CN102859854A - 直流/直流转换器的电压调节 - Google Patents

直流/直流转换器的电压调节 Download PDF

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Abstract

一种电源系统，包括：至少一个电源（30）、以及具有输入端（IN）和输出端（OUT）的DC/DC转换器（31）。所述输入端联接到所述电源；所述输出端可以联接到负载（39、40），用以允许功率从所述电源传输到所述负载。所述DC/DC转换器包括用于调节所述DC/DC转换器的输入电压的装置（33、34、35、36、37）。

Description

直流/直流转换器的电压调节
技术领域
本发明的实施方式总体涉及用于移动装置的电源系统，尤其涉及适用于太阳能和热能电源管理的直流/直流（DC/DC）转换器的电压调节。
背景技术
可以采取本节中所描述的方案，但这些方案不一定是先前已构思或采取的方案。因此，除非本文另有说明，否则本节中所描述的方案对于本申请中的权利要求书而言并非为现有技术，且不能因包含在本节中而被认为是现有技术。
因为传统的DC/DC转换器通过调节输出电压进行常规操作，所以其不允许将电源诸如太阳能电池或热电发电机保持在最大功率偏置点处。这大幅降低了传输到负载诸如电池或电子功能元件的功率、以及包括电源和DC/DC转换器的系统的总电源效率。
此外，在对电池充电的情况下，不能覆盖所有的电池电压范围。
另外，将由例如具有输出电压调节的开关模式电源（SMPS，Switch ModePower Supply）所管理的另一电源添加到现有的电源管理树，会与用来对电池充电或对电子功能元件供电的现有的电源管理电路产生冲突。换言之，在对电子功能元件供电的情况下，会与连接到相同的输出端的另一SMPS产生冲突。
EP 1905222公开了一种DC/DC电压转换器，该DC/DC电压转换器用于将燃料电池连接到滤波器，该滤波器在充电操作中能被连接到移动电话的电池。该转换器包括用于使整个燃料电池的电压在充电操作期间保持在给定工作电压的装置。然而，滤波器必须连接在该DC/DC电压转换器和电池之间以允许充电操作。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种电源系统，该电源系统包括：至少一个电源、及具有输入端和输出端的DC/DC转换器，所述输入端联接到所述电源，所述输出端被配置成联接到负载，用以允许功率从所述电源传输到所述负载。该系统包括用于调节所述DC/DC转换器的输入电压的装置。
由于这些配置，电源的性能可以被优化，尤其是在电源为太阳能电池或热电发电机的情况下。
DC/DC转换器可以为开关模式电源DC/DC转换器，于是用于调节输入电压的所述装置包括控制回路、控制器、基准块和电源开关，所述控制器被配置成比较控制回路的反馈信息与基准块的数据，并且基于所述比较、通过所述电源开关调节DC/DC转换器的输入电压。
电源可以包括太阳能电池。在这种情况下，控制器可以被配置成基于环境光的照度级调节DC/DC转换器的输入电压。
可替选地，电源可以包括热电发电机。在这种情况下，控制器可以被配置成基于热源和冷源之间的温度梯度、及冷源和热源的绝对温度值，调节DC/DC转换器的输入电压。
负载可以包括待被充电的电池和/或待被供电的电子功能元件，并且可以消耗电流。
在一个实施方式中，DC/DC转换器为多DC/DC转换器，该多DC/DC转换器具有分别联接到多个电源的多个输入端。于是电源系统优选包括用于调节多DC/DC转换器的多个输入电压中的每一个的装置。
本发明的第二方面涉及一种用户设备，该用户设备包括如上文所述的电源系统。用户设备可以为蜂窝电话或该类型的其他移动装置，诸如智能电话。
本发明的第三方面涉及一种通信系统，该通信系统包括多个这样的用户设备。
本发明的第四方面涉及一种用于管理电源系统的方法，该电源系统包括至少一个电源和具有联接到所述电源的输入端的DC/DC转换器，所述方法包括：
-将所述DC/DC转换器的输出端联接到负载，用以允许功率从所述电源传输到所述负载，以及
-调节所述DC/DC转换器的输入电压。
在一个实施方式中，DC/DC转换器为开关模式电源DC/DC转换器，该开关模式电源DC/DC转换器包括控制回路、控制器、基准块和电源开关。于是调节输入电压的步骤优选地包括：比较控制回路的反馈信息与基准块的数据；以及基于所述比较、通过电源开关调节DC/DC转换器的输入电压。
电源可以包括太阳能电池，所述方法则包括：基于环境光的照度级调节DC/DC转换器的输入电压。
电源可以包括热电发电机，所述方法则包括：基于热源和冷源之间的温度梯度以及热源和冷源的绝对温度值，调节DC/DC转换器的输入电压。
DC/DC转换器为多DC/DC转换器，该多DC/DC转换器具有分别联接到多个电源的多个输入端。所述方法则包括：调节多DC/DC转换器的多个输入电压中的每一个。
附图说明
在附图中，通过举例的方式而非限制的方式说明本发明的实施方式，在附图中，类似附图标记指代类似的元件，附图中，
-图1示出对于不同的太阳电压值，太阳能电池的特性；
-图2分别示出对于不同的温度梯度值及热源和冷源的绝对温度值，热电发电机的特性；
-图3是包括输入电压调节回路的DC/DC转换器的示意性框图；
-图4是包括输入电压调节回路的多DC/DC转换器系统的示意性框图；
-图5是升压转换器的框图；
-图6和图7A到图7C为可用于验证本发明的实施方式的可行性和优点的验证机装置的框图；以及
-图8到图10为分别示出提出的解决方案的升压效率相对于输入功率、输入电流和输出电流的图表。
具体实施方式
特别地，对于包括由太阳能电池或热电发电机所充当的电源的电源系统，产生对本文所公开的解决方案的需求。在下文中，表述“PV电池”指的是光伏电池，其等同于太阳能电池。
为了优化太阳能电池或热电发电机的性能，适合在偏置点调节它们的电压，在偏置点太阳能电池或热电发电机可以提供最大功率。由于太阳能电池和热电发电机在调节点附近的拟线性电流电压特性，故本发明的实施方式通过电压交付范围确保恒定的充电电流。
电源及其关联的具有输入电压调节的DC/DC转换器被负载视为电流源。这简化了其在电源树中的集成，并且通过另一（在输出端上调节的）DC/DC转换器与电子功能元件供电不冲突。
电源可以包括太阳能电池和/或热电发电机中的至少一个。负载可以包括电池和/或电子功能元件。
为了优化整个系统的电源效率，电源必须并联连接而不是串联连接。由于在最大功率与最小功率的电源之间会发生功率均分的事实，因此直接并联连接的太阳能电池或热电发电机的效率不高。
本发明的实施方式依赖于具有输入电压调节（每个电源被调节成其最大功率能力）且在单一负载上集中所有这样的电源的多DC/DC架构。
无论什么电池电压电平，输入电压调节确保了在所有的电池充电过程期间的最佳的电源效率。此外，在对电子功能元件供电的情况下，其不会与用于对该电子功能元件供电的另一SMPS产生冲突，而具有输出电压调节的传统的DC/DC转换器的情况不是这样。
电源（太阳能电池或热电发电机）及其关联的具有输入电压调节的DC/DC转换器被负载（电池或电子功能元件）视为电流源，这简化了在电源树上的DC/DC集成并且不与另一（在输出端上调节的）DC/DC转换器产生冲突。
所提出的具有输入电压调节的多DC/DC架构优化了整个系统的电源效率并且达到来自各电源的最大功率。
参考图1，其中示出对于不同的太阳电压值，太阳能电池的特性，即，给出电流和功率相对于一个电池电压的曲线。
曲线I10、I11、I12、I13和I14为对于相应于0.1、0.2、0.3、0.5和1太阳光强度的环境光的照射，分别给出电流相对于一个电池电压的曲线。
曲线P10、P11、P12、P13和P14为对于与曲线I10、I11、I12、I13和I14相同的照射条件，分别给出功率相对于一个电池电压的曲线。
在太阳能电池的情况下，曲线P10、P11、P12、P13和P14示出，对应于最大功率的电压略微受到照度级的影响，从而使得可编程输入电压调节器传输最大功率到负载。实际上，无论什么照度级，为了严格实现最大性能，可以集成最大功率点跟踪系统，用于使最大功率点适应照度级。
图2分别给出对于热电发电机的热源和冷源之间的不同的温度梯度值及热源和冷源的绝对温度值，热电发电机的特性。
曲线I20给出对于10°的温度梯度、95°的热源的绝对温度值以及85°的冷源的绝对值的电流相对于电压的曲线。曲线I21给出对于20°的温度梯度、105°的热源的绝对温度值以及85°的冷源的绝对值的电流相对于电压的曲线。曲线I22给出对于35°的温度梯度、120°的热源的绝对温度值以及85°的冷源的绝对值的电流相对于电压的曲线。曲线I23给出对于40°的温度梯度、125°的热源的绝对温度值以及85°的冷源的绝对值的电流相对于电压的曲线。曲线I24给出对于55°的温度梯度、125°的热源的绝对温度值以及70°的冷源的绝对值的电流相对于电压的曲线。
曲线P20、P21、P22、P23和P24为对于与曲线I20、I21、I22、I23和I24相同的温度梯度和绝对温度值，分别给出功率相对于电压的曲线。
通过这些曲线可以看出，在热电发电机的情况下，呈现功率相对于电压的波清楚地示出电压的大的分散，以实现取决于温度梯度、及热源和冷源的绝对温度值的最大功率传输，从而使得最大功率点跟踪系统应该被添加到输入电压调节。
图3为包括根据本发明实施方式的输入电压调节回路33的DC/DC转换器31的框图。
例如，DC/DC电源转换器为开关模式电源DC/DC转换器。DC/DC转换器还可以为线性DC/DC转换器。
转换器31的输入端IN连接到电源30，该电源30包括太阳能电池或热电发电机。转换器31的输出端OUT连接到负载，该负载包括电池39和/或电子功能元件40。
取决于置为串联的太阳能电池或热电发电机的数量，最佳的工作点对应于在图3中通过电源开关37和控制器35示意性地示出的降压、升压、或升降压架构。
为了避免电源30上的任何压力，可以插入振荡回路电容器32与电源30并联，以提供开关模式转换器所需的高频能量。
直流电源30源自太阳能电池或热电发电机。
插入振荡回路电容器32与直流电源30并联，以提供高频能量。
通过包括反馈34的控制回路33调节输入电压。反馈34连接在输入端IN上以承担输入电压调节。DC/DC电源转换器31包括控制器35，基准块36和电源开关37。通过比较反馈信息与基准块36的数据，控制器35通过电源开关37产生对应于调节点的占空比。
连接在输出端OUT上的输出电容器38确保了回路33的稳定性，并且如果未连接电池39则提供电子功能元件40消耗的功率峰值。
因此，应从转换器电路机械地断开电池39，随后当没有其他负载连接在输出端上时，控制回路33将自动地使系统处于低功耗模式而无需外部控制。
图4为控制对单节电池139和/或电子功能元件140供电的电源130A、电源130B的多DC/DC电源转换器131的框图。电源130A、电源130B为太阳能电池或热电发电机，例如，两个太阳能电池或两个热电发电机。
为了避免电源130A、电源130B上的任何压力，可以插入振荡回路电容器132A与电源130A并联、振荡回路电容器132B与电源130B并联，以提供开关模式转换器131所需的高频能量。
通过输入电压调节控制块141A、输入电压调节控制块141B调节输入电压，输入电压调节控制块141A、141B中的每一个通过类似于控制回路3的控制回路，调节转换器131的对应的输入端INA、输入端INB上的输入电压。因此，输入电压调节控制块141A、141B中的每一个包括如图3所示的反馈、控制器和基准块。控制回路的反馈连接到对应的输入端INA、输入端INB以承担输入电压调节。通过比较反馈信息与基准块的数据，控制器通过对应的电源开关137A、电源开关137B产生对应于调节点的占空比。
连接到输出端OUT上的输出电容器138确保了回路稳定性，并且如果未连接电池139则提供电子功能元件140消耗的功率峰值。
电源130A、电源130B(太阳能电池或热电发电机)及其关联的具有输入电压调节的DC/DC转换器131被负载（电池139和/或电子功能元件140）视为电流源。
可以并联放置多个支路。于是负载139、负载140上的电流为分别来自各支路的电流的总和。由于源于不同等效阻抗的最大功率的装置和最小功率的装置之间的均流，因此没有这种多DC/DC转换器131，并联连接的太阳能电池或热电发电机不会如此有效。
图5的框图示出具有用于启动的专用方案的自供电的DC/DC转换器以设法对付较低的PV电池电压。该DC/DC转换器包括反馈234、控制器235、基准块236和电源开关237。该DC/DC转换器的输入端IN连接到电源230，该电源230为太阳能电池或热电发电机。该DC/DC转换器的输出端OUT连接到负载240。
图6示出验证机的总体架构，该验证机可用于在电源集线器的情况下验证提出的方案的可行性和优点。该架构基于两个芯片，这两个芯片分别称为COMPASS芯片50和HARVEST芯片60。
HARVEST芯片60包括例如适用于3.6V/1A的燃料电池330A的降压电压源61，和例如适用于2.8V/5mA的太阳能电池330B的升压电流源62。
COMPASS芯片50包括电源路径51和恒定电流/恒定电压（CCCV）充电器52。COMPASS芯片50连接到电池337和电子功能元件340，电子功能元件340例如为SMAB装置，SMAB装置为音频装置。当电源足够时，COMPASS芯片50能够加载电池337，并且如果有必要的话，能够卸载电池337。
安培计70A、安培计70B分别连接在验证机和电池337之间、及验证机和电子功能元件340之间。
基于HCMOS9A技术可以实现验证机。该验证机可以包括用于燃料电池的1.5A降压转换器和用于太阳能电池的150mA升压转换器、以及状态机和I2C总线以控制/供电SMAB装置（如同意法半导体公司（STMicroelectronics）的STw5230电路）。
图7A到图7C示出图6的电源集线器验证机的可能架构的更多细节。
在图7A中，太阳能电源大于负载的消耗。在该情况下，由太阳能电池330B提供的电源足以供给音频应用340（箭头90）、及通过充电器52加载电池337（箭头91）。
在图7B中，太阳能电源等于负载的消耗。在该情况下，由太阳能电池330B提供的全部电源用于供给音频应用340（箭头92）。
在图7C中，太阳能电源小于负载的消耗。在该情况下，由太阳能电池330B提供的全部电源用于供给音频应用340（箭头93），并且充电器52卸载电池337以完成对音频应用340的供电（箭头94）。
图8、图9和图10为对于不同的输入电压Vin值和输出电压Vout值，分别示出升压效率相对于输入功率、相对于输入电流、及相对于输出电流的图表。
在图8中，曲线E1给出对于输入电压值1.4V和输出电压值3V的效率相对于输入功率的曲线。曲线E2给出对于输入电压值1.4V和输出电压值3.6V的效率相对于输入功率的曲线。曲线E3给出对于输入电压值1.55V和输出电压值3V的效率相对于输入功率的曲线。曲线E4给出对于输入电压值1.55V和输出电压值3.6V的效率相对于输入功率的曲线。曲线E5给出对于输入电压值1.8V和输出电压值3V的效率相对于输入功率的曲线。曲线E6给出对于输入电压值1.8V和输出电压值3.6V的效率相对于输入功率的曲线。
图9的曲线E11、E12、E13、E14和E15分别为对于与曲线E1、E2、E3、E4和E5相同的输入电压值和输出电压值，给出的效率相对于输入电流的曲线。
图10的曲线E21、E22、E23、E24和E25分别为对于与曲线E1、E2、E3、E4和E5相同的输入电压值和输出电压值，给出的效率相对于输出电流的曲线。
上文已经描述的滞环控制的实施方式包括以下优点中的至少一些：相对简单的架构，无需回路补偿，无需误差放大器，没有接线夹（ramp），相对自稳定的架构，负载瞬态的快速响应，和相对独立于部件传播的特性（电压、电流）。
尽管已经示出和描述了目前所认为的本发明的优选实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，可以进行各种其它修改及等同替换，而不脱离本发明的真正范围。此外，可以进行许多修改以使特定情况适应本发明的教导，而不脱离本申请所描述的主要发明构思。此外，本发明的实施方式可以不包括以上所描述的全部特征。因此，本发明并不意图受限于所公开的特定实施方式，而本发明包括落在上文广泛定义的本发明的的范围之内的所有实施方式。
在解释说明书及其相关的权利要求时，以非排它的方式解释表述诸如“包括”、“包含”、“并入”、“含有”、“是”和“具有”，即，解释为允许还存在未明确定义的其他项目或组分。还将单数引用解释为复数引用，反之亦然。
本领域的技术人员很容易理解，可以修改说明书中所公开的各种参数并且可以组合所公开的各种实施方式，而不脱离本发明的范围。

Claims (15)

1.一种电源系统，包括：
至少一个电源（30、130A、130B、230、330A、330B）；以及
直流/直流DC/DC转换器（31、131），所述DC/DC转换器具有输入端（IN、INA、INB）和输出端（OUT），所述输入端联接到所述电源，所述输出端被配置成联接到负载（39、40、139、140、240、339、340），用以允许功率从所述电源传输到所述负载，
所述电源系统的特征在于，所述电源系统包括用于调节所述DC/DC转换器的输入电压的装置（33、34、35、36、37、141A、141B、234、235、236、237）。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述DC/DC转换器（31、131）为开关模式电源DC/DC转换器，用于调节输入电压的所述装置包括控制回路（32）、控制器（35、235）、基准块（36、236）和电源开关（37、237），所述控制器被配置成比较所述控制回路的反馈信息与所述基准块的数据，并且基于所述比较、通过所述电源开关（37、237）调节所述DC/DC转换器的所述输入电压。
3.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述电源包括太阳能电池（30、130A、130B、230、330B）。
4.根据权利要求2和3所述的电源系统，其中，所述控制器被配置成基于环境光的照度级调节所述DC/DC转换器的所述输入电压。
5.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述电源包括热电发电机（30、130A、130B、330A）。
6.根据权利要求2和5所述的电源系统，其中，所述控制器被配置成基于热源和冷源之间的温度梯度、及热源和冷源的绝对温度值，调节所述DC/DC转换器的所述输入电压。
7.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述负载包括电池（39、139、339）和/或电子功能元件（40、140、240、340）。
8.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述DC/DC转换器为多DC/DC转换器（131），所述多DC/DC转换器具有分别联接到多个电源（130A、130B）的多个输入端（INA、INB），所述电源系统包括用于调节所述多DC/DC转换器的多个输入电压中的每一个的装置。
9.一种用户设备，包括根据权利要求1至8中的任一项所述的电源系统。
10.一种通信系统，包括多个根据权利要求9所述的用户设备。
11.一种用于管理电源系统的方法，所述电源系统包括至少一个电源（30、130A、130B、230、330A、330B）、及具有联接到所述电源的输入端（IN、INA、INB）的直流/直流DC/DC转换器（31、131)，所述方法包括：
-将所述DC/DC转换器的输出端（OUT）联接到负载（39、40、139、140、240、339、340），用以允许功率从所述电源传输到所述负载，以及
-调节所述DC/DC转换器的输入电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述DC/DC转换器（31、131）为开关模式电源DC/DC转换器，所述开关模式电源DC/DC转换器包括控制回路（32）、控制器（35、235）、基准块（36、236）和电源开关（37、237），调节输入电压的所述步骤包括：比较所述控制回路的反馈信息与所述基准块的数据；以及基于所述比较、通过所述电源开关（37、237）调节所述DC/DC转换器的所述输入电压。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电源包括太阳能电池（30、130A、130B、230、330B），所述方法包括：基于环境光的照度级调节所述DC/DC转换器的所述输入电压。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电源包括热电发电机（30、130A、130B、330A），所述方法包括：基于热源和冷源之间的温度梯度以及热源和冷源的绝对温度值，调节所述DC/DC转换器的所述输入电压。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述DC/DC转换器为多DC/DC转换器（131），所述多DC/DC转换器具有分别联接到多个电源（130A、130B）的多个输入端（INA、INB），所述方法包括：调节所述多DC/DC转换器的多个输入电压中的每一个。
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