CN103248235B - 开关模式电源模块和相关联的打嗝控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制开关模式电源模块中的开关操作的方法和装置，所述开关模式电源模块用于经由两根导线的媒介向一项设备提供电源，所述方法包括下列步骤：测量开关模式电源模块中的负载电流；比较测得的负载电流和预定义的负载电流阈值；以及在装置内测得的负载电流小于预定义的负载电流阈值的情况下周期性地中断开关操作。

Description

开关模式电源模块和相关联的打嗝控制方法

技术领域

本发明涉及开关模式电源模块领域，更具体地涉及集成电源。

背景技术

传统上，当使用外部电源模块（通常被称为DC-PACK或DC功率块）时，与最低功耗对应的运行模式在与负载的连接被切断时（负载断开或开关处于断开位置）实现。当外部电源模块连接到主网（mains）上时，仍然存在残余功耗。

当今电子设备的商业化需要遵守功耗规定。

因此，在欧洲，EC/278/2009规定要求传递的额定功率小于51W的电源的功耗等级低于0.3W。

从理论上讲，使用PFM（脉冲频率调制）模式的电源通过使用应用程序专用集成电路应该能够达到功耗小于100mW。但是通常情况下的无负载残余功耗为150毫瓦量级。

进一步降低该平均残余功耗是有必要的，特别是为了满足若干国际级规定（如COC（行为守则）或EUP（能耗产品））的限制。

美国专利申请第2011/0103103号（公开名“Power supply with low powerconsumption Hiccup stand-by operation”）介绍了一种使用打嗝（hiccup）操作的开关模式电源。这意味着，在没有负载的情况下，为了限制残余功耗，开关操作会中断一定时间后再重新启动。然而，对没有负载的情况的检测不是自治的，开关操作由连接到开关模式电源的被供电设备设置的控制信号控制。

这种解决方案有下列缺点：它要求在被供电设备上内置智能以控制无负载模式和电源模块和被供电设备之间的特定导线或通过电流或电压调制进行的通信模式。

发明内容

本发明通过使用间歇性中断开关操作而自动且自治地使能无负载模式下的输入和输出，并通过不借助于来自被供电设备的控制（信号或消息）而实现较低的残余功耗来解决现有技术的至少一个缺点。

更具体地，本发明涉及一种用于控制开关模式电源模块中的开关操作的方法，该开关模式电源模块用于经由两根导线的媒介向一项设备提供电源，所述方法包括下列步骤：

-通过测量模块测量开关模式电源中的负载电流，

-通过比较器模块比较测得的负载电流和预定义的负载电流阈值，以及

-如果在第一段时间内，测得的负载电流小于预定义的负载电流阈值，那么使用控制器电路通过反复激活和停用开关操作来控制开关模式电源模块的开关操作，直到在第二段时间内，负载电流的测量值大于预定义的负载电流阈值。

根据本发明的一个实施例，第一时间段由抗瞬态滤波器的时间常数定义。

根据本发明的一个实施例，第二时间段由电源的滤波器电路的时间常数定义。

根据一个变型例，第二时间段由电源次级特有的大容量电容的时间常数定义。

根据本发明的一个实施例，测量负载电流的步骤包括生成与开关模式电源模块的次级绕组端的平均整流电压成比例的电压。

本发明还涉及一种用于控制开关模式电源模块中的开关操作的装置，该开关模式电源模块用于经由两根导线的媒介向一项设备提供电源，所述装置包括：

-用于测量负载电流的电路，

-用于比较所述测得的负载电流和预定义的负载电流阈值的电路，以及

-用于如果在第一段时间内测得的负载电流小于预定义的负载电流阈值就控制开关操作周期性地中断，并且如果在第二段时间内测得的负载电流大于预定义的负载电流阈值就维持开关操作的电路。

根据本发明的一个实施例，第一时间段由装置的抗瞬态滤波器的时间常数定义。

根据本发明的一个实施例，第二时间段由开关模式电源的滤波器电路的时间常数定义。

根据一个变型例，第二时间段由电源次级特有的大容量电容的时间常数定义。

根据本发明的一个实施例，用于测量负载电流的电路包括用于生成与开关模式电源模块的次级绕组端的平均整流电压成比例的电压的电路。

附图说明

在阅读下面的描述之后，将会更好地理解本发明，其它特定的特征和优点也会更加明显，描述参照下列附图，其中：

-图1示出了用于为分离的设备供给电源的开关模式电源。

-图2示出了图1中所示的开关模式电源的架构。

-图3示出了没有测量负载电流电路的开关模式电源的次级部分。

-图4示出了根据本发明实施例的包括用于测量负载电流的自治电路的开关模式电源的次级部分。

-图5示出了根据本发明实施例变型的包括用于测量负载电流的自治电路的开关模式电源的次级部分。

-图6是示出了用于控制电源模块的开关操作的方法的功能图。

具体实施方式

在图1至图5中，示出的模块都是可以或不可以与物理上可区分单元对应的功能单元。例如，这些模块或它们中的一些一起聚集在单个组件上，或是同一软件的组成函数。与此相反，根据其它的实施例，某些模块由若干单独的物理实体组成。

在本文档中，术语“周期性中断开关操作”或“均衡地（even）中断开关操作”不应该与脉冲宽度调制（PWM）模式中开关控制的两个连续的脉冲之间的时间间隔（当PWM中脉冲频率非常低时两个连续的脉冲之间的时间）相关联。它也不应该解释为在非常小的负载电流的情况下某些脉冲被除去（如现有技术中已有的）的时间间隔时。

术语“中断开关”对应于不产生开关控制脉冲和为了达到此目的控制用于脉冲生成电路的状态。

图1示出了根据本发明实施例的由开关模式电源模块1提供电源的一项电气或电子设备2。该开关模式电源模块1通过主网线3的媒介连接到电网，也被称为“主网”。电源模块1经由电源线4的媒介传送被供电设备2正确运行所必需的电压。电源线4包括两根导线。负载电流（被供电设备2消耗的电流）的测量在开关模式电源模块1的内部进行。因此，没有必要使用控制信号或消息以从一种运行模式转换成另一个，开关模式电源模块1是自治的，并且基于测得的被供电设备2的功耗量。

图2是示出根据本发明实施例的图1中所示开关模式电源模块1的架构的简化框图。根据本发明的一个实施例，该电源模块的架构对应于其上附接有用于测量负载电流并用于控制开关操作的电路1000的标准开关模式电源架构。用于测量负载电流并用于控制操作的电路1000对应于输出电流测量107、电流参考109、比较器110、抗瞬态滤波器111和占空比发生器112模块的组件。通过将主网线连接到连接器100上，或者通过将适配于主网连接的可移动或固定的连接器（例如，与墙壁插座兼容）连接到连接器100上，主网电压被提供给开关模式电源模块1，其中连接器100包括两个连接点，一个用于相线（phase conductor），另一个用于中线（neutral conductor）。主网电压被传输到保护和滤波器模块101，该模块包括熔断器和电磁兼容性滤波器。模块101还包括防雷和过电压保护部件。然后，电源整流模块102对来自保护和滤波器模块101的滤波后的电压进行整流，并保持模块103的（主）大容量电容充电。辅助电源模块118使得电源能够被提供给负责开关操作的PWM（脉冲宽度调制）控制电路116。该模块还管理可以降低低负载和无负载功耗的PFM模式。在主电容模块103处可用的整流和滤波后的主网电压也根据电源开关模块117的使能状态被施加到被包括在变压器模块104中的变压器的初级上。变压器模块104的变压器根据开关操作控制模块116和电源开关模块117导致的开关操作的模式将次级电压传递给次级绕组的端子。整流模块105和滤波器模块106分别对次级电压进行整流和滤波。整流后的电压从而被施加到用于测量负载电流的模块107上，该模块的输出电压可在连接到电源线4一端上的两点电源线连接器108上获得；电源线4的另一端连接到被供电设备2上。对于伺服控制传送的电压来说必需的反馈环路由反馈模块113、电流参考模块109、误差放大器114和光耦合器115构成。参考模块119对应伺服系统的设定点。误差放大模块114在光耦合器模块115的输入端提供与通过比较模块113和119传送的电压得到的误差成比例的信号。光耦合器模块115可确保电源初级和次级部分之间必要的电隔离（galvanic isolation）。光耦合器的输出被连接到通过电源开关模块117的媒介控制开关操作的PWM控制电路116上。因此，光耦合器115使得伺服信息能够被发送到控制电路116，同时保证电隔离。

上述的这组功能模块与本领域的技术人员所熟知的开关模式电源的标准架构对应。

根据本发明的一个实施例，图2中所示的开关模式电源模块1包括集成且自治的用于测量负载电流和用于控制操作的电路1000。

模块1000包括输出电流测量模块107、电流参考模块109、比较器模块110、滤波器模块111和占空比发生器模块112。

比较器110对测量电流的结果和电流参考109进行比较。抗瞬态滤波器111对比较结果进行能够滤去快速瞬变的滤波。滤波操作的结果被传输到执行使光耦合器饱和以停止供电（停止开关操作）的操作的模块112。

图3示出了没有用于测量负载电流和控制开关操作处于打嗝模式的电路的开关模式电源模块的次级电路，为描述图4和图5做准备。根据本发明的一个实施例，“打嗝”模式下开关模式电源模块1的配置是通过短路用于调节点312（电势为+Vout）和314（电势为0V）之间可用的输出电压+Vout的并联调节器（shunt regulator）308实现的。调节器308端子之间短路的效果是使得光耦合器115的输入端完全饱和，并使得PWM控制电路116的PWM控制管脚接地，这相当于中断开关操作并拉低输出电压+Vout。

图4示出了根据本发明实施例的实施集成在开关模式电源模块1中的测量和控制电路1000的细节。

电流测量电路107能够在不用使用电阻元件或低噪声高精度比较器的情况下检测出非常小的负载电流（Iout）。这为了尤其在高功率情况下的限制焦耳效应损失和节省功率消耗的目的。电流测量电路107使用变压器次级绕组301和小值电阻器321上的连接生成与输出电流Iout直接成比例的平均电压Vag1（元件322和323的端子处）。电压Vag1和输出电流Iout的成比例性出于下述事实：传输到变压器104初级的电压的占空比（并从而通过变压器104磁电路的媒介传输到次级301）与存在于电源输出端上的负载直接相关。这是开关模式电源的工作原理。为了得到消耗电流的图像，整流电路（由二极管320构成）和积分电路（由元件321、322和323构成）对次级绕组301端子处可用的电压取平均。

然后，将平均电压Vag1与参考电压比较，以在输出电压+Vout与平均电压之间的差达到预定阈值时，控制并联调节器308的端子之间的短路。根据本实施例，参考电压由晶体管326的基极-发射极结提供。

然后，当晶体管326的基极-发射极电压使得基极电流可以流动时变为饱和。然后，饱和的晶体管326作为闭合的开关工作，因此使得晶体管329可以饱和。饱和的晶体管329使得并联调节器308短路，这导致光耦合器的发光二极管（LED）305完全饱和。电阻器324和325的值可以定义预定的电流阈值。根据本发明的一个实施例，电流不能被直接测量，而是通过作为媒介的电压图像测得。

根据一个变型例，例如使用电流测量电阻器直接测量电流，尽管这种解决方案代价更加高昂，并消耗更多功率。

当开关操作被中断时，由于存储在大容量电容器304中的电能被电路中不同的元件（主要是光耦合器的饱和的二极管305）逐渐消耗，因此开关模式电源模块1的输出电压Vout会逐渐减小。当存储在大容量电容器304中的电能不再足够使得光耦合器的LED二极管305饱和时，控制开关操作的PWM控制电路就重新激活开关操作，电源再次开始工作。大容量电容器304端子处的电压+Vout再次增加，测量电流使得（如果必要的话）开关操作再次中断。这个操作循环以主要取决于大容量电容器304的值的频率重复执行。

打嗝模式的占空比定义为在其期间开关操作处于活动状态的周期与完整的循环周期的比率。根据本发明的实施例，实现高达1/24的比率是可能的。打嗝周期可以超过12秒。在未检测到负载或在非常低的负载时的残余功耗可以降至1/3甚至更低。

例如，图4所示的电路将10mA量级的阈值定义为，低于此阈值，电源就进入打嗝模式，在此模式中，对开关操作进行控制，以被周期性地中断和重启。

图4所示的电路描述了一种能够控制用于通过两根导线的媒介并且不使用来自设备2的控制信号或控制消息而将电能提供给设备2的开关模式电源模块1中的开关操作的装置。使用的方法包括：装置1000在开关模式电源模块1中测量负载电流（在电源输出处传递给设备2的电流），以及比较测得的负载电流和预定义的负载电流阈值。根据此方法，在第一时间段内测得的负载电流小于预定义的负载电流阈值的情况下，控制开关模式电源模块的开关操作实现开关操作的反复（周期性）激活和停用，直到在第二时间段内负载电流的测量值再次大于预定义的负载电流阈值一段。

预定义的阈值以及第一和第二时间段在电路设计过程中定义，特别是通过定义电路中电子元件的值来定义。

根据本发明的实施例，第一时间段由抗瞬态滤波器（诸如由元件309和310构成的RC滤波器或由元件321和322构成的RC滤波器）的至少一个时间常数定义。根据本发明的一个实施例，第二时间段由电源滤波电路（诸如图4中的次级电容器304）的时间常数定义。

根据一个变型例，第二时间段定义由电源次级特有的大容量电容器（诸如图4中的大容量电容器304）的时间常数定义。

根据本发明的一个实施例，测量负载电流采用生成与开关模式电源模块1次级绕组端子处的平均整流电压成比例的电压（诸如例如电压Vag1）的方法。

图5示出了图4中所示的电流测量电路的一种变型，其能够在减少使用的元件的数目的同时根据图4中所示电路相同的原理工作。

图6示出了根据本发明实施例的用于控制电源模块中的开关操作的方法。

步骤S1对应于在开启开关模式电源模块之后的稳定模式下的初始状态。步骤S2对应于测量由开关模式电源模块1向被供电设备2传送的负载电流。根据本发明的这个实施例，测量由图2中所示的模块107执行。

步骤S3对应于比较由模块107测得的电流和电流参考值。根据本发明的这个实施例，电流参考值由电流参考模块109传送。比较由图2中所示的比较器模块110执行。

步骤S4对应于控制开关操作。根据由开关模式电源模块1向被供电设备2传送的负载电流Iout的值是小于还是大于预定义的负载电流阈值，进行不同的开关操作控制（特别是通过图2中所示的模块111、112、115、116和117进行）。这意味着，当测得的负载电流小于预定义的电流阈值时，开关操作被周期性地中断以节省功率。并且，当负载电流大于预定义的负载电流阈值时，开关操作是连续的。

当然，本发明并不局限于前面描述的实施例。本发明还涉及所有集成在电源模块中能够在不使用控制信号或消息的情况下自治运行以为了达到降低在没有负载或负载非常小的情况下的功耗的目的控制开关操作的负载电流测量电路。

Claims (12)

1.一种开关模式电源，包括：

具有绕组的变压器；

电源开关，响应于开关模式控制信号，并且耦合到所述变压器，在所述绕组中产生周期性电压脉冲；

第一整流器，被耦合到所述变压器，对所述周期性电压脉冲进行整流，以产生被耦合至负载电路的第一整流电压，所述第一整流电压在所述负载电路中产生负载电流；

第二整流器，被耦合到所述变压器，对所述绕组中的周期性电压脉冲进行整流，以在所述第二整流器的输出端产生第二整流电压脉冲，使得在所述负载电流出现降低时所述第二整流器的输出端处的第二整流电压脉冲的平均值降低；

控制电路，响应于所述第一整流电压，产生所述开关模式控制信号，所述开关模式控制信号耦合至所述电源开关以调整所述第一整流电压；

电流测量电路，耦合至所述第二整流器的输出端，感测所述第二整流器的输出端处的所述第二整流电压脉冲的所述平均值以产生输出信号；以及

比较器，耦合至所述电流测量电路，并且响应于所述电流测量电路的输出信号，所述比较器经由所述控制电路耦合至所述电源开关，使得所述控制电路根据所述电流测量电路的输出信号的幅值，周期性地中断和重新激活所述电源开关。

2.如权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述开关模式电源以脉冲宽度调制(PWM)模式操作。

3.如权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述电流测量电路包括电阻器和电容器。

4.如权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述绕组是所述变压器的次级绕组。

5.如权利要求1所述的开关模式电源，其中，在输出电压与平均电压之间的差达到阈值时，中断所述电源开关。

6.如权利要求5所述的开关模式电源，其中，当在第一时间段期间所述电流测量电路的输出信号保持低于所述阈值时，周期性地中断和重新激活所述电源开关。

7.如权利要求6所述的开关模式电源，其中，所述第一时间段由抗瞬态滤波器(111)的时间常数定义。

8.如权利要求1所述的开关模式电源，其中，在第二时间段期间，周期性地中断所述电源开关，所述第二时间段由重新激活之前的电源的滤波器电路的时间常数定义。

9.如权利要求8所述的开关模式电源，其中，所述第二时间段由大容量电容器的时间常数定义，所述大容量电容器在所述产生期间传递在所述绕组的端子处可用的功率。

10.如权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述电流测量电路产生的所述输出信号是平均信号，所述平均信号是负载电流的图像。

11.如权利要求1所述的开关模式电源，其中，经由除在所述变压器和所述负载电路之间以及在所述负载电路中形成的负载功率路径之外的信号路径产生所述输出信号。

12.一种在开关模式电源中周期性地中断开关操作的方法，所述开关模式电源包括具有绕组的变压器，所述变压器被耦合至响应于开关模式控制信号的电源开关，所述方法包括：

在所述绕组中产生周期性电压脉冲；

对所述周期性电压脉冲进行整流，以产生被耦合至负载电路的第一整流电压，所述第一整流电压在所述负载电路中产生负载电流；

对所述周期性电压脉冲进行整流，以在第二整流器的输出端产生第二整流电压脉冲，使得在所述负载电流出现降低时所述第二整流器输出端处的第二整流电压脉冲的平均值降低；

产生所述开关模式控制信号，所述开关模式控制信号被耦合至所述电源开关以调整所述第一整流电压；

感测所述第二整流电压脉冲的所述平均值，以响应于所述第二整流电压脉冲产生输出信号；以及

根据所述输出信号的幅值，周期性地中断和重新激活所述电源开关。