CN101841249A - 智能型多级变功开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能型多级变功开关电源装置：桥式整流器的输出与EMI滤波器的输入连接，EMI滤波器的输出通过待机拓扑与单片机连接，并且EMI滤波器的输出通过不同的MOSFET开关分别与两个或两个以上不同的功率拓扑连接，待机拓扑依次通过待机电流传感器和负载检测电路与负载连接，各个不同功率拓扑分别通过各自对应的工作电流传感器与负载连接，待机电流传感器的输出、工作电流传感器的输出和所述负载检测电路的输出分别与单片机的输入连接，单片机的输出与多个MOSFET开关的输入连接来控制各个不同功率拓扑的开关状态。本发明智能型多级变功开关电源装置能够根据负载变化自动选择合适的功率拓扑，减小负载变化对电源效率的影响、提高电源效率。

Description

智能型多级变功开关电源装置
技术领域
本发明涉及一种开关电源装置，特别是一种智能型多级变功开关电源装置。
背景技术
随着社会追求节能减排，人们追求低碳生活，粗放式的用电时代正在结束，取而代之的是精准的节电生活。过去人们从不特别关注家用电器的功率大小，也不怎么关心照明电路的效率，可是进入LED照明年代，LED的低功耗和高效能将获得普及应用。
由于LED的最佳适用环境是低压直流，单个LED的电压是3.0V DC～5V DC；而当前的社会供电是220VAC，这样每个灯头都需要将220VAC转换成低压直流(12V DC或24V DC)；但是，大量使用高品质功率器件的电源效率虽高，却很昂贵，很难被商业用户和家庭用户的接受。于是很多厂商都使用电阻串联降压的线性调整拓扑，这样价格虽低，却因为低效率(不到50％)而抵消了LED节电的优势，甚至比用日光灯还费电。如果多个低压直流小功耗的设备共同使用一个高效率的电源，会遇到一个问题，就是负载变化很大。譬如用户全部开灯的时候，负载可达到设计的满负载300W，白天只开书房灯的时候，负载只有10W左右。根据开关电源的技术特性，该300W开关电源在[60W～300W](额定功率的20～100％)的时候效率可达到85％左右，可是在负载为60W(额定功率的20％)以下的时候效率迅速下降到80％以下(见图1)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中负载变化引起电源效率降低的技术问题，提供一种能够根据负载变化自动选择合适的功率拓扑，减小负载变化对电源效率的影响、提高电源效率的智能型多级变功开关电源装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：智能型多级变功开关电源装置，桥式整流器的输出与EMI滤波器的输入连接，所述EMI滤波器的输出通过待机拓扑与单片机连接，并且所述EMI滤波器的输出通过不同的MOSFET开关分别与两个或两个以上不同的功率拓扑连接，所述待机拓扑依次通过待机电流传感器和负载检测电路与负载连接，所述功率拓扑分别通过各自对应的工作电流传感器与所述负载连接，所述待机电流传感器的输出、所述工作电流传感器的输出和所述负载检测电路的输出分别与所述单片机的输入连接，所述单片机的输出与所述MOSFET开关的输入连接来控制各个不同功率拓扑的开关状态。所述单片机通过所述负载检测电路检测到了用户的负载后，就接通最大功率的功率拓扑所连接的MOSFET开关；然后按照负载电流大小从最大功率的功率拓扑逐级向最低功率的功率拓扑来逐级匹配，最终固定在可匹配的那个功率拓扑上，实现稳定的工作状态；从而实现利用所述单片机自动检测所述负载大小来并通过控制各个功率拓扑所连接的MOSFET开关来选择与所述负载大小最相适应的功率拓扑，以实现变化负载的用户环境中最高的用电效率。各个功率拓扑都具备电流限流功能来限制电流不超过最上限，防止损坏功率拓扑中的器件。所述单片机工作在待机拓扑中，以实现智能型管理的目的。
上述智能型多级变功开关电源装置，所述单片机的输出还连接有LED状态灯和风扇，温度感应器的输出与所述单片机的输入连接。
上述智能型多级变功开关电源装置，所述负载通过纹波检测电路与所述单片机的输入连接。
本发明的智能型多级变功开关电源装置具有以下有益的技术效果：本发明引入两个或两个以上不同的功率拓扑，通过单片机检测实际的当前负载电流，并通过单片机来计算选择相应的最合适功率拓扑，使得本发明的智能型多级变功开关电源装置能够适应负载的变化，避免低负载率的时候电源效率降低。同时使得挂接在本发明的智能型多级变功开关电源装置下的负载可以获得非常准确的低压直流电，纹波很小，远比220V AC的波动要小，大大提高了负载的寿命。例如，灯具受下半夜电网的高压影响(经常达到240V AC)而使用寿命远远低于理论数值，实际使用寿命平均不到两年；而使用本发明的智能型多级变功开关电源装置可以获得准确的直流电，从而大大提高其使用寿命。本发明可使用于DC-DC的应用中，也可以使用在AC-DC的应用中；而且多个功率拓扑可以共用一套前端的AC整流和EMI电路，并不增加这部分的成本。可以使得低压直流的LED得到低成本的普及，多个LED低压直流灯共同使用一个本发明的开关电源装置，在距离很短的范围内(不到50米，譬如家用，或者商用的某一部分)，为多个LED低压直流灯供电；还可以为低功耗的家用电器来提供电源，譬如可以接低压直流的充电器，台灯，豆浆机，家用路由器等。
附图说明
图1为现有技术中的负载--额定功率百分比的电源效率曲线图；
图2为本发明三个额定输出功率(20W/80W/300W)情况下的电源效率曲线图；
图3为本发明智能型多级变功开关电源装置的结构示意图。
1-桥式整流器，2-EMI滤波器，3-待机拓扑，4-单片机，5-负载，6-负载检测电路，7-待机电流传感器，8-LED状态灯，9-风扇，10-温度感应器，11-纹波检测电路，12-第一MOSFET开关，13-第二MOSFET开关，14-第三MOSFET开关，15-20W的功率拓扑，16-80W的功率拓扑，17-300W的功率拓扑，18-第一电流传感器，19-第二电流传感器，20-第三电流传感器。
实施方式
如图3所示，本实施例的智能型多级变功开关电源装置，桥式整流器1的输出与EMI滤波器2的输入连接，所述EMI滤波器2的输出通过待机拓扑3与单片机4连接，并且所述EMI滤波器2的输出通过第一MOSFET开关12与20W的功率拓扑15连接、通过第二MOSFET开关13与80W的功率拓扑16连接、通过第三MOSFET开关14与300W的功率拓扑17连接，所述待机拓扑3依次通过待机电流传感器7和负载检测电路6与负载5连接，所述20W的功率拓扑15、所述80W的功率拓扑16、所述300W的功率拓扑17分别通过所述第一电流传感器18、所述第二电流传感器19、所述第三电流传感器20与所述负载5连接，所述待机电流传感器7的输出、所述工作电流传感器的输出和所述负载检测电路6的输出分别与所述单片机4的输入连接，所述单片机4的输出与所述MOSFET开关的输入连接。所述单片机4的输出还连接有LED状态灯8和风扇9，温度感应器10的输出与所述单片机4的输入连接。所述负载5通过纹波检测电路11与所述单片机4的输入连接。所述单片机4从所述待机拓扑3获得工作电源，所述单片机4检测负载电流来判断该选择哪个功率拓扑，并通过MOSFET开关来接通该功率拓扑，并关闭其余的功率拓扑；所述单片机4接收所述温度感应器10的数据，结合当前功率拓扑，判断是否给所述风扇9供电并决定所述风扇9的转速；所述单片机4还可以通过检测电流来判断供电线路的发热情况并给出报警与处理。所述单片机4将监测当前的电源工作状态，控制所述LED状态灯8向用户报告当前的工作状态：例如：用绿灯指示健康状态，即没有超过当前功率拓扑的预设计的电流范围和电压范围，并进入预设立的逻辑；还可以用多个所述LED状态灯8指示当前的功率拓扑，哪个功率拓扑在工作，对应的所述LED状态灯8就亮起来。所述单片机4监测当前拓扑的输出电压纹波，报告合理纹波与不合理纹波，并进入预设立的逻辑；监测当前电源的工作温度，显示到指示灯上，并进入预设立的逻辑。
本实施例的智能型多级变功开关电源装置的所述桥式整流器1与电源接通以后，所述待机拓扑3就开始工作，为所述单片机4提供微小的电流，本实施例输出36V DC，所述功率拓扑分别为20W的功率拓扑15、80W的功率拓扑16和300W的功率拓扑17。根据设计，待机状态的电流为0.014A～0.020A(仅0.5W)；所述负载5为20W时的临界状态电流是0.556A；所述负载5为80W时的临界状态电流是2.222A；所述负载5为300W满负载状态时的电流是8.333A。
刚开机的时候，所述单片机4自动将所述负载5挂接到300W的功率拓扑17上；所述单片机4检测到所述负载5的当前电流是否在2.222A与8.333A之间；若是，就不更换所述功率拓扑，并报告到所述LED状态灯8。若电流下降到了2.178A(2.222A*98％)以下，所述单片机4就控制所述负载5跳接到80W的功率拓扑16上。若电流下降到了0.545A(0.556A*98％)以下，所述单片机4就控制所述负载5跳接到20W的功率拓扑15上。若电流下降到了0.018A(0.020A*90％)以下，所述单片机4就控制所述负载5进入待机状态，关闭所有MOSFET开关。反过来，若所述单片机4监测到所述负载5工作在所述待机拓扑3上，所述单片机4检测到电流超过了0.018A，就会控制所述负载5跳接到最高功率的功率拓扑上；然后再重复上述的往下选择功率拓扑的过程。若所述单片机4监测到所述负载5工作在20W的功率拓扑上15，并且所述单片机4检测到电流超过了0.545A，就会控制所述负载5跳接到300W的功率拓扑17上；然后再重复上述的往下选择功率拓扑的过程。每次向上跳接时都跳接到最大的功率拓扑，然后往下逐级选择效率最高的功率拓扑。从当前的功率拓扑向目标功率拓扑跳接时，所述单片机4首先控制接通目标功率拓扑的MOSFET开关，将所述负载5挂接到目标功率拓扑上，然后再断去当前功率拓扑的MOSFET开关。若所述单片机4发现跳接频率很快，并且上下不断往返，可判断是系统故障，而非合理的用户负载变化，所述单片机4将关闭所有功率拓扑，并告警到所述LED状态灯8。随着所述负载5功率的变化，电源可一直工作在效率为80％以上的平滑曲线上(见图2的三个曲线的顶部)。
本发明的智能型多级变功开关电源装置将能为家居LED照明和100平方米以下的商用LED照明提供完美的电源供应。也可以用来驱动多个小的LED照明区域，这样就可以为100平方米以上的商用LED照明提供完美的电源供应。尽管所述负载5的功率大幅度变化了(体现为电流大小变化)，可是电源效率并不会大幅降低，比对当前的负载情况来选择拥有最高效率的功率拓扑。
在其它一些实施例中，根据具体情况和实际的需要，所述功率拓扑可以为两个或两个以上，均可以实现本发明的上述发明目的。

Claims (3)

1.智能型多级变功开关电源装置，其特征在于，桥式整流器(1)的输出与EMI滤波器(2)的输入连接，所述EMI滤波器(2)的输出通过待机拓扑(3)与单片机(4)连接，并且所述EMI滤波器(2)的输出通过不同的MOSFET开关分别与两个或两个以上不同的功率拓扑连接，所述待机拓扑(3)依次通过待机电流传感器(7)和负载检测电路(6)与负载(5)连接，所述功率拓扑分别通过各自对应的工作电流传感器与所述负载(5)连接，所述待机电流传感器(7)的输出、所述工作电流传感器的输出和所述负载检测电路(6)的输出分别与所述单片机(4)的输入连接，所述单片机(4)的输出与所述MOSFET开关的输入连接。
2.根据权利要求1所述的智能型多级变功开关电源装置，其特征在于，所述单片机(4)的输出还连接有LED状态灯(8)和风扇(9)，温度感应器(10)的输出与所述单片机(4)的输入连接。
3.根据权利要求1或2所述的智能型多级变功开关电源装置，其特征在于，所述负载(5)通过纹波检测电路(11)与所述单片机(4)的输入连接。
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