专利名称：开关电源和方法
技术领域：
本发明总体上涉及开关电源(SMPS)和方法。具体而言，本发明涉及一种SMPS，其中的数据通过在该SMPS原边操作(manipulate)电压脉冲而被编码，然后通过变压器传递到副边。
背景技术：
在电视、计算机监视器、和其它用电网供电的设备中，通常采用开关电源(SMPS)将功率传递到直流隔离的输出端。典型的SMPS包括一个原边和一个副边，二者由变压器分开。通常，原边包括一个主功率源和一个控制器，而副边通常包括输出(如主负载、微处理器)和一个接收器。由于调节的原因，SMPS输出应当从主功率源隔离开来(即输出应当直流隔离)。还可以提供一个光耦，用于从副边向原边传递反馈信号。接收器可以是IR接收器，接收远程控制信号，并将接收到的信号传输到微处理器，以执行用户指令。但是，由于接收器需要不断接受功率(甚至在备用模式)，因此，接收器位于副边就要求不断地从原边传递功率。这样的构造在备用模式下其效率是及其低下的。
因此，许多人就试图通过在SMPS的原边包括一个备用电源控制器来减轻部分所述缺陷。该备用控制器允许通过变压器将功率只传递到微处理器和接收器。这样，主负载输出在备用模式就可以处于离线状态(即没有功率)，从而提高SMPS的总体效率。但是，这样做仍然要求从原边向副边传递功率。此外，因为要求一个辅助变压器，所以这样的构造不经济。
另一种试图减轻部分上述缺陷的措施在授予Tiesinga等人的美国专利No.5,789,913中描述，该专利在此引作参考。在Tiesinga等人提出的构造中，数据通过变压器传递。但是，按照Tiesinga等人的提出的方法传递信号，要求一个线性电压调节器，使得输出电压不受影响。这样的要求既不高效又不经济。
鉴于以上所述，就需要一种SMPS，借助于该SMPS，数据和功率可以高效地传递到副边而不会干扰输出电压。此外，还需要这样一种SMPS，其中接收器位于原边，从而不再需要通过变压器来为接收器供电。还需要这样一种SMPS，它能提供输出与主功率源之间的充分隔离。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的SMPS。为此，本发明提供了一种如独立权利要求所定义的SMPS。从属权利要求定义优选实施方式。
通过提供一种SMPS和方法来通过变压器传递数据而不影响输出电压，本发明克服了现有系统的缺陷。总体上讲，本发明的SMPS和方法通过操作在原边生成的脉冲来编码数据。然后将编码后的数据通过变压器传递到副边，其中响应原边脉冲而生成包含该编码后的数据的副边脉冲。然后副边脉冲被检测并解码。
因此，本发明提供了一种SMPS和方法。本发明减少了与上述现有系统有关的问题。
附图简述本发明的这些和其它特征和优点将在下面结合附图对各种实施例所做的详细描述中更容易理解，附图中
图1说明根据本发明的SMPS的一种实施例，图2说明根据本发明一种实施例，脉冲频率随时间变化的曲线，图3说明根据本发明一种实施例，按照脉冲频率/宽度编码的数据，图4说明根据本发明一种实施例，具有可变脉宽检测器的SMPS，图5说明根据本发明一种实施例，脉冲随时间出现(presence)的曲线，图6说明根据本发明一种实施例，按照脉冲出现编码的数据。
应当注意，本发明的附图不一定是按比例绘制的。附图只是示意性的表示，而不是要描绘本发明的具体参数。附图只是为了说明本发明的典型实施例，因此，不应当认为限制本发明的范围。在附图中，用相似的标号表示相似的元件。
优选实施例详述现在参考图1，示出根据本发明的SMPS50。SMPS50包括原边52和副边54。原边52总体上包括主功率源56、数字化电源控制器58、接收器64、以及可选的备用电源控制器66。接收器64最好是无线接口，如IR或RF接收器。然而，应当理解，其它的数据输入方法也可以使用。副边54总体上包括三个线圈51、53、和55，以及二极管57A-57C，还有主负载68、微处理器70(输出)、检测器72、以及可以与参考电压78相比较的反馈信号76。此外，还提供变压器80和光耦74，从而可以在原边52与副边54之间传递信号(功率、数据、反馈等)，同时保持输出(即主负载68和微处理器70)与主功率源56隔离。
应当理解，尽管图示并说明了SMPS50的一种具体构造，但是也可以存在其它变化。例如，SMPS50可以包括另外的输出，或者线圈55可以与线圈53共享。此外，应当理解，备用电源控制器66是任选的，只是为示范目的而示出。如果包括备用电源控制器66，那么它可以向接收器64提供电源。但是，当SMPS50中不包括备用电源控制器66时，控制器58将向接收器64提供电源。
根据上面解释，接收器64要求不断提供功率，使得信号总是可以从外部源如遥控器接收到。通过使接收器64位于原边52，而不是副边54，接收器可以不用通过变压器就能被供电(即与主负载68和微处理器70隔离)，且不会干扰输出电压。但是，通过使接收器64位于原边，数据就必须通过变压器80才能传递到微处理器70。以上描述的SMPS50的结构允许功率和数据都高效地从原边52传递到主负载68和微处理器70。具体地，当需要将数据从接收器64传递到微处理器70时，编码器60将把数据编码进在原边生成的功率信号中，将该信号通过变压器80传递到副边54。副边接收到该编码的信号后，检测器72将检测到该信号的出现并将其解码。
对数据集的编码可以使用本领域任意已知的手段。例如，可以通过在来自主功率源56的电压信号中操作脉冲来编码所述数据集。具体地说，在工作中，控制器58打开和闭合开关62以生成原边52上的脉冲。然后，编码器60将根据一种预定“代码”编码所述数据集。在第一优选实施例中，编码器60会改变所生成的一组(或多组)脉冲的频率/宽度，然后给每种脉冲频率/宽度指定一个值。指定到每种脉冲频率/宽度的该值是基于上述预定代码的。然后，经过编码的数据将通过变压器80传递到副边54。然后，响应操作的原边脉冲，将会生成副边脉冲。检测器72将会检测该副边脉冲并根据预定代码解码所述数据，以识别为每种脉冲频率/宽度指定的值。
在本实施例中，检测器72连接到线圈55，且最好是可变脉宽检测器(下面将对其详细说明)。可选地，检测器72可以是根据脉冲频率检测和解码数据的频率检测器。应当理解，每个被操作的脉冲集最好包括多个连续的脉冲。但是，应当理解，每个集合也可以包括一个脉冲或没有脉冲。
参考图2，示出脉冲频率随时间变化的典型曲线100。具体地说，曲线102说明不连续导通模式下开关62漏极电压与时间的关系(即原边脉冲)。曲线104说明脉冲电压与时间的关系(即根据原边脉冲生成的副边脉冲)。曲线说明105说明输出电压与时间的关系。如图所示，曲线104的副边脉冲107近似反映出曲线102的原边脉冲103。为清楚起见，将曲线102、104和105分成组108和110。组108称为第一较高脉冲频率，而组110称为第二较低脉冲频率。
当图1所示的开关62被控制器58打开和闭合以产生电压脉冲时，编码器60将在预定时间改变一组脉冲的频率。例如，如图2所示，在组110(即从时间＝0.001秒到0.00105秒)，电压脉冲103和107的频率相对于组108降低。如曲线104所示，在一定时间间隔内，组108大约有8个脉冲114而组110大约有4个脉冲116。因为在与脉冲114相同的时间间隔内出现的脉冲116较少，所以脉冲116比脉冲114宽，从而平均能量传递能够维持在相同的水平。即，组110的每个脉冲116持续时间比组108的每个脉冲114长，从而两个组108和110具有相当的平均能量传输。因此，当数据被编码并从原边传递到副边时，基本上没有平均能量传递的增加或减少。而且，因为输出电压曲线105的纹波109近似反映曲线102的原边脉冲103，可以看出，从原边向副边传递数据没有影响输出电压。
从时间＝0.001秒到0.00105秒脉冲频率的降低可以标志一个编码数据集的起始点112。这样，当检测器检测到副边脉冲时，它将开始检查数据，以便在时间＝0.00105秒解码。该数据集可以以任意已知的方式编码和解码。例如，在起始点112之后，具有降低频率的脉冲116中的一个脉冲可以被指定一个值1，而具有增加频率的脉冲114中的一个脉冲可以被指定一个值0(或相反)。
图3更详细地表示了这一概念。具体地说，图3示出具有根据脉冲频率/宽度进行编码的数据的一组脉冲120。如图所示，在起始点112之后，脉冲122的宽度比脉冲124小。这是由以下事实所表示的，即在点126和128之间有两个脉冲124，而在点130和132之间有3个脉冲122。由于该区别发生在相同的时间间隔内(如0.00005秒)，所以脉冲124的频率低于脉冲122。而且，脉冲124比脉冲122宽。为了编码/解码数据，具有较大宽度的脉冲124可以被指定一个值，如1，而具有较小宽度的脉冲122可以被指定一个值，如0。这样，利用如图3所示指定给每个脉冲的数据值，该数据集包括9个位。具体地说，该数据集包括位011010001。重点请注意，指定给脉冲的精确值不是关键的。该系统和方法的更重要的特征是所述值以脉冲频率/宽度为基础。
如上所述，存在用于根据脉冲频率/宽度编码/解码数据的各种代码。例如，数据可以通过只把值指定给起始点112之后的特定脉冲(如每隔三个脉冲)来进行编码/解码。此外，起始点112可以是脉冲频率首次发生变化的时间。这样，数据集可以不在图2中的组110之后开始，而可以在组110的第一个脉冲118开始。在这种情况下，第一个脉冲118既作为起始点，又作为数据集的开始。不管编码器60采用什么代码编码数据集，检测器72将使用同样的代码解码数据集。
参考图4，示出用于上述实施例的具有编码器60和可变脉宽检测器72的SMPS50。具体地说，编码器60包括第一PWM(脉宽调制)控制器81和第二PWM控制器82。总起来说，PWM控制器81和82将根据预定代码控制开关62来改变脉冲的频率/宽度(如上所述)。但是，应当理解，编码器60最好如图1所示，为控制器58的一个单元。但是，为清楚起见，图4中未示出控制器58。如上所述，经过编码的脉冲形式的数据将通过变压器80从原边52传递。响应该数据，在副边54将产生脉冲。副边脉冲将被检测器72检测到并解码。在该实施例中，检测器72位于第三线圈55中，并且最好是可变脉宽检测器，通过检测每个脉冲的宽度来检测脉冲频率的变化。如上所述，频率降低的脉冲宽度较大，持续时间较长(与较高频率脉冲相比)。因此，可变脉宽检测器72最好包括比较器84，用于比较第一时间常数86和第二时间常数88，来确定脉冲宽度。一旦每个脉冲被比较器84确定为第一宽度或第二宽度，则可以根据预定编码方案或代码确定指定给每种脉冲宽度的值。
应当理解，两个PWM控制器81和82只是为说明的目的而示出的，还存在其它实施方式。例如，可以采用一个PWM控制器，它采用时间来调制脉冲频率。此外，应当理解，检测器72可以是频率检测器，而不是脉宽检测器。在这种情况下，经编码的数据集将根据脉冲频率解码。此外，检测器72位于第三线圈55上只是本发明的一种实现方式。因此，可以实现检测器72的其它布置方式。
改变脉冲频率/宽度以编码数据的方法不仅防止了对输出电压调节的影响，还允许高速传递数据，因为该传递不需要等待输出电压恢复后再传递下一个数据位。具体地说，无论什么时候要传递数据，控制器58将计算开关62的一个新的开关频率和脉宽。例如，在连续导通模式工作时，如果在数据被传递之前，电路具有开关频率fs1和脉宽Ton1，那么新的开关频率fs2可以按下式计算fs2＝(Ton1/Ton2)2×fs1其中Ton2是新的脉宽，它可以用图4中的可变脉宽检测器区别。通过采用事先计算的新的开关频率fs2和脉宽值，在传递数据到副边的同时，原边可以发送相同的功率到输出，从而将输出电压的扰动最小化。
在一种可选实施例中，脉冲可以被跳过来编码数据。参考图5，示出根据脉冲的出现编码的数据的曲线图200。具体地说，图200示出三条曲线202、204、和206。曲线202和204分别表示在不连续导通模式下，开关62(见图1)栅极和漏极电压与时间的关系。曲线206表示根据原边脉冲208生成的副边脉冲210的脉冲电压与时间的关系。如图所示，当原边脉冲212被跳过时，副边脉冲214也被跳过。该跳过的脉冲可以是经编码的数据集的起始点(正如频率/宽度变化对于上述优选实施例一样)。在起始点之后，将根据脉冲的出现对数据进行编码。例如，在起始点之后，每次脉冲的出现可以被指定一个值。具体地说，如果出现脉冲，可以指定值1。相反，如果脉冲缺少，可以指定值0。
参考曲线204，在开关导通时间Ton，能量被存储在变压器80的磁化电感中(图1)，没有电流流过反向偏置的二极管57。开关断开之后，存储的能量在铁芯复位时间Tr内被传递到线圈51、53、55。在Tr的最后，变压器80中存储的全部能量都传递到了主负载68和微处理器70。此外，在Tr期间，电流流过二极管57。如上所述，Tr的出现可以在副边54被检测器72检测到，该检测器最好是脉冲(出现)检测器。如曲线206所示，在Vpulse(即图1的检测器)出现一个脉冲，持续Tr长的时间。如果开关栅极驱动Vgate的一个脉冲被省略，则输出电压保持为零，在一个开关周期内不会有脉冲观察到。
根据这一原理，可以通过在起始点之后每隔n-1个脉冲计一次数来对数据进行编码/解码。例如，在起始点之后每隔3个脉冲根据其出现(或缺少)可以指定一个值。该可选实施例的一个例子示于图6。在起始点216之后，每隔3个点被指定一个值。如图所示，脉冲218缺少，被指定值0，而脉冲220和222出现，各自被指定值1。类似地，在起始点230之后，脉冲232、234缺少，被指定值0，而脉冲236出现，被指定值1。因此，图6所示经编码的数据集包括两个三位数据子集011和001。如上所述，指定到每个脉冲的值不必精确，可以变化。
从开关电源(SMPS)的原边向副边传递数据的方法可以描述如下第一步是改变原边的脉冲宽度来编码数据。
第二步是将编码后的数据传递到副边。
第三步是在副边检测编码的数据。
第四步是将编码的数据解码。
因此，根据本发明的教导，数据从原边被传递到副边，而不会干扰输出电压。这样就允许接收器位于原边并不断地接收功率，而不必向任何输出提供功率。
以上对本发明优选实施例的描述的目的是为了说明例证。不应当认为所公开的具体形式是对本发明的穷举或限制。显然还可以进行许多修改和变化。这样的修改和变化对本领域的普通技术人员来说，显然包括在由所附权利要求定义的本发明的范围内。
在权利要求中，位于括号内的任何符号都不应被认为是对权利要求的限制。单词“包括”不排除还有权利要求中所列的要素之外的其它要素。在元素之前的数词“一”不排除存在多个这样的元素。本发明可以用包括几个不同元件的硬件实现，也可以通过经适当编程的计算机实现。在列举几个装置的设备权利要求中，几个这种装置可以由一个或同样类型的硬件实现。在相互不同的独立权利要求中引述特定措施的事实并不意味着不能采用这些措施的组合来使优点突出。
权利要求
1.一种开关电源(SMPS)(50)，具有由变压器(80)分开的原边(52)和副边(54)，包括控制器(58)，调节在原边(52)生成脉冲(103)的过程；和编码系统(60)，用于通过在原边(52)改变脉冲(103)的一个集合(110)的频率来对数据进行编码。
2.权利要求1所述的SMPS(50)，其中，频率的改变导致脉冲频率的降低和脉冲宽度的增加，从而维持平均功率输出。
3.权利要求1所述的SMPS(50)，其中，频率的改变导致脉冲频率的增加和脉冲宽度的降低，从而维持平均功率输出。
4.权利要求1所述的SMPS(50)，还包括在副边(54)上的检测器(72)，用于通过在副边脉冲(107)中检测操作来检测编码的数据，其中，副边脉冲(107)是响应原边脉冲(103)而产生的。
5.权利要求4所述的SMPS(50)，其中，检测器(72)是可变脉宽检测器，且其中检测器(72)还对所述编码的数据进行解码。
6.一种开关电源(SMPS)(50)，包括原边(52)，包括主功率源(56)、用于调节原边(52)上脉冲(103)的产生并通过改变该脉冲(103)的集合(110)的宽度来编码数据的控制器(58)；副边(54)，用于从原边(52)接收功率和经编码的数据，其中，该副边包括主负载(68)、和用于通过在响应原边脉冲(103)而生成的副边脉冲(107)中检测操作来检测经编码的数据的检测器(72)；以及变压器(80)，用于将原边(52)与副边(54)隔离。
7.权利要求6所述的SMPS(50)，其中，宽度的改变导致脉宽的降低和脉冲频率的增加。
8.权利要求6所述的SMPS(50)，其中，宽度的改变导致脉宽的增加和脉冲频率的降低。
9.权利要求6所述的SMPS(50)，其中，检测器(72)是可变脉宽检测器，且其中检测器(72)还通过检测脉冲(107)宽度的变化对所述编码的数据进行解码。
10.一种方法，用于从开关电源(SMPS)(50)的原边(52)向副边(54)传递数据，该方法包括步骤改变原边(52)的脉冲(103)宽度来编码数据；将编码后的数据传递到副边(54)；在副边(54)检测经编码的数据；和将编码的数据解码。
11.权利要求10所述的方法，其中，解码步骤包括如下步骤检测数据集的起始点；检测响应原边(52)的脉冲(103)而生成的副边(54)的脉冲(107)宽度；和根据检测到的宽度指定一个数据值。
全文摘要
提供了一种开关电源(SMPS)和方法。具体地说，本发明提供了一种SMPS，其中，通过在原边(52)操作电压脉冲而对数据进行编码。被操作的电压脉冲然后通过变压器(80)被传递到副边(54)。根据该原边脉冲而产生的副边脉冲被检测器(72)检测到并解码。本发明允许数据从原边传递到副边，而不影响输出电压。
文档编号H02M3/28GK1460319SQ02800976
公开日2003年12月3日 申请日期2002年3月19日 优先权日2001年3月30日
发明者D·吉安诺普洛斯, 励琼, 李乃琦 申请人:皇家菲利浦电子有限公司