CN102265492A - 具有扩展保持时间的开关电能转换器 - Google Patents

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Abstract

具有PFC级的电源模块具有用于当ac供电(2)停止之后的一段时间上继续输出功率的保持电容器(34)。由从第一线圈(24)磁驱动的线圈(40)对保持电容器充电；第一线圈(24)可以是用于升压转换器级的线圈，比如通常用于PFC级，或者替换地，在比如反激式转换器等备选级中的线圈。

Description

具有扩展保持时间的开关电能转换器
本发明涉及一种电源，尤其一种具有扩展保持的开关电源，以及一种操作该电源的方法。
图1示意性示出了一种开关电源。交流输入源2通过涌入电阻器4连接到产生整流电压的整流器6。整流电压进而被提供给功率因子校正(PFC)级8，该功率因子校正典型地是8是升压转换器。升压转换器8的输出典型地是比整流器6提供的峰值输入电压高的电压。通过提供一个或者多个dc输出电压的dc-dc开关模块10，将升压转换器8的输出转换成需要的输出电压。
在PFC级8的输出上提供具有多种功能的电容器12。电容器12的第一个功能是减少PFC级8输出上的纹波电压，该纹波电压是由整流器6上的ac输入电能引起的，该ac输入电能在PFC级的输出上产生100Hz纹波。电容器12用作将纹波电压平滑掉的平滑电容器。
当然，纹波电压是由纹波电流生成的，所以平滑电容器12需要足够大以传导该纹波电流。因此，承载纹波电流的需求也带来对电容器12的最低要求。而且，电容器12通常被实现为产生特定电容的电解电容器，在这样的电解电容器中，可允许的纹波电流是频率的函数。PFC级8和开关模块10两者均使用高频开关，这造成对电容器的较大应力，要求电容器12的最小电容。
在确定电容器12的所需大小时通常最重要的第三个因素是需要电容器12处理系统的保持需求。为了保证开关模块10的正确操作，甚至在输入ac线电压的完全失去之后，也需要在较短时段上将电容器12上的PFC级8的输出电压保持在最小值之上。为了实现较长的保持时间，需要大的电容器12。
然而，大电容器12的使用会带来几个问题。首先，在电路板面积和体积两方面，电容器的尺寸较大可能都不方便。第二，电解电容器的使用经常导致有限的使用寿命，尤其因为电容器受到来自纹波和开关电流的应力。第三，当开启设备和对电容器12充电时，电容器12的较大值会给它带来较高的涌入电流。电容12器需要能够处理涌入电流，该涌入电流也会对其它部件造成应力。虽然该涌入电流能够被涌入电阻器4减少，但是甚至在正常操作中这种电阻器也会使电压下降和引起损失。
因此在开关电源中减小所需电容是有益的。
在EP 0945 968已提出了一种使用两个电容器的电路。在这种情况下，经过限制电阻器从输出电容器对保持电容器充电。
根据本发明，提供了根据权利要求1的电路：
通过在磁部件上缠绕附加的线圈来给保持电容器充电，可以优化地利用电容器的能量存储。线圈的使用允许对第一线圈和第二线圈的匝数比进行选择，以在保持电容器上产生最优电压。可以基于最大能量存储、或给定价格的最大能量存储、和/或基于当ac功能停止时在“保持”阶段期间用于驱动电路的最佳电压，来相应地选择保持电容器。
保持电容器没有至干线的直接路径。因此不会通过涌入电流脉冲对保持电容器充电。次级涌入也能够被有效减少。
由于对充电电压的最优和适应性选择，可以将保持电容器34制造得较小。特别地，可以将保持电容器的充电电压限制在输出电容器处的电压以下。
由于保持电容器34不是永久使用的，所以可以使用更便宜和更小电容，而不会不利地影响转换器的可靠性。
为了更好地理解本发明，现在参照附图，仅示例性地描述实施例，附图中：
图1示出了现有技术的开关电源模块；
图2示出了本发明的第一实施例；
图3示出了本发明的第二实施例；
图4示出了本发明的第三实施例；
图5示出了本发明的第四实施例；以及
图6示出了本发明的第五实施例。
附图是示意性的，而未按照比例。
参见图2，本发明的示例实施例具有升压转换器形式的改进的PFC级。
输入ac源2连接到全波整流器6，该整流器6输出整流dc信号到高侧和低侧dc线20，22。高侧dc线20通过升压绕组(即，升压线圈24)和开关26，连接到低侧dc线22。二极管28将升压线圈24连接到高侧输出端子30；低侧输出端子32连接到低侧dc线22。输出电容器12设置在输出端子30，32上。
这些部件形成了相对常规的用作PFC级的升压转换器，通过在控制器(未示出)的控制下对开关26进行开关来增大在输出端子30，32上的输出电压。输出端子30，32上的输出电压将称为Uout。
为了在ac输入停止时提供附加的保持，即，持续的电能，在低侧dc线22和通过保持开关38连接到高侧dc线20的保持节点36之间提供保持电容器34。当发生电力故障时，闭合保持开关38，以连接高侧和低侧dc线20，22上的保持电容器34，来提供附加的操作时间。
为了给保持电容器充电，通过充电电流限制电阻器42和二极管44，在电容器34上连接保持线圈40。保持线圈40通过作为与升压线圈24的相同芯上的附加线圈，来磁连接至升压线圈24。
升压线圈24(原级)具有Np个匝，以及保持线圈40(次级)具有Ns个匝。比率(Ns/Np)称为匝数比。在多个线路周期之后，在保持电容器34上达到电压Uc＝(Ns/Np)Uout。
如果输入电压降低，则闭合保持开关38，并使用保持电容器34上的存储能量来保持电路的升压操作。
上述电路提供了优于图1电路的许多优点。首先，通过保持电容器34辅助输出电容器12执行其保持任务，所以输出电容12只需要足够大来适当地减小由波动的输入电压纹波引起的输出电压上的纹波。通常地，这允许相比于图1布置，小得多的输出电容器12。这甚至可以允许输出电容器是薄膜电容器，来代替电解电容器——这种薄膜电容器具有较长的使用寿命以及不受纹波电流影响。而且，使用较小的输出电容器12会带来较低的涌入电流，所以可以避免使用涌入电流限制器4(图1)，然而如果需要，这种限制器当然也可以被使用。
由于从在同一芯的次级线圈给保持电容器34充电，所以可以简单地通过选择合适的匝数比，来任意选择保持电容器能够被充电至的电压。这就允许针对给定价格下最佳存储能量，来最优地选择保持电容器。而且，可以使用具有较高等效串联电阻(ESP)的低成本电容器。
比较上述电路与EP 945 968中提出的电路，关键不同在于保持电容器是通过线圈充电的，而不是通过与输出电压串联的电阻器。这允许最优地选择电容器上的电压。相反，在EP 945 968中，保持电容器连接到输出端子，所以它仅能被充电到与输出相同的电压。而且，注意到在EP 945 968中保持电容器在输入电力故障的情况下也被连接到整流器的输出，所以在正在由保持电容器提供电能的情况下，升压转换器输入处的电压与输出电压相同。
在EP 945 968中提出的电路的另一缺点在于，在正常操作期间，保持电容器被连接到输出端子，持续地通过电阻器充电并通过二级管放电。这会导致电阻器和二极管中的持续损失以及较低效率。
图3示出了备选布置。在这种情况下，保持开关38是在保持电容器34的低侧和低侧dc线22之间连接的低侧开关。保持电容器34的高侧被直接连接到高侧输出端子20。这样，在失去输入ac电能的情况下通过闭合低侧开关，内部充电电路在效果上成为浮置的并仅连接到地。可以使用输入电压Vin或者电容器C12上的电压来进行这种检测。
图2和图3的实施例均包括充电电流限制电阻器42。图4示出了备选布置，其中在保持电容器34和高侧dc线20之间提供充电电流限制电阻器46。旁路二极管48用于当保持电容器34正保持dc线20，22上的电压时，在保持操作时段期间旁路限制电阻器46。
现在说明该限制电阻器46的功能。鉴于输出电容器12的大小比图1实施例中的小，这意味着鉴于较低输入涌入电流，在正常操作期间可以不需要限制电阻器4(图1)。
然而，在保持开关38已经被闭合之后ac线电能返回的情况下，由保持电容器34和输出电容器12形成的大得多的电容在这种情况下将引起大的次级涌入电流。为了限制该涌入电流，尤其是对于保持电容器34而言，在线20和线圈保持电容器34之间提供充电电流限制电阻器46。
图5示出了另一实施例，对图2布置进行了修改，其中使用另一方法来对抗次级涌入电流。在这个实施例中，使用闸流管实现保持开关38。这具有的优点在于，闸流管仅在预定方向导通，所以从保持电容器34到dc线20，22的能量流动是可能的，但当ac电能恢复时对保持电容器直接充电是不可能的。
图5也示出了另一修改，其也可以结合到图2到4的实施例中。在图5的实施例中，在保持电容器34和保持线圈40的回路中提供附加开关50。
该附加开关能够被控制来最优化保持电容器的电压和充电。特别地，附加开关50允许将保持电容器34充电到由输出电压和匝数比确定的不同电压。这在输出电压可能改变的情况下尤其有益。
虽然图5中的电路是图2的修改，但是该电路也可以是图3或4的修改。特别地，闸流管也可以备选地参考地。
以上所有实施例均在PFC电路中结合了保持电容器。然而，可以使用一种相似的方法，其中保持电容器被结合到随后的电路中，例如次级转换器级。图6就是这种类型电路的示例。
在这种情况下，PFC级8是常规的PFC级，其向次级转换器级70提供馈送，这里，次级转换器级70是反激式转换器，包括磁耦接至输出线圈62的第一线圈60，该输出线圈62进而通过二极管28耦接至输出端子30，32，输出端子30，32上具有输出电容器12
第一线圈与开关26串联连接在PFC级8的高侧和低侧dc线64，66上；PFC输出电容器68存在于这些dc线上。
保持电容器34具有连接到PFC的低侧输入的一侧、以及通过保持开关38连接到PFC级8的高侧输入的另一侧。保持电容器的位置和通过线圈对其充电的方式保证了在反激式段的正常周期期间不对保持电容器充电和放电。在备选的实施例中，保持电容器34通过保持开关38连接到高侧dc线64，并直接到低侧dc线66。
为了给保持电容器34充电，保持线圈40通过二极管44和限制电阻器42连接在保持电容器上。保持线圈由与第一线圈60和输出线圈62相同的芯上的附加线圈形成。
在使用中，保持线圈40、二极管44和限制电阻器42的电路对保持电容器缓慢地充电。正如以上实施例描述的一样，可以调整匝数比Ns/Np来选择保持电容34的电压水平以最优化能量存储。相应地，本实施例，正如以上的实施例一样，由于原始输出电容器12不再提供保持功能，仅减小纹波电压，所以原始输出电容器12在大小上被减小。否则它的大小和值仅由rms电流确定。如果使用利用了备选技术的电容器，比如薄膜电容器，则最大允许输出电压纹波将确定必要的电容值。
尤其注意，使用上述电路，可以通过选择合适的匝数比来调整来保持电容器34上的电压，以在保持开关38被闭合时最小化保持电流。
以上讨论的关于在图3、4和5中的图2实施例的相似的可替换也可以利用图6的电路，也可以实现参照图2所述的图3、4和5实施例的相似的备选方案。例如，可以用在保持电容器34和PFC的低侧输入或者低侧dc线66之间的低侧开关，代替图6的开关38，这与参照图3的上述实施例的方式类似。可以使用电阻器和二极管的组合，来在开关38闭合，ac电能恢复时限制涌入电流，这与参照图4的上述实施例的方式类似。可替换地，开关38可以通过闸流管实现，与图5的方式类似。
本领域技术人员将理解实现本发明能够以多种可替换的方式实现。比如，图6示出了使用反激式转换器的电路的具体实施方式，但是也可以使用其它电路，比如LLC共振转换器，或者确实地，可以使用具有线圈的任何电路，其中可以向该线圈添加附加线圈来对保持电容器充电。
次级转换器级可以是，比如，附加的备用次级转换器级。
本发明能够在使用功率因子校正电路的任何应用中使用。相应地，应用包括用于信息技术电源的适配器，比如膝上型电脑，传真机，打印机，台式打印机，消费电器适配器，dvd播放器，移动电话充电器以及类似的产品。

Claims (12)

1.一种开关电源模块，包括：
高侧和低侧输出端子(30，32)；
在所述输出端子上的输出电容(12)；
高侧和低侧dc线(20，22)；
第一线圈(24，60)和第一开关(26)，第一开关(26)被配置为对经由第一线圈(24，60)来自dc线的电能进行开关，以将电能传递至输出端子(30，32)；
保持电容器(34)，用于向dc线提供保持电能；
其特征在于：
第二线圈(40)，耦接至第一线圈(24，60)，第二线圈连接在保持电容器(34)上，用于对保持电容器(34)充电。
2.根据权利要求1所述的开关电源模块，其中，第一线圈是功率因子校正级中的电感器，第二线圈是第一线圈的芯上的分立线圈。
3.根据权利要求1所述的开关电源模块，其中，第一线圈(24)、第一开关(26)、和输出端子(30，32)被配置成升压转换器，第二线圈(40)是在与第一线圈(24)相同的芯上的附加线圈。
4.根据权利要求1所述的开关电源模块，还包括功率因子校正级(8)和次级转换器级(70)，其中，第一线圈(24)是次级转换器级中的电感器，第二线圈(40)是第一线圈(24)的芯上的分立线圈。
5.根据权利要求1所述的开关电源模块，其中，所述第一线圈是磁耦接至输出线圈(62)的反激式转换器的第一线圈(60)，输出线圈(62)连接至高侧和低侧输出端子(30，32)以及输出电容器(12)，其中第二线圈(40)是在与第一线圈(60)相同的芯上的附加线圈。
6.根据前述任一权利要求所述的开关电源模块，其中，
保持电容(34)与保持开关(38)串联连接在dc线(20，22)之间；以及
第二线圈(40)通过二级管(44)连接在保持电容器(34)上。
7.根据权利要求6所述的开关电源模块，其中保持开关(38)是连接在保持电容器(34)和低侧dc线(22)之间的低侧开关。
8.根据权利要求6或7所述的开关电源模块，进一步包括串联在第二线圈(40)和保持电容器(34)之间的电流限制元件(42，46)。
9.根据权利要求8所述的开关电源模块，进一步包括与电流限制元件(46)并联的二极管(48)。
10.根据权利要求6至9之一所述的开关电源模块，其中保持开关(38)是闸流管。
11.根据前述任一权利要求所述的开关电源模块，进一步包括：全波整流器，连接到dc线(20，22)，用于对ac电能进行整流。
12.根据权利要求11所述的开关电源模块，进一步包括在全波整流器的输出上的功率因子校正级(8)，所述dc线是所述功率因子校正级(8)的输出。
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