具有常通發(fā)射極-開關(guān)電流源的開關(guān)電源啟動電路的制作方法
【專利說明】

【發(fā)明內(nèi)容】

[0001]當(dāng)初始將輸入功率施加至開關(guān)電源時，需要將能量傳輸至控制電路用于啟動操作的目的。用于這一目的的電路通常稱作“啟動電路”。因為電源在啟動期間還沒有產(chǎn)生輸出功率，啟動電路按照某種方式從輸入獲得功率。開關(guān)電源中的挑戰(zhàn)之一是:當(dāng)針對控制裝置的操作電壓限制遠(yuǎn)小于電源的輸入電壓范圍時，提供初始能量為控制電路供電。例如，對于從24V或48V額定DC源接收輸入功率的DC/DC轉(zhuǎn)換器而言存在這樣的問題。在根據(jù)輸入電壓操作的AC/DC電源中也考慮了這種情況，所述輸入電壓可以高至305VAC，并且在典型應(yīng)用中在從90VAC至264VAC的范圍內(nèi)。
[0002]為了當(dāng)輸入電壓相對于初級側(cè)參考控制電路的正常操作電壓較大時啟動開關(guān)電源，可以通過電阻器或電流源從輸入源對電容器充電。電路監(jiān)測電容器電壓，并且當(dāng)電容器電壓近似達(dá)到電路的上限操作電壓時接通控制電路。控制電路一旦被啟用就從充電的電容器汲取能量。當(dāng)啟動完成并且正常操作開始時，功率轉(zhuǎn)換器的正常操作電路可以供應(yīng)要求的能量以將該啟動電容器兩端的電壓保持在控制電路的操作限制內(nèi)的值。
[0003]監(jiān)測啟動電容器電壓并且接通控制電路的電路可以在啟動期間只要求較小的電流(例如，500uA至ImA)，并且向啟動電容器饋電的電阻器或電流源的大小被設(shè)定為在啟動期間存在的最小輸入電壓下提供該電流。這種大小設(shè)定(sizing)可能導(dǎo)致在正常操作期間出現(xiàn)的較大的最大輸入電壓下電路的功耗較大。此外，這種較大功耗與功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載無關(guān)地發(fā)生，即，無論轉(zhuǎn)換器是在線的并且向負(fù)載供電還是離線或“待機(jī)”的并且不向負(fù)載供電。
[0004]對離線電源有市場或規(guī)章要求，所述市場或規(guī)章要求對于無負(fù)載功率損耗有限制。因此，需要盡可能地減小無負(fù)載功率損耗，包括由于如上所述的啟動電路而造成的損耗。
[0005]公開的一種功率轉(zhuǎn)換器包括啟動電路，所述啟動電路在提供以下所需功能的同時實現(xiàn)了減小的無負(fù)載功率:在啟動時間段期間，針對控制電路建立操作電壓。啟動電路具有常通特性，使得一旦輸入電壓已經(jīng)上升足夠高就自動提供用于啟動電容器的啟動充電電流，而無須任何單獨(dú)供電的控制電路的操作。當(dāng)啟動電容器電壓達(dá)到操作值時控制電路開始操作，并且控制電路產(chǎn)生禁用啟動電路的抑制信號，停止啟動充電電流的流動并且將啟動電路的功耗減小至所需的低值。通過使用發(fā)射極開關(guān)電流源來實現(xiàn)常通特性，發(fā)射極開關(guān)電流源采用常通開關(guān)器件，例如耗盡模式結(jié)型場效應(yīng)晶體管(J-FET)。這種器件具有源極-漏極溝道，所述源極-漏極溝道在器件的柵極上不存在控制電壓的情況下傳導(dǎo)電流，并且這種特征用于控制電路還沒有操作時的啟動期間。此外，可以通過向器件的柵極施加足夠高的控制或偏置電壓來切斷源極-漏極溝道，并且這種特征用于啟動之后以防止電流流動并且在后續(xù)正常操作期間減小啟動電路的功耗。
[0006]因此，J-FET是作為用于啟用和禁用啟動電流源的開關(guān)器件的良好候選。當(dāng)初始施加功率并且沒有來自功率轉(zhuǎn)換器的偏置電壓時，J-FET器件可以用于建立啟動電容器充電電流的流動。當(dāng)控制電路變得活躍(alive)并且功率轉(zhuǎn)換器操作時，可以將來自控制電路的低電壓施加至J-FET的柵極以關(guān)斷J-FET并且禁用充電電流。然而，關(guān)于容易可用的J-FET的一個問題是相對較低的額定電壓(voltage rating)(例如，小于50V)，所述額定電壓遠(yuǎn)低于需要針對許多啟動電流源應(yīng)用而被切換的典型電壓。因此在公開的啟動電路中，J-FET用作采用雙極型晶體管作為主電流控制元件的發(fā)射極開關(guān)電流源中的開關(guān)。這種配置減小了甚至在高電壓應(yīng)用中J-FET經(jīng)歷的電壓。
[0007]公開的電路的另一個方面是電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的方便的雙重使用，既用于偏置發(fā)射極開關(guān)電流源，又用于提供足夠低的感測電壓，所述感測電壓與控制電路在正常操作期間使用的輸入電壓成正比。因為輸入電壓典型地超過了控制電路元件的額定電壓，分壓器用于產(chǎn)生與輸入電壓成正比但是在不超過控制電路電壓限制的范圍內(nèi)的信號。將用于得到這種電路元件的電阻器的大小設(shè)定為對于無負(fù)載功耗沒有顯著的影響。因此，用作監(jiān)測信號的向下分壓(divided down)的輸入電壓通常遠(yuǎn)小于可用J-FET的額定電壓。然而，其能夠與公開的使用發(fā)射極開關(guān)配置的電流源一起使用。因此，發(fā)射極開關(guān)提供了以下優(yōu)點(diǎn):使用耗盡模式器件作為啟動電流源中的開關(guān)，而不超過可用的低成本分立式J-FET器件的電壓限制。
[0008]因此，公開的啟動電路將電阻分壓器與發(fā)射極開關(guān)啟動電流源相結(jié)合，所述電阻分壓器產(chǎn)生與輸入電壓成正比的監(jiān)測信號，所述發(fā)射極開關(guān)啟動電流源使用與較高電壓NPN晶體管的發(fā)射極串聯(lián)的耗盡模式J-FET。所述電路在穩(wěn)態(tài)操作期間提供輸入電壓監(jiān)測信號，同時也在無需附加電路損耗的情況下使啟動電流源分離。備選地，在其他實施例中，可以利用串聯(lián)MOSFET或串聯(lián)雙極型晶體管來控制所述發(fā)射極開關(guān)雙極性晶體管。
【附圖說明】
[0009]如在附圖中所示的，根據(jù)本發(fā)明具體實施例的以下描述，前述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚明白，附圖中類似的符號貫穿不同的視圖表示相同的部分。
[0010]圖1是電源的示意性方框圖；
[0011]圖2和圖3是啟動電路的備選實施方式的示意圖；
[0012]圖4是備選DC電源的示意圖集合；
[0013]圖5是備選的電壓產(chǎn)生元件的示意圖集合；
[0014]圖6是備選的發(fā)射極電阻器的示意圖集合；
[0015]圖7是備選的柵極電壓發(fā)生器的示意圖集合；
[0016]圖8-10是啟動期間電源中的信號的波形圖；以及
[0017]圖11是開關(guān)電源的示意圖，包括部分IlA至IlD。
【具體實施方式】
[0018]圖1是開關(guān)電源的一部分的示意性方框圖。所述部分包括開關(guān)和控制(SW/CNTL)電路10、功率變壓器Tl、啟動電路12和可選地輸入電壓源14。變壓器Tl具有初級繞組Wpri和次級繞組Wsec以及與電容器Caux相連的第三或“輔助”繞組Waux。開關(guān)和控制電路10接收DC電壓Vin和在電容器Caux上出現(xiàn)的電壓Vaux。電壓Vin在存在輸入電壓源14時由輸入電壓源14來提供，或者可以是來自單獨(dú)的電壓源的輸入。
[0019]將電源的相關(guān)操作劃分為兩個時間段:初始啟動時間段，其中Vin從零上升至正常操作值；以及后續(xù)的穩(wěn)態(tài)操作時間段，其中Vin處于其正常操作值，并且電源向被單獨(dú)供電的電路(未不出)提供穩(wěn)態(tài)DC輸出電壓。開關(guān)和控制電路10包括從Vaux輸入接收操作功率的電路(圖1中未示出)；下面描述了示例。在穩(wěn)態(tài)操作期間，繞組Waux和電容器Caux的組合用作該電路的簡單電源。至少在啟動時間段的初始部分期間，沒有電流或者很少的電流提供給主初級繞組Wpri，因此經(jīng)由繞組Waux沒有或者只有很少的功率可用。啟動電路12在這一時間段期間與Caux —起操作作為電源，直到操作進(jìn)行到采用繞組Waux的正常穩(wěn)態(tài)機(jī)制是可用并且可操作的點(diǎn)為止。
[0020]圖2示出了根據(jù)一個實施例的啟動電路12。其主要目的是:在建立所有的正常操作電壓之前，在操作的初始啟動時間段期間，產(chǎn)生可以由開關(guān)和控制電路10(圖10)使用的未經(jīng)調(diào)制的電源電壓Vaux。通過向電容器Caux供應(yīng)充電電流Ic (Ql)來產(chǎn)生Vaux，所述充電電流Ic(Ql)是響應(yīng)于在啟動時間段的初始部分期間流動