用于消費電子設(shè)備的功率電路的制作方法
【專利說明】用于消費電子設(shè)備的功率電路
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年7月10日提交的美國臨時專利申請序列號61/844, 784的權(quán) 益，要求2013年6月28日提交的美國臨時專利申請序列號61/841,079的權(quán)益，并且要求 2013年6月14日提交的美國臨時專利申請序列號61/835, 438的權(quán)益，所有這些專利申請 的全部內(nèi)容出于所有目的以引用方式整體并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上涉及電力電路，并且更具體地涉及用于提供電力以供用于為消費電 子設(shè)備充電的電力電路。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 能量危機要求滿足對那種較低電流負載的需求。能量危機正在我們的世界上發(fā) 生。例如，美國能源部（U.s.DepartmentofEnergy)預測，到2015年，平均來說，將沒有足 夠電力來滿足美國平均需求。
[0006] 造成這種情況的可控因素之一是〃吸血鬼負載（VampireLoad)。這種電力（也稱 為"壁式功率"或"備用功率"）浪費據(jù)美國能源部（D0E)估計每年將浪費超過1000億kW 能量，相當于浪費了 1百億美元。吸血鬼負載生產(chǎn)者包括蜂窩電話充電器、膝上型計算機充 電器、筆記本充電器、計算器充電器、小型用具、以及其他由電池供電的消費設(shè)備。
[0007] 在2008年，美國能源部稱：
[0008] "許多用具即使在切斷后也會一直汲取小量功率。在大多數(shù)的用電用具（諸如 VCR、電視機、音響、計算機、以及廚房用具）中，都會出現(xiàn)這些"幻影"負載。這種情況可以 通過拔去用具插頭或使用電源板并使用電源板上的開關(guān)來切斷通向用具的所有功率而避 免。"
[0009] 根據(jù)美國能源部的說法，以下類型設(shè)備消耗備用功率：
[0010] 1.用于電壓轉(zhuǎn)換的變壓器。（包括使用壁式充電器的蜂窩電話、膝上型計算機和 平板電腦、計算器或其他由電池供電的設(shè)備）。
[0011] 2.為已切斷的設(shè)備供電的壁式電源。（包括蜂窩電話、膝上型計算機和平板電腦、 計算器、由電池供電的鉆和工具，所有這些均具有壁式充電器并且已對電池進行完全充電 或?qū)嶋H與設(shè)備斷開連接）。
[0012] 3.具有立即響應(yīng)用戶動作而無暖機延遲的"即時打開"功能的許多設(shè)備。
[0013] 4.可由遠程控件來喚醒的處于待機模式的電子設(shè)備和電學設(shè)備，例如，一些空調(diào)、 視聽設(shè)備（諸如電視機接收器）
[0014] 5.例如利用通電的定時器能夠?qū)嵭幸恍┕δ埽ㄉ踔猎谇袛鄷r）的電子設(shè)備和電學 設(shè)備。大多數(shù)現(xiàn)代計算機消耗備用功率，從而允許它們被遠程喚醒（通過LAN喚醒等等） 或在指定時間喚醒。這些功能即使不需要也始終保持啟用；可通過與干線斷開連接（有時 通過背面開關(guān)）節(jié)省功率，但這僅在不需要該功能時才可。
[0015] 6.不間斷式電源（UPS)
[0016] 所有這些就意味著即使當蜂窩電話、膝上型計算機或相似的設(shè)備完全充電時，電 流仍會流動，但無任何作用并且浪費電力。最近制造的設(shè)備和用具全天、每天一直汲取電 流，并且?guī)碡攧?wù)負擔，而且加劇世界性的能量危機。
[0017] 國家標準和技術(shù)局（NationalInstituteofStandardsandTechnology; NIST)(美國商務(wù)部的分支機構(gòu)）借由其在2010年召開的建筑技術(shù)研究和開發(fā)小組委員會 (BuildingsTechnologyResearchandDevelopmentSubcommittee)表明其目標是減少 "插頭負載"，他們表明：
[0018] "插頭負載對總體消耗的影響相當顯著。對于商用建筑，插頭負載據(jù)估計為總能量 消費的35%，對于住宅，插頭負載據(jù)估計為總能量消費的25%，并且對于學校，插頭負載據(jù) 估計為總能量消費的1 〇 %。
[0019] 使插頭負載降低的方式包括：
[0020] 1)更有效的插入的設(shè)備和用具，
[0021] 2)關(guān)閉未使用的用具并減少來自變壓器和其他小型但始終打開的用具的"吸血 鬼"負載的自動開關(guān)設(shè)備，或者
[0022] 3)糾正居住者的行為。"
[0023]所有現(xiàn)代電子器件實際將經(jīng)歷的問題之一在于電源（無論外部"功率模塊"還是 埋置"功率模塊"）是不夠節(jié)能的。這會由于若干原因而真實存在，原因之一要追溯到1831 年邁克爾·法拉第（MichaelFaraday)發(fā)明了變壓器。變壓器本就是低效的，因為作為模擬 設(shè)備，它們僅可針對每個特定繞組產(chǎn)生一個功率輸出。因此，如果必需兩個功率輸出，那么 必需兩個次級繞組。此外，通常必須存在50個以上零件和件與變壓器一起作用以便形成常 見現(xiàn)代外部電源，該數(shù)量僅在具有內(nèi)部或埋置功率模塊的情況下得到一定程度的減小。電 源中的零件數(shù)量是固有低效的，因為電流必須沿著、圍繞各種零件行進并且穿過各種零件， 每個零件具有不同功率耗散系數(shù)；并且甚至電路跡線也導致電阻損耗，從而造成能量浪費。
[0024] 另外，變壓器工作的方式是形成和消散磁場。由于所有電子無法通過磁場形成/ 消散來被"再次捕獲"，因此，所逸散的那些電子通常表現(xiàn)為熱量，這是蜂窩電話、膝上型計 算機以及平板型計算機充電器摸起來感覺是溫暖或滾燙的原因。這也是所有消費電子器件 產(chǎn)生熱量（這不僅會浪費能量/電力，還會導致因其他相關(guān)聯(lián)的電子零件加熱造成的耗損） 的主因。
[0025] 當前電子器件中出現(xiàn)的另一低效之處在于需要多個內(nèi)部電源來使不同零件運行。 例如，在現(xiàn)代社會中，已變成為"真實世界"越來越重要的零件的功率模塊M0SFET對接在電 路系統(tǒng)中。
[0026] M0SFET實現(xiàn)開關(guān)、電機/螺線管驅(qū)動、變壓器對接和許多其他功能。另一方面則是 微處理器。微處理器的特征為可為5伏特、3. 3伏特、2. 7伏特或甚至1. 5伏特的穩(wěn)定減少 的操作電壓和操作電流。在大多數(shù)的系統(tǒng)中，M0SFET以及微處理器一起或組合來用于進行 電路系統(tǒng)工作。然而，用于M0SFET的微處理器和驅(qū)動器常常在不同電壓下操作，從而導致 在電路內(nèi)需要多個電源。
[0027] 標準M0SFET需要可遞送約15伏特擺幅的驅(qū)動器，以便成功打開和關(guān)閉該M0SFET。 在打開情況下，實際需要驅(qū)動器的電壓超過有效的軌功率。為此，已設(shè)計出使用電荷栗技術(shù) 的專業(yè)性驅(qū)動器。除了主要功能之外，M0SFET驅(qū)動器將會需要減少輸入驅(qū)動，使其可與現(xiàn) 代CMOS處理器的輸出驅(qū)動能力相容。
[0028] 常見于大多數(shù)的外部電源（像充電器）的這種M0SFET/驅(qū)動器布置實際需要三個 單獨電源。所需第一電源是主電源軌，其通常由供應(yīng)至M0SFET的范圍在100VAC至300VAC 范圍內(nèi)的電壓組成。所需第二電源是M0SFET驅(qū)動器所需要的15伏特（或更高）。最后，微 處理器需要另一隔離電源來為它們提供許多不同且變化的電壓。
[0029] 電流低效和能量浪費的情況在典型的電視機中得到充分印證，該電視機需要多達 4至6個不同電源模塊以使屏幕、背光、主電路板以及聲音和輔助板運行。這種當前系統(tǒng)針 對每個所需電源需要多個變壓器和許多零件。變壓器和零件（包括M0SFET)通過它們的重 復低效活動而熱量倍增，這是電視機的背面始終摸起來滾燙的原因。另外，各種功率輸出需 要的變壓器越多，需要的零件就越多，并且就越容易造成能量浪費。
[0030] 除了熱量問題之外，基于多個變壓器的電源通常均需要使40至60個零件運行，從 而典型基于變壓器的電視機電源模塊會需要大量零件，這增加了成本以及總體部件大小， 同時降低了可靠性。隨著納入許多零件，系統(tǒng)電阻增加，這導致了能量作為熱量浪費。
[0031] 本發(fā)明的目標在于以上所提出的問題中的一個或多個，以便實現(xiàn)更佳效率并且對 來自軌源的涌入電流提供更多控制。
[0032] 發(fā)明概述
[0033] 在本發(fā)明的一個方面中，提供一種用于提供電力以用于充電應(yīng)用和/或為電子設(shè) 備的恒壓供電電路供電的電學電路。所述電學電路包括功率轉(zhuǎn)換器電路，所述功率轉(zhuǎn)換器 電路電耦接至電源，以從所述電源接收交流（AC)輸入功率并向電子設(shè)備遞送直流（DC)輸 出功率。所述功率轉(zhuǎn)換器電路包括變壓器和耦接至所述變壓器的初級側(cè)的開關(guān)設(shè)備，以從 所述電源向所述變壓器的初級側(cè)遞送功率。電壓傳感器被耦接至所述變壓器的所述初級 偵牝以感測由所述變壓器產(chǎn)生的功率的電壓電平?？刂破黢罱又了鲭妷簜鞲衅骱退鲩_ 關(guān)設(shè)備，以從所述電壓傳感器接收所感測的電壓電平并向所述開關(guān)設(shè)備傳輸控制信號以調(diào) 節(jié)遞送至所述電子設(shè)備的功率的電壓電平。
[0034] 在本發(fā)明的另一方面中，提供一種用于提供電力以用于充電應(yīng)用和/或為電子設(shè) 備的恒壓供電電路供電的電學電路。所述電學電路包括功率轉(zhuǎn)換器電路，所述功率轉(zhuǎn)換器 電路電耦接至電源，以從所述電源接收交流（AC)輸入功率并向電子設(shè)備遞送直流（DC)輸 出功率。所述功率轉(zhuǎn)換器電路包括變壓器和耦接至所述變壓器的初級側(cè)的開關(guān)設(shè)備，以從 所述電源向所述變壓器遞送功率。霍爾效應(yīng)傳感器被耦接至所述變壓器初級側(cè)，以感測由 所述變壓器產(chǎn)生的磁場?？刂破鞅获罱又了龌魻栃?yīng)傳感器和所述開關(guān)設(shè)備，并且被配 置來從所述霍爾效應(yīng)傳感器接收所感測的磁場并向所述開關(guān)設(shè)備傳輸控制信號以調(diào)節(jié)遞 送至所述電子設(shè)備的功率的電壓電平。所述控制信號根據(jù)所感測的磁場確定。
[0035] 在本發(fā)明的另一方面中，提供一種用于提供電力以用于充電應(yīng)用和/或為電子設(shè) 備的恒壓供電電路供電的電學電路。所述電學電路包括整流器電路，所述整流器電路被耦 接至電源，以從所述電源接收AC輸入功率并且將所述AC輸入功率轉(zhuǎn)換成DC輸入功率。準 諧振式電路被耦接至所述整流器電路。所述準諧振式電路可以包括第一開關(guān)設(shè)備、電感器 和電容器。所述第一開關(guān)設(shè)備可以包括M0SFET。在一個實施方案中，所述準諧振式電路并 不包括電感器和/或二極管。在另一實施方案中，所述準諧振式電路并不包括所述第一開 關(guān)設(shè)備。功率轉(zhuǎn)換器電路被耦接至所述準諧振式電路，以從所述準諧振式電路接收所述DC 輸入功率信號并且遞送具有減少的電壓電平的DC輸出功率。所述功率轉(zhuǎn)換器電路包括變 壓器和耦接至所述變壓器的初級側(cè)的第二開關(guān)設(shè)備，以從所述準諧振式電路向所述變壓器 遞送功率。同步整流器電路被耦接至所述變壓器，并且包括：同步開關(guān)設(shè)備，所述同步開關(guān) 設(shè)備被耦接至所述變壓器的次級側(cè)；以及同步整流器控制器，所述同步整流器控制器被耦 接至所述同步開關(guān)設(shè)備，以向所述同步開關(guān)設(shè)備傳輸開關(guān)控制信號以便修改遞送至所述電 子設(shè)備的所述輸出功率。所述電學電路還可包括替代橋式整流器耦接至所述變壓器的所述 初級側(cè)的同步整流器電路。電壓傳感器被