用于消费电子设备的功率电路的制作方法
【专利说明】用于消费电子设备的功率电路
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年7月10日提交的美国临时专利申请序列号61/844, 784的权 益，要求2013年6月28日提交的美国临时专利申请序列号61/841,079的权益，并且要求 2013年6月14日提交的美国临时专利申请序列号61/835, 438的权益，所有这些专利申请 的全部内容出于所有目的以引用方式整体并入本文。 发明领域
[0003] 本发明大体上涉及电力电路，并且更具体地涉及用于提供电力以供用于为消费电 子设备充电的电力电路。
[0004] 发明背景
[0005] 能量危机要求满足对那种较低电流负载的需求。能量危机正在我们的世界上发 生。例如，美国能源部（U.s.DepartmentofEnergy)预测，到2015年，平均来说，将没有足 够电力来满足美国平均需求。
[0006] 造成这种情况的可控因素之一是〃吸血鬼负载（VampireLoad)。这种电力（也称 为"壁式功率"或"备用功率"）浪费据美国能源部（D0E)估计每年将浪费超过1000亿kW 能量，相当于浪费了 1百亿美元。吸血鬼负载生产者包括蜂窝电话充电器、膝上型计算机充 电器、笔记本充电器、计算器充电器、小型用具、以及其他由电池供电的消费设备。
[0007] 在2008年，美国能源部称：
[0008] "许多用具即使在切断后也会一直汲取小量功率。在大多数的用电用具（诸如 VCR、电视机、音响、计算机、以及厨房用具）中，都会出现这些"幻影"负载。这种情况可以 通过拔去用具插头或使用电源板并使用电源板上的开关来切断通向用具的所有功率而避 免。"
[0009] 根据美国能源部的说法，以下类型设备消耗备用功率：
[0010] 1.用于电压转换的变压器。（包括使用壁式充电器的蜂窝电话、膝上型计算机和 平板电脑、计算器或其他由电池供电的设备）。
[0011] 2.为已切断的设备供电的壁式电源。（包括蜂窝电话、膝上型计算机和平板电脑、 计算器、由电池供电的钻和工具，所有这些均具有壁式充电器并且已对电池进行完全充电 或实际与设备断开连接）。
[0012] 3.具有立即响应用户动作而无暖机延迟的"即时打开"功能的许多设备。
[0013] 4.可由远程控件来唤醒的处于待机模式的电子设备和电学设备，例如，一些空调、 视听设备（诸如电视机接收器）
[0014] 5.例如利用通电的定时器能够实行一些功能（甚至在切断时）的电子设备和电学 设备。大多数现代计算机消耗备用功率，从而允许它们被远程唤醒（通过LAN唤醒等等） 或在指定时间唤醒。这些功能即使不需要也始终保持启用；可通过与干线断开连接（有时 通过背面开关）节省功率，但这仅在不需要该功能时才可。
[0015] 6.不间断式电源（UPS)
[0016] 所有这些就意味着即使当蜂窝电话、膝上型计算机或相似的设备完全充电时，电 流仍会流动，但无任何作用并且浪费电力。最近制造的设备和用具全天、每天一直汲取电 流，并且带来财务负担，而且加剧世界性的能量危机。
[0017] 国家标准和技术局（NationalInstituteofStandardsandTechnology; NIST)(美国商务部的分支机构）借由其在2010年召开的建筑技术研究和开发小组委员会 (BuildingsTechnologyResearchandDevelopmentSubcommittee)表明其目标是减少 "插头负载"，他们表明：
[0018] "插头负载对总体消耗的影响相当显著。对于商用建筑，插头负载据估计为总能量 消费的35%，对于住宅，插头负载据估计为总能量消费的25%，并且对于学校，插头负载据 估计为总能量消费的1 〇 %。
[0019] 使插头负载降低的方式包括：
[0020] 1)更有效的插入的设备和用具，
[0021] 2)关闭未使用的用具并减少来自变压器和其他小型但始终打开的用具的"吸血 鬼"负载的自动开关设备，或者
[0022] 3)纠正居住者的行为。"
[0023]所有现代电子器件实际将经历的问题之一在于电源（无论外部"功率模块"还是 埋置"功率模块"）是不够节能的。这会由于若干原因而真实存在，原因之一要追溯到1831 年迈克尔·法拉第（MichaelFaraday)发明了变压器。变压器本就是低效的，因为作为模拟 设备，它们仅可针对每个特定绕组产生一个功率输出。因此，如果必需两个功率输出，那么 必需两个次级绕组。此外，通常必须存在50个以上零件和件与变压器一起作用以便形成常 见现代外部电源，该数量仅在具有内部或埋置功率模块的情况下得到一定程度的减小。电 源中的零件数量是固有低效的，因为电流必须沿着、围绕各种零件行进并且穿过各种零件， 每个零件具有不同功率耗散系数；并且甚至电路迹线也导致电阻损耗，从而造成能量浪费。
[0024] 另外，变压器工作的方式是形成和消散磁场。由于所有电子无法通过磁场形成/ 消散来被"再次捕获"，因此，所逸散的那些电子通常表现为热量，这是蜂窝电话、膝上型计 算机以及平板型计算机充电器摸起来感觉是温暖或滚烫的原因。这也是所有消费电子器件 产生热量（这不仅会浪费能量/电力，还会导致因其他相关联的电子零件加热造成的耗损） 的主因。
[0025] 当前电子器件中出现的另一低效之处在于需要多个内部电源来使不同零件运行。 例如，在现代社会中，已变成为"真实世界"越来越重要的零件的功率模块M0SFET对接在电 路系统中。
[0026] M0SFET实现开关、电机/螺线管驱动、变压器对接和许多其他功能。另一方面则是 微处理器。微处理器的特征为可为5伏特、3. 3伏特、2. 7伏特或甚至1. 5伏特的稳定减少 的操作电压和操作电流。在大多数的系统中，M0SFET以及微处理器一起或组合来用于进行 电路系统工作。然而，用于M0SFET的微处理器和驱动器常常在不同电压下操作，从而导致 在电路内需要多个电源。
[0027] 标准M0SFET需要可递送约15伏特摆幅的驱动器，以便成功打开和关闭该M0SFET。 在打开情况下，实际需要驱动器的电压超过有效的轨功率。为此，已设计出使用电荷栗技术 的专业性驱动器。除了主要功能之外，M0SFET驱动器将会需要减少输入驱动，使其可与现 代CMOS处理器的输出驱动能力相容。
[0028] 常见于大多数的外部电源（像充电器）的这种M0SFET/驱动器布置实际需要三个 单独电源。所需第一电源是主电源轨，其通常由供应至M0SFET的范围在100VAC至300VAC 范围内的电压组成。所需第二电源是M0SFET驱动器所需要的15伏特（或更高）。最后，微 处理器需要另一隔离电源来为它们提供许多不同且变化的电压。
[0029] 电流低效和能量浪费的情况在典型的电视机中得到充分印证，该电视机需要多达 4至6个不同电源模块以使屏幕、背光、主电路板以及声音和辅助板运行。这种当前系统针 对每个所需电源需要多个变压器和许多零件。变压器和零件（包括M0SFET)通过它们的重 复低效活动而热量倍增，这是电视机的背面始终摸起来滚烫的原因。另外，各种功率输出需 要的变压器越多，需要的零件就越多，并且就越容易造成能量浪费。
[0030] 除了热量问题之外，基于多个变压器的电源通常均需要使40至60个零件运行，从 而典型基于变压器的电视机电源模块会需要大量零件，这增加了成本以及总体部件大小， 同时降低了可靠性。随着纳入许多零件，系统电阻增加，这导致了能量作为热量浪费。
[0031] 本发明的目标在于以上所提出的问题中的一个或多个，以便实现更佳效率并且对 来自轨源的涌入电流提供更多控制。
[0032] 发明概述
[0033] 在本发明的一个方面中，提供一种用于提供电力以用于充电应用和/或为电子设 备的恒压供电电路供电的电学电路。所述电学电路包括功率转换器电路，所述功率转换器 电路电耦接至电源，以从所述电源接收交流（AC)输入功率并向电子设备递送直流（DC)输 出功率。所述功率转换器电路包括变压器和耦接至所述变压器的初级侧的开关设备，以从 所述电源向所述变压器的初级侧递送功率。电压传感器被耦接至所述变压器的所述初级 侦牝以感测由所述变压器产生的功率的电压电平。控制器耦接至所述电压传感器和所述开 关设备，以从所述电压传感器接收所感测的电压电平并向所述开关设备传输控制信号以调 节递送至所述电子设备的功率的电压电平。
[0034] 在本发明的另一方面中，提供一种用于提供电力以用于充电应用和/或为电子设 备的恒压供电电路供电的电学电路。所述电学电路包括功率转换器电路，所述功率转换器 电路电耦接至电源，以从所述电源接收交流（AC)输入功率并向电子设备递送直流（DC)输 出功率。所述功率转换器电路包括变压器和耦接至所述变压器的初级侧的开关设备，以从 所述电源向所述变压器递送功率。霍尔效应传感器被耦接至所述变压器初级侧，以感测由 所述变压器产生的磁场。控制器被耦接至所述霍尔效应传感器和所述开关设备，并且被配 置来从所述霍尔效应传感器接收所感测的磁场并向所述开关设备传输控制信号以调节递 送至所述电子设备的功率的电压电平。所述控制信号根据所感测的磁场确定。
[0035] 在本发明的另一方面中，提供一种用于提供电力以用于充电应用和/或为电子设 备的恒压供电电路供电的电学电路。所述电学电路包括整流器电路，所述整流器电路被耦 接至电源，以从所述电源接收AC输入功率并且将所述AC输入功率转换成DC输入功率。准 谐振式电路被耦接至所述整流器电路。所述准谐振式电路可以包括第一开关设备、电感器 和电容器。所述第一开关设备可以包括M0SFET。在一个实施方案中，所述准谐振式电路并 不包括电感器和/或二极管。在另一实施方案中，所述准谐振式电路并不包括所述第一开 关设备。功率转换器电路被耦接至所述准谐振式电路，以从所述准谐振式电路接收所述DC 输入功率信号并且递送具有减少的电压电平的DC输出功率。所述功率转换器电路包括变 压器和耦接至所述变压器的初级侧的第二开关设备，以从所述准谐振式电路向所述变压器 递送功率。同步整流器电路被耦接至所述变压器，并且包括：同步开关设备，所述同步开关 设备被耦接至所述变压器的次级侧；以及同步整流器控制器，所述同步整流器控制器被耦 接至所述同步开关设备，以向所述同步开关设备传输开关控制信号以便修改递送至所述电 子设备的所述输出功率。所述电学电路还可包括替代桥式整流器耦接至所述变压器的所述 初级侧的同步整流器电路。电压传感器被