CN114762231A

CN114762231A - 电力切换设备和电源

Info

Publication number: CN114762231A
Application number: CN202080081473.2A
Authority: CN
Inventors: 潘毅杰
Original assignee: Anbo Electronics Co ltd
Current assignee: Anbo Electronics Co ltd
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-07-15
Also published as: WO2021059174A1; US20230344355A1; WO2021059174A8

Abstract

提供了一种用于切换式电源的电力切换设备(P100)。所述切换设备(P100)包括电力开关(M100)、切换控制器(SC100)、电压转换器(Ra100)和电力电容器(Csc100)。所述电力开关(M100)被配置用于与电力输入装置连接，以形成电源电路，以从电源接收电力。所述切换控制器(Scs100)可操作以接通或断开所述电力开关(M100)。当所述电力开关(M100)接通时，电力将从所述电源流入所述电力输入装置。当所述电力开关(M100)断开时，电力将停止从所述电源流入所述电力输入装置。所述电压转换器(Ra100)被配置为当所述电力开关(M100)被接通时从所述电源接收电力，并且被配置为输出调节电压。

Description

电力切换设备和电源

技术领域

本公开涉及一种电源和用于电源的电力切换设备。更具体地，本公开涉及切换式电源和切换式电源的电力切换设备。

背景技术

结合了电力切换设备的电源设备被广泛用于将操作电力提供至电器，尤其是需要DC(直流)电源的电器，例如移动电话充电器和基于计算机的电器。在电力转换操作期间，典型的电力切换设备将第一基频的输入电力转换成更高的第二频率的输出电力。

结合了电力切换设备的电源设备经常被配置为切换式电源。切换式电源(“SMPS”)是至少包括切换控制器的设备，该切换控制器在无负载传送的待机条件期间消耗待机电力。为了减轻待机期间SMPS的电力损耗，诸如PWM控制器的许多切换控制器可在“突发模式(burst mode)”下操作，并且被配置为在待机或无负载条件期间在突发模式下操作。

突发模式操作是这样一种操作模式，其中，当电源设备连接到有效电源时，在电源设备的输出侧上没有传递负载电流时，暂时禁用电源设备的切换控制器(例如，电源控制电路)和切换电路。可在突发模式下操作的切换控制器与电源反馈电路相关联地操作以监控负载电流。当输出端的负载电流低于阈值电流时，切换控制器将进入突发模式操作。阈值电流可以是预定的输出电流或额定输出电流I_o的预定百分比。在示例控制器中，阈值电流可以被设置为例如100uA或I_o的n％，其中n可以是0.1、0.5、1、1.5、2等，而不失一般性。突发模式也被称为脉冲跳频模式，并且I_o是额定或最大输出电流。

当切换控制器在突发模式下操作时，电源在断开时段(例如，几毫秒)内被禁用，并且在输出电压下降到阈值电压时在接通时段内将再次被启用。通过在非常低负载或无负载条件下周期性地禁用电源的主电路，电源能够消耗少得多的电力，以满足无负载功耗要求，例如在2016年生效的由美国能源部(DOE)的效率准则强制实行的210mW要求。

当在突发模式中操作时，电源将在接通时段期间对电力电容器充电，使得电力电容器可以在断开时段期间向切换控制器提供操作电力。突发模式的断开时间基本上比接通时间长，从而可以节省电力。然而，较长的断开时间意味着需要较大的电容器，以便在较短的接通时间期间，电力电容器可以被完全地或充分地充电。较大的电容器通常意味着体积较大的电源，这在希望小型化的情况下是不希望的。

许多电源被设计成满足可变的输出电压，使得具有不同输入电压要求的电器可以连接到电源以获得操作电力。例如，示例外部电源用于提供在3.3V和20V之间的可变输出电压。作为另一示例，USBPD(电力输送)3.0标准要求在5V、9V、15V和20V的离散电压电平的可变电压输出。

发明内容

公开了一种用于切换式电源的电力切换设备。切换设备包括电力开关、切换控制器、电压转换器和电力电容器。电力开关被配置用于与电力输入装置连接，以形成电源电路，以从电源接收电力。切换控制器可操作以接通或断开电力开关。当电力开关接通时，电力将从电源流入电力输入装置。当电力开关断开时，电力将停止从电源流入电力输入装置。电压转换器被配置为当电力开关被接通时从电源接收电力，并且被配置为输出调节电压。电力电容器被配置为当电力开关被接通时由电压转换器的调节电压充电。电力电容器被配置为当电力开关断开时放电，以提供用于操作切换控制器的电力。

通过这样布置电力电容器，与传统布置相比，可以使用具有低额定电压的电力电容器和切换控制器。

电力输入装置可以是电力变压器的初级绕组。该电力变压器包括辅助绕组，该辅助绕组被配置为在电力切换操作期间当操作电力被提供到连接到电源的负载时，将操作电力提供到切换控制器。

电压转换器可以被配置为用于可变电压输入。

切换控制器包括电力输入节点，电力电容器包括正端子，并且切换控制器和电力电容器并联连接，电力输入节点和正端子电互连。

调节电压输出、电力输入节点和电容器的正端子可以连接在公共节点并且处于相同的电势。

切换控制器被配置为能够以突发模式操作，在突发模式期间，切换控制器将在接通时段和断开时段操作，断开时段比接通时段更长并且与接通时段相邻。

切换控制器被配置为在接通时段期间从电源电路接收操作电力，并且向电力开关发送包括多个交替设置的接通信号和断开信号的切换信号串。切换控制器被配置为在断开时段期间停止向电力开关发送接通信号。

切换控制器被配置为通过或经由电力电容器的放电，从电力电容器接收操作电力。来自所述电力电容器或由电力电容器提供的操作电力是由于在接通时段期间由电源对电力电容器充电引起的。

如图1中所示的示例SMPS包括电源电路、电力切换电路和输出电路。SMPS具有电力输入侧，该电力输入侧包括第一电力输入节点i₁和第二电力输入节点i₂。SMPS具有电力输出侧，该电力输出侧包括处于第一电压V_o1的第一电力输出节点o₁和处于第二电压V_o2的第二电力输出节点o₂。

示例电源电路包括第一绕组P1、第二绕组S1和第三绕组S2，它们协作以形成变压器T1。第一绕组是初级绕组，其被配置为用于连接到电源(例如DC电源)的输入绕组。第二绕组是次级绕组，其磁耦合到第一绕组并被配置为用于输出SMPS的切换电力输出至电力输出侧的输出绕组。电力输出侧包括连接到输出绕组的输出电路。第三绕组是另一个次级绕组，其被配置为用于向电力切换电路提供操作电力的辅助绕组。第三绕组磁耦合到第一绕组和/或第二绕组以从其获得辅助电力。SMPS的电力输入节点i₁和i₂被配置用于连接到电源，以接收SMPS的操作电力。电源被称为主电源以与辅助电源区分开，辅助电源是被配置用于操作电力切换电路并且从主电源得到或产生其电力的电源。在示例实施例中，第一电力输入节点i₁是连接到电源的第一供电端并且处于第一电压V_i1的端子，并且第二电力输入节点i₂是连接到电源的第二供电端并且处于第二电压V_i2的端子，其中V_i1＞V_i2。

电源切换电路包括切换控制器SC1与电力开关M1。

电力开关M1是三端开关，包括第一端、与第一端协作以限定可切换电路径的第二端、以及作为控制端G的第三端。电力开关及其可切换电路径可在接通状态和断开状态之间切换。当电力开关处于接通状态时，可切换电路径具有非常低的阻抗，并且是类似于非常低电阻的电导体的低损耗电流路径。当电力开关处于断开状态时，可切换电路径具有非常高的阻抗，并且是类似于非常高电阻的电绝缘体的高损耗电链路。当接通状态控制信号被施加到控制端时，电力开关处于接通状态。当断开状态控制信号被施加到控制端时，电力开关处于断开状态。典型的电力开关(尤其是半导体电力开关)的控制端和可切换电路径通常彼此电绝缘。例如，作为半导体电力开关的常见示例的电力MOSFET的可切换电路径和控制端彼此绝缘，并且通过在控制端处施加切换电场，以在操作状态(即，接通状态和断开状态)之间切换电力开关，在电力MOSFET的示例中，该控制端是栅极端。术语“电路径”和“电链路”在本文中可互换使用，除非上下文另有要求。半导体开关，诸如包括MOSFET开关的晶体管开关，由于其高切换频率和带宽，因而广泛用于SMPS。

切换控制器SC1被配置为在电力切换操作期间生成切换脉冲串，以在接通状态和断开状态之间交替地重复切换电源电路。当电源电路处于接通状态时，从电源可获得的电力被耦合到输出绕组或辅助绕组。当电源电路处于断开状态时，从电源可获得的电力不耦合到输出绕组或辅助绕组。如图1所示，电力开关M1的控制端连接到切换控制器SC1的切换信号输出节点，并且电力开关M1的可切换电路径与初级绕组P1串联连接。包括初级绕组P1和电力开关M1的串联连接被连接到电力输入节点，以形成输入电流回路。切换控制器被配置为在电力切换操作期间生成切换信号串并将其传输到电力开关。更具体地，切换控制器用于在操作期间生成并传输切换信号串，以在接通状态和断开状态之间重复地且交替地切换半导体电力开关。

切换信号可以包括交替设置的接通信号和断开信号，使得接通信号紧跟在断开信号之后，并且断开信号紧跟在接通信号之后。控制信号通常是具有尖锐的前沿和尖锐的后沿的切换脉冲，使得在相反状态的相邻控制信号之间存在非常短的转变时间。前沿可以是上升沿或下降沿。

作为示例控制信号的切换信号在交替状态之间(即从接通状态到断开状态和从断开状态到接通状态)切换电力开关M1。切换信号通常是切换脉冲，通常是矩形脉冲，主要是因为易于生成。典型的切换信号串典型地包括接通脉冲和断开脉冲。典型的接通脉冲具有带有上升时间的上升沿、带有下降时间的下降沿、以及由上升沿和下降沿共同限定的脉冲时间。接通脉冲具有上升沿、下降沿和脉冲时间，上升沿具有上升时间，下降沿具有下降时间，在脉冲时间期间接通脉冲具有接通电压。接通脉冲具有下降沿、上升沿和脉冲时间，下降沿具有下降时间，上升沿具有上升时间，在脉冲时间期间断开脉冲具有断开电压。控制脉冲的上升时间和下降时间是转变时间。这里的转变时间是在电力开关的接通状态和紧随其后的断开状态之间的转变的时间，和在电力开关的断开状态和紧随其后的接通状态之间的转变的时间。示例上升时间是在断开状态电压的结束与下一接通状态电压的开始之间的转变时间。示例下降时间是在接通状态电压的结束与下一断开状态电压的开始之间的转变时间。典型的接通脉冲具有可忽略的上升时间、可忽略的下降时间以及上升沿和下降沿之间的接通状态电压(on-state voltage)。典型的断开脉冲具有可忽略的下降时间、可忽略的上升时间、以及上升沿和下降沿之间的断开状态电压(off-state voltage)。如果转变时间的持续时间基本上小于脉冲时间，例如，为其1％、0.5％、0.1％、0.05％或更小，则转变时间是可忽略的。矩形脉冲的脉冲时间等于其前沿和后沿之间的时间差。不失一般性的，前沿和后沿可以是上升沿或下降沿。

在断开脉冲具有零或接近零的断开状态电压的示例中，断开脉冲的前沿和后沿可能不明显。在这种情况下，断开脉冲的脉冲时间可以由紧接在前的接通脉冲的近侧转变边缘与紧接在后的接通脉冲的近侧转变边缘之间的时间差来确定。

电力开关M1连接到初级绕组P1，使得当SMPS连接到主电源时在电力转换操作期间电力开关处于接通状态时，初级绕组P1和主电源通过由电力开关形成的非常低阻抗的电链路电连接，该非常低阻抗的电链路等效于高导电导体。当初级绕组P1和电源通过类似于电导体的非常低阻抗的电链路电连接时，操作电流将基本上不受阻碍地从电源流向电源电路，即，在电链路两端没有压降或压降最小，或者没有由于电链路的电阻而导致的电力损耗或电力损耗最小。电源电路包括串联连接以形成电路回路的电源、初级绕组和电力开关。

当SMPS连接到主电源时在电力转换操作期间电力开关处于断开状态时，初级绕组和电源通过由开关形成的非常高阻抗电链路电断开，该非常高阻抗电链路等效于非导电绝缘体。当初级绕组和电源通过由电力开关限定的非常高阻抗电链路电连接时，操作电流不能有效地从电源流向电源电路，并且将电源和初级绕组串联互连的高阻抗电链路阻止从电源到初级绕组的电流流动。

图1的电力切换电路包括电力电容器C_a1。电力电容器C_a1被配置为电力存储装置，当切换控制器SC1在突发模式中操作时，该电力存储装置在断开时段期间向切换控制器SC1提供操作电力。电力电容器C_a1具有平滑向切换控制器SC1的供电的次级效果。电力电容器C_a1和切换控制器SC1并联连接，并且该并联连接包括在节点a1处的第一公共节点和在节点i2处的第二公共节点。

示例电力切换电路包括二极管Da1。二极管被配置为单向电流装置，以限制电力电流仅在一个方向上流动，该方向是二极管的正向方向，并且阻止电流在与正向方向相反的反向方向上的流动。当电力在正向方向流过二极管时，电力将流向电力电容器C_a1和切换控制器SC1。当电力在正向方向流动时，电力电容器C_a1将被充电，切换控制器SC1将被供电以操作。

在SMPS连接到电源时在电力切换操作期间，辅助电压V_a1将出现在电力切换电路的电力输入节点a1处。辅助电压V_a1是到电力电容器C_a1的电源电压，并且也是到切换控制器SC1的电源电压。

辅助电压V_a1通过近似等于输出绕组和辅助绕组之间的匝数比的比与次级绕组S1(其被配置为输出绕组)的输出电压V_o相关。当以等式形式表示时，电压关系是

其中

是辅助绕组的匝数与输出绕组的匝数之间的匝数比，其中N_s是输出绕组的匝数，N_a是辅助绕组的匝数。

电源的输出电流I_o1取决于连接到输出电路的负载。当没有负载连接到输出电路时或者当连接到输出电路的负载不从输出电路汲取电流时，负载电流将处于最小值。最小负载电流也被称为空载电流，其对于大多数实际目的而言被认为是“零电流”。典型SMPS的空载电流通常等于或低于100uA。在典型的电源操作期间的输出电流典型地比流入切换控制器SC1的辅助电流I_sc1大许多倍。

对于理想的变压器，输出绕组的输出电压和磁耦合到输出绕组的辅助绕组的辅助电压总是通过与输出绕组和辅助绕组之间的匝数比有关的常数k相关。在变压器的输出绕组的输出电压在第一较低输出电压V_o1和第二较高输出电压V_o2＝V_rV_o1之间变化的情况下，其中V_r是较高电压和较低电压之间的电压比，期望理想变换的辅助绕组处的辅助电压在V_a1和V_a2之间变化，其中V_o1＝kV_a1且V_o2＝kV_a2。然而，实际的电力变压器(诸如包括第一、第二和第三绕组的图1的示例变压器)的绕组不是完美地耦接的，并且不可避免的存在寄生分量。电力变压器的寄生分量可能引起电压尖峰，并且辅助电压V_a1可以达到最大值，该最大值是理想或理论最大值的两倍。

在图1的示例变压器中，当输出侧的负载电流改变时，辅助绕组上的辅助绕组电压V_a也改变。然而，虽然辅助绕组电压V_a跟随负载电流的变化，使得当负载电流增加时，辅助电压V_a也增加，反之亦然，但是关系或变化不是线性的。出于实际设计考虑，取最大负载电流时的最大辅助绕组电压V_{a1_max}为理想变压器在最大输入电压和空载电流时的最大输出电压的两倍，即，V_{a1_max}＝2V_o2/k，以提供合理的设计余量。

直接电连接到辅助绕组的部件将需要具有至少V_{a1_max}的额定电压，以便承受在操作期间可能出现的最大辅助绕组电压。对于图1的示例电路，电力电容器C_a1和切换控制器SC1的额定电压将需要为至少2N_rV_o2，即使切换控制器SC1的电源电压要求V_SC仅为N_rV_o1或N_rV_o2/V_r，其中，在该示例中N_r＝1/k。被取为理想最大电压的两倍的设计裕度在此被称为“双电压规则”。

因此，在SMPS适于输出第一较低电压V_o1和第二较高电压V_o2＝V_rV_o1之间的电压的情况下，其中，V_r是V_o2与V_o1的比，空载时的辅助电压V_{aux_0}将在N_rV_o1和N_rV_o2之间变化。N_rV_o1的值将需要等于或大于V_SC，使得切换控制器SC1将被维持以在最小输出电压或输出电压下限V_o1处操作至其额定性能。例如，在示例SMPS的电压输出在V_o1＝3.3V和V_o2＝20V之间变化的情况下，N_r将需要为3，以便提供10V的V_SC。然而，电力电容器C_a1和切换控制器SC1将需要具有2N_rV_o2的额定电压或电压容限，以便迎合由于电压尖峰等引起的可能的最大电压。例如，在R＝3，V_SC＝10V和V₀₂＝20V的情况下，2N_rV_o2或2N_rV_rV_o1的值是120V，这意味着电力电容器C_a1和切换控制器SC1的额定电压将需要是最大输出电压V_o2的六倍或V_SC的十二倍。不幸的是，具有较高额定电压的部件比具有较低额定电压的部件体积更大且更昂贵。

为了缓解切换控制器SC1的高额定电压要求，在电力电容器和切换控制器SC1之间插入线性调节器，使得在切换控制器SC1的电力输入端处出现的电压通过线性调节器稳定在V_SC。然而，二极管D_a10的输出端与切换控制器SC1的电力输入端之间的电压差被线性调节器吸收，这是指线性调节器上的电力损耗。此外，线性调节器的添加意味着额外的部件成本、额外的空间要求，并且没有缓解电力电容器C_a1的较高额定电压要求。

公开了一种示例电力切换设备，包括电力开关、第一电容器、第二电容器、电压转换器和切换控制器；其中，电力开关包括控制端和可切换电链路，取决于控制端处的瞬时信号电平，可切换电链路能够在接通状态与断开状态之间操作；其中电压转换器是被配置为接收可变输入电压并输出调节输出电压的电压调节器；其中，电压转换器连接在第一电容器和第二电容器之间，使得第一电容器经受可变输入电压，并且第二电容器经受调节输出电压；并且其中，切换控制器被配置为向控制端输出切换信号串，以在操作期间在接通状态和断开状态之间重复地切换可切换电链路。

在示例实施例中，第一电容器是辅助电容器，第二电容器是电力电容器。

电力切换设备可与电源装置连接，以形成可变电压输出电源，从而输出在第一电压和高于第一电压的第二电压之间的电力。

辅助电容器在接通时段期间存储电力，以在切换控制器处于突发模式(这也被称为电力跳过模式)时在断开时段期间向切换控制器提供电力。

存储在辅助电容器上的能量补充在接通时段期间存储在电力电容器上的能量，以在突发模式的断开时段期间提供电力来维持切换控制器处于突发模式操作。

辅助电容器将经受可变输入电压，并且可变输入电压跟随电源的可变输出电压。

电力电容器将经受调节输入电压，并且调节输入电压是被配置为将切换控制器维持在突发模式操作中的电压。

电力切换设备可以连接到电源装置，以形成具有突发模式操作的切换式电源。

为了促进到电源装置的连接，电压转换器包括用于连接到电源装置的输入端和用于输出电力的输出端。切换控制器连接至电压转换器的输出端，以在操作期间从电压转换器获得操作电力。电力开关可由切换控制器操作以在第一切换状态和第二状态之间切换，第一切换状态是低阻抗导电状态，第二状态是高阻抗非导电状态。电力开关用于连接到电源装置，使得当电力开关被接通以在导电状态下操作时，电源装置将向电压转换器提供操作电力，并且当电力开关被断开以在非导电状态下操作时，电源不向电压转换器提供操作电力。当在突发模式操作中时，切换控制器接通电力开关持续接通时段，随后是断开时段，接通时段基本上短于断开时段。电力切换设备包括连接到电压转换器的输出端的电力电容器。在接通时段期间对电力电容器充电，以在接通时段和接通时段之后的断开时段期间向切换控制器提供操作电力。该电力切换设备包括辅助电容器，其用于向电力电容器提供补充能量。

在本公开中，除非上下文另外要求或另外规定，否则电力是指电功率，连接是指电连接且电势是指电位，链路是指电链路，接触是指电接触等。

附图说明

通过示例并参考附图来描述本公开，在附图中：

图1是示例切换式电源的电路图，

图2A是根据本公开的示例电源设备的框图，

图2B是根据本公开的示例电力处理电路系统的框图，

图2C是根据本公开的示例电力切换设备的框图，

图3是根据本公开的示例切换式电源的示例电路图，

图3A1至图3A5是在示例突发模式期间图2的电源的示例操作的时序图，

图4是结合本公开的示例电压转换器的示例切换式电源的示例电路图，

图5A1至图5A7是在示例突发模式期间图4的电源的示例操作的时序图，以及

图6A和图6B是包括本公开的示例电力切换设备的示例电力切换模块的正视图。

具体实施方式

示例电源设备10包括设备输入(简称输入)、设备输出(简称输出)以及将设备输入和设备输出互连的电力处理电路系统，如图2A所示。设备输入限定设备10的电源侧S_i，该电源侧是被配置用于与电源进行电连接的输入侧，由此输入电力将从电源被接收，以用于电力处理电路系统的操作并且用于将电力输出到电力输出。设备输出限定设备10的负载侧L_o，该负载侧是被配置用于与负载进行电连接的输出侧，由此当负载连接到负载侧L_o时，源自电源的电力可以被输送到负载。电源设备10的输入侧用于在电力要从电源侧耦合到负载侧时或者在负载侧上出现无负载电压时的电力切换操作期间连接到电源(主电源)。

示例电力处理电路系统包括示例电源装置T100、示例电力切换设备P100和示例电力输出电路O100，如图2B所示。

示例电源装置T100包括磁耦合的第一绕组、第二绕组和第三绕组。第一绕组是具有第一多个绕组N_p100的初级绕组，第二绕组是具有第二多个绕组N_S100的次级绕组，第三绕组是被配置为具有第三多个绕组N_a100的辅助绕组的另一次级绕组。

第一绕组是电力输入绕组，其包括作为第一多个绕组N_p100的第一终端的第一端和作为第一多个绕组的第二终端的第二端。第二绕组是电力输出绕组，其包括作为第二多个绕组N_S100的第一终端的第一端和作为第二多个绕组的第二终端的第二端。次级绕组例如通过在公共磁芯上缠绕而磁耦接到初级绕组。第三绕组磁耦合到次级绕组并且包括第三多个绕组N_a100。第三绕组是辅助电力绕组，其包括作为第三多个绕组的第一终端的第一端和作为第三多个绕组的第二终端的第二端。第一绕组、第二绕组和第三绕组缠绕在磁芯上，以形成具有六个端子的示例电力变压器。第一绕组、第二绕组和磁芯可以被认为是协作以形成第一电力变压器。第二绕组、第三绕组和磁芯可以被认为是协作以形成第二电力变压器。在一些实施例中，第二绕组和第三绕组可以缠绕在第二磁芯上，而第一绕组和第二绕组缠绕在第一磁芯上，使得第一磁芯形成第一磁路，并且第二磁芯形成与第一磁路不同的第二磁路。

第一绕组被配置为用于连接到电源的输入绕组。第二绕组被配置为具有用于连接到输出电路的输出的输出绕组。第三绕组被配置为用于向电力切换电路提供操作电力的辅助绕组。电源是外部电源，其可以是DC电源或AC电源。电源是主电源，其用于在电源设备10连接至电源时在电力切换操作期间向电源设备10提供操作电力。

输入绕组、辅助绕组和电力切换设备被配置为协作以形成电力输入电路并且限定电源设备10的电力输入侧。第二绕组和电力输出电路被配置为协作以限定电源设备10的电力输出侧。

电源装置T100在其他方面具有与图1的示例电源电路相同的描述，并且关于其的描述通过引用并入本文，并且在上下文允许或要求的情况下加以必要的变更。

电力切换设备P100包括电力输入P_i、可切换电链路SW_L和切换电路系统S100，如图2C中所描绘的。

可切换电链路SW_L可在接通状态或断开状态下操作。当电链路SW_L处于接通状态时，电链路l_e具有非常低的电阻，并且类似于电流导体的电特性，使得出于最实际的考虑，第一端t₁和第二端t₂可以被认为处于相同的电势。当电链路SW_L处于断开状态时，出于最实际的考虑，电链路l_e具有非常高的电阻并且具有电绝缘体的电特性。

切换电路系统S100被配置为发送切换信号串，以操作可切换电链路SW_L。

电力输入p_i被配置用于连接到电源，由此接收用于操作切换电路系统S100和可切换电链路SW_L的操作电力。

可切换电链路SW_L包括第一端t₁、第二端t₂以及将第一端t₁和第二端t₂互连的电链路l_e。

可切换电链路SW_L被配置和连接为使得当电链路l_e处于接通状态时，初级绕组电连接或耦接到电源，并且当电链路l_e处于断开状态时，初级绕组与电源断开电连接或断开电耦接。当初级绕组电连接或耦接到电源时，电流从电源流到初级绕组，并且初级绕组处于接通状态。当初级绕组与电源断开电连接或断开电耦接时，电流不能从电源流到初级绕组，并且初级绕组处于断开状态。

通过对控制端G施加切换信号，电链路l_e可在接通状态和断开状态之间切换。当控制端G出现接通信号时，可切换电链路SW_L处于接通状态，当控制端G出现断开信号时，可切换电链路SW_L处于断开状态。通过施加包括交替设置的接通信号和断开信号的切换信号串，可切换电链路SW_L将在接通状态和断开状态之间重复地和交替地切换，如本文关于电力开关所述的。

示例可切换电链路SW_L在示例电力切换设备P100中通过如本文所述的电力开关实现。本文中的电力开关包括可切换电链路SW_L和用于控制可切换电链路SW_L的操作状态的控制端。

在示例应用中，可切换电链路SW_L被配置用于与电源装置的输入绕组串联连接，使得输入绕组在电力转换操作期间根据可切换电链路SW_L的瞬时操作状态而被接通或断开。

切换电路系统S100被配置为生成切换脉冲串，以在电力切换操作期间，在接通状态和断开状态之间交替地重复切换可切换电链路SW_L。切换电路系统包括切换信号输出，其电连接到电力开关的控制端，其中可切换电链路SW_L是电力开关的一部分，例如，内部部分。

因此，电力切换设备P100包括用于接收操作电力以操作电力切换设备P100的电力输入P_i、用于限定电力输入绕组的操作状态的可切换电链路SW_L、以及用于在接通状态和断开状态之间重复且交替地切换电力输入绕组的切换电路系统S100。

示例电力切换设备P100包括电力开关M100、切换控制器SC100、电容器C_SC100和电压调节器R_a100，如图3所示。切换控制器SC100被配置为在正常电力输送模式(在此期间，切换控制器连续地逐个周期地切换)或待机模式下操作，并且参考负载侧的输出电流要求来确定切换控制器SC100的操作模式。

示例电力开关M100是包括第一端、第二端和第三端的电子电力开关。第三端是控制端，其在作为接通状态的第一切换状态和作为断开状态的第二切换状态之间切换或操作。当第三端处于接通状态时，电力开关处于接通状态，并且在电力开关的第一端和第二端之间形成低阻抗电路径。当第三端处于断开状态时，电力开关处于断开状态，并且在电力开关的第一端和第二端之间形成近似开路的高阻抗电路径。由于第三端在接通状态与关闭状态之间切换电力开关，因此第三端也为切换端或切换控制端。在电力开关M100的第一端和第二端之间限定的电路径是可切换电链路SW_L，并且该可切换电链路SW_L的瞬时操作状态由控制端处的瞬时控制信号的状态确定。

当第一端和第二端之间的路径是具有近似开路的高阻抗的高阻抗路径时，阻止或有效地阻断在第一端和第二端之间的操作电流的流动。当第一端和第二端之间的路径是具有近似短路的低阻抗的低阻抗路径时，该路径是低损耗电流路径，以便于操作电流以非常低的电压降在第一端和第二端之间流动。低阻抗路径是电流路径，其被设计为允许电流在第一端和第二端之间以非常低的电压差通过电力开关。除非另有说明并且不失一般性地，本文的电力和电流分别是指电功率和电流。在诸如本发明的示例实施例中，电力电子开关是半导体开关，例如集成电路MOSFET电力开关。示例MOSFET开关的漏极作为第一端被配置和连接，其源极作为第二端被配置和连接，并且其栅极作为第三端被配置和连接。在接通状态期间，示例电力开关的第一端和第二端之间的电压差，或者接通状态电压降，在额定操作电流下为0.2V或更小，例如0.1V或更小。电力开关可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或另一类型的半导体电力开关。

在图3的示例实施例中，示例电力切换设备连接到电源电路以形成切换式电源(“SMPS”)。切换式(switched-mode)电源也被称为切换方式(switching-mode)电源、切换模式(switch-mode)电源或切换电源或切换器。SMPS是电源设备，当其连接到电源时，用于操作以切换电源的源电力，以输出切换电力输出至输出侧。电源通常是稳态电源，例如DC电源，但也可以是AC电源，例如具有正弦电压波形的AC电源，该正弦电压波形具有例如50Hz或60Hz的基频。切换电力输出具有与电源的主频率或标称频率不同的主频率。切换电力输出的主频率通常基本上高于基频。切换电力输出的主频率通常在几千赫兹(kHz)、几十kHz、几百kHz或几兆赫兹(MHz)的范围内。

在电力转换操作期间，电力切换设备P100被供电以操作来促进初级绕组在接通状态和断开状态之间重复地切换。

通过在电力切换操作期间在接通状态和断开状态之间交替地切换初级绕组，当包括作为电力输入绕组的初级绕组的输入侧连接到电源时，将在电源设备的输出侧上生成切换电力输出。

示例性电力切换设备用于连接到作为电力输入绕组的初级绕组P，以便于电力切换。为了便于切换电力转换，半导体电力开关连接到切换控制器和初级绕组两者。

在诸如本发明的示例实施例中，电力开关与初级绕组串联连接以形成初级电路。示例初级电路是电力输入电路，其包括第一输入端i100、第二输入端i200和互连第一输入端i100和第二输入端i200的可切换绕组。可切换绕组是可切换初级绕组，其包括初级绕组和与初级绕组串联连接的可切换电链路SW_L。切换控制器用于操作以在接通状态和断开状态之间切换初级绕组，在接通状态期间，电源设备10的第一端i100和第二端i200之间的电阻非常低并且具有电阻短路的电阻值，在断开状态期间，电源设备的第一和第二端之间的电阻非常高并且具有电阻开路的电阻值。

初级电路的第一端i100用于连接到电源的第一端，而第二端i200用于连接到电源的第二端。当电力开关处于接通状态时，初级绕组两端的电压降等于电源的电源电压V_i减去电力开关的接通状态电压降，其中V_i＝V_i100-V_i200。当电力开关处于断开状态时，电力开关两端的电压降约等于电源的电源电压V_i。

在图3的示例配置中，电力开关M100连接在初级绕组P的下游。在该配置中，初级绕组P的第一端经由第一导电总线电连接到电源的第一端i100，该第一导电总线是前向总线，并且示例初级绕组P的第二端经由电力开关的可切换电链路SW_L和第二导电总线电连接到电源的第二端i200，该第二导电总线是返回总线。可切换电链路SW_L具有直接与初级绕组P电连接的第一端和经由返回总线直接与电源的第二端i200电连接的第二端。当初级绕组P的第一端经由第一导电总线电连接至电源的第一端i100时，初级绕组P的第一端和电源的第一端i100直接电连接并且具有相同的电势。当多个端子或节点直接电连接时，形成具有公共电势的公共电节点。前向总线是与第一端i100处于相同电势并且为电路操作提供另一有用的电压参考的导体。返回总线是与第二端i200处于相同电势并且为电路操作提供有用电压参考的导体。在示例配置中，初级绕组P的第一端和第二端分别是上游端和下游端，并且第一节点i100是传入节点(incoming node)，并且第二输入节点i200是返回节点(returnnode)。

在其他示例配置中，电力开关连接在初级绕组的上游。当在这样的示例配置中时，示例初级绕组P的第一端经由电力开关的可切换电路径连接到电源的第一端，并且示例初级绕组P的第二端直接电连接到电源的第二端。当示例初级绕组P的第一端连接到电力开关的第二端，并且电力开关的第一端与电源的第一端直接电连接时，形成该初级电路的可切换电路径。

电力开关用于操作以在作为接通状态的第一状态与作为断开状态的第二状态之间切换初级绕组。当初级绕组处于接通状态时，形成包括初级绕组和电力开关的低阻抗路径。当初级绕组处于接通状态时，负载相关电流将流经第一绕组和由电力开关限定的电流路径。当初级绕组处于断开状态时，在第一端i100和第二端i200之间形成包括初级绕组和电力开关的高阻抗路径。当初级绕组处于断开状态时，由于路径的高阻抗，没有操作电流流向或能够流经第一绕组或在第一端i100和第二端i200之间限定的路径。示例切换控制器具有在几kHz到几十或几百kHz和几百万Hz之间的切换频率。

电力切换设备P100的电力输入用于连接到电源，以获得用于电力切换设备P100的操作的操作电力。

切换控制器SC100操作以在电力切换操作期间生成切换信号串，并且切换信号作为控制信号出现在切换信号输出端，以便输出。切换信号包括在时域中交替布置的接通脉冲和断开脉冲，使得接通脉冲紧跟在断开脉冲之后，并且断开脉冲紧跟在接通脉冲之后。通过发送包括在接通状态和断开状态之间交替和重复地改变的切换信号的控制信号串，并且通过将切换信号输出端连接到电力开关的切换端，电力开关将在接通状态和断开状态之间交替和重复地切换。控制信号的频率确定电力开关的切换频率，因此确定初级电路和初级绕组的切换频率。

在本发明的一些实施例中，电力切换设备P100从电源电路获得操作电力，第三绕组用作辅助绕组，以提供操作电力，来操作电力切换设备。在图2的示例电源设备10中，电力切换设备100连接到第三绕组，以获得辅助操作电力。为了提供用于电力切换电路的操作的调节电力，电压调节器具有连接到第三绕组的输出的电力输入和连接到切换控制器的调节电压输出。

示例性切换控制器SC100包括电力输入端、切换信号输出端和电压参考端。切换控制器SC100的切换信号输出端连接到电力开关M100的控制端G，以便控制电力开关M100的电力切换操作。电力输入端用于连接到电源以获得操作电力，并且处于Vsc100的电源电压下，切换信号输出端用于输出切换信号串，以操作电力开关，电压参考端连接到返回总线，以提供用于切换控制器SC100的操作的电压参考。

切换控制器SC100通常在电力输入端处的最小电压(例如10V)和最大电压(例如25V)之间操作。示例切换控制器在突发模式下可能需要最小0.5mA，而在正常电力传输模式下可能需要大约10mA。切换控制器所需的实际电流取决于电路设计和主转换器的切换频率。

在图3的示例实施例中，切换控制器SC100被配置为从主电源获得操作电力。更具体地，切换控制器SC100电连接到辅助绕组，以从主电源获得操作电力，该主电源是向输出电路和负载提供输出电力的电源。为了在保护切换控制器SC100不直接暴露于辅助绕组的输出处的电压波动(例如，由于电源设备10的输出侧上的输出电路处的可变输出电压而引起的电压波动)的同时从主电源获得操作电力，切换控制器SC100通过电压调节器Ra100直接电连接到辅助绕组，使得在通过电压调节器Ra100的中间处理之后，将电力输送到切换控制器SC100。

电压调节器Ra100被配置为向切换控制器SC100提供具有Vsc100的调节电压的稳定电源。电压调节器Ra100连接在辅助绕组S200和切换控制器SC100之间，以向切换控制器SC100提供稳定的电源。电压调节器Ra100在被连接时将切换控制器SC100的电力输入端与如本文所述的在辅助绕组的输出处存在的电压波动隔离。

示例电压调节器Ra100包括作为可变电压输入端的输入端、作为调节电压输出端的输出端以及电压参考端。电压调节器Ra100的输入端经由二极管Da100连接到辅助绕组的输出端，电压调节器Ra100的输出端连接到切换控制器的电力输入端，并且电压参考端连接到电力切换设备P100的返回总线。

作为单向电流装置的二极管Da100被配置为限制仅在朝向电压调节器Ra100的正向方向上的电力电流的流动，并且阻止在与正向方向相反的反向方向上的电流的流动。二极管Da100的输出节点和电压调节器Ra100的输入节点连接在处于Va100电压下的互连节点a100处。

电力存储电容器连接在电压调节器Ra100和切换控制器SC100之间。电容器C_SC100是电力电容器，其被配置为当没有来自电源或来自辅助绕组的实时电力可用时，例如在突发(burst)的断开时段期间，促进向切换控制器SC100提供操作电力。选择电力电容器C_SC100的值，使得在突发的接通时段期间存储在电力电容器C_SC100中的电力足以在突发的断开时段期间提供操作电力，使得切换控制器SC100具有操作电源，并且在整个突发期间是完全可操作的。

电容器C_SC100连接在切换控制器SC100两端，使得在整个突发模式时段期间，操作电力可用于切换控制器SC100。在图3的示例布置中，电容器C_SC100的正端子与切换控制器SC100的电力输入端连接，并且电容器C_SC100的负端子连接到返回总线，该返回总线处于与返回节点i200相同的电压。由于切换控制器SC100的电压参考端也连接到返回总线，所以电容器C_SC100的负端子与切换控制器SC100和电压调节器Ra100的电压参考端处于相同的电势。

切换控制器SC100的电力输入端连接到电压调节器Ra100的调节电压输出端，以获得调节电压电力来操作。切换控制器SC100的电力输入端、电容器C_SC100的正端子和电压调节器Ra100的调节电压输出端直接电连接，并且具有相同的电势，由此形成公共节点。

由于切换控制器SC100的电力输入端直接与电压调节器Ra100的调节电压输出端电连接，因此在电力输入端和电容器C_SC100的正端子处出现的电压将是电压调节器Ra100的调节输出电压。由于电压调节器Ra100被配置为向电容器C_SC100提供操作电力，因此电压调节器Ra100通常被选择为使得其调节输出电压V_dd等于或相当于电容器C_SC100的额定操作电压。

此外，因为电容器C_SC100的正端子和切换控制器SC100的电力输入端连接到作为电压调节器Ra100的输出节点的同一节点，所以在电容器C_SC100的正端子处出现的电压总是等于电压调节器Ra100的调节输出电压。因此，电容器C_SC100的额定电压可参考调节输出电压来选择，例如，选择为稍微高于调节输出电压的值。因为切换控制器的操作电压通常低于20V DC，并且更通常在10V和12V DC之间，所以额定电压要求与图1的SMPS或其它传统的切换电源相比非常有利。

在诸如本发明的示例实施例中，示例电压调节器Ra100是升压电压调节器(简称升压转换器)。当使用升压电压转换器时，辅助绕组的最小输出电压可以被设置在电压调节器Ra100的最小操作电压。例如，具有适于切换控制器SC100的操作的输出电压的升压电压转换器，也称为电压增高的电压转换器，可以具有大约1V的最小期望输入电压V_{i_min}。电源设备10的输出电压在第一较低电压V_o1和第二较高电压V_o2之间可变，其中V_o2＝V_rV_o1且V_r是V_o2与V_o1的比，辅助绕组输出处的最小和最大期望电压分别是N_rV_o1和N_rV_o2，其中N_r是辅助绕组的匝数和输出绕组的匝数之间的匝数比。例如，在电源设备10要输出在V_o1＝3.3V和V_o2＝20V之间可变的电压并且如以上示例中N_r＝3的情况下，辅助绕组输出处的最小和最大期望电压分别为N_rV_o1＝10V和2N_rV_o2＝120V。

然而，当部署升压电压转换器时，辅助绕组处的最小期望电压可以选择性地设置为或略高于电压转换器的最小电压要求。

例如，应用双电压规则，在升压电压转换器V_{SC_min}的最小电压要求是1V的情况下，匝数比N_r可以被选择为1/3.3＝0.33，在这种情况下，辅助绕组输出处的电压输出将在1V的最小电压V_{aux_min}和12V的最大电V_{aux_max}之间变化。

在升压电压转换器的最小电压要求V_{SC_min}为2V的情况下，或者在升压电压转换器的最小电压要求小于2V但选择辅助绕组的稍高的最小输出电压以提供附加操作裕度的情况下，可以选择2/3.3的较高匝数比，使得辅助绕组的最小输出电压将为2V。应用双电压规则，当辅助绕组的最小输出电压为2V时，由于变压器缺陷导致的辅助绕组的最大输出电压V_{aux_max}将为24V。该最大输出电压V_{aux_max}基本上低于图1的SMPS的电压，并且是非常有利的。

当升压电压转换器用于提供切换控制器SC100的操作电力时，最小辅助电压输出可低于切换控制器SC100的操作电压V_SC，使得辅助绕组与输出绕组的匝数之间的绕组比

可小于电压比V_SC/V_o1。例如，当升压电压转换器的最小电压要求V_{VR_min}为1V时，绕组比可以为0.33，这比图1的设备的3.3的比小十倍。当升压电压转换器的最小电压要求V_{VR_min}为2V时，绕组比可以为0.66，这比图1的设备在使用具有相同操作电压要求V_SC的相同切换控制器SC100时的3.3的比小五倍。绕组比、升压电压转换器的最小电压要求V_{VR_min}和最小输出电压要求V_o1或V_{o_min}之间的关系可以用如下公式表示：N_r＝V_{VR_min}/V_{o_min}。在V_{o_min}大于或等于V_{VR_min}的情况下，绕组比N_r可以是一或小于一，使得辅助绕组具有比次级绕组更少的匝数，并且这将导致更小的辅助绕组以及更小且更经济的电源装置。

切换控制器SC100包括“突发模式”端和监控电路，该监控电路连续监控“突发模式”端并确定在“突发模式”端是否检测到“突发模式”信号。电流传感器设置在电源设备10的负载侧，以便于检测负载侧的负载电流。电流传感器具有连接到“突发模式”端的传感器输出。切换控制器SC100被配置为当电源设备10连接到有效电源并且在负载侧上没有可检测的负载电流时进入突发模式操作。无负载电流条件通常不是绝对零电流条件，而可以是由于例如泄漏、寄生等而存在小电流的条件。切换控制器SC100被配置为当电源设备10连接到有效电源并且在负载侧检测到等于或高于阈值负载电流的负载电流时进入正常电力输送模式操作。

当电源设备10连接到电源时，切换控制器SC100将进入电力切换操作，并确定是否检测到负载侧的“无负载电流”条件。当检测到无负载条件时，切换控制器SC100将进入突发模式操作。

当在突发模式操作时，切换控制器SC100将在t₀₀和t₀₁之间的活动时段(这被称为接通时间)期间生成切换信号串，并且在t₀₁和t₀₂之间的非活动时段(这被称为断开时间)期间保持空闲，然后，在t₀₂处的非活动持续时间结束之后立即在另一活动时段生成另一切换脉冲串，如图3A1中所描绘的。在断开持续时间期间，不生成切换信号。接通时间通常短于断开时间，以便实现有意义的节电。例如，接通时间可以是断开时间的一小部分或者是包括活动时段和紧接的不活动时段的突发循环的一小部分。这里的突发循环可以由接通时间的一个时段和紧随接通时间的断开时间的一个时段组成，或者由断开时间的一个时段和紧随断开时间的接通时间的一个时段组成。该部分可以是20％、15％、10％、5％或更小，并且范围选自任何上述值。例如，在输出电流等于I_o的5％时，接通时间比可以是50％，而当输出电流为I_o的5％时，接通时间比降至10％。当在电力开关的控制端处施加该切换信号串时，该切换信号串将产生相应的切换电压串，如图3A2所示。这里的切换电压是在电力开关M100的可切换链路SW_L两端测量的电压。在该示例中，如图3A1和图3A2所示，切换信号和切换电压异相，或者更具体地是反相的，使得当切换信号处于高电平时，切换电压处于低电平。这里的高电平是指等于主电源的电源电压的电压，这里的低电平是指等于参考电势的电压，参考电势是主电源的第一端V_i100处的电势。通常或方便地，主电源的第一端V_i100处的参考电势被设置为零或电源设备10的地电势。除非上下文另有要求，否则本文的术语“相等”包括近似相等。根据电力开关的类型，不失一般性地，切换信号和切换电压可以是异相的或同相的。

在切换控制器SC100的突发模式操作期间，通过切换信号重复切换电力开关，或者更具体地，切换可切换链路SW_L，使得突发模式辅助电力将出现在辅助绕组的辅助输出处。突发模式辅助电力由突发电力循环组成，每个突发电力循环由跟随有电力静默(powersilence)时段的切换电力脉冲串(burst)组成。切换电力脉冲串，或简称为电力脉冲串，包括在被称为接通时间或接通时段的时段上延伸的切换电力脉冲串。在电力静默时段期间，在辅助输出处没有电力输出，电力静默时段是断电时段或简称为断开时段。断电时段在电力脉冲串的断开时间期间发生。在此，在辅助输出处没有电力输出是指在辅助输出处不存在与切换控制器SC100的操作有关的有意义的电力的条件。可以参考阈值电力水平来确定无电力输出条件，使得当没有检测到处于或高于阈值电力输出水平的电力时，确定存在无电力条件。

电力脉冲串的接通时间与切换控制器SC100的突发循环(burst cycle)的接通时间一致，电力脉冲串的断开时间与切换控制器SC100的突发循环的断开时间一致。出于实际考虑，电力脉冲串的持续时间也等于切换控制器SC100的突发循环的持续时间。每个示例电力脉冲串包括多个电力脉冲，并且每个电力脉冲具有电压摆动并且在负电压和正电压之间摆动，如图3A3所示。

在示例实施例中，选择电力电容器C_SC100的电容值和突发循环的接通时间或接通持续时间，使得在接通时间期间对电力电容器充电，并且使得在接通时间充电期间存储的能量足以在突发循环的断开时间期间将切换控制器SC100保持在操作状态。为了将切换控制器SC100保持在操作状态，电力输入端处的电压V_SC100总是保持在切换控制器SC100的电源电压要求V_SC或以上。

在诸如本发明的示例实施例中，可选的辅助电容器C_a100连接在电压调节器Ra100和辅助绕组输出中间。在突发循环期间，在接通时间期间由辅助绕组输送的能量将对辅助电容器C_a100充电，使得由于在突发循环的接通时间期间充电导致的存储在辅助电容器C_a100中的能量足以在断开时间期间为电压调节器Ra100和切换控制器SC100的操作供电。

辅助电容器C_a100具有连接到二极管D_a100的输出端的第一端和连接到返回总线的第二端，如图3所示。在突发循环的接通时间期间，辅助电容器C_a100被充电，优选地被完全充电，如图3A4所示。然后，存储在辅助电容器C_a100中的能量通过电压调节器Ra100传递到电力电容器C_SC100。

在例如本发明的示例实施例中，存储在辅助电容器C_a100中的能量被快速(优选地在突发循环的接通时间结束时立即)传递到电力电容器C_SC100。为了有助于将存储的能量从辅助电容器C_a100快速传递到电力电容器C_SC100，在电压调节器Ra100串联设置在辅助电容器C_a100与电力电容器C_SC100之间的情况下，包括切换转换器的电压调节器Ra100将是有用的。由于在断开时间开始时能量从辅助电容器C_a100传递到电力电容器C_SC100，所以辅助电容器C_a100不需要存储足够的能量以在突发循环的断开时间期间操作切换控制器SC10，可使用具有比图1的C_a1的电容小得多或基本上更小的电容的电容器。通常，电力电容器C_SC100将需要足够大以在断开时间期间存储能量，使得C_SC100的电压将不会下降到切换控制器的最小操作电压以下。辅助电容器C_a100是可选的。具有小电容值的辅助电容器C_a100将有助于平滑到电压转换器Ra100的输入电压，使得电压转换器可以更有效地操作，以在接通时间期间将能量泵送到C_SC100。

在例如本发明的示例实施例中，电压转换器具有比切换控制器SC100的切换频率高得多的切换频率。电压转换器R_a100具有比作为主转换器的切换控制器SC100高得多的切换频率，将操作以确保当S200处的电压脉冲为正时，电压转换器R_a100将操作以将能量泵送到电力电容器C_SC100。通常，如果电压转换器R_a100具有比切换控制器SC100更高的切换频率，则在电力跳跃模式的接通时间期间可以执行更多的能量泵送循环。电压转换器R_a100的切换频率优选地高于主转换器SC100的切换频率。在较高的切换频率下，只要S200处的电压脉冲为正，电压转换器Ra100就将操作以将能量泵送到电力电容器C_SC100。如果Ra100的切换频率显著高于主转换器，则在正脉冲期间可以进行更多次泵送，并且更安全地将足够的能量泵送到Csc100。例如，电压调节器Ra100的切换频率可以比切换控制器SC100的切换频率高1、2、3、4、5、6、7、8、9或10倍、20倍、100倍。在一些实施例中，切换控制器SC100的切换频率和电压转换器R_a100的切换频率可以相等或相当，而不失一般性。

随着所存储的能量从辅助电容器C_a100快速传递到电力电容器C_SC100，切换控制器SC100的电力输入端处的电压V_SC100等于电压调节器R_a100的调节输出电压V_dd，总是等于或高于切换控制器SC100的电源电压要求V_SC，如图3A5所示。

尽管这里的描述关于可变输出电压电源，但是不失一般性地，图3的电力切换设备和电源设备适合与具有固定输出电压的电源一起使用。

在电源设备被配置用于可变输出电压的情况下，辅助输出电压可以高于切换控制器SC100的电源电压要求V_SC。例如，在电源设备用于提供3.3V和20V之间的可变输出电压，并且电源电压要求V_SC是10V的情况下，当辅助输出电压处于或高于电源电压要求V_SC时，可以断开升压电压调节器Ra100，使得切换控制器SC100在通过可选二极管之后直接从辅助输出接收操作电力。

电压调节器Ra100可以是升压和降压电压转换器。当升压和降压电压转换器用于提供调节电压输出以操作切换控制器SC100时，电压调节器Ra100将在辅助输出电压高于电源电压要求V_SC时作为升压电压转换器操作，并且在辅助输出电压低于电源电压要求V_SC时作为降压电压转换器操作。在一些实施例中，电压调节器Ra100可以在辅助输出电压处于电源电压要求V_SC的可允许操作电压范围内时断开，使得切换控制器SC100和电力电容器C_SC100可以从辅助电力输出接收电力而不经过电压调节器Ra100。

在切换控制器SC100的操作电压范围在下限V_{SC_min}和电压上限V_{SC_max}之间的情况下，不失一般性地，切换控制器SC100的电力输入端处的电压应当保持在由电压下限V_{SC_min}和电压上限V_{SC_max}限定的范围内。

具有电容值C的电容器的电流I通过关系

与电压的变化率相关。在断开时间T_off期间，切换控制器SC100的电力输入端处的电压从电压上限V_{SC_max}改变到电压下限V_{SC_min}，使得dV＝V_{SC_max}-V_{SC_min}且dt＝T_off，所需的电力电容器C_SC100的电容将取决于切换控制器SC100的操作电流要求。

例如，在切换控制器SC100的操作电流I_SC100为1mA、突发循环的断开时间为10ms并且dV＝10V的情况下，电力电容器C_SC100应当具有1uF或更大的电容以及25V的额定电压，以满足20V的最大电压。除了本文参照图3的设备描述的具体特征之外，图1的设备的也存在于图3的设备中的部件和特征具有相同的功能、相互关系和目的，并且关于部件和特征的描述通过引用并入本文并且加以必要的变更来应用，除非上下文另有要求。

图4中描绘了包括示例升压和降压电压转换器Ra110的示例电源设备20。

电压转换器Ra110包括切换桥，该切换桥具有第一切换分支、第二切换分支和互连第一和第二切换分支的电感器La110。第一切换分支包括串联连接的第一电力开关Ma110和第二电力开关Ma210。第二切换分支包括串联连接的第一电力开关Ma410和第二电力开关Ma310。当电力开关的可切换电链路串联连接时，电力开关串联连接。电感器La110具有连接到将第一切换分支的第一和第二电力开关互连的结点的第一端和连接到将第二切换分支的第一和第二电力开关互连的结点的第二端。如图4所示，电力开关Ma110具有控制端Ga110，电力开关Ma210具有控制端Ga210，电力开关Ma310具有控制端Ga310，并且电力开关Ma410具有控制端Ga410。

第一切换分支具有连接到二极管Da110的输出端的第一端和连接到返回总线的第二端。第一端是较高电势端，其与第一电力开关的可切换电链路的端子处于相同电势并且远离第一切换分支的结点。第二端是较低电势端，其与第二电力开关的可切换电链路的端子处于相同电势并且远离第一切换分支的结点。

第二切换分支具有连接到切换控制器SC110的电力输入端的第一端和连接到返回总线的第二端。第一端是较高电势端，其与第一电力开关的可切换电链路的端子处于相同电势并且远离第二切换分支的结点。第二端是较低电势端，其与第二电力开关的可切换电链路的端子处于相同电势并且远离第二切换分支的结点。

在操作期间，当包括电力开关Ma110和Ma310的第一对角电力开关对被接通并且包括电力开关Ma210和Ma410的第二对角电力开关对被断开时，电压转换器Ra110进入激励循环(energizing cycle)Da1并且电感器La110将由辅助电力输出提供能量。当包括电力开关Ma210和Ma410的第二对角电力开关对被接通并且包括电力开关Ma110和Ma310的第一对角电力开关对被断开时，被激励的电感器La110将被去能，电压转换器Ra110进入去激励循环(deenergizing cycle)Da2，并且电感器电流从电感器La110放电到切换控制器SC110。除了激励和去激励循环之外，还可以有空闲循环。当在空闲循环时，四个电力开关中的至少三个或全部被断开，并且电感器电流将保持在切换桥内部流动，并且更具体地，流过断开的电力开关的体二极管。

例如，当电压转换器Ra110从电感器La110被完全激励时的激励状态转变到被激励电感器La110被去激励时的去激励状态时，电压转换器Ra110可以进入转变循环(transition cycle)D_{idle_1}。当在第一空闲循环时，电压转换器Ra110处于第一空闲状态，在此期间，电力开关中的三个Ma310、Ma210、Ma410被断开，以便不通过辅助输出激励电感器La110。当在第一空闲状态时，电感器电流将继续流过对角开关Ma210和Ma410的体二极管。

同样，当电压转换器Ra110从去激励状态转变到激励状态时，电压转换器Ra110可以进入第二空闲循环D_{idle_2}。当在第二空闲循环时，电压转换器Ra110处于第二空闲状态，并且电力开关中的三个Ma110、Ma210、Ma310被断开，使得电感器La110不被在电力输入端Vsc110处可用的能量激励。

不失一般性地，通过调整和/或选择占空比参数Da1、Da2、D_{idle_1}和D_{idle_2}以及总重复时间和循环，可以均衡从电感器La110流到电力电容器C_SC110的平均电流和从辅助电力输出流到电感器La110的平均电流。

占空比参数Da1,Da2,D_{idle_1}和D_{idle_2}中的每一个可以在0和1之间变化，并且重复时间可以被调整以满足不同的负载和操作条件，尽管总重复时间应当小于切换时段，总重复时间是由桥配置或开关Ma110或Ma210或Ma310或Ma410中的每一个的切换频率确定的重复时间，切换时段是由主转换器的切换频率或主开关M110的切换频率在突发模式操作期间确定的时间时段。

在诸如本发明的示例实施例中，电压转换器Ra110不需要空闲状态，使得切换桥在激励状态和去激励状态之间交替切换。

此外，在突发时段和空闲时段期间，辅助切换转换器(其是Ra110的切换桥)不需要一直以比主切换转换器高得多的频率运行。例如，辅助切换转换器可以在空闲时段期间停止运行或以较低频率运行，因此辅助切换转换器的平均切换频率将低于突发时段时的切换频率。如果采用足够大的电容器Ca110，则电容器Ca110两端的电压将在空闲时段上被维持，而辅助切换转换器的切换频率可以一直被设置为较低值。然而，较大的Ca110是优选的。辅助切换转换器的平均切换频率可以低于主切换转换器，以便减少辅助切换转换器中的切换损耗，从而提高整体效率。

图4的电力切换设备在其它方面与图3的电力切换设备相同，并且关于图3的电力切换设备的描述通过引用并入本文。此外，时序图5A1至图5A5对应于时序图3A1至图3A5，对其的描述通过引用并入本文，并且不失一般性地，加以必要的变更来应用。

如图6A和图6B所示，电力切换设备可以被配置为电力切换模块。电力切换设备例如是60W电源，并且这种小型化的模块是令人印象深刻的成就。

虽然本公开已经参考了示例和实施例，但是示例和实施例仅用于参考，并且不应当用于解释为限制本公开的范围。例如，虽然参考3绕组变压器描述了电力切换设备，但是电力切换设备可以与其他类型的电源装置一起使用，而不失一般性。

Claims

1.一种用于切换式电源的电力切换设备，包括电力开关、切换控制器、电压转换器和电力电容器；

其中，所述电力开关被配置用于与电力输入装置连接，以形成电源电路，以从电源接收电力；

其中，所述切换控制器可操作以接通或断开所述电力开关，其中，当所述电力开关接通时，电力将从所述电源流入所述电力输入装置，并且其中，当所述电力开关断开时，电力将停止从所述电源流入所述电力输入装置；

其中，所述电压转换器被配置为当所述电力开关被接通时从所述电源接收电力，并且被配置为输出调节电压；

其中，所述电力电容器被配置为当所述电力开关被接通时由所述电压转换器的所述调节电压充电；以及

其中，所述电力电容器被配置为当所述电力开关断开时放电，以提供用于操作所述切换控制器的电力。

2.根据权利要求1所述的电力切换设备，其中，所述电压转换器被配置为用于可变电压输入和调节电压输出，所述切换控制器包括电力输入节点，并且所述电力电容器包括正端子；并且其中，所述调节电压输出、所述电力输入节点和所述电力电容器的所述正端子连接在公共节点并且处于相同的电势。

3.根据权利要求1或2所述的电力切换设备，其中，所述切换控制器被配置为能够以突发模式操作，在所述突发模式期间，所述切换控制器将在接通时段和断开时段操作，所述断开时段比所述接通时段更长并且与所述接通时段相邻；其中，所述切换控制器被配置为在所述接通时段期间从所述电源电路接收操作电力，并且向所述电力开关发送包括多个交替设置的接通信号和断开信号的切换信号串；其中，所述切换控制器被配置为在所述断开时段期间停止向所述电力开关发送接通信号；其中，所述切换控制器被配置为通过所述电力电容器的放电，从所述电力电容器接收操作电力；并且其中，来自所述电力电容器的所述操作电力是由于在所述接通时段期间由所述电源对所述电力电容器充电引起的。

4.根据任一前述权利要求所述的电力切换设备，其中，所述设备包括用于物理和电连接到所述电源的输入端、和连接到所述电压转换器的电压输入端的二极管，并且其中，所述二极管具有与所述电压转换器连接的前端和连接到所述输入端的后端。

5.根据任一前述权利要求所述的电力切换设备，其中，所述电压转换器是升压电压转换器。

6.根据任一前述权利要求所述的电力切换设备，其中，所述电压转换器包括电感切换桥，所述电感切换桥在一个时刻切换，以从所述电源接收电力，并且在所述一个时刻之后，将电力输出到所述切换控制器。

7.根据任一前述权利要求所述的电力切换设备，其中，所述电容器具有适于在突发循环的接通时段期间存储能量的电容，并且在所述接通时段期间存储的所述能量足以在突发循环的断开时段期间维持所述切换控制器的操作。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电力切换设备，其中，所述电容器具有电容器额定电压，并且所述切换控制器具有切换控制器额定电压，并且其中，所述电容器额定电压和所述切换控制器额定电压是可比较的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电力切换设备，其中，所述设备包括辅助电容器，所述辅助电容器具有连接到所述电压转换器的电力输入的第一端和连接到返回总线的第二端；并且其中，所述电压转换器和所述辅助电容器被配置为使得所述电压转换器将操作，以将在所述接通时段期间存储在所述辅助电容器上的能量传递到所述电力电容器。

10.根据权利要求9所述的电力切换设备，其中，所述辅助电容器在所述接通时段期间存储能量，使得在所述接通时段期间存储在所述辅助电容器上的能量足以在所述断开时段期间维持所述切换控制器的操作。

11.根据权利要求9或10所述的电力切换设备，其中，所述辅助电容器的电容值小于所述电力电容器的电容值，并且其中，所述辅助电容器的电容比所述电力电容器的电容值小100％、80％、60％、40％、20％或更多，或者从上述值中的任何值选择的一个或多个范围。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的电力切换设备，其中，所述辅助电容器的额定电压等于或小于所述切换控制器的额定电压。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的电力切换设备，其中，电压转换器包括切换电路，所述切换电路将能量从所述辅助电容器传递到所述电力电容器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电力切换设备，其中，所述切换信号串具有第一切换频率，并且所述电压转换器具有高于所述第一切换频率的第二切换频率。

15.一种切换式电源，包括前述权利要求中任一项所述的切换设备。

16.根据权利要求15所述的切换式电源，其中，所述切换式电源包括电源装置，所述电源装置包括输入绕组、输出绕组和辅助绕组，并且其中，所述切换设备具有连接到所述辅助绕组以从其接收操作电力的电力输入，并且所述可切换电链路与所述输入绕组串联连接。

17.根据权利要求16所述的切换式电源，其中，所述辅助绕组的匝数少于所述输出绕组的匝数。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的切换式电源，其中，所述切换式电源被配置用于可变电压输出，以便在第一输出电压和高于所述第一输出电压的第二输出电压之间供电。

19.根据权利要求18所述的切换式电源，其中，所述第一输出电压低于所述切换控制器的操作电压。

20.根据权利要求18或19所述的切换式电源，其中，所述电压转换器是升压电压转换器，当所述辅助绕组的输出电压处于或高于所述切换控制器的操作电压时，所述升压电压转换器将断开。