CN1383569A - 小型化ac/dc电源及电池充电器 - Google Patents

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Abstract

连到电源(AC)的变压器(T1),它由初级线圈(16和18)、次级线圈及磁心构成,次级线圈构成提供经调节的DC输出(12)电压和/或电流。初级线圈包含两部分,一部分用来使变压器用作低电压输入(16)转换器,在把变压器用作高电压输入(18)转换器时使用这两部分。

Description

小型化AC/DC电源及电池充电器
相关申请的交叉引用
本申请是2000年4月6日提交的60/195034号以及2000年4月11日提交的60/196537号临时专利申请的部分继续，这里引用这两个申请的外部内容作为参考。
有关联邦政府资助研究的声明
不适用
技术领域
本发明涉及小型化电源及电池充电器。尤其是，本申请揭示了一种允许制造较小且成本较低的AC/DC电源和电池充电器的独创性变压器和独创性控制元件。
背景技术
使用平面变压器在本领域内是公知的。例如参见以下专利：
US 5502430
US 5754088；
US 5949321；
US 6069548；
US 6144276；
US 6208531。
有关小型变压器及小型电源和电池充电器的专利在本领域内也是公知的。例如参见以下专利：
US 5534839，以及
US 6100664。
US 6208531涉及一种具有电磁耦合控制的电力变换器。
现有技术都不能提供这样的电源/电池充电器，即具有可接受10-30 VDC之间的DC输入或85 VAC到265 VAC以及50-60Hz之间的AC输入的通用输入并提供经调节的DC输出电压或电流；它利用平面变压器；提供允许装置以任何电池的化学性质以及诸如太阳能电池等可变电源进行工作的可编程控制；不需要庞大的编程(hold up)电容器；使电压的阻抗与负载的阻抗匹配；以及可通过磁性隔离进行电气隔离。
为了揭示的目的，这里完整地引用所参考的所有美国专利和专利申请及所有其他出版物作为参考。
发明内容
申请人已发明了具有通用输入的小型电源及电池充电器，从而使它起到通用电源模块的作用。此独创性装置连到一电源(可以是AC或DC)，该电源连到一变压器，该变压器由初级线圈、次级线圈和磁心构成，次级线圈构成提供经调节的DC输出电压和/或电流。一控制电路电气连接到该电源，以控制电气连接到该控制电路的第一和第二FET，第一FET电气连接到初级线圈的上部，从而在第一FET被触发时，使变压器只利用初级线圈的上部，第二FET电气连接到初级线圈的下部，从而在第二FET被触发时，使变压器利用整个初级线圈。一控制电路构成检测电源的输入电压，在其超过预定阈值电压时触发第二FET，从而使电源模块作为高电压输入转换器来运行，在低于预定阈值电压时触发第一FET，从而电源模块作为低电压输入转换器来运行。
独创性通用电源模块利用有助于其尺寸小型化的独创性平面变压器设计。独创性平面变压器包括形成一平面线圈的三重(triple)绝缘的初级绕组以及在一印刷电路板(PCB)上形成的次级绕组。将此三重绝缘初级绕组和次级绕组夹在上下磁心材料之间，此三重绝缘初级绕组和次级绕组实际相互接触。使用三重绝缘初级绕组提供了安全的隔离。
控制元件包括由主控制电路构成的电池模块电路以及用于监测和保持二次电池上的电荷的DC/DC转换器。主控制电路调节输入功率，且连接到一DC/DC转换器，该DC/DC转换器产生用来对电池充电的经调节的DC电流。主控制电路有三条输入线，用以编程主控制电路，而DC/DC转换器具有三条输入线，用以编程DC/DC转换器。可使用少到单条线来进行编程，但三条线符合使用JTAG标准的标准。
控制电路还可包括由一独创性电路构成的开关模式电源，以跟踪AC输入源的整流循环的电压。这使得可消除庞大的保持电容器，从而有助于装置的小型化。
控制电路还可包括一独创性源阻抗匹配电路(它包括电气连接到一电源和一电池的充电器)以及使来自电源的电流斜升直到充电器的负载阻抗与电源的阻抗匹配的控制电路。
还可如此可编程地构成和配置该控制电路，从而可由用户可编程地设定通用电源模块的DC输出电压和/或电流。这使得装置在空中(on the fly)可利用不同类型的电池。
使用连到变压器的次级线圈的高电流低损耗二极管使得可进一步小型化。此高电流低损耗的二极管包括电气连接在输入和输出之间的第一和第二高电流低导通电阻的功率MOSFET。一控制电路电气连接到此第一和第二MOSFET，此控制电路在输出上的电压高于输入上的电压时断开第一和第二MOSFET，并在输入上的电压高于输出上的电压时则接通第一和第二MOSFET。
本发明的装置中所利用的变压器使用一独创性结构，从而进一步减小了尺寸。该变压器使用具有相对侧的绕线轴。PCB支撑销(pin)从绕线轴的各相对侧延伸，第一和第二绕组就位于绕线轴的各相对侧上，一磁心附着到该绕线轴。两个PCB附着到PCB支撑销，绕线轴的每一侧上有一个PCB。绕组可位于支撑销周围或在PCB上。
将变压器的初级线圈装在叶片(paddle)中，并将次级线圈装在配套的插座中，则也可使本发明的通用电源模块电气隔离。这样，一负载装置电气连接到次级线圈并与电源电气隔离。
附图概述
以下将具体参考附图来详述本发明，其中：
图1是本发明的小型化AC/DC电源及电池充电器的电路示意图；
图2是在本发明的小型化AC/DC电源及电池充电器中使用的独创性平面变压器的分解透视图；
图3是平面变压器另一个实施例的透视图；
图4是图4的另一个实施例的侧视图；
图5是图3的实施例的另一个实施例的侧视图；
图6是示出图1的电路所使用的独创性电池模块的方框图；
图7是一独创性电池充电器电路的电路示意图，该电路允许消除图1电路中庞大的“支持”电容器；
图8示出由图7所示没有大电容器70的电路所产生的整流过的正弦波波形；
图9示出电路中有大电容器70的波形；
图10不出图7的SMPS的输出；
图11是结合图1的电路所使用的独创性高电流低损耗二极管的电路示意图；
图12是结合图1的电路所使用的独创性源阻抗匹配电池充电器的电路示意图；
图13是示出图12的电路的阻抗匹配的曲线图；
图14示出用于独创性用户可编程电源模块的电阻器编程；
图15示出用于程序的用户可编程电源模块的串行编程；
图16示出用于程序的用户可编程电源模块的PWM编程；
图17示出图1本发明实施例中的具有磁性耦合电源引入线的的电路示意图；
图18a-d示出图17的独创性磁性耦合电源引入线的叶片和插座的几个视图；以及
图19示出配套的插座电路的电路示意图。
本发明的较佳实施方式
虽然可以许多不同的形式来实施本发明，但这里详细地描述本发明的一特定较佳实施例。此描述是本发明原理的示例，而非把本发明限于所示的特定实施例。
现在参考图1，在10处整体地示出本发明的小型化AC/DC电源及电池充电器的电路示意图，它允许10-30 VDC之间的DC输入或85 VAC到265 VAC之间以及50-60Hz之间的AC输入，并在12处提供经调节的DC输出电压。电源及电池充电器10利用14处所示具有抽头的初级线圈T1的变压器。该抽头如此配置，从而使初级线圈16的上部具有适合作低电压输入DC/DC转换器(使用17出所示的FET A)运行的匝数和磁性性能。整个初级线圈由上部16和下部18构成，该线圈构成具有适合作高电压输入AC/DC转换器(使用20出所示的FET B)运行的匝数和磁性性能。在作低电压DC/DC转换器运行时，在变压器初级线圈的下端感应出高的负电压。二极管19阻止此高的负电压破坏FET B。
控制元件22连到FET A 17以及FET B 20两者。如以下进一步讨论，控制元件22的可编程性以及电力变压器的双馈电(dual feed)初级线圈配置允许本发明的小型化AC/DC电源及电池充电器把大范围的输入电压(10-30 VDC或85 VAC到265VAC之间以及50-60Hz之间的AC输入)转换成大范围的输出电压和电流。可进行此转换，以提供恒定的输出DC电压，因而该电路可用作电源；提供可编程的输出电路，因而该电路可用作电池充电器，或提供恒定功率，因而该电路可用作太阳能电池逃逸(running off)时的电源或充电器之用。
现在参考图2，图1的抽头初级线圈14包括30处整体示出的混合平面变压器，其中32和34是扁平变压器磁心的两半。磁心材料是用于高频响应的铁氧体或铁粉。在36处示出初级绕组，它是扁平线圈，其导线用三层高压击穿绝缘材料加以三重绝缘，以保持初级绕组36与次级绕组38之间的高度绝缘。初级线圈经上漆或上胶，从而可使其缠绕的线圈保持扁平形状。如本领域内所公知，次级绕组38在PCB层上跟踪形成，而在多层PCB上就可提供多个次级绕组38。在一PCB上只有一个(或多个)次级绕组的优点在于变压器的尺寸小，三重绝缘的初级绕组在初级线圈和次级线圈之间提供了充分的安全隔离，而不需要漏电和空隙距离。使用本发明的平面变压器有助于图1的装置的小型化。
现在参考图3-5，示出平面变压器的几个可选实施例。图3示出一绕线轴49，它具有从绕线轴的各相对面延伸的PCB支撑销50和52。初级和次级绕组分别缠绕在绕线轴的两侧，将变压器的磁心附着到绕线轴，围着绕组。两个PCB 54和56焊接到支撑销50和52。与初级绕组有关的电路位于电路板54上，与次级绕组有关的电路位于电路板56上。图5示出图3的直角实施例。构造两个PCB之间的变压器减少了整个封装的尺寸和所占面积(footprint)，有助于图1的装置的小型化。
现在参考图6，在60处示出电池模块，它构成图1的控制元件22的一部分。电池模块用作监测和保持二次电池上的电荷的智能充电器，并可对任何所需的电池化学性质加以编程。DC/DC转换器62把来自主控制电路的功率提供给电池以进行充电。提供了诸如铅酸或硫化镉电池(未示出)等二次电池。电池充电要求或者是工厂编程的，或经由JTAG串行数据流；串行EEPROM或PWM信号提供给主控制电路。然后，使用电阻器、JTAG或其他串行数据流、串行EEPROM或PWM信号把DC/DC转换器对所需的输出电压和电流加以编程。通过串行数据流可获得电源线路、电池和DC/DC转换器的状态和控制。
现在参考图7-10，示出允许消除图1中桥路20与变压器14之间庞大的保持电容器的电路。图7所示的电路允许控制元件22遵循AC线路的整流循环。图7所示的电路具有现有技术的保持电容器C1(大)70和C2(小)72，但应理解，使用图7的电路可消除大的C1电容器。保持电容器C1和C2在本领域内是公知的，它们用来把DC电压“保持”在一几乎恒定的值，而非图8所示的整流正弦波。在图9中示出此“保持”电压。以L1 76对AC输入源74进行滤波，并以半波或全波二极管桥路78进行整流，以产生由图8所示整流的正弦波构成的DC电压。没有保持电容器70，图8的电压几乎降到零，60或120Hz。然后把此电压加到开关模式电源(SMPS)80。SMPS 80以诸如10kHz或更高的高速率对输入电压进行斩波，并把此斩波电压(或双重情况下的斩波电流)提供给变压器14的初级线圈。变压器的次级输出代表来自次级线圈的斩波电流波形。由二极管82对变压器的次级输出进行整流，并以电容器84进行滤波。然后，把此电压加到电池86，以对其再充电。
如图10所示，SMPS 80把电流脉冲加到变压器的初级线圈。每个脉冲的持续时间比60或120Hz的输入电压短得多。SMPS可有效地把电力传递到次级电路，继而通过变压器的这一高频开关动作传递到电池86。此外，该电路可通过调节变压器14的匝数比使输入和输出电压明显不同(例如，一120 VAC的源可对一12 VDC的电池进行充电)。
在72两端的整流DC输入电压增加到超过预定“接通”电压时，SMPS 80接通或启动开关操作。相反，当输入电压降到低于“接通”电压时，SMPS将停止开关操作。当加至SMPS 80的输入电压在这两点之间时，处于空闲，不向电池传递任何电力。SMPS以60或120Hz断开和接通，这导致电池充电电流成为速率是60或120Hz的小电流脉冲串(burst)。
如本领域内所公知的，以反馈电路88测量输出电压样本，使用该样本来控制SMPS的操作。当电池电压指示完全充电时，SMPS断开，直到必须对电池再充电。
由于电池对SMPS的输出提供低阻抗，所以可明显地减少C3 84的值，并允许对电池86中产生的输出电流脉冲求平均。消除通常是电池充电器中最大元件的庞大保持电容器70有助于减少整个封装的尺寸和重量以及电池充电器的成本。
图11旨在一种在图1中的82处使用的高电流低损耗二极管电路，它提供了非常高的效率，因此是尺寸最小的输出二极管。与把传统的肖特基二极管用作图1中的82相比，图11的电路允许高电流以低得多的损耗流过晶体管90和92。与半导体二极管相同，电流仅在输入电压高于输出电压时流动，反之不然。晶体管90和92是高电流、低导通电阻的功率MOSFET。94是隔离的功率MOSFET栅极驱动电路，诸如型号HT0740。96是运算放大器IC，它能读出高于和超出其电源(VCC)端子的输入电压，诸如Linear Technologies销售的LT1782。使用晶体管90和92可在晶体管断开时切断沿双向的电流。该电路的简化可选方案消除了门94和晶体管92，它们将如传统的二极管切断反向电流。
在此电路中，98、100和102提供了用于运算放大器的齐纳调节电源。96两端的电压为12伏。运算放大器96通过电阻器104和106读出90和92两端的电压降。如果输出108上的电压高于输入110上的电压，则运算放大器96的输出将转到低电压(接近于D2阳极上的电压)。这将使PNP晶体管112接通，从而使电流流过电阻器114和116并使NPN晶体管118接通。晶体管112和118起到给出接地基准输出信号的电平偏移装置的作用，该信号在门控制逻辑元件120中被进一步处理并被用来通过122和94断开90和92。
如果输入110上的电压大于输出108上的电压，则运算放大器96的输出变高，这将切断112，继而将切断118。这将使120经由122和94接通MOSFET的栅极90和92。通过使用晶体管112或118的输出来驱动94，不需要使用门控制逻辑120。如上所述，该门的消除还可消除晶体管92。
在加至MOSFET 90的输入电压大于运算放大器96的安全操作电平时，二极管124对加至96的输入提供保护。根据电路的操作电平，二极管124可能不是必需的。
图11的本发明的电路起到了“理想二极管”的作用，其中半导体二极管的性能具有极少的损耗，把此二极管用作图1中的电路元件82有助于本发明电源的整体小型化。
现在参考图12和13，示出在图1的控制元件22中使用的独创性源阻抗匹配电池充电器电路。该电路允许AC/DC或DC/DC电池充电器跟踪诸如太阳能电池等电源150的输出阻抗，并以不同于源150的最佳输出电压的电压提供给电池152进行充电。该电路也提供电池的电荷管理。把输入电压范围宽的电源模块用作智能充电器154，诸如以上结合图6所讨论的电路。充电器154监测和保持二次电池152上的电荷。充电器154可对任何电池化学性质进行编程。
为了使用充电器154，用户提供诸如铅酸或硫化镉电池等二次电池152。电池充电要求是或者工厂编程的，或经由JTAG或其他串行数据流；或串行EEPROM或PWM信号加以提供。然后，如图13所示，充电器154监测源电压150，并使来自该源的电流斜升，直到该源的负载阻抗匹配。可通过串行数据流获得源150、电池152和充电的状态和控制。本发明的电路提供了从诸如太阳能电池等阻抗可变的源给便携式或不可中断系统提供全面的可编程电池充电的优点。用户只需要加上二次电池并提供编程信息。
通过在图1的控制元件22中使用图12的独创性电路，控制元件22可对给电源的阻抗进行编程以提供匹配的阻抗。这增加了电池充电过程的效率，尤其是在从诸如太阳能电池等高阻抗源进行充电时。
现在参考图14-16，其中示出诸如图1所示的通用输入电源模块，它产生可由用户编程的DC输出电压。可用各种方式把此功能编程到控制元件22中。除了连接到AC线路以外，提供三个引脚用于编程。电压模块内部的微控制器监测这些用于编程信息的引脚，以设定该模块的输出电压和/或电流。图14示出电阻编程，其中使用电阻器200来设定电流，并使用电阻器202来设定电压。图15示出串行编程，其中使用符合JTAG或其他工业标准的串行数据流来设定电压和/或电流。图16示出PWM编程，其中使用第一PWM信号来设定电压，并使用第二PWM信号来设定电流。还可使用以上技术的组合，例如电阻器与PWM编程的组合。
可对本发明的电路进行编程，以适应线路电压降、温度、时间或湿度变化或诸如电源电平或编程电压等操作要求。由于可设定的电压和电流包括零，所以可使用此特征来接通或断开模块。由于电流和电压都是可设定的，所以使用组件可把电源模块调节到对使用模拟或数字控制的电池进行充电。使用本发明的可编程电源模块允许改变在空中的操作，诸如适用于几种不同类型的电池。
现在参考图17-19，揭示了图1的另一个实施例，其中变压器的初级线圈部分及相关电路包含在一叶片(见图18)中，变压器的次级线圈及相关电路包含在一插座(见图18)中。该独创性实施例允许使用磁性耦合来传递能量，这样提供了完全绝缘的连接器。
变压器的初级线圈部分安装在叶片300中，叶片300被设计成可滑入插座304的槽302。可使用与凹口308锁定的卡销(detent)306，把叶片302可拆卸地锁入插座304。通过使叶片与插座磁性耦合，叶片可使用任何类型的电源DC或AC把能量传递到负载装置，诸如连到插座304的电路(见图19)的电池。
以上例子和揭示是示意性的，而非穷尽。这些例子和描述将给本领域内的技术人员提示许多变化和选择。所有这些选择和变化都将包含在所附权利要求书的范围内。熟悉本领域的技术人员可知道这里所述的具体实施例的其他等价物，这些等价物也将包含在所附的权利要求书内。

Claims (12)

1.一种通用电源模块，包括：
电源；
变压器，包括初级线圈、次级线圈和磁心，次级线圈构成提供经调节的DC输出电压和/或电流；
电气连接到电源的控制电路，用于控制电气连接到该控制电路的第一和第二FET，第一FET电气连接到初级线圈的上部，从而在第一FET被触发时，仅利用变压器中初级线圈的上部，第二FET电气连接到初级线圈的下部，从而在第二FET被触发时，利用变压器中整个初级线圈；
所述控制电路构成检测电源的输入电压，在其超过预定阈值电压时触发第二FET，从而电源模块用作高电压输入转换器，而在该电压低于预定阈值电压时触发第一FET，从而电源模块用作低电压输入转换器。
2.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于变压器为平面变压器，该平面变压器包括：
形成一平面线圈的三重绝缘初级绕组；
在一PCB上形成的次级绕组，
此三重绝缘初级绕组和次级绕组夹在上下磁心材料之间，此三重绝缘初级绕组和次级绕组实际相互接触。
3.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于控制电路还包括电池模块电路，用于监测和保持二次电池上的电荷，该电池模块包括：
连到一充电器的交流电源，该充电器连到一DC/DC转换器，该DC/DC转换器产生用来对电池充电的经调节的DC电流；
充电器具有用于对充电器进行编程的三条输入线，以及
DC/DC转换器具有用于对DC/DC转换器进行编程的三条输入线。
4.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于控制电路还包括一开关模式电源，后者被构成允许使用AC输入源经整流的循环。
5.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于还包括连到变压器的次级线圈的高电流低损耗二极管，此高电流低损耗二极管包括：
电气连接在输入与输出之间的第一和第二高电流低导通电阻的功率MOSFET；
电气连接到此第一和第二MOSFET的控制电路，此控制电路在输出上的电压高于输入上的电压时断开第一和第二MOSFET，并在输入上的电压高于输出上的电压时接通第一和第二MOSFET。
6.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于还包括连到变压器的次级线圈的高电流低损耗二极管，此高电流低损耗二极管包括：
电气连接在输入和输出之间的高电流低导通电阻的功率MOSFET；
电气连接到该MOSFET的控制电路，此控制电路在输出上的电压高于输入上的电压时断开MOSFET，并在输入上的电压高于输出上的电压时接通MOSFET。
7.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于变压器是使用印刷电路板的小型变压器，包括：
具有相对侧的绕线轴；
从绕线轴的各相对侧延伸的PCB支撑销；
绕线轴各相对侧上的第一和第二绕组，以及
附着到绕组的磁心。
8.如权利要求7所述的通用电源模块，其特征在于该小型变压器还包括两个印刷电路板，每个都附着到从绕线轴的相对侧延伸的PCB支撑销上。
9.如权利要求8所述的通用电源模块，其特征在于PCB之一包含用于控制变压器初级线圈部分的电路，另一PCB包含用于控制变压器次级线圈部分的电路。
10.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于控制电路还包括源阻抗匹配的电池充电器电路，该源阻抗匹配电池充电器电路包括：
电气连接到一电源和一电池的充电器；
一控制电路，它使来自电源的电流斜升直到充电器的负载阻抗与电源的阻抗匹配。
11.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于还可如此可编程地构成和配置该控制电路，从而可编程地设定通用电源模块的DC输出电压和/或电流。
12.如权利要求1所述的通用电源模块，其特征在于变压器的初级线圈装在一叶片中，而次级线圈装在配套的插座中，从而使电气连接到次级线圈的负载装置与电源电气隔离。
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