專利名稱：可自動優(yōu)化效率的開關(guān)模式電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及電源技術(shù)領(lǐng)域，特別是開關(guān)模式電源技術(shù)。
背景技術(shù)：
開關(guān)模式電源是電子組件，其用于電流變換和電壓變換，并且例如廣泛地用作計(jì) 算機(jī)電源或存儲器電源。但是，在許多其他領(lǐng)域中也會使用到開關(guān)模式電源。尤其是通過 開關(guān)模式電源將不穩(wěn)定的輸入電壓來生成穩(wěn)定的輸出電壓或輸出電流。在此，借助于自動 調(diào)節(jié)電路通過控制開關(guān)模式電源中的能通量來實(shí)現(xiàn)輸出值的穩(wěn)定。典型地，這種調(diào)節(jié)通過 可在時(shí)間上進(jìn)行控制的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，該開關(guān)例如設(shè)計(jì)為晶體管。相對于傳統(tǒng)的電源而言，開關(guān)模式電源實(shí)現(xiàn)了明顯更高的效率。因?yàn)椋陂_關(guān)模式 電源中，尤其在使用同步整流器時(shí)，需要進(jìn)行對晶體管(用作開關(guān))時(shí)間準(zhǔn)確的控制，通常 要注意到停機(jī)時(shí)間，以避免類似于短路的狀態(tài)(也稱為“擊穿”)。在此，停機(jī)時(shí)間必須要測 量足夠長的時(shí)間，以便于參考如負(fù)荷變化、溫度漂移、時(shí)效漂移及元件公差等效應(yīng)。然而，通 過長時(shí)間的停機(jī)時(shí)間限制了開關(guān)模式電源的可實(shí)現(xiàn)效率。有利的是，開關(guān)模式電源具有關(guān)于輸入端電源和輸出端連接負(fù)荷的較大公差范 圍，但是，在較低的輸入電壓和較小負(fù)荷中通常僅達(dá)到非常有限的效率。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提出一種方法，例如能夠在較寬的輸入電壓范圍和負(fù)荷 范圍上提高開關(guān)模式電源的效率。本發(fā)明的另一目的在于，提出一種開關(guān)模式電源，其具有 長時(shí)間的高穩(wěn)定性及良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源以及根據(jù)權(quán)利要求13所述的方 法實(shí)現(xiàn)。有利的實(shí)施例及改進(jìn)方案在各個(gè)從屬權(quán)利要求中給出。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源包括輸入端接口，用于接收輸入電壓和/或 輸入電流；輸出端接口，用于提供輸出電壓和/或輸出電流；以及設(shè)置在輸入端接口和/或 輸出端接口之間的電路，用于變換電流和/或電壓，該電路具有至少一個(gè)控制開關(guān)。為控制 至少一個(gè)控制開關(guān)設(shè)有控制單元，其為此構(gòu)成，即通過帶有可變頻率及可變負(fù)載比的脈寬 調(diào)制信號來控制。此外，測量裝置與控制單元連接，該測量裝置設(shè)置用于至少測量輸入電流 強(qiáng)度、輸入電壓、輸出電流強(qiáng)度及輸出電壓，其中控制單元為此設(shè)置，即通過所連接的測量 裝置的測量值來監(jiān)測開關(guān)模式電源的效率，并且借助于第一數(shù)字調(diào)節(jié)電路通過控制至少一 個(gè)控制開關(guān)來優(yōu)化效率。為實(shí)現(xiàn)該目的，控制單元特別有利地包括一個(gè)數(shù)字信號處理器。有利地，開關(guān)模式電源的設(shè)置在輸入端接口和輸出端接口之間的電路包括多個(gè)電 路元件，尤其是一個(gè)用于矯正功率因數(shù)的第一電路元件、串聯(lián)于第一電路元件且設(shè)置為直 流變壓器的第二電路元件以及串聯(lián)于第二電路元件且設(shè)置為同步整流器的第三電路元件。 優(yōu)選地，第一、第二、第三電路元件分別具有至少一個(gè)通過控制單元控制的開關(guān)。此外，在本 發(fā)明的有利實(shí)施例中，至少一個(gè)電路元件具有多個(gè)通過控制單元控制的開關(guān)。
為了在交流電壓網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，用于矯正功率因數(shù)的第一電路元件優(yōu)選前置串聯(lián)至 少一個(gè)用于對交流電壓整流的其他電路元件。在該實(shí)施例中，進(jìn)行整流之后可以對輸入電 流強(qiáng)度和輸入電壓測量出相應(yīng)數(shù)值。有利地是，用于測量輸入電流強(qiáng)度和輸入電壓的測量 裝置設(shè)置在用于整流的輸入端的電路元件和用于矯正功率因數(shù)的串聯(lián)電路元件之間。用于矯正功率因數(shù)的電路元件優(yōu)選設(shè)置為主動的諧波濾波器并且包括升壓變壓 器，其將電容器充電到高于網(wǎng)絡(luò)交流電壓峰壓的電壓，并且這樣在該電路元件的輸入端上 提供作為中間電路電壓的直流電壓。根據(jù)輸入電壓的曲線再調(diào)節(jié)電流消耗，從而通過串聯(lián) 的電路元件的諧波避免了網(wǎng)絡(luò)的污染。這種控制優(yōu)選借助于設(shè)置在第一電路元件中的第一 開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，該開關(guān)通過控制單元控制。特別有利的是，通過第一電路元件產(chǎn)生的中間電路 電壓可以通過調(diào)控由控制單元控制的第一開關(guān)來調(diào)節(jié)，其中該控制借助于第一脈寬調(diào)制信 號來實(shí)現(xiàn)。串聯(lián)于用于矯正功率因數(shù)的電路元件的直流變壓器包括通過控制單元控制的第 二開關(guān)，其用于控制開關(guān)模式電源的能源消耗，并且出于該目的而接通可設(shè)定開關(guān)頻率及 負(fù)載比的中間電路電壓，其中由此第二開關(guān)通過控制單元借助于第二脈寬調(diào)制信號來控 制。通過直流變壓器產(chǎn)生的脈沖電壓優(yōu)選借助于串聯(lián)的同步整流器進(jìn)行整流。同步整 流器優(yōu)選具有作為整流器元件、通過控制單元控制的第三開關(guān)。為了分隔電流，電路還可以 包括變壓器。在這種情況下，調(diào)節(jié)電路包括至少一個(gè)光電耦合器。控制開關(guān)優(yōu)選設(shè)置為MOSFET (金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管)。其也可以 例如使用雙極性晶體管、IGBT (絕緣柵雙極性晶體管)或其他合適的電子元件，如可控硅元 件。有利的是，第一和第二開關(guān)以這樣的方式通過控制單元來控制，即它們將起到第一調(diào)節(jié) 電路的PID控制器(比例-積分-微分控制器)的作用。為進(jìn)行調(diào)節(jié)，開關(guān)通過控制單元借助于脈寬調(diào)制信號來分別控制。有利的是，在 此脈寬調(diào)制信號具有相同的頻率，不同的相位，通過該脈寬調(diào)制信號，控制單元分別控制第
一、第二及第三開關(guān)。在有利的實(shí)施例中可以可選地設(shè)置單獨(dú)的功率因數(shù)預(yù)調(diào)裝置，其中設(shè)置在電路元 件中用于矯正功率因數(shù)的第一開關(guān)通過脈寬調(diào)制信號進(jìn)行控制，其頻率不關(guān)系到用于控制 第二和第三開關(guān)的脈寬調(diào)制信號而單獨(dú)通過控制單元來調(diào)節(jié)。脈寬調(diào)制信號的頻率及開關(guān)的開關(guān)頻率優(yōu)選在高聽覺域之上，典型地在20kHz到 50kHz的范圍內(nèi)。為了優(yōu)化效率，優(yōu)選脈寬調(diào)制信號的頻率、和/或通過用于矯正功率因數(shù)的電路 元件產(chǎn)生的中間電路電壓、和/或用于控制第一和第二開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之間的相差、 和/或用于控制第二和第三開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之間的相差都作為第一調(diào)節(jié)電路的校正 變量由控制單元來調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)在開關(guān)模式電源的輸出端接口上僅連接較小負(fù)載時(shí)，脈寬調(diào)制信 號的頻率調(diào)節(jié)可以特別有利地用于優(yōu)化效率。此外，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)在開關(guān)模式電源的輸入 端接口上連接的電網(wǎng)電壓出現(xiàn)變化并尤其以低數(shù)值進(jìn)行變化時(shí)，中間電路電壓的調(diào)節(jié)可以 特別有利地用于優(yōu)化效率。為了調(diào)節(jié)中間電路電壓來優(yōu)化效率，測量裝置優(yōu)選與控制單元連接，該測量裝置用于測量由用于矯正功率因數(shù)的電路元件而產(chǎn)生且在輸入端上位于直流變壓器上的中間 電路電壓，并且測量在輸入端上流過直流變壓器的電流強(qiáng)度。由于在出現(xiàn)功率損失時(shí)，電路的相應(yīng)元件的溫度會升高，并且溫度的變化將影響 到元件的效用，因此還有利地設(shè)有與控制單元連接的測量裝置，用于測量電路的至少一處 的溫度，尤其是測量一個(gè)控制開關(guān)附近的溫度。由脈寬調(diào)制信號之間的相差會產(chǎn)生停機(jī)時(shí)間，該停機(jī)時(shí)間則會降低開關(guān)模式電源 的效率。因而，在高開關(guān)頻率中基于產(chǎn)生類似于短路的狀態(tài)(也稱為“擊穿”)的危險(xiǎn)而通 過同步整流器來降低停機(jī)時(shí)間則顯得尤為重要。其必須與“擊穿”點(diǎn)保持一定的距離，因此 在此會出現(xiàn)明顯的功率損失。另一優(yōu)點(diǎn)在于，通過控制單元來控制相對于第一調(diào)節(jié)電路更為緩慢的第二調(diào)節(jié)電 路。優(yōu)選地，在執(zhí)行第一調(diào)節(jié)電路期間通過控制單元來監(jiān)控溫度，并且在溫度穩(wěn)定之后則借 助于第二調(diào)節(jié)電路開始調(diào)節(jié)?？蛇x地或額外地，在效率穩(wěn)定之后借助于第二調(diào)節(jié)電路開始 調(diào)節(jié)。有利的是，通過第二調(diào)節(jié)電路來調(diào)節(jié)用于控制第一和第二開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之 間的相差，和/或調(diào)節(jié)用于控制第二和第三開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之間的相差，以及調(diào)節(jié)相 應(yīng)的停機(jī)時(shí)間。開關(guān)模式電源的效率和/或溫度由控制單元優(yōu)選作為第二調(diào)節(jié)電路的參考變量。上文所述的第一和/或第二調(diào)節(jié)電路的校正變量可以有利地通過特征曲線域設(shè) 定到接近最佳化的數(shù)值。相應(yīng)地，在開關(guān)模式電源開啟和/或在輸入端接口的電壓出現(xiàn)變 化和/或在與輸出端接口連接的負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)，優(yōu)選第一和/或第二調(diào)節(jié)電路的校正變 量根據(jù)安裝在電路中的半導(dǎo)體元件的存在于開關(guān)模式電源中的特征曲線域來設(shè)定。開關(guān)模式電源開啟時(shí)優(yōu)選首先進(jìn)行軟啟動或軟激活，其用于限制開啟電路。這可 以有利地通過相應(yīng)地控制設(shè)置在電路元件中用于主動矯正功率因數(shù)的第一開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的范疇內(nèi)還涉及一種用于運(yùn)行上述開關(guān)模式電源的方法。


本發(fā)明在下文中將根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例并參照附圖來詳細(xì)說明。在此，相同的附圖標(biāo)記在附圖中表示相同或相似的部件。其中，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源的優(yōu)先實(shí)施例的方塊圖，圖加示出了對于設(shè)定不同停機(jī)時(shí)間的特定的時(shí)間曲線，圖2b示出了根據(jù)停機(jī)時(shí)間所發(fā)生的功率損失，該停機(jī)時(shí)間可以通過圖1中示出的 輸出端PWM2和PWM3上生成的脈寬調(diào)制信號的相差設(shè)定，圖3a中示出了對于傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源及在圖1中示出的開關(guān)模式電源而言，關(guān) 于在開關(guān)模式電源的輸出端上連接的負(fù)載的開關(guān)頻率，圖北示出了通過圖加中示出的開關(guān)頻率所要達(dá)到的效率，圖如示出了對于傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源及在圖1中示出的開關(guān)模式電源而言，關(guān)于 在開關(guān)模式電源的輸入端上的輸入電壓的中間電路電壓，圖4b示出了通過圖3a中示出的中間電路電壓所要達(dá)到的效率。
具體實(shí)施例方式在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源100的優(yōu)先實(shí)施例的電路的方塊圖。 電路包括兩個(gè)輸入端接口 101、102，用于將開關(guān)模式電源連接到電源電壓上，優(yōu)選連接到交 流電力網(wǎng)的電源電壓上，該交流電力網(wǎng)例如在德國設(shè)定為230V標(biāo)準(zhǔn)電壓的電網(wǎng)，或者在美 洲大陸設(shè)定為電網(wǎng)交流電壓額定值為IlOV和120V之間的電網(wǎng)。在開關(guān)模式電源100的所示實(shí)施例中，該開關(guān)模式電源包括與輸入端接口 101、 102連接的整流器電路110，其輸出端與用于矯正功率因數(shù)的元件112(在下文中簡稱為 PFC(Power Factor Correction))連接。PFC 112將為串聯(lián)的直流變壓器114(在下文中也 稱為DC/DC變換器)提供中間電路電壓。由DC/DC變換器產(chǎn)生的脈沖電壓傳輸給同步整流 器116，該同步整流器為開關(guān)模式電源100的輸出端接口 103、104提供直流電壓，其在所示 的實(shí)施例中為MV。為了匹配電壓及分隔電流還有利地設(shè)有變壓器，其例如可以設(shè)置在DC/ DC變換器114中。在圖1中，電路的上方例如示出了單個(gè)元件之間的信號形式。為調(diào)節(jié)開關(guān)模式電源100設(shè)有控制單元200，其借助于第一、第二、第三脈寬調(diào)制 信號來控制第一、第二及第三開關(guān)，其中這些開關(guān)優(yōu)選設(shè)置為M0SFET，并且第一開關(guān)設(shè)置在 PFC 112中，第二開關(guān)設(shè)置在DC/DC變換器中，第三開關(guān)設(shè)置在同步整流器116中。為提供 脈寬調(diào)制信號，控制單元200相應(yīng)具有稱為PWM1、PWM2、PWM3的輸出端210、220、230，其分 別與第一、第二及第三開關(guān)的柵極接口連接。在可選的實(shí)施例中，元件112、114、116也可以 分別包括多個(gè)開關(guān)，這些開關(guān)分別借助于共有或單獨(dú)的脈寬調(diào)制信號控制。控制單元200還包括用于注冊測量信號的信號輸入端M1、M2、M3、251、252、 253 J61J62，其中每個(gè)信號輸入端優(yōu)選分別對應(yīng)一個(gè)A/D變換器，其用于轉(zhuǎn)換模擬測量信 號。信號輸入端Mld51、M3、253用于測量輸入電流、輸入電壓、輸出電流和輸出電壓。出 于這樣的目的，信號輸入端241與電壓測量器141連接，信號輸入端251與電流測量器151 連接，信號輸入端243與電源測量器143連接，信號輸入端253與電路測量器153連接。通過信號輸入端241、251、243、253獲得的測量值通過控制單元尤其用于計(jì)算效 率，其中乘積輸出值除以乘積輸入值將得出效率。所需的計(jì)算通過設(shè)置在控制單元200中 的數(shù)字信號處理器(在下文中也稱為DSP)實(shí)現(xiàn)。此外，開關(guān)模式電源100的電路溫度被監(jiān) 測，優(yōu)選設(shè)置在電路的冗余部件附近。在所示的實(shí)施例中，出于該目的則通過合適的傳感器 來測量兩個(gè)溫度，并且測量信號通過相應(yīng)的信號輸入端261、262傳輸給控制單元200。第一 傳感器設(shè)置在DC/DC變換器114中，優(yōu)選設(shè)置在第二開關(guān)附近，第二傳感器設(shè)置在同步整流 器116中，優(yōu)選設(shè)置在第三開關(guān)附近。特殊的功率半導(dǎo)體的效率η (Eta)及溫度在開關(guān)模 式電源100中持續(xù)測量。在所示的實(shí)施例中還測量中間電路電壓及初始的DC/DC電流。出于該目的，控制 單元200的信號輸入端242與電源測量器142連接，信號輸入端252與電流測量器152連接?？刂茊卧?00基于測量值來控制至少一個(gè)調(diào)節(jié)電路，其中DSP采用三個(gè)輸出端 210,220,230作為輸出端，以使得通過這些輸出端來控制PFC 112、DC/DC變換器114和同 步整流器116。在控制單元200的編碼DSP軟件中基本上匯編了兩個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器，一個(gè)用于 PFC級112，一個(gè)用于DC/DC變換器114。在軟件中還存在用于同步整流器116的不同的延 遲時(shí)間及一個(gè)特征曲線域。
通常僅以同步的開關(guān)頻率通過輸出端210、220、230上輸出的脈寬調(diào)制信號實(shí)現(xiàn) 控制，其中這種方式對于PFC 112的控制并非強(qiáng)制的。在所示的實(shí)施例中，盡管輸出端 PWM2、PWM3上輸出的脈寬調(diào)制信號的開關(guān)頻率是同步的，但是相位則是偏差的。對于同步整 流器116的相位差，也就是停機(jī)時(shí)間則通過控制單元的DSP來調(diào)節(jié)。DSP還調(diào)節(jié)PFC級112 和DC/DC變換器114?？刂茊卧?00采用脈寬調(diào)制信號，通過該信號來控制前置串聯(lián)的放大器 (PFC) 112、DC/DC變換器114和同步整流器116，用于設(shè)定調(diào)節(jié)電路的校正變量，該校正變量 包括開關(guān)頻率、停機(jī)時(shí)間(尤其用于同步整流器116)以及中間電路電壓。通過測量值及校正變量可以正面地影響效率，這一點(diǎn)在下文中詳細(xì)說明。在使用同步整流器時(shí)，典型地通過相應(yīng)地切換第二開關(guān)和第三開關(guān)來交替多個(gè)相 位，其中分別流通正向電流或恢復(fù)電流。在圖加中示出了第二或第三開關(guān)的通過脈寬調(diào)制 信號PWM2和PWM3產(chǎn)生的柵極電壓510、520。在傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源中，基于在圖2b中示 出的停機(jī)時(shí)間T1在時(shí)間點(diǎn)T1上采用恢復(fù)電流的相位。通過根據(jù)本發(fā)明的停機(jī)時(shí)間的降低 而使得該時(shí)間點(diǎn)例如移動到T2上，由此而減少了所發(fā)生的功率損失。在圖2b中示出了通 過降低停機(jī)時(shí)間而產(chǎn)生的功率損失。通過高開關(guān)頻率的同步整流器來控制停機(jī)時(shí)間是尤為 重要的，因?yàn)橥ǔＰ枰c“擊穿”點(diǎn)(在圖2中以停機(jī)時(shí)間Ts表示)保持安全距離。如果沒 有本發(fā)明的話需要考慮到負(fù)載變化、溫度漂移、時(shí)效漂移及元件公差。通過本發(fā)明則可以直 接排除失效漂移和元件公差。通過存在的特征曲線域，開關(guān)模式電源100可以自己首先針 對負(fù)載和溫度設(shè)定到接近于最佳化的開關(guān)點(diǎn)。利用緩慢的溫度調(diào)節(jié)電路和/或快速的效率實(shí)時(shí)測量甚至于可以到達(dá)最佳點(diǎn)，其 中數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)各種負(fù)載變化或溫度變化靠近于最佳點(diǎn)。通過始終快速的MOSFET和二極管可以一直時(shí)間更高的開關(guān)頻率，由此可以一直 生成較小的磁性。然而在提高開關(guān)頻率(也就是縮短周期時(shí)間)及保持停機(jī)時(shí)間不變時(shí)， 傳統(tǒng)方式調(diào)節(jié)的開關(guān)模式電源有可能會效率低下，因?yàn)椤翱衫谩钡慕油〞r(shí)間始終較短。而 借助于控制單元200將針對停機(jī)時(shí)間優(yōu)化設(shè)定且甚至于在運(yùn)行中進(jìn)行優(yōu)化。在傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源中，其中使用固定開關(guān)頻率的脈寬調(diào)制信號，在一直變小 的負(fù)載時(shí)總會帶來強(qiáng)烈的開關(guān)損失及傳遞損失。通過控制單元200可以按照特征曲線域在 小負(fù)載時(shí)將開關(guān)頻率快速地降低到接近可聽的范圍并由此而急劇地減少損失。這種方式對 于PFC112、DC/DC變換器114和同步整流器116優(yōu)選是自動同步的。在圖3a和北中示出 了可實(shí)現(xiàn)的效率改進(jìn)。在圖3a中根據(jù)連接到各個(gè)開關(guān)模式電源的輸出端上的負(fù)載以最大 負(fù)載的百分比示出了傳統(tǒng)開關(guān)模式電源的恒定的開關(guān)頻率以及根據(jù)本發(fā)明的匹配于負(fù)載 的開關(guān)頻率320。在圖北中示出了對于傳統(tǒng)的或本發(fā)明的開關(guān)模式電源而言，根據(jù)連接的 負(fù)載所實(shí)現(xiàn)的效率312和322。在傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源中，PFC將調(diào)節(jié)到例如400V直流電壓的恒定的中間電路電 壓。該電壓要要比輸入端的自然整流電壓要高，也就是說網(wǎng)絡(luò)電壓乘以2的平方根，由此而 還能起到矯正功率因數(shù)的作用。根據(jù)本發(fā)明，這樣的電壓可以在非常低的網(wǎng)絡(luò)中降低到還 能被DC/DC變換器調(diào)節(jié)的電壓上，也就是例如降低到300V的直流電壓。這就形成了額外的 效率改進(jìn)，例如在圖如和4b中示出的。在圖如中以最大輸入電壓的百分比根據(jù)連接到各 個(gè)開關(guān)模式電源上的電壓，示出了傳統(tǒng)開關(guān)模式電源的恒定的中間電路電壓410和根據(jù)本發(fā)明的匹配于輸入電壓的中間電路電壓420。在圖4b中示出了對于傳統(tǒng)或本發(fā)明的開關(guān)模 式電壓而言，分別根據(jù)所存在的輸入電壓而實(shí)現(xiàn)的效率412和422。電源100在特定的溫度、特定的輸入電壓和特定的負(fù)載下運(yùn)行之后，控制單元200 的DSP將在“默認(rèn)設(shè)置”的軟啟動進(jìn)行之后持續(xù)計(jì)算出實(shí)時(shí)的所有輸入值，并且立即跳轉(zhuǎn)到 接近于最佳化的運(yùn)行中。為此，下列參數(shù)得以優(yōu)化-開關(guān)頻率，也就是輸出端PWM1、PWM2、PWM3的脈寬調(diào)制信號的頻率，-中間電路電壓的額定值，-輸出端PWM1、PWM2的脈寬調(diào)制信號之間的相差或延遲時(shí)間，-輸出端PWM2、PWM3的脈寬調(diào)制信號之間的相差或延遲時(shí)間，-輸出端PWMl的脈寬調(diào)制信號的調(diào)節(jié)參數(shù)(P、I和D部分)，-輸出端PWM2的脈寬調(diào)制信號的調(diào)節(jié)參數(shù)(P、I和D部分)。在溫度穩(wěn)定之后，DSP啟動第二、非常慢且高階的調(diào)節(jié)電路。在較小的增量下，輸 出端PWMl和PWM2的脈寬調(diào)制信號之間的延遲時(shí)間被縮短，直至實(shí)現(xiàn)最佳化的效率。在較 小的增量下，輸出端PWM2和PWM3的脈寬調(diào)制信號之間的延遲時(shí)間被縮短，直至實(shí)現(xiàn)最佳化 的效率，其中溫度始終被額外地有效監(jiān)控。在重要的負(fù)載變化或輸入電壓變化之后，控制單 元200的DSP首先從特征曲線域跳回到已經(jīng)幾乎最佳化的默認(rèn)值上，并且重新啟動緩慢的 優(yōu)化。因?yàn)榈诙{(diào)節(jié)電路相對于第一調(diào)節(jié)電路是較為緩慢且高階的，因此第一和第二調(diào)節(jié) 電路形成了由控制單元200調(diào)節(jié)的級聯(lián)控制。通過本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了針對每個(gè)工作點(diǎn)的絕對優(yōu)化效率。傳統(tǒng)的電源僅僅在一 個(gè)工作點(diǎn)上得到優(yōu)化，其中該工作點(diǎn)通過本發(fā)明自行明顯改進(jìn)。其結(jié)果是，從極大的負(fù)載 范圍直至空轉(zhuǎn)上都得到了非常高的效率，并且在寬的輸入電壓和溫度范圍內(nèi)也都得到了優(yōu) 化。此外，在高效的控制性能上也是長時(shí)間的穩(wěn)定性。對此而獲得了快速的控制效果。因此，根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源，其特征在于，電源的效率在運(yùn)行中自行進(jìn)行優(yōu) 化，并且能夠在所有輸入電壓范圍、所有負(fù)載范圍、整個(gè)運(yùn)行壽命及所有溫度范圍上最佳化 地工作。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)模式電源(100)，其包括-輸入端接口(101、102)，用于接收輸入電壓和/或輸入電流； -輸出端接口(103、104)，用于提供輸出電壓和/或輸出電流； -設(shè)置在所述輸入端接口和/或所述輸出端接口之間的電路，用于變換電流和/或電 壓，所述電路具有至少一個(gè)控制開關(guān)；-控制單元000)，用于通過帶有可變頻率及可變負(fù)載比的脈寬調(diào)制信號來控制至少 一個(gè)所述控制開關(guān)；-與所述控制單元(200)連接的測量裝置(151、141、153、143)，設(shè)置用于至少測量輸入 電流強(qiáng)度、輸入電壓、輸出電流強(qiáng)度及輸出電壓，其中，所述控制單元(200)為此設(shè)置，即通過所連接的測量裝置的測量值來監(jiān)測所述 開關(guān)模式電源(100)的效率，并且借助于第一數(shù)字調(diào)節(jié)電路通過控制至少一個(gè)所述控制開 關(guān)來優(yōu)化效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源，其中，設(shè)置在所述輸入端接口和所述輸出端 接口之間的電路包括用于矯正功率因數(shù)的第一電路元件(112)；串聯(lián)于所述第一電路元 件且設(shè)置為直流變壓器的第二電路元件(114)；以及串聯(lián)于所述第二電路元件且設(shè)置為同 步整流器的第三電路元件(116)，其中所述第一電路元件(11 具有第一控制開關(guān)，所述第 二電路元件(114)具有第二控制開關(guān)，所述第三電路元件(116)具有第三控制開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式電源，其中，所述第一和/或第二控制開關(guān)起到所述 第一調(diào)節(jié)電路的PID控制器的作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的開關(guān)模式電源，其中，通過脈寬調(diào)制信號，所述控制單元 分別控制所述第一、第二及第三開關(guān)，所述脈寬調(diào)制信號具有相同的頻率，不同的相位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電源，其中， -脈寬調(diào)制信號的頻率；-和/或通過用于矯正功率因數(shù)的電路元件(112)產(chǎn)生的中間電路電壓； -和/或用于控制所述第一和第二開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之間的相差； -和/或用于控制所述第二和第三開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之間的相差 都作為所述第一調(diào)節(jié)電路的校正變量由所述控制單元(200)來調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)模式電源，其中，所述開關(guān)模式電源設(shè)有與所述控制單 元(200)連接的測量裝置(142、152)，用于測量由用于矯正功率因數(shù)的電路元件(112)而產(chǎn) 生且在輸入端上位于直流變壓器(114)上的中間電路電壓，并且測量在輸入端上流過直流 變壓器(114)的電流強(qiáng)度。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的開關(guān)模式電源，其中，所述開關(guān)模式電源設(shè)有與 所述控制單元(200)連接的測量裝置(261、262)，用于測量電路的至少一處的溫度，尤其是 測量一個(gè)控制開關(guān)附近的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的開關(guān)模式電源，其中，通過所述控制單元(200) 來控制相對于所述第一調(diào)節(jié)電路更為緩慢的第二調(diào)節(jié)電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)模式電源，其中，在執(zhí)行所述第一調(diào)節(jié)電路期間通過所 述控制單元(200)來監(jiān)控至少一處的溫度，并且在溫度和/或效率穩(wěn)定之后則借助于所述 第二調(diào)節(jié)電路開始調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的開關(guān)模式電源，其中，通過所述第二調(diào)節(jié)電路來調(diào)節(jié)用 于控制所述第一和第二開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之間的相差，和/或調(diào)節(jié)用于控制所述第二和 第三開關(guān)的脈寬調(diào)制信號之間的相差。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的開關(guān)模式電源，其中，所述開關(guān)模式電源(100)的效率和/ 或溫度由所述控制單元作為所述第二調(diào)節(jié)電路的參考變量。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的開關(guān)模式電源，其中，在所述開關(guān)模式電源 (100)開啟和/或在所述輸入端接口(101、10幻的電壓出現(xiàn)變化和/或在與所述輸出端接 口(103、104)連接的負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)，所述第一和/或第二調(diào)節(jié)電路的校正變量根據(jù)安裝 在電路中的半導(dǎo)體元件的存在于所述控制單元O00)中的特征曲線域通過所述控制單元 (200)來設(shè)定。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的開關(guān)模式電源，其中，所述控制單元(200)包括數(shù)字信號處理器。
14.一種用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的開關(guān)模式電源(100)的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及開關(guān)模式電源(100)，包括輸入端接口(101、102)，以接收輸入電壓和/或輸入電流；輸出端接口(103、104)，以提供輸出電壓和/或輸出電流；設(shè)在輸入端接口和/或輸出端接口之間的電路，以變換電流和/或電壓，該電路有至少一個(gè)控制開關(guān)；控制單元(200)，以通過可變頻率及可變負(fù)載比的脈寬調(diào)制信號控制至少一個(gè)控制開關(guān)；與控制單元(200)連接的測量裝置(151、141、153、143)，用于至少測量輸入電流強(qiáng)度、輸入電壓、輸出電流強(qiáng)度及輸出電壓，其中，控制單元(200)為此設(shè)置，即通過測量裝置的測量值監(jiān)測開關(guān)模式電源(100)的效率，且通過第一數(shù)字調(diào)節(jié)電路由控制至少一個(gè)控制開關(guān)優(yōu)化效率。本發(fā)明還涉及運(yùn)行該開關(guān)模式電源(100)的方法。
文檔編號H02M3/335GK102138277SQ200980134029
公開日2011年7月27日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者吉多·雷默特 申請人:菲尼克斯電氣公司