CN1360687A - 在高频交流电配电系统中使用的无接触连接器 - Google Patents

在高频交流电配电系统中使用的无接触连接器 Download PDF

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Abstract

高频交流电(AC)配电系统包括一个传送介质。系统电源被耦合到此传送介质。一个高频AC电压调节器模块(VRM)通过一个无接触连接器被耦合到传送介质上。

Description

在高频交流电配电系统中使用的无接触连接器
发明领域
本发明涉及计算机系统的配电系统领域。更具体地，本发明涉及用于耦合高频交流电(AC)配电系统元件的一种方法和装置。
发明背景
配电系统达到向计算机系统元件供电的目的。大多数个人计算机可被插入标准的插座。配电系统电源牵引出所要求的电量，并将该电从交流(AC)域转换成直流域(DC)。它还调整电压和电流，以消除在大多数电气系统中常见的尖峰信号和电涌。配电系统典型地包括系统电源、电压调节器模块和将系统电源耦合到电压调节器模块的连接器。该连接器典型地包括一个具有多个暴露导电插头的公元件和一个具有多个导电插孔的母元件。导电插头和导电插孔必须相接触，以便于电在系统电源和电压调节器模块之间被传输。
过去所采用的连接器有几个缺点。导电插头的物理损坏导致不成功的连接。这影响了它们所用在的配电系统的可靠性。同样，制照技术要求典型地限定了通过连接器可以被传输的电压量。需要的电压量比技术要求所允许的量高的系统必须重新加以设计。
概述
高频交流(AC)配电系统被公开。
高频AC配电系统包括一个传送介质。系统电源被耦合到传送介质。高频AC电压调节器模块(VRM)通过一个无接触连接器被耦合到传送介质上。
附图的简要说明
本发明以实例的方式，而不是以限定在附图中这些图里的方式被举例说明，在附图中相似的参考表示类似的元件，其中：
图1是常规的直流配电系统的方框图；
图2是实施本发明实施方案的计算机系统的方框图；
图3是按照本发明的一种实施方案的无接触连接器的截面示意图；
图4是在系统电源中被耦合到按照本发明的一种实施方案的无接触连接器的一个逆变器的方框图；
图5是按照本发明的一种实施方案的无接触连接器的方框图，该无接触连接器被耦合到高频交流电压调节器模块的后调节器单元上；
图6是一个保护电路和一个后调节器单元的等效电路；
图7a是位于计算机系统机壳外部以菊花链拓扑相连在一起且由按照本发明的一种实施方案的高频交流电配电系统供电的设备示意方框图；
图7b是位于计算机系统机壳外部以集线器拓扑相连在一起且由按照本发明的一种实施方案的高频交流配电系统供电的设备示意方框图；以及
图8是按照本发明的一种实施方案的配电方法示意流程图。
详细说明
图1是在现有技术中所公知的常规直流(DC)配电系统100的示意图。该DC配电系统100包括一个主电源110、一个连接器120和一个电压调节器模块130。该主电源110从一电源(未显示出来)接收电力，并在通过连接器120将其传送到电压调节器模块130之前对此电进行处理。主电源110包括第一整流器单元111，该整流器单元从电源接收低频交流(AC)域的电。第一整流器单元111将AC电转变成DC电。第一滤波器单元112被耦合到第一整流器单元111。第一滤波器单元112降低DC电力中的纹波。第一转换单元113被耦合到第一滤波器单元111。第一转换单元113从第一滤波器单元112接收DC电并将DC电转变成高频AC电。第一变压器114被耦合到第一转换单元113。第一变压器114从第一转换单元113接收高频AC电并将此高频AC电降压到一个低的电压电平。第二整流器单元115被耦合到第一变压器114。第二整流器单元115从第一变压器接收高频AC电并将此高频AC电转变成DC电。第二滤波器单元116被耦合到第二整流器单元115。第二滤波器单元116从第二整流器单元115接收DC电且从该DC电中滤去躁声并将此DC电传送到连接器120。
电压调节器模块130从连接器120接收DC电且在将此电传送到计算机系统元件(未显示出)之前进一步调节此电。电压调节器模块130包括第二转换单元131。第二转换单元131从主电源110接收DC电并将此DC电转换成AC电。第二变压器132被耦合到第二转换单元131。第二变压器从第二转换单元接收AC电并将此AC电降压到一个较低电平。第三整流器单元133被耦合到第二变压器。第三整流器接收AC电并将其转变成DC电。第二滤波器单元134被耦合到第三整流器单元133。第三滤波器单元134从第三整流器单元133接收DC电并从DC电中滤去纹波。DC电被从电压调节模块130传送到一个需要电的元件上。
当多个电压调节模块被耦合到主电源110时，要求变压器114具有多个绕组。主电源110中的附加整流器和滤波器将来自变压器附加绕组的电耦合到附加连接器上，该附加连接器将电力传送到附加电压调节器模块上。
连接器120包括一个具有多个暴露导电插头的公元件(未显示出来)和一个具有多个导电插孔的母元件(未显示出来)。典型地是，主电源110将被耦合到公元件和母元件中的一个上且电压调节器模块130将被耦合到其它元件上。为了将主电源110与电压调节器模块130进行电耦合，公元件的导电插头和母元件的导电插孔必须相接触。
图2是计算机系统200的示意图，基于此计算机系统本发明的实施方案可以实现。计算机系统200包括处理数据信号的处理器201。处理器201可以是复杂的指令集计算机(CISC)微处理器、简化的指令集计算(RISC)微处理器、非常长的指令字(VLIW)微处理器、执行指令集组合的处理器、或者其它处理器装置。图2所示为在单处理器计算机系统200中实施本发明的一个实例。但是，要理解为本发明可以在具有多个处理器的计算机系统中实施。处理器201被耦合到CPU总线210上，该总线在计算机系统200中的处理器201和其它元件之间传送数据信号。
计算机系统200包括存储器213。存储器213可以是动态随机存取存储器(DRAM)装置、同步直接随机存取存储器(SDRAM)装置、或者其它存储器装置。存储器213可以存储由数据信号表示的指令和编码，其可以由处理器201执行。
桥接器/存储器控制器211被耦合到CPU总线210和存储器213上。桥接器/存储器控制器211指引处理器201、存储器213和计算机系统200中其它元件之间的数据信号并桥接CPU总线210、存储器213和第一I/O总线220之间的数据信号。
第一I/O总线220可以是单个总线或者是多个总线组合。作为一个实例，第一I/O总线220可以包括外围元件互连(PCI)总线、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)总线、NuBus或者其它总线。第一I/O总线220提供计算机系统200中元件之间的通讯链接。网络控制器221被耦合到第一I/O总线220上。该网络控制器221将计算机系统200链接到一个计算机网络(图2中未显示出)并支持机器之间的通讯。显示装置控制器222被耦合到第一I/O总线220上。显示装置控制器222充许将一台显示装置(未显示出)耦合到计算机系统200并作为显示装置和计算机系统200之间的接口。显示装置控制器222可以是单色显示适配器(MDA)卡、彩色图形适配器(CGA)卡、增强型图形适配器(EGA)卡、扩展图形阵列(XGA)卡或者其它显示装置控制器。显示装置可以是电视机、计算机监视器、平板显示器或者其它显示装置。显示装置通过显示装置控制器222从处理器201接收数据信号并将信息和数据信号显示给计算机系统200的用户。
第二I/O总线230可以是单个总线或者是多个总线组合。作为一个实例，第二I/O总线230可以包括PCI总线、PCMCIA总线、NuBus、工业标准结构(ISA)总线、或者其它总线。第二I/O总线230提供计算机系统200中元件之间的通讯链接。数据存储装置231被耦合到第二I/O总线230上。数据存储装置231可以是硬盘驱动器、软盘驱动器、CD-ROM装置、闪存装置或者其它海量存储装置。键盘接口232被耦合到第二I/O总线230上。键盘接口232可以是键盘控制器或者其它键盘接口。键盘接口232可以是专用装置或者能够存在于另一个装置如总线控制器或者其它控制器中。键盘接口232允许将键盘(未示出)耦合到计算机系统200上并将数据信号从键盘传送到计算机系统200。一个音频控制器233被耦合到第二I/O总线230上。音频控制器233的作用是协调声音的记录和播放。
一个总线桥接器224将第一I/O总线220耦合到第二I/O总线230。总线桥接器224的作用是缓冲并跨接第一I/O总线220和第二I/O总线230之间的数据信号。
计算机系统200包括一个系统电源250。系统电源250从电源如墙上插座(未显示出来)或者其它电源处接收电力。系统电源250包括一个逆变器单元251，该逆变器单元处理从电源接收的电力并将高频交流(AC)域电传送到传送介质255。
按照本发明的一种实施方案，传送介质255可以是AC总线。AC总线255可以是专用于分配AC电的总线或者可以是具有电力传送能力的数据总线。计算机系统200包括一个高频AC电压调节器模块260。该高频AC电压调节器模块260被耦合到AC总线255。高频AC电压调节器模块260从AC总线255接收AC域的电力，并包括将该电力调节到适用于处理器201的电压和电流电平的后调节器单元261。按照本发明的一种实施方案，系统电源250通过第一无接触连接器252被耦合到AC总线255并且高频AC电压调节器模块260通过第二无接触连接器262被耦合到AC总线255。应意识到系统电源250可以通过其它媒体被耦合到AC总线255。无接触连接器261和无接触连接器262允许将系统电源250和高频AC电压调节器模块260耦合到AC总线255，而不需要导电元件的配合。
图2是计算机系统的示意图，该计算机系统具有一个被耦合到AC总线255的单个高频AC电压调节器模块260。应意识到任何数量的高频AC电压调节器模块可以耦合到AC总线255，以向计算机系统元件提供已调节的电力。
按照本发明的一种实施方案，存储器213、存储器/桥接器控制器211、网络控制器221、显示装置控制器222、数据存储装置231、键盘接口232、音频控制器233和总线桥接器224每个可以被耦合到从AC总线255接收电力的高频AC电压调节器模块(未显示出来)。
图3是按照本发明的一种实施方案的无接触连接器300的横截面示意图。无接触连接器300可以作为图2所例举的无接触连接器252或无接触连接器262被实施。无接触连接器300包括初级铁芯310和次级铁芯320。初级铁芯310包括第一外壳311，该外壳内密封有第一铁芯312和第一导电材料绕组313。同样地，次级铁芯320包括第二外壳321，该外壳内密封有第二铁芯322和第二导电材料绕组323。当第一外壳311被置于很接近第二外壳时，不需要导电元件的接触，在第一导电材料绕组313和第二导电材料绕组323之间就可获得电流和电压的分配。无接触连接器300也可以作为一个变压器使用，以便于通过改变初级和次级铁芯310和320的导电材料绕组将电压升高或降低。
按照本发明的一种实施方案，当无接触连接器300作为无接触连接器252被实施时，初级铁芯310上的第一导电材料绕组313可以被耦合到电缆331，该电缆被连接到系统供电电源250(在图2中显示出)且次级铁芯320上的第二导电材料绕组323可以被耦合到电缆332，该电缆被连接到AC总线255(在图2中显示出)。按照本发明的一种实施方案，当无接触连接器300作为无接触连接器262被实施时，初级铁芯310上的第一导电材料绕组313可以被耦合到电缆331，该电缆被连接到AC总线255且次级铁芯320上的第二导电材料绕组323可以被耦合到电缆332，该电缆被连接到高频AC电压调节器模块260(在图2中显示出)。
无接触连接器300利用在高频交流电中所发现的电磁耦合特性。电磁耦合允许无接触连接器300分配电压和电流，而不需要导电元件的物理接触。无接触连接器300消除了电路之间的电通路和可能被暴露的潜在危险电压区域。按照本发明的一种实施方案，无接触连接器300是可拆卸的变压器。无接触连接器300包括具有变压器初级绕组的初级铁芯310和具有变压器次级绕组的次级铁芯320。无接触连接器300的第一外壳310和第二外壳320可以被紧固在一起以建立连接。
图4是在系统电源250(在图2中显示出)中被耦合到按照本发明的一种实施方案的无接触连接器252的一个逆变器251的方框图。逆变器单元251包括整流器单元411。该整流器单元411从电源(未显示出)接收AC电。整流器单元411将AC电转变成DC域。转换单元412被耦合到整流器单元411。转换单元412从整流器单元411接收电并将此DC电转变成高频AC域。谐振电路413被耦合到转换单元412。谐振电路从转换单元接收电并在将其传送到AC总线255之前平滑高频AC电。按照本发明的一种实施方案，谐振电路413包括电容和电感元件。控制器单元414被耦合到AC总线255和转换单元412。控制器单元414监视逆变器251输出处的电压和电流电平并调整转换单元413，以便于通过谐振电路413被传送到AC总线255的电力处在一个预先设定的电平。
整流器单元411、转换单元412、谐振电路413和控制器单元414可以采用任何公知的电路技术或工艺被实现。按照本发明的一种实施方案，整流器单元411、转换单元412、谐振电路413和控制器单元414可以全部存在于一个单个半导体基底上、可以是分立元件或两者的组合。
图5是被耦合到按照本发明的一种实施方案的高频交流电电压调节器模块260上的无接触连接器262的方框图。无接触连接器262包括一个从AC总线255接收高频AC电的变压器(未显示出来)。变压器将高频AC电力降到一个较低电平。AC电压调节器模块260包括保护电路511和后调节器单元261。保护电路511通过无接触连接器262被耦合到AC总线255并且从AC总线255接收高频AC域的电力。保护电路511调节从AC总线255所接收被送入后调节器单元261的电流电平。通过调节被送入后调节器单元261的这一电流电平，保护电路511防止可能会引起对后调节器单元261造成损坏的电流电平被传送。
按照本发明的一种实施方案，保护电路511包括电感元件和电容元件。保护电路511中的电感元件和电容元件以及由后调节器单元261产生的电阻性负载构成一个串联谐振电路。按照本发明的一种实施方案，通过保护电路511的电感和电容元件的值同后调节器单元261产生的电阻性负载相匹配，该串联谐振电路可以被配置成在逆变器单元251(在图2中显示出)的转换频率产生谐振。在另一可选择的本发明的实施方案中，保护电路511可以存在于无接触连接器262中或者AC总线255上。
图6是保护电路511(在图5中显示出)和后调节器单元261(在图5中显示出)的一个等效电路600的示意图。电感器610和电容器620代表保护电路511中的元件。电阻器630代表后调节器单元261的电阻性负载。当高频AC电压调节器模块被提供有一个额定量的电流时，跨在等效电路600中元件的有效电压降实际上为零。在这种情形中的品质因数(Q)处在一个预先设定的极限内。按照本发明的一种实施方案，Q具有2.2到2.8的预先设定极限。当供给高频AC电压调节器模块260(中图2中显示出)的电流超出额定极限时，Q增加，这导致跨在电感器610和电容器620的电压增加。这引起电感器610的饱和。饱和效应降低了其电感值，促使串联谐振电路偏离谐振并降低了通过由电阻器630所代表的保护电路261端子的电压。因此，这降低了通过保护电路261的电流。
再回到图5，后调节器单元261被耦合到保护电路511。后调节器单元261包括整流器512。整流器单元512从保护电路511接收高频AC电并将此高频AC电转变成DC域。滤波器单元513被耦合到整流器单元512。滤波器单元513从整流器单元512接收DC电并在将此电通过线路520传送到计算机系统(未显示出)上的一个元件之前从DC电中滤去纹波。控制器单元514被耦合到线路520和整流器单元512。控制器单元514监视线路520中的电压和电流电平并调节整流器单元512，以使通过滤波器513被传送到线路520的电力处在预先设定的电平。按照本发明的一种实施方案，后调节器单元261可以仅包括整流器单元512，该整流器单元将来自AC总线255的高频AC电传送到线路520之前把它转变成DC域。
保护电路511、整流器单元512、滤波器单元513和控制器单元514可以采用任何公知的电路技术或工艺被实现。按照本发明的一种实施方案，保护电路511、整流器单元512、滤波器单元513和控制器单元514可以全部存在于一个单个的半导体基底上、可以是分立元件或两者的组合。
系统电源250(在图2中显示出)和高频AC电压调节器模块260(在图2中显示出)允许在高频AC域配电。在高频AC域配电改善了对具有高DI/DT要求的计算机系统元件电流的调节可靠性。系统电源250和高频AC电压调节器模块260也消除了DC配电系统所要求的双转换的需求。此外，采用AC总线255进行高频AC配电消除了多个绕组晶体管和附加的整流器和滤波器的要求。
应意识到本发明的高频AC配电系统也可以用于向与计算机系统200(在图2中显示出)机壳外接的装置如打印机、扫描仪、外部存储装置、调制解调器、集成服务数字网络(ISDN)装置、摄像机以及其它装置供电。按照本发明的一种实施方案，系统电源250可以存在于计算机系统200机壳的外部。系统电源250可以向计算机系统200和通过如图7a所示配置成菊花链的单个电缆外接于计算机系统200机壳的装置供电。在这一实施方案中，AC总线(未显示出)可以存在于系统电源250的内部并且单个信号总线755，如通用串行总线可以被耦合到该AC总线上并用来将电力传输到计算机系统200、显示装置710、扫描仪711、打印机712、外部存储装置713和调制解调器714。作为选择地，系统电源250可以向计算机系统200和通过如图7b所示集线器配置外接于计算机系统200机壳的装置供电。在这一实施方案中，多个信号总线756-761，如通用串行总线可以被耦合到AC总线并且用来将电传输到计算机系统200、显示装置710、扫描仪711、打印机712、外部存储装置713和调制解调器714。每个与计算机系统200机壳外接的装置包括如图5所说明的一个高频AC电压调节器模块。
通过采用本发明的高频AC配电系统向与计算机系统200机壳外接的装置配电，这些装置不再被要求具有其自己独立的电源。因此，这些装置的成本和物理空间需求降低。
图8是按照本发明的一种实施方案的配电方法示意流程图。在步骤801中，AC域的电力被调节到高频AC域。按照本发明的一种实施方案，通过将AC域的电整流到DC域并将此电力从DC域转变成高频AC域，AC域的电力被调节到高频AC域。
在步骤802中，高频AC被从系统电源传送到高频AC电压调节器模块。
在步骤803中，从系统电源中接收到的一个电流电平被调节。按照本发明的一种实施方案，此电流电平由高频AC电压调节器模块中的保护电路来调节。
在步骤804中，电力被从高频AC域调节到DC域。按照本发明的一种实施方案，通过对高频AC域的电力进行降压并将其从高频AC域整流到DC域，此电被从高频AC域调节到DC域。按照本发明的一种实施方案，该电被高频AC电压调节器模块中的后调节器单元从高频AC域调节到DC域。
在上述说明中，本发明是参照其中具体的实例实施方案加以说明。但是，显然的是，可以对此进行各种修改和变化，而不偏离如所附权利要求所阐明的本发明的较为广泛的实质和范围。从而技术要求和附图要被认为是示意式的而不具有限制性的意义。

Claims (17)

1.一种高频交流(AC)配电系统，包括：
一个传送介质；
一个耦合到传送介质的系统电源；
一个通过无接触连接器耦合到传送介质的高频AC电压调节器模块(VRM)。
2.权利要求1中的高频AC配电系统，其中传送介质包括一个数据总线。
3.权利要求1中的高频AC配电系统，其中系统电源包括一个将高频交流(AC)域电力传送到传送介质255上的逆变器。
4.权利要求3中的高频AC配电系统，其中逆变器包括：
一个将电力从AC域转变成直流(DC)域的整流器单元；
一个耦合到整流器的转换单元，该转换单元将电力从DC域转变成高频AC域；以及
一个耦合到转换单元的谐振电路，该谐振电路对高频AC域的电力输出进行平滑。
5.权利要求1中的高频AC配电系统，其中高频AC VRM包括一个后调节器单元，该后调节器单元对从传送介质到计算机系统元件的高频AC域的电力进行调节。
6.权利要求5中的高频AC配电系统，其中后调节器单元包括：
一个将电力从高频AC域转变到直流(DC)域的整流器单元；以及
一个耦合到整流器单元的滤波器单元，该滤波器单元滤去来自DC域电输出的躁声。
7.权利要求1中的高频AC配电系统，其中无接触连接器包括一个变压器，该变压器具有一个耦合到传送介质的初级铁芯和一个耦合到高频AC VRM的次级铁芯。
8.高频交流(AC)电压调节器模块(VRM)，包括：
一个耦合到传送介质的无接触连接器；
一个耦合到无接触连接器的后调节器单元，该后调节器单元对从传送介质到计算机系统元件的高频AC域的电力进行调节。
9.权利要求8中的高频AC VRM，其中无接触连接器包括一个变压器，该变压器具有耦合到传送介质的初级铁芯和耦合到高频AC VRM的次级铁芯。
10.权利要求8中的高频AC VRM，其中后调节器单元包括：
一个将电力从高频AC域转变到直流(DC)域的整流器单元；以及
一个耦合到整流器单元的滤波器单元，它滤去来自DC域电力输出的躁声。
11.一种系统电源，包括：
一个将电力调节成高频AC域的逆变器；以及
一个将逆变器耦合到传送介质的无接触连接器。
12.权利要求11中的系统电源，其中无接触连接器包括一个变压器，该变压器具有一个耦合到逆变器的初级铁芯和一个耦合到传送介质的次级铁芯。
13.权利要求10中的系统电源，其中逆变器包括：
一个将电力从AC域转变成DC域的整流器单元；
一个耦合到整流器的转换单元，该转换单元将电从DC域转变成高频AC域；以及
一个耦合到转换单元的谐振电路，该谐振电路对高频AC域的电力输出进行平滑。
14.一种计算机系统，包括：
一个处理器；
一个传送介质；
一个通过无接触连接器耦合到传送介质的系统电源；以及
一个耦合到传送介质的高频电压调节器模块，该高频电压调节器模块调节从传送介质到处理器的电力。
15.权利要求14的计算机系统，其中，无接触连接器包括一个变压器，其具有耦合到系统电源的初级铁芯和耦合到传送介质的次级铁芯。
16.一种电子系统，包括：
一个电子服务；
一个传送介质；
一个通过无接触连接器耦合到传送介质的系统电源；以及
一个耦合到传送介质的高频电压调节器模块，该高频电压调节器模块调节从传送介质到处理器的电力。
17.权利要求14中的电子系统，其中无接触连接器包括一个变压器，该变压器具有一个耦合到系统电源的初级铁芯和一个耦合到传送介质的次级铁芯。
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