CN100483911C - 具有存储电容和功率调节的开关电源和提供备用直流功率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源系统(图1)包括：交流电源(10a和10b)；以及脱机电源，用以在第一选择时间间隔期间存储来自交流电源的能量(C1)并在第二选择时间间隔期间将存储的能量的至少一部分转换为直流输出(11a和11b)。二极管(D1)或其他开关在第二选择时间间隔期间断开脱机电源与交流电源的连接，以减少传导的电磁干扰。第一和第二选择时间间隔最好与交流电源的频率同步。

Description

具有存储电容和功率调节的开关电源和提供备用直流功率的方法
技术领域
本发明一般涉及电源系统，更具体地说，涉及从交流电源提供直流输出的脱机电源。本发明特别适用于偏压电源以及其他对成本敏感的应用，例如使用微处理器的电器。
背景技术
美国专利No.5,790,390描述一种电源系统，它包括交流电源和用于在第一选择时间间隔期间存储来自交流电源的能量并在第二选择时间间隔期间将存储的能量的至少一部分转换为直流输出的脱机电源。二极管或其他开关在第二选择时间间隔期间断开脱机电源与交流电源的连接，以便减少传导的电磁干扰。第一和第二选择时间间隔最好与交流电源的频率同步。
发明内容
本发明的一个主要目的是提供前述专利中描述的通用改进型脱机电源，但效率有了提高。
本发明的另一个重要目的是提供改进的脱机隔离电源，所述电源在宽的直流输入电压和温度范围内提供稳定的直流输出功率。
本发明的再一个目的是提供运行非常可靠的改进型脱机电源，后者可以用坚固的结构来制作。
本发明的其他目的和优点将可以从下面详细的描述和附图中看出。
按照本发明，上述目的是通过提供这样的电源系统来实现的，所述电源系统包括：交流电源；用于在第一选择时间间隔期间存储来自交流电源的能量、并在第二选择时间间隔期间将存储的能量的至少一部分转换为直流输出的脱机电源；用以在第二选择时间间隔期间断开脱机电源与交流电源的连接、以便减少传导的电磁干扰的装置；以及用以防止在第一和第二选择时间间隔中因交流输入电压和温度的改变而产生变化的功率调节装置。在本发明的最佳实施例中，功率调节装置的有效范围在工作交流输入电压85到265、温度从低于零摄氏度到高于75摄氏度。
根据本发明的一种电源系统，它包括：
产生交流电压的交流电源，包括电容器的脱机电源，用于在第一选择时间间隔期间存储来自所述交流电源的能量并在第二选择时间间隔期间将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述脱机电源与所述交流电源的连接的电源开关装置，至少所述第一选择时间间隔与所述交流电源同步、以便在所述电源系统正常工作期间的所述第二选择时间间隔期间、确保所述脱机电源与所述交流电源断开连接，以及
功率调节装置，它具有：带初级绕组的变压器；用于在所述第二选择时间间隔期间从所述电容向所述初级绕组提供电流的装置；以及用于在预先选定的峰值电流电平的条件下并且基本上与温度无关地中断流到所述初级绕组的电流的控制开关。
根据本发明的一种电源系统，它包括：
产生交流电压的交流电源，以及
包括电容器的脱机电源，用以在第一选择时间间隔期间存储来自所述交流电源的能量并且在第二选择时间间隔期间将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，至少所述第一选择时间间隔保持与所述交流电源的频率同步，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述脱机电源与所述交流电源的连接的电源开关装置，以及
功率调节装置，它具有：配备初级绕组的变压器；用于在所述第二选择时间间隔期间从所述电容向所述初级绕组提供电流的装置；以及用于响应代表预先选定的峰值电流电平的电压而中断流到所述初级绕组的电流的控制开关，所述电压的峰值电平不管所述交流电压的改变而基本上保持恒定、使得传送到直流输出端的能量基本上保持恒定，所述功率调节装置还包括第二电容器，用以存储触发所述电源开关装置及操作所述控制开关所需的能量。
根据本发明的一种从产生交流电压的交流电源提供备用直流功率的方法，所述方法包括：
在第一选择时间间隔期间用脱机电源中的电容器存储来自所述交流电源的能量，并在第二选择时间间隔期间将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述电容器与所述交流电源的连接，至少所述第一选择时间间隔保持与所述交流电源同步，以确保在电源系统正常工作期间在所述第二选择时间间隔期间所述电容器与所述交流电源断开连接，
在所述第二选择时间间隔期间从所述电容器向变压器的初级绕组提供电流，
在预先选定的峰值电流电平的条件下并且基本上与温度无关地中断向所述初级绕组的电流流动。
根据本发明的一种从产生交流电压的交流电源提供备用直流功率的方法，所述方法包括：
在第一选择时间间隔期间用脱机电源中的电容器存储来自所述交流电源的能量，并在第二选择时间间隔期间通过利用所述存储的能量向变压器的初级绕组提供电流来将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，至少所述第一选择时间间隔保持与所述交流电源的频率同步，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述脱机电源与所述交流电源的连接，
在所述第二选择时间间隔期间从所述电容器向变压器的初级绕组提供电流，
响应代表预先选定的峰值电流电平的电压而中断向所述初级绕组流动的电流，所述电压的峰值电平不管所述交流电压如何变化而基本上保持恒定、使得传送到直流输出端的能量基本上保持恒定，以及
在第二电容器存储在所述第二选择时间间隔期间内从所述交流电源断开所述脱机电源以及响应代表预先选定的峰值电流电平的电压而中断向所述初级绕组流动的电流所需的能量。
本发明的脱机电源最好包括：用于控制第一和第二选择时间间隔的开关装置，以及用于存储用来在第二选择时间间隔期间触发开关装置以避免在这些时间间隔期间持续的功率消耗的节能装置。
附图说明
图1是体现本发明的偏压电源系统的原理图；以及
图2是体现本发明的可供选择的偏压电源系统的原理图。
具体实施方式
虽然本发明可以有各种修改和替代形式，但其特定实施例以附图中示例的方式显示，并将在以下详细描述。但要理解的一点是，这不在于将本发明局限于所公开的特定形式，相反而是意在涵盖所附的权利要求书中所定义的本发明范围内的所有修改、等同和替代形式。
现回到附图，图1举例说明一种偏压电源系统，它用以从连接到一对输入端子10a和10b的外部电源接收交流功率并在一对输出端子11a和11b上提供稳定的直流输出。来自一个输入端子的交流信号通过熔丝F1和电阻器R1加到二极管D1的正极，所述二极管起半波整流器的作用，仅仅让交流输入的正半周通过。电阻器R1起限流电阻的作用，它在二极管D1导通时限制来自输入端子的能量冲击(in-rush)。
整流后的输入功率从二极管D1被传送到存储电容器C1，以储存输入的能量。电容器C1在交流输入的每个正半周被充电，并周期性地在D1不导电的时间间隔期间放电。这可以在功率传送到输出端期间有效地将电源与交流输入线路断开。当电容器C1放电时，存储的能量流经与FET Q6串联的变压器T1初级绕组Lp。所述FET受以下描述的控制电路控制，所述电路通过将FET接通和断开来控制传送能量到直流输出端。
二极管D1起关断开关的作用，当C1的能量传送到输出端时，它将脱机电源与直流电源断开，这发生在传导电磁干扰中的大部分被产生时。因此，脱机电源产生的大部分传导电磁干扰被限制在电源本身范围内，不会干扰其他电路或装置。从以下描述中将可明确，脱机电源中产生电磁干扰的大多数切换和感应变化发生于二极管处在断开模式时功率传送期间。若有必要，可以使用有源开关器件替代起无源开关作用的二极管D1。
只要FET Q6导通，电流将流经变压器T1的初级绕组Lp，后者以具有电感Lp的电感器的形式储存能量。所述电流将跃升到峰值Ipk，后者流经连接FET Q6和公共端的电阻器R2。Ipk在电阻器R2上产生的电压将导致控制电路断开FET Q6。随着FET Q6的断开，在变压器T1的初级绕组中建立的磁场将消失，磁场中存在的能量被传送到变压器T1的次级绕组Ls。这将产生输出电流，后者流经二极管D2到达输出端子11a，并通过端子11b返回。连接在输出端子之间的电容器C2使所述输出变平滑，与电容器C2并联的齐纳二极管D3用于稳定所述输出电压。当电容器C1通过初级绕组放电时，二极管D2将阻止变压器T1次级绕组中的传导。
图示的偏压电源系统提供恒定的功率输出。当电阻器R2两端的电压增长到代表最高电流值Ipk(它略微低于变压器T1磁芯开始饱和时的电平)的预选电平时，控制电路10将断开FET Q6。也就是说，Ipk的值决定储存在初级绕组Lp中的功率Eout，这可以从下面的公式中看出：
Eout＝1/2LpIpk 2
其中Lp是变压器初级绕组的电感，Ipk是流经电阻器R2的最大电流。
在交流输入的每个负半周的单个时间间隔期间，控制电路控制FET Q6把能量从电容器C1传送到变压器T1。在所述电路中，电阻对R3和R4两端的电压降将决定何时断开晶体管Q1，这发生在交流输入的正半周、此时晶体管Q1的基极-发射极电压Vbe为正。当晶体管Q1断开时，FET Q6和晶体管对Q2和Q3在电容器C1充电期间保持断开。在交流输入的负半周，晶体管Q1的基极-发射极电压Vbe转为负，Q1将接通，这使FET Q6接通并使电容器C1放电。
来自一个输入端子的交流信号通过电阻器R3和R4加到二极管D4的正极，所述二极管的功能与二极管D1相同，起半波整流器作用，仅仅通过交流输入的正半周。经整流的输入功率从二极管D4被传送到存储电容器C3，以储存输入的能量。与电容器C1相同，电容器C3在交流输入的每个正半周中充电。齐纳二极管D5用以限制电容器C3两端的电压，并相对独立于交流输入电压使存储的电荷标称化。当晶体管Q1接通时，电容器C3经由晶体管Q1的发射机-集电极电路和电阻器R5放电到FET的栅极。此电路将提供必要的电压以接通FET Q6。这样选择电容器C3和齐纳二极管D5、使得电容器C3在达到Ipk值所需的时间间隔中仅仅存储接通FET Q6所需的能量。通过减少所述电路的功率消耗，它提高了所述电路的效率。连接在二极管D4两端的电容器C4用于滤除来自交流输入电源的噪音。
当FET Q6导通时，来自电容器C1的电流涌过FET Q6上升以便传送能量到变压器T1的初级绕组。所述电流上升导致当R2两端的电压增长到所选的参考电压Vref时晶体管Q3接通。当晶体管Q3接通时，它将接通晶体管Q2。晶体管Q2和Q3形成门闩电路，它通过压低FET Q6栅极连接线的电压而断开FET Q6。此门闩电路将FET Q6保持在断开状态，直到电容器C3放电并且到达晶体管Q2和Q3的电源电流耗尽，从而断开该门闩电路。电阻器R6和R7用于决定断开门闩电路的电平。电容器C5并联于电阻器R6，用以减少控制电路中产生的误触发。当FET Q6断开时，在变压器T1初级绕组中建立的磁场将消失，初级绕组中的能量将传送到次级绕组。
齐纳二极管D6的负极通过R5连接到FET Q6的栅极，用以防止Q6栅极上的电压达到可以损坏Q6或导致其不正常工作的电平。在FET Q6的栅极处，二极管D7连接在所述FET的源极和栅极之间以防止出现负峰值，并且另一个二极管D8与电阻器R5并联，用以当FET栅极处的电压被门闩电路减小时迅速地断开FET。
当至此描述的电路用于涉及宽的工作温度范围的应用场合时，晶体管Q2和Q3的基极-发射极结特性可随温度而改变，这又可以改变FET Q6接通和断开的时间间隔。具体地说，晶体管的接通电压(电阻器R7两端的电压)可随温度而改变。要避免时间间隔的这种变化，可将包括一对晶体管Q4和Q5的低功率比较器连接到FET Q6的栅极和源极。此比较器具有在电阻器R7上产生陡阶梯式电压变化的效果，因而晶体管Q3的接通时间总是大致相同，而不管因温度改变而使接通晶体管Q3所需的特定电平如何变化。
所述比较器包括由电阻器R8和R9构成的分压器，它设置比较器的参考电压Vref。此分压器将FET Q6的接通电压的一部分加到晶体管Q4的基极，而第二晶体管Q5的基极接收来自电阻器R2的FET侧电压。当电阻器R2两端的电压增长到等于参考电压Vref时，晶体管Q5断开，晶体管Q4接通，将由电阻器R10设定的电流引导到电阻器R7。在电阻器R7上产生的电压接着接通门闩电路并断开FET Q6。Q4和Q5的基极-发射极电压都对温度很敏感，因而当温度改变时，它们都将改变，从而避免因温度改变而使FET的接通或断开时间间隔有任何变化。
图2描述修改的控制电路，它在交流输入的每个负半周内以多个时间增量中使电容器C1放电，而不是如图1电路中那样以单一增量。以多个时间增量使电容器C1放电允许放电时间间隔较短，同时，每个脉冲的能量较小，这又允许使用较小的变压器。在具有相对较大的功率要求、导致需要较大尺寸的变压器的应用场合，这可以有明显的优势。
在图2电路中，与图1相同，来自一个输入端子10a的交流信号通过熔丝F1和电阻器R1加到二极管D1的正极，所述二极管起半波整流器作用，仅仅使交流输入的正半周通过。电阻器R1起限流电阻的作用，它在二极管D1导通时限制来自输入端子的能量冲击。整流后的输入功率从二极管D1被传送到存储电容器C1，以储存输入的能量。电容器C1在交流输入的每个正半周期间被充电，并周期性在D1不导电的时间间隔内放电。这可以在所述功率传送到输出端期间有效地将电源与交流输入线路断开。当电容器C1放电时，存储的能量流经与包括FET的集成电路20串联的变压器T1初级绕组Lp。
集成电路20是脱机转换开关，如加州Sunnyvale市PowerIntegrations公司生产的TNY253、254或255。这些集成电路包括高压功率MOSFET、振荡器、高压开关电流源以及限流和热断路电路。所述集成电路包括：漏极管脚D，它是MOSFET的漏极连接线，为启动和稳态工作提供内部工作电流；源极管脚S，它是MOSFET的源极连接线；旁通管脚BP，用于连接到作为内部生成电源的外部旁通电容器C10；以及使能管脚EN，当该管脚为高电平时将允许MOSFET接通、并且通过将管脚电位压低到低电平来允许MOSFET截止。只要使能管脚EN保持高电平，则在振荡器输出的每个周期的开端，内部振荡器将使MOSFET接通。当电流跃升到电流极限值时MOSFET断开，然后，在振荡器输出的下一个周期的起点，MOSFET再次接通。MOSFET的接通和断开循环将继续下去，直到使能管脚EN的电位被压低到低电平。
返回到图2，使能管脚EN上的电压电平由晶体管Q10控制。一对晶体管R10和R11构成分压器，它决定何时接通晶体管Q10，这发生在晶体管Q10基极的电压达到所选的阈电压VT1。当晶体管Q10接通时，管脚EN的电平被压低以防止集成电路20中MOSFET的切换。当晶体管10基极的电压下降到低于阈电压VT1时，晶体管Q10断开，这导致使能管脚EN上的电压转高、使得MOSFET可以在振荡器输出的下一个周期的起点接通。当晶体管Q10断开时，连接于电容器C1正极和管脚EN之间的电阻器R12将决定管脚EN上的电压电平。
齐纳二极管D10的负极连接到集成电路20的使能输入端EN，用以防止输入端EN的电压达到可以损坏FET或导致不正常工作的电平。电容器C10从开关模块20的BP端子接地，用以减少所述模块中的误触发。
虽然以上已经参考回扫功率传送系统描述了本发明的使用，但是，显然，其他类型的传送系统也是可以使用的。

Claims (29)

1.一种电源系统，它包括：
产生交流电压的交流电源，
包括电容器的脱机电源，用于在第一选择时间间隔期间存储来自所述交流电源的能量并在第二选择时间间隔期间将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述脱机电源与所述交流电源的连接的电源开关装置，至少所述第一选择时间间隔与所述交流电源同步、以便在所述电源系统正常工作期间的所述第二选择时间间隔期间、确保所述脱机电源与所述交流电源断开连接，以及
功率调节装置，它具有：带初级绕组的变压器；用于在所述第二选择时间间隔期间从所述电容向所述初级绕组提供电流的装置；以及用于在预先选定的峰值电流电平的条件下并且基本上与温度无关地中断流到所述初级绕组的电流的控制开关。
2.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述控制开关用以响应代表所述预先选定的峰值电流电平的电压而控制所述控制开关，所述电压的峰值电平不管所述交流电压如何改变而基本上保持恒定、使得传送到直流输出端的能量基本上保持恒定。
3.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述功率调节装置包括第二电容，用以存储触发所述电源开关装置及操作所述控制开关所需的能量。
4.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述第一选择时间间隔至少是来自所述交流电源的输入信号的正半周的一部分。
5.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述第二选择时间间隔发生在来自所述交流电源的输入信号的负半周内。
6.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述脱机电源包括用于在每个所述第二选择时间间隔中将基本上恒定量的所述存储的能量转换为所述直流输出的装置。
7.如权利要求1所述的电源系统，其中，包括连接到所述电容器的、用于控制所述第二选择时间间隔的可控开关装置。
8.如权利要求7所述的电源系统，其中，所述可控开关装置与来自所述交流电源的交流输入信号保持同步。
9.如权利要求7所述的电源系统，其中，包括控制装置，用以在所述第一选择时间间隔期间内以及在每个所述第二选择时间间隔中在所述电容器释放选定量的能量后将所述可控开关装置断开。
10.如权利要求1所述的电源系统，其中，包括用于在多个第二选择时间间隔中每个所述第一选择时间间隔连续对之间将所述存储的能量的至少一部分转换为所述直流输出的装置。
11.如权利要求1所述的电源系统，其中，包括用于当来自所述交流电源的交流输入信号高于预定阈值电压时存储来自所述交流电源的所述能量的装置，以及当所述交流输入信号低于所述阈值电压时将所述存储的能量转换为所述直流输出的装置。
12.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述脱机电源包括接收来自所述交流电源的交流信号的半波整流器以及所述电容器接收来自所述整流器输出。
13.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述脱机电源包括用于在所述第二选择时间间隔期间基本上恒定地向直流输出端传送所述存储的能量的装置。
14.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述开关装置在每个所述第二选择时间间隔中的多个时间段期间形成传送所述存储的能量到所述变压器的路径。
15.一种电源系统，它包括：
产生交流电压的交流电源，以及
包括电容器的脱机电源，用以在第一选择时间间隔期间存储来自所述交流电源的能量并且在第二选择时间间隔期间将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，至少所述第一选择时间间隔保持与所述交流电源的频率同步，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述脱机电源与所述交流电源的连接的电源开关装置，以及
功率调节装置，它具有：配备初级绕组的变压器；用于在所述第二选择时间间隔期间从所述电容向所述初级绕组提供电流的装置；以及用于响应代表预先选定的峰值电流电平的电压而中断流到所述初级绕组的电流的控制开关，所述电压的峰值电平不管所述交流电压的改变而基本上保持恒定、使得传送到直流输出端的能量基本上保持恒定，所述功率调节装置还包括第二电容器，用以存储触发所述电源开关装置及操作所述控制开关所需的能量。
16.如权利要求15所述的电源系统，其中，所述第一和第二选择时间间隔与所述交流电源保持同步。
17.如权利要求15所述的电源系统，其中，所述第一选择时间间隔是来自所述交流电源的输入信号的正半周的至少一部分。
18.如权利要求15所述的电源系统，其中，所述第二选择时间间隔发生在来自所述交流电源的输入信号的负半周内。
19.如权利要求15所述的电源系统，其中，所述脱机电源包括用于在每个所述第二选择时间间隔中将基本上恒定量的所述存储的能量转换为所述直流输出的装置。
20.如权利要求15所述的电源系统，其中，包括连接到所述电容器的、用以控制所述第二选择时间间隔的可控开关装置。
21.如权利要求20所述的电源系统，其中，所述可控开关装置与来自所述交流电源的交流输入信号保持同步。
22.如权利要求20所述的电源系统，其中，包括控制装置，用以在所述第一选择时间间隔期间内并且在每个所述第二选择时间间隔中在所述电容器释放选定量的能量后将所述可控开关装置断开。
23.如权利要求15所述的电源系统，其中，包括用于在多个第二选择时间间隔中每个所述第一选择时间间隔连续对之间将所述存储的能量的至少一部分转换为所述直流输出的装置。
24.如权利要求15所述的电源系统，其中，包括用于当来自所述交流电源的交流输入信号高于预定阈值电压时存储来自所述交流电源的所述能量的装置，以及当所述交流输入信号低于所述阈值电压时将所述存储的能量转换为所述直流输出的装置。
25.如权利要求15所述的电源系统，其中，所述脱机电源包括接收来自所述交流电源的交流信号的半波整流器以及所述电容器接收来自所述整流器的输出。
26.如权利要求15所述的电源系统，其中，所述脱机电源包括用于在所述第二选择时间间隔期间基本上恒定地向直流输出端传送所述存储的能量的装置。
27.如权利要求15所述的电源系统，其中，所述开关装置在每个所述第二选择时间间隔中的多个时间段期间形成传送所述存储的能量到所述变压器的路径。
28.一种从产生交流电压的交流电源提供备用直流功率的方法，所述方法包括：
在第一选择时间间隔期间用脱机电源中的电容器存储来自所述交流电源的能量，并在第二选择时间间隔期间将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述电容器与所述交流电源的连接，至少所述第一选择时间间隔保持与所述交流电源同步，以确保在电源系统正常工作期间在所述第二选择时间间隔期间所述电容器与所述交流电源断开连接，
在所述第二选择时间间隔期间从所述电容器向变压器的初级绕组提供电流，
在预先选定的峰值电流电平的条件下并且基本上与温度无关地中断向所述初级绕组的电流流动。
29.一种从产生交流电压的交流电源提供备用直流功率的方法，所述方法包括：
在第一选择时间间隔期间用脱机电源中的电容器存储来自所述交流电源的能量，并在第二选择时间间隔期间通过利用所述存储的能量向变压器的初级绕组提供电流来将所述存储的能量的至少一部分转换为直流输出，至少所述第一选择时间间隔保持与所述交流电源的频率同步，
在所述第二选择时间间隔期间断开所述脱机电源与所述交流电源的连接，
在所述第二选择时间间隔期间从所述电容器向变压器的初级绕组提供电流，
响应代表预先选定的峰值电流电平的电压而中断向所述初级绕组流动的电流，所述电压的峰值电平不管所述交流电压如何变化而基本上保持恒定、使得传送到直流输出端的能量基本上保持恒定，以及
在第二电容器存储在所述第二选择时间间隔期间内从所述交流电源断开所述脱机电源以及响应代表预先选定的峰值电流电平的电压而中断向所述初级绕组流动的电流所需的能量。
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