CN102340128A - 依赖电源的干线欠电压保护 - Google Patents

Abstract

公开了用于依赖功率的干线欠电压(“电压不足”)保护的方法及控制器。电压不足保护意味着保护免受由于低干线电压和相关联的高干线电流导致的过热。通常这涉及干线电压的绝对值，但是对于在低功率操作的器件来说，因为不会发生过热，所以这是不必要的。通过将干线电压与表示电源的实际功率级的信号进行比较，所公开的方法和控制器允许在低负载时具有低干线电压。在诸如回扫式转换器之类的转换器中，通过将干线电压的实际峰值电压与表示功率级(比如经过反馈回路中的光耦合器的电流)的控制信号进行比较来实现这种电压不足保护。在其它实施例中，在SMPS仅在正弦干线电压峰值附近的控制窗口中操作，通过比较器将干线电压与预设电平进行比较，如果在打开控制窗口之前电压经过预设电平，那么SMPS正常工作。相反，如果在控制窗口打开之前电压没有经过预设电平，则启动电压不足保护。

Description

依赖电源的干线欠电压保护

技术领域

本发明涉及一种提供开关式电源(SMPS)功率保护的方法。

背景技术

众所周知，从干线电源输出的电压会显著变化，特别是在干线电源需要的功率大于电源能传送的功率的情况下。

对于要求恒定功率输入的应用，从干线抽取的增加的电流将防止干线电压的减少。这种情况是针对开关式电源(SMPS)，开关式电源被典型地控制以便维持恒定的输出功率。干线电压显著地低于标称值的条件被称为“电压不足”。

当干线电压下降到特定的预定值或预设值之下时，因为增加的电流会引起元件过热或者电过载进，在传统系统中已知的是切断应用(在这种情况下是开关式电源)。例如在每个连续的干线半周期中重复地接通和关断SMPS的情况下，也已知的是在这种电压不足保护结构中提供滞后现象以便防止电流振荡。

这种电压不足保护在欠电压条件下提供对SMPS的有效保护。但是不论是否过电流实际已经发生，只要在电压一下降到预设值以下的所有欠电压情况下就关断SMPS，其结果是“过于谨慎”的保护，对用户造成不必要的干扰。

美国专利申请公开US2008/0304195A1公开了一种功率异常保护电路，其中对输入功率的平均值进行检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种欠电压保护的自适应方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种控制连接干线的开关式电源的方法，包括：确定对由开关式电源抽取的功率加以表示的信号；确定对干线电压加以表示的信号；根据对所抽取功率加以表示的信号和对干线电压加以表示的信号，来确定是否满足电压不足的条件；以及响应于检测到电压不足的条件，禁用开关式电源。

在实施例中，开关式电源包括功率因子校正级。在某些这种实施例中，对由开关式电源抽取的功率加以表示的信号是功率因子校正级在干线周期峰值附近的操作窗口的宽度，对干线电压加以表示的信号是对在操作窗口起始处的干线电压加以表示的信号，以及电压不足的条件是在操作窗口起始处的干线电压不超过预定的阈值电压。在这种实施例中，可以特别简单地实现所述方法：因为在窗口控制下操作的功率因子校正级仅在干线周期的一部分(在干线电压峰值的周围或者以干线电压峰值为中心)是可操作的，并且操作窗口的宽度随着抽取功率而减少，所以操作窗口的宽度(该宽度在自我控制中使用)提供抽取功率的表示。此外，在这些实施例中，最感兴趣的干线电压是在操作窗口起始处的瞬时电压：这不仅依赖峰值干线电压，还依赖操作窗口的宽度(以及因此在操作窗口打开时的干线周期的相位)。

在实施例中，该方法还包括：响应于禁用开关式电源来加宽操作窗口。在实施例中有利地，操作窗口可配置成响应于开关式电源的禁用而自动加宽：作为禁用开关式电源的结果，它的控制系统可以表示传送的功率不足，并且因此窗口控制加宽所述窗口以试图提供更多功率。有益地，这提供了滞后的程度，因为在后续干线周期中较宽的窗口将导致干线电压在它的相位前期被测量，所以对于不变的干线欠电压，已测量的电压将甚至更低；等价地，欠电压必须对已测量的值显著地放宽松以超过阈值电压-进而防止在接通或关断状态之间跳跃。

在其他实施例中，对干线电压加以表示的信号由总线电压(Vbus)确定，该总线电压为经整流和平滑的干线电压，并且对所抽取功率加以表示的信号是控制开关式电源转换器的开关的控制信号。

在实施例中，确定是否满足电压不足条件包括：将控制信号的缩放版本与对干线电压加以表示的信号之间的差与阈值信号进行比较，以及如果控制信号的缩放版本与对干线电压加以指示的信号的缩放版本之间的差不超过阈值信号，那么满足电压不足的条件。至少一个缩放因子可以是1，并且该方法的这个部分可方便地由电流镜实现。

在实施例中，阈值信号为阈值电压。可以使用电压比较器(使一个输入为阈值电压，并且使另一个输入为控制信号的缩放版本与对干线电压加以表示的信号的缩放版本之间的差得出的电压)方便地实现所述比较。

在实施例中，开关式电源包括开关和变压器。，那么根据开关接通的时刻流过变压器的次级绕组的电流来确定对干线电压加以指示的信号。此外，根据流过与总线电压相连的电阻器的电流来确定对干线电压加以指示的信号。那么，对干线电压加以指示的信号可以包括来自总线电压和地之间的分压器的抽头，尽管这极可能导致相对高的损耗。

在实施例中，开关式电源包括回扫式转换器。但是，普通技术人员将理解本发明不局限于此，并且将包括其它类型的开关式转换器(例如不局限于共振转换器、正向转换器、降压-升压转换器等)，以及是否使用窗口控制的功率因子校正级。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于开关式电源的控制器，所述控制器适于操作根据前述任一项权利要求的方法。

本发明的这些和其它方面将参考下文中描述的实施例而变得清楚明白，并且参考实施例进行阐述。

附图说明

将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1为根据本发明实施例方法的流程图；

图2示出了与SMPS的正弦干线半周期相关的控制窗口，所述SMPS包括功率因子级并且在控制窗口内操作；以及

图3示意性地示出了根据本发明实施例的SMPS的控制器的一部分。

应该注意的是附图是概略的，并且没有按比例绘制。为了清楚和便于绘制的目的，这些图的部件的相关尺寸和部件的比例按照扩大或缩小的尺寸示出。在经修改的实施例及不同的实施例中，相同的参考符号一般用于指代对应的或相似的特征。

具体实施方式

本发明的实施例受益于发明人对欠电压保护的实现，也就是说，对电压不足条件的保护仅在抽取高电流的情况下是必要的。因此，当应用为抽取较低电流时，可以容忍更显著的欠电压。因此，电压不足保护的自适应形式不仅依赖干线电压，也依赖抽取功率。进而在最基本的层面，本发明实施例包括通过以下步骤控制连接干线的开关式电源：确定对由开关式电源抽取的功率加以指示的信号；确定对干线电压(以下将讨论，这可以不局限于瞬时电压或者平滑的总线电压)加以指示的信号；依赖对抽取的功率加以指示的信号和对干线电压加以指示的信号，来确定是否满足电压不足的条件；以及响应于检测到电压不足的条件，禁用开关式电源。因此即使在干线中存在欠电压，如果抽取功率足够低的话，电压不足的条件也不会发生。在极低的功率应用中，可以容忍(相对地)极低的干线电压。

本发明的实施例可在实现上显著地变化。图1中示出了本发明实施例的流程图。在图中，最开始认为SMPS进行常规操作(替换地，SMPS可以处于电压不足模式)。在102，检查是否满足检查电压不足的条件。如下将更详细地描述，对于具有窗口控制的功率因子校正级的SMPS，检查电压不足级别的条件在操作窗口打开的时刻发生；替换地，对于某些包含回扫式转换器的实施例，条件可为SMPS开关是接通的；在其它实施例中，可以获得并且保持干线电压的平均值，并且这个步骤因而是多余的。如果没有满足这个条件，在112，操作(或关闭模式)继续为常规。

如果满足这种条件，在104，检查功率级。然后在106，获得电压不足的条件。对于具有窗口控制的PFC，这可以是相对于瞬时干线电压的阈值电压；可替换地，对于典型的回扫式转换器，该条件可以是相对于总线电压的缩放版本的用于控制SMPS的缩放的控制电压。在108，检查干线电压(在上述两个例子分别为瞬时干线电压和总线电压的缩放版本)是否超过电压不足的条件。如果干线电压没有超过这个值，那么在116，停止SMPS(或者适当地保持在关闭模式)。否则，在110检查SMPS是否接通；如果是，在112继续操作，如果不是，在118开始SMPS。

现在将参考图2描述本发明的实施例，所述实施例可以应用到具有功率因子控制(PFC)级的SMPS。当干线电压接近于它的峰值时，结合了PFC级的典型SMPS仅在干线周期的一部分操作。考虑在常规条件下的第一操作(即是说，具有VacHigh)，例如，当提供适中的功率时，SMPS可以仅在干线电压峰值附近的时间段w1期间操作，该时间段开始于时刻t1。当SMPS操作时，干线电压等于或超过某最小电压Vmin1。当然，普通技术人员应该理解窗口w1和时刻t1主要与干线的相对相位相关，而非特定数量的毫秒。而且，当提供较低功率时，SMPS可以仅在干线电压峰值附近的较短时间段w2期间操作，该时间段开始于时刻t2。当SMPS操作时，干线电压等于或超过某最小电压Vmin2。另外，Vmin2大于Vmin1(因为它更接近于干线电压峰值附近的中心)。因此，马上明白的是对于固定干线峰值电压，控制窗口的最小电压将随着增加SMPS的功率需求而减少。当然在这种限制下，控制窗口覆盖了整个干线半周期，使得控制窗口的最小电压为零。

因此可以使用控制窗口的最小电压Vmin以便确定根据本发明实施例的依赖功率的电压不足保护级。Vmin的低值对应于从SMPS抽取的较高功率。

现在考虑具有欠电压的情况，图中所示的是预设的阈值电压Vth。对于适度的欠电压(以Vac1示出)，在较宽控制窗口w1(对应于相对高的抽取功率)打开的时候，干线电压(即是说，在那个时刻的瞬时干线电压)低于阈值电压。因此，在较小控制窗口w2(对应于相对低的抽取功率)打开的时候，干线电压高于阈值电压。因此，通过选择合适的阈值电压的值，人们可以区分可接受的条件(即仅抽取低功率)和不可接受的条件：阈值和瞬时干线电压之间的比较可以用于确定是否发生了需要关断SPMS的电压不足。

接下来考虑更严重的欠电压(以Vac2示出)：在这种情况下，瞬时干线电压小于对于较宽(较低抽取功率)窗口w1和较窄窗口w2两者的阈值，因此，无论SMPS向哪一个负载供电，或者较低的抽取功率或者适度的抽取功率，电压不足被触发以禁用或关断SMPS。当然，对于示出为Vac2的欠电压程度，因为没有干线电压超过阈值的时刻，因此不存在不触发电压不足抽取功率条件。

在实现中，使用比较器将干线电压(将其整流为半正弦波)与预设级进行比较。无论何时瞬时干线电压高于这个预设值，比较器都设置为高。将其与在控制窗口起始的级进行比较。如果在控制窗口打开之前比较器变高，也就是说，如果预设级低于Vmin，那么PFC被允许正常操作。

但是，如果比较器在PFC窗口的起始时为低，该条件等价于当PFC控制窗口应该打开时，瞬时干线电压低于预设值，那么电压不足保护被触发，并且禁用SPMS的操作。

在另一较简单实现中，仅在操作窗口的起始进行比较。

作为这个实施例的数值例子，考虑PFC在每个干线半周期的6ms最大控制窗口(其中干线频率为50Hz，使得每个半周期持续10ms)操作。在75v的预设值，对于全功率操作(即PFC在最大控制窗口上操作，也就是说，针对每个10ms半周期以外的6ms)，如果在半周期开始之后的2ms，干线电压仍然少于75v，那么将触发电压不足保护。

也就是说，如果在以下条件下，电压不足保护将禁用SMPS：

Vpeak*sin(2/10.pi.)＜75V    (1)

如果Vpeak＜127V则满足这种条件。因此，一旦干线电压下降到127峰值(即90V AC rms)以下，那么禁用SMPS。

然而，现在考虑情况是没有地方使SMPS提供非常小的、备用的功率级(典型地1％或小于它的全负载功率)。在这种情况下，控制窗口将在峰值电压附近非常小，并且典型地为近似0.06ms的量级。于是它们的等价条件为：

Vpeak*sin(4.97/10.pi.)＜75V    (2)

如果Vpeak＜75.003V则满足这种条件。所以，假设干线电压不会下降到75.003V峰值(即53V AC rms)以下，则SMPS将仍然保持可操作的。

本发明的另一实施例在图3中示出，其描述了回扫式转换器以及用于提供根据本发明实施例的自适应电压不足保护的示意性电路。虽然图中示出的例子为回扫式转换器，普通技术人员应该立即理解模拟方法及电路可用于其它类型的转换器。

图3示出了在这种控制器中实现的依赖功率的电压不足保护的示意性电路图。图3示出了回扫式转换器，包括变压器30，所述变压器在次级绕组两端提供电压Vout。初级绕组与整流及平滑的干线相连，并且具有输入电压Vbus，并且由控制FET 32开关。辅助初级绕组L1在34示出，，辅助初级绕组相对地缠绕到主初级线圈，并且具有在43处接地的端子。这一辅助绕组与第一电阻器R1相连。流过R1的电流在控制FET32的导通时间期间测量总线电压。在其他实施例中，以较高损耗为代价，可以使用直接连接到Vbus的分泄电阻器。流过R1的电流I1由第一电流镜36镜像。

控制电压Vcontrol用于SMPS的初级控制(未示出)；也就是说，Vcontrol用于控制控制FET32的时间，进而确定SMPS的输出功率。Vcontrol上的低电压表示低输出功率，并且高电压表示高输出功率。Vcontrol是缓冲电压的第一运算放大器32的第一输入的输入；缓冲器的输出连接到第二电阻器R2。流过R2的电流I2随Vx与Vcontrol之间的差而改变，其中Vx为固定电压，将在下文详细地描述所述固定电压。电流I2由第二电流镜像器38镜像。

流过第三电阻器R3的电流现在配置成I1与I2之间的差，也就是说，流过R1和R2的电流I1和12之间的差。I1和I2经第三电流镜40相连，并且第三电阻器R3与紧邻这个电流镜40的节点41相连，使得流过R3的电流等于流过R1的电流，小于流过R2的电流。那么第三电阻器R3两端的电压是R1和R2的电流的加权平均。这个电压级(在R3之上的节点41相对于地43)用作比较器34的一个输入，比较器的另一个输入为固定电压Vfixed。固定电压Vfixed设置为合适的方便值，在转换器具有正负电源时该值可以为零，但是对单端转换器通常为非零参考Vref。

当Vcontrol为低时，所要求的功率级是低的，并且只将流过R1的电流的一小部分导引到地。所以在Vbus的低电平，R3两端的电压足以触发比较器44，也就是说启用转换器。

相反地，如果控制电平设置为高，也就是说SMPS需要高输出，那么要求较高的总线值以保证模式46的电压足够高来触发比较器以保证不会禁用SMPS。

应该注意的是电流镜可以配置为按比例缩放电流，从而提供附加的自由度，所以可以选择电阻器来减少电阻损耗。

图3中电路的操作可以分析如下(其中两个电流镜参考电压Vx)：

$I_{R1}=\frac{V_x+a{V}_{\mathrm{bus}}}{R_1}---\left(3\right)$

$I_{R2}=\frac{V_x-V_{\mathrm{control}}}{R_2}---\left(4\right)$

$V_{R3}={\mathrm{RI}}_{R1}-I_{r2}=R_3(V_x\frac{R_2-R_1}{R_1{R}_2}+\frac{a{V}_{\mathrm{bus}}}{R_1}+\frac{V_{\mathrm{control}}}{R_2})---\left(5\right)$

所以较高电压Vcontrol降低Vbus的电平以给出了R3两端的相同触发电压。

那么在这个实施例中，Vcontrol信号提供了由开关式电源所抽取的功率的表示。因为转换效率小于100％，SMPS的输出功率小于抽取功率，并且典型地包括SMPS中的电阻性损耗、电容性损耗和电感性损耗。忽略诸如声音噪声之类的次级效应，损耗产生热。

虽然上文已经描述了本发明的实施例涉及具有PFC级的控制器及回扫式转换器，但是本发明不限制于此，并且可无限制地用于其它SMPS，比如升压转换器、降压转换器、半桥转换器及类似物。

总之，从一个观点可见，上文已经公开了依赖功率的干线欠电压(“电压不足”)保护的方法和控制器。电压不足保护意味着保护免受由于低干线电压和相关联的高干线电流导致的过热。通常这与干线电压的绝对值联系在一起，但是对于在低功率操作的器件来说，因为不会发生过热，所以这是不必要的。通过将干线电压与表示电源实际功率级的信号进行比较，所公开的方法和控制器允许在低负载时具有低干线电压。

在诸如回扫式转换器之类的转换器中，通过将干线电压的实际峰值电压与表示功率级(比如流过反馈回路中的光耦合器的电流)控制信号进行比较来实现这种电压不足保护。在其它实施例中，在SMPS仅在正弦干线电压峰值附近的控制窗口中操作，通过比较器将干线电压与预设电平进行比较。如果在打开控制窗口之前电压经过预设电平，那么SMPS正常工作。相反，如果在控制窗口打开之前电压没有经过预设电平，则启动电压不足保护。

通过阅读本发明公开，其它变体和修改对于普通技术人员将变得清楚明白。这些变体和修改可以包括等价特征和其它特征，该特征是开关式电源领域已知的，并且该特征可以地替代地或者附加地使用这里已经描述的特征。

虽然所附权利要求涉及特定的特征结合，但是应该理解的是本发明公开的范围也包括了这里明示的或暗示的或概括化的公开的任何新的特征或任何新的特征的结合，以及它是否涉及在任何权利要求中请求的相同发明、以及它是否减轻了任何或者所有的如本发明表述的相同技术问题。

在分离实施例的上下文中描述的特征也可在单一实施例中以组合地提供。相反，为了简明起见，在单一实施例的上下文中描述的各种特征也可分离地以任何合适的子结合的方式提供。

申请人据此提醒：在本申请或由此衍生的任何其它申请进行期间，可由这些特征和/或这些特征的结合构成新的权利要求。

为了完整性的目的这里也进行如下声明：术语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一个”不排除多个，单一处理器或其它单元可以满足权利要求引用的几个装置的功能，并且权利要求中的参考符号不应该解释为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种控制连接干线的开关式电源的方法，包括：

确定对由开关式电源抽取的功率加以表示的信号；

确定对干线电压加以表示的信号；

依赖对抽取的功率加以表示的信号和对干线电压加以表示的信号来确定是否满足电压不足的条件；以及

响应于检测到电压不足的条件，禁用开关式电源。

2.如权利要求1所述的方法，其中，开关式电源包括功率因子校正级。

3.如权利要求2所述的方法，其中，

对由开关式电源抽取的功率加以表示的信号是功率因子校正级在干线周期峰值附近的操作窗口的宽度(w1，w2)，

对干线电压加以表示的信号是对在操作窗口起始处的干线电压(Vmin1，Vmin2)加以表示的信号，以及电压不足的条件是操作窗口起始处的干线电压不超过预定阈值电压(Vth)。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：响应于禁用开关式电源来加宽操作窗口。

5.如权利要求1或2所述的方法，

其中，对干线电压加以表示的信号由总线电压(Vbus)确定，该总线电压是整流和平滑的干线电压，以及对所抽取功率加以表示的信号是控制开关式电源转换器的开关的控制信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中，确定是否满足电压不足的条件包括：将控制信号的缩放版本与对干线电压加以表示的信号的缩放版本之间的差与阈值信号进行比较，

以及，如果控制信号的缩放版本与对干线电压加以表示的信号的缩放版本之间的差不超过阈值信号，那么满足电压不足的条件。

7.如权利要求6所述的方法，其中，至少一个缩放因子是1。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中，该阈值信号是阈值电压(Vth)。

9.如权利要求5至8任一项所述的方法，其中开关式电源包括开关(32)和变压器(T1)。

10.如权利要求9所述的方法，其中，根据开关闭合的时刻流过变压器的辅助绕组(L1)的电流来确定对干线电压加以表示的信号。

11.如权利要求5至9任一项所述的方法，其中，根据流过与总线电压相连的电阻器的电流来确定对干线电压加以表示的信号。

12.如权利要求9或10所述的方法，其中，开关式电源包括回扫式转换器。

13.一种用于开关式电源的控制器，该控制器适合于操作根据前述任一项权利要求所述的方法。

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