CN102138277B - 可自动优化效率的开关模式电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及开关模式电源(100)，包括：输入端接口(101、102)，以接收输入电压和/或输入电流；输出端接口(103、104)，以提供输出电压和/或输出电流；设在输入端接口和/或输出端接口之间的电路，以变换电流和/或电压，该电路有至少一个控制开关；控制单元(200)，以通过可变频率及可变负载比的脉宽调制信号控制至少一个控制开关；与控制单元(200)连接的测量装置(151、141、153、143)，用于至少测量输入电流强度、输入电压、输出电流强度及输出电压，其中，控制单元(200)为此设置，即通过测量装置的测量值监测开关模式电源(100)的效率，且通过第一数字调节电路由控制至少一个控制开关优化效率。本发明还涉及运行该开关模式电源(100)的方法。

Description

可自动优化效率的开关模式电源
技术领域
本发明大体上涉及电源技术领域，特别是开关模式电源技术。
背景技术
开关模式电源是电子组件，其用于电流变换和电压变换，并且例如广泛地用作计算机电源或存储器电源。但是，在许多其他领域中也会使用到开关模式电源。尤其是通过开关模式电源将不稳定的输入电压来生成稳定的输出电压或输出电流。在此，借助于自动调节电路通过控制开关模式电源中的能通量来实现输出值的稳定。典型地，这种调节通过可在时间上进行控制的开关来实现，该开关例如设计为晶体管。
相对于传统的电源而言，开关模式电源实现了明显更高的效率。因为，在开关模式电源中，尤其在使用同步整流器时，需要进行对晶体管(用作开关)时间准确的控制，通常要注意到停机时间，以避免类似于短路的状态(也称为“击穿”)。在此，停机时间必须要测量足够长的时间，以便于参考如负荷变化、温度漂移、时效漂移及元件公差等效应。然而，通过长时间的停机时间限制了开关模式电源的可实现效率。
有利的是，开关模式电源具有关于输入端电源和输出端连接负荷的较大公差范围，但是，在较低的输入电压和较小负荷中通常仅达到非常有限的效率。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种方法，例如能够在较宽的输入电压范围和负荷范围上提高开关模式电源的效率。本发明的另一目的在于，提出一种开关模式电源，其具有长时间的高稳定性及良好的调节质量。
该目的通过根据权利要求1所述的开关模式电源以及根据权利要求13所述的方法实现。有利的实施例及改进方案在各个从属权利要求中给出。
相应地，根据本发明的开关模式电源包括：输入端接口，用于接收输入电压和/或输入电流；输出端接口，用于提供输出电压和/或输出电流；以及设置在输入端接口和/或输出端接口之间的电路，用于变换电流和/或电压，该电路具有至少一个控制开关。为控制至少一个控制开关设有控制单元，其为此构成，即通过带有可变频率及可变负载比的脉宽调制信号来控制。此外，测量装置与控制单元连接，该测量装置设置用于至少测量输入电流强度、输入电压、输出电流强度及输出电压，其中控制单元为此设置，即通过所连接的测量装置的测量值来监测开关模式电源的效率，并且借助于第一数字调节电路通过控制至少一个控制开关来优化效率。为实现该目的，控制单元特别有利地包括一个数字信号处理器。
有利地，开关模式电源的设置在输入端接口和输出端接口之间的电路包括多个电路元件，尤其是一个用于矫正功率因数的第一电路元件、串联于第一电路元件且设置为直流变压器的第二电路元件以及串联于第二电路元件且设置为同步整流器的第三电路元件。优选地，第一、第二、第三电路元件分别具有至少一个通过控制单元控制的开关。此外，在本发明的有利实施例中，至少一个电路元件具有多个通过控制单元控制的开关。
为了在交流电压网络上运行，用于矫正功率因数的第一电路元件优选前置串联至少一个用于对交流电压整流的其他电路元件。在该实施例中，进行整流之后可以对输入电流强度和输入电压测量出相应数值。有利地是，用于测量输入电流强度和输入电压的测量装置设置在用于整流的输入端的电路元件和用于矫正功率因数的串联电路元件之间。
用于矫正功率因数的电路元件优选设置为主动的谐波滤波器并且包括升压变压器，其将电容器充电到高于网络交流电压峰压的电压，并且这样在该电路元件的输入端上提供作为中间电路电压的直流电压。根据输入电压的曲线再调节电流消耗，从而通过串联的电路元件的谐波避免了网络的污染。这种控制优选借助于设置在第一电路元件中的第一开关来实现，该开关通过控制单元控制。特别有利的是，通过第一电路元件产生的中间电路电压可以通过调控由控制单元控制的第一开关来调节，其中该控制借助于第一脉宽调制信号来实现。
串联于用于矫正功率因数的电路元件的直流变压器包括通过控制单元控制的第二开关，其用于控制开关模式电源的能源消耗，并且出于该目的而接通可设定开关频率及负载比的中间电路电压，其中由此第二开关通过控制单元借助于第二脉宽调制信号来控制。
通过直流变压器产生的脉冲电压优选借助于串联的同步整流器进行整流。同步整流器优选具有作为整流器元件、通过控制单元控制的第三开关。为了分隔电流，电路还可以包括变压器。在这种情况下，调节电路包括至少一个光电耦合器。
控制开关优选设置为MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管)。其也可以例如使用双极性晶体管、IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或其他合适的电子元件，如可控硅元件。有利的是，第一和第二开关以这样的方式通过控制单元来控制，即它们将起到第一调节电路的PID控制器(比例-积分-微分控制器)的作用。
为进行调节，开关通过控制单元借助于脉宽调制信号来分别控制。有利的是，在此脉宽调制信号具有相同的频率，不同的相位，通过该脉宽调制信号，控制单元分别控制第一、第二及第三开关。
在有利的实施例中可以可选地设置单独的功率因数预调装置，其中设置在电路元件中用于矫正功率因数的第一开关通过脉宽调制信号进行控制，其频率不关系到用于控制第二和第三开关的脉宽调制信号而单独通过控制单元来调节。
脉宽调制信号的频率及开关的开关频率优选在高听觉域之上，典型地在20kHz到50kHz的范围内。
为了优化效率，优选脉宽调制信号的频率、和/或通过用于矫正功率因数的电路元件产生的中间电路电压、和/或用于控制第一和第二开关的脉宽调制信号之间的相差、和/或用于控制第二和第三开关的脉宽调制信号之间的相差都作为第一调节电路的校正变量由控制单元来调节。
根据本发明，当在开关模式电源的输出端接口上仅连接较小负载时，脉宽调制信号的频率调节可以特别有利地用于优化效率。此外，根据本发明，当在开关模式电源的输入端接口上连接的电网电压出现变化并尤其以低数值进行变化时，中间电路电压的调节可以特别有利地用于优化效率。
为了调节中间电路电压来优化效率，测量装置优选与控制单元连接，该测量装置用于测量由用于矫正功率因数的电路元件而产生且在输入端上位于直流变压器上的中间电路电压，并且测量在输入端上流过直流变压器的电流强度。
由于在出现功率损失时，电路的相应元件的温度会升高，并且温度的变化将影响到元件的效用，因此还有利地设有与控制单元连接的测量装置，用于测量电路的至少一处的温度，尤其是测量一个控制开关附近的温度。
由脉宽调制信号之间的相差会产生停机时间，该停机时间则会降低开关模式电源的效率。因而，在高开关频率中基于产生类似于短路的状态(也称为“击穿”)的危险而通过同步整流器来降低停机时间则显得尤为重要。其必须与“击穿”点保持一定的距离，因此在此会出现明显的功率损失。
另一优点在于，通过控制单元来控制相对于第一调节电路更为缓慢的第二调节电路。优选地，在执行第一调节电路期间通过控制单元来监控温度，并且在温度稳定之后则借助于第二调节电路开始调节。可选地或额外地，在效率稳定之后借助于第二调节电路开始调节。
有利的是，通过第二调节电路来调节用于控制第一和第二开关的脉宽调制信号之间的相差，和/或调节用于控制第二和第三开关的脉宽调制信号之间的相差，以及调节相应的停机时间。
开关模式电源的效率和/或温度由控制单元优选作为第二调节电路的参考变量。
上文所述的第一和/或第二调节电路的校正变量可以有利地通过特征曲线域设定到接近最佳化的数值。相应地，在开关模式电源开启和/或在输入端接口的电压出现变化和/或在与输出端接口连接的负载出现变化时，优选第一和/或第二调节电路的校正变量根据安装在电路中的半导体元件的存在于开关模式电源中的特征曲线域来设定。
开关模式电源开启时优选首先进行软启动或软激活，其用于限制开启电路。这可以有利地通过相应地控制设置在电路元件中用于主动矫正功率因数的第一开关来实现。
在本发明的范畴内还涉及一种用于运行上述开关模式电源的方法。
附图说明
本发明在下文中将根据优选的实施例并参照附图来详细说明。
在此，相同的附图标记在附图中表示相同或相似的部件。其中，
图1示出了根据本发明的开关模式电源的优先实施例的方块图，
图2a示出了对于设定不同停机时间的特定的时间曲线，
图2b示出了根据停机时间所发生的功率损失，该停机时间可以通过图1中示出的输出端PWM2和PWM3上生成的脉宽调制信号的相差设定，
图3a中示出了对于传统的开关模式电源及在图1中示出的开关模式电源而言，关于在开关模式电源的输出端上连接的负载的开关频率，
图3b示出了通过图2a中示出的开关频率所要达到的效率，
图4a示出了对于传统的开关模式电源及在图1中示出的开关模式电源而言，关于在开关模式电源的输入端上的输入电压的中间电路电压，
图4b示出了通过图3a中示出的中间电路电压所要达到的效率。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的开关模式电源100的优先实施例的电路的方块图。电路包括两个输入端接口101、102，用于将开关模式电源连接到电源电压上，优选连接到交流电力网的电源电压上，该交流电力网例如在德国设定为230V标准电压的电网，或者在美洲大陆设定为电网交流电压额定值为110V和120V之间的电网。
在开关模式电源100的所示实施例中，该开关模式电源包括与输入端接口101、102连接的整流器电路110，其输出端与用于矫正功率因数的元件112(在下文中简称为PFC(Power FactorCorrection))连接。PFC 112将为串联的直流变压器114(在下文中也称为DC/DC变换器)提供中间电路电压。由DC/DC变换器产生的脉冲电压传输给同步整流器116，该同步整流器为开关模式电源100的输出端接口103、104提供直流电压，其在所示的实施例中为24V。为了匹配电压及分隔电流还有利地设有变压器，其例如可以设置在DC/DC变换器114中。在图1中，电路的上方例如示出了单个元件之间的信号形式。
为调节开关模式电源100设有控制单元200，其借助于第一、第二、第三脉宽调制信号来控制第一、第二及第三开关，其中这些开关优选设置为MOSFET，并且第一开关设置在PFC 112中，第二开关设置在DC/DC变换器中，第三开关设置在同步整流器116中。为提供脉宽调制信号，控制单元200相应具有称为PWM1、PWM2、PWM3的输出端210、220、230，其分别与第一、第二及第三开关的栅极接口连接。在可选的实施例中，元件112、114、116也可以分别包括多个开关，这些开关分别借助于共有或单独的脉宽调制信号控制。
控制单元200还包括用于注册测量信号的信号输入端241、242、243、251、252、253、261、262，其中每个信号输入端优选分别对应一个A/D变换器，其用于转换模拟测量信号。信号输入端241、251、243、253用于测量输入电流、输入电压、输出电流和输出电压。出于这样的目的，信号输入端241与电压测量器141连接，信号输入端251与电流测量器151连接，信号输入端243与电源测量器143连接，信号输入端253与电路测量器153连接。
通过信号输入端241、251、243、253获得的测量值通过控制单元尤其用于计算效率，其中乘积输出值除以乘积输入值将得出效率。所需的计算通过设置在控制单元200中的数字信号处理器(在下文中也称为DSP)实现。此外，开关模式电源100的电路温度被监测，优选设置在电路的冗余部件附近。在所示的实施例中，出于该目的则通过合适的传感器来测量两个温度，并且测量信号通过相应的信号输入端261、262传输给控制单元200。第一传感器设置在DC/DC变换器114中，优选设置在第二开关附近，第二传感器设置在同步整流器116中，优选设置在第三开关附近。特殊的功率半导体的效率η(Eta)及温度在开关模式电源100中持续测量。
在所示的实施例中还测量中间电路电压及初始的DC/DC电流。出于该目的，控制单元200的信号输入端242与电源测量器142连接，信号输入端252与电流测量器152连接。
控制单元200基于测量值来控制至少一个调节电路，其中DSP采用三个输出端210、220、230作为输出端，以使得通过这些输出端来控制PFC 112、DC/DC变换器114和同步整流器116。在控制单元200的编码DSP软件中基本上汇编了两个数字调节器，一个用于PFC级112，一个用于DC/DC变换器114。在软件中还存在用于同步整流器116的不同的延迟时间及一个特征曲线域。
通常仅以同步的开关频率通过输出端210、220、230上输出的脉宽调制信号实现控制，其中这种方式对于PFC 112的控制并非强制的。在所示的实施例中，尽管输出端PWM2、PWM3上输出的脉宽调制信号的开关频率是同步的，但是相位则是偏差的。对于同步整流器116的相位差，也就是停机时间则通过控制单元的DSP来调节。DSP还调节PFC级112和DC/DC变换器114。
控制单元200采用脉宽调制信号，通过该信号来控制前置串联的放大器(PFC)112、DC/DC变换器114和同步整流器116，用于设定调节电路的校正变量，该校正变量包括开关频率、停机时间(尤其用于同步整流器116)以及中间电路电压。
通过测量值及校正变量可以正面地影响效率，这一点在下文中详细说明。
在使用同步整流器时，典型地通过相应地切换第二开关和第三开关来交替多个相位，其中分别流通正向电流或恢复电流。在图2a中示出了第二或第三开关的通过脉宽调制信号PWM2和PWM3产生的栅极电压510、520。在传统的开关模式电源中，基于在图2b中示出的停机时间T1在时间点T1上采用恢复电流的相位。通过根据本发明的停机时间的降低而使得该时间点例如移动到T2上，由此而减少了所发生的功率损失。在图2b中示出了通过降低停机时间而产生的功率损失。通过高开关频率的同步整流器来控制停机时间是尤为重要的，因为通常需要与“击穿”点(在图2中以停机时间Ts表示)保持安全距离。如果没有本发明的话需要考虑到负载变化、温度漂移、时效漂移及元件公差。通过本发明则可以直接排除失效漂移和元件公差。通过存在的特征曲线域，开关模式电源100可以自己首先针对负载和温度设定到接近于最佳化的开关点。
利用缓慢的温度调节电路和/或快速的效率实时测量甚至于可以到达最佳点，其中数字调节器根据各种负载变化或温度变化靠近于最佳点。
通过始终快速的MOSFET和二极管可以一直时间更高的开关频率，由此可以一直生成较小的磁性。然而在提高开关频率(也就是缩短周期时间)及保持停机时间不变时，传统方式调节的开关模式电源有可能会效率低下，因为“可利用”的接通时间始终较短。而借助于控制单元200将针对停机时间优化设定且甚至于在运行中进行优化。
在传统的开关模式电源中，其中使用固定开关频率的脉宽调制信号，在一直变小的负载时总会带来强烈的开关损失及传递损失。通过控制单元200可以按照特征曲线域在小负载时将开关频率快速地降低到接近可听的范围并由此而急剧地减少损失。这种方式对于PFC112、DC/DC变换器114和同步整流器116优选是自动同步的。在图3a和3b中示出了可实现的效率改进。在图3a中根据连接到各个开关模式电源的输出端上的负载以最大负载的百分比示出了传统开关模式电源的恒定的开关频率以及根据本发明的匹配于负载的开关频率320。在图3b中示出了对于传统的或本发明的开关模式电源而言，根据连接的负载所实现的效率312和322。
在传统的开关模式电源中，PFC将调节到例如400V直流电压的恒定的中间电路电压。该电压要要比输入端的自然整流电压要高，也就是说网络电压乘以2的平方根，由此而还能起到矫正功率因数的作用。根据本发明，这样的电压可以在非常低的网络中降低到还能被DC/DC变换器调节的电压上，也就是例如降低到300V的直流电压。这就形成了额外的效率改进，例如在图4a和4b中示出的。在图4a中以最大输入电压的百分比根据连接到各个开关模式电源上的电压，示出了传统开关模式电源的恒定的中间电路电压410和根据本发明的匹配于输入电压的中间电路电压420。在图4b中示出了对于传统或本发明的开关模式电压而言，分别根据所存在的输入电压而实现的效率412和422。
电源100在特定的温度、特定的输入电压和特定的负载下运行之后，控制单元200的DSP将在“默认设置”的软启动进行之后持续计算出实时的所有输入值，并且立即跳转到接近于最佳化的运行中。为此，下列参数得以优化：
-开关频率，也就是输出端PWM1、PWM2、PWM3的脉宽调制信号的频率，
-中间电路电压的额定值，
-输出端PWM1、PWM2的脉宽调制信号之间的相差或延迟时间，
-输出端PWM2、PWM3的脉宽调制信号之间的相差或延迟时间，
-输出端PWM1的脉宽调制信号的调节参数(P、I和D部分)，
-输出端PWM2的脉宽调制信号的调节参数(P、I和D部分)。
在温度稳定之后，DSP启动第二、非常慢且高阶的调节电路。在较小的增量下，输出端PWM1和PWM2的脉宽调制信号之间的延迟时间被缩短，直至实现最佳化的效率。在较小的增量下，输出端PWM2和PWM3的脉宽调制信号之间的延迟时间被缩短，直至实现最佳化的效率，其中温度始终被额外地有效监控。在重要的负载变化或输入电压变化之后，控制单元200的DSP首先从特征曲线域跳回到已经几乎最佳化的默认值上，并且重新启动缓慢的优化。因为第二调节电路相对于第一调节电路是较为缓慢且高阶的，因此第一和第二调节电路形成了由控制单元200调节的级联控制。
通过本发明的方法实现了针对每个工作点的绝对优化效率。传统的电源仅仅在一个工作点上得到优化，其中该工作点通过本发明自行明显改进。其结果是，从极大的负载范围直至空转上都得到了非常高的效率，并且在宽的输入电压和温度范围内也都得到了优化。此外，在高效的控制性能上也是长时间的稳定性。对此而获得了快速的控制效果。
因此，根据本发明的开关模式电源，其特征在于，电源的效率在运行中自行进行优化，并且能够在所有输入电压范围、所有负载范围、整个运行寿命及所有温度范围上最佳化地工作。

Claims (13)

1.一种开关模式电源(100)，其包括：
-输入端接口(101、102)，用于接收输入电压和/或输入电流；
-输出端接口(103、104)，用于提供输出电压和/或输出电流；
-设置在所述输入端接口和所述输出端接口之间的电路，用于变换电流和/或电压，所述电路具有至少一个第一、第二和第三控制开关，其中，设置在所述输入端接口和所述输出端接口之间的电路包括：用于矫正功率因数的第一电路元件(112)；串联于所述第一电路元件且设置为直流变压器的第二电路元件(114)；以及串联于所述第二电路元件且设置为同步整流器的第三电路元件(116)，其中所述第一电路元件(112)具有第一控制开关，所述第二电路元件(114)具有第二控制开关，所述第三电路元件(116)，具有第三控制开关；
-控制单元(200)，用于通过至少一个第一、第二和第三带有可变频率及可变负载比的脉宽调制信号来控制至少一个第一、第二和第三所述控制开关，其中所述控制单元适用于控制用于控制所述第一控制开关和第二控制开关的脉宽调制信号之间的相差，和/或控制用于控制所述第二控制开关和第三控制开关的脉宽调制信号之间的相差；
-与所述控制单元(200)连接的测量装置(151、141、153、143)，设置用于至少测量输入电流强度、输入电压、输出电流强度及输出电压，
其中，所述控制单元(200)为此设置，即通过所连接的测量装置的测量值来监测所述开关模式电源(100)的效率，并且借助于第一数字调节电路通过控制至少一个所述控制开关来优化效率。
2.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述第一和/或第二控制开关起到所述第一数字调节电路的PID控制器的作用。
3.根据权利要求1或2所述的开关模式电源，其中，通过脉宽调制信号，所述控制单元分别控制所述第一控制开关、第二控制开关及第三控制开关，所述脉宽调制信号具有相同的频率，不同的相位。
4.根据权利要求3所述的开关模式电源，其中，
-脉宽调制信号的频率；
-和/或通过用于矫正功率因数的电路元件(112)产生的中间电路电压；
-和/或用于控制所述第一控制开关和第二控制开关的脉宽调制信号之间的相差；
-和/或用于控制所述第二控制开关和第三控制开关的脉宽调制信号之间的相差
都作为所述第一数字调节电路的校正变量由所述控制单元(200)来调节。
5.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中，所述开关模式电源设有与所述控制单元(200)连接的测量装置(142、152)，用于测量由用于矫正功率因数的电路元件(112)而产生且在输入端上位于直流变压器(114)上的中间电路电压，并且测量在输入端上流过直流变压器(114)的电流强度。
6.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述开关模式电源设有与所述控制单元(200)连接的测量装置(261、262)，用于测量电路的至少一处的温度，尤其是测量一个控制开关附近的温度。
7.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，通过所述控制单元(200)来控制相对于所述第一数字调节电路更为缓慢的第二调节电路。
8.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，在执行所述第一数字调节电路期间通过所述控制单元(200)来监控至少一处的温度，并且在温度和/或效率稳定之后则借助于所述第二调节电路开始调节。
9.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，通过所述第二调节电路来调节用于控制所述第一控制开关和第二控制开关的脉宽调制信号之间的相差，和/或调节用于控制所述第二控制开关和第三控制开关的脉宽调制信号之间的相差。
10.根据权利要求9所述的开关模式电源，其中，所述开关模式电源(100)的效率和/或温度由所述控制单元作为所述第二调节电路的参考变量。
11.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中，在所述开关模式电源(100)开启和/或在所述输入端接口(101、102)的电压出现变化和/或在与所述输出端接口(103、104)连接的负载出现变化时，所述第一数字调节电路和/或第二调节电路的校正变量根据安装在电路中的半导体元件的存在于所述控制单元(200)中的特征曲线域通过所述控制单元(200)来设定。
12.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述控制单元(200)包括数字信号处理器。
13.一种用于运行根据权利要求1至12中任一项所述的开关模式电源(100)的方法。
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