具有常通发射极-开关电流源的开关电源启动电路的制作方法
【专利说明】
【发明内容】
[0001]当初始将输入功率施加至开关电源时，需要将能量传输至控制电路用于启动操作的目的。用于这一目的的电路通常称作“启动电路”。因为电源在启动期间还没有产生输出功率，启动电路按照某种方式从输入获得功率。开关电源中的挑战之一是:当针对控制装置的操作电压限制远小于电源的输入电压范围时，提供初始能量为控制电路供电。例如，对于从24V或48V额定DC源接收输入功率的DC/DC转换器而言存在这样的问题。在根据输入电压操作的AC/DC电源中也考虑了这种情况，所述输入电压可以高至305VAC，并且在典型应用中在从90VAC至264VAC的范围内。
[0002]为了当输入电压相对于初级侧参考控制电路的正常操作电压较大时启动开关电源，可以通过电阻器或电流源从输入源对电容器充电。电路监测电容器电压，并且当电容器电压近似达到电路的上限操作电压时接通控制电路。控制电路一旦被启用就从充电的电容器汲取能量。当启动完成并且正常操作开始时，功率转换器的正常操作电路可以供应要求的能量以将该启动电容器两端的电压保持在控制电路的操作限制内的值。
[0003]监测启动电容器电压并且接通控制电路的电路可以在启动期间只要求较小的电流(例如，500uA至ImA)，并且向启动电容器馈电的电阻器或电流源的大小被设定为在启动期间存在的最小输入电压下提供该电流。这种大小设定(sizing)可能导致在正常操作期间出现的较大的最大输入电压下电路的功耗较大。此外，这种较大功耗与功率转换器的输出负载无关地发生，即，无论转换器是在线的并且向负载供电还是离线或“待机”的并且不向负载供电。
[0004]对离线电源有市场或规章要求，所述市场或规章要求对于无负载功率损耗有限制。因此，需要尽可能地减小无负载功率损耗，包括由于如上所述的启动电路而造成的损耗。
[0005]公开的一种功率转换器包括启动电路，所述启动电路在提供以下所需功能的同时实现了减小的无负载功率:在启动时间段期间，针对控制电路建立操作电压。启动电路具有常通特性，使得一旦输入电压已经上升足够高就自动提供用于启动电容器的启动充电电流，而无须任何单独供电的控制电路的操作。当启动电容器电压达到操作值时控制电路开始操作，并且控制电路产生禁用启动电路的抑制信号，停止启动充电电流的流动并且将启动电路的功耗减小至所需的低值。通过使用发射极开关电流源来实现常通特性，发射极开关电流源采用常通开关器件，例如耗尽模式结型场效应晶体管(J-FET)。这种器件具有源极-漏极沟道，所述源极-漏极沟道在器件的栅极上不存在控制电压的情况下传导电流，并且这种特征用于控制电路还没有操作时的启动期间。此外，可以通过向器件的栅极施加足够高的控制或偏置电压来切断源极-漏极沟道，并且这种特征用于启动之后以防止电流流动并且在后续正常操作期间减小启动电路的功耗。
[0006]因此，J-FET是作为用于启用和禁用启动电流源的开关器件的良好候选。当初始施加功率并且没有来自功率转换器的偏置电压时，J-FET器件可以用于建立启动电容器充电电流的流动。当控制电路变得活跃(alive)并且功率转换器操作时，可以将来自控制电路的低电压施加至J-FET的栅极以关断J-FET并且禁用充电电流。然而，关于容易可用的J-FET的一个问题是相对较低的额定电压(voltage rating)(例如，小于50V)，所述额定电压远低于需要针对许多启动电流源应用而被切换的典型电压。因此在公开的启动电路中，J-FET用作采用双极型晶体管作为主电流控制元件的发射极开关电流源中的开关。这种配置减小了甚至在高电压应用中J-FET经历的电压。
[0007]公开的电路的另一个方面是电阻分压器网络的方便的双重使用，既用于偏置发射极开关电流源，又用于提供足够低的感测电压，所述感测电压与控制电路在正常操作期间使用的输入电压成正比。因为输入电压典型地超过了控制电路元件的额定电压，分压器用于产生与输入电压成正比但是在不超过控制电路电压限制的范围内的信号。将用于得到这种电路元件的电阻器的大小设定为对于无负载功耗没有显著的影响。因此，用作监测信号的向下分压(divided down)的输入电压通常远小于可用J-FET的额定电压。然而，其能够与公开的使用发射极开关配置的电流源一起使用。因此，发射极开关提供了以下优点:使用耗尽模式器件作为启动电流源中的开关，而不超过可用的低成本分立式J-FET器件的电压限制。
[0008]因此，公开的启动电路将电阻分压器与发射极开关启动电流源相结合，所述电阻分压器产生与输入电压成正比的监测信号，所述发射极开关启动电流源使用与较高电压NPN晶体管的发射极串联的耗尽模式J-FET。所述电路在稳态操作期间提供输入电压监测信号，同时也在无需附加电路损耗的情况下使启动电流源分离。备选地，在其他实施例中，可以利用串联MOSFET或串联双极型晶体管来控制所述发射极开关双极性晶体管。
【附图说明】
[0009]如在附图中所示的，根据本发明具体实施例的以下描述，前述和其他目的、特征和优点将变得清楚明白，附图中类似的符号贯穿不同的视图表示相同的部分。
[0010]图1是电源的示意性方框图；
[0011]图2和图3是启动电路的备选实施方式的示意图；
[0012]图4是备选DC电源的示意图集合；
[0013]图5是备选的电压产生元件的示意图集合；
[0014]图6是备选的发射极电阻器的示意图集合；
[0015]图7是备选的栅极电压发生器的示意图集合；
[0016]图8-10是启动期间电源中的信号的波形图；以及
[0017]图11是开关电源的示意图，包括部分IlA至IlD。
【具体实施方式】
[0018]图1是开关电源的一部分的示意性方框图。所述部分包括开关和控制(SW/CNTL)电路10、功率变压器Tl、启动电路12和可选地输入电压源14。变压器Tl具有初级绕组Wpri和次级绕组Wsec以及与电容器Caux相连的第三或“辅助”绕组Waux。开关和控制电路10接收DC电压Vin和在电容器Caux上出现的电压Vaux。电压Vin在存在输入电压源14时由输入电压源14来提供，或者可以是来自单独的电压源的输入。
[0019]将电源的相关操作划分为两个时间段:初始启动时间段，其中Vin从零上升至正常操作值；以及后续的稳态操作时间段，其中Vin处于其正常操作值，并且电源向被单独供电的电路(未不出)提供稳态DC输出电压。开关和控制电路10包括从Vaux输入接收操作功率的电路(图1中未示出)；下面描述了示例。在稳态操作期间，绕组Waux和电容器Caux的组合用作该电路的简单电源。至少在启动时间段的初始部分期间，没有电流或者很少的电流提供给主初级绕组Wpri，因此经由绕组Waux没有或者只有很少的功率可用。启动电路12在这一时间段期间与Caux —起操作作为电源，直到操作进行到采用绕组Waux的正常稳态机制是可用并且可操作的点为止。
[0020]图2示出了根据一个实施例的启动电路12。其主要目的是:在建立所有的正常操作电压之前，在操作的初始启动时间段期间，产生可以由开关和控制电路10(图10)使用的未经调制的电源电压Vaux。通过向电容器Caux供应充电电流Ic (Ql)来产生Vaux，所述充电电流Ic(Ql)是响应于在启动时间段的初始部分期间流动