高效电源制造技术

用于从初级交流输入（１３）产生稳压直流输出（Ｖｏｌｔｓｌ）的电源（１１）具有常规整流和滤波电路（１５）和开关电路（１７），用于向高频变压器（１９）提供高频而且基本上是矩形电压波形的。该变压器的输出提供给具有接地线路和非接地线路的同步补偿转换器（２１），它具有位于非接地线路中的第一场效应管开关（３５）和从第一场效应管开关连接到接地线路的第二场效应管开关（３７）。同步补偿转换器中的一个控制器根据输入电压波形切换场效应管以达到整流。另一方面，两个场效应管在非接地线路为反相设置并一同切换，而控制器（４３）还根据由同步补偿转换器的输出所产生的稳压输出的幅值而改变切换的占空因数，以获取精确稳压。电源提供了不同的多个稳压输出，它可由外部启动或关闭。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及将初级交流电源转换为至少一个受控直流输出的开关电源，尤其涉及用于通用计算机系统的这类电源。本专利技术的
技术介绍
诸如通用计算机系统这样的电子系统一般包括用于接受诸如在美国使用的为120V，60Hz的初级系统的初级电源，并用于以特定系统所需的其它形式提供电源。诸如计算机这样的系统常常需要几种不同电压的电能并作为直流电而不是初级的交流电。一般来说，希望电源以最大效率操作，使得在转换过程中所供给的电能损失量最小。一个有效的电源将以最小的损耗向其负载传输电能。通过把操作系统或者设备所需的电能量减小到最小以节省电能的成本。如上所述，一个计算机系统需要电能驱动几个子系统，而所有这些子系统并不是使用相同的电压。例如，很多计算机用5v直流或者3v直流来操作固态电路，诸如CPU微处理器，而同时电动机可能需要12v直流用于驱动盘存储系统。确实，计算机应当只消耗执行其必要的功能所需要的电能量。然而实际上，某些电能浪费在电源中，因而效率小于100％。所浪费的电能通常在电源部件中衰变为热。耗费的热必须被消散，否则部件的温度将上升到足以损坏部件，或者至少降低功能度。在用于计算机系统的电源中的重要电能损失源是在把输入初级交流线路电压转换为稳压直流输出电压的过程中。部分的问题是在输入线路中(在美国为120v，60Hz)高电压和低频率的结合。在通用计算机中，所需的输出电压通常在或者低于12v直流，从而使得较高的输入线路电压必须显著降低。电压的降低一般通过变压器实现。变压器的大小有很大范围，并且变压器的效率(连同其它因素)还依赖于在变压器初级线圈操作的输入线路电压的频率。一般来说，对于较高的输入频率，可使用较小的变压器。而且，由于计算机系统中尺寸的限制，小的变压器尺寸是所希望的。因而输入的低频率(60Hz)而需要大的变压器是一个问题。处理低输入频率的问题的传统方法是在向变压器提供输入之前增加输入线路电压的频率。该过程的第一步是转换输入的交流线路电压为非稳压的直流电压。这一过程称为整流和滤波，并且是周知的。在本
中有许多已知的途径来完成整流和滤波。在传统的情形下，非整流的直流电压是通过一个开关采样以便增加频率。也就是，非整流直流电压被斩波为较高频率。这也是熟知的过程，并有很多实现这一点的方式。最后，被斩波的直流电压波形输入到小的高频变压器的初级线圈以完成降压的过程。上述对于传统情形的电压的降压过程需要把输入的交流线路电压首先转换为直流，然后在实际被变压器降压之前回到交流。这一交流到直流到交流的过程对许多计算机系统电源是通用的。与每一转换步骤有相关的小损失，但是电源的这一降压级可被设计为相对有效。变压器的次级交流电压波形被降压和斩波，然后再转换为稳压的直流电压供给计算机系统使用。所使用实现电源这一稳压级的一种常用的传统的方式是输入的稳压。首先，来自次级的交流波形通过二极管整流，二极管在一个方向上对电流具有低电阻而在相反方向上具有高电阻。其次，从这些二极管的输出被滤波以产生一直流电压。已经滤波的直流输出被采样并反馈以控制用来斩波被整流和滤波的交流输入线路电压的开关的占空因数。这一过程通过控制由变压器变换或者耦合的能量对输出直流电压稳压。在这一传统的方法中，二极管两端有固定的压降。如果所需的输出电压足够低(例如为5v)，则对于标准的P-N结二极管，其两端大约为0.7V到1V的固定压降是输出电压一个明显的百分比。这导致通过二极管的电能消散，从而降低了电源的效率。二极管的压降可通过使用肖特基二极管尽可能地减小，减小到压降为大约0.3V到0.7V，但是肖特基二极管比标准的P-N结二极管昂贵很多，这增加了电源的成本。一般来说，按照这种传统方式的电源的总效率在50％到70％的范围。通过二极管消散的电能衰变为热这一事实进一步增加了困难。二极管电路中产生热的这一事实要求二极管的结构为其中的热可被控制的分立组件，因而妨碍了在二极管组件中应用集成电路技术。对输入进行稳压以生成稳压的直流输出电压的另一个缺陷在于只有一个电平可被精确地稳压。这一事实使得在需要多个稳压输出直流电压的计算机系统中成为特别重要。制造商用于克服这一缺陷以便精确控制多于一个输出的一种方法是通过运行与一个严格稳压的直流输出电平分立的开关稳压器以提供多个输出电压。这一设计称为功率轨道概念。开关稳压器也称为直流到直流转换器，并利用电场和磁场之间的关系以便对电压进行稳压。这些开关稳压器比可比较通道晶体管电压稳压器更有效率，制造商常用的开关稳压器的一种类型称为补偿转换器。功率轨道方法解决了多输出精确性的困难，但是仍然有由所使用的整流二极管生成功率轨道而引起的低效率的困扰。而且，功率轨道通常以比任何被供电的子系统所需的电压为高的电压稳压，而这较高的电压是作为直流到直流转换器的基准电压。这造成成本负担，因为对每一输出电压需要一个独立的直流到直流转换器。本专利技术的目的很清楚，所需要的是一种在稳压级避免由整流二极管造成损失的电源结构，该结构还允许在不使用昂贵的功率轨道的情况下实现不同数值的多个精确稳压的直流输出电压。不需要昂贵的肖特基二极管而同时避免二极管的损耗使得电源的效率提高，并允许大多数电源元件作为硅固体器件实现。本专利技术的技术方案根据本专利技术的实施例提供了用于从交流初级生成稳压直流输出的电源。该电源包括连接到用于产生非稳压直流电压的交流初级的整流和滤波电路，以及一个连接到整流和滤波电路的外部可调节输入开关电路，其构成使得在开关电路两个输出线路之间以高于输入频率的频率提供了基本是矩形波形的交流输出。基本是矩形的交流电压波形输入到一个降压变压器，该变压器带有连接到开关电路的两个输出线路的初级线圈和具有一个接地线的次级线圈。该变压器从输入开关电路在变压器的接地线和第一输出抽头之间以低于输入波形的电压基本上重新产生矩形波形。具有连接到变压器接地线和第一输出抽头的第一和第二输入线路的唯一的同步补偿转换器对于变压器次级的矩形波进行整流。同步补偿转换器包括一个被连接以切换来自第一输出抽头的线路的第一场效应管，一个从第一场效应管的输出连接到接地线的第二场效应管，以及一个连接到每一场效应管的开关输入并以高于第一输出抽头电压与变压器的第二输出抽头相连的第一控制器。该控制器的构成是为了与矩形波同步地切换场效应管的通断，第一场效应管基本在波形电压为最大时接通，而在该电压为最小时断开。第二场效应管的通断状态与第一场效应管相反。存储和滤波电路连接到第二场效应管的接地和非接地侧，该第二场效应管在来自非接地侧的线路中具有一个电感器而在接地和非接地侧之间连接有一个电容器，并从电感器的输出到电容器的接地侧提供被测量的稳压直流输出。连接到电感器的输出和外部可调节输入开关电路的第二控制器根据稳压直流输出的电压幅值的变化而调节输入开关电路的占空因数，以便提供电源的稳压直流输出。与电源其它元件结合的唯一的同步补偿转换器以迄今不可得的效率供电。场效应管在导通状态具有很低的电阻，因而以比传统的开关二极管开关供电产生更低的功耗。在本专利技术的具体实施例中，到变压器的输入侧是自稳压的，并且同步补偿转换器在从变压器非接地输出线路中具有两个相反极性的串联场效应管。在这一结构中，串联的场效应管被一同切换，而切换的占空因数由控制器响应检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于从交流初级提供稳压直流输出的电源，其特征在于包括：连接到所述交流初级用于产生非稳压直流电压的整流和滤波电路；连接到所述整流和滤波电路输出端的外部可调节的输入开关电路，其构成使得在所述开关电路两个输出线路之间以高于输入频率的频率提供基 本是矩形波形的交流输出；一个降压变压器，所述降压变压器带有连接到开关电路的两个输出线路的初级线圈和一个接地线的次级线圈，用于在接地线和第一输出抽头之间从输入开关电路以低于输入波形的电压基本上重新产生矩形波形；一个同步补偿转换器，所述 同步补偿转换器具有连接到所述变压器接地线和所述第一输出抽头的第一和第二输入线路，该同步补偿转换器包括一个被连接以切换来自所述第一输出抽头的线路的第一场效应管，一个从所述第一场效应管的输出连接到接地线的第二场效应管，以及一个连接到每一场效应管的开关输入并以高于第一输出抽头电压连接到所述变压器的第二输出接头的第一控制器，该控制器的构成是为了用基本是矩形的波形同步地切换场效应管的通断；连接所述到第二场效应管的接地和非接地侧的存储和滤波电路，在来自所述非接地侧的线路中具有一个电感 器及在所述接地和非接地侧之间连接的一个电容器，并从所述电感器输出到所述电容器的接地侧提供被测量的稳压直流输出；以及连接到所述电感器的输出和所述外部可调节输入开关电路的第二控制器，用于根据稳压直流输出的电压幅值的变化而调节输入开关电路的占 空因数。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：丹吉金尼斯，托巴斯咯，
申请(专利权)人：艾鲁奈克斯技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]