CN102414970A - 开关电源中的能量高效备用模式 - Google Patents

Abstract

开关电源包括功率因数修正电路和备用输出转换器。可以将一个或多个负载耦合到开关电源的一个或多个输出端。开关电源被配置为在某些负载条件下禁用功率因数修正电路且在其它负载条件下启用功率因数修正电路。结果，当功率因数修正电路被禁用时节省将由功率因数修正电路吸取的功率。

Description

开关电源中的能量高效备用模式

技术领域

本发明一般地涉及开关电源和使用该开关电源的系统。

背景技术

电源是能够向负载提供电能的设备或系统—通常通过将电能从一个形式转换成另一形式以使能量与负载的要求相容。例如，电源可以将120或240伏交流电（“AC”）能量转换成适合于供诸如计算机系统的电子设备使用的低压、调节直流（“DC”）能量。有时，将电源与由该电源为其供应能量的设备集成。在其它应用中，电源是分立组件且可以在负载的内部或外部。

开关电源（也不同地称为开关模式电源、切换模式电源及其它类似术语）是利用有源开关电路以及感应元件来以最少的能量损失实现能量转换任务的那些。在从AC干线（main）获取其输入的开关电源中，一般构造是采用整流电路和大容量电容器（bulk capacitor）以从可用AC输入产生DC供电。此DC供电然后被提供给产生期望DC输出水平的一个或多个开关DC-DC输出转换电路。存在实现DC-DC转换的许多众所周知的电路拓扑结构。其中有升压转换器，其实现开关DC-DC转换，结果得到DC电压水平的增加；降压转换器，其实现DC-DC转换，结果得到DC电压水平的降低；和所谓的升压-降压转换器，其能够在DC-DC转换中产生增加或降低的电压水平。

功率因数是描述在将供应的伏安转换成瓦时的负载的有效性的概念。其通常被定义为实际功率（I²R或瓦）与表观功率（I²Z或伏安）的比。对于许多负载类型而言，此比小于一。特别地，电源中的整流电路能够促使电源表现为具有小于一的功率因数的负载。由于具有低功率因数的负载由于种种原因是不期望的，并且由于某些公共事业和政府机构命令负载在某些条件下必须展示出规定的最小功率因数，所以正常地采用功率因数修正技术。对于开关电源而言，通常用输入DC-DC转换器来实现功率因数修正。输入DC-DC转换器是放置在整流电路与对输出转换器进行馈电的大容量电容器之间的开关转换器。控制输入DC-DC转换器的开关元件，以努力对电源的输入电流进行成形，使得其与AC干线的电压波形匹配，得到用于电源的改善的功率因数和电流波形中的减少的谐波。

附图说明

图1是说明根据本发明的优选实施例的多种系统的方框图。

图2是说明根据本发明的优选实施例的图1的开关电源系统的行为的状态图。

图3是说明根据图1的开关电源中的某些控制元件的多个可能实施方式的方框图。

图4是说明根据图1的开关电源中的功率因数修正和旁路电路的实施方式的一个可能类别的示意图。

图5是说明根据图1的开关电源中的功率因数修正和旁路电路的实施方式的另一可能类别的示意图。

具体实施方式

本发明人已经确定开关电源中的有源功率因数修正电路吸取相当恒定且显著的功率量，并且此功率吸取可能不是在开关电源的所有操作模式下都是必需的。例如，虽然在某些管辖权中存在命令负载展示出某个最小功率因数的政府规定，但此类规定通常仅在某个最小功率吸取阈值之上适用。对于在最小功率吸取阈值以下的工作点而言，负载的功率因数不需要满足指定标准。因此，本发明人已经发明了能够在这些工作点处禁用功率因数修正电路、从而节省在现有技术系统中浪费的功率吸取的开关电源系统。

图1说明根据本发明的优选实施例的多种系统100。开关电源102包括整流电路104。整流电路104可以在AC输入端106处耦合到AC干线并在节点108处产生变化的DC水平。整流电路104可以采取任何转换形式，诸如全波或半波整流器。储能元件110通常将采取大容量电容器的形式，虽然可以使用替换或附加储能元件（例如，诸如电池）。

负载116可以表示单个负载。负载116还可以表示在图中指示为负载A和B的多个单独负载。负载116可以能够在其中负载要求非零功率量的备用模式下或要求比备用模式多的功率的替换模式下操作。在多负载情况下，负载A和B可以是独立地活动的。例如，负载A可以在系统的一个状态下是活动的，而负载B可以在系统的另一状态下是活动的。在系统的又另一状态下，负载A和B可以同时是活动的。

备用输出转换器112具有被连接到储能元件110的输入端114。输出转换器112能够在负载116处于备用模式时或在负载A是活动的但负载B不是活动的时供应负载116的功率需要。可以提供一个或多个附加输出转换器118，其也具有被连接到储能元件110的输入端114。输出转换器118能够在负载116处于替换模式时或在负载B是活动的时供应负载116的功率需要。

举例来说，在一个实施例中，负载116可以包括计算设备。计算设备可以能够在其中其CPU及其它主要组件不在运行但其中LAN唤醒（wake-on-LAN）电路被启用的备用模式下操作。在此类模式下，计算设备的功率要求是非常低的，并且可以由相对低容量的备用输出转换器112来满足。但是当计算设备经由其LAN唤醒电路接收到开机并启动的命令时，则其将转换至其中其他CPU及其主要组件可以进行操作的替换模式。在此替换模式下，计算设备可以要求比在备用模式下更多的功率，保证一个或多个更高容量输出转换器118的激活。可以将计算设备中的LAN唤醒及其它备用电路配置为负载A，并且可以将CPU及其它主要组件配置为单独负载B。在这种情况下，不需要将负载A和B设计为在相同的电源电位上操作。替换地，可以将其配置为单个负载或在单个供电电位上操作的两个负载。

在某些实施例中，可以以将输出转换器112和118耦合到负载116的方式添加开关电路152以提供灵活性。开关电路152可以包括诸如FET 154和156的许多开关元件，其可以由控制电路122或其它控制电路来控制。如果负载A和B被设计为在相同电源电位上进行操作，则输出转换器118可以通过开启开关156并关断开关154来驱动负载A和B；输出转换器112可以在开关154被开启且开关156被关断时单独地驱动负载A（例如，当负载116处于备用模式时）。在此类设计中还将可能使两个转换器同时是活动的，如果开关154和156被开启的话。如果负载A和B被设计为在不同电源电位上进行操作，则可以消除开关电路152，可以将输出转换器112直接连接至负载A，并且可以将输出转换器118直接连接至负载B。

检测何时负载116从其备用模式转换至替换模式的一个方式是经由从负载116耦合至电源102中的控制电路112的控制信号120。这样做的另一方式是对于电源102用任何常规方法来感测负载116所需的功率的增加。可以将控制电路102中的模式确定逻辑124配置为根据这些方案的任何一个或等效替换方案进行操作。备用输出转换器112和输出转换器118通常将采取开关DC-DC转换器的形式，并且可以以常规方式来控制。

如所示，功率因数修正电路126被连接在节点108处的整流电路104与储能元件110之间。功率因数修正电路126可以是任何种类的有源功率因数修正系统，并且通常将采取升压、降压、升压-降压或其它众所周知的DC-DC转换器的形式。同样如所示，将旁路电路128与功率因数修正电路126并联地相连接。控制电路122能够借助于控制信号130来启用或禁用功率因数修正电路126。当功率因数修正电路126可操作时，可以禁用旁路电路128，使得由功率因数修正电路126的输出来驱动节点114处的DC电压水平。但是当功率因数修正电路126被禁用时，可以启用旁路电路128，使得由整流电路104的输出来驱动节点114处的DC电压水平。（在后一种操作模式下，整流电路104的输出经由旁路电路128被有效地传送至节点114。

备用输出转换器112通常将只能在其输入端114处的DC电压水平在容忍范围内时操作。例如，在实施例中，转换器112可能能够在输入端114处的电压水平在200VDC至400VDC之间时正确地操作。在此类实施例中，如果节点108（或旁路电路128被启用时的节点114）处的整流电压水平在该范围内，则在负载116处于备用模式时或在只有负载A是活动的时可以在功率因数修正电路126被禁用的情况下对转换器112供电。但是如果节点108（或旁路电路128被启用时的节点114）处的整流电压水平不在该范围内时，则不应尝试在没有功率因数修正电路126的情况下对转换器112供电。

图2的状态图捕捉了此行为。从起始状态220，可以确定负载116是否处于备用模式或是否只有负载A是活动的（load_in_stdby）。还可以确定是否可以在功率因数修正电路126被禁用的情况下操作备用输出转换器112（non_PFC_op_possible）。在此类实施例中，如果两个条件是真的（弧201），则下一个状态是状态202。在状态202下，功率因数修正电路126被禁用且使旁路电路128可运行。否则，跟随弧203且下一个状态是状态204，其中，功率因数修正电路126被启用且旁路电路128不是可运行的。电源102能够在操作期间在状态202与204之间转换。例如，如在弧205处所示，其能够在负载116从备用模式转换成要求更多功率的替换模式（或其中负载B被激活的模式）时从状态202转换成状态204。并且电源102能够在负载116重新进入备用模式（或其中负载B被去激活的模式）时从状态204转换成状态202，并且可以在功率因数修正电路126被禁用的情况下操作备用输出转换器112，如在弧206处所示。

可以使用多种技术来确定是否可以在功率因数修正电路126被禁用的情况下操作备用输出转换器112（并因此在备用模式下驱动负载116）。直接地或间接地指示当功率因数修正电路126被禁用时或当旁路电路128可运行时节点114处的电压水平在或将在备用输出转换器112所容忍的输入范围内的任何手段将是足够的。实现这一点的一类实施例是为控制电路112提供电压感测输入端132。在一组实施方式中，可以在电源102内的任何适当节点处将电压感测输入端132耦合到模拟电压水平，所述节点包括例如：如在132处所示的到整流电路104的AC输入端106、如在136处所示的整流电路104的输出端108或如在138处所示的备用输出转换器112的输入端114。在另一组实施方式中，可以将电压感测输入端132耦合到已被设置为指示没有功率因数修正电路126的操作是否可能的二进制水平。可以例如通过将感测输入端132连接到如在142处所示的控制开关电路140、如在146处所示的控制跳线电路144或如在150处所示的存储器件或元件148来提供此类二进制水平。控制开关电路140、控制跳线电路144和/或存储元件148可以位于系统100中的任何位置处且不需要位于电源102中。

图3说明用于电源102内的控制元件的许多可能实施方式中的一个。在所示的实施方式中，由从储能元件110获取的输出电压302来对内部偏置转换器300进行供电。（根据设计，输出电压302可以与节点114上的电压相同或不同）。内部偏置转换器300又对输入侧微控制器304和功率因数修正（“PFC”）转换器控制器306进行供电。在诸如此类的实施例中，控制信号130可以采取从控制器304至控制器306的启用信号308的形式，或者它可以采取从控制器306至PFC转换器126的门极驱动信号310的形式。其它实施例也是可能的。

功率因数修正电路126和旁路电路128可以采取多种形式。图4说明其中功率因数修正电路126包括升压转换器的实施例的一个可能类别。在此类实施例中，旁路电路128可以由简单的旁路二极管400组成。此类实施例中的升压转换器通常将包括升压电感器402、二极管406和诸如所示的场效应晶体管（“FET”）的开关元件404。图5说明其中功率因数修正电路126不是升压转换器、但可以替代地包括降压转换器、升压降压转换器或某个其它开关DC-DC转换拓扑结构500的实施例的另一类别。在那些实施例中，可以更一般地将旁路电路来128实现为包括诸如所示的FET的开关元件502。应优选地控制开关元件502（参见例如控制信号152），使得其在功率因数修正电路126被禁用时从整流电路104向存储元件100传送DC水平，并在功率因数修正电路126被启用时关断。

虽然已经参考本发明的优选实施例对其进行了详细描述，但所述实施例是以示例的方式且不是以限制的方式提出的。已参考本说明书的本领域的技术人员应理解的是在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以对所述实施例的形式和细节进行各种修改。

在所附权利要求中和前文所写的说明中，将以开放的意义来理解词语“包括”和“包含”以意指“包括以下元素但不排除其它的”。

Claims (15)

1.一种开关电源，包括： 

整流电路； 

储能元件； 

第一和第二输出转换器，每个具有被连接到储能元件的输入端； 

功率因数修正电路，其被连接在整流电路与储能元件之间； 

旁路电路，其与功率因数修正电路并联地连接；以及 

控制电路，其被配置为当第一输出转换器是活动的且第二输出转换器不是活动的时禁用功率因数修正电路，并且当第二输出转换器是活动的时启用功率因数修正电路。

2.权利要求1的开关电源，其中： 

控制电路包括感测输入端，该感测输入端被配置为感测指示是否可能在功率因数修正电路被禁用的同时操作第一输出转换器的电压；以及 

其中，控制电路被配置为当所述电压指示此类操作不可能时不禁用功率因数修正电路。

3.权利要求2的开关电源，其中： 

所述电压指示由整流电路产生且被经由至少所述旁路电路传送到那里的第一输出转换器的输入端处的DC水平是否在第一输出转换器的输入端所容忍的输入水平范围内。

4.权利要求3的开关电源，其中，所述电压是从选自以下组的至少一个节点获取的模拟水平： 

到整流电路的AC输入端； 

整流电路的输出端；以及 

第一输出转换器的输入端。

5.权利要求2的开关电源，其中，所述电压是从选自以下组的至少一个节点获取的二进制水平： 

控制开关电路； 

控制跳线电路；以及 

存储器元件。

6.权利要求1的开关电源，其中： 

所述功率因数修正电路包括升压转换器且所述旁路电路是二极管。

7.权利要求1的开关电源，其中： 

所述功率因数修正电路不是升压转换器且所述旁路电路包括由所述控制电路操作的开关。

8.一种操作开关电源的方法，包括： 

确定电源的负载是否处于备用模式；以及 

如果确定负载处于备用模式，则禁用电源中的功率因数修正电路； 

否则启用功率因数修正电路。

9.权利要求8的方法，还包括： 

确定对于电源而言是否可能在负载处于备用模式的同时在功率因数修正电路被禁用的情况下驱动负载；以及 

如果确定对于电源而言不可能在负载处于备用模式的同时在功率因数修正电路被禁用的情况下驱动负载，则不禁用功率因数修正电路。

10.权利要求8的方法，其中： 

所述确定步骤包括确定负载是否处于备用模式或其是否处于要求比备用模式更多的功率的替换模式。

11.权利要求8的方法，其中： 

所述负载包括第一和第二负载； 

所述备用模式对应于其中第一负载是活动的且第二负载不是活动的状态；以及 

所述确定步骤包括确定第二负载是否是活动的或即将变成活动的。

12.一种系统，包括： 

开关电源，其具有功率因数修正电路和备用输出转换器；以及 

负载，其被耦合到所述开关电源的输出端； 

其中，所述开关电源被配置为在负载处于由备用输出转换器供电的备用模式时禁用功率因数修正电路且在负载处于要求比备用模式更多的功率的替换模式时启用功率因数修正电路。

13.权利要求12的系统，其中： 

所述负载包括计算设备。

14.权利要求12的系统，还包括： 

电源中的模式确定逻辑，其被配置为响应于来自负载的控制信号或由负载所要求的感测的功率水平来确定负载是处于备用模式还是替换模式。

15.权利要求12的系统，其中： 

所述负载包括第一和第二负载； 

所述备用模式对应于其中第一负载是活动的且第二负载不是活动的状态；以及 

所述替换模式对应于其中第二负载是活动的状态。

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