MXPA05004085A

MXPA05004085A - Suministro de energia acoplado en forma capacitiva.

Info

Publication number: MXPA05004085A
Application number: MXPA05004085A
Authority: MX
Inventors: Weber Rudolf
Original assignee: Thomson Licensing Sa
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-06-08
Also published as: AU2003276632A8; EP1552596A2; AU2003276632A1; JP4457014B2; KR20050048691A; US7019992B1; KR101084411B1; DE60326616D1; CN1703825A; CN1703825B; WO2004038902A2; MY134537A; EP1552596B1; MY134548A; JP2006511182A; WO2004038902A3; US20060067094A1

Abstract

Un suministro de energia que comprende un par de primer y segundo capacitores que forman un divisor de voltaje capacitivo. Una fuente de un voltaje de suministro de entrada periodica se acopla con el divisor de voltaje capacitivo para producir en el segundo capacitor, desde una porcion del voltaje de suministro de entrada periodica, un segundo voltaje de suministro que se acopla con un circuito de carga. Un conmutador se acopla con el segundo capacitor para acoplar en forma selectiva el primer capacitor con el segundo capacitor en una manera para regular el segundo voltaje de suministro.

Description

SUMINISTRO DE ENERGÍA ACOPLADO EN FORMA CAPACITIVA REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS La presente solicitud reclama la prioridad de conformidad con U.S.C. § 119 de la Solicitud de Patente de Estados Unidos No. de Serie 60/418,823, presentada el 16 de octubre de 2002.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con suministros de energía en general, y más en particular, a generar un voltaje de suministro con el uso de divisor de voltaje capacitivo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los suministros de energía sirven para el propósito de convertir un voltaje de entrada en uno o más voltajes de salida. Se puede utilizar una fuente de energía AC para proporcionar la entrada de la línea de energía AC, el cual se obtiene convertido en un voltaje de salida regulado en DC. Además, el suministro de energía que produce un voltaje de salida más bajo que el de un suministro de energía de voltaje principal rectificado por lo generalmente se necesita con el fin de energizar pequeños dispositivos de señal como un circuito integrado (IC), controladores y sus semejantes. Tales suministros de energía deben reducir al mínimo las pérdidas que se presentan en los mismos. Mientras los transformadores descendentes escalonados se han utilizado como suministros de energía, tales dispositivos tienden a ser grandes, estorbosos y relativamente caros. Se desea un suministro de energía regulada que utiliza los elementos capacitivos para transformar un voltaje de entrada de una fuente de energía AC a un nivel de voltaje de energía de salida específico a través de la carga.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De conformidad con un aspecto de la presente invención, un suministro de energía comprende par de primer y segundo capacitores que forman un divisor de voltaje capacitivo. Una fuente de un voltaje de suministro de entrada periódica se acopla con el divisor de voltaje capacitivo para producir en el segundo capacitor, desde una porción del voltaje de suministro de entrada periódica, un segundo suministro de voltaje que se acopla con un circuito de carga. Un conmutador se acopla con el segundo capacitor para acoplar en forma selectiva el primer capacitor con el segundo capacitor en una manera para regular el segundo voltaje de suministro. De conformidad con otro aspecto de la presente invención, un suministro de energía que utiliza un divisor capacitivo controlado comprende un primer capacitor y un segundo capacitor que se acoplan en forma selectiva con el primer capacitor por medio de un conmutador. Un circuito de control detecta el voltaje a través de uno del primer y segundo capacitores, y proporciona una señal de control para provocar que el conmutador acople en forma selectiva el primer y segundo capacitores.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una ilustración ejemplificativa de un suministro de energía acoplado en forma capacitiva de conformidad con una modalidad ejemplificativa de la presente invención. La Figura 2 es una ilustración ejemplificativa de un suministro de energía acoplado en forma capacitiva de conformidad con otra modalidad de la presente invención. La Figura 3 es una ilustración ejemplificativa de un suministro de energía acoplado en forma capacitiva de conformidad con otra modalidad de la presente invención. La Figura 4 es una ilustración ejem lificativa de un suministro de energía acoplado en forma capacitiva de conformidad con otra modalidad de la presente invención. La Figura 5 es una ilustración ejemplificativa de un suministro de energía acoplado en forma capacitiva de conformidad con otra modalidad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Figura 1 es un diagrama en bloque que ¡lustra un circuito 100 para generar un voltaje de suministro regulado que usa un divisor capacitivo de conformidad con los principios generales que incorpora la presente invención. A través de los dibujos, los números de referencia iguales señalan partes similares. El circuito 100 incluye una fuente 10 de energía AC aplicada en el nodo 10a. Se puede utilizar una fuente de corriente o un voltaje, sin embargo, en caso de una aplicación de principales, se debe entender que la fuente comprende una entrada de línea de energía AC. Un divisor capacitivo que comprende los Cprincipales del capacitor y el capacitor CL conectados en serie, se utiliza para transformar el voltaje de entrada (Vin) en el nodo 10a en el nivel V1 de voltaje de salida deseado a través del dispositivo de carga RL. Ya que la transferencia de energía se determina por los Cprincipales del capacitor, una fuente de voltaje se puede considerar automáticamente como una fuente de corriente. El circuito 60 de control acoplado con un arreglo de divisor de voltaje mide el voltaje V1 de salida y compara el voltaje de salida medido con un voltaje Vref de referencia con el fin de controlar el circuito 30 rectificador conmutado. Existen dos arreglos básicos para el circuito 30 rectificador conmutado. El primer arreglo inhabilita otra carga del capacitor CL tan pronto como se alcance el nivel de voltaje de salida deseado (V1=Vref). Este arreglo se puede implementar como un conmutador de derivación controlado delantero. El segundo arreglo habilita una descarga más rápida del capacitor CL siempre que el voltaje de salida (V1) exceda el valor deseado (Vref). Este arreglo se puede implementar como un conmutador en serie controlado, cuya corriente de retorno es controlada. Estas dos implementaciones básicas se muestran con más detalle en las Figuras 2 y 3, respectivamente. En una aplicación ejem plif ¡cativa , la generación de energía auxiliar en un suministro de energía de modo de conmutación se puede alcanzar de la siguiente forma. Con referencia ahora a la Figura 2, una fuente de voltaje Vin de entrada periódica se desarrolla en el nodo 10a desde la fuente 10 AC acoplada con el rectificador 12. El capacitor Cprincipales de filtro tiene una primera terminal conectada con el nodo 10a, y una segunda terminal conectada con el nodo 10b. El diodo D1 se acopla en una forma de polarización invertida entre el nodo 10b y el potencial a tierra (GND). El capacitor Cprincipales de filtro se acoplan con el capacitor CL a través del diodo D2 en un arreglo divisor de voltaje. El capacitor CL tiene una primera terminal conectada con el nodo 10c con el cátodo del diodo D2, y una segunda terminal conectada con el GND. El conmutador S1 se conecta entre el nodo 10b y el GND, en paralelo con el diodo D1. El circuito 60 de control se acopla en paralelo con el resistor RL de carga y el capacitor CL en el nodo 10c. El resistor de polarización Rpolarización se conecta entre los nodos 10a y 10c. Se debe notar que cuando el diodo D2 está polarizado hacia delante (es decir, conduciendo), los nodos 10b, 10c están esencialmente al mismo potencial, excepto para la relativamente pequeña caída de voltaje a través del diodo D2. El resistor Rpolarización tiene un valor relativamente alto y entrega el voltaje de encendido (V1) para un controlador IC primario utilizado comúnmente. El resistor Rprincipales representa la resistencia de carga principal y se conecta entre el nodo 10a de entrada y el GND. El circuito 60 de control se acopla en comunicación (representado por la línea 63 punteada) con el conmutador S1, el cual acopla en forma selectiva los capacitores Cprincipales y el CL. El circuito 60 de control detecta el voltaje V1 de salida y compara el voltaje de salida con un voltaje Vref de referencia predeterminado para generar una señal de control para provocar que S1 se abra y se cierre, lo cual acopla/desacopla en forma conmutable el trayecto eléctrico entre los Cprincipales y el CL. El voltaje V1 de salida en el nodo 10c se utiliza para el circuito de control de conmutador primario o el controlador 60. En una modalidad ejempl if ¡cativa , el circuito de control del conmutador puede ser un circuito de control modulado con ancho de impulso (PWM) o cualquier otro tipo de arreglo de control del conmutador. Se debe entender que el capacitor Cprincipales acopla la señal AC con el circuito 30 rectificador conmutado y el controlador 60. El voltaje Vin DC también se aplica a través de la resistencia Rprincipales de carga principal representativa. Para el caso en donde CL>>Cprincipales, el capacitor Cprincipales esencialmente opera como un capacitor de filtro para filtrar la señal de entrada periódica aplicada en el nodo 10a. La energía transferida en CL es mucho menor que la energía en Cprincipales. El capacitor CL se carga a través del diodo D2 conductor y el capacitor por la corriente lin de entrada rectificada, cuando el conmutador S1 está abierto. Esto da como resultado un voltaje en aumento a través de Cprincipales y CL siempre que fluya la corriente de carga. Cuando el voltaje de entrada de la fuente 10 AC está por debajo del voltaje Vin, el rectificador 12 desacopla la fuente 10 AC del resto del circuito (es decir, el nodo 10a). En este momento, el capacitor Cprincipales entrega la corriente para cargar Rprincipales por medio de un diodo D1 conductor. En este caso, no existe un trayecto de corriente entre Cprincipales y CL, ya que el diodo D2 sirve para bloquear cualquier corriente que fluya entre ellos. Una corriente relativamente pequeña que fluye a través de CL se descarga a través del resistencia RL de carga. Se debe notar que la corriente de descarga que fluya a través de CL no solamente alimenta el circuito 60 de control y el RL de carga, el cual representa el suministro de energía de espera, por ejemplo en un aparato de televisión (que es por ejemplo de 1 a 3 Watts). Esto es mucho menos que la corriente a ser descargada a través del diodo D1, el Cprincipales y Rprincipales del capacitor que representan la carga principal del aparato de TV (que es por ejemplo, 1-3 Watts). Debido a que el diodo D2 se polariza invertido, el voltaje V1 a través de CL permanece positivo, y su caída solamente se determina por el resistor RL de carga auxiliar. De conformidad con un aspecto de la invención, la condición de carga de Cprincipales determina la carga en CL. Más en particular, después de un primer período de descarga, en donde Cprincipales se descarga, durante el siguiente ciclo de principales, el capacitor Cprincipales se carga mientras al mismo tiempo, el capacitor CL se carga, debido a la conducción del diodo D2. Se debe notar que en una modalidad, CL es aproximadamente 3-4 veces mayor que la de Cprincipales (por ejemplo, Cprincipales es aproximadamente 68 uF (micro Farads) mientras CL es 220 uF). Se debe notar que el voltaje en Rprincipales y RL tiene una relación que se selecciona para obtener el voltaje V1 deseado. Sin embargo, Rprincipales para el suministro de energía principal con frecuencia varía en un amplio intervalo. Por ejemplo, ya que Rprincipales típicamente es el suministro de energía principal para cualquier dispositivo electrónico consumible, como una TV, su energía puede variar desde 50W a 150W, dependiendo de factores como el sonido, parámetros de imagen y sus semejantes, dentro del intervalo del modo de ejecución del dispositivo. Sin embargo, la energía de salida en espera de V1 puede caer hasta 1W (Watt) o menos. Además, la carga RL se queda esencialmente constante con el fin de alimentar a pequeños dispositivos de señal como un microprocesador, controlador y receptores IR, por ejemplo. Como se muestra en la Figura 2, el conmutador S1 se configura como un arreglo controlador de derivación conmutado, en donde S1 se cierra en respuesta a una señal desde el circuito 60 de control, lo cual inhabilita otra carga de CL tan pronto como se alcance el voltaje de salida deseado en el nodo 10c. De esta forma, al abrir y cerrar el conmutador S1, el voltaje V1 de salida a través de RL se puede controlar. Esta ¡mplementación es útil para proporcionar un arreglo de circuito cuando el voltaje de salida no excede un nivel predeterminado. Más en particular, tan pronto como se alcance el nivel de voltaje de salida en el Cl y se detecte por el circuito 60 de control, el conmutador S1 se cierra para que exista un trayecto de corriente a través de los Cprincipales, S1 y regresa a la entrada, sin otra carga en el CL, para así mantener el voltaje V1. Se debe notar que el S1 se puede cerrar o abrir dentro de 1 ciclo de sinusoidal de entrada de 50 ó 60 Hz. En la Figura 3 se muestra otra modalidad. La modalidad de la Figura 3 difiere de la de la Figura 2 en que el conmutador S1 se conecta entre los nodos 10b y 10c en paralelo con el diodo D2 conductor. En este caso, el voltaje V1 máximo de salida no se determina precisamente como un limite umbral. El conmutador S1, en respuesta a una señal desde el circuito 60 de control, se cierra para habilitar una trayecto de descarga desde el CL a través de S1 y Cprincipales para los Rprincipales. Al abrir el conmutador deshabilita otra descarga para Rprincipales tan pronto como se alcance el voltaje mínimo de salida deseado. En esta implementación , el voltaje de salida a través de RL no se controla durante el ciclo de carga (cuando S1 está abierto). La modalidad anteriormente descrita proporciona una solución útil cada vez que se siga a un limitador de voltaje como un regulador en serie. La solución de conformidad con la Figura 3, con ventaja no produce transientes de corriente en Cprincipales y en el rectificador en línea. A partir de las modalidades anteriormente descritas, mostradas en la Figura 2 y 3, la carga se controla en la modalidad de la Figura 2, mientras la descarga se controla en la modalidad de la Figura 3. Los diagramas de circuito detallados que implementan la representación esquemática de las Figuras 2 y 3, se muestran en las Figuras 4 y 5, respectivamente. Como se muestra aquí, se implementa un arreglo para generar energía auxiliar para un controlador primario utilizado comúnmente de un suministro de energía de modo de conmutación. El voltaje inicial de encendido es provisto por Rpolarización . En el modo normal de ejecución, el consumo de energía para el controlador es más alto que el que el resistor Rpolarización puede entregar. Aquí, los capacitores Cprincipales y CL con toma dan soporte a la energía para el controlador como se describe antes. El conmutador S1 representativo en la Figura 2 se establece por medio de los transistores Q1 y Q2 de ganancia alta de la Figura 4. Como se muestra en la Figura 4, un transistor Q1 pnp tiene una terminal b1 de base conectada con la terminal c2 del transistor Q2. La terminal e1 de Q1 se conecta con el nodo 10b, mientras la terminal d de Q1 se conecta con la terminal b2 de base del transistor Q2 npn. Las terminales d, b2 se conectan con el nodo 10d, el cual se acopla con el GND a través del resistor R2. El resistor R1 acopla las terminales b1, c2 de Q1, Q2, respectivamente, con el nodo 10b. El diodo D4 Zener se acopla entre el nodo 10c y el nodo 10 d . El voltaje de salida se detecta por el diodo D4 y controla directamente los transistores Q1, Q2 de ganancias altas. El circuito 400 se puede incorporar en un oscilador de energía de ejecución libre, cuya operación se activa/desacti a dependiendo del voltaje de salida desde el lado 410 secundario. Como se mencionó antes, el voltaje inicial de encendido es provisto por Rpolarización . Siempre que el voltaje a través de CL esté por debajo de un umbral, se establece el trayecto de corriente desde Cprincipales a través de D2 a CL, y los capacitores Cprincipales y CL para continuar cargando. Sin embargo, luego de la operación del oscilador de energía, la energía consumida por el oscilador es más alta que la que el Rpolarización puede entregar. De este modo, la energía almacenada en Cprincipales y CL se utilizan para energizar los activadores del oscilador de energía. En una forma análoga, el conmutador S1 de la Figura 3 se implementa como el transistor Q1 en el arreglo 500 de circuito ilustrado en la Figura 5. Como se muestra en la Figura 5, el transistor pnp Q1 tiene su terminal b1 de base conectada con la terminal c2 del transistor Q2 npn a través del resistor R2. La terminal e1 de Q1 se conecta con el ánodo del diodo D2, mientras la terminal d de Q1 se conecta con el cátodo del diodo D2 en el nodo 10b. El resistor R1 se conecta entre el ánodo de D2 y la terminal b1 de Q1 en un arreglo divisor de voltaje con R2. El diodo D1 se conecta entre el nodo 10b y el GND. La terminal b2 de base del transistor Q2 npn se conecta con el diodo D4 Zener en el nodo 10e. El resistor R3 se conecta entre el nodo 10e y el GND, mientras que el cátodo del diodo D4 se conecta con el nodo 10c a través del resistor R4. La terminal e2 del transistor Q2 se conecta con el GND. Aquí, el diodo D4 Zener limita el voltaje de activación en la entrada del controlador 60 a un valor predeterminado. El diodo D4 controla Q1 a través del activador Q2. De este modo, el capacitor CL permanece acoplado en forma conmutable con Cprincipales y con el Rprincipales de carga principal, correspondiente a la carga Rs transformada en el lado secundario, hasta que se alcance el voltaje mínimo deseado en la entrada del controlador 60. En ese momento, el capacitor CL se descarga a través del circuito 60 de control por una corriente relativamente baja requerida para el controlador. Esto se lleva a cabo hasta que llega el siguiente intervalo de carga en Cprincipales.. Como un arreglo alternativo, el diodo D4 puede ser parte de un limitador de voltaje en serie o un circuito de estabilización. Aunque la invención ha sido descrita en términos de una modalidad ejemplificativa, no se limita a las mismas. Las reivindicaciones anexas se deben considerar ampliamente para incluir otras variantes y modalidades de la invención que puedan ser contempladas por las personas experimentadas en la técnica sin apartarse del alcance de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un suministro de energía caracterizado porque comprende: un par de primer y segundo capacitores que forman un divisor de voltaje capacitivo; una fuente de voltaje de suministro de entrada periódica acoplado con el divisor de voltaje capacitivo para producir en el segundo capacitor desde una porción del voltaje de suministro de entrada periódica, un segundo voltaje de suministro que se acopla con el circuito de carga; y un conmutador acoplado con el segundo capacitor para acoplar en forma selectiva el primer capacitor con ei segundo capacitor en una manera que regule el segundo voltaje de suministro.

2. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador se acopla con el segundo capacitor para acoplar en forma selectiva el primer capacitor con el segundo capacitor en una manera de retroalimentación negativa para regular el segundo suministro de voltaje.

3. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador responde a una señal de control desde un circuito de control que detecta el segundo voltaje de suministro y compara el voltaje detectado con un voltaje de referencia, para acoplar en forma selectiva el primer capacitor con el segundo capacitor.

4. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador se acopla entre el primer y segundo capacitores y responden a una señal de control desde un circuito de control para acoplar en forma selectiva el primer y segundo capacitores.

5. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador comprende un circuito de derivación a través del segundo capacitor para acoplar en forma selectiva el primer y segundo capacitores.

6. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador comprende por lo menos un transistor.

7. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer diodo se acopla entre el primer y segundo capacitores, y en donde el segundo capacitor tiene una primera terminal acoplada con un potencial de referencia .

8. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el segundo diodo se acopla entre el primer capacitor y el potencial de referencia.

9. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de voltaje de suministro de entrada periódica comprende una fuente AC acoplada con un rectificador.

10. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el conmutador acopla en forma selectiva el primer y segundo capacitores de conformidad con una señal de control para uno de: a) regular una carga del segundo capacitor; y b) regular una descarga del segundo capacitor.

11. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador varía una transferencia de carga entre el primer y segundo capacitores cuando uno del primer y segundo capacitores se carga en una primera dirección, y se evita de variar la transferencia de carga entre el primer y segundo capacitores, cuando uno del primer y segundo capacitores se carga en una segunda dirección opuesta a la primera dirección.

12. Un suministro de energía, caracterizado porque comprende: un primer capacitor; un segundo capacitor que se acopla en forma selectiva con el primer capacitor para formar un divisor de voltaje capacitivo; un circuito de control acoplado con el segundo capacitor para detectar un voltaje a través de uno del primer y segundo capacitores y para acoplar en forma controlada el primer y segundo capacitores.

13. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque además comprende por lo menos un conmutador acoplado entre el primer y segundo capacitores y responde a una señal de control desde el circuito de control para acoplar en forma selectiva el primer y segundo capacitores.

14. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque por lo menos un conmutador comprende uno o más transistores.

15. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque además comprende un primer rectificador que tiene una primera terminal acoplada con el primer capacitor y una segunda terminal acoplada con el segundo capacitor y un conmutador que tiene una terminal acoplada con la primera terminal del primer rectificador.

16. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el conmutador también comprende una segunda terminal acoplada con la segunda terminal del primer rectificador.

17. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el conmutador comprende uno o más transistores.

18. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende un segundo rectificador acoplado en paralelo con el conmutador.

19. El suministro de energía de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque proporciona una corriente de descarga a través del controlador.