电源系统和设备的制作方法

专利名称：电源系统和设备的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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-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。

发明内容
本发明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、Ua。)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。本发明还涉及开关式电源(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(Iout)；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(I。ut)的所述 导出值(Ioutest) ο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 配单元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。在本发明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。在本发明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(Iint)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(I。ut)，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。在本发明的这个实 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 实施例的一个方面中，所述参量是开关式电源的输出电压，同时可编程数字电路还适于利 用在控制第一开关元件时的所述差值。由此通过可编程数字电路可得到输出电压的精确调 节。在开关式电源的一个实施例中，变换级包括安排在全桥中的四个开关元件。在这 个实施例中，可编程数字电路适于控制所述四个开关元件。因此变换级可高效率地工作。在 本实施例的一个方面中，可编程数字电路适于产生一个脉宽调制信号并将它发送给所述四 个开关元件中的每一个。可编程数字电路还适于确定所述四个脉宽调制信号中的两个相对 于所述四个脉宽调制信号中的另外两个的相移，基于所述变换级的占空比的期望值确定所 述相移。由此通过所述可编程数字电路可实现全桥的控制。


图1是包括两个调节级的整流开关式电源的示意图。图2是包括全桥的变换级的示例。图3是图2中所示变换级的全桥的输出电压的图示。图4是预调节器的示例。图5是开关式电源的I-U特性的示例。图6是用于控制开关式电源的可编程数字电路的示例。图7是包括数字控制的开关式电源的示意图。图7a是根据本发明的第一实施例包括数字控制操作的开关式电源的示意图。图7b是根据本发明的第二实施例包括数字控制操作的开关式电源的示意图。图7c是根据本发明的第三实施例包括数字控制操作的开关式电源的示意图。
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图7d是根据本发明的第四实施例包括数字控制操作的开关式电源的示意图。图8是说明通过可编程数字控制实现调节的示意图。图8B是根据本发明的实施例、更详细地说明变换级控制的框图。图8C是说明产生变换级占空比控制信号740的调节器1240和图8B中所示的反 馈调节器1250B的备选实施例的框图。图9说明包括全桥的变换级的开关元件的控制。图10是包括若干开关式电源的电源系统的示例。图11是说明如何通过使用主频来确定开关式电源重启的时间的流程图。
具体实施例方式图1中示意性地显示了开关式电源(SMPS) 100。如图1所示的SMPS是一种包括输 入滤波器105的整流器，输入滤波器包括可连接主电压Uae的输入端IlOA和110B。滤波器 105的输出连接到二极管桥115的输入，利用二极管桥115来对所施加的主电压Ua。进行整 流。二极管桥115的输出侧连接到预调器120的输入，预调器120的输出连接到变换级125 的输入，而变换级125的输出连接到输出滤波器130。SMPS 100可经由输出滤波器130的 输出端135A和135B连接到负载上。当主电压Uac加到SMPS 100上时，在二极管桥115的 输出上便产生了已整流的电压，它称为输入电压Uin。在预调器120的输出上产生中间电压 Uinto变换级125的输出上的电压称为输出电压U。ut。输出滤波器130用于对输出电压进行 滤波，而输入滤波器105主要用于保护主网络不受SMPS 100可能引起的扰动的影响。当在SMPS 100上施加负载时，输入电流Iin便流入预调器120。预调器120的输 出电流称为中间电流Iint，中间电流是变换级125的输入电流。变换级125的输出电流称为 输出电流I。ut。参见图1，SMPS 100是包括两个整流级(即预调器120和变换级125)的整 流器，因此可将它称为两级整流器。此夕卜，图1中的SMPS 100还包括绝缘屏障140，它使SMPS 100的输入端110与 SMPS 100的输出端135电绝缘。主要出于安全因素才引入此绝缘屏障140，不过它也可以 用于选择负载所连接的电位。在图1中，显示出绝缘屏障140位于变换级125中。设置在 图1中绝缘屏障140左边的SMPS 100的部分，在下文中将称为设置在绝缘屏障140的原边， 而设置在绝缘屏障右边的SMPS 100的部分，以下将称为设置在绝缘屏障140的副边。变换级125包括至少一个开关元件，通过开关元件来控制SMPS100的输出特性。如 图2所示为变换级125的一个示例。图2中的变换级为DC/DC转换器125，它包括具有4个 开关元件205A-205D的全桥200。全桥200的输出连接到变压器210的原边上。其中变压 器210向SMPS 100提供绝缘屏障140。因此，绝缘屏障140包括具有主绕组和副绕组的变 压器210，所述变压器利用电磁感应在主绕组和副绕组之间不会有直接的电接触的情况下 将电能从主绕组传送到副绕组。在变压器210的副边上，整流元件215连接到变压器绕组的每个头上。整流元件 215的输出连接到电感器220。电容器230并联在变换级125的输出上。变换级125可有 利地还包括驱动开关元件205的线路，这未在图2中显示。图2中的变换级125的开关元件205A-205D的开关状态是受控的，因此变换级占 空比D也是受控的。在图3中，变压器210原边上的电压Uprtimy用时间t的函数来说明。变换级占空比D定义为
^ Λ -Vt1D = ^μ-其中，T为变压器210原边上的电压UpH_y的周期，、和t2分别是全桥200的开 关元件的设定在周期τ的正半周和负半周期间产生非零持续的时间。可通过改变 开关元件205的开关状态而改变变换级占空比D，使得可在SMPS 100的输出上产生期望的 输出信号。在图2中的变换级125中，全桥200可用一个开关元件205、用两个开关元件205 或任何其它数量的开关元件205来代替，通过这样来产生可控的变换级占空比D。在图1的SMPS 100中，可以将预调器120省略，仍然会得到主电压Uac的整流。然 而，在SMPS 100的许多应用中，重要的是能够控制输入电流Iin的相位和形状，并且对输入 电流Iin的这种控制最好通过预调器120来执行。例如，在高功率应用中，重要的是输入电 流Iin和输入电压Uin的相位接近，这是因为输入电流Iin和输入电压Uin之间的相移会导致 功率损耗，而如果SMPS 100提供的功率比较高的话，这种损耗将导致相当大的损失。通过 控制输入电流Iin的形状可使泛音信号最小化。这种泛音信号将会产生损耗并且可能干扰 主网络的其它用户。除了控制输入电流外，预调器120还可提升输入电压Uin，使Uint > Uin0 此外，预调器可提供恒定的中间电压Uint，这用作变换级125的输入电流。恒定的中间电流 有助于量度高效的变换级125。如图4所示为预调器120的一个示例。图4中的预调器120是带有功率因数校正 的提升预调器，它提供了作为恒定DC中间电压Uint的输出。功率因数校正的目的是使SMPS 100的输入表现出完全的电阻特性。图4的预调器120具有两个输入端405A和405B，以及 两个输出端410A和410B。电感器415连接到输入端405A上。在电感器415的另一侧连 接了开关元件420，开关元件420又连接到输入端405B上。在输入端405B和开关元件420 之间，可以引入电阻器425，电阻器可用于输入电流Iin的测量。并联在开关元件420上的 是串联连接的整流元件430和电容器435。预调器120的输出电压(即中间电压)Uint是电 容器435两端上的电压。电容器435在输入电压Uin较高时储存能量，在输入电压较低时释 放能量，以维持恒定的输出功率。通过改变开关元件420的接通和断开时间，可控制输入电 流Iin。此外，可以获得恒定的中间电压Uint。图4中预调器120的配置可按照几种方式改 变。例如，包括并联连接的开关445和电阻器450的电路440可有利地连接到输入端405A 上。当SMPS 100连接到主电压Ua。上时，电路440可用于限制输入电流Iin。此外，电容器 455可连接在输入端405A和405B之间，电容器455保护主网络不受由开关元件420的开关 产生的纹波电压的影响。在图5中，如I-U图中所显示的为SMPS 100的期望特性的示例。在图中用标号1 指示的点上，没有给SMPS 100施加负载，因而没有输出电流I。ut。这一点上的输出电压U。ut 是额定电压Un。m。虽然根据应用，额定电压可取任何值，但是常用的额定电压值为48V。当 负载增加时，输出电流Iin也增加，而输出电压Uout在额定电压Unom上保持恒定。在用标号 1和标号2所指示的图中的两个点之间的负载范围中，按照恒定电压调节来控制SMPS 100。 标号2指示的点代表额定电压上的电流，此时SMPS 100的输出功率达到它的最大值。在图 中用标号2和标号3指示的点之间，SMPS 100的输出功率保持恒定，且按照恒定功率调节来控制SMPS 100。图5中用标号3指示的点代表(I。ut、U。ut)的值，此时输出电流已达到它 的最大值。此极限常由流过SMPS 100的部件的最大电流来设定，或由任何连接的电池开始 吸收电流时的输出电压值来设定。在图中用标号3和标号5指示的点之间，按照恒定电流 调节来控制SMPS 100。在备选实施例中，根据所调节的SMPS 100的I-U特性可采用除了图5中所显示的 I-U特性之外的其它形状。例如，可以省略在图3的标号2和3所指示的点之间的恒定功率 范围。然而，通过利用I-U-特性的恒定功率部分和恒定电流部分来实现过载保护，输入滤 波器105、二极管桥115和预调器120可以制造得更小，这是因为它们不必针对同时的额定 输出电压和最大输出电流上的峰值功率而设计。这对于针对可在较大的主电压Uac跨度内 操作而设计的SMPS 100而言尤其相关，因为较低的主电压Ua。会对SMPS 100可输送的最大 功率有所限制。如上所述，SMPS 100的额定输出电压通常取值为48V。中间电压Uint则通常取值 为400V。在典型的SMPS 100中，输出电流I。ut可设为25A。开关元件420和205的开关频 率可例如约为IOOkHz。U_、和开关频率的这些值是仅作为示例而给出的。显然，这些参量 可以为SMPS 100的应用所需要的任何值。为按照期望的I-U特性控制SMPS 100的输出信号的电流、电压和功率，分别控制 变换级125和预调器120的开关元件205和420的开关状态。为提供对变换级125和预调 器120的开关元件的有效控制，必须知道大量参量的大小。这些参量优选为输入电压Uin、输 入电流Iin、中间电压Uint、中间电流Iint、输出电压U。ut和输出电流I。ut。传统上，变换级125 和预调器120的开关元件205和420的控制是分别通过模拟电路而执行的。然而，模拟电 路一般成本较高且耗费空间。模拟电路的可靠性会随电路中元件的数量增加而降低，并且 模拟电路的可靠性还受时间的影响，由于元件可能老化。此外，模拟元件的可靠性会随外界 参数如温度的变化而改变。因此希望能够用可编程的数字控制来替代模拟电路。将可编程的数字控制引入到SMPS 100中还在调节参数方面带来了灵活性，例如 SMPS 100应当正常工作的最大温度、额定输出电压、SMPS可输送的最大功率电平等。此夕卜， 可以在制造时没有电位计的情况下对SMPS 100进行校准，从而节约了就投入到校准工作 的大量人力而言的成本。而且，可在SMPS 100中使用较低精度(因此更便宜)的元件，通 过在校准时调节参数仍然可以得到精度高的SMPS 100。在SMPS 100的实施例中，其中恒定功率区域包括在期望的I_U特性中，主电压Uac 的测量可有利地提供给可编程数字电路，由可编程数字电路向SMPS 100提供可编程数字 控制。根据这一测量，可通过可编程数字电路来计算SMPS 100应当提供的最大功率电平。当将可编程数字控制引入到SMPS 100中时，必须特别注意不能破坏绝缘屏障 140。如图1、2和4中所示，预调器120和变换级125的开关元件设置在绝缘屏障140的原 边上。因此，必须在绝缘屏障140的原边上提供用于控制这些开关元件的操作的信号。此 外，在绝缘屏障140的原边给出输入电流Iin和输入电压Uin，以及中间电流Iint和中间电压 Uinto而且，为使SMPS 100可以启动，可编程的数字控制必须用绝缘屏障140的原边上的电 源电压来馈送。在包括用于为可编程数字电路提供主电压Ua。的测量的装置的实施例中，这 种测量显然是在绝缘屏障140的原边上产生的。然而，在绝缘屏障140的副边上给出希望 知道大小的一些参量，如输出电压U。ut和输出电流I。ut。因此，必须提供用于跨过绝缘屏障140进行传输信号的装置或其它解决方案。向SMPS 100提供可编程数字控制的可编程数字电路可设置在绝缘屏障140的原 边上，或设置在它的副边上。通过将可编程数字电路设在原边，可使需要跨过绝缘屏障140 传输的信号数量最小。由于跨过绝缘屏障140传输信号需要额外的元件，SMPS 100的成本 随必须跨过绝缘屏障140传输的信号数量而增加。此外，通过在绝缘屏障140的原边上设 置可编程数字控制，可使必须传输表示所测量的参量(例如Iil^PUin)的模拟信号所跨过的 距离最短，因此使这些信号中的扰动最小。然而，当将可编程数字电路设置在绝缘屏障140 的原边上时，特别注意要避免可编程数字电路中由预调器120和变换级125的开关元件的 开关所产生的扰动。通过仔细设计SMPS 100使得功率电流、数字信号和模拟信号物理上是 分开的，来避免这种扰动以及主电压Uac的扰动。图6中示意性地说明了用于控制SMPS 100的可编程数字电路600的一个示例。可 编程数字电路600包括处理装置605、工作存储器610和用于存储可执行命令的至少部分非 易失的存储器615。可编程数字电路600还包括具有A/D转换器的模拟输入620和数字输 出625。显然，可编程数字电路600可以具有任何数量的模拟输入620、数字输入和数字输 出 625。图7中示意性地说明本发明的SMPS 100的实施例，其中已在绝缘屏障140的原边 上引入了可编程数字电路600，用以分别控制预调器120和变换级125的开关元件420和 205。可以传统方式测量输入电压Uin、输入电流Iin、中间电压Uint和中间电流Iint的大小并 提供给可编程数字电路600。可在绝缘屏障140的副边上测量出输出电压Uout和输出电流 Iout,并因此通过绝缘接口 705提供给数字可编程电路600。图7中分别用标号710、715、 720,725,730 和 735 指示对应于 Uin、Iin、Uint、Iint、、U。ut 和 I。ut 的信号。根据Uin、Iin, Uint, Iint, Uout和I。ut的大小，通过利用存于存储器610中的可执行命 令，可编程数字电路600可确定出变换级125的占空比D。然后，可编程数字电路600向变 换级125发送信号740，指示开关元件205的接通和断开时间。在本发明的实施例中，其中 变换级125包括多于一个的开关元件205如全桥200，信号740优选包括多个信号740，每 个信号740指示其中一个开关元件205的接通和断开时间。以相同的方式，根据Uin、Iin* Uint的大小，可编程数字电路600可确定出开关元件420的期望的接通和断开时间。可编程 数字电路600随后向预调器120发送信号745，信号745指示开关元件420的期望的接通和 断开时间。在这些实施例中，其中预调器120包括多于一个开关元件，信号745最好可包括 多个信号，预调器120的每个开关元件对应其中一个信号。有利地是，绝缘接口 705可包括针对跨过绝缘屏障140所传输的每个信号的线性 光耦合器。光耦合器是相对比较小且便宜的器件，具有一定的精度，即可用于脉冲整形信号 (如脉宽调制控制信号740和745)的传输，也可用于模拟信号(如信号710-735)的传输。 光耦合器其中包括绝缘屏障边上发出信号的发光二极管，和绝缘屏障140边上接收信号的 光接收器。当信号要跨过绝缘屏障140进行传输时，控制从发光二极管发射出的光，使得它 可以在光电二极管中产生电流，该电流与所传输的信号成比例。作为使用光耦合器的备选 方案，还可以使用其它可跨过绝缘屏障140传输信号的装置，例如脉冲变压器。然而，脉冲 变压器主要适用于脉冲整形信号的传输，不太适用于模拟信号的传输。在本发明的一个方面中，输出电流1_不是经过测量得到的，而是在可编程数字电路600中用存储器610中所存储的可执行命令从中间电流Iint的测量值导出的。这样，便 减少了必须跨过绝缘屏障140传送的信号数量，从而使SMPS 100的设计更加简单，并因此 更便宜、更小巧且更可靠。此外，跨过绝缘屏障140测量和传输信号会导致不希望的损失。 由于不必测量对应于输出电流I。ut的信号，这些损失也可因此得以减少。根据变压器原理得到原边电流和副边电流之间的关系，即SPMS100的中间电流 Iint和SMPS 100的输出电流I。ut之间的关系为 其中Np和Ns分别是变压器原边和副边的线圈匝数，D是变换级125的占空比，这 是可编程数字电路600已知的(并且还是受其控制的)。等式(1)对于不会受到任何功率损失以及受其它应用限制的理想SMPS是有效的。 然而，测量显示出，可在正常工作的电压和电流范围内通过将校正因数k引入到等式(1)中 对SMPS 100的这种非理想特性进行补偿，其中k可视作SMPS 100的效率 当SMPS 100上没有施加负载时，没有输出电流，即。等于零。然而，仍然存在中 间电流Iint，可将它视为表示没有负载损失的补偿电流Iint°ff，当将其引入到等式⑵中时， 得到以下等式 等式(3)提供了输出电流I。ut在从空载到满载的负载范围(即图5中用标号1和 标号3指示的点之间)的精确值。然而，当负载进一步增加时，变换级占空比D变得非常小， 并且效率降低。等式(3)不再能提供I。ut的精确值。已从实验得出，在图5中用标号3和4 指示的点之间的负载范围中，效率随变换级占空比D线性变化。因此得到输出电流I。ut在 这种负载范围内的以下表达 对于更低的输出电压Uout值，其中D非常小，接近短路，已发现，Iout与Iint之间的 恒定关系可假设为Iout = CIint(5)在这种负载范围内，即图5中用标号4和标号5指示的点之间的范围内，中间电流 最好保持一个固定的值。根据上述讨论，下表可有利地用于说明在图5的各种负载范围内输出电流I。ut与 中间电流Iint之间的关系
20 表 1表1中给出的变换级占空比D的值应当仅看作为示例，并不构成可应用于Iint和 I。ut之间对应关系的固定限制。在图5中用标号1和4指示的点之间的负载范围内，根据相 关调节方法(恒定的输出电压、恒定的输出功率或恒定的输出电流)调节中间电流Iint。对 于更低的电压，即用标号4和5指示的点之间的电压，中间电流Iint最好保持在恒定值上。当控制SMPS 100的输出信号时，所测量的参量的测量精度非常重要。采用可编程 数字电路600来控制SMPS 100的一个问题在于，例如最常用于可编程数字电路600的模数 (A/D)转换器使用有限的位数来表示已转换的数字值，由此测量分辨率受到限制。A/D转换 器所使用的位数通常直接与A/D转换器的价格相关。因此希望能够提出一种方法，使得可 以进行一个或多个已测量的参量的精确测量，同时保持A/D转换器所用的位数在合理的水 平上。一种解决A/D转换器的有限分辨率问题的方案是，将某个参量的测量与该参量的 基准值进行比较，并且不是将该参量本身的测量反馈到可编程数字电路600的模拟输入， 而是将测量值与基准值之间的差异反馈到可编程的电路600。这种差异可例如通过使用运 算放大器而得到。在还未被可编程数字电路600所知的情况下，基准值还可提供给可编程 数字电路600。用于产生差异的基准值信号可有利地产生为数字脉宽调制信号，根据那种信 号可以滤波出平均值。基准值的数字脉宽调制信号可例如由可编程数字电路600或由独立 可编程器件例如微处理器产生。于是，可以方便地通过向可编程数字电路600或独立可编 程器件发出远程命令来传递基准值的变化，并且这种变化可作为脉宽调制信号中的脉宽变 化在所生成的基准值信号中反映出来。上述将所测量的参量与该参量的基准值进行比较的方法可有利地应用到对A/D 转换的分辨率至关重要的参量中，并根据基准值(目标值)来调节。这种参量例如为SMPS 100的输出电压U。ut。在SMPS100的许多应用中，重要的是就纹波电压而言输出电压u。ut的 变化非常低。在本发明的实施例中，其中可编程数字电路600设置在绝缘屏障140的原边 上，可跨过绝缘屏障140传输所测量的输出电压信号U。utmeas，并且可在绝缘屏障140的原边 上进行比较。或者，可在绝缘屏障140的副边上进行比较，对应于^广“与队㈣的基准值 U。u/rf之间的差异U。utdiff的信号，随后可跨过绝缘屏障140传输。然后可优选由设置在绝缘 屏障140副边上的微处理器产生基准值U。u/ef。在SMPS100的一个实施例中，绝缘屏障140 的副边包括微处理器，它用于将参数从SMPS 100传递到外界以及从外界传递到SMPS 100 中，例如向监控单元发送参数和从其中接收参数。在这些情况中，该微处理器可有利地还用于基准值U。u/rf的生成。在某些情形下，例如出于监控目的，希望可编程数字电路600可以 得到有关U。utmMS以及U。utdiff的信息。如果可编程数字电路600还不知道基准值U。u/rf，则在 这种情况下还必须跨过绝缘屏障140传输测量的输出电压信号U。utmeas或基准值U。u/rf。图7a示意性地说明本发明的第一实施例，它针对如上讨论的使用有限分辨率(例 如10位分辨率)的A/D转换器的SMPS 100，并对于所有频率使用恒定窄宽度窗口。可编 程数字电路600在原边上操作并控制所有开关器件的操作，为保持误差电压尽可能接近于 零。Uout的测量参量；从在变换级125后的副边处得到并馈送到差分运算放大器760的输入 中。由可编程数字电路600提供基准信号U。u/rf，然后通过绝缘接口 705将它馈送到具有脉 宽调制输出的辅助微处理器770。辅助微处理器将基准信号转换为可通过滤波器765发送 的数字脉宽调制信号，在滤波器中可在馈送到运算放大器760的其它输入之前滤波出平均 值。差分放大器的输出是模拟误差信号Uout啦,它是测量的输出电压Uout和基准信号U。utref 的平均值之间的差异乘以理想为1的增益。误差信号U。utOT跨过绝缘屏障经由误差信号接 口 775和误差限制器775馈送到原边上的可编程数字电路600的模拟输入中。根据误差信号，可编程数字电路600产生适当的脉宽调制信号以控制预调器120 和变换级125中的开关器件。然而，在脉宽调制信号离开可编程数字电路600之后，脉宽调 制信号被发送到包括门控驱动电路的缓冲器755中，以便转换成可以驱动开关的合适的信 号。根据从副边反馈的误差信号的开关操作通过保持恒定电压和抑制输出信号上的噪声改 善了调节。为用10位A/D转换器达到约2mV的分辨率，由实施例所提供的解决方案一般使 用大约2V的窗口，而不是在整个输出电压的0-60V范围上。应当注意，本发明不限于这些 值，并且本发明可应用在大于或低于所介绍的那些范围中的值。希望的目标是提供对DC分 量和噪声分量或输出电压的纹波的调节。采用恒定窄窗口的缺点在于，虽然对于较高频率 的噪声分量它是适用的，但是对于较低频率的DC分量则是不太适用的，这是因为在基准电 压明显地不同于测量的输出电压的情形下，需要更大的窗口。图7b示意性说明本发明关于SMPS 100的第二实施例，其中基准信号U。u/ef由与副 边对立的原边上的可编程数字电路600产生。在此实施例中，辅助微处理器770不需要产 生基准电压。而是，要跨过绝缘屏障140传输的输出电压U。ut直接馈送到副边上的光耦合 器782中。光耦合器782包含框784和786，它们分别表示输出电压反馈元件和过电压检测 元件，过电压检测元件用于检测使电路过负载的过电压状态。在那种情况下，向可编程数字 电路600发送信号OVP(DI)，以便切断电路并触发相关报警。光耦合器782的输出和可编程 数字电路600的基准信号U。u/ef馈送到Uout窗口元件框785。Uout窗口元件框785的输出是 输出信号U。ut，将误差输出信号U。uterr馈送到可编程数字电路600中，从而产生可驱动开关 的脉宽调制输出信号，以便调节输出电压。图7c示意性说明了本发明关于使用频率相关放大器762的SMPS100的第三实施 例，其中频率相关放大器可实现对输出电压更有效的调节。该实施例除了使用了频率相关 放大器之外其它与图7a中的实施例类似，该频率相关放大器可针对高频分量(例如噪声) 提供狭窄的频率相关窗口，而针对输出电压的DC分量提供较宽的窗口。输出电压Uout和来 自辅助微处理器770的基准信号U。u广f馈送到频率相关放大器762，以产生输出误差信号 U0Uterro频率相关放大器762的传递函数可表示为(U。u广f-U。ut)ffl(f)，其中H(f)用于放大高 频分量(例如噪音)并衰减或减小低频DC分量。这可使高频噪声分量和低频DC分量容易地转换到在A/C转换器的分辨率内可用的范围中。来自放大器的输出误差信号馈送到可编 程数字电路600的模拟输入中，在那里进行A/C转换。此外，在可编程数字电路600中，对 该信号应用逆传递函数H—1 (f)，以得到原始输出误差信号的数字表示，从中可产生驱动开关 的脉宽调制输出，以便调节输出电压。该实施例使用频率相关输出误差电压信号来有效地提供针对噪声分量或纹波的 窄窗口，由此可提供噪声抑制所需的更高的精度，并且对于要求较低精度的稳态DC分量提 供更大的窗口。该实施例在输出电压U-和基准电压信号U。u/rf明显不同(例如高电流和 高电压负载)的情形下特别有效。较大窗口可适应电压差异，以允许A/D转换器持续在低 于饱和点以下工作，从而延伸了 SMPS 100的工作范围。另一个好处在于，由于可用一个处 理器采用最少的接口元件控制所有的调节开关器件，因此大大降低了成本。图7d示意性说明了本发明关于使用频率相关放大器762的SMPS100的第四实施 例，其中该频率相关放大器762以与图7C中的相同的方式工作。当在原边上如通过可编程 数字电路600中的软件产生基准电压信号U。utref时，将会允许副边上的模拟信号在比另外 一种情况稍大的活动区域内通过绝缘屏障140传输。在本实施例中，输出电压信号U-是 放大器的唯一输入，由此放大器的输出信号U。ut"p可表示为(U。ut-k)*H(f)，其中k为补偿电 压，H(f)是要放大更高频率分量并衰减更低频率分量的传递函数。输出信号U。utamp馈送到可编程数字电路600中，在可编程数字电路中应用逆传递 函数H—1 (f)，得到原始信号的数字表示。这与基准信号一起用于产生脉宽调制输出信号，以 驱动开关来调节输出电压。本实施例的优点在于，除改善DC电压调节之外还可以先前介绍 的方式提供噪声抑制。通过说明，具有54. 5V额定输出电压的电源，频率相关放大器可用如 30-60V之间的窗口实现DC分量和低频率的精确测量，以及用例如士 IV或士0. 5V的窗口实 现高频率分量的精确测量。图8示意性说明了分别用于调节预调器120和变换级125的调节环路，在本发明 的实施例中，实施了上述用于根据中间电流Iint的测量值导出输出电流I。ut值的方法，以及 上述将u。utdiff馈送到可编程数字电路600的方法。图中说明了用可编程数字电路600中的 计算机程序代码实现的四个不同的调节器电流调节器805和电压调节器810，用于调节预 调器120的开关元件420，和电流调节器815和电压调节器820，用于调节变换级125的开 关元件205。电压调节器810和820优选实现为外部慢速环路，而电流调节器805和815优 选实现为内部快速环路。电压调节器810接收表示中间电压Uint值的信号720和另一个表 示Uint、Uintref的基准值的信号825。UiJrf可由可编程数字电路600根据主电压Uac的测量 来计算，或者是电压调节器810已知的固定值。根据Uint的大量测量，电压调节器810可采 用标准的PI调节方法来确定输入电流的基准值Iinref。表示Iinref的信号830优选在乘法器 835中乘以表示输入电压Uin的信号710，以便得到IJef的谐波形状。乘法器835的输出信 号840表示输入电流的基准值IJef,并馈送到电流调节器805中。电流调节器805还接收 表示Iin的测量值的信号715。根据IJrf和大量Iin的测量，电流调节器805可采用标准PI 调节方法来确定预调器120的开关元件420的占空比。将指示开关元件420的期望接通和 断开时间的脉宽调制信号745传送到预调器120，其中开关元件420的期望接通和断开时间 用于产生由电流调节器805确定的占空比。同样，图8中的电压调节器820接收信号845，它表示输出电压Uout的测量值和输出电压的基准值U。u/rf之间的差异U。utdiff。电压调节器820可根据大量接收到的U。utdiff值 采用标准PI调节方法来确定中间电流的基准值Iin/rf。表示的信号850传送到电流 调节器815，其中电流调节器还接收表示Iint的测量值的信号725。根据IiJrf和大量Iint 的测量，电流调节器815可采用标准PI调节方法来确定变换级占空比D。将表示开关元件 205的期望接通和断开时间的脉宽调制信号740传送到变换级125，开关元件205的期望的 接通和断开时间可产生由电流调节器815确定的变换级占空比D。根据SMPS 100的调节模 式，与图5比较确定调节变化的参数。信号740也称为变换级占空比控制信号Dra。实际上，预调器120和变换级125的组合控制可有利地实现输出电压Uout以及输 出电流I。ut的精确控制。参照图5，当操作开关式电源(SMPS) 100使其在图5中用标号1和标号2指示的点 之间的范围内工作时，可控制它输送基本上恒定的电压Uout。图8B是更详细地说明根据本发明的实施例控制变换级125的框图。更具体地说， 图8B说明了用于获得期望输出电压的变换级输出电压控制器1020的实施例。变换级输出 电压控制器1020可以三种模式操作，即模式虬_2(，如图5中点1和2之间所指示的提供基本上恒定的输出电压)；或模式M2_3 (如图5中点2禾Π 3之间所指示的提供基本上恒定的输出功率)；或模式Μ3_5 (如图5中点3和5之间所指示的提供基本上恒定的输出电流)。变换级输出控制器1020用于控制变换级占空比D的值。输出电流I。ut取决于变换 级占空比D。因此，响应于变换级占空比D控制输出电流I。ut。变换级输出控制器1020至 少部分地通过数字控制电路600来实现，如以上结合图6、7和8A所公开的。参照图8B，电压传感器1055测量输出电压U。ut，并将测量值U。utmeas(也称为730)传 递到绝缘接口 705，它将相应的信号U。utmeas传递到加法器1200的输入。加法器1200还具 有用于接收输出电压基准值的第二输入1050。加法器1200的输出耦合到控制器1210的输 入。控制器1210产生用于在模式Μ"中控制输出电压的信号P"。控制器1210的输出耦 合到最小输入选择器1220的第一输入1215。最小输入选择器1220具有传递功率基准值Pintref的输出。最小输入选择器1220 的输出耦合成可向加法器1230传递功率基准值Pin/ef。加法器1230还具有用于接收表示 测量功率的值Pin广“的输入。测量的功率Pin广as表示变换级125所消耗的电能。加法器 1230产生作为值PiJrf和Pintmeas之间的差异值Pintm。将功率误差信号PintOT传递到调节 器1240。调节器1240产生变换级占空比控制信号740D。。S，以使开关元件205A、205B、205C 和205D可产生产生占空比D。调节器1240的输出还耦合到反馈调节器1250，它的输出耦合到最大输入选择 器1260的输入。最大输入选择器1260具有另一个输入，用于接收最低容许功率基准值 PintfloorO最大输入选择器1260在其输出上传递最高的输入值。最大输入选择器1260的输 出是针对提供恒定的输出电流的模式M3_5中的功率Pint的基准值？3_5。最大输入选择器1260 的输出耦合到最小输入选择器1220的第二输入1270。输出信号控制器1020的恒定功率控制部分最小输入选择器1220还具有第三输入1280，用于接收在提供恒定的输出功率的 模式M2_3中控制功率Pint的基准值P2_3。第三输入1280耦合到最小输入选择器1290的输出ο最小输入选择器1290具有多个输入，用以实现对SMPS 100的最大功率的控制。因 此，最小输入选择器1290包含了功率限制器1290。第一输入1300耦合成可接收预定的基 准值P。。nst。预定的基准值P。。nst可设置为表示可由SMPS 100传递的最大可能功率的值。在 典型的情况下，Pconst例如可为1500瓦特。最大功率P。。nst可以是在输出电压和输出电流沿 图5中的点2和3之间的线时所输送的功率。最小输入选择器1290第二输入1310耦合成可接收温度相关基准值P (T)。基准值 P(T)是温度相关的，以便可以在温度增加时减少SMPS100的最大容许功率输送。相应地，将 温度传感器1320置于SMPS 100中合适的位置处，并且响应于所检测的温度，控制器1330 产生温度相关功率基准值P(T)。有利地是，这种解决方法可以通过根据增加的温度削减所 输送的功率，从而避免SMPS 100中的元件过热。最大功率P(T)可以是输出电压和输出电流沿图5中的点2’和3’之间的线时所 输送的功率。值P(T)可与所测量的温度T线性相关，因此点2’沿图5中的恒定电压电平 U1^2滑动，点3’沿图5中的恒定电流电平13_4滑动。最小输入选择器1290的第三输入1340耦合成可接收电压相关功率极限值P(Uin)。 这样是为了在所接收的电功率的电压降低以防止SMPS 100主电源从吸收过多的电流的情 况下限制SMPS 100的输出功率。这有利地提供了对由SMPS 100经由输入端110吸收最大 电流的有效控制，由此防止了 SMPS 100超过预定电流极限Iintmax。根据实施例，电压相关功率极限值P(Uin)由器件1350产生，器件1350具有耦合成 可接收表示电压Uin的信号UilTas的输入1360。在本发明的一种形式中，器件1350具有第二输入1370，接收预定电流上限值 Iinmax，器件1350用于将电流极限值Iinmax与所测量的电压值Uinmeas相乘，从而产生电压相关 功率极限值P(Uin)。这种有利简便的方案提供了在主电源电压降低时减小的电压相关功率 极限值P(Uin),因此自动限制了 SMPS 100的功率消耗，使得它决不会吸收高于电流上限值 Iinmax的电流。预定电流上限值iinmax可以选择为使电流Ia。保持在低于某一极限值以下的恒 定值。或者，预定电流上限值Iinmax可选择成使变换级125的最大输出功率P。ut(即图5中 的功率P2_3)保持在低于某个阈值以下。这可通过决定输出功率阈值P。utmax、计算SMPS 100 的级115、120和125上的损失以及将要在输入1340上输送的阈值设定为表示输出功率阈 值P。utmax与损失之和的值来实现。输出信号控制器1020的恒定电流控制部分反馈调节器1250可产生功率基准值P3_4，使输出电流保持基本上恒定。这是根据 电流值和表示变换级占空比D的反馈信号而实现的。电流值可以是测量的输出电流I。ut或 中间电流Iint。采用估计的反馈信号的输出电流控制根据优选实施例，反馈调节器1250具有用于接收变换级占空比控制信号D。。s的第 一输入和用于接收测量的中间电流值Iin；1was的第二输入，如图8B所示。在图8B的实施例 中，基于中间电流Iint和变换级占空比D估计输出电流值I。ut，并且反馈调节器1250可响应 于所述估计的输出电流值i。utest产生功率基准值P3_4，使输出电流保持基本上恒定。如以上 结合表1所讨论的，根据等式(4)可得到估计的输出电流I。utest。
图8C是说明如图8B所示的调节器1240和反馈调节器1250B的实施例的框图，调 节器1240产生变换级占空比控制信号740。根据图8C的实施例，调节器1240包括占空比 值生成器1240A，它适于根据功率误差信号产生占空比值D。值D被传递到控制信号 生成器1240B和反馈调节器1250B。反馈调节器1250B适于产生估计的输出电流I。utest，估 计的输出电流可如以上结合表1所讨论的根据等式(4)基于接收的值D和测量的中间电流 值I。utmMS而得到。反馈调节器1250B还适于响应于所述估计的输出电流值I。u广1产生功率 基准值P3_4，使输出电流保持基本上恒定。利用测量的反馈信号L·,Ziras的输出电流控制根据另一实施例，反馈调节器1250接收表示输出电流I。ut的测量值735I。utmeas。测 量值735I。U广as可跨过如图7中所示的绝缘屏障传送。在此实施例中，反馈调节器1250具 有用于接收测量值735I。utmeas的输入，但是它不需要任何有关占空比D的信息。变换级输出控制器1020在樽式M=中的操作当变换级输出电压控制器1020工作于模式轧_2中时，其目的是提供如图5中点1 和2之间所指示的恒定的输出电压。当变换级输出电压控制器1020在模式Μ"中工作时，它使用基准值U。u/ef。基准 值u。u/ef在加法器1200的输入1050 (参见图8B)上传递。加法器1200还接收表示输出电 压的值U。ut—作为负反馈信号。因此，加法器1200产生差异信号U。utdiff，并将该信号U。utdiff 传递到带有传递函数GP1_2的框1210。框1210将控制信号P"传递到最小输入选择器1220 的输入1215。可以理解，在模式礼_2中变换级输出电压控制器1020可使恒定的输出电压 Uout维持在图5中所指示的U1-,的电平上。当输入1215上的控制信号P"的值低于输入1280的值和输入1270的值时，则最 小输入选择器1220设定输出PiJef等于P"。加法器1230将基准值Pintref与反馈信号即 中间功率Pin广s的测量值相比较，从而产生误差信号PintOT。调节器1240响应于误差信号 Pinterr产生变换级占空比控制信号740DCCS。在此方式下，当变换级输出电压控制器1020工作于模式Μ"中时，变换级输出电 压控制器1020根据输出电压Uout产生占空比D。占空比的值D影响由变换级125所吸收的电流Iint量。因此，可控制电流Iint来响 应占空比D。控制电流Iint还可以控制输出电压U。ut。可显示出，输出电压U。ut取决于电流 Iint。因此，变换级输出电压控制器1020可以响应于占空比D控制输出电压Uouto根据以下说明可直观地理解输出电压U-依赖电流Iint的关系从以上等式(3)可 以明白，在恒定电压模式Μ"中，对于给定的占空比D输出电流I。ut直接与中间电流Iint成 正比。因此，当电流Iint响应于占空比D而增大时，输出电流。也增大。只要负载可视为 电阻性的或电抗性的负载，则增大的输出电流I。ut可提供增大的电压U。ut。变换级输出电压控制器1020在模式M”中的操作在模式M2_3中的操作提供了恒定的输出功率。参照图5，当中间功率Pint达到在功 率限制器1290的输入上所传递的最低极限功率电平时，便进入恒定的输出功率模式M2_3。功率限制器1290和功率限制器1220的共同工作导致变换级输出控制器1020离 开恒定电压模式Μ"而进入恒定功率模式M2_3，因而如图5中点2和3之间所指示的降低了 输出电压。
变换级输出电压控制器1020在樽式M”中的操作工作于模式M3_4中可提供恒定的输出电流I。ut。参照图8B，当基准水平P3_5向功率 限制器1220提供最低的值时，即当输入1270接收的功率基准值低于输入1215和1280上 接收的时，便进入恒定的输出电流模式M3_4。参照图8B和图5，当输出电流限制器1260从 框1250接收的基准值P3_4高于基准底值Pintfl°OT时，便进入恒定的输出电流模式M3_4。采用估计反馈信号的输出电流控制根据优选实施例，反馈调节器1250具有用于接收变换级占空比控制信号Dra的第 一输入和用于接收测量的中间电流值Iintmeas的第二输入，如图8B所示。在图8B的实施例 中，输出电流值I。ut是基于中间电流Iint和变换级占空比D而估计的，反馈调节器1250可响 应于所述估计的输出电流值i。utest产生功率基准值P3_4，使输出电流保持基本上恒定。如上 述结合表1所讨论的，根据等式⑷可以得到估计的输出电流i。utest。遗憾的是，已发现，当工作于模式M3_5并使用所述根据等式(4)估计的输出电流值 Ioutest时，由于D的值较小的缘故，估计值I。utest的精度降低。因此，如果响应于用等式⑷ 计算得到的估计的输出电流值而产生控制信号P3-5(图8B)的话，则当基于较小的D值估计 时实际的输出电流会有波动。为避免不希望的实际输出电流I。ut的波动，应当将过渡点4设 定为合适的占空比阈值。换句话说，在从使用控制信号P3_4到使用控制信号P4_5之间有一个过渡。根据本发 明的实施例，输出电流限制器1260和反馈调节器1250共同工作，以便在占空比值D降到尚 未达到某一占空比阈值时使此过渡出现。根据本发明的一个实施例，占空比阈值为0. 4。根据另一实施例，占空比阈值为0. 2。根据优选实施例占空比阈值为0. 1。在有些情况下，当变换级125包括全桥200，信号740优选包括四个信号740A-D， 它们用于调节全桥200的四个开关元件205A-D。为得到变换级125的期望的变换级占空 比D，可编程数字电路600中的定时器确定脉宽调制信号740A-D。定时器包括数字计数器。 全桥200的一条支路，由图2中垂直的开关元件对205A和205C(或205B和205D)构成，它 产生到变压器210的一个端的脉冲串。全桥200的另一条支路，由图2的开关元件205B和 205D (或205A和205C)构成，它向变压器210的另一端馈送相同的但是有相移的脉冲串。 这在图9a_c中示意性地进行了说明。图9a说明了可编程数字电路600的数字计数器，它 确定全桥200的输出电压。此外，图9a数字计数器还确定预调器120和变换级125中的完 整采样序列。图9b显示了在全桥200的一条支路的中点上作为时间函数的电压，即开关元 件205A和205C之间(或205B和205D之间)的电压。图9c显示了在全桥200的另一条 支路的中点上作为时间函数的电压，即开关元件205B和205D之间(或205A和205C之间) 的电压。因此，图9b和9c中所示的电压之间的差异是跨过变压器210原边的电压UPriMy。 通过相对于彼此相移图9b和9c中所说明的电压，可改变变换级占空比D。当如图9b所示 的电压为正时，开关元件205A导通，而开关元件205C断开。同样，当如图9c所示的电压为 正时，开关元件205B导通，而开关元件205D断开。因此，通过相对于脉宽调制信号740B和 D相移脉宽调制信号740A和C，可控制全桥200产生期望的变换级占空比D。由开关元件 205A-D接收的脉宽调制信号740A-D优选为50%或稍低的占空比。通过使用稍低于50%的 占空比，全桥200中同一条支路的开关元件205A和205C(205B和205D)同时接通的危险可 得以降低。此外，在相同支路的开关元件205A和205C(205B和205D)中没有一个接通的期间所产生的短时间段由此可用于对开关元件205A和205C(205B和205D)中的输出电容器 重新充电，提供开关元件205的软开关。预调器120和变换级125的开关元件(如开关元件420和205A-D)可优选实现 为功率晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)或双极型晶体管。可编程数字电路600可有利地实现为 数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或实现为任何其它可以足够高的速度提 供信号处理的可编程数字电路。在不背离本发明的精神的情况下，上述SMPS 100可以多种形式变化。例如，变换 级125可以是回扫型转换器。预调器120则最好可省略，回扫转换器的开关元件可由可编程 数字电路600控制。在另一实施例中，变换级125可以是DC/AC转换器，SMPS 100则可以是 逆变器。此外，图7中所述的SMPS 100是单相SMPS。然而，本发明同样适用于三相SMPS。 在三相SMPS中，二极管桥110最好可省略，并且预调器120优选包括六个不同的开关元件 420，各个开关元件受数字可编程电路600控制。或者，两个或两个以上不同的数字可编程 电路600可用于三相SMPS 100的控制。在典型的电源系统中，许多SMPS 100连接到一个所施加的负载所连接的分配单 元。图10中示意性说明了电源系统1000。三个SMPS100A-C的输出以及电池1005并联连 接到分配单元1010的输入。两个不同的负载1015A-B连接到分配单元1010的输出。图IOA描述了如图10所示分配单元1010的示范性简化示意图。多个保险丝1012 并联连接到运送电源系统1000的功率的输入线1011上，由此各个负载(如1015A和1015B) 连接到保险丝上。这使得单独的负载可以相互独立平稳地工作，并可保护系统不受由特定 负载所导致的故障或短路的影响。显然，连接到分配单元1010的SMPS 100的数量以及负 载1015的数量可以取任何值。监控单元1025还可包括在该系统中，监控单元1025可通过 信令连接1030的方式与电源系统10000所有部件或一些部件通信。监控单元1025可用 于监视和控制SMPS 100A-C以及用于监视电池1005。监控单元1025例如可通过调节SMPS 100A-C的输出电压来控制SMPS 100A-C之间共用的有源负载。此外，SMPS 100A-C的输出 电压U。ut优选随电池1005的温度变化而调节。这可通过例如向SMPS 100A-C发送输出电 压基准值来进行。通过在电源系统1000中将多个SMPS 100互连接，可得到几项优点，例如使电源系 统1000的容量适应于所施加负载1015的要求的冗余和可能性。在电源系统1000中，其中 以数字方式控制SMPS 100，还可以得到其他优点，例如提高的灵活性。大量参数(例如所测 量的参量的测量值)可容易地从SMPS 100发送到监控单元1025，因此给监控单元1025提 供了重要的信息。此外，监控单元1025可容易地修正确定SMPS 100的操作的参数。通过将数字控制引入包括在电源系统1000中的SMPS 100还获得的另一个优点 是，可以同步进行SMPS 100的重启。在短路或过载的情况下，为使损失降到最小并防止电 缆发热常需要降低电源系统1000的输出电流。这可例如通过不断地将SMPS 100的I。ut降 低到适当低于最大输出电流的值来得到。然而，随后在去除了短路或过载时可能难00以重 启负载，这是因为所降低的电流太低而无法供给负载1015的缘故。降低电源系统1000输出电流的另一种方法可以是完全切断SMPS100—段时间，然 后再进行重启。如果在重启尝试时短路或过载条件仍存在，则再一次切断SMSP。在电源系统的一个实施例中，每隔10秒进行一次重启尝试。在短路或过载条件中，并且如果短路或 过载条件还存在的情况下，则1秒之后再一次切断SMPS 100。不过，这些时间周期显然是根 据应用所需或者短或者长。当在短路或过载条件后重启SMPS 100时，重要的是包括在电源系统1000中的所 有SMPS 100的重启要同步。如果重启不同步的话，则会出现很大的危险即在任意时刻上 由打开的SMPS 100所提供的输出电流不足以供给负载1015，从而导致重启尝试将不成功。 在很多情况下，负载1015是启动快且吸收恒定功率的电子负载，于是在电压低的时候(如 刚启动时)会吸收更多的电流。因而电源系统1000可快速启动并在启动之后立即提供满 输出电流是非常重要的。因此，SMPS 100的重启最好应该同步。电源系统1000的SMPS 100的同步重启可有利地采用50/60Hz主频率(或其它主 频率)。电源系统1000中的每个SMPS 100的可编程数字电路600可具有主电压Uac的测 量值，或输入电压Uin的测量值，基于这些值可编程数字电路600可确定已经过了另一个主 电压周期Tua。的时间。在采用主频率作为同步的基础时，SMPS启动时间之间的差异在大部 分情况下足够小，即便SMPS 100在不同的主电压相位上也是如此。主电压Ua。在不同的主电源网络可以较宽的范围变化，并且曲线形状可随负载 1015而改变。此外，主电压Ua。中还存在纹波。因此，必须提供一种确定另一个主电压周期 Tuac的经过的有效模式。这可通过检查主电压的测量值是否位于某稍微狭窄的电压区间Iu 来进行。如果位于该区间的话，则直到已经过了时间T_p后才进行下一测量，其中，时间TjMp 对于已经过在同一周期Tua。内的同一电压区间Iu的电压而言足够长，但是对于下一个还未 开始的周期Tuae而言足够短。在工作于50Hz并提供230V的主电压网络中，电压区间1 可 以为如80V和90V之间的间隔，tjump可以取值如16ms。则SMPS 100的启动时间相差不会超 过20ms。在包括SMPS 100的系统中，其中SMPS 100包括输入上的二极管桥115，整流输入 电压Uin优选用于同步SMPS100的重启。Uin的周期Tuin只有Uac周期的一半。因此T_p可 以降低一半，并且包括在电源系统1000中的SMPS 100的启动时间相差更不用说。图11说明了在短路或过载情况下可用于电源系统1000的各个SMPS 100重启的 示意流程图。在图11中所提供的示例中，整流电压Uin的频率用作同步的基准。在步骤1100 中，检测是否存在过载或短路条件。如果这种条件持续的时间比某时间周期长的话，该时间 周期比如为一分钟，则进入步骤1105，在该步骤中，切断SMPS 100。随后进入步骤1110，在 该步骤中将数字定时器设定为某一起始值。然后在步骤1115中进行输入电压Uin的测量。 在步骤1120中，则检查Uin的测量是否在电压区间Iu内。如果不在，再次进入步骤1115。 然而，如果Uin的测量在Iu内，则进入步骤1125，在该步骤中数字定时器减一。随后在步骤 1130中检查数字定时器的值是否大于零。如果不大于零，进入步骤1135，在此步骤中处理 进入t」_的等待状态。当过了 tjump后，再次进入步骤1115。然而，如果在步骤1130中发现 数字定时器为零，在步骤1140重启SMPS 100。然后，进入步骤1145，在该步骤中检查过载或 短路条件是否仍然存在。如果还存在，再次进入步骤1105。如果不存在，则恢复SMPS 100 的正常工作。图11中所述的处理优选由电源系统1000的各个SMPS 100中的可编程数字 电路600执行。如果在电源系统1000的各个SMPS 100中图11所述的处理开始于相同的 时间，则SMPS 100的启动时间将会在时间上相互非常接近。本领域的技术人员会理解，本发明不限于附图和以上详细说明中所公开的实施例，提供这些实施例仅为了说明目的，本发明可以许多不同的方式来实现，并通过以下权利 要求来限定。
权利要求
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，所述开关式电源还包括用于根据至少一个信号来控制所述开关元件的数字电路，其中所述数字电路在所述绝缘屏障的所述原边上设置，以及，所述开关式电源还包括放大器，该放大器设置在所述副边上，被安排为用于在第一放大器输入上接收所述输出电压，并产生要跨过绝缘屏障传送到所述数字电路的放大器输出信号，所述开关式电源的特征在于所述数字电路是可编程电路，它包括处理装置、工作存储器以及一个用于存储可执行的命令的至少部分地非易失性存储器，而且，所述放大器是的频率相关的，具有相对于较低频率分量放大较高频率分量的传递函数特征。
2.根据权利要求1所述的开关式电源，其特征在于，所述放大器设置成用于在第二放 大器输入上接收来自辅助处理器的输出基准电压信号，而放大器输出信号是模拟输出误差信号。
3.根据权利要求1所述的开关式电源，其特征在于，输出电压是所述放大器的唯一输 入，而其中输出基准电压信号是在可编程数字电路中产生。
4.根据上述权利要求中任一权利要求所述的开关式电源，其特征在于，所述放大器是 频率相关的，具有衰减较低频率分量而放大较高频率分量的传递函数特征。
5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的开关式电源，其特征在于，所述变换级能 工作于用于输送基本上恒定的输出功率的模式；以及，所述变换级能工作于用于输送基本 上恒定的输出电流的模式。
6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的开关式电源，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 还适于将所述输出电流的所述导出的值用于第一开关元件的控制。
7.根据权利要求1-6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，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。
8.根据权利要求5、6或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。
9.根据权利要求8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。
10.根据权利要求8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。
11.根据权利要求1-10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。
12.根据权利要求1-11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。
13.根据权利要求12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。
14.根据权利要求1-13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。
15.根据权利要求1-14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 还适于在确定由所述开关式电源输送的最大功率时使用所述信号。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的开关式电源，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。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的开关式电源，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。
18.根据权利要求1-17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。
19.根据权利要求18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在第一开关元件的控制中利用所述差异。
20.一种电源系统，它包括如权利要求1-19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1-19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，它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。
21.根据权利要求1所述的开关式电源，其特征在于，所述可编程电路进一步设置为在 放大器输出信号上应用逆传递函数以恢复输出电压的数字表示。
22.—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；所述绝缘屏障是以具有主绕组和副绕组的变压器来提供的； 所述主绕组具有原边电流；所述开关式电源还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，所述至少一个第一开关元件设置在绝缘屏障的所述原边；所 述开关式电源也包括用于控制所述至少一个第一开关元件的可编程数字电路，其中所述可 编程数字电路具有存储器以及用于接收表示原边电流的信号的装置；所述开关式电源的特 征在于所述可编程数字电路设置在所述绝缘屏障的原边；所述可编程数字电路适于借助于 在所述存储器中存储的可执行命令从表示原边电流的所述信号导出输出电流；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的所述导出值；在表示占空比的 值高于第一阈值时，可执行的命令用来产生输出电流的导出值，作为与以下数字值相应的 值 其中Iint是原边电流；Iintoff是偏置电流；D是表示占空比的值；Np是主绕组的线圈匝数；Ns是副绕组的线圈匝数；E是表示开关式电源的效率的值。
23.根据权利要求22所述的开关式电源，其特征在于，当表示占空比的值高于第二阈 值时，E = k ；当表示占空比的值低于第二阈值时，E = k(a+bD)；其中，k、a和b都是常数， 而D是表示占空比的值。
24.根据权利要求22或23所述的开关式电源，其特征在于，Iintoff的绝对值大过零。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的开关式电源，其特征在于，当表示占空比的值 低于第一阈值时，可执行的命令可用来产生正比于输入电流的输出电流的导出值。
26.根据权利要求22-25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 路适于在存储器中存储表示占空比的值，而其中可执行的命令可用来根据在存储器中存储 的表示占空比的值产生输出电流的导出值。
27.根据权利要求22-26中任一项所述的开关式电源，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；而且，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。
28.根据权利要求27所述的开关式电源，当从属于权利要求上述任一权利要求时，其 特征在于，当所述变换级工作于用于输送基本上恒定的输出电流的模式，或工作于用于输 送基本上恒定的输出电压的模式时，没有表示输出电压的信号由所述可编程数字电路用来 产生占空比。
29.根据权利要求22-28中任一项所述的开关式电源，其特征在于还包括适于控制变 换级占空比值的变换级输出控制器；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。
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，以便输送基本上恒 定的输出电流。
31.根据权利要求30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 许在占空比值高于第一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。
32.根据权利要求22、25或31所述的开关式电源，其特征在于，第一阈值为0.4或更低 的值。
33.根据权利要求29-32中任一项所述的开关式电源，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，使所述变换级工作于用于输送基本上恒定的输出电压的模 式。
34.根据权利要求22-33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。
35.根据权利要求22-34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。
36.根据权利要求35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。
37.根据权利要求22-36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。
38.根据权利要求22-37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 还适于在确定由所述开关式电源输送的最大功率时使用所述信号。
39.根据权利要求22-38中任一项所述的开关式电源，其特征在于，所述开关式电源 包括用于测量诸如输入电流或输出电压的参量的装置；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。
40.根据权利要求22-39中任一项所述的开关式电源，其特征在于还包括在输入端和 变换级之间耦合的预调器，所述预调器包括受所述可编程数字电路控制的第二开关元件。
41.一种电源系统，它包括如权利要求22-40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22-40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，它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。
42.一种开关式电源，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，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；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，它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。
43.根据权利要求42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。
44.根据权利要求42-43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。
45.根据权利要求42-44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。
46.根据权利要求45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。
47.根据权利要求45或46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。
48.根据权利要求42-47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，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。
49.根据权利要求42-48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。
50.根据权利要求42-49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 还适于在确定由所述开关式电源输送的最大功率时使用所述信号。
51.根据权利要求42-50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。
52.根据权利要求51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在第一开关元件的控制中利用所述差异。
53.一种电源系统，它包括如权利要求42-52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42-52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，它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。
54.一种开关式电源，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，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。
55.根据权利要求54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。
56.根据权利要求54所述的开关式电源，其特征在于所述变换级是DC/DC变换级。
57.根据权利要求54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。
58.根据权利要求57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。
59.根据权利要求57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。
60.根据权利要求54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。
61.根据权利要求54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。
62.根据权利要求54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。
63.根据权利要求62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在第一开关元件的控制中利用所述差异。
64.一种电源系统，它包括如权利要求54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54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，它连接成接收所 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。
65.一种开关式电源，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。
66.根据权利要求65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。
67.根据权利要求65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。
68.根据权利要求65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在开关元 件的控制中利用所述输出电流的所述导出的值。
69.根据权利要求65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。
70.根据权利要求68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。
71.根据权利要求70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。
72.根据权利要求70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。
73.根据权利要求65所述的开关式电源，其特征在于，所述变换级是DC/DC变换级。
74.根据权利要求65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。
75.根据权利要求65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在确 定由所述开关式电源输送的最大功率时使用所述信号。
76.根据权利要求69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。
77.根据权利要求65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。
78.根据权利要求65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。
79.一种开关式电源，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。
80.根据权利要求79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， 具有相对于低频分量放大更高频率分量的传递函数特征。
81.根据权利要求79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， 具有衰减较低频率分量而放大较高频率分量的传递函数特征。
82.根据权利要求79所述的开关式电源，其特征在于，输出电压是输入到差分放大器 的唯一输入，其中放大器的输出信号被馈入可编程数字电路，而其中输出基准电压信号是 在可编程数字电路中产生的。
83.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，该预调器包括响应于第一调制开关信号来 控制开关式电源的功率因数而被切换的开关元件，而其中预调器是对DC总线提供输出DC 电压的提升调节器，其中输出DC电压的峰值幅值大过在输入端上接收的峰值电压；耦合在 DC总线和变压器初级之间的转换器，该转换器包括至少一个开关元件，开关元件响应于供 给开关元件的控制端的第二调制信号而被切换，所述转换器对变压器初级提供交变电压输 出；传感器，用于产生具有与流过所述转换器的至少一个开关元件的电流相对应的特征的 测量电流信号；整流电路，耦合到变压器次级以整流在变压器次级上产生的电压；输出端， 耦合到整流电路，并提供具有输出电压的输出电功率；以及数字控制器，响应于与输出电压 相对应的反馈信号以及响应于测量电流信号，所述数字控制器为所述至少一个开关元件产 生作为反馈信号和测量电流信号的函数的第二调制信号；其中转换器的所述至少一个开关 元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离。
84.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，该预调器包括响应于第一调制开关信号来 控制开关式电源的功率因数而被切换的开关元件；耦合在DC总线和变压器初级之间的转 换器，该转换器包括至少一个开关元件，所述开关元件响应于供给开关元件的控制端的第 二调制信号而被切换，所述转换器对变压器初级提供交变电压输出；传感器，用于产生具有 与流过所述转换器的至少一个开关元件的电流相对应的特征的测量电流信号；整流电路， 耦合到变压器次级以整流在变压器次级上产生的电压；输出端，耦合到所述整流电路，并提 供具有输出电压的输出电功率；以及数字控制器，它包括电压调节器，用于比较相应于输 出电压的反馈信号和基准电压信号，以及产生中间控制信号；电流调节器，用于比较测量电 流信号和中间控制信号，并调节第二调制信号的特征来控制转换器的输出，其中转换器的 所述至少一个开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离。
85.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，该预调器包括响应于第一调制开关信号来 控制开关式电源的功率因数而被切换的开关元件；耦合在DC总线和变压器初级之间的转 换器，该转换器包括至少一个开关元件，该开关元件响应于供给开关元件的控制端的第二 调制信号而被切换，所述转换器对变压器初级提供交变电压输出；传感器，用于产生具有与 流过所述转换器的至少一个开关元件的电流相应的特征的测量电流信号；整流电路，耦合 到变压器次级以整流在变压器次级上产生的电压；输出端，耦合到整流电路，并提供具有输出电压的输出电功率；以及数字控制器，响应于与输出电压相对应的反馈信号以及响应于 测量电流信号，所述数字控制器为所述至少一个开关元件产生作为反馈信号和测量电流信 号的函数的第二调制信号；其中数字控制器和输出端之间的电隔离使转换器的所述至少一 个开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离。
86.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，预调器包括调节器开关元件，调节器开关 元件是响应于供给调节器开关元件的控制端的第一调制开关信号而被切换的。以控制开关 式电源的功率因数；耦合在DC总线和变压器初级之间的转换器，该转换器包括至少一个开 关元件，所述至少一个开关元件响应于供给开关元件的控制端的第二调制信号而被切换， 所述转换器对变压器初级提供交变电压输出，其中转换器的所述至少一个开关元件的控制 端与开关式电源的输出端电隔离；整流电路，耦合到变压器次级以整流在变压器次级上产 生的电压；输出端，耦合到整流电路，并提供具有输出电压的输出电功率；以及设置在变压 器初级上的数字控制器，数字控制器为所述预调器的调节器开关元件产生第一调制信号， 其中所述调节器开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离，其中数字控制器包括: 电压调节器，用于比较相应于由预调器产生的电压的测量电压信号和基准中间电压信号， 并产生基准输入电流信号；乘法器，用于将基准输入电流信号乘以从开关式电源测量到的 输入电压信号；以及电流调节器，用于比较从开关式电源测量到的输入电流信号和来自乘 法器的乘法信号，并且为预调器的调节器开关元件调整第一调制信号的特征。
87.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，预调器包括调节器开关元件，调节器开关 元件是响应于供给调节器开关元件的控制端的第一调制开关信号而被切换的，以控制开关 式电源的功率因数，其中预调器是对DC总线提供输出DC电压的提升调节器，其中输出DC 电压的峰值幅值大过在输入端上接收的峰值电压；耦合在DC总线和变压器初级之间的转 换器，该转换器包括至少一个开关元件，所述至少一个开关元件响应于供给开关元件的控 制端的第二调制信号而被切换，所述转换器对变压器初级提供交变电压输出，其中转换器 的所述至少一个开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离；整流电路，耦合到变压 器次级以整流在变压器次级上产生的电压；输出端，耦合到整流电路，并提供具有输出电压 的输出电功率；以及设置在变压器初级的数字控制器，所述数字控制器为所述预调器的调 节器开关元件产生第一调制信号，其中所述调节器开关元件的控制端与开关式电源的输出 端电隔离。
88.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端，其中输入端接收DC功率；耦合到AC电源的桥式整流器，为开关式电源的输入端提 供DC功率；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，预调器包括调节器开关元件，调节器开 关元件是响应于供给调节器开关元件的控制端的第一调制开关信号而被切换的，以控制开 关式电源的功率因数；耦合在DC总线和变压器初级之间的转换器，该转换器包括至少一 个开关元件，所述至少一个开关元件响应于供给开关元件的控制端的第二调制信号而被切 换，所述转换器对变压器初级提供交变电压输出，其中转换器的所述至少一个开关元件的 控制端与开关式电源的输出端电隔离；整流电路，耦合到变压器次级以整流在变压器次级 上产生的电压；输出端，耦合到整流电路，并提供具有输出电压的输出电功率；以及设置在变压器初级的数字控制器，所述数字控制器为所述预调器的调节器开关元件产生第一调制 信号，其中所述调节器开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离。
89.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，预调器包括调节器开关元件，调节器开关 元件是响应于供给调节器开关元件的控制端的第一调制开关信号而被切换的，以控制开关 式电源的功率因数；耦合在DC总线和变压器初级之间的全桥式转换器，全桥式转换器包括 至少一个开关元件，所述至少一个开关元件响应于供给开关元件的控制端的第二调制信号 而被切换，所述转换器对变压器初级提供交变电压输出，其中全桥式转换器的所述至少一 个开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离；整流电路，耦合到变压器次级以整流 在变压器次级上产生的电压；输出端，耦合到整流电路，并提供具有输出电压的输出电功 率；以及设置在变压器初级的数字控制器，所述数字控制器为所述预调器的调节器开关元 件产生第一调制信号，其中所述调节器开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离。
90.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，预调器包括调节器开关元件，调节器开关 元件是响应于供给调节器开关元件的控制端的第一调制开关信号而被切换的，以控制开关 式电源的功率因数；耦合在DC总线和变压器初级之间的转换器，该转换器包括至少一个开 关元件，所述至少一个开关元件响应于供给开关元件的控制端的第二调制信号而被切换， 所述转换器对变压器初级提供交变电压输出，其中转换器的所述至少一个开关元件的控制 端与开关式电源的输出端电隔离；整流电路，耦合到变压器次级以整流在变压器次级上产 生的电压；输出端，耦合到整流电路，并提供具有输出电压的输出电功率；设置在变压器初 级上的数字控制器，所述数字控制器为所述预调器的调节器开关元件产生第一调制信号， 其中所述调节器开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离；以及设置在变压器次级 上的控制电路，所述控制电路包括电压调节器，用以比较相应于输出电压的反馈信号和基 准电压信号，并产生中间控制信号来控制第二调制信号的一个方面。
91.一种用于从输入功率提供输出功率的开关式电源，它包括用于接收输入功率的 输入端；耦合在输入端和DC总线之间的预调器，预调器包括调节器开关元件，调节器开关 元件是响应于供给调节器开关元件的控制端的第一调制开关信号而被切换的，以控制开关 式电源的功率因数；耦合在DC总线和变压器初级之间的转换器，该转换器包括至少一个开 关元件，所述至少一个开关元件响应于供给开关元件的控制端的第二调制信号而被切换， 所述转换器对变压器初级提供交变电压输出，其中转换器的所述至少一个开关元件的控制 端与开关式电源的输出端电隔离；传感器，用于产生具有与流过所述转换器的所述至少一 个开关元件的电流相对应的特征的测量电流信号；整流电路，耦合到变压器次级以整流在 变压器次级上产生的电压；输出端，耦合到整流电路，并提供具有输出电压的输出电功率; 以及设置在变压器初级上的数字控制器，所述数字控制器为所述预调器的调节器开关元件 产生第一调制信号，其中所述调节器开关元件的控制端与开关式电源的输出端电隔离。
92.一种开关式电源，它具有用于接收电功率的输入端和用于传递输出信号的输出端， 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，所述变换级具有至少一个可控第一开关元件，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，所述开关式电 源也包括用于根据至少一个信号来控制所述开关元件的可编程数字电路，其中所述可编程 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；所述可编程数字电路适于 将所述输出电流的所述导出的值用于第一开关元件的控制；所述可编程数字电路适于根据 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；所述可编程数字电路适于允许在占空比值高于具有0. 4或更低的预定阈值时根 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。
全文摘要
本发明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。
文档编号H02J3/28GK101882874SQ20101011575
公开日2010年11月10日 申请日期2003年4月29日 优先权日2002年4月29日
发明者A·汉松, J·马, M·安德松, T·萨尔斯特伦 申请人:艾默生网络能源系统北美公司