用于启动单元电路的系统和方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求20 14年11月17日提交的标题为"Sy s t em and Me thod for a Switched-Mode Power Supply"的美国临时申请第62/080，689号的权益，其内容结合于此 作为参考。
技术领域
[0002] 本发明总的来说涉及切换电路，更具体地，涉及用于启动单元电路的系统和方法 的实施例。
【背景技术】
[0003] 电源系统在从计算机到汽车的许多电子应用中无处不在。通常，电源系统内的电 压通过操作加载有电感器或变压器的开关执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换来生成。这些 系统的一类包括切换模式电源(SMPS)。SMPS通常比其他类型的功率转换系统更加有效，因 为功率转换是通过电感器或变压器的可控充电和放电来执行的，并且用于降低由于横跨阻 性压降的功率消耗所引起的能量损失。
[0004] SMPS通常包括至少一个开关以及电感器或变压器。一些特定技术包括降压转换 器、升压转换器和反激转换器等。控制电路通常用于打开和闭合开关以对电感器进行充电 和放电。在一些应用中，提供给负载的电流和/或提供给负载的电压经由反馈回路来控制。
[0005] SMPS的一种应用是用于发光二极管（LED)的电源，诸如用于住宅和商业发光应用 以替代白炽灯泡和节能灯（CFL)。在一些应用中，SMPS用于将AC线电压转换为DC电流来为 LED供电。
【发明内容】
[0006] 根据一个实施例，一种电路包括親合至电源输入端的第一切换电路、親合至第一 切换电路的输出端的第二切换电路、耦合至第二切换电路的源电容器以及耦合至电源输入 端和源电容器的启动单元。启动单元被配置为当第二切换电路不被有效切换时将电源输入 端电耦合至源电容器。启动单元还被配置为当第二切换电路被有效切换时将电源输入端与 源电容器电去耦。
【附图说明】
[0007] 为了更好地理解本发明及其优点，现在结合附图进行以下描述，其中：
[0008] 图1示出了可用于向电子系统提供电能的示例性切换模式电源(SMPS)系统；
[0009] 图2示出了根据一个实施例的SMPS系统；
[0010] 图3示出了示例性电源系统，其中示出了VCC电源电路和次级侧电路的进一步细 T ；
[0011]图4示出了传统的PFC;
[0012]图5示出了谐振半桥功率转换器的实施例的示意图；
[0013] 图6示出了准谐振反激控制器的典型应用电路；
[0014] 图7示出了 PFC+LLC转换器的示例性应用；
[0015] 图8示出了用于多输出应用的示例性应用电路；
[0016] 图9示出了具有P0WER_on信号的操作时序；
[0017]图10示出了用于VCC电容器的示例性启动单元的操作；
[0018] 图11示出了启动阶段期间的示例性启动单元操作的波形图；
[0019] 图12示出了当输入待机或突发模式操作时启动单元操作的波形图；以及
[0020] 图13示出了用于启动单元和控制器IC的操作的示例性方法。
[0021]不同附图中的对应数字和符号通常表示对应的部分，除非另有指定。绘制附图以 清楚地示出实施例的相关方面而不需要按比例绘制。
【具体实施方式】
[0022] 以下详细讨论各个实施例的制造和使用。然而，应该理解，本文描述的各个实施例 可应用于各种特定情况。所讨论的具体实施例仅仅是为了说明制造和使用各个实施例的具 体方式，而不应以限制范围来构造。
[0023] 相对于具体上下文（即切换电路，更具体为用于AC/DC转换器的切换电路）的实施 例进行说明。本文所描述的各个实施例包括功率因子校正(PFC)、LLC谐振转换器和耦合至 LLC谐振转换器用于AC/DC转换的PFC转换器。在其他实施例中，各个方面还可以应用于其他 应用，包括根据本领域已知任何方式的任何类型的切换电路。
[0024] 在一个实施例中，第一切换级和第二切换级串联耦合，并且控制器耦合至第一和 第二切换级来向每一级提供开口控制信号。在电源输入端处向第一切换级提供电能以提供 诸如AC-DC转换的转换。在一些实施例中，通过一个切换级的输出来为控制器供电。例如，第 二切换级向控制器提供DC电能。在一些操作模式或阶段期间（诸如启动或待机阶段器件）， 第二切换级可以被无效并且提供给控制器的电能被中断。为了放置电能中断，源电容器耦 合至控制器并且在启动或待机阶段期间通过电源输入来充电。具体地，在启动或待机阶段 期间，只要第二切换级无效，源电容器就耦合至电源输入端。在一些具体实施例中，即使当 第一切换级有效时，如果第二切换级保持无效，则电源输入端耦合至源电容器以对源电容 器进行充电，这对控制器进行供电。
[0025] 在本文描述的各个实施例中，当第二切换级无效时保持源电源器上的电荷防止了 低电源电压使得控制器在操作期间重置，并且还防止了切换驱动电压降到用于驱动切换的 最低电压阈值以下。
[0026] 图1示出了示例性开关模式电源(SMPS)系统100,其可用于向诸如平板监控器或电 视机的电子系统提供电能。如图所示，开关模式电源系统100包括两级:功率因子校正(PFC) 级102以及后面跟随的谐振模式开关模式电源(诸如电感器-电感器-电容器LLC功率转换器 104) JFC级102被配置为将AC线电压ACin转换为DC总线电压DCbus,而LLC功率转换器104被配 置为将PFC级102的DC总线电压输出转换为用于SMPS系统100的一个或多个DC电源输出，例 如由输出电压Voutl和Vmjt2表不的Voutl和Vmjt2。如图所不，LLC功率转换器104包括親合至表不 为LOAD 1和L0AD2的负载的两个输出端。在诸如平板电视机的系统中，LOAD 1可以表示音频电 路，而L0AD2可以表示耦合至背光电路的电源输出。
[0027] 如图所示，LLC功率转换器104还向用于控制器108的VCC电源电路106提供电能。控 制器108为FPC级102和LLC功率转换器104提供切换控制信号并通过来自LLC功率转换器104 的转换信号来供电。VCC电源电路106被配置为保持针对控制器108的电源，即使当LLC功率 转换器104无效且不对控制器108供电时。在各个实施例中，当LLC功率转换器104无效时，来 自AC电源110的未经转换的电源输入AC in通过启动单元(位于控制器108内）耦合至VCC电源 电路106，从而对VCC电源电路106中的源电容器充电来保持提供给控制器108的电能。整流 器(未示出)还可以包括在AC电源110和启动单元中来向VC电源电路106提供整流后的电能。
[0028] 在一个实施例中，例如用于为中至大尺寸LED电视机提供电能的电源系统，LLC功 率转换器104可以被配置为提供多个电压输出来供应视频电路、LED驱动器和LED背光。此 外，低电压(诸如3.5V)可用于供应位于电视机主板中的处理器(诸如微控制器）。
[0029 ]图2示出了根据本发明实施例的SMPS系统。如图所示，示例性SMPS系统101包括PFC 转换器112及后面跟随的LLC转换器114。在一个具体可选实施例中，LLC转换器114可以使用 另一种类型的谐振功率转换器电路来实施，诸如串联谐振功率转换器。在又一些实施例中， LLC转换器114可以被其他PffM转换器拓扑来替代，包括但不限于反激转换器和正向转换器。 LLC正向转换器114还可以通过PffM转换器的派生拓扑来实施，其例如包括有源钳位但不限 于有源钳位反激转换器和有源钳位正向转换器。在这种转换器中，附加切换元件有效地钳 位原始反激或正向转换器的切换晶体管(例如，M0SFET)两端的电压过冲。因此，与使用无源 部件(诸如电阻器、电容器或二极管）以钳位切换晶体管两端的电压过冲的反激或正向转换 器相比，可以实现更高的效率。在又一些实施例中，PFC正向转换器112可以使用AC/DC正向 转换器来实施，其不提供功率因子校正。
[0030] 在所示实施例中，LLC转换器114具有耦合至由框LOADl和L0AD2表示的负载的两个 电源输出端。应该理解，在可选实施例中，LLC转换器114可以具有多于两个的电源输出端或 者可以仅具有单个输出端。
[0031] 在一个实施例中，控制器IC 116为PFC转换器112和LLC转换器114提供门控制信 号。例如，信号LLC HSGate和LLC LSGate分别驱动LLC转换器114的高侧和负载侧开关，并且 信号PFCGate驱动PFC转换器112中的开关。在一个实施例中，这些门控制信号(LLC HSGate、 LLC LSGate和PFCGate)由设置在控制器IC 116上的高侧驱动器126和低侧驱动器128生成。 可选地，可以使用外部驱动电路。在正常操作模式期间，控制器IC 116的主控制块118为PFC 转换器112和LLC转换器114实施SMPS算法。控制器IC 116的主控制块118例如可以使用模拟 电路、数字电路或它们的组合来实施。在各个实施例中，可以使用本领域已知的各种电源控 制电路、方法和算法。例如，对于PFC转换器112来说，主控制块118可以基于由总线监控电压 块120测量的PFC转换器112的输出电压生成用于PFCGate信号的脉宽调制(PWM)信号，并且 可以基于由耦合至输出（未示出）的反馈块测量的LLC转换器114的输出电压生成用于LLC HSGate和LLC LSGate信号的频率调制信号。例如，使用主控制块118中的脉冲发生器来生成 信号PFCGate、LLC HSGate和LLC LSGate。
[0032] 在一些实施例中，控制器IC 116还包括AC输入电压监控电路122和用于在启动期 间为功率控制器IC 116供电的启动单元124。在一个实施例中，启动单元124包括半导体开 关，其将整流AC输入电压耦合至控制器IC 116的本地低压电源(通过被示为耦合在控制器 IC 116和LLC转换器114之间的VCC电源电路130来实施）。如图所示，使用耦合在PFC转换器 112的输入端与控制器IC 116的高压输入管脚HV之