高壓啟動電路的制作方法
【專利摘要】一種系統(tǒng)，包括被配置成接收交流(AC)線電壓的功率晶體管和控制電路。在AC線電壓的半周期的上升段期間，該控制電路被配置成在該AC線電壓達到第一值時接通該功率晶體管并且在該AC線電壓達到第二值時斷開該功率晶體管。該第二值比該第一值大。在該半周期的下降段期間，該控制電路被配置成在該AC線電壓達到該第二值時接通該功率晶體管并且在該AC線電壓達到該第一值時斷開該功率晶體管。
【專利說明】高壓啟動電路
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年4月18日提交的美國實用申請?zhí)枮?3/449，407的優(yōu)先權，以及于2011年5月16日提交的美國臨時申請?zhí)枮?1/486，488的權益。
[0003]本申請涉及于2011年6月8日提交的美國臨時申請?zhí)枮?1/494，619的申請。
[0004]以上申請公開的內容在此通過整體引用結合于此。
【技術領域】
[0005]本公開涉及一種高壓啟動電路，其用于當電源最初被接通時需要DC功率來操作的系統(tǒng)。
【背景技術】
[0006]在此提供的背景描述用于一般性地呈現(xiàn)本公開的內容?，F(xiàn)指定的發(fā)明人的工作，至在本【背景技術】段所描述的工作的程度，以及在提交時另外不可以構成現(xiàn)有技術的描述的方面，既非明示也非暗示地對本公開構成現(xiàn)有技術。
[0007]現(xiàn)參考圖1，電源100將交流(AC)線電壓101轉換成適合于負載102的一個或多個直流(DC)電壓。AC線電壓101可以為110￥，60取或者220￥，50取。DC電壓可以包括IV、
1.5V、±5V、±12V、24V的一部分或者任何其它合適的值來驅動負載102。電源100包括降壓變壓器104，和整流器106。降壓變壓器104根據(jù)要生成的DC電壓值將AC線電壓101轉換成具有小于AC線電壓101的值的AC電壓(例如，24V ACU2V AC等)。整流器106將由降壓變壓器104輸出的AC電壓轉換成DC電壓，并將DC電壓輸出到負載102。
[0008]現(xiàn)參考圖2，電源150將AC線電壓101轉換成適合于負載102的一個或多個DC電壓。電源150包括整流器152和DC-DC轉換器154。整流器152將AC線電壓101轉換成DC電壓。DC-DC轉換器154將由整流器152輸出的DC電壓轉換成適于運行負載102的一個或多個DC電壓。
[0009]DC-DC轉換器154通常包括開關控制器(例如，脈寬調制(PWM)控制器)。該開關控制器需要DC電壓來操作。在啟動時(即，當電源被接通時)所需用來操作開關控制器的DC電壓通常使用電阻器來生成。該電阻器將AC線電壓101降至被用來在啟動時對開關控制器進行供電的低值。隨后，當生成操作負載102的DC電壓時，使用DC電壓中的一個電壓來操作開關控制器。
[0010]通過電源的輸出電壓對電源的輸入電壓的比率可以得到電源的效率。電源150的效率非常低。例如，如果由電源150供應到負載102的DC電壓值為5V，并且AC線電壓101的值時120V( 即，約為170V RMS)，那么電源150的效率為5/170 =大約3%。如果供應到負載102的DC電壓為12V，并且AC線電壓101為220V( 即，約為31IV RMS)，那么電源150的效率為12/311 =大約4%。
[0011]此外，用來在啟動時對開關控制器進行供電的電阻器消耗功率。進一步地，在某些應用中，盡管負載102可能被從正常操作模式切換到節(jié)電模式，電源150仍繼續(xù)運行并且因此消耗功率。

【發(fā)明內容】

[0012]一種系統(tǒng)，包括被配置成接收交流(AC)線電壓的功率晶體管以及控制電路。在該AC線電壓的半周期的上升段期間，該控制電路被配置成在該AC線電壓達到第一值時接通該功率晶體管，并且在該AC線電壓達到第二值時斷開該功率晶體管。該第二值比該第一值大。在該半周期的下降段期間，該控制電路被配置成在該AC線電壓達到該第二值時接通該功率晶體管，并且在該AC線電壓達到該第一值時關斷該功率晶體管。
[0013]在其它特征中，該系統(tǒng)進一步包括電容，其中當該功率晶體管接通時該功率晶體管對該電容進行充電，并且該電容輸出具有小于該第一值的值的電壓。
[0014]在其它特征中，該控制電路被配置成當由該電容輸出的該電壓大于或者等于該第一值時斷開該功率晶體管。
[0015]在其它特征中，該系統(tǒng)進一步包括被配置成基于該AC線電壓生成直流(DC)電壓的電源，以及被配置成控制該電源的控制器。由該電容輸出的電壓對該控制器進行供電。
[0016]在其它特征中，該控制電路被配置成禁用該功率晶體管。
[0017]在又一些特征中，一種系統(tǒng)，包括功率晶體管，該功率晶體管被配置成接收交流(AC)線電壓并且在該AC線電壓的半周期期間基于何時接通該功率晶體管而對電容進行充電至輸出電壓。該系統(tǒng)進一步包括控制電路，該控制電路被配置成在該AC線電壓的半周期期間當該AC線電壓介于第一值和第二值之間時接通該功率晶體管來對該電容進行充電，其中該第一值大于或者等于該輸出電壓，并且其中該第二值以預定額大于該第一值。該控制電路進一步被配置成在該AC線電壓的半周期期間當該AC線電壓不在該第一值和該第二值之間時或者當該電容被充電至該輸出電壓時斷開該功率晶體管。
[0018]在其它特征中，該系統(tǒng)進一步包括被配置成控制電源的控制器，其中該電源基于該AC線電壓生成直流(DC)電壓，并且其中該電容輸出輸出電壓至該控制器。
[0019]在其它特征中，該控制電路被配置成斷開該功率晶體管和該控制電路的元件。
[0020]在其它特征中，該控制電路包括被配置成對該AC線電壓進行分壓的分壓器，被配置成將該分壓器的輸出與參考電壓相比較的比較器，以及開關，該開關被配置成基于該比較當該AC線電壓在該第一值和該第二值之間時接通該功率晶體管，并且當該AC線電壓不在該第一值和該第二值之間時斷開該功率晶體管。
[0021]在其它特征中，該控制器包括被配置成對輸出電壓進行分壓的分壓器、被配置成將該分壓器的輸出與參考電壓相比較的比較器，以及開關，該開關被配置成基于該比較當該AC線電壓介于該第一值和該第二值之間時以及當該電容被充電至小于該輸出電壓時接通該功率晶體管，并且當該電容被充電至大于或者等于該輸出電壓時斷開該功率晶體管。
[0022]在又一特征中，一種集成電路(IC)包括第一電阻，該第一電阻具有連接到交流(AC)線電壓的第一端、以及第二端；以及第二電阻，具有連接到該第一電阻的第二端的第一端、以及第二端。該系統(tǒng)進一步包括第一比較器，該第一比較器具有連接到該第一電阻的該第二端的第一輸入、連接到參考電壓的第二輸入、以及第一輸出。該系統(tǒng)進一步包括第一晶體管，該第一晶體管具有連接到該第一比較器的第一輸出的柵極、連接到該第二電阻的第二端的源極、以及漏極；以及第二晶體管，具有連接到該第二電阻的第二端的源極、連接到該第一晶體管的漏極的漏極、以及柵極。該系統(tǒng)進一步包括第二比較器，該第二比較器具有連接到該第二晶體管的柵極的第二輸出、連接到該參考電壓的第一輸入、以及第二輸入。該系統(tǒng)進一步包括第三電阻，該第三電阻具有連接到該第二電阻的第二端的第一端、以及連接到該第二比較器的第二輸入的第二端；以及第四電阻，具有連接到該第二比較器的該第二輸入的第一端、以及第二端。該系統(tǒng)進一步包括第五電阻，該第五電阻具有連接到該第四電阻的第二端的第一端、以及連接到該第一晶體管的漏極的第二端。該系統(tǒng)進一步包括二極管，該二極管具有連接到該第五電阻的第一端的陰極、以及陽極。該系統(tǒng)進一步包括第三晶體管，該第三晶體管具有連接到該二極管的陽極的源極、連接到該第一電阻的第一端的漏極、以及連接到該第二晶體管的漏極的控制端。該系統(tǒng)進一步包括電容，該電容具有連接到該二極管的陰極的第一端、以及連接到該第二電阻的第二端的第二端。
[0023]本公開進一步適用的領域將會從具體描述、權利要求和附圖變得明顯。具體的描述和特定的示例僅旨在說明而非旨在限制本公開的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]對本公開將從具體的描述和所附的附圖變得更為全面地被理解，其中:
[0025]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的對降壓交流(AC)線電壓進行整流的電源的原理框圖；
[0026]圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術的對AC線電壓進行整流并且生成一個或多個DC電壓的電源的原理框圖；
[0027]圖3A和3B是根據(jù)本公開的包括啟動電路的電源的原理框圖；
[0028]圖4A是啟動電路的示意圖；
[0029]圖4B是描繪AC線電壓、啟動電路的輸出電壓、和由啟動電路供應的漏極電流隨時間變化的圖；
[0030]圖5是用于在啟動時(即，當電源被接通時)對電源的控制器進行供電的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031]本公開涉及啟動電路，其在啟動時(即，當電源被接通時)供電到系統(tǒng)，該系統(tǒng)從AC線電壓(例如120V AC)汲取功率并且其在啟動時需要功率(例如5V DC)來操作。例如，在啟動時，啟動電路提供功率至電源的開關控制器。基于由啟動電路提供的功率，開關控制器可以在啟動時控制電源的操作使得電源可以從AC線電壓生成一個或多個DC電壓來操作負載。
[0032]在電源生成DC電壓之后，可以使用DC電壓中的一個DC電壓來對開關控制器進行供電?；谟呻娫瓷傻腄C電壓，開關控制器繼續(xù)操作并且控制電源。在由電源生成的DC電壓被用來對開關控制器進行供電之后，啟動電路可以被禁用。當使用電源作為示例描述時，本公開的原理可以被應用到從AC線電壓汲取功率并且其在啟動時需要諸如5V DC的功率來操作的任何系統(tǒng)。
[0033]現(xiàn)參考圖3A和3B，示出了根據(jù)本公開的包括啟動電路202的電源200。在圖3A中，啟動電路202被布置在整流器204和DC-DC轉換器206之間。在圖3B中，啟動電路202被布置在AC線電壓101和整流器204之間。在任一種布置中，啟動電路202在啟動期間從AC線電壓101汲取功率并供應適于操作DC-DC轉換器206的元件(例如開關控制器)的DC電壓。DC-DC轉換器206生成適于操作負載102的一個或多個DC電壓。在生成DC電壓之后，DC-DC轉換器206使用DC電壓中的一個DC電壓來操作諸如DC-DC轉換器206的開關控制器之類的元件并且禁用啟動電路202。
[0034]現(xiàn)參考圖4A和4B，啟動電路202詳細地示出。在圖4A中，在啟動時啟動電路202在AC線電壓的每個半周期期間對電容器Ctjut進行充電。啟動電路202將電容器Ctjut充電至輸出電壓Vwt。在啟動時電容器Cwt供應輸出電壓Vwt至諸如DC-DC轉換器206的開關控制器(未示出)之類的元件。僅作為示例，假設開關控制器需要5VDC來操作。在啟動時啟動電路202將電容器Ctjut充電至5V DC并供應5V DC至開關控制器。
[0035]當AC線電壓的值在AC線電壓的每個半周期期間介于第一值和第二值之間時，啟動電路202對電容器Crat進行充電?；谳敵鲭妷篤rat的值選擇第一值。第二值比第一值大。例如，如果Vtjut = 5V，第一值可以為大于5V的任何值。僅作為示例，假設第一值為5.1V。第二值可以為6V、7V、8V或者大于第一值的任何值。僅作為示例,假設第二值為6V。
[0036]在圖4B中，當AC線電壓從零增加到大于5V RMS的第一值(例如5.1V RMS)時，在AC線電壓的半周期期間啟動電路202在時間tl開始對電容器Cwt進行充電。啟動電路202對電容器Ctjut進行充電，直到當AC線電壓增加到大于第一值的第二值(例如6V RMS)的時間t2。當AC線電壓在時間t2大于或者等于第二值(例如6V RMS)時，啟動電路202停止對電容器Ctjut進行充電。
[0037]隨后，AC線電壓增加到峰值(例如1.44*110V)并開始降低。在AC線電壓從峰值降低到第二值(例如6V RMS)時，啟動電路202在時間t3再一次開始對電容器Cwt進行充電。啟動電路202對電容器C-進行充電，直到當AC線電壓從第二值降低到第一值(例如，從6V RMS到5.1V RMS)的時間t4`。當AC線電壓小于或者等于第一值(例如5.1V RMS)時，啟動電路202在時間t4停止對電容器Ctjut進行充電。然后，AC線電壓回到零，并且該周期根據(jù)AC線電壓的線頻率(例如50Hz)重復。電容器Ctjut將輸出電壓Vtjut = 5V輸出至開關控制器。
[0038]基于由啟動電路202供應的輸出電壓Vtjut, DC-DC轉換器206的開關控制器在啟動期間操作，并且DC-DC轉換器206生成一個或多個DC電壓來操作負載102。隨后，DC-DC轉換器206生成的DC電壓中的一個DC電壓(例如5V)被用來對開關控制器進行供電，并且啟動電路202可以被禁用。
[0039]在上面的示例中，當?shù)絾与娐?02的輸入電壓介于5V RMS和6V RMS之間時，電容器Ctjut被充電。因為到啟動電路202的最大輸入電壓為6V RMS，并且啟動電路202的輸出電壓為5V，啟動電路202的最差情況的效率為5/6 =大約83%?，F(xiàn)對啟動電路202進行詳細描述。
[0040]在圖4A中，啟動電路202可以被制造為具有四個引腳的集成電路(IC)、禁用(DIS)和地(GND)。Va。引腳被連接到AC線電壓101。Vwt引腳被連接到輸出電容器Cwt，并且在啟動時供應由啟動電路202生成的輸出電壓Vwt至DC-DC轉換器206。GND引腳被接地。在啟動后(即，在DC-DC轉換器206生成一個或多個DC電壓之后)，DIS引腳可以被用于輸入禁用信號來斷開啟動電路202以節(jié)電。例如，在DC-DC轉換器206生成一個或多個DC電壓之后，DC-DC轉換器206可以發(fā)送控制信號到DIS引腳?？刂菩盘枖嚅_啟動電路202?？商鎿Q地， 在不用時DIS引腳可以被接地。
[0041]啟動電路202包括:由比較器Cl和C2控制的超高電壓耗盡型功率晶體管Ml;晶體管M2、M3和M4 ；以及電阻器Rl到R5。比較器Cl和C2 ;晶體管M2、M3和M4 ；以及電阻器Rl到R5可以被稱為控制電路，其控制功率晶體管Ml。晶體管M2、M3和M4可以為CM0SFET。電阻器Rl和R2是高壓電阻器。
[0042]功率晶體管Ml的柵極電壓由電阻器R5和晶體管M2、M3和M4確定。晶體管M2、M3和M4分別由AC線電壓Vac、輸出電壓Vwt以及禁用輸入(DIS)所控制。電阻器R5被用來對功率晶體管Ml的柵極電壓進行充電至V-。二極管D是反向阻斷二極管，其防止輸出電壓Vrat通過功率晶體管Ml的體二極管進行放電。
[0043]當電源被接通時(即，在啟動時)，最初Vwt為低；晶體管M2、M3和Μ4被斷開；并且功率晶體管Ml的柵極電壓等于V。#因為功率晶體管Ml為耗盡型M0SFET，閥值電壓為負值，并且已經形成了通道。因此，當最初接通電源時，功率晶體管Ml接通。電容器Cwt由接近功率晶體管Ml的閥值電壓的AC線電壓充電。帶隙基準(BGR)生成器(未示出)將參考電壓供應至比較器Cl和C2。
[0044]比較器Cl接收信號Vae sense，其提供AC線電壓Vac的指示。使用包括電阻器Rl和R2的電阻分壓器生成信號Vae sense。特別地，
【權利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 功率晶體管，被配置成接收交流(AC)線電壓；以及 控制電路，被配置成 在所述AC線電壓的半周期的上升段期間，在所述AC線電壓達到第一值時接通所述功率晶體管，并且在所述AC線電壓達到第二值時斷開所述功率晶體管，其中所述第二值比所述第一值大，以及 在所述半周期的下降段期間，在所述AC線電壓達到所述第二值時接通所述功率晶體管，并且在所述AC線電壓達到所述第一值時斷開所述功率晶體管。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括電容，其中當所述功率晶體管接通時所述功率晶體管對所述電容進行充電，并且其中所述電容輸出電壓，該電壓具有小于所述第一值的值。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路被配置成當由所述電容輸出的所述電壓大于或者等于所述第一值時斷開所述功率晶體管。
4.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，進一步包括: 電源，被配置成基于所述AC線電壓生成直流(DC)電壓；以及 控制器，被配置成控制所述電源， 其中由所述電容輸出的所述電壓對所述控制器進行供電。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路被配置成禁用所述功率晶體管。
6.一種系統(tǒng),包括: 功率晶體管，被配置成接收交流(AC)線電壓，并且在所述AC線電壓的半周期期間基于何時接通所述功率晶體管而對電容進行充電至輸出電壓；以及控制電路，被配置成 在所述AC線電壓的半周期期間當所述AC線電壓介于第一值和第二值之間時接通所述功率晶體管來對所述電容進行充電，其中所述第一值大于或者等于所述輸出電壓，并且其中所述第二值以預定量大于所述第一值，以及 在所述AC線電壓的所述半周期期間當所述AC線電壓不在所述第一值和所述第二值之間時或者當所述電容被充電至所述輸出電壓時斷開所述功率晶體管。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，進一步包括: 控制器，被配置成控制電源， 其中所述電源基于所述AC線電壓生成直流(DC)電壓，并且 其中所述電容輸出所述輸出電壓至所述控制器。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路被配置成斷開所述功率晶體管和所述控制電路的元件。
9.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路包括: 分壓器，被配置成對所述AC線電壓進行分壓； 比較器，被配置成將所述分壓器的輸出與參考電壓相比較；以及開關，被配置成基于所述比較，當所述AC線電壓介于所述第一值和所述第二值之間時接通所述功率晶體管，并且當所述AC線電壓不在所述第一值和所述第二值之間時斷開所述功率晶體管。
10.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路包括: 分壓器，被配置成對所述輸出電壓進行分壓； 比較器，被配置成將所述分壓器的輸出與參考電壓相比較；以及開關，被配置成基于所述比較，當所述AC線電壓介于所述第一值和所述第二值之間時以及當所述電容被充電至小于所述輸出電壓時接通所述功率晶體管，并且當所述電容被充電至大于或者等于所述輸出電壓時斷開所述功率晶體管。
11.一種集成電路(1C)，包括: 第一電阻，具有連接到交流(AC)線電壓的第一端、以及第二端； 第二電阻，具有連接到所述第一電阻的所述第二端的第一端、以及第二端； 第一比較器，具有連接到所述第一電阻的所述第二端的第一輸入、連接到參考電壓的第二輸入、以及第一輸出； 第一晶體管，具有連接到所述第一比較器的所述第一輸出的柵極、連接到所述第二電阻的所述第二端的源極、以及漏極； 第二晶體管，具有連接到所述第二電阻的所述第二端的源極、連接到所述第一晶體管的所述漏極的漏極、以及柵極； 第二比較器，具有連接到所述第二晶體管的所述柵極的第二輸出、連接到所述參考電壓的第一輸入、以及第二輸入； 第三電阻，具有連接到所述第二電阻的所述第二端的第一端、以及連接到所述第二比較器的所述第二輸入的第`二端； 第四電阻，具有連接到所述第二比較器的所述第二輸入的第一端、以及第二端； 第五電阻，具有連接到所述第四電阻的所述第二端的第一端、以及連接到所述第一晶體管的所述漏極的第二端； 二極管，具有連接到所述第五電阻的所述第一端的陰極、以及陽極； 第三晶體管，具有連接到所述二極管的所述陽極的源極、連接到所述第一電阻的所述第一端的漏極、以及連接到所述第二晶體管的所述漏極的控制端；以及 電容，具有連接到所述二極管的所述陰極的第一端、以及連接到所述第二電阻的所述第二端的第二端。
12.根據(jù)權利要求11所述的1C，進一步包括: 第四晶體管，具有連接到所述第一晶體管的所述漏極的漏極、連接到所述第二電阻的所述第二端的源極、以及柵極， 其中，當所述第四晶體管的所述柵極被上拉時，所述第四晶體管斷開所述第三晶體管而不論所述第一晶體管和所述第二晶體管的狀態(tài)。
13.—種方法,包括: 在交流(AC)線電壓的半周期的上升段期間，當所述AC線電壓達到第一值時接通功率晶體管，并且當所述AC線電壓達到第二值時斷開所述功率晶體管，其中所述第二值大于所述第一值；以及 在所述半周期的下降段，當所述AC線電壓達到所述第二值時接通所述功率晶體管，并且當所述AC線電壓達到所述第一值時斷開所述功率晶體管。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，進一步包括:當所述功率晶體管被接通時對電容進行充電；以及 輸出具有小于所述第一值的值的電壓。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，進一步包括當由所述電容輸出的所述電壓大于或者等于所述第一值時斷開所述功率晶體管。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，進一步包括: 使用電源基于所述AC線電壓生成直流(DC)電壓；以及 使用由所述電容輸出的所述電壓對被配置成控制所述電源的控制器進行供電。
17.—種方法,包括: 在交流(AC)線電壓的半周期期間基于何時功率晶體管被接通而將電容充電至輸出電壓； 在所述AC線電壓的半周期期間當所述AC線電壓介于第一值和第二值之間時接通所述功率晶體管來對所述電容進行充電，其中所述第一值大于或者等于所述輸出電壓，并且其中所述第二值以預定額大于所述第一值；以及 在所述AC線電壓的所述半周期期間當所述AC線電壓不在所述第一值和所述第二值之間時或者當所述電容被充電至所述輸出電壓時斷開所述功率晶體管。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，進一步包括基于所述輸出電壓控制電源，所述電源被配置成基于所述AC線電壓供應生成直流(DC)電壓。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，進一步包括: 使用分壓器對所述AC線電壓進行分壓； 將所述分壓器的輸出與參考電壓相比較；以及 基于所述比較，當所述AC線電壓介于所述第一值和所述第二值之間時接通所述功率晶體管，并且當所述AC線電壓不在所述第一值和所述第二值之間時斷開所述功率晶體管。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，進一步包括: 使用分壓器對所述AC線電壓進行分壓； 將所述分壓器的輸出與參考電壓相比較；以及 基于所述比較，當所述AC線電壓介于所述第一值和所述第二值之間時以及當所述電容被充電至小于所述輸出電壓時接通所述功率晶體管，并且當所述電容被充電至大于或者等于所述輸出電壓時斷開所述功率晶體管。
【文檔編號】H02M1/36GK103534915SQ201280023860
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年5月11日 優(yōu)先權日:2011年5月16日
【發(fā)明者】R·克里施納莫爾賽, R·皮蒂戈伊-阿倫, 徐兆揚 申請人:馬維爾國際貿易有限公司