用于电气设备的小型充电器的制作方法

本发明涉及充电器的领域。更具体地，本发明涉及小型尺寸的电气设备充电器。

科技进步的一个方面是电气设备及其附件的小型化。例如，与现代手持设备尺寸相比，仅在几年前，现代移动电话的计算能力需要非常大的设备。现代设备的用户能够使用小型手持设备来执行技术上复杂的操作和计算，诸如gps导航、网页浏览(websurfing)、视频内容观看以及记录等。

在电气设备充电器的领域，法规和安全限制要求电气设备与ac电网电气隔离。隔离最常用于防止连接到ac电网时的电击。能够传导电流同时将供电电路与ac电网隔离的最常见的电气组件是隔离变压器。允许变压器提供隔离电源的原理是电流隔离(galvanicisolation)，该变压器在电路的两个部分之间执行电力交换，同时防止电流在这两个部分之间流动和传导。

典型的变压器由铁芯和多个绕组(winding)组成。绕组的数量和铁芯的特性(包括其尺寸)都是从变压器两侧的所需的功率水平之间的比和电感中导出的。这两个组件(即，绕组和铁芯)决定了变压器的物理尺寸。

在电气设备充电器的情况下，变压器起着关键作用。因为需要隔离变压器以便将设备与ac电网隔离，所以包含这种变压器的充电器在物理上不能小于构成变压器的绕组和铁芯的尺寸。

因此，本发明的目的是提供用于最小化电气设备充电器的尺寸同时遵循隔离安全限制的方法。

本发明的又一目的是提供根据上述方法的小型电气设备充电器。随着描述的推进，本发明的其它目的和优势将变得明显。

发明概述

公开了用于电气设备的小型充电器，包括：整流器，其用于将具有第一电压水平的非隔离的(non-isolated)ac电网转换成具有第二电压水平的非隔离的dc电压；dc-dc电压转换器，其用于将具有第二电压水平的所述非隔离的dc电压转换成第三电压水平的非隔离的中间dc电压；以及变压器单元，其用于将第三电压水平的所述非隔离的中间dc电压转换成第四电压水平的隔离的(isolated)低dc电压，其中，充电器被包含在厚度小于4mm(能够在5vdc的输出下提供10w)，并且例如，长度小于85mm且宽度小于54mm的空间体积中。

根据一些实施例，充电器还包括用于对高dc电压进行滤波并向电压转换器提供纯净的高dc电压的滤波器。

根据一些实施例，供应的高ac电压在220-240vrms的范围内。

根据一些实施例，供应的高ac电压在90-127vrms的范围内。

根据一些实施例，隔离的低dc电压低于30v。

根据一些实施例，中间dc电压在50-100v的范围内。

根据一些实施例，dc-dc电压转换器是降压(buck)转换器、升压(boost)转换器或降压-升压转换器之一。

附图简述

关于本发明的主题在说明书的结束部分被特别指出并被清楚地要求保护。然而，本发明关于操作的组织和方法连同其目的、特征和优点，在参照附图一起阅读时，通过参考以下详细描述可得到最好的理解，其中：

图1图示了描绘根据本发明的实施例的小型充电器的操作的框图；

图2示出了根据本发明的实施例的电压转换和供应的流程图。

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e各自图示了将高dc电压转换成中间dc电压的方法。

应当理解的是，为了说明的简单和清楚起见，图中所示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可以相对于其他元素被放大。此外，在认为适当的情况下，参考数字可以在附图中重复以指示相应或类似的元素。

本发明的详细描述

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和组件，以免使本发明模糊。

本发明针对用于电气设备的小型充电器。具体地，针对厚度小于4mm并且例如长度小于85mm且宽度小于54mm的小型充电器。这种充电器的主要尺寸因素约束是被包含在其中的电力变压器，其通常限制厚度尺寸的减小。需要变压器主要是为了满足电气设备与ac电网的电流隔离的安全要求。还需要变压器以便将高电压(即，90-230v)转换为低操作电压(即，5-30v)，同时维持安全隔离要求。由设计提供给电气设备的功率确定的变压器的功率传输要求，连同所需的变压器电感，决定变压器的绕组数量和铁芯磁特征。这两个特征(即，绕组数量和铁芯磁特征)影响了变压器的最小物理尺寸，因此影响了包含这种变压器的充电器的最小物理尺寸，以便能够传输所需的功率，同时符合安全要求。

本发明介绍了仅包括小型组件同时维持安全要求和有电效率的电力转换的充电器。充电器利用高网络电压水平和低操作电压水平之间的中间电压水平，该中间电压水平被馈送到变压器的初级侧，这允许减小变压器尺寸，将在下文中详细地解释。根据本发明的实施例设计并操作的充电器的第一级用于将ac电网的高电压安全地转换成非隔离的中间电压水平，并且充电器的第二级将中间电压转换成低且隔离的电压，该低且隔离的电压适合于连接的电气设备操作或充电的电压。

中间电压水平的使用允许仅在电压水平转换之一处发生隔离，因此允许电压水平转换的一部分是非隔离的，只要充电器的输出端处的电压与充电器输入端处的电压(例如电网电压)隔离即可。因为充电器的电路的第一级不需要符合电压隔离要求，所以小型组件(诸如电感器和/或电容器)可以用在第一级的电路中，而符合高工作电压并且需要符合电隔离要求的电气组件通常是大组件，诸如在公共电源电路中使用的组件，诸如变压器(例如用于电压水平转换)。

使用中间电压水平为变压器的初级供电引入了允许变压器尺寸减小的附加优点；因为电路的切换频率与电网隔离，因此可以被设置为比电网的频率高的任何期望频率。因为馈送到变压器的电压的频率与所需电感系数(figure)成反比，所以在如本文所述其中不使用变压器的充电器电路的第一级中使用高切换频率，将馈送到变压器的电压频率与电网频率分离，从而与在较低频率操作的电路相比能够降低电感。

尽管从中间且非隔离的电压水平到低水平隔离电压的最终电压转换需要变压器，但是在根据本发明的实施例的电路拓扑中的该位置处的变压器的物理尺寸现在可以小于在充电器电路中使用的在其用于施加从高水平到低水平的电压转换的情况下的变压器的物理尺寸。由于变压器现在的电压转换是从中间水平转换到低水平，这种转换需要更小的电感，因此变压器绕组更少并且变压器铁芯更小，因此变压器体积更小，所以实现了该优点。变压器的已知设计规则规定：

其中：

ai是变压器的磁铁芯横截面面积

f是变压器的操作频率

bm是磁通量

te是每伏转数值

从该公式可以看出，操作频率越高，变压器的磁铁芯的横截面越小，从而能够减小变压器的物理尺寸。

图1图示了描绘根据本发明的实施例的小型充电器的主要结构元件和代表性波形的框图。ac电网101生成正弦波102，正弦波102具有高振幅(90vrms-230vrms)并且是非隔离的或非浮动的(non-floating)，即包括中性终端(neutraltermination)。正弦波102进入波整流器104，波整流器104包括能够将ac波102转换成类似幅度的dc波105的块。在波整流器104处，在不对波施加隔离的情况下执行转换。非隔离的dc波105进入电磁兼容/电磁干扰(emc/emi)和dc滤波器106，用于滤除信号干扰，得到纯净的dc高且非隔离的电压107。纯净的高电压107进入dc-dc转换器108，dc-dc转换器108将信号转换成中间电压dc水平信号109，该信号仍是非隔离的。一旦电压处于中间状态，就可以将其转换成隔离的目标低电压。这通过块110来实现，块110通常包括用于实现降压和隔离的变压器。结果是处于所需的电压水平(通常在5vdc到20vdc的范围内)下的低水平隔离电压111。

图2示出了根据本发明的实施例的从充电器入口施加到电压的转换的流程图。在步骤21中，ac电网电压(通常为90vrms至230vrms)被提供给充电器电路。在步骤22，高电压被转换(即，整流)成非隔离的高dc电压。在步骤23，非隔离的高dc电压进入emc/emi和dc滤波器，以用于滤除干扰。该步骤的结果是纯净非隔离的高dc电压，其在步骤24中被馈送到dc电压转换器，以用于将高dc电压转换成非隔离的中间dc电压。在步骤25中，非隔离的中间dc电压被转换成隔离的目标低dc电压。一旦达到该电压水平，并且满足隔离安全要求，在步骤26中，隔离的低dc电压可以被提供给目标设备，从而完成电源的电压转换和处理步骤。

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e示出了dc-dc转换器的五种变型及其相关联的电压。根据本发明，从高dc电压到中间dc电压的转换可以由但不限于图3a-图3e中示出的dc-dc转换器之一并根据它们的相关联的电压来被执行。

图3a示出了高电压312和中间电压313之间的关系的图形示例311。电路314是可以用于获得这种关系的电子电路，其中，电容器315用于存储高电压，并且电容器316用于存储中间电压。

类似地，图3b-图3e分别示出了其他图形示例321、331、341和351，呈现了高电压(分别为322、332、342和352)和中间电压(分别为323、333、343和353)之间的关系。电路324、334、344和354是可以分别用于获得这种电压关系的电子电路，其中，电容器325、335、345和355分别用于存储高电压，并且电容器326、336、346和356分别用于存储中间电压。

图3a的转换器类型(即，转换器314)在拓扑上被定义为降压转换器。图3b、图3c和图3d的转换器类型(即，转换器324、334和344)在拓扑上被定义为降压-升压转换器。图3e的转换器(即，转换器354)在拓扑上被定义为升压转换器。

中间电压到低电压的转换需要较少的绕组和较小的铁芯，并且允许比高ac电压到低dc电压的转换更高的切换频率。因此，中间电压等级的使用使得电气设备充电器的主要尺寸因子能够最小化，同时维持隔离安全指示。

根据本发明的实施例，为了实现充电器非常有限的物理尺寸，应当在多个限制变量之间进行仔细的折衷，这些变量往往相互矛盾。例如，对于10w的充电器来说，将充电器的厚度保持在4mm以下要求使用更薄的变压器，反过来，为了能够转换足够的电能，需要延长其长度和宽度尺寸。另一示例是非常薄的变压器对变压器绕组施加的限制，为它们留下的空间非常小，以及要求使用隔离电线的电浪涌(inrush)隔离要求，对绕组的可用空间施加了更高的限制。例如，高浪涌电压隔离要求可以是3000vac或4242vdc。根据本发明的实施例设计的充电器在降压拓扑中的输入/输出电压水平比可以是230v:46v，其为5:1的比率，并且在隔离级的反激(flyback)拓扑中电压比可以是46v:5v，其为8:1的比率。可以使用以下考虑因素来确定第二级电压比。

其中：

n1是初级绕组数量

n2是次级绕组数量

d是占空比

为变压器选择的用于通过变压器传输电力的频率可以根据多个考虑因素和变量(例如变压器所需的电感、物理尺寸的限制、变压器铁芯材料、变压器的电力能力等)中的一个或更多个来被确定。

为了使根据本发明的实施例构造并操作的充电器符合美国和欧盟最低效率的要求，它应当具有以下总效率：

useff≥0.0834*ln(p输出)-0.0014*p输出+0.609；空载功率≤100mw

eueff≥0.0834*ln(p输出)-0.0011*p输出+0.609；空载功率≤75mw

考虑到上述约束和限制，对于根据本发明的实施例的非常薄的充电器，特别是对于10w、240vac输入充电器的小于4mm的厚度限制，将在40-70v的范围内选择中间电压，以便能够减小变压器的物理尺寸，并且可以得到具有足够高电容和足够小物理尺寸的电容器，例如对于兼容46v的电容器并联的两个(或更多个)100uf/25v的电容器。

虽然本文已经图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。