功率转换电路和方法与流程

1.本发明涉及功率转换技术领域，更具体地涉及一种功率转换电路和方法。


背景技术：

2.在电子系统中已经广泛地使用功率转换电路，用于产生内部电路模块或者负载所需的工作电压和电流。功率转换电路包括dc-dc转换器和ac-dc转换器，ac-dc转换器用于将交流电压转换为一恒定的直流电信号(例如直流电压或者直流电流)。
3.辅助电源是一种先于系统工作的电源，可以为主系统的控制部分和监控部分进行供电，具有相对较小的功率。现有的辅助电源中多采用电阻限流降压、电容分压降压或小型的ac-dc转换器来实现功率转换，其电路结构复杂，功耗和成本较高。随着大量的自动感知启动设备的出现，辅助电源的使用将越来越多，因此辅助电源的功耗和成本将成为影响设备效率的一种重要因素。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效和低成本的功率转换电路和方法。
5.根据本发明实施例的一方面，提供了一种功率转换电路，用于将交流输入电压转换成直流输出电压，包括：转移电容；储能电容；以及整流单元，配置为基于所述交流输入电压的方向选择性地导通所述交流输入电压对所述转移电容的充电路径或所述转移电容至所述储能电容的转移路径，以在所述储能电容的端子间提供所述直流输出电压，其中，所述整流单元还配置为通过控制所述转移电容对地的放电路径来将所述直流输出电压稳定于设定范围内。
6.可选的，在所述交流输入电压为负向电压时，所述整流单元将所述转移电容耦接于交流电源的两端之间，通过所述交流电源对所述转移电容进行充电，在所述交流输入电压为正向电压时，所述整流单元将所述转移电容和所述储能电容串联耦接于所述交流电源的两端之间，通过所述转移电容对所述储能电容充电。
7.可选的，所述整流单元配置为根据所述储能电容的充电水平来控制所述转移电容对地的放电路径。
8.可选的，所述整流单元包括：整流元件，其设置在所述转移电容和所述储能电容之间；以及开关元件，其设置在所述转移电容和所述交流电源的第二端之间。
9.可选的，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为断开状态时，所述转移电容向所述储能电容转移能量，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为导通状态时，所述转移电容通过所述开关元件对地放电。
10.可选的，所述整流单元还包括：比较器，配置为根据所述储能电容上的电压控制所述开关元件的开关动作。
11.可选的，所述比较器为迟滞比较器。
12.可选的，所述开关元件通过场效应管实现。
13.可选的，所述整流元件通过二极管或场效应管实现。
14.可选的，所述功率转换电路还包括电压监控电路，所述电压监控电路确保所述直流输出电压保持在指定范围内。
15.可选的，所述电压监控电路包括：过压保护、欠压保护、稳压器、dc-dc转换器中的一种或多种的组合。
16.可选的，所述dc-dc转换器采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。
17.根据本发明实施例的另一方面，提供了一种功率转换方法，用于将交流输入电压转换成直流输出电压，包括：设置转移电容和储能电容；基于所述交流输入电压的方向选择性地导通所述交流输入电压对所述转移电容的充电路径或所述转移电容至所述储能电容的转移路径，以在所述储能电容的端子间提供所述直流输出电压；以及通过控制所述转移电容对地的放电路径来将所述直流输出电压稳定于设定范围内。
18.可选的，所述基于所述交流输入电压的方向选择性地导通所述交流输入电压对所述转移电容的充电路径或所述转移电容至所述储能电容的转移路径包括：在所述交流输入电压为负向电压时，将所述转移电容耦接于交流电源的两端之间，通过所述交流电源对所述转移电容进行充电，在所述交流输入电压为正向电压时，将所述转移电容和所述储能电容串联耦接于所述交流电源的两端之间，通过所述转移电容对所述储能电容充电。
19.可选的，所述通过控制所述转移电容对地的放电路径来将所述直流输出电压稳定于设定范围内包括：根据所述储能电容的充电水平来控制所述转移电容对地的放电路径。
20.可选的，所述功率转换方法还包括：在所述转移电容和所述储能电容之间设置整流元件；以及在所述转移电容和所述交流电源的第二端之间设置开关元件；其中，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为断开状态时，所述转移电容向所述储能电容转移能量，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为导通状态时，所述转移电容通过所述开关元件对地放电。
21.可选的，所述根据所述储能电容的充电水平来控制所述转移电容对地的放电路径包括：设置一比较器，所述比较器配置为根据所述储能电容上的电压控制所述开关元件的开关动作。
22.可选的，所述比较器为迟滞比较器。
23.可选的，所述开关元件通过场效应管实现。
24.可选的，所述整流元件通过二极管或场效应管实现。
25.可选的，所述功率转换方法还包括设置电压监控电路，所述电压监控电路用于确保所述直流输出电压保持在指定范围内。
26.可选的，所述电压监控电路包括：过压保护、欠压保护、稳压器、dc-dc转换器中的一种或多种的组合。
27.可选的，所述dc-dc转换器采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。
28.综上所述，本发明提供了一种采用电荷泵来实现整流的功率转换电路，其包括转移电容、储能电容和整流单元，整流单元基于交流输入电压的方向选择性地导通交流输入电压对转移电容的充电路径或转移电容对储能电容的转移路径，从而可以在储能电容的端
子间提供直流输出电压，并通过控制放电路径来控制电荷泵中电荷转移次数来实现输出电压的稳定控制。与现有的ac-dc转换器相比，本发明的功率转换电路不需要使用高压器件和另外的整流电路，可以大大降低电路的结构和成本。此外，本发明的功率转换电路具有极低的损耗，其效率甚至可以达到100％，因此不论是硬件成本还是使用成本，本发明的功率转换电路都显著优于现有的ac-dc转换器。
附图说明
29.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
30.图1示出了根据本发明第一实施例的功率转换电路的示意性电路图；
31.图2示出了根据本发明第二实施例的功率转换电路的示意性电路图；
32.图3示出了根据本发明第三实施例的功率转换电路的示意性电路图。
具体实施方式
33.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
34.在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
35.应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”或者“耦合到”另一元件，或称元件/电路“连接在”或者“耦合在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者二者之间也可以存在中间元件，元件之间的连接或耦合可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
36.在本技术的上下文中，当晶体管处于“断开(off)状态”或“断开”时，晶体管阻挡电流和/或基本不传导电流。相反，当晶体管从处于“导通(on)状态”或“导通”时，晶体管能够显著地传导电流。举例来说，在一个实施例中，晶体管包括n沟道金属氧化物半导体(nmos)场效应晶体管(fet)，其中电压被提供在晶体管的第一端子(即漏极)和第二端子(即源极)之间。在一些实施例中，当调节提供到负载的能量时，可以使用集成控制器电路来驱动功率开关。另外，出于本公开内容的目的，本技术中的“接地”或“接地电势”是指如下参考电压或电势，相对于参考电压或电势来定义或测量电子电路或集成电路(ic)的所有其他电压或电势。
37.图1示出了根据本发明第一实施例的功率转换电路的示意性电路图。如图1所示，功率转换电路100包括交流电源101、转移电容cf(又称为飞电容，flying capacitor)、储能电容cs以及整流单元102。其中，交流电源101用于提供交流输入电压vac。转移电容cf的第一端与交流电源101的第一端耦接，第二端与整流单元102耦接。整流单元102包括输入端、输出端和接地端，整流单元102的输入端与转移电容cf的第二端耦接，整流单元102的输出
端与储能电容cs的第一端耦接，接地端与交流电源101的第二端和地gnd耦接，储能电容cs的第二端也与地gnd耦接。整流单元102配置为基于交流输入电压vac的方向选择性地导通交流输入电压对转移电容cf的充电路径或转移电容cf至储能电容cs的转移路径，以在储能电容cs的端子间提供直流输出电压vout。进一步的，所述整流单元102还配置为通过控制转移电容对地的放电路径来将控制多个交流电变化周期内转移电容cf转移到储能电容cs上的电荷量，将直流输出电压稳定于设定范围内。
38.进一步的，在交流输入电压vac为负向电压时，整流单元102将转移电容cf耦接于交流电源101的两端之间，通过交流电源101向转移电容cf进行充电。在交流输入电压vac为正向电压时，整流单元102将转移电容cf和储能电容cs串联耦接于交流电源101的两端之间，通过转移电容cf向储能电容cs进行充电。
39.进一步的，整流单元根据储能电容cs上的充电水平来控制转移电容对地的放电路径。例如，若储能电容cs上的电压不足，整流单元102则在交流输入电压vac为正向电压时断开转移电容cf对地的放电路径，交流输入电压vac通过转移电容cf和转移路径对储能电容cs充电；若储能电容cs上的电压超过期望的电压，整流单元102则导通转移电容cf对地的放电路径，使得转移电容cf对地放电或交流电通过放电路径对转移电容cf进行反向充电，从而达到将直流输出电压vout稳定在一定范围的功能。
40.进一步的，整流单元102包括开关元件121、整流元件122和比较器123。其中，开关元件121设置在转移电容cf的第二端和交流电源101的第二端之间，整流元件122设置在转移电容cf的第二端和储能电容cs的第一端之间，比较器123配置为根据储能电容cs上的电压控制开关元件121的开关动作。
41.进一步的，开关元件121可以通过nmos管q1(n沟道金属氧化物半导体(nmos)场效应晶体管(fet))来实现，当交流输入电压vac为负向电压时，交流电源101通过nmos管q1的体二极管对转移电容cf进行充电。又例如，若此时nmos管q1处于导通状态，则交流电源101直接通过nmos管q1对转移电容cf进行充电。整流元件122例如通过二极管d1来实现，在所述交流输入电压vac为正向电压时且所述nmos管q1处于断开状态时，转移电容cf通过二极管d1向储能电容cs转移能量。当储能电容cs上的电压超过期望的电压时，nmos管q1导通，转移电容cf对地gnd放电或交流电源101对转移电容cf进行反向充电。可以理解，本实施例中的开关元件101虽然同时提供了转移电容cf的充电路径和放电路径，但是究竟是对转移电容cf进行充电还是放电(也可以称为反向充电)主要取决于交流输入电压vac是向正方向变化还是向负方向变化。
42.进一步的，比较器123具有电压滞回功能，其可以通过迟滞比较器来实现，其一个输入端与储能电容cs的第一端耦接，另一端与参考电压vref和迟滞电压vhys耦接。比较器123在储能电容cs上的电压高于参考电压vref时导通nmos管q1，以停止对储能电容cs的充电；并在储能电容cs上的电压低于vref-vhys时断开nmos管q1，以允许对储能电容cs的充电，继而实现了将直流输出电压vout稳定在一定范围的功能。
43.进一步的，在具体的应用中需要在nmos管q1处于导通状态时利用储能电容cs来维持对负载的供电，因此储能电容cs需要较大的电容量。假设储能电容cs远大于转移电容cf，每个充电周期储能电容cs上的电压变化不大，且储能电容cs上的电压远低于交流电的峰峰值电压，则可以用每个交流电变化周期内转移电容cf转移的电荷量来估计可以传输的功
率。记t为交流电的周期时间，vpp为交流电的峰峰值电压，则输出功率p＝2
×
vpp
×
vout
×
cf/t。对于220vac的50hz的交流电输入，当输出电压为30v时，输出1w的功率转移电容cf需要0.28μf的容量，因此转移电容cf无需使用高压器件即可，可以大大降低电路的成本。
44.此外，本实施例的功率转换电路100在充放电过程中的损失仅由路径电阻的损失来决定，例如，在上述条件下经过充放电路径的电流约为30ma，只要nmos管q1的导通电阻较小则损耗可以很小。此外，在nmos管q1处于导通状态时，转移电容cf相当于一个容性负载，其耗电仅由其等效串联电阻决定，因此也可以满足低功耗的条件。
45.图2示出了根据本发明第二实施例的功率转换电路的示意性电路图。与第一实施例的功率转换电路100相比，本实施例的功率转换电路200为同步整流稳压器，其中的整流元件122采用nmos管q2来实现，其中nmos管q2与nmos管q1非交叠导通，采用具有极低的导通电阻的nmos管q2来取代整流二极管d1可以降低整流过程中的损耗，从而大大提高了功率转换电路的效率。
46.图3示出了根据本发明第三实施例的功率转换电路的示意性电路图。在另外一些实施例中，对于电池充电或者直接驱动电路或电阻负载的应用，功率转换电路还在直流输出电压vout的输出端设置一个电压监控电路，以确保电压电平保持在指定的范围内。如图3所示，功率转换电路300还包括电压监控电路303，电压监控电路303可以包括但不限于过压保护、欠压保护或者二者的一些组合；稳压器；dc-dc转换器；或者其他能够确保电压电平保持在指定范围内的电路。
47.进一步的，dc-dc转换器可以通过多种结构实现，包括但不限于降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型等拓扑结构。更进一步的，dc-dc转换器还可以通过正激型或反激型等拓扑结构实现，利用增加副边绕组来实现隔离稳压的目的。
48.根据本发明实施例的另一方面，提供了一种功率转换方法，其采用电荷泵结构来实现整流，并通过控制放电路径来控制电荷泵中电荷转移次数来实现输出电压的稳定控制。其中，该功率转换方法包括：设置转移电容cf和储能电容cs；基于交流输入电压vac的方向选择性地导通所述交流输入电压vac对所述转移电容cf的充电路径或所述转移电容cf至所述储能电容cs的转移路径，以在所述储能电容cs的端子间提供直流输出电压vout；以及在对储能电容cs充电过程中通过控制所述转移电容cf对地的放电路径来将所述直流输出电压vout稳定于设定范围内。
49.进一步的，在交流输入电压vac为负向电压时，将转移电容cf耦接于交流电源的两端之间，通过所述交流电源对所述转移电容cf进行充电；在所述交流输入电压vac为正向电压时，将所述转移电容cf和所述储能电容cs串联耦接于所述交流电源的两端之间，通过所述转移电容cf对所述储能电容充电。当储能电容cs上的电压超过期望的电压时，导通转移电容cf的放电路径，转移电容cf对地gnd放电或交流电源对转移电容cf进行反向充电。
50.综上所述，本发明提供了一种采用电荷泵来实现整流的功率转换电路，其包括转移电容、储能电容和整流单元，整流单元基于交流输入电压的方向选择性地导通交流输入电压对转移电容的充电路径或转移电容对储能电容的转移路径，从而可以在储能电容的端子间提供直流输出电压，并通过控制放电路径来控制电荷泵中电荷转移次数来实现输出电压的稳定控制。与现有的ac-dc转换器相比，本发明的功率转换电路不需要使用高压器件和另外的整流电路，可以大大降低电路的结构和成本。此外，本发明的功率转换电路具有极低
的损耗，其效率甚至可以达到100％，因此不论是硬件成本还是使用成本，本发明的功率转换电路都显著优于现有的ac-dc转换器。
51.进一步的，本发明的功率转换电路大大地降低了辅助电源的功耗和成本，这种高效和低功耗的辅助电源为感知启动设备的大量使用提供了可能。
52.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
53.依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种功率转换电路，用于将交流输入电压转换成直流输出电压，包括：转移电容；储能电容；以及整流单元，配置为基于所述交流输入电压的方向选择性地导通所述交流输入电压对所述转移电容的充电路径或所述转移电容至所述储能电容的转移路径，以在所述储能电容的端子间提供所述直流输出电压，其中，所述整流单元还配置为通过控制所述转移电容对地的放电路径来将所述直流输出电压稳定于设定范围内。2.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，在所述交流输入电压为负向电压时，所述整流单元将所述转移电容耦接于交流电源的两端之间，通过所述交流电源对所述转移电容进行充电，在所述交流输入电压为正向电压时，所述整流单元将所述转移电容和所述储能电容串联耦接于所述交流电源的两端之间，通过所述转移电容对所述储能电容充电。3.根据权利要求2所述的功率转换电路，其中，所述整流单元配置为根据所述储能电容的充电水平来控制所述转移电容对地的放电路径。4.根据权利要求3所述的功率转换电路，其中，所述整流单元包括：整流元件，其设置在所述转移电容和所述储能电容之间；以及开关元件，其设置在所述转移电容和所述交流电源的第二端之间。5.根据权利要求4所述的功率转换电路，其中，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为断开状态时，所述转移电容向所述储能电容转移能量，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为导通状态时，所述转移电容通过所述开关元件对地放电。6.根据权利要求5所述的功率转换电路，其中，所述整流单元还包括：比较器，配置为根据所述储能电容上的电压控制所述开关元件的开关动作。7.根据权利要求6所述的功率转换电路，其中，所述比较器为迟滞比较器。8.根据权利要求4所述的功率转换电路，其中，所述开关元件通过场效应管实现。9.根据权利要求4所述的功率转换电路，其中，所述整流元件通过二极管或场效应管实现。10.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，还包括电压监控电路，所述电压监控电路确保所述直流输出电压保持在指定范围内。11.根据权利要求10所述的功率转换电路，其中，所述电压监控电路包括：过压保护、欠压保护、稳压器、dc-dc转换器中的一种或多种的组合。12.根据权利要求11所述的功率转换电路，其中，所述dc-dc转换器采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。13.一种功率转换方法，用于将交流输入电压转换成直流输出电压，包括：设置转移电容和储能电容；基于所述交流输入电压的方向选择性地导通所述交流输入电压对所述转移电容的充电路径或所述转移电容至所述储能电容的转移路径，以在所述储能电容的端子间提供所述
直流输出电压；以及通过控制所述转移电容对地的放电路径来将所述直流输出电压稳定于设定范围内。14.根据权利要求13所述的功率转换方法，其中，所述基于所述交流输入电压的方向选择性地导通所述交流输入电压对所述转移电容的充电路径或所述转移电容至所述储能电容的转移路径包括：在所述交流输入电压为负向电压时，将所述转移电容耦接于交流电源的两端之间，通过所述交流电源对所述转移电容进行充电，在所述交流输入电压为正向电压时，将所述转移电容和所述储能电容串联耦接于所述交流电源的两端之间，通过所述转移电容对所述储能电容充电。15.根据权利要求14所述的功率转换方法，其中，所述通过控制所述转移电容对地的放电路径来将所述直流输出电压稳定于设定范围内包括：根据所述储能电容的充电水平来控制所述转移电容对地的放电路径。16.根据权利要求15所述的功率转换方法，其中，还包括：在所述转移电容和所述储能电容之间设置整流元件；以及在所述转移电容和所述交流电源的第二端之间设置开关元件；其中，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为断开状态时，所述转移电容向所述储能电容转移能量，在所述交流输入电压为正向电压且所述开关元件为导通状态时，所述转移电容通过所述开关元件对地放电。17.根据权利要求16所述的功率转换方法，其中，所述根据所述储能电容的充电水平来控制所述转移电容对地的放电路径包括：设置一比较器，所述比较器配置为根据所述储能电容上的电压控制所述开关元件的开关动作。18.根据权利要求17所述的功率转换方法，其中，所述比较器为迟滞比较器。19.根据权利要求16所述的功率转换方法，其中，所述开关元件通过场效应管实现。20.根据权利要求16所述的功率转换方法，其中，所述整流元件通过二极管或场效应管实现。21.根据权利要求13所述的功率转换方法，其中，还包括设置电压监控电路，所述电压监控电路用于确保所述直流输出电压保持在指定范围内。22.根据权利要求21所述的功率转换方法，其中，所述电压监控电路包括：过压保护、欠压保护、稳压器、dc-dc转换器中的一种或多种的组合。23.根据权利要求22所述的功率转换方法，其中，所述dc-dc转换器采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。

技术总结
本发明公开了一种功率转换电路和方法。该功率转换电路包括：转移电容；储能电容；以及整流单元，配置为基于交流输入电压的方向选择性地导通交流输入电压对转移电容的充电路径或转移电容至储能电容的转移路径，以在储能电容的端子间提供直流输出电压，其中，整流单元还配置为通过控制转移电容对地的放电路径来将直流输出电压稳定于设定范围内。与现有的AC-DC转换器相比，本发明的功率转换电路不需要使用高压器件和另外的整流电路，可以大大降低电路的结构和成本。路的结构和成本。路的结构和成本。


技术研发人员：谭磊 刘立军
受保护的技术使用者：圣邦微电子（北京）股份有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13