CN1541439A - 利用辅助降压变换器、具有可编程直流输出的双输入交流和直流电源 - Google Patents

利用辅助降压变换器、具有可编程直流输出的双输入交流和直流电源 Download PDF

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Abstract

一种具有双输入(12、14)的双输入交流/直流功率变换器(10)，其适于接收交流和直流输入，并提供可选择的直流电压输出(16)和第二直流输出(18)。该双输入交流/直流功率变换器(10)包括一个功率变换器电路(20)，该电路具有一个交流到直流变换器(22)、一个直流到直流升压变换器(24)、一个反馈电路(26)、一个滤波电路(25)以及一个直流到直流降压变换器(28)。该功率变换器(10)有益地解决了与下述事实相关的许多系统管理问题：为了从交流或者直流电源为各种移动产品供电，需要携带所有必需的各种不同的接口部件。另外，该功率变换器(10)还有利地包括双输出电压端子(16、18)，允许用单个变换器同时对电源需求不同的多个移动设备供电。

Description

利用辅助降压变换器、具有可编程直流输出的 双输入交流和直流电源
对相关申请的引用
本申请与共同受让的于2001年12月3日提交的美国专利申请Serial No.10/005961有关，并要求其优先权。该申请的内容在此作为参考。
技术领域
本发明总体上涉及功率变换器领域，具体地涉及一种从双输入交流和直流变换到可编程的直流输出的功率变换器。
背景技术
随着移动电子产品，比如笔记本电脑、PDA、移动电话等的使用持续不断地增长，对为这些产品供电和充电的低成本、紧凑的电源的需求也不断地增长。大多数移动产品制造商一般都随这些移动产品提供插入式的电源适配器，以方便用户的电源需求。
如今的电源适配器一般是交流到直流或者直流到直流功率变换器，它们设计为将送到移动设备的直流输入电压升压或者降压。利用交流到直流适配器，例如，用户能够通过简单地将适配器插入在大多数家庭或者办公室通常可以找到的普通交流墙插座来为大多数移动设备供电。类似地，当只有直流输入电源可用时，例如在汽车或者飞机中，用户仍然可以简单地通过使用标准的通用直流到直流适配器为移动设备供电。通常，两种适配器都设计或者定制为提供规定的直流输出电压，随需供电的移动设备的种类的不同，该电压通常在5VDC到30VDC。
尽管这些电压适配器可以方便地提供直接的供电和充电能力，但是通常要求用户携带各自独立的适配器，以便为每一个独立的移动设备提供电源。这通常意味着用户不得不携带多个适配器：一个用于交流输入电源，另一个用于直流输入电源；而且，用户通常要携带多个适配器以便为多个设备供电。这样，如果一次携带多个设备，则移动产品的用户就被迫携带多个零散的电源适配器。
因此，有必要有一种电源能够解决与携带为多种移动或者便携式设备供电所需的所有各种电源部件有关的系统管理问题。并且，这样的功率变换器最好还能够满足不同移动设备的电源需求，响应交流输入电压或者直流输入电压提供经滤波和调整的直流输出电压。并且，通过具有电源转换或者具有多个输出端子，用户能够向电源需求不同的若干移动设备同时提供电压，而不需要考虑输入电压是交流的还是直流的。
发明内容
本发明是通过这样的功率变换器达到上述技术目的的：该功率变换器能够从交流输入电压或者直流输入电压提供双直流输出电压。该功率变换器可以从外部被编程，从而覆盖宽范围的电压和电流组合，从而适用于各种移动产品。另外，该功率变换器还解决与下述情况相关的管理问题：为了给各种移动产品供电，需要若干不同的接口部件。通过拥有双输出电压线路，移动产品用户能够同时为各种电源规格的多种移动设备供电。
在一种优选实施方案中，本发明是一种功率变换器，其具有适于接收一个交流输入电压并提供第一可编程直流输出电压的第一电路。该功率变换器包括适于响应直流输入电压提供第二可编程直流输出电压的第二电路。该功率变换器还包括一个第三电路。该电路相应于接收到的第一和第二直流输出电压，在第一输出产生可选择的直流输出电压。另外，该第三电路通常包括一个反馈电路，适于与一个可更换的程序模块相接。该编程模块部件允许功率变换器的用户选择性地建立直流输出电压的电压电平。该功率变换器还包括一个第四电路，该第四电路耦接到第一输出。该第四电路提供一个第二直流输出电压作为第二输出，该第二直流输出电压独立于并且基本上低于所述可选择的直流输出电压。
在另一个实施例中，本发明是一种响应于交流输入电压或者直流输入电压生成至少两个可独立选择的直流输出电压的方法。该方法是通过下述操作实现的：将接收到的交流或者直流输入电压在第一输出变换为第一可编程直流输出电压。该变换操作之后是接收操作，其中，所述变换电路接收所述第一直流输出电压。该变换电路启动一个生成操作，生成一个第二直流输出电压，其独立于并且基本上低于所述可编程直流输出电压。
附图说明
通过以下结合附图对优选实施例进行的详细说明，本领域的普通技术人员将能够理解本发明及其具体实施例的优点。附图中：
图1A图示了本发明的具有双直流电压输出的双输入交流和直流功率变换器的框图；
图1B图示了具有可拆分降压电路的变换器的分解图；
图2图示了根据本发明如图1所示的功率变换器电路的电路示意图；
图3是本发明的直流到直流降压变换器电路的详细电路图。
具体实施方式
下面结合目前最为优选的实施例来描述本申请的各个创新点。但是，应当理解，这类实施例只是提供了许多有益的用途和创新点的少许例子。一般而言，在本申请的说明书中所作的陈述不一定是限制所请求保护的各种发明。另外，某些陈述可能只适用于某些发明特征，而不适用于其它特征。
在图1A中图示了根据本发明具有双可编程直流电压输出的双输入直流交流功率变换器10。最好，该双输入直流交流功率变换器10包括一个功率变换器电路20，后者具有：一个交流到直流变换器22、一个直流到直流升压变换器24、一个反馈电路25、一个滤波电路25和一个直流到直流降压变换器28。可以看到，该功率变换器电路20位于一个外壳13中，有益地在直流输出端子16提供第一可编程直流输出电压，在端子18提供第二可编程直流输出电压。这两个直流输出电压都可以作为交流和直流输入电压二者的函数而生成。
在工作时，直流到交流变换器22通过输入端子12接收交流信号，在节点N1提供调整后的直流输出电压。类似的，直流到直流升压变换器24可以在其输入通过输入端子14接收交流输入电压，并且也在节点N1提供调整后的直流输出电压。
输入端子12和14结合为单个公共连接器17，从而由该公共连接器17接纳适于从不同电源接收输入电源的各种电源线。例如，来自飞机或者汽车电源的直流电经电线连接到输入12，交流电源经电线连接到输入14。在一个选定的实施例中，交流到直流变换器22适于响应于端子12处的从90VAC到265VAC的交流输入电压产生15VDC到24VDC的直流输出电压。类似地，直流到直流升压变换器24适于提供一个直流输出电压，该电压基本上类似于变换器22的电压，但是是响应于在输入端子14提供的直流输入电压而产生的。最好，直流到直流升压变换器24适于接收从11VDC到16VDC的电压。有益的是，交流到直流变换器22进行的交流到直流变换允许功率变换器10的用户为高功率移动设备例如膝上型电脑供电，只要是有交流输入电压可用的地方，例如在家里或者在办公室里。反过来，功率变换器10的直流到直流升压变换器24能够通过将大多数低压直流输入信号，例如汽车和/或飞机中的电源升压而为类似的高功率设备供电。
如图所示，滤波电路25具有与变换器22和24各自的输出相联系的输入。在一个优选实施例中，该滤波电路适于在第二节点N2提供滤波后的直流输出电压。该节点随后以例如75瓦的输出功率供给输出端子16。
单反馈电路26图示为在节点N2耦接到滤波电路25的输出。在一个优选实施例中，反馈电路26通过一个单反馈环路调整由变换器22和24二者产生的经滤波的直流输出电压的电压电平。另外，该反馈电路26适于接纳一个可更换编程模块，后者允许移动设备用户通过节点N2在输出16提供可选择的直流输出电压。该编程模块包括一个键(key)54，后者包括一个电阻器，其中，电阻器的不同相关值在输出16建立不同的相关直流输出电压。通过允许用户选择性地改变滤波后的直流输出电压的电压电平，功率变换器10可以适于为各种具有不同电源需求的不同移动电子设备供电。另外，也可以使功率变换器10的编程模块提供附加的输出电流限制功能。
直流到直流降压变换器28的输入耦接在节点N2，提供第二直流输出电压，该电压然后被馈送给输出端子18，该端子的输出功率例如为10瓦。最好，降压变换器28离散地(discreetly)对滤波后的直流电压降压，在一个独立的输出端子18处产生第二直流输出电压。在一个选定的实施例中，降压变换器28将滤波后的直流输出电压降到约3VDC到15VDC。有益的是，变换器28产生的该第二直流输出电压独立于，并且基本上低于端子16处的直流输出电压。这使得本发明的用户不仅能够向高功率的外围设备例如膝上型电脑供电，而且能够向另一个低功率外围设备比如移动电话、PDA等供电。另外，本发明允许用同一个变换器同时对这些外围设备供电，而不管输入电压是直流还是交流。降压变换器28物理上与主外壳是可以分离的，如图1B所示，从而可以将提供不同输出电压的不同降压电路选择性地连接到外壳13，从输出端子18分接出直流输出电压。
现在看图2，其中图示了根据本发明的实施例，在图1中描述的双输入交流/直流功率变换器10的功率变换器电路20的电路图。按照这里的详细描述，在一个优选实施例中，功率变换器电路20包括三个独立的变换器：直流到交流功率变换器22，直流到直流升压变换器24以及直流到直流降压变换器28。
交流到直流变换器
交流到直流变换器22包括一个真正的离线转换开关(off lineswitcher)，后者按逆向拓扑(fly-back topology)设计。利用全波桥式整流器BD1和滤波电容器C1对输入端子12接收到的交流输入信号进行全波整流，该滤波电容器构成直流电压通路(bus)，所述转换开关从该直流电压通路操作。在交流信号通过全波桥整流之后，电感器L1对交流信号进行附加的EMI滤波。交流到直流变换器22还包括一个主控制器IC1，其设计为一个电流模式脉宽调制器(PWM)。主控制器IC1还被设计为具有一个单端输出，其上耦接有推拉输出电路驱动晶体管。该交流到直流变换器22具有主电源开关Q1，后者驱动主变换器T1。在一个优选实施例中，变换器T1、肖特基二极管D11和滤波电容器C24和C25结合起来在节点N1提供直流输出电压。
如前所述，滤波电路25允许对来自节点N1的直流输出电压进行附加的滤波。该滤波电路25本身包括电感器L3、电容器C26和变换器NF1。最好，该滤波电路25在输出16产生滤波后的直流输出电压，具有小于100mv的峰间噪声(peak-to-peak noise)和交流声(ripple)。
通过一个单反馈环路，反馈电路26能够调整由变换器22和24提供的滤波后的直流输出电压。还使该反馈电路26耦接到具有一个包括电阻器R53的键15的可更换编程模块。这样，本发明就允许用户对然后在输出端子16接收到的直流输出电压进行选择性的编程。该反馈电路26包括一个光耦合电路，该电路包括一对串联(即叠加的)光耦合器PH1和PH3，每一个光耦合器耦接到运算放大器IC4-A和IC4-B的输出。最好，这些光耦合器沿着反馈电路25的反馈环路布置。另外，反馈电路26通过一个单反馈环路有效地调整变换器22和24产生的经滤波的直流输出电压。在叠加所述光耦合器时，本发明还允许功率变换器10在各端子12和14以及输出端子16之间保持合适的输入/输出隔离。
最好，通过集成电路IC4A、电阻器R33、R37、R38和R39以及编程电阻器R54实现变换器22的输出电流限制功能。
利用光耦合器PH2和稳压二极管ZD2实现交流到直流变换器22的过电压保护。在一个优选实施例中，稳压二极管ZD2被设置在25V，这样，当在雪崩模式时，使得光耦合器PH2的晶体管一侧将晶体管Q3偏置到导通状态。当处于导通状态时，晶体管Q3将集成控制器IC1的管脚1拉低，并将集成控制器的工作占空比(operating duty cycle)拉向0％。这使得直流输出电压变为0伏。同样，当晶体管Q1导通时，晶体管Q2也被迫导通，然后迫使这两个晶体管被闩锁。如果晶体管Q1和Q2被闩锁，则必须重启输入电源，以便再次打开功率变换器10。
直流到直流变换器
直流到直流变换器24按照升压布局设计，利用与变换器22所使用的相同种类的集成控制器IC2。在直流到直流变换器24中，晶体管Q8用作主电源开关，二极管D6作为主整流器。最好，电感器L1用作功率放大电感器，其由环形磁心式电感器构成。应当理解，二极管D11和D8的阴极引线是连接起来的，构成一个“或”布局(ORedconfiguration)，只需要一个输入滤波器。这有利地消除了使用第二组滤波电容器所需的电路板空间。
与交流到直流变换器22一样，直流到直流变换器24也设计为在大约80KHz的频率工作。对于交流到直流变换器22，工作频率由电阻器R13和电容器C7设定。类似地，变换器24的工作频率由电阻器R28和电容器C28设定。
直流到直流变换器24包括一个过电压保护电路，该电路包括稳压二极管ZD2、电阻器R23、R24、R48、晶体管Q415以及硅控整流器SC1。稳压二极管ZD2设置过电压保护点(OVP)，其最好设置为25VDC。通常，没有电流流过电阻器R48。但是，如果稳压二极管ZD2开始传导电流，则R48两端的电压降大到足以使晶体管Q6导通，将其集电极端子电压拉高，从而使硅控整流器SC1打开。当硅控整流器SC1打开时，其将集成控制器IC2的管脚1拉低。这样，如果集成控制器IC2的管脚1的电压低，则其输出驱动器被迫在0％的占空比工作，从而在管脚6产生0伏的直流输出电压。有利的是，硅控整流器SC1用作电源闩锁电路，如果在节点N1检测到高于25VDC的电压，则它要求重启输入电源，以便打开功率变换器10。
利用热敏电阻NTC3监测功率变换器10的外壳13的温度。例如，如果外壳13的温度有相应的升高，则会导致热敏电阻NTC3的电阻值下降，从而使晶体管Q9导通，将变换器24的集成电路IC2的管脚1拉低。另外，这使得光耦合器PH2被偏置得足以启动包括晶体管Q1和Q2的闩锁电路，该电路将关闭功率变换器22。另外，使功率变换器10的热保护功能的工作不管在各自的输入端子接收到的是交流还是直流输入电压。
图3图示了本发明的直流到直流降压变换器28的详细电路图。类似于变换器22和24，该降压变换器28有一个集成电路控制器IC1，适于产生一个接通时间占空比(on-time duty cycle)来为晶体管开关Q1供电。控制器IC1的工作频率由耦接在IC1的管脚4和地之间的电容器C6以及耦接在管脚4和8之间的电阻器R1来设定。在一个选定的实施例中，二极管D1包括一个肖特基二极管并用作钳位二极管。电感器L1是一个输出功率电感器，将功率晶体管Q1的栅极耦接到Vout。熔丝F1图示为耦接在Vin和功率晶体管Q1的漏极端子之间，有利地提供对降压变换器28的电流保护。
另外，降压变换器28的输入Vin在节点N2耦接到滤波电路25的输出，其中Vin从该节点接收经滤波的直流输出电压。在一个优选实施例中，降压变换器28在Vout提供第二直流输出电压，该电压耦接到输出端子18。有利地是，降压变换器28将滤波后的直流输出电压离散地(discreetly)降压，在输出端子18提供一个第二直流输出电压，其独立于，并且基本上低于输出端子16处的直流输出电压。类似地，降压变换器28的直流输出电压使得用户能够为低功率外围设备比如移动电话、PDA以及/或者类似的移动设备供电。在一个选定的实施例中，降压变换器28也可以在输出端子18提供3VDC到15VDC的直流输出电压，该电压是作为在特定降压变换器28中使用的电阻器R1的选定值的函数而选择性地确定的，总功率输出例如为10瓦。如前所述，该降压变换器28可以被容纳在一个独立的、可拆分的程序模块中，使得用户能够对端子18的直流输出电压选择性编程为不同的相关降压变换器模块的函数。
以上针对具体的优选实施方式对本发明进行了描述。对于阅读了本申请的本领域普通技术人员来说，许多变化和修改都是显而易见的。因此，所附的权利要求应被解释为相对于现有技术具有尽可能宽的范围，以包括所述变化和修改。

Claims (31)

1.一种功率变换器，包括：
将交流输入电压变换为第一预定直流输出电压的第一电路；
将直流输入电压变换为第二预定直流输出电压的第二电路；
第三电路，用来接收所述第一和第二预定直流电压，作为响应，在第一输出提供一个可选择的直流输出电压，其中，所述可选择的直流输出电压是作为一个可更换的程序模块的函数而建立的；以及
第四电路，与所述第一输出耦接，在第二输出提供一个第二直流输出电压，借此使所述第二直流电压输出独立于并且基本上低于所述可选择的直流输出电压。
2.如权利要求1所述的功率变换器，还包括第五电路，该第五电路包括一个滤波电路，该滤波电路适于对所述第一和第二预定直流输出电压滤波，并在一个公共节点提供相应的经滤波的第一和第二直流输出电压。
3.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一电路包括一个交流到直流逆向变换器，其中，该交流到直流逆向变换器适于提供15VDC到24VDC的直流输出电压。
4.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第二电路包括一个直流到直流升压变换器，其中，该直流到直流升压变换器适于提供15VDC到24VDC的直流输出电压。
5.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第三电路包括一个耦接到所述第一电路和所述第二电路的反馈电路，所述反馈电路调整所述第一和第二电路所产生的所述第一和第二预定直流电压。
6.如权利要求5所述的功率变换器，其中，所述反馈电路包括一个单环路。
7.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第四电路包括一个提供所述第二直流输出电压的直流到直流降压变换器，该直流到直流降压变换器提供3VDC到15VDC的所述第二直流输出电压。
8.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一和第二预定直流输出电压基本上是相同的，并被提供给一个公共节点。
9.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一和第二电路各自的第一和第二预定直流输出电压是通过所述可更换程序模块建立的，其中，所述可更换程序模块包括一个适于可拆分地与所述功率变换器耦接的键。
10.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述可更换程序模块包括一个具有电阻器的键，所述第一和第二直流输出电压是该电阻器的值的函数。
11.如权利要求10所述的功率变换器，其中，所述键建立一个输出电压函数。
12.如权利要求10所述的功率变换器，其中，所述键建立一个输出电流限制函数。
13.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一电路适于接收90VAC到265VAC的交流输入电压。
14.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第二电路适于接收11VDC到16VDC的直流输入电压。
15.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一和第二预定直流输出电压是可编程的，作为所述程序模块的函数。
16.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第四电路包括一个第二可更换程序模块，其中，所述第二输出处的所述第二直流输出电压是所述不同的相关第二可更换程序模块的函数。
17.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第五电路还包括一个保护电路，该保护电路提供过电压保护功能。
18.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一电路和所述第二电路在一个公共的单连接器处接收各自的交流输入电压和直流输入电压。
19.一种响应交流输入电压或者直流输入电压产生至少两个可独立选择的直流输出电压的方法，包括下列步骤：
将接收到的交流或者直流输入电压变化为第一可选择直流输出电压；
接收所述第一可选择直流输出电压，产生第二直流输出电压，该第二直流输出电压独立于并且基本上低于所述第一可选择直流输出电压。
20.如权利要求19所述的方法，还包括下列步骤：利用一个可更换程序模块建立所述第一可选择直流输出电压的电压幅度。
21.如权利要求19所述的方法，其中，由一个交流到直流逆向变换器响应一个交流输入电压而提供所述第一可选择直流输出电压。
22.如权利要求19所述的方法，其中，由一个直流到直流升压变换器响应直流输入电压而提供所述第一可选择直流输出电压。
23.如权利要求19所述的方法，还包括通过一个滤波电路对所述第一可选择直流输出电压滤波的步骤，该滤波电路提供经过滤波的15VDC到25VDC的直流输出电压。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述滤波电路输出耦接到一个直流到直流降压变换器，其中，该直流到直流降压变换器适于提供3VDC到15VDC的单独的、独立的第二直流输出电压。
25.如权利要求19所述的方法，其中，所述可更换程序模块包括一个具有一组电阻器的键，其中，所述第一可选择直流输出电压是其中一个所述电阻器的值的函数。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述键建立一个输出电压函数。
27.如权利要求25所述的方法，其中，所述键建立一个输出电流限制函数。
28.如权利要求19所述的方法，其中，所述交流输入电压可以具有90VAC到265VAC的范围。
29.如权利要求19所述的方法，其中，所述直流输入电压可以具有11VDC到16VDC的范围。
30.一种功率变换器，包括：
将交流输入电压变换为第一预定直流输出电压的第一电路；
将直流输入电压变换为第二预定直流输出电压的第二电路；
第三电路，用来接收所述第一和第二预定直流电压，作为响应，在第一输出提供一个可选择的直流输出电压，其中，所述可选择的直流输出电压是作为一个可更换的程序模块的函数而建立的。
31.如权利要求30所述的功率变换器，其中，所述第一和第二预定直流输出电压基本上是相同的，并被提供给一个公共节点。
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