CN111787662A - 供电电路及其电路模块和电子封装体 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种供电电路、电路模块和电子封装体。供电电路包括：驱动调节电路，包括功率器件，串联的功率器件和负载耦接在第一电源端和第二电源端之间；以及充电控制电路，串联的充电控制电路和电容器件耦接在第一电源端和第二电源端之间，充电控制电路用于控制电容器件的充电电流为马鞍形。本发明提供的供电电路及其电路模块和电子封装体，能便于满足欧洲新电磁标准，且能使LED负载无频闪，同时具有较高的效率和简化的外部电路。

Description

供电电路及其电路模块和电子封装体

技术领域

本发明涉及电子领域，具体但不限于涉及一种供电电路及其电路模块和电子封装体。

背景技术

欧洲电工标准化委员会(CENELEC)于2019年颁布了新的电磁兼容环保标准IEC61000-3-2-2019。该标准要求电源供电***的功率因数(PF)大于0.7，且要求输入电流的3次谐波小于86％，5次谐波小于61％。

同时，电源供电***的效率也是重要的参数。

现有的普通开关电源供电电路和线性供电电路较难同时满足上述要求。

发明内容

针对上述提出的一个或多个问题，本发明提出了一种供电电路及其电路模块和电子封装体。

根据本发明的一个方面，一种用于为负载提供电源的供电电路，包括：驱动调节电路，包括功率器件，功率器件用于和负载串联，串联的功率器件和负载用于耦接在第一电源端和第二电源端之间，驱动调节电路基于功率器件的导通状态驱动负载；以及充电控制电路，用于与电容器件串联，串联的充电控制电路和电容器件用于耦接在所述第一电源端和所述第二电源端之间，充电控制电路用于控制电容器件的充电电流为马鞍形。

在一个实施例中，负载包括发光二极管(LED)。

在一个实施例中，第一电源端耦接整流电路的第一输出端，第二电源端耦接整流电路的第二输出端。

在一个实施例中，功率器件具有第一端、第二端和控制端，其中：功率器件的第一端用于耦接负载的低位端，负载的高位端用于耦接第一电源端，功率器件的第二端用于耦接第一电流采样电阻的第一端，第一电流采样电阻的第二端用于耦接第二电源端；驱动调节电路进一步包括第一误差放大电路，第一误差放大电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一误差放大电路的第一输入端耦接第一电流采样电阻的第一端，第一误差放大电路的第二输入端耦接第一参考信号，第一误差放大电路的输出端耦接功率器件的控制端。

在一个实施例中，第一参考信号为固定值。

在一个实施例中，充电控制电路包括限流晶体管，限流晶体管具有体二极管，体二极管的阳极耦接供电电路的第二输入端，体二极管的阴极耦接电容器件。

在一个实施例中，充电控制电路包括：限流晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中限流晶体管的第一端用于耦接电容器件的低位端，电容器件的高位端用于耦接第一电源端，限流晶体管的第二端用于耦接第二电流采样电阻的第一端，第二电流采样电阻的第二端用于耦接第二电源端；以及第二误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第二误差放大电路的第一输入端用于耦接第二电流采样电阻的第一端，第二误差放大电路的第二输入端耦接第二参考信号，第二误差放大电路的输出端耦接限流晶体管的控制端。

在一个实施例中，充电控制电路进一步包括第二参考信号产生电路，其中第二参考信号产生电路的输入端耦接功率器件的第一端，功率器件的第二端耦接第二电流采样电阻，参考信号产生电路的输出端提供第二参考信号，充电电流至少基于第二参考信号产生。

在一个实施例中，第二参考信号产生电路包括减法电路，减法电路用于将一基准信号减去表征功率器件第一端电压的端电压采样信号，第二参考信号基于基准信号和端电压采样信号的差值产生。

在一个实施例中，限流晶体管包括N型金属氧化物半导体场效应管，限流晶体管的源极用于耦接电容器件，限流晶体管的漏极用于耦接第二电流采样电阻。

在一个实施例中，功率器件包括N型金属氧化物半导体场效应管，功率器件的源极用于耦接第一电流采样电阻，功率器件的漏极用于耦接负载。

根据本发明的另一个方面，一种用于为负载供电的电路模块，包括如上任一实施例所述的供电电路、负载、电容器件、整流电路，其中整流电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中整流电路的输入端接收市电交流电或耦接调光器，整流电路的第一输出端构成所述第一电源端，整流电路的第二输出端构成所述第二电源端。

根据本发明的又一个方面，一种电子封装体，其特征在于，具有：负载管脚，用于耦接负载的低位端，其中负载的高位端用于耦接输入电源；电容管脚，用于耦接电容器件的低位端，其中电容器件的高位端用于耦接输入电源；第一限流管脚，用于耦接第一电流采样电阻的第一端，第一电流采样电阻的另一端用于耦接参考地；第二限流管脚，用于耦接第二电流采样电阻的第一端，第二电流采样电阻的另一端用于耦接参考地；以及参考地管脚，用于耦接参考地；其中对电容器件充电时，流过电容管脚的电流波形呈马鞍形。

本发明提供的供电电路及其电路模块和电子封装体，能便于满足欧洲新的电磁相关标准，且能使LED负载无频闪，同时具有较高的效率和简化的外部电路。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施例的供电电路示意图；

图2A示出了根据本发明一实施例的第二参考信号的波形示意图；

图2B示出了根据本发明另一实施例的第二参考信号的波形示意图；

图3A示出了根据本发明一实施例的供电电路示意图；

图3B示出了根据本发明另一实施例的供电电路示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的波形示意图；

图5示出了根据本发明一实施例的供电***的应用电路示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。“A和/或B”表示可以为A，可以为B，也可以同时包括A和B。

图1示出了根据本发明一实施例的供电***，用于为负载13提供电源。供电***包括供电电路100、整流电路14、负载13和电容器件Co。其中供电电路100包括驱动调节电路11和充电控制电路12。

驱动调节电路11包括功率器件Q1。功率器件Q1用于和负载13串联，串联的功率器件Q1和负载13耦接在第一电源端Vin和第二电源端GND之间，驱动调节电路11基于功率器件Q1的导通状态用于驱动负载13。

充电控制电路12与电容器件Co串联，串联的充电控制电路12和电容器件Co耦接在第一电源端Vin和第二电源端GND之间，充电控制电路12用于控制电容器件Co在充电阶段的充电电流在至少部分区间呈马鞍形波形。马鞍形即呈现先下降后升高的趋势。因此，充电控制电路12包括马鞍形波形信号产生电路，用于产生马鞍形波形，使得对电容器件Co的充电电流跟随该马鞍形波形基准信号。

在图示的实施例中，负载13包括发光二极管(LED)。

整流电路14的输入端用于接收市电交流电Vac，或者通过调光器接收市电交流电Vac。整流电路14具有两个输出端：第一输出端和第二输出端。整流电路14的第一输出端作为第一电源端Vin，整流电路14的第二输出端作为第二电源端GND。

其中，驱动调节电路11包括功率器件Q1和第一误差放大电路111。驱动调节电路11也可包括第一电流采样电阻R1。在另一个实施例中，第一电流采样电阻R1与功率器件Q1集成，集成了电流采样电阻的功率器件Q1的第二端直接耦接第二电源端GND。功率器件Q1的第一端耦接负载13，第一电流采样电阻R1的第一端耦接功率器件Q1的第二端，第一电流采样电阻R1的第二端耦接第二电源端GND，功率器件Q1的第一端耦接负载13的低位端，负载13的高位端耦接第一电源端Vin。“低位端”为器件正常工作时，两个端口中电压相对较低的端，“高位端”为正常工作时，两个端口中电压相对较高的端。第一误差放大电路111用于基于表征流过功率器件Q1的电流的电流采样信号与第一参考信号Vref1的差值信号产生第一误差放大信号，驱动调节电路基于第一误差放大信号控制功率器件Q1使负载电流跟随第一参考信号Vref1。在图示的实施例中，第一误差放大电路111具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一误差放大电路111的第一输入端耦接第一电流采样电阻R1的第一端，第一误差放大电路111的第二输入端耦接参考信号Vref1，第一误差放大电路111的输出端耦接功率器件Q1的控制端。第一误差放大电路111用于控制流过Q1的电流在第一参考电流值Iref1。在图示的实施例中，功率器件Q1包括N型金属氧化物半导体场效应管，功率器件Q1的源极耦接第一电流采样电阻R1，功率器件Q2的漏极耦接负载，第一误差放大电路111将Q1漏极流向源极的电流控制在参考信号Vref1表征的第一参考电流Iref1附近。优选的，第一参考信号Vref1为固定值。该固定值包括可由供电电路内部预设的固定参考值设定，也可经外置元件调节但一经设定即为固定值的情况。固定的第一参考信号Vref1用于为负载13提供恒定的电流，例如可消除LED负载13的频闪情况。

图1所示的驱动调节电路11中，功率器件Q1工作于线性状态。然而在其它的实施例中，驱动调节电路可采用其它任意形式的拓扑或电路用于为负载提供所需的稳定的驱动电流。

电容器件Co具有第一端和第二端，其中电容器件Co的第一端耦接第一电源端Vin。充电控制电路12包括限流晶体管Q2和电流控制电路112。优选地，电流控制电路112包括误差放大电路112。电流控制电路112也可包括其他形式的控制电路如通过比较器控制电流源间歇性地对一电容充电使对电容器件Co的充电电流跟随或近似跟随第二参考信号Vref2。充电控制电路12也可进一步包括第二电流采样电阻R2。在一个实施例中，限流晶体管Q2和电流采样电阻R2集成。限流晶体管Q2具有第一端、第二端和控制端，其中限流晶体管Q2的第一端耦接电容器件Co的低位端。电容器件Co的高位端耦接第一电源端Vin。在图示的实施例中，限流晶体管Q2包括N型金属氧化物半导体场效应管，限流晶体管的第一端为源极，限流晶体管的第二端为漏极，限流晶体管的控制端为栅极。第二电流采样电阻R2具有第一端和第二端，其中第二电流采样电阻R2的第一端耦接限流晶体管Q2的第二端，第二电流采样电阻R2的第二端耦接第二电源端GND。第二误差放大电路112用于基于表征流过限流晶体管Q2的电流的电流采样信号与第二参考信号Vref2的差值信号产生第二误差放大信号，充电控制电路12基于第二差放大信号控制限流晶体管Q2，使电容器件Co的充电电流波形跟随第二参考信号的波形。这里的“跟随”是波形的大致跟随，波形的延迟或轻度变形也在“跟随”范畴内。在图1所示的实施例中，第二误差放大电路112具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第二误差放大电路112的第一输入端耦接第二电流采样电阻R2的第一端，第二误差放大电路112的第二输入端耦接表征第二参考电流的第二参考信号Vref2，第二误差放大电路112的输出端耦接限流晶体管Q2的控制端。第二参考信号至少部分区域呈下凹的马鞍形。

图2A示出了根据本发明一实施例的第二参考信号Vref2的波形示意图，其为周期与输入信号Vin周期一致的开口向上的正弦波半波形，分段呈下凹的马鞍形。该波形的第二参考信号Vref2使得电容Co的充电电流的波形为下凹的马鞍形。使得当输入电压Vin较高时，输入电流Iin较低，使得限流晶体管Q2上的导通损耗较低，提高***效率。

图2B示出了根据本发明另一实施例的第二参考信号Vref2的波形示意图。第二参考信号Vref2的部分区域呈下凹的马鞍形。

继续图1的说明，当整流电路14输出的电压较高时，电流从整流电路14的输入端流向整流电路14的输出端，电容器件Co被充电，充电电流Ic从第一电源端Vin流向电容器件Co，此时第二误差放大电路112控制限流晶体管Q2在Q2的栅极下方形成沟道，充电电流从限流晶体管Q2的源极流向漏极，并使充电电流跟随第二参考信号Vref2的波形，使得充电电流Ic呈现下凹的马鞍形波形，或使充电电流Ic在充电阶段的至少部分区间呈马鞍形波形。

此时供电电路第一电源端Vin的输入电流Iin＝Iload+Ic，其中Iload为流过负载13的电流值，即从功率器件Q1的漏极流向源极的电流，Ic为第二参考信号Vref2表征的充电电流值。此时电流Iin具有马鞍形。当输入电压Vin较高时，输入电流Iin被限制在较小的值，用于降低功耗，提高效率。且输入电流Iin经限制，其高次谐波电流量较低，用于满足输入电流的3次谐波小于86％，5次谐波小于61％的要求。

当交流电源Vac绝对值较低时，电容器件Co开始放电，与充电电流反向的放电电流Ic从电容器件Co的高位端通过第一电源端Vin流向负载13并被限制在第一参考信号Vref1表征的预设参考值。同时放电电流Ic经第二电流采样电阻R2流向电容器件Co的低位端。此时误差放大电路112控制限流晶体管Q2的控制端电压为低压状态，限流晶体管Q2的栅极区下方不会形成沟道处于截止状态，此时放电电流Ic通过限流晶体管Q2的体二极管从漏极流向其源极，形成电流通路。该方案无需采用额外的二极管器件用于形成放电通路，简化了电路结构，降低了成本。

当然，在另外的实施例中，也可在限流晶体管Q2的两端设置额外的单向导通器件用于形成放电通路。

在图1所示的实施例中，功率器件Q1和限流晶体管Q2均采用了N型金属氧化物半导体场效应管，其中功率器件Q1的源极和限流晶体管Q2的漏极耦接参考地GND，限流晶体管Q2的体二极管用于形成放电通路。在其它的实施例中，功率器件Q1和限流晶体管Q2可采用不同类型的晶体管。限流晶体管Q2还可包括其它类型的晶体管，其集成有体二极管，用于通过放电电流，形成放电通路。

根据本发明一实施例的用于为负载供电的电路模块，包括如上任一实施例所述的供电电路100、负载13以及整流电路14。其中整流电路14具有输入端、第一输出端和第二输入端，其中整流电路14的输入端用于接收市电交流电或通过调光器接收市电交流电，整流电路14的第一输出端耦接第一电源端Vin，整流电路14的第二输出端耦接第二电源端GND。电路模块也可进一步包括第一电流采样电阻R1和第二电流采样电阻R2。电路模块可制作在一印刷电路板上。

在图示的实施例中，第一电流采样电阻R1和第二电流采样电阻R2各包括一个分立器件。在其它的实施例中，第一电流采样电阻R1或第二电流采样电阻R2可包括多个并联或串联的电阻器件。

图3A示出了根据本发明一实施例的供电电路200。其中供电电路200中的充电控制电路22进一步包括第二参考信号产生电路221。第二参考信号产生电路221为马鞍形波形信号产生电路，用于产生马鞍形波形的信号。第二参考信号产生电路221的输入端耦接功率器件Q1的第一端即负载13的低位端，第二参考信号产生电路221的输出端提供第二参考信号Vref2，第二参考信号Vref2基于功率器件Q1第一端的电压V1而产生。在一个实施例中，第二参考信号产生电路221包括减法电路，其正向输入端耦接一基准信号，负向输入端耦接功率器件Q1的第一端用于接收功率器件Q1的端电压，用于将基准信号减去表征端电压V1的采样信号，并基于减法电路的输出信号即基准信号与端电压采样信号之差产生第二参考信号Vref2。这样，第二参考信号Vref2包括开口向上的马鞍形波形。图3A所示的实施例中，第二参考信号产生电路221的输入端耦接负载13的低位端。在另一个实施例中，第二参考信号产生电路221的输入端用于耦接负载的高位端，接收表征输入电压Vin的端电压采样信号，第二参考信号Vref2基于基准信号和端电压采样信号的差值信号而产生。第二误差放大电路222基于第二参考信号Vref2控制电容器件Co的充电电流，使得充电时的电流波形跟随第二参考信号Vref2，这样，在每个对电容器件Co充电的充电周期，充电电流呈现马鞍形波形或大部分区间的充电电流呈马鞍形波形。

图3B示出了根据本发明另一实施例的供电电路。其中第二参考信号产生电路321的输入端耦接限流晶体管Q2与电容器件Co耦接的一端即电容器件Co的低位端，第二参考信号产生电路321的输出端提供第二参考信号Vref2，第二参考信号Vref2基于电容器件Co的低位端电压而产生。在一个实施例中，第二参考信号产生电路321包括减法电路，其正向输入端耦接一基准信号，负向输入端耦接电容器件Co的低位端，用于将基准信号减去表征电容器件Co低位端电压的采样信号，并基于减法电路的输出信号即基准信号与电容器件Co低位端电压采样信号之差产生第二参考信号Vref2。

在另外的实施例中，第二参考信号产生电路可通过其它形式的电路获得马鞍形波形信号，如通过数字波形发生器。

图4示出了根据本发明一实施例的波形示意图。波形分别为交流输入电压Vac波形、交流输入电流Iac波形，直流输入电流Iin，负载电流Iload以及通过限流晶体管的充放电电流Ic的波形。通过图1实施例中的控制，交流输入电流Iac呈现图示的波形，其中交流输入电流Iac在60度导通角前即达到峰值电流状态，用于满足在导通角60度前电流至少达到5％的电流峰值，在65度前，电流达到最大值，在90度时，电流值不小于5％的电流峰值，且三次谐波小于86％，五次谐波小于61％的要求，较易满足欧洲新标准要求。

上述实施例提供的供电电路或电路模块，可通过第一参考信号Vref1使负载上通过的电流平稳或恒定，用于消除负载电流纹波，可用于消除发光二极管的频闪现象，同时第二参考信号Vref2的马鞍形波形控制用于在输入电压Vac较高时，降低输入电流Iac，从而降低此时的功耗，提高***效率，且该***能同时用于满足欧洲的电磁兼容环保标准。

图5示出了根据本发明一实施例的供电***的应用电路模块示意图。电路模块包括整流电路34、负载33、电容器件Co、电子封装体300、第一电流采样电阻R1和第二电流采样电阻R2。其中电子封装体300具有负载管脚LED，电容管脚CL，第一限流管脚CS1，第二限流管脚CS2和参考地管脚GND。其中负载管脚LED用于耦接负载33的低位端，其中负载33的高位端用于耦接输入电源Vin。电容管脚CL用于耦接电容器件Co的低位端，其中电容器件Co的高位端用于耦接输入电源Vin。第一限流管脚CS1用于耦接第一电流采样电阻R1的第一端，第一电流采样电阻R1的另一端用于耦接参考地GND。第二限流管脚CS2用于耦接第二电流采样电阻R2的第一端，第二电流采样电阻R2的另一端用于耦接参考地GND。参考地管脚GND用于耦接参考地。其中当电容器件Co被充电时，流入管脚CL的充电电流呈现马鞍形波形。该供电电路300中的限流晶体管集成了体二极管，电容器件Co的放电电流通过体二极管形成通路，***消除了分立二极管的使用，***器件极少，降低了***成本。

在另一个实施例中，电子封装体300进一步具有输入电源管脚Vin，用于耦接输入电压Vin，用于为电子封装体中的控制电路供电或基于输入电压Vin控制电容器件Co的充电电流波形。在其它实施例中，也可采用其它部位的信号如负载管脚LED上的电信号为控制电路供电。

在另一个实施例中，电子封装体300中的功率器件Q1和/或限流晶体管Q2与对应的采样电阻集成在同一半导体基底上，电子封装体不包括第一限流管脚CS1和/或第二限流管脚CS2。能用于进一步简化电路***。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (13)

1.一种用于为负载提供电源的供电电路，包括：

驱动调节电路，包括功率器件，功率器件用于和负载串联，串联的功率器件和负载用于耦接在第一电源端和第二电源端之间，驱动调节电路基于功率器件的导通状态驱动负载；以及

充电控制电路，用于与电容器件串联，串联的充电控制电路和电容器件用于耦接在第一电源端和第二电源端之间，充电控制电路用于控制电容器件在充电阶段的充电电流在至少部分区间呈马鞍形波形。

2.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，负载包括发光二极管。

3.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，第一电源端耦接整流电路的第一输出端，第二电源端耦接整流电路的第二输出端。

4.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，驱动调节电路进一步包括第一误差放大电路，第一误差放大电路用于基于表征流过功率器件的电流的电流采样信号与第一参考信号的差值信号产生第一误差放大信号，驱动调节电路基于第一误差放大信号控制功率器件。

5.如权利要求4所述的供电电路，其特征在于，第一参考信号为固定值。

6.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，充电控制电路包括限流晶体管，限流晶体管具有体二极管，体二极管用于形成电容器件的放电回路。

7.如权利要求1所述的供电电路，其特征在于，充电控制电路包括：

限流晶体管，用于耦接在电容器件和第二电源端之间；以及

电流控制电路，电流控制电路用于基于表征流过限流晶体管的电流的电流采样信号和第二参考信号控制充电电流。

8.如权利要求7所述的供电电路，其特征在于，充电控制电路进一步包括第二参考信号产生电路，其中第二参考信号产生电路用于基于负载任一端的电压或电容器件低位端电压产生第二参考信号。

9.如权利要求8所述的供电电路，其特征在于，第二参考信号产生电路包括减法电路，减法电路用于将一基准信号减去表征负载任一端的电压或电容器件低位端电压的采样信号，第二参考信号基于减法电路的输出信号产生。

10.如权利要求7所述的供电电路，其特征在于，限流晶体管包括N型金属氧化物半导体场效应管，限流晶体管的源极用于耦接电容器件，限流晶体管的漏极用于耦接第二电流采样电阻。

11.如权利要求10所述的供电电路，其特征在于，功率器件包括N型金属氧化物半导体场效应管，功率器件的源极用于耦接第一电流采样电阻，功率器件的漏极用于耦接负载。

12.一种用于为负载供电的电路模块，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的供电电路、负载、电容器件和整流电路，其中整流电路具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中整流电路的输入端接收市电交流电或耦接调光器，整流电路的第一输出端构成所述第一电源端，整流电路的第二输出端构成所述第二电源端。

13.一种电子封装体，其特征在于，具有：

负载管脚，用于耦接负载的低位端，其中负载的高位端用于耦接输入电源；

电容管脚，用于耦接电容器件的低位端，其中电容器件的高位端用于耦接输入电源；

第一限流管脚，用于耦接第一电流采样电阻的第一端，第一电流采样电阻的另一端用于耦接参考地；

第二限流管脚，用于耦接第二电流采样电阻的第一端，第二电流采样电阻的另一端用于耦接参考地；以及

参考地管脚，用于耦接参考地；

其中对电容器件充电时，流过电容管脚的电流波形在至少部分区间呈马鞍形。

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