CN102906956A - 储能耗散电路和用于开关模式电源的方法 - Google Patents

Abstract

一种电路，包括：检测器，所述检测器被配置为检测包括能量存储部件的电源的状态并且响应于所述电源的状态而产生控制信号；耗散部件；以及开关，所述开关被配置为响应于由所述检测器输出的所述控制信号而将所述耗散部件可控制地耦接到所述能量存储部件。公开了操作包括能量存储部件和耗散部件的电源的方法。所述方法包括：监视所述电源以确定所述电源是否可能在工作；以及响应于确定所述电源可能没有在工作，将所述耗散部件耦接到所述能量存储部件以从所述能量存储部件耗散能量。

Description

储能耗散电路和用于开关模式电源的方法

对临时申请的交叉引用

本申请要求2010年3月26日提交的、标题为“开关能量耗散电路和用于开关模式电源的方法（SWITCHED ENERGY DISSIPATING CIRCUITS AND METHODS OF SWITCHED MODE POWER SUPPLIES）”的临时申请序列号No. 61/318,005的权益和优先权，该临时申请的公开由此以引用的方式被整体并入此处，好像在此处被全部地提出。

技术领域

本发明涉及功率转换，并且更特别地，涉及开关模式电源和相关的操作方法。

背景技术

功率转换器电路可以被用于将来自源（诸如电池、电力网等等）的电力优选地以尽可能小的损失传送到负载，诸如靠电力运行的任何设备、装置或部件。通常，功率转换器电路提供输出电压，其具有不同于输入电压的电平。一种类型的功率转换器电路被称作切换或开关模式电源。开关模式电源通过控制一个或多个晶体管开关的“开”和“关”占空比来控制从电源到负载的电力流，以便调节跨越所述电源的输出端子的DC输出电压。所述一个或多个晶体管开关的“开”和“关”占空比可以响应于由开关调节器电路提供的脉冲宽度调制（PWM）门驱动信号而被控制，以便所述一个或多个晶体管开关的“开”和“关”占空比由所述PWM信号的相对脉冲宽度确定。

开关模式电源已被实现为用于提供调节的输出的有效机制，并且通常比线性电压调节器（其将不需要的电力耗散为热）更电力有效率。

一些开关模式电源可以使用变压器或感应器作为能量传递元件以及使用电容器作为能量存储元件。功率晶体管可以被耦接到变压器的初级线圈的一侧，并且可以响应于由所述开关调节器电路提供的门驱动信号而被接通和断开，以交替地在所述变压器的磁场中存储能量并将所存储的能量传递到次级线圈。由于所述能量传递，所述变压器的所述次级线圈可以跨越分流输出电容器（其典型地是电解电容器）形成整流的输出电压，所述分流输出电容器跨越所述次级线圈而被耦接。跨越所述输出电容器的电压可以提供所述开关电源的DC输出电压。

为了适当地重启电源电路（诸如被用作用于发光二极管（LEDs）的驱动器电路的电源电路），如下可能是所期望的：使得被存储在所述输出电容器中的能量在重启所述电源电路之前消耗掉。这将所述输出电容器上的电压降低到在如下点之下的电压：在该点处，一旦重新施加由主控制器生成的输入电压，所述电路可以被适当地重启。

使得所述输出电容器消耗的常规的方法是：跨越所述输出电容器提供负载电阻器。当所述主控制器被关闭时，所述负载电阻器将消耗所述输出电容器。然而，在所述电路是工作的时，所述电阻器也将耗电。此外，所述电阻器将需要具有充分低的阻抗以便在所述电路被切断时有效地减小所述输出电容器电压。结果，所述电阻器可能不合需要地耗散相当大的量的电力。

发明内容

提供本概述以便以简化的形式介绍概念的选择，所述概念在下面的具体实施方式中被进一步描述。此概述不是意在确定此公开的关键特征或本质特征，其也不意在限制本公开的范围。

根据一些实施例的电路包括：检测器，其被配置为检测包括能量存储部件的电源的状态并且响应于所述电源的状态生成控制信号；耗散部件；以及开关，其被配置为响应于由所述检测器输出的控制信号而将所述耗散部件可控制地耦接到所述能量存储部件。

所述检测器可以被配置为检测在所述电源的整流器部件的输出处的信号。

所述检测器可以包括：输入节点和输出节点；充电二极管，其具有被耦接到所述输入节点的阳极和被耦接到所述输出节点的阴极；存储电容器，其具有被耦接到所述输出节点的端子；以及放电电阻器，其具有被耦接到所述输出节点的端子。

所述电路可以进一步包括：第二二极管，其具有被耦接到所述输入节点的阴极和被耦接到所述存储电容器的第二端子和所述放电电阻器的第二端子的阳极。

所述检测器可以包括：隔直流电容器，其被配置为接收所述电源的内部信号。所述检测器可以包括被耦接到所述隔直流电容器的包络检测器。

所述检测器可以进一步包括在所述隔直流电容器与所述包络检测器之间的限流电阻器。

所述检测器可以进一步包括被耦接到所述包络检测器的输出的限压器件。

所述开关可以包括逆变器，所述逆变器包括被配置为从所述检测器接收输出的输入和被耦接到所述耗散部件的输出。

所述逆变器可以包括：第一晶体管，其包括控制端子和输出端子。所述输入可以被耦接到所述第一晶体管的控制端子。第一电阻器可以被耦接在第一供电电压与所述第一晶体管的输出端子之间，第二电阻器可以被耦接在所述第一晶体管的输出端子与接地端子之间。所述逆变器可以进一步包括：第二晶体管，其包括控制端子和输出端子。所述第二晶体管的控制端子可以被耦接到所述第一晶体管的输出端子。

所述电路可以进一步包括：负载电阻器，所述第二晶体管的输出端子可以被耦接到所述负载电阻器。

所述开关可以包括第一开关，并且所述检测器可以被配置为检测所述电源的控制信号，其控制被耦接到所述电源中的存储部件的第二开关。

所述开关可以被配置为响应于指示所述电源不主动地生成输出电压的控制信号而将所述耗散部件耦接到所述能量存储部件。例如，所述开关可以被配置为响应于指示所述电源不主动地将能量存储在所述能量存储部件中的控制信号而将所述耗散部件耦接到所述能量存储部件。

根据一些实施例的电源包括：整流器部件；能量存储部件；第一开关，其被耦接在所述整流器部件与所述能量存储部件之间；以及电力耗散电路。所述电力耗散电路包括：检测器，其被配置为检测所述电源的状态并且响应于所述电源的状态而生成控制信号；耗散部件；以及第二开关，其被配置为响应于由所述检测器输出的控制信号而将所述耗散部件可控制地耦接到所述能量存储部件。

一种操作包括能量存储部件和耗散部件的电源的方法，包括：监视所述电源以确定所述电源是否可能是工作的；以及响应于确定所述电源可能是不工作的，将所述耗散部件耦接到所述能量存储部件以从所述能量存储部件耗散能量。

监视所述电源可以包括检测可以指示所述电源的状态的所述电源的信号。

检测所述电源的信号可以包括检测在所述电源中的整流器的输出处的信号。

检测在所述电源中的整流器的输出处的信号可以包括检测在所述电源中的整流器的输出处的信号的包络。

检测所述电源的信号可以包括检测被施加到所述电源中的开关的控制信号。

将被理解的是：本发明可以被具体化为方法、电路和/或电子设备，并且一旦阅览了下面的附图和详细的描述，这样的实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的或变得显而易见。意图是：所有这样的附加的方法、电路和/或电子设备以及上面的实施例的任何组合被包括在此说明书中并且被随附的权利要求保护。

附图说明

附图（其被包括以提供本发明的进一步理解以及被并入本申请且构成本申请的一部分）示出了本发明的某个或某些实施例。在附图中：

图1是根据一些实施例的系统的示意性框图，其包括电源和被耦接到负载的开关模式电源。

图2是示出了根据一些实施例的被耦接到开关模式电源的电力耗散电路的示意性框图。

图3是示出了根据一些实施例的被耦接到开关模式电源的电力耗散电路的示意性框图。

图4是示出了根据一些实施例的检测器的示意性电路图。

图5是示出了根据一些实施例的开关电路的示意性电路图。

图6是示出了根据一些实施例的系统/方法的操作的流程图。

图7是示出了根据另外的实施例的被耦接到开关模式电源的电力耗散电路的示意性框图。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明的实施例，在所述附图中显示了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式而被具体化，并且不应被解释为限于此处所提出的实施例。而是，这些实施例被提供以便本公开将是彻底的和完整的，并且将向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。贯穿附图的描述，同样的标号指示同样的元件。

将被理解的是：尽管此处可以使用术语第一、第二等等来描述各种元件，这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅被用于将一个元件区别于另一元件。例如，第一元件可以被称作第二元件，以及相似地，第二元件可以被称作第一元件，而不背离本发明的范围。如此处所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出的项中的一个或多个的任何和所有组合。

此处所使用的术语是仅为了描述特定的实施例的目的，并且不意在限制本发明。除非上下文清楚地指示别的方式，如此处所使用的，单数形式“一个（a）”、“一个（an）”和“所述（the）”意在也包括复数形式。还将被理解的是：当在此处被使用时，术语“包含（comprises）”、“包含（comprising）”、“包括（includes）”和/或“包括（including）”指明所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或附加。

将被理解的是：当元件被称为被“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以被直接地连接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。相反地，当元件被称为被“直接地连接”或“直接地耦接”到另一元件时，没有中间元件存在。

除非别的方式被定义，此处所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属的领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。还将被理解的是：此处所使用的术语应被解释为具有与此说明书的上下文和相关领域中它们的含义相一致的含义，并且不将在理想化的或过于正式的意义上被解释，除非在此处明确地如此定义。

一些实施例提供了如下的电路：其被配置为监视具有能量存储部件的电源（诸如，例如，开关模式电源）的状态，并且响应于检测到能量没有被供应到所述电源而从所述电源的能量存储部件（诸如输出电容器）耗散（消耗）能量。根据一些实施例，响应于到所述电源的输入电力被切断，耗散部件（诸如电阻器）被切换而跨越所述存储部件，以致所述电源不主动地产生输出电压。这可以允许使用具有更低阻抗值的耗散电阻器，因为当所述输出电容器放电时更高的电力耗散将是短暂的。此外，由所述电源消耗的过量电力可以不被显著地影响，因为在电源驱动器电路被通电时所述耗散电阻器可能不工作（即，被切换而跨越所述输出电容器）。根据一些实施例，当所述驱动器电路工作时，仅被提供以监视所述驱动器电路的状态的电路系统可以工作，并且这样的电路系统可能需要相对少的电力以工作。

现在参考图1，根据一些实施例的系统100包括电源110和被耦接到负载130的开关模式电源140，其如所显示的那样被连接。所述电源110可以是交流（AC）或直流（DC）电源。如在图1中所显示的，所述开关模式电源140包括开关120、整流器部件150、和存储部件160，诸如电容器。所述负载130可以是任何装置或设备，其接收由所述开关模式电源140响应于从所述电源110接收的输入电压/电流而产生的输出电压/电流。

参考图2，根据一些实施例的电力耗散电路200被耦接到开关模式电源140（或被提供为SMPS 140的部件）。所述电力耗散电路200包括用于检测所述电源140的状态的检测装置，诸如检测电路或检测器210；耗散部件230；以及开关装置，诸如开关220，用于响应于由所述检测器210输出的控制信号而将所述耗散部件可控制地耦接到所述能量存储部件。所述耗散部件230可以包括例如被配置为以热的形式耗散能量的电阻器。所述检测器210可以监视所述SMPS 140的内部信号，并且响应于所述SMPS 140的内部信号而确定所述SMPS 140是否是工作的。

在一些实施例中，所述检测器210可以包括被配置为检测信号的包络（诸如整流的输出波形，其可能存在于所述SMPS 140中）的包络检测器。所述检测器210响应于检测到所述SMPS 140中的信号而产生控制信号CTRL作为输出。所述控制信号CTRL控制开关220，其响应地启用或停用所述耗散部件230以选择性地导致所述SMPS 140的存储部件160中的能量耗散。以此方式，仅当所述SMPS 140不主动地产生输出电压时，所述耗散部件230可以被耦接到所述存储部件160。

在一些实施例中，所述检测器210可以被配置为检测在所述整流器部件150（诸如在所述SMPS 140的输出级中使用的整流二极管）的输出处的开关峰值或包络。在开关模式电源的输出中使用的整流二极管通常整流高频信号，典型地在数十kHz到超过1 MHz的范围中。检测跨越整流二极管的信号的包络可以具有某些优点。例如，该方法可以被使用在隔离的或非隔离的电源上，可以使用更低电压信号来执行检测，这可以简化设计，和/或取决于检测的实现，所述响应可以是相对迅速的。

图3示出了根据一些实施例的包括检测器210A的电力耗散电路200A。如在其中所显示的，所述检测器210A被耦接到所述SMPS 140的整流器部件150的输出。

图4是更加详细地示出了检测器210A的电路图，所述检测器210A被配置为检测整流器部件的输出。参考图4，根据一些实施例的检测器210A包括输入端子IN，电容器C1和C2，电阻器R1和R2，二极管D1、D2和D3以及输出端子OUT。

电容器C1是可选的隔直流电容器。如果所述输入信号变为非零和非时变的（即，变为DC），则所述检测器210A的输出接近零。这可以防止所述输入上的DC电平出现在所述检测器210A的输出处。一些应用可能需要或期望该特性。

R1是可选的限流电阻器。如果具有高的dv/dt的信号（即，高速率的电压变化）被施加到C1，则可以导致大的峰值电流。抑制这样的高电流可能是所期望的。

D1被提供作为峰值充电整流器。如果在任何瞬时D1的阳极处于比阴极更高的电压，高的量足以克服D1的内置电压前向电压降，则电流将流到存储电容器C2中，增高电容器C2上的电压。当D1的阴极上的电压高于D1的阳极上的电压时，D1是不导电的，并且所述电容器C2上的电压不能通过D1放电。该特性将C2充电到输入电压的峰值减去D1的前向电压降和流过R1的电流导致的跨越R1的电压降。在跨越所述电容器C1的电压极性反向时，所述二极管D2允许在所述电容器C1上充电被反向。

所述电阻器R2被提供作为用于所述存储电容器C2的放电电阻器。与二极管D1相结合，所述电阻器R2使所述电容器C2的充电/放电循环不对称。R1-R2-C2组合也具有时间常数，其可以充当低通滤波器，衰减高频输入并防止其至少一部分到达所述输出。以此方式，仅整流器部件150的高频输出的包络可以出现在检测器210A的输出处。开关信号的不存在（归因于SMPS 140的活动的停止）将导致所述检测器的输出快速地衰减到零伏，并且因此是所述SMPS 140的状态的指示器。

D3是可选的钳位齐纳二极管，并且被用于将输出电压限制到由所述齐纳二极管D3的齐纳电压Vz确定的值。

图5示出了可以在一些实施例中被使用的开关电路220。根据一些实施例的开关电路220包括晶体管Q1和Q2，其被偏压以作为开关而工作并且被连接以形成逆变器。所述开关电路220也包括电阻器R3、R4和Rload。尽管所述晶体管Q1和Q2被示出为场效应晶体管（FETs），将被理解的是：可以使用其它类型的晶体管或其它电子设备。

来自所述检测器210的输出被施加到所述第一晶体管Q1的栅极。所述电阻器R3是上拉电阻器，其被连接到所述晶体管Q1的漏极，并且供电电压V1通过所述电阻器R3而被施加到所述第一晶体管的漏极。

所述第一晶体管Q1的漏极被连接到所述第二晶体管Q2的栅极，以致所述第一晶体管Q1的输出向所述第二晶体管Q2提供输入信号。

所述电阻器Rload是负载电阻器（或耗散电阻器，对应于图2-图3的耗散部件230），其被配置为响应于所述第二晶体管Q2被置于导电状态中而从所述电源存储部件160（当所述电阻器Rload被耦接到其上时）消耗电荷。

所述电阻器R4是可选的分压器电阻器，其被提供以偏压所述第一晶体管Q1的漏极和所述第二晶体管Q2的栅极上的电压。如下可能是所期望的：在一些电路配置中提供电阻器R4以将在所述第二晶体管Q2的栅极处的电压减小到无损电平。

V1和V2是操作由所述晶体管Q1和Q2提供的负载开关的供电电压。V1和V2可以是同源的，从公共源得到的，或者独立的源。

来自所述检测器210的输出被施加到所述第一晶体管Q1的栅极。当Q1的栅极为高时，Q1的漏极和Q2的栅极为低。如果Q2的栅极为低，则Q2处于关闭状态中，并且电流不流过Rload。当所述检测器210的输出变低时，所述第一晶体管Q1关闭，并且所述第二晶体管Q2开启，导致电流流过Rload，并且从所述SMPS 140的存储部件160（例如，所述输出电容器）耗散能量。

所述开关电路220可以具有许多配置，包括逆变和非逆变，并且可以使用FETs、双极晶体管（BJTs）、晶闸管、和/或其它器件而被实现。

图6示出了根据一些实施例的方法。如在其中所显示的，电源的信号被监视（块510）。在一些实施例中，来自所述电源的整流元件的电压输出被评估以确定所述电源是否工作（块520）。如果确定所述电源是工作的，则停用耗散电路（块530），所述耗散电路被配置为耗散被存储在所述电源的存储部件160中的能量。相反地，如果在块520中确定所述电源没有工作，则启用所述耗散电路以耗散被存储在存储部件160中的能量（块540）。

根据另外的实施例的包括检测器210B的电力耗散电路200B在图7中被示出。如在其中所显示的，所述检测器210B可以被配置为检测控制信号，诸如PWM门驱动器信号，其在电源140中存在并且响应于所述控制信号的状态而控制所述开关220。当所述控制信号的状态指示所述电源140在工作时，所述检测器210B可以控制所述开关220停用所述耗散部件230。相反地，当所述控制信号的状态指示所述电源140没有工作时，所述检测器210B可以控制所述开关220启用所述耗散部件230以耗散被存储在所述电源160的存储部件160中的能量。

在一些实施例中，所述检测器210B可以以类似于图4中所显示的检测器电路210A的方式而被配置，其中电阻值和电容值的适当的选择考虑了正在被监视的PWM门驱动信号的特性。

本发明的实施例可以被用在电源中，用于驱动固态光源，诸如在各种应用中被使用的发光二极管（LEDs），诸如用于一般照明的LED照明系统和/或用于显示技术的LED背光。然而，本发明的实施例可以被用在具有能量存储元件的任何电力应用中，例如，开关模式电力应用，并且不特别地限于此处所描述的那些。

结合上面的描述和附图，此处已公开了许多不同的实施例。将被理解的是：文字上描述和示出这些实施例的每一个组合和子组合将是过度重复和令人困惑的。因此，所有实施例可以以任何方式和/或组合而被组合，并且本说明书（包括附图）应被解释为构成此处所描述的实施例以及制造和使用它们的方式和过程的所有组合和子组合的完整的书面描述，并且应支持针对任何这样的组合或子组合的权利要求。

在附图和说明书中，已公开了本发明的典型的实施例，并且尽管采用了特定的术语，它们仅在一般的和描述性的意义上被使用，并且不是为了限制的目的，本发明的范围在随后的权利要求中被提出。

Claims (21)

1.一种电路，包括：

检测器，所述检测器被配置为检测包括能量存储部件的电源的状态，并且响应于所述电源的状态而产生控制信号；

耗散部件；以及

开关，所述开关被配置为响应于由所述检测器输出的所述控制信号而将所述耗散部件可控制地耦接到所述能量存储部件。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述检测器被配置为检测在所述电源的整流器部件的输出处的信号。

3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述检测器包括：

输入节点和输出节点；

充电二极管，所述充电二极管具有被耦接到所述输入节点的阳极和被耦接到所述输出节点的阴极；

存储电容器，所述存储电容器具有被耦接到所述输出节点的端子；以及

放电电阻器，所述放电电阻器具有被耦接到所述输出节点的端子。

4.根据权利要求3所述的电路，进一步包括：第二二极管，所述第二二极管具有被耦接到所述输入节点的阴极和被耦接到所述存储电容器的第二端子和所述放电电阻器的第二端子的阳极。

5.根据权利要求2所述的电路，其中，所述检测器包括隔直流电容器，所述隔直流电容器被配置为接收所述电源的内部信号。

6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述检测器包括被耦接到所述隔直流电容器的包络检测器。

7.根据权利要求6所述的电路，其中，所述检测器进一步包括在所述隔直流电容器与所述包络检测器之间的限流电阻器。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述检测器进一步包括被耦接到所述包络检测器的输出的限电压器件。

9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述开关包括逆变器，所述逆变器包括被配置为接收来自所述检测器的输出的输入和被耦接到所述耗散部件的输出。

10.根据权利要求9所述的电路，其中，所述逆变器包括：

第一晶体管，所述第一晶体管包括控制端子和输出端子，其中所述输入被耦接到所述第一晶体管的所述控制端子；

第一电阻器，所述第一电阻器被耦接在第一供电电压与所述第一晶体管的所述输出端子之间；

第二电阻器，所述第二电阻器被耦接在所述第一晶体管的所述输出端子与接地端子之间；以及

第二晶体管，所述第二晶体管包括控制端子和输出端子，其中所述第二晶体管的所述控制端子被耦接到所述第一晶体管的所述输出端子。

11.根据权利要求10所述的电路，其中，所述耗散元件包括负载电阻器，并且其中所述第二晶体管的所述输出端子被耦接到所述负载电阻器。

12.根据权利要求1所述的电路，其中，所述开关包括第一开关，并且其中所述检测器被配置为检测所述电源的控制信号，所述控制信号控制被耦接到所述电源中的所述存储部件的第二开关。

13.根据权利要求1所述的电路，其中，所述开关被配置为响应于指示所述电源不主动地产生输出电压的控制信号而将所述耗散部件耦接到所述能量存储部件。

14.根据权利要求1所述的电路，其中，所述开关被配置为响应于指示所述电源不主动地充电所述能量存储部件的控制信号而将所述耗散部件耦接到所述能量存储部件。

15.一种电源，包括：

整流器部件；

能量存储部件；

第一开关，所述第一开关被耦接在所述整流器部件与所述能量存储部件之间；以及电力耗散电路，所述电力耗散电路包括：检测器，所述检测器被配置为检测所述电源的状态并且响应于所述电源的状态而产生控制信号；耗散部件；以及第二开关，所述第二开关被配置为响应于由所述检测器输出的所述控制信号而将所述耗散部件可控制地耦接到所述能量存储部件。

16.一种操作包括能量存储部件和耗散部件的电源的方法，包括：

监视所述电源以确定所述电源是否工作；以及

响应于确定所述电源是不工作的，将所述耗散部件耦接到所述能量存储部件以从所述能量存储部件耗散能量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，监视所述电源包括检测指示所述电源的状态的所述电源的信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，检测所述电源的所述信号包括检测在所述电源中的整流器的输出处的信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，检测在所述电源中的整流器的输出处的信号包括检测在所述电源中的所述整流器的输出处的所述信号的包络。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，检测所述电源的所述信号包括检测被施加到所述电源中的开关的控制信号。

21.一种电路，包括：

检测装置，用于检测包括能量存储部件的电源的状态，并且响应于所述电源的状态而产生控制信号；

耗散部件；以及

开关装置，用于响应于由所述检测装置输出的所述控制信号而将所述耗散部件可控制地耦接到所述能量存储部件。

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