CN102244459A

CN102244459A - 具有安全装置的smps,操作smps的方法及其控制器

Info

Publication number: CN102244459A
Application number: CN2011101294329A
Authority: CN
Inventors: 汉斯·哈贝尔施塔特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2011-11-16
Also published as: EP2387137A1; US8848321B2; US20110280053A1; EP2387137B1

Abstract

公开了一种开关模式电源(SMPS)。该SMPS包括在SMPS例如通过拔掉而从干线断开时释放输入电容器中存储的电荷的机制。SMPS包括用于检测干线断开的检测器、以及放电电路。该放电电路包括放电元件。放电元件可以是SMPS的一部分，例如可以是高压电流源或总线电容器，或者可以是附加元件，例如电阻负载。放电电路适于响应于检测器检测到干线的断开，沿着路径对输入电容器放电。检测器控制在检测到时接合放电电路的开关。该开关形成放电路径的一部分。还公开了操作包括安全装置的SMPS的方法以及适于操作这种方法的控制器。

Description

具有安全装置的SMPS,操作SMPS的方法及其控制器

技术领域

本发明涉及开关模式电源，针对开关模式电源的控制器以及操作方法。

背景技术

为了抑制电磁干扰(EMI)，在大多数情况下，在开关模式电源(SMPS)的输入侧需要输入滤波器。除了电感，EMI滤波器典型地还包括一个或多个连接在干线端子之间的电容器。这些电容器也称作XCap。EMI滤波器典型地还包括连接在干线端子之一与保护地之间的一个或多个电容(也称作YCap)。典型地，保护地采用与YCap连接的次级地的形式，而桥式整流器接地至分离的原级地。原级地和次级地具有干线分离，但是典型地可以通过一个或多个其他的YCap连接。

希望以及在一些规定状况下可能是强制的，在拔掉了干线之后的一定时间内开关模式电源的干线端子之间的电压减小到安全值。否则，存在风险，如果用户不经意地接触到插头的端子，可能受到电冲击。

例如，根据针对音频、视频和类似电子设备的国际安全要求标准IEC600665，要求在拔掉电源的2秒内，端子之间的电压应该小于60V。此外，根据IEC60950，该减小应该发生在1秒内。

当例如拔掉干线来断开至SMPS的干线供电时，XCap和YCap上的残留电荷可能初始地造成安全电平以上的电压。

如果电源正在全负载地操作，则在大多数情况下负载会快速地导致电容器上的电荷的释放。然而，在无负载情况下，电源可能已被禁用；此外，在干线电压已经下降到可接受电平以下的情况下(所谓的“局部停电(brownout)”情况)，电源可能已被关断。在这些情况下，整流器的输出侧的电容可能阻止在整流器输入侧在可接受时段内将XCap和YCap电容器放电到可接受电平。

因此，在这些情况下，需要其他措施来确保对电容器适当放电。已知的是提供与干线输入并联的附加电阻器放电网络，以允许这种放电。在一种已知配置中，该放电电阻器还适于用作感测电阻器，来测量瞬时干线电压，用于局部停电保护。

现有的电阻性放电方案的不足在于电阻器耗散功率。虽然这种功率耗散对于典型应用可能在20和100mW之间，在大多数全负载情况下是微不足道的，然而在无负载情况下，这种功率耗散相对显著。

希望提供XCap和YCap的放电方法，其不会导致这种继续的功率耗用。

JP 11308857公开了一种在切断至开关电源的供电源时对输入电容器放电的机制。

发明内容

根据本发明第一方面，提供了一种由权利要求1限定的开关模式电源。

通过将放电路径设置为可开关的放电路径，可以如下布置：在操作期间断开该路径，并且仅在需要放电功能时(具体地，例如由于拔掉了SMPS而断开了干线时)才连接该路径。因此，可以避免在正常操作期间与放电元件的永久性连接相关联的功率耗散。检测器和可开关放电路径的安全装置包括放电元件，从而提供了在干线供电断开时选择性地连接至SMPS的电路，以对输入电容器放电，该输入电容器可以是单个部件，或者例如XCap和/或YCap等多个组成器件的组合。该电路也可以称作安全电路，其在正常操作期间典型地是不连接的，或者不连接成在正常操作期间的相同配置。该电路的各个部分可以不同配置来连接，这些部分在SMPS正常操作期间(或例如启动期间)使用。

此外，输入电容器中存储的能量没有被耗散，而是全部或部分地转移到总线电容器。这减少了能量浪费并允许更少的操作放热。

应该注意，虽然常规使用的术语“电流源”是与在放电路径中使用电流源对输入电容中存储的电荷放电的比较示例相关地提及的，但是可以理解电流源实际上用作电流“宿”(sink)，这有助于对本发明的更好理解。由于在本文中，对正电流进行“源”(sourcing)直接等同于对负电流进行“宿”(sinking)，所以将(正)电流源描述为(负)电流宿是等同有效的，反之亦然。以下将使用电流源的常规术语。

根据本发明的另一方面，提供了一种操作上述开关模式电源的方法，该方法包括：检测干线供电从输入的断开；以及接通可开关放电路径，以释放输入电容器中存储的电荷。

根据本发明再一方面，提供了一种开关模式电源的控制器，其适于执行上述方法。

本发明的上述和其他方面将从以下实施例描述中显而易见并得以参照实施例来阐明。

附图说明

参照附图通过示例描述本发明的实施例，附图中：

图1示出了输入滤波器和整流器的电路图；

图2示出了开关模式电源的简化框图；

图3是根据本发明实施例的不同开关模式电源的简化示意框图；

图4是根据本发明实施例的不同开关模式电源的另一简化示意框图；

图5是开关模式电源的框图，包括具有电流源的安全电路，电流源包括功率因子控制器开关；

图6是开关模式电源的框图，包括从高压电源得到的电流源；

图7是开关模式电源的框图，在第二级包括放电元件；

图8是另一开关模式电源的框图，在第二级包括不同的放电元件；

图9是又一开关模式电源的框图，在第二级包括另一放电元件；

图10(a)示出了输入滤波器和整流器，包括一对电阻器R1，R2；

图10(b)示出了图10(a)的入口的电压的仿真结果，包括电压差L-N以及电压和L+N，图10(c)示出了R1和R2中的电流和；

图11是输入滤波器和整流器的示意电路图，具有使用电流感测的干线电压检测；

图12是输入滤波器和整流器的示意电路图，具有使用电流感测的干线电压检测；

图13(a)是输入滤波器和整流器的示意电路图，其通过多个二极管连接至作为电流源的放电元件，图13(b)示出了端子电压以其最大值和电压差。

图14是输入滤波器和整流器的示意电路图，具有使用电流感测的干线电压检测并且在放电路径上具有二极管；

图15是输入滤波器和整流器的示意电路图，具有使用电压感测的干线电压检测并且在放电路径上具有二极管；以及

图16是输入滤波器和整流器的示意电路图，具有使用电容性检测器的干线电压检测。

应该注意，附图是图示性的，没有按照比例绘制。附图中各个部分的相对尺寸和比例在大小上是放大的或缩小的，以便清楚和方便地示出。相同的附图标记一般用于指示不同修改实施例中的相应或类似特征。

具体实施方式

图1示出了输入滤波器和整流器的电路图。该电路具有：输入10，具有火线(live)和中性端子10a和10b用于连接至干线电压，以及保护地端子10c用于连接至保护地12；以及共模电感Lcm。在该示例性输入滤波器中，存在一对Y电容器(YCap)Cy，连接在次级地(即，SMPS的输出侧的地或次级侧的地)与各个干线端子10a和10b之间。示出的输入滤波器具有两个X电容器(XCap)Cx，连接至输入端子10a和10b，分别在差模电感Ldm的两侧，一侧一个。示出的输入滤波器还具有在输入端子上连接的一对串联电阻器R1和R2。上述输入滤波器连接至包括二极管D1-D4的全桥式整流器，整流器的输出连接至下一级，该输出上连接有平滑电容器C2。整流器输出的原级地侧14可以通过另一YCap(未示出)连接至保护地。由于保护地10c典型地连接至次级地，所以该YCap提供原级与次级地之间的短路路径。

在所示的常规滤波器中，电阻器R1和R2可以提供两个功能。首先是在例如通过拔掉干线将其断开的情况下，电阻器R1和R2用作放电电阻器，以减小输入端子上的电压。其次，该电阻器可以提供瞬时电压感测，以实施局部停电保护。

在这种常规滤波器中，用于对输入上的电容放电的电流在标称的无负载情况下与从输入汲取的附加功率直接相关。对于入口处的典型电容值220nF-1μF，为了达到在2秒或更少的放电时间内将325V的干线电压降低到60V(需要的时间为RC时间常数τ的1.7倍)，需要R1和R2的总电阻为1.2MΩ或更小；使用功率＝230²/R，R为1.2MΩ(对于1μF)到4.8MΩ(对于220nF)，这典型地会造成11-44mW的功耗。

在本发明实施例中，当干线断开时不再需要R1和R2来释放存储的残余电荷；因此，R1和R2的电阻值的上限不再适用，如果使用R1和R2，则可以选择具有足够高的电阻值来提供可忽略的功率耗用。因此，根据本发明实施例，R1和R2可以仅用于提供电压感测功能，以例如实现局部停电保护。

图2示出了开关模式电源20的简化框图。SMPS 20包括干线输入10，并依次包括滤波器和整流器级22、可选的功率因子校正(PFC)级24、以及作为转换器级的第二级26。电容器Cbus可以连接在PFC级24与第二级26之间的节点与地之间。

图3是根据本发明实施例的不同开关模式电源的简化示意框图。该图示出了如图2所示的SMPS，其具有输入滤波器和整流器级22、可选的功率因子校正级24、以及第二转换器级26。当然，可以理解，对于没有可选的PFC级24的实施例，输入滤波器和整流器级22直接连接至第二级26；在这种情况下，第二级可以是唯一的转换器级，而没有“第一级”(虽然本领域技术人员可以理解可能还有其他级，例如反激式转换器之后跟随一个或多个降压型转换器，以提供多种输出电压)。然而，为保持用语一致，下面使用术语“第二级”来指示后一转换器级，而不管是否存在第一PFC转换器级。输入滤波器22中存在一个或多个电容器，其典型地包括一个或多个XCap，并且可以包括一个或多个YCap，下面将这些电感器统一地或单独地作为输入电容器来描述。

干线电压检测单元或检测器32示为与输入滤波器和整流器22电连接。检测器32用于检测干线供电从输入断开以及检测入口的残余电压。检测器32向放电控制器34提供输入信息。放电控制器34配置为控制放电元件36。该放电元件36形成放电路径38的一部分；放电路径38布置为，响应于检测器32检测到干线供电从输入10断开，通过放电元件36释放输入电容器中存储的电荷。虽然放电路径38布置为释放形成了输入滤波器和整流器22的一部分的电容器中存储的电荷，但是该路径可以连接至SMPS中多个点或节点之中的任何一个。图3示出了三条这种路径38a、38b和38c，它们分别将放电元件36连接至输入滤波器和整流器级22的输入侧的节点37a、至输入滤波器和整流器级22与PFC级24之间的节点37b、以及至PFC级24与第二级26之间的节点37c。如图所示，放电路径38连接至总线电容器Cbus的PFC侧的节点37c，以使能够对入口放电，而无需对例如在标准升压型转换器的整流器二极管之前的Cbus放电。在其他非限制性实施例中，放电路径38可以连接至位于升压电容器Cbus与第二级26之间的节点37d。

因此，图3示出了本发明的如下方面：放电路径可以连接至SMPS电路中不同位置处的多个节点之一。图4是根据本发明实施例的不同开关模式电源的另一简化示意框图。图4示出了本发明的另一方面：放电元件36可以形成SMPS的多个不同部分之一的一部分，或者是与这多个不同部分之一协同定位的。具体而言，图4示出了图3所示SMPS的相同布置，其具有连接至输入滤波器和整流器级22的输入10，从而输入10还连接至可选的PFC级24和第二级26。检测器32与输入滤波器和整流器级22电连接，检测器向放电控制器34提供信息。放电控制器用于响应于检测到干线供电从输入断开，可开关地连接包括放电元件36的放电路径38。然而，如图4所示，在不同实施例中，放电元件36a、36b或36c可以形成输入滤波器和整流器级22、PFC级24和第二级26之中任何一个的一部分，或者可以与这些级之中任何一个协同定位或相邻。如图4所示，放电元件36a形成输入滤波器和整流器级22的一部分。通过控制线40从控制器34向放电元件36a引导控制信息。在其他实施例中，如果放电元件36与PFC级24协同定位或形成为其一部分，则控制线40是从控制器34至放电元件36b的。类似的，当放电元件36与第二级26协同定位或形成为其一部分，则控制线40将信息从控制器34路由至放电元件36c。

图5是根据本发明实施例的开关模式电源的框图，包括具有电流源的安全电路，电流源包括功率因子控制器开关。在这些实施例中，PFC开关用于传递电流，该电路可以是直流电流或脉冲电流，开关的漏级(或集电极)用作针对控制电路的供电端。因此，在这些实施例中，在放电模式下使用附加的控制电路来驱动开关。应该理解，PFC控制器的正常供电电压保持可用，直到Cfilter已被放电到所需安全值以下，例如，如果SMPS插入了仅仅很短的时段，则IC可能没有足够时间来建立其自己的正常供电电压。因此，为了确保经由Cfilter对存储的电荷的适当释放，当拔掉干线时，可以利用Cfilter本身的电压，作为对放电功能的供电。由于开关的漏级经由电感器与Cfilter相连，所以开关的漏级可以用于产生针对控制电路的供电。

图5示意性示出了连接至输入滤波器和整流器级22、PFC级24和第二级26的可连接干线的输入10；第二级26与PFC级24之间的电压是总线电压Vbus。PFC级24包括开关52，在正常操作中，开关52周期性地将电感器Lpfc的输出经由可选的感测电阻器54连接至地。PFC级还包括输出二极管Dpfc。如图5所示，PCF级可以包括控制器56，控制器56控制开关52提供无源放电功能，以对输入电容器放电。控制器56可以形成为PFC控制器51的一部分。图5所示的输入电容器为Cin，可以理解，为了对输入电容器Cin放电，使用PFC控制器，则也会对Cfilter放电，这是因为Cfilter位于Cin与PFC控制器之间；对Cfilter放电没有直接的好处，因为如果输入短路，Cfilter就不会被放电；对Cfilter放电仅仅是使用PFC控制器的无意的后果。

在正常操作期间禁用或不使用控制器56，而在检测到干线供电从输入10断开时，启用控制器56。可以使用放电控制器34(图5中未示出)来启用控制器56，或者控制器56可以形成为放电控制器34的一部分或全部。当开关52用于提供无源放电功能时，为了对输入电容器放电，可以通过控制功能来使用感测电阻器54，以限定开关中的电流。备选的，例如且非限制性的，可以通过向其栅极或基级施加固定电压脉冲电压来控制开关。如图5所示，虚线57是针对电容器Cin同时针对Cfilter的放电路径。

通过使用开关52的脉冲方式的关断和接通，可以将能量从输入电容器转移至PFC级24与第二级26之间的总线电容器Cbus。该总线电容器Cbus典型地实现为电解电容器，并具有可以高达100μF或更高的大电容。将电荷从输入电容器Cin(也称作入口电容器)转移至该电容器避免了对附加的无源入口放电网络的需要，从而减少了部件中的能量耗散，否则会出现部件中能量耗散。由于输入电容典型地仅仅是几μF，所以对输入电容放电并将释放的能量转移至Cbus会引起Cbus上从第一电压V1到第二电压V2的电压上升deltaV，这典型地是可接受的。

转移至Cbus的能量W为：

W＝0.5×C×(V1²-V2²)＝C×V×deltaV

其中V是Cbus处的电压加上deltaV的一半。由于认为deltaV相比于Vbus较小，所以认为V等于Vbus。则

Cin处释放的能量＝0.5×Cin×Vmains_peak²

从而

deltaV＝0.5×Cin×Vmains_peak²/(Cbus×Vbus)

所以，对于典型的电容器值(Cin＝1μF，Cbus＝100μF)，干线值(Vmains＝365Vpeak max，Vbus＝400VDC)和输入电压降低(365V至0)：

deltaV＝0.5×1μ×365²/(100μ×400)＝1.7V

因此，在该示例中，输入电容器的放电只造成了总线电压Vbus升高1.7V。

在一些情况下，特别是当简单地把插头从插座拔出时，有可能在断开干线时，接触引起电反弹(electrical bounce)，导致多个放电周期。在这种情况下，有益的是将PFC升压型转换器设定到尽可能低但同时仍然以指定时间将输入电容器放电的功率电平，从而减少了在反弹期间将额外的功率传递给Vbus(电解)电容器。例如且非限制性的，可以通过在需要时汲取额外功率，例如通过提高第二级的供电电流来提高第二级中的耗散，在PCF级下游对总线电压Vbus设置限制。

应该注意，当转换器关闭时，PFC开关的漏级处的电压等于干线电压，该干线电压小于与桥式整流器二极管上的电压对应的两个二极管正向电压。因此，在PFC开关的漏极处仍然有足够电压，用于该开关提供无源放电功能，直到电压低于所需的可接受电平(在一些规定状况下，为60V)。

图5中，没有指示或指明什么类型的转换器级用于第二级26。本领域技术人员容易理解，可以使用很多类型的不同转换器，例如但非限制性的，谐振转换器、反激式、前向、降压型或升压型转换器或其他转换器。

图6是开关模式电源的框图，包括从高压启动电流源导出的电流源。本领域技术人员会认识到，使用高压启动电流源是一种已知方法，其使用例如Vbus或滤波电容器节点等高压节点对IC电源电压充电，将至低压IC电源(通常连接至电容器)的电流驱动至IC开始正常操作的水平。类似于图5所示实施例，该图示出了SMPS具有可连接至干线的输入10、输入滤波器和整流器级22、PFC级24和第二级26。检测器32与输入滤波器和整流器级22电连接，检测器向放电控制器34提供信息。放电控制器用于将放电路径34(未示出)可开关地连接。在该实施例中，放电元件是高压电流源62。对于一些类型的SMPS装置，将高压电流源包括作为控制IC内的内部电流源。在已知装置中，提供这种内部高压电流源，以促进从整流后的干线的启动；通常，提供设施在正常操作期间关断电流源，以节省功率。通过在输入放电间隔期间启用电流源，电流源可以提供放电过程。

在该实施例中，高压电流源是放电元件。其端子67x必须经由放电路径连接至电路中的合适节点。对于没有PFC级的实施例(即，从图6中完全省略PFC级24)，合适节点应该在位置67a处，刚好在桥式整流器的下游。虽然该节点也可以用于具有PFC级24的SMPS，但是还需要的是，在(一般的，大的电解)电容器Cbus连接至节点Vbus时该电容器Cbus需要放电，并且该电容器和输入电容器中存储的能量会通过部件耗散。由于Cbus的电容值一般较大，在一些实施例中，这可能不适合或者甚至不可能。在其他实施例中，高压电流源可以连接至PFC级的输入侧的节点67a。在该位置，电流源直接对Cin和Cfilter放电，但是电感器Lpfc和二极管Dpfc阻止Cbus的放电。在其他实施例中，高压电流源可以连接至PFC的开关节点67b。

在其他实施例中，可以使用第二级26内的放电点67c；例如但非限制性的，在反激式转换器中，可以是开关MOSFET的漏极。

图7是根据本发明另一实施例的在第二级中包括放电元件的开关模式电源的框图。这些实施例使用一个或多个来自第二级26的部件作为负载，以对入口电容放电。这些部件可以在第二级26内用于其他目的，或者可以是专门提供来创建放电功能的附加部件。后一情况的示例是经由负载电阻器72串联在第二级输入(在节点67g处)与地之间的受控开关71。该开关可以在整流器的输出67a处与放电节点一起使用，放电节点是至整流器的输入67d和67e之一，或者该开关可以与节点67g处的总线电压一起使用。此外，放电节点可以是次级干线开关的漏极(或者是双极性晶体管的集电极)。

注意，由于至整流器的输入67d和67e可以是正或负，所以在这两个输入之一或两者用作放电节点37的实施例中，两个放电元件是必要的，其中一个放电元件连接至67d(并且能够在节点67d的电势高于节点67e时进行电流宿)，并且另一放电元件连接至67e(并且能够在节点67e的电势高于节点67d时进行电流宿)。

图8是在第二级中包括不同的放电元件的另一开关模式电源的框图。在该实施例中，利用控制器86作为电流源，驱动反激式转换器的开关晶体管。控制器86可以形成放电控制器34的一部分或全部。本领域技术人员可以理解，所使用的控制器的具体形式对于放电功能的操作一般是不重要的，并且可以是已知的形式，例如但不限于恒定电流、恒定功率、脉冲、DC等，全部在本发明范围内。

应该注意，虽然图7和8都示出了第二级是反激式转换器，但是本发明不限于此，其他适合的第二级转换器的形式在本发明范围内。

图9是在第二级中包括另一放电元件的另一开关模式电源的框图。在如图9所示的实施例中，使用第二级本身作为负载，与已有负载组合，或者使用已有负载、或可以响应于检测器检测到干线的断开而接通的附加负载，来对入口端子放电。在正常操作期间，在大多数应用中，存在局部停电检测，以保护SMPS免受输入电压至预定阈值电平以下的下倾(dipping)。局部停电检测电平通常高于输入端子上允许的残余安全电压，因此需要其他措施，以在由于局部停电而禁用或关断电源之后降低输入端子电压。图9是超控(overrule)了通常的局部停电保护的实施例的示例，该示例按需添加负载或减小功率，以将输入放电至安全电平。例如但不限于，可以通过控制应用中的附加部件或者使用现有部件来增加负载。

如图9所示，放电控制器34输出利用控制器信号94a超控了第二级控制器IC 96内的常规局部停电保护96a。因此，针对干线输入10处的低电压，将SMPS保持在操作模式。此外，利用控制输入96b，放电控制器34根据对总线电容器Cbus以及输入电容器Cin+Cfilter放电所需的时间，将第二转换器级26设定到转换后功率电平。

在低负载状况下，为了汲取足够的电流对Cbus放电，要求将功率电平设定到高电平，该高电平会造成对输出电容器Cout的放电，并且造成输出电压上升到可接受电平以上。在这种低负载状况下，为了防止这种过电压，通过放电控制器34接通第二级(图中示出的可以为反激式转换器，但是不限于此)内的附加电流线路，从辅助绕组中汲取附加负载，这在图9中示出为Laux。对于本领域技术人员，显而易见的是该附加电流源可以在控制器IC 96内部或外部，并且可以实现为多种方式之一，例如，实现为带有电流控制环的MOS晶体管。

通常，转换器设计为能够在最小输入电压处产生最大功率。然而，在将入口从局部停电电平放电到省电值的间隔期间，可能无法产生这种功率。这种高负载状况会造成该间隔期间输出处的电压降；如果IC供电处的电压下降到预定阈值Vcc电平以下，则会以局部停电保护相同的方式触发欠电压闭锁(lockout)电平，并且阻止对输入电容器放电。为了防止这种情况发生，在实施例中，可以将高电压电流源(例如参照图8描述的启动电流源)接通，以在放电期间保持供电电压Vcc足够高。

类似于图7和8，应该注意，虽然图9中示出的第二级是反激式转换器，但是本发明不限于此，其他适合形式的第二级转换器都在本发明范围内。

与如上所述的实施例一样，为了使得在适合的时间放电控制器34能够接通放电路径38至放电元件36，需要检测干线的断开。典型地，干线断开是由于SMPS被拔掉，例如通过从插座移除干线插头。然而，可以认识到，这也可能是由于其他原因，例如干线连接引线断裂。这可以通过例如用于感测干线电压的电阻性网络来检测。在任一情况下，仅使用干线周期的一半就足以进行检测。可以使用正或负半周期。

下面考虑检测器32的功能以及多种实施方式。

检测器32的功能是双重的：第一，检测AC干线电压是否连接；第二，在连接和断开干线这两种情况下，均检测入口之间的电压幅度。

与检测器有关的复杂问题之一是入口处相对于原级地的潜在共模电压。当不使用无源放电部件(R1，R2)或者无源放电部件的电阻非常高时，上述问题尤其显著。基本上，检测器模块应该只检测入口之间的电压差(差模信号)，因为只需要对L 10a和N 10b节点之间的电压放电。然而，如果入口节点相对于原级地具有良好定义的共模电压，则可以使用对入口处有关共模电压的电压进行检测的检测器。有利的，共模检测可以只用单个IC管脚来实现，而对于无附加外部电路的差模检测，典型地需要2个IC管脚。

在无负载或放电情况下，共模电压检测可以准确地感测干线电压的幅度；然而，如果Vmains的幅度减小，则入口与原级地之间的总电容使Vmains保持相对于地的相等共模电压。此外，如果干线电压下降，但是R1和R2(如图10所示)太大，以致于无法对入口放电，从而至少一个二极管导通，这造成两个入口处出现高于Vmains峰值的峰值电压。则共模电压感测会导致错误的干线电压幅度。

该问题可以通过施加从两个入口向原级地的放电电流来克服。这可以通过例如如图10所示的电流源或电阻器来进行。图10(a)示出了如图1所示的输入滤波器和整流器(但是省略了电感性元件，这些电感性元件在例如干线频率等低频率上几乎没有影响)，并且包括在桥式整流器输入与原级地之间的一对电阻器R1，R2。图10(b)示出了图10(a)的R1、R2中电流之和以及入口处的电压的仿真结果，包括电压差L-N和电压和L+N。现在，通过放电电流减小入口处的共模电压，直到桥式整流器中连接至原级地的二极管中至少一个开始导通，这将每个入口节点处的电压限制到-Vd。

使用该放电路径，入口处的峰值电压会始终等于Vmains的峰值电压，从而可以使用共模检测器，同时可以使用R1或R2中的电流或两个电流之和来表示干线电压。

从图10清楚可见，信号L+N的形状与电流IR1+IR2的形状等同。R1和R2的功能是双重的：第一，对与原级地有关的共模电容放电，直到至少一个桥二极管导通至地为止；第二，提供入口端子处的电压之和作为干线电压幅度的表示。

在干线电压峰值之前和之后的一定时间上，桥式整流器的二极管导通。该时间间隔的长度以及由此L+N信号处的波纹由至原级地的总共模电容以及R1和R2的值来确定。L+N的峰值等于干线电压的峰值。

上述结论可以用于设计合适的基于一对电阻器R1，R2的干线检测器。由于电流域中信息可获得，作为R1或R2中的电流或两个电流之和，所以R1和R2之间的公共节点可以直接连接至IC输入管脚，以感测瞬时电流并使用该电流信息来执行检测器32的双重功能。

图11示出了一个这种检测器32，其包括：电流域中的比较器，用于检测两个干线半周期上干线电压的幅度；以及波纹频率检测器320，用于检测在322是否施加了AC电压(即，干线连接还是断开)。波纹检测器320检测为干线频率的两倍的波纹频率。在其他实施例中，只使用一个电阻器中的电流，这给出了相同的峰值电流和干线频率上的波纹。比较器将来自R1和R2的中点的电流Isense的缩放版本(K1×Isense)与基准电流Iref相比较；比较结果324指示干线电压Vmains是否超过预定阈值。

图12示出了根据另一实施例的检测器。在该实施例中，使用如图11所示的相同的R1、R2的电流信息，但是在这种情况下，检测器32通过使用转换电阻器R3操作在电压域。比较器将感测并转换得到的电压直接与基准阈值电压相比较，以确定在324干线电压是否超过该阈值；波纹检测器320的操作方式与参照图11描述的类似。在其他实施例中，只使用单个电阻器中的电流，如上参照图11所述的。

图13示出了13(a)：输入滤波器和整流器的示意电路图，输入滤波器和整流器经由多个二极管(在该情况下是一对二极管D5，D6)连接至作为电流源的放电元件。例如，电流源可以是图示的电阻器R3，或者可以是备选的电流源。该图示出了本发明实施例的一部分，其中连接了放电节点，例如如下情况：67d或67e的节点用作放电路径38的末端处的放电节点。本发明包括的非限制性实施例是：放电元件是直接连接至干线输入的高压启动电流源；以及例如场效应晶体管等附加的部件用作放电元件，以对输入直接或间接放电。这些布置可以与功率组控制级(power packed control stage)一起使用或不与其一起使用。为了使得可以在正和负半周期都进行放电，放电路径将放电元件连接至两个干线输入连接，分别经由二极管，以防止干线输入的短接。

图13(b)示出了输入端子L和N处的电压、以及两个电压的最大值和电压差。

图14和15示出了使用一对二极管来用于检测的示例实施例。这些实施例使用干线电压的电流域和电压域检测，分别与以上参照图11和12所述的形式类似，除了在放电路径中使用一对二极管之外。

图16示出了检测器32的其他实施方式，其使用干线电压的电容性感测。

在这些实施方式中，在干线周期中电压下降的那部分周期期间，经由D7对电容器C3放电。在干线周期中电压上升的那部分周期期间，经由D8对电容器C3放电。可以理解，在Vmains的上升和下降期间，用于对C3放电的电流流经桥式整流器中的不同路径。在上升期间，电流经由桥式整流器的二极管流向地，而在下降期间，电流经由输出电容器流动。这导致Vdc处输出电容器中的小充电电流，这是不希望的。这需要Vdc处的小残余负载来防止Vdc上升到不可接受的值。可以包括在电容器C3和二极管D7上的另一电容器C4，来补偿该效应并补偿从一个入口汲取至另一入口的电荷。现在，干线电压的幅度与通过D8转移的电荷直接相关。因此，可以存在多种备选方式来构造与干线电压的幅度有关的变量。

这包括但不限于：首先，通过反复地由通过二极管D8的电流对小电容器充电至基准值，将数字计数器递增1并对电容器放电，来对D8中的电荷计数；一检测到二极管D8中的电荷就可以开始该过程，并且当检测不到二极管D8中的电荷时，停止该过程；最终的计数器值与干线电压成比例；第二，通过以流经D8的电流对大电容器充电，来对二极管D8中的电荷进行计数；一检测到D8中的电荷就可以开始该过程，并且在预定最小间隔期间检测不到二极管D8中的电荷时，停止该过程。电容器处的最终电压与干线电压成比例。可以在检测间隔之后对电容器放电；第三，通过以二极管D8中的电流对与电阻器Rc并联的电容器Cc充电，来对二极管D8中每干线周期的电荷进行计数，其中时间常数Rc×Cc比干线电压的周期时段长很多。在这种情况下，Rc上的平均电压等于Vmains_peak×Cc×Rc×Fmains，其中Fmains是干线频率。

如图16所示使用干线电压的电容性感测来实现检测器32，可以检测到连接的干线，这需要关闭有源入口放电功能；然而，无法在入口断开时检测到入口处出现的DC电压，这是因为没有电荷转移至D1和D2。但是，仍然可以检测到干线拔掉以及大于可接受限值的残余电压存在于入口处，这是因为入口处的电压会充电Vdc。Vdc＞Vthreshold同时没有检测到AC干线的条件是用于激活入口放电功能的有效条件。

总之，从一方面已公开了上述开关模式电源(SMPS)。该SMPS包括在SMPS例如通过拔掉而从干线断开时释放输入电容器中存储的电荷的机制。SMPS包括用于检测干线断开的检测器、以及放电电路。该放电电路包括放电元件。放电元件可以是SMPS的一部分，例如可以是高压电流源或总线电容器，或者可以是附加元件，例如电阻负载。放电电路适于响应于检测器检测到干线的断开，沿着路径对输入电容器放电。检测器控制在检测到时接合放电电路的开关。该开关形成放电路径的一部分。还公开了操作包括安全装置的SMPS的方法以及适于操作这种方法的控制器。

本领域技术人员在阅读本公开时，其他变体和修改将显而易见。这些变体和修改可以包括现有开关模式电源中已知的等同或其他特征，并且可以替代或附加至本文已公开的特征。

虽然所附权利要求针对具体的特征组合，但是应该理解本发明公开的范围还包括本文所明显或隐含公开的任何新颖特征或其组合，或其概括，无论它是否涉及权利要求中要求保护的相同发明，无论它是否像本发明一样缓解了相同的技术问题中的一些或全部。

在分离的实施例中描述的特征也可以组合在单个实施例中。相反，为了简要起见在单个实施例中描述的各种特征也可以分离地或任意适合地组合。

要注意，可以在本申请的审查期间或其他任何从本申请得到的申请的审查期间，以这些特征和/或这些特征的组合来形成新权利要求。

对于完整起见，术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”不排除多个，单个处理器和其他单元可以完成权利要求中记载的多个装置的功能，并且权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种开关模式电源(20)，包括：

输入(10)，干线供电可连接至该输入；

输入滤波器，包括输入电容器；

整流器级(22)；

转换器级(26)；

功率因子校正级(24)，在整流器级(22)与转换器级(26)之间；以及

安全装置，所述安全装置包括：

检测器(32)，用于检测干线供电从所述输入(10)的断开；以及

可开关的放电路径(38c)，包括放电元件，所述放电路径(38c)被设置为响应于检测器(32)检测到干线供电从所述输入(10)的断开，通过放电元件释放输入电容器中存储的电荷，其特征在于，该路径可开关地连接至位于整流器级(22)与功率因子校正级(24)之间的节点(37c)，该路径(38c)包括功率因子校正级(24)的一部分，放电元件是在功率因子校正级(24)的输出侧的总线电容器，

功率因子校正级(24)包括被设置为周期性地进行开关的开关；以及

该路径(38c)被配置为在所述开关的周期性开关时对总线电容器充电。

2.一种用于操作根据权利要求1所述的开关模式电源的方法，所述方法包括：

检测干线供电从所述输入(10)的断开；以及

接通可开关的放电路径(38c)，以释放输入电容器中存储的电荷。

3.一种针对开关模式电源的的控制器，被配置为操作根据权利要求2所述的方法。