CN103457492B - 一种离线电压调节器及其电压转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离线电压调节器及相应电路和电压转换方法。离线电压调节器包括：整流电路，用于将交流线电压整流并输出整流后线电压；BJT器件，具有第一端、第二端和基极端，其中第一端耦接整流后线电压；选择驱动电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接整流后线电压，输出端耦接BJT器件的基极端，选择驱动电路至少基于整流后线电压选择性地导通BJT器件；以及电压变换器，具有输入端和输出端，其中电压变换器的输入端耦接BJT器件的第二端，电压变换器的输出端提供直流输出电压用于为负载供电。该离线电压调节器消除了电感和大电容的需要，消除了高频电磁干扰噪声，同时具有控制简单等优点。
Description
本发明申请要求申请案号为13/572,564，申请日为2012年8月10日的美国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及电源供电系统，具体涉及离线电压调节器。
背景技术
在许多应用场合需要从交流的线电压获取直流电源。通常需要的直流电压比线电压低。例如在家电领域，经常需要把频率为50赫兹、电压辐值为220伏特的交流线电压转换成输出电压为5伏特、输出电流为30毫安左右的直流电源用于为家电内置的微处理系统供电。开关式电压变换器，如图1所示的高位降压(buck)变换器经常用于将线电压转换成需要的直流电源。为了在输出节点OUT获得需要的低压直流电源，需要用到电感Li和高压电容C1和C2等元件，但这些元件具有体积大和成本高等缺点。同时，开关M的高频开关动作会带来较大的电磁干扰噪声。
因此，需要采取改进的方法来克服上述的至少部分缺点。
发明内容
为了解决前面描述的一个问题或者多个问题，本发明提出一种离线电压调节器及相应电路和电压转换方法。
根据本发明的一个方面，一种离线电压调节器包括：整流电路，用于将交流线电压整流并输出整流后线电压；过流器件，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接整流后线电压；比较电路，将整流后线电压和阈值电压进行比较并输出比较信号；驱动电路，具有输入端、输出端、第一电源端和第二电源端，其中驱动电路的输入端耦接比较信号，驱动电路的输出端耦接过流器件的控制端；第一电容，具有第一端和第二端，其中第一电容的第一端耦接过流器件的第二端并提供中间电压，第一电容的第二端耦接参考地；第二电容，具有第一端和第二端，其中第二电容的第一端耦接驱动电路的第一电源端，第二电容的第二端耦接驱动电路的第二电源端；以及电压变换器，具有输入端和输出端，其中电压变换器的输入端耦接中间电压，电压变换器的输出端提供直流输出电压用于为负载供电。在一个实施例中，离线电压调节器，进一步包括：第一开关，一端耦接第二电容的第二端，另一端耦接第一电容的第一端，其中第一开关在比较信号为第一状态时导通，第一开关在比较信号为第二状态时关断；以及第二开关，一端耦接第二电容的第二端，另一端耦接参考地，第二开关在比较信号为第二状态时导通，第二开关在比较信号为第一状态时关断。在一个实施例中，过流器件包括双极结晶体管(BJT)。在一个实施例中，电压变换器包括低压差线性电压变换器，低压差线性电压变换器包括晶体管、输出电容和驱动控制电路，其中：晶体管具有第一端、第二端和栅极端，其中晶体管的第一端耦接中间电压，晶体管的第二端耦接输出电容用于提供输出电压；以及驱动控制电路包括电压检测电路和放大电路，其中电压检测电路用于产生输出电压的检测信号，放大电路具有耦接检测信号的反相输入端、耦接第四阈值电压的同相输入端和耦接晶体管栅极端的输出端。在一个实施例中，离线电压调节器进一步包括：欠压保护(UVLO)比较电路用于将中间电压与第二阈值电压比较并产生UVLO信号；以及启动开关，具有第一端、第二端和控制端，其中启动开关的第一端耦接整流后线电压，启动开关的第二端耦接中间电压，启动开关的控制端耦接UVLO信号。在一个实施例中，当中间电压低于第二阈值电压时，第一电容被过流器件充电。在一个实施例中，离线电压调节器进一步包括：过压保护比较电路，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中反相输入端耦接中间电压，同相输入端耦接第三阈值电压；以及与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中与门的第一输入端耦接比较信号，与门的第二输入端耦接过压保护比较电路的输出端，与门的输出端耦接驱动电路的输入端。
根据本发明的另一个方面，一种离线电压调节器包括：整流电路，用于将交流线电压整流并输出整流后线电压；BJT器件，具有第一端、第二端和基极端，其中第一端耦接整流后线电压；选择驱动电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接整流后线电压，输出端耦接BJT器件的基极端，选择驱动电路至少基于整流后线电压选择性地导通BJT器件；以及电压变换器，具有输入端和输出端，其中电压变换器的输入端耦接BJT器件的第二端，电压变换器的输出端提供直流输出电压用于为负载供电。在一个实施例中，BJT器件包括NPN晶体管，其中BJT器件的第一端为集电极，BJT器件的第二端为射电极。在一个实施例中，离线电压调节器进一步包括耦接在BJT器件第二端和参考地之间的第一电容，其中选择驱动电路进一步包括：比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路的第一输入端耦接整流后线电压，比较电路的第二输入端耦接阈值电压；驱动电路，具有输入端、输出端、第一电源端和第二电源端，其中驱动电路的输入端耦接比较电路的输出端，驱动电路的输出端耦接BJT器件的基极端；以及第二电容，具有第一端和第二端，其中第二电容的第一端耦接驱动电路的第一电源端，第二电容的第二端耦接驱动电路的第二电源端；其中当BJT器件关断时，第一电容为第二电容充电。在一个实施例中，选择驱动电路进一步包括：第一开关，耦接在驱动电路的第二电源端和BJT器件的第二端之间；以及第二开关，耦接在驱动电路的第二电源端和参考地之间；其中当BJT器件导通时，第一电容被充电，第一开关导通，第二开关关断；以及当BJT器件关断时，第一开关关断，第二开关导通，第一电容为第二电容充电。在一个实施例中，选择驱动电路进一步包括非门，非门具有输入端和输出端，其中非门的输入端耦接比较电路的输出端，非门的输出端耦接第二开关的控制端；以及比较电路的输出端进一步耦接第一开关的控制端。
根据本发明的又一个方面，一种电路包括比较电路和驱动电路，电路具有电源输入端、输出驱动端、中间电压端、第一自举端和第二自举端，其中：电源输入端耦接整流后线电压和过流器件的第一端；输出驱动端耦接过流器件的控制端；中间电压端耦接过流器件的第二端和第一电容，中间电压端用于提供中间电压；第一自举端耦接第二电容的第一端；第二自举端耦接第二电容的第二端；比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电源输入端，第二输入端耦接阈值电压，输出端提供比较信号；驱动电路具有输入端、输出端、第一电源端和第二电源端，其中驱动电路的输入端耦接比较信号，驱动电路的输出端耦接输出驱动端，第一电源端耦接第一自举端，第二电源端耦接第二自举端；其中当比较信号为第一状态时，过流器件导通，第一电容充电，第二电容放电；以及当比较信号为不同于第一状态的第二状态时，过流器件关断，第一电容为第二电容充电。在一个实施例中，电路进一步包括：第一开关，耦接在第二自举端和中间电压端之间，第一开关根据比较信号选择性地导通和关断，其中当比较信号为第一状态时，第一开关导通，当比较信号为第二状态时，第一开关关断；以及第二开关，耦接在第二自举端和参考地之间，第二开关根据比较信号选择性地导通和关断，其中当比较信号为第二状态时，第二开关导通，当比较信号为第一状态时，第二开关关断。
根据本发明的再一个方面，一种将交流电压转换成直流电压的方法包括：将交流电压整流获得整流后线电压；将过流器件耦接到整流后线电压，在整流后线电压小于一阈值电压时导通过流器件，由过流器件对第一电容充电；通过第一电容向电压变换器提供电源；以及电压变换器为负载提供电源。在一个实施例中，方法进一步包括将第二电容耦接在驱动电路的第一电源端和第二电源端之间，其中当整流后线电压高于阈值电压时，第一电容为第二电容充电；当整流后线电压低于阈值电压时，第二电容放电且第二电容两端电压被升高。
根据本发明的实施例所提供的离线电压调节器及相应电路和将线电压转换成直流低电压的方法，在将高电压转换成低电压后再为电压变换器提供输入电压，消除了电感和大电容的需要，消除了高频电磁干扰噪声，同时具有控制简单等优点。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述。通常，附图仅示出了实施例中系统或电路的一部分。
图1示出了现有技术的一种离线电压调节器；
图2示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器框图；
图3示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器的示意图；
图4示出了根据本发明一实施例的波形图，用于描述图3中离线电压调节器的功能；
图5示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器500的示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器600的示意图；以及
图7示出了根据本发明一实施例的将交流电转换成直流电的方法示意图。
贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。
术语“离线电压调节器”可指将交流电压转换成直流输出电压的电压变换器系统。“离线电压调节器”也可指为了将交流电压转换成直流输出电压的电压变换器系统中的一部分，例如“离线调节器”可指用于将交流电压转换成直流输出电压的控制器，也可指包括电压变换器系统中部分元件的集成电路。
图2示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器200框图。离线电压调节器200包括整流电路21、过流器件23、选择驱动电路22和电压变换器24。整流电路21将交流线电压20进行整流，并在整流电路21的输出端212输出整流后线电压Vin。交流线电压20可为幅值为220伏特或110伏特的正弦波市电电压。过流器件23具有第一端231，第二端232和控制端233，其中第一端231耦接整流后线电压Vin。过流器件23在控制端233上信号的控制下选择性的进行导通和关断。当过流器件23导通时，电流从第一端231流向第二端232。在图2所示的实施例中，过流器件23包括NPN双极结晶体管(BJT)。其中控制端233为基极，第一端231为集电极，第二端232为射电极。在另一个实施例中，过流器件23包括PNPBJT，其中第一端为射电极，第二端为集电极。选择驱动电路22接收输出端212的整流后线电压Vin，并根据整流后线电压Vin驱动过流器件，例如当整流后线电压Vin低于阈值电压时导通过流器件23。相应地，选择驱动电路22具有输入端221和输出端222，其中输入端221接收整流后线电压Vin，输出端222耦接过流器件23的控制端233。电压变换器24具有输入端241和输出端242，其中输入端241耦接过流器件23的第二端232，输出端242在输出节点OUT提供直流输出电压。在一个实施例中，电压变换器24包括低压差线性电压变换器。在另一些实施例中，电压变换器24可包括另外形式的电压变化器，如buck电压变换器，升压电压变换器(boost)，或者降压-升压电压变换器(buck-boost)。在BJT器件23的导通和关断动作下，BJT器件23的输出端232提供中间电压Vm，为电压变换器24提供输入电压。中间电压Vm低于整流后线电压Vin，保证了电压变换器24的输入电压较低，以适应低压应用领域。
图3示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器300的示意图。离线电压调节器300包括整流电路21、过流器件23、选择驱动电路22和电压变换器24。整流电路21将交流线电压20整流并输出整流后线电压Vin。在图3所示的实施例中，整流电路21包括全桥整流电路。全桥整流电路21包括二极管D1、D2、D3和D4。其中二极管D1的阳极和二极管D3的阴极耦接交流线电压20的一端。二极管D2的阳极和二极管D4的阴极耦接交流线电压20的另一端。二极管D3和D4的阳极耦接参考地，二极管D1和D2的阴极耦接整流电路的输出端用于提供整流后线电压Vin。
继续图3的说明，过流器件23具有第一端231、第二端232和控制端233，其中第一端231耦接整流后线电压Vin。过流器件23在控制端233受驱动信号控制，并根据驱动信号选择性地导通和关断。当过流器件23导通时，电流从第一端231流向第二端232。在图3所示的实施例中，过流器件23包括NPN双极结晶体管(BJT)。在另一个实施例中，过流器件23包括场效应晶体管如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在又一个实施例中，过流器件23包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。BJT过流器件23比MOSFET器件具有更大的过流能力，且价格比MOSFET和IGBT器件更便宜，为优选的过流器件。过流器件23的第二端232耦接第一电容Cm和电压变换器24。电容Cm用于为输出端232的中间电压Vm进行稳压，从而为电压变换器24提供稳定的中间电压Vm作为电压变换器24的输入电压。
继续图3的说明，选择驱动电路22接收整流后线电压Vin，根据整流后线电压Vin驱动过流器件23，例如，当整流后线电压Vin低于一阈值电压时导通过流器件23。相应地，选择驱动电路22具有耦接整流后线电压Vin的输入端321和耦接过流器件23控制端233的第二端322。选择驱动电路22包括比较电路323、驱动电路324和第二电容Cbs。比较电路323将整流后线电压Vin和阈值电压进行比较。比较电路323具有耦接整流后线电压检测信号的反相输入端3231、耦接阈值电压Von的同相输入端以及提供比较信号CP的输出端3232.。在图3所示的实施例中，整流后线电压检测信号正比于整流后线电压Vin。在另一些实施例中，整流后线电压检测信号可通过其它的检测电路获得，且比较电路323的反相输入端3231耦接检测电路，或者直接接收整流后线电压Vin。驱动电路324具有输入端3241、输出端3242、第一电源端3243和第二电源端3244。其中输入端3241耦接比较电路323的输出端3232。驱动电路324的输出端3242耦接过流器件23的控制端233，或在所示的实施例中耦接BJT器件23的基极233。第一电源端3243耦接电容Cbs的第一端，第二电源端3244耦接电容Cbs的第二端。电容Cbs通过第一电源端3243和第二电源端3244用于为驱动电路324提供使过流器件23导通的偏置电压。当比较信号CP为高电平时，电容Cbs两端的电压升高，这时，电容Cbs向驱动电路324放电。当比较信号CP为低电平时，过流器件23关断，电容Cbs被电容Cm充电。
继续图3的说明，电压变换器24具有耦接过流器件23第二端232的输入端241。电压变换器24的输出端242在输出节点OUT提供直流输出电压。图3中的电压变换器24包括低压差线性电压变换器。低压差线性电压变换器24包括晶体管M，输出电容Co和驱动控制电路34。晶体管M具有第一端、第二端和栅极端，其中晶体管M的第一端耦接过流器件23的第二端232，晶体管M的第二端耦接输出电容Co并提供输出电压，晶体管M的栅极端耦接驱动控制电路34。通过控制栅极端的电压，晶体管M的漏源导通电阻可被调制，低压差线性电压变换器24在输出节点OUT提供一低压差的输出电压。在所示的实施例中，驱动控制电路34包括电压检测电路和放大电路341，电压检测电路用于检测输出节点OUT处的输出电压并提供输出电压检测信号Vfb。电压检测电路为包括电阻R1和R2的电阻分压电路。放大电路341具有耦接电压检测电路的反相端、耦接阈值电压Vth的同相端，以及耦接晶体管M栅极端的输出端。放大电路341将电阻R1和R2之间采集的检测信号Vfb与阈值电压Vth之间的差值放大。相应地，输出节点OUT处的输出电压被调节到电压值：Vth*(R1+R2)/R2。在另一个实施例中，电压检测电路可具有其它的形式。
在一个实施例中，离线调节器300包括制作在半导体基底上的离线调节器集成电路30。在一个实施例中，集成电路30也可称为离线调节器。集成电路30内部包括比较电路323、驱动电路324、晶体管M和用于驱动晶体管M的驱动控制电路34。集成电路30外部具有电源输入端IN，输出驱动端DR，中间电压端VB，第一自举端BST1和第二自举端BST2。电源输入端IN内部耦接比较电路323的第一端3231，外部耦接整流后线电压Vin和过流器件23的第一端231。输出驱动端DR内部耦接驱动电路324的输出端3242，外部耦接过流器件23的控制端233。中间电压端VB内部耦接低压差线性电压变换器24中晶体管M的第一端，外部耦接过流器件23的第二端232和电容Cm的第一端。电容Cm的另一端耦接参考地GND。第一自举端BST1内部耦接驱动电路324的第一电源端3243，外部耦接电容Cbs的第一端。第二自举端BST2内部耦接驱动电路324的第二电源端3244，外部耦接电容Cbs的第二端。集成电路30进一步具有输出端VO，输出端VO内部耦接低压差线性调节器24的晶体管M的第二端，外部耦接输出电容Co用于为负载提供输出电压。集成电路30可进一步具有参考地端GND。参考地端GND内部耦接多个节点，如耦接由R3和R4组成的电阻分压器，或耦接由R1和R2组成的电阻分压器等，外部耦接参考地GND。当过流器件23关断时，电容Cm对电容Cbs充电。
图4示出了根据本发明一实施例的波形图，用于描述图3中离线电压调节器的功能。第一个波形表示整流后线电压Vin。第二个波形表示流过BJT过流器件23的电流Iin。第三个波形表示BJT器件23第二端上的中间电压Vm。整流后线电压Vin为正弦波信号的整流信号。整流后线电压Vin通过比较电路323与阈值电压Von2进行比较，其中阈值电压Von2＝Von*(R3+R4)/R4。在时间t1后，整流后线电压Vin高于阈值电压Von2，比较电路323输出低电平的信号，驱动电路324的输出端3242电压被拉低，驱动电压324将过流器件23关断。在时间t2后，电压Vin低于阈值电压Von2，比较电路323输出高电平的信号，驱动电路324将过流器件23导通。相应地，电流从BJT器件23的第一端231流向第二端232，其中第一端231耦接整流后线电压Vin。此时电容Cm被充电，中间电压Vm升压。中间电压Vm的上升斜率受电容Cm的容值影响。当电容Cm为理想电容时，电压Vm为一固定值。在时间t3后，虽然驱动电路323的输出端3242被拉高，但整流后线电压Vin低于中间电压Vm，电流Iin为零。在时间t4，电压Vin再次上升至高于电压Vm，电流流过BJT器件23，直到时间t5，当电压Vin再次高于阈值电压Von2时，BJT器件23关断。在第一时间段T1期间，整流后线电压Vin低于阈值电压Von2，比较信号CP为高逻辑电平，驱动电路324将过流器件23导通，同时电容Cbs放电用于通过第一电源端3243和第二电源端3244为驱动电路324供电。在第二时间段T2期间，整流后线电压Vin高于阈值电压Von2，比较信号CP为低逻辑电平，驱动电路324关断过流器件，电容Cm为电容Cbs充电。由于中间电压Vm可设置为远小于线电压有效值，第一电容Cm、第二电容Cbs和输出电容Co需要的电容容值较低。
图5示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器500的示意图。针对图2中离线电压调节器200和图3中离线电压调节器300的描述可能也同样适用于离线电压调节器500。与图2中离线电压调节器200和图3中离线电压调节器300相比，离线电压调节器500进一步包括第一开关S1、第二开关S2和二极管D。第一开关S1具有控制端531、第一端532和第二端533。其中控制端531通过控制电路56耦接比较电路323用于接收比较信号CP。第一端532耦接第二电容Cbs的第二端572。第二端533耦接第一电容Cm的第一端551。这样，第一开关S1耦接在第二自举端BST2和中间电压端VB之间，也耦接在驱动电路324的第二电源端3242和过流器件23的第二端232.。第二开关S2具有控制端541、第一端542和第二端543。其中控制端541通过控制电路56耦接比较电路323，第一端542耦接参考地GND，第二端543耦接电容Cbs的第二端572。相应地，第二开关S2耦接在第二自举端BST2和参考地GND之间，也耦接在驱动电路324的第二电源端3242和过流器件23的第二端232之间。二极管D的阳极耦接过流器件23的第二端232，阴极耦接电容Cbs的第一端571。相应地，二极管D耦接在第一自举端BST1和中间电压端VB之间。控制电路56根据比较电路323的输出信号CP控制第一开关S1和第二开关S2。
继续图5的说明，当整流后线电压Vin低于阈值电压Von2时，比较电路323的输出信号为逻辑高电平，参看图4的T1期间。在该期间内，开关S1导通，开关S2关断；电容Cbs的第二端572耦接中间电压端VB和电容Cm的第一端551；二极管D反向偏置形成电流断路；电容Cbs为驱动电路324提供能量，同时电容Cbs放电。此时驱动电路324的第二电源端3242拉高至中间电压Vm，驱动电路324的第一电源端3241拉高至电压Vm+Vbs，其中电压Vm为中间电压端VB上的电压，电压Vbs为电容Cbs两端的压差。因此，在T1期间，驱动电路324偏置在电压Vm与电压Vm+Vbs之间，高于中间电压Vm，驱动电路324具有驱动BJT过流器件23的能力。在一个实施例中，在T1期间，驱动电路324的输出电压约等于Vm+Vbs，过流器件23导通可用于为电容Cm充电。
继续图5的说明，当整流后线电压Vin高于阈值电压Von2时，比较电路323的输出为逻辑低电平，参看图4中的T2期间。此时，开关S1关断，开关S2导通。电容Cbs的第二端572耦接参考地GND和电容Cm的第二端552。二极管D正向偏置导通，电容Cbs的第一端571耦接电容Cm的第一端551。相应地，第一电容Cm为第二电容Cbs充电，电流从电容Cm的第一端551流向电容Cbs的第一端571。因此，驱动电路324被偏置在地电位和电压Vbs之间，这样BJT器件23的基极电压低于中间电压端VB上的发射极电压，BJT器件23关断。在一个实施例中，此时驱动电路324的输出端电压近似等于地电位。
图6示出了根据本发明一实施例的离线电压调节器600示意图。离线电压调节器600可被集成在一硅片上。离线电压调节器600具有电源输入端IN、输出驱动端DR、中间电压端VB、第一自举端BST-P、第二自举端BST-N和参考电压端GND。上述每个端可包括一引脚、多个引脚、导电盘或多个导电盘。除了如图3和图5所示的比较电路323、晶体管M、驱动电路324、驱动控制电路34、控制开关S1和S2的控制电路56、开关S1和开关S2外，离线电压调节器600进一步包括欠压保护(UVLO)比较电路652，过压保护比较电路651，用于启动控制的启动开关M2，以及用于控制驱动电路324和与门623中逻辑信号电平的电位变换电路624。UVLO比较电路652具有耦接中间电压端VB的反相输入端，耦接UVLO阈值电压Vth2的同相端以及耦接控制电路56与开关M2栅极的输出端。UVLO比较电路652将中间电压Vm与阈值电压Vth2相比较并产生UVLO信号。在所示的实施例中，UVLO比较电路652为滞环比较电路。过压保护比较电路651具有耦接中间电压端VB的反相输入端、耦接过压阈值电压Vth3的同相输入端以及耦接与门623其中一个输入端的输出端。开关M2耦接在电源输入端IN和中间电压端VB之间，并受UVLO比较电路652的输出信号控制。换句话说，启动开关M2的第一端耦接整流后线电压Vin，启动开关M2的第二端耦接电容Cm的第二端，启动开关M2根据UVLO信号选择性的导通。控制电路56包括或门631、死区时间控制模块632、非门633和两个驱动电路634和635。或门631一端耦接与门623的输出端，另一端耦接UVLO比较电路652的输出端，或门631的输出端耦接死区时间控制模块632。死区时间控制模块632用于防止开关S1和S2同时导通。死区时间控制模块632的输出端耦接非门633和驱动电路634。非门633的输出端耦接驱动电路635。驱动电路634驱动开关S1，驱动电路635驱动开关S2。与门623的第一输入端耦接比较信号CP，第二输入端耦接过压比较电路651的输出端，与门623的输出端通过电位变换电路624耦接驱动电路324。驱动晶体管M的驱动控制电路34进一步包括电流镜像电路641、过流比较电路642、过压比较电路643和或门644。或门644的多个输入端耦接比较电路642的输出端，比较电路643的输出端，比较电路652的输出端以及一个过温关断信号TSD。或门644也可进一步接收代表其它非正常情况的信号。当或门644多个输入端上的任意一个信号为逻辑高时，比较电路341被抑制，线性电压变换器的开关M被关断。
离线电压调节器600的功能将结合图3、图4和图5进行阐述。在离线电压调节器600的启动阶段，中间电压端VB上的中间电压低于第一阈值电压Vth2-Vth21，其中电压Vth21为滞环比较电路542的滞后值，比较电路652输出逻辑高电平的UVLO信号，此时开关M2导通，电流从电源输入端IN流向中间电压端VB并给电容Cm充电，如图3所示，中间电压端VB上的电压上升。同时，或门631为逻辑高，开关S1导通，开关S2关断。驱动电路324被偏置在中间电压Vm和电压Vm+Vbs之间。当整流后线电压Vin低于阈值电压如电压Von2时，过流器件23导通用于为电容Cm充电。同时，晶体管M被低电位的信号UVLO信号关断。
当中间电压端VB上的电压高于阈值电压Vth3时，比较电路651输出点低电平逻辑信号，与门623的输出信号也为逻辑低电平。其中阈值Vth3高于阈值Vth2。驱动电路324关断BJT过流器件23，停止对电容Cm进行充电。同时，开关S1关断，开关S2导通，电容Cm放电并对电容Cbs进行充电。
当中间电压端VB上的电压高于第二个阈值电压Vth2+Vth21且低于第三阈值电压Vth3时，信号UVLO为逻辑低电平，比较电路651输出端信号都为逻辑高电平，离线电压调节器600工作于正常状态。开关M2关断，线性调节器中的晶体管M正常工作。在正常状态下，非门633的输入端耦接比较电路323的输出端，非门的输出端耦接开关S2的控制端。比较电路323的输出端同时耦接开关S1的控制端。相应地，当比较电路323的输出为逻辑高时，开关S1导通，开关S2关断，过流器件23导通为电容Cm充电。当比较电路323的输出为逻辑低时，开关S1关断，开关S2导通，电容Cm为电容Cbs充电，电容Cm放电。
继续图6的说明，比较电路323可以为滞环比较电路。阈值电压Von和比较电路323的滞后值决定过流器件23在整流后线电压到达哪个电位时导通，从而为电容Cm充电。电容Cm可在较低的整流后线电压Vin下开始充电，因此，中间电压Vm可以远比线电压的有效值低，使得后续的电压变换器不需要采用电感和大电容。
图7示出了根据本发明一实施例的将交流电转换成直流电的方法700示意图。方法700包括在步骤701，将交流线电压整流，获得整流后线电压。在步骤702，方法700包括将过流器件耦接到整流后线电压，并选择当整流后线电压小于一阈值电压时导通过流器件，同时由过流器件对第一电容充电。选择整流后线电压范围的目的在于选择当整流后线电压辐值远小于一个周期内的整流后线电压有效值时就开始导通过流器件，使得中间电压低于线电压有效值。在一个实施例中，选择整流后线电压范围通过将整流后线电压与阈值电压比较来实现，当整流后线电压低于该阈值电压时导通过流器件。在步骤703，方法700包括通过第一电容向电压变换器提供电源。即第一电容向电压变换器提供输入电压。在步骤704，方法700包括电压变换器的输出为负载提供电源。其中过流器件由驱动电路驱动。方法700可进一步包括将第二电容耦接在驱动过流器件的驱动电路的第一电源端和第二电源端之间，其中当整流后线电压高于阈值电压时，第一电容为第二电容充电。当整流后线电压低于阈值电压时，第二电容两端电压被升高。
上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。
Claims (12)
1.一种离线电压调节器，包括：
整流电路，用于将交流线电压整流并输出整流后线电压；
过流器件，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接整流后线电压；
比较电路，将整流后线电压和阈值电压进行比较并输出比较信号；
驱动电路，具有输入端、输出端、第一电源端和第二电源端，其中驱动电路的输入端耦接比较信号，驱动电路的输出端耦接过流器件的控制端；
第一电容，具有第一端和第二端，其中第一电容的第一端耦接过流器件的第二端并提供中间电压，第一电容的第二端耦接参考地；
第二电容，具有第一端和第二端，其中第二电容的第一端耦接驱动电路的第一电源端，第二电容的第二端耦接驱动电路的第二电源端；
电压变换器，具有输入端和输出端，其中电压变换器的输入端耦接中间电压，电压变换器的输出端提供直流输出电压用于为负载供电；
第一开关，一端耦接第二电容的第二端，另一端耦接第一电容的第一端，其中第一开关在整流后线电压低于阈值电压时导通，第一开关在整流后线电压高于阈值电压时关断；以及
第二开关，一端耦接第二电容的第二端，另一端耦接参考地，第二开关在整流后线电压高于阈值电压时导通，第二开关在整流后线电压低于阈值电压时关断。
2.如权利要求1所述的离线电压调节器，其中过流器件包括双极结晶体管(BJT)。
3.如权利要求1所述的离线电压调节器，其中电压变换器包括低压差线性电压变换器，低压差线性电压变换器包括晶体管、输出电容和驱动控制电路，其中：
晶体管具有第一端、第二端和栅极端，其中晶体管的第一端耦接中间电压，晶体管的第二端耦接输出电容用于提供输出电压；以及
驱动控制电路包括电压检测电路和放大电路，其中电压检测电路用于产生输出电压检测信号，放大电路具有耦接输出电压检测信号的反相输入端、耦接第二阈值电压的同相输入端和耦接晶体管栅极端的输出端。
4.如权利要求1所述的离线电压调节器，进一步包括：
欠压保护(UVLO)比较电路用于将中间电压与第三阈值电压比较并产生UVLO信号；以及
启动开关，具有第一端、第二端和控制端，其中启动开关的第一端耦接整流后线电压，启动开关的第二端耦接中间电压，启动开关的控制端耦接UVLO信号。
5.如权利要求4所述的离线电压调节器，其中当中间电压低于第三阈值电压时，第一电容通过启动开关充电。
6.如权利要求1所述的离线电压调节器，进一步包括：
过压保护比较电路，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中反相输入端耦接中间电压，同相输入端耦接第四阈值电压；以及
与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中与门的第一输入端耦接比较信号，与门的第二输入端耦接过压保护比较电路的输出端，与门的输出端耦接驱动电路的输入端。
7.一种离线电压调节器，包括：
整流电路，用于将交流线电压整流并输出整流后线电压；
BJT器件，具有第一端、第二端和基极端，其中第一端耦接整流后线电压；
选择驱动电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接整流后线电压，输出端耦接BJT器件的基极端，选择驱动电路至少基于整流后线电压选择性地导通BJT器件；
电压变换器，具有输入端和输出端，其中电压变换器的输入端耦接BJT器件的第二端，电压变换器的输出端提供直流输出电压用于为负载供电；以及
第一电容，耦接在BJT器件第二端和参考地之间；
其中选择驱动电路进一步包括：
比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路的第一输入端耦接整流后线电压，比较电路的第二输入端耦接阈值电压；
驱动电路，具有输入端、输出端、第一电源端和第二电源端，其中驱动电路的输入端耦接比较电路的输出端，驱动电路的输出端耦接BJT器件的基极端；
第二电容，具有第一端和第二端，其中第二电容的第一端耦接驱动电路的第一电源端，第二电容的第二端耦接驱动电路的第二电源端；
第一开关，耦接在驱动电路的第二电源端和BJT器件的第二端之间；以及
第二开关，耦接在驱动电路的第二电源端和参考地之间；其中
当BJT器件导通时，第一电容被充电，第一开关导通，第二开关关断；以及
当BJT器件关断时，第一开关关断，第二开关导通，第一电容为第二电容充电。
8.如权利要求7所述的离线电压调节器，其中BJT器件包括NPN晶体管，其中BJT器件的第一端为集电极，BJT器件的第二端为射电极。
9.如权利要求8所示的离线电压调节器，其中：
选择驱动电路进一步包括非门，非门具有输入端和输出端，其中非门的输入端耦接比较电路的输出端，非门的输出端耦接第二开关的控制端；以及
比较电路的输出端进一步耦接第一开关的控制端。
10.一种电路，包括比较电路和驱动电路，电路具有电源输入端、输出驱动端、中间电压端、第一自举端和第二自举端，其中：
电源输入端耦接整流后线电压和过流器件的第一端；
输出驱动端耦接过流器件的控制端；
中间电压端耦接过流器件的第二端和第一电容，中间电压端用于提供中间电压；
第一自举端耦接第二电容的第一端；
第二自举端耦接第二电容的第二端；
比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电源输入端，第二输入端耦接阈值电压，输出端提供比较信号；
驱动电路具有输入端、输出端、第一电源端和第二电源端，其中驱动电路的输入端耦接比较信号，驱动电路的输出端耦接输出驱动端，第一电源端耦接第一自举端，第二电源端耦接第二自举端；
第一开关，耦接在第二自举端和中间电压端之间，第一开关根据比较信号选择性地导通和关断，其中当比较信号为第一状态时，第一开关导通，当比较信号为第二状态时，第一开关关断；以及
第二开关，耦接在第二自举端和参考地之间，第二开关根据比较信号选择性地导通和关断，其中当比较信号为第二状态时，第二开关导通，当比较信号为第一状态时，第二开关关断；
其中当比较信号为第一状态时，过流器件导通，第一电容充电，第二电容放电；以及
当比较信号为不同于第一状态的第二状态时，过流器件关断，第一电容为第二电容充电。
11.一种将交流电压转换成直流电压的方法，包括：
将交流电压整流获得整流后线电压；
将过流器件耦接到整流后线电压，在整流后线电压小于一阈值电压时导通过流器件，由过流器件对第一电容充电；通过第一电容向电压变换器提供电源；
将第二电容耦接在驱动电路的第一电源端和第二电源端之间；
将第一开关的一端耦接第二电容的第二端，另一端耦接第一电容的第一端，其中第一开关在整流后线电压低于阈值电压时导通，第一开关在整流后线电压高于阈值电压时关断；
将第二开关的一端耦接第二电容的第二端，另一端耦接参考地，第二开关在整流后线电压高于阈值电压时导通，第二开关在整流后线电压低于阈值电压时关断；以及
电压变换器的输出为负载提供电源。
12.如权利要求11所述的方法，其中
当整流后线电压高于阈值电压时，第一电容为第二电容充电；
当整流后线电压低于阈值电压时，第二电容放电且第二电容两端电压升高。
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