CN102118106A - 浪涌保护电路 - Google Patents

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CN102118106A
CN102118106A CN2010106218670A CN201010621867A CN102118106A CN 102118106 A CN102118106 A CN 102118106A CN 2010106218670 A CN2010106218670 A CN 2010106218670A CN 201010621867 A CN201010621867 A CN 201010621867A CN 102118106 A CN102118106 A CN 102118106A
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马库斯·施密德
约翰·B·D·库布里克
托马斯·A·杜厄巴姆
吉安·霍赫扎德
彼德·拉欧
弗朗斯·潘谢尔
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

本发明提供了一种用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路。所述浪涌保护电路包括：第一二极管；第二二极管电容器；以及放电装置。第一二极管的正极连接至整流模块的第一输入，第二二极管的正极连接至整流模块的第二输入。第一二极管和第二二极管的负极都连接至电容器的第一极板。电容器的第二极板连接至整流模块的负输出。电容器被配置为使得在浪涌事件之间的正常工作期间，所述电容器被一致地充电至实质上供电电压的峰值。放电装置连接至电容器的第一极板，并且被配置为当电容器两端的电压超过正常供电电压的最大值的峰值时对电容器进行放电，而当电容器两端的电压没有超过正常供电电压的最大值的峰值时实质上不对电容器进行放电。

Description

浪涌保护电路
技术领域
本公开涉及浪涌保护电路领域，具体但不限于用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路。
背景技术
需要防止电路尤其是具有桥式整流器模块和功率因子校正(PFC)模块的电路遭受电源中的浪涌事件/脉冲。这种浪涌事件可能是由于例如干线供电中的闪电冲击(lightning strike)或增大而引起的。
防止浪涌事件的已知方式包括使用至少两个元件：干线连接器与桥式整流器之间的变阻器；以及直接连接在在桥式整流器之后或与PFC模块的输出并联的体电容器。以下关于图2提供了这种浪涌保护的其他细节。
发明内容
本文所描述的本发明的一个或多个实施例可以提供一种改进的浪涌保护电路，该浪涌保护电路优于现有技术，尤其优于输入电压与体电容器之间没有电流路径的现有电路。改进可以在于比现有技术使用更少的组件以提供充分的浪涌保护，并且可能需要这些组件的质量/规格更低。
不应当将本说明书中先前公开的文献或任何背景的列举或讨论是看作是对以下情况的认可：该文献或背景是现有技术的一部分，或者是公知常识。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
第二二极管；
电容器；以及
放电装置；其中
第一二极管的第一端子可连接至整流模块的第一输入，第二二极管的第一端子可连接至整流模块的第二输入，第一二极管和第二二极管的第二端子都连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板可连接至整流模块的输出之一；并且其中
电容器被配置为使得所述电容器在正常工作期间被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置连接至电容器，并且被配置为：当电容器两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器进行放电，在正常工作期间当电容器两端的电压没有超过供电电压的峰值时实质上不对电容器进行放电。
在一些实施例中，第一二极管和第二二极管可以用作与整流模块关联提供的另一桥式整流器的一部分，或者用作分离的离散组件。将意识到，提供第一和第二二极管并不表示不可以提供其他二极管，例如，提供第三二极管和第四二极管作为另一桥式整流器。
二极管的第一端子可以是二极管的正极，二极管的第二端子可以是负极，或反之亦然。可以选择二极管的取向，以便提供用于从干线供电对电容器进行充电的闭合电路，从而闭合电路包括与电容器的极板之一相连的整流模块的二极管，第一二极管和第二二极管连接至电容器的另一极板。
可以提供一种用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
第二二极管；
电容器；以及
放电装置；其中，
第一二极管的正极可连接至整流模块的第一输入，第二二极管的正极可连接至整流模块的第二输入，第一二极管和第二二极管的负极都连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板可连接至整流模块的负输出；并且
电容器被配置为使得在正常工作期间所述电容器被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置连接至电容器的第一极板，并且被配置为当电容器两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器进行放电，而在正常工作期间当电容器两端的电压没有超过供电电压的峰值时实质上不对电容器进行放电。
可以提供一种用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
第二二极管；
电容器；以及
放电装置；其中，
第一二极管的负极可连接至整流模块的第一输入，第二二极管的负极可连接至整流模块的第二输入，第一二极管和第二二极管的正极都连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板可连接至整流模块的正输出；并且
电容器被配置为使得在正常工作期间所述电容器被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置连接至电容器的第二极板，并且被配置为当电容器两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器进行放电，而在正常工作期间当电容器两端的电压没有超过供电电压的峰值时实质上不对电容器进行放电。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
电容器；以及
放电装置；其中
第一二极管的第一端子可连接至整流模块的输出，第一二极管的第二端子连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板可连接至整流模块的另一输出；并且
电容器被配置为使得在正常工作期间所述电容器被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置连接至电容器，并且被配置为当电容器两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器进行放电，而在正常工作期间当电容器两端的电压没有超过供电电压的峰值时实质上不对电容器进行放电。
可以提供一种用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
电容器；以及
放电装置；其中：
第一二极管的正极可连接至整流模块的正输出，第一二极管的负极连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板可连接至整流模块的负输出；并且
电容器被配置为使得在正常工作期间所述电容器被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置连接至电容器的第一极板，并且被配置为当电容器两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器进行放电，而在正常工作期间当电容器两端的电压没有超过供电电压的峰值时实质上不对电容器进行放电。
可以提供一种用于包括整流模块的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
电容器；以及
放电装置；其中
第一二极管的负极可连接至整流模块的负输出，第一二极管的正极连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板可连接至整流模块的正输出；并且
电容器被配置为使得在正常工作期间所述电容器被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置连接至电容器的第二极板，并且被配置为当电容器两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器进行放电，而在正常工作期间当电容器两端的电压没有超过供电电压的峰值时实质上不对电容器进行放电。
在正常工作期间，放电装置可以实质上不从干线供电或电容器汲取任何电流。尽管在正常工作期间可以存在使电容器非常少量地放电的小泄漏电流，然而这不应被看作是将电容器“显著地”放电至峰值干线供电电压以下的值。
这样，仅在浪涌事件之后对电容器放电，而不是如现有技术一样针对接收到的干线供电的每二分之一周期来对电容器放电。本发明的实施例使得可以使用低规格且低成本的电容器，因为仅当发生浪涌事件时这种电容器的电荷才实质上发生变化，而不是在“正常”工作期间(即，尚未发生浪涌事件时)实质上发生变化。更具体地，只有当发生浪涌事件时将电容器充电超过峰值干线供电电压，而当浪涌事件结束时，可以仅将电容器放电回峰值干线供电电压，而不将电容器显著地放电至峰值干线供电电压以下。可以将正常操作看作是没有发生浪涌事件和/或干线突降(dip)的时候，以及电路中不存在浪涌事件和/或干线突降的效应的时候。
这样，与针对干线供电电压的每二分之一周期来对电容器进行充电和放电的示例相比，可以延长电容器的寿命。
类似地，由于在电路的正常工作期间电容器上的电荷不实质上发生变化，所以在正常工作期间电流也可以实质上不流经二极管。因此，也可以认为低质量/规格的二极管是可接受的。
电容器可以被配置为使得当发生浪涌事件时电容器的电荷增加，在浪涌事件之后增加的电荷可以主要放电至放电装置。电荷的增加可以看作超过在浪涌事件之间的正常操作期间由干线供电电压提供的稳定状态电荷的电荷。
本文所描述的一个或多个实施例可以提供一种鲁棒的经济的浪涌保护电路，例如，该浪涌保护电路可以具体适于例如包括整流模块、功率因子校正(PFC)模块和开关模式电源的电路。不具有至输出电容器的直接电流路径的开关模式电源可以具体得益于本发明的实施例，因为可能需要以跟现有技术已知方式不同的方式来保护这样的电源免受浪涌损坏。
电路还可以包括功率因子校正(PFC)模块，如隔离的或非隔离的PFC。整流模块的两个输出可以作为输入连接至功率因子校正模块。PFC可以是开关模式电源(SMPS)。浪涌保护电路可以被配置为防止PFC/SMPS遭受干线供电中的浪涌事件/脉冲损坏。
放电装置可以被看作是包括激活组件，所述激活组件自动“激活”耗散组件，所述耗散组件仅当发生浪涌事件时才耗散能量。这样的激活组件可以是具有分压器或具有比较器的齐纳二极管或晶体管。电阻器是耗散能量的组件的示例。
放电装置可以包括放电电阻器和齐纳二极管。齐纳二极管可以被看做是“激活组件”的示例，电阻器可以被看作是能量耗散组件的示例，其中当激活组件被激活时从浪涌事件为能量耗散组件提供能量。
放电电阻器和齐纳二极管是可以构成放电装置的一部分的组件的示例。将意识到，可以使用这些组件，使得这些组件不会耗散任何能量，从而除非发生浪涌事件，否则不必须对电容器进行放电。在该示例中，放电装置可以在电路的正常工作期间起到开路的作用，这是因为齐纳二极管的击穿电压不会被超过。
在一个实施例中，放电电阻器和齐纳二极管可以串联在电容器的第一极板与电容器的第二极板之间。放电电阻器的第一管脚可以连接至电容器的第一极板，放电电阻器的第二管脚可以连接至齐纳二极管的负极，齐纳二极管的正极可以连接至电容器的第二极板。在其他示例中，放电电阻器和齐纳二极管的位置可以颠倒。这样，当超过齐纳二极管的击穿电压时，电容器可以经由电阻器来对浪涌事件的电荷进行放电。
在另一示例中，放电电阻器和齐纳二极管可以串联在电容器的第一极板与功率因子校正模块的输出之间。放电电阻器的第一管脚可以连接至电容器的第一极板，放电电阻器的第二管脚可以连接至齐纳二极管的负极，齐纳二极管的正极可以经由非隔离PFC模块的输出间接地连接至电容器的第二极板。这样，当超过齐纳二极管的击穿电压时，电容器可以将浪涌事件的电荷放电至电阻器和PFC模块的输出。
在正常工作期间，齐纳二极管可以具有比预期峰值电压高的击穿电压。在齐纳二极管和电阻器直接与电容器的第二极板串联从而与整流模块的低输出串联的实施例中，正常工作期间的预期峰值电压可以表示干线供电的最大工作电压。在齐纳二极管和电阻器连接至PFC模块的输出并从而间接连接至电容器的第二极板的实施例中，正常工作期间的预期峰值电压可以表示干线供电的最大工作单元与PFC模块的最小输出电压之差(在适当情况下包括波纹(ripple)电压分量)。
这样，仅当电容器上的电荷超过表示正常工作期间组件两端预期峰值电压(可以取决于电路中电容器的连接方式)的电荷时，齐纳二极管才导通并从而允许电阻器耗散能量。
击穿电压可以在比预期峰值电压高5％或10％的量级上。例如，对于峰值为375伏的干线供电电压，击穿电压可以高于380伏。在一些示例中，浪涌事件可以表示电压在0.5kV到4kV的范围内，这取决于浪涌事件的严重程度。
在一些实施例中，仅当电容器两端的电压超过齐纳二极管的击穿电压时，才对电容器进行放电。而当该电压没有超过齐纳二极管的击穿电压时不对电容器进行放电，因为齐纳二极管不会允许电流流经电容器；这表示电源的“正常”工作。
还将意识到，可以将其他组件用作放电装置，这些其他组件以同样的方式工作，使得这些其他组件可以仅在发生浪涌事件时才起到负载的作用。例如，可以将多种有源组件(如，双极晶体管、MOSFET等)用作激活组件，其中可以利用与电容器并联的高压分压器来将所述有源组件的导电状态从导通变为截止。这样，当超过预期峰值电压并且满足晶体管的阈值电压，使得晶体管的电流沟道导通时，将放电装置激活以对电容器进行放电。这样的晶体管可以与放电电阻器串联。
可以提供一种包括本文公开的任何浪涌保护电路的开关模式电源。
可以提供一种包括本文所公开的任何浪涌保护电路的电子设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作浪涌保护电路的方法，所述浪涌保护电路用于包括整流模块(433)的电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
第二二极管；
电容器；以及
放电装置；其中，
第一二极管的第一端子连接至整流模块的第一输入，第二二极管的第一端子连接至整流模块的第二输入，第一二极管和第二二极管的第二端子连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板连接至整流模块的输出之一；并且
放电装置连接至电容器；
所述方法包括：
在正常工作期间，将电容器保持一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
在浪涌事件的情况下，利用作为浪涌事件的一部分而接收到的电流来增加电容器上的电荷，并在浪涌事件之后将电流放电至放电装置。
电容器上电荷的增加可以被看作是充电电流超过与干线供电的正常峰值工作电压相关联的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作浪涌保护电路的方法，所述浪涌保护电路用于包括整流模块的电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
电容器；以及
放电装置；其中，
第一二极管的第一端子连接至整流模块的输出，第一二极管的第二端子连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板连接至整流模块的另一输出；并且
放电装置连接至电容器；
所述方法包括：
在正常工作期间，将电容器保持一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
在浪涌事件的情况下，利用作为浪涌事件的一部分而接收到的电流来增加电容器上的电荷，并在浪涌事件之后将电流放电至放电装置。
附图说明
参考附图，仅以示例的方式给出描述，附图中：
图1示出了现有技术功率因子校正电路(PFC)的框图；
图2示出了现有技术有源升压(active boost)PFC级的框图；
图3示出了现有技术隔离有源回扫(flyback)PFC级；
图4a至4d示出了根据本发明实施例的浪涌保护电路；
图5示出了根据本发明另一实施例的浪涌保护电路；
图6示出了根据本发明另一实施例的浪涌保护电路；
图7示出了根据本发明另一实施例的浪涌保护电路；
图8示出了根据本发明另一实施例的浪涌保护电路；以及
图9以图表的形式示出了根据本发明实施例的浪涌保护电路的使用；
图10示出了根据本发明另一实施例的浪涌保护电路；
图11示出了根据本发明另一实施例的浪涌保护电路。
具体实施方式
本文所描述的一个或多个实施例可以提供一种浪涌保护电路，包括：由浪涌事件来充电的电容器；以及用于在浪涌事件之后对电容器进行放电的放电装置。可以在浪涌事件之后对电容器进行放电，直到电容器两端的电荷实质上恒定，例如，处于与正常工作期间电容器两端的最大(干线)供电电压的预期峰值相对应的水平。这样，可以使用低质量/规格的电容器，因为电容器两端的电荷仅在浪涌事件期间或之后才发生显著变化。当没有发生浪涌事件时，电容器两端的电荷可以实质上恒定。这可以与现有技术相反，在现有技术中，与本发明的电容器位置类似的任何电容器都在干线输入交流(AC)电压的每二分之一周期进行充电和放电。在这种现有技术示例中，电容器需要具有比本发明实施例所需的最低质量高的最低质量，以便能够在正常工作期间向输出传递必需的能量。此外，现有技术的电容器可以在浪涌事件之后完全地或显著地放电，并且并不保持在实质上恒定的值。
可以选择认为适于本发明实施例的电容器以满足与浪涌事件相关联的电压需求，而并不必须用于向输出传递功率。例如，根据本发明实施例，可以不需要考虑电容器在rms电流方面的特性。
对于具有高功率比(power rate)和中功率比的干线驱动应用，通常使用开关模式电源，以便提高应用的效率。这种开关模式电源还用于满足与近似正弦输入电流的必要性有关的需求，以满足诸如欧洲标准EN61000-3-2之类的标准。因此，有源功率因子校正(PFC)电路通常用作后面跟随有体电容器的主级(primary stage)，以平滑输出电流并产生对于后续dc-dc转换器而言尽可能恒定(在经济的可调节极限之内)的输出电压。图1示出了采用功率因子校正的干线驱动电源的框图。
与这种有源PFC级有关的问题可以是干线驱动应用对浪涌事件的抗扰性。浪涌事件可以是由于闪电冲击而引起的，或者可以直接来自于干线供电的浪涌，例如由外部功率系统或负载的切换动作而引起的。
为了避免对干线驱动功率转换器造成不可恢复的损害，应当防止干线驱动功率转换器遭受浪涌脉冲。这些浪涌脉冲可以引起灵敏的电子设备中以及诸如开关模式电源的功率开关等更强壮(rugged)的功率组件中的故障。因此，应当有效地防止这种干线驱动应用遭受浪涌事件。在一些示例中，可以将变阻器用作第一保护元件，然而变阻器不足以完全保护功率转换器。
在许多情况下，图1中描述的PFC级由升压转换器来实现。图2示出了典型的升压转换器200的电路图。
图2的升压转换器是SMPS的示例，在SMPS中具有从输入到电容器202的直接永久性电流路径。可以考虑用变阻器204与大的体电解电容器202(例如，在2kV浪涌严重程度(severity level)下，在大于100μF的量级上)一起来充分地保护SMPS。然而，如果出于功率传递目的(或任何其他原因)而使用变阻器和具有中间尺寸的体电解电容器(例如，小于100μF，例如在68μF的量级上)，则不能提供充分的浪涌保护。
具体地，将体输出电容器202用于浪涌保护可能不足以高效地防止开关模式电源受到任何破坏，尤其是在对于标准操作仅需要小电容值的低功率应用中。从以下描述中将意识到，本发明的实施例可以对升压转换器提供改进的保护。
还与输入电压源并联地提供VDR 204(压敏电阻器)，以提供浪涌保护。VDR可以是变阻器。将意识到，图2所示电路的HF滤波器具有沿输入电流路径串联的扼流器/电感器。HF滤波器可以提供一些串联的阻抗，这限制了流向输出电容器的电流(限制到某种程度)。
在没有从输入到体电容器的直接永久性电流路径的示例中，已知的变阻器可能不能有效地保护SMPS，因为变阻器可能不足以保护SMPS遭受高达800V到1500V的浪涌电压。因此，可以需要附加的保护装置/组件。
在一些现有技术示例中，在干线驱动电源内使用电流隔离(galvanic isolation)，以提高电路的安全性。可以在dc-dc级实现该电流隔离，或者可以在主PFC级提供该电流隔离。对于可以使用回扫转换器而不使用升压转换器的低功率范围和中功率范围来说，在主PFC级实现该电流隔离可以是有用的。图3描述了回扫转换器300的电路图。
与升压PFC级不同，出现的浪涌脉冲无法对体输出电容器302充电，而是对负责对电流隔离作出响应的变压器的初级侧的寄生电容(例如，PFC 300的干线开关304的寄生电容)充电。由HF滤波器电容器提供的任何小电容可能不足以与VDR 306相结合抑制浪涌。PFC 300可以因此而被破坏。因此，干线驱动回扫转换器300的使用通常需要其他的保护装置。
现有技术提供浪涌保护的方式可以根据所使用的PFC级的配置而不同。
已知并不提供从线路输入到体电解输出电容器的直接永久性电流路径的其他PFC级，所述其他PFC级包括非隔离PFC转换器，如，PFC-Buck或PFC-Buck-Boost转换器、或Cuk、Sepic等PFC拓扑。在这样的示例中，没有可用的直接路径(回扫转换器、前向转换器、Cuk转换器、Sepic转换器)，或者直接路径经由可以打开的开关(Buck转换器和Buck-Boost转换器)。由于没有电流可以流入具有这些拓扑的输出电容器，所以几乎所有电流都将流经变阻器，这引起了施加到开关模式电源(SMPS)的高电压电平。这种高电压可以破坏SMPS的组件。因此，将单个变阻器用于这些拓扑的浪涌保护可能并不够，在现有技术中采用附加组件，如，多个变阻器或变阻器与Transil二极管的组合。然而，附加的变阻器或Transil可以非常昂贵。
提供与SMPS并联的附加电容器的本发明的一个或多个实施例可以为浪涌电流提供第二路径，因此可以降低SMPS遭受可能造成破坏的高电压的可能性。
本文提供的本发明的一个或多个实施例的特征是，使用仅一个附加体电解电容器和仅一个或多个缓慢整流的二极管来进行浪涌保护，以便在浪涌事件中吸收能量的主要部分。此外，可以使用放电装置，使得仅当浪涌事件发生时而不是在“正常”工作期间对附加的体电解电容器进行充电和放电。可以选择放电装置，使得该放电装置可以在下一浪涌事件发生之前充分地从前一浪涌事件放电。浪涌事件的重复速率和严重程度可以由IEC 61000-4.5和IEEE C61.41.2标准来限定。
如果没有使用根据本发明实施例的浪涌保护电路，则与一条或两个干线输入电压线相耦合的浪涌脉冲的能量将被直接传递至PFC级，并将最终破坏PFC级的组件中的一些。插入附加的体电解电容器以及根据本发明实施例的放电装置可以改善这种情况。
图4a示出了根据本发明实施例的浪涌保护电路。与现有技术相比，提供了两个二极管D1和D2 420、422以及电容器C2 424。第一二极管D1 420的正极连接至第一干线输电线428，第二二极管D2 422的正极连接至第二干线输电线430。将意识到，由于干线电力是AC，所以第一和第二干线输电线428、430上都会经历任何极性的浪涌事件。二极管D1 420和D2 422与电容器424一起可以针对与干线的任何极性相结合的任何极性的浪涌脉冲提供充分的浪涌保护。
第一二极管D1 420和第二二极管D2的负极连接至电容器C2 424的第一极板。
电容器C2 424的第二极板连接至整流模块433的输出之一，在该示例中，连接至整流模块433的低输出。
此外，电容器C2 424的第一极板连接至放电装置426，以下将描述放电装置426的示例。
当在干线输电线428、430处接收到浪涌脉冲时，能量的主要部分将经由附加二极管D1和D2 420、422之一对附加电容器C2 424进行充电。在出现浪涌脉冲之前，将电容器424充电至正弦输入电压的峰值。
将意识到，浪涌事件之后附加电容器C2 424两端的电压值取决于该附加电容器C2 424的电容值，并且发现将体电解电容器用作C2将使施加到PFC级432的电压电平保持在可接受的电压值范围内，从而保护PFC级432。
为了符合可能合适的标准，要测试的装置可能必须经受得住若干连续的浪涌脉冲。因此，可以确保附加电容器C2 424能够在预期下一浪涌脉冲之前可以放电至初始电压电平，以便能够高效地吸收下一浪涌脉冲的能量。浪涌事件的重复速率以及严重程度可以对于不同的应用而不同，从而可以相应地选择附加电容器C2的电容。
图4b示出了与图4a的浪涌保护电路相类似的浪涌保护电路。在图4b中，仅存在一个二极管D1 420’。D1 420’的正极连接至整流模块433’的正dc输出，二极管D1 420’的负极连接至电容器C2 424的第一极板。
将意识到，图4b的浪涌保护电路仅需要单个二极管，这是因为图4b的浪涌保护电路被配置为在整流之后处理浪涌事件，因此只有整流模块433’的DC输出会经历浪涌事件。尽管如此，图4b的浪涌保护电路仍然可以用于保护PFC级432’。
图4c示出了根据本发明实施例的浪涌保护电路。在该示例中，第一二极管和第二二极管420”、422”的负极连接至整流模块的两个输入，而第一二极管和第二二极管420”、422”的正极连接至电容器424”的第一极板。电容器424”的第二极板连接至整流模块的正输出。放电装置426”连接至电容器424”的第二极板，在该示例中，电容器424”的第二极板在工作期间是电容器的正极板。
将意识到，图4c的实施例与图4a的实施例类似。为了对图4c的电容器424”进行充电而提供的闭合回路使用：用于在干线供电与电容器424”的负极板之间提供电流路径的附加二极管420”、422”、以及整流模块的用于在干线供电与电容器424”的正极板之间提供电流路径的二极管。
相反，为了对图4a的电容器424进行充电而提供的闭合回路使用：用于在干线供电与电容器424的正极板之间提供电流路径的附加二极管420、422，以及整流模块的用于在干线供电与电容器424的负极板之间提供电流路径的二极管。
图4d示出了根据本发明实施例的浪涌保护电路。在该示例中，第一二极管420”’的负极连接至整流模块的负输出，第一二极管420”’的正极连接至电容器424”’的第一极板。电容器424”’的第二极板连接至整流模块的正输出。放电装置426”连接至电容器424”’的第二极板，在该示例中，电容器424”’的第二极板在工作期间是电容器的正极板。
将意识到，图4d的实施例与图4b的实施例类似。为了对图4d的电容器424”’进行充电而提供的闭合回路使用：附加二极管420”’、以及整流模块的用于在干线供电与电容器424”’的负极板之间提供电流路径的二极管和整流模块的用于在干线供电与电容器424”’的正极板之间提供电流路径的二极管。
相反，用于对图4b的电容器424’充电的闭合回路使用：附加二极管420’、以及整流模块的用于在干线供电与电容器424’的正极板之间提供电流路径的二极管和整流模块的用于在干线供电与电容器424’的负极板之间提供电流路径的二极管。
将参考图5和6来描述根据本发明实施例的放电装置426的示例。尽管以下实施例基于采用图4a的结构的浪涌保护电路，然而将意识到，这些实施例同样可以应用于采用图4b、4c或4d中任何一种结构的浪涌保护电路。
图5示出了已利用电阻器Rdischarge 534和齐纳二极管DZener 536扩展了图4a所示电路的实施例，其中齐纳二极管DZener 536具有刚好在最大工作电压峰值以上的击穿电压电平。在该示例中，电阻器Rdischarge 534的第一管脚连接至电容器524的第一极板。电阻器534的第二管脚连接至齐纳二极管DZener 536的负极。齐纳二极管DZener 536的正极连接至电容器524的第二极板。
图5的无源放电装置(包括电阻器Rdischarge 534和齐纳二极管DZener536)用于在发生浪涌事件时，即，当超过齐纳二极管DZener 536的击穿电压时，通过电阻器Rdischarge 534来进行放电。齐纳二极管536可以被看作是激活组件，因为该齐纳二极管536仅当超过其击穿电压时才激活放电装置。电阻器534可以被看作是限流组件。在一些示例中，大多数耗散可以由齐纳二极管536来执行。
将意识到，放电电阻器Rdischarge 534和齐纳二极管536的位置可以互换，以任何配置串联的放电电阻器Rdischarge 534和齐纳二极管可以执行以下所需的功能：仅当浪涌事件发生时对C2524进行放电。齐纳二极管可以由具有较低击穿电压的两个或若干齐纳二极管的串联构成。例如，400V齐纳二极管可以由两个200V齐纳二极管或四个100V齐纳二极管的串联来实现。
根据另一实施例，可以将浪涌脉冲的能量传递至PFC级的输出。这样的实施例如图6所示。图5与图6的电路的差异在于，齐纳二极管DZener 536的正极连接至PFC级632的高电压输出，而不是电容器624的第二极板。在该示例中，至电容器624第二极板的放电路径由输出电容器(C)通过PFC 632来完成。
对于图5的实施例，当附加电容器C2 524的电压高于齐纳二极管的击穿电压时，电容器524将经由Rdischarge 534来放电。齐纳二极管的击穿电压可以高于干线供电的最大工作电压的峰值电压。
对于图6的实施例，当附加电容器C2 624的电压高于齐纳二极管的输出电压与击穿电压之和时，电容器624将经由Rdischarge 634来放电。假定输出电压低于干线供电的峰值电压，齐纳二极管的击穿电压可以被选择为高于干线供电的最大工作电压的峰值电压与最小PFC输出电压之差。
当经由PFC级632的放电路径可用时，图6的实施例可以具体适于非隔离的PFC级，而图5的实施例可以适于隔离的和非隔离的PFC级。
参考图5，放电装置被配置为使得当电容器524两端的电压在正常工作期间在供电电压的峰值以下时不对电容器524放电，现在将参考欧洲的干线电压供电来描述示例。输入电压在180至264V AC，rms范围内。为了不在高干线处放电，齐纳二极管536电压可以被选择为等于或高于sqrt(2)*264V＝375V。这意味着，如果在工作期间在额定电压230V处发生浪涌事件，则电容器524电压将上升至例如450V。因此，齐纳二极管536将导通，以便经由电阻器534对电容器524进行放电。当齐纳二极管536不再导通时，这种放电将在375V左右停止。然而此后由于电容器524的不可避免的小泄漏电流，放电将继续进行至sqrt(2)*230V＝325V(这种最后的放电可能甚至花费几分钟的时间)。因此，在正常工作时，电容器524将被充电至瞬时AC电压的峰值(在230V AC，rms的示例中是325V)。
在如图5所示放电装置连接至电容器的第二极板的示例中，齐纳二极管536的击穿电压应当高于最大干线电压的峰值，因此大于375V。
在如图6所示放电装置连接至PFC模块的输出的示例中，应当使用具有另一击穿电压的齐纳二极管636。以非隔离的PFC-Buck转换器作为示例，该PFC-Buck转换器可以具有100V+波纹(ripple)的输出电压。因此假定最小输出电压是75V。在最大输入电压265V，rms的情况下，在正常工作期间电容器624再次处于375V。然而，放电装置连接至PFC级的输出，因此连接至75V的最小电压电平。因此，施加在放电装置上的电压是仅300V。在这样的示例中，具有大于300V的击穿电压的齐纳二极管636就足够了。
本发明的实施例可以提供关于隔离的PFC的优点，其中没有电解电容器直接连接至干线。大的电解电容器处于将变压器与隔离的PFC相隔离的干线的次级侧，因此不可用于浪涌保护。本发明实施例所提供的附加浪涌保护可以防止对PFC造成破坏。
本发明的实施例也可以与具有非常小的输出功率的非隔离升压PFC一起使用，从而用于限制100Hz-波纹的电解电容器过小以至于无法吸收浪涌能量。
对于诸如Buck、Buck-boost、Cuk、Sepic等其他非隔离PFC，本发明可以表现出与以上关于隔离PFC讨论的优点相同的优点，这是因为这些拓扑不具有在供电电压与输出电容器之间的直接连接。
本发明的另一实施例如图7所示。在该示例中，PFC级是回扫级732，回扫级732不为跨接回扫级732输出的输出电容器702提供浪涌电流的直接路径。在这样的示例中，输入电压源两端的变阻器701可能不足以提供浪涌保护，本发明实施例的附加电容器C2724可以提供所需的附加浪涌保护。将意识到，也可以将附加电容器724用于诸如前向转换器、半桥式转换器、全桥式转换器或谐振转换器等其他隔离PFC级，以及用于诸如Buck、Buck-Boost、Sepic、Cuk等不具有从输入到体电容器的直接电流路径的其他非隔离PFC级。
本发明的另一实施例如图8所示。在该示例中，PFC级是升压级832，升压级832为输出电容器802提供浪涌电流的直接路径。在这样的示例中，除了已知的变阻器801和输出电容器802以外的其他浪涌保护装置也可能是必要的。
由于输出电容器C 802的值一般被选择为传递功率而不被选择为吸收很少发生的浪涌脉冲，所以可能需要其他浪涌保护装置。因此，尤其在具有小额定功率的SMPS的情况下，输出电容器C 802的值可能过小以至于无法充分地提供浪涌保护。即，即便是变阻器801和输出电容器802的组合也可能无法有效保护电源。因此，可以需要本发明实施例的附加电容器C2 824来提供充分的浪涌保护。
在现有技术示例中，可以选择输出电容器802的值，以便提供针对输出信号的“滞留(hold-up)”时间。当选择输出电容器802的值时，还可以考虑要传递至输出的功率。然后可以使用存储在输出电容器C802中的能量来在短时间段内维持后面的dc-dc级803的操作，在该短时间段内干线电压击穿(干线突降(dip))，输出电容器C 802可以对输出作出贡献的特定时间段称作滞留时间。因此，输出电容器C 802可以具有与所存储的能量成比例的最小电容，使得可以确保所需的滞留时间。通常使用所需的滞留时间而不是功率传递需求来确定高质量输出电容器C 802的大小。
根据图8的实施例的与放电装置826相结合的附加电容器C2 824还可以用于对所需的滞留时间作出贡献：在标准/正常工作中(即，在没有浪涌或没有干线突降的时间段内)，将附加电容器C2 824充电至线路电压的峰值。现在，在干线突降的情况下，可以将附加电容器C2 824中存储的能量传递至PFC级的输入或输出，使得该能量可以帮助维持电源单元的操作。
图8的实施例所提供的优点是，由于附加电容器C2 824可以对滞留时间作出贡献并提供浪涌保护，所以必须仅针对额定功率而不是“滞留时间”来为原始输出电容器C 802制定尺寸，从而可以将原始输出电容器C 802制造得更小。现在主要由C2 824来处理滞留时间需求。将意识到，在这样的实施例中，在正常操作中并不永久性地对附加电容器C2 824进行放电，而在很少发生的干线突降事件的情况下除外。然而，在这种情况下，通常将电容器C2 824放电至线路电压的峰值以下。
根据本发明的实施例，用于对电容器放电的不同放电装置是可能的。可以基于浪涌脉冲的预期严重程度和重复速率来选择合适的放电装置。浪涌脉冲的严重程度可以由浪涌脉冲的最大出现电压来确定，已知从0.5kV至4kV的四个严重程度。以下提供了合适放电装置的示例。
实际上，在一些情况下，可以将非常大的电容器的泄漏用作放电装置。这种电容器可以吸收若干浪涌脉冲，并具有足够“大”以至于可以在新的浪涌脉冲序列开始之前将电容器充分放电的泄漏电流。
图9以图表的形式示出了本发明实施例的测试结果，其中单个电容器的泄漏电流提供了放电装置的功能。图9中图表的横轴表示时间，纵轴表示作为放电装置的电容器两端的电压。可以认为该示例适于防止遭受具有低严重程度的浪涌。
图9示出了具有0.5kV的严重程度和6秒的重复速率的十个脉冲的应用(根据标准，需要仅60秒的重复速率)。测试表现出，通过为电容器选择适当的值，电容器两端的电压保持在可接受的极限(Vmax＝490V)之内。这是因为，由于浪涌事件之间6秒内的泄漏电流，使得电容器少量地放电。图9示出了电容器在干线电压峰值以下不会放电，这是因为如图9所示干线将把电容器充电至高达峰值(每10ms)。
备选的放电装置包括与电容器并联的电阻器。如果泄漏电流不足以在发生下一浪涌事件之前将电容器充分地放电，则需要附加的电阻器。在这样的示例中，电阻器可以具有高电阻值，并且可以用于确保在下一浪涌脉冲之前将电容器放电至干线电压的峰值。该放电装置可以引起一些附加的损耗，这是由于即使在标准操作中电容器也将始终被少量放电。
由于泄漏电流可以因部件的不同而不同，以及由于温度，本领域已知这样的放电装置与堆叠的电容器有关，以便使堆叠的电容器两端的电压对称。巨大的并联电阻器的益处是，可以以已知的精确的泄漏电流来进行设计。尽管如此，泄漏电流的量(可以大约是最差情况下泄漏的5倍)仍然很小，以至于可以不将其看作是在一个干线周期内电容器的显著放电。因此，同样利用这样的电阻器，在正常工作期间电容器将仍然被充电至实质上干线供电电压的最大值。使用与电容器并联的电阻器的优点是可以处理大范围严重程度的浪涌事件。
将意识到，放电装置的以上示例不是限制性的，可以提供仅在浪涌事件期间或之后执行对电容器的实质上充电和放电功能而不在“正常”工作期间对电容器放电的任何放电装置。合适的放电装置的示例还可以包括有源放电装置，例如通过使用额外的SMPS将电容器中存储的能量传递至输出的有源放电装置。
可以与本发明的实施例一起使用的有源放电装置的示例可以包括双极晶体管、MOSFET等，其中利用与电容并联的高压分压器将组件的传导状态从截止改变至导通。这样，有源放电组件可以接通并在电压超过最大干线峰值电压时提供必要的放电路径。这样，还可以想到可以将滞后现象添加到放电装置，使得放电保持有效，以比没有滞后的情况下更快速地达到更低的电容器电压。这对于重复的浪涌脉冲是尤为有益的。
本领域技术人员将意识到，有许多种方式可以提供这种功能，例如，通过在发生浪涌事件时使用分压器使MOSFET的栅极处于阈值以上，或通过在发生浪涌事件时使用向比较器馈送的分压器，其中所述比较器的输出将有源组件接通。
在一些示例中，可以将电源用作放电装置，使得在浪涌事件之后或在干线突降的情况下激活该放电装置，而在正常工作期间将该放电装置去激活。在这样的实施例中，在正常工作期间仍然将电容器充电至实质上干线供电电压的最大值。
如以上关于图8而指示的，根据本发明的实施例，可以由电容器来处理滞留时间需求。该电容器可以用于在“干线突降”期间提供输出电压。图10示出了这样的实施例的图示。在该实施例中，电容器C1902可以不需要被定尺寸来提供滞留功能，而是可以根据期望的额定功率来被定尺寸。
当检测到干线突降时，图10的电路可以通过操作有源开关950将电容器C2 924存储的能量传递至PFC级的输入，所述有源开关950可以是双极晶体管、MOSFET、IGBT等等。
图11示出了根据本发明另一实施例的电路，其中图10的开关950被替换成DC-DC转换器1050，DC-DC转换器1050仅当检测到很少发生的干线突降事件时才被激活。
本文描述的浪涌保护电路的一个或多个可以适于易受浪涌事件/脉冲影响的任何电子设备，尤其是干线驱动的设备/应用。这样的电子设备的示例包括电视机、个人计算机、DVD播放器、卫星/线缆解码器盒、立体声系统以及任何其他电子娱乐设备以及非娱乐电子设备。可能的应用是用于LCD电视、监视器等的电源，例如具有LED背光的可以需要干线隔离PFC级的LCD电视的电源。干线隔离的PFC回扫级可以得益于由本发明的实施例提供的浪涌保护。照明镇流器和外部电源(如，适配器)也可以与本发明的实施例一起使用。然而将意识到，本发明的实施例不限于任何特定类型的电子设备。
在一些实施例中，可以使用仅单个电容器和仅两个二极管(可选地，与变阻器相结合)来提供浪涌保护，这可以比现有技术更节约成本。此外，可以使用更低质量/规格的组件，这是因为这些组件仅当浪涌事件发生时工作而不在正常工作期间工作。例如，可以使用廉价的体电容器来提供充分的浪涌保护。
本发明的一个或多个实施例使得可以经济地且高效地满足诸如EN61000-3-2之类的标准。在一些示例中，浪涌保护电路不影响输入电流波形，使得仍满足EN61000-3-2，此外也可以处理与浪涌保护有关的任何标准。

Claims (15)

1.一种用于包括整流模块(533)的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管(420)；
第二二极管(422)；
电容器(424；524；624)；以及
放电装置(426)；其中，
第一二极管(420)的第一端子可连接至整流模块(433)的第一输入，第二二极管(422)的第一端子可连接至整流模块(433)的第二输入，第一二极管和第二二极管(420，422)的第二端子都连接至电容器(424；524；624)的第一极板，电容器(424；524；624)的第二极板可连接至整流模块(433)的输出之一；并且
电容器(424；524；624)被配置为使得在浪涌事件之间的正常工作期间，所述电容器(424；524；624)被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置(426)连接至电容器(524；624；724)，并且被配置为当电容器(424；524；624)两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器(424；524；624)进行放电，而当电容器两端的电压没有超过最大供电电压的峰值时实质上不对电容器进行放电。
2.一种用于包括整流模块(433’)的电路的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管(420’)；
电容器(424’)；以及
放电装置(426’)；其中
第一二极管(420’)的第一端子可连接至整流模块(433’)的输出，第一二极管(420’)的第二端子可连接至电容器(424’)的第一极板，电容器(424’)的第二极板可连接至整流模块(433’)的另一输出；并且
电容器(424’)被配置为使得在正常工作期间所述电容器(424’)被一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
放电装置(426’)连接至电容器(424’)，并且被配置为当电容器(424’)两端的电压超过最大供电电压的峰值时对电容器(424’)进行放电，而在正常工作期间当电容器(424’)两端的电压没有超过供电电压的峰值时实质上不对电容器(424’)进行放电。
3.根据权利要求1或2所述的浪涌保护电路，其中，电容器(424；524；624)被配置为使得当发生浪涌事件时电容器的电荷增加，在浪涌事件之后增加的电荷放电至放电装置(426)。
4.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的浪涌保护电路，其中，电容器(424；524；624)被配置为使得所述电容器(424；524；624)仅在浪涌事件之后被实质上放电。
5.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的浪涌保护电路，其中，放电装置包括：
放电电阻器(534)；以及
齐纳二极管(536)；其中，
放电电阻器(534)和齐纳二极管(536)串联在电容器(524)的第一极板与电容器(524)的第二极板之间。
6.根据权利要求5所述的浪涌保护电路，其中，齐纳二极管(536；636)具有比电压源的最大电压的峰值电压高的击穿电压。
7.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的浪涌保护电路，其中，所述电路还包括功率因子校正模块(632)，整流模块的两个输出作为输入连接至功率因子校正模块(632)。
8.根据权利要求7所述的浪涌保护电路，其中，无源放电装置包括：
放电电阻器(634)；以及
齐纳二极管(636)；其中
放电电阻器(634)和齐纳二极管(636)串联在电容器(624)的第一极板与功率因子校正模块(632)的输出之间。
9.根据权利要求8所述的浪涌保护电路，其中，齐纳二极管(536；636)具有比电压源的最大电压的峰值电压与功率因子校正模块(632)的输出的最小电压之差高的击穿电压。
10.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的浪涌保护电路，其中，电容器(424；524；624)被配置为使得当发生干线突降事件时所述电容器(424；524；624)被放电。
11.一种开关模式电源，包括根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的浪涌保护电路。
12.一种电子设备，包括根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的浪涌保护电路。
13.一种操作浪涌保护电路的方法，所述浪涌保护电路用于包括整流模块(433)的电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管(420)；
第二二极管(422)；
电容器(424；524；624)；以及
放电装置(426)；其中，
第一二极管(420)的第一端子连接至整流模块的第一输入，第二二极管的第一端子连接至整流模块(433)的第二输入，第一二极管和第二二极管(420，422)的第二端子连接至电容器(424；524；624)的第一极板，电容器(424；524；624)的第二极板连接至整流模块(433)的输出之一；并且
放电装置(426)连接至电容器(424；524；624)；
所述方法包括：
在正常工作期间，保持将电容器(424；524；624)一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
在浪涌事件的情况下，利用作为浪涌事件的一部分而接收到的电流来增加电容器(424；524；624)上的电荷，并在浪涌事件之后将电流放电至放电装置。
14.一种操作浪涌保护电路的方法，所述浪涌保护电路用于包括整流模块的电路，所述浪涌保护电路包括：
第一二极管；
电容器；以及
放电装置；其中，
第一二极管的第一端子连接至整流模块的输出，第一二极管的第二端子连接至电容器的第一极板，电容器的第二极板连接至整流模块的另一输出；并且
放电装置连接至电容器；
所述方法包括：
在正常工作期间，将电容器保持一致地充电至实质上供电电压的峰值；以及
在浪涌事件的情况下，利用作为浪涌事件的一部分而接收到的电流来增加电容器上的电荷，并在浪涌事件之后将电流放电至放电装置。
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括：在正常工作期间不对电容器实质上放电。
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