CN102668347A - 启动电源 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方式中，一种装置包括晶体管，该晶体管具有栅级、漏极和源极。漏极被耦合用于接收AC电源信号。在输出节点与晶体管的栅极之间耦合有组件。该组件在AC电源信号的第一部分期间耦合来自输出节点的输出电压来给栅源电容器充电。晶体管在AC电源信号的第二部分期间配置成接通，以便向输出节点发送电荷，其中所述电荷用于对电源的电路进行供电。

Description

启动电源
相关申请的交叉引用
本公开要求对提交于2009年12月23日、名为“High-InputVoltage SMPS Start-Up Supply”的美国临时申请No.61/289,897的优先权，在此出于所有目的通过引用将其全文并入于此。
背景技术
特定实施方式总体上涉及电源。
除非在此另有指出，本部分中所描述的方法并非本申请中权利要求的现有技术，并且也不因包含于本部分之中而被承认是现有技术。
开关模式电源(SMPS)对输入电压进行调节并提供输出电压。在转换与调节中使用功率因数校正(PFC)控制器。PFC控制器通常需要最小电源电压来进行操作。在操作期间，使用SMPS的输出电压来供应PFC控制器的所需操作电压。然而，在某些时候，诸如在SMPS加电期间或者当设备处于待机模式(例如，SMPS的输出电压被降低)时，PFC控制器需要输入电压。
可以使用启动电源在启动期间以及在设备处于待机状态时为PFC控制器供应操作电压。提供操作电压直至SMPS加电。在SMPS加电后，启动电源继而停用直至下次需要之时。
发明内容
在一个实施方式中，一种装置包括晶体管，该晶体管具有栅极、漏极和源极。漏极被耦合用于接收交流(AC)电源信号。在输出节点与晶体管的栅极之间耦合有组件。该组件在AC电源信号的第一部分期间耦合来自输出节点的输出电压以便对栅源电容器进行充电。晶体管被配置成在AC电源信号的第二部分期间接通，以便向输出节点发送电荷，其中该电荷用于为电源的电路供电。
在一个实施方式中，组件包括第一组件，并且装置还包括第二组件，该第二组件耦合到晶体管的源极和输出节点。第二组件使得晶体管的源极跟随AC电源信号直至晶体管接通。
在一个实施方式中，一种开关被配置成受控用于对栅源电容器进行放电。
在一个实施方式中，一种系统包括电容器，该电容器被配置成在晶体管接通时得到充电。
在一个实施方式中，一种方法包括：将AC电源信号耦合到晶体管；将来自输出节点的输出电压耦合到晶体管的栅极以便对栅源电容器进行充电；以及接通晶体管以向输出节点发送电荷，该电荷用于为电源的电路供电。
以下详细描述和附图提供了对本发明的性质和优势的更详细的理解。
附图说明
图1描绘了根据一个实施方式的开关模式电源(SMPS)的示例。
图2描绘了根据一个实施方式的启动电源的更详细的示例。
图3描绘了根据一个实施方式的启动电源的波形。
图4描绘了根据一个实施方式的启动电源的示例，该启动电源用于提供用以从AC电源对栅源电容器Cgs进行充电的通路。
图5描绘了根据一个实施方式的用于操作启动电源的方法的简化流程图。
图6描绘了根据一个实施方式的用于提供启动辅助的方法的简化流程图。
具体实施方式
在此描述了用于启动电源的技术。在下面的描述中，出于说明的目的陈述了许多示例和具体细节，以便提供对本发明的实施方式的深入理解。由权利要求书限定的特定实施方式可以包括这些示例中所独有的或者与下文所述的其他特征相结合的特征中的一些或所有特征，并且还可以包括对在此所述特征及概念的修改和等效项。
图1描绘了根据一个实施方式的开关模式电源(SMPS)100的示例。提供了启动电源102、功率因数校正控制器104以及交流(AC)电源电路106。尽管讨论了开关模式电源，但特定实施方式可以同需要启动电源102的其它电源配置一起使用。
AC电源电路106向启动电源102的节点VAC提供AC信号。如下面将更详细描述的那样，可以向节点VAC提供半整流信号。
启动电源102被配置用于接收AC电源信号以及在节点VOUT处提供输出信号以对电容器CL进行充电。电容器CL被充电用于在SMPS 100不提供足够的辅助电压时为PFC控制器104供应足够的电压。辅助电压可以来自SMPS 100的输出电压，该输出电压与启动电源102的输出电压Vout不同。SMPS 100的辅助电压可以是正在供应到由SMPS 100供电的计算设备的电压。来自启动电源102的输出电压和辅助电压可以是直流(DC)电压。
启动电源102可以向电容器CL供应必要的电荷，该电容器CL为PFC控制器104提供电荷。电荷可以在计算设备的加电期间并且还可以在计算设备处于待机模式时供应。在计算设备正在启动或处于待机状态时，辅助电压被降低。
当SMPS 100已经启动并且正在提供足够的辅助电压时，辅助电压可以用来向PFC控制器104提供功率。此时，可以不需要启动电源102。因此，可以关断启动电源102(例如，关断启动电源102中的晶体管(未示出))，从而使得启动电源102不向电容器CL供应电荷。这种状态持续直至再次需要启动电源102，诸如当计算设备断电并重启时，或者当计算设备处于待机模式并被重启时。
启动电源102可以包含在集成电路(IC)芯片上，该IC芯片包括3个管脚，用于节点VAC的管脚，用于节点VOUT的，以及用于接地(GND)的管脚。通过仅使用三个管脚，芯片的管脚数会受到限制。如下面将会更详细地描述的那样，使用来自节点VOUT的电压来提供对启动电源102中的晶体管(未示出)的栅源电容器进行充电所必要的电压。
图2描绘了根据一个实施方式的启动电源102的更详细示例。AC电源电路106包括AC电源202和桥式整流器204。AC电源202可以提供AC信号，诸如220伏均方根(RMS)信号。桥式整流器204包括二极管D1、D2、D3和D4。桥式整流器204可以是半波整流器，其取得AC电源信号并阻断AC电源信号的负半波。在这种情况下，AC电源信号的正半波被提供给启动电源102的节点VAC。
晶体管Q1从节点VAC接收经整流的AC电源信号，并在节点VOUT处提供输出电压。晶体管Q1的漏极耦合到节点VAC。同样，晶体管Q1的主体耦合到晶体管Q1的源极，并且二极管D7通过主体耦合到晶体管Q1的漏极。示出了栅源电容器Cgs来表示晶体管Q1的栅极与源极之间的电容。
二极管D5将源极耦合到输出节点VOUT。同样，输出节点VOUT通过二极管D6耦合到晶体管Q1的栅极。特定实施方式在AC电源信号的至少一部分期间使用输出电压VOUT来将栅源电容器Cgs充电至必要的驱动电压。例如，如下面将更详细讨论的那样，当AC电源信号为负时，栅源电容器Cgs被充电。这允许晶体管Q1在允许导通但先于AC电压变得足以开始对电容器CL进行充电之时的相中接通。接通时间由传导(conduction)角所决定，该传导角是AC电源信号的周期的如下部分——晶体管Q1在此期间导通。
将关于图2和图3描述启动电源102的操作。图3描绘了根据一个实施方式的SMPS 100的波形。曲线图302示出AC电源信号，曲线图304示出经整流的AC电源信号，曲线图306示出晶体管Q1的源极处的电压，而曲线图308示出晶体管Q1的栅极处的电压。
在AC电源信号的负半周期期间，晶体管Q1的漏极基于桥式整流器204上的电容器CB上的负载，在整个周期或其一部分中(例如，通过经由二极管D7的二极管电压降)保持在接地电势以下的电势。
当节点VAC处的电压为0时，栅源电容器Cgs通过二极管D6充电到输出电压。例如，输出电压使二极管D6接通并且电容器Cgs得到充电。充电点在310处示出，在此处AC电源信号为负。
当AC电源信号的正周期开始时，节点VAC上的VAC电压升至0以上。由于二极管D5的存在，Q1(节点VS)的源极也跟随节点VAC处的VAC电压。例如，二极管D5可被反向偏置直至晶体管Q1的源极足以使D5正向偏置。当晶体管Q1开始导通为电容器CL充电时，晶体管Q1的源极跟随VAC电压直至电压VS变得与电压VOUT相等(出于讨论的目的忽略了跨二极管D5的二极管电压降)。当晶体管Q1的源极移到0以上时，跨栅源电容器Cgs的电压不变，这是因为没有来自晶体管Q1的栅极的通路以对栅源电容器Cgs进行放电。因此，晶体管Q1的栅极处的电压持续提供足够的驱动以使晶体管Q1导通。
晶体管Q1在AC电源信号的(根据传导角的)某一相中导通。当传导角结束时，晶体管Q1关断以停止对电容器CL充电。传导角用于提高效率。例如，当VAC电压较小时效率较高。因此，如图3中所示，当达到传导角时，电容器Cgs放电并且晶体管Q1关断。此时，电容器CL不是在被启动电源102充电。开关S1可以闭合以便提供用于对栅源电容器Cgs放电的通路。栅源电容器Cgs的放电将在下面更详细地进行描述。通过使晶体管Q1在对输出电压VOUT进行充分充电之后的AC电源信号周期的剩余部分中处于关断(OFF)状态，实现了充电过程的更高功率效率。
当AC电源信号变为负并且栅源电容器Cgs被充电时，上述过程将持续。继而，当电压VS变得与电压VOUT相等时，晶体管Q1接通以便为电容器CL充电。
如上文所讨论，跨电容器CL的电荷用于向PFC控制器104供应电压。上述过程持续，直至SMPS 100已加电并且可向PFC控制器104供应正由SMPS 100输出的足够的辅助电压。辅助电压继而可以用于给电容器CL充电。此时，晶体管Q1被关断，直至再次需要该晶体管Q1提供启动电荷。
回顾图2，将要更详细地描述输出调节与传导角调节。输出电压调节可由电阻器R1、电阻器R2和比较器COMP1来提供。同样，传导角调节可由电阻器R3、电阻器R4和比较器COMP2来提供。
输出调节用于确定何时控制开关S1将晶体管Q1关断。此时，SMPS 100可能能够提供辅助电压来为PFC控制器104供电。在一个实施方式中，当进入比较器COMP1的正端子中的电压输入达到与电压参考VREF相比的某一水平时，开关S1受控闭合。在这种情况下，不能够对栅源电容器Cgs进行充电以允许晶体管Q1导通。例如，在启动时，电压VOUT可低于使得进入比较器COMP1中的输入(经由电阻器R1和电阻器R2的电阻分压器)低于电压参考VREF的电压。当SMPS 100可以供应辅助电压时，电压VOUT升到如下电平——在该电平上，进入比较器COMP1的输入升到电压参考VREF以上。比较器COMP1继而输出逻辑高信号。逻辑门(例如，“或”门)206向电平位移器208输出逻辑高信号。电平位移器208可以用于将电压电平移位到可以接通晶体管(未示出)的电平，该晶体管充当用以闭合开关S1的开关。
在传导角调节中，当进入比较器COMP2的正端子中的电压输入达到与电压参考VREF相比的某一水平时，开关S1受控对电容器Cgs进行放电。例如，当VAC电压达到某一电平时，根据传导角闭合开关S1以对栅源电容器Cgs进行放电。VAC电压由电阻器R3和电阻器R4的电阻分压器网络进行分压。当从电阻分压器网络到比较器COMP2中的输入信号升到参考电压VREF以上时，比较器COMP2输出逻辑高信号。逻辑门206向电平位移器208输出逻辑高信号。在一个示例中，来自比较器COMP2的输出在此时可以是逻辑低电平(例如，因为电压VOUT低于参考电压VREF——这是由于在启动期间电压VOUT尚未达到期望的电平)。电平位移器208将电压电平移位到可以接通晶体管(未示出)以闭合开关S1的电平。
当VAC电压降至某一电平以下时，进入比较器COMP1中的信号输入降至参考电压VREF以下。比较器COMP2继而输出逻辑低电平，该逻辑低电平关断晶体管(未示出)并断开开关S1。以上过程随着开关S1根据传导角开合而持续。
在某些时候，诸如在SMPS 100加电之前，电容器CL是释放电荷的，或者不包含跨该电容器CL的电荷。因此，输出电压VOUT不能用来给栅源电容器Cgs充电。因此，使用启动辅助给栅源电容器Cgs充电。图4描绘了根据一个实施方式的启动电源102的示例，该启动电源102用于提供对栅源电容器Cgs进行充电的通路。VAC电压用于给栅源电容器充电。图2的电阻器R3可以更改为电阻器R3a、R3b和R3c。这提供了用以从节点VAC对栅源电容器Cgs进行充电的通路。例如，提供通过电阻器R3c和二极管D8的通路以对栅源电容器Cgs进行充电。
一旦电容器CL首次得到完全充电，就不再需要该通路。相反，如上文所述，使用输出电压VOUT来给栅源电容器Cgs充电。因此，使用开关S2来解耦用以对栅源电容器Cgs进行充电的通路。例如，当电压VOUT达到某一电平时，比较器COMP1的输出升高并且使用锁存器402来控制开关S2。例如，开关S2闭合以将电阻器R3c耦合到接地电位。此时，电阻器R3a、R3b、R3c和R4共同确定传导角。同样，二极管D8阻止电荷通过电阻器R3c从输出电压流动。
图5描绘了根据一个实施方式的用于操作启动电源102的方法的简化流程图500。在502处，将来自节点VOUT的输出电压耦合到晶体管Q 1的栅极以便对栅源电容器Cgs进行充电。在504处，接通晶体管Q1以便对电容器CL进行充电。在506处，当达到传导角的末端时，将栅源电容器Cgs放电。
图6描绘了根据一个实施方式的用于提供启动辅助的方法的简化流程图600。在602处，将VAC电压耦合到晶体管Q1的栅极。在604处，用VAC电压对栅源电容器Cgs进行充电。在606处，当电容器CL首次得到完全充电时，闭合开关S2。
因此，特定实施方式提供了避免较高功耗的启动电源，这是因为不使用片外的第二整流信号来对栅源电容器Cgs进行充电。相反，使用输出电压VOUT来给栅源电容器Cgs充电。这避免了使用在晶体管Q1的栅极与如下管脚之间耦合的额外的电阻器，所述管脚需要耦合第二经整流信号以对栅源电容器Cgs进行充电。同样，这降低了功率耗散和IC芯片的管脚数。此外，二极管D5安置于片上，这样减少了生产SMPS 100所需要的物料清单(BOM)。
在本文描述中所使用的并且贯穿随后的权利要求书的“一”、“一个”和“所述”都包括复数引用，除非上下文明确指出其另有所指。同样，在本文描述中所使用的并且贯穿随后的权利要求书的“之中”的意思包括“之中”和“之上”，除非文中明确指出其另有所指。
以上的描述示例说明了本发明的各种实施方式，连同本发明各方面可以如何实现的示例。上述示例与实施方式并不被认为是仅有的实施方式，而是呈现出来用以示例说明如由以下权利要求书所限定的本发明的灵活性与优势。基于以上的公开和接下来的权利要求书，可以采用其它布置、实施方式、实现和等效项而不偏离如由权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
晶体管，其具有栅极、漏极和源极，其中所述漏极耦合用以接收交流(AC)电源信号；以及
耦合在输出节点与所述晶体管的所述栅极之间的组件，其中所述组件在所述AC电源信号的第一部分期间耦合来自所述输出节点的输出电压以对栅源电容器进行充电，
其中所述晶体管被配置成在所述AC电源信号的第二部分期间接通，以便向所述输出节点发送电荷，所述电荷用于为电源的电路供电。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述组件包括第一组件，所述装置还包括第二组件，所述第二组件耦合到所述晶体管的所述源极和所述输出节点，其中所述第二组件使得所述晶体管的所述源极跟随所述AC电源信号直至所述晶体管接通。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一组件包括第一二极管并且所述第二组件包括第二二极管。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述晶体管被配置成在所述AC电源信号的第三部分中关断。
5.根据权利要求4所述的装置，其中：
当所述栅源电容器被充电时，所述第二部分包括第一时间周期；以及
当所述栅源电容器被放电时，所述第三部分包括第二时间周期。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括开关，所述开关被配置成受控用于对所述栅源电容器进行放电。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括传导角电路，所述传导角电路被配置用于在所述AC电源信号达到阈值时控制所述开关对所述栅源电容器进行放电。
8.根据权利要求6所述的装置，还包括输出调节电路，所述输出调节电路被配置用于在所述输出电压达到阈值时控制所述开关使所述栅源电容器保持放电。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路包括第一电路，所述装置还包括第二电路，所述第二电路被配置用于对所述栅源电容器进行充电，所述第二电路将所述AC电源信号耦合至所述晶体管的所述栅极。
10.根据权利要求9所述的装置，其中当耦合到所述输出节点的外部电容器不具有跨所述外部电容器的电荷时，所述第二电路将所述AC电源信号耦合至所述晶体管的所述栅极，直至所述输出电压达到阈值。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述第二电路包括：
电阻器，其耦合到所述AC电源信号；以及
第二开关；以及
第二开关控制电路，其配置用于控制所述第二开关将所述电阻器耦合至接地。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括三个管脚，其中所述三个管脚包括：
第一管脚，耦合至所述AC电源信号；
第二管脚，耦合至所述输出节点；以及
第三管脚，耦合至接地。
13.一种包括根据权利要求1所述的装置的系统，所述系统包括：
电容器，配置成在所述晶体管接通时被充电。
14.根据权利要求13所述的系统，其中：
所述电路包括功率因数校正电路，所述功率因数校正电路被配置成使用来自所述电源的辅助输出电压来向所述电容器提供电荷，以及
所述晶体管被配置成在所述辅助输出电压处于向所述电容器提供所述电荷的电平时不向所述输出节点提供所述电荷。
15.一种方法，包括：
将AC电源信号耦合至晶体管；
将来自输出节点的输出电压耦合至所述晶体管的栅极以对栅源电容器进行充电；以及
接通所述晶体管以向所述输出节点发送电荷，所述电荷用于为电源的电路供电。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括当所述AC电源信号达到阈值时对所述栅源电容器进行放电。
17.根据权利要求15所述的方法，当所述输出电压达到阈值时关断所述晶体管。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述AC电源信号耦合至所述晶体管的所述栅极以对所述栅源电容器进行充电。
19.根据权利要求18所述的方法，其中当耦合到所述输出节点的外部电容器在不具有跨所述外部电容器的电荷时，所述AC电源信号耦合至所述晶体管的所述栅极，直至所述输出电压达到阈值。
20.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述电路包括功率因数校正电路，以及
所述电荷被提供给所述输出节点以对电容器进行充电，所述电容器被配置用于向所述功率因数校正电路提供电荷。
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