CN108781034B - 受控的自适应功率限制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于切换模式电力供应器的功率限制器，其包含运算放大器及比较器电路。所述运算放大器经配置以接收被供应到所述SMPS的输入电压作为第一输入及参考电压作为第二输入。所述比较器电路经配置以接收所述运算放大器的输出，接收电流感测信号，且产生经配置以控制功率产生器的输出信号。所述输出信号是基于所述运算放大器的所述输出与所述电流感测信号之间的比较。

Description

受控的自适应功率限制器

优先权

本申请案要求2016年7月19日申请的第62/364,131号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案特此出于所有目的以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及功率限制器，且特定来说，涉及切换模式电力供应器(SMPS)。

背景技术

SMPS在工作循环中通过接通输出及断开输出来主动地调节其输出电压。SMPS的输出可由工作循环的接通及断开部分的相对持续时间给出。此可与线性电力供应器(其中电力在例如晶体管中耗散)形成对照。SMPS可被实施为例如降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器。SMPS可通过将理想存储元件(例如电感器及电容器)切换进不同电气配置中及从不同电气配置切换出而调节输出电压或电流。如果电源、电感器、开关及对应电气接地件经串联放置，且开关由方波驱动，那么跨开关测量的波形的峰值到峰值电压可超过来自直流(DC)源的输入电压。这是因为电感器通过诱发其自身电压来抵抗电流变化而对电流变化作出响应，且此电压在开关断开时加入到源电压。如果二极管与电容器的组合与开关并联放置，那么峰值电压可存储在电容器中，且电容器可用作具有大于驱动电路的DC电压的输出电压的DC源。此升压转换器的作用类似于DC信号的升压变压器。降压-升压转换器以类似方式运作，但产生极性与输入电压相反的输出电压。存在其它降压电路以通过使电压降低来提高平均输出电流。在SMPS中，输出电流取决于输入功率信号、所使用的存储元件及电路拓扑，且也取决于调制及工作循环以驱动切换元件。这些切换波形的频谱密度的能量集中在相对高频率。因而，引入到输出波形上的切换瞬态及波纹可使用小LC滤波器进行滤波。

发明内容

本发明的实施例包含一种功率限制器。所述功率限制器可用于SMPS。所述功率限制器可包含运算放大器及比较器电路。所述运算放大器可经配置以接收供应到SMPS的输入电压作为第一输入及参考电压作为第二输入。所述比较器电路可经配置以接收所述运算放大器的输出、接收电流感测信号，且产生经配置以控制功率产生器的输出信号。与上述实施例中的任一者组合，所述输出信号是基于所述运算放大器的所述输出与所述电流感测信号之间的比较。与上述实施例中的任一者组合，所述运算放大器的所述输出可为电流限制。与上述实施例中的任一者组合，所述比较器电路可进一步经配置以通过比较所述运算放大器的所述输出与所述电流感测信号而产生基于设置电流限制与经测量电流之间的比较的输出信号。与上述实施例中的任一者组合，所述输出信号可经配置以重写来自所述SMPS的输出的反馈信号。与上述实施例中的任一者组合，所述比较器电路可进一步经配置以在接收所述反馈信号之前产生所述输出信号。与上述实施例中的任一者组合，所述运算放大器及所述比较器单元可并入到微控制器中。与上述实施例中的任一者组合，所述运算放大器可进一步经配置以随着输入电压增加而降低电流输入限制。与上述实施例中的任一者组合，所述运算放大器可进一步经配置以根据由连接在输入电压源与所述运算放大器之间的一或多个电阻器定义的斜率随着输入电压增加而降低电流输入限制。与上述实施例中的任一者组合，所述运算放大器可进一步经配置以基于参考电压将电流限制维持在零以上。

此外，本发明的实施例包含一种SMPS，其包含上述实施例的功率限制器中的任一者。所述SMPS可包含脉宽调制功率产生器电路，其经配置以基于脉宽调制输出的工作循环产生输出电压。所述比较器电路可经配置以基于所述脉宽调制功率产生器电路的输出接收电流感测信号。

此外，本发明的实施例包含一种微控制器，其包含上述实施例的功率限制器或SMPS中的任一者。

另外，本发明的实施例包含由上述实施例的功率限制器、SMPS或微控制器中的任一者执行的方法。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的使用自适应输入功率限制器的实例SMPS的说明。

图2是根据本发明的实施例的SMPS的背景内的实例自适应输入功率限制器的说明。

图3说明由本发明的实施例解决的潜在过载或短路的问题。

图4说明在使用电流限制器时且由本发明的实施例解决的潜在过载或短路的问题。

图5说明根据本发明的实施例的使用自适应输入功率限制器的SMPS的实例性能。

图6说明根据本发明的实施例的使用自适应输入功率限制器的SMPS 100的另一实例性能。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的使用自适应输入功率限制器的实例SMPS 100的说明。

SMPS 100可包含可变输入电源102、功率转换级104、SMPS控制110及自适应功率限制功能108。这类元件中的每一者可实施于模拟或数字电路的任一合适组合中，包含由处理器执行的指令。电源102可包含电压或电流源。功率转换级104可根据工作循环接通及断开电源以产生输出功率106。输出功率106可经馈送回到SMPS控制110以确定是否调整功率转换级104以便维持输出功率106的预期水平。SMPS控制110可指定SMPS 100的工作循环及其它操作参数。

SMPS 100可通过测量其中递送功率(例如输出功率106)的转换器的输出来防止功率转换超过指定设计。在固定输出电压转换设计中，对经递送的输出电流设置限制，而对于固定输出电流转换设计，对经测量的输出电压设置限制。因此，虽然在图1及图2中将SMPS100说明为测量及评估相对于SMPS 100的输出电压的电流，但可代替地将SMPS 100实施为测量及评估相对于SMPS 100的输出电流的电压。

限制技术可用于防止损坏或非所要操作，即使当经转换功率在规格内时也是如此。在输入电压小于额定值时可发生这种情况。欠压锁定将使转换停止，直到输入电压在指定水平内。其中功率转换可在规格内的另一情况是输出过压。在这种情况中，功率转换进入关机状态以保护负载免受不可逆转的损坏。

在一个实施例中，自适应功率限制功能108可实施SMPS 100的自适应输入功率限制。在图2中更详细展示自适应功率限制功能108的实施例。

如上文所论述，在SMPS 100中，可变输入电源102可将可变输入电压提供到SMPS100。当存在可变输入电压时，在输出功率106上升太高时可出现过载或短路状况。

图3说明其它SMPS的可能过载或短路的问题。例如，使用不同的输入电压对离线20W反激式SMPS进行测试，且改变输出电流以模拟过载。在图3中绘制其中输出电压相对于所要值下降0.5V的电流及功率值。展示90伏特、100伏特及110伏特AC输入作为参考。在图3中展示关于电流及功率输出的响应。图3中未展示的另一输入值170伏特AC在输出电压降低0.5V之前产生8A输出及93W。其它解决方案可通过加入输入电流限制、使用数/模转换器(DAC)防止此过载。但是，出现另一问题，这是因为这类解决方案是基于经计算的输入电压。在例如使用可变输入电压或电源(例如SMPS 100)时或在电压或电源(原本假设是恒定的)降级、改变或受噪声或其它环境状况影响而不提供经假设电压源时，输入电压可改变。图4说明使用电流限制的其它SMPS的可能过载或短路的这种问题。执行与图3类似的测试以确定输出电压在多少输出电流及功率下将下降0.5伏特，同时计算电流限制以在90伏特AC下将输出功率限制到31W。如图4中所展示，即使当预期的功率限制在90伏特AC下在所要设置点30W处大致起作用时，随着输入电压增加，输出电流及功率继续显著上升，这仍将引起过载及短路问题。

这些其它SMPS系统通常确定电感器电流的固定阈值参考，此将接替控制回路且将更早地终止脉冲。固定阈值电平通常使用具有固定限制电平或误差信号的比较器来实施。如果超过阈值电平，那么比较器可使PWM脉冲更早地停止，或具有更高固定阈值电平的另一比较器可使IC在有限时间内停止以防止组件损坏。

这些其它SMPS系统可利用固定工作循环限制以防止损坏。但是，这仅适用于固定输入电压及固定输出电压转换器。此外，可能必须精确地计算转换器以限制对工作循环的所要功率限制，且在正常操作条件中仍适当地运作。一旦经设计，限制便是不可配置的。在这类情况中，输出功率随着输入电压增加而上升。在仅使用最大工作循环限制的这个解决方案中，主循环不存在电流限制。在160VAC输入处，负载可从SMPS获取93W功率而不会失去输出调节；因此，SMPS组件将失效。

这些其它SMPS系统可利用固定主峰值电流限制。但是，在这些系统中，当转换器的输入电压对于相同功率传送是可变动时，电流信号将变得更小。此可在达到设置限制之前导致更高功率传送。因为限制是固定的，所以无法进行配置。

这些其它SMPS系统可利用输出电流限制。但是，此技术在隔离型设计中变得十分昂贵，这是因为使多个信号穿过隔离屏障的成本可能很高。因为限制是固定的，所以无法进行配置。这些结果证明：只有存在对输出电流信号的直接存取时，经典限制方法才适用。此不适用于具有大输入变动及隔离需求的系统。

回到图1，SMPS 100可经配置以解决系统的缺点的各方面，在图3及4中展示SMPS100的性能。SMPS 100可经配置以限制作为输出产生的总功率转换。此外，SMPS 100可经配置以防止损坏连接到SMPS 100的输出的负载。另外，SMPS 100可经配置以防止高短路脉冲。此外，SMPS 100可经配置以防止变压器芯饱和。在一个实施例中，SMPS 100可经配置以向用户提供对功率限制的控制。

在一个实施例中，SMPS 100可经配置以适应SMPS 100的输出功率的限制，同时仍赋予SMPS 100的用户改变所述限制的能力。在另一实施例中，经设置后的限制可应用到可变输入电压。SMPS 100可经配置以适应来自可变输入电源102的各种输入电压。功率的变动可能是由于设计，或可起因于降级、故障或影响源的噪声。输出功率可被维持在低于设置限制。SMPS 100的输出功率的可适应限制可使用电路来实施，包含硬件或由微控制器执行的软件。

自适应功率限制功能108可通信地耦合到可变输入电源102及SMPS控制110。因此，自适应功率限制功能108可被放置于SMPS 100及其转换器(功率转换级104)的初级侧上。因此，自适应功率限制功能108可能能够设置、改变或影响由SMPS控制110控制的工作循环值。此可包含其中设置的最大工作循环限制。在一个实施例中，此限制可适应输入电压变动。在进一步实施例中，这可由实施于自适应功率限制功能108中的反比例函数来实施。因此，自适应功率限制功能108可基于来自可变输入电源102的电压，通过限制进入功率转换级104中的初级电流量来限制来自功率转换级104的初级的输出功率106中的最大输出功率递送。此外，当输出功率106达到足够限制时，将忽略更高输出电压反馈。

可适应软件限制可由ADC及DAC实施，以改变经设置的峰值电流限制。限制的内部设置经定义且归因于特定范围的输入电压。ADC测量一部分输入电压，且将其存储在存储器中。在每次采集后，将值与归属于限制阵列中的输入电压相比较，且将DAC中的峰值电流限制进行更新。当输入电压变化较慢时，此解决方案是可行的。

基于硬件的实施方案可使处理器核心免于其它SMPS相关任务。所述实施方案可使用一个内部运算放大器及一个DAC来使电流限制与输入电压变化成反比地改变。电阻器分压器使经整流输入电压按比例缩小，且运算放大器用于使信号反相，所以当输入电压上升时，电流限制将适应且下降。DAC可经设置为运算放大器正输入以提高0V线上的反相信号。可将此信号与来自变压器初级的电流进行比较，且当电流达到设置限制时在脉宽调制产生电路上触发下降事件。此限制触发也可用于在电路中实施关机或其它功能。

图2是根据本发明的实施例的SMPS的背景内的实例自适应输入功率限制器的说明。此外，自适应输入功率限制器可实施在微控制器204(例如PIC微控制器单元)中。在各种实施例中，自适应输入功率限制器可实施在任一其它合适电子装置中。

自适应功率限制功能108的操作可部分由运算放大器214执行。运算放大器214可接收电压参考值VREF作为一个输入。VREF的值可由DAC 212提供，且可从SMPS 100中的别处(例如微控制器204的另一元件)输出。运算放大器214可接收施加到SMPS 100的一部分输入电压202作为另一输入。输入电压VIN 202可由可变输入电源102提供。在一个实施例中，VIN202可透过电阻器网络传递到运算放大器214。电阻器网络可包含标示为R1、R2、R3的电阻器206、208、210。VIN 202可连接到电阻器206，电阻器206可连接到电阻器208及运算放大器214。电阻器208可连接到接地。电阻器210以及电阻器206、208可连接在运算放大器214的输出与运算放大器214的输入之间。

在一个实施例中，运算放大器214可实施在微控制器204内。在另一实施例中，运算放大器214可与微控制器204分开实施。在另一实施例中，电阻器206、208、210可实施在微控制器204外。

在图2中可将运算放大器214的输出展示为运算放大器输出216。运算放大器输出216也可标示为VINV。运算放大器214可使VIN 202放大且反相以产生VINV。VINV可作为输入传递到比较器218。比较器218可实施于模拟或数字电路的任一合适组合中，例如与运算放大器一起实施。比较器218可接受电流传感器的输出ISENSE 220作为另一输入。电流传感器可实施于模拟或数字电路的任一合适组合中。ISENSE 220可表示作为通过输出功率106接收的一部分反馈而产生的电流。

比较器218的输出可传递到互补输出产生器(COG)222。COG 222可实施于模拟或数字电路的任一合适组合中。COG 222可经配置以基于电压信号输入而发出驱动信号，所述驱动信号表示将驱动SMPS 100的切换模式操作的工作循环信号。COG 222可包含上升事件(RE)及下降事件(FE)信号的输入。如果输入连接到RE输入，那么COG 222可在其输入上升时发出工作循环信号。如果输入连接到FE输入，那么COG 222可在其输入下降时发出工作循环信号。COG 222可实施工作循环信号的驱动器。

如所展示，ISENSE 220说明相对于输出功率106发出的电流。ISENSE说明在工作循环的断开部分期间电流是零，在起始工作循环的接通部分时快速上升到基准水平，且在此后上升，直到工作循环的断开部分。

电阻器206可限制从输入取样的电流。运算放大器214与电阻器210可组合以对VIN202实施反相函数。电阻器210可指示中介比例。VREF 212使用VREF 212的设置值使运算放大器214的输出函数上升到高于0V，使得所得函数216可由比较器218使用。比较器218可在将运算放大器214的输出与ISENSE 220进行比较时向COG 222提供下降事件。此可在来自106的输出反馈调节信号对COG 222提供下降事件前发生，且可用来自比较器218的早期下降事件来重写反馈下降事件。

当运算放大器214获取VIN 202的一部分且使其反相时，随着VIN增加，运算放大器输出216降低。因此，当电压上升到其它危险水平时，例如高于90V，运算放大器214将另外变成负的，除非VREF 212提供移位。VREF 212可因此致使运算放大器输出216保持在零伏特以上。此外，SMPS 100的用户或设计者可根据期望输出设置VREF。如图2中展示，在VIN 202为90V电平下，运算放大器输出216可处于1.9V。在VIN 202上升到例如360V后，运算放大器输出216可处于1.5V。运算放大器输出216可表示SMPS 100的有效电流限制或与所述有效电流限制成比例。因此，随着VIN 202上升，SMPS 100的电流限制可降低。运算放大器输出216的斜率及值可取决于电阻器及VREF值，在下文作进一步论述。

因此，当达到降低的电流限制时，如由比较器218确定，输出驱动信号停止，且因此，输出功率降低。COG 222可驱动脉宽调制方波信号，其宽度对SMPS 100的输出供电。

因此，SMPS 100可对驱动器(COG 222)实施直接工作循环限制。对于SMPS 100外部，此限制可视为最大功率限制。此外，此功率限制可以是独立的以适应输入电压变动。

SMPS 100的用户或设计者可容许用户改变输出功率限制。由于运算放大器214产生与输入电压成反比的波形，比例可由电阻器206、208、210之间的关系给出。此关系可由以下给出：

此关系表达如何使用电阻器206、208、210及运算放大器214来产生与VIN 202成反比的波形，所以当输出电压上升时，限制将下降及调整。在一个实例中，电阻器206可选择为1MOhm，以限制行进到自适应限制电路的其余部分的电流，电阻器208可选择为51KOhm，电阻器210可选择为1.5KOhm，且VREF 212可设置为2V。因此，当经整流输入电压是90VDC时，VINV的设置限制将是1.9V，且当经整流输入电压是360VDC时，VINV的设置限制将是1.5V。

SMPS 100中使用的限制可自动改变或用于各种情况中。例如，SMPS 100的设计者或用户可在运行时间期间的任一时刻控制最大功率递送。可通知用户功率限制在多次限制操作后进一步降低。可对最大允许功率转换施加时间限制。例如，100W转换器可经设置以在操作五年后递送最大80W以延长产品的寿命且防止磨损。此外，用户可将相同的SMPS 100实例用于多个应用，其中基于应用调整最大允许功率。例如，用户可使用100W/12V转换器单独对100W负载、60W负载及20W负载供电，而无需具有三个单独的转换器。此外，必要的保护及功能在所有情况下都将正确地运作。SMPS控制110及自适应功率限制功能108尽管可实施于微控制器中，但无需使用微控制器核心。因此，可安装逻辑以检测限制操作的触发以识别功率递送何时处于限制，而不影响转换的安全性。

图5说明根据本发明的实施例的使用自适应输入功率限制器的SMPS 100的实例性能。可设置30W的设置限制。测试的最小及最大值分别是30W及31.5W。随着输入电压上升，输出功率仍然受控。

图6说明根据本发明的实施例的使用自适应输入功率限制器的SMPS 100的另一实例性能。特定来说，图6说明不同输入电压VIN 202下的电流波形，例如ISENSE 220。在(a)中，输入电压是90V，且在(b)中，输入电压是130V。随着输入电压从(a)上升到(b)，电流限制基于SMPS 100的操作而适应且从2A下降到1.6A。

尽管已特别参考图式及实例详细描述实施例，但所属领域的技术人员将认知，在本发明的精神及范围内，可实行变动、添加及修改。

Claims (14)

1.一种用于切换模式电力供应器的功率限制器，其包括：

运算放大器，其经配置以：

接收供应到所述切换模式电力供应器的输入电压的比例值作为第一输入；及

接收参考电压作为第二输入；及

比较器电路，其经配置以：

接收所述运算放大器的输出；

接收来自所述切换模式电力供应器的输出级的电流感测信号；及

产生经配置以控制功率产生器的输出信号，所述输出信号是基于所述运算放大器的所述输出与所述电流感测信号之间的比较，其中所述运算放大器进一步经配置以随着输入电压增加而降低所述切换模式电力供应器的最大电流输入限制。

2.根据权利要求1所述的功率限制器，其中所述运算放大器的所述输出是电流限制。

3.根据权利要求1所述的功率限制器，其中所述比较器电路包括比较器，所述比较器具有与所述运算放大器的所述输出耦合的第一输入及接收所述电流感测信号的第二输入。

4.根据权利要求1所述的功率限制器，其中所述参考电压由DAC提供。

5.根据权利要求1所述的功率限制器，其中所述输出信号经配置以重写来自所述切换模式电力供应器的输出的反馈信号。

6.根据权利要求1所述的功率限制器，其中切换模式电力供应器控制电路包括互补输出产生器，其具有提供所述切换模式电力供应器的占空比信号的输出。

7.根据权利要求6所述的功率限制器，其中所述切换模式电力供应器的输出反馈调节信号提供控制信号到所述互补输出产生器的下降事件输入。

8.根据权利要求7所述的功率限制器，其中所述互补输出产生器进一步与所述比较器的输出耦合以使得所述比较的输出信号可以重写所述控制信号。

9.根据权利要求6所述的功率限制器，其中所述运算放大器，所述比较器及所述互补输出产生器并入到微控制器中。

10.根据权利要求1所述的功率限制器，其中所述运算放大器进一步经配置以根据由连接在输入电压源与所述运算放大器之间的一或多个电阻器定义的斜率随着输入电压增加而降低电流输入限制。

11.根据权利要求1所述的功率限制器，其中所述运算放大器进一步经配置以基于所述参考电压将电流限制维持在零以上。

12.一种切换模式电力供应器，其包括根据权利要求1-11中任一项所述的功率限制器，其中

所述功率产生器是脉宽调制功率产生器电路，其经配置以基于脉宽调制输出的工作循环来产生输出电压，及其中所述电流感测信号是基于所述脉宽调制功率产生器电路的输出，其中所述运算放大器进一步经配置以随着输入电压增加而降低所述切换模式电力供应器的最大电流输入限制。

13.一种用于限制用于切换模式电力供应器的功率的方法，其包括步骤：

在运算放大器的第一输入处接收供应到所述切换模式电力供应器的输入电压的比例值；以及

在所述运算放大器的第二输入处接收参考电压；

在比较器电路的第一输入处接收所述运算放大器的输出信号；

在比较器电路的第二输入处接收来自所述切换模式电力供应器的输出级的电流感测信号；以及

产生输出信号，其经配置以控制所述切换模式电力供应器的功率产生器，其中所述输出信号是基于所述运算放大器的所述输出与所述电流感测信号之间的比较，其中所述运算放大器进一步经配置以随着输入电压增加而降低所述切换模式电力供应器的最大电流输入限制。

14.根据权利要求13所述的方法，其中互补输出产生器提供所述切换模式电力供应器的占空比信号，其中所述切换模式电力供应器的输出反馈调节信号提供控制信号到所述互补输出产生器的下降事件输入以及其中所述控制信号由所述比较器的输出信号重写。

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