CN100449922C - 用于电源的启动电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于电源(44)的启动电路(30)具有用于将高压源连接到启动电路上的输入端(31)，以及用于把整流电压输送给电源的输出干线(33)。第一能量储存器件(35)与输出干线耦合，用于在最初把电压施加到输入端上时存储能量，以及第二能量存储器件(37)与电源的输出端耦合，用于在出现在电源的输出端上的电压基本上达到稳态时存储能量。开关电路(36，50)与第一能量存储器件和第二能量存储器件耦合，并且响应于具有足够能量的第一能量存储器件而将能量传递到第二能量存储器件并且从输出干线断开第一能量存储器件。

Description

用于电源的启动电路
发明领域
本发明涉及用于驱动低电压器件、例如发光二级管(LED)的启动电路。
发明背景
需要低电压DC的电气器件通常由干线启动的电源(mainsoperated power supplies)来提供电压。图1示意性地显示了在典型的低电压电源中的常规启动电路1，其中干线电压2通常由桥式整流器3来整流，然后经由电阻器4供应给电源中的控制电路(未显示)。通过与电容器6并联连接的齐纳二极管5将控制电路的输入电压维持在所需电平。
在操作期间，贯穿全文被称为“启动电阻器”的电阻器4把电流供应给电容器6，该电容器6因此充电到由齐纳二极管5决定的值，从而确保输入到控制电路的恒定电压。通常，干线电压在美国是110VAC或在欧洲是220VAC，然而器件靠较低的电压、例如30伏或更小的电压来工作。在首先以受控方式接通启动电路1后，该启动电路1用于直接从干线电源对电源供能。然而，一旦电源工作并且已达到稳态电压，就不再需要提供能量给启动电路，现在该启动电路是多余的。
图1所示的装置的缺点是：即使在稳态条件下，当不再需要启动电路时，通过启动电阻器4的电流的恒定流量自身表现为恒定能量损失，因而降低了电源的整体效率。耗散在启动电阻器4中的功率量是输入电压和输出电压之差的函数，由于输出电压越接近稳态时的输入电压，启动电阻器上的电压降就越少，因此由于其而引起的能量损失就越低。在被设计用于仅从单个电压源启动的电源中，可以优化电路元件以便减少由于启动电阻器引起的恒定能量损失。然而，在用于在电源电压的范围、例如85-277VAC上工作以便适合美国和欧洲市场的所谓的通用电源中，这样的优化难以实现并且不可能针对所有电源电压最小化由于启动电阻器引起的能量损失。
因此期望的是，一旦电压正常工作并且达到稳态，就无需启动电阻器。现有技术已经认识到这种需要，尽管显然不是需要通用电源。因而，参照图2，其显示了2001年10月5日公开的并且被转让给东芝照明技术公司的JP 2001275347所揭露的现有技术电源10。图中所显示的附图标记是在这个公开文件的摘要中出现的附图标记，现在将仅描述相关的元件。
电源单元10包含启动电阻器17，在启动时该启动电阻器17经由第一晶体管18将来自桥式整流器13的输出供应给控制电路16。启动电路将来自桥式整流器13的输出供应给第一晶体管18，因而在启动期间维持第一晶体管18导通以及将功率供应给控制电路。第二晶体管21由电压调整器22的输入和输出之间的电势差驱动并且在启动后维持在输出变压器15的初级辅助绕组15b中所产生的恒定电压。第二晶体管21提供所得到的电压给控制电路，因而该控制电路被驱动，并且将第一晶体管从导通转换为截止，从而有效地断开启动电阻器17。
因而，电源单元通过在(开关电路)启动后分离启动电阻并且仅仅由输出电压器中所产生的功率来驱动主开关元件的控制电路而在等待期间省电。
从图2可以看到，在桥式整流器13之后立即在输入端上连接电解电容器23。该电解电容器23的目的是存储来自干线的能量以及在瞬时断电或干线电压波动的情况下充当辅助电源。为了适合这个功能，电容器23必须有高电容，而这真是使用电解电容器的原因。然而，在电路输入端上的高电容的连接妨碍具有接近整功率因数的电源。当电源将与计算机等一起使用时，这可能没有太大关系。然而，有许多需要接近整功率因数的应用，在这种情况下在JP 2001275347所示的电路是不适合的。
为了实现接近整功率因数，数量级为200nF的高电容通常被布置在电源的输出端附近。这增加了达到稳态所花费的时间并且这又增加了在启动之前电路必须被禁止的时间。在JP 2001275347中，在第一开关18打开和第二开关14闭合之间所花费的时间太快以致不允许这种电容的完全充电。这也表明了在JP 2001275347中所公开的电路不适合与具有接近整功率因数的电源一起使用.
DE 4227183公开了一种电子开关器件，用于传输开关模式(或同步)电源中的启动电源电压。开关器件将启动电源电压提供给电子控制电路，该电子控制电路的输出端与以电子方式受控的脉冲开关连接。在受控的脉冲开关启动脉冲之后，由工作电压电路供给以电子方式受控的电路。当电压最初被施加时，第一电容器充电；而当电压出现在电源的输出上时，第二电容器与电源的输出端耦合以便充电。在高阻抗时用输入电压对第一电容器充电。在常规的操作状态下并且在达到阈值电压之后，第二电容器的电荷对于连接在后面的阻抗很低的电子控制电路来说变得可用。
在2001年6月12日公布的并且标题为“Switching powersupply”的US 6,246,596(Yamazaki)公开了一种开关电源，该开关电源包含由两个控制IC控制的功率因数提高电路，这由两个控制IC由相应的电容器供给；以及至少一个启动电路，用于控制两个控制IC的启动。
因此期望的是，提供一种用于电源、特别是具有接近整功率因数的通用电源的启动电路，其中在电源已经达到稳态之后启动电阻器被断开，由此防止能量损失并提高效率。
发明概述
因此，本发明的目的是提供一种用于具有接近整功率因数的电源的启动电路，其具有一个启动电阻器，在电源已经达到稳态之后该启动电阻器被断开，由此防止能量损失并提高效率。
为此，依据本发明提供一种用于电源的启动电路，所述启动电路包含：
输入端，用于将高压源连接到启动电路上，
输出干线(rail)，用于将整流电压供应给电源，
与输出干线耦合的第一能量存储器件，干线，用于在电压最初被施加到输入端上时存储能量，
与电源的输出端耦合的第二能量存储器件，用于在电源的输出端上出现的电压基本上达到稳态时存储能量，以及
开关电路，该开关电路与第一能量存储器件和第二能量存储器件耦合，响应于具有足够能量的第一能量存储器件而将所述能量传递给第二能量存储器件，并且使第一能量存储器件从输出干线断开；
其特征在于：
电源是通用或可变电源，该电源适合在被供应给所述输入端的电源电压的范围上操作，
启动电阻器被耦合在输出干线和第一能量存储器件之间，用于将电流提供给第一能量存储器件，以及
开关电路响应于具有足够能量的第一能量存储器件而将启动电阻器和输出干线断开。
附图简述
为了理解本发明以及了解本发明在实践中可以如何来实现，现在将参考附图仅通过非限制性的例子来描述优选实施例。
图1是示意性显示典型的低压电源中的常规启动电路的部分电路图；
图2是示意性显示现有技术电源的部分电路图；
图3是功能性显示根据本发明的改良的启动电路的方块图；以及
图4是示意性显示图3中所示的启动电路的实际实施例的部分电路图。
发明详述
图3是功能性显示根据本发明的改良的启动电路30的方块图，该电路具有输入端31，用于将干线电源的电压连接到启动电路上(构成高压源)。通常，这样的电源在美国具有110VAC的电压或在欧洲具有220VAC的电压。输入端31连接到具有输出端33的桥式整流器32上，输出端33将整流电压供应给电流源34，该电流源34与电容器35的一端耦合(该电容器35构成第一能量存储器件)，该电容器的另一端连接到GND。
通常打开的开关电路36与第一电容器和第二电容器37耦合(该第二电容器37构成第二能量储存器件)并且响应于第一比较器38的输出，该第一比较器具有连接到第一电容器35的正电压端的第一输入端39和连接到第一参考电压(VR1)的第二输入端40。电流源34响应地与第二比较器41的输出端耦合，该第二比较器具有连接到第二电容器37的正电压端的第一输入端42和连接到第二参考电压(VR2)的第二输入端43。桥式整流器32的整流输出33被供应给电源44，该电源44被设计成接近整功率因数工作并且具有供应给整流二极管46的阴极的输出45，该整流二极管46的阳极与第二电容器37的正电压端连接。
启动电路30的工作如下。一旦加电，恒流源34将电流输送到第一电容器35中并且将其充电到全负荷。在这段时间期间，整流器输出33给电源44馈电并且对其中的输出电容器(未示出)充电，该输出电容器确保电源以或接近整功率因数工作。开关36被打开，以致第一电容器35与第二电容器37电隔离。在图3中没有显示电源本身，但是一旦对电源加电并且电源运行，它就经由整流器二极管46对第二电容器37充电。因而，当电路达到稳态时，如果电源电压瞬间降低，则第二电容器37充当电源的储存器。
当第一电容器35上的电压超过第一参考电压(VR1)时，第一比较器38产生一个开关信号，该开关信号导致通常打开的开关电路36闭合，由此使第一电容器35与第二电容器37并联连接并且将存储在第一电容器中的能量传递给第二电容器。同样，当第二电容器37上的电压超过第二参考电压(VR2)时，第二比较器41产生一个断开电流源34的开关信号，由此防止进一步对第一电容器35充电。电压阈值VR1和VR2被选择成分别接近第一和第二电容器全负荷时的电压。因此，当第一电容器基本上被完全充电时，开关36闭合并且第一电容器35中所存储的能量被传递到第二电容器37。这有助于增加第二电容器37上的电荷，该电荷达到电压阈值VR2。当这发生时，电流源34从第一电容器35断开，因而防止第一电容器35在电源稳态工作期间被充电并且节能。如下面将参考附图中的图4所解释的，电流源34包含一个电阻器，经由该电阻器对第一电容器35充电。因此，禁止电源34可防止电流流过这个电阻器，否则该电流将作为欧姆损耗被耗散。
现在参考图4，其中示意性显示了如上参考图3所述那样工作的启动电路40的实际实施方案的部分电路图。这两个图共同的特征将用相同的附图标记来引用。因而，将输入电源电压31供应给桥式整流器32，它的正输出端充当输出干线33，该输出干线33经由包含串联连接的电阻器R1和R2的第一分压器供应给NPN双极型晶体管Q1的集电极，Q1的发射极与GND连接。第二分压器通过以下方式来形成，即电阻器R3的一端与输出干线33连接并且电阻器R3以其另一端与电阻器R4的一端串联连接，该电阻器R4的另一端与GND连接。
PNP双极型晶体管Q2的发射极与输出干线33连接，其基极与电阻器R1和R2的连接点连接，并且其集电极经由电阻器R5与第一电容器C1的第一端连接，该第一电容器C1的第二端与GND连接，并且该第一电容器对应于图3中的第一电容器35。电阻器R3和R4的连接点与NPN双极型晶体管Q3的集电极连接，该NPN双极型晶体管Q3的发射极与GND连接。电阻器R6连接在晶体管Q3的基极和发射极之间并且该晶体管Q3的基极经由电阻器R7与第一齐纳二极管D1的正极连接，该第一齐纳二极管D1的负极与第二电容器C2的第一端连接，该第二电容器C2的第二端与GND连接，并且该第二电容器对应于图3中的第二电容器37。第一齐纳二极管D1的负极与整流二极管D2的负极连接，该整流二极管D2的正极与电源44的正电源干线连接。
第二电容器C2的第一端也与PNP双极型晶体管Q4的集电极连接，该PNP双极型晶体管Q4的发射极与第一电容器C1的第一端连接，并且其基极经由第一偏压电阻器R8与NPN双极型晶体管Q5的集电极连接。在PNP双极型晶体管Q4的基极和发射极之间连接有第二偏压电阻器R9。晶体管Q5的发射极与GND连接，并且其基极与分压器的连接点连接，该分压器包含连接在GND和齐纳二极管D3的正极之间的串联连接的电阻器R10和R11，该第二齐纳二极管D3的负极与第一电容器C1的第一端连接。
在减少用于实践的实际电路中，使用下面的电路元件，其中重要的是：
  元件   值   元件   值/额定值
  R1   47K   C1   220μ
  R2   100K   C2   22μ
  R3   1.5M   D1   15V
  R4   47K   D2   -
  元件   值   元件   值/额定值
  R5   47K   D3   25V
  R6   10K   Q1   FMMT458
  R7   47K   Q2   FMMT558
  R8   47K   Q3   PMBT222A
  R9   10K   Q4   PMBT2907
  R10   47K   Q5   BCV47
启动电路40等效于图3中所示的功能性示意图并且启动电路40的操作因此也是相同的。因而，PNP双极型晶体管Q2结合电阻器R5构成图4中所示的电流源34。电阻器R1、R2、R3、R4结合晶体管Q1构成第一开关50，用于控制电流源34。电阻器R10、R11结合第二齐纳二极管D3和晶体管Q5构成第一比较器38，第二齐纳二极管D3的击穿电压确定第一电压阈值VR1。同样，电阻器R6、R7结合第一齐纳二极管D1和晶体管Q3构成第二比较器41，第一齐纳二极管D1的击穿电压确定第一电压阈值VR2。电阻器R8和R9结合晶体管Q4构成对应于图3中所示的开关36的第二开关，用于耦合第一和第二电容器C1和C2。第一开关50和第二开关36在功能上可被看作开关电路，该开关电路响应具有足够能量的第一电容器C1，以便将能量传递给第二电容器C2并且断开第一电容器C1。
一旦加电，Q1截止，因此晶体管Q2的基极电势基本上为零。由于Q2是PNP双极型晶体管，因此它通过电阻器R5传导来自输出干线33的电流，由此对第一电容器C1充电。由于只要第一电容器C1上的电压小于第二齐纳二极管D3的击穿电压，晶体管Q5的基极电势就小于击穿电压VBE，作为NPN器件的Q5因此截止。电流从电流源34流入晶体管Q4的基极。由于Q4是PNP器件，因此其截止并且第一和第二电容器C1和C2去耦。当第一电容器C1上的电压达到第二齐纳二极管D3的击穿电压时，Q5的基极电压超过击穿电压VBE，因此晶体管Q5导通。这将晶体管Q4的基极电压下拉到GND，作为PNP器件的Q4也开始导通，从而使第一和第二电容器C1和C2耦合，借此C1中所存储的能量流入C2。
当第二电容器C2上的电压达到第一齐纳二极管D1的击穿电压时，R6上的电压超过晶体管Q3的击穿电压VBE，因此作为NPN器件的Q5导通。这将晶体管Q1的基极电压下拉到GND，作为NPN器件的Q1截止。因此，晶体管Q2的基极上的电压升高，作为PNP器件的Q2也截止，从而防止电流流过电阻器R5，否则这将不必要地继续浪费能量。
第二电容器C2上的电压现在由电源44所输出的电压来维持，因此在启动电路不继续工作的情况下电源的稳态操作也被维持。
应当理解的是，图3中所示的电路的功能可以使用与图4中所示那些电路元件不同的电路元件来实现。
也应当理解的是，本发明在它的范围之内不仅考虑启动电路而且还考虑包含这种启动电路的电源，该启动电路或者集成在该电源中或者从外部连接到该电源上。已经发现这样的电源在驱动发光二极管(LED)的使用中特别有效率。此外，这样的电源适合于连接具有变化的电压、例如85-277VAC的供电电源，并且在该范围中的所有电压上都同样有效率，因为只要电源达到稳态就断开启动电路。如果情况不是如此，电阻器R5上的压降将依赖于输出干线33上的电压，并且在电源线电压较高时将浪费更多的能量。因而，避免了在电源线电压不同时效率变动的缺点。
正如已经指出的，重要的是这样的电源几乎具有整功率因数。为此，必须避免如在JP 2001275347中所使用的启动电路的输入端上的高电容，并且借助电源中或连接到电源输出端上的合适的功率因数校正电路来减小功率因数。这种功率因数校正电路本身是已知的，并且不是本发明的特征。然而，在电源中提供功率因数校正目的在于数量级为数百瓦特而不是数千瓦特的低功率输出，这防碍在启动电路的输入端上连接高电容，因此本发明包含具有功率因数校正的电源和如上所述的启动电路。

Claims (16)

1.用于电源(44)的启动电路(30)，所述启动电路包括：
输入端(31)，用于将高压源连接到所述启动电路上，
输出干线(33)，用于将整流电压供应给所述电源，
第一能量存储器件(35)，该第一能量存储器件(35)与所述输出干线耦合，用于在电压最初被施加到所述输入端上时存储能量，
第二能量存储器件(37)，该第二能量存储器件(37)与所述电源的输出端耦合，用于在出现在所述电源的输出端上的电压达到稳态时存储能量，以及
开关电路(36，50)，该开关电路(36，50)与所述第一能量存储器件和第二能量存储器件耦合，并且响应于所述第一能量存储器件具有足够能量而将所述能量传递给所述第二能量存储器件并且将所述第一能量存储器件从所述输出干线断开；
其特征在于，
所述电源(44)是通用或可变电源，该电源适合在被供应给所述输入端(31)的电源电压的范围上操作，
启动电阻器(R5)被耦合在所述输出干线(33)和所述第一能量存储器件(35)之间，用于将电流提供给所述第一能量存储器件(35)，以及
所述开关电路响应于第一能量存储器件具有足够能量而将所述启动电阻器(R5)从所述输出干线(33)断开。
2.根据权利要求1所述的启动电路，其中所述启动电路是用于LED照明系统的电源的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的启动电路，其中所述第一能量存储器件是第一电容器(35)，所述第二能量存储器件是第二电容器(37)。
4.根据权利要求3所述的启动电路，包括：
电流源(34)，与所述输入端连接，用于对所述第一电容器充电，以及
第一比较器(38)，该第一比较器(38)具有与所述第一电容器(35)的输出端耦合的第一比较器第一输入端(39)，并且具有与第一参考电压(VR1)连接的第一比较器第二输入端(40)，用于在所述第一电容器的输出超过所述第一参考电压时产生第一开关信号；
第二比较器(41)，该第二比较器(41)具有与所述第二电容器(37)的输出端耦合的第二比较器第一输入端(42)，并且具有与第二参考电压(VR2)连接的第二比较器第二输入端(43)，用于在所述第二电容器的输出超过所述第二参考电压时产生第二开关信号；
所述开关电路(36，50)响应于所述第一开关信号而从最初所述第一电容器与所述第二电容器隔离的断路变化为所述第一电容器与所述第二电容器并联连接的闭合电路；以及响应于所述第二开关信号而禁止电荷流向所述第一电容器。
5.根据权利要求4所述的启动电路，其中所述开关电路(36，50)包括：
第一开关(50)，与所述电流源耦合，并且具有所述电流源与所述第一电容器耦合的初始状态以及所述电流源与所述第一电容器去耦的第二状态，以及
第二开关(36)，被耦合在所述第一和第二电容器的相应输出端之间，并且响应于由所述第一比较器(38)所产生的开关信号从打开状态改变为闭合状态，从而使所述第一电容器(35)与所述第二电容器(37)并联连接，并且将所述第一电容器中所存储的能量传递给所述第二电容器。
6.根据权利要求5所述的启动电路，其中所述第一和第二开关包含半导体器件(Q1，Q4)。
7.根据权利要求6所述的启动电路，其中所述第一和第二开关是双极型晶体管(Q1，Q4)。
8.根据权利要求4或5所述的启动电路，其中所述第一比较器(38)包含第二齐纳二极管(D3)。
9.根据权利要求4或5所述的启动电路，其中所述第二比较器(41)包含第一齐纳二极管(D1)。
10.根据权利要求4或5所述的启动电路，其中所述电流源(34)包含第二晶体管(Q2)，用于供给通过启动电阻器(R5)的电流。
11.根据权利要求5所述的启动电路，其中所述第一开关(50)包括第一分压电阻器(R1，R2)和第二分压电阻器(R3，R4)以及第一晶体管(Q1)，用于控制所述电流源(34)。
12.根据权利要求4或5所述的启动电路，其中所述开关电路包含第二开关(36)，该第二开关(36)包括第一和第二偏压电阻器(R8，R9)和第二晶体管(Q4)。
13.一种通用或可变电源，包括根据权利要求1或2所述的启动电路。
14.根据权利要求13所述的电源，其中所述电源是集成单元。
15.根据权利要求13所述的电源，其中所述电源是LED照明系统的一部分。
16.根据权利要求13所述的电源，其中所述电源包含功率因数校正电路。
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