CN103155394B - 具有使功耗最小化的自适应电流源的ac-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种使功耗和/或电流消耗最小化的具有待机模式的电路装置，其具有电网AC电源端子和有源电路，所述有源电路能够将所述电网AC功率转换到按电器所要求的那样工作在工作模式下或在待机模式下的较低电压DC电平，使得对所述电流感测电阻器的电流感测电阻器值的选择限制通过FET的最大峰值电流，以便电流感测电阻器装置能够在电网AC电源过零附近以陡峭的上升时间提供电流的显著增加，以便当电网AC电源电压低的时候电流被拉高。

Description

具有使功耗最小化的自适应电流源的AC-DC转换器
技术领域
本发明涉及一种能够减小电子设备的待机功耗的电路装置，并且更特别地涉及一种独特的电路装置，该电路装置可以不仅潜在地使电源***中的待机功率最小化，而且可以在不必为了在设备的待机工作模式期间建立这样的功率效率而加入复杂和昂贵的开关调节器的情况下完成这样的任务。
背景技术
现在众所周知的是，大部分常规家庭以及商业场所包括各种各样的电气产品，这些电气产品包括电源，以便为电器能够将房屋(property)的电网AC电源转换为可用的DC(直流)，以给相关的电器或设备供电进入工作。
虽然似乎可以是标准电源的直接装置简单地将进入的电网AC电源电压逐步降低到可工作的DC电平，然而最近对这样的设备提出更多的功能性要求。
不仅电源技术需要能够从工作模式(activemode)切换到待机模式，它还需要有效率地这样做，使得甚至在待机模式下，当对于电器或应用存在汲取一些电功率的要求时，汲取该电功率以给电器中的诸如控制电路、微控制器和状态指示器等之类的设备供给足够的电流在装置中是这样完成的，其满足由许多政府和认证体系所设置的各种要求，其中所述各种要求不仅需要具有工作模式和待机模式的简单功能性，而且当选择每个上述模式时需要效率和能量节省地进行工作。
因此，标准电源***的如今的技术和要求将需要其提供对于被供电的设备呈现工作模式的功能性，这意味着该电路装置允许以最小的电压降通过对于有源电路所需的整个电流，并且在这个工作模式下和在待机模式下没有不必要的功耗的情况下，该设备也被要求适于提供足够的电流，以供给那些仍在电器待机模式下工作的电路和控制器。
目前，有数种方法可用，这些方法包括线性调节、降压变压器和开关式电源开关，其试图提供适当的装置，以便利用电器在使用中或在待机时实现的功能性建立针对每个模式具有所要求的电流源的可操作的工作模式和待机模式。
尽管如此，在利用电阻器和/或电容器的常规线性调节器中仍有问题。虽然线性调节器可通过以欧姆损耗耗散过量的功率来维持想要的输出电压，但是可惜地，线性调节器仅通过以热量形式耗散过量的电功率来调节输出电压或电流，并且因而其电压输出/电压输入的最大功率效率是不可接受的，因为伏特差被浪费。
因此，这些种类的线性电源使得其在强调通过减小能量消耗而节省能量和保护环境等的如今环境中是不合适的。
为了获得更大的效率和使线性调节器在待机模式下的这个被浪费的能量最小化，包括半导体转换开关的复杂电源现在正被使用。例如，其中并入到电源的整体设计中的开关式电源是开关调节器，所述开关调节器适于将功率从类似源的电源电网诸如电网AC电源传输到家用电器，同时转换电压和电流特性。在很大程度上，开关式电源能够在待机模式下有效地提供被调节的输出电压。
尽管如此，任何牺牲更简化的线性电源而包括开关式电源的电路在设计中引入了复杂性，这可能增加制造成本等，并且也因为开关式电源通过简单地改变输出信号的‘通’与‘断’时间的比而工作在全通与全断状态之间切换模式供给的过程上，除非该开关电路装置同时包括昂贵的和复杂的滤波，否则这可导致生成高幅度、高频率能量，从而潜在地导致射频干扰(RFI)和/或电磁干扰(EMI)。
因此，如从上面可观察到的那样，对于可用于给电器在其在工作模式或待机模式下时供给充足电流的电源的常规方法似乎缺少如下技术方案：所述技术方案不仅是像提供适于在待机模式下操作设备而没有损耗的电流水平的线性调节器那样简单，而且像开关调节器那样的装置提供高效率和能量节省，本领域技术人员会从利用复杂的开关式电源装置而期望所述高效率和能量节省但没有与RFI、EMI和设计复杂性相关联的潜在问题。
因此，本发明的目的是提供一种使功耗和/或电流消耗最小化的具有待机模式的电路装置，其能够在设备的控制电路、微控制器、状态指示器等的待机模式期间给设备提供所需的电流，以在待机模式下工作，但是在这个待机模式下无需简单地汲取线性供电电源地工作，而是事实上在待机模式期间具有被调节的电源，其中调节活动并不导致RFI和EMI问题的产生。
发明内容
因此，在本发明的一个形式中，提供有一种使功耗和/或电流消耗最小化的具有待机模式的电路装置，其具有电网AC电源端子和有源电路，所述有源电路能够将所述电网AC功率转换到用于按电器所要求的那样工作在工作模式下或在待机模式下的较低电压DC电平，其中所述电路包括：
一个或多个整流二极管，用于从电网AC电源提供经过整流的AC输出；
电网电压检测装置，其与所述经过整流的AC信号连通并且与AC电网电源额定电阻器串联，其中所述电阻器将输出供给到第一带隙电路，以所选择的限定的电压电平提供可调节电流路径；
所述被调节电流路径包括场效应晶体管(FET)受控电子开关的栅极，FET的漏极连接到经过整流的AC信号，并且FET的源极被连接到负载电路，所述负载电路至少具有电容器和负载；
所述电网电压检测装置还包括第二带隙电路，所述第二带隙电路提供低DC电压检测器以检测在负载上何时已获取可选择的电压，以便一旦可选择的电压已被获取，就与第一带隙电路连通，以降低电网检测电压，从而减小允许流动穿过FET的功率；
串联在所述FET受控开关的源极与所述负载电路之间的电流感测电阻器，其中该电流感测电阻器也与电容器/电阻器滤波器连通，所述电容器/电阻器滤波器反馈回到与通到所述FET的栅极的被调节电流路径电连接的有源部件调节器晶体管中，以便控制经过FET流到负载电路的电流量；
使得对所述电流感测电阻器的电流感测电阻器阻值的选择限制通过FET的最大峰值电流，以便电流感测电阻器装置能够在电网AC电源过零处附近以陡峭的上升时间提供电流的显著增加，以便当电网AC电源电压低的时候电流被拉高。
另外，可选的电压是3.3V或5V。
有利地，通过使用电流感测电阻器装置调节，现在可能通过沿着到FET的栅极的电流路径的电流脉冲的上升时间和下降时间来给负载电路提供特征为梯形形状的波形的输出。
与更常规的电路装置诸如在美国专利No.6061259中所呈现的电路装置相比，这个电路装置的优点是，当电网电压低的时候，该装置能够吸引更多电流，因而使用相同的功率时给输出提供更多电流。这意味本发明的电路是效率更高的。
这一电路装置通过使用串联在FET的源极与负载电路之间的电流感测电阻器以及其进入调节器的反馈滤波器，该调节器例如晶体管等与流动到FET的栅极的电流路径直接连通，意味着不是简单地使FET工作在全“通”与全“断”状态之间同时可提供或最小化浪费的能量，如在上面介绍的在高频下具有变化的‘通’与‘断’时间的比的这样的电压调节将导致RFI和EMI因素。
有利地，在这个电路装置中，分压正接近电网电压过零发生，并且在最低可能的电平的电压情况下，电流则可以被取到最大电平，以在待机模式期间实现对负载必需的供给，而没有显著地产生任何不必要的仅在功率限制电阻器上被耗散浪费功率。
当电压被保持到最小值，而电流被提高到其所要求的最大峰值，功耗能够被减小，所要求的最大峰值在根据应用而决定的对电流感测电阻器的电阻器阻值的选择中规定。因此，在功率效率被维持时，待机期间充足的电流仍按要求被提供给设备部件。
因此，在待机模式下的这个电路装置能够限制FET电流并且因此减小其消耗，以满足负载要求。由电容器/电阻器滤波器所规定的反馈回路机制反馈回到诸如上面介绍的晶体管之类的调节器中，该调节器则与导向FET的栅极的主电流路径电连通，能够控制最终通过FET流到负载电路的电流量。
因而，反馈回路能够减小FET的峰值电流，并且还能够按要求朝着电网过零电压拉回该关断电压。有利地，这样做，总电路消耗将被大大地减小，并且如果要求是使电器或设备工作在特定的低水平诸如0.5瓦下，则这个电路装置可以提供这样的水平，而当实际上甚至在待机模式工作期间设备的部件不存在汲取任何电功率的要求时不要求这样的功率。
不像在常规的电路装置中，诸如在美国专利No.6061259中所呈现的电路装置，串联在FET的源极与负载电路之间的电流感测电阻器并不充当限流电阻器，并且因此并不被需要来限制电流。如在美国专利No.6061259的图2C中所图示的那样，所描述的电路产生三角形电流波形。
这是期望的结果，因为不像在本发明中所规定的电路装置中的电流感测电阻器，美国专利No.6061259中的限流电阻器实质上仅被接通和断开电网AC电源。这样的配置导致，峰值电流被规定在最大电网电压切断电平处，从而导致最大功率，但是结果是，由最高电网电压下的快速且最大电流切换造成的三角形波形而引入显著的RFI和EMI因素。
通过审阅美国专利No.6061259的在图2C中相对针对图2A所呈现的电压电平所示的峰值电流值，与本发明中的电流在低得多的相应电压下被提高到其最大峰值的情况相比，从该设计明显得出，在高得多的电压电平下电流达到其峰值显然有不必要的和过多的功耗。
有利地，由于在晶体管的饱和状态与不饱和状态之间没有硬接通和关断意味着去除了在美国专利No.6061259的图2C中明显的这些电压尖峰。
仍进一步，在美国专利No.6061259的图3中所呈现的电路装置针对其受控电路清楚地描述了两个分离的电流路径。一个路径由电网电压检测器分压器电阻器(13)、(14)和(16)组成，而另一路径是要用于FET栅极驱动。
有利地，在本发明中所规定的在电器的待机模式期间保持功耗降到最小值的电路装置中，能够利用仅一个电流路径既用于电网电压检测也用于驱动FET控制开关。
另外，该电路装置进一步包括在FET控制开关的漏极侧上的功率分配电阻器(powersharingresistor)。
这样的装置的优点是，将这个功率分配电阻器引入到该电路花费FET在开关期间的一些功率并且也提供抵御瞬时突变的保护。
不像在美国专利No.6061259中那样，可论证地用作对于FET控制开关的散热片应用的替换方案的这个功率分配电阻器减小了任何热量积聚，但是该功率分配电阻器在当电网电压低的时候控制电流脉冲的上升时间和下降时间方面没有起到显著作用，控制电流脉冲的上升时间和下降时间为所描述的电路装置导致更少的功耗。
另外，该电路装置是集成电路，其中AC电网电源额定电阻器在该集成电路的外部。
这样的装置的优点是，通过将AC电网电源额定电阻器保持在芯片外部意味着，取决于该电路与装置一起将投入使用的国家的政府法规，电阻器可以按要求被取值，这给予这样的电路在世界各地使用的更大的可用性，并且该电路因此可以针对不同的应用被优化。
另外，作为负载电路的一部分所包括的电容器以及作为与电流感测电阻器装置一起工作的电容器/电阻器滤波器的一部分所包括的电容器可在集成电路芯片的外部。
有利地，通过将这些特定电容器保持在集成电路芯片外部将减小芯片的大小并节省成本。
另外，电流感测电阻器可在集成电路芯片外部，从而提供针对电流感测电阻器选择不同值的能力，为该电路装置带来限定可替换的最大电流峰值等的能力。
另外，位于FET控制开关的漏极侧上的功率分配电阻器在集成电路芯片的外部，提供功率分配电阻器能够从FET控制开关去除一些耗散的功率，从而减小FET控制开关的工作温度。
如本领域技术人员将意识到的那样，并不总是要求在FET开关的漏极侧上包括功率分配电阻器，因为热量也可以以不同的方式从FET控制开关去除，诸如如上所介绍的应用散热片等方式。
现在，为了更详细地描述本发明，将借助附图呈现优选实施例。
尽管如此，通过审阅本临时专利申请要记住的是，与此随附的图1中所呈现的示意性电路给出了上面已全部描述的电路配置的一个有限的实施例。
附图中所列出的值和所示出的输出不一定是优选的，而是为提供使用所选的值的模拟结果而被列出。电器的最终功率要求、特别是在工作和待机模式下要汲取的所要求的电流水平将影响所选的部件值。
因此，在图1的示意性电路中对于本发明或部件价值，所提到的每个部件不是必不可少的，其中本发明的必不可少的方面已经在前面以所规定的广泛描述被介绍。
附图说明
图1是如下装置的示意性电路图：所述装置能够给电器在待机模式操作期间提供被最小化的功耗并且同时也提供所需的电流要求，以在使用时间期间从电网AC电源给电器供电。
图2是电网AC电源图2(A)和图2(B)的输入电压描绘了在被指示为负载电阻的图上曲线的模拟负载水平的情况下，由FET控制开关在相同的线性时间间隔期间所提供的电流。
具体实施方式
现在更详细地参考图1，其中电路(10)规定电网AC电源端子(12)和(14)。整流二极管(16)提供经过半波(或全波)整流的AC(或交流)(17)，其可以通过电网额定电阻器(18)压降。
虽然图1中所示的电路(10)只包括单个整流二极管(16)来提供直流，同样可能的是根据需要将全波桥式整流器或类似的这样的整流功能配置到电路中，其中全波整流器会实现更高的最大输出电流，但是在某些配置中可能增加电路的附加成本，因为该装置变得稍微更复杂。
晶体管和电阻器(20)、(22)、(24)、(26)、(40)和(32)提供第一带隙，该第一带隙在大多数情况下提供了将电网AC电源接通和关断到所选的所要求电压的所需功能性，该所要求的电压在这个优选实施例中是大约40伏特。晶体管(71)是顶部带隙电路与FET栅极关断电路之间的缓冲器。
在该优选实施例中，电网额定电阻器(18)会具有为1M欧姆的值，而晶体管(20)、(22)、(34)和(36)会是BJTPNP晶体管。
晶体管(24)和(26)是BJTNPN晶体管。
电阻器(32)会具有为25k欧姆的优选值，并且电阻器(40)会具有为1.1k欧姆的优选值。
通路(-42)提供通过具有为10千欧姆的优选值的电阻器(46)进入到FET控制开关(48)的栅极(47)的电流路径，其中电阻器(50)被电连接到FET(48)的漏极端子(49)。
通路(35)用于指向栅极保护部件路径。
电通路(35)穿过一串BJTNPN晶体管(56A)、(56B)、(56C)和(56D)以及齐纳二极管(58)直到被调节的输出，其中部件(56A)、(56B)、(56C)、(56D)和(58)提供保护串，使得该通路的击穿电压可以在温度上保持恒定，使得当温度变化时FET栅极在对其源极的电压保护中具有常量。
一般地，晶体管和电阻器(62)、(64)、(80)、(82)、(84)、(86)、(91)、(93)、(88)、(90)和(92)，提供用于第二带隙的内部电路，以便提供5伏特电源电压要求，以馈通到由负载(98)和电容器(96)组成的负载电路(97)。
另外，晶体管(60)、(82)和(84)是BJTPNP类型的晶体管。
另外，电阻器(80)具有为25.8千欧姆的值，并且电阻器(93)具有为2.162千欧姆的值，而且电阻器(90)具有为19.8千欧姆的值。
晶体管(62)、(64)、(86)、(88)、(91)和(92)是BJTNPN类型的晶体管。
在这个实施例中的电路的输出电压是5V，但是可以在设计或制造时使用各种方法将部件(90)和(92)短路以适于另一电压。一种方法，熔断片(fused-link)被示为部件(89)。
晶体管(34)、(36)、(38)、(60)、(62)和(86)提供从底部带隙到顶部带隙的连通路径，以指示底部带隙何时不能维持被调节的电压，并且因此使得FET给负载供给附加电流。
一般而言，部件(42)、(71)、(44)、(68)、(66)、(70)、(72)、(74)、(76)、(46)、(50)、(52)和(54)以及(78)大部分与驱动FET控制开关以及在工作期间保护FET控制开关相关联。
重要地，在该电路装置之内，利用优选地在该电路外部的感测电阻器(54)来完成限流，使得值的选择能够设置将接着限制将穿过FET控制开关(48)的最大峰值电流的值。
通过如在上面所介绍的那样利用电流感测电阻器(54)，这接着提供正好在由第一带隙所规定的电网过零之后的电流的更陡峭的上升时间。当电网电压是低的时候，该电路则能够拉出更多电流，从而减小电路的功耗。
68千欧姆的电阻器(52)和1nF的电容器(50)提供滤波装置，以建立反馈回路，该反馈回路可以减小FET控制开关(48)峰值电流并且从而能够朝着电网过零点电压向回关断FET的电压。通过能够像所期望的那样配置该装置，总电路消耗将容易地被减少到小于0.5瓦。
另外，晶体管(71)是BJTPNP，而晶体管(68)、(70)、(72)和(74)是BJTNPN晶体管。
图2：电网AC电源图2(A)和图2(B)的输入电压描绘了在被指示为负载电阻的图上曲线的模拟负载水平的情况下，由FET控制开关在相同的线性时间间隔期间所提供的电流。
图2的图2(A)和图2(B)图示出了所模拟的输出构型，其具有针对为10mA(104)的负载和被示为(102)的为100mA的负载的来自FET的电流输出。通过图，电网AC电源的输入电压被示在(100)并且在图2(B)的情况下具有模拟点(106)。
如在图2(B)所图示的那样通过仔细控制电流脉冲的上升时间和下降时间，这个电路装置能够规定具有更为梯形形状的波形，大致被示为(108)，而不是诸如上面针对美国专利No.6061259所讨论的那些的装置，是导致不利的RFI和EMI因素的三角形的或尖峰形的构型。

Claims (11)

1.一种使功耗和/或电流消耗最小化的具有待机模式的电路装置，其具有电网AC电源端子和有源电路，该有源电路能够将所述电网AC功率转换到按电器所要求的工作在工作模式下或在待机模式下的较低电压DC电平，其中所述电路包括：
一个或多个整流二极管，用于从电网AC电源提供经过整流的AC输出；
电网电压检测装置，其与所述经过整流的AC信号连通并且与AC电网电源额定电阻器串联，其中所述电阻器将输出供给到第一带隙电路以所选择的限定的电压电平提供可调节电流路径；
所述被调节电流路径包括场效应晶体管的栅极，场效应晶体管的漏极连接到经过整流的AC信号，并且场效应晶体管的源极连接到负载电路，其中所述负载电路至少具有电容器和负载；
所述电网电压检测装置还包括第二带隙电路，所述第二带隙电路提供低DC电压检测器以检测在负载上何时已获取可选择的电压，以便一旦可选择的电压已被获取，就与第一带隙电路进行连通，以降低电网检测电压，从而减小允许流动穿过场效应晶体管的功率；
串联在所述场效应晶体管的源极与所述负载电路之间的电流感测电阻器，其中该电流感测电阻器也与电容器/电阻器滤波器连通，所述电容器/电阻器滤波器反馈回到与通到所述场效应晶体管的栅极的被调节电流路径电连接的有源部件调节器晶体管中，以便控制经过场效应晶体管流到负载电路的电流量；
使得对所述电流感测电阻器的电流感测电阻器阻值的选择限制通过场效应晶体管的最大峰值电流，以便电流感测电阻器能够在电网AC电源过零附近以陡峭的上升时间提供电流的显著增加，以便当电网AC电源电压低的时候电流被拉高。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其进一步包括在场效应晶体管控制开关的漏极侧上的功率分配电阻器。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其中，功率分配电阻器适于接受在开关期间的场效应晶体管的一部分功率和/或提供对瞬时突变的保护。
4.根据权利要求1、2或3中的任一项所述的电路装置，其被提供为集成电路。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其中AC电网电源额定电阻器在集成电路的外部。
6.根据权利要求5所述的电路装置，其中负载电路电容器在集成电路的外部。
7.根据权利要求6所述的电路装置，其中电流感测电阻器在集成电路的外部。
8.根据权利要求7所述的电路装置，其中电流感测电阻器可选择为限定最大电流峰值的值。
9.根据权利要求8所述的电路装置，其中位于场效应晶体管控制开关的漏极侧上的功率分配电阻器在集成电路的外部，适于提供能够从场效应晶体管控制开关去除部分耗散功率的功率分配电阻器，从而减小场效应晶体管控制开关的工作温度。
10.根据权利要求9所述的电路装置，其中DC电压检测器适于检测为3.3V或5V的可选择电压。
11.根据权利要求10所述的电路装置，其中电流感测电阻器调节通过沿着到场效应晶体管的栅极的电流路径的电流脉冲的上升时间和下降时间给负载电路提供特征为梯形形状的波形的输出。
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