非隔離的ac到dc功率器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于從相對高電壓交流電(AC)中提供相對低電壓直流電(DC)的電源電路。
【背景技術(shù)】
[0002]許多小家電具有由小的低功率微處理器驅(qū)動的、以LED和LCD讀出為特征、并且通過三端雙向可控硅開關(guān)控制或繼電器控制諸如電機、加熱器等的電子功能的觸摸板用戶界面。常見示例包括烤箱、咖啡機和攪拌器，但也存在用于消費者和工業(yè)的許多其他此類設備。
[0003]通常控制像烤箱燒烤加熱元件的高功率功能的這些用戶界面和控制電路都使用很小的功率。它們很少完全被切斷，而取而代之處于空閑狀態(tài)，其中微控制器等待檢測來自用戶的命令。
[0004]在大多數(shù)實例中，這些內(nèi)部電子控制電路不與AC干線電源電隔離，而是依賴于用戶界面的物理隔離。根據(jù)配置，電子器件沒有理由被真地隔離，因為不存在直接接入，即使它們跑掉(run off)例如低3.3V或5V供應。
[0005]類似地，另一非隔離功率應用是用于低功率LED照明。夜燈使用小電源來驅(qū)動傳感器和一個或多個低功率LED。高功率應急照明可利用被“涓流”充電的電池以在AC可用時間期間維持其電荷，但可在AC關(guān)閉短周期時(諸如在停電期間)使用電池電源來提供明亮照明。
[0006]這些都是消耗少量的低電壓功率(在用戶界面的情況中常常小于0.5W左右以及在照明器件的情況中每LED小于大約150mW)的電子設備的示例。將來自高壓AC的功率提供至這些設備在過去已使用四種主要類型的電源一電阻式下電路器(dropper)、電容式下電路器、線性變壓器電路和開關(guān)式電源。
[0007]電阻式下電路器電路非常簡單并且提供低電平的DC電流。圖1示出了示例性電阻式下電路器電路。此處，輸入AC使其電壓通過包括電阻Rd的分壓器進行降低。所得的低電壓AC由橋接電路102進行整流，并且經(jīng)整流的輸出通過存儲電容器Cres和調(diào)節(jié)器二極管Dreg的組合進行平滑以提供低電壓DC輸出電壓V輸出。此電路是非常低效的，其需要大功率電阻器Rd并且需要分流調(diào)節(jié)級(Dreg)來吸收過量電流。
[0008]例如，如圖2所示，電容式下電路器電路用大電容器Cd來代替功率電阻器Rd以從AC中供應電流。因為電容器Cd是無功器件，在電容器中沒有消耗功率，所以電容式下電路器比電阻式下電路器更高效。然而，電流源是未經(jīng)調(diào)節(jié)的，因此其仍然需要分流調(diào)節(jié)級(Dreg)來吸收過量電流。因此，該電路總是消耗負載所需的最大功率，使得在負載消耗比峰值低的功率時，并且在使用比規(guī)定最小輸入AC電壓高的AC電壓時，該電路非常低效。
[0009]通過使用如圖3所示的線性變壓器Tl，AC電壓可被降低至低電平，并且接著被整流(通過二極管D1、D2、D3和D4的低電壓橋接電路)并被平滑。隨后通過調(diào)節(jié)器302調(diào)節(jié)輸出電壓以消除由于負載和AC電壓變化引起的變化。此電路簡單并且僅消耗由負載所使用的功率(g卩，沒有必要分流過量電流)。然而，歸因于變壓器鐵心中的損耗，線性變壓器即使在無負載情況下仍耗散功率。此外，變壓器還是相對大且昂貴的部件。
[0010]高頻開關(guān)電源可以是相當有效的，但實現(xiàn)昂貴、復雜、并且通常需要相當大的技能來實現(xiàn)正確的操作和滿足射頻干擾要求。圖4示出了使用開關(guān)模式電源(SMPS)402的示例性布置。此處，404是為SMPS 402提供控制輸入的反饋網(wǎng)絡。部件D1、Cl、D2、C2和LI示出了 SMPS的典型的輸入和輸出電路。SMPS的操作的基礎是以高頻率不斷地切換，從而將少量能量存儲在電感器中，并且將此能量轉(zhuǎn)移至負載。通過控制切換的占空比，從而調(diào)制存儲在電感器中的能量(即，接通時間與關(guān)機時間的比率)來改變輸出電壓。
[0011 ] 雖然這些方法各自提供從高壓AC干線電源得到低壓電源的手段，然而每個具有顯著的缺點，諸如低效率、大覆蓋范圍、昂貴的部件、和/或?qū)崿F(xiàn)的困難。因此，提供一種改進的供電方法將是本領(lǐng)域中的進步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本方法提供AC到DC電源的基本上不同的概念。在此工作中，首先整流輸入AC電壓?？墒褂萌ɑ虬氩ㄕ?。隨后，將經(jīng)整流的AC電壓提供至串聯(lián)連接的模擬電流阻擋(blocking) (ACB)元件。在串聯(lián)連接的ACB元件之后，分流(shunt)電容可被提供作為輸出DC電壓或電流的電荷庫(即，積分電路)。串聯(lián)連接的ACB元件具有至少下面的操作模式:低電阻(LR)模式和高電阻(HR)模式，其中當通過ABC元件的電流達到限制電流I,時，ABC元件自動朝向HR模式轉(zhuǎn)變。有利的是還在這兩個操作模式之間包含負微分電阻(NDR)區(qū)域，而不是速動(fast acting)開關(guān)，其接近于LrR和HR模式之間的瞬時轉(zhuǎn)變。當ACB元件兩端的電壓低于復位電壓Vsft時，ACB元件也自動地朝向LR模式轉(zhuǎn)變。限制電流1_可通過施加至ACB元件的控制信號來改變并且處于如下所述的反饋控制下。的這種控制也導致V復位的相應變化。
[0013]可通過將瞬態(tài)阻擋單元(當達到其預定電流限制時，其自動地切換至高電阻狀態(tài)，并且對于足夠低的電壓，其自動地復位)修改成具有電地可調(diào)節(jié)的電流限制來提供這種ACB元件。在本領(lǐng)域中已知瞬態(tài)阻擋單元是用于為電負載提供瞬態(tài)和浪涌(surge)保護。用于提供ACB元件的此方法給出了電流流動在HR模式中是可以忽略的，并且串聯(lián)電阻在LR模式中是可以忽略的優(yōu)選特性。
[0014]在操作中，ACB元件的凈效果是將經(jīng)整流的波形的一部分傳到輸出電容器以用于積分，其中可控的I_u確定經(jīng)整流的波形中的多少被傳到輸出電容器，藉此確定充電電流，并因此確定輸出電壓。因此，可通過使用誤差信號來設置Ipra的反饋控制來將輸出設置成期望電平。此方法的重要方面在于由ACB元件選擇的經(jīng)整流的波形中的多個部分是該波形的低電壓部分，藉此降低AC到DC轉(zhuǎn)換器中的功率消耗。
[0015]本方法提供的顯著優(yōu)勢如下:
[0016]I)此方法固有地提供電流限制能力。例如，如果這種電源的輸出被短路，則所得的電流流動將仍受ACB元件限制，并且可容易地避免由于此故障引起的電源的破壞。與之形成鮮明對比，其中在使用輸出電壓的反饋控制下操作開關(guān)的更簡單電源概念易受輸出短路的破壞。在這種電路中，短路將使輸出電壓過低，并且反饋控制將通過連續(xù)地打開開關(guān)來作出響應。過量且破壞性的電流流動有可能起因于此。
[0017]2)在具有在LR模式和HR模式之間的NDR模式的實施例中，當ACB從一種模式轉(zhuǎn)變到另一種模式時，在此過渡區(qū)域中引入指定的負電阻可有利地減少電壓尖峰。歸因于關(guān)系V = L dl/dt，這種電壓尖峰由雜散電感和電流的快速變化速率的組合所創(chuàng)建。
【附圖說明】
[0018]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)供電方法(電阻式下電路器)。
[0019]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)供電方法(電容式下電路器)。
[0020]圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)供電方法(變壓器+調(diào)節(jié)器)。
[0021]圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)供電方法(開關(guān)模式電源)。
[0022]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電源的框圖。
[0023]圖6示出了模擬電流阻擋(ACB)器件的示例性1-V關(guān)系。
[0024]圖7示出了如何可通過改變控制輸入來改變ACB元件的限制電流。
[0025]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電源的操作。
[0026]圖9示出了改變ACB電流限制可如何改變流過ACB元件的平均電流。
[0027]圖10示出了與本發(fā)明的實施例有關(guān)的第一示例性電路。
[0028]圖11示出了與本發(fā)明的實施例有關(guān)的第二示例性電路。
[0029]圖12示出了與本發(fā)明的實施例有關(guān)的第三示例性電路。
[0030]圖13示出了與本發(fā)明的實施例有關(guān)的第四示例性電路。
[0031]圖14示出了與本發(fā)明的實施例有關(guān)的第五示例性電路。
[0032]圖15示出了與本發(fā)明的實施例有關(guān)的第六示例性電路。
【具體實施方式】
[0033]提供了一種新供電概念，其提供了一種簡單且有效的解決方案作為上述現(xiàn)有方法的替代。圖5示出了基本的電路拓撲。AC電壓被整流電路102整流并且經(jīng)整流的AC隨后被直接施加至模擬電流阻擋(ACB)器件502，該模擬電流阻擋(ACB)器件502具有受從誤差放大器OAl導出的信號控制的可變電流限制操作，該誤差放大器OAl將輸出與已知參考Vref進行比較。通過被連接至ACB元件的積分電路來提供對輸出電壓V輸出的平滑。在此不例中，積分電路是電容器C輸出。
[0034]本質(zhì)上，ACB元件作為主動(active)下電路器電路進行操作，當其兩端的電壓為低時如低值電阻器一樣作用，隨后當通過它的電流超過由誤差放大器所設置的某一限制時轉(zhuǎn)換至高電阻狀態(tài)。誤差放大器監(jiān)控輸出電壓，并且響應于負載需求和AC線電壓而調(diào)制電流限制值。在該示例中，控制信號是差分放大器(即，OAl)的輸出，該差分放大器具有參考輸入(即，Vref)和積分電路的輸出(即，V輸出)作為輸入。
[0035]以此方式，連接在經(jīng)整流的AC和負載之間的ACB電路504具有通過具有兩個或三個不同的操作區(qū)域來表征的電阻。
[0036]I)當通過器件的電流低于對應于電流觸發(fā)閾值的