CN110198115A - 使用单端子的ac线路检测和x电容器放电 - Google Patents

使用单端子的ac线路检测和x电容器放电 Download PDF

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Abstract

对于开关功率转换器的控制器提供有单个检测引脚，控制器通过该单个检测引脚监测开关功率转换器是否连接到AC干线。如果检测引脚的电压指示开关功率转换器从AC干线断开，则控制器使检测引脚电压有效来触发泄放电路以使X类电容器放电。

Description

使用单端子的AC线路检测和X电容器放电
技术领域
本申请涉及开关功率转换器控制器，并且更特定地涉及具有AC检测和滤波电容器放电控制的开关功率转换器控制器。
背景技术
开关功率转换器的高效率导致它们几乎普遍适应于对移动设备供电和充电。因为开关功率转换器(功率适配器)以多达一百千赫或甚至更高的频率开关，所以功率适配器可以驱使高频噪声到AC干线上。为了防止该不可取的噪声影响AC干线，功率适配器典型地包括高频滤波电容器(指示为X类电容器或X电容器)，其跨AC线路端子(AC live)和AC中性端子连接。AC线路端子上的电压将根据AC干线关于AC中性端子电压的振荡频率(例如，在美国是60Hz)振荡。根据用户关于该AC振荡何时从AC干线拔去功率适配器，X电容器从而可以存储相当大的正或负电压。从而功率适配器通常包括AC检测电路，其检测功率适配器是否连接到AC干线。如果AC检测电路检测到功率适配器从AC干线断开，则功率适配器触发泄放电路，例如使X电容器放电的开关。
但常规的AC检测和X电容器放电很繁琐并且增加了制造成本。例如，在图1中示出常规的反激转换器100。X电容器(X CAP)跨AC线路端子103和AC中性端子105连接。如果这些端子连接到AC干线，则X电容器将防止开关噪声影响AC干线。二极管桥对来自AC干线的AC输入电压V_IN(AC)整流以输出整流电压(V_BULK)，其跨输入电容器CBULK存储。初级侧控制器U1通过调制连接到变压器的初级绕组的功率晶体管S1的开和关周期来调节该变压器T的次级侧上的输出V_OUT。
控制器U1检测端子103和105是否通过AC检测电路连接到AC干线，该AC检测电路驱使AC检测信号到控制器U1的AC检测端子或引脚。在反激转换器100中，AC检测电路包括从端子103和105耦接于AC检测端子的一对二极管。控制器U1配置成根据对于AC输入电压的AC振荡来检测AC检测引脚的电压是否在振荡。如果控制器U1检测到AC检测引脚电压不在振荡，它通过使X电容器放电端子或引脚(X CAP放电)的电压有效(assert)来使X电容器放电，以使X电容器放电开关109闭合。X电容器放电开关109跨端子103和105耦接使得当X电容器放电开关109闭合时X电容器放电。控制器U1从而需要两个单独引脚来适应AC检测和X电容器放电过程。每个额外引脚提高了控制器U1的制造成本。
因此，现有技术中对于制造成本减少的开关功率转换器需要有改进的AC检测和滤波电容器放电控制。
发明内容
为了解决现有技术中对具有较低制造成本的改进AC检测和X电容器放电控制的需要，提供了开关功率转换器控制器，其使用单个引脚来检测开关功率转换器是否连接到AC干线并且还响应于检测到开关功率转换器未连接到AC干线来控制X电容器的放电。尽管在共用引脚上共享AC检测和X电容器放电，但控制器准确地检测AC连接并且相应地使X电容器稳健放电。这些有利特征可以通过考虑下列详细描述而更好地体现。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的为多端子AC检测和滤波电容器放电控制所配置的常规开关功率转换器的图。
图2是根据本公开的实施例的为单端子AC检测和滤波电容器放电控制所配置的开关功率转换器的图。
图3图示根据本公开的实施例为单端子AC检测和滤波电容器放电控制所配置的开关功率转换器的波形。
图4图示根据本公开的实施例对于单端子AC检测和滤波电容器放电控制的操作方法。
本公开的实施例和它们的优势通过参考接着的详细描述而最好理解。应意识到类似标号用于识别一个或多个图中的图示的类似元件。
具体实施方式
下列论述将针对反激转换器实施例。但将意识到本文公开的单引脚AC检测和X电容器放电控制可以在例如降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器等其他类型的开关功率转换器中实现。在图2中示出了示例反激转换器200，其具有为单引脚AC检测和X电容器放电所配置的控制器U2。如关于图1论述的，反激转换器200包括与变压器T的初级绕组串联的功率开关晶体管S1。控制器U2控制功率开关晶体管S1的循环来调节通过栅极引脚或端子(GATE)的输出电压(为了说明清楚，在图2中未示出变压器T的次级侧)。为了说明清楚，未示出反激转换器200的额外部件，例如感测电阻器。如图示的，功率开关晶体管S1是NMOS金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件，但将意识到在备选实施例中功率开关晶体管S1可以包括其他类型的开关晶体管，例如双极结晶体管(BJT)。
如同样关于图1论述的，反激转换器200包括跨AC线路端子103和AC中性端子105连接的X电容器。相似地，这些端子驱动二极管桥BR1来产生通过被大容量电容器CBULK平滑的整流输入电压。
对于控制器U2的单检测引脚202监测端子103和105是否通过AC主线、通过AC检测电路204连接。如本文进一步论述的，控制器U2配置成监测如通过AC检测电路204驱动的检测引脚201的电压。如果控制器U2确定检测引脚电压没有像如果端子103和105连接到AC干线那样在振荡，则控制器U2则使检查引脚电压有效以通过将X电容器放电电路203中的开关电容器216开启来使X电容器放电。现在将更详细论述AC检测电路204，接着论述X电容器泄放电路203。
因为AC检测电路204仅驱动控制器U2中的单检测引脚202，所以AC检测电路204仅连接到端子103和105中的一个。下面的论述将针对其中AC检测电路204连接到AC线路端子103的实施例，但将意识到在备选实施例中AC检测电路204相反可以连接到AC中性端子105。AC检测电路204包括由电阻器212、电阻器213和电阻器214的串联设置形成的分压器。电阻器212具有连接到AC线路端子103的第一端子和连接到电阻器213的第二端子。进而，电阻器213通过电阻器214接地。电阻器212的第二端子也通过齐纳二极管211接地。根据对于AC线路端子103的电压的AC振荡，齐纳二极管211从而将对于电阻器213的第二端子的电压箝位到它的反向击穿电压(例如，近似5.1V)或它的近似-0.7V的正向偏置击穿电压。特别地，因为AC线路端子103的电压在它的AC振荡中摆高，所以齐纳二极管211使电阻器213的第二端子的电压箝位在5.1V。相反，因为AC线路端子103的电压摆动低于-0.7V，所以齐纳二极管211使对于该第二端子的电压箝位在-0.7V。将意识到击穿电压的其他值可以用于备选齐纳二极管实施例。
因为检测端子202连接到电阻器213与214之间的节点，所以对于电阻器213的第二端子的箝位电压被进一步分压来驱动检测端子202。由于该箝位和电压分压，用于控制器U2的检测端子电压未暴露于高压，使得在控制器U2内的比较器205中可以使用相对薄的栅极氧化物厚度。如果端子103和105连接到AC干线，则检测端子202处所得的电压波形振荡，如在图3A中示出的。在该实施例中，对于检测电路204的电压分压和箝位是这样的，其使得当AC线路端子103的电压摆动高于齐纳二极管211的反向击穿电压时检测端子电压被箝位在近似1.3V的最大电压处。相似地，当AC线路端子103的电压摆动低于齐纳二极管211的正向击穿电压时，检测端子电压被箝位在近似0V的最小电压(实际上略呈负的)处。检测端子电压从而将以对于AC干线的AC振荡频率在这些最大与最小箝位电压之间振荡。比较器205关于例如0.5V(其是这些最大与最小电压之间的近似一半)的参考电压来检测该振荡。
在反激转换器200连接到AC干线时对于比较器205的输出的电压波形在图3B中示出。当检测端子电压高于参考电压时，比较器输出摇摆到二进制高(二进制一)状态305，例如由电源电压表示的。相反，当检测端子电压低于参考电压时，比较器输出信号放电到二进制低(二进制零)状态307，例如接地。尽管反激转换器200插入AC干线，但比较器输出信号从而将以AC振荡频率在二进制高状态305与二进制低状态307之间振荡。例如，在美国，AC振荡周期是近似16.7毫秒。在每个AC振荡期中，二进制高状态305可以被保持这个周期的一半，紧接着二进制低状态307被保持AC振荡周期的一半。
再次参见图2，控制器U2可以进一步包括检测电路206，例如，计数器。在计数器的实施例中，计数器可以计数比较器输出被保持在二进制高状态305或二进制低状态307的时间量。然后，技术其将在状态305和状态307之间的每个转换处复位。如果计数器指示与AC振荡周期相比持续相对长的时间量保持状态305或307，例如大于AC振荡周期的一半(或更多)，则检测电路206触发驱动器电路206来使检测端子电压有效。例如，在美国市场的实施例中，如果比100毫秒还长地保持状态305或307，检测电路206可以触发驱动器电路207。然而，将意识到检测电路206可以使用其他阈值。当反激转换器200从AC干线断开时，检测端子电压将大体在AC干线断开之前的无论什么电压状态浮动。检测端子电压是在参考电压以上还是以下浮动无关紧要，因为检测电路206将相应地检测到比较器输出信号缺乏切换。
驱动器电路207将检测端子电压拉倒足够高水平(例如5V)使开关晶体管216开启。为了在反激转换器200连接到AC干线时防止开关晶体管216开启，检测端子(或引脚)202通过二极管215连接到开关晶体管216的栅极。从而当检测端子电压被箝位在它的最大电压(例如关于图3A论述的1.3V)时，跨二极管215的正向偏置电压降防止开关晶体管216的栅极电压上升到它的阈值电压以上使得X电容器202不放电。采用该方式，X电容器202可以在正常操作期间继续保护AC干线以免受噪声影响。
泄放电路203进一步包括串联二极管/电阻器对217A/218A和217B/218B。当如由检测引脚201提供的脉冲DC电压信号打开晶体管开关216时，泄放电路203耦接到X电容器202来使X电容器202放电。通过使AC线路端子103和AC中性端子105短路接地来实现使X电容器202放电。晶体管开关216可以是场效应晶体管(FET)器件(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件)、双极结晶体管(BJT)器件或其他适合的晶体管开关。在一些实施例中，晶体管开关216是n沟道MOSFET。二极管215在阴极端处的晶体管开关216的栅极端子与阳极端处的检测引脚201之间连接。晶体管开关216的源极端子接地219。晶体管开关216的漏极端子连接到电阻器218A和218B。电阻器218A/218B限制放电期期间的放电电流来保护晶体管开关216以防过压。
二极管217A在阴极端处的电阻器218A与阳极端处的AC线路端子103之间连接。二极管217B在阴极端处的电阻器218B与阳极端处的AC中性端子105之间连接。在该方面，在泄放电路203通过检测端子电压的脉冲高而打开时，滤波电容器202短路接地219并且放电。
现在将参考图4中示出的流程图论述AC检测和X电容器放电过程的操作方法。该方法包括在AC干线端子连接到AC干线时发生的动作405。特别地，动作405包括使AC干线端子电压的分压版本箝位来产生检测电压。AC检测电路204产生检测端子电压的动作是动作405的示例。另外，方法包括确定检测电压是否不响应于AC干线的AC干线电压的振荡而振荡以检测AC干线端子是否从AC干线断开的动作410。检测电路206检测到比较器输出信号持续大于阈值期保持高或低是动作410的示例。最后，方法包括响应于确定AC干线端子从AC干线断开的动作415并且包括使检测电压增加来激活泄放电路以使连接到AC干线端子的X类电容器放电。驱动器电路207使检测端子电压增加来开启泄放电路203中的开关晶体管216以使X电容器202放电是动作415的示例。
如本领域内技术人员目前为止将意识到的并且根据当前特定应用，可以在本公开的设备的使用的材料、装置、配置和方法中以及对它们做出许多修改、替换和变动而不偏离其范围。鉴于此，本公开的范围不应限制为本文图示和描述的特定实施例的范围(因为它们仅通过其一些示例的方式)，而相反，应与下文所附的权利要求以及它们的功能等同物的范围完全相称。

Claims (20)

1.一种用于开关功率转换器的开关功率转换器控制器，所述开关功率转换器控制器包括：
检测引脚，用于从用于连接到AC干线的AC干线端子接收AC干线端子电压的箝位且分压的版本；
比较器，所述比较器配置成将所述检测引脚的检测引脚电压与参考电压比较，以响应于所述检测引脚电压是高于所述参考电压还是低于所述参考电压来驱使比较器输出信号为二进制高状态或二进制低状态；
检测电路，所述检测电路配置成通过确定所述比较器输出信号是否处于所述二进制高状态持续阈值周期以及确定所述比较器输出信号是否处于所述二进制低状态持续所述阈值周期来检测所述AC干线端子是否从所述AC干线断开，其中，所述阈值周期大于所述AC干线的AC干线电压的振荡周期的一半；以及
驱动器，所述驱动器配置成响应于所述检测电路检测到所述AC干线端子从所述AC干线断开来使所述检测引脚电压增加以开启泄放电路，从而使X类电容器放电。
2.如权利要求1所述的开关功率转换器控制器，其中，所述检测电路包括计数器，所述计数器配置成测量所述比较器输出信号是否处于所述二进制高状态或所述二进制低状态持续超出所述阈值周期的时间。
3.如权利要求1所述的开关功率转换器控制器，其中，所述阈值周期是近似一百毫秒。
4.如权利要求1所述的开关功率转换器控制器，进一步包括分压器，所述分压器耦接于所述检测引脚并且配置成将所述AC干线端子电压分成分压。
5.如权利要求4所述的开关功率转换器控制器，其中，所述泄放电路包括跨所述X类电容器耦接的金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.如权利要求4所述的开关功率转换器控制器，进一步包括耦接于所述检测引脚的齐纳二极管，其中，电压箝位电路使所述分压箝位来产生所述AC干线端子电压的箝位且分压的版本。
7.如权利要求1所述的开关功率转换器控制器，其中，所述参考电压是近似0.5V。
8.一种用于开关功率转换器的方法，包括：
在AC干线端子连接到AC干线时，使所述AC干线端子的电压的分压的版本箝位来产生检测电压；
确定所述检测电压是否未响应于AC干线的AC干线电压的振荡而振荡以检测所述AC干线端子是否从所述AC干线断开；
响应于确定所述AC干线端子从所述AC干线断开，使所述检测电压增加来激活泄放电路以使连接到所述AC干线端子的X类电容器放电。
9.如权利要求8所述的方法，其中，确定所述检测电压是否未响应于所述AC干线电压的振荡而振荡包括：
在比较器中将检测电压与参考电压比较来提供比较器输出信号；以及
确定所述比较器输出信号是否维持在二进制的一状态持续大于阈值周期，其中，所述阈值周期大于所述AC干线电压的振荡的振荡周期。
10.如权利要求9所述的方法，其中，确定所述检测电压是否未响应于所述AC干线电压的振荡而振荡进一步包括确定所述比较器输出信号是否维持在二进制的零状态持续大于所述阈值周期。
11.如权利要求9所述的方法，其中，确定所述比较器输出信号是否维持在所述二进制的一状态持续大于所述阈值周期包括确定所述比较器输出信号是否等于电源电压持续大于所述阈值周期。
12.如权利要求10所述的方法，其中，确定所述比较器输出信号是否维持在所述二进制的零状态持续大于所述阈值周期包括确定所述比较器输出信号是否等于接地持续大于所述阈值周期。
13.如权利要求11所述的方法，其中，确定所述比较器输出信号是否等于电源电压持续大于所述阈值周期包括：
对所述比较器输出信号等于所述电源电压的时期进行计数；以及
确定所述时期是否超出所述阈值周期。
14.如权利要求12所述的方法，其中，激活所述泄放电路包括响应于所述检测电压的增加来开启金属氧化物半导体场效应晶体管。
15.一种开关功率转换器，包括：
连接在AC线路端子与AC中性端子之间的X类电容器；
分压器，所述分压器连接到所述AC线路端子并且配置成将所述AC线路端子的电压分成分压；
齐纳二极管，所述齐纳二极管配置成将所述分压箝位成检测引脚电压；
泄放电路，所述泄放电路配置成响应于所述检测引脚电压有效使所述X类电容器放电；以及
控制器，所述控制器包括：
检测引脚，用于接收所述检测引脚电压；
比较器，所述比较器配置成将所述检测引脚电压与参考电压进行比较来产生比较器输出信号，
检测电路，所述检测电路配置成确定所述比较器输出信号是处于二进制高状态持续阈值周期还是处于二进制低状态持续所述阈值周期来检测所述开关功率转换器是否从AC干线断开；以及
驱动器，所述驱动器配置成响应于所述检测电路检测到所述开关功率转换器从所述AC干线断开来使所述检测引脚电压有效。
16.如权利要求15所述的开关功率转换器，其中，所述泄放电路包括跨所述X类电容器耦接的开关晶体管并且还包括耦接在所述开关晶体管的栅极与所述检测引脚之间的二极管。
17.如权利要求16所述的开关功率转换器，其中，所述开关晶体管包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
18.如权利要求16所述的开关功率转换器，其中，所述泄放电路进一步包括一对电阻器，用于跨所述X类电容器耦接所述开关晶体管。
19.如权利要求15所述的开关功率转换器，其中，所述开关功率转换器包括反激转换器。
20.如权利要求15所述的开关功率转换器，其中，所述分压器包括至少三个电阻器的串联设置。
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