本公開涉及一種具有提供啟動(dòng)充電電流的常通器件的開關(guān)電源啟動(dòng)電路。

背景技術(shù)：

當(dāng)最初將輸入功率施加到開關(guān)電源時(shí)，為了起動(dòng)操作的目的，需要向控制電路輸送能量。用于此目的的電路通常被稱為“啟動(dòng)電路”。因?yàn)殡娫丛趩?dòng)期間還沒有產(chǎn)生輸出功率，所以啟動(dòng)電路以某種方式從輸入端獲得電力。開關(guān)電源中的挑戰(zhàn)之一是當(dāng)針對(duì)控制器件的工作電壓限制遠(yuǎn)低于電源的輸入電壓范圍時(shí)，提供初始能量來(lái)為控制電路供電。例如，從24v或48v額定直流源接收輸入功率的dc/dc轉(zhuǎn)換器就存在這個(gè)問(wèn)題。這也是ac/dc電源中考慮的因素，其中ac/dc電源工作于可高達(dá)305vac的輸入電壓，且輸入電壓的典型應(yīng)用范圍為90vac至264vac。

為了在輸入電壓相對(duì)于初級(jí)側(cè)參考控制電路的正常工作電壓較大時(shí)啟動(dòng)開關(guān)電源，可以通過(guò)電阻器或電流源從輸入源對(duì)電容器充電。一電路監(jiān)測(cè)電容器電壓，并且當(dāng)電容器電壓近乎達(dá)到該電路的上限工作電壓時(shí)，接通控制電路。控制電路一旦被啟用就可以從充電的電容器汲取能量。當(dāng)啟動(dòng)完成并且正常操作開始時(shí)，功率轉(zhuǎn)換器的正常操作電路可以提供用于將該啟動(dòng)電容器兩端的電壓維持為控制電路的操作限制內(nèi)的值所需的能量。

監(jiān)測(cè)啟動(dòng)電容器電壓并接通控制電路的電路可以在啟動(dòng)期間僅需要較小電流(例如，500ua至1ma)，且對(duì)啟動(dòng)電容器進(jìn)行饋送的電阻器或電流源的規(guī)格被調(diào)整為以在啟動(dòng)期間呈現(xiàn)的最小輸入電壓來(lái)提供該電流。該大小調(diào)整可以由于在正常操作期間出現(xiàn)的更大最大輸入電壓下的電路而導(dǎo)致更高功率耗散。此外，不管功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載如何，即，不論轉(zhuǎn)換器是在線并向負(fù)載提供電力，還是離線或“待機(jī)”而不向負(fù)載提供電力，均發(fā)生這種更高的功率耗散。

離線電源受對(duì)空載功率損耗進(jìn)行限制的市場(chǎng)或法規(guī)要求的影響。因此，期望的是盡可能多地減少空載功率損耗，包括歸因于如上所述的啟動(dòng)電路的損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

所公開的功率轉(zhuǎn)換器包括啟動(dòng)電路，其在提供在啟動(dòng)時(shí)段期間為控制電路建立工作電壓的所需功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減少的空載功率損耗。所述啟動(dòng)電路具有常通特性，使得一旦輸入電壓已經(jīng)上升到足夠高，則其自動(dòng)提供用于啟動(dòng)電容器的啟動(dòng)充電電流，而不需要任何單獨(dú)供電的控制電路的操作。當(dāng)啟動(dòng)電容器電壓達(dá)到工作值時(shí)，控制電路開始工作，并產(chǎn)生禁用啟動(dòng)電路的抑制信號(hào)，從而停止啟動(dòng)充電電流的流動(dòng)，并將啟動(dòng)電路的功率耗散降低到期望的低值。通過(guò)使用采用常通開關(guān)器件(例如，耗盡型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(j-fet))的發(fā)射極開關(guān)電流源來(lái)實(shí)現(xiàn)常通特性。這種器件具有源-漏溝道，所述源漏溝道在在該器件的柵極上沒有控制電壓的情況下傳導(dǎo)電流，并且當(dāng)控制電路尚未工作時(shí)，該特征被用于在啟動(dòng)期間使用。另外，可以通過(guò)對(duì)器件的柵極施加足夠高的控制或偏置電壓來(lái)切斷源漏通道，并且該特征被用于在啟動(dòng)之后使用以防止電流流動(dòng)并且減少啟動(dòng)電路在后續(xù)正常操作期間的功率耗散。

因此，j-fet是作為啟動(dòng)電流源的一部分使用的開關(guān)器件的良好候選。當(dāng)最初施加電力并且沒有來(lái)自功率轉(zhuǎn)換器的偏置電壓時(shí)，可以使用j-fet器件來(lái)建立啟動(dòng)電容器充電電流的流動(dòng)。當(dāng)控制電路激活并且功率轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，來(lái)自控制電路的電壓可以被施加到j(luò)-fet的柵極以使其截止并且禁用充電電流。然而，易用的j-fet的一個(gè)問(wèn)題在于相對(duì)較低的額定電壓(例如，小于50v)，其遠(yuǎn)低于對(duì)于許多啟動(dòng)電流源應(yīng)用而言需要進(jìn)行切換的典型電壓。因此，在所公開的啟動(dòng)電路中，使用j-fet作為將雙極晶體管用作主電流控制元件的發(fā)射極開關(guān)電流源中的開關(guān)。這種配置降低了j-fet所經(jīng)歷的電壓，即使在更高電壓的應(yīng)用中也是如此。

在所公開的啟動(dòng)電流源中，常通晶體管(thenormallyontransistor)與用于保持輔助電壓的啟動(dòng)電容器串聯(lián)布置，因此需要將該晶體管的柵極電壓驅(qū)動(dòng)為足夠高以在啟動(dòng)之外的正常操作開始時(shí)使該晶體管截止。電荷泵電路布置在產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的控制器和常通晶體管之間，并且包括通過(guò)向常通晶體管的柵極提供較高電壓信號(hào)來(lái)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)的電容器二極管網(wǎng)絡(luò)。

附圖說(shuō)明

根據(jù)對(duì)如附圖所示的本發(fā)明的特定實(shí)施例的以下描述，上述及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的，貫穿不同視圖，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的部件。

圖1是電源的示意性框圖；

圖2至圖4是啟動(dòng)電路的備選實(shí)施方式的示意圖；以及

圖5至圖7是在啟動(dòng)期間電源中的信號(hào)的波形圖。

具體實(shí)施方式

圖1是開關(guān)電源的一部分的示意性框圖。它包括開關(guān)和控制(sw/cntl)電路10、電力變壓器t1、啟動(dòng)電路12以及可選地輸入電壓源14。變壓器t1具有主初級(jí)繞組wpri和次級(jí)繞組wsec以及連接到電容器caux的第三或“輔助”繞組waux。開關(guān)和控制電路10接收直流(dc)電壓vin以及在電容器caux上產(chǎn)生的電壓vaux。電壓vin由輸入電壓源14(如果存在的話)提供，否則其可以是來(lái)自單獨(dú)電壓源的輸入。

電源的相關(guān)操作分為兩個(gè)時(shí)段，即，vin從零上升到正常工作值的初始啟動(dòng)時(shí)段以及vin處于其正常工作值并且電源正向分別供電的電路(未示出)提供穩(wěn)定dc輸出電壓的后續(xù)穩(wěn)態(tài)操作時(shí)段。開關(guān)和控制電路10包括從vaux輸入端接收其工作電力的電路(圖1中未示出)；示例在下面進(jìn)行描述。在穩(wěn)態(tài)操作期間，繞組waux和電容器caux的組合充當(dāng)該電路的簡(jiǎn)單電源。至少在啟動(dòng)時(shí)段的初始部分期間，向主初級(jí)繞組wpri提供很少的電流或不提供電流，因此，沒有電流或很少的電力可通過(guò)繞組waux使用。啟動(dòng)電路12在該時(shí)段期間與caux一起作為電源操作，直到操作進(jìn)行到采用繞組waux的正常穩(wěn)態(tài)機(jī)制為可用的并變得可操作的時(shí)刻為止。

圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的啟動(dòng)電路12。其主要目的是在建立所有正常工作電壓之前的操作初始啟動(dòng)時(shí)段期間產(chǎn)生開關(guān)和控制電路10(圖1)可使用的未調(diào)節(jié)電源電壓vaux。通過(guò)向電容器caux提供充電電流ic(q2)來(lái)產(chǎn)生vaux，該電流由通過(guò)晶體管q2和q1實(shí)現(xiàn)的發(fā)射極開關(guān)電流源提供。q1是常通晶體管，并且例如可以實(shí)現(xiàn)為耗盡型結(jié)型fet(j-fet)。它在啟動(dòng)期間導(dǎo)通以向caux提供充電電流ic(q2)，并且在啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，通過(guò)施加正柵極電壓vg(q1)形式的抑制控制信號(hào)而使其不導(dǎo)通。這樣有效地禁用了啟動(dòng)電路12，從而降低其功率耗散并相應(yīng)地提高了電源的整體效率。具體操作如下所述。

在圖2的電路中，包括控制器u1、電阻器r2、二極管d1和d2以及電容器c1、c2的組件集合用作柵極電壓vg(q1)的發(fā)生器。由于q1的常通特性，產(chǎn)生vg(q1)，以使q1截止，即，抑制充電電流ic(q2)的傳導(dǎo)，因此，可以將vg(q1)視為抑制控制信號(hào)。該電路具有兩個(gè)不同方面的操作，即，控制和電平轉(zhuǎn)換。主要由控制器u1提供控制。電平轉(zhuǎn)換是指根據(jù)控制器u1的低電壓輸出q產(chǎn)生高電壓信號(hào)vg(q1)，并由實(shí)現(xiàn)為包括u1的組件集合的電荷泵來(lái)提供電平轉(zhuǎn)換。

在圖示的布置中，晶體管q1是p溝道耗盡型j-fet。當(dāng)向耗盡型fet的柵極施加零電壓時(shí)，耗盡型fet導(dǎo)通(接通)，并且當(dāng)將超過(guò)截止電壓的電壓施加到其柵極時(shí)，耗盡型fet截止。當(dāng)在vin等于零的啟動(dòng)操作剛開始時(shí)，向vg(q1)施加零伏，且q1的作用就像從q2的發(fā)射極連接到返回電位的電阻一樣。一旦q2基極上的電壓變得高到足以建立流經(jīng)q2的基極-發(fā)射極結(jié)的電流，q2開始導(dǎo)通。其集電極電流與r1兩端的電壓成比例。q2集電極電流ic(q2)沿通過(guò)q1的路徑流動(dòng)，這樣允許它對(duì)caux進(jìn)行充電。

當(dāng)caux被充電到允許啟動(dòng)功率轉(zhuǎn)換器的足夠高的電壓時(shí)，開關(guān)/控制電路(圖1)開始工作，從而導(dǎo)致電流在初級(jí)繞組wpri中流動(dòng)并還通過(guò)磁耦合在輔助繞組waux中流動(dòng)。該電流將caux兩端的電壓vaux保持為電源穩(wěn)態(tài)操作的一部分。此外，此時(shí)啟動(dòng)電路12產(chǎn)生非零柵極電壓vg(q1)形式的抑制控制信號(hào)，其被提供給q1的柵極以使q1截止。當(dāng)q1截止時(shí)，終止用于對(duì)caux充電的啟動(dòng)電流。在啟動(dòng)電流被禁用的情況下，不存在來(lái)自啟動(dòng)電路的功率損耗，除了來(lái)自輸入電壓監(jiān)測(cè)分壓器ra、rb和rc的較小損耗之外。

一旦建立了穩(wěn)態(tài)操作，就需要將q1的柵極提升到vaux以上以?shī)A斷q1并終止充電電流ic(q2)。由包括c1、c2、d1和d2的電荷泵電路連同方波時(shí)鐘源根據(jù)控制器u1的輸出q提供足夠的電壓。該方波時(shí)鐘源被定義為以固定或可變頻率從大約vdd切換到大約vss的信號(hào)。注意，在所示的布置中，vdd等于vaux，并且vss可以取為零。q輸出處于vdd的時(shí)間被定義為導(dǎo)通時(shí)間，而q輸出處于vss的時(shí)間被定義為截止時(shí)間。在截止時(shí)間期間，電容器c1被充電到大約等于vaux減去d1的正向電壓降的電壓。在導(dǎo)通時(shí)間期間，該電容器電壓實(shí)質(zhì)上向上偏移大約vdd，使得電容器caux的上節(jié)點(diǎn)處的電壓大致等于vdd+vaux-vfwd(d1)-vfwd(d2)，其中“vfwd”是指二極管兩端的正向偏置電壓降。假設(shè)vdd＝vaux且vfwd＝0.6v，則相對(duì)于電路回路，q1的柵極處的電壓將約為2×vaux-1.2v。電荷從c1轉(zhuǎn)移到c2，并且在若干切換周期之后，q1的柵極到源極兩端的穩(wěn)態(tài)電壓降將大約為vaux-1.2v。對(duì)于典型的vaux值，q1的柵極的電壓被提升為足夠高于q1的源極，以使q1截止并終止充電電流ic(q2)。在截止時(shí)間期間，r2將放出c2的一些電荷，然后c2將在下一導(dǎo)通時(shí)間周期期間得到補(bǔ)充。只要控制器u1的q輸出上存在時(shí)鐘，q1就將保持截止，并且由q2(ce)、r1和q1(ds)的串聯(lián)組合組成的電路的分支將不耗散功率。如果所描述的時(shí)鐘信號(hào)停止切換(定義為持續(xù)地在導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)下)，則沒有電荷將轉(zhuǎn)移到c2，r2將最終把c2兩端的電壓放至零，并且q1將返回導(dǎo)通并重新建立電流路徑以對(duì)caux充電。

圖2的電路采用發(fā)射極開關(guān)配置，其中jfetq1直接對(duì)caux充電。由于實(shí)際jfet器件的較低的額定vds，發(fā)射極開關(guān)配置是期望的；q2有效地吸收了電壓差vin-vaux的大部分。當(dāng)期望工作功率耗散益處并且可以容忍隨施加的輸入電壓而變化的啟動(dòng)caux充電電流時(shí)，圖2中的啟動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)方案可以是有用的。

如所描述的，控制器u1是在數(shù)字輸出引腳上產(chǎn)生所描述的時(shí)鐘信號(hào)的微控制器設(shè)備。它還監(jiān)測(cè)信號(hào)以便于各種控制功能，例如啟動(dòng)和停止啟動(dòng)電流路徑，以控制caux兩端的啟動(dòng)電壓。

啟動(dòng)電路12的另一個(gè)特征是通過(guò)感測(cè)電阻分壓器電路的結(jié)處的電壓來(lái)測(cè)量輸入電壓vin的能力，其中所述電阻分壓器電路由提供兩個(gè)分壓電壓(divideddownvoltages)的電阻器ra、rb和rc形成。忽略基極電流可忽略不計(jì)的情況，q2基極處的電壓將大約等于vin×(rb+rc)/(ra+rb+rc)。與vin成正比且用于監(jiān)測(cè)vin的被示出為k*vin的電壓將大約等于vin*rc/(ra+rb+rc)。當(dāng)啟用啟動(dòng)電流路徑時(shí)，啟動(dòng)電流幅值取決于vin的瞬時(shí)電壓以及caux兩端的瞬時(shí)電壓。該啟動(dòng)電流將大約等于caux兩端的瞬時(shí)電壓，其等于從q2基極的電壓減去q2的vbe除以r1。

所公開的啟動(dòng)電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠向諸如控制器u1的微控制器提供啟動(dòng)能量的能力。微控制器提供產(chǎn)生對(duì)截止信號(hào)的最佳控制的能力，并且可以被配置用于此目的，如圖2所示。當(dāng)電壓vaux達(dá)到為微控制器建立工作電壓的值時(shí)，微控制器可以管理針對(duì)q1的截止。由微控制器內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器或比較器監(jiān)測(cè)與啟動(dòng)電壓成正比的電壓k*vin。然后，使用軟件算法來(lái)決定何時(shí)通過(guò)產(chǎn)生導(dǎo)致向q1的柵極施加電壓的數(shù)字輸出以終止啟動(dòng)電流源。

圖3示出了其中控制器u1不被vaux直接供電的替代方案。在許多應(yīng)用中，vaux可以約為12v，而在這種應(yīng)用中使用的大多數(shù)微控制器或dsp器件的最大電源電壓限制為5v或3.3v。因此，采用較小線性的調(diào)節(jié)器u3來(lái)從較大的vaux提供約5伏的vdd至u1。在這種情況下，q輸出的幅度被限制為約5伏，其不足以實(shí)現(xiàn)vg(q1)的期望電平。因此，由vaux供電的柵極驅(qū)動(dòng)器u2用于緩沖該信號(hào)，從而向電荷泵提供vaux的幅度，以將vg(q1)驅(qū)動(dòng)到如上所述的適當(dāng)高電平。

在諸如圖3的電路中，電壓vaux可以主要用作針對(duì)電源中可能存在的其他開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)電平。被傳遞到驅(qū)動(dòng)器u2的輸入端的來(lái)自微控制器u1的數(shù)字輸出可以是僅用于產(chǎn)生電荷泵時(shí)鐘的單獨(dú)信號(hào)。該數(shù)字輸出還可以是同樣用作開關(guān)器件的pwm控制信號(hào)的pwm輸出，如下面參考圖4所述。

此外在圖3中，包括電阻器rd和re的電阻分壓器提供vaux的分壓表示，使得將不超過(guò)輸入額定值的該信號(hào)的標(biāo)定值連接到微控制器設(shè)備u1。

圖4示出了控制器器件u10是諸如ucc3842的pwm控制器并且pwm輸出被用作驅(qū)動(dòng)電荷泵電路的時(shí)鐘源的另一替代方案。這是用于控制開關(guān)/控制電路10(圖1)中的開關(guān)器件的相同pwm輸出。在該實(shí)現(xiàn)方案中，當(dāng)向電路供電時(shí)，q1最初是導(dǎo)通的，從而建立用于電流流動(dòng)的路徑，以對(duì)caux充電。當(dāng)caux兩端的電壓足以使pwm控制器接通并開始傳送pwm脈沖時(shí)，pwm脈沖變?yōu)橛糜诋a(chǎn)生使q1截止所需的柵極電壓vg(q1)的時(shí)鐘源，如上所述。

圖5描述了在開關(guān)電源的正常工作期間caux兩端的電壓vaux。從時(shí)間t＝0處施加固定輸入電壓起，隨著用恒定電流對(duì)caux進(jìn)行充電，電壓vaux上升。在時(shí)間t1，控制q1的vg發(fā)生器確定vaux已經(jīng)達(dá)到其期望值，因此vg(q1)被驅(qū)動(dòng)到能夠使q1截止的電壓。此時(shí)，啟動(dòng)電源的控制電路，并且控制電路從caux汲取能量，以使vaux隨著能量移除而開始減小。在時(shí)間t2，vaux沒有降低到低于針對(duì)控制電路的最小工作電壓vmin，并且輔助繞組waux已變得能夠向控制電路提供能量。此時(shí)，傳遞的能量使vaux達(dá)到其標(biāo)定工作值以維持所述電源的連續(xù)工作。

圖6描述了當(dāng)在通過(guò)由vaux供電的電路控制的開關(guān)電源的輸出之一上發(fā)生過(guò)載故障時(shí)啟動(dòng)電路的操作。在該圖上繪制了附加信號(hào)verror。verror是針對(duì)開關(guān)電源的誤差電壓，并且用于設(shè)置工作占空比以維持所期望的輸出電壓。如果對(duì)電源的控制是數(shù)字的而不是模擬的，則存在等效操作參數(shù)，所述等效操作參數(shù)存在于類似行為可能需要的控制軟件中。在模擬控制方法中，通過(guò)將受控輸出電壓與具有足夠大增益的放大器的參考值進(jìn)行比較而產(chǎn)生該信號(hào)。在數(shù)字控制方法中，它是所計(jì)算的參數(shù)。在具有模擬控制的隔離電源的情況下，該信號(hào)通過(guò)諸如光耦合器的隔離器件被耦合到初級(jí)側(cè)。在過(guò)載條件的情況下，輸出電壓將下降到參考值以下，并且verror信號(hào)將增加到其飽和電平，被表示為ve_sat。如果這些條件都存在，則將對(duì)q1的柵極的控制設(shè)計(jì)為使得q1保持截止直到達(dá)到期望的波谷(trough)為止。在此之前，開關(guān)電源將關(guān)斷。在該波谷時(shí)刻，允許q1導(dǎo)通，以使得可以補(bǔ)充caux中的能量。電源將嘗試正常啟動(dòng)。如果故障條件消除，則電源將重新啟動(dòng)并重新建立正常工作。如果故障持續(xù)，則電源將繼續(xù)接通和斷開模式，該模式旨在減小在故障條件期間的平均應(yīng)力。這種保護(hù)模式通常被稱為打嗝(hiccup)。該電路允許打嗝模式，其中可以通過(guò)控制q1的柵極來(lái)管理所述打嗝模式。

使用所公開的啟動(dòng)電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)不需要啟動(dòng)電流源時(shí)，易于接通和斷開啟動(dòng)電流源以減少功率耗散。當(dāng)利用微控制器控制q1時(shí)，接通和斷開啟動(dòng)電流源的方便性可以用作解決在用穩(wěn)壓電源通常發(fā)生的問(wèn)題時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，其中所述穩(wěn)壓電源在穩(wěn)態(tài)操作期間采用輔助繞組產(chǎn)生vaux。該輔助繞組不受調(diào)節(jié)，而是耦合到產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓的繞組。由于輔助繞組在初級(jí)側(cè)，并且調(diào)節(jié)繞組通常在次級(jí)側(cè)，因此安全需求迫使變壓器(或耦合電感器)構(gòu)造為使得這些繞組之間的耦合折衷。在輕負(fù)載下，不良耦合可以使得輔助繞組不能提供將vaux保持在控制電路的最小工作電壓以上所需的能量。當(dāng)由同樣監(jiān)測(cè)用于設(shè)置調(diào)節(jié)的誤差電壓的微控制器進(jìn)行控制時(shí)，上述問(wèn)題可以通過(guò)圖2的電路來(lái)解決。

圖7示出了可以由微控制器執(zhí)行的操作的模式。微控制器可以運(yùn)行軟件，該軟件基于verr和vaux之間的關(guān)系，在允許圖6所示的操作模式或強(qiáng)制圖7所示的操作模式之間進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)電源應(yīng)保持其輸出時(shí)圖7中的操作模式防止vaux降至最小值以下?？梢酝ㄟ^(guò)將verror用作關(guān)于調(diào)節(jié)輸出是否處于vaux不在其飽和電平的情況下的調(diào)節(jié)的代理來(lái)對(duì)此進(jìn)行確定。微控制器可以控制圖2的電路作為重復(fù)脈沖電流源，以使vaux保持在最小閾值以上。這是所公開的啟動(dòng)電路的另一種可能的操作模式。

盡管已詳細(xì)地示出和描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的前提下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。