CN113381386A - 包括恒定功率控制器的电气开关系统及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种电气开关系统包括恒定功率控制器和电耦合在第一节点与第二节点之间的开关器件。该恒定功率控制器被配置为(a)生成数字控制信号以控制该开关器件，(b)至少部分地基于该开关器件两端的电压来控制该数字控制信号的活动阶段的持续时间，以及(c)控制该数字控制信号的峰值以调节流过该开关器件的电流的峰值幅值。

Description

包括恒定功率控制器的电气开关系统及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月10日提交的美国临时专利申请序列号62/987,491的优先权权益，该美国临时专利申请通过引用并入本文。
背景技术
诸如晶体管等开关器件通常用于控制电路中的电流流动。例如，开关器件可以用作断路器，以诸如响应于故障或过载状况而中断电路中的电流流动。开关器件有时电耦合到能量储存器件，诸如电容器、电感器和/或电池。因此，开关器件可能需要处理与对能量储存器件进行充电和/或放电相关联的大电流幅值。
附图说明
图1是展示了在启动期间开关器件的输出电压和功率消耗的曲线图，其中，开关器件被配置为用作恒定电流发生器。
图2是展示了在启动期间开关器件的输出电压和功率消耗的另一个曲线图，其中，开关器件被配置为用作恒定电流发生器。
图3是展示了在启动期间开关器件的输出电压和功率消耗的另一个曲线图，其中，开关器件被配置为用作恒定电流发生器。
图4是根据实施例的包括电气开关系统的电路的框图，其中，电气开关系统包括恒定功率控制器。
图5是展示了在启动期间图4的电气开关系统的数字控制信号的一个示例的曲线图。
图6是展示了在启动期间图4的电气开关系统的操作的一个示例的曲线图。
图7是展示了在启动期间图4的电气开关系统的操作的另一个示例的曲线图。
图8是根据实施例的包括电气开关系统的另一个电路的框图，其中，电气开关系统包括恒定功率控制器。
图9是根据实施例的包括电气开关系统的另一个电路的框图，其中，电气开关系统包括恒定功率控制器。
图10是展示了图9的恒定功率控制器的操作的一个示例的曲线图。
图11是图8和图9中描绘的放大器的一个可能实施例的框图。
图12是展示了根据实施例的用于开关器件的恒定功率控制的方法的框图。
具体实施方式
诸如晶体管等开关器件可能会因高电流幅值而损坏，例如由于超出开关器件的安全工作区(SOA)和/或由于与开关器件中的功率消耗相关联的发热而损坏。在开关器件电耦合到能量储存器件并且在能量储存器件的充电或放电期间开关器件承受大电流幅值的应用中，损坏的可能性可能特别大。开关器件在高压应用中也可能特别容易损坏，因为开关器件中的功率消耗与开关器件两端的电压幅值成正比。因此，可能需要保护开关器件以使得不超过其SOA和/或最大功率额定值。
常规地，通过使开关器件在启动期间用作恒定电流发生器来保护开关器件免受损坏，从而限制在启动期间流过开关器件的电流的幅值。例如，在场效应晶体管(FET)用作开关器件的情况下，控制电路系统可以在启动期间保持恒定的栅极到源极电压，使得FET在启动期间用作恒定电流发生器。
然而，由于可用于给能量储存器件充电的电流有限，因此在启动期间将开关器件作为恒定电流发生器来操作可能导致启动时间过长。另外，除非恒定电流的幅值很小，否则可能会超过开关器件中的最大允许功率消耗。例如，图1是展示了在启动期间开关器件的输出电压102和功率消耗104的曲线图，其中，输出电压102是开关器件的输出端的电压，并且功率消耗104是开关器件中的功率消耗。启动在时间t0处开始，开关器件开始传导电流，并且启动在时间t1处结束，此时输出电压102等于输入电压V输入。该示例中的开关器件作为恒定电流发生器操作，并且生成具有小幅值的电流，从而防止功率消耗104超过开关器件的最大允许功率消耗P最大。因此，防止了开关器件出现过度的功率消耗，并且开关器件能够在其SOA内操作。然而，启动时间(即，在启动在时间t0开始之后输出电压102达到输入电压V输入所需的时间)具有相对较长的值tsu1。
图2的曲线图类似于图1的曲线图，但是其中，开关器件生成的恒定电流具有比图1的示例更大的幅值。较大的恒定电流幅值导致输出电压102在时间t2达到V输入，使得启动时间具有值tsu2。因此，图2的示例中的启动时间比图1的示例中的启动时间短。然而，功率消耗104在启动过程的一部分期间超过了最大允许功率消耗P最大，如图2中的阴影线所示。虽然开关器件可能不会超过其SOA，但是启动期间的大功率消耗可能会损坏开关器件。
图3的曲线图类似于图1和图2的曲线图中的每一个，但是其中，开关器件生成的恒定电流具有比图1和图2的示例更大的幅值。因此，图3的示例中的启动时间tsu3比图1的示例或图2的示例中的任一个的启动时间短。然而，功率消耗104在启动过程的一部分期间远远超过了最大允许功率消耗P最大，如图3中的阴影线所示。因此，开关器件可能遭受长期的劣化和/或故障。
因此，当在启动期间将开关器件作为恒定电流发生器操作时，可能难以或甚至不可能同时实现令人满意的短启动时间和足够的开关器件保护。操作开关器件以使其在启动期间生成两个不同幅值的恒定电流可以使启动时间有所缩短，但是上面讨论的缺点通常仍然适用。
此外，诸如由于FET的亚阈值特性的变化和/或FET中的沟道调制效应，可能难以准确地控制由FET实施的恒定电流发生器的幅值。另外，开关器件中的功率消耗会随着启动时间而发生显著变化，尤其是在高压应用中。例如，图1至图3中的功率消耗104在启动过程期间发生了显著变化。因此，恒定电流发生器可能需要被配置为生成具有小幅值的电流，以确保在最坏情况下开关器件受到保护。然而，如此小的电流幅值限制了相关联的能量储存器件可以被充电的速度，从而导致长的启动时间。
本文披露了包括恒定功率控制器的新型电气开关系统，其可以至少部分地克服以上讨论的一个或多个缺点。恒定功率控制器生成数字控制信号以控制开关器件。至少部分地基于开关器件两端的电压来控制数字控制信号的活动阶段的持续时间，以在开关器件中实现恒定的平均功率消耗。另外，控制数字控制信号的持续时间以调节流过开关器件的电流的峰值幅值。因此，恒定功率控制器有利地能够控制开关器件以同时实现短启动时间和足够的开关器件保护。另外，某些实施例可以实现比常规的开关器件控制器更好的电流控制精度。此外，一些实施例可在大范围的负载能量储存容量下操作。
图4是包括电气开关系统400的电路的框图，其中，电气开关系统400是本文披露的新型电气开关系统的实施例。电气开关系统400包括开关器件402、恒定功率控制器404和电流感测模块406。开关器件402电耦合在节点408与节点410之间，并且电源412电耦合到节点408。电源412提供在节点408处具有电压V输入的电功率。虽然电源412被描绘为直流(DC)电源，但是在不脱离本发明范围的情况下，电源412可以采用其他形式。例如，在一些替代实施例中，电源412是交流(AC)电源，诸如放大器或电机驱动器。虽然在图4的实施例中电源412与电气开关系统400分开，但在一些替代实施例中，电源412至少部分地集成在电气开关系统400中。
负载414电耦合到节点410。负载414包括电容性部件416。然而，负载410可以可替代地或另外地包括电阻性部件、电感性部件、电池部件和/或电功率的其他消耗者或来源。虽然为了说明简单起见，负载414被描绘为单个元件，但是负载414可以包括多个元件。例如，在一些实施例中，负载414是经由开关器件402从电源412供电的另一系统。
电流感测模块406被配置为生成表示流过开关器件402的电流Is的幅值的信号418。在一些实施例中，电流感测模块406包括电流感测电阻器、复制晶体管和霍尔效应传感器中的一个或多个。虽然电流感测模块406被展示为分立元件，但是在一些实施例中，电流感测模块406至少部分地集成在开关器件402和恒定功率控制器404中的一个或多个中。
开关器件402由恒定功率控制器404生成的数字控制信号420控制。具体地，当数字控制信号420处于其活动阶段时，开关器件420处于其导通状态，而当数字控制信号420处于其非活动阶段时，开关器件420处于其关断状态，当开关器件处于其导通状态时，电流Is流过开关器件402，而当开关器件处于其关断状态时，没有电流流过开关器件402，开关器件402被配置为使得流过开关器件402的电流Is的幅值至少部分地是数字控制信号420的持续时间的函数。例如，在一些实施例中，电流Is的幅值随着数字控制信号420的值的增加而增加。在一些实施例中，开关器件402包括FET或绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)，其包括由数字控制信号420驱动的栅极。在一些其他实施例中，开关器件402包括双极结型晶体管(BJT)，其包括由数字控制信号420驱动的基极。
恒定功率控制器404被配置为生成数字控制信号420，使得数字控制信号420的持续时间调节电流Is的峰值幅值。因此，恒定功率控制器404潜在地能够实现比常规解决方案更精确的电流幅值控制。在一些实施例中，恒定功率控制器404被配置为生成数字控制信号420，使得数字控制信号420的持续时间导致电流Is的峰值幅值为Istup。Istup是预定值，该预定值被选择为在电气开关系统400启动期间实现流过开关器件402的期望峰值电流幅值。在一些实施例中，Istup等于或基于开关器件402在其SOA内操作时能够处理的电流Is的最大幅值。如下文所讨论的，在某些实施例中，恒定功率控制器404将信号418与参考信号进行比较，以控制数字控制器信号420的持续时间，从而调节电流Is的峰值幅值。
另外，恒定功率控制器404被配置为生成数字控制信号420，使得数字控制信号420的活动阶段的持续时间至少部分地基于开关器件402两端的电压Vs，从而使开关器件402中的平均功率消耗是恒定的。例如，在一些实施例中，恒定功率控制器404生成数字控制信号420，使得数字控制信号420的活动阶段的持续时间随着电压Vs的增加而减小，例如使得数字控制信号420的活动阶段的持续时间与电压Vs的幅值成反比，以保持开关器件402中的恒定的平均功率消耗。在某些实施例中，恒定功率控制器404使用脉冲宽度调制(PWM)技术通过控制数字控制信号420的占空比来控制数字控制信号420的活动阶段的持续时间。在一些其他实施例中，恒定功率控制器404使用脉冲频率调制(PFM)技术通过控制数字控制信号420的频率来控制数字控制信号420的活动阶段的持续时间。在不脱离本发明范围的情况下，恒定功率控制器404可以被配置为使用其他调制技术来控制数字控制信号420的活动阶段的持续时间。
图5是展示了数字控制信号520的曲线图500，其是数字控制信号420的一个示例。曲线图500的水平轴表示时间(t)，并且曲线图500的竖直轴表示幅值。在时间段t1、t3和t5期间，数字控制信号520处于其活动阶段，并且在时间段t2和t4期间，数字控制信号520处于其非活动阶段。数字控制信号520具有峰值V峰和最小值V最小，当数字控制信号520处于其活动阶段时，数字控制520的幅值为V峰，而当数字控制信号520处于其非活动阶段时，数字控制信号520的幅值为V最小。在一些实施例中，V最小相对于开关器件420的端子为零。虽然图5展示了当数字控制信号处于其高状态时数字控制信号420处于其活动阶段的示例，但是在不脱离本发明范围的情况下，恒定功率控制器404可以被配置为使得数字控制信号420具有不同的极性。
再次参考图4，在某些实施例中，恒定功率控制器404由模拟和/或数字电子电路系统(未示出)来体现。例如，在特定实施例中，恒定功率控制器404包括处理子系统(未示出)和存储器子系统(未示出)，并且处理子系统执行存储在存储器子系统中的非暂态指令以执行恒定功率控制器404的一个或多个功能。虽然恒定功率控制器404被展示为分立元件，但是在一些实施例中，恒定功率控制器404与另一元件集成在一起或与另一元件共享一个或多个特征。
图6是展示了在启动期间(即，从开关器件402开始传导电流的时间直到输出电压V输出的幅值达到输入电压V输入的幅值的时间)电气开关系统400的操作的一个示例的曲线图600。曲线图600的水平轴表示时间(t)，并且曲线图600的竖直轴表示幅值。曲线图600包括以下四个曲线：(a)表示数字控制信号420的曲线602，(b)表示流过开关器件402的电流Is的曲线604，(c)表示输出电压V输出的曲线606，以及(d)表示开关器件402两端的电压Vs的曲线608。恒定功率控制器404生成数字控制信号420，使得每个开关周期610具有周期T。因此，数字控制信号420具有频率1/T。在本文档中，可以通过使用括号中的数字来指代项目的具体实例(例如，开关周期610(1))，而没有括号的数字指代任何这样的项目(例如，开关周期610)。
虽然电气开关系统400在图6中被描绘为需要六个开关周期610来完成启动过程，但电气开关系统400可以需要更少或附加的开关周期610来完成启动过程，这取决于电气开关系统400的配置及其操作环境。例如，完成启动过程所需的开关周期610的数量可以取决于包括但不限于以下因素：(a)负载414的能量储存容量，(b)开关器件402的最大允许功率消耗，(c)开关器件402的SOA，(d)数字控制信号420的频率，以及(e)输入电压V输入的幅值。
恒定功率控制器404生成数字控制信号420，该数字控制信号(a)在处于其活动阶段时具有峰值612，并且(b)在处于其非活动阶段时具有值613。峰值612由恒定功率控制器404确定，使得当数字控制信号420处于其活动阶段时，电流Is具有幅值Istup，如图6所示。电流Is的峰值幅值相对较大，即，等于Istup，从而促进对负载414中的能量储存元件进行快速充电。然而，电流Is的平均值比Istup小得多。例如，开关周期610(1)中的电流Is的平均值Is_avg等于Istup*ta(1)/T。因此，即使电流Is的峰值幅值相对较大，开关器件402也消耗相对较低的平均功率，因为平均功率消耗和相关热特性是平均电流幅值的函数，而不是峰值电流幅值的函数。因此，恒定功率控制器404有利地使电气开关系统400能够在开关器件402中实现短启动时间和低平均功率消耗的组合。另外，恒定功率控制器404可以在能量储存容量的范围内(例如，在电容416的范围内以及在输入电压V输入的范围内)在开关器件402中实现短启动时间和低平均功率消耗的组合。
应当理解，恒定功率控制器404生成数字控制信号420，以使得在每个开关周期610中数字控制信号420的活动阶段的持续时间ta是开关器件402两端的电压Vs的函数。具体地，持续时间ta的长度随着电压Vs的减小而增加，例如，ta与每个开关周期610中的电压Vs成反比，以使得开关器件402中的功率消耗恒定。例如，持续时间ta(2)的长度大于持续时间ta(1)的长度，因为开关周期610(2)中的电压Vs小于开关周期610(1)中的电压Vs。
在图6的示例中，使用PWM来控制数字控制信号420的活动阶段的持续时间，即，控制占空比(ta/T)以控制数字控制信号420的活动阶段的持续时间。相比之下，图7是展示了在启动期间电气开关系统400的操作的一个示例的曲线图700，其中，恒定功率控制器404被配置为使用PFM来控制数字控制信号的活动阶段的持续时间。曲线图700的水平轴表示时间(t)，并且曲线图700的竖直轴表示幅值。曲线图700包括以下四个曲线：(a)表示数字控制信号420的曲线702，(b)表示流过开关器件402的电流Is的曲线704，(c)表示输出电压V输出的曲线706，以及(d)表示开关器件402两端的电压Vs的曲线708。虽然电气开关系统400在图7中被描绘为需要七个开关周期710来完成启动过程，但电气开关系统400可以需要更少或附加的开关周期710来完成启动过程，这取决于电气开关系统400的配置及其操作环境。在图7中仅标记了两个开关周期710以提高说明性的清晰度。
在图7的示例中，恒定功率控制器404生成数字控制信号420，使得数字控制信号420的活动阶段的持续时间在每个开关周期710期间都是恒定值ta，或者换言之，使得持续时间ta在开关周期710之间不变。然而，恒定功率控制器404生成数字控制信号420，使得其频率随着电压Vs的减小而增加，以在开关器件402中实现恒定的平均功率消耗。例如，如图7所示，开关周期710(1)具有频率1/T(1)，并且开关周期710(2)具有较高的频率1/T(2)。如图6的示例中一样，在图7的示例中，恒定功率控制器404生成数字控制信号420，使得当数字控制信号420处于其活动阶段时，数字控制信号420具有峰值612，以使电流Is具有幅值Istup并由此调节电流Is的幅值。另外，数字控制420具有最小值613。
图8是包括电气开关系统800的电路的框图，其中，电气开关系统800是图4的电气开关系统400的实施例。图4的开关器件402和恒定功率控制器404分别由图8中的FET 802和恒定功率控制器804来体现。FET 802是n沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。FET 802的漏极(D)电耦合到节点408，并且FET 802的源极(S)电耦合到节点410。FET 802的栅极(G)电耦合到恒定功率控制器804，并且栅极G由恒定功率控制器804生成的数字控制信号820驱动，其中，数字控制信号820是数字控制信号420的实施例。在不脱离本发明范围的情况下，可以用不同类型的FET代替FET 802，包括但不限于p沟道增强型MOSFET、耗尽型MOSFET或结型场效应晶体管(JFET)。
恒定功率控制器804包括电流发生器822、放大器824、驱动器开关826、驱动器开关828、调制模块830和电压感测模块832。电流发生器822被配置为生成表示Istup的参考信号834。例如，在一些实施例中，参考信号834是Istup的缩放值。比较模块836被配置为生成表示参考信号834与来自电流感测模块406的信号418之间的差的信号838。在图8中，比较模块836由从信号418减去参考信号834以生成信号838的节点实施。然而，在不脱离本发明范围的情况下，比较模块836可以以其他方式来实施，例如利用模拟电子电路系统和/或数字电子电路系统来实施。
放大器824放大信号838以产生由驱动器开关826接收的信号839。包括了放大器824，例如，(a)以提升信号838，使得该信号可以在FET 802处提供正的栅极到源极电压，和/或(b)以提升信号838，使得信号838能够快速为栅极G的电容充电。在无需提升信号838以驱动开关器件的实施例中，可选地省略放大器824。
电压感测模块832生成信号840，该信号表示开关器件(FET)802两端的电压Vs，即，FET 802的漏极D与源极S之间的电压。驱动器开关826和828分别响应于控制信号
Figure BDA0002969894030000091
和
Figure BDA0002969894030000095
而从信号839共同生成数字控制信号820，其中，控制信号
Figure BDA0002969894030000093
和
Figure BDA0002969894030000094
是互补的。当控制信号
Figure BDA0002969894030000096
被断言时，驱动器开关826闭合，使得数字控制信号820的幅值等于信号839的幅值。当控制信号
Figure BDA0002969894030000097
被解除断言时，驱动器开关826断开。当信号
Figure BDA0002969894030000098
被断言时，驱动器开关828闭合，使得数字控制信号820的幅值相对于FET 802的源极S为零。当信号
Figure BDA0002969894030000099
被解除断言时，驱动器开关828断开。因此，驱动器开关826和828被配置为使得(a)当数字控制信号820处于其活动阶段时，数字控制信号820的幅值等于信号839的幅值，并且(b)当数字控制信号820处于其非活动阶段时，数字控制信号820的幅值为零。
调制模块830被配置为至少部分地基于信号840来生成控制信号
Figure BDA00029698940300000910
和
Figure BDA00029698940300000911
，并由此控制驱动器开关826和828。当电压Vs减小时，调制模块830增加控制信号
Figure BDA00029698940300000912
被断言的时间量，并且当电压Vs增加时，调制模块830减小控制信号
Figure BDA00029698940300000913
被断言的时间量。在一些实施例中，调制模块830生成控制信号
Figure BDA00029698940300000921
，使得控制信号
Figure BDA00029698940300000914
被断言的时间量与电压Vs的幅值成反比。如以上所讨论的，控制信号
Figure BDA00029698940300000920
和
Figure BDA00029698940300000915
是互补的，并且当控制信号
Figure BDA00029698940300000916
被断言时，控制信号
Figure BDA00029698940300000917
被解除断言，反之亦然。在一些实施例中，调制模块830被配置为使用PWM技术或PFM技术来生成控制信号
Figure BDA00029698940300000918
和
Figure BDA00029698940300000919
，但是在不脱离本发明范围的情况下，调制模块830可以被配置为使用不同的调制技术。
恒定功率控制器804例如由模拟电路系统和/或数字电路系统来实施。在一些实施例中，恒定功率控制器804的两个或更多个元件至少部分地由常见电子电路系统来体现。在特定实施例中，恒定功率控制器804包括处理子系统(未示出)和存储器子系统(未示出)，并且处理子系统执行存储在存储器子系统中的非暂态指令以执行恒定功率控制器804的一个或多个功能。
图9是包括电气开关系统900的电路的框图，其中，电气开关系统900是图4的电气开关系统800的实施例。图8的电流感测模块406和恒定功率控制器804分别由图9中的电流感测模块906和恒定功率控制器904来体现。图10是展示了恒定功率控制器904在几个时钟周期上的操作的一个示例的曲线图1000，其中，电压Vs是基本恒定的(这通常仅在短时间段内适用)。曲线图1000的水平轴表示时间(t)，并且曲线图1000的竖直轴表示幅值。在下面的讨论中，最好将图9和图10一起查看。
电流感测模块906包括复制晶体管942、电流感测电阻器944和跨导增益级946。复制晶体管942经由电流感测电阻器944与FET 802并联电耦合。电流感测电阻器944具有低电阻值，因此其对流过复制晶体管942的电流Irep的影响可忽略不计。复制晶体管942被配置为使得流过复制晶体管942的电流Irep与电流Is具有已知的关系。例如，在一些实施例中，电流Irep是电流Is的缩放值。因此，电流感测电阻器944两端的电压Vres与电流Is成正比。跨导增益级946放大电压Vres以生成表示流过开关器件(FET)802的电流的信号418。
恒定功率控制器904包括体现图8的电压感测模块832的跨导增益级932。跨导增益级932放大电压Vs，以生成表示开关器件(FET)802两端的电压(Vs)的信号840，使得信号840是电流信号。恒定功率控制器904进一步包括D触发器948、开关950、电容器952、触发器954和反相器956，它们共同形成图8的调制模块830的一个实施例。
触发器948接收时钟信号CLK，其中，时钟信号CLK在电气开关系统900内部生成或在电气开关系统900外部生成。例如，电气开关系统900的一些实施例进一步包括被配置为生成时钟信号CLK的时钟(未示出)。如图10所示，时钟信号CLK的上升沿在时间t0处设置触发器948，从而使开关950断开。因此，电容器952开始从信号840充电，并且电容器952两端的电压Vc随时间相应地增加，如图10所示。触发器954的输出在电容器952的充电期间为低，使得控制信号
Figure BDA0002969894030000117
被解除断言。反相器956使触发器954的输出反相，使得在电容器952的充电期间控制信号
Figure BDA0002969894030000118
被断言，如图10所示。
触发器954响应于在时间t1处电容器952两端的电压Vc达到阈值Vref(图10)而改变状态，并且触发器954的输出变为高，导致控制信号
Figure BDA0002969894030000119
被解除断言并且控制信号
Figure BDA00029698940300001110
被断言。触发器954的高输出重置触发器948，这使得开关950闭合并使电容器952放电。在时间t2(图10)，在时钟信号CLK的下一个上升沿重复上述过程。因此，D触发器948、开关950、电容器952、触发器954和反相器956共同实施根据PWM操作的调制模块。
对电容器952充电所需的时间ton(t)定义如下，其中，C952是电容器952的电容，并且i840(t)是信号840的幅值：
Figure BDA0002969894030000111
数字控制信号820的占空比δ(t)定义如下，其中，Tck是时钟信号CLK的周期，并且Gm是跨导增益级932的跨导：
Figure BDA0002969894030000112
流过FET 802的电流Is(t)和在FET 802中消耗的功率P(t)可以如下确定：
Is(t)＝Istup·δ(t) (等式3)
P(t)＝Is(t)·Vs(t) (等式4)
等式2和3可以代入到等式4以产生以下结果：
Figure BDA0002969894030000113
等式5可以简化以产生等式6，其中，Υ由等式7定义，如下：
P(t)＝lstup·γ (等式6)
Figure BDA0002969894030000114
等式6的Istup和Υ都是恒定的，并且由此得出，在FET 802中消耗的功率P(t)也必然是恒定的。因此，等式6示出了恒定功率控制器904在启动期间在开关器件(FET)802中实现了恒定功率消耗。
图11是放大器1100的框图，其是放大器824(图8和图9)的一种可能实施例。然而，应当理解，放大器824可以其他方式体现。放大器1100包括飞行调节器1102、电荷泵驱动器1104、电荷泵1106、电流镜1108、电压放大器1110和电平移位器1112。飞行调节器1102、电荷泵驱动器1104和电荷泵1106共同形成用于向电流镜1108供电的功率供应装置。具体地，飞行调节器1102从(由电源412提供的)输入电压V输入生成参考电源轨1114，其中，参考电源轨1114的电压等于V输入-ΔV。在一些实施例中，ΔV为五伏。电荷泵驱动器1104在V输入与参考电源轨1114之间供电，并且电荷泵驱动器1104生成用于驱动电荷泵1106的信号1116。电荷泵1106生成具有等于V输入+ΔV的电压的电源轨1118，该电源轨为电流镜1108供电。
电压放大器1110和电平移位器1112中的每一个在Vdd电源轨与接地之间供电，其中，Vdd电源轨与V输入电源轨不同。电压放大器1110放大来自比较模块836的信号838以生成放大信号1120，并且电平移位器1112对放大信号1120的电压进行移位以生成电平移位的信号1122。电流镜1108从电平移位信号1122生成信号839。
图12是展示了用于开关器件的恒定功率控制的方法1200的框图。在框1202中，生成表示开关器件两端的电压的第一信号。在框1202的一个示例中，电压感测模块832生成表示FET 802(图8)两端的电压Vs的信号840。在框1204中，生成表示流过开关器件的电流的幅值的第二信号。在框1204的一个示例中，电流感测模块406生成表示流过开关器件802的电流Is的幅值的信号418。在框1206中，生成表示第二信号与参考信号之间的差的第三信号。在框1206的一个示例中，比较模块836生成表示参考信号834与来自电流感测模块406的信号418之间的差的信号838。
在框1208中，生成用于控制开关器件的数字控制信号，使得(a)数字控制信号被断言的时间量至少部分地基于第一信号，并且(b)当数字控制信号被断言时，数字控制信号的幅值至少部分地基于第三信号。在框1208的一个示例中，调制模块830和驱动器开关826生成数字控制信号820，使得(a)数字控制信号820的活动阶段的持续时间基于信号840，并且(b)数字控制信号820的峰值等于信号839。
图12并不旨在要求其组成框以任何特定顺序执行。此外，在一些实施例中，至少一些框被同时执行。
虽然以上关于启动讨论了恒定功率控制器404、804和904，但是恒定功率控制器不限于在启动期间使用。相反，恒定功率控制器可能会在其他情况下使用，诸如在电路关闭期间或电路过载状况期间。例如，图4的恒定功率控制器404可以适于生成数字控制信号420，使得在负载414处的过载状况期间，开关器件402中的功率消耗是恒定的。
在不脱离本发明范围的情况下，可以对以上方法、器件和系统做出改变。因此，应注意的是，包含在以上说明书中并且在附图中示出的主题应当被解释为说明性的而非限制性意义。以下权利要求旨在涵盖本文中所描述的一般特征和特定特征，以及本方法和系统范围的所有陈述在语言上可以被说成落在其间。

Claims (20)

1.一种电气开关系统，包括：
开关器件，该开关器件电耦合在第一节点与第二节点之间；以及
恒定功率控制器，该恒定功率控制器生成脉冲宽度调制信号以控制该开关器件并且
(a)至少部分地基于该开关器件两端的电压(Vs)设置在活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(ta)，并且
(b)设置该脉冲宽度调制信号的幅度，以调节流过该开关器件的电流(Is)的峰值幅度。
2.如权利要求1所述的电气开关系统，该恒定功率控制器进一步至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的占空比(ta/T)来设置在该活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(ta)。
3.如权利要求1所述的电气开关系统，该恒定功率控制器进一步至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的频率(1/T)来设置在该活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(ta)。
4.如权利要求3所述的电气开关系统，该恒定功率控制器被配置为基于(a)表示流过该开关器件的电流(Is)的幅值的信号与(b)参考信号之间的差来控制该脉冲宽度调制信号的峰值。
5.如权利要求4所述的电气开关系统，其中，该恒定功率控制器放大表示流过该开关器件的电流(Is)的幅值的信号与该参考信号之间的差以确定该峰值。
6.如权利要求5所述的电气开关系统，当该脉冲宽度调制信号处于非活动阶段时，该恒定功率控制器进一步将该脉冲宽度调制信号设置为具有零值。
7.如权利要求1所述的电气开关系统，其中，该开关器件包括场效应晶体管(FET)。
8.如权利要求7所述的电气开关系统，其中，该恒定功率控制器包括：
电压感测模块，该电压感测模块生成表示该开关器件两端的电压(Vs)的第一信号；
比较模块，该比较模块生成第三信号，该第三信号表示(a)表示流过该开关器件的电流(Is)的幅值的第二信号与(b)参考信号之间的差；
第一驱动器开关和第二驱动器开关，该第一驱动器开关和该第二驱动器开关从该第三信号生成该脉冲宽度调制信号；以及
调制模块，该调制模块至少部分地基于该第一信号来设置该第一驱动器开关和该第二驱动器开关。
9.一种开关器件的恒定功率控制方法，包括：
生成表示该开关器件两端的电压(Vs)的第一信号；
生成表示流过该开关器件的电流(Is)的幅值的第二信号；
生成表示该第二信号与参考信号之间的差的第三信号；以及
生成脉冲宽度调制信号以控制该开关器件，使得：
在活动阶段中该脉冲宽度调制信号的持续时间(ta)至少部分地基于该第一信号，并且
该脉冲宽度调制信号的峰值至少部分地基于该第三信号。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的占空比(ta/T)来控制该活动阶段的持续时间(ta)。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的频率(1/T)来控制该活动阶段的持续时间(ta)。
12.如权利要求11中任一项所述的方法，进一步包括放大该第三信号。
13.如权利要求12所述的方法，其中，当该脉冲宽度调制信号处于其活动阶段时，该脉冲宽度调制信号等于该第三信号。
14.如权利要求13所述的方法，其中，当该脉冲宽度调制信号处于其非活动阶段时，该脉冲宽度调制信号具有零值。
15.一种恒定功率控制器，包括：
电压感测模块，该电压感测模块生成表示开关器件两端的电压(Vs)的第一信号；
比较模块，该比较模块生成第三信号，该第三信号表示(a)表示流过该开关器件的电流(Is)的幅值的第二信号与(b)参考信号之间的差；
第一驱动器开关和第二驱动器开关，该第一驱动器开关和该第二驱动器开关基于该第三信号生成脉冲宽度调制信号，以控制该开关器件；以及
调制模块，该调制模块被配置为控制该第一驱动器开关和该第二驱动器开关，使得该脉冲宽度调制信号的活动阶段的持续时间(ta)至少部分地基于该第一信号。
16.如权利要求15所述的恒定功率控制器，该调制模块至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的占空比(ta/T)来控制在该活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(ta)。
17.如权利要求15所述的恒定功率控制器，该调制模块至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的频率(1/T)来控制在该活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(ta)。
18.如权利要求17所述的恒定功率控制器，进一步包括放大器，该放大器在该第一驱动器开关接收到该第三信号之前放大该第三信号。
19.如权利要求18所述的恒定功率控制器，其中，该第一驱动器开关和该第二驱动器开关生成该脉冲宽度调制信号，使得当该脉冲宽度调制信号处于其非活动阶段时，该脉冲宽度调制信号具有零值。
20.如权利要求15所述的恒定功率控制器，其中，该开关器件包括场效应晶体管(FET)。
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