本申請涉及用于向開關(guān)模式電源(SMPS)的控制器提供電能的方法和電路。所公開的技術(shù)使用SMPS內(nèi)或外的最小附加電路裝置向SMPS控制器提供電能。

背景技術(shù)：

開關(guān)模式電源(SMPS)被廣泛用于向諸如計算機(jī)、電視機(jī)、照明系統(tǒng)和其他電子裝置的電子設(shè)備(負(fù)載)提供電能。如同其他電源，SMPS將來自電源的電能轉(zhuǎn)換為更加適合于負(fù)載的形式。在典型應(yīng)用中，從具有50Hz到60Hz的頻率和90V到240V的均方根(RMS)電壓電平的交流(AC)主電壓獲取電源。SMPS將該電源轉(zhuǎn)換為提供給負(fù)載的低壓直流(DC)電能。

SMPS相對于其他電源類型具有多重優(yōu)勢。SMPS通常比其他類型的電源明顯更加有效，因為它們浪費(fèi)歐姆損耗中的較少能量，例如由依賴于線性規(guī)則的電源所進(jìn)行的。由于浪費(fèi)的能量通常必須作為熱量進(jìn)行消散，所以SMPS減少了熱消散需求，意味著需要更少和/或更小的熱沉。此外，與其他電源類型相比，一些SMPS結(jié)構(gòu)不要求或者要求較小的變壓器。由于這些原因，SMPS通常比其他電源類型更小且更便宜。

雖然具有用于SMPS的許多結(jié)構(gòu)，但所有這些結(jié)構(gòu)在一些電平下切換(啟用和禁用)提供給輸出負(fù)載的電能。SMPS控制器通過改變諸如用于驅(qū)動一個或多個開關(guān)器件(例如，晶體管)的脈寬調(diào)制(PWM)信號的頻率和/或占空比的參數(shù)來管理這種切換，使得提供給負(fù)載的輸出電能在電壓和電流方面滿足負(fù)載的電能需求。

SMPS控制器本身是必須供電的電子設(shè)備。在SMPS的啟動期間以及用于SMPS的持續(xù)(穩(wěn)定狀態(tài))操作期間，必須向SMPS控制器提供電能。用于向SMPS控制器提供電能的一些現(xiàn)有解決方案依賴于SMPS外的獨(dú)立電源。其他解決方案在SMPS內(nèi)的變壓器抽出輔助繞組來向SMPS控制器提供電能。使用外部電源具有如下缺點(diǎn)，其要求外部電路裝置，從而增加SMPS系統(tǒng)的尺寸和成本。使用變壓器的輔助繞組要求SMPS包括變壓器，這在一些SMPS設(shè)計中是不期望的，例如不具有變壓器的降壓轉(zhuǎn)換器。即使對于結(jié)合有變壓器的SMPS設(shè)計來說，優(yōu)選不要求在變壓器內(nèi)包括輔助繞組(具有相關(guān)聯(lián)的尺寸和成本)。

期望用于向SMPS控制器提供電能的電路和方法。這種電路和方法應(yīng)該要求在SMPS所要求之外的最小電路部件，并且應(yīng)該能夠在SMPS的啟動和穩(wěn)定狀態(tài)操作期間向SMPS控制器提供電能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)開關(guān)模式電源(SMPS)中的方法實施例，使用常開型開關(guān)器件向SMPS的控制器提供電能，其中常開型開關(guān)器件在抽頭連接點(diǎn)處與常閉型開關(guān)器件串聯(lián)連接。通過啟用常開型開關(guān)器件和常閉型開關(guān)器件使得二者均導(dǎo)通來向SMPS的負(fù)載提供電流。常閉型器件被禁用，隨后監(jiān)控抽頭連接點(diǎn)處的電壓。如果監(jiān)控的抽頭連接電壓被檢測為高于第一閾值電平，則常開型開關(guān)器件被啟用或者保持啟用。如果監(jiān)控的抽頭連接電壓被檢測為超過高于第一電平的第二電平，則常開型開關(guān)器件被禁用。

根據(jù)開關(guān)模式電源(SMPS)電路的實施例，SMPS電路包括在抽頭連接點(diǎn)處串聯(lián)的常開型開關(guān)器件和常閉型開關(guān)器件。SMPS電路還包括：SMPS控制器，從抽頭連接點(diǎn)提供電能；以及繼電器式(bang-bang)控制器。繼電器式控制器被配置為監(jiān)控抽頭連接點(diǎn)處的電壓并且控制常開型開關(guān)器件。繼電器式控制器啟用或保持啟用常開型器件響應(yīng)于檢測到抽頭連接電壓低于第一閾值電平。在檢測到抽頭連接電壓超過高于第一電平的第二電平時，繼電器式控制器禁用常開型器件。

對于上述SMPS方法和電路實施例，常閉型開關(guān)器件默認(rèn)為禁用狀態(tài)，其中電流不再其輸入和輸出端之間傳導(dǎo)。通過向常閉型器件的控制端提供適當(dāng)信號來啟用常閉型開關(guān)器件，從而使得電流在其輸入和輸出端之間傳導(dǎo)。常開型開關(guān)器件默認(rèn)為啟用狀態(tài)，其中在其輸入和輸出端之間傳導(dǎo)電流。通過向常開型開關(guān)器件的控制端提供適當(dāng)信號來禁用常開型開關(guān)器件，從而防止電流在其輸入和輸出端之間傳導(dǎo)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將在閱讀以下詳細(xì)說明并查看附圖的基礎(chǔ)上意識到附加的特征和優(yōu)勢。

附圖說明

附圖的元件不需要相互按比例繪制。類似的參考標(biāo)號表示對應(yīng)的類似的部分。各個所示實施例的特征可以組合，除非它們相互排除。附圖中示出且在如下說明書中描述實施例。

圖1示出了被配置為向SMPS的控制器提供電能的開關(guān)模式電源(SMPS)的框圖。

圖2示出了用于向SMPS控制器提供電能的方法。

圖3示出了被配置為向SMPS的控制器提供電能的包括反激(flyback)轉(zhuǎn)換器的SMPS電路。

圖4示出了由被配置為向SMPS的控制器提供電能的SMPS電路產(chǎn)生的波形。

圖5示出了圖3的SMPS電路的變形例，其中去除反激轉(zhuǎn)換器并且SMPS以浮置降壓拓?fù)鋪砼渲谩?/p>

圖6示出了被配置為向SMPS的控制器供電的SMPS電路，其中常開型開關(guān)器件的級聯(lián)用于為SMPS的負(fù)載供電，并且其中繼電器式控制器與SMPS控制器獨(dú)立實施。

圖7示出了SMPS電路，其中增強(qiáng)模式金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管被配置以操作為常開型開關(guān)器件并且被配置為將電能提供給SMPS的控制器。

具體實施方式

本文描述的實施例用于在開關(guān)模式電源(SMPS)的啟動期間及其穩(wěn)定狀態(tài)操作期間向SMPS的控制器提供電能。這不要求外部電源來完成。通過適當(dāng)?shù)嘏渲肧MPS的現(xiàn)有電路裝置，實施例能夠使用最小附加電路裝置來向SMPS控制器提供電能。

將在以下說明書和相關(guān)特征中描述各個實施例。這些實施例提供了用于解釋的特定示例，并且不用于限定本發(fā)明。除了不允許的情況，來自這些示例性實施例的特征和方面可以組合或重新布置。

本發(fā)明的目的在于SMPS的實施例。SMPS通常在本領(lǐng)域是公知的。為了避免混淆本發(fā)明的特定方面，將不再詳細(xì)討論與SMPS的控制相關(guān)聯(lián)的已知方面，例如確定切換的頻率和占空比。這將包括針對開環(huán)SMPS以及閉環(huán)確定這樣的參數(shù)，其中SMPS的電壓輸出用于確定和/或調(diào)整這樣的參數(shù)。

SMPS可以使用各種拓?fù)鋪韺嵤?，諸如反激、正向、降壓、升壓、降壓-升壓等。本文描述的技術(shù)類似地應(yīng)用于多種這樣的拓?fù)?，并且特定拓?fù)洳皇怯绕渲匾?。為了避免不需要的?fù)雜度，將使用有限集合的拓?fù)鋪砻枋鍪纠詫嵤├?，?yīng)該理解也可以利用其他SMPS拓?fù)鋪韺嵤┍景l(fā)明。

圖1示出了SMPS 100的高級框圖，其可用于向SMPS的控制器110提供電能。電源(未示出)經(jīng)由輸入V_IN在整流器120或類似部件處向SMPS提供電能。在典型結(jié)構(gòu)中，電源可以是由具有50至60Hz的頻率以及90至240V_RMS的電壓電平的主電壓提供的交流(AC)電源。整流器120將AC電壓轉(zhuǎn)換為直流(DC)電壓，其被提供給調(diào)節(jié)電路130。在一些應(yīng)用(例如，電池供電設(shè)備)中，電源可以提供DC電壓，在這種情況下，整流器可以省略或者用一些其他電路裝置(例如，DC變壓器或類似部件)來替換。

調(diào)節(jié)電路130將根據(jù)SMPS 100的拓?fù)涠兓?。在隔離拓?fù)渲?，調(diào)節(jié)電路130可以包括反激變壓器，其中通過初級繞組的電流被切換以在變壓器的次級繞組處提供期望的輸出電壓和電流。然后，輸出電壓(V_OUT)被提供給一些負(fù)載，諸如電子設(shè)備(例如，照明系統(tǒng)、無線電、電視、裝置)。在非隔離拓?fù)?諸如降壓轉(zhuǎn)換器)中，調(diào)節(jié)電路130通常包括二極管和電感器而非反激變壓器。與基于反激變壓器的隔離拓?fù)湎啾龋祲恨D(zhuǎn)換器通常較小并且較便宜。因此，SMPS 100將在假定調(diào)節(jié)電路130包括反激變壓器的情況下進(jìn)行描述，盡管應(yīng)該理解，SMPS 100可以類似地支持其他拓?fù)洹?/p>

使用一個或多個開關(guān)(諸如常開型開關(guān)器件140和常閉型開關(guān)器件150)，電流被切換通過包括在調(diào)節(jié)電路130中的反激變壓器的初級繞組。常開型開關(guān)器件的特征在于，其傳導(dǎo)電流直到(例如，在開關(guān)器件的控制端處)向其提供了禁用該開關(guān)的控制信號為止。例如，在常開型開關(guān)器件140的控制端處提供的負(fù)電壓會禁用該器件，使其在輸入和輸出端之間不傳導(dǎo)電流。相反，在該控制端處提供零電壓啟用器件140，使其在輸入和輸出端之間傳導(dǎo)電流。如果在控制端上不提供控制信號(例如，該端子“浮置”)，則開關(guān)器件140默認(rèn)啟用并且在其輸入和輸出端之間傳導(dǎo)電流。常開型開關(guān)器件140優(yōu)選包括耗盡模式N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)晶體管(FET)，盡管在一些應(yīng)用中可以使用其他器件，諸如結(jié)型FET(JFT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)等。

常閉型開關(guān)器件的特征在于，其不傳導(dǎo)電流，直到(例如，在開關(guān)器件的控制端處)向其提供了啟用該開關(guān)的控制信號為止。例如，在常閉型開關(guān)器件150的控制端處提供的正電壓會啟用該器件，使其在輸入和輸出端之間傳導(dǎo)電流。相反，在該控制端處提供的零電壓禁用器件150，使其不在輸入和輸出端之間傳導(dǎo)電流。如果控制端上不提供控制信號(例如，該端子“浮置”)，則開關(guān)器件150默認(rèn)禁用并且不在其輸入和輸出端之間傳導(dǎo)電流。常閉型開關(guān)器件150優(yōu)選包括增強(qiáng)模式N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)晶體管(FET)，盡管在一些應(yīng)用中可以使用其他器件，諸如JFET、雙極結(jié)晶體管(BJT)等。

SMPS控制器110通過適當(dāng)?shù)乜刂浦T如常開型開關(guān)器件140和常閉型開關(guān)器件150的開關(guān)器件來控制電流的切換?？刂破?10通常產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波形，該波形具有被配置為產(chǎn)生期望的輸出電壓V_OUT的頻率和占空比。在一些實施方式中，例如使用由輸出電壓直接驅(qū)動的光耦合器或者調(diào)節(jié)電路130內(nèi)的反激變壓器的輔助繞組，SMPS控制器110可以在輸入VS_OUT處感測輸出電壓V_OUT。在這種實施方式中，PWM波形可以被調(diào)整以保持期望的輸出電壓V_OUT。

在使用常閉型和/或常閉型開關(guān)器件的傳統(tǒng)SMPS中，SMPS控制器使用PWM波形和/或PWM波形的變形(例如，反轉(zhuǎn)版本)同時(或者近乎同時)地切換SMPS開關(guān)器件。本發(fā)明的SMPS與這種傳統(tǒng)方法的區(qū)別在于，開關(guān)器件不被同時切換。更具體地，控制開關(guān)，使得具有常閉型開關(guān)器件140被啟用(傳導(dǎo))而常閉型開關(guān)150禁用(不傳導(dǎo))的一些時間段。在這種時間段期間內(nèi)，流過常開型開關(guān)器件140的電流經(jīng)由濾波器和阻擋電路170被提供給SMPS控制器110的電源輸入(Vcc)。由此，SMPS控制器110能夠被提供電能。

使用PWM波形輸出SW_{N_OFF}，通過SMPS控制器來控制常閉型開關(guān)器件150。通過繼電器式控制器160從其輸出SW_{N_ON}控制常開型開關(guān)器件140。繼電器式控制器160可設(shè)置有來自SMPS控制器110的信號SW_{N_OFF}，使得繼電器式控制器160可以同步常閉型開關(guān)器件140的啟用和禁用以及常閉型開關(guān)器件150的切換。

通過繼電器式控制器160在其輸入VS_TAP處感測常開型開關(guān)器件與常閉型開關(guān)器件之間的抽頭連接點(diǎn)處的電壓。在常閉型開關(guān)器件150禁用的周期期間，繼電器式控制器響應(yīng)于檢測到抽頭連接點(diǎn)處的電壓低于第一電平來啟用(或者保持啟用)常開型開關(guān)器件140。繼電器式控制器160響應(yīng)于檢測到抽頭連接點(diǎn)處的電壓高于第二電平來禁用常開型器件140，其中第二電平高于第一電平。如果抽頭連接點(diǎn)處的電壓在第一和第二閾值之間，則不對常開型器件140的狀態(tài)進(jìn)行改變。

繼電器式控制器160可以使用獨(dú)立的硬件部件(諸如晶體管、二極管和電阻器)來實施，可以使用包括數(shù)字和模擬部件的處理器電路裝置來實施，或者可以使用這種硬件部件和處理器電路裝置的組合來實施。繼電器式控制器160可以是圖1所示的獨(dú)立控制器，或者其可以集成在SMPS控制器110內(nèi)。

圖2示出了用于向SMPS控制器提供電能的方法的實施例。該方法可以在諸如圖1所示的SMPS中實施。

方法200通過啟用常開型和常閉型開關(guān)器件來開始(212)?？砂ㄔ赟MPS控制器110中的定時器t_p被重置(216)并用于在時間段t_D1內(nèi)保持兩個開關(guān)器件啟用，其中該時間段可通過SMPS控制器110使用傳統(tǒng)技術(shù)來確定。一旦開關(guān)器件在該時間段內(nèi)被啟用，如定時器t_p達(dá)到t_D1所示(218)，常閉型器件被禁用(220)。在圖2中通過虛線框210來表示兩個開關(guān)器件都被啟用的操作階段。

在常閉型開關(guān)器件禁用之后(220)，執(zhí)行第二操作階段230直到時間t_D2。在該階段期間，抽頭連接點(diǎn)處的電壓被監(jiān)控(250)。如果檢測到的抽頭電壓降到第一閾值V_TH1以下(260)，則常開型開關(guān)器件被啟用，或者如果已經(jīng)被啟用，則保持啟用(264)。如果檢測到的抽頭電壓上升到高于第一閾值的第二閾值V_TH2之上(270)，則常開型開關(guān)器件被禁用(274)。如果檢測到的抽頭電壓在第一和第二閾值之間，則不對常開型器件的狀態(tài)進(jìn)行改變。重復(fù)該處理，直到達(dá)到時間段t_D2的末尾(如定時器t_p所表示)，在該點(diǎn)處，該方法通過啟用兩個開關(guān)重新開始(212)。

在控制常開型開關(guān)器件的過程中使用低閾值V_TH1和高閾值V_TH2在器件的切換中提供了滯后，從而防止會在常開型器件及其控制器(例如，繼電器式控制器160)的切換中導(dǎo)致不期望的電能使用(和噪聲)的過多切換。

在包括上述方法的稍微改變版本的實施例(未示出)中，限定第三電壓閾值V_TH3。該閾值大于第一閾值V_TH1和第二閾值V_TH2。如果抽頭連接點(diǎn)處的電壓(V_TAP)被檢測為達(dá)到第三閾值V_TH3，則鉗位器件被啟用以防止電壓V_TAP增加到V_TH3之上。鉗位器件例如可以是雪崩二極管，其擊穿電壓等于第三閾值V_TH3。

圖3示出了可用于向SMPS的控制器310提供電能的SMPS電路300的實施例。上面結(jié)合圖2描述的方法可由這種電路來執(zhí)行。

外部源(未示出)在輸入V_{DC_IN}處提供電能。該電源例如可以通過連接至AC主電壓的整流器或者通過DC電源來提供。V_{DC_IN}是具有初級繞組(由Lm表示)和次級繞組(其被配置為向SMPS的負(fù)載提供輸出電壓V_OUT)的反激轉(zhuǎn)換器330的輸入。流過初級繞組Lm的表示為I_Lm的電流被切換以提供滿足負(fù)載要求的輸出電壓(V_OUT)和電流。使用耗盡模式MOSFET Q2(常開型)和增強(qiáng)模式MOSFET Q1(常閉型)來切換電流I_Lm，其中MOSFET Q2進(jìn)一步使用增強(qiáng)模式MOSFET Q3(常閉型)來控制。

MOSFET Q1、Q2和Q3均使用施加至它們相應(yīng)的柵極端的電壓來控制。MOSFET Q2是N溝道耗盡模式器件。當(dāng)在柵極-源極端子兩端施加充分幅度的負(fù)電壓(通常稱為器件的閾值電壓)時，該器件被禁用，使得在其漏極和源極端子之間抑制電流傳導(dǎo)。當(dāng)柵極-源極電壓(表示為V_{GS_Q2})為零或保持浮置時，器件Q2被啟用，使得電流不在其漏極和源極端子之間傳導(dǎo)。MOSFET Q1和Q3是N溝道增強(qiáng)模式器件。當(dāng)在這種MOSFET的柵極-源極端子兩端施加充分幅度的正電壓時，例如V_{GS_Q1}或V_{GS_Q2}高于相應(yīng)器件的閾值電壓，增強(qiáng)模式MOSFET被啟用并且傳導(dǎo)電流。否則，增強(qiáng)模式MOSFET被禁用，使其不傳導(dǎo)電流。

SMPS控制器310類似于圖1所示的SMPS控制器110。圖1的繼電器式控制器160有效地通過SMPS控制器310和圖3內(nèi)的其他電路裝置(例如，MOSFET Q3)來實施。

現(xiàn)在將結(jié)合圖4的波形來描述SMPS電路300的功能。在時間t₁處。SMPS控制器310通過向其柵極施加正電壓(即，在V_{GS_Q1}處)來啟用MOSFET Q1。由于MOSFET Q3已經(jīng)啟用，所以少量電流將流過電阻器R1和R2。(電阻器R1和R2具有相對較高的電阻，R2>>R1。例如，R1＝10kΩ且R2＝50kΩ)因此，MOSFET Q2的柵極處的電壓將與MOSFET Q2與MOSFET Q1之間的抽頭連接點(diǎn)處的電壓基本相同。由于V_{GS_Q2}近似為零，所以耗盡模式MOSFET Q2被啟用。由于MOSFET Q1和Q2被啟用，所以電流I_Lm從V_{DC_IN}流過MOSFET到地，并且使反激轉(zhuǎn)換器330通電。如圖4的I_Lm波形所示，電流I_Lm在從t₁到t₄的時間段內(nèi)逐漸增加。通過Lm(反激轉(zhuǎn)換器330的初級繞組)的電感來確定電流增加的速率。

在時間t₂處，SMPS控制器310檢測其電源電壓V_CTRL下降到第一電壓閾值V_min，并且響應(yīng)于此通過在V_{GS_Q3}上驅(qū)動低電壓來使MOSFET Q3禁用。在時間t₃處，SMPS控制器310使MOSFET Q1禁用，但是由于MOSFET Q3被禁用，所以MOSFET Q2保持啟用。(沒有負(fù)偏置電壓施加在V_{GS_Q2})。由于MOSFET Q2啟用且MOSFETQ1禁用，所以通過電感器Lm的電流I_Lm通過二極管D1引導(dǎo)。表示為I_CTRL的電流向SMPS控制器310提供電能并且為電容器C_CTRL充電。如圖4的波形所示，電流I_CTRL在時間t₃和t₄之間的周期期間內(nèi)流動。由于電容器C_CTRL被充電，所以SMPS電源電壓V_CTRL增加直到其達(dá)到表示為V_max的第二閾值。

在檢測到電源電壓V_CTRL達(dá)到第二閾值V_max，SMPS控制器310通過將其柵極電壓V_{GS_Q3}驅(qū)動為高而啟用MOSFET Q3來使MOSFETQ2禁用。(由于MOSFET Q3被啟用，所以流過MOSFET Q2和二極管D1的一些電流將流過電阻器D2。這在R2兩端產(chǎn)生導(dǎo)致負(fù)柵極-源極電壓V_{GS_Q2}的壓降，這又會使MOSFET Q2禁用)。然后，SMPS控制器310將從電容器C_CTRL拉動其電流(電能)并且電壓C_CTRL逐漸增加直到MOSFET Q2啟用且MOSFET Q1禁用的下一時間周期。

雪崩二極管D2連接至MOSFET Q3的漏極(等效地，MOSFET Q2的柵極)并用于在抽頭連接點(diǎn)處限制電壓(V_TAP)和相關(guān)的SMPS控制器電壓V_CTRL。對于具有12V的反向偏置擊穿的雪崩二極管D2來說，MOSFET Q2的柵極處的電壓將鉗位到12V。通過MOSFET Q2的2V的典型電壓閾值，抽頭連接電壓V_TAP將有效地鉗位到14V。在該示例中，電壓V_CTRL經(jīng)由R1連接至V_TAP，結(jié)果V_CTRL也限制為14V。在SMPS控制器起作用之前，二極管D2用于在啟動階段期間限制這些電壓，并且在SMPS控制器故障使其不能將V_TAP電壓限制到第二閾值的情況下用作安全限制。

圖5示出了可用于向SMPS的控制器310提供電能的SMPS電路500的可選實施例。在該實施例中，圖3的反激轉(zhuǎn)換器(變壓器)被電路裝置530替代以實施浮置降壓轉(zhuǎn)換器。浮置降壓轉(zhuǎn)換器相對于反激轉(zhuǎn)換器(或大多數(shù)其他隔離拓?fù)?具有成本和尺寸優(yōu)勢，因為浮置降壓轉(zhuǎn)換器不要求變壓器。對于該可選實施例，功能性(尤其與MOSFET的切換相關(guān))主要與圖3的實施例相同，因此不再贅述。應(yīng)注意，也可以通過類似于圖3和圖5的電路來支持除反激轉(zhuǎn)換器和浮置降壓轉(zhuǎn)換器之外的拓?fù)洌缟龎恨D(zhuǎn)換器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器、正向、半正向。

圖6示出了可用于向SMPS的控制器610提供電能的SMPS電路600的又一實施例。該電路以兩種不同的方式不同于圖3和圖5的電路。首先，先前電路的耗盡模式MOSFET Q2被多個級聯(lián)到一起的多個耗盡模式MOSFET Q2-Q7(640)代替。應(yīng)注意，MOSFET的該鏈640通過Q2的柵極端子來啟用和禁用，這與先前的電路實施例的方式相同。第二，使用與SMPS控制器610分離的硬件電路裝置來實施繼電器式控制器660。SMPS控制器610仍然控制增強(qiáng)模式MOSFET Q1，但是使用繼電器式控制器660來實施耗盡模式MOSFET Q2的滯后控制。現(xiàn)在將重點(diǎn)放在繼電器式控制器660的操作上來解釋SMPS電路600的操作。

在SMPS電路600的啟動階段，SMPS控制器610還沒有操作，因為其電源電壓V_CTRL還沒有達(dá)到足夠的電平。在該階段期間，MOSFET Q1和Q2的柵極不被驅(qū)動，因此增強(qiáng)模式MOSFET Q1默認(rèn)其禁用狀態(tài)，而耗盡模式MOSFET Q2默認(rèn)其啟用狀態(tài)。從一些外部源(未示出)向MOSFET Q7的漏極提供電流，并且流至MOSFET Q2的源極(外部源例如可以是圖3所示的反激轉(zhuǎn)換器或圖5所示的浮置降壓電路裝置530)。

通過禁用MOSFET Q1，電流(I_Q2)從MOSFET Q2的源極初始流過二極管D1并對電容器C_CTRL充電。隨著C_CTRL兩端的電壓(V_CTRL)增加，抽頭連接點(diǎn)處的電壓(V_TAP)也增加。連接至MOSFET Q2的柵極和電阻器R2的12V的雪崩二極管D2用于防止電壓V_TAP和V_CTRL上升到可能損傷電路裝置(諸如SMPS控制器610)的電平。具體地，二極管D2限制MOSFET Q2的柵極處的電壓(V_{GS_Q2})上升到12V以上。假設(shè)MOSFET Q2的柵極閾值電壓為2V，由此防止抽頭連接點(diǎn)處的電壓(V_TAP)上升到14V以上。一旦電源電壓V_CTRL達(dá)到SMPS控制器610的足夠“導(dǎo)通”電平，SMPS控制器610將再次進(jìn)行操作。

可以通過繼電器式控制器660的增強(qiáng)模式MOSFET Q13來(經(jīng)由二極管D3)禁用MOSFET Q2。當(dāng)MOSFET Q13被啟用時，通過電阻器R2拉動的電流在MOSFET Q2的柵極和源極之間創(chuàng)建負(fù)電壓(V_{GS_Q2})(例如，-2V)，從而禁用MOSFET Q2。在SMPS電路600的啟動階段期間，抽頭連接電壓(V_TAP)太低而不能啟用MOSFET Q13，因此MOSFET Q2保持啟用。(以下將作為SMPS電路600的穩(wěn)定狀態(tài)操作的一部分來更加詳細(xì)地解釋MOSFET Q13的操作)。

在SMPS電路600的穩(wěn)定狀態(tài)階段期間，SMPS控制器610通過適當(dāng)?shù)厍袚QMOSFET Q1(例如，通過向MOSFET Q1的柵極端(V_{GS_Q1})施加脈寬調(diào)制(PWM)電壓)確保足夠的電壓和電流輸出至SMPS電路600的負(fù)載(未示出)。由于MOSFET Q1被啟用，所以流入抽頭連接點(diǎn)(從耗盡模式MOSFET Q2-Q7)的電流將初始流過MOSFET Q1而非流入二極管D1、電阻器R1或者電阻器R2、R10、R12或R13中的任一個，因為MOSFET Q1提供最低的阻抗路徑到地。由于少量或沒有電流流過電阻器R2，所以MOSFET Q2的柵極-源極電壓(V_{GS_Q2})保持接近零，這表示MOSFET Q2保持其被啟用的默認(rèn)狀態(tài)。總之，不管增強(qiáng)模式MOSFET Q1何時被啟用，耗盡模式MOSFET Q2都將在SMPS電路600中保持啟用。

由于MOSFET Q1在其啟用狀態(tài)下的低阻抗，抽頭連接電壓(V_TAP)將在該周期期間相對較低。二極管D1在該周期期間阻擋電流從V_CTRL節(jié)點(diǎn)(從大約9V到13V之間變化)流到V_TAP，但是仍有一些泄露通過電阻器R1。

一旦SMPS控制器610使MOSFET Q1禁用(例如，通過在V_{GS_Q1}處施加低電壓)，繼電器式控制器660控制MOSFET Q2，使得如果抽頭連接點(diǎn)處的電壓(V_TAP)低于第一閾值電壓(例如，10V)，則MOSFET Q2被啟用(或者保持啟用)。一旦抽頭連接點(diǎn)處的電壓(V_TAP)上升到大于第一閾值電壓的第二閾值電壓(例如，13.5V)，繼電器式控制器就使MOSFET Q2禁用。如果抽頭連接點(diǎn)處的電壓(V_TAP)在第一和第二閾值之間，則MOSFET Q2的狀態(tài)不發(fā)生變化。

在啟用MOSFET Q2且禁用MOSFET Q1的時間段期間內(nèi)，圖6中表示為I_CTRL的電流經(jīng)由二極管D1提供給SMPS控制器610和電容器C_CTRL。假設(shè)C_CTRL兩端的電壓(V_CTRL)充分低(例如，低于約13V)，該電流對電容器C_CTRL進(jìn)行充電。這是因為二極管D1向從MOSFET Q1的源極流動的電流(I_Q2)呈現(xiàn)最低的阻抗。隨著電容器C_CTRL充電，其電壓(V_CTRL)逐漸建立。一旦該電壓達(dá)到足夠高的電平(在V_TAP處接近13.5V的第二閾值電壓電平)，二極管D1就禁用，因為抽頭電壓V_TAP足夠接近電容器電壓V_CTRL，其中二極管D1兩端的壓降低于二極管的正向電壓閾值(例如，0.6V)。隨著二極管D1有效地禁用，電壓節(jié)點(diǎn)V_TAP和V_CTRL仍然經(jīng)由電阻器R1連接到一起。

現(xiàn)在將針對MOSFET Q1禁用之后開始的時間段來解釋繼電器式控制器660的操作。MOSFET Q11、Q12和Q13是增強(qiáng)模式器件，其具有例如約2V的閾值電壓。對于V_TAP處適當(dāng)?shù)牡碗妷?例如，在約2V和12V之間)，禁用MOSFET Q11，啟用MOSFET Q12，并且禁用MOSFET Q13。首先考慮MOSFET Q11。包括R11和R10的分壓器結(jié)合適當(dāng)范圍內(nèi)的V_TAP處的電壓不足以啟用MOSFET Q11，因為其柵極電壓將仍然低于其閾值電壓(例如，2V)。由于MOSFET Q11禁用，所以MOSFET Q12的柵極經(jīng)由電阻器R12和V_TAP處的電壓被拉高，即，MOSFET Q12的柵極高于其閾值電壓(例如，2V)。由于MOSFET Q12被啟用，所以MOSFET Q12防止比電阻器R14低的阻抗接地。因此，MOSFET Q13的柵極保持在低于其閾值電壓(例如，2V)的電壓。因此，MOSFET Q13禁用并且不驅(qū)動用于Q2的柵極電壓(V_{GS_Q2})。因此，用于MOSFET Q2的柵極電壓(V_{GS_Q2})保持在源極電壓電平(V_TAP)，使得MOSFET Q2保持其啟用狀態(tài)。

隨著電壓V_TAP接近第二閾值電壓(例如，13.5V)來進(jìn)一步解釋操作。如前所述，一旦禁用MOSFET Q1，抽頭連接點(diǎn)處的電壓(V_TAP)不再由MOSFET Q1保持為低，并且該電壓可以被拉至較高的電平。隨著電壓V_TAP增加(連同電壓V_CTRL)，MOSFET Q11的柵極處的電壓增加直到MOSFET Q11被啟用。假設(shè)二極管D5不傳導(dǎo)，MOSFET Q11的柵極處的電壓(V_{GS_Q11})如下通過包括R11和R10的分壓器來確定：

V_{GS_Q11}＝V_TAP*(R11/(R10+R11)) (1)

例如，隨著V_TAP接近13.5V且R11＝100kΩ、R10＝620kΩ，用于MOSFET Q11的柵極電壓接近：

V_{GS_Q11}＝(13.5V)*(100kΩ/(100kΩ+620kΩ))≈1.9V (2)

雖然不完全地處于MOSFET Q11的2V額定閾值電壓，但該柵極電壓足以啟用MOSFET Q11，使其將在其漏極和源極之間傳導(dǎo)電流。MOSFET Q11的漏極(連接至MOSFET Q12的柵極)由此被拉至低電壓電平，使得MOSFET Q12禁用。由于MOSFET Q12禁用，Q13的柵極現(xiàn)在主要被包括電阻器R14和R13的分壓器控制。隨著V_TAP接近13.5V，并且R13＝300kΩ且R14＝100kΩ，MOSFET Q13的柵極電壓近似通過以下等式給出：

V_{GS_Q13}＝V_TAP*(R14/(R13+R14)) (3)

＝(13.5V)*(100kΩ/(100kΩ+300kΩ))≈3.4V (4)。

這將很好地在MOSFET Q13的閾值電壓之上，因此MOSFET Q13被啟用。

應(yīng)注意，MOSFET Q13的柵極處的電壓顯著高于MOSFET Q12禁用之后MOSFET Q11的柵極處的電壓。對于給定示例，在禁用MOSFET Q12前，MOSFET Q13的柵極處的電壓為3.4V，而MOSFET Q11的柵極處的電壓為1.9V。由于該壓差大于二極管D5的閾值電壓(例如，0.6V)，所以二極管D5將被正向偏置并且傳導(dǎo)電流。只要二極管D5被正向偏置，MOSFET Q11和Q13的柵極之間的壓差就將近似固定至二極管D5的閾值電壓。只要二極管D5被正向偏置，這就將趨于將MOSFET Q11的柵極電壓拉得更高。二極管D5用于鎖定繼電器式控制器的當(dāng)前狀態(tài)，使其保持MOSFET Q2處于其禁用狀態(tài)，直到抽頭電壓V_TAP落到低于上述第二閾值電壓(例如，13.5V)的第一閾值電壓之下。

為了簡化，假設(shè)由R14和R13給出的分壓器不被其他電路部件(例如，二極管D5、R11、R10)所影響。隨著抽頭電壓V_TAP降低到上述第一閾值(例如，13.5V)以下，包括R14和R14的分壓器將保持MOSFET Q13啟用。由于二極管D5被正向偏置，所以MOSFET Q11的柵極處的電壓將跟隨MOSFET Q13的柵極處的電壓，但是處于由二極管D5的閾值電壓(例如，0.6V)降低的電平。一旦V_TAP落至例如10V，MOSFET Q13的柵極電壓將為2.5V[(10V)*(100kΩ/(100kΩ+300kΩ))]并且MOSFET Q11的柵極處的電壓將為1.9V(2.5V–0.6V)，這近似于MOSFET Q11的閾值電壓。因此，MOSFET Q11保持啟用，只要電壓V_TAP保持在第一閾值(例如，10V)之上。一旦電壓V_TAP下降低于10V，MOSFET Q11將禁用，MOSFET Q12將啟用，二極管D5將不再正向偏置，并且MOSFET Q13將禁用。MOSFET Q2的柵極將浮置回到零電壓，并且耗盡MOSFET Q2至Q7將被啟用。電流將再次流過MOSFET Q2和二極管D1，以對C_CTRL充電并對SMPS控制器610供電。

如圖6所示，包括R10和R11的分壓器用作觸發(fā)MOSFET Q11的啟用的電壓檢測器。該電阻器網(wǎng)絡(luò)可以被其他部件(未示出)替換或補(bǔ)充，尤其包括具有適當(dāng)偏置電壓的一個或多個二極管(例如，齊納二極管)。與僅依賴于電阻器網(wǎng)絡(luò)的實施方式相比，使用二極管來觸發(fā)MOSFET Q11的實施方式可以提供更加精確的電壓檢測電平(例如，如前所述，V_TAP處10V的第一閾值電平)。類似地，包括R13和R14的電阻器網(wǎng)絡(luò)可以被修改以利用一個或多個二極管，從而提供更精確的較高電壓檢測電平(例如，如前所述V_TAP處13.5V的第二閾值)。

如前所解釋的，繼電器式控制器660用于在抽頭連接電壓V_TAP下降到第一閾值以下時啟用耗盡模式MOSFET Q2，并且在V_TAP上升到高于第一閾值的第二閾值時禁用耗盡模式MOSFET Q2。繼電器式控制器還限制V_TAP的電壓電平以保持在第三電平之下，其中第三電平高于第一和第二電平。該第三電平通過二極管D2的擊穿電壓和MOSFET Q2的閾值電壓來確定。在繼電器式控制器660的控制下，MOSFET Q2至Q7的耗盡鏈640能夠為SMPS控制器610及其能量存儲設(shè)備C_CTRL供電。

圖7示出了可用于為SMPS的控制器710提供電能的SMPS電路700的又一實施例。根據(jù)上面針對圖3和圖6的電路提供的詳細(xì)描述，圖7的電路將主要以不同于那些先前電路的方式來描述。

橋式整流器720將電壓輸入V_IN轉(zhuǎn)換為適合于SMPS電路700使用的DC形式。雖然先前的電路使用一個或多個耗盡模式MOSFET作為常開型開關(guān)器件，但圖7的電路使用增強(qiáng)模式MOSFET(Q1)，其有效地被配置為以常開型方式進(jìn)行操作。具體地，無論何時施加電壓V_IN，都可以在標(biāo)為V_OUT的節(jié)點(diǎn)處看到正電壓。電阻器R1和R5將MOSFET Q1的柵極拉至高于該器件的閾值電壓的電壓電平，從而啟用MOSFET Q1。因此，即使為增強(qiáng)模式器件，MOSFET Q1也有效地操作為常開型開關(guān)器件。

經(jīng)由二極管D2和電容器C7，從抽頭連接點(diǎn)為SMPS控制器710供電(在其輸入Vcc處)。增強(qiáng)模式MOSFET集成到SMPS控制器中，并且抽頭連接點(diǎn)是連接MOSFET Q1的源極和SMPS控制器710內(nèi)的MOSFET的漏極端的節(jié)點(diǎn)。以類似于先前描述的電路的形式，當(dāng)啟用MOSFET Q1且禁用SMPS控制器710內(nèi)的MOSFET時，為電容器C7充電。電容器C7存儲該能量并且在其他時間段期間內(nèi)為SMPS控制器710供電。

如本文所使用的，術(shù)語“具有”、“包含”、“包括”等是開放性術(shù)語，其表示所提元件或特征的存在，但是不排除附加的元件或特征。定冠詞“一個”用于包括多個以及單個，除非另有明確指定。

應(yīng)該理解，本文所述各個實施例的特征可以相互組合，除非另有明確指定。

盡管本文示出和描述了具體實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以對所示和所述的具體實施例替換各種可選和/或等效實施方式。本申請用于涵蓋本文討論的具體實施例的任何變化或改變。因此，僅通過權(quán)利要求及其等效物來限制本發(fā)明。