TWI639293B - Capacitor discharge method and discharge circuit - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種電容放電方法和電容放電電路，應用於開關電源中，其透過檢測電路檢測該開關電源中X電容一端電壓以產生一第一電壓信號，然後監測該第一電壓信號，如該第一電壓信號在預設時間內保持低電平無效狀態時，則檢測電路輸出的檢測信號變為高電平有效狀態，表示該開關電源的輸入端斷電；這時，該放電電路接收該檢測信號，以在該開關電源的輸入端發生斷電後對該X電容放電。本發明的電容放電電路無需放電電阻等器件，降低了系統的功率損耗，也減小了空載功耗和待機功耗，滿足新標準的電源能耗要求。

Description

電容放電方法及放電電路
本發明係關於電源領域，更具體地說，關於一種應用於開關電源的電容放電方法及放電電路。
在開關電源的交流電源的輸入端，其火線和零線之間一般並接一個X電容作為安規電容，用於抑制EMI傳導干擾(主要為抑制差模干擾)，在一些場合由於實際需要，X電容的容值往往比較大，這樣，在交流電源斷電後，X電容會長時間儲存高壓電能，而安全標準規定，在交流電源斷電後的兩秒內，電源輸入端子電壓須下降到原來額定工作電壓的30%，因此為了滿足安全標準要求，需在交流電源斷電後對X電容進行放電。
現有技術中常用的一種解決方法是在X電容的兩端並聯一放電電阻，如圖1所示為現有技術的一種開關電源的電容放電電路，在X電容(X-cap)後並聯電阻R1和電阻R2，用以對該X電容放電，以避免交流電源斷電後開關電源輸入端子電壓過高的問題，但是，加入的放電電阻在交流電源接通後會產生固定的功率損耗，如其功耗達到 幾十mW到幾百mW不等，這是造成空載及待機輸入功耗的重要因數。按照國際電工委員會制定的IEC 16301標準，開關電源的空載功耗和待機功耗均應低於5mW，因此，現有技術的解決方法無法滿足新的電源低能耗標準。
有鑒於此，本發明提供一種電容放電方法及放電電路，應用於開關電源中，以解決現有技術中開關電源中X電容放電電路造成的能耗高的問題。
依據本發明的一種電容放電方法，應用於開關電源中，該開關電源包括連接於開關電源輸入端之間的X電容，包括以下步驟：步驟1：根據該X電容一端電壓產生一第一電壓信號；步驟2：根據該第一電壓信號產生一檢測信號，並且，監測該第一電壓信號，當該第一電壓信號在預設時間內保持低電平無效狀態時，該檢測信號變為高電平有效狀態，表示該開關電源的輸入端發生斷電；步驟3：接收該檢測信號，以在該開關電源的輸入端發生斷電後對該X電容放電。
進一步的，還包括以下步驟：接收該X電容一端電壓，經微分處理後產生一微分信號；箝位該微分信號，以將該微分信號箝位在一上限電壓 值和下限電壓值的範圍之內，並輸出一箝位信號；接收該箝位信號，經轉換處理後形成該第一電壓信號。
進一步的，還包括以下步驟：在該開關電源的輸入端發生斷電後，對該開關電源中的輔助供電電路進行放電，從而實現該X電容的放電。
進一步的，還包括以下步驟：在該開關電源的輸入端發生斷電後，對該開關電源中的濾波電容進行放電，從而實現該X電容的放電。
依據本發明的一種電容放電電路，應用於開關電源中，該開關電源包括連接於開關電源輸入端之間的X電容，該電容放電電路包括一檢測電路和放電電路，該檢測電路用以根據該X電容一端電壓產生一第一電壓信號，並且，該檢測電路基於該第一電壓信號輸出一檢測信號，當監測到該第一電壓信號在預設時間內保持低電平無效狀態時，該檢測信號變為高電平有效狀態，表示該開關電源的輸入端發生斷電；該放電電路接收該檢測信號，以在該開關電源的輸入端發生斷電後對該X電容放電。
進一步的，該檢測電路包括一微分電路、箝位電路、電壓轉換電路和計時電路，該微分電路接收該X電容一端電壓，經微分處理後產生一微分信號； 該箝位電路接收該微分信號，以將該微分信號箝位在一上限電壓值和下限電壓值的範圍之內，並輸出一箝位信號；該電壓轉換電路接收該箝位信號，經轉換處理後形成該第一電壓信號輸出；該計時電路接收該第一電壓信號和一固定頻率的時鐘信號，輸出端輸出該檢測信號。
進一步的，該放電電路包括第一開關電晶體和第一電阻，該第一開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第一電阻連接，該第一電阻的另一端接地。
進一步的，該放電電路還包括第二開關電晶體、第二電阻和第三開關電晶體，該第二開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第二電阻的一端連接；該第三開關電晶體的控制端與該第二電阻的另一端連接，該第三開關電晶體的第一功率端連接至該開關電源中的濾波電容，第二功率端接地。
進一步的，該放電電路還包括第四開關電晶體、第三電阻、第五開關電晶體和第四電阻，該第四開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第三電阻的一端連接， 該第五開關電晶體的控制端與該第三電阻的另一端連接，該第五開關電晶體的第一功率端透過該第四電阻連接至該開關電源中的濾波電容，第二功率端接地。
由上述的電容放電電路和電容放電方法可知，本發明的電容放電電路透過檢測電路檢測該X電容一端電壓以產生一第一電壓信號，然後監測該第一電壓信號，如該第一電壓信號在預設時間內保持低電平無效狀態時，則檢測電路輸出的檢測信號變為高電平有效狀態，表示該開關電源的輸入端斷電；這時，該放電電路接收該檢測信號，以在該開關電源的輸入端發生斷電後對該X電容放電。本發明的電容放電電路在檢測到開關電源斷電後對X電容放電，且無需放電電阻等器件，降低了系統的功率損耗，也減小了空載功耗和待機功耗，滿足新標準的電源能耗要求。
21‧‧‧檢測電路
22‧‧‧放電電路
201‧‧‧微分電路
202‧‧‧箝位電路
203‧‧‧電壓轉換電路
204‧‧‧計時電路
圖1所示為現有技術的一種開關電源的電容放電電路；圖2所示為依據本發明的一種電容放電電路的原理框圖；圖3A所示為依據本發明的一種電容放電電路的第一實施例的電路圖；圖3B為依據圖3A中檢測電路的工作波形圖；圖4所示為依據本發明的一種電容放電電路的第二實施例的電路圖； 圖5所示為依據本發明的一種電容放電電路的第三實施例的電路圖；圖6所示為依據本發明的一種電容放電方法的流程圖。
以下結合附圖對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公衆對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
參考圖2，所示為依據本發明的一種電容放電電路的原理框圖，應用於開關電源中，該開關電源包括連接於開關電源輸入端子之間的X電容、由D1~D4組成的整流橋電路、濾波電容CB。
具體地，該電容放電電路包括一檢測電路21和放電電路22，該檢測電路包括一微分電路201、箝位電路202、電壓轉換電路203和一計時電路204。該微分電路201接收該X電容一端電壓，經微分處理後產生一微分信號Vd；該箝位電路202接收該微分信號Vd，以將該微分信號箝位在一上限電壓值和下限電壓值的範圍之內，並輸出一箝位信號Vc；該電壓轉換電路203接收該箝位信號Vc，經轉換處理後形成該第一電壓信號V1輸出；該計時 電路204接收該第一電壓信號V1和一固定頻率的時鐘信號CLK，輸出端(Q端)輸出一檢測信號AC-off，這裡，透過該計時電路監測該第一電壓信號V1的高低電平狀態，如在預設時間內該第一電壓信號保持低電平無效狀態，計時電路輸出的檢測信號跳變為高電平有效狀態，表示該開關電源的輸入端斷電。
然後，該放電電路22接收該檢測信號AC-off和需放電的電壓信號Ve，以在該開關電源的輸入端發生斷電後對該X電容放電。
可見，本發明的電容放電電路透過對X電容一端電壓進行採樣以獲得一第一電壓信號，然後透過對第一電壓信號的高低電平狀態的監測以判斷開關電源的輸入端是否斷電，若開關電源的輸入端發生斷電，則透過放電電路來將X電容儲存的電能放掉。其無需放電電阻，降低了工作中電路的功率損耗，提高了工作效率。
參考圖3A，所示為依據本發明的一種電容放電電路的第一實施例的電路圖；本實施例中開關電源以反激式開關電源為例進行說明，其中，由二極管D1和電容C1組成的輔助供電電路為該開關電源的晶片提供供電電壓VCC，功率開關電晶體QM由驅動信號Vdr控制其開關狀態。本實施例中公開了電容放電電路中的檢測電路21和放電電路22的一種具體實現方式，如圖3A所示，該微分電路201具體包括一微分電容Cd和微分電阻Rd，其接收X電容一端電壓Vx，經微分處理後獲得一微分信號Vd， 根據微分電路原理，該微分信號為一尖脈衝波。該箝位電路202接受該微分信號Vd，該箝位電路包括一第一齊納二極管Z1，其將該微分信號箝位在一上限電壓值和下限電壓值範圍之內，以防止微分信號的尖脈衝電壓對電路中的功率器件造成損害，具體地，當該微分信號過高時，該第一齊納二極管Z1被擊穿，該微分信號被箝位在上限電壓值(即擊穿電壓)範圍之內；當該微分信號過低時，該第一齊納二極管Z1導通，該微分信號被箝位在下限電壓值(即-0.7V)範圍之內。
具體地，該電壓轉換電路203具體包括一第一電流鏡電路和第二電流鏡電路，該第一電流鏡電路包括共閘共源的電晶體MP1和電晶體MP2，其源極接一電壓VDD，閘極接驅動電壓VG，其寬長比設為n：1(n為整數且n>1)，這裡，電晶體MP1和電晶體MP2的寬長比較佳為2：1。該第二電流鏡電路包括共閘的電晶體MP3和電晶體MP4，其寬長比較佳設為1：1，該第一電流鏡電路和該第二電流鏡電路的公共連接點D點的電壓設為電壓VD，電壓VD經反相後形成該第一電壓信號V1。
具體地，該計時電路204接收該第一電壓信號V1和一固定頻率的時鐘信號CLK，並輸出一檢測信號AC-off。在時鐘信號CLK的每個上升沿到來時刻，該計時電路204監測該第一電壓信號V1的高低電平狀態，若監測到該第一電壓信號V1在一預設時間內保持為低電平無效狀態，該檢測信號AC-off在預設時間到達後跳變為高電 平有效狀態，表示該開關電源的輸入端斷電。這裡的預設時間可由用戶根據需要自定義設置，本實施例中該固定頻率的時鐘信號較佳為1KHZ，預設時間較佳為64ms。
在該實施例中，該放電電路22包括一第一開關電晶體Q1和第一電阻R1，該第一開關電晶體Q1的控制端接收該檢測信號AC-off，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第一電阻R1連接，該第一電阻R1的另一端接地。
結合圖3B所示的圖3A中檢測電路21的工作波形圖，其工作原理為：當該開關電源的輸入端沒有發生斷電時，如在t1時刻，該X電容一端電壓Vx開始上升，微分電路產生的微分信號Vd上升，當上升到箝位電路的上限電壓值時，該上箝位電路將其箝位在上限電壓值，如圖3C中的箝位電壓Vc所示，這時，電晶體MP3關斷，該電壓VD為高電平狀態，因此，該第一電壓信號V1為低電平狀態。直至到達t2時刻，該X電容一端電壓Vx到達峰值，箝位信號Vc為過零點，電晶體MP3導通，該電壓VD變為低電平狀態，因此，該第一電壓信號V1變為高電平狀態。在t2時刻至t3時刻之間，微分信號Vd被箝位在下限電壓值範圍之內，電晶體MP3保持導通，該第一電壓信號V1保持為高電平狀態。在t3時刻至t4時刻，由於該X電容一端電壓Vx保持為-0.7v，相應的箝位信號Vc為零，該電晶體MP3導通，這時，由於電晶體MP1和電晶體MP2的寬長比為2：1，因此，電壓VD變為高電平狀 態，該第一電壓信號V1變為低電平狀態。直至t4時刻，下一個周期到來該X電容一端電壓Vx開始上升，電晶體MP3關斷，該第一電壓信號V1為低電平狀態，到t5時刻，電晶體MP3導通，該第一電壓信號V1變為高電平狀態。依此循環，只要在預設時間64ms內能檢測到該第一電壓信號V1出現高電平狀態，則表示該開關電源的輸入端沒有發生斷電。
之後，在t7時刻，該開關電源的輸入端發生斷電，該X電容一端電壓Vx恆為-0.7v，相應地，該箝位信號Vc恆為零，第一電壓信號V1一直保持為低電平狀態，這時，如計時電路監測到該第一電壓信號V1在預設的64ms內一直沒有高電平狀態出現，則輸出的檢測信號AC-off跳變為高電平狀態，以表示該開關電源的輸入端發生了斷電。
這時，放電電路22中的第一開關電晶體Q1導通，透過第一電阻R1對該輔助供電電路放電，本實施例中，該需放電的電壓信號Ve為該輔助供電電路的供電電壓VCC，由此，濾波電容CB上的能量隨之釋放，從而使得該X電容上的電能減少，完成X電容的放電過程。
參考圖4，所示為依據本發明的一種電容放電電路的第二實施例的電路圖；圖4所示的放電電路22進一步包括第二開關電晶體、第二電阻和第三開關電晶體， 需要說明的是，本實施例中的第二開關電晶體和第二電阻與圖3中所示實施例的第一開關電晶體和第一電阻連 接結構相似，因此，相同的部分在此用同一標號表示。
該第二開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第二電阻的一端連接； 該第三開關電晶體Q2的控制端與該第二電阻的另一端連接，該第三開關電晶體Q2的第一功率端連接至該開關電源中的濾波電容CB，第二功率端接地。
較佳的，本實施例中該第三開關電晶體為半導體三極管，其放大增益係數為β。
本實施例中的檢測電路21與上一實施例相同，當該檢測電路21檢測到該開關電源的輸入端發生斷電後，該檢測信號AC-off跳變為高電平狀態，表示該開關電源的輸入端發生斷電，這時該第二開關電晶體導通，這樣該第三開關電晶體Q2被導通，該濾波電容CB上的電能透過第三開關電晶體Q2釋放，本實施例中，該需放電的電壓信號Ve為該濾波電容CB兩端電壓，從而使得該X電容上的電能減少，完成X電容的放電過程。這裡需要說明的是，由於第三開關電晶體為增益係數為β的半導體三極管，其放電電流相對於第一實施例大約增大了β倍，放電速率大大提高，適用於需要快速放電的場合。
參考圖5，所示為依據本發明的一種電容放電電路的第三實施例的電路圖； 該放電電路進一步還包括第四開關電晶體、第三電阻、第五開關電晶體和第四電阻， 同樣的，本實施例中的第四開關電晶體和第三電阻與圖3中所示實施例的第一開關電晶體和第一電阻連接結構相似，因此，相同的部分在此用同一標號表示。
該第四開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第三電阻的一端連接， 該第五開關電晶體Q3的控制端與該第三電阻的另一端連接，該第五開關電晶體的第一功率端透過該第四電阻R2連接至該開關電源中的濾波電容CB，第二功率端接地。
較佳的，該第四開關電晶體可為任何合適的開關電晶體，例如可為場效應電晶體或者雙極型電晶體。
其放電基本原理為：當該檢測電路21檢測到該開關電源的輸入端發生斷電後，該檢測信號AC-off跳變為高電平狀態，表示該開關電源的輸入端發生斷電，該第四開關電晶體導通，這樣該第五開關電晶體Q3被導通，該濾波電容CB上的電能透過第四電阻R2釋放，本實施例中，該需放電的電壓信號Ve為該濾波電容CB兩端電壓，從而使得該X電容上的電能減少，完成X電容的放電過程。這裡調節第四電阻R2的大小可控制放電速率。
上述的檢測電路和放電電路的具體實施例詳細說明了本發明實施例的工作過程，從上述過程可知，本發明的X電容放電技術相對於現有技術高效節能，適應於對空載和待機損耗要求高的開關電源場合。
此外，本領域技術人員可以得知，本發明實施例中的微分電路、箝位電路、電壓轉換電路、計時電路和放電電路也可由其他合適的實現方式等同替代，因此，根據以上公開的實施例的教導，本領域技術人員可以得知其他基於本發明基本原理的合適的電路結構，也在本發明實施例的保護範圍之內。
參考圖6，所示為依據本發明的一種電容放電方法的流程圖。該電容放電方法，應用於開關電源中，該開關電源包括連接於開關電源輸入端之間的X電容，包括以下步驟：S601：根據該X電容一端電壓產生一第一電壓信號；S602：根據該第一電壓信號產生一檢測信號，並且，監測該第一電壓信號，當該第一電壓信號在預設時間內保持低電平無效狀態時，該檢測信號變為高電平有效狀態，表示該開關電源的輸入端發生斷電；S603：接收該檢測信號，以在該開關電源的輸入端發生斷電後對該X電容放電。
進一步的，還包括：接收該X電容一端電壓，經微分處理後產生一微分信號；箝位該微分信號，以將該微分信號箝位在一上限電壓值和下限電壓值的範圍之內，並輸出一箝位信號；接收該箝位信號，經轉換處理後形成該第一電壓信 號。
較佳的，在該開關電源的輸入端發生斷電後，對該開關電源中的輔助供電電路進行放電，從而實現該X電容的放電。
較佳的，在該開關電源的輸入端發生斷電後，對該開關電源中的濾波電容進行放電來實現X電容的放電。
以上對依據本發明的較佳實施例的應用於開關電源中的電容放電電路及放電方法進行了詳盡描述，本領域普通技術人員據此可以推知其他技術或者結構以及電路布局、元件等均可應用於所述實施例。
依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受申請專利範圍及其全部範圍和等效物的限制。

Claims (11)

  1. 一種電容放電方法，應用於開關電源中，該開關電源包括連接於開關電源輸入端之間的X電容，其特徵在於，包括以下步驟：步驟1：檢測該開關電源的輸入端是否發生斷電；步驟2：當該開關電源的輸入端發生斷電時，控制放電電路導通，以對該X電容放電；步驟3：當該開關電源的輸入端沒有發生斷電時，該放電電路處於斷開狀態。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的電容放電方法，其中，在步驟1中進一步包括：根據該X電容一端電壓產生一第一電壓信號；根據一固定頻率的時鐘信號，對該第一電壓信號進行計時；當監測到該第一電壓信號在預設時間內保持無效狀態時，檢測信號變為有效狀態，表示該開關電源的輸入端發生斷電，控制該放電電路導通，以對該X電容放電。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的電容放電方法，其中，進一步包括：接收該X電容一端電壓，經微分處理後產生一微分信號；箝位該微分信號，以將該微分信號箝位在一上限電壓值和下限電壓值的範圍之內，並輸出一箝位信號；接收該箝位信號，經轉換處理後形成該第一電壓信 號。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的電容放電方法，其中，在步驟2中進一步包括：在該開關電源的輸入端發生斷電後，該放電電路導通，對該開關電源中的輔助供電電路通過該放電電路進行放電，從而實現該X電容的放電。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的電容放電方法，其中，在步驟2中進一步包括：在該開關電源的輸入端發生斷電後，該放電電路導通，對該開關電源中的濾波電容通過該放電電路進行放電，從而實現該X電容的放電。
  6. 一種電容放電電路，應用於開關電源中，該開關電源包括連接於開關電源輸入端之間的X電容，其特徵在於，該電容放電電路包括一檢測電路和放電電路，該檢測電路用以根據該X電容一端電壓產生一第一電壓信號，並且，該檢測電路基於該第一電壓信號輸出一檢測信號，當監測到該第一電壓信號在預設時間內保持無效狀態時，該檢測信號變為有效狀態，表示該開關電源的輸入端發生斷電；該放電電路接收該檢測信號，以在該開關電源的輸入端發生斷電後，該放電電路導通，對該X電容放電。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的電容放電電路，該檢測電路包括計時電路， 該計時電路接收該第一電壓信號和一固定頻率的時鐘信號，輸出端輸出該檢測信號。
  8. 根據申請專利範圍第6項所述的電容放電電路，其中，該檢測電路還包括微分電路、箝位電路和電壓轉換電路，該微分電路接收該X電容一端電壓，經微分處理後產生一微分信號；該箝位電路接收該微分信號，以將該微分信號箝位在一上限電壓值和下限電壓值的範圍之內，並輸出一箝位信號；該電壓轉換電路接收該箝位信號，經轉換處理後形成該第一電壓信號輸出。
  9. 根據申請專利範圍第6項所述的電容放電電路，其中，該放電電路包括第一開關電晶體和第一電阻，該第一開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第一電阻的一端連接，該第一電阻的另一端接地。
  10. 根據申請專利範圍第6項所述的電容放電電路，其中，該放電電路進一步還包括第二開關電晶體、第二電阻和第三開關電晶體，該第二開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第二電阻的一端連接；該第三開關電晶體的控制端與該第二電阻的另一端連 接，該第三開關電晶體的第一功率端連接至該開關電源中的濾波電容，第二功率端接地。
  11. 根據申請專利範圍第6項所述的電容放電電路，其中，該放電電路進一步還包括第四開關電晶體、第三電阻、第五開關電晶體和第四電阻，該第四開關電晶體的控制端接收該檢測信號，其第一功率端與該開關電源中的輔助供電電路連接，第二功率端與該第三電阻的一端連接，該第五開關電晶體的控制端與該第三電阻的另一端連接，該第五開關電晶體的第一功率端透過該第四電阻連接至該開關電源中的濾波電容，第二功率端接地。
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