CN101976961A

CN101976961A - 用于降低电子装置中的无负载功率的技术

Info

Publication number: CN101976961A
Application number: CN2010101713281A
Authority: CN
Inventors: 拉尔夫·S·G·伯格杰; 莱因霍尔德·舒尔茨; 弗洛里安·谢弗
Original assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Current assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: US8853884B2; US20100201208A1; CN101976961B

Abstract

提供了用于降低功率装置(诸如电子装置的充电器和电子装置的功率转换器)的无负载(待机)功率的系统和方法(“应用”)。所述应用可以包括可控开关，其操作以在一定的无负载条件下将功率装置的电路与电源解除耦合。在一个实施例中，所述应用提供开关控制模块，其操作以感测什么时候电子装置与功率装置耦合，并且响应该感测，控制开关以将功率装置与电源耦合。开关控制模块还可操作以检测电子装置不再从功率装置汲取功率的条件，并且响应该检测，控制所述开关以将该功率装置与该电源解除耦合。

Description

用于降低电子装置中的无负载功率的技术

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月9日提交的发明名称为“TECHNIQUES FORREDUCING NO LOAD POWER IN ELECTRONIC DEVICES”的美国临时申请No.61/151,003的优先权，在此引入其阐述的全部内容作为参考。

背景技术

可再充电电子装置例如移动电话、PDA或笔记本电脑，近来的普及化显著地增加了。即使当被“关闭”时，许多这些设备还继续消耗功率(这称为“待机功率”或“无负载功率”)，以运行诸如时钟、定时器、触摸垫或(例如自远程控制)接收信号之类的特征。诸如移动电话充电器之类的电池充电器和外部电源(例如笔记本电脑的电源)当他们插入电源插座时会汲取功率，即使所连接的装置被充满电或者甚至未连接时。

尽管大多数这些装置的待机功耗相对较小，但是汲取待机功率的装置的数量非常大并且增长迅速。例如，如今的待机功率可能占典型家庭中使用的所有电功率的百分之十以上。因此，出于环境和经济的考虑，期望显著地降低电子设备和充电器的待机功率。

依着此背景，已经开发了用于降低于此描述的电子装置中的无负载(或待机)功率的技术。

发明内容

这些技术包括操作以向电子装置提供功率的功率装置，该功率装置包括：操作以接收来自电源的输入功率和将输出功率提供到电子装置的功率转换器；设置在该功率转换器和该电源之间的开关；以及操作以选择性地耦合该功率转换器至该电源的开关控制模块。

开关控制模块可操作以检测来自功率装置的用户的触摸，并且响应该检测，将该功率转换器耦合到该电源。开关控制模块可操作以检测无负载条件，并且响应该检测，将该功率转换器与该电源解除耦合。

该技术还包括用于降低功率装置的无负载功耗的方法，该功率装置操作以接收来自电源的功率以及提供功率到电子装置。该方法包括：操作功率装置的电路以自动地检测无负载条件；以及响应该操作，自动地将该功率转换器与该电源解除耦合。

该技术还包括操作以提供功率给电子装置的功率装置，该功率装置包括：整流器，将自AC电源接收的AC输入功率转换成整流功率；功率转换器，将整流功率转换成可提供给电子装置的DC输出功率；开关，位于整流器和功率转换器之间，以在该开关闭合时选择性地将整流功率耦合到功率转换器和在该开关断开时实质上将整流功率与功率转换器解除耦合；以及耦合到开关的开关控制器，其基于无负载条件而控制开关的断开或闭合状态。

无负载条件可在功率转换器内被感测。通过监测流过功率转换器内的变压器中线圈的电流，可以感测功率转换器内的无负载条件。功率装置可进一步包括耦合到线圈的缓冲电路(snubber circuit)。用在功率转换器中的线圈可以是初级线圈。功率装置可进一步包括从电子装置接收的指示，以初始闭合开关和将整流功率耦合至功率转换器。通过监测流过耦合在功率装置和电子装置之间的电容器的电流，可感测无负载条件。电子装置中可以包括控制电容器运送流过那里的电流的能力的开关。

该技术还包括操作以提供功率给电子装置的功率装置，该功率装置包括：整流器，将从AC电源接收的AC输入功率转换成整流功率；功率转换器，将整流功率转换成可提供给电子装置的DC输出功率；位于整流器和功率转换器之间的开关，以在该开关闭合时选择性地将整流功率耦合到功率转换器和在该开关断开时实质上将整流功率与功率转换器解除耦合，该开关具有一输入；以及连接到该开关的输入的电路，以在通过该电路的电流充足时将开关保持在闭合位置和在通过该电路的电流不充足时断开该开关。

所述电路可以包括功率转换器内的变压器中的线圈。该功率装置可进一步包括耦合到该线圈的缓冲电路。用在功率转换器中的该线圈可以是初级线圈。功率装置可进一步包括从电子装置接收的指示，以初始闭合开关和将整流功率耦合至功率转换器。所述电路包括耦合在功率装置和电子装置之间电容器。电子装置中包括控制电容器运送流过那里的电流的能力的开关。

附图说明

图1图示了示例性移动电话充电器，其包括用于提供降低的无负载功耗的部件。

图2图示了包括用于提供降低的无负载功耗的部件的示例性功率转换器(诸如电话充电器)的框图。

图3-图11图示了包括用于提供降低的无负载功耗的部件的示例性功率转换器的各种实施例的电路示意图。

具体实施方式

虽然本发明允许各种各样的修正和可替换的形式，但是其特定实施例通过附图中示例的方式示出并且于此详细表述。然而，应该理解的是，其并非意指发明限于公开的特定形式，而是相反地，本发明涵盖所有落入如权利要求所定义的本发明范围和精神之内的改进、等价物和替换物。

本发明的实施例将重点放在降低诸如电话充电器、笔记本电源等之类的电子装置的无负载功耗上。于此表述的技术操作以自动降低电子装置的无负载功耗。就是说，用户无需有意地拨动开关或从AC电源中拔出装置，以提供降低了功耗的特性。进一步，于此表述的用于提供降低了无负载功耗的技术利用来自AC电源的功率，因而不需要额外的电源。

图1图示了包括用于降低无负载功耗的部件的移动电话充电器10。电话充电器10可包括通过电绳11耦合到外壳13的连接器12。连接器12可配置成选择性地可耦合(即“插入”)到移动电话14。进一步，充电器10的外壳13可包括插脚(prong)15，其可使充电器10插入到AC电源插座16。

在操作中，移动电话充电器10接收来自AC电源插座16的AC输入功率以及调节所述功率为适用于对移动电话14的电池充电的形式。如可预期的，充电器10的外壳13可包括各种各样的电子部件(例如，整流器、转换器、滤波器等等)以执行想要的功能。在移动电话14的电池充满电后，并且甚至在充电器10保持连接到AC电源插座16时移动电话14从连接器12拔出之后，这些电子部件可能往往会消耗功率。

图2图示了功率装置100(例如，移动电话充电器或笔记本电脑功率转换器)的框图，功率装置100耦合至电子装置102(例如，移动电话或笔记本电脑)以及AC电源104。功率装置100可包括整流器106，整流器106可操作以将AC输入功率转换成整流AC功率。进一步，功率装置100可包括功率转换器114(例如，DC-DC转换器)，功率转换器114可操作以将整流AC电压转换成适合耦合到电子装置102的DC电压电平。

如所示，功率装置100可包括与AC电源104和功率转换器114之间的电路串联的开关108。作为示例，开关108可包括场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。如可预期地，当开关108断开时，由于开路条件，功率转换器114将从AC输入源104汲取非常少的功率。相反地，当开关108闭合时，功率转换器114将会耦合到AC电源104，因此功率转换器114可正常操作。

功率装置100可以还包括开关控制模块110，其可操作以控制开关108的断开和闭合。如示，开关控制模块110可通过节点112电耦合到整流输入功率，因此无需额外电源并且不从电子装置102汲取功率。进一步，开关控制模块110可耦合到功率转换器114和/或电子装置102(例如，通过连接器，诸如图1所示的连接器12)。

当期望将功率转换器114与AC电源104解除耦合时，在一定的无负载条件下，开关控制模块110可操作以断开开关108。例如，这些条件可以包括当电子装置102的电池充满电时，或者当电子装置102从功率装置100拔出并且功率装置100保持耦合到AC电源104时。开关控制模块110可使用任何适合的方法检测这些条件。例如，开关控制模块110可操作以感测流自AC电源104的电流低于一定的阈值，其可以指示电子装置102不再连接到功率装置100或电子装置102的电池已充满电。作为另一个示例，开关控制模块110可接收信号(例如，自功率转换器114和/或电子装置102)，该信号指示因为电子装置102“无负载”所以开关108应该断开。如又一示例，开关控制模块110可操作以感测用户的触摸，并且响应该触摸，闭合开关108，因此功率装置100可向电子装置102提供功率。

图3-图11图示了多个示例性技术，这些技术可被实现以提供给电子装置(诸如移动电话充电器、笔记本电脑功率转换器等等)降低了的无负载(或待机)功耗。在图3-11的每个图中，相同的部件用相同的参考数字标识。进一步，在多个实施例中示出的部件或部件组以与图示了的第一图相关地进行表述。另外，可以任何适合的组合实行各种各样的部件或部件组以达到期望的功能。

图3图示了用于降低DC-DC转换器125的无负载功耗的电路的一个实施例，该DC-DC转换器125可以是电源或充电器(例如，图1中示出的电话充电器10)的一部分。如示，DC-DC转换器125的输出可以是DC电压(Vdc输出)，其可被选择性地耦合到电子装置，诸如图1中示出的移动电话14。进一步，DC-DC转换器125通过整流器106耦合到AC输入电源120，例如图1中所示的AC电源插座16。全波电桥整流器106(也在图2中示出)包括二极管D1、D2、D3和D4。为了平滑整流后的AC电压，可以提供存储电容器C1与DC-DC转换器125的输入端并联。额外地，可以提供电阻器R1，其在存在异常电压或来自AC电源120的电流浪涌的情况下限制流经电路的电流。

为了提供降低电路的无负载功耗的性能，将开关U1(例如，FET、IGBT等等)串联放置在DC-DC转换器125和AC电源120之间。如所期望地，当开关U1闭合时，AC电源120和DC-DC转换器125之间的电路闭合，从而可以正常操作DC-DC转换器120。相反地，当开关U1断开时，电路实质上开路并且自AC电源120汲取的输入电流降低到最小级(例如，电桥整流器106和开关U1的漏电流)。

通过耦合到开关U1栅极的“施密特触发器”电路107来控制开关U1。施密特触发器107包括晶体管Q1和Q2、电容器C2和C5以及晶体管R3、R4、R5、R6、R7和R8。然而，应该意识到，施密特触发器107能够以任何数量的方式来实现，其中一些方式可以包括多个晶体管、比较器电路和/或集成电路。通常，当C2处的电压大于高触发电平时施密特触发器107操作以闭合开关U1，当C2处的电压低于低触发电平时施密特触发器操作以断开开关U1。就是说，通常施密特触发器107操作为具有滞后现象(hysteresis)的比较器。

为了控制开关U1的断开和闭合，提供另一开关S1。当开关S1闭合时，自电容器C3流出电流，通过整流二极管D5，以增加C2处的电压电平至施密特触发器107闭合开关U1处的点，从而通过整流器106将DC-DC转换器125耦合到AC输入电压源125。为了提供这个功能，电容器C3通过齐纳二极管D6耦合到电桥整流器106。进一步，为了保证当开关U1断开时电流可流经电容器C3，可以提供高阻抗电阻器R9与开关U1并联。一旦无负载条件出现，S1切断，因此在C3中没有电流。因此，由于在无负载条件(S1断开)下C2通过R3、R8和R6不断地放电，从而C2将不保持带电。这保证了C2处电压下降。S1可以或者被负载控制(例如，负载“告诉”电源其应该进入无负载模式)或者S1被植入辅助连接器中从而当负载不连接时开关切断。

为了使得开关S1的操作对于用户来说是明显地，当用户接触电路的一部分时，流过用户的非常小的电流可触发开关S1。例如，在图1所示的移动电话充电器10中，当用户取得与连接器12的接触时(这可以发生在用户将移动电话14插入连接器12时)，可以闭合开关S1。在这一点上，用户的动作操作以闭合开关S1，而用户无需故意设法闭合开关S1。如可意识到的，可使用其它类型的“接触”切换方法来操作开关S1。例如，可使用适当的电路利用用户的电容来闭合开关S1。

如另一示例，移动电话14可包括电子或机械机构，其被配置以当例如连接器12耦合到移动电话14时闭合开关S1。例如，移动电话14或者连接器12可包括机械开关，其用于当移动电话14耦合到连接器12时开关S1自动闭合。如可意识到的，当需要DC-DC转换器125耦合到AC电源120时，可以使用其它技术来闭合开关S1。进一步，可将开关S1配置成保持闭合(例如，在用户停止接触连接器12之后)，因此DC-DC转换器125仍旧耦合到AC电源120，直到功率装置(例如，图1中所示的移动电话充电器10)从AC电源120拔出，或者直到电子装置(例如移动电话14)从功率装置拔出。

图4图示了与图3中所示相似的电路，并且因此仅描述图3和图4所示的电路的不同之处。图4中的电路被配置成：当负载(例如图1中所示的移动电话14)汲取的电流下降在预定水平以下时，将DC-DC转换器125与AC电源120自动解除耦合(即，接通开关U1)。通过经由电容器C6将电容器C3耦合到DC-DC转换器125中的变压器的线圈L1(例如初级线圈)，来获得这个特点。

在操作中，以与图3中所示的电路相同的方式，初始闭合开关U1。就是说，当开关S1已经闭合后，自电容器C3的电流流动时开关U1闭合。如上面记载的，借助于当电子装置耦合到功率装置时提供一个或多个用户触摸的管理界面，或者借助于另外的适合的方法，电子装置(例如移动电话)耦合到功率装置，开关S1可以闭合。

在这个实施例中，DC-DC转换器125的操作特性是用于控制开关U1的操作。DC-DC转换器125包括线圈L1，其用于将能量从DC-DC转换器125输入转移到输出。以通常的方式，耦合到L1的开关S2的转换频率和占空比控制DC-DC转换器125输入到输出的能量转移。在这点上，当通过负载汲取的电流高时，开关S2的切换频率也高。相反地，当通过负载汲取的电流低时(例如，当电子装置的电池充满电或者当电子装置不与功率装置连接时)，开关S2的切换频率低。

DC-DC转换器125的上述特征被用来控制开关U1，并且因此当DC-DC转换器125耦合到AC电源120上时被用来控制开关U1。当通过负载汲取的电流相对大时，开关S2的切换频率和占空比足够大以提供自线圈L1通过C6的足够的电流以保持开关U1闭合。相反地，当负载电流低时，通过C6的电流相对小，其产生开关U1断开的效果。如可意识到的，通过认识无负载条件，图4中所示的电路减小功率装置的无负载功耗，并且作为响应，将DC-DC转换器125与AC电源120解除耦合。如所见的，当S1断开并且输出功率(通过看流过C6的电流，检测L1中功率)下降到特定水平下时，检测无负载条件。S1的一个操作是可以将C3连接到辅助连接器的表面。然后，用户会通过其身体闭合到地的连接(S1代替用户)。这样，用户甚至意识不到他已经激活了开关。该情况下，C3可以是非常小的，通过用户的电流非常小以至于意识不到。

图5图示了用于在功率装置中降低无负载功耗的另一实施例。在这个实施例中，全波电桥整流器106被由二极管D10实现的半波整流器代替。进一步，开关S1耦合在电容器C4和电容器C3之间，而不是在地和电容器C3之间。以这样的配置，利用来自AC输入电源120的电压同步接通和关断开关U1。如所示，电路包括二极管D11和高阻抗电阻器R2，该二极管D11用于限制开关U1的栅极处的电压，该高阻抗电阻器R2可操作以耗尽开关U1的栅极处的电流，从而在电路与AC电源120断连时关断U1。如果S1接通使得电路(Vac输入-R1-C4-S1-C3-U1-Vac输入)断路，那么如果电路与AC电源断连，则对于U1来说是一样的。这样，当S1断开时，R2关断U1。在无负载条件中，S1关断。因此在C3、C4和R2中无电流。因此R2处无电压。R2与U1的控制输入(G-S)并联。如果在U1的G-S处无电压，那么U1截止。

图6图示了用于在功率装置中降低无负载功耗的另一实施例。在这个实施例中，代替将电容器C3耦合到地，开关S1耦合在电容器C3和DC-DC转换器125的输出的负端子之间，该DC-DC转换器125的输出的负端子依次通过电容器C4耦合到AC电源120的负端子。如可意识到的，除了在图6中所示的电路中不需要接地之外，图6中所示的电路与图3中所示的电路操作一样。因此，在缺乏通过C3的电流的情况下感测无负载条件。

图7图示了用于在功率装置中降低无负载功耗的另一实施例。除了电容器C4直接耦合在开关S1和AC电源120的负端子之间，而不是耦接到DC-DC转换器125的输出端，这个实施例实质上与图6中所示的实施例相似。因此，同样在这种情况下，在缺乏通过C3的电流的情况下，感测无负载条件。

图8图示了用于在功率装置中降低无负载功耗的另一实施例。所示实施例实质上是图4中所示的电路与图7中所示的电路的结合。也就是说，通过再次感测通过C3的充足电流的缺乏，开关S1通过电容器C4耦合到AC电源120，并且在无负载条件下利用开关S2的切换频率和占空比关断开关U1。

图9图示了用于在功率装置中降低无负载功耗的另一实施例。在这个实施例中，提供缓冲电路109，其包括耦合到DC-DC转换器125的变压器L1的电容器C10、电阻器R11、R12和R13以及二极管D13。缓冲电路109从线圈L1汲取能量，并且通过二极管D12提供用于保持开关U1接通的DC电压，从而将DC-DC转换器125耦合到AC电源120。因此，此处通过感测/监控初级线圈L1中的能量何时下降到某一水平以下来检测无负载条件。

图10图示了用于在功率装置中降低无负载功耗的另一实施例。在这个实施例中，使用自电容器C3通过二极管D14的电流对开关U1的栅极充电。进一步，当电容器C3中有很少电流或者是无电流时(例如，由于功率装置从AC电源120拔出)，由于通过高阻抗电阻器R2的电流造成的电压降，开关U1截止(turn off)。因此，在不存在通过C3到地(电流)的路径的情况下，感测无负载条件。

图11图示了用于在功率装置中降低无负载功耗的另一实施例。除了替代了缓冲电路109，这个实施例与图9中所示的实施例相似，一旦通过闭合开关S1而初始闭合开关U1，就使用来自DC-DC转换器125的变压器的辅助线圈L2的电压来保持开关U1导通。因此，在不存在U1的栅极与电容器C3和C4两端的Vac之间的路径(或换句话说，C3中有电流)的情况下，感测无负载条件。

虽然在附图和前面描述中详细地图示和描述了发明，但是这样的图示和描述仅认为是示例性的并不对特征进行限制。例如，在上文中描述的特定实施例可以与其它描述的实施例结合和/或以其它方式安排(例如，可以按其它顺序执行处理元件)。因此，可以理解的是，虽仅仅示出和描述了优选实施例和其变型，但所有在发明精神范围之内的变化和变型希望得到保护。

Claims

1.一种操作以提供功率给电子装置的功率装置，该功率装置包括：

功率转换器，其操作以接收自电源的输入功率以及提供输出功率给该电子装置；

开关，其设置在该功率转换器和该电源之间；以及

开关控制模块，其操作以选择性地耦合该功率转换器到该电源。

2.根据权利要求1的功率装置，其中所述开关控制模块操作以检测自该功率装置的用户的触摸，并且响应该检测，将该功率转换器和该电源耦合。

3.根据权利要求1的功率装置，其中所述开关控制模块操作以检测无负载条件，并且响应该检测，将该功率转换器和该电源解除耦合。

4.一种用于降低功率装置的无负载功耗的方法，该功率装置操作以接收自电源的功率以及将功率提供给电子装置，该方法包括：

操作功率装置的电路以自动检测无负载条件；和

响应该操作，自动将该功率转换器与该电源解除耦合。

5.一种操作以提供功率给电子装置的功率装置，该功率装置包括：

整流器，其将接收自AC电源的AC输入功率转换成整流功率；

功率转换器，其将整流功率转换成可提供给电子装置的DC输出功率；

开关，其位于整流器和功率转换器之间，以在该开关闭合时将整流功率选择性地耦合到功率转换器和在该开关断开时将整流功率与功率转换器实质上解除耦合；以及

开关控制器，其耦合到开关以基于无负载条件控制开关的断开或闭合状态。

6.根据权利要求5的功率装置，其中所述无负载条件在该功率转换器内被感测。

7.根据权利要求6的功率装置，其中所述无负载条件是在该功率转换器内通过监控流过该功率转换器内的变压器中的线圈的电流被感测的。

8.根据权利要求7的功率装置，进一步包括耦合到该线圈的缓冲电路。

9.根据权利要求7的功率装置，其中在该功率转换器中使用的线圈是初级线圈。

10.根据权利要求5的功率装置，进一步包括从该电子装置接收的指示以初始闭合该开关并且耦合该整流功率至该功率转换器。

11.根据权利要求5的功率装置，其中该无负载条件是通过监控流经耦合在该功率装置和该电子装置之间的电容器的电流而感测的。

12.根据权利要求11的功率装置，其中该电子装置中包括开关，该开关控制电容器运送流过其中的电流的能力。

13.一种操作以提供功率给电子装置的功率装置，该功率装置包括：

整流器，其将接收自AC电源的AC输入功率转换成整流功率；

开关，其位于整流器和功率转换器之间，以在该开关闭合时将整流功率选择性地耦合到功率转换器和在该开关断开时将整流功率与功率转换器实质上解除耦合，该开关具有输入；以及

连接到开关的输入的电路，以在通过该电路的电流充足时保持开关在闭合位置和在通过该电路的电流不充足时断开该开关。

14.根据权利要求13的功率装置，其中该电路包括在该功率转换器内的变压器中的线圈。

15.根据权利要求14的功率装置，进一步包括耦合到该线圈的缓冲电路。

16.根据权利要求14的功率装置，其中在该功率转换器中使用的线圈是初级线圈。

17.根据权利要求13的功率装置，进一步包括从该电子装置接收的指示以初始闭合该开关并且耦合该整流功率至该功率转换器。

18.根据权利要求13的功率装置，其中电路包括耦合在该功率装置和该电子装置之间的电容器。

19.根据权利要求18的功率装置，其中该电子装置中包括开关，该开关控制电容器运送流过其中的电流的能力。