ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
POWER SUPPLY SOURCE

Область техники, к которой относится изобретение
Область техники, к которой относится изобретение, в общем, относится к источникам питания и, более конкретно, к универсальному источнику питания с выходным постоянным током
Предшествующий уровень техники
Существуют два основных класса источников питания или преобразователей: (1) Преобразователи переменного тока в постоянный ток и (2) преобразователи постоянного тока в постоянный ток. Источник питания типа преобразователя переменного тока в постоянный ток обычно преобразует напряжение переменного тока сети, в качестве входного напряжения, в выходное постоянное напряжение, и такой преобразователь можно найти, например, в таких приложениях, как бытовые усилители звука. Обычно, он может быть воплощен, либо как линейный или как импульсный источник питания. Источники питания типа преобразователя постоянного тока в постоянный ток преобразуют одно существующее постоянное напряжение в другое, например, напряжение батареи в другое более высокое или более низкое напряжение. Они обычно воплощены, как импульсный источник питания. Для обычного использования источник питания с преобразованием постоянного тока в постоянный ток преобразует напряжение и также обеспечивает изоляцию между входом и выходом.
Как правило, компоненты обычного источника питания включают в себя трансформатор, выпрямитель и сглаживающие/накопительные конденсаторы. Дополнительные компоненты, обычно используемые в импульсных источниках питания, включают в себя микросхему типа 1C управления, силовые транзисторы, цепи фильтрации и экранирование для предотвращения возникновения электромагнитных помех (EMI). Требование обеспечения еще меньших размеров оборудования привело к преобладанию импульсных источников питания.
В обычных линейных источниках питания, используемых, например, в бытовых усилителях звука, используют крупные, тяжелые, дорогостоящие трансформаторы для преобразования подаваемого питания сетевого переменного тока с высоким напряжением в более низкое напряжение, пригодное для усилителя или других вариантов применения. Питание, подаваемое из сети переменного тока с высоким напряжением, вначале понижают до более низкого напряжения переменного тока, и затем эти колебания более низкого переменного напряжения выпрямляют в постоянный ток. Однако выпрямленное напряжение является пульсирующим и, таким образом, накопительные конденсаторы большой емкости требуются для того, чтобы обеспечить постоянное напряжение для усилителя. Даже в этом случае, источник постоянного тока все еще имеет заметные нерегулярности (пульсации напряжения), которые наложены поверх постоянного тока, которые могут проявиться, как слышимое жужжание и гул на выходе усилителя, если только существенные меры не будут предприняты при конструировании усилителя и его компоновки.
В то время как конструкция такого источника питания является относительно простой и излучения EMI являются относительно низкими, трансформатор является большим, тяжелым и очень дорогостоящим. Накопительные конденсаторы также являются большими и дорогостоящими. Таким образом, общие размеры источника питания, построенного на основе такого подхода, не позволяют его использовать в конструкции с малыми весом и низким профилем. Потери мощности в источнике питания являются относительно низкими, при этом общий коэффициент полезного действия, обычно находится в пределах 85-90%.
Альтернатива использованию линейных источников питания состоит в использовании технологии преобразования энергии в импульсном режиме. В этой технологии напряжение сети, прежде всего, выпрямляют и сглаживают с получением полного напряжения сети. Это позволяет использовать накопительные конденсаторы меньшей емкости по сравнению с линейным источником питания, и которые также являются менее дорогостоящими. Полученный в результате сигнал постоянного тока с высоким напряжением затем преобразуют в более низкое напряжение, путем модуляции его с очень высокой частотой (обычно несколько десятков кГц) для получения выходного сигнала переменного тока, который преобразуют в более низкое напряжение, используя трансформатор с малыми размерами. Поскольку рабочая частота намного выше, чем в линейном источнике питания, трансформатор может иметь намного меньшие размеры, чем в обычном линейном источнике питания. Однако сигнал переменного тока на выходной стороне трансформатора снова требуется выпрямить для получения постоянного тока, и он также должен быть сглажен с помощью накопительных конденсаторов, хотя и меньших размеров, чем в линейном источнике питания. Пример такого источника питания представляет собой внешний источник питания, обычно используемый для питания переносных компьютеров.
Одна из издержек, которая должна быть оплачена при таком подходе, состоит в том, что для поддержания эффективности, при модуляции постоянного тока получают высокочастотное переменное напряжение с прерывистой, прямоугольной формой колебаний. Такая форма колебаний генерирует большие уровни очень высоких частот, которые излучаются, вызывая радиочастотные помехи (EMI). Тщательная конструкция, компоновка и экранирование требуются для уменьшения этого излучения до приемлемого уровня. Компоненты частоты переключения также должны быть удалены или изолированы из входной и выходной линий, что требует использования дополнительных магнитных компонентов, что увеличивает стоимость и размеры источника питания. Коэффициент полезного действия, хотя теоретически и достигающий очень высоких значений, обычно находится в диапазоне 80-90%. В целом, размер и вес импульсного источника питания могут быть существенно уменьшены по сравнению с обычным линейным источником питания, и стоимость основных компонентов также может быть ниже. Однако, сложности, связанные с конструкцией импульсного источника питания, могут существенно повысить затраты на конструирование и сертификацию, и, в результате, увеличить время выхода на рынок, составляющее много месяцев.
В сумме линейные источники питания проявляют тенденцию их выполнения с более крупными размерами и профилем, относительно дорогостоящими и тяжелыми. Они предпочтительны с точки зрения коэффициента полезного действия и низкого излучения.
Импульсные источники питания проявляют тенденцию быть более малыми и с меньшим весом. Из-за более высокой рабочей частоты трансформаторы и конденсаторы импульсных источников питания проявляют тенденцию быть меньшими, чем в линейных источниках питания. Однако импульсные источники питания могут быть менее эффективными, чем линейные источники питания, и могут формировать значительно больший уровень электромагнитных помех, что требует тщательной фильтрации и экранирования. Импульсные источники питания также являются более сложными, требуют наличия схемы управления и силовых устройств переключения. При этом требуется больше времени для их разработки, и обычно они являются более дорогостоящими, чем линейные источники питания. Тенденция проявляется в направлении разработки источников питания с еще меньшими размерами, требующих более высокой рабочей частоты и, следовательно, имеющих больше потенциальных проблем, связанных с EMI.
В более крупных источниках питания может использоваться генерирование трехфазной энергии, которая представляет собой альтернативную технологию источника питания по сравнению с описанным выше. В трехфазной системе по трем линиям питания подают три переменных тока с одинаковой частотой, но с разными фазами, которые достигают их мгновенных пиковых значений в разное время. Формы колебаний тока смещены на 120 градусов друг от друга (то есть, каждый ток смещен на одну треть цикла от других двух форм колебаний). Такая относительная настройка форм колебаний позволяет непрерывно подавать энергию в нагрузку (нагрузки), с уменьшенными, но, тем не менее, существенными пульсациями. В результате, постоянное количество энергии передают через каждый цикл тока. Трансформаторы можно использовать для повышения или понижения уровней напряжения в разных точках в трехфазной сети питания. В трехфазном выпрямительном мосту обычно используется шесть диодов, при этом два диода используют для каждой цепи трех фаз.
В то время как трехфазные системы источника питания имеют определенные преимущества, им также присущи определенные недостатки или ограничения. Например, обычно требуется минимум три проводника или линий питания, а также три набора схем для переключения уровня (с использованием трансформаторов) и выпрямления каждого из ответвлений. Кроме того, в то время как пульсации уменьшены в однофазном источнике питания, такие пульсации все еще являются существенными и обычно требуют использования накопительных конденсаторов для получения приемлемого уровня пульсаций.
Существует потребность в источнике питания или преобразователе, который может быть выполнен меньшим по размерам, с меньшим весом и обоснованно не дорогостоящим, с минимальным уровнем EMI. Кроме того, существует потребность в таком источнике питания, который исключает сложности и усложнения при переключении источников питания. Кроме того, существует потребность в источнике питания, который позволяет уменьшить потребность в использовании больших компонентов и, таким образом, может быть выполнен с малыми размерами и профилем, и с малым весом.
Раскрытие изобретения
Первым объектом изобретения является источник питания, содержащий: генератор сигналов, формирующий сигнал с первой формой колебаний и сигнал со второй формой колебаний; первую выпрямительную систему, связанную с первой формой колебаний и формирующую первый выпрямленный сигнал; вторую выпрямительную систему, связанную со второй формой колебаний и формирующую второй выпрямленный сигнал; и выходной сигнал постоянного тока, сформированный в результате постоянного совокупного объединения первого выпрямленного сигнала и второго выпрямленного сигнала, при этом сумма первого выпрямленного сигнала и второго выпрямленного сигнала равна уровню указанного выходного сигнала постоянного тока, и оба сигнала, первый выпрямленный сигнал и второй выпрямленный сигнал, когда они не равны нулю, одновременно вносят вклад в уровень указанного выходного сигнала постоянного тока.
Другим объектом изобретения является источник питания, содержащий: генератор сигналов, формирующий сигнал с первой формой колебаний и сигнал со второй формой колебаний; первый трансформатор, принимающий сигнал с первой формой колебаний в качестве входного сигнала; второй трансформатор, принимающий сигнал со второй формой колебаний в качестве входного сигнала; первый выпрямительный мост, соединенный с выходом первого трансформатора и формирующий первый выпрямленный сигнал; второй выпрямительный мост, соединенный с выходом второго трансформатора и формирующий второй выпрямленный сигнал; и выходной сигнал постоянного тока, сформированный в результате постоянного совокупного объединения первого выпрямленного сигнала и второго выпрямленного сигнала, при этом сумма первого выпрямленного сигнала и второго выпрямленного сигнала равна уровню указанного выходного сигнала постоянного тока, и оба сигнала, первый выпрямленный сигнал и второй выпрямленный сигнал, когда они не равны нулю, одновременно вносят вклад в уровень указанного выходного сигнала постоянного тока.
Еще одним объектом изобретения является способ преобразования энергии, характеризующийся тем, что: генерируют первую переменную форму колебаний и вторую переменную форму колебаний; выпрямляют первую и вторую переменные формы колебаний для формирования первого выпрямленного сигнала и второго выпрямленного сигнала, соответственно, причем сумма указанных первого выпрямленного сигнала и второго выпрямленного сигнала в различные моменты времени равна по существу постоянной величине, и формируют выходной сигнал постоянного тока указанной по существу постоянной величины путем постоянного совокупного объединения первого выпрямленного сигнала и второго выпрямленного сигнала, причем оба сигнала, первый выпрямленный сигнал и второй выпрямленный сигнал, когда они не равны нулю, одновременно вносят вклад в уровень указанного выходного сигнала постоянного тока.
Следующим объектом изобретения является преобразователь мощности, содержащий: генератор сигналов, выполненный с возможностью формировать на выходе множество форм колебаний; множество выпрямительных систем, каждая из которых выполнена с возможностью принимать одну из указанных форм колебаний и формировать на выходе соответствующий выпрямленный сигнал, таким образом, формируя множество выпрямленных сигналов, при этом сумма указанного множества выпрямленных сигналов равна по существу постоянной величине; и схему суммирования, связанную с указанным множеством выпрямительных систем, причем схема суммирования выполнена с возможностью формировать выходной сигнал постоянного тока с уровнем, равным указанной по существу постоянной величине, путем постоянного суммирования указанного множества выпрямленных сигналов; причем указанное множество выпрямленных сигналов, когда они не равны нулю, одновременно вносят вклад в уровень указанного выходного сигнала постоянного тока.
Еще одним объектом изобретения является устройство преобразования мощности, содержащее: генератор сигналов, выполненный с возможностью формировать на выходе первый сигнал с изменяющейся во времени формой колебаний и второй сигнал с изменяющейся во времени формой колебаний, первую выпрямительную систему, связанную с генератором сигналов и выполненную с возможностью формировать первый двухполупериодный выпрямленный сигнал в ответ на указанный первый сигнал с изменяющейся во времени формой колебаний; вторую выпрямительную систему, связанную с генератором сигналов и выполненную с возможностью формировать второй двухполупериодный выпрямленный сигнал в ответ на второй сигнал с изменяющейся во времени формой колебаний; и схему суммирования, связанную с указанными первой выпрямительной системой и второй выпрямительной системой и выполненную с возможностью формировать выходной сигнал постоянного тока путем постоянного суммирования первого двухполупериодного выпрямленного сигнала и второго двухполупериодного выпрямленного сигнала; при этом сумма первого двухполупериодного выпрямленного сигнала и второго двухполупериодного выпрямленного сигнала равна уровню указанного выходного сигнала постоянного тока, и оба сигнала, первый двухполупериодный выпрямленный сигнал и второй двухполупериодный выпрямленный сигнал, когда они не равны нулю, одновременно вносят вклад в указанный уровень выходного сигнала постоянного тока.
В одном из аспектов изобретением является источник питания, в котором одну или больше входных форм колебаний задают или иначе выбирают так, чтобы выходная форма колебаний требовала минимального сглаживания для генерирования выходной формы постоянного тока.
В соответствии с одним или больше вариантами осуществления изобретений, предусмотрен источник питания, имеющий одну или больше входных форм колебаний, которые задают или иначе выбирают перед предоставлением в изолирующий трансформатор. Свойство входных форм колебаний задают или выбирают таким образом, что преобразованная форма колебаний не требует вообще или требует минимального сглаживания для генерирования выходной формы постоянного тока.
Источник питания может содержать генератор формы колебаний, каскад преобразования уровня, предназначенный для повышения (или понижения) уровня напряжения, выпрямительный каскад и объединитель сигнала. Генератор формы колебаний может генерировать взаимодополняющие формы колебаний, таким образом, что после того, как каждая из взаимодополняющих форм колебаний будет выпрямлена и скомбинирована, их сумма будет постоянной, не требуя, таким образом, сглаживания или требуя минимального сглаживания для генерирования выходной формы постоянного тока.
В одном варианте осуществления выходной источник питания постоянного тока содержит генератор формы колебаний, по меньшей мере, один трансформатор, выпрямительный каскад и объединитель сигнала. Генератор формы колебаний может генерировать взаимодополняющие формы колебаний, таким образом, что после того, как каждая из взаимодополняющих форм колебаний будет выпрямлена и скомбинирована, их сумма будет постоянной.
Взаимодополняющие формы колебаний предпочтительно идентичны, но разнесены на 90 градусов по фазе друг от друга, хотя в других вариантах осуществления формы колебаний могут иметь разную взаимосвязь. Взаимодополняющие формы колебаний применяют для пары трансформаторов или одного трансформатора с отдельными обмотками. Выходы трансформаторов предусмотрены в каскаде выпрямителя, который выводит пару выпрямленных сигналов. Выпрямленные сигналы имеют свойство, состоящее в том, что при суммировании вместе, их сумма будет постоянной. Сигналы выпрямителя подают в преобразователь сигнала, который суммирует сигналы и формирует постоянный выходной сигнал постоянного тока.
В некоторых вариантах осуществления выходное напряжение отслеживают и возвращают на входную сторону источника питания, что позволяет регулировать амплитуду или другие характеристики сигналов взаимодополняющих форм колебаний, прежде чем они будут переданы в трансформатор (трансформаторы).
В других вариантах осуществления используют технологию переключаемого конденсатора для регулирования (например, повышения) уровня напряжения взаимодополняющих форм колебаний, вместо преобразователя (преобразователей). В других отношениях, источник питания работает аналогичным образом.
Варианты осуществления, описанные здесь, могут привести к получению одного или больше преимуществ, включая в себя то, что их можно выполнить с более малыми размерами, более легкими, более тонкими и/или менее дорогостоящими, чем обычный источник питания, с меньшим количеством крупных компонентов, при сохранении высокой эффективности. Источник питания может быть разработан так, чтобы получать минимальный или несущественный уровень EMI. Поскольку источник питания может быть выполнен более простым по конструкции и при изготовлении, он может быть выпущен на рынок более быстро, приводя, таким образом, к более быстрому циклу разработки продукта.
Дополнительные варианты осуществления, альтернативы и вариации также описаны здесь или иллюстрируются на приложенных чертежах.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана концептуальная блок-схема раскрытого здесь источника питания с постоянным током на выходе, в котором используется один или больше преобразователей для преобразования уровня сигнала.
На фиг. 2 показан ряд временных диаграмм, иллюстрирующих работу источника питания, показанного на фиг. 1, в соответствии с одним примером.
На фиг. 3 показан ряд временных диаграмм, иллюстрирующих работу источника питания, показанного на фиг. 1, в соответствии с другим примером.
На фиг. 4 показана блок-схема, представляющая компоненты варианта осуществления управляемого напряжением источника питания с постоянным током на выходе, как раскрыто в соответствии с концептуальной блок-схемой по фиг. 1.
На фиг. 5 показана блок-схема, представляющая компоненты варианта осуществления управляемого напряжением источника питания с постоянным током на выходе, как раскрыто в соответствии с концептуальной блок-схемой по фиг. 1.
На фиг. 6 показана блок-схема, иллюстрирующая один пример генератора сигнала, который можно использовать в связи с различными раскрытыми здесь вариантами осуществления.
На фиг. 7 показана схема, представляющая вариант осуществления источника питания, в котором используется технология аналогичная фиг. 1, но реализованная со схемами переключаемого конденсатора.
На фиг. 8 показана концептуальная блок-схема источника питания с постоянным током на выходе, как раскрыто здесь.
На фиг. 9 показана блок-схема, иллюстрирующая второй пример генератора сигнала, который можно использовать в связи с различными раскрытыми здесь вариантами осуществления.
На фиг. 10 показана временная диаграмма, иллюстрирующая пример пары частотно-модулированных сигналов, которые может выводить генератор сигнала.
На фиг. 11А и 11В показаны схемы части источника питания постоянного тока, работающего в соответствии с принципами по фиг. 1, используя разные входные формы колебаний в каждом случае.
На фиг. 12 показана схема части источника питания постоянного тока, имеющего усилители, выполненные как интеграторы.
На фиг. 13 показана временная диаграмма, которая может использоваться в связи с источником питания постоянного тока, имеющего усилители тока, управляемые напряжением, с характеристикой интегратора.
На фиг. 14 показана схема части источника питания постоянного тока, использующего технологии прямой связи для линеаризации усилителей мощности.
На фиг. 15 показана схема части источника питания постоянного тока, использующего, как технологии прямой связи, так и обратной связи.
На фиг. 16 показана схема другого варианта осуществления источника питания постоянного тока, использующего, как технологии прямой связи, так и обратной связи.
На фиг. 17 показана схема варианта осуществления, в котором используются схемы переключаемого конденсатора для формирования многокаскадного преобразователя мощности.
На фиг. 18 показана схема, представляющая источник питания на основе переключаемого конденсатора, имеющая комбинацию положительных и инвертирующих схем усилителей.
Варианты осуществления изобретения
В соответствии с одним или больше вариантами осуществления, предусмотрен источник питания, имеющий одну или больше входных форм колебаний, которые были сформированы или по-другому выбраны перед их подачей в изолирующий трансформатор. Свойство входных форм колебаний задают или выбирают таким образом, что преобразованная форма колебаний требует минимального выпрямления и/или сглаживания для генерирования формы колебаний в виде выходного постоянного тока.
На фиг. 8 показана концептуальная блок-схема источника 800 питания, как раскрыто здесь. На фиг. 8 генератор 805 источника сигнала (формы колебаний) генерирует пару сигналов 823, 824 с взаимодополняющими формами колебаний. Сигналы 823, 824 с взаимодополняющими формами колебаний выбирают так, чтобы обеспечить постоянный выходной уровень постоянного тока после подключения через каскад 830 преобразования уровня к выходному (выпрямительному) каскаду 840, после чего сигналы с преобразованным уровнем выпрямляют и комбинируют при минимизации требований к накопительному/сглаживающему конденсатору в выходном каскаде 840. Сигналы 823, 824 с взаимодополняющими формами колебаний предпочтительно представляют собой сигналы такого типа, как описано здесь ниже. Сигналы 823, 824 с взаимодополняющими формами колебаний соответственно, последовательно усиливают или ослабляют через блоки 835, 836, которые могут быть воплощены, как один или больше трансформаторов или сетей с переключающими конденсаторами, например, как, кроме того, подробно описано здесь. Каскад 830 преобразования уровня предоставляет сигналы 837, 838 в выходной каскад 840. Сигнал 837 из блока 835 преобразования первого уровня предоставляют в первый блок 860 выпрямителя выходного каскада 840. Сигнал 839 из второго блока 836 преобразования уровня предоставляют во второй блок 861 выпрямителя выходного каскада 840. Каждый из блоков 860, 861 выпрямителя может быть воплощен, как, например, полноволновой выпрямительный мост. Выпрямленные выходные сигналы 866, 867 блоков 860, 861 выпрямителя представляют собой формы колебаний, которые являются взаимодополняющими по своей сути, таким образом, что, когда их суммируют вместе, в результате получают постоянный уровень постоянного тока. С этой целью, выпрямленные выходные сигналы 866, 867 предоставляют в блок 870 комбинирования сигналов, который суммирует или по-другому комбинирует выпрямленные выходные сигналы 866, 867 и предоставляет выходной сигнал 885 постоянного тока, который является, по существу, постоянным по своей сути, обычно без необходимости использования накопительных/сглаживающих конденсаторов.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 показана концептуальная блок-схема источника 100 питания с постоянным током на выходе, как раскрыто здесь, на основе обобщенных принципов, показанных на фиг. 8, и используя один или больше трансформаторов для преобразования уровня сигнала. Как показано на фиг. 1, генератор 105 (формы колебаний) источника сигнала генерирует пару сигналов Vin, Vin с взаимодополняющей формой колебаний, через линии 123, 124 сигнала. Сигналы Vin, Vin с взаимодополняющей формой колебаний выбирают так, что обеспечивается постоянный уровень на выходе постоянного тока после подключения через каскад 130 трансформатора к выходному каскаду 140, после чего их выпрямляют и комбинируют, что сводит к минимуму требования к накопительному/сглаживающему конденсатору в выходном каскаде 140. Сигналы Vin, Vin с взаимодополняющей формой колебаний, предпочтительно, представляют собой сигналы такого типа, как описано здесь ниже. Сигналы Vin, Vin с взаимодополняющей формой колебаний подают через каскад 130 трансформатора и, более конкретно, через соответствующие трансформаторы 135, 136 каскада трансформатора в выходной каскад 140. Трансформаторы 135, 136 могут представлять собой повышающие или понижающие трансформаторы по своей сути и, предпочтительно, идентичны по характеристикам, если предположить, что амплитуда сигналов Vin, Vin с взаимодополняющей формой колебаний является одинаковой. Преобразователи 135, 136 могут быть физически воплощены, как одиночный трансформатор с отдельными обмотками для входных сигналов 123, 124 и для выходных сигналов 137, 138, но с совместным использованием того же магнитного сердечника (сердечников), или, в противном случае, они могут быть физически воплощены, как два физически отдельных трансформатора.
В каскаде 130 преобразователя формируют сигналы 137, 138 для выходного каскада 140. Сигнал 137 с вторичного выхода трансформатора 135 предоставляют в первый блок 160 выпрямителя выходного каскада 140. Сигнал 139 с вторичного выхода трансформатора 136 предоставляют во второй блок 161 выпрямителя выходного каскада 140.
Каждый из блоков 160, 161 выпрямителя может быть воплощен, как, например, полноволновой выпрямительный мост. Выпрямленные выходные сигналы 166, 167 блоков 160, 161 выпрямителя могут иметь периодические формы колебаний, которые являются взаимодополняющими по своей сути, таким образом, что при суммировании их вместе, получается постоянный уровень постоянного тока. С этой целью, выпрямленные выходные сигналы 166, 167 предоставляют в блок 170 комбинирования сигнала, который суммирует выпрямленные выходные сигналы 166, 167 и предоставляет выходной сигнал 185 постоянного тока, который является, по существу, постоянным по своей сути, в общем, без необходимости использования накопительных/сглаживающих конденсаторов. На практике, малые количества пульсаций могут возникнуть, которые могут быть сглажены с использованием относительно малого сглаживающего конденсатора (конденсаторов) (не показаны), который может быть предусмотрен в любом удобном месте, таком, как выходы блоков 160, 161 выпрямителя и/или после блока 170 комбинирования сигнала.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Характеристики генерируемых форм колебаний Vin, Vin выбирают так, чтобы они были периодическими формами колебаний так, что, после преобразования сигналов, их выпрямления и комбинирования (например, суммирования), получаемый в результате выходной сигнал 185 имеет постоянный уровень постоянного тока. Предпочтительно, формы колебаний Vin, Vin являются идентичными по форме, но смещены друг от друга на 90 градусов. Кроме того, формы колебаний, предпочтительно, обычно являются гладкими, так, что в них отсутствуют выбросы или другие элементы, которые могут быть нежелательными с учетом перспективы EMI. Примеры соответствующих форм колебаний для сигналов Vin, Vin показаны на фиг. 1, и также иллюстрируются более подробно на фиг. 2. На фиг. 2, графики 2A и 2B представляют формы Vin, Vin колебаний, соответственно (представлены, как формы 203, 204 колебаний на фиг. 2), каждая из которых составляет чередующиеся не преобразованные/преобразованные повышенные косинусные формы колебаний, но со смещением фазы друг от друга на 90 градусов. После полноволнового выпрямления получаемые в результате формы 213, 214 колебаний иллюстрируются на графиках 2С и 2D, которые относятся к формам Vin, Vin колебаний, соответственно. Формы 213, 214 колебаний представляют собой синусоидальные формы колебаний со смещением друг от друга на 180 градусов, отражающие смещение фазы исходных форм Vin, Vin колебаний. При их суммировании вместе, выпрямленные формы 213, 214 колебаний приводят к получению выходной формы 220 колебаний, имеющей постоянный выходной уровень постоянного тока, как показано на графике 2E. Другими словами, выпрямление и сглаживание форм Vin, Vui колебаний приводит к получению выходного уровня постоянного тока, обычно без необходимости использования крупных накопительных/сглаживающих конденсаторов, которые потребовались бы при использовании обычных импульсных источников питания.
1
2
1
2
1
2
1
2
Помимо форм 203, 204 колебаний, показанных на графиках 2A и 2B на фиг. 2, также можно использовать другие формы колебаний и обеспечивать аналогичный конечный результат. На фиг. 3 представлен второй пример взаимодополняющих периодических форм колебаний, выбранных для обеспечения постоянного уровня выходного тока после выпрямления и суммирования. На фиг. 3, графики 3A и 3B представляют формы Vin и Vin колебаний, соответственно (представлены, как формы 303, 304 колебаний на фиг. 3), каждая из которых составляет треугольную форму колебаний, имеющую чередующиеся, не перемежающиеся/инвертированные треугольные волны, но со смещением фазы друг от друга на 180 градусов. После полноволнового выпрямления полученные в результате формы 313, 314 колебаний показаны на графиках 3C и 3D, которые сходны с формами Vin, Vin колебаний, соответственно. Обе выпрямленные формы 313, 314 колебаний представляют собой положительные треугольные формы колебаний, имеющие симметричную форму, смещенные от друг друга на 90 градусов, что отражает смещение по фазе первоначальных форм колебаний Vin, Vin. При их суммировании вместе, выпрямленные формы 313, 314 колебаний позволяют получить выходную форму 320 колебаний, имеющую постоянный выходной уровень постоянного тока, как показано на графике 3E. Поскольку выпрямленная форма 313, 314 колебаний имеет одинаковый линейный наклон на участках повышения и участках понижения треугольных волн, падение напряжения первой выпрямленной формы 313 колебаний соответствует повышению напряжения второй выпрямленной формы 313 колебаний соответствует повышению напряжения второй выпрямленной формы 314 колебаний и наоборот. Таким образом, выпрямление и суммирование форм Vin, Vin колебаний приводит к получению постоянного уровня постоянного тока, в общем, без необходимости использования крупных накопительных/сглаживающих конденсаторов, которые обычно требуются в обычных импульсных источниках питания.
1
2
1
2
Помимо форм Vin, Vin колебаний, показанных на фиг. 2 и 3, также можно использовать другие формы колебаний. Предпочтительно, формы Vin, Vin колебаний выбирают или генерируют таким образом, чтобы после трансформации и полноволнового выпрямления, выпрямленные формы колебаний были взаимодополняющими друг другу таким образом, что их можно было суммировать вместе с получением постоянного уровня постоянного тока. Такие формы колебаний могут включать в себя периодические формы колебаний, позволяющие получать выпрямленные формы колебаний, которые являются симметричными по своей сути, таким образом, что их наклон повышения и кривизна являются такими же, как и их наклон падения и кривизна. Аналогично, выпрямленные формы колебаний, предпочтительно, являются симметричными вокруг их средней точки, таким образом, что их чередующиеся "положительные" и "отрицательные" формы колебаний являются идентичными по форме, но инвертированными относительно друг друга. Примеры формы колебаний, показанные на фиг. 2 и 3, удовлетворяют указанным выше критериям. Когда такие выпрямленные формы колебаний являются идентичными, но смещенными друг от друга на 90 градусов, симметричная сущность выпрямленных форм колебаний означает, что повышение одной выпрямленной формы колебаний точно соответствует падению другой выпрямленной формы колебаний, что позволяет получить постоянный комбинированный выходной уровень.
1
2
1
2
В дополнение к указанному выше, также можно использовать более сложные формы колебаний для Vin, Vin. Например, формы Vin, Vin колебаний могут быть составлены из множества разных гармоник, и/или могут изменяться с течением времени.
Технологии преобразования энергии, описанные выше, могут применяться в источниках питания на основе напряжения или тока. Более подробные примеры описаны ниже.
На фиг. 4 показана блок-схема, представляющая компоненты варианта осуществления источника 400 питания с постоянным током на выходе, управляемым по напряжению, как раскрыто в соответствии с концептуальной блок-схемой, показанной на фиг. 1. Источник 400 питания может получать питания от локального источника питания, такого как батарея, или от внешнего источника питания, такого, как линейный источник.
1
2
На фиг. 4 генератор 405 сигналов генерирует пару сигналов 412, 413 с взаимодополняющей формой колебаний, предпочтительно, периодических по своей сути, и которые, в общем, имеют описанные выше характеристики для Vin и Vin, то есть, они имеют форму, или их выбрали так, чтобы обеспечивался выход постоянного тока, после их объединения через каскад трансформатора выпрямления и комбинирования. Сигналы 412, 413 с взаимодополняющей формой колебаний подают в усилитель (VCA) 415, управляемый напряжением, который регулирует амплитуду сигналов 412, 413 такой формы колебаний на основе обратной связи, подаваемой от выходного сигнала 485 постоянного тока через усилитель 490 восприятия обратной связи. В некоторых вариантах осуществления может быть исключен усилитель 415, управляемый напряжением, так же, как и цепь 491 обратной связи и усилитель 490 восприятия обратной связи.
1
N2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Усилитель 415, управляемый напряжением выводит пару сигналов Vin и Vin с взаимодополняющей формой и отрегулированной амплитудой в линейные усилители 430, 431, соответственно, что отражено формами 423, 424 колебаний на наложенных на чертеж графиках, показанных на фиг. 4, которые представляют пример, аналогичный формам колебаний, используемым в аналогичном примере по фиг. 1 и фиг. 2. Силовые входы линейных усилителей 430, 431 соединены с шинами +V и -V источника питания, и они выводят усиленные сигналы 432, 433, которые, по существу, охватывают напряжения от одной шины до другой шины (с учетом незначительных потерь в усилителях 430, 431). Характеристики напряжения сигналов 432, 433 для одного примера формы колебаний отражены на наложенных графиках 440 и 441 (представляющих формы Vp и Vp колебаний), соответственно, показанных на фиг. 4, в случае, когда исходные генерируемые формы колебаний выглядят на как на графиках 423, 424 для Vin и Vin. Соответствующие характеристики тока для Vp и Vp отражены на наложенных графиках 442 и 443 (которые представляют формы колебаний Ip и Ip), соответственно. Как можно видеть графиках 440, 441, 442 и 443, формы Vp и Vp колебаний напряжения, для данного конкретного примера, характеризуются чередующимися инвертированными и не инвертированными приподнятыми косинусными волнами (при этом Vp и Vp идентичны, но смещены друг от друга на 90 градусов), в то время как соответствующие формы Ip и Ip колебаний тока принимают форму прямоугольных волн, имеющих постоянный положительный ток, соответствующий периоду времени не инвертированных приподнятых косинусных колебаний, и постоянный отрицательный ток, соответствующий периоду времени инвертированных приподнятых косинусных колебаний. Так же, как и формы колебаний напряжения, формы Ip и Ip колебаний тока являются идентичными, но смещенными друг от друга на 90 градусов.
1
2
Выходной сигнал первого линейного усилителя 430 подают в первичную обмотку первого трансформатора 435. Выходной сигнал второго линейного усилителя 431 соединен с первичной обмоткой второго трансформатора 436. Вторичные обмотки трансформаторов 435, 436 соединены с выходным каскадом 450, который принимает выходные сигналы 437, 438 трансформатора из трансформаторов 435, 436. Трансформаторы 435, 436 могут быть повышающими или понижающими по своей сути, и предпочтительно, идентичны по характеристикам, предполагая, что амплитуда сигналов Vp и Vp с взаимодополняющей формой колебаний является одинаковой. Трансформаторы 435, 436 могут быть физически воплощены, как один трансформатор с отдельными обмотками для входных сигналов 432, 433 и для выходных сигналов 437, 438, но совместно использующих один и тот же магнитный сердечник (сердечники), или, в противном случае, они могут быть физически воплощены, как два отдельных трансформатора. Трансформаторы 435, 436, предпочтительно, разработаны так, чтобы они имели низкую индуктивность рассеяния.
Выходной каскад 450, предпочтительно, содержит пару блоков 460, 461 выпрямителя, которые могут быть воплощены, например, как полноволновые выпрямительные мосты. Сигнал 437 с вторичного выхода трансформатора 435 подают в первый блок 460 выпрямителя выходного каскада 450. Сигнал 439 из вторичного выхода трансформатора 436 подают во второй блок 461 выпрямителя выходного каскада 450. Каждый из блоков 460, 461 выпрямителя может быть воплощен, например, как полноволновой выпрямительный мост. Выпрямленные выходные сигналы блоков 460,461 выпрямителя, в данном случае, представляют собой периодические формы колебаний, которые являются взаимодополняющими по своей сути, таким образом, что, когда их суммируют вместе, результат представляет собой постоянный уровень постоянного тока. С этой целью, выходы блоков 460, 461 выпрямителей соединяют вместе последовательно так, чтобы их выпрямленные выходные сигналы были скомбинированы с их суммированием, обеспечивая, таким образом, выходной сигнал 485 постоянного тока, который является, по существу, постоянным по своей сути, в общем, без необходимости использования накопительных/сглаживающих конденсаторов. На практике, могут возникать небольшие пульсации, которые могут быть сглажены с использованием относительно малых сглаживающих конденсаторов (конденсатора) (не показаны), которые могут быть включены в любом удобном месте, например, на выходах выпрямительных блоков 460, 461 и/или параллельно нагрузке 470. В нагрузку 470, таким образом, подают постоянный выходной сигнал питания постоянного тока.
Если это требуется, может быть обеспечена обратная связь через усилитель 490 восприятия, который осуществляет выборку выходного сигнала 485 постоянного тока и подает сигнал напряжения обратной связи в усилитель 415, управляемый напряжением, который, в свою очередь, регулирует амплитуду входных форм 412, 413 колебаний, так, чтобы они были пригодными для линейных усилителей 430, 431. Таким образом, выходной сигнал 485 постоянного тока может поддерживаться на постоянном уровне напряжения.
Работа источника 400 питания, в общем, аналогична работе источника 100 питания, показанного на фиг. 1. Например, в случае, когда входные формы 412, 413 колебаний принимают форму периодических чередующихся инвертированных/не инвертированных приподнятых косинусных колебаний, таких, как показаны на графиках 2А и 2В на фиг. 2, полученные в результате выпрямленные и скомбинированные формы колебаний будут аналогичными показанным на графиках 2С, 2D и 2Е на фиг. 2, как пояснялось выше. В случае, когда входные формы 412, 413 колебаний принимают форму треугольных форм сигнала с чередующимися инвертированными/не инвертированными треугольными формами колебаний, такими, как показаны на графиках 3А и 3В по фиг. 3, полученные в результате выпрямленные и скомбинированные формы колебаний будут аналогичны показанным на графиках 3С, 3D и 3Е на фиг. 3, как также пояснялось выше. Что касается фиг. 1, любые соответствующие периодические формы колебаний можно использовать, включая в себя формы колебаний с множеством гармоник или, которые изменяются с течением времени. При использовании соответствующих форм колебаний, как описано здесь, источник 400 питания позволяет получать постоянный выходной сигнал 485 постоянного тока, для которого теоретически не требуются накопительные/сглаживающие конденсаторы.
1
2
На фиг. 5 показана блок-схема, представляющая компоненты другого варианта осуществления источника 500 питания в соответствии с общим подходом, показанным на фиг. 1. В отличие от источника питания по фиг. 4, который представляет собой управляемый напряжением выходной источник питания постоянного тока, на фиг. 5 иллюстрируется управляемый током выходной источник 500 питания постоянного тока. На фиг. 5 элементы, обозначенные как 5хх, в общем, аналогичны по функциям аналогично обозначенным элементом 4хх на фиг. 4. Источник 500 питания может, как и прежде, быть подключенным к локальному источнику питания, такому, как батарея, или к любому внешнему источнику питания, такому как сетевой источник. Генератор 505 сигнала генерирует пару сигналов 512, 513 с взаимодополняющей формой колебаний, предпочтительно, периодической по своей сути, и которые в общем имеют характеристики, ранее описанные для Vin и Vin, то есть, они имеют форму, или их выбирают для обеспечения постоянного выхода постоянного тока, после объединения через каскад трансформатора, выпрямитель и комбинирование. Взаимодополняющие формы сигналов 512, 513 подают в усилитель (VCA) 515, управляемый напряжением, который регулирует амплитуду сигналов 512, 513 такой формы колебаний, основываясь на обратной связи, принятой из выходного сигнала 585 постоянного тока через усилитель 590 восприятия обратной связи. В некоторых вариантах осуществления может быть исключен усилитель 515, управляемый напряжением, так же, как и цепь 591 обратной связи и усилитель 590 восприятия.
1
2
Усилитель 515, управляемый напряжением, выводит пару сигналов Vin и Vin с взаимодополняющей формой колебаний, отрегулированных по амплитуде, в линейные усилители 530, 531 тока, управляемые напряжением, соответственно, как отражено формами 523, 524 колебаний на наложенных графиках, представленных на фиг. 5, которые представляют пример, аналогичный формам колебаний, используемым в аналогичном примере, показанном на фиг. 1 и фиг. 2. Усилители 530, 531 тока, управляемые напряжением, выводят ток, пропорциональный их входному напряжению, и, таким образом, их можно рассматривать, как источники тока, управляемые напряжением.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Эффект усилителей 530, 531 тока, управляемых напряжением, состоит в том, что формы 512, 513 колебаний, генерируемые генератором 505 сигналов, будут, по существу, преобразованы в формы колебаний тока аналогичной формы. Как описано ниже, это может иметь преимущества для последующей обработки и позволяет получить еще лучшие характеристики EMI. Усилители 530, 531 тока, управляемые напряжением, соединены с шинами +V и -V источника питания и выводят усиленные сигналы 532, 533 в трансформаторы 535, 536. Характеристики тока для сигналов 532, 533 отражены на наложенных графиках 540 и 541 (представляющих формы Ip и Iр колебаний), соответственно, представленных на фиг. 5, в случае, когда исходные генерируемые формы колебаний выглядят, как на графиках 523, 524 для Vin и Vin, соответствующие характеристики напряжения сигналов 532, 533 отражены на наложенных графиках 542 и 543 (представляющие формы Vp и Vp колебаний), соответственно. Как можно видеть на графиках 540, 541, 542 и 543, формы Ipi и 1р2 колебаний тока для данного конкретного примера отличаются тем, что чередуются инвертированные и не инвертированные приподнятые косинусные волны (с Ip и Iр, являющимися идентичными, но смещенными друг от друга на 90 градусов), в то время как соответствующие формы Vp и Vp колебаний напряжения принимают форму прямоугольных волн, имеющих постоянное положительное напряжение, соответствующее периоду времени не инвертированных приподнятых косинусных колебаний, и постоянное отрицательное напряжение, соответствующее периоду времени инвертированных приподнятых косинусных колебаний. Так же, как формы Ip и Iр тока, формы Vp и Vp колебаний напряжения идентичны, но смещены друг от друга на 90 градусов.
Выход первого усилителя 530 тока, управляемого напряжением, соединен с первичной обмоткой первого трансформатора 535. Выход второго усилителя 531 тока, управляемого напряжением, соединен с первичной обмоткой второго трансформатора 536. Вторичные обмотки трансформаторов 535, 536 соединены с выходным каскадом 550, который принимает выходные сигналы 537, 538 трансформаторов из трансформаторов 535, 536. Трансформаторы 535, 536 могут быть повышающими или понижающими трансформаторами по своей сути, и предпочтительно, имеют идентичные характеристики, предполагая, что амплитуда входящих сигналов 532, 533 является одинаковой. Трансформаторы 535, 536 могут быть физически воплощены, как один трансформатор с отдельными обмотками для входных сигналов 532, 533 и для выходных сигналов 537, 538, но совместно использующими один и тот магнитный сердечник (сердечники), или также они могут быть физически воплощены, как два отдельных трансформатора.
Выходной каскад 550 предпочтительно содержит пару блоков 560, 561 выпрямителя, которые могут быть воплощены, например, как полноволновые выпрямительные мосты. Сигнал 537 из вторичного выхода трансформатора 535 подают в первый блок 560 выпрямителя выходного каскада 550. Сигнал 538 из вторичного выхода трансформатора 536 подают во второй блок 561 выпрямителя выходного каскада 550. Каждый из блоков 560, 561 выпрямителя может быть воплощен, например, как полноволновой выпрямительный мост. Выпрямленные выходные сигналы блоков 560, 561 выпрямителя, в данном случае, представляют собой периодические формы колебаний, которые являются взаимодополняющими по своей сути так, что, когда их суммируют вместе в результате получают постоянный уровень постоянного тока. С этой целью, выходы блоков 560, 561 выпрямителя соединены параллельно вместе так, что их выпрямленные выходные сигналы комбинируют совокупно, обеспечивая, таким образом, выходной сигнал 585 постоянного тока, который является, по существу, постоянным по своей сути, в общем, без необходимости использования накопительных/сглаживающих конденсаторов. На практике могут возникать небольшие пульсации, которые могут быть сглажены с помощью относительно малого сглаживающего конденсатора (конденсаторов) (не показан), который может быть предусмотрен в любом удобном месте, таком, как выходы блоков 560, 561 выпрямителя, и/или подключен параллельно нагрузке 570. В нагрузку 570, таким образом, подают постоянный выходной сигнал питания постоянного тока.
Если требуется, обратная связь может быть обеспечена через усилитель 590 восприятия, который осуществляет выборку выходного сигнала 585 постоянного тока и обеспечивает сигнал обратной связи напряжения в усилитель 515, управляемый напряжением, который, в свою очередь, регулирует амплитуду входных форм 512, 513 колебаний, так, чтобы она была на соответствующем уровне для усилителей 530, 531 тока, управляемых напряжением. Таким образом, выходной сигнал 585 постоянного тока может поддерживаться на постоянном уровне напряжения. Цепь обратной связи предпочтительно разработана так, чтобы усилители 530, 531 тока, управляемые напряжением, работали с напряжением, близким к напряжению шин питания для максимальной эффективности, но достаточно далеко, чтобы усилители оставались в линейной области рабочей характеристики и не ограничивали сигнал. Цепь обратной связи напряжения помогает обеспечить относительно постоянный уровень напряжения, даже если характеристики нагрузки (например, ее сопротивление) колеблются с течением времени. Обратную связь по напряжению также можно использовать для обеспечения относительно постоянного выходного напряжения, даже если входное напряжение падает (например, на батарее и в источнике питания).
Работа источника 500 питания, в общем, аналогична источнику 100 питания по фиг. 1, если рассматривать выходные сигналы 123 124 генератора 105 формы колебаний, как относящиеся к току. В случае, когда входные формы 512, 513 колебаний принимают форму периодических переменных инвертированных/не инвертированных приподнятых косинусных колебаний, таких, как показано на графиках 2А и 2В на фиг. 2, полученные в результате выпрямленные и скомбинированные формы колебаний будут аналогичны тем, которые показаны на графиках 2С, 2D и 2Е на фиг. 2, как пояснялось выше. Когда входные формы 512, 513 колебаний принимают форму сигнала треугольной формы с чередующимися инвертированными/не инвертированными треугольными волнами, такими, как показано на графиках 3А и 3В на фиг. 3, полученные в результате выпрямленные и скомбинированные формы колебаний будут аналогичны представленным на графиках 3С, 3D и 3Е на фиг. 3, как также пояснялось выше. На фиг. 1 можно использовать любые соответствующие периодические формы колебаний, включая в себя формы колебаний с множеством гармоник, или которые чередуются в течением времени. При использовании соответствующих форм колебаний, как описано здесь, источник 500 питания позволяет получать постоянные выходные сигналы 585 постоянного тока, теоретически не требуя использования накопительных/сглаживающих конденсаторов.
Другой вариант осуществления источника питания с использованием альтернативной компоновки усилителя показан на фиг. 11А и 11В. В этих примерах показана только половина источника питания первичной стороны, с целью упрощения; цепи в каждом случае требуется дублировать для получения полной части первичной стороны источника питания. Таким образом, трансформатор 1148, показанный на фиг. 11А, должен концептуально соответствовать трансформатору 135 (Т1) на фиг. 1, в то время как второй набор цепей и второй трансформатор, соответствующий трансформатору 136 (Т2), требуется использовать для завершения части первичной стороны источника питания. Аналогично, поскольку только цепь 1102 источника питания первичной стороны представлена на фиг. 11А и 11В, цепь на вторичной стороне обычно может быть сформирована в виде полумостовой цепи, как показано, например, на фиг. 1, в виде выпрямителя 160 (R1) или на фиг. 5 (то есть, диоды D1-D4 выходного каскада 550).
Общий подход, показанный на фиг. 11А и 11В, состоит в использовании конструкции двухтактного усилителя; следовательно, трансформатор 1148 имеет одну вторичную обмотку 1146, но две первичные обмотки 1147.
Рассмотрим вначале пример на фиг. 11А, здесь источники 1105, 1106 напряжения генерируют выходные формы 1112 и 1113 колебаний, соответственно, представленные на приложенных наложенных графиках, рядом с источниками 1105, 1106 напряжения. Формы 1112 и 1113 колебаний, в общем, равны положительным и отрицательным полуциклам, соответственно, периодической формы колебаний, показанной на фиг. 2А. Первый источник 1105 напряжения генерирует форму 1112 колебаний, соответствующую не инвертированным приподнятым косинусным волнам на фиг. 2А, в то время как второй источник 1106 напряжения генерирует форму колебаний, соответствующую инвертированным приподнятым косинусным волнам на фиг. 2А; но эти волны показаны положительными, вместо отрицательных, поскольку их применяют в инвертированной стороне трансформатора 1148 с двойной первичной обмоткой. Для второго преобразователя (не показан), генерирующего взаимодополняющие формы колебаний, должны быть предусмотрены два аналогичных источника напряжения для генерирования форм колебаний, соответствующих положительным и отрицательным половинам циклов, соответственно, периодической формы колебаний, показанной на фиг. 2 В, и являются аналогично смещенными по фазе относительно форм колебаний генераторов 1105, 1106 напряжения, точно так же, как и формы колебаний, показанные на фиг. 2А и 2В.
Каждая из форм 1112, 1113 колебаний составляет последовательность не инвертированных приподнятых косинусных колебаний, которые в данном примере смещены по фазе друг от друга на 180 градусов. Источники 1105, 1106 напряжения предусмотрены, как входные сигналы для линейных усилителей 1120, 1121, соответственно, которые, в свою очередь, подают питание в полевые транзисторы (FET) ИЗО, 1131. Каждый из транзисторов 1130, 1131 соединен с одной из первичных обмоток 1147 трансформатора 1148, и исток каждого из них также соединен с не инвертированным входом соответствующего усилителя 1120, 1121 сигнала и с соответствующими чувствительными к току резисторами 1116 и 1117. Кроме того, центральный отвод 1149 трансформатора 1149 и входы источника питания усилителей 1120, 1121 соединены с отдельным источником 1107 питания, который может содержать, например, последовательность батарей или другой источник питания постоянного тока.
Усилитель 1120 и транзистор 1130 (Q1), вместе с усилителем 1121 и транзистором 1131 (Q2), формируют двухтактный усилитель, обеспечивающий определенный выход тока, определенный формами 1112, 1113 колебаний напряжения, подаваемого источниками 1105 и 1106. Формы колебаний тока подают в трансформатор 1149, и затем они появляются на вторичной обмотке 1146 для выпрямления в выходном каскаде (не показан на фиг. 11А).
В некоторых конфигурациях устройство по фиг. 11А может обеспечивать преимущество, состоящее в том, что можно использоваться устройство однополярного силового транзистора, и управляющие напряжения могут быть однополярными относительно напряжения заземления.
Для обеспечения оптимальных рабочих характеристик транзисторы 1130, 1131 могут быть выполнены в соответствии обычными способами, так, что через них протекает ток покоя для улучшения линейности и скорости отклика на низких уровнях выходного тока. Однако, такой ток покоя может уменьшать общий коэффициент полезного действия источника питания. Несколько модифицированная рабочая компоновка, показанная на фиг. 11В, позволяет уменьшить величину тока покоя. Основная структура на фиг. 11В аналогична фиг. 11А, но формы колебаний, подаваемых генераторами 1105, 1106 сигнала, модифицированы для улучшения линейности и скорости отклика при низких уровнях выходного тока, сводя к минимуму любое уменьшение общего коэффициента полезного действия. Дополнительные периодические формы 1197, 1198 колебаний, показанные ниже основных управляющих форм 1112, 1113 колебаний, представляют собой увеличенные по амплитуде виды в каждом случае форм колебаний в общем режиме, подаваемых к обеим половинам двухтактного усилителя одновременно. Такие формы колебаний общего режима приводят к тому, что транзисторы 1130, 1131 проводят ток покоя только вокруг области, где соответствующие основные формы 1112, 1113 колебаний приближаются к нулю; во все другие периоды, за пределами периода проводимости, транзисторы И 30, 1131 смещены в состояние ВЫКЛЮЧЕНЫ. Ток общего режима приводит к тому, что транзисторы 1130, 1131 быстро входят в свою область проводимости еще до того момента, когда требуется их работа, уменьшая, таким образом, искажение, связанное с включением. Ток общего режима в каждой половине выходного каскада (на вторичной стороне) взаимно компенсируется в трансформаторе 1148 и поэтому не появляется на выходе вторичных обмоток 1146 трансформатора.
Период, в течение которого форма колебаний общего режима обеспечивает проводимость транзисторов 1130, 1131, может изменяться по сравнению с представленным примером. Таким образом, средние потери мощности, из-за тока покоя могут быть существенно уменьшены по сравнению со случаем постоянной проводимости.
Компоновки усилителя мощности, представленные на фиг. 5, и на фиг. 11А и 11В, в общем, могут, быть охарактеризованы, как усилители тока, управляемые напряжением, с номинально плоским частотным откликом, таким образом, что они могут точно воспроизводить взаимодополняющие формы колебаний, подаваемые на их входы. Взаимодополняющие формы колебаний являются несинусоидальными и поэтому обычно требуют большого значения произведения коэффициента усиления на полосу пропускания от усилителей для получения оптимальных характеристик.
В случае конкретных взаимодополняющих форм колебаний, показанных на фиг. 2А и 2В, это ограничение может быть ослаблено путем соответствующих модификаций взаимодополняющих форм колебаний таким образом, что усилители могут быть выполнены, как интеграторы. Отклик с замкнутым контуром интегратора, обычно падает на 6 дБ/октаву при увеличении частоты, что позволяют использовать усилитель с меньшей шириной полосы пропускания при разомкнутом контуре.
Один пример конфигурации усилителя, которую можно использовать при таком подходе, показан на фиг. 12. В этом варианте осуществления, как и в конструкции, показанной на фиг. 11А и 11В, только половина первичной стороны источника питания иллюстрируется, с соответствии со схемой, ассоциированной с одним из двух трансформаторов. Как и в предыдущих конструкциях, трансформатор 1248 в данном примере имеет одну вторичную обмотку 1246, но две первичные обмотки 1247. Как и раньше, представлена только схема 1202 источника питания на первичной стороне, в то время как схема на вторичной стороне для этой половины схемы первичной стороны могла бы, в общем, содержать мостовую схему, аналогичную, например, показанной для половины выходного каскада на фиг. 1 или фиг. 5. В данном примере пара источников 1205, 1206 напряжения генерирует выходные формы 1212 и 1213 колебаний, соответственно, которые представлены на приложенных графиках, расположенных рядом с источниками 1205, 1206 напряжения. Выходные сигналы источников 1205, 1206 напряжения подают в линейные усилители 1220, 1221, соответственно, через резисторы 1270 (R3) и 1271 (R4), в то время, как усилители 1220, 1221, в свою очередь, представляют собой полевые транзисторы (FET) 1230, 1231. Каждый из транзисторов 1230, 1231 соединен с одной из первичных обмоток 1247 трансформатора 1248, и исток каждого из них также соединен, соответственно, с резисторами 1216и 1217, чувствительными к току, и с соответствующими интегрирующими конденсаторами 1272 (С1) и 1274 (С2), параллельно каждому из которых подключены резисторы 1273 (R5) и 1275 (R6), соответственно. Центральный вывод 1249 трансформатора 1249 и входы источника питания усилителей 1220, 1221 соединены с отдельным источником 1207 питания, который может содержать, например, последовательность батарей или другой источник питания постоянного тока.
Во время работы сигнал обратной связи с резисторов 1216 (R1) и 1217 (R2), чувствительных к току, формируются с помощью конденсаторов 1272 (С1) и 1273 (С2) с резисторами 1273 (R5) и 1274 (R6), включенными для обеспечения стабильности. Интегрирующее действие конденсаторов 1272 и 1273 приводит к повышению напряжения на резисторах 1216 (R1) и 1217 (R2) и, следовательно, к протеканию тока через транзисторы 1230 (Q1) и 1231 (Q2), которые представляют собой интеграл напряжений, выводимых генераторами 1205 и 1206 сигнала, то есть, напряжений 1212 и 1213. Для того, чтобы этот ток соответствовал требуемой форме, формы 1212 и 1213 колебаний напряжения выбирают так, чтобы дифференциалы формы 203 колебаний, показанные на фиг. 2А (или формы 204 колебаний для взаимодополняющей части первичной стороны цепи источника питания), снова (аналогично фиг. 11 А) занимали только каждую вторую половину цикла, от формы 203 колебаний до формы 1212 колебаний, и для формы 1213 колебаний. Поскольку форму 1213 колебаний также прикладывают к отрицательной обмотке двойной первичной обмотки трансформатора 1248, эти формы колебаний представлены, как положительные по своей сути.
Альтернативная конфигурация интегратора может быть построена, если убрать конденсаторы 1273 и 1274 (С1 и С2) и заменить резисторы 1216 и 1217 (R1 и R2), чувствительные к току, катушками индуктивности. Ток через катушки индуктивности в данном случае мог бы представлять собой интеграл напряжения на них.
Использование интегратора для частей усилителя мощности не ограничивается этими конкретными примерами. В более обобщенной версии схемы источника питания по фиг. 5, усилители 530 и 531 могут быть выполнены, как усилители тока, управляемые напряжением, с характеристиками интегратора, на которые подают модифицированные формы колебаний напряжения, вместо форм 523 и 524 колебаний, показанных на фиг. 5. Модифицированные формы колебаний с этой целью представлены, как формы 1312, 1313 колебаний на фиг. 13, в то время, как сплошными линиями показаны формы 1303, 1304 колебаний, получаемые после интегрирования. Модифицированные формы 1312, 1313 колебаний могут быть описаны, как последовательность синусоидальных волн или косинусных волн, при этом синусную или косинусную форму колебаний инвертируют в конце каждого цикла. Как показано на фиг. 2А и 2В, формы 1312, 1313 колебаний и получаемые в результате интегрированные формы 1303, 1304 колебаний являются идентичными по форме, но смещены по фазе друг от друга.
Цель малого отбора энергии питания в состоянии покоя также быть достигнута другими способами, например, путем использования технологии с прямой связью для линеаризации усилителей мощности.
Этот подход представлен на фиг. 14. Для простоты, схема 1402, показанная на фиг. 14, соответствует одной стороне усилителя мощности на фиг. 11А; второй набор аналогичных компонентов мог бы быть предусмотрен в соответствии с другой половиной усилителя мощности на фиг. 11А, для того, чтобы получить полный усилитель; и затем, в свою очередь, весь набор схемы можно было бы снова дублировать для получения взаимодополняющего сигнала для выпрямления и комбинирования на другой стороне источника питания. На фиг. 14, усилитель 1420, транзистор 1430 (Q1) и резистор 1416 (R1) формируют усилитель А1, который работает, как показано на фиг. 11А, но имеет низкий или практически равный нулю ток покоя. Выход 1432 транзистора 1430 (Q1) соединен с одной из первичных обмоток трансформатора с двумя первичными обмотками (аналогично трансформатору 1148, показанному на фиг. 11А). Источник 1407 питания постоянного тока подает мощность в усилители 1420 и 1421 и также соединен с центральным выводом трансформатора (аналогично сигналу источника постоянного тока, соединенному с центральным выводом трансформатора 1148 на фиг. 11А).
Усилитель 1421, транзистор 1431 (Q2) и резистор 1417 (R2) формируют усилитель А2 малой мощности для коррекции ошибок, который усиливает и масштабирует разность между входным напряжением до А1 (выводимого из генератора 1405 сигнала) и выходным напряжением на резисторе 1416 (R1). Масштабированную версию этой разности напряжения преобразуют в ток через транзистор 1431 (Q2), и суммируют с током транзистора 1430 (Q1).
Это осуществляется, частично, используя дифференциатор 1418, который принимает сигнал напряжения из источника 1405 напряжения (VI) и вычитает сигнал напряжения в узле между истоком транзистора 1430 (Q1) и чувствительным резистором 1416 (R1). Усилитель А2, поэтому, добавляет ток коррекции к выходу, который компенсирует ошибки в А1. Ток коррекции, требуемый от усилителя А2, обычно существенно меньше, чем ток, выводимый из усилителя А1, и, поэтому, усилитель А2 может представлять собой усилитель меньшей мощности, чем усилитель А1 и также может иметь намного меньшее рассеяние мощности в режиме покоя.
Выходной сигнал 1432 пары 1430, 1431 транзисторов может быть подан на одну из первичных обмоток трансформатора, аналогично фиг. 11 А. Другой аналогично выполненный усилитель с прямой связью может быть соединен с другой первичной обмоткой трансформатора, как показано на фиг. 11А. Генераторы сигнала (1405 и его дубликат) могут быть выполнены с возможностью генерировать сигналы, аналогичные показанным на фиг. 11А, или в других вариантах осуществления, как раскрыто здесь.
Альтернатива использованию коррекции с помощью прямой связи, как показано на фиг. 14, состоит в том, чтобы использовать обе технологии прямой и обратной связи, как в компоновке, представленной в варианте осуществления на фиг. 15. Как и на фиг. 14, схема 1502 на фиг. 15 соответствует одной стороне усилителя мощности по фиг. 11А; второй набор аналогичных компонентов мог бы соответствовать другой половине усилителя мощности по фиг. 11А, для того, чтобы получить полный усилитель; и затем, в свою очередь, весь набор схем также может быть снова дублирован для получения взаимодополняющего сигнала для выпрямления и комбинирования на другой стороне источника питания. На фиг. 15 усилитель 1520, транзистор 1530 (Q1) и элемент 1516 (Z4) импеданса формируют усилитель А1, который работает так, как показано на фиг. 11 А, но имея малый ток покоя, практически равный нулю. Усилитель 1521, транзистор 1531 (Q2) и элемент 1517 (Z3) импеданса формируют усилитель коррекции малой мощности. Другой элемент 1572 (Z2) импеданса формирует часть обратной связи с выхода усилителя 1520 на его инвертирующий вход, и элемент 1571 (Z1) импеданса соединяет инвертирующий вход усилителя 1520 с узлом между транзистором 1530 (Q1) и элементом 1516 (Z4) импеданса. Если взаимосвязь Z2*Z4=Z1*Z3 удовлетворяется, тогда искажения в транзисторе 1530 (Q1) могут быть взаимно компенсированы из выходного тока, сформированного, как сумма токов через транзисторы 1530 (Q1) и 1531 (Q2). Таким образом, каскад А1 усилителя может работать с низким током покоя, практически равным нулю, для обеспечения максимальной эффективности.
Кроме того, если элемент 1572 (Z2) импеданса будет выбран, как конденсатор, элемент 1516 (Z4) импеданса, выбранный, как индуктивность, и элементы 1571 (Z1) и 1517 (Z3) импеданса являются резисторами, тогда уравнение баланса может удовлетворяться, в то время, как выходной ток будет представлять собой интеграл входного напряжения V1 из генератора 1505 сигнала, обеспечивая возможность использования форм колебаний, показанных на фиг. 12.
Другие комбинации элементов Z1-Z4 импеданса также можно использовать, для достижения аналогичных результатов, и элементы импеданса не обязательно должны представлять собой элементы отдельных цепей, но могут представлять собой сети элементов. Например, элемент 1572 (Z2) импеданса может представлять собой конденсатор, элемент 1571 (Z1) импеданса последовательную комбинацию из резистора и конденсатора, элемент 1516 (ТА) импеданса резистор, и элемент 1517 (Z3) импеданса параллельную комбинация резистора и конденсатора. Здесь также можно использовать формы колебаний, показанные на фиг. 12, как входные сигналы. В другом примере, элемент импеданса 1572 (Z2) может представлять собой конденсатор, элемент 1571 (Z1) импеданса резистор, элемент 1516 (Z4) импеданса также может представлять собой резистор, и элемент 1517 (Z3) импеданса может представлять собой конденсатор. В этом случае, устройство может использовать входные формы колебаний, показанные на фиг. 11А, или другие соответствующие формы колебаний.
Дополнительная альтернатива состоит в комбинировании элемента импеданса для Z3 с фильтром на входе неинвертирующего входного вывода усилителя 1521. Передаточная функция усилителя А2 коррекции также может быть изменена путем добавления элементов 1675 (Z5) и 1676 (Z6) обратной связи, как показано на фиг. 16. Например, элемент 1675 (Z5) импеданса может представлять собой резистор, и элемент 1676 (Z6) импеданса может представлять собой конденсатор. Передаточная функция усилителя А2 может модифицирована с тем, чтобы сделать элемент 1617 (Z3) импеданса таким, чтобы он выглядел, как другой тип элемента импеданса; например, может быть желательно, чтобы элемент 1617 (Z3) импеданса представлял собой резистор, что, таким образом, исключает использование реактивного элемента в качестве элемента 1617 импеданса. В других отношениях, фиг. 16 аналогична фиг. 15, и компоненты, обозначенные, как 16хх на фиг. 16, в общем, соответствуют своим компонентам -дубликатам 15хх на фиг. 15.
Хотя технологии коррекции ошибки с совместным использованием прямой связи и обратной связи были описаны и представлены в отношении определенной конфигурации усилителя мощности, они также применимы для других усилителей мощности и родственных конструкций.
1
2
На фиг. 7 показана блок-схема, представляющая вариант осуществления источника 700 питания, в общем, в соответствии с принципами концептуальной схемы по фиг. 8, воплощенной с коммутируемыми конденсаторами. В источник 700 питания, как в других примерах, описанных здесь, может быть подано питание от локального источника питания, такого, как батарея, или от внешнего источника питания, такого как сетевой источник. На фиг. 7, генератор формы колебаний, содержащий, в данном примере, пару генераторов 705, 715 сигнала, генерирует пару сигналов 706, 716 взаимодополняющей формы колебаний, которые, предпочтительно, являются периодичными по своей сути и обычно имеют характеристики, описанные выше для Vin и Vin, то есть, они имеют форму, или их выбирают таким образом, чтобы обеспечить постоянный выходной сигнал постоянного тока после сдвига уровня, выпрямления и комбинирования. Примеры таких форм колебаний показаны, как периодические, переменные инвертированные/не инвертированные приподнятые формы колебаний 707 и 717 косинусного сигнала (соответствующие сигналам 706 и 716 с соответствующими формами колебаний, в соответствии с одним примером). Сигналы 706, 716 формы колебаний с периодическими взаимодополняющими формами колебаний, в случае необходимости, могут быть предоставлены в управляемый напряжением усилитель (VCA) (не показан) для регулирования амплитуды сигналов 706, 716 форм колебаний на основе сигнала обратной связи (также не показан), получаемого из сигнала 785 выхода постоянного тока.
Сигнал 706 формы колебаний подают в усилители 731 и 751 тока, управляемые напряжением, в то время как сигнал 716 подают в усилители 741 и 761 тока, управляемые напряжением. Усилители 731, 741, 751 и 761 тока, управляемые напряжением, выводят ток, пропорциональный их входному напряжению, и, таким образом, их можно рассматривать, как источники тока, управляемые напряжением.
Эффект усилителей 731 и 741 тока, управляемых напряжением, состоит в том, что сигналы 706, 716 формы колебаний будут, по существу, преобразованы в формы 735, 745 колебаний тока с аналогичной формой. Эффект усилителей 751 и 761 тока, управляемых напряжением, состоит в том, что сигналы 706, 716 формы колебаний будут, по существу, преобразованы в сигналы формы 755, 765 колебаний тока, аналогичные по форме, но инвертированные по своей сути, вследствие того, что сигналы 706, 716 формы колебаний подключены к инвертирующим входам усилителей 751 и 761 тока, управляемые напряжением. Как и в варианте осуществления, показанном на фиг. 5, преобразование в форму колебаний, управляемую током, может иметь преимущества для последующей обработки и может позволить получить улучшенные характеристики EMI. Усилители 731, 741, 751, и 761 тока, управляемые напряжением, могут иметь конфигурацию, аналогичную ранее описанной.
Для примера, показанного на фиг. 7, характеристики сигналов 735 и 745 могут характеризоваться, как переменные, инвертированные/не инвертированные, приподнятые косинусные волны (с формами колебаний тока сигналов 735 и 745, идентичными, но смещенными друг от друга на 90 градусов), в то время как соответствующие формы колебаний напряжения, относящиеся к сигналам 735 и 745, в общем, представляют собой прямоугольные волны, имеющие постоянное положительное напряжение, соответствующее периоду времени не инвертированных, приподнятых косинусных колебаний, и постоянное отрицательное напряжение, соответствующему периоду времени инвертированных приподнятых косинусных колебаний. Аналогично формам колебаний тока для сигналов 735 и 745, формы колебаний напряжения являются идентичными, но смещенными друг от друга на 90 градусов. Аналогично, характеристики тока и напряжения сигналов 755 и 765 являются инвертированными по сравнению с сигналами 735 и 745. Таким образом, характеристики тока сигналов 755 и 765 для этого примера могут быть характеризованы, как переменные, не инвертированные/инвертированные приподнятые косинусные волны (с формами колебаний тока сигналов 755 и 765, идентичными, но смещенными друг от друга на 90 градусов), в то время как соответствующие формы колебаний напряжения, относящиеся к сигналам 755 и 765, в общем, представляют собой прямоугольные волны, имеющие постоянное положительное напряжение, соответствующее периоду времени не инвертированных, приподнятых косинусных колебаний, и постоянное отрицательное напряжение, соответствующему периоду времени инвертированных, приподнятых косинусных колебаний. Так же, как формы колебаний тока для сигналов 755 и 765, формы колебаний напряжения являются идентичными, но смещенными друг от друга на 90 градусов.
Каждый выход усилителей 731, 741, 751 и 761 тока, управляемых напряжением, соединен с аналогичной сетью компонентов, которые во время работы поднимают (или понижают) уровень входного напряжения и обеспечивают преобразованный по уровню выход для нагрузки 770, как постоянный сигнал 785 источника постоянного тока, используя принципы, например, цепи переключаемого конденсатора подъема заряда. Выход первого усилителя 731 тока, управляемого напряжением, соединен с конденсатором 732, другой конец которого соединен с входной шиной 789 источника питания. Усилитель 731 тока, управляемый напряжением, используется для периодического изменения конденсатора 732 таким образом, что обеспечивается подъем (приблизительно удваивается) уровня приложенного сигнала, в результате чего получают преобразованный по уровню сигнал 737. Диод 734 используется для выпрямления приподнятого (или пониженного) сигнала 737. Аналогичным образом, усилители 741, 751 и 761 тока, управляемые напряжением, соединены с конденсаторами 742, 752 и 762, соответственно, каждый из которых соединен с входной шиной 789 источника питания через диоды 743, 753 и 763, соответственно. Конденсаторы 742, 752 и 762 и соответствующие диоды 743, 753 и 763 формируют схемы переключаемого конденсатора, которые повышают (или понижают) уровень входного сигнала, в результате чего получают преобразованные по уровню сигналы 747, 757 и 767. Выпрямительные диоды 744, 754 и 764 используются для выпрямления поднятого (или пониженного) уровня сигналов 747, 757 и 767, соответственно, таким же образом, как и выпрямительный диод 734 относительно приподнятого (или пониженного) сигнала 737. Совокупная комбинация выпрямленных сигналов, выведенных из преобразованных по уровню сигналов 737 и 757, представлена, например, на фиг. 7, аналогично форме 213 колебаний, показанной на фиг. 2. Совокупная комбинация выпрямленных сигналов, полученных из преобразованных по уровню сигналов 747 и 767, например, аналогична форме 214 колебаний на фиг. 2, то есть, представляет собой версию со смещением на 180 градусов той же формы колебаний, которая генерируется совокупной комбинацией выпрямленных сигналов, полученных из преобразованных по уровню сигналов 737 и 757. Как отмечено выше, совокупная комбинация форм 213 и 214 колебаний представляет собой постоянный уровень сигнала постоянного тока.
Таким образом, в результате комбинирования вместе всех четырех преобразованных по уровню выпрямленных сигналов, полученных из сигналов 737, 747, 757 и 767, конечный результат представляет собой приподнятый (или пониженный) сигнал 785 постоянного тока, который является, по существу, постоянным по своей сути, обычно без необходимости использования накопительных/сглаживающих конденсаторов. На практике, малые величины пульсаций могут возникать, которые могут быть сглажены с помощью относительно малых сглаживающих конденсаторов 772, которые могут быть предусмотрены в любом удобном месте, например, параллельно нагрузке 770. В нагрузку 770, таким образом, подают постоянный выходной сигнал источника питания постоянного тока. Четырехфазная конструкция также обеспечивает то, что ток, полученный из источника 789 питания, по существу, не будет содержать пульсации.
Пример, показанный на фиг. 7, иллюстрирует один каскад повышения напряжения, но тот же принцип может применяться для многокаскадного преобразователя с повышением напряжения.
В одном аспекте, на фиг. 7, показан усилитель напряжения, в котором используются конденсаторы, которые образуют один каскад усиления, приблизительно удваивающий напряжение питания Vsupply. Такой подход может быть расширен путем добавления дополнительных выпрямителей и конденсаторов, как показано, например, в варианте осуществления на фиг. 17, для получения дополнительного каскада усиления. На фиг. 17 напряжения V1 и V2 форм колебаний могут быть идентичны показанным на фиг. 7 (то есть, аналогичны формам 707 и 717 колебаний). Компоненты, обозначенные, как 17хх на фиг. 17, в общем, соответствуют их компонентам-дубликатам, помеченным, как 7хх на фиг. 7. Кроме того, второй приподнятый (или пониженный) DC сигнал 1795 предусмотрен на фиг. 17. Используя те же принципы, что и на фиг. 7, дополнительный выходной конденсатор 1772' был добавлен к схеме, и конденсаторы 1732', 1742', 1752' и 1762' заряда периодически заряжаются через диоды 1733', 1734', 1743', 1744', 1753', 1754', 1763' и 1764' аналогично другим конденсаторам (1732, 1742, 1752, и 1762) заряда через аналогичные конфигурации диода/конденсатора, показанные на фиг. 7. При этом дополнительные каскады усиления мощности не требуются, хотя, в случае необходимости, их можно использовать, и выходные и входные пульсации устройства все еще остаются очень низкими. Напряжение на выходах усилителя тока, управляемого напряжением, остается прямоугольным напряжением, как на фиг. 7, таким образом, что общий усилитель на фиг. 17 все еще может работать с высоким коэффициентом полезного действия.
Технологии, используемые для положительного усиления, такие, как показаны на фиг. 7 и 17, также можно использовать для получения инвертированного источника питания путем изменения полярности выпрямителей и путем заземления заряжающих выпрямителей на землю, вместо положительного напряжения.
Аналогичным образом, что и в подходе источника питания с двойным усилением, можно комбинировать двухкаскадный усилитель в один набор усилителей мощности, то же самое может быть выполнено с положительным и инвертирующим усилителями. На фиг. 18 показана схема, представляющая источник питания с комбинацией положительных и инвертирующих схем усилителей. Здесь верхняя половина цикла, то есть, неинвертирующий блок 1802 мощности в общем эквивалентен схеме на фиг. 17, в то время как был добавлен инвертирующий блок 1803 источника питания. Таким образом, на фиг. 18, компоненты, помеченные, как 18хх, обычно соответствуют их дубликатам, помеченным, как 7хх на фиг. 7. В инвертирующем блоке 1803 источника питания дополнительные зарядные конденсаторы 1836, 1846, 1856 и 1866 периодически заряжают через диоды 1837, 1838, 1847, 1848, 1857, 1858, 1867 и 1868 аналогично зарядным конденсаторам 1832, 842, 1852 и 1862, но с противоположной полярностью, хотя и используются те же самые входные формы колебаний, таким образом, что результат представляет собой отрицательное выходное напряжение 1896 источника питания через выходной конденсатор 1876. Таким образом, источник питания может обеспечивать, как положительное выходное напряжение 1885, так и отрицательное выходное напряжение 1896 в одном и том же устройстве.
На фиг. 6 показана упрощенная блок-схема, иллюстрирующая один пример генератора 600 сигнала, который может использоваться совместно с различными вариантами осуществления, как раскрыто здесь, для генерирования формы колебаний, имеющей переменное инвертированные/не инвертированные, приподнятые косинусные формы колебаний. Как показано на фиг. 6, генератор 600 сигнала может содержать первый генератор 602 синусоидальной формы колебаний, имеющий выход 603 в форме синусоидальной волны, имеющей пики в положениях ±Vs. Сигнал 603 синусоидальной волны соединен, как входной сигнал, с сумматором 610. На другой вход сумматора 610 поступает входной сигнал 608 постоянного тока, который имеет фиксированный уровень +Vs. Получаемый в результате сигнал 607 представляет собой смещенную по постоянному току версию сигнала 603 синусоидальной волны, имеющего пики между землей и +Vs. Сигнал 607 смещенной синусоидальный волны постоянного тока разделяют на два пути, при этом один путь предоставляют в аналоговый обратный преобразователь 604, который выводит инвертированную по фазе версию сигнала 607 синусоидальной волны со смещением по постоянному току с пиками между землей и -Vs. Сигнал 607 смещенной по постоянному току синусоидальной волны и инвертированный сигнал 609 смещенной по постоянному току синусоидальной волны могут, в случае необходимости, быть поданы в пару усилителей 605, 606 для регулировки усиления, если требуется, при этом коэффициенты усиления обоих усилителей 605, 606 являются одинаковыми. Выходы 612, 613 усилителей 605, 606 представляют собой смещенные по постоянному току синусоидальные волны, со сдвигом по фазе относительно друг друга, аналогично входным сигналам 607, 609. Переключатель 620 переключается между выходами 612 и 613, переключаясь между ними каждый раз, когда синусоидальная волна от нижнего усилителя 606 достигает своего пика, который представляет собой то же время, когда синусоидальная волна от верхнего усилителя 605 достигает своего нижнего пика. Результат представляет собой выходной сигнал 621, который чередуется между "неинвертированной" приподнятой косинусной волной и "инвертированной" приподнятой косинусной волной каждую половину цикла, с плавным переходом между не инвертированной и инвертированной приподнятыми косинусными волнами, как выходной сигнал V1 на фиг. 6.
Аналогичная технология может использоваться для генерирования версии со сдвигом на 90 градусов выходного сигнала 621. Генератор 600 сигнала может содержать второй генератор 622 синусоидальной формы колебаний, имеющий выход 623 в форме синусоидальной волны, имеющей пики в местоположениях ±Vs. Сигнал 623 представляет собой инвертированную версию сигнала 603; таким образом, сигнал 623 также может быть сгенерирован путем простого инвертирования сигнала 603. Сигнал 623 синусоидальной волны соединен, как входной сигнал с сумматором 630. На другой вход сумматора 630 подают входной сигнал 608 постоянного тока, который находится на фиксированном уровне -Vs. Полученный в результате сигнал 627 представляет собой смещенную по постоянному току версию сигнала 623 синусоидальной волны, имеющий пики между землей и -Vs. Сигнал 627 синусоидальной волны со смещением по постоянному току разделяют на два пути, при этом один путь проходит до аналогового инвертора 624, который выводит инвертированную по фазе версию сигнала 627 смещенной по постоянному току синусоидальной волны с пиками между землей и +Vs. Сигнал 627 синусоидальной волны со смещением по постоянному току и инвертированный сигнал 629 синусоидальной волны со смещением по постоянному току могут быть, в случае необходимости, поданы в пару усилителей 625, 626 для регулирования усиления, если требуется, при этом коэффициент усиления обоих усилителей 625, 626 является одинаковым. Выходы 632, 633 усилителей 625, 626 представляют собой смещенные по постоянному току синусоидальные формы колебаний со сдвигом по фазе относительно друг друга, аналогично входным сигналам 627, 629. Переключатель 640 чередуется между выходами 632 и 633, переключаясь между ними каждый раз, когда синусоидальная волна от нижнего усилителя 626 достигает своего верхнего пика, что представляет собой тот же момент времени, в которой синусоидальная волна от верхнего усилителя 625 достигает своего нижнего пика. Результат состоит в том, что выходной сигнал 641, который переключается между "не инвертированной" приподнятой косинусной волной и "инвертированной" приподнятой косинусной волной каждые пол цикла, с плавным переходом между не инвертированной и инвертированной приподнятыми косинусными волнами, как показано на выходе V2 на фиг. 6.
1
2
Вместе выводы 621 и 641 можно использовать, как входные сигналы Vin и Vin в раскрытых здесь вариантах осуществления источника питания на основе трансформатора.
При практическом применении выходной сигнал (сигналы) генератора 600 сигнала могут быть переданы через меньший конденсатор или высокочастотный фильтр для удаления какого-либо остаточного компонента DC, который может быть непреднамеренно сформирован в генераторе 600 сигнала. Кроме того, различные регулировки тока смещения и другие детали вариантов воплощения могут быть добавлены в соответствии с технологиями, хорошо известными в данной области техники.
1
2
Другие технологии можно, в качестве альтернативы, использовать для генерирования периодически чередующихся форм колебаний. Например, цифровой синтез можно использовать для генерирования форм колебаний, аналогичных описанным выше. В соответствии с одним таким вариантом осуществления, показанным на фиг. 9, генератор 900 формы колебаний сохраняет данные формы колебаний в цифровой форме в справочной таблице 905 (например, в постоянном запоминающем устройстве (ROM) или в другом энергонезависимом блоке памяти), и считывает их в соответствующей последовательности под управлением микроконтроллера, микросинтезатора, конечного автомата или другого контроллера. Цифровые данные могут быть предоставлены в пару цифро-аналоговых преобразователей (DAC), 910, 911, по одному для каждой формы колебаний. Таким образом, первый DAC 910 выводит первую преобразованную форму 914 колебаний, и второй DAC 911 выводит вторую преобразованную форму 915 колебаний, которая идентична, но смещена на 90 градусов от первой преобразованной формы 914 колебаний, как описано выше. Преобразованные формы 914, 915 колебаний передают в фильтры 920, 921 для сглаживания. Вместе выходы 930 и 931 могут использоваться, как входные сигналы Vin и Vin в раскрытых здесь вариантах осуществления источника питания на основе трансформатора.
В других вариантах осуществления может использоваться механический генератор с ротором, аналогичный по принципу встроенной в колесо динамо-машины, для генерирования формы колебаний, имеющей характеристики чередующихся инвертированных и не инвертированных приподнятых косинусных колебаний, которые были описаны выше, как представлено на фиг. 2. Такой генератор формы колебаний, в частности, может быть пригоден для вариантов применения большей мощности для конструкций подачи питания, в соответствии с изобретением, раскрытых здесь. Генератор типа динамо-машины, встроенной в колесо, обычно работает в результате вращения постоянного магнита на оси, при этом магнит расположен внутри катушки проводов. Выход генератора динамо-машины, встроенной в колесо, обычно имеет форму колебаний, которая имеет чередующиеся инвертированные и не инвертированные приподнятые косинусные волны колебаний. Взаимодополняющие формы колебаний могут быть сгенерированы, например, путем добавления второго постоянного магнита, ориентированного перпендикулярно относительно первого магнита, на той же оси с ним, но в пределах второй катушки проводов, отдельной от первой катушки проводов. Два постоянных магнита, предпочтительно, имеют одинаковый размер и физические характеристики также, как и две катушки проводов, которые могут быть смещены в продольном направлении друг от друга вдоль длины оси. Вращение оси может быть выполнено любым соответствующим способом, включая в себя моторизованные технологии, силу ветра или другие средства. Более конкретно, соответствующие формы колебаний могут быть сгенерированы с использованием вращающегося генератора переменного тока, имеющего катушку проводов с относительным движением вращения относительно одного или более магнитных полей.
В случае, когда источник питания используют для преобразования относительно высокого напряжения постоянного тока в более низкое напряжение постоянного тока, высокочастотная форма переменных колебаний, получаемая из источника относительно высокого напряжения постоянного тока, в одном аспекте, преобразуют в более низкое напряжение через один или больше малых трансформаторов, таких, как представлены в различных описанных здесь вариантах осуществления. Конструкция источника питания позволяет исключать необходимость в крупных накопительных конденсаторах для сглаживания выходного напряжения из трансформаторов после выпрямления трансформированных сигналов. Как вход, так и выход преобразователя мощности теоретически могут быть получены вообще без пульсаций на всех выходных уровнях, так, что не требуется использовать дополнительные магнитные компоненты для фильтрации. Устранение требования использовать выходной накопитель и устранение полной фильтрации позволяет уменьшить размер и стоимость по сравнению, например, с обычным импульсным источником питания.
Как отмечено выше, на практике некоторая небольшая выходная емкость может потребоваться для уменьшения каких-либо остаточных пульсаций от каскада трансформатора или других. Такие незначительные пульсации могут быть вызваны собственной индуктивностью в каскадах усилителя. Ожидается, что емкость приблизительно от 300 до 600 нФ будет достаточной для источника питания мощностью 50 ватт, который работает с периодическими формами колебаний 25 кГц. Емкость такого размера существенно меньше, чем требуется для обычного импульсного источника питания.
Другая технология, которая может использоваться для уменьшения каких-либо остаточных пульсаций на выходе, представляет собой использование выходного линейного регулятора (LDO) с малым падением напряжения. Линейный регулятор LDO обычно может включать в себя мощный FET, включенный последовательно с выходным сигналом. Дифференциальный усилитель управляет мощным FET таким образом, чтобы поддерживать малую разность напряжений постоянного тока между входом и выходом линейного регулятора LDO. Разность напряжений поддерживают, как значение, большее, чем напряжение пульсаций от пика к пику на выходе выпрямительной цепи. Линейный регулятор LDO выполнен так, что он режектирует напряжение пульсаций и предотвращает его появление на его выходе, используя фильтр. Поскольку остаточное напряжение пульсаций обычно ожидается относительно достаточно малым в описанных и представленных здесь вариантах осуществления, линейный регулятор LDO представляет собой один из вариантов уменьшения или устранения остаточных пульсаций, что, таким образом, уменьшает или устраняет необходимость использования малого сглаживающего конденсатора, который, в противном случае, потребовался бы для получения выходного сигнала, без существенного нарушения коэффициента полезного действия.
Некоторые варианты осуществления источников питания, раскрытые здесь, могут быть построены с использованием двух трансформаторов. Эти трансформаторы могут быть изготовлены с низким профилем и, таким образом, не оказывают существенного влияния на общий размер электронного устройства источника питания. Например, для источника питания мощностью 200 Ватт для аудиосистемы, можно использовать пару тороидальных трансформаторов, каждый приблизительно размером I". В результате, получают источник питания, который является более компактным, чем обычный импульсный источник питания с аналогичной мощностью.
Конструкции источника питания, описанные здесь, не ограничиваются диапазонами мощностей порядка нескольких сотен ватт, но их также можно использовать для намного больших приложений преобразования постоянного тока, в диапазоне киловатт или больше.
Варианты осуществления источника питания, раскрытые здесь, могут иметь существенно уменьшенный уровень EMI по сравнению с обычным импульсным источником питания. В случае, когда появляются такие формы колебаний напряжения, как на фиг. 2, то есть, периодические инвертированные/не инвертированные приподнятые косинусные волны, соответствующая форма тока представляет собой прямоугольную волну, которая является менее желательной с точки зрения EMI. Вариант осуществления на фиг. 5 преодолевает эти проблемы путем преобразования инвертированных/не инвертированных косинусных волн в формы колебаний тока перед отправкой из в каскад трансформатора. Относительно гладкая форма тока в данном варианте осуществления уменьшает проблемы с EMI. В то время, как соответствующая форма колебаний напряжения становится прямоугольной волной, электростатическую эмиссию, формируемую прямоугольной волной напряжения, становится легче экранировать и с ей проще работать, чем с электромагнитной эмиссией, которая была бы сформирована из прямоугольной волны тока.
Хотя EMI, генерируемые описанным способом преобразования DC-DC, могут быть очень малыми из-за особенностей малых пульсаций предпочтительных форм колебаний входных и выходных напряжений и токов, становится возможным дополнительно уменьшить эффективную эмиссию EMI путем модуляции частоты взаимодополняющих форм колебаний относительно времени. Этот тип модуляции может привести к тому, что спектральные компоненты остаточных помех будут распределены по более широкой спектральной полосе пропускания, уменьшая, таким образом, среднюю амплитуду помехи на любой заданной частоте. Форма колебаний модуляции может быть либо периодической, или случайной (включая в себя псевдослучайную) по своей сущности. Пример иллюстрации набора частотно-модулированных взаимодополняющих форм колебаний 1030, 1031 показан на фиг. 10. Этот конкретный пример основан на модуляции частотно-модулированного сигнала с отклонением в течение времени по длинам волн форм 1030,1031 колебаний, выделенных на фиг. 10 только с целью иллюстрации.
Множество других конструкций трансформатора и технологий можно использовать в связи с трансформаторным каскадом (130, 430 или 530) различных описанных здесь вариантов осуществления источника питания. Конкретная конструкция трансформатора может быть выбрана в соответствии с требуемым вариантом приложения. Например, в трансформаторах могут использоваться бифилярные обмотки, в которых первичные и вторичные провода скручены вместе перед их намоткой вокруг магнитного сердечника, что позволяет получить эффект уменьшения индуктивности рассеяния. В качестве альтернативы, могут использоваться коаксиальные обмотки, в которых первичные и вторичные провода объединены коаксиально, что также позволяет существенно уменьшить индуктивность рассеяния.
Что касается формы и конфигурации трансформаторов, трансформатор (трансформаторы) могут быть тороидальными, или, в противном случае, могут быть плоскими (со спиральными обмотками) для обеспечения особенно низкого профиля, а также потенциально более простого производства. Другой вариант состоит в использовании обмотки через последовательность полых магнитных сердечников в форме куба, как в общем описано, например, в патенте США №4,665,357 автора Herbert, который представлен здесь в качестве ссылочного материала, как если бы он был полностью представлен здесь. Еще одна возможность состоит в выполнении первичных/ вторичных обмоток одного из трансформаторов в виде витой пары или коаксиальной пары) во внешней канавке, сформированной в боковой стенке магнитного сердечника тороидальной формы со срезанными кромками, как, в общем, описано, например, в патенте США №4,210,859 автора Meretsky и др., который включен здесь по ссылке, как если бы полностью был представлен здесь. В этом примере другие первичные/вторичные обмотки трансформаторы поочередно обернутые вокруг магнитного сердечника, аналогичного обычному тороидальному трансформатору, но при этом первичная/вторичная обмотка выполнена, как витая пара или коаксиальная пара. В результате этого обеспечиваются магнитные поля, которое ортогональны и не взаимодействуют друг с другом и они обеспечивают увеличенную плотность энергии. Такая конструкция позволяет совместно использовать один и тот же магнитный сердечник для двух независимых трансформаторов.
Конечно, также можно использовать другие конструкции трансформатора.
Конструкции источника питания и технологии, описанные здесь, можно использовать с различными типами входного питания, включая в себя источник питания от локальной батареи или, в другом случае, сетевой источник питания, напряжение в котором вначале преобразуют на определенный входной уровень постоянного тока перед преобразованием в выходной уровень постоянного тока. В случае, когда используется сетевой источник питания переменного напряжения, переменное напряжение сети вначале выпрямляют для получения высокого напряжения постоянного тока. В то время, как обработка для преобразования постоянного тока может быть затем выполнена при относительно высоких частотах, при этом, в отличие от импульсного преобразователя энергии, форма переменного тока, используемая в этом процессе, имеет очень низкие уровни компонентов радиочастоты и, поэтому, возникновение электромагнитных помех не является проблемой. Форма колебаний переменного тока, хотя и является плавной и имеет очень низкий уровень EMI, используется таким образом, что источник питания все еще имеет очень высокий коэффициент полезного действия, обычно настолько же высокий как, или даже больший, чем у обычного импульсного источника питания.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, как описано здесь, высокочастотную форму переменных колебаний, формируемую из высокого постоянного напряжения, снова преобразуют в более низкое напряжение, используя один или больше малых трансформаторов. Однако, конкретная конструкция потенциально исключает необходимость в накопительных конденсаторах для сглаживания выходного напряжения после выпрямления. Как вход, так и выход преобразователя теоретически могут быть выполнены так, чтобы они были свободными от пульсаций на всех выходных уровнях и, таким образом, никакие дополнительные магнитные компоненты не требуются для фильтрации. Устранение требований к выходному накопителю и устранение всесторонней фильтрации обычно уменьшают размер и стоимость по сравнению с импульсным источником питания.
Устранение выходных накопительных конденсаторов позволяет получить дополнительное преимущество. Источник питания в соответствии с вариантами осуществления, как раскрыто здесь, может быстро реагировать на сигнал управления, и поэтому его можно использовать, как быстро отслеживающий источник питания для эффективных, высококачественных, низко шумящих и имеющих низкое EMI аудио усилителей мощности. В случае, когда источник постоянного тока уже является доступным, либо при работе, либо от батареи или от внешнего источника питания, тогда выпрямление с использованием накопления на входе может быть устранено, и источник питания может быть выполнен с чрезвычайно низким профилем из-за устранения выходных накопительных конденсаторов.
Такой подход приводит к получению эффективного источника питания, поскольку отсутствуют минимальные потери, связанные с уменьшением EMI, и отсутствуют потери на динамические переключения устройства питания, с которыми требуется бороться, и, поэтому, коэффициент полезного действия на практике может превышать 90%.
Режим управления трансформаторами, устранение помех, образующихся при переключениях, и простота архитектуры управления могут существенно упростить процесс конструирования и сократить время вывода на рынок по сравнению с импульсным источником питания.
Конструкции источника питания в соответствии с изобретением, описанные и представленные здесь, могут найти использование в большом разнообразии вариантов применения, включая в себя аудиоустройства, портативное электронное оборудование (например, переносные компьютеры, сотовые телефоны или беспроводные устройства, и т.д.), в военной области, авиационном электронном оборудовании, медицинском оборудовании, при преобразовании солнечной энергии, при распределении энергии питания и так далее.
В различных вариантах осуществления источник питания, построенный в соответствии с вариантами осуществления, описанными выше, может найти определенное использование, например, в автомобильной промышленности, в качестве бортового источника питания транспортного средства для аудиоусилителя. Варианты осуществления, как описано здесь, могут привести к получению меньшего по размерам, более легкого и/или более тонкого источника питания, который может быть менее дорогостоящим, высокоэффективным, и с меньшим количеством основных компонентов, будучи относительно мягким с точки зрения EMI. Поскольку источник питания может быть более простым при конструировании и производстве, его можно выпустить на рынок быстрее, в результате чего получают более быстрый цикл разработки продукта. Помимо прочего, низкий уровень излучения уменьшает время и стоимость на сертификацию. Простой процесс конструирования, низкая стоимость компонентов и низкая стоимость сертификации приводят к существенной экономии средств по сравнению с существующими подходами к источникам питания. Кроме того, низкий профиль, низкая стоимость и вес, и очень низкие уровни излучения позволяют пользователю использовать источник питания в соответствии с изобретением в тех местах на транспортном средстве, которые в настоящее время очень трудно выполнить с использованием конструкций импульсного источника питания.
Для портативных продуктов, работающих от батареи, возможность низкого профиля обеспечивает возможность использования форм-факторов, которые в настоящее время труднодостижимы.
Для более общих вариантов применения, для распределения энергии питания с работой в тяжелых условиях, возможность получения выходного напряжения без пульсаций, без использования компонентов накопления энергии с большими размерами, представляет собой явные преимущества по сравнению с обычными подходами.
В различных вариантах осуществления обеспечивается имеющий низкую стоимость, малый вес, эффективный, изолированный, с быстрым откликом на выходную мощность преобразователь постоянного тока, имеющий очень низкий уровень пульсаций на входе и выходе, и очень низкие излучения EMI. В преобразователе энергии обычно требуется очень малая выходная накопительная емкость и, поэтому, он может быть воплощен в конфигурациях с очень низким профилем. Процесс разработки также является более простым, чем у обычного импульсного преобразователя, в результате чего ускоряется процесс разработки. Хотя его было бы предпочтительно использовать для аудиоусилителей, общие принципы, воплощенные в данной концепции, позволяют применять его в широком разнообразии вариантов применения для преобразования энергии.
В некоторых вариантах осуществления, описанных здесь, генерируют выходной сигнал постоянного тока, комбинируя два выпрямленных сигнала, имеющих определенные характеристики. Однако, те же принципы могут быть расширены на конфигурации, имеющие три или больше сигналов, которые выпрямляют и совокупно комбинируют, при условии, что будут выбраны адекватные формы колебаний.
В то время, как предпочтительные варианты воплощения изобретения были описаны здесь, возможны множество вариантов, которые остаются в пределах концепции и объема изобретения. Такие варианты могут стать понятными для специалиста в данной области техники после изучения описания и чертежей. Изобретение, поэтому, не должно быть ограничено ничем, за исключением того, что находится в пределах сущности и объема любого приложенного пункта формулы изобретения.