非隔离的ac到dc功率器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于从相对高电压交流电(AC)中提供相对低电压直流电(DC)的电源电路。
【背景技术】
[0002]许多小家电具有由小的低功率微处理器驱动的、以LED和LCD读出为特征、并且通过三端双向可控硅开关控制或继电器控制诸如电机、加热器等的电子功能的触摸板用户界面。常见示例包括烤箱、咖啡机和搅拌器，但也存在用于消费者和工业的许多其他此类设备。
[0003]通常控制像烤箱烧烤加热元件的高功率功能的这些用户界面和控制电路都使用很小的功率。它们很少完全被切断，而取而代之处于空闲状态，其中微控制器等待检测来自用户的命令。
[0004]在大多数实例中，这些内部电子控制电路不与AC干线电源电隔离，而是依赖于用户界面的物理隔离。根据配置，电子器件没有理由被真地隔离，因为不存在直接接入，即使它们跑掉(run off)例如低3.3V或5V供应。
[0005]类似地，另一非隔离功率应用是用于低功率LED照明。夜灯使用小电源来驱动传感器和一个或多个低功率LED。高功率应急照明可利用被“涓流”充电的电池以在AC可用时间期间维持其电荷，但可在AC关闭短周期时(诸如在停电期间)使用电池电源来提供明亮照明。
[0006]这些都是消耗少量的低电压功率(在用户界面的情况中常常小于0.5W左右以及在照明器件的情况中每LED小于大约150mW)的电子设备的示例。将来自高压AC的功率提供至这些设备在过去已使用四种主要类型的电源一电阻式下电路器(dropper)、电容式下电路器、线性变压器电路和开关式电源。
[0007]电阻式下电路器电路非常简单并且提供低电平的DC电流。图1示出了示例性电阻式下电路器电路。此处，输入AC使其电压通过包括电阻Rd的分压器进行降低。所得的低电压AC由桥接电路102进行整流，并且经整流的输出通过存储电容器Cres和调节器二极管Dreg的组合进行平滑以提供低电压DC输出电压V输出。此电路是非常低效的，其需要大功率电阻器Rd并且需要分流调节级(Dreg)来吸收过量电流。
[0008]例如，如图2所示，电容式下电路器电路用大电容器Cd来代替功率电阻器Rd以从AC中供应电流。因为电容器Cd是无功器件，在电容器中没有消耗功率，所以电容式下电路器比电阻式下电路器更高效。然而，电流源是未经调节的，因此其仍然需要分流调节级(Dreg)来吸收过量电流。因此，该电路总是消耗负载所需的最大功率，使得在负载消耗比峰值低的功率时，并且在使用比规定最小输入AC电压高的AC电压时，该电路非常低效。
[0009]通过使用如图3所示的线性变压器Tl，AC电压可被降低至低电平，并且接着被整流(通过二极管D1、D2、D3和D4的低电压桥接电路)并被平滑。随后通过调节器302调节输出电压以消除由于负载和AC电压变化引起的变化。此电路简单并且仅消耗由负载所使用的功率(g卩，没有必要分流过量电流)。然而，归因于变压器铁心中的损耗，线性变压器即使在无负载情况下仍耗散功率。此外，变压器还是相对大且昂贵的部件。
[0010]高频开关电源可以是相当有效的，但实现昂贵、复杂、并且通常需要相当大的技能来实现正确的操作和满足射频干扰要求。图4示出了使用开关模式电源(SMPS)402的示例性布置。此处，404是为SMPS 402提供控制输入的反馈网络。部件D1、Cl、D2、C2和LI示出了 SMPS的典型的输入和输出电路。SMPS的操作的基础是以高频率不断地切换，从而将少量能量存储在电感器中，并且将此能量转移至负载。通过控制切换的占空比，从而调制存储在电感器中的能量(即，接通时间与关机时间的比率)来改变输出电压。
[0011 ] 虽然这些方法各自提供从高压AC干线电源得到低压电源的手段，然而每个具有显著的缺点，诸如低效率、大覆盖范围、昂贵的部件、和/或实现的困难。因此，提供一种改进的供电方法将是本领域中的进步。
【发明内容】
[0012]本方法提供AC到DC电源的基本上不同的概念。在此工作中，首先整流输入AC电压。可使用全波或半波整流。随后，将经整流的AC电压提供至串联连接的模拟电流阻挡(blocking) (ACB)元件。在串联连接的ACB元件之后，分流(shunt)电容可被提供作为输出DC电压或电流的电荷库(即，积分电路)。串联连接的ACB元件具有至少下面的操作模式:低电阻(LR)模式和高电阻(HR)模式，其中当通过ABC元件的电流达到限制电流I,时，ABC元件自动朝向HR模式转变。有利的是还在这两个操作模式之间包含负微分电阻(NDR)区域，而不是速动(fast acting)开关，其接近于LrR和HR模式之间的瞬时转变。当ACB元件两端的电压低于复位电压Vsft时，ACB元件也自动地朝向LR模式转变。限制电流1_可通过施加至ACB元件的控制信号来改变并且处于如下所述的反馈控制下。的这种控制也导致V复位的相应变化。
[0013]可通过将瞬态阻挡单元(当达到其预定电流限制时，其自动地切换至高电阻状态，并且对于足够低的电压，其自动地复位)修改成具有电地可调节的电流限制来提供这种ACB元件。在本领域中已知瞬态阻挡单元是用于为电负载提供瞬态和浪涌(surge)保护。用于提供ACB元件的此方法给出了电流流动在HR模式中是可以忽略的，并且串联电阻在LR模式中是可以忽略的优选特性。
[0014]在操作中，ACB元件的净效果是将经整流的波形的一部分传到输出电容器以用于积分，其中可控的I_u确定经整流的波形中的多少被传到输出电容器，藉此确定充电电流，并因此确定输出电压。因此，可通过使用误差信号来设置Ipra的反馈控制来将输出设置成期望电平。此方法的重要方面在于由ACB元件选择的经整流的波形中的多个部分是该波形的低电压部分，藉此降低AC到DC转换器中的功率消耗。
[0015]本方法提供的显著优势如下:
[0016]I)此方法固有地提供电流限制能力。例如，如果这种电源的输出被短路，则所得的电流流动将仍受ACB元件限制，并且可容易地避免由于此故障引起的电源的破坏。与之形成鲜明对比，其中在使用输出电压的反馈控制下操作开关的更简单电源概念易受输出短路的破坏。在这种电路中，短路将使输出电压过低，并且反馈控制将通过连续地打开开关来作出响应。过量且破坏性的电流流动有可能起因于此。
[0017]2)在具有在LR模式和HR模式之间的NDR模式的实施例中，当ACB从一种模式转变到另一种模式时，在此过渡区域中引入指定的负电阻可有利地减少电压尖峰。归因于关系V = L dl/dt，这种电压尖峰由杂散电感和电流的快速变化速率的组合所创建。
【附图说明】
[0018]图1示出了现有技术供电方法(电阻式下电路器)。
[0019]图2示出了现有技术供电方法(电容式下电路器)。
[0020]图3示出了现有技术供电方法(变压器+调节器)。
[0021]图4示出了现有技术供电方法(开关模式电源)。
[0022]图5示出了根据本发明的实施例的电源的框图。
[0023]图6示出了模拟电流阻挡(ACB)器件的示例性1-V关系。
[0024]图7示出了如何可通过改变控制输入来改变ACB元件的限制电流。
[0025]图8示出了根据本发明的实施例的电源的操作。
[0026]图9示出了改变ACB电流限制可如何改变流过ACB元件的平均电流。
[0027]图10示出了与本发明的实施例有关的第一示例性电路。
[0028]图11示出了与本发明的实施例有关的第二示例性电路。
[0029]图12示出了与本发明的实施例有关的第三示例性电路。
[0030]图13示出了与本发明的实施例有关的第四示例性电路。
[0031]图14示出了与本发明的实施例有关的第五示例性电路。
[0032]图15示出了与本发明的实施例有关的第六示例性电路。
【具体实施方式】
[0033]提供了一种新供电概念，其提供了一种简单且有效的解决方案作为上述现有方法的替代。图5示出了基本的电路拓扑。AC电压被整流电路102整流并且经整流的AC随后被直接施加至模拟电流阻挡(ACB)器件502，该模拟电流阻挡(ACB)器件502具有受从误差放大器OAl导出的信号控制的可变电流限制操作，该误差放大器OAl将输出与已知参考Vref进行比较。通过被连接至ACB元件的积分电路来提供对输出电压V输出的平滑。在此不例中，积分电路是电容器C输出。
[0034]本质上，ACB元件作为主动(active)下电路器电路进行操作，当其两端的电压为低时如低值电阻器一样作用，随后当通过它的电流超过由误差放大器所设置的某一限制时转换至高电阻状态。误差放大器监控输出电压，并且响应于负载需求和AC线电压而调制电流限制值。在该示例中，控制信号是差分放大器(即，OAl)的输出，该差分放大器具有参考输入(即，Vref)和积分电路的输出(即，V输出)作为输入。
[0035]以此方式，连接在经整流的AC和负载之间的ACB电路504具有通过具有两个或三个不同的操作区域来表征的电阻。
[0036]I)当通过器件的电流低于对应于电流触发阈值的