CN101663805A - 具有多个交流/直流输入的开关式电源电路及这样的电路对计算机电源或膝上型计算机适配器的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关式电源(SMPS－Switching Mode Power Supply)，其通过使用共享电源变压器(T3)来提供在交流电网输入以及必要时具有电池和类似电源输入的开关式电源电路中所产生的输出电压，所述共享电源变压器(T3)具有适合于用于每个输入电源的特定输入电压的单独电源输入绕组(7，6)以及根据所使用的拓扑连接到所述绕组的电源切换晶体管(Q1，Q2，Q5，Q6)，并且变压器的其他剩余的控制、反馈、输出整流和滤波电路以及其他绕组是单一的和共享的，而没有使用除了电网输入电源之外的第二独立电源或调节器电路。通过添加小的干电池，这种概念适用于计算机电源以开发经济的不间断计算机电源(UCPS)，其可以安装到计算机机箱中的电源室并且也可以为监视器供电。它还适用于膝上型计算机适配器，并且已经开发了既可以从汽车点火器插座工作也可以从具有单个适配器的电网工作的两电源输入膝上型计算机适配器。

Description

具有多个交流/直流输入的开关式电源电路及这样的电路对计算机电源或膝上型计算机适配器的应用

技术领域

本发明涉及一种方法，所述方法通过对电网输入电路进行轻微的修改而非使用第二开关式电源来向电路增加电池输入作为二次输入，以便在必要时提供在具有电池和类似电源的开关式电源(SMPS)电路上产生的输出电压。

本发明尤其涉及这种方法对计算机电源的应用，所述计算机电源被称为“不间断计算机电源(UCPS)”并且被安装到计算机机箱中的电源室，而且还可以向监视器供电，本发明还涉及这种方法对膝上型计算机适配器的应用，以便使用除了电网插座之外的汽车点火器插座。

背景技术

在今天通常使用的大部分电子设备中，存在将交流电网电压转换成电子电路可以使用的直流低压电源的开关式电源电路(SMPS)。所述设备中包括根据电池电压输入而设计的第二开关式电源电路，以便使这些设备除了使用电网电压工作外还能够使用电池工作。这一般以两种方式完成。第一种方式是加入开关式电源电路，该开关式电源电路将来自电池的电压直接转换成电子电路所需的直流电压，第二种方式是加入逆变器电路，该逆变器电路将来自电池的电力转换成类似的电网电力，并且向电网输入电源电路提供所需的类似电网输入。有时，所述设备也可以由用户通过加入外部逆变器单元或不间断电源来使用电池工作。

在现有技术中，可以找到与这个主题相关的应用。例如，编号为WO2005/015721的专利申请涉及具有交流和直流电源输入以及直流输出的变换器电路。在再次涉及这个主题的美国申请WO0176051中说明了一种提供用来从直流电源获得直流信号的二次适配器，其具有直流信号输入端子以及直流信号输出端子。

由于当今的电子设备尤其是计算机耐电力中断非常敏感，因此大部分计算机是通过串联连接到电网线的外部不间断电源(UPS)来操作的。但是这也对用户产生了额外的成本。

在目前应用中所使用的方法中，不能针对开关式电源的多个电源输入定义适用于每个所用的拓扑的方法。在已知的技术中，出于在不使用附加绕组的情况下具有二次输入的目的，已经进行了一些改进，但它导致了两方面的缺陷，第一是将要使用的电池电压必须依赖于将要使用的绕组，第二是不能使用已知的容易的切换方法来切换绕组。

总之，具有多个交流/直流输入的SMPS电路的必要性的出现以及这种相关方法对计算机电源和膝上型计算机适配器的应用的必要性的出现迫使在相关技术领域做出改进，其中通过在不特别需要第二开关式电源电路的情况下对电源变压器使用附加绕组来以较低的成本获得所述SMPS电路。

发明内容

本发明涉及具有多个交流/直流输入的开关式电源电路，其满足了前述的要求，消除了所有的缺陷并提供了一些附加的优势。

基于背景技术的情形，本发明的目标是提供一种经济实用的解决方案，所述解决方案不需要单独的电源级，以便使由电网供电的电子设备同时也可由电池供电。

本发明的目标是，通过使用具有电池的计算机电源，它将变成特别用于计算机的不间断电源的有效选择，所述具有电池的计算机电源以经济的方式使用单个电源级提供两个输入。

本发明的目标是，针对开关式电源的多个电源输入定义适用于每个所用的拓扑的方法。

本发明的目标是，本发明的方法可以应用于所有的具有变压器的电压变换器开关式电源。所述方法包括：向用于附加输入电压的变压器添加适合这个电压的合适附加绕组；向用于切换这个绕组的电路添加适合于所用拓扑而连接的附加电源切换晶体管；以及添加信号切换电路，所述信号切换电路在电源经由附加输入电压提供时，将来自第一电源切换晶体管的控制信号重新定向到附加电源切换晶体管。

在本发明的一些优选应用中，不必重新定向控制信号。属于整个电源输入的电源切换晶体管可以通过将开关信号与第一电源切换晶体管以及属于附加电源输入的其他晶体管并联连接来同时切换。在这种情况下，尽管切换了整个输入级，但只有施加电源输入的电源输入级是有效的。但在这种情况下，切换信号必须以将在同一相位切换所有输入绕组的形式来连接，以避免输入绕组通过磁耦合而彼此短路。在这种结构中，如果电源同时应用于多于一个输入，那么通过所连接的绕组匝数分配输入电压值的、输入电压最大的输入电源级将有效。其他输入电源级不消耗来自输入电源的任何功率。

所述方法必须以根据变压器结构以及属于该拓扑的电源切换晶体管的连接类型的合适形式应用于每个拓扑。如果电源是根据除了反激之外的概念而设计的，则属于附加电源输入的绕组以及连接到此绕组的电源切换晶体管必须被组合为除了反激之外的全桥、半桥或推挽类型中的任何一种类型。例如，如果第一电源输入级被组合为半桥，则附加电源输入级可以被组合为全桥、半桥或推挽中的任何一种。在这样的结构中，不应被组合为仅由一个电源切换晶体管构成的反激概念。如果所述电源输入被设计为反激概念，则附加绕组和功率晶体管必须被组合为反激概念。不可以使用其他连接类型。

本发明的目标是，通过将这种方法应用于膝上型计算机适配器，使用既可来自电网也可来自汽车点火器插座的相同的适配器，从而可以以便宜和实际的方式来操作计算机。

本发明的另一目标是，由于当电池有效时，电源变压器的第一电源绕组在相反的方向工作并且产生直流高压，从而可以在不需要额外电路的情况下为监视器供电。

本发明的另一目标是，通过切换计算机的电源按钮来激活操作系统的休眠功能，从而在将整个主存储器加载到硬盘之后而电池深度放电之前安全地关闭计算机。

本发明的另一目标是，通过借助于比较器和控制电路来监测电网输入电压，以及通过当电网输入电压超过所允许的上限和下限时重新定向控制信号，使电池输入有效。

为了能够实现上述优点，本发明是一种具有多个交流/直流输入的开关式电源，所述开关式电源不需要针对每个不同电源输入的单独的开关式电源，以根据来自交流电网或者电池或者不同种类和数量的电源输入的选择而选择性地转换成公共输出电压，并且其特征在于，通过包括至少一个绕组、至少一个附加电源切换晶体管，以及通过将来自控制集成电路的控制信号重新定向到所期望的输入的电源切换晶体管，使所期望的输入有效，其中所述绕组被添加到在电源中使用的变压器而不改变现有的绕组，所述附加电源切换晶体管用来针对每个电池或不同种类和数量的输入电源电压来切换所述绕组。

为了能够实现上述优点，本发明是一种方法，所述方法涉及在不使用反激拓扑的开关式电源中添加电池或不同种类和数量的输入作为第二电源输入而不添加第二开关式电源电路，并且其特征在于，通过向用于每个输入的公共电源变压器添加适合所述输入电压的单独绕组，通过连接用于切换所述绕组的电源切换晶体管作为推挽、全桥或半桥技术中的任何一个，以及通过将来自控制集成电路的控制信号重新定向到所期望输入的电源切换晶体管，使所期望的输入有效。

为了能够实现上述优点，本发明是一种方法，所述方法涉及在使用反激拓扑的开关式电源中添加电池或不同种类和数量的输入作为第二电源输入而不添加第二开关式电源电路，并且其特征在于，通过向用于每个输入的公共电源变压器添加适合所述输入电压的单独绕组，根据反激拓扑连接用于切换所述绕组的电源切换晶体管，添加连接到所述电源切换晶体管的源极引脚的隔离变压器以产生控制集成电路所需要的电流感应信号，以及将来自所述控制集成电路的控制信号重新定向到所期望输入的电源切换晶体管，使所期望的输入有效。

为了能够实现上述优点，本发明是一种方法，所述方法涉及在使用反激拓扑的开关式电源中尤其在膝上型计算机适配器中添加电池或不同种类和数量的输入作为第二电源输入而不添加第二开关式电源电路，并且其特征在于，借助于在从辅助绕组(15)所获得的电压的正周期进行微分而在负周期输出为零的电路，为全部输入共同获得控制集成电路所需的电流感应信号，其中所述辅助绕组(15)缠绕到主电源变压器并且在与输出绕组相反的方向上。

通过实现上述以及在以下的详细说明中得到理解的所有优点，本发明在考虑到上述特性方面具有很多便利。

通过附图以及参考所述附图的以下详细描述，本发明的结构和特性特征以及所有的优点将变得更加清楚，因此评估必须基于这些附图以及详细的描述来进行。

附图说明

为了最好地理解本发明的实施例及其优点连同补充的要素，必须与附图一起考虑，对于附图，在此提供描述如下。

图1是示出计算机电源的电网输入滤波和整流级、一次开关式电源级、控制电路级以及变压器的电路图。备用电源电路、高压和过负荷保护电路在电路图中未示出。

图2是经由符号块示出本发明方法对图1所描绘电路的应用的电路图。备用电源电路、高压和过负荷保护电路以及电池充电电路在电路图中未示出。

图3是示出本发明方法对使用反激拓扑的开关式电源的应用的电路图。另外，在用作不间断计算机电源的情况下，还向电路图增加了电网监测(4)和监视器电源开关(S3，S4)。反馈、备用电源、控制级电源、保护以及电池充电电路在电路图中未示出。

图4是适用于膝上型计算机适配器的电路图。在这种情况下，通过使用一个微分电路简单而共同地产生电流感应信号(CS)，并且同时取消了重新定向控制信号的开关，所述电流感应信号是为将本发明应用于图3所示的反激拓扑的两个电源输入电路中的每个电路分别产生的。

图5是图4中的微分电路的电路图。

图6是微分电路中的输入和输出电压在时间轴上的表示图。

标号

(1)激活开关(S1)和(S2)的第一电源输入的开关位置。

(2)激活开关(S1)和(S2)的第二电源输入的开关位置。

(3)3.3V调节电路。

(4)监视和比较器电路，其根据电网电压与下限和上限之间的电压间隔的比较结果来发送命令。

(5)作为第二电源输入的电池。

(6)用于第二电源输入的附加绕组，其被添加到电源变压器(T3)，以便在开关式电源中实施本发明方法。

(7)一次绕组，其属于开关式电源中的电源变压器(T3)的电网输入。

(8)变压器(T2)的输入绕组，其驱动CPS和UCPS中的第一电源级。

(9)变压器(T2)的输入绕组，其驱动CPS和UCPS中的第一电源级。

(10)变压器(T2)的辅助绕组，其驱动CPS和UCPS中的第一电源级。

(11)监视器电源。

(12)交流电网电源。

(13)在反激拓扑中所使用的输出电压绕组。

(14)在反激拓扑中所使用的输出电压绕组。

(15)在反激拓扑中为产生共享的CS信号而使用的辅助绕组。

(16)微分电路。

(17)在微分电路(16)中为了使输出电压为零而使用的电路部分。

(18)在微分电路中实现近似微分的RC电路。

(19)微分电路(16)的输入信号在电压-时间轴上的代表。

(20)微分电路(16)的输出信号在电压-时间轴上的代表。

(21)“启动”电路，其在从图4所示的电路中的电池冷启动期间为控制器集成电路提供第一电源。

(22)控制单元，其当电池电源有效而电池电压下降到预定阈值电平以下时，使其输出线短路大约1.5秒。

(23)与计算机机箱前面的按钮用两根电线并联连接的控制单元的输出线。

(T，T1)电网输入滤波绕组。

(T2)变压器，其驱动功率晶体管并同时将控制电路与带电一次部分隔离。

(T3)电源电路的主电源变压器。

(T4)变压器，其驱动图3和图4中所示的功率晶体管(Q5)并将其与带电部分隔离。

(T5)变压器，其产生图3所示的第二电源输入级的(CS)信号并将第二电源输入与带电部分隔离。

(T6)图1和图2中的电源分配线圈。

(D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D8，D9，D10，D11，D12，D13，D14，D15，D21，D22，D23，D24)二极管。

(C1，C2，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，C13，C21)电容器。

(R2，R3，R4，R6，R7，R8，R10，R11，R12，R13，R14，R16，R17，R19，R20，Rsense，R32，R33，R34，R35，R36，R37，R46)电阻器。

(IC1，IC2)控制器集成电路。

(A1，A2)反相器缓冲电路。

(Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8，Q9，Q10，Q11)晶体管。

(CS)控制集成电路的电流感应输入。

(L)电网带电线。

(N)电网中性线。

(F1)熔断器。

(NTCR1)负温度系数电阻器。

(Z1)变阻器。

(S1，S2)机械或半导体选择开关，其将来自控制器电路并去往功率晶体管的控制信号重新定向到应该有效的电源输入级的相应功率晶体管。

(S3，S4)开关，其在主电网电源熄灭的情况下，将监视器电源从主电网分离并连接到所产生的直流电源。

具体实施方式

在这个详细说明中，根据本发明的具有多个交流/直流输入的开关式电源和与其相关的方法的优选结构及应用只是作为示例来说明，以便更清楚地理解并且采用在意义上不具有限制效果的形式。

在图1中，给出了示出在现有的应用中所使用的计算机电源的电网输入滤波和整流级、一次开关式电源级、控制电路级和变压器的电路图。如图2，通过将本发明方法应用于图1所示的计算机电源电路而更清楚和详细地说明本发明方法。为了方便起见，我们将说明只有两个电源输入的场景：其中一个是电网输入(12)而另一个是电池(5)输入。如果需要，可以重复本发明的方法的应用以达到所期望的输入数量。在这种方法中，向变压器(T3)添加附加绕组(6)，其中电源使用所述变压器(T3)用于电池(5)输入电压而不改变现有绕组的任何值。提到的这个附加绕组(6)的线的粗度以及匝数将根据第二输入(5)电压的值以及从第二输入所获得的电流来计算。由于通常第一输入电压为电网电压(12)而第二输入电压为电池(5)，所以第二输入通常在12、24V附近(低电压但是高电流)。因此，根据这个电压和电流，这个附加绕组(6)将具有比第一输入电压(7)的绕组少的匝数但更粗的线。经由添加到电路的附加开关晶体管(Q5和Q6)来激活和切换这个附加绕组(6)。由于控制集成电路(IC1)的控制输出信号是“集电极开路”型并且为控制输出信号提供上拉电阻器(R13，R14)，因此在信号的高状态时输出阻抗为高。此外，晶体管(Q1，Q2)在低状态而不是高状态开通。添加降低了输出阻抗并将信号反向的小缓冲电路(A1，A2)，以便也为第二电源输入级提供相同的驱动形式。这些缓冲电路(A1，A2)对于可以在信号的每个状态下提供低阻抗输出并使晶体管(Q1，Q2)在控制信号的高状态下导通的电路不是必须的。由于第二电源切换晶体管组(Q5，Q6)在这个应用中可以被更简单地应用于电路，因此其以推挽方式连接。但是如果需要，它也可连接成全桥或半桥。然而，在那种情况下，不可能像图2那样直接驱动晶体管(Q5，Q6)，而是应当设置使用像T2一样的信号变压器或根据这些拓扑的一些其他方法的驱动电路。当图2中的开关S1和S2在“1”位置时，来自控制集成电路(IC1)的控制信号驱动属于第一输入电源的电源切换晶体管(Q1和Q2)。当必须取消第一电源(12)输入并使第二电源(5)输入给电路供电时，开关S1和S2应当来到位置“2”。在这种情况下，由于由控制集成电路所产生的控制信号将去往第二电源开关级，所以第二电源输入(5)将变为有效。以符号的形式添加开关S1和S2，以便更简单和清楚地说明本发明的方法。可以通过半导体元件甚至通过小功率晶体管来简单地执行这些开关(S1，S2)的功能。

图2所示的应用是不间断计算机电源(UCPS)电路的部分，所述不间断计算机电源电路在电网电力被中断或电压超出认为有风险的特定上限和下限时自动使电网电力(12)输入无效，并且激活第二电源输入(电池(5)输入)，而且保证以这种方式为计算机供电的输出电压(+12V，+5V，+3.3V，-5V，-12V)的连续性，并且还自动切换(S3和S4)监视器电源从而也用直流为监视器供电。本发明的另一特性是，当电压由于放电而下降到预定的阈值电平以下时，通过使与计算机电源按钮并联连接的输出线(23)短路，在将主存储器中的全部数据保存到硬盘之后安全地关闭计算机。由于一些电路级不与本发明的应用直接或间接相关，它们没有包括在电路图中；无论如何，它们将像在计算机电源中一样在不间断计算机电源(UCPS)中保持不变。因此，它们没有在电路图中示出。此外，通过限制充电电流和电压，该电路使用电源的输出电压为电池(5)充电。比较器电路(4)向位置变化开关(S1，S2，S3，S4)发送所需命令，所述比较器电路(4)不断地监视第一输入电压，并且当其在下限和上限之间时给出输出。由于当第二电源级有效时，第一电源级在相反方向工作并产生直流高压，因此得到直流监视器电源(11)。换句话说，不需要额外的元件或额外的变压器绕组来获得监视器电源(11)。如之前所表述的那样，当向为第二输入添加的附加绕组(6)供电时，在所有的其他绕组处产生与匝数成比例的可选择的输出电压，因此在第一电源进入的一次绕组(7)处也产生可选择的电压。所产生的电压经由二极管(D1)和(D2)整流，经由电容器(C5)和(C6)调节，并且经由线圈(T3)滤波，然后通过开关(S3)和(S4)发送到监视器。由于5-10ms的延时不会这么严格，所以可以经由继电器来执行开关(S3)和(S4)。在这种情况下，当交流电网电源可用时，监视器将直接通过交流电网电源供电，而当交流电网电源不可用时，其将通过借助于在相反方向上工作的主电源变压器(T3)所产生的直流电源供电。如果使用没有阴极射线管(CRT)的监视器，则开关(S3)和(S4)是不必要的。连续地从直流电源为监视器供电并非是不利的，因为如果监视器没有使用CRT，则监视器内将不存在只能由交流电网电力提供的消磁功能。在这种情况下，通过取消这个继电器，可以直接从二极管(D22)和(D24)的阴极以及二极管(D21)和(D23)的阳极提供监视器电源。

在电路的设计期间应注意的另一要点是当第一电源级有效时选择电压引起问题的可能性，所述选择电压在与匝数成比例的附加绕组(6)处产生。在绕组(6)的中间端所产生的电压的峰值超过电池(5)电压多达二极管正向电压的情况下，开关功率晶体管(Q5和Q6)中的反向二极管将开始导通并在为电池(5)充电的方向上引起负电流。换句话说，这个电源级在相反的方向也能够工作。但是这个充电电流是没有控制或限制的电流。如果这个电流超过了电池的最大充电电流，其将根据第一输入电压的电平达到非常高从而损坏电池(5)，或者如果其超过最大允许电流，将损坏电路。插入一些元件(例如二极管)以防止电路工作在相反方向也不很合理。因为所插入的元件将变得非常热，并且其上的电压不能保持为小，所以当第二电源电路有效时，它是以高电流工作的电路，将会引起严重的电压和效率损耗。在这种情况下，最合理的解决方案是以以下方式来保持第二电源绕组(6)的匝数为低：即使在由第一输入电压的比较器电路(4)所允许的最高限制电压处，第二电源绕组(6)的输出峰值也不超过电池电压。

当电池电源有效时，图2中的控制单元(22)的功能是防止计算机由于电池过度放电而突然不适当地自己自动关闭。为了满足这个功能，这个控制单元(22)不断地监视电池电压，并且当电压下降到预定阈值电平以下时，使具有两根电线的输出线(23)短路大约1.5秒。提到的控制单元(22)的输出线(23)通过一对电线并联连接到计算机机箱前面的电源按钮。为了执行电路(22)的功能，应当从Windows操作系统的控制面板中的电源选项中选择当按下电源按钮时进行“休眠”的选项。当电池电压下降到预定阈值电平以下时，在通过执行Windows操作系统的休眠功能而将主存储器中的全部数据保存到硬盘之后，计算机自己安全地关闭。由于休眠功能，当计算机在电网电力(12)变得正常之后而打开时，保证计算机通过将数据载入回主存储器而从关闭前的最后时刻启动。

总之，通过使用本发明的方法，可以用给正常计算机电源的成本添加的最小附加成本来制造不间断计算机电源(UCPS)，所述不间断计算机电源在电网电力(12)不工作时或电压不在下限和上限之间时使电池(5)在线并且为计算机及其监视器供电，并且既可以作为计算机电源工作也可以作为在计算机机箱中所使用的、取代使用正常计算机电源的不间断电源(UPS)工作，其电池和电路安装在适合计算机机箱的电源室的金属盒中或者其电池在计算机机箱里面或外面从外部连接，并以受控的方式使用输出电压中的一个来为其电池充电。

在图3中，给出了示出本发明方法对使用反激拓扑的开关式电源的应用的电路图。此外，在用作不间断计算机电源的情况下，还向电路图添加了电网监视(4)以及监视器电源开关(S3，S4)。反馈、备用电源、控制级电源、保护和电池充电电路未在电路图中示出。在图4中，给出了适用于膝上型计算机适配器的电路图。在这种情况下，通过使用一个微分电路并同时取消重新定向控制信号的开关来简单而共同地产生电流感应信号(CS)，所述电流感应信号是为将本发明应用于图3示出的反激拓扑的两个电源输入电路中的每个电路而分别产生的。

为了使本发明的方法对膝上型计算机适配器的应用成为可能，由于膝上型计算机适配器通常是通过使用反激拓扑制造的，所以有必要实现遵照使用反激拓扑的开关式电源的应用。另外，也在一些台式计算机电源中使用反激拓扑。也在电视机以及大量的电子设备中使用这种拓扑。图3和图4表明了如何针对反激拓扑实现本发明的方法。Vcc电源电路、振荡器电路、反馈电路、备用电源电路、充电电路以及一次启动电路未在图中示出，从而尽可能简单地给出电路图并集中于方法的应用。然而，这些共享电路应该既出现在单输入电源也应出现在应用期间本发明被应用的多输入电源。所述应用基本上是相同的。但是第二电源开关电路中的晶体管(Q5)应根据拓扑来连接。在这里也向电源变压器(T3)添加在与一次绕组(7)相同方向的附加绕组(6)。经由遵照反激拓扑而连接的电源切换晶体管(Q5)来切换这个绕组(6)和为其供电。如图3所示，由于“电流感应”(CS)信号必须连同反馈以便在反激拓扑中实现所需控制，因此在晶体管(Q5)的源极处添加小信号变压器(T5)以产生“电流感应”信号。当经由第一电源输入的开关式电源电路的简单电阻器(Rsense)来执行这种功能时，变压器(T5)用于第二电源级。由于第二电源级中的电流太高，所以很难插入电阻器，并且根据安全规则也反对提供所需的与危险一次部分的隔离。当提到的变压器(T5)的一次侧具有较少绕组(一个或两个)但电线粗时，二次侧由于是信号输出而具有较多绕组并且电线细。来自两个电源级中的每个的CS信号通过1K电阻器(R32，R33)组合并被传送到控制器集成电路(IC2)。此处应注意的一点是由于彼此相连接，两个CS信号通过相互加载而将输出电平降低到几乎一半电平。因此，与单独连接的情况相比，两个输出电平中的每个应再加倍。通过驱动器变压器(T4)以这样的方式来驱动第二功率晶体管：保留隔离，以便遵照国际安全规则在一次部分(作为有效部分)和二次部分(包括用户可进入的部分)之间提供所需的电气隔离。可以经由开关(S1)在两个输入电源(5，12)之间切换。开关(S1)只改变接收控制信号的电源输入级。激活将控制信号重新定向到开关(S1)的位置的输入电源，而另一个电源保持无效。也可以经由半导体元件执行这种切换。当电路被用作不间断计算机电源时，向图3示出的电路添加比较和判定电路(4)和继电器开关(S3，S4)，其中所述比较和判定电路通过跟踪电网电压向开关(S1，S3，S4)发送控制信号，所述继电器开关在电池电源输入有效时，将由电网电源输入和切换级(7，C5，Q1)工作在相反方向所产生的高压直流电重新定向到监视器。

如图4所示，由于当本发明的方法应用于膝上型计算机适配器时，不会同时提供电网和电池电源，因此通过将电网(12)和电池(5)电源的电源切换控制信号彼此并联连接，而不是放置位置选择器开关(S1)，可以更便宜和简单地实现本应用。在这种情况下，两个电源切换级将一起切换，但只有接收电源的电源级有效。由于没有任何电源，另一电源级的晶体管(Q1或Q5)即使被切换也不具有任何功能。对于本发明的方法对膝上型计算机适配器的应用，从电池执行冷启动将是必要的。因此，应首先提供控制集成电路的电源(Vcc)，以便使电路在电池连接到电路的时刻开始工作。为了实现这一点，如图4所示，向第二电源输入切换晶体管(Q5)的门极输入添加用于在电池电源到达的时刻产生瞬时单脉冲的简单电路(21)。晶体管(Q5)在这个脉冲期间保持导通，并且电网一次绕组(7)将工作在相反方向并在此期间为电容器(C5)充电。在这个电容器充电之后，如果电网电力接通，则控制集成电路(IC2)将起作用并启动电网“启动”电路(在电路图中未示出)，以便提供第一电源(Vcc)电压。在保证了第一电源的操作之后，电路无论如何都能够产生它自己的电源(Vcc)。

为了使本发明对反激拓扑的应用更简单和更便宜，可以经由近似微分电路(16)传送从添加到电源变压器(T3)的小辅助绕组(15)获取的信号电压来获得公共CS信号，而不用如图4所示为每个电源输入级产生单独的CS信号然后将它们组合起来。如果我们应当用以下公式(只要功率晶体管导通就有效)来说明经由提到的微分电路(16)产生公共CS信号的方法：

V_cs＝I_in×R_sense    (F1)

由于在线圈中V＝L×dI/dt(F2)，I＝1/L×∫V.dt(F3)；

I_in＝1/L_primary∫V_in1.dt(F4)

V_cs＝(R_sense/L_primary)×∫V_in1.dt(F5)

如可以看到的那样，CS信号实际上是电压V_in1的微分与常数(R_sense/L_primary)的乘积。如果在此期间假定V_in1不变，则这是一个梯度为(R_sense×V_in1/L_primary)的斜率函数。因此，从电路(16)的输出所获得的信号将具有与公式(F5)所表示的CS信号相同的值，所述电路(16)对在具有小于N1倍匝数的辅助绕组(15)上接收的电压(代表电网一次绕组(7)上的电压V_in1)进行微分，然后将这个微分与常数N1×(R_sense/L_primary)相乘。应设置绕组的匝数比，以便在第二电源输入级有效的情况下，从辅助绕组(15)获得近似相同的电压。因此辅助绕组(15)和微分电路(16)可以由两个电源输入级共享。代替为微分处理建立复杂的微分电路，图5所示的简单RC电路(18)便可以提供近似微分。由于CS信号的最大值由1V限制并且由于辅助绕组(15)的输出电压V_in1/N1将远大于1V，C13上的电压将展示出在0-1V范围内的几乎固定斜率的特点。由于在功率晶体管关断期间一次电流(I_in)将为0，所以根据第一公式(F1)CS信号应为零。这是经由图5所示的二极管D14和D15组成的电路(17)来实现的。由于在功率晶体管关断期间辅助绕组(15)的输出电压将为负，电容器C13将通过二极管(D14，D15)快速放电并且在整个周期其容量保持在零伏附近。放置电阻器R37以限制二极管上的过电流以及防止辅助绕组在负周期期间过度充电；并且其阻值远小于电阻器R36的阻值。在图6中的电压-时间坐标上示出了微分电路(16)的输入信号(19)和输出信号(20)，忽略在电源切换时刻发生的振荡。

在图4中示出了本发明对使用“反激”拓扑的膝上型计算机适配器的应用的电路图。在适配器盒子中放置了额外的插座用于电池输入。当在汽车中使用适配器时，应当利用一端进入适配器上的插座而另一端进入汽车点火器插座的电缆连接。当使用电网进行操作时，应当安装一端插入适配器上的电网连接器而另一端插入像其他适配器一样的墙上插头的连接电缆。总之，用户不需携带额外的适配器以便没有时间限制地在汽车中使用膝上型计算机；只要用于点火器插座连接的额外电缆就足够了。这种应用的成本也比两个单独的适配器的总价格便宜很多。

在权利要求部分确定本申请的保护范围，并且该范围决不限于仅通过示例所提供的以上描述。显然本领域的技术人员还可以使用类似实施例提供本发明的创新步骤和/或将本实施例应用于在相关技术中所使用的具有类似目的其他领域。因此，这样的实施例会明显缺乏创新步骤的标准，尤其是不足以超出已知的现有技术。

Claims (22)

1.本发明是一种具有多个交流/直流输入的开关式电源，每个不同的电源输入(5，12)不需要单独的开关式电源，以根据从交流电网(12)或电池(5)或不同种类和数量的电源输入的选择而选择性地转换成公共输出电压，其特征在于，所述开关式电源包括：

至少一个绕组(6)，其添加到在电源中使用的变压器(T3)而不改变现有绕组；以及

至少一个附加电源切换晶体管(Q5，Q6)，用于为每个电池(5)或不同种类和数量的输入电源电压切换所述绕组，并且将来自控制集成电路(IC1)的控制信号导向输入电源切换晶体管(Q1，Q2，Q5，Q6)。

2.根据权利要求1所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源包括：

至少一个信号切换电路，当经由附加输入电压提供电源时，所述至少一个信号切换电路将来自第一电源切换晶体管的控制信号重新定向到所述附加电源切换晶体管。

3.根据权利要求1所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源包括：

反向缓冲电路(A1，A2)，其一端连接到开关(S1)和(S2)，另一端连接到所述电源切换晶体管的门极引脚，并将信号反向及降低输出阻抗。

4.根据权利要求1所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于：

不间断计算机电源(UCPS)，其当断电时或者当电压不在下限和上限之间时使电池(5)在线并且给计算机及其监视器供电，并且通过在计算机机箱中使用而不是使用常规计算机电源，所述不间断计算机电源既用作计算机电源又用作不间断电源(UPS)，而且所述不间断计算机电源的电池和电路装配在适合所述计算机机箱的电源室的金属盒中，或者所述不间断计算机电源的电池在所述计算机机箱里面或外面从外部连接，并通过以受控方式使用输出电压之一来对其电池充电。

5.根据权利要求4所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于：电池输入的附加绕组(6)具有比第一输入电压(7)的绕组较少的匝数但是较粗的电线。

6.根据权利要求1和4所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源包括：

至少一个控制电路(4)，当电网电力(12)被中断或者电压超出认为有危险的规定的上限和下限时，所述至少一个控制电路自动使所述电网电力(12)输入无效，并且激活第二电源输入亦即电池(5)输入，而且保证以这种方式为计算机供电的输出电压(+12V，+15V，+3.3V，-5V，-12V)的连续性。

7.根据权利要求1和6所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源包括：

以以下方式来保持第二电源绕组(6)的匝数为低，所述方式为即使在用于第一输入电压的比较器电路(4)所允许的最高限制的电压处，所述第二电源绕组(6)的峰值输出也不超过电池电压。

8.根据权利要求1和4所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于：借助于当电池有效时对为第二输入添加的附加绕组(6)进行供电，在所有其他的绕组处产生与匝数成比例的可选输出电压，并因此也在第一电源进入的一次绕组(7)处产生可选电压，并且在所述一次绕组处产生的电压经由二极管(D1)和(D2)进行整流，经由电容器(C5)和(C6)进行调节以及经由线圈(T3)进行滤波，换言之，电网输入进入的电源级工作在相反方向，从而在不需要任何附加电路的情况下通过开关(S3)和(S4)为监视器供电。

9.根据权利要求1、4和7所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于：如果使用没有阴极射线管(CRT)的监视器，则可以在不需要重新定向开关(S3)和(S4)的情况下，直接从二极管(D22)和(D24)的阴极以及二极管(D21)和(D23)的阳极提供监视器电源。

10.根据前述权利要求任一项所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源包括：

至少一个控制单元，所述控制单元不断地监视电池电压，并且当电压由于放电而下降到预定阈值电平以下时，通过将经由一对电线并联连接到计算机电源按钮的输出线(23)短路固定时间，并从而通过启动操作系统的休眠功能，在将主存储器中的全部数据保存到其硬盘之后安全地关闭计算机。

11.一种涉及在不使用反激拓扑的开关式电源中在不添加第二开关式电源电路的情况下添加电池(5)或不同种类和数量的输入作为第二电源输入的方法，其特征在于，通过作为推挽、全桥或半桥技术中任一技术连接用于切换绕组的电源切换晶体管(Q5，Q6)，并且通过将来自控制集成电路(IC1)的控制信号导入到输入电源切换晶体管(Q1，Q2，Q5，Q6)，向用于每个输入的公共电源变压器(T3)添加适合于输入电压的单独绕组(6)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：当期望由附加电压供电时，将来自第一电源切换晶体管(Q1，Q2)的控制信号经由重新定向开关(S1，S2)重新定向到附加电源切换晶体管(Q5，Q6)。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制信号在不需要任何重新定向开关(S1，S2)的情况下以以下方式并联连接到晶体管(Q1，Q2，Q5，Q6)：所有的电源输入绕组(6，7)将会一起工作并且处在相同的相位中，由所连接的绕组的匝数来分配输入电压(5，12)的值的、输入电压最大的输入电源级将会有效，而其他的输入电压级不消耗来自输入电源的任何功率。

14.一种涉及在使用反激拓扑的开关式电源中在不添加第二开关式电源电路的情况下添加电池(5)或不同种类和数量的输入作为第二电源输入的方法，其特征在于：向用于每个输入的公共电源变压器(T3)添加适合于输入电压的单独绕组(6)，根据反激拓扑将用于切换的电源切换晶体管(Q5)连接到所述绕组(6)，添加连接到所述电源切换晶体管(Q5)的源极引脚的隔离变压器(T5)以产生控制集成电路(IC2)所需要的电流感应(CS)信号，以及将来自所述控制集成电路(IC2)的控制信号导入到输入电源切换晶体管(Q1，Q5)。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：将来自所述控制集成电路(IC2)的控制信号经由至少一个重定向开关重新定向到所选择的电源切换晶体管(Q1或Q5)。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述变压器(T5)的一次侧有较少绕组(一个或两个)但是电线粗，二次侧由于是信号输出而具有较多绕组但是电线细。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，由至少一个驱动器变压器(T4)以以下方式驱动所述功率晶体管(Q5)：保留隔离，以便在一次部分和二次部分之间提供所需要的电气隔离，其中所述一次部分为带电部分，所述二次部分包括用户可以进入的部分。

18.一种涉及在使用反激拓扑的开关式电源中尤其在膝上型计算机适配器中在不添加第二开关式电源电路的情况下添加电池或不同种类和数量的输入作为第二电源输入的方法，其特征在于：借助于电路(16)为全部输入共同获得控制集成电路(IC2)所需要的电流感应信号(CS)，所述电路(16)在从辅助绕组(15)获取的电压的正周期内进行微分并且在负周期内使输出为零，其中所述辅助绕组(15)缠绕到主电源变压器(T3)并与输出绕组相比处在相反的方向上。

19.根据权利要求14和权利要求18所述的方法，其特征在于：将电网和电池电源的电源切换控制信号彼此并联连接，并且两个电源切换级一起切换，但是只有接收到电源的电源级有效。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：在电池(5)连接到电路从而使电源电路能够开始工作的第一时刻，通过产生瞬时单脉冲到第二功率晶体管(Q5)的门极输入的简单电路(21)，提供应当供给所述控制集成电路(IC2)的电源(Vcc)。

21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：简单的RC电路(18)提供近似微分，而不是为微分处理建立复杂的微分电路。

22.根据前述任一权利要求所述的具有多个交流/直流输入的开关式电源，其特征在于：通过将电池输入连接器加上电网输入放在适配器盒子上，两电源输入膝上型计算机适配器在使用单个适配器的情况下，需要时可通过将点火器电缆插入所述电池输入连接器而从汽车电池工作，或者需要时可通过将电网电缆插入到所述电网输入而从电网工作。

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