CN106486989B - 为具有浪涌电流行为的负载供电 - Google Patents

Abstract

提供了关于为具有浪涌电流行为的负载供电的设备和方法，例如在电路上电时对电容进行充电。提供交替方式使用的第一负载路径和第二负载路径。

Description

为具有浪涌电流行为的负载供电

技术领域

本发明涉及用于为具有浪涌电流行为的负载供电的方法和设备，例如用于对电容器(例如，包括在将由电源供电的负载中的电容器)充电。

背景技术

当在包括一个或多个电容器的系统上接通电源时，直到被充电具有相比较低的欧姆阻抗而产生高电流为止，这还称为浪涌电流。这种电容器可以包括分立电容器、集成电路中的电容器或寄生电容。例如当接通灯泡时，会发生类似的效应。虽然灯泡的灯丝仍然是冷的，但其具有非常低的阻抗，导致大的浪涌电流。只有当灯丝通过所提供的电流而充分加热时，阻抗增加。各种方法被用于解决该问题并限制浪涌电流，例如防止所使用部件和设备的过热和可能的损伤。然而，传统方法具有各种缺陷。例如，在一些方法中，使用电流限制，其中在饱和区域中操作被用作电源开关的单个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。由于MOSFET的各种特性，这种方法难以被最新的MOSFET技术所使用。在其他方法中，电阻器用于限制电流。在这种方法中，通常在正常操作中需要又一开关来旁路电阻器。在一些实施方式中，这种电阻器所需的面积以及相关的成本会相对较高。

在US 6,225,797 B1、US7,787,271 B2、EP 0 569 883 A1、EP 2 398 146 A2或WO00/21176A1中讨论了关于限制这种浪涌电流的各种方法。

因此，目的在于提供用于为上述具有浪涌电流行为的负载供电 (例如，用于为电容器充电或为灯泡供电)的改进的可能性。

发明内容

提供了在权利要求1或11中限定的设备。

此外，提供了在权利要求14中限定的方法。从属权利要求限定了又一些实施例。

附图说明

图1是示出实施例的示意性框图。

图2是示出实施例的示意性电路图。

图3是示意性示出用于图2的实施例的各种示例性信号的示图。

图4示出了比较示例的仿真电路。

图5示出了用于比较示例的仿真结果。

图6示出了用于仿真实施例的仿真电路。

图7示出了用于图6的电路的仿真结果。

图8示出了根据实施例的方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述各个实施例。这些实施例仅是示例性的而不用于限制。例如，虽然实施例被描述为包括多个特征或元件，但这不表示所有这些特征需要用于实施。代替地，在其他实施例中，这些特征或元件中的一些可以省略和/或被可选特征或元件代替。此外，可以提供明确描述的附加特征或元件，如半导体器件的传统特征或元件，因为以下描述集中于理解各个实施方式所需的那些特征或元件。

不同实施例的特征可以组合来形成又一些实施例。相对于一个实施例描述的变化或修改还可以应用于其他实施例。

图中示出或本文描述的元件或部件之间的任何直接连接或耦合 (即，不具有附加中间元件的连接或耦合)还可以被间接连接或耦合(即，具有一个或多个中间元件的连接或耦合)来代替，反之亦然，只要基本保持连接或耦合的一般功能即可，例如传输特定种类的信号或信息或者引起特定反应。连接可以是基于有线的连接或无线连接，除非另有指定，尽管在许多实施方式中电流或电荷可以经由基于有线的连接来传输。

在一些实施例中，具有浪涌电流行为的负载可以经由包括第一开关的第一负载路径和包括第二开关的第二负载路径来提供。第一和第二开关可以以交替方式打开和闭合，在一些实施例中具有一些重叠。在一些实施例中，第一和第二开关可以是闭合时饱和操作的 MOSFET开关。第一负载路径和第二负载路径之间的切换频率可以根据第一和第二开关的热稳定性来选择以避免热过载。

本申请中的浪涌电流行为可以表示在提供电流(本文也称为充电)的开始处负载显示出低阻抗(例如，10Ohm以下或者1Ohm以下)，而在一些时间之后阻抗增加的行为。在一些时间之后，阻抗的时间依赖性可以为零，或者有效地接近零；这通常称为达到稳定状态。在温度状态下，电流可以达到稳定状态值。例如，本申请中的浪涌电流行为可以表示充电期间的负载电流的峰值达到大于负载电流的稳定状态值的1.5倍或2倍或2.5倍或10倍的行为。

电容元件可以呈现浪涌电流行为。这里，负载路径可用于电容元件的充电目的。

具体示例是电容的充电，其被充电直到针对DC电流具有相对较低的欧姆阻抗，而在稳定状态下充电具有非常高的欧姆阻抗(主要与泄露电流无限分离)。另一示例是灯泡的熔丝，其接通时是冷的，因此可具有非常低的阻抗，而当被电源电流加热时具有充分高的阻抗。

现在参照附图，图1是示出根据实施例的设备的示意性框图。

图1的设备包括负载11，其具有由电源10提供的浪涌电流行为。负载11例如可以包括电容，其例如可通过由电源10供电的负载、由电源10供电的电子电路的一个或多个电容器形成。负载11还可以包括电线，如灯泡的熔丝。电源10可以是任何适当的电源，例如移动应用中的电池、电源适配器等。

当接通图1的设备时，如上面所解释的，负载11针对特定时间 (例如，直到充电或加热，例如直到达到稳定状态)。具体地，这种状态下简单将负载11连接至电源10会导致大电流，这例如又会引起设备的过热。

在图1的设备中，负载11可以经由包括第一开关13的第一负载路径15和/或经由包括第二开关14的第二负载路径16来提供。第一和第二开关13、14可以是如下开关：在闭合状态下传导达到特定饱和电流的电流，因此可具有电流限制特性。例如，开关13、14可以是MOSFET开关(金属氧化物半导体场效应晶体管)或类似的在饱和区域中操作的基于晶体管的开关。

控制器12被设置为控制第一和第二开关13、14的打开和闭合。控制器12例如可以硬件、软件、固件或它们的组合来实施。例如，控制器12可包括被编程以相应地控制开关13、14的处理器，或者可以包括硬有线逻辑和/或专用集成电路(ASIC)以控制开关13、14。在实施例中，控制器12用于以交替方式闭合开关13、14，使得经由第一负载路径15和第二负载路径16交替地为负载11供电。在一些实施例中，选择用于在负载路径15、16之间切换的切换频率，使得防止了开关13、14的过热或其他不期望的操作。精确的切换频率或切换时间可取决于用于实施开关13、14的技术，并且例如可以通过开关13、14的实验特性描述来确定，例如通过在各种持续时间内向与开关13和/或14的类型对应的类似的开关施加电流以确定哪个持续时间具有对开关的热损害的充分低的危险。

在一些实施例中，以这种方式，向负载11提供电流可以保持基本恒定，直到负载11达到具有较高阻抗的状态，例如在电容的情况下被充电或者在灯泡的熔丝的情况下被加热。在该阶段之后，一个或两个开关13、14可以保持闭合来在正常操作中向包括负载11的电路或设备提供电能。在一些实施例中，可以选择饱和电流，使得用于对应开关13、14的应力(例如，由于温度变化)被最小化。如上所述，经由芯片的管脚(例如可以经由这些管脚控制开关13、14) 这种供应可用于启动，但是在一些实施例中也可以由用户手动激活。

在一些实施例中，以轻微的重叠执行交替切换以避免两个开关 13、14同时打开的状态。例如，对于系统中的噪声和/或电能消耗是有利的。在其他实施例中，可以提供间隙以提供在开关13、14的交替闭合之间开关13、14同时打开的状态。在一些实施例中，这可以帮助降低电源10的负载。

接下来，参照图2至图8，将示出和描述各种又一些实施例。为了易于描述，在这些实施例中，电容负载被用作具有浪涌电流行为的负载的示例。然而，应该理解，图2至图8的技术和设备还可以应用于具有浪涌电流行为的其他负载，例如灯泡的熔丝。

图2是示出根据实施例的设备的电路图。图3是示出用于图2 的设备的示例性信号的示图。然而，图3的示例性信号仅仅是示意性的示例，并且根据实施信号波形而不同。

在图2中，电容器22可以经由第一负载路径27和/或第二负载路径28被电池21充电。数字20表示地。电池21仅仅是用于任何适当种类的电源的示例。电容器22可以是一个或多个电容器的表示，例如包括电路中的寄生电容器。

第一负载路径27包括第一MOS晶体管23，其经由第一缓冲器 25被第一控制信号IN1控制。第一MOS晶体管23用作第一开关，用于将第一负载路径27接通和断开。此外，第二负载路径28包括第二MOS晶体管24，其经由第二缓冲器26被第二控制信号IN2控制。第二MOS晶体管24用作第二开关，用于将第二负载路径28接通和断开。关于这点，接通状态(或闭合状态)表示电流可经由相应的负载路径流动或者开关至少达到例如通过开关的饱和电流确定的最大电流的状态，而断开状态(或打开状态)表示基本没有电流 (例如与不期望的泄露电流分离)可经由负载路径或开关流动的状态。

将使用图3所示的示例性信号来解释图2的电路的操作。提供这些信号仅用于说明的目的，并且不用于限制。图3中的曲线30示出了用于第一控制信号IN1的示例。曲线31示出了用于第二控制信号IN2的示例。在所示示例中，IN1和IN2是脉冲信号，它们交替地闭合第一MOS晶体管23和第二MOS晶体管24。在实施例中选择IN1和IN2的脉冲宽度t_pulse小于最大值t_max。t_max例如可以根据MOS晶体管23、24的实施来确定，使得对于小于t_max的脉冲时间，MOS晶体管23、24可以在安全操作区域(SOA)中进行操作。例如，当在该区域中进行操作时，可以避免由于热应力(如过热或其他不利影响)所引起的MOS晶体管23、24的损伤。可以选择控制信号IN1、IN2，使得(例如，接通状态下的IN1、IN2的电压)在接通状态下，晶体管23、24在饱和区域中操作。然后，晶体管23、24的饱和电流有效地组成将负载电流限制到电容器22的电流限制。曲线32示意性示出了经由第一负载路径27的电流(即，由于信号IN1的切换)，并且曲线33示出了经由第二负载路径28的电流(例如，由于信号IN2的切换)。实线34示出了基本恒定的总电流。如稍后参照图6和图7说明的，在一些实施例中，一些重叠可以在信号IN1、IN2的接通时间之间，使得确保晶体管23、24中的至少一个总是接通，并且电流从不降至0。在一些实施例中，这可以减小电流瞬变，并且电压边缘又可以帮助限制电能消耗并限制电流供应中的干扰。在这种情况下，在晶体管23、24的接通状态之间的“重叠”期间，小尖峰可发生在总电流24中。在其他实施例中，可以提供间隙，其中两个晶体管23、24在晶体管23、24的对应接通之间断开。

曲线35示出了电容器22处的电压随时间变化的示例。由于恒定的负载电流(曲线34)，电容器22处的电压基本上线性增加直到充电完成，此时电压变得恒定并且达到稳定状态。

为了示出了一些实施例的效果，接下来将参照图4至图7描述比较示例和实施例的仿真。图4示出了使用单个负载路径的比较示例的仿真环境，该负载路径具有在栅极处通过控制电压42控制的单个晶体管41。电源40用于经由晶体管41向电容器43充电。数字 44表示用于确定温度的仿真环境。

在图4的仿真示例中，晶体管41是具有24mm²的面积的 MOSFET，并且电容器34的电容是10mF。可以看出，在图4的示例中，如其他电路元件(如电阻器和电感器)一起提供电容器34。

为了充电晶体管43，在保护区域中操作MOSFET 41以限制电流。

图5示出了用于图4的仿真环境的仿真结果。曲线50示出了晶体管41的结处的电流，曲线51示出了负载电流，曲线52示出了电容器43处的电压。可以看出，负载电流被限制为大约85A。温度上升大约80K达到大约168K。减小这种温度上升的可能性可以限制电流(例如，通过相应地控制晶体管41的栅极电压)。然而，这会导致晶体管41在热不稳定区域中操作，并且延长了充电持续时间，这还会不利地影响甚至损坏晶体管41。

图6示出了用于仿真根据实施例的设备的仿真环境。在图6的仿真环境中，提供两个负载路径，一个经由第一晶体管62，一个经由第二晶体管64。第一晶体管62通过第一栅极电压源61来控制，并且第二晶体管64通过第二栅极电压源63来控制。在该仿真示例中，晶体管62、64中的每一个都是具有12mm²的有效面积的晶体管，使得总有效面积与图4和图6的仿真环境相同(在图4中，一个晶体管具有24mm²，在图6中，两个晶体管分别具有12mm²的面积)。在图6的仿真环境中，通过电源60来对电容器65充电。类似于图4 中的电容器43，为了仿真的目的，电容器65是10mF电容器。数字 66表示用于晶体管62、64的温度的仿真环境。

图7示出了用于图6的仿真环境的仿真结果。曲线70和71分别示出了用于晶体管62和64的温度。曲线72、73分别示出了经由第一和第二晶体管62、64的充电电流。曲线74示出了总电流。曲线75示出了电容器65处的电压。

在图6和图7的仿真示例中，晶体管62、64被控制为以交替方式(具有一些重叠)打开和闭合，使得在短时间内，在负载路径之间的每次切换时，两个晶体管62、64均接通。这可以从曲线72和 73之间的轻微重叠以及曲线74中的小尖峰中看出。如已经讨论的，这防止了负载电流降至0，这会减小电流瞬变和电压边缘，并且减少了否则例如会导致部件的较快老化的电能消耗。如已经提到的，在其他实施例中，晶体管62、64可以以交替方式控制打开和闭合，使得可以在晶体管62、64的交替闭合之间设置两个晶体管62、64均打开的“间隙”。这种实施例可以减小所使用电源的负载。因此，可以根据应用和所使用的部件来选择切换方案。

此外，从曲线70和71可以看出，最大温度减小至大约130℃ (与用于曲线50的80K的温度差相比，对应于大约45K的温度差)。因此，可以减小温度差而不会长时间在饱和范围中操作晶体管。这可以更好地使用晶体管的热耦合。

可以看出，与图5相比，在图7中，电流较低且充电时间较长。这是因为通过图7的切换方案，可以在具有相对较低电流的饱和中的安全操作区域(SOA)中操作晶体管62、64，因为晶体管62、64 的接通时间可以基本自由选择(通过相应地调整切换频率)。相反，在图5中，电流必须选择得较高，以能够对电容器完全充电，同时饱和地操作晶体管41以及仍然在晶体管41的SOA中。

应该注意，图4至图7的仿真示例仅仅是为了更好地示出一些实施例的一些特征，而不用于限制。具体地，在其他实施方式中，尺寸(如晶体管的面积)可以不同，并且信号波形可以不同于为了说明目的而示出的仿真波形。

图8示出了根据实施例的方法。可使用上面参照图1至图7描述的实施例来实施图8的方法，并且关于图1至图7的设备讨论的细节、变化和修改还可应用于图8的方法。然而，使用图8的方法不限于图1至图7所示的设备。虽然图8的方法被描述和示出为一系列动作或事件，但这些动作或事件被描述的顺序不用于限制，在其他实施例中，可以使用其他顺序，或者可以同时执行各种动作或事件。

在80中，该方法包括：提供用于为具有浪涌电流行为的负载(例如，电容)供电的第一负载路径。第一负载路径例如可以包括第一开关，如图1的开关13或图2的开关24。在81中，该方法包括：提供用于为负载供电的第二负载路径。第二负载路径可以包括第二开关，如图1的开关14或图2的开关23。在82中，该方法包括：经由第一和第二负载路径交替地为负载供电，例如通过交替地接通和断开第一和第二负载路径。这可以如前所说明的进行，例如以重叠方式进行以确保至少一个负载路径总是接通，或者在它们之间具有间隙。负载例如可以通过一个或多个电容器(可能包括寄生电容器)或通过灯泡的熔丝来形成。

应该注意，虽然描述了具有两个负载路径的实施例，但可以提供多于两个的负载路径。此外，虽然一些实施例示出了高侧开关耦合在正电源电压和负载之间，但本文公开的技术还可以应用于低侧开关，例如在负电源电压或地与负载之间。上述实施例仅仅是示例性的而不用于限制。

Claims (20)

1.一种供电设备，包括：

第一负载路径，被配置为连接在电源端子和具有浪涌电流行为的负载之间，所述第一负载路径包括第一开关，

第二负载路径，被配置为连接在所述电源端子和所述负载之间，所述第二负载路径包括第二开关，以及

控制器，被配置为在多个交替循环中交替地打开和闭合所述第一开关和所述第二开关，以在所述供电设备的启动期间为所述负载供电。

2.根据权利要求1所述的供电设备，其中所述控制器还被配置为分别在所述第一开关和所述第二开关的接通状态下在饱和区域中操作所述第一开关和所述第二开关。

3.根据权利要求1所述的供电设备，其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关包括场效应晶体管开关。

4.根据权利要求3所述的供电设备，其中所述场效应晶体管开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管。

5.根据权利要求1所述的供电设备，还包括耦合至所述电源端子的电源。

6.根据权利要求1所述的供电设备，还包括所述负载，所述负载包括电容和熔丝中的至少一个。

7.根据权利要求6所述的供电设备，其中所述电容包括电容器和待由耦合至所述电源端子的电源供电的设备的寄生电容中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的供电设备，其中所述控制器被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的交替打开和闭合，使得所述第一开关和所述第二开关的闭合阶段重叠。

9.根据权利要求1所述的供电设备，其中所述控制器被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的交替打开和闭合，使得所述第一开关和所述第二开关的闭合阶段通过所述第一开关和所述第二开关均打开的间隙来分离。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的供电设备，其中所述控制器被配置为基于所述第一开关和所述第二开关的热稳定性确定所述第一开关和所述第二开关的接通状态的持续时间。

11.一种供电设备，包括：

电源，

至少一个负载，具有浪涌电流行为，

第一金属氧化物半导体场效应晶体管，耦合在所述电源和所述至少一个负载之间，

第二金属氧化物半导体场效应晶体管，与所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管并联耦合在所述电源和所述至少一个负载之间，以及

控制器，被配置为向所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极端施加信号以在所述供电设备的启动期间、在多个交替循环中交替地打开和闭合所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管。

12.根据权利要求11所述的供电设备，其中所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管在饱和区域中操作以限制负载电流。

13.根据权利要求11或12所述的供电设备，其中所述控制器被配置为控制所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管，使得所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的接通状态重叠。

14.根据权利要求11或12所述的供电设备，其中所述控制器被配置为控制所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管，使得所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的闭合阶段通过所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管和所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管均打开的间隙来分离。

15.一种供电方法，包括：

在电源和具有浪涌电流行为的至少一个负载之间提供第一负载路径，

在所述电源和所述至少一个负载之间提供第二负载路径，以及

启动所述至少一个负载，其中启动所述至少一个负载包括在多个交替循环中经由所述第一负载路径和所述第二负载路径交替地为所述至少一个负载供电，并且其中所述交替地为所述至少一个负载供电包括：交替地打开和闭合所述第一负载路径中的第一开关和所述第二负载路径中的第二开关。

16.根据权利要求15所述的供电方法，其中交替地打开和闭合所述第一开关和所述第二开关包括：控制所述第一开关和所述第二开关，使得所述第一开关和所述第二开关的闭合阶段重叠。

17.根据权利要求15或16所述的供电方法，其中所述交替地打开和闭合所述第一开关和所述第二开关包括：闭合所述第一开关和所述第二开关，使得所述第一开关和所述第二开关在饱和区域中操作。

18.根据权利要求15所述的供电方法，其中所述交替地打开和闭合所述第一开关和所述第二开关包括：控制所述第一开关和所述第二开关，使得所述第一开关和所述第二开关的闭合阶段通过所述第一开关和所述第二开关均打开的间隙来分离。

19.根据权利要求15所述的供电方法，其中所述第一开关和所述第二开关包括场效应晶体管开关，并且所述交替地打开和闭合所述第一开关和所述第二开关包括：向所述第一开关和所述第二开关的栅极端施加脉冲信号。

20.根据权利要求19所述的供电方法，其中所述脉冲信号具有小于由所述场效应晶体管开关的热稳定性确定的最大长度的脉冲长度。