CN111146934B - 切换功率转换器的自适应启动 - Google Patents

Abstract

本公开涉及切换功率转换器的自适应启动。提供了一种用于切换电源的切换电源控制器，其通过在将功率电源连接到AC电源之后的输入电压测量期间施加负载来测量输入电压。基于所测量的输入电压，控制器调节启动延迟期，使得即使AC电源的AC线路电压是不同的，也使启动延迟期基本上是恒定的。

Description

切换功率转换器的自适应启动

技术领域

本申请涉及切换功率转换器控制器，并且具体而言涉及具有基于输入电压的自适应启动时间的切换功率转换器。

背景技术

切换功率转换器(switching power converter)的高效率使得其作为移动设备的电池充电器的虚拟通用适配成为可能。在这种切换电源中，诸如二极管桥之类的整流器将来自AC电源的AC电压整流为经整流的输入电压。在正常工作期间，切换电源中的控制器使耦合到输入电压的功率开关循环以调整输出电压。该控制器需要自身的电源电压(本文中也被指定为VDD)来为其工作供电。在正常工作期间，功率开关的循环产生能量，不仅用于调整输出电压，还用于维持控制器电源电压。但是在启动时，功率开关没有进行循环，使得切换电源需要启动电路来为控制器电源电压充电。

一种类型的启动电路使用高压耗尽模式场效应晶体管(FET)，其与提供经整流的输入电压的输入电压轨的电阻器串联耦合。由于使用了FET，这种启动电路也被称为“主动启动”电路。耗尽模式FET在其栅极处为零伏，因此当切换电源插入AC电源时，其导通。电阻器/FET组合还与用于存储控制器电源电压的电源电容器串联，以便控制器电源电压在耗尽模式FET导通时充电。一旦控制器电源电压达到上电复位(POR)电平，控制器便开始正常工作并开始让功率开关循环。由于功率开关循环在正常工作期间维持控制器电源电压，控制器在正常工作开始时将耗尽模式FET关断。由于耗尽模式FET仅在正常工作前的启动期间开启，因此电阻器可以具有相对小的电阻，而不会影响工作效率。这种小电阻对于AC电压不同的国家或地区的工作是有利的。例如，AC电压的RMS电平可以根据位置在约85VAC到多达270VAC之间的范围内。但由于电阻相对低，控制器电源电压在这些输入电压范围内达到POR电平的时间差是相对小的。

但主动启动电路增加了制造成本。由于世界上有几十亿台设备需要切换电源，因此制造成本是一个重要因素，因为在制造量很大的情况下相对小的成本节约仍然会累加。因此，在切换电源中替代地使用被动启动电路来降低成本是常规的。在被动启动电路中，耗尽模式FET和相对小的电阻被消除，并由RC电路代替，该RC电路是由电阻相对高的电阻器与电源电容器串联而形成的。由于电阻器即使在正常工作期间也会导通，所以其电阻必须是相对高的来提高功率效率。如果电阻替代地是相对低的，则RC电路将在正常工作期间损失太多的功率。但由此产生的RC电路的时间常数也将是相对大的，从而控制器电源电压达到POR电平的启动时间将根据AC电压而产生很大变化。例如，低线电平的启动时间可以是高线电平的启动时间的5倍。

具有被动启动电路的切换电源的问题在于广泛的启动时间范围，因为切换电源通常必须同时满足最小启动时间和最大启动时间。最小启动时间可解决故障问题，例如启动时短路。短路由控制器检测到，然后停止工作并重新启动。如果短路故障持续存在，且最小启动时间太短，那么切换电源将快速循环接通和关断，从而威胁其部件。但是客户也对在插入设备时充电功能的执行有着合理的期望，以便创建最大的启动时间的需求。

因此，本领域需要具有带受控启动时间的被动启动电路的切换电源。

发明内容

为满足本领域对具有被动启动电路的切换电源在启动延迟期(尽管AC线路是不同，但基本上是恒定的)内产生控制器电源电压的需要，提供了一种控制器，其测量控制器电源电压的衰减率以测量切换电源的输入电压。当切换电源连接到AC电源时，整流器(例如二极管桥)将AC线路电压整流以产生输入电压。在正常工作期间，控制器控制功率开关的循环以维持控制器电源电压。但是，在连接到AC电源之后，直到启动延迟期结束后，才能开始正常工作。因此，被动启动电路在启动延迟期期间产生控制器电源电压。

在切换电源与AC电源连接后，由于被动启动电路充电，控制器电源电压从接地电势升高。被动启动电路是RC电路，并且因此在输入电压轨和地之间串联有电阻器和电源电容器。电源电容器存储控制器电源电压。当控制器电源电压达到阈值电平时，控制器在电源电容器上施加负载，以在输入电压检测期内使控制器电源电压降低。控制器知晓以下所有参数，因为这些值能够在制造期间被编程到控制器中：被动启动电路的电阻和电容以及负载传导的电流。然后，控制器中的测量电路和启动时序电路可以确定输入电压检测期的持续时间和控制器电源电压在输入电压检测期内的变化，以根据其他已知参数确定输入电压。在这样确定输入电压的情况下，启动时序电路随后可以调节启动延迟期的持续时间，使得即使AC线路电压存在任何不同，启动延迟期也基本恒定。在启动延迟期结束后，控制器开始正常工作，在正常工作中，其使功率开关循环以调整输出电压，并且还维持控制器电源电压。尽管被动启动电路在正常工作期间继续导通，但由于被动启动电路的电阻是相对高的，功率损耗是相对小的。

由此产生的启动延迟期的控制非常有利，因为其通过允许使用被动启动电路来降低成本。相比之下，常规上使用主动启动电路来提供稳定的启动延迟期会增加成本，因为独立的耗尽模式晶体管必须与控制器一起集成在电路板上。但本文所公开的测量电路和启动时序电路集成在控制器内，因此成本较低。

通过考虑以下具体实施方式，可以更好地了解这些有利特征。

附图说明

图1示出了根据本公开的一方面的切换电源，该切换电源具有被动启动电路和控制器，该控制器被配置为控制启动延迟期以使其与AC线路无关。

图2示出了图1的控制器的测量电路和启动时序电路。

图3示出了图1的控制器的一些时序波形。

图4示出了图2的测量电路和启动时序电路的示例性低功率实施方式。

本公开的实施例及其优点最好通过参考以下具体实施方式来理解。应意识到，相同的附图标记用于标示一个或多个图中所示的相同元素。

具体实施方式

为了降低成本并且在尽管使用被动启动电路的情况下还提供受控启动时间，公开了一种切换电源控制器，其通过在存储控制器电源电压的电源电容器上施加负载来检测输入电压。一旦控制器电源电压达到上电复位(POR)电平，控制器开始工作，此时控制器施加负载。控制器根据由施加负载所产生的控制器电源电压的变化率确定输入电压，并调节POR时间和控制器使功率开关循环的正常工作开始之间的延迟期长度。当输入电压相对低时，延迟期缩短；而当输入电压相对高时，控制器会增加延迟期。通过响应于输入电压检测而调节延迟期，控制器将启动延迟维持为基本恒定。启动延迟是指从启动过程开始到正常工作开始的延迟。所产生的恒定启动延迟非常有利，因为使用被动启动电路降低了制造成本，但是尽管AC线路电平不同，启动延迟并不是很短或很长。

现在转到附图，图1中示出了切换电源100的示例。AC电源提供被二极管桥(DB)105整流的AC线路电压(AC_Input)，以产生在输入电压轨120上承载的整流输入电压(V_IN)。通过耦合在输入电压轨120和地之间的输入电容器C1使输入电压平滑。如前所述，被动启动电路110包括与电源电容器C2串联的电阻器R1。被动启动电路110耦合在输入电压轨120和地之间。电源电容器C2为控制器U1存储控制器电源电压VDD。功率级115包括功率开关(未图示)，该功率开关在由控制器U1控制的正常工作期间循环以调整输出电压(V_OUT)。功率级115的细节取决于切换电源100的特殊架构。例如，功率级115将包括反激式转换器中的变压器。然后，功率开关将耦合到变压器的初级绕组，而输出电压将在变压器的次级侧上产生。相反，在DC-DC切换电源(例如降压转换器)中，功率开关将驱动电感器。

响应于控制器电源电压达到POR电平，控制器U1在电源电容器C2上施加负载。例如，如图2所示，控制器U1可以包括电流源，在控制器U1功率复位之后的输入电压检测期期间，该电流源传导电流I_VDD。输入电压检测(V_IN Detect)周期的时序如图3所示。在时间t0，切换电源连接到AC电源，以使输入电压V_IN为被动启动电路110供电，以从地向控制器电源电压VDD充电，直到其达到阈值电平，例如在时间t1的上电复位电平。响应于控制器电源电压增加到POR电平，控制器U1通过激活诸如电流源205之类的负载以传导电流I_VDD，来开始时间t1的输入电压检测期。电流源205耦合在电源电容器C2上，以便电流I_VDD使电源电容器C2放电以降低电源电压VDD。在时间t2，控制器U1终止输入电压检测期。控制器U1中的测量电路210测量在输入电压检测期内电源电压VDD的下降，以确定输入电压。在确定中，测量电路210使用电阻R1的已知电阻值、电源电容器C2的电容、电源电压VDD的电压降dV/dt以及电流I_VDD来计算输入电压。具体而言，可以示出，控制器电源电压的电压降等于(I_VDD–(输入电压/R1))/C1在输入电压确定期间内的积分。例如，如果I_VDD等于200μA，R1等于1MΩ，C1等于1μF，并且持续时间为10ms，则输入电压等于100V。确定输入电压后，控制器U1中的启动时序电路215通过使功率开关循环将延迟期从POR时间t1调节为控制器U1开始正常工作的时间t3。即使AC电压线路电平是不同的，这种延迟调节也能够使启动延迟期基本保持恒定。

测量电路210和启动时序电路215应是相对低功率的，因为它们在功率开关没有循环以维持控制器电源电压的启动延迟期期间工作。相反，只有被动启动电路110在启动延迟期期间维持控制器电源电压。测量电路210和启动时序电路215的示例性低功率实施方式如图4所示。测量电路210可以包括比较器405，该比较器405将控制器电源电压的分压版本(divided version)与数模转换器(DAC)410的参考电压进行比较。分压器415分压控制器电源电压以形成分压版本，但应意识到比较器405可以替代地比较替代实施例中的控制器电源电压的未分压版本。当控制器电源电压在启动期间中达到阈值电平(例如，POR电平)时，控制器U1使到DAC 410的数字输入信号Din增加，以确定比较器跳接点(tripping point)。模拟DAC输出电压响应于数字输入信号Din的增加而继续增加，直到模拟DAC输出电压等于控制器输出电压的分压版本。在该跳接点处，比较器405的输出信号的二进制状态改变。模拟DAC输出电压驱动反相输入至比较器405，以便比较器输出信号在比较器跳接点点处走低至接地电势，但应意识到，比较器输入可以在替代实施例中反向，以便比较器输出信号在比较器跳接点处为二进制高(binary high)。

数字输入信号的扫描发生在施加负载(例如通过接入电流源205)之前。为了测量控制器电源电压响应于施加负载的压摆率，数字输入信号被降低了一个因数M(M从由设计设定的任意数量开始)。在这种情况下，DAC 410的输出是通过转换(N-M)数字输入所得到的模拟电压。然后，输入电压检测期由对于控制器电源电压而言从POR电平下降到(N-M)数字输入的转换所得到的模拟电压所需的时间量来确定的。为了对输入电压检测期进行计时，启动时序电路215可以包括计数器425，该计数器对来自时钟源420的时钟信号的周期进行计数。计数开始于通过将数字输入信号设置为(N-M)触发的输入电压检测期的开始。当控制器电源电压下降到等于通过转换(N-M)数字输入所得到的模拟电压时，比较器405的输出走低以触发计数器425停止计数。输入电压检测期的持续时间由计数器425得到的输入电压检测计数表示。

在设计期间，制造商可以根据高AC线路状况和低AC状况条件两者来确定输入电压检测期间的计数。假设高AC线路状况的计数为整数K2，而低AC线路状况的计数为整数K1。然后，阈值计数可以被设置为等于(K2-K1)/2。为了确定启动延迟期，然后控制器U1可以将输入电压检测计数与阈值计数进行比较。例如，对于相对低的AC线路状况，输入电压检测计数将大于阈值计数。控制器U1然后将缩短启动延迟期，因为在这样低的AC线路状况下，控制器电源电压从接地电势达到POR电平需要相对长的时间量。相反，对于相对高的AC线路状况，输入电压检测计数将小于阈值计数。控制器U1然后将增加启动延迟期，因为在这样高的AC线路状况下，控制器电源电压从地达到POR电平需要相对短的时间量。以这种方式，即使是不同的AC线路，控制器U1也能保持启动延迟期基本不变。

为了提供对启动延迟期的调节，启动时序电路215可以包括加法器440，该加法器计算输入电压检测计数和阈值计数之间的差。然后，查找表(LUT)430可以响应于该差生成启动延迟期计数。然后，计数器435根据时钟信号的周期来计数启动延迟期计数，以对启动延迟期进行计时。LUT 430被编程为调节启动延迟期计数，使得即使是不同的AC线路，启动延迟期也基本上是恒定的。在替代实施例中，计数器425也可以起到计数器435的作用。一旦启动延迟期计数被满足，控制器U1就开始正常工作。

由于本领域的某些技术人员现在将意识到并取决于手头的特定应用，在不偏离本本开的范围的情况下，可以对本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法进行许多修改、替换和变更。鉴于此，本公开的范围不应局限于本文所示和所述的特定实施例的范围，因为它们仅仅是借助于其一些示例的，而是应与本文所附权利要求及其功能等效物的范围完全相称。

Claims (20)

1.一种用于切换电源的切换电源控制器，包括：

负载，其被配置为：在所述切换电源连接到AC电源之后的输入电压测量期期间加载在被动启动电路的电源电容器上；

测量电路，其被配置为：测量由于所述负载所导致的存储在所述电源电容器上的控制器电源电压的降低；以及

启动时序电路，其被配置为：响应于对所述输入电压确定期的持续时间和所述控制器电源电压的降低的测量来确定所述切换电源的输入电压，其中，所述启动时序电路还被配置为响应于输入电压确定来调节启动延迟期的持续时间，并且其中，所述切换电源控制器被配置为在所述启动延迟期届满时开始正常工作。

2.根据权利要求1所述的切换电源控制器，其中，所述负载是电流源。

3.根据权利要求1所述的切换电源控制器，其中，所述测量电路包括被配置为将所述控制器电源电压与模拟电压进行比较的比较器。

4.根据权利要求3所述的切换电源控制器，其中，所述测量电路还包括被配置为响应于数字输入信号生成所述模拟电压的数模转换器。

5.根据权利要求4所述的切换电源控制器，其中，所述测量电路被配置为在所述输入电压测量期的开始时将所述数字输入信号置位为高电平，并在所述输入电压测量期的开始之后将所述数字输入信号置位为低电平，其中，所述低电平小于所述高电平。

6.根据权利要求3所述的切换电源控制器，其中，所述测量电路还包括用于提供所述控制器电源电压的分压版本的分压器，并且其中，所述比较器还被配置为将所述控制器电源的所述分压版本与所述模拟电压进行比较。

7.根据权利要求1所述的切换电源控制器，其中，所述启动时序电路包括计时器，所述计时器被配置为对所述输入电压测量期的持续时间进行计时。

8.根据权利要求7所述的切换电源控制器，其中，所述启动时序电路还包括查找表，所述查找表被配置为处理所述输入电压测量期的持续时间，以确定所述启动延迟期的持续时间，使得即使所述AC电源的AC线路是不同的，也使所述启动延迟期也基本上是恒定的。

9.根据权利要求7所述的切换电源控制器，其中，所述计时器被配置为对时钟信号的周期进行计数，以对所述输入电压测量的持续时间进行计时。

10.根据权利要求1所述的切换电源控制器，其中，所述切换电源控制器被配置为响应于所述控制器电源电压等于阈值电平来施加所述负载。

11.根据权利要求10所述的切换电源控制器，其中，所述阈值电平为所述切换电源控制器的上电复位电平。

12.一种用于切换电源的方法，包括：

响应于所述切换电源连接到AC电源来对存储在电源电容器上的控制器电源电压进行充电，以开始启动延迟期；

在所述启动延迟期期间，响应于所述电源电压增加到阈值电平来在所述电源电容器上施加负载，以开始输入电压测量期；

在所述输入电压测量期间测量所述控制器电源电压的变化率；

响应于对所述控制器电源电压的变化率的测量来确定所述切换电源的输入电压；以及

响应于对所述输入电压的确定来调节所述启动延迟期的持续时间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，对所述控制器电源电压进行充电是由被动启动电路执行的。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，施加所述负载包括施加电流源。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，确定变化率包括将所述控制器电源电压的版本与模拟电压阈值进行比较。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述控制器电源电压的版本与所述模拟电压阈值进行比较包括：在所述输入电压确定期的开始时将所述控制器电源电压的版本与第一模拟电压阈值进行比较，并且在所述输入电压确定期的开始之后将所述控制器电源电压的版本与第二模拟电压阈值进行比较，其中，所述第二模拟电压阈值低于所述第一模拟电压阈值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，确定变化率包括从所述控制器电源电压自所述第一模拟电压阈值下降到所述第二模拟电压阈值时进行计时。

18.根据权利要求12所述的方法，还括：

在所述启动延迟期结束之后，开始所述切换电源的正常工作。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，调节所述启动延迟期的持续时间包括：即使所述AC电源的AC线路是不同的，也使所述启动延迟期基本维持不变。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，开始正常工作包括使功率开关循环以维持所述控制器电源电压。

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