CN103650309A - 具有动态滤波的电源系统 - Google Patents

Abstract

公开了电源系统（10）和方法（150）。系统（10）包括功率转换器（16），用于基于从AC电源电压生成的输入电压来向负载（12）提供输出电压。系统（10）还包括功率监视器（16），用于监视负载（12）。系统（10）还包括滤波器级（14），用于对功率转换器（16）从AC电源电压生成的高频电流动态滤波以基本最大化与电源系统（10）相关联的功率因数。

Description

具有动态滤波的电源系统

背景技术

功率转换器可以实现在多种电子设备中以将输入电压转换成输出电压。作为示例，一些功率转换器可以被配置为将诸如从公用电力提供的交流（AC）电压转换成诸如直流（DC）电压的另一电压。可以典型地要求电磁干扰（EMI）滤波器满足国际指南，该国际指南用于通过输入电源软线（line cord）输出的高频的注入。这些滤波器通常是无源元件，其对于输入电源可以是恒定负载。

附图说明

图1示出了电源系统的示例。

图2示出了EMI滤波器级的示例。

图3示出了电源系统的另一示例。

图4示出了用于在电源系统中动态提供EMI滤波的方法的示例。

具体实施方式

图1示出了电源系统10的示例。例如，电源系统10可以实现在诸如计算机或服务器系统的多种电子设备的任何一种中。电源系统10可以被配置为从交流（AC）电源向负载12提供功率，该交流电源在图1的示例中展示为AC电源电压V_AC。电源系统10还包括滤波器级14，其对在来自电源电压V_AC的输入电压V_IN处生成的高频电流进行滤波。作为示例，滤波器级14可以实现为EMI滤波器级，其包括一个或多个诸如电容器的无源滤波器部件的集合，该集合可以被配置为满足满负载条件期间的规范，诸如国际噪声规范。如本文所使用的，满负载条件可以对应于超过诸如根据预定规范的预定阈值的重负载条件。滤波器级14还可以包括整流器，使得输入电压V_IN可以是直流（DC）电压。电源系统10还包括功率转换器16，其被配置为基于输入电压V_IN来生成输出电压V_OUT。因此提供输出电压V_OUT-以向负载12供电。

作为示例，功率转换器16可以被配置为多种功率转换器类型中的任何一种，诸如降压转换器、升压转换器、降压/升压转换器或谐振功率转换器。功率转换器16因此可以实现为开关转换器以响应于一个或多个电源开关的激活而生成输出电压V_OUT。例如，这些开关可以被配置为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其提供流过电感器的电流以生成输出电压V_OUT。功率转换器16可以采用其他类型的开关设备。作为另一示例，功率转换器16可以被配置为功率因数修正（PFC）功率转换器，其被配置为调节输出电压V_OUT以及与输入电压V_IN相关联的输入电流。负载12可以实现为单独的DC/DC转换器，其被配置为基于输出电压V_OUT来进一步调节提供给多种电子部件中的任何一种的电压。负载可以实现为其他类型的电路。

因为从AC电源提供电源电压V_AC，所以无源部件（例如，电容器）可以吸取基本恒定的电流。该恒定电流可以成为进入滤波器级14的总均方根（RMS）电流的重要贡献者。如本文所使用的，功率因数可以被计算为递送的总功率与RMS电压和RMS电流的乘积之比。因此，当对于功率的相同量值RMS电流减少时，功率因数增加。然而，在轻负载条件期间，电源系统10的功率因数可能基于恒定电流对总RMS电流的贡献而大大减小。

结果，滤波器级14可以被配置为基于负载12要求的功率来动态调整其对来自电源电压V_AC的输入电压V_IN中的高频电流的滤波。在图1的示例中，电源系统10包括功率监视器18，其被配置为监视电源系统10的诸如用于量化负载12的功率。尽管图1的示例展示功率监视器18耦合到输出电压V_OUT，但是应当理解，功率监视器18可以耦合到电源系统10的一个或多个其他部分以获得电源系统10的功率以供在量化负载特性中使用。功率监视器18向控制器20提供功率指示信号PWR。作为示例，功率指示信号可以是具有与功率成比例的量值的电压信号，其量化负载特性。

控制器20可以被配置为基于功率指示信号PWR来量化负载12（例如，功耗水平）。例如，控制器20可以确定电源系统10正在满负载条件、轻负载条件还是在其间某处操作。作为示例，控制器20可以将指示（例如，得自功率指示信号PWR的）负载特性的值与最大额定负载或与一个或多个阈值进行比较，以确定电源系统10正在满负载条件还是在轻负载条件中操作。因此，控制器20可以被配置为基于功率指示信号PWR经由一个或多个开关信号SW来动态控制滤波器级14对至电源电压V_AC的高频电流的滤波，功率指示信号PWR对应于负载的量值。即，控制器可以依赖于电源系统10正在满或重负载条件还是在轻负载条件中操作来动态控制滤波器级14。

在图1的示例中，滤波器级14包括可以与滤波器级14的无源滤波器部件（例如，电容器）串联布置的一个或多个开关22。控制器20因此可以在满或重负载操作条件中激活一个或多个开关22以提供开关信号SW来将无源滤波器部件耦合到滤波器级14。可替代地，控制器20可以在轻负载操作条件中提供开关信号SW来选择性地解激活一个或多个开关22以将无源滤波器部件从滤波器级14解耦合。作为示例，控制器20可以被编程（例如，包括存储在存储器中的机器可读指令或采用嵌入的逻辑）为在功率指示信号PWR指示的各个负载量值处标识一个或多个开关22中的哪些可以被解激活来解耦合无源滤波器部件，以维持符合关于至电源电压V_AC的高频分量的滤波的规范要求。以该方式，所标识的一个或多个开关22的解激活可以导致电源系统10的功率因数在轻负载条件期间增加。因此，电源系统10可以被配置为在轻负载操作条件期间以优化的功率因数向负载12提供足够的功率，而仍然符合关于从功率转换器16至电源电压V_AC的高频电流的EMI滤波的规范要求。

图2示出了EMI滤波器级50的示例。EMI滤波器级50可以对应于图1的示例中的滤波器级14。因此，为了附加的上下文，在图2的示例中可以做出对图1的示例的参考。

EMI滤波器级50包括数量为N的多个电容器和对应的数量为N的多个开关，在图2的示例中分别展示为C₁至C_N和S₁至S_N。作为示例，开关S₁至S_N可以被配置为多种场效应晶体管（FET）中的任何一种。电容器C₁至C_N中的每一个与开关S₁至S_N中的相应一个串联布置，串联连接中的每一个通过电感器相分离，电感器在图2的示例中展示为L₁至L_N-1。EMI滤波器级50还包括将电容器C₁和开关S₁的分支与电容器C2和开关S2的分支相分离的电感器L_R。因此，EMI滤波器级50包括可以提供对电源电压V_AC的EMI滤波的多个无源电路部件，电源电压V_AC被供应到EMI滤波器级50的输入。尽管图2的示例展示电容器C₁至C_N的数量等于各个开关S₁至S_N的数量，但是应当理解，EMI滤波器级50可以包括更少的开关。此外，在图2的示例中，EMI滤波器级50还包括整流器52，其被配置为对电源电压V_AC整流以生成作为对应的DC电压的输入电压V_IN。

图1的示例中的控制器20可以被配置为诸如基于功率指示信号PWR所指示的负载12的量值来经由各个开关信号SW₁至SW_N来激活和解激活开关S₁至S_N。结果，控制器20可以选择性地将各个电容器C₁至C_N与EMI滤波器级50耦合和解耦合。如本文所描述的，当激活（即，闭合）相应的开关S_X时，给定电容器C_X耦合到EMI滤波器级50，使得而给定电容器C_X向EMI滤波器级50提供电容以对电源电压V_AC的滤波做贡献。因此，类似地，当解激活（即，断开）相应的开关S_X时，给定电容器C_X从EMI滤波器级50解耦合，使得给定电容器C_X不向EMI滤波器级50提供电容并因此不对针对电源电压V_AC的滤波做贡献。

EMI滤波器级50可以被设计为诸如基于电容器C₁至C_N的大小设定来在满负载操作条件处对于（例如，根据国际指南的）规范提供EMI滤波。因此，在满负载操作条件期间，控制器20可以在满负载操作条件期间经由各个开关信号SW₁至SW_N激活所有的开关S₁至S_N以根据规范针对电源电压V_AC提供足够的滤波。然而，响应于确定电源系统10正在轻负载条件中操作，控制器20可以经由各个开关信号SW₁至SW_N选择性地解激活开关S₁至S_N中的一个或多个以动态调整对从功率转换器16至电源电压V-----_AC的高频电流的滤波。

作为示例，控制器20可以确定在负载12的小于满负载条件的给定量值处（即，在轻负载条件中）足以维持针对电源电压V_AC的滤波调节的电容的量。因此，控制器20可以经由各个开关信号SW₁至SW_N解激活开关S₁至S_N中的一个或多个以将各个电容器C₁至C_N从EMI滤波器级50解耦合。作为示例，可以将电容器C₁至C_N设定大小为基本相同，使得电容器C₁至C_N中的每一个对EMI滤波器级50贡献近似相同的电容的量。作为另一示例，电容器C₁至C_N中的每个可以具有相对于彼此的独特大小，使得电容器C₁至C_N中的每一个对EMI滤波器级50贡献不同的电容的量。例如，电容器C₁至C_N中的每一个可以通过二的幂递增得更大，使得可以基于对应于EMI滤波器级50的电容的量的二进制代码来提供开关信号SW₁至SW_N。结果，控制器20可以相对于规范基于负载12的量值选择性地解激活开关S₁至S_N来提供EMI滤波器级50的电容值的范围，以基本上最大化与电源系统10相关联的功率因数。

图3示出了电源系统100的另一示例。电源100包括EMI滤波器级102、功率转换器104以及负载106，诸如可以分别对应于图1的示例中的EMI滤波器级14、功率转换器16以及负载12。因此，为了附加的上下文，在以下对图3的示例的描述中可以做出对图1的示例的参考。

EMI滤波器级102包括数量为N的多个电容器和相应的数量为N的多个开关，在图3的示例中分别展示为C₁至C_N和S₁至S_N。电容器C₁至C_N中的每一个可以与开关S₁至S_N中的相应一个串联连接，串联连接中的每一个通过电感器相分离。尽管图3的示例仅展示了电感器L₁和L_R，但是应当理解，EMI滤波器级102可以包括分离电容器C₁至C_N与各个开关S₁至S_N的串联连接的附加电感器。此外，尽管图3的示例展示电感器L----_R被布置为相对于电感器L₁的差分电感器（differential inductor），但是应当理解，电感器L_R和L₁可以被布置为相对于彼此的共模电感器。因此，与图2的示例中所描述的类似的，EMI滤波器级50包括可以基于各个开关信号SW₁至SW_N的状态来提供针对电源电压V_AC的EMI滤波的多个无源电路部件。

此外，在图3的示例中，EMI滤波器级102还包括整流器108，其被配置为对电源电压V_AC整流以生成作为DC电压的输入电压V_IN。在图3的示例中，电容器C_N和开关S_N展示在整流器108的输出处。尽管图3的示例在整流器108的输出处展示单个电容器和相应的单个开关，但是应当理解，在整流器108的输出处可以布置任意数量的电感器L₁至L_N-1、电容器C₁至C_N以及相应的开关S₁至S_N。

将输入电压V_IN提供给功率转换器104。在图3的示例中，功率转换器104被配置为功率因数修正升压转换器。功率转换器104包括耦合到在图3的示例中展示为N型金属氧化物半导体FET（MOSFET）的开关Q-₁的升压电感器L_BOOST，开关Q₁由选通信号G来控制。因此，电流I_L流过升压电感器L_BOOST以生成跨输出电容器C--_OUT的输出电压V_OUT。二极管D₁被布置为绕过升压电感器L_BOOST以在功率转换器104的启动期间对输出电容器C--_OUT充电。激活开关Q₁以传导电流I_L来反向偏置二极管D₂，从而允许输出电容器C--_OUT放电到负载106中。电流I_L因此可以流过电阻器R₁，电阻器R₁充当功率因数修正反馈路径以设置跨电阻器R₁的电流来遵循电源电压V_AC-的波形。功率转换器104因此被配置为功率因数修正升压转换器，其被配置为调节从整流器108的输出提供的输入电流I_IN和输出电压V-_OUT二者，输出电压V_OUT被以大于输入电压V_IN的量值提供给负载106。

作为示例，负载106可以被配置为DC/DC功率转换器，使得负载106可以调节基于输出电压V-_OUT生成的附加输出电压。诸如图1的示例中的功率监视器18的功率监视器可以诸如基于供应给负载106的输出电压V_OUT来监视电源系统100的功率。功率监视器因此可以向诸如图1的示例中的控制器20的控制器提供负载106的量值的指示。作为响应，控制器可以基于负载106的量值（例如，在轻负载条件中）来选择性地解激活EMI滤波器级102中的开关S₁至S_N中的一个或多个以最大化电源系统100的功率因数，同时维持符合与EMI滤波器级102相关联的滤波规范。

鉴于上文描述的前面的结构和功能特征，参照图4将更好地理解示例方法。尽管出于解释简单的目的将图4的方法示出和描述为连续地执行，但是应当理解和意识到，该方法并不受所示出的顺序的限制，因为该方法的部分可以按与本文所示出和描述的顺序不同的顺序和/或并发地发生。

图4示出了用于控制电源系统的输出电流的量值的方法150的示例。在152处，基于从AC电源电压（例如，图1的电源电压V_AC）生成的输入电压（例如，图1的输入电压V_IN）来向负载（例如，图1的负载12）提供输出电压（例如，图1的输出电压V_OUT）。输出电压可以由动态滤波器（例如，图1的滤波器14）来供应。在154处，监视负载的量值。例如，可以由功率监视器（例如，图1的功率监视器18）基于供应给负载的电压、电流或电压和电流来监视负载。在156处，基于规范来确定负载的量值对应于满负载条件还是轻负载条件。在158处，在满负载条件中激活开关（例如，图2的开关S₁至S_N）以将电容器（例如，图2的电容器C₁至C_N）耦合到EMI滤波器级（例如，图1的EMI滤波器级14），EMI滤波器级被布置为对至AC电源电压的高频电流进行滤波。例如，开关系统可以（例如由图1的控制器20）基于检测到的负载条件被选择性控制以动态调整对输入AC电压的滤波。在160处，在轻负载条件中可以解激活开关以将电容器从EMI滤波器级解耦合。方法150在操作期间可以重复以如本文所公开那样依赖于负载条件来动态调整EMI滤波器级的滤波器特性。

上文已经描述的内容是示例。当然不可能描述部件或方法的每一个可设想的组合，但是本领域的普通技术人员将认识到，许多进一步的组合和排列是可能的。因此，本发明意图涵盖落入包括所附权利要求书的本申请的范围内的所有此类替代、修改和变型。如本文所使用的，术语“包括”意指包括但不限于，术语“包含”意指包含但不限于。术语“基于”意指至少部分地基于。另外，在本公开或权利要求书记载了“一”、“一个”、“第一”或“另一”元素或其等同物的情况下，其应当解释为包括一个或多于一个此类元素，既不要求也不排除两个或更多此类元素。

Claims (15)

1. 一种电源系统（10），包括：

功率转换器（16），用于基于从AC电源电压生成的输入电压来向负载（12）提供输出电压；

功率监视器（18），用于监视负载（12）的条件；以及

滤波器级（14），用于对功率转换器（16）基于负载（12）的条件从AC电源电压生成的高频电流动态滤波以基本上最大化与电源系统（10）相关联的功率因数。

2. 如权利要求1所述的系统，还包括控制器（20），用于从功率监视器（18）接收指示负载（12）的负载信号，并基于负载（12）和基于规范来控制滤波器级（14）的电容。

3. 如权利要求2所述的系统，其中，滤波器级（14）包括电磁干扰滤波器（EMI）滤波器级（14），EMI滤波器级（14）包括串联耦合的开关（22）和电容器，控制器（20）响应于轻负载条件而经由开关（22）解耦合EMI滤波器电容器。

4. 如权利要求2所述的系统，其中，滤波器级（14）包括串联耦合到相应多个电容器的多个开关（22），控制器（20）用于基于负载（12）经由相应多个开关（22）来选择性地解耦合多个电容器。

5. 如权利要求4所述的系统，其中，多个电容器中的每一个具有独特的电容值。

6. 如权利要求4所述的系统，其中，输入电压是DC电压，并且其中，滤波器级（14）包括用于将AC电源电压转换成DC输入电压的整流器（52）。

7. 如权利要求6所述的系统，其中，多个开关（22）和多个电容器的第一部分被布置在整流器（52）的输入处，并且多个开关（22）和多个电容器的第二部分被布置在整流器（52）的输出处。

8. 如权利要求1所述的系统，其中，功率转换器（16）被配置作为功率因数修正功率转换器（104）。

9. 一种电源系统（10），包括：

功率转换器（16），用于基于从AC电源电压生成的输入电压来向负载（12）提供输出电压；

功率监视器（18），用于监视负载（12）的条件；

EMI滤波器级（14），其包括与相应的多个电容器串联耦合的多个开关（22），用于对AC电源电压进行滤波；以及

控制器（20），用于基于负载条件和基于规范来选择性地激活和解激活多个开关（22）以动态控制EMI滤波器级（14）的电容，以基本上最大化与电源系统（10）相关联的功率因数。

10. 如权利要求9所述的系统，其中，多个电容器中的每一个具有不同的电容值。

11. 如权利要求9所述的系统，其中，输入电压是DC电压，并且其中，EMI滤波器级（14）包括用于将AC电源电压转换成DC电压的整流器（52）。

12. 如权利要求9所述的系统，其中，功率转换器（16）被配置为功率因数修正功率转换器（104）。

13. 一种用于在电源系统（10）中动态提供EMI滤波的方法（150），所述方法包括：

基于从AC电源电压生成的输入电压来向负载（12）提供输出电压；

量化负载条件；

确定所量化的负载条件对应于满负载条件还是轻负载条件；

在满负载条件中激活开关（22）以将电容器耦合到EMI滤波器级（14），EMI滤波器级（14）被布置为对至AC电源电压的高频电流进行滤波；以及

在轻负载条件中解激活开关（22）以将电容器从EMI滤波器级（14）解耦合。

14. 如权利要求13所述的方法，其中，激活开关（22）包括在满负载条件中激活多个开关（22）以将相应多个电容器耦合到EMI滤波器级（14），并且其中，解激活开关（22）包括在轻负载条件中基于负载（12）的量值选择性地解激活多个开关（22）以选择性地将相应多个电容器从EMI滤波器级（14）解耦合。

15. 如权利要求14所述的方法，还包括通过功率转换器（16）将输入电压转换成输出电压。

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