專利名稱：開關(guān)模式電源模塊和相關(guān)聯(lián)的打嗝控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)模式電源模塊領(lǐng)域，更具體地涉及集成電源。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，當使用外部電源模塊(通常被稱為DC-PACK或DC功率塊)時，與最低功耗對應(yīng)的運行模式在與負載的連接被切斷時(負載斷開或開關(guān)處于斷開位置)實現(xiàn)。當外部電源模塊連接到主網(wǎng)(mains)上時，仍然存在殘余功耗。當今電子設(shè)備的商業(yè)化需要遵守功耗規(guī)定。因此，在歐洲，EC/278/2009規(guī)定要求傳遞的額定功率小于51W的電源的功耗等級低于0.3W。從理論上講，使用PFM (脈沖頻率調(diào)制)模式的電源通過使用應(yīng)用程序?qū)Ｓ眉呻娐窇?yīng)該能夠達到功耗小于100mW。但是通常情況下的無負載殘余功耗為150毫瓦量級。進一步降低該平均殘余功耗是有必要的，特別是為了滿足若干國際級規(guī)定(如COC(行為守則)或EUP (能耗產(chǎn)品))的限制。美國專利申請第2011/0103103 號(公開名 “Power supply with low powerconsumption Hiccup stand-by operation”)介紹了一種使用打卩S (hiccup)操作的開關(guān)模式電源。這意味著，在沒有負載的情況下，為了限制殘余功耗，開關(guān)操作會中斷一定時間后再重新啟動。然而，對 沒有負載的情況的檢測不是自治的，開關(guān)操作由連接到開關(guān)模式電源的被供電設(shè)備設(shè)置的控制信號控制。這種解決方案有下列缺點:它要求在被供電設(shè)備上內(nèi)置智能以控制無負載模式和電源模塊和被供電設(shè)備之間的特定導線或通過電流或電壓調(diào)制進行的通信模式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過使用間歇性中斷開關(guān)操作而自動且自治地使能無負載模式下的輸入和輸出，并通過不借助于來自被供電設(shè)備的控制(信號或消息)而實現(xiàn)較低的殘余功耗來解決現(xiàn)有技術(shù)的至少一個缺點。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于控制開關(guān)模式電源模塊中的開關(guān)操作的方法，該開關(guān)模式電源模塊用于經(jīng)由兩根導線的媒介向一項設(shè)備提供電源，所述方法包括下列步驟:-通過測量模塊測量開關(guān)模式電源中的負載電流，-通過比較器模塊比較測得的負載電流和預定義的負載電流閾值，以及-如果在第一段時間內(nèi)，測得的負載電流小于預定義的負載電流閾值，那么使用控制器電路通過反復激活和停用開關(guān)操作來控制開關(guān)模式電源模塊的開關(guān)操作，直到在第二段時間內(nèi)，負載電流的測量值大于預定義的負載電流閾值。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一時間段由抗瞬態(tài)濾波器的時間常數(shù)定義。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第二時間段由電源的濾波器電路的時間常數(shù)定義。
根據(jù)一個變型例，第二時間段由電源次級特有的大容量電容的時間常數(shù)定義。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，測量負載電流的步驟包括生成與開關(guān)模式電源模塊的次級繞組端的平均整流電壓成比例的電壓。本發(fā)明還涉及一種用于控制開關(guān)模式電源模塊中的開關(guān)操作的裝置，該開關(guān)模式電源模塊用于經(jīng)由兩根導線的媒介向一項設(shè)備提供電源，所述裝置包括:-用于測量負載電流的電路，-用于比較所述測得的負載電流和預定義的負載電流閾值的電路，以及-用于如果 在第一段時間內(nèi)測得的負載電流小于預定義的負載電流閾值就控制開關(guān)操作周期性地中斷，并且如果在第二段時間內(nèi)測得的負載電流大于預定義的負載電流閾值就維持開關(guān)操作的電路。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第一時間段由裝置的抗瞬態(tài)濾波器的時間常數(shù)定義。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第二時間段由開關(guān)模式電源的濾波器電路的時間常數(shù)定義。根據(jù)一個變型例，第二時間段由電源次級特有的大容量電容的時間常數(shù)定義。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于測量負載電流的電路包括用于生成與開關(guān)模式電源模塊的次級繞組端的平均整流電壓成比例的電壓的電路。


在閱讀下面的描述之后，將會更好地理解本發(fā)明，其它特定的特征和優(yōu)點也會更加明顯，描述參照下列附圖，其中:-圖1示出了用于為分離的設(shè)備供給電源的開關(guān)模式電源。-圖2示出了圖1中所示的開關(guān)模式電源的架構(gòu)。-圖3示出了沒有測量負載電流電路的開關(guān)模式電源的次級部分。-圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的包括用于測量負載電流的自治電路的開關(guān)模式電源的次級部分。-圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例變型的包括用于測量負載電流的自治電路的開關(guān)模式電源的次級部分。-圖6是示出了用于控制電源模塊的開關(guān)操作的方法的功能圖。
具體實施例方式在圖1至圖5中，示出的模塊都是可以或不可以與物理上可區(qū)分單元對應(yīng)的功能單元。例如，這些模塊或它們中的一些一起聚集在單個組件上，或是同一軟件的組成函數(shù)。與此相反，根據(jù)其它的實施例，某些模塊由若干單獨的物理實體組成。在本文檔中，術(shù)語“周期性中斷開關(guān)操作”或“均衡地(even)中斷開關(guān)操作”不應(yīng)該與脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式中開關(guān)控制的兩個連續(xù)的脈沖之間的時間間隔(當PWM中脈沖頻率非常低時兩個連續(xù)的脈沖之間的時間)相關(guān)聯(lián)。它也不應(yīng)該解釋為在非常小的負載電流的情況下某些脈沖被除去(如現(xiàn)有技術(shù)中已有的)的時間間隔時。術(shù)語“中斷開關(guān)”對應(yīng)于不產(chǎn)生開關(guān)控制脈沖和為了達到此目的控制用于脈沖生成電路的狀態(tài)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的由開關(guān)模式電源模塊I提供電源的一項電氣或電子設(shè)備2。該開關(guān)模式電源模塊I通過主網(wǎng)線3的媒介連接到電網(wǎng)，也被稱為“主網(wǎng)”。電源模塊I經(jīng)由電源線4的媒介傳送被供電設(shè)備2正確運行所必需的電壓。電源線4包括兩根導線。負載電流(被供電設(shè)備2消耗的電流)的測量在開關(guān)模式電源模塊I的內(nèi)部進行。因此，沒有必要使用控制信號或消息以從一種運行模式轉(zhuǎn)換成另一個，開關(guān)模式電源模塊I是自治的，并且基于測得的被供電設(shè)備2的功耗量。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中所示開關(guān)模式電源模塊I的架構(gòu)的簡化框圖。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該電源模塊的架構(gòu)對應(yīng)于其上附接有用于測量負載電流并用于控制開關(guān)操作的電路1000的標準開關(guān)模式電源架構(gòu)。用于測量負載電流并用于控制操作的電路1000對應(yīng)于輸出電流測量107、電流參考109、比較器110、抗瞬態(tài)濾波器111和占空比發(fā)生器112模塊的組件。通過將主網(wǎng)線連接到連接器100上，或者通過將適配于主網(wǎng)連接的可移動或固定的連接器(例如，與墻壁插座兼容)連接到連接器100上，主網(wǎng)電壓被提供給開關(guān)模式電源模塊1，其中連接器100包括兩個連接點，一個用于相線(phaseconductor),另一個用于中線(neutral conductor)。主網(wǎng)電壓被傳輸?shù)奖Ｗo和濾波器模塊101，該模塊包括熔斷器和電磁兼容性濾波器。模塊101還包括防雷和過電壓保護部件。然后，電源整流模塊102對來自保護和濾波器模塊101的濾波后的電壓進行整流，并保持模塊103的(主)大容量電容充電。輔助電源模塊118使得電源能夠被提供給負責開關(guān)操作的PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制電路116。該模塊還管理可以降低低負載和無負載功耗的PFM模式。在主電容模塊103處可用的整流和濾波后的主網(wǎng)電壓也根據(jù)電源開關(guān)模塊117的使能狀態(tài)被施加到被包括在變壓器模塊104中的變壓器的初級上。變壓器模塊104的變壓器根據(jù)開關(guān)操作控制模塊116和電源開關(guān)模塊117導致的開關(guān)操作的模式將次級電壓傳遞給次級繞組的端子。整流模塊105和濾波器模塊106分別對次級電壓進行整流和濾波。整流后的電壓從而被施加到用于測量負載電流的模塊107上，該模塊的輸出電壓可在連接到電源線4 一端上的兩點電源線連接器108上獲得；電源線4的另一端連接到被供電設(shè)備2上。對于伺服控制傳送的電壓來說必需的反饋環(huán)路由反饋模塊113、電流參考模塊109、誤差放大器114和光稱合器115構(gòu)成。參考模塊119對應(yīng)伺服系統(tǒng)的設(shè)定點。誤差放大模塊114在光耦合器模塊115的輸入端提供與通過比較模塊113和119傳送的電壓得到的誤差成比例的信號。光耦合器模塊1·15可確保電源初級和次級部分之間必要的電隔離(galvanicisolation)。光耦合器的輸出被連接到通過電源開關(guān)模塊117的媒介控制開關(guān)操作的PWM控制電路116上。因此，光耦合器115使得伺服信息能夠被發(fā)送到控制電路116，同時保證電隔離。上述的這組功能模塊與本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的開關(guān)模式電源的標準架構(gòu)對應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖2中所示的開關(guān)模式電源模塊I包括集成且自治的用于測量負載電流和用于控制操作的電路1000。模塊1000包括輸出電流測量模塊107、電流參考模塊109、比較器模塊110、濾波器模塊111和占空比發(fā)生器模塊112。比較器110對測量電流的結(jié)果和電流參考109進行比較。抗瞬態(tài)濾波器111對比較結(jié)果進行能夠濾去快速瞬變的濾波。濾波操作的結(jié)果被傳輸?shù)綀?zhí)行使光耦合器飽和以停止供電(停止開關(guān)操作)的操作的模塊112。圖3示出了沒有用于測量負載電流和控制開關(guān)操作處于打嗝模式的電路的開關(guān)模式電源模塊的次級電路，為描述圖4和圖5做準備。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，“打嗝”模式下開關(guān)模式電源模塊I的配置是通過短路用于調(diào)節(jié)點312 (電勢為+Vout)和314 (電勢為OV)之間可用的輸出電壓+Vout的并聯(lián)調(diào)節(jié)器(shunt regulator) 308實現(xiàn)的。調(diào)節(jié)器308端子之間短路的效果是使得光耦合器115的輸入端完全飽和，并使得PWM控制電路116的PWM控制管腳接地，這相當于中斷開關(guān)操作并拉低輸出電壓+Vout。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的實施集成在開關(guān)模式電源模塊I中的測量和控制電路1000的細節(jié)。電流測量電路107能夠在不用使用電阻元件或低噪聲高精度比較器的情況下檢測出非常小的負載電流(lout)。這為了尤其在高功率情況下的限制焦耳效應(yīng)損失和節(jié)省功率消耗的目的。電流測量電路107使用變壓器次級繞組301和小值電阻器321上的連接生成與輸出電流1ut直接成比例的平均電壓Vagl (元件322和323的端子處)。電壓Vagl和輸出電流1ut的成比例性出于下述事實:傳輸?shù)阶儔浩?04初級的電壓的占空比(并從而通過變壓器104磁電路的媒介傳輸?shù)酱渭?01)與存在于電源輸出端上的負載直接相關(guān)。這是開關(guān)模式電源的工作原理。為了得到消耗電流的圖像，整流電路(由二極管320構(gòu)成)和積分電路(由元件321、322和323構(gòu)成)對次級繞組301端子處可用的電壓取平均。然后，將平均電壓Vagl與參考電壓比較，以在輸出電壓+Vout與平均電壓之間的差達到預定閾值時，控制并聯(lián)調(diào)節(jié)器308的端子之間的短路。根據(jù)本實施例，參考電壓由晶體管326的基極-發(fā)射極結(jié)提供。然后，當晶體管326的基極-發(fā)射極電壓使得基極電流可以流動時變?yōu)轱柡?。然后，飽和的晶體管32 6作為閉合的開關(guān)工作，因此使得晶體管329可以飽和。飽和的晶體管329使得并聯(lián)調(diào)節(jié)器308短路，這導致光耦合器的發(fā)光二極管(LED)305完全飽和。電阻器324和325的值可以定義預定的電流閾值。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電流不能被直接測量，而是通過作為媒介的電壓圖像測得。根據(jù)一個變型例，例如使用電流測量電阻器直接測量電流，盡管這種解決方案代價更加高昂，并消耗更多功率。當開關(guān)操作被中斷時，由于存儲在大容量電容器304中的電能被電路中不同的元件(主要是光耦合器的飽和的二極管305)逐漸消耗，因此開關(guān)模式電源模塊I的輸出電壓Vout會逐漸減小。當存儲在大容量電容器304中的電能不再足夠使得光耦合器的LED 二極管305飽和時，控制開關(guān)操作的PWM控制電路就重新激活開關(guān)操作，電源再次開始工作。大容量電容器304端子處的電壓+Vout再次增加，測量電流使得(如果必要的話)開關(guān)操作再次中斷。這個操作循環(huán)以主要取決于大容量電容器304的值的頻率重復執(zhí)行。打嗝模式的占空比定義為在其期間開關(guān)操作處于活動狀態(tài)的周期與完整的循環(huán)周期的比率。根據(jù)本發(fā)明的實施例，實現(xiàn)高達1/24的比率是可能的。打嗝周期可以超過12秒。在未檢測到負載或在非常低的負載時的殘余功耗可以降至1/3甚至更低。例如，圖4所示的電路將IOmA量級的閾值定義為，低于此閾值，電源就進入打嗝模式，在此模式中，對開關(guān)操作進行控制，以被周期性地中斷和重啟。圖4所示的電路描述了一種能夠控制用于通過兩根導線的媒介并且不使用來自設(shè)備2的控制信號或控制消息而將電能提供給設(shè)備2的開關(guān)模式電源模塊I中的開關(guān)操作的裝置。使用的方法包括:裝置1000在開關(guān)模式電源模塊I中測量負載電流(在電源輸出處傳遞給設(shè)備2的電流)，以及比較測得的負載電流和預定義的負載電流閾值。根據(jù)此方法，在第一時間段內(nèi)測得的負載電流小于預定義的負載電流閾值的情況下，控制開關(guān)模式電源模塊的開關(guān)操作實現(xiàn)開關(guān)操作的反復(周期性)激活和停用，直到在第二時間段內(nèi)負載電流的測量值再次大于預定義的負載電流閾值一段。預定義的閾值以及第一和第二時間段在電路設(shè)計過程中定義，特別是通過定義電路中電子元件的值來定義。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一時間段由抗瞬態(tài)濾波器(諸如由元件309和310構(gòu)成的RC濾波器或由元件321和322構(gòu)成的RC濾波器)的至少一個時間常數(shù)定義。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，第二時間段由電源濾波電路(諸如圖4中的次級電容器304)的時間常數(shù)定義。根據(jù)一個變型例，第二時間段定義由電源次級特有的大容量電容器(諸如圖4中的大容量電容器304)的時間常數(shù)定義。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，測量負載電流采用生成與開關(guān)模式電源模塊I次級繞組端子處的平均整流電壓成比例的電壓(諸如例如電壓Vagl)的方法。圖5示出了圖4中所示的電流測量電路的一種變型，其能夠在減少使用的元件的數(shù)目的同時根據(jù)圖4中所示電路相同的原理工作。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于控制電源模塊中的開關(guān)操作的方法。步驟SI對應(yīng)于在開啟開關(guān)模式電源模塊之后的穩(wěn)定模式下的初始狀態(tài)。步驟S2對應(yīng)于測量由開關(guān)模式電源模塊I向被供電設(shè)備2傳送的負載電流。根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，測量由圖2中所示的 模塊107執(zhí)行。步驟S3對應(yīng)于比較由模塊107測得的電流和電流參考值。根據(jù)本發(fā)明的這個實施例，電流參考值由電流參考模塊109傳送。比較由圖2中所示的比較器模塊110執(zhí)行。步驟S4對應(yīng)于控制開關(guān)操作。根據(jù)由開關(guān)模式電源模塊I向被供電設(shè)備2傳送的負載電流1ut的值是小于還是大于預定義的負載電流閾值，進行不同的開關(guān)操作控制(特別是通過圖2中所示的模塊111、112、115、116和117進行)。這意味著，當測得的負載電流小于預定義的電流閾值時，開關(guān)操作被周期性地中斷以節(jié)省功率。并且，當負載電流大于預定義的負載電流閾值時，開關(guān)操作是連續(xù)的。當然，本發(fā)明并不局限于前面描述的實施例。本發(fā)明還涉及所有集成在電源模塊中能夠在不使用控制信號或消息的情況下自治運行以為了達到降低在沒有負載或負載非常小的情況下的功耗的目的控制開關(guān)操作的負載電流測量電路。
權(quán)利要求
1.一種用于控制開關(guān)模式電源模塊中的開關(guān)操作的方法，所述開關(guān)模式電源模塊用于向一項設(shè)備提供電源，所述方法包括下列步驟: -通過測量模塊(107)測量(S2)所述開關(guān)模式電源中的負載電流， -通過比較器模塊(110)比較(S3)測得的負載電流和預定義的負載電流閾值(109)，以及 -如果在第一段時間內(nèi)，所述測得的負載電流小于所述預定義的負載電流閾值，那么使用控制器(111，112，115)通過反復激活和停用開關(guān)操作來控制所述開關(guān)模式電源模塊(I)的開關(guān)操作(S4)，直到在第二段時間內(nèi)，所述負載電流的測量值大于所述預定義的負載電流閾值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述開關(guān)模式電源模塊通過兩根導線連接到所述一項設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一時間段由抗瞬態(tài)濾波器的時間常數(shù)定義。
4.如權(quán)利要求1至2中任何一項所述的方法，其特征在于，所述第二時間段由電源的濾波器電路的時間常數(shù)定義。
5.如權(quán)利要求1至3中任何一項所述的方法，其特征在于，所述第二時間段由電源次級特有的大容量電容的時間常數(shù)定義。
6.如以上任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述測量負載電流的步驟包括生成與所述開關(guān)模式電源模塊I的次級繞組端的平均整流電壓成比例的電壓。
7.一種用于控制開關(guān)模式電源模塊(I)中的開關(guān)操作的裝置(1000)，所述開關(guān)模式電源模塊(I)用于向一項設(shè)備(2 )提供電源，所述裝置(1000 )包括: -用于測量負載電流的電路(107)， -用于比較所測得的負載電流和預定義的負載電流閾值(109)的電路(110)，以及-用于在第一段時間內(nèi)所測得的負載電流小于所述預定義的負載電流閾值時控制開關(guān)操作(112，111，115)周期性地中斷、并且在第二段時間內(nèi)所測得的負載電流大于所述預定義的負載電流閾值時維持開關(guān)操作的電路。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一時間段由抗瞬態(tài)濾波器(111)的時間常數(shù)定義。
9.如權(quán)利要求7至8中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述第二時間段由電源的濾波器電路(106)的時間常數(shù)定義。
10.如權(quán)利要求7至8中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述第二時間段由電源次級特有的大容量電容的時間常數(shù)定義。
11.如權(quán)利要求7至10中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述負載電流測量電路(107)包括用于生成(320，321，322，323)與所述開關(guān)模式電源模塊(I)的次級繞組(301)端的平均整流電壓成比例的電壓的電路。
12.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述開關(guān)模式電源模塊通過兩根導線連接到所述一項設(shè)備。
全文摘要
一種用于控制開關(guān)模式電源模塊中的開關(guān)操作的方法和裝置，所述開關(guān)模式電源模塊用于經(jīng)由兩根導線的媒介向一項設(shè)備提供電源，所述方法包括下列步驟測量開關(guān)模式電源模塊中的負載電流；比較測得的負載電流和預定義的負載電流閾值；以及在裝置內(nèi)測得的負載電流小于預定義的負載電流閾值的情況下周期性地中斷開關(guān)操作。
文檔編號H02M3/325GK103248235SQ20131004903
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者P.馬錢德, G.莫利茲特, P.吉洛特 申請人:湯姆森特許公司