CN1037648C - 带单独的共享电源变换电路的通用电源变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电源变换方法和设备，把交流和直流电压输入信号转换成适于驱动例如便携式个人计算机的直流负载的直流电压信号。电源变换器包括：第一电压级(122a)，工作于整流的交流电源电压并经桥式整流器(100)接到交流输入端(12a、12b)，第二电压级(122b)，优化工作于电池直流电压并连接到直流输入端(22a、22b)；第三电压级(122c)，经过输出端(32a、32b)连接到便携式设备的电源上。第一(122a)或第二(122b)电压级由控制器驱动器(16)驱动，它在分别由交流或直流输入源运行时所需的电压和电流范围内工作并接到变压器(122)的第一(122a)和第二(122b)绕组。电流形式的能量在工作时交替地存储在第一或第二电压级然后通过第三电压级(122c)释放，然后此能量被滤波。从第三电压级来的能量是直流输出电压信号(V0)并可为负载使用。

Description

带单独的共享电源变换电路的通用电源变换器
发明背景
本发明一般涉及电源变换设备，更具体地说，涉及一种用于例如个人计算机的便携式的带电源的电子设备中的通用VAC和VDC(交流和直流电压)组合电源变换设备。
便携式个人计算机(PC)和许多别的电子设备要求既能用常规的交流(AC)电源工作又能用直流(DC)电池组工作。电源变换设备在技术上是众所周知的，它实现为这些设备供电所需的交流变直流和直流变直流的转换。一种把交流或直流变成直流电源的设备的一个例子在授予Wilkinson的美国专利第3,769,571号中被公开。
在Wilkinson所公开的设备中，和在这项技求中公知的其它类似的电源变换设备一样，使用了对于交流变直流和直流变直流的分开的电源变换电路。由于这个原因，在变换器内存在着一定数量的重复电路。例如，每个交流或直流变换电路包括由两个双极结型晶体管(BJT)组成的开关电路，每一个晶体管都由一个二级管傍路，还包括具有两个初级绕组和一个次级绕组的变压器。还要提供一个具有双初级绕组的第三变压器以便在把电源加到一个直流负载之前先把它逆变。除了需要设有必要的冗余线路外，在某些电源条件下，这种多变压器的设计的效率因使用BJT而受到限制。
因此，本发明的目的是提供一种交流/直流电源变换器，它克服了在已有技术中需要的冗余性，从而减少变换器的尺寸、重量和成本，并增加效率。发明概要
通过下面的方法和设备可以解决上面的这些问题并可得到技术上的进展，这种方法和设备是用单独的一个变压器来同时把传统的交流电源和电池供电的直流电源转换成一种适合于向诸如便携式PC这样的负载供电的直流电源。在一个优选实施例中，本发明的电源变换器包括多个电压级，它们由一个具有第一初级绕组的电源转换变压器来实现，这个初级绕组经优化以便工作在整流后的交流电源电压上，并且通过一个全波二极管桥式整流器而接到一对交流输入端；还有一个第二初级绕组，它经过优化以便工作在电池直流电压上并且在电气上接到直流输入端；还有一个单独的次级绕组，它在电气上通过变换器的输出端而接到便携式PC的电源上。
这个变压器由一个以晶体管驱动电路构成的控制器驱动单元所驱动，这个驱动电路包括第一和第二场效应晶体管，其工作分别优化到由交流电源和电池直流电源所产生的电压和电流范围之内，而这两个电源则分别接到第一和第二初级绕组。这个晶体管驱动电路还包括一个用于推动晶体管在导通和断开状态之间工作的电流方式脉宽调制控制器(调制器)、和一个起动调节器，这个调节器在变换器工作于交流输入信号时为调制器提供起动电源。调制器的工作受两个控制信号的调节，这两个信号包括一个监控流过运行的初级的电流用的电流反馈信号(Ifb)、和一个用于调节存储在运行的初级中的能量以维持调压输出的电压反馈信号(Vfb)。显然，“运行的初级”在变换器工作在交流输入信号(交流运行)时是第一初级绕组，而变换器工作在直流输入信号(直流运行)时是第二初级绕组。
在交流运行时，从电源来的优选为120到240伏的交流信号(VAC)通过交流输入端被输入。此信号由一桥式整流器整流并经第一电容器滤波再加到第一初级绕组。根据控制信号Ifb和Vfb，调制器推动两个晶体管使其处于导通和截止状态，当晶体管被驱动到导通状态时就使得以电流形式的能量交变地储存在第一初级绕组中，而当晶体管关断时又把能量释放到次级绕组中。通过次级绕组的能量对第二电容器充电，从而在一对输出端上产生一个输出电压信号(V0)。
在直流运行时，从电池组电源来的优选为12伏的直流电压(VDC)被输入到直流输入端。此信号旁路过桥式整流器和电容器而直接加到调制器和第二初级绕组。和交流运行相似，晶体管驱动电路推动晶体管使之处在导通和截止状态，使能量交变地存储入第二而不是第一初级绕组，然后释放到次级绕组，对第二电容器充电以便在输出端产生一个信号V0。
晶体管驱动电路是这样组成的，使得第一晶体管在直流运行时作为一个同步整流器来工作，它可对交流输入存储电容充电而使之达到一个电压电平，此电平足以使变换器在短时间的直流电压下降时继续工作。
本发明所达到的技术上的优点是，相比常规的交流或直流变直流的电源变换器而言，可减少其尺寸、重量和成本是现有的百分之五十(50％)还不到，这是因为在本发明所实施的变换器中唯一的重复的电路是变压器中的双初级绕组和一个额外的晶体管以及驱动部件以便驱动该外加的初级绕组。
本发明所具备的另一个技术优点是，在某些电源条件下，变换器的效率由于使用场效应晶体管而非BJT从而可以提高。附图简介
图1是本发明的交流电压和直流电压通用变换器的功能方块图。
图2是图1的电源变换器的原理图。优选实施例的详细说明
请参阅图1，参考数字10表示按照本发明的一个通用电源变换器。在一个实施例中，变换器10可以用于把90到270伏交流(但优选的是120到240伏)(VAC)或任何直流电压(优选的是12伏)(VDC)转换成适合于使便携式个人计算机(PC)工作的直流电压电平。其它的交流或直流电压可由熟悉的技术人员来规定，在本实施例中所用的数值仅是作为一种优选实施例所希望的值，因而并不是要把本发明限制在所说明的数值中。
变换器10包括一对交流输入端12a和12b，通过它，120到240伏的交流信号被输入到整流电路14，它把该信号整流并滤波。经整流电路14输出的滤波和整流后的信号通过线20输入到晶体管驱动电路16和电源变压器电路18。变换器10还包括一对直流输入端22a和22b，通过它，经过线24把12伏直流信号直接输入到晶体管驱动电路16和电源变压器电路18。该电源变压器实际上是一个特定的实施例，包括：一个第一电压级，它对应于变压器的第一初级；一个第二电压级，它对应于变压器的第二初级；和一个第三电压级，它对应于变压器的次级。变压器的更加详尽的说明将在下面叙述。
电源变压器电路18通过三根线26、28和30而在电气上和晶体管驱动电路16相连。晶体管驱动电路16用作为变换器的控制器驱动器，这个控制器驱动器控制变压器的第一和第二电压级。晶体管驱动电路16在线26和28上的输出信号被输入到电源变压器电路18并且用于驱动变压器电路18。在交流运行期间，工作电压由电源变压器电路18经过线30加到晶体管驱动电路16。在直流运行期间，晶体管驱动电路16直接由直流输入信号供电。
在一对端子32a和32b上有一个电压输出信号(V0)从电源变压器电路18输出。V0还经过线36送到电压反馈发生器34。由电压源37产生的电压参考信号(Vref)也经过线38而送到电压反馈发生器34。电压反馈发生器34的输出通过线40而送到晶体管驱动电路16。另一个反馈信号，即电流反馈信号(Ifb)是由晶体管驱动电路16产生并在其内部使用。Vfb和Ifb由电源变压器电路18用作控制信号的情况将在下面参考图2作详细的讨论。
图2表示变换器10的原理形式。在图1中的部件在图2中用虚线示出并有相同的标号。
整流电路14包括一个全波二极管桥式整流器100，它并联于端子12a和12b之间以便在交流运行时把输入信号整流，还包括一个电容器102，它连接到整流器100的输出端用于对整流后的交流信号滤波。
晶体管驱动电路16包括：一个起动调节器104，一个电流方式脉宽调制控制器106，两个晶体管108和110，和4个电阻器112、114、116和118。起动调节器104接到调制器106并在交流运行时向它提供起动电源。在直流运行时，调制器106直接由12伏直流输入信号供电。调制器106通过线120在电气上连接到晶体管108和110的基极，以便分别根据从线40和119上来的反馈控制信号Vfb和Ifb同时推动晶体管108和110，使它们处于导通和截止之间的状态。当然，晶体管108和110要分别优化工作在整流的交流电源和电池供电的直流电压上。
电源变压器电路包括一个具有两个初级绕组122a和122b和一个单独的次级绕组122c的变压器，两个初级绕组分别被优化工作在整流的交流电源上和电池直流电压上，而次级绕组则在电气上连接到输出端32a和32b。变压器电路还包括：一个电容器123，它并联连接到输出端32a和32b上以产生V0；一个二极管124，串接在次级绕组和电容器123之间，以防止电流从电容器123返回流经次级绕组；还包括一个电容器126，用于在交流运行时向调制器106提供工作电压，调压器127和电容器126并联连接，以防止电容器126向调制器106提供的电压超过它的安全工作电压。
电压反馈发生器34包括一个误差放大器128，它的输出经过线133接到光耦合器132的发光二极管(LED)130的阳极。在光耦合器132中还有一个晶体管134，它的集电极通过线40而在电气上连接到调制器106。
在交流运行时，一个交流信号(例如120到240伏的交流信号)加到端子12a和12b并输入到整流电路16，它对输入信号整流并滤波。然后整流和滤波后的信号经过线20而加到晶体管驱动电路16和电源变压器电路18。如前所述，起动调节器104经过线136向调制器106提供起动电源。调制器106的工作电压由电容器126提供，该电容器在转换周期的能量存储阶段被充电。
调制器106根据在线40和119上的相应的控制信号Vfb和Ifb而推动晶体管108和110，使之处于导通和截止两个状态。当晶体管108和110导通时，能量以电流的形式储存在初级绕组122a中。当调制器106把晶体管108和110推向截止时，存储的能量通过次级绕组122c而释放，使得电流经线136而流过二极管124并向电容器123充电。因此，在输出两端32a和32b之间就产生一个信号V0。
此外，由于晶体管108和110是同时动作的，电容器126将充电到一个电压，此电压正比于整流后的交流输入电压，其比例正是初级绕组122a和122b的匝数比。因此，如前所述，在交流运行时可以维持对调制器106提供工作电压。
在直流运行时，调制器106是直接从例如一个12伏直流电源供电的。和交流运行相似，随着调制器106根据Vfb和Ifb把晶体管108和110推动于导通和截止的状态之间，能量就交替地存储入另一个初级绕组122b和通过次级绕组122c再释放出来。
当然，由于在直流运行时输入的工作电流比起在交流运行时要大得多，其工作电压则要小得多。因此，初级绕组122a和晶体管108被优化运行在高电压和低电流，而初级绕组122b和晶体管110则被优化运行于低电压和高电流。对初级绕组122a和122b及晶体管108和110选择合适的部件将可以在交流和直流运行时都得到最高效率。
如前所述，调制器106是受Vfb和Ifb控制的，它们分别由线40和线119输入到调制器106。在线40上的Vfb用于调整存储在运行的初级绕组122a或122b中的能量以维持输出调整率。Ifb用于监控通过运行的绕组122a和122b的电流以使晶体管108和110在所希望的点上切断电流。
Vfb是通过把V0和Vref分别经过线36和38输入到误差放大器128中而产生的。信号由误差放大器128进行比较，从放大器128输出的电流经线133输入到光耦合器132，并由此而到达位于其中的发光二极管130。线133上电流的大小足以使晶体管134把在线40上的Vfb维持在能够保持输出调整率的工作点上。当然，电压源123一般都是由V0供电的，它可以包括一个例如齐纳二极管(未示出)，其电流由V0通过一个电阻(未示出)提供。
Ifd实际上是一个电压信号，在交流运行时是跨越电阻114而产生的，在直流运行时，则由电阻112产生，其电流则是经过相应的初级绕组122a或122b和晶体管108或110的电流。
应该指出，由于明显的安全方向的考虑，同时把变换器10接到交流和直流电源上是必须避免的，因为在交流和直流输入端之间没有隔离。因此，在任何变换器10的实施例中应该提供这样的装置来避免发生同时接通交流和直流电源，例如，这样一种机构，当将交流电源接到交流输入端时它可以盖住直流输入端。
很明显，本发明可以具有许多形式和实施例。这里所示出的实施例是为了说明而不是限制本发明，应该理解，可以做出各种变化而不离开本发明的精神范围。例如，变换器10可以在除了便携式PC机以外的设备中实现，这些设备也要求从交流电源或直流电池电源中产生稳定的工作电压，例如便携式娱乐设备，别种计算设备，以及各种测试设备。此外，虽然如这里所实现的，变换器10是通过一种反馈类型的电路实现的，然而变换器10也可以其它标准的电源转换技术来实现，这些技术能把能量从变压器的初级在相同的状态下转移到次级，例如推挽式、半桥式和全桥式布局等。还应该理解，变换器10的不同元件也可用单独的集成芯片来实现，或者用分立元件按标准方式互联的各种组合来实现。
虽然示出并说明了本发明的说明性实施例，在前面的公开中还可以有范围广阔的修正、改变和替代，在某些场合下可以使用本发明的某些特点而不相应地使用其它特点。因此，把所附的权利要求作广泛的并且是符合本发明的范围的方式来解释是适宜的。

Claims (30)

1.一种用于把输入电压信号转换成直流输出电压信号以推动直流负载的电源变换器，其特征在于：
用于接受交流输入电压信号的第一组输入端；
用于接受直流输入电压信号的第二组输入端；
一个直接连接到上述第一组和上述第二组输入端的共享的变换电路，该电源变换电路包括：
连接到上述第一组输入端的第一电压级；
连接到上述第二组输入端的第二电压级；和
连接到上述第一和第二电压级的第三电压级，用于把上述输入电压信号转换成上述直流输出电压信号，该第三电压级还包括一组连接到上述直流负载的输出端；和
连接在上述第一和第二组输入端和上述第一和第二电压级之间的控制器驱动器，用于驱动上述第一和第二电压级中选定的一级。
2.权利要求1的电源变换器，其特征在于，其中所说的第一电压级和所说的第二电压级分别相应于一个变压器的第一初级绕组和第二初级绕组，而所说的第三电压级则相应于连接到该变压器的上述输出端的次级绕组。
3.权利要求1的电源变换器，其特征在于，其中所说的控制器驱动器是一个晶体管。
4.权利要求1的变换器，其特征在于，一个与上述第一组输入端并联连接的、用于对上述交流输入电压信号进行整流的桥式整流器。
5.权利要求4的变换器，其特征在于，其中所说的桥式整流器是一个全波二极管桥式整流器。
6.权利要求1的变换器，其特征在于，其中所说的交流输入电压信号包括90到270伏的交流信号。
7.权利要求1的变换器，其特征在于，其中所说的直流输入电压信号是一个12伏的直流信号。
8.权利要求3的变换器，其中所说的控制器驱动器的特征在于：
第一和第二晶体管分别接到上述的第一和第二电压级；和
一个电流方式的脉宽调制控制器，共同连接到上述的各晶体管，用于根据控制信号而推动上述的晶体管工作在第一功率状态和第二功率状态之间。
9.权利要求8的变换器，其中所说的控制器驱动器的特征在于：
一个连接到上述调制控制器的起动调节器，用于当上述的第一组输入端收到上述的交流输入信号时起动上述的调制控制器。
10.权利要求8的变换器，其特征在于，其中所说的控制信号包括一个电流反馈信号和一个电压反馈信号。
11.权利要求8的变换器，其特征在于，其中在上述的第一组输入端接收到上述交流输入电压信号且上述晶体管被推动到上述第一功率状态时，电流形式的能量被存储在上述的第一电压级中。
12.权利要求8的变换器，其特征在于，其中在上述的第二组输入端接收到上述的直流输入电压信号且上述晶体管被推动到上述第一功率状态时，电流形式的能量被存储在上述的第二电压级中。
13.权利要求8的变换器，其特征在于，其中电流形式的能量在上述的晶体管被推动到第二状态时就通过上述的第二电压级被释放，以便在上述一组输出端产生上述的直流输出电压信号。
14.权利要求10的变换器，其特征在于：
一个反馈电压产生电路，它连接到上述控制器以产生上述的反馈电压控制信号。
15.权利要求14的变换器，其中所说的反馈电压产生电路的特征在于：
一个误差放大器，用于把上述的直流输出电压信号和一个输入到它那里的电压参考信号相比较；和
一个连接在上述误差放大器和上述控制器之间的光耦合器，用于产生对应于该误差放大器的一个信号输出的上述的电压输出信号。
16.权利要求1的变换器，其特征在于，其中所说的直流负载是一台便携式个人计算机。
17.一种用于把输入电压信号转换成推动直流负载用的直流输出电压信号的电源变换器，其特征在于：
接收交流输入电压信号用的第一组输入端；
接收直流输入电压信号用的第二组输入端；
一个共享的变压器，包括：
直接连接到该第一组输入端的第一初级绕组；
直接连接到该第二组输入端的第二初级绕组；和
连接到一组输出端的次级绕组，其中所说的一组输出端还接到上述的直流负载；和
连接在上述第一和第二组输入端和上述变压器的上述初级绕组之间的晶体管驱动电路，用于驱动该初级绕组中选定的一个，以便把上述的输入电压信号转换成上述的直流输出电压。
18.权利要求17的变换器，其特征在于：
一个桥式整流器，和上述第一组输入端并联连接以便对上述交流输入电压信号整流。
19.权利要求18的变换器，其特征在于，其中所说的用于整流的装置是一个全波二极管桥式整流器。
20.权利要求17的变换器，其特征在于，其中所说的交流输入电压信号是范围为90到270伏的交流信号。
21.权利要求17的变换器，其特征在于，其中所说的直流输入电压信号是12伏的直流信号。
22.权利要求17的变换器，其中所说的晶体管驱动电路的特征在于：
第一和第二晶体管分别连接到上述的第一和第二初级绕组；和
一个共同连接到上述晶体管的电流方式脉宽调制控制器，用于根据控制信号推动晶体管使之工作在第一功率状态和第二功率状态。
23.权利要求22的变换器，其中所说的晶体管驱动电路的特征在于：
一个连接到上述的调制控制器的起动调节器，用于在上述的第一组输入端接收到上述交流输入信号时起动上述的调制控制器。
24.权利要求22的变换器，其特征在于，其中所说的控制信号是一个电流反馈信号和一个电压反馈信号。
25.权利要求22的变换器，其特征在于，其中在上述的第一组输入端接收到上述交流输入电压信号且上述晶体管被推动到上述第一功率状态时，电流形式的能量被存储在上述第一初级绕组中。
26.权利要求22的变换器，其特征在于，其中在上述的第二组输入端接收到上述直流输入电压信号且上述晶体管被推动到上述第一功率状态时，电流形式的能量被存储在上述第二初级绕组中。
27.权利要求22的变换器，其特征在于，其中电流形式的能量在上述晶体管被推动到第二状态时就通过上述的次级绕组而被释放以便在上述的一组输出端上产生上述的直流输出电压信号。
28.权利要求24的变换器，其特征在于，
连接到上述控制器的反馈电压产生电路，用于产生上述的反馈电压控制信号。
29.权利要求28的变换器，其中所说的反馈电压产生电路的特征在于：
一个误差放大器，用于把上述的直流输出电压信号和一个输入到那里的电压参考信号进行比较；和
连接在上述误差放大器和上述控制器之间的一个光耦合器，用于产生对应于该误差放大器的一个信号输出的上述的电压输出信号。
30.权利要求17的变换器，其特征在于，其中所说的直流负载是一台便携式个人计算机。
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