CN103748752B - 启动电路 - Google Patents

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Abstract

本公开的多个方面提供了一种电路。电路包括耦合至功率供应的耗尽型晶体管，以及与耗尽型晶体管串联耦合以提供用于对电容器充电的电流的电流路径。电流路径在第一阶段期间(诸如当电路初始地接收电能时)具有第一电阻，并且在当电容器被充电至具有预定电压电平时的第二阶段期间具有第二电阻。

Description

启动电路
交叉引用
本公开要求享有2011年8月19日提交的名为“Current-Limit ProtectionCircuits for Use with Depletion MOSFET”的第61/525,631号美国临时申请的优先权，通过整体引用将其并入本文。
背景技术
在本文中提供的背景描述是为了总体呈现公开内容的背景。当前署名的发明人的工作在这一背景技术部分中描述该工作的程度上以及该描述的可以在提交时未另外限定为现有技术的方面既未明确地也未暗示地承认为相对于本公开内容的现有技术。
一些电学和电子器件(诸如AC至DC功率变换器等)需要启动电路以首先上电并且向其余器件提供输出电压。
发明内容
本公开的多个方面提供了一种电路。电路包括耦合至功率供应的耗尽型晶体管，以及与耗尽型晶体管串联耦合以提供用于对电容器充电的电流的电流路径。电流路径在第一阶段期间(诸如当电路初始地接收功率时)具有第一电阻，并且在当电容器被充电至具有预定电压电平时的第二阶段期间具有第二电阻。
在实施例中，电流路径包括被配置为具有第一电阻的电阻性路径，以及与电阻性路径并联耦合的可切换路径。可切换路径在第一阶段期间处于断开状态，并且在第二阶段期间处于闭合状态。在示例中，可切换路径包括晶体管，并且当电容器被充电至具有预定电压电平时，电容器电压对控制电路上电以接通晶体管。
根据本公开的一方面，电流路径包括被配置为限制用于对电容器充电的电流方向的二极管。此外，在实施例中，电路包括无源电压钳位部件，诸如另一二极管，用于限制耗尽型晶体管的栅极电压。
根据本公开的实施例，耗尽型晶体管是具有负阈值电压的N型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且电容器电压对控制电路上电以控制耗尽型晶体管的栅极电压。
本公开的多个方面提供了一种方法。方法包括通过耗尽型晶体管和在第一阶段(诸如初始功率接收阶段)期间具有第一电阻的电流路径对电容器充电，以及利用电容器电压对控制电路上电并且随后当电容器电压处于预定电压电平时将电流路径改变为具有第二电阻。
本公开的多个方面提供了一种电子***。电子***包括被配置为接收并且整流来自AC电源的功率供应的整流器，以及被配置为接收经整流的功率供应的电路。电路包括被配置为接收经整流的功率供应的耗尽型晶体管，以及与耗尽型晶体管串联耦合以提供用于对电容器充电的电流的电流路径。电流路径在第一阶段(诸如当电路初始地接收功率时)期间具有第一电阻，并且在当电容器被充电至具有预定电压电平时的第二阶段期间具有第二电阻。
附图说明
将参照以下附图详细描述作为示例提出的本公开的各个实施例，其中相同附图标记表示相同元件，并且其中：
图1示出了根据本公开的实施例的电子***100；
图2示出了概述根据本公开的实施例的方法200的流程图；以及
图3A至至图3C示出了根据本公开的实施例的波形。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施例的耦合至能量源101的电子***100。电子***100包括如图1所示耦合在一起的整流器103和电路110。
能量源101向电子***100提供电能。在图1示例中，能量源101是提供交流(AC)电压的AC电压源，诸如110V AC电源、220VAC电源等。此外，能量源101包括合适的元件以调节所提供的电能。例如，能量源101包括调光器102以合适地调节向电子***100提供的电能的量。
在实施例中，调光器102是基于相位角的调光器。在示例中，AC电压源具有正弦波形，并且调光器102是用于交流的正向型三极管(TRIAC)调光器102，具有在[0，π]内的可调节的调光角α。每次AC电压VAC越过零点时，正向型TRIAC调光器102针对调光角α停止激发充电。因此，在每个周期[0，2π]中，当AC电压VAC的相位在[0，α]或[π，π+α]内时，从正向型TRIAC调光器102输出的TRIAC电压VTRIAC为零；并且当AC电压VAC的相位在[α，π]或[π+α，2π]内时，TRIAC电压VTRIAC跟随AC电压VAC。通常，[0，α]和[π，π+α]称作非导通角。类似地，[α，π]和[π+α，2π]称作导通角。
根据本公开的其它实施例，调光器102被实施在电子***100中。例如，电子***100中的调光器102接收具有正弦波形的AC电压源。电子***100中的调光器随后基于导通角调节向诸如整流器之类的后续部件所提供的电能的量。
根据本公开的实施例，电子***100合适地与能量源101耦合。在示例中，电子***100包括可以手动地被***到电网上的壁装插座(未示出)中的电源线。在另一示例中，电子***100经由开关(未示出)耦合至电网。当接通开关时，电子***100耦合至能量源101，并且当关断开关时，电子***100从能量源101解耦合。根据本公开的一个方面，电子***100可以在AC周期期间任何时间处被耦合至能量源101，因此去往电子***100的电压源可以具有阶跃式电压改变。阶跃式电压改变引起进入电子***100中的侵入电流。
整流器103将所接收到的AC电压整流至固定极性，诸如正极性。在图1示例中，整流器103是桥式整流器103。桥式整流器103接收AC电压，产生经整流的电压VRECT，并且将经整流的电压VRECT提供至电子***100的其它部件，诸如电路110等，以向电子***100提供电能。
在实施例中，电路110被实施在单个集成电路(IC)芯片上。在另一实施例中，电路110被实施在多个IC芯片上。电子***100可以包括与电路110合适地耦合的其它合适的部件(未示出)，诸如变压器、电灯泡、多个发光二极管(LED)、风扇、其它电路。在示例中，电路110提供控制信号以控制其它部件的操作。在另一示例中，电路110从其它部件接收指示其它部件的操作的反馈信号，并且提供控制信号以基于反馈信号来控制其它部件的操作。
根据本公开的实施例，电路110包括启动电路120和控制电路130。启动电路120被配置为接收电源，设置并且维持电压VOUT，并且向诸如控制电路130的其它电路提供电压VOUT，以使能其它电路的操作。控制电路130被配置为产生控制信号以例如在启动之后控制启动电路120以维持电压VOUT。
具体地，在实施例中，电路110具有初始功率接收阶段和正常操作阶段。在示例中，当电子***100的电源线被***到壁装插座中时，启动电路120开始接收功率供应，并且电路110进入初始功率接收阶段。在另一实施例中，当接通开关使得电子***100与能量源101耦合时，启动电路120开始接收功率供应，并且电路110进入初始功率接收阶段。
在初始功率接收阶段期间，启动电路120开始接收功率供应并且设置电压VOUT。在示例中，启动电路120包括电容器123，并且电压VOUT是电容器123上的电压。在初始功率接收阶段，启动电路120为电容器123充电。根据本公开的实施例，控制电路130需要电源电压大于阈值。因此，在示例中，在电容器123上的电压VOUT被充电至特定电平之前，控制电路130无法向启动电路120提供合适的控制信号，并且启动电路120处于自控制操作模式下，其中启动电路120在没有来自其它电路的控制下进行操作。
当电容器123上的电压VOUT被充电至特定电平时，电压VOUT足够大以使能控制电路130的操作，并且电路110进入正常操作阶段。在正常操作阶段期间，控制电路130向启动电路120提供合适的控制信号以控制启动电路120为电容器123合适地充电，以便维持电容器123上的电压VOUT。
在图1示例中，启动电路120包括与电流路径122串联耦合的耗尽型晶体管121(M1)以向电容器123充电。电流路径122在初始功率接收阶段和正常操作阶段中具有不同的电阻率。在示例中，电流路径122在初始功率接收阶段具有相对大的电阻率以限制流过耗尽型晶体管121的电流，并且在正常操作模式阶段具有相对低的电阻率以支持以相对较高负载运行。
耗尽型晶体管121被配置为当控制电压不可用时导通，诸如在初始功率接收阶段期间等。在图1示例中，耗尽型晶体管121是具有负阈值电压(诸如负三伏等)的N型耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。应该注意的是可以合适地修改电路110以使用P型耗尽型MOSFET作为耗尽型晶体管121。在电路100进入初始功率接收阶段之前或者当电路100进入初始功率接收阶段时，N型耗尽型MOSFET121的栅极至源极和栅极至漏极电压约为零并且大于负的阈值电压，因此在N型耗尽型MOSFET121的源极和漏极之间存在传导沟道。N型耗尽型MOSFET121允许侵入电流进入电路100并且当电路100进入初始功率接收阶段时为电容器123充电。
根据公开的实施例，在初始功率接收阶段期间以及在正常操作阶段期间合适地控制耗尽型晶体管121的栅极电压。在图1示例中，在初始功率接收阶段期间，相对于电容器电压VOUT而钳位耗尽型晶体管121的栅极电压，并且在正常操作阶段期间，由控制电路130中栅极控制电路131来控制耗尽型晶体管121的栅极电压。
在图1示例中，电流路径122包括二极管D1、第一电阻器R1、第二电阻器R2和晶体管M2。这些元件如图1所示耦合在一起。二极管D1被配置为限制用于对电容器123充电的电流方向，并且例如当经整流的电压VRECT的瞬时电压低于电容器电压VOUT时避免对电容器123放电。
在图1示例中，第一电阻器R1形成了电阻性路径，而晶体管M2形成了与电阻性路径并联的可切换路径。当电路100处于初始功率接收阶段时，可切换路径是断路，并且因此电阻性路径(例如第一电阻器R1)控制电流路径122的电阻率；并且当电路100处于正常操作阶段时，可切换路径是短路，并且控制了电流路径122的电阻率。在示例中，晶体管M2是增强型晶体管，诸如增强型P型MOSFET，被配置为具有合适的阈值电压。增强型P型MOSFET晶体管M2的栅极电压由第二电阻器R2与控制电路130的一部分(诸如电流限制控制电路132和晶体管M3)共同地控制。
例如在初始功率接收阶段期间，电流限制控制电路132无法向晶体管M3提供合适的控制信号，并且晶体管M3关断并且不传导电流。因此，基本上没有电流流过第二电阻器R2，并且M2的栅极电压(节点124处的电压)大约与源极电压(节点125处的电压)相等。二极管D1限制了第一电阻器R1中的电流方向，M2的漏极电压(节点126处的电压)低于或者大约等于源极电压(节点125处的电压)。因为增强型P型MOSFET M2的栅极-源极电压和栅极-漏极电压不满足阈值电压的要求，因此增强型P型MOSFET M2关断。
在正常操作阶段期间，电流限制控制电路132产生栅极控制信号以接通/关断晶体管M3以便控制电流路径122。在示例中，当接通晶体管M3以流过电流时，电流也流过第二电阻器R2，并且引起从节点125至节点124的电压降。在示例中，合适地配置去往晶体管M3的栅极控制信号，以使得电压降足够接通晶体管M2以便提供比第一电阻器R1更低电阻路径。因此，较小的电流流过第一电阻器R1，并且减少了由第一电阻器R1消耗的功耗。
此外，根据本公开的实施例，启动电路120包括将耗尽型N型MOSFET晶体管M1的栅极耦合至具有电压VOUT的节点126的第二二极管D2。第二二极管D2钳位耗尽型晶体管M1的栅极电压，使其基本上不超过电压VOUT。
此外，第二二极管D2、第一二极管D1和第一电阻器R1在初始功率接收阶段期间共同地稳定了耗尽型晶体管M1的栅极-源极电压(VGS)，以及耗尽型晶体管M1的漏极电流IDRAIN。具体地，在初始功率接收阶段期间，在示例中，当第一二极管D1的正向电压降约等于第二二极管D2的正向电压降时，耗尽型晶体管M1的栅极-源极电压VGS基本上等于第一电阻器R1上电压降的负值。第二二极管D2、第一二极管D1、第一电阻器R1和耗尽型晶体管M1的配置形成了反馈回路以稳定漏极电流IDRAIN。
在示例中，当栅极-源极电压VGS增大时，漏极电流IDRAIN也增大。增大的漏极电流IDRAIN增大了第一电阻器R1上的电压降，并且减小了栅极-源极电压。类似地，当栅极-源极电压VGS减小时，漏极电流IDRAIN也减小。减小的漏极电流IDRAIN也减小了第一电阻器R1上的电压降，并且随后增大了栅极-源极电压。在示例中，合适地选择第一电阻器R1的电阻以获得所需的漏极电流IDRAIN。
操作期间，在示例中，当电子***100的电源线被***到壁装插座中时或者当接通开关以使得电子***100与能量源101耦合时，启动电路120开始接收功率供应，并且电路110进入初始功率接收阶段。在初始功率接收阶段期间，电流进入启动电路120以为电容器123充电。因为输出电压VOUT低于特定电平，因此控制电路130无法向启动电路120提供合适的控制信号。因此，晶体管M2关断，第一电阻器R1控制电流路径122的电阻率并且限制侵入电流。此外，由第二二极管D2钳位耗尽型晶体管M1的栅极电压以稳定漏极电流IDRAIN。因此，在初始功率接收阶段期间，启动电路120限制了用于为电容器123充电的侵入电流，并且保护了耗尽型晶体管M1免受高功耗诱发的故障。
当输出电压VOUT足够使能控制电路130以提供控制信号时，电路110进入正常操作阶段。在正常操作阶段期间，电流限制控制电路132提供合适的控制信号以接通晶体管M3，并且因此接通晶体管M2以减小流过第一电阻器R1的电流。此外在示例中，栅极控制电路131提供合适的控制信号以控制耗尽型晶体管M1的栅极电压，以便于控制去往电容器123的充电电流，并且将输出电压VOUT维持在特定范围内。
应该注意的是可以合适地修改电路110。在图1示例中，控制电路130耦合至电容器123以进行上电。在另一示例中，控制电路130耦合至节点125以进行上电。
图2示出了概述根据本公开实施例的将电路100启动的方法200的流程图。方法开始于步骤S201，并且继续至步骤S210。
在S210处，电路100接收从AC功率供应整流得到的电源电压，并且电路100进入初始功率接收阶段。在示例中，当电子***100的电源线被***到壁装插座中或当接通开关使得电子***100与能量源101耦合时，电压VRECT变为非零，并且向电路100提供功率。启动电路120开始操作。
在S220处，在初始功率接收阶段期间，启动电路120通过耗尽型MOSFET晶体管121和限制了充电电流的第一电阻器R1为电容器123充电。电容器电压VOUT被提供至电路100的其它电路，诸如控制电路130等。因为输出电压VOUT低于特定电平，所以控制电路130无法在初始功率接收阶段期间向启动电路120提供合适的控制信号。因此，晶体管M2关断，第一电阻器R1控制了电流路径122的电阻率并且限制了侵入电流。
在S230处，由第二二极管D2钳位耗尽型晶体管M1的栅极电压以避免在初始功率接收阶段期间太高，并且稳定耗尽型晶体管M1的栅极-源极电压VGS以限制和稳定漏极电流IDRAIN。启动电路120限制并且稳定了用于对电容器123充电的侵入电流，并且保护了耗尽型晶体管121以避免高功耗诱发的故障。
在S240处，当作为电容器电压的输出电压VOUT足够高时，输出电压VOUT使能了电路110的其它电路(诸如控制电路130)的操作。随后，控制电路130向启动电路120提供控制信号，并且电路110进入正常操作阶段。
在S250处，在正常操作阶段期间，电流限制控制电路132提供合适的控制信号以接通晶体管M3，并且因此接通了晶体管M2，以减小流过第一电阻器R1的电流。
在S260处，在示例中，在正常操作阶段期间，栅极控制电路131提供合适的控制信号以控制耗尽型晶体管M1的栅极电压，并且因此控制用于对电容器123充电的漏极电流IDRAIN，以及将输出电压VOUT维持在特定范围内。随后，方法继续至S299并且结束。
图3A至图3C示出了根据本公开的实施例的波形。
图3A示出了当第二二极管D2、第一电阻器R1、第二电阻器R2和晶体管M2未在启动电路120中，并且耗尽型晶体管M1经由第一二极管D1对电容器123充电时的波形。
在图3A中，在大约0.005秒时间处，开关被接通并且将电子***100与能量源101耦合，经整流的电压VRECT具有巨大的改变，诸如在图3A中从零改变至150V的阶跃式电压改变。电压改变引起较大的侵入电流IDRAIN，诸如大于0.6A，该侵入电流流过耗尽型晶体管121以对电容器123充电。电容器电压VOUT在非常短时间内增大至约15V，诸如在小于0.0001秒内。此外，耗尽型晶体管121的栅极-源极电压可以暂时变得非常高，诸如在20V之上。高的栅极-源极电压和大的侵入电流可以引起耗尽型晶体管121处相对较大的功耗，并且损坏耗尽型晶体管121。
图3B示出了当第二二极管D2不在启动电路120中并且耗尽型晶体管M1经由电流路径122对电容器123充电时的波形。
在图3B中，在约0.005秒时间处，开关被接通并且将电子***100与能量源101耦合，经整流的电压VRECT具有巨大改变，诸如在图3B中从零至150V的电压阶跃式改变。因为第一电阻器R1，诸如约0.25A的相对较小的漏极电流IDRAIN流过耗尽型晶体管121以对电容器123充电。因为在该示例中并未合适地控制耗尽型晶体管121的栅极电压，所以耗尽型晶体管121的栅极-源极电压VGS是不稳定的。栅极-源极电压VGS的变化引起巨大的漏极电流IDRAIN的变化。电容器电压VOUT在约0.0003秒内增大至约15V。
图3C示出了当第二二极管D2用在启动电路120中以钳位耗尽型晶体管121的栅极电压，并且耗尽型晶体管M1经由电流路径122对电容器123充电时的波形。
在图3C中，在约0.005秒时间处，开关被接通并且将电子***100与能量源101耦合，经整流的电压VRECT具有巨大改变，诸如在图3C中从零至150V的电压阶跃式改变。因为限制了侵入电流的第一电阻器R1并且因为钳位了耗尽型晶体管121的栅极电压的第二二极管D2，所以耗尽型晶体管121的栅极-源极电压相对稳定，并且漏极电流IDRAIN相对较小和相对稳定，该漏极电流IDRAIN诸如约为0.013A。电容器电压VOUT在相对较长时间内增大至约15V，诸如在约0.003秒内。
尽管已经结合作为示例提出的具体实施例描述了本公开的多个方面，但是可以对示例做出替换、修改和变化。因此，在此所述的实施例意在示意性的而并非限定性的。可以不脱离所述权利要求的范围而做出这些改变。

Claims (21)

1.一种电路，包括：
被配置为将电流路径与耗尽型晶体管串联耦合以提供用于对电容器充电的电流的电路装置，所述电流路径在第一阶段期间具有第一电阻，并且在当所述电容被充电至具有预定电压电平时的第二阶段期间具有第二电阻，其中，所述电流路径进一步包括：
电阻器，被配置为具有所述第一电阻；以及
可切换路径，与所述电阻器并联耦合，并且
其中，当所述电路初始地接收功率时所述电路处于所述第一阶段。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述可切换路径在所述第一阶段期间处于断开状态，并且在当所述电容器被充电至具有所述预定电压电平时的所述第二阶段期间处于闭合状态。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，
所述可切换路径包括第二晶体管，并且
所述电路进一步包括被配置为当所述电容器被充电至具有所述预定电压电平时进行上电以接通所述第二晶体管的电路装置。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一电阻大于所述第二电阻。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电流路径进一步包括：
被配置为限制用于对所述电容器充电的电流方向的电路装置。
6.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：
被配置为限制所述耗尽型晶体管的栅极电压的电路装置。
7.根据权利要求6所述的电路，进一步包括：
被配置为相对于所述电容器电压而钳位所述耗尽型晶体管的所述栅极电压的电路装置。
8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电容器电压对被配置为控制所述耗尽型晶体管的栅极电压的电路装置进行上电。
9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述耗尽型晶体管是具有负阈值电压的N型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
10.一种方法，包括：
在初始功率接收阶段期间，通过耗尽型晶体管和具有第一电阻的电流路径对电容器充电，所述电流路径包括被配置为具有所述第一电阻的电阻器和与所述电阻器并联耦合的可切换路径；以及
利用电容器电压对电路装置进行上电，并且随后当所述电容器电压处于预定电压电平时将所述电流路径改变为具有第二电阻。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，利用所述电容器电压对所述电路装置进行上电，并且随后当所述电容器电压处于所述预定电压电平时将所述电流路径改变为具有所述第二电阻进一步包括：
当所述电容器电压处于所述预定电压电平时，利用所述电容器电压对所述电路装置进行上电以将路径从断开状态切换至闭合状态。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，当所述电容器电压处于所述预定电压电平时，利用所述电容器电压对所述电路装置进行上电以将所述路径从所述断开状态切换至所述闭合状态进一步包括：
当所述电容器电压处于所述预定电压电平时，对所述电路装置进行上电以接通所述路径中的第二晶体管。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，采用所述电容器电压对所述电路装置进行上电，并且随后将所述电流路径改变为具有所述第二电阻进一步包括：
对所述电路装置进行上电以将所述电流路径的电阻从所述第一电阻减小至所述第二电阻。
14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
限制用于对所述电容器充电的电流方向。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
对所述耗尽型晶体管的栅极电压进行钳位。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，对所述耗尽型晶体管的所述栅极电压进行钳位进一步包括：
相对于所述电容器电压对所述耗尽型晶体管的所述栅极电压进行钳位。
17.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
对所述电路装置进行上电以控制所述耗尽型晶体管的栅极电压，所述耗尽型晶体管是耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
18.一种电子***，包括：
整流器，被配置为接收并且整流来自AC电源的功率供应；以及
电路装置，被配置为：
将电流路径与耗尽型晶体管串联耦合以提供用于对电容器充电的电流，所述电流路径在第一阶段期间具有第一电阻，并且在当所述电容器被充电至具有预定电容器电压时的第二阶段期间具有第二电阻，其中，所述电流路径进一步包括：
电阻器，被配置为具有所述第一电阻；以及
可切换路径，与所述电阻器并联耦合，并且
其中，当所述电路初始地接收功率时所述电路处于所述第一阶段。
19.根据权利要求18所述的电子***，其中，
所述可切换路径包括第二晶体管，以及
所述电路装置进一步包括控制电路装置，所述控制电路装置被配置为当所述电容器被充电至具有所述预定电容器电压时进行上电以接通所述第二晶体管并且控制所述耗尽型晶体管的栅极电压。
20.根据权利要求19所述的电子***，其中，所述电路装置进一步被配置为：
限制用于对所述电容器充电的电流方向；以及
相对于所述电容器电压而对所述耗尽型晶体管的栅极电压进行钳位。
21.根据权利要求19所述的电子***，其中，所述控制电路装置直接耦合至所述电容器、或者间接耦合至所述电容器以进行上电。
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