[發(fā)明專利]高效電源

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 95192812.0
• 申請日: 1995-04-24
• 公開（公告）號(hào): CN1152360A
• 公開（公告）日: 1997-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丹·吉金尼斯;托巴斯·咯
• 申請（專利權(quán)）人: 艾魯奈克斯技術(shù)公司
• 主分類號(hào): G05F1/24
• 分類號(hào): G05F1/24;H02J1/00;H02M3/00;H02M7/42
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 程偉

本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及將初級交流電源轉(zhuǎn)換為至少一個(gè)受控直流輸出的開關(guān)電源，尤其涉及用于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的這類電源。

本發(fā)明的背景技術(shù)

諸如通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這樣的電子系統(tǒng)一般包括用于接受諸如在美國使用的為120V，60Hz的初級系統(tǒng)的初級電源，并用于以特定系統(tǒng)所需的其它形式提供電源。諸如計(jì)算機(jī)這樣的系統(tǒng)常常需要幾種不同電壓的電能并作為直流電而不是初級的交流電。一般來說，希望電源以最大效率操作，使得在轉(zhuǎn)換過程中所供給的電能損失量最小。

一個(gè)有效的電源將以最小的損耗向其負(fù)載傳輸電能。通過把操作系統(tǒng)或者設(shè)備所需的電能量減小到最小以節(jié)省電能的成本。

如上所述，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要電能驅(qū)動(dòng)幾個(gè)子系統(tǒng)，而所有這些子系統(tǒng)并不是使用相同的電壓。例如，很多計(jì)算機(jī)用5v直流或者3v直流來操作固態(tài)電路，諸如CPU微處理器，而同時(shí)電動(dòng)機(jī)可能需要12v直流用于驅(qū)動(dòng)盤存儲(chǔ)系統(tǒng)。確實(shí)，計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)只消耗執(zhí)行其必要的功能所需要的電能量。然而實(shí)際上，某些電能浪費(fèi)在電源中，因而效率小于100％。所浪費(fèi)的電能通常在電源部件中衰變?yōu)闊帷：馁M(fèi)的熱必須被消散，否則部件的溫度將上升到足以損壞部件，或者至少降低功能度。

在用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電源中的重要電能損失源是在把輸入初級交流線路電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流輸出電壓的過程中。部分的問題是在輸入線路中(在美國為120v，60Hz)高電壓和低頻率的結(jié)合。

在通用計(jì)算機(jī)中，所需的輸出電壓通常在或者低于12v直流，從而使得較高的輸入線路電壓必須顯著降低。電壓的降低一般通過變壓器實(shí)現(xiàn)。變壓器的大小有很大范圍，并且變壓器的效率(連同其它因素)還依賴于在變壓器初級線圈操作的輸入線路電壓的頻率。一般來說，對于較高的輸入頻率，可使用較小的變壓器。而且，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中尺寸的限制，小的變壓器尺寸是所希望的。因而輸入的低頻率(60Hz)而需要大的變壓器是一個(gè)問題。

處理低輸入頻率的問題的傳統(tǒng)方法是在向變壓器提供輸入之前增加輸入線路電壓的頻率。該過程的第一步是轉(zhuǎn)換輸入的交流線路電壓為非穩(wěn)壓的直流電壓。這一過程稱為整流和濾波，并且是周知的。在本技術(shù)領(lǐng)域中有許多已知的途徑來完成整流和濾波。

在傳統(tǒng)的情形下，非整流的直流電壓是通過一個(gè)開關(guān)采樣以便增加頻率。也就是，非整流直流電壓被斬波為較高頻率。這也是熟知的過程，并有很多實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方式。最后，被斬波的直流電壓波形輸入到小的高頻變壓器的初級線圈以完成降壓的過程。

上述對于傳統(tǒng)情形的電壓的降壓過程需要把輸入的交流線路電壓首先轉(zhuǎn)換為直流，然后在實(shí)際被變壓器降壓之前回到交流。這一交流到直流到交流的過程對許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源是通用的。與每一轉(zhuǎn)換步驟有相關(guān)的小損失，但是電源的這一降壓級可被設(shè)計(jì)為相對有效。

變壓器的次級交流電壓波形被降壓和斬波，然后再轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓的直流電壓供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用。所使用實(shí)現(xiàn)電源這一穩(wěn)壓級的一種常用的傳統(tǒng)的方式是輸入的穩(wěn)壓。首先，來自次級的交流波形通過二極管整流，二極管在一個(gè)方向上對電流具有低電阻而在相反方向上具有高電阻。其次，從這些二極管的輸出被濾波以產(chǎn)生一直流電壓。已經(jīng)濾波的直流輸出被采樣并反饋以控制用來斬波被整流和濾波的交流輸入線路電壓的開關(guān)的占空因數(shù)。這一過程通過控制由變壓器變換或者耦合的能量對輸出直流電壓穩(wěn)壓。

在這一傳統(tǒng)的方法中，二極管兩端有固定的壓降。如果所需的輸出電壓足夠低(例如為5v)，則對于標(biāo)準(zhǔn)的P-N結(jié)二極管，其兩端大約為0.7V到1V的固定壓降是輸出電壓一個(gè)明顯的百分比。這導(dǎo)致通過二極管的電能消散，從而降低了電源的效率。

二極管的壓降可通過使用肖特基二極管盡可能地減小，減小到壓降為大約0.3V到0.7V，但是肖特基二極管比標(biāo)準(zhǔn)的P-N結(jié)二極管昂貴很多，這增加了電源的成本。一般來說，按照這種傳統(tǒng)方式的電源的總效率在50％到70％的范圍。

通過二極管消散的電能衰變?yōu)闊徇@一事實(shí)進(jìn)一步增加了困難。二極管電路中產(chǎn)生熱的這一事實(shí)要求二極管的結(jié)構(gòu)為其中的熱可被控制的分立組件，因而妨礙了在二極管組件中應(yīng)用集成電路技術(shù)。

對輸入進(jìn)行穩(wěn)壓以生成穩(wěn)壓的直流輸出電壓的另一個(gè)缺陷在于只有一個(gè)電平可被精確地穩(wěn)壓。這一事實(shí)使得在需要多個(gè)穩(wěn)壓輸出直流電壓的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中成為特別重要。