CN102857121B - 一种整流装置、整流方法以及其相应的电压变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种整流装置、整流方法以及其相应的电压变换系统。所述整流装置包括第一整流器、第二整流器，所述第一和第二整流器具有不同的负载/效率特性；切换单元，用于根据该整流装置的负载情况切换第一整流器或第二整流器实际工作。所述电压变换系统包括DC/DC变换器、变压器和所述整流装置。所述整流方法包括以下步骤：提供第一整流器；提供第二整流器，其中，所述第一整流器与第二整流器具有不同的负载/效率特性；根据该整流装置的负载情况，切换第一整流器或第二整流器实际工作。本发明的整流装置根据负载情况切换实际工作的整流器，使已经高效率的电源设计方案能再提高一点效率、更绿色、更节能，使整流装置的适用性更加广泛。

Description

一种整流装置、整流方法以及其相应的电压变换系统

技术领域

本发明涉及一种整流装置，尤其涉及进一步提高电源转换效率的整流装置、整流方法以及其相应的电压变换系统。

背景技术

目前，网络电话终端的使用非常普遍，尤其是在酒店以及企业的内部。目前的网络电话终端通常具有一个接口，其既能传输数据，又能为网络电话终端提供电源，并且各个网络电话终端被连接至以太网供电(PowerOverEthernet)交换机上，由其向各个网络终端提供数据以及电源。由此，POE交换机所承受的负载量较大。为了使得POE交换机能够顺利地推动所连接的网络电话终端，降低网络电话终端的功率消耗是非常重要的。此外，根据POEClass3，网络电话终端的最大功率消耗应该在12.95瓦特内。另一方面，网络电话终端还能够被直接地连接到现场的电源。而根据欧洲标准EC1275/2008，电气设备需要符合标准EC2005/32中所定义的环保设计(EcoDesign)要求。其要求在待机情况下的设备的功率消耗不应该超过2瓦特。各种网络电话终端以及阿尔卡特的新一代电话产品8082都需要符合这一标准。根据上述两个方面，我们需要降低网络电话终端的功率消耗，进一步提高电源转换效率。

对于硬件设计而言，由于CPU以及各个主要的功能模块已经被选定，对于其的任何改变都将可能影响产品的性能。由此，问题在于，如何在轻负载和重负载情况下为反激(Flyback)DC/DC转换器电路，即电压变换系统，降低功率消耗，进一步提高电源转换效率。

目前，大多数反激DC/DC转换器在次端使用2类整流模式。一种是二极管非同步整流，该模式能够在轻载情况下取得较高的效率。然而当负载较重时，由于二极管电阻较大，在二极管上的功率消耗较大，所以其缺点在于在重载时，效率较低。另一种是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)同步整流，该模式能够在重载情况下取得较高的效率。然而该模式下的开关损耗较大，所以该模式的缺点在于在轻载时，效率较低。

发明内容

可见，现有技术存在的缺点在于，在满足效率的情况下，适用性比较单一。因此，如何既在轻载情况下又在重载情况下，为电压变换系统降低功率的消耗，进一步提高电源转换效率，并且都取得较高的效率是个挑战性的问题。

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种整流装置，其包括第一整流器、第二整流器、其中，所述第一和第二整流器具有不同的负载/效率特性；切换单元，用于根据该整流装置的负载情况切换第一整流器或第二整流器实际工作。

本发明的整流装置根据负载情况切换实际工作的整流器，使整流装置的适用性更加广泛。

根据本发明的一个实施例，所述切换单元根据CPU的指示切换第一整流器或第二整流器实际工作，并且所述CPU的指示由CPU根据与所述整流装置的负载相关联的、整个设备的运行状态而确定。

根据该实施例，由于设备的运行状态通常能够反映出整流装置的负载情况，因此该实施例能够比较准确地根据负载切换整流器，并且不需要额外的器件进行负载检测等操作，结构比较简明。

根据本发明的一个实施例，所述整流装置还包括：检测单元，用于检测实际工作的第一整流器或第二整流器当前的实际负载，并根据所述实际负载控制所述切换单元切换第一整流器或第二整流器实际工作，所述负载包括所述第一整流器或所述第二整流器的输出电流、电压以及功率中的至少任一项。所述负载/效率特性描述了整流器在不同负载处的效率，在负载小于一临界点的情况下，所述第一整流器的效率高于所述第二整流器；而在负载大于所述临界点的情况下，所述第二整流器的效率较高。所述检测单元存储了所述临界点，当所述实际负载未超过所述临界点时，所述检测单元指示所述切换单元切换第一整流器实际工作，当所述实际负载超过所述临界点时，所述检测单元指示所述切换单元切换第二整流器实际工作。

根据该实施例，整流装置的实际负载由检测单元实时地测量，并且整流装置根据该实时测量的负载确定对该负载具有更优效率的整流器实际工作，因此该实施例能够更加准确地根据负载切换整流器。

根据本发明的一个实施例，所述第一整流器包括二极管非同步整流器，所述第二整流器包括金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器。所述第一整流器与所述第二整流器并联，所述切换单元包括与所述第二整流器串联、在所述第二整流器的并联支路上的开关；所述开关打开时，所述第一整流器实际工作；否则，所述第二整流器实际工作。

该实施例提供了第一和第二整流器的两种具体实现方式。

本发明还提供了一种电压变换系统，其包括DC/DC变换器、变压器以及本发明所提供的整流装置。其中，所述DC/DC变换器的输出端与所述变压器的输入端连接，而所述变压器的输出端与所述整流装置连接。

本发明还提供了一种电话机，其特征在于，包括本发明提供的电压变换系统。

本发明还提供了一种整流方法，其包括以下步骤：提供第一整流器；提供第二整流器，其中，所述第一整流器与第二整流器具有不同的负载/效率特性；根据该整流装置的负载情况，切换第一整流器或第二整流器实际工作。

根据本发明的一个实施例，所述切换步骤包括：根据与所述整流装置的负载相关联的、整个设备的运行状态切换第一整流器或第二整流器实际工作。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括如下步骤：检测实际工作的第一整流器或第二整流器当前的实际负载；所述切换步骤包括：根据所述实际负载切换第一整流器或第二整流器实际工作，所述负载包括所述第一整流器或所述第二整流器的输出电流、电压以及功率中的至少任一项。所述负载/效率特性描述了整流器在不同负载处的效率，在负载小于一临界点的情况下，所述第一整流器的效率高于所述第二整流器；而在负载大于所述临界点的情况下，所述第二整流器的效率较高；所述切换步骤进一步包括：比较所述实际负载和所述临界点：当所述实际负载未超过所述临界点时，切换第一整流器实际工作；当所述实际负载超过所述临界点时，切换第二整流器实际工作。

根据本发明的一个实施例，所述第一整流器包括二极管非同步整流器，所述第二整流器包括金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器。

采用本发明的提供的优选的技术方案，将二极管非同步整流器与MOSFET同步整流器并联，并且在MOSFET同步整流器的并联支路上串联一个开关，该开关由CPU控制或由附加的检测单元控制。当负载较轻时，开关打开，切换至二极管非同步整流器，当负载较重时，开关闭合，切换至MOSFET同步整流器，从而由此实现了在轻负载和重负载条件下的电压变换系统的高的效率。本发明能够动态地根据用户的操作模式，即免提模式、耳机模式等模式，以及网络电话终端上所插入的不同附件，例如USB，等扩展应用，迅速地切换至相应的、具有较高效率的整流器。能够更加环保并且节能。此外，本发明的应用领域相当广泛，在各种对于功耗要求较高的电子设备上，或需要节能的电子设备上，并且在具有由高压到低压或低压到高压的压差变化的电子产品上，都可以运用本发明，并能够取得很好的效果。另一方面，本发明的实现机制相对简易，并不额外地消耗过多的功率。同时，根据本发明的装置相对精确，具有较高的自动化程度，并能够被简单控制。此外，本发明的整流装置根据负载情况切换实际工作的整流器，使已经高效率的电源设计方案能再提高一点效率、更绿色、更节能，使整流装置的适用性更加广泛。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了根据本发明的一个实施例的运用整流装置的电压变换系统的示意图；

图2示出了MOSFET同步整流器和二极管非同步整流器的负载/效率特性曲线；

图3示出了根据本发明的另一个实施例的运用整流装置的电压变换系统的示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相对应的部件或特征。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的运用整流装置的电压变换系统的示意图。该电压变化系统10包括DC/DC变换器101、变压器102、以及根据本发明的实施方式的整流装置103。

整流装置103包括两个第一整流器1031、两个第二整流器1032以及两个切换单元1033。如图所示，其中，第一整流器1031、第二整流器1032以及切换单元1033分别构成了两组通道，即第一通道(输出1)与第二通道(输出2)，它们分别连接变压器102的两个输出。在该实施例中，由于变压器102具有两个输出，该整流装置103具有并行的两组通道，而本领域的技术人员应当理解，根据例如变压器的输出个数，整流装置103仅具有一个通道，或具有更多个通道的实施方式也是可行的。

如图1所示，DC/DC变换器101的输出端与变压器102的输入端连接，而变压器102的两个输出端分别与整流装置103连接，即分别与第一通道和第二通道相连接。在第一通道以及第二通道中，第一整流器1031与第二整流器1032并联，而切换单元1033包括与第二整流器1032串联、在第二整流器1032的并联支路上的开关，其能够根据CPU的指示切换第一整流器1031或第二整流器1032实际工作。

在一个优选的实施方式中，第一整流器1031包括二极管非同步整流器，第二整流器1032包括MOSFET同步整流器。第一通道的输出1以及第二通道的输出2能够被分别连接至存储器、CPU、显示屏等元件，以向其供电。

对于二极管非同步整流器和MOSFET同步整流器，前者在低负载时整流效率较高，而后者在高负载时整流效率较高(参见下文中的实验曲线)。由于设备工作的状态通常与整流器负载有关，而设备工作的状态，例如待机、通话、免提等等可以由设备的CPU很容易地确定，所以，在一个优选的实施方式中，由CPU根据设备工作的状态来控制选择单元选择效率较高的整流器实际工作，能够获得保证整流效率的、适用性较高的整流装置，并且不需要额外的器件进行负载检测等操作，结构比较简明。

当网络电话终端上电时，开关默认为打开状态，电流能够通过二极管非同步整流器所在的支路，由于此时负载较轻，使用二极管非同步整流器能够取得较高的效率。而当网络电话终端不再处于待机状态而进入重负载情况时，例如当使用免提功能、开始通话或当用户执行网络电话终端上相应的按键时，CPU会迅速地感知当前网络电话终端所执行的功能或其所处于的运行状态，由此向切换单元1033，即开关，发出指示，以将开关闭合。当开关闭合后，由于MOSFET的电阻远小于二极管的电阻，因此电流将主要通过MOSFET同步整流器，由此能够在重负载情况下，使用效率较高的MOSFET同步整流器。而当网络电话终端再次进入待机状态时，CPU又会迅速地向切换单元1033，即开关，发出指示，以将开关打开，从而再次在轻负载情况下运用二极管非同步整流器，以取得较高的效率。该过程能够多次往复，并且不需要额外的器件进行检测，节省了功率的消耗，进一步提高电源转换效率。另外，在该过程中，电路始终保持畅通，从而避免了由电路断开所引发的危险。

可以理解，切换单元1033的位置和数量并不限于实施方式中所举，也可以在第一整流器1031的并联支路上设置与第一整流器1031串联的切换单元，或者以其他实施方式实现第一整流器1031和第二整流器1032的选择功能。

在一个更加精确的实施方式中，可以定量地根据整流装置的实际负载，结合MOSFET同步整流器和二极管非同步整流器的负载/效率参数进行选择。图2示出了MOSFET同步整流器和二极管非同步整流器的负载/效率特性曲线，其示出了整流器在不同负载处的效率。图2中所示出的坐标的横轴为负载，其能够是电流、电压以及功率等，而图2中所示出的坐标的纵轴为效率，其表示输入与输出之间的转换效率。

能够根据具体元件的分布与设计，在运用根据本发明的装置之前，测量出MOSFET同步整流器和二极管非同步整流器的负载/效率特性曲线，并将两条曲线叠加，以获取其交点值，将其作为临界点。由图2可见，在负载小于临界点的情况下，二极管非同步整流器的效率高于MOSFET同步整流器的效率；而在负载大于临界点的情况下，二极管非同步整流器的效率低于MOSFET同步整流器的效率。因此，能够根据该临界点来设置切换单元的闭合与打开。

图3示出了根据本发明的另一个实施例的运用整流装置的电压变换系统的示意图。该电压变化系统30包括DC/DC变换器101、变压器102、以及整流装置303。

整流装置303包括两个第一整流器1031、两个第二整流器1032、两个切换单元1033以及两个检测单元3034。如图所示，其中，第一整流器1031、第二整流器1032、切换单元1033以及检测单元3034分别构成了两组通道，即第一通道(输出1)与第二通道(输出2)。在该实施例中，该整流装置303具有两组通道，而本领域的技术人员应当理解，根据例如变压器的输出个数，整流装置303可以仅具有一个通道，或具有更多个通道的实施方式也是可行的。

如图3所示，DC/DC变换器101的输出端与变压器102的输入端连接，而变压器102的两个输出端与整流装置303连接，即分别与第一通道和第二通道相连接。在第一通道以及第二通道中，第一整流器1031与第二整流器1032并联，而切换单元1033包括与第二整流器1032串联、在第二整流器1032的并联支路上的开关，其能够根据检测单元3034的指示切换第一整流器1031或第二整流器1032实际工作。

在一个优选的实施方式中，第一整流器1031包括二极管非同步整流器，第二整流器1032包括MOSFET同步整流器。第一通道的输出1以及第二通道的输出2能够被分别连接至存储器、CPU、显示屏等元件，以向其供电。

各检测单元3034与第一整流器1031以及第二整流器1032的并联电路串联，用于检测实际工作的第一整流器1031或第二整流器1032当前的实际负载，并根据实际负载控制切换单元1033切换第一整流器1031或第二整流器1032实际工作，负载包括整流器的输出电流、电压以及功率中的至少任一项。

检测单元3034存储了图2中所示出的交点值，作为临界点，当检测单元3034检测的实际负载未超过临界点时，检测单元3034指示切换单元1033，即开关打开，即切换第一整流器1031实际工作，以此能够在轻负载下，使用效率较高的二极管非同步整流器；而当检测单元3034检测的实际负载超过临界点时，检测单元3034指示切换单元1033，即开关闭合，即切换第二整流器1032实际工作。由于MOSFET的电阻远小于二极管的电阻，因此此时电流将主要通过MOSFET同步整流器，由此能够在重负载情况下，使用效率较高的MOSFET同步整流器。通过该方案，能够实时地根据负载变化而选择相应地效率较高的整流器，并且更加准确地控制整流器的切换，提高了自动化程度，并且由此进一步提高电源转换效率。

以下将计算，根据本发明的一个实施例，在电话产品8082中能够节省多少的能量值。

1)假定一天中的有效通话时间不会超过8小时，余下的16小时，网络电话终端处于待机模式。与MOSFET同步整流模式相比，通过根据本发明的方法，每个网络电话终端每小时能够节省0.2W，则每个网络电话终端一天能够节省16h×0.2W＝0.0032KWh，一年能够节省0.0032KWh×365＝1.168KWh。如果有500K台网络电话终端，则其能够节省1.168KWh×500K＝584KKWh，相应于233.6吨标准煤。

2)对于工作模式(大约消耗8W)，假定1个人一天使用网络电话终端的时间平均为1小时。与二极管非同步整流模式相比，根据本发明的方法能够节省大约5％的功率，即5％×8W＝0.4W。一台网络电话终端一天能够节省1h×0.4W＝0.0004KWh，而对于500K台网络电话终端，其一年能够节省0.0004KWh×500K×365＝73KKWh，相应于29.2吨标准煤。

由此可见，通过运行根据本发明的装置以及方法，能够显著地节约能源，提高效率并且起到环保作用。本发明并不限于在电话机中使用，而可以适用于其他任何负载会发生变化的电子设备应用场景下，例如使用反激式DC/DC转换器的电子设备中，起到提高整流效率，节省能耗的作用。

以上以第一整流器是二极管非同步整流器，第二整流器是MOSFET同步整流器为例对本发明进行了描述，可以理解，本发明并不限于此，而可以包括其他任何具有不同的负载/效率特性的整流器。

需要说明的是，上述实施例仅是示范性的，而非对本发明的限制。任何不背离本发明精神的技术方案均应落入本发明的保护范围之内，这包括使用在不同实施例中出现的不同技术特征，调度方法可以进行组合，以取得有益效果。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；装置前的“一个”不排除多个这样的装置的存在；在包含多个装置的设备中，该多个装置中的一个或多个的功能可由同一个硬件或软件模块来实现；“第一”、“第二”、“第三”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (11)

1.一种用于电话机的整流装置(103、303)，其包括：

二极管非同步整流器(1031)；

金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器(1032)；

其中，所述二极管非同步整流器和所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器具有不同的负载/效率特性；

切换单元(1033)，用于根据该整流装置的负载情况切换所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作；

其中，所述二极管非同步整流器与所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器并联，所述切换单元仅包括与所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器串联、在所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器的并联支路上的开关；

所述开关关断时，所述二极管非同步整流器实际工作；否则，所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述切换单元根据CPU的指示切换所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述CPU的指示由CPU根据与所述整流装置的负载相关联的、整个设备的运行状态而确定。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

检测单元(3034)，用于检测实际工作的二极管非同步整流器或金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器当前的实际负载，并根据所述实际负载控制所述切换单元切换所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作，

所述负载包括所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器的输出电流、电压以及功率中的至少任一项。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述负载/效率特性描述了所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器在不同负载处的效率，

在负载小于一临界点的情况下，所述二极管非同步整流器的效率高于所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器；

而在负载大于所述临界点的情况下，所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器的效率较高，

所述检测单元存储了所述临界点，

当所述实际负载未超过所述临界点时，所述检测单元指示所述切换单元切换所述二极管非同步整流器实际工作，

当所述实际负载超过所述临界点时，所述检测单元指示所述切换单元切换所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作。

6.一种电压变换系统，其包括：

DC/DC变换器(101)；

变压器(102)；

根据权利要求1至5中任一项所述的整流装置(103、303)；

其中，所述DC/DC变换器的输出端与所述变压器的输入端连接，而所述变压器的输出端与所述整流装置连接。

7.一种用于电话机的整流方法，其包括如下步骤：

提供二极管非同步整流器；

提供金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器，其中，所述二极管非同步整流器与所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器具有不同的负载/效率特性；

根据该整流装置的负载情况，通过开关切换二极管非同步整流器或金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作；

其中，所述二极管非同步整流器与所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器并联，所述开关设置在与所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器串联、在所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器的并联支路上；

所述开关关断时，所述二极管非同步整流器实际工作；否则，所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述切换步骤包括：

根据与所述整流装置的负载相关联的、整个设备的运行状态切换所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

检测实际工作的二极管非同步整流器或金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器当前的实际负载；

所述切换步骤包括：

根据所述实际负载切换所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作，

所述负载包括所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器的输出电流、电压以及功率中的至少任一项。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述负载/效率特性描述了所述二极管非同步整流器或所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器在不同负载处的效率，在负载小于一临界点的情况下，所述二极管非同步整流器的效率高于所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器；而在负载大于所述临界点的情况下，所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器的效率较高；

所述切换步骤进一步包括：

比较所述实际负载和所述临界点：当所述实际负载未超过所述临界点时，切换所述二极管非同步整流器实际工作；当所述实际负载超过所述临界点时，切换所述金属氧化物半导体场效应晶体管同步整流器实际工作。

11.一种电话机，其特征在于，包括根据权利要求6所述的电压变换系统。