在適合的時間放電控制器34能夠接通放電路徑38至放電元件36，需要檢測干線的斷開。典型地，干線斷開是由于SMPS被拔掉，例如通過從插座移除干線插頭。然而，可以認識到，這也可能是由于其他原因，例如干線連接引線斷裂。這可以通過例如用于感測干線電壓的電阻性網(wǎng)絡(luò)來檢測。在任一情況下，僅使用干線周期的一半就足以進行檢測?？梢允褂谜蜇摪胫芷?。下面考慮檢測器32的功能以及多種實施方式。檢測器32的功能是雙重的第一，檢測AC干線電壓是否連接；第二，在連接和斷開干線這兩種情況下，均檢測入口之間的電壓幅度。與檢測器有關(guān)的復(fù)雜問題之一是入口處相對于原級地的潛在共模電壓。當不使用無源放電部件(R1，M)或者無源放電部件的電阻非常高時，上述問題尤其顯著?；旧?，檢測器模塊應(yīng)該只檢測入口之間的電壓差(差模信號)，因為只需要對L IOa和N IOb節(jié)點之間的電壓放電。然而，如果入口節(jié)點相對于原級地具有良好定義的共模電壓，則可以使用對入口處有關(guān)共模電壓的電壓進行檢測的檢測器。有利的，共模檢測可以只用單個IC管腳來實現(xiàn)，而對于無附加外部電路的差模檢測，典型地需要2個IC管腳。在無負載或放電情況下，共模電壓檢測可以準確地感測干線電壓的幅度；然而，如果Vmains的幅度減小，則入口與原級地之間的總電容使Vmains保持相對于地的相等共模電壓。此外，如果干線電壓下降，但是Rl和R2(如圖10所示)太大，以致于無法對入口放電，從而至少一個二極管導(dǎo)通，這造成兩個入口處出現(xiàn)高于Vmains峰值的峰值電壓。則共模電壓感測會導(dǎo)致錯誤的干線電壓幅度。該問題可以通過施加從兩個入口向原級地的放電電流來克服。這可以通過例如如圖10所示的電流源或電阻器來進行。圖10(a)示出了如圖1所示的輸入濾波器和整流器 (但是省略了電感性元件，這些電感性元件在例如干線頻率等低頻率上幾乎沒有影響)，并且包括在橋式整流器輸入與原級地之間的一對電阻器R1，R2。圖10(b)示出了圖10(a)的 RU R2中電流之和以及入口處的電壓的仿真結(jié)果，包括電壓差L-N和電壓和L+N。現(xiàn)在，通過放電電流減小入口處的共模電壓，直到橋式整流器中連接至原級地的二極管中至少一個開始導(dǎo)通，這將每個入口節(jié)點處的電壓限制到-vd。使用該放電路徑，入口處的峰值電壓會始終等于Vmains的峰值電壓，從而可以使用共模檢測器，同時可以使用Rl或R2中的電流或兩個電流之和來表示干線電壓。從圖10清楚可見，信號L+N的形狀與電流頂1+頂2的形狀等同。Rl和R2的功能是雙重的第一，對與原級地有關(guān)的共模電容放電，直到至少一個橋二極管導(dǎo)通至地為止； 第二，提供入口端子處的電壓之和作為干線電壓幅度的表示。在干線電壓峰值之前和之后的一定時間上，橋式整流器的二極管導(dǎo)通。該時間間隔的長度以及由此L+N信號處的波紋由至原級地的總共模電容以及Rl和R2的值來確定。 L+N的峰值等于干線電壓的峰值。上述結(jié)論可以用于設(shè)計合適的基于一對電阻器R1，R2的干線檢測器。由于電流域中信息可獲得，作為Rl或R2中的電流或兩個電流之和，所以Rl和R2之間的公共節(jié)點可以直接連接至IC輸入管腳，以感測瞬時電流并使用該電流信息來執(zhí)行檢測器32的雙重功能。圖11示出了一個這種檢測器32，其包括電流域中的比較器，用于檢測兩個干線半周期上干線電壓的幅度；以及波紋頻率檢測器320，用于檢測在322是否施加了 AC電壓 (即，干線連接還是斷開)。波紋檢測器320檢測為干線頻率的兩倍的波紋頻率。在其他實施例中，只使用一個電阻器中的電流，這給出了相同的峰值電流和干線頻率上的波紋。比較器將來自Rl和R2的中點的電流Isense的縮放版本(ΚΙ X Isense)與基準電流Iref相比較；比較結(jié)果324指示干線電壓Vmains是否超過預(yù)定閾值。圖12示出了根據(jù)另一實施例的檢測器。在該實施例中，使用如圖11所示的相同的Rl、R2的電流信息，但是在這種情況下，檢測器32通過使用轉(zhuǎn)換電阻器R3操作在電壓域。比較器將感測并轉(zhuǎn)換得到的電壓直接與基準閾值電壓相比較，以確定在3M干線電壓是否超過該閾值；波紋檢測器320的操作方式與參照圖11描述的類似。在其他實施例中， 只使用單個電阻器中的電流，如上參照圖11所述的。圖13示出了 13(a)輸入濾波器和整流器的示意電路圖，輸入濾波器和整流器經(jīng)由多個二極管(在該情況下是一對二極管D5，D6)連接至作為電流源的放電元件。例如，電流源可以是圖示的電阻器R3，或者可以是備選的電流源。該圖示出了本發(fā)明實施例的一部分，其中連接了放電節(jié)點，例如如下情況67d或67e的節(jié)點用作放電路徑38的末端處的放電節(jié)點。本發(fā)明包括的非限制性實施例是放電元件是直接連接至干線輸入的高壓啟動電流源；以及例如場效應(yīng)晶體管等附加的部件用作放電元件，以對輸入直接或間接放電。這些布置可以與功率組控制級(power packed control stage)—起使用或不與其一起使用。為了使得可以在正和負半周期都進行放電，放電路徑將放電元件連接至兩個干線輸入連接， 分別經(jīng)由二極管，以防止干線輸入的短接。圖13(b)示出了輸入端子L和N處的電壓、以及兩個電壓的最大值和電壓差。圖14和15示出了使用一對二極管來用于檢測的示例實施例。這些實施例使用干線電壓的電流域和電壓域檢測，分別與以上參照圖11和12所述的形式類似，除了在放電路
徑中使用一對二極管之外。圖16示出了檢測器32的其他實施方式，其使用干線電壓的電容性感測。在這些實施方式中，在干線周期中電壓下降的那部分周期期間，經(jīng)由D7對電容器 C3放電。在干線周期中電壓上升的那部分周期期間，經(jīng)由D8對電容器C3放電?？梢岳斫?， 在Vmains的上升和下降期間，用于對C3放電的電流流經(jīng)橋式整流器中的不同路徑。在上升期間，電流經(jīng)由橋式整流器的二極管流向地，而在下降期間，電流經(jīng)由輸出電容器流動。這導(dǎo)致Vdc處輸出電容器中的小充電電流，這是不希望的。這需要Vdc處的小殘余負載來防止Vdc上升到不可接受的值?？梢园ㄔ陔娙萜鰿3和二極管D7上的另一電容器C4，來補償該效應(yīng)并補償從一個入口汲取至另一入口的電荷?，F(xiàn)在，干線電壓的幅度與通過D8轉(zhuǎn)移的電荷直接相關(guān)。因此，可以存在多種備選方式來構(gòu)造與干線電壓的幅度有關(guān)的變量。這包括但不限于首先，通過反復(fù)地由通過二極管D8的電流對小電容器充電至基準值，將數(shù)字計數(shù)器遞增1并對電容器放電，來對D8中的電荷計數(shù)；一檢測到二極管D8中的電荷就可以開始該過程，并且當檢測不到二極管D8中的電荷時，停止該過程；最終的計數(shù)器值與干線電壓成比例；第二，通過以流經(jīng)D8的電流對大電容器充電，來對二極管D8中的電荷進行計數(shù)；一檢測到D8中的電荷就可以開始該過程，并且在預(yù)定最小間隔期間檢測不到二極管D8中的電荷時，停止該過程。電容器處的最終電壓與干線電壓成比例?？梢栽跈z測間隔之后對電容器放電；第三，通過以二極管D8中的電流對與電阻器Rc并聯(lián)的電容器 Cc充電，來對二極管D8中每干線周期的電荷進行計數(shù)，其中時間常數(shù)RcXCc比干線電壓的周期時段長很多。在這種情況下，Rc上的平均電壓等于Vmains_peakXCcXRcXFmains，其中Fmains是干線頻率。
如圖16所示使用干線電壓的電容性感測來實現(xiàn)檢測器32，可以檢測到連接的干線，這需要關(guān)閉有源入口放電功能；然而，無法在入口斷開時檢測到入口處出現(xiàn)的DC電壓， 這是因為沒有電荷轉(zhuǎn)移至Dl和D2。但是，仍然可以檢測到干線拔掉以及大于可接受限值的殘余電壓存在于入口處，這是因為入口處的電壓會充電Vdc。Vdc > Vthreshold同時沒有檢測到AC干線的條件是用于激活入口放電功能的有效條件。總之，從一方面已公開了上述開關(guān)模式電源(SMPS)。該SMPS包括在SMPS例如通過拔掉而從干線斷開時釋放輸入電容器中存儲的電荷的機制。SMPS包括用于檢測干線斷開的檢測器、以及放電電路。該放電電路包括放電元件。放電元件可以是SMPS的一部分，例如可以是高壓電流源或總線電容器，或者可以是附加元件，例如電阻負載。放電電路適于響應(yīng)于檢測器檢測到干線的斷開，沿著路徑對輸入電容器放電。檢測器控制在檢測到時接合放電電路的開關(guān)。該開關(guān)形成放電路徑的一部分。還公開了操作包括安全裝置的SMPS的方法以及適于操作這種方法的控制器。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本公開時，其他變體和修改將顯而易見。這些變體和修改可以包括現(xiàn)有開關(guān)模式電源中已知的等同或其他特征，并且可以替代或附加至本文已公開的特征。雖然所附權(quán)利要求針對具體的特征組合，但是應(yīng)該理解本發(fā)明公開的范圍還包括本文所明顯或隱含公開的任何新穎特征或其組合，或其概括，無論它是否涉及權(quán)利要求中要求保護的相同發(fā)明，無論它是否像本發(fā)明一樣緩解了相同的技術(shù)問題中的一些或全部。在分離的實施例中描述的特征也可以組合在單個實施例中。相反，為了簡要起見在單個實施例中描述的各種特征也可以分離地或任意適合地組合。要注意，可以在本申請的審查期間或其他任何從本申請得到的申請的審查期間， 以這些特征和/或這些特征的組合來形成新權(quán)利要求。對于完整起見，術(shù)語“包括”不排除其他元件或步驟，術(shù)語“一”不排除多個，單個處理器和其他單元可以完成權(quán)利要求中記載的多個裝置的功能，并且權(quán)利要求中的附圖標記不應(yīng)理解為限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)模式電源(20)，包括 輸入(10)，干線供電可連接至該輸入； 輸入濾波器，包括輸入電容器；整流器級02)； 轉(zhuǎn)換器級(26)；功率因子校正級(M)，在整流器級02)與轉(zhuǎn)換器級06)之間；以及安全裝置，所述安全裝置包括檢測器(32)，用于檢測干線供電從所述輸入(10)的斷開；以及可開關(guān)的放電路徑(38c)，包括放電元件，所述放電路徑(38c)被設(shè)置為響應(yīng)于檢測器 (32)檢測到干線供電從所述輸入(10)的斷開，通過放電元件釋放輸入電容器中存儲的電荷，其特征在于，該路徑可開關(guān)地連接至位于整流器級02)與功率因子校正級04)之間的節(jié)點(37c)，該路徑(38c)包括功率因子校正級04)的一部分，放電元件是在功率因子校正級04)的輸出側(cè)的總線電容器，功率因子校正級04)包括被設(shè)置為周期性地進行開關(guān)的開關(guān)；以及該路徑(38c)被配置為在所述開關(guān)的周期性開關(guān)時對總線電容器充電。
2.一種用于操作根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源的方法，所述方法包括 檢測干線供電從所述輸入(10)的斷開；以及接通可開關(guān)的放電路徑(38c)，以釋放輸入電容器中存儲的電荷。
3.一種針對開關(guān)模式電源的的控制器，被配置為操作根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法。
全文摘要
公開了一種開關(guān)模式電源(SMPS)。該SMPS包括在SMPS例如通過拔掉而從干線斷開時釋放輸入電容器中存儲的電荷的機制。SMPS包括用于檢測干線斷開的檢測器、以及放電電路。該放電電路包括放電元件。放電元件可以是SMPS的一部分，例如可以是高壓電流源或總線電容器，或者可以是附加元件，例如電阻負載。放電電路適于響應(yīng)于檢測器檢測到干線的斷開，沿著路徑對輸入電容器放電。檢測器控制在檢測到時接合放電電路的開關(guān)。該開關(guān)形成放電路徑的一部分。還公開了操作包括安全裝置的SMPS的方法以及適于操作這種方法的控制器。
文檔編號H02M1/32GK102244459SQ20111012943
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者漢斯·哈貝爾施塔特 申請人:Nxp股份有限公司