采用功率降低器的功率适配器的制作方法

专利名称：采用功率降低器的功率适配器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电力电子学，更具体地，涉及用于空载或轻载设备的包括功率 降低器的功率适配器及其操作方法。
背景技术：
开关模式的功率转换器(也称“功率转换器”或“调节器”)是将输入电压波形转 换为特定的输出电压波形的供电或功率处理电路。DC-DC功率转换器将直流(“dc”)输入 电压转换为dc输出电压。与功率转换器相关联的控制器通过控制功率开关中使用的导通 周期来管理其操作。通常，控制器在反馈回路配置(也称“控制回路”或“闭环控制回路”) 中耦合在功率转换器的输入和输出之间。通常，控制器测量功率转换器的输出特征(例如，输出电压，输出电流，或输出电 压和输出电流的组合)，并在此基础上修改功率转换器的功率开关的占空比。占空比“D”是 表示功率开关的导通周期与其开关周期的比例。因此，如果功率开关导通达半个开关周期， 则该功率开关的占空比将是0.5(或百分之50)。此外，随着系统(例如，由功率转换器供电 的微处理器)中电压或电流的动态变化(例如，由于微处理器上计算负载的变化)，控制器 应当配置为动态提高或降低其中功率开关的占空比，以便将例如输出电压之类的输出特征 维持在期望的值。设计用于将交流(“ac”)干线电压转换为调节后的dc输出电压以便为电子负载 (例如打印机，调制解调器，或个人计算机)供电的、具有低额定功率的功率转换器通常称 为“ac功率适配器”或“功率适配器”，或者这里更简洁地称为“适配器”。工业标准要求持 续降低空载供电损耗，以降低由数百万个保持插入但却未被使用的功率适配器所消耗的功 率。从处于空闲或休眠模式(这是家庭或者办公环境中的此类设备在多数时间中的操作状 态)的电子设备所代表的典型负载的角度来看，建立了甚低输出功率水平处的效率需求。功率适配器的空载功耗通常由三种现象支配。第一种现象涉及用以从高压功率总 线到向适配器的控制器提供功率所汲取的电流。当适配器正在操作并且可以从变压器的辅 助线圈提供功率时，高压功率汲取有时会切断。然而，当适配器未操作时(例如，启动状况 或控制器完全关闭的情况)，高压供应总线直接为控制器提供功率。尽管启动或保持控制器 操作所需的电流可能较小，但是其来自高压总线的这一事实导致来自适配器输入的超过最 优的功率汲取。第二种现象涉及跨适配器的“X-电容器”(即，安全额定电容器)而耦合的分泄电 阻器中的电流。X-电容器是跨功率转换器的ac输入功率干线(也称为“ac干线”)而耦 合的电容器，用以降低由功率转换器产生并被导回ac干线的电磁干扰(‘ ΜΙ”)。“Y-电 容器”(即，安全额定电容器)是耦合在到功率转换器的ac干线与输入侧接地导体之间的 EMI-降低电容器。X-电容器和Y-电容器二者的特征均是与相应电容器需要维持的峰值电 压相关的安全额定电压。当从ac干线断开时，X-电容器应该在短时间内分泄降低到低电 压。分泄降低χ-电容器的电压通常利用跨电容器耦合的分泄电阻器来完成。
第三种现象涉及栅极驱动以及其他不因负载而变化的持续性功耗。第三种现象通 常通过使用突发模式的操作来加以解决，其中控制器在一段时间(例如，1秒钟)内被禁用， 随后是高功率操作的短脉冲(例如，10毫秒(“ms”))，以提供较低的平均输出功率。第二 种现象的解决通常是通过以允许减小X-电容器尺寸的各种方式来降低生成的EMI，这允许 降低分泄电阻器电流。上述第一种现象通常未被解决。即使在控制器被禁用时，它仍然汲取少量但是重要的功率量。而且，不管负载水平 如何，与X-电容器并联耦合的分泄电阻器汲取连续的功率。当X-电容器的尺寸由于良好 的EMI设计实践而在一定程度上减小时，所有的适配器至少需要小χ-电容器以满足EMI需 求，这导致空载时的分泄电阻器损耗。随着工业需求每年都变得越发严格，相对较小的这两类功耗现在已经变成了降低 空载损耗的实质性障碍。因此，尽管开发出了用以降低功率适配器功耗的各种策略，但是当 适配器向负载提供最小功率或者不提供功率时，尚未出现提供实质性功耗降低的策略。由 此，本领域中需要用于功率适配器的设计方式和相关方法，其支持在不牺牲最终产品性能 的情况下进一步降低功率转换器损耗，并且可以有益地适用于高产量制造技术。

发明内容
通过本发明的有益实施方式，这些和其他问题而得到解决和克服，并且实现了技 术优势，其中本发明的实施方式包括一种功率适配器及其操作方法，该功率适配器包括用 于空载或轻载应用的功率降低器。在一个实施方式中，该功率适配器包括与该功率适配器 的输入耦合的电容器；以及与该电容器并联耦合的分泄开关。该功率适配器还包括检测电 路，其配置用于感测该功率适配器的输入处的ac干线电压，以及基于对ac干线电压的损耗 的检测来接通分泄开关。此外或作为替代，该功率适配器可以包括功率转换器；以及断开 开关，其配置用于响应于来自负载的信号而将ac干线电压从功率转换器断开。电容器、分 泄开关、检测电路和断开开关形成了用于功率转换器的功率降低器的至少一部分。上文已经相当宽泛地勾勒出了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解接 下来对本发明的详细描述。本发明的其他特征和优势将随后描述，其形成了本发明权利要 求的主题。本领域技术人员应该能理解，所公开的概念和特定实施方式可以容易地用作修 改或设计用于实现本发明相同目的的其他结构或流程的基础。本领域技术人员还应意识 到，这些等效结构没有脱离如所附权利要求提出的本发明的精神和范围。


为了更全面地理解本发明，现在将结合附图参考以下描述，其中图1示出了根据本发明的原理构造的功率适配器的实施方式的示意图；图2示出了根据本发明的原理构造的功率适配器的实施方式的部分示意图；图3示出了表示图2的功率适配器的选定电压的图表；图4示出了根据本发明的原理构造的功率适配器的实施方式的部分示意图；以及图5、图6A和图6B示出了表示图4的功率适配器的选定电压的图表。除非有其他指示，在不同附图中，相应的数字和符号一般指代相应的部分，并且为 了简洁，在第一实例后不再重复描述。绘制附图是为了示出示例性实施方式的相关方面。
具体实施例方式下面将详细讨论本发明示例性实施方式的制造和使用。然而，应该理解的是，本发 明提出了很多可适用的创造性的概念，这些概念可以按照多种特定的上下文来具体化。所 讨论的特定实施方式仅仅示出了本发明的制造和使用的特定方式，并不是对本发明范围的 限制。本发明将参考在特定上下文中的示例性实施方式描述，S卩，包括用于空载或轻载 应用的功率降低器的功率适配器。虽然本发明的原理是在功率适配器的环境下描述的，但 是能够从包括功率降低器的功率转换设备中受益的任何应用(例如，功率放大器或电动机 控制器)同样处于本发明的宽泛的范围内。由于其简便和低成本，回扫(flyback)功率转换器经常被用于诸如用于打印机的 功率适配器等低功率应用中。采用回扫功率转换器的功率适配器通常设计用于在高输出功 率水平持续地操作。注意，功率适配器的负载(例如，由打印机和个人计算机提供的负载) 通常是可变的，并且通常不会在最大功率水平长时间运行，此类应用的功率适配器的设计 要考虑在空载和轻载时的功率转换效率。现在转向图1，其示出了根据本发明的原理构造的功率适配器的实施方式的示意 图。功率转换器(也称为“回扫功率转换器”)的功率链(例如，回扫功率链)包括与ac 干线110耦合的功率开关Qmain ；可以包括X-电容器和Y-电容器(下文详述)的电磁干扰 (“EMI”)滤波器120 ；桥式整流器130 ；以及用以向磁性设备(例如，隔离变压器或变压器 T1)提供经过充分滤波的dc输入电压Vin的输入滤波电容器Cin。虽然图1所示的EMI滤波 器120定位在ac干线110与桥式整流器130之间，但是EMI滤波器120可以包含定位在桥 式整流器130和变压器T1之间的滤波组件。变压器T1具有匝数比为η 1的初级绕组Np 和次级绕组Ns，匝数比的选择是为了在考虑所得占空比以及功率链组件上的压力的情况下 提供输出电压V。ut。功率开关Qmain(例如，η-沟道场效应晶体管)由脉宽调制(“PWM”)控制器140来 控制，该控制器140控制功率开关Qmain在占空比内导通。功率开关Qmain响应于由PWM控制 器140所产生的栅极驱动信号Ve而以切换频率(通常表示为“fs”)导通。占空比由PWM控 制器140来控制(例如，调节)，以调节功率转换器的输出特性，例如输出电压V。ut。输出电 流I。ut或其组合。反馈路径150允许PWM控制器140控制占空比，以调节功率转换器的输 出特性。当然，如本领域公知的，反馈路径150中可以采用例如光隔离器之类的电路隔离元 件，以保持功率转换器的输入-输出隔离。变压器T1的次级绕组Ns上出现的ac电压由二 极管D1进行整流，并且所得波形的dc分量通过低通输出滤波器而耦合至输出，其中低通输 出滤波器包括输出滤波电容器C。ut用以产生输出电压V。ut。在占空比的第一部分期间，流经变压器T1的初级绕组Np的电流IPH(例如，电感器 电流)随着电流从输入流经功率开关Qmain而增大。在占空比的互补部分期间(通常与功 率开关Qmain的互补占空比I-D共存)，功率开关Qmain跳变为非导通状态。当功率开关Qmain 关断时，存储在变压器T1内的残留磁能致使通过二极管D1的电流导通。与输出滤波电容器 C。ut耦合的二极管D1提供了保持变压器T1的磁化电流的连续性的路径。在占空比的互补部 分期间，流经变压器T1的次级绕组Ns的磁化电流降低。通常，可以控制(例如，调节)功率开关Qmain的占空比，以保持对功率转换器的输出电压V。ut的调节或者调节功率转换器的输 出电压v。ut。为了调节输出电压V。ut，通常使用误差放大器(未示出)对输出电压V。ut的值或者 经缩放的值与PWM控制器140中的参考电压进行比较，以控制占空比。这形成了负反馈布 置，用以将输出电压V-调节为参考电压(经缩放的)值。较大的占空比意味着功率开关 Qmain在功率转换器的切换周期的较长部分中是闭合的。如这里介绍的，功率适配器的空载(也称轻载或者降低负载)损耗得以解决。在 一个实施方式中，当适配器从外部电源(例如，从耦合至适配器的负载)接收到信号时，功 率适配器的功率转换器(例如，耦合至对ac干线电压进行整流的桥式整流器的dc侧的功 率转换电路)基本上断开。例如，个人计算机可以向适配器传输信号，指示该适配器应当 进入空载运行状态。响应于此信号，适配器通过打开诸如金属氧化物半导体场效应晶体管 (“M0SFET”)的开关，来断开适配器的功率转换器。断开适配器的功率转换器移除了除X-电 容器分泄电阻器引起的损耗之外的、与适配器相关联的损耗。在另一个实施方式中，主动分泄器(bleeder)跨适配器的X-电容器而耦合。在向 适配器提供ac干线电压时，主动分泄器关断。当ac干线电压关断时，主动分泄器接通，以 使快速对X-电容器进行放电。使用主动分泄器移除了由于χ-电容器的分泄电阻器而引起 的大部分损耗。如这里介绍的，主动分泄器感测电容器(例如，信号通知ac干线电压存在的高压 电容器)的放电。当ac干线电压从耦合到适配器的ac干线移除后，发生电容器的放电。功 率适配器可以通过脉冲检测器来感测ac干线电压的移除，其中脉冲检测器例如响应于去 往适配器的ac干线电压的基频或者其谐波的脉冲检测器。每个脉冲检测器与相应的整流 二极管耦合，而整流二极管转而与ac干线端耦合。耦合至ac干线端的二极管所产生的脉 冲串损耗被认为向适配器指示ac干线电压的移除，并且跨X-电容器而耦合的主动分泄器 (例如，分泄器M0SFET)接通。两个二极管的每一个响应于ac干线电压而产生其自己的脉 冲串。单一已充电的X-电容器可能无法自己产生指示ac干线电压存在的可靠信号。通过 要求两个二极管产生各自的脉冲串，电路需要热端和中性端有规律的具有正高电压，从而 保持脉冲串活跃，这只有在ac干线电压在规律的基础上切换极性时(即，电容器上dc电压 的存在不会产生指示ac干线电压存在的错误信号)才会发生。因而，用于主动分泄器的检 测电路可以配置用于采用适于感测ac干线电压的两个极性的多个二极管来检测ac干线电 压的损耗。现在转向图2，其示出了根据本发明的原理构造的功率适配器的实施方式的部分 的示意图。功率适配器包括断开开关Q2，其移除除了与电容器(例如，X-电容器C3)相关 联的分泄电阻器Rl所导致的损耗之外的、与功率适配器相关联的基本上所有损耗。电阻器 R3表示耦合至桥式整流器101的隔离功率转换器的功率泄漏(包括其空载泄漏)，以及耦 合至功率转换器的负载(例如，包括电池的个人计算机)。由此，即使个人计算机被禁用或 从适配器断开，由于功率适配器中的功率转换器的高频切换动作以及功率转换器中的主动 控制组件，电阻器R3仍表示正功率泄漏。断开开关(例如，M0SFET)Q2是用于电阻器R3的断开开关。成对的二极管D4、D5 将高压电容器Cl充电到ac干线电压Vl的峰值。分泄电阻器Rl和齐纳二极管Zl产生耦合至断开开关Q2的栅极的12伏特的源，其响应于对适配器的ac干线电压而接通断开开关 Q2。当例如个人计算机的负载进入空载或停机操作模式时，其产生高电平(例如，大 于3伏特)的次级侧(即，负载侧)信号V2，以信号通知开关(例如，M0SFET)Q3的关断。 通过耦合至反相器INVl的信号V2来关断开关Q3，这将启用由反相施密特触发器U1、电阻 器R4和电容器C2(例如，10纳法电容器)形成的振荡器(例如，弛缓振荡器102)的操作。 反相施密特触发器响应于低输入信号而产生高输出信号。当通过关断开关Q3而被启用时， 次级侧弛缓振荡器102在其输出处的电路节点m处产生3. 3V矩形波，其通过Y-电容器 CY而穿过适配器的初级和次级地电位之间的高压边界(其中，初级和次级地电位由临近地 电位符号的“P”或“S”表示)的高压边界。倍压器103继而将该矩形波增压和调整为大约 6. 6伏特的dc电平。该6. 6伏特的dc电平接通功率开关(例如，M0SFET)Q1，其将耦合至 断开开关Q2棚极的12伏特的源(跨齐纳二极管Zl)短接，从而关断断开开关Q2。如果电 路节点m处产生的矩形波具有接通功率开关Ql的足够幅值，则可以省略倍压器103。反相 器INVl和施密特触发器Ul耦合至负载的独立电源(例如，个人计算机的电池V3)。虽然图2中示出的以及接下来将参考图4示出和描述的功率适配器配置用于具有 信号耦合电容器(例如，Y-电容器CY)用以在初级和次级侧地电位之间跨过隔离边界传输 信号，但是在备选实施方式中，可以采用本领域中公知的诸如脉冲变压器或者光隔离器的 其他隔离元件，用以跨隔离边界来传输矩形波信号(或者其他波形)。图2和图4中示出的 Y-电容器CY提供了传输矩形波信号的低成本且节能的机制。诸如个人计算机等负载通常包括能够驱动内部负载电路的电池。当功率适配器被 负载禁用时，负载可以通过将信号V2设置为低来重新启用功率适配器的操作。当负载进入 活跌使用状态或者当其电池需要再充电时，可以传输由负载产生的此类信号以便再将功率 适配器接通。功率适配器的桥式整流器101的dc侧的断开开关Q2配置用于响应于来自 包含独立电源(例如，电池V3)的负载的信号V2，将ac干线电压Vl从功率转换器断开。负 载中的独立电源(例如，电池V3)为功率适配器中可以用来断开或重连接ac干线电压Vl 的电路提供信号功率。例如，由负载提供的此信号功率可以用于为诸如振荡器102(例如， 其施密特触发器Ul)和反相器INVl的电路供电。当独立电源无法提供信号功率时，断开开 关Q2配置用于将ac干线电压Vl连接到功率转换器。图2中示出的功率开关Ql之前(也即，功率开关Ql的栅极之前)的次级侧电路 元件被假定为由耦合至功率适配器的负载来供电。如果负载中的电池被放电使得负载在没 有功率适配器的情况下无法操作，则将不会为振荡器102供电。因此，将不会在功率开关Ql 的栅极处产生信号，这独立于信号V2。由此，当负载的电池完全放电时，将产生跨齐纳二极 管Zl的12伏特偏压，并且ac干线电压的存在会使断开开关Q2接通，从而使负载中的电池 重新充电。为了在对负载的电池进行充电时禁用断开开关Q2，将信号V2设置为高值。图2中示出的功率适配器提供了一个纳法的Y-电容器CY，其跨过初级和次级地 电位之间的高电压边界而耦合。如果弛缓振荡器的频率增加，可以使用较小的电容器。例 如，可以有益地采用在50千赫(“kHz”)操作的100皮法的Y-电容器，其中2. 2纳法的值 用于电容器C2，并且10千欧(1Ω”)的值用于作为振荡器定时组件的电阻器R4。当个 人计算机或者其他负载存在低负载或零负载操作模式时，将信号V2设置为低。继而禁用弛缓振荡器102，这将关断功率开关Ql。关断功率开关Ql允许齐纳二极管Zl的电压回升至 12伏特，这继而将接通断开开关Q2，从而允许向负载供电。功率开关Ql的棚极电压表示为 Vg,并且耦合至功率转换器的ac干线电压Vl为诸如个人计算机的负载或者其中需要充电 的电池供电。图2中示出的电路元件的示例性组件值列出如下。
权利要求
一种功率适配器，包括与所述功率适配器的输入耦合的电容器；与所述电容器并联耦合的分泄开关；以及检测电路，配置用于感测所述功率适配器的所述输入处的ac干线电压，以及基于对所述ac干线电压的损耗的检测来接通所述分泄开关。
2.如权利要求1所述的功率适配器，其中所述电容器是X-电容器。
3.如权利要求1所述的功率适配器，进一步包括与所述分泄开关串联耦合的分泄电 阻器。
4.如权利要求1所述的功率适配器，其中所述检测电路配置用于通过利用峰值检测器 感测跨所述电容器的电压，来检测所述ac干线电压的所述损耗。
5.如权利要求4所述的功率适配器，其中所述检测电路配置用于通过根据耦合电容器 感测跨所述峰值检测器的电压的变化，来检测所述ac干线电压的所述损耗。
6.如权利要求1所述的功率适配器，其中所述检测电路配置用于根据适于感测所述ac 干线电压的两极的多个二极管，来检测所述ac干线电压的所述损耗。
7.如权利要求1所述的功率适配器，进一步包括 功率转换器；以及断开开关，配置用于响应于来自负载的信号将所述ac干线电压从所述功率转换器断开。
8.如权利要求7所述的功率适配器，其中所述功率转换器是回扫转换器。
9.如权利要求7所述的功率适配器，其中来自所述负载的所述信号通过信号耦合电容 器与所述断开开关耦合。
10.如权利要求9所述的功率适配器，进一步包括耦合至所述信号耦合电容器的振荡器。
11.如权利要求10所述的功率适配器，进一步包括耦合至所述振荡器和所述信号耦 合电容器的倍压器。
12.如权利要求7所述的功率适配器，其中所述断开开关配置为当来自所述负载的所 述信号为高值时将所述ac干线电压从所述功率转换器断开。
13.一种功率适配器，包括 整流器；与所述整流器的dc侧耦合的功率转换器；以及所述整流器的所述dc侧上的断开开关，配置用于响应于来自包括独立电源的负载的 信号而将ac干线电压从所述功率转换器断开，其中所述独立电源向所述功率适配器中的 电路提供信号功率以允许所述断开。
14.如权利要求13所述的功率适配器，进一步包括 与所述功率适配器的输入耦合的电容器；与所述电容器并联耦合的分泄开关；以及检测电路，配置用于感测所述功率适配器的所述输入处的所述ac干线电压，以及基于 对所述ac干线电压的损耗的检测来接通所述分泄开关。
15.如权利要求13所述的功率适配器，其中所述功率转换器是回扫转换器。
16.如权利要求13所述的功率适配器，其中来自所述负载的所述信号通过信号耦合电 容器耦合至所述断开开关。
17.如权利要求16所述的功率适配器，其中所述信号耦合电容器是Y-电容器。
18.如权利要求16所述的功率适配器，其中所述电路包括耦合至所述信号耦合电容器 的振荡器。
19.如权利要求18所述的功率适配器，进一步包括耦合至所述振荡器和所述信号耦 合电容器的倍压器。
20.如权利要求13所述的功率适配器，其中所述断开开关配置用于在所述独立电源无 法提供所述信号功率时将所述ac干线电压连接至所述功率转换器。
21.一种操作包括功率转换器的功率适配器的方法，包括将电容器耦合至所述功率适配器的输入；将分泄开关并联耦合至所述电容器；感测所述功率适配器的所述输入处的ac干线电压；以及基于对所述ac干线电压的损耗的检测来接通所述分泄开关。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述感测包括感测跨所述电容器的电压的变化。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述感测利用峰值检测器来执行。
24.如权利要求21所述的方法，进一步包括响应于来自负载的信号，将所述ac干线电 压从所述功率转换器断开。
25.如权利要求24所述的方法，其中，响应于来自所述负载的所述信号而在所述功率 适配器的整流器的dc侧进行所述断开，其中所述负载包括向所述功率适配器中的电路提 供信号功率的独立电源。
全文摘要
本发明涉及采用功率降低器的功率适配器。具体地，公开了用于空载或者轻载应用的包括功率降低器的功率适配器及其操作方法。在一个实施方式中，功率适配器包括耦合至功率适配器的输入的电容器，以及并联耦合至电容器的分泄开关。功率适配器还包括检测电路，其配置用于感测功率适配器的输入处的ac干线电压，以及基于对ac干线电压的损耗的检测来接通分泄开关。此外或者作为替代，功率适配器可以包括功率转换器和断开开关，并且断开开关配置用于响应于来自负载的信号将ac干线电压从功率转换器断开。
文档编号H02M3/338GK101944857SQ20101025071
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者A·布林里, A·琼格雷斯, P·加里蒂 申请人:伟创力国际美国公司