CN101047323B - 用于浪涌电流电路的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种浪涌电流限制电路。根据本发明的各个方面的装置包括具有第一、第二和第三端子的电源开关。也包括了具有第一端子和第二端子的电容器。电容器的第二端子连接到电流源的第一端子，电流源的第二端子连接到浪涌电流限制电路的第二输入端子。也包括了电源开关。电源开关的第一端子连接到二极管的阳极。二极管的阴极连接到电流源的第一端子。电源开关的第二端子连接到浪涌电流限制电路的第二输入端子。电源开关的第三端子被连接，以响应对应于功率开关的第一和第二端子之间的电压变化率的电流源两端的电压。

Description

用于浪涌电流电路的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及浪涌电流限制电路，更具体地，本发明涉及低功耗浪涌电流限制电路。

背景技术

在电子电路的某些应用中，希望在施加电源电压时控制流入电路的浪涌电流。这类应用的实例存在于DC-DC转换(或经过整流的AC)应用中，在所述应用中，功率转换单元被连接到DC电源(或或经过整流的AC)，且该功率转换单元包括功率转换器输入处的大电容器。浪涌电流限制电路的功能是调控从将直流电源电压提供给功率转换单元的电源汲取的电流。如果不使用浪涌电流限制电路，则向功率转换器的输入电容器充电的电流将得不到控制，而这将导致非常大的、可能损坏功率转换器和电源设备的连接器与其他部件的浪涌电流。

浪涌电流限制电路的应用一般要求该电路高效率工作，因此，非常希望有任何能提高效率的浪涌电流限制电路配置。

发明内容

一种浪涌电流限制电路，包括：具有第一端子，第二端子和第三端子的电源开关；具有阳极和阴极的二极管，所述二极管的阳极连接到所述电源开关的第一端子；包括第一和第二端子的电流源电路，所述电流源电路的第二端子连接到所述电源开关的第二端子；具有第一和第二端子的电容器，所述电容器的第一端子连接到所述浪涌电流限制电路的第一输入端子，且该电容器的第二端子连接到所述电流源电路的第一端子，所述电流源电路的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二输入端子，其中，所述电源开关的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二输入端子，且所述电源开关的第三端子被连接，以响应对应于所述功率开关的第一和第二端子之间的电压变化率的所述电流源电路两端的电压。

一种浪涌电流限制电路，包括：具有第一和第二端子以及控制端子的电源开关；具有阳极和阴极的二极管，所述阳极连接到所述电源开关的第一端子；包括第一端子和第二端子的电流源，所述电流源的第一端子连接到电容器和所述二极管的阴极，所述电流源的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二电源电压端子，其中，所述电源开关的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二电源电压端子，其中，施加到所述电源开关的控制端子的信号响应于所述电流源的第一和第二端子之间的、对应于所述电源开关的第一和第二端子之间的电压变化的电压。

附图说明

本发明的非限定性的，非穷举的实施例是结合以下附图说明的。在这些附图中，除非另有说明，在各图中相似的附图标记表示相似的部分：

图1的框图一般的示出了根据本发明教导的浪涌电流限制电路的一个实例。

图2的示意图一般的示出了根据本发明教导的浪涌电路限制电路的一个实例。

图3的示意图一般的示出了得益于本发明的教导的浪涌电路限制电路的另一实例。

具体实施方式

公开了用于实施一种浪涌电流限制电路的装置和方法的实例。在以下说明中，为了让读者更透彻地理解本发明，给出了许多具体细节。然而，对本领域的普通技术人员而言，无需使用所述具体细节便可以实施本发明。为避免妨碍对本发明的说明，未详细说明与上述实施方式相干的公知方法。

在整个说明书中提及的“一个实施例”或“某一实施例”意味着结合实施例描述的具体特征、结构或特性已被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，出现在本说明书的各处的“在一个实施例中”或“在某一实施例中”不一定均指同一实施例。而且，在一个或多个实施例中，可以将这些具体特征、结构或特性组合成任何合适的组合和/或子组合。

现在，将描述根据本发明的教导的一种改进的浪涌电流限制电路和用于实施该电路的方法。本发明的实例包括用于简化和改进浪涌电流限制电路的方法和装置，从而不需要电流感测部件，且通过控制电源开关的漏极与源极端子两侧的电压的变化率来对浪涌电流进行限制，也可将此称为根据本发明教导而控制上述电源开关两端的电压的转换速率(slew rate)。

为了进行说明，图1一般地示出了根据本发明的教导的浪涌电流限制电路101的一个实例的框图。如图所示，浪涌电流限制电路101包括连接到电容器Ct的电源开关104，该电容器连接到电流源102和二极管Ds，而该电流源和二极管又连接到电源开关104。电流源102连接到浪涌电流限制电路101的输入端子，且电源开关104也连接到浪涌电流限制电路101的同一输入端子。在所示的实例中，电源开关104的栅极端子连接到电源开关控制电路103，而后者被连接来接收来自所述输入端子之一的输入电源电压105和来自电流源102与电容器Ct之间的感测节点106的信号。二极管Ds的阳极连接到电源开关104的漏极，且二极管Ds的阴极连接到电容器Ct和电流源102。

如将要讨论的，根据本发明的教导，连接电源开关104的栅极端子，以对电流源102两端的、通过电源开关控制电路103而对应于电源开关104两端的电压变化率的电压进行响应。在一个实例中，根据本发明的教导，这是用来自电源开关控制电路103的、施加到电源开关104的栅极端子的、对应于电流源两端的电压的和响应电源开关104两端的电压的变化的信号来实现的。

为进行说明，浪涌电流限制电路101被连接，以从连于浪涌电流限制电路101的输入端子之间的电源接收直流(DC)电源电压。图1中的电路采用接收输入电源电压信号105的电源开关控制电路103，该信号可用于确定开通电源开关104和开通电流源102时的输入电源电压阈值电压。因此，在达到输入电源电压信号105的阈值之前，电源开关104和电流源102是关断的。

当电源电压被首次施加到图1中的浪涌电流限制电路101时，并在达到输入电源电压信号105的阈值之前，电源电压基本上全降落在电源开关104的漏极-源极端子的两侧。当电流源102开通时，它允许二极管Ds导通。二极管Ds的阳极电压是电源开关的漏极端子电压。当电流源102工时，二极管Ds的阴极比电源开关的漏极端子的电压低一个二极管压降。当电源开关控制电路103开始开通电源开关104时，电源开关104的漏极源极间电压将开始下降。二极管Ds的阴极仍保持为比电源开关104的漏极端子的电压低一个二极管压降。从而，通过二极管Ds连接了电源开关104的漏极端子至源极端子的电压的改变，以创建电容器Ct中的电流。

电容器Ct上的电压变化通过连于电流源102和电容器Ct之间的感测节点106连接到电源开关控制电路103。然后，根据本发明的教导，电源开关控制电路103控制电源开关104的栅极驱动来调控电容器Ct中的电压变化率，以限制电源开关104两端的电压转换速率，从而也限制了输出大电容器Cb中流动的浪涌电流。

应当懂得，可使用电阻器代替电流源102。然而，使用由电流源102提供的受控电流Ic比使用代替电流源102的简单电阻器更具有优势，这是因为，电流源102的电流Ic对电源电压的值不敏感，并可被调控为对温度效应不敏感，而在其他情况下，上述温度效应将影响Ct中流动的电流的值(在该电流值下，感测节点106生成了电源开关控制电路103能检测的信号，以调控电容器Ct中的电流)。使用电流源102也允许准确控制电源开关104的漏极的转换速率。应当懂得，在另一个实例中，根据本发明的教导，可以用双极晶体管代替图1的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)功率开关104。

图2一般地描述了根据本发明教导的示范性浪涌电流限制电路201的简图。如图所示，可以注意到图2中的浪涌电流限制电路201与图1中的浪涌电流限制电路101有一些相似之处。在图2所示的实例中，更详细地示出了电源开关控制电路203的各个元件。如图所示，齐纳二极管被连接，以接收输入电源电压信号205。在所示的实例中，齐纳二极管VR1的齐纳电压VT决定了来自电源的输入电源电压的阈值，在该阈值下，电源开关204和电流源202开始开通。

在图2所示的实例中，感测节点206连接到晶体管Q1的基极。晶体管Q1的发射极连接到电容器Ct。二极管Ds的阴极的电压保持为比电源开关204的漏极端子电压的值低一个二极管压降。从而，通过二极管Ds连接了电源开关204的漏极端子至源极端子的电压变化。晶体管Q1的基极连接到电流源202和二极管的阴极Ds。当电源开关204的漏极电压下降时，晶体管Q1的基极上的电压也下降，从而开通Q1。晶体管Q1导通向Ct充电的电流，该电流也流经电阻器R2，从而驱动了一个电压。当电阻器R2两端的电压达到晶体管Q2的基极发射极阈值电压时，晶体管Q2开通，这将拉低电源开关204的栅极电压，从而倾向于关断电源开关204。

在所示的实例中，适用以下公式：

$I_{\mathrm{IN}}=C_b\·\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{C_B}}{\mathrm{\Δt}}$ (公式1)

$I_{\mathrm{IN}}=C_b\·\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{POWER}-\mathrm{SWITCH}\left(\mathrm{DRAIN}\right)}}{\mathrm{\Δt}}$ (公式2)

$I_{\mathrm{IN}}=\frac{C_b}{C_t}\·\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{Q2\left(\mathrm{be}\right)}}{R_2}$ (公式3)

公式1将浪涌电流作为大电容器Cb和该电容器的电压变化率的函数而进行计算。公式2表明，浪涌电流也可被表示为电源开关的漏极电压的转换速率或变化率的函数。公式3表明，浪涌电流也可被表示为大电容器Cb、电容器Ct、晶体管Q2的基极发射极电压降以及电阻器R2的值的函数。

因此，电源开关204的栅极驱动响应感应节点206处的信号，感应节点206是将电容器Ct连接到电流源202的节点。因此，电源开关204的栅极驱动也响应电流源202两端的电压的变化，因为该信号被施加到晶体管Q1的基极，从而也连接到驱动电阻器R2和晶体管Q2。在完成浪涌功能，且电源开关204的漏极-源极电压达到由电源开关204的导通电阻值决定的稳态值，以及电源开关204的漏极-源极电压的变化率基本上为零之后，齐纳二极管VR2限制了电源开关204的栅极电压。

图3一般地示出了根据本发明的教导的另一个浪涌电流限制电路301的示意图。如图所示，可以注意到图3中的浪涌电流限制电路301与图2中的浪涌电流限制电路201和/或图1中的浪涌电流限制电路101有一些相似之处。在图3所示的实例中，当输入电源电压信号305超过约27V时，齐纳二极管VR5导通。这产生了电阻器R24两端的、驱动电源开关304MOSFET Q9的栅极并启动电流源302的电压。当该栅极电压达到电源开关304MOSFET Q9的开通阈值时，电源开关304和电流源302将开始开通。

在开通期间，电源开关304的漏极电压将开始下降到电源电压以下。电源开关304的漏极中的这种电压下降将被连接到二极管Ds的阴极。该电压下降开通了晶体管Q13，且Q13将充电电流从电容器C1传导到电阻器R27。注意，电容器C1相当于图1和图2中的电容器Ct。也应当注意，由R32、R33和Q11形成的电流源相当于图1和图2中的电流源102或202，且仅仅是根据本发明的教导而可采用的电流源电路的一个例子。在其他实例中，根据本发明的教导，可以用另一种合适类型的电流源(如包括简单的电阻器)来代替由R32、R33和Q11形成的电流源。

在图3所示的实例中，R32、R33和Q11形成的电流源保持为二极管D1的阴极处的电压(比电源开关Q9的漏极电压低一个二极管压降)。当电源开关Q9开通时，电源开关Q9的漏极电压将降低，从而降低了感测节点306处的二极管D1的阴极和晶体管Q13的基极的电压，而这导致晶体管Q13开通。因此，感测节点306的信号响应由R32、R33和Q11形成的电流源两端的电压。晶体管Q13传导来自电容器C1的充电电流，并产生较小的电阻器R27两端的电压信号。R27两端的电压信号驱动晶体管Q10的基极，并导致它导通，从而拉低了电源开关304MOSFET Q9的栅极电压，而这倾向于关断电源开关304。

在所示的实例中，在电容器C1中流动和经过电阻器R27的恒定的充电电流与电源开关304MOSFET Q9的漏极电压的恒定变化率成比例，该变化率是电源开关304的漏极电压的转换速率。因此，通过控制经过电阻器R27的电容器C1的充电电流，也控制了电源开关304的漏极电压的转换速率。而且，二极管Ds连同电流源302允许二极管Ds的阴极电压跟随电源开关304的漏极电压。从而形成了一个闭环系统，这使得施加到功率开关304MOSFET Q9的控制端子信号或栅极驱动信号响应感测节点306的信号，而后者又对应于由晶体管Q13的发射极和集电极端子形成的电流源端子两端的电压，而电源开关304MOSFET Q9的漏极-源极电压正在变化，这便有效地控制了电源开关304MOSFET Q9的开通转换速率。而对电源开关304MOSFET Q9的漏极-源极电压转换速率的控制又控制了流入大电容器Cb的浪涌电流。

可通过改变电容器C1的电容值或改变R27的电阻值来控制电源开关304MOSFET Q9的转换速率。这个实例的优点在于它不需要直接感测经过电源开关304MOSFET Q9的电流，从而避免了相关的损耗和成本，而使用电流感测电阻器或其他感测浪涌电流的直接装置将产生上述损耗和成本。根据本发明的教导，在电容器C1和浪涌电流限制电路301的输入电源电压端子之间连接电流源而非简单的电阻器的这一事实提供了稳定的电流，从而确保在感测节点306处产生的信号对温度和输入电源电压的变化不敏感。

在之前的详细说明中，已结合本发明的具体实施例描述了本发明的方法和装置。然而，显然可以做出各种修改和变更而不至于背离本发明的更为广泛的精神和范围。因此，应将本说明书和附图视为说明性的而非限制性的。

Claims (11)

1.一种浪涌电流限制电路，包括：

具有第一端子，第二端子和第三端子的电源开关；

具有阳极和阴极的二极管，所述二极管的阳极连接到所述电源开关的第一端子；

包括第一和第二端子的电流源电路，所述电流源电路的第二端子连接到所述电源开关的第二端子；

具有第一和第二端子的电容器，其中所述电容器两端的控制电压响应所述电源开关的第一和第二端子之间的电压变化率，所述电容器的第一端子连接到所述浪涌电流限制电路的第一输入端子，且该电容器的第二端子连接到所述电流源电路的第一端子，所述电流源电路的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二输入端子，其中，所述电源开关的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二输入端子，且所述电源开关的第三端子被连接，以响应所述电流源电路两端的电压并响应所述电容器的所述控制电压。

2.如权利要求1所述的浪涌电流限制电路，其中，所述电源开关包括金属氧化物场效应晶体管MOSFET。

3.如权利要求1所述的浪涌电流限制电路，其中，所述电源开关包括双极晶体管。

4.如权利要求1所述的浪涌电流限制电路，其中，所述电流源电路包含连接到电阻器的双极晶体管。

5.如权利要求1所述的浪涌电流限制电路，其中，所述电流源电路连接到所述电源开关的所述第三端子，从而当所述电源开关开通时，所述电流源电路成为活动的。

6.如权利要求1所述的浪涌电流限制电路，其中，所述浪涌电流限制电路的第一和第二输入端子被连接，以接收输入电源电压信号，其中，在达到所述输入电源电压信号的阈值之前，所述电源开关是关断的，并且其中所述阈值是由齐纳二极管确定的，所述齐纳二极管的阴极连接到所述浪涌电流限制电路的所述第一输入端子。

7.一种浪涌电流限制电路，包括：

具有第一和第二端子以及控制端子的电源开关；

具有阳极和阴极的二极管，所述阳极连接到所述电源开关的第一端子，其中所述电源开关的所述第一端子是所述电源开关的漏极；

包括第一端子和第二端子的电流源，所述电流源的第一端子连接到电容器和所述二极管的阴极，所述电流源的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二电源电压端子，其中，所述电源开关的第二端子连接到所述浪涌电流限制电路的第二电源电压端子，其中，施加到所述电源开关的控制端子的信号响应于所述电流源的第一和第二端子之间的、对应于所述电源开关的第一和第二端子之间的电压变化的电压。

8.如权利要求7所述的浪涌电流限制电路，其中，所述电源开关包括金属氧化物场效应晶体管MOSFET。

9.如权利要求7所述的浪涌电流限制电路，其中，所述电源开关包括双极晶体管。

10.如权利要求7所述的浪涌电流限制电路，其中，所述电流源包括连接到电阻器的双极晶体管。

11.如权利要求7所述的浪涌电流限制电路，其中，所述浪涌电流限制电路的第一和第二电源电压端子被连接，以接收输入电源电压信号，其中，在达到所述输入电源电压信号的阈值之前，所述电源开关是关断的。

Images