CN100566071C - 用于电容器充电电路的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种有效地对电容性负载充电的电容器充电电路。具体地，优选地提供使用来自变压器的一次绕组和二次绕组的电流来控制开关的接通时间和断开时间的电路和技术。这种设置优选地实现一个自适应的接通时间和自适应的断开时间的开关，该开关能够对零伏到几百伏的范围内的电容器负载快速地充电。优选地间接测量输出电压以避免不必要的功率消耗。另外，可提供控制电路，以通过一旦达到期望的输出电压就停止对该电容器负载传输功率来节约功率。控制电路优选地操作询问定时器，该询问定时器周期性地启动功率传输循环以使该电容器输出负载保持在一恒定的作好准备的状态上。

Description

用于电容器充电电路的电路和方法
相关专利申请的交叉参考
本申请是2002年12月18日提交的美国专利申请10/324,628的部分继续申请，该美国专利申请又是2001年8月3日提交的美国专利申请09/921,466的继续，后一申请现在是美国专利6,518,733，这两个申请的所有内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及对电容性负载充电，更具体地涉及对照相闪光灯系统中的电容性负载充电。
背景技术
在传统的照相闪光灯系统中，通常使用频率固定的开关式电源拓扑向一电容性负载提供功率。例如，在频率固定的应用中，可以使用与该频率相关的周期的一部分以接通一功率开关(例如晶体管)而使用该周期的另一部分断开该开关。可设置接通时间TON与断开时间TOFF的比以调节应用于该功率开关的能率比。在接通时间期间启动该功率开关，然后在断开时间期间该功率开关断开。在该开关式电源的开关周期中可调节该TON/TOFF比以向该电容性负载提供适当的功率。例如典型的DC-到-DC变流器使用这种技术。因此，在变化的负载状态或输出电压的需求下，传统的开关式电源拓扑可调节该TON/TOFF比以符合输出电压和负载需求。
然而，这种涉及照相闪光灯系统的方法具有一些潜在的问题。一个问题是该照相闪光灯电容器电压可以连续地变化，例如从充电周期开始时的0伏连续变化到该充电周期结束时的300伏。这一宽范围的电压变化提出了在传统的开关式电源上所不能实现的要求。例如，一些传统的开关式电源不具备通过调节该TON/TOFF比来提供功率以对在一宽的电压范围上变化的输出电容器负载充电的能力。
另一个与传统的开关式电源有关的潜在的问题是用于监视输出电压的输出电压反馈机构可以是一恒定功率消耗源。例如，一反馈机构可以包括一连接在该输出电容器负载和地之间的电阻分压器。在操作中，这种连接有一个I2R的功率损耗。此外，需要数十个微放大器在该电阻分压器中传导以使得该反馈机构的有限输入阻抗效应最小。另外，当传统的开关式电源操作以保持一相对较高的输出电压时(例如300伏)，该反馈机构的功耗为几毫瓦。因为在闪光灯准备状态需要保持电容器电压，所以该反馈机构必须不断地监视该电容器电压以确保保持适当的电压，因此这样会导致不期望的长时间的功率损耗。
另一个与传统的开关式电源有关的问题是获得适当的输出电压所需的开关行为是不能停止的。相反的，传统的开关式电源连续调节该TON/TOFF比以保持一个相对于给定负载恒定的输出电压。换句话说，传统的开关式电源向该负载连续提供功率，即使当已达到期望的电容器电压时。这样增加了额外的功率损耗，降低了传统照相闪光灯系统的效率。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种在宽的电容器负载电压范围上向一电容性负载传输功率的功率开关拓扑。
本发明的另一个目的是提供一种测量基本上与连续的耗用功率无关的电容器电压的反馈机构。
本发明的另一个目的是当照相闪光灯电容器达到其期望的电压时限制功率输出。
因此，本发明提供一种用于使开关在接通时间部分和断开时间部分之间循环以向负载提供功率的方法，所述方法包括：将通过该开关的电流电平与参考电流电平相比较以控制所述接通时间部分；将该开关的节点两端的电压电平与参考电压电平相比较以控制所述断开时间部分；以及在该接通时间部分和该断开时间部分之间循环以向负载提供功率，其中当该电流电平等于或大于该参考电流电平时该开关从该接通时间部分转换到该断开时间部分，以及当该电压电平等于或小于该参考电压电平时该开关从该断开时间部分转换到该接通时间部分。
本发明还提供了一种使开关在接通时间部分和断开时间部分之间循环以向负载充电的充电电路，所述电路包括：用于将通过该开关的电流电平与参考电流电平相比较以控制所述接通时间部分的接通时间电路；用于将施加到该开关的节点的电压电平与参考电压电平相比较以控制所述断开时间部分的断开时间电路；用于使该开关在该接通时间部分和该断开时间部分之间循环以向该电容器提供功率的锁存器电路，其中当该电流电平等于或大于该参考电流电平时该开关从该接通时间部分转换到该断开时间部分，以及当该电压电平等于或小于该参考电压电平时该开关从该断开时间部分转换到该接通时间部分。
本发明还提供了一种用于将电容器充电到预定的电压的方法，所述方法使用通过变压器向该电容器传输功率的电容器充电电路，该变压器具有初级侧和被连接以向该电容器供电的次级侧，所述方法包括：向该电容器传输功率，其中通过在(1)向该变压器提供功率直到提供给该变压器的电流等于或大于预定的参考电流和(2)向该电容器传输功率直到该变压器两端的电压等于或小于第一预定的参考电压之间循环实现功率传输；使用在该变压器初级侧的测量电路来测量该电容器的电压电平；以及响应于确定出电容器两端的电压等于或大于该预定的电压而终止功率传输。
另外，本发明还提供了一种通过经由变压器传输功率而将电容器充电到预定的输出电压的电容器充电电路，该变压器具有初级侧和被连接以将来自充电电路输出端的电源供给电容器的次级侧，所述电容器充电电路包括：通过在(1)向该变压器提供功率直到提供给该变压器的电流等于或大于预定的参考电流和(2)向该电容器传输功率直到该变压器两端的电压等于或小于预定的参考电压之间循环来向该电容器传输功率的功率传输电路；在变压器的初级侧的测量电路，其测量该电容器的输出电压电平；以及连接到该测量电路并当该测量电路确定该电容器的输出电压电平等于或大于该预定的输出电压时禁止功率传输电路的控制电路。
该功率传输电路将进行如下所述的操作。在接通时间期间，启动该开关并对该变压器提供能量直到关闭该开关。当该变压器接收能量时该变压器一次侧绕组中的电流一直增加，直到该接通时间电路中的一电阻的电压大于一接通时间的参考电压，该电阻可以传导该一次电流的全部或一部分。一旦该电压大于该参考电压，该接通时间电路就会产生一使得该锁存器断开该开关的信号，这样启动该开关周期的断开时间部分。
在断开时间期间，因为使用该变压器的二次侧的电流对负载充电，所以该变压器释放能量。在充电过程中该二次电流一直减小直到该断开时间电路中的一电阻的电压小于一断开时间的参考电压，该电阻可以传导该二次电流的全部或一部分。一旦该电压小于该参考电压则该断开时间电路可生成一使该锁存器重新启动该开关(即返回接通时间)的信号。可无限期地重复接通时间/断开时间周期直到该输出电压达到一期望的电压。
这种结构可以认为是基于电流的，因为它根据该变压器的一次绕组和二次绕组中的电流确定该接通时间和断开时间。这种基于电流的开关设置可提供一种能够快速有效地向电容性负载传送功率的通用的和可适应的转换拓扑。更具体地，该开关接通时间和开关断开时间能够适应电路中出现的情况。例如，该接通时间/断开时间周期在提供功率以对零伏到几百伏的范围内的电容性负载充电的过程中可实现高度的灵活性。该可适应的开关拓扑也可以自动适应电源输入电压中的变化。这样，即使该输入电压较低，该功率传输电路也可使该变压器达到基本相同的电平。
本发明的测量电路使电容器充电电路能够通过在断开时间周期中监视该变压器一次绕组的电压波形来间接测量输出电容器负载电压的能力。在该断开时间周期中测量该变压器一次绕组上的电压可使该电容器充电电路降低浪费的功耗。
在测量过程中，优选地将来自该变压器一次绕组的电压波形转换成参照地的电压。该参照地的电压可以是该输出电容器负载电压的瞬态表示。这个参照地的电压可与一参考电压相比较以确定该输出电压是否已达到一期望值。如果该输出电压达到该期望电压，则该测量电路可向该控制电路提供一输出信号。该输出信号优选地表示已达到期望的电容器负载电压。
如果该控制电路接收到一来自该测量电路的表示该电容器负载电压已达到该期望电压的信号，则该控制电路可暂时禁止该功率传输电路工作。因为不会发生额外的开关周期(直到再次需要开关周期以对该电容性负载充电)，所以禁止该功率传输电路工作可节约功率。此外，可对一询问定时器编程以使该功率传输电路在可变的一段时间内保持在禁止工作状态。一旦该可编程的时间段到时，则该询问定时器可生成一个自动地使该控制电路再次起动该功率传输电路的信号。例如，当该定时器时间到时时，该控制电路可使该功率传输电路工作，直到该输出电压恢复到该期望电压。一旦获得该期望电压，该控制电压可再次使功率传输电路在一指定时间、一可变的一段时间或闪光事件内不工作。
该控制电路可以在启动/停止启动模式之间循环以在一优选范围内在该输出电容器负载上保持一恒定的期望电压。假定没有发生闪光事件则这种循环可连续运行以自动补偿该输出电容器负载电压中的电压降。例如，由于电容器自身放电会使得电容器负载电压下降。
附图说明
根据下面详细的描述并结合附图可更好地了解本发明上述的或其它的目的和优点，附图中相同的标号表示相同的部分，其中：
图1是根据本发明的原理的功率传输电路和测量电路的电路图；
图2示出根据本发明的原理的功率传输电路和测量电路的操作的示意性波形图；
图3是根据本发明的原理的电流比较器电路的电路图；
图4示出根据本发明的原理的电流比较器电路的波形图；
图5是根据本发明的原理的控制电路的结构图；
图6示出根据本发明的原理的控制电路的波形图；
图7是根据本发明的原理的控制电路的一可选择实施例的结构图；
图8是根据本发明的原理的测量电路的一可选择实施例的电路图；
图9是根据本发明的原理的电容器充电电路的一可选择实施例的电路图。
具体实施方式
提供了用于对电容性负载提供高效充电的电路和技术。更具体地提供了用于在照相闪光灯系统中对电容性负载充电的电路和技术。
在传统的照相闪光灯电容器充电电路中，可利用传统的开关式电源来将一输出电容器充电到一期望的输出电压。该传统的开关式电源可通过调整该开关周期的TON/TOFF比对该输出电容器充电以获得期望的输出电压。
然而如上所述，传统的照相闪光灯电容器充电电路存在许多潜在的问题。传统的电容器充电电路可使用一电阻分压器来测量输出电压，该电阻分压器会产生不期望的功率损耗。其它的问题可包括对于连续变化的输出电压传统的开关式电源不能有效地对电容性负载充电。根据本发明构建的照相闪光灯电容器充电电路通过提供根据本发明的可调整的功率传输电路、功耗最小的测量电路和控制电路的每一个克服了这些问题。
根据本发明的原理的照相闪光灯电容器充电电路进行如下所述的操作。首先，如果输出电压太低，则该控制电路至少使该功率传输电路工作。该功率传输电路接通和断开一个功率开关以提供(DC-到-DC转换器)该电容器充电电路所需的转换功能。例如，该功率开关可以是一双极晶体管，该晶体管可用作该电容器充电电路的一转换机构的一部分。
当该功率传输电路接通该开关时，通过一电源对一变压器提供能量。该开关保持接通且连续向该变压器提供能量直到一接通时间电压(可能与该一次电流电平有关)大于一接通时间参考电压。然后该开关断开。当该开关断开时，该变压器不再由该电源提供能量而是通过向该输出电容器负载传输功率而释放能量。一直对该电容器充电直到一断开时间电压(可能与该二次电流电平有关)超过一断开时间参考电压，此时该开关再次接通。
该接通时间和断开时间转换优选地使本发明的电容器充电电路具有固有的自同步(即该电容器充电电路独立于额外的振荡器或时钟)。此外，开关接通时间和开关断开时间可适应于操作参数例如变化的输入源电压、变化的输出电压和其它与该电容器充电电路相关联的参数。该开关的变化的接通时间和断开时间的这种适应性使该电容器充电电路能够通过调节该接通时间/断开时间周期有效地向该输出电容器负载提供功率。
一旦该输出电容器上的电压达到一期望值，则该控制电路可禁止该功率传输电路和该测量电路工作(例如通过停止向该功率传输电路和测量电路发送功率来实现)。这样可节约功率，因为一旦达到该期望的输出电压则该功率传输电路和该测量电路就不再操作。
在一可选择的实施例中，当达到该期望的输出电压时该控制电路可仅禁止工作和/或断开该测量电路。在这个实施例中，断开该测量电路而其它电路例如该功率传输电路保持工作。因此，这个实施例使该电容器充电电路能够快速地对该负载再充电。
在另一可选择的实施例中，当获得该期望的输出电压时该控制电路可禁止工作和/或断开该功率传输电路和该测量电路。然而，在这个实施例中，  (在一段预定的时间后)重新启动该测量电路而没有重新启动该功率传输电路。这使该电容器充电电路能够额外地节约功耗。
然而，当不再向该电容性负载提供功率时，由于自身放电该电压会逐渐下降。该控制电路通过在一段可编程的时间或闪光事件后周期性的重新启动该功率传输电路来缓解这个固有的问题。当重新启动该功率传输电路时，或者如果该电压电平等于或大于该期望电压就立即切断该功率传输电路，或者运行该功率传输电路直到该输出电压恢复为该期望电压。一旦得到该期望电压，则该控制电路可再次禁止该功率传输电路和测量电路工作以节约功率。这样尽管存在固有的与电容性负载相关联的自放电，但该电容器充电电路能够将该输出电容器负载保持在恒定的作好准备的状态下。
本发明的另一方面是在电容器充电期间优选地可实现最大的功率转移。这可以通过在功率输出期间(至少直到该最后的开关周期的末端)防止变压器中的通量为零来实现。在接通时间期间，一次绕组电流增加。因为通量与该电流成比例，则该变压器中的通量也增加。然后在断开时间期间该电流和通量都减小。然而，在该开关周期的整个接通时间部分该一次绕组电流不为零。同样在断开时间期间该第二绕组电流也不为零。因为分别在接通时间和断开时间期间该一次和二次绕组电流不为零，所以该通量也不为零。因此在联合的各个接通时间和断开时间周期中该功率传输电路可保持一相对较高的平均电流(和通量)。这个较高的平均电流(和通量)使该电容器充电电路能够对该电容性负载快速地充电。
本发明的另一方面包括测量该输出电容器负载上的电压，而同时在电源(例如电池)上的耗用功率最小。在断开时间周期(例如回扫周期)中，根据本发明的测量电路通过将该变压器的一次侧上的电压转换为一个参照地的电压来间接测量输出电压。这个参照地的电压与该瞬时的输出电压成比例。然后可以将该参照地的电压与一参考电压相比较以确定是否得到期望的输出电压。此外，因为在断开时间开关周期中该变压器的一次绕组中基本没有电流，则在测量期间功耗是很有限的。
本发明的另一方面是尽管该变压器的漏电感会产生电压尖峰但该测量电路仍能精确测量输出电压。在每个断开时间周期的开始，测量电路的输出被暂时延迟以阻止测量电路监视电压波形显示出漏电感电压尖峰的部分。这样，根据本发明的测量电路优选地可以精确地测量与电压尖峰无关的输出电压。
本发明的另一方面是当对负载充电时从电源中取出的输入电流可被精确地控制。当对负载充电时，在该接通时间/断开时间周期的接通时间部分期间该功率传输电路抽取输入电流。另外，对于该接通时间/断开时间周期的每个接通时间部分从该电源抽取的峰值电流基本上是相同的。这样从该电源得到了规则的功率耗用，从而产生了较低的功耗。例如，如果该电容器充电电路使用电池，则在接通时间期间受控制的电流抽取可增加电池的寿命。
图1示出根据本发明的电容器充电电路10的电路图。这个图形示出了功率传输电路20和测量电路50，它们代表本发明的三个子电路中的两个。图3示出根据本发明的电流比较器电路100的电路图。这个图形示出了功率传输电路20的一部分的另一实施例。图5示出控制电路60的结构图，该控制电路代表本发明的第三个主要子电路。
首先，根据与图1和2相对应的说明部分将详细描述图1中所示的电容器充电电路的操作。然后根据与图3和4相对应的说明部分将详细描述图3中所示的电流比较器电路的操作。最后根据与图5和6相对应的说明部分将详细描述图5中所示的控制电路60的操作。
在图1中，功率传输电路20从输入电源70向电容器44(优选地连接到该负载)传送功率。功率传输电路20可包括自适应的接通时间电路30、自适应的断开时间电路35、变压器22、开关晶体管24、锁存器26和输出二极管42。功率传输电路20通过输出二极管42可连接到该输出电容器44。该输出二极管42的阳极可连接到变压器22的二次绕组的输出侧而输出二极管42的阴极可连接到输出电容器44。输入电源70可连接到变压器22的一次侧的输入。变压器22的一次侧的输出可连接到开关晶体管24的集电极。开关晶体管24的发射器可连接到自适应的接通时间电路30。
优选地设置该一次绕组和二次绕组的极性朝向使各个绕组具有相反的极性。如图1所示，极性指示符12和14示出该一次绕组和二次绕组的极性相反。这种相反的极性对于实现一回扫电路拓扑是有用的。
自适应的接通时间电路30可包括第一开关电阻器31，该电阻器可连接到开关晶体管24的发射极以形成接通时间节点34。接通时间电路30也可包括接通时间比较器32。可连接接通时间比较器32以接收来自接通时间节点34的电压信号和接通时间参考电压VREF133。
自适应的断开时间电路35可包括第二开关电阻器36，该电阻器可连接到变压器22的二次绕组以及断开时间比较器37的非倒相输入端。断开时间比较器37也可以接收断开时间参考电压VREF238。因为要与第二开关电阻器36上的负电压相比较，所以断开时间参考电压VREF238是负的。
自适应接通时间电路30和自适应断开时间电路35都提供被锁存器26接收的输入信号。更具体的，可连接锁存器26的复位部分以接收接通时间电路30的输出，可连接锁存器26的设置部分以接收断开时间电路35的输出。在图1所示的实施例中如果锁存器26同时接收用于设置和复位的信号，则复位输入优选地占有优先权。根据接通时间电路30和断开时间电路35提供的输出信号，锁存器26可向开关晶体管24的基极提供一个锁存器输出。可转换该锁存器输出来启动或不启动开关晶体管24以生成DC-到-DC变换所必需的转换行为。因此，已描述了根据本发明的功率传输电路20的一实施例的各个元件之间的互连。下面将描述功率传输电路20的优选操作。
在开始供电期间，变压器22的一次绕组或二次绕组中都没有电路流动。接通时间电路30的输出最初优选地设为低而断开时间电路35的输出最初优选地设为高。自适应电路30和35的状态将锁存输出设为高，从而启动开关晶体管24。一旦启动开关晶体管24，则拉动集电极节点VSW21使之接近(200-300毫伏)一个地电压CCESAT。这样优选地实现变压器22的一次绕组上的电压差，并使变压器内的电流开始流动。
电流可以在一次绕组中不断地沿斜线上升，直到升高到第一开关晶体管31的电压(即在接通时间节点34的电压)超过VREF133的位置。第一开关晶体管31的电压可基于通过开关晶体管24的一次电流的一部分。当该一次电流沿斜线上升时存储在变压器中的能量也增加。一旦接通时间节点34上的电压超过VREF133，可将接通时间电路30的输出设为高以使锁存器复位，这样使得锁存器输出变低。该复位的锁存器不启动晶体管24，从而优选地停止变压器22一次侧中的电流的沿斜线上升。
当不启动开关晶体管24时，在接通时间期间将存储在变压器22中的能量传送到电容器44。这个传送优选地基本发生在断开时间期间。输出二极管42可防止输出电容器负载在接通时间期间从该变压器的二次绕组中抽取电流。从该二次绕组向输出电容器44的能量传送一直进行，直到该变压器的二次绕组中的电流下降到第二开关电阻器36的电压优选地小于断开时间参考电压-VREF238。
一旦第二开关电阻器36的电压大于-VREF238，可将断开时间电路35输出设为低以将锁存器26设置。将锁存器设置产生一启动开关晶体管24的高的输出信号。
接通时间电路30和断开时间电路35可优选地使用变压器22中的电流以生成该开关周期中的接通时间部分和断开时间部分。更具体的，接通时间电路30可至少部分地根据一次绕组电流、一次绕组的电感和供电电压来设定接通时间部分。另一方面，断开时间电路35可至少部分地根据二次绕组电流、二次绕组的电感和输出电压来设定断开时间部分。这种设置可提供一适于对在宽电压范围(例如0-300伏)上变化的电容性负载充电的自同步电路。更具体地，接通时间电路30和断开时间电路35可适应于该电容器充电电路中的各种情况(例如输入供电电压、输出电压、该变压器一次和二次绕组的电感)。在该开关周期的每个断开时间部分，自适应断开时间能够使该二次绕组电流减小到一预定的电流电平，独立于该输入电压。
例如，当该电容器负载电压相对较低时(例如0伏)，以较慢的速率(比负载电压为高(例如250V)的情况下的速率慢)从该变压器释放能量。因此，通过保持开关晶体管24断开直到该二次电流降到一预定的电流电平，断开时间电路35可自动适应。即断开时间电路可以在生成对锁存器26设置所需的信号(例如接通开关晶体管24)之前提供一可变的断开时间。
相反，如果该电容器负载电压比较接近该期望的输出电压，则从该变压器快速地释放能量。这种情况下，开关晶体管24可以在相对较短的一段时间内(至少可与在该电容器负载电压为低时的断开时间相比)保持断开。因此，相对较快地减小该二次电流，并且断开时间电路35相应地快速生成所需的信号以对锁存器26设置。
另一方面，在该开关周期的每个接通时间部分，自适应的接通时间可增加该一次绕组电流使之基本与最高的一次电流相同。例如，接通时间电路30可以自动适应于由电源70提供的变化的输入电压。如前面描述的，接通时间电路30根据一次绕组中的电流生成信号。该一次绕组中的电流基本上与电源70的电压电平成比例地变化。更具体的，当该一次绕组中的电流达到一预定的电流电平时，接通时间电路30使锁存器26复位。因为使该锁存器复位依赖于达到该预定的电流电平，所以这使得接通时间电路能够自动适应于改变的输入电压并提供一可变的接通时间。
例如，如果电源70提供的输入电压为低，则接通时间电路30可自动地使开关晶体管24在较长的一段时间内保持启动(例如保持在接通时间期间)。在较长时间内保持开关晶体管24启动可使该一次绕组内的电流达到该预定的电平。一旦该一次电流达到该预定的电平，根据本发明的操作参数可以充分地向该变压器提供能量。换句话说，在该一次绕组内电流增加的速率基本上与输入电压成比例。
应注意，特定的同时发生的情况会对功率传输电路20提出相互矛盾的要求。例如，如果该输入电压下降(因此需要增加的接通时间)而输出电平也下降(因此需要增加的断开时间)，则电容器充电电路可通过适应该接通时间和断开时间来满足这两个要求。即在该同时的要求发生后在接通时间/断开时间周期的连续的接通时间部分和断开时间部分中可自动适应这些要求。
可以基本上无限期的重复该接通时间和断开时间周期直到对电容性负载44完全充电。图2示出优选地与根据本发明的一个电路的接通时间和断开时间周期相关联的电流和电压的各种波形。Q表示开关晶体管24何时接通或断开。IPRI示出变压器22的一次绕组的电流波形。当Q为接通时IPRI中的电流沿斜线上升，直到Q为断开(即接通时间节点的电压34大于VREF133)。ISEC示出变压器22的二次绕组的电流波形。当Q是断开时ISEC中的电流沿斜线上升，直到Q为接通(即第二开关电阻器36的电压小于-VREF238)。然后由于二极管42的操作，ISEC中的电流部分地变为断开。
在功率传输电路20工作期间，变压器22中的通量优选地基本上不为零。如本技术领域公知的，变压器中的通量基本上依赖于IPRI和ISEC中的电流。当IPRI增加时变压器22中的通量也增加，直到该功率开关断开(如Q所示)。当IPRI基本上等于VREP1/(第一开关电阻器31)(即为使接通时间电路30对锁存器26复位并断开开关24的电流)时该开关断开。一旦断开开关24，IPRI回到零而ISEC快速增加到一电流，该电流优选地等于被该变压器绕组的匝数比除的峰值IPRI。然后对于剩余的断开时间，因为ISEC对电容器负载44充电所以ISEC下降。
然而，因为在断开时间期间不允许该ISEC为零所以该通量不会为零。相反的，该通量与减小的ISEC一起减小直到重新启动开关24。如图2所示，当ISEC基本上等于VREF2/(第二开关电阻器36)时开关24接通。然后，在从断开时间到接通时间的过渡期间ISEC可能为零。然而，在这个过渡过程中IPRI可以快速升高到一个基本上等于ISEC(过渡期间内的)×变压器匝数比的电流电平。然后，在该周期的整个接通时间部分IPRI可能一直增加。因此已示出变压器22内优选地总是存在一些通量。
在开关周期中，在接通时间期间IPRI不为零而在断开时间期间ISEC不为零。因此，应用于变压器22的以及从变压器22发送的平均电流基本上较高。因为该平均电流(以及该变压器内的通量)高于在该开关周期中各个部分电流允许为零的情况下的平均电流，所以这样可以提供从电源70到电容器负载44的快速、高效的能量传送。因为变压器22中的通量不允许为零，所以可基本避免(优选地至少直到最后的开关周期的末端)与不连续模式操作相关联的不期望的振铃或嗡嗡声。这样，已详细描述了功率传输电路20的一个实施例的操作。可实现功率传输电路20的另一实施例，用于控制开关晶体管24的接通时间和断开时间的电流比较器电路。
图3示出在根据本发明的功率传输电路20中实现的电流比较器电路200的电路图。在功率传输电路20中可使用电流比较器电路100来控制开关晶体管24的接通时间和断开时间。如将详细描述的，电流比较器电路100可实现与接通时间电路30、断开时间电路35和锁存器26基本相同的功能。图3可包括VSW21、开关晶体管24、第一开关电阻器31、第二开关电阻器36、第一晶体管86、第二晶体管87、第三电阻器88、第四电阻器89、电流源81-84、第一反馈晶体管90、第二反馈晶体管91、开关驱动晶体管92、单启动晶体管93、单启动59和放大器94。
图3中所示的一些元件的特性以及这些元件与其它元件的关系可使得电流比较器电路100能有效工作。例如，第二晶体管87的发射极尺寸(例如面积)基本上是第一晶体管86的发射极尺寸的两倍。第三电阻器88和第四电阻器89的电阻值基本上相等。第三电阻器88和第四电阻器89的电阻值基本上大于第一开关电阻器31和第二开关电阻器36的电阻值。此外，第三电阻器88和第四电阻器89的电阻值可以基于变压器22的匝数比。在下面的描述中可更清楚地了解为什么特定的元件有它们各自的特性。
前面已描述了包括VSW21、开关晶体管24、第一开关电阻器31的连接，但是这里重复描述该连接以便描述图3中所示的电路的操作。VSW21可连接到开关晶体管24的集电极。VSW21也可以连接到变压器22的一次绕组(如图1中所示)。开关晶体管24的发射极可连接到第一开关电阻器31和第三电阻器88。第一开关电阻器31也可连接到第二开关电阻器36，该第二开关电阻器36接地。第二开关电阻器36可连接到变压器22的二次绕组(图3中未示出)。第二开关电阻器36也可连接到第四电阻器89，这样形成一个与第二开关电阻器36、第四电阻器89和该二次绕组都连接的节点。
电流源81可连接到第一晶体管86的集电极、第一反馈晶体管的基极和开关驱动晶体管92。该发射极开关驱动晶体管92可连接到GND。该第一晶体管86的发射极可连接到第三电阻器88。第一晶体管86的基极和第二晶体管87的基极可连接到一起。然而，这些基极也可连接到一个在电流源82和第二晶体管87的集电极之间形成的节点。因此，可以由电流源82驱动第一晶体管86和第二晶体管87的基极。第二晶体管87的发射极可连接到第四电阻器89以及第一反馈晶体管90的集电极。
电流源83可连接到第一反馈晶体管90和第二反馈晶体管91的发射极。电流源84可连接到开关驱动晶体管92的集电极、放大器94和第二反馈晶体管91的基极。第二反馈晶体管91的集电极可连接到GND。放大器94的输出可连接到开关晶体管24的基极——所示为SWON节点95——和单启动晶体管93的集电极。单启动晶体管93的发射极可连接到GND。最后，单启动电路59可以连接到单启动晶体管93的基极和开关驱动晶体管92的集电极之间。
下面将描述图3中所示的上述元件的操作。前面对功率传输电路20的讨论中描述了进行电压比较以在接通时间和断开时间之间转换。然而，这里主要是根据电流比较器电路100中的电流流动来描述图3中的元件的操作。在图3所示的实施例中，在功率传输电路20中电流是促进接通时间和断开时间之间的转换的主要媒介。因此，电流比较器电路100可使用电流使开关晶体管24在接通时间和断开时间之间摇摆。
下面对图3所示的电流比较器电路100的操作的描述中将参照图4中示出的不同信号的图形。为了进行下面的描述，可认为开关晶体管24在电流比较器电路100启动时是工作的。此外，下面的描述参照图4中的电路和电压波形来说明电流比较器电路100的操作。
当开关晶体管24工作时，第一晶体管86的集电极电压——在图4中示出为Q2——为低。当开关晶体管24工作时开关驱动晶体管92的集电极电压为高。开关驱动晶体管92可提供启动开关晶体管24和将开关晶体管维持在一工作状态所必需的电压和/或电流。换句话说，开关驱动晶体管92的集电极电压可实现与锁存器26(如图1所示)相似的功能。在图4中用Q(开关24接通和断开)示出开关驱动晶体管24的集电极电压。
当开关晶体管24工作时，通过第一开关电阻器31的一次绕组电流增加。图4中通过示出当开关晶体管24工作时IPRI增加说明了这一点。
同样，当IPRI增加时第一晶体管86的发射极电压也增加。在图4中将第一晶体管86的发射极电压示为Q3。可通过下面的等式示出第一晶体管86的发射极电压与IPRI的比例关系：
VEQ3(ON)＝(IPRI*RS1)+(I*R3)    (1)
其中VEQ3(ON)是在接通时间期间第一晶体管86的发射极电压，IPRI是一次绕组中的电流，RS1是第一开关电阻器31的电阻，I是电源81提供的晶体管86的发射极电流，R3是第三电阻器88的电阻。
在接通时间期间，变压器22的二次绕组中的电流基本上为零。这在图4中用标注为ISEC的波形示出。因为ISEC基本上为零，则第二晶体管87的发射极电压(在接通时间期间)基本上等于：
VEQ4(ON)＝3I(R4+RS2)    (2)
其中VEQ4(ON)是在接通时间期间第二晶体管87的发射极电压，I是晶体管87的发射极电流，R4是第四电阻器89的电阻，RS2是第二开关电阻器36的电阻。在方程2中示出该电流(I)的三倍。这个电流的一部分(即2I或3I)由电源82提供。因为第二晶体管87的发射极面积是第一晶体管86的发射极面积的两倍，所以第二晶体管87可传导的电流是第一晶体管86的电流的两倍。因为在接通时间期间第一反馈晶体管90是工作的，所以该电流的其它部分(即该剩余的I)可由电流源83提供。因此在图4中用Q4示出这个电压(即VEQ4(ON))的波形。
如图4所示，Q4在接通时间期间基本上保持恒定。这可能是由第一反馈晶体管90传导的正反馈电流所导致的。在接通时间期间，因为第一晶体管86的集电极电压低，所以启动第一反馈晶体管，从而使一个基本等于由电流源83提供的电流的集电极电流可以通过第一反馈晶体管90。图4中的Q5示出当Q2为低时提供的一相对较高的和恒定的集电极电流。这个基本恒定的电流优选地在接通时间期间(或者，在接通周期中)使发射极电压保持恒定。发射极电压的升高会使得晶体管86在接通时间的开始时刻的和结束时刻的发射极电压之间的差增加。
晶体管86的发射极电压一直增加，直到其高于第二晶体管87的发射极电压。此时，因为晶体管86的发射极电压已相对于它的基极电压增大，所以晶体管86快速断开。当晶体管86断开时，当满足下面的等式时第一晶体管86的集电极电压升高：
IPRI*RS1＞2*I*R3          (3)
假定第三电阻器88和第四电阻器89的电阻值基本相等。这种关系也假定第二开关电阻器36的电阻值远小于第四电阻器89的电阻值。如方程3所示，IPRI和恒定电流I之间的关系确定接通时间到断开时间的转换何时发生。就在该转变位置(接通时间到断开时间)之前，一次电流的峰值基本等于：
IPRI-PEAK＝(2*I*R3)/RS1        (4)
晶体管86的电流一旦升高，这会使开关驱动晶体管92的集电极电压降低。开关驱动晶体管92低的集电极电压优选地开始该开关周期的断开时间部分。另外，第一晶体管86高的集电极电压使第一反馈晶体管90不被启动。这样在降低了晶体管87在该断开周期的开始时刻的发射极电压。
在断开时间的开始阶段中，开关驱动晶体管92低的集电极电压启动第二反馈晶体管91。该被启动的第二反馈晶体管91将由电流源83提供的电流向地分流。不启动第一反馈晶体管90和启动第二反馈晶体管91的联合操作可为该断开时间周期提供正反馈。另外，晶体管90和91可以在设定电阻器31和36的尺寸方面增加灵活性。
特别地，当第一反馈晶体管90的集电极电流变低时(如图4中所示)，电阻器89的电压降低。电阻器89的电压降低使得晶体管87的集电极的电压降低。晶体管87的集电极的电压降低与第二开关电阻36具有较高的电阻值是等效的。这为设定第二开关电阻器36的电阻值提供额外的灵活性。
此外，ISEC增加到一个值，该值基本等于：
ISEC＝ISEC-PEAK/N    (5)
其中N是变压器22的二次绕组与一次绕组的匝数比。图4中示出这种变化。一旦从接通时间转变到断开时间，则ISEC波形升高到二次电流的峰值。而且，在从接通时间向断开时间转变时IPRI优选地快速下降到零。
一旦功率传输电路20进入断开时间，则第一晶体管86的发射极电压可降低为I*R3(假设第一开关电阻器31的电阻值远小于第三电阻器88的电阻值)，然而在接通时间期间该发射极电压基本上等于等式1。在断开时间期间该发射极电压波形示出一个相对恒定的电压(即I*R3)。晶体管87上的发射极电压可从等式2变化到下面的等式：
VEQ4(OFF)＝-(ISEC*RS2)+2I*R4    (6)
其中VEQ4(OFF)是在断开时间期间晶体管87上的发射极电压。因此，第一晶体管86的发射极电压和第二晶体管87的发射极电压之间的电压差可由等式(7)表示：
VEQ3(OFF)-VEQ4(OFF)＝ISEC*RS2-I*R3    (7)
当ISEC减小(或者，衰减)时，因为在电阻器36和电阻器89之间形成的节点上的负电压减小，第二晶体管87的发射极电压增加。这个发射极电压一直增加，直到晶体管87的发射极电压高于晶体管86的发射极电压。图4中示出在该周期的接通时间部分中晶体管87的增加的发射极电压。
应注意，当该接通/断开时间周期从接通时间开始向断开时间转变时，I*R3应大于ISEC*RS2。这确保该二次绕组电流降低从而ISEC*RS2最终超过I*R3。
一旦第二晶体管87的发射极电压超过第一晶体管86的发射极电压，则晶体管86优选地开始工作并且第一晶体管86的集电极电压变低。这样可使开关驱动晶体管92的集电极电压变高，从而重新开始该周期的接通时间部分。
应注意，当开关晶体管24断开时，ISEC不会瞬时跳变到IPRI-PEAK/N。变压器22的寄生电容和其它元件阻碍了到IPRI-PEAK/N的瞬时跳变。因此，需要一段有限的时间来充电并克服寄生电容，从而ISEC有充足的时间增加到IPRI-PEAK/N。
单启动电路59提供克服寄生电容所必需的时间。在接通时间向断开时间的转变中，单启动电路59可将一个脉冲应用到单启动晶体管93的基极上。这个脉冲短暂地启动单启动晶体管93，这将SWON节点95强制为低。通过允许ISEC增加并开始对输出电容充分充电，单启动59产生的脉冲可使开关晶体管24断开足够长的时间以克服电路的寄生电容。这样，已详细描述了电流比较器电路100的一个实施例的操作。下面将说明测量电路50的部件。
电容性负载44的电压可由测量电路50进行测量。测量电路50包括第一电阻器51，该电阻器连接到开关晶体管24的集电极(示为集电极节点VVSW21)和晶体管52的发射极之间。晶体管52的基极可连接到二极管54的阴极。二极管54的阳极可连接到电源70。晶体管52的基极也可连接到偏压电路(未示出)，从而向该偏压电路提供功率。偏压电路使电容器充电电路能够起动电路例如测量电路50和功率传输电路20。晶体管52的集电极可连接到第二电阻器53。测量电路也可包括比较器56，该比较器56可接收来自参照地的电压节点VGREF57(在晶体管52的集电极和第二电阻器53之间形成的)的电压和参考电压VREF355。单启动电路58也是该测量电路的一部分，该单启动电路58可连接到比较器56以及锁存器26的输出。在一种可选择的方法中，如图3中所示的单启动电路59(驱动单启动晶体管93的基极)可连接到比较器56。
执行根据本发明的测量电路可减小浪费的长期功耗。测量电路50的目的是从变压器22的一次绕组中间接测量电容器负载的电压。测量电路50可测量断开时间期间的输出电压，因为此时一次绕组中基本没有电流流动并且该一次侧VVSW节点21反映了在这部分周期中的输出电压。节点21的电压VVSW基本上等于：
VVSW＝Vsource+(VOUT/N)+Vdiode    (8)
其中VVSW是集电极节点VSW21上的电压，Vsource是电源70提供的电压，VOUT是电容器负载电压，N是二次侧到一次侧的变压器匝数比，Vdiode是二极管42上的电压降。图2中示出了VVSW电压波形。这个波形示出VVSW基本上与开关晶体管24的操作成反比(即当开关晶体管24接通时VVSW波形为低，而当开关晶体管24断开时VVSW波形为高)。
然后将该VVSW波形转化为一归一化的、参照地的波形，如图2中的VGREF波形所示。实现此波形，首先，用VVSW节点21上的电压减去电源70提供的电压以形成跨越电阻器51的电压差。因为二极管54上的电压降与晶体管52的发射极到基极的电压基本上相等，所以这是可以实现的。这可以保持晶体管52的发射极电压差不多等于电源70提供的电压。其次，使用第一电阻器51将该电压差转化成一电流以实现归一化。最后，使用第二电阻器53将该电流转换成一个参照地的电压。该参照地的电压是该输出电压的一种瞬态表示。可将该参照地的电压与VREF3相比较以确定该输出电压是否达到一指标值。VGREF可表示为：
VGREF＝(VOUT/N)*(R2/R1)    (9)
其中VGREF是该参照地的电压，VOUT是该输出电压，N是该二次侧到一次侧的匝数比，R2是第二电阻器53的电阻值，R1是第一电阻器51的电阻值。一旦达到该指标值，测量电路50可向控制电路60提供一高的输出信号(即比较器56的输出)以表示已达到该期望的输出电压。
在某些情况下，必须延迟测量电路50的输出。例如，在每个断开时间周期开始时，因为该变压器的泄漏电感的存在可生成一个超前边缘电压尖峰。因为该电压尖峰不表示实际的输出电压，所以测量电路50可包括单启动电路58以便暂时地禁止比较器56的比较器输出信号。单启动电路58在每个断开时间周期开始时将该输出信号禁止有限的一段时间以避免将错误信号应用到控制电路60。
图2还示出由单启动电路58提供的消隐周期波形BPW。这个波形示出如何在每个断开时间周期开始时应用该波形以促使比较器56有效地“忽视”由于存在泄漏电感而导致的电压尖峰。
如上所述，功率传输电路20可用于设定开关晶体管24的接通时间和断开时间以便向输出电容器负载44传送功率。也如上所述的，测量电路50可用于间接测量该输出电容器负载上的电压。控制电路60可用于启动或不启动功率传输电路20。
图5是根据本发明的控制电路60的一实施例的结构图。控制电路60可包括控制锁存器62、询问定时器64和偏压发生器65。控制锁存器62可是一个被连接以接收来自控制电路60和该询问定时器64的输出信号的设置/复位锁存器。该控制电路输出可连接到控制锁存器62的复位部分，该询问定时器的输出可连接到该锁存器的设置部分。
控制锁存器62接收的信号指示该控制锁存器的输出(一个高或低的输出信号)。控制锁存器62的输出连接到询问定时器64和偏压发生器65。偏压发生器65可连接到偏压电路(为了避免图混乱而没有示出)，该偏压电路启动或开始启动功率传输电路20和测量电路50。如将更详细解释的，当控制锁存器的输出为高时，该询问定时器64可停止或暂停任何与该控制电路相关联的定时功能。
询问定时器64的定时功能或时限可以是固定的，也可以是可变的。一可变的时限可使该电容器充电电路在保持所期望输出电压时具有更高的灵活性。
在电容器充电电路开始启动过程中，该控制锁存器62的输出为高。来自控制锁存器62的高输出使偏压发生器65工作并禁止询问定时器64工作。偏压发生器65可以使或禁止功率传输电路20和测量电路50工作。功率传输电路20工作时可对输出电容器负载44充电。当该输出电压达到一期望值时，测量电路50可输出一将控制锁存器62复位的高信号。一旦控制锁存器62被复位，则禁止偏压发生器65工作并使询问定时器64工作(即询问定时器64可开始一个定时器(内部时钟)，这最终会再次使偏压发生器65工作)。当偏压发生器65被禁止工作时功率传输电路将不再对电容器负载44充电。
一旦将控制锁存器62复位，这会禁止功率传输电路20和测量电路50工作。功率传输电路20和测量电路50在被禁止工作时都不具备功率(即由于偏压发生器65被禁止工作)。因此，这样使本发明能够在获得期望的电压时节能。当将控制锁存器62复位时，在该电容器充电电路被禁止工作时只能向控制锁存器62和询问定时器64提供功率。询问定时器64可在一段时间内禁止电容器功率传输电路20和测量电路50工作，该时间的长度是可调整的(或预定的)。然后，当询问定时器64到时后，该定时器可提供一高(完成)输出信号以将控制锁存器62设置。将控制锁存器62设置可启用偏压发生器65(它启用功率传输电路20和测量电路50)并暂停询问定时器64，从而开始另一个充电周期。这个充电周期可运行提高该输出电压以使该电压返回该期望值所必需的时间。
此前描述的系统使该电容器充电电路能够将该输出电容器负载保持在一恒定的作好准备的状态中。期望的作好准备的水平指示出该输出电压可能下降到的范围的低电平。
图6示出根据本发明的原则的控制电路操作的波形。更具体的，图6示出该输出电压94是控制锁存器状态92的函数。
如上所述，控制锁存器可以禁止或启用该充电过程。图6示出一个输出电压是从大约0伏到大约300伏的范围内的示例性的充电周期。当启用时，如线95所示，该电容器充电电路对该电容性负载充电以获得期望的输出电压。一旦得到该期望的电容器电压，就禁止控制锁存器62，如线96所示，直到询问定时器64重新启动该锁存器，如线97中所示，并也启用功率传输电路20和测量电路50。因为该电容器负载电压基本上接近该期望值，所以在与线97所示的控制锁存器62的启用相比的相对较短的一段时间内启用控制锁存器62(如线97所示)。因此，在相当长的一段时间内使控制锁存器62不工作以对该电容器负载再次充电。然后，在该电容器负载输出电压达到该期望值后禁止控制锁存器62。可重复这个周期以使电容器负载电压保持在期望电平上，这个周期使用的功率最小。
在电容器充电电路的操作中，输出电压会显著升高到该期望电平以上。在这种情况下可将该输出电压增大到一电压，从而防止在被禁止工作状态中该电压下降到或低于该期望电平。如果在被禁止工作状态中该输出电压没有下降到或低于该期望电压，则电容器充电电路可能经历电压失控。因为该被禁止工作状态不能提供足够的时间使电容器输出电压下降到或低于该期望电压，所以会发生电压失控。然后，在许多可工作和禁止工作循环期间(假设没有发生闪光事件)，则电压将逐渐连续地升高。最终，该电压将达到一个危险的会损害该电容器充电电路的电平。
图7是根据本发明的控制电路120的一个可选择实施例的结构图，该控制电路能够防止上述潜在的输出电压失控问题。控制电路120包括控制锁存器122、询问定时器124、偏压发生器125。控制锁存器122、询问定时器124和偏压发生器125互连，并且它们的运行方式与上述控制电路60中的控制锁存器62、询问定时器64和偏压发生器65的运行方式基本相同。
然而，询问定时器124提供了涉及图7中所示的实施例的额外的电路。图中示出该电路为连接到时钟CLK的倒数定时器126。该电路可使询问电路124作为一为该禁止工作状态提供自适应定时的数字使能计数器。倒数定时器126可如下所述地进行工作。倒数定时器126从在其内部设置的数量可变的周期开始倒计数，后面将对此进行解释。一旦倒数定时器126从在其内部设置的时钟周期开始倒定时，就使得询问定时器124到时并向DONE输出提供一个高信号。
询问定时器124如下所述地提供自适应定时。例如，假设倒数定时器126倒数定时十个时钟周期。当倒数定时器126到时时，测量电路50确定该输出电压。为了便于讨论，假设测量电路50确定该输出电压高于该期望电压。可根据控制锁存器122的R输出来进行此确定。当R为高时(例如输出电压等于或高于期望电平)，递增地增加倒数定时器126内设置的时钟周期。时钟周期的增加可以是任何合适的增量。在这里的讨论中假设增加的时钟周期数为10。
因为该输出电压高于该期望值，则将控制锁存器122复位(即Q变低)。这优选地启动询问定时器中的倒数定时器126。然而，这一次倒数定时器126要倒数二十个时钟周期而不是十个。当倒数定时器126到时时，测量电路50测量输出电压。如果该输出电压仍高于该期望电压(例如R输出保持高)，则这会导致增加额外的时钟周期。这个循环会一直重复直到在禁止状态期间该输出电压下降到或低于该期望电平。因此，控制电路60步进地增加倒数定时器126中设定的时钟周期数以适应该禁止状态的持续时间。
另一方面，如果测量电路确定该电压下降到该期望电压之下，则最初将测量电路50的输出设为低。这个低输出可改变控制锁存器上的R输入的状态。当R为低时(例如输出电压低于该期望电压电平)，倒数定时器126内设定的时钟周期数减小。时钟周期数的减小可以是固定的，也可以是任意的。例如，这个减小可以大于、小于但优选地等于相应的时钟周期的增加。在这个例子中时钟周期的数量减小10。因此，可将倒数定时器126中的时钟周期可暂时设为10个。一旦测量电路50确定该输出电压等于或大于该期望值，就将倒数定时器126中设定的时钟周期增加到二十个。因为R的状态为高所以会发生这种情况。
由于存在倒数定时器126，控制电路60可以修改并获得适当的时钟周期数以保持期望的电压电平而没有电压失控的危险，该时钟周期使在该必需的一段时间内处于不工作状态。
使用多种不同的系统都可实现本发明的电容器充电电路。例如，本发明可通过一个基于微处理器的照相闪光系统来实现。该微处理器可处理用户输入指令例如拍照、控制胶片装载的速度、在存储器上保存照片，或任何其它适当的基于微处理器的任务。在某些情况下，该微处理器可实现一个闪光事件。其它系统可执行更简单的机制来实现一闪光事件。例如，需要用户将一个按钮按下一段指定的时间来开始对该闪光灯电容器充电。然后，为了该启动闪光灯，用户可以仅按一个按钮以利用一次闪光来拍照。
然而，不管使用什么系统来操作该闪光灯，在该闪光事件后该电容器负载上的电压将下降到期望的操作电压之下。因此，需要立即对该电容负载充电以便可以再次使用闪光灯。在该闪光事件后，系统可命令该控制电路启动该功率传输电路以对电容性负载44再充电。当使或禁止控制电路60工作时会发生此命令。
如果在发生一闪光事件时该电容器充电电路放电，则该系统可以在询问定时器64将控制锁存器62设置前自动重新开始该充电过程。这使得该电容器充电电路能够在一闪光事件后立即再充电。因此，与等待询问定时器64将控制锁存器62设置相比，这使得控制电路60能更快地启动功率传输电路20，并开始再充电过程。这对于快速启动该再充电过程是非常重要的，因为询问定时器64通常具有相当长的可编程的等待时间(例如十秒)。
图8示出本发明的测量电路100的一个可选择的实施例。图8示出了电容器充电电路101(例如功率传输电路和控制电路)、输出电容器103和测量电路110。测量电路110可包括开关112、分压器114和比较器115。
假设开始时开关112是接通的，则图8的电路将进行如下所述的操作。电路101提供功率以给负载充电。当开关112接通时测量电路110测量该输出电压。当开关112接通时分压器114将该输出电压下变换。然后在比较器115中将下变换的电压与一参考电压比较以确定该输出电压是否已达到一预定的值。当该输出电压达到该预定的值时电路101会断开开关112以禁止电路110工作。然后在一段预定的时间上不启动测量电路，直到该控制电路接通开关112。
在一优选实施例中，可如下所述地使用测量电路110。在这个实施例中，当已达到期望的输出电压时，控制电路可禁止工作和/或断开，但优选地断开测量电路110。一旦达到期望的电压，控制电路就会通过周期性的接通和断开开关112来再启动或不启动测量电路110。这可使得电容器充电电路能够监控控制电压，且同时节约功率消耗。这个节能技术类似于参照图6描述的充电周期。
在另一个实施例中，可如下所述地使用测量电路110。控制电路可以选择性地使该电容器充电电路部分进行工作。例如，当得到该期望的输出电压时控制电路禁止该功率传输电路工作。该控制电路也可将测量电路110断开(通过断开开关112)一段预定的时间。在该一段预定的时间过去后，可重新连接(通过接通开关112)测量电路110以测量输出电压。然而，该控制电路不能重新启动该功率传输电路。如果该输出电压等于或大于该期望的电压电平，则控制电路可再次使测量电路110断开一段预定的时间。因此，这个实施例的电容器充电电路可周期性地测量该输出电压而无需启动该功率传输电路。
然而，如果测量电路110确定该输出电压小于该期望的电压电平，则控制电路可使该功率传输电路工作并连接(例如接通开关112)测量电路110。这使电容器充电电路能够对输出电压充电使之返回到该期望的电平。因此，这个实施例中的电容器充电电路能够节能，且同时保持期望的输出电压。
图9中示出了根据本发明的一电容器充电电路的另一电路图。这个实施例允许变压器二次绕组中的电流在断开时间期间基本为零。一旦充分地对该输出电容器充电，则优选地不再向该输出电容器传送电荷。当由于例如泄漏或一闪光事件而导致电荷从该输出电容器中耗散时，可重新开始该电路来对该电容器再充电以达到期望的电荷电平。如图1的电路10中的情况一样，没有监视该变压器的二次绕组中的电流。相反的，在断开时间期间该变压器的一次绕组的电压提供了判定是否有电流在该二次绕组中流动所需的信息。
电路200可分成三个主要的子部件：控制电路202、测量电路204和功率传输电路220。
控制电路202包括单启动206、主锁存器210和完成开关280。单启动206是一个当检测到一个从低到高的转变时发出一个逻辑值1的电路。例如，当用户启动一个按钮来开始向输出电容器244传送功率时，单启动206可检测到一个从低到高的转变。启动该按钮(未示出)使得单启动206脉动地向主锁存器210和功率传输电路220的或门208提供一个逻辑值1。
主锁存器210是一个SR锁存器。该S输入接收单启动206的输出，该R输入接收来自测量电路204的信号。主锁存器210具有输出Q(启用输出211)和QBAR。将使能输出211连接到可使或禁止功率传输电路220工作的偏压电路(未示出)。该偏压电路(未示出)是本技术领域内的技术人员公知的可用于使电路例如功率传输电路220工作的额外电路。例如，该偏压电路可使功率传输电路220的开关224工作。QBAR连接到完成开关280。完成开关280指示输出电容器244是否被充分充电。例如，如果完成开关280断开，则没有将输出电容器244充电到一预定的电平，该功率传输电路需要继续操作以从电源向输出电容器244传送功率。当完成开关280接通时，这表示已将开关电容器244至少充电到一预选确定的电平。因此，当完成开关接通时，该功率传输电路完成操作并且不再从电源向输出电容器244传输功率。
在操作过程中，当主锁存器210的S输入接收一逻辑值1时将该主锁存器210设置。一旦将该主锁存器210设置，则该主锁存器210可通过向使能输出211输出一个逻辑HIGH信号来使功率传输电路220工作以对输出电容器244充电。当该主锁存器210被设置时，该主锁存器210向完成开关280输出一逻辑LOW信号。如上所述，一个逻辑LOW信号断开完成开关280，这意味着没有将输出电容器244至少充电到一预定的电平。
当将主锁存器210复位时，使能输出211断开开关224，有效地关闭功率传输电路220。另外，当将主锁存器210复位时，该QBAR输出使完成开关280接通，表示已将输出电容器244完全充电(或至少充电到一预定的电平)。
功率传输电路220可从输入源270向电容器244传送功率。电容器244优选地连接到一个负载上。功率传输电路220可包括自适应接通时间电路230、自适应断开时间电路235、变压器222、开关晶体管224、锁存器226和输出二极管242。如果需要，可以在变压器222的两个引线之间连接一二极管。例如，该二极管可以与连接到断开时间电路235的一次侧引线和接地的二次侧的引线连接。可通过输出二极管242将功率传输电路220连接到输出电容器244。输出二极管242的阳极连接到变压器222的二次绕组的输出侧，输出二极管242的阴极连接到输出电容器244。输入源270可连接到变压器222的一次绕组的输入。变压器222的一次绕组的输出可连接到开关晶体管224的一个节点(例如集电极)。开关晶体管224的另一个节点(例如发射极)可连接到自适应接通时间电路230。
自适应接通时间电路230包括第一开关电阻器231和接通时间比较器232。第一开关电阻器连接到开关晶体管224的发射极以形成接通时间节点234。设置接通时间比较器232以接收来自接通时间节点234的电压信号和接通时间参考电压VREF1233。
自适应断开时间电路235包括断开时间比较器237。断开时间比较器237连接到变压器222的一次绕组，也可以设置该断开时间比较器237以接收断开时间参考电压VREF2238。因此，根据断开时间比较器237的连接设置，比较器237接收变压器222的一次绕组上的电压和由VREF2238提供的电压。应注意变压器222的一次绕组上的电压近似地与开关晶体管224的节点(例如集电极)处的电压相等。如图9所述，断开时间比较器237的输出连接到单启动239。当变压器222的一次绕组上的电压接近、基本等于或低于VREF2238时，断开时间比较器237发生一个高到低的转变，从而导致单启动239脉动地产生一逻辑值1。
在OR门208将单启动239的输出和单启动210的输出逻辑地组合。锁存器226接收OR门208的输出和接通时间比较器232的输出。锁存器226可以是例如一个设置/复位锁存器。更具体地，可连接锁存器226的该复位部分以接收接通时间电路230的输出，连接锁存器226的该设置部分以接收OR门208的输出。
根据由接通时间电路230提供的信号和OR门208的输出，锁存器226向开关晶体管224的基极提供一个锁存器输出。如上面讨论的，OR门208根据断开时间电路235和单启动210的输出生成一个输出。可切换该锁存器的输出来启动或不启动开关晶体管224以生成对电阻器224充电所必需的开关行为。当开关晶体管224被控制电路202启用时，该开关晶体管工作(例如实现DC到DC的转换所必需的开关行为)。
对变压器222的一次绕组和二次绕组的极性朝向进行设置，从而这两个绕组的极性相反。这相反的极性为一个回扫电路拓扑作好了准备。如图9中所示，极性指示符212和214示出该一次绕组和二次绕组的极性相反。应注意其它的变压器设置也是可能的。
在开始供电时，变压器222的一次绕组或二次绕组中都没有电流流动。将断开时间电路235的输出优选地设为低，并将接通时间电路230的输出也优选地设为低。例如当一个用户启动单启动206时，使晶体管开关224工作并且OR门208将接收一个逻辑值1。锁存器226接收OR门的输出，一个逻辑值1。该逻辑值1将锁存器226设置并接通开关224。
当晶体管开关224接通时，在变压器222的一次绕组上出现一个电压差，电流开始流入变压器222。
该一次绕组内的电流连续沿斜线增加，直到第一开关电阻器231上的电压(即接通时间节点234的电压)超过VREF1233。第一开关电阻器231上的电压是基于通过开关晶体管224的一次电流的一部分的。应注意通过该一次绕组的电流基本上等于通过开关晶体管224的电流。因此，尽管比较器232进行电压比较，但该比较器是检测通过开关晶体管224的电流。当该一次绕组电流增加时，存储在该变压器内的能量也增加。一旦接通节点234上的电压超过了VREF1233，接通时间电路230的输出被设为高以将锁存器226复位，这使得该锁存器输出变为低。锁存器的复位不启动晶体管224，从而使变压器222的一次侧中的电流停止沿斜线增加。
当关闭开关晶体管224时，将在接通时间期间存储在变压器222中的能量传输给电容器244。这个传输优选地基本发生在断开时间期间。在接通时间期间，输出二极管242可防止输出电容器244从该变压器的二次绕组抽取电流。从该二次绕组向输出电容器244的能量传输一直进行，直到该变压器的二次绕组中的电流降低到大约为零。当该电流降低到大约为零时，节点221处的电压降低。将节点221(位于晶体管开关224的集电极)处的电压与断开时间电路235的VREF2238相比较。VREF2238优选地稍大于输入源270的电压。例如VREF2238可以是输入源270的电压加上35毫伏。
当断开时间比较器237的输入基本相等时，单启动239优选地脉动地产生一逻辑值1，该逻辑值1表示应该通过变压器222的一次绕组抽取额外的电流。OR门208接收来自单启动239的逻辑值1。然后从OR门208的输出向锁存器226发送一个逻辑值1。然后将锁存器226设置并接通开关晶体管224。可以重复这个接通时间和断开时间之间的循环过程并对开关电阻器244充电，直到测量电路204确定输出电容器244上的电荷等于或大于一预定的量。
测量电路204包括第一电阻器251、晶体管252、第二电阻器253和比较器256。第一电阻器251优选地连接到开关晶体管224的集电极(位于节点221)和晶体管252的发射极之间。晶体管252的集电极可连接到第二电阻器253。比较器256可接收来自参照地的电压节点VGREF257的电压信号(在晶体管252的集电极和第二电阻器253之间形成的)和参考电压VREF3255。
在该开关周期的断开时间部分，测量电路204优选地通过变压器222的一次绕组上的电压间接测量输出电容器244上的电荷(测量电路204的操作与如上面参照图1讨论的测量电路50相类似)。当节点221处的电压等于一个大于输入源270的电压值的预定的值时，比较器256的输出将是一个逻辑值1。将比较器256的这个输出提供给主锁存器210。因此，一个逻辑值1输出使主锁存器210复位。当该锁存器复位时，使能输出211提供一个逻辑值0，从而断开开关224并接通完成开关280。经过这种设置，不再向输出电容器244提供额外的电荷/功率。
当完成开关280接通时，可向一连接到电路200的微处理器发送一个信号，以说明已经对输出电容器244完全充电(或者充电到一个预定的电平)。
可通过选择合适的第一电阻器251、第二电阻器253和参考电压VREF3255的值来设定预定的值，在该值处不再需要向输出电容器244提供额外的电荷。例如，当第一电阻器251是2.5千欧，第二电阻器253是60千欧，参考电压VREF3，255是1.25V时，在节点221处的电压是高于输入源270的电压值31.5V时电路200将不向输出电容器244提供额外的电荷。
应注意该控制电路、功率传输电路和测量电路中示出的电路设置仅仅是出于示例目的，可以在不脱离本发明范围的情况下实现不同的设置。例如，该变压器可以是该功率传输电路的辅助设备。
因此应看到，该电容器充电电路可以有效地对宽范围的输出电容器负载充电，并在功耗最小的同时保持一个期望的输出电压。本技术领域内的技术人员应理解本发明可以由与这里所述的实施例不同的实施例实践，这里所述的实施例是为了进行说明而不是为了限制本发明，本发明仅由下面的权利要求书限定。

Claims (16)

1.一种用于使开关在接通时间部分和断开时间部分之间循环以向负载提供功率的方法，所述方法包括：
将通过该开关的电流电平与参考电流电平相比较以控制所述接通时间部分；
将该开关的节点两端的电压电平与参考电压电平相比较以控制所述断开时间部分；以及
在该接通时间部分和该断开时间部分之间循环以向负载提供功率，其中
当该电流电平等于或大于该参考电流电平时该开关从该接通时间部分转换到该断开时间部分，以及
当该电压电平等于或小于该参考电压电平时该开关从该断开时间部分转换到该接通时间部分。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括：
当该负载的电压等于或大于预定的电压电平时停止传输功率。
3.一种使开关在接通时间部分和断开时间部分之间循环以向负载充电的充电电路，所述电路包括：
用于将通过该开关的电流电平与参考电流电平相比较以控制所述接通时间部分的接通时间电路；
用于将施加到该开关的节点的电压电平与参考电压电平相比较以控制所述断开时间部分的断开时间电路；
用于使该开关在该接通时间部分和该断开时间部分之间循环以向该电容器提供功率的锁存器电路，其中
当该电流电平等于或大于该参考电流电平时该开关从该接通时间部分转换到该断开时间部分，以及
当该电压电平等于或小于该参考电压电平时该开关从该断开时间部分转换到该接通时间部分。
4.根据权利要求3的充电电路，其特征在于，还包括：
电源；
连接到该电源和该开关的变压器；以及
其中在该开关的接通时间部分和断开时间部分之间的循环通过该变压器将功率从该电源传输到该负载。
5.根据权利要求3的充电电路，其特征在于，还包括连接到该开关并测量该负载的输出电压的测量电路。
6.根据权利要求5的充电电路，其特征在于，还包括：
连接到该测量电路并当负载的输出电压等于或大于预定的电压电平时禁止该开关的控制电路。
7.一种用于将电容器充电到预定的电压的方法，所述方法使用通过变压器向该电容器传输功率的电容器充电电路，该变压器具有初级侧和被连接以向该电容器供电的次级侧，所述方法包括：
向该电容器传输功率，其中通过在(1)向该变压器提供功率直到提供给该变压器的电流等于或大于预定的参考电流和(2)向该电容器传输功率直到该变压器两端的电压等于或小于第一预定的参考电压之间循环实现功率传输；
使用在该变压器初级侧的测量电路来测量该电容器的电压电平；以及
响应于确定出电容器两端的电压等于或大于该预定的电压而终止功率传输。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述传输功率的步骤包括：
使开关在接通和断开之间转换；
当该开关接通时向该变压器提供电流；以及
当该开关断开时使用该变压器内的电流对该电容器充电。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，还包括：
使用提供给该变压器的电流以确定功率传输开关循环的接通时间部分；以及
使用该变压器两端的电压来确定该功率传输开关循环的断开时间部分。
10.根据权利要求7的方法，向该电容器传输功率的步骤包括：
当开关接通时通过该开关传导电流；
监视通过该开关的该电流；
当通过该开关传导的电流等于或大于该预定的参考电流时将该开关转换到断开；
当该开关断开时，监视施加到该开关的电压；以及
当所述施加到该开关的电压等于或小于第一预定的参考电压时将该开关转换到接通。
11.一种通过经由变压器传输功率而将电容器充电到预定的输出电压的电容器充电电路，该变压器具有初级侧和被连接以将来自充电电路输出端的电源供给电容器的次级侧，所述电容器充电电路包括：
通过在(1)向该变压器提供功率直到提供给该变压器的电流等于或大于预定的参考电流和(2)向该电容器传输功率直到该变压器两端的电压等于或小于第一预定的参考电压之间循环来向该电容器传输功率的功率传输电路；
在变压器的初级侧的测量电路，其测量该电容器的输出电压电平；以及
连接到该测量电路并当该测量电路确定该电容器的输出电压电平等于或大于该预定的输出电压时禁止功率传输电路的控制电路。
12.根据权利要求11的电容器充电电路，其特征在于，该功率传输电路包括：
开关；
连接到该开关的第一节点的接通时间电路；
连接到该开关的第二节点的断开时间电路；以及
连接到该开关的第三节点并进一步连接以接收接通时间电路和断开时间电路的输出的锁存器，该锁存器根据接通时间电路和断开时间电路的输出使该开关在接通和断开之间循环。
13.根据权利要求12的电容器充电电路，其特征在于，当该开关断开时该测量电路根据该开关的该第二节点上的电压电平来确定该电容器的输出电压。
14.根据权利要求12的电容器充电电路，其特征在于，该接通时间电路根据由该开关传导的电流来设置该功率传输电路中的开关循环的接通时间部分。
15.根据权利要求12的电容器充电电路，其特征在于，该断开时间电路根据在该开关的该第二节点上的电压电平来设置该功率传输电路中的开关循环的断开时间部分。
16.根据权利要求11的电容器充电电路，其特征在于，该功率传输电路连接到变压器，该变压器作为使该功率传输电路能向该负载传输功率的中介。
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