Схема управления первичным контуром и способ для работы со сверхнизкой мощностью холостого хода
Изобретение относится к сокращению потребления электроэнергии. Предложены способ и схема для сокращения потребления электроэнергии в течение режима холостого хода до сверхнизких уровней, таких как около от 1/10-й до 1/1000-й или менее от активной мощности. Блок питания со сверхнизким холостым ходом содержит первичную схему, вторичную схему и схему управления. Схема управления осуществляет мониторинг режима работы первичной схемы и определяет, есть ли режим холостого хода или нет условия нагрузки, и если так, то первичную схему размыкают. При размыкании первичной схемы потребление электроэнергии блока питания со сверхнизким холостым ходом снижают до сверхнизких уровней. Технический результат - сокращение потребления электроэнергии. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к сокращению потребления электроэнергии в электронных устройствах. Более конкретно настоящее изобретение относится к схеме и способу для введения сверхнизкого режима мощности холостого хода в блоке питания или устройстве.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Растущий спрос на более низкое потребление электроэнергии и экологически чистые бытовые устройства приводит к заинтересованности в схемах блоков питания с экологической технологией. Например, в среднем адаптер питания ноутбука, постоянно «включенный в сеть», проводит 67% своего времени в режиме холостого хода. Даже с адаптером питания, который соответствует нормативным требованиям рассеивания менее чем 0,5 Вт/час, это продолжительное время холостого хода добавляет на адаптер до 3000 Вт·часов потерянной энергии каждый год. При расчете потерянной энергии множества адаптеров питания в режиме холостого хода потери электроэнергии становятся значительными.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения раскрыт способ и схема для сокращения потребления электроэнергии в течение режима холостого хода запитанного устройства до сверхнизких уровней, таких как приблизительно от 1/10-й до 1/1000-й или менее от активной мощности. В примерном варианте осуществления блок питания со сверхнизким холостым ходом обеспечивает электроэнергией электронное устройство, такое как, например, ноутбук, мобильные телефоны, гарнитуры Bluetooth, смартфоны, МР3-плееры и портативные системы GPS. Блок питания со сверхнизким холостым ходом может включать в себя первичную схему, вторичную схему и схему управления. Вторичная схема соединена с первичной схемой через изолирующее устройство. Первичная схема принимает управляющие сигналы от схемы управления, чтобы соответствующим образом управлять состоянием первичной схемы.
В примерном варианте осуществления схема управления содержит логический блок управления, который отслеживает и оценивает, находится ли запитанное устройство в режиме холостого хода, и если так, то предоставляет управляющий сигнал, который сконфигурирован для управления состоянием первичной схемы посредством управления переключающей схемой, чтобы изменить состояние первичной схемы. Размыкая и/или отключая первичную схему существенно снижают потребление электроэнергии блока питания до сверхнизких уровней в течение работы на холостом ходу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает блок-схему примерного блока питания, сконфигурированного для сокращения потребления электроэнергии в течение режима холостого хода, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг.2 изображает другую блок-схему блока питания, сконфигурированного с первичной схемой для сокращения потребления электроэнергии в течение режима холостого хода, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг.3 изображает принципиальную схему блока питания, сконфигурированного с первичной схемой для сокращения потребления электроэнергии в течение режима холостого хода, в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг.4 изображает принципиальную/структурную схему блока питания, сконфигурированного с первичной схемой для сокращения потребления электроэнергии в течение режима холостого хода, в соответствии с вариантом осуществления; и
Фиг.5 изображает принципиальную/структурную схему блока питания, сконфигурированного с первичной схемой для сокращения потребления электроэнергии в течение режима холостого хода, в соответствии с другим вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может быть описано исходя из различных функциональных компонентов и различных этапов обработки. Следует принять во внимание, что такие функциональные компоненты могут быть реализованы любым числом компонентов аппаратного обеспечения или структурных компонентов, сконфигурированных с возможностью осуществления заданных функций. Например, настоящее изобретение может применять различные интегральные компоненты, такие как буферы, токовые зеркала и логические устройства, содержащие различные электрические устройства, например резисторы, транзисторы, конденсаторы, диоды и тому подобное, значения которых могут быть соответствующим образом сконфигурированы для различных целей. Кроме того, настоящее изобретение может быть осуществлено в любом применении интегральных схем. Однако только в целях иллюстрации, примерные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны применительно к переключающему преобразователю питания для использования со схемами блоков питания. Дополнительно следует отметить, что тогда как различные компоненты могут быть соответствующим образом соединены или подключены к другим компонентам в пределах примерных схем, такие соединения и связи могут быть реализованы прямым соединением между компонентами или соединением через другие компоненты и устройства, расположенные между ними.
В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения раскрыт блок питания, сконфигурированный для снижения мощности в течение режима холостого хода до сверхнизких уровней, таких как около от 1/10-й до 1/1000-й или менее от активной мощности. В примерном варианте осуществления и со ссылкой на фиг.1 блок 100 питания со сверхнизким холостым ходом включает в себя первичную схему 110, вторичную схему 120 и схему 130 управления. В примерном варианте осуществления блок 100 питания со сверхнизким холостым ходом обеспечивает электроэнергией электронное устройство, такое как, например, ноутбук, мобильные телефоны, гарнитуры Bluetooth, смартфоны, МР3-плееры и портативные системы GPS. Кроме того, внешний источник питания является либо источником переменного тока (AC), либо источником постоянного тока (DC) и соединяется с первичной схемой 110. Вторичная схема 120 находится в соединении с первичной схемой 110. Схема 130 управления отслеживает и управляет состоянием первичной схемы 110. Хотя схема 130 управления показана на фиг.1 как компонент, подсоединенный к первичной схеме 110, схема 130 управления также может быть включена или в противном случае считается включенной в первичную схему 110, так как оба компонента являются частью первичной стороны блока 100 питания, и показанный вариант осуществления приведен только в целях иллюстрации. В описываемом варианте осуществления отслеживают и/или оценивают режим работы и/или характеристики первичной схемы 110. Если отслеживаемые режим работы/характеристики первичной схемы 110 указывают, что электронное устройство по существу не питается электроэнергией от блока 100 питания со сверхнизким холостым ходом, то схема 130 управления осуществляет или управляет размыканием или отключением первичной схемы 110. В одном варианте осуществления предполагают по существу не подавать электроэнергию, чтобы выходная мощность была в диапазоне около 0-1% от типичной максимальной выходной нагрузки. В примерном варианте осуществления схема 130 управления сконфигурирована с возможностью управления состоянием первичной схемы 110 посредством управления переключающей схемой, чтобы изменять состояние первичной схемы и менять рабочие режимы блока 100 питания, например размыкать или отключать входную мощность от первичной схемы 110. В примерном варианте осуществления схема 130 управления управляет первичной схемой 110, чтобы менять режимы блока 100 питания со сверхнизким холостым ходом в соответствии с уровнем входной мощности. Однако могут также наблюдаться и отслеживаться ряд других условий, таких как интенсивность эксплуатации первичной схемы другими компонентами, уровни тока и тому подобное.
Посредством по существу отключения или размыкания первичной схемы 110 сокращают потребление электроэнергии блока 100 питания со сверхнизким холостым ходом. В одном варианте осуществления по существу отключение первичной схемы конфигурируют так, что переключающие цепи первичной схемы 110 находятся в статическом состоянии и обеспечивают только ток покоя. В другом варианте осуществления по существу отключение первичной схемы конфигурируют так, что переключающие цепи уже не являются переключающими, и что конденсаторы первичной схемы 110 и конденсаторы вторичной схемы 120 являются статическими и заряжаются при отсутствии пульсирующего тока. В еще одном варианте осуществления по существу отключение первичной схемы конфигурируют так, что электроэнергию полностью исключают из первичной схемы 110.
В описываемом варианте осуществления блок 100 питания со сверхнизким холостым ходом имеет три режима: активный, нормального холостого хода и сверхнизкого холостого хода. Активный режим является активным функционированием блока 100 питания со сверхнизким холостым ходом при питании электронного устройства. Нормальный режим холостого хода - это когда блок питания со сверхнизким холостым ходом подключают к входному источнику питания, но нет активного питания электронного устройства. В этом варианте осуществления блок 100 питания со сверхнизким холостым ходом проверяет, что текущее состояние является нормальным режимом холостого хода до переключения на сверхнизкий режим холостого хода.
В течение сверхнизкого режима холостого хода первичная схема 110 по существу отключена или разомкнута, что существенно уменьшает интенсивность потребления электроэнергии по сравнению с нормальным режимом холостого хода. Кроме того, в другом варианте осуществления блок 100 питания со сверхнизким холостым ходом может также содержать малый период «запуска» рабочего цикла для изменения времени холостого хода от постоянного холостого хода до длительных периодов нулевой мощности и коротких периодов мощности холостого хода. В примерном варианте осуществления в течение этого периодического времени «запуска» блок 100 питания со сверхнизким холостым ходом работает, чтобы обеспечить выходную мощность на вторичную схему 120. Первичная схема 110 сконфигурирована с возможностью оставаться включенной, если подключенное электронное устройство требует больше электроэнергии, чем при холостом ходе. Как только электроэнергия, получаемая из вторичной схемы 120, вернется к режиму холостого хода, блок 100 питания со сверхнизким холостым ходом после некоторого периода времени входит в сверхнизкий режим холостого хода.
В соответствии с примерным вариантом осуществления и со ссылкой на фиг.2, блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом включает в себя первичную схему 210, вторичную схему 220 и схему 230 управления. Предохранительная граница 250 раздела отделяет первичную схему 210 и вторичную схему 220. Блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом принимает входную мощность 201, которая может быть либо AC, либо DC, и передает электронному устройству входную мощность 202, которая может также быть либо AC, либо DC.
В варианте осуществления первичная схема 210 включает в себя входную схему 212, блок 214 накопления энергии и модулятор 216. Входная схема 212 сконфигурирована для защиты, фильтрации и/или выпрямления входной мощности для первичной схемы 210. В одном варианте осуществления входная схема 212 включает в себя фильтры электромагнитных помех на входе и выпрямитель и может содержать любые другие устройства для защиты, фильтрации и/или выпрямления. В примерном варианте осуществления входная схема 212 включает в себя управляемый переключатель, сконфигурированный с возможностью отключения или размыкания входной мощности для компонентов в первичной схеме 210. Кроме того, блок 214 накопления энергии сконфигурирован для сглаживания выпрямленного постоянного тока и для накопления энергии. Блок 214 накопления энергии может содержать энергонакопительный конденсатор или любое другое энергонакопительное устройство или схему. Модулятор 216 сконфигурирован для запуска устройства с диэлектрической изоляцией, например такого как трансформатор. В примерном варианте осуществления модулятор 216 может включать в себя ШИМ-контроллер и/или МОП-транзистор.
В соответствии с вариантом осуществления схема 230 управления отслеживает режим работы первичной схемы 210 и обеспечивает управление режимом блока 200 питания со сверхнизким холостым ходом на основе, по меньшей мере, одного из или сочетания: мощности, переданной через первичную схему 210, интенсивности работы компонентов первичной схемы 210, ширины импульсов в модуляторе 216, пульсирующего тока в накопительном конденсаторе, содержащемся в блоке 214 накопления энергии, входного тока из входа 201 AC, температуры компонентов с потерями в первичной схеме 210 и/или протекания тока через переключающие цепи в первичной схеме 210. Например, если выходная нагрузка находится около десяти секунд при, по существу, низкой мощности, тогда схема 230 управления может обеспечить переход блока 200 питания со сверхнизким холостым ходом на режим сверхнизкой мощности холостого хода. В примерном варианте осуществления блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом остается в режиме сверхнизкой мощности холостого хода некоторый период времени, например десятки минут, до возвращения в режим нормальной мощности. Если режим работы первичной схемы 210 указывает требование существенной выходной нагрузки после возвращения в режим нормальной мощности, тогда схема 230 управления поддерживает блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом в нормальном рабочем режиме до того, как детектируется режим нормального холостого хода. В примерном варианте осуществления режим блока 200 питания со сверхнизким холостым ходом изменяют в результате выбранных критериев, и критерии могут содержать фиксированный критерий, шаблон и/или изученный критерий.
В соответствии с примерным вариантом изобретения схема 230 управления содержит логический блок 240 управления и блок 232 управления питанием. Логический блок 240 управления сконфигурирован с возможностью мониторинга первичной схемы 210, например, отслеживая работу модулятора 216, и вывода управляющего сигнала, который возвращает информацию в первичную схему 210. В примерном варианте осуществления логический блок 240 управления включает в себя устройство мониторинга и управления. Устройство мониторинга и управления может содержать комбинационный логический автомат, конечный автомат и/или микропроцессор. Устройство мониторинга и управления может также содержать пассивные компоненты, сконфигурированные с возможностью мониторинга работы модулятора 216. Блок 232 управления питанием, который может содержать, например, комбинационный логический автомат, конечный автомат и/или микропроцессор, управляет работой первичной схемы 210, например управляя работой модулятора 216. Блок 232 управления питанием может также содержать переключатель, использующий биполярные транзисторы или МОП-транзисторы. Например, блок 232 управления питанием может принимать управляющий сигнал от логического блока 240 управления и либо включать, либо отключать участки модулятора 216, а именно управляя работой переключателей S1, S2, S3 и/или S4.
В примерном варианте осуществления и со ссылкой на фиг.2 и 3 первичная схема 210 подает электроэнергию на вторичную схему 220 через трансформатор 319. Кроме того, первичная схема 210 подключена к первому заземлению 315, и вторичная схема 220 подключена ко второму заземлению 325, изолированному предохранительной границей 250 раздела. Кроме содержащихся двухполупериодной мостовой схемы 314, интегратора 316, преобразователя 317 ток-напряжение, имеющего резистор R1 и/или другие компоненты, и блока 214 накопления энергии, первичная схема 210 может также быть сконфигурирована с модулятором 216, имеющим контроллер 311 широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и МОП-транзистор 313.
Компоненты модулятора 216, такие как ШИМ-контроллер 311 и МОП-транзистор 313 служат для прерывания входящего постоянного тока из входной схемы 212 на высокой частоте, чтобы приводить в действие трансформатор 319 и передавать мощность от первичной обмотки (левой стороны) трансформатора 319 вторичной обмотке (правой стороне). Скорость прерывания или рабочий цикл прямо пропорционален нагрузке на выходе 202.
В примерном варианте осуществления ШИМ-контроллер 311 может отслеживаться логическим блоком 240 управления в отношении режима работы, который указывает, что блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом должен перейти на режим сверхнизкой мощности холостого хода. ШИМ-контроллер 311 содержит дискретный компонент с состояниями включено/выключено и скорость модуляции. Состояния включено/выключено ШИМ-контроллера 311 управляют мощностью, передаваемой вторичной схеме 220. Например, в одном варианте осуществления частота импульсов, идущих от ШИМ-контроллера 311 к транзисторному переключателю в модуляторе 216, такому как МОП-транзистор 313, существенно влияет на выходную мощность, получаемую на выходе 202 мощности. В другом варианте осуществления ШИМ-контроллер 311 может использовать последовательность импульсов переменной ширины с фиксированной частотой для управления мощностью на выходе 202 мощности. В еще одном варианте осуществления ШИМ-контроллер 311 может также использовать сочетание частоты и ширины для управления мощностью, передаваемой вторичной схеме 220.
В примерном варианте осуществления, когда ШИМ-контроллером 311 детектируется нормальное условие малой нагрузки, частоту и ширину импульсов уменьшают существенно ниже нормальных условий нагрузки. В примерном варианте осуществления частоту импульсов определяют существенно ниже нормальной, когда она меньше, чем около 1 килогерца при условиях нагрузок в диапазоне около 1-90 ватт. В другом варианте осуществления существенно ниже нормальной определяют ту ширину импульсов, которая составляет микросекунды от периода в миллисекунды в течение условий холостого хода. Такие изменения в интенсивности выхода ШИМ-контроллера 311 могут быть выбраны или детектируются на входе IN1. Например, выход DRV ШИМ-контроллера 311 может быть выбран логическим блоком 240 управления и скорость (частота) импульсов возбуждения может быть измерена. На низком уровне мощности ШИМ-контроллер 311 будет работать в режиме низкой частоты импульсов, часто называемом «пропуск цикла». Пропуск цикла обычно происходит, когда нагрузка на выходе 202 мощности ниже около 20 ватт, и частота импульсов будет меняться от нескольких сотен импульсов в секунду до нескольких тысяч, по мере того как нагрузка меняется от близкой к нулю до около 20 ватт. Кроме того, этот переход и работа в пониженной частоте ШИМ и режиме уменьшенной ширины детектируются логическим блоком 240 управления, отслеживающим частоту импульсов из ШИМ-контроллера 311, наблюдаемых с выхода интегратора 316 на входе IN2 (где частота импульсов выхода DRV ШИМ-контроллера 311 может быть интегрирована интегратором 316, чтобы обеспечить напряжение DC, пропорциональное нагрузке на 202), и/или преобразователя 317 ток-напряжение на входе IN3 (где ток в МОП-транзисторном переключателе 313 преобразуют в напряжение резистором R1, и результирующий ток меняется пропорционально току нагрузки на выходе 202 мощности). В одном варианте осуществления уменьшенная ширина может также быть описана как пониженный рабочий цикл, где рабочий цикл относится к отношению времени, когда выходящий ШИМ-импульс является активным или высоким или возбуждающим переключающий элемент, к частоте или периоду ШИМ-сигнала.
После детектирования логический блок 240 управления может дополнительно снизить мощность, приостановив переключение в модуляторе 216, либо в пределах первичной схемы 210. В примерном варианте осуществления переключение приостанавливают логическим блоком 240 управления, посылающим сигналы переключателям S1, S2, S3 и/или S4, чтобы выборочно отключать ШИМ-контроллер 311 от либо его входов электроэнергии, HV (входа высокого напряжения), VDD (рабочего напряжения контроллера), либо его возбуждения в МОП-транзисторе 313.
В соответствии с описываемым вариантом осуществления электроэнергия из первичной схемы 210 передается через предохранительную границу 250 раздела по трансформатору 319 к вторичной схеме 220. Предохранительная граница 250 раздела не создает никакого прямого контакта между первичной и вторичной цепями, чтобы предотвратить нежелательную передачу электричества. В этом варианте осуществления предохранительная граница 250 раздела включает в себя компонент с диэлектрической изоляцией. Компонент с диэлектрической изоляцией может содержать трансформатор, емкостную связь или оптрон. Кроме того, компонент с диэлектрической изоляцией может быть любым компонентом, подходящим для удовлетворения критериев требования безопасности лаборатории по технике безопасности 60950. В соответствии с правилами техники безопасности предохранительная граница 250 раздела представлена в вариантах осуществления, содержащих переменный ток в первичной схеме 210 и передающих электроэнергию DC из вторичной схемы. В дополнительных вариантах осуществления предохранительная граница раздела может быть представлена, но не требуется или может быть не представлена вообще. Например, может не быть предохранительной границы раздела в варианте осуществления с входом постоянного тока и выходом постоянного тока.
В описываемом варианте осуществления трансформатор 319 содержит первичную обмотку PW1, вторичную обмотку SW1 и вторичную обмотку SW2. Вторичная обмотка SW2 обеспечивает рабочую мощность ШИМ-контроллеру 311 через переключатель S3, тогда как вторичная обмотка SW1 обеспечивает выходное напряжение для вторичной схемы 220. Диод D1 и конденсатор C2 в первичной схеме 210 служат для выпрямления и сглаживания выходного сигнала переменного тока вторичной обмотки SW2, так что входной сигнал VDD в ШИМ-контроллер 311 является сигналом постоянного тока (DC). В этом варианте осуществления ШИМ-контроллер 311 включает в себя высоковольтный (HV) вход в соединении с накопительным конденсатором 214 и управляемый переключателем S2. Вход HV используют для запуска функционирования ШИМ-контроллера 311 при включении питания, с входа VDD обеспечивается нормальное рабочее напряжение, как только ШИМ-контроллер 311 возбуждает МОП-транзистор 313 и первичную обмотку PW1. В этом варианте осуществления в состоянии питания «включено» переключатели S1-S4 обычно замкнуты, так что ШИМ-контроллер 311 может питаться и функционировать нормально.
В примере варианта осуществления вторичная схема 220 дополнительно включает в себя выходную схему 222. Выходная схема 222 сконфигурирована с возможностью преобразования электроэнергии из первичной схемы 210 в требуемую силовую нагрузку на выходе 202 мощности для электронного устройства. В примерном варианте осуществления выходная схема 222 включает в себя конденсатор фильтра. В другом варианте осуществления, где блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом получает питание AC и передает питание DC, выходная схема 222 может включать в себя, по меньшей мере, один выпрямитель.
Схема 230 управления сконфигурирована с возможностью управления состоянием первичной схемы 210, управляя переключателями S1-S4, чтобы управлять модулятором 216. Переключатели могут содержать выключатели на полевых транзисторах или могут содержать реле, такие как полупроводниковые или двунаправленные тиристоры или реле фиксирующегося типа, или любое другое переключающее устройство или механизм, подходящий для блоков питания. В соответствии с вариантом осуществления схема 230 управления использует блок 232 управления питанием для управления работой модулятора 216 через переключатели S1-S4. Блок 232 управления питанием принимает управляющий сигнал от логического блока 240 управления и либо включает, либо отключает участки переключающего элемента 216, управляя переключателями S2, S3 и/или S4. В другом примерном варианте осуществления блок 232 управления питанием может также управлять переключателем S1, чтобы эффективно убирать всю электроэнергию на переключающем элементе 216. Включение или выключение переключающего элемента 216 продиктовано сигналом управления питанием, переданным из блока 232 управления питанием. Сигнал управления питанием имеет, по меньшей мере, два состояния: нормальный холостой режим и сверхнизкий холостой режим. Кроме того, в этом варианте осуществления схема 230 управления сохраняет свое настоящее состояние в памяти. В одном варианте осуществления память выполнена с использованием транзисторной схемы с фиксацией состояния. Кроме того, в примерном варианте осуществления незапрограммированное состояние схемы 230 управления по умолчанию является нормальным холостым ходом.
В варианте осуществления выбор текущего режима основан на изменяющихся во времени значениях параметров ШИМ-контроллера 311. Эти изменяющиеся во времени значения параметров могут быть определены логическим блоком 240 управления, отслеживающим вход IN1 от выхода ШИМ-контроллера 311. Шаблон может быть определен на основе прошлых значений параметров ШИМ-контроллера 311 и использован для определения, какой режим блока питания со сверхнизким холостым ходом должен быть рабочим. Например, шаблон может определять, что как только ШИМ-контроллер 311 находится в режиме холостого хода более чем 15 минут, это использование может указывать, что выходному устройству не потребуется активного электропитания в течение длительного периода времени и блок питания со сверхнизким холостым ходом должен переключиться на режим сверхнизкой мощности холостого хода.
В одном варианте осуществления сверхнизкое потребление электроэнергии составляет меньше, чем около 0,5 ватт. В другом варианте осуществления сверхнизкое потребление электроэнергии составляет около от 1/10-й до 1/1000-й или менее от мощности активного состояния. В одном варианте осуществления, например, потребление мощности в течение нормального режима холостого хода составляет около 300 мВт, а потребление мощности в течение сверхнизкого режима холостого хода составляет между около 0 мВт и около 300 мВт.
Такая схема блока питания со сверхнизким холостым ходом может быть полезна в различных применениях. Например, блок питания со сверхнизким холостым ходом может уменьшить потерянное потребление электроэнергии, когда используется для питания электронных устройств, таких как переносной компьютер, мобильные телефоны, гарнитуры Bluetooth, смартфоны, МР3-плееры, видеоигровые системы и портативные системы GPS. В примерном варианте осуществления блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом может уменьшить потерянное потребление электроэнергии на электронном устройстве, используя автономный переключатель переменного тока.
Различные другие признаки, устройства и функции могут быть включены в блок 200 питания, чтобы способствовать улучшению работы и/или обеспечивать информацию обратной связи. Например, в описываемом варианте осуществления, хотя и не показано на фиг.2 или 3, блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом может включать в себя физический механический резервный переключатель, расположенный либо на соединительном разъеме, либо на корпусе блока питания. Резервный переключатель может быть использован для ручного изменения режима блока 200 питания со сверхнизким холостым ходом от активного режима или режима нормального холостого хода до режима сверхнизкой мощности холостого хода. Кроме того, резервный переключатель может быть использован для ручного изменения режима блока 200 питания со сверхнизким холостым ходом от режима сверхнизкой мощности холостого хода до активного режима или режима нормального холостого хода. Кроме того, в примерном варианте осуществления блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом включает в себя, по меньшей мере, один световой индикатор, чтобы показывать режим блока питания. В другом варианте осуществления блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом включает в себя устройство для указания данных, относящихся к потреблению электроэнергии. Например, устройство может быть измерительным прибором, дисплеем, таким как ЖК или СИД, и данные могут включать в себя сохраненные ватты, уровни мощности, КПД блока питания и тому подобное. В другом варианте осуществления логический блок 240 управления отслеживает внешние условия освещения и определяет, являются ли они темными. В соответствии с примерным способом работы и со ссылкой на фиг.2 и 3, когда блок 200 питания сначала подключают к входу 201 мощности, блок 200 питания функционирует нормально и реагирует на условия нагрузки, подавая выходную мощность на электронное выходное устройство. Схема 230 управления запускается в режиме нормального холостого хода, тогда как логический блок 240 управления отслеживает режим работы модулятора 216 через входы IN1-IN3 и определяет, нагружен ли выход мощности слабо или не нагружен в некоторый период времени.
В описываемом варианте осуществления состояния блока питания меняют от нормального холостого хода до сверхнизкого холостого хода, когда силовая нагрузка на выходе ниже заданного порога. Заданный порог может быть фиксированным, динамическим или изученным. В одном варианте осуществления малая нагрузка является любой силовой нагрузкой на выходе, опускающейся ниже заданного порога.
Если на модуляторе 216 детектируется малая активность или нет активности, то логический блок 240 управления пошлет изменяющий/управляющий сигнал блоку 232 управления питанием. Как только сигнал будет принят, блок 232 управления питанием изменит состояния от нормального холостого хода до сверхнизкого холостого хода. Кроме того, блок 232 управления питанием передает другой сигнал переключателям S2, S3 и S4, тем самым отключая модулятор 216, размыкая переключатели S1, S2, S3, S4 или их сочетание. Как только модулятор 216 отключен, мощность, потерянная в переключающих элементах, устранена, и теряются только очень малые токи утечки из блока 214 накопления энергии. В результате этого схемы, которые потребляют мощность, отсоединяются, и блок 200 питания становится «обесточенным», причем в течение времени отсоединения электроэнергию, потребляемую компонентами, подключенными к входу AC, значительно минимизируют.
В примерном способе работы, если логический блок 240 управления сигнализирует блоку 232 управления питанием замкнуть переключатели S1, S2, S3 и S4, то логический блок 240 управления затем отслеживает режим работы модулятора 216. Если частота переключения или скорость в модуляторе 216 увеличивается, тем самым указывая потребность нагрузки на выходе 202 мощности, то логический блок 240 управления сигнализирует блоку 232 управления питанием изменить состояния обратно на режим нормального холостого хода. В описываемом варианте осуществления блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом остается в режиме нормального холостого, хода пока условия нагрузки не укажут уменьшенное или «нулевое» состояние питания. В другом варианте осуществления логический блок 240 управления может включать в себя внутренний таймер, чтобы периодически изменять состояние блока питания со сверхнизким холостым ходом обратно на нормальный холостой ход, так что компоненты вторичной схемы могут сохранять питание.
В варианте осуществления блок 214 накопления энергии подключают к входу 201 питания через переключатель S1 периодически, даже когда блок 200 питания со сверхнизким холостым ходом находится в режиме сверхнизкого холостого хода. Это приводит к быстрому переходу от режима сверхнизкого холостого хода к режиму нормального холостого хода или активному режиму без задержки перезарядки блока 214 накопления энергии. Это происходит несмотря на то, что переключающие элементы 216 отключены в течение режима сверхнизкого холостого хода. Со ссылкой на фиг.4 дополнительные подробности и рабочие признаки могут быть дополнительно раскрыты в связи с другим примерным вариантом осуществления блока 400 питания. В соответствии с этим примерным вариантом осуществления входная схема 212 содержит входную схему 312 и выпрямитель 314. Входная схема 312 содержит RC-схему фильтрации для входной электроэнергии AC на входных клеммах 201 и может быть структурирована или перекомпонована различными способами для обеспечения защиты от перенапряжения и/или функций фильтрации. Выпрямитель 314 содержит схему двухполупериодного мостового выпрямителя, но также может содержать различные другие конфигурации выпрямителя. В описываемом варианте осуществления переключатели S1-S4 содержат переключатели на полевых транзисторах, но могут также быть подходящим образом заменены различными другими переключающими устройствами и компонентами, такими как реле. Переключатели S1-S4 сконфигурированы с возможностью отсоединять потребителей мощности от их источников. Интегратор 316 содержит диод D2 и конденсатор C4 для использования логическим блоком 240 управления. Для обеспечения удовлетворяющей требованиям электроэнергии для ШИМ-контроллера 311 и управления 232 питанием первичная схема 210 дополнительно содержит схему, содержащую диод D1, конденсатор C2, резистор R7, диод Z1 Зенера и конденсатор C5. Вторичная схема 220 содержит диод D3 и конденсатор C3, которые служат, чтобы выпрямлять и фильтровать пульсирующий выходной сигнал вторичной обмотки SW1 для использования выходом 202 мощности.
В течение запуска блока 400 питания все переключатели S1-S4 на полевых транзисторах находятся в состоянии «закрыто», позволяя блоку 400 питания запускаться нормально. Переключатели S1-S4 могут иметь N- или P-канальную разновидность по мере надобности, хотя показаны N-канальные. Фильтрованный выходной сигнал AC входной схемы 212 проходит через переключатель S1 на полевом транзисторе и заряжает блок 214 накопления энергии. Когда напряжение на блоке 214 накопления энергии возрастает, малое количество тока «снимают» резисторами R4 и R5 через переключатель S2 на полевом транзисторе и подают на вход высокого напряжения ШИМ-контроллера 311. Этот ток входа высокого напряжения (HV) начинает запуск схем в ШИМ-контроллере 311, и на выходе DRV (возбуждение) ШИМ-контроллера начинают появляться короткие импульсы. Эти импульсы проходят через переключатель S4 на полевом транзисторе к затвору МОП-транзистора 313. Это возбуждение затвора в МОП-транзисторе 313 заставляет МОП-транзистор 313 включаться и выключаться, причем это переключение приводит в действие первичную обмотку PW1 трансформатора 319. Вторичная обмотка SW1 трансформатора принимает возбуждающие импульсы через трансформаторную связь и обеспечивает пульсирующее выходное напряжение на диод D1. Диод D1 и конденсатор C2 выпрямляют и фильтруют импульсы и выдают нерегулированное напряжение DC на резистор R7. Ток резистора R7 ограничивает это напряжение DC до того, как оно достигнет стабилитрона Z1 и накопительного конденсатора C5. Конденсатор C5 является конденсатором большого номинала, который служит для поддержания управления 232 питанием запитанным, когда остальная часть блока 400 питания отключена схемой 230 управления. Напряжение на стабилитроне Z1 и конденсаторе C5 является отрегулированным и сглаженным напряжением DC, которое используется управлением 232 питанием и также подается ШИМ-контроллеру 311 через переключатель S3 на полевом транзисторе на вход VDD (основной вход мощности) ШИМ-контроллера 311. Как только ШИМ-контроллер 311 опознает стабильный входной сигнал на своем входе VDD, ШИМ-контроллер 311 увеличит ширину импульсов на выходе DRV и увеличит частоту импульсов. Этот процесс запуска заставляет вторичную обмотку SW1 трансформатора принимать более широкие высокочастотные импульсы и выдавать выходное напряжения DC от D3 и C3 на выходе 202 мощности. Уровень напряжения с 202 подают обратно на ШИМ-контроллер 311 (для наглядности контур обратной связи не показан) способами, известными в этой области техники. Этот процесс обратной связи завершает регулировочный контур, и на этой стадии блок питания работает нормально.
Что касается детектирования уровня нагрузки, в течение нормальной работы, когда уровни мощности находятся в диапазоне от около 20 ватт до максимальной выходной мощности, ШИМ-контроллер 311 типично выдает выходные импульсы переменной ширины до около 50% рабочего цикла и с фиксированной частотой около 60 кГц (60000 импульсов в секунду). Так как нагрузка на выходе 202 мощности меняется в этом выходном диапазоне, то обратная связь в блоке 400 питания заставит ШИМ-контроллер 311 настраивать выходные импульсы на выходе DRV, чтобы регулировать выходное напряжение на 202. Когда выходная нагрузка находится между около 20 ваттами и фактическим отсутствием нагрузки, выходные импульсы ШИМ-контроллера 311 будут иметь более короткую длительность и будут менее частотными пропорционально нагрузке на выходе 202 мощности. Логический блок 240 управления будет использовать эту импульсную информацию, принятую на входах IN1-IN3, для определения приблизительной нагрузки на выходе 202 мощности и заставит блок 232 управления питанием изменять функционирование модулятора 216 на основе нагрузки на выходе 202 мощности.
Когда логический блок 240 управления отследил входы IN1-IN3 и определил, что на выходе 202 мощности существует условие низкой нагрузки или нулевой нагрузки, логический блок 240 управления заставит блок 232 управления питанием посылать сигналы для срабатывания переключателей S1-S4, чтобы выборочно отсоединить схемы на первичной стороне для уменьшения уровней мощности холостого хода. Например, схема 230 управления сначала откроет переключатели S3 и S2 на полевых транзисторах, убирая всю электроэнергию на ШИМ-контроллере 311. Во-вторых, переключатель S4 на полевом транзисторе может быть разомкнут, чтобы убрать любое остаточное возбуждение на затворе МОП-транзистора 313. Это предотвращает включение МОП-транзистора 313 вследствие токов утечки из выхода DRV ШИМ-контроллера 311. И наконец, переключатель S1 на полевом транзисторе размыкают, чтобы убрать выпрямленный постоянный ток, поступающий в блок 214 накопления энергии из входной схемы 212. При высоких входных напряжениях ток утечки, требуемый для поддержания блока энергии накопления 214 полностью заряженным, является значительным. В соответствии с другим примерным вариантом осуществления представлен и разомкнут во время малого холостого хода только S1, чтобы убрать всю мощность и обеспечить вхождение в режим холостого хода со сверхнизкой мощностью. Повторное замыкание S1 схемой 230 управления обеспечивает повторное запитывание всех схем и позволяет блоку питания работать нормально.
Как только модулятор 216 и другие схемы первичной стороны изолированы переключателями S1-S4, только логический блок 240 управления и блок 232 управления питанием запитаны посредством заряда на накопительном конденсаторе C5. В примерном варианте осуществления конденсатор C5 имеет номинал достаточно большой, чтобы запитать логический блок 240 управления и блок 232 управления питанием на несколько десятков минут. В течение этого времени другие схемы обесточены, т.е. находятся без питания, логический блок 240 управления и блок 232 управления питанием находятся в режиме ожидания с низкой мощностью, который получает только наноамперы из конденсатора C5. Периодически логический блок 240 управления может запускаться и предписывать блоку 232 управления питанием перезарядить конденсатор C5. В примерном варианте осуществления перезаряженный конденсатор C5 позволяет логическому блоку 240 управления и блоку 232 управления питанием вернуться в режим ожидания с низкой мощностью, пока конденсатору C5 не потребуется перезарядка или не возобновят питание на модуляторе 216 для проверки условий нагрузки. Для того чтобы проверить условия нагрузки, блок 232 управления питанием замыкает все переключатели (т.е. S1-S4) одновременно для восстановления исходных условий запуска системы при включении питания.
В другом примерном варианте осуществления блоку 232 управления питанием предписывают замкнуть S1 на короткое время для поддержания блока 214 накопления энергии заряженным. Эта предварительная зарядка блока 214 накопления энергии способствует быстрому запуску системы, при возобновлении работы. В одном варианте осуществления, чтобы определить, когда вернуть включение или питание, логический блок 240 управления опознает напряжение на входе VDD блока 232 управления питанием и возобновит подачу энергии блока 400 питания, когда либо а) напряжение на входе VDD блока 232 управления питанием достигает критически низкого уровня и необходима перезарядка, либо б) после того как истек период в несколько минут. Блок 232 управления питанием замыкает все четыре переключателя S1-S4 одновременно для восстановления исходных условий запуска системы при включении питания. Этот процесс запуска будет быстрее, чем «холодный» запуск с выключенным питанием, потому что блок 214 накопления энергии сохранен заряженным. Когда блок 400 питания запускается, накопительный конденсатор C5 будет перезаряжен, чтобы продолжать подачу напряжения на вход VDD блока 232 управления питанием.
Как только блок 400 питания запущен и работает, когда логическим блоком 240 управления проведены измерения из сигналов на входах IN1-IN3, логический блок 240 управления снова выполнит измерения и определит уровни мощности. Если в течение времени выключения нагрузка на выходе 202 мощности увеличивается, тогда логический блок 240 управления позволит блоку 400 питания работать нормально. Если нагрузка выхода 202 мощности продолжает быть низкой или близкой к нулю, то логический блок 240 управления снова подаст сигнал переключателям S1-S4 на полевых транзисторах с блоком 232 управления питанием, чтобы установить блок 400 питания в состояние сверхнизкой мощности.
В соответствии с примерным вариантом осуществления и со ссылкой на фиг.5 дополнительные подробности и рабочие признаки раскрыты в связи с блоком 500 питания. В соответствии с этим примерным вариантом осуществления входная схема 212 содержит входную схему 312 и выпрямитель 314. Входная схема 312 содержит RC-схему фильтрации для входной мощности переменного тока на входных клеммах 201 и может быть структурирована или перекомпонована различными способами для обеспечения защиты от перенапряжения и/или функций фильтрации. Выпрямитель 314 содержит схему двухполупериодного мостового выпрямителя, но также может содержать различные другие конфигурации выпрямителя. Кроме того, интегратор 316 содержит диод D2 и конденсатор C4. Вторичная схема 220 содержит диод D3 и конденсатор C3, которые служат, чтобы выпрямлять и фильтровать пульсирующий выходной сигнал вторичной обмотки SW1 для использования выходом 202 мощности.
В примерном варианте осуществления единственный переключатель S1 расположен на пути протекания возвратного тока через землю первичного контура от ШИМ-контроллера 311 и резистора R1 истока МОП-транзистора. Если переключатель S1 разомкнут, тогда нет возврата к земле 315 для ШИМ-контроллера 311 и МОП-транзистора 313, даже если ШИМ-контроллер 311 и МОП-транзистор 313 могут иметь напряжение, поданное от выпрямителя 314. В примерном варианте осуществления переключатель SW1 мгновенного действия активируют, что приводит к замыканию переключателя S1. В качестве примера переключатель SW1 может быть кнопочным переключателем, и переключатель SW1 может содержать любой переключатель или устройство для обеспечения функции переключателя мгновенного действия. Замыкание переключателя S1 позволяет ШИМ-контроллеру 311 начать работу и привести в действие МОП-транзистор 313. Кроме того, в другом примерном варианте осуществления отслеживают режим работы модулятора 216. Если есть указание условия холостого хода с низкой мощностью посредством выходного сигнала интегратора 316, то переключатель S1 размыкают после некоторого периода времени. Размыкание переключателя S1 исключает возврат тока через землю от модулятора 216, причем блок 500 питания сконфигурирован с возможностью прекращать работу, пока переключатель SW1 не активируют снова. В примерном варианте осуществления блок 500 питания содержит блок управления питанием, сконфигурированный с возможностью ручного повторного запуска, но не сконфигурированный с возможностью периодического повторного запуска подключения к питанию блока 500 питания.
Настоящее изобретение описано выше со ссылкой на различные примерные варианты осуществления. Однако специалисты в данной области техники осознают, что к примерным вариантам осуществления могут быть выполнены изменения и модификации без отступления от объема настоящего изобретения. Например, различные примерные варианты осуществления могут быть осуществлены с другими типами схем блоков питания, кроме схем, иллюстрированных выше. Эти варианты могут быть подходяще выбраны, в зависимости от конкретного применения или учитывая любое число факторов, связанных с работой системы. Более того, предполагается, что эти и другие изменения или модификации будут включены в пределы объема настоящего изобретения, как отражено в нижеследующей формуле изобретения.
1. Блок питания, имеющий первичную сторону и вторичную сторону и содержащий: первичную схему на первичной стороне; вторичную схему на вторичной стороне, причем вторичная схема соединена с первичной схемой; и схему управления на первичной стороне, сконфигурированную с возможностью отслеживания, по меньшей мере, одного из рабочего цикла или частоты переключения в первичной схеме для детектирования режима мощности холостого хода, причем схема управления управляет первичной схемой так, чтобы, по существу, отключать первичную схему, в ответ на детектирование режима мощности холостого хода.
2. Блок питания по п.1, в котором схема управления содержит логический блок управления, сконфигурированный для мониторинга первичной схемы, и блок управления питанием, сконфигурированный для управления первичной схемой.
3. Блок питания по п.2, в котором логический блок управления и блок управления питанием содержат, по меньшей мере, одно из: комбинационного логического автомата, конечного автомата или микропроцессора.
4. Блок питания по п.2, в котором первичная схема содержит схему модулятора, сконфигурированную для запуска, по меньшей мере, одного из: трансформатора или другого устройства с диэлектрической изоляцией.
5. Блок питания по п.4, в котором логический блок управления сконфигурирован для мониторинга сигнала схемы модулятора.
6. Блок питания по п.4, в котором схема управления питанием сконфигурирована для управления, по меньшей мере, одним переключателем, чтобы управлять схемой модулятора.
7. Блок питания по п.4, в котором схема модулятора содержит ШИМ-контроллер.
8. Схема первичной стороны, сконфигурированная с возможностью обеспечения режима сверхнизкой мощности холостого хода в блоке питания, содержащая: модулятор, сконфигурированный для модуляции входной мощности на высокой частоте для передачи мощности от первичной стороны трансформатора к вторичной стороне трансформатора; и причем схема первичной стороны находится в соединении со схемой управления на первичной стороне блока питания, и схема управления, сконфигурирована для мониторинга, по меньшей мере, одного из: рабочего цикла или частоты переключения модулятора и управления схемой первичной стороны, так чтобы, по существу, отключать схему первичной стороны в ответ на определение схемой управления, что, по существу, нет никакой нагрузки.
9. Схема по п.8, в которой схема управления содержит логический "блок управления, сконфигурированный для мониторинга модулятора, и блок управления питанием, сконфигурированный для управления схемой первичной стороны.
10. Схема по п.8, в которой модулятор содержит ШИМ-контроллер.
11. Схема по п.9, в которой логический блок управления содержит, по меньшей мере, один вход, соединенный с модулятором, для мониторинга, по меньшей мере, одного из: рабочего цикла или частоты переключения модулятора.
12. Схема по п.11, в которой, по меньшей мере, один вход соединен с модулятором для мониторинга, по меньшей мере, одного из: частоты выходных импульсов непосредственно из ШИМ-контроллером в модуляторе, выходного сигнала из интегратора, соединенного с ШИМ-контроллера, и выходного сигнала из преобразователя ток-напряжение, соединенного с ШИМ-контроллером.
13. Схема по п.9, в котором блок управления питанием отключает модулятор посредством размыкания, по меньшей мере, одного переключающего устройства, подключенного между блоком управления питанием и модулятором.
14. Способ содействия сверхнизкого потребления электроэнергии в блоке питания, содержащий этапы, на которых: осуществляют мониторинг с использованием схемы управления в соединении с первичной схемой на первичной стороне блока питания, по меньшей мере, одного из длительности цикла или частоты переключения первичной схемы блока питания и определяют, когда, по существу, нет никакой нагрузки;
по существу, отключают с использованием схемы управления первичную схему блока питания, когда не детектируется, по существу, никакой нагрузки.
15. Способ по п.14, дополнительно содержащий этап, на котором включают блок питания, когда схема управления определяет, что существует силовая нагрузка.
16. Способ по п.15, в котором включение блока питания происходит в ответ на, по меньшей мере, одно из: рабочий цикл или частота переключения первичной схемы увеличивается выше порогового уровня.
17. Способ по п.14, в котором мониторинг содержит этап, на котором схема управления осуществляет мониторинг активности модулятора, чтобы определить, нет, по существу, какого-либо условия нагрузки.
18. Способ по п.17, в котором схема управления осуществляет мониторинг, по меньшей мере, одного из: частоты выходных импульсов или рабочего цикла непосредственно из ШИМ-контроллера в модуляторе.
19. Способ по п.17, в котором схема управления осуществляет мониторинг выходного сигнала из преобразователя ток-напряжение, соединенного с ШИМ-контроллером в модуляторе или выходного сигнала из интегратора, соединенного с ШИМ-контроллером.
20. Способ по п.14, в котором блок питания, по существу, отключают на неопределенный период времени.
21. Схема для использования в преобразователе мощности, способствующая энергопотреблению при сверхнизкой мощности в режиме холостого хода, содержащая
схему управления, сконфигурированную для мониторинга, по меньшей мере, одного из: рабочего цикла или частоты переключения в первичной схеме преобразователя мощности для детектирования режима холостого хода, причем схема управления управляет первичной схемой, чтобы, по существу, отключать первичную схему в ответ на детектирование режима холостого хода.
22. Схема по п.21, в которой схема управления содержит блок управления питанием, сконфигурированный для управления первичной схемой.
23. Схема по п.22, в которой блок управления питанием отключает модулятор первичной схемы посредством размыкания, по меньшей мере, одного переключающего устройства, подключенного между блоком управления питанием и модулятором.
