[发明专利]高效率AC到DC转换器和方法

说明书

一种改进的AC到DC转换系统，该系统包括电子开关，所述电子开关用于在AC干线的周期的一部分上将现有技术的串联电压调节器电路的输入与整流的AC干线电源断开，以降低串联调节器内消耗的功率。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月28日提交的题为“High Efficiency AC to DC Converterand Methods”的美国临时申请62/414467以及2016年5月7日提交的题为“AC Direct powermanagement semiconductor device and power management method”的美国临时专利申请62/333193的优先权。两个申请包括共同的发明人，并且当前待决。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本发明涉及以非常高的效率从AC干线(mains)提供低电压DC电流的电源管理系统和方法。

背景技术

用于从AC干线提供DC电源的传统早期装置是通过模拟线路，该模拟线路包括降压变压器、二极管整流器以及包括电解电容器和电阻器的滤波器。输出电压主要取决于变压器的匝数比，并且该电路效率适中。然而，实现低频变压器所需的磁结构的尺寸和重量避免在微型装备中使用这种方法。

不使用变压器的后续方法涉及AC干线的直接整流，该AC干线在串联或并联(shunt)连接的任一个中直接连接到包括有源固态器件的电压调节电路。并联调节器通过以下方式工作：跨过通过可变电阻器件输出的整流干线提供电流路径，从而将电流从负载转移出去。在并联调节器的最简单的实现方式中，齐纳(Zener)二极管与负载并联连接，同时电阻器与该并联支路串联。任何超过齐纳电压的整流器输出电压跨过该电阻器都会下降，导致多余的功率作为热量消耗。因此，这种调节器配置非常低效。由于齐纳电流必须大于负载电流以通过齐纳效应维持调节，因此该调节器电路的效率比输出电压与整流的供电电压的rms值的比率小得多。

改进的方法使用串联连接的诸如双极或场效应晶体管之类的固态器件来缓冲齐纳电压基准。有源器件在源极跟随器或射极跟随器配置中与在源极或发射极连接的负载以及在栅极或基极连接的齐纳基准连接。齐纳电流可以比在并联配置中小得多，因此总电流主要是供应给负载的电流。因此，该电路的效率通常不会优于输入与输出电压的比率。

对该电路功能的进一步改进被称为开关模式电源。在本领域中已知有许多这样的设计，但是共同的性质是输入整流器——以高速操作以将存储元件(电感器或电容器)切换到供电并从供电切换出来的开关元件。如果需要隔离输入和输出，则包括高速变压器以用于隔离和调节输出电压。包括RC滤波器以减少输出中的纹波。由于早期线性系统的功率损耗机制在很大程度上被消除，开关模式电源具有提高效率的优点。然而，如果需要隔离，则存在变压器损耗。而且，高速切换是相当大的RF噪声以及由于趋肤效应导致的导体损耗的来源。在专门设计的系统中可以并且已经获得理论上的高效率。据报道，效率高达95％，但是实际上对于低成本的隔离系统，正常效率为60％至70％。迄今为止所有已知系统的缺点是它们不能容易地集成。除了受限制的特殊应用外，对现有AC到DC转换器的设计不能集成在具有其它系统功能的芯片上。在单独的电路元件中消耗的功率对于片上系统级的集成而言太大。诸如所需的变压器类型之类的组件完全不可用于硅上集成。