CN105745830A - 开关电源和用于控制开关电源的输出电压的方法 - Google Patents

开关电源和用于控制开关电源的输出电压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于把输入电压(UEIN)变换为输出电压(UA)的开关电源(1)，其具有至少一由脉宽调制电路(9)以时钟方式控制的开关级(4)，其中设置有调节电路(8)，该调节电路作用于该脉宽调制电路(9)以改变该输出电压(UA)的幅值。该开关电源(1)特征在于，该调节电路(8)具有温度传感器(S)，该温度传感器设置用于测量该开关电源(1)的与负载相关的温度(T)，其中该调节电路(8)如此来设置，使得该输出电压(UA)随着温度(T)上升而下降。本发明另外还涉及一种用于控制开关电源(1)的输出电压(UA)的方法。

Description

开关电源和用于控制开关电源的输出电压的方法
技术领域
本发明涉及一种用于把输入电压变换为输出电压的开关电源，其具有至少一由脉宽调制电路脉冲控制的开关级，其中设置有调节电路，该调节电路作用于该脉宽调制电路以改变该输出电压的值。另外本发明还涉及一种用于调节开关电源的输出电压的方法。
背景技术
在开关电源中，输入交流电压通常首先被整流，并然后利用开关级被变换为明显更高频率的交流电压。该输入侧的高频交流电压比如借助变压器而被变换为输出侧的更小或更大的高频交流电压，并再次被整流。为了对如此获得的输出直流进行稳压，这种开关电源具有调节回路，该调节回路与所连接的负载无关地把该输出直流电压调节为一尽可能恒定的值。这在一种脉宽调制方法(PWM)中通过改变该开关级的脉冲控制的频率和/或脉宽或脉冲占空比来实现。为此该开关电源具有PWM开关级，其中该PWM开关级受该调节回路的影响。
根据应用情况，开关电源除了输入侧开关级之外还可以具有设置在输出侧的开关级，或者不仅在输入侧、而且在输出侧都设置开关级，以把被整流的交流电压变换为更高频率的交流电压。
为了给负载提供足够大的功率，已知的是把更多的电源相并联，如此使得给负载提供更大的输出电流。在这种并联的情况下，重要的是这些电源均匀地承载。这在没有实施附加调节的情况下通常不能实现，因为本身构造相同的、具有相同标称输出电压的电源在其实际输出电压上至少略微有差别，这在某些情况下导致这几个电源的输出电流相互有大的偏差。
在没有附加调节的情况下，那么这些电源之一大多承载满负荷直至其电流界限，而其他的电源仅仅承载了剩余的所需负载。大承载的电源那么就长期运行在其功率界限上，由此其寿命大大降低。
从而已知的是，测量每个并联电源的输出电流，并利用外部调节根据流过的输出电流分布如此来调节该输出电压，使得这些电源提供相同的电流分量。该电源在这种解决方式中被非常均匀地承载。但是由于需要外部接线，该解决方式是耗费的。
发明内容
从而本发明的任务是，提供一种开关电源，利用它在与另一尤其构造相同的开关电源并联时实现了均匀的电流承载，而不需要外部接线。
该任务通过具有相应独立权利要求所述特征的用于调节开关电源输出电压的一种开关电源和一种方法而得到解决。有利的实施方式参见从属权利要求。
前述种类的根据本发明的开关电源特征在于，该调节电路具有温度传感器，该温度传感器设置用于测量该开关电源的与负载有关的温度，其中该调节电路如此来设置，使得该输出电压随着温度上升而下降。
在长时的大功率输出的情况下，该开关电源或该开关电源的至少几个部件(元件)就升温。根据本发明，该温度传感器就探测这种温升，并如此影响该调节电路，使得输出电压随着温度上升而下降。如果该电源与其他的电源一起工作于并联状态，那么该电源就由于受温度控制的输出电压的下降从而较小地承载。在与该电源的热惯性有关的某一时间延迟之后，所测量的温度从而再次下降。该输出电压上升，并且该电源再次更大地承载。但是，在该输出电压的温度相关性的适当斜率下，就不再形成重复的温度上升和下降，而是调节为最大程度的恒定，并在并联的电源上调节为均匀的负载分布并从而调节为均匀的温度分布。在不需要外部接线的情况下，在多个电源的并联中，负载从而相同地分布于所连接的电源上。
在该开关电源的有利的扩展中，仅当温度高于给定的阈值温度时，那么该输出电压才随着温度上升而下降。该调节电路为此比如可以包含有针对该温度传感器的分析电路，其中该分析电路具有阈值开关。这样就避免了该输出电压在小功率范围内发生变化，并且还避免了该输出电压与环境温度之间所不期望的相关。直到元件受负载影响而具有明显升高的温度，其中这可以推断为负载不均衡分布，那么就开始进行与温度相关的调节机制。优选地把阈值温度选择为在70与100℃之间，并尤其优选地在85与95℃之间。
在该开关电源的另一有利的扩展中，该输出电压随着温度上升而线性地下降。优选地该输出电压的下降在0.005与0.025V/K(伏特/开，也即V/℃)之间，并尤其优选地在0.015与0.02V/K之间。所述的降低可以相对简单地比如如此来实现，即该调节电路包含有分析电路，该分析电路具有针对该温度传感器的负反馈运放。在所测量的温度与该输出电压之间的线性函数关系可以在电路技术上被容易地实现，并在多个电源的并联电路中形成良好的调节特性，其中避免了进入到通常另一电源过载的调节状态。
在一优选的实施方式中，该调节电路包含有电压调节。同样优选地该电压调节可选地作为电流调节来构造。
在该开关电源的另一有利的扩展中，该温度传感器是热敏电阻。其可以作为热导体或作为冷导体来构造。但原则上也可以采用作为开关晶体管或作为半导体温度传感器来构造的温度传感器。
该温度传感器优选地设置在该开关电源的输出侧，并与该开关电源的部件相热接触。比如该温度传感器可以与输出侧的整流器相耦合。但如果在此可以测量与负载相关的温度，那么也可以考虑布置在该开关电源的输入侧上。
该开关电源优选地作为所谓的宽范围电源来构造。输入电压的值在此优选地处于10至300V的范围内，尤其优选地在15至265V的范围内。
该任务另外还通过一种用于调节开关电源的输出电压的方法而得到解决，其中测量该开关电源的部件的与负载相关的温度，并根据所测量的温度来调节输出电压。优选地该输出电压随着温度上升而下降，并尤其线性地随温度下降。进一步优选地，如果该温度大于给定的阈值温度，那么该输出电压随着温度上升而下降。这参见结合该开关电压所阐述的优点。
附图说明
下面本发明借助附图的实施例来详细阐述。其中：
图1示出了开关电源的示意电路图；
图2示出了该开关电源一部分的详细电路图；以及
图3示出了分析电路的输出电压与在该开关电源内所测量的温度之间的关系示意图；以及
图4示出了该开关电源的分析电路的更详细的电路图。
具体实施方式
在图1中以电路框图示出了开关电源1。图1的开关电源1设置用于把输入电压UE、在此为输入交流电压，变换为输出电压UA(在此为输出直流电压)。
该输入电压UE、典型地是电网电压通过整流器2而被变换为脉动直流电压U1，该脉动直流电压借助滤波组件3被平滑和/或滤波。为此该滤波组件3具有第一滤波电容C1。
该直流电压U1通过具有开关器件41的开关级4而被脉冲施加给变压器5的初级绕组I。该直流电压U1利用该开关级4从而被变换为高频交流电压U2，该交流电压具有明显大于该输入交流电压UE频率的频率。
利用该变压器5，该交流电压U3被变换为较小(或在某些应用情况下也较大的)值的次级高频交流电压U3。接着该次级高频交流电压U3再次在一次级整流器6中被整流为一次级直流电压，并在一次级滤波组件7中被平滑和/或滤波。为此该次级滤波组件7在此比如具有另一滤波电容C2。但原则上该次级滤波组件7的由多个尤其分立元件(未示出)组成的更复杂的电路也是优选的。
该次级滤波组件7的输出电压是该电源1的相对于参考电位GND在此为正的输出电压UA。
为了使该输出电压UA在负载10变化时也是稳定的，而设置了调节电路8，该调节电路把该输出电压UA与参照电压相比较，并根据比较来影响脉宽调制(PWM)电路9。该PWM电路9控制该开关级4，并对应于该调节电路8的设定来改变该开关级4的脉冲参数，尤其脉冲占空比，但必要时也可以是脉冲频率，由此影响该输出电压UA。如此形成了调节回路，通过该调节回路把该输出电压UA保持于所期望的给定值。除了这种电压调节之外，另外还可以设置在此未示出的电流调节，通过电流调节可以限制输出到该负载10上的电流。
这种开关电源1通常另外还具有滤波器(未示出)，利用该滤波器对该输入交流电压UE在整流之前进行滤波，以滤除谐波、过压和/或电网干扰。
该变压器5在次级侧另外还可以具有多个次级绕组(未示出)，利用它们可以在次级侧生成不同幅值的交流电压。在该开关电源1的这种构造中，那么就分别为不同的次级侧交流电压来设置多个整流器6和滤波组件7。
根据本发明，该调节电路8设置用于测量随该开关电源1的负载增大而升温的元件的温度，并且还根据该温度来调节该输出电压UA。这在下文中结合图2至4来详细解释。
图2更详细地示出该开关电源1的调节电路8。该输出电压UA通过由两个电阻R1和R2所构成的分压器而被输入到运放82的反相输入上。该运放82的非反相的输入被施加了由参照电压源83所提供的参照电压Uref。该运放82作为负反馈的放大器来接线，其方式是，利用负反馈电阻R0来构成负反馈支路。为了抑制振荡趋势，该负反馈电阻R0与电容C0相并联。该运放82的输出通过用作电隔离的光耦合器84间接地输入给该PWM电路9的输入。该调节电路8的前述元件用于调节该开关电源1的首先恒定的输出电压UA。
另外还设置有温度传感器S，其与该开关电源1的元件相热耦合，其中该元件在运行中以及在该开关电源1承载时有温升。该元件可以是在负载电流回路中所设置的元件或组件之一，比如次级侧整流器6，但或者也可以是初级侧整流器2或该开关级4的开关器件41。该温度传感器S在图2的所示例子中是热敏电阻Rθ，比如热导体或冷导体。原则上基于其他原理的温度传感器也是适合的，比如半导体温度传感器。
该温度传感器S与分析电路81相连接，该分析电路根据所测量的温度T而在输出上提供电压Uθ。该分析电路81的输出通过电阻R3同样与该运放82的反相输入相连接。
在图3中以曲线20示出了该电压Uθ与所测量的温度T之间的关系。在温度T位于环境温度T0与阈值温度TS之间时该电压Uθ为零。在对应于正常温度或该温度传感器S所耦合元件稍微升高的温度的该温度范围中，该开关电源1的输出电压UA从而通过分压器而被输入到该运放81的反相输入上，其中该分压器由该电阻R2和该电阻R1与R3的并联电路组成。连同该参照电压Uref的幅值一起，该电阻值R1至R3确定了该输出电压UA的正常幅值。如果该温度T超过了该阈值温度TS，那么在该实施例中该电压Uθ就线性地随着温度T的继续升高而升高。在该开关电源1的输出电压UA不变的情况下，温升T导致在该运放82的非反相输入上电位的升高。该调节回路对这种电位升高以输出电压UA下降来进行响应，其中该电压Uθ越大，那么该输出电压UA就越下降。
在多个这种开关电源1的并联中，其中该开关电源1在其输出上相并联，可能出现如下运行状态，其中开关电源1比另一或其他开关电源更大地承载。如果出现这种负载不均衡分布，那么在较大承载的电源1中，就出现由该温度传感器S所测量的温度T的温度升高超过该阈值温度TS，这导致该输出电压UA的下降。通过输出电压UA的下降，该开关电源1的负载就降低，由此它的温度T再次慢慢地下降，并且该输出电压再次稍微地被升高。在至少两个或多个并联开关电源1的相互作用下，调节了开关电源1的负载的均衡分布。该开关电源1的元件温度变化的热惯性决定了该调节回路的热敏部分的几分钟的大时间常数，这抵消了振荡趋势。
图4示更详细地示出了该分析电路81的一种合适构造。该分析电路81包含有运放811，其由不对称的供电电压(参考电位GND以及正的供电电压U+)来供电。相应地，该运放811的输出可以接受相对于参考电位GND不为负的电压。该运放811的非反相输入通过用作温度传感器S的热敏电阻Rθ与正的参照电压Uref相连，并通过电阻R4与该参考电位GND相连。该运放811的反相输入通过电阻R6与参考电位相连，并通过电阻R6与它的输出相连。该热敏电阻Rθ在所示实施例中是热导体，其电阻值随着温度T上升而下降。如果该温度T上升，那么在该运放811的非反相输入上电位就相应地上升。在阈值温度TS时，在非反相输入上的电位就超过在反相输入上的电位，其中在反相输入上的电位通过由电阻R5和R6组成的分压器来形成。通过该电阻R6的负反馈，该运放的输出电压随温度T的升高而成比例地升高。
由于供电电压不对称，在该实施例中该运放811作为阈值开关来工作，其中仅当该温度T变得大于该阈值温度TS时，那么才提供不等于零的输出电压Uθ。这种负反馈导致电压Uθ随着温度T的进一步升高而线性升高。在可选扩展中，可以设置非线性的电压Uθ与温度T的温度关系。
参考符号列表
1开关电源
2整流器
3滤波组件
4开关级
5变压器
6输出侧整流器
7输出侧滤波组件
8调节回路
81分析电路
811运放
82运放
83参照电压源
84光耦合器
9PWM电路
S温度传感器
C0电容
C1,C2滤波电容
R0至R6电阻
Rθ热敏电阻
UE电源的输入电压
UA电源的输出电压
U1直流电压
U2初级电压
U3次级电压
Uref参照电压
U+正供电电压
GND参考电位
Uθ分析电路的输出电压
T温度
TS阈值温度
I变压器/电源的初级侧
II变压器/电源的次级侧

Claims (16)

1.用于把输入电压(UEIN)变换为输出电压(UA)的开关电源(1)，其具有至少一由脉宽调制电路(9)脉冲控制的开关级(4)，其中设置有调节电路(8)，该调节电路作用于该脉宽调制电路(9)以改变该输出电压(UA)的幅值，其特征在于，该调节电路(8)具有温度传感器(S)，该温度传感器设置成用于测量该开关电源(1)的与负载相关的温度(T)，其中该调节电路(8)如此来设置：使得该输出电压(UA)随着温度(T)上升而下降。
2.根据权利要求1所述的开关电源(1)，其中该输出电压(UA)仅在高于给定的阈值温度(TS)时才随着温度(T)上升而下降。
3.根据权利要求2所述的开关电源(1)，其中该阈值温度(TS)在70与100℃之间，并尤其在85与95℃之间。
4.根据权利要求2或3所述的开关电源(1)，其中该调节电路(8)包含有针对该温度传感器(S)的分析电路(81)，其中该分析电路具有阈值开关。
5.根据权利要求1至4之任一项所述的开关电源(1)，其中该输出电压(UA)随着温度(T)上升而线性下降。
6.根据权利要求5所述的开关电源(1)，其中下降的温度相关性在0.005与0.025V/K之间，并尤其在0.015与0.02V/K之间。
7.根据权利要求5或6所述的开关电源(1)，其中该调节电路(8)包含有针对该温度传感器(S)的分析电路(81)，其中该分析电路包含有负反馈运放(811)。
8.根据权利要求1至7之任一项所述的开关电源(1)，其中该调节电路(8)包含有电压控制和/或电流控制。
9.根据权利要求1至8之任一项所述的开关电源(1)，其中该温度传感器(S)是与温度相关的电阻(Rθ)。
10.根据权利要求1至9之任一项所述的开关电源(1)，其中该温度传感器(S)与该开关电源(1)的输入侧部件相热耦合。
11.根据权利要求1至9之任一项所述的开关电源(1)，其中该温度传感器(S)与该开关电源(1)的输出侧部件相热耦合。
12.根据权利要求11所述的开关电源(1)，其中该温度传感器(S)与该开关电源(1)的输出侧整流器(6)相热耦合。
13.根据权利要求1至12之任一项所述的开关电源(1)，其中设置有在范围10-300V、尤其15-365V范围内的输入电压(UEIN)。
14.用于调节尤其根据权利要求1至13之任一项所述的开关电源(1)的输出电压(UA)的方法，其具有以下的步骤：
-测量该开关电源(1)的一部件的与负载相关的温度(T)，
-根据所测量的温度(T)来调节该输出电压(UA)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中该输出电压(UA)随着温度(T)上升而下降。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中如果该温度(T)大于给定的阈值温度(TS)，那么该输出电压(UA)就随着温度(T)上升而下降。
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