CN102904437B - 用于电源转换器的维持时间延长电路 - Google Patents

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Abstract

在本发明的一个方案中，一种电源系统具有电源转换器和维持时间延长电路，所述电源转换器适于将其输入处的第一输入电压转换为其输出处的第一输出电压，所述维持时间延长电路包括经由第一储能电容器彼此耦接的升压级和降压级，所述升压级的输入耦接至所述电源转换器的输入，所述升压级的输出耦接至所述降压级的输入，所述降压级的输出耦接至所述电源转换器的输入。所述升压级适于将所述电源转换器的第一输入电压转换为第二输出电压，所述降压级适于将所述升压级的第二输出电压转换为所述电源转换器的第一输入电压，所述升压级维持所述第一储能电容器上的所述第二输出电压，在所述电源转换器的第一输入电压低于预定值时启动所述降压级。

Description

用于电源转换器的维持时间延长电路
技术领域
本发明涉及需要在输入电压掉落之后提供一段时间的调节输出的电源系统的维持时间延长(hold-up time extension)电路，尤其涉及一种维持时间延长电路，其包括经由储能电容器彼此耦接的升压(step-up)转换器和降压(step-down)转换器。
背景技术
大部分计算机和便携式电子设备需要在输入电压掉落之后能够在一定时间内(典型为15-25毫秒)将输出电压维持在特定范围内。这个时间称作维持时间，用于在线路故障后顺序终止数据处理装置的操作或切换到UPS(不间断电源)操作。在维持时间期间用来维持输出电压所需要的能量从与电源输入相耦接的合适大小的储能电容器传送出。
为了最大化电源的功率密度，需要使储能电容器的大小最小化。美国专利No.6504497(其全部内容援引于此)公开了一种通过使用维持时间延长电路最大化地利用存储能量的方法。然而，需要进一步改善维持时间延长电路。
因而，如何解决其中之一的发明一种提供需求的维持时间的维持时间延长电路的问题成为一个需要解决的问题。
发明内容
在一个方案中，本发明涉及一种电源系统。在一个实施例中，所述电源系统具有电源转换器和维持时间延长电路，所述电源转换器适于将其输入处的第一输入电压转换为其输出处的第一输出电压，所述维持时间延长电路包括经由第一储能电容器彼此耦接的升压级和降压级，其中所述升压级的输入耦接至所述电源转换器的输入，所述升压级的输出耦接至所述降压级的输入，以及所述降压级的输出耦接至所述电源转换器的输入。
所述升压级适于将所述电源转换器的所述第一输入电压转换为第二输出电压，以及所述降压级适于将所述升压级的所述第二输出电压转换为所述电源转换器的第一输入电压，以及其中所述升压级维持所述第一储能电容器上的所述第二输出电压，以及在所述电源转换器的所述第一输入电压低于预定值时启动所述降压级。
所述的电源系统还包括耦接至所述电源转换器的输入的第二储能电容器。
在一个实施例中，所述电源转换器的所述第一输入电压为直流电压，其中所述电源转换器的所述第一输入电压的范围为约30伏特至约100伏特。
在一个实施例中，所述升压级的所述第二输出电压高于所述电源转换器的所述第一输入电压，其中所述升压级的第二输出电压的范围为约150伏特至约450伏特。
在一个实施例中，所述第一储能电容器包括一个电容器或彼此并联连接的多个电容器。
在一个实施例中，所述升压级包括反驰式(Flyback)转换器或升压斩波(Boost)转换器。所述降压级包括降压斩波(Buck)转换器。
在一个实施例中，所述电源转换器包括半桥电路和变压器。在另一个实施例中，所述电源转换器包括全桥电路和变压器，这里所述的全桥电路包括四个晶体管。在一个实施例中，所述全桥电路的所述四个晶体管由所述电源转换器的所述第一输入电压所控制，以调节所述电源转换器。在另一个实施例中，所述全桥电路的所述四个晶体管由所述电源转换器的第一输入电压和第一输出电压所控制，以调节所述电源转换器。
在本发明的另一个方案中，一种电源系统包括电源转换器和维持时间延长电路，所述电源转换器适于将其输入处的第一输入电压转换为其输出处的第一输出电压，所述维持时间延长电路包括经由第一储能电容器彼此耦接的升压级和降压级，所述升压级的输入耦接至所述电源转换器的输入，所述升压级的输出耦接至所述降压级的输入，以及所述降压级的输出耦接至所述电源转换器的输入。所述升压级适于将所述电源转换器的所述第一输入电压转换为第二输出电压，以及所述降压级适于将所述升压级的所述第二输出电压转换为所述电源转换器的所述第一输入电压，以及其中所述升压级维持所述第一储能电容器上的所述第二输出电压，以及在所述电源转换器的所述第一输出电压低于预定值时启动所述降压级。
所述的电源系统也包括耦接至所述电源转换器的输入的第二储能电容器。
在一个实施例中，所述电源转换器的所述第一输入电压为直流电压。
在一个实施例中，所述升压级的所述第二输出电压高于所述电源转换器的所述第一输入电压。
在一个实施例中，所述第一储能电容器包括一个电容器或彼此并联连接的多个电容器。
在本发明的再一个方案中，一种电源系统包括：第一降压转换器，适于将其输入处的第一输入电压转换为其输出处的第三输出电压；电源转换器，其经由第二储能电容器耦接至所述第一降压转换器，并适于将所述第一降压转换器的所述第三输出电压转换为第一输出电压；以及维持时间延长电路，其包括经由第一储能电容器彼此耦接的升压转换器和第二降压转换器，所述升压转换器的输入耦接至所述第一降压转换器的输入，所述升压转换器的输出耦接至所述第二降压转换器的输入，以及所述第二降压转换器的输出耦接至所述第一降压转换器的输入。所述升压转换器适于将所述第一降压转换器的所述第一输入电压转换为第二输出电压，以及所述第二降压转换器适于将所述升压转换器的所述第二输出电压转换为所述第一降压转换器的第一输入电压，以及其中所述升压转换器维持所述第一储能电容器上的所述第二输出电压，以及在所述第一降压转换器的所述第一输入电压低于预定值时启动所述第二降压转换器。
在一个实施例中，所述第一降压转换器的所述第一输入电压为直流电压，其中所述第一降压转换器的所述第三输出电压低于所述第一降压转换器的第一输入电压。
在一个实施例中，所述第一降压转换器包括Buck转换器。
在一个实施例中，所述第二储能电容器包括一个电容器或彼此并联连接的多个电容器。
在一个实施例中，所述电源系统还包括与所述第一降压转换器的输入相耦接的第四储能电容器。
简言之，本发明详述了一种具有维持时间延长电路的电源系统，在输入电压小于预定值之后提供调节的输出给负载，以给系统足够的时间关断设备或切换到不间断电源(UPS)操作。
尽管在不背离本发明的新颖性概念的精神和范围可实现其中的变型和修正，但根据结合下述附图的优选实施例的以下描述，本发明的这些和其它方案将变得更加明显。
附图说明
附图示出了本发明的一个或多个实施例，与文字描述一起用来解释本发明的原理。在可能的情况下，在所有附图中使用同样的参考标记来表示实施例中同样或类似的元件，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的包括电源转换器和维持时间延长电路的电源系统的示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的包括电源转换器和维持时间延长电路的电源系统的电路图；
图3示出了根据本发明的另一个实施例的包括电源转换器和维持时间延长电路的电源系统的电路图；
图4示出了本发明的再一个实施例的包括电源转换器和维持时间延长电路的电源系统的示意图；
图5示出了根据本发明的一个实施例的电源转换器的电路图；
图6示出了根据本发明的另一个实施例的电源转换器的电路图；以及
图7示出了根据本发明的又一个实施例的电源系统的电路图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行更全面的描述，其中附图示出了本发明的示意性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，而不解释为受限于这里所提出的实施例。更确切地说，提供这些实施例以使得本公开是彻底的和完全的，且完全地将本发明的范围传达给本领域普通技术人员。全文中同样的参考标记表示同样的元件。
本文所使用的术语仅是为了描述特定的实施例，而非倾向于限制本发明。如本文所使用的单数形式“一”、“一个”以及“该”倾向于也包括复数形式，除非文中清楚地另有表示。还应理解到，在本说明书中所使用的术语“包含”和/或“包含有”或“包括”和/或“包括有”或“有”和/或“具有”说明的是所陈述的特征、区域、整数(integer)、步骤、运行、元件以及/或部件的存在，而不排除一个或多个其它的特征、区域、整数、步骤、运行、元件、部件以及/或其组合的存在。
除非另有定义，本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有如本发明所属领域普通技术人员一般理解的相同意思。还应理解到，在一般使用的字典中所定义的那些术语应解释为具有与在相关技术和本发明的情况中的意思一致的意思，而不被解释为理想化的或过度形式化的意义，除非本文特别定义。
如本文所使用的“大约”、“约”或“近似于”一般意味着在给定值或范围的20％以内，优选在给定值或范围的10％以内，更优选在给定值或范围的5％以内。本文所给出的数量是近似的，意味着如果不特别声明，则可推断出术语“大约”、“约”或“近似于”的意思。
结合图1-图7的附图，对本发明的实施例作出描述。根据本发明的目的，如本文所实施的和宽广描述，本发明在一个方案中涉及一种电源系统。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电源系统100的示意图。电源系统100包括电源转换器110，电源转换器110适于将其输入处的第一输入电压Vin转换为其输出处的第一输出电压Vout。第一输入电压Vin可为直流电压，该直流电压的范围例如且非限定性地可在约30伏特至约100伏特之间。而且，该电源转换器110可为可调节式转换器、或者不可调节式转换器、或者半调节式转换器。
电源系统100还包括维持时间延长电路140。该维持时间延长电路140包括经由第一储能电容器C1彼此耦接的升压级120和降压级130。升压级120的输入耦接至电源转换器110的输入。升压级120的输出耦接至降压级130的输入。降压级130的输出耦接至电源转换器的输入。升压级120适于将电源转换器的第一输入电压Vin转换为第二输出电压V2。第二输出电压V2的范围例如且非限定性地可在约150伏特至约450伏特之间。降压级130适于将第二输出电压V2转换为电源转换器110的第一输入电压Vin。升压级120维持第一储能电容器C1上的第二输出电压V2。第一储能电容器C1可为单个电容器或彼此并联连接的多个电容器。在正常工作条件下不启动降压级130，而在电源转换器110的第一输入电压Vin下降到预定值以下时才会启动降压级130。通常，当第一输入电压低于一预定值时，即认为输入电压掉落。另外，第二储能电容器C2耦接至电源转换器110的输入。
图2示出了根据本发明的一实施例的电源系统200的电路图。电源系统200包括电源转换器210和维持时间延长电路。电源转换器210包括四个晶体管S4-S7、变压器T2以及两个开关S8和S9。四个晶体管S4-S7形成全桥电路。滤波电路包括电容器C3和电感器L3，耦接至电源转换器210的输出。在其它实施例中，电源转换器210可包括半桥电路(来替代全桥电路)。电源转换器210可为脉冲宽度调制(PWM)转换器或者谐振转换器(例如LLC转换器)。维持时间延长电路包括经由第一储能电容器C1彼此耦接的升压级220和降压级230。升压级220和降压级230分别具有Flyback拓扑结构和Buck拓扑结构。Flyback升压级220包括变压器T1、开关S1以及二极管D1。Flyback升压级220可工作在突发(burst)模式下或低频模式下。Buck降压级230包括电感L1以及两个开关S2和S3。Flyback升压级220维持第一储能电容器C1上的第二输出电压V2。在电源转换器210的第一输入电压Vin下降到预定值以下时启动Buck降压级230。另外，第二储能电容器C2耦接至电源转换器210的输入。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的电源系统300的电路图。电源系统300包括电源转换器310和维持时间延长电路。电源转换器310类似于图2示出的电源系统200中的电源转换器210。维持时间延长电路包括经由第一储能电容器C1互相耦接的升压级320和降压级330。升压级320和降压级330分别具有Boost拓扑结构和Buck拓扑结构。Boost升压级320包括电感器L1、开关S1以及二极管D1。Buck降压级330包括电感L2以及两个开关S2和S3。Boost升压级320维持第一储能电容器C1上的第二输出电压V2。另外，第二储能电容器C2耦接至电源转换器310的输入。
在一个实施例中，如图3中的虚箭头所示，通过电源转换器310的第一输入电压Vin来控制降压级330的开关S3，使得在第一输入电压Vin下降到预定值以下时启动降压级330。在一可选实施例中，如图4中的虚箭头所示，通过电源转换器310的第一输出电压Vout来控制降压级330的开关S3，使得在第一输出电压Vout下降到预定值以下时启动降压级330。
同样地，对于图2中示出的电源系统200，也可通过电源转换器210的第一输入电压Vin或第一输出电压Vout来控制降压级230的开关S3，使得在在第一输入电压Vin或第一输出电压Vout下降到预定值以下时启动降压级230。
图5示出了调节电源转换器500的方法。电源转换器500包括全桥电路510、变压器T2以及两个开关S8和S9。全桥电路510包括四个晶体管S4-S7。在一个实施例中，通过电源转换器500的输入电压Vin来控制四个晶体管S4-S7，如图5中的虚箭头所示。图6示出了调节电源转换器500的另一个方法。在这个实施例中，通过电源转换器500的输入电压Vin和输出电压Vout来控制四个晶体管S4-S7，如图6中的虚箭头所示。
图7示出了根据本发明又一个实施例的电源系统700的电路图。电源系统700包括第一降压转换器740、电源转换器710以及维持时间延长电路。第一降压转换器740适用于将其输入处的第一输入电压Vin转换为其输出处的第三输出电压V3。在一个实施例中，第三输出电压V3低于第一输入电压Vin。第一降压转换器740具有Buck拓扑结构，并包括电感器L2和两个开关S4和S5。第一降压转换器740的输出经由第二储能电容器C2耦接至电源转换器710的输入。电源转换器710适于将第一降压转换器740的第三输出电压V3转换为其输出处的第一输出电压Vout。电源转换器710类似于图2中示出的电源系统200中的电源转换器210。维持时间延长电路包括经由第一储能电容器C1彼此耦接的升压转换器720和第二降压转换器730。升压变换器720适于将第一降压转换器740的第一输入电压Vin转换为第二输出电压V2。第二降压转换器730适于将该升压转换器的第二输出电压V2转换为第一降压转换器740的第一输入电压。升压转换器720维持第一储能电容器C1上的第二输出电压V2。在第一降压转换器740的第一输入电压Vin下降到预定值以下时启动第二降压转换器730。此外，第四储能电容器C4耦接至第一降压转换器740的输入。
简言之，本发明详述了一种具有维持时间延长电路的电源系统，在输入电压小于预定值之后提供调节的输出给负载，以给系统足够的时间关断设备或切换到不间断电源(UPS)操作。
本发明的示意性实施例的前述描述仅是为了示出和说明目的而呈现的，而非倾向于详尽的或将本发明限制为所揭示的精确形式。在上述教导的启示下，许多修正和变型都是可能的。
本发明的实施例被选择且被描述以使揭示本发明的原理以及其实践性应用，以使得激发本领域普通技术人员利用本发明和各种实施例，并利用适于期望的特殊使用的各种变型。对于本领域普通技术人员而言，替代实施方式将是显而易见的，而并未背离其精神和范围。因此，通过所附权利要求而不是上述说明书和其中所描述的示例实施例来限定本发明的范围。

Claims (14)

1.一种电源系统，包括：
(a)电源转换器，适于将其输入处的第一输入电压转换为其输出处的第一输出电压；以及
(b)维持时间延长电路，其包括经由第一储能电容器彼此耦接的升压级和降压级，所述升压级的输入耦接至所述电源转换器的输入，所述升压级的输出耦接至所述降压级的输入，以及所述降压级的输出耦接至所述电源转换器的输入，
其中所述升压级适于将所述电源转换器的所述第一输入电压转换为第二输出电压，以及所述降压级适于将所述升压级的所述第二输出电压转换为所述电源转换器的所述第一输入电压，以及其中所述升压级维持所述第一储能电容器上的所述第二输出电压，以及在所述电源转换器的所述第一输出电压低于预定值时启动所述降压级。
2.根据权利要求1所述的电源系统，还包括与所述电源转换器的输入相耦接的第二储能电容器。
3.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述电源转换器的所述第一输入电压为直流电压。
4.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述升压级的所述第二输出电压高于所述电源转换器的所述第一输入电压。
5.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述第一储能电容器包括一个电容器或彼此并联连接的多个电容器。
6.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述电源转换器的所述第一输入电压的范围为约30伏特至约100伏特。
7.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述升压级的所述第二输出电压的范围为约150伏特至约450伏特。
8.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述升压级包括Flyback转换器或Boost转换器。
9.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述降压级包括Buck转换器。
10.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述电源转换器包括半桥电路和变压器。
11.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述电源转换器包括全桥电路和变压器。
12.根据权利要求11所述的电源系统，其中所述全桥电路包括四个晶体管。
13.根据权利要求12所述的电源系统，其中所述全桥电路的所述四个晶体管由所述电源转换器的所述第一输入电压所控制。
14.根据权利要求12所述的电源系统，其中所述全桥电路的所述四个晶体管由所述电源转换器的第一输入电压和第一输出电压所控制。
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