開關(guān)模式電源及其控制器、發(fā)光電路和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及開關(guān)模式電源（SMPS)及其控制器，涉及包含這種SMPS的發(fā)光電路以 及用于控制開關(guān)模式電源的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在SMPS的一些設(shè)計(jì)中，開關(guān)元件包括分離但串聯(lián)的電源開關(guān)和控制開關(guān)。目前在 電源開關(guān)是高電壓雙極結(jié)型晶體管的設(shè)計(jì)中這是最常見的情況，并且通常可能是必須的。 然而，需要在開頭指出，分離的電源開關(guān)和控制開關(guān)還可用于電源開關(guān)是高電壓M0SFET的 設(shè)計(jì)中。由于分離的控制開關(guān)和電源開關(guān)通常利用雙極結(jié)型晶體管，因此利用這兩個(gè)開關(guān) 的設(shè)計(jì)常常被隨意地稱為發(fā)射極開關(guān)轉(zhuǎn)換器。相比于高電壓M0SFET，高電壓雙極器件可能 明顯更便宜，但是由于它們存在低電壓放大的缺陷，因此它們通常需要大的基極驅(qū)動電流。
[0003] 開關(guān)模式電源通常在控制器的控制下操作，控制器控制開關(guān)元件開關(guān)的時(shí)序。在 發(fā)射極開關(guān)轉(zhuǎn)換器的情況中，開關(guān)元件可以對控制開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，并且電源開關(guān)被布置且 配置為遵循控制開關(guān)的操作進(jìn)行開關(guān)。
[0004] 在圖1中示出通過整流器B1和輸入平滑電容器C1連接到AC干線（mains) 120的 SMPS和驅(qū)動LED的示意圖。在此情況下，SMPS是降壓（buck)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器包括控制 開關(guān)S1、電源開關(guān)S2和電感器L1的串聯(lián)布置。在該布置中，被示出為LED的串聯(lián)串的負(fù) 載與電感器L1串聯(lián)。如圖所示，電源開關(guān)S2是需要較大基極電流的雙極型晶體管。為了 向電源開關(guān)S2提供該基極電流，開關(guān)S2的基極端子通過電阻器R1以及并聯(lián)布置的二極管 D3和電阻器R4連接到被平滑整流的干線輸入。選擇電阻器R4的值以設(shè)置電源開關(guān)S2所 需要的合適的基極電流，并且設(shè)置二極管D3以確保S2可以快速斷開。SMPS包括具有電源 端子114和接地端子112的控制器110。電容器C2連接到所述兩個(gè)端子的兩端，以向控制 器110提供電源電壓Vcc。還示出了感測電阻器R2，其連接到控制器并用于感測通過電感 器的電流以控制開關(guān)。
[0005] -旦Vcc升高至啟動電壓以上，控制器就開始進(jìn)行開關(guān)操作。然而，通常開關(guān)模式 電源控制器在開關(guān)狀態(tài)比在非開關(guān)狀態(tài)消耗更大的電源電流。例如，需要額外的電源電流 來驅(qū)動電源開關(guān)。當(dāng)通過R1的電流正好足以將C2充電至啟動電壓電平（Vstart)時(shí)，該電 流可能不足以在操作期間向SMPS供電。電源電壓會隨之降低并且可能達(dá)到SMPS不能再正 常工作的電壓電平。因此，通常實(shí)施欠壓鎖定電壓（Vstop)，該Vstop停止SMPS的操作。一 旦SMPS停止操作，則控制器的電源電流再次降低，并且電容器能夠重新充電到啟動電壓電 平，這將隨后重復(fù)SMPS啟動和停止的情況。
[0006] 為了防止這種導(dǎo)通和斷開操作，添加包括二極管D2和電阻器R3的接管電源 (take-oversupply)，以在轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)行開關(guān)并且LED電壓升高至Vcc電平以上時(shí)立即 提供附加電流?？蛇x擇地，對于反激式轉(zhuǎn)換器，可以在變壓器的初級側(cè)包括輔助線圈以在 SMPS處于操作狀態(tài)時(shí)向控制器供電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)第一方面，提供了一種用于轉(zhuǎn)換輸入電壓的開關(guān)模式電源，包括：電感器、電 源開關(guān)和用于控制電源開關(guān)的控制開關(guān)的串聯(lián)布置；控制器，被配置為對控制開關(guān)進(jìn)行控 制且具有電源端子和接地端子；電容器，耦合在控制器的接地端子和電源端子之間，并用于 向控制器供電；第一電流路徑，被布置為僅在控制開關(guān)斷開且電源開關(guān)閉合時(shí)向電容器提 供電荷；可連接的第二電流路徑，被布置為從電源開關(guān)的控制端子汲取電流從而斷開電源 開關(guān)；連接開關(guān)，被配置為響應(yīng)于電容器兩端的電壓超過閾值電壓而連接第二電流路徑。
[0008] 通過在時(shí)間上分開斷開控制開關(guān)和斷開電源開關(guān)的時(shí)機(jī)，可以從輸入（諸如整流 后的干線）將電荷提供給電容器。在電容器被用于向控制器供電的實(shí)施例中，可以因此不 需要用于控制器的輔助電源。
[0009] 在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，電源開關(guān)是雙極結(jié)型晶體管，并且從電源開關(guān)的控制 端子汲取出的電流由處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管的基極電荷提供。在控制開關(guān)與電源開關(guān)分開 的布置中，最常用的是雙極晶體管，因?yàn)樗鼈円话銜萂0SFET更便宜。雙極晶體管中的基 極電荷一般比任何M0SFET的柵極上的電荷高得多。在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)模式電 源還包括：通過電源開關(guān)的基極從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式電源的啟動的另一電流路徑。在一個(gè)或 更多個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)電源是M0SFET。
[0010] 在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，第二電流路徑是被布置為從電源開關(guān)的控制端子汲取 電流以對電容器進(jìn)行充電的回收路徑。尤其在電源開關(guān)是雙極晶體管的情況下，基極電荷 會相對高，因此通過回收該電荷來對電容器充電，可以實(shí)現(xiàn)電路效率的顯著提升。
[0011] 在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)模式電源還包括在電源開關(guān)的控制端子和輸入電 壓（可以是整流后的干線）的正端子之間的電流路徑。
[0012] 在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，被布置為在電源開關(guān)閉合時(shí)向電容器提供電荷的電流 路徑包括二極管。
[0013] 開關(guān)模式電源可以是降壓轉(zhuǎn)換器并且被布置用于使負(fù)載與所述串聯(lián)布置串聯(lián)?？?選擇且無限制地，開關(guān)模式電源可以是升壓轉(zhuǎn)換器并且被布置為使負(fù)載與串聯(lián)的控制開關(guān) 和電源開關(guān)并聯(lián)。此外且無限制地，開關(guān)模式電源可以是反激式轉(zhuǎn)換器，其中，所述電感器 是變壓器的初級線圈，并開關(guān)模式電源被布置為使負(fù)載連接到變壓器的次級線圈。
[0014] 根據(jù)另一方面，提供了一種包括上述開關(guān)模式電源和所述負(fù)載的發(fā)光電路，其中， 所述負(fù)載是LED串。輸入電壓可以是整流和平滑后的干線供電。
[0015] 根據(jù)另一方面，提供了一種控制開關(guān)模式電源的方法，其中，所述開關(guān)模式電源包 括：電源開關(guān)、控制開關(guān)和電感器的串聯(lián)布置，所述串聯(lián)布置的兩端連接到輸入電壓（諸如 整流和平滑后的干線）的正端子和負(fù)端子；控制器，具有電源端子和接地端子；電容器，連 接在控制器的接地端子和電源端子之間并且用于向控制器供電；所述方法包括：操作控制 器以周期性地?cái)嚅_和閉合控制開關(guān)；僅在控制開關(guān)斷開且電源開關(guān)閉合時(shí)才通過第一電流 路徑向電容器提供電荷；以及響應(yīng)于電容器兩端的電壓超過閾值電壓，操作連接開關(guān)以連 接第二路徑，從而從電源開關(guān)的控制端子汲取電流以斷開電源開關(guān)。
[0016] 在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，電源開關(guān)是雙極結(jié)型晶體管，并且從電源開關(guān)的控制 端子汲取電流釋放處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管的基極電荷。
[0017] 在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，從電源開關(guān)的控制端子汲取的電流用于對電容器充 電。
[0018] -個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例還包括：在開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的啟動階段期間，向電源開 關(guān)的控制端子提供啟動電流，從而向電容器提供啟動能量。
[0019] 根據(jù)和參照在下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它方面將清楚。
【附圖說明】
[0020] 將參照附圖僅通過示例的方式描述實(shí)施例，其中：
[0021] 圖1示出連接到AC干線的SMPS的發(fā)光電路以及驅(qū)動發(fā)光電路的示意圖；
[0022] 圖2示出根據(jù)實(shí)施例的發(fā)光電路；
[0023] 圖3示出與圖2的電路相關(guān)聯(lián)的各種信號；
[0024] 圖4-7示出在一個(gè)半開關(guān)周期期間流過圖2的電路的電流；
[0025] 圖8-13示出根據(jù)其它實(shí)施例的開關(guān)模式電源；
[0026] 圖14和圖15示出電源開關(guān)、控制開關(guān)、電感器的示例布置，其中具有用于對電容 器充電的關(guān)聯(lián)電流路徑。
[0027] 應(yīng)注意，附圖是概略的而不是按比例的繪制。為了附圖的清楚和便利，這些附圖中 的部件的相對維度和比例已被示出為在尺寸上放大或縮小。相同標(biāo)號通常用于表示修改后 和不同的實(shí)施例中的相應(yīng)或相似特征。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 圖2示出根據(jù)實(shí)施例的用于轉(zhuǎn)換輸入電壓的開關(guān)模式電源。SMPS(還可被稱為開 關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器）包括：電感器L1、電源開關(guān)S2、用于控制電源開關(guān)的控制開關(guān)S1的串 聯(lián)布置；控制器110,被配置為對控制開關(guān)進(jìn)行控制且具有電源端子112和接地端子114 ; 電容器C2,耦合在控制器的接地端子和電源端子之間，用于向控制器供電；第一電流路徑 240,被布置為僅在控制開關(guān)斷開且電源開關(guān)閉合時(shí)才向電容器提供電荷；可連接的第二電 流路徑250,被布置為從電源開關(guān)的控制端子汲?。╠raw)電流從而斷開電源開關(guān)；以及連 接開關(guān)S3,被配置為在電容器兩端的電壓超過閾值電壓的情況下或者響應(yīng)于電容器兩端的 電壓超過閾值電壓，連接第二電流路徑。
[0029] 在圖2的示意圖中，SMPS被示出為通過整流器B1和輸入平滑電容器C1連接到AC 干線，并驅(qū)動LED串230。轉(zhuǎn)換器包括控制開關(guān)S1、電源開關(guān)S2和電感器L1的串聯(lián)布置 (不必須是這種順序）。LED串包括負(fù)載并且串聯(lián)到電感器L1。控制器110具有電源端子 114和接地端子112。電容器C2的兩