具有控制的负载识别AC电源及方法与流程

具有控制的负载识别ac电源及方法
1.本技术是2019年4月25日提交的申请号为201780066128.x (pct/us2017/046533)、申请日为2017年8月11日、标题为“具有控制的负载识别ac电源及方法”的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2016年10月28日提交的发明名称为highefficiency ac to dc converter and methods(高效交流到直流转换器和方法)的美国临时申请62/414467，以及于2016年12月9日提交的发明名称为electronic switch and dimmer(电子开关和调光器)的美国临时申请62/431926的优先权。这两项申请包括共同的发明人并且目前正在审查中。
[0004][0005]
技术领域
[0006]
本发明涉及用于识别连接的电子负载并且基于对负载的识别来控制到负载的ac功率的ac电源及方法。


背景技术：

[0007]
传统的从ac干线向家庭内的设备提供ac功率的方法是通过插入的插座。典型地插座不包括有源电子器件，并且仅仅是连接器。较新的插座包括故障检测电路，但很少提供任何方法来测量或控制传递到所连接的设备的ac功率。最近的用于改进家庭内的电力分配的方法包括家庭区域网络，该网络与包括诸如有线和无线局域网的通信手段相互作用。通常通过在诸如智能手机或平板计算机的个人计算机和个人设备上编程的应用进行控制。另一种方法是通过在墙壁开关中包括额外的电子器件。较新的可编程恒温器用于控制中央暖气和空调。尽管这些设备提供了改进的控制以及能量使用的反馈，但是它们依赖于设备本身内的改进的电子器件，而没有改进对插进墙壁插座内的较旧的遗留设备的ac功率的分配。
[0008]
诸如美国能源部的政府机构通过诸如energy程序(energystar为美国能源部注册的商标)的程序为认证为低能耗的新的设备和电气用具设立标准。在很多情况下，通过当设备处于空闲或睡眠模式时减少的能量使用来智能管理提供给设备的ac电源，从而减少能量消耗。同样地，焦点在于新的设备和电气用具，而没有对大量已安装的设备采取措施。对新设备的智能控制通常需要了解设备的性质。由设备消耗的功率通过内置的规则组进行管理，该规则组被编程在位于控制ac功率的设备内的微处理器上。例如，在空闲时间中，洗衣机可能完全地从电源被断开，并等待手动开启下一个加载。然而，冰箱无法像这样被断开，因为必须保持电源以监控温度并启动压缩机以保持设定点。诸如电视、计算机、显示器以及打印机的其他设备与电气用具可能具有一组通过监控一天中的使用情况和时间而制定的规则。当从过去的使用历史得知设备典型地没有在使用时，给该设备的电源可能会显著地减少。在某些情况下，存在一些允许用户选择设备进入低功耗的睡眠模式的速度的用户设置。同样，所有的这些能量使用的改进通常都包含于设备本身。通过对电源的外部
控制来改进功耗虽然是可能的，但是需要了解设备的性质。在某些情况下，诸如照明、冰箱等的设备类型的一般种类足以提供将会通过降低的功耗改进性能的一组规则。第一步是能够识别负载设备。需要一种在ac干线和电气负载设备之间的以智能插座或连接器的形式的电源，且其包括一种识别相互连接的设备的手段，使得该识别可以用于控制提供给设备的功率。
[0009]
传统的识别负载的手段是不够的。查询由负载引起的相位偏移的波形分析是众所周知的。更加奇特的系统使用波形分析，包括电流和电压波形上存在的高频模式的模式匹配。尽管这些提供了改进，但是在诸如主要为电阻的两个负载或均包括电子马达的两个负载的相似负载之间进行区分方面仍然存在困难。应用于波形的高频分量的深度学习方法仍然不足以完全地识别所连接的电子负载。需要改进的波形分析以识别连接到ac干线电源的负载。需要一种ac电源，其能够完全地集成到以下任何一个中：电源面板、连接到电源面板的插座盒、接线板或附接于插座盒的延长线。需要一种可以完全地集成到硅上的负载识别以及控制系统。


技术实现要素：

[0010]
描述了一种负载识别ac电源系统，其包括用于识别连接到ac 电源的负载并基于识别来控制提供给负载的功率的电子器件。该负载识别ac电源可以集成到现有的电源面板、插座盒或集成到诸如电线和接线板的连接器中。在一个实施例中，电线或接线板上的每个插座包括识别附接的负载并控制传递到该负载的功率的电子器件。在一个实施例中，本发明的负载识别ac电源包括电压和电流传感器，以及负载需求传感器。供应到负载和负载需求的电压和电流的实时波形分析由微处理器完成。负载识别ac电源进一步包括与负载串联的可编程的开关，其可以在高于ac干线的频率的频率下工作，并且既可以打开和关闭电源，也可以使用脉冲角度调制来控制提供给负载的功率。负载识别ac电源包括以下功能，即，提供给负载的ac电源基于负载的识别而进行调节。在一个实施例中，负载识别ac电源包括微处理器，该微处理器被编程来控制开关并且获取电流和电压波形，然后识别电压和电流波形中的特定模式及关系，并将这些模式与具体的连接的负载设备或多个设备相关联。通过将负载的性质进行分类的一组规则或通过模式匹配技术来分析波形。通过波形分析来增强基于规则的以及模式匹配技术，从而提高不同负载类型之间的区分，无论该波形分析是否使用可编程的开关而具有提供给负载的功率的变化。在一个实施例中，由与ac电路或中性线串联的开关构成的电压调节器，通过斩波ac源正弦波的片段被调制，从而通过相角“斩波”或相位角调制(pam) 来改变负载上的有效电压。通过对ac源应用pam，跨过负载的ac 电压会减小与角度成比例的有效电压压降。在电源电压的调制之前、期间和之后对负载的电流和电压波形进行监控。在一个实施例中，通过观察电源管理系统对降低的电源电压的反应，如在电压、电流和功率波形中反映出的，将包括电源管理的负载与不包括电源管理的负载区分开。在另一个实施例中，预选的提供给负载的功率的变化模式被施加在有限数量的负载循环中。在一个实施例中，使用神经网络分析并基于未受干扰的和变化的提供给负载的功率两者来分析波形并对波形分类。在另一个实施例中，基于区分负载类型的能力来优化开关的编程控制。在另一个实施例中，该实施例中有多个负载类型连接到相同的电路中，优化控制开关的程序以最大化可区分的连接的负载的数量。在一个实施例中，设备的识
别限于设备的一系列常规种类。种类的非限制性示例包括电阻负载、电容负载、电感负载和这三种类型的负载，其进一步包括用于在变化的电源电压下保持恒定功率的功率因数校正设备。
[0011]
ac电源包括与ac干线的连接、向微处理器提供dc功率的 ac/dc转换器、电流和电压传感器以及可编程的开关。电压传感器利用电阻分压器，并且使用电流感测电阻、电流放大器、以及霍尔效应传感器来感测电流。采样结果通常由比较器、模数转换器(adc)进行处理，并且存储于数据存储元件。在优选的实施例中，ac/dc转换器和可编程的开关均使用能够使整个ac电源集成到硅上的设计。
[0012]
具体的示例不旨在将本发明构思限制于示例应用。从附图和详细的描述中，本发明的其他方面以及优点是显而易见的。
附图说明
[0013]
图1是描绘现有技术电子负载识别的各方面的示意图。
[0014]
图2是图1的样式的改进的电子负载识别的第一实施例的示意图。
[0015]
图3是图1的样式的改进的电子负载识别的第二实施例的示意图。
[0016]
图4是改进的电子负载识别方法的流程图。
[0017]
图5是本发明的负载识别ac电源的电子器件的框图。
[0018]
图6是在负载识别ac电源的优选实施例中使用的ac到dc转换器的框图。
[0019]
图7是图6的ac到dc转换器的优选实施例的电路图。
[0020]
图8和图9是在负载识别ac电源的优选实施例中使用的可编程开关的各方面的电路图。
[0021]
图10是负载识别ac电源的框图，其进一步包括负载与ac源的电气隔离。
[0022]
图11是负载识别ac电源的框图，其进一步包括负载传感器与负载识别ac电源的其他部件的电气隔离。
具体实施方式
[0023]
参考图1，示出了用于识别附接到ac源的负载的典型的现有技术方法。该图表描绘了现有技术分析中使用的一般波形，并包括ac干线 101、连接的负载的电压102和电流103以及负载消耗的功率104。各图表的横轴表示时间，纵轴表示所指示的测量值。在典型的情况下，在t0时插座被供电，且在t1时连接负载，随后在t2时功率被负载消耗。在大多数情况下，就现有系统的测量能力而言，t1和t2是同步的。现有技术系统不包括测量t1和t2之间的时差的能力。现有技术系统以最简单的形式查询负载的电压和电流的相位相对于干线相位的偏移。在更加复杂的现有技术系统中，将波形上的高频变化模式v
load 102和i
load 103与预期负载的已知模式相匹配。注意图1中示出的波形模式以及后续图2至图4为所获得的数据类型的象征，并没有描绘诸如波形中包括的高频变化的细节。本领域技术人员熟知低频波形上的高频噪声。
[0024]
参考图2，示出了本发明的负载识别ac电源中包括的分析方法的第一实施例。该图表是ac干线201的电压、可编程开关的输出电压 202的值相对于时间的关系，所述可编程开关在ac干线和负载之间串联。至少在某一基准时间t0，ac干线被供电并接通。在时间t1，负
载被插入到插座中，或者以其他方式连接到负载识别ac电源。负载识别 ac电源检测连接的负载，并且在时间t2可编程开关开启，从而将ac 干线连接到负载。负载在时间t3开始消耗功率。由于在ac干线和负载之间具有串联的可编程开关，因此可知向负载施加电源的确切时间 t2和负载开始消耗功率的确切时间t3。以这种方式，包括导致开启延迟的某种形式的功率调节的负载可以与不包括这种控制的负载区分开。也就是说，在大多数情况下，t2和t3几乎同时发生。然而，t2和t3之间的延迟可以指示负载类型。负载识别ac电源在t3和t4之间的一段时间内监控电压203、电流204以及负载消耗的功率205。监控意味着以获取、存储和比较所有的所示图形的波形数据，包括在ac干线 201的频率或其附近的频率以及叠加在波形上的高频模式(未示出)。分析包括查询低频以及高频信号两者中的模式，以及ac干线和负载的电压、电流及功率波形之间的相位偏移。在一个实施例中，可编程开关在时间t4被激活，以改变供应到负载的功率。在所示的非限制性示例中，提供给负载的功率在t4和t5之间的一个周期的一部分中减小。在该时间段(t4到t5)以及t5之后，对所有的波形进行持续地获取并分析。再一次分析包括高频分量的波形以用于负载的识别。但是在该实例中，在施加的功率中被程序编入的改变发生之前、期间以及之后的波形的附加数据可用于增强区分负载类型和特定负载的能力。在另一个实施例中，开关用于控制向负载施加的功率，以避免功率从功率消失(停电)或电源电压降低(掉电)恢复后可能发生的浪涌。
[0025]
图3示出了本发明另一实施例中的波形分析。这些图表的数据与图2中所描绘的数据相同。时间t0为基准时间或数据采集的开始。在时间t1，负载设备连接到包括负载识别ac电源的ac干线电路。在时间t2检测负载并且激活串联的开关，以向设备提供功率。负载在时间 t3消耗功率。在稍后的时间t4，改变提供给设备的功率。在该情况下，在两个周期301、302时间段内，提供给设备的功率减小，并且在第二周期302中的减小大于在第一减小周期301中的减小。波形301、302 表示使用相位角调制的电源，使得施加到负载的电压在一部分波形周期内为零。波形表明在本发明的负载识别ac电源中具有与负载串联的可编程开关。在优选的实施例中，施加到负载的功率的变化与ac干线的波形同步。在另一个实施例中，施加到负载的功率的变化与从负载接收的定时信号同步。由于具有与负载串联的高速的可编程开关，可获得的变化虽然不是无限的，但是很广泛。在小于ac干线的单个周期的所选的时间段内，可以编程地修改提供给负载的功率。在另一个实施例中，预选的多个对施加的功率的一系列变化被施加到负载。预选的一系列变化被选择为已知能够检测出不同负载类型的组合。也就是说，例如，第一变化可能如图2所示，并且接着是向负载施加全功率的时段，然后是如图3所示的施加到负载的功率的第二变化。
[0026]
ac干线和跨过并通过负载的电压及电流的波形在采样频率下被记录并分析，该采样记录显著地大于ac干线的单个周期的周期时间。根据需要选择电压和电流波形的采样频率以区分负载类型。在一个实施例中，采样频率在千赫兹范围内。在另一个实施例中，采样频率在兆赫兹范围内。在优选的实施例中，选择施加到负载上的功率的被编程的变化以优化获取波形在预期负载类型之间的区分。在一个实施例中，波形的分析包括匹配来自负载的电压和电流波形的高频分量中的模式。在另一个实施例中，波形的分析包括在首次向负载施加电源之后，确定消耗功率的负载在时间上的延迟。在另一个实施例中，分析意味着将获取的包括其高频分量的波形，分类成表示不同负载类型的组。组的非限制性示例包括表示以下负载的波形：主要电阻负载、电容负载、电感负载、包括功率因数矫正的负载以及包
括功率控制的负载的波形，这样的负载使得在最初施加来自电源的功率时，提供给负载的功率具有延迟。
[0027]
现在参考图4，示出了使用负载控制ac源的方法。安装401负载控制电气用具。在一个实施例中，安装包括将负载控制器件电气地连接在ac干线电源和负载之间。在一个实施例中，安装包括在接线盒安装负载控制器件。在另一个实施例中，安装包括将负载控制ac源安装在墙壁插座中。在另一个实施例中，安装包括通过将负载控制器件插入传统的墙壁插座中来将负载控制器件安装为供电接线板或智能延长线，并且负载将插入负载控制器件中。一旦安装了401负载控制器件，就将负载接附到该负载控制器件402。负载控制器件检测负载403，并且通过激活负载控制器件内的开关来向负载提供电源。开关和负载控制器件的细节在随后的图中示出。一旦检测到负载，就启动数据获取 404。数据获取包括记录如下的时间，即，负载何时被连接到电源，功率何时施加到负载，以及负载何时消耗功率。数据获取进一步包括获取波形数据。一旦检测到特定于负载的负载，则获取的任何数据均被称为“负载数据”。负载数据包括负载开启的时间以及波形数据。波形数据包括作为时间的函数的所获取的ac干线电压、负载电压、负载电流以及由负载消耗的功率的值。所有的数据都是在为检测负载的类型而优化的频率下获得的。在一个实施例中，在比ac干线电源的频率高数倍的频率下获取数据。在一个实施例中，对于50到60周期的ac 源的数据而言，以千赫兹的速率获取数据。在依赖于电压和电流波形的高频分量以识别负载的另一实施例中，以兆赫兹的速率获取数据。获取的负载数据被存储409以供分析。在一个实施例中，存储器包括微处理器的短期随机存取存储器中的存储器，用于立即或几乎立即的处理。在另一个实施例中，存储器包括长期存储器中的存储器，使得所存储的负载数据用于后续的模式匹配，以识别相同或相似的负载，该识别基于波形模式的匹配，即，在首次连接负载402时(例如首次经过表示的流程图时)获得的波形模式与随后连接的相同或不同的负载的波形模式进行匹配。在一个实施例中，存储器409包括可由多个负载控制器件访问的存储器。这种存储器可由有线或无线地连接到负载控制ac源的设备访问，或者通过将存储的负载数据从第一负载控制 ac源传输到第二负载控制ac源来访问。一旦被连接402并检测到 403，并且在初始数据获取404之后，调制405提供给设备的功率。调制意为使用可编程开关来改变提供给设备的功率。在调制期间以及之后，进一步负载数据被获取406，然后基于负载数据识别407负载。在一个实施例中，识别是基于比较负载数据的波形与先前获取的已知负载设备的负载数据中的波形。在另一个实施例中，基于已经讨论的围绕开启负载的功率的定时以及波形数据的匹配这两者来识别负载。在另一个实施例中，采用神经网络分析来通过与先前的负载数据库进行比较将负载数据分类为负载类型的种类。在另一个实施例中，负载的识别意为将负载分类为负载的特定种类，其基于负载的电压和电流波形与ac干线电压波形这两者在使用串联开关对负载的功率进行调制之前、期间和之后的它们之间的相位关系。在一个实施例中，负载被识别407为以下中的一种：
[0028]
1.纯电阻负载。电压和电流同步地过零点和峰值，均为在电源电压的调制之前、期间和之后。当电压减小时功率减小，当对电源电压的调制停止且电源电源返回至全电压时，功率返回到调制前的水平。
[0029]
2.具有功率校正的恒定功率电阻负载。在调制之前，电压和电流的峰值同步，功率在调制之前、期间和之后恒定。
[0030]
3.纯电抗(电阻或电感)负载。电压和电流在调制之前、期间和之后为异相，对电源电压进行调制器件，功率减小，当电源电压的调制结束且电源电压返回至全电压时，功率返回到调制前的水平。
[0031]
4.恒定功率电抗负载。电压和电流在调制之前、期间和之后为异相，功率在电源电压的调制之前、期间和之后恒定。
[0032]
在一个实施例中，电源电压的调制会导致电源电压有效值减小1 和20％之间的量。
[0033]
在一个实施例中，识别407进一步包括确定识别的置信水平 (confidence level)。在一个实施例中，置信水平由将在数据获取步骤 404、406期间获得的负载数据与先前在已知的负载上获得并存储410 的数据进行匹配的拟合优度来确定。一旦完成了识别步骤407，系统进一步检查408负载是否已经被识别以及是否存在与负载识别相关的控制规则。在一个实施例中，通过比较识别中的置信水平与预选的被定义为正确识别的置信水平来完成对识别的检查408。如果正确的识别了负载，并且存在与识别的负载相关的预选的控制规则，则执行负载的控制409。在优选的实施例中，然后通过与负载串联的开关控制负载的功率。预选的控制规则的非限制性示例包括：
[0034]
1.在白天的时间，诸如灯泡的纯电阻负载被调暗以减少功率使用，尤其是在需求峰值期间。
[0035]
2.在恒定功率负载中，当负载需求降低时，输入功率也将相应地降低，以最小化无负载/最小负载需要的功率消耗。
[0036]
3.在远程位置(无人存在)，纯电阻负载和恒定功率电阻负载将根据负载需求自动断开并重新连接。
[0037]
4.在正常工作期间产生电弧的设备(例如，具有连接到转子的电刷的)被电弧故障电路断续器忽略，以防止断开危害。
[0038]
在另一个实施例中，存在规则的预选集合，其基于负载是否为选自以下的一种：纯电阻、恒定功率电阻、纯电抗以及恒定功率电抗。在预选的规则的非限制性示例中，识别为具有包括的功率因数校正的负载，即恒定功率负载，不被控制器关闭，并且在预选的时间段期间关闭纯电阻负载，且在预选的时间段期间给纯电抗负载的功率减少。
[0039]
在图5至图11中可看到负载识别ac电源的各种实施例中的部件。首先参考图5，ac干线501通过负载识别ac电源503至516被连接到负载502。图中的连接电路由粗线513示出，其表示功率连接，较细的线514表示感测电路连接，并且双线516表示数据获取516以及控制电路517连接。开关508位于电源501和负载502之间的电路和中性臂中。负载识别ac电源包括ac到dc转换器503，该ac到dc 转换器向获取ac干线数据和负载数据的电流506、507、511、512和电压505、510供电。ac/dc转换器还向微处理器504供电。结合下述图6和图7，示出并描述优选实施例中的ac/dc转换器的细节。电压和电流传感器如本领域中已知的传感器，并且包括使用电阻分压器的电压传感器，以及包括电流感测电阻、电流放大器、和霍尔效应传感器的电流传感器。采样结果典型地由比较器、模数转换器(adc)进行处理，并且存储于数据存储元件，该数据存储元件包括随机存取存储器、只读存储器以及其他本领域中已知的固态存储器和非固态存储器器件。微处理器包括本领域已知的并且与微处理器相关的部件，包括允许驱动微处理器并对其进行编程的用户界面，用于存储数据的存储器，以及分别用
于接收数据和发送控制信号的输入和输出端口。在一个实施例中，输入/输出端口包括访问诸如手持计算设备和远程服务器的其他计算设备的手段。对微处理器进行编程以实现已经在图4中进行描述的步骤。微处理器的各方面可以位于远离负载识别ac电源的一些部件的位置。作为非限制性示例，数据库的数据存储可以远程存储，并且通过诸如通过互联网连接的有线或无线的方式来访问。同样地，一些计算，例如负载数据的神经网络分析，可以在远程服务器上完成，并且将其结果发送到微处理器504。开关508和开关控制器509 由微处理器进行控制。在下述图8和图9中示出并描述优选的实施例中的开关和开关控制器的细节。
[0040]
在一个实施例中，ac/dc转换器可以是本领域中已知的任意的可以提供适于微处理器、传感器以及开关控制器的电压和功率中的类型。这种ac/dc转换器包括整流器和变压器部件，以提供传感器和微处理器电路所需要的选定的电压和功率。同样地，开关508和控制器509 可以是本领域中已知的任意的如上述的可以在相位角调制所需的频率下可编程地运行的开关/控制器。非限制性示例包括已知用于相位角调制的三端双向可控硅开关，以及诸如mosfet的固态开关和其他固态开关器件以及微机电(mem)器件。在优选的实施例中，选择负载识别ac电源的部件，使得图5的整个器件(除ac干线501和负载502 之外)可以集成到硅上。在优选的实施例中，ac到dc转换器503如图6和图7所示，并且开关508和控制器509如以下的图8和图9所示，并且将整个负载识别ac电源503至516集成到硅上。具有控制的负载识别ac电源由元件503至516构成。负载识别ac电源可以位于 ac源501到负载502之间的电源供应系统中任意位置。在一个实施例中，ac电源位于电源面板中。在另一个实施例中，ac电源位于插座盒中。在另一个实施例中，其位于延长线中。负载可以是单个负载设备或多个电气负载设备。
[0041]
ac到dc电源
[0042]
图6和图7中示出ac到dc转换器503的细节。在优选的实施例中，通常，不需要整流器的ac到dc转换器由图6中示出的元件及这些元件隐含的方法构成。非限制性的电路元件的具体示例在图7中示出。参考图6，ac源601连接到涌流保护元件602。在一个实施例中，涌流元件由ac电源的电路和中性线中的电阻器元件构成。在另一个需要更高的功率和效率的实施例中，涌流保护包括开关元件，该开关元件在启动时提供高电阻，并在稳态工作时将电阻器元件从电路切换出来。在涌流保护之后，使用采样元件603对ac源进行采样。在一个实施例中，采样元件603包括配置为分压器网络的电阻器。在另一个实施例中，采样元件包括基准电压源和比较器。在另一个实施例中，采样元件可以手动地调节。在另一个实施例中，采样元件可以自动地调节。采样的电压用于对开关驱动元件604供电。在优选实施例中，开关驱动元件604从存储元件606接收反馈电压信号609，并且基于该电压信号控制施加到控制开关和钳位元件605中的开关元件的栅极的电压，从而打开并闭合控制开关606以对存储元件606以及最终的负载608供电。在移除反馈609的一个实施例中，ac到dc转换器为前馈转换器，其从前端603、604及605来控制存储元件606的充电。增加反馈控制609为进行前馈控制和反馈控制这两者提供了方法。在一个实施例中，前馈控制和反馈控制的平衡取决于电压采样元件603以及反馈电路609中的部件的选择。在一个实施例中，前馈控制和反馈控制的平衡取决于采样元件603以及反馈609中的电阻器元件。在另一个实施例中，使用可变元件使得前馈控制和反馈控制可调节。在一个优选的实施例中，开关驱动器由分压器和开关构成。由开关驱动器 604控制的开关和钳位元件605以固定的最大电流向存储元件606提供
脉冲功率。在优选的实施例中，开关和钳位元件由n-mosfet和将源极连接到栅极的齐纳二极管构成，该开关和钳位元件将峰值电压进而峰值电流限制/钳位于预选的峰值电压值。在一个实施例中，预选的限制电压取决于齐纳二极管的齐纳电压值，该齐纳二极管桥接开关605 的n-mosfet部件的栅极到源极。由预选的峰值电流脉冲构成的开关和钳位元件的功率被提供给存储元件606。在一个实施例中，电压调节器由用作能量存储元件的电容器和二极管构成。电容器上的充电电荷经由分压器电路反馈到开关驱动器604，从而保持电容器上恒定的充电电荷。来自存储元件的输出经由电压调节器607馈送到负载608。在另一个实施例中，ac到dc转换器进一步包括电流隔离元件610。结合图10至图11进一步说明电流隔离单元。在另一个实施例中，ac到 dc转换器进一步包括使得能够从负载608进行反馈的元件611。在优选的实施例中，反馈电路611还包括控制元件604和负载608之间的电流隔离。
[0043]
图7示出ac到dc转换器的优选实施例。元件701至708分别对应于图6的元件601至608。ac源701连接到涌流保护电路701，在该优选实施例中，该电路由电阻器r1和r2构成。在另一个实施例中(未示出)，涌流保护包括多个开关，以致电流在启动时流过电阻器r1和r2，而在达到稳态工作时绕过所述电阻器。在另一个实施例中，涌流控制使用电感器，换句话说，元件r1和r2被电感器l1和 l2取代。涌流保护的输出流向开关和钳位电路705的开关q2，以及电压采样元件703。电压采样元件703由对ac输入进行采样的电阻器 r3、r4、r5以及从存储电容器c1提供反馈电压的电阻器r8构成。选择r3、r4、r5及r8的值使得开关驱动器元件704中开关q1的栅极的电压打开或关闭开关q1，从而同步地关闭或打开开关q2，从而从开关q2向电荷存储元件c1提供预选的定时输出脉冲。电阻器r8提供关于电容器c1上的电荷的反馈路径，从而向电压采样电路703进而向控制电路704提供输出电压。开关和钳位元件705由开关q2、齐纳二极管d1以及电阻器r7构成。由开关驱动器电路704控制开关q2。开关q2的峰值输出电流被钳位到基于所选的二极管d1的齐纳电压的预选值。开关q2的脉冲输出连接到电压调节器706，该电压调节器经由r8反馈到电压采样器703，并且开关驱动器704使电容器c1保持恒定的充电电荷。控制元件开关q1进而供电开关q2与ac输入701 同步地被激活为任意打开或闭合的状态。ac到dc转换器提供在输入的ac源的频率下脉冲调制的低电压输出。开关在接近ac源过零点的电压下被激活为任意打开或闭合的状态，所述电压在部件q1和q2的阈值内。然后输出流向电压调节器707，然后流向负载708。电压调节器707包括开关q3、齐纳二极管d3、电阻器r9以及电容器c2。电路部件d3、q3、r9的功能为电压调节器。电容器c2提供存储能力，以缓冲并从而平滑ac到dc转换器的输出到负载708。
[0044]
在图6和图7的优选实施例中，ac到dc转换器由涌流保护元件 602、电压采样器603、开关驱动器604、开关和钳位605、存储元件 606以及电压调节器607构成。电压采样器603中的部件的选择确定开关驱动器604的定时。开关和钳位中的元件的选择确定输出脉冲的峰值电压和电流。通过对峰值电流和脉冲定时两者的选择来控制功率输出。通过电压采样器的来自存储元件的反馈用来选择脉冲定时。ac到 dc转换器与ac源同步地运行。
[0045]
图7的优选实施例通常包括连接到电源701的分压器703；以及第一开关704，其通过其输入连接到分压器；以及第二开关705，其输入连接到第一开关的输出；以及存储电容器c1，其通过二极管连接到第二开关的输出；以及感测电阻器709，其连接在存储电容器和分压器之间，从而提供ac直接到dc提取转换系统的反馈控制；以及齐纳二极管d1，其连接在第二开关的输入和输出之间，从而将第二开关的输出和输入的电压钳位于齐纳二极管的齐
纳电压；以及电子负载708，该负载连接到存储电容器c1。开关604、605可以是任意电子驱动的开关。在一个实施例中，开关为n-mosfet。在另一个实施例中，开关为双极晶体管，并且在另一个实施例中，开关为微机电开关。在优选的实施例中，dc电源完全地集成到硅上。
[0046]
开关
[0047]
开关508(图5)为本发明的组成部分。使用开关508改变负载 502的功率，并且在通过开关508改变施加的电压之前、期间和之后记录跨过并通过负载的电压和电流的波形模式。在优选的实施方式中，开关由通过控制器元件509而起作用的微控制器504控制。开关为任意的电子开关，该电子开关可以被微处理器控制，并且可以在比干线电源501的频率更快的频率下被驱动，并且可以与干线501同步地驱动，从而提供对施加的ac波形的相位控制，如典型地用于调光器应用中。在一个实施例中，控制信号为与ac干线波形同步的一系列脉冲，并且具有可调整的脉冲宽度，以有效地控制传递到负载的平均电流/功率，从而为光源负载提供调光效果，并且为ac马达负载提供速度控制。在另一个实施例中，控制信号为具有不依赖于ac干线波形的固定或可变频率的一系列脉冲，从而在负载端子处产生无线电频率(rf)功率波形，以用作无线充电器/发生器。在另一个实施例中，控制信号为可变的dc电压，其允许led的可变照明，从而允许开关以线性模式工作。在优选的实施例中，开关508和控制509如图8和图9所示。首先参考图8，开关508控制从ac干线到负载502的功率。开关包括功率mosfet 801和802，该mosfet包括体二极管803、804。齐纳二极管805具有大于功率mosfet 801、802的阈值电压的齐纳电压。齐纳二极管805通过连接在功率mosfet的漏极端子处并且分别受到限流电阻器808和809保护的整流器二极管806和807被偏置。因此，在不存在照明的情况下，当任一漏极端子超过齐纳电压时，电阻器-二极管支路806、808和807、809为齐纳二极管805提供偏置，并将功率mosfet 801和802置于“开启”状态。当被led 810照射时，光电晶体管811使偏置电流从支路806、808和807、809分流到功率 mosfet的源极端子，将其置于“关闭”状态。led 810由分离的低压电源812供电并且通过限流电阻器813被开关814控制。led 810 在光电晶体管811的光学邻近范围内。控制电路815连接到处理器504，以通过控制器509控制开关508的相位控制。
[0048]
开启时间常数取决于限流电阻器808、809以及功率mosfet的栅极-源极电容的值，而关闭时间常数取决于光电晶体管811在led 810 提供的照明度下的饱和电流。这两种时间常数均可以被设计为远短于 ac干线的周期，从而允许该实施例在开启-关闭和相位控制模式两种模式下工作。
[0049]
图9示出一个实施例，其在ac电源的每个臂中使用两个开关单元508，以进一步改进电路的性能。在该实施例中，所选的功率mosfet 具有图8中使用的单元的四分之一的击穿电压。因此，可以预期单个开关单元的开启电阻减小32倍，并且两个串联连接的开关单元的开启总电阻相对于图8中的电路减小8倍。此外，在“关闭”状态下，跨过每个开关单元的电压压降为四分之一，从而将每个单元所经历的漏极到源极电压的变化率(dv
ds
/d
t
)减小了4倍，从而减小了“关闭”状态下的漏电流。发明人发现该电路配置通过减小的漏电流进一步改进了开关器件的关闭特征。
[0050]
在如图10中示出的另一个实施例中，通过使用隔离变压器1003 将负载502从ac干线501和负载识别ac电源1001电流隔离。负载 502的地1004相对于ac干线501的地1002浮动。
[0051]
在图11中示出的另一个实施例中，通过使用光学耦合器件1101，连接到负载502的传感器也被电流隔离。在示出的示例中，连接到负载的电压感测电路1102从感测电路1103电气隔离，该感测电路1103 连接到负载识别ac电源1001的微处理器的i/o端口。
[0052]
总结
[0053]
描述了一种改进的ac电源。所述电源通过监控与ac干线相关的电流和电压的波形和相位来识别负载。在以下条件下进行比较，即，通过使用位于在ac干线和负载之间的电路和中性线中的控制开关来可编程地改变提供给负载的功率。控制开关的程序是变化的，以优化区分相似负载类型的能力。该开关可以进一步用于控制提供给负载的功率，其根据基于负载特性的一组规则而变化。在优选的实施例中，该设计使得以可以完全地集成到硅上的最少的部件得到高的效率。