CN101253591A - 用于ac-ac电源的负载检测器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种负载检测器用于确定AC－AC电源上是否连接了负载。所述电源包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组可通过开关耦合到AC电压源，所述次级绕组可耦合到负载。所述负载检测器包括用于生成信号的信号发生器；用于检测信号的传感器，所述传感器被配置为在负载耦合到次级绕组时检测信号而在负载未耦合到次级绕组时不检测信号；以及耦合到传感器的开关控制电路，所述开关控制电路被配置为在传感器检测信号时保持开关闭合而在传感器不检测信号时保持开关断开。还提供了包括这种负载检测器的AC－AC电源。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定AC-AC电源上是否连接了负载的负载检测器并涉及包括这种负载检测器的AC-AC电源。
背景技术
外部电源适配器通常具有两种操作模式：活动模式(active mode)(其中电源适配器的输入连接到AC电源且输出连接到负载)和无负载模式(其中电源适配器的输入仍连接到AC电源，但输出不连接负载)。AC-DC外部电源适配器的示例是移动电话的充电器。当把电话放在支架上充电时，充电器处于活动模式(来为电话充电)；当电话不在支架上时，充电器处于无负载模式。AC-AC外部电源适配器的示例是个人电脑(PC)的扬声器。当PC扬声器接通时，它处于活动模式；当扬声器切断时，相当于断开负载，所以扬声器处于无负载模式。当然，可以设想其他示例。在活动模式中，外部电源适配器理想情况下应高效率地向负载供电，而在无负载模式中，应消耗最小电力——理想情况下刚够连接负载时适配器切换回活动模式。
一种在无负载模式期间取得低功耗的公知方法是使用切换模式电源(switching mode power supply，SMPS)。但是，SMPS有以下缺点：生成大量切换噪声，实施成本高，并且无负载模式期间SMPS的功耗上还存在其他限制，特别是在活动模式期间负载要求高电力的情况下。
另一个较简单且成本较低的电源设计是线性电源。AC-DC线性电源在变压器的次级包括整流器和滤波电容器，而在AC-AC线性电源中，整流器和电容器让位给负载本身。但是，在这两者的任一种情况中，由于AC电源仍连接到变压器的初级绕组，因此即使输出不连接负载时，无负载模式期间仍存在高功耗。该问题通过采用备用模式(standby mode)得到了部分解决，在该模式中，当变压器的次级不连接负载时，AC电源从初级断开。当然，这意味着需要某一类负载检测器来确定是否连接了负载并在活动和备用模式之间适当切换。
在AC-DC线性电源中，负载检测器可以相当简单并可开发各种负载检测器，其中之一在US 5,624,305中描述。这是因为，首先，测量和监控DC中的条件并检测负载的缺失或存在造成的任何相关变化较简单。其次，负载检测电路需要某些DC形式的电力来工作。这对于DC情况容易实现但对于AC情况不容易。最后，对于AC-AC情况，负载检测电路必须被耦合到变压器的次级绕组。次级绕组对所实现的无论哪种电路往往都呈现为闭路，并且对DC和低频为短路。但是对于AC-DC情况，滤波电容器解除电源与负载的耦合，所以可在中间放置负载检测电路。
虽然AC-DC线性电源可能意味着相当简单的负载检测器，但是由于整流器的存在，AC-DC线性电源具有在活动模式期间效率可能很低的缺点。
因此，可能优选AC-AC电源。但是，在AC-AC电源中，负载检测器不那么简单，因为提供给负载的电力是AC，即在零和最大值之间波动，所以更难确定是否连接了负载。检测AC情况下的负载的一种方法是使用将电流转变为电压信号的电流检测变压器(current sense transformer)来检测负载拉动的AC电流。但是，由于AC电源的频率低(通常50或60赫兹)，因此这类变压器往往体积大、成本高。另外，对于不消耗大电力的轻负载，必须通过增加变压器绕组的匝数将电流检测变压器做得十分灵敏。并且，当负载不恒定时，电流检测变压器的这个操作将更复杂。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种负载检测器用于确定AC-AC电源上是否连接了负载，所述电源包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组可通过开关耦合到AC电压源，所述次级绕组可耦合到负载，所述负载检测器包括：
用于生成信号的信号发生器；
用于检测信号的传感器，所述传感器被配置为在负载耦合到次级绕组时检测信号而在负载未耦合到次级绕组时不检测信号；以及
耦合到传感器的开关控制电路，所述开关控制电路被配置为在传感器检测信号时保持开关闭合而在传感器未检测信号时保持开关断开。
因此，负载检测器被配置为确定电源的次级绕组是否连接了负载，并在AC电压源和电源的初级绕组之间适当地断开和闭合开关。因此，当负载被连接从而传感器检测信号时，负载检测器保持初级绕组和AC电压源之间的开关闭合，以便AC电压源可以向负载输送电力。但是当负载未连接从而传感器不检测信号时，负载检测器保持初级绕组和AC电压源之间的开关断开。
信号发生器优选地可跨接在AC-AC电源的变压器的次级绕组上。
优选地，当信号发生器跨接在次级绕组上且负载耦合到次级绕组时，形成从信号发生器经负载和传感器回到信号发生器的闭路(closedpath)。因为经负载和传感器形成了闭路，所以信号发生器生成的信号可被传感器检测。因此，导致电路闭合的负载的存在意味着负载检测器的开关控制电路保持AC-AC电源初级的开关闭合。
优选地，当信号发生器跨接在次级绕组上且输出节点不连接负载时，不形成从信号发生器回到信号发生器的闭路。由于没有闭路形成，因此信号发生器生成的信号不能被传感器检测。因此，当没有闭路形成时，负载检测器的开关控制电路保持AC-AC电源初级的开关断开。
在一个优选实施例中，信号发生器被配置为生成脉冲信号。这很有利因为脉冲信号包括高频内容。信号发生器可通过对电容器反复充放电来生成脉冲信号，从而在输出节点处提供脉冲电压。
传感器可包括位于AC-AC电源的次级绕组和用于负载的输出节点之间的变压器。变压器的初级绕组可形成次级绕组和负载输出节点之间的连接的一部分。次级绕组可连接到用于控制开关的电路。
开关可包括继电器。这种情况下，开关控制电路可以耦合到继电器，以便在传感器检测信号时，电流流过继电器的线圈，闭合AC电源和初级绕组之间的开关；在传感器未检测信号时，没有电流流过继电器的线圈，且AC电源和初级绕组之间的开关保持断开。
根据本发明的第二个方面，提供了用于负载的AC-AC电源，所述电源包括：
包括初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组可通过开关耦合到AC电压源，且所述次级绕组通过负载检测器耦合到用于负载的输出节点，所述负载检测器包括：
用于生成信号的信号发生器；
用于检测信号的传感器，所述传感器被配置为在负载连接到输出节点时检测信号而在负载未连接到输出节点时不检测信号；以及
耦合到传感器的开关控制电路，所述开关控制电路被配置为在传感器检测信号时保持开关闭合而在传感器不检测信号时保持开关断开。
因此，电源中的负载检测器被配置为确定电源的次级绕组是否连接了负载，并适当断开和闭合初级的开关。当连接了负载且传感器检测信号时，初级绕组和AC电压源之间的开关保持闭合以便AC电压源可以向负载输送电力。于是，电源处于活动模式。但是，当未连接负载且传感器不检测信号时，初级绕组和AC电压源之间的开关保持断开。于是，电源处于无负载模式。
在一个实施例中，信号发生器跨接在次级绕组上。在该实施例中，电源优选地被配置为当输出节点连接了负载时，形成从信号发生器经负载和传感器回到信号发生器的闭路。由于通过负载和传感器形成闭路，因此信号可以被传感器检测。从而，导致电路闭合的负载的存在意味着电路保持初级的开关闭合。在该实施例中，电源还优选地被配置为当输出节点不连接负载时，不形成从信号发生器回到信号发生器的闭路。由于不形成闭路，信号不能被传感器检测。因此，当输出节点不连接负载从而不形成闭路时，电路保持初级的开关断开。
信号发生器可被配置为生成脉冲信号。这很有利因为脉冲信号包括高频内容。若信号发生器跨接在次级绕组上，则脉冲信号特别有利，因为脉冲信号的高频内容意味着次级绕组对脉冲信号呈现高阻抗。因此，次级绕组不为来自和去往信号发生器的脉冲信号提供闭路，这意味着即使当输出节点不连接负载时，传感器偶尔也检测信号。信号发生器可通过对电容器反复充放电来生成脉冲信号，从而在输出节点处提供脉冲电压。
传感器可在输出节点之一和次级绕组之间包括变压器。变压器的初级绕组可形成次级绕组和输出节点之间的连接的一部分。次级绕组可连接到用于控制开关的电路。
开关可包括继电器。这种情况下，开关控制电路可以耦合到继电器，以便在传感器检测信号时，电流流过继电器的线圈，闭合AC电源和初级绕组之间的开关；并在传感器未检测信号时，没有电流流过继电器的线圈，且AC电源和初级绕组之间的开关保持断开。
在第一个实施例中，电源还包括备用电源用于在输出节点未连接负载时向信号发生器提供电力。从而，当输出节点连接负载时，用于信号发生器的电力由AC电压源提供，而当输出节点未连接负载时，用于信号发生器的电力由备用电源提供。备用电源优选地可连接到AC电源。
在第二个实施例中，电源还包括跨接于开关的电容器。在该第二实施例中，当开关闭合时，AC电源直接连接到初级绕组，绕过电容器，而当开关断开时，AC电源通过电容器连接到初级绕组。因此，当开关断开(即，次级的输出节点未连接负载)时，电力仍被输送到次级，但电力量可通过适当选择电容值来控制。
在第二个实施例中，电源还包括从次级绕组经整流器到信号发生器的连接，用于在输出节点未连接负载时向信号发生器提供DC电力。
根据本发明的第三个实施例，提供用于检测AC-AC电源是否连接了负载的方法，所述电源包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组可通过开关耦合到AC电压源，且所述次级绕组可耦合到负载，所述方法包括以下步骤：
在变压器的次级生成信号；
若次级绕组耦合了负载，则检测信号，并且响应于检测到的信号，保持初级绕组和AC电压源之间的开关闭合；
若次级绕组未耦合负载，则不检测信号；并且响应于未检测到信号，保持初级绕组和AC电压源之间的开关断开。
联系本发明的一个方面描述的特征也适用于本发明的其他方面。
附图说明
通过参考下面结合附图的详细描述，本发明的上述方面和很多伴随优点将更容易认识并得到更好的理解，所述附图中：
图1示出本发明的第一个实施例；
图2示出本发明的第二个实施例；
图3示出图2的实施例的一个可能的电路实现；
图4是针对图3所示配置的节点313处的电压关于时间的绘图；并且
图5是针对图3所示配置的节点315处的电压关于时间的绘图。
具体实施方式
图1是本发明第一实施例的图示。参考图1，AC-AC线性电源101包括变压器X1。变压器X1的初级绕组X1a可通过开关109在节点105和107处连接到AC电源103。AC电源可以是任何频率的任何AC电压，例如50或60赫兹的110VAC，120VAC，230VAC或240VAC。变压器X1的次级绕组X1b可通过负载检测器301在节点111和113处(通常通过电缆和连接器)连接到负载201(图1中示为断开)。AC-AC线性电源101还包括备用电源115。
初级绕组X1a和AC电源103之间的开关109用于为变压器X1接通和切断AC电源103。开关109可以是任何适当类型的开关例如继电器或光耦合器。开关109由负载检测器301中的控制器307(下面将描述)来控制。
次级绕组X1b及节点111和113之间的负载检测器301包括脉冲发生器：303、传感器：305和控制器307。脉冲发生器303在节点309和311处跨接到变压器X1的次级绕组X1b。传感器305连接到次级绕组X1b的一侧和输出节点113之间的线路。如已经描述的那样，控制器：307控制开关109。控制器307接收来自传感器305的输入。控制器被配置为只有当存在负载时才保持开关109闭合。若没有负载连接到节点111和113，则开关109断开。
负载201通常包括整流器203和滤波电容器205以将AC电压转换成用于负载RL的DC电压。
现在描述图1的配置的操作。
考虑第一阶段，此时AC-AC电源101在节点105和107处连接AC输入103但电路次级没有负载连接到节点111和113。由于未连接负载，处于备用或无负载模式。这一阶段，开关109断开所以备用电源为脉冲发生器303和控制器307提供电力。脉冲发生器303从备用电源115接收电力并开始通过节点309发送脉冲信号以检查节点111和113处负载的存在。由于在本阶段负载未连接到节点111、113，电路断开，因此没有返回路径提供给脉冲信号，所以没有信号被传感器305拾取。
然后，在第二阶段，在节点111和113处连接负载(例如201)。脉冲发生器303仍向节点309发送其脉冲信号，但现在节点111和113处有了负载所以电路闭合。从而，负载201通过整流器203和电容器205为脉冲提供从309到311的返回路径。因此，信号被传感器305拾取。一旦传感器305检测到指示节点111和113处存在负载的脉冲信号，它就向控制器307发送信号，然后控制器307闭合开关109。于是，变压器X1的初级绕组X1a现在连接到AC电源103，所以AC电源103可以向节点111、113处的负载输送电力。因此，现在处于活动模式。
然后，在第三阶段，负载201再次从节点111、113断开。由于现在电路再次断开，脉冲信号不再被传感器305拾取。一旦传感器305不再检测到脉冲信号(指示负载已断开)，它就向控制器307发送信号以断开开关109。一旦开关109断开，变压器X1的初级绕组X1a就不再连接到AC电源103。这使得AC-AC电源再次返回到备用模式，并且备用电源115为电路提供电力。
备用电源115在开关109之前连接到AC电源。因此，即使当开关109断开时，备用电源仍连接到AC电源以便能够为脉冲发生器303和控制器307提供电力。当AC-AC电源处于备用模式时，备用模式电源115应优选地输送刚好够负载检测器301和开关109正常工作的电力。这使得备用模式期间的功耗最小化。
脉冲信号因为具有高频内容所以用来检查节点111和113处负载的存在。当负载被连接到节点111和113时，变压器X1的次级绕组X1b作为电感对来自脉冲发生器303的脉冲信号呈现高阻抗，而负载201对脉冲信号呈现低阻抗。因此，经节点309来自脉冲发生器303的大多数脉冲信号穿过负载201然后经节点311返回脉冲发生器303，所以传感器305将检测到该信号。
图2是本发明第二实施例的图示。图2的配置与图1的配置非常相似。唯一的区别是电力被提供给负载检测器301和开关109的方式。与图1中一样，AC-AC线性电源101’包括变压器X1。变压器X1的初级绕组X1a可通过开关109在节点105和107处连接到AC电源103。在图2的配置中，另有电容器115跨过开关109。再一次，AC电源可以是任何频率的任何AC电压。变压器X1的次级绕组X1b可通过负载检测器301在节点111和113处连接到负载201(图2中示为断开)。图2的AC-AC线性电源还包括通过电阻器121和123跨接于次级绕组X1b的整流器117和滤波电容器119。
与图1的配置一样，初级绕组X1a和AC电源103之间的开关109用于为AC电源103直接连接和断开变压器X1。但是，在图2中，由于存在电容器115跨过开关109，因此当开关109闭合时，AC电源103直接连接到变压器X1，而当开关109断开时，AC电源103只能通过电容器115连接到变压器X1。下面将进一步描述。如前所述，开关109可以是任何适当类型的开关，例如继电器或光耦合器。
图2的次级绕组X1b和负载201之间的负载检测器301与图1的相同。即，负载检测器301包括在节点309和311处跨接于次级绕组X1b的脉冲发生器303，连接到次级绕组X1b的一侧和负载201之间的线路的传感器305，以及用于控制开关109并接收来自传感器305的输入的控制器307。如前所述，控制器被配置为只有当节点111和113处连接负载时才保持开关109闭合。若没有连接负载，则开关109断开。
负载201也与图1的配置中的负载相同。即，负载201包括整流器203和滤波电容器205以将AC电压转换成由RL表示的用于负载DC的电压。
现在描述图2的配置的操作。
考虑第一阶段，此时AC-AC电源101在节点105和107处连接到AC电源103并且节点111和113处连接的负载。由于连接了负载，处于活动模式。与图1的配置一样，脉冲发生器向节点309发送其脉冲信号。因为电路被负载201闭合，所以负载201通过整流器203和电容器205为脉冲信号提供从节点309到节点311的返回路径。因此，脉冲信号被传感器305拾取，传感器305向控制器307发送信号，保持开关109闭合。于是，AC电源103直接连接到变压器X1(绕过电容器115)使得AC电源103为节点111、113处的负载201提供电力。用于负载检测器103和开关109的电力在被整流器117和滤波电容器119转换成DC后从变压器X1的次级获得。
然后，在第二阶段，负载从节点111和113断开。于是现在电路断开，没有返回路径提供给来自脉冲发生器303的脉冲信号，并且没有信号被传感器305拾取。因此，控制器307断开开关109。现在，变压器X1的初级绕组X1a通过电容器115连接到AC电源103。电容器115充当限制到变压器X1的初级X1a的电流(实际上限制了电力)的限流器。由于负载201断开，处于备用模式并且只需要少量电力来维持负载检测器的运转。提供的确切电力量可通过适当选择电容器115来选择。理想情况下，电容器应输送刚好够负载检测器301和开关正常工作的电力。用于负载检测器的电力仍在被整流器117和滤波电容器119转换成DC后从变压器X1的次级提供。
电阻器121和123被包括以向来自脉冲发生器303的脉冲信号提供高阻抗从而避免脉冲信号采用这条路径。作为电阻器121、123的替代可使用电感器。
图3是只含有所示脉冲发生器303、传感器305、控制器307和开关109的可能电路的本发明的第二实施例的图示(如前面在图2中所示)。剩下的电路与图2所示的完全相同，不再描述。负载201在图3中未示出。注意图3所示电路只是用于图2的配置的可能电路的示例。技术人员将认识到，除此之外可以使用任何适当的替代电路。
参考图3，脉冲发生器的电路示于方框303。脉冲发生器包括晶体管Q1和Q2、电阻器R1、R2和R3，电容器C1、C2、C3和C4以及齐纳二极管(zener diode)DZ。脉冲发生器的操作如下。
在整流器117和滤波电容器119之后，节点312处到达脉冲发生器的电力是DC。在一个周期的开始，节点313的电压低于DZ的击穿电压。因此节点314的电压为地电势，且晶体管Q1和Q2截止。随着C4持续充电，节点313的电压升高。一旦节点313的电压升得足够高，齐纳二极管DZ便开始导通且节点314的电压开始升高。一旦节点314的电压升得足够高，Q1和Q2导通。随着Q2导通，节点315的电压迅速升高。节点315的电压的升高通过电容器C3转送回节点314。这导致正反馈。由于Q2的导通，C4的放电路径建立。因为正反馈，所以C4迅速放电，使得节点313的电压迅速下降。这使节点314的电压下降，截止Q1和Q2。随着Q2被截止，节点315的电压降回到地电势。由于晶体管这种短暂的导通和截止，节点315处出现电压脉冲。该脉冲通过电容器C2耦合到节点309。若节点111和113处跨有负载，则该脉冲通过负载然后通过电容器C1在节点311处返回大地。随着晶体管Q1和Q2关断，C4重新开始充电于是周期重复。
节点313的电压具有图4所示的形式且节点315的电压具有图5所示的形式。
再一次参考图3，传感器的电路示于方框305。传感器只是个变压器X2。变压器X2的初级绕组形成从变压器X1的次级绕组X1b通过节点311到负载输出节点113的线路的一部分。变压器X2的次级绕组连接到控制器307。当输出节点111、113处未连接负载时，没有返回路径提供给脉冲信号，所以没有脉冲在初级绕组处被拾取。另一方面，当输出节点111、113处连接负载时，脉冲在变压器X2的初级绕组被拾取并因此在变压器X2的次级绕组处被拾取。
再一次参考图3，控制器的电路示于方框307，且开关的电路示于方框109。控制器包括晶体管Q3和Q4、二极管D1和电容器C5。开关包括具有开关S1和线圈CO1的继电器。利用经过X2的次级绕组的每个电流峰，电容器C5被稍微充电。一旦电容器C5充电到足够导通晶体管Q3，电流开始从整流器117流经线圈CO1并流经晶体管Q3和Q4。流经线圈CO1的电流令开关S1闭合。当负载被断开从而没有电流峰经过X2的次级绕组时，电容器C5两端的电压开始下落，直至晶体管Q3截止。然后，没有电流经过线圈CO1并且开关S1断开。
Claims (14)
1.一种负载检测器，用于确定AC-AC电源上是否连接了负载，所述电源包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组可通过开关耦合到AC电压源，所述次级绕组可耦合到负载，所述负载检测器包括：
信号发生器，用于生成信号；
传感器，用于检测所述信号，所述传感器被配置为在负载耦合到所述次级绕组时检测所述信号，并在负载未耦合到所述次级绕组时不检测所述信号；以及
耦合到所述传感器的开关控制电路，所述开关控制电路被配置为在所述传感器检测所述信号时保持所述开关闭合，并在所述传感器未检测所述信号时保持所述开关断开。
2.如权利要求1所述的负载检测器，其中所述信号发生器可跨接在所述AC-AC电源的变压器的次级绕组上。
3.如权利要求2所述的负载检测器，其中，当所述信号发生器跨接在所述次级绕组上并且负载耦合到所述次级绕组时，形成从所述信号发生器经所述负载和所述传感器回到所述信号发生器的闭路。
4.如权利要求2所述的负载检测器，其中，当所述信号发生器跨接在所述次级绕组上并且没有负载耦合到所述次级绕组时，不形成从所述信号发生器回到所述信号发生器的闭路。
5.如权利要求1所述的负载检测器，其中所述信号发生器被配置为生成脉冲信号。
6.一种用于负载的AC-AC电源，所述电源包括：
包括初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组可通过开关耦合到AC电压源，并且所述次级绕组通过负载检测器耦合到用于负载的输出节点，所述负载检测器包括：
信号发生器，用于生成信号；
传感器，用于检测所述信号，所述传感器被配置为在负载连接到所述输出节点时检测所述信号，并在负载未连接到所述输出节点时不检测所述信号；以及
耦合到所述传感器的开关控制电路，所述开关控制电路被配置为在所述传感器检测所述信号时保持所述开关闭合，并在所述传感器未检测所述信号时保持所述开关断开。
7.如权利要求6所述的电源，其中所述信号发生器跨接在所述次级绕组上。
8.如权利要求7所述的电源，其中，当负载连接到所述输出节点时，形成从所述信号发生器经所述负载和所述传感器回到所述信号发生器的闭路。
9.如权利要求7所述的电源，其中，当负载未连接到所述输出节点时，不形成从所述信号发生器回到所述信号发生器的闭路。
10.如权利要求6所述的电源，其中所述信号发生器被配置为生成脉冲信号。
11.如权利要求6所述的电源，还包括备用电源，所述备用电源用于在没有负载连接到所述输出节点时为所述信号发生器提供电力。
12.如权利要求6所述的电源，还包括跨接于所述开关的电容器。
13.如权利要求12所述的电源，还包括从所述次级绕组经整流器到所述信号发生器的连接，用于在没有负载连接到所述输出节点时为所述信号发生器提供电力。
14.一种用于检测AC-AC电源是否连接了负载的方法，所述电源包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组可通过开关耦合到AC电压源，且所述次级绕组可耦合到负载，所述方法包括以下步骤：
在所述变压器的次级生成信号；
若所述次级绕组耦合了负载，则检测所述信号，并且响应于所检测到的信号，保持所述初级绕组和所述AC电压源之间的开关闭合；
若所述次级绕组未耦合负载，则不检测所述信号；并且响应于没有检测到信号，保持所述初级绕组和所述AC电压源之间的开关断开。
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