專利名稱：具有擴(kuò)展保持時(shí)間的開關(guān)電能轉(zhuǎn)換器的制作方法
具有擴(kuò)展保持時(shí)間的開關(guān)電能轉(zhuǎn)換器本發(fā)明涉及一種電源，尤其一種具有擴(kuò)展保持的開關(guān)電源，以及一種操作該電源的方法。

圖1示意性示出了一種開關(guān)電源。交流輸入源2通過涌入電阻器4連接到產(chǎn)生整流電壓的整流器6。整流電壓進(jìn)而被提供給功率因子校正(PFC)級(jí)8，該功率因子校正典型地是8是升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器8的輸出典型地是比整流器6提供的峰值輸入電壓高的電壓。通過提供一個(gè)或者多個(gè)dc輸出電壓的dc-dc開關(guān)模塊10，將升壓轉(zhuǎn)換器8的輸出轉(zhuǎn)換成需要的輸出電壓。在PFC級(jí)8的輸出上提供具有多種功能的電容器12。電容器12的第一個(gè)功能是減少PFC級(jí)8輸出上的紋波電壓，該紋波電壓是由整流器6上的ac輸入電能引起的，該ac 輸入電能在PFC級(jí)的輸出上產(chǎn)生IOOHz紋波。電容器12用作將紋波電壓平滑掉的平滑電容器。當(dāng)然，紋波電壓是由紋波電流生成的，所以平滑電容器12需要足夠大以傳導(dǎo)該紋波電流。因此，承載紋波電流的需求也帶來對(duì)電容器12的最低要求。而且，電容器12通常被實(shí)現(xiàn)為產(chǎn)生特定電容的電解電容器，在這樣的電解電容器中，可允許的紋波電流是頻率的函數(shù)。PFC級(jí)8和開關(guān)模塊10兩者均使用高頻開關(guān)，這造成對(duì)電容器的較大應(yīng)力，要求電容器12的最小電容。在確定電容器12的所需大小時(shí)通常最重要的第三個(gè)因素是需要電容器12處理系統(tǒng)的保持需求。為了保證開關(guān)模塊10的正確操作，甚至在輸入ac線電壓的完全失去之后， 也需要在較短時(shí)段上將電容器12上的PFC級(jí)8的輸出電壓保持在最小值之上。為了實(shí)現(xiàn)較長的保持時(shí)間，需要大的電容器12。然而，大電容器12的使用會(huì)帶來幾個(gè)問題。首先，在電路板面積和體積兩方面，電容器的尺寸較大可能都不方便。第二，電解電容器的使用經(jīng)常導(dǎo)致有限的使用壽命，尤其因?yàn)殡娙萜魇艿絹碜约y波和開關(guān)電流的應(yīng)力。第三，當(dāng)開啟設(shè)備和對(duì)電容器12充電時(shí)，電容器12的較大值會(huì)給它帶來較高的涌入電流。電容12器需要能夠處理涌入電流，該涌入電流也會(huì)對(duì)其它部件造成應(yīng)力。雖然該涌入電流能夠被涌入電阻器4減少，但是甚至在正常操作中這種電阻器也會(huì)使電壓下降和引起損失。因此在開關(guān)電源中減小所需電容是有益的。在EP 0945 968已提出了一種使用兩個(gè)電容器的電路。在這種情況下，經(jīng)過限制電阻器從輸出電容器對(duì)保持電容器充電。根據(jù)本發(fā)明，提供了根據(jù)權(quán)利要求1的電路通過在磁部件上纏繞附加的線圈來給保持電容器充電，可以優(yōu)化地利用電容器的能量存儲(chǔ)。線圈的使用允許對(duì)第一線圈和第二線圈的匝數(shù)比進(jìn)行選擇，以在保持電容器上產(chǎn)生最優(yōu)電壓。可以基于最大能量存儲(chǔ)、或給定價(jià)格的最大能量存儲(chǔ)、和/或基于當(dāng)ac功能停止時(shí)在“保持”階段期間用于驅(qū)動(dòng)電路的最佳電壓，來相應(yīng)地選擇保持電容器。 保持電容器沒有至干線的直接路徑。因此不會(huì)通過涌入電流脈沖對(duì)保持電容器充電。次級(jí)涌入也能夠被有效減少。
由于對(duì)充電電壓的最優(yōu)和適應(yīng)性選擇，可以將保持電容器34制造得較小。特別地，可以將保持電容器的充電電壓限制在輸出電容器處的電壓以下。由于保持電容器34不是永久使用的，所以可以使用更便宜和更小電容，而不會(huì)不利地影響轉(zhuǎn)換器的可靠性。為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照附圖，僅示例性地描述實(shí)施例，附圖中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)電源模塊；圖2示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例；圖3示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例；圖4示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例；圖5示出了本發(fā)明的第四實(shí)施例；以及圖6示出了本發(fā)明的第五實(shí)施例。
附圖是示意性的，而未按照比例。參見圖2，本發(fā)明的示例實(shí)施例具有升壓轉(zhuǎn)換器形式的改進(jìn)的PFC級(jí)。輸入ac源2連接到全波整流器6，該整流器6輸出整流dc信號(hào)到高側(cè)和低側(cè)dc 線20，22。高側(cè)dc線20通過升壓繞組(S卩，升壓線圈24)和開關(guān)沈，連接到低側(cè)dc線22。 二極管觀將升壓線圈M連接到高側(cè)輸出端子30 ；低側(cè)輸出端子32連接到低側(cè)dc線22。 輸出電容器12設(shè)置在輸出端子30，32上。這些部件形成了相對(duì)常規(guī)的用作PFC級(jí)的升壓轉(zhuǎn)換器，通過在控制器(未示出) 的控制下對(duì)開關(guān)沈進(jìn)行開關(guān)來增大在輸出端子30，32上的輸出電壓。輸出端子30，32上的輸出電壓將稱為U。ut。為了在ac輸入停止時(shí)提供附加的保持，即，持續(xù)的電能，在低側(cè)dc線22和通過保持開關(guān)38連接到高側(cè)dc線20的保持節(jié)點(diǎn)36之間提供保持電容器34。當(dāng)發(fā)生電力故障時(shí)，閉合保持開關(guān)38，以連接高側(cè)和低側(cè)dc線20，22上的保持電容器34，來提供附加的操作時(shí)間。為了給保持電容器充電，通過充電電流限制電阻器42和二極管44，在電容器34上連接保持線圈40。保持線圈40通過作為與升壓線圈M的相同芯上的附加線圈，來磁連接至升壓線圈對(duì)。升壓線圈24(原級(jí))具有Np個(gè)匝，以及保持線圈40 (次級(jí))具有Ns個(gè)匝。比率 (Ns/Np)稱為匝數(shù)比。在多個(gè)線路周期之后，在保持電容器；34上達(dá)到電壓U。= (Ns/Np)Uouto如果輸入電壓降低，則閉合保持開關(guān)38，并使用保持電容器34上的存儲(chǔ)能量來保持電路的升壓操作。上述電路提供了優(yōu)于圖1電路的許多優(yōu)點(diǎn)。首先，通過保持電容器34輔助輸出電容器12執(zhí)行其保持任務(wù)，所以輸出電容12只需要足夠大來適當(dāng)?shù)販p小由波動(dòng)的輸入電壓紋波引起的輸出電壓上的紋波。通常地，這允許相比于圖1布置，小得多的輸出電容器12。 這甚至可以允許輸出電容器是薄膜電容器，來代替電解電容器——這種薄膜電容器具有較長的使用壽命以及不受紋波電流影響。而且，使用較小的輸出電容器12會(huì)帶來較低的涌入電流，所以可以避免使用涌入電流限制器4(圖1)，然而如果需要，這種限制器當(dāng)然也可以被使用。由于從在同一芯的次級(jí)線圈給保持電容器34充電，所以可以簡單地通過選擇合適的匝數(shù)比，來任意選擇保持電容器能夠被充電至的電壓。這就允許針對(duì)給定價(jià)格下最佳存儲(chǔ)能量，來最優(yōu)地選擇保持電容器。而且，可以使用具有較高等效串聯(lián)電阻(ESP)的低成本電容器。比較上述電路與EP 945 968中提出的電路，關(guān)鍵不同在于保持電容器是通過線圈充電的，而不是通過與輸出電壓串聯(lián)的電阻器。這允許最優(yōu)地選擇電容器上的電壓。相反，在EP 945 968中，保持電容器連接到輸出端子，所以它僅能被充電到與輸出相同的電壓。而且，注意到在EP 945 968中保持電容器在輸入電力故障的情況下也被連接到整流器的輸出，所以在正在由保持電容器提供電能的情況下，升壓轉(zhuǎn)換器輸入處的電壓與輸出電壓相同。在EP 945 968中提出的電路的另一缺點(diǎn)在于，在正常操作期間，保持電容器被連接到輸出端子，持續(xù)地通過電阻器充電并通過二級(jí)管放電。這會(huì)導(dǎo)致電阻器和二極管中的持續(xù)損失以及較低效率。圖3示出了備選布置。在這種情況下，保持開關(guān)38是在保持電容器34的低側(cè)和低側(cè)dc線22之間連接的低側(cè)開關(guān)。保持電容器34的高側(cè)被直接連接到高側(cè)輸出端子20。 這樣，在失去輸入ac電能的情況下通過閉合低側(cè)開關(guān)，內(nèi)部充電電路在效果上成為浮置的并僅連接到地?？梢允褂幂斎腚妷篤in或者電容器C12上的電壓來進(jìn)行這種檢測。圖2和圖3的實(shí)施例均包括充電電流限制電阻器42。圖4示出了備選布置，其中在保持電容器；34和高側(cè)dc線20之間提供充電電流限制電阻器46。旁路二極管48用于當(dāng)保持電容器34正保持dc線20，22上的電壓時(shí)，在保持操作時(shí)段期間旁路限制電阻器46?，F(xiàn)在說明該限制電阻器46的功能。鑒于輸出電容器12的大小比圖1實(shí)施例中的小，這意味著鑒于較低輸入涌入電流，在正常操作期間可以不需要限制電阻器4(圖1)。然而，在保持開關(guān)38已經(jīng)被閉合之后ac線電能返回的情況下，由保持電容器34 和輸出電容器12形成的大得多的電容在這種情況下將引起大的次級(jí)涌入電流。為了限制該涌入電流，尤其是對(duì)于保持電容器34而言，在線20和線圈保持電容器34之間提供充電電流限制電阻器46。圖5示出了另一實(shí)施例，對(duì)圖2布置進(jìn)行了修改，其中使用另一方法來對(duì)抗次級(jí)涌入電流。在這個(gè)實(shí)施例中，使用閘流管實(shí)現(xiàn)保持開關(guān)38。這具有的優(yōu)點(diǎn)在于，閘流管僅在預(yù)定方向?qū)?，所以從保持電容?4到dc線20，22的能量流動(dòng)是可能的，但當(dāng)ac電能恢復(fù)時(shí)對(duì)保持電容器直接充電是不可能的。圖5也示出了另一修改，其也可以結(jié)合到圖2到4的實(shí)施例中。在圖5的實(shí)施例中，在保持電容器34和保持線圈40的回路中提供附加開關(guān)50。該附加開關(guān)能夠被控制來最優(yōu)化保持電容器的電壓和充電。特別地，附加開關(guān)50 允許將保持電容器；34充電到由輸出電壓和匝數(shù)比確定的不同電壓。這在輸出電壓可能改變的情況下尤其有益。雖然圖5中的電路是圖2的修改，但是該電路也可以是圖3或4的修改。特別地， 閘流管也可以備選地參考地。以上所有實(shí)施例均在PFC電路中結(jié)合了保持電容器。然而，可以使用一種相似的方法，其中保持電容器被結(jié)合到隨后的電路中，例如次級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí)。圖6就是這種類型電路的示例。
在這種情況下，PFC級(jí)8是常規(guī)的PFC級(jí)，其向次級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí)70提供饋送，這里，次級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí)70是反激式轉(zhuǎn)換器，包括磁耦接至輸出線圈62的第一線圈60，該輸出線圈62 進(jìn)而通過二極管觀耦接至輸出端子30，32，輸出端子30，32上具有輸出電容器12第一線圈與開關(guān)沈串聯(lián)連接在PFC級(jí)8的高側(cè)和低側(cè)dc線64，66上；PFC輸出電容器68存在于這些dc線上。保持電容器34具有連接到PFC的低側(cè)輸入的一側(cè)、以及通過保持開關(guān)38連接到 PFC級(jí)8的高側(cè)輸入的另一側(cè)。保持電容器的位置和通過線圈對(duì)其充電的方式保證了在反激式段的正常周期期間不對(duì)保持電容器充電和放電。在備選的實(shí)施例中，保持電容器34通過保持開關(guān)38連接到高側(cè)dc線64，并直接到低側(cè)dc線66。為了給保持電容器34充電，保持線圈40通過二極管44和限制電阻器42連接在保持電容器上。保持線圈由與第一線圈60和輸出線圈62相同的芯上的附加線圈形成。在使用中，保持線圈40、二極管44和限制電阻器42的電路對(duì)保持電容器緩慢地充電。正如以上實(shí)施例描述的一樣，可以調(diào)整匝數(shù)比隊(duì)/乂來選擇保持電容34的電壓水平以最優(yōu)化能量存儲(chǔ)。相應(yīng)地，本實(shí)施例，正如以上的實(shí)施例一樣，由于原始輸出電容器12不再提供保持功能，僅減小紋波電壓，所以原始輸出電容器12在大小上被減小。否則它的大小和值僅由rms電流確定。如果使用利用了備選技術(shù)的電容器，比如薄膜電容器，則最大允許輸出電壓紋波將確定必要的電容值。尤其注意，使用上述電路，可以通過選擇合適的匝數(shù)比來調(diào)整來保持電容器34上的電壓，以在保持開關(guān)38被閉合時(shí)最小化保持電流。以上討論的關(guān)于在圖3、4和5中的圖2實(shí)施例的相似的可替換也可以利用圖6的電路，也可以實(shí)現(xiàn)參照?qǐng)D2所述的圖3、4和5實(shí)施例的相似的備選方案。例如，可以用在保持電容器34和PFC的低側(cè)輸入或者低側(cè)dc線66之間的低側(cè)開關(guān)，代替圖6的開關(guān)38，這與參照?qǐng)D3的上述實(shí)施例的方式類似?？梢允褂秒娮杵骱投O管的組合，來在開關(guān)38閉合， ac電能恢復(fù)時(shí)限制涌入電流，這與參照?qǐng)D4的上述實(shí)施例的方式類似。可替換地，開關(guān)38 可以通過閘流管實(shí)現(xiàn)，與圖5的方式類似。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解實(shí)現(xiàn)本發(fā)明能夠以多種可替換的方式實(shí)現(xiàn)。比如，圖6示出了使用反激式轉(zhuǎn)換器的電路的具體實(shí)施方式
，但是也可以使用其它電路，比如LLC共振轉(zhuǎn)換器，或者確實(shí)地，可以使用具有線圈的任何電路，其中可以向該線圈添加附加線圈來對(duì)保持電容器充電。次級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí)可以是，比如，附加的備用次級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí)。本發(fā)明能夠在使用功率因子校正電路的任何應(yīng)用中使用。相應(yīng)地，應(yīng)用包括用于信息技術(shù)電源的適配器，比如膝上型電腦，傳真機(jī)，打印機(jī)，臺(tái)式打印機(jī)，消費(fèi)電器適配器， dvd播放器，移動(dòng)電話充電器以及類似的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源模塊，包括高側(cè)和低側(cè)輸出端子(30，32)；在所述輸出端子上的輸出電容(12)；高側(cè)和低側(cè)dc線(20，22)；第一線圈(M，60)和第一開關(guān)( )，第一開關(guān)06)被配置為對(duì)經(jīng)由第一線圈(M，60) 來自dc線的電能進(jìn)行開關(guān)，以將電能傳遞至輸出端子(30，32)；保持電容器(34)，用于向dc線提供保持電能；其特征在于第二線圈(40)，耦接至第一線圈04，60)，第二線圈連接在保持電容器(34)上，用于對(duì)保持電容器(34)充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源模塊，其中，第一線圈是功率因子校正級(jí)中的電感器，第二線圈是第一線圈的芯上的分立線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源模塊，其中，第一線圈(M)、第一開關(guān)(沈)、和輸出端子(30，32)被配置成升壓轉(zhuǎn)換器，第二線圈GO)是在與第一線圈04)相同的芯上的附加線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源模塊，還包括功率因子校正級(jí)(8)和次級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí) (70)，其中，第一線圈04)是次級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的電感器，第二線圈GO)是第一線圈04)的芯上的分立線圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源模塊，其中，所述第一線圈是磁耦接至輸出線圈 (62)的反激式轉(zhuǎn)換器的第一線圈(60)，輸出線圈(62)連接至高側(cè)和低側(cè)輸出端子(30，32) 以及輸出電容器(12)，其中第二線圈00)是在與第一線圈(60)相同的芯上的附加線圈。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的開關(guān)電源模塊，其中，保持電容(34)與保持開關(guān)(38)串聯(lián)連接在dc線(20，22)之間；以及第二線圈00)通過二級(jí)管04)連接在保持電容器(34)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)電源模塊，其中保持開關(guān)(38)是連接在保持電容器 (34)和低側(cè)dc線(22)之間的低側(cè)開關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的開關(guān)電源模塊，進(jìn)一步包括串聯(lián)在第二線圈00)和保持電容器(34)之間的電流限制元件(42,46) 0
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)電源模塊，進(jìn)一步包括與電流限制元件06)并聯(lián)的二極管(48)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9之一所述的開關(guān)電源模塊，其中保持開關(guān)(38)是閘流管。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的開關(guān)電源模塊，進(jìn)一步包括全波整流器，連接到dc 線00，22)，用于對(duì)ac電能進(jìn)行整流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)電源模塊，進(jìn)一步包括在全波整流器的輸出上的功率因子校正級(jí)(8)，所述dc線是所述功率因子校正級(jí)(8)的輸出。
全文摘要
具有PFC級(jí)的電源模塊具有用于當(dāng)ac供電(2)停止之后的一段時(shí)間上繼續(xù)輸出功率的保持電容器(34)。由從第一線圈(24)磁驅(qū)動(dòng)的線圈(40)對(duì)保持電容器充電；第一線圈(24)可以是用于升壓轉(zhuǎn)換器級(jí)的線圈，比如通常用于PFC級(jí)，或者替換地，在比如反激式轉(zhuǎn)換器等備選級(jí)中的線圈。
文檔編號(hào)H02M3/335GK102265492SQ200980152876
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者托馬斯·A·杜厄巴姆, 漢斯·哈貝爾施塔特, 約翰·B·D·庫布里克, 馬庫斯·施密德 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司