CN102725949B - 进行pwm smps电流检测和系统验证的算法 - Google Patents

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Abstract

电源电流监测器，包括：处理器，可操作为监测电源所生成的脉冲电压信号并在脉冲电压信号的脉冲宽度位于期望脉冲宽度范围之外时生成警告；其中，脉冲宽度取决于电源供给至负载的电流量。

Description

进行PWM SMPS电流检测和系统验证的算法
相关申请的交叉引用
本公开要求于2009年12月21日提交的题为“进行PWMSMPS电流检测和系统验证的算法”的第61/288,593号美国临时申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
基于脉宽调制(PWM)的开关模式电源(SMPS)是在各种应用中使用的通常电源。PWMSMPS装置可以是独立电源单元或者可以是电路(诸如用于铁路工业的重要电路)的元件。在PWMSMPS中，通过快速断开和闭合电源与负载之间的开关以形成传输功率的脉冲来对供给至负载的DC功率进行控制。通过电容器和/或电感器将这些脉冲调节为大致线性的DC信号。在基于PWM的电源中，可进行负载电流测量以快速检测过载状态或电容损失，或用于一般的负载监测。因为在典型电源中，不希望在系统的使用寿命期间改变器件，故这种监测是有用的。因此，对于给定负载而言，检测到的电流改变可指示诸如电容故障的问题。电容故障可导致装置的等效串联电阻增加，该增加进而可导致热量的增加和物理电解液的泄漏。减小的电容还可损害电路的反馈回路响应。负载电流常常通过多种检测技术之一来确定，这些检测技术需要与电路中的器件的检测连接。
现有技术中用于监测负载电流的一种技术使用负载本身的高压侧或低压侧检测电阻来确定输出电流。例如，在图1的电路中，PWM控制器100控制开关140。当开关140闭合时，电源170使电流流过变压器150，变压器150进而将电流供给至电感器160。电感器160和电容器180在电流到达负载110之前对电流进行调节。电阻器120设置在电感器160与负载110之间。电阻器120两端的电压降通过电源传感器130检测，电源传感器130可包括模数转换器或模拟阈值检测器。传感器130所检测的电压可连接至比较器或放大器以有助于电流水平检测或过载监测。根据该测量的电压降和电阻120的已知电阻值，可以确定负载电流。虽然该方法可相当精确，但所增加的电阻120增加了器件成本、热耗散以及输出的电压降。
图2A和2B示出另一种现有技术的负载电流监测技术，其中开关元件上的检测电阻或开关元件本身的寄生电阻被用于发现电流。如图1所示，PWM控制器200控制开关240。当开关240闭合时，电源270使电流流过变压器250。变压器250进而将电流供给至电感器260。电感器260和电容器280在电流到达210之前对电流进行调节。在图2中电阻器设置在开关元件240与地220之间，或者如图2B所示可使用开关元件240的寄生电阻225。在任何一种情况下，传感器230测量电阻器220或225与地之间的电压降。传感器130所检测到电压可以连接到比较器和放大器上，以便于电流水平检测和过载监测。根据测量到的电压降和电阻器220或225的已知电阻，能够确定负载电流。与图1相同，图2A中的电阻器220增加器件成本、热耗散、以及输出的电压降。图2B的寄生电阻225不能解决这些问题(因为开关240必须在任何情况下都存在)，然而，因为器件的大量变型和环境对寄生电阻值的影响，无法精确地获知寄生电阻225。
图3中示出不使用电阻来检测电流的现有技术的电流检测技术。PWM控制器300通过激活开关360和370从电源380供给功率。电感器320和电容器390在电流到达负载310之前对电流进行调节。传感器350监测负载310、电感器320和电容器390所共享的节点330处以及开关360、开关370和电感器320所共享的节点340处的节点电压。这些节点电压在与开关360和370的动作有关的时间的某些点处进行测量，可从这些测量中估算电感器320中的正向电流。在这种技术中，节点330和340上的噪声能够降低电流估算的精度。
发明内容
根据本发明的一种电源电流监测器，包括：负载；开关模式电源，可操作用于向所述负载提供电流；处理器，可操作用于监测所述电源所生成的脉冲电压信号，并在所述脉冲电压信号的脉冲宽度位于期望脉冲宽度范围之外时生成警告，其中所述期望脉冲宽度范围由根据所述负载的最大和最小标称值和所述处理器测量到的输入电压所确定的上限和下限阈值来定义；其中，所述脉冲宽度取决于提供至所述负载的电流量。
优选地，所述的电源电流监测器中，所述处理器可操作用于基于所述脉冲电压信号的多个采样脉冲宽度设定所述期望脉冲宽度范围。所述期望脉冲宽度范围随时间变化。所述处理器可操作用于控制开关，以调节所述脉冲电压信号的脉冲宽度。所述负载是机车控制元件。所述负载是铁路路旁元件。
根据本发明的一种监测电源电流的方法，包括：检测电源所生成的脉冲电压信号；当所述脉冲电压信号的脉冲宽度位于期望脉冲宽度范围之外时生成警告，其中所述期望脉冲宽度范围由根据所述负载的最大和最小标称值和处理器测量到的输入电压所确定的上限和下限阈值来定义；其中，所述脉冲宽度取决于所述电源提供至负载的电流量。
优选地，所述的方法还包括：检测所述脉冲电压信号的多个采样脉冲宽度；以及基于所述多个采样脉冲宽度设定所述期望脉冲宽度范围。所述期望脉冲宽度范围随时间变化。所述的方法还包括：调节所述脉冲电压信号的脉冲宽度。所述负载是机车控制元件。或所述负载是铁路路旁元件。
根据本发明的一种电源电流监测器，包括：处理器，可操作用于监测由电源生成的脉冲电压信号，并在所述脉冲电压信号的脉冲宽度位于期望脉冲宽度范围之外时生成警告，其中所述期望脉冲宽度范围由根据负载的最大和最小标称值和所述处理器测量到的输入电压所确定的上限和下限阈值来定义，其中所述脉冲宽度取决于提供至所述负载的电流量。
附图说明
图1示出现有技术的负载电流监测电路；
图2A示出现有技术的负载电流监测电路；
图2B示出现有技术的负载电流监测电路；
图3示出现有技术的负载电流监测电路；
图4示出根据本发明的实施方式的现有技术的负载电流监测电路；
图5A示出根据本发明的实施方式的占空比波形；
图5B示出根据本发明的实施方式的占空比波形；
图6A示出根据本发明的实施方式的占空比波形；
图6B示出根据本发明的实施方式的占空比波形；
图7示出根据本发明的实施方式的负载电流近似曲线；
图8A示出根据本发明的实施方式的负载电流监测电路的一部分；
图8B示出根据本发明的实施方式的负载电流监测电路的一部分；
图8C示出根据本发明的实施方式的占空比波形；
图9A示出根据本发明的实施方式的监测到的脉冲宽度随时间的变化；
图9B示出根据本发明的实施方式的监测到的脉冲宽度随时间的变化；
图10示出根据本发明的实施方式的监测到的脉冲宽度随时间的变化；
图11示出根据本发明的实施方式的监测到的脉冲宽度随时间的变化。
具体实施方式
进行电流检测的算法可消除连接检测元件的需要。算法可利用PWM系统的使这些系统灵活地用于多种功率转换应用的内在方面。注意，本公开中的术语“PWM”和“电源”是指以与专用PWM电源类似的方式运行的任何电路，但不限于独立电源单元。某些PWM系统的实施例可包括重要的铁路控制电路，诸如机车控制(制动、喇叭、铃、联锁等)和铁路路旁元件(横臂门、铁路信号灯、道口信号、联锁、重要逻辑等)的控制。在保持固定输出电压的同时，基于PWM的功率转换系统能够通过调节PWM占空比在给定输入电压下补偿负载的变化和/或在输入电压变化的同时驱动恒定负载。
图4示出根据本发明的PWM电路，其中在不与检测元件连接的情况下进行电流监测。该电路仅作为示例呈现，并且在本发明的不同实施方式中可以增加、省略、或改变各种器件。可以提供PWM处理器400。处理器400可以是任何类型的处理器，诸如可编程逻辑器件(CPLD、FPGA等)或硬硅装置(ASIC、微处理器、微控制器等)。在某些实施方式中，处理器400可控制开关430。在其他实施方式中，处理器400可与控制开关430的其他装置通信。当开关430闭合时，来自电源420的电流可流过变压器440。例如，电源420可以是提供具有恒定电压的信号的DC源，然而，在某些实施方式中，也可以使用AC源。断开和闭合开关430可产生信号脉冲，信号脉冲可从基本0伏的电压快速地转变为源420的恒定电压值。电流随后可从变压器440通过二极管470和/或电感器460流到节点490。在节点490处，可存在电容器450以将来自变压器440的脉冲信号转换为基本稳定的电压以供负载410使用。
供给至负载410的输出电压可通过脉冲宽度和电容器450的电容进行确定。通过以不同速率断开和闭合开关，处理器400可向负载410提供不同电压。考虑到电容器450的已知电容和静态负载410，处理器410可为期望的电压输出设定合适的脉冲宽度。
使用输入480，处理器400可检测输入电压。当开关430断开时，该电压可能很高。当开关430闭合时，由于通过变压器440和闭合的开关430将信号接地，故所检测的电压可能快速下降至基本0伏。处理器400还可具有连接到节点490的反馈输入481，反馈输入481可检测节点490处的电压。输入480和481可通过模数转换器或模拟阈值检测器将所检测的信号馈送至处理器400。检测节点490电压可使得处理器400调节脉冲宽度，以向动态负载410供给恒定电压或为已知负载设定期望脉冲宽度范围，下面将详细讨论。
输入480可向处理器400供给如图5A-6B中所示那样的信号。对图5A-6B中的示例中的脉冲宽度所进行的改动可由处理器400通过输入480感测检测。图5A示出根据本发明的实施方式的PWM漏极-源极电压波形。这可以是通过图4的电路中的输入480所读取的电压。一个循环的整个时间周期由tPER表示。该周期tPER中的开关430断开的部分由tOFF表示。当开关430断开时，电压可位于或接近VIN。该周期tPER中的开关430闭合的部分由tON表示。当开关430闭合时，电压可快速地降至约0伏并保持0伏直至开关重新再次断开。当开关430重新再次断开时，电压可再次快速地升高至VIN并且可以开始新的周期tPER可以开始。电源的占空比可以是在周期tPER中开关430闭合时间所占的周期tPER的百分比。例如，如果开关430在闭合整个周期tPER都闭合，则占空比为100％。如果开关430在整个周期tPER都断开，则占空比为0％。
图5B示出根据本发明的实施方式的另一漏极-源极电压波形。该波形示出PWM电源如何响应负载特性的变化。当负载特性变化时，占空比可成比例地变化。例如，如果负载增加，则tON可变为tON’，产生更宽的脉冲宽度并使更多电流穿过变压器440。如果负载减小，则tON可降为tON”，产生更窄的脉冲宽度并使更少电流穿过变压器440。
如果VIN改变，PWM电源还可向恒定负载提供恒定电压。图6A和6B是示出此种情况的根据本发明的实施方式的漏极-源极电压波形。VIN可增加至VIN”。相应地，tON可降为tON”’以保持转移至负载410的总能量。恒定能量(排除寄生系统影响)可由A’表示，并且对于恒定负载，具有ΔVIN的A”可约等于A’。
如图5A-6B所示，当负载或输入电压发生变化时，PWM系统能够可预见地运转。通过考虑输出电压调整变化中的改变，负载电流可由最佳拟合曲线逼近。图7示出根据本发明的实施方式的某些最佳拟合负载电流曲线。对于示例性PWM电源，根据不同负载的近似曲线，在输入480处测量的VIN脉冲宽度值可与输入电压成反比地变化。因此，对于给定的PWM电源，任何负载的负载电流都可由最佳拟合曲线方程逼近。例如，具有以下形式的多项式可充分表示电流：
脉冲宽度值＝(k1xVIN 2)-(k2xVIN)+k3
该多项式仅作为示例呈现，根据电源的特征，合适的方程可以具有任何形式。常量k1、k2和k3可根据负载变化。处理器400可使用该等式监测电流，而不必直接测量电阻两端的电流。
一旦得到最佳拟合逼近，该逼近就能够用于多种应用。例如，其可用于实施负载监测。处理器400从输入480测量到的输入电压可用于确定使系统工作在阈值之上或之下的理论脉冲宽度值。例如，对于给定最大负载，可通过测量VIN并计算脉冲宽度值来建立最大负载阈值。此后，理论脉冲宽度值与当前脉冲宽度值的比较可确定系统是否超负荷运行和/或系统是否应继续运行或被禁用。
此外，对于任何恒定负载，可监测脉冲宽度以确定系统的健康状况。如上所述，PWM电源可具有能量存储元件，诸如最初电感值和电容值是已知的电感和电容。这些元件的能量存储容量的扩大和减小可影响内部PWM功能性(循环稳定性等)和SMPS本身的能力(负载/线性调节、瞬态响应)。算法脉冲宽度监测可提供确定这些能量储存元件的健康的窗口。
例如，如果在脉冲宽度减小时，负载和输入电压保持恒定，则这可能表示电容器发生故障并且其储存能量的能力降低。增加的占空比可代表电源发送更多脉冲以保持输出电压基本恒定而不管能量储存的损失。图8A-8C示出根据本发明的实施方式的影响占空比的电容变化的示例。在图8A和8B中，在电容CPRI从图8A至图8B减小时，电感IPEAK和负载RLOAD可保持恒定。这可导致输送至负载的峰值电流发生变化。该变化可反映在图8C的监测的占空比中，其中tON代表图8A的电路的开关闭合的周期并且ΔtON示出当电容在图8B中降低时的变化。监测脉冲宽度可揭示tON已经增加，因此输送至负载的电流增加。由于脉冲宽度和电流的关系可通过前述技术限定，故可以监测对SMPS的元件的改变。在实施方式中，系统意识到RLOAD可位于标称值内，可期望所监测到的脉冲宽度值在电源的整个寿命中保持基本恒定。如果脉冲宽度以指示特征化功能的方式改变，诸如电容值递减，则算法逼近可警告用户SMPS中的最初电容的隐约可见的故障。
图9A和9B示出本发明的实施方式中的如何能够随时间监测脉冲宽度以检测器件故障的示例。图9A是对于已知负载的随时间监测脉冲宽度的图示的示例。可对负载进行特征化以连续绘出可静态地确定的范围LOADNOM内的已知电流。可监测平均脉冲宽度值以确定供给至负载的电流是否位于LOADNOM内。如果脉冲宽度值(并且电流)超过阈值，则系统可将此解释为错误并且可采取纠正行为，诸如在系统出现故障之前发出警告。有区别地设定范围LOADNOM可允许检测不同类型的故障。例如，较宽LOADNOM可用作指示电容器何时出现完全故障，而较窄LOADNOM可用于确定电容器已经开始发生故障但依然具有一些电容值。
图9B示出类似的监测方法，其中可周期性地获取脉冲宽度的瞬时样本。如图9A中所示，可对负载进行特征化以连续绘出可静态地确定的范围LOADNOM内的已知电流。可对脉冲宽度周期性地采样以确定供给至负载的电流是否位于LOADNOM内。如果所采集的脉冲宽度值(因此和电流)位于阈值之外，则系统可将此解释为错误并采取纠正行为，诸如在系统出现故障之前发出警告。
在某些实施方式中，范围LOADNOM可被系统本身特征化。例如，系统可监测给定周期内的脉冲宽度变化并“学习”其所拥有的曲线。一旦标称曲线已经被系统确定，之后点处的偏差可触发系统警告。在这种情况下，系统可首先监测脉冲变化以确定电流是否通常是恒定的、周期的、或恒定并具有高脉冲或低脉冲的短暂间隔。系统随后可基于最初监测的曲线经验地导出标称窗口LOADNOM。
此外，当期望出现周期性的电流尖峰时，可监测PWM系统的曲线以发现异常现象。例如，负载可以是期望以有规律间隔为基础发送(因此抽取更多电流)的无线电。图10示出这种实施方式。如果在周期间隔处电流需求被期望为尖峰，则LOADNOM可被定义为在这些间隔处允许更高电流而不触发警告。这不仅可允许系统检测如图9A和9B中的错误，还可允许系统检测期望电流尖峰的不正确时机。
脉冲宽度、输入电压、输出电压、和/或其它参数可通过控制器400同时监测。在本发明的某些实施方式中，可通过处理器将这些参数乘以最佳拟合电流逼近方程。图11示出本发明的实施方式，其中反馈输入所检测到的脉冲宽度和输出电压可通过这种方式结合。脉冲宽度与其它信号(诸如输出电压)的相乘或相除可影响曲线的形状。例如，图11呈现出波浪形而非图9A的平滑直线。然而，本发明的实施方式可考虑这些变化，例如通过根据对最佳拟合电流逼近方程的修改，将图9A的范围LOADNOM修改为图11的范围RIPPLENOM。这可允许处理器继续监测脉冲宽度值(并且因此电流)，即使除了脉冲宽度之外的其他信号也被监测。
虽然上面已经描述了各种实施方式，但应理解，它们已经通过示例性而非限制性的方式呈现。对本领域相关技术人员显而易见的是，在不背离精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种修改。事实上，在阅读了上面的描述之后，如何实施可替换实施方式对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所存在的实施方式应受到上述实施方式中的任何一个的限制。
此外，应理解，任何强调功能和优点的图示均仅作为示例呈现。所公开的方法和系统各自足够灵活和可配置，使得其应用可不限于所示方式。
此外，本公开的摘要的目的是通常使美国专利和商标局和公众特别是不熟悉专利或法律术语或措辞的本领域科学家、工程师和实践者能够通过粗略检查快速确定本申请的技术公开的性质和本质。本公开的摘要不打算以任何方式限制本发明的范围。
应注意，在说明书、权利要求和附图中，术语“一个(a)”、“一个(an)”、“该(the)”、“所述(said)”等表示“至少一个”或“该至少一个”。
最后，申请人打算，仅包含表达语言“用于…的装置”或“用于…的步骤”的权利要求按照35U.S.C.§112,第6段进行解释。不明确包含短语“用于…的装置”或“用于…的步骤”的权利要求不按照35U.S.C.§112,第6段进行解释。

Claims (13)

1.一种电源电流监测器，包括：
负载；
开关模式电源，可操作用于向所述负载提供电流；
处理器，可操作用于监测所述电源所生成的脉冲电压信号，并在所述脉冲电压信号的脉冲宽度位于期望脉冲宽度范围之外时生成警告，其中所述期望脉冲宽度范围由根据所述负载的最大和最小标称值和所述处理器测量到的输入电压所确定的上限和下限阈值来定义；
其中，所述脉冲宽度取决于提供至所述负载的电流量。
2.如权利要求1所述的电源电流监测器，其中，所述处理器可操作用于基于所述脉冲电压信号的多个采样脉冲宽度设定所述期望脉冲宽度范围。
3.如权利要求1所述的电源电流监测器，其中，所述期望脉冲宽度范围随时间变化。
4.如权利要求1所述的电源电流监测器，其中，所述处理器可操作用于控制开关，以调节所述脉冲电压信号的脉冲宽度。
5.如权利要求1所述的电源电流监测器，其中，所述负载是机车控制元件。
6.如权利要求1所述的电源电流监测器，其中，所述负载是铁路路旁元件。
7.一种监测电源电流的方法，包括：
检测电源所生成的脉冲电压信号；
当所述脉冲电压信号的脉冲宽度位于期望脉冲宽度范围之外时生成警告，其中所述期望脉冲宽度范围由根据所述负载的最大和最小标称值和处理器测量到的输入电压所确定的上限和下限阈值来定义；
其中，所述脉冲宽度取决于所述电源提供至负载的电流量。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
检测所述脉冲电压信号的多个采样脉冲宽度；以及
基于所述多个采样脉冲宽度设定所述期望脉冲宽度范围。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述期望脉冲宽度范围随时间变化。
10.如权利要求7所述的方法，还包括：调节所述脉冲电压信号的脉冲宽度。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述负载是机车控制元件。
12.如权利要求7所述的方法，其中，所述负载是铁路路旁元件。
13.一种电源电流监测器，包括：
处理器，可操作用于监测由电源生成的脉冲电压信号，并在所述脉冲电压信号的脉冲宽度位于期望脉冲宽度范围之外时生成警告，其中所述期望脉冲宽度范围由根据负载的最大和最小标称值和所述处理器测量到的输入电压所确定的上限和下限阈值来定义，其中所述脉冲宽度取决于提供至所述负载的电流量。
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