开关模式电源的制作方法

1.本说明书涉及用于开关模式电源的系统、方法、设备、装置、制品和指令。


背景技术：

2.在具有高电压能量存储装置(例如，电容器)的开关模式电源(smps)中，出于安全性原因，有利的是在使应用(例如，由smps供电的装置)断开之后使高电压能量存储装置放电。


技术实现要素：

3.根据例子实施例，一种开关模式电源装置，其包括：能量存储装置；控制器，其被配置成使所述能量存储装置放电；电压降装置，其具有耦合到所述能量存储装置的第一引脚、耦合到所述控制器的第二引脚，以及被耦合以接收第一掉电信号的第三引脚；其中所述第一掉电信号指示所述能量存储装置将被放电；其中所述电压降装置被配置成从所述第一引脚上的所述能量存储装置输入第一电压，并且将第二电压输出到所述第二引脚上的所述控制器；并且其中所述第二电压低于所述第一电压。
4.在另一例子实施例中，所述能量存储装置是高电压电容器。
5.在另一例子实施例中，所述电压降装置包括晶体管。
6.在另一例子实施例中，所述晶体管是mosfet晶体管并且所述第一引脚是漏极，所述第二引脚是源极，并且所述第三引脚是栅极。
7.在另一例子实施例中，所述晶体管是双极晶体管并且所述第一引脚是发射极，所述第二引脚是集电极，并且所述第三引脚是基极。
8.在另一例子实施例中，所述电压降装置包括mosfet晶体管、电阻器和齐纳二极管；所述晶体管通过所述晶体管的源极和漏极耦合在所述能量存储装置与所述控制器之间；所述第三引脚是所述晶体管的栅极；所述电阻器耦合在所述能量存储装置与所述晶体管的所述栅极之间；并且所述齐纳二极管耦合在所述晶体管的所述栅极与参考电位之间。
9.在另一例子实施例中，所述参考电位是所述开关模式电源装置的接地电位。
10.在另一例子实施例中，从所述电阻器和所述齐纳二极管接收固定参考电压。
11.在另一例子实施例中，由所述电压降装置输出到所述控制器的所述第二电压由所述齐纳二极管的齐纳电压减去所述mosfet晶体管的阈值导通电压来设置。
12.在另一例子实施例中，所述控制器被配置成接收电源电压；并且所述电源电压大于所述齐纳电压减去所述mosfet晶体管的所述阈值导通电压。
13.在另一例子实施例中，所述控制器被配置成接收电源电压；并且设置所述栅极处的所述固定参考电压，使得当所述电源下降到低于最小电平时，所述mosfet晶体管传导电流。
14.在另一例子实施例中，所述电源电压由内部电流源降低，所述内部电流源在所述能量存储装置将被放电时启用。
15.在另一例子实施例中，另外包括llc谐振电路，所述llc谐振电路具有高侧晶体管和低侧晶体管；其中所述高侧晶体管的第一引脚耦合到所述能量存储装置，并且所述高侧晶体管的第二引脚耦合到所述低侧晶体管的第一引脚；其中所述低侧晶体管的第二引脚耦合到参考电位；并且其中所述控制器耦合到所述高侧晶体管的控制引脚和所述低侧晶体管的控制引脚。
16.在另一例子实施例中，所述电压降装置包括mosfet晶体管、二极管和电容器；所述晶体管通过所述晶体管的源极和漏极耦合在所述能量存储装置与所述控制器之间；被耦合以接收所述第一掉电信号的所述第三引脚耦合到所述晶体管的栅极；所述二极管耦合在所述低侧晶体管的所述控制引脚与所述mosfet晶体管的所述栅极之间；并且所述齐纳二极管耦合在所述mosfet晶体管的所述栅极与参考电位之间。
17.在另一例子实施例中，从所述二极管和电容器接收所述第一掉电信号。
18.在另一例子实施例中，由所述电压降装置输出到所述控制器的所述第二电压由所述电容器上的电压减去所述mosfet晶体管的阈值导通电压来设置。
19.在另一例子实施例中，所述控制器被配置成接收电源电压；并且所述电源电压大于所述电容器上的所述电压减去所述mosfet晶体管的所述阈值导通电压。
20.在另一例子实施例中，所述电容器被配置成由从所述低侧晶体管的所述控制引脚接收的开关信号充电。
21.在另一例子实施例中，所述控制器包括放电电流调节器；并且所述电压降装置耦合在所述能量存储装置与所述控制器中的所述放电电流调节器之间。
22.在另一例子实施例中，所述放电电流调节器被配置成接收第二掉电信号，并且作为响应，将放电电流从所述能量存储装置和所述电压降装置传递到所述开关模式电源装置的接地电位。
23.在另一例子实施例中，所述第一掉电信号和所述第二掉电信号是不同的信号。
24.在另一例子实施例中，所述开关模式电源装置被配置成将ac干线电压变换成dc输出电压；所述能量存储电容器包括在功率因数校正(pfc)电路中；所述功率因数校正(pfc)电路被配置成将ac干线电压变换成所述能量存储电容器上的高电压；并且另外包括llc谐振电路，所述llc谐振电路被配置成将所述能量存储电容器上的所述高电压变换成所述dc输出电压。
25.以上论述并非旨在表示当前或未来权利要求集的范围内的每个例子实施例或每个实施方案。以下图式和具体实施方式还举例说明了各种实施例。
26.结合附图考虑以下具体实施方式可以更全面地理解各种例子实施例。
附图说明
27.图1是第一开关模式电源的例子。
28.图2是第一开关模式电源的例子时序图。
29.图3是第二开关模式电源的例子。
30.图4是第二开关模式电源的例子时序图。
31.图5是第三开关模式电源的例子。
32.图6是第四开关模式电源的例子。
33.图7是第五开关模式电源的例子。
34.虽然本公开容许各种修改和替代形式，但是本公开的细节已经以举例的方式在附图中示出并且将进行详细描述。然而，应理解，超出所描述的特定实施例的其它实施例也是可能的。也涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。
具体实施方式
35.在一些例子设计中，smps必须包括专用的耐高压的集成电路(ic)控制器，所述ic控制器在放电过程期间将不会损坏。简化和/或低成本的ic控制器可能在放电过程期间损坏。
36.图1是第一开关模式电源(smps)100的例子。smps100包括功率因数校正(pfc)电路102和llc谐振电路104。ac干线输入电压106由整流器桥接器二极管d1、d2、d3和d4进行整流。
37.pfc电路102包括电感器l1、二极管d5、晶体管m1、能量存储电容器(c2)110以及功率因数控制器(ic1)108。pfc电路102是升压型转换器，将整流后的电压(vrect)升高到高电压(vbulk)。电阻分压器(例如，r1和r2)提供用于监测能量存储电容器110上的高电压(hv/vbulk)的vsense电压。pfc控制器(ic1)108使用vsense来调节电压vbulk。
38.llc谐振电路104包括第一llc控制器(ic2)112、高侧(hs)晶体管(m2)、低侧(ls)晶体管(m3)、电容器c3和c4、变换器t1以及二极管d6和d7。llc谐振电路104将vbulk电压转换成smps输出电压(vout)114。llc谐振电路104还使用来自电阻分压器(例如，r1和r2)的vsense以感测高电压(hv/vbulk)。
39.还包括由z1和光耦合器o1组成的反馈回路116。
40.图2是操作中的第一开关模式电源100的例子时序图200。在t＝t0时，在ac干线106处施加电压(例如，插入)之后，pfc电路102启动并且vbulk将上升。当vbulk在t＝t1时达到较低阈值电平202时，llc电路104开始操作并且输出电压114将升高。通过反馈回路116调节输出电压114。
41.当在t＝t2时从ac干线106移除电压(例如，拔出)时，pfc电路102无法将电力提供到llc电路104并且vbulk电压将下降。一旦vbulk电压在t＝t3时下降到低于较低电平202，llc谐振电路104就停止操作。
42.由于不再从能量存储电容器(c2)110吸取功率，除了由r1、r2吸取的非常小的电流外，电容器110上的vbulk电压将保持在高电压(例如，“非常小的放电”区)。如果例如能量存储电容器110的电容为250uf并且r1 r2的电阻为10兆欧姆，则rc常数为2500秒并且将耗费若干小时以将能量存储电容器110从可能的300v放电到例如10v的安全电压。对于电源的生产测试和维修，这可能会造成危险情况。
43.图3是第二开关模式电源(smps)300的例子。第二smps 300包括第一smps 100的元件，不同之处在于第一llc控制器(ic2)112已经被第二llc控制器(ic2)302替换。
44.第二llc控制器(ic2)302包括耦合到接地304的放电电流调节器(j1)和开关(s1)。
45.图4是第二开关模式电源300的例子时序图400。在t＝t0时，在ac干线106处施加电压(例如，插入)之后，pfc电路102启动并且vbulk将上升。当vbulk在t＝t1时达到较低阈值电平402时，llc电路104开始操作并且输出电压114将升高。通过反馈回路116调节输出电压
114。
46.当在t＝t2时从ac干线106移除电压(例如，拔出)时，pfc电路102无法将电力提供到llc电路104并且vbulk电压将下降。一旦vbulk电压在t＝t3时下降到低于较低电平402，llc谐振电路104就停止操作。
47.然而，在第二llc控制器(ic2)302的情况下，一旦llc转换器104停止操作，开关s1就通过放电(disch)信号(在时间t3与t4之间活动)闭合，并且放电电流调节器(j1)将电容器110(例如，“活动放电”区)放电到低的、安全的电压电平。例如，如果将放电电流调节到8ma，则250uf能量存储电容器110可以在10秒内从300v放电到＜10v。
48.在300v下的8ma放电电流相对较大。在以上例子中，在300v和8ma下的初始功率耗散为2.4w，而在10秒放电期间的平均功率耗散为1.2w。此类功率耗散电平将要求第二llc控制器(ic2)302是在放电过程中不会被损坏的大型高电压集成电路(ic)控制器。然而，较小封装ic控制器可能在放电过程期间被损坏。
49.图5是第三开关模式电源(smps)500的例子。第三smps 500包括第一smps 100的元件，不同之处在于第一llc控制器(ic2)112已经被第三llc控制器(ic2)502替换并且已添加外部开关元件504。
50.第三llc控制器(ic2)502现在包括专用放电(disch)引脚。外部开关元件504包括耦合到放电(disch)引脚和接地506的mosfet(m4)。电阻器r3耦合在m4与能量存储电容器(c2)110之间。
51.在此例子500中，一旦llc转换器104停止操作，第三llc控制器(ic2)502就激活放电(disch)引脚，由此接通m4并且通过电阻器r3使能量存储电容器110放电。
52.在此例子500中，需要来自第三llc控制器(ic2)502的额外(disch)引脚。另一选择是通过在高频率下进行切换而经由谐振转换器使电容器(c2)放电，但这将向输出电压(vout)114发送功率，如果不消耗此功率，则输出电压114可能会上升到高于最大设计值/允许值。
53.现在论述了smps的例子实施例，其包括用于使smps中的能量存储装置放电的电路，但是也不通过llc控制器ic路由多余的功率，并且不需要llc控制器包括额外的引脚。
54.图6是第四开关模式电源(smps)600的例子。第四smps600包括第一smps100的元件，并且第一llc控制器(ic2)112已经被已添加第一电压降装置606的第四llc控制器(ic2)604替换。
55.能量存储装置602在本文中被定义为存储能量的任何装置。在一些例子实施例中，能量存储装置602可以是电容器。
56.第四llc控制器(ic2)604包括耦合到参考电位608的放电电流调节器(j1)和开关(s1)。在一些例子实施例中，参考电位608是接地电位。
57.第一电压降装置606包括晶体管m5、电阻r4和齐纳二极管(z1)。晶体管m5在第四llc控制器(ic2)604中耦合在能量存储装置602与放电电流调节器(j1)之间。电阻器r4耦合在能量存储装置602与晶体管m5的控制引脚之间。齐纳二极管(z1)耦合在晶体管m5的控制引脚与参考电位608之间。
58.参考图4，在放电时间段(例如，从时间t3到t4)期间，当放电(disch)信号闭合开关s1并且放电电流调节器(j1)接通时，第一电压降装置606限制由第四llc控制器(ic2)604中
的放电电流调节器(j1)接收的电压。
59.第一电压降装置606限制由放电电流调节器(j1)接收的电压，因为在第四llc控制器(ic2)604的vcc输入引脚上的电压受限于齐纳(z1)电压减去晶体管的m5阈值导通电压。
60.例如，如果齐纳电压为10v并且阈值电压为2v，则由放电电流调节器(j1)在vcc输入引脚上接收的由晶体管m5输出的电压在放电期间被限制为仅8v，即使能量存储装置602上的电压为300v。结果，第四llc控制器(ic2)604中的功率耗散被限制为8v*8ma＝64mw。晶体管m5被选择为足够大以处理能量存储装置602的功率耗散(例如，(300v-8v)*8ma＝2.3w)。
61.电源电压(vcc)被设置成大于齐纳(z1)电压减去晶体管m5的阈值电压(例如vcc＞8v)，使得在正常操作期间，m5并不传导电流。例如，在smps 600的正常操作期间，晶体管m5的栅极-源极电压vgs低于其阈值电压。
62.能量存储装置602的放电继续直至第四llc控制器(ic2)604的电源电压vcc下降到低于最小操作电平，以确保j1和s1恰当地操作。此最小操作电平远低于第四llc控制器(ic2)604的启动和最小操作电平，以确保llc转换器(104)恰当地操作。第四llc控制器(ic2)604上不需要额外的引脚，例如图5所示。
63.图7是第五开关模式电源(smps)700的例子。第五smps 700包括第四smps 600的元件，不同之处在于第一电压降装置606已经被第二电压降装置702替换。
64.第二电压降装置702包括晶体管m6、二极管d8和电容器c6。晶体管m6在第四llc控制器(ic2)604中耦合在能量存储装置602与放电电流调节器(j1)之间。二极管d8耦合在llc谐振电路104的低侧(ls)栅极m3与晶体管m6的控制引脚之间。电容器c6耦合在晶体管m6的控制引脚与参考电位608之间。
65.在smps 700操作期间，切换ls栅极m3信号。这通过二极管d8为电容器c6充电。在例子实施例中，ls栅极电压约为10v，并且一旦smps 700停止切换，晶体管m6的控制引脚(例如m6栅极电压)保持由存储在c6中的能量充电，然后减去例子2v vgs m6的阈值电压，放电电流调节器(j1)在vcc输入引脚上接收8v电压，并且能量存储装置602在第四llc控制器(ic2)604中以很小的功率耗散放电。
66.电源电压(vcc)被设置成大于电容器c6电压减去晶体管m6的阈值电压(例如，vcc＞8v)，使得在正常操作期间，m6并不传导电流。
67.smps 700设计的优点在于在正常操作期间不耗散额外的功率。例如，在图6的smps 600中，电阻器r4将在正常操作期间耗散一些功率。例如，如果r4的电阻为5兆欧姆，则当vbulk电压为400v时，在操作中耗散超过30mw。然而，图7的smps 700的空载操作功率将为较低的。如前所述，第四llc控制器(ic2)604上不需要额外的引脚，例如图5所示。
68.除非明确陈述特定次序，否则可以任何次序执行上文附图中论述的各种指令和/或操作步骤。而且，本领域的技术人员将认识到，虽然已论述了一些例子指令集/步骤，但本说明书中的材料可以按多种方式组合以还产生其它例子，并且应在由此具体实施方式提供的上下文内来进行理解。
69.在一些例子实施例中，这些指令/步骤实施为功能和软件指令。在其它实施例中，指令可使用逻辑门、应用专用芯片、固件以及其它硬件形式实施。
70.当指令实施为非暂时性计算机可读或计算机可用介质中的可执行指令集时，这些
指令在编程有所述可执行指令且受所述可执行指令控制的计算机或机器上实现。所述指令被加载用于在处理器(例如，一个或多个cpu)上执行。所述处理器包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器)或其它控制或计算装置。处理器可以指代单个组件或多个组件。所述计算机可读或计算机可用存储介质被视为物品(或制品)的一部分。物品或制品可以指代任何所制造的单个组件或多个组件。如本文所限定的非暂时性机器或计算机可用介质不包括信号，但此类介质可能能够接收并且处理来自信号和/或其它暂时性介质的信息。
71.将容易理解，如本文中大体描述且在附图中示出的实施例的组件可以以各种不同配置来布置和设计。因此，以下如图中所表示的各种实施例的更详细描述并非旨在限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。虽然在图式中呈现了实施例的各个方面，但除非特别地指示，否则图式未必按比例绘制。
72.在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以其它具体形式体现本发明。所描述的实施例在所有方面均被视为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书指示，而非由此具体实施方式指示。属于权利要求书等同含义和范围内的所有变化均涵盖在权利要求书的范围内。
73.本说明书通篇对特性、优点或类似语言的引用并不暗示可通过本发明实现的所有特性和优点应在或在本发明的任何单一实施例中。实际上，涉及特征和优点的语言应理解成意指结合实施例描述的具体特征、优点或特性是包括在本发明的至少一个实施例中的。因此，本说明书通篇对特征和优点以及类似语言的论述可能但不一定指同一实施例。
74.此外，本发明的所描述的特征、优点和特性可以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。鉴于本文中的描述，相关领域的技术人员应认识到，本发明可以在没有特定实施例的具体特性或优点中的一个或多个特性或优点的情况下实践。在其它情况下，可在某些实施例中辨识出可能不存在于本发明的所有实施例中的额外特性和优点。
75.本说明书通篇对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合所指示实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书通篇的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但未必全部指的是同一实施例。