CN104115400A - 具有用于形成具有多级电压的脉冲的多个电容器单元的脉冲形成网络（pfn）以及形成这样的脉冲的方法 - Google Patents

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CN104115400A
CN104115400A CN201380009035.5A CN201380009035A CN104115400A CN 104115400 A CN104115400 A CN 104115400A CN 201380009035 A CN201380009035 A CN 201380009035A CN 104115400 A CN104115400 A CN 104115400A
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Abstract

一种生成模式化脉冲的方法。该方法包括利用多个电荷对多个电容器单元进行充电，并且将多个经充电的电容器单元顺序耦合至至少一个电调节器以便允许向负载传递具有所期望的多级电压波形的经调解激励脉冲。该电调节器连接至负载。

Description

具有用于形成具有多级电压的脉冲的多个电容器单元的脉冲形成网络(PFN)以及形成这样的脉冲的方法
技术领域和背景技术
本发明在其一些实施例中涉及一种脉冲形成网络(PFN)，尤其但并非唯一地涉及一种具有多个电容器单元的PFN。
脉冲形成网络(PFN)是一种被设置为对一段时间内的电能进行累加并且针对各种脉冲功率应用而以持续时间相当短的脉冲的形式释放所累加的能量的电气组件的装置。在实践中，PFN利用高压电源进行供电并且随后快速向负载进行放电。该负载可以是诸如速调管或磁控管的高功率微波振荡器、诸如脉冲氙灯的闪光灯、灯丝线、白炽灯和/或电磁铁。
在过去的数年间，已经研发出了个各种PFN。例如，美国专利号6965215描述了一种基于电容器的脉冲形成网络并且提供了相关方法，其需要被更频繁地脉冲的更少电感器以提供更小、较低质量且较低电感的脉冲形成网络，该脉冲形成网络具有比常规脉冲形成网络更好的脉冲整形特性。在一种实施方式中，该发明能够被表征为一种基于电容器的脉冲形成网络，其包括适于耦合至负载的多个电感器、多个电容器单元和多个开关。每个开关将相应电容器单元耦合至相应电感器，其中多个电容器单元通过单独开关耦合至每个电感器。该多个开关适于非同时地对多个电容器单元进行放电以通过给定电感器而并不通过其它电感器向负载提供非同时脉冲。该非同时脉冲形成去往负载的输出脉冲波形的至少一部分。
美国专利号7514820描述了一种基于电容器的脉冲形成网络和方法，其需要被更频繁地脉冲的更少电感器以提供更小、较低质量且较低电感的脉冲形成网络，该脉冲形成网络具有比常规脉冲形成网络更好的脉冲整形特性。在一种实施方式中，该发明能够被表征为一种基于电容器的脉冲形成网络，其包括适于耦合至负载的多个电感器、多个电容器单元和多个开关。每个开关将相应电容器单元耦合至相应电感器，其中多个电容器单元通过单独开关耦合至每个电感器。该多个开关适于非同时地对多个电容器单元进行放电以通过给定电感器而并不通过其它电感器向负载提供非同时脉冲。该非同时脉冲形成去往负载的输出脉冲波形的至少一部分。
发明内容
根据本发明的一些实施例，提供了一种脉冲形成网络(PFN)，其包括连接至负载的至少一个电调节器；多个电容器单元，其被设置为以多个工作输出电压存储多个电荷；多个开关，每个开关适于将多个电容器单元之一电耦合至至少一个电调节器；和控制单元，其经由至少一个电调节器按照顺序多个开关进行操作以将多个电荷放电至负载之中以形成具有所期望的多级电压波形的经调节激励脉冲。
可选地，每个电容器由针对相应工作输出电压进行调适的电源进行激励。
可选地，至少一个电调节器适于将每个工作输出电压的水平调节为不小于在向至少一个电调节器进行放电时的工作输出电压的最小值的90％的电压水平。
可选地，所期望的多级电压波形包括多个不同工作输出电压。
可选地，该控制单元对脉冲进行监视以识别与至少一个基准脉冲和之前所记录的由该PFN生成的脉冲的偏差。
更为可选地，该控制单元根据对波形的分析识别出多个电容器单元中的至少一个中的故障并且输出指示多个电容器单元中的哪一个出现故障的指示。
更为可选地，该至少一个电调节器根据序列脉冲进行调整，该序列脉冲根据来自多个电容器单元中的至少一个的反馈控制进行调整，该控制单元根据对该序列脉冲的分析识别出多个电容器单元中的至少一个中的故障并且相应地输出指示多个电容器单元中的哪一个出现故障的指示。
可选地，该多个电容器单元可拆除地连接至支撑结构。
可选地，该控制单元被设置为同时触发该多个电容器单元中的数个。
可选地，该控制单元被配置为顺序地触发多个电容器单元。
可选地，该控制单元被配置为对多个电容器单元中的至少一些进行监视并且输出指示该多个电容器单元中的哪一个并未正常工作的指示。
根据本发明的一些实施例，提供了一种脉冲形成网络(PFN)，其包括多个电容器单元；多个充电单元，每个充电单元电连接至多个电容器单元中的另一个，该多个充电单元被配置为利用具有多个电压的多个电荷对多个电容器单元进行充电；至少一个电调节器，其电连接至负载；和多个开关，每个开关将多个电容器之一耦合至至少一个电调节器并且进行电连接以便由控制单元进行控制。
可选地，每个开关经由防反向二极管耦合多个电容器单元之一。
可选地，至少一个电调节器包括多个点调节器，每个开关将多个电容器单元之一耦合至多个电调节器中的另一个。
可选地，该多个电容器单元被设置为利用多个不同电荷进行充电。
可选地，该多个开关被顺序触发以按顺序从相应电容器接收相应电荷而形成模式化激励脉冲。
更为可选地，该模式化激励脉冲具有方波波形。
可选地，该至少一个电调节器包括电压调节器。
可选地，该至少一个电调节器包括电流调节器。
可选地，该PFN进一步包括控制单元，其进行耦合以对多个开关进行控制。
更为优选地，该控制单元被设置为同时触发该多个开关中的数个。
更为优选地，该控制单元接收针对负载的所请求电荷水平并且根据该所请求电荷水平选择多个开关。
可选地，该PFN进一步包括控制单元，其进行耦合以监视每个电容器中的充电速率并且输出指示该多个电容器单元中的哪一个并未正常充电的指示。
可选地，该多个电容器单元中的至少一些中的每一个耦合至指示其是否正常工作的指示器。
可选地，该多个电容器单元可拆除地连接至该PFN。
可选地，每个电容器被反复充电。
可选地，该至少一个电调节器包括降压转换器。
可选地，该降压转换器具有与负载并行电连线的电感器。
可选地，该至少一个电调节器是由开关调节器和模拟调节器所组成的群组中的成员。
根据本发明的一些实施例，提供了一种生成模式化脉冲的方法。该方法包括a)利用多个电荷对多个电容器单元进行充电，和b)将多个被充电的电容器单元顺序耦合至至少一个电调节器从而允许向负载传递具有所期望的多级电压的经调解激励脉冲。该电调节器连接至负载。
可选地，该方法进一步包括重复a)和b)从而持续对负载进行充电。
根据本发明的一些实施例，提供了一种脉冲形成网络(PFN)，其包括多个模块，它们均包括：电容器单元，其存储电荷；充电单元，其进行电连接并被设置为对该电容器单元进行充电；电调节器，其电连接至负载；和开关，其将电容器单元耦合至该电调节器。该PFN进一步包括控制单元，其对多个模块中的每个开关进行控制而按顺序将每个电荷放电至负载中以形成具有所期望的多级电压波形的经调解激励脉冲。该多个模块中的每个调节器连接至共用负载。
可选地，该多个模块可拆除地连接至支撑部件。
可选地，该多个模块具有反向极性并且被设置为可互换地利用交变电流对负载进行激励。
可选地，该PFN进一步包括适于将多个模块中的至少一些同时且并行地连接至负载的电路。
可选地，该PFN进一步包括适于将该多个模块中的至少一些串行连接至负载的电路。
可选地，每个模块具有并行连接至负载的多个电调节器。
除非以其它方式进行定义，否则这里所使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明相关领域技术人员所普遍理解的相同的含义。虽然在实践或测试本发明的实施例时能够使用与这里所描述的那些相类似或等同的方法和素材，但是示例性的方法和/或素材在下文中进行描述。在冲突的情况下，包括定义在内的专利说明书将进行控制。此外，素材、方法和示例仅是说明性的且并非必然意在进行限制。
本发明实施例的方法和/或系统的实施方式可以涉及人工、自动或者以其组合来执行或完成所选择的人物。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和设备，若干所选择的人物能够通过硬件、软件或固件来实施，或者使用操作系统通过它们的组合来实施。
例如，用于执行根据本发明实施例的所选择任务的硬件可以被实施为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施例的所选择任务能够被实施为由计算机使用任意适当操作系统所执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施例中，根据这里所描述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器所执行，该数据处理器诸如用于执行多个指令的计算平台。可选地，该数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的例如磁性硬盘和/或可移动媒体的非易失性存储。可选地，还提供了网络连接。可选地，还提供了显示器和/或诸如键盘或鼠标的用户输入设备。
附图说明
这里参考附图仅通过示例对本发明的一些实施例进行了描述。现在详细参考附图，所要强调的是，它们是通过示例并且出于对本发明的实施例进行说明性讨论的目的而被特别示出。就此而言，利用附图所进行的描述使得本发明的实施例可以如何进行实践对于本领域技术人员是显而易见的。
在附图中：
图1A是根据本发明一些实施例的具有多个模块的PFN的示意性图示，每个模块具有经由电调节器而连接至负载的电容器单元；
图1B是描绘根据本发明一些实施例的示例性电路的图示，该电路被连接以形成如图1A所描绘的PFN；
图1C是描绘根据本发明一些实施例的示例性多模块电路的图示，其被连线以形成类似于图1A所描绘的PFN，其中每个模块具有两个或更多电调节器；
图1D是描绘根据本发明一些实施例的示例性多模块电路的图示，其被连线以形成类似于图1A所描绘的PFN，其中该模块被设置为对负载进行循环充电；
图2是根据本发明一些实施例的具有多个模块的另一种PFN的示意性图示；
图3A是描绘根据本发明一些实施例的具有图1A中所描绘的组件的PFN的示意性图示，该PFN具有中央电调节器；
图3B是根据本发明一些实施例的被连线以形成图3A所描绘的PFN的示例性电路；
图3C是根据本发明一些实施例的被连线以形成具有调节器的PFN的示例性电路，该调节器具有与负载并行的降压转换器(该负载与电感器并行连接)；
图3D-3F是描绘根据本发明一些实施例的使用如图3C所描绘的PFN所生成的具有短且高的峰值的方波波形的仿真的图形；
图3G是根据本发明一些实施例的被连线以形成PFN的示例性电路，该PFN用于通过将不同模块可交换地与反向极性相连接而利用交变电流对负载进行激励；
图3H是描绘根据本发明一些实施例的使用如图3C所描绘的PFN所生成的具有短且高的峰值的方波波形的仿真的图形；
图4是根据本发明一些实施例的从具有增加电压的多个电荷生成模式化脉冲的方法的流程图；和
图5、6和7是描绘根据本发明一些实施例的根据图4所描绘的方法和/或由与图1-3所描绘的PFN相类似的PFN所生成的增加、多级和减小的方波波形的仿真的图形。
具体实施方式
在其一些实施例中，本发明涉及一种脉冲形成网络(PFN)，尤其但并非唯一地涉及一种具有多个电容器单元的PFN。
根据本发明的一些实施例，提供了一种脉冲形成网络(PFN)，其被设置为向负载传递激励脉冲，该激励脉冲具有多个电容器电荷流动所形成的经调节的多级电压波形。该激励脉冲可选地被形成为利用不同电压对电容器单元的集合进行充电并均经由电调节器(electric regulator)将它们顺序地向负载进行放电。该PFN可选地包括电连接至负载的一个或多个电调节器，以及被设置为以多个不同水平的工作电压存储多个电荷的电容器单元。该PFN包括多个开关，或者用作多个开关的一个开关。每个开关用于将多个电容器单元中的一个电连接(或断开连接)至电调节器之一或中央电调节器。该PFN由操作开关的控制单元所控制。该控制单元对开关进行控制而经由电调节器按顺序将电容器单元的电荷放电至负载之中以形成激励脉冲，该激励脉冲具有所期望的经调节多级电压或电流波形，例如所期望的方波波形和可变阶跃波形。
可选地，每个电容器单元由电源充电,该电源作为充电器，与电容器的工作输出电压相适应。可选地，每个电容器单元连接至与其工作输出电压相适应的电调节器，例如开关(电子)调节器或模拟(电子)调节器。例如，该调节器用于将相应电容器单元的放电的电压水平调节至不小于其最小值的电压水平。可选地，中央调节器电线连接以对所有电荷进行调节。在这样的实施例中，中央调节器可以由控制单元进行控制而使得其调节与放电电容器单元的电压水平实时地适应。可选地，该PFN包括多个模块，每个模块具有连接至电容器单元的电源，该电容器单元经由电调节器进行连接。所有模块都经由相应调节器连接至共用负载。每个模块的所有组件都可选地被调节为某个工作输出电压。以这样的方式，电容器单元由与其工作输出电压相适应的电源所供电，并且因此没有或仅有很少充电电力被浪费。此外，在电容器的放电期间，由于电容器单元连接至被设置为对其工作输出电压进行调节的调节器，所以在电压调节期间仅少量的充电功率被浪费，例如大约10％的输入电压，这可选地取决于调节器的类型。可选地，每个模块和/或电容器单元连接至测试器电路，后者对模块中是否存在一个或多个缺陷进行实时检查。可选地，每个模块可拆除地连接至PFN而使得其可以按照需要被功能模块所替代。
根据本发明的一些实施例，提供了一种例如使用以上所概况并且在下文中进行描述的PFN生成激励脉冲的方法。该方法基于利用多个电荷对多个电容器进行充电并且将多个充电电容器顺序耦合至与负载连接的电调节器(中央调节器或电调节器的集合之一)从而向负载传递激励脉冲，该激励脉冲拥有具有所期望波形的经调节的多级电压。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，所要理解的是，本发明并非必然在其应用中被局限于以下描述中所给出和/或在附图和/或示例中所图示的组件和/或方法的构造和配置的细节。本发明支持其它实施例或者能够以各种方式来实践或执行。
现在参考图1A，其是根据本发明一些实施例的具有多个模块101的PFN100的示意性图示，每个模块101具有被连线以经由电调节器103和开关108而连接至负载106的电容器单元102。可选地，电容器单元102具有不同输出电压。以这样的方式，PFN 100可以通过产生并传递多个顺序调节的电荷而形成模式化激励脉冲，该电荷形成具有经调节的多级电压波形的模式化激励脉冲。如这里所使用的，激励意味着提供以电力。PFN 100可以被用来利用十倍于输入电荷或更多的能量对电容器单元102进行充电。在使用中，PFN 100的电容器单元102对相当长时间内的电能进行累加，并且随后在控制单元107的控制下以持续时间相当短的相对方形脉冲的形式顺序地释放所累加的电能。每个电容器102的放电水平与相应电调节器103的电压调节水平相关。例如，电调节器103将放电能量达到针对负载的大约为最小输入放电电压水平的90％的电压水平。可选地，放电能量的电流高于对电容器单元102进行加载的馈送电流。示例性负载106可以是诸如速调管或磁控管的高功率微波振荡器、诸如脉冲氙灯的闪光灯、或者白炽灯、处于加速瞬间的驱动器电机、诸如电机的电动汽车负载。激光二极管、电磁铁、Marx生成器、诸如CO2 TEA激光源的脉冲激光源、雷达、(当前正在研究的)融合发电机、粒子加速器、太阳仿真器、由DC电源进行激励的便携式太阳仿真器、用于HID CW灯具的调光镇流器驱动器，和/或利用具有经调节的多级电压的模式化激励脉冲进行激励的任意负载(具有两个或更多电压的DC或AC极性水平)。该多级电压波形可以具有各种形状，诸如方波波形、高斯波形和/或瘦集成电路或任意其它非正弦波形，诸如矩形波波形、斜波波形、三角波波形、上升波波形和锯齿波波形。根据本发明的其它实施例，电容器单元102具有相同或不同的输出电压水平。以这样的方式，PFN100可以利用具有基本上统一的调节电压的脉冲对负载106进行激励。图1B中描绘了根据本发明一些实施例的被连线以形成图1A所描绘的PFN的示例性电路。
由一个或多个隔离电源进行充电的电容器单元102可选地为高压电源。例如，在图1A中，电容器单元102由单个电源105进行充电。这样的电源105是对多个电容器单元102进行充电的共享电源105。在图2中，每个电容器单元102连接至另一个电源205，该图2是根据本发明一些实施例的具有多个模块101的另一种PFN 100的示意性图示。例如充电器的每个电源205单独连接至电容器单元102之一或者连接至具有共同的工作输出电压水平的电容器单元102的群组。以这样的方式，在一个或多个电容器单元由一个电源进行充电的同时，一个或多个其它电容器单元102由另一个电源进行充电。在这样的实施例中，每个电源205与所馈送的电容器单元102的电压水平对应。由于充电器和电容器的电压水平针对输出负载进行了对应，所以在电容器单元102的充电期间被浪费的能量更少。(多个)电源105、205可以是高功率电源，例如连接至电力线路和/或电池低功率电源集合的充电器。
可选地，一些或全部模块101连接至允许同时将它们中的一些或全部连接至负载106的电路。以这样的方式，模块101的输出可以被组合以利用比它们中的每一个的电流更高的电流形成放电。该电路将模块101并行连接而使得其输出是高电流的累加。应当注意的是，由于每个模块101的输出都经过调节，所以所相加的输出也是经过调节的。
除此之外或可替换地，一些或全部模块连接在允许在对负载106进行激励之前对其输出进行相加以提高放电电压的电路之中。以这样的方式，模块101的输出可以被组合以利用比它们中的每一个的电压更高的电压形成放电。该电路将输出模块101一个接一个地串行连续连接，而使得其输出是电压的累加并且高电压被应用于负载。应当注意的是，由于每个模块101的输出都经过调节，所以所相加的输出也是经过调节的。
可选地，诸如防反向二极管的二极管104被提供在电调节器103和负载106之间以防止电容器单元102在每个模块利用不同电荷对负载进行供电时变为负载。
可选地，每个电容器单元102连接至本地指示器或测试电路，后者被设置为指示其是否正确工作。可选地，该指示器电路包括在电容器正确操作时激活的发光二极管(LED)。
例如开关(电子)调节器或模拟调机器的可以被设置为对电压和/或电流进行调节的每个电调节器103保持恒定的电压水平和/或电流。如以下所描述的，所调节电压可以被自动设置或者由控制单元107进行选择。根据该设计，电调节器103可以被用来调节一个或多个直流(DC)电压和/或来自电容器单元102的电流。由于电调节器103保持恒定的电压水平和/或电流，所以如被负载106所接收的每个模块101的输出能够事先被评估。所有电调节器103都连接至负载106。应当注意的是，由于电荷具有已知且恒定的电压，所以必须进行调节的电压范围是有限的并且因此可以使用被设置为对Δ输入电压的有限动态范围进行调节的低成本电调节器。应当进一步注意的是，由于被限制在其工作输出电压水平的电调节器103同时和非同时操作和/或指定电源的使用，减小了电磁干扰(EMC)对于PFN 100的影响。此外，当使用多个电调节器103时，电流在相对短的间隔内通过每个电调节器103向负载106流动。因此，可以使用相对细的连线和/或小的功率设备和集成电路对负载106进行经调节充电。
可选地，一些或全部模块101的电容器单元102被连接至数个电调节器，每个电调节器如103中所示。例如，图1C描绘了与图1A所描绘的相类似的被电线连接以形成PFN的示例性多模块电路，其中每个模块101具有两个(或更多)电调节器103。这允许使用具有高电压电位的电容器单元102，该高电压电位具有更高的功能持续时间。
根据本发明的一些实施例，PFN 100被设置为连续生成具有经调节的多级电压的激励脉冲。
在这样的实施例中，每个电容器单元102的充电和放电周期被调适而使得放电被恒定传输至负载106。例如，对于使用N个电容器单元102并且每个电容器单元102的充电周期为X的示例而言，则(N-1)*X表示充电周期。例如，图1D是描绘与图1A所描绘的相类似的被连线以形成PFN的示例性多模块电路的图示，其中所有模块被连接至共用负载并且被设置为对负载106进行循环充电。当负载被连续充电时，电源认为负载106是具有固定电阻值的电阻器而不是具有可变消耗的负载。当负载被连续充电时，脉冲可以具有可变化形式并且脉冲周期的长度可以从空值变为无限大。这样的示例性多模块电路可以被用来在没有功耗选取(power consumption pick)的情况下对诸如引擎之类的负载进行激励。
现在还参考图3A，其是描绘根据本发明一些实施例的具有图1A所描绘的组件的PFN 300的示意性图示，其具有中央电调节器303而不是电调节器103。例如，可以使用包括诸如降压转换器的降压DC至DC转换器的电调节器303。图3B中描绘了根据本发明一些实施例的被电线连接以形成图3A中所描绘的PFN的示例性电路。在这样的实施例中，所有电容器单元102都被电线连接以经由中央电调节器303将其电荷放电至负载106中。在这样的实施例中，中央电调节器303可以由控制单元107进行控制从而以可变化的方式对从电容器单元102放电的电压进行调节。
根据本发明的一些实施例，PFN 100、200、300被调适以对负载进行激励，该负载并行连接至(多个)电调节器103的降压转换器的电感器(例如，线圈)。这允许将在短时间内具有高安培的能量放电至负载106。例如，现在参考图3C，其是根据本发明一些实施例的被电线连接以形成具有调节器的PFN的示例性电路，该调节器具有与负载106并行连线的降压转换器，该负载106可选地为激光二极管的阵列。例如，被标记以附图标记330的电路部分是包括降压转换器的调节器。电感器可选地接地。当任意开关333处于关闭状态时，负载106并行于相应电感器(L1、L2、L3和L4)被激励。在使用中，诸如C1的电容器单元由例如S4的开关指示至降压转换器。当该降压转换器例如S3的开关被连接时，电荷如利用字母A所标记的圆形中所描绘那样进行流动，并且当该开关断开连接时，电荷如利用字母B所标记的圆形中所描绘那样进行流动。这允许对相应电感器(圆形A)进行充电并且存储被充电的相应电感器(圆形B)直至其并行于负载被释放，如利用字母C所标记的圆形中所描绘的。这允许利用具有经调节的多级电压的激励脉冲对负载进行充电，该多级电压具有所期望的具有低和高的峰值，例如如图3D和3F中所描绘的。
此外，这允许利用例如图3E中所描绘的具有带所期望波形的经调节多节电压的激励脉冲对负载进行充电，该所期望波形具有顺序的高的峰值。
根据本发明的一些实施例，PFN 100、200、300适于通过将不同模块101可互换地与反向极性相连接而利用交变电流对负载进行激励。例如，图3I描绘了PFN 500，其与图1A-1B中所描绘的PFN相类似，其中两个模块101被连接以利用交变电流可互换地对负载106进行激励。这允许利用例如图3H中所描绘的具有带所期望波形的经调节多级电压的激励脉冲对负载106进行充电，该所期望波形具有正的和负的振幅。这允许对诸如用于亮度调节的高强度放电(HID)灯的负载进行充电。当在不同模块101的连接之间设置延迟时，负载106中的均方根(RMS)有所减小并且因此所消耗的功率也有所减小。在该延迟周期期间，等离子的减少相对缓慢。允许高达大约100 KHz的频率的大约50％的延迟而从负载106所发出的光线的颜色质量没有任何实质性下降。
根据本发明的一些实施例，控制单元107被连线(电线连接)以控制和/或监视模块101。如这里所使用的，连线器件以允许在模块之间建立通信的方式进行连接。可选地包括微控制器的控制单元107可选地被连线以控制每个开关108，例如将其打开和闭合。例如，控制单元107确定每个开关闭合和/或打开的时序和/或周期长度。以这样的方式，控制单元107对串行或并行连接以对负载进行供电的电容器单元102的顺序和/或数量进行控制。例如，开关的数量可以根据所要求的电压和功率水平而变化。可选地，控制单元107控制开关108以将电容器单元102顺序或非顺序地进行连接从而形成例如以上所描述的具有统一电压波形或具有多级电压的波形的脉冲。可选地，控制单元107控制开关108以同时连接多个电容器单元102和/或将它们断开连接。以这样的方式，同时连接的电容器单元10所相加的电荷被传播至负载106并且对负载进行激励的电荷的电流有所增加。可选地，控制单元107控制开关108而使得每次进行连接以对负载106进行放电的电容器单元的数量在不同时间点发生变化。以这样的方式，对负载106进行激励的脉冲具有经调节的多级电压模式。
可选地，控制单元107连接至负载106以便测量其阻抗的变化。以这样的方式，控制单元107可以针对阻抗变化对模块101或其任意组件(102，103)进行调适。
可选地，控制单元107例如通过指示电源105、205利用具有某个电源的电荷对电容器单元102进行充电而对在每一个所连接的电容器单元102中进行充电的电荷进行控制。可选地，控制单元107对一个或多个电调节器103处的电压调节水平进行控制。
可选地，控制单元107对开关108、电源105、205和/或一个或多个电调节器103进行控制以输送具有多级电压波形的激励脉冲。例如，控制单元107在某个充电器205所提供的充电电压水平与某个充电电容器单元102的潜在电压水平之间进行匹配，和/或在某个充电电容器单元102中进行充电的电荷与相应电调节器103所设置的电压调节水平之间进行匹配。该控制允许避免冗余充电和/或冗余电压调节并且因此减少能量损失。
可选地，每个电容器单元102由针对其容量进行调适的电荷进行充电，例如由针对某个电源水平进行调适的电荷进行充电而使得其放电水平由电调节器103调节为不小于最小放电水平的大约90％的电压水平。例如，300v的最低电压的电荷被调节为大约270v的稳定电荷。
可选地，控制单元107可以对其打开和/或闭合开关的放电顺序进行调整，对其同时闭合和/或打开的开关的数量进行调整，对被放电至电容器单元中的电压水平进行调整，对一个或多个电调节器103的调节水平进行调整和/或调整。可选地，这些调整根据从诸如台式计算机、膝上计算机、平板电脑和/或智能电话的中央处理器(CPU)所接收的指令来执行，以可选地对每个模块中的电路进行单独控制，该指令例如从安装于其上的控制应用送接收。应当注意的是，该控制单元可以包括单个单独的控制单元。
该控制可以由从负载106接收反馈的中央计算单元所进行。可选地，多个控制单元被安装在PFN 100中。每个控制单元安装在另一个模块101中并且对从相应电容器单元102和/或电调节器103所释放的电荷进行监视。
控制的那样107可以是微控制器，诸如微芯片组的微控制器和/或Msp430Ti族的微控制器。
现在还参考图4，其是根据本发明一些实施例的从多个电流有所增加的电荷生成模式化脉冲的方法的流程图400，该电荷例如电容器所发起的电荷。如在401所示，可选地由通过任意的图1-3所描绘的任意PFN实施的方法400是基于利用多个电荷对诸如在101所示的多个电容器单元进行充电。可选地利用低电流电荷所进行的充电为电容器单元102加载以多种不同的有所增加的电流电荷。如在402所示，提供了例如从计算单元所接收，从存储器所计算和/或提取的定义多个电荷的放电顺序的序列。该顺序根据所期望的具有预定模式的激励脉冲而定义。该预定模式定义了诸如方波波形的多级电压波形。该波形包括多种不同的电压水平。该电压水平可以以正弦方式虽时间增加、减小和/或变化。这样的顺序或者用于生成这样的顺序的指令在这里可以被称作放电顺序。可选地，该放电顺序例如由与之连接的硬件和/或软件模块提供至控制单元107。
现在，如在403所示，每次一个或者每次一个或多个地经由诸如103或303的一个或多个电调节器将多个充电电容单元102针对共用负载顺序放电。该放电根据放电顺序来执行。例如，在使用中，控制单元107根据放电顺序打开和闭合开关108。如在404所示，该过程可以在任意次数的迭代进行重复。该放电顺序可以在各次迭代期间发生改变或保持不变。经由诸如103或303的一个或多个电调节器所执行的放电序列允许以各种模式来传递能量。例如，图5、6和7是描绘根据图4所描绘的方法和/或由图1-3中所描绘的PFN(没有控制单元)所进行的方法而生成的增加的、减小并增加的以及减小的方波波形的仿真的图形。在这些图形中，红色斜线仿真了电压水平在经由一个或多个电调节器103进行的每次放电的传递期间的电压水平变化(没有调节的影响)，绿线则仿真了经由一个或多个电调节器103所进行的每次放电的传递期间的电流变化的减小，而棕色虚线则仿真了每个放电在它们已经被一个或多个电调节器进行调节之后的估计电压水平。
根据本发明的一些实施例，PFN 100包括用于将一个或多个电调节器103连接至任意数量的负载的负载开关(未示出)。在这样的实施例中，具有PFN 100所生成的经调解多级电压波形的脉冲例如可以顺序地和/或根据用户选择而被传递至任意数量的负载。可选地，负载开关由控制单元107所控制。可选地，控制单元107根据负载开关模式而对被发送以对脉冲的经调解多级电压波形进行整形的指令进行调整，该指令例如发送至开关108、电调节器103和/或电容器单元102的指令。以这样的方式，不同负载可以被传递以具有不同的经调解多级电压波形的脉冲。
根据本发明的一些实施例，控制单元107被设置为监视每一个电容器单元102的功能。该监视可选地通过对PFN 100所生成的脉冲进行采样来执行。除此之外或可替换地，控制单元107被设置为监视每一个电调节器103的功能。这样的监视通过对用来调整调节器的序列脉冲进行采样来执行。
特别地，可以是对所有模块进行控制的中央控制单元或者在电调节器103中单独安装的设定控制单元的控制单元107包括脉冲序列调节模块，其通过控制调节脉冲的速率而对电调节器的输出值(例如，输出电压)进行控制。在优选实施例中，根据电容器单元102的输出电荷，来自控制单元103的连续脉冲序列输出被发送至每个电调节器103或者处于每个电调节器103。连续脉冲序列以例如100 KHz的高频进行操作。该控制单元根据连续脉冲序列的速率对调节的速率和/或水平进行调整。可选地，连续脉冲序列的速率根据操作电容器单元的序列而进行配合。以这样的方式，电调节器103在相应电容器单元102被放电之前进行调整。这确保了电容器单元102的放电即使在放电速率高的情况下也得到调节。
可选地，控制单元107进行耦合以根据来自相应电容器单元102的正向反馈或者根据来自负载106的反向反馈对每个电调节器103的工作输出电压进行调整。
可选地，控制单元107进行耦合以监视一些或全部电容器单元102中的充电速率，并且在有电容器单元没有正确充电的情况下输出指示哪个电容器单元并未正确充电的指示。在一些实施例中，控制单元107将所生成脉冲的波形与基准脉冲进行比较，该基准脉冲诸如之前所记录的波形和/或基准波形。可选地，例如由控制单元107以同步或非同步的方式对输出脉冲的波形进行采样并偶尔进行记录，该控制单元107可选地连接至电调节器103的输出。例如将所记录的波形用作基准波形，与电流脉冲的波形相匹配，通过识别脉冲中的一个或多个偏差，确定其准确性。对所检测偏差的分析可以指示哪一个提供电荷的电容器单元与其之前所生成的一个或多个电荷并不协调。由于电容器单元102的放电顺序是已知的，所以对脉冲的分析可以被用来单独评估每个电容器单元102的准确性。如果在第三电荷所生成的波形分段中检测到偏差，则已经在该第三放电分段中进行操作的电容器单元可能出现故障，并且例如可以通过操作一个或多个连接至控制单元107的指示性LED或显示器而向操作人员输出指示。
可选地，控制单元107进行耦合以监视用来将电调节器103处的调节水平针对电容器单元102的放电进行配合的序列脉冲。该监视允许接收与将其放电转发至电调节器103的电容器单元101的功能相关的指示。以这样的方式，控制单元101可以在PFN所生成的调节激励脉冲受到影响之前向用户通知出现故障的电容器单元101。
根据本发明的一些实施例，控制单元107连接至对被激励负载106的功能进行监视的一个或多个传感器。例如，如果该负载是闪光灯，则可以使用温度传感器和/或分光仪和/或光电二极管对热量和/或亮度进行验证，并且如果该负载是微波振荡器，则可以使用频率读取器来检查频率稳定性。在这样的实施例中，可以形成被设计为计算PFN 100的规律性的控制模块。
可选地，多个电容器单元102和/或多个模块101可拆除地连接至诸如板的支撑部件，后者对PFN 100的所有组件进行支撑。在这样的实施例中，操作人员可以在控制单元107指示故障时将任意电容器单元102和/或模块101断开连接并进行替换。这允许非专业人员和不熟练的技术人员在不必将PFN 100和/或包含PFN 100的设备发送至实验室和/或不必在并非所有模块出现缺陷时处置PFN 100的情况下对PFN 100进行维护和/或维修。
所预见到的是，在源自于本申请的专利的生命期间，将研发出许多相关设备和方法，并且术语电容器、电调节器、开关和支撑部件的范围意在推理性地包括所有这样的新技术。
如这里所使用的，术语“大约”是指±10％。
术语“包括”、“包括了”、“包含”、“包含了”、“具有”及其同源词意味着“包含但并不局限于”。该术语包含术语“由…组成”和“基本上由…组成”。
短语“基本上由…组成”意味着合成物或方法可以包括附加要素和/或步骤，但是这仅是在该附加要素和/或步骤并不实质性改变所请求保护的合成物或方法的基本和新颖特性的情况下。
如这里所使用的，除非上下文明确地另外指示，否则单数形式“一个”("a"、"an"和"the")包括复数形式。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括其混合物。
词语“示例性”在这里被用来表示“用作示例、实例或说明”。被描述为“示例性”的任意实施例都并非必然被理解为是相比其它实施例是优选或有利的和/或排除了来自其它实施例的特征的结合。
词语“可选地”在这里被用来表示“在一些实施例中提供而并不在其它实施例中提供”。本发明的任意特定实施例可以包括多个“可选”特征，除非这样的特征冲突。
贯穿本申请，本发明的各个实施例可以以范围的形式给出。应当理解的是，以范围的形式给出的描述仅是为了方便和简明而并不应当被理解为对于本发明范围的严格限制。因此，对范围的描述应当被理解为具有专门公开的所有可能子范围以及该范围内的个体数值。例如，对诸如从1至6的范围的描述应当被理解为具有专门公开的子范围，诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6，从3至6等，以及该范围内的个体数字，例如1、2、3、4、5和6。该应用于范围的宽度无关。
无论何时在这里指示了数字范围，其都意在包括所指示范围内任意的所引用数字(分数或整数)。短语“以第一指示数字和第二指示数字…为范围/它们之间的范围”以及“从第一指示数字到第二指示数字的范围”在这里可互换使用，并且意在包括第一和第二指示数字以及它们之间的所有分数和整数。
所要意识到的事，为了清楚而以单独实施例为背景所描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。襄樊地，为了简明而以单个实施例为背景所描述的本发明的各种特征也可以单独提供或者以任意子组合来提供，或者在适当情况下在本发明的任意其它所描述实施例中提供。以各个实施例为背景所描述的某些特征并不被认为是那些实施例的必要特征，除非该实施例在没有那些要素的情况下无法进行操作。
虽然已经结合其具体实施例对本发明进行了描述，但是显而易见的是，许多替换、修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，其意在包含所有这样的落入所附权利要求的精神和范围之内的替换、修改和变化。
该说明书中所提到的所有公开、专利和专利申请以如同作为每个体格公开、专利或专利申请被特别且单独指示为通过引用结合于此的相同范围而在这里以通过引用全文结合于说明书中。此外，本申请中对于任何参考的引用或标识并不应当被理解为认可这样的引用可用作本申请的现有技术。就所使用的分段标题的范围而言，它们并不应当被理解为必然进行限制。

Claims (37)

1.一种脉冲形成网络(PFN)，包括：
连接至负载的至少一个电调节器；
多个电容器单元，其被设置为以多个工作输出电压存储多个电荷；
多个开关，每个开关适于将多个电容器单元之一电耦合至至少一个电调节器；和
控制单元，其按照顺序对所述多个开关进行操作以经由所述至少一个电调节器将多个电荷放电至负载，以形成具有所期望的多级电压波形的经调节激励脉冲。
2.根据权利要求1的PFN，其中每个所述电容器由与相应的所述工作输出电压相适应的电源进行激励。
3.根据权利要求1的PFN，其中所述至少一个电调节器用于将每个所述工作输出电压的水平调节为不小于在向至少一个电调节器进行放电时的所述工作输出电压的最小值的90％的电压水平。
4.根据权利要求1的PFN，其中所述所期望的多级电压波形包括所述多个不同工作输出电压。
5.根据权利要求1的PFN，其中所述控制单元对所述脉冲进行监视以识别与基准脉冲和之前所记录的由所述PFN生成的脉冲中的至少一个的偏差。
6.根据权利要求3的PFN，其中所述控制单元根据对所述波形的分析识别出所述多个电容器单元中的至少一个中的故障，并且输出指出所述多个电容器单元中的哪一个出现故障的指示。
7.根据权利要求3的PFN，其中所述至少一个电调节器根据序列脉冲进行调整，所述序列脉冲根据来自所述多个电容器单元中的至少一个的反馈控制进行调整，所述控制单元根据对所述序列脉冲的分析识别出所述多个电容器单元中的至少一个中的故障并且相应地输出指出所述多个电容器单元中的哪一个出现故障的指示。
8.根据权利要求1的PFN，其中所述多个电容器单元可拆除地连接至支撑结构。
9.根据权利要求1的PFN，其中所述控制单元被设置为同时触发所述多个电容器单元中的数个。
10.根据权利要求1的PFN，其中所述控制单元被配置为顺序地触发多个电容器单元。
11.根据权利要求1的PFN，其中所述控制单元被配置为对所述多个电容器单元中的至少一些进行监视并且输出指出示所述多个电容器单元中的哪一个未正常工作的指示。
12.一种脉冲形成网络(PFN)，包括：
多个电容器单元；
多个充电单元，每个充电单元电连接至所述多个电容器单元中的另一个，所述多个充电单元被配置为利用具有多个电压的多个电荷对所述多个电容器单元进行充电；
至少一个电调节器，其电连接至负载；和
多个开关，每个开关将所述多个电容器之一耦合至所述至少一个电调节器并且进行电连接以便由控制单元进行控制。
13.根据权利要求12的PFN，其中每个所述开关经由防反向二极管耦合所述多个电容器单元之一。
14.根据权利要求12的PFN，其中所述至少一个电调节器包括多个电调节器，每个所述开关将所述多个电容器单元之一耦合至所述多个电调节器中的另一个。
15.根据权利要求12的PFN，其中所述多个电容器单元被设置为利用多个不同电荷进行充电。
16.根据权利要求12的PFN，其中所述多个开关被顺序触发以按顺序从相应的所述电容器接收相应电荷，形成模式化的激励脉冲。
17.根据权利要求16的PFN，其中所述模式化激励脉冲具有方波波形。
18.根据权利要求12的PFN，其中所述至少一个电调节器包括电压调节器。
19.根据权利要求12的PFN，其中所述至少一个电调节器包括电流调节器。
20.根据权利要求12的PFN，进一步包括控制单元，其进行耦合以对所述多个开关进行控制。
21.根据权利要求20的PFN，其中所述控制单元被设置为同时触发所述多个开关中的数个。
22.根据权利要求21的PFN，其中所述控制单元接收针对所述负载的请求的电荷水平并且根据所述所请求的电荷水平选择所述多个开关。
23.根据权利要求12的PFN，进一步包括控制单元，其进行耦合以监视每个所述电容器中的充电速率并且输出指出所述多个电容器单元中的哪一个并未正常充电的指示。
24.根据权利要求12的PFN，其中所述多个电容器单元中的至少一些中的每一个耦合至指示其是否正常工作的指示器。
25.根据权利要求12的PFN，其中所述多个电容器单元可拆除地连接至所述PFN。
26.根据权利要求12的PFN，其中每个所述电容器被反复充电。
27.根据权利要求12的PFN，其中所述至少一个电调节器包括降压转换器。
28.根据权利要求12的PFN，其中所述降压转换器具有与所述负载并行电连线的电感器。
29.根据权利要求12的PFN，其中所述至少一个电调节器是由开关调节器和模拟调节器所组成的群组中的成员。
30.一种生成模式化脉冲的方法。包括
a)利用多个电荷对多个电容器单元进行充电；和
b)将所述多个被充电的电容器单元顺序耦合至至少一个电调节器从而允许向负载传递具有所期望的多级电压的经调节的激励脉冲；
其中所述电调节器连接至负载。
31.根据权利要求30的方法，进一步包括重复a)和b)从而持续对所述负载进行充电。
32.一种脉冲形成网络(PFN)，包括：
多个模块，它们均包括：
电容器单元，其存储电荷；
充电单元，其进行电连接至所述电容器单元并被设置为对所述电容器单元进行充电；
电调节器，其电连接至负载；和
开关，其将所述电容器单元耦合至所述电调节器；以及
控制单元，其对所述多个模块中的每个所述开关进行操作而按顺序将每个所述电荷放电至所述负载中以形成具有所期望的多级电压波形的经调节的激励脉冲；
其中所述多个模块中的每个调节器连接至共用负载。
33.根据权利要求32的PFN，其中所述多个模块可拆除地连接至支撑部件。
34.根据权利要求32的PFN，其中所述多个模块具有反向极性并且被设置为可互换地利用交变电流对所述负载进行激励。
35.根据权利要求32的PFN，进一步包括用于将所述多个所述模块中的至少一些同时且并行地连接至所述负载的电路。
36.根据权利要求32的PFN，进一步包括用于将所述多个所述模块中的至少一些串行连接至所述负载的电路。
37.根据权利要求32的PFN，其中每个所述模块具有并行连接至所述负载的多个电调节器。
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