專利名稱：具有存儲電容和功率調節的開關電源的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及電源系統，更具體地說，涉及從交流電源提供直流輸出的脫機電源。本發明特別適用于偏壓電源以及其他對成本敏感的應用，例如使用微處理器的電器。
本發明的一個主要目的是提供前述專利中描述的通用改進型脫機電源，但效率有了提高。
本發明的另一個重要目的是提供改進的脫機隔離電源，所述電源在寬的直流輸入電壓和溫度范圍內提供穩定的直流輸出功率。
本發明的再一個目的是提供運行非常可靠的改進型脫機電源，后者可以用堅固的結構來制作。
本發明的其他目的和優點將可以從下面詳細的描述和附圖中看出。
按照本發明，上述目的是通過提供這樣的電源系統來實現的，所述電源系統包括交流電源；用于在第一選擇時間間隔期間存儲來自交流電源的能量、并在第二選擇時間間隔期間將存儲的能量的至少一部分轉換為直流輸出的脫機電源；用以在第二選擇時間間隔期間斷開脫機電源與交流電源的連接、以便減少傳導的電磁干擾的裝置；以及用以防止在第一和第二選擇時間間隔中因交流輸入電壓和溫度的改變而產生變化的功率調節裝置。在本發明的最佳實施例中，功率調節裝置的有效范圍在工作交流輸入電壓85到265、溫度從低于零攝氏度到高于75攝氏度。
本發明的脫機電源最好包括用于控制第一和第二選擇時間間隔的開關裝置，以及用于存儲用來在第二選擇時間間隔期間觸發開關裝置以避免在這些時間間隔期間持續的功率消耗的節能裝置。
現回到附圖，
圖1舉例說明一種偏壓電源系統，它用以從連接到一對輸入端子10a和10b的外部電源接收交流功率并在一對輸出端子11a和11b上提供穩定的直流輸出。來自一個輸入端子的交流信號通過熔絲F1和電阻器R1加到二極管D1的正極，所述二極管起半波整流器的作用，僅僅讓交流輸入的正半周通過。電阻器R1起限流電阻的作用，它在二極管D1導通時限制來自輸入端子的能量沖擊(in-rush)。
整流后的輸入功率從二極管D1被傳送到存儲電容器C1，以儲存輸入的能量。電容器C1在交流輸入的每個正半周被充電，并周期性地在D1不導電的時間間隔期間放電。這可以在功率傳送到輸出端期間有效地將電源與交流輸入線路斷開。當電容器C1放電時，存儲的能量流經與FET Q6串聯的變壓器T1初級繞組Lp。所述FET受以下描述的控制電路控制，所述電路通過將FET接通和斷開來控制傳送能量到直流輸出端。
二極管D1起關斷開關的作用，當C1的能量傳送到輸出端時，它將脫機電源與直流電源斷開，這發生在傳導電磁干擾中的大部分被產生時。因此，脫機電源產生的大部分傳導電磁干擾被限制在電源本身范圍內，不會干擾其他電路或裝置。從以下描述中將可明確，脫機電源中產生電磁干擾的大多數切換和感應變化發生于二極管處在斷開模式時功率傳送期間。若有必要，可以使用有源開關器件替代起無源開關作用的二極管D1。
只要FET Q6導通，電流將流經變壓器T1的初級繞組Lp，后者以具有電感Lp的電感器的形式儲存能量。所述電流將躍升到峰值Ipk，后者流經連接FET Q6和公共端的電阻器R2。Ipk在電阻器R2上產生的電壓將導致控制電路斷開FET Q6。隨著FET Q6的斷開，在變壓器T1的初級繞組中建立的磁場將消失，磁場中存在的能量被傳送到變壓器T1的次級繞組Ls。這將產生輸出電流，后者流經二極管D2到達輸出端子11a，并通過端子11b返回。連接在輸出端子之間的電容器C2使所述輸出變平滑，與電容器C2并聯的齊納二極管D3用于穩定所述輸出電壓。當電容器C1通過初級繞組放電時，二極管D2將阻止變壓器T1次級繞組中的傳導。
圖示的偏壓電源系統提供恒定的功率輸出。當電阻器R2兩端的電壓增長到代表最高電流值Ipk(它略微低于變壓器T1磁芯開始飽和時的電平)的預選電平時，控制電路10將斷開FET Q6。也就是說，Ipk的值決定儲存在初級繞組Lp中的功率Eout，這可以從下面的公式中看出Eout＝1/2LpIpk2
其中Lp是變壓器初級繞組的電感，Ipk是流經電阻器R2的最大電流。
在交流輸入的每個負半周的單個時間間隔期間，控制電路控制FET Q6把能量從電容器C1傳送到變壓器T1。在所述電路中，電阻對R3和R4兩端的電壓降將決定何時斷開晶體管Q1，這發生在交流輸入的正半周、此時晶體管Q1的基極-發射極電壓Vbe為正。當晶體管Q1斷開時，FET Q6和晶體管對Q2和Q3在電容器C1充電期間保持斷開。在交流輸入的負半周，晶體管Q1的基極-發射極電壓Vbe轉為負，Q1將接通，這使FET Q6接通并使電容器C1放電。
來自一個輸入端子的交流信號通過電阻器R3和R4加到二極管D4的正極，所述二極管的功能與二極管D1相同，起半波整流器作用，僅僅通過交流輸入的正半周。經整流的輸入功率從二極管D4被傳送到存儲電容器C3，以儲存輸入的能量。與電容器C1相同，電容器C3在交流輸入的每個正半周中充電。齊納二極管D5用以限制電容器C3兩端的電壓，并相對獨立于交流輸入電壓使存儲的電荷標稱化。當晶體管Q1接通時，電容器C3經由晶體管Q1的發射機-集電極電路和電阻器R5放電到FET的柵極。此電路將提供必要的電壓以接通FET Q6。這樣選擇電容器C3和齊納二極管D5、使得電容器C3在達到Ipk值所需的時間間隔中僅僅存儲接通FET Q6所需的能量。通過減少所述電路的功率消耗，它提高了所述電路的效率。連接在二極管D4兩端的電容器C4用于濾除來自交流輸入電源的噪音。
當FET Q6導通時，來自電容器C1的電流涌過FET Q6上升以便傳送能量到變壓器T1的初級繞組。所述電流上升導致當R2兩端的電壓增長到所選的參考電壓Vref時晶體管Q3接通。當晶體管Q3接通時，它將接通晶體管Q2。晶體管Q2和Q3形成門閂電路，它通過壓低FET Q6柵極連接線的電壓而斷開FET Q6。此門閂電路將FETQ6保持在斷開狀態，直到電容器C3放電并且到達晶體管Q2和Q3的電源電流耗盡，從而斷開該門閂電路。電阻器R6和R7用于決定斷開門閂電路的電平。電容器C5并聯于電阻器R6，用以減少控制電路中產生的誤觸發。當FET Q6斷開時，在變壓器T1初級繞組中建立的磁場將消失，初級繞組中的能量將傳送到次級繞組。
齊納二極管D6的負極通過R5連接到FET Q6的柵極，用以防止Q6柵極上的電壓達到可以損壞Q6或導致其不正常工作的電平。在FET Q6的柵極處，二極管D7連接在所述FET的源極和柵極之間以防止出現負峰值，并且另一個二極管D8與電阻器R5并聯，用以當FET柵極處的電壓被門閂電路減小時迅速地斷開FET。
當至此描述的電路用于涉及寬的工作溫度范圍的應用場合時，晶體管Q2和Q3的基極-發射極結特性可隨溫度而改變，這又可以改變FET Q6接通和斷開的時間間隔。具體地說，晶體管的接通電壓(電阻器R7兩端的電壓)可隨溫度而改變。要避免時間間隔的這種變化，可將包括一對晶體管Q4和Q5的低功率比較器連接到FET Q6的柵極和源極。此比較器具有在電阻器R7上產生陡階梯式電壓變化的效果，因而晶體管Q3的接通時間總是大致相同，而不管因溫度改變而使接通晶體管Q3所需的特定電平如何變化。
所述比較器包括由電阻器R8和R9構成的分壓器，它設置比較器的參考電壓Vref。此分壓器將FET Q6的接通電壓的一部分加到晶體管Q4的基極，而第二晶體管Q5的基極接收來自電阻器R2的FET側電壓。當電阻器R2兩端的電壓增長到等于參考電壓Vref時，晶體管Q5斷開，晶體管Q4接通，將由電阻器R10設定的電流引導到電阻器R7。在電阻器R7上產生的電壓接著接通門閂電路并斷開FETQ6。Q4和Q5的基極-發射極電壓都對溫度很敏感，因而當溫度改變時，它們都將改變，從而避免因溫度改變而使FET的接通或斷開時間間隔有任何變化。
圖2描述修改的控制電路10，它在交流輸入的每個負半周內以多個時間增量中使電容器C1放電，而不是如圖1電路中那樣以單一增量。以多個時間增量使電容器C1放電允許放電時間間隔較短，同時，每個脈沖的能量較小，這又允許使用較小的變壓器。在具有相對較大的功率要求、導致需要較大尺寸的變壓器的應用場合，這可以有明顯的優勢。
在圖2電路中，與圖1相同，來自一個輸入端子10a的交流信號通過熔絲F1和電阻器R1加到二極管D1的正極，所述二極管起半波整流器作用，僅僅使交流輸入的正半周通過。電阻器R1起限流電阻的作用，它在二極管D1導通時限制來自輸入端子的能量沖擊。整流后的輸入功率從二極管D1被傳送到存儲電容器C1，以儲存輸入的能量。電容器C1在交流輸入的每個正半周期間被充電，并周期性在D1不導電的時間間隔內放電。這可以在所述功率傳送到輸出端期間有效地將電源與交流輸入線路斷開。當電容器C1放電時，存儲的能量流經與包括FET的集成電路20串聯的變壓器T1初級繞組Lp。
集成電路20是脫機轉換開關，如加州Sunnyvale市PowerIntegrations公司生產的TNY253、254或255。這些集成電路包括高壓功率MOSFET、振蕩器、高壓開關電流源以及限流和熱斷路電路。所述集成電路包括漏極管腳D，它是MOSFET的漏極連接線，為啟動和穩態工作提供內部工作電流；源極管腳S，它是MOSFET的源極連接線；旁通管腳BP，用于連接到作為內部生成電源的外部旁通電容器C10；以及使能管腳EN，當該管腳為高電平時將允許MOSFET接通、并且通過將管腳電位壓低到低電平來允許MOSFET截止。只要使能管腳EN保持高電平，則在振蕩器輸出的每個周期的開端，內部振蕩器將使MOSFET接通。當電流躍升到電流極限值時MOSFET斷開，然后，在振蕩器輸出的下一個周期的起點，MOSFET再次接通。MOSFET的接通和斷開循環將繼續下去，直到使能管腳EN的電位被壓低到低電平。
返回到圖2，使能管腳EN上的電壓電平由晶體管Q10控制。一對晶體管R10和R11構成分壓器，它決定何時接通晶體管Q10，這發生在晶體管Q10基極的電壓達到所選的閾電壓VT1。當晶體管Q10接通時，管腳EN的電平被壓低以防止集成電路20中MOSFET的切換。當晶體管10基極的電壓下降到低于閾電壓VT1時，晶體管Q10斷開，這導致使能管腳EN上的電壓轉高、使得MOSFET可以在振蕩器輸出的下一個周期的起點接通。當晶體管Q10斷開時，連接于電容器C1正極和管腳EN之間的電阻器R12將決定管腳EN上的電壓電平。
齊納二極管D10的負極連接到集成電路20的使能輸入端EN，用以防止輸入端EN的電壓達到可以損壞FET或導致不正常工作的電平。電容器C10從開關模塊20的BP端子接地，用以減少所述模塊中的誤觸發。
雖然以上已經參考回掃功率傳送系統描述了本發明的使用，但是，顯然，其他類型的傳送系統也是可以使用的。
權利要求
1.一種電源系統，它包括交流電源，包括電容器的脫機電源，用于在第一選擇時間間隔期間存儲來自所述交流電源的能量并在第二選擇時間間隔期間將所述存儲的能量的至少一部分轉換為直流輸出，在所述第二選擇時間間隔期間斷開所述脫機電源與所述交流電源的連接的電源開關裝置，至少所述第一選擇時間間隔與所述交流電源同步、以便在所述電源系統正常工作期間的所述第二選擇時間間隔期間、確保所述脫機電源與所述交流電源斷開連接，以及功率調節裝置，它具有帶初級繞組的變壓器；用于在所述第二選擇時間間隔期間從所述電容向所述初級繞組提供電流的裝置；以及用于在預先選定的峰值電平的條件下并且基本上與溫度無關地中斷流到所述初級繞組的電流的裝置。
2.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述功率調節裝置包括控制開關，用以響應代表所述預先選定的峰值電流電平的電壓而控制所述中斷裝置，所述電壓的峰值電平不管所述交流輸入電壓如何改變而基本上保持恒定、使得傳送到所述直流輸出端的能量基本上保持恒定。
3.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述功率調節裝置包括第二電容，用以存儲觸發所述電源開關裝置及操作所述控制開關所需的能量。
4.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述第一選擇時間間隔至少是來自所述交流電源的所述輸入信號的正半周的一部分。
5.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述第二選擇時間間隔發生在來自所述交流電源的所述輸入信號的負半周內。
6.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括用于在每個所述第二選擇時間間隔中將基本上恒定量的所述存儲的能量轉換為所述直流輸出的裝置。
7.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括電容器和連接到所述電容器的可控開關裝置，前者用以在所述第一選擇時間間隔期間存儲來自所述交流電源的所述能量，后者用于控制所述第二選擇時間間隔。
8.如權利要求7所述的電源系統，其特征在于所述可控開關裝置與來自所述交流電源的交流輸入信號保持同步。
9.如權利要求7所述的電源系統，其特征在于包括控制裝置，用以在所述第一選擇時間間隔期間以及在每個所述第二選擇時間間隔中從所述電容器釋放選定量的能量后將所述開關裝置斷開。
10.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于包括用于在多個第二選擇時間間隔中每個所述第二選擇時間間隔連續對之間將所述存儲的能量的至少一部分轉換為所述直流輸出的裝置。
11.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于包括用于當來自所述電源的所述交流輸入信號高于預定閾值電壓時存儲來自所述交流電源的所述能量的裝置，以及當所述交流輸入信號低于所述閾值電壓時將所述存儲的能量轉換為所述直流輸出的裝置。
12.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括接收來自所述電源的交流信號的半波整流器以及接收來自所述整流器輸出的存儲電容器。
13.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括用于在所述第二選擇時間間隔期間基本上恒定地向所述直流輸出端傳送所述存儲的能量的裝置。
14.如權利要求1所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括用以接收所述存儲的能量的變壓器以及用于在所述第二選擇時間間隔期間形成傳送所述存儲的能量到所述變壓器的路徑的開關裝置。
15.如權利要求14所述的電源系統，其特征在于包括用于在每個所述第二選擇時間間隔中的多個時間段期間形成傳送所述存儲的能量到所述變壓器的路徑的裝置。
16.一種電源系統，它包括交流電源，以及包括電容器的脫機電源，用以在第一選擇時間間隔期間存儲來自所述交流電的能量并且在第二選擇時間間隔期間將所述存儲的能量的至少一部分轉換為直流輸出，至少所述第一時間間隔保持與所述交流電源的頻率同步，在所述第二選擇時間間隔期間斷開所述脫機電源與所述交流電源的連接的電源開關裝置，以及功率調節裝置，它具有配備初級繞組的變壓器；用于在所述第二選擇時間間隔期間從所述電容向所述初級繞組提供電流的裝置；以及用于響應代表預先選定的峰值電流電平的電壓而中斷流到所述初級繞組的電流的控制開關，所述電壓的峰值電平不管所述交流輸入電壓的改變而基本上保持恒定、使得傳送到所述直流輸出端的能量基本上保持恒定，所述功率調節裝置還包括第二電容器，用以存儲觸發所述電源開關裝置及操作所述控制開關所需的能量量。
17.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于至少所述第一選擇時間間隔與所述交流電源保持同步。
18.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述第一和第二選擇時間間隔與所述交流電源保持同步。
19.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述第一選擇時間間隔是來自所述交流電源的輸入信號的正半周的至少一部分。
20.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述第二選擇時間間隔發生在來自所述交流電源的輸入信號的負半周內。
21.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括用于在每個所述第二選擇時間間隔中將基本上恒定量的所述存儲的能量轉換為所述直流輸出的裝置。
22.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括電容器和連接到所述電容器的可控開關裝置，前者用以在所述第一選擇時間間隔期間存儲來自所述交流電源的所述能量，后者用以控制所述第二選擇時間間隔。
23.如權利要求22所述的電源系統，其特征在于所述可控開關裝置與來自所述交流電源的交流輸入信號保持同步。
24.如權利要求22所述的電源系統，其特征在于包括控制裝置，用以在所述第一選擇時間間隔期間并且在每個所述第二選擇時間間隔中從所述電容器釋放選定量的能量后將所述開關裝置斷開。
25.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于包括用于在多個第二選擇時間間隔中每個所述第二選擇時間間隔連續對之間將所述存儲的能量的至少一部分轉換為所述直流輸出的裝置。
26.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于包括用于當來自所述電源的所述交流輸入信號高于預定閾值電壓時存儲來自所述交流電源的所述能量的裝置，以及當所述交流輸入信號低于所述閾值電壓時將所述存儲的能量轉換為所述直流輸出的裝置。
27.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括接收來自所述電源的交流信號的半波整流器以及接收來自所述整流器的輸出的存儲電容器。
28.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括用于在所述第二選擇時間間隔期間基本上恒定地向所述直流輸出端傳送所述存儲的能量的裝置。
29.如權利要求16所述的電源系統，其特征在于所述脫機電源包括用以接收所述存儲的能量的變壓器以及用于在所述第二選擇時間間隔期間形成傳送所述存儲的能量到所述變壓器的路徑的開關裝置。
30.如權利要求29所述的電源系統，其特征在于包括用于在每個所述第二選擇時間間隔中的多個時間段期間形成傳送所述存儲的能量到所述變壓器的路徑的裝置。
31.一種從交流電源提供備用直流功率的方法，所述方法包括在第一選擇時間間隔期間用電容存儲來自所述交流電源的能量，并在第二選擇時間間隔期間將所述存儲的能量的至少一部分轉換為直流輸出，在所述第二選擇時間間隔期間斷開所述電容與所述交流電源的連接，至少所述第一選擇時間間隔保持與所述交流電源同步，以確保在所述電源系統正常工作期間在所述第二選擇時間間隔期間所述電容與所述交流電源斷開連接，在所述第二選擇時間間隔期間從所述電容器向變壓器的初級繞組提供電流，在預先選定的峰值電流電平的條件下并且基本上與溫度無關地中斷向所述初級繞組的電流流動。
32.一種從交流電源提供備用直流功率的方法，所述方法包括在第一選擇時間間隔期間用電容存儲來自所述交流電源的能量，并在第二選擇時間間隔期間通過利用所述存儲的能量向變壓器的初級繞組提供電流來將所述存儲的能量的至少一部分轉換為直流輸出，至少所述第一時間間隔保持與所述交流電源的頻率同步，在所述第二選擇時間間隔期間斷開所述脫機電源與所述交流電源的連接，在所述第二選擇時間間隔期間從所述電容器向變壓器的初級繞組提供電流，響應代表預先選定的峰值電流電平的電壓而中斷向所述初級繞組流動的電流，所述電壓的峰值電平不管所述交流輸入電壓如何變化而基本上保持恒定、使得傳送到所述直流輸出端的的所述能量基本上保持恒定，以及在第二電容器存儲觸發所述電源開關裝置及操作所述控制開關所需的能量。
全文摘要
一種電源系統(圖1)包括交流電源(10a和10b)；以及脫機電源，用以在第一選擇時間間隔期間存儲來自交流電源的能量(C1)并在第二選擇時間間隔期間將存儲的能量的至少一部分轉換為直流輸出(11a和11b)。二極管(D1)或其他開關在第二選擇時間間隔期間斷開脫機電源與交流電源的連接，以減少傳導的電磁干擾。第一和第二選擇時間間隔最好與交流電源的頻率同步。
文檔編號H02M1/00GK1418397SQ01806659
公開日2003年5月14日 申請日期2001年1月19日 優先權日2000年1月19日
發明者K·W·凱澤爾, K·茲薩姆波基, R·A·紹夫爾 申請人:偏壓電力技術公司