CN104247191B - 离线电源 - Google Patents

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Abstract

根据一方面，本发明实施方式提供了电源系统，其包括输入线路、整流器、开关、电容器和控制电路，其中，输入线路配置为接收输入AC功率；整流器具有耦合到所述输入线路的输入和输出；开关具有耦合到整流器的输出的第一端和选择性地耦合到电感器的第二端；电容器耦合到所述电感器；控制电路耦合到所述电感器和所述电容器；其中，所述控制电路被配置为控制开关以便将整流器的输出选择性地耦合到电感器以产生第一DC功率电平，当接收到第一DC功率电平时在第一操作模式下操作，检测整流的AC功率的相位角，以及响应于所述相位角的检测转换到第二操作模式。

Description

离线电源
技术领域
根据本发明的至少一个实例通常涉及向低功率设备提供低电压电源。
背景技术
在家庭自动化和节能市场中，对“智能插座”以及更高成本且节能的其他智能电源产品的需求正在快速增长。比如，当“智能插座”检测到耦合到插座的设备已进入待机模式时，这种“智能插座”可以阻止能量流向插座。另外，多个“智能插座”也可以被联网在一起，以更有效地控制到多个插座的功率分配。
发明内容
根据本发明的多个方面针对电源系统，该电源系统包括输入线路、整流器、开关、电容器和控制电路，其中，所述输入线路配置为接收输入AC功率；所述整流器具有耦合到输入线路的输入和输出；所述开关具有耦合到整流器的输出的第一端和选择性地耦合到电感器的第二端；所述电容器耦合到电感器；所述控制电路耦合到电感器和电容器；其中，所述控制电路被配置为：控制所述开关以便将所述整流器的输出选择性地耦合到所述电感器以产生第一DC功率电平；当接收到所述第一DC功率电平时在第一操作模式下操作；检测整流的AC功率的相位角；以及响应于所述相位角的检测，转换到第二操作模式。
根据一个实施方式，控制电路还被配置成：当从接收来自电容器的第二DC功率电平时，在所述第二操作模式下操作。在另一个实施方式中，所述第一操作模式是工作操作模式，且所述第二操作模式是待机操作模式，并且其中所述第一DC功率电平大于所述第二DC功率电平。
根据另一个实施方式，控制电路包括耦合到电感器和电容器的处理器以及耦合到开关和电容器的控制器。在一个实施方式中，处理器被配置为在待机操作模式下将选定的处理器任务暂停。在另一个实施方式中，电源系统还包括过零点(zero-crossing)标志线，其被耦合到处理器并被配置成检测所整流的AC功率的相位角。另一个实施方式中，开关被控制器控制以便将整流器的输出选择性地耦合到电感器从而向电感器提供电压脉冲。
根据一个实施方式，开关是场效应晶体管。在一个实施方式中，所述开关以处于5MHz-20MHz范围内的切换频率被控制电路操作。在另一个实施方式中，电感器的值在10uH-500uH的范围内。在一个实施方式中，电容器的值在1nF至10μF的范围内。
根据一个实施方式，所述整流器、开关、电感器和控制电路被集成在单个芯片内。
根据本发明的另一方面针对向耦合到AC输入线路的处理器提供DC功率的方法，该方法包括：接收来自耦合到AC输入线路的AC电源的输入AC功率；整流所述输入AC功率以产生整流的AC功率；通过将所整流的AC功率选择性地耦合到电感器，由所整流的AC功率产生第一DC功率电平；向电容器和处理器提供所述第一DC功率电平并在第一操作模式下操作处理器；检测所整流的AC功率的相位角；以及响应于所述相位角的检测，将所述处理器转换到第二操作模式。
根据一个实施方式，将所述处理器转换到第二操作模式包括将所述处理器转换到待机操作模式，并且使所述电容器放电以在第二操作模式下向处理器提供小于所述第一DC功率电平的第二DC功率电平。在一个实施方式中，该方法还包括当处理器在所述待机操作模式下时将选定的处理器任务暂停。
根据另一个实施方式，检测包括监测耦合到处理器的过零点标志线，并确定对应于所整流的AC功率的相位角范围的过零点窗口，所述相位角范围包括在其处所整流的AC功率具有零电压值的相位角。在一个实施方式中，该方法还包括响应于过零点窗口已经过去的判定，将所述处理器转换到第一操作模式。
根据一个实施方式，产生包括使用具有固定频率和随相位角的变化而变化的占空比的控制信号将所整流的AC功率选择性地耦合到电感器。在一个实施方式中，将所整流的AC功率选择性地耦合到电感器包括使用控制信号控制开关以向电感器提供来自所整流的AC功率的电压脉冲。
根据本发明的多个方面还针对处理器系统，该处理器系统包括输入线路、处理器和装置，其中，所述输入线路被配置为接收输入AC功率，所述输入AC功率具有周期性波形，所述周期性波形包括在其处波形的电压小于阈值电压的部分；所述处理器被配置为在来源于所述输入AC功率的DC功率下操作；所述装置用于检测波形的电压并且在检测到电压大于压阈值时控制处理器以在第一操作模式下操作，以及用于在检测到电压等于或小于电压阈值时在第二操作模式下操作。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，用同样的数字表示在各图中示出的每个相同的或几乎相同的组件。为清楚起见，并非每个组件都可以标记在每个附图中。在附图中：
图1是示出了根据本发明的多个方面的电源系统的电路图；
图2是示出根据本发明的多个方面的整流的信号和对应的电压脉冲的图形；以及
图3是示出根据本发明的多个方面的用于提供来自AC干线的低DC电源电压的过程的流程图。
具体实施方式
本发明的实施方式不限于以下描述中所阐述或附图中所示的组件的结构和布置的细节。本发明的实施方式能够以多种方式被实践或实施。而且，本文所用措词和术语以描述为目的而不应当被视为限制。本文对“包含(including)”、“包括(comprising)”、或“具有(having)”、“容纳(containing)”、“含有(involving)”以及其变化的使用是指包括其后列出的项和其等效物以及其他项。
如上面所讨论的，“智能插座”和其他智能电源产品通常被用来改善成本和效率。“智能插座”通常包括配置为监测和控制插座的嵌入式处理器。嵌入式处理器通常耦合到向插座提供功率的AC干线。然而，在最小化对提供至插座的功率的影响的同时使嵌入式处理器与AC线路断开运行，可能会要求该嵌入式处理器是低功耗处理器。例如，嵌入式低功率处理器可以接收来自耦合到AC线路的低电压电源的低电源电压。由AC线路产生这种低电压电源通常要求在低电压电源内使用高电压输入电容器和高电容输出电容器，这两者都是比较大的。低电压电源还可以包括其他组件(如，二极管、电感器、控制器集成电路(IC)、晶体管、电阻器、电容器等)，这些组件同样占据了宝贵的空间并导致电源变得昂贵。
本文所述的至少一些实施方式提供了低成本和小尺寸的低电压电源设计，其可以消除对输入电容器的需求并且降低电源内的其他组件的尺寸。
图1是依据一个实施方式的电源系统102的电路图。电源系统102耦合到AC线路101和零线输入103，并且包括被配置为操作电源系统102的控制电路。在一个实施方式中，控制电路包括处理器116和开关控制器107。
电源系统102还包括桥式整流器104。桥式整流器104被耦合到AC线路101和零线103输入，并且包括多个二极管(第一个二极管104a、第二个二极管104d、第三个二极管104g和第四个二极管104j)。第一个二极管104a的阳极104c和第二个二极管104d的阴极104e都被耦合到AC线路输入101。第四个二级管104j的阳极104k和第三个二极管104g的阴极104i都被耦合到AC零线103。第二个二极管104d的阳极104f和第三个二极管104g的阳极104h都经由负电源线115被耦合到处理器116。第一个二极管104a的阴极104b和第四个二极管105j的阴极104l都被耦合到开关106。
开关106也被耦合到电感器112的输入113和开关控制器107。根据一个实例方式，开关106是单个高速、高电压的晶体管(例如，场效应晶体管(FET))。然而在其他实施方式中，开关106可以是其他任何类型的高速、高电压的晶体管(例如，氮化镓晶体管或碳化硅晶体管)。同样在其他实施方式中，可以在开关106中使用任意数量的高速、高电压的晶体管。
开关控制器107被耦合到负电源线115并且耦合到第一个二极管104a的阴极104b。开关控制器107还经由反馈线路119被耦合到正电源线117。根据一个实施方式，开关控制器107包括比较器。
电感器112的输出118经由正电源线117耦合到处理器116。根据一个实施方式，电感器112比较小。例如，在一个实施方式中，电感器112的值为100uH(假设时钟频率>10MHz)。然而，在其他实施方式中，电感器112可以是任何合适的大小。
根据一个实施方式，处理器116是低功率处理器。例如，在一个实施方式中，处理器116的电源要求是2.0-3.6V，工作电流要求大约是10mA，并且待机(或休眠)电流要求大约是1μA。然而，在其他实施方式中，处理器116可以具有不同的电源要求。
第五个二极管108耦合在电源系统102上。第五个二极管108的阴极109耦合到开关106和电感器112的输入113，并且第五个二极管108的阳极111被耦合到负电源线115。
输出电容器110被耦合在正电源线117和负电源线115之间。根据一个实施方式，输出电容器110比较小。比如，在一个实施方式中，输出电容器110的值约是5nF。然而，在其他实施方式中，输出电容器110可以是任何合适的大小。
根据一个实施方式，电源系统102还包括被耦合在开关106和处理器116之间的过零点标志线114。
经由AC线路输入101提供给桥式整流器104的AC功率被整流，并且全波整流功率被提供给开关106。根据一个实施方式，从AC线路输入101经由桥式整流器104通过开关106接收到的电压的范围从0V变化到354V。为了将相对高的电压(如，354V)降到适合于低功率处理器116(如，降到3.3VDC)的水平，基于经由反馈线路119感测的正电源线117上的电压，通过开关控制器107打开和关闭开关106，以便驱动电感器112向处理器116提供合适的电压水平。
当开关106关闭时，来自开关106(即，来自接收到的整流功率)的电压驱动电感器112以便为电容器110充电且将电压提供给处理器116的正电源线117。因为电感器112比较小(如，100uH)，故为避免电感器饱和，通过开关控制器107快速地打开和关闭开关106以产生窄电压脉冲(即，由开关106接收的整流功率的狭窄部分)。窄电压脉冲在一段短时间内驱动电感器112，在正电源线117上产生所需电压以向处理器116供电，同时防止电感器饱和。
当开关106打开时，在电感器112的输入113处的电压向负方向移动直到第五个二极管108打开，并且向输出电容器110提供了之前存储在电感器112中的能量。根据一个实施方式，因为处理器116从输出电容器110连续地获取功率，电源电压可能下降。
因为电感器112和输出电容器110的值相对较小，电感器112和输出电容器110的存储容量可能是有限的。因此，当开关106向电感器112提供的电压脉冲变为零时，在开关106接收到的整流功率的过零点附近，存储在电感器112和输出电容器110上的能量可能没有处于单独为处理器完全供电的足够水平(例如，在3.3VDC和10mA处)。因此，某些处理器任务可能会被中断。
根据一个实施方式，为了避免当存储在电感器112和输出电容器110中的能量不足以为工作状态下的处理器116完全供电时(即，在开关106接收到的整流功率的过零点附近)处理器任务的中断，处理器116针对临近过零点监测在开关106处接收到的整流功率(例如，经由过零点标志线114)。比如，在一个实施方式中，处理器116确定在整流功率的过零点临近时的相位角。然后处理器116针对该相位角(即，为处理器116指示出所整流的功率的过零点临近的相位角)监测整流的功率(例如，经由过零点标志线114)。临近过零点的指示并不一定意味着该整流功率已经或将要过零点，而是仅仅指示所整流的功率正在临近或已经达到零点。在其他实施方式中，用于识别临近过零点的任何合适的方法都可以使用。
当处理器116感测到临近过零点时，处理器116转换到待机(或休眠)状态直到过零点窗口(即，当过零点存在时)过去。通过进入待机状态，在过零点附近，处理器需要较低量的功率(相比于工作状态)以保持处理器116的状态，并且输出电容器110和电感器112可以成功地提供较低量的功率。当处理器116在待机状态下时(即，在过零点窗口中)，某些不能被中断的处理器任务(例如，无线电通讯或传感器读取)会暂停直到过零点窗口过去为止。
比如，在工作状态下操作时，处理器116针对临近的过零点监测在开关106处的接收的整流功率。一旦经由过零点标志线114感测到的临近的过零点，处理器116就转换到待机(或休眠)状态以避免处理器任务的中断。根据一个实施方式，在待机状态下，处理器116要求1μA和至少2V以在过零点窗口期间维持处理器的状态(与当处理器处于工作状态时的10mA和3.3V并列)。在一个实施方式中，当处理器116在待机状态下时，5nF的输出电容器110具有足够容量(当处理器116在工作状态下时充电)来维持处理器116的状态，其电压仅下降34mV且在50Hz处，过零点时间大约是170uS。
在其他实施方式中，其中处理器的待机和/或工作电源要求是不同的，输出电容器110和电感器112的值可以进行不同地设计，以便提供能够在过零点窗口期间为待机模式下的处理器116供电的合适的存储容量。
一旦处理器116确定过零点窗口已经过去，则利用来自电感器112(由开关116的电压脉冲驱动)的功率为处理器116供电以进入工作状态。在一个实施方式中，过零点窗口(即，当处理器116在待机模式中且不能执行某些任务时)是170μS(即，大约为180度的线路周期中的3度宽或整个线路周期的1.7％)；然而，在其他实施方式中，基于提供给开关106的整流功率，过零点窗口可以是不同的。在一个实施方式中，任务窗口(即，处理器能够执行任务而不被中断的时间段)是10mS。
根据一个实施方式，在指定的任务窗口中某些处理器任务不能完全被执行。比如，某些无线个人局域网的实现(即，使用IEEE 802.15.4标准的技术，例如ZigBee)可能需要多于上面讨论的示例性10mS的任务窗口。比如，根据一个实施方式，ZigBee通信可以在5mS内被执行，但最初的网络连接需要15mS。在这种情况下，用于粒化网络连接过程(即，在多个任务窗口上传播该过程)的技术可以被用来防止该过程的突然中断。
图2是示出通过开关106接收的整流功率202和通过开关106由整流功率202产生的并提供给电感器112以驱动电感器112的电压脉冲204的一个实施方式的图形200。全波整流功率202通过桥式整流器104由接收自AC线路输入101的AC信号产生，并被提供给开关106。
当开关106快速地打开和关闭，例如以10MHz或更大频率打开和关闭时，整流功率202的一部分(即，电压脉冲204)被提供给电感器112。接近整流功率202的峰值206处，电压脉冲204在它们最窄的宽度处，而整流功率202在其最大幅度处，且只有整流功率202的一小部分是必须来驱动电感器112以向处理器116提供必要的功率。然而，当整流功率202向它的最小值208(即，向过零点210)移动时，电压脉冲204随着整流功率202向零点移动而变得更宽，并且需要整流功率202的更大部分来驱动电感器112以向处理器116提供必要的功率。
如上所述，处理器116经由过零点标志线114针对临近的过零点的监测整流功率202。在过零点210处，电压脉冲204变成零，同样整流功率202也变成零。因此，当过零点210临近时，处理器转换到待机模式并通过之前存储在输出电容器110和电感器112上的功率维持在待机模式中。当处理器116确定过零点窗口已经过去时，处理器116转换回工作模式，并通过由电压脉冲204再次驱动的电感器112供电。
图3是示出用于从具有电源系统102的AC干线提供低电源电压的过程300的流程图。在框302中，电源系统102从AC线路输入101和零线输入103接收AC功率。在框304中，全桥式整流器104将接收的AC功率整流并生成全波整流的AC功率。
在框306中，开关106是关闭的且全波整流AC功率中的一部分(即，电压脉冲)被提供给电感器112。在框308中，电感器112由接收自开关106的整流功率的一部分进行驱动，以向处理器116提供电压。在大体相同的时刻，在框310中，电感器112也由接收自开关106的整流功率的一部分驱动，以向输出电容器110提供电压，从而为输出电容器110充电。
在框312中，开关106是打开的且向电感器112提供的电压脉冲变为零。在框314中，向处理器116提供存储在电感器112和输出电容器110中的能量。在框306中，开关106再次关闭。如上所述，稳压器的切换频率比较高，使得相对迅地执行框306至314，以避免相对较小的电感器112的饱和，并且使得电感器112向处理器116提供合适的电压水平。
在框316中，一旦电感器112被驱动以向处理器116供电，则该处理器被供电进入工作状态。在框318中，当被来自电感器112的电压供电时，处理器116检测在开关106处的整流功率。在框320中，作出整流功率的过零点是否临近的判定。在框316中，作为对过零点不存在的判定的响应，处理器116保持在工作状态中且在框318中继续针对临近的过零点监测整流功率。在框322中，作为对临近的过零点的识别的响应，处理器116进入待机(或休眠)状态。如上所述，在待机状态中，输出电容器110和电感器112满足了处理器的低功率要求。同样在待机状态中，不能被中断的某些处理器任务被暂停直到过零点窗口过去为止。
在框320中，作出整流功率的过零点窗口是否已经过去的判定。作为对过零点不存在的判定的响应，在框316中处理器116转换回工作状态且在框318中继续针对过零点监测整流功率。作为对过零点仍然存在的判定的响应，在框318和320中，处理器116维持在待机状态并继续针对过零点窗口结束监测整流功率。
根据一个实施方式，由于在电源中省去输入电容器且缩小其他组件(如，输出电容器110和电感器112)的尺寸，因此整个电源系统102被集成到单个芯片上。在另一个实施方式中，由于缩小了电源系统102的尺寸，该电源系统102连同其他专用电路被结合到单个芯片上。比如，电源系统102和附加专用电路(如，线性霍尔效应(hall-effect)电流传感器、电压测量、功率开关、数字化霍尔效应传感器、天线等等)可以全部被包含在“智能插座”的单个芯片内。
如本文所述，开关106是高速、高电压的开关；然而，在其他实施方式中，可以使用能够驱动电感器112来向处理器116提供合适的电压水平的任何类型的开关106。
同样如本文所述，电源系统102被描述为关于智能电源产品；然而，在其他实施方式中，电源系统102可用于需要电源从AC干线向设备提供低电压的任何地方。
如本文所述，电源系统102包括能够进行全波整流的桥式整流器104；然而，在其他实施方式中，可以使用任何其他类型的整流器(如，半波整流器)，且处理器可以被配置为引起相应的过零点和任务窗口。
如本文所述，电源系统102向处理器提供低电平功率；然而，在其他实施方式中，电源系统102可以被配置为向任何低功率设备提供低电平功率。
同样如本文所述，电源系统102的控制电路包括处理器116和开关控制器107；然而，在其他实施方式中，电源系统102的控制电路可以只包括处理器116。在这样的实施方式中，处理器116将控制开关106，而不是开关控制器107控制开关106，从而驱动电感器112以向处理器116提供合适的电压。
如本文所述，通过使用开关以驱动电感器，电源系统102能够将高AC干线输入电压降到相对较低的电压电源水平，而没有使用大的输入电容器。另外，通过使用低占空比的开关式稳压器(如，5％)，电源系统102中某些组件(如，输出电容器和电感器)的尺寸可以被缩小。最后，通过使得与电源系统102耦合的处理器在检测到临近的过零点时进入待机状态，电源系统102能够防止由于能量存储容量降低的处理器任务中断。
如此描述了本发明的至少一个实施方式的若干方面，应当理解，对于本领域的技术人员来说，容易想到多种替换、修改和改进。这样的替换、修改和改进旨在作为本公开的一部分，且旨在本发明的精神和范围内。相应地，前面的描述和附图仅是作为示例。

Claims (20)

1.一种电源系统，包括：
输入线路，所述输入线路被配置为接收输入AC功率；
整流器，所述整流器具有耦合到所述输入线路的输入和输出，所述整流器配置为整流输入的AC功率以产生整流的AC功率；
开关，所述开关具有耦合到所述整流器的输出的第一端和选择性耦合到电感器的第二端，所述开关配置为从所述整流器接收所整流的AC功率；
电容器，所述电容器耦合到所述电感器；以及
控制电路，所述控制电路耦合到所述电感器和所述电容器，
其中，所述控制电路被配置为：
控制所述开关以便将所述整流器的输出选择性耦合到所述电感器，从而产生来源于所整流的AC功率的第一DC功率电平；
监测由所述开关接收的所整流的AC功率；
当接收到所述第一DC功率电平时在第一操作模式下操作；
检测由所述开关接收的所整流的AC功率的过零点临近时的相位角；以及
响应于所述过零点临近时的相位角的检测，转换到第二操作模式。
2.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述控制电路还被配置成：当接收来自所述电容器的第二DC功率电平时，在所述第二操作模式下操作。
3.如权利要求2所述的电源系统，其中，所述第一操作模式是工作操作模式，且所述第二操作模式是待机操作模式，并且其中，所述第一DC功率电平大于所述第二DC功率电平。
4.如权利要求3所述的电源系统，其中，所述控制电路包括耦合到所述电感器和所述电容器的处理器以及耦合到所述开关和所述电容器的控制器。
5.如权利要求4所述的电源系统，其中，所述处理器被配置为在所述待机操作模式下使选定的处理器任务暂停。
6.如权利要求4所述的电源系统，其中，所述开关被所述控制器控制成将所述整流器的输出选择性地耦合到所述电感器以向所述电感器提供电压脉冲。
7.如权利要求4所述的电源系统，还包括过零点标志线，所述过零点标志线被耦合到所述处理器并被配置成检测所整流的AC功率的过零点临近时的相位角。
8.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述开关是场效应晶体管。
9.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述开关以处于5MHz-20MHz范围内的切换频率通过所述控制电路进行操作。
10.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述电感器的值在10uH-500uH的范围内。
11.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述电容器的值在1nF至10μF的范围内。
12.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述整流器、所述开关、所述电感器和所述控制电路被集成在单个芯片上。
13.一种向耦合到AC输入线路的处理器提供DC功率的方法，所述方法包括：
使用所述AC输入线路接收来自耦合到所述AC输入线路的AC电源的输入AC功率；
使用耦合到所述AC输入线路的整流器整流所述输入AC功率以产生整流的AC功率；
通过将所整流的AC功率选择性地耦合到电感器，由所整流的AC功率产生第一DC功率电平；
向电容器和所述处理器提供所述第一DC功率电平并在第一操作模式下操作所述处理器；
监测由所述整流器输出的所整流的AC功率；
检测由所述整流器输出的所整流的AC功率的过零点临近时的相位角；以及
响应于所述过零点临近时的相位角的检测，将所述处理器转换到第二操作模式。
14.如权利要求13所述的方法，其中，将所述处理器转换到第二操作模式包括：将所述处理器转换到待机操作模式并且使所述电容器放电，以在所述第二操作模式下向所述处理器提供小于所述第一DC功率电平的第二DC功率电平。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：在所述处理器处于所述待机操作模式下时将选定的处理器任务暂停。
16.如权利要求13所述的方法，其中，检测包括：监测耦合到所述处理器的过零点标志线，并确定对应于所整流的AC功率的过零点临近时的相位角范围的过零点窗口，所述相位角范围包括在其处所整流的AC功率具有零电压值的相位角。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：响应于所述过零点窗口已经过去的判定，将所述处理器转换到所述第一操作模式。
18.如权利要求13所述的方法，其中，产生包括：使用具有固定频率和随所述相位角的变化而变化的占空比的控制信号将所整流的AC功率选择性地耦合到所述电感器。
19.如权利要求18所述的方法，其中，将所整流的AC功率选择性地耦合到所述电感器包括：使用所述控制信号控制开关以向所述电感器提供来自所整流的AC功率的电压脉冲。
20.一种处理器系统，包括：
输入线路，所述输入线路被配置为接收输入AC功率，所述输入AC功率具有周期性波形；
处理器，所述处理器被配置为在来源于所述输入AC功率的DC功率下进行操作；以及
装置，所述装置用于确定所述波形的临近过零点窗口的相位角范围、用于检测所述波形的相位角并且用于响应于确定所述波形的相位角在所述相位角范围之外而控制所述处理器以在第一操作模式下操作以及响应于确定所述波形的相位角在所述相位角范围内而在第二操作模式下操作。
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