专利名称：电源及其操作方法
技术领域：
本发明涉及电源及其操作方法，更特别地是涉及一种开关电源及使这种电源不受电压和电流变化影响的方法。
背景技术：
开关电源(SMPS )是一种众所周知的电源，适用于对标准输入电源(如，市电电源)执行转换操作并提供所需的电源输出。开关电源(SMPS)包括一开关式调节器，将输入转换至一变压器，该变压器与一存储元件如电容或电感连接。利用开关频率，和/或变压器/电容/电感特性来调节输出电压。已知的是，应用不同的技术手段至开关电源(SMPS)，以改进其操作，例如，为了减少开关电源(SMPS)中的电磁干扰(EMI)而采用扩频调制。然而，开关电源(SMPS)的一个问题与一些变压器有关，系统温度的升高可能导致变压器绕组的导线绝缘体的退化，由于绝缘体可能在相邻绕组之间融化，还可能导致变压器内短路。由这种短路产生的高电流水平将损坏系统中的电气元件。另一个问题是，开关电源(SMPS)内的电压波动会导致SMPS输出中的波动，这可能导致连接至该SMPS输出的任何元件受损，或由于错误的电压水平导致错误的功能。本发明的一个目的是提供一种电源及控制这种电源的方法，使得电气元件免受由电压和电流的变化而引起的损害。
发明内容
因此，本发明提供了一种控制开关电源的方法，该开关电源包括开关电路，用于接收供电电压并输出开关电压，以及连接至所述开关电路的转换器电路，由所述开关电压驱动产生所需的输出电压，该方法包括以下步骤向所述开关电路提供驱动信号，以调节所述开关电路的开关频率，以及对所述驱动信号实施扩频调制，以减少电源中的电磁干扰，其中，该方法进一步包括以下步骤在所述开关电路运行期间，对所述开关电路监控供电电压，以及若所述监测到的供电电压降至运行的电压阈值之下，则停止所述开关电路的运行。由于系统能检测所监测到的供电电压中的错误，并能够根据这种错误的检测来终止电路的运行，该系统的运行具有故障保护功能，能够防止电路元件受损，提供稳定的输出电压和减少电磁干扰。优选地，该方法进一步包括启动程序，用于开启所述开关电路的运行，该启动程序包括当所述开关电路不可运行时，监测输入至所述开关电路的供电电压，以及当所述监测到的供电电压超出启动电压阈值时，开启所述开关电路。通过在运行之前监测启动电压，并确保该电压超过所要求的启动电压阈值，使该系统能够确保开关电源(SMPS)的顺利运行，以及确保稳定的输出电压。优选地，所述启动电压阈值大于所述运行电压阈值。由于所需的启动电压大于运行电压阈值，这为电压供应带来了滞后效应，并为系统提供了进一步的故障保护功能，确保其顺利运行。优选地，监测步骤包括对多个连续的供电电压采样，
对所述多个采样的供电电压求平均值，得出平均供电电压值，以及将平均供电电压值与电压阈值进行比较。当与电压阈值比较时，由于供电电压是平均值，供电或检测中的间歇性临时错误都被故障保护系统过滤，从而使该装置的运行更加可靠。优选地，该方法进一步包括以下步骤在所述开关电路运行期间，监测通过所述开关电路的电流，以及若所述监测到的电流超出电流阈值，则停止所述开关电路的运行。通过监测电流，该系统能够防止系统元件，如变压器绕组，由于高电流水平，例如由于增加的系统温度/增加的电流引起的高电流水平而导致的损害。优选地，所述电源包括与所述开关电路串联的电阻，并且其中，所述电流监测包括测量通过所述电阻的电流。优选地，所述监测电流的步骤包括对多个连续电流值采样，对所述多个采样的电流值求平均值，得到第一平均电流值，以及将所述第一平均电流值与电流阈值进行比较。优选地，所述比较的步骤包括记录多个连续平均的电流值，其中，当预定数量的所述多个平均电流值超出所述电流阈值时，执行所述停止所述开关电路的运行的步骤。通过监测一系列平均电流值，有效地执行所监测到电流的滑动窗口过滤(siliding window filtering)算法,使错误从所监测到的电流中的不正确的检测或较小的峰值中去除。优选地，所述监测运行的供电电压的步骤和所述监测电流的步骤中，至少有一个步骤与所述将扩频调制应用至所述驱动信号的步骤并列执行。通过并列执行两个步骤，该系统特别适合于利用微处理器来运行，该微处理器具有受限制的处理带宽。优选地，所述应用扩频调制至所述驱动信号的步骤包括以下步骤(i)产生第一伪随机数；(ii)根据所述伪随机数选取频率值；(iii)提供具有所述选取的频率值的驱动信号；(iv)产生新的伪随机数；以及(V)在开关电路运行期间的主循环周期中重复步骤(ii)-(iv)。优选地，在所述主循环周期内，所述步骤(ii)和(iii)都重复迭代多次。优选地，所述伪随机数是二进制数，其中步骤(ii)包括根据在至少一部分所述二进制伪随机数上执行的累加操作，在第一频率值和第二频率值之间选择频率值。根据累加操作通过选择不同的开关频率，本发明为产生的每个伪随机数提供了附加的调制间隔(granularity of modulation)。优选地，所述监测运行的供电电压的步骤和所述监测电流的步骤中，至少有一个步骤与所述主循环周期的 步骤(ii)和(iii)并列执行。优选地，在监测运行电压的预定数量的连续主循环周期之后，执行所述电流监测的步骤。优选地，所述电源包括伪随机发生器，其中，该方法进一步包括以下步骤检测伪随机发生器是否进入死锁状态；以及若检测到死锁状态，则重置该伪随机发生器。本发明还提供一种开关电源，包括开关电路，用于接收供电电压并输出开关电压；连接至所述开关电路的转换器电路，由所述开关电压驱动，以产生所要求的输出电压；以及连接至所述开关电路的控制器，所述控制器用于执行上述方法中的任一步骤。本发明还提供了一种方法，通过开关电源中的脉冲宽度调制(PWM)来运行半导体开关，该方法执行至少以下步骤a:数字控制器产生载波频率形式的开关信号，用于半导体开关传导的时间周期内，b在该数字控制器中，载波频率的选择是在随机频率表中执行，c:数字处理器通过模数转换器执行电压测量，该数字转换器将数字电压值传输至数字处理器，d数字控制器通过在一组离散载波频率之间的时域中转移产生载波频率，e:数字控制器执行连续的扩展时间周期，以适配每个载波频率。
现在仅以实施例的形式，参照附图，描述本发明的实施方式，其中图I是根据本发明一个方面的开关电源(SMPS)的电路图；图2是图I中电路的增强的电路图；图3和图4表示图I中电路的可替代的电路图；图5是图I和2中电路的一般控制方法的简要流程图；图6是图5中主循环程序的简要流程图；图7是图5中程序的启动程序的流程图；图8是图5中程序的操作程序的流程图；图9是本发明电路的采样操作期间电压水平的示意图；图10是本发明电路的采样操作期间电流水平的示意图；图11是采样微处理器的脉冲宽度调制(PWM)操作的示意图；图12表不未调制的方波开关"[目号，以及相应频率的不意图；图13表示图12中开关信号的频率的示意图，以及利用扩频调制的同一开关信号的频率不意图；图14表示扩频调制的带宽变宽效果；图15表示使用扩频调制所导致的振幅减小；图16表示使用本发明系统的跳频扩频的实施例；图17表示使用本发明系统的连续相位频移键控的实施例；图18表示使用本发明系统的采样微处理器的一系列寄存器的样本相互作用；图19表示使用本发明系统的样本伪随机发生器；以及
图20是本发明一种实施方式的完整开关电源的电路图。
具体实施例方式图I示出本发明的开关电源(SMPS)的电路。该电路包括微处理器10，通过分压器连接至供电电压12，该分压器包括电阻Rl和R2。该电路进一步包括开关部分，在本实施例中为半H-桥式，包括一对绝缘栅场效应管(MOSFETs) Ql (P型MOS场效应管)和Q2 (N型MOS场效应管)，连接至电源电压(Vcc)，并由微处理器10的输出来驱动。(还提供了适当的电路用于系统元件的正确操作，例如，设于微处理器10的输出端和P型MOS场效应管Ql的栅极(G)之间的电容C2)。该电路还包括转换器电路，其包括变压器Tl和电容Cl，开关电路的输出端通过所述电容Cl连接至所述变压器Tl。变压器Tl输出的两接线端14取决于开关电路的MOS场效应管Ql和Q2的开关频率，可选择开关频率为输出接线端14提供所需的电压水平。如图2所示为该电路的增强版，具有与图I中电路类似的元件和对应的附图标记。图2中，电路是连接至外部供电电压12，其采用第一 DC/DC转换器20进行转换，以提供电源电压(Vcc)。Vcc随后采用第二 DC/DC转换器22进行转换，以提供电压Vcc uP (Vcc适合由微处理器10使用)。图2进一步包括电阻R3，其与MOS场效应管(MOSFET) Ql和Q2串联，位于MOS场效应管和地之间，使微处理器10监测流过MOS场效应管Ql和Q2的电流。电路的输出端14可以连接至电力负载22。用于本发明系统中的合适的开关电路的其他实施例，还可以是推挽式转换器，例如，使用N型MOS场效应管(MOSFET) Q3和Q4 (如图3所示)，或使用P型MOS场效应管(MOSFET) Q5 和 Q6 (如图 4 所示)。参照图5，显示出本发明电路的控制程序的总体流程图。开启开关电源(SMPS)，系统进入初始化程序进行初始化(Init)lOO。该初始化(Init)阶段100可包括该电路所需要的以及微处理器10所使用的任何初始化操作，例如执行寄存器初始化，清空所有通用寄存器，设置这些通用寄存器，使之被初始化为所需要的某些值而不是零。一旦完成初始化，系统将进入装置的主操作102。系统进入等待循环104，在持续程序执行之前，允许系统中的电压提升等级。然后，系统执行初始供电测量106 (下文将进行更详细地描述)，以确定提供稳定的供电电压。一旦系统通过初始供电测量步骤，该系统继续执行主操作循环，主循环108。在这里，系统允许在持续的循环内操作，只要操作条件满足就会产生所需的输出电压。如果这种操作条件不满足，则系统将进入故障保护程序110，该程序用于设置驱动晶体管的输出为已知量，并将系统返回至步骤106，以在其返回至标准操作循环108之前，再次执行初始供电测量。参照附图6，在主循环108程序之内，执行一系列循环的步骤或块112。在这些步骤112内，执行开关电路的扩频调制，并列执行操作电压监测和/或电流监测。扩频调制将在下文中详细描述。如图6所示的实施方式中，为主循环108的每次迭代执行16个单独的步骤或块，但可以理解地是，主循环每次迭代可以使用可替换的配置和/或块数量。在图7中，详细示出了系统启动程序，包括初始化供电测量步骤106的步骤。初始化步骤100开始启动程序，其中，微处理器10通过测量外部供电电压12为启动电压采样(步骤114)。微处理器10维持在采样循环中，直至微处理器10中测量并存储合适数量的单独的采样电压(步骤116在本例中，有8个单独的样本)。一旦记录了预定数量的样本，该微处理器10得到外部供电电压12的平均电压水平(步骤118)，并将该平均值与预定的启动电压阈值进行比较(步骤120)。如果该平均采样的启动电压值大于阈值，则该开关电路可以被安全开启(步骤122—在本例中，可以启动微处理器用作半H-桥式电路的驱动器的部分)。一旦启动开关电路，控制程序则进入主循环操作阶段108。在图8中，示出了主循环操作阶段108的具体步骤。一旦启动半H-桥式驱动器(如图7中步骤122)，则使用伪随机数发生器产生一个伪随机数(步骤124)。这是用在扩频调制中，为开关电路的驱动信号选择特定频率(下文将详细描述)。在主循环108中执行扩频调制的同时，系统会监测系统的电压和/或电流，以确保正常运转。优选地，该系统可为主循环108的每个循环执行电压或电流监测操作。随着伪随机数的产生，该系统可确定其是否应为主循环的当前迭代的电压或电流采样(步骤126)。优选地，该系统首先执行电压监测操作，一旦预定数量的电压监测操作执行完毕或预定数量的主循环108的迭代次数执行完毕，则可以执行电流监测操作。如果要监测电压，则微处理器10继续对外部供电电压12采样(步骤128)，类似于 图7的启动程序中所执行的采样。如果记录的电压样本的数量未达到预定水平(步骤130)，则程序用于更新半H-桥式驱动器的开关频率(步骤136)，并且返回产生新的伪随机数(步骤 124)。一旦记录了预定数量的样本(在本例中为8个样本)，该微处理器10得到外部供电电压12的平均电压水平(步骤132)，并将该平均值与预定操作电压阈值进行比较(步骤134)。如果平均采样的操作电压大于该阈值，则满足系统的操作条件，并且可以继续操作。相应地，半H-桥式驱动器随新频率更新(步骤136)，再次返回产生新伪随机数(步骤124)。如果平均操作电压不超过阈值(步骤134)，则电压供电将有问题，并停止半H-桥式驱动器(步骤138)。当这种情况出现时，主循环108的循环被破坏，系统返回至监测启动电压的步骤(步骤106)。由于主循环持续地监测电路的操作电压，其能够确保由开关电源(SMPS)产生稳定的输出电压。优选地，启动电压阈值大于操作电压阈值，这为系统带来了滞后效应。参照附图9，该图示出了采样测量的平均电压信号，以及对本发明中开关电源(SMPS)的操作的影响。首先，将供电电压应用至步骤功能中，导致测量的平均电压倾斜上升。此阶段的电路在启动循环106中。测量的平均电压最终超过启动电压阈值，在该超过点处，启动开关电源(SMPS)，并且控制程序转至主循环程序108。随着操作的继续，在启动阈值电压附近的小幅波动不会影响电路的操作，直至平均操作电压降至操作电压阈值之下，电路在该点停止，并且控制系统再次返回至启动循环106，直至测量的平均电压再次返回至启动阈值水平之上，并返回至主循环108操作。返回至图8，如果系统连续不断地执行了电压监测的多次迭代，则系统可选择电流监测操作(步骤126)。在此，微处理器10对流经电阻R3的电流采样(步骤140)。一旦电流水平的样本数量达到预定数量(步骤142-—在本例中，预定数量为8个)，该系统可对采样的电流值求平均值(步骤144)。在该点处，平均电流值储存在存储器中，并且该微处理器可将滑动窗口操作应用至储存的片平均电流值中，其中，微处理器10比较滑动窗口内预定数量的储存的平均电流值是否超过预定电流阈值(步骤146)。 如果预定数量的记录值都在该阈值之上，这表明电路中有问题，例如，流经转换器电路的电流过大。过大的电流流过变压器并改变温度有可能使变压器内绕组的绝缘体变差，结果出现短路。在这种情形下，半H-桥式驱动器停止(步骤138)，电路返回值启动监测程序(步骤106)。相反地，如果预定数量的记录值在阈值之下，则该电路在可接受的电流水平下运行，并且主循环108通过更新半H-桥式驱动器频率继续循环(步骤136)并返回至产生新伪随机数的步骤(步骤124)。在如附图8所示的实施例中，滑动窗口用于监测最近的16个平均电流值，并且步骤146用于检查所述16个值中的5个值是否在电流阈值之上。图10示出开关电源(SMPS)用于采样测量电流的操作。如图10所示，如果系统中的平均测量电流超出阈值一段时间(由于滑动窗口的使用)，则停止半H-桥式驱动器的操作(并因此停止整个开关电源(SMPS))。图7和8中程序操作以伪代码描述如下Startup sequence (steps 114，116，118，120，122)(启动序列(步骤 114,116,118,120，122)) LABEL StartUp (标签启动)# Sample startup voltage (米样启动电压) IF 8 successive samples (如果有 8 个连续的样本)# THEN average the 8 samples and verify against threshold (则对 8 个样本取平均值并与阈值比较)〇IF below limit (如果在阈值之下)〇THEN GOTO StartUp (则转至启动)O ELSE GOTO Voltage-Ioop (否则转至电压-循环)Voltage loop sequence (steps 124,126,128,130,132,134, 136, 138)(电压-循环序列(步骤124，126，128，130，132，134，136，138))# LABEL Voltage-Ioop (标签电压-循环)# The random generator updates its bit sequence (随机发生器更新其位序列)
# The voltage is sampled (电压米样) IF 8 successive samples (如果有 8 个连续的样本)# THEN average the 8 samples and verify against threshold (则对 8 个样本取平均值并与阈值比较)〇IF below limit (如果在阈值之下)O THEN stop the half H-bridge driver and GOTO measure startup voltage(则停止半H-桥式驱动器并转至测量启动电压)
〇IF voltage sampled 48 times (如果电压米样 48 次)〇THEN GOTO Current (则转至电流)O ELSE continue (否则继续)# ELSE continue (否则继续)# LABEL Voltage; Preload new halfH-bridge driver frequency (标签电压；预先加载新的半H-桥式驱动器频率)# GOTO Voltage-Ioop (转至电压-循环)Current loop sequence (steps 124，126，140，142，146，138，136)(电流-循环序列(步骤124，126，140，142，146，138，136))O LABEL Current-Ioop (标签电流-循环)〇The random generator updates its bit sequence (随机发生器更新其位序列)〇The current is sampled (电流米样)O IF 8 successive samples (如果有 8 个连续样本)O THEN average the 8 samples and verify against threshold(则对 8 个样本取平均值并与阈值比较)〇 IF 5/16 of the last 16 averaged samples are above threshold (如果最近的16个平均样本中有5/16的值在阈值之上)〇 THEN stop the half H-bridge driver and GOTO measure startup voltage(则停止半H-桥式驱动器并转至测量启动电压)O ELSE GOTO Voltage (否则转至电压)# ELSE continue (否则继续)# LABEL Current;Preload new half H-bridge driver frequency(标签电流；预先加载新的半H-桥式驱动器频率)# GOTO Current-Ioop (转至电流-循环)阈值电压作为如何为系统选取阈值电压的实施例，在一种实施方式中，可使用8位微控制器。如果测量供电电压的A/D转换器的分辨率是十位，则为本发明的系统从A/D转换器中选择八个最高有效位。用于干线电源的分压器，由电阻网络给出，计算为30000/1030000=0. 029126欧姆，并且启动电压阈值为16伏特。如果微控制器10的转换器参考电压为3. 3伏特，则阈值计数(counts)可定义为
权利要求
1.一种控制开关电源的方法，所述开关电源包括用于接收供电电压并输出开关电压的开关电路，以及连接至所述开关电路的转换器电路，所述转换器电路由所述开关电压驱动，以产生所需的输出电压，该方法包括以下步骤 向所述开关电路提供驱动信号，以调节所述开关电路的开关频率，以及对所述驱动信号实施扩频调制，以减少电源中的电磁干扰，其中，该方法进一步包括以下步骤 在所述开关电路运行期间，监控所述开关电路的供电电压，以及 如果所述监测到的供电电压降至操作电压阈值之下，则停止所述开关电路的运行。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括用于启动所述开关电路操作的启动程序，该启动程序包括 当所述开关电路不可运行时，监测输入至所述开关电路的供电电压，以及 当所述监测到的供电电压超出启动电压阈值时，开启所述开关电路。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述启动电压阈值大于所述操作电压阈值。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述监测步骤包括 对多个连续的供电电压采样， 对所述多个采样的供电电压求平均值，得出平均供电电压值，以及 将平均供电电压值与电压阈值进行比较。
5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤 在所述开关电路运行期间，监测通过所述开关电路的电流，以及 如果所述监测到的电流超出电流阈值，则停止所述开关电路的运行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电源包括与所述开关电路串联的电阻，并且其中所述电流监测包括测量通过所述电阻的电流。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述监测电流的步骤包括 对多个连续电流值采样， 对所述多个采样的电流值求平均值，得到第一平均电流值，以及 将所述第一平均电流值与电流阈值进行比较。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述比较的步骤包括 记录多个连续平均的电流值，其中，当预定数量的所述多个平均电流值超出所述电流阈值时，执行所述停止所述开关电路的运行的步骤。
9.根据权利要求5-8中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述监测操作电压供电的步骤和所述监测电流的步骤中，至少有一个步骤与所述将扩频调制应用至所述驱动信号的步骤并列执行。
10.根据权利要求5-9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述应用扩频调制至所述驱动信号的步骤包括以下步骤 (i)产生第一伪随机数； (ii)根据所述伪随机数选取频率值； (iii)提供具有所述选取的频率值的驱动信号；(iv)产生新的伪随机数；以及 (v)在开关电路运行期间的主循环周期中重复步骤(ii)-(iv)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述主循环周期内，所述步骤(ii)和(iii)重复迭代多次。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述伪随机数是二进制数，其中步骤(ii)包括根据在所述至少一部分二进制伪随机数上执行的累加运算，在第一频率值和第二频率值之间选择频率。
13.根据权利要求10-12中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述监测操作电压供电的步骤和所述监测电流的步骤中，至少有一个步骤与所述主循环周期的步骤(ii)和(iii)并列执行。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在监测操作电压的预定数量的连续主循环周期之后，执行所述电流监测的步骤。
15.根据权利要求10-14中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述电源包括伪随机发生器，其中，该方法进一步包括以下步骤 检测伪随机发生器是否进入死锁状态；以及 若检测到死锁状态，则重置该伪随机发生器。
16.—种开关电源,包括 开关电路，用于接收供电电压并输出开关电压； 连接至所述开关电路的转换器电路，所述转换器电路由所述开关电压驱动，以产生所要求的输出电压；以及 连接至所述开关电路的控制器，所述控制器用于执行上述权利要求1-15中任一权利要求所述方法中的步骤。
全文摘要
本发明描述了一种开关电源(SMPS)及其控制方法，其中该开关电源(SMPS)可将扩频调制应用至开关驱动器信号，以减少开关电源(SMPS)中的电磁干扰(EMI)。该开关电源(SMPS)可在扩频调制同时执行电压和电流监测，为电路保护提供可变的限值检测和关机功能。
文档编号H02M1/44GK102971952SQ201180020545
公开日2013年3月13日 申请日期2011年4月13日 优先权日2010年4月23日
发明者斯蒂格·林德曼, 麦格斯·科丁·尼尔森 申请人:Pr电子公司