CN102377327A - 高压启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压启动电路。在一个实施例中，提供了一种用于电源的启动电路。该启动电路包括耦合在电压源与第一节点之间的电阻。耦合到第一节点的第一电容器可操作来通过流经电阻的电流充电。第一晶体管具有发射极、基极和集电极，其中集电极耦合到电压源并且基极耦合到第一节点。耦合到第一晶体管的发射极的二端交流开关电路可操作来激发以接通第一晶体管，从而允许第一电容器通过第一晶体管的基极-发射极结放电。第二电容器可操作来通过与由二端交流开关电路的激发引起的放电电压有关的电流充电。第二电容器可操作来存储电荷以向电源的控制器提供VCC电压。

Description

高压启动电路

相关申请的交叉引用和优先权要求

本申请要求2010年8月11日提交的题为“High Voltage Startup Circuitand High Voltage Input Capacitor Balancing Circuit”的美国临时专利申请序列号61/372793的优先权权益，该专利申请通过引用全部结合于此。

技术领域

本发明涉及电子器件的领域，并且具体地涉及一种高压启动电路。

背景技术

功率转换器对于许多现代电子器件是必不可少的。除了其他的能力之外，功率转换器可以向下调整电压电平(降压转换器及其衍生物)或者向上调整电压电平(升压转换器及其衍生物)。功率转换器也可以从交流(AC)功率转换成直流(DC)功率，或者反之亦然。功率转换器也可以用来提供处于调节电平(例如5.0V或5安培)的输出。功率转换器典型地使用一个或多个诸如晶体管之类的开关器件来实现，所述开关器件被接通和断开以向转换器的输出输送功率。控制电路系统(circuitry)被提供来调节开关器件的接通和断开，并且因此这些转换器被称为“开关调节器”或者“开关转换器”。这样的功率转换器可以结合到电源(power supply)中或者用来实现电源，即开关模式电源(SMPS)。功率转换器也可以包括一个或多个用于交替地存储和输送能量的电容器或电感器。

电源以及用于电源的控制器用在许多应用中。离线低压应用处于85VAC-265VAC的范围内，其与例如用于美国、欧洲、亚洲等的标准线电压对应。高压(HV)应用可以是265V以上的任何应用，诸如例如工业电源(要求高达600V的AC输入)、用于风车的偏置电源(bias supply)(要求高达1000V的AC输入)、太阳能电池板(要求可以对800V至1000V的DC输入进行操作的“串式”转换器)、镇流器(其可以从近似85V的AC到超过480V的AC进行操作)、工业照明应用中的功率因数预调节器以及“智能仪表”(其可以对范围从大约85V至576V的AC或者近似120V至820V的DC的输入进行操作)。

用于监视例如电力使用的仪表可能要求范围在1W与15W之间的电源。非智能仪表使用大约1W的电源。可以是具有到中心位置的通信链接以监视和控制电力使用的仪表的“智能仪表”典型地使用例如在传输期间范围在5W与7W之间的更高的功率电平。

智能仪表实现电力公司与消费者和商业电力用户二者之间的双向通信以试图提高输送效率以及控制和调节总体功耗的能力。它们是“智能电网”技术倡议的一部分。

智能仪表可以包括电源、用于电源的控制器、用于接收功率(例如AC源)的输入、测量部分和通信部分。通信部分典型地包括向/从仪表读取器、其他仪表(例如气体或水)或者电器(例如冰箱)接收和/或发射射频(RF)信号的射频(RF)子部分。智能仪表应当能够在AC输入处耐受高达6000V的瞬态值。此外，智能仪表可以用于或者暴露于宽范围的应用(例如从85V至900V)。为此，智能仪表前端处的所有部件典型地必须额定用于该宽范围或者以特定方式设置。

智能仪表的规范允许连续的传输，因此电源需要针对该较高功率电平确定尺寸。此外，存在具有超过15W的功率电平的一些特殊仪表。用于仪表的电源可以提供单输出：27至12伏特(左右)，或者双输出：27至12V(左右)和5V/3.3V。这些电源通常使用非隔离回扫(flyback)转换器来实现，但是有时使用降压或隔离回扫转换器来实现。

所有的电源控制器需要在存在足够的输入电压以便驱动第一脉冲激励电源控制器时启动。在低电压应用中，控制器可以简单地连接到整流的标准线电压。对于诸如265V以上的那些之类的其他应用，控制器典型地可以包括高压(HV)启动管脚或端子和相关电路系统，其被连接以接收HV功率并且将HV功率转换成控制器所需的电平。

发明内容

简短且一般地说，本发明的实施例包括高压启动电路。本发明的实施例也包括高压输入电容器平衡电路。可能的是在相同的电源中使用这些发明电路中的一者或二者。启动和输入电容器平衡电路系统可以用于宽范围的应用，包括低压和高压应用。本发明的实施例也包括具有启动和输入电容器平衡电路系统的电源。本发明的另外的实施例包括结合了这样的电源的系统(诸如智能仪表)。

在一个实施例中，提供了一种用于电源的启动电路。该启动电路包括耦合在电压源与第一节点之间的电阻。耦合到第一节点的第一电容器可操作来通过流经电阻的电流充电。第一晶体管具有发射极、基极和集电极，其中集电极耦合到电压源并且基极耦合到第一节点。耦合到第一晶体管的发射极的二端交流开关(diac)电路可操作来激发(fire)以接通第一晶体管，从而允许第一电容器通过第一晶体管的基极-发射极结放电。第二电容器可操作来通过与由二端交流开关电路的激发引起的放电电压有关的电流充电。第二电容器可操作来存储电荷以向电源的控制器提供VCC电压。

在另一个实施例中，用于提供偏置电压的启动电路包括耦合在电压源与第一节点之间的电阻。耦合到第一节点的第一电容器可操作来通过流经电阻的电流充电。第一晶体管具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到电压源并且控制端子耦合到第一节点。耦合到第一晶体管的第二端子的二端交流开关电路可操作来激发以接通第一晶体管，从而允许第一电容器通过第一晶体管的控制端子-第二端子结放电。第二电容器可操作来通过与由二端交流开关电路的激发引起的放电电压有关的电流充电。第二电容器可操作来存储电荷以提供偏置电压。

在又一个实施例中，电源包括耦合在电压源与第一节点之间的电阻。耦合到第一节点的第一电容器可操作来通过流经电阻的电流充电。第一晶体管具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到电压源并且控制端子耦合到第一节点。耦合到第一晶体管的第二端子的二端交流开关电路可操作来激发以接通第一晶体管，从而允许第一电容器通过第一晶体管的控制端子-第二端子结放电。第二电容器可操作来通过与由二端交流开关电路的激发引起的放电电压有关的电流充电。第二电容器可操作来存储电荷以提供电源电压。

本领域技术人员根据以下的附图、描述和权利要求容易明白本发明的重要技术优点。

附图说明

为了更完整地理解本发明以及为了获知另外的特征和优点，现在参照以下结合附图进行的描述。

图1为具有启动电路的电源的示例性实现方式的示意图。

图2A-2C为启动电路的示例性实现方式的示意图。

图2D为电源电路的示例性实现方式的示意图。

图3为具有输入电容器平衡电路的电源的示例性实现方式的示意图。

图4为用于电源的高压输入电容器平衡电路的示例性实现方式的示意图。

图5A和图5B图解说明了电阻分压器和X1缓冲器的示例性连接布置和配置。

图6为X1缓冲器的示例性实现方式的示意图。

图7A-7G为高压输入电容器平衡和启动电路的示例性实现方式的示意图。

图8为电源的示例性实现方式的示意图。

图9为电容器平衡和启动电路的示例性等效电路图和布局。

具体实施方式

通过参照附图的图1-9，最佳地理解本发明的实施例及其优点。通常，相似的数字用于各个不同附图的相似和对应部分。

高压启动电路

对于高压电源，本发明的实施例可以向许多电源控制器供应适当缩放的启动电压。所有的电源控制器需要经由启动电源进行偏置，因此它们能够驱动第一脉冲到输出开关以使电源运行。一旦电源运行，该电源可以经由Vcc或者偏置电源将所需的偏置提供给控制器。

图1为依照本发明实施例的电源100的示例性实现方式的示意图。这样的电源可以用于或者结合到诸如例如智能仪表之类的器件中，所述器件经受或者用于从低压到高压的宽范围的应用。电源100可以在输入端子(CON3)处连接到电源(power source)并且利用范围从大约例如近似150V到1200V的DC的输入来操作。电源100在输出端子(CON2)处为器件(例如智能仪表)提供功率。

如所示，电源可以是被修改成在非常宽的输入电压范围上且以低功率操作的回扫设计。这些修改导致在整个输入电压范围和操作负载上的良好效率。

电源100可以是具有至少一个开关器件的开关模式电源(SMPS)，所述开关器件被接通和断开以输送功率给电源100的输出。在该实施例中，电源100包括发射极开关的BJT/MOSFET共射共基放大器(cascode)，其由BJT 112和开关器件114(也分别标记为Q4和Q5)级联构成，使得控制器110驱动开关器件114并且BJT 112耐受高压。这使得发射极开关的BJT/MOSFET共射共基放大器容易在高压下驱动并且输送高性能开关。

开关器件114可以实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但是理解的是，这样的开关器件114也可以利用其他适当的器件来实现，诸如例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、绝缘栅场效应晶体管(IGFET)、双极结晶体管(BJT)等等。

控制器110产生控制信号，该控制信号被提供给开关器件114的控制端子以用于接通和断开开关器件114，从而向变压器、输出整流器和输出调节器提供AC驱动以产生用于电流输出的调节电压。在一些实施例中，为了输出电压调节，控制信号可以是脉宽调制(PWM)控制信号。在一些实施例中，控制器110可以利用任何适当的SMPS控制器来实现为诸如例如UC3845B或者FAN7601，二者可从仙童半导体公司(FairchildSemiconductor Corp.)获得。在该说明性实施例中的特定控制器110确实包括HV输入端子(VSTR)。

电源100包括高压启动电路120，该高压启动电路连接或耦合到控制器110并且为控制器110提供启动VCC电压。

高压启动电路的操作的细节参照图2A-2C加以描述。如图2A和图2B中所示，在一个实施例中，高压启动电路120可以包括晶体管122、124和二端交流开关电路126(也分别标记为Q2、Q3和DB3)。晶体管122、124可以例如实现为BJT、IGBT、MOSFET或者任何其他适当的器件。二端交流开关电路126可以利用二端交流开关或者以与二端交流开关类似的方式运行的类似电路或器件(例如，以具有正反馈的复合布置耦合的两个晶体管(BJT或MOSFET))来实现。在一个实施例中，晶体管122可以利用FJP5089或者FJP2222来实现，晶体管124可以利用FJP5603来实现，并且二端交流开关电路126可以利用DB3来实现，所有都可作为半导体集成电路(IC)从仙童半导体公司获得。

高压启动电路120是非耗散有源启动电路，其被实现为优化电源100的转换器效率。相比之下，纯电阻启动电路将消耗功率并且由于电阻消耗与(versus)低输出功率(2W)而具有极低的总转换器效率。

在一些实施例中，晶体管122和124以及二端交流开关电路126可以在相同的或者单独的集成电路(IC)封装中提供。在一个实施例中，用于高压启动电路120的这些部件可以在单模块(“联合封装”或“联合包装”)中提供。如所示，利用这样的配置，模块具有例如针对电源、输入、地、栅极和输出的端子(图2A)。高压启动电路120可以耦合到控制器以提供VCC启动功率(例如在输出端子处)。在电源中，启动电路120可以通过启动电阻和电容而耦合到电源(例如120V-1200V的DC)。启动电阻包括一系列电阻器128-140(也分别标记为R1-R6)，并且电容包括电容器142-146(也分别标记为C1-C3)。启动电阻器128-140可以充当确保每个输入电容器两端的相同电压降并且向高压启动电路120的晶体管124的基极供应电流的平衡器(balance)。此外，启动电阻器128-140形成用来对电源100的电容器148(也标记为C4)充电的来自电源的电流源。

依照本发明的一个实施例，在高压启动电路120的操作中，只要电源100的开关器件114(图1)保持断开，那么通过电阻器128-140的电流对电容器148充电。电容器148充电到足够高的电压(例如近似32伏特)，使得启动电路120的晶体管124的发射极上的电压达到二端交流开关电路126的触发电压。二端交流开关电路126激发并且通过晶体管124的基极-发射极结对电容器148放电(大约10伏特)，然后断开。电阻器152(也标记为R9)划分的放电电压产生进入VCC存储电容器150和116(在图1中也标记为C14)的大约例如0.3A的电流脉冲。晶体管124处的基极电流将其接通。晶体管124的增益将倍增放电电流以增加通过二端交流开关电路126的电流。一旦二端交流开关电路126断开，电容器148在另一个循环中开始再次充电。每个充电循环增加VCC存储电容器150和116上的电压。这些循环继续，直到VCC电压足够用于控制器110启动。在VCC达到器件阈值之前，控制器110的输出为低并且开关器件114断开。

高压启动电路120可以在使用之后断开以最小化电流汲取。特别地，一旦控制器110启动，控制器110的输出(例如对于FAN7601实现方式为Vref)变高，从而接通开关器件112。这进而将电容器148的充电电流分流至地并且断开高压启动电路120。因此，一旦控制器110的启动完成，那么高压启动电路120关断并且电路消耗例如降低到大约＜1uW。如果控制器110停止，那么高压启动电路120将再次开始生效(kick in)以使VCC高达允许控制器重新启动的适当电平。高压启动电路120可以在非常宽的输入范围(例如从50V至1500V的DC)上操作。

图2C为用于电源(比如图1中所示的电源)的启动电路170的另一个示例性实现方式的示意图。启动电路170是非耗散有源启动电路，其被实现为优化电源的转换器效率。在一个实施例中，高压启动电路170可以包括晶体管172、174、175和二端交流开关电路176(也分别标记为Q1、Q2、Q3和D1)。如所示，晶体管172、174实现为BJT并且晶体管175可以实现为MOSFET，但是理解的是，这样的晶体管也可以利用其他适当的器件来实现，诸如例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、绝缘栅场效应晶体管(IGFET)等等。

在电源中，启动电路170可以通过启动电阻和电容而耦合到电源。启动电阻包括一系列电阻器178、180(也分别标记为R1和R2)，并且电容包括电容器184、186(也分别标记为C1和C2)。

在启动电路170的操作中，只要电源的开关器件114(图1)保持断开，那么通过电阻器178和180的电流对电容器182(也标记为C3)充电。电容器182充电到足够高的电压，使得启动电路170的晶体管172的发射极上的电压达到二端交流开关电路176的触发电压。二端交流开关电路176激发并且通过晶体管172的基极-发射极结对电容器182放电，然后断开。放电对VCC存储电容器188(也标记为C4)充电。一旦二端交流开关电路176断开，电容器182在另一个循环中开始再次充电。每个充电循环增加VCC存储电容器188上的电压。这些循环继续，直到VCC电压足够用于控制器110(图1)启动。在VCC达到器件阈值之前，控制器110的输出为低并且开关器件114断开。高压启动电路170可以在使用之后断开以最小化电流汲取。一旦控制器110启动，开关器件114接通，从而典型地将晶体管172的集电极上的电压降低至小于2V。晶体管174的集电极也接通二极管190(也标记为D2)以对电容器182上的电压放电，使得在晶体管172的基极上电压从来不会变高得足以使二端交流开关电路176导通。来自控制器110的脉冲以足够高的频率操作，使得电容器182上的电压保持放电并且启动电路170有效地断开。

除了为电源中的控制器提供VCC之外，所述启动电路(例如120和170)还可以用于其他应用。在一些应用中，例如，高压启动电路可以用作电流源或者用来通过高压输入使LED闪烁。此外，这样的电路它们本身可以用作电源。并且利用添加的电压调节器，这些电路可以用作调节的电源。图2D图解说明了启动电路如何可以用作调节的电源。

图2D为电源电路1000的示例性实现方式的示意图。在一个实施例中，电源电路1000可以包括晶体管1124、1122和二端交流开关电路1126(也分别标记为Q1、Q2和D1)。如所示，晶体管1122、1124实现为BJT，但是理解的是，这样的晶体管也可以利用其他适当的器件来实现，诸如例如MOSFET、IGBT、IGFET等等。电源电路1000也包括电阻1128、1130(也分别标记为R1和R2)、电容器1148、1150(也分别标记为C3和C4)和齐纳二极管1152(也标记为D2)。

在操作中，从输入电压Vin流经电阻1128的电流对电容器1148充电，直到电压达到二端交流开关电路1126的激发电压。当二端交流开关电路1126激发时，它通过晶体管1124的基极-发射极结对电容器1148放电。晶体管1124的增益将倍增放电电流以增加通过二端交流开关电路1126的电流。在放电期间，二端交流开关电路1126的电压可以在导通期间从例如近似33V下降至几伏特。二端交流开关电路1126和晶体管1124二者将保持接通，直到通过晶体管1124的电流下降至其中晶体管1124和电容器1148放电电流的组合电流不再可以保持二端交流开关电路1126导通的点。每个电流放电循环将电荷添加到电容器1150，这增大了其电压。一旦该电压达到齐纳二极管1152的击穿电压和晶体管1122的基极发射极电压，晶体管112对电容器1148放电，从而停止充电/放电循环并且调节电容器1150上的电压以提供调节的电压Vbias。

高压输入电容器平衡电路

电源(例如SMPS)可以具有对输入功率滤波的一个或多个电容器。输入大于450V DC的电源典型地将堆叠式电解电容器用于输入滤波器。这些电容器可能带来问题。所有电容器具有泄漏电流。这些电容器的泄漏可能是显著的并且起初且随着时间和温度从电容器到电容器而变化。不平衡的电容器泄漏在堆叠式电容器两端产生不同的电压，这可能导致过早的失效。

用于平衡堆叠式电容器两端的电压的典型方式是在每个电容器两端放置平衡电阻器。电压依照电阻器而不是电容器之比来划分。电阻器泄放(bleed)电流被选择为随着时间和温度的期望最坏情况电容器泄漏电流的至少10倍。这本身是有问题的，因为泄放电流可能相当大，从而显著地增加功耗。更特别地，在正常工作条件下，平衡电阻仍然消耗少量的功率；但是如果电阻设置得相当高，那么这可以是相当低的。假设输入电容器值在450V下低于33uF，则用于这样的电阻器的典型值在每个电容器两端为200千欧姆。两个电阻器典型地用来实现200千欧姆以获得足够的电压击穿。因此，每个电阻器可以为近似100千欧姆。电容器值越大并且操作温度越高，则通过电容器的泄漏电流越高并且需要待补偿的电阻器值越低。遗憾的是，甚至在理想条件和最大功率输出下，经由平衡电阻器损耗的功率也是有意义的。这可能因用于电源的宽输入操作范围而恶化。

为了解决或减轻这个问题，依照一些实施例，高压输入电容器平衡电路用来平衡高压电源中的输入电容器。在一些实施例中，高压输入电容器平衡电路可以与高压启动电路一起使用或者与高压启动电路组合以将启动电压(例如启动VCC)提供给具有HV启动能力的控制器。分压器损耗可以通过使用具有近似1的增益的缓冲器来有源地驱动电容器平衡而降低高达90％。

智能仪表电源基于最坏情况功率要求而被确定尺寸。智能仪表在传输/接收期间汲取大部分功率。非传输功率要求(待机功率)可以为最大值的10％或更少。在待机期间，诸如输入电容器泄放电阻器之类的固定负载可能是所有电源电流的相当大的百分比。因此，代表待机期间的显著损耗。仪表典型地在其大部分操作时间运行于待机下。为了最大化仪表效率，需要采用一种最小化待机期间电容器平衡开销功率成本的方法。

图3为依照本发明实施例的电源200的示例性实现方式的示意图。这样的电源200可以用于或者结合到诸如例如智能仪表之类的器件中，所述器件经受或者用于从低压到高压的宽范围的应用。电源200可以在输入端子处连接到电源并且利用例如近似120V-850V DC的宽范围的输入电压来操作。电源200在输出端子处为器件(例如智能仪表)提供功率。

电源200包括开关控制器210和高压输入电容器平衡电路300。在一个实施例中，开关控制器210可以利用具有HV输入管脚的适当控制器(诸如例如可从仙童半导体公司获得的FAN 7601开关控制器)来实现。高压输入电容器平衡电路300可以以许多方式实现。

图4为依照本发明实施例的高压输入电容器平衡电路300的示例性实现方式的示意图。高压输入电容器平衡电路300可以为用作电源的输入滤波器的二输入电容器配置(电容器C1和C2)提供有源平衡。给定最坏情况电容值不平衡和输入电压纹波，电阻器R3限制到电容器C1和C2的驱动电流。

如所示，高压输入电容器平衡电路300包括分压器310和X1(“乘1”)缓冲器312。给定电容器C1和C2的值及其随着时间和温度的最坏情况泄漏电流，分压器310可以例如设置为正常所需泄放电流的五分之一至二十分之一。在一个实施例中，分压器310可以利用多个电阻器(例如所示的R1、R2)来实现，所述电阻器具有提供期望的较低泄放电流(例如正常所需泄放电流的五分之一至二十分之一)的值。图5A和图5B图解说明了电阻分压器310和X1缓冲器312的示例性连接布置和配置。

图6为依照本发明实施例的X1缓冲器312的示例性实现方式的示意图。如所示，X1缓冲器312本身可以包括晶体管314、316和318。在一个实施例中，晶体管314可以利用诸如可从仙童半导体公司获得的FQNIN60C之类的MOSFET来实现；并且晶体管316和318中的每一个可以利用诸如也可从仙童半导体公司获得的KSP94之类的BJT来实现。然而，应当理解的是，晶体管314、316和318可以利用其他适当的器件来实现。

参照图4-6，在操作中，如果电容器C1和C2碰巧具有相同的泄漏电流，即是平衡的，那么每个电容器上的电压将相同，并且无需从高压输入电容器平衡电路300通过电阻器R1的校正电流。在高压输入电容器平衡电路300内，一些电流流经分压器310的电阻器R2、R3、R4和R5以建立电压参考电平，但是与无源平衡(其不包括X1缓冲器312)将所需的典型泄放电流相比，电流量将相对较小。在X1缓冲器312中，晶体管314、316和318断开，使得没有电流流动。因此，高压输入电容器平衡电路300在电容器C1和C2平衡时并不消耗显著的功率。然而，如果电容器C1和C2不平衡，那么X1缓冲器312通过电阻器R1提供电流以有源地驱动电容器平衡。该电流源自晶体管314或316、317，其通过由分压器R2、R3、R4、R5建立的至缓冲器的输入电压与输入滤波器电容器公共连接上的电压之间的电压差而接通。如果缓冲器输入相对于电容器公共电压为正，那么314接通。如果相对缓冲器输入为负，那么316和318接通并且314保持断开。

此外，高压输入电容器平衡电路300也可以为电源中的具有HV启动管脚的控制器提供例如等于一半输入电压的缓冲电压。晶体管314的MOSFET实现方式可以提供额外的增益以驱动控制器的高压启动控制器管脚。注意：314也可以使用诸如达林顿晶体管之类的高增益BJT来实现。具有HV启动管脚的控制器在启动之后断开电流汲取，因此非常高效。这与有源平衡电路组合可以大大地提高电源效率。

图7A-7G为高压输入电容器平衡和启动电路的示例性实现方式的示意图。

参照图7A，依照本发明实施例的高压输入电容器平衡和启动电路400的示例性实现方式可以为用作电源的输入滤波器的二输入电容器配置(电容器C1、C2)提供有源平衡。高压输入电容器平衡电路400也可以为电源中的控制器提供启动电压。

如所示，高压输入电容器平衡电路400包括分压器410和X1(“乘1”)缓冲器412。在一个实施例中，X1缓冲器412可以封装在具有8个管脚的SOIC(小外形集成电路)封装中。分压器410可以利用电阻器R1、R2、R3和R4来实现，所述电阻器具有提供期望的较低泄放电流(例如正常所需泄放电流的五分之一至二十分之一)的值。

图7B为依照本发明实施例的高压输入电容器平衡和启动电路500的示例性实现方式的示意图。高压输入电容器平衡电路500可以为用作电源的输入滤波器的三输入电容器配置(电容器C1、C2和C3)提供有源平衡。高压输入电容器平衡电路500也可以为电源中的控制器提供启动电压。

图7C图解说明了启动和平衡电路可以以与输入电容器类似的方式堆叠以为任意数量的输入电容器或者输入电压提供电容器平衡。例如，在一个实施例中，四个输入电容器将需要以堆叠布置的三个启动和平衡电路。六个输入电容器将需要五个堆叠的启动和平衡电路。

如所示，高压输入电容器平衡电路500包括分压器510和两个X1(“乘1”)缓冲器512。在一个实施例中，每个X1缓冲器512可以封装在具有8个管脚的SOIC封装中。X1缓冲器512可以堆叠到平衡电容器C1、C2和C3。分压器510可以利用电阻器R1、R2、R3、R4、R5和R6来实现，所述电阻器具有提供期望的较低泄放电流(例如正常所需泄放电流的五分之一至二十分之一)的值。

根据前述，看来有源电容器平衡在其中待机功率是重要的高压低功率电源中将是非常有用的。然而，随着功率输出变得更大，输入电容器值以及所得到的泄漏也是如此。由此可以看出，如果最小负载效率是重要的，那么几乎任何电源都可以受益。

图7D-7G为依照本发明实施例的输入电容器平衡和启动电路的另外的示例性实现方式的示意图。

低压电容器平衡电路

当使用高电容值电容器(诸如“超级电容器”或“超级电容”)时，电容平衡在低压下也可能是问题。超级电容典型地具有典型地低于6伏特的额定电压，并且因此必须堆叠以增大它们可以运行所处的电压。此外，诸如超级电容之类的低压电容器对于过电压非常灵敏，并且因此必须仔细地平衡。最后，这样的电容器的能量存储容量非常高，因此尤其是在充电和放电期间，电阻平衡方法可能是不合适的。

在一个实施例中，在没有过多泄放电流的情况下平衡低压电容器，从而增大电源效率。这样的实施例可以将传统分压器损耗降低高达90％或更多。

图8为依照本发明实施例的电源600的示例性实现方式的示意图。这样的电源600可以用于或者结合到诸如例如智能仪表输出电压存储器之类的器件中，所述器件经受或者用于宽范围的应用。电源600可以在输入端子处连接到电源并且利用例如近似6-20DC的宽范围的输入电压来操作。电源600在输出端子处为器件(例如智能仪表)提供功率。这些平衡电路可以与附加的电容器一起堆叠以用于较高电压的应用。

电源600包括以堆叠布置的低压电容器C1、C2和C3。每个电容器C1、C2和C3可以具有能量存储容量和相对较低的额定电压。这些电容器中的每一个可以利用超级电容器来实现。电阻器R1、R2、R2形成分压器，其在三个堆叠的电容器C1、C2和C3之间均匀地划分输入电压。电阻器R4和R5限制到电容器C1、C2和C3的驱动电流。运算放大器U1a和U1b中的每一个可以实现为缓冲放大器(例如具有近似x1增益)。利用该布置，低压电容器C1、C2和C3可以用在较高电压下以及用在许多其中先前不能使用它们的应用中。

图9为电容器平衡和启动电路的示例性等效电路图和布局(具有2个管芯或“芯片”)。

尽管详细地描述了本发明及其优点，但是应当理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其做出各种改变、替换和更改。即，本申请中包含的讨论意在用作基本的描述。应当理解的是，特定的讨论可能未显式地描述所有可能的实施例；许多备选方案是隐含的。它也可能未完全解释本发明的一般性质，并且可能未显式地示出每个特征或元件如何可以实际上代表更广泛的功能或者各种各样的备选或等效的元件。再者，这些隐含地包含在本公开内容中。在以面向器件的术语描述本发明的情况下，器件的每个元件隐含地执行一定功能。

Claims (19)

1.一种用于电源的启动电路，该启动电路包括：

耦合在电压源与第一节点之间的电阻；

耦合到第一节点的第一电容器，该第一电容器可操作来通过流经电阻的电流充电；

第一晶体管，具有发射极、基极和集电极，其中集电极耦合到电压源并且基极耦合到第一节点；

耦合到第一晶体管的发射极的二端交流开关电路，该二端交流开关电路可操作来激发以接通第一晶体管，从而允许第一电容器通过第一晶体管的基极-发射极结放电；以及

第二电容器，可操作来通过与由二端交流开关电路的激发引起的放电电压有关的电流充电，该第二电容器可操作来存储电荷以向电源的控制器提供VCC电压。

2.权利要求1的启动电路，包括第二晶体管，一旦VCC电压足以启动电源的控制器，则该第二晶体管可操作来分流第一电容器的充电电流。

3.权利要求1的启动电路，包括第二晶体管和二极管，一旦VCC电压足以操作控制器，则该第二晶体管和二极管可操作来对第一电容器放电，使得第一晶体管的基极处的电压不升高到使二端交流开关电路导通的电平。

4.权利要求1的启动电路，包括第二晶体管，一旦VCC电压足以启动电源的控制器，则该第二晶体管可操作来分流第一电容器的充电电流。

5.权利要求1的启动电路，其中电阻包括多个串联耦合的电阻器。

6.一种用于提供偏置电压的启动电路，该启动电路包括：

耦合在电压源与第一节点之间的电阻；

耦合到第一节点的第一电容器，该第一电容器可操作来通过流经电阻的电流充电；

第一晶体管，具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到电压源并且控制端子耦合到第一节点；

耦合到第一晶体管的第二端子的二端交流开关电路，该二端交流开关电路可操作来激发以接通第一晶体管，从而允许第一电容器通过第一晶体管的控制端子-第二端子结放电；以及

第二电容器，可操作来通过与由二端交流开关电路的激发引起的放电电压有关的电流充电，该第二电容器可操作来存储电荷以提供偏置电压。

7.权利要求6的启动电路，包括第二晶体管，一旦偏置电压足够，则该第二晶体管可操作来分流第一电容器的充电电流。

8.权利要求6的启动电路，包括第二晶体管和二极管，一旦偏置电压足够，则该第二晶体管和二极管可操作来对第一电容器放电，使得第一晶体管的控制端子处的电压不升高到使二端交流开关电路导通的电平。

9.权利要求6的启动电路，其中电阻包括多个串联耦合的电阻器。

10.权利要求6的启动电路，其中第一晶体管包括双极结晶体管并且第一端子包括集电极，第二端子包括发射极，并且控制端子包括基极。

11.权利要求6的启动电路，其中第一晶体管包括金属氧化物半导体场效应晶体管并且第一端子包括漏极，第二端子包括源极，并且控制端子包括栅极。

12.一种电源，包括：

耦合在电压源与第一节点之间的电阻；

耦合到第一节点的第一电容器，该第一电容器可操作来通过流经电阻的电流充电；

第一晶体管，具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子耦合到电压源并且控制端子耦合到第一节点；

耦合到第一晶体管的第二端子的二端交流开关电路，该二端交流开关电路可操作来激发以接通第一晶体管，从而允许第一电容器通过第一晶体管的控制端子-第二端子结放电；以及

第二电容器，可操作来通过与由二端交流开关电路的激发引起的放电电压有关的电流充电，该第二电容器可操作来存储电荷以提供电源电压。

13.权利要求12的电源，包括第二晶体管，一旦第二电容器的电压对于电源电压是足够的，则该第二晶体管可操作来分流第一电容器的充电电流。

14.权利要求12的电源，包括用于调节电源电压的调节器。

15.权利要求14的电源，其中调节器包括第二晶体管、齐纳二极管和电阻器。

16.权利要求12的电源，包括第二晶体管和二极管，一旦第二电容器的电压对于电源电压是足够的，则该第二晶体管和二极管可操作来对第一电容器放电，使得第一晶体管的控制端子处的电压不升高到使二端交流开关电路导通的电平。

17.权利要求12的电源，其中电阻包括多个串联耦合的电阻器。

18.权利要求12的电源，其中第一晶体管包括双极结晶体管并且第一端子包括集电极，第二端子包括发射极，并且控制端子包括基极。

19.权利要求12的电源，其中第一晶体管包括金属氧化物半导体场效应晶体管并且第一端子包括漏极，第二端子包括源极，并且控制端子包括栅极。

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