CN102497099A - 开关电源效率测控装置和方法 - Google Patents
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本发明提供了一种开关电源效率测控装置和方法，该装置包括：开关电源模块；输入电流电压采样模块，用于对所述开关电源模块的输入电流和输入电压进行采样；输出电流电压采样模块，用于对所述开关电源模块的输出电流和输出电压进行采样；中央计算单元，用于根据所述输入电流和所述输入电压以及所述输出电流和所述输出电压来计算所述开关电源模块的效率值；以及开关电源控制器，用于根据所述中央计算单元算得的所述效率值来控制所述开关电源模块。
Description
技术领域
本发明总体上涉及电子技术领域，更具体地，涉及开关电源效率测控装置和方法。
背景技术
近年来，作为地球温暖化对策，正在寻求电气设备的低耗电力化。特别是内装于大致所有设备中的开关电源的高效率化成为课题。开关电源中，实现效率检测及提高效率的各种提案已经实用化。随着计算机产业的迅猛发展，尤其在高功耗服务器领域，如何准确迅速的监控及提高开关电源的效率，成为众工程师关注的焦点。
在目前的现有技术中，申请号为200810026537的专利申请公开了一种智能开关电源功率检测及控制装置：包括有功率检测及功率控制电路，其中功率检测电路包括采样电路(1)、整流滤波电路(2)、电压比较电路(3)、延时电路(4)、滞环反馈电路(5)，功率控制电路包括电压采样电路(6)、基准电压设定电路(7)、PWM控制器(8)。功率检测电路通过检测开关电源主变压器原边电流来监测输出功率的结构，当输出功率过大时，功率检测电路通过对该电流进行采样，并把电流信号转换成电压信号，与基准设定电压进行比较，产生一个过功率信号。控制电路检测到过功率信号，通过双极性晶体管导通来改变控制电路的分压网络，改变误差比较的基准设定电压，进行降低控制电路的脉宽调制(PWM)控制器的输出占空比，最终降低输出电压，实现电压自动调整，控制系统内部损耗的目的。
虽然上述现有技术能够较为有效的提高开关电源的效率，但是其方案仅检测了输出功率，无法实时检测开关电源效率。由于此控制部分实现控制基准设定电压，达到降低输出电压的目的，但对于大多设备，其输入电压并不能随意变动，故此发明无法实用。另外此方法只能降低系统内部损耗，对于开关电源效率的提升，关没有起到实质性的作用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种开关电源效率测控装置，包括：开关电源模块；输入电流电压采样模块，用于对所述开关电源模块的输入电流和输入电压进行采样；输出电流电压采样模块，用于对所述开关电源模块的输出电流和输出电压进行采样；中央计算单元，用于根据所述输入电流和所述输入电压以及所述输出电流和所述输出电压来计算所述开关电源模块的效率值；以及开关电源控制器，用于根据所述中央计算单元算得的所述效率值来控制所述开关电源模块。
该装置还包括：显示模块，与所述中央计算单元相连接，用于显示所述中央计算单元算得的所述效率值。
用户根据所述显示模块上显示的所述效率值来手动调节所述开关电源控制器，以便找到最高的所述效率值。
所述开关电源控制器控制的是所述开关电源模块的频率。
所述开关电源控制器以特定步长轮询所述开关电源模块的工作频率，从中找到最高的所述效率值。
所述中央计算单元进一步包括：乘法器MUX，用于分别对所述输入电流和所述输入电压以及所述输出电流和所述输出电压进行乘法运算，从而求得所述开关电源模块的输入功率和输出功率；以及微计算单元MCU，用于分别对求得的所述输入功率和所述输出功率进行模数转换，并将转换结果作除法，以便计算所述开关电源模块的效率值。
所述用户通过可变电阻器来对所述开关电源控制器进行调节。
此外，还提供了一种开关电源效率测控方法，包括以下步骤：对开关电源模块的输入电流和输入电压进行采样；对所述开关电源模块的输出电流和输出电压进行采样；根据所述输入电流和所述输入电压以及所述输出电流和所述输出电压来计算所述开关电源模块的效率值；以及根据所述中央计算单元算得的所述效率值来控制所述开关电源模块。
用户根据所述效率值来手动调节所述开关电源模块的频率，以便找到最高的所述效率值。
以特定步长轮询所述开关电源模块的工作频率，从中找到最高的所述效率值。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少
图1示出了根据本发明的示例性实施例的信号转换成MCU格式的模数转换器的电路布局；
图2示出了根据本发明的示例性实施例的开关电源的电路布局；
图3示出了根据本发明的示例性实施例的输入电流采样模块的电路布局；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的输出电流采样模块的电路布局；
图5示出了根据本发明的示例性实施例的开关电源效率测控装置；以及
图6示出了根据本发明的示例性实施例的开关电源效率测控方法。
具体实施方式
为了实施本发明的不同部件，以下描述提供了许多不同的实施例或示例。以下描述元件和布置的特定示例以简化本发明。当然这些仅仅是示例并不打算限定。再者，以下描述中第一部件形成在第二部件上可包括其中第一和第二部件以直接接触形成的实施例，并且也可包括其中额外的部件形成插入到第一和第二部件中的实施例，使得第一和第二部件不直接接触。为了简明和清楚，可以任意地以不同的尺寸绘制各种部件。
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能够对电源效率实时监测及显示，并根据不同的负载程序，手动调节开关电源频率以达到不同应用均可以固定在相对应的开关频率上面，达到效率最高的智能效率检测及控制装置。
本发明的技术方案是：包括有开关电源主功率电路，其中包括PWM开关电源控制器，输入电感Lzin，输出电感Lz，上下开关管Q1、Q2以及手动调整开关频率的Rajust；电流采样电路其中包括输入电流采样电路，输出电流采样电路；以及主要计算中央单元，包括信号转换成MCU格式的模数转换器(HCF4067)，MCU(PIC24FJ64GA004)和SMBUS液晶显示模块。
上述输入、输出电流采样电路利用电感的DCR特性，对流经上面的电流信号通过电压的方式(欧姆定律I＝U/R)进行取样，在自己内部对取样信号进行基本的处理及放大，通过VIN_CURRENT及VOUT_CURRENT两PIN传输到主计算单元信号转换模块，同时主计算单元模块接收到主功率部分传过来的输入输出电压信号，经过模数转换，变成MCU可以识别的数字信号，交给MCU处理，MCU根据输入电压，输入电流以及输出电压，输出电流来计算出开关电源的效率，其中计算公式为：Pin＝VIN*VIN_CURRENT，Pout＝Vout*Vout_CURRENT，效率η＝(Pin/Pout)*100％，计算出开关电源的效率后，通过SMBUS传送到液晶显示模块，实时显示。
开关电源在工作的同时，由于可以实时观察效率的数值及变化，可以通过开关电源主功率模块下属的Rajust调整开关电源的频率，边调整边观察，以至可以轻松找到一个最高效率的开关电源的频率，作为后续产品的固定频率。
实例一：
本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，包括有开关电源主功率电路，其中包括PWM开关电源控制器，输入电感Lzin，输出电感Lz，上下开关管Q1、Q2以及手动调整开关频率的Rajust；电流采样电路其中包括输入电流采样电路，输出电流采样电路；以及主要计算中央单元，包括信号转换成MCU格式的模数转换器(HCF4067)，MCU(PIC24FJ64GA004)和SMBUS液晶显示模块。上述开关电源主功率电路的VIN+、VIN-分别与输入电流采样电路的VIN+、VIN-相连，开关电源主功率电路的Vout+、Vout-分别与输出电流采样电路的Vout+、Vout-相连；开关电源主功率电路的VIN-、Vout-分别与主计算单元中信号转换成MCU格式的模数转换器模块的VIN1、VOUT1相连；输入电流采样模块的VIN_VCURRENT与主计算单元中信号转换成MCU格式的模数转换器模块的VIN1_CURRENT相连；输出电流采样模块的Vout_VCURRENT相连；MUX1的PIN1、PIN10、PIN11、PIN13、PIN14分别与MCU的PIN20、PIN35、PIN36、PIN37、PIN38相连；MCU的SMBUS(PIN44，PIN1)分别与显示模块的PIN2，PIN3相连；
本实施例中，输入、输出电流采样电路利用电感的DCR特性，对流经上面的电流信号通过电压的方式(欧姆定律I＝U/R)进行取样，在自己内部对取样信号进行基本的处理及放大，通过VIN_CURRENT及VOUT_CURRENT两PIN传输到主计算单元信号转换模块，同时开关电源主功率电路的VIN-、VOUT-将输入、输出电压信号传送到主计算单元信号转换模块，经过模数转换，变成MCU可以识别的数字信号，交给MCU处理，MCU根据输入电压，输入电流以及输出电压，输出电流来计算出开关电源的效率，其中计算公式为：Pin＝VIN*VIN_CURRENT Pout＝Vout*Vout_CURRENT，效率η＝(Pin/Pout)*100％，计算出开关电源的效率后，通过SMBUS传送到液晶显示模块，实时显示。
对于服务器来讲，不同的服务计算一般负载不同利用这一特性，针对跑特性程序的服务计算，根据跑运算时实时显示的电源效率，手动调整开关电源的开关频率，以达到最佳效率点。
实例二：
由于HCF4067有16个IO端口，故一次性可以监控显示4路开关电源的效率，另外MCU可以支持4组HCF4067，故一次性可以监控16路电源，基本涵盖了主板上所有的开关电源。
实例三：
MCU(PIC24FJ64GA004)有储数据的功能，可以将检测的数据进行存储分析，通过其下挂的E2ROM，可以将运行状态信息进行保存，通过SMBUS提取存储数据，进行分析，可以得到主板效率的整体状况，对其静态及动态特性有很大的帮助。
更确切地，本发明提供了一种开关电源效率测控装置，包括：开关电源模块102；输入电流电压采样模块104，用于对开关电源模块102的输入电流和输入电压进行采样；输出电流电压采样模块106，用于对开关电源模块102的输出电流和输出电压进行采样；中央计算单元108，用于根据输入电流和输入电压以及输出电流和输出电压来计算开关电源模块的效率值；以及开关电源控制器(未示出)，用于根据中央计算单元算得的效率值来控制开关电源模块。
该装置还包括：显示模块，与中央计算单元相连接，用于显示中央计算单元算得的效率值。
优选地，用户根据显示模块上显示的效率值来手动调节开关电源控制器，以便找到最高的效率值。
优选地，开关电源控制器控制的是开关电源模块的频率。
优选地，开关电源控制器以特定步长轮询开关电源模块的工作频率，从中找到最高的效率值。
优选地，中央计算单元进一步包括：乘法器MUX，用于分别对输入电流和输入电压以及输出电流和输出电压进行乘法运算，从而求得开关电源模块的输入功率和输出功率；以及微计算单元MCU，用于分别对求得的输入功率和输出功率进行模数转换，并将转换结果作除法，以便计算开关电源模块的效率值。
优选地，用户通过可变电阻器来对开关电源控制器进行调节。
此外，还提供了一种开关电源效率测控方法，包括以下步骤：S601，对开关电源模块的输入电流和输入电压进行采样；S603，对开关电源模块的输出电流和输出电压进行采样；S605，根据输入电流和输入电压以及输出电流和输出电压来计算开关电源模块的效率值；以及S607，根据中央计算单元算得的效率值来控制开关电源模块。
优选地，用户根据效率值来手动调节开关电源模块的频率，以便找到最高的效率值。
优选地，以特定步长轮询开关电源模块的工作频率，从中找到最高的效率值。
此发明从开关电源变化级的输入以及输出采样信号，以取整得电源系统中较为准确的数据，可以直观得进行效率计算，在此基础上的改善调控手段更加直接与有效。另外此发明可以实时直接的侦测后端负载的情况，对于负载的静态特性及动态特性都可以实时的监控，并在基础上对电源进行调控。
上面论述了若干实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
Claims (10)
1.一种开关电源效率测控装置，其特征在于，包括：
开关电源模块；
输入电流电压采样模块，用于对所述开关电源模块的输入电流和输入电压进行采样；
输出电流电压采样模块，用于对所述开关电源模块的输出电流和输出电压进行采样；
中央计算单元，用于根据所述输入电流和所述输入电压以及所述输出电流和所述输出电压来计算所述开关电源模块的效率值；以及
开关电源控制器，用于根据所述中央计算单元算得的所述效率值来控制所述开关电源模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
显示模块，与所述中央计算单元相连接，用于显示所述中央计算单元算得的所述效率值。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，用户根据所述显示模块上显示的所述效率值来手动调节所述开关电源控制器，以便找到最高的所述效率值。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关电源控制器控制的是所述开关电源模块的频率。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述开关电源控制器以特定步长轮询所述开关电源模块的工作频率，从中找到最高的所述效率值。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央计算单元进一步包括：
乘法器MUX，用于分别对所述输入电流和所述输入电压以及所述输出电流和所述输出电压进行乘法运算，从而求得所述开关电源模块的输入功率和输出功率；以及
微计算单元MCU，用于分别对求得的所述输入功率和所述输出功率进行模数转换，并将转换结果作除法，以便计算所述开关电源模块的效率值。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述用户通过可变电阻器来对所述开关电源控制器进行调节。
8.一种开关电源效率测控方法，其特征在于，包括以下步骤：
对开关电源模块的输入电流和输入电压进行采样；
对所述开关电源模块的输出电流和输出电压进行采样；
根据所述输入电流和所述输入电压以及所述输出电流和所述输出电压来计算所述开关电源模块的效率值；以及
根据所述中央计算单元算得的所述效率值来控制所述开关电源模块。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，用户根据所述效率值来手动调节所述开关电源模块的频率，以便找到最高的所述效率值。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，以特定步长轮询所述开关电源模块的工作频率，从中找到最高的所述效率值。
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