Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер



Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер
Система электропитания с пониженными потерями мощности, электронное устройство и контроллер

 


Владельцы патента RU 2556700:

КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL)

Предлагается система (200) электропитания, которая содержит первый вход (206), выход (218), преобразователь (204) постоянного тока в постоянный ток, выпрямительную схему (212) и ограничитель (214) напряжения. Напряжение переменного тока принимается первым входом. Питание подается в нагрузку (216) через выход. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержит второй вход (203), который связан емкостной связью с первым входом, при этом преобразователь постоянного тока в постоянный ток подает питание на выход. Выпрямительная схема связана емкостной связью с первым входом и подключена между первым входом и выходом. Выпрямительная схема подает выпрямленное выходное напряжение на выход. Ограничитель напряжения связан с выходом и ограничивает выпрямленное напряжение предварительно определенным напряжением. Технический результат - уменьшение потерь мощности. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области систем электропитания с емкостной связью.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Бытовые электроприборы часто содержат контроллер, который требует низкого напряжения питания, и силовой каскад, который запитывается от напряжения сети. Контроллер включает и выключает силовой каскад и управляет его работой. Силовой каскад выполняет основную функцию бытового электроприбора. Контроллер реагирует, например, на кнопочный переключатель или сигнал от устройства дистанционного управления для включения и выключения силового каскада. При подключении бытового прибора к напряжению сети контроллер лишь контролирует сигналы, которые могут свидетельствовать о том, что бытовой прибор необходимо включить. Режим, в котором силовой каскад выключен, называется режимом готовности. В режиме готовности потребляется лишь незначительная мощность при низком напряжении для поддержания контроллера и/или дополнительного датчика системы дистанционного управления в рабочем состоянии. При приеме сигнала на включение бытового прибора контроллер переходит в рабочий режим. Включается силовой каскад, и контроллер начинает управление силовым каскадом. Кроме того, контроллер может включать пользовательский интерфейс для приема от пользователя дополнительных входных данных и/или обеспечения обратной связи с пользователем. Пользовательский интерфейс, как правило, также снабжается низким напряжением питания. В рабочем режиме низковольтными цепями питания потребляется больше мощности, чем в режиме готовности.

Примером такого бытового прибора является кофеварка, которая может включаться и выключаться кнопочным переключателем. При включении кофеварки нажатием кнопочного переключателя включения/выключения контроллер переключает кофеварку в рабочий режим, в котором в зависимости от различных этапов приготовления кофе осуществляется управление работой нагревательного элемента и, например, работой водяного насоса. При повторном нажатии кнопочного переключателя включения/выключения контроллер выключает нагревательный элемент и/или водяной насос и переходит в режим готовности, во время которого контролируются только сигналы от кнопочного переключателя.

Низкое напряжение питания часто подается с емкостного источника питания. В емкостном источнике питания имеется конденсатор, который обеспечивает емкостную связь с сетью переменного тока и действует как генератор подкачки заряда. Выпрямительная схема используется для получения напряжения постоянного тока, которое часто ограничивается низким напряжением с помощью полупроводникового стабилитрона. В зависимости от конкретной конфигурации выпрямительной схемы лишь половина волны напряжения сети переменного тока преобразуется в низкое напряжение питания постоянного тока, либо, при использовании двухполупериодного выпрямления, преобразуется полная волна напряжения сети переменного тока. Часто резистор для защиты от перенапряжений последовательно соединяется с конденсатором, и часто разряжающий резистор соединяется параллельно конденсатору. Резистор для защиты от перенапряжений защищает источник питания от скачков сетевого напряжения, а разряжающий резистор разряжает конденсатор при отключении источника питания от сетевого напряжения.

Емкостный источник питания является относительно эффективным источником питания, поскольку конденсатор не рассеивает мощность. Однако емкостный источник питания может обеспечивать лишь ограниченную мощность, поскольку максимальный ток, который может выдаваться, ограничивается импедансом конденсатора и частотой напряжения сети. Емкостный источник питания рассчитан на максимальную мощность, которая должна выдаваться в рабочем режиме бытового электроприбора. Если же устройством потребляется меньшая мощность, емкостный источник питания рассеивает избыточную энергию. В частности в режиме готовности, слишком много мощности рассеивается полупроводниковым стабилитроном, поскольку мощность, которая поступала на устройство в рабочем режиме, в режиме готовности рассеивается полупроводниковым стабилитроном. Кроме того, резистор для защиты от перенапряжений и разряжающий резистор рассеивают мощность в рабочем режиме, а также в режиме готовности. Рассеяние мощности, особенно, в режиме готовности слишком велико, и в связи с этим эффективность емкостного источника питания в режиме готовности слишком мала.

Рассеяние мощности в резисторе для защиты от перенапряжений, разряжающем резисторе и полупроводниковом стабилитроне имеет линейную или квадратичную зависимость от емкости конденсатора. Меньший конденсатор вызывает меньшие потери мощности. Уменьшение емкости конденсатора часто невозможно, поскольку максимальная отдаваемая мощность также имеет линейную зависимость от емкости конденсатора.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание более эффективной системы электропитания.

В первом аспекте изобретения предлагается система электропитания по п. 1. Во втором аспекте изобретения предлагается электронное устройство по п. 13. В третьем аспекте изобретения предлагается электронное устройство по п. 14. В четвертом аспекте изобретения предлагается контроллер по п. 15. Предпочтительные варианты осуществления предлагаются в зависимых пунктах формулы изобретения.

Система электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения содержит первый вход для приема напряжения переменного тока и выход для подачи мощности в нагрузку. Система электропитания дополнительно содержит преобразователь постоянного тока в постоянный ток, выпрямительную схему и ограничитель напряжения. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток подает питание на выход системы электропитания и содержит второй вход, который связан емкостной связью с первым входом. Выпрямительная схема связана емкостной связью с первым входом и размещена между первым входом и выходом. Выпрямительная схема подает выпрямленное выходное напряжение на выход. Ограничитель напряжения связан с выходом и ограничивает выпрямленное выходное напряжение предварительно определенным напряжением.

Мощность, потребляемая нагрузкой, обеспечивается посредством двух частей системы электропитания. Одной частью является выпрямительная схема, которая связана емкостной связью с напряжением сети. Выпрямительная схема подает выпрямленное напряжение через выход на нагрузку. Выпрямленное напряжение на выходе системы электропитания ограничивается предварительно определенным напряжением с помощью ограничителя напряжения. Величина мощности, которая может подаваться через выпрямительную схему, ограничивается емкостью конденсатора, который связывает выпрямительную схему с первым выходом системы электропитания. Однако выходное напряжение стремится увеличиться, если нагрузкой потребляется не вся мощность, которая может передаваться через выпрямительную схему. Если выходное напряжение чрезмерно увеличивается, ограничитель напряжения предотвращает увеличение выше предварительно определенного напряжения, рассеивая часть мощности, получаемой от выпрямительной схемы.

Другой частью системы электропитания является преобразователь постоянного тока в постоянный ток. В преобразователе постоянного тока в постоянный ток имеется второй вход, который связан емкостной связью с напряжением сети. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток преобразует первое напряжение, принимаемое вторым входом, во второе напряжение и обеспечивает мощность на выход системы электропитания.

В режиме готовности устройства, содержащего систему электропитания, нагрузка не потребляет значительной мощности. Режим готовности может обеспечиваться посредством выпрямительной схемы. В рабочем режиме нагрузка потребляет больше мощности, и дополнительная мощность может обеспечиваться преобразователем постоянного тока в постоянный ток. Таким образом, выпрямительная схема и конденсатор, который емкостно связывает выпрямительную схему с первым входом, могут быть рассчитаны исходя только из требуемой мощности, потребляемой в режиме готовности. Согласование емкости емкостной связи выпрямительной схемы с потреблением мощности, потребляемой в режиме готовности, предотвращает рассеяние значительной мощности, что обеспечивается через выпрямительную схему с помощью схемы ограничения напряжения в режиме готовности. Таким образом, в режиме готовности система электропитания работает эффективнее.

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток и конденсатор, который обеспечивает емкостную связь преобразователя постоянного тока в постоянный ток, могут быть рассчитаны на ожидаемое потребление мощности нагрузкой в рабочем режиме. Если нагрузкой не потребляется значительная мощность, преобразователь постоянного тока в постоянный ток не преобразует мощность или преобразует лишь ее незначительную величину. Известно, что преобразователи постоянного тока в постоянный ток также рассеивают некоторую мощность, тем не менее, являются относительно эффективными. Таким образом, в режиме готовности возможное небольшое рассеяние мощности в преобразователе постоянного тока в постоянный ток не перевешивает относительно большое снижение рассеяния мощности в ограничителе напряжения.

Кроме того, преобразователю постоянного тока в постоянный ток часто требуется схема фильтра, чтобы преобразователь постоянного тока в постоянный ток был электромагнитно совместимым. Авторы изобретения выяснили, что преобразователю постоянного тока в постоянный ток системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения не требуется такой фильтрующий контур для обеспечения системы электропитания, которая обладает электромагнитной совместимостью.

Напряжением переменного тока, которое принимается на входе системы электропитания, может быть напряжение сети, но может быть также и другое напряжение переменного тока. Следует отметить, что напряжение переменного тока не обязательно означает, что уровень напряжения переменного тока колеблется между положительным напряжением и отрицательным. Уровень напряжения может также колебаться между двумя различными положительными напряжениями или между двумя различными отрицательным напряжениями. Емкостная связь выпрямительной схемы и преобразователя постоянного тока в постоянный ток с напряжением переменного тока может обеспечиваться одним общим конденсатором или множеством конденсаторов, из которых каждый отдельный конденсатор используется либо преобразователем постоянного тока в постоянный ток, либо выпрямительной схемой. Ввиду емкостной связи данная схема имеет свойства генератора подкачки заряда. Выпрямительная схема может быть однополупериодной выпрямительной схемой, которая проводит ток лишь в тех случаях, когда напряжение переменного тока либо повышается, либо понижается. Выпрямительная схема может быть двухполупериодной выпрямительной схемой, которая проводит ток и когда напряжение переменного тока повышается, и когда оно понижается. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток может принимать мощность полуволны переменного тока входного напряжения переменного тока, например, только участка возрастающего напряжения волны переменного тока, а выпрямительная схема выпрямляет лишь другую половину волны переменного тока, например, только участок убывающего напряжения волны переменного тока. Дополнительно, преобразователь постоянного тока в постоянный ток не ограничивается конкретным типом преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Ограничителем напряжения может быть полупроводниковый стабилитрон или интегральная схема, которые ограничивают или стабилизируют напряжение на выходе.

Следует отметить, что выпрямительная схема обеспечивает выпрямленное напряжение, представляющее собой напряжение, которое не колеблется между положительным и отрицательным, но может колебаться между максимальным значением и минимальным значением, которым может быть значение, практически равное нулю. Минимальное и максимальное значения имеют один и тот же знак, например оба они являются положительными. При практическом осуществлении выпрямленное напряжение подается в накопитель энергии, такой как накопительный конденсатор, для получения более сглаженного выпрямленного напряжения, являющегося по существу стабильным напряжением постоянного тока.

В одном варианте осуществления система электропитания дополнительно содержит дополнительную выпрямительную схему и дополнительный ограничитель напряжения. Дополнительная выпрямительная схема связана емкостной связью с первым входом и подает дополнительное выпрямленное напряжение на второй вход. Дополнительный ограничитель напряжения связан со вторым входом и ограничивает дополнительное выпрямленное напряжение второго входа дополнительным предварительно определенным напряжением.

Конденсатор емкостной связи действует как источник тока. Подбор параметров конденсатора и дополнительного предварительно определенного напряжения определяет мощность, которая может быть принята преобразователем постоянного тока в постоянный ток и которая может быть преобразована преобразователем постоянного тока в постоянный ток. Подбор параметров может выполняться таким образом, чтобы обеспечить оптимум между рассеянием мощности в дополнительном ограничителе напряжения, в частности, в режиме готовности и величиной мощности, которая может быть преобразована преобразователем постоянного тока в постоянный ток. Таким образом, система электропитания может работать эффективнее.

Напряжением переменного тока на входе часто является напряжение сети. Компоненты системы электропитания, которые принимают или могут принимать такое высокое напряжение, должны подбираться таким образом, чтобы они выдерживали высокое напряжение. В частности, в преобразователе постоянного тока в постоянный ток несколько компонентов, таких как управляемый переключатель и, возможно, контроллер, должны изготавливаться с использованием технологии высоковольтных микросхем, что влечет за собой значительно более дорогие компоненты преобразователя постоянного тока в постоянный ток. За счет ограничения дополнительного предварительно определенного напряжения низким напряжением компоненты преобразователя постоянного тока в постоянный ток могут изготавливаться при более низкой стоимости.

В принципе, система электропитания данного варианта осуществления может являться емкостным источником питания с двухполупериодным выпрямителем с двумя выходными напряжениями, одно из которых преобразуется в другое выходное напряжение с помощью преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Известные источники питания с двухполупериодным выпрямителем часто имеют первое выходное напряжение, нейтральный вывод и второе выходное напряжение, абсолютное значение которого является таким же, как и абсолютное значение первого напряжения, а знак второго выходного напряжения отличается от знака первого выходного напряжения. Если же при использовании такого источника питания с двухполупериодным выпрямителем должно подаваться только одно напряжение, первое напряжение и второе напряжение должны понижаться таким образом, что одно напряжение может быть получено подключением нагрузки между выводами с первым и вторым выходным напряжением. С другой стороны, снижение выходного напряжения приводит к увеличению емкости конденсатора или конденсаторов емкостной связи в том случае, если полная требуемая выходная мощность должна оставаться той же. Следовательно, вносятся более высокие потери мощности в режиме готовности. При использовании системы электропитания в соответствии с данным вариантом осуществления выходное напряжение снижать не обязательно, поскольку первое напряжение преобразуется во второе напряжение. Поэтому емкость конденсатора или конденсаторов емкостной связи увеличивать не обязательно, при этом предотвращается возрастание потерь мощности в резервном режиме.

Еще в одном варианте осуществления абсолютное значение дополнительного предварительно определенного напряжения больше абсолютного значения предварительно определенного напряжения.

Различные потери мощности в системе электропитания имеют линейную или квадратичную зависимость от емкости конденсатора. В частности, рассеяние мощности в ограничителе напряжения или в дополнительном ограничителе напряжения имеет линейную зависимость от емкости конденсатора. Дополнительно, при практическом осуществлении системы электропитания емкостная связь содержит разряжающий резистор и резистор для защиты от перенапряжений, которые также рассеивают мощность, и их рассеяние имеет, соответственно, квадратичную и линейную зависимость от емкости конденсатора.

Предварительно определенное напряжение определяется требованиями к нагрузке. Мощность, которая потребляется нагрузкой, например, в режиме готовности может подаваться через выпрямительную схему и зависит от тока, который может подаваться через емкостную связь выпрямительной схемы. Емкость конденсатора, который обеспечивает емкостную связь с выпрямительной схемой, для режима готовности может быть минимизирована. В связи с этим потери мощности минимизируются в первой ветви системы электропитания, которая содержит выпрямительную схему.

Вторая ветвь системы электропитания, которая содержит дополнительную выпрямительную схему и преобразователь постоянного тока в постоянный ток, может выдавать на выход дополнительную мощность, которая ограничивается емкостью конденсатора и величиной дополнительного предварительно определенного напряжения. Емкость конденсатора определяет максимальный ток, который может подаваться на второй вход преобразователя постоянного тока в постоянный ток. За счет увеличения дополнительного предварительно определенного напряжения при том же токе величина мощности, которая может подаваться через вторую ветвь, возрастает без увеличения емкости конденсатора, который обеспечивает емкостную связь второй ветви. Таким образом, относительно небольшая величина мощности может рассеиваться в дополнительном ограничителе напряжения и/или может рассеиваться в разряжающем резисторе и резисторе для защиты от перенапряжений емкостной связи второй ветви.

Таким образом, рассеяние мощности в первой ветви и второй ветви ограничивается, и вследствие этого система электропитания работает эффективнее.

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток работает относительно эффективно и рассеивает лишь небольшую величину мощности, в то же время преобразуя напряжение на втором входе в мощность, которая подается на выход системы электропитания. Потери мощности в преобразователе постоянного тока в постоянный ток значительно меньше, чем снижение потерь мощности в дополнительном ограничителе напряжения и емкостной связи.

Емкостная связь первой ветви может обеспечиваться через иной конденсатор, чем конденсатор второй ветви. Необходимо также отметить, что также только один конденсатор может использоваться для обеспечения емкостной связи обеих выпрямительных схем с входом системы электропитания. В частности, когда первая ветвь использует лишь мощность одной полуволны входной волны переменного тока и когда вторая ветвь использует мощность другой полуволны входной волны переменного тока, должен использоваться лишь один конденсатор, что является предпочтительным с точки зрения стоимости системы электропитания. Результатом является система электропитания, в которой во время одной входной полуволны переменного тока конденсатор подает ток в первую ветвь, а во время другой полуволны конденсатор подает ток во вторую ветвь. Емкость конденсатора определяет величину тока. За счет выбора конкретного предварительно определенного напряжения и конкретного дополнительного предварительно определенного напряжения можно подобрать величину мощности, которая может передаваться через первую ветвь и вторую ветвь, в то время как потери мощности определяются, главным образом, емкостью конденсатора.

В дополнительном варианте осуществления система электропитания работает либо в режиме готовности, либо в рабочем режиме. В рабочем режиме рабочая мощность подается в нагрузку, а в режиме готовности мощность, потребляемая в режиме готовности, подается на выход системы электропитания. Система электропитания дополнительно содержит управляемый переключатель, который размещается параллельно дополнительному ограничителю напряжения. При замыкании управляемого переключателя дополнительный ограничитель напряжения закорачивается. Система электропитания дополнительно содержит контроллер для замыкания управляемого переключателя в режиме готовности. Или же система электропитания содержит дополнительный закорачивающий управляемый переключатель, размещаемый между узлом, общим для емкостной связи и дополнительной выпрямительной схемы, и узлом системы электропитания, имеющим нейтральное напряжение, и содержит контроллер для замыкания дополнительного закорачивающего управляемого переключателя в режиме готовности.

Замыкание управляемого переключателя уменьшает напряжение на дополнительном ограничителе напряжения до нуля, что предотвращает рассеяние мощности в дополнительном ограничителе напряжения. Фактически, в режиме готовности конденсатор емкостной связи между дополнительной выпрямительной схемой и входом подключается параллельно напряжению переменного тока входа. Конденсатор, параллельный напряжению переменного тока, не рассеивает энергии. Дополнительно, замыкание переключателя уменьшает напряжение второго входа до нуля, что приводит к выключению преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Следовательно, преобразователь постоянного тока в постоянный ток не может рассеивать энергию в режиме готовности. Таким образом, замыкание переключателя имеет своим результатом более эффективный источник питания в режиме готовности.

Следует отметить, что величина мощности, потребляемой в режиме готовности, которая может обеспечиваться системой электропитания, меньше, чем величина рабочей мощности. Дополнительно, следует отметить, что в режиме готовности, а также в рабочем режиме система электропитания потребляет больше энергии напряжения переменного тока на первом входе, чем величина мощности, которая потребляется нагрузкой, из-за потерь энергии в системе электропитания. Например, в режиме готовности общая потребляемая мощность системы электропитания является суммой рассеяния мощности системой электропитания в режиме готовности и потребляемой мощности нагрузки в режиме готовности.

В одном варианте осуществления абсолютное значение дополнительного предварительно определенного напряжения находится в диапазоне, нижняя граница которого является абсолютным значением предварительно определенного напряжения, а верхняя граница является величиной, в 20 раз превышающей абсолютное значение предварительно определенного напряжения.

Как было указано в другом варианте осуществления, так как дополнительное предварительно определенное напряжение больше предварительно определенного напряжения, ветвь системы электропитания, содержащая преобразователь постоянного тока в постоянный ток и дополнительную выпрямительную схему, способна обеспечивать более высокую мощность. С другой стороны, если должна выдаваться та же величина мощности, емкость конденсатора емкостной связи ветви может быть снижена, и в связи с этим потери мощности в ветви уменьшаются. Верхняя граница дополнительного предварительно определенного напряжения, главным образом, ограничивается стоимостью изготовления компонентов преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Например, в случае, если дополнительное предварительно определенное напряжение составляет, например, 2,5 В, верхний предел дополнительного предварительно определенного напряжения составляет 50 В, то это, тем не менее, позволяет использовать в преобразователе постоянного тока в постоянный ток только низковольтные компоненты. Как правило, низковольтный компонент не изготавливается таким образом, чтобы он выдерживал напряжение выше 100 В. Таким образом, верхняя граница дополнительного предварительно определенного напряжения может составлять 100 В, однако коэффициент запаса величиной 2 дает в результате более надежную систему электропитания.

В другом варианте осуществления предварительно определенное напряжение составляет -5 В, а дополнительное предварительно определенное напряжение находится в диапазоне от 5 до 50 В.

Предварительно определенное напряжение величиной -5 В предпочтительно для использования в бытовых электроприборах, если симистор в силовой схеме должен переключаться контроллером, который принимает питание с выхода системы электропитания. Симистор потребляет меньше мощности от переключающего симистора низковольтного сигнала в случае, если переключающий симистор сигнал имеет отрицательное напряжение.

В другом варианте осуществления предварительно определенное напряжение практически равно -3,3 В, а дополнительное предварительно определенное напряжение находится в диапазоне от 3,3 до 33 В.

Дополнительное предварительно определенное напряжение является положительным напряжением, а предварительно определенное напряжение является отрицательным напряжением. Это предпочтительно, поскольку позволяет, например, генерировать предварительно определенное напряжение на основе участка убывающего напряжения волны входного напряжения переменного тока и позволяет генерировать дополнительное предварительно определенное напряжение на основе участка возрастающего напряжения волны входного напряжения переменного тока и, как указано в другом варианте осуществления, это может приводить к меньшей емкости конденсатора или конденсаторов, которые обеспечивают емкостную связь с входным напряжением переменного тока.

Диапазон от 5 до 50 В для дополнительного предварительно определенного напряжения имеет нижнюю границу, которая имеет то же абсолютное значение, что и предварительно определенное напряжение, и имеет верхнюю границу, которая полностью находится в пределах диапазона низких напряжений, чтобы не было необходимости использовать в преобразователе постоянного тока в постоянный ток высоковольтные компоненты.

Следует отметить, что если ограничителем напряжения является полупроводниковый стабилитрон, практически осуществимая величина предварительно определенного напряжения составляет -4,7 В ввиду наличия полупроводниковых стабилитронов с конкретным напряжением. В этом случае дополнительное предварительно определенное напряжение может иметь абсолютное значение в диапазоне от 4,7 до 50 В.

В другом варианте осуществления система электропитания выполнена с возможностью работать либо в резервном режиме для подачи мощности, потребляемой в резервном режиме, на нагрузку, либо в рабочем режиме для подачи рабочей мощности на нагрузку. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержит промежуточный вольтодобавочный преобразователь, который содержит управляемый переключатель. В рабочем режиме управляемый переключатель модулирует ток через катушку индуктивности. Система электропитания дополнительно содержит контроллер для управления управляемым переключателем. Переключатель постоянно замкнут в режиме готовности системы электропитания таким образом, что дополнительный ограничитель напряжения закорачивается через катушку индуктивности. Переключатель поочередно изменяет свое состояние между замкнутым и разомкнутым в рабочем режиме системы электропитания для управления сохранением энергии в катушку индуктивности и для управления освобождением энергии из катушки индуктивности.

Промежуточный вольтодобавочный преобразователь является относительно недорогим преобразователем постоянного тока в постоянный ток с относительно простой топологией и небольшим числом компонентов. В промежуточных вольтодобавочных преобразователях последовательно катушке индуктивности имеется управляемый переключатель. Последовательная компоновка управляемого переключателя и катушки индуктивности осуществляется между вторым входом и уровнем нейтрального напряжения промежуточного вольтодобавочного преобразователя. Таким образом, при постоянном замыкании переключателя второй вход постоянно подключается к уровню нейтрального напряжения, при этом дополнительный ограничитель напряжения по существу закорачивается. Как указано в другом варианте осуществления, это может быть предпочтительным в режиме готовности, поскольку снижает потери мощности в режиме готовности в дополнительном ограничителе напряжения. Дополнительно, постоянное замыкание переключателя выключает преобразователь постоянного тока в постоянный ток, поскольку напряжение второго входа по существу снижается до нуля. Если осуществляется управление управляемым переключателем для изменения состояния между разомкнутым и замкнутым, катушка индуктивности может сохранять электрическую энергию, когда переключатель замкнут и может высвобождать энергию, когда переключатель разомкнут, тем самым выдавая ток на выход системы электропитания. Таким образом, контроллер и управляемый переключатель, которые имеются во всех промежуточных вольтодобавочных преобразователях, имеют дополнительную функцию закорачивания дополнительного ограничителя напряжения в режиме готовности таким образом, что потери мощности в дополнительном ограничителе напряжения предотвращаются. Таким образом, дополнительные компоненты не требуются, и экономится больше энергии.

В другом варианте осуществления система электропитания выполнена с возможностью работать либо в режиме готовности для подачи мощности, потребляемой в режиме готовности, на нагрузку, либо в рабочем режиме для подачи рабочей мощности на нагрузку. Система электропитания содержит контроллер для управления управляемым переключателем с целью отключения второго входа преобразователя постоянного тока в постоянный ток от емкостной связи с входом в режиме готовности.

Отключение второго входа от емкостной связи с входом по существу приводит к выключению преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Отключение преобразователя постоянного тока в постоянный ток предотвращает потери мощности в преобразователе постоянного тока в постоянный ток во время режима готовности. Ветвь системы электропитания, содержащая выпрямительную схему и ограничитель напряжения, обеспечивает мощность, потребляемую в режиме готовности, и может быть оптимально рассчитана на режим готовности, а в рабочем режиме преобразователь постоянного тока в постоянный ток может обеспечивать дополнительную мощность на выход.

В одном варианте осуществления напряжение переменного тока, принятое на первом входе, включает в себя участок возрастающего напряжения волны напряжения переменного тока и содержит участок убывающего напряжения волны напряжения переменного тока. Выпрямительная схема выпрямляет только один из участков - участок возрастающего напряжения или участок убывающего напряжения, а дополнительная выпрямительная схема выпрямляет другой из участков - участок возрастающего напряжения или участок убывающего напряжения.

Участок возрастающего напряжения - это участок волны напряжения переменного тока, на котором уровень напряжения возрастает. Участок убывающего напряжения - это участок волны напряжения переменного тока, на котором уровень напряжения убывает. Данный вариант осуществления позволяет использовать один конденсатор на емкостную связь, в которой конденсатор подает ток в выпрямительную схему, когда напряжение переменного тока находится либо на участке убывающего напряжения, либо на участке возрастающего напряжения, при этом конденсатор подает ток на дополнительную выпрямительную схему на другом участке. Таким образом, для емкостной связи требуется минимальное число компонентов.

В одном варианте осуществления система электропитания содержит емкостную связь, предусматриваемую между первым входом и выпрямительной схемой и предусматриваемую между первым входом и дополнительной выпрямительной схемой. Емкостная связь содержит конденсатор для обеспечения емкостной связи.

Наличие емкостной связи позволяет использовать один конденсатор. Таким образом, для емкостной связи требуется минимальное число компонентов.

В одном варианте осуществления дополнительный ограничитель напряжения содержит защиту от перенапряжений и управляемый переключатель ограничения напряжения. Первый вход защиты от перенапряжений связан со вторым входом, а второй вход защиты от перенапряжений связан с предварительно определенным опорным напряжением. Выход защиты от перенапряжений связан с управляемым переключателем ограничения напряжения для управления нахождением управляемого переключателя ограничения напряжения либо в проводящем режиме, либо в непроводящем режиме. Управляемый переключатель ограничения напряжения связан с узлом, являющимся общим для емкостной связи и дополнительной выпрямительной схемы и связан с нейтральным напряжением системы электропитания.

Защита от перенапряжений в практическом варианте осуществления является компаратором с гистерезисом. Если напряжение второго входа является слишком высоким, защита от перенапряжений управляет управляемым переключателем ограничения напряжения в проводящем режиме, при этом ток не передается на второй вход через дополнительную выпрямительную схему, вследствие чего уровень напряжения второго входа может понизиться. Если напряжение второго входа является слишком низким, защита от перенапряжений управляет управляемым переключателем ограничения напряжения в непроводящем режиме, при этом ток может передаваться на второй вход через дополнительную выпрямительную схему, вследствие чего уровень напряжения второго входа может повыситься. Дополнительно, при замкнутом управляемом переключателе ограничения напряжения емкостная связь осуществляется параллельно напряжению переменного тока, вследствие чего мощность в емкостной связи не рассеивается, что снижает потери мощности системы электропитания.

В дополнительном варианте осуществления ограничитель напряжения содержит защиту от перенапряжений для детектирования выпрямленного выходного напряжения, являющегося слишком высоким и слишком низким относительно предварительно определенного напряжения. Дополнительный ограничитель напряжения содержит управляемый переключатель ограничения напряжения. Управляемый переключатель ограничения напряжения связан с узлом, являющимся общим для емкостной связи и дополнительной выпрямительной схемы, и связан с нейтральным напряжением системы электропитания. Управляемый переключатель ограничения напряжения управляется защитой от перенапряжений с переходом в проводящее состояние, если абсолютное значение выпрямленного выходного напряжения является слишком высоким, и с переходом в непроводящее состояние, если абсолютное значение выпрямленного выходного напряжения является слишком низким.

В данном варианте осуществления управление уровнем дополнительного выпрямленного выходного напряжения производится на основе отклонений выпрямленного выходного напряжения от предварительно определенного напряжения. Если управление управляемым переключателем ограничения напряжения осуществляется в проводящем состоянии, уровень дополнительного выпрямленного выходного напряжения снижается, при этом величина мощности, передаваемой преобразователем постоянного тока в постоянный ток на выход, уменьшается, вследствие чего уровень выпрямленного выходного напряжения снижается. Если управление управляемым переключателем ограничения напряжения осуществляется в непроводящем состоянии, уровень дополнительного выпрямленного выходного напряжения повышается, при этом величина мощности, передаваемой преобразователем постоянного тока в постоянный ток на выход, увеличивается, вследствие чего уровень выпрямленного выходного напряжения повышается. Таким образом, при использовании относительно небольшого числа компонентов управление уровнем выпрямленного выходного напряжения может осуществляться в соответствии с предварительно определенным напряжением без уменьшения величины мощности, которая может передаваться системой электропитания.

В одном варианте осуществления система электропитания содержит первую емкостную связь и вторую емкостную связь. Первая емкостная связь осуществляется между первым входом и выпрямительной схемой, а вторая емкостная связь осуществляется между первым входом и дополнительной выпрямительной схемой. И первая емкостная связь, и вторая емкостная связь содержат конденсатор для обеспечения емкостной связи.

Наличие отдельных емкостных связей для выпрямительной схемы и дополнительной выпрямительной схемы обеспечивает оптимизацию емкости конденсаторов каждого из средств емкостной связи под конкретные требования по электропитанию конкретных ветвей систем электропитания. В связи с этим, это дает дополнительную переменную, которая может настраиваться на более низкие потери мощности.

Еще в одном варианте осуществления емкостная связь, первая емкостная связь и/или вторая емкостная связь, содержит (i) резистор для защиты от перенапряжений, последовательно соединенный с конденсатором, и/или (ii) разряжающий резистор, соединенный параллельно конденсатору.

Резистор для защиты от перенапряжений защищает систему электропитания от внезапных изменений напряжения переменного тока, а разряжающий резистор разряжает конденсатор в отсутствие напряжения переменного тока.

В другом варианте осуществления система электропитания содержит интегральную схему, которая содержит, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из: по меньшей мере, часть преобразователя постоянного тока в постоянный ток, ограничитель напряжения, дополнительный ограничитель напряжения, закорачивающий управляемый переключатель, контроллер для управления закорачивающим управляемым переключателем, по меньшей мере, часть промежуточного вольтодобавочного преобразователя, управляемый переключатель промежуточного вольтодобавочного преобразователя, диод промежуточного вольтодобавочного преобразователя, дополнительный диод промежуточного вольтодобавочного преобразователя для передачи мощности на дополнительную шину питания, контроллер для управления управляемым переключателем промежуточного вольтодобавочного преобразователя, схему ограничения тока для ограничения тока через ограничитель напряжения и дополнительную схему ограничения тока для ограничения тока через дополнительный ограничитель напряжения.

Установка большой части системы электропитания на интегральной схеме (ИС) при изготовлении ИС в большом количестве приводит к относительно недорогой системе электропитания. Дополнительно, относительно недорого установить более совершенный механизм управления для промежуточного вольтодобавочного преобразователя в ИС без существенного увеличения стоимости. Еще одно преимущество ИС состоит в том, что ИС имеет относительно небольшие физические размеры.

В дополнительном варианте осуществления системы электропитания ограничитель напряжения содержит шунтирующий регулятор с контуром управления, образуемым последовательной компоновкой двух резисторов, и/или дополнительный ограничитель напряжения содержит дополнительный шунтирующий регулятор с контуром управления, образуемым дополнительной последовательной компоновкой двух резисторов.

Установка шунтирующего регулятора с контуром управления и дополнительного шунтирующего регулятора с контуром управления на ИС является относительно простой и относительно недорогой. Например, полупроводниковые стабилитроны обычно отсутствуют в топологии ИС, поэтому шунтирующий регулятор с контуром управления является предпочтительной альтернативой полупроводниковому стабилитрону.

В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается электронное устройство, которое содержит систему электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения.

Данное электронное устройство дает те же преимущества, что и система электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения, и имеет аналогичные варианты осуществления с аналогичными эффектами, как и соответствующие варианты осуществления данной системы.

В соответствии с третьим аспектом изобретения, предлагается электронное устройство, которое содержит контроллер устройства для управления работой электронного устройства с целью управления нахождением электронного устройства в режиме готовности или в рабочем режиме. Электронное устройство дополнительно содержит систему электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения, которая выполнена с возможностью работать либо в режиме готовности для подачи мощности, потребляемой в режиме готовности, в низковольтную нагрузку, либо в рабочем режиме для подачи рабочей мощности в низковольтную нагрузку. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток системы электропитания содержит промежуточный вольтодобавочный преобразователь, который содержит управляемый переключатель. Управляемый переключатель модулирует ток через катушку индуктивности. Система электропитания дополнительно содержит контроллер питания для управления управляемым переключателем. Контроллер питания выполнен с возможностью управления управляемым переключателем. Переключатель постоянно замкнут в режиме готовности системы электропитания таким образом, что дополнительный ограничитель напряжения закорачивается через катушку индуктивности. Переключатель поочередно изменяет свое состояние между замкнутым и разомкнутым в рабочем режиме системы электропитания для управления сохранением энергии в катушку индуктивности и для управления высвобождением энергии из катушки индуктивности. Контроллер устройства и контроллер питания системы электропитания объединены в одном контроллере.

Данное электронное устройство дает те же преимущества, что и система электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения, и имеет аналогичные варианты осуществления с аналогичными эффектами, как и соответствующие варианты осуществления данной системы. Благодаря объединению контроллера электронного устройства и системы электропитания обеспечивается дополнительное преимущество в использовании меньшего числа компонентов в электронном устройстве, что уменьшает сложность и стоимость.

В соответствии с четвертым аспектом изобретения предлагается контроллер для использования в системе электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения или для использования в электронном устройстве в соответствии с третьим аспектом изобретения.

Эти и другие аспекты изобретения ясны из описываемых ниже вариантов осуществления и поясняются со ссылкой на них.

Специалистам будет понятно, что два или более вышеописанных вариантов осуществления, реализаций и/или аспектов изобретения могут быть объединены любым образом, считающимся целесообразным.

На основе настоящего изобретения специалистом могут быть осуществлены варианты системы и/или устройства, которые соответствуют описанным вариантам системы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 схематически изображает емкостный источник питания с двухполупериодным выпрямителем,

Фиг. 2 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения,

Фиг. 3 схематически изображает другой вариант осуществления системы электропитания в соответствии с изобретением,

Фиг. 4 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей промежуточный вольтодобавочный преобразователь,

Фиг. 5 изображает диаграмму потерь в режиме готовности в зависимости от дополнительного предварительно определенного напряжения,

Фиг. 6а схематически изображает конкретный вариант осуществления системы электропитания в соответствии с изобретением,

Фиг. 6b схематически изображает на диаграмме некоторые из сигналов показанного на фиг. 6а конкретного варианта осуществления,

Фиг. 7 схематически изображает другой конкретный вариант осуществления системы электропитания в соответствии с изобретением,

Фиг. 8 схематически изображает электронное устройство, содержащее систему электропитания в соответствии с изобретением,

Фиг. 9а схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС,

Фиг. 9b схематически изображает вариант осуществления шунтирующего регулятора,

Фиг. 10 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС, которая содержит схему ограничения тока,

Фиг. 11 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС, которая содержит управляемый переключатель ограничения напряжения,

Фиг. 12 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС,

Фиг. 13 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС, которая содержит механизм управления фиксированного тона для промежуточного вольтодобавочного преобразователя,

Фиг. 14 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС, которая содержит другой механизм управления для промежуточного вольтодобавочного преобразователя,

Фиг. 15 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС, которая содержит управление уровнем дополнительного выпрямленного напряжения в зависимости от уровня выпрямленного выходного напряжения,

Фиг. 16 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС, которая содержит МОП-транзистор вместо диода промежуточного вольтодобавочного преобразователя, и

Фиг. 17 схематически изображает вариант осуществления системы электропитания, содержащей ИС, в которой питание подается на дополнительную шину питания.

Следует отметить, что элементы, обозначенные одними и теми же условными обозначениями на различных чертежах, имеют одни и те же особенности конструкции и одно и то же назначение либо являются одними и теми же сигналами. В случаях, когда назначение и/или конструкция такого элемента были объяснены, нет необходимости повторять их объяснение в подробном описании.

Значения электронных компонентов, показанных на чертежах, являются лишь примерами представленных вариантов осуществления. Если показанная схема должна работать иначе, значения могут быть изменены соответствующим образом.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 изображен известный емкостный источник 100 питания с двухполупериодным выпрямителем. Вход 102 принимает напряжение сети переменного тока 230 В. Резистор Rsurge используется для того, чтобы сделать схему менее чувствительной к резким отклонениям напряжения сети, например к скачкам и падениям напряжения. Конденсатор Ccap обеспечивает емкостную связь между напряжением сети и источником питания. Резистор Rbleed используется для разряда Ccap при отключении емкостного источника 100 питания с двухполупериодным выпрямителем от напряжения сети, вследствие чего постоянная времени RbleedCcap ограничивается максимальным значением и обычно поддерживается постоянной. Диод D2 проводит ток при увеличении уровня напряжения волны входного переменного тока и заряжает конденсатор C2b. Напряжение на конденсаторе C2b подается через дополнительный резистор R5b для защиты от перенапряжений на первый выход 106. Полупроводниковый стабилитрон D3b ограничивает выходное напряжение первого выхода 106. Диод D1 проводит ток при уменьшении уровня напряжения волны входного переменного тока и заряжает конденсатор C2a. Напряжение на конденсаторе C2a подается через другой дополнительный резистор R5a для защиты от перенапряжений на второй выход 108, а полупроводниковый стабилитрон D3a ограничивает выходное напряжение второго выхода 108. Выходное напряжение первого выхода 106 практически равно +5 В, а выходное напряжение второго выхода 108 практически равно -5 В.

Известный емкостный источник 100 питания с двухполупериодным выпрямителем часто используется в электронном устройстве, управление основной работой которого осуществляется контроллером 104. Контроллер 104, например, управляет симистором, который подключает цепи напряжения сети электронного устройства к напряжению сети или отключает от них. Симистору требуется меньший ток управления, если контроллер 104 работает на отрицательном напряжении, как показано на чертеже. Контроллер 104 может дополнительно использоваться для переключения режима электронного устройства между режимом готовности и рабочим режимом. В режиме готовности контроллер 104 используется лишь для детектирования так называемого сигнала включения, который может приниматься от кнопочного переключателя или пульта дистанционного управления. Если такой сигнал принимается контроллером 104, остальные части электронного устройства переключаются контроллером 104 в рабочий режим.

Ток, который может передаваться через первый выход 106:

а выходная мощность, которая может передаваться через первый выход 106:

Мощность, которая может передаваться через второй выход 108, также практически равна (2). В режиме готовности к первому выходу 106 нагрузка не подключается, и лишь весьма незначительный ток отбирается контроллером 104 со второго выхода 108. Однако источник 100 питания с двухполупериодным выпрямителем потребляет больше энергии, чем энергопотребление контроллера. Мощность, потребляемая в режиме готовности, емкостного источника 100 питания с двухполупериодным выпрямителем практически равна (если при этом не принимать во внимание рассеяние мощности в диодах D1 и D2 и резисторах R5a и R5b для защиты от перенапряжений):

где:

Необходимо отметить, что в режиме готовности максимальная выходная мощность Pout1 + Pout2 попросту рассеивается в полупроводниковых стабилитронах D3a, D3b. Дополнительно, необходимо отметить, что рассеяние мощности в резисторе для защиты от перенапряжений Rsurge и в последовательной компоновке разряжающих резисторов Rbleed имеют, соответственно, квадратичную и линейную зависимость от емкости конденсатора Ccap.

Необходимо отметить, что показанный на фиг. 1 контроллер 104 забирает мощность со второго выхода 108. Остальные компоненты электронного устройства могут забирать мощность с первого выхода 106 и/или второго выхода 108. В тех случаях, когда требуется лишь один выход с разницей напряжений, например 5 В, выходное напряжение первого выхода 106 и выходное напряжение второго выхода могут быть понижены до 2,5 и -2,5 В соответственно, при этом контроллер 104 и нагрузка электронного устройства должны подключаться между указанными двумя выводами с указанными соответствующими напряжениями. Однако это требует повышения емкости конденсатора Ccap, поскольку должен передаваться более высокий ток, в то время как общая величина передаваемой мощности должна оставаться такой же. В связи с этим, это приводит к более высоким потерям мощности, потребляемой в режиме готовности.

На фиг. 2 изображен вариант осуществления в соответствии с первым аспектом изобретения. Показана система 200 электропитания. Система 200 электропитания содержит первый вход 206, который принимает напряжение переменного тока, и содержит выход 218, который подает выходное напряжение в нагрузку 216. Система 200 электропитания дополнительно содержит преобразователь 204 постоянного тока в постоянный ток, который содержит второй вход 203, выпрямительную схему 212 и ограничитель 214 напряжения. Выпрямительная схема 212 связана емкостной связью с первым входом и подает выпрямленное напряжение на выход 218. Ограничитель 214 напряжения связан с выходом 218 и ограничивает выходное напряжение предварительно определенным напряжением. Второй вход 203 преобразователя постоянного тока в постоянный ток связан емкостной связью с первым входом 206 и подает питание на выход 218. Емкостная связь обеспечивается раздельными средствами 202 и 210 емкостной связи, либо общим средством 208 емкостной связи.

Как было указано выше на фиг. 1, если лишь одно выходное напряжение должно подаваться на выход известного емкостного источника 100 питания с двухполупериодным выпрямителем с одной и той же выходной мощностью, емкость конденсатора должна быть увеличена. При использовании системы электропитания, показанной на фиг. 2, это не требуется. Если, например, предварительно определенное напряжение составляет -5 В, а на втором входе 203 принимается другое напряжение, преобразователь постоянного тока в постоянный ток может преобразовывать мощность, имеющуюся на своем втором входе 203, в мощность, которая согласуется с требованиями выхода 218. По этой причине емкость конденсатора(ов) емкостной связи не должна быть увеличена. Таким образом, потери мощности, потребляемой в режиме готовности, не должны быть увеличены. Таким образом, система 200 электропитания работает эффективно, в частности, в режиме готовности.

При практическом осуществлении показанной на фиг. 2 системы с выходом соединяется накопитель 213 энергии. Выпрямительная схема 212 подает энергию в накопитель энергии таким образом, что на выходе получается практически стабильное напряжение постоянного тока. При еще одном практическом осуществлении показанной на фиг. 2 системы со вторым выходом 203 соединяется дополнительный накопитель 222 энергии, при этом дополнительная выпрямительная схема 220 соединяется между емкостной связью 202 или 208 и первым входом для подачи дополнительного выпрямленного напряжения на второй вход 203.

На фиг. 3 изображен другой вариант осуществления в соответствии с первым аспектом изобретения. Показана система 300 электропитания, которая в дополнение к элементам системы 200 электропитания содержит дополнительную выпрямительную схему 302, дополнительный ограничитель 304 напряжения, опциональный управляемый переключатель 306 и опциональный дополнительный управляемый переключатель 307. Дополнительная выпрямительная схема 302 связана емкостной связью с напряжением переменного тока, которое принимается входом 206, и подает выпрямленное напряжение на второй вход 203. Дополнительный ограничитель 304 напряжения также связан со вторым входом 203 и ограничивает напряжение второго входа 203 дополнительным предварительно определенным напряжением. Управляемый переключатель 306 связан со вторым входом 203 и подключен параллельно дополнительному ограничителю 304 напряжения для закорачивания дополнительного ограничителя 304 напряжения в режиме готовности системы 300 электропитания. В режиме готовности система 300 электропитания подает мощность, потребляемую в режиме готовности, на нагрузку 216 через выход 218. В рабочем режиме система 300 электропитания подает рабочую мощность на нагрузку 216.

Если управляемый переключатель 306 разомкнут, напряжение на втором входе 203 преобразователя постоянного тока в постоянный ток 204 ограничивается дополнительным ограничителем 304 напряжения. Мощность, которая может передаваться через преобразователь постоянного тока в постоянный ток на выход 218, практически равна:

причем Ccap означает емкость конденсатора, который обеспечивает емкостную связь дополнительной выпрямительной схемы 302 с входом 206. Как видно из формулы (7), емкость конденсатора может быть уменьшена при увеличении дополнительного предварительно определенного напряжения. Как указано на фиг. 1, все потери мощности, потребляемой в режиме готовности, имеют квадратичную или линейную зависимость от емкости конденсатора. Таким образом, путем увеличения дополнительного предварительно определенного напряжения емкость конденсатора емкостной связи может быть уменьшена, вследствие чего потери мощности, потребляемой в режиме готовности, снижаются.

Дополнительное снижение потерь мощности, потребляемой в режиме готовности, может быть обеспечено закорачиванием дополнительного ограничителя напряжения управляемым переключателем 306. Фактически это приводит к соединению конденсатора емкостной связи параллельно входному напряжению переменного тока. Конденсатор, параллельный напряжению переменного тока, не рассеивает никакой мощности. Кроме того, дополнительный ограничитель 304 напряжения не может рассеивать мощность, поскольку оба вывода дополнительного ограничителя 304 напряжения принимают одно и то же напряжение. Таким образом, как видно из формулы (3), мощность, потребляемая в режиме готовности, уменьшается на величину мощности, которая рассеивалась бы в дополнительном ограничителе 304 напряжения. Дополнительно, путем замыкания управляемого переключателя 306 напряжение второго входа 203 фактически уменьшается до нуля. Таким образом, преобразователь постоянного тока в постоянный ток 204 фактически выключается и не может рассеивать никакой мощности.

В другом варианте осуществления второй вход 203 преобразователя постоянного тока в постоянный ток 204 может быть отключен от дополнительной выпрямительной схемы 302 посредством дополнительного управляемого переключателя 307. Отключение второго входа 203 преобразователя постоянного тока в постоянный ток 204 приводит к выключению преобразователя постоянного тока в постоянный ток 204, что снижает возможные потери мощности в преобразователе постоянного тока в постоянный ток 204. В частности, в режиме готовности системы 300 электропитания дополнительный управляемый переключатель 307 должен быть разомкнут. В альтернативном варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный ток 204 содержит средство для выключения преобразователя постоянного тока в постоянный ток 204. Имеющиеся в продаже преобразователи постоянного тока в постоянный ток часто имеют такое средство.

При практическом осуществлении показанной на фиг. 3 системы с выходом соединяется накопитель 213 энергии, имеющий то же назначение, что и накопитель 213 энергии, показанный на фиг. 2, при этом дополнительный накопитель 303 энергии соединяется с узлом, в который дополнительная выпрямительная схема подает выпрямленное напряжение, таким образом, что дополнительный накопитель энергии может хранить энергию для получения практически стабильного напряжения постоянного тока.

В другом варианте осуществления показанной на фиг. 3 системы предусматривается управляемый переключатель 301, который соединяется между нейтральным напряжением и узлом между емкостной связью и дополнительной выпрямительной схемой 302. Мощность, потребляемая в режиме готовности, также может быть снижена путем замыкания управляемого переключателя 301 в режиме готовности, поскольку это приводит к подключению конденсатора емкостной связи параллельно напряжению переменного тока.

На фиг. 4 показан другой вариант осуществления системы 400 электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Система 400 электропитания содержит вход 206 для приема напряжения сети и содержит выход 218 для подачи выходного напряжения Vout постоянного тока на низковольтные цепи, например, электронного устройства. Система 400 электропитания содержит средство 402 емкостной связи, которое содержит конденсатор Ccap, резистор Rsurge для защиты от перенапряжений, подключенный последовательно конденсатору Ccap, и разряжающий резистор Rbleed, подключенный параллельно конденсатору Ccap. Диод D2 проводит ток при повышении уровня входного напряжения сети и сохраняет электрическую энергию в конденсаторе С1. Полупроводниковый стабилитрон Dzener1 подключается параллельно конденсатору С1 и ограничивает напряжение на конденсаторе С1 предварительно определенным напряжением V1. Ограниченное напряжение подается на второй вход 203, который является входом преобразователя постоянного тока в постоянный ток 404. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток 404 системы 400 электропитания является промежуточным вольтодобавочным преобразователем, который содержит управляемый переключатель S1, катушку L1 индуктивности, разрядный диод D3 и контроллер 406. Система 400 электропитания дополнительно содержит диод D1, который проводит ток при падении уровня напряжения волны входного напряжения сети и сохраняет электрическую энергию в конденсаторе С2. Конденсатор С2 подает выходное напряжение Vout на выход 218. Выходное напряжение ограничивается предварительно определенным выходным напряжением Vout с помощью полупроводникового стабилитрона Dzener2, который соединяется параллельно конденсатору С2.

Промежуточный вольтодобавочный преобразователь 404 преобразует напряжение V1 в напряжение Vout. Управляемый переключатель S1 может управляться в разомкнутом состоянии и в замкнутом состоянии. Контроллер 406 управляет управляемым переключателем S1 для изменения состояния между разомкнутым и замкнутым. На определенной частоте и с определенной продолжительностью включения напряжение V1 преобразуется в напряжение Vout. При замыкании переключателя S1 ток через катушку L1 индуктивности постепенно увеличивается. Переключатель S1 разомкнут, когда в катушке индуктивности сохраняется достаточное количество энергии. Когда переключатель S1 разомкнут, сохраненная в катушке L1 индуктивности энергия вызывает ток через диод D3, который постепенно уменьшается. Например, когда ток через диод D3 практически равен нулю, переключатель S1 может быть замкнут, и цикл размыкания и замыкания переключателя повторяется.

Контроллер 406 может дополнительно использоваться для управления работой системы 400 электропитания в режиме готовности или в рабочем режиме. В режиме готовности управляемый переключатель S1 постоянно замкнут, а в рабочем режиме осуществляется управление управляемым переключателем S1 для изменения состояния между разомкнутым и замкнутым. Переключатель S1 промежуточного вольтодобавочного преобразователя 404 используется для закорачивания полупроводникового стабилитрона Dzener1 в режиме готовности. Если переключатель S1 постоянно замкнут, полупроводниковый стабилитрон Dzener1 закорачивается через катушку L1 индуктивности. Как указано выше, закорачивание полупроводникового стабилитрона Dzener1 предотвращает потери мощности в полупроводниковом стабилитроне Dzener1 в режиме готовности. В другом варианте осуществления контроллером 406 может быть универсальный программируемый контроллер, который также способен управлять электронным устройством, которое содержит систему 400 электропитания, например, для управления основной работой электронного устройства.

В одном варианте осуществления системы 400 электропитания предварительно определенное напряжение V1 выше предварительно определенного выходного напряжения Vout. Если V1 выше, потери в режиме готовности могут быть предотвращены ввиду возможности использовать конденсатор Ccap с меньшей емкостью для емкостной связи. Результатом является снижение потерь в резисторе Rsurge для защиты от перенапряжений, разряжающем резисторе Rbleed и, в зависимости от состояния управляемого переключателя S1, в полупроводниковом стабилитроне Dzener1. На фиг. 5 представлена диаграмма, на которой отображается соотношение между предварительно определенным напряжением V1 и потерями мощности, потребляемой в режиме готовности, системы 400 электропитания для определенной фиксированной максимальной величины выходной мощности. Как видно из чертежа, потери в режиме готовности значительно снижаются в диапазоне, показанном условным обозначением 502, от 0 до приблизительно 50 В. В другом диапазоне свыше 50 В, показанном условным обозначением 504, потери могут уменьшиться еще больше, однако, если промежуточный вольтодобавочный преобразователь 404 принимает на втором входе 203 напряжение, которое выше 50 В, по меньшей мере, управляемый переключатель S1 должен изготавливаться с использованием технологии высоковольтных микросхем, чтобы управляемый переключатель S1 был способен выдерживать повышенные напряжения. Другие компоненты, например, катушка L1 индуктивности, также могут стать более дорогостоящими. Таким образом, предварительно определенное напряжение V1 в диапазоне 502 до 50 В обеспечивает преимущества. Нижней границей предварительно определенного напряжения V1 является выходное напряжение Vout, которое определяется напряжением полупроводникового стабилитрона Dzener2.

На фиг. 6 изображен конкретный вариант осуществления системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Показанная система 600 электропитания рассчитана на обеспечение выходного напряжения -4,7 В при максимальном выходном токе -27,5 мА, следовательно, максимальная выходная мощность составляет Pout=129 мВт. Назначение Rsurge, Rbleed, Ccap, D1, D2, C2a, C2b, D3a, D3b, L1 и D5 рассматривалось выше применительно к варианту осуществления, показанному на фиг. 4. Полупроводниковый стабилитрон D3a ограничивает выходное напряжение величиной -4,7 В, а полупроводниковый стабилитрон D3b ограничивает напряжение, которое подается на промежуточный вольтодобавочный преобразователь, величиной 35 В. Дополнительные резисторы R5b и R5a для защиты от перенапряжений добавляются для защиты полупроводниковых стабилитронов D3a и D3b от внезапных изменений напряжений на конденсаторах C2a и C2b, соответственно. В системе 600 электропитания промежуточный вольтодобавочный преобразователь содержит иной контроллер 602 и имеет иную топологию вокруг управляемого переключателя М1 по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг. 4.

Управляемый переключатель М1, который реализуется с использованием МОП-транзистора р-типа, модулирует ток через катушку L1 индуктивности. Дополнительно, управляемый переключатель М1 используется для закорачивания полупроводникового стабилитрона D3b через катушку L1 индуктивности в режиме готовности. Управляемый переключатель М1 управляется контроллером 602.

Контроллер имеет два выходных узла, а именно SB и HF. В режиме готовности сигналы выходных узлов SB и HF являются большими. Большой сигнал SB переключает управляемый переключатель М2, который реализуется в виде МОП-транзистора n-типа, в проводящее состояние и, следовательно, переключает управляемый переключатель М1 также в проводящее состояние. М1 является проводящим, поскольку затвор М1 подключается к напряжению -5 В, что, по меньшей мере, на 5 В ниже напряжения истока М1. Полупроводниковый стабилитрон D4 обеспечивает, чтобы в случае, если разность напряжений между напряжением истока М1 и напряжением затвора М1 составляет выше 4,7 В и если М2 находится в проводящем состоянии, ток через полупроводниковый стабилитрон D4 разряжает конденсатор C2b до тех пор, пока напряжение истока М1 не станет на 4,7 В выше, чем напряжение затвора М1. В рабочем режиме системы 600 электропитания сигнал SB является малым, а сигнал HF изменяется между низким и высоким. Таким образом в рабочем режиме управляемый переключатель М2 находится в непроводящем состоянии. Для переключения управляемого переключателя М1 в непроводящее состояние в рабочем режиме напряжение на затворе М1 должно быть равно или выше напряжения истока М1. Изначально, непосредственно после переключения М2 в непроводящее состояние, резистор R6 уменьшает разность напряжений между истоком и затвором М1 таким образом, что М1 переключается в непроводящее состояние.

Для переключения управляемого переключателя М1 в проводящее состояние в рабочем режиме напряжение на затворе М1 должно быть ниже напряжения истока М1. Контроллер лишь способен выдавать напряжение между -5 и 0 В на своем выходном узле HF, вследствие чего управление затвором М1 не может осуществляться непосредственно с контроллера 602, поскольку постоянный ток между выходным узлом HF и затвором управляемого переключателя М1 приводит к постоянно замкнутому управляемому переключателю М1. Для управления управляемым переключателем М1 добавляется схема накачки заряда с конденсатором С3 и полупроводниковым стабилитроном D4. Данная схема основывается на том, что напряжение на конденсаторе С3 не может измениться за короткое время. Для включения управляемого переключателя М1 напряжение на выходном узле HF контроллера 602 понижается, и вследствие этого напряжение на затворе М1 становится ниже, чем напряжение истока. При повышении напряжения на выходном узле HF контроллера 602 напряжение затвора М1 поднимается до напряжения истока М1 или выше него. Иными словами, конденсатор С3 используется для компенсации разности напряжений между входным напряжением промежуточного вольтодобавочного преобразователя (между 0 и 35 В) и напряжением, которое может выдаваться контроллером 602 (между -5 и 0 В). Необходимо отметить, что постоянная времени, определяемая резистором R6 и С3, должна быть достаточно большой, чтобы предотвращать слишком раннее переключение М1 в непроводящее состояние в результате тока через R6, который уменьшает разность напряжений между затвором и истоком М1.

На фиг. 6b показаны сигналы SB и HF как функция времени. Временной интервал, указанный условным обозначением 604, соответствует режиму готовности системы 600 электропитания. Временной интервал, указанный условным обозначением 606, соответствует рабочему режиму. Дополнительно на диаграмме показано напряжение на конденсаторе C2b и ток через катушку L1 индуктивности как функция времени. В режиме готовности сигналы SB и HF являются большими, и, следовательно, управляемые переключатели М1 и М2 находятся в проводящем режиме. Таким образом, конденсатор C2b полностью разряжается через катушку L1 индуктивности, что вызывает напряжение на C2b, которое практически равно нулю. Когда система 600 электропитания переходит в рабочий режим, сигнал SB уменьшается. Следовательно, управляемый переключатель М2 размыкается, и в результате тока через R6 управляемый переключатель М1 также размыкается. Таким образом, напряжение на C2b начинает увеличиваться. Когда впоследствии сигнал HF уменьшается до более низкого напряжения, управляемый переключатель М1 переключается в проводящее состояние, вследствие чего через L1 начинает протекать возрастающий ток, и в катушке L1 индуктивности сохраняется энергия. Как только сигнал HF становится высоким, управляемый переключатель М1 переключается в непроводящее состояние, и энергия, сохраненная в катушке индуктивности, создает ток через D3. Следовательно, энергия, сохраненная в катушке L1 индуктивности, уменьшается, вследствие чего уменьшается ток через катушку L1 индуктивности. Во время первых циклов размыкания и замыкания управляемого переключателя М1 напряжение на конденсаторе C2b не достигает максимального значения. По этой причине ток через катушку L1 индуктивности не достигает своего максимума. Тем не менее, с того момента, когда напряжение на конденсаторе C2b достигает стабильного уровня, в результате эффекта ограничения напряжения полупроводникового стабилитрона D3b промежуточный вольтодобавочный преобразователь достигает стабильной работы, при которой входное напряжение промежуточного вольтодобавочного преобразователя преобразуется в выходное напряжение.

На фиг. 7 изображен другой вариант осуществления системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Система 700 электропитания аналогична системе 600 электропитания, однако управление управляемым переключателем М1 с помощью контроллера 702 отличается. В контроллере 702 имеется лишь один выходной узел, выдающий сигнал HF. Вместо управляемого переключателя М2 системы 600 электропитания предусматривается резистор R6. Ток через R6 уменьшает разность напряжений между затвором М1 и выходом -5 В таким образом, что напряжение затвора управляемого переключателя М1 ниже напряжения его истока. Если выходной сигнал HF в течение некоторого времени стабилен, напряжение затвора управляемого переключателя М1 ниже напряжения истока М1, вследствие чего управляемый переключатель М1 через некоторое время переходит в проводящее состояние. Таким образом, в режиме готовности сигнал HF в течение некоторого времени стабилен. В рабочем режиме сигнал HF должен увеличиться таким образом, чтобы напряжение на затворе М1 также возросло и управляемый переключатель М1 перешел в непроводящее состояние. Затем R6 постепенно увеличивает разность напряжений между затвором М1 и его истоком и, следовательно, М1 может переключаться в проводящее состояние либо автоматически по истечении временного интервала, который зависит от постоянной времени, определяемой R6 и С3, либо в результате сигнала HF, который уменьшается до более низкого значения таким образом, что напряжение на затворе М1 уменьшается в тот момент, когда сигнал HF спадает.

На фиг. 8 изображено электронное устройство 800 в соответствии со вторым и/или третьим аспектом изобретения. В электронном устройстве 800 имеется вход 810 для приема напряжения сети. Часть электронного устройства работает с использованием напряжения сети и называется силовой схемой 808. Силовая схема 808 подключается к входу 810 и отключается от него с помощью симистора 802. Напряжение сети также принимается системой 812 электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Система 812 электропитания подает питание при низком напряжении 815 на контроллер 818 электронного устройства и опционально на низковольтную схему 824, что обеспечивает, например, пользовательский интерфейс с пользователем электронного устройства 800. Система 812 электропитания может содержать контроллер 814 электропитания или может управляться управляющим сигналом 816, принимаемым от контроллера 818 устройства. Контроллер 818 устройства дополнительно подключается к устройству 820 включения/выключения, которое детектирует, подает ли пользователь команду включения или команду выключения. Команда пользователя может приниматься кнопочным переключателем, детектором дистанционного управления или иным средством приема вводимых пользователем данных. В ответ на детектированную команду включения или в ответ на детектированную команду выключения осуществляется управление переходом симистора 802 в проводящее или непроводящее состояние соответственно с помощью управляющего сигнала 804 симистора, управление нахождением низковольтной схемы во включенном или выключенном состоянии соответственно с помощью управляющего сигнала 822 низковольтной схемы и опционально управление нахождением системы 812 электропитания в режиме готовности или рабочем режиме с помощью управляющего сигнала 816. Дополнительно, при включении электронного устройства 800 контроллер 818 управляет основной работой силовой схемы 808 посредством управляющего сигнала 806 высоковольтной схемы. Необходимо отметить, что вместо симистора 802 могут использоваться и другие средства переключения напряжения сети, например реле.

На фиг. 9а представлен другой вариант осуществления системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Система 900 электропитания аналогична системе 700 электропитания, показанной на фиг. 7. Назначение и действие микроконтроллера 908 аналогично назначению и действию контроллера 702 на фиг. 7. Микроконтроллер 908 может дополнительно использоваться для управления (основной) работой устройства, в котором используется система 900 электропитания. Система 900 электропитания содержит интегральную схему (ИС) 902, в которой реализована часть системы 700 электропитания. Полупроводниковые стабилитроны D3b и D3a не содержатся в ИС 902, поскольку присутствие полупроводниковых стабилитронов в ИС ограничено. Вместо полупроводникового стабилитрона D3b в ИС 902 реализуется шунтирующий регулятор 904 с контуром управления, содержащим резисторы R9 и R10. Вместо полупроводникового стабилитрона D3a в ИС 902 реализуется дополнительный шунтирующий регулятор 906 с контуром управления, содержащим резисторы R11 и R12. Конфигурация шунтирующего регулятора 904, включая контур управления, содержащий резисторы R9 и R10, представлена на фиг. 9b. Шунтирующий регулятор 904 содержит источник напряжения, пропорционального абсолютной температуре (PTAT), для создания опорного напряжения, которое подается на минусовой вход операционного усилителя (ОУ) U1. Резисторы R9 и R10 образуют схему деления напряжения, которая подает деленное напряжение на плюсовой вход ОУ U1. Выходной сигнал ОУ U1 подается через резистор R1 на базу параллельного транзистора Q1, который подключается между двумя выводами шунтирующего регулятора 904. Если деленное напряжение больше опорного напряжения, транзистор начинает проводить ток, что вызывает меньшую разность напряжений между двумя выводами шунтирующего регулятора. Схема деления напряжения в совокупности с подаваемым напряжением источника напряжения PTAT определяет, до какой величины напряжение ограничивается шунтирующим регулятором.

На фиг. 10 изображен другой вариант осуществления системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Система 1000 электропитания аналогична системе 900 электропитания, показанной на фиг. 9а, однако резистор R5b для защиты от перенапряжений заменен на активную схему 1004 ограничения тока, которая реализуется в ИС 1002 и размещается последовательно с шунтовым регулятором 904.

На фиг. 11 представлен еще один вариант осуществления системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Показанный вариант осуществления аналогичен системе 900 электропитания, показанной на фиг. 9а, и содержит управляемый переключатель 1108, который аналогичен управляемому переключателю 301 на фиг. 3. ИС 1102 не содержит шунтирующий регулятор 904 с контуром управления, как описано применительно к системе 900 электропитания на фиг. 9а. Тем не менее, ИС 1102 содержит управляемый переключатель 1108 и контур управления, содержащий защиту 1106 от перенапряжений (OVP) для управления напряжением на конденсаторе C2b. Дополнительно, схема ограничения тока, как описано применительно к фиг. 10, подключается последовательно управляемому переключателю 1108. ИС 1102 содержит OVP 1106, которая сравнивает напряжение на конденсаторе C2b с опорным напряжением Vref. При практическом осуществлении OVP 1106 является компаратором с гистерезисом. Выходной сигнал OVP 1106 подается на управляемый переключатель с целью замыкания переключателя, когда напряжение на конденсаторе C2b слишком высоко. Как указано выше, опорное напряжение Vref может генерироваться с использованием реализации на ИС источника напряжения РТАТ. В случае если управляемым переключателем 1108 является двунаправленный переключатель, для управления требуется так называемая схема 1110 с нулевым х, когда управляемый переключатель 1108 может быть замкнут на некоторый интервал времени таким образом, что конденсатор C2b больше не заряжается. Управляемый переключатель 1108 может быть замкнут лишь в том случае, когда входной переменный ток положителен, что означает, что входное напряжение переменного тока возрастает. Схема 1110 с нулевым х должна измерять переменный ток и содержит дифференцирующую цепь, которая является относительно сложной. Вместо двунаправленного управляемого переключателя 1108 и схемы 1110 с нулевым х может использоваться последовательная компоновка 1112 МОП транзистора n-типа S2 и диода D5.

На фиг. 12 изображен другой вариант осуществления системы 1200 электропитания. Система 1200 электропитания аналогичная системе 1100 электропитания на фиг. 11. Система 1200 электропитания содержит ИС 1202, которая вместо совокупности диода D4, резистора R6 и конденсатора С3, показанных на фиг. 11, содержит схему 1204 смещения уровня, которая преобразует напряжение в области напряжений, питающих микроконтроллер 908, в область напряжений, в которой работает управляемый переключатель S1. Реализации схем смещения уровня на ИС хорошо известны. Хотя для реализации схемы 1204 смещения уровня в ИС 1202 должно использоваться относительно большое число компонентов, это, тем не менее, может быть выполнено относительно эффективно по сравнению с использованием дополнительного внешнего конденсатора С3.

В рассмотренном выше варианте осуществления микроконтроллер 908 осуществляет управление, когда управляемый переключатель S1 промежуточного вольтодобавочного преобразователя замкнут. Для выполнения этой функции микроконтроллер 908 должен иметь таймер, который в недорогих микроконтроллерах часто отсутствует. Применение автоколебательного промежуточного вольтодобавочного преобразователя является решением, не требующим таймера в микроконтроллере 908. Это показано на фиг. 13.

Система 1300 электропитания содержит интегральную схему 1302, которая аналогична ИС 1202 на фиг. 12. Система 1300 электропитания содержит микроконтроллер 1310, который сравним с микроконтроллером 908 предыдущих вариантов осуществления, однако разрешающий сигнал EN микроконтроллера 908, который подается на интегральную схему 1302, лишь указывает, должен ли работать преобразователь постоянного тока в постоянный ток. В системе 1300 электропитания преобразователем постоянного тока в постоянный ток является промежуточный вольтодобавочный преобразователь, образуемый управляемым переключателем S1, диодом D3, катушкой L1 индуктивности и контроллером 1306 повышения напряжения. В данном варианте осуществления контроллером 1306 повышения напряжения является так называемый контроллер PWM SOPS, что означает автоколебательный контроллер питания с широтно-импульсной модуляцией. Такие контроллеры известны. Импульсный инвертирующий контроллер 1306 генерирует управляющий сигнал, который используется для управления проводящим и непроводящим состоянием управляемого переключателя S1. Управляющий сигнал подается на схему 1304 смещения уровня для генерирования надлежащего уровня напряжения, которое требуется для управления управляемым переключателем S1. Контроллер 1306 повышения напряжения запитывается от нейтрального питающего напряжения N и отрицательного питающего напряжения Vneg. Контроллер 1306 повышения напряжения дополнительно принимает разрешающий сигнал EN от микроконтроллера 1310, который указывает, должен ли работать промежуточный вольтодобавочный преобразователь. Возможны совершенно различные решения по функционированию автоколебательного промежуточного вольтодобавочного преобразователя. На фиг. 13 контроллер 1306 повышения напряжения подключен к так называемой схеме 1308 фиксированного тона и имеет подключение к узлу, являющемуся общим для управляемого переключателя S1, катушки L1 индуктивности и диода D3. Подключение к общему узлу используется для контроля тока через диод D3. Схема 1308 фиксированного тона и контроллер 1306 повышения напряжения обеспечивают так называемое управление фиксированного тона промежуточного вольтодобавочного преобразователя. Это означает, что управление управляемым переключателем S1 осуществляется в проводящем состоянии в течение фиксированного интервала времени. После управления управляемым переключателем S1 в непроводящем состоянии, и когда ток через диод D3 становится практически равным нулю, управление управляемым переключателем S1 осуществляется в проводящем состоянии в течение фиксированного интервала времени. Преимущество управления фиксированного тона промежуточного вольтодобавочного преобразователя состоит в том, что частота, на которой работает промежуточный вольтодобавочный преобразователь, практически постоянна. Недостаток состоит в том, что максимальная мощность промежуточного вольтодобавочного преобразователя зависит от разброса значений L1. Дополнительно, если Vpos становится, например, временно ниже, чем уровень напряжения, при котором управляемый переключатель 1108 и защита 1106 от перенапряжений осуществляют попытку регулирования Vpos, входной ток понижается, при этом максимальная мощность промежуточного вольтодобавочного преобразователя также понижается. Это может быть предотвращено с помощью механизма управления, который описывается с использованием фиг. 14.

На фиг. 14 изображен вариант осуществления системы 1400 электропитания. Резистор Rsense подключается последовательно катушке L1 индуктивности для измерения тока через катушку L1 индуктивности. Напряжение узла, являющегося общим для резистора Rsense и катушки L1 индуктивности, подается на ИС 1402, которая аналогична ИС 1302 на фиг. 13, однако ИС 1402 содержит импульсный инвертирующий контроллер 1406, который управляет управляемым переключателем S1 не на основе механизма управления фиксированного тона, а на основе измерения количества энергии, которая сохраняется в катушке L1 индуктивности. При осуществлении управления управляемым переключателем S1 в проводящем состоянии ток через L1 повышается, и импульсный инвертирующий контроллер определяет величину тока через входной порт R3 интегральной схемы 1402. При достижении максимального тока Ipeak через L1, определяемого величиной резистора Rsense, осуществляется управление управляемым переключателем S1 в непроводящем состоянии до тех пор, пока ток через диод D3 не станет практически равным нулю. Когда ток через диод D3 становится практически равным нулю, осуществляется управление управляемым переключателем в проводящем состоянии. Преимущество такого механизма управления состоит в том, что разброс значений L1 может быть устранен. Недостаток состоит в том, что когда максимальный ток Ipeak становится слишком большим, требуется больше мощности, чем может быть передано через положительный источник питания, вследствие чего уровень напряжения Vpos понижается.

На фиг. 15 изображен еще один вариант осуществления системы электропитания. Система 1500 электропитания аналогична системе 1300 электропитания на фиг. 13 и содержит, например, для управления промежуточным вольтодобавочным преобразователем механизм управления фиксированного тона посредством импульсного инвертирующего контроллера 1306 и схемы 1308 фиксированного тона. В ИС 1502 на фиг. 15 уровень отрицательного напряжения Vneg управляется пропорциональным управлением уровнем положительного напряжения Vpos. Напряжение на конденсаторе C2b больше не поддерживается постоянным, тем не менее, напряжение на конденсаторе C2b управляется в зависимости от энергопотребления нагрузки, которая запитывается отрицательным напряжением Vneg. С помощью другой защиты 1504 от перенапряжений (OVP) отрицательное напряжение сравнивается с опорным напряжением Vref. При практическом осуществлении OVP 1504 является компаратором с гистерезисом. Если абсолютное значение уровня отрицательного напряжения Vneg является слишком малым, осуществляется управление управляемым переключателем 1108 для обеспечения повышения напряжения на конденсаторе C2b, а если абсолютное значение уровня отрицательного напряжения Vneg является слишком большим, осуществляется управление управляемым переключателем 1108 для обеспечения понижения напряжения на конденсаторе C2b. Результат управления состоит в том, что на промежуточный вольтодобавочный преобразователь подается в точности надлежащая величина мощности. Такой тип управления, являющегося управлением уровнем положительного напряжения Vpos в зависимости от уровня отрицательного напряжения Vneg, хорошо взаимодействует с управлением фиксированного тона промежуточного вольтодобавочного преобразователя. Дополнительно, в одном варианте осуществления микроконтроллер 1310 не имеет разрешающего выходного сигнала EN, и, следовательно, ИС 1502 не имеет входного контакта для приема разрешающего сигнала EN: если величина потребляемой мощности является слишком низкой, управляемый переключатель 1108 постоянно замкнут, и, как указано в предыдущем варианте осуществления (например, применительно к фиг. 3), потери в резервном режиме сохраняются низкими за счет поддержания напряжения на конденсаторе C2b практически равным нулю и, тем самым, регулирования промежуточного вольтодобавочного преобразователя в нерабочем состоянии.

Необходимо отметить, что управляемый переключатель 1108 должен быть двунаправленным переключателем. Управление уровнем отрицательного напряжения Vneg с использованием схемы, показанной на фиг. 15, эффективно лишь в том случае, когда ток через управляемый переключатель может быть отрицательным или положительным. Управляемый переключатель 1108 не может быть заменен последовательной компоновкой 1112, показанной на фиг. 11. Дополнительно, управляемый переключатель S1 изображен в виде МОП транзистора p-типа. Управляемый переключатель S1 может также быть реализован в виде pnp-транзистора, npn-транзистора или МОП транзистора n-типа. Однако в таких системах электропитания, как система 1500, предпочтительно использовать МОП транзистор p-типа, поскольку величина преобразованной мощности является относительно небольшой.

На фиг. 16 изображен еще один вариант осуществления системы электропитания в соответствии с первым аспектом изобретения. Система 1600 электропитания содержит интегральную схему (ИС) 1602, которая аналогична ИС 1302 на фиг. 13, однако диод D3 заменен на управляемый переключатель S3, который изображен на фиг. 16 в виде n-МОП транзистора. Импульсный инвертирующий контроллер 1606 управляет управляемым переключателем S3 для реализации функции фазочувствительного детектора с использованием управляемого переключателя S3. Замена диода D3 на МОП транзистор n-типа и управляющая схема для МОП транзистора n-типа легко могут быть достигнуты при реализации в ИС, но не в том случае, когда промежуточный вольтодобавочный преобразователь реализуется в виде отдельных компонентов.

На фиг. 17 изображен еще один вариант осуществления системы электропитания. Система 1700 электропитания содержит интегральную схему (ИС) 1702, которая аналогична ИС 1302 показанного на фиг. 13 варианта осуществления. Помимо диода D3 используется диод D4 для подачи питания на дополнительную шину Vaux питания. В шине Vaux питания имеется конденсатор С4 для временного хранения энергии, при этом шина Vaux питания используется для подачи питания, например, на все светодиоды устройства, в котором используется система электропитания. Преимущество конфигурации с использованием дополнительной шины Vaux питания состоит в том, что когда, несмотря на меры обеспечения безопасности, шина Vaux питания закорачивается, система 1700 электропитания, тем не менее, подает мощность в микроконтроллер 1310 по шине Vneg отрицательного напряжения. Таким образом, работа микроконтроллера 1310 не прерывается из-за проблем в цепях, которые запитываются через шину Vaux питания.

Необходимо отметить, что вышеописанные варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты смогут создать множество альтернативных вариантов осуществления в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения любые условные обозначения, заключенные в скобки, не должны толковаться как ограничивающие пункт формулы изобретения. Использование глагола «содержать» и его спряжений не исключает наличия элементов или этапов помимо указанных в пункте формулы изобретения. Единственное число не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано c помощью аппаратного обеспечения, содержащего несколько отдельных элементов, и с помощью соответствующим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения на устройство, перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть осуществлены с помощью одного и того же элемента аппаратного обеспечения. Сам по себе тот факт, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой.

1. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания, содержащая:
- первый вход (206) для приема напряжения переменного тока,
- выход (218) для подачи питания в нагрузку (216, RL),
- преобразователь постоянного тока в постоянный ток (204, 404), содержащий второй вход (203), имеющий емкостную связь с первым входом (206) и размещенный для подачи питания на выход (218),
- выпрямительную схему (212, D1), имеющую емкостную связь с первым входом (206) и размещенную между первым входом (206) и выходом (218), для подачи выпрямленного выходного напряжения на выход (218), и
- ограничитель (214, Dzener2, D3a) напряжения, связанный с выходом (218), для ограничения выпрямленного выходного напряжения предварительно определенным напряжением.

2. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 1, содержащая:
- дополнительную выпрямительную схему (302, D2), имеющую емкостную связь с первым входом (206), для обеспечения дополнительного выпрямленного напряжения на второй выход (203), и
- дополнительный ограничитель (304, Dzener1, D3b) напряжения, связанный со вторым входом (203) и размещенный для ограничения дополнительного выпрямленного напряжения второго входа (203) дополнительным предварительно определенным напряжением.

3. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 2, в которой абсолютное значение дополнительного предварительно определенного напряжения больше абсолютного значения предварительно определенного напряжения.

4. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 2, выполненная с возможностью работы либо в режиме резервном для обеспечения резервной мощности в нагрузку (216, RL), либо в рабочем режиме для обеспечения рабочей мощности в нагрузку (216, RL), причем система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания содержит закорачивающий управляемый переключатель (306), размещенный параллельно дополнительному ограничителю (304, Dzener1, D3b) напряжения для закорачивания дополнительного ограничителя (304, Dzener1, D3b) напряжения, и контроллер (406, 602, 702, 814) для замыкания закорачивающего управляемого переключателя (306) в резервном режиме, либо система (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания содержит дополнительный закорачивающий управляемый переключатель (301), резмещенный между узлом, являющимся общим для емкостной связи (208, Ссар) и дополнительной выпрямительной схемы (302, D2), и узлом системы (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания, имеющим нейтральное напряжение (N), и содержит контроллер (406, 602, 702, 814) для замыкания дополнительного закорачивающего управляемого переключателя (301) в резервном режиме.

5. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 2, выполненная с возможностью работы либо в резервном режиме для подачи резервной мощности в нагрузку (216, RL), либо в рабочем режиме для подачи рабочей мощности в нагрузку (216, RL), причем преобразователь постоянного тока в постоянный ток (204, 404) содержит промежуточный вольтодобавочный преобразователь, содержащий управляемый переключатель (S1, M1) для модулирования тока через катушку (L1) индуктивности, причем система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания содержит контроллер (406, 602, 702, 814) для управления управляемым переключателем (S1, M1), причем контроллер (406, 602, 702, 814) размещен для (i) управления нахождением управляемого переключателя (S1, M1) постоянно в замкнутом состоянии в резервном режиме системы электропитания для закорачивания дополнительного ограничителя (304, Dzener1, D3b) напряжения через катушку (L1) индуктивности и (ii) управления переключением управляемого переключателя (S1, M1) между разомкнутым состоянием и замкнутым состоянием в рабочем режиме системы (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания для управления сохранением энергии в катушке (L1) индуктивности и высвобождением энергии из нее.

6. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 1, выполненная с возможностью работы либо в резервном режиме для обеспечения резервной мощности в нагрузку (216, RL), либо в рабочем режиме для обеспечения рабочей мощности в нагрузку (216, RL), и содержащая контроллер для управления управляемым переключателем (307) отключения для отключения второго входа преобразователя постоянного тока в постоянный ток от емкостной связи с входом в резервном режиме.

7. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 2, в которой напряжение переменного тока, принятое первым входом (206), содержит участок возрастающего напряжения волны напряжения переменного тока и содержит участок убывающего напряжения волны напряжения переменного тока, причем выпрямительная схема (212, D1) выполнена с возможностью выпрямления только одного из участка возрастающего напряжения или участка убывающего напряжения, а дополнительная выпрямительная схема (302, D2) выполнена с возможностью выпрямления другого из участка возрастающего напряжения или участка убывающего напряжения.

8. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 1 или 2, в которой
- система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 1, содержит одиночную емкостную связь (208, Ссар), содержащую, по меньшей мере, один конденсатор, или
- система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 2 содержит одиночную емкостную связь (208, Ссар), подключенную между первым входом (206) и выпрямительной схемой (212, D1) и подключенную между первым входом (206) и дополнительной выпрямительной схемой (302, D2), причем одиночная емкостная связь (208, Ссар) содержит конденсатор для обеспечения емкостной связи, или
- система (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 2 содержит первую емкостную связь (202), подключенную между первым входом (206) и выпрямительной схемой (212, D1), и содержит вторую емкостную связь (210), подключенную между первым входом (206) и дополнительной выпрямительной схемой (302, D2), причем и первая емкостная связь (202), и вторая емкостная связь (210) содержат конденсатор для обеспечения емкостной связи.

9. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания по п. 8, в которой дополнительный ограничитель напряжения содержит защиту (1106) от перенапряжений и управляемый переключатель (1108) ограничения напряжения, причем первый вход защиты (1106) от перенапряжений связан со вторым входом, а второй вход защиты (1106) от перенапряжений связан с предварительно определенным опорным напряжением, выход защиты (1106) от перенапряжений связан с управляемым переключателем (1108) ограничения напряжения для управления нахождением управляемого переключателя (1108) ограничения напряжения либо в проводящем режиме, либо в непроводящем режиме и при этом управляемый переключатель (1108) ограничения напряжения связан с узлом, являющимся общим для емкостной связи (208, Ссар) и дополнительной выпрямительной схемы (302, D2), и связан с нейтральным напряжением (N) системы (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания.

10. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания по п. 8, в которой
- ограничитель (214, Dzener2, D3a) напряжения содержит защиту (1504) от перенапряжений для детектирования выпрямленного выходного напряжения, являющегося слишком высоким и слишком низким относительно предварительно определенного напряжения,
- дополнительный ограничитель (304, Dzener1, D3b) напряжения содержит управляемый переключатель (1108) ограничения напряжения, связанный с узлом, являющимся общим для емкостной связи (208, Ссар) и дополнительной выпрямительной схемы (302, D2), и связан с нейтральным напряжением (N) системы (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания, причем управляемый переключатель (1108) ограничения напряжения управляется защитой (1504) от перенапряжений с переходом в проводящее состояние, если абсолютное значение выпрямленного выходного напряжения является слишком высоким, и с переходом в непроводящее состояние, если абсолютное значение выпрямленного выходного напряжения является слишком низким.

11. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания по любому из пп. 1, 2, 4 или 5, в которой система (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания содержит интегральную схему (902, 1002, 1102, 1202, 1302, 1402, 1502, 1602, 1702), которая содержит, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из: по меньшей мере, часть преобразователя постоянного тока в постоянный ток (204, 404), ограничитель (214, Dzener2, D3a) напряжения, дополнительный ограничитель (304, Dzener1, D3b) напряжения, закорачивающий управляемый переключатель (306), контроллер (406, 602, 702, 814) для управления закорачивающим управляемым переключателем (306), по меньшей мере, часть промежуточного вольтодобавочного преобразователя, управляемый переключатель (M1, S1) промежуточного вольтодобавочного преобразователя, диод (D3) промежуточного вольтодобавочного преобразователя, дополнительный диод (D4) промежуточного вольтодобавочного преобразователя для обеспечения мощности на дополнительную шину (Vaux) питания, контроллер (702, 1204, 1306, 1406) для управления управляемым переключателем (M1, S1) промежуточного вольтодобавочного преобразователя, схему (1004) ограничения тока для ограничения тока через ограничитель (214, Dzener2, D3a) напряжения.

12. Система (200, 300, 400, 600, 700, 812, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700) электропитания по п. 11, в которой:
- ограничитель (214, Dzener2, D3a) напряжения содержит шунтирующий регулятор (904, 910) с контуром управления, образуемым последовательной компоновкой двух резисторов (R9, R10), или
- дополнительный ограничитель (304, Dzener1, D3b) напряжения содержит дополнительный шунтирующий регулятор (906) с контуром управления, образуемым дополнительной последовательной компоновкой двух резисторов (R11, R12), или
- ограничитель (214, Dzener2, D3a) напряжения содержит шунтирующий регулятор (904, 910) с контуром управления, образуемым последовательной компоновкой двух резисторов (R9, R10), а дополнительный ограничитель (304, Dzener1, D3b) напряжения содержит дополнительный шунтирующий регулятор (906) с контуром управления, образуемым дополнительной последовательной компоновкой двух резисторов (R11, R12).

13. Электронное устройство (800), содержащее систему (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 1.

14. Электронное устройство (800), содержащее:
- контроллер (406, 602, 702, 814) устройства для управления работой электронного устройства (800) для управления нахождением электронного устройства (800) в резервном режиме или в рабочем режиме,
- систему (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 7, в которой контроллер (406, 602, 702, 814) системы (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания объединен с контроллером (406, 602, 702, 814) устройства.

15. Контроллер (406, 602, 702, 814) для использования в системе (200, 300, 400, 600, 700, 812) электропитания по п. 7 или для использования в электронном устройстве (800) по п. 14.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники. Рекуператор электроэнергии для преобразователей частоты со звеном постоянного тока, содержащий однофазный транзисторный мост, состоящий из четырех транзисторов, параллельно которым соединены четыре диода.

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования постоянного тока в регулируемый переменный, и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока и в качестве регулируемого второго преобразователя в преобразователях частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения.

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано при эксплуатации преобразовательной схемы. .

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для питания электроприводов постоянного тока, в составе преобразователей частоты для питания электроприводов переменного тока, в системах электропитания постоянным током, в силовых выпрямительных установках, питающихся от источников электрической энергии ограниченной мощности.

Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано в выпрямителях, в устройствах с параллельным соединением источников напряжения питания на общую нагрузку и т.п.

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям переменного напряжения в постоянное для обеспечения защиты нагрузки от перенапряжений, возникающих в источнике переменного напряжения.

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к блокам питания, в особенности к схемам выпрямителей, выполненных на полевых МОП-транзисторах. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах питания устройств автоматики и вычислительной техники. .

Настоящее изобретение относится к пятиуровневому выпрямителю, содержащему первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели, первый и второй конденсаторы шины постоянного тока, фазовый конденсатор, а также первый, второй, третий и четвертый диодные модули. Упомянутые первый, второй, третий и четвертый диодные модули соединены последовательно, упомянутые первый и второй конденсаторы шины постоянного тока соединены последовательно и упомянутые второй и третий силовые полупроводниковые переключатели соединены последовательно. Упомянутый первый диодный модуль соединен с упомянутым первым конденсатором шины постоянного тока и первым силовым полупроводниковым переключателем, а упомянутый четвертый диодный модуль соединен с упомянутым вторым конденсатором шины постоянного тока и упомянутым четвертым силовым полупроводниковым переключателем. Упомянутый фазовый конденсатор имеет один зажим, соединенный с упомянутыми первым и вторым силовыми полупроводниковыми переключателями, и еще один зажим, соединенный с упомянутыми третьим и четвертым силовыми полупроводниковыми переключателями. Технический результат - уменьшение гармонических и электромагнитных помех. 4н. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл., 9 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное. Технический результат заключается в увеличении надежности и повышении коэффициента полезного действия. Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит первичную обмотку первого трансформатора, начало которой соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала Uупр1, исток которого соединен со вторым входом преобразователя. Начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом третьего диода, катодом соединенного с анодом четвертого диода, катодом соединенного со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала Uупр2, а исток соединен с первым входом преобразователя. Входной конденсатор подключен параллельно входам преобразователя. Первый вывод накопительного конденсатора подключен между катодом первого диода и анодом второго диода, второй вывод накопительного конденсатора подключен между катодом третьего диода и анодом четвертого диода. Начало вторичной обмотки первого трансформатора подключено к положительному выходу преобразователя, а конец подключен к отрицательному выходу преобразователя. Первый вывод выходного конденсатора подключен к положительному выходу преобразователя, второй вывод выходного конденсатора - к отрицательному выходу преобразователя. 3 ил.
Наверх