CN202856681U - 一种应用于工频变压器的控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种应用于工频变压器的控制装置，其包括：电容，其串联在工频变压器的初级线圈与地之间；以及主控制器，其包括，开关单元，开关单元连接电容；控制单元，控制单元连接开关单元，并控制开关单元工作，开关单元控制电容短路与否，使得工频变压器在工作模式或者待机模式之间进行切换。本实用新型能够降使得变压器在待机状态下功耗更低，符合绿色能源的要求和满足国家的生产需求。

Description

一种应用于工频变压器的控制装置

技术领域

本实用新型涉及工频变压器，尤其涉及一种应用于工频变压器的控制装置。

背景技术

在很多噪声敏感、微信号放大、精密采样等领域必须使用工频变压器进行系统供电。受限于工频变压器工作原理和制作工艺，在有限的成本下无法实现在系统待机或空载运行时有效降低整机功率消耗，系统即使处于不使用的待机状态下，整机依然消耗高达3W以上的功率，同时，在能源日趋枯竭的背景下，目前世界各国均在大力提倡更加节能环保的供电方式，催生了很多能效法规诞生，并陆续被强制执行。

据统计，2001年在用的外部电源适配器为100亿只，到2006年已达到了150亿只，按开关电源与工频电源6:4的比例，正在使用的工频电源适配器为60亿只，并且每年大约以12%的速率增加。中国是全球最大的工频电源适配器生产地。2001年，中国电源适配器的总产量约为4亿只，销售额为7.32亿美元。2006年中国的工频电源适配器的日产量约为160万只(按照一年10个月生产期，每月25天计算)，占全球日总产量的65%。

工频变压器具有极大的应用领域，数量非常庞大，仅全世界每年销售的使用工频变压器供电的便携式CD、磁带、收音播放机等产品即高达8000万台以上。如果每台待机功耗都比较大的话，就会使得全球浪费大量的资源。

针对能效要求的不断提高，一些不同的解决方案先后被提出，主要有如下几种：

1、使用更好材质的变压器硅钢片（例如H23，H18等），通过大幅增加变压器绕线匝数，从而降低变压器空载功耗水平，通过测试可将功耗降低到约0.5W附近，勉强满足目前的要求，但负载效率将进一步下降。

2、使用一个可控硅切相电路，在待机时通过使变压器工作在间歇状态，从而降低系统总的有效功耗，实测空载功耗可降低到约0.3W左右，但可控硅在系统正常工作的每个交流电换向期间及每次开关动作时均会产生较大的高频谐波，从而造成额外的高频干扰，在某些应用中造成系统灵敏度大幅下降或信号发生错误。

3、使用继电器间歇工作方式，在待机时通过使变压器工作在间歇状态，从而降低系统总的有效功耗，实测空载功耗可降低到约0.5W左右，但继电器在多次开关后触点将因严重氧化而降低可靠性甚至完全无法正常开关，系统寿命极大降低。

4、使用开关电源替换线性变压器，系统功耗可降低到0.3W以下，但在系统存在收音、采样等微信号处理电路时存在严重的高频干扰，收音灵敏度会大幅下降，信号采集错误，此方法仅在要求不高时可勉强使用。

虽然以上方案都在不同程度解决了工频变压器待机状态下高功耗的问题，但是同时又带来了新的问题，例如成本过高、抗干扰能力差、适用范围狭窄、使用寿命短等，这样的方案就不是最优的解决方案。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术中的问题，而提出一种应用于工频变压器的控制装置，通过在变压器的初级线圈串联电容，并控制电容的短路与否，使得工频变压器在待机模式下保持低功耗，并且不带来其他方案所产生的诸如成本过高、抗干扰能力差、适用范围狭窄、使用寿命短等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种应用于工频变压器的控制装置，其包括：电容，其串联在所述工频变压器的初级线圈与地之间；以及主控制器，其包括，开关单元，所述开关单元连接所述电容；控制单元，所述控制单元连接所述开关单元，并控制所述开关单元工作，所述开关单元控制所述电容短路与否，使得所述工频变压器在工作模式或者待机模式之间进行切换。

优选地，所述开关单元包括桥式开关，所述桥式开关包括开关以及整流模块，所述开关包括控制端、输入端以及输出端，所述开关的输入端连接所述电容与所述初级线圈的连接处，所述开关的输出端接地，所述控制单元连接所述桥式开关的控制端，并控制所述桥式开关的关闭或者打开，所述整流模块连接于所述电容以及所述开关之间。

优选地，所述开关单元包括双向可控硅，所述双向可控硅包括第一端、第二端以及控制端，所述开关的第一端连接所述电容与所述初级线圈的连接处，所述双向可控硅的第二端接地，所述控制单元连接所述双向可控硅的控制端，并控制所述双向可控硅的关闭或者打开。

优选地，所述控制装置还包括信号处理单元，所述信号处理单元连接所述控制单元，所述信号处理单元输出待机信号或者工作信号至所述控制单元，所述控制单元控制所述开关单元工作，所述开关单元控制所述电容短路与否。

优选地，所述控制单元还包括过零检测模块，所述过零检测模块连接并检测所述工频变压器的电压交流零点，若检测到所述交流零点，则输出启动信号。

优选地，所述控制单元还包括延时模块，所述延时模块连接所述过零检测模块、开关以及信号处理单元，所述延时模块接收并保存所述待机信号或者工作信号，当所述延时模块接收到所述启动信号后，输出所述待机信号或者工作信号至所述开关单元。

优选地，所述整流模块为桥式整流器。

优选地，所述开关为高压功率MOS管，所述高压功率MOS管的耐压值为200V至1000V。

优选地，所述桥式开关以及所述控制单元集成在同一芯片内。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：本实用新型通过电容串联变压器初级线圈，并控制当电容短路时，工频变压器工作，当电容没有短路时，工频变压器待机，并且保持低功耗，符合绿色能源的要求和满足国家的生产需求，还有不会带来其它解决方案所产生的问题。

附图说明

图1为本实用新型应用于工频变压器的控制电路的等效电路原理图。

图2为本实用新型应用于工频变压器的控制装置的优选实施例的电路结构图。

图3为图2中的芯片结构图。

图4为本实用新型应用于工频变压器的控制装置的另一优选实施例的电路结构图。

其中，附图标记说明如下：电容1、主控制器2：过零检测模块21、延时模块22、偏置模块23、电源管理模块24、软启动与睡眠模式控制模块25、内部时钟模块26、复位模块27、开关28、驱动模块29、RS触发器210、或门211、远端控制模块212、开通延时模块221、关断延时模块222、整流模块213、双向可控硅224；信号处理单元3：变压器T1

具体实施方式

为了进一步说明本实用新型的原理和结构，现结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明。

请参阅图1和图2，本实用新型一种应用于工频变压器的控制装置，其包括：电容1、主控制器2以及信号处理单元3。电容1串联在工频变压器T1的初级线圈与地之间，主控制器2与电容1连接，信号处理单元3连接主控制器2。

请参阅图1至图3，主控制器包括桥式开关以及控制该桥式开关的控制单元。桥式开关包括开关28以及整流模块213。开关28包括控制端、输入端以及输出端，开关28的输入端连接电容1与初级线圈的连接处，开关28的输出端接地，控制单元连接开关28控制端。整流模块213连接于电容1以及开关28之间。

本实施例中，如图2所示，整流模块213由4个二极管组成的桥堆。在其他实施例中，整流模块213为桥式整流器。

信号处理单元3连接控制单元。信号处理单元3输出待机信号或者工作信号至控制单元。控制单元若接收到待机信号则控制开关28打开，电容1与该初级线圈串联，使得工频变压器T1处于待机模式下；控制单元若接收到工作信号则控制开关28关闭，则控制电容1短路，使得工频变压器T1处于工作模式下。

请参阅图3，控制单元包括：过零检测模块21、延时模块22、偏置模块23、电源管理模块24、软启动与睡眠模式控制模块25、内部时钟模块26、复位模块27、驱动模块29、RS触发器210、或门211以及远端控制模块212。

本实施例中，控制单元以及开关集成在同一个芯片内。因此，过零检测模块21、延时模块22、偏置模块23、电源管理模块24、内部时钟模块26、软启动与睡眠模式控制模块25、复位模块27、开关28、驱动模块29、RS触发器210、或门211以及远端控制模块212集成在同一个芯片内。本实施例中，该芯片的封装形式为SOP8或者DIP8。

从控制芯片的内部看，远端控制模块212连接延时模块22，延时模块22连接过零检测模块21，偏置模块23连接电源管理模块24，软启动与睡眠模式控制模块25、电源管理模块24以及过零检测模块21通过一或门211连接至RS触发器210的R端，复位模块27连接内部时钟模块26，内部时钟模块26连接RS触发器210的S端，RS触发器210的Q端输出连接驱动模块29至开关28的控制端。

远端控制模块212接收到远程信号，并把远程信号传递给延时模块22。过零检测模块21检测工频变压器T1的电压交流零点，若检测到交流零点，则输出启动信号。延时模块22接收并保存从远处控制模块212传递过来的待机信号或者工作信号，当延时模块22接收到从过零检测模块21传递过来的启动信号后，则输出待机信号或者工作信号。延时控制模块22在控制芯片每次进入待机状态或从待机状态唤醒时会首先暂存控制信号，直到过零检测模块21检测到交流电压的零点出现才打开开关28，开关28因此被智能延迟一定的时间（最大延时为一个交流周期，仅为20mS，因此使用者不会感觉到），这样可完全避免每次切换时产生电流和电压冲击，从而大幅度降低高压开关28应力，有效延长系统寿命。

从图3中可以看到延时模块22还包括开通延时模块221以及关断延时模块222，它们分别用来对开关28开通或者关断的延时控制，两个模块具有不同的延时时间控制。

开关28则根据待机信号或者工作信号，控制工频变压器T1在待机模式和工作模式进行切换。本实施例中，开关28为高压功率MOS管，该MOS管耐压范围为200V至1000V。

另外，偏置模块23提供偏置电流，电源管理模块24管理该控制芯片的内部电源，为控制芯片的内部供电电路的启动、复位以及基准等工作。内部时钟模块26，用于控制芯片内部的时间参数的控制，并为延时控制模块提供基准。软启动与睡眠模式控制模块25，不但具有时间磁滞特性的上电软启动控制功能，控制启动时序以减小开机冲击，而且还可以在待机之后使系统进入深度休眠模式以降低控制芯片内部电路的自身功耗。复位模块27，用于对控制芯片的系统进行复位和重置工作。

请继续参阅图2，芯片的偏置模块23的输入端连接该芯片的管脚1，电源管理模块24的输入端连接管脚3，检测模块的输入端连接管脚4，MOS管的源极连接管脚8，MOS管的漏极连接管脚5。

请参阅图2和图3，芯片的管脚1与地之间连接有一限流电阻，管脚2连接信号处理单元3，管脚5接地。芯片的管脚3作为芯片的电源输入端，并通过电容1接地。芯片的管脚4并且与该变压器T1初级线圈的一端之间依次通过二极管与限流电阻连接。控制芯片的管脚5接地。

请继续参阅图2，本实施例中，信号处理单元3包括光耦合器。该光耦合器的集电极和发射极之间连接有电容1，该光耦合器的管脚4连接该芯片的管脚2。该光耦合器的管脚3接地。光耦合器满足高达5000V的电压隔离能力，这样通过光耦合器即可实现低压侧的检测和信号传递工作，使得不需要近距离接触工频变压器T1就可以控制工频变压器T1的工作或者进入待机状态，保障了工作人员的生命安全，并且能够实现与外部同步的待机与唤醒的控制的开关28动作。

下面结合图1至图3对本实用新型的工作原理进行详细说明。

操作人员在发射控制信号，信号处理单元3接收控制信号，并输出工作信号或者待机信号至控制单元，控制单元控制开关28打开或者关闭，使得电容短路与否，从而控制工频变压器T1工作或者进入待机状态。当需要工频变压器T1工作时，主控制器2在交流电过零点时开通芯片内部的高压功率MOS管，通过整流模块213与开关28将电容1短接，交流电压正常施加给工频变压器T1初级绕组，变压器T1处于正常工作状态。当工频变压器T1需要进入待机状态时，待机信号通过光耦合器加到芯片的远程控制端子亦即管脚2上，控制装置在设定的延时后在交流电过零时将高压功率MOS管关闭，使得电路处于开路状态，电容1被串联在工频变压器T1的初级线圈，工频变压器T1仅获得极小的能量用于提供后级待机电路的供电，电容1不产生额外的功率消耗，工频变压器T1的损耗功率可远小于0.5W。

请参阅图4，图4为本实用新型的另一优选实施例的示意图。请参阅图4，开关单元包括双向可控硅224。双向可控硅包括第一端、第二端以及控制端，因此，第一实施例和第二实施例的区别是，第二实施例采用双向可控硅224来代替整流模块213和开关28。其中，双向可控硅224第一端连接电容与初级线圈的连接处，双向可控硅的第二端接地，控制单元连接双向可控硅的控制端。这种方式也实现了作为开关和整流的功能，不需要两个元件来实现这两种功能，比上述的第一实施例的方式更为简化。

现有技术中，针对了变频器在待机状态下的能耗过高问题提出了许多方案，但是，各个方案都带来新的问题，不是最优的解决方案。

下图通过表1来详细分析本实用新型与现有技术方案的区别。

表1

如表1所示，现有的各项技术都在不同程度上，解决了功耗的问题，但又带来了诸如成本过高、抗干扰能力差、适用范围狭窄、使用寿命短等问题。而本实用新型既解决了功耗的问题，又避免了现有各项技术所带来的问题。例如，在干扰的问题上，本实用新型通过全谐振的开关切换方式彻底解决了硬切换方式带来的电压或电流尖峰干扰问题。运用到音响产品上实施时，可实现完全不影响微信号放大性能，例如AM调幅信号的收音机完全不会出现灵敏度或信噪比下降问题，FM调频收音机则完全不会出现灵敏度下降等问题。

本实用新型结构简单，连接方式便捷，根据实际变压器供电结构的差异做对应接口结构修改即可方便地实施，因此本实用新型还可极大扩展适用的应用领域，包括音响设备内置电源、音响设备外置电源、网络设备内置电源、网络设备外置电源、信息采集设备内置电源、传感器供电电源以及远程采样控制供电电源等等。

最重要的是，本实用新型通过采用这种智能化控制技术，直接应用于现有的工频变压器供电系统中，可实现整机在待机或无负载条件下功率消耗从3W大幅降低到0.3W以下，这样就大大节省了能源。据统计，全世界每年销售的使用工频变压器供电的便携式CD、磁带、收音播放机产品高达8000万台以上，通过使用本实用新型，每年可直接降低电费高达21.6万度，减少二氧化碳排放21万公斤（按火力发电每一度电排放0.997公斤二氧化碳来计算），这样就极大的减少污染，保护了环境。

本实用新型还提供一种应用于工频变压器的控制方法，其包括：设置电容，其串联在工频变压器的初级线圈与地之间；以及设置主控制器，其包括，设置开关单元，开关单元连接电容；设置控制单元，控制单元连接开关单元，并控制开关单元工作，开关单元控制电容短路与否，使得工频变压器在工作模式或者待机模式之间进行切换。

与现有技术相比，采用本实用新型应用于工频变压器的控制装置，通过芯片配合电路设计控制装置、信号发生模块进行远程控制装置、过零检测模块过零检测、全谐振方式开关切换控制，不但实现了工频变压器在待机状态下保持低功耗，还使得实现该方案的成本降低、实施难度变小、抗干扰水平强、适用设备范围更广、使用安全性更高、使用寿命更长以及能耗水平低。

以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非限制本实用新型的保护范围。凡运用本实用新型说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种应用于工频变压器的控制装置，其特征在于，其包括：

电容，其串联在所述工频变压器的初级线圈与地之间；以及

主控制器，其包括，

开关单元，所述开关单元连接所述电容；

控制单元，所述控制单元连接所述开关单元，并控制所述开关单元工作，所述开关单元控制所述电容短路与否，使得所述工频变压器在工作模式或者待机模式之间进行切换。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述开关单元包括桥式开关，所述桥式开关包括开关以及整流模块，所述开关包括控制端、输入端以及输出端，所述开关的输入端连接所述电容与所述初级线圈的连接处，所述开关的输出端接地，所述控制单元连接所述桥式开关的控制端，并控制所述桥式开关的关闭或者打开，所述整流模块连接于所述电容以及所述开关之间。

3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述开关单元包括双向可控硅，所述双向可控硅包括第一端、第二端以及控制端，所述开关的第一端连接所述电容与所述初级线圈的连接处，所述双向可控硅的第二端接地，所述控制单元连接所述双向可控硅的控制端，并控制所述双向可控硅的关闭或者打开。

4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括信号处理单元，所述信号处理单元连接所述控制单元，所述信号处理单元输出待机信号或者工作信号至所述控制单元，所述控制单元控制所述开关单元工作，所述开关单元控制所述电容短路与否。

5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制单元还包括过零检测模块，所述过零检测模块连接并检测所述工频变压器的电压交流零点，若检测到所述交流零点，则输出启动信号。

6.如权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述控制单元还包括延时模块，所述延时模块连接所述过零检测模块、开关以及信号处理单元，所述延时模块接收并保存所述待机信号或者工作信号，当所述延时模块接收到所述启动信号后，输出所述待机信号或者工作信号至所述开关单元。

7.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述整流模块为桥式整流器。

8.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述开关为高压功率MOS管，所述高压功率MOS管的耐压值为200V至1000V。

9.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述桥式开关以及所述控制单元集成在同一芯片内。

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