CN112928899A - 具有自适应反馈控制回路的电源单元 - Google Patents

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CN112928899A CN202010753925.9A CN202010753925A CN112928899A CN 112928899 A CN112928899 A CN 112928899A CN 202010753925 A CN202010753925 A CN 202010753925A CN 112928899 A CN112928899 A CN 112928899A
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Abstract

本发明涉及具有自适应反馈控制回路的电源单元。公开了一种优选地用于功率分析仪的电源单元、包括电源单元的功率分析仪和用于操作电源单元的方法，其中，电源单元包括：反馈控制单元，该反馈控制单元被布置成选择性地将去往电源单元的输出端子的电压的输出水平或电流的输出水平控制在预设值的反馈控制单元；以及用于分别感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平并将表示感测到的输出水平的信号发送给反馈控制单元的部件，其中，反馈控制单元被布置成基于在电源单元内生成的数据和/或供应给电源单元的外部生成的数据至少自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路或用于控制电压的输出水平的第二控制回路。

Description

具有自适应反馈控制回路的电源单元
技术领域
本发明涉及一种优选地用于功率分析仪的电源单元、一种用于操作电源单元的方法以及一种包括电源单元的功率分析仪，其中，电源单元包括：反馈控制单元，该反馈控制单元用于选择性地将去往电源单元的输出端子的电压的输出水平或电流的输出水平控制在预设值；以及用于分别感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平并将表示感测到的输出水平的信号发送给所述反馈控制单元的部件。
背景技术
电源或电源单元是用于向设备或组件(比如电气负载或电子负载)供电的设备或组件，所述设备或组件(比如电气负载或电子负载)所需的电压和电流不同于由诸如主电源或电池等源所提供的电压和电流。一些电源单元是设备的分离且独立的部件，而另一些电源单元则内置到它们供电的负载器具中。由于电源单元的主要功能是将来自源的电流转换为正确的电压、电流和/或频率以向连接的电负载供电，因此电源单元也称为电源转换器。
电源单元在各种不同的电气设备和电子设备中使用以及用于各种不同的电气设备和电子设备。这些设备之一是功率分析仪。功率分析仪用于测量电气系统中的功率流。功率分析仪能够测量与功耗和发电相关的各种参数。功率分析仪用于测量应用中电力的许多方面，包括测试电力电子产品、逆变器、电机和驱动器、照明设备、家用电器、办公设备、工业机械等。
采用各种方式对电源单元进行分类。一种类型的电源单元是DC(直流)电源单元，其中，最常见的是开关模式电源(Switched-Mode Power Supply，SMPS)。SMPS由DC源或AC(交流)源供电，并向其负载供应恒定的DC电压。在SMPS中，直接对AC电源干线(mains)输入进行整流，然后进行过滤以获得DC电压。然后，通过电子开关以更高的频率接通和断开所得到的DC电压，从而产生将流经高频变压器或电感器的AC电流。在电感器或变压器次级之后，对高频AC进行整流和过滤以产生DC输出电压。
例如在EP 2 659 578 A2中描述了SMPS。由此可推导出，将不受控制的电压(或电流或功率)源应用到电力系统的输入端，期望输出端的电压(或电流或功率)将得到很好的控制，其中，控制输出的基础是将该输出与某种形式的参考量进行比较，并且输出和参考量之间的任何偏差都将成为误差。除此之外，在该文献中描述了反馈控制，其中，负反馈用于将误差减小到可接受的值，该值按照系统要求尽可能接近于零。
在EP 1 853 985 A2中描述了另一种电源，该电源包括电压控制回路和电流控制回路。更详细地，从该文献中可知一种包括两个传输晶体管的电源电路，这两个传输晶体管将电流从电压供应端子传导至输出端子，其中，一个传输晶体管较小，而另一个传输晶体管较大。在该文献中，通过较小晶体管的电流由电压控制回路控制，使得将输出端子上的电压调节到预定电压，而通过较大晶体管的电流由高增益电流控制回路控制，使得流经较大晶体管的电流为流经较小传输晶体管的电流的倍数。
在上述电源单元中或通常在具有至少两个控制回路/反馈控制回路(例如电压控制回路和电流控制回路)的电源单元中可能出现的问题是，根据选择/优先使用哪一个控制回路，存在另一个控制回路(相应地，另一个变量(电压或电流))中出现瞬时过冲/振荡的风险，这甚至可能损坏连接到电源单元的负载或被测设备(Device Under Test，DUT)。
通常，当静止过程由变化(比如负载变化或将负载连接到电源单元)激发时，会出现自由振荡，并且由于阻尼(例如根据反馈控制)，新的静止过程衰减(振荡)或变为非周期性的(蠕变)。
由于必要的调节过程，例如当连接到电源单元的负载或DUT发生变化或者将负载或DUT连接到电源单元时，可能出现瞬时过冲/振荡。这种瞬时过冲/振荡例如在图3和图4中示出，其中，在图3中示出了电压13的瞬时过冲(相应地，电压瞬时振荡)，而在图4中示出了电流14的瞬时过冲(相应地，电流瞬时振荡)。
目前，这类问题是通过手动选择反馈控制回路之一的优先级来解决的。
发明内容
本发明的目的是提供一种电源单元，该电源单元避免了例如在将新的负载或DUT连接至电源单元或者改变负载或DUT时的瞬时过冲或瞬时振荡而无需手动选择反馈控制回路的优先级。
该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求进一步发展了本发明的中心思想。
本发明涉及一种电源单元，该电源单元优选地用于功率分析仪，所述电源单元包括：反馈控制单元，所述反馈控制单元被布置成选择性地将去往所述电源单元的输出端子的电压的输出水平或电流的输出水平控制在预设值；以及用于分别感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平并将表示感测到的输出水平的信号发送给所述反馈控制单元的部件，其中，所述反馈控制单元被布置成基于在所述电源单元内生成的数据和/或供应给所述电源单元的外部生成的数据至少自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路或用于控制电压的输出水平的第二控制回路。
有利地，外部生成的数据是来自连接到电源单元的输出端子的DUT或负载的数据，其中，外部生成的数据可以是感测到的DUT或负载的数据，这些数据优选地表示阻抗或电容。也可以的是，外部生成的数据是来自经由电源单元的网络接口连接至电源单元的数据库的数据。
在优选的实施方式中，在电源单元内生成的数据是传感器数据，这些数据优选地表示输出端子的状态的电参数，诸如电压、电流或功率传输。也可以的是，在电源单元内生成的数据是来自电源单元中的数据库的数据。
在优选的实施方式中，在电源单元内生成的数据或外部生成的数据被供应给人工智能单元(诸如经训练的网络)，该人工智能单元发出用于相应地激活或优先使用第一控制回路或第二控制回路的选择信号。
人工智能单元可以位于电源单元中，或者人工智能单元可以位于电源单元外部，并且电源单元经由电源单元的网络接口连接至人工智能单元。
在优选的实施方式中，反馈控制单元还被布置成调节被激活或优先使用的控制回路的至少一个控制参数值，优选地也基于在电源单元内生成的数据或供应给电源单元的外部生成的数据来进行调节。
有利地，电源单元是DC电源，并且反馈控制单元包括模拟控制算法或数字控制算法。
本发明还涉及一种包括上述电源单元的功率分析仪。
本发明还涉及一种用于操作电源单元的方法，该电源单元优选地用于功率分析仪，该方法包括：选择性地将去往所述电源单元的输出端子的电压的输出水平或电流的输出水平反馈控制在预设值；为了选择性地反馈控制而分别感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平；以及基于在所述电源单元内生成的数据或供应给所述电源单元的外部生成的数据至少自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路或用于控制电压的输出水平的第二控制回路。
有利地，所述方法还包括：将在电源单元内生成的数据或外部生成的数据供应给人工智能单元(诸如经训练的网络)；以及发出用于相应地激活或优先使用第一控制回路或第二控制回路的选择信号。
在优选的实施方式中，所述方法还包括：调节被激活或优先使用的控制回路的至少一个控制参数值，优选地也基于在电源单元内生成的数据或供应给电源单元的外部生成的数据来进行调节。
利用本发明的电源单元和用于操作电源单元的方法，反馈控制单元自主地激活或优先使用电压控制回路或电流控制回路，其中，这两个控制回路都被监控以确定哪个反馈控制回路(电流或电压)应当被激活或应当具有优先权，使得避免或至少减少电压或电流的瞬时过冲或电压瞬时振荡或电流瞬时振荡，从而避免损坏连接到电源单元的负载或DUT。
附图说明
当结合附图研读以下详细描述时，本发明的这些方面和其它方面以及优势将变得更加明显，其中：
图1示意性地示出了电源单元；
图2示意性地示出了另一电源单元；
图3示意性地示出了电压的瞬时过冲的示图；
图4示意性地示出了电流的瞬时过冲的示图；以及
图5示意性地示出了没有电压和电流的瞬时过冲的示图。
具体实施方式
如上面已经描述的，例如用在功率分析仪中或用于功率分析仪的电源单元可以具有至少两个反馈控制回路，比如电压控制回路和电流控制回路。在优先使用两个控制回路之一的情况下，可发生的是在另一个控制回路的变量中出现瞬时过冲或瞬时振荡。这种瞬时过冲或瞬时振荡例如在图3和图4中示出，其中，图3示出了电压13的瞬时过冲，而在图4中示出了电流14的瞬时过冲。在这两种情况下，甚至可能发生的是，电源单元的多个部分或连接到电源单元的负载/DUT受到损坏。
在本发明中，现在两个控制回路都被监控，然后确定应当激活或优先使用哪个控制回路，从而避免或至少减少瞬时过冲或瞬时振荡。因此，如图1所示，根据本发明的电源单元1公开了反馈控制单元2，该反馈控制单元2选择性地将去往电源单元1的输出端子6的电压的输出水平或电流的输出水平控制在预设值。
反馈控制单元2连接到电力电路8或电力单元，其中，电力电路8将来自连接到输入端子7的源10的电流转换为正确的电压、电流和频率以向连接到输出端子6的负载9供电，其中，电力电路8连接到用于接收例如来自源10的电流的输入端子7，并且电力电路8连接到输出用于负载9的电压、电流或功率的输出端子6。然后电力电路8由反馈控制单元2控制。
反馈控制单元2和电力电路8之间的连接包括电流控制回路的部分4和电压控制回路的部分5，其中，电力电路8然后由反馈控制单元2通过电流控制回路以及电压控制回路来控制。
关于负载9，应当注意，负载9可以是例如功率分析仪，其中，电源单元1可以与功率分析仪一起集成在一个壳体中或者可以单独地设置在自身的壳体中。此外，电源单元1不仅可以将电压、电流或功率提供给功率分析仪，而且还可以将电压、电流或功率提供给与功率分析仪连接的DUT。因此在这种情况下，负载9连同DUT一起是功率分析仪。
电源单元1还包括部件3，该部件3用于分别感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平，并将表示感测到的输出水平的信号发送给所述反馈控制单元2。用于感测实际输出水平的部件3连接到电力电路8的输出端。利用从用于感测实际输出水平的部件3接收的表示感测到的输出水平的信号发送，反馈控制单元2然后可以经由电流控制回路的部分4和电压控制回路的部分5选择性地控制电力电路8，从而控制在电力电路8的输出端处且因此在输出端子6处为负载9供应的电压、电流或功率。
因此，如从图1也可以看出的，用于感测实际输出水平的部件3、反馈控制单元2和部分5形成电压反馈回路/电压控制回路，而用于感测实际输出水平的部件3、反馈控制单元2和部分4形成电流反馈回路/电流控制回路。在两个反馈回路/控制回路中都使用了用于感测实际输出水平的部件3和反馈控制单元2。
根据本发明，反馈控制单元2现在基于在电源单元内生成的数据或供应给电源单元的外部生成的数据自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路4或用于控制电压的输出水平的第二控制回路5。
由于反馈控制单元2自主地激活或优先使用第一控制回路4(电流)或第二控制回路5(电压)，因此例如当新的负载9或DUT连接到电源单元1或者改变负载9或DUT时，可以避免或至少减少瞬时过冲或瞬时振荡，而无需手动选择控制回路之一4或5的优先级。这点例如可从图5推导出，在图5中，与图3和图4相比，在电压(与图3不同)以及电流(与图4不同)中不再存在瞬时过冲或瞬时振荡。
本发明中的优先使用尤其是指控制回路之一4或5的权重比另一控制回路大，因此比另一控制回路更多地影响反馈控制单元2对电力电路8的控制。
本发明中的激活尤其是指选择控制回路之一4或5，因此由反馈控制单元2使用控制回路之一来控制电力电路8。
由反馈控制单元2自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路4或用于控制电压的输出水平的第二控制回路5是基于在电源单元内生成的数据和/或供应给电源单元的外部生成的数据进行的。
外部生成的数据可以是来自连接到电源单元1的输出端子6的DUT或负载9的数据。特别地，该外部生成的数据可以是感测到的DUT或负载9的表示阻抗或电容的数据。在这种情况下，测量连接至电源单元1的DUT或负载9的阻抗或电容，然后经由例如单独连接(在图1中未详细示出)将该阻抗或电容从DUT或负载9传输至反馈控制单元2。
外部生成的数据也可以是来自数据库的数据。为此，电源单元1连接到数据库11，其中，电源单元1包括用于连接到数据库11的网络接口12。于是可从数据库11中导出外部生成的数据，该数据被反馈控制单元2用于自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路4或用于控制电压的输出水平的第二控制回路5。数据库11中的外部生成的数据可以是例如测试序列数据、DUT数据、控制回路参数、测试参数或测试极限。
此外，外部生成的数据还可以是用户输入的数据，例如经由连接到电源单元1或集成在电源单元1中的相应输入单元输入。
在电源单元1内生成的数据可以是传感器数据，这些传感器数据优选地表示输出端子6的状态的电参数(诸如电压、电流或功率传输)，例如是由用于感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平的部件3感测到的数据。
在电源单元1内生成的数据也可以是来自位于电源单元1中的数据库11的数据，如图2所示。于是可从电源单元1中的数据库11导出该数据，该数据被反馈控制单元2用于自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路4或用于控制电压的输出水平的第二控制回路5。类似地，电源单元1中的数据库11中的数据可以例如是测试序列数据、DUT数据、控制回路参数、测试参数或测试极限。
在图1所示的电源单元1中，用于感测实际输出水平的部件3与反馈控制单元2分开设置。
可替选地，可以将用于感测实际输出水平的部件3置于反馈控制单元2中，其中，然后将反馈控制单元2直接连接到电力电路8的输出端。这在图2中示出，图2示出了与图1所示的电源单元1类似的电源单元1，图2的电源单元1包括反馈控制单元2、用于感测实际输出水平的部件3、输出端子6、输入端子7和电力电路8，其中，电力电路8将来自连接到输入端子7的源10的电流转换为正确的电压、电流和频率以向连接到输出端子6的负载9供电。图2中的电源单元1与图1中的电源单元1之间的唯一区别在于：在图2中的电源单元1中，用于感测实际输出水平的部件3被置于在反馈控制单元2中，并且数据库11被置于电源单元1中。在其它方面，图2中的电源单元1和图1中的电源单元1以类似的方式工作。
此外，也可以的是，用于感测实际输出水平的部件3如图1所示与反馈控制单元2分开布置，以及数据库11如图2所示被置于电源单元1中；或者，用于感测实际输出水平的部件3如图2所示被置于电源单元1中，以及使用网络接口12将数据库11如图1所示与反馈控制单元2分开布置。
在电源单元1内生成的数据或外部生成的数据还可以被供应给人工智能单元(图中未示出)，所述人工智能单元诸如经训练的网络，该人工智能单元发出用于相应地激活或优先使用第一控制回路4或第二控制回路5的选择信号。该人工智能单元可以位于电源单元1中，或者该人工智能单元可以位于电源单元1外部，并且电源单元1经由网络接口12或电源单元1的另一网络接口连接至人工智能单元。
在根据本发明的电源单元1中，反馈控制单元2可以使用上述在电源单元1内生成的数据和外部生成的数据中的一者或它们的任何组合来自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路4或用于控制电压的输出水平的第二控制回路5。
此外，反馈控制单元2可以调节被激活或优先使用的控制回路4或5的至少一个控制参数值，优选地也基于在电源单元1内生成的数据或供应给电源单元1的外部生成的数据来进行调节。
电源单元1也可以包括例如针对电力的另外的第三控制回路(图中未示出)，其中，反馈控制单元2于是自主地激活或优先使用第一控制回路4、第二控制回路5或第三控制回路。
反馈控制单元2可以是例如微控制器或微处理器。
关于负载9，应当注意，负载9可以与电源单元1一起集成在一个壳体中，或者电源单元1可以单独地设置在自身的壳体中。
因此，在本发明中两个控制回路都被监控，然后确定应当激活或优先使用哪个控制回路，从而避免或至少减少瞬时过冲或瞬时振荡。

Claims (15)

1.一种电源单元(1)，所述电源单元(1)优选地用于功率分析仪，所述电源单元(1)包括：
-反馈控制单元(2)，所述反馈控制单元(2)被布置成用于选择性地将去往所述电源单元(1)的输出端子(6)的电压的输出水平或电流的输出水平控制在预设值，以及
-部件(3)，所述部件(3)用于分别感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平，并将表示感测到的输出水平的信号发送给所述反馈控制单元(2)，
其中，所述反馈控制单元(2)被布置成基于在所述电源单元(1)内生成的数据和/或供应给所述电源单元(1)的外部生成的数据至少自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路(4)或用于控制电压的输出水平的第二控制回路(5)。
2.根据权利要求1所述的电源单元，其中，所述外部生成的数据是来自连接至所述电源单元(1)的所述输出端子(6)的被测设备或负载(9)的数据。
3.根据权利要求2所述的电源单元，其中，所述外部生成的数据是感测到的所述被测设备或所述负载(9)的数据，感测到的所述数据优选地表示阻抗或电容。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电源单元，其中，在所述电源单元(1)内生成的数据是传感器数据，所述传感器数据优选地表示所述输出端子(6)的状态的电参数，诸如电压、电流或功率传输。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电源单元，其中，所述外部生成的数据是来自经由所述电源单元(1)的网络接口(12)连接至所述电源单元(1)的数据库(11)的数据。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电源单元，其中，在所述电源单元(1)内生成的数据是来自所述电源单元(1)中的数据库(11)的数据。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电源单元，其中，在所述电源单元(1)内生成的数据或所述外部生成的数据被供应给人工智能单元，所述人工智能单元发出用于相应地激活或优先使用所述第一控制回路(4)或所述第二控制回路(5)的选择信号，所述人工智能单元诸如经训练的网络。
8.根据权利要求7所述的电源单元，其中，所述人工智能单元位于所述电源单元(1)中，或者，所述人工智能单元位于所述电源单元(1)外部且所述电源单元(1)经由所述电源单元(1)的网络接口(12)连接至所述人工智能单元。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电源单元，其中，所述反馈控制单元(2)还被布置成调节被激活或优先使用的控制回路(4，5)的至少一个控制参数值，优选地也基于在所述电源单元(1)内生成的数据或供应给所述电源单元(1)的所述外部生成的数据来进行调节。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电源单元，其中，所述电源单元为DC电源。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电源单元，其中，所述反馈控制单元(2)包括模拟控制算法或数字控制算法。
12.一种功率分析仪，所述功率分析仪包括根据权利要求1至11中任一项所述的电源单元(1)。
13.一种用于操作电源单元(1)的方法，所述电源单元(1)优选地用于功率分析仪，所述方法包括：
-选择性地将去往所述电源单元(1)的输出端子(6)的电压的输出水平或电流的输出水平反馈控制在预设值；
-为了选择性地反馈控制而分别感测电压的实际输出水平和电流的实际输出水平；以及
-基于在所述电源单元(1)内生成的数据或供应给所述电源单元(1)的外部生成的数据至少自主地激活或优先使用用于控制电流的输出水平的第一控制回路(4)或用于控制电压的输出水平的第二控制回路(5)。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：将在所述电源单元(1)内生成的数据或所述外部生成的数据供应给人工智能单元，以及发出用于相应地激活或优先使用所述第一控制回路(4)或所述第二控制回路(5)的选择信号，所述人工智能单元诸如经训练的网络。
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括：调节被激活或优先使用的控制回路(4，5)的至少一个控制参数值，优选地也基于在所述电源单元(1)内生成的数据或供应给所述电源单元(1)的所述外部生成的数据来进行调节。
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