具有受控通電和斷電順序的電源結構的製作方法
2023-05-13 21:14:11
專利名稱：具有受控通電和斷電順序的電源結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源裝置，具體來說，涉及開關電源裝置，該裝置用於將輸入電壓變換為第一輸出電壓和第二輸出電壓，並且用於提供預定的通電和/或斷電順序，其中，按照指定順序，使第一輸出電壓和第二輸出電壓投入和/或退出運行，該電源裝置包括具有輸入端和輸出端的第一變換器單元，其輸入端用於接收輸入電壓，其輸出端用於提供第一輸出電壓。本發明還涉及將這種電源裝置投入運行的方法。本發明還涉及將這種電源裝置退出運行的方法。
電源，如開關電源，被廣泛用於電子設備領域中，如計算和電信設備、視頻設備和顯示器等。在多數情況下，電源裝置產生多路輸出電壓，用於給多個電子電路或設備提供獨立的供電電壓，和/或給單個電子電路或設備提供多路供電電壓。考慮到可靠性或其它原因，需要一個預定的順序，用於在通電期間施加這些電壓和/或在斷電期間切除這些電壓。例如，在具有顯示器如液晶顯示器或等離子顯示板的電子設備中可能出現這樣的順序。在用於其它電子設備的電源裝置中，也需要受控的通電和斷電順序。
WO 98/38727披露了一種具有開關的開關電源，該開關用於將開關電源輸出電壓中的一個輸出電壓連接到負載。該開關電源還具有用於控制開關裝置的邏輯電路。在正常運行期間，該開關裝置閉合，以便給負載施加各個輸出端提供的輸出電壓。在通電和斷電期間，可以將該開關裝置斷開，用於立刻將各個輸出電壓從負載斷開。當其它輸出電壓或者多路其它輸出電壓保持與負載連接時，在斷電期間，通過該開關裝置被斷開的個別輸出電壓被立即切除，同時，由於存儲在開關電源二次電路電容器中的電荷，其它輸出電壓表現出緩慢下降。
一個缺點在於，電源的啟動和斷電順序很大程度上取決於負載的特性。在負載顯示出明顯的容性的情況下，根據電容量值的大小以及負載從該電容中吸收的電流的大小，由該電源提供的各個輸出電壓的下降可能大不一樣。另一個缺點在於，需要將被切換的輸出電壓連接到負載的電源開關，該開關增加了該電源的製造以及元件成本。為了達到最佳的電源效率並且保持對輸出電壓的最佳調節，需要減小該開關的導通電阻，以避免電壓降。此外，需要複雜的檢測電路如欠壓檢測，用於控制該開關，使得該開關電源更複雜。另一個缺點在於，雖然通過該開關將輸出電壓中的一個電壓從負載斷開，但在打開該開關之後，在構成一部分負載的一個或多個電容中，可能繼續存在一定電壓。這個剩餘電壓會導致安全或可靠性問題，這是由於，儘管由該開關將輸出電壓中的一個或多個輸出電壓從負載斷開，但由於儲存的該電容或多個電容中的電荷，電壓繼續存在於電路中。
為了努力至少部分地克服上述缺點，已知一種具有多個並聯變換器單元的開關電源結構。將每個變換器單元的輸入端連接到輸入電壓端子，而每個變換器單元在輸出電壓端向負載設備至少提供一個輸出電壓。為了控制這個開關電源的啟動和斷電順序，提供用於按照預定順序啟動和/或釋放(deactivate)每個變換器單元的順序邏輯。此外，可以提供用於在釋放相關變換器單元之後，至少對一個輸出電壓端進行放電的放電電路。可以由順序邏輯對該放電電路進行控制。一個缺點在於這種電源結構的成本很高，這是由於需要分開的變換器單元，在某個時刻按照通電和/或斷電順序啟動和/或釋放每個供電電壓或一組供電電壓。由於變換器單元的數量多，這種開關電源的尺寸很大，舉例來說，這表示這種開關電源需要很大的印刷電路板面積。另一個缺點在於這種電源的電磁兼容性能差。由於需要將每個變換器單元與輸入電壓連接，因此對幹擾如輸入電壓尖峰的敏感性很高，需要能夠滿足電磁兼容需要和調節的附加措施。此外，如果需要對開關電源裝置的輸入電壓和輸出電壓進行隔離，則每個變換器裝置都需要電氣隔離，並且順序邏輯也需要電氣隔離。由於對所有的變換器單元以及順序邏輯進行隔離，電源的成本將進一步增加。另一個缺點在於，由於多處電氣隔離，漏電流將很大。另一個缺點在於，由於可能需要相對較大的、能夠在短時間內釋放大量電能的器件，因此放電電路可能具有很大的尺寸。
在本文獻中，所有電壓都應該理解為絕對值，即，電壓可以是正的以及負的，並且也應該在絕對值意義上分別理解電壓的增減。
在本文獻的範圍以內，通電和上電說法以及斷電和掉電的說法具有相同的含義，因此，這些說法可以相互交換。
本發明的一個目的是消除或者至少是緩解與現有技術有關的問題。本發明的另一個目的是簡化具有受控通電和/或斷電順序的電源的結構。本發明的另一個目的是按照受控的方式，施加和/或撤出由電源提供的多路電壓。
為了達到這些以及其它目的，按照本發明的電源裝置的特徵在於它包括一個第二變換器單元，第二變換器單元具有耦合到第一變換器輸出端的輸入端以及用於提供第二輸出電壓的輸出端。由於第二變換器單元的輸入端連接到第一變換器的輸出端，因此，只有當第一變換器單元的輸出電壓達到某個值時，第二變換器單元才開始工作。由於由第一變換器單元給第二變換器單元提供電能，因此，在第一變換器已經啟動之前，第二變換器不可能啟動。此外，斷電順序具有定義清楚的變化過程。例如，當切除輸入電壓時，首先通過對連接到其輸入端的任何電容進行放電，第一變換器單元將繼續工作。此時，由於儲存在連接到第一變換器單元的輸出端的電容中的電能，第一變換器的輸出電壓將繼續存在一段時間。由於在第一變換器單元的輸出端存在電壓，因此第二變換器單元將繼續運行。在這個過程中，第二變換器單元將從連接到第一變換器輸出端的電容或多個電容中吸收電流。這使得電容放電到較低的電壓水平。在某個時刻，電壓水平將降低到這樣的程度，以至第二變換器將停止工作。從這個時刻開始，第二輸出電壓也將表現出衰減。因此，在通電期間，按照本發明的電源將首先表現出第一輸出電壓升高，只有在達到某個預定值之後，第二輸出電壓才開始增加。由於在第一輸出電壓已經被放電到預定值之前，第二變換器單元將繼續工作，因此在斷電期間還要保證一個順序。按照本發明的電源結構的另一個優點在於，在需要電流隔離的情況下，只有第一變換器單元需要這樣的隔離。由於第二變換器單元的輸入端連接到第一變換器單元的輸出端，因此它也應該是被隔離的。此外，該電源結構將很容易滿足電磁兼容性和漏電流的要求，由於只將第一變換器單元連接到輸入電壓，從而導致輸入電壓端與輸出電壓端之間的良好隔離。
有利地，該電源裝置包括給第一變換器單元提供第一控制信號的控制裝置，用於使第一變換器單元能夠在輸出電壓低於第一輸出電壓的情況下工作。通過使第一變換器單元能夠在輸出電壓較低的情況下工作，可以進一步改進通電和斷電性能。在某段時間當中，通過使第一變換器單元在預定的較低輸出電壓下運行，第一輸出電壓維持在低而安全的水平。這個電壓水平應該足以啟動第二變換器單元。這使得能夠，例如，建立一個連續啟動輸出電壓的順序，其中，第一變換器單元在預定的較低輸出電壓下開始運行，然後第二變換器單元開始工作並且由此開始提供第二輸出電壓，隨後第一變換器單元達到正常運行條件，從而導致充分運行的第一輸出電壓。在斷電期間，同樣的順序可以按照相反的次序進行。
有利地，給該電源裝置具有連接到控制裝置的、用於對控制裝置進行控制的第二控制信號輸入端，其中，由連接到該電源裝置的或者至少連接到變換器單元輸出端中的一個輸出端的負載設備有利地產生第二控制信號。通過連接到控制信號輸入端的控制信號對控制裝置進行控制，可以很容易地對啟動性能進行控制。當由負載設備產生第二控制信號時，該負載設備可以給電源裝置提供反饋，因此可以由負載設備對通電和/或斷電過程的順序和/或時序進行控制。這使得負載設備能夠指示什麼時候它準備好接收某個供電電壓，或者什麼時候它準備好將某個供電電壓從預定的較低值提高到正常運行值。通過將第二控制信號連接到變換器單元輸出端中的至少一個輸出端，可以用變換器單元輸出端的電壓值控制通電和/或斷電順序。
有利地，該電源至少包括具有連接到第一變換器單元輸出端的輸入端和用於提供第三輸出電壓的輸出端的第三變換器單元。如果至少需要第三輸出電壓，則電源裝置可以包括至少一個附加的、具有連接到第一變換器輸出端的輸入端的第三變換器單元。由此可以建立具有預定通電和/或斷電順序的多路輸出電壓。由於只將第一變換器單元連接輸入電壓，並且由於第三或者更多的變換器單元的輸入端被連接到第一變換器單元的輸出端，按照與第二變換器單元相似的方式將附加變換器單元或多個附加變換器單元連接到第一變換器單元，因此本發明的所有優點仍然適用。
有利地，由控制裝置提供第三控制信號，用於對第二和/或第三變換器單元中的至少一個單元進行控制。利用通過第三控制信號對第二和第三變換器單元中的至少一個單元進行控制，可以為第二和第三變換器單元建立通電和/或斷電順序。
本發明還涉及將這種電源裝置投入運行方法，其特徵在於將第一變換器單元投入運行的步驟，以及在第一變換器單元的輸出達到預定輸出電壓之後，將第二變換器單元投入運行的步驟。
有利地，該方法還包括將第一變換器單元輸出端的電壓值增加到運行值的步驟。有利地，響應由連接到電源裝置的負載設備產生的控制信號，將第一變換器輸出端的電壓增加到運行值。
本發明還涉及將這種電源裝置退出運行的方法，並且特徵在於將第一變換器單元退出運行的步驟，通過提供從第一變換器單元輸出端到第二變換器單元輸入端的電流，將第一變換器單元的輸出端放電到或者低於預定電壓的步驟，以及當第一變換器單元至少被部分放電時，使第二變換器單元退出運行的步驟。
有利地，該方法還包括通過第二變換器單元的輸入電壓和/或通過連接到第一變換器單元輸出端的負載設備，使第一變換器單元的輸出端進一步放電的步驟。
由此，按照本發明的電源設備用簡單的手段將第二變換器單元的輸入端連接到第一變換器單元輸出端的方法，得到受控的並且可靠的通電和/或斷電順序。
根據說明本發明的非限制性實施例的附圖，其它特徵和優點將變得清楚，其中
圖1示出了按照本發明的開關電源實施例的電路框圖；圖2示出了按照圖1的開關電源的通電和斷電順序的簡化時序圖。
在這些附圖中，相同的參考數字指示相似或相同的項目。
圖1中的開關電源裝置包括第一變換器單元1，用於將施加在輸入端2的輸入電壓變換為在輸出端3提供的輸出電壓。第一變換器單元1的輸出端3被連接到負載設備18並且向負載設備18的第一輸入端4提供第一供電電壓。該電源裝置還包括具有輸入端6的第二變換器單元5，輸入端6被連接到第一變換器單元1的輸出端3。第二變換器單元5的輸出端7被連接到負載設備18的第二輸入端8，並且向負載設備18提供第二供電電壓。該電源裝置還包括具有輸入端10和輸出端11的第三變換器單元9，輸入端10被連接到第一變換器單元1的輸出端3，輸出端11被連接到負載設備18的第三輸入端12，用於向負載設備18提供第三供電電壓。然而，該電源裝置包括一個控制裝置，即控制設備13。控制設備13通過第一控制信號14控制第一變換器單元1。負載設備18產生的第二控制信號15以及基於第一變換器單元1的輸出電壓的第三控制信號19對控制設備13進行控制。控制設備13通過第四控制信號16控制第三變換器單元9。
利用第一變換器單元中的隔離，在電氣上將負載設備18與輸入電壓2隔離，用虛線17表示這種隔離。由於將電氣隔離放在第一變換器單元1中，因此，在第二變換器單元5和第三變換器單元9中不再需要電氣隔離。
圖2示出了該裝置的各個端子的電壓U對時間t的特性。在t1所示時刻，給輸入電壓端2加上輸入電壓。因此，第一變換器單元1輸出電壓端3的輸出電壓開始上升。在t2所示時刻，輸出電壓端3的輸出電壓已經達到足以使第二變換器單元5啟動的值，導致其輸出電壓端7的輸出電壓上升。第一變換器單元1的輸出電壓將達到預定值並且停留在該值。在t3所示時刻，利用第二控制信號15的變化，負載設備18將指示準備在第一輸入端4接收在輸出端3的第一輸出電壓的滿運行值，並且在第三輸入端12接收來自輸出端11的、第三變換器單元9的輸出電壓。隨後，響應控制信號15的改變，控制設備13通過第一控制信號14使得第一變換器單元1能夠在輸出端3的輸出電壓的正常運行值運行，因此，這個電壓將上升到其運行值，並且控制設備13同時使第三變換器單元9開始啟動，因此第三變換器單元9的輸出端11的輸出電壓將上升。
因此，完成通電順序，其中，首先啟動第一變換器單元1，並且達到安全的低輸出電壓，啟動第二變換器單元5，然後在使第一變換器單元1能夠在其正常運行值運行的同時，啟動第三變換器單元9。
當切斷電源時，例如在t4時刻斷開加在輸入電壓端2的輸入電壓，第一變換器單元1輸出端3的輸出電壓首先開始下降。在輸入電壓端2的電容已經被部分放電以後，第一變換器單元1輸出端3的輸出電壓下降在時刻t5開始啟動。由於第一變換器單元1輸出端3的輸出電壓仍然足以給第二變換器單元5和第三變換器單元9供電，因此在輸出端7和11的其它輸出電壓維持現狀。在時刻t6，負載設備18通過第二控制信號15通知控制單元13，輸出端3的輸出電壓已經降低到這樣的程度，即可以或者需要切斷變換器的其它輸出電壓。因此，控制單元13通過第三控制信號16使第三變換器單元9停止工作，使得第三變換器單元的輸出端11的輸出電壓下降。由於用於其運行需要的電能，第二變換器單元5仍然運行，並且由此使連接到第一變換器單元輸出端3的電容進一步放電。或許，儲存在連接到輸入電壓端2的電容中的電荷可以使第一變換器單元1在預定的低輸出電壓下運行有限的時間，直到該電容已經被放電到第一變換器單元將停止工作的程度為止。在t7時刻，輸出端3的輸出電壓已經下降到該電壓不足以使第二變換器單元5繼續工作的程度，使得第二變換器單元5停止工作，導致第二變換器單元5的輸出端7的輸出電壓下降。
因此，斷電順序已經被建立，由此，第一變換器單元1的輸出端3的輸出電壓首先減小，通過第二變換器單元5並且部分通過第三變換器單元9使連接到輸出端3的電容放電，導致輸出端3的輸出電壓快速衰減，此後，先是輸出端11的輸出電壓開始下降，然後是輸出端7的輸出電壓開始下降。
由此，按照本發明的電源提供了適當規定的通電和/或斷電順序，並且在斷電期間，在不需要提供單獨的放電器件的情況下，它可以對任何連接到第一輸出端3的電容進行放電。
儘管在本文獻中僅對使用開關電源的本發明的申請進行了說明，但是本發明當然也可以被應用於其它類型的電源，如諧振電源。此外，每個第一、第二和第三變換器單元當然可以提供用於給負載提供多路供電電壓的多路輸出電壓。此外，負載或者負載設備可以不僅包括單個電氣或電子電路，或者單個電氣或電子設備，而且包括多個電氣或電子電路，或者多個電氣或電子設備。
應該注意，上述的實施例是對本發明的說明而不是限制，並且在不脫離所附權利要求的範圍的情況下，本領域的技術人員將能夠設計許多其它的實施例。在權利要求中，不應該將括號中的參考符號理解為對權利要求的限制。詞「包括」不排除存在沒有列在權利要求中的那些要素或步驟。在要素之前的詞「一個」不排除存在多個這樣的要素。本發明可以通過包括若干不同元件的硬體來實施，也可以通過被適當編程的計算機來實施。在設備權利要求列舉的幾個裝置中，這些裝置中的幾個裝置可以通過一個並且是相同的硬體項目來體現。在相互不同的相關權利要求中陳述的某些措施的僅有事實不表示不能有利地利用這些措施的組合。
權利要求
1.一種電源裝置，用於將輸入電壓變換為第一輸出電壓和第二輸出電壓，並且用於提供預定的通電和/或斷電順序，其中，按照特定的順序，使第一輸出電壓和第二輸出電壓投入運行和/或退出運行，該電源裝置包括具有輸入端和輸出端的第一變換器單元，其輸入端用於接收輸入電壓，輸出端用於提供第一輸出電壓，其特徵在於該電源裝置還包括具有輸入端和輸出端的第二變換器單元，其輸入端連接到第一變換器單元輸出端，輸出端用於提供第二輸出電壓。
2.如權利要求1所述的電源裝置，特徵在於給第一變換器單元提供第一控制信號的控制裝置，使第一變換器單元能夠在低於第一輸出電壓的輸出電壓下運行。
3.如權利要求2所述的電源裝置，特徵在於由連接到電源裝置的負載設備給控制裝置提供的第二控制信號。
4.如權利要求3所述的電源裝置，特徵在於第二控制信號確定第一輸出電壓什麼時候應該投入運行和/或退出運行。
5.如權利要求1所述的電源裝置，特徵在於至少一個具有輸入端和輸出端的第三變換器單元，其輸入端連接到第一變換器單元輸出端，輸出端用於提供至少第三輸出電壓。
6.如權利要求5所述的電源裝置，特徵在於由控制裝置提供的、至少用於控制第二和第三變換器單元中的一個的第三控制信號。
7.如權利要求6所述的電源裝置，特徵在於第三控制信號確定第二和第三輸出電壓中的一個輸出電壓什麼時候應該投入和/或退出運行。
8.一種將如權利要求1所述的電源裝置投入運行的方法，該方法的特徵在於如下步驟將第一變換器單元投入運行；以及在第一變換器單元輸出端達到預定輸出電壓以後，將第二變換器單元投入運行。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於如下步驟將第一變換器單元輸出端的電壓值增加到運行值。
10.如權利要求9所述的方法，其中，響應由連接到電源裝置的負載設備產生的控制信號，將第一變換器單元輸出端的電壓增加到運行值。
11.一種將如權利要求1所述的電源裝置退出運行的方法，該方法的特徵在於如下步驟使第一變換器單元退出運行；通過提供從第一變換器單元的輸出端到第二變換器單元的輸入端的電流，將第一變換器單元輸出端的電壓放電到預定電壓或者放電到低於預定電壓；以及當第一變換器單元的輸出端至少被部分放電時，使第二變換器單元退出運行。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於如下步驟通過第二變換器單元的輸入端和/或通過連接到第一變換器單元的輸出端的負載設備使第一變換器單元的輸出端進一步放電。
全文摘要
一種電源裝置將輸入電壓(2)變換為第一(3)和第二輸出電壓(7)。將第一(3)和第二輸出電壓(7)順序地投入和/或退出運行。該電源裝置包括將輸入電壓(2)變換為第一輸出電壓(3)的第一變換器單元(1)和用於提供第二輸出電壓(7)的第二變換器單元(5)。第二變換器單元的輸入端(6)被連接到第一變換器單元的輸出端(3)。在第一變換器單元(1)已經啟動之後，第二變換器單元(5)才可以啟動並且提供輸出電壓。在斷電期間，建立一個順序，其中，在連接到第一變換器單元輸出端的所有電容已經被放電之前，第二變換器單元維持運行。
文檔編號H02M1/00GK1513224SQ02811058
公開日2004年7月14日 申請日期2002年6月3日 優先權日2001年6月5日
發明者H·C·米爾曼斯, H C 米爾曼斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司