供电设备的制作方法

专利名称：供电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及供电设备(power supply)，更特別地涉及具有用于 将市电(mains)功率转化成AC或DC功率的变压器的供电设备。
背景技术：
典型的供电设备包括变压器。变压器是当电负载加到次级线圈时 通过时变磁场将电能从初级线圈转移到次级线圏的电气装置。变压器 用于各种各样的应用中，例如用于电子设备和儿童玩具的市电功率传 递，且出现有非常大到微小的各种不同的尺寸。
传统的变压器包括芯，该芯由铁或某些其它含铁材料制成，其具 有环的形状。在芯的一侧，电线盘绕在4^芯的周围，且应用初级电压 或市电电压。芯的这侧称为初级。初级的对面是称为次级的类似布置。 通过变化线圏中电线的匝凄t，更明确地变化初级与次级的匝凄t比，电 压可根据所需的用途和应用到次级的负载升压或降压。
使用铁芯的变压器的一个不足是为获得必要的性能，该芯不得 不为实质的尺寸和必要的重量。这就导致变压器体积庞大并难以包 装。在许多情况中，这些体积庞大的变压器浪费了宝贵的空间，例如 那些直接嵌在市电插头中的变压器，使得变压器妨碍了其它出口，这 与电源板(power strip)或壁装电源出口 (wall outlet)中的情况一样。 由于传统变压器的重量，必需花费额外的努力以便确保该变压器外壳 适度强硬，以便抵挡正常使用期间可能发生的电压降。如果变压器是 墙式安装的，由于过度的重量布置在墙式安装上，某些应用可能是不 适合的。
此外，传统变压器中铁的成本也是不利因素。除了铁或其它含铁金属的直接材料成本之外，传统变压器必需制造得更大以容纳大的线 圏，迫使使用额外的其它材料(例如塑料)从而增加成本。铜线或其它 导电性材料广泛地用来形成初级和次级线圈，^v而进一步增加传统的 变压器成本。
此外，铁芯固有地保留相当大的能量緩冲器，其能够通过短路放 电。因为一旦发生短路能量就存储在铁芯中，这可能需要能量花费大 量时间从系统中耗散，进而引起破坏。另外，变压器可持续地提供功 率，直到市电功率断路器跳闸或变压器本身失效或短路去除为止。
传统的变压器供电设备是不可调低的，原因是它们固定匝数的电 线仅对于设定输出电压来升压或降压输入电压。因此，如果需要调低， 带有变压器的供电设备不是供电设备的理想选择。例如，在照明情况 下，在许多应用中不是总是需要满光强度，比如在安全照明的情况下。 安全照明可设置成以小于正常运行的全功率运转，然后如果连接到系 统的运动传感器探测到例如运动就切换到全功率。此操作将保存能 量，同时还为出现和安全提供照明。不幸地是，带有传统变压器的供 电设备在本申请中不可用。
经过一段距离的电压降困扰带有传统变压器的供电设备。以景观 照明作为示例，变压器位于市电电源附近，且供电线路与其连接。线 路自供电设备延伸，直到它终止于某距离外，例如50英尺。灯提供 成使用连接器(其穿入电线以形成电连接)而夹牢到供电线路。这样 一来，灯的位置就可根据特别景观应用而变化。与任何电线一样，供 电线路具有某电阻。因此在供电线路末端测量的电压将比位于邻近变 压器的点低。由于具有传统变压器的供电设备，操作指南推荐将灯置 于沿供电线路稍微相等的距离处，以便补偿电线的电阻影响。然而， 特别景观应用可要求多数或所有灯向着供电线路的末端安装。带有传 统变压器的供电设备可能很难充分地为灯供电，并且在非常末端的灯 可能昏暗或根本未能照明。这种情形是不合需要并将不必要的限制设 置在景观照明或其它应用上。铁芯变压器的另 一个缺点是不能补偿市电电压的波动。如果有功 率尖峰或下跌，铁芯变压器就不能配备用来保护它正在供电的器件， 这可能导致永久性损伤。在带有传统的变压器的供电设备中不存在探 测功率波动的逻辑或电路。由于许多现代电子器件对这种功率波动敏

发明内容
本发明才是供具有共振空心变压器(resonant air core transformer) 的供电设备，该变压器克服传统铁芯变压器的多个缺点，同时提供额 外的先前不可获得的特征。在一个实施例中，变压器包括无芯式并被 不具有任何铁芯的气隙所分开的成对初级和次级线圈。
在一个实施例中，供电设备包括独立的初级侧和次级侧电路。通 过初级线圈和次级线圏之间的电感耦合提供功率的无线传输，并且通 过隔离电路提供控制信号的无线传输。在一个实施例中，隔离电路包 括一个或多个光耦合器或光隔离器。
在一个实施例中，次级侧电路产生AC输出。在此实施例中，次 级侧电路可包括用于整流变压器输出的电路和用于产生处于期望频 率和电压的AC输出的开关电路。次级侧电路可包括用于测量次级侧 开关电路的输出电压并调节次级侧开关电路的占空比以控制平均电 压的电i 各。
在一个实施例中，初级侧控制电3各可通过隔离电if各调节次级侧开 关电路的占空比。在此实施例中，次级侧电路可包括测量电路，该测 量电路测量次级侧开关电路输出的电压和/或电流并将相应信号发送 给初级侧电路中的控制电路。这信号可送到隔离电路。初级侧控制电 路可按测量电压和/或电流的函数来控制次级侧开关电路的占空比。控 制电3各还可监一见自测量电鴻4妄收的测量电流以寻找过流情况的存在。 控制电路可以重置、停用或以其它方式响应过流情况的存在。
在一个实施例中，次级侧电路产生DC输出。在此实施例中，次级侧电路可包括用于整流次级线圈的AC输出的整流器。整流器的输
出可被传递过过滤电路和/或稳压器。
在DC输出实施例中，次级侧电路可包括测量电路，该测量电路 测量次级侧输出的电压和/或电流并通过隔离电路将相应信号发送给 初级侧电路中的控制电路。初级侧控制电路可控制作为测量电压和/ 或电流函数的初级侧开关电路(例如，频率或占空比)。控制电路还可 监视自测量电路接收的测量电流以寻找过流情况。控制电路可以重 置、停用或其它方式响应过流情况的存在。
在AC-和DC-输出实施例中，控制电路可被编程为用来保持次级 侧输出在特定电压设定点。在一个实施例中，本发明可包括具有一个 或多个远程电压监视器的供电设备调谐系统，该电压监视器允许电压
设定点被调节以补偿从次级侧输出到负载延伸的供电线路的电阻变 化，这些调节可在安装或其它时候期间作出。远程电压监视器可以是 无线的，并将无线信号提供给收集信号并将信号发送给计算机上的控 制软件的基站(base)。软件可提供表示因供电线路所造成的功率损耗的 信息，以允许电压设定点被调节以补偿损耗。例如，在景观照明应用 中，多个灯沿供电线路安装， 一个或多个远程电压监-见器可用来测量 各灯处的电压。在相当大功率损耗被发现的情况下，供电设备的电压 设定点可按测量功率损耗的函数而增加，以提供在多个灯之间产生期 望平衡的电压。
空心变压器不以与有芯变压器相同的方式存储能量。因此如果一 旦发生短路，感应线圏的初级侧可比铁芯变压器反应快得多，并且保 留在空心变压器感应线圈的次级侧中的能量迅速地消散。在传统铁芯 变压器中，这种故障探测能力和快速恢复是不存在的。因此，如果短 路发生，传统变压器可继续提供功率直到线路断路器跳闸或短路的起 因被去除为止。这种情况是不合需要的同时也是潜在危险的。在许多 应用中，传统变压器用于更具有短路可能性的应用中。例如，在户外 照明应用中，接线的灯通过变压器供电。供电电线埋置在景观内，但暴露于水和元素中。由于在景观区域中灯的位置，供电电线更可能处 于锐利工具(用于照料临近植物)的危险。可以想到的是，锐利工具 能剪或破坏供电电线从而导致短路情况。由于本文所公开的空心变压 器的快速响应，要是这种事件发生，线路上的电压就会相当迅速地被 停止。
共振空心变压器的另一个特征是供电设备补偿引入电线电压降 的能力。使用集成到空心变压器的电路，电压降得以补偿，以允许负 载离供电设备一段距离的设置。电路通过检测置于其上的负载(包括供 电线路的电阻因素)确定最佳频率。因此，相对于供电线路上远离变压 器而群聚的那些负载，供电设备能将同样的功率提供给变压器附近群 聚的负载。
共振空心变压器的另一个优点是它能够迅速地调节和补偿市电 电压的波动。如果发生功率尖峰或下跌，供电设备容易探测并调整次 级侧电压以防止不足或过电压状况。供电设备的逻辑或电路检测市电 电压的变化并适当地调节努力以保护任何拉着负载的附加器件。因 此，共振空心变压器帮助保护器件避免由于市电功率不正常而破坏。
供电设备的另 一个特征是它能够使用控制电路进行软启动，以减 少电子器件上的启动压力。软启动是爬升或'隻慢增加供给器件的功率 以便避免破坏它的能力。许多灵敏的现代设备需要或从软启动中得到 好处，并且如果不使用软启动可能会被破坏。另外，软启动可通过施 加较少的压力在通电元件上来延长许多器件的使用寿命。
供电设备的另一个特征是它的调低能力。由于控制电路，即便电 线臣数比固定，输出电压也是可调整的。因此，例如在照明应用中， 连接到空心变压器的灯可从全亮度调暗到完全不点亮。
空心变压器还可在比传统变压器更高的环境温度下运行。传统的 铁芯变压器不能在明显超出环境室温的温度下运行。由于空心变压器 的自加热功效，它缺乏大的导电铁芯，当相比较传统变压器时，运行 温度显著地降低到接近某些实施例中的环境温度。此温度降低是有利的，因为传统变压器的额外热是浪费的能量，并在暴露在传统变压器 的高运行温度时，可对位于附近的电子器件或其它产品施加有害的影 响。此外，铁芯变压器必须设计成容纳其运转时所伴随的热，这就增 加了成本。
供电设备还可包括过流保护电路，这有助于保护它自身和任何吸 取功率的器件。如果发生过流情况，例如增加太多的景观灯到供电线 路，当脉宽调制占空比到达预定水平时，变压器可瞬间地停止之后软 启动开始。在此示例中，灯将在减少的功率输出下闪烁，直到过电流 状况解决。在其它情况下，可使用其它信令方式，例如可听音调或如 应用所需的其它指示物。
为了更好地理解本发明，连同其它和进一步特征以及其优点，可 结合附图参考下列描述，并且本公开内容的范围将在权利要求中提 出。
容易理解的是，如本文图形所大概描述和图示的一样，本公开的 元件可布置和设计在很多种的不同配置中。因此，下文的本公开的装 置、系统和方法的实施例的更具体描述(如在附图中表示的 一样)不是 意图限制如权利要求的本公开的范围，而仅仅是本公开所选实施例的 代表。
整个说明书提及的"一个实施例"或"实施例"(或类似的)表示 与实施例有关的具体特征、结构或特性包含在本公开至少一个实施例 中。因此，在整个说明书中多个地方出现的短语"在一个实施例中" 或"在实施例中"并不必然全指相同的实施例。
此外，所描述的特征、结构或特性可以任何合适的方式结合到一 个或多个实施例中。在下列描述中，提供了许多详细细节(例如示例) 以提供全面了解本公开的实施例。然而，本领域技术人员将认识到， 本^Hf可在不需要一个或多个这些具体细节的情况下实施，或者在需 要其它方法、元件、材料等的情况下实施。在其它情况中，为避免模 糊本公开的方面，众所周知的结构、材料或操作就不再示出或加以详细地描述。
通过参考附图将最好地理解本公开图示的实施例，其中，全部中 相同的元件用相同的数字或其它标签表示。下列描述仅仅是意在通过 示例方式，并简单地图示了与本文所权利要求的公开内容一致的器 件、系统和过程的某些选择实施例。


图1是根据本发明实施例的供电设备的框图2是空心变压器的分解透^L图3是空心变压器的横断面视图4是适于提供DC功率输出的备选供电设备的框图5是用于供电设备软件的主对话视窗的示意图6是用于供电设备软件的EEPOM配置对话视窗的示意图7是具有远程电压监视器的备选实施例的框图8是根据本发明实施例的供电设备的电路图。
具体实施例方式
现在参考图1，示出了根据本发明实施例的具有空心变压器20 的供电设备10的图。供电设备10 —般地包括初级侧电路12和次级 侧电路14。如图2中可能最佳示出，初级侧电路12包括初级线圈16， 次级侧电3各14包括次级线圈18。初级线圈16和次级线圈18协力以 形成变压器20。变压器20可以是无芯的。初级侧电路12—4殳地还包 括控制器22、开关驱动器24和开关电路26。控制电路22控制开关 驱动器24的运行，其反过来控制功率到初级线圏16的应用。次级侧 电路14一般地包括整流器28、开关电路30、测量电路32、隔离电路 34和开关驱动器36。次级侧电路14的输出可应用到负载L。次级侧 电路14的输出由控制电路22控制。测量电路32通过隔离电路34将 关于到次级侧电路14的输出的信息提供给控制电路22。控制电路22分析测量电路32所提供的信息，并通过隔离电路34控制开关驱动器 36的操作。
图1的实施例现在将关于供电设备10的运行概况作更详细地描 述。通常范围内(例如80-270 VAC)的线路市电电压供应到线路滤波器 和AC市电整流器37。为了^^开的目的，本发明关于在80-270 VAC 的线路市电电压上运行的供电设备进行描述。本发明可轻易地适于提 供来自很多种备选AC和DC电源的AC或DC功率。线路滤波器去 除任何不想要的可能存在于市电电压上的电噪声，并有助于防止电噪 声自变压器发出，并且整流器将VAC转变为VDC。很多种滤波电路 和整流电路对本领域技术人员来说是已知的，因此特定的线路滤波器 /AC市电整流器电路将不再进行详细地描述。只要图示实施例的线路 滤波器/AC市电整流器37本质上是能对进来的线路市电功率提供期 望滤波和整流的任何线路滤波和整流电路就够了 。
在图示的实施例中，DC电压在用于两个元件一开关电源38和半 桥开关电路26—的大约113-382 VDC处离开线路滤波器/AC电源整流 器37。开关电源38接收113-382 VDC并处理它到期望水平，例如13 VDC。很多种开关电源对本领域技术人员来说是已知的，因此图示实 施例的开关电源将不再进行详细描述。开关电源38本质上可以是任 何开关电源或其它电路元件，该电路元件能够自线路滤波器/AC市电 整流器37的输出产生用于开关驱动器24和控制电路22的DC功率。
控制电路22由开关电源38产生的VDC供电，并产生驱动波形， 该驱动波形被发送到开关驱动器24并发送到隔离电路34。在一个实 施例中，控制电路22包括能产生初级侧和次级侧驱动波形的微控制 器35(见图8)。在图示的实施例中，微控制器35被编程以用来实现本 文描述的各种特征和功能。如果需要话，微控制器35的特定特征和 功能可备选地在模拟电路元件中实现。然后开关驱动器24放大自控 制电路22发送来的驱动波形，并将这些新放大的波形发送给半桥开 关电路26。在图示实施例中，开关驱动器24可为专门设计成起驱动器作用的微处理器。可备选地，开关驱动器24实质上是任何能够充 分放大驱动波形并将其应用到初级侧开关电路26的电路。
初级侧开关电3各26可包括具有第 一场效应管(FET)和第二 FET的 半桥开关电路，该第一FET具有连接到高压轨的漏极和连接到储能电 路21的源极，该第二FET具有连接到储能电路21的漏极和接地的源 极。开关驱动器24连接到两个FET的栅极，以根据驱动波形选择性 地将储能电路连接到高压轨和地。
图示实施例的储能电路21是串联共振储能电路，该储能电路一 般地包括初级线圏16和电容器17。可选择初级线圈16和电容器17, 使得储能电路21在预期频率范围内运行时大致处于共振。如果需要 的话，电容器17可以是可变电容器和/或初级线圈16可以是可变指示 器，以为储能电路21提供可调共振频率。尽管关于串联共振储能电 路进行了描述，电源10可包括备选储能电路，例如并联共振储能电 路。
在操作中，开关驱动器24可交替地闭合和断开半桥开关电路26 的第一和第二FET,以交替地连接串联共振初级线圏16和电容器(电 感耦合线圏的"初级，，半部)在高压DC (113-382 VDC)轨和地之间。 所得交流电(AC)流入感应线圈的初级部分。通过使用半桥26的电路 元件，发送给初级线圈16的驱动波形可使用频率或占空比调制来调 节。
感应线圏的第二半(在这实施例中是次级中心抽头线圈18)放置在 初级线圏16所创建的磁场内。 一旦次级线圈18在范围内(但不直接电 接触)，电感耦合被获得并且功率自初级线圏16传送到次级线圏18, 在线圈之间不存在芯或直接的电气连接，因此与提供的市电电隔离。
从初级线圏16接收的AC电流从次级线圈18传递到全波整流器 28。尽管可使用半波整流器，但全波整流器更有效率，因为AC波形 的两个分量变换为DC。然而，变换的DC电压不是常数，并且为了 得到恒定DC电压需要进一步的处理。通过使用线性调整器40，离开
14整流器28的变换DC电压稳定到常量12 VDC。线性调整器对本领域 技术人员而言是已知的，因此不作详细地描述。只要线性调整器40 本质上可选自任何线性调整器电路或能提供期望调整水平的其它电 路就够了。
来自线性调整器40的该恒定12 VDC用来对变压器次级侧上的 隔离电路34、测量电路32和开关驱动器36供电。控制电路22由来 自开关电源38的13 VDC供电并将驱动波形提供给开关驱动器24， 该控制电路22还将驱动波形提供给隔离电路34。然后，隔离电路34 将这些隔离的驱动波形传递给开关驱动器36,在这里它们被放大。隔 离电路34可以是本质上任何能将来自次级侧电路14的信号传递给初 级侧电路12而没有直接电气连接的电路或电路元件。在图示的实施 例中，隔离电路34包括两个光耦合器(或光隔离器)，其中， 一个将来 自测量电路32的信号传递给控制电路22， 一个将来自控制电路22的 驱动波形传递给次级侧开关驱动器36。
现已放大的驱动波形使开关驱动器36交替地连接全H桥开关电 路30，该开关电路30调制未经调整(非恒定)的自全波整流器28供回 到低压AC调整波形的DC电压。测量电路32监视和报告来自全H 桥开关电路30的低压AC输出。测量电路32可包括电压传感器(未示 出)和电流传感器(未示出)。测量电路32的电压传感器的输出由控制 电路22处理，并用来确定待发送给全H桥开关电路30的波形。在图 示的实施例中，控制电路22被编程为试图将供电设备10输出保持在 固定电压。此电压以电压设定点存储在存储器中。如果测量电路32 所测量的电压比电压设定点高，控制电路22将减少应用到次级侧开 关驱动器36的驱动波形的占空比。占空比的减少反过来将减少输出 电压。类似地，如果测量电路32所测量的电压低于电压设定点，控 制电路22将增加应用到次级侧开关驱动器36的驱动波形的占空比。 测量电路32的电流传感器的输出由控制电路22处理以确定次级侧输 出是否处于过流或不足电流(undercurrent)状态。如果这样，控制电路22可采取适当的行动，比如切断或重置供电设备。可备选地，控 制电路22也可或者备选地可以激活过流或不足电流信号，例如警示 灯(LED)或声音报警信号。
控制电路22可被编程以用来提供额外的如期望的功能。例如， 控制电路22可被编程为有选择地按比例增加或按比例减少供电设备 10的输出电压或输出功率。为了完成此功能，控制电路22可调节应 用到初级侧和次级侧开关电i 各中之一或二者的驱动波形，例如通过变 化频率和/或其一或二者驱动波形的占空比。在景观照明应用的情况 下，此项功能允许景观灯可被选择性地调暗。此项功能允许在其它应 用中交替控制操作。例如，此项功能可用来控制应用中的电动机转速， 其中，负载包括电动机。此外，此项功能允许电源具有"软启动，，， 其中给负载L的功率慢慢地爬升。
变压器20的设计和配置可随不同的应用而变化。然而，在图示 的实施例中，变压器20是具有夹在分裂次级线圈(split secondary coil) 18之间的初级线圈16的空心变压器。图2是此实施例的变压器20的 分解图，其示出了具有位于初级线圈16对立侧上的第一线圈段18a 和第二线圏段18b的次级线圈18。第一线圈段18a可电连接到第二线 圈段18b，如以连接点A到点A，的虚线表示。现在参考图3，其示出 了一个实施例的感应线圏的横断面。如图所示，图示的感应线圈构建 在层中，并在很大程度上与具有相似内径和外径的线圈彼此共同延 伸。在这实施例中，初级线圈16是260 x 38绞合电线的螺旋缠绕， 并夹在分裂的次级螺旋线圈段18a和18b之间，在这实施例中，线圈 段18a和18b由弁20 AWG磁导线制成。尽管图示的实施例包括夹在分 裂的次级线圈段18a和18b之间的初级线圈16，但备选地初级线圈16 也可被分裂。例如，次级线圈18可包括夹在初级线圈的分裂的线圏 段之间的单线圈。然而，初级线圈16或次级线圈18不必要被分裂。
初级线圈和次级线圈16和18各自^皮此邻近地布置，或它们可交 织，但由小的间隙隔开并保持在环氧基粘合剂中，或印制在电路板中。尽管线圏之间的空间或气隙可以非常小，仍然具有足够的空间以允许 如本文所公开的隔离保护，这与传统的铁或金属芯变压器相反。如果 需要的话，线圈可依赖于用以提供期望电隔离所必需的间隙的绝缘而 彼此直接紧靠设置。
图8是根据本发明实施例的供电设备的电路图。不同的支电路一 起成组并用与图1中的实施例描述相一致的参考数字标识。如图所示，
电路图包括线路滤波器/AC市电整流器37、开关驱动器24、初级侧开 关电路26、具有初级线圏16和并联电容器17的储能电路21、次级 线圈16、整流器28、开关电路30、测量电路32、隔离电路34a和34b、 次级开关驱动器36和线性调整器40。然而图8的实施例不同，因为 测量电路32并未经由隔离电路32连接到控制电路22。相反地，测量 电路32直接连接到控制电路22。这在图1中以虚线D表示。测量电 路32可通过在测量电路32和控制电路22之间添加隔离器(例如光耦 合器或光隔离器)与控制电路22隔离。此外，图8的元件34a和34b 可起电平位移器的作用。
现在参考图4,示出了空心变压器的备选实施例的图。在这实施 例中，AC市电电压通过供电设备IO，转变到调整的DC电压。以DC 电压作为输出对于某些应用是理想的，例如用于太阳能电池和它们的 蓄电池、任何类型的电池、汽车应用、电话和其它通信设备、燃料电 池和运输系统(例如地铁或其它电动运输系统)。此实施例中的许多元 件与图l中的实施例类似。因此，相同的元件将用相同的参考数字来 标识，仅有那些不相似的元件将得到详细地描述。
对于太阳能电池应用，变压器可集成到增补太阳能电池蓄电池的 系统中。用于太阳能系统中的蓄电池一般是DC,但如果使用AC蓄 电系统，则可以替换本文所公开的AC共振空心变压器。功率需求在 时间段期间变化，这就意味着电功率的成本也变化。照这样，共振空 心变压器可用来在非峰值和/或非需求量阶段(例如早晨时间)再充电太 阳能系统蓄电池。其它再充电阶段可基于成本或电网容量决定。照这样，以DC或AC形式的共振空心变压器能增强太阳能电池系统。
对于运输系统，其中许多是在DC功率上运转，但某些也使用 AC，共振空心变压器也非常适合将电功率提供给这些运输系统的运动 部分、车载蓄电池和系统。按比例增加空心变压器，和包括策略性布 置在地铁或轻轨系统周围的多个变压器，例如，电力可提供给运输车 辆电动机、灯、温度控制和其它具有上述公开属性的系统。如此一来， 共振空心变压器的紧密度，例如，是一个考虑了较小的运输支持占地 面积的优点。在市区，空间是非常宝贵的，为变压器留出大的空间(以 及它们需要的安全区域)通过共振空心变压器而被避免。
现在将关于供电设备IO，的运行概况描述图4中的实施例。通常 范围(例如80-270 VAC)内的线路市电电压供应到线路滤波器和AC市 电整流器37，。线路滤波器去除任何可能存在于市电电压上的不想要 电噪声，并有助于阻止电噪声自变压器发出，并且整流器将VAC变 换为VDC。
DC电压为两个元件一开关电源38，和半桥开关电路26，一在大约 113-382 VDC处离开线路滤波器/AC市电整流器37，。开关电源38，接 收113-382 VDC并处理它到期望水平，例如13 VDC。
控制电路22，由开关电源38，产生的VDC供电，并产生驱动波形， 该驱动波形被发送到开关驱动器24，。然后开关驱动器24，使用来自开 关电源38，的电力放大驱动波形，并将这些新放大的波形发送到半桥 开关电路26'。
半桥的开关电路交替地连接储能电路21，(例如，串联共振初级线 圈和电容器)在高压DC (113-382 VDC)轨和地之间。所得交流电流(AC) 流入感应线圈的初级部分。使用半桥的电路元件，发送到初级线圈16， 的驱动波形可^f吏用频率或占空比调制来进行调节。
感应线圏的第二半(在本实施例中是次级中心抽头线圏18')放置 在初级线圏16，所创建的磁场内。 一旦次级线圏18，在范围内(但不直 接电接触)，获得电感耦合并且功率自初级线圏16，传送到次级线圈
1818，，在图示的实施例中的之间留下"空心"。
>^人初级线圈16，接收的AC电流从次级线圈18，传递到全波整流器 28，。尽管可以使用半波整流器，但全波整流器却更有效率，因为AC 波形的两个分量被变换为DC。然而，变换的DC电压不是常数，并 且为了恒定DC电压需要进一步的处理而受益。次级侧电路14，可包 括线性调整器40，以稳定变换的DC电压并提供12 VDC。来自线性调 整器40，的恒定12 VDC用来给变压器20，的次级侧上的隔离电路34， 和测量电路32'供电。
未调整的DC电压可连接到可选电压调整器31',该调整器31'将 输入DC电压调整到期望DC输出电压。各种电压调节器对本领域技 术人员来说是已知的。电压调整器31'实质上可为任何适于在预期输入 和输出功率特性下运行的电压调整器。如果需要的话，次级侧电路14， 可包括额外的滤波和修整电路(未示出)以产生用于负载L的电力。例 如，传统的过滤和修整电路可包括在整流器28，和次级侧输出之间。 在某些应用中，整流器28，所产生的DC功率足能给负载L供电而无 需进一步修整、滤波或其它处理。在这种应用中，可以删除可选电压 调整器31'。
测量电路32，分析DC输出电压，并将数据作为电压和电流反馈 信号提供给隔离电路34，。这些信号通过隔离电路34，传递给控制电路 22，以用于分析，并作为对供应在初级线圈侧上的电流的持续(或备选 地、周期性的)控制。在一个实施例中，控制电路22，监视过流和不足 电流状况。在此实施例中，测量电路32，可包括测量或以其它方式确 定次级侧输出的电流的电流传感器电路。如果过电流或不足电流状况 产生，控制电路22，可采取上文关于图1中的实施例所描述的适当活 动。在另一个实施例中，控制电^各22，可备选地或另外监^L次级侧输 出的电压。如果电压太高或太低，控制电路22'可采取补救行动。例 如，如果电压太低，控制电路22，可改变应用到初级线圏16的驱动波 形。这可包括改变驱动波形的占空比或频率。更具体地，如果测量电压太低，控制电路22，可增加占空比和/或应用到初级线圈16的驱动波 形的频率，并且如果测量电压太高，控制电路22，可减少占空比和/或 应用到初级线圈16的驱动波形的频率。
供电设备10和IO，可包括简单的集成用户界面，该用户界面允许 用户搡作供电设备10和IO，而无需任何额外的元件辅助。尽管用户界 面可在不同的应用中变化，在一个实施例中，用户界面包括按钮和发 光二级管(LED)。按钮和LED用来设置多种运行参数。使用如以前的 景观照明示例，当用户通过供电电缆将多个灯连接到空心变压器时， 并将变压器连接到市电电力时，用户界面可使用如下。
供电设备可选地配备有光电池或其它光测量器件，其用来(在这 个示例中)控制灯何时应当被通电和断电以节省电流。用户通过接合按 钮或通过将供电设备连接到市电电力而给供电设备加电。光电池或类 似设备开始测量环境光水平，并且如果校准光电池到达足够水平的环 境光时关断这些灯(停止供应电力)。
如果用户想要开启供电设备和它所连接的灯，用户接合供电设备 上的按钮，这将导致供电设备进入配置模式。在此示例中，四个设置 是可能的-高(光亮度)、中、低和关。按钮的每次按下将引起供电设备 在下一设置运行。按钮的第五个按下将导致返回到第一个，从而创建 了循环。因此，如果按纽被压下三次，电流设置将低(光亮度)。如果 在白天将设置设为所选择的设置(如果其中一个灯处于某强度)，灯将 在白天期间保持被点亮直至紧接的晚上，灯将在第二天在充足的环境 光时熄灭。
为了永久地将图示的实施例中的供电设备设置，在这示例中，通 过按按纽并维持5秒或更多秒而进入开启模式。LED将在50%的占空 比慢慢闪烁以表示开启模式已经进入。 一旦LED已经开始闪烁，用户 释放按纽。在这点上，仅在这种开启模式中，按纽以如上方式操作， 该选择存储在供电设备的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中。 如果用户在5秒内不选择操作模式，供电设备将缺省到预定模式(例如高)。然而，如果用户在5秒窗口内已经选择操作模式，该模式存储在 存储器中，并对于该供电设备的每一次随后的激活(每晚)而执行该模 式。
如果供电设备探测到过度的电流量(短路)经过该供电设备线路而 同时在自动(已被编程)模式中，供电设备将自动地去激活这些灯，
并使用LED指示错误。在此示例中，这种指示是使用系列LED闪烁， 例如频繁的闪烁之后暂停和另一组频繁的LED闪烁。
如果供电设备探测开路(不足电流状况)，供电设备将再次去激活， 并使用LED显示这种状况的存在。在不足电流情况下，例如显示单个 LED闪烁之后是长暂停、重复。
在正常运行中，LED保持被点亮以对用户指示供电设备正在按所 编程的运行，并且没有运行故障出现。
具有图形用户界面的计算机软件(见图5和6)可另外或备选地用 来编程该供电设备10或IO，以执行诊断。供电设备10或IO，可包括有 线或无线编程端口 50或50'。该供电设备可选地装配有无线或有线的 启用与例如便携式计算机或其它类似设备通信的通信连接装置50。这 种软件允许空心变压器的高级维护、修补或安装，并提供更多的有关 变压器性能和运行状况的详细信息和参数。
在便携式计算机上， 一旦已经建立连接，计算机软件的主要显示 窗口出现。计算机软件的一个实施例的主要显示窗口 IOO在图5中示 出。用户可获得关于电源的信息并通过与主要显示窗口交互而控制它 的运4亍参H如才既述如下
串行端口 102—允许用户选择用于通信的端口，在这种情况下， 使用串行计算机端口。
状态轮询间隔104—变压器用于状态信息的轮询之间的以毫秒计 的间隔的显示。数字越小，显示窗口将更新得越快。
连接到器件/从器件按纽106断开连接一该按纽允许用户通过拨 动显示窗口按纽而连接或从变压器断开连接。输出频率108 —示出变压器的当前输出频率。
新频率110—允许用户手动进入变压器的新频率的可编辑区域 (field)。
未变换的ISEC A/D 112—示出了用于校准目的次级线圈电流检 测峰值探测器的原始A/D返回的区域。
次级电流114一示出了原始A/D值变换为安培(Amps)的结果 的区域。
光电池电压116—给出CdS电池所^探测的环境光水平的指示。通 常低电压指示较多亮，高电压指示低光。
激活/去激活输出按纽118—允许用户拨动变压器的输出状态。
提交频率按纽120—发送新频率区域的值给变压器，并将它指定 为有效频率。然后输出频率区域更新以显示新的值。
EEPROM配置4安纽122—发动EEPROM配置对话框。
现在参考图6， EEPROM配置对话框200允许用户来设置管理变 压器运行的不同参数。 一些参数列表如下
电流变换因数202—用于原始A/D值和估计的次级电流(以安培 计)之间的变换的值。
电流偏移量204—用于原始A/D值和估计的次级电流(以安培计) 之间的变换的值。
最大次级电流206—在去激活和指示短路状况之前变压器提供给 次级线圏的最大电流(以安培计)。
最小次级电流208—在去激活和指示开路状况之前变压器提供的 最小电流(以安培计)。
用于自动激活的光电池电压210—如果光电池电压保持该值长达 最小光电池水平坚持时间，变压器将激活并给灯供电。
用于自动切断的光电池电压212—上述的反面。通过将开和关光 电压水平分成两个值，可相对于光水平开发有用的滞后量，提供期望 光操作。最小光电池水平坚持时间214—在变压器改变运行状态之前光电 池电压必需在自动激活阈值之上或在自动切断阈值之下的时间量。这 考虑了在不干涉变压器标准操作的情况下环境光的瞬间变化。例如， 如果过往车辆的光引起环境光的瞬间增加，变压器将继续为灯供电。
频率上界216—最大频率，即使在手动控制(使用按钮)下变压器 在该最大频率给灯供电。 设置在安全运行水平。 频率下界218—同上，但是用于下界。
用于高设置的频率220—变压器编程成以该频率高水平输出。 用于中设置的频率222—用于中等变压器输出的频率。 用于低设置的频率224—用于低变压器输出的频率。 活动设置226—示出了变压器的当前运行设置。 在备选实施例中，本发明可包括供电调谐系统300，该调谐系统 300在调节电压设置点或供电设备10或10'的其它运行特性方面是有 用的，以便补偿沿供电设备10或10'供电的供电线路的功率损耗。调 谐系统300 —般地包括基站302、 一个或多个远程电压监视器304和 计算机306或其它类似装置。在图示的实施例中，基站302可配置成 接收来自远程电压监视器304的电压测量。远程电压监视器304可用 来测量沿供电线路的各个位置处的电压，并将所测量的线路电压传送 给基站302。基站302通过USB连接器连接到计算机306，例如便携 式计算机。计算机306运行配置成与基站302接口的软件，并提供指 示从远程电压监视器304接收的电压测量的输出。软件可在各个远程 电压监视器304显示电压或电压损耗。通过查看软件的输出，安装者 能确定沿供电线路的电压损耗，并改变电压设定点以将最佳电压提供 给负载。如果需要的话，软件可编程成评估电压损耗，并提供最佳的 电压设定点。远程电压监视器304可用来在安装期间或其它时候期间 测量电压损耗。远程电压监视器304是可移除的或它们可集成到负载 中。在一个实施例中，基站302能够编程供电设备10或10，，例如用 以指派该电压设定点。在这个实施例中系统300包括编程器模组308, 其配置成与供电控制电路22或22'接口，并与基站302通信。编程器 模组308可包括允许编程器模组308与基站302无线通信的收发器。 在备选实施例中，编程器模组308可通过有线连接耦合到基站302或 计算机306。无论这样或那样，运行在计算机306上的软件可包括允 许计算机306直接或通过基站302设置供电设备10或IO，的电压设定 点的功能。尽管关于供电设备电压设定点的调节进行了描迷，如果需 要的话，系统300可用来改变供电设备IO或IO，的其它运行参数。
在图示的实施例中，各远程电压监^L器304包括真实RMS电压 表以测量线路电压，并当轮询时能够将测量的电压才艮告给基站302。 例如，远程电压监视器304和基站302各自可包括RF收发器。在包 括多个远程电压监-见器304的应用中，各电压监一见器304可以唯一的 地址来标记以避免在与基站302的RF链路上发生碰撞。在图示的实 施例中，各远程电压监视器304具有由电路板上一 系列双列直插式开 关所设置的地址。在运行中，基站302可轮询各远程电压监视器304 以确定监视器304处的线路电压。尽管图示实施例的远程电压监视器 304包括无线通信系统，它们可备选地使用有线连接。
在景观照明应用中，其中多个灯沿供电线路安装， 一个或多个远 程电压监视器304可用来测量各灯L的电压。在其中沿供电线路发现 明显功率损耗的情况中，供电设备的电压设定点能按所测量的电压的 函数来增加，以提供在多个灯L之间产生最适当平衡的电压设定点。
如果本文没有另外规定，假定所有专利、专利申请、专利出版或 本文提及和引用的其它出版(包括基于网络的出版)，其全文通过引用 结合于本文中，就好像在本文中对它们全文中阐述一样。
尽管本文已经结合附图对本^^开的图示实施例进行了描述，应该 明白的是，本公开不限于那些确切的实施例，对本领域技术人员来说， 在不脱离如权利要求所限定的本公开的范围或精神下，可作用到不同的其它变化和修改。权利要求应根据专利法的原则包括等效原理进行 解释。任何以单数形式声称的元件，例如使用冠词"一"、"一个，，、 "该"或"所述"，不应解释为将元件限制为单数形式。
权利要求
1.一种供电设备，包括具有控制电路和初级的初级侧电路，所述控制电路控制所述供电设备的运行；具有次级和测量电路的次级侧电路；耦合所述初级侧电路和所述次级侧电路的隔离电路，所述隔离电路在所述测量电路和所述控制器之间提供通信，所述控制器配置成用于响应来自所述测量电路的通信而调节所述供电设备的运行。
2. 如权利要求1所述的供电设备，其特征在于，所述初级和所 述次级经由空心线圈电感耦合。
3. 如权利要求1所述的供电设备，其特征在于，所述初级侧电 路包括串联共振储能电路，所述储能电路包括所述初级和电容器。
4. 如权利要求1所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧电 路包括电连接到所述次级的整流器，所述整流器整流所述次级中感应 产生的功率。
5. 如权利要求1所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧电 路包括开关电路。
6. 如权利要求5所述的供电设备，其特征在于，所述控制电路 配置成用于按来自所述测量电路的所述通信的函数而产生对于所述 次级侧开关电^^的驱动波形。
7. 如权利要求5所述的供电设备，其特征在于，所述测量电路 包括电压传感器，所述测量电路通过所述隔离电路将测量电压传送给所述控制电路，所述控制电路配置成按所述测量电压的函数而改变对 于所述次级侧开关电路的所述驱动波形的占空比。
8. 如权利要求5所述的供电设备，其特征在于，所述测量电路 包括电流传感器，所述测量电路通过所述隔离电路将测量电流传送给 所述控制电^各，所述控制电路配置成如果所述测量电流表示过电流或不足电流状况则采取补救行为。
9. 如权利要求7所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧电 流包括电连接到所述次级侧开关电路的开关驱动器，所迷控制电路通 过所述隔离电路耦合到所述开关驱动器，由此所述控制电路将对于所 述次级侧开关电路的所述驱动波形应用到所述次级侧开关电路。
10. 如权利要求7所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧电 路包括电连接到所述次级侧整流器的线性调整器，所述线性整流器将 功率供给所述开关驱动器、所述测量电路和所述隔离电路中的至少一 个。
11. 如权利要求10所述的供电设备，其特征在于，所述初级和 所述次级中的至少一个为分裂线圈，所述分裂线圈包括将所述初级和 所述次级中的另 一个夹在中间的两个线圈#殳。
12. —种供电设备，包括具有控制电路和初级的初级侧电路，所述控制电路控制所述供电 设备的运行；具有次级和开关电路的次级侧电^各，所述初级和所述次级经由空 心而电感井禹合；以及耦合所述初级侧电路和所述次级侧电路的隔离电路，所述隔离电 路在所述初级侧电路和所述次级侧电路之间提供通信，所述控制电路 适于通过所述隔离电路为所述次级侧开关电路提供驱动波形。
13. 如权利要求12所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧 电路包括电连接到所述次级的整流器，所述整流器整流所述次级中感 应产生的功率以产生基本上DC输出。
14. 如权利要求13所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧 开关电路耦合到所述整流器，所述次级侧开关电路可操作以自所述 DC输出产生AC输出。
15. 如权利要求14所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧 开关电路为全H桥开关电路。
16. 如权利要求15所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧 电路包含耦合到所述全H桥开关电路的开关驱动器。
17. 如权利要求16所述的供电设备，其特征在于，所述次级侧 电路包括具有电压传感器的测量电路，所述测量电路通过所述隔离电 路将测量电压传送给所述控制电路，所述控制电路配置成按所述测量 电压的函数来改变对于所述次级侧开关电路的所述驱动波形的占空比。
18. 如权利要求17所述的供电设备，其特征在于，所述测量电 路包括电流传感器，所述测量电路通过所述隔离电路将测量电流传送 给所述控制电路，所述控制电路配置成如果所述测量电流表示过电流 或不足电流状况则采取补救行为。
19. 如权利要求18所述的供电设备，其特征在于，所述控制电 路通过所述隔离电路耦合到所述开关驱动器，由此，所述控制电路将 对于所述次级侧开关电路的所述驱动波形应用到所述次级侧开关驱 动器。
20. —种电感耦合器，包括 第一线圏；第二线圈，所述第二线圈包括第一和第二线圈^a，所述第一线圈段和所述第二线圈段置于所述第一线圈的对立侧上，由此，所述第一 线圏夹在所述第 一线圈段和所述第二线圏段之间。
21. 如权利要求20所述的电感耦合器，其特征在于，所述第一 线圏、所述第一线圏段和所述第二线圈段基本上共同延伸。
22. 如权利要求20所述的电感耦合器，其特征在于，所述第一 线圈具有内直径和外直径，所述第 一线圏段和所述第二线圏段各具有 内直径和外直径；以及其中，所述第一线圏内直径、所述第一线圏^a内直径和所述第二 线圈段内直径基本上相等，并且所述第一线圈外直径、所述第一线圈 段外直径和所述第二线圈段外直径基本上相等。
23. —种用于建立供电设备运行参数的方法，所述供电设备用于 将功率应用到供电线路，所述方法包括如下步骤将一个或多个远程电压监视器连接到该供电线路；将来自该一个或多个远程电压监视器的测量电压传送给基站； 分析该测量电压以确定沿该供电线路的功率损耗；以及设定该供电设备的运行参数以补偿该功率损耗。
24. 如权利要求23所述的方法，所述传送步骤进一步限定为将 来自该一个或多个远程电压监视器的测量电压无线传送给该基站。
25. 如权利要求24所述的方法，进一步包括步骤将该远程电 压监视器引入到负载，由此该远程电源监视器与该负载一起保持耦合 到该供电线路。
26. 如权利要求25所述的方法，进一步包括步骤将该基站耦 合到计算机运行软件以使该基站和该计算机接口 。
27. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述供电设备进 一步限定为用于景观照明的供电设备，并且该供电线路进一步限定为 用于多个景观灯的供电线路；以及其中，所述连接步骤进一步限定为在大约至少一个景观灯的位 置处将远程电压监视器连接到该供电线路。
28. 如权利要求23所述的方法，所述供电设备进一步限定为用于 景观照明的供电设备，并且该供电线路进一 步限定为用于多个景观灯 的供电线路；以及其中所述连接步骤进一步限定为在大约离所述供电设备最远的 景观灯的位置处将远程电压监视器连接到该供电线路。
全文摘要
一种将电能提供给一个或多个负载的供电设备。供电设备可包括共振空心变压器以将可调节的、可适应的电源提供给电子器件。供电设备可包括隔离的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路可包括为初级侧开关电路提供驱动波形以及其他的控制电路。在配置成产生AC输出的实施例中，次级侧电路还可包括开关电路。初级侧控制电路可提供对于次级侧开关电路的驱动波形。次级侧电路可包括测量输出的电流和/或电压并通过隔离电路将这些测量提供给控制电路的测量电路。控制电路可按测量值的函数来调节对于初级侧和/或次级侧开关电路的驱动波形。
文档编号G05F1/70GK101641655SQ200880009097
公开日2010年2月3日 申请日期2008年3月20日 优先权日2007年3月20日
发明者D·W·巴曼, J·B·泰勒, J·J·洛德, J·K·施万内克, W·J·巴赫曼 申请人:捷通国际有限公司