CN105610330A

CN105610330A - 电容器下降电源

Info

Publication number: CN105610330A
Application number: CN201510755490.0A
Authority: CN
Inventors: 安德烈·马里宁
Original assignee: Dialog Semiconductor Inc
Current assignee: Dialog Semiconductor Inc
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US20160141975A1

Abstract

提供了电容器下降电源，其中，过剩电荷被衰减到低阻抗开关中，避免在当前的设计中所见的额外的能量的损耗。此外，因为过剩电荷未被损耗，它然后对于当使用负载时变得可用，从而提高电源的效率。因此，本公开与现有电容器下降电源相比提供各种优势。它提供简单和低成本的电容器下降电源，但是效率等于或优于开关模式电源的效率。

Description

电容器下降电源

技术领域

本公开涉及电容器下降电源电路和供电方法。

背景技术

电容器下降电源提供用于将诸如市电电压的AC电压转换为可被用于驱动负载的DC供电电压的简单且低成本的方式。不是提供变压器以进行降压，而是电容器(被视为下降电容器)与AC电源串联耦合并起作用以进行降压。这种类型的电源被用于各种环境中，例如作为电机驱动器和电器用品中的辅助电源。

图1中示出了典型的电容器下降电源的说明性原理图。AC电源100提供AC电压，AC电压在输出端102、104之间被转换成DC电压。二极管106(D1)和108(D2)提供AC波形的半波整流，且下降电容器110(C1)进行降压。提供了调节输出电压的稳压二极管112(D3)，而滤波电容器114(C2)减少输出电压中的纹波。图1的电路还可被修改，从而使得正轨(positiverail)被连接至AC线。

图2示出具有全波整流的相似电路，全波整流由被安排成桥式的整流二极管200、202、204、206(D1、D2、D4、D5)提供。其他组件与图1中的那些组件相似，并以对应的参考数字示出。如果负轨不是必须被连接至AC线，那么可使用图2的电路。

尽管下降电容器电源具有低成本和简单性，但是这种电路的实际实施由若干个问题所限制。

首先，电路必须被设计以处理将被电路输出的标准输出电压附近的一定范围的电压。下降电容器必须具有充分的电容来以范围之内的最小电压传输足够的电能。因此，下降电容器以标准电压传输超过所需的电流，并因此多余的能量损耗在稳压二极管中。

另外，功率损耗不取决于负载。如果负载不消耗能量，则能量将损耗在稳压二极管中。这限制了电容器下降电源在具有低待机功耗需求的应用中的使用。

下降电容器对于AC线频率的较高次谐波具有较低的阻抗。如果将电容器下降电源与具有非常高频率谐波量的电源耦合，那么稳压二极管和其他组件中的功率损耗可能超过预期的值，导致电路过热和故障。

发明内容

因此，可取的是，提供在成本和性能方面将胜过竞争的解决方案的非隔离的电源拓扑结构。

根据本公开的第一方面，提供了用于与输入AC电源耦合并且提供DC输出电压的电容器下降电源电路(所述电路包括下降电容器)以及包括选择性地可操作以调节DC输出电压的开关的整流电路。

可选择地，电容器下降电源电路包括：

i)整流电路，其具有输入端和输出端；

ii)下降电容器，其被设置在第一AC电源端和整流电路的输入端之间；以及

iii)滤波电容器，其被设置在整流电路的输出端和第二AC电源端之间；

iv)其中，整流电路包括：

v)二极管，其耦合在下降电容器和整流电路的输出端之间；

vi)开关，其连接在整流电路输入端和第二AC电源端之间；以及

vii)控制器，其可选择地操作开关以调节整流电路的输出电压。

当在其他组件之间提供一个组件时，这可以经由直接耦合或者可选择地，该耦合可以是间接的，换言之，不排出额外的介入组件的提供。

可选择地，使用半导体开关元件实现对整流电路的开关以调节DC输出电压。

可选择地，整流电路提供半波整流输出。

可选择地，整流电路提供全波整流输出。

可选择地，控制器提供后缘控制。

可选择地，控制器提供前缘控制。

根据本公开的第二方面，提供了供电方法，供电方法包括：通过将AC电源与下降电容器耦合来将AC电源转换成DC输出；以及选择性地，开关整流电路以调节DC输出电压。

可选择地，整流电路包括输入端和输出端、在下降电容器和整流电路的输出端之间耦合的二极管、在整流电路输入端和第二AC电源端之间连接的开关和控制器；以及方法包括：

i)在第一AC电源端和整流电路的输入端之间提供下降电容器；

ii)在整流电路的输出端和第二AC电源端之间提供滤波电容器；以及其中

iii)控制器选择性地操作开关以调节整流电路的输出电压。

可选择地，开关包括半导体开关元件。

可选择地，整流电路提供半波整流输出。

可选择地，整流电路提供全波整流输出。

可选择地，控制器提供后缘控制。

可选择地，控制器提供前缘控制。

附图说明

将仅仅以示例方式参考附图来在下面描述本公开，在附图中：

图1示出具有半波整流的现有电容器下降电源电路；

图2示出具有全波整流的现有电容器下降电源电路；

图3示出根据本公开的实施方式的实施半波整流的电容器下降电源电路；

图4示出根据本公开的实施方式的电容器下降电源电路，其配置有提供后缘电流控制的控制器；

图5示出说明图4的电路的操作的不同波形；

图6示出说明关于图3的电容器下降电源电路的前缘控制的电路操作的不同波形；

图7示出根据本公开的实施方式的电容器下降电源电路，其配置有提供前缘电流控制的控制器；

图8示出说明图7的电路的操作的不同波形；以及

图9示出根据本公开的实施方式的实施全波整流的电容器下降电源电路。

具体实施方式

在现有的电容器下降电源中，在下降电容器中存储的所有能量被负载消耗或者损耗在稳压二极管中。参考图1的电路，在AC电源100的正半周期期间，AC电流通过下降电容器110和整流二极管106、108并传输至输出端和滤波电容器114的并联组合中。滤波电容器114由电流充电，且当电荷达到特定阈值时，稳压二极管112达到其击穿电压并开始允许以其反方向流动。过剩电流损耗在稳压二极管112中，而滤波电容器114保持被充电，且终端102、104之间的输出电压保持恒定。在此时间段，下降电容器110被充电且其电压增加。然后，在AC电源100的负半周期中，下降电容器110通过正向偏置的稳压二极管112放电。

本公开提供电容器下降电源电路，其中将过剩电荷衰减到低阻抗开关中。低阻抗开关被提供来代替稳压二极管，并因此避免了额外的能量的损耗。

图3中示意性地说明了本公开的实施方式，其中提供了半波整流。此处，AC电源300提供AC电压，AC电压被转换成在输出端302、304之间的DC电压。二极管306(D1)和308(D2)提供AC波形的半波整流，且下降电容器310(C1)进行降压。下降电容器310可以是诸如陶瓷电容器、薄膜、纸张或例如为AC电解式的任何合适类型的电容器。可选择地，它可以可选地是X额定的。可使用其他类型的电容器。滤波电容器314(C2)减少输出电压中的纹波。滤波电容器314必须具有相对大的电容，并因此例如可以是电解式或铝聚合物电容器，尽管可使用其他类型。提供了被控制成提供电压调节功能的开关312(S1)。

在AC电源300的正半周期期间，AC电流通过下降电容器310和整流二极管306、308并传输至输出端和滤波电容器314的并联组合。滤波电容器114由电流充电，并当电荷达到特定阈值时，开关312闭合。过剩电流然后被衰减在开关312中，而滤波电容器314保持被充电，且终端302、304之间的输出电压保持恒定。在此时间段，下降电容器310被充电且其电压增加。在当由下降电容器310和滤波电容器314提供过剩能量时的整个时间过程中开关312保持闭合，从而使得过剩能量不被损耗。然后，当电容器310、314不再提供过剩能量时，开关再次断开。在正半周期期间或在负半周期期间开关可再次断开。

因为过剩电荷未被损耗，所以它然后对于当使用负载时可用，从而与其中能量被损耗在稳压二极管中的拓扑结构相比提高电源的效率。

提供控制器以操作开关。本公开不限制于任何一个类型的控制器，但作为示例，开关控制器包括向整流二极管306提供后缘电流控制的比较器。图4中示出了这个的实施方式。

在图4的实施方式中，为图3的电路提供了控制器400。控制器400提供用于改变开关312的状态的控制信号并包括具有滞后作用的比较器402，比较器402将参考电压404与电阻分压器404的输出进行比较，电阻分压器在410处提供作为滤波电容器314两端电压的一部分的输出电压，这部分由第一电阻器406(R1)的值和第二电阻器408(R2)的值指定。因此，当滤波电容器314两端的电压达到特定阈值时，比较器402改变状态，且开关312被闭合，从而使得输出电压保持恒定。

这种类型的控制器为整流二极管306提供后缘电流控制。图5示出说明图4的电路的操作的不同波形。附图示出AC电压500、比较器输出502、下降电容器电流504、整流二极管电流506(平坦部分是零位电流)和输出电压纹波508。

图5示出在包括正半周期部分512、516和负半周期部分510、514的AC周期期间的这些组件的变化。比较器输出502当它变低时断开开关312，并当它变高时闭合开关312。如由说明部分512所示出的，在正半周期的开始处，比较器400输出是低的，因此开关312被断开。AC电流通过下降电容器310、整流二极管306、308以及输出端和滤波电容器314的并联组合。当滤波电容器314两端的电压达到特定值时，比较器400改变状态，且闭合开关312，从而使得过剩电荷被开关312衰减。在该点处，在下降电容器电流504中存在刺突(spike)518，且通过整流二极管306的电流降低。

为了说明图4的电路与图1的电路相比的优势，我们考虑具体示例。假设我们有对于220VAC50Hz市电具有0.1W待机功耗的12V1W峰值电源。

利用图1的常规电容器下降电源设计，对于84mA的所需输出电流并允许10％的纹波输出，滤波电容器114应当具有1400uF的值。电压摆动是(622V–12V)＝610V。因此，下降电容器110应具有83mA*20ms/610＝2.76uF的电容。如果我们针对低压线路考虑20％的余量并四舍五入到标准值给出3.3uF。

在正常操作期间，该电容器将传输100mA电流。稳压二极管应能够以全功率值消耗能量：12V*0.1A＝1.2W。全负荷时的效率是83％，且在待机模式下的效率是8.3％。

进行了仿真，该仿真考虑了包含整流二极管106、108的功率损耗的因素，且发现实现了74％的全负荷效率。

对于改进的设计，根据图4的实施方式，除了代替至稳压二极管的功率损耗我们需要使用开关312中的开关损耗之外，计算是相同的。损耗到开关的能量是F*CV²/2＝50*3.3uF*(12V)²/2＝52mW。该情况下的预测效率在最大负荷时将为95％，并在待机模式下将是66％。进行了仿真，该仿真考虑了包含整流二极管306、308的功率损耗的因素，且发现实现了85％的全负荷效率。这与开关模式的电源的效率相比占优。

使用后缘控制具有缺点。理论效率由在接通期间的开关中损耗的能量限制。这些损耗表示为电容器电流波形上的刺突。

通过使用更复杂的前缘控制，可能实现零电压接通软开关。该方案的理论效率是100％，因为电容器不放电且没有与其相关的能量损耗。

图6示出说明具有前缘控制器的电路的操作的不同波形。附图示出AC电压600、开关控制电压602(应用于开关312)、下降电容器电流604、整流二极管电流606和输出电压纹波608。图6示出在正半周期部分610、614、618和负半周期部分612、616期间的这些组件的变化。如与图5的那些波形相比，在这些波形中可以看到，没有电流刺突，因此没有额外的能量被损耗在开关312中。

图7示出电容器下降电源电路的实施方式，电容器下降电源电路提供用于输出电压的调节的开关的前缘相位控制。AC电源700提供AC电压，AC电压被转换成在输出端702、704之间的DC电压。二极管706(D1)和708(D2)提供AC波形的半波整流，且下降电容器710(C下降)进行降压。提供了开关712(S1)，其以与参考图3-5在上文中描述的方式相似的方式调节输出电压。在该实施方式中，为开关712提供了前缘控制器720。前缘控制器720包括误差放大器722、脉宽调制(PWM)比较器724、同步电路726和斜坡发生器728。

在AC输入电压通过其正峰值之后，同步电路726的输入端(二极管708)上的电压开始降低。当该电压变为负值时，二极管708变得正向偏置并可以开始传导电流。同时，同步电路726复位斜坡电容器730(C斜坡)上的电压。这标记开关周期的开始。电流源732将斜坡电容器730放电，产生负斜率。

因为将斜坡728的电压应用在PWM比较器724的正输入端，其输出端将切换到高状态，且开关712被接通。来自下降电容器710的电流将通过低阻抗的开关712，而没有明显的功率损耗。

在AC输入电压通过其负峰值之后，通过下降电容器710的电流将反转方向，但仍然进入开关712中。

当斜坡电压穿过误差放大器722的输出电压时，PWM比较器724将改变状态并将关断开关712。通过下降电容器710的电流不被S1短路，并将通过二极管706流到负载，直到AC电压达到其正峰值。

如果误差放大器722的输出电压较低，则电流流到负载的期间的时间较少，因此输出电压将降低。如果误差放大器722输出较高，则输出电压将增加。该功能与误差放大器722的倒相作用结合将产生负反馈。为了确保稳定的反馈，应采用补偿器电路，理想地为类型II比例-积分(PI)补偿器。

图8示出在若干个AC周期上的图7的电路的操作的进一步细节。附图示出了AC波形800、开关控制信号802、同步控制输入804、斜坡电压806和误差放大器输出808。

图3-8示出其中提供了半波整流的实施方式。然而，针对全波整流可以应用相似的原理。图9中示出了根据提供全波整流的实施方式的电容器下降电源。此处，AC电源900提供AC电压，AC电压被转换成在输出端902、904之间的DC电压。提供了与输出端并联的滤波电容器914和电阻器920。由经由第一开关930和第二开关932有选择地连接的整流二极管922、924、926、928提供了全波整流。

因此，本公开与现有电容器下降电源相比提供各种优势。本公开的各实施方式提供简单和低成本的电容器下降电源，但是其效率等于或优于开关模式电源的效率。而且，因为额外的能量未损耗在本公开的电源中，所以较低的电容器阻抗将不会导致额外的功率损耗，意味着本公开允许对具有高谐波量的市电电源使用低成本电容性下降技术。

因此，本公开提供了能够关闭在电容器下降和开关模式电源之间的市场利基的电源。

可以对上述内容进行各种修改和改进，而不脱离本公开的范围。虽然已经参考示例性实施方式描述了本发明的方面，但是本领域的技术人员应该清楚地理解的是，本发明不限于此。

Claims

1.一种电容器下降电源电路，所述电容器下降电源电路用于与输入AC电源耦合并提供DC输出电压，所述电路包括下降电容器和整流电路，所述整流电路包括选择性地操作以调节所述DC输出电压的开关。

2.根据权利要求1所述的电容器下降电源电路，包括：

整流电路，其具有输入端和输出端；

下降电容器，其被设置在第一AC电源端和所述整流电路的所述输入端之间；以及

滤波电容器，其被设置在所述整流电路的所述输出端和第二AC电源端之间；

其中，所述整流电路包括：

二极管，其被耦合在所述下降电容器和所述整流电路的输出端之间；

开关，其被连接在所述整流电路的输入端和所述第二AC电源端之间；以及

控制器，其能够选择性地操作所述开关以调节所述整流电路的输出电压。

3.根据权利要求1所述的电容器下降电源电路，其中，所述开关包括半导体开关元件。

4.根据权利要求1所述的电容器下降电源电路，其中，所述整流电路提供半波整流输出。

5.根据权利要求1所述的电容器下降电源电路，其中，所述整流电路提供全波整流输出。

6.根据权利要求2所述的电容器下降电源电路，其中，所述控制器提供后缘控制。

7.根据权利要求2所述的电容器下降电源电路，其中，所述控制器提供前缘控制。

8.一种供电方法，所述供电方法包括：通过将AC电源与下降电容器耦合来将所述AC电源转换成DC输出；以及选择性地对整流电路进行开关以调节所述DC输出电压。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述整流电路包括输入端和输出端、在所述下降电容器和所述整流电路的输出端之间耦合的二极管、在所述整流电路的输入端和所述第二AC电源端之间连接的开关以及控制器；以及所述方法包括：

在第一AC电源端和所述整流电路的所述输入端之间提供下降电容器；

提供设置在所述整流电路的所述输出端和第二AC电源端之间的滤波电容器；以及其中，

所述控制器选择性地操作所述开关以调节所述整流电路的输出电压。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，使用半导体开关元件实现对整流电路进行开关以调节所述DC输出电压。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述整流电路提供半波整流输出。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述整流电路提供全波整流输出。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述控制器提供后缘控制。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述控制器提供前缘控制。