CN101919144A - 具有传感电流产生的操作电压的开关状态控制器 - Google Patents

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Abstract

一个电源系统和方法包括一个运行的开关状态控制器在某些电力损失，造成普通开关状态控制器削弱或失灵的情况下来控制开关功率转换器。在至少一个实施例中，在某些电力损失情况下，比如辅助电源处于待命模式或开关功率转换器不操作时，开关状态控制器的电源在某些电力损失情况下不能向开关状态控制器提供足够的操作电力。在至少一个实施例中，在这种电力损失情况下，开关状态控制器所用的电力由检测输入和/或开关功率转换器的检测输出电流产生，使集成电路(IC)开关状态控制器产生控制信号来控制开关功率转换器的一个开关。

Description

具有传感电流产生的操作电压的开关状态控制器
相关申请的交叉参考
本专利申请要求依据35U.S.C.§119(e)和37C.F.R.§1.78享有2008年1月30日递交的名为“功率因数校正和待命模式中的活性升压功能”的61/024,587号美国临时专利申请的权益。61/024,587号美国临时专利申请内包含示范性系统和方法，其通过引用被整体纳入本专利申请。
技术领域
本发明大体涉及有关信号处理领域，更具体地说，是一种电源控制系统，此电源控制系统包含一个开关功率转换器的开关状态控制器，在某些特定情况下从一个或多个传感电流导出操作电压。每个传感电流是从开关功率转换器电压的电阻式地导出的。
背景技术
功率转换系统通常使用开关功率转换器将交流(AC)电压转换为直流(DC)电压或进行DC至DC转换。开关功率转换器通常包括一个非线性能量传递过程，向负载提供经过功率因数校正的能量。功率控制系统提供功率因数校正及调控的输出电压，该输出电压被应用于许多使用可调控输出电压的装置。
图1描绘了一个功率控制系统100，它包括有一个开关功率转换器102。电压源101向全桥式二极管整流器103提供交流电流(AC)输入电压Vin(t)。例如，电压101是公共电源，而交流电源电压Vin(t)在美国是60Hz/110V电源线电压，而在欧洲是50Hz/220V电源线电压。整流器103将输入电压Vin(t)进行整流后，向开关功率转换器提供一个经过整流的随时间变化的直流输入电压VX(t)。
开关功率转换器102包括功率因数校正(PFC)阶段124和驱动器阶段126。开关功率转换器102包括至少两个交换操作，即分别为切换开关108提供功率因数校正和切换开关108提供输出电压VO(t)的调控。PFC阶段124由开关108控制并提供功率因数校正。驱动器阶段126还被开关108控制并调控从直流输入电压VX(t)通过电感器110到电容器106的能量传递。当开关108导通，即显示“ON”时，电感器电流iL‘上升’。当开关108断开，即显示“OFF”时，电感器电流iL下降，并向电容器106提供电流iL以对其充电。一般将电感器电流iL下降的时间周期称为“电感器回扫时间”。二极管111防止反向电流流进电感器110。在至少一个实施例中，开关功率转换器102以间断电流的模式工作，即电感器电流iL的上升时间加电感器回归时间少于控制信号CS0的周期，这就控制了开关108的导通性。
输入电流iL与开关108的‘接通时间’成正比，而传递于电感器110的能量与‘接通时间’的平方成正比。因此，能量传递过程是非线性过程的一个实施例。在至少一个实施例中，控制信号CS0是一个脉冲宽度调制信号，而开关108是一个场效应晶体管(FET)，如n通道FET。控制信号CS0是开关108的栅电压，在CS0的脉冲宽度为高的时候，开关108导通。因此，开关108的‘接通时间’是由控制信号CS0的脉冲宽度决定的。所以，传递到电感器110的能量与控制信号CS0的脉冲宽度的平方成正比。
电容器106向负载112提供储存能量。电容器106足够大，可使开关状态控制器114(将在以下详细讨论)所建立起的输出电压VC(t)较好地保持恒定。输出电压VC(t)在负载恒定条件下基本保持恒定。但是当负载条件改变时，输出电压VC(t)将变化。开关状态控制器114可对VC(t)变化作出反应，尽快调整控制信号CS0以维持输出电压基本恒定。开关状态控制器114包括一个小电容器115，以滤掉来自直流输入电压VX(t)中的任何高频信号。
功率控制系统100的开关状态控制器114控制开关108，从而控制功率因数校正并调节开关功率转换器102的输出电压。功率因数校正技术的目的是使开关功率转换器102对电压源101体现电抗性。于是，开关状态控制器114试图控制电感器电流iL，使得平均电感器电流iL线性地且直接地与直流输入电压VX(t)相关。
Figure BPA00001174680400031
功率因数校正整流器的快速电压环路的补偿器设计与稳定性评价(Compensator Design and Stability Assessment for Fast Voltage Loops of Power Factor Correction Rectifiers)，IEEE电力电子学汇刊(IEEE Transactions on Power Electronics)，第22卷，第5期，2007年9月，1719～1729页。(本文将其作为
Figure BPA00001174680400032
引用)，描述了一个开关状态控制器114的例案。开关状态控制器114提供一脉宽调节(PWM)后的开关控制信号CS0以控制开关108的传导性。控制信号CS0的脉冲宽度值和占空比取决于两个反馈信号，即直流输入电压VX(t)和电容电压/输出电压VC(t)。
开关状态变换器114通过一个宽带电流回路116和一个低电压回路118接收两种电压信号，即直流输入电压VX(t)和输出电压VC(t)。直流输入电压VX(t)是由二级管整流器103和电感器110之间的120结点检测的。输出电压VC(t)是由二级管整流器111和负荷112之间的122结点检测的。电流回路116以频率fc运转，该频率足够允许开关状态控制器114对直流输入电压VX(t)作出回应调整，并导致电感器电流iL随着该直流输入电压而变化，以便完成功率因数校正。电流回路频率一般被设定为介于20kHz与130kHz之间的一个值。电压回路118以一个较低的频率fv运行，典型的值为10～20Hz。通过在10～20Hz范围操作，电压回路118起着低通滤波器的作用，过滤输出电压VC(t)的交流电(AC)的脉动成分。
开关状态控制器114对控制信号CS0的脉冲宽度(PW)和周期(TT)进行控制。因此开关状态控制器114控制着开关功率转换器102的非线性过程，使得所需的能量被传递给电容器106。能量需求取决于负载112需求的电压和电流。为了调节传递的能量并将功率因数保持在接近1，开关状态控制器114改变控制信号CS0的周期，使得输入电流iL能够追踪到输入电压VX(t)的变化，并使输出电容器电压VC(t)保持恒定。因此，当输入电压VX(t)增大时，开关状态控制器114将增大控制信号CS0的周期TT，而当输入电压VX(t)减小时，开关状态控制器114将减小控制信号CS0的周期。同时，调整控制信号CS0的脉冲宽度(PW)，以使控制信号CS0的占空比(D)保持恒定，这样就保持了输出电压VC(t)的恒定。在至少一个实施例中，开关状态控制器114以远高于输入电压VX(t)的频率更新控制信号CS0。输入电压VX(t)的频率一般为50至60Hz。譬如说，控制信号CS0的频率1/TT介于20kHz与130kHz之间。等于或高于20kHz的频率避免了音频干扰，等于或低于130kHz的频率避免了有较大影响的开关无效性，同时又能保持良好的功率因数，比如在0.9和1之间，和保持近似恒定的输出电压VC(t)。电源控制系统还包括辅助电源128。辅助电源128是向PFC和输出电压控制器114提供运行电力的主要电源。但是，如后面更详细的参照图3B的探讨，在某些电力损失的情况下，辅助电源128则无法向PFC和输出电压控制器114提供足够的运行电力。
图2描绘了使用电压检测的电源控制系统100。电源控制系统100包括串联耦合的电阻器202来检测输入电压VX(t)并产生输入检测电压VSX。串联耦合的电阻器202形成分压器，输入检测电压VSX以横跨最后电阻器204来检测。分压器使用多个电阻器，因为输入电压VX(t)一般高于单独电阻器的电压额定。使用串联电阻器允许横跨每个电阻器的电压保留在电阻器的电压额定之内。使用300kohm电阻器作为前三个电阻器，用9kohm作为最后一个电阻器204，输入检测电压为0.01·VX(t)。输出电压Vout(t)以同样的方法用串联耦合电阻器206作为分压器检测，产生输出检测电压VSO。
图3A描绘具有两个模拟数字转换器(ADC)302和304的开关状态控制器114。模拟数字转换器302和304使用参考电压VREF分别转换检测电压VSX和VSO为数字输出电压Vx(n)和VO(n)。参考电压可以是带隙发展的电压参考。
图3B描绘电源系统350。功率控制系统350包括一个开关功率转换器102，可提供功率因数校正并提供输出电压VO(t)。(输出电压VO(t)与图1的输出电压Vc(t)相同。)在至少一个实施例中，电源系统350向负荷353提供电力，该负荷可进入一个非常低的功耗状态(比如待命模式)或完全的“OFF”状态。负荷353的实例为计算机系统或其他数字处理系统。在正常操作时，开关功率转换器102在“ON”位置时将执行升压转换器功能，从比如130V提升输入电压Vx(t)，产生输出电压VO(t)，比如+400V。输出电压VO(t)将被提供于主电源354和备用电源352。“正常”操作是电源350不在低功耗或“OFF”状态时。主电源354提供多种电压，如+3V，+5V和+12V，在正常操作时为负荷353的不同部件提供电力。附属电源128为开关状态控制器114提供主要电源。开关状态控制器114包括从辅助电源128接收电力的输入。但是，在某些电力损失的情况下，辅助电源128向开关状态控制器114提供的操作电力不足。在这种电力损失情况下，开关状态控制器114无效。电力损失情况包括一种辅助电源128故意关闭来节省能源的待命模式。电力损失情况在开关功率转换器102无效时也会发生。在至少一个实施例中，辅助电源128从开关功率转换器102接收电力。那么，在开关电力转换器102无效时，比如在输入电压VX(t)错过一次周期时，辅助电源128向开关状态控制器114提供的电力不足。
电压调节器和其他部件(没有显示)可连接在辅助电源128和开关状态控制器114之间。备用电源352向负荷353提供比如最多5W的电力。主电源354提供比如最多500W的电力。备用电源352和主电源354提供的电压量根据设计选择而定。
每个部件102、114、352、354、和128都包括一个有下划线的状态，如打开或关闭，来表现部件102、114、352、354、和128在备用模式中的状态。在备用模式中，只有备用电源352打开。在待命模式中，备用电源352提供辅助输出电压VA向在低功率状态操作的电路(如待命模式监控电路，没有显示)提供电力。备用电源352还为在部件进入正常操作时用来预置负荷353的其他部件的负荷353的部件提供电源。
因为开关功率转换器102在备用模式中为“OFF”，输出电压VO(t)降低到输入电压Vx(t)。那么，备用电源352必须设计能够提供从Vx(t)至VO(t)的输出电压，比如从+130V至+400V。这样的备用电源352一般不如设计为以近似恒定输入电压操作的电源有效。那么，需要一个在操作时能够提供近似恒定输入电压的开关功率转换器。
发明内容
在此项发明的一种实施例中，此装置包括一个控制器。控制器被配置在至少一个控制器操作模式下，当操作电压从第一传感电流的至少第一部分产生的情况下操作，其中第一传感电流是从开关功率转换器的第一电压检测电阻式地导出。控制器还被配置来至少接收第一传感电流的第二部分，并用第一传感电流的第二部分来控制开关功率转换器的转换操作。
在另外一个本项发明的实施例中，一种方法包括在至少一个控制器操作模式是从第一传感电流的至少第一部分产生操作电压时操作控制器，其中第一传感电流是从开关功率转换器的第一电压检测电阻式地导出。此方法还包括由控制器至少接收第一传感电流的第二部分，并用第一传感电流的第二部分来控制开关功率转换器的转换操作。
在本发明的一个进一步实施例中，一套装置包括在至少一个控制器操作模式是从第一传感电流的至少第一部分产生操作电压时操作控制器的操作方法，其中第一传感电流是从开关功率转换器的第一电压检测电阻式地导出。此套装置还包括控制器来至少接收第一传感电流的第二部分的方法，并用第一传感电流的第二部分来控制开关功率转换器的转换操作。
附图说明
通过参考附图，本领域内的技术人员可更容易理解本发明，更好地了解它的多种客体、特征和优势。多幅图中相同参考数字指的是相同或相似的元素。
图1(标为先前技术)描绘了一个电源控制系统。
图2(标为先前技术)描绘了一个具有电压检测的电源控制系统。
图3A(标为先前技术)描绘了图2的电源控制系统的开关状态控制器，包括模拟数字转换器将输入和输出检测电压转换为数字信号。
图3B(标为先前技术)描绘了一个电源系统。
图4描绘了一个具有电流检测功能的电压控制系统。
图5描绘了一个升压转换器。
图6描绘了一个电流检测系统。
图7描绘了一个用于电流检测的电阻。
图8描绘了一个模拟数字转换器。
图9描绘了一个基于时分的次要附属电源系统。
图10描绘了一个比例分配次要附属电源系统。
图11描绘一个电源系统至少在电源系统以待命模式操作时，使用一个或更多的传感电流向集成电路开关状态控制器提供电力。
图12描绘了一个实例性的图解曲线，显示了标绘的传感电流功率与开关功率转换器输出功率的对比。
具体实施方式
一个电源系统和方法包括在造成普通开关状态控制器被削弱或失灵的某种电力损失条件下使一个开关状态控制器仍能够控制一个开关功率转换器。在至少一个实施例中，在某种电力损失的情况下，比如辅助电源在待命模式中或开关功率转换器不运行，开关状态控制器的辅助电源在某种电力损失情况下不能向开关状态控制器提供足够的操作电力。在至少一个实施例中，在电力损失时，电力由开关状态控制器用开关控制转换器的检测输入和/或检测输出电流产生，并允许开关状态控制器产生一个控制信号来控制开关功率转换器的开关。在至少一个实施例中，开关状态控制器被制为集成电路(IC)。
那么，在转换器电源的电力损失情况下，开关状态控制器仍然运行造成开关功率转换器提供近似恒定的输出电压，比如一个备用电源向负荷提供电力。通过在待命和正常操作模式中提供近似恒定的输出电压用于提供备用电源，备用电源可设计得比用于在更广范围输入电压下操作的备用电源更加有效。在一种实施例中，提供于开关状态控制器的检测电源与开关功率转换器的输出电压成比例。在开关功率转换器的输出电力提高时，开关状态控制器增加的电力要求由辅助电源提供。
那么，在至少一种实施例中，传感电流可用来向开关状态控制器提供电源。在至少一个实施例中，传感电流可在辅助集成电路的电力不可使用或削弱时，比如在启动开关状态控制器或在输入电压错过周期时向开关状态控制器提供电力。在至少一个实施例中，集成电路从电源控制系统的输入比电源控制系统的输出牵引更多的传感电流以实现，比如，对电源输出电压的影响降到最低。另外，通过检测传感电流，电源控制系统可省去至少一个用于电压检测系统的检测电阻器。
图4描绘了一个具有电流检测的电源控制系统400。一个全二极管桥式交流整流器402对交流电压Vin(t)进行整流，产生经过整流的输入电压VX(t)。在至少一个实施例中，输入电压Vin(t)与图1中的输入电压Vin(t)相同。开关功率转换器404代表一个开关功率转换器的实施例，为负荷406将整流的输入电压VX(t)转换为直流(DC)输出电压VO(t)。开关功率转换器404可以是任何一种开关功率转换器，比如升压转换器或降压转换器。开关功率转换器404包括至少两个切换模式，即在开关功率转换器404切换开关，比如开关108(图1)提供功率因数校正和在开关功率转换器404切换开关，比如开关108(图1)为输出电压VO(t)提供调控。在至少一个实施例中，输出电压VO(t)与图1的输出电压VC(t)相同。输出电压VO(t)的数值根据负荷406的输入电压要求而定。在至少一个实施例中，输出电压VO(t)大约为400V。开关状态控制器408用代表直流输入电压VX(t)的数据和输出电压VO(t)产生控制信号CS。电压VX(t)和VO(t)分别在电阻器R0和R1降低以产生传感电流iX和iO。传感电流iX和iO分别代表直流输入电压VX(t)和输出电压VO(t)。以下将更详细地描述次要辅助电源405用一个或两个传感电流iX和iO产生操作电压VDD。操作电压VDD可以，比如，提供与外部输入相同的电压，如接收操作电压VAUX的集成电路管脚，开关状态控制器408的不同外部输入，或开关状态控制器408的内部输入。那么，当辅助电源410和次要辅助电源405都在提供电力时，辅助电源410和次要辅助电源405可一起为开关状态控制器408产生操作电压。在至少一个实施例中，次要辅助电源405与开关状态控制器408是隔离开的。在至少一个实施例中，次要辅助电源405作为开关状态控制器408包括在同一个集成电路中。以下将更详细地探讨实例性的电阻器R0和R1。在至少一个实施例中，开关状态控制器408被制为集成电路。
控制信号CS可用许多方法中的任何一个来产生，比如美国专利申请序号11/967,271中描述的实例性方法，名为“具有减少反馈的功率因数校正控制器”，发明者约翰·L.·莫兰森，受托人凌云逻辑公司(“Melanson Ⅰ”)和美国专利申请序号11/967,272，名为“具有开关结点反馈的功率因数字校正控制器”，发明者约翰·L.·莫兰森，受托人凌云逻辑公司(“Melanson Ⅱ”)。Melanson Ⅰ与Melanson Ⅱ以全文引用方式并入本文。在至少一个实施例中，输入电压VX(t)和输出电压VO(t)由传感电流iX和iO检测。在至少一个实施例中，仅有一个或其他的输入电压VX(t)和输出电压VO(t)被检测为电流。
图5描绘了一个升压转换器500，代表开关功率转换器的一个实施例。升压转换器500包括电感器110，二级管111，和开关108而且按所描述运行，并参考图1中的相同部件。
图6描绘了实例性的电流检测系统600。输入电压VX(t)在电阻R0上降低，传感电流iX被提供为模拟数字转换器602的输入。输入电压VO(t)在电阻R1上降低，传感电流iO被提供为模拟数字转换器604的输入。在至少一个实施例中，R0＝R1，同时，在另一个实施例中，R0小于R1。R0和R1的实施和数值由设计选择而定并在以下有更详细的探讨。模拟数字转换器602和604将传感电流iX和iO分别转换为数值iX(n)和iO(n)。信号iX(n)和iO(n)被开关状态控制器408用来产生控制信号CS，如Melanson Ⅰ和Melanson Ⅱ所述。
图7描绘了一个实例性电阻R，代表电阻R0和R1的实例性实施。横跨电阻R0和R1的电压可能大于个别电阻器的可靠电压额定。因此，在至少一个实施例中，电阻R由串联耦合的电阻RA，RB和RC实施来降低横跨某个电阻器的电压。电阻R由三(3)个电阻器来描绘。但是，具体数字由设计选择而定并取决于，比如，用来实施电阻R的电阻器部件。电阻R可用一个或多个活性部件(比如场效应晶体管)，一个或多个被动部件(比如电阻器)，或活性和被动部件一起来实施。
图8描绘模拟数字转换器800，代表模拟数字转换器602和604的实例性实施。输入电流iin对模拟数字转换器602代表传感电流iX，对模拟数字转换器604代表传感电流iO。电流数字模拟转换器(DAC)802为结点804提供一个DAC参考电流iref。差动电流iD代表输入电流iin和数字模拟转换器参考电流iREF的差异。差动电流iD在电阻器R3上产生电压VD，电压VD与参考电压VREF对比，比如比较器806的+2V。比较器806产生比较电压VC作为逐次求近寄存器(SAR)808的输入。逐次求近寄存器808分别控制电流数字模拟转换器802的810～818开关的导通性。在至少一个实施例中，电源数字模拟转换器包括电流源820～828。在至少一个实施例中，每个连续电流源的输出电流值是前一个输出电流值的两倍。逐次求近寄存器808使用比如任何众所周知的逻辑算法产生数字输出信号i(n)代表模拟输入信号iIN。
图9描绘了一个开关状态控制器408的次要辅助电源系统900。次要辅助电源系统900代表次要电源系统405的一个实施例。同时参照图4，一个主要辅助电源410向开关状态控制器408提供操作电压和辅助电压VAUX。电压VAUX是，比如，+15V。但是，在至少一个实施例中，在系统电源控制系统400的某种操作模式中和在某种事件当中，比如一个或多个错过的电压VX(t)周期，控制器用的操作电力比来自主要辅助电源410的可用电力更大。那么，当电源控制系统400的辅助电源410不能满足开关状态控制器408的操作电力需要，从而不能向开关状态控制器408提供操作电压时，比如在最初启动开关状态控制器408或在退出待命模式时，辅助电源410的电力不足以操作开关状态控制器408。次要辅助电源系统900用传感电流iX和iO为开关状态控制器408产生电源电压VDD。次要辅助电源系统900用传感电流iX和iO为开关状态控制器408产生电源电压VDD。
在至少一个实施例中，开关状态控制器408仅在操作电源控制系统400的一小部分时间使用检测信号iX(n)和iO(n)。开关状态控制器408关闭开关(即n通道互补金属氧化物半导体)902和904各自使用控制信号CSAM0和CSAM1检测分别由传感电流信号iX(n)和iO(n)产生的传感电流iX和iO。开关902和904一般是打开的。开关902和904打开时，传感电流iO和iX可用来分别通过二级管908和910为电容器906充电。在电容器906上产生的电压为电源电压VDD，为开关状态控制器408提供电力。电压VDD由比如稳压二级管912调控至+15V。在至少一个实施例中，电压VDD是开关状态控制器408启动时的主要电源，而且在辅助电源410不能向开关状态控制器408提供足够操作电力时增补辅助电源410提供的电力。在至少一个实施例中，次要辅助电源系统900传送的电力与电源控制系统400的输出电力是成比例的。次要辅助电源系统900可全部或部分包括在开关状态控制器408中。比如，在至少一个实施例中，次要辅助电源系统900除电容器906的所有部件都包括在开关状态控制器408中。
在至少一个实施例中，次要辅助电源系统900从开关功率转换器404的输入边比输出边牵引更多的电流。一般来说，从输入边牵引更多电力会造成输出电压VO(t)内更小的波动。要从开关功率转换器404的输入边牵引更多电流，将电阻R0设定小于电阻R1。在至少一个实施例中，R0是R1的10％，即R0＝0.1R1。电阻器R0和R1的数值根据设计选择而定。实例性的R0和R1的数值分别为400kohm和4Mohm。模拟数字转换器602和604仍然能够向开关状态控制器408提供传感电流并允许开关状态控制器408正确产生控制信号CS。
图10描绘了次要电源系统1000，代表次要电源系统405的另一个实施例。次要辅助电源系统1000在开关状态控制器408的至少一部分操作时间，比如当辅助电源410不能提供足够电力使开关状态控制器408继续操作时，向开关状态控制器408提供辅助电力。在至少一个实施例中，开关状态控制器408仅使用来自传感电流iX和iO一小部分的能量来分别检测电压Vx(t)和VO(t)。在至少一个实施例中，至少一部分来自传感电流iX和iO的剩余能量用来向开关状态控制器408提供电力，比如当辅助电源410不能向开关状态控制器408提供足够操作电力时。那么，次要辅助电源系统1000可将来自传感电流iX和iO的可用能量分配向开关状态控制器408提供操作电力并分别向Vx(t)和VO(t)提供反馈检测。
在至少一个实施例中，次要辅助电源系统1000有两种操作模式。(1)启动模式和(2)正常模式。参照图4和图10，在启动模式中，辅助电源410向开关状态控制器408提供的操作电力不足，而次要辅助电源系统1000用来自传感电流iX，传感电流iO，或两个传感电流iX和iO的能量向开关状态控制器408提供电力。次要辅助电源系统1000包括比例分配电路1001和1002，在启动模式中向开关状态控制器408提供操作电力。在启动模式中，所有传感电流iX和iO的可用能量都通过二级管1010和1012分别传输到比例分配电路1001和1002来为电容器1014充电。传感电流iX和iO将电容器1014充电至VDD，从而提高结点1008的电压至开关状态控制器408的操作电压VDD。电容器1014的数值根据设计选择而定，在至少一个实施例中，其数值的选择是用来在辅助电源410向开关状态控制器408供电不足的情况下，使来自电力电流iXP和iOP的能量传输足够给电容器1014充电至VDD并向开关状态控制器408提供足够操作电力。
在正常模式中，比例分配电路1001和1002按比例分别将传感电流iX和iO分配为(i)各自的电力电流iXP和iOP向开关状态控制器408提供电力，(ii)各自支持电路偏置电流iXB和iOB，和(iii)各自测量电流iXM和iOM来分别检测电压VX(t)和VO(t)。电流iXP和iOP分别流过p通道场效应晶体管1018和1020，通过为电容器1014充电在结点1008保持电压VDD以取代开关状态控制器408消耗的电荷。偏置电流iXB和iOB流过p通道场效应晶体管1022和1024分别向比例分配电路1001和1002提供偏置。测量电流iXM和iOM流过p通道场效应晶体管1026和1028分别测量电压VX(t)和VO(t)。
次要辅助电源系统1000包括电阻器R0和R1，在至少一个实施例中，电阻器R0和R1分别与图6和7一起描述。电阻器R0和R1分别与结点1004和1006连接。在一个实施例中，次要辅助电源系统1000与开关状态控制器408一起包括在集成电路中，结点1004和1006代表开关状态控制器408的管脚。在另一个实施例中，次要辅助电源系统1000与开关状态控制器408隔离开，结点1008与开关状态控制器408的管脚连接并向开关状态控制器408提供电力。
晶体管1018、1022、和1026的栅极互相连接，晶体管1020、1024、和1028的栅极互相连接。向晶体管1018、1022、和1026的栅极施加的电压VGX在启动模式和正常模式中控制电流在比例分配电路1001中的流动。向晶体管1020、1024、和1028的栅极施加的电压VGO在启动模式和正常模式中控制电流在比例分配电路1002中的流动。电压VGX和VGO由模拟多路转换器1030和1035的状态分别控制。
模拟多路转换器1030和1032为2输入/1输出的模拟多路转换器，分别具有选择信号SELX和SELO。模拟多路转换器1030和1032的两个输入信号分别为VDD和VBIAS。模拟多路转换器1030和1032的输出分别为VGX和VGO。不在正常模式时，选择信号SELX和SELO的状态设定选择电压VDD。那么，在启动模式中，电压VGX和VGO等于VDD。移动晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的栅极至电压VDD实际上将1018、1022、和1026和1020、1024、和1028关闭“OFF”，即断开。传感电流iX和iO分别为结点1004和1006充电。一旦结点1004和1006的电压超过VDD多于二级管1010和1012的正向偏置电压VBE，二级管1010和1012导通。在晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028“OFF”而二级管1010和1012“ON”，即导通时，电力电流iXP等于传感电流iX，而且电力电流iOP等于传感电流iO。向结点1008提供的电力电流iXP和iOP将电容器1014充电至VDD。稳压二级管1016将横跨电容器1014的电压限制为VDD。
在启动模式中，因为晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的栅至源极电压VGS低于VTH+VON，晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028仍处于关闭。“VTH”代表晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的临阈电压，而“VON”代表高于临阈电压VTH的电压。在至少一个实施例中，临阈电压VTH至少是0.7V，而电压VON至少是100～200mV。如果(VTH+VON)＜VBE，晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028导通，而传感电流iX和iO被晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028和二级管1010和1012各自均分。在至少一个实施例中，晶体管1018、1022、和1026，晶体管1020、1024、和1028，和二级管1010和1012的几何结构造成电力电流iXP和iOP各自超过测量的电流iXM和iOM和偏置电流iXB和iOB。在至少一个实施例中，电力电流iXP和iOP分别为传感电流iX和iO的90％。
在正常模式中，多路转换器的状态选择信号SELX和SELO选择电压VBIAS作为VGX和VGO的栅电压。在至少一个实施例中，VBIAS的电压值导致传感电流iX和iO仅从晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028流过。通过晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的电流按比例在电力电流iXP和iOP，偏置电流iXB和iOB，和测量电流iXM和iOM之间分配。
电流分配比例是晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028各自实际尺寸的函数。在至少一个实施例中，实际尺寸的比率，也就是电流分配的比例使大部分通过晶体管1018和1020的传感电流iX和iO继续各自为结点1008的电容器1014提供能源进行充电。在比例分配电路1001剩下的电流，即iX～iXP，分配在晶体管1022和1026间分配。在比例分配电路1002剩下的电流，即iO～iOP，分配在晶体管1024和1028间分配。在至少一个实施例中，晶体管1018的实际尺寸大于晶体管1026的实际尺寸，而晶体管1026的实际尺寸大于晶体管1022的实际尺寸。那么，测量电流iXM高于偏置电流iXB。在至少一个实施例中，晶体管1020的实际尺寸大于晶体管1028的实际尺寸，而晶体管1028的实际尺寸大于晶体管1024的实际尺寸。那么，测量电流iOM高于偏置电流iOB。
比例分配电路1001和1002的电流分配精确度由漏极偏置调节器1034和1036在电压VDD分别保持各自晶体管1022和1026漏极的能力而定。偏置电流iXB流过p通道场效应晶体管1038至二级管连接的n通道场效应晶体管1040。晶体管1040沿n通道场效应晶体管1042形成一个镜像电流源，其晶体管1042漏极的输出电流iXP等于换算的偏置电流iXB。晶体管1042的漏极电流表现于与二级管连接的p通道场效应晶体管1044，为驱动晶体管1038和p通道场效应晶体管1046产生共射共基偏置。偏置迫使晶体管1022和1026的漏极电压达到VDD，从而与晶体管1018的漏极电压一致。偏置电流iOB流过p通道场效应晶体管1048至二级管连接的n通道场效应晶体管1050。晶体管1050沿n通道场效应晶体管1052形成一个镜像电流源，其晶体管1052漏极的输出电流iOP等于换算的偏置电流iOB。晶体管1052的漏极电流表现于与二级管连接的p通道场效应晶体管1054，为驱动晶体管1048和p通道场效应晶体管1056产生共射共基偏置。偏置迫使晶体管1024和1028的漏极电压达到VDD，从而与晶体管1020的漏极电压一致。那么，漏极偏置调节器1034和1036提供电压用来比例分配电路1001和1002按各自比例分别将传感电流iX和iO分别分配为电力、测量和支持偏置电流。
电压偏置调节器1058在正常模式中产生电压VBIAS，使所有传感电流iX和iO分别流过晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028，即iX＝iXP+iXB+iXM和iO＝ilp+iOB+iOM。在正常模式反向偏置二级管1010和1012，结点1004和1006的电压各自低于二级管1010和1012的电压VBE并参考电压VDD。要使电流通过晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028，晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的漏极到源极电压应大于VON，而且电压VON是高于晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的临阈电压VTH的电压。
一般情况下，电压VON是100～200mV。那么，理想情况下，电压VBIAS设定与晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的临阈电压VTH相等。但是，实际上，临阈电压VTH和二级管正向偏置电压VBE的差额一般是≤+/-200mV。如果电压VON高于或等于100mV并且小于或等于200mV，参考电压VDD的连结式二极管的两极设备可用来产生VBIAS。那么，偏置电压VBIAS是VDD-VBE。当电压VBIAS施加于晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的栅极时，晶体管1018、1022、和1026和1020、1024、和1028的源极被迫使至VDD-VBE+VTH+VON。
那么，在至少一个实施例中，电压偏置调节器1058包括一个与双极结晶体管1060连接的二级管，并有一个连接在电流源1062的射极。电压VBIAS是晶体管1060的射极电压。
输入转换器1064接收测量电流iXM并将测量电源iXM转换为代表信号的电压VX(t)。输出转换器1064可以是任何转换电路，比如模拟数字转换器800，电流电压转换器，或模拟转换电路。输出转换器1066接收测量电流iOM并将测量电源iOM转换为代表信号的电压VO(t)。输出转换器1066可以是任何转换电路，比如模拟数字转换器800，电流电压转换器，或模拟转换电路。
图11描绘了电源系统1100的一个实施例，使用一个或更多检测电源iX和iO，至少在电源系统1100在待命模式内操作或在辅助电源410不能向开关状态控制器1102提供足够操作电力的另外一些情况下向开关状态控制器1102提供电力。比如输入电压VX(t)可能错过一次或多次周期，导致辅助电源410向开关状态控制器1102提供不足的操作电力。开关状态控制器1102通过输入1108从辅助电源410接收电力。输入1108可以是任何类型的能够使辅助电源410向开关状态控制器1102提供电力的连接。电源系统1100包括一个开关功率转换器1104，比如开关功率转换器404，在至少一个实施例中，提供功率因数校正并提升输入电压Vx(t)至输出电压VO(t)。在至少一个实施例中，输入和输出电容器，如分别的电容器115和106(图4)，都被包括在电源系统1100中但为清楚起见不显示在图11中。备用次要辅助电源1105在负荷353处于待命时向负荷353提供比如最多5W的电力。次要辅助电源1105产生电源电压VDD在主要辅助电源410向开关状态控制器1102提供的操作电力不足的情况下操作开关状态控制器1102。
次要辅助电源1105使开关状态控制器1102在待命模式中操作。开关状态控制器1102可在待命模式操作(和在其他情况下当辅助电源410向开关状态控制器1102提供不足的操作电力时)，而且开关功率转换器1104保持近似恒定的输出电压VO(t)。当开关状态控制器1102在待命模式操作而且开关功率转换器1104保持近似恒定的电压VO(t)时，备用电源1106可设计为以近似恒定的输入电压操作，从而比设计用于在更广范围输入电压下操作的备用电源更加划算。
特定的次要辅助电源1105用来发展辅助输入电压VDD为开关状态控制器1102至少在待命模式中提供电力为设计选择。在至少一个实施例中，次要辅助电源1105是次要辅助电源系统900。在另一个实施例中，次要辅助电源1105是次要辅助电源系统1000。次要辅助电源1105可被包括于拥有开关状态控制器1102的集成电路一部分，或可与开关状态控制器1102隔离开并与开关状态控制器1102连接并提供电压VDD(图9和10)。那么，次要辅助电源1105可在开关状态控制器1102的内部、外部、或内外部一起实施。
每个部件354、410、1102、1104、和1106都包括一个有下划线的状态，即打开和关闭，代表部件354、410、1102、1104、和1106在待命模式的状态。因为传感电流iX和iO在待命模式中可用，开关状态控制器1102可保持打开。在待命模式中，开关功率转换器1104的功率因数校正控制开关(如图1中的开关108)有很小的脉冲宽度，而因此不需要经常导通。比如，控制信号CS在待命模式或低功率操作时的占空比很小。比如，占空比在待命模式时接近0％。因为控制信号CS在待命模式中的低占空比，开关状态控制器1102在待命模式中需要更少的电力来操作。由于开关状态控制器1102在待命模式中的低电源要求，从传感电流iX，iO，或iX和iO(即传感电流iX和/或iO)导出的电力可提供足够电源使开关状态控制器1102在待命模式中操作。当输入电压VX(t)错过一个周期时，开关功率转换器1104上的输出电容器(比如图4的电容器106)可在至少几个连续的错过周期内以近似恒定的数值保持输出电压VO(t)。错过的周期在输入电压VX(t)的周期内零星分布。因为传感电流iO是从输出电压VO(t)导出，传感电流iO在输入电压VX(t)的错过周期中可用。
因为开关状态控制器1102和开关功率转换器1104在待命模式中操作，备用电源1106可被设计以恒定的输入电源VO(t)来有效率地操作。
次要辅助电源1105用来发展辅助输入电压VDD为开关状态控制器1102至少在待命模式中提供电力为设计选择。在至少一个实施例中，次要辅助电源1105是次要辅助电源系统900。在另一个实施例中，次要辅助电源1105是次要辅助电源系统1000。次要辅助电源1105可在开关状态控制器1102的内部、外部、或内外部一起实施。
图12描绘了一个实例性的图解曲线1202，显示了标绘的开关状态控制器功率与开关功率转换器1104输出功率的对比。实例性的开关状态控制器电源曲线1202代表在开关功率转换器1104的输出电力改变的情况下，次要辅助电源1105来自传感电流iX和/或iO，和辅助电源410提供的电力。随着开关功率转换器1104提供的输出电力的增加，更多来自辅助电源410的电力提供于开关状态控制器1102，使开关状态控制器1102增加控制信号CS的脉冲宽度，从而增加开关功率转换器1104的电力提供。那么，辅助电源410向开关状态控制器1102提供的电力与开关电源控制器1104提供的输出电力成比例。实例性的开关状态控制器电源曲线1202指示传感电流iX和/或iO可为开关状态控制器1102提供足够能量使开关状态控制器1102在开关功率转换器1104的低电源需求时操作。开关状态控制器1102的电力需求曲线1204指示开关状态控制器1102从待命模式到正常操作模式的电力需求。
那么，反馈输入和/或输出电流在电源的待命模式中可用，而且开关状态控制器使开关功率转换器为备用电源提供近似恒定的输出电压。
尽管已经对本发明作了详细描述，但应明白，在不偏离所附权利要求中定义的本发明之范围和精神情况下仍可以进行多种变化、替代和更改。

Claims (33)

1.一种装置，其包括：
一个控制器，其配置使之能够：
在至少一个控制器操作模式下，当操作电压从第一传感电流的至少第一部分产生的情况下操作，其中第一传感电流是从开关功率转换器的第一电压检测电阻式地导出；
至少接收第一传感电流的第二部分；而且用第一传感电流的第二部分控制开关功率转换器的开关操作。
2.根据权利要求1所述的装置，其中开关功率转换器的开关操作是包括以下的集体中一员：(i)操作开关功率转换器的开关来提供功率因数校正和(ii)操作开关功率转换器的开关来调控开关功率转换器的输出电压。
3.根据权利要求1所述的装置，其中的控制器被配置在主要辅助电源提供电力不足，无法使控制器至少控制开关功率转换器的一个输出电压时，至少以第一传感电流的第一部分产生的操作电压来进行操作。
4.根据权利要求1所述的装置，其中第一传感电流是从以下至少一种情况中导出：(i)开关功率转换器的输入电压和(ii)开关功率转换器的输出电压。
5.根据权利要求1所述的装置，其中控制器进一步配置造成开关功率转换器在控制器至少以第一传感电流的第一部分产生的操作电压来进行操作产生近似恒定的输出电压。
6.根据权利要求1所述的装置，其中的一个控制器进一步配置至少使用第一传感电流的第二部分来控制至少以下之一(i)开关功率转换器的功率因数校正和(ii)开关功率转换器的输出电压调控。
7.根据权利要求1所述的装置，其中的一个控制器操作模式至少包括控制器的一个启动模式。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括：
次要辅助电源有一个第一输入来至少接收第一传感电流的第二部分，其中次要辅助电源系统被配置至少从第一传感电流的第二部分产生操作电压。
9.根据权利要求8所述的装置，其中次要辅助电源和控制器还包括包含于一个集成电路的部件。
10.根据权利要求1所述的装置，其中控制器被配置至少从第一传感电流和第二传感电流导出的操作电压来操作，其中第二传感电流是从开关功率转换器的第二电压检测的电阻式地导出的。
11.根据权利要求10所述的装置，其中第一传感电流检测到一个开关功率转换器的输入电压，而第二传感电流检测到一个开关功率转换器的输出电压。
12.根据权利要求10所述的装置，其中控制器包括一个第一转换器来转换第一传感电流的第一部分成为代表开关功率转换器的输入电压的数据，还有一个第二转换器来转换第二传感电流的第二部分成为代表开关功率转换器的输出电压的数据，其中装置进一步包括：
一个次要辅助电源，和次要辅助电源包括：
一个第一传感电流比例分配电路，与控制器耦合并向第一个转换器提供第一传感电流的第一部分，用来检测开关功率转换器的输入电压；而且
一个第二传感电流比例分配电路，与控制器耦合并向第二个转换器提供第二传感电流的第二部分，用来检测开关功率转换器的输入电压；而且
其中第一和第二比例分配电路配置为从第一检测电源的第一部分和第二检测电源的第二部分产生操作电压。
13.根据权利要求10所述的装置，控制器还包括：
一个第一转换器将第一传感电流的第二部分转换为代表开关功率转换器的输入电压的数据；而且
一个第二转换器将第二传感电流的第二部分转换为代表开关功率转换器的输出电压的数据；而且
一个装置进一步包括一个次要辅助电源，而且次要辅助装置包括：
第一电路耦合于控制器以提供第一传感电流至第一转换器用来检测开关功率转换器的输入电压，并至少对在非重叠时间内对控制器的操作电压产生提供协助；而且
第二电路耦合于控制器以提供第二传感电流至第二转换器用来检测开关功率转换器的输出电压，并至少对在非重叠时间内对控制器的操作电压产生提供协助。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括：
一个次要辅助电源有一个第一输入来至少接收第一传感电流的第二部分和第二传感电流的第二部分，其中第二传感电流是从开关功率转换器第二电压检测以电阻式地导出，而且第二辅助电源系统被配置至少从第一和第二传感电流的第二部分产生操作电压。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括：
一个第一电阻电路，在开关功率转换器的输入和第二辅助电源间耦合，来向第一传感电流提供电阻；而且
一个第二电阻电路，在开关功率转换器的输出和第二辅助电源间耦合，来向第二传感电流提供电阻。
16.根据权利要求15所述的装置，其中第二电阻电路的电阻大于第一电阻电路。
17.根据权利要求1所述的装置，其中第一传感电流是以下集体的一员包括：从开关功率转换器的输入电压导出的传感电流和从开关功率转换器输出电压导出的传感电流。
18.根据权利要求1所述的装置，进一步包括开关功率转换器，其中开关功率转换器耦合至控制器。
19.根据权利要求18所述的装置，其中的开关功率转换器是包括升压转换器和降压转换器的集体中一员。
20.一种方法，包括：
在至少一个控制器操作模式下，当操作电压从第一传感电流的至少第一部分产生的情况下操作，其中第一传感电流是从开关功率转换器的第一电压检测电阻式地导出；
在一个控制器内至少接收第一传感电流的第二部分；而且
用第一传感电流的第二部分来控制开关功率转换器的一个转换操作。
21.根据权利要求20所述的方法，其中开关功率转换器的开关操作为以下集体的一员包括：操作开关功率转换器的开关提供功率因数校正和操作开关功率转换器的开关提供开关功率转换器输出电压的调控。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括：
操作控制器造成开关功率转换器在控制器至少以第一传感电流的第一部分产生的操作电压来进行操作产生近似恒定的输出电压。
23.根据权利要求20所述的方法，其中第一传感电流是从以下至少一种情况中导出：(i)开关功率转换器的输入电压和(ii)开关功率转换器的输出电压。
24.根据权利要求20所述的方法，控制器操作还包括：
在主要辅助电源提供电力不足，无法使控制器至少控制开关功率转换器的一个输出电压时，至少以第一传感电流的第一部分产生的操作电压来进行操作控制器。
25.根据权利要求24所述的方法，其中在电源系统的备用模式期间，主要辅助电源提供电力不足，无法使控制器至少控制开关功率转换器的一个输出电压。
26.根据权利要求20所述的方法，其中控制器的操作还包括：
在至少一个控制器操作模式下，当操作电压从第一传感电流的至少第一部分产生的情况下操作，其中第二传感电流是从开关功率转换器的第二电压检测电阻式地导出。
27.根据权利要求26所述的方法，其中以第一和第二传感电流产生的操作电压来操作控制器，包括至少在主要辅助电源提供电力不足，无法使控制器至少控制开关功率转换器的一个输出电压时以第一传感电流和第二传感电流产生的操作电压操作控制器。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括：
将第一传感电流提供于第一转换器用来检测开关功率转换器的输入电压并至少对在非重叠时间内对控制器的操作电压产生提供协助；而且
将第二传感电流提供于第二转换器用来检测开关功率转换器的输出电压并至少对在非重叠时间内对控制器的操作电压产生提供协助。
29.根据权利要求26所述的方法，其中第一传感电流大于第二传感电流。
30.根据权利要求26所述的方法，还包括：
向一个第一转换器提供第一传感电流的第二部分用来检测开关功率转换器的输入电压，同时为次要辅助电源系统提供第一传感电流的第一部分来产生操作电压。
31.根据权利要求26所述的方法，其中第一传感电流是包括以下集体的一员：一个从开关功率转换器输入电压导出的传感电流和一个从开关功率转换器输出电压导出的传感电流。
32.根据权利要求20所述的方法，还包括：
确定一个开关控制信号来控制开关功率转换器的开关，其中此开关控制开关功率转换器的输入电流。
33.一种装置，其包括：
至少从第一传感电流的第一部分产生的操作电流在至少一个控制器操作模式内操作控制器的装置，其中第一传感电流是从开关功率转换器的第一电压检测以电阻式导出的。
在一个控制器内至少接收第一传感电流第二部分的装置；而且
用第一传感电流的第二部分控制开关功率转换器开关操作的装置。
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