CN105978309A - 对开关模式电源的输入电容器进行放电 - Google Patents

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Abstract

公开了一种对开关模式电源的输入电容器进行放电的方法，所述放电是通过功率开关并且响应于开关模式电源从干线电源断开连接进行的，所述开关模式电源包括功率开关和所述输入电容器，所述功率开关具有控制端子和主端子；所述方法包括重复的序列，所述序列包括：对所述控制端子充电，以部分闭合所述功率开关，直至所述比较器指示通过所述主端子的来自所述电容器的电容器放电电流与参考信号相等；以及此后对所述控制端子放电，由此停止所述电容器放电电流。还公开了相应控制和电源。

Description

对开关模式电源的输入电容器进行放电
技术领域
本发明涉及对开关模式电源中的输入电容器放电的方法、开关模式电源、开关模式电源的功率因子校正级及它们的控制器。
背景技术
为了抑制AC-DC开关模式电源(SMPS)的电磁干扰(EMI)，在大多数情况下，在它们的输入侧需要输入滤波器。除电感之外，EMI滤波器一般还包括连接于干线(mains)端子之间的一个或多个电容器。这些电容器也被称为X-电容器。EMI滤波器一般还包括在干线端子之一与保护接地之间连接的一个或多个电容(其通常被称为Y-电容器)。一般，该保护接地采用与Y-电容器连接的次级地的形式，而通常桥接整流器被接地至分离的初级地；初级和次级地具有干线分离，但是一般可以通过一个或更多个其他Y-电容器相连。
期望在拔去干线之后将开关模式电源的干线端子之间的电压在特定时间内降低至安全值，并且在一些监管机制中这可以是强制性的，。否则，仍存在由于疏忽地接触了插头的端子而使用户经受电击的风险。
作为示例，根据针对音频、视频、和类似电子装置的国际安全要求标准IEC600665，要求在拔去电源的2秒内，端子之间的电压应当小于60V。此外，根据IEC60950，应当在一秒内实现降低。当SMPS的干线电源断开连接时(例如通过拔去干线)，X-电容器和Y-电容器上的剩余电荷可以初始地导致高于安全电平的电压。
如果电源正在操作并且满载，则负载在大多数实例中快速导致电容器上电荷的放电。然而，在无负载的条件下，电源可能已经被禁用或与任何负载断开连接；此外，在干线电压已经降至可接受水平以下的情况下(所谓的“欠压(brownout)”条件)，电源可能已经关闭。在这种条件下，整流器输出测的电容可以防止在整流器输入侧的x-电容器和y-电容器在可接受的时段内放电至可接受的电平。
因此，在这种情况下可能需要其他步骤来确保电容器被适当地放电。已知提供与干线输入并连的附加电阻器放电网络，以允许这种放电。在一种已知配置中，放电电阻器还适用于被用作感测电阻器，以测量瞬时干线电压，用于欠压保护。
发明内容
根据第一方案，本文公开了一种对开关模式电源的输入电容器放电的方法，所述放电是通过功率开关并且响应于开关模式电源从干线电源断开连接进行的，所述开关模式电源包括功率开关和所述输入电容器，所述功率开关具有控制端子和主端子；所述方法包括重复的序列，所述序列包括：
对所述控制端子充电，以部分闭合所述功率开关，直至所述比较器指示通过所述主端子的来自所述电容器的电容器放电电流与参考信号相等；以及此后对所述控制端子放电，由此停止所述电容器放电电流。
大多数现有电阻放电解决方案经受电阻器耗散功率的缺点。尽管该功率耗散(其通常可以在20至100mW之间)在全载条件下可能微不足道，但是在无负载的条件下，它相当高。
通过提供其中控制端子反复充电然后放电的序列，可以在根据本方面的实施例中通过功率开关对x-电容器放电，因此能量在功率开关中而不是通过阻性组件耗散，并且同时可以不需要在线性模式中操作功率开关。线性模式中针对操作的合适电流电平的设置将很困难，原因在于常规使用的感测电阻器是非常低欧姆的(具有25-50毫欧的数量级)；在PFC开关两端的整个干线电压下降的同时在线性模式控制功率开关将通常需要在开关安全工作区域(SOAR)以外进行操作。用高电流在线性模式中驱动开关的另一问题在于针对开关中局部振荡的风险，这些振荡可能是毁灭性的，特别是如果开关是MOS晶体管的话。为防止局部振荡和SOAR问题所需的电流电平是1-10mA的数量级，其进而要求感测电阻器两端的电压在低于1mA的范围内。在这种低电平的控制通常需要基于自动调零放大器、斩波放大器(chopper amplifier)或偏置裁切放大器(offset trimmed amplifier)，它们很昂贵并因此与消费者产品中的应用不兼容。同样使用这种低电压电平，PCB轨道中的寄生电流会引入不能忽略的电压，并会扰乱针对X-电容器放电电流设置的电平。
在一个或更多个实施例中，在所述比较器指示通过所述主端子的电流与参考电流相等之后立即开始对所述控制端子放电。在其他实施例中，在比较器指示通过主端子来自电容器的电容器放电电流与参考信号相等的时刻与放电开始之间存在延迟。该延迟可以例如具有固定时段，或者可以在充电开始之后指定的时间开始放电。
序列还可以包括对所述比较器进行校准。作为序列的一部分，对比较器进行校准，并因此周期性地或至少部分地重复，可以允许对充电周期的更精确的控制，并具体地可以提供针对被允许通过主端子的峰值电流的更精确的控制。然后，峰值电流可以被设置为接近最大安全设计限制。在其他实施例中，可能不需要并且可能不包括对比较器进行校准。
对控制端子进行充放电的序列可以被称为“对”。在一个或更多个实施例中，序列还包括：对所述控制端子进行附加(N-1)对充放电，使得所述比较器在每一组对所述控制端子的N对充放电之间被校准。通过在每个校准间隔期间重复充放电对多次，在校准上花费较少的时间，由此支持对X-电容器的更快速的放电。在一个或更多个实施例中，对所述比较器进行校准包括将它的两个输入端均与公共地相连，然而，在其他实施例中，对比较器进行校准包括将它的输入与另一公共电平连接，例如通过将它们简单地连接在一起。
在一个或更多个实施例中，控制端子电流是所述控制端子放电电流的一半。提供控制端子充电电流与控制端子放电电流之间的固定比值可以允许设计通过功率开关的电容器-放电电流脉冲的形状。
在一个或更多个实施例中，所述的方法还包括将通过所述主端子的电流与比所述参考信号高的又一参考信号进行比较，并响应于通过所述主端子的电流比所述又一参考信号高而结束所述方法。由该比较器提供的比较可以由此提供安全功能；具体地，在实施例中，这可以防止功率开关的控制端子过充，使得在X-电容器已经被放电至相对低电压的特定低电压情况下，开关完全导通。
在一个或更多个实施例中，方法包括将所述序列禁用预定时间段。禁用序列可以由此防止充放电对针对预定时间段重启。这可以提供对于过压的安全保护，特别是在SMPS与干线电源反复重连的情况下。此外，方法还可以包括对栅极电压与高电压阈值(其可以指示由于来自电源的电压不足已经连续充电，以触发电容器放电电流)进行比较，并响应于栅极电压超过高电压阈值，启用栅极驱动器，以用正常操作模式来操作功率开关(具体地，对功率开关栅极完全放电)。
在一个或更多个实施例中，序列的持续时间固定。在其他实施例中，序列的持续时间可以取决于通过功率开关的电流脉冲的持续时间。具体地，可以在对所述控制端子放电之后立即对所述比较器进行校准，或者在其中在每个校准之间存在多个充放电对的实施例中，对所述控制端子放电之后可以立即开始后续充放电对。
根据本公开的另一方案，公开了一种开关模式电源的控制器，所述开关模式电源可以与干线电源连接并包括输入电容器和功率开关，所述功率开关具有控制端子和主端子，所述控制器包括：比较器，被配置为对通过所述主端子的来自所述电容器的电容器放电电流与参考信号进行比较；开关驱动器，用于控制功率开关；充电电流源；以及放电电流源；其中所述控制器被配置为响应于开关模式电源从干线电源断开连接，操作重复的序列，所述序列包括：通过至少所述充电电流源对所述控制端子充电，以部分地闭合所述功率开关，直至比较器指示所述电容器放电电流与参考电流相等；以及通过至少所述放电电流源来对所述控制端子放电。
一个或更多个实施例还可以包括安全比较器，所述安全比较器被配置为将通过所述主端子的电流与又一参考信号进行比较，并响应于通过所述主端子的电流大于所述又一参考信号立即对所述控制端子放电。
根据本公开的另一方案，提供了一种开关模式电源，包括如以上所阐述的控制器、功率开关和输入电容器。
参考以下描述的实施例，本发明的上述以及其它方面将是显而易见和明晰的。
附图说明
将仅以示例的形式参照附图来描述实施例，其中：
图1示出了输入滤波器和整流器的电路图；
图2示出了SMPS的简化框图；
图3示出了符合一个或更多个实施例的SMPS；
图4示出了根据一个或更多个实施例的PFC级；
图5示出了校准和调节间隔；
图6示出了根据一个或更多个实施例的来自PFC级实验测试的各种波形；
图7示出了根据一个或更多个实施例的来自PFC级实验测试的更多波形；
图8示出了一般功率MOSFET的特征工作曲线；
图9示出了根据一个或更多个实施例的PFC级和控制器；
图10示出了与图9的实施例相关联的各波形；以及
图11至14是根据本文公开的各实施例的方法的流程图。
应当注意，附图是示意性的并且不按比例绘制。在附图中为了清楚和便利，已经尺寸上放大或者缩小地示出了这些图的一部分的相对尺寸和比例。一般使用相同的附图标记在修改实施例和不同实施例中表示对应或类似的特征。
具体实施方式
图1示出了输入滤波器和整流器的电路图；电路100具有输入110，输入110具有带电端110a和中性端110b，以便与干线电压以及用于与保护接地112连接的保护接地端(未示出)连接，以及具有共模电感Lcm。在该示例输入滤波器中，存在次级地(即，去向SMPS的输入或次级侧的地)与相应电源端110a和110b之间连接的一对Y电容器(Y-电容器)Cy。输入滤波器被示为具有两个X电容器(X-电容器)Cx，它们与差分模式电感Ldm的任意一侧的输入端110a和110b连接。所示输入滤波器还具有连接在输入端的两端的一对串联连接的电阻器R1和R2。上述输入滤波器与包括二极管D1-D4的全桥接整流器相连，其输出与下一级相连，并在其两端具有平滑电容器C2。整流器输出的初级地侧114可以通过又一Y-电容器(未示出)与保护接地连接。由于保护接地10一般与次级地连接，该Y-电容器因此在初级和次级地之间提供短路径。
在所示的滤波器中，电阻器R1和R2可以提供两个功能。首先，在通过例如拔去该单元来断开干线的情况下，它们可以提供充当放电电阻器的功能，以降低输入端两端的电压。其次，电阻器可以提供瞬时电压感测，以实现欠压保护。
在这种滤波器中，在名义上无负载的条件下，用于对输入两端的电容放电的电流直接与，从输入提取出的附加功率相关。针对等于220nF-1μF的入口处的电容的一般值，为了实现干线电压从325V降至60V的放电时间小于等于2秒(需要1.7乘以RC时间常数τ的时间)，需要小于等于1.2MΩ的总电阻R1+R2；这一般将导致11-44mW的功耗，使用功率＝2302/R，R为1.2MΩ(1μF处)至4.8MΩ(220nF处)。
在符合本公开的一个或更多个实施例中，在断开干线电源时，不再需要R1和R2对残余存储的电荷进行放电；因此它们电阻的上边界不再适用，并且R1和R2(如果使用)可以被选为具有足够高的电阻，以提供对功率的可忽略的漏极。因此，根据符合本公开的一个或更多个实施例，可以提供R1和R2仅用于提供电压感测功能，例如用于实现欠压保护。
图2示出了开关模式电源200的简化框图。SMPS 200包括干线输入210，以及按顺序地，滤波器和整流器级220、可选功率因子校正(PFC)级240和作为转换器级的第二级260。可以在位于PFC级240和第二级260之间的节点与地之间连接电容器Cbus。
图3示出了符合一个或更多个实施例的开关模式电源。开关模式电源与干线电源310相连。干线EMI滤波器在315处被示意性示出，并包括输入电容Cin 316(其一般是或者包括X-电容器，由于Cin是端之间所见的总电容，因此包括X电容器(在图1中标号为2)-例如它还可以包括来自图1的Y-电容器Cy)。如所示，整流器级可以包括桥接整流器317，桥接整流器由四个二极管D1-D4组成。在桥接整流器317的DC侧可以是滤波电容器Cx，并形成功率因子校正级320的一部分。功率因子校正级包括电感器Lpfc 321和功率开关325，电感器Lpfc 321在桥接整流器317的DC侧与SMPS的可选第二级330之间连接，其间具有二极管Dpfc 322，功率开关325在电感器与地之间。功率开关具有控制端子326和主端子327、328。感测电阻器350与功率开关325串联布置。可以通过测量感测电阻器350两端的电压来确定通过功率开关325的电流。如所示，在功率因子校正级320的输出侧可能存在电容器Cboost。
如所示，SMPS包括控制器360和比较器380。如以下将更详细描述的，比较器380被配置为将通过开关的主电流路径(即，通过主端子327和328)的来自电容器Cin 316的电容器放电电流与参考电流390进行比较；控制器还包括开关驱动器370，以控制功率开关。在正常操作期间，开关驱动器370一般周期性地完全断开和完全闭合开关。同样如以下将更详细描述的，在电容器放电期间，驱动器370可以仅部分地闭合功率开关325。控制器还包括充电电流源372和放电电流源374；充电电流源372和放电电流源374分别以受控速率提供用来为功率开关的栅极充电的电流，并以第二受控速率速率对功率开关的栅极放电，第二受控速率可以与第一受控速率相同或不同。
图4更详细地示出了根据一个或更多个实施例的功率因子校正级，其中更详细地示出了控制器360中的功能块之间的互连。在图4中，整流干线电压被示意性地示为电压源410，电压源410与PFC电感器Lpfc321和PFC二极管Dpfc 322连接。在X-电容器放电模式期间，禁用正常栅极驱动器(附图中未示出)，并分别由两个电流源Ich和Idisch 372和374替代。在至少该实施例中，比较器380不直接将通过功率开关的电流与参考电流进行比较：而是它将感测电阻器350两端的电压与参考电压491进行比较。本领域技术人员将理解，感测电阻器两端的电压代表去向功率开关的电流，并且参考电压491可以替代于图3中390处所示的参考电流源而使用。概括地说，将指示通过功率开关的电流的信号与参考信号进行比较。
出现由校准间隔和一个或更多个调节间隔组成的各序列。如以下将更详细论述的，在一些实施例中，序列不包括校准间隔。由逻辑电路调节/校准440确定在任意时刻PFC是校准间隔还是调节间隔，逻辑电路调节/校准440可以包括时序电路(如以下将参照图5更详细论述的)。在校准间隔期间，比较器输入被连接在一起，并且具体地但非限制地可以被短接至地，而比较器遵循自动调零序列。本领域技术人员将熟悉对比较器进行自动调零的过程，以对其进行校准。在校准间隔以外，比较器的输入与感测电阻器Rsense 350以及参考电压源Vreg 491连接。
包括保持充电/放电状态的锁存器420。当来自校准/调节逻辑电路440的“校准”输出高电平时，在校准循环的开始，通过它的“复位”输入来对锁存器复位，即栅极驱动器被置为充电模式；然而仅在调节间隔期间启用实际充电过程。
在调节间隔的开始处，启用充电/放电电流。充电电流源372然后以受控速率对功率开关325的栅极充电。功率开关325的栅极-源极电压Vgs因此增加，并且开关开始闭合—也就是说，它部分地闭合，以允许电流在它的主端子327和328之间流动。随着Vgs增加，该电流增加直至它达到预定电流电平，该预定电流电平是通过在比较器380中对Vrsense与Vreg进行比较而设置的。一旦达到了该电平，则比较器输出高电平。该输出在“与”逻辑430中与调节/校准逻辑440的“调节”输出组合，并传送给锁存器420的“设置”输入；由此设置锁存器，并且通过放电电流Idisn来对栅极放电。在图4所示的实施例中，此刻未禁用充电电流Ich，所以放电电流与两个电流源之间的差异相等，即Idis＝Idisch-Ich。本领域技术人员将理解，在其他实施例中，在启用放电电流时可以禁用充电电流。充电/放电电流结合栅源电容可以确保通过功率开关的电流改变速率(di/dt的)以及因此电感器Lpfc 321具有足够低的漏极电流，使得不会发生功率转换或发生可忽略的功率转换。
因此，使用相对低的充电/放电电流的重复序列可以允许创建操作的脉冲模式，无需向输出的任何显著能量传送，同时脉冲模式还可以允许在SOAR要求和Rsense检测电平之间设置更好的优化。
图5分别示出了校准间隔510和调节间隔520。如可以从图5中看出的，在每个校准间隔之后存在一个调节间隔。然而，在其他实施例中，每个校准间隔之间可以具有两个或更多个调节间隔。可以例如通过包括又一比较器(图4中未示出)来实现这一点，以确定何时通过功率开关的电流已返回零，或合适的低电平，然后禁用放电电流源并在适当时重新启用充电电流源，以便在下一校准间隔前，将充放电对再重复一次或多次。在一个或更多个其它实施例中，可以通过检查Vgs 630何时达到接近零的电平(例如刚刚描述的比较器)来启用两个或更多个调节间隔，并且然后在等待间隔或延迟之后开始下一个充电-放电序列。包括等待间隔或延迟可以允许减少每单位时间的脉冲数，由此允许针对给定峰值电流的更低的平均电流。
图6示出了相对X轴或横轴上的时间绘制的根据一个或更多个实施例的来自PFC级实验测试的各种波形。从上开始波形是，在610处，通过功率开关325的漏极电流Idrain；在620和625处，分别与校准和调节间隔相对应的逻辑信号；以及在630处功率开关325的栅极电压Vgs。
首先看功率开关325的栅极电压Vgs，这在调节间隔的开端626处开始升高。通过充电电流302确定升高的斜率。在该充电期间的某一时刻，开关已经充分地闭合以开始传送漏极电流Idrain。如611处所示，漏极电流指数增加，直到它到达预定值，在预定值点处启用来自栅极的放电电流，并且栅极电压再次以预定速率(即，以由放电电流Idisn(或在放电期间禁用充电电流的情况下，Idisch)设置的预定斜率)开始下降。结果，通过功率开关325的主端子的漏极电流降至0。
在该间隔期间X-电容器上的电荷已经降低了与曲线610以下的区域相对应的量。如所示，重复该序列。如已经描述的，在包括校准级的实施例中，在每个校准级之间的调节级期间可以存在两个或更多个电流脉冲，而不仅是所示的单个脉冲。
图7示出了根据一个或更多个实施例的来自PFC级实验测试的更多波形。该附图再次分别示出了620和625处的校准间隔和调节间隔。在710处示出了功率开关漏极处的电压；该电压几乎恒定，表明在放电过程期间无功率转换。本领域技术人员将理解的是，在功率被转换的情况下，由于Dpfc 322将导通以增加Cboost上的电荷，710处的电压将在电流脉冲的结尾处出现上升：缺少电压上升因此指示未转换功率。还将理解的是开关725的漏极上的电压比Vbus低。
作为针对不同开关的不同栅源电容的结果，以及Vgs和Idrain之间的不同精确关系，即使不同的电路具有相同的额定设计，在这些电路之间漏极电流相对时间的形状可能在不同的电路之间而不同，结果，针对每个充放电对从X-电容器移除的电荷量可能改变。在调节间隔持续预定固定的时间的实施例中，这将导致平均电流和峰值电流之间的不同比值。然而，在一些应用中，可能存在最小平均电流的要求，原因在于该平均电流与X-电容器的值一同限定了放电时间。
在一个或更多个备选实施例中，在达到期望电流之后没有直接启动放电电流，但是一旦Vgs达到用来启用通过开关的计划峰值电流的电平，则停止充电电流。这可能允许峰值电流流动某一更长时间，使得可以更好地限定平均放电电流与峰值电流之间的比值。
如图6中所示，调节间隔可以具有固定时间；备选地，在一个或更多个实施例中，可能截止调节间隔，以在栅极被放电至漏极电流已经达到零或接近零的值的特定电平时就结束。这将提供使得更好地限定平均放电电流与峰值电流之间的比值的另一方法。本领域技术人员将理解，在这种实施例中，校准调节逻辑440可以包括锁存器电路，该锁存器电路在去向主端子的电流降至0时立即复位为开始后续校准间隔，或针对在校准时间间隔存在多个电流脉冲的实施例中，在第N个脉冲归零之后，复位为开始后续校准间隔。
本文所描述的电路可以用于在指定时间限制内对X-电容器放电。根据最大允许电压(即，要求放电降至的电压)，可能存在与功率开关本身的特性相关联的复杂情况。图8示出了可以被用作功率开关的一般功率MOSFET的特征工作曲线。曲线810、820...870针对下降的栅源电压Vgs的值示出了在y轴或纵轴上绘制的漏极电流Id与在x轴或横轴上绘制的漏极-源极电压Vds之间的关系。如810处所示，在相对高的Vgs处，漏极电流随着Vds单调增加，具有(几乎恒定)1/Rdson的斜率。然而，随着Vgs降低，漏极电流开始饱和。漏极电流的饱和值随着降低的Vgs而降低。
当漏极电压变得低于特定电平(在一般示例中，在Idrain＝2.5A处可能大约为1V)时，漏极电流降低，最终在Vds＝0处达到0，而与Vgs无关。当回路尝试找到合适的比较器电平时，这会导致远高于阈值的栅极电压。如果X-电容器放电功能在X-电容器完全放电时继续，则栅极将保持充电，直至充电电流由于不再有电流可以流过开关(即，Idrain近似为0)而饱和。
在此后重新连接干线的情况中，漏极电流将非常高，具有损坏开关的继发性风险。为了防止这种可能性，可能适于包括电路，以通过在输入侧(即，X-电容器两端)的电压降到安全电平时停止，来限制X-电容器放电。该安全电平可以依赖于应用，但是一般将是对于用户触摸干线电源插头(即在断开干线时，到电路的输入)无害的电平。
备选地或附加地，在一个或更多个实施例中，为了防止这种高漏极电流，包括第二比较器，该第二比较器将感测电阻器Rsense 350两端的电压与较高的电压(例如，在10-50mV的范围中)进行比较。这种电平可容易地检测，并通常将不需要对比较器的任何自动调零校准。检测到感测电阻器两端的这种相对高的电压将指示开关中的漏极电流为高。然后可以立即结束操作的X-电容器放电模式，并且开关返回常归(PFC)操作。结果，功率开关的栅极将快速放电，以断开开关并防止损坏。
图9示出了根据一个或更多个实施例的PFC级和控制器，包括这种第二比较器985，第二比较器985被布置为将感测电阻器Rsense 350两端的电压与第二或又一参考电压991进行比较。如所示，第二或又一参考电压991可以是50mV。在达到第二比较器电平的情况中，栅极被快速或突然放电。结果，未满足仅缓慢地对Vgs充电(以及作为结果，Idrain处的低di/dt)的条件，而且可能存在不期望的向Cboost的能量传送。如在图9中所示，在920处，可以包括时序电路，该时序电路在X-电容器的放电之后针对预定时间段或间隔禁用X-电容器放电电路。该时序电路确保去向Cboost的能量传送限于比由与Cboost相连的负载获取的能量低的电平，由此防止即使在干线在不久之后彼此重连若干次的情况下在Cboost处进一步的电压升高；由此可以防止Cboost的过压和损坏。除比较器380以外还示出了第二比较器985，其被用于通过将放电电流与参考电压491进行比较来确定放电电流。如所示参考电压491可以是10mV。
图9中所示的PFC级和控制器被配置并布置为操作不包括校准间隔的方法。如图9中所示，申请人已经在实验原型实施方式中建立了可以不需要校准级；在一些实施例中，与未校准的比较器相关联的“零漂(zero-drift)”的电平是可接受的。
图9的电路包括又一第三比较器986，该又一第三比较器986将开关的栅极处的栅极电压与阈值电压Vth 992进行比较。如上所述，该比较器被用于确定已经对栅极充分地放电，以结束充放电对。最后，如所示电路可以包括第四比较器987，第四比较器987对栅极电压与高电平993进行比较。高电平993可以如图所示接近电源电压。该比较器可以被用于感测以下条件：由于来自电源的用来触发电容器放电电流的电压不足，已经连续对栅极充电。如940处所示，控制器的逻辑电路然后可以启用栅极驱动器910，以用正常操作模式来操作功率开关，并具体地对功率开关栅极完全放电。如所示，逻辑940可以通过启用驱动器逻辑子电路905来启用驱动器电路910。还可以启用时序电路，该时序电路针对预定时间段或间隔禁用X-电容器放电电路。
图10分别在曲线1010和1020处示出了与Rsense两端的电压和功率开关栅极处的电压相对应的波形。如所示，朝向附图的左手测，如由通过感测电容器两端的电压1010测量的，栅极电压随着栅极通过栅极充电电流源372充电而上升，直至如在通过主端子的电流中的尖峰所示开关开始导通。一旦电流达到预设电平，则通过放电电流源374对栅极放电。对栅极放电，使得它的电压下降。一旦电压降至接近零的值(例如图9中的Vth)，则逻辑940在后续充电-放电对开始之前引入延迟1031。该延迟一般可以在2ms-10ms之间，并在特定实施例中为4ms。图10示出了两个完整的充电-放电对，如两个脉冲1011和1012所示。
在第三充电循环时，对栅极充电，但是X-电容器上的电压不足以驱动通过开关的电容器放电电流。于是，不出现通过开关的电流脉冲；结果，不存在开始对栅极放电的信号。因此，如1021处所示，栅极继续充电，并且它的电压持续升高。由此驱动硬“导通”开关。栅极电压继续增加，直到它达到高电压电平993(例如，如图9所示，电源电压减Vth)。如图10中1022处所示，一旦达到了该高参考电压，则逻辑940启用栅极驱动器910的正常操作模式(通过启用驱动器逻辑905)，其通过立即对栅极放电来快速断开开关。
一旦出现快速放电、延迟或等待时间，则在重新开始对开关栅极充电-放电的放电序列之前，开始1032。该等待可以例如在50ms至250ms之间。在特定实施例中，发现120ms的等待时间是有效的。等待时间可以被设置为足够小，以确保不将X-电容器放电时间扩展至超出例如满足调整的需要所需(这一般可以是1-2s)。相反，可以将其设置为足够长，以防止反复达到高参考。在其他情况中，这一点的反复发生，以及具体地与开关的快速断开相关联的能量传送可能导致总线电压(Vbus)的增加。在未从开关模式电源提取出任何负载并因此不打算减小Vbus的电压的情况下，这会潜在地导致Vbus的过压。可以通过引入延迟来避免这一点。
如图10中所示，在延迟的结尾处，通过开启栅极充电电流源372来重启X-电容器放电过程。在图10中所示的特定示例中，用户已经在栅极电压足够高之后尝试重新连接干线，以产生电流脉冲1011、1012的峰值。作为干线连接的结果，在斜率di/dt(1014)达到电平991的情况下，开关将完全导通。
于是，在1024处所示的开关的快速断开触发了1033处所示另一等待周期的开始，另一等待周期防止在Cboost处电压增强。如由脉冲1015所示，在该等待周期的结尾，再次启用X-电容器放电过程，并且放电继续。
图11示出了根据本文公开的一个或更多个实施例的方法的流程图。该方法包括步骤1110：对功率开关的控制端子充电，直至通过功率开关主端子的电流达到预定电平。然后，方法继续，在920处，对功率开关的控制端子放电。重复充放电的序列。
图12示出了根据一个或更多个实施例的另一方法的流程图。除在充电控制端子与放电控制端子的步骤之间引入延迟1115以外，该方法与图11中所示的方法类似。如以上所述，通过引入延迟，能够更接近地控制在一个或每个充电-放电功率期间从X-电容器移除的电荷量。
图13示出了根据一个或更多个示例性实施例的附加方法的流程图。除对控制端子1120充电和对控制端子放电的步骤1110之前引入对比较器进行校准的步骤以外，该方法与图11中所示的方法类似。
最后，图14示出了根据一个或更多个实施例的另一方法的流程图。除该序列包括对控制端子充电-放电的多个对以外，该方法与图13中所示的方法类似。因此，如图14中所示，序列包括一系列N个充电-放电步骤1110和1120，在此之间具有单个校准步骤1130。重复该完整序列。
与图11中所示的方法类似，图13和14中所示的方法均可在对控制端子充电的步骤和对控制端子放电的步骤之间包括延迟1115(未示出)。
根据阅读本公开，本领域普通技术人员将会理解其他变化和修改。这些变化和修改可包括电源和安全电路技术中已知的、可用于替代或增加到本文已公开特征的等同和其他特征。
具体地，功率开关325可以是功率MOSFET，或具有不提取足够电流的控制端子(例如栅极)和主端子的其他合适开关设备，并且该其他合适开关可以被驱动为完全断开(例如，对于常规动作的要求)以及部分断开，并且与它完全断开状态相比具有在主端子之间的更低的跨导。这种备选合适开关设备的示例可以是在具有栅极-驱动MOSFET的级联配置中布置的GaN功率开关。
虽然附带的权利要求针对特征的特定组合，但是应该理解的是，本发明的公开范围还包括这里明确或隐含公开的或由此归纳的任何新特征或特征的任何新组合，不管其是否涉及与任何权利要求中当前所要求保护的发明相同的发明或是否如本发明一样解决了部分或全部的相同技术问题。
还可以结合单个实施例提供分离的实施例中的上下文中描述的特征。相反的，单个实施例的上下文描述的不同特征也可以分别地提供，或以适当的子组合来实现。申请人应当注意，在本申请或从其导出的任意申请的执行期间，可以为这些特征和/或这些特征的组合构想出新权利要求。
为了完整的目的，还应指出，术语“包括”不排除其它元件或步骤，单数术语不排除复数，单个处理器或其它单元可以完成在权利要求中描述的若干装置的功能，并且权利要求中的标号不应被解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表
100 输入电路
110 干线输入
110a 带电端
110b 中性端
112 保护接地
114 初级侧地
200 SMPS
210 干线输入
220 滤波器和整流器级
240 PFC级
260 转换器级
310 干线电源
315 EMI滤波器
316 电容器Cin
317 桥接整流器级
320 PFC级
321 电感器Lfpc
322 二极管Dpfc
325 功率开关
326 功率开关控制端子
327、328 功率开关主端子
330 第二级
350 电阻器Rsense
360 控制器
370 开关驱动器
372 充电电流源
374 放电电流源
380 比较器
390 参考电流
410 电压源
420 锁存器
430 “与”逻辑
440 逻辑电路调节/校准
474 放电电流源
491 参考电压Vreg
510 校准间隔
520 调节间隔
610 漏极电流
611 增加漏极电流
620 逻辑信号校准
625 逻辑信号调节
626 调节间隔的开始
630 Vgs
710 功率开关漏极电压
810、820…870 漏极电流Id
905 启用驱动器逻辑
910 栅极驱动器
920 定时器
940 逻辑
985 第二比较器
986 第三比较器
987 第四比较器
991 第二或更多参考电压
992 阈值电压
993 高电压电平
1010 Rsense两端的电压
1011、1012 电流脉冲
1014 电流脉冲
1020 PFC开关栅极电压
1021 升高的栅极电压
1022 快速降落的栅极电压
1023 升高的栅极电压
1024 快速降落的栅极电压
1031、1032、1033 延迟
1110 对控制端子充电
1115 延迟
1120 对控制端子放电
1130 对比较器进行校准

Claims (15)

1.一种对开关模式电源的输入电容器进行放电的方法，所述放电是通过功率开关并且响应于开关模式电源从干线电源断开连接进行的，所述开关模式电源包括功率开关和所述输入电容器，所述功率开关具有控制端子和主端子；
所述方法包括重复的序列，
所述序列包括：
对所述控制端子充电，以部分闭合所述功率开关，直至所述比较器指示通过所述主端子的来自所述电容器的电容器放电电流与参考信号相等；以及
此后对所述控制端子放电，由此停止所述电容器放电电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述比较器指示通过所述主端子的电流与参考电流相等之后立即开始对所述控制端子放电。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述序列还包括：对所述比较器进行校准。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述序列还包括：对所述控制端子进行附加(N-1)对充放电，使得所述比较器在每一组对所述控制端子的N对充放电之间被校准。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中对所述比较器进行校准包括：将它的两个输入端均与公共地相连。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述控制端子充电电流是所述控制端子放电电流的一半。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，还包括：将通过所述主端子的电流与比所述参考信号高的又一参考信号进行比较，以及响应于通过所述主端子的电流比所述又一参考信号高而结束所述方法。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，结束所述方法包括：将所述序列禁用预定时间段。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述序列的持续时间是固定的。
10.在权利要求5至7不引用权利要求4时根据权利要求5至7中任一项或根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在对所述控制端子放电之后立即对所述比较器进行校准。
11.根据权利要求4或在权利要求5至7引用权利要求4时根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，在序列期间第1次至第(N-1)次对所述控制端子放电之后立即开始对所述控制端子充电，并且所述比较器在序列期间第N次对所述控制端子放电之后立即对所述比较器进行校准。
12.一种用于开关模式电源的控制器(360)，所述开关模式电源可与干线电源连接并且包括输入电容器(Cx)和功率开关(325)，所述功率开关具有控制端子(326)和主端子(377,378),
所述控制器包括：
比较器(380)，被配置为将通过所述主端子的来自所述电容器的电容器放电电流与参考信号(390)进行比较；
开关驱动器(370)，用于控制所述功率开关；
充电电流源(372)；以及
放电电流源(374)；
其中，所述控制器被配置为响应于所述开关模式电源从干线电源断开连接，操作重复的序列，
所述序列包括：
通过至少所述充电电流源对所述控制端子充电，以部分地闭合所述功率开关,直至比较器指示所述电容器放电电流与参考电流相等；以及
通过至少所述放电电流源来对所述控制端子放电。
13.根据权利要求11所述的控制器，还包括：安全比较器，所述安全比较器被配置为将通过所述主端子的电流与又一参考信号进行比较，并响应于通过所述主端子的电流大于所述又一参考信号立即对所述控制端子放电。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，或根据权利要求12或13中任一项所述的控制器，其中所述功率开关是功率MOSFET。
15.一种开关模式电源，包括：
根据权利要求11或12中所述的控制器；
功率开关；以及
输入电容器。
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