CN109088552A - 基于双电容器的ac线路频率低压dc供电电路 - Google Patents

基于双电容器的ac线路频率低压dc供电电路 Download PDF

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Abstract

提供一种基于双电容器的AC线路频率低压DC供电电路。公开了一种低压DC供电电路，其包括：整流桥，其串联布置在两个高压电容器之间；AC线路，其通过两个高压电容器将中间电压提供至低压电容器；多个电阻器，其与所述两个高压电容器串联安装；钳压装置，其限制低压电容器处的中间电压；以及串联式线性稳压器，其提供输出DC电压。

Description

基于双电容器的AC线路频率低压DC供电电路
技术领域
本发明涉及低压DC供电电路。更具体但非排他地，本发明涉及用于低 压DC电力的基于双电容器的AC线路频率供电电路。
背景技术
图1-7中示出了现有技术的低功率在线式AC-DC供电。图1显示了一个 通过电阻器和钳压装置获得的低压DC。诸如这种方法的使用并联式线性稳 压器的典型实现的电路设计简单并且成本低。然而，该电路存在许多缺点。 电阻器R1存在大的功率损耗。典型的损耗是220V×15mA＝3.3W；(其中， Iout＝10mA，I齐纳二极管＝5mA)。该电阻器和钳压装置还表现出低效率，关于 功率损耗处理的热性能差，以及线性调整率和负载调整率不良。
图2示出高压(“HV”)输入并联式线性稳压器。与图1的电路相比， HV输入并联式线性稳压器电路在Vout处提供更好的电压调节。然而，HV 电路具有与图1所示的电阻器和钳压装置相似的缺点。具体地，HV输入并 联式线性稳压器电路具有串联控制半导体管中的高功率损耗，热性能差，并 且需要作为串联控制半导体管的高压装置。
图3示出了与高压整流DC(Vrect)连接的电流源。与图1中的电路相比， 该方法的电路可以减少功率损耗，但是电流源必须是高压装置。这增加了实 施成本。电流源本身的内在V-I损耗也仍然显著。
图4示出了供应启动电流的HV电流源，其具有供应工作电流的辅助线 圈。所描绘的控制器具有内置振荡器以驱动电感器来通过辅助线圈提供适当 的DC电压。这种电路不是合乎期望的，因为电流源必须在高压下工作，并 且电路本身更复杂。达到合适的DC电压所需的变压器价格昂贵，并且EMI 性能差。
图5示出了低功率开关模式电源(“SMPS”)。低功率SMPS可用于向负 载供应DC输出电压。但是，如果假定向负载仅输送10mA 5V，则SMPS 的功率损耗开销非常高。这导致电路的效率低，EMI性能差，并且还存在音 频噪声。
图6A示出连接到LIVE(带电)线路或NEUTRAL(中性)线路的单侧 AC电荷泵电路。其由C3、C4、D5、D6和钳压装置组成。当V(中性)上 升时，C4被充电，并经由D5被泵至C3作为由钳压装置钳位的VC电压。 当V(中性)下降时，C4通过放电路径向负载放电。同时，通过利用C3和 D5来平滑VD，可以在VC处获得更稳定的电压。通过将VC连接到稳压器， 我们可以很容易地在Vout处获得DC输出来驱动控制器电路。
参考图6B，在Vrect线路上的正常负载R1的情况下，C4被完全放电， 并且V(中性)将在AC周期期间达到0V。在这种情况下，Vrect将看起来像 整流后的AC电压，其峰值约为220V*1.414＝310V。
该电路的优点在于其为低成本的简单设计。没有电感器，并且具有良好 的线路谐波电流。该电路还导致相对低的功率损耗。
然而，如果在Vrect线路上仅有轻负载R1，则如图6C所示，在AC周期 期间C4的电压将不会完全放电到0V，并且它将存储峰值AC电压(约300V) 在C4中。最重要的是，Vrect将建立高达600V+的峰值(即是最大为AC电 压的峰峰值)。它可能会导致附接到Vrect线路的装置(如HV电容器、MOS 开关装置等)发生故障。由于V(中性)相对于GND只有很小的纹波，因 此不足以增加VC处的电压。因此，在轻负载条件下电路不能适当工作。这 主要是由LIVE或NEUTRAL线路上主整流桥的不均衡状况造成的。
图7A示出了Vrect线路上的具有额外电阻的用于备用电源的单侧AC电 荷泵。为了迎合不均衡的问题，单侧AC电荷泵输入可以直接连接到Vrect线 路，其将具有足够的纹波使C4充电并将C3增加至VC处所需的电压(参见 图7B中所示的波形)。由于处于均衡状态，Vrect峰值仅为AC电压的峰值(例 如最大220V×1.414＝310V)。
然而，在轻负载条件下，纹波对于AC电荷泵动作而言可能不够高。因 此，Vrect线路需要通过R1加载来消耗最小功率，从而保持最小纹波以确保 充电泵动作。否则，VC将无法达到所期望的电压电平。因此，在R1中会消 耗一些最小功率，因此会降低整体效率。
发明内容
简而言之，提供了一种基于双电容器的AC线路频率供电电路。
供电电路包括串联布置在两个高压电容器之间的整流桥。AC线路通过 两个高压电容器和整流桥对中间(低压)电容器充电。钳压装置限制低压电 容器处的中间电压，而稳压器提供输出电压。
两个高压电容器在连续的AC电压周期期间确保AC线路上的均衡负载。 可选的多个电阻器限制在AC电压浪涌和尖峰的条件下供给至高压电容器的 涌入电流。供电电路提供的输出电压为DC。
AC线路电压可以通过整流桥经由两个高压电容器对中间低压电容器充 电。与上述单侧AC电荷泵方法相比，这种基于双电容器的方法确保在每个 AC电压周期AC线路上的均衡负载。
附图说明
现在将参照附图以示例的方式描述本发明的优选形式，其中：
图1示出了由电阻器和钳压装置获得的典型的现有技术低压DC电路；
图2示出了典型的现有技术高压输入并联式线性稳压器电路；
图3示出了与高压整流DC电路连接的典型的现有技术电流源；
图4示出了供应启动电流的典型的现有技术高压电流源和供应工作电流 电路的辅助线圈；
图5示出了典型的现有技术低功率SMPS电路；
图6A示出了连接到LIVE或NEUTRAL的典型的现有技术单侧AC电 荷泵电路；
图6B示出了在正常工作期间当C4完全放电时图6A的电路(正常负载) 的波形；
图6C示出了如果C4的电压没有完全放电的情况下图6A的电路(轻负 载)的波形；
图7A示出了Vrect线路上具有额外电阻器作为备用电源的典型的现有技 术单侧AC电荷泵；
图7B示出了图7A的电路的VC电压的波形；
图8是所公开的在AC线路频率下工作的使用双电容器的低压DC供电 的一个实施例的示意性电路图；
图9A示出了图8的电路(正常负载)的高压电容器的电流的波形；
图9B示出了图8的电路(轻负载)的Vrect的波形；
图10是所公开的在AC线路频率下工作的使用双电容器的低压DC供电 的另一实施例的示意性电路图；
图11A是用于图10的电路的整流器的示意性电路图；
图11B是用于图10的电路的替代性整流器的示意性电路图；
图12A是用于图10的电路的钳压装置的示意性电路图；
图12B是用于图10的电路的替代性钳压装置的示意性电路图；以及
图13是用于图10的电路的Vout串联式线性稳压器的示意性电路图。
具体实施例
参考附图，在所有附图中相同的附图标记表示相同的部件，图8中数字 100表示公开的基于双电容器的AC线路频率低压DC供电电路的实施例的 示意性电路图。
AC线路电压经由两个高压电容器104、106对中间低压电容器102充电。 这两个高压电容器104、106通过全波整流桥110充电。涌入电流受到两个电 阻器120、122的限制，电阻器120、122中的每一个与高压电容器104、106 串联地安装。图9A示出了高压电容器104、106的电流的充电和放电。
双高压电容器104、106确保在每个AC电压周期中AC线路上的均衡负 载。因此，在Vrect处将不会有不均衡的峰值电压，否则其可能会达到更高的 峰值。因此，Vrect处的最大电压保持在峰值AC电压(即220V*1.414＝310V)。 省略双高压电容器104、106将对于附接到Vrect侧的装置来说需要更高的耐 压规格。
钳压装置130限制低压电容器102处的中间电压VC。在所描述的实施 例中，该中间电压VC通常在4V和40V之间。串联式线性稳压器132给出 Vout处的DC输出电压。DC输出电压对于10mA负载来说通常为3V至5V。 由于不存在开关元件，因此串联式线性稳压器132具有良好的线路谐波电流 响应和EMI性能。
当只有轻负载时，其仍然可以保持在均衡状态。可以有效地对两个高压 电容器104、106进行串联处理。它们的充电电流和放电电流基本相同。结果， 如图9B的波形所示，Vrect峰值电压仍将保持在正常额定值(即，峰值AC电 压)内。
基于双电容器的AC线路频率低压DC供电电路100展现出相对低的功 率损失，这导致良好的热性能。简单的电路设计还可提供良好的线路谐波电 流，并且无电感器的设计显著降低了成本。没有开关噪声，这改善了EMI 性能，并且与单侧AC电荷泵电路图相比，该电路允许LIVE线路和NEUTRAL 线路上的均衡负载。
在图10所示的实施例中，电路的主要部分被设计为集成电路140的形式。 集成电路140包括整流桥110、钳压装置130和串联式线性稳压器132。这允 许第二整流桥110被实现为同步整流器。这进一步降低了正向压降损失并进 一步提高了功率效率。
整流桥110可以是四个二极管(如图11A所示)，由MOSFET实现的四 个同步整流装置(如图11B所示)，或者四个二极管和MOSFET的组合。钳 压装置130可以是齐纳二极管(如图12A所示)或误差放大器和MOSFET (如图12B所示)。参照图13，Vout稳压器130可以是串联式线性线性稳压 器或LDO稳压器。
虽然描述了基于双电容器的AC线路频率低压DC供电电路100，但其 他实施例被设想为包括在本说明书的范围内。因此，尽管在前面的描述中已 经描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本 发明所要求保护的范围的情况下，可以对设计、配置或操作的细节上进行许 多变化或修改。

Claims (12)

1.一种低压DC供电电路，包括：
整流桥，其串联布置在两个高压电容器之间；
AC线路，其通过所述两个高压电容器将中间电压提供至低压电容器；
钳压装置，其限制所述低压电容器处的中间电压；以及
串联式线性稳压器，其提供输出电压；
其中，所述两个高压电容器在连续的AC电压周期期间确保所述AC线路上的均衡负载，并且输出电压是DC。
2.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述整流桥、所述钳压装置和所述稳压器被包括在集成电路中。
3.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，还包括与所述两个高压电容器串联安装的多个电阻器，其中所述多个电阻器限制供应至所述高压电容器的涌入电流。
4.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述整流桥包括四个独立的二极管。
5.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述整流桥包括由MOSFET实现的四个同步整流装置。
6.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述整流桥包括四个独立二极管和由MOSFET实现的四个同步整流装置的组合。
7.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述钳压装置是齐纳二极管。
8.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述钳压装置是误差放大器和MOSFET。
9.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述稳压器是串联式线性稳压器。
10.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述稳压器是LDO稳压器。
11.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中所述中间电压在4V和40V之间。
12.根据权利要求1所述的低压DC供电电路，其中峰值AC电压为310V±10％或155V±10％。
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