JP2011522508A - 超低アイドル電力動作用１次側制御回路および方法 - Google Patents

超低アイドル電力動作用１次側制御回路および方法 Download PDF

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Abstract

アイドル・モード中の消費電力を、有効電力の約１／１０〜１／１０００以下のような超低レベルに低減するための方法および回路が開示される。超低アイドル電源は、１次回路、２次回路、および制御回路を備える。制御回路は、１次回路の挙動をモニタし、アイドル状態または負荷のない状態が存在するかどうかを判定し、そうであるならば、１次回路は係合解除される。１次回路を係合解除することにより、超低アイドル電源の消費電力は、超低レベルに低減する。

Description

本発明は、電子デバイス内の消費電力を低減することに関する。より詳細には、本発明は、電源またはデバイスでの超低アイドル（ｕｌｔｒａ−ｌｏｗ ｉｄｌｅ）電力モードを開始するための回路および方法に関する。
より低い消費電力および環境に優しい消費者向けデバイスに対する需要がますます高まり、その結果、「グリーン」技術を用いた電源回路が関心を持たれるようになった。例えば、概して、継続的に「電源につながれている」ノートブックの電力アダプタは、その時間の６７％をアイドル・モードで費やす。０．５ワット／時未満の消費という規制基準を満たす電力アダプタを使用しても、この長いアイドル時間は、結果として、アダプタ当たり毎年３０００ワット時の浪費エネルギーとなる。数多くのアイドル電力アダプタの浪費エネルギーを計算すると、失われた電力はかなりの量になる。
本発明の様々な態様によれば、電力供給されているデバイスのアイドル・モード中の消費電力を、有効電力の約１／１０〜１／１０００以下のような超低レベルに低減するための方法および回路が開示される。例示的な実施形態では、例えば、ノートブック・コンピュータ、携帯電話、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセット、スマートフォン、ＭＰ３プレーヤ、および携帯型ＧＰＳシステム等の電子デバイスに対し、超低アイドル電源が電力を供給する。超低アイドル電源は、１次回路、２次回路、および制御回路を含むことができる。２次回路は、例えば分離デバイスを介して、１次回路に結合される。１次回路は制御回路から、１次回路の状態を適切に制御するための制御信号を受信する。
例示的な実施形態では、制御回路は論理制御ユニットを備え、このユニットは、電力供給されているデバイスがアイドル・モードにあるかどうかをモニタかつ判定し、そうであるならば、１次回路の状態を変えるために、スイッチング回路を制御することにより１次回路の状態を制御するようになされている制御信号を供給する。１次回路を係合解除すること、および／または使用不能にすること（ｄｉｓａｂｌｉｎｇ）により、電源の消費電力は、アイドル動作中は超低レベルに実質的に低減する。
本発明のより完全な理解は、図面とともに考えれば、詳細な説明および特許請求の範囲を参照することにより得ることができるものであり、ここでは、同じ参照番号が複数の図面を通じて同様の要素を指す。
例示的な実施形態によるアイドル・モード中に消費電力を低減するように構成された例示的な電源のブロック図である。 例示的な実施形態によるアイドル・モード中に消費電力を低減するための１次回路を伴って構成された例示的な電源の別のブロック図である。 例示的な実施形態によるアイドル・モード中に消費電力を低減するための１次回路を伴って構成された例示的な電源の回路図である。 例示的な実施形態によるアイドル・モード中に消費電力を低減するための１次回路を伴って構成された例示的な電源の回路／概略図である。 別の例示的な実施形態によるアイドル・モード中に消費電力を低減するための１次回路を伴って構成された例示的な電源の回路／概略図である。
本発明は、本明細書中で、様々な機能構成要素および様々な処理工程に関して説明されることがある。そうした機能構成要素は、指定された機能を実行するように構成された、任意の数のハードウェアまたは構造的構成要素により実現することができることを理解されたい。例えば、本発明は、値を様々な所期の目的に合わせて適切に構成することができる様々な電気デバイス、例えば、抵抗、トランジスタ、コンデンサ、ダイオード等からなる、バッファ、電流ミラー、および論理デバイスなど様々な集積型構成要素を使用することができる。さらに、本発明は、任意の集積回路の応用例で実施することができる。しかしながら、説明のみが目的であるため、本発明の例示的な実施形態は、本明細書では、電源回路とともに使用するためのスイッチング電力変換器に関して記述することになる。さらに、様々な構成要素を、例示的な回路内で他の構成要素に適切に結合または接続することができるが、そうした接続および結合は、構成要素間での直接の接続により、またはそれらの間に配置される他の構成要素およびデバイスを介した接続により実現することができることに留意されたい。
本発明の様々な態様によれば、アイドル・モード中の電力を、有効電力の約１／１０〜１／１０００以下のような超低レベルに低減するように構成された電源が開示される。例示的な実施形態では、図１を参照すると、超低アイドル電源１００は、１次回路１１０、２次回路１２０、および制御回路１３０を含む。例示的な実施形態では、例えば、ノートブック・コンピュータ、携帯電話、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセット、スマートフォン、ＭＰ３プレーヤ、および携帯型ＧＰＳシステム等の電子デバイスに対し、超低アイドル電源１００が電力を供給する。さらに、外部電源は交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）のどちらかであり、１次回路１１０に接続している。２次回路１２０は、１次回路１１０に通じている。制御回路１３０は、１次回路１１０の状態をモニタかつ制御する。制御回路１３０は、図１では１次回路１１０に接続される構成要素として図示されているが、制御回路１３０は、１次回路１１０内に一体化、または考えられる他の方法で１次回路１１０内に含めることもできる。というのは、どちらの構成要素も電源１００の１次側の部分であり、図示された実施形態は、単に説明を目的としたものだからである。例示的な実施形態では、１次回路１１０の挙動および／または特性が、モニタかつ／または判定される。１次回路１１０のモニタされた挙動／特性が、電子デバイスが超低アイドル電源１００から実質的に電力を取り出していないことを示す場合、制御回路１３０は、１次回路１１０を係合解除または使用不能にするのを促す（ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ）、または制御する。一実施形態では、電力が実質的にないということにより、出力電力が典型的な最大出力負荷の約０〜１％の範囲にあるということが伝わるようになっている。例示的な実施形態では、制御回路１３０は、１次回路の状態を変え、かつ電源１００の動作モードを変更するために、例えば、１次回路１１０からの入力電力を係合解除または使用不能にするために、スイッチング回路を制御することにより１次回路の状態を制御するように構成されている。例示的な実施形態では、制御回路１３０は、入力電力レベルに従って、超低アイドル電源１００のモードを変更するために、１次回路１１０を制御する。しかしながら、１次回路の他の構成要素との動作のレート、および電流レベル等のような様々な他の状態もまた、観測かつモニタすることができる。
１次回路１１０を実質的に使用不能に、または係合解除することにより、超低アイドル電源１００の消費電力は低減する。一実施形態では、１次回路を実質的に使用不能にする機能は、１次回路１１０のスイッチング回路がスタティックであり、かつ静止電流のみを取り出すように構成されている。別の実施形態では、１次回路を実質的に使用不能にする機能は、スイッチング回路がスイッチングを行わなくなり、１次回路１１０のコンデンサおよび２次回路１２０のコンデンサがスタティックであり、かつリップル電流なしで充電されるように構成されている。さらに別の実施形態では、１次回路を実質的に使用不能にする機能は、電力が１次回路１１０から完全に除去されるように構成されている。
例示的な実施形態では、超低アイドル電源１００は、アクティブ、通常アイドル、および超低アイドルの３つのモードを有する。アクティブ・モードは、電子デバイスに電力供給する場合の、超低アイドル電源１００のアクティブな機能実行である。通常アイドル・モードは、超低電源が入力電源と接続しているが、アクティブには電子デバイスに電力供給していない場合である。例示的な実施形態では、超低アイドル電源１００は、超低アイドル・モードにスイッチする前に、現在の状態が通常アイドル・モードであることを確認する。
超低アイドル・モード中は、１次回路１１０は実質的に使用不能に、または係合解除されており、これにより、通常アイドル・モード中と比較して、消費電力のレートは実質的に減少する。さらに別の実施形態では、超低アイドル電源１００は、アイドル時間を一定のアイドルからゼロ電力の長期間およびアイドル電力の短期間に変えるために、低いデューティ・サイクルの「ウェイク・アップ」［ｗａｋｅ ｕｐ］期間も備えることができる。例示的な実施形態では、この周期的な「ウェイク・アップ」時間中、超低電源１００は、２次回路１２０に出力を供給するように動作する。１次回路１００は、接続された電子デバイスがアイドル電力より多くの電力を必要とする場合、作動状態を継続するように構成される。２次回路１２０から取り出される電力がアイドル・モードに戻った後、超低電源１００は、所定時間後に超低アイドル・モードに入ることになる。
例示的な実施形態によれば、図２を参照すると、超低アイドル電源２００は、１次回路２１０、２次回路２２０、および制御回路２３０を含む。安全境界［ｓａｆｅｔｙ ｂｏｕｎｄａｒｙ］２５０が、１次回路２１０および２次回路２２０を分離する。超低アイドル電源２００は、ＡＣまたはＤＣのどちらでもよい電力入力２０１を受電し、これもまたＡＣまたはＤＣのどちらでもよい電力出力２０２を、電子デバイスに対して送出する。
例示的な実施形態では、１次回路２１０は、入力回路２１２、エネルギー貯蔵ユニット［ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｕｎｉｔ］２１４、および変調器２１６を含む。入力回路２１２は、１次回路２１０に対する入力電力の保護、フィルタリング、および／または整流を行うように構成されている。一実施形態では、入力回路２１２は、入力ＥＭＩフィルタおよび整流器を含み、保護、フィルタリング、および／または整流のための任意の他のデバイスを備えることができる。例示的な実施形態では、入力回路２１２は、１次回路２１０内の構成要素に対する電力入力を使用不能に、または係合解除するように構成された、制御されたスイッチを含む。さらに、エネルギー貯蔵ユニット２１４は、整流された直流を平滑化し、かつエネルギーを貯蔵するように構成されている。エネルギー貯蔵ユニット２１４は、エネルギー貯蔵コンデンサ、または任意の他のエネルギー貯蔵デバイスもしくは回路を備えることができる。変調器２１６は、例えばトランス等の誘電体分離デバイスを駆動するように構成されている。例示的な実施形態では、変調器２１６は、ＰＷＭコントローラおよび／またはＭＯＳＦＥＴを含むことができる。
例示的な実施形態によれば、制御回路２３０は、１次回路２１０の挙動をモニタし、１次回路２１０を介して送出される電力、１次回路２１０の構成要素の動作のレート、変調器２１６でのパルスの幅、エネルギー貯蔵２１４に含まれる貯蔵コンデンサ内のリップル電流、ＡＣ入力２０１からの入力電流、１次回路２１０内の損失構成要素の温度、および／もしくは１次回路２１０内でスイッチ回路を通る電流の少なくとも１つ、またはそれらの組合せに基づいて、超低アイドル電源２００のモードの制御を促す。例えば、出力負荷が約１０秒間実質的に低電力である場合、制御回路２３０は、超低アイドル電源２００の超低アイドル電力モードへの変更を促すことができる。例示的な実施形態では、超低アイドル電源２００は、通常電力モードに戻る前に、ある程度の時間、例えば数十分の間、超低電力アイドル・モードにある。１次回路２１０の挙動が、通常電力モードへの復帰に関して、実質的な出力負荷の要求を示す場合、制御回路２３０は、通常アイドル・モードが検出されるまで、超低アイドル電源２００を通常動作モードに維持する。例示的な実施形態では、超低アイドル電源２００のモードは選択された基準により変更され、その基準は固定した基準、テンプレート［ｔｅｍｐｌａｔｅ］、および／または学習した基準を含むことができる。
例示的な実施形態によれば、制御回路２３０は、論理制御ユニット２４０および電力制御ユニット２３２を備える。論理制御ユニット２４０は、例えば、変調器２１６の動作をモニタすることにより、１次回路２１０をモニタするように、かつ、１次回路２１０に対して情報をフィードバックする制御信号を出力するように構成されている。例示的な実施形態では、論理制御ユニット２４０は、モニタリング兼制御デバイスを含む。モニタリング兼制御デバイスは、組合せ論理機械［ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌ ｌｏｇｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ］、状態機械、および／またはマイクロプロセッサを備えることができる。モニタリング兼制御デバイスはまた、変調器２１６の動作をモニタするように構成された受動素子を備えることができる。電力制御ユニット２３２は、例えば、組合せ論理機械、状態機械、および／またはマイクロプロセッサを備えることができ、例えば変調器２１６の動作を制御することにより、１次回路２１０の動作を制御する。電力制御ユニット２３２はまた、バイポーラ・トランジスタまたはＭＯＳＦＥＴを使用するスイッチを備えることができる。例えば、電力制御ユニット２３２は、論理制御ユニット２４０からの制御信号を受信することができ、かつ、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、および／またはＳ４の動作を制御すること等により、変調器２１６の各部分を使用可能にする（ｅｎａｂｌｅ）か、そうでなければ使用不能にする。
例示的な実施形態では、図２および３を参照すると、１次回路２１０はトランス３１９を介して２次回路２２０に電力を伝える。さらに、１次回路２１０は第１の接地３１５に接続し、２次回路２２０は、安全境界２５０により分離された状態で、第２の接地３２５に接続する。全波ブリッジ回路３１４、積分器３１６、抵抗Ｒ１および／または他の構成要素を有する電流電圧変換器３１７、ならびにエネルギー貯蔵ユニット２１４を備えることに加えて、１次回路２１０は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）コントローラ３１１およびＭＯＳＦＥＴ３１３を有する変調器２１６を伴って構成することもできる。
ＰＷＭコントローラ３１１およびＭＯＳＦＥＴ３１３等の、変調器２１６内の構成要素は、トランス３１９を駆動し、電力をトランス３１９の１次側（左側）から２次側（右側）に伝送するために、入力回路２１２からの入力ＤＣを高周波数レートでチョップする働きをする。チョップのレートまたはデューティ・サイクルは、出力２０２の負荷に正比例する。
例示的な実施形態では、論理制御ユニット２４０により、超低アイドル電源２００を超低アイドル・モードに変更すべきであることを示す挙動について、ＰＷＭコントローラ３１１をモニタすることができる。ＰＷＭコントローラ３１１は、オン／オフ状態および変調レートを有するディスクリート構成要素を備える。ＰＷＭコントローラ３１１のオン／オフ状態は、２次回路２２０に送出される電力を制御する。例えば、一実施形態では、ＰＷＭコントローラ３１１から、ＭＯＳＦＥＴ３１３等の、変調器２１６内のトランジスタ・スイッチへ移動するパルスのレートは、電力出力２０２で送出される出力電力に実質的に影響を与える。別の実施形態では、ＰＷＭコントローラ３１１は、電力出力２０２で電力を制御するために、固定したレートで可変幅のパルス列を使用することができる。さらに別の実施形態では、ＰＷＭコントローラ３１１は、２次回路２２０に送出される電力を制御するための、レートと幅の組合せを使用してもよい。
例示的な実施形態では、ＰＷＭコントローラ３１１により通常の軽い負荷状態が検出された場合、レートおよびパルス幅は、通常の負荷を与えられた状態以下に実質的に低減される。例示的な実施形態では、実質的に通常以下とは、約１〜９０ワットの範囲内の負荷の状態時に、約１キロヘルツ未満のパルス・レートであると定義される。別の実施形態では、実質的に通常以下とは、アイドル状態中に、数ミリ秒周期の数マイクロ秒のパルス幅であると定義される。ＰＷＭコントローラ３１１の出力レートのこうした変更は、入力ＩＮ１でサンプリングまたは検出することができる。例えば、ＰＷＭコントローラ３１１のＤＲＶ出力は、論理制御ユニット２４０によりサンプリングすることができ、駆動パルスのレート（周波数）を測定することができる。低電力レベルでは、ＰＷＭコントローラ３１１は、しばしば「サイクル・スキップ」［ｃｙｃｌｅ ｓｋｉｐｐｉｎｇ］と呼ばれる低いパルス・レートのモードで動作し続けることになる。サイクル・スキップは通常、電力出力２０２での負荷が約２０ワット未満である場合に行われ、パルス・レートは、負荷がゼロ付近から約２０ワットまで変化するにつれて、数百パルス／秒から数千パルス／秒まで変化することになる。さらに、ＰＷＭレートが下げられ、かつ幅が低減したモードに遷移して動作していることは、論理制御ユニット２４０が、ＰＷＭコントローラ３１１からのパルスのレートをモニタすることにより検出することができる。このパルスのレートは、入力ＩＮ２での積分器３１６（ここで、ＰＷＭコントローラ３１１のＤＲＶ出力のパルス・レートは、２０２での負荷に比例したＤＣ電圧を供給するために、積分器３１６により積分することができる）、および／または入力ＩＮ３での電流電圧変換器３１７（ここで、ＭＯＳＦＥＴスイッチ３１３での電流が、抵抗Ｒ１により電圧に変換され、その結果得られた電流は、電力出力２０２での負荷電流に比例して変化する）の出力から観測される。一実施形態では、低減された幅はまた、低減されたデューティ・サイクルとして説明することができる。ここで、デューティ・サイクルとは、ＰＷＭ出力パルスがアクティブ、すなわち高い、すなわちスイッチング素子を駆動している時間と、ＰＷＭ信号のレートすなわち周期との比のことを指す。
検出後、論理制御ユニット２４０は、変調器２１６でのスイッチングを一時停止することにより、また１次回路２１０内でのその他の方法により、電力をさらに低減することができる。例示的な実施形態では、ＰＷＭコントローラ３１１をその電力入力、ＨＶ（高電圧入力）、ＶＤＤ（コントローラ動作電圧）、またはそのＭＯＳＦＥＴ３１３に対する駆動のどれかから選択的に切断するために、論理制御ユニット２４０が、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、および／またはＳ４に対して信号を送ることにより、スイッチングが一時停止される。
例示的な実施形態によれば、１次回路２１０からの電力は、安全境界２５０を越え、トランス３１９を介して、２次回路２２０に伝送される。安全境界２５０は、望ましくない電気の伝送を防止するために、１次回路と２次回路との間に直接的な接触を起こさせない。例示的な実施形態では、安全境界２５０は誘電体分離構成要素を含む。誘電体分離構成要素は、トランス、容量結合、または光カプラを備えてもよい。さらに、誘電体分離構成要素は、安全要求事項Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ６０９５０の基準を満たすのに適している任意の構成要素であってよい。安全規則によれば、安全境界２５０は、１次回路２１０内にＡＣを備え、２次回路からＤＣ電力を送出する実施形態内に存在する。さらなる実施形態では、安全境界は存在してもよいが必要ではなく、または全く存在しない場合がある。例えば、ＤＣ入力およびＤＣ出力を備えた実施形態では、安全境界がない場合がある。
例示的な実施形態では、トランス３１９は、１次巻線ＰＷ１、２次巻線ＳＷ１、および２次巻線ＳＷ２を備える。２次巻線ＳＷ２は、スイッチＳ３を介してＰＷＭコントローラ３１１に動作電力を供給し、２次巻線ＳＷ１は、２次回路２２０のための出力電圧を供給する。１次回路２１０内のダイオードＤ１およびコンデンサＣ２は、ＰＷＭコントローラ３１１に対する入力ＶＤＤが直流（ＤＣ）となるように、２次巻線ＳＷ２のＡＣ出力を整流かつ平滑化する働きをする。例示的な実施形態では、ＰＷＭコントローラ３１１は、エネルギー貯蔵コンデンサ２１４に通じ、かつスイッチＳ２により制御される高電圧（ＨＶ）入力を含む。ＨＶ入力は、パワー・オン時にＰＷＭコントローラ３１１の機能を開始するために使用され、ＰＷＭコントローラ３１１がＭＯＳＦＥＴ３１３および１次巻線ＰＷ１を駆動している状態になった後は、ＶＤＤ入力が通常動作電圧を供給する。例示的な実施形態では、パワー「オン」状態では、ＰＷＭコントローラ３１１が通常にパワー・アップかつ機能実行できるように、スイッチＳ１〜Ｓ４が通常に閉じられる。
例示的な実施形態では、２次回路２２０は出力回路２２２をさらに含む。出力回路２２２は、１次回路２１０からの電力を、電子デバイス用に、電力出力２０２で所望の電力負荷に変換するように構成されている。例示的な実施形態では、出力回路２２２はフィルタ・コンデンサを含む。別の実施形態では、超低アイドル電源２００はＡＣ電力を受電し、かつＤＣ電力を送出するが、出力回路２２２は、少なくとも１つの整流器を含むことができる。
制御回路２３０は、変調器２１６を制御するためにスイッチＳ１〜Ｓ４を制御することにより、１次回路２１０の状態を制御するように構成されている。スイッチはＦＥＴ型のトランジスタ・スイッチを備えることができ、あるいは、ソリッド・ステート・リレーもしくはトライアックもしくはラッチング型リレー等のリレー、または電源に適した任意の他のスイッチング・デバイスもしくは機構を備えることができる。例示的な実施形態によれば、制御回路２３０は、変調器２１６の動作を、スイッチＳ２〜Ｓ４を介して制御するために、電力制御ユニット２３２を使用する。電力制御ユニット２３２は、論理制御ユニット２４０から制御信号を受信し、スイッチＳ２、Ｓ３、および／またはＳ４を制御することにより、スイッチ素子２１６の各部分を使用可能にするか、そうでなければ使用不能にする。別の例示的な実施形態では、電力制御ユニット２３２は、スイッチ素子２１６に対するすべての電力を効果的に除去するために、スイッチＳ１を制御することもできる。スイッチ素子２１６を使用可能にするか、使用不能にするかは、電力制御ユニット２３２から送信される電力制御信号により指示される。電力制御信号は少なくとも２つの状態、すなわち、通常アイドルおよび超低アイドルを有する。さらに、例示的な実施形態では、制御回路２３０はメモリ中に現在の状態を保持する。一実施形態では、メモリは、トランジスタ・ラッチを使用して実装される。さらに、例示的な実施形態では、制御回路２３０のデフォルトのプログラムされていない状態は、通常アイドルである。
例示的な実施形態では、現在のモードの選択は、ＰＷＭコントローラ３１１の履歴レートに基づく。この履歴レートは、ＰＷＭコントローラ３１１の出力からの入力ＩＮ１をモニタする論理制御ユニット２４０により決定することができる。テンプレートは、ＰＷＭコントローラ３１１の過去のレートに基づいて決定することができ、超低アイドル電源が、どのモードで動作しているべきかを規定するために使用することができる。例えば、ＰＷＭコントローラ３１１が１５分を超えてアイドル・モードにあるという状態になった後で、この使用状況（ｕｓａｇｅ）は、出力デバイスはアクティブな電源を長時間必要としないであろうから、超低アイドル電源は超低アイドル・モードにスイッチすべきであるということを示し得るものである、ということをこのテンプレートは規定することができる。
一実施形態では、超低消費電力は約０．５ワット未満である。別の実施形態では、超低消費電力は、アクティブな状態の電力の約１／１０〜１／１０００以下である。一実施形態では、例えば、通常アイドル・モード中の電源消費は、約３００ｍＷであり、超低アイドル・モード中の消費電力は、約０〜約３００ｍＷである。
そうした超低アイドル電源回路は、様々な応用例で有用であり得る。例えば、超低アイドル電源は、ラップトップ、携帯電話、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセット、スマートフォン、ＭＰ３プレーヤ、ビデオ・ゲーム・システム、および携帯型ＧＰＳシステム等の電子デバイスに電力供給するために使用される場合、浪費される消費電力を低減することができる。例示的な実施形態では、超低アイドル電源２００は、ＡＣオフライン・スイッチャを使用して、電子デバイスで浪費される消費電力を低減することができる。
様々な他の特徴、デバイス、および機能を、改善動作を促し、かつ／またはフィードバック情報を供給するために、電源２００内に含めることができる。例えば、例示的な実施形態では、図２または３には示されていないが、超低アイドル電源２００は、電源の接続先端［ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｉｐ］または本体のどちらかに配置される物理的機械的予備スイッチを含むことができる。予備スイッチは、超低アイドル電源２００のモードを、アクティブ・モードまたは通常アイドル・モードから超低アイドル電力モードに手動で変更するために使用することができる。さらに、予備スイッチは、超低アイドル電源２００のモードを、超低アイドル電力モードからアクティブ・モードまたは通常アイドル・モードに手動で変更するために使用することができる。さらに、例示的な実施形態では、超低アイドル電源２００は、電源のモードを示すために、少なくとも１つの照光式指示器を含む。別の実施形態では、超低アイドル電源２００は、消費電力に関する統計を表示するためのデバイスを含む。例えば、デバイスは、ゲージ、またはＬＣＤもしくはＬＥＤ等のディスプレイであってよく、統計は、節約されたワット数、電力レベル、および電源の効率等を含むことができる。別の実施形態では、論理制御ユニット２４０は周囲の光の状態をモニタし、暗いかどうかを判定する。例示的な動作の方法によれば、図２および３を参照すると、電源２００が最初に電力入力２０１に接続すると、電源２００は通常に機能実行し、電子出力デバイスに対して出力電力を供給することにより、負荷の状態に対処する。制御回路２３０は、通常アイドル・モードで開始し、一方で論理制御ユニット２４０は、入力ＩＮ１〜ＩＮ３を介して変調器２１６の挙動をモニタし、ある程度の時間にわたって、電力出力に軽い負荷が与えられているか、または負荷が与えられていないかを判定する。
例示的な実施形態では、電源の状態は、電力出力の負荷が所定のしきい値未満であるとき、通常アイドルから超低アイドルに変更される。所定のしきい値は、固定した、動的な、および／または学習したものであってよい。一実施形態では、軽い負荷とは、所定のしきい値未満にある任意の電力出力負荷である。
変調器２１６で軽い活動が検出された、または活動が検出されない場合、論理制御ユニット２４０は、電力制御ユニット２３２に対し、変更／制御信号を送信することになる。この信号が受信された後、電力制御ユニット２３２は、状態を通常アイドルから超低アイドルに変更することになる。さらに、電力制御ユニット２３２は、スイッチＳ２、Ｓ３、およびＳ４に対して別の信号を送信し、それによって、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、またはそれらの組合せを開くことにより、変調器２１６を使用不能にする。変調器２１６が使用不能にされた後は、スイッチング素子内で浪費される電力はなくなり、エネルギー貯蔵ユニット２１４からの非常に小さなリーク電流のみが失われる。その結果、電力を消費する回路は切断され、電源２００は「デッド」となる。ここで、切断時間の間、ＡＣ入力に接続された構成要素により消費される電力は、できる限り最小限に抑えられる。
例示的な動作の方法では、論理制御ユニット２４０が、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４を閉じるように、電力制御ユニット２３２に対して信号を送った場合には、論理制御ユニット２４０は、変調器２１６の挙動をモニタする。変調器２１６内でスイッチング周波数すなわちレートが増加し、それにより電力出力２０２での負荷に対する需要が示された場合、論理制御ユニット２４０は、通常アイドル・モードに戻るように状態を変更するように、電力制御ユニット２３２に対して信号を送る。例示的な実施形態では、超低アイドル電源２００は、負荷状態が、低減された、または「ゼロ」電力状態を示すまで、通常アイドル・モードにある。別の例示的な実施形態では、論理制御ユニット２４０は、２次回路の構成要素が電力を維持できるように、超低アイドル電源の状態を通常アイドルに戻るように周期的に変えるために、内部タイマを含むことができる。
例示的な実施形態では、エネルギー貯蔵ユニット２１４は、超低アイドル電源２００が超低アイドル・モードにある場合でも、スイッチＳ１を介して、電力入力２０１に周期的に接続する。これにより、エネルギー貯蔵ユニット２１４の充電の遅れのない、超低アイドル・モードから通常アイドル・モードまたはアクティブ・モードへの急速な変更がもたらされる。このことは、スイッチング素子２１６が、超低アイドル・モード中に使用不能にされているにもかかわらず行われる。図４を参照して、電源４００の別の例示的な実施形態に関連して、さらなる詳細および動作の特徴が、さらに開示され得る。この例示的な実施形態によれば、入力回路２１２は、入力回路３１２および整流器３１４を備える。入力回路３１２は、入力端２１０でのＡＣ入力電力のためのＲＣフィルタリング回路を備え、サージ保護および／またはフィルタリング機能を実現するために、様々な方法で構成または再構成することができる。整流器３１４は、全波ブリッジ整流回路を備えるが、同様に様々な他の整流器の構成を備えることができる。この例示的な実施形態では、スイッチＳ１〜Ｓ４はＦＥＴ型スイッチを備えるが、リレー等の様々な他のスイッチング・デバイスおよび構成要素で、適切に置換することもできる。スイッチＳ１〜Ｓ４は、電力ドレインをそれらのソースから切断するように構成される。積分器３１６は、論理制御ユニット２４０による使用のために、ダイオードＤ２およびコンデンサＣ４を備える。ＰＷＭコントローラ３１１および電力制御２３２に対し調整された電力を供給するために、１次回路２１０は、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ７、ツェナー・ダイオードＺ１、およびコンデンサＣ５を備えた回路をさらに備える。２次回路２２０は、ダイオードＤ３およびコンデンサＣ３を備え、これらは電力出力２０２による使用のために、２次巻線ＳＷ１の脈動する出力を整流かつフィルタリングする働きをする。
電源４００のスタート・アップの間、すべてのＦＥＴスイッチＳ１〜Ｓ４は「閉じられた」状態にあり、電源４００が通常にスタート・アップできるようになっている。スイッチＳ１〜Ｓ４は、Ｎチャネルが図示されているが、必要に応じてＮまたはＰチャネルの変化があってよい。入力回路２１２のフィルタリングされたＡＣ出力は、ＦＥＴスイッチＳ１を通過し、エネルギー貯蔵ユニット２１４を充電する。エネルギー貯蔵ユニット２１４での電圧が上昇するにつれて、少量の電流が、抵抗Ｒ４およびＲ５によりＦＥＴスイッチＳ２を通して「ピック・オフ」され、ＰＷＭコントローラ３１１のＨＶ入力に供給される。このＨＶ（高電圧）入力電流は、ＰＷＭコントローラ３１１内の回路のスタート・アップを開始し、ＰＷＭコントローラの出力ＤＲＶ（駆動）に短いパルスが出現し始める。これらのパルスは、ＦＥＴスイッチＳ４を通ってＭＯＳＦＥＴ３１３のゲートに進行する。このＭＯＳＦＥＴ３１３に対するゲート駆動により、ＭＯＳＦＥＴ３１３ではスイッチのオンおよびオフが行われ、ここでこのスイッチングにより、トランス３１９のＰＷ１の１次巻線が駆動される。トランスの２次巻線ＳＷ２は、トランス結合を介して駆動パルスを受信し、ダイオードＤ１に対して脈動する出力電圧を供給する。ダイオードＤ１およびコンデンサＣ２は、これらのパルスを整流かつフィルタリングし、未調節のＤＣ電圧を抵抗Ｒ７に対して発生させる。抵抗Ｒ７の電流により、このＤＣ電圧は、それがツェナー・ダイオードＺ１およびバルク・コンデンサＣ５に到達する前に制限される。コンデンサＣ５は、電力制御２３２について、電源４００の残りの部分が制御回路２３０により給電停止されているときに、電力供給された状態を保つ働きがある、大きな値のコンデンサである。ツェナー・ダイオードＺ１およびコンデンサＣ５での電圧は、調節かつ平滑化されたＤＣ電圧であり、この電圧は電力制御２３２により使用され、また、ＰＷＭコントローラ３１１のＶＤＤ（主電力入力）に入力するように、ＦＥＴスイッチＳ３を介してＰＷＭコントローラ３１１に供給される。ＰＷＭコントローラ３１１はそのＶＤＤ入力で安定した入力を検知した後、ＰＷＭコントローラ３１１は、ＤＲＶ出力でのパルス幅を大きくし、パルスの周波数を増加させることになる。このスタート・アップ処理により、トランスの２次のＳＷ１は、より幅の広い高周波数のパルスを受信し、かつ、電力出力２０２でＤ３およびＣ３からのＤＣ電圧出力を発生させるようになる。２０２での電圧レベルは、当分野の者に周知の方法により、ＰＷＭコントローラ３１１にフィードバックされる（図が見やすいように、フィードバックの経路は示されていない）。このフィードバック処理はレギュレーション・ループを完了し、この時点で電源は通常に動作している。
負荷レベルの検出に関しては、電力レベルが約２０ワットから最大出力電力の範囲内にある通常動作中、ＰＷＭコントローラ３１１は、典型的には、約５０％のデューティ・サイクルまで幅が変動し、約６０ＫＨｚ（１秒当たり６０，０００パルス）で周波数が固定された出力パルスを発生させる。電力出力２０２での負荷がこの出力範囲にわたって変動するとき、電源４００内のフィードバックにより、ＰＷＭコントローラ３１１は、２０２で出力電圧を調節するために、ＤＲＶ出力での出力パルスを調整するようになる。出力負荷が約２０ワットと実質上負荷がない状態との間にある場合、ＰＷＭコントローラ３１１の出力パルスは、電力出力２０２での負荷に比例して、持続時間はより短く、頻度はより少なくなることになる。論理制御ユニット２４０は、入力ＩＮ１〜ＩＮ３で受信したこのパルス情報を、電力出力２０２でのおおよその負荷を判定するために使用することになり、かつ、電力制御ユニット２３２に、電力出力２０２での負荷に基づいて、変調器２１６の機能を変更させることになる。
論理制御ユニット２４０が、入力ＩＮ１〜ＩＮ３をモニタし、電力出力２０２に軽い負荷またはゼロの負荷の状態が存在すると判定した場合、論理制御ユニット２４０により、電力制御ユニット２３２は、アイドル電力レベルを低減させるために、スイッチＳ１〜Ｓ４が１次側の回路を選択的に切断するように動作させるための信号を送ることになる。例えば、制御回路２３０は、まずＦＥＴスイッチＳ３およびＳ２を開き、ＰＷＭコントローラ３１１に対するすべての電力を除去する。２番目に、ＦＥＴスイッチＳ４は、ＭＯＳＦＥＴ３１３のゲートに対する残留駆動があれば、それを除去するために開くことができる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ３１３が、ＰＷＭコントローラ３１１のＤＲＶ出力からのリーク電流により、オンになることが防止される。最後に、入力回路２１２からエネルギー貯蔵ユニット２１４へ流れる、整流されたＤＣを除去するために、ＦＥＴスイッチＳ１が開かれる。高い入力電圧では、エネルギー貯蔵ユニット２１４を十分に充電された状態に保つために必要とされるリーク電流は重要である。別の例示的な実施形態によれば、Ｓ１のみが存在しており、すべての電力を除去し、かつ超低電力アイドル・モードに入ることを使用可能にするために、Ｓ１は低アイドル時に開かれる。制御回路２３０によりＳ１が再び閉じられることで、すべての回路に再び電力供給することが促され、電源が通常に動作するようになる。
変調器２１６および他の１次側回路が、スイッチＳ１〜Ｓ４により分離された後、論理制御ユニット２４０および電力制御ユニット２３２のみが、バルク・コンデンサＣ５の充電のおかげで電力供給される。例示的な実施形態では、コンデンサＣ５は、論理制御ユニット２４０および電力制御ユニット２３２に数十分間電力供給するのに十分な大きさの値となる。他の回路がデッド、すなわち電力がない時間中、論理制御ユニット２４０および電力制御ユニット２３２は、コンデンサＣ５から数ナノアンペアだけを取り出す低電力スリープ・モードにある。周期的に、論理制御ユニット２４０はウェイク・アップし、電力制御ユニット２３２にコンデンサＣ５を充電するように指令することができる。例示的な実施形態では、充電されたコンデンサＣ５により、論理制御ユニット２４０および電力制御ユニット２３２は、コンデンサＣ５が充電を必要とする、または負荷状態を検査するために電力が変調器２１６に復帰するまで、低電力スリープ・モードに戻ることが可能になる。負荷状態を検査するために、電力制御ユニット２３２は、パワー・オン時のシステムの初期のスタート・アップ状態を再確立するために、すべてのスイッチ（すなわち、Ｓ１〜Ｓ４）を同時に閉じる。
別の例示的な実施形態では、電力制御ユニット２３２は、エネルギー貯蔵ユニット２１４を充電された状態に保つために、スイッチＳ１を一時的に閉じるように指令される。このエネルギー貯蔵ユニット２１４のプリチャージは、システムが動作を復帰するときに、迅速にスタート・アップすることを容易にする。一実施形態では、いつオンに戻るか、またはパワー・アップするかを判定するために、論理制御ユニット２４０は、電力制御ユニット２３２の入力ＶＤＤでの電圧を検知し、ａ）電力制御ユニット２３２の入力ＶＤＤの電圧が、クリティカルに低いレベルに到達しつつあり、充電されなければならない、または、ｂ）数分の時間が経過した後、のどちらかの場合に、電源４００に再び電力を通すことになる。電力制御ユニット２３２は、パワー・オンでのシステムの初期のスタート・アップ状態を再確立するために、４個のすべてのスイッチＳ１〜Ｓ４を同時に閉じることになる。このスタート・アップ処理は、エネルギー貯蔵ユニット２１４が既に充電された状態に保たれているので、「コールド」パワー・オフのスタート・アップよりも高速になる。電源４００がスタート・アップすると、バルク・コンデンサＣ５は、電力制御ユニット２３２の入力ＶＤＤへの電圧の供給を継続するために、充電されることになる。
電源４００が作動中であり、かつ、入力ＩＮ１〜ＩＮ３での信号から、論理制御ユニット２４０により測定されたように動作している状態の後で、論理制御ユニット２４０は再び測定を行い、電力レベルを判定することになる。オフ時間の間に電力出力２０２での負荷が増加していたならば、論理制御ユニット２４０は、電源４００を通常に動作させることになる。電力出力２０２の負荷が、低いまたはゼロ付近であり続けているならば、論理制御ユニット２４０は、電源４００を超低電力状態に設定するように、電力制御ユニット２３２のＦＥＴスイッチＳ１〜Ｓ４に対して再び信号を送ることになる。
例示的な実施形態によれば、図５を参照すると、電源５００に関連して、さらなる詳細および動作の特徴が開示される。この例示的な実施形態によれば、入力回路２１２は、入力回路３１２および整流器３１４を備える。入力回路３１２は、入力端２０１でのＡＣ入力電力のためのＲＣフィルタリング回路を備え、サージ保護および／またはフィルタリング機能を実現するために、様々な方法で構成または再構成することができる。整流器３１４は、全波ブリッジ整流回路を備えるが、同様に様々な他の整流器の構成を備えることができる。さらに、積分器３１６は、ダイオードＤ２およびコンデンサＣ４を備える。２次回路２２０は、ダイオードＤ３およびコンデンサＣ３を備え、これらは電力出力２０２による使用のために、２次巻線ＳＷ１の脈動する出力を整流かつフィルタリングする働きをする。
例示的な実施形態では、単一のスイッチＳ１が、ＰＷＭコントローラ３１１およびＭＯＳＦＥＴソースの抵抗Ｒ１からの１次側の接地帰路［ｇｒｏｕｎｄ ｒｅｔｕｒｎ］上に配置される。スイッチＳ１が開かれると、たとえＰＷＭコントローラ３１１およびＭＯＳＦＥＴ３１３は、整流器３１４から電圧が供給され得るにしても、ＰＷＭコントローラ３１１およびＭＯＳＦＥＴ３１３のための接地３１５への帰路はない。例示的な実施形態では、モーメンタリ・スイッチＳＷ１は動作状態になる（ａｃｔｉｖａｔｅｄ）と、その結果としてスイッチＳＷ１は閉じられる。一例を挙げると、スイッチＳＷ１は押しボタン式のスイッチであってよいが、スイッチＳＷ１は、モーメンタリ・スイッチの機能を提供する任意のスイッチまたはデバイスを備えることができる。スイッチＳ１を閉じることにより、ＰＷＭコントローラ３１１は動作を開始し、ＭＯＳＦＥＴ３１３を駆動することができる。さらに、別の例示的な実施形態では、変調器２１６の挙動がモニタされる。積分器３１６の出力により、低電力アイドル状態の兆候があるならば、スイッチＳ１は、ある程度の時間の後に開かれる。スイッチＳ１を開くことにより、変調器２１６からの接地帰路が除去され、電源５００は、スイッチＳＷ１が再び動作状態になるまで起動停止するように構成される。例示的な実施形態では、電源５００は、周期的に電源５００の電力接続を再開するように構成されているのではなく、手動での再開のオプションを伴って構成された電力制御ユニットを備える。
以上、本発明は様々な例示的な実施形態を用いて説明がなされた。しかしながら、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの例示的な実施形態に対し、変更および修正がなされる可能性があることを理解するであろう。例えば、これらの様々な例示的な実施形態は、上で例示された回路に加えて、他の形式の電源回路を用いて実装することができる。これらの代替方法は、特定の応用例に応じて、またはシステムの動作に関連する任意の数の要素を考慮して、適切に選択することができる。その上、これらおよび他の変更または修正は、後続の特許請求の範囲で表されるような、本発明の範囲内に含まれることを意図したものである。

Claims (27)

  1. 超低アイドル電力モードを伴って構成された電源であって、
    外部電源から電力を受電するように構成された１次回路と、
    前記１次回路に結合され、電力出力を供給するように構成された２次回路と、
    前記１次回路をモニタするように構成された、かつ、アイドル電力モードが検出された場合に、前記１次回路が実質的に使用不能にされるように前記１次回路を制御するように構成された制御回路と
    を備える電源。
  2. 前記制御回路が、電力レベルが所定のしきい値以上であるか、それとも以下であるかを判定するために、前記１次回路内のデューティ・サイクル、スイッチング・レート、または電流の少なくとも１つをモニタする、請求項１に記載の電源。
  3. 前記制御回路が、前記１次回路をモニタするように構成された論理制御ユニット、および前記１次回路を制御するように構成された電力制御ユニットを備える、請求項２に記載の電源。
  4. 前記論理制御ユニットおよび前記電力制御ユニットが、組合せ論理機械、状態機械、またはマイクロプロセッサの少なくとも１つを備える、請求項３に記載の電源。
  5. 前記１次回路が、トランスまたは他の誘電体分離デバイスの少なくとも１つを駆動するように構成された変調回路を備える、請求項３に記載の電源。
  6. 前記論理制御ユニットが、前記変調回路の信号をモニタするように構成された、請求項５に記載の電源。
  7. 前記電力制御回路が、前記変調回路を制御するために、少なくとも１つのスイッチを制御するように構成された、請求項５に記載の電源。
  8. 前記変調回路が、ＰＷＭコントローラ、および、ＭＯＳＦＥＴまたは他のトランジスタ・ドライバの少なくとも１つを備える、請求項５に記載の電源。
  9. 前記電源を、超低アイドル電力モードからアクティブ・モードまたは通常アイドル・モードに推移させるように構成された予備スイッチをさらに備える、請求項１に記載の電源。
  10. 前記電源を、超低アイドル電力モードにアクティブ・モードまたは通常アイドル・モードから推移させるように構成された予備スイッチをさらに備える、請求項１に記載の電源。
  11. 電源での超低アイドル電力モードを促すように構成された回路であって、
    入力電力をフィルタリングかつ整流するように構成された入力回路と、
    前記入力回路に結合されたエネルギー貯蔵回路と、
    前記エネルギー貯蔵回路に結合された変調器であって、トランスを駆動し、電力を前記トランスの１次側から前記トランスの２次側に伝送するために、前記入力電力を高周波数レートで変調するように構成された変調器と、
    前記変調器をモニタするように構成された、かつ、実質的に負荷が存在しないと制御回路が判定した場合、前記１次回路が実質的に使用不能にされ、その結果、前記電源が超低アイドル電力モードに構成されるように、前記１次回路を制御するように構成された制御回路と
    を備える回路。
  12. 前記制御回路が、実質的に負荷が存在しないかどうかを判定するために、前記変調器のデューティ・サイクルまたはスイッチング・レートの少なくとも１つをモニタする、請求項１１に記載の回路。
  13. 前記制御回路が、前記変調器をモニタするように構成された論理制御ユニット、および前記回路を制御するように構成された電力制御ユニットを備える、請求項１１に記載の回路。
  14. 前記変調器が、ＰＷＭコントローラ、および、ＭＯＳＦＥＴまたは他のトランジスタ・ドライバの少なくとも１つを備える、請求項１１に記載の回路。
  15. 前記論理制御ユニットが、前記変調器の出力をモニタするために、前記変調器に結合された少なくとも１つの入力を備え、前記変調器の前記出力が、出力パルス・レート、デューティ・サイクル、および電流のレベルの少なくとも１つを備える、請求項１３に記載の回路。
  16. 前記変調器内のＰＷＭコントローラから直接、出力パルス・レートの少なくとも１つをモニタするための、前記変調器に結合された前記少なくとも１つの入力が、前記変調器内のＰＷＭコントローラに結合された積分器からの出力、および前記変調器内のＰＷＭコントローラに結合された電流電圧変換器からの出力である、請求項１５に記載の回路。
  17. 前記電力制御ユニットと前記変調器との間に結合された少なくとも１つのスイッチ・デバイスを備え、それによって、前記電力制御ユニットが、前記変調器を使用不能にするために、前記少なくとも１つのスイッチ・デバイスを開く、請求項１３に記載の回路。
  18. アイドル電力動作中に電源の超低消費電力を促す方法であって、
    前記電源の１次回路の特性をモニタし、いつ実質的に負荷がない状態が存在するかを判定するステップと、
    前記実質的に負荷がない状態が検出された場合、超低電力モードをもたらすために、前記電源の前記１次回路を実質的に使用不能にするステップと
    を含む方法。
  19. 前記制御回路が、電力負荷が存在すると判定した場合、前記電源を使用可能にするステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  20. いつ実質的に負荷がない状態が存在するかを判定する前記ステップが、前記１次回路内で、低いデューティ・サイクルまたはスイッチング・レートまたは電流の少なくとも１つがいつ存在するかを検出するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記電源を使用可能にする前記ステップが、前記１次回路のデューティ・サイクルまたはスイッチング・レートまたは電流の少なくとも１つが、しきい値レベル以上に増加する場合に行われる、請求項１９に記載の方法。
  22. モニタする前記ステップが、前記実質的に負荷がない状態が存在するかどうかを判定するために、制御回路に、前記１次回路内のデューティ・サイクルまたはスイッチング・レートまたは電流の少なくとも１つをモニタさせるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
  23. 前記制御回路が、実質的に負荷がない状態が存在するかどうかを判定するために、変調器の活動をモニタする、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記制御回路が、前記変調器内のＰＷＭコントローラから直接、出力パルス・レートまたはデューティ・サイクルの少なくとも１つをモニタする、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記制御回路が、前記変調器内のＰＷＭコントローラに結合された積分器からの出力をモニタする、請求項２３に記載の方法。
  26. 前記制御回路が、前記変調器内のＰＷＭコントローラに結合された電流電圧変換器からの出力をモニタする、請求項２３に記載の方法。
  27. １次回路の特性をモニタする前記ステップが、前記電源の出力取り出しの検査または内部回路の充電の少なくとも１つを促すためのウェイク・アップ・サイクルを含む、請求項１８に記載の方法。
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