CN103026604A - 具有自举电路激励器的数字装置 - Google Patents

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Abstract

一种数字装置在通电复位POR之后通过内部振荡器产生固定工作周期信号。此固定工作周期信号是在通常用于脉宽调制PWM控制信号的信号引脚上输出。所述固定工作周期信号用于激励电压产生电路，以便给所述数字装置加电并进行初始化。一旦所述数字装置已加电并初始化，所述数字装置就切换到用于控制电力系统的正常操作。

Description

具有自举电路激励器的数字装置
技术领域
本发明涉及用于控制电力应用的数字装置，且更特定来说，本发明涉及在用数字装置起始电力应用的控制之前给所述数字装置加电。
背景技术
数字装置用在电力应用中以控制电力供应、驱动荧光灯及控制荧光灯的光亮度、无刷直流电动机速度及方向等等。然而，在开始用数字装置控制电力应用之前，必须给数字装置加电，并将所述数字装置初始化为稳定操作状态。一般用自举电力供应器(也称为偏压供应器)给现有技术的控制装置加电。传统上，已用数字装置外部的离散组件或功能特定模拟电路来实施自举电力供应器。举例来说，为数字地控制电力供应应用，电源必须在电力供应的实际控制及操作发生之前将稳定电力提供给数字装置。这需要许多额外外部组件以建立自举或偏压电力供应器，以仅用于在数字装置可承担电力应用的控制之前给数字装置加电并初始化数字装置。
发明内容
通过在数字装置通电复位(POR)之后，用内部振荡器从所述数字装置产生固定工作周期信号而解决前面所提到的问题，并实现其它及进一步的益处。在通常用于PWM控制信号的信号引脚上输出此固定工作周期信号。所述固定工作周期信号用于激励电力应用的电压产生电路，使得可从电力产生电路获得电力以给数字装置加电，进而可开始正常操作。一旦数字装置已被加电并经初始化，数字装置就切换到电力应用的正常操作及控制。
根据本发明的特定实例实施例，一种具有用于将其起动的自举激励器的电力系统包括：功率电感器，其具有功率线圈及辅助线圈；功率晶体管，其连接到所述功率线圈，且所述功率线圈及功率晶体管连接到直流电源，其中当所述功率晶体管接通及关断时，在所述功率电感器中产生变动磁通量，其导致所述功率线圈及所述辅助线圈中产生交流电压；驱动器晶体管，其连接到所述功率晶体管并控制所述功率晶体管；数字装置，其具有连接到用于控制其的驱动器晶体管的输出；低压差电压调节器，其将电力供应到所述数字装置；起动电力电路，其耦合到所述直流电源，所述起动电力电路将起动电压供应到所述低压差电压调节器及所述驱动器晶体管；及功率整流器，其耦合到所述辅助线圈，其中所述功率整流器将操作电压供应到所述低压差电压调节器及所述驱动器晶体管；其中当所述起动电力电路正供应所述起动电压时，所述数字装置的输出以恒定频率供应控制信号，且当所述功率整流器正供应所述操作电压时，所述数字装置的输出供应脉宽调制(PWM)控制信号。
根据本发明的另一特定实例实施例，一种具有用于将其起动的自举激励器的电力系统包括：功率电感器，其具有功率线圈及辅助线圈，所述辅助线圈具有第一及第二输出电压，其中所述第一输出电压大于所述第二输出电压；功率晶体管，其连接到所述功率线圈，且所述功率线圈及功率晶体管连接到直流电源，其中当所述功率晶体管接通及关断时，在所述功率电感器中产生变动磁通量，其导致功率线圈及分接辅助线圈中产生交流电压；驱动器晶体管，其连接到所述功率晶体管并控制所述功率晶体管；数字装置，其具有连接到用于控制其的驱动器晶体管的输出；低压差电压调节器，其将电力供应到所述数字装置；起动电力电路，其耦合到所述直流电源，所述起动电力电路将起动电压供应到所述低压差电压调节器及所述驱动器晶体管；及第一功率整流器，其连接到所述辅助线圈第一电压，其中所述第一功率整流器将第一操作电压供应到所述驱动器晶体管；及第二功率整流器，其连接到所述辅助线圈第二电压，其中所述第二功率整流器将第二操作电压供应到所述低压差电压调节器；其中当所述起动电力电路正供应所述起动电压时，所述数字装置的输出以恒定频率供应控制信号，且当所述第一及第二功率整流器分别正供应第一及第二操作电压时，所述数字装置的所述输出供应脉宽调制(PWM)控制信号。
附图说明
可通过参考结合附图进行的以下描述而获取对本发明揭示内容的更全面理解，在附图中：
图1说明根据本发明的特定实例实施例的由数字装置控制的电力应用的示意图；
图2说明图1的数字装置的更详细示意图；
图3说明根据本发明的另一特定实例实施例的由数字装置控制的电力应用的示意图；以及
图4说明图3的数字装置的更详细示意图。
虽然本发明容许有各种修改方案及替代形式，但图式中已显示本发明的若干特定实例实施例且在本文中加以详述。然而，应理解，本文中若干特定实例实施例的描述无意将本发明限于本文中所揭示的特定形式，相反，本发明将涵盖如由所附权利要求书界定的全部修改方案及等效物。
具体实施方式
现在参考图式而示意性地说明若干特定实例实施例的细节。将以相同编号表示图式中的相同元件，且将以具有不同小写字母下标的相同编号表示类似元件。
参考图1，所描绘的是根据本发明的特定实例实施例的由数字装置控制的电力应用的示意图。所述电力应用可为(举例来说，但不限于)电力供应器、荧光灯驱动器(全亮度及调光亮度控制件)、无刷直流电动机速度及方向控制等等。当在电源节点122(+VDC)及128(-VDC)处施加高压电力时，跨电容器126的电压根据电阻器124及电容器126的时间常数而升高，直至达到齐纳二极管120的击穿电压(例如15VDC)为止。来自电阻器124的给电容器126充电的DC电压被用作低电流偏压电压(Vbias)，并且被施加到低压差(LDO)电压调节器118及驱动器晶体管114(例如场效晶体管(FET))。在数字装置116的起动/稳定及正常操作两者期间，LDO电压调节器118将适当电压供应到数字装置116，如下文中更完全所述。数字装置116可为(举例来说，但不限于)微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)及现场可编程门阵列(FPGA)等等。
数字装置116将驱动信号(例如脉宽调制(PWM)信号)从节点182供应到控制功率晶体管112(例如功率FET)的FET驱动器晶体管114。功率FET 112基于来自驱动器晶体管114的控制而接通及断开，并致使感应诱发的交流(AC)电压积聚且在功率电感器102中产生。功率电感器102可包括功率线圈104及辅助线圈106。功率电感器102可为切换电力供应器、具有或不具有光亮度控制的荧光灯驱动器或无刷直流电动机的定子线圈(为清晰起见，仅展示一者)的一部分。结合功率FET 112接通及关断，电感器102的功率线圈104(例如，磁芯上的绕组)产生跨辅助线圈106(例如，所述磁芯上的另一绕组)诱发AC电压的磁通量。来自辅助线圈106的AC电压用二极管110整流以产生用电容器126平滑的脉动DC电压。在图1的电力电路的起动及正常操作两者期间，来自二极管110的经整流电压通过LDO调节器118将电力提供到驱动器晶体管114及数字装置116。然而，在功率FET 112可开始接通及关断之前，数字装置116必须将控制信号供应到驱动器晶体管114，驱动器晶体管114继而控制功率FET 112的接通及关断操作。然而，在功率FET 112开始接通及关断之前，由数字装置116使用来自电阻器124的低电流偏压电压来初始化数字装置116的适当操作，且供应独立PWM信号以用于在电力应用的起动期间控制驱动器晶体管114，及以便初始化功率FET 112的切换操作。一旦数字装置116已经适当初始化并准备好进行正常操作，就用电力应用的电路的正常操作期间所使用的PWM控制信号取代此独立PWM信号。
现在参考图2，所描绘的是图1的数字装置的更详细示意图。数字装置116可包括：PWM产生器242，其具有连接到多路复用器240的一个输入的输出；自举振荡器256；触发器246；自举计数器254；电流感测比较器248；电压感测比较器264；电压参考266，例如带隙电压参考；与门逻辑，例如“与”门244及258、“或”门250及反相器252、260及262。自举振荡器256提供用于驱动晶体管驱动器114的控制信号，例如PWM。多路复用器240的输出连接到数字装置116的外部节点182，并为驱动器晶体管114(图1)供应PWM控制信号。用于数字装置116的操作的电压供应到数字装置116的另一外部节点180。通电复位(POR)起初被置位为逻辑高，并使包含自举计数器254的整个数字装置116处于复位状态(例如经由“或”门250而到系统复位逻辑)。带隙电压参考266可为(举例来说，但不限于)约200毫伏。
当节点180处的VBS感测电压足以用于数字装置116的适当操作(如由电压感测比较器264所确定)时，启用自举振荡器256，PWM启用处于逻辑低，且已解除置位通电复位(POR)(处于逻辑低)。自举振荡器256可在固定频率下(例如100到200kHz)运行，在启用时自由运行电阻器-电容器(RC)振荡器。来自自举振荡器256的输出通过“与”门244而传递到多路复用器240的输入。当PWM启用处于逻辑低时，多路复用器240将PWM信号从“与”门244耦合到控制晶体管驱动器114的PWM输出节点182。
如果电流电平超过起动条件下的可接受极限，那么触发器246将致使“与”门244切断来自自举振荡器256的输出。由电流感测比较器248监视此电流极限，当超过此起动配置的电流极限时，电流感测比较器248使触发器246保持清零(Q输出处于逻辑低)。
自举振荡器256继续运行，从而将PWM控制信号供应到驱动器晶体管114，直到自举计数器254“超时”并且在“或”门250的输入置位逻辑高为止。自举计数器254计数直到将足够数量的PWM脉冲发送到包括驱动器晶体管114、功率FET 112及电感器102的电力产生电路为止。一旦自举计数器254计数到“超时”且解除置位POR信号及“欠压复位(brown-out on reset)”(BOR)信号(逻辑低)，数字装置116及任何其它电力应用电路就启用，且所有电路进入正常操作，例如通过数字装置116将PWM启用设定为逻辑高，且PWM产生器242现在控制晶体管驱动器114的操作。在数字装置116的正常操作期间，自举振荡器256通过来自“与”门258的输出(处于逻辑低)而停用。可预期且在本发明的范围内，其它逻辑电路设计可同样有效，且将易于为熟悉数字电路设计且受益于本发明的一般技术人员所理解。
参考图3，所描绘的是根据本发明的另一特定实例实施例的由数字装置控制的电力应用的示意图。所述电力应用可为(举例来说，但不限于)电力供应器、荧光灯驱动器(全亮度及调光亮度控制)、无刷直流电动机速度及方向控制等等。当在电源节点122(+VDC)及128(-VDC)处施加高压电力时，跨电容器126的电压根据电阻器124及电容器126的时间常数而升高，直到达到齐纳二极管120的击穿电压(例如15VDC)为止。给电容器126充电的来自电阻器124的DC电压用作低电流偏压电压(Vbias)，并且被施加到低压差(LDO)电压调节器118，且经由二极管336而施加到驱动器晶体管114(例如，场效晶体管(FET))。在数字装置116的起动/稳定及正常操作两者期间，LDO电压调节器118将适当电压供应到数字装置116，如下文中更全面描述。来自电阻器124并且经由二极管336提供的电压具有刚好足够的电流源送能力以起动数字装置，且将足够电压供应到驱动器晶体管以便开始功率FET 112的接通及关断，进而在线圈306上产生感应诱发电压。数字装置316可为(举例来说，但不限于)微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)及现场可编程门阵列(FPGA)等等。
数字装置316将驱动信号(例如脉宽调制(PWM)信号)从节点382供应到控制功率晶体管112(例如功率FET)的FET驱动器晶体管114。功率FET 112基于来自驱动器晶体管114的控制而接通及断开，并致使感应诱发的交流(AC)电压在功率电感器302中积聚和产生。功率电感器302可包括功率线圈304及辅助线圈306。电感器302可为切换电力供应器、具有或不具有光亮度控制的荧光灯驱动器或无刷直流电动机的定子线圈(为清晰起见，仅展示一者)的一部分。结合功率FET 112接通及关断，电感器302的功率线圈304(例如磁芯上的绕组)可产生跨辅助线圈306(例如所述磁芯上的一个分接绕组或两个单独绕组)而诱发AC电压的磁通量。
起初，电压经由电阻器124及二极管336而供应到驱动器晶体管114。接着，一旦从辅助线圈306取得AC电压，二极管110就整流所述AC电压以产生在稍后起动及正常操作期间用于为驱动器晶体管114供电的DC电压。辅助线圈306或单独线圈上的分接头产生较低AC电压，所述AC电压可通过二极管338而整流为施加到LDO调节器118的DC电压，以用于在图3的电力电路的起动及正常操作两者期间为数字装置316供电。
然而，在功率FET 112可开始接通及关断之前，数字装置316必须将控制信号供应到驱动器晶体管114，驱动器晶体管114继而控制功率FET 112的接通及关断操作。由数字装置316使用来自电阻器124的低电流偏压电压来初始化数字装置316的适当操作，且供应独立PWM信号以用于在电力应用的初始起动期间控制驱动器晶体管114。一旦数字装置116已经适当初始化并准备好用于正常操作，就在输出节点382处用电力应用的电路的正常操作期间所使用的PWM控制信号取代此独立PWM信号。包括电阻器332及334的外部分压器可用于在外部节点380处提供Vbias的电压取样。
参考图4，所描绘的是图3的数字装置的更详细示意图。数字装置316可包括：PWM产生器442，其具有连接到多路复用器440的一个输入的输出；自举振荡器456；一比四(divide by four)分频器470；触发器446；解除保持(hold-off)计数器454；电流感测比较器448；电压感测比较器464；电压参考466，例如具有多个参考电压的带隙电压参考；及门逻辑，例如“与”门444、458及468、“或”门450以及反相器452、460及462。自举振荡器456提供用于驱动晶体管驱动器114的控制信号，例如PWM。多路复用器440的输出连接到数字装置316的外部节点382，且为驱动器晶体管114(图3)供应所述PWM控制信号。用于数字装置316的操作的电压被供应到Vdd节点，且在数字装置316的外部节点380处受到监测。通电复位(POR)起初被置位为逻辑高，并使包含解除保持计数器454的整个数字装置316处于复位状态(例如经由“或”门450而到系统启用逻辑，未图示)。带隙电压参考466可具有多个参考电压，(举例来说，但不限于)1.0伏、1.2伏及2.0伏。
当节点380处的VBS感测电压足以用于数字装置316的适当操作(如由电压感测比较器464所确定)，PWM启用处于逻辑低且通电复位(POR)已被解除置位(处于逻辑低)时，启用自举振荡器456。自举振荡器456可以固定频率(例如400到800kHz)运行(在启用时自由运行)电阻器-电容器(RC)振荡器。可用一比四分频器470将来自自举振荡器456的输出除以四(例如100到200kHz)。来自一比四分频器470的输出通过“与”门444而传递到多路复用器440的输入。当PWM启用处于逻辑低时，多路复用器440将PWM信号从“与”门444耦合到控制晶体管驱动器114的PWM输出节点382。
如果电流电平超过起动条件下的可接受极限，那么触发器446将致使“与”门444切断PWM输出。此电流极限由电流感测比较器448监视，当超过此起动配置的电流极限时，电流感测比较器448使触发器446保持清零(Q输出处于逻辑低)。
自举振荡器456继续运行，从而将PWM控制信号供应到驱动器晶体管114，直到解除保持计数器454“超时”并且在“或”门450的输入置位逻辑高为止。解除保持计数器454计数，直到将足够数量的PWM脉冲发送到包括驱动器晶体管114、功率FET 112及电感器302的电力产生电路为止。一旦解除保持计数器454计数到“超时”，且解除置位POR信号及“欠压复位”(BOR)信号(逻辑低)，数字装置316及任何其它电力应用电路就启用，且所有电路进入正常操作，例如，通过数字装置316而将PWM启用设定为逻辑高，且PWM产生器器442现在控制晶体管驱动器114的操作。在数字装置316的正常操作期间，自举振荡器456通过来自“与”门458的输出而停用。预期且在本发明的范围内，其它逻辑电路设计可同样有效，且易于为熟悉数字电路设计且受益于本发明的一般技术人员所理解。
虽然已参考本发明的若干实例实施例而描绘、描述及定义本发明的若干实施例，但此类参考并非暗示对本发明的限制且将不推断有此限制。如熟悉相关技术并且受益于本发明的一般技术人员将想到，所揭示的标的物在形式及功能上可有许多修改、变更及等效物。本发明的所描绘及描述的实施例仅为实例，而非本发明范围的穷举。

Claims (21)

1.一种电力系统，其具有用于其起动的自举激励器，所述电力系统包括：
功率电感器，其具有功率线圈及辅助线圈；
功率晶体管，其连接到所述功率线圈，且所述功率线圈及所述功率晶体管连接到直流电源，其中当所述功率晶体管接通及关断时，在所述功率电感器中产生变动磁通量，其致使所述功率线圈及所述辅助线圈中产生交流电压；
驱动器晶体管，其连接到所述功率晶体管并控制所述功率晶体管；
数字装置，其具有连接到所述驱动器晶体管的输出以用于对其进行控制；
低压差电压调节器，其将电力供应到所述数字装置；
起动电力电路，其耦合到所述直流电源，所述起动电力电路将起动电压供应到所述低压差电压调节器及所述驱动器晶体管；及
功率整流器，其耦合到所述辅助线圈，其中所述功率整流器将操作电压供应到所述低压差电压调节器及所述驱动器晶体管；
其中当所述起动电力电路正在供应所述起动电压时，所述数字装置的所述输出以恒定频率供应控制信号，且当所述功率整流器正在供应所述操作电压时，所述数字装置的所述输出供应脉宽调制PWM控制信号。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述数字装置包括：
自举电压感测电路，其用于感测所述起动电压；
自举振荡器，当所述自举电压感测电路确定所述起动电压高于某一电压值时，所述自举振荡器以实质上恒定频率产生信号；
自举计数器，其具有耦合到所述自举振荡器的输入，且将所述自举振荡器信号计数到预定值；
PWM产生器；及
多路复用器，其具有连接到所述PWM产生器的第一输入、耦合到所述自举振荡器的第二输入，及输出，当所述自举计数器正在计数到所述预定值时，所述输出以所述恒定频率供应所述控制信号，且当所述自举计数器已计数到所述预定值时，所述输出供应所述PWM控制信号。
3.根据权利要求2所述的电力系统，其进一步包括用于在解除置位通电复位POR信号时启用所述自举振荡器的POR电路。
4.根据权利要求2所述的电力系统，其进一步包括用于确定通过所述功率晶体管的电流的电流感测电路，其中如果通过所述功率晶体管的所述电流超过预定值，那么所述电流感测电路在起动期间抑制所述自举振荡器。
5.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述起动电力电路包括：
电阻器；
电容器，其与所述电阻器串联连接，其中所述串联连接的电阻器及电容器连接到所述直流电源；及
齐纳二极管，其连接在所述电阻器及所述电容器的共同连接处，其中所述起动电压是从所述共同连接供应。
6.根据权利要求2所述的电力系统，其中当所述自举计数器处于所述预定值时，解除置位系统复位信号。
7.根据权利要求6所述的电力系统，其中在解除置位所述系统复位信号之后，所述多路复用器由PWM启用信号控制。
8.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述功率晶体管是功率场效晶体管FET。
9.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述数字装置是微控制器。
10.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述数字装置是选自由数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC、可编程逻辑阵列PLA及现场可编程门阵列FPGA组成的群组。
11.一种电力系统，其具有用于其起动的自举激励器，所述电力系统包括：
功率电感器，其具有功率线圈及辅助线圈，所述辅助线圈具有第一及第二输出电压，其中所述第一输出电压大于所述第二输出电压；
功率晶体管，其连接到所述功率线圈，且所述功率线圈及所述功率晶体管连接到直流电源，其中当所述功率晶体管接通及关断时，在所述功率电感器中产生变动磁通量，其致使在所述功率线圈及分接的辅助线圈中产生交流电压；
驱动器晶体管，其连接到所述功率晶体管且控制所述功率晶体管；
数字装置，其具有连接到所述驱动器晶体管的输出以用于对其进行控制；
低压差电压调节器，其将电力供应到所述数字装置；
起动电力电路，其耦合到所述直流电源，所述起动电力电路将起动电压供应到所述低压差电压调节器及所述驱动器晶体管；及
第一功率整流器，其连接到所述辅助线圈第一电压，其中所述第一功率整流器将第一操作电压供应到所述驱动器晶体管；及
第二功率整流器，其连接到所述辅助线圈第二电压，其中所述第二功率整流器将第二操作电压供应到所述低压差电压调节器；
其中当所述起动电力电路正在供应所述起动电压时，所述数字装置的所述输出以恒定频率供应控制信号，且当所述第一及第二功率整流器正在分别供应所述第一及第二操作电压时，所述数字装置的所述输出供应脉宽调制PWM控制信号。
12.根据权利要求11所述的电力系统，其中所述数字装置包括：
自举电压感测电路，其用于感测所述起动电压；
自举振荡器，当所述自举电压感测电路确定所述起动电压高于某一电压值时，所述自举振荡器以实质上恒定频率产生信号；
解除保持(hold-off)计数器，其具有耦合到所述自举振荡器的输入，并将所述自举振荡器信号计数到预定值；
PWM产生器；及
多路复用器，其具有连接到所述PWM产生器的第一输入、耦合到所述自举振荡器的第二输入，及输出，当所述解除保持计数器正在计数到所述预定值时，所述输出以所述恒定频率供应所述控制信号，且当所述解除保持计数器已计数到所述预定值时，所述输出供应所述PWM控制信号。
13.根据权利要求12所述的电力系统，其进一步包括用于在解除置位通电复位POR信号时启用所述解除保持振荡器的POR电路。
14.根据权利要求12所述的电力系统，其进一步包括用于确定通过所述功率晶体管的电流的电流感测电路，其中如果通过所述功率晶体管的所述电流超过预定值，那么所述电流感测电路在起动期间抑制所述自举振荡器。
15.根据权利要求11所述的电力系统，其中所述起动电力电路包括：
电阻器；
电容器，其与所述电阻器串联连接，其中所述串联连接的电阻器及电容器连接到所述直流电源；及
齐纳二极管，其连接在所述电阻器及所述电容器的共同连接处，其中所述起动电压是从所述共同连接供应。
16.根据权利要求12所述的电力系统，其中当所述解除保持计数器处于所述预定值时，置位系统启用信号。
17.根据权利要求16所述的电力系统，其中在置位所述系统启用信号之后，所述多路复用器由PWM启用信号控制。
18.根据权利要求11所述的电力系统，其中所述功率晶体管是功率场效晶体管FET。
19.根据权利要求11所述的电力系统，其中所述数字装置是微控制器。
20.根据权利要求11所述的电力系统，其中所述数字装置选自由数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC、可编程逻辑阵列PLA及现场可编程门阵列FPGA组成的群组。
21.根据权利要求12所述的电力系统，其进一步包括连接在所述自举振荡器与所述解除保持计数器之间的一比四计数器。
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