專利名稱：開關(guān)電源中的能量高效備用模式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及開關(guān)電源和使用該開關(guān)電源的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電源是能夠向負(fù)載提供電能的設(shè)備或系統(tǒng)一通常通過將電能從一個(gè)形式轉(zhuǎn)換成另一形式以使能量與負(fù)載的要求相容。例如，電源可以將120或240伏交流電(“AC”)能量轉(zhuǎn)換成適合于供諸如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電子設(shè)備使用的低壓、調(diào)節(jié)直流(“DC”)能量。有時(shí)，將電源與由該電源為其供應(yīng)能量的設(shè)備集成。在其它應(yīng)用中，電源是分立組件且可以在負(fù)載的內(nèi)部或外部。開關(guān)電源(也不同地稱為開關(guān)模式電源、切換模式電源及其它類似術(shù)語)是利用有源開關(guān)電路以及感應(yīng)元件來以最少的能量損失實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換任務(wù)的那些。在從AC干線(main)獲取其輸入的開關(guān)電源中，一般構(gòu)造是采用整流電路和大容量電容器(bulk capacitor)以從可用AC輸入產(chǎn)生DC供電。此DC供電然后被提供給產(chǎn)生期望DC輸出水平的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)DC-DC輸出轉(zhuǎn)換電路。存在實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換的許多眾所周知的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中有升壓轉(zhuǎn)換器，其實(shí)現(xiàn)開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換，結(jié)果得到DC電壓水平的增加；降壓轉(zhuǎn)換器，其實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換，結(jié)果得到DC電壓水平的降低；和所謂的升壓-降壓轉(zhuǎn)換器，其能夠在DC-DC轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生增加或降低的電壓水平。功率因數(shù)是描述在將供應(yīng)的伏安轉(zhuǎn)換成瓦時(shí)的負(fù)載的有效性的概念。其通常被定義為實(shí)際功率(I2R或瓦)與表觀功率(I2Z或伏安)的比。對(duì)于許多負(fù)載類型而言，此比小于一。特別地，電源中的整流電路能夠促使電源表現(xiàn)為具有小于一的功率因數(shù)的負(fù)載。 由于具有低功率因數(shù)的負(fù)載由于種種原因是不期望的，并且由于某些公共事業(yè)和政府機(jī)構(gòu)命令負(fù)載在某些條件下必須展示出規(guī)定的最小功率因數(shù)，所以正常地采用功率因數(shù)修正技術(shù)。對(duì)于開關(guān)電源而言，通常用輸入DC-DC轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)修正。輸入DC-DC轉(zhuǎn)換器是放置在整流電路與對(duì)輸出轉(zhuǎn)換器進(jìn)行饋電的大容量電容器之間的開關(guān)轉(zhuǎn)換器?？刂戚斎隓C-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件，以努力對(duì)電源的輸入電流進(jìn)行成形，使得其與AC干線的電壓波形匹配，得到用于電源的改善的功率因數(shù)和電流波形中的減少的諧波。


圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的多種系統(tǒng)的方框圖。圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的圖1的開關(guān)電源系統(tǒng)的行為的狀態(tài)圖。圖3是說明根據(jù)圖1的開關(guān)電源中的某些控制元件的多個(gè)可能實(shí)施方式的方框圖。圖4是說明根據(jù)圖1的開關(guān)電源中的功率因數(shù)修正和旁路電路的實(shí)施方式的一個(gè)可能類別的示意圖。圖5是說明根據(jù)圖1的開關(guān)電源中的功率因數(shù)修正和旁路電路的實(shí)施方式的另一可能類別的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人已經(jīng)確定開關(guān)電源中的有源功率因數(shù)修正電路吸取相當(dāng)恒定且顯著的功率量，并且此功率吸取可能不是在開關(guān)電源的所有操作模式下都是必需的。例如，雖然在某些管轄權(quán)中存在命令負(fù)載展示出某個(gè)最小功率因數(shù)的政府規(guī)定，但此類規(guī)定通常僅在某個(gè)最小功率吸取閾值之上適用。對(duì)于在最小功率吸取閾值以下的工作點(diǎn)而言，負(fù)載的功率因數(shù)不需要滿足指定標(biāo)準(zhǔn)。因此，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)明了能夠在這些工作點(diǎn)處禁用功率因數(shù)修正電路、從而節(jié)省在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中浪費(fèi)的功率吸取的開關(guān)電源系統(tǒng)。圖1說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的多種系統(tǒng)100。開關(guān)電源102包括整流電路 104。整流電路104可以在AC輸入端106處耦合到AC干線并在節(jié)點(diǎn)108處產(chǎn)生變化的DC 水平。整流電路104可以采取任何轉(zhuǎn)換形式，諸如全波或半波整流器。儲(chǔ)能元件110通常將采取大容量電容器的形式，雖然可以使用替換或附加儲(chǔ)能元件(例如，諸如電池)。負(fù)載116可以表示單個(gè)負(fù)載。負(fù)載116還可以表示在圖中指示為負(fù)載A和B的多個(gè)單獨(dú)負(fù)載。負(fù)載116可以能夠在其中負(fù)載要求非零功率量的備用模式下或要求比備用模式多的功率的替換模式下操作。在多負(fù)載情況下，負(fù)載A和B可以是獨(dú)立地活動(dòng)的。例如， 負(fù)載A可以在系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)下是活動(dòng)的，而負(fù)載B可以在系統(tǒng)的另一狀態(tài)下是活動(dòng)的。在系統(tǒng)的又另一狀態(tài)下，負(fù)載A和B可以同時(shí)是活動(dòng)的。備用輸出轉(zhuǎn)換器112具有被連接到儲(chǔ)能元件110的輸入端114。輸出轉(zhuǎn)換器112 能夠在負(fù)載116處于備用模式時(shí)或在負(fù)載A是活動(dòng)的但負(fù)載B不是活動(dòng)的時(shí)供應(yīng)負(fù)載116 的功率需要?？梢蕴峁┮粋€(gè)或多個(gè)附加輸出轉(zhuǎn)換器118，其也具有被連接到儲(chǔ)能元件110的輸入端114。輸出轉(zhuǎn)換器118能夠在負(fù)載116處于替換模式時(shí)或在負(fù)載B是活動(dòng)的時(shí)供應(yīng)負(fù)載116的功率需要。舉例來說，在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載116可以包括計(jì)算設(shè)備。計(jì)算設(shè)備可以能夠在其中其CPU及其它主要組件不在運(yùn)行但其中LAN喚醒(wake-on-LAN)電路被啟用的備用模式下操作。在此類模式下，計(jì)算設(shè)備的功率要求是非常低的，并且可以由相對(duì)低容量的備用輸出轉(zhuǎn)換器112來滿足。但是當(dāng)計(jì)算設(shè)備經(jīng)由其LAN喚醒電路接收到開機(jī)并啟動(dòng)的命令時(shí)， 則其將轉(zhuǎn)換至其中其他CPU及其主要組件可以進(jìn)行操作的替換模式。在此替換模式下，計(jì)算設(shè)備可以要求比在備用模式下更多的功率，保證一個(gè)或多個(gè)更高容量輸出轉(zhuǎn)換器118的激活。可以將計(jì)算設(shè)備中的LAN喚醒及其它備用電路配置為負(fù)載A，并且可以將CPU及其它主要組件配置為單獨(dú)負(fù)載B。在這種情況下，不需要將負(fù)載A和B設(shè)計(jì)為在相同的電源電位上操作。替換地，可以將其配置為單個(gè)負(fù)載或在單個(gè)供電電位上操作的兩個(gè)負(fù)載。在某些實(shí)施例中，可以以將輸出轉(zhuǎn)換器112和118耦合到負(fù)載116的方式添加開關(guān)電路152以提供靈活性。開關(guān)電路152可以包括諸如FET巧4和156的許多開關(guān)元件， 其可以由控制電路122或其它控制電路來控制。如果負(fù)載A和B被設(shè)計(jì)為在相同電源電位上進(jìn)行操作，則輸出轉(zhuǎn)換器118可以通過開啟開關(guān)156并關(guān)斷開關(guān)巧4來驅(qū)動(dòng)負(fù)載A和B ； 輸出轉(zhuǎn)換器112可以在開關(guān)巧4被開啟且開關(guān)156被關(guān)斷時(shí)單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)負(fù)載A (例如，當(dāng)負(fù)載116處于備用模式時(shí))。在此類設(shè)計(jì)中還將可能使兩個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)是活動(dòng)的，如果開關(guān) 154和156被開啟的話。如果負(fù)載A和B被設(shè)計(jì)為在不同電源電位上進(jìn)行操作，則可以消除開關(guān)電路152，可以將輸出轉(zhuǎn)換器112直接連接至負(fù)載A，并且可以將輸出轉(zhuǎn)換器118直接連接至負(fù)載B。檢測(cè)何時(shí)負(fù)載116從其備用模式轉(zhuǎn)換至替換模式的一個(gè)方式是經(jīng)由從負(fù)載116耦合至電源102中的控制電路112的控制信號(hào)120。這樣做的另一方式是對(duì)于電源102用任何常規(guī)方法來感測(cè)負(fù)載116所需的功率的增加。可以將控制電路102中的模式確定邏輯 IM配置為根據(jù)這些方案的任何一個(gè)或等效替換方案進(jìn)行操作。備用輸出轉(zhuǎn)換器112和輸出轉(zhuǎn)換器118通常將采取開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的形式，并且可以以常規(guī)方式來控制。如所示，功率因數(shù)修正電路126被連接在節(jié)點(diǎn)108處的整流電路104與儲(chǔ)能元件 110之間。功率因數(shù)修正電路1 可以是任何種類的有源功率因數(shù)修正系統(tǒng)，并且通常將采取升壓、降壓、升壓-降壓或其它眾所周知的DC-DC轉(zhuǎn)換器的形式。同樣如所示，將旁路電路128與功率因數(shù)修正電路126并聯(lián)地相連接?？刂齐娐?22能夠借助于控制信號(hào)130 來啟用或禁用功率因數(shù)修正電路126。當(dāng)功率因數(shù)修正電路1 可操作時(shí)，可以禁用旁路電路128，使得由功率因數(shù)修正電路1 的輸出來驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)114處的DC電壓水平。但是當(dāng)功率因數(shù)修正電路126被禁用時(shí)，可以啟用旁路電路128，使得由整流電路104的輸出來驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)114處的DC電壓水平。(在后一種操作模式下，整流電路104的輸出經(jīng)由旁路電路1 被有效地傳送至節(jié)點(diǎn)114。備用輸出轉(zhuǎn)換器112通常將只能在其輸入端114處的DC電壓水平在容忍范圍內(nèi)時(shí)操作。例如，在實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器112可能能夠在輸入端114處的電壓水平在200VDC至 400VDC之間時(shí)正確地操作。在此類實(shí)施例中，如果節(jié)點(diǎn)108 (或旁路電路1 被啟用時(shí)的節(jié)點(diǎn)114)處的整流電壓水平在該范圍內(nèi)，則在負(fù)載116處于備用模式時(shí)或在只有負(fù)載A是活動(dòng)的時(shí)可以在功率因數(shù)修正電路126被禁用的情況下對(duì)轉(zhuǎn)換器112供電。但是如果節(jié)點(diǎn) 108 (或旁路電路1 被啟用時(shí)的節(jié)點(diǎn)114)處的整流電壓水平不在該范圍內(nèi)時(shí)，則不應(yīng)嘗試在沒有功率因數(shù)修正電路126的情況下對(duì)轉(zhuǎn)換器112供電。圖2的狀態(tài)圖捕捉了此行為。從起始狀態(tài)220，可以確定負(fù)載116是否處于備用模式或是否只有負(fù)載A是活動(dòng)的(l0ad_in_Stdby)。還可以確定是否可以在功率因數(shù)修正電路126被禁用的情況下操作備用輸出轉(zhuǎn)換器112 (n0n_PFC_0p_p0SSible)。在此類實(shí)施例中，如果兩個(gè)條件是真的(弧201 )，則下一個(gè)狀態(tài)是狀態(tài)202。在狀態(tài)202下，功率因數(shù)修正電路1 被禁用且使旁路電路1 可運(yùn)行。否則，跟隨弧203且下一個(gè)狀態(tài)是狀態(tài)204，其中，功率因數(shù)修正電路126被啟用且旁路電路1 不是可運(yùn)行的。電源102能夠在操作期間在狀態(tài)202與204之間轉(zhuǎn)換。例如，如在弧205處所示，其能夠在負(fù)載116從備用模式轉(zhuǎn)換成要求更多功率的替換模式(或其中負(fù)載B被激活的模式)時(shí)從狀態(tài)202轉(zhuǎn)換成狀態(tài)204。 并且電源102能夠在負(fù)載116重新進(jìn)入備用模式(或其中負(fù)載B被去激活的模式)時(shí)從狀態(tài) 204轉(zhuǎn)換成狀態(tài)202，并且可以在功率因數(shù)修正電路1 被禁用的情況下操作備用輸出轉(zhuǎn)換器112，如在弧206處所示?？梢允褂枚喾N技術(shù)來確定是否可以在功率因數(shù)修正電路1 被禁用的情況下操作備用輸出轉(zhuǎn)換器112 (并因此在備用模式下驅(qū)動(dòng)負(fù)載116)。直接地或間接地指示當(dāng)功率因數(shù)修正電路1 被禁用時(shí)或當(dāng)旁路電路1 可運(yùn)行時(shí)節(jié)點(diǎn)114處的電壓水平在或?qū)⒃趥溆幂敵鲛D(zhuǎn)換器112所容忍的輸入范圍內(nèi)的任何手段將是足夠的。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一類實(shí)施例是為控制電路112提供電壓感測(cè)輸入端132。在一組實(shí)施方式中，可以在電源102內(nèi)的任何適當(dāng)節(jié)點(diǎn)處將電壓感測(cè)輸入端132耦合到模擬電壓水平，所述節(jié)點(diǎn)包括例如如在132處所示的到整流電路104的AC輸入端106、如在136處所示的整流電路104的輸出端108或如在138處所示的備用輸出轉(zhuǎn)換器112的輸入端114。在另一組實(shí)施方式中，可以將電壓感測(cè)輸入端132耦合到已被設(shè)置為指示沒有功率因數(shù)修正電路1 的操作是否可能的二進(jìn)制水平?？梢岳缤ㄟ^將感測(cè)輸入端132連接到如在142處所示的控制開關(guān)電路140、如在146 處所示的控制跳線電路144或如在150處所示的存儲(chǔ)器件或元件148來提供此類二進(jìn)制水平。控制開關(guān)電路140、控制跳線電路144和/或存儲(chǔ)元件148可以位于系統(tǒng)100中的任何位置處且不需要位于電源102中。圖3說明用于電源102內(nèi)的控制元件的許多可能實(shí)施方式中的一個(gè)。在所示的實(shí)施方式中，由從儲(chǔ)能元件110獲取的輸出電壓302來對(duì)內(nèi)部偏置轉(zhuǎn)換器300進(jìn)行供電。(根據(jù)設(shè)計(jì)，輸出電壓302可以與節(jié)點(diǎn)114上的電壓相同或不同)。內(nèi)部偏置轉(zhuǎn)換器300又對(duì)輸入側(cè)微控制器304和功率因數(shù)修正(“PFC”)轉(zhuǎn)換器控制器306進(jìn)行供電。在諸如此類的實(shí)施例中，控制信號(hào)130可以采取從控制器304至控制器306的啟用信號(hào)308的形式，或者它可以采取從控制器306至PFC轉(zhuǎn)換器126的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)310的形式。其它實(shí)施例也是可能的。功率因數(shù)修正電路1 和旁路電路1 可以采取多種形式。圖4說明其中功率因數(shù)修正電路1 包括升壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例的一個(gè)可能類別。在此類實(shí)施例中，旁路電路 128可以由簡(jiǎn)單的旁路二極管400組成。此類實(shí)施例中的升壓轉(zhuǎn)換器通常將包括升壓電感器402、二極管406和諸如所示的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(“FET”)的開關(guān)元件404。圖5說明其中功率因數(shù)修正電路1 不是升壓轉(zhuǎn)換器、但可以替代地包括降壓轉(zhuǎn)換器、升壓降壓轉(zhuǎn)換器或某個(gè)其它開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)500的實(shí)施例的另一類別。在那些實(shí)施例中，可以更一般地將旁路電路來1 實(shí)現(xiàn)為包括諸如所示的FET的開關(guān)元件502。應(yīng)優(yōu)選地控制開關(guān)元件502(參見例如控制信號(hào)152)，使得其在功率因數(shù)修正電路1 被禁用時(shí)從整流電路104 向存儲(chǔ)元件100傳送DC水平，并在功率因數(shù)修正電路1 被啟用時(shí)關(guān)斷。雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)描述，但所述實(shí)施例是以示例的方式且不是以限制的方式提出的。已參考本說明書的本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的是在不脫離如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對(duì)所述實(shí)施例的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種修改。在所附權(quán)利要求中和前文所寫的說明中，將以開放的意義來理解詞語“包括”和 “包含”以意指“包括以下元素但不排除其它的”。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源，包括 整流電路；儲(chǔ)能元件；第一和第二輸出轉(zhuǎn)換器，每個(gè)具有被連接到儲(chǔ)能元件的輸入端； 功率因數(shù)修正電路，其被連接在整流電路與儲(chǔ)能元件之間； 旁路電路，其與功率因數(shù)修正電路并聯(lián)地連接；以及控制電路，其被配置為當(dāng)?shù)谝惠敵鲛D(zhuǎn)換器是活動(dòng)的且第二輸出轉(zhuǎn)換器不是活動(dòng)的時(shí)禁用功率因數(shù)修正電路，并且當(dāng)?shù)诙敵鲛D(zhuǎn)換器是活動(dòng)的時(shí)啟用功率因數(shù)修正電路。
2.權(quán)利要求1的開關(guān)電源，其中控制電路包括感測(cè)輸入端，該感測(cè)輸入端被配置為感測(cè)指示是否可能在功率因數(shù)修正電路被禁用的同時(shí)操作第一輸出轉(zhuǎn)換器的電壓；以及其中，控制電路被配置為當(dāng)所述電壓指示此類操作不可能時(shí)不禁用功率因數(shù)修正電路。
3.權(quán)利要求2的開關(guān)電源，其中所述電壓指示由整流電路產(chǎn)生且被經(jīng)由至少所述旁路電路傳送到那里的第一輸出轉(zhuǎn)換器的輸入端處的DC水平是否在第一輸出轉(zhuǎn)換器的輸入端所容忍的輸入水平范圍內(nèi)。
4.權(quán)利要求3的開關(guān)電源，其中，所述電壓是從選自以下組的至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取的模擬水平到整流電路的AC輸入端； 整流電路的輸出端；以及第一輸出轉(zhuǎn)換器的輸入端。
5.權(quán)利要求2的開關(guān)電源，其中，所述電壓是從選自以下組的至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取的二進(jìn)制水平控制開關(guān)電路； 控制跳線電路；以及存儲(chǔ)器元件。
6.權(quán)利要求1的開關(guān)電源，其中所述功率因數(shù)修正電路包括升壓轉(zhuǎn)換器且所述旁路電路是二極管。
7.權(quán)利要求1的開關(guān)電源，其中所述功率因數(shù)修正電路不是升壓轉(zhuǎn)換器且所述旁路電路包括由所述控制電路操作的開關(guān)。
8.一種操作開關(guān)電源的方法，包括 確定電源的負(fù)載是否處于備用模式；以及如果確定負(fù)載處于備用模式，則禁用電源中的功率因數(shù)修正電路； 否則啟用功率因數(shù)修正電路。
9.權(quán)利要求8的方法，還包括確定對(duì)于電源而言是否可能在負(fù)載處于備用模式的同時(shí)在功率因數(shù)修正電路被禁用的情況下驅(qū)動(dòng)負(fù)載；以及如果確定對(duì)于電源而言不可能在負(fù)載處于備用模式的同時(shí)在功率因數(shù)修正電路被禁用的情況下驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則不禁用功率因數(shù)修正電路。
10.權(quán)利要求8的方法，其中所述確定步驟包括確定負(fù)載是否處于備用模式或其是否處于要求比備用模式更多的功率的替換模式。
11.權(quán)利要求8的方法，其中 所述負(fù)載包括第一和第二負(fù)載；所述備用模式對(duì)應(yīng)于其中第一負(fù)載是活動(dòng)的且第二負(fù)載不是活動(dòng)的狀態(tài)；以及所述確定步驟包括確定第二負(fù)載是否是活動(dòng)的或即將變成活動(dòng)的。
12.—種系統(tǒng)，包括開關(guān)電源，其具有功率因數(shù)修正電路和備用輸出轉(zhuǎn)換器；以及負(fù)載，其被耦合到所述開關(guān)電源的輸出端；其中，所述開關(guān)電源被配置為在負(fù)載處于由備用輸出轉(zhuǎn)換器供電的備用模式時(shí)禁用功率因數(shù)修正電路且在負(fù)載處于要求比備用模式更多的功率的替換模式時(shí)啟用功率因數(shù)修正電路。
13.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中 所述負(fù)載包括計(jì)算設(shè)備。
14.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，還包括電源中的模式確定邏輯，其被配置為響應(yīng)于來自負(fù)載的控制信號(hào)或由負(fù)載所要求的感測(cè)的功率水平來確定負(fù)載是處于備用模式還是替換模式。
15.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中 所述負(fù)載包括第一和第二負(fù)載；所述備用模式對(duì)應(yīng)于其中第一負(fù)載是活動(dòng)的且第二負(fù)載不是活動(dòng)的狀態(tài)；以及所述替換模式對(duì)應(yīng)于其中第二負(fù)載是活動(dòng)的狀態(tài)。
全文摘要
開關(guān)電源包括功率因數(shù)修正電路和備用輸出轉(zhuǎn)換器?？梢詫⒁粋€(gè)或多個(gè)負(fù)載耦合到開關(guān)電源的一個(gè)或多個(gè)輸出端。開關(guān)電源被配置為在某些負(fù)載條件下禁用功率因數(shù)修正電路且在其它負(fù)載條件下啟用功率因數(shù)修正電路。結(jié)果，當(dāng)功率因數(shù)修正電路被禁用時(shí)節(jié)省將由功率因數(shù)修正電路吸取的功率。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102414970SQ200980158980
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者P. 莫爾 D., 漢弗萊 D., A. 貝馬特 M. 申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司