专利名称：用于提供工作电压的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提供工作电压的电路。特别地，本发明涉及一种用于提供、生成和/或控制用于控制器件的工作电压的电路，该控制器件被装置为对隔离开关模式电源进行控制。作为示例，依据本发明的电路可以被用来向被装置为对诸如返驰转换器电路或正激转换器电路的隔离开关模式电源的开关进行控制的控制器件提供工作电压，其进而被装置为提供输出电压而为诸如发光二极管(LED)、LED串、充电器装置等的负载进行供电。
背景技术：
作为隔离开关模式电源的示例，返驰转换器可以被用来将交流(AC)或直流(DC)输入转换为DC输出。返驰转换器的基本结构在图1a中提供。作为工作的简要概述，当开关S闭合时，变压器装置的初级绕组LI直接连接到电压源Vin，导致电流流过开关S以及初级绕组LI。这进而导致变压器装置中磁通量的增大，在变压器装置的次级绕组L2中感应出电压。所产生的跨次级绕组L2的电压为负，保持二极管D反向偏移并且因此被阻断。在这种状态中，存储在电容器C中的电能被提供至电源的输出，由此提供输出电压V-。相反，当开关S打开时，存储在变压器装置中的能量被输送至电源的输出。隔离开关模式电源的另一个示例是正激转换器，其可以被用来将DC输入转换为DC输出。图1b图示了正激转换器的基本结构。作为工作的简要概述，当开关S’闭合时，位于正激转换器输入的电压Vin使得电流流过初级绕组LI ’，这进而使得电流也流过次级绕组L2’。结果，电流还经由二极管D1’并经由电感器L’进行流动，因此向电源的输出提供电能，导致输出电压V-。相反，当开关S’打开时，存储在电容器C’中的能量被提供至电源的输出。开关S或S’的控制例如可以如图1c所示进行设置，其中返驰转换器被用作隔离开关模式电源的示例。集成电路IC被设置为响应于从电源次级侧所接收的反馈对开关S或s’进行控制。此外，辅助绕组L3设置在变压器装置的初级侧以使得辅助绕组L3中所感应的电压被用来向用作被设置为对开关S的操作进行控制的控制器件的集成电路IC提供工作电压。这样的采用隔离开关模式电源的装置所面临的挑战在于，如果电源的输出电压可以变化，则辅助绕组L3中所感应的电压也根据施加在电源输出端的负载而变化。特别地，电源输出中的小负载导致低电压被感应至辅助绕组L3，而电源输出中的高负载则导致在辅助绕组L3中感应高电压。结果，从辅助绕组L3提供至集成电路IC的工作电压可能过低而无法使得集成电路能够进行工作或者过高而因此存在损坏集成电路或耦合至电路的其它组件的风险，或者在较不严重的情况下可能导致组件中的功率损失。本发明的目标是提供一种用于向诸如图1b所示的集成电路的相对应控制器件提供适当工作电压的电路，其考虑到可能在控制器件被设置为对其进行控制的电源的输出端施加不同的负载。
发明内容
本发明的目标通过如隔离权利要求所定义的电路而实现。根据本发明的第一方面，提供了一种用于为被设置为驱动隔离开关模式电源的控制器件提供工作电压的电路。该电路包括辅助绕组，其设置在隔离开关模式电源初级侧上，并且被设置在将第一节点连接到第二节点的第一分支中。该电路进一步包括电容器，其在将第一节点耦合到第二节点的第一分支中与辅助绕组串联设置，该电容器具有耦合到辅助绕组的第二端子的第一端子以及耦合到第二节点的第二端子。该电路还包括设置在将第一节点连接到第二节点的第二分支中的第一二极管，该第一二极管具有耦合到第一节点的阳极以及耦合到第二节点的阴极，以及具有耦合到第二节点的阳极和耦合到输出节点的阴极的第二二极管，输出节点可连接至控制器件以便提供工作电压。该电路还包括在将第一节点连接到第二节点的第二分支中与二极管串联设置的电感器。根据本发明的电路的优势在于，其用来减少电路所提供的工作电压对施加在电源输出处的负载的依赖性，因此使得能够在电源的输出处施加更宽范围的不同和/或可变负载，而并不与使用该电路所提供的工作电压的组件的操作相干扰。本专利申请中所给出的本发明的示例性实施例并不被解释为对所附权利要求的应用性施加限制。动词“包括”及其派生形式在本专利申请中被用作开放式限定，其并不排除还存在未被引用的特征。除非另外明确指出，否则此后所描述的特征可相互自由结合。被认为是本发明特性的新颖特征在所附权利要求中特别给出。然而，至于其结构以及其操作方法，本发明自身连同其附加目标和优势将在结合附图进行阅读时从以下具体实施例的详细描述而得以被最佳地理解。
图1a图示了作为隔离开关模式电源的示例的返驰转换器的基本结构。图1b图示了作为隔离开关模式电源的示例的正激转换器的基本结构。图1c图示了隔离开关模式电源的开关控制。图2图示了使用根据本发明实施例的电路的装置示例。图3图示了用于提供工作电压的电路示例。图4图示了根据本发明实施例的用于提供工作电压的电路示例。图5图示了根据本发明实施例的用于提供工作电压的电路示例。图6图示了根据本发明实施例的用于提供工作电压的电路示例。
具体实施例方式图2图示了使用根据本发明实施例的电路30的装置示例。电路30被设置为向控制器件20提供工作电压，该控制器件20被设置为对隔离开关模式电源10的操作进行控制。电源10包括变压器装置，其包括初级绕组LI和次级绕组L2。在该示例中，控制器件20被设置为响应于从电源10的次级侧所接收的反馈对开关S进行控制。来自电源10的次级侧的反馈例如可以通过使用光耦合器来提供。电路30包括设置在变压器装置初级侧上的辅助绕组L3以及电压控制电路40。电路30被设置为向连接至控制器件20的输出节点提供工作电压。辅助绕组L3的端子耦合到电压控制电路40，并且电压控制电路40可经由电路30的输出节点连接至控制器件20。图2的装置内的电路30基于辅助绕组L3中所感应的与施加在电源输出处的负载成比例的电压来提供工作电压。电源10的输出中的小负载导致在辅助绕组L3中感应低电压，而电源10的输出中的高负载则导致在辅助绕组L3中感应高电压。换句话说，辅助绕组L3中所感应的电压直接与电源10的输出处的负载成比例。结果，如果电源10的输出中的负载变化，则辅助绕组L3中所感应的电压也发生变化，并且电路30被设置为相应地对提供在其输出处的工作电压进行控制。在图2的示例中，电源由返驰转换器10所表示，其中控制器件20被设置为对返驰转换器10的单个开关进行控制。然而，电路30也可以在其它类型的隔离开关模式电源或功率转换器的环境中得以应用，特别是单开关隔离开关模式电源。此外，与之耦合的控制器件20可以被设置为对不同于开关的组件的操作进行驱动。控制器件20例如可以是能够使用电路30所提供的工作电压并且提供用于操作开关S(或电源的另一个组件)的控制信号的集成电路或类似类型的装置。这样的类似类型的装置的示例包括微处理器、微控制器等。此外，作为选择，不同于使用专用和/或单独的控制器件20，如以下更为详细讨论的，电路30所提供的工作电压例如可以直接连接或耦合至电源的开关以提供对该开关进行控制所需的电压/电流/电荷。还注意到，图2的示例装置是简化的示意性表示，其可能省略了使用根据本发明实施例的电路30的实际装置中所采用的多个组件。开关S可以是任意合适类型的可电控开关。可电控开关通常具有第一端子、第二端子和控制端子。这样的开关在该开关的第一端子和该开关的第二端子之间没有电接触并且结果电流在第一和第二端子之间无法流过时被称作打开(即，处于打开状态)。相反，该开关在其第一端子和第二端子之间存在电接触而使得电流能够在第一端子和第二端子之间流过时被称作闭合(即，处于闭合状态)。开关的控制端子被设置为使得能够在打开状态和闭合状态之间进行切换。作为实例，施加于开关的控制端子的超出预定阈值的电荷会被设置为使得开关处于闭合状态，而在电荷未超出预定阈值的情况下，控制端子可以被设置为使得开关保持为打开状态。作为另一个示例，对控制端子施加电荷的效果在这方面可以与第一示例相反施加于控制端子的超出阈值的电荷被设置为将开关设置为打开状态，而未超出阈值的电荷则被设置为将开关保持为闭合状态。除了电荷控制的开关之外，电势/电压控制和电流控制的可电控开关也是已知的。作为再另外的示例，开关的状态可以被设置为取决于施加于控制端子以及第一和第二端子之一上的相对电荷或电势，例如以使得开关被设置为当超出控制端子的电荷或电势的电荷或电势被施加于开关的第一端子时和/或当超出控制端子的电荷或电势一预定相差数(margin)的电荷或电势被施加于开关的第一端子时处于闭合状态。除了电荷控制的开关之外，电势/电压控制和电流控制的可电控开关也是已知的，其操作可以以与以上针对电荷控制的开关所描述的类似方式进行设置。在图2的示例中，控制器件20耦合到开关S的控制端子，并且控制器件20被设置为至少部分地基于来自电源10次级侧的反馈来以期望的方式提供适于控制开关S的状态的电荷、电势/电压或电流。开关S例如可以被实施为适当晶体管。作为具体示例，可以使用被设计为处理高功率等级的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其也被称作功率MOSFET。这样的功率MOSFET例如可以是n通道功率M0SFET。功率MOSFET的漏极耦合至初级绕组的端子，功率MOSFET的源极耦合至电压源Vin，并且耦合至控制器件20的功率MOSFET的栅极作为开关的控制端子。图3图示了用于向控制器件20提供工作电压的电路30’的示例。电路30’包括耦合在第一节点NI和第二节点N2之间的用于接收所感应电压的辅助绕组L3。电路30’进一步包括设置在以正向从第二节点N2到输出节点N3的电流路径中的二极管Dl，其中输出节点N3可以被认为提供电路30’的工作电压输出。换句话说，二极管Dl的阳极耦合至第二节点N2，而二极管Dl的阴极耦合至输出节点N3。输出节点N3例如可连接至控制器件20以便提供工作电压。由于存在从辅助绕组L3到电路30’的输出节点N3的直接电流路径，所以只要开关S打开，电路30’就向输出节点N3持续提供工作电压，并且因此向与之耦合的控制器件20的工作电压输入持续提供工作电压。如果电源输出处施加以高负载，这会导致在电路30’的输出节点N3提供过高的电压或电流，因此存在控制器件20损坏或故障和/或耦合至输出节点N3的任意另外组件中功率损失的风险。另一方面，当开关S闭合时，没有工作电压被提供至输出节点N3。结果，在电路30’的输出节点N3处所提供的工作电压可以根据开关S的状态以及施加在功率转换器10的输出处的负载而变化。可能由于电源10的占空比变化而引起输出节点N3处的工作电压的进一步变化。可能由电源10的输入电压变化或电源10的输出处所施加负载的变化所导致的占空比变化意味着辅助绕组L3中所感应电压的相对应特征变化。这进而意味着输出节点N3处所提供的工作电压的相应变化，尤其是在提供工作电压的时间间隔期间，这还可能会干扰控制器件20和/或耦合到输出节点N3的任意另外组件的操作。图3进一步图示了与齐纳二极管DZ并联连接的电容器C3。电容器C3具有耦合至第二节点N2的第一端子以及耦合至第一节点NI的第二端子，而齐纳二极管DZ具有耦合至节点NI的阳极以及耦合至第二节点N2的阴极。与控制器件20相同，齐纳二极管DZ和电容器C3也表示电路30’可以与之耦合的电路，然而其并不被认为是电路30’的一部分。虽然如果电源10的输出处施加以高负载控制器件20可能发生损坏或故障，但是齐纳二极管DZ的用途是保护控制器件20免于过高的电流和电压。当齐纳二极管DZ对控制器件20进行主动保护时，其发热并且因此提供了如果在电源10的输出处施加以高负载可以导致功率损失的组件的示例。图4图示了根据本发明实施例的用于向控制器件20提供工作电压的电路30a的示例。电路30a包括用于接收所感应电压的辅助绕组L3以及用于存储电能的电容器C2。电路30a进一步包括用于控制电流流动的第一二极管D2和第二二极管D3。辅助绕组L3设置在电源(图4中未示出)中所包括的变压器装置的初级侧。辅助绕组L3具有耦合至节点NI的第一端子以及耦合至电容器C2的第一端子的第二端子。电容器C2的第二端子耦合至第二节点N2。换句话说，辅助绕组L3和电容器C2在将第一节点NI连接至第二节点N2的第一分支中串联设置，换句话说是在连接第一节点NI和第二节点N2的电流路径中串联设置。第一二极管D2具有耦合至第一节点NI的阳极以及耦合至第二节点N2的阴极，第一二极管D2因此被设置在将第一节点NI连接至第二节点N2的第二分支中，换句话说，是设置在将第一节点NI连接至第二节点N2的电流路径中。结果，包括辅助绕组L3和电容器C2的第一分支与包括第一二极管D2的第二分支并联设置。第二节点N2经由第二二极管D3进一步耦合至输出节点N3，该第二二极管D3设置在以正向从第二节点N2到输出节点N3的电流路径中。换句话说，第二二极管D3的阳极耦合至第二节点N2，而第二二极管D3的阴极耦合至输出节点N3。输出节点N3例如可连接至控制器件20以便提供工作电压。图4进一步图示了如图2的示例中所图示的控制器件20，其被设置为对诸如返驰转换器10的隔离开关模式电源的开关S进行驱动。电路30a的输出节点N3可以耦合至控制器件20的工作功率输入。电路30a的第一节点NI可以耦合或连接至适当电势，例如耦合或连接至接地电势。图4进一步图示了与齐纳二极管DZ并联连接的电容器C3。电容器C3具有耦合至输出节点N3的第一端子以及耦合至节点NI的第二端子，而齐纳二极管DZ具有耦合至节点NI的阳极以及耦合至输出节点N3的阴极。在可替换装置中，齐纳二极管DZ和电容器C3可以被设置为控制器件20的一部分。与控制器件20相同，齐纳二极管DZ和电容器C3也表示电路30可以与之耦合的电路，然而并不被认为是电路30的一部分。在电路30a的变化形式中，电容器C2例如可以被并联连接的多个电容器所替代，以提供与电路30a所示的单个电容器C2的电容相对应的电容。在电路30a的变化形式中，第一二极管D2例如可以被多个并联设置的二极管或者允许电流仅以从第一节点NI到第二节点N2的方向进行流动的另一种装置所替代。可替换地或除此之外，第二二极管D3可以被多个并联设置的二极管或者允许电流仅以朝向输出节点N3的方向进行流动的另一种装置所替代。电源10的开关S的状态间接控制了电路30a的操作。当开关S打开时，电路30a的辅助绕组L3中所感应的电压使得电流朝电容器C2流动并且经由第二二极管D3流至输出节点N3，因此还使得电容器C2进行充电。一旦电容器C2以对应于跨辅助绕组L3所感应的电压的第一电势进行充电，电流就朝向电容器C2进行流动，并且结果到输出节点N3的电流流动中断。结果，典型地，电路30a仅在开关S打开的某些时间部分在输出节点N3提供工作电压，由此有助于避免在输出节点N3提供过高的工作电压。该某些时间部分至少部分取决于电容器C2的特性。当开关S闭合时，辅助绕组L3中所感应的电压与开关S闭合的情形相比变为反向，结果以第一电势进行充电的电容器C2经由辅助绕组L3和第一二极管D2放电。由于辅助绕组L3中所感应的电压与施加在电源10的输出处的负载成比例，所以电容器C2的特性优选地根据电源10的输出处的最小负载进行选择以便无论负载如何都确保输出节点N3处充足的工作电压。另一方面，所选择的电容器C2应当能够容忍足够高的电压以便能够应对电源10的输出处所施加的较高负载。因此，电路30a中具有电容器C2的优势在于其用作无论在电源10的输出处所施加的负载发生变化或者电源10的占空比发生变化都防止辅助绕组L3中所感应的电压及其变化由此直接地改变输出节点N3处的工作电压的组件。依据本发明的实施例，辅助绕组L3的极性可以与图4所示的相反。结果，功率转换器10的开关S的状态对于电路30a的操作的影响与之前所描述的操作相反。因此，如之前详细讨论的，开关S闭合导致电容器C2进行充电并且在输出节点N3提供工作电压，而开关S打开则导致电容器C2进行放电。依据本发明的实施例，电路30进一步包括电感器L4，其在将第一节点NI连接至第二节点N2的第二分支中与第一二极管D2串联设置以使得第一二极管D2的阳极耦合至第一节点NI并且第一二极管D2的阴极耦合至第二节点N2，如图5和6所示。第一二极管D2和电感器L4因此被设置在将第一节点NI连接至第二节点N2的第二分支中。在本发明这样的实施例的变化形式中，电感器L4例如可以被串联设置的多个电感器所替代。图5图示了根据本发明实施例的电路30b。电路30b与电路30a的不同之处在于电感器L4在将第一节点NI连接至第二节点N2的第二分支中与第一二极管D2串联设置。依据本发明的该实施例，二极管D2和电感器L4被设置为使得二极管D2的阴极耦合至第二节点N2并且因此也耦合至电容器C2的第二端子。二极管D2的阳极耦合至电感器L4的第一端子，而电感器L4的第二端子则耦合至第一节点NI。图6图示了根据本发明实施例的电路30c。电路30c与电路30b的不同之处在于串联设置在将第一节点NI连接至第二节点N2的第二分支中的二极管D2与电感器L4的顺序相反。在电路30c中，电感器L4的第一端子耦合至第二节点N2并且因此也耦合至电容器C2的第二端子。电感器L4的第二端子耦合至二极管D2的阴极，而二极管D2的阳极则耦合至第一节点NI。当开关S打开时，在电路30b、30c的辅助绕组L3中所感应的电压使得电流向电容器C2流动并且经由第二二极管D3向输出节点N3流动，由此使得电容器C2进行充电。一旦电容器C2以对应于跨辅助绕组L3所感应的电压的第一电势进行充电，电流就向电容器C2进行流动，结果到输出节点N3的电流流动中断。当开关S闭合时，在辅助绕组L3中所感应的电压与开关S打开的情形相比变为相反，并且因此以第一电势充电的电容器C2经由辅助绕组L3、第一二极管D2和电感器L4进行放电，因此在电感器L4中存储能量。由于存储在电感器L4中的能量，电路30b、30c在电容器C2已经被放电之后的某个时间段内继续经由第二二极管D3向输出节点N3提供工作电压。该时间段取决于辅助绕组L3中所感应电压的水平，取决于电容器C2的特性并且取决于电感器L4的特性。由于辅助绕组L3中所感应的电压与施加于电源10的输出处的负载成比例，所以电容器C2的特性以及电感器L4的特性优选地根据电源10的输出处的最小负载进行选择以便无论负载如何都确保输出节点N3处充足的工作电压。另一方面，所选择的电容器C2和电感器L4应当能够容忍足够高的电压以便能够应对电源10的输出处所施加的较高负载。虽然电容器C2防止了辅助绕组L3中所感应电压或其变化直接影响输出节点N3处的工作电压，但是引入电容器C2被设置为通过其进行放电的电感器L4也使得能够在闭合开关S之后的某个时间段仍然向输出节点N3提供充足水平的工作电压。该某个时间段至少部分取决于辅助绕组L3中所感应的电压并且取决于电容器C2的特性，取决于第一二极管D2的特性以及取决于电感器L4的特性。可替换地或除此之外，还包括电感器L4的实施例可以被用来允许在考虑到输出节点N3处所提供的充足水平的工作电压的情况下更为自由地选择具有适当特性的电容器C2。
依据本发明的实施例，辅助绕组L3的极性可以与图4和5所示的相反。结果，功率转换器10的开关S的状态对于电路30b、30c的操作的影响与之前所描述的操作相反。因此，如之前详细讨论的，开关S闭合导致电容器C2进行充电并且在输出节点N3提供工作电压，而开关S打开则导致电容器C2经由电感器L4进行放电。电路30a、30b和/或30c的组件的特性基于各自电路的所期望性能和用途进行选择。作为示例，诸如集成电路的控制器件20的特性以及电源输出处所允许的负载电压范围可以被用来为电路的组件确定适当数值。作为示例，电容器C2的电容可以为4. 7nF，并且电感器L4的电感可以为220 ii H。在之前所描述的每个电路30a、30b和30c中，除辅助绕组L3之外的组件可以被认为是包括在电压控制电路40中。虽然电路30a、30b和30c的组件C2、L3、D2、D3和D4被描述和图示为相互直接连接，但是电路30a、30b和/或30c的变化形式可以包括除这里所描述之外的附加组件而并不背离本发明的范围。例如，电路30a、30b和/或30c的任意两个组件可以经由一个或多个中间组件相互耦合，例如经由一个或多个电阻器。
权利要求
1.一种用于为被设置为驱动隔离开关模式电源的控制器件(20)提供工作电压的电路(30)，所述电路包括辅助绕组(L3)，其设置在所述隔离开关模式电源初级侧上，并且被设置在将第一节点 (NI)连接到第二节点(N2)的第一分支中，-电容器(C2)，其在将第一节点(NI)耦合到第二节点(N2)的第一分支中与所述辅助绕组(L3)串联设置，所述电容器(C2)具有耦合到所述辅助绕组(L3)的第二端子的第一端子以及耦合到第二节点(N2)的第二端子，-设置在将第一节点(NI)连接到第二节点(N2)的第二分支中的第一二极管(D2)，所述第一二极管(D2)具有耦合到第一节点(NI)的阳极以及耦合到第二节点(N2)的阴极，-具有耦合到第二节点(N2)的阳极和耦合到输出节点(N3)的阴极的第二二极管 (D3)，所述输出节点(N3)可连接至所述控制器件(20)以便提供工作电压，和-电感器(L4)，其在将第一节点(NI)连接到第二节点(N2)的第二分支中与二极管 (D2)串联设置。
2.根据权利要求1的电路，其中-所述二极管(D2)的阴极耦合至所述第二节点(N2)，-所述二极管(D2)的阳极耦合至所述电感器(L4)的第一端子，并且 -所述电感器(L4)的第二端子耦合至所述第一节点(NI)。
3.根据权利要求1的电路，其中-所述电感器(L4)的第一端子耦合至第二节点(N2)，-所述电感器(L4)的第二端子耦合至所述二极管(D2)的阴极，并且 -所述二极管(D2)的阳极耦合至所述第一节点(NI)。
4.根据之前任一项权利要求的电路，其中所述第一节点(NI)耦合至接地电势。
5.根据之前任一项权利要求的电路，被设置为向所述控制器件(20)提供工作电压，所述控制器件(20)被设置为驱动返驰转换器的开关。
6.根据权利要求1至4中任一项的电路，被设置为向所述控制器件(20)提供工作电压，所述控制器件(20)被设置为驱动正激转换器的开关。
全文摘要
提供了一种用于为被设置为驱动隔离开关模式电源的控制器件提供工作电压的电路。该电路包括辅助绕组，其设置在隔离开关模式电源初级例上，并且被设置在将第一节点连接到第二节点的第一分支中。该电路进一步包括电容器，其在将第一节点耦合到第二节点的第一分支中与辅助绕组串联设置，该电容器具有耦合到辅助绕组的第二端子的第一端子以及耦合到第二节点的第二端子。该电路还包括设置在将第一节点连接到第二节点的第二分支中的第一二极管，该第一二极管具有耦合到第一节点的阳极以及耦合到第二节点的阴极，以及具有耦合到第二节点的阳极和耦合到输出节点的阴极的第二二极管，输出节点可连接至控制器件以便提供工作电压。该电路还包括在将第一节点连接到第二节点的第二分支中与二极管串联设置的电感器。
文档编号H02M3/28GK103023329SQ20121036204
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月20日 优先权日2011年9月21日
发明者H·纳卡 申请人:赫尔瓦有限公司