(57)【要約】電気デバイス用のミニチュア充電器は、第１の電圧レベルを有する接地ＡＣ電気グリッドを、第２の電圧レベルを有する接地ＤＣ電圧に変換するための整流器と、第２の電圧レベルを有する接地ＤＣ電圧を、第３の電圧レベルの接地ＤＣ中間電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣ電圧コンバータと、第３の電圧レベルの接地ＤＣ中間電圧を、第４の電圧レベルの非接地ＤＣ低電圧に変換するためのトランスユニットと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気デバイス用の充電器であって、
第１の電圧レベルを有する接地ＡＣ電気グリッドを、第２の電圧レベルを有する接地ＤＣ電圧に変換するための整流器と、
第２の電圧レベルを有する前記接地ＤＣ電圧を、第３の電圧レベルの接地ＤＣ中間電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣ電圧コンバータと、
第３の電圧レベルの前記接地ＤＣ中間電圧を、第４の電圧レベルの非接地ＤＣ低電圧に変換するためのトランスユニットと、を含み、
前記充電器は、４ｍｍ未満の厚さを有する空間ボリュームに含まれて、５ＶＤＣ出力で少なくとも１０Ｗを提供することができる、充電器。
【請求項２】
ＤＣ高電圧をフィルタリングして、クリーンなＤＣ高電圧を前記電圧コンバータに供給するためのフィルタをさらに含む、請求項１に記載の充電器。
【請求項３】
供給されるＡＣ高電圧は２２０〜２４０ＶＲＭＳの範囲にある、請求項１に記載の充電器。
【請求項４】
供給されるＡＣ高電圧は９０〜１２７ＶＲＭＳの範囲にある、請求項１に記載の充電器。
【請求項５】
前記非接地ＤＣ低電圧は３０Ｖ未満である、請求項１に記載の充電器。
【請求項６】
前記ＤＣ中間電圧は５０〜１００Ｖの範囲にある、請求項１に記載の充電器。
【請求項７】
前記ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータは、バックコンバータ、ブーストコンバータまたはバックブーストコンバータのうちの１つである、請求項１に記載の充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電器の分野に関する。特に、本発明は、ミニチュアサイズの電気デバイス用充電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術進展の一態様は、電気デバイスおよびそれらのアクセサリの小型化である。例えば、最新の携帯電話の計算能力は、現代のハンドヘルドサイズと比較して、ほんの数年前の非常に大きなデバイスを必要としただろう。最新のデバイスのユーザは、小型のハンドヘルドデバイスを用いて、ＧＰＳナビゲーション、ウェブサーフィン、ビデオコンテンツ視聴および記録などのような、技術的に複雑な動作および計算を実行することができる。
【０００３】
充電器の分野では、規制および安全規制は、電気デバイスがＡＣ電気グリッドから電気的に分離していることを必要とする。この分離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）は、最も一般的には、ＡＣ電気グリッドに接続していながら感電から保護するために用いる。供給される回路をＡＣ電気グリッドから分離する一方で電流を導通することができる最も一般的な電気コンポーネントは、絶縁トランスである。トランスが非接地電力を供給することができる原理はガルバニック絶縁（Ｇａｌｖａｎｉｃ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）であり、それは、電気回路の２つの部分間での電流および導通を防止する一方で電力交換を実行する。
【０００４】
概してトランスは、コアおよび複数の巻線から成る。巻線の巻き数およびコアの特性（そのサイズを含む）は、トランスの各側上の電力レベル間のインダクタンスおよび必要比率に由来する。これら２つのコンポーネント（すなわち巻線およびコア）は、トランスの物理的寸法を決定する。
【０００５】
電気デバイス充電器の場合、トランスは、キーとなる役割を演ずる。デバイスをＡＣ電気グリッドから分離するために絶縁トランスが必要とされるので、この種のトランスを含む充電器は、トランスを構成する巻線およびコアのサイズよりも物理的に小さくなることができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、分離安全性規制にしたがう一方で電気デバイス充電器のサイズを最小化する方法を提供することは、本発明の目的である。
【０００７】
上記の方法による小さい電気デバイス充電器を提供することは、本発明の別の目的である。説明が進行するにつれて、本発明の他の目的および利点は明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
電気デバイス用のミニチュア充電器が開示される。電気デバイス用のミニチュア充電器は、第１の電圧レベルを有する接地ＡＣ電気グリッドを、第２の電圧レベルを有する接地ＤＣ電圧に変換するための整流器と、第２の電圧レベルを有する接地ＤＣ電圧を、第３の電圧レベルの接地ＤＣ中間電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣ電圧コンバータと、第３の電圧レベルの接地ＤＣ中間電圧を、第４の電圧レベルの非接地ＤＣ低電圧に変換するためのトランスユニットと、を含み、充電器は、５ＶＤＣ出力で少なくとも１０Ｗを提供することができる４ｍｍ未満の厚さならびに、例えば８５ｍｍ未満の長さおよび５４ｍｍ未満の幅を有する空間ボリュームに含まれる。
【０００９】
いくらかの実施形態によれば、充電器は、ＤＣ高電圧をフィルタリングして、クリーンなＤＣ高電圧を電圧コンバータに供給するためのフィルタをさらに含む。
【００１０】
いくらかの実施形態によれば、供給されるＡＣ高電圧は２２０〜２４０ＶＲＭＳの範囲にある。
【００１１】
いくらかの実施形態によれば、供給されるＡＣ高電圧は９０〜１２７ＶＲＭＳの範囲にある。
【００１２】
いくらかの実施形態によれば、非接地ＤＣ低電圧は３０Ｖ未満である。
【００１３】
いくらかの実施形態によれば、ＤＣ中間電圧は５０〜１００Ｖの範囲にある。
【００１４】
いくらかの実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータは、バックコンバータ、ブーストコンバータまたはバックブーストコンバータのうちの１つである。
【００１５】
本発明に関する内容は、明細書の末尾部分において特に指摘されて、明確に請求される。しかしながら、本発明は、その目的、特徴および利点と共に、構成および動作方法の両方とも、添付図面とともに読み込まれるときに、以下の詳細な説明を参照することで最も理解されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるミニチュア充電器の動作を記載するブロックダイヤグラムを例示する。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による電圧変換および供給のフローチャートを示す。
【図３ａ】図３ａは、各々、高いＤＣ電圧を中間のＤＣ電圧に変換する方法を例示する。
【図３ｂ】図３ｂは、各々、高いＤＣ電圧を中間のＤＣ電圧に変換する方法を例示する。
【図３ｃ】図３ｃは、各々、高いＤＣ電圧を中間のＤＣ電圧に変換する方法を例示する。
【図３ｄ】図３ｄは、各々、高いＤＣ電圧を中間のＤＣ電圧に変換する方法を例示する。
【図３ｅ】図３ｅは、各々、高いＤＣ電圧を中間のＤＣ電圧に変換する方法を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
例示の単純性および明快さのために、図に示される要素が一定の比率で必ずしも描かれたわけでないことはいうまでもない。例えば、要素のいくつかの寸法は、明確にするため他の要素と関連して誇張されてもよい。さらに、適切であるとみなされる所で、対応するまたは類似した要素を示すために参照番号は図中で繰り返されてもよい。
【００１８】
以下の詳細な説明において、多くの具体的な詳細が本発明の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細なしで実施されてもよいことが当業者によってよく理解される。他の例では、本発明を不明瞭にしないように、周知の方法、手順およびコンポーネントは詳述しなかった。
【００１９】
本発明は、電気デバイス用のミニチュア充電器を指向する。具体的には、本発明は、４ｍｍ未満の厚さならびに、例えば８５ｍｍ未満の長さおよび５４ｍｍ未満の幅を有するミニチュア充電器を指向する。この種の充電器の主要なサイズ要因は、その中に含まれるトランスであり、トランスは概して厚さ寸法の減少を制限する。ＡＣ電気グリッドからの電気デバイスのガルバニック絶縁の安全上の必要条件を満たすために、トランスが主に必要とされる。トランスはまた、安全分離要件を保つ一方で、高電圧（すなわち９０〜２３０Ｖ）を低い動作電圧（すなわち５〜３０Ｖ）に移すために必要とされる。トランスの必要なインダクタンスに加えて、電気デバイスに供給されるように設計された電力によって決定される、トランスの電力移送要件は、巻線の巻き数およびトランスのコアの磁気的特徴を決定する。安全上の必要条件にしたがう一方で必要な電力の移送を可能にするために、これらの２つの特徴（すなわち巻線の巻き数およびコアの磁気的特徴）は、トランスに、したがってかかるトランスを含む充電器に、物理的最小寸法を課す。
【００２０】
本発明は、安全上の必要条件および電気的に有効な電力変換を維持する一方で、単にミニチュア・コンポーネントを含む充電器を導く。充電器は、トランスの１次側に供給される高いネットワーク電圧レベルと低い動作電圧レベルとの間の中間電圧レベルを利用する。そしてそれは、トランスサイズの減少を許容し、本明細書において以下に詳細に説明される。本発明の実施形態により設計されて、動作する充電器の第１ステージは、ＡＣ電気グリッドの高電圧を、接地中間電圧レベルに変換するために使われ、充電器の第２ステージは、中間電圧を、接続された電気デバイスが動作するかまたは充電する電圧に適している非接地低電圧に変換する。
【００２１】
中間電圧レベルの利用は、充電器の出力電圧が充電器の入力電圧（例えばグリッド電圧）から分離される限り、電圧レベル移行（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）の１つだけで発生する分離を許容し、したがって、一部の電圧レベル移行が分離されないことを許容する。充電器の電気回路構成の第１ステージが電圧非接地要件を満たすことを必要としないので、インダクタおよび／またはコンデンサのようなミニチュア・コンポーネントは、第１ステージの電気回路構成において用いることができる。その一方で、高い使用電圧に対応して、電気的非接地要件を満たすことを必要とする電気コンポーネントは、例えば電圧レベル移行のための一般の電源回路（例えばトランス）において使用するコンポーネントのような、概して大きいコンポーネントである。
【００２２】
トランスの主要なステージを供給するための中間電圧レベルの使用は、トランスサイズの減少を許容する追加の利点を導く。同様に、回路のスイッチング周波数は、電気グリッドから分離されて、したがってグリッドの周波数よりも高いいかなる望ましい周波数にもセットされてよい。トランス供給電圧の周波数が必要インダクタンス数に反比例するので、充電器回路構成の第１ステージの高いスイッチング周波数の使用は、本明細書に記載されているようにトランスが使用されない所で、トランスに供給される電圧の周波数をグリッド周波数から分離して、これにより、低周波数で動作する回路と比較してインダクタンス減少を可能にする。
【００２３】
中間の接地電圧レベルから低レベルの非接地電圧への最終電圧移行がトランスを必要とするが、本発明の実施形態による回路トポロジのこの位置におけるトランスの物理的寸法は、ここで、高レベルから低レベルへの電圧移行を適用するために用いる充電回路において使用されるトランスの物理的寸法よりも小さくなることができる。この利点は、ここで、中間レベルから、より少ないインダクタンス、したがってより少ないトランス巻線およびより小さいトランスコア、そしてこれによりより小さいトランスボリュームを必要とする、低レベルへのトランスの電圧移行に起因して可能にされる。トランス用の周知の設計ルールは規定する。
【００２４】
【数１】
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ここで、
Ａｉはトランスの磁気コア断面積
ｆはトランスの動作周波数
Ｂｍは磁束
Ｔｅはターン・パー・ボルトの数である。
【００２５】
この式から分かるように、動作周波数がより高いほどトランスの磁気コアの断面積はより小さくて、これにより、トランスの物理的寸法の減少を可能にする。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態によるミニチュア充電器の主構造要素および代表的な波形を記載するブロックダイヤグラムを例示する。ＡＣ電気グリッド１０１は、正弦波１０２を発生する。正弦波１０２は、高振幅（９０ＶＲＭＳ−２３０ＶＲＭＳ）で、かつ接地または非フローティング（すなわち、中立の終端を含む）のものである。正弦波１０２は、波形整流器１０４に入力する。波形整流器１０４は、ＡＣ波形１０２を同程度の大きさのＤＣ波形１０５に変換することができるブロックを含む。波形整流器１０４で、波形に対して非接地を適用しないで変換が実行される。接地ＤＣ波形１０５は、信号妨害をフィルタリングするための電磁コンパチビリティ／電磁干渉（ＥＭＣ／ＥＭＩ）およびＤＣフィルタ１０６に入力する。その結果、クリーンなＤＣ高さおよび接地電圧１０７になる。クリーンな高電圧１０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８に入力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０８は、信号を、まだ接地の中間電圧ＤＣレベル信号１０９に変換する。一旦電圧が中間状態にあると、それが目標の非接地低電圧に変換されることができる。これはブロック１１０により達成される。ブロック１１０は、電圧のステップダウンおよび非接地の両方を達成するためのトランスを通常含む。結果は、通常５ＶＤＣ〜２０ＶＤＣの範囲の必要な電圧レベルの低レベル非接地電圧１１１である。
【００２７】
図２は、本発明の一実施形態による入口から充電器までの電圧に適用される移行のフローチャートを示す。ステップ２１では、通常９０ＶＲＭＳ〜２３０ＶＲＭＳのＡＣ電気グリッド電圧が充電回路に供給される。ステップ２２では、高電圧が接地の高いＤＣ電圧に変換（すなわち、整流）される。ステップ２３では、高い接地ＤＣ電圧は、妨害（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を除去するためのＥＭＣ／ＥＭＩおよびＤＣフィルタに入力する。このステップの結果は、クリーンな接地の高いＤＣ電圧である。このクリーンな接地の高いＤＣ電圧は、ステップ２４において、高いＤＣ電圧を接地の中間のＤＣ電圧に変換するためのＤＣ電圧コンバータに供給される。ステップ２５では、接地のＤＣ中間電圧が目標とする低い非接地のＤＣ電圧に変換される。一旦、この電圧レベルに達して、非接地安全上の必要条件が満たされると、低い非接地ＤＣ電圧は、ステップ２６において目標のデバイスに供給されることができ、したがって、電圧移行を完了して、電源供給源のステップを処理する。
【００２８】
図３ａ、図３ｂ、図３ｃ、図３ｄおよび図３ｅは、ＤＣ−ＤＣコンバータの５つの変形例およびそれらの関連する電圧を例示する。本発明による高いＤＣ電圧から中間のＤＣ電圧への変換は、図３ａ〜図３ｅに例示するＤＣ−ＤＣコンバータのうちの１つにより、およびそれらの関連する電圧にしたがって、しかしそれに限定されずに、実行されることができる。
【００２９】
図３ａは、高電圧３１２と中間電圧３１３との間の関係のグラフ例３１１に示す。回路３１４は、この種の関係を得るために用いることができる電子回路である。そこにおいて、コンデンサ３１５は高電圧を蓄えるために用いられ、コンデンサ３１６は中間電圧を蓄えるために用いられる。
【００３０】
同様に、図３ｂ〜図３ｅは、高電圧（それぞれ、３２２、３３２、３４２および３５２）と中間電圧（それぞれ３２３、３３３、３４３および３５３）との間の関係を表す、それぞれ他のグラフ例（３２１、３３１、３４１および３５１）を示す。回路３２４、３３４、３４４および３５４は、それぞれ、この種の電圧関係を得るために用いることができる電子回路である。そこにおいて、コンデンサ３２５、３３５、３４５および３５５は、それぞれ、高電圧を蓄えるために用いられ、コンデンサ３２６、３３６、３４６および３５６は、それぞれ、中間電圧を蓄えるために用いられる。
【００３１】
図３ａのタイプのコンバータ（すなわちコンバータ３１４）は、バックコンバータとして形態的に定義される。図３ｂ、図３ｃおよび図３ｄのタイプのコンバータ（すなわちコンバータ３２４、３３４および３４４）は、バックブーストコンバータとして形態的に定義される。図３ｅのタイプのコンバータ（すなわちコンバータ３５４）は、ブーストコンバータとして形態的に定義される。
【００３２】
中間電圧の低電圧への変換は、高いＡＣ電圧の低いＤＣ電圧への変換に比べて、より少ない巻線およびより小さいコアを必要とし、そしてより高いスイッチング周波数を許容する。その結果、中間電圧レートの利用は、電気デバイス充電器の主なサイズ要因の最小化を可能にする。その一方で、非接地安全性の指示を維持する。
【００３３】
充電器の非常に限られた物理的寸法を達成するために、本発明の実施形態によれば、互いに矛盾する傾向がある複数の制限変数の間で注意深い妥協がなされなければならない。例えば、充電器の厚さを１０Ｗの充電器用の４ｍｍ未満に保つことは、より薄いトランスの使用さえ規定する。そして、より薄いトランスは、十分な電気的エネルギーを変圧することを有効にするために、その長さ寸法および幅寸法を延長することを必要とする。他の例は、非常に薄いトランスによって、それらのごくわずかな余地を残してトランス巻線上に課される制約である。そして、電気侵入分離は、分離巻線の使用を規定すること、巻線のための利用可能な空間上により高い制限を課すこと、を必要とする。例えば、高い侵入電圧分離要件は、３０００ＶＡＣまたは４２４２ＶＤＣでもよい。本発明の実施形態により設計される充電器は、バック・トポロジにおいて２３０Ｖ：４６Ｖ（それは５：１比率）の、そしてフライバック・トポロジにおいて非接地ステージ電圧比の４６Ｖ：５Ｖ（それは８：１比率）の、入／出力電圧レベル比率を有してよい。第２ステージ電圧比は、以下の考慮点を用いてて決定されてよい。
【００３４】
【数２】
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ここで、
Ｎ１は１次巻線数
Ｎ２は２次巻線数
Ｄはデューティーサイクルである。
【００３５】
トランスを通して電力を移行するためのトランス用に選択される周波数は、トランスの必要なインダクタンス、物理的寸法の限界、トランスのコア材料、トランスの電力能力などのような複数の考慮点および変数のうちの１つ以上にしたがって決定されてよい。
【００３６】
本発明の実施形態により構成されて動作する充電器が米国およびＥＵの最小効率要件に応じるために、それは以下の総合効率を有しなければならない：
ＵＳＥｆｆ≧０．０８３４＊ｌｎ（ＰＯＵＴ）−０．００１４＊ΡＯＵＴ＋０．６０９、ＮｏＬｏａｄ  ｐｏｗｅｒ≦１００ｍＷ
ＥＵｅｆｆ≧０．０８３４＊ｌｎ（ＰＯＵＴ）−０．００１１＊ΡＯＵＴ＋０．６０９、ＮｏＬｏａｄ  ｐｏｗｅｒ≦７５ｍＷ
本発明の実施形態による非常に薄い充電器用の、そして特に１０Ｗ、２４０ＶＡＣ入力充電器用の４ｍｍ未満の厚さ限定の、上述の制約および制限の考慮は、トランスの物理的寸法の減少、および十分高いキャパシタンスを有しかつ十分小さい物理的寸法を有するコンデンサ（例えば４６Ｖに関して互換性を持つ１つのコンデンサ用に２つの（またはより多くの）並列な１００μＦ／２５Ｖのコンデンサ）の可用性を可能にするために、中間電圧が４０〜７０Ｖの範囲に選択されることをもたらす。
【００３７】
本発明の特定の特徴が例示されて、本明細書において記載されるとはいえ、多くの修正、代用、変更および等価物がここで当業者に発生する。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内に含まれるこれらのようなすべての修正および変更をカバーすることを意図することが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
2019525723.tif 000009
【図３ｄ】
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【図３ｅ】
2019525723.tif 000011
【国際調査報告】
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2019525723.tif 000013
2019525723.tif 000014
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