用于切换模式电源的供电电压连接的p型有源钳位
阅读：516发布：2020-05-08
专利汇可以提供用于切换模式电源的供电电压连接的p型有源钳位专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 说明书 公开了提供具有供电 电压 连接的p型有源钳位的经过改进的切换模式电源(SMPS)的装置和方法。在一些 实施例 中，这种经过改进的SMPS可以具有p型有源钳位，所述p型有源钳位在一侧连接到正电压(所述正电压可以优选地是供电电压)并且在另一侧连接到钳位电容器。那么，这种经过改进的SMPS将具有不需要另外的部件(如电平位移器、高侧供电电压、负供电电压等)以及与这些另外的部件相关联的成本的益处。，下面是用于切换模式电源的供电电压连接的p型有源钳位专利的具体信息内容。
1.一种有源钳位切换模式电源，其特征在于，包括：
变压器，所述变压器包括初级线圈和次级线圈；
电源开关，所述电源开关与所述初级线圈串联连接；
钳位电容器；
有源钳位开关，其中所述有源钳位开关是在一侧连接到正电压并且在另一侧连接到所述钳位电容器的p型开关，
其中所述钳位电容器在一侧连接到所述有源钳位开关并且在另一侧连接到所述初级线圈和所述电源开关两者。
2.根据权利要求1所述的切换模式电源，其特征在于，所述有源钳位开关使来自所述变压器中的泄露电感的能量再循环。
3.根据权利要求1所述的切换模式电源，其特征在于，进一步包括：
第一驱动器，所述第一驱动器被配置成驱动所述电源开关；
第二驱动器，所述第二驱动器被配置成驱动所述有源钳位开关，
其中所述第二驱动器由所述正电压供电。
4.根据权利要求1所述的切换模式电源，其特征在于，所述正电压不是到所述变压器的输入电压。
5.根据权利要求1所述的切换模式电源，其特征在于，所述正电压是高于所述p型开关的接通电压且低于集成电路(IC)的最大额定电压的电压。
6.根据权利要求1所述的切换模式电源，其特征在于，所述p型开关包括以下中的一种：
p型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，
PNP BJT(双极结型晶体管)，
任何p型半导体切换装置。
7.根据权利要求1所述的切换模式电源，
其特征在于，所述p型开关是串联连接的多个开关，
其中所述多个开关中的至少一个开关是连接到所述正电压的p型切换装置。
8.根据权利要求1所述的切换模式电源，其特征在于，所述切换模式电源的拓扑结构是以下中的一种：
有源钳位反激式，
有源钳位正激式，
任何其它有源钳位切换模式电源拓扑结构。
9.一种用于操作有源钳位切换模式电源的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供变压器，所述变压器包括初级线圈和次级线圈；
提供电源开关，所述电源开关与所述初级线圈串联连接；
提供有源钳位开关和钳位电容器，
其中所述有源钳位开关是在一侧连接到正电压并且在另一侧连接到所述钳位电容器的p型开关，
其中所述钳位电容器在一侧连接到所述有源钳位开关并且在另一侧连接到所述初级线圈和所述电源开关两者。
10.一种计算机程序产品，其特征在于，包括编码在非暂时性计算机可读媒体中的可执行指令，所述可执行指令在由系统执行时实施或控制根据权利要求9所述的方法。
用于切换模式电源的供电电压连接的p型有源钳位
技术领域
[0001] 所描述的实施例总体上涉及提供切换模式电源的装置和方法，并且更具体地说，涉及提供具有供电电压连接的p型有源钳位的切换模式电源的装置和方法。
背景技术
[0002] 切换模式电源(switched mode power supply)(切换模式电源(switching mode power supply)或SMPS)是使用切换调节器的电子电源以便高效地控制电力的转换。这一更高的效率(因此更低的散热)是切换模式电源的主要优点。由于变压器的尺寸和重量更小，因此切换模式电源还可以基本上比例如线性电源更小且更轻。
[0003] 因此，有很强的动机来开发提供经过改进的切换模式电源的装置和方法。发明内容
[0004] 本说明书公开了提供具有供电电压连接的p型有源钳位的经过改进的切换模式电源(SMPS)的装置和方法。在一些实施例中，这种经过改进的SMPS可以具有p型有源钳位，所述p型有源钳位在一侧连接到正电压(所述正电压可以优选地是供电电压)并且在另一侧连接到钳位电容器。那么，这种经过改进的SMPS将具有不需要另外的部件(如电平位移器、高侧供电电压、负供电电压等)以及与这些另外的部件相关联的成本的益处。
[0005] 本发明提供了一种有源钳位切换模式电源，包括：(a)变压器，所述变压器包括初级线圈和次级线圈；(b)电源开关，所述电源开关与所述初级线圈串联连接；(c)钳位电容器；(d)有源钳位开关，其中所述有源钳位开关是在一侧连接到正电压并且在另一侧连接到所述钳位电容器的p型开关，其中所述钳位电容器在一侧连接到所述有源钳位开关并且在另一侧连接到所述初级线圈和所述电源开关两者。
[0006] 在一些实施例中，所述有源钳位开关使来自所述变压器中的泄露电感的能量再循环。
[0007] 在一些实施例中，所述切换模式电源另外包括：(e)第一驱动器，所述第一驱动器被配置成驱动所述电源开关；(f)第二驱动器，所述第二驱动器被配置成驱动所述有源钳位开关，其中所述第二驱动器由所述正电压供电。
[0008] 在一些实施例中，所述正电压不是到所述变压器的输入电压。
[0009] 在一些实施例中，所述正电压是高于所述p型开关的接通电压且低于集成电路(IC)的最大额定电压的电压。
[0010] 在一些实施例中，所述正电压是供电电压。
[0011] 在一些实施例中，所述变压器是耦合电感器。
[0013] 在一些实施例中，所述p型开关是串联连接的多个开关，其中所述多个开关中的至少一个开关是连接到所述正电压的p型切换装置。
[0014] 在一些实施例中，所述p型切换装置包括以下中的一种：(i)p型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，(ii)PNP BJT(双极结型晶体管)，(iii)任何p型半导体切换装置。
[0015] 在一些实施例中，所述切换模式电源的拓扑结构是以下中的一种：(i)有源钳位反激式，(ii)有源钳位正激式，(iii)任何其它有源钳位切换模式电源拓扑结构。
[0016] 在一些实施例中，集成电路包括以下中的一个或多个：(i)所述电源开关，(ii)所述有源钳位开关，(iii)所述第一驱动器，(iv)所述第二驱动器。
[0017] 本发明还提供了一种用于操作有源钳位切换模式电源的方法，所述方法包括：(a)提供变压器，所述变压器包括初级线圈和次级线圈；(b)提供电源开关，所述电源开关与所述初级线圈串联连接；(c)提供有源钳位开关和钳位电容器，其中所述有源钳位开关是在一侧连接到正电压并且在另一侧连接到所述钳位电容器的p型开关，其中所述钳位电容器在一侧连接到所述有源钳位开关并且在另一侧连接到所述初级线圈和所述电源开关两者。
[0018] 在一些方法实施例中，所述有源钳位开关和所述钳位电容器使来自所述变压器中的泄露电感的能量再循环。
[0019] 在一些方法实施例中，所述变压器从第一电压变换到第二电压。
[0020] 在一些方法实施例中，所述电源开关控制所述变压器变换的电力。
[0021] 在一些方法实施例中，所述方法另外包括：(d)提供第一驱动器以驱动所述电源开关；(e)提供第二驱动器以驱动所述有源钳位开关，其中所述第二驱动器由所述正电压供电。
[0022] 在一些方法实施例中，所述正电压不是到所述变压器的输入电压。
[0023] 在一些方法实施例中，所述正电压是高于所述p型开关的接通电压且低于集成电路(IC)的最大额定电压的电压。
[0024] 本发明提供了一种计算机程序产品，包括编码在非暂时性计算机可读媒体中的可执行指令，所述可执行指令在由系统执行时实施或控制以下用于操作有源钳位切换模式电源的方法，所述方法包括：(a)提供变压器，所述变压器包括初级线圈和次级线圈；(b)提供电源开关，所述电源开关与所述初级线圈串联连接；(c)提供有源钳位开关和钳位电容器，其中所述有源钳位开关是在一侧连接到正电压并且在另一侧连接到所述钳位电容器的p型开关，其中所述钳位电容器在一侧连接到所述有源钳位开关并且在另一侧连接到所述初级线圈和所述电源开关两者。
[0025] 上述概述不旨在表示目前或未来权利要求组的范围内的每个示例实施例。下文中的附图和具体实施方式中讨论了另外的示例实施例。通过结合附图作出的以下详细描述，本发明的实施例的其它方面和优点将会变得显而易见。
附图说明
[0026] 图1A示出了典型的n型开关“有源钳位”切换模式电源(SMPS)。
[0027] 图1B示出了典型n型开关“有源钳位”SMPS(来自图1A)中的有源钳位电流在次级冲程的早期部分期间的电流路径。
[0029] 图2示出了典型的“无源钳位”(即，无“有源钳位”)SMPS。
[0030] 图3示出了典型的高侧n型开关“有源钳位”正激式SMPS。
[0031] 图4A示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”切换模式电源(SMPS)。
[0032] 图4B示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”SMPS(来自图4A)中的有源钳位电流在次级冲程的早期部分期间的电流路径。
[0033] 图4C示出了根据本发明的一些实施例的用于p型开关“有源钳位”SMPS(来自图4A)的相关电压信号(即，n_gate、p_gate和漏极)。
[0034] 图5示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”SMPS(其中电源开关S1、有源钳位开关S2和其对应的驱动器可以集成在集成电路中)。
[0035] 图6示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”SMPS(其中PNP双极结型晶体管被实施为有源钳位开关Q2)。
[0036] 图7示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”SMPS(其中发射极开关被实施为有源钳位开关，所述发射极开关包括串联的p型MOSFET和PNP双极结型晶体管)。
[0037] 图8示出了根据本发明的一些实施例的利用负供电电压(即，Vcc_neg)的p型开关“有源钳位”正激式SMPS。
[0038] 图9示出了根据本发明的一些实施例的利用正供电电压(即，Vcc)的p型开关“有源钳位”正激式SMPS。
[0039] 图10示出了根据本发明的一些实施例的用于操作p型开关有源钳位切换模式电源(SMPS)的方法的过程流程图。
具体实施方式
[0040] 应当容易理解的是，如本文中总体上描述的并且在附图中示出的实施例的部件可以被布置和设计成各种不同配置。因此，如附图中表示的对各个实施例的以下更详细说明并不旨在限制本公开的范围，而是仅表示各个实施例。虽然附图中呈现了实施例的各个方面，但除非特别指示，否则附图不一定是按比例绘制的。
[0041] 本发明可以在不偏离本发明的精神或基本特性的情况下以其他具体形式体现。所描述实施例在所有方面均应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而非本详细描述指示。落入权利要求书的同等含义和范围内的所有变化均应包含在权利要求书的范围内。
[0042] 贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的引用并不暗示可以利用本发明实现的所有特征和优点应当处于或已经处于本发明的任何单个实施例中。相反，引用特征和优点的语言应被理解为意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定指代同一个实施例。
[0043] 此外，本发明的所描述特征、优点和特性可以通过任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。鉴于本文中的描述，相关领域技术人员应认识到，可以在没有特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个具体特征或优点的情况下实践本发明。在其它实例中，在某些实施例中可以认识到可能并不存在于在本发明的所有实施例中的另外的特征和优点。
[0044] 有源钳位电路可以用于切换模式电源(SMPS)中使泄露电感损耗再循环。
[0045] 对于离线反激式切换模式电源(SMPS)，这些有源钳位通常制成有n型开关装置和高侧驱动器。由于需要电平位移器，因此这一高侧驱动器给SMPS增加了大量成本。还可以使用p型开关装置，但是连接到接地的p型开关装置将会需要负驱动电压，这样可能需要另外的部件和成本。在一些实施例中，本说明书公开了切换模式电源(SMPS)，所述切换模式电源利用了连接到供电电压的p型开关装置，并且因此不需要负驱动电压。那么，这种SMPS的益处是不需要另外的部件和成本。
[0046] 图1A示出了典型的n型开关“有源钳位”切换模式电源(SMPS)100。向电路供电的AC市电110经由桥式整流二极管D1、D2、D3和D4连接到输入存储电容器C1。SMPS控制IC(集成电路)在图1A中被标记为IC1。IC1通过脉宽调制器(PWM 120)驱动MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关S1和S2。脉宽调制器交替地驱动S1和S2。当S1变得导电时，S2变得不导电。当S2导电时，S1变得不导电。通常，在将一个开关切换成不导电与将另一个开关切换成导电之间存在较小时间间隔。在这一较小时间间隔期间，这两个开关均不导电。需要这一较小非重叠时间间隔来防止射穿。
[0047] S1由低侧驱动器电路ls_driver经由低侧栅极信号ls_gate驱动。S2由高侧驱动器电路hs_driver经由高侧栅极信号hs_gate驱动。脉宽调制器(PWM 120)通过电平位移器level-shift(电平位移)控制高侧驱动器电路hs_driver。电平位移器是需要的，因为高侧驱动器参考漏极电压而非接地(即，0伏)。
[0048] IC1由供电电压Vcc供电。高侧驱动器由供电电压Vcc_hs供电。高侧供电电容器C4通过二极管D5充电，力矩S1是导电的并且漏极电压为(接近)零。
[0049] 经由变压器T1和整流二极管D6，能量在转换器的次级冲程期间被转移到输出电容器C5。图1A示出了变压器T1包括初级绕组130和次级绕组140，所述初级绕组130和所述次级绕组140经由互感耦合。
[0050] 输出电压(Vout)经由光耦合器(或光隔离器)O1由集成电路IC2间接控制。光耦合器O1使用光在输入侧与输出侧之间转移电信号，其中所述输出信号“opto 160”可以是光信号的量度，所述光信号进而是输出电压(Vout)或输出功率的量度。提供输出信号“opto 160”作为到脉宽调制器(PWM 120)的输入，使得脉宽调制器(PWM 120)可以调整脉宽调制以提供期望的输出电压(Vout)或输出功率。光耦合器O1(如图1A所示)包括在同一个不透明封装体中的LED(发光二极管)和光电晶体管，但也可以使用其它类型的光耦合器。在一些实施例中，IC2向光耦合器O1的LED发送功率信号。光耦合器O1的LED发射光，所述光被光耦合器O1的光敏晶体管拾取。然后，光耦合器O1的光敏晶体管向IC1发送信号opto，所述信号opto进而控制PWM 120。
[0051] SMPS 100的输入侧和输出侧经由T1和O1电隔离。
[0052] 图1B示出了典型n型开关“有源钳位”SMPS(来自图1A)中的有源钳位电流在次级冲程的早期部分期间的电流路径。在图1B中，电流路径示出为虚线。
[0053] 图1C示出了用于典型n型开关“有源钳位”SMPS(来自图1A)的相关电压信号(即，ls_gate、hs_gate和漏极)。应注意，hs_gate信号参考漏极，因为低电平并非接地电压(0伏)而是漏极电压。
[0054] 低侧栅极信号ls_gate用于控制电源开关S1，而高侧栅极信号hs_gate用于控制有源钳位开关S2。应注意，当ls_gate为高(即，S1变得导电)时，hs_gate为低(即，S2变得不导电)。当ls_gate为低(即，S1变得不导电)时，hs_gate为高(即，S2变得导电)。还应注意，当这两个开关均不导电时，将一个开关切换成不导电与将另一个切换成导电之间存在较小时间间隔。如之前解释的，需要这一较小非重叠时间间隔来防止射穿。
[0055] 还应注意，当S1导电(即，ls_gate为高)时，漏极电压为(接近)零。那么，当S1变得不导电(即，ls_gate为低)时，S2变得导电(即，hs_gate为高)，并且漏极电压能够升高成为Vin和更高。
[0056] 有源钳位反激式拓扑结构可以用于使切换模式电源(SMPS)中的变压器的泄露电感中的能量再循环。例如，在图1A的变压器T1中，初级绕组130和次级绕组140经由互感耦合。这一耦合将是不理想的。泄露电感将在切换未转移到次级侧的转换器期间存储一些能量。为了使泄露电感中的能量再循环，添加了有源钳位电路。电路由钳位电容器C3、钳位开关S2、驱动器电路hs_driver和电平位移器(level-shift)组成。有源钳位电路在次级冲程开始时将能量从泄露电感转移到钳位电容器C3，并且在次级冲程的剩余时间期间将这一能量通过变压器T1释放到输出。以此方式，有源钳位反激式拓扑结构能够使来自变压器的泄露电感的能量再循环。
[0057] 图2示出了典型的“无源钳位”(即，无“有源钳位”)反激式SMPS。
[0058] 在无有源钳位的切换模式电源(SMPS)中，使用了“无源钳位”，并且来自泄露电感的能量在电阻器中耗散。如图2所示，无源RCD钳位由二极管D5、电容器C3和电阻器R1组成。因此，来自泄露电感的能量在电阻器R1中耗散。
[0059] 虽然具有无源(RCD)钳位的切换模式电源(SMPS)与有源钳位SMPS相比成本更低，但是“无源钳位”SMPS的操作效率更低，因为泄露能量被耗散而非进行再循环。因此，如果操作效率比成本更重要，则“有源钳位”SMPS可以是优选的实施例。
[0060] 图3示出了典型的高侧n型开关“有源钳位”正激式SMPS 300。低侧开关S1由低侧驱动器ls_driver驱动。钳位开关S2经由电平位移器由高侧驱动器驱动。
[0061] 如图3所示，对于高侧n型开关“有源钳位电路”而言，需要电平位移电路。如果这个电平位移电路如图1A中那样集成，则需要高电压IC(集成电路)工艺。对于AC市电应用而言，在一些实施例中，转换器的输入电压Vin可以高达约400V。因此，漏极电压可以达到超过550V的电压。
[0062] 这些高电压IC工艺是可用的，但这些高电压IC工艺通常不是高密度IC工艺。这样导致芯片面积较大并且成本较高。
[0063] 而且，需要另外的高侧供电电压Vcc_hs。这样增加了控制器IC IC1的成本和引脚。
[0064] 因此，期望“有源钳位”切换模式电源(SMPS)以避免需要另外的电平位移器和另外的高侧供电电压(例如，Vcc_hs)。例如，这种“有源钳位”SMPS(即，无另外的电平位移器和另外的高侧供电电压)示出在图4A中。
[0065] 图4A总体上示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”切换模式电源(SMPS)400。
[0066] 图4A与图1A共享了类似的一些特征，但图4A利用了p型开关“有源钳位”SMPS(代替n型开关)，并且驱动开关S1和S2的两个驱动器现在均由同一个供电电压Vcc供电，因此不需要高电压电平位移器。而且，不需要负的、另外的供电电压或另外的部件来驱动S2。另外，S2可以直接耦合到控制器IC1。
[0067] 因为图4A的SMPS 400可以在不包括另外的电平位移器和另外的高侧供电电压的情况下实施，所以图4A的SMPS 400所示的p型开关“有源钳位”拓扑结构可以实现低成本有源钳位解决方案。
[0068] 具体地说，图4A示出了向电路供电的AC市电410经由桥式整流二极管D1、D2、D3和D4连接到输入存储电容器C1。SMPS控制IC(集成电路)在图4A中标记为IC4。IC4通过脉宽调制器(PWM 420)驱动MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关S1和S2。S1是n型MOSFET，而S2是p型MOSFET。脉宽调制器交替地驱动S1和S2。当S1变得导电时，S2变得不导电。当S2变得导电时，S1变得不导电。在将一个开关切换成不导电与将另一个开关切换成导电之间会存在较小时间间隔。在这一较小时间间隔期间，这两个开关均不导电。需要这一较小非重叠时间间隔来防止射穿。
[0069] S1由第一驱动器电路n_driver经由第一栅极信号n_gate驱动。S2由第二驱动器电路p_driver经由第二栅极信号p_gate驱动。脉宽调制器(PWM 420)直接控制驱动器电路n_driver和p_driver两者。不需要高电压电平位移器。高电压电平位移器是不需要的，因为驱动器电路n_driver和p_driver两者均参考供电电压Vcc。
[0070] 图4A示出了有源钳位开关S2在一侧连接到正电压。在图4A中，这个正电压是供电电压Vcc。图4A还示出了有源钳位开关S2的另一侧连接到钳位电容器C3。
[0071] 图4A明确地示出了钳位开关S2连接到供电电压Vcc。但是，在一些实施例中(图4A中未示出)，代替使用供电电压Vcc，还可以使用另一个适合的正电压连接到钳位开关S2。然而，供电电压可以是优选的，因为这样不需要另外的电压。
[0072] 如之前的段落所述，还可以使用另一个适合的正电压连接到钳位开关S2。在一些实施例中，这个适合的正电压并非到变压器的输入电压。在一些实施例中，这个适合的正电压可以是高于p型S2开关的接通电压且低于IC4的最大额定电压的任何电压。最后，在一些实施例中，这个适合的正电压可以是供电电压Vcc。而且，如之前的段落所述，将钳位开关S2连接到供电电压Vcc可以是优选的实施例，因为这不需要另外的电压。
[0073] 在图4A中，IC4由供电电压Vcc供电。驱动器电路n_driver和p_driver均可以由供电电压Vcc供电。虽然并未示出在图4A中，但是在一些实施例中，驱动器电路n_driver和p_driver均可以由单个正电压或由两个不同的正电压(用于每个驱动器)供电。在一些实施例中，单个正电压或这两个不同的正电压并非到变压器的输入电压。在一些实施例中，单个正电压或这两个不同的正电压可以是高于p型S2开关的接通电压且低于IC4的最大额定电压的任何电压。
[0074] 经由变压器T4和整流二极管D6，能量在转换器的次级冲程期间被转移到输出电容器C5。图4A示出了变压器T4包括初级绕组430和次级绕组440，所述初级绕组430和所述次级绕组440经由互感耦合。
[0075] 输出电压(Vout)经由光耦合器(或光隔离器)O1由集成电路IC4间接控制。光耦合器O1使用光在输入侧与输出侧之间转移电信号，其中所述输出信号“opto 460”可以是光信号的量度，所述光信号进而是输出电压(Vout)或输出功率的量度。提供输出信号“opto 460”作为到脉宽调制器(PWM 420)的输入，使得脉宽调制器(PWM 420)可以调整脉宽调制以提供期望的输出电压(Vout)或输出功率。光耦合器O1(如图4A所示)包括在同一个不透明封装体中的LED(发光二极管)和光电晶体管，但也可以使用其它类型的光耦合器。在一些实施例中，IC4向光耦合器O1的LED发送功率信号。光耦合器O1的LED发射光，所述光被光耦合器O1的光敏晶体管拾取。然后，光耦合器O1的光敏晶体管向IC1发送信号opto，所述信号opto进而控制PWM 420。
[0076] SMPS 400的输入侧和输出侧经由T4和O1电隔离。
[0077] 图4B示出了根据本发明的一些实施例的用于p型开关“有源钳位”SMPS(来自图4A)中的有源钳位电流的电流路径。在图4B中，电流路径示出为虚线。应注意，图4B的电流路径(即，p型开关“有源钳位”SMPS)与图1B的电流路径(即，n型开关“有源钳位”SMPS)不同。
[0078] 在一些实施例中，供电电容器C2和存储电容器C1可以具有比钳位电容器C3大得多的电容值。因此，串联连接C1、C2、C3会产生与C3几乎相同的电容。(例如，C1和C2可以比C3大100倍。)
[0079] 在一些实施例中，C3的电容值在有源钳位应用中并不是关键的。
[0080] 图4C示出了根据本发明的一些实施例的用于p型开关“有源钳位”SMPS(来自图4A)的相关电压信号(即，n_gate、p_gate和漏极)。应注意，p_gate信号参考供电电压Vcc，因为当p_gate降到Vcc以下时，p_gate(即，p型开关S2)打开。
[0081] 第一栅极信号n_gate用于控制电源开关S1，而第二栅极信号p_gate用于控制有源钳位开关S2。应注意，当n_gate为高(即，S1变得导电)时，p_gate为“高”(即，p_gate处于Vcc电平并且S2变得不导电)。当n_gate为低(即，S1变得不导电)时，p_gate为“低”(即，p_gate相对于Vcc变为负的并且S2变得导电)。除了这一“低”电平低于Vcc之外，图4C未示出p_gate的这一“低”电平的实际值。但是，在一些实施例中，p_gate的这一“低”电平可以是零伏或者可以根据S2的驱动电压要求限制在低于Vcc的某个电压。
[0082] 还应注意，当这两个开关均不导电时，将一个开关切换成不导电与将另一个切换成导电之间存在较小时间间隔。如之前解释的，需要这一较小非重叠时间间隔来防止射穿。
[0083] 还应注意，当S1导电(即，n_gate为高)时，漏极电压为(接近)零。那么，当S1变得不导电(即，n_gate为低)时，S2变得导电(即，p_gate为“低”并且p_gate降到Vcc以下)，并且漏极电压能够升高成为Vin和更高。
[0084] 另外，应注意，如果Vin大于Vcc，则当S1变得导电时(即，当n_gate为高时)，集成的钳位开关S2的漏极电压可以变为负的。应注意，这一情况未在图4C中示出。
[0085] 类似于图1A的n型开关“有源钳位”反激式拓扑结构，图4A的p型“有源钳位”反激式拓扑结构可以用于使切换模式电源(SMPS)中的变压器的泄露电感中的能量再循环。例如，在图4A的变压器T4中，初级绕组430和次级绕组440经由互感耦合。这一耦合将是不理想的。泄露电感将在切换未转移到次级侧的转换器期间存储一些能量。为了使泄露电感中的能量再循环，添加了有源钳位电路。电路由钳位电容器C3、钳位开关S2和驱动器电路p_driver组成。有源钳位电路在次级冲程开始时将能量从泄露电感转移到钳位电容器C3，并且在次级冲程的剩余时间期间将这一能量通过变压器T4释放到输出。以此方式，图4A的p型“有源钳位”反激式拓扑结构能够使来自变压器的泄露电感的能量再循环。
[0086] 图4A示出了p型“有源钳位”反激式拓扑结构可以用于切换模式电源(SMPS)中使泄露电感损耗再循环。在其它实施例中，有源钳位解决方案(用于使泄露电感能量损耗再循环)可以是有源钳位反激式、有源钳位正激式或任何其它有源钳位切换模式电源(SMPS)拓扑结构。
[0087] 图5示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”SMPS(其中电源开关S1、有源钳位开关S2和其对应的驱动器可以集成在集成电路中)。除了示出了“电源开关S1、有源钳位开关S2和其对应的驱动器可以集成在集成电路中”之外，图5在其它各方面类似于图4A。
[0088] 如图5所示，在一些实施例中，集成电路可以包括以下中的全部：(i)电源开关，(ii)有源钳位开关，(iii)第一驱动器，(iv)第二驱动器。虽然这未在图5中示出，但是在一些实施例中，集成电路可以包括以下中的一种或多种：(i)电源开关，(ii)有源钳位开关，(iii)第一驱动器，(iv)第二驱动器。应注意，图5示出了可以用图5所示的SMPS所示出和提议的实施例来实现高集成水平。
[0089] 图6示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”SMPS(其中PNP双极结型晶体管被实施为有源钳位开关Q2)。因为BJT(双极结型晶体管)不具有像MOSFET那样的体二极管，所以添加了二极管D7。除了用属于PNP双极结型晶体管的Q2取代属于p型MOSFET的S2之外，图6在其它各方面类似于图4A。
[0090] 图6和图4A示出了有源钳位开关(Q2或S2)是p型装置。这个p型装置可以是p型MOSFET、p型双极结型晶体管(BJT)或另一种p型半导体切换装置。
[0091] 图7示出了根据本发明的一些实施例的p型开关“有源钳位”SMPS(其中发射极开关被实施为有源钳位开关，所述发射极开关包括串联的p型MOSFET和PNP双极结型晶体管)。发射极切换可以优于仅BJT，因为BJT可以具有比MOSFET更低的切换速度。通过在发射极驱动BJT，可以实现高切换速度。除了添加Q2(Q2是PNP双极结型晶体管)与S2(S2是p型MOSFET)串联之外，图7在其它各方面类似于图4A。
[0092] 图7另外示出了有源钳位开关还可以是开关的串联组合，在所述串联组合中，所述开关中的至少一个开关是连接到正电压的p型开关(例如，发射极切换)。
[0093] 图8示出了根据本发明的一些实施例的利用负供电电压(即，Vcc_neg)的p型开关“有源钳位”正激式SMPS。
[0094] 从另一个角度来看，图8所示的SMPS还可以被描述为低侧p型开关“有源钳位”正激式转换器。在图8中，钳位开关S2是p型开关。S2的驱动器输出负电压以使S2(S2是p型开关)导电。如图8所示，对于这个驱动器而言，需要另外的负供电电压(即，Vcc_neg)以及电平位移器(level-shift)。
[0095] 关于产生负供电电压，需要另外的电路系统。关于集成，不期望负电压，因为批量工艺中将需要另外的扩散层。这样会增加成本。对于绝缘体上硅(SOI)工艺，可能不需要这些扩散层，但SOI晶片通常比批量工艺晶片更贵。因此，这样也会增加成本。
[0096] 因为图8所示的SMPS需要另外的负供电电压(即，Vcc_neg)以及电平位移器(level-shift)两者，所以这样会更大的导致芯片面积具有更高的复杂度和更高的成本。因此，图8所示的SMPS可以被认为是与图4A所示的SMPS相比不那么理想的实施例。
[0097] 图9示出了根据本发明的一些实施例的利用正供电电压(即，Vcc)的p型开关“有源钳位”正激式SMPS。
[0098] 从另一个角度来看，图9所示的SMPS还可以被描述为低侧p型开关“有源钳位”正激式转换器。在图9中，钳位开关S2是p型开关。为了克服对负供电电压的需要，p型开关S2电容性地耦合到驱动器。尽管现在不需要负供电电压，但是需要添加另外的部件、电容器C4和电阻器R1。
[0099] 因为图9所示出SMPS需要另外的部件，所以这会导致解决方案具有更高的复杂度更高和更高的成本。因此，图9所示的SMPS还可以被认为是与图4A所示的SMPS相比不那么理想的实施例。
[0100] 图10示出了根据本发明的一些实施例的用于操作p型开关有源钳位切换模式电源(SMPS)的方法的过程流程图。如图10所示，方法1000开始于步骤1010，在步骤1010，所述方法提供变压器，变压器包括初级线圈和次级线圈。接下来，在步骤1020，所述方法提供电源开关，电源开关与初级线圈串联连接。最后，在步骤1030，所述方法提供有源钳位开关和钳位电容器，其中所述有源钳位开关是在一侧连接到正电压并且在另一侧连接到钳位电容器的p型开关，其中所述钳位电容器在一侧连接到有源钳位开关并且在另一侧连接到初级线圈和电源开关两者。
[0101] 在本说明书中，已经就所选一组细节呈现了示例实施例。然而，本领域普通技术人员应理解，可以实践包括不同的所选一组这些细节的许多其它示例实施例。以下权利要求书旨在涵盖所有可能的示例实施例。
[0102] 尽管以特定顺序示出和描述了本文中的一种或多种方法的操作，但是可以改变每种方法的操作的顺序，使得某些操作可以按相反顺序执行，或者使得某些操作可以至少部分地与其它操作同时执行。在另一个实施例中，不同操作的指令或子操作可以通过间歇和/或交替的方式执行。
[0103] 还应注意，所述方法的操作中的至少一些操作可以使用存储在计算机可用存储媒体上以供计算机执行的软件指令来实施。例如，计算机程序产品的实施例包括用于存储计算机可读程序的计算机可用存储媒体，所述计算机可读程序在计算机上执行时使计算机执行操作，如本文所描述的。
[0104] 计算机可用或计算机可读媒体可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或设备或装置)或传播媒体。计算机可读媒体的例子包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机软磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的例子包括只读存储器压缩盘(CD-ROM)、读/写压缩盘(CD-R/W)、数字视频盘(DVD)和蓝光盘。
[0106] 出于解释的目的，前述描述使用特定术语来提供对所描述实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，不需要具体细节来实践所描述实施例。因此，对具体实施例的前述描述是出于说明和描述的目的呈现的。所述描述并不旨在是详尽的或将所描述实施例限于所公开的精确形式。对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，鉴于以上教导，许多修改和变动是可能的。
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