CN101002378A - 利用交流波控制低电压的方法以及用于执行该方法的系统 - Google Patents

利用交流波控制低电压的方法以及用于执行该方法的系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种使用交流(AC)电源来控制低电压的方法以及一种用于执行该方法的系统，其从商用交流电源直接供给低电压直流(DC)电源，以使在供给等于交流电源的电平的0％～100％的电源时能够稳定执行控制，从而实现最佳效率并且使该系统小型化。本发明对输入交流电源进行全波整流，以及执行开关操作以便以这样的方式在全波整流的交流电源的一个周期内产生其电压电平低于设定控制电压的电压电平的四个输出，即接通全波整流的交流电源的波形中其电压电平低于根据一个电压电平而设定的控制电压的电压电平的低电压部分，以及断开其电压电平高于控制电压的电压电平的高电压部分。此外，本发明将输出的低电压部分转换成直流电压。

Description

利用交流波控制低电压的方法以及用于执行该方法的系统
技术领域
本发明一般而言涉及一种利用交流电源来控制低电压的方法以及一种用于执行该方法的系统，更具体而言，涉及一种利用交流电源的波形来控制低电压的方法以及一种用于执行该方法的系统，其允许从商用交流电源直接供给低电压直流电源，以使在供给等于交流电源的电平的0％～100％的电源时能够稳定地执行控制，从而实现最佳效率并且使该系统小型化。
背景技术
一般而言，采用交流(AC)电源的电源控制利用零交叉控制方法和相位控制方法。在零交叉控制方法中，当电压为零时，也就是，当在形成正弦波时前进的交流电源前进一个周期并到达具有零电压的点A时，如图1A所示，执行开关控制。为了供给所供给的交流电源的50％，以这样的方式控制电源，即在零交叉控制方法中的每个周期重复一次开关操作。
从电源噪声的角度看，这种零交叉方法是优越的。然而，该零交叉方法需要用于找到交流电源的零点的电路，所述零点也就是在完成一个周期之后电压为零的点，因此经济效率低。因此，对于昂贵设备可以采用该零交叉方法，但是具有的缺点在于，在与交流电源量相比控制率为低的电源控制中不供给均匀电源。
例如，在控制卤素灯的电源的情况中，其中该卤素灯利用10V/220V商用电源在12伏下进行操作，采用零交叉方法，在接通周期期间的电源会损坏该卤素灯，因此采用了变压器或开关型电源。
此外，该相位控制方法通过改变如图1B所示的供给的交流电源的相位来控制提供给负载的电源，因此该方法简单，从而可以在整个工业中使用。然而，该相位控制方法具有的缺点在于，噪声高，以及该方法对于小于50％的所供给的交流电源的电源控制不稳定，因为在高电压位置执行接通和断开，并且不供给均匀电源。
也就是，常规的零交叉方法和相位控制方法基于根据时间的相位来执行电源的开关控制，然而由本发明所提出的新方法能够基于电压来执行电源的开关控制。
发明内容
技术问题
本发明被设计以便克服零交叉方法和相位控制方法的缺点，并且通过仅利用输入端和负载之间的开关切换来均匀且稳定地控制供给的交流电源而无转换损耗，从而将供给的交流电源转换成低直流(DC)电源。因此，本发明的第一目的是提供一种低电压控制方法，该方法利用半导体和电阻器能够高效地从商用交流电源供给直流电源，以便实现最佳操作效率和经济效率，并且可以利用单个集成电路(IC)来实施电源控制装置。
而且，本发明的第二目的是提供一种用于实现第一目的的系统。
技术方案
为了实现第一目的，本发明包括：
对输入交流电源进行全波整流的全波整流步骤；
执行开关(switching)操作以便以这样的方式在全波整流的交流电源的一个周期内产生其电压电平低于设定控制电压的电压电平的四个电源输出的开关步骤，即接通全波整流的交流电源的波形中其电压电平低于设定控制电源的电压电平的低电压部分，以及断开其电压电平高于设定控制电源的电压电平的高电压部分；以及
将在开关步骤中输出的低电压部分转换成直流电压并且输出该直流电压的交流电源输出步骤。
根据本发明的优选实施例，本发明还包括过电流检测步骤：如果在开关步骤中施加过电流，或者如果在开关步骤中输出电压是异常电压，则阻止开关步骤的操作。
在本发明的低电压控制中，执行开关操作以在输入交流电源的正(+)方向上产生其电压电平低于控制电压的电压电平的两个输出，以及在输入交流电源的负(-)方向上产生其电压电平低于控制电压的电压电平的两个输出。
当将商用交流电源转换成直流电源时，本发明的低电压控制方法仅利用在交流电源的输入端和负载之间的开关操作来执行直流电源转换。因此，转换损耗低，并且只要该负载不进行工作则功率消耗也低。也就是，本发明采用一种基于在交流电源和负载之间的交流波形输入的大小来执行开关操作的方法，因此效率高，并且噪声低，因为未频繁执行开关操作。
为了实现第二目的，本发明包括：
整流单元，用于接收商用交流电源并对其进行全波整流；
电压电平检测单元，其被连接到该整流单元的输出端，并且被配置成检测由负载所需的设定控制电压；
电源开关单元，其被连接到该电压电平检测单元的输出端，并且被配置成根据设定控制电压来执行开关操作，以及进行操作以在全波整流的交流电源的一个周期内产生其电平低于设定控制电压的电平的四个输出；以及
直流转换单元，用于将该电源开关单元的输出转换成直流电压。
根据本发明的优选实施例，本发明还包括过电流检测单元和异常电压检测单元，该过电流检测单元被连接到该电源开关单元的输出端，并且被配置成从该电源开关单元的输出电流中检测过电流以及切断施加于该电源开关单元的电源，该异常电压检测单元被连接到该电源开关单元的输出端，并且被配置成在施加例如过电压的异常电压时阻止该电源开关单元的操作。
附图说明
图1A和1B是说明用于一般的电源控制的零交叉方法和相位控制方法的波形图；
图2是说明根据本发明的低电压控制方法的操作的波形图；
图3是用于执行根据本发明的低电压控制方法的系统的框图；
图4示出实施根据本发明的低电压控制系统的电路的第一实施例；
图5示出实施根据本发明的低电压控制系统的电路的第二实施例；以及
图6是说明经过了图4和图5的系统的电源的输出波形的波形图。
具体实施方式
参考附图，下面详细描述本发明的优选实施例。图2是说明根据本发明的低电压控制方法的操作的波形图，以及图3是用于执行根据本发明的低电压控制方法的系统的框图。而且，图4示出实施根据本发明的低电压控制系统的电路的第一实施例，图5示出实施根据本发明的低电压控制系统的电路的第二实施例，以及图6是说明经过了图4和图5的系统的电源的输出波形的波形图。
如图2所示，根据本发明的低电压控制方法对输入交流电源进行全波整流，然后执行控制以接通全波整流的正弦波形中其电压低于根据目标电源量而设定的控制电压的低电压部分，以及断开其电压高于设定控制电压的高电压部分。因此，执行控制以使能够对低电压部分执行交流电源的开关操作，从而与对高电压部分执行开关操作的相位控制方法相比，本发明具有低的开关噪声。
如图3所示，用于执行本发明的低电压控制方法的系统包括由桥电路构成的整流单元110，其用于接收商用交流电源并对该交流电源进行全波整流。用于检测由负载所需的设定控制电压的电压电平检测单元120被连接到整流单元110的输出端。而且，电源开关单元130被连接到电压电平检测单元120的输出端，以及直流转换单元140被连接到电源开关单元130的输出端，该电源开关单元130用于根据设定控制电压来执行开关，以及在全波整流的交流电源的一个周期内产生其电压电平低于设定控制电压的电压电平的四个输出，该直流转换单元140用于将从电源开关单元130输出的电源转换成直流电源。
而且，过电流检测单元150被连接到电源开关单元130的输出端，该过电流检测单元150用于从电源开关单元130的输出电流中检测过电流并且切断对电源开关单元130的电源的提供，以及异常电压检测单元160被连接到电源开关单元130的输出端，该异常电压检测单元160用于当施加例如过电压的异常电压时阻止电源开关单元130的开关操作。
用于执行本发明的低电压控制方法的系统被连接到商用交流电源的输入端和负载之间，并且用于检测输入商用交流电源的正弦波形的电压电平以及接通/断开输入商用交流电源，以使仅电压电平低于由负载所需的设定控制电压的电压电平的那些部分能够通过该系统。也就是，如果假设由负载所需的电源是商用交流电源的10％(也就是，如果输入商用交流电源是100V，则由负载所需的电源是10V)，则本发明的系统将10％的商用交流电源转换成直流电源，并且利用以这样的方式重复接通/断开操作的方法供给该直流电源，即接通其电平低于20％的电压以及断开其电压电平高于20％的电压，这不同于常规的电源控制方法，该常规的电源控制方法以这样的方式执行控制，即传输100％的电源并保持中断时间10次，因此输出到负载的电源的平滑度大大降低。因此，本发明是一种大大改善了平滑度的低电压控制方法。
用于执行本发明的低电压控制方法的系统可以以电路的形式来实施，如图4和图5所示。在图4的实施例1中，构造整流单元110，以使用于对商用交流电源进行全波整流的桥电路D1～D4被连接到商用交流电源所施加的端子AC1和AC2，以及电压电平检测单元120被连接到桥电路D1～D4的侧(side)输出端。电阻器R1和R2被串联连接在所述侧输出端之间，通过所述侧输出端来输出由桥电路D1～D4进行全波整流的交流电源，用于保持电压均匀的齐纳二极管ZD1和具有可变电阻值的可变电阻器VR1被串联连接在电阻器R1和R2之间，用于根据可变电阻器VR1的设定值来传送开关信号的第一晶体管Q1的基极端子被连接到可变电阻器VR1，第一晶体管Q1的发射极端子被直接连接到该系统的输出端，以及第一晶体管Q1的集电极端子通过电阻器R3被连接到该系统的另一输出端，因此构造了电压电平检测单元120。
而且，构造电源开关单元130，以使第二晶体管Q2的基极端子经由电阻器R4被连接在第一晶体管Q1的集电极端子和构成电压电平检测单元120的电阻器R3之间，第二晶体管Q2的发射极端子被直接连接到该系统的输出端，第二晶体管Q2的集电极端子经由电阻器R5和R6被连接到该系统的另一输出端，PNP型第五晶体管Q5的基极端子被连接在电阻器R5和R6之间，所述电阻器R5和R6被串联连接到第二晶体管Q2的集电极端子，第五晶体管Q5的发射极端子被直接连接到该系统的输出端，以及第五晶体管Q5的集电极端子通过彼此串联连接的电阻器R7和R8被连接到该系统的另一输出端。而且，第四晶体管Q4的基极端子被连接在电阻器R7和R8之间，所述电阻器R7和R8被串联连接到第五晶体管Q5的集电极端子，第四晶体管Q4的发射极端子通过电阻器R9被连接到该系统的输出端，第四晶体管Q4的集电极端子被直接连接到该系统的另一输出端，第六晶体管Q6的基极端子被连接在第四晶体管Q4的集电极端子和电阻器R9之间，第六晶体管Q6的发射极端子通过电阻器R12被连接到该系统的输出端，以及第六晶体管Q6的集电极端子被直接连接到该系统的另一输出端。
而且，交流电源单元140由电阻器R14和电容器C1构成，它们被并联连接到电源开关单元130的输出端，并且所述交流电源单元140通过平滑电源开关单元130的输出来将电源开关单元130的输出转换成直流电源。
而且，构造过电流检测单元150，以使从在电源开关单元130的第六晶体管Q6的发射极端子和电阻器R12之间的点伸出支路，并且该支路通过电阻器R13被连接到第七晶体管Q7的基极端子，第七晶体管Q7的集电极端子被连接到电源开关单元130的第二晶体管Q2的基极端子，以及第七晶体管Q7的发射极端子被连接到该系统的输出端。
而且，构造异常电压检测单元160，以使从在电阻器R10和R11之间的点伸出支路，所述电阻器R10和R11被串联连接在用于输出直流电源的输出端DC1和DC2之间，并且该支路被连接到PNP型第三晶体管Q3的基极端子，第三晶体管Q3的集电极端子被连接到电源开关单元130的第五晶体管Q5的基极端子，以及第三晶体管Q3的发射极端子连接到该系统的输出端。
在用于控制根据本发明控制的低电压的系统的实施例1中，其如上所述被构造，当通过端子AC1和AC2施加商用交流电源时，由构成整流单元110的一部分的桥式整流器D1～D4对输入交流电源进行全波整流。全波整流的交流电源根据控制电压值来接通/断开第一晶体管Q1，所述控制电压值由电压电平检测单元120的电阻器R1和R2、用于保持电压均匀的齐纳二极管ZD1以及其电阻值变化的可变电阻器VR1来设定。也就是，当由整流单元110进行全波整流的电源的电平高于由电阻器R1和R2以及可变电阻器VR1所设定的电压电平时，第一晶体管Q1被接通。当第一晶体管Q1被接通时，电源开关单元130的第二晶体管Q2转换成断开状态。当第二晶体管Q2被断开时，依次停止PNP型第五晶体管Q5、第四晶体管Q4和第六晶体管Q6的操作。结果，电源开关单元130不输出其电压电平高于由电压电平检测单元120的电阻器R1和R2以及可变电阻器VR1所设定的控制电压的电平的全波整流电源。
相反，如果由整流单元110进行全波整流的电源的电平低于由电阻器R1和R2以及可变电阻器VR1所设定的控制电压的电平，则第一晶体管Q1被断开。因此，电源开关单元130的第二晶体管Q2被断开。当第二晶体管Q2被断开时，使得PNP型第五晶体管Q5通过电阻器R5而接通。当第五晶体管Q5被接通时，已经经过第五晶体管Q5的电流通过电阻器R7被施加到第四晶体管Q4，进行放大并接通第六晶体管Q6。因此，将全波整流的电源施加到直流转换单元140，由并联连接的电阻器R14和电容器C1进行平滑，并且以直流电源的形式输出。结果，仅将其电压电平低于由电压电平检测单元120的电阻器R1和R2以及可变电阻器VR1所设定的控制电压的电平的电源转换成直流电源并且进行输出。
如上所述，在其中仅将其电压电平低于由电压电平检测单元120的电阻器R1和R2以及可变电阻器VR1所设定的控制电压的电平的电源转换成直流电源并且进行输出的过程中，如果输出电流在直流输出端DC2是过度的(excessive)，也就是，如果通过电源开关单元130的第六晶体管Q6的发射极端子施加到电阻器R12的电流是过度的，则过电流检测单元150的第七晶体管Q7进行操作，切断电流电源开关单元130的第二晶体管Q2的基极端子，并且停止电源开关单元130的操作，从而即使输出端短路也能够保护该电路。
而且，如果在输出直流电源时产生异常电压，那么该异常电压通过异常电压检测单元160的电阻器R11来操作PNP型第三晶体管Q3，并且第三晶体管Q3通过切断施加到电源开关单元130的第五晶体管Q5的基极端子的电流来停止电源开关单元130的操作，因此防止例如过电压的异常电压被输出。
当完成上述的低电压控制时，在全波整流的交流电源的一个周期内出现四个输出，它们的电压电平低于控制电压的设定电平，如图6A和图6B所示。当输入电源和输出电源之间的电压降为大时，根据本发明的上述低电压控制方法具有优于常规方法的很多优点。例如，如果假设提供给负载的电源大约是交流电源的10％(当输入电源的电压是100V时，输出电源的电压是10V)，图1A的零交叉控制方法的缺点在于出现高的开关噪声，难以实现平滑并且负载会受到损坏，因为仅传输一个周期的交流电源，以及剩余九个周期未被传输(接通时间和断开时间的比是1∶10)，而本发明的方法的优点在于接通电压和接通电压的电平之间的差不大，因此输出电压的电平是均匀的，并且均匀的电源被提供给负载，因为接通和断开状态的电压电平是15～20(随电压而变化)和0。
在需要从商用交流电源电压直接获取低直流电源的情况中，本发明的上述优点是所期望的。本发明便于利用商用电源将电源提供给低电压直流电源装置，因此它可以被广泛采用。
而且，如图5所示，本发明的另一实施例具有与图4的实施例相同的原理。然而，以这样的方式来构造交流转换单元140，即变压器T1的初级侧被连接到电源开关单元130的输出端，以及桥式整流器D5～D8被连接到变压器T1的次级侧，并且以这样的方式进行操作，即通过电压电平检测和开关操作仅传输和供给低于预定电压电平的电压，该电压由变压器T1来改变，并且该电压通过桥式整流器D5～D8被转换成直流电压。
图5示出了采用隔离变压器T1来实现在商用电源和与直流电源供给有关的负载之间的隔离的结构。施加到变压器T1的电源的频率因开关操作而高于120Hz或240Hz，而不是60Hz，因此能够传送相同电源的变压器的尺寸减小，并且变压器的效率增大。
当与如图1和图2所示的常规电源控制相比时，本发明的上述优点是显著的。图1所示的零交叉控制引起最低的开关噪声，因为当输入交流电压的电压电平为零时执行开关操作，并且具有最宽的电压变化范围，因为为了输出交流电源的电压电平的50％，传输一个周期，并且剩余的一个周期不被传输。
而且，该相位控制具有最高的开关噪声，因为当电压电平处于峰值时执行接通操作，但是该相位控制的优点在于输出平均是零交叉控制的四倍的电压电平，因为为了输出所输入的交流电源的电压电平的50％，均匀传输一个周期的正(+)方向波的一半和负(-)方向波的一半。
在本发明中，如图2所示，为了输出所输入的交流电源的电压电平的50％，均匀传输一个周期的两个正(+)方向波和两个(-)方向波，因此开关噪声会高。本发明的优点在于，传输甚至是相位控制两倍的电压电平，并且本发明可以由如上所述的简单电路构成，因此在经济上是有效率的。当输出电压电平低时，本发明更有利。
本发明具有与如上所述的电压电平成反比例关系增长的优点。因此，在本发明被用作对被控制为低电压的输出进行整流的低电压直流电源的情况中，本发明是将交流电压转换降成直流电压(大约80％～95％)的常规方法中最有效的，因此，本发明具有被用作超小电源的强烈可能。在BJT电路的情况下，没有负载的待机功率消耗小于0.1W，以及在C-MOS FET的情况下是0.01W。也就是，当图4和图5的低电压控制系统利用IC来实施时，则能够利用10mm见方的立方体来实现3V～12V以及几十瓦的输出。
工业适用性
如上所述，本发明采用了对交流电压的电压波形进行电压电平控制的开关方法，因此本发明能够有效且稳定地执行低电压控制，能够克服相位控制在对交流电源的电压电平的50％或更少执行控制时是不稳定的缺点以及零交叉控制的不形成均匀控制的缺点，并且能够实施用于直接从商用交流电源产生低直流电压的超小尺寸的电源。本发明能够利用仅包括电阻器和晶体管的电路来实施，因此本发明能够利用小IC来实施，从而允许设计高效且安全的电路，因为该电路具有高的效率，因此使得能够实施具有经济效率的电源控制装置。
虽然如上所述已经参考附图详细描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于所述实施例，本领域技术人员而是可以不脱离本发明的技术实质的范围来做出多种修改和变化。

Claims (12)

1.一种利用交流(AC)电源的波形来控制低电压的方法，包括：
对输入交流电源进行全波整流的全波整流步骤；
执行开关操作以便以这样的方式在全波整流的交流电源的一个周期内产生其电压电平低于设定控制电压的电压电平的四个电源输出的开关步骤，即接通全波整流的交流电源的波形中其电压电平低于设定控制电源的电压电平的低电压部分，以及断开其电压电平高于设定控制电源的电压电平的高电压部分；以及
将在开关步骤中输出的低电压部分转换成直流电压并且输出该直流电压的交流电源输出步骤。
2.如权利要求1所述的方法，还包括过电流检测步骤：如果在开关步骤之后输出电源是过电流，则阻止开关步骤的操作。
3.如权利要求1所述的方法，还包括过电流检测步骤：如果在开关步骤中输出电源是异常电压，则阻止开关步骤的操作。
4.一种用于控制低电压的系统，包括：
整流单元(110)，用于接收商用交流电源并对其进行全波整流；
电压电平检测单元(120)，其被连接到该整流单元(110)的输出端，并且被配置成检测由负载所需的设定控制电压；
电源开关单元(130)，其被连接到该电压电平检测单元(120)的输出端，以及被配置成根据设定控制电压来执行开关操作，并且进行操作以在全波整流的交流电源的一个周期内产生电平低于设定控制电压的电平的四个输出；以及
直流转换单元(140)，用于将电源开关单元(130)的输出转换成直流电压。
5.如权利要求4所述的系统，其中构造该电压电平检测单元(120)，以使电阻器(R1和R2)被串联连接在侧输出端之间，通过所述侧输出端来输出由该整流单元(110)进行全波整流的交流电源，用于保持电压均匀的齐纳二极管(ZD1)和具有可变电阻值的可变电阻器(VR1)被串联连接在电阻器(R1和R2)之间，用于根据可变电阻器(VR1)的设定值来传送开关信号的第一晶体管(Q1)的基极端子被连接到可变电阻器(VR1)，第一晶体管(Q1)的发射极端子被直接连接到该系统的输出端，以及第一晶体管(Q1)的集电极端子通过电阻器(R3)被连接到该系统的另一输出端。
6.如权利要求4所述的系统，其中构造该电源开关单元(130)，以使第二晶体管(Q2)的基极端子经由电阻器(R4)被连接在第一晶体管(Q1)的集电极端子和构成电压电平检测单元(120)的电阻器(R3)之间，第二晶体管(Q2)的发射极端子被直接连接到该系统的输出端，第二晶体管(Q2)的集电极端子经由电阻器(R5和R6)被连接到该系统的另一输出端，PNP型第五晶体管(Q5)的基极端子被连接在电阻器(R5和R6)之间，所述电阻器(R5和R6)被串联连接到第二晶体管(Q2)的集电极端子，第五晶体管(Q5)的发射极端子被直接连接到该系统的输出端，第五晶体管(Q5)的集电极端子通过彼此串联连接的电阻器(R7和R8)被连接到该系统的另一输出端，第四晶体管(Q4)的基极端子被连接在电阻器(R7和R8)之间，所述电阻器(R7和R8)被串联连接到第五晶体管(Q5)的集电极端子，第四晶体管(Q4)的发射极端子通过电阻器(R9)被连接到该系统的输出端，第四晶体管(Q4)的集电极端子被直接连接到该系统的另一输出端，第六晶体管(Q6)的基极端子被连接在第四晶体管(Q4)的集电极端子和电阻器(R9)之间，第六晶体管(Q6)的发射极端子通过电阻器(R12)被连接到该系统的输出端，以及第六晶体管(Q6)的集电极端子被直接连接到该系统的另一输出端。
7.如权利要求4所述的系统，其中该交流电源单元(140)由电阻器(R14)和电容器(C1)构成，它们被并联连接到电源开关单元(130)的输出端。
8.如权利要求4所述的系统，还包括过电流检测单元(150)，用于从电源开关单元(130)的输出电流中检测过电流并且切断施加于电源开关单元(130)的电源，该过电流检测单元(150)被连接到电源开关单元(130)的输出端。
9.如权利要求4或8所述的系统，其中构造该过电流检测单元(150)，以使从在电源开关单元(130)的第六晶体管(Q6)的发射极端子和电阻器(R12)之间的点伸出支路，并且该支路通过电阻器(R13)被连接到第七晶体管(Q7)的基极端子，第七晶体管(Q7)的集电极端子被连接到电源开关单元(130)的第二晶体管(Q2)的基极端子，以及第七晶体管(Q7)的发射极端子被连接到该系统的输出端。
10.如权利要求4所述的系统，还包括异常电压检测单元(150)，用于在从电源开关单元(130)的输出中检测到异常电压时阻止电源开关单元(130)的操作，该异常电压检测单元(150)被连接到电源开关单元(130)的输出端。
11.如权利要求4或10所述的系统，其中构造该异常电压检测单元(160)，以使从电阻器(R10和R11)之间的点伸出支路，所述电阻器(R10和R11)被串联连接在用于输出直流电源的输出端(DC1和DC2)之间，并且该支路被连接到PNP型第三晶体管(Q3)的基极端子，第三晶体管(Q3)的集电极端子被连接到电源开关单元(130)的第五晶体管(Q5)的基极端子，以及第三晶体管(Q3)的发射极端子被连接到该系统的输出端。
12.如权利要求4所述的系统，其中构造该直流转换单元(140)，以使变压器(T1)的初级侧被连接到电源开关单元(130)的输出端，以及桥式整流器(D5～D8)被连接到变压器(T1)的次级侧。
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