專利名稱：高壓啟動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子器件的領(lǐng)域，并且具體地涉及一種高壓啟動電路。
背景技術(shù)：
功率轉(zhuǎn)換器對于許多現(xiàn)代電子器件是必不可少的。除了其他的能力之外，功率轉(zhuǎn)換器可以向下調(diào)整電壓電平(降壓轉(zhuǎn)換器及其衍生物)或者向上調(diào)整電壓電平(升壓轉(zhuǎn)換器及其衍生物)。功率轉(zhuǎn)換器也可以從交流(AC)功率轉(zhuǎn)換成直流(DC)功率，或者反之亦然。功率轉(zhuǎn)換器也可以用來提供處于調(diào)節(jié)電平(例如5. OV或5安培)的輸出。功率轉(zhuǎn)換器典型地使用一個或多個諸如晶體管之類的開關(guān)器件來實現(xiàn)，所述開關(guān)器件被接通和斷開以向轉(zhuǎn)換器的輸出輸送功率。控制電路系統(tǒng)(circuitry)被提供來調(diào)節(jié)開關(guān)器件的接通和斷開，并且因此這些轉(zhuǎn)換器被稱為“開關(guān)調(diào)節(jié)器”或者“開關(guān)轉(zhuǎn)換器”。這樣的功率轉(zhuǎn)換器可以結(jié)合到電源(power supply)中或者用來實現(xiàn)電源，即開關(guān)模式電源(SMPS)。功率轉(zhuǎn)換器也可以包括一個或多個用于交替地存儲和輸送能量的電容器或電感器。電源以及用于電源的控制器用在許多應(yīng)用中。離線低壓應(yīng)用處于85VAC465VAC 的范圍內(nèi)，其與例如用于美國、歐洲、亞洲等的標(biāo)準(zhǔn)線電壓對應(yīng)。高壓(HV)應(yīng)用可以是
以上的任何應(yīng)用，諸如例如工業(yè)電源(要求高達(dá)600V的AC輸入)、用于風(fēng)車的偏置電源 (bias supply)(要求高達(dá)1000V的AC輸入)、太陽能電池板(要求可以對800V至1000V 的DC輸入進(jìn)行操作的“串式”轉(zhuǎn)換器)、鎮(zhèn)流器(其可以從近似85V的AC到超過480V的 AC進(jìn)行操作)、工業(yè)照明應(yīng)用中的功率因數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)器以及“智能儀表”(其可以對范圍從大約85V至576V的AC或者近似120V至820V的DC的輸入進(jìn)行操作)。用于監(jiān)視例如電力使用的儀表可能要求范圍在IW與15W之間的電源。非智能儀表使用大約IW的電源?？梢允蔷哂械街行奈恢玫耐ㄐ沛溄右员O(jiān)視和控制電力使用的儀表的“智能儀表”典型地使用例如在傳輸期間范圍在5W與7W之間的更高的功率電平。智能儀表實現(xiàn)電力公司與消費者和商業(yè)電力用戶二者之間的雙向通信以試圖提高輸送效率以及控制和調(diào)節(jié)總體功耗的能力。它們是“智能電網(wǎng)”技術(shù)倡議的一部分。智能儀表可以包括電源、用于電源的控制器、用于接收功率(例如AC源)的輸入、 測量部分和通信部分。通信部分典型地包括向/從儀表讀取器、其他儀表(例如氣體或水) 或者電器(例如冰箱)接收和/或發(fā)射射頻(RF)信號的射頻(RF)子部分。智能儀表應(yīng)當(dāng)能夠在AC輸入處耐受高達(dá)6000V的瞬態(tài)值。此外，智能儀表可以用于或者暴露于寬范圍的應(yīng)用(例如從85V至900V)。為此，智能儀表前端處的所有部件典型地必須額定用于該寬范圍或者以特定方式設(shè)置。
智能儀表的規(guī)范允許連續(xù)的傳輸，因此電源需要針對該較高功率電平確定尺寸。 此外，存在具有超過15W的功率電平的一些特殊儀表。用于儀表的電源可以提供單輸出27 至12伏特(左右)，或者雙輸出27至12V(左右)和5V/3.3V。這些電源通常使用非隔離回掃(flyback)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，但是有時使用降壓或隔離回掃轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。所有的電源控制器需要在存在足夠的輸入電壓以便驅(qū)動第一脈沖激勵電源控制器時啟動。在低電壓應(yīng)用中，控制器可以簡單地連接到整流的標(biāo)準(zhǔn)線電壓。對于諸如沈5乂以上的那些之類的其他應(yīng)用，控制器典型地可以包括高壓(HV)啟動管腳或端子和相關(guān)電路系統(tǒng)，其被連接以接收HV功率并且將HV功率轉(zhuǎn)換成控制器所需的電平。

發(fā)明內(nèi)容
簡短且一般地說，本發(fā)明的實施例包括高壓啟動電路。本發(fā)明的實施例也包括高壓輸入電容器平衡電路?？赡艿氖窃谙嗤碾娫粗惺褂眠@些發(fā)明電路中的一者或二者。啟動和輸入電容器平衡電路系統(tǒng)可以用于寬范圍的應(yīng)用，包括低壓和高壓應(yīng)用。本發(fā)明的實施例也包括具有啟動和輸入電容器平衡電路系統(tǒng)的電源。本發(fā)明的另外的實施例包括結(jié)合了這樣的電源的系統(tǒng)(諸如智能儀表)。在一個實施例中，提供了一種用于電源的啟動電路。該啟動電路包括耦合在電壓源與第一節(jié)點之間的電阻。耦合到第一節(jié)點的第一電容器可操作來通過流經(jīng)電阻的電流充電。第一晶體管具有發(fā)射極、基極和集電極，其中集電極耦合到電壓源并且基極耦合到第一節(jié)點。耦合到第一晶體管的發(fā)射極的二端交流開關(guān)(diac)電路可操作來激發(fā)(fire)以接通第一晶體管，從而允許第一電容器通過第一晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)放電。第二電容器可操作來通過與由二端交流開關(guān)電路的激發(fā)引起的放電電壓有關(guān)的電流充電。第二電容器可操作來存儲電荷以向電源的控制器提供VCC電壓。在另一個實施例中，用于提供偏置電壓的啟動電路包括耦合在電壓源與第一節(jié)點之間的電阻。耦合到第一節(jié)點的第一電容器可操作來通過流經(jīng)電阻的電流充電。第一晶體管具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到電壓源并且控制端子耦合到第一節(jié)點。耦合到第一晶體管的第二端子的二端交流開關(guān)電路可操作來激發(fā)以接通第一晶體管，從而允許第一電容器通過第一晶體管的控制端子-第二端子結(jié)放電。第二電容器可操作來通過與由二端交流開關(guān)電路的激發(fā)引起的放電電壓有關(guān)的電流充電。第二電容器可操作來存儲電荷以提供偏置電壓。在又一個實施例中，電源包括耦合在電壓源與第一節(jié)點之間的電阻。耦合到第一節(jié)點的第一電容器可操作來通過流經(jīng)電阻的電流充電。第一晶體管具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到電壓源并且控制端子耦合到第一節(jié)點。耦合到第一晶體管的第二端子的二端交流開關(guān)電路可操作來激發(fā)以接通第一晶體管，從而允許第一電容器通過第一晶體管的控制端子-第二端子結(jié)放電。第二電容器可操作來通過與由二端交流開關(guān)電路的激發(fā)引起的放電電壓有關(guān)的電流充電。第二電容器可操作來存儲電荷以提供電源電壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以下的附圖、描述和權(quán)利要求容易明白本發(fā)明的重要技術(shù)優(yōu)
點ο


為了更完整地理解本發(fā)明以及為了獲知另外的特征和優(yōu)點，現(xiàn)在參照以下結(jié)合附圖進(jìn)行的描述。圖1為具有啟動電路的電源的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖2A-2C為啟動電路的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖2D為電源電路的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖3為具有輸入電容器平衡電路的電源的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖4為用于電源的高壓輸入電容器平衡電路的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖5A和圖5B圖解說明了電阻分壓器和Xl緩沖器的示例性連接布置和配置。圖6為Xl緩沖器的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖7A-7G為高壓輸入電容器平衡和啟動電路的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖8為電源的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。圖9為電容器平衡和啟動電路的示例性等效電路圖和布局。
具體實施例方式通過參照附圖的圖1-9，最佳地理解本發(fā)明的實施例及其優(yōu)點。通常，相似的數(shù)字用于各個不同附圖的相似和對應(yīng)部分。高壓啟動電路對于高壓電源，本發(fā)明的實施例可以向許多電源控制器供應(yīng)適當(dāng)縮放的啟動電壓。所有的電源控制器需要經(jīng)由啟動電源進(jìn)行偏置，因此它們能夠驅(qū)動第一脈沖到輸出開關(guān)以使電源運行。一旦電源運行，該電源可以經(jīng)由Vcc或者偏置電源將所需的偏置提供給控制器。圖1為依照本發(fā)明實施例的電源100的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。這樣的電源可以用于或者結(jié)合到諸如例如智能儀表之類的器件中，所述器件經(jīng)受或者用于從低壓到高壓的寬范圍的應(yīng)用。電源100可以在輸入端子(C0N3)處連接到電源(power source)并且利用范圍從大約例如近似150V到1200V的DC的輸入來操作。電源100在輸出端子(C0N2) 處為器件(例如智能儀表)提供功率。如所示，電源可以是被修改成在非常寬的輸入電壓范圍上且以低功率操作的回掃設(shè)計。這些修改導(dǎo)致在整個輸入電壓范圍和操作負(fù)載上的良好效率。電源100可以是具有至少一個開關(guān)器件的開關(guān)模式電源(SMPS)，所述開關(guān)器件被接通和斷開以輸送功率給電源100的輸出。在該實施例中，電源100包括發(fā)射極開關(guān)的BJT/ MOSFET共射共基放大器(cascode)，其由BJT 112和開關(guān)器件114(也分別標(biāo)記為Q4和Q5) 級聯(lián)構(gòu)成，使得控制器110驅(qū)動開關(guān)器件114并且BJT 112耐受高壓。這使得發(fā)射極開關(guān)的BJT/M0SFET共射共基放大器容易在高壓下驅(qū)動并且輸送高性能開關(guān)。開關(guān)器件114可以實現(xiàn)為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，但是理解的是，這樣的開關(guān)器件114也可以利用其他適當(dāng)?shù)钠骷韺崿F(xiàn)，諸如例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)、雙極結(jié)晶體管(BJT)等等。控制器110產(chǎn)生控制信號，該控制信號被提供給開關(guān)器件114的控制端子以用于接通和斷開開關(guān)器件114，從而向變壓器、輸出整流器和輸出調(diào)節(jié)器提供AC驅(qū)動以產(chǎn)生用于電流輸出的調(diào)節(jié)電壓。在一些實施例中，為了輸出電壓調(diào)節(jié)，控制信號可以是脈寬調(diào)制 (PWM)控制信號。在一些實施例中，控制器110可以利用任何適當(dāng)?shù)腟MPS控制器來實現(xiàn)為諸如例如UC3845B或者FAN7601，二者可從仙童半導(dǎo)體公司(Fairchild Semiconductor Corp.)獲得。在該說明性實施例中的特定控制器110確實包括HV輸入端子(VSTR)。電源100包括高壓啟動電路120，該高壓啟動電路連接或耦合到控制器110并且為控制器110提供啟動VCC電壓。高壓啟動電路的操作的細(xì)節(jié)參照圖2A-2C加以描述。如圖2A和圖2B中所示，在一個實施例中，高壓啟動電路120可以包括晶體管122、1M和二端交流開關(guān)電路126(也分別標(biāo)記為Q2、Q3和DB3)。晶體管122、124可以例如實現(xiàn)為BJT、IGBT、MOSFET或者任何其他適當(dāng)?shù)钠骷６私涣鏖_關(guān)電路1 可以利用二端交流開關(guān)或者以與二端交流開關(guān)類似的方式運行的類似電路或器件(例如，以具有正反饋的復(fù)合布置耦合的兩個晶體管(BJT或 M0SFET))來實現(xiàn)。在一個實施例中，晶體管122可以利用FJP5089或者FJP2222來實現(xiàn)，晶體管IM可以利用FJP5603來實現(xiàn)，并且二端交流開關(guān)電路1 可以利用DB3來實現(xiàn)，所有都可作為半導(dǎo)體集成電路(IC)從仙童半導(dǎo)體公司獲得。高壓啟動電路120是非耗散有源啟動電路，其被實現(xiàn)為優(yōu)化電源100的轉(zhuǎn)換器效率。相比之下，純電阻啟動電路將消耗功率并且由于電阻消耗與(versus)低輸出功率_ 而具有極低的總轉(zhuǎn)換器效率。在一些實施例中，晶體管122和124以及二端交流開關(guān)電路126可以在相同的或者單獨的集成電路(IC)封裝中提供。在一個實施例中，用于高壓啟動電路120的這些部件可以在單模塊(“聯(lián)合封裝”或“聯(lián)合包裝”)中提供。如所示，利用這樣的配置，模塊具有例如針對電源、輸入、地、柵極和輸出的端子(圖2A)。高壓啟動電路120可以耦合到控制器以提供VCC啟動功率(例如在輸出端子處)。在電源中，啟動電路120可以通過啟動電阻和電容而耦合到電源(例如120V-1200V的DC)。啟動電阻包括一系列電阻器128-140(也分別標(biāo)記為R1-R6)，并且電容包括電容器142-146 (也分別標(biāo)記為C1-C3)。啟動電阻器1觀_140 可以充當(dāng)確保每個輸入電容器兩端的相同電壓降并且向高壓啟動電路120的晶體管124的基極供應(yīng)電流的平衡器(balance)。此外，啟動電阻器1觀_140形成用來對電源100的電容器148(也標(biāo)記為C4)充電的來自電源的電流源。依照本發(fā)明的一個實施例，在高壓啟動電路120的操作中，只要電源100的開關(guān)器件114(圖1)保持?jǐn)嚅_，那么通過電阻器128-140的電流對電容器148充電。電容器148 充電到足夠高的電壓(例如近似32伏特)，使得啟動電路120的晶體管124的發(fā)射極上的電壓達(dá)到二端交流開關(guān)電路1 的觸發(fā)電壓。二端交流開關(guān)電路1 激發(fā)并且通過晶體管 124的基極-發(fā)射極結(jié)對電容器148放電(大約10伏特)，然后斷開。電阻器152 (也標(biāo)記為R9)劃分的放電電壓產(chǎn)生進(jìn)入VCC存儲電容器150和116(在圖1中也標(biāo)記為C14)的大約例如0.3A的電流脈沖。晶體管IM處的基極電流將其接通。晶體管124的增益將倍增放電電流以增加通過二端交流開關(guān)電路126的電流。一旦二端交流開關(guān)電路1 斷開，電容器148在另一個循環(huán)中開始再次充電。每個充電循環(huán)增加VCC存儲電容器150和116上的電壓。這些循環(huán)繼續(xù)，直到VCC電壓足夠用于控制器110啟動。在VCC達(dá)到器件閾值之前，控制器110的輸出為低并且開關(guān)器件114斷開。高壓啟動電路120可以在使用之后斷開以最小化電流汲取。特別地，一旦控制器110啟動，控制器110的輸出(例如對于FAN7601實現(xiàn)方式為Vref)變高，從而接通開關(guān)器件112。這進(jìn)而將電容器148的充電電流分流至地并且斷開高壓啟動電路120。因此，一旦控制器110的啟動完成，那么高壓啟動電路120關(guān)斷并且電路消耗例如降低到大約< luff。 如果控制器110停止，那么高壓啟動電路120將再次開始生效(kick in)以使VCC高達(dá)允許控制器重新啟動的適當(dāng)電平。高壓啟動電路120可以在非常寬的輸入范圍(例如從50V 至1500V的DC)上操作。圖2C為用于電源(比如圖1中所示的電源)的啟動電路170的另一個示例性實現(xiàn)方式的示意圖。啟動電路170是非耗散有源啟動電路，其被實現(xiàn)為優(yōu)化電源的轉(zhuǎn)換器效率。在一個實施例中，高壓啟動電路170可以包括晶體管172、174、175和二端交流開關(guān)電路176(也分別標(biāo)記為Ql、Q2、Q3和Dl)。如所示，晶體管172、174實現(xiàn)為BJT并且晶體管 175可以實現(xiàn)為M0SFET，但是理解的是，這樣的晶體管也可以利用其他適當(dāng)?shù)钠骷韺崿F(xiàn)， 諸如例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)等等。在電源中，啟動電路170可以通過啟動電阻和電容而耦合到電源。啟動電阻包括一系列電阻器178、180(也分別標(biāo)記為Rl和R2)，并且電容包括電容器184、186(也分別標(biāo)記為Cl和C2)。在啟動電路170的操作中，只要電源的開關(guān)器件114(圖1)保持?jǐn)嚅_，那么通過電阻器178和180的電流對電容器182(也標(biāo)記為C3)充電。電容器182充電到足夠高的電壓，使得啟動電路170的晶體管172的發(fā)射極上的電壓達(dá)到二端交流開關(guān)電路176的觸發(fā)電壓。二端交流開關(guān)電路176激發(fā)并且通過晶體管172的基極-發(fā)射極結(jié)對電容器182 放電，然后斷開。放電對VCC存儲電容器188(也標(biāo)記為C4)充電。一旦二端交流開關(guān)電路 176斷開，電容器182在另一個循環(huán)中開始再次充電。每個充電循環(huán)增加VCC存儲電容器 188上的電壓。這些循環(huán)繼續(xù)，直到VCC電壓足夠用于控制器110(圖1)啟動。在VCC達(dá)到器件閾值之前，控制器110的輸出為低并且開關(guān)器件114斷開。高壓啟動電路170可以在使用之后斷開以最小化電流汲取。一旦控制器110啟動，開關(guān)器件114接通，從而典型地將晶體管172的集電極上的電壓降低至小于2V。晶體管174的集電極也接通二極管190(也標(biāo)記為D2)以對電容器182上的電壓放電，使得在晶體管172的基極上電壓從來不會變高得足以使二端交流開關(guān)電路176導(dǎo)通。來自控制器110的脈沖以足夠高的頻率操作，使得電容器182上的電壓保持放電并且啟動電路170有效地斷開。除了為電源中的控制器提供VCC之外，所述啟動電路(例如120和170)還可以用于其他應(yīng)用。在一些應(yīng)用中，例如，高壓啟動電路可以用作電流源或者用來通過高壓輸入使 LED閃爍。此外，這樣的電路它們本身可以用作電源。并且利用添加的電壓調(diào)節(jié)器，這些電路可以用作調(diào)節(jié)的電源。圖2D圖解說明了啟動電路如何可以用作調(diào)節(jié)的電源。圖2D為電源電路1000的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。在一個實施例中，電源電路 1000可以包括晶體管11M、1122和二端交流開關(guān)電路11 (也分別標(biāo)記為Q1、Q2和Dl)。如所示，晶體管1122、11M實現(xiàn)為BJT，但是理解的是，這樣的晶體管也可以利用其他適當(dāng)?shù)钠骷韺崿F(xiàn)，諸如例如MOSFET、IGBT、IGFET等等。電源電路1000也包括電阻11觀、1130 (也分別標(biāo)記為Rl和R2)、電容器1148、1150(也分別標(biāo)記為C3和C4)和齊納二極管1152(也標(biāo)記為D2)。在操作中，從輸入電壓Vin流經(jīng)電阻11 的電流對電容器1148充電，直到電壓達(dá)到二端交流開關(guān)電路1126的激發(fā)電壓。當(dāng)二端交流開關(guān)電路11 激發(fā)時，它通過晶體管 1124的基極-發(fā)射極結(jié)對電容器1148放電。晶體管IlM的增益將倍增放電電流以增加通過二端交流開關(guān)電路1126的電流。在放電期間，二端交流開關(guān)電路11 的電壓可以在導(dǎo)通期間從例如近似33V下降至幾伏特。二端交流開關(guān)電路11 和晶體管IlM 二者將保持接通，直到通過晶體管IlM的電流下降至其中晶體管IlM和電容器1148放電電流的組合電流不再可以保持二端交流開關(guān)電路1126導(dǎo)通的點。每個電流放電循環(huán)將電荷添加到電容器1150，這增大了其電壓。一旦該電壓達(dá)到齊納二極管1152的擊穿電壓和晶體管1122 的基極發(fā)射極電壓，晶體管112對電容器1148放電，從而停止充電/放電循環(huán)并且調(diào)節(jié)電容器1150上的電壓以提供調(diào)節(jié)的電壓Vbias。高壓輸入電容器平衡電路電源(例如SMPS)可以具有對輸入功率濾波的一個或多個電容器。輸入大于450V DC的電源典型地將堆疊式電解電容器用于輸入濾波器。這些電容器可能帶來問題。所有電容器具有泄漏電流。這些電容器的泄漏可能是顯著的并且起初且隨著時間和溫度從電容器到電容器而變化。不平衡的電容器泄漏在堆疊式電容器兩端產(chǎn)生不同的電壓，這可能導(dǎo)致過早的失效。用于平衡堆疊式電容器兩端的電壓的典型方式是在每個電容器兩端放置平衡電阻器。電壓依照電阻器而不是電容器之比來劃分。電阻器泄放(bleed)電流被選擇為隨著時間和溫度的期望最壞情況電容器泄漏電流的至少10倍。這本身是有問題的，因為泄放電流可能相當(dāng)大，從而顯著地增加功耗。更特別地，在正常工作條件下，平衡電阻仍然消耗少量的功率；但是如果電阻設(shè)置得相當(dāng)高，那么這可以是相當(dāng)?shù)偷?。假設(shè)輸入電容器值在 450V下低于33uF，則用于這樣的電阻器的典型值在每個電容器兩端為200千歐姆。兩個電阻器典型地用來實現(xiàn)200千歐姆以獲得足夠的電壓擊穿。因此，每個電阻器可以為近似100 千歐姆。電容器值越大并且操作溫度越高，則通過電容器的泄漏電流越高并且需要待補償?shù)碾娮杵髦翟降?。遺憾的是，甚至在理想條件和最大功率輸出下，經(jīng)由平衡電阻器損耗的功率也是有意義的。這可能因用于電源的寬輸入操作范圍而惡化。為了解決或減輕這個問題，依照一些實施例，高壓輸入電容器平衡電路用來平衡高壓電源中的輸入電容器。在一些實施例中，高壓輸入電容器平衡電路可以與高壓啟動電路一起使用或者與高壓啟動電路組合以將啟動電壓(例如啟動VCC)提供給具有HV啟動能力的控制器。分壓器損耗可以通過使用具有近似1的增益的緩沖器來有源地驅(qū)動電容器平衡而降低高達(dá)90%。智能儀表電源基于最壞情況功率要求而被確定尺寸。智能儀表在傳輸/接收期間汲取大部分功率。非傳輸功率要求(待機功率)可以為最大值的10%或更少。在待機期間，諸如輸入電容器泄放電阻器之類的固定負(fù)載可能是所有電源電流的相當(dāng)大的百分比。 因此，代表待機期間的顯著損耗。儀表典型地在其大部分操作時間運行于待機下。為了最大化儀表效率，需要采用一種最小化待機期間電容器平衡開銷功率成本的方法。圖3為依照本發(fā)明實施例的電源200的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。這樣的電源200 可以用于或者結(jié)合到諸如例如智能儀表之類的器件中，所述器件經(jīng)受或者用于從低壓到高壓的寬范圍的應(yīng)用。電源200可以在輸入端子處連接到電源并且利用例如近似120V-850V DC的寬范圍的輸入電壓來操作。電源200在輸出端子處為器件(例如智能儀表)提供功率。電源200包括開關(guān)控制器210和高壓輸入電容器平衡電路300。在一個實施例中， 開關(guān)控制器210可以利用具有HV輸入管腳的適當(dāng)控制器(諸如例如可從仙童半導(dǎo)體公司獲得的FAN 7601開關(guān)控制器)來實現(xiàn)。高壓輸入電容器平衡電路300可以以許多方式實現(xiàn)。圖4為依照本發(fā)明實施例的高壓輸入電容器平衡電路300的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。高壓輸入電容器平衡電路300可以為用作電源的輸入濾波器的二輸入電容器配置 (電容器Cl和以)提供有源平衡。給定最壞情況電容值不平衡和輸入電壓紋波，電阻器R3 限制到電容器Cl和C2的驅(qū)動電流。如所示，高壓輸入電容器平衡電路300包括分壓器310和Xl (“乘1”)緩沖器312。 給定電容器Cl和C2的值及其隨著時間和溫度的最壞情況泄漏電流，分壓器310可以例如設(shè)置為正常所需泄放電流的五分之一至二十分之一。在一個實施例中，分壓器310可以利用多個電阻器(例如所示的R1、R2)來實現(xiàn)，所述電阻器具有提供期望的較低泄放電流(例如正常所需泄放電流的五分之一至二十分之一)的值。圖5A和圖5B圖解說明了電阻分壓器310和Xl緩沖器312的示例性連接布置和配置。圖6為依照本發(fā)明實施例的Xl緩沖器312的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。如所示， Xl緩沖器312本身可以包括晶體管314、316和318。在一個實施例中，晶體管314可以利用諸如可從仙童半導(dǎo)體公司獲得的FQNIN60C之類的MOSFET來實現(xiàn)；并且晶體管316和318 中的每一個可以利用諸如也可從仙童半導(dǎo)體公司獲得的KSP94之類的BJT來實現(xiàn)。然而， 應(yīng)當(dāng)理解的是，晶體管314、316和318可以利用其他適當(dāng)?shù)钠骷韺崿F(xiàn)。參照圖4-6，在操作中，如果電容器Cl和C2碰巧具有相同的泄漏電流，即是平衡的，那么每個電容器上的電壓將相同，并且無需從高壓輸入電容器平衡電路300通過電阻器Rl的校正電流。在高壓輸入電容器平衡電路300內(nèi)，一些電流流經(jīng)分壓器310的電阻器 R2、R3、R4和R5以建立電壓參考電平，但是與無源平衡(其不包括Xl緩沖器31 將所需的典型泄放電流相比，電流量將相對較小。在Xl緩沖器312中，晶體管314、316和318斷開，使得沒有電流流動。因此，高壓輸入電容器平衡電路300在電容器Cl和C2平衡時并不消耗顯著的功率。然而，如果電容器Cl和C2不平衡，那么Xl緩沖器312通過電阻器Rl提供電流以有源地驅(qū)動電容器平衡。該電流源自晶體管314或316、317，其通過由分壓器R2、 R3、R4、R5建立的至緩沖器的輸入電壓與輸入濾波器電容器公共連接上的電壓之間的電壓差而接通。如果緩沖器輸入相對于電容器公共電壓為正，那么314接通。如果相對緩沖器輸入為負(fù)，那么316和318接通并且314保持?jǐn)嚅_。此外，高壓輸入電容器平衡電路300也可以為電源中的具有HV啟動管腳的控制器提供例如等于一半輸入電壓的緩沖電壓。晶體管314的MOSFET實現(xiàn)方式可以提供額外的增益以驅(qū)動控制器的高壓啟動控制器管腳。注意314也可以使用諸如達(dá)林頓晶體管之類的高增益BJT來實現(xiàn)。具有HV啟動管腳的控制器在啟動之后斷開電流汲取，因此非常高效。 這與有源平衡電路組合可以大大地提高電源效率。圖7A-7G為高壓輸入電容器平衡和啟動電路的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。參照圖7A，依照本發(fā)明實施例的高壓輸入電容器平衡和啟動電路400的示例性實現(xiàn)方式可以為用作電源的輸入濾波器的二輸入電容器配置(電容器C1、U)提供有源平衡。高壓輸入電容器平衡電路400也可以為電源中的控制器提供啟動電壓。如所示，高壓輸入電容器平衡電路400包括分壓器410和Xl (“乘1”)緩沖器412。 在一個實施例中，Xl緩沖器412可以封裝在具有8個管腳的SOIC(小外形集成電路)封裝中。分壓器410可以利用電阻器Rl、R2、R3和R4來實現(xiàn)，所述電阻器具有提供期望的較低泄放電流(例如正常所需泄放電流的五分之一至二十分之一)的值。圖7B為依照本發(fā)明實施例的高壓輸入電容器平衡和啟動電路500的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。高壓輸入電容器平衡電路500可以為用作電源的輸入濾波器的三輸入電容器配置(電容器C1、C2和Ο)提供有源平衡。高壓輸入電容器平衡電路500也可以為電源中的控制器提供啟動電壓。圖7C圖解說明了啟動和平衡電路可以以與輸入電容器類似的方式堆疊以為任意數(shù)量的輸入電容器或者輸入電壓提供電容器平衡。例如，在一個實施例中，四個輸入電容器將需要以堆疊布置的三個啟動和平衡電路。六個輸入電容器將需要五個堆疊的啟動和平衡電路。如所示，高壓輸入電容器平衡電路500包括分壓器510和兩個Xl ( “乘1”)緩沖器512。在一個實施例中，每個Xl緩沖器512可以封裝在具有8個管腳的SOIC封裝中。Xl 緩沖器512可以堆疊到平衡電容器Cl、C2和C3。分壓器510可以利用電阻器Rl、R2、R3、 R4、R5和R6來實現(xiàn)，所述電阻器具有提供期望的較低泄放電流(例如正常所需泄放電流的五分之一至二十分之一)的值。根據(jù)前述，看來有源電容器平衡在其中待機功率是重要的高壓低功率電源中將是非常有用的。然而，隨著功率輸出變得更大，輸入電容器值以及所得到的泄漏也是如此。由此可以看出，如果最小負(fù)載效率是重要的，那么幾乎任何電源都可以受益。圖7D-7G為依照本發(fā)明實施例的輸入電容器平衡和啟動電路的另外的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。低壓電容器平衡電路當(dāng)使用高電容值電容器(諸如“超級電容器”或“超級電容”)時，電容平衡在低壓下也可能是問題。超級電容典型地具有典型地低于6伏特的額定電壓，并且因此必須堆疊以增大它們可以運行所處的電壓。此外，諸如超級電容之類的低壓電容器對于過電壓非常靈敏，并且因此必須仔細(xì)地平衡。最后，這樣的電容器的能量存儲容量非常高，因此尤其是在充電和放電期間，電阻平衡方法可能是不合適的。在一個實施例中，在沒有過多泄放電流的情況下平衡低壓電容器，從而增大電源效率。這樣的實施例可以將傳統(tǒng)分壓器損耗降低高達(dá)90%或更多。圖8為依照本發(fā)明實施例的電源600的示例性實現(xiàn)方式的示意圖。這樣的電源600 可以用于或者結(jié)合到諸如例如智能儀表輸出電壓存儲器之類的器件中，所述器件經(jīng)受或者用于寬范圍的應(yīng)用。電源600可以在輸入端子處連接到電源并且利用例如近似6-20DC的寬范圍的輸入電壓來操作。電源600在輸出端子處為器件(例如智能儀表)提供功率。這些平衡電路可以與附加的電容器一起堆疊以用于較高電壓的應(yīng)用。電源600包括以堆疊布置的低壓電容器C1、C2和C3。每個電容器C1、C2和C3可以具有能量存儲容量和相對較低的額定電壓。這些電容器中的每一個可以利用超級電容器來實現(xiàn)。電阻器R1、R2、R2形成分壓器，其在三個堆疊的電容器C1、C2和C3之間均勻地劃分輸入電壓。電阻器R4和R5限制到電容器Cl、C2和C3的驅(qū)動電流。運算放大器Ula和 Ulb中的每一個可以實現(xiàn)為緩沖放大器(例如具有近似xl增益)。利用該布置，低壓電容器Cl、C2和C3可以用在較高電壓下以及用在許多其中先前不能使用它們的應(yīng)用中。圖9為電容器平衡和啟動電路的示例性等效電路圖和布局(具有2個管芯或“芯片”)。盡管詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對其做出各種改變、替換和更改。即，本申請中包含的討論意在用作基本的描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，特定的討論可能未顯式地描述所有可能的實施例；許多備選方案是隱含的。它也可能未完全解釋本發(fā)明的一般性質(zhì)，并且可能未顯式地示出每個特征或元件如何可以實際上代表更廣泛的功能或者各種各樣的備選或等效的元件。再者，這些隱含地包含在本公開內(nèi)容中。在以面向器件的術(shù)語描述本發(fā)明的情況下，器件的每個元件隱含地執(zhí)行一定功能。
權(quán)利要求
1.一種用于電源的啟動電路，該啟動電路包括耦合在電壓源與第一節(jié)點之間的電阻；耦合到第一節(jié)點的第一電容器，該第一電容器可操作來通過流經(jīng)電阻的電流充電；第一晶體管，具有發(fā)射極、基極和集電極，其中集電極耦合到電壓源并且基極耦合到第一節(jié)點；耦合到第一晶體管的發(fā)射極的二端交流開關(guān)電路，該二端交流開關(guān)電路可操作來激發(fā)以接通第一晶體管，從而允許第一電容器通過第一晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)放電；以及第二電容器，可操作來通過與由二端交流開關(guān)電路的激發(fā)引起的放電電壓有關(guān)的電流充電，該第二電容器可操作來存儲電荷以向電源的控制器提供VCC電壓。
2.權(quán)利要求1的啟動電路，包括第二晶體管，一旦VCC電壓足以啟動電源的控制器，則該第二晶體管可操作來分流第一電容器的充電電流。
3.權(quán)利要求1的啟動電路，包括第二晶體管和二極管，一旦VCC電壓足以操作控制器， 則該第二晶體管和二極管可操作來對第一電容器放電，使得第一晶體管的基極處的電壓不升高到使二端交流開關(guān)電路導(dǎo)通的電平。
4.權(quán)利要求1的啟動電路，包括第二晶體管，一旦VCC電壓足以啟動電源的控制器，則該第二晶體管可操作來分流第一電容器的充電電流。
5.權(quán)利要求1的啟動電路，其中電阻包括多個串聯(lián)耦合的電阻器。
6.一種用于提供偏置電壓的啟動電路，該啟動電路包括耦合在電壓源與第一節(jié)點之間的電阻；耦合到第一節(jié)點的第一電容器，該第一電容器可操作來通過流經(jīng)電阻的電流充電；第一晶體管，具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到電壓源并且控制端子耦合到第一節(jié)點；耦合到第一晶體管的第二端子的二端交流開關(guān)電路，該二端交流開關(guān)電路可操作來激發(fā)以接通第一晶體管，從而允許第一電容器通過第一晶體管的控制端子-第二端子結(jié)放電；以及第二電容器，可操作來通過與由二端交流開關(guān)電路的激發(fā)引起的放電電壓有關(guān)的電流充電，該第二電容器可操作來存儲電荷以提供偏置電壓。
7.權(quán)利要求6的啟動電路，包括第二晶體管，一旦偏置電壓足夠，則該第二晶體管可操作來分流第一電容器的充電電流。
8.權(quán)利要求6的啟動電路，包括第二晶體管和二極管，一旦偏置電壓足夠，則該第二晶體管和二極管可操作來對第一電容器放電，使得第一晶體管的控制端子處的電壓不升高到使二端交流開關(guān)電路導(dǎo)通的電平。
9.權(quán)利要求6的啟動電路，其中電阻包括多個串聯(lián)耦合的電阻器。
10.權(quán)利要求6的啟動電路，其中第一晶體管包括雙極結(jié)晶體管并且第一端子包括集電極，第二端子包括發(fā)射極，并且控制端子包括基極。
11.權(quán)利要求6的啟動電路，其中第一晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管并且第一端子包括漏極，第二端子包括源極，并且控制端子包括柵極。
12.一種電源，包括耦合在電壓源與第一節(jié)點之間的電阻；耦合到第一節(jié)點的第一電容器，該第一電容器可操作來通過流經(jīng)電阻的電流充電；第一晶體管，具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到電壓源并且控制端子耦合到第一節(jié)點；耦合到第一晶體管的第二端子的二端交流開關(guān)電路，該二端交流開關(guān)電路可操作來激發(fā)以接通第一晶體管，從而允許第一電容器通過第一晶體管的控制端子-第二端子結(jié)放電；以及第二電容器，可操作來通過與由二端交流開關(guān)電路的激發(fā)引起的放電電壓有關(guān)的電流充電，該第二電容器可操作來存儲電荷以提供電源電壓。
13.權(quán)利要求12的電源，包括第二晶體管，一旦第二電容器的電壓對于電源電壓是足夠的，則該第二晶體管可操作來分流第一電容器的充電電流。
14.權(quán)利要求12的電源，包括用于調(diào)節(jié)電源電壓的調(diào)節(jié)器。
15.權(quán)利要求14的電源，其中調(diào)節(jié)器包括第二晶體管、齊納二極管和電阻器。
16.權(quán)利要求12的電源，包括第二晶體管和二極管，一旦第二電容器的電壓對于電源電壓是足夠的，則該第二晶體管和二極管可操作來對第一電容器放電，使得第一晶體管的控制端子處的電壓不升高到使二端交流開關(guān)電路導(dǎo)通的電平。
17.權(quán)利要求12的電源，其中電阻包括多個串聯(lián)耦合的電阻器。
18.權(quán)利要求12的電源，其中第一晶體管包括雙極結(jié)晶體管并且第一端子包括集電極，第二端子包括發(fā)射極，并且控制端子包括基極。
19.權(quán)利要求12的電源，其中第一晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管并且第一端子包括漏極，第二端子包括源極，并且控制端子包括柵極。
全文摘要
本發(fā)明涉及高壓啟動電路。在一個實施例中，提供了一種用于電源的啟動電路。該啟動電路包括耦合在電壓源與第一節(jié)點之間的電阻。耦合到第一節(jié)點的第一電容器可操作來通過流經(jīng)電阻的電流充電。第一晶體管具有發(fā)射極、基極和集電極，其中集電極耦合到電壓源并且基極耦合到第一節(jié)點。耦合到第一晶體管的發(fā)射極的二端交流開關(guān)電路可操作來激發(fā)以接通第一晶體管，從而允許第一電容器通過第一晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)放電。第二電容器可操作來通過與由二端交流開關(guān)電路的激發(fā)引起的放電電壓有關(guān)的電流充電。第二電容器可操作來存儲電荷以向電源的控制器提供VCC電壓。
文檔編號H02M1/36GK102377327SQ20111024533
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者R·A·鄧尼佩斯 申請人:美國快捷半導(dǎo)體有限公司