TWI483513B - 裝備電源供應單元之電氣裝置 - Google Patents

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TWI483513B
TWI483513B TW098120860A TW98120860A TWI483513B TW I483513 B TWI483513 B TW I483513B TW 098120860 A TW098120860 A TW 098120860A TW 98120860 A TW98120860 A TW 98120860A TW I483513 B TWI483513 B TW I483513B
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Description

裝備電源供應單元之電氣裝置
本發明係關於具有裝配有電壓轉換器或變壓器之電源供應並具有實質降低功率消耗之模式(待機模式)的電氣裝備、裝置、或系統。
本發明引入新的「待機模式」，稱之為「功率下降」模式，其具有非常低的功率消耗，而保留系統喚醒功能性。
本發明可能使用在範圍廣泛的消費性電子裝置中、電腦中(在特定的桌上型PC中)、顯示器或電腦螢幕、電視機、DVD播放裝置及高逼真器(Hi-Fi)、攜行電腦塢或基地台中，例如，用於無線電話及答錄機、在解碼器或解調變器(機上盒)中、讀取機及接收器、在電爐或電磁爐中、廚房通風設備及冰箱、在家用器具及家用自動化產品中(讀卡機系統、車庫開門器、自動室內百頁簾、或捲門)、在娛樂裝置中，諸如電子游戲機、在感測器裝置中、在保全系統中等。
家庭及工業中之不同電氣裝置的累積待機功率消耗極大。因此，具有藉由將此電消耗降至最低等級之巨大節能潛力。例如，DVD播放裝置或機上盒通常在其之待機模式中消耗1至4瓦，導致8至30kWh的年能量消耗量。
在已知之裝配有電壓轉換器及具有待機模式之電氣設備或裝置中，與該待機模式中的功率消耗有關的主要問題可歸因於在此待機模式中保持對該轉換器供電，亦即，此轉換器的二次側仍由一次側供應。從而，該等二次側供應線仍作用為用於該設備或裝置之二次側上的數個元件及單元之電源。
即使將電源管理單元配置在該二次側上，以關閉部分單元及/或將部分單元置於低能量消耗模式中，特別係主CPU(中央處理單元)，該轉換器係開啟的且此轉換器的能量損失持續地存在於該待機模式中。此外，因為對彼等供電，該二次側上的部分單元或元件在該待機模式中繼續消耗能量。
本發明的首要目的係提議用於裝配有電壓轉換器或變壓器並具有電能消耗非常低之「功率下降」模式的電氣裝備或裝置之電源管理的新概念及對應系統架構。
本發明的其他目的係提議在包含新奇的一次側電源控制概念之不同功能模式中，此種設備或裝置之二次側的有效電源管理。
用於電氣設備或裝置的本發明之電源供應系統或單元的通用架構顯示於圖1中。顯示於圖1中之根據本發明的系統電源管理克服目前設備或裝置之已知缺點。
該電源供應單元包含具有一次部及二次部之轉換器或變壓器，該一次部及二次部具有不同電壓等級(例如，3V、5V、12V、24V)之數個輸出線。該轉換器界定該設備或裝置之一次側及二次側。該一次部關聯於用於管理在該轉換器之一次電源路徑中流動之電能的控制電路，且用於供應該控制電路及用於提供必須之控制訊號至此控制電路的系統電源管理單元配置在該一次側上。該控制電路處理該轉換器之一次電源供應的關鍵切換功能。因此，作為該電源管理單元或電路給定之控制訊號的功能，可開啟或關閉至該轉換器之二次部的電源供應。另外，在活動模式中，該轉換器的效率可藉由將脈衝寬度調變訊號(PWM訊號)提供至流經該轉換器之一次部的電流之控制單元而增加。
根據本發明之系統電源管理單元或電路從電氣連接至外部電源之輸入電路接收其電源供應，特別係該電源。該系統電源管理單元或電路配置成將該電源之電壓調適或減少至用於供應與該轉換器的一次部關聯之控制電路的合適電壓等級，並用於其自身之電子單元及/或電氣元件的供應。
在功率下降模式中，該系統電源管理單元或電路能接收外部及/或內部訊號(喚醒訊號)及/或系統控制訊號(若該設備或裝置連接至系統或網路)及/或開關，以從功率下降模式恢復並啟動其之設備或裝置(亦即，對該轉換器之二次部的至少一部分供應電源，且因此至少部分地供應至在該設備之二次側上的該等電子單元及電氣元件)。
外部控制訊號之範例包含，但不受限於：
-紅外線(IR)遙控；
-感測器(外部溫度、壓力、磁場、光等)；
-RF訊號。
系統控制訊號之範例包含，但不受限於：
-電腦訊號；
-家庭網路產生的訊號。
內部控制訊號之範例包含，但不受限於：
-時基(例如，可程式化計時器)；
-感測器(內部溫度、壓力、磁性等)。
在特定實施例中，可能具有在該一次側上經由該系統電源管理單元供應及控制之感測器及/或LED及/或顯示器。也可能具有用於顯示時間及/或用於從功率下降模式喚醒及/或用於程式化目的之時基。
因此，本發明相關於一種電氣設備或裝置，裝備一電源供應單元，該電源供應單元包含具有分別界定此電氣設備或裝置的一一次側及一二次側之一次及二次部的一電壓轉換器，其中該電源供應單元包含配置在該一次側上之一電源管理單元、該轉換器的該一次部與也配置在該第一側上並控制流入該一次部的一次電源路徑中之電能的一控制電路相關聯、此控制電路從該電源管理單元接收用於將該一次電源路徑中的該電能切換為關閉之至少一第一控制訊號、當將該第一控制訊號設定為關閉時，該電源供應單元進入一非常低功率模式(「功率下降」模式或最低功率模式)，使得不再供應任何功率至該轉換器、該電源管理單元配置成使得在該非常低功率模式中，其能接收或產生至少一喚醒訊號並將該第一控制訊號設定至開啟，以回應用於再度供應該轉換器之該一次及二次部的該喚醒訊號。
根據本發明之其他特性，該電氣設備或裝置之其他特徵為該電源管理單元配置成用於將由該電源供應單元之一輸入電路所接收的該輸入電壓調適或減少為用於供應其電子元件之至少一較低電壓等級。根據本發明之其他特性，該電源管理單元另外配置成用於供應該較低電壓至與該轉換器相關聯的該控制電路。
根據本發明之較佳變化，該電源管理單元包含管理此電源管理電路之數個功能的一電源供應控制器，當接收一輸入電壓時，一第一降壓器提供一中間電壓，且一第二降壓器追隨該第一降壓器並提供用於供應該電源供應控制器的一低電壓。根據本發明之特性，該中間電壓係用於供應該控制電路。
根據本發明之較佳變化，該電源管理單元與配置在該一次側上用於接收至少一第一外部控制的一外部控制介面、一感測器、一接收器、及/或一開關相關聯，該第一外部控制界定一喚醒訊號以從低電源模式轉移至活動模式。在本發明之替代實作中，該電源管理單元與一時基相關聯，該時基在該非常低功率模式中活動，該電源管理單元配置成用於在該喚醒訊號產生後量測一預定時間週期。
根據本發明之其他較佳變化，該電源管理單元配置成用於提供一第二控制訊號至該轉換器之該一次部的該控制電路，此第二控制訊號界定用於以不同於該非常低功率模式的至少另一功能模式調整流經該一次路徑之該電能的一PWM訊號，且因此調整供應至該電氣設備或裝置之該二次側的該電力。
根據本發明之其他特性，其中該電源供應單元另外包含連接至一高電壓供應線之一高電壓儲存電容器，該高電壓供應線接收一已整流輸入電壓，及連接至一中間電壓供應線之一低或中電壓儲存電容器，該第一降壓器之輸出及該第二降壓器的輸入連接至該中間電壓供應線。
根據本發明之其他較佳變化，該電源管理單元另外包含配置在該高電壓供應線及該中間電壓供應線之間的一啟始供應電路，此啟始供應電路配置成在一啟始模式中供應該低電壓儲存電容器。
根據本發明之其他較佳變化，該電源管理單元另外包含當該輸出電壓切換至關閉時，在一特定延遲後用於放電該高電壓儲存電容器的一放電電路。
根據本發明之其他較佳變化，一雙向絕緣介面配置在該一次側及該二次側之間，用於在位於該電氣設備或裝置之該一次側上的該電源供應控制器及位於該電氣設備或裝置之該二次側上的至少一主控制器之間的資料轉移。
根據本發明之其他較佳變化，該第一降壓器界定一橋接整流器以及一電容分壓器，此第一降壓器具有非常低的功率消耗。在特別有利的變化中，該第一降壓器係藉由僅具有二雙二極體、一齊納二極體、以及進入電阻器及電容器的電路形成。
根據本發明之其他較佳變化，該第二降壓器具有非常低的功率消耗，且係由具有一低電流齊納二極體、配置成與該齊納二極體串聯之一電阻器、以及與此二元件並聯之配置成與供應該低電壓的一電容器串聯之一電晶體的一電路所形成，該電晶體的基底在該電阻器及該齊納二極體之間連接。
根據本發明之其他較佳變化，該電氣設備或裝置另外包含由平行於該第一降壓器之線圈所產生之反饋訊號，以當對該轉換器供電時，供應該電源供應單元的該一次側。
根據本發明之其他較佳變化，與該轉換器相關聯的該控制電路包含一切換電路，該切換電路用於將該控制電路之供應變為關閉或開啟，以將該控制器之該一次部中的能量供應切換為關閉或開啟。
根據本發明之其他較佳變化，該電源供應單元包含具有一整流器的一輸入電路，該輸入電路具有在該整流器之該AC側上的至少一第一電容器及在該DC側上之至少一第二電容器，該第一電容器具有經選擇的一最大值使得在該輸入電路中不需要並聯電阻器。
根據本發明之其他較佳變化，當將該輸入供應切至關閉時，該電氣設備或裝置可將此電氣設備或裝置的目前狀態保持在該電源供應單元中而無需任何額外的電池及大電容器(超級電容器/金電容器)。
在圖2中，顯示本發明之較佳通用實施例。該電源輸入連接至典型地具有熔線、濾波器、以及整流器之輸入電路。該輸入電路接收該電源的高電壓(典型地係100至250伏特)。其輸出電氣連接至DC/DC電壓轉換器的一次部。曾提及與控制電路關聯之此一次部。該系統電源管理單元具有在該一次側上提供中間電壓(例如，10至15伏特)的第一降壓器/配適器。此中間電壓係用於供應該控制電路並也供應提供低電壓(例如3至5伏特)之第二降壓器/配適器。須注意該第一降壓器在第一變化中接收來自該輸入電路的VAC供應訊號，亦即，未整流供應訊號，並在第二變化中，接收VDC供應訊號，亦即，已由該輸入電路之整流器整流之供應訊號。
該第二降壓器供應電源供應控制器及接收外部控制訊號之外部控制介面。根據本發明，此電源供應控制器配置成提供如同外部控制訊號及/或內部控制訊號之功能的不同控制訊號。藉由該電源供應控制器將開啟/關閉訊號提供至該控制電路。用於將該設備罝於該功率下降模式(「零功率」模式)中，該電源供應控制器將關閉該DC/DC轉換器之一次路徑中的電流流的關閉訊號傳送至該控制電路，且因此藉由該一次部供應此轉換器之該二次部。藉由接收喚醒訊號，特別係經由該外部控制介面，該電源供應控制器將開啟該一次路徑中之電流流之開啟訊號傳送至該控制電路，以至少部分地藉由該一次部供應該轉換器的二次部。
為針對該設備/裝置之各作業模式以最佳方式管理該等二次供應線之供應，該電源供應控制器配置成提供PWM訊號至該轉換器之一次部的控制電路。基於此PWM訊號，可能精確地調適藉由該一次部至該轉換器之二次部的電源供應，且因此至由該等二次供應線供應的該等不同單元及元件。結果，該電源供應控制器可在該轉換器之一次部上動作，以調適至該二次側上之總負載的電源供應。
在較佳變化中，該電源供應控制器也具有經由絕緣資料轉移電路連接至該二次側上之控制或處理單元的至少一輸出，該絕緣資料轉移電路維持在該一次及二次側之間的電流阻斷。該電源供應控制器因此可在本發明之設備/系統或裝置已喚醒後，將至少一控制訊號傳送至該二次側上的電子單元及/或自其接收。該電源供應控制器也可與配置在該設備或裝置之一次側的時基相關聯。
須注意該第一降壓器可能僅用分散式構件製成，且不須提供非常精確或穩定的電壓。相反地，該第二降壓器可藉由提供精確電壓至該電源供應控制器及，若有任何感測器或其他電子單元，至彼等的電子電路形成。該控制電路可能優越地以分散式元件製成，並以中間電壓供應。在一變化中，此控制電路具有以低電壓供應之積體單元，例如，由該第二降壓器提供之電壓。該二降壓器可能以具有二或多個電壓輸出等級之一般降壓器取代。在特定變化中，可僅使用提供低電壓之一降壓器。
該一次側上的該降壓器及關聯電路之尺寸係針對配置在該一次側上並與該系統電源管理系統關聯之小數量電氣元件及電子單元。因此，可能將該設備在功率下降模式中的電消耗減少至最小。在此功率下降模式中，當從該電源供應控制器接收開啟訊號時，也可能關閉及喚醒與該轉換器的一次部有關聯之該控制電路的主部位。
以機上盒為例，可能將該「功率下降」模式或最低功率模式中的功率消耗減少至低於10mW，而仍操作紅外線接收器，或當不使用紅外線接收器時，下降至低於5mW。
本發明之其他重要優點係無需將電池或金電容器(超電容器)併入本發明之設備或裝置的二次部中。
在本發明之以下描述中，將詳細地描述用於機上盒(STB裝置)的電源供應單元。圖3顯示此電源供應單元的方塊圖。應注意此係本發明之具體實作。本發明如「發明所屬之技術領域」段中所概述的廣泛地應用。在下述之特定實施例中，提供四種作業模式：
-「功率下降」模式(最低功率模式、不對轉換器供電，不對輸出供電)
-「待機」模式(所有二次電壓均可使用，但輕負載)
-「啟始」模式(在12V供應上有較高的可用電流，例如，硬碟機啟始相位)
-活動模式(完整的功能性，正常作業)。
圖3呈現的該電源供應單元包含DC/DC電壓轉換器，具有分別界定包含此電源供應單元之電氣設備或裝置的一次側及二次側之一次及二次部，且供應電壓產生及控制部、電源供應控制器、IR控制器、以及HV儲存電容器在該一次側上。此外，該電源供應單元包含或關聯於在該電氣設備或裝置之一次及二次側之間的絕緣資料轉移電路。該供應電壓產生及控制部包含輸入電路、第一降壓器、及低電壓電容器(或中間電壓電容器)、第二降壓器、以及啟始供應/放電電路。在下文中，將描述圖3的特定實施例之電源供應單元的各區塊。
A)一次供應電壓產生
將描述根據本發明之用於該一次供應電壓產生的不同元件之較佳電子電路，該一次供應電壓產生用於供應配置在該一次側上的該等電子單元。
該輸入電路顯示於圖4中。
「MOV1」係選擇性的變阻器並可用於該電源輸入上的已改善暫態抗擾性。L1/C2可能係非必要的(取決於EMI量測結果)。
針對約30W之功率等級的侵入電流限制，通常使用NTC(RTN1)。針對50W功率的典型值為10R。
針對「功率下降」模式，在AC側上的普通「X」電容器(C1、C2)具有特定最大容量。常見的安全標準指定100nF的最大值-否則需要使用並聯電阻器放電此等電容器(在拔電源插座後的電擊危險)。然而，此種並聯電阻器已導致過高的功率損失。為避免此並聯電阻器的必要性，在該DC側上使用更高的電容(C3、C4)。在此情形中，常見的電流補償抗流器(L2)也應該在此DC側上。
需要用於一次側能量儲存(例如在短線中斷期間)並濾波該已整流AC輸入電壓的HV儲存電容器，以得到可接受的漣波電壓。此電容器配置在該輸入電路及該DC-DC轉換器之間(參閱圖3)。如果該並聯電阻器已從該輸入電路中移除，已採用用於放電該HV儲存電容器的新放電電路。此放電電路將於稍後描述。
具有50W輸出功率的典型值(無PFC之230VAC輸入)，該HV儲存電容器具有，例如，100μF的值(最小400V)。此種電容器具有非常低的漏電流。
該第一降壓器的較佳電子電路顯示於圖5中。
該第二降壓器的工作係提供用於該一次電路部之約12至13V的中間電壓。此電壓等級為該DC/DC轉換器之一次部的DC/DC控制單元(以及該選擇性的PFC控制器)及該第二降壓器所需。LV儲存電容器儲存該中間電壓的電能。待注意該LV儲存電容器也可命名為「中間電壓電容器」，因為施用在此電容器上的電壓為12-13V的中間電壓。
然而該電源供應控制器需要藉由第二降壓器從該12-13V產出的低電壓(例如，約為3.3V)。
適合電路元件D12(~13V)之低電流齊納二極體的部分可能類型包含ON半導體之MMSZ4700T1以及Vishay 的TLZ13B。
二極體D10/D11可為低電壓/低成本類型，例如，雙二極體BAV99。C10/C11係普通的薄膜電容器(MKT)，例如，10nF/630VDC(也可能係陶瓷)。R10/R11係必要的，以在如果較高等級之輸入電壓諧波(非正弦形狀)或若線路暫態發生時限制該電流。可能的值為：100R…1k。
由僅具有二雙二極體及齊納二極體之電路及入口電阻器及電容器所形成的第一降壓器實現二功能：其形成橋接整流器以及電容分壓器。特別係，雙二極體包含二功能。此有效配置係用於將在該「功率下降」模式中的該電源單元之電消耗維持在非常低等級的關鍵因素。此降壓器的線輸入(主動)功率在230VAC時約為3微瓦特(mW)。
該低電壓儲存電容器(LV儲存電容器)需要特定最小值，以儲存用於啟始該一次DC/DC轉換器的足夠能量，直到由轉換器二次側所提供的逆向供應運行。此種電容器的值為，例如47pF(最小25V)。
用於該啟動供應/HV放電區塊的較佳電子電路顯示於圖6中。
此電路部分具有二主要功能：
‧最初啟始的加速(以較該第一降壓器供應之電流更高的電流對「LV儲存電容器」充電)；
‧該HV儲存電容器在該輸入電壓已分斷後或在預定時間週期已過期後放電；
以及額外的輔助功能：
‧提供分壓器以量測該「Bulk+」電壓(僅當Q30除能時)。
R30…R34的可能尺寸：5x10MOhm。在230VAC時提供約2mw(電流~6μA)的連續損耗(R30…R34全部)。
用於元件D30(~20V，低電流)的齊納二極體之部分可能類型包含ON半導體的MMSZ470T1以及Vishay的TZMC20。用於元件Q30的電晶體之部分可能類型(最小電壓能力400V)包含Infineon的BSS127以及NXP的PMBTA44。電晶體Q31僅可經歷最大25V，因此可使用像是2N7002或BSS123之低成本N-通道MOSFET。
當該電源供應中斷時，電荷保持在該HV儲存電容器C14中。因為靜止電流甚小，在此電容器中的電荷保持長時間。在該電源供應控制器的控制之下，電容器C14根據系統說明書於隨後放電。當該電源單元的供應中斷時，電晶體Q30及Q31係用於放電該HV儲存電容器。在電源切斷(意謂著切斷使用電源)後，C14(高電壓儲存電容器)中的剩餘電荷係經由電阻器R35、R36、電晶體Q30、及齊納二極體D12而設置，C14的電荷繼續供應該第二降壓器，因此提供用於該電源供應控制器的能量以繼續作業。該電源供應控制器以短間隔將該S_Startup訊號設為低位準(因此開啟電晶體Q30)，以將P12V的電壓維持足夠用於該第二降壓器的位準。一旦該電源供應控制器決定必須中和儲存在C14中的任何剩餘電荷時，其將該S_Start-up訊號除能，且因此將Q31切換為關閉並將Q30切換回開啟夠久，以啟動齊納二極體D12(以逆向方向)並將C14放電。此齊納二極體的逆向崩潰電壓為，例如16V(高於該第一降壓器之輸出的電壓位準)。最終將該第二降壓器及該電源供應控制器自身去能。在白色家電裝備的範例中，在20分鐘的中斷後，該系統通常必須能從先前狀態重啟。必須度過此時間週期。此發明的該電路確實提供此能力，並因此將不損失關鍵系統資訊及參數。C14將能保持該電荷，甚至遠較所需為久，且因此在給定的時間週期後必須放電，以在服務存取期間避免危險的電壓位準。
在該電源供應單元的啟始相位期間，由提供控制訊號(S_Start-up)之該電源供應控制器所控制的啟始電路(顯示於圖6中)容許加速該啟始相位。圖5所示之該電容分壓器級(第一降壓器)具體地設計為極低電流電路。從該電源的插入至該電源供應系統啟始，其會自發地引入顯著延遲(多達10秒)。該啟始電路形成與該第一降壓器並聯的路徑，以快速地對LV儲存電容器C12充電，且因此加速該啟始相位(在本描述實作的情形中藉由約為20之因子，因此將啟始延遲減少至約500ms)。
在該電源插入時，該訊號「S_Start-up」為低位準(Q31為關閉狀態，Q30為開啟狀態，亦即，導通中)。電容器C12藉由R35及R36迅速地充電。結果，該電源供應控制器開始。然後將該訊號「S_Start-up」設定為高位準(Q31開啟、Q30關閉)，且電容器C12現在係經由該電容分壓器供應。
與電阻器R30至R34組合的電晶體Q31與R37係用於量測該一次電壓，其容許該電源供應控制器對該電源供應的中斷作出反應。一旦Q31為開啟時，訊號「Sense_B」量測該已分壓輸入電壓，並將其饋送至在該電源供應控制器上的AD轉換器。若電源中斷，該電源供應控制器將夠快速地偵測此情形，以能停止該電源部。此外，其在給定的時間長度內防止電容器C14放電，以保留系統狀態。
應注意該充電及放電功能可在分離電路中實作，以取代上述之組合電路。此外，該放電電路也替代該輸入電路中的並聯電阻器。然而，此種並聯電阻器也可由該電源供應控制器控制的其他電晶體所替代。
該第二降壓器的較佳電子電路顯示於圖7中。
該電源供應控制器以及該IR接收器模組需要，例如，在3.3V之範圍中的供應電壓。此電壓應從該中間電壓(例如在10V及15V之間)得出。普通的線性調節器具有過高的靜止供應電流。因此，根據本發明的特定特性，該第二降壓器所具有的電子設計具有低電流齊納二極體D40、與D40串聯配置的電阻器R40、以及與此等二元件並聯且與提供已降壓電壓3.3V之電容器C40串聯的電晶體Q40。電晶體Q40的基底在R40及D40間連接。用於元件D40(3.6V，低電流)之齊納二極體的可能類型包含ON半導體的MMSZ4885T1。
在已改善變化中，可能在3.3V加入極低靜止電流線性調節器(IC7)，以更行降低該電流消耗。
B)電源供應控制器
根據本發明的特定特性，將電源供應控制器實作在根據本發明之電源供應單元之一次部(一次側)中。在第一變化中，該電源供應控制器係由專用狀態機械形成。在另一變化中，該電源供應控制器係由可程式化電路形成。該狀態機械及該可程式化電路具有低功率設計較佳。該電源供應控制器的工作包含，但不受限於：
‧啟始供應的控制
‧類比值的量測：
-供應電壓(中間電壓)
-HV儲存電容器的電壓(Bulk+)
‧從「功率下降模式」喚醒，若
-接收到紅外線遙控「開機」，及/或
-壓下「電源」按鍵，
-可程式化計時逾時
‧改變為「功率下降模式」，若
-已接收紅外線遙控「關機」，及/或
-壓下「電源」按鍵(例如，短啟動)，及/或
-來自主控制器的指令(例如，在已程式化記錄結束後)
‧將一次DC/DC轉換器致能/除能，取決於
-供應電壓(中間電壓)
-HV儲存電容器的電壓
-溫度(μC內部量測)
-過載重啟後的最小關閉時間
‧提供用於一次DC/DC控制的PWM訊號(頻率以及工作周期)，特別係：
-提供軟開始(工作週期驟昇)
-界定最大工作週期(例如，取決於輸入電壓)
-頻率的最終抖動(以最佳化EMI)
-在習知的「待機」模式期間提供「爆發模式」作業
‧接收及解碼來自IR接收器模組的訊號
‧在「功率下降」模式期間週期的對IR接收器再供電
‧提供RTC(即時時鐘)，包含(從主控制器載入之)「喚醒計時器」
‧接收來自主控制器的資料：
-控制旗標(例如，「開啟/關閉」、「手動致能關閉」、「喚醒確認」、「待機」)
-設定RTC
-載入喚醒計時器
‧傳輸資料至主控制器
-狀態旗標
-已接收之IR資料
-讀回RTC/喚醒計時器的設定
‧選擇性PFC控制。
該電源供應控制器之輸入/輸出埠概觀：
C)IR接收器
用於紅外線(IR)遙控的接收器模組(低功率型較佳)可使用為該電源供應控制器的輸入。此係從「功率下降」模式喚醒的可能感測器裝置。在一變化中，此接收器模組可係機上盒之唯一一者，並用於接收所有指令。在此情形中，該IR接收必須傳輸至該主控制器的資料。
在「功率下降」模式期間，僅應在短時間間隔期間對該IR接收器供電較佳，將該平均功率保持為越低越好。另一方面，已接收指令應在特定最大時間內受偵測。圖8顯示若使用通常之「RC-5-碼」的可能時序圖。
對該IR接收器供電的工作週期在「功率下降」模式期間會係2.6%。假設1.3mA之供應電流(Vishay TSOP 34838SS1A的典型值)，導致34μA之平均電流。替代的IR接收器(例如，Sharp GP1US301XP)甚至可低於該值。
在「活動模式」期間，將持續地對該IR接收器供電較佳，致能所有指令的接收而無任何延遲。
D)在一次側及二次側間的資料轉移
該一次側及該二次側間的雙向絕緣介面在本實施例中係配置成用於在位於該一次側上之該電源供應控制器及位於該二次側上的該STB裝置之至少一主控制器之間的資料轉移。
用於絕緣資料轉移的成本效益方式經常係經由光耦合器(OC81、OC82、OC83)。用於實作此絕緣資料轉移的已提議變化顯示於圖9中。該等參考Sout_p、Sin_p、以及Sclk_p分別界定在該一次側上的訊號Sout、Sin、以及Sclk。該等參考Sout_s、Sin_s、以及Sclk_s分別界定在該二次側上的此等訊號。
若該資料時鐘率未過高(範圍為1kHz或以下)，則可使用便宜的光耦合器類型，像是LTV817S或PC817。
E)DC/DC轉換器一次部
該一次部的控制單元顯示於圖10中。此控制電路具有接收由該第一降壓器所產生之12伏特的電源訊號及從該電源供應控制器接收之切換訊號(S_CPP)的第一部位100。此切換訊號係用於開啟或關閉該DC-DC轉換器的一次部。S_CPP致能及除能在部位102中的放大器元件及在部位104中的IC51C、IC51D、以及電晶體對Q50/51。部位100在此發明中係容許該轉換器之一次及二次部在該系統的功率下降模式期間完全關閉之特定物件。第一部位100之輸出電源線連接至也在入口接收PWM訊號(S_PWM)的單觸發電路102。此PWM訊號至少在特定功能模式中用於調變流經該DC-DC轉換器的電流。該電源線及該單觸發電路之比較器的輸出進入該電路部104，其模擬一般電流模式PWM控制器(例如像是UC3844)的功能。在此實施例中，以下功能由該電源供應控制器接替：
‧振盪器，包含最大工作週期界定及軟開始
‧在習知「待機模式」期間的「爆發模式」作業(可減少待機輸入電源)
‧12V供應電壓的切換
‧包含過壓保護之供應電壓的監督
‧已界定之重啟週期，若輸出過載時
‧參考電壓源
其餘的電路104可使用標準IC實現，像是LM393+CD4011(材料成本較UC3844為低)。
實作從元件「至一次之控制迴路」(圖12)接收該二次側訊號並將彼等經由絕緣光耦合器OC50傳送至比較器元件IC50B之電壓控制迴路。
在此系統的變化中，該電源供應控制器的PWM輸出(以其間之閘驅動電路)直接驅動該切換電晶體。結果，該(相對快速)電壓及電流控制迴路可在韌體中實現。電路部102(「單觸發器」)係為安全性原因而提供：若該電源供應控制器的PWM輸出停留在高位準(若故障)時，則此部位保護該電源級免於受損。備用比較器(像是類型LM393)可使用在電路部102中。
基於配置在上述特定實施例的電源供應單元之該一次部上的該等不同特定電子電路，得到關於其功率消耗及效率之以下特徵：
‧在「功率下降」模式中的輸入功率約為10mW或以下(例如，4至5mW)；
‧「待機」模式的輸入功率<1W(若輸出負載低於0.6W)，其對應於實際的「能源之星」規定；
‧活動模式中的效率最小為80%。該DC/DC轉換器之一次部的電源部呈現於圖11中。該電路係基於具有反向偏壓之返馳式轉換器概念。
本實施例中之MOSFET Q60的規格包含600V的最小電壓(>650V為佳)、最大4Ohm之內部電阻RDS(on) (<3Ohm為佳)
D60係具有最小800V、1A，最大100ns之「極快速恢復整流器」二極體，像是類型「US1K」。
R61係電流感測電阻器。其值為，例如1R(1W)或以下。在該轉換器啟啟相位已完成後，提供反饋供應訊號(12V)並將其用於對該第二降壓器供電。
F)DC/DC轉換器二次部
該DC/DC轉換器之二次電源部呈現於圖12中。
若僅將一轉換器用於數個不同輸出電壓(此處：四個)，必須決定該拓撲。通常，無後級調節，僅可能精確地控制該等輸出之一者。在此情形中，精確的電源輸出為12V輸出(該+23V為較高電源，但容許更多容差)。
至該一次側的主電壓控制迴路為該+12V控制器的輸出。用於此輸出(以及+23V輸出)的過載保護係該一次側電流限制(其限制總輸出功率)。
可藉由(便宜的)線性調節器後級調節低電流輸出。在此情形中，此方法可用於該+5V/0.2A(例如，使用類型78M05)。作為變通，可使用+12V以外的降壓轉換器(例如，來自ON半導體的類型NCP3063B)，特別係若在該+5V上需要較高電流時。
D101之規格：最小60V/最小1A之極快速恢復或肖特基類型(例如，來自Fairchild半導體的ES1B)。D102之規格：最小150V/最小4A之極快速恢復或肖特基類型(例如，來自ON半導體的MBRF10H150CTG)。D103之規格：最小80V以及最小6A之肖特基型整流器(例如，來自Fairchild半導體的FYP1010DN)。
可能有必須跨越D102及D103之緩衝組件(R/C)，取決於轉換器漏電感。建議L101/L102，以減少該輸出漣波及雜訊；彼等也可協助改善該EMI行為。值：例如，10μH/3.5A(例如，來自Coilcraft之類型RFB0810-100L)。
所有電解電容器均應為「低阻抗」類型(例如，來自CapXon的KZ系列)：C105以及C106，例如，2200μF/16V；C107，例如1200μF/16V；C103以及C104，例如，1000μF/35V。
該3.3V輸出可使用同步降壓轉換器從+12V以外的電壓後級調節出。此減少該轉換器的複雜性及成本。此外，將改善效率。
若沒有內部MOSFET，必須外部地提供彼等。規格：最小30V、最大30mR，例如類型FDS8984(Fairchild半導體)/NTMD6N02R2(ON半導體)/STS8DNF3LL(STMicroelectronics)。所有此等類型均為雙MOSFET，意謂著在二電晶體在一封裝中。
L103的電感取決於該切換頻率以及所需之輸出漣波電壓(以及C107在該頻率的阻抗)。典型值可係10μH/3.5A(例如，來自Coilcraft之類型RFB0810-100L)。
G)針對其他應用的修改
根據本發明之此電源供應單元或系統也可使用於不同的其他應用，例如，用於DVD播放裝置以及「平面電視」。
若該功率等級相同(50W)，則僅須調適上述實施例的該二次側(包含該轉換器)。也可能修改至二次控制器的該序列通訊。若不需要即時時鐘，則資料傳輸最終可僅係單向的。
若該功率等級不同，則也必須調適該一次功率級。約為75W的輸入功率(約為60W之輸出功率)，必須引入功率因子修正單元(PFC)。
H)本發明之部分主利益/優點的摘要
電源供應單元，如此描述中所提出的，將在目前實施例上具有以下主要利益/優點：
‧在「功率下降」模式中的實質低能源消耗(特別係少於10mW)
‧實現「綠色能源」規定的目前及未來標準(亦即，「能源之星」/「藍天使」)
-在「功率下降」模式中實質上低於此等限制
-低於「待機」模式中的限制
‧在「功率下降」模式期間，維持普通作業的重啟可能性，由以下觸發
-紅外線(IR)遙控，或
-按鍵，可自前側存取，或
-可程式化計時器(內部即時時鐘)
‧在該裝置或設備中在該二次側上無需電池或「超級電容器/金電容器」(特別係用於該即時時鐘)
‧該概念可輕易適於許多應用。
100．．．第一部位
102、104．．．部位
C1、C2、C3、C4、C40．．．電容器
C10、C11．．．薄膜電容器
C12．．．LV儲存電容器
C14．．．HV儲存電容器
D10、D11、D60．．．二極體
D12、D30、Q30．．．電路元件
D40．．．低電流齊納二極體
IC50B．．．比較器元件
L2．．．電流補償抗流器
MOV1．．．變阻器
OC50、OC81、OC82、OC83．．．光耦合器
Q30、Q31、Q40、Q50、Q51．．．電晶體
Q60．．．MOSFET
R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R40．．．電阻器
R61．．．電流感測電阻器
本發明將藉由該等圖式的協助在下文之較佳實施例的描述中更詳細地描述，以非限定方式作為範例提供，其中：
-圖1，已於前文中描述，概要地顯示根據本發明之電源供應系統或單元的通用架構；
-圖2，已於前文中描述，概要地顯示本發明之較佳通用實施例；
-圖3係根據本發明之較佳電源供應單元的方塊圖，以非限定方式提供；
-圖4顯示圖3的電源供應單元之輸入電路的配置；
-圖5顯示圖3的電源供應單元之第一降壓器電路的較佳設計；
-圖6顯示形成圖3的電源供應單元之啟始供應及放電單元的該電子電路；
-圖7顯示圖3的電源供應單元之第二降壓器電路的較佳設計；
-圖8顯示IR-接收器之電源供應在圖3的電源供應單元之功率下降模式中的時序圖；
-圖9顯示在圖3之電源供應單元的該一次及二次部之間的資料轉移電路；
-圖10顯示與圖3的電源供應單元之DC-DC轉換器的該一次部有關聯之電子控制電路的設計；
-圖11顯示圖3之電源供應單元的一次部之電源部的可能配置；以及
-圖12概要地顯示圖3的電源供應單元之二次部的可能配置。

Claims (30)

  1. 一種電氣裝置，裝備一電源供應單元，該電源供應單元包含具有分別界定此電氣裝置的一一次側及一二次側之一次及二次部的一電壓轉換器，其中該電源供應單元包含配置在該一次側上之一電源管理單元、該轉換器的該一次部與也配置在該第一側上並控制流入具有高電壓之該一次部的一次電源路徑中之電能的一控制電路相關聯、此控制電路從該電源管理單元接收用於將該一次電源路徑中的該電能切換為關閉之至少一第一控制訊號、當將該第一控制訊號設定為關閉時，該電源供應單元進入一非常低功率模式(「功率下降」模式)，使得不再供應任何電能至該轉換器、該電源管理單元配置成使得在該非常低功率模式中，該電源管理單元能接收或產生至少一喚醒訊號並將該第一控制訊號設定至開啟，以回應用於再度供應電能到該轉換器之該一次及二次部的該喚醒訊號，其中該電源管理單元包含管理此電源管理單元之數個功能的一電源供應控制器，當接收一輸入電壓時，一第一降壓器或一降壓器單元之第一輸出提供一中間電壓，且一第二降壓器追隨該第一降壓器，或該降壓器單元之第二輸出提供用於供應該電源供應控制器的一低電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該中間電壓係用於供應該電壓轉換器之該控制電路。
  3. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該電源管理單元與配置在該一次側上用於接收至少一第一外部控 制的一外部控制介面、一感測器、一接收器、及/或一開關相關聯，該第一外部控制界定該喚醒訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該電源管理單元與一時基相關聯，該時基在該非常低功率模式中活動，該電源管理單元配置成用於量測一預定時間週期，在該預定時間週期後產生該喚醒訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該電源管理單元配置成用於提供一第二控制訊號至該轉換器之該一次部的該控制電路，此第二控制訊號界定用於以不同於該非常低功率模式的至少另一功能模式調整流經該一次路徑之該電流的一PWM訊號，且因此調整供應至該電氣裝置之該二次側的該電力。
  6. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該電源供應單元另外包含連接至一高電壓供應線之一高電壓儲存電容器(HV儲存電容器)，該高電壓供應線接收一已整流輸入電壓，及連接至一中間電壓供應線之一低電壓儲存電容器(LV儲存電容器)，該第一降壓器之輸出或該降壓器單元之第一輸出連接至該中間電壓供應線，該低電壓儲存電容器配置成使得該低電壓儲存電容器能經由該第二降壓器或該降壓器單元供應該電源供應控制器。
  7. 如申請專利範圍第6項之電氣裝置，其中該電源管理單元另外包含配置在該高電壓供應線及該中間電壓供應線之間的一啟始供應電路，此啟始供應電路配置成在一啟始模式中供應該低電壓儲存電容器。
  8. 如申請專利範圍第6項之電氣裝置，其中該電源管理單元另外包含用於當該輸入電壓切換至關閉時，至少在一特定延遲後放電該高電壓儲存電容器的一放電電路。
  9. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中一雙向絕緣介面配置在該一次側及該二次側之間，用於在位於該一次側上之該電源供應控制器及位於該二次側上的至少一主控制器之間的資料轉移。
  10. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該輸入電壓為來自電力供應源之替代的電源信號且其中該第一降壓器界定一橋接整流器以及一電容分壓器，此第一降壓器具有非常低的功率消耗。
  11. 如申請專利範圍第10項之電氣裝置，其中該第一降壓器係由僅具有二雙二極體、一齊納二極體、以及進入電阻器及電容器的一電路所形成。
  12. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該第二降壓器具有非常低的功率消耗，且係由具有一低電流齊納二極體、配置成與該齊納二極體串聯之一電阻器、以及與此二元件並聯之配置成與供應該低電壓的一電容器串聯之一電晶體的一電路所形成，該電晶體的基底在該電阻器及該齊納二極體之間連接。
  13. 如申請專利範圍第10項之電氣裝置，其中該第二降壓器具有非常低的功率消耗，且係由具有一低電流齊納二極體、配置成與該齊納二極體串聯之一電阻器、以及與此二元件並聯之配置成與供應該低電壓的一電容器串聯 之一電晶體的一電路所形成，該電晶體的基底在該電阻器及該齊納二極體之間連接。
  14. 如申請專利範圍第12項之電氣裝置，其中該第二降壓器另外包含靜止電流非常低的一線性整流器。
  15. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中配置在該轉換器之該一次部中的一線圈產生與該第一降壓器之輸出電壓訊號平行的一反饋電壓訊號，以當對該轉換器供電時，供應該電源供應單元的該一次側。
  16. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中與該轉換器相關聯的該控制電路包含一切換電路，該切換電路用於將該控制電路之供應變為關閉或開啟，以分別將該控制器之該一次部中的能量供應切換為關閉或開啟。
  17. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中該電源供應單元包含具有一整流器的一輸入電路，該輸入電路具有在該整流器之該AC側上的至少一第一電容器及在該DC側上之至少一第二電容器，該第一電容器具有經選擇的一最大值使得在該輸入電路中不需要並聯電阻器。
  18. 如申請專利範圍第8項之電氣裝置，其中該電源供應單元包含具有一整流器的一輸入電路，該輸入電路具有在該整流器之該AC側上的至少一第一電容器及在該DC側上之至少一第二電容器，該第一電容器具有經選擇的一最大值使得在該輸入電路中不需要並聯電阻器。
  19. 如申請專利範圍第1項之電氣裝置，其中當將該輸入供應切至關閉時，該電氣裝置可保持此電氣裝置在該 電源管理單元中的電流狀態至少一預定時間週期而無需任何額外的電池及大電容器(超級電容器/金電容器)。
  20. 如申請專利範圍第6項之電氣裝置，其中當將該輸入供應切至關閉時，該電氣裝置可保持此電氣裝置在該電源管理單元中的電流狀態至少一預定時間週期而無需任何額外的電池及大電容器(超級電容器/金電容器)。
  21. 如申請專利範圍第8項之電氣裝置，其中當將該輸入供應切至關閉時，該電氣裝置可保持此電氣裝置在該電源管理單元中的電流狀態至少一預定時間週期而無需任何額外的電池及大電容器(超級電容器/金電容器)。
  22. 一種電氣裝置，裝備一電源供應單元，該電源供應單元包含具有分別界定此電氣裝置的一一次側及一二次側之一次及二次部的一電壓轉換器，其中該電源供應單元包含配置在該一次側上之一電源管理單元、該轉換器的該一次部與也配置在該第一側上並控制流入具有高電壓之該一次部的一次電源路徑中之電能的一控制電路相關聯、此控制電路從該電源管理單元接收用於將該一次電源路徑中的該電能切換為關閉之至少一第一控制訊號、當將該第一控制訊號設定為關閉時，該電源供應單元進入一非常低功率模式(「功率下降」模式)，使得不再供應任何電能至該轉換器、該電源管理單元配置成使得在該非常低功率模式中，該電源管理單元能接收或產生至少一喚醒訊號並將該第一控制訊號設定至開啟，以回應用於供應電能到該轉換器之該一次及二次部的該喚醒訊號，其中該電源管理單 元包含具有一整流器的一輸入電路，該輸入電路具有在AC側上的至少一第一電容器與在該整流器之DC側上的至少一第二電容器，該第一電容器具有經選擇的最大值使得在該輸入電路中不需要並聯電阻器。
  23. 如申請專利範圍第22項之電氣裝置，其中該電源供應單元另外包含連接至一高電壓供應線之一高電壓儲存電容器，該高電壓供應線接收一已整流輸入電壓，且其中該電源管理單元另外包含用於當該輸入電壓切換至關閉時，至少在一特定延遲後放電該高電壓儲存電容器的一放電電路。
  24. 如申請專利範圍第22項之電氣裝置，其中該電源管理單元包含一電源供應控制器，當接收一輸入電壓時，一第一降壓器或一降壓器單元之第一輸出提供一中間電壓，且一第二降壓器追隨該第一降壓器，或該降壓器單元之第二輸出，提供用於供應該電源供應控制器的一低電壓。
  25. 如申請專利範圍第24項之電氣裝置，其中該輸入電壓為來自電力供應源之替代的電源信號且其中該第一降壓器界定一橋接整流器以及一電容分壓器，此第一降壓器具有非常低的功率消耗。
  26. 一種電氣裝置，裝備一電源供應單元，該電源供應單元包含具有分別界定此電氣裝置的一一次側及一二次側之一次及二次部的一電壓轉換器，其中該電源供應單元包含配置在該一次側上之一電源管理單元、該轉換器的該 一次部與也配置在該第一側上並控制流入該一次部的一次電源路徑中之電能的一控制電路相關聯、此控制電路從該電源管理單元接收用於將該一次電源路徑中的該電能切換為關閉之至少一第一控制訊號、當將該第一控制訊號設定為關閉時，該電源供應單元進入一非常低功率模式(「功率下降」模式)，使得不再供應任何電能至該轉換器、該電源管理單元配置成使得在該非常低功率模式中，該電源管理單元能接收或產生至少一喚醒訊號並將該第一控制訊號設定至開啟，以回應用於供應電能到該轉換器之該一次及二次部的該喚醒訊號，其中當該輸入供應切至關閉時，該電源管理單元可保持此電氣裝置的電流狀態至少一預定時間週期而無需任何額外的電池及大電容器(超級電容器/金電容器)。
  27. 如申請專利範圍第26項之電氣裝置，其中該電源管理單元包含一電源供應控制器，當接收一輸入高電壓時，一第一降壓器或一降壓器單元之第一輸出提供一中間電壓，且一第二降壓器追隨該第一降壓器，或該降壓器單元之第二輸出提供用於供應該電源供應控制器的一低電壓。
  28. 如申請專利範圍第27項之電氣裝置，其中該電源供應單元另外包含連接至一高電壓供應線之一高電壓儲存電容器(HV儲存電容器)，該高電壓供應線接收一已整流輸入電壓，及連接至一中間電壓供應線之一低電壓儲存電容器(LV儲存電容器)，該第一降壓器之輸出或該 降壓器單元之第一輸出連接至該中間電壓供應線，該低電壓儲存電容器配置成使得該低電壓儲存電容器能經由該第二降壓器或該降壓器單元供應該電源供應控制器。
  29. 如申請專利範圍第28項之電氣裝置，其中該電源管理單元配置成使得，在該預定時間週期期間，該高電壓儲存電容器之電荷用以藉維持該低電壓儲存電容器的電壓於足夠的位準來供應該電源供應控制器。
  30. 如申請專利範圍第29項之電氣裝置，其中該電源管理單元包含用於當該輸入電壓切換至關閉時，在該預定時間週期後放電該高電壓儲存電容器的一放電電路。
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