专利名称：用于使用旁路电容器实现压摆率控制的方法和装置的制作方法
用于使用旁路电容器实现压摆率控制的方法和装置技术领域
本发明总体涉及这样的电路在该电路中，电容性元件被充电。更具体地，本发明 涉及在加电状态(power-up condition)期间电容性电路的充电。
背景技术：
电力系统可以用于多种目的和应用。电力转换器(powerconverter)通常是耦合 到电能源的电路，该电能源将电压施加至该电力转换器的输入端之间。电路常常要求这 样的初始化时段，在该初始化时段中，在将输入电压初始地施加到输入端之间后，电力源 (powersource)(例如，电容器)能够使该电路加电。对电路设计者的一个挑战是，在各种 各样的输入电压状况下以相同的方式逐渐地驱动该电力源——有时是供电电容器(supply capacitor) 0例如在没有能力控制供电电容器——其在加电时向电路的其余部分供应电 力——的充电的情况下，一些电路可能会经受紊乱情况(race condition)或其它类似类型 的问题，其时电路元件可能会出现未知的或不想要的结果。另外，如果瞬时输入电压太高， 可能会出现过冲状况(overshootcondition)，在此情况下，由于该供电电容器的快速充电 和该电路的缓慢响应时间，该供电电容器被过充电。这可导致其它电路元件被暴露于可能 超出其额定电压的高压下。
参照下列附图描述本发明的非限制性的、非穷举性的实施方案，在附图中，所有各 个视图中的相同参考符号指代相同部件，除非另有说明。
图1是一般地示出了这样的示例性电路的框图在该电路中，加电期间被充电的 电容电路两端的电压的压摆率(slew rate)根据本发明的教导进行设置。
图2是一般地示出了这样的示例性电路的示意图在该电路中，加电期间被充电 的电容电路两端的电压的压摆率根据本发明的教导使用该电容的一部分进行设置。
图3示出了与图2的示例性电路相关联的波形，在该电路中，加电期间被充电的电 容上的电压的压摆率根据本发明的教导使用该电容的一部分进行控制。
具体实施方式
描述了用于实现对电容器元件的压摆率控制的方法和装置。在下面的描述中，阐 释了众多具体细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域普通技术人员将明显的 是，实施本发明并不必须采用这些具体细节。在其他情况下，未详细描述众所周知的材料或 方法，以避免模糊本发明。
在该说明书全文中提到“一个实施方案”、“一实施方案”、“一个实施例”或“一实施 例”意味着关于该实施方案或实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少 一个实施方案中。因而，在该说明书全文中不同位置出现的用语“在一个实施方案中”、“在 一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”未必全都指同一实施方案或实施例。此外，3该特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或 子组合进行组合。特定特征、结构或特性可以被包括在提供所述功能性的集成电路、电子电 路、组合逻辑电路或其他合适部件中。另外，应意识到，随此提供的附图是出于向本领域普 通技术人员进行解释的目的，且附图未必按比例绘制。
如将讨论的，根据本发明的教导的示例性压摆率控制电路在高阻抗集成电路中使 用集成供电电容器的电容的一部分设置加电模式期间该供电电容器两端的电压的压摆率。 对该压摆率的控制允许该高阻抗集成电路的所有内部节点以受控方式加电，这有助于避免 紊乱情况。
在一个实施例中，根据本发明的教导的压摆率控制电路可以用作这样的集成电路 的一部分该集成电路直接连接到例如85 Vac到沈5￥皿的交流线电压，并在交流电力被施 加时将立即被暴露于高压下。在一个实施例中，该压摆率控制电路可以虑及直流电压，在开 启(turnon)之时该直流电压可能存在于该交流线上，因此当开始加电时在给定时刻的该 直流电压可以为0至375伏特之间的任何值。
进行说明，图1是一般地示出示例性集成电路100的框图，在集成电路100中，根 据本发明的教导，被充电的电容电路两端的电压的压摆率通过控制电容电路105的电容的 一部分上的电压的变化率来设置。如在所描绘的实施例中所示，集成电路100包括调节器 电路103，该调节器电路被耦合以在电路100的正常运行模式期间调节电容电路105两端的 供应电压(supply voltage)Vsupra。在该实施例中，调节器电路103被耦合以接收输入电压 Vin，该输入电压在一个实施例中是经整流的直流线电压。在运行期间，调节器电路103被耦 合以为电容电路105的第一节点A和第二节点B之间的电容CsumY充电。如所示的，压摆率 控制电路107也被耦合到调节器电路103和电容电路105。在运行期间，压摆率控制电路 107被耦合以在电路100的加电模式期间设置电容电路105的第一和第二节点之间的供应 电压压摆率(随着时间变化而发生的电压变化)。在加电模式中，压摆率控制电路 107从电容电路105接收压摆率控制电流Ise具体而言，压摆率控制电路107限制压摆率控 制电流Isc，以控制电容电路105两端的压摆率。
如将在下面更详细讨论的，压摆率控制电路107的一个实施例仅在电路100的加 电模式期间设置第一节点A和第二节点B之间的电容电路105两端的供应电压Vsupra的压 摆率。该压摆率是电容电路105两端的电压的变化率。根据本发明的教导，通过压摆率控 制电路107设置压摆率，有助于确保集成电路100上的电路的其余部分将无任何紊乱情况 地以受控方式启动。在加电模式完成之后，调节器电路103仅在电路100的正常运行模式 期间调节该供应电压VsumY。如在所描绘的实施例中所示，加电信号PU 111被耦合以由压 摆率控制电路107接收，以指示电路100的加电模式。
在一个实施例中，在正常运行模式期间由调节器电路103调节的供应电压VsumY 被耦合以为包括在集成电路100中的其他电路供电。如图1所示，集成电路100中的其他电 路可以包括例如控制器电路109，该控制器电路被耦合到供应电压VsumY以接收运行电力。 应意识到，为解释的目的而在图1中示出了控制器电路109，根据本发明的教导，在正常运 行模式期间由Vsupra供电的其他类型的电路可以被包括在集成电路100中。
图2是一般地示出示例性电路200的示意图，在该电路中，根据本发明的教导，被 充电的电容电路205两端的电压Vsupra的压摆率在加电模式期间使用电容电路205中的电容的一部分进行控制。在一个实施例中，调节器203、电容电路205和压摆率控制器207均 分别是图1的根据本发明的教导的集成电路100的调节器103、电容电路105和压摆率控 制器107的示例性实现。如在所描绘的实施例中所示，电路200包括调节器电路203，该调 节器电路被耦合以在正常运行期间调节电容电路205两端的供应电压VsumY。在运行期间， 调节器电路203被耦合，以用供应电流Is为第一节点213和第二节点236之间的电容电路 205充电。如所示，压摆率控制电路207被耦合到调节器电路203和电容电路205。
在一个实施例中，集成电路200可以被包括在低功率集成电路中，且压摆率控制 电路207用来控制供应电压——在所示出的实施例中是Vsupra——的压摆率(dv/dt)，直到 该供应电压达到调节阈值VKEF。在运行期间，压摆率控制电路207被耦合以在电路200的加 电模式期间设置第一和第二节点213和236之间的供应电压Vsupra的压摆率。
如图2所示，电容电路205包括第一电气元件，该第一电气元件耦合到第二电气元 件。在所描绘的实施例中，该第一和第二电气元件被示为电容器Cf耦合到电容器Cs。。电容 器Cf具有第一电容，电容器Cs。具有第二电容。在一个实施例中，在加电模式期间电容电路 205的电容等于电容器Cf的电容。然而，在正常运行模式期间电容电路205的电容等于电 容器Cf的电容和电容器Csc的电容之和。因而，在正常运行模式期间电容电路205的总体 电容大于电容电路205在加电模式期间的总体电容。
在一个实施例中，电容器Cf和Csc都被集成在含有电路200的集成电路的硅上，且 被选择以缩减电容电路205的面积而同时在正常运行模式期间维持供应电压Vsupra的低脉 动(ripple)(例如，峰-峰，0. 5伏特)。在一个实施例中，电容电路205的总体电容是约 200pF，其中电容器Cf是125pF，电容器Cse是75pF。在一个实施例中，含有电路200的整个 集成电路的电流消耗在15uA到20uA的范围内。
如在所描绘的实施例中所示，压摆率控制电路207包括被耦合到电容电路205的 开关T3和电阻器I se。当供应电压VsumY小于调节电压时，开关T3在加电模式期间由压摆 率控制电路207关断；当供应电压超过调节电压时，开关T3由压摆率控制电路207接通。 根据本发明的教导，在运行中，开关T3在正常运行模式期间持续保持接通。结果，压摆率控 制电路207被耦合，以在加电模式期间利用来自电容电路205的电容的一部分。具体而言， 由于开关T 3被关断，利用或借用的来自容电路205的这部分电容是电容器(；。的电容。如 所示，当开关T3关断时——意味着T3不能传导电流，电容器Cs。的第一节点——其实质上 通过开关T3耦合到节点236——现在实质上通过电阻器耦合到节点236。然而，压摆率 控制电路207在正常运行模式期间停止利用来自电容电路205的这部分电容。具体而言， 响应于第一和第二节点213和236之间的电容电路205两端的供应电压Vsupra达到调节阈 电压，压摆率控制电路207停止利用或借用来自电容电路205的电容器Csc。在一个实施例 中，该调节阈电压是约5. 6伏特的预定电压。因而，在一个实施例中，根据本发明的教导，压 摆率控制电路207根据供应电压Vsupra切换开关T3。
如图2所示，压摆率控制电路207还包括锁存器(latch) 237，该锁存器被耦合以接 收加电信号PU 211。在一个实施例中，锁存器237是置位一复位(set-reset) SR锁存器，且 锁存器237通过反相器(inverter) 241响应于PU信号而被置位，如所示。在该实施例中， 在供应电压Vsupra在加电时攀升(ramp-up)期间，PU信号将通过反相器241开始“低”置位 锁存器237，这迫使开关T3保持关断。当开关T3关断时，电容器Csc被压摆率控制电路207利用，并且实际上被从电容电路205借用。
如在所描绘的实施例中所示，当开关T 3关断时，电容器Cs。和电阻器Rsc串联，使 得供应电流Is的一部分一其为压摆率控制电流Isc—流过电容器Csc和电阻器I se。在 一个实施例中，电阻器具有约750千欧的电阻，电容器Csc具有约75pF的电容。如在所 描绘的实施例中所示，双极型晶体管Ql和Q2的基极端被耦合到电阻器I sc。因而，在电阻器 Rsc和双极型晶体管Ql和Q2传导电流时，电阻器两端的压降被限制到双极型晶体管Ql 和Q2的Vbe基极-发射极压降，该Vbe基极-发射极压降等于二极管压降或约0. 7伏特。因 而，通过选择电阻器的电阻，通过电阻器的电流根据欧姆法则来设置，该电流在该实 施例中是约0. 7伏特除以电阻器的电阻。根据本发明的教导，通过设置通过电阻器 和电容器Csc的压摆率控制电流Isc，设置在加电模式期间为电容电路205充电的压摆率。
由于节点255处的电压由双极结型晶体管(BJT)Q2的基极-发射极压降设置，所 以充电电流Isc可以通过设置电阻器Rsc的值来设置。由于电容器Csc受以下方程式控制dv _ Jsc
其中dv/dt是压摆率或电容电路205两端的电压上升的速率，Isc是为电容器Csc 充电的压摆率控制电流，而Cs。是电容器Cs。的电容值。如所示，限制和/或降低dv/dt的一 个变量是为电容器Cse充电的压摆率控制电流Ise。在一个实施例中，电容器Cse和电阻 被压摆率控制电路207利用，以在加电模式期间产生电容电路205两端的供应电压Vsupra的 压摆率受限制的攀升。
下面的对图2所示实施例的描述适用于当输入电压端子270相比于输入电压端子 260更正时，如端子270和260处的极性符号所指示。当输入电压具有相反的极性使得端子 260相比于输入电压端子270更正时，在下面的描述中用电流源229A代替电流源229，用电 阻器R 3A代替电阻器R3，用开关TlA代替开关Tl，用开关T2A代替开关T2，用供应电流Isa 代替供应电流Is。
在所示的实施例中，调节器电路203包括开关Tl，开关Tl被耦合以接通和关断从 而提供来自电流源229的供应电流Is，电流源2 如所示被耦合到输入电压Vin。在一个实 施例中，Vin在加电模式期间可以是瞬时直流电压，电流源2 提供约0. 2mA至0. 5mA的供 应电流Is。在一个实施例中，电流源2 可以响应于输入电压Vin而改变。当开关Tl被接 通时，来自电流源229的供应电流Is被耦合，以通过节点213被电容电路205接收并被压 摆率控制电路207控制，如所示。当电路200在加电模式期间初始被开启时，开关Tl在加 电模式期间被接通，这使得来自电流源2 的供应电流Is开始为电容电路205充电以使供 应电压Vsupra攀升。
在一个实施例中，调节器电路203还包括比较器225，比较器225被耦合以接收电 压Vx——其代表经过由电阻器Rl和R2形成的电阻分压器的供应电压VsumY。如在所描绘的 实施例中所示，比较器225被耦合以将所接收的电压——其代表供应电压VsumY——与参考 电压Vkk比较。在该实施例中，参考电压Vkk对应于等于调节阈电压Vkef的供应电压VsumY， 诸如约5. 6伏特。
当电路200初始被加电时，比较器225检测到供应电压Vsupra小于调节阈电压，这 导致比较器225致使开关T2关断。当开关T2关断时，开关Tl的栅极(gate)通过电阻器R3被拉高以开启开关Tl。当开关Tl接通时，来自电流源229的供应电流Is通过节点213 为电容电路205充电，如所示。另外，为了控制电容电路205两端的压摆率，晶体管Ql和Q2 将来自电流源229的过剩电流(excess current)分流到地236。换言之，来自电流源2 的未被用来为电容器Csc充电的过剩电流通过晶体管Ql和Q2被引导到地236。
当比较器225检测到供应电压VsumY已经达到调节阈电压时，比较器225被耦合以 开启开关T2。当开关T2接通时，开关Tl的栅极被拉低，这将开关Tl断开。当开关Tl关断 时，来自电流源229的供应电流Is不再在节点213处被电容电路205接收。以此方式，调 节器电路203在正常运行模式期间提供对供应电压Vsupra的调节。
在图2所示的实施例中，压摆率控制电路包括由晶体管T4和T5形成的电流镜。 双极型晶体管Ql被耦合到晶体管T5。如在该实施例中所示，双极型晶体管Q2与晶体管T5 和Ql并联耦合，其中双极型晶体管Ql和Q2的基极耦合到电阻器I sc，如前文所述。在该实 施例中，电流比较器259由电流源257耦合到晶体管T4而形成。
如上文所述，当供应电压VsumY已经达到调节阈电压Vkef时，开关Tl被关断，使得 来自电流源229的充电电流不再在节点213处被接收。结果，双极型晶体管Ql和Q2停止 传导电流。此时，电流比较器259的电流比较器输出信号CC238继而将变低，这指示压摆率 控制电路207不再能起作用。锁存器237继而通过反相器239被该低的电流比较器输出信 号CC238复位，这允许晶体管T 3被接通。当晶体管T3接通时，根据本发明的教导，压摆率 控制电路207停止利用或借用电容器Csc，因此电容器Csc的电容被返还给电容电路205。在 晶体管T3接通且压摆率控制电路207不起作用的情况下，电容电路205的总体电容是电容 器Cf和电容器Csc之和。此外，随着晶体管T3接通，集成电路200从加电模式运行切换到 正常模式，在正常模式中供应电压Vsupra于是被调节。
应意识到，通过既将电容电路205的电容用作旁路电容器以在电路200的正常运 行模式期间提供供应电压Vsupra又将其用于控制加电模式期间电容电路205两端的供应电 压VsumY的压摆率，与针对电容电路205和压摆率控制电路207使用独立电容的方案相比， 实现电容电路205和压摆率控制电路207的电路200在集成电路中的总体硅面积量减小 了。
图3示出了与这样的示例性电路相关联的波形在该电路中，被充电的电容电路 的压摆率根据本发明的教导使用压摆率控制电路进行设置。
在时刻、，假定该电路正以加电模式361开始加电，因为供应电压VsumY没有任何 电力来运行电路200中的电路。此时，大致零伏特开始上升，且加电信号PU211被 默认设置——这指示加电模式。当供应电压VsumY在时刻、达到第一电压阈Vthi时，电路 200中的电路(例如，晶体管)具有足够的电压来运行。如所示，供应电压Vsupra不受控制， 且不受控制地增加，直到电路200中的电路在时刻、已经被供电以运行。在一个实施例中， 电压阈Vthi可以为大约0. 8伏特。当供应电压Vsuppw在时刻t2达到加电电压阈Vpu时，加电 信号PU 211变为高以让图2中的锁存器237处在“置位”状态，这保持开关T3处于关断。 当供应电压Vsupra在调节阈电压Vkef以下时，比较器225保持开关T2处于关断而开关Tl处 于接通，这允许电流源229以受控方式为电容电路205充电。此时，供应电压Vsupra的压摆 率如上文关于图2所述地受控。在一个实施例中，供应电压VsumY的压摆率从时刻、到时 刻t3受控。通过压摆率控制电路207传导的压摆率控制电流Isc由电流比较器259检测，电流比较器259从时刻tQ到时刻t3输出高的电流比较器输出信号CC238，如所示。
随着供应电压Vsupra继续上冲(charge)，但在供应电压Vsuppw达到调节阈电压Vkef 之前，加电信号PU 211在时刻t2变高，这允许当Vsuppw在时刻t3达到调节阈电压Vkef时锁 存器237最终被复位。在一个实施例中，在VsumY已经升到为例如5. 6伏特的调节阈电压 Veef的大约三分之一之后，加电信号PU 211变高，这指示Vsupra已经升到足以使所有电路都 处于工作状态(active state)。在一个实施例中，当加电信号PU 211被设置为高时，锁存 器237将准备好接收来自信号CC 238的复位请求。开关T3保持关断，以保持该供应电压 的压摆率受控，如上文关于图2讨论的。
在时刻t3，供应电压Vsupra已经升到调节阈电压Vkef，如所示。此时，加电模式361 完成，正常运行模式363开始。由于供应电压VsumY现在已经达到调节阈电压Vkef，所以比 较器225在时刻、致使开关T2接通而开关Tl关断，如所示。随着开关Tl因Vsupra达到调 节阈电压Vkef而关断，电流比较器输出信号CC238在时刻t3变低，如所示。随着电流比较器 输出信号CC238变低，锁存器237被复位，这导致开关T3345在时刻t3被接通，如所示。结 果，根据本发明的教导，电容电路205的电容器Csc现在连接到地，而电容器Csc的电容现在 不再被压摆率控制电路207利用。
在时刻t3和t4之间，图3示出了在调节器电路203中开关Tl和T2被接通和关 断，以调节供应电压Vsupra使其处于调节阈电压VKEF。特别地，时间tx是该电容器电路的充 电时间，时间tY是该电容器电路的放电时间。
以上对所示出的本发明的实施例的描述，包括在说明书摘要中描述的，并不旨在 是穷举的或限制所公开的精确形式。尽管为了说明的目的在此描述了本发明的特定实施方 案和实施例，但在不偏离本发明的更宽泛精神和范围的前提下各种等同修改是可能的。事 实上，应意识到，特定电压、电流、频率、电力范围值、时间等等是为了解释的目的而提供的， 根据本发明的教导，在其他实施方案和实施例中也可以采用其他值。
根据上文的详细描述，可以对本发明的实施例做出这些修改。以下权利要求中使 用的术语不应被解释为将本发明限制到说明书和权利要求中公开的特定实施方案。相反， 所述范围应完全由以下权利要求确定，以下权利要求应根据权利要求解释的既定原则进行 解释。因此，本说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种电路，包括调节器电路，其在该电路的正常运行模式期间调节供应电压；电容电路，其耦合到该调节器电路，该调节器电路被耦合以用充电电流为该电容电路 的第一节点和第二节点之间的电容充电；以及压摆率控制电路，其耦合到该调节器电路和该电容电路，该压摆率控制电路在该电路 的加电模式期间设置该第一和第二节点之间的电压的压摆率。
2.权利要求1的电路，其中该电容电路包括具有第一电容的第一电气元件，该第一电 气元件耦合到具有第二电容的第二电气元件。
3.权利要求2的电路，其中在该加电模式期间该电容电路的电容等于该第一电容，并 且其中在该正常运行模式期间该电容电路的电容等于该第一电容和该第二电容之和。
4.权利要求1的电路，其中该调节器电路仅在该正常运行模式期间调节该供应电压。
5.权利要求1的电路，其中该压摆率控制电路仅在该加电模式期间设置该第一和第二 节点之间的电压的压摆率。
6.权利要求1的电路，其中该压摆率是该第一和第二节点之间的电压的变化率。
7.权利要求2的电路，其中该第一电气元件包括具有第一电容的第一电容器，并且该 第二电气元件包括具有第二电容的第二电容器。
8.权利要求2的电路，其中该压摆率控制电路包括耦合到该电容电路的开关和电阻 器，其中该压摆率控制电路被耦合以根据该第一和第二节点之间的电压来切换该开关。
9.权利要求8的电路，其中在该正常运行模式期间该电容电路的电容大于该电容电路 在该加电模式期间的电容。
10.权利要求1的电路，其中该压摆率控制电路包括锁存器，该锁存器被耦合以在该电 路从加电模式变化到正常运行模式时切换开关。
11.权利要求1的电路，其中该压摆率控制电路被耦合以在该加电模式期间利用来自 该电容电路的电容的一部分。
12.权利要求11的电路，其中，响应于该第一和第二节点之间的电压达到调节阈电压， 该压摆率控制电路停止利用来自该电容电路的这部分电容。
13.权利要求1的电路，其中加电信号被耦合以由该压摆率控制电路接收。
14.权利要求8的电路，其中该压摆率控制电路还包括电流比较器，其被耦合以检测来自该调节器电路的该充电电流，以探测何时该加电模 式完成；以及锁存器，其被耦合以响应于该电流比较器而复位，以响应于该加电模式完成而将该开 关接通。
15.权利要求1的电路，其中该调节器电路包括电流源，该电流源被耦合以在该第一和 第二节点之间的电压小于调节阈值时提供该充电电流。
16.权利要求15的电路，其中该调节器还包括比较器，该比较器被耦合以检测何时该 第一和第二节点之间的电压小于该调节阈值，其中该比较器被耦合以在该第一和第二节点 之间的电压小于该调节阈值时致使该电流源用该充电电流为该电容电路充电。
全文摘要
公开了一种使用电容控制为该电容充电的压摆率的电路。一个示例性电路包括一调节器电路，该调节器电路在该电路的正常运行模式期间调节供应电压。一电容电路耦合到该调节器电路。该调节器电路被耦合，以用充电电流为该电容电路的第一节点和第二节点之间的电容充电。一压摆率控制电路耦合到该调节器电路和该电容电路。该压摆率控制电路在该电路的加电模式期间设置该第一和第二节点之间的电压的压摆率。
文档编号H02M3/07GK102035371SQ201010503449
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月2日
发明者D.龚, L.隆德 申请人:电力集成公司