高效率交流直接到直流提取转换器及方法技术

描述了一种改进的AC直接到DC提取转换系统。AC直接到DC提取转换系统由有效电子开关构成，该有效电子开关用于向存储器件提供控制脉冲功率。在一个最小版本中的AC至DC转换器由一对N‑MOSFET晶体管、分压器、存储元件以及一对二极管构成。该设计利用可以完全集成到硅上的最少部件能够获得高的效率。

High efficiency AC direct to DC extraction converter and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高效率交流直接到直流提取转换器及方法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年10月28日提交的专利技术名称为：HighEfficiencyACtoDCConverterandMethods(高效率交流直接到直流提取转换器及方法)的美国临时申请62/414467的优先权。这两项申请包括共同的专利技术人并且目前正在审查中。关于联邦政府资助的研究或开发的声明不适用
本专利技术涉及一种以非常高的效率从AC干线(mains)提供低压DC电流的电源管理系统及方法。
技术介绍
早期传统的用于从交流AC干线提供DC电源的手段是通过模拟电路实现的，该模拟电路包括降压变压器、二极管整流器以及包括电解电容器和电阻器的滤波器。输出电压主要取决于变压器的匝数比，并且电路效率适中。然而，实现低频变压器所需要的磁性结构的尺寸和重量阻碍了这种方法在微型设备中的使用。后续不使用变压器的方法涉及AC干线的直接整流，该AC干线的直接整流以串联或并联被直接地连接到包括有源固态器件的电压调节电路。并联调节器通过可变电阻器件跨整流的干线输出提供电流路径，从而将电流从负载分流来工作。在并联调节器的最简单的实现方式中，齐纳二极管与负载并联，并在该并联支路中串联一个电阻器。任何超过齐纳电压的整流器输出电压都会在跨电阻器时下降，导致剩余的功率作为热量耗散。因此，这种调节器配置非常低效。由于齐纳电流必须大于负载电流以通过齐纳效应保持调节，因此该调节器电路的效率远小于输出电压与整流的供电电压的有效值的比值。一种改进的方法使用串联的诸如双极或场效应晶体管的固态器件，以缓冲齐纳电压基准。有源器件以源极跟随器或射极跟随器的配置被连接，负载连接在源极或射极，并且齐纳基准连接在栅极或基极。齐纳电流将远小于并联配置，因此总电流的大部分提供给负载。因此，该电路的效率通常不会优于输入电压与输出电压的比值。对该电路功能的进一步改进被称为开关模式电源。本领域中已知有许多这样的设计，但是共性为输入整流器，一种高速运行的开关元件以将诸如电感器或电容器的存储元件切换到电源并将其从电源切换出来。如果输入及输出需要隔离，则包含高速变压器用于隔离并用于调节输出电压。包含RC滤波器以减少输出中的纹波。由于早期线性系统的功率损耗机制大部分被消除，因此开关模式电源具有效率提升的优势。然而，如果需要隔离，则会存在变压器损耗。此外，与趋肤效应导致的导体的损耗一样，高速开关是相当大的RF噪声源。在特殊设计的系统中，可以并已经获得了理论上的高效率。高达95％的效率已经被报道，但是在现实中，就低成本的隔离系统而言，通常的效率为60至70％。至今已知的所有系统的缺点是它们无法容易地集成。除了受限的特殊应用之外，对目前的AC至DC转换器的设计无法被集成到具有其他系统功能的芯片上。单个电路元件的功率消耗对于片上系统级别的集成而言太大。诸如所需要的变压器的类型的部件无法用于硅上集成。普遍的电子器件通常在3.3或5伏下工作。将120或240伏的AC干线转换成这些低工作电压的需求降低了至今为止可用的电源转换器的效率。对于线性以及开关电源两者而言，输入电压和输出电压之间的差异越大，效率越低。需要一种高效率并低电压电源给众多低功率、低电压的消费器件供电。电子产品在“智能”汽车和“智能”家庭中激增。需要能够支持传感器及网络始终开启的小型、有效的电源。越来越多的包括新建的和改造的住宅、工厂以及办公楼正在结合电子传感器来控制所有电力的使用以提高效率。需要低电压、集成的、高效率的电源为新建的和改造的建筑支持住宅、工厂以及办公楼中存在的电力网。电源必须能够集成在传感器以及控制电子产品上，以使这种器件能够物理上适用于用于提供本地电力的插头和插座的范围内。需要高的效率以避免住宅、办公室以及工厂的电力网和墙壁范围里的热量损耗。需要具有99％至100％范围的效率的电源转换器。需要可以适用于广泛的器件内的紧凑的电源转换器，而非以笨重的盒子存在于器件外部。需要可以被集成的电源转换器。
技术实现思路
描述了一种AC到DC电源转换系统。AC直接到DC提取转换系统及相关器件解决了对紧凑的、集成的、低成本的设计的需要，这种设计是高效率的，并且提供了对低电压的获取，所述低电压用于驱动在住宅传感器及网络、智能汽车等中使用的典型的基于硅的电子器件。在一个实施例中，该系统包括有效的电子开关，用于断开串联电压调节器电路的输入与整流AC干线电源的连接，以降低串联调节器的功耗。当开关闭合时，能量得到积累并存储于并联能量存储元件。当整流AC干线波形超过阈值时，电子开关打开。当该开关打开时，由能量存储元件将能量通过调节器电路提供给负载。在这种方式下，调节器电路的益处归于附加的负载线路，而与现有技术相比调节器电路内的功耗大幅降低。比较器被用来控制电子开关。在一个实施例中，比较器由运算放大器以及基准电压源构成。在另一个实施例中，比较器由MOS场效应晶体管构成。在一个实施例中，通过分压器控制MOS场效应晶体管。在另一个实施例中，分压器被基准电压源取代。在其他实施例中，基准电压是可调的。具体的示例不意在将本专利技术构思限制于示例应用。从附图和详细的描述中，本专利技术的其他方面以及优点是显而易见的。附图说明图1为现有技术AC-DC转换器的示意图。图2为具有限流的现有技术AC-DC转换器的示意图。图3为示出改进电路中的功能的示意图。图4为示出改进的AC-DC转换器的示意图。图5为使用MOS场效应晶体管的改进电路的实施例的示意图。图6为包括限流功能的图5的实施例的示意图。图7为使用MOS晶体管的改进的AC-DC转换器的实施例的示意图。图8为使用MOS场效应晶体管的改进电路的实施例的示意图，其中输出电压是手动可调的。图9为使用MOS场效应晶体管的改进电路的实施例的示意图，其中输出电压是电子可调的。图10为消除了对整流器的需求的第一实施例的示意图。图11为修改了图10的实施例的实施例的示意图。图12为消除了对整流器的需求的第二实施例的框图。图13为图12的实施例的示意图。图14示出包括从电源隔离负载的用于AC到DC转换器的现有技术。图15示出包括从电源隔离负载的本专利技术的AC到DC转换器的实施例。图16示出包括从电源隔离负载，并且进一步包括从负载对AC到DC转换器的反馈控制的本专利技术的AC到DC转换器的实施例。具体实施方式图1示出现有技术AC-DC转换器的示意图。AC干线101通过二极管电桥102被全波整流，并且得到的时变DC电压波形通过电容器103变平滑，电容器103典型地为电解电容器。注意这里没有对电容器103的充电的控制。完全整流的线路电压被施加到该电容器，因此需要大容量的电容器。平滑的电压波形被施加到串联调节器电路的输入，串联调节器电路包括偏置电阻器104、具有特征齐纳电压VZ的齐纳二极管105、以及传输晶体管106，这里将传输晶体管表现为具有特征阈值电压VT的增强型MOS场效应晶体管(MOSFET)。调节器的输出被施加到负载107。在工作中，传输晶体管106动态地调节其漏源电压来保持负载电压为VZ-VT。换句话说，传输晶体管106形成了缓冲齐纳电压VZ的源跟随器电路。由于全负载电流会经过传输晶体管106，所以该调节器电路的效率仅为负载电压与电源电压有效值(rms)的比值。因此，如果所期望本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于直接地从交流(AC)电源以直流(DC)向电子负载提供能量的AC直接到DC提取转换系统，包括：a.分压器，所述分压器连接到所述电源，以及，b.第一开关，所述第一开关具有输入和输出，通过其输入连接到所述分压器，以及，c.第二开关，所述第二开关具有输入和输出，其输入被连接到所述第一开关的输出，以及，d.存储电容器，所述存储电容器通过二极管连接到所述第二开关的输出，以及，e.感测电阻器，所述感测电阻器连接在所述存储电容器和所述分压器之间，从而提供反馈控制，以及，f.齐纳二极管，所述齐纳二极管连接在所述第二开关的输入和输出之间，从而将所述第二开关的输出和输入的电压钳位到所述齐纳二极管的齐纳电压，以及，g.电子负载，所述电子负载连接到所述存储电容器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.28 US 62/414,4671.一种用于直接地从交流(AC)电源以直流(DC)向电子负载提供能量的AC直接到DC提取转换系统，包括：a.分压器，所述分压器连接到所述电源，以及，b.第一开关，所述第一开关具有输入和输出，通过其输入连接到所述分压器，以及，c.第二开关，所述第二开关具有输入和输出，其输入被连接到所述第一开关的输出，以及，d.存储电容器，所述存储电容器通过二极管连接到所述第二开关的输出，以及，e.感测电阻器，所述感测电阻器连接在所述存储电容器和所述分压器之间，从而提供反馈控制，以及，f.齐纳二极管，所述齐纳二极管连接在所述第二开关的输入和输出之间，从而将所述第二开关的输出和输入的电压钳位到所述齐纳二极管的齐纳电压，以及，g.电子负载，所述电子负载连接到所述存储电容器。2.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，进一步包括介于所述能量存储元件和所述电子负载之间的电压调节电路。3.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，进一步包括介于所述电子开关和所述能量存储元件之间以限制流过所述第一半导体开关的电流的电子电路。4.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所述第一开关和所述第二开关均为N-MOSFET。5.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所述第一开关和所述第二开关均为双极型晶体管。6.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所有半导体器件均被制造在单个集成电路芯片上。7.根据权利要求2所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所述电压调节电路为串联电压调节器电路。8.根据权利要求2所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所述电压调节电路为并联电压调节器电路。9.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所述分压器为手动可调的。10.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所述分压器为电子可调的。11.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，进一步包括在所述存储电容器和所述电子负载之间的隔离变压器。12.根据权利要求1所述的AC直接到DC提取转换系统，进一步包括从所述负载经过隔离器至所述分压器的感测线路，从而提供从所述负载到所述AC直接到DC提取转换系统的反馈控制。13.一种用于从具有周期波形的电源向电子负载提供作为直流的能量的AC直接到DC提取转换系统，所述AC直接到DC提取转换系统包括：a.分压器，所述分压器连接到所述电源，以及，b.第一半导体开关，所述第一半导体开关通过其基极连接到所述分压器，以及，c.第二半导体开关，所述第二半导体开关连接到所述第一半导体开关的漏极，以及，d.存储电容器，所述存储电容器通过二极管连接到所述第二半导体开关的源极，以及，e.感测电阻器，所述感测电阻器连接在所述存储电容器和所述分压器之间，从而提供所述AC直接到DC提取转换系统的反馈控制，以及，f.齐纳二极管，所述齐纳二极管连接在所述第二半导体开关的栅极和源极之间，从而将所述源极的电压钳位到所述齐纳二极管的齐纳电压，以及，g.电子负载，所述电子负载连接到所述存储电容器。14.根据权利要求13所述的AC直接到DC提取转换系统，其中，所述第一半导体开关和所述第二半导体开关均为MOS场效应晶体管。15.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·特勒富斯，哈里·罗德里格斯，
申请(专利权)人：因特莱索有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US