开关电源的制作方法

本发明涉及一种向用电装置供应被控制在期望值的输出电压的开关电源，包括：供应路径，该供应路径包括经由驱动器控制的开关控制器、连接在开关控制器后面的电流隔离变压器、以及连接在变压器后面的整流器，该整流器包含输出电路，用电装置可连接至该输出电路的输出；以及反馈路径，经由该反馈路径，向驱动器馈送经由光源和光接收器发出的并且反映输出电压的信号，基于该信号，驱动器经由开关控制器的对应操作将输出电压控制在期望值。

背景技术：

这种类型的开关电源用于，例如，向工业测量技术中安装的电子装置(例如，诸如测量装置、传感器、测量和/或控制电路或者信号处理器等电子装置)供应由开关电源供应的并且被控制在预定期望值的输出电压。

用于产生被控制在预定期望值的输出电压的开关电源通常包括供应路径和反馈路径。供应路径用于接收被供应至输入侧的开关电源的电能，以转换该电能并且经由开关电源的输出来供应电能。反馈路径用于将被应用至输出的反映输出电压的信号引导回输入侧，基于该信号，借助在输入侧上提供的控制将输出电压控制成预定期望值。

有大量的应用，在这种情况下，应用受控的开关电源来向爆炸危险区域中的用电装置供电。在爆炸危险区域中，除了其它之外，严格的安全规范准则的目标是防止形成火花，在给定情况下，形成火花可能会触发爆炸。除此之外，通常，在爆炸危险区域中仅允许使用开关电源，开关电源的可经由外部能量源馈电的一次侧与向用电装置供电的二次侧电流隔离。在受控的开关电源的情况下，因此，在供应路径和反馈路径两者中，在任何情况下，都存在电流隔离，这满足在使用位置处要求的爆炸保护安全规范。

例如，在国际电工委员会(iec)2012年1月27日版公布的标准iec60079-11中也能找到对应的安全要求。例如，在第11部分中，存在对满足爆炸保护等级本质安全(ex-i)的隔离要求的电流隔离规范。根据该规范，可以经由固定绝缘来进行针对该保护等级足够的隔离，对于电压范围到高达60伏直流的应用，该隔离的厚度必须至少为0.5mm，而对于电压范围高达230伏交流的应用，该隔离的厚度必须至少为1mm。可替代地，也可以使用空气间隙，对于电压范围到高达60伏直流的应用，该空气间隙的宽度必须至少为3mm，而对于电压范围高达230伏交流的应用，该空气间隙的宽度必须至少为10mm。

为了保持这些规范，在反馈路径中可以应用具有相对地大的绝缘电阻的光耦合器。然而，满足这些要求的可从市场获得的光耦合器相当昂贵，即使是大量订购也相当昂贵。

信号发送器提供了明显更高性价比的替代方案，该信号发送器包括光源和单独的光接收器，该光接收器将撞击在光接收器上的光转换为电变量。因此，例如在de102010012064a1中描述了一种离散构造的信号发送器，该信号发送器包括光源(例如，红外发光二极管)，该光源设置在电路板的一侧上并且通过电路板发送光，该光然后被设置在电路板另一侧上的光接收器接收。

然而，可用于光信号传输的常规光源(诸如，例如红外发光二极管)必须仅由电源电压来操作，一般说来，电源电压都会明显低于开关电源的输出上通常要求的输出电压。为了降低跨光源降低的电压，可以向光源加上大小适当的限流电阻。

适合进行光信号传输的常规发光二极管必须用相对高的电流来操作。因此，例如，红外发光二极管必须用高达50ma数量级的电流来操作，有时甚至要高达100ma数量级的电流，以便通过壁厚对于爆炸危险区域中的应用而言足够的电路板或者通过相似地足够的空气间隙来发射足够的光。这意味着，在限流电阻中对应地发生了大功率损耗。如果在限流电阻中必须发生15伏的降低，那么，在数量级为50ma至100ma的电流的情况下，会产生数量级为0.75w至1.5w的功率损耗。

如果想要在开关电源的反馈路径中应用这种光信号发送器，那么由于限流电阻导致的功率损耗会降低开关电源的效率。此外，还存在功率损耗被转换为热量的问题。这样，根据跨限流电阻降低的电压的大小以及光源所要求的电流，在限流电阻所在区域中会产生温度，这些温度会使得无法在爆炸危险区域中使用信号发送器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制造性价比高、能够被应用在爆炸危险区域中的受控开关电源。

为此，本发明涉及一种向用电装置供应被控制在期望值的输出电压的开关电源，包括：

-供应路径，该供应路径包括经由驱动器控制的开关控制器、连接在开关控制器后面的电流隔离变压器、以及连接在变压器后面的整流器，该整流器包含输出电路，用电装置可连接至该输出电路的输出；以及

-反馈路径，经由该反馈路径，向驱动器馈送经由光源和光接收器发出的并且反映输出电压的信号，基于该信号，驱动器经由开关控制器的对应操作将输出电压控制在期望值，

其特征在于，反馈路径包括：

-调压器，该调压器将跨光源降低的电源电压调节至低于期望值的固定值，以及

-电流调节器，该电流调节器将流经光源的电流调节至与输出电压对应的电流值。

第一进一步发展的特征在于，在光源与光接收器之间设置有绝缘体，尤其是电路板，其在从光源发出的光的波长的区域中是透明的。

第一另外发展的优选实施例规定绝缘体，至少在光源的光穿过的其区域中，具有大于或者等于0.5mm的壁厚。

第二进一步发展的特征在于：

-光源包括发光元件，尤其是发光二极管，尤其是红外发光二极管，发光元件的亮度根据流经其的电流而改变，

-光接收器包括光敏元件，尤其是光晶体管，光敏元件将撞击在其上的光转换为与亮度对应的电变量，以及

-与光接收器连接的是测量电路，该测量电路记录电变量，将变量转换为反应电信号的输出电压，并且将信号引导至与测量电路连接的驱动器。

第三进一步发展的特征在于调压器包括降压调节器，尤其是同步降压调节器。

第四进一步发展的特征在于将调压器：

-在输入侧，与分流支路的与开关电源的输出并联连接的分接连接，该分接处于输出电压的电位，以及

-在输出侧，经由光源和延伸通过电流调节器的电流路径，与分流支路的与参考电位连接的分接连接。

第五进一步发展的特征在于电流调节器：

-包括输入，该输入连接至设置在分流支路中的与开关电源的输出并联连接的分接，尤其是连接至设置在分压器的两个元件之间的分接，该分压器设置在分流支路中并且划分跨分流支路降低的输出电压，以及

-将流经光源以及在连接在光源后面的并且在延伸通过电流调节器的电流路径上流动的电流控制在与电流调节器的输入上的电位对应的电流值。

第六进一步发展的特征在于电流调节器包括可调谐分流控制器，尤其是可调谐齐纳分流控制器。

第七进一步发展的特征在于提供有缓冲电容器(snubbingcapacitor)，该缓冲电容器设置在连接在光源后面并且与延伸通过电流调节器的电流路径并联地延伸的电路支路中。

第八进一步发展的特征在于包括整流器的输出电路包括其它部件，尤其是连接在整流器后面的熔断器或者断路器；连接在整流器后面并且对整流后的电压进行平滑处理的电路元件，尤其是r-c单元和/或l-c单元；连接在整流器后面的能量储存器，尤其是缓冲电容器和/或连接在整流器后面的高欧姆基础负载，尤其是高欧姆负载电阻。

第九进一步发展的特征在于调压器被实施为电路的部件，该电路包括：连接在调压器前面的输入电路；连接在调压器后面的输出电路；连接在调压器后面的能量储存器，尤其是缓冲电容器；连接在调压器前面的熔断器或者断路器；连接在调压器后面的熔断器或者断路器；和/或连接在调压器后面的限压器，尤其是包括彼此相对地连接的二极管的限压器，二极管尤其是齐纳二极管和隧道二极管。

第十进一步发展的特征在于将光源施加在反馈路径中，而没有连接在光源前面的限流电阻。

附图说明

现在将基于附图更详细地阐释本发明和其它优点，在附图中示出了实施例的示例；在附图中，相等的元件设有相等的附图标记。附图如下示出：

图1是本发明的开关电源的框图；

图2是图1中的输出电路的实施例的示例；以及

图3是包括图1中的调压器的电路的实施例的示例。

具体实施方式

图1是本发明的开关电源的框图，该开关电源用于向可连接至其输出侧的用电装置s供应控制在期望值us的输出电压uout。开关电源包括一次侧以及与该一次侧电流隔离的二次侧。设置在一次侧上的是输入电路1，外部能量源e可连接至输入电路1的输入。设置在二次侧上的是输出，用电装置s可连接至该输出。

开关电源包括电流隔离的供应路径，该供应路径在输入侧与开关电源的输入连接并且在输出侧与开关电源的输出连接，供应路径包括：设置在输入电路1中并且经由驱动器3控制的开关控制器5、连接在开关控制器5后面的电流隔离变压器7、以及连接在变压器7后面的在输出侧上的与输出连接的输出电路9，其中，该输出电路9包括整流器11。

在经由实施为交流电压源的能量源e对开关电源供电的情况下，在输入电路1中还补充性地设置了ac/dc转换器，该ac/dc转换器连接在开关控制器5的上游。如果经由实施为直流电压源的能量源e对开关电源供电，则仍然可以应用转换器，但是在这种情况下，不是绝对需要转换器。

开关电源包括反馈路径，经由该反馈路径，向驱动器3馈送经由光源13和光接收器15发出的并且反映开关电源的输出上存在的输出电压uout的信号。在这种情况下，按照如下方式来实施驱动器3，使得其基于表示输出电压uout的信号，经由开关控制器5的对应操作，将输出上存在的输出电压uout控制在针对uout预定的期望值us。

用于信号传输的是光源13，该光源13包括发光元件，该发光元件的亮度根据流经其的电流而改变。这种发光元件的示例是常规发光二极管，例如红外发光二极管。

在空间上与光源13分开的光接收器15包括光敏元件，该光敏元件将撞击在光敏元件上的光转换为电变量。适合于此的，例如，为光晶体管，其根据撞击在光晶体管上的光的亮度来进行。撞击在光接收器15上的光由连接至光接收器15的测量电路17记录并且被转换为电信号，该电信号反映输出电压uout并且然后被馈送到连接至测量电路17的驱动器3。

根据本发明，反馈路径包括调压器19和电流调节器21。调压器19和电流调节器21按照如下方式实施为使得调压器19主动地将在光源13上的馈送电压控制在低于针对输出电压uout预定的期望值us的固定预定值，而电流调节器21将流经光源13的电流设置成与输出电压uout对应的电流值。

调压器19提供的优点是它们仅需要非常小的剩余电流或者静态电流，例如，数量级为10μa至20μa的剩余电流，以便为连接在电源后面的产生电源电压13，该电源电压13明显低于在其输入侧上的输出电压uout。因此，例如，从数量级为4.5v至45v的输出电压uout开始，按照低损失的方式，可以产生数量级为3v至5v的电源电压。

为此，尤其是非常合适的调压器19优选地包括降压调节器，称为降压变换器(step-downconverter)或者降压转换器(buckconverter)，尤其是同步降压调节器。这种降压调压器的示例是lineartechnology公司以产品代号ltc3642出售的降压调节器，其仅要求数量级为18μa的非常小量的静态电流，以将在输入侧施加在降压调节器上的4.5v至45v范围内的电压转换为在输出侧上输出的在3v至5v范围内的电压。在这种情况下，高达50ma的电流可以通过这些降压调节器，流到光源13。

调压器19提供的优点是其明显降低了跨光源13降低的电压，但却不会伴随产生高功率损耗，而高功率损耗会导致开关电源的局部加热。

在实施例的说明性示例中，调压器19连接至分流支路23，该分流支路23与开关电源的输出并联连接。输出电压uout跨分流支路23降低。在这种情况下，调压器19在输入侧与分流支路23的处于输出电压的电位uout下的分接连接，而在输出侧，经由光源13和延伸通过电流调节器21的电流路径25，与分流支路23的与参考电位gna连接的分接连接。

电流调节器21具有输入27，该输入27在分接处连接至分流支路23，该分接处于从输出电压uout导出的电位。为此，在分流支路23中优选地设置有分压器29，并且与输入27连接的分接设置在分压元件(例如，如图所示的，串联电阻r1、r2)之间。

电流调节器21将通过电流调节器21在电流路径上流动的电流(以及流经光源13的电流)控制在与其输入27上的输入侧的电位对应的电流值。为此，尤其合适的电流调节器21优选地包括可调的分流控制器，例如齐纳分流控制器。这种电流调节器的示例是texasinstruments公司以产品代号lm431出售的电流调节器。

在这种情况下，经由调压器19进行降压提供的优点是，由于通过这种方式进行了降压，所以对应地降低了电流调节器21中的功率损耗。

与爆炸危险区域中使用的昂贵光耦合器相反，本发明的开关电源中可用的调压器19和电流调节器21具有明显更高的性价比，可批量生产，因此，尽管部件数量更大，但与配备有光耦合器的开关电源相比，本发明的开关电源具有明显更高的制造性价比。

同样，在本发明的开关电源的情况下，可以在光源13前面放置限流电阻器rv。然而，由于是通过上游连接的调压器19来进行降压，还尤其是在相对高电压(例如，高达60v的电压)的情况下，这不是绝对需要的。虽然在现有技术中已知的信号发送器的情况下是经由限流电阻(通常是大于或者等于1w的标称功率的较大限流电阻)向光源供电，但在本发明的开关电源中，优选地完全省略了限流电阻。可替代地，可以使用在机械上非常小的限流电阻，经由该限制电阻，因此仅存在相应地低的功率损耗。

此外，在本发明的开关电源中，可选地，可以设置其它部件，尤其是改进功能和/或操作安全性的部件，尤其是在爆炸危险区域中。

实施例的尤其优选的形式规定在光源13与光接收器15之间设置绝缘体31，例如电路板，其在光源13发出的光的波长的区域中是透明的。绝缘体31提供的优点是极大地改进了信号发送器进行的电流隔离。在这种情况下，当绝缘体31至少在其由光源13的光通过的区域中具有大于或者等于0.5mm的壁厚时，其已经是足够的，以便在高达60伏直流的电压的情况下确保在爆炸危险区域中的充分隔离。这样，与实施例的经由空气间隙来进行绝缘的形式相比，明显减小了开关电源的最终大小。在这种情况下，本发明提供的优点是可以通过协调调压器19和电流调节器21来提供由于插入的绝缘体31而导致的光源13的能量要求增加，但却不会伴随发生较大的功率损耗。

另一种可选的措施是使用缓冲电容器cd，该缓冲电容器cd设置在连接在光源13后面的另一电路支路33中并且与延伸通过电流调节器21的电流路径25并联。电容器cd对输出电压uout的波动所导致的振荡进行快速且有效的衰减，诸如，例如，该振荡可以因为开关电源的接通、或者突然增加非常高的加载、和/或非常快速地极大幅度地改变开关电源的加载而发生。

此外，同样，包括整流器11的输出电路9可以包含其它部件。例如，图2示出了输出电路9的实施例，在这种情况下，在串联支路39中，在二次侧，在整流器11的后面连接电流限流熔断器或者断路器f。这增加了上游部件故障的情况下的操作安全性。

另外，可以在整流器11后面连接对整流后的电压进行平滑处理的电路元件，诸如，例如，r-c单元35和/或l-c单元37。作为这种电路元件的示例，图2示出了r-c单元35，该r-c单元35包括：在串联支路39中连接在整流器11后面的电阻器r、以及并联设置在连接在串联支路39与二次侧之间的分流支路41中的参考电位gna、电容器c。连接在r-c单元31后面的是l-c单元33，该l-c单元33包括在串联支路39中连接在整流器11后面的电感器l、以及并联设置在连接在串联支路39与二次侧之间的附加分流支路43中的参考电位gna、电容器c。

另外，可选地，输出电路9可以配备能量储存器45，该能量储存器45连接在整流器11的后面。图2中以缓冲电容器cp的形式示出了这种能量储存器45的示例，该缓冲电容器cp并联设置在将串联支路39与参考电位gna连接起来的附加分流支路47中。

此外，可选地，可以设置连接在整流器11后面的高欧姆基础负载49，经由该高欧姆基础负载49，可以排出被传递到二次侧的多余能量。作为示例，图2示出了高阻负载电阻器rl，该高阻负载电阻器rl并联设置在连接在串联支路39与参考电位gna之间的附加分流支路51中。经由该基础负载49，当无用电装置s被连接至输出或者当被连接至输出的用电装置s未汲取能量时，始终确保开关电源的基础加载。

作为上述部件的替代和/或补充，还可以在反馈路径中设置其它可选的部件。为此，例如，调压器19可以被实施为包括其它部件的电路53的部件。图3示出了包括调压器19的电路53的实施例的示例。

在电路53中，在调压器19前面，在输入侧上，将输入电路55连接至调压器19，并且在调压器19后面，在输出侧上，将输出电路57连接至调压器19。通过这种方式可用的输入电路和输出电路55、57通常由调压器19的上述示例的制造商推荐，因此本文不做详细讨论。

恰如在包括整流器11的输出电路9中一样，在包括调压器19的电路53中，也可以提供连接在调压器19后面的能量储存器59。作为示例，图3示出了缓冲电容器cp，该缓冲电容器cp被设置在与调压器19并联连接的分路支路中。

此外，可选地，电路53可以包括连接在调压器19前面的熔断器或者断路器f和/或连接在调压器19后面的熔断器或者断路器f。

此外，可选地，电路53可以包括连接在调压器19后面的限压器61，该限压器61用于在连接在限压器61上游的其中一个部件发生故障的情况下限制从电路53输出的电压。作为示例，图3示出了具有两个分流支路的限压器61，这两个分流支路在各种情况下都与调压器19并联连接并且彼此并联连接，其中，在各种情况下，都设置两个二极管(例如，齐纳二极管和隧道二极管)，这两个二极管彼此相对地连接。

1输入电路

3驱动器

5开关控制器

7变压器

9输出电路

11整流器

13光源

15接收器

17测量电路

19调压器

21电流调节器

23分流支路

25电流路径

27输入

29分压器

31绝缘体

33电路支路

35r-c单元

37l-c单元

39串联支路

41分流支路

43分流支路

45能量储存器

47分流支路

49高欧姆基础负载

51分流支路

53电路

55输入电路

57输出电路

59能量储存器

61限压器