CN101090229A

CN101090229A - 用于电源中无变压器的安全隔离的方法与装置

Info

Publication number: CN101090229A
Application number: CNA2007101053754A
Authority: CN
Inventors: S·鲍尔; D·M·H·马休斯; R·S·圣－皮埃尔
Original assignee: Power Integrations Inc
Current assignee: Power Integrations Inc
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2007-12-19
Also published as: US7453710B2; EP1850467A2; US20070253225A1; JP2007295795A; EP1850467A3

Abstract

公开了在电源中提供无变压器安全隔离的设备和方法。一个调节电源转换器的实施例包括包含在电源转换器的初级电路中的输入端。输出端包括在电源转换器的次级电路中。还包括包含有第一和第二安全电容的多个安全电容器。多个安全电容器的每个包括耦合到初级电路的各自第一端和耦合到次级电路的各自第二端。多个安全电容器使初级电路和次级电路流电隔离。电源开关包括在初级电路中。电源开关耦合为使电源开关的切换引起能量通过多个安全电容器在初级和次级电路之间传输。基本上所有在初级电路和次级电路之间传输的能量都通过该多个安全电容器。

Description

用于电源中无变压器的安全隔离的方法与装置

技术领域

[0001]本发明一般涉及电子电路，并且更明确地，本发明涉及具有功率调节的电路。

背景技术

[0002]电力装置运行需要电源。许多电力装置使用切换模式的电源转换器来供电。切换模式电源转换器经常设计成将未调节的电压输入转换为调节的输出电压。在一些应用中，该输入电压可能是危险的，因此需要在电源转换器的该输入和输出之间安全隔离。在电源转换器的该输入和输出之间获得这种安全隔离的一个公知的方法是在电源转换器中包含变压器。变压器电隔离电源转换器的输入和电源转换器的输出，因此提供了输出处的保护，所述输出来自电源转换器电路的输入处出现的电压。然而，为了提供安全隔离而在电源转换器中包含变压器增加了电源转换器的复杂性和成本。

附图说明

[0003]本发明通过实施例进行了详细说明，但并不局限于附图。

[0004]图1的示意图通常所示为根据本发明的教导的无变压器安全隔离电源的实施例示意图。

[0005]图2的示意图通常所示为根据本发明的教导的无变压器安全隔离电源的细节增加的实施例示意图。

[0006]图3的示意图通常所示为根据本发明的教导的无变压器安全隔离电源的另一个实施例的示意图。

[0007]图4的示意图通常所示为根据本发明的教导的无变压器安全隔离电源的又一个实施例的示意图。

[0008]图5的示意图通常所示为根据本发明的教导的无变压器安全隔离电源的再一个实施例的示意图。

[0009]图6的示意图通常所示为根据本发明的教导的无变压器安全隔离电源的另一个实施例的示意图。

具体实施例

[0010]揭示了涉及具有无变压器安全隔离的电源调整器的实施例。在以下的描述中，阐述了众多特定的细节以提供对本发明的充分理解。然而，显然的是，对于本领域普通技术人员来说，这些特定的细节不必在本发明的实施中采用。没有详细描述涉及实施的公知的方法以避免模糊本发明。

[0011]对遍及该说明书的“一个实施例”和“实施例”的引用，意味着与实施例相关描述的特定的特征、结构或者特点包括在至少一个本发明的实施例中。因此，在遍及该说明书的不同地方出现的词语“用于一个实施例”或“在一个实施例中”，不必都是参考同一个实施例。而且，在以下描述和/或附图所示的该优选的特征、结构、特点、结合和/或自结合，可以在根据本申请的教导的一个或多个实施例中，以合适的方式结合。

[0012]如即将讨论的，根据本发明的教导的一些实施例电源调整器在电源转换器或电源的输入和输出端之间利用了电容性耦合，以获得电的或者流电(galvanic)的隔离，以在不使用变压器的情况下满足安全需求。例如，图1示出调节电源或电源转换器101的示意图，其具有耦合以接收输入电压V_IN103的输入端102，以及耦合以提供调节输出(例如像电压V_OUT129)的隔离输出端104。

[0013]在所示实施例中，该电源转换器包括耦合在在初级电路106和次级电路108之间的多个安全电容器117和119。在一个实施例中，电感器109包括在初级电路106中并且耦合到安全电容器117和电源开关113上，在所示实施例中所述电源开关还耦合到安全电容器119上。在示出的实施例中，根据本发明的教导，耦合电源开关113以响应隔离的反馈115在控制电路111的控制下进行切换，从而调整次级电路108输出端的输出量。为了该揭示的目的，词语“隔离的反馈”代表控制电路111接收的该反馈与根据本发明的教导的电源转换器101的次级电路108或输出端电隔离。在不同的实施例中，根据本发明的教导，隔离的反馈115的电隔离可以通过初级侧的调整或者例如使用光耦合器或另外合适的可供选择的元件得以实现。

[0014]如上提到的，根据本发明的教导，在电源转换器101中包括多个安全电容器或者隔离电容器，以提供电源转换器的初级和次级电路之间的流电隔离。特别地，根据本发明的教导，多个安全电容器117和119的介电区域提供了在电源转换器101的初级和次级电路106和108之间的隔离屏蔽110。结果，在电源转换器的任意开关的任意状态下，在电源转换器101的输入端102和电源转换器101的输出端104之间的直流(DC)电压将不会在电源转换器101的输入端102和电源转换器101的输出端104之间产生直流电流。取而代之的是，根据本发明的教导，通过将由安全电容器提供的隔离屏蔽110包括在内，将输入端102与电源转换器101的输出端104流电隔离。所以，在图1所示的实施例中，所有在隔离屏蔽110左边没有与输入端102流电隔离的电源转换器101中的电路称为初级电路106。相似的，所有在隔离屏蔽110右边没有与输出端104流电隔离的电源转换器101中的电路称为次级电路108。

[0015]工作中，由于在输入和输出端102和104之间没有DC电连接，因此没有DC电流可以在电源转换器101的输入和输出端102和104之间直接流动。然而，多个隔离或安全电容器117和119仍然用作能量传输电容器，并允许能量响应于电源开关113的切换，通过多个隔离或安全电容器117和119提供的电容耦合，穿过隔离屏蔽110在电源转换器101的输入端102和输出端104之间流动。工作中，根据本发明的教导，基本上在电源转换器101的初级和次级电路106和108之间传输的所有能量都经过多个隔离或安全电容器117和119，通过隔离屏蔽110传输。所以，根据本发明的教导，电源转换器101利用输入端102的无变压器安全隔离从输出端104提供了调节电源。

[0016]在一个实施例中，安全隔离电容器是Y电容器，例如Y1安全电容器或类似，其特别设计和构造成提供就像例如英国标准BSEN132400：1995的标准文件所限定的隔离。例如，根据本发明的教导，依据应用，电路设计者使用Y1安全电容器用于安全电容器117和119，其具有将提供可接受性能的最小值。

[0017]在图1的实施例中，二极管121耦合到电感器123，所述电感器123耦合到所示次级电路108的电容器125和电阻器127。在所示实施例中，电感器123是能量传输元件，响应隔离的反馈115通过在控制电路111的控制下切换电源开关113，控制经过该能量传输元件的能量流。在一个实施例中，电源开关113是晶体管，而隔离的反馈115是代表电源转换器101的输出的信号但与电源转换器101的输出电隔离。根据本发明的教导，在工作中，控制电路111切换电源开关113，以调节从输入端102经过安全电容器117和119以及经过电感器123的能量传输，从而调节电源转换器101的输出端104处的输出量。该调节的输出量可以包括输出电压，就像例如跨越电阻器127的V_OUT129，或者在电源转换器101的输出端104处的输出电流，或者其中的任意组合。

[0018]图2是通常示出了实施例的另一个示意图，所述示意图具有根据本发明的教导的无变压器安全隔离电源转换器201的增加细节。如实施例的描述所述，根据本发明的教导，电源转换器201与图1的电源转换器101共同具有一些相似之处。在所示的实施例中，电源转换器201包括耦合以接收V_IN203的输入端202。在所示的实施例中，图2所示的输入电压V_IN203是交流(AC)电压。在所示的实施例中，二极管D1 233、二极管D2243，可熔电阻器RF1231和电容器C1235耦合到电源转换器201的输入，以在电容器C1235上提供实质上的DC电压。

[0019]电感器209包括在电源转换器201的输入侧，并且包括电源开关的控制器211耦合为响应于隔离的反馈信号215进行切换，从而调节电源转换器201的输出。在所示的实施例中，控制器211是来自加利福尼亚圣何塞电源集成有限公司生产的电源集成电路LinkSwitch-TN家族的LNK304P电源控制器。该LNK304P使用称作开/关控制的控制方案。可以理解，在仍然会受益于本发明的教导时，可以使用其它公知的控制方案，包括PWM电流模式、PWM电压模式、自振荡、磁滞、谐振、准谐振以及其它可变频控制方案。因此，需要说明的是，根据本发明的教导，也可以使用其它适合的电源控制器或转换装置，以代替LNK304P电源集成电路。

[0020]如描述的实施例所示，电容器C2241耦合到控制器211的旁路端BP，控制器211的反馈端FB耦合为从光耦合器236的晶体管237部分接收隔离的反馈215。如示，光耦合器236的发光二极管(LED)239部分耦合到电源转换器201的输出，以感测电源转换器201的输出量，就像例如V_OUT229。

[0021]在图2所示实施例中电源转换器201的输出侧，电感器L2223耦合到二极管D3221和电容器C5225，如图所示。稳压二极管VR1245、电阻器R1227和光耦合器236的LED239部分跨接到电源转换器201的输出端204，如图所示。而且，图2所示的实施例还示出电阻器R2244跨接到稳压二极管VR1。根据本发明的教导，在所示实施例中，电感器223是能量传输元件，响应于隔离的反馈215，通过包括在控制器211中的电源开关的切换来控制经过所述能量传输元件的能量流。

[0022]根据本发明的教导，为了隔离电源转换器201的输入和输出端202和204，隔离或安全电容器包括示出的C3217和C4219，以提供具有其各自介电区域的隔离屏蔽210，从而提供流电隔离。如图所示，在电源转换器201中，安全电容器C3217和安全电容器C4219耦合在初级电路206和次级电路208之间。根据本发明的教导，在所示实施例中，在电源转换器201中，安全电容器217和219是Y1安全电容器以及能量传输电容器。

[0023]根据本发明的教导，由电容器217和219提供的电容耦合使能量通过电源转换器201的隔离屏蔽210，在输入端202和输出端204之间传输。而且，根据本发明的教导，在电源转换器201中，由电容器217和219的介电区域构成的隔离屏蔽210所提供的隔离提供了无变压器的安全隔离。根据本发明的教导，在工作中，控制器211切换内部电源开关，以调节从输入端202经过由安全电容器217和219所提供的隔离屏蔽210且经过电感器223的能量传输，从而调节电源转换器201的输出端204处的输出量。因此，根据本发明的教导，电源转换器201利用输入端202的无变压器安全隔离从输出端204提供了调节电源。

[0024]在图2所示详细的实施例中，安全电容器217和219是2.2nF的电容器，额定电压250VAC。需要说明的是，根据本发明的教导，可以使用具有不同电容值的电容器，只要所述电容器能够如上所述，在输入端和输出端202和204之间提供安全隔离和能量传输。根据本发明的教导，在一个实施例中，需要注意的是，用户在特定的实施中将使用最小值，所述最小值给出了在一般的低功率下可接受的性能。

[0025]根据本发明的教导，图3一般示出具有无变压器安全隔离的初级调节电容性隔离的电源转换器301的实施例。根据本发明的教导，如描述的实施例所示，电源转换器301与图1和2所示的电源转换器共同具有一些相似之处。在所示的实施例中，电源转换器301包括耦合为接收V_IN303的输入端302。在所示实施例中，初级电路306和次级电路308包括在电源转换器301中。如示，包括安全电容器317和319的多个安全电容器耦合在初级和次级电路306和308之间。多个安全电容器317和319的介电区域形成隔离屏蔽310，所述隔离屏蔽将初级电路306与次级电路308流电隔离。电源晶体管Q1313包括在初级电路306中，所述电源晶体管Q1313耦合为响应于控制电路311而切换，以调节在初级和次级电路之间的能量传输。根据本发明的教导，所有在初级和次级电路之间传输的能量通过多个安全电容器317和319，穿过隔离屏蔽310。

[0026]在所示实施例中，初级侧调节通过电路元件电感器L1309、二极管347和电容器349实现，所述的元件如图所示进行耦合以提供控制信息到控制电路311的控制器输入。根据本发明的教导，在一个实施例中，可以任选地将包括例如电阻器351和353的电阻分压器网络包括在内，以提供控制信息到控制电路311的控制器输入。根据本发明的教导，在次级电路308中，电感器L2323，二极管321和电容器325如图所示耦合在电源转换器301的输出处，以在输出端304上提供调节的输出量V_OUT329。

[0027]根据本发明的教导，图4-6一般示出其它电容性隔离的无变压器安全隔离的电源转换器。根据本发明的教导，如描述的实施例所示，图4-6所示的电源转换器与图1-3所示的电源转换器共同具有一些相似之处。在所示实施例中，在图4-6实施例中描述的电源转换器的每一个电源转换器包括耦合在初级和次级电路之间的多个安全电容器CY1和CY2。根据本发明的教导，由多个安全电容器CY1和CY2的介电区域形成的隔离屏蔽使初级和次级电路流电隔离。

[0028]如示，图4-6中的实施例描述的每一个电源转换器使用包括在各自电源转换器的初级电路侧的电源控制器U1，以通过每一个各自电源转换器的安全电容器来调节初级和次级电路之间的能量传输。在图6所示的实施例中，电源控制器U1耦合在初级侧调节结构中，而在图4-5所示的实施例中，电源控制器U1耦合为接收隔离的反馈。因此，根据本发明的教导，在每一个所示实施例中，初级和次级电路被流电隔离，并且在初级和次级电路之间传输的所有能量都通过多个安全电容器穿过隔离屏蔽。

[0029]在每一个所示实施例中，电源控制器U1来自加利福尼亚圣何塞电源集成有限公司生产的电源集成电路LinkSwitch-TN家族的LNK-TN电源控制器。与图2所描述的实施例相似，包括在图4-6所示的具体实施例中的该LNK-TN电源控制器使用称作开/关控制的控制方案。可以理解，在仍然会受益于本发明的教导时，可以使用其它公知的控制方案，包括PWM电流模式、PWM电压模式、自振荡、磁滞、谐振、准谐振以及其它可变频控制方案。因此，需要说明的是，根据本发明的教导，其它适合的电源控制器或转换装置也可以使用，以代替LNK-TN电源集成电路。

[0030]在前述的详细描述中，本发明的方法和装置已经参考其具体实施例进行了描述。然而，显然的是，在不脱离本发明的更宽的精神和范围时，可以进行其它的各种修改和改变。因此，本说明和附图可以看作举例而不是限定。

Claims

1、一种电源转换器，包括：

包括在该电源转换器的初级电路中的输入端；

包括在该电源转换器的次级电路中的输出端；

包括第一和第二安全电容器的多个安全电容器，其中该多个安全电容器的每一个包括各自的耦合到初级电路的第一端以及各自耦合到次级电路的第二端，从而该多个安全电容器使该初级电路和该次级电路流电隔离；以及

包括在初级电路中的电源开关，其中该电源开关耦合为使该电源开关的切换引起能量通过该多个安全电容器在该初级和次级电路之间传输，从而使得基本上所有在该初级和次级电路之间传输的该能量都通过该多个安全电容器。

2、如权利要求1所述的电源转换器，其中该第一和第二安全电容器包括Y安全电容器。

3、如权利要求1所述的电源转换器，还包括控制电路，该控制电路耦合为响应于隔离的反馈信号调节该开关的切换。

4、如权利要求3所述的电源转换器，还包括光耦合器，该光耦合器耦合到该输出端，以产生耦合为通过该控制电路接收的该隔离的反馈信号，从而调节该电源转换器的输出量。

5、如权利要求1所述的电源转换器，其中在该电源转换器的任意开关的任意状态维持该电源转换器的该初级和次级电路之间的该流电隔离。

6、如权利要求1所述的电源转换器，其中在该电源转换器的该初级和次级电路之间的该流电隔离由隔离屏蔽提供，该隔离屏蔽由该初级电路和该次级电路之间的该多个安全电容器的介电区域形成。

7、一种供电的方法，包括：

通过电源转换器的初级电路接收输入电压；

切换包括在该电源转换器的该初级电路中的电源开关；

响应于该电源开关的切换，通过耦合在该初级和次级电路之间的多个安全电容器，在该电源转换器的该初级电路和次级电路之间传输能量，从而使得基本上所有在该初级和次级电路之间传输的该能量都通过该多个安全电容器进行传输；以及

通过该多个安全电容器使该初级电路与次级电路流电隔离。

8、如权利要求7所述的供电的方法，还包括接收代表该次级电路输出端的输出量的隔离反馈信号，其中该电源开关的切换响应于该隔离反馈信号。

9、如权利要求8所述的供电的方法，还包括响应于具有耦合到该输出端的发光二极管的光耦合器产生该隔离反馈信号，其中该隔离反馈信号由耦合到控制电路的该光耦合器的晶体管产生，所述控制电路耦合为切换该电源开关。

10、如权利要求8所述的供电的方法，还包括响应该开关的切换调节该输出端的输出量。

11、如权利要求7所述的供电的方法，其中多个安全电容器包括Y安全电容器。

12、如权利要求7所述的供电的方法，其中通过多个安全电容器使该初级电路和次级电路流电隔离包括：在该初级电路和该次级电路之间，通过该多个安全电容器的介电区域提供隔离屏蔽。