[发明专利]用于开关模式电源的高效率备用功率电路

说明书

发明背景

本发明涉及电源，更具体地涉及即使输入功率源中断仍能连续操作的电源。

常规的开关电源将具有第一电压电平和第一形式(例如，AC、DC)的输入功率转换成具有第二电压电平和第二形式的输出功率，其中电压电平和/或形式是不同的。这些电路中采用的主要组件包括输入和输出电容器、开关、临时储能元件以及感测输出的属性(诸如电压和/或电流)并基于反馈调节开关操作的控制电路。开关不是通常想到的机械开关，而是以千赫兹以上或兆赫兹范围或超过该范围的高频操作的电子开关(诸如双极晶体管、MOSFET和二极管)。储能元件通常是电感器或变压器，但也可使用电容器。一个或多个大电容器(电解、陶瓷或钽)与输入并联放置以使输入电压电平平滑并在输入功率的简短中断期间维持输入电平，否则输入电压电平可能由于其距离实际功率源(例如电池和AC电力网)相对长距离而具有高纹波。一个或多个大电容器与输出并联设置以防止输出在开关操作的每个循环之间下降并且通过使由开关过程生成的谐波衰减来使输出纹波最小化。开关电源可以是隔离型，在这种情况下，开关电源的输入和输出的接地彼此隔离且可具有不同的电位值。变压器通常用于实现该隔离。开关电源还可以是非隔离型，在这种情况下开关电源的输入和输出的接地耦合在一起作为公共接地。非隔离开关电源可以是反相型，在这种情况下电源的输出电压是负而电源的输入电压是正，反之亦然。非隔离开关电源也可以是非反相型，在这种情况下电源的输入和输出电压具有相同方向(例如，二者均为正或均为负)。开关电源也可以是准隔离型，在这种情况下开关电源的输入和输出的接地允许具有不同值，但这些接地之间的电位差由保持器电路维持为所选值。准隔离开关电源可以是反相型或非反相型。

AC-DC开关电源通常在个人计算机中用于将AC输入干线转换成12V和/或5V的DC输出电压电平。DC-DC开关电源通常在计算机主板上用于从AC-DC开关电源的12V和5V输出端口向主板提供3.3V和其它供电。而且，DC-DC开关电源通常还在诸如音乐播放器、个人数据助理(PDA)、蜂窝电话和GPS导航设备之类的电池供电便携设备中使用。因为电池通常是稳定的直到其寿命终点为止，所以不需要与电池供电的开关电源设备的输入端口并联地耦合大电容器。

发明内容

作为获得本发明的一部分，发明人已经认识到使一些类型的电池供电设备在去除电池并更换新电池时或在其自动输入电源在电池和交流发电机电源之间切换时能继续操作是有利的。然而，将合理尺寸的电解电容器与开关电源(和电池)的输入端口并联将不能提供更换电池而无需中断电源操作的足够备用时间。同样作为获得本发明的一部分，发明人已经认识到超级电容器(也称为特级电容器)将为上述备用目的提供足够的储能，但这种电容器具有相对低的击穿电压(例如，5V或更低，一般是2.7V)，这将阻止它们与通常可由12V电池馈送的电源的输入端口并联耦合。尽管可串联耦合超级电容器以增加总的最大额定电压，然而这种耦合需要辅助的电荷平衡电路来防止任一个超级电容器接收过高电压。

作为作出本发明的一部分，发明人已经发现耦合电路和储能设备的一种新颖互连，储能设备可包括电容器或电池，这种新颖互连延长储能设备的有效放电时间因此使得较小的储能设备能够用于为开关电源提供备用功率，而无需使储能设备暴露于过高电压和/或无需要求储能设备提供与输入功率源所提供电压相同大小的电压。耦合电路和储能设备的组合可耦合在开关电源的输入和开关电源的输出或开关电源的内部节点之间。耦合电路配置成当不提供输入功率源时将来自储能设备的功率耦合到开关电源的输入。另外，当储能设备再充电时，诸如在它包括电容器和/或电池时，耦合电路还被配置成在将输入功率源提供给开关电源时将来自输入功率源的功率耦合到储能设备。耦合电路可包括功率输入和储能设备之间的直接电连接、电阻器、耦合在功率输入和储能设备之间的二极管网络、具有耦合在功率输入和储能设备之间的反向放电路径的线性调节器IC(构造至IC内的通过晶体管或外部二极管中)、它们的组合或提供以上作用的其它电路。对于非隔离和准隔离型非反相开关电源，与电源的输入和输出的接地线电位相比，电源的输入电位一般更接近电源输出的电位。因此，与储能设备耦合在电源的输入和接地线之间的情况相比，储能设备两端的电位差减小；然而储能设备被配置成提供足够高的电压来为开关电源供电。