專利名稱：容性耦合電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大體上涉及電源，更具體地，涉及利用容性分壓器產(chǎn)生電源電壓。
背景技術(shù)：
電源用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)或幾個(gè)輸出電壓的目的。AC電源可以用于提供AC電源線路輸入，其被轉(zhuǎn)換為DC穩(wěn)定輸出電壓。此外，通常需要用于產(chǎn)生比整流主電壓源的輸出電壓低的輸出電壓的電源，以便為如集成電路(IC)控制器等小信號器件供電。這種電源應(yīng)當(dāng)最小化產(chǎn)生的損耗。盡管已經(jīng)將降壓變壓器用作電源，這種器件趨向于體積較大、笨重且相對較為昂貴。需要一種利用容性元件將來自AC電源的輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載兩端的特定輸出電壓電平的穩(wěn)壓電源。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種電源包括形成了容性分壓器的一對第一和第二電容器。周期性輸入電源電壓源與容性分壓器相耦合，以便由部分周期性輸入電源電壓，在第二電容器中產(chǎn)生與負(fù)載電路耦合的第二電源電壓。開關(guān)與第二電容器相耦合，用于按照穩(wěn)定第二電源電壓的方式、有選擇地將第一電容器與第二電容器相耦合。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種利用受控容性分壓器的電源包括第一電容器和通過開關(guān)有選擇地與第一電容器相耦合的第二電容器。控制電路檢測出第一和第二電容器之一的兩端的電壓；以及提供控制信號，以使開關(guān)有選擇地耦合第一和第二電容器。


圖1是根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施例的容性耦合電源的典型圖示。
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一典型實(shí)施例的容性耦合電源的典型圖示。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一典型實(shí)施例的容性耦合電源的典型圖示。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一典型實(shí)施例的容性耦合電源的典型圖示。
圖5是根據(jù)本發(fā)明另一典型實(shí)施例的容性耦合電源的典型圖示。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了具體實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一般原理、利用容性分壓器來產(chǎn)生穩(wěn)定電源電壓的電路100的方框圖。在所有附圖中，相似的參考符號用于表示相似的部件。電路100包括施加在節(jié)點(diǎn)10a處的AC電源10。但是，也可以使用電壓或電流源，在主要應(yīng)用的情況下，應(yīng)當(dāng)理解為源包括AC電源線路輸入。容性分壓器包括串聯(lián)連接的電容器Cmains和電容器CL，用于將節(jié)點(diǎn)10a處的輸入電壓(Vin)轉(zhuǎn)換為負(fù)載器件RL兩端的所需輸出電壓電平V1。由于能量傳遞由電容器Cmains確定，可以自動將電壓源看作電流源。
與分壓器結(jié)構(gòu)相連的控制電路60測量輸出電壓V1，并將所測得的輸出電壓與參考電壓Vref進(jìn)行比較，以便控制開關(guān)整流器電路30。對于開關(guān)整流器電路30，存在兩種基本結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)一旦達(dá)到所需的輸出電壓電平(V1＝Vref)就禁止對電容器CL的進(jìn)一步充電?？梢詫⒋私Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)為前向受控分路開關(guān)。第二種結(jié)構(gòu)只要輸出電壓(V1)超過所需的數(shù)值(Vref)就使能對電容器CL的快速放電?？梢詫⒋私Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)為受控串聯(lián)開關(guān)，對其返回電流進(jìn)行控制。分別在圖2和圖3中更為詳細(xì)地示出了這兩種基本實(shí)現(xiàn)。
在典型應(yīng)用中，可以按照如下方式來實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式電源中輔助電源的產(chǎn)生。現(xiàn)在，參照圖2，從與整流器12相連的AC源10將周期性輸入電壓Vin源施加在節(jié)點(diǎn)10a處。濾波電容器Cmains的第一接線端與節(jié)點(diǎn)10a相連，而第二接線端與節(jié)點(diǎn)10b相連。二極管D1以反向偏置的方式連接在節(jié)點(diǎn)10b和地電位(GND)之間。在分壓器結(jié)構(gòu)中，濾波電容器Cmains通過二極管D2與電容器CL相連。電容器CL的第一接線端在節(jié)點(diǎn)10c處與二極管D2的陰極相連，而第二接線端與GND相連。開關(guān)S1連接在節(jié)點(diǎn)10b和GND之間，與二極管D1并聯(lián)?？刂齐娐?0在節(jié)點(diǎn)10c處與負(fù)載電阻器RL和電容器CL并聯(lián)耦合。偏置電阻器Rbias連接在節(jié)點(diǎn)10a和10c之間。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)前向偏置二極管D2(即，導(dǎo)通)時(shí)，除了二極管D2兩端相對較小的電壓降以外，節(jié)點(diǎn)10b、10c處于實(shí)質(zhì)上相同的電位，。電阻器Rbias具有相對較大的值，并傳遞公用主控制器IC的啟動電壓(V1)。電阻器Rmains表示主負(fù)載電阻，并連接在輸入節(jié)點(diǎn)10a和GND之間。
控制電路60與開關(guān)S1進(jìn)行通信耦合(以虛線63表示)，開關(guān)S1有選擇地耦合電容器Cmains和CL?？刂齐娐?0檢測輸出電壓V1，并將輸出電壓與預(yù)定參考電壓Vref進(jìn)行比較，以產(chǎn)生控制信號，使S1斷開或閉合，從而可開關(guān)地耦合/解耦Cmains和CL之間的電路徑。將節(jié)點(diǎn)10c處的輸出電壓V1用于主開關(guān)控制電路或控制器60。在典型實(shí)施例中，開關(guān)控制電路可以是脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電路，或者任何其他類型的開關(guān)控制結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解，電容器Cmains將AC信號耦合到開關(guān)整流器電路30和控制器60。
還將DC電壓Vin施加在代表主負(fù)載電阻Rmains的兩端。
對于CL＞＞Cmains的情況，電容器Cmains實(shí)質(zhì)上操作為濾波電容器，對施加在節(jié)點(diǎn)10a處的周期性輸入信號進(jìn)行濾波。CL中所傳遞的能量遠(yuǎn)小于Cmains中的能量。在開關(guān)S1斷開時(shí)，整流后的輸入電流Iin通過導(dǎo)通的二極管D2和電容器對電容器CL進(jìn)行充電。這導(dǎo)致了只要充電電流流動，Cmains和CL兩端的電壓的增加。當(dāng)AC源10的輸入電壓低于電壓Vin時(shí)，整流器12將AC源10從其余電路(即，節(jié)點(diǎn)10a)上解耦。此時(shí)，電容器Cmains通過導(dǎo)通的二極管D1將電流傳遞到負(fù)載Rmains。在這種情況下，在Cmains和CL之間不存在電流路徑，由于二極管D2用于阻塞其中流動的任何電流。通過負(fù)載電容器RL放電流經(jīng)CL的相對較小的電流。應(yīng)當(dāng)注意，流經(jīng)CL的放電電流只饋入控制電路60和負(fù)載RL，表示待機(jī)電源，例如，在電視機(jī)中(例如，為1～3瓦特)。這比通過表示電視機(jī)的主負(fù)載的二極管D1、電容器Cmains和Rmains放電的電流小得多(例如，為100～150瓦特)。因?yàn)槎O管D2變?yōu)榉聪蚱茫珻L兩端的電壓V1變?yōu)檎龜?shù)，并且其電壓降只由輔助負(fù)載電阻器RL確定。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，Cmains的充電條件主要確定了CL中的電荷。更具體地，在其中Cmains進(jìn)行放電的第一放電周期之后，在Cmains的下一周期期間，對電容器Cmains進(jìn)行充電，與此同時(shí)，對電容器CL進(jìn)行充電，由于二極管D2導(dǎo)通。應(yīng)當(dāng)注意，在一個(gè)實(shí)施例中，CL大約是Cmains的3～4倍(例如，Cmains為大約68uF(微法)，而CL為220uF)。應(yīng)當(dāng)注意，在Rmains和RL處的電壓具有選定的比例，從而獲得所需的輸出電壓V1。但是，主電源的Rmains通常在較寬的范圍內(nèi)變化。例如，由于Rmains典型地是任何消費(fèi)電子設(shè)備(如電視等)的主電源，在設(shè)備的運(yùn)行模式范圍內(nèi)，其功率范圍從50W到150W，依賴于如聲音、圖像參數(shù)等因素。但是，V1的待機(jī)輸出功率可能下降到1W(瓦特)或更小。此外，負(fù)載RL實(shí)質(zhì)上保持恒定，以便對如微處理器、控制器和IR接收器等小信號器件饋電。
如圖2所示，將開關(guān)S1配置為開關(guān)分路控制器結(jié)構(gòu)，其中S1響應(yīng)來自控制電路60的信號而閉合，從而一旦達(dá)到節(jié)點(diǎn)10c處所需的輸出電壓就禁止對CL的進(jìn)一步充電。按照這種方式，通過斷開和閉合開關(guān)S1，可以控制RL兩端的輸出電壓V1。當(dāng)輸出電壓不應(yīng)當(dāng)超過預(yù)定電平時(shí)，這種實(shí)現(xiàn)在提供電路結(jié)構(gòu)中是有用的。更具體地，一旦達(dá)到CL處所需的輸出電壓電平并由控制電路60檢測出，開關(guān)S1閉合，從而存在通過Cmains、S1并返回輸入的電流路徑，而不在CL處進(jìn)一步充電，從而保持電壓V1。應(yīng)當(dāng)注意，可以在50或60Hz輸入正弦曲線的1個(gè)周期內(nèi)閉合或斷開S1。
另一實(shí)施例如圖3所示。圖3的實(shí)施例與圖2的實(shí)施例的區(qū)別在于S1與導(dǎo)通晶體管D2并聯(lián)連接在節(jié)點(diǎn)10b和10c之間。在這種情況下，并未將最大輸出電壓V1精確地確定為閾值極限。開關(guān)S1響應(yīng)來自控制電路60的信號閉合，以形成從CL通過S1和Cmains到Rmains的放電路徑。當(dāng)達(dá)到最小所需輸出電壓時(shí)，斷開開關(guān)禁止了對Rmains的進(jìn)一步放電。在此實(shí)現(xiàn)中，在放電周期期間(當(dāng)S1斷開時(shí))并不控制RL兩端的輸出電壓。當(dāng)接入如串聯(lián)調(diào)節(jié)器等限壓器時(shí)，上述實(shí)施例提供了有用的解決方案。有利地，根據(jù)圖3的解決方案并不產(chǎn)生Cmains和線路整流器中的電流瞬變。根據(jù)如圖2和圖3所示的上述實(shí)施例，在圖2所示的實(shí)施例中控制充電，而在圖3所示的實(shí)施例中控制放電。
實(shí)現(xiàn)了圖2和圖3的示意性圖示的詳細(xì)電路圖分別如圖4和5所示。如圖所示，實(shí)現(xiàn)了用于產(chǎn)生開關(guān)模式電源的公用主控制器的輔助電源的結(jié)構(gòu)。由Rbias提供初始啟動電壓。在正常運(yùn)行模式下，控制器的功率消耗高于電阻器Rbias所能傳遞的功率。這時(shí)，抽頭式電容器Cmains和CL向控制器提供電力，如上所述。由圖4所示的高增益晶體管Q1和Q2構(gòu)成圖2所示的代表開關(guān)S1。如圖4所示，pnp晶體管Q1的基極接線端b1與晶體管Q2的接線端c2相連。Q1的接線端e1與節(jié)點(diǎn)10b相連，而Q1的接線端c1與npn晶體管Q2的基極接線端b2相連。接線端c1、b2在節(jié)點(diǎn)10d處相連，節(jié)點(diǎn)10d通過電阻器R2與GND相耦合。電阻器R1分別將Q1、Q2的接線端b1、c2與節(jié)點(diǎn)10b相連。齊納二極管D4連接在節(jié)點(diǎn)10c和節(jié)點(diǎn)10d之間。由二極管D4檢測輸出電壓，并直接控制高增益晶體管Q1、Q2?？梢栽谧杂蛇\(yùn)行功率振蕩器中具體實(shí)現(xiàn)電路400，根據(jù)來自次級側(cè)410的輸出電壓來使能/禁用其操作。如先前所述，由Rbias提供初始啟動電壓。只要CL兩端的電壓低于閾值，就建立從Cmains通過D2到CL的電流路徑，并且電容器Cmains和CL持續(xù)充電。但是，當(dāng)功率振蕩器進(jìn)行操作時(shí)，由振蕩器消耗的功率高于Rbias所能傳遞的功率。因此，存儲在Cmains和CL中的能量用于為功率振蕩器的分壓器供電。
按照模擬的方式，將圖3的開關(guān)S1實(shí)現(xiàn)為圖5所示的電路結(jié)構(gòu)500中的晶體管Q1。如圖5所示，pnp晶體管Q1的基極接線端b1通過電阻器R2與npn晶體管Q2的接線端c2相連。Q1的接線端e1與二極管D2的陽極相連，而Q1的接線端c1在節(jié)點(diǎn)10b處與二極管D2的陰極相連。在具有R2的分壓器結(jié)構(gòu)中，電阻器R1連接在D2的陽極和Q1的接線端b1之間。二極管D1連接在節(jié)點(diǎn)10b和GND之間。npn晶體管Q2的基極接線端b2在節(jié)點(diǎn)10e處與齊納二極管D4相連。電阻器R3連接在節(jié)點(diǎn)10e和GND之間，而二極管D4的陰極通過電阻器R4與節(jié)點(diǎn)10c相連。晶體管Q2的接線端e2與GND相連。這里，齊納二極管D4將控制器60的輸入處的驅(qū)動電壓限制為給定或預(yù)定值。二極管D4通過分壓器Q2控制Q1。從而，電容器CL保持可開關(guān)地耦合到Cmains和主負(fù)載Rmains，對應(yīng)于次級側(cè)的轉(zhuǎn)換負(fù)載Rs，直到達(dá)到控制器60的輸入處所需的最小電壓為止。此時(shí)，以控制器所需的相對較低的電流，通過控制電路60對電容器CL進(jìn)行放電。該放電一直發(fā)生，直到Cmains中達(dá)到下一充電間隔。作為可選結(jié)構(gòu)，二極管D4可以是公用串聯(lián)限壓器或穩(wěn)定電路的一部分。
盡管已經(jīng)根據(jù)典型實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于此。應(yīng)當(dāng)將所附權(quán)利要求更廣泛地解釋為包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的等價(jià)物的范圍的前提下而做出的本發(fā)明的其他變體和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種電源，包括一對第一和第二電容器，形成了容性分壓器；周期性輸入電源電壓源，與所述容性分壓器相耦合，以便由部分所述周期性輸入電源電壓，在所述第二電容器中產(chǎn)生與負(fù)載電路耦合的第二電源電壓；以及開關(guān)，與所述第二電容器相耦合，用于按照穩(wěn)定所述第二電源電壓的方式、有選擇地將所述第一電容器與所述第二電容器相耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于所述開關(guān)與所述第二電容器相耦合，以便按照穩(wěn)定所述第二電源電壓的負(fù)反饋方式、有選擇地將所述第一電容器與所述第二電容器相耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于開關(guān)響應(yīng)來自控制電路的控制信號，有選擇地將所述第一電容器與所述第二電容器相耦合，所述控制電路讀出所述第二電源電壓并將所述讀出電壓與參考電壓進(jìn)行比較。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于所述開關(guān)耦合在所述第一和第二電容器之間，并響應(yīng)來自控制電路的控制信號，有選擇地耦合所述第一和第二電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于開關(guān)包括橫跨所述第二電容器兩端的分路電路，用于有選擇地耦合所述第一和所述第二電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于開關(guān)包括至少一個(gè)晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于第一二極管連接在第一和第二電容器之間，并且所述第二電容器的第一接線端與參考電位相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源，其特征在于第二二極管連接在第一電容器和所述參考電位之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于周期性輸入電源電壓源包括與整流器相連的AC源。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于所述開關(guān)根據(jù)針對以下目的之一的控制信號有選擇地耦合所述第一和第二電容器a)穩(wěn)定所述第二電容器的充電；以及b)穩(wěn)定所述第二電容器的放電。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于當(dāng)沿第一方向?qū)λ龅谝缓偷诙娙萜髦贿M(jìn)行充電時(shí)，所述開關(guān)改變第一和第二電容器之間的電荷傳遞，而當(dāng)沿與第一方向相反的第二方向?qū)λ龅谝缓偷诙娙萜髦兴龅囊粋€(gè)進(jìn)行充電時(shí)，防止所述開關(guān)改變第一和第二電容器之間的電荷傳遞。
12.一種電源，包括第一電容器；第二電容器，通過開關(guān)有選擇地與第一電容器相耦合，以形成容性分壓器；控制電路，與所述第二電容器相耦合，讀出所述第一和第二電容器之一的兩端的電壓，并可控地耦合第一和第二電容器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電源，其特征在于還包括至少一個(gè)開關(guān)，耦合在所述第一和第二電容器之間，并響應(yīng)來自控制電路的控制信號，有選擇地耦合所述第一和第二電容器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源，其特征在于至少一個(gè)開關(guān)包括一個(gè)或多個(gè)晶體管。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電源，其特征在于還包括第一整流器，第一接線端與所述第一電容器相連，而第二接線端與所述第二電容器相連；以及開關(guān)，具有與所述第一整流器的所述第一接線端相連的接線端。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電源，其特征在于所述開關(guān)還包括與所述第一整流器的所述第二接線端相連的第二接線端。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電源，其特征在于所述開關(guān)包括一個(gè)或多個(gè)晶體管。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電源，其特征在于還包括與所述開關(guān)并聯(lián)連接的第二整流器。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電源，其特征在于第二電容器提供通過所述控制器的放電電流。
全文摘要
一種電源，包括形成了容性分壓器的一對第一和第二電容器。周期性輸入電源電壓源與容性分壓器相耦合，以便由部分周期性輸入電源電壓，在第二電容器中產(chǎn)生與負(fù)載電路耦合的第二電源電壓。開關(guān)與第二電容器相耦合，用于按照穩(wěn)定第二電源電壓的方式、有選擇地將第一電容器與第二電容器相耦合。
文檔編號H02M3/00GK1703825SQ200380101313
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月16日
發(fā)明者魯?shù)婪颉ろf伯 申請人:湯姆森許可貿(mào)易公司