电源系统和设备技术方案

本发明专利技术涉及采用可编程数字控制的开关式电源，并涉及包括提供多个开关式电源的电源系统。用绝缘屏障将开关式电源系统的输入端和输出端隔开，并且开关式电源包括具有至少一个开关元件的变换级和具有一个第二开关元件的预调器。变换级的开关元件以及预调器的开关元件由可编程数字电路数字化地控制。该可编程数字电路设置在所述第二绝缘屏障的原边上。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
电源系统和设备 本申请是 申请人:埃默生网络能源系统北美公司于2011年12月5日提交的、发 明名称为电源系统和设备的中国专利申请No. 201110437434. 4 (其还是中国专利申请 No. 03815039. 5的分案申请）的分案申请。
本专利技术总体上涉及电源领域，更具体地说，涉及采用可编程数字控制的开关式电 源。
技术介绍
在现代社会的许多领域中，可靠的电源对于电子设备的正确运行至关重要。其中 这样的一个领域是移动无线电话技术，移动无线电话的用户都希望移动无线电网络在运行 时不受干扰。在这种移动无线电网络中，为了将主电压转换为可提供给各种负载（例如无 线电收发器等）稳定的DC电压，采用了开关式电源。在开关式电源中，为了得到期望的电源 输出特性，根据不同的占空比来控制晶体管的接通和断开。而且，开关式电源还通常与电池 连接以便给电池充电，使得在主电压失败的时候可以用电池来取代电源。在布达佩斯1997 年4月22-24日Telescon 97发表的一种用于标准电信系统的新型改进的整流器中描 述了开关式电源的例子。 由Feng、Y-Y等人在2001年加拿大温哥华召开的2001 IEEE第32期年刊电源电 子线路专家会议（第2卷1251页一 1256页）上发表的具有快速响应的单级单开关回扫 PFC AC/DC转换器的数字控制中，公开了一种单级单开关AC/DC转换器。
技术实现思路
本专利技术涉及的一个问题是：如何提供改进型开关式电源和改进型电源系统。 通过一种开关式电源来解决这一问题，所述开关式电源具有： 用于接收电功率的输入端和用于传递具有输出电压和输出电流的输出信号的输 出端； 其中用绝缘屏障（140)将所述输入端与所述输出端（135)隔开，使得所述输入端 (110)设在绝缘屏障（140)的原边（primary side)上，而所述输出端（135)设在绝缘屏障 (140)的副边（secondary side)上； 所述开关式电源包括： 耦合在输入端和输出端之间的变换级（125)，所述变换级具有至少一个可控制的 第一开关元件（205)，它用于产生变换级占空比（D)，以使所述变换级（125)产生所述输出 信号，和 可编程数字电路（600)，它根据在绝缘屏障（140)的所述原边上获得的至少一个 信号（Uin、Iin、Uint、Iint、U a。）来控制所述第一开关元件（205)，所述可编程数字电路设置在所 述绝缘屏障的所述原边上。 在所述绝缘屏障的所述原边上提供可编程数字电路，可有利地使可编程数字电路 控制所述第一开关元件，而不需要通过绝缘屏障发送控制信号。不需要通过绝缘屏障发送 控制信号使得可以更加精确地控制开关元件，因此可产生更加精确的变换级占空比。因为 消除了控制信号通过绝缘屏障的传输，所以消除或减少了由于不准确的控制信号和不恰当 的延时所造成的开关元件偶尔交叉导通的危险（即两个开关元件的同时导通造成的瞬时 短路）。而且这种交叉导通可能由于脉冲变压器传输控制信号的延时或光耦合器的随机延 时而发生。 本专利技术还涉及开关式电源（100)，此开关式电源具有： 用于接收电功率的输入端（110)和用于传递具有输出电压和输出电流的输出信 号的输出端（135); 其中用绝缘屏障（140)将所述输入端（110)与所述输出端（135)隔开，使得所述 输入端（110)在绝缘屏障（140)的原边，而所述输出端（135)在绝缘屏障（140)的副边； 所述开关式电源包括： 耦合在输入端和输出端之间的变换级（125)，所述变换级具有至少一个产生变换 级占空比（D)的可控的第一开关元件（205)，使得所述变换级（125)产生所述输出信号，以 及 可编程数字电路（600)，它根据至少一个信号控制所述开关元件（205)。 在开关式电源的一个实施例中，所述可编程数字电路位于所述绝缘屏障的原边。 在开关式电源的一个实施例中，变换级可运行于输送基本上恒定的输出功率的模 式（M2_ 3)下；以及 变换级可运行于输送基本上恒定的输出电流的模式（M3_5)下。 在开关式电源的一个实施例中， 所述可编程数字电路包括接收表示变换级输入电流（Iint)的信号（725)的装置； 所述可编程数字电路适于从表示变换级输入电流（Iint)的所述信号中得到输出电 流（U);以及 所述可编程数字电路还适于在第一开关元件的控制中利用输出电流（Itjut)的所述 导出值(I:丨）《 这个解决方案可有利地控制开关式电源，使得开关式电源在副边输送恒定的输出 功率或恒定的输出电流，而控制是基于仅在绝缘屏障的原边得到的信号进行的。因此，不用 测量实际输出电流便可控制输出电流。 上述问题还通过电源系统进行解决，此电源系统包括至少第一开关式电源和与分 配单兀并联的第二开关式电源。第一开关式电源具有第一输入端和第一输出端，其中用第 一绝缘屏障将所述第一输入端和第一输出端分开。第一开关式电源包括连接在第一输入端 和第一输出端之间的第一变换级，第一变换级具有至少一个第一开关元件。第一开关式电 源还包括适于控制所述第一开关元件的第一可编程数字电路。第二开关式电源具有第二输 入端和第二输出端，其中用所述第二绝缘屏障将第二输入端和第二输出端分开。第二开关 式电源包括连接在第二输入端和第二输出端之间的第二变换级，第二变换级具有至少一个 第二开关元件。第二开关式电源还包括适于控制所述第二开关元件的第二可编程数字电 路。 通过所述开关式电源和电源系统增强了可靠性和灵活性，并降低了开关式电源和 电源系统的制造成本。 在电源系统的一个实施例中，第一可编程数字电路适于在确定第一开关式电源重 启尝试的时间时采用主频，第二可编程数字电路适于在确定第二开关式电源重启尝试的时 间时采用主频。因此可得到第一和第二开关式电源重启尝试的精确同步，从而降低了第一 和第二开关式电源由于非同步重启造成的重启失败的危险。 在本专利技术开关式电源的一个方面中，开关式电源包括预调节器，此预调节器包括 至少第二开关元件，可编程数字电路还适于控制所述第二开关元件。因此通过可编程数字 电路的方法可实现输入电流的波形和相位可调。 在本专利技术开关式电源的一个实施例中，可编程数字电路位于所述绝缘屏障的原 边。因此使必须穿过绝缘屏障传输的信号数量最小，同时也使系统的干扰最小。在这个实 施例的一个方面中，可编程数字电路包括接收表示变换级输入电流（I int)的值的装置。可 编程数字电路适于从所述变换级输入电流中得到输出电流（Itjut)，同时可编程数字电路还 适于在控制第一开关元件中利用输出电流的所述导出值。由此不需要测量输出电流，同时 不必跨过绝缘屏障传输表示输出电流的信号。 在开关式电源的一个实施例中，开关式电源包括参量测量的装置、产生所述参量 的参考值的装置以及产生所述参量的测量值与参考值之间差值的装置。在本专利技术的这个实 施例中，可编程数字电路包括将所述参量的测量值与参考值之间的所述差值转化为数字表 示的装置。由此用于转换成数字表示的装置可以使用适当数量的比特用于数字表示。在 实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关式电源，它具有用于接收电功率的输入端和用于传递具有输出电压和输出电流的输出功率的输出端；其中，用适于将所述输入端与所述输出端电绝缘的绝缘屏障将所述输入端与所述输出端隔开，使得在绝缘屏障的原边上提供所述输入端，而在绝缘屏障的副边上提供所述输出端；所述开关式电源包括：耦合在所述输入端和输出端之间的变换级，所述变换级具有至少一个可控制的第一开关元件，该第一开关元件用于产生变换级占空比，以使所述变换级产生所述输出功率；数字电路，设置在所述绝缘屏障的原边上；所述开关式电源的特征在于预调器耦合在输入端和变换级之间，所述预调器包括第二开关元件；而且，所述数字电路被安排为根据至少一个在绝缘屏障的所述原边上得到并表示测量参量的信号来控制所述第一开关元件；而且，所述数字电路是可编程数字电路，所述数字电路被设置成运行可执行的计算机程序码，以使可编程数字电路控制所述第一开关元件的通断时间；所述可编程数字电路被设置成运行可执行的计算机程序码，以使可编程数字电路控制所述第二开关元件的通断时间；其中，所述可执行的计算机程序码的执行使所述可编程数字电路达成预调器和变换级的组合控制，以允许所述输出电压和所述输出电流的精确控制。...

【技术特征摘要】
2002.04.29 SE 0201290-4;2002.05.13 SE 0201432-21. 一种开关式电源，它具有用于接收电功率的输入端和用于传递具有输出电压和输 出电流的输出功率的输出端；其中，用适于将所述输入端与所述输出端电绝缘的绝缘屏障 将所述输入端与所述输出端隔开，使得在绝缘屏障的原边上提供所述输入端，而在绝缘屏 障的副边上提供所述输出端；所述开关式电源包括：耦合在所述输入端和输出端之间的变 换级，所述变换级具有至少一个可控制的第一开关元件，该第一开关元件用于产生变换级 占空比，以使所述变换级产生所述输出功率；数字电路，设置在所述绝缘屏障的原边上；所 述开关式电源的特征在于预调器耦合在输入端和变换级之间，所述预调器包括第二开关元 件；而且，所述数字电路被安排为根据至少一个在绝缘屏障的所述原边上得到并表示测量 参量的信号来控制所述第一开关元件；而且，所述数字电路是可编程数字电路，所述数字电 路被设置成运行可执行的计算机程序码，以使可编程数字电路控制所述第一开关元件的通 断时间；所述可编程数字电路被设置成运行可执行的计算机程序码，以使可编程数字电路 控制所述第二开关元件的通断时间；其中，所述可执行的计算机程序码的执行使所述可编 程数字电路达成预调器和变换级的组合控制，以允许所述输出电压和所述输出电流的精确 控制。2. 根据权利要求1所述的开关式电源，其特征在于可编程数字电路是单个处理器或单 个现场可编程门阵列。3. 根据权利要求1 一 2中任一项所述的开关式电源，其特征在于所述变换级是DC/DC 变换级。4. 根据权利要求1 一 3中任一项所述的开关式电源，其特征在于，所述变换级包括四个 全桥设置的开关元件，所述可编程数字电路适于控制所述四个开关元件。5. 根据权利要求4所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路适于产生一 个脉宽调制信号，并将所述一个脉宽调制信号发送到所述四个开关元件中的每一个中；而 且，所述可编程数字电路还适于确定所述四个脉宽调制信号的两个相对于所述四个脉宽调 制信号的另两个的相移，所述相移是基于所述全桥的占空比的期望值来确定的。6. 根据权利要求4或5所述的开关式电源，其特征在于，可编程数字电路包括具有数字 计数器的计时器，而其中预调器和变换级的采样次序是通过所述数字计数器来确定的。7. 根据权利要求1 一 6中任一项所述的开关式电源，其特征在于还包括：变换级输出 控制器，适于控制变换级占空比值；所述变换级输出控制器至少部分地用所述可编程数字 电路来体现。8. 根据权利要求1 一 7中任一项所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路 适于将主频率用于确定开关式电源的重启尝试的定时。9. 根据权利要求1 一 8中任一项所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路 适于接收表示开关式电源的输入端所连接的主电压的信号；而且，所述可编程数字电路还 适于使用所述信号确定由所述开关式电源输送的最大功率。10. 根据权利要求1 一 9中任一项所述的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源包 括：用于测量参量的装置；用于产生所述参量的基准值的装置；用于产生所述参量的所述 测量值与所述基准值之间差异的装置；以及所述可编程数字电路包括将所述参量的基准值 与测量值之间的所述差异转换成数字表示的装置。11. 根据权利要求10所述的开关式电源，其特征在于，所述参量是开关式电源的输出 电压；而且，所述可编程数字电路还适于利用所述差异控制第一开关元件。12. -种电源系统，它包括：如权利要求1 一 11中任一项所定义的第一开关式电源；所 述第一开关式电源适于输送第一功率输出；以及如权利要求1 一 11中任一项所定义的第二 开关式电源；所述第二开关式电源适于输送第二功率输出；以及分配单元，该分配单元具 有分配单元输入，所述分配单元输入连接成接收所述第一功率输出和所述第二功率输出， 该分配单元还具有至少一个用于向负载提供电功率的分配单元输出。13. -种开关式电源，它具有用于接收电功率的输入端和用于传递具有输出电压和输 出电流的输出功率的输出端；其中，用适于将所述输入端与所述输出端电绝缘的绝缘屏障 将所述输入端与所述输出端隔开，使得在绝缘屏障的原边上提供所述输入端，而在绝缘屏 障的副边上提供所述输出端；所述开关式电源包括：耦合在所述输入端和输出端之间的变 换级，所述变换级具有至少一个可控制的第一开关元件，它用于产生变换级占空比，以使所 述变换级产生所述输出功率；在输入端和变换级之间耦合的预调器，所述预调器包括第二 开关元件；以及可编程数字电路；所述开关式电源的特征在于可编程数字电路被设置在绝 缘屏障的原边上；可编程数字电路被设置成根据至少一个在绝缘屏障的所述原边上得到的 信号来控制所述第一开关元件；所述可编程数字电路进一步被设置成控制所述第二开关元 件。14. 根据权利要求13所述的开关式电源，其特征在于所述可编程数字电路是单个处理 器或单个现场可编程门阵列。15. 根据权利要求13所述的开关式电源，其特征在于所述变换级是DC/DC变换级。16. 根据权利要求13所述的开关式电源，其特征在于，所述变换级包括四个全桥设置 的开关元件，所述可编程数字电路适于控制所述四个开关元件。17. 根据权利要求16所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路适于产生 一个脉宽调制信号，并将所述一个脉宽调制信号发送到所述四个开关元件中的每一个中； 而且，所述可编程数字电路还适于确定所述四个脉宽调制信号的两个相对于所述四个脉宽 调制信号的另两个的相移，所述相移是基于所述全桥的占空比的期望值来确定的。18. 根据权利要求16所述的开关式电源，其特征在于，可编程数字电路包括具有数字 计数器的计时器，而其中预调器和变换级的采样次序是通过所述数字计数器来确定的。19. 根据权利要求13所述的开关式电源，其特征在于还包括：变换级输出控制器，它 适于控制变换级占空比值；所述变换级输出控制器至少部分地用所述可编程数字电路来体 现。20. 根据权利要求13所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路适于将主 频率用于确定开关式电源的重启尝试的定时。21. 根据权利要求13所述的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源包括：用于测量 参量的装置；用于产生所述参量的基准值的装置；用于产生所述参量的所述测量值与所述 基准值之间差异的装置；以及所述可编程数字电路包括将所述参量的基准值与测量值之间 的所述差异转换成数字表示的装置。22. 根据权利要求21所述的开关式电源，其特征在于，所述参量是开关式电源的输出 电压；而且，所述可编程数字电路还适于利用所述差异控制第一开关元件。23. -种电源系统，它包括：如权利要求12所述的第一开关式电源，所述第一开关式电 源适于输送第一功率输出；以及如权利要求13所述的第二开关式电源，所述第二开关式电 源适于输送第二功率输出；以及分配单元，该分配单元具有分配单元输入，所述分配单元输 入连接成接收所述第一功率输出和所述第二功率输出，该分配单元还具有至少一个用于向 负载提供电功率的分配单元输出。24. -种开关式电源，它具有用于接收电功率的输入端和用于传递输出信号的输出端， 所述输出信号具有输出电压和输出电流；其中，用绝缘屏障将所述输入端与所述输出端隔 开，使得在绝缘屏障的原边上提供所述输入端，而在绝缘屏障的副边上提供所述输出端；所 述开关式电源包括耦合在所述输入端和输出端之间的变换级，所述变换级具有四个全桥设 置的开关元件，用来产生变换级占空比，以使所述变换级产生所述输出信号，以及可编程数 字电路，用以根据至少一个信号控制所述四个开关元件，其中所述可编程数字电路适于产 生一个脉宽调制信号，并将所述一个脉宽调制信号发送到所述四个开关元件中的每一个 中；而且，所述可编程数字电路还适于确定所述四个脉宽调制信号的两个相对于所述四个 脉宽调制信号的另两个的相移，所述相移是基于所述全桥的占空比的期望值来确定的。25. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路被设置在 所述绝缘屏障的原边上。26. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，所述变换级可工作于用于输送 基本上恒定的输出功率的模式；以及，所述变换级可工作于用于输送基本上恒定的输出电 流的模式。27. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路包括用于 接收表示所述变换级的输入电流的信号的装置；所述可编程数字电路适于从表示所述变换 级的输入电流的所述信号导出所述输出电流；而且，所述可编程数字电路还适于利用所述 输出电流的所述导出的值控制开关元件。28. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于还包括：变换级输出控制器，适于 控制变换级占空比值；所述变换级输出控制器至少部分地用所述可编程数字电路来体现。29. 根据权利要求27所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路还适于根 据输出电流的所述导出值和表示变换级占空比的所述信息操作变换级，以输送基本上恒定 的输出电流。30. 根据权利要求29所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路还适于允 许在占空比值高于预定阈值时根据所述导出的输出电流值和表示变换级占空比的所述信 息来操作变换级，以输送基本上恒定的输出电流。31. 根据权利要求29所述的开关式电源，其特征在于，预定阈值为0. 4或更低的值。32. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，所述变换级是DC/DC变换级。33. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路适于将主 频率用于确定开关式电源的重启尝试的定时。34. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程数字电路适于接收 表示开关式电源的输入端所连接的主电压的信号；而且，所述可编程数字电路还适于使用 所述信号确定由所述开关式电源输送的最大功率。35. 根据权利要求28所述的开关式电源，其特征在于，所述变换级输出控制器适于控 制变换级占空比值，使得变换级操作于用于输送基本上恒定的输出电压的模式。36. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，使用至少一个光耦合器来跨过 绝缘屏障传输至少一个信号。37. 根据权利要求24所述的开关式电源，其特征在于，所述至少一个信号是在绝缘屏 障的所述原边上，所述可编程数字电路被设置在所述绝缘屏障的所述原边上。38. -种开关式电源，它具有用于接收电功率的输入端和用于传递具有输出电压和输 出电流的输出信号的输出端；其中，用绝缘屏障将所述输入端与所述输出端隔开，使得在绝 缘屏障的原边上提供所述输入端，而在绝缘屏障的副边上提供所述输出端；所述开关式电 源包括：耦合在所述输入端和输出端之间的变换级，所述变换级具有至少一个可控制的第 一开关元件，它用于产生变换级占空比，以使所述变换级产生所述输出信号；以及可编程数 字电路，设置在所述绝缘屏障的原边上，用以根据至少一个信号来控制所述开关元件，所述 至少一个信号在绝缘屏障的所述原边上；其中，输出电压和从辅助处理器得来的输出基准 电压信号都是输入位于副边上的差分放大器的输入信号，以产生跨过绝缘屏障传送到原边 上的可编程数字电路的模拟输出误差信号，由此所述至少一个信号是所述输出误差信号。39. 根据权利要求38所述的开关式电源，其特征在于，所述差分放大器是频率相关的...

【专利技术属性】
技术研发人员：A汉松，T萨尔斯特伦，J马，M安德松，
申请(专利权)人：艾默生网络能源系统北美公司，
类型：发明
国别省市：美国;US