專利名稱：開關電源和方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及開關電源(SMPS)和方法。具體而言，本發(fā)明涉及一種SMPS，其中的數(shù)據(jù)通過在該SMPS原邊操作(manipulate)電壓脈沖而被編碼，然后通過變壓器傳遞到副邊。
背景技術：
在電視、計算機監(jiān)視器、和其它用電網(wǎng)供電的設備中，通常采用開關電源(SMPS)將功率傳遞到直流隔離的輸出端。典型的SMPS包括一個原邊和一個副邊，二者由變壓器分開。通常，原邊包括一個主功率源和一個控制器，而副邊通常包括輸出(如主負載、微處理器)和一個接收器。由于調節(jié)的原因，SMPS輸出應當從主功率源隔離開來(即輸出應當直流隔離)。還可以提供一個光耦，用于從副邊向原邊傳遞反饋信號。接收器可以是IR接收器，接收遠程控制信號，并將接收到的信號傳輸?shù)轿⑻幚砥?，以?zhí)行用戶指令。但是，由于接收器需要不斷接受功率(甚至在備用模式)，因此，接收器位于副邊就要求不斷地從原邊傳遞功率。這樣的構造在備用模式下其效率是及其低下的。
因此，許多人就試圖通過在SMPS的原邊包括一個備用電源控制器來減輕部分所述缺陷。該備用控制器允許通過變壓器將功率只傳遞到微處理器和接收器。這樣，主負載輸出在備用模式就可以處于離線狀態(tài)(即沒有功率)，從而提高SMPS的總體效率。但是，這樣做仍然要求從原邊向副邊傳遞功率。此外，因為要求一個輔助變壓器，所以這樣的構造不經(jīng)濟。
另一種試圖減輕部分上述缺陷的措施在授予Tiesinga等人的美國專利No.5,789,913中描述，該專利在此引作參考。在Tiesinga等人提出的構造中，數(shù)據(jù)通過變壓器傳遞。但是，按照Tiesinga等人的提出的方法傳遞信號，要求一個線性電壓調節(jié)器，使得輸出電壓不受影響。這樣的要求既不高效又不經(jīng)濟。
鑒于以上所述，就需要一種SMPS，借助于該SMPS，數(shù)據(jù)和功率可以高效地傳遞到副邊而不會干擾輸出電壓。此外，還需要這樣一種SMPS，其中接收器位于原邊，從而不再需要通過變壓器來為接收器供電。還需要這樣一種SMPS，它能提供輸出與主功率源之間的充分隔離。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的SMPS。為此，本發(fā)明提供了一種如獨立權利要求所定義的SMPS。從屬權利要求定義優(yōu)選實施方式。
通過提供一種SMPS和方法來通過變壓器傳遞數(shù)據(jù)而不影響輸出電壓，本發(fā)明克服了現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷?？傮w上講，本發(fā)明的SMPS和方法通過操作在原邊生成的脈沖來編碼數(shù)據(jù)。然后將編碼后的數(shù)據(jù)通過變壓器傳遞到副邊，其中響應原邊脈沖而生成包含該編碼后的數(shù)據(jù)的副邊脈沖。然后副邊脈沖被檢測并解碼。
因此，本發(fā)明提供了一種SMPS和方法。本發(fā)明減少了與上述現(xiàn)有系統(tǒng)有關的問題。
附圖簡述本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點將在下面結合附圖對各種實施例所做的詳細描述中更容易理解，附圖中

圖1說明根據(jù)本發(fā)明的SMPS的一種實施例，圖2說明根據(jù)本發(fā)明一種實施例，脈沖頻率隨時間變化的曲線，圖3說明根據(jù)本發(fā)明一種實施例，按照脈沖頻率/寬度編碼的數(shù)據(jù)，圖4說明根據(jù)本發(fā)明一種實施例，具有可變脈寬檢測器的SMPS，圖5說明根據(jù)本發(fā)明一種實施例，脈沖隨時間出現(xiàn)(presence)的曲線，圖6說明根據(jù)本發(fā)明一種實施例，按照脈沖出現(xiàn)編碼的數(shù)據(jù)。
應當注意，本發(fā)明的附圖不一定是按比例繪制的。附圖只是示意性的表示，而不是要描繪本發(fā)明的具體參數(shù)。附圖只是為了說明本發(fā)明的典型實施例，因此，不應當認為限制本發(fā)明的范圍。在附圖中，用相似的標號表示相似的元件。
優(yōu)選實施例詳述現(xiàn)在參考圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的SMPS50。SMPS50包括原邊52和副邊54。原邊52總體上包括主功率源56、數(shù)字化電源控制器58、接收器64、以及可選的備用電源控制器66。接收器64最好是無線接口，如IR或RF接收器。然而，應當理解，其它的數(shù)據(jù)輸入方法也可以使用。副邊54總體上包括三個線圈51、53、和55，以及二極管57A-57C，還有主負載68、微處理器70(輸出)、檢測器72、以及可以與參考電壓78相比較的反饋信號76。此外，還提供變壓器80和光耦74，從而可以在原邊52與副邊54之間傳遞信號(功率、數(shù)據(jù)、反饋等)，同時保持輸出(即主負載68和微處理器70)與主功率源56隔離。
應當理解，盡管圖示并說明了SMPS50的一種具體構造，但是也可以存在其它變化。例如，SMPS50可以包括另外的輸出，或者線圈55可以與線圈53共享。此外，應當理解，備用電源控制器66是任選的，只是為示范目的而示出。如果包括備用電源控制器66，那么它可以向接收器64提供電源。但是，當SMPS50中不包括備用電源控制器66時，控制器58將向接收器64提供電源。
根據(jù)上面解釋，接收器64要求不斷提供功率，使得信號總是可以從外部源如遙控器接收到。通過使接收器64位于原邊52，而不是副邊54，接收器可以不用通過變壓器就能被供電(即與主負載68和微處理器70隔離)，且不會干擾輸出電壓。但是，通過使接收器64位于原邊，數(shù)據(jù)就必須通過變壓器80才能傳遞到微處理器70。以上描述的SMPS50的結構允許功率和數(shù)據(jù)都高效地從原邊52傳遞到主負載68和微處理器70。具體地，當需要將數(shù)據(jù)從接收器64傳遞到微處理器70時，編碼器60將把數(shù)據(jù)編碼進在原邊生成的功率信號中，將該信號通過變壓器80傳遞到副邊54。副邊接收到該編碼的信號后，檢測器72將檢測到該信號的出現(xiàn)并將其解碼。
對數(shù)據(jù)集的編碼可以使用本領域任意已知的手段。例如，可以通過在來自主功率源56的電壓信號中操作脈沖來編碼所述數(shù)據(jù)集。具體地說，在工作中，控制器58打開和閉合開關62以生成原邊52上的脈沖。然后，編碼器60將根據(jù)一種預定“代碼”編碼所述數(shù)據(jù)集。在第一優(yōu)選實施例中，編碼器60會改變所生成的一組(或多組)脈沖的頻率/寬度，然后給每種脈沖頻率/寬度指定一個值。指定到每種脈沖頻率/寬度的該值是基于上述預定代碼的。然后，經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)將通過變壓器80傳遞到副邊54。然后，響應操作的原邊脈沖，將會生成副邊脈沖。檢測器72將會檢測該副邊脈沖并根據(jù)預定代碼解碼所述數(shù)據(jù)，以識別為每種脈沖頻率/寬度指定的值。
在本實施例中，檢測器72連接到線圈55，且最好是可變脈寬檢測器(下面將對其詳細說明)?？蛇x地，檢測器72可以是根據(jù)脈沖頻率檢測和解碼數(shù)據(jù)的頻率檢測器。應當理解，每個被操作的脈沖集最好包括多個連續(xù)的脈沖。但是，應當理解，每個集合也可以包括一個脈沖或沒有脈沖。
參考圖2，示出脈沖頻率隨時間變化的典型曲線100。具體地說，曲線102說明不連續(xù)導通模式下開關62漏極電壓與時間的關系(即原邊脈沖)。曲線104說明脈沖電壓與時間的關系(即根據(jù)原邊脈沖生成的副邊脈沖)。曲線說明105說明輸出電壓與時間的關系。如圖所示，曲線104的副邊脈沖107近似反映出曲線102的原邊脈沖103。為清楚起見，將曲線102、104和105分成組108和110。組108稱為第一較高脈沖頻率，而組110稱為第二較低脈沖頻率。
當圖1所示的開關62被控制器58打開和閉合以產(chǎn)生電壓脈沖時，編碼器60將在預定時間改變一組脈沖的頻率。例如，如圖2所示，在組110(即從時間＝0.001秒到0.00105秒)，電壓脈沖103和107的頻率相對于組108降低。如曲線104所示，在一定時間間隔內，組108大約有8個脈沖114而組110大約有4個脈沖116。因為在與脈沖114相同的時間間隔內出現(xiàn)的脈沖116較少，所以脈沖116比脈沖114寬，從而平均能量傳遞能夠維持在相同的水平。即，組110的每個脈沖116持續(xù)時間比組108的每個脈沖114長，從而兩個組108和110具有相當?shù)钠骄芰總鬏敗Ｒ虼?，當?shù)據(jù)被編碼并從原邊傳遞到副邊時，基本上沒有平均能量傳遞的增加或減少。而且，因為輸出電壓曲線105的紋波109近似反映曲線102的原邊脈沖103，可以看出，從原邊向副邊傳遞數(shù)據(jù)沒有影響輸出電壓。
從時間＝0.001秒到0.00105秒脈沖頻率的降低可以標志一個編碼數(shù)據(jù)集的起始點112。這樣，當檢測器檢測到副邊脈沖時，它將開始檢查數(shù)據(jù)，以便在時間＝0.00105秒解碼。該數(shù)據(jù)集可以以任意已知的方式編碼和解碼。例如，在起始點112之后，具有降低頻率的脈沖116中的一個脈沖可以被指定一個值1，而具有增加頻率的脈沖114中的一個脈沖可以被指定一個值0(或相反)。
圖3更詳細地表示了這一概念。具體地說，圖3示出具有根據(jù)脈沖頻率/寬度進行編碼的數(shù)據(jù)的一組脈沖120。如圖所示，在起始點112之后，脈沖122的寬度比脈沖124小。這是由以下事實所表示的，即在點126和128之間有兩個脈沖124，而在點130和132之間有3個脈沖122。由于該區(qū)別發(fā)生在相同的時間間隔內(如0.00005秒)，所以脈沖124的頻率低于脈沖122。而且，脈沖124比脈沖122寬。為了編碼/解碼數(shù)據(jù)，具有較大寬度的脈沖124可以被指定一個值，如1，而具有較小寬度的脈沖122可以被指定一個值，如0。這樣，利用如圖3所示指定給每個脈沖的數(shù)據(jù)值，該數(shù)據(jù)集包括9個位。具體地說，該數(shù)據(jù)集包括位011010001。重點請注意，指定給脈沖的精確值不是關鍵的。該系統(tǒng)和方法的更重要的特征是所述值以脈沖頻率/寬度為基礎。
如上所述，存在用于根據(jù)脈沖頻率/寬度編碼/解碼數(shù)據(jù)的各種代碼。例如，數(shù)據(jù)可以通過只把值指定給起始點112之后的特定脈沖(如每隔三個脈沖)來進行編碼/解碼。此外，起始點112可以是脈沖頻率首次發(fā)生變化的時間。這樣，數(shù)據(jù)集可以不在圖2中的組110之后開始，而可以在組110的第一個脈沖118開始。在這種情況下，第一個脈沖118既作為起始點，又作為數(shù)據(jù)集的開始。不管編碼器60采用什么代碼編碼數(shù)據(jù)集，檢測器72將使用同樣的代碼解碼數(shù)據(jù)集。
參考圖4，示出用于上述實施例的具有編碼器60和可變脈寬檢測器72的SMPS50。具體地說，編碼器60包括第一PWM(脈寬調制)控制器81和第二PWM控制器82?？偲饋碚f，PWM控制器81和82將根據(jù)預定代碼控制開關62來改變脈沖的頻率/寬度(如上所述)。但是，應當理解，編碼器60最好如圖1所示，為控制器58的一個單元。但是，為清楚起見，圖4中未示出控制器58。如上所述，經(jīng)過編碼的脈沖形式的數(shù)據(jù)將通過變壓器80從原邊52傳遞。響應該數(shù)據(jù)，在副邊54將產(chǎn)生脈沖。副邊脈沖將被檢測器72檢測到并解碼。在該實施例中，檢測器72位于第三線圈55中，并且最好是可變脈寬檢測器，通過檢測每個脈沖的寬度來檢測脈沖頻率的變化。如上所述，頻率降低的脈沖寬度較大，持續(xù)時間較長(與較高頻率脈沖相比)。因此，可變脈寬檢測器72最好包括比較器84，用于比較第一時間常數(shù)86和第二時間常數(shù)88，來確定脈沖寬度。一旦每個脈沖被比較器84確定為第一寬度或第二寬度，則可以根據(jù)預定編碼方案或代碼確定指定給每種脈沖寬度的值。
應當理解，兩個PWM控制器81和82只是為說明的目的而示出的，還存在其它實施方式。例如，可以采用一個PWM控制器，它采用時間來調制脈沖頻率。此外，應當理解，檢測器72可以是頻率檢測器，而不是脈寬檢測器。在這種情況下，經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)集將根據(jù)脈沖頻率解碼。此外，檢測器72位于第三線圈55上只是本發(fā)明的一種實現(xiàn)方式。因此，可以實現(xiàn)檢測器72的其它布置方式。
改變脈沖頻率/寬度以編碼數(shù)據(jù)的方法不僅防止了對輸出電壓調節(jié)的影響，還允許高速傳遞數(shù)據(jù)，因為該傳遞不需要等待輸出電壓恢復后再傳遞下一個數(shù)據(jù)位。具體地說，無論什么時候要傳遞數(shù)據(jù)，控制器58將計算開關62的一個新的開關頻率和脈寬。例如，在連續(xù)導通模式工作時，如果在數(shù)據(jù)被傳遞之前，電路具有開關頻率fs1和脈寬Ton1，那么新的開關頻率fs2可以按下式計算fs2＝(Ton1/Ton2)2×fs1其中Ton2是新的脈寬，它可以用圖4中的可變脈寬檢測器區(qū)別。通過采用事先計算的新的開關頻率fs2和脈寬值，在傳遞數(shù)據(jù)到副邊的同時，原邊可以發(fā)送相同的功率到輸出，從而將輸出電壓的擾動最小化。
在一種可選實施例中，脈沖可以被跳過來編碼數(shù)據(jù)。參考圖5，示出根據(jù)脈沖的出現(xiàn)編碼的數(shù)據(jù)的曲線圖200。具體地說，圖200示出三條曲線202、204、和206。曲線202和204分別表示在不連續(xù)導通模式下，開關62(見圖1)柵極和漏極電壓與時間的關系。曲線206表示根據(jù)原邊脈沖208生成的副邊脈沖210的脈沖電壓與時間的關系。如圖所示，當原邊脈沖212被跳過時，副邊脈沖214也被跳過。該跳過的脈沖可以是經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)集的起始點(正如頻率/寬度變化對于上述優(yōu)選實施例一樣)。在起始點之后，將根據(jù)脈沖的出現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行編碼。例如，在起始點之后，每次脈沖的出現(xiàn)可以被指定一個值。具體地說，如果出現(xiàn)脈沖，可以指定值1。相反，如果脈沖缺少，可以指定值0。
參考曲線204，在開關導通時間Ton，能量被存儲在變壓器80的磁化電感中(圖1)，沒有電流流過反向偏置的二極管57。開關斷開之后，存儲的能量在鐵芯復位時間Tr內被傳遞到線圈51、53、55。在Tr的最后，變壓器80中存儲的全部能量都傳遞到了主負載68和微處理器70。此外，在Tr期間，電流流過二極管57。如上所述，Tr的出現(xiàn)可以在副邊54被檢測器72檢測到，該檢測器最好是脈沖(出現(xiàn))檢測器。如曲線206所示，在Vpulse(即圖1的檢測器)出現(xiàn)一個脈沖，持續(xù)Tr長的時間。如果開關柵極驅動Vgate的一個脈沖被省略，則輸出電壓保持為零，在一個開關周期內不會有脈沖觀察到。
根據(jù)這一原理，可以通過在起始點之后每隔n-1個脈沖計一次數(shù)來對數(shù)據(jù)進行編碼/解碼。例如，在起始點之后每隔3個脈沖根據(jù)其出現(xiàn)(或缺少)可以指定一個值。該可選實施例的一個例子示于圖6。在起始點216之后，每隔3個點被指定一個值。如圖所示，脈沖218缺少，被指定值0，而脈沖220和222出現(xiàn)，各自被指定值1。類似地，在起始點230之后，脈沖232、234缺少，被指定值0，而脈沖236出現(xiàn)，被指定值1。因此，圖6所示經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)集包括兩個三位數(shù)據(jù)子集011和001。如上所述，指定到每個脈沖的值不必精確，可以變化。
從開關電源(SMPS)的原邊向副邊傳遞數(shù)據(jù)的方法可以描述如下第一步是改變原邊的脈沖寬度來編碼數(shù)據(jù)。
第二步是將編碼后的數(shù)據(jù)傳遞到副邊。
第三步是在副邊檢測編碼的數(shù)據(jù)。
第四步是將編碼的數(shù)據(jù)解碼。
因此，根據(jù)本發(fā)明的教導，數(shù)據(jù)從原邊被傳遞到副邊，而不會干擾輸出電壓。這樣就允許接收器位于原邊并不斷地接收功率，而不必向任何輸出提供功率。
以上對本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述的目的是為了說明例證。不應當認為所公開的具體形式是對本發(fā)明的窮舉或限制。顯然還可以進行許多修改和變化。這樣的修改和變化對本領域的普通技術人員來說，顯然包括在由所附權利要求定義的本發(fā)明的范圍內。
在權利要求中，位于括號內的任何符號都不應被認為是對權利要求的限制。單詞“包括”不排除還有權利要求中所列的要素之外的其它要素。在元素之前的數(shù)詞“一”不排除存在多個這樣的元素。本發(fā)明可以用包括幾個不同元件的硬件實現(xiàn)，也可以通過經(jīng)適當編程的計算機實現(xiàn)。在列舉幾個裝置的設備權利要求中，幾個這種裝置可以由一個或同樣類型的硬件實現(xiàn)。在相互不同的獨立權利要求中引述特定措施的事實并不意味著不能采用這些措施的組合來使優(yōu)點突出。
權利要求
1.一種開關電源(SMPS)(50)，具有由變壓器(80)分開的原邊(52)和副邊(54)，包括控制器(58)，調節(jié)在原邊(52)生成脈沖(103)的過程；和編碼系統(tǒng)(60)，用于通過在原邊(52)改變脈沖(103)的一個集合(110)的頻率來對數(shù)據(jù)進行編碼。
2.權利要求1所述的SMPS(50)，其中，頻率的改變導致脈沖頻率的降低和脈沖寬度的增加，從而維持平均功率輸出。
3.權利要求1所述的SMPS(50)，其中，頻率的改變導致脈沖頻率的增加和脈沖寬度的降低，從而維持平均功率輸出。
4.權利要求1所述的SMPS(50)，還包括在副邊(54)上的檢測器(72)，用于通過在副邊脈沖(107)中檢測操作來檢測編碼的數(shù)據(jù)，其中，副邊脈沖(107)是響應原邊脈沖(103)而產(chǎn)生的。
5.權利要求4所述的SMPS(50)，其中，檢測器(72)是可變脈寬檢測器，且其中檢測器(72)還對所述編碼的數(shù)據(jù)進行解碼。
6.一種開關電源(SMPS)(50)，包括原邊(52)，包括主功率源(56)、用于調節(jié)原邊(52)上脈沖(103)的產(chǎn)生并通過改變該脈沖(103)的集合(110)的寬度來編碼數(shù)據(jù)的控制器(58)；副邊(54)，用于從原邊(52)接收功率和經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)，其中，該副邊包括主負載(68)、和用于通過在響應原邊脈沖(103)而生成的副邊脈沖(107)中檢測操作來檢測經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)的檢測器(72)；以及變壓器(80)，用于將原邊(52)與副邊(54)隔離。
7.權利要求6所述的SMPS(50)，其中，寬度的改變導致脈寬的降低和脈沖頻率的增加。
8.權利要求6所述的SMPS(50)，其中，寬度的改變導致脈寬的增加和脈沖頻率的降低。
9.權利要求6所述的SMPS(50)，其中，檢測器(72)是可變脈寬檢測器，且其中檢測器(72)還通過檢測脈沖(107)寬度的變化對所述編碼的數(shù)據(jù)進行解碼。
10.一種方法，用于從開關電源(SMPS)(50)的原邊(52)向副邊(54)傳遞數(shù)據(jù)，該方法包括步驟改變原邊(52)的脈沖(103)寬度來編碼數(shù)據(jù)；將編碼后的數(shù)據(jù)傳遞到副邊(54)；在副邊(54)檢測經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)；和將編碼的數(shù)據(jù)解碼。
11.權利要求10所述的方法，其中，解碼步驟包括如下步驟檢測數(shù)據(jù)集的起始點；檢測響應原邊(52)的脈沖(103)而生成的副邊(54)的脈沖(107)寬度；和根據(jù)檢測到的寬度指定一個數(shù)據(jù)值。
全文摘要
提供了一種開關電源(SMPS)和方法。具體地說，本發(fā)明提供了一種SMPS，其中，通過在原邊(52)操作電壓脈沖而對數(shù)據(jù)進行編碼。被操作的電壓脈沖然后通過變壓器(80)被傳遞到副邊(54)。根據(jù)該原邊脈沖而產(chǎn)生的副邊脈沖被檢測器(72)檢測到并解碼。本發(fā)明允許數(shù)據(jù)從原邊傳遞到副邊，而不影響輸出電壓。
文檔編號H02M3/28GK1460319SQ02800976
公開日2003年12月3日 申請日期2002年3月19日 優(yōu)先權日2001年3月30日
發(fā)明者D·吉安諾普洛斯, 勵瓊, 李乃琦 申請人:皇家菲利浦電子有限公司