本發(fā)明涉及被配置成將AC市電功率轉(zhuǎn)換到DC輸出電壓的功率轉(zhuǎn)換器、其對應(yīng)的控制器以及其操作方法。

背景技術(shù)：

在諸如3.3V、或5V或12V的低電壓下操作的多個(gè)應(yīng)用得益于被連接到市電電源。先前，獲得低電壓的常規(guī)方式是使用高電壓電容分壓器，其中電容器用作阻抗。整流并使用電容器電流。此方法高效，但電容器較大和昂貴。

另一個(gè)常規(guī)的解決方案是使用整流和開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器，其可以被配置成高效地操作，但由于涉及到高電壓，這些通常較為昂貴。在所涉及的低占空比下，這些都難以控制；例如，下轉(zhuǎn)換325V到3.3V，DC-DC轉(zhuǎn)換器將必須在僅僅1％的占空比下操作。

通常比使用DC-DC轉(zhuǎn)換器更便宜的另一已知的解決方案是使用線性電壓調(diào)節(jié)器，諸如低壓差電壓調(diào)節(jié)器(LDO)。電壓調(diào)節(jié)器通常包括功率FET和差分放大器。差分放大器比較輸出電壓(或可替換的是和更通常的是，輸出電壓的界限分明的部分)與參考電壓，并以線性方式驅(qū)動(dòng)功率FET以維持固定的輸出電壓。如果用于下轉(zhuǎn)換市電電壓到典型的低電壓，那么電壓調(diào)節(jié)器將極為低效：舉例來說，使用產(chǎn)生325V的峰值電壓的同一220V市電以提供3.3V輸出電壓的功率，其必須下降322V。因此，在已知的解決方案中，電壓調(diào)節(jié)器的電源通常由電容器提供，所述電容器從所整流的市電充電到中間電壓(出于良好的效率，其剛好超過輸出DC電壓)。建立中間電壓通常通過所謂的“門控整流”完成，其中市電通過橋式整流器整流，并且輸出可開關(guān)地連接到電容器。已提議使用諸如開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的DC-DC轉(zhuǎn)換器替換電壓調(diào)節(jié)器。

然而，來自DC-DC轉(zhuǎn)換器的波紋可產(chǎn)生EMI。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供功率轉(zhuǎn)換器，其被配置成將AC市電功率轉(zhuǎn)換到低于AC市電的峰值電壓的DC輸出電壓，所述AC市電具有由低電壓部分和高電壓部分組成的半循環(huán)，所述功率轉(zhuǎn)換器包括：電容器，其被配置成存儲(chǔ)在峰值電壓和DC輸出電壓中間的電壓范圍中的電荷；門控整流級，其包括用于整流AC市電功率的整流器和被配置成僅在AC市電的半循環(huán)的低電壓部分期間供應(yīng)所整流的AC市電功率到電容器的至少一個(gè)開關(guān)；以及開關(guān)模式DC-DC功率轉(zhuǎn)換級，其包括至少一個(gè)另外的開關(guān)，并且被配置成僅在AC市電的半循環(huán)的高電壓部分期間從電容器轉(zhuǎn)換功率到DC輸出電壓。至少一個(gè)開關(guān)可為單個(gè)開關(guān)，或可為超過一個(gè)開關(guān)，例如在實(shí)施例中，其中整流器是全橋式整流器，可為全橋式整流器的兩個(gè)輸出側(cè)臂中的每一個(gè)提供一個(gè)開關(guān)。在其它實(shí)施例中，整流器的一個(gè)或多個(gè)二極管可被相應(yīng)的同步整流開關(guān)代替。接著，同步整流開關(guān)可為所述一個(gè)或多個(gè)開關(guān)的至少一部分。

通過操作DC-DC功率轉(zhuǎn)換級以僅在AC市電的半循環(huán)的高電壓部分期間操作，有可能有效地從市電輸入隔離EMI的電源，也就是說，開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器，而不需要使用EMI串聯(lián)濾波。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，在AC市電的半循環(huán)的低電壓部分期間的AC市電的最大絕對電壓不超過DC輸出電壓的4倍，或大于DC輸出電壓不低于2V。中間電壓可在高于DC輸出電壓不低于2V的最小值和不超過最小值4倍的最大值的范圍內(nèi)。

在更多實(shí)施例中的一個(gè)中，循環(huán)具有循環(huán)周期，半循環(huán)的低電壓部分占用不超過5％的循環(huán)周期。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器可另外包括耦合到DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的輸出并用于使DC輸出電壓平滑的平滑電容器。這種平滑電容器可降低在市電半循環(huán)的低電壓部分期間暫時(shí)禁用DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的影響。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器可另外包括控制器，其被配置成在AC市電的半循環(huán)的低電壓部分期間確保至少另外的開關(guān)是打開的，由此禁用DC-DC轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供控制器，其被配置成操作如上文所描述的市電功率轉(zhuǎn)換器，且包括第一開關(guān)控制子單元，所述第一開關(guān)控制子單元適用于定期打開和關(guān)閉至少一個(gè)開關(guān)以產(chǎn)生門控整流和將電容器充電到中間電壓，以及另一開關(guān)控制子單元，所述另一開關(guān)控制子單元適用于響應(yīng)于所打開的至少一個(gè)開關(guān)，定期打開和關(guān)閉至少一個(gè)另外的開關(guān)以產(chǎn)生輸出電壓，所述中間電壓在市電的峰值電壓和輸出電壓的中間。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于移動(dòng)裝置的市電電源，其包括如剛剛所描述的功率轉(zhuǎn)換器、用于直接連接到市電電源上的輸入，以及用于直接連接到所述移動(dòng)裝置上的輸出。市電電源可不包括任何其它的感應(yīng)組件或EMI或市電濾波器。盡管如此，市電電源可適用于其中需要高諧波質(zhì)量的應(yīng)用。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供包括如剛剛所論述的市電電源的電子設(shè)備。電子設(shè)備可另外包括存儲(chǔ)器和處理器，或諸如圖形用戶接口的其它電路，這些中的至少一個(gè)可在3.3V、5V和12V的電壓下操作。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供將AC市電功率轉(zhuǎn)換到低于AC市電的峰值電壓的DC輸出電壓的一種方法，所述AC市電具有由低電壓部分和高電壓部分組成的半循環(huán)，所述方法包括：整流AC市電功率，并開關(guān)至少一個(gè)開關(guān)以僅在AC市電的半循環(huán)的低電壓部分期間供應(yīng)所整流的AC市電功率到電容器上；在電容器中存儲(chǔ)在峰值電壓和DC輸出電壓中間的電壓范圍中的電荷；以及操作至少一個(gè)另外的開關(guān)，所述至少一個(gè)另外的開關(guān)包括在DC-DC功率轉(zhuǎn)換級中，所述DC-DC功率轉(zhuǎn)換級被配置成僅在AC市電的半循環(huán)的高電壓部分期間從電容器轉(zhuǎn)換功率到DC輸出電壓。

DC-DC功率轉(zhuǎn)換器可為多種類型的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中的任一種。舉例來說(但不限于)，其可為返馳轉(zhuǎn)換器，或半橋式轉(zhuǎn)換器；由于降壓轉(zhuǎn)換器降低輸入和輸出之間的電壓，所以DC-DC轉(zhuǎn)換器通常可為降壓轉(zhuǎn)換器。

附圖說明

將僅借助于例子參看圖式描述本發(fā)明的實(shí)施例，在圖式中

圖1示意性地示出了功率轉(zhuǎn)換器，其包括門控整流級、中間電容器以及DC-DC功率轉(zhuǎn)換級；

圖2示出了概念性雙級功率轉(zhuǎn)換器的框圖，所述概念性雙級功率轉(zhuǎn)換器包括EMI隔離；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例方法的流程圖；以及

圖4示出了開關(guān)模式DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的例子，其可用于一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。

應(yīng)注意，圖式是圖解說明且未按比例繪制。為在圖式中清楚且方便，這些圖的各部分的相對尺寸和比例已示出為在大小上放大或縮小。相同的附圖標(biāo)記一般用于指代在修改后且不同的實(shí)施例中的相對應(yīng)的或相似的特征。

具體實(shí)施方式

圖1示出了功率轉(zhuǎn)換器100。功率轉(zhuǎn)換器100包括輸入105，輸入105可，如圖所示，直接連接到AC市電電源102。AC市電電源102通過橋式整流器112整流。所整流的電壓在整個(gè)電容器120中間歇地，也就是說，以門控方式連接，借助于與電容器120串聯(lián)的開關(guān)114控制連接和解除連接。整流器112和開關(guān)114因此包括門控整流級110。

電容器120充當(dāng)開關(guān)模式DC-DC功率轉(zhuǎn)換器130的輸入源。輸出平滑電容器160可在整個(gè)DC-DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出中連接，從所述輸出平滑電容器160中還獲取輸出。

圖也示出了在三個(gè)位置或節(jié)點(diǎn)處的電壓波形：節(jié)點(diǎn)A，其在整流器的輸出處；節(jié)點(diǎn)B，其在門控整流級的輸出處，也就是說，在電容器120的輸入處；以及節(jié)點(diǎn)C，其在功率轉(zhuǎn)換器的輸出處。電壓波形的比例是不相同的。如所示意性地示出的，波形中的每一個(gè)受到由DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的開關(guān)操作產(chǎn)生的波紋的影響。應(yīng)了解，盡管門控整流具有市電頻率兩倍的周期性，但是DC-DC功率轉(zhuǎn)換級通常在處于千赫茲到兆赫茲(舉例來說，0.5kHz到5MHz)的范圍內(nèi)的頻率下開關(guān)，也就是說，在比主頻率高10倍和100,000倍之間的頻率下開關(guān)，在信號上的波紋的頻率相對應(yīng)地較高(在圖中已拉伸波紋的比例以防止其模糊)。

為了防止DC-DC功率轉(zhuǎn)換器級的波紋破壞市電輸入，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在市電輸入和門控整流級之間引入EMI濾波器布置。此類EMI濾波器布置可提供為一個(gè)或多個(gè)分離的組件。標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器布置可充分地去除EMI以符合法定要求，但其會(huì)相當(dāng)大和高成本，并降低了效率。相比而言，門控整流器是高效的極小的電路。

圖1也示意性地示出了控制器131，其包括控制子單元132和第二控制子單元133。控制器子單元132和第二控制子單元133分別用于控制門控整流級和DC-DC功率轉(zhuǎn)換級。

常規(guī)的EMI濾波器的典型示意圖在圖2中示出，其包括在市電線路輸入的帶電部分和中性部分之間串并聯(lián)布置的所謂的X-電容器Cx和感應(yīng)器(或扼流器)L1、L2。其后跟著第二級f的所謂的Y電容器(Cy)。

然而，本發(fā)明人已了解，在整流級連接的間隔期間，EMI干擾通過操作開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換級引入，且此間隔相對較短；因此，在整流級供應(yīng)電荷到電容器的間隔期間，通過禁用開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換級，有可能改進(jìn)整個(gè)裝置的EMI性能。

圖3中示意性地示出此情形。圖3示出了功率轉(zhuǎn)換器300的示意圖，功率轉(zhuǎn)換器300被配置成將AC市電功率轉(zhuǎn)換到低于AC市電的峰值電壓的DC輸出電壓。功率轉(zhuǎn)換器包括電容器320，其被配置成存儲(chǔ)在峰值電壓和DC輸出電壓中間的電壓范圍中的電荷。功率轉(zhuǎn)換器另外包括門控整流級310。門控整流級并未詳細(xì)地示出，但其可包括用于如圖1所示整流AC市電功率的整流器，和至少一個(gè)開關(guān)，其被配置成僅在AC市電的半循環(huán)的低電壓部分期間供應(yīng)所整流的AC市電功率到電容器。這通過在市電半循環(huán)的低電壓部分期間將選擇開關(guān)340切換到左邊以連接門控整流級310到電容器來概念性地實(shí)現(xiàn)。

功率轉(zhuǎn)換器也包括第二級330。第二級是開關(guān)模式DC-DC功率轉(zhuǎn)換級。第二級包括至少一個(gè)另外的開關(guān)，并被配置成僅在AC市電的半循環(huán)的高電壓部分期間從電容器轉(zhuǎn)換功率到DC輸出電壓。這通過在AC市電的半循環(huán)的高電壓部分期間將開關(guān)340切換到右邊來概念性地實(shí)現(xiàn)。

如在圖3中概念性地示出，開關(guān)340是雙刀單擲(DPST)開關(guān)，因此在任一時(shí)刻，只有第一級門控整流和第二級DC-DC功率轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)連接到電容器。其結(jié)果是，由DC-DC功率轉(zhuǎn)換級，舉例來說，由DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的相對高頻率的開關(guān)所產(chǎn)生的任何EMI可與門控整流級隔離，并因此可去除對EMI濾波器布置的需要。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解到，當(dāng)極點(diǎn)不連接時(shí)，DPST的操作可包括在開關(guān)期間的“失效”周期，在本例子中，這對應(yīng)于任選的過渡級；舉例來說，當(dāng)門控整流使得門控開關(guān)打開時(shí)，DC-DC操作才開始?？捎纱俗柚顾^的“閃絡(luò)”。

如圖3中所示，盡管可通過分離的開關(guān)提供隔離，但在其它實(shí)施例中，隔離可由在整流級中使用門控開關(guān)，并與DC-DC功率轉(zhuǎn)換級中的開關(guān)組合來實(shí)現(xiàn)。確切地說，由于當(dāng)門控開關(guān)打開時(shí)，門控開關(guān)使整流器與DC-DC轉(zhuǎn)換級隔離，所以僅需要確保每當(dāng)門控開關(guān)是關(guān)閉的，DC-DC功率轉(zhuǎn)換級就不可操作，從而提供恰當(dāng)?shù)母綦x度。

所選擇的確保DC-DC功率轉(zhuǎn)換級是不可操作的特定的實(shí)施方案將取決于所用的特定類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器。舉例來說，在半橋式轉(zhuǎn)換器的情況下，這可通過盡管門控開關(guān)是關(guān)閉的，但在整個(gè)市電半循環(huán)的低電壓部分的持續(xù)時(shí)間中同時(shí)保持低側(cè)開關(guān)和高側(cè)開關(guān)是打開的來實(shí)現(xiàn)。

可包括在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中的示例DC-DC功率轉(zhuǎn)換級在圖4中示出。圖示出了半橋式轉(zhuǎn)換器400，其如所示可操作為遲滯轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器包括控制器405和感應(yīng)器410，其具有用于提供DC輸出電壓的連接到轉(zhuǎn)換器輸出(在節(jié)點(diǎn)C處示出)的輸出端子和連接到連接兩個(gè)串聯(lián)開關(guān)420和430的中間或半橋式節(jié)點(diǎn)SW的輸入端子。這兩個(gè)開關(guān)中的一個(gè)，420，形成高側(cè)開關(guān)(HSS)，其中它的其它主端子連接到DC-DC功率轉(zhuǎn)換器輸入(在節(jié)點(diǎn)B處)。這兩個(gè)開關(guān)中的另一個(gè)，430，形成低側(cè)開關(guān)(LSS)，其中它的其它主端子接地。借助于提供邏輯和失效時(shí)間控制的控制子單元450，經(jīng)由兩個(gè)開關(guān)420和430相應(yīng)的控制端子來控制這兩個(gè)開關(guān)420和430?？刂谱訂卧峁┹敵龅较鄳?yīng)的驅(qū)動(dòng)器425和435上，以驅(qū)動(dòng)HSS 420和LSS 430的控制端子。橫跨DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的輸出提供平滑電容器160，并橫跨所述輸出還提供電阻分壓器440，以提供DC輸出電壓的經(jīng)縮放版本到運(yùn)算放大器(opamp)460上，所述運(yùn)算放大器(opamp)460比較經(jīng)縮放版本與參考電壓，參考電壓可，舉例來說，為所示的0.8V。在輸出電壓的經(jīng)縮放版本低于0.8V的情況下，opamp 460發(fā)送輸出啟用信號到控制子單元450上，由此指示應(yīng)關(guān)閉HSS 420，并打開LSS 430，以連接半橋式節(jié)點(diǎn)SW到在節(jié)點(diǎn)B處的DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的輸入電壓上。

利用另一個(gè)輸入另外供應(yīng)控制子單元450，所述輸入從比較器的輸出提供，所述比較器比較另一參考電壓(其可為如所示的1.2V)與“啟用”輸入。此“啟用”輸入確定門控整流級的門控開關(guān)是否打開。

在門控整流級的門控開關(guān)是關(guān)閉的情況下，控制子單元450通過打開HSS和LSS開關(guān)420和430兩者來禁用遲滯轉(zhuǎn)換器。HSS和LSS兩者保持打開狀態(tài)直到門控整流級的門控開關(guān)打開。由于因此中斷了遲滯轉(zhuǎn)換器的開關(guān)，所以與此開關(guān)相關(guān)的或由此開關(guān)產(chǎn)生的任何EMI中止。到功率轉(zhuǎn)換器100的輸入因此與DC-DC功率轉(zhuǎn)換級隔離。

應(yīng)了解，如圖4中所示，控制器405可包括HSS 420和LSS 430，所述控制器405可包括一個(gè)或多個(gè)另外的開關(guān)。在其它實(shí)施例中，控制器405可為分開的組件或與一個(gè)或多個(gè)另外的開關(guān)分離，舉例來說，HSS 420和LSS 430可為分開或與控制器405分離，如在圖1中示出的那樣，其中用于DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的子控制器133示出為與DC-DC功率轉(zhuǎn)換級自身分離。

此外，應(yīng)了解，圖3中示出的雙刀單擲開關(guān)320可包括剛剛描述的HSS、LSS和門控整流門控開關(guān)的組合。在一或多個(gè)其它實(shí)施例中，其中DC-DC功率轉(zhuǎn)換級由另一類型的轉(zhuǎn)換器(諸如僅具有一個(gè)開關(guān)組件的返馳轉(zhuǎn)換器)提供，所述概念性開關(guān)320可包括門控整流級門控開關(guān)和DC-DC功率轉(zhuǎn)換級的開關(guān)組件。

適用于實(shí)施例中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的操作方法將是本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的，并且因此此處將不再重復(fù)。然而，應(yīng)注意，盡管非限制性的但極為方便的控制方法是遲滯控制。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解到，在遲滯控制中，比較器用于測量輸出電容器上的電壓，并且每當(dāng)輸出電壓降到低于所希望的值，例如3.3V時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換脈沖。

通過閱讀本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白其它變化和修改。此類變化和修改可涉及等效物和其它特征，所述等效物和其它特征在電力轉(zhuǎn)換器技術(shù)中已知且可用作本文已經(jīng)描述的特征的替代或補(bǔ)充。

盡管所附權(quán)利要求書是針對特定特征組合，但應(yīng)理解，本發(fā)明的公開內(nèi)容的范圍還包括本文中明確地或隱含地公開的任何新穎特征或任何新穎特征組合或其任何一般化形式，而不管其是否涉及與當(dāng)前在任何權(quán)利要求中主張的相同的發(fā)明或其是否緩解與本發(fā)明所緩解的任一或全部技術(shù)問題相同的技術(shù)問題。

在單獨(dú)實(shí)施例的上下文中描述的特征也可以組合地提供于單個(gè)實(shí)施例中。相反，為了簡潔起見，在單個(gè)實(shí)施例的上下文中所描述的各種特征也可以單獨(dú)地或以任何合適的子組合提供。申請人特此提醒，在審查本申請案或由此衍生的任何另外的申請案期間，可根據(jù)此類特征和/或此類特征的組合而制訂新的權(quán)利要求。

為完整性起見，還規(guī)定術(shù)語“包括”不排除其它元件或步驟，術(shù)語“一”不排除多個(gè)，單個(gè)處理器或其它單元可滿足在權(quán)利要求中敘述的若干構(gòu)件的功能，且權(quán)利要求中的參考符號不應(yīng)解釋為限制權(quán)利要求的范圍。