[发明专利]电源

说明书

本申请是国际申请日为2010年7月28日，进入国家阶段日为2012年3月28日的名称为“电源”的中国专利申请201080043363.3的分案申请。

相关申请信息

本申请要求2009年7月28日提交的美国临时申请序列号61/229,217的权益，其全部内容包括在此以供参考。

技术领域

本发明的领域主要涉及电源，并且更特别地涉及通用DC输出电源。

背景技术

主要有两类电源或变流器：(1)AC至DC，以及(2)DC至DC。AC至DC电源通常将作为其输入的AC线电压转换为DC输入电压，并且例如在这样的应用中发现该电源，如家用音频放大器。通常能够作为线性电源或开关式电源实施。DC至DC电源将现有DC电压转换为另一种电压，例如从电池转换为另一种更高或更低的电压水平。通常以开关式电压实施。对于常规使用，DC至DC电源转换电压并且也提供输入和输出之间的绝缘。

传统电源的通常组件包括变压器、整流器、和滤波/储能电容器。开关电源中通常使用的另外组件包括控制IC芯片、功率晶体管、防止电磁干扰的滤波和屏蔽。对更小设备的需要已导致开关电源占优势。

例如在家用音频放大器中使用的传统线性电源使用大、重、贵的变压器，从而将低频、高压AC线电源转换为适合放大器或其他应用使用的较低电压。首先将高压AC线电源降至较低AC电压，然后将较低AC电压波形整流为DC。然而，经整流的电压不连续，所以为了给放大器提供稳定电压，需要大储能电容器。虽然如此，DC电源仍在DC上施加可感知的不规则性(纹波电压)，其能够在放大器输出端出现可听见的嗡嗡声和哼哼声，除非在放大器设计和布局时相当小心。

虽然该电源的设计相对简单并且EMI放射相对低，但是变压器大、重并且非常昂贵。储能电容器也大且贵。因而，大部分该电源方法在轻量、低调设计中排除其使用。电源中的功率损失相对小，总功效通常在85％-90％范围内。

使用线性电源的替换是利用开关模式功率变换技术。在该技术中，首先整流线电压，并且以最高线电压平滑。与线性电源相比，这允许储能电容器更小，并且也较不昂贵。然后，通过以非常高的频率——通常为几十KHz，中断结果高电压DC信号而将其转换为较低电压，从而产生AC输出信号，通过小变压器将后者降低为较低电压。由于运行频率比线性电源高很多，所以变压器也能够比传统线性电源更小。然而，要再次整流变压器输出侧上的AC信号，从而获得DC，并且必须以储能电容器平滑，虽然其比在线性电源中的小。该电源的一个例子为通常用于为膝上型计算机供电的外部电源。

该方法中需要付出的代价在于，为了保持效率，DC的中断产生具有不连续、方形波的高频AC。该波形产生高水平的非常高的频率，发出该频率而引起射电频率干扰(EMI)。需要小心设计、布局以及屏蔽，从而将这些发射降低至可接受的限度。也需要将开关频率组件从输入和输出线路移除或隔离，其需要额外的磁组件，这增加电源的成本和体积。虽然理论上能够非常高，但是效率通常为80-90％。总的来说，与传统的线性电源相比，能够相当大地降低开关模式电源的尺寸和重量，并且也能够降低基本组件成本。然而，开关电源设计中固有的复杂性对设计和证明成本的增加影响很大，并且导致需要几个月的时间才能投放市场。

总而言之，线性电源趋向于尺寸和外形更大，相对成本更高、更重。在效率和低EMI方面，其有利。开关电源趋向于更小并且更轻。由于更高的运行频率，开关电源的变压器和电容器趋向于比线性电源更小。然而，开关电源也能够比线性电源效率低，并且产生明显更多的EMI，后者需要仔细滤波和屏蔽。开关电源也更复杂、需要控制电路以及功率开关装置。与线性电源相比，其设计时间更长并且通常更昂贵。有朝着更小的电源的趋势，其要求更高的运行频率，并且因此存在关于EMI的更多潜在问题。

更大的电源可利用三相发电，其为上述技术的可替换电源技术。在三相系统中，三条输电线载有相同频率但是不同相的三种交流电，其在不同的时间到达瞬时峰值。电流波形彼此偏移120度(即，每种电流都与其他两种波形偏移三分之一周期)。该波形交错允许以降低但是实际存在的波动连续向荷载提供能量。结果，在每个电流周期都传递不变的功率量。可使用变压器，从而在三相电网的不同点升高或降低电压水平。三相整流器桥通常包括六个二极管，其中每个三相支路使用两个二极管。