专利名称：可变结构输出不同电压的电源及其运行方法
技术领域：
本发明总的说来涉及功率转换，更具体地说涉及可以构造成提供不同输出电压的直流电源，以及提供不同输出电压的直流电源的运行方法。
用户所依赖的通信系统的传统可靠性主要归因于系统运行于高可靠和有裕度的电源系统。用在通信中的电源系统通常包括直流电源，它将商用交流电流(AC)功率转换成直流(DC)功率，供给通信系统使用。为了适用于许多不同国家，直流电源必须在电压和频率的广泛范围内兼容。例如在欧洲的商用功率是220VAC,50Hz。然而，在美国的标准电压是120VAC,60HZ。此外，节电可以明显地降低线路电压，相反地，特别在晚上，照明负荷可能使线路电压上升。相应地，通常把电源设计成为运行在频率在47到65HZ之间，电压在80VAC到高至265VAC(通常称为“通用输入”)的范围内。
直流电源将这一交流电压转换为直流电压，供给特殊通信系统中的通信设备用。直流电源一般包括电磁干扰(EMI)滤波器，功率因数校正电路和DC/DC变换器。采用EMI滤波器保证符合EMI标准，功率因数校正电路将商用交流功率转换为直流电压，例如400VDC电压，然后，DC/DC转换器将高直流电压降为通信设备内部插件板电源(BMP)所需要的低电压。
通信设备通常运行在两种电压之一+24VDC和-48VDC。例如无绳设备通常需要+24VDC，然而，中央办公设备通常需要-48VDC。因此，通信电源设计为运行在+24VDC或者-48VDC。
为了保持通信系统的高可用性，电源用在有裕度结构的电源系统中。即使在一个直流电源失效时，也要保证通信系统不间断运行。必须马上替换失效的电源，以保证有裕度和避免进一步发生服务中断。然而，提供服务者必须有电源的备品可以立即替换系统。因为通信设备要求不同电压，提供服务者必须保存两种类型的电源。从多种理由考虑，仅保存一种类型的电源是比较好的。
相应地，在本领域中需要能够提供有多种输出电压(即+24VD或-48VDC)的直流电源，正如它所供电的系统所需要的。
提供可变结构输出的一种方法是具有多个输出整流电路。输出整流电路可以串联或者并联结构来提供必要的输出电压。
多个输出整流电路可以从单一的、公共变压器引出功率，并且把功率送到公共负荷。然而，每一个输出整流电路的输出电流可能由于元件的容限而变化。虽然每一个整流电路的输出功率相同，输出电压和电流也可能变化。诸如过电压和欠电压关断和输出电流限制的保护功能必然根据每一个输出流出的电流而定标，如果可以保证均分电流，就可以只在一个输出进行电流测量。在这些条件下，不需要对每一个整流电路分别检验保护功能。
方便地均分电流的一个方法是使输出整流电路的元件匹配，保证电流平均地分配。然而，元件的匹配增加了直流电源制造的总时间和费用。保证电流均分的另一种方法是对每一个输出整流电路分别提供串联变压器。使分别的变压器的一次绕组串联，就可以强迫同一电流流过每一个变压器，从而流过每一个对应的输出整流电路。
一旦保证了电流均分(通过上述的任何一种方法)，可以直接地控制一个输出整流电路中的电流，间接地控制了其他输出整流电路的电流。
在保证电路均分和正确控制以后，下一步必须控制输出电压。然而，由于直流电源能够有选择地提供多种输出电压，必须研究适应于多种输出电压的电压控制技术。
为了强调适应性电压控制技术的需要，用在一种直流电源中，这种电源具有第一和第二输出整流电路以可变结构连接，在直流电源的一个输出上输出两个电压，本发明提供一种适应性电压控制器和适应性控制输出电压的方法。在一个实施例中，适应性电压控制器包括(1)结构确定电路，连接到输出上，产生结构信号，其是第一和第二输出整流电路的结构的函数；(2)电压反馈电路，连接到结构确定电路上，在结构信号的基础上产生电压反馈信号；(3)电压控制电路，连接到电压反馈电路上，接受电压反馈信号，并按其功能来控制直流电源的输出电压。
因此，本发明介绍了一种在电压控制器中用适应性电压反馈信号去提供不同输出电压的广泛概念。这样便允许用单一电压控制器去调节可变结构的直流电源的输出电压。在以下说明和描述双电压直流电源的同时，本发明的范围并不受限制。本发明一般提供一种适应性电压控制技术，它能够在采用本发明的电源输出上提供两种或者更多种不同电压。
以上较为广泛地概述了本发明的特点，所以，熟悉本领域的技术人员可以更好地理解以下对本发明的详细叙述。以下将描述本发明的其他特点，它们形成本发明权利要求的主题。对于熟悉本领域技术的人员应该高兴的是他们可以方便地使用该公开的概念和特殊实施例，作为设计或者修正其他结构的基础，来实现本发明的相同目的，熟悉本领域技术的人员也应该理解，那些设备结构在最广泛的形式上并不偏离本发明的精神和范围。
为了更充分地理解本发明，现在参照附图进行以下叙述。
图1所示为根据本发明原则构成的直流电源的一个实施例；图2所示为根据本发明原则构成的直流电源的另一个实施例；先参考图1，所示为根据本发明原则构成的直流电源100的一个实施例。直流电源100包括第一和第二隔离变压器110,120(每个具有一次和二次绕组)，分别连接到第一和第二输出整流电路130和140上。在所示的实施例中，第一和第二变压器110,120具有相同的匝比。第一和第二变压器110,120为串联，因此，在第一和第二输出整流电路130和140之间平均地分配直流电源100的输出电流。但是，熟悉本领域的技术人员应该理解，也可以采用单个变压器。直流电源100进一步包括适应性电压控制器150，用于控制直流电源100的输出。
在本发明的一个实施例中，第一和第二输出整流电路130,140各包括一个整流二极管和一个滤波电容。在最佳实施例中，第一和第二输出整流电路130和140各包括一对整流二极管，一个输出电感和一个滤波电容。第一和第二输出整流电路130,140以可选择的串联或者并联结构连接，在直流电源100的输出处提供双电压。在所示的实施例中，双电压为+24VDC和-48VDC。当然，直流电源100也可以构造成提供其他电压或者多于两种电压。第一和第二输出整流电路130和140如下连接。在并联结构中，第一和第二端1,2分别连接到第三和第四端3,4上。在串联结构中，第二和第三端2,3连接在一起，跨过第一和第四端1,4上提供输出电压。
电压控制器150包括结构确定电路160，连接到直流电源100的输出上，它产生结构信号167，作为构造第一和第二输出整流电路130和140的功能。在本发明的这一实施例中，结构确定电路160包括一个比较器165和它的相关元件(例如电阻R4,R5，参考电压源Vref)。电压控制器150进一步包括电压反馈电路170，连接到结构确定电路160上，它在结构信号167的基础上产生电压反馈信号175和177。在本实施例中，电压反馈电路170包括两个电路，每一个具有由第一，第二和第三电阻R1,R2,R3形成的电阻阶梯，连接到电阻旁路开关Q1上。熟悉本领域的技术人员应该理解，在另一个实施例中，电压反馈电路170可以包括一个或者更多的电路，产生一个或者更多的电压反馈信号。两个电路的电压反馈信号175和177分别代表在直流电源100的输出和在负荷(未示出)上测定的输出电压。电压反馈信号175和177可以根据直流电源100的需要交替运行。电压控制器150还进一步包括电压控制电路180，连接到电压反馈电路170上。在本实施例中，电压控制电路180包括一组比较电路185和187，它接受电压反馈信号175和177。当然，采用任何数量的比较电路均是在本发明的保护范围内。电压控制电路180利用电压反馈信号175和177，按其函数控制直流电源100的输出电压。熟悉本领域的技术人员熟悉闭环反馈电路，因此将不详细叙述电压控制电路180的运行。此外，电压控制电路180可以利用电压反馈信号175和177来启动欠电压和过电压停机。
因此本发明介绍了一种适应性电压反馈信号175和177的广泛概念，在电压控制器150中实现不同的输出电压。它允许用单一电压控制器150控制双电压直流电源的任何一个输出电压。虽然电源100是双电压电源，但是，本发明的范围并不局限于此。
本领域的技术人员已经熟悉了常规直流电源的运行，它的运行在此不详细叙述。电压控制器150的运行如下。结构确定电路160测定输出整流电路130和140之一个的输出端的输出电压。在所述的实施例中，结构确定电路160测定第二端2的输出电压。第二端2的输出电压或者是+24VDC，或者是地电位，指示第一和第二输出整流电路130,140的结构。例如，如果第一和第二输出整流电路130,140为串联结构，提供-48VDC，第二和第三端2,3将连接在一起。因此，第二端2的输出电压将为+24VDC。然而，如果第一和第二输出整流电路130,140为并联结构，提供+24VDC，第二端2的输出电压将为地电位(0VDC)。因此，结构确定电路160的比较器165从第二端2的输出电压产生结构信号167。
在本发明所示的实施例中，结构信号167采用作为结构的函数的离散值(即逻辑零或者逻辑1)。换一种方式，结构信号167也可以是连续变量或者是其他函数关系。本发明不限制结构信号167为特定的形式。
结构信号167是被电压反馈电路170用于产生电压反馈信号175,177。在所示的实施例中，电阻阶梯的电阻是结构信号167的函数。结构信号167启动或者禁止电阻旁路开关Q1，改变电阻阶梯的总电阻，从而产生电压反馈信号175,177。
电压控制电路180的比较电路185,187然后将电压反馈信号175,177与参考电压比较，以控制输出电压。此外，比较电路185,187可以启动电源100的欠电压和过电压停止机。本领域的技术人员熟悉建立在反馈和产生误差信号基础上的传统控制技术。
现在参照图2，所示为根据本发明原则构造的直流电源200的另一个实施例。直流电源200包括第一和第二隔离变压器210,220，分别连接到第一和第二输出整流电路230和240上。在所示的实施例中，第一整流电路230的第一输出提供在第一和第二端1,2上。第二整流电路240的第二输出提供在第三和第四端3,4上。直流电源200进一步包括适应性电压控制器250，用于控制直流电源200的输出。
第一和第二输出整流电路230,240各包括第一和第二整流二极管，输出电感和滤波电容。换一种方式，第一和第二输出整流电路230和240可以各包括整流二极管和滤波电容。熟悉本领域的技术人员应该认识到输出电感和第二整流二极管不是第一和第二输出整流电路230,240的集成部分。第一输出整流电路230进一步包括第一输出二极管235。第二输出整流电路240进一步包括第二输出二极管245。当然，第一和第二输出整流电路230,240以可选择的串联或者并联结构连接。
电压控制器250包括结构确定电路260，连接到直流电源200的输出上，产生结构信号267，作为第一和第二输出整流电路230和240结构的函数。电压控制器250进一步包括电压反馈电路270，连接到结构确定电路260上，在结构信号的基础上产生输出电压反馈信号275和277。
电压控制器250进一步包括电压控制电路280，连接到电压反馈电路270上。在本实施例中，电压控制电路280包括一组比较电路285,287，它们接受电压反馈信号275,277，并且作为其函数控制直流电源200的输出。在所示的实施例中，电源控制电路280是常规的闭环反馈电路，本领域的技术人员是熟悉的。比较电路285,287然后将电压反馈信号275,277与参考电压比较，从而产生脉冲宽度调制驱动信号，去控制直流电源200的功率级中的开关。
电压控制器250进一步包括二极管旁路电路290，连接到第二输出二极管245上，它接受来自结构确定电路260的结构信号，按照它的功能将输出二极管旁路。在所示的实施例中，二极管旁路电路290包括一个继电器。当然，可以采用任何类型的旁路电路。
直流电源200的运行和图1所示直流电源100的运行基本相似，将不作详细的叙述。在所示的实施例中，第二和第三端2,3连接在一起，第一和第二整流电路230,240以串联构造提供-48VDC。因此，连接到第二端2的结构确定电路260测出+24VDC。可选择地，第一和第二输出整流电路230,240可以并联构造，提供+24VDC。这时，结构确定电路260就测到0VDC(地电位)。
当第一和第二输出整流电路230,240为并联结构时，第一和第二二极管235,245分别保护第一和第二输出整流电路230,240。然而，当第一和第二输出整流电路230,240为串联结构时，第二输出二极管245是不需要的。因此，二极管旁路电路290根据结构信号的功能，旁路第二输出二极管245。通过旁路第二二极管245，去除了内部的无效连接。当然，可以根据输出整流电路的数量改变二极管旁路电路的数量。
在所示的实施例中，第一和第二输出整流电路230,240为串联。由结构确定电路260测到的+24VDC可以用来驱动二极管旁路电路290，将第二输出二极管245旁路。换一种方式，第一和第二输出整流电路230,240为并联。由结构确定电路260测到0VDC(地电位)，可以用来关断二极管旁路电路290，将第二输出二极管245留在电路里。
虽然详细地叙述了本发明，熟悉本领域的技术人员应该理解到它们可以作各种变化，替换和改变，在它的最广泛的形式上都不离开本发明的精神和范围。
权利要求
1．一种适应性电压控制器，用于一种直流电源，该直流电源具有第一和第二输出整流电路，以可变结构连接，在所述直流电源的一个输出上提供双电压，所述适应性电压控制器包括结构确定电路，连接到所述输出上，它产生结构信号，该结构信号是所述第一和第二输出整流电路结构的函数；电压反馈电路，连接到所述结构确定电路，它在所述结构信号的基础上，产生电压反馈信号；电压控制电路，连接到所述电压反馈电路，它接受所述电压反馈信号并控制作为其函数的直流电源的输出电压。
2．权利要求1所述的控制器，其特征在于所述第一和第二输出整流电路可以按可选择的并联或者串联结构连接，以提供所述双电压。
3．权利要求1所述的控制器，其特征在于所述结构确定电路测定所述第一和第二输出整流电路之一个的输出端的输出电压。
4．权利要求1所述的控制器，其特征在于所述结构信号采取作为所述结构的函数的离散值。
5．权利要求1所述的控制器，其特征在于所述电压反馈电路包括具有电阻的电阻阶梯，该电阻是所述结构信号的函数。
6．权利要求1所述的控制器，其特征在于所述电压控制电路包括比较电路，它将电压反馈信号和所述输出电压比较，以控制所述输出电压。
7．权利要求1所述的控制器，其特征在于所述第一和第二输出整流电路之一包括输出二极管，所述控制器进一步包括二极管旁路电路，连接到所述输出二极管上，它接受来自所述结构确定电路的所述结构信号，并且作为其函数旁路所述输出二极管。
8．一种控制直流电源的方法，所述直流电源具有第一和第二输出整流电路，可以按可变结构连接，在所述直流电源的一个输出端上提供双电压，该控制该直流电源的方法包括以下步骤产生一个结构信号，该结构信号是所述第一和第二输出整流电路结构的函数；在所述结构信号的基础上产生电压反馈信号；和作为其函数控制所述直流电源的输出电压。
9．权利要求8所述的方法，其特征在于所述第一和第二输出整流电路可以按可变的并联或者串联结构连接，以提供所述双电压。
10．权利要求8所述的方法，其特征在于所述产生结构信号的步骤包括测定所述第一和第二输出整流电路之一的输出端的输出电压的步骤。
11．权利要求8所述的方法，其特征在于所述结构信号采用作为所述结构的函数的离散值。
12．权利要求8所述的方法，其特征在于所述的产生电压反馈信号的步骤包括修正电阻阶梯的电阻值的步骤。
13．权利要求8所述的方法，其特征在于所述控制步骤包括将所述电压反馈信号与所述输出电压比较，以控制所述输出电压的步骤。
14．权利要求8所述的方法，其特征在于所述第一和第二输出整流电路包括输出二极管，所述方法进一步包括按照所述结构信号的作用旁路所述输出二极管的步骤。
15．一种直流电源，包括第一和第二输出整流电路，所述第一和第二输出整流电路的输出可以可按变的并联结构连接，提供较低电压的功率，并且可以按串联结构连接，提供较高电压的功率；电压控制器，在所选择的较低或者较高电压之一上控制所述直流电源，所述电压控制器包括结构确定电路，连接到所述输出，它测定第一和第二输出整流电路之一的输出端的输出电压，并且产生结构信号，该结构信号是所述第一和第二输出整流电路的结构的函数；电压反馈电路，连接到所述结构确定电路，它在所述结构信号的基础上，产生电压反馈信号；电压控制电路，连接到所述电压反馈电路，它接受所述电压反馈信号并按其功能控制直流电源的输出电压。
16．权利要求15所述的直流电源，进一步包括分开的第一和第二变压器，分别连接到所述第一和第二输出整流电路上，所述第一和第二变压器在所述第一和第二输出整流电路之间均分所述直流电源的输出电流。
17．权利要求15所述的直流电源，其特征在于所述结构信号采用作为所述结构的函数的离散值。
18．权利要求15所述的直流电源，其特征在于所述电压反馈电路包括具有电阻的电阻阶梯，其是所述结构信号的函数。
19．权利要求15所述的直流电源，其特征在于所述电压控制电路包括比较电路，它比较所述电压反馈信号和所述输出电压，以控制所述输出电压。
20．权利要求15所述的直流电源，其特征在于所述第一和第二输出整流电路之一包括输出二极管，所述控制器进一步包括二极管旁路电路，连接到所述输出二极管，它接受来自所述结构确定电路的所述结构信号，并按其功能旁路所述输出二极管。
全文摘要
一种适应性电压控制器和适应性控制输出电压的方法,用于一种直流电源,它具有第一和第二输出整流电路,可按变化结构连接,在直流电源的一个输出上提供双电压。该适应性控制器包括:结构确定电路,连接到所述输出,它产生结构信号,该结构信号是第一和第二输出整流电路的结构的函数;电压反馈电路,连接到所述结构确定电路;电压控制电路,连接到所述电压反馈电路。
文档编号G05F1/10GK1207605SQ9811605
公开日1999年2月10日 申请日期1998年7月14日 优先权日1997年7月15日
发明者维克托·K·李, 刘锐(音译) 申请人:朗迅科技公司