CN108370216A - 启动时具有零电流的开关功率转换器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有上电复位(POR)电路的开关功率转换器，该电路在电源电压超过POR阈值电压之前基本上不释放电流。

Description

启动时具有零电流的开关功率转换器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年10月26日申请的美国临时申请No.62/246,603的权益。
技术领域
本申请涉及功率转换器，并且更具体地，涉及在启动时具有零电流的开关功率转换器。
背景技术
开关功率转换器、例如反激式转换器或降压转换器，在启动时需要注意事件顺序，以确保开关功率转换器和从开关功率转换器接收功率的任何设备都可靠和安全地运行。因此，传统的开关功率转换器包括上电复位(power-on-reset，POR)电路来管理启动过程。图1中示出了包括POR电路105的示例开关功率转换器100。输入电压V_IN(例如AC(交流)电源的整流输入电压)通过启动电阻R1驱动电源电容C1，以产生电源电压V_CC。POR电路105监测V_CC电压，以确定在通过对POR输出信号(POR_OUT)的断言来开始启动开关功率转换器100中的功率级110之前V_CC电源电压是否足够高。控制器115通过启动功率级110内的功率开关的循环，以驱动输出电压V_OUT来响应POR输出信号的断言。在功率开关的循环期间，另一通路(例如反激式转换器实施例中的辅助绕组)支持V_CC电源电压。
但是，直到POR电路105断言POR输出信号，功率开关的循环才会发生。而POR电路105在断言POR输出信号之前监测电源电压V_CC，汲取放电至地的POR电流(I_POR)。POR电流的大小直接影响启动过程中所需的延迟，直到电源电压V_CC达到POR阈值。图2中更详细地示出了POR电路105对POR电流的放电。关于图1，来论述启动电阻R1和电源电容C1。POR电路105通过由电阻R2和电阻R3的串联组合形成的分压器，对电源电压V_CC进行采样，从而产生电阻R3两端的V_CC的分压。电阻R4和齐纳二极管D1的串联组合产生齐纳二极管D1两端的参考电压，比较器U1与V_CC的分压进行比较。响应于V_CC的分压超过参考电压，比较器U1断言POR输出信号(POR_OUT)。虽然这种POR操作是常规的，但分压器会将POR电流(I_POR)放电至地。
参考图3可以更好地理解来自POR电流的负载，图3示出了启动期间的V_CC波形。施加输入电压后，V_CC开始以斜率上升，该斜率主要取决于R1的电阻、C1的电容和POR电流的幅度。随着POR电流增大，V_CC上升斜率减小，这使V_CC超过POR阈值之前所需的延迟时间延长了。此时，由于POR输出信号断言所启动的控制功能的功耗，V_CC下降。随着功率开关循环并驱动输出电压，V_CC将稳定下来。
关于此POR过程，值得注意的是，通常必须设计开关功率转换器，以满足将输出电压调节到所需输出电压容差内的启动计时要求(最小V_OUT调节时间)。要达到这样的计时要求，当然要受到来自POR进程的延迟的影响。因此希望缩短V_CC超过POR阈值所需的时间。然而，在POR进程延迟上实现这样的减少将面临几个障碍。例如，即使当输入电压处于某个最低要求值时，也必须满足最小V_OUT调节时间。尽管通过降低启动电阻R1的电阻，可以实现输入电压的相对低值，从而加速POR进程。但这样的电阻降低会增加功耗，其降低了操作效率和系统可靠性。为了在保持效率的同时提供低电阻，传统的方法是在POR工艺完成后将启动电阻去耦，例如通过关断耗尽型场效应晶体管(FET)将其隔离。但是这增加了成本和复杂性。可选地，可以减小电源电容C1的电容，但是该电容已经足以在启动期间给内部控制电路供电，使得电容具有明确限定的最小值。
因此，在本领域中需要具有降低功耗和提高操作速度的开关功率转换器上电复位电路。
发明内容
为了在减少启动过程的持续时间的同时提供降低的功耗，提供了开关功率转换器上电复位(POR)电路，该电路直到响应于超过POR阈值电压的电源电压(V_CC)而断言POR输出信号几乎才消耗电流。由于传统的POR电路的功耗是延长所需时间、直到电源电压超过POR电压阈值来断言POR输出信号的主要因素，所以在启动过程中这个零电流是非常有利的。与电源电容串联的启动电阻在启动过程中以传统方式产生电源电压。由于POR电路在达到POR电压阈值之前不汲取电流，因此在此期间不会减慢对电源电压的充电。因此，启动电阻可以具有相对强大的电阻以节省功率，但POR延迟是最小的。从而，在启动后不需要耗尽型FET来隔离启动电阻，这有利地降低了复杂性和设计成本。
为了实现零启动电流，POR电路包括由连接二极管的晶体管通过第一电阻耦合到齐纳二极管来形成的第一电流通路。第一电流通路从V_CC电源电压节点(在启动电阻和V_CC电源电容之间的节点)耦合接地，但直到V_CC充分上升到齐纳二极管击穿电压以上才能开始传导电流。POR电流还包括耦合在V_CC电源电压节点和地之间的第二电流通路。第二电流通路由第二电阻与电流镜像晶体管串联形成。电流镜像晶体管的栅极耦接到连接二极管的晶体管的栅极，其源极耦接到连接二极管的晶体管的源极，以便镜像连接二极管的晶体管中的电流。例如，电流镜像晶体管中的电流可以是连接二极管的晶体管中的电流的n倍，其中n是大于1的数。
第二个电阻上的电压形成POR输出信号。最初，由于齐纳二极管不导通，所以POR输出信号将被接地，这继而阻止了第二电流通路的导通。由于齐纳二极管达到其击穿电压，第一电流通路开始导通，因此，第二电流通路也导通，这导致POR输出信号由于第二电阻的电阻值而开始升高电压。POR电路包括开关晶体管，该开关晶体管被配置为使第一电流通路中的齐纳二极管短路。POR输出信号驱动开关晶体管的栅极，以在POR输出信号充电时强制开关晶体管导通。开关晶体管的导通导致通过连接二极管的晶体管的电流快速增大。反过来，通过电流镜像晶体管的电流迅速增大，这导致POR输出信号有效地上升到V_CC。因此，在齐纳二极管达到其击穿电压之前，在几乎没有电流放电的情况下，就可以断言POR输出信号很高。从下面的详细描述中可以更好地理解这些优点特征。
附图说明
图1是传统开关功率转换器的图。
图2是图1的传统开关功率转换器中的POR电路的电路图。
图3示出了图1的传统开关功率转换器在启动期间的V_CC电源电压波形。
图4是根据本公开一个方面的POR电路的电路图，该POR电路具有直到输入电压达到POR阈值电压的零启动电流。
图5示出了根据本公开一个方面的包括图4的POR电路的反激式转换器控制器。
通过参考下面的详细描述可以最好地理解本公开的实施例及其优点。应该理解的是，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同元件。
具体实施方式
提供了一种用于开关功率转换器的POR电路，其直到V_CC电源电压达到POR电压阈值为止基本上具有零电流消耗。POR电路包括从V_CC电源电压节点耦合接地的两条电流通路。第一电流通路包括通过第一电阻耦合到齐纳二极管的连接二极管的晶体管。因而，直到齐纳二极管两端的电压达到其击穿电压时第一电流通路才能开始导通。如这里将进一步解释的那样，可以这样设计POR电路，使得POR电路的POR电压阈值近似等于连接二极管的晶体管的阈值电压和齐纳击穿电压(Vz)的总和。
POR电路包括其中电流镜像晶体管与第二电阻串联的第二电流通路。电流镜像晶体管的源极连接到连接二极管的晶体管的源极，其栅极连接到连接二极管的晶体管的栅极。因而，电流镜像晶体管将镜像由连接二极管的晶体管传导的电流。例如，电流镜像晶体管可以相对于连接二极管的晶体管设置尺寸，使得电流镜像晶体管传导n倍于连接二极管的晶体管中的电流，其中n是大于1的数。第二电流通路中的镜像电流在第二电阻上产生POR输出信号电压。因此，POR输出信号将接地，直到电源电压达到POR阈值电压。POR输出信号将开始充电。当POR输出充电时，它接通短路齐纳二极管的开关晶体管。齐纳二极管的这种短路转而又导致通过连接二极管的晶体管的电流的快速增加，而这反过来又通过电流镜像晶体管镜像为电流的更大的增加。第二电流通路中电流的这种增加导致POR输出信号有效地充电到电源电压。
图4中示出了示例POR电路400。如关于图1所论述的，输入电压V_IN驱动与电源电容C1串联的启动电阻R1以在电源节点415处产生电源电压(V_CC)。POR电路400中的第一电流通路405从电源节点415耦合接地。第一电流通路405包括连接二极管的PMOS晶体管S1，其源极电连接到电源节点415，而漏极通过第二电阻R2和齐纳二极管D1耦合接地。
POR电路400中的第二电流通路410也从电源节点415耦合接地。电流镜像PMOS晶体管S2的源极连接到电源节点415，栅极连接到连接二极管的晶体管S1的栅极(和漏极)。电流镜像晶体管S2的漏极通过第三电阻R3耦合接地。因此，电流镜像晶体管S2形成具有连接二极管的晶体管S1的电流镜。通过电流镜像晶体管S2传导的电流的量将取决于其相对于连接二极管的晶体管S1的尺寸的尺寸(宽度和长度)。特别地，电流镜像晶体管S2相对于连接二极管的晶体管S1被设定尺寸，使得电流镜像晶体管S2传导比由连接二极管的晶体管S1所传导的电流大n倍的电流。只要齐纳二极管D1两端的电压不超过其击穿电压(Vz)，则由连接二极管的晶体管S1所传导的电流(I1)基本为零。响应于V_CC超过POR阈值电压等于(V_CC－Vz－Vth,p)/R2，其中Vz是齐纳二极管D1的击穿电压，Vth,p是连接二极管的晶体管S1的阈值电压，而R2是第二电阻R2的电阻值。进而，POR输出信号电压等于n*I1*R3，其等于n*((V_CC－Vz－Vth,p)*R3/R2，其中R3是第三电阻R3的电阻值。
NMOS开关晶体管S3被配置为当POR输出信号升高到用于NMOS开关晶体管的阈值电压以上时使齐纳二极管D1短路。特别地，开关晶体管S3的漏极连接到齐纳二极管D1的阴极，并且其源极接地。开关晶体管S3的栅极连接到电流镜像晶体管S2的漏极。因而，POR输出信号驱动开关晶体管S3的栅极，并且将在POR输出信号上升到开关晶体管S3的阈值电压(Vth,n)以上时导致其导通。
在齐纳二极管D1短路的情况下，连接二极管的晶体管S1中的电流迅速增加至(V_CC－Vth,p)/R2。因此，POR输出信号的电压将迅速增加到n*(V_CC－Vth,p)*R3/R2。通过适当选择n、R2和R3的值，可以保证POR输出信号在启动期结束时有效等于V_CC。还可以显示出，POR电路400将POR输出信号从低(接地)驱动至高(V_CC)的POR阈值电压是Vz+Vth,p+Vth,n/(n*R3/R2)。如果因数Vth,n/(n*R3/R2)相对较小，则POR阈值电压基本上变为Vz+Vth,p。由于当V_CC小于Vz+Vth,p时，齐纳二极管D1不能导通，直到V_CC达到POR阈值电压之前，基本上没有电流通过POR电路400传导。由于POR阈值电压取决于Vz，所以齐纳二极管D1可以由一系列齐纳二极管代替以增加Vz。就此而言，应明白的是，POR电路400中的齐纳二极管D1可以表示单个齐纳二极管或多个串联齐纳二极管。
在POR电路充分断言电源电压的情况下，相应的开关功率转换器中的功率开关可确保正常工作，从而使电源电压通过其它方式供电，而POR电路400失效。例如，图5中示出了包括POR电路400的反激式转换器500。为了说明简单，仅示出用于反激式转换器500的反激式转换器变压器的初级绕组L1。控制器集成电路U1控制NMOS功率开关晶体管Q1的开关，以通过输出端子驱动功率开关晶体管Q1的栅极电压来调节在变压器的次级侧(未示出)上产生的输出电压。控制器U1包括第二NMOS晶体管Q2，其具有通过开关端子(SW)耦合到功率开关晶体管Q1源极的漏极，以及具有通过感测电阻RS耦合接地的源极。感测电阻R2耦合在地和用于控制器U2的ISENSE端子之间。
在启动期间，晶体管Q2关闭。在输入节点510上承载的整流AC干线电压将开始通过初级绕组L1传导，因为启动电阻R1从输入节点510耦合到输出端子505，从而对功率开关晶体管Q1的栅极充电。功率开关晶体管Q1的最终源极电压用作POR电路400的输入电压V_IN，其耦合在开关端子和VCC端子之间的控制器400中。电源电容耦合连接在VCC端子和地之间。因此，POR电路400将起到如上所述的作用以在启动期间驱动电源电压。当POR电路400断言POR输出信号时，其由控制器集成电路U1中的控制器515接收。然后，控制器515开始接通晶体管Q2并开始循环功率开关Q1以调节输出电压。因此，晶体管Q2有效地使功率开关晶体管Q1的源极电压接地，使得POR电路400失效。随后将使用辅助绕组(未示出)来维持跨电源电容C1存储的电源电压。通过初级绕组L1的电流因此流经功率开关Q1的源极，通过POR电路400进入源极充电通路520，以在启动期间(POR周期)对电源电压进行充电。相反，在POR周期之后，通过初级绕组L1的电流流经功率开关晶体管Q1流入第二晶体管Q2并流出在开关电流通路525中的ISENSE端子。
如本领域的那些技术人员现在应意识到并且根据本具体申请，可以在不脱离其范围的情况下，对本公开的装置的材料、设备、配置和使用方法进行许多修改、替换和更改。鉴于此，本公开的范围不应局限于在此说明和描述的特定实施例的范围，因为它们仅仅是借助一些示例，而应该与下文所附加的权利要求书及其功能等价物完全一致。

Claims (20)

1.一种用于开关功率转换器的上电复位(POR)电路，包括：
电源节点，用于提供电源电压；
第一电流通路，所述第一电流通路从所述电源节点耦合到接地，其中，所述第一电流通路包括通过第一电阻与齐纳二极管串联耦合的连接二极管的晶体管；
第二电流通路，所述第二电流通路从所述电源节点耦合到接地，其中，第二电流通路包括与第二电阻串联的电流镜像晶体管，并且其中，电流镜像晶体管的源极连接到连接二极管的晶体管的源极，而电流镜像晶体管的栅极连接到连接二极管的晶体管的栅极，以及
开关晶体管，耦合在齐纳二极管的阴极和接地之间。
2.根据权利要求1所述的POR电路，其中，所述连接二极管的晶体管是PMOS晶体管，所述PMOS晶体管具有连接到电源节点的源极和耦合到第一电阻的漏极。
3.根据权利要求1所述的POR电路，其中，所述电流镜像晶体管是PMOS晶体管，所述PMOS晶体管具有连接到电源节点的源极和耦合到第二电阻的漏极。
4.根据权利要求3所述的POR电路，其中，所述开关晶体管是NMOS晶体管，所述NMOS晶体管具有连接到所述PMOS晶体管的漏极的栅极、连接到所述齐纳二极管的阴极的漏极和连接到接地的源极。
5.根据权利要求1所述的POR电路，其中，所述开关功率转换器包括：
启动电阻；和
通过电源节点与启动电阻串联的电源电容。
6.根据权利要求5所述的POR电路，其中，所述开关功率转换器是反激式转换器，所述反激式转换器包括用于承载整流的AC干线电压的输入节点，并且其中，所述启动电阻耦合到所述输入节点。
7.根据权利要求6所述的POR电路，其中，所述POR电路被包括在用于所述反激式转换器的控制器集成电路内。
8.根据权利要求7所述的POR电路，其中，所述控制器集成电路包括用于驱动耦合到所述反激式转换器的初级绕组的功率开关晶体管的栅极的开关端子，并且其中，所述启动电阻耦合在输入节点和开关端子之间。
9.根据权利要求1所述的POR电路，其中，所述开关功率转换器是降压转换器。
10.根据权利要求1所述的POR电路，其中，相对于所述连接二极管的晶体管设置所述电流镜像晶体管的尺寸，使得所述电流镜像晶体管传导比由所述连接二极管的晶体管传导的电流大的电流。
11.一种方法，包括：
在用于开关功率转换器的上电复位(POR)过程期间，在启动电阻的第一端子处接收源电压，所述启动电阻具有第二端子，所述启动电阻的第二端子通过电源节点耦合到电源电容，以用增加的电源电压对电源节点充电；
在耦合到具有通过第一电阻与齐纳二极管串联的连接二极管的晶体管的第一电流通路中，当增加的电源电压小于取决于齐纳二极管击穿电压的POR阈值电压时，不传导电流；
在所述第一电流通路中，响应于所述电源电压变得大于所述POR阈值电压而传导第一电流通路电流；以及
通过具有电流镜像晶体管的第二电流通路镜像第一电流通路电流，所述电流镜像晶体管被配置成与连接二极管的晶体管形成电流镜，以通过第二电流通路形成第二电流通路电流，以对在第二电流通路中的第二电阻两端的POR输出信号充电。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
响应于对POR输出信号的充电，导通耦合在齐纳二极管的阴极和接地之间的开关，以短路齐纳二极管来增加第一电流通路电流；以及
响应于第一电流通路电流的增加，增加第二电流通路电流，以对POR输出信号充电以基本上等于电源电压。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
整流AC干线电压以产生整流的输入电压，所述整流的输入电压驱动启动电阻和电源电容的串联组合，以在电源电容的端子处提供所述源电压。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，使第一电流通路电流镜像形成了将大于第一电流通路电流的第二电流通路电流。
15.如权利要求12所述的方法，还包括：
响应于将POR输出信号基本上充电到电源电压，启动功率开关晶体管的循环。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括响应于将POR输出信号基本上充电到电源电压，而将所述源电压接地。
17.一种用于开关功率转换器的上电复位(POR)电路，包括：
电源节点，用于提供电源电压；
第一电流通路，所述第一电流通路从所述电源节点耦合到接地，其中，所述第一电流通路包括通过第一电阻与齐纳二极管串联耦合的连接二极管的晶体管；
用于使由所述第一电流通路传导的电流镜像的装置，以产生用于对POR输出信号充电的镜像电流；和
开关晶体管，耦合在齐纳二极管的阴极和接地之间。
18.根据权利要求17所述的POR电路，其中，所述连接二极管的晶体管是PMOS晶体管，所述PMOS晶体管具有连接到电源节点的源极和耦合到第一电阻的漏极。
19.根据权利要求17所述的POR电路，其中，所述开关晶体管是NMOS开关晶体管。
20.根据权利要求17所述的POR电路，其中，所述开关功率转换器包括：
启动电阻；和
通过电源节点与启动电阻串联的电源电容。
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