CN1639953A - 操作开关式电源的方法和开关式电源 - Google Patents

Abstract

在具有集成预调节器的已知开关式电源的情况下，控制曲线在很大程度上是一致的，但在低负载工作时彼此偏离，因而未调节的中间电路电压增大。为提高低负载工作时的效率，在变压器的初级侧实现突发循环的闭环控制。中间电路电压(Uic)受限于容许极限值(Ulimit)。开关级中的闭环控制装置在设置于预调节器功能单元(12)与开关级(13)之间的分压器(R1，R2)上分接中间电路电压。组件还例如通过光耦合器(17)监测输出电压。突发模式包括一个或多个突发循环。突发循环在中间电路电压(Uic)达到其极限值(Ulimit)时开始。这时，变压器断开。突发循环在输出电压(U0)达到最小值(Umin)时结束。最迟在这时(t3)，变压器(7)再次接通。突发模式在开关式电源再次在正常负载下工作时或者在经过了自突发模式开始测量的最大时间时再次结束。

Description

操作开关式电源的方法和开关式电源

本发明涉及操作开关式电源的方法，所述开关式电源包括整流器以及具有初级侧和次级侧的变压器。作为整流器，可以采用例如分立或集成的预调节器，具体来讲，有源AC/DC变换器可用作预调节器。由于与电子设备引起的电源污染有关的规程的原因，因此更频繁地使用有源AC/DC变换器。在目前的“电源谐波减少”的开关式电源中，采用分离的预调节器，它们在电源中完全分离的级中提供。虽然由此满足了标准、甚至常常优于标准，但同时成本却极高。在其它已知的开关式电源的情况下，采用包括电感足够高的线圈的无源解决方案来代替有源AC/DC变换器。但是，这个无源解决方案随之带来体积较大、重量增加、成本较高以及效率较低的缺点。

此外，具有集成的预调节器(AC/DC变换器)和变压器(DC/DC变换器)的开关式电源是已知的，它们与至少一个晶体管、包括2个晶体管的半桥或者包括4个晶体管且因而还具有闭环控制的全桥配合工作。通过适当的拓扑和电路尺寸计算，确保预调节器的控制曲线以及这些已知的具有集成预调节器的开关式电源的变压器的控制曲线大体一致，其中预调节器满足功能“输入电流波形的控制”和“中间电路电压的控制”，以及变压器满足功能“输出电压和输出电流的稳定”。但是，缺点在于，在低负载工作中，即在负载低于给定功率门限(取决于变压器的设计以及可选地取决于线电压)的情况下，控制曲线不再是一致的，并且未调节的中间电路电压提高。在这种情况下，超过了元件的最大容许限度，并且毁坏变压器或出现较高损耗。

在开关式电源的低负载工作中提高效率的一种已知方法是突发模式。在突发模式中，开关式电源以可能固定或可变的频率被接通和断开。功率在接通时间与通断时间和之比[接通/(接通+断开)]内降低。在已知的开关式电源的情况下，这种突发模式从次级侧被激活，例如以便降低待机工作中的消耗。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于开环和/或闭环控制具有集成预调节器的开关式电源的中间电路电压的方法，它允许低负载工作以及同时在所述工作中实现高效率。本发明的另一个目的是提供一种开关式电源，它在低负载工作中表现出高效率。

根据本发明，对所述方法而言，实现此目的在于，对于中间电路电压固定极限值。当达到极限值时，激活突发模式。在变压器的初级侧实现突发模式的控制。中间电路电压被限制为最大容许极限值。

对开关式电源而言，通过包括预调节器和变压器的开关式电源来实现此目的，其中测量中间电路电压，以及其中包括用于执行以下步骤的部件：

-监测中间电路电压

-比较中间电路电压与固定极限值

-当在变压器的初级侧达到极限值时激活突发循环。

在根据本发明的开关式电源的变体的情况下，中间电路电压和开关级的开环/闭环控制装置具有相同的地电位。

根据本发明，突发模式的开环和闭环控制取决于中间电路电压。由于开环和/或闭环控制装置以及中间电路电压具有相同的地电位，因此例如通过分压器，简单测量是可行的。这个电压的增加表明，在次级侧消耗极少功率。因此，对于中间电路电压，固定且监测极限值。当达到此极限值时，在开关式电源的初级侧激活突发模式。这意味着开关式电源被断开，其中中间电路中的电压实际上保持恒定，而次级电压、即输出电压缓慢下降。在先前确定的时间之后或者在对于次级电压达到最小值时，电源再次被接通。由于次级电压的下降，因此中间电路负载在接通之后的第一瞬间是高的，而中间电路电压下降。如果输出负载保持为低，则中间电路电压在短时间之后再次上升，以及当中间电路电压达到极限值时立即重新触发突发模式。如果输出负载增加，则没有达到最大中间电路电压的极限值，突发模式自动停用。

突发模式的激活和停用由最好是设置在开关级的开环/闭环控制装置来实现。在本发明的一个优选实施例中，采用单个开环控制来测量和监测中间电路电压以及激活和停用突发模式。突发模式的激活意味着断开变压器。

在根据本发明的开关式电源的变体中，当经过了自突发循环开始的时间测量的先前确定的时间时，变压器再次被接通。这意味着在变压器再次被接通之前，变压器在先前确定的时间里保持断开。

在另一个变体中，当经过了同样自突发循环开始的时间测量的可调或自适应时间时，变压器再次被接通。一旦经过了这个可调或自适应时间，变压器再次被接通。

在根据本发明的另一个变体中，变压器作为输入线电压的函数、即在零转变时被接通。存在极限值的输入线电压通过闭环控制来监测。当达到这个极限值时，闭环控制停用突发模式，从而再次接通变压器。

在本发明的又一个变体中，变压器的接通取决于另外监测的次级电压、即开关式电源的输出电压。当达到输出电压的最小值时，突发模式通过闭环控制被停用，从而再次接通变压器。

开环/闭环控制装置最好是设置在监测及提供中间电路电压和输出电压的开环和/或闭环控制的开关级中。

在根据本发明的方法的一个变体中，集成了预调节器功能单元和开关级。

变压器可以是DC/DC变换器，例如包括被间歇地激活的至少一个晶体管。

在本发明的又一个变体中，如果同时出现高输出负载，则突发模式没有被激活。这意味着，当超过中间电路电压Uic的极限值Ulimit时，如果同时输出电压Uo低于额定电压Unorm，则不激活突发模式。例如输电干线中的扰动脉冲(电涌)可能触发这种(短期)超出中间电路电压Uic的极限值的情况。

在另一个变体中，在输出侧连接到开关式电源的负载可包括用于直接或间接监测开关式电源的输出电压的装置，以及以开关级的输出电压或活动的函数来实现负载变化。这样，负载变化只出现在开关级的激活阶段。开关级的激活阶段的检测可通过以下方式进行：

-通过测量和估计开关式电源的输出电压；

-通过测量和估计变压器的次级侧的电压、例如变压器与整流器和滤波器之间的交流电压。

这种监测确保负载变化只出现在变压器的激活阶段，使得输出电压不会下降到最小值以下。否则这可能在突发循环开始时接入输出负载时出现。

例如当输出电压Uo的变化与时间变化之比为正时，即如下式所示，出现高输出负载突发操作中的激活阶段：

$\frac{\mathrm{dUo}}{\mathrm{dt}}\≥0$

直接监测的一个实例是测量变压器与整流器/滤波器组件之间的电压。如果在这里记录了交流电压，则开关变压器是激活的，并且负载可以被接入。

在另一个变体中，输出负载还可包括用于把出现的负载变化传送给开环/闭环控制装置的装置。因此，可以确保可能被激活的任何突发模式在负载变化之前或在负载变化期间被停用。

所述接通条件的其它组合同样是可行的。

本发明的一个优点是对集成预调节器中的中间电路电压的控制，而不需要附加的有源元件。

根据本发明的解决方案的另一个优点在于，在上述方法的情况下，产生节省能量的突发模式。

根据本发明的方法的另一个优点是正常模式与突发模式这两种工作模式之间的自动转换，该自动转换通过闭环控制来执行。

根据本发明的方法的一个附加优点是较大的自由度，表现为整流器和变压器的控制曲线只需要在较小的程度上保持一致。

有利的是，开关式电源的输出侧的加载步骤被同步，这防止从突发模式转换到正常模式时可能出现的问题。根据电路设计，或者可能出现当负载在突发循环开始时被接入时、输出电压下降到低于最小值的情况。因此，提供以下选项：

a)负载的开环控制，它允许只在变压器的激活阶段接入较大负载，或者

b)通过附加控制线对变压器的开环控制，它在负载被接入时终止突发模式。

将参照附图所示的实施例的实例来进一步描述本发明，但是本发明不限于此，附图中：

图1是根据本发明的开关式电源的实施例的一个实例的框图；

图2表示本发明的详细实施例；以及

图3以子图a)到d)表示突发模式轮廓的一个实例。

图1是根据本发明的开关式电源的实施例的一个实例的框图。开关式电源1包括至少两个输入端子2’和2”以及至少两个输出端子3’和3”。输入线连接到例如输电干线4，它在不同国家有不同的值，但通常提供100与240伏之间的交流电压。电力用户5作为负载连接到开关式电源1的输出线3’和3”。输出电压Uo或输出电压Uo(1...n)经过大小计算，以便符合其应用。

开关式电源1首先包括预调节器6，它对输入侧交流电压(AC)进行整流(DC)。与其连接的变压器7把直流电压(DC)转换成预期直流电压(DC)。变压器7的开关部件13同时还被用于预调节器的操作。变压器7可采取例如DC/DC变换器的形式，它只是通过定时开关部件13间歇地接受直流电压。因此，开关式电源1的输出电压Uo可在给定极限内选取。在预调节器6与变压器7之间，中间电路电压Uic在包括例如2个电阻器R1、R2的分压器上被分接，并经由连接线19被提供给开环/闭环控制装置18。组件9其中还被用来测量和监测输出电压Uo。组件9可经由连接10接入变压器7的次级侧。开环/闭环控制装置18通过经由连接20适当地激活开关部件13，使组件9所监测的输出电压Uo和/或输出电流至少在给定极限内保持恒定。

为了可选的输入电压检测，开环/闭环控制装置18可具有到预调节器6的输入端的连接22。输入电压的检测允许有目的地以输入线电压的函数、例如在零转换时接通变压器7。

图2是本发明的实施例的一个实例的详细表示。在整流器11中，首先，从输电干线中产生不平滑的直流电压Udirect。与电容器C1结合，集成预调节器功能单元12将它转换成近似恒定的中间电路电压Uic，其中，预调节器功能单元12同时从输电干线吸取与适当标准对应的电流Iline。从中间电路电压Uic，包括开关部件13和开环/闭环控制装置18的开关级间接产生输出电压Uo。组件9测量输出电压Uo，并将它传送给开环/闭环控制装置18，开环/闭环控制装置18另外还测量中间电路电压Uic。在所述实施例的实例中，输出线3’和3”两端的输出电压Uo在电势上被隔离。例如通过变压器14来实现电势隔离，变压器14把中间电路电压Uic转换成预期电压Unorm。中间电路电压Uic被转换成交流电压Ualternating，用于开关级的转换，而整流器和滤波器15则把交流电压转换成预期直流电压。经整流的输出信号Uo例如由光耦合器17传送，以及由组件9来测量和监测。预调节器功能单元12、开关级以及变压器14之间的耦合16确保在正常工作中，在输出电压Uo的闭环控制情况下同时获得满足适当标准的可接受中间电路电压Uic和输入电流波形。仅在附图中提出的这种耦合16可例如通过电容器、电感器和/或磁性元件来实现。预调节器6的电感器可集成到例如变压器14中，但其它配置也是可行的。由于在传统的开关式电源的情况下，只有输出电压Uo才易受到闭环控制的影响，因此其它两种条件、即输入电流Iin和中间电路电压Uic必须通过适当的电路尺寸计算来获得。这导致设计方面的极度限制，而且已经证明在低负载工作中是不可行的。因此，根据本发明，中间电路电压Uic经由分压器R1、R2分接。输出电压Uo通过电阻R3和光耦合器17来测量，并被传送给开关级中的开环/闭环控制装置。为此，用作测量装置的组件9经由线路8’和8”被连接到开关级的开环/闭环控制装置18。虽然中间电路电压Uic低于极限值Ulimit，但变压器7由开关级中的开环/闭环控制装置18以这样的方式开关，使得输出电压Uo恒定地处于其预期值Unorm。仅当超过中间电路电压Uic的极限值Ulimit时，变压器7才被短暂地断开、即启动突发循环。在此间隔中，输出电压Uo的测量用于确定应该进行重新接通的时间。当输出电压下降到低于最小容许电平(Umin)时，变压器7再次被接通。当中间电路电压Uic达到极限值Ulimit时，触发下一个突发循环。

图3在子图a)中表示开关式电源1在什么负载下工作，在子图b)中表示变压器7的通断状态，在子图c)中表示中间电路电压Uic和所记录极限值Ulimit的轮廓，以及在子图d)中表示输出电压Uo和所记录最小值Umin的轮廓。对于时期t＜t1，开关式电源1的工作表示为处于正常负载下，这意味着变压器7接通，中间电路电压Uic低于极限值Ulimit，以及输出电压Uo被调节到其额定值Unorm。在本例中的时间t1，低负载工作开始。首先，变压器7保持接通，中间电路电压Uic增加并在时间t2达到极限值Ulimit。变压器7随即断开，从而停止中间电路电压Uic的增加，输出电压Uo的值下降。到时间t3，输出电压Uo已经达到容许最小值Umin。为了防止电压下降到低于此值，变压器7再次接通。到时间t4，输出电压Uo已经到达实际恒定值，但此后中间电路电压Uic再次增加，因为开关式电源1继续在低负载下工作。到时间t5，中间电路电压Uic已经再次达到其极限值Ulimit，开始下一个突发循环。这重复进行，直到中间电路电压Uic再次到达其极限值Ulimit，即开关式电源1在低负载下工作。在所述实例中，低负载工作在时间t6结束，因此中间电路电源Uic不再达到其极限值Ulimit，输出电压Uo保持高于最小值Umin，以及变压器7相应地被接通。突发模式随着变压器7的第一次断开而开始，以及在变压器7保持接通时结束。突发模式包括一个或多个突发循环，其中突发循环同样在变压器7被断开时开始，并且包括达到中间电路电压Uic的极限值Ulimit以及达到输出电压Uo的最小值Umin，其中变压器7在同时重新被接通。当变压器7再次被断开时，突发循环结束或者下一个突发循环开始。开环/闭环控制装置18监测和确定中间电路电压Uic以及输出电压Uo。变压器7按照其值的函数被接通或断开。

在本发明的另一个实施例中，输出电压不确定发生重新接通的时间，但t₃-t₂或者是预定的，或者可通过开关式电源的用户调节，或者是自适应的。

总之，处于低负载工作中的开关式电源1的效率通过中间电路电压Uic的开环/闭环控制而得到提高。中间电路电压Uic通过激活突发循环来起作用。预调节器6和变压器7共用开关级，从而缩减了成本以及增大了集成度。

Claims (17)

1.一种操作开关式电源的方法，具体来讲，开关式电源(1)包括至少一个预调节器功能单元(12)、具有开环和/或闭环控制装置(18)的开关级(13)以及分压器(R1，R2)，所述分压器(R1，R2)设置在所述预调节器功能单元(12)与所述开关级之间，其中在所述预调节器功能单元(12)与所述开关级之间存在中间电路电压(Uic)，其特征在于为所述中间电路电压(Uic)设定极限值(Ulimit)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当在变压器(7)的初级侧上所述中间电路电压(Uic)达到所述极限值(Ulimit)时，在所述开关级中，所述开环和/或闭环控制装置18激活突发循环。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述变压器(7)在激活所述突发循环时被断开。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述突发循环在经过预定的、可调的或自适应的时段后被停用，而且重新接通所述变压器(7)，所述时段是从所述突发模式激活时开始测量的。

5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，监测输入线电压，以及当达到所述输入线电压的极限值时，所述开关级中的所述开环和/或闭环控制装置18停用所述突发模式。

6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在所述变压器(7)的次级侧监测所述开关式电源(1)的输出电压(Uo)，

为所述输出电压(Uo)设定最小值(Umin)，以及

当达到所述输出电压Uo的所述最小值Umin时，停用所述突发循环，并且再次接通所述变压器7。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述开关级中的所述一个开环和/或闭环控制装置(18)监测和实现对所述中间电路电压(Uic)以及所述输出电压(Uo)的开环和/或闭环控制。

8.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预调节器功能单元(12)和所述开关级是集成的。

9.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述变压器(7)是DC/DC变换器，它包括被间歇地激活的至少一个晶体管。

10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述闭环控制在同时出现高输出负载时不激活突发模式。

11.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，连接输出负载(5)，它包括用于直接或间接监测所述开关级(13)的活动的装置，并且只在激活阶段实现负载变化。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述开关级(13)的所述激活阶段的检测是通过测量和估计所述开关式电源(1)的所述输出电压(Uo)来实现的。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述开关级(13)的所述激活阶段的检测是通过测量和估计所述变压器(7)的次级侧的电压来实现的。

14.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，连接输出负载(5)，它包括用于把正出现的负载变化传送给所述开环和/或闭环控制装置(18)的装置。

15.一种具有预调节器(6)和变压器(7)的开关式电源(1)，其中测量中间电路电压(Uic)，具体来讲是通过如权利要求1到13所述的方法操作的开关式电源(1)，其特征在于提供用于以下操作的部件：

监测所述中间电路电压(Uic)，

比较所述中间电路电压(Uic)与设定的极限值(Ulimit)，

当在所述变压器(7)的初级侧达到所述极限值(Ulimit)时激活突发循环。

16.如权利要求15所述的开关式电源(1)，其特征在于，所述中间电路电压(Uic)和所述开关级的所述开环和/或闭环控制装置(18)具有相同的地电位。

17.如权利要求15或16其中之一所述的开关式电源(1)的使用，用于在所述开关式电源(1)的低负载工作的情况下实现提高的效率。

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