移动电源中的大容量电容器的电尺寸的减小的制作方法

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求于2016年9月27日提交的美国临时申请no.62/400,386的权益，该专利申请全文以引用方式并入本文。

本发明整体涉及电子电路，并且更具体地但非排他性地涉及移动电源。

背景技术：

移动设备诸如智能电话和平板电脑由移动电源供电，该移动电源被插入交流(ac)插座中。顾名思义，移动电源相对较小并且便携。旅行电源适配器是可被配置为接收宽范围的输入ac线电压以允许在不同国家使用的移动电源。与其他电源不同，物理尺寸是旅行电源适配器的重要考虑因素。

本发明的实施方案允许减小旅行电源适配器和其他移动电源的大容量电容器的电尺寸(即，电特性，诸如电容值和额定电压)，并且因此减小对应物理尺寸。

技术实现要素：

在一个实施方案中，移动电源的电容器输入电路包括大容量电容器和开关。当输入到移动电源的ac线电压低于阈值电压时，该开关连接大容量电容器，以从整流器接收经整流的ac电压。当该ac线电压大于阈值电压时，该开关使该大容量电容器电浮动。

本发明的这些及其他特征对于本领域的普通技术人员来说在阅读本公开的包括附图和权利要求书的整个内容时将是显而易见的。

附图说明

图1为示例性旅行电源适配器的示意图。

图2示出了根据本发明的实施方案的旅行电源适配器的示意图。

图3示出了根据本发明的实施方案的图2的旅行电源适配器的示意图，其中增加了输入电路以用于改善的安全性和emi滤波。

在不同的附图中使用相同的参考标记来指示相同或类似的部件。

具体实施方式

在本公开中，提供了许多具体细节诸如电路、部件和方法的示例，以提供对本发明的实施方案的彻底理解。然而，本领域的普通技术人员将认识到，本发明可在没有这些具体细节中的一个或多个具体细节的情况下被实施。在其他情况下，未示出或描述熟知的细节，以避免模糊本发明的各个方面。

出于说明的目的，本发明的实施方案利用特定的部件规格(诸如值、击穿额定值、类型等)来解释。如可以理解的，其他部件规格也可以是合适的，这取决于应用程序的细节。

旅行电源适配器包括用于对输入ac线电压进行经整流的整流器、大容量电容器、以及dc-dc转换器。在当前可用的15-65w旅行电源适配器中，大容量电容器具有与转换器的变压器大致相同的物理尺寸。考虑到旅行电源适配器的物理尺寸的三分之一是由于变压器造成的，另外的三分之一是由于大容量电容器造成的，而另外的三分之一是由于连接器和其他部件造成的，因此大容量电容器的物理尺寸是重要的。更糟的是，随着功率额定值增加，变压器和大容量电容器的物理尺寸也增加，并且占据旅行电源适配器的总体积的较大百分比。因此，减小大容量电容器的物理尺寸可显著提高旅行电源适配器的功率密度(即，相对于物理尺寸而递送的功率)。

因为大容量电容器在物理上较大并且甚至可为印刷电路板(pcb)上的最高的部件，所以它们限制了旅行电源适配器的形状因数。减小大容量电容器的物理尺寸允许较小型高功率旅行电源适配器。

图1为示例性旅行电源适配器的示意图。在图1的示例中，该旅行电源适配器包括整流器80、电容器输入电路100、和反激转换器81。电容器输入电路100包括电感器l30、电容器c30、和电容器c31。对于27w旅行电源适配器，电容器c30和c31可各自具有22μf的电容和400v的额定电压。电容器c30和31充当大容量电容器，并且电感器l30利用电容器c30和31进行电磁干扰(emi)滤波。作为大容量电容器，电容器c30和c31被额定为将输入ac线电压保持在最小电平(例如，85vac，120v峰值)下，并且具有用于最大ac线电压的击穿额定值(例如，270vac，380v峰值)。

在图1的示例中，电容器c30跨整流器80(例如，桥式整流器)的输出端。整流器80将ac线电压整流成经整流的ac电压。电感器l30以及电容器c31和c30形成pi滤波器。该pi滤波器对经整流的ac电压进行平滑和滤波，以生成被提供至反激转换器81作为输入电压的平滑的整流ac电压。该反激转换器81将输入电压转换为旅行电源适配器的经调节的输出dc电压。由于要求将ac线电压保持在最小电平下并且具有可承受最大ac线电压的击穿额定值，因此电容器c30和c31在电学和物理上均相对较大。

图2示出了根据本发明的实施方案的旅行电源适配器110的示意图。在图2的示例中，旅行电源适配器110包括整流器101、电容器输入电路200、和反激转换器102。

该整流器101可包括例如桥式整流器。该整流器101接收输入ac线电压(例如，从壁装ac插座)，并且将ac线电压整流成跨节点112和113而被提供至电容器输入电路200的经整流的ac电压。该电容器输入电路200从整流器101接收经整流的ac电压，并且跨节点114和113来将输入电压vin输出到反激转换器102。该节点113可充当接地参考。该反激转换器102将输入电压vin转换为旅行电源适配器110的经调节的输出dc电压。该反激转换器102可为例如升降压转换器。

在图2的示例中，该电容器输入电路200包括电感器l31、大容量电容器c32和c33、以及开关sw30。在一个实施方案中，该开关sw30是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

在图2的示例中，该电感器l31的第一端连接到大容量电容器c32的第一端，并且电感器l31的第二端连接到大容量电容器c33的第一端。该大容量电容器c32的第二端连接到大容量电容器c33的第二端。该大容量电容器c32和c33的第二端在节点116处连接到开关sw30的第一电极(例如，漏极端子)，并且开关sw30的第二电极(例如，源极端子)连接到节点113。该开关sw30的控制电极(例如，栅极端子)在节点117处由开关电压vsw驱动，该开关电压vsw充当用于控制开关sw30的开关操作的控制信号。

线电压检测器118可被配置为将ac线电压与阈值电压进行比较，当ac线电压小于阈值电压时使开关电压vsw生效以导通开关sw30，并且当ac线电压大于阈值电压时使开关电压vsw失效以关断开关sw30。该线电压检测器118可以是转换器102的控制电路的一部分，或者是独立电路。该线电压检测器118在图2中被示出为感测ac线电压，即在整流器101之前。如可理解，指示ac线电压的另一电压也可被感测以检测ac线电压，诸如整流器101的经整流的ac电压输出、至反激转换器102的输入电压vin、转换器102的变压器的辅助绕组上的辅助电压等。阈值电压可根据感测到ac线电压的位置和方式进行设置，这取决于应用程序。

顾名思义，该大容量电容器c32和c33充当大容量电容器，并且因此电尺寸被设定为将输入ac线电压保持在最小电平(例如，85vac，120v峰值)下。对于27w旅行电源适配器，该大容量电容器c32和c33中的每个大容量电容器可具有22μf的电容和160v的额定电压。

在图2的示例中，该大容量电容器c32和c33通过关断开关sw30而在更高的输入ac线电压下电浮动，从而防止击穿并允许使用较低的额定电容器。即，与常规设计中的大容量电容器相比，该大容量电容器c32和c33可具有较低的额定电压。

更具体地，在图2的示例中，只有当输入到旅行电源适配器110的ac线电压小于阈值电压(例如，140vac)时，开关sw30才闭合。当ac线电压等于或大于阈值电压时，开关sw30打开，从而使大容量电容器c32和c33电浮动。因此，该大容量电容器c32和c33在ac线电压低时连接到地，以将它们插入电容器输入电路200中从而提供大容量能量存储，并且在输入ac线电压足够大时与地断开连接，以将它们从电容器输入电路200移除。因此，尽管电容器输入电路100(参见图1)和200两者可用于27w旅行电源适配器，但大容量电容器c32和c33在物理上比电容器c30和c31小。

要注意的是，尽管一旦开关sw30打开，电容器输入电路200的输出电压便不是平滑的经整流的ac电压，但典型的反激转换器可适应这种变化。

在图2的示例中，该大容量电容器c32和c33的电抗可各自大致为0。该大容量电容器c32和c33的等效串联电阻(esr)可与电容器c30和c31(参见图1)的esr相同，因为esr与额定电压无关。例如，电容为22μf的大容量电容器c32和c33的esr可为约6欧姆。与大容量电容器c32和c33的esr相比，充当开关sw30的mosfet的尺寸应被设定为相对较小。

在图2的示例中，电容器c32、电容器c33和充当开关sw30的mosfet的击穿电压的总和可等于最小峰值ac线电压(例如，380v)，其中增加的裕量取决于应用程序的细节。

在图2的示例中，充当开关sw30的mosfet上的漏极到源极短路将使大容量电容器c32和c33暴露于ac线电压。为了安全起见，齐纳(zener)钳位电路可跨电容器c32和c33放置(例如，参见图3，z30)。这确保旅行电源适配器110的安全熔断器(未示出)将在mosfet两端短路的情况下烧断。当生成开关电压vsw的电路不工作时，可添加偏置电阻器(例如，图3，r30)以保持mosfet关断。也可采用防止开关sw30两端的短路的其他方式(例如，使用有源钳位，使用不同的开关配置)。

图3示出了根据本发明的实施方案的旅行电源适配器110的示意图，其中增加了输入电路200以用于改善的安全性和emi滤波。输入电路200包括大容量电容器c32和c33、电感器l31、和开关sw30(例如，mosfet)。在图3的示例中，为了安全起见，电容器输入电路200还包括齐纳二极管z30和电阻器r30。图3所示的其他部件如前所述。

因为大容量电容器c32和c33对于大多数输入ac线电压是电浮动的，所以大容量电容器c32和c33可能不能够提供足够的emi滤波。对于emi滤波，可采用多层陶瓷片式(mlcc)电容器来形成具有电感器l31的pi滤波器。一般来讲，mlcc电容器相对较小并且便宜，并且因此可充当电容器输入电路200的滤波电容器。作为示例，0.1μfmlcc电容器将向图1的旅行电源适配中的电容器c30和c31的esr以100khz提供相似的电抗，并且因此可在图2的旅行电源适配器110中执行相同的滤波功能。

在图3的示例中，将滤波电容器c34和c35添加到电容器输入电路200，以用于emi滤波。在一个实施方案中，滤波电容器c34和c35为mlcc电容器。在图3的示例中，滤波电容器c34和c35形成具有电感器l31的pi滤波器。如可理解，电容器输入电路200可具有除pi滤波器之外的emi滤波器，诸如共模扼流圈或大的y电容滤波器。

当ac线电压小于阈值电压(例如，140vac)时，线电压检测器118使开关电压vsw生效以导通开关sw30。在一个实施方案中，开关电压vsw具有0v-5v的范围，并且在生效时为5v，而在失效时为0。使开关sw30导通将大容量电容器c32和c33连接到地，以将ac线电压保持在低ac线电压下。

当ac线电压超过阈值电压时，线电压检测器118使开关电压vsw失效以关断开关sw30。关断开关sw30使大容量电容器c32和c33与地断开连接，使得它们电浮动并且从电容器输入电路200中移除，从而防止将大容量电容器c32和c33暴露于高ac线电压。

除了所附权利要求之外，本发明的实施方案还包括以下各项：

一种移动电源的电容器输入电路，该电容器输入电路包括：第一大容量电容器；以及开关，该开关被配置为当输入到移动电源的ac线电压低于阈值电压时连接第一大容量电容器以从整流器接收经整流的ac电压，并且当ac线电压大于阈值电压时使第一大容量电容器电浮动。

前述电容器输入电路，其中第一大容量电容器的第一端连接到整流器的第一端，第一大容量电容器的第二端连接到开关的第一电极，开关的第二电极连接到整流器的第二端，并且其中该开关被配置为当ac线电压低于阈值电压时将第一大容量电容器的第二端连接到整流器的第二端，并且当ac线电压大于阈值电压时将第一大容量电容器的第二端与整流器的第二端断开连接。

前述电容器输入电路，该电容器输入电路还包括：电感器，该电感器具有连接到第一大容量电容器的第一端的第一端；第二大容量电容器，该第二大容量电容器具有连接到电感器的第二端的第一端以及连接到第一大容量电容器的第二端的第二端，其中开关的第一电极连接到第一大容量电容器的第二端并且连接到第二大容量电容器的第二端，开关的第二电极连接到地，并且其中该开关被配置为当ac线电压低于阈值电压时将第一大容量电容器和第二大容量电容器的第二端连接到地，并且当ac线电压大于阈值电压时将第一大容量电容器和第二大容量电容器的第二端与地断开连接。

前述电容器输入电路，其中该开关被配置为当ac线电压低于阈值电压时将第一大容量电容器连接到地，并且当ac线电压高于阈值电压时将第一大容量电容器与地断开连接。

前述电容器输入电路，其中该开关包括mosfet。

一种操作移动电源的方法，该方法包括；对输入到移动电源的ac线电压进行整流以生成经整流的ac电压；当ac线电压低于阈值电压时将第一大容量电容器连接到地，以接收经整流的ac电压；以及当ac线电压大于阈值电压时将第一大容量电容器与地断开连接。

一种操作移动电源的前述方法，该方法还包括：当ac线电压低于阈值电压时将第二大容量电容器连接到地；以及利用包括滤波电容器的滤波器对经整流的ac电压进行滤波，该滤波电容器跨生成经整流的ac电压的整流器。

已公开了用于移动电源的电容器输入电路。虽然已提供了本发明的具体实施方案，但是应当理解，这些实施方案只是出于举例说明的目的而非进行限制。多个附加实施方案对于本领域的普通技术人员来说在阅读本公开的过程中将是显而易见的。