CN104253557A - 用于降低待机功耗的功率转换器 - Google Patents

用于降低待机功耗的功率转换器 Download PDF

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Abstract

提供一种用于降低待机功耗的功率转换器。所述功率转换器包括：整流器，被配置为将AC功率整流为DC功率；变压器，被配置为通过将由整流器整流的DC功率的电压进行转换来输出功率；PWM控制模块，被配置为通过切换与变压器连接的功率切换装置来控制输出功率；第一外部开关，被配置为提供禁用信号；第一电容器，与第一外部开关的一端并联连接；第二外部开关，被配置为提供启用信号；以及第二电容器，与第二外部开关的一端并联连接。

Description

用于降低待机功耗的功率转换器
本申请要求于2013年6月28日在韩国知识产权局提交的第10-2013-0075956号韩国专利申请的权益，就各方面而言，所述专利申请的全部公开内容通过引用合并于此。
技术领域
以下描述涉及一种功率转换器。以下描述还涉及一种用于通过在不积极操作时消耗尽可能小的驱动电流来降低待机功耗以降低整体功耗的功率转换器。
背景技术
功率转换器表示一种转换功率并随后提供功率以驱动各种电子装置(诸如电脑或电视)的装置。广泛来讲，诸如变压器、旋转转换器、水银整流器以及其他类似装置的装置是不同类型的功率转换器。然而，近来，功率转换器指的是使用半导体硬件作为功率转换器的半导体功率转换器。
例如，功率转换器可通过脉冲宽度调制(PWM)控制，将交流电转换为直流电。
图1是示出通过PWM控制的功率转换器的框图。
图1中示出的功率转换器(即应用于液晶显示(LCD)电视的通过PWM控制的功率转换器)被构造为在最小化功耗的同时实现高速。
为此，如图1中所示，功率转换器包括：将AC整流为DC的桥式整流器10，减小输入功率的纹波的功率因数校正器(PFC)20，转换功率的PWM控制器30，被供应有转换的功率的主板40，以及普通发光二极管(LED)驱动器50和LCD模块60。
以这种方式配置的功率转换器具有省电模式，也被称为在主电路不工作时消耗最小的驱动电流的禁用模式。
这样的功率转换器使用大容量电容器以将适当的功率提供给主电路，并且这样的电容器将电容器的充电电压完全放电，从而从禁用模式进入启用状态。因此，在用于控制这样的大容量电容器的切换装置中，产生对装置的过度压力，并且响应时间长。
发明内容
提供本发明内容从而以简化形式引入构思的选择，所述构思将在以下的具体实施方式中被进一步描述。本发明内容不是旨在确定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是旨在用来协助确定要求保护的主题的范围。
在一个总体方面，一种功率转换器包括：整流器，被配置为将AC功率整流为DC功率；变压器，被配置为通过将由整流器整流的DC功率的电压进行转换来输出功率；脉冲宽度调制(PWM)控制模块，被配置为通过切换与变压器连接的功率切换装置来控制输出功率；第一外部开关，被配置为提供禁用信号，第一外部开关的一端连接到PWM控制模块的VCC引脚，第一外部开关的另一端连接到PWM控制模块的DIS引脚；第一电容器，与第一外部开关的一端并联连接；第二外部开关，被配置为提供启用信号，第二外部开关的一端连接到PWM控制模块的DIS引脚，第二外部开关的另一端接地；以及第二电容器，与第二外部开关的一端并联连接。
响应于第一外部开关接通，PWM控制模块的VCC引脚和DIS引脚可短路，并且在阈值以上的信号可被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在禁用模式下操作。
响应于第二外部开关接通，PWM控制模块的DIS引脚可以接地，并且小于阈值的信号可被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在启用模式下操作。
第二电容器的电容可小于第一电容器的电容。
PWM控制模块可包括：第一内部开关，连接在与HV引脚连接的第一功率装置和VCC引脚之间；第一控制器，被配置为在VCC引脚的电压是预定值或大于预定值时断开第一内部开关，并被配置为通过在VCC引脚的电压小于参考值时接通第一内部开关来将HV电压提供给VCC引脚；禁用调节器，被配置为将VCC引脚的电压和DIS引脚的电压调节为预定电压或小于预定电压；第一比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第一参考值进行比较；第二比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第二参考值进行比较；第二内部开关，连接在VCC引脚和第一比较器之间；以及第二控制器，被配置为通过接通第二内部开关来操作第一比较器，并被配置为根据第一比较器的比较结果来控制禁用调节器和第二比较器的操作。
第二控制器可被配置为响应于由第一比较器比较的DIS引脚的电压是第一参考值或大于第一参考值，操作禁用调节器和第二比较器。
第二控制器可被配置为响应于由第二比较器比较的DIS引脚的电压小于第二参考值，停止禁用调节器的操作，并控制模式返回到启用模式并正常地操作。
禁用调节器可包括：电源，与第一功率装置串联连接；第二功率装置，与电源并联连接；齐纳二极管，与电源串联连接，从而形成低功耗电路。
第一功率装置可以是结栅场效应晶体管(JFET)、耗尽型MOSFET(MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管)、横向扩散型MOSFET(LDMOSFET)或者双扩散型MOSFET(DMOSFET)。
第二功率装置可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者双极结型晶体管(BJT)。
PWM控制模块可以是单片集成电路。
功率切换装置可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
所述功率转换器可被配置为使用脉冲宽度调制来控制输出电压。
在另一个总体方面，一种功率转换器包括：脉冲宽度调制(PWM)控制模块，被配置为通过切换与变压器连接的功率切换装置来控制输出功率；第一外部开关，被配置为提供禁用信号，第一外部开关的一端连接到PWM控制模块的VCC引脚，第一外部开关的另一端连接到PWM控制模块的DIS引脚；第一电容器，与第一外部开关的一端并联连接；第二外部开关，被配置为提供启用信号，第二外部开关的一端连接到PWM控制模块的DIS引脚，第二外部开关的另一端接地；以及第二电容器，与第二外部开关的一端并联连接。
所述功率转换器还可包括被配置为将AC功率整流为DC功率的整流器，其中，变压器被配置为通过将由整流器整流的DC功率的电压进行转换来输出功率。
响应于第一外部开关接通，PWM控制模块的VCC引脚和DIS引脚可短路，并且在阈值以上的信号可被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在禁用模式下操作。
响应于第二外部开关接通，PWM控制模块的DIS引脚可以接地，并且小于阈值的信号可被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在启用模式下操作。
第二电容器的电容可小于第一电容器的电容。
PWM控制模块可包括：第一内部开关，连接在与HV引脚连接的第一功率装置和VCC引脚之间；第一控制器，被配置为在VCC引脚的电压是预定值或大于预定值时断开第一内部开关，并被配置为通过在VCC引脚的电压小于参考值时接通第一内部开关来将HV电压提供给VCC引脚；禁用调节器，被配置为将VCC引脚的电压和DIS引脚的电压调节为预定电压或小于预定电压；第一比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第一参考值进行比较；第二比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第二参考值进行比较；第二内部开关，连接在VCC引脚和第一比较器之间；以及第二控制器，被配置为通过接通第二内部开关来操作第一比较器，并被配置为根据第一比较器的比较结果来控制禁用调节器和第二比较器的操作。
所述功率转换器可被配置为使用脉冲宽度调制来控制输出电压。
其他特征和方面将从以下详细描述、附图和权利要求中是显然的。
附图说明
图1是示出通过PWM控制的功率转换器的框图。
图2是示出根据示例的用于降低待机功耗的功率转换器的框图。
图3是更详细地示出图2中示出的示例的PWM控制模块的框图。
图4是更详细地示出图3中所示的禁用调节器的框图。
在整个附图和具体描述中，除非另外描述或提供，否则相同的附图参考标号将被理解为表示相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便，附图可不必成比例，并且可夸大附图中元件的相对尺寸、比例和描绘。
具体实施方式
提供以下详细描述以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在此描述的系统、设备和/或方法的各种改变、修改和等同物对本领域的普通技术人员而言将是显然的。所描述的处理步骤和/或操作的进展是示例；然而，除了必需按特定顺序发生的步骤和操作之外，处理步骤和/或操作的顺序不限于在此阐述的顺序，并且可如本领域中公知地改变。此外，为了更加清楚和简明，可省略对本领域的普通技术人员公知的功能和构造的描述。
在此描述的特征可以以不同形式实现，并且不应被解释为限于在此描述的示例。相反地，提供在此描述的示例，使得本公开将是彻底和完整的，并且在此描述的示例将向本领域的普通技术人员传达本公开的全部范围。
在下文中，将参照附图对各种示例进行描述。
图2是示出根据示例的用于降低待机功耗的功率转换器的框图。
如图2中所示，根据示例的用于降低待机功耗的功率转换器包括若干元件。图2的功率转换器包括将AC功率整流为DC功率的整流器100。变压器200通过将整流器100整流后的DC功率的电压进行转换来提供输出功率。PWM控制模块300通过切换功率切换装置(Q0)来控制输出功率，其中，功率切换装置(Q0)是连接到变压器200的连接器。第一外部开关(SW01)提供禁用信号，一端与PWM控制模块300的VCC引脚(VCC)连接，另一端与PWM控制模块300的DIS引脚(DIS)连接。第一电容器(C1)与第一外部开关(SW01)的一端并联连接。第二外部开关(SW02)提供启用信号，一端与PWM控制模块300的DIS引脚(DIS)连接，另一端接地(GND)。第二电容器(C2)与第二外部开关(SW02)的一端并联连接。
如在此使用的，因为第一外部开关(SW01)和第二外部开关(SW02)位于功率转换器中并且位于PWM控制模块300的外部，所以将它们称为外部开关。因为第一内部开关(SW11)和第二内部开关(SW12)位于PWM控制模块300的内部，所以将它们称为内部开关。
在示例中，将输入端的AC电压(VIN)整流为DC电压的整流器100使用半波整流器电路或全波整流器电路。因此，根据在功率转换器中包括的整流器100的类型，由整流器100整流的DC电压是半波整流电压或全波整流电压。
PWM控制模块300与功率切换装置(Q0)连接，功率切换装置(Q0)与变压器200的初级配线连接。在示例中，功率切换装置(Q0)是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
在示例中，整流器100与变压器200的初级侧连接，主板40、LED驱动器50和LCD模块60的负载与变压器200的次级输出端(VOUT)连接。
例如，PWM控制模块300被制造成单片集成电路，并可形成集成电路的整体或一部分。
PWM控制模块300通过变压器200控制从功率转换器的输入端(VIN)传输到与输出端(VOUT)连接的负载的功率。即，PWM控制模块300通过响应于PWM操作中的反馈信号而切换功率切换装置(Q0)来控制功率转换器的输出端(VOUT)处的电压。当功率切换装置(Q0)导通时，能量从输入端(VIN)被存储在变压器200的初级绕组中。然而，当功率切换装置(Q0)断开时，在变压器200的初级绕组中存储的能量被传输到次级绕组，并且被控功率被提供给与输出端(VOUT)连接的负载。通过这样的处理，变压器200通过控制变压器200的输入/输出绕组比，来控制输出电压(VOUT)的幅度。
在根据示例的用于降低待机功耗的PWM控制模块300的操作中，首先，当第一外部开关(SW01)接通时，PWM控制模块300的VCC引脚(VCC)和DIS引脚(DIS)短路，在阈值以上的信号被施加到DIS引脚(DIS)。结果，功率转换器在禁用模式下操作。在禁用模式下，主电路不工作。因此，消耗的驱动电流被最小化，从而降低待机功率。
此外，当第二外部开关(SW02)接通时，PWM控制模块300的DIS引脚(DIS)接地，小于阈值的信号被施加到DIS引脚(DIS)。结果，功率转换器在启用模式下操作。在启用模式下，主电路被供应有正常功率并正常地工作。
在示例中，第二电容器(C2)具有比第一电容器(C1)小的电容。使用具有较小电容的第二电容器(C2)减少了将电容器的充电电压放电的时间，以从禁用模式进入启用状态。因此，使用这样的较小的电容器帮助实现短响应时间，还帮助降低在功率切换装置中产生的压力。
在示例中，本发明的功率转换器能够使用脉冲宽度调制技术控制输出电压。
图3是更详细地示出图2中示出的示例的PWM控制模块的框图，图4是更详细地示出图3中示出的禁用调节器的框图。
如附图中所示，根据示例的用于降低待机功耗的功率转换器的PWM控制模块300包括若干元件，如下所述。第一内部开关(SW11)连接在与HV引脚(HV)连接的第一功率装置(Q1)和VCC引脚(VCC)之间。当VCC引脚(VCC)的电压等于或大于预定值时，第一控制器310断开第一内部开关(SW11)；当VCC引脚(VCC)的电压小于参考值时，第一控制器310通过接通第一内部开关(SW11)将HV电压提供给VCC引脚(VCC)。禁用调节器320将VCC引脚(VCC)的电压和DIS引脚(DIS)的电压调节为预定电压或小于预定电压。第一比较器340将DIS引脚(DIS)的电压与第一参考值(VREF1)进行比较。第二比较器350将DIS引脚(DIS)的电压与第二参考值(VREF2)进行比较。第二内部开关(SW12)连接在VCC引脚(VCC)和第一比较器340之间。第二控制器330通过接通第二内部开关(SW12)来操作第一比较器340，并根据第一比较器340的比较结果控制禁用调节器320和第二比较器的350的操作。
当由第一比较器340比较的DIS引脚(DIS)的电压是第一参考值(VREF1)或大于第一参考值(VREF1)时，第二控制器330操作禁用调节器320和第二比较器350。
可选地，当由第二比较器350比较的DIS引脚(DIS)的电压小于第二参考值(VREF2)时，第二控制器330停止禁用调节器320的操作，并控制禁用调节器320以使功率转换器返回到启用模式并正常地操作。
如图4中所示，禁用调节器320包括若干元件，如下所述。电源321与第一功率装置(Q1)串联连接，第二功率装置(Q2)与电源321并联连接，并且齐纳二极管322与电源321串联连接，从而形成如图4中所示的低功耗电路。在图4中，齐纳二极管322是如下二极管，该二极管允许电流以与理想二极管相同的方式沿正向流动，但当电压在特定值(如击穿电压)以上时也允许电流沿反向流动。
在示例中，第一功率装置(Q1)是结栅场效应晶体管(JFET)、耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、横向扩散型MOSFET(LDMOSFET)或者双扩散型MOSFET(DMOSFET)，第二功率装置(Q2)是MOSFET或者双极结型晶体管(BJT)。
在示例中，PWM控制模块是单片集成电路。
示例中的用于降低待机功率的功率转换器可潜在地用于各种类型的电源装置，例如开关模式电源(SMPS)。例如，可使用如下示例的各种类型的电源装置，所述示例包括反激型、正激型、LLC型或者Cuk型。这里，LLC型电源之所以被称为LLC，是因为其包括两个电感器(LL)和一个电容器，并且是一种共振半桥式转换器。
因此，根据示例中的用于降低待机功耗的功率转换器，通过使用作为示例呈现的多个切换装置和小容量电容器的操作，可实现用于从禁用模式进入到启用模式的短响应时间，同时，还最小化功耗。因此，可减小在启用模式操作期间在切换装置中产生的压力。
可使用硬件组件实现在此描述的设备和单元。硬件组件可包括例如控制器、传感器、处理器、产生器、驱动器以及其他等同的电子组件。硬件组件可使用一个或者更多个通用或专用计算机来实现，诸如处理器、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够以定义的方式响应并执行指令的任何其他装置。硬件组件可运行操作系统(OS)和在OS上运行的一个或更多个软件应用。硬件组件还可响应于软件的执行而访问、存储、操纵、处理和创建数据。为了简洁的目的，对处理装置的描述用作单数；然而，本领域的技术人员将认识到，处理装置可包括多个处理元件和多种类型的处理元件。例如，硬件组件可包括多个处理器或者处理器和控制器。另外，不同的处理配置是可行的，诸如并行处理器。
仅作为非详尽说明，在此描述的终端/装置/单元可表示诸如蜂窝电话、智能电话、可穿戴式智能装置(诸如戒指、手表、眼镜、手镯、踝架、腰带、项链、耳环、束发带、头盔、可嵌于衣服内的装置等)、个人计算机(PC)、平板个人计算机(平板)、平板手机、个人数字助理(PDA)、数字相机、便携式游戏控制台、MP3播发器、便携式/个人多媒体播放器(PMP)、手持电子书、超便携移动个人计算机(UMPC)、便携式实验室PC(portable lab-topPC)、全球定位系统(GPS)导航的移动装置以及诸如高清晰度电视(HDTV)、光盘播放器、DVD播放器、蓝光播放器、机顶盒或能够进行与在此公开的通信一致的无线通信或网络通信的任何其他装置的装置。在非详尽的示例中，可穿戴式装置可被自行安装在用户身体上，诸如眼镜或手镯。在另一非详尽的示例中，可穿戴式装置可以通过附带式装置被安装在用户的身体上(诸如使用臂带将智能电话或平板电脑附着于用户的手臂，或用绳带将可穿戴装置悬挂在用户的脖子上)。
虽然此公开包括了具体示例，但在不脱离权利要求及其等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中进行形式和细节上的各种改变，这对本领域的普通技术人员而言将是显然的。在此描述的示例将仅被视为描述性意义，而不是为了限制的目的。对各个示例中的特征或方面的描述将被认为适用于其他示例中的相似特征或方面。如果所描述的技术以不同顺序执行，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式结合和/或被其他组件或其等同物替换或补充，则可实现合适的结果。因此，本公开的范围不是被具体实施方式限定，而是由权利要求及其等同物限定，并且在权利要求及其等同物的范围内的所有变化应被解释为包括在本公开中。

Claims (20)

1.一种功率转换器，包括：
整流器，被配置为将AC功率整流为DC功率；
变压器，被配置为通过将由整流器整流的DC功率的电压进行转换来输出功率；
脉冲宽度调制(PWM)控制模块，被配置为通过切换与变压器连接的功率切换装置来控制输出功率；
第一外部开关，被配置为提供禁用信号，第一外部开关的一端连接到PWM控制模块的VCC引脚，第一外部开关的另一端连接到PWM控制模块的DIS引脚；
第一电容器，与第一外部开关的一端并联连接；
第二外部开关，被配置为提供启用信号，第二外部开关的一端连接到PWM控制模块的DIS引脚，第二外部开关的另一端接地；以及
第二电容器，与第二外部开关的一端并联连接。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，响应于第一外部开关接通，PWM控制模块的VCC引脚和DIS引脚短路，并且在阈值以上的信号被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在禁用模式下操作。
3.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，响应于第二外部开关接通，PWM控制模块的DIS引脚接地，并且小于阈值的信号被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在启用模式下操作。
4.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，第二电容器的电容小于第一电容器的电容。
5.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，PWM控制模块包括：
第一内部开关，连接在与HV引脚连接的第一功率装置和VCC引脚之间；
第一控制器，被配置为在VCC引脚的电压是预定值或大于预定值时断开第一内部开关，并被配置为通过在VCC引脚的电压小于参考值时接通第一内部开关来将HV电压提供给VCC引脚；
禁用调节器，被配置为将VCC引脚的电压和DIS引脚的电压调节为预定电压或小于预定电压；
第一比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第一参考值进行比较；
第二比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第二参考值进行比较；
第二内部开关，连接在VCC引脚和第一比较器之间；以及
第二控制器，被配置为通过接通第二内部开关来操作第一比较器，并被配置为根据第一比较器的比较结果来控制禁用调节器和第二比较器的操作。
6.根据权利要求5所述的功率转换器，其中，第二控制器被配置为响应于由第一比较器比较的DIS引脚的电压是第一参考值或大于第一参考值，操作禁用调节器和第二比较器。
7.根据权利要求5所述的功率转换器，其中，第二控制器被配置为响应于由第二比较器比较的DIS引脚的电压小于第二参考值，停止禁用调节器的操作，并控制模式返回到启用模式并正常地操作。
8.根据权利要求5所述的功率转换器，其中，禁用调节器包括：
电源，与第一功率装置串联连接；
第二功率装置，与电源并联连接；
齐纳二极管，与电源串联连接，从而形成低功耗电路。
9.根据权利要求5所述的功率转换器，其中，第一功率装置是结栅场效应晶体管(JFET)、耗尽型MOSFET(MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管)、横向扩散型MOSFET(LDMOSFET)或者双扩散型MOSFET(DMOSFET)。
10.根据权利要求8所述的功率转换器，其中，第二功率装置是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者双极结型晶体管(BJT)。
11.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，PWM控制模块是单片集成电路。
12.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，功率切换装置是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
13.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，功率转换器被配置为使用脉冲宽度调制来控制输出电压。
14.一种功率转换器，包括：
脉冲宽度调制(PWM)控制模块，被配置为通过切换与变压器连接的功率切换装置来控制输出功率；
第一外部开关，被配置为提供禁用信号，第一外部开关的一端连接到PWM控制模块的VCC引脚，第一外部开关的另一端连接到PWM控制模块的DIS引脚；
第一电容器，与第一外部开关的一端并联连接；
第二外部开关，被配置为提供启用信号，第二外部开关的一端连接到PWM控制模块的DIS引脚，第二外部开关的另一端接地；以及
第二电容器，与第二外部开关的一端并联连接。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，还包括被配置为将AC功率整流为DC功率的整流器，其中，变压器被配置为通过将由整流器整流的DC功率的电压进行转换来输出功率。
16.根据权利要求14所述的功率转换器，其中，响应于第一外部开关接通，PWM控制模块的VCC引脚和DIS引脚短路，并且在阈值以上的信号被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在禁用模式下操作。
17.根据权利要求14所述的功率转换器，其中，响应于第二外部开关接通，PWM控制模块的DIS引脚接地，并且小于阈值的信号被施加到DIS引脚，功率转换器被配置为在启用模式下操作。
18.根据权利要求14所述的功率转换器，其中，第二电容器的电容小于第一电容器的电容。
19.根据权利要求14所述的功率转换器，其中，PWM控制模块包括：
第一内部开关，连接在与HV引脚连接的第一功率装置和VCC引脚之间；
第一控制器，被配置为在VCC引脚的电压是预定值或大于预定值时断开第一内部开关，并被配置为通过在VCC引脚的电压小于参考值时接通第一内部开关来将HV电压提供给VCC引脚；
禁用调节器，被配置为将VCC引脚的电压和DIS引脚的电压调节为预定电压或小于预定电压；
第一比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第一参考值进行比较；
第二比较器，被配置为将DIS引脚的电压与第二参考值进行比较；
第二内部开关，连接在VCC引脚和第一比较器之间；以及
第二控制器，被配置为通过接通第二内部开关来操作第一比较器，并被配置为根据第一比较器的比较结果来控制禁用调节器和第二比较器的操作。
20.根据权利要求14所述的功率转换器，其中，功率转换器被配置为使用脉冲宽度调制来控制输出电压。
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