CN108575110B - Dc电压-脉冲电压转换的方法 - Google Patents

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Abstract

在公开的DC电压到脉冲电压转换的方法中，有可调整脉冲比的矩形脉冲系列被产生，以便周期性地控制电感性负载到DC电压的源的连接，由此在包括该电感性负载的电路中脉冲电流被产生，且借助该电路中的电控电阻，该脉冲电流被限制，籍此把该DC电压转换为脉冲电压，从而实现调整向环境辐射的电磁噪声的水平。

Description

DC电压-脉冲电压转换的方法
技术领域
本建议的工程解决方案涉及电学工程，并且能够被用于具有降低的向环境辐射的电磁噪声水平的脉冲电源中，而且作为在DC电压-脉冲电压转换的能力之中的另外技术。
背景技术
已知的类似的设计，例如见2011年12月15日公布的US 20110305048 A1，包括下列主要特征的集合：
-提供DC电压；
-产生有可调整脉冲比的控制矩形波脉冲；
-通过使用控制脉冲系列，周期性地把电感性负载连接到DC电压源的输出；
-产生流过该电感性负载的脉冲电流；和
-把DC电压转换为脉冲电压。
与本建议的解决方案和上述类同设计共有的特征是：
-提供DC电压；
-产生有可调整脉冲比的控制矩形波脉冲；
-通过使用控制脉冲系列，周期性地把电感性负载连接到DC电压源的输出；
-产生流过该电感性负载的脉冲电流；和
-把DC电压转换为脉冲电压。
还有的已知的设计是作为申请记录公布的FAN6300《Highly Integrated Quasi-Resonant PWM Controller》(见https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-6300.pdf,Rev.1.0.2.of 5/21/10)。它作为最接近的类同设计(原型)被选出，且它包括下列的主要特征的集合：
-提供DC电压；
-产生有可调整脉冲比的控制矩形波脉冲；
-通过使用控制脉冲系列，周期性地把电感性负载连接到DC电压源的输出；
-产生流过该电感性负载的脉冲电流；
-限制流过该电感性负载的脉冲电流；和
-把DC电压转换为脉冲电压。
与本建议的解决方案和上述原型设计共有的特征是：
-提供DC电压；
-产生有可调整脉冲比的控制矩形波脉冲；
-通过使用控制脉冲系列，周期性地把电感性负载连接到DC电压源的输出；
-产生流过该电感性负载的脉冲电流；
-限制流过该电感性负载的脉冲电流；和
-把DC电压转换为脉冲电压。
上述两种技术解决方案无论哪种都不能达到的技术效果在于：获得有较低电磁脉冲噪声水平的可变输出脉冲电压，由此添加到执行DC-脉冲电压转换的能力的范围内。
未能达到上述目标的原因是对获得具有不能降低的向环境辐射的电磁脉冲噪声水平的可变输出脉冲电压的研究没有给予适当注意。因此，急需改进已知的可比较的技术解决方案。
考虑到现有技术设计的特征和分析，人们可以断定，获得一种有低至实用水平的向环境辐射的电磁脉冲噪声的可控输出脉冲电压的目标是适时的目标。
上面确认的技术效果在DC电压到脉冲电压转换的现有技术方法中被实现，该方法包括步骤：提供DC电压；产生有可调整脉冲比的控制矩形波脉冲；通过使用控制脉冲系列，周期性地把电感性负载连接到该DC电压源的输出；产生流过该电感性负载的脉冲电流；和限制流过该电感性负载的脉冲电流，其中，流过该电感性负载的脉冲电流的限制是由包含在流过电感性负载的脉冲电流的电路中的电控电阻执行，由此把DC电压转换为脉冲电压，以便使调整向环境辐射的电磁噪声的水平成为可能。
假如形成电控电阻的可控电阻值的过程允许，从而施加于电感性负载的DC电压被周期地接通和断开，并且有固定的或轻微地变化的可调整脉冲比的脉冲电流被形成，通过电控电阻限制该脉冲电流，籍此DC电压被转换为脉冲电压。当这种情形发生时，并且因为在DC电压–脉冲电压转换的过程中，辐射进环境的脉冲电磁噪声的功率依赖于脉冲电流值，增加电控电阻的电阻值导致为电感性负载馈电的电路中流过的脉冲电流下降。由于这一点，被DC电压–脉冲电压转换的设备辐射进环境的电磁噪声水平也被降低。因此，本建议的技术解决方案的使用改进了由脉冲电源馈电的各种电子单元的电磁兼容性，而结果是使人类环境中的环境设定更好。这就是达到上述技术效果所显示出来的。
在已知的现有技术之中所做分析表明，它们中没有一种或者包括本建议解决方案的主要特征的全部集合，或者包括本建议解决方案的区别(特有)特征，从而得出有关本解决方案的新颖性和创造性的结论。
发明内容
本建议的DC电压-脉冲电压转换方法的技术要素在于下列特征：
-提供DC电压；
-产生有可调整脉冲比的控制矩形脉冲系列；
-使用该控制矩形脉冲系列，周期性地把电感性负载连接到该DC电压的源的输出；
-产生流过该电感性负载的脉冲电流；和
-限制脉冲电流；
-其中，所述限制脉冲电流借助包含在流过电感性负载的脉冲电流的电路中的电控电阻被执行，籍此把DC电压转换为脉冲电压，以便调整向环境辐射的电磁噪声的水平。
附图说明
本建议的方法的上述和其他特征及优点下面参考附图在说明书中被描述，附图中图1是实施本建议的方法的DC电压-脉冲电压转换器的功能电路的例子，而图2示出说明该转换器的操作的时间图。
具体实施方式
按照图1，该DC电压-脉冲电压转换器具体包括：
-高DC电压源1；
-电感性负载2，由磁性导体上的绕组制成并包含使用铁磁性芯5的变压器4的初级绕组3和与其负载(未示出)被连接到整流器7的次级绕组6，该电感性负载2经由其端子之一8(第一端子)被连接到该高DC电压源1的正端子9；
-可控开关10，包含例如MOS晶体管11，经由其第一(主)端子12(MOS晶体管11的漏极)被连接到该电感性负载2的另一个(第二)端子13；
-可控矩形脉冲发生器14，通过其输出15被连接到可控开关10的控制输入16(MOS晶体管11的栅极)；
-第一控制电压驱动器17，包含，例如DC电压源18和电位计19，电位计19的第一端子20被连接到DC电压源18的正端子21，电位计19的第二端子22被连接到DC电压源18的负端子23(该端子23是第一控制电压驱动器17的第一端子24)，电位计19的第三端子(滑动器)25(该端子25是第一控制电压驱动器17的第二输出26)被连接到可控矩形脉冲发生器14的控制输入27；
-低DC电压源28，该低DC电压源28的正端子29被连接到可控矩形脉冲发生器14的第一功率输入30，该低DC电压源28的负端子31被连接到高DC电压源1的负端子32；
-限流电阻33，经由其端子34被连接到可控开关10的输出35(到MOS晶体管11的源极)；
-电控电阻(ECR)36通过其第一端子37连接到限流电阻33的另一个端子38，该ECR包括，例如MOS晶体管39(该MOS晶体管39的漏极是ECR 36的第一端子37)，附加电阻40(该附加电阻40的第一端子41被连接到MOS晶体管39的漏极，该附加电阻40的第二端子42被连接到MOS晶体管39的源极和到ECR 36的第二端子43)，运算放大器(OA)44(OA 44的输出45被连接到MOS晶体管39的栅极)，偏置电压源(OVS)46(OVS 46的正端子被连接到OA 44的非倒相(“+”)输入48，OVS 46的负端子49被连接到ECR 36的第二端子43)，第一电阻50，和第二电阻51(该第一电阻50和第二电阻51被相互连接，并联合确定OA 44的传输效率，第一电阻50的端子52被连接到OA44的输出45，第二电阻51的端子53是ECR 36的控制输入54，第一电阻50和第二电阻51的连接点被连接到OA 44的倒相(“-”)输入55)；
-控制电压的第二驱动器56(下面还称为第二控制电压驱动器56)，该第二控制电压驱动器56的第一输入57被连接到整流器7的第一输出58，该第二控制电压驱动器56的第一输出59被连接到整流器7的第二输出60，该第二控制电压驱动器56的第二输入61被连接到低DC电压源28的正端子29，该第二控制电压驱动器56的第二输出62被连接到ECR 36的控制输入，以及该第二控制电压驱动器56的第三输出63被连接到第一控制电压驱动器17的第一端子24、可控矩形脉冲发生器14的第二功率输入64、ECR 36的第二端子43和高电压DC电压源1的负端子32。
当这种情况出现时，该第二控制电压驱动器56能够包括：第一电流设定电阻65、第二电流设定电阻66、第三电流设定电阻67、稳压电流调整器68、光耦合器69、和电阻70，该第一电流设定电阻65被连接到第二电流设定电阻66，该第二电流设定电阻66被连接到第三电流设定电阻67，该第一电流设定电阻65的第一端子被连接到光耦合器69的第一输入72，第一电流设定电阻65和第二电流设定电阻66的连接点是第二控制电压驱动器56的第一输入57，第二电流设定电阻66和第三电流设定电阻67的连接点被连接到稳压电流调整器68的控制输入73，稳压电流调整器68的第一端子74被连接到光耦合器69的第二输入75，第三电流设定电阻67的第二端子76被连接到稳压电流调整器68的第二端子77并且是第二控制电压驱动器56的第一输出59。同时，光耦合器69的第一输出78被连接到电阻70的第一端子79并且是第二控制电压驱动器56的第二输出62，而电阻70的第二端子80是第二控制电压驱动器56的第二输入61。
图2给出的时间图示出：
2a-高电压DC电压源1的输出电压Uo；
2b-在可控开关10的控制输入16处的脉冲Uctr；
2c-斜向上上升的电流，在ECR 36的最大电阻值上流过电感性负载2电源电路，并在脉冲Uctr的末端达到最小值Io min；
2d-在ECR 36的最大电阻值上，电感性负载2的端子13和ECR36的端子43之间的高脉冲电压Umin；
2e-斜向上上升的电流，在ECR 36的最小电阻值上流过电感性负载2电源电路，并在脉冲Uctr的末端达到最大值Io max；
2f-在ECR 36的最小电阻值上，电感性负载2的端子13和ECR36的端子43之间的高脉冲电压Umax。
本建议方法的实施方式作为实施本方法的图1的转换器的操作中的举例在下面被讨论。
当来自低DC电压源28的端子的DC电压被加到可控矩形脉冲发生器14的功率输入30和64时，后者开始产生矩形脉冲(图2b)，矩形脉冲的脉冲比由从第一控制电压驱动器17的输出26向可控矩形脉冲发生器14的控制输入27施加的控制电压的值确定。
改变在第一控制电压驱动器17的输出26处的控制电压例如通过移动电位计19的滑动器25能够被实现，滑动器25被电位计19的端子20和22分别连接到DC电压源18的正端子21和负端子23。按此方式，产生有调整的脉冲比的控制矩形脉冲系列就发生了。
来自可控矩形脉冲发生器14的输出15的矩形脉冲到达可控开关10的控制输入16处(MOS晶体管11的栅极处)，导致打开可控开关10。脉冲电流开始流过电路中的可控开关10：高DC电压源1的正端子9(图2a)-电感性负载2的第一端子8-电感性负载2的第二端子13-可控开关10-限流电阻33-ECR 36-ECR 36的第二端子43-高DC电压源1的负端子32。
以这种方式，控制脉冲系列周期性地把电感性负载2连接到高DC电压源1的端子，使通过电感性负载2的脉冲电流被产生，并借助限流电阻33限制该电流。
在这种情况发生时，电感性负载2中引起自感电动势，阻止电路中电流的瞬间变化。结果是，电流在矩形脉冲期间线性地斜向上上升(图2c和2e)，并且在矩形脉冲的末端达到预设Io值(或者图2c的Io min，或者图2e的Io max)。在此，电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间的高脉冲电压的值与Io值成比例。然而，Io值是由上述电路的所有元件的电阻值定义的，即：
Io＝K1/(R1+Rtr+Rlim+RECR) (1)，
这里K1是比例系数，
R1-电感性负载2的有效电阻值，
Rtr-打开的可控开关10的电阻值(打开的MOS晶体管11的电阻值)，
Rlim-限流电阻33的电阻值，
RECR-ECR 36的电阻值，
由于微小R1<<Rlim和Rtr<<Rlim，公式(1)能够被简化为
Io＝K1/(Rlim+RECR) (2)。
因此，Io的值，并且从而电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间的高脉冲电压的值，能够通过改变ECR 36的电阻值被设定。
这样的改变是借助改变整流器7在其第一输出58和第二输出60之间的输出电压达到的(例如，由于整流器7负载电阻值的改变)。这个改变电压被加到第二控制电压驱动器56的第一输入57，并经由第一电流设定电阻65，被传送到光耦合器69的第一输入72。因此，改变电流经由光耦合器69流动，该电流的值取决于在光耦合器69第一输入72处的电压以及第二电流设定电阻66、第三电流设定电阻67和稳压电流调节器68的参数。相应地，改变电压同样出现在光耦合器69的输出78处和电阻70的第一端子79处，电阻70的第二端子80经由第二控制电压驱动器56的第二输入61被连接到低DC电压源28的正端子29。这个改变电压被施加到第二控制电压驱动器56的第二输出62。
当第二控制电压驱动器56的第二输出62处的电压改变时，控制电压(从第二控制电压驱动器56的第二输出62到达ECR 36的控制输入54)经由第二电阻51被施加到作为DC电压放大器起作用的OA 44的倒相(“-”)输入55。因为OA 44的操作模式被偏置电压源46的正输出47处的电压设定，该电压被施加到OA 44的非倒相(“+”)输入48。因此，控制信号(它的值由设定OA 44的传输比的第一电阻50和第二电阻51的电阻值的相关性来确定)在OA 44的输出45处被产生，并被引导至MOS晶体管39的栅极。当该控制信号为零时，MOS晶体管39被关闭，并对附加电阻40的电阻值Radd没有作用。因此，ECR 36的电阻值是最大并且量值达到
RECR＝Radd (3)，
从而Io为最小且等于
Io min＝K1/(Rlim+Radd) (4)
正是电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间高脉冲电压的最小值(图2d)和向环境辐射的脉冲电磁噪声的最低水平对应于在RECR＝Radd时流过电感性负载2的最小电流Io min(图2c)。
当第二控制电压驱动器56的输出电压改变时(例如，在降低整流器7的输出电压时，就可能是这种情形)，到达MOS晶体管39的栅极的控制信号增大并打开MOS晶体管39。电流开始流过MOS晶体管39，而MOS晶体管的整个电阻值开始下降，并且并联电阻40的Radd。因此，ECR 36的总电阻值开始下降。极而言之，到达MOS晶体管39的栅极的信号如此大，以致MOS晶体管39完全打开，它充分地并联附加电阻40，ECR 36的电阻值接近于零，而Io变成最大并且等于
Io max＝K1/Rlim (5)。
正是电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间的高脉冲电压的最大值(图2f)以及向环境辐射的脉冲电磁噪声的最大水平对应于在RECR＝0时流过电感性负载2的最大电流Io max(图2e)。
因此，在改变第二控制电压驱动器56的输出电压时改变ECR 36的电阻值，使之能够在本建议的方法中，在从Io min到Io max的限度内，改变上面讨论的电路中流动的电流。以此方式，电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间的高脉冲电压的值被设定。
在现有技术中，该原型包含：脉冲比被改变(例如，借助第一控制电压驱动器17和可控矩形脉冲发生器14)。但是，随着脉冲比的变化，Io保持不变并等于Io max。结果是，电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间的高脉冲电压的值保持不变。
与上述情况同时出现的是在脉冲存在期间，向环境辐射脉冲功率的一部分
Prad＝K2Io max 2 (6)，
这里K2是第二比例系数。
脉冲功率的一部分向环境辐射，引起脉冲电磁噪声对近邻无线电电子设备操作的干扰，并消极地影响它们的效率。此外，向环境的电磁辐射导致恶化人类环境中的生态。
与之相反，本建议的技术解决方案中建议，借助控制ECR 36的电阻值，在Io min和Io max之间的界限内，改变Io。因此，最大值Prad＝K2Io max 2的电磁噪声仅发生在电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间的高脉冲电压的额定值上。随着Io减小，脉冲电磁噪声的功率随Io的平方下降，而归因于这一点，该噪声对近邻无线电电子设备的效率和人类环境中的生态的影响降低。
因此，实施本建议方法的转换器，当与实施现有技术方法的转换器相比较时，执行相同的功能。但它的电路不同于现有技术转换器中使用的电路，它不仅使改变控制矩形脉冲的脉冲比成为可能，而且使改变电感性负载2的端子13和ECR 36的端子43之间的高脉冲电压的值成为可能，从而达到宣称的技术效果。
构成上述转换器的功能性单元能够以各种方式被实现。
例如，可控矩形脉冲发生器14能够包含起脉冲宽度调制器作用的微芯片(如，Texas Instruments(TI)的UCC2813QDR-5Q1)，或满足脉冲-频率调制器功能的微芯片(如ONSemiconductor的FAN-6300H)，或在矩形脉冲系列中提供脉冲比变化的任何其他电路。
第一控制电压驱动器17能够被实现，如图1中所示，或者使用把控制作用转换为控制电压的任何其他方式，包含反馈回路。
第二控制电压驱动器56能够实现，或者如图1中所示，或者采用常规的参考电压的源和运算放大器，或者通过使用把控制作用转换为控制ECR的电压的任何其他方式。
TI的微芯片TL431或与之类似的微芯片能够被用作图1中所示的稳压电流调节器。
可控开关10的晶体管能够是双极的、或MOS的、或IGBT型的。开关本身能够包括改进其性能的附加电路。
低电压源18、28、和46-在作为一个整体的转换器中，和在第一控制电压驱动器17及ECR 36中，能够作为配备有关联的电阻分压器的一个低电压源被实现。
ECR 36能够如图1中所示被使用，或采用A.Petrov,RL,1994在ABC of transistorcircuitry中公开的电路(http://zpostbox.ru/az0.htm,Ch.11,Synchronousrectifiers),或使用使改变电路一部分的电阻值从近似于零到与电阻值Rlim可比较的值成为可能的任何其他电路。
所有该转换器的其他部件是众所周知的，并已公开在涉及脉冲技术和无线电电子设备的各种源中。
在任一上述实施方案中，改变流过电感性负载的电流，从而改变输出脉冲电压成为可能，因而降低了向环境辐射的脉冲电磁噪声水平，并且按此方式，达到DC电压到脉冲电压转换的本方法的技术效果。

Claims (1)

1.一种DC电压-脉冲电压转换的方法，包括步骤：
提供DC电压；
产生有可调整脉冲比的控制矩形脉冲系列；
使用该控制矩形脉冲系列，周期性地把电感性负载连接到该DC电压的源的输出；
产生流过该电感性负载的脉冲电流；和
限制该脉冲电流，
以便籍此把该DC电压转换为脉冲电压，
其中所述限制该脉冲电流是借助包含在流过该电感性负载的脉冲电流的电路中的电控电阻被执行，并且
其中所述电控电阻的电阻值是可改变的，用于设定所述脉冲电流的值，
从而实现调整向环境辐射的电磁噪声的水平。
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