具有脈寬調制的轉換器中的相對效率測量制造技術

脈寬調制PWM電力轉換系統已改進在寬廣的操作輸入電壓及負載范圍內的效率。能夠測量模擬PWM系統的相對效率允許增強的控制，同時維持模擬控制的益處。模擬低通濾波器產生PWM脈沖列的平均值，接著借助模/數轉換器將此模擬平均值轉換成數字值并加以存儲，使得可針對操作參數的各種組合比較所述PWM電力轉換系統的相對效率。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】具有脈寬調制的轉換器中的相對效率測量相關申請案交叉參考本申請案主張斯科特·迪爾伯恩(ScottDearborn)、特里·L·克利夫蘭(TerryL.Cleveland)及克利福德·埃里森三世(CliffordEllisonIII)的在2010年12月29日提出申請的標題為“脈寬調制系統中的相對效率測量(RelativeEfficiencyMeasurementinaPulseWidthModulationSystem)”的共同擁有的第61/427,856號美國臨時專利申請案的優先權，且出于所有目的特此以引用的方式并入本文中。
本專利技術涉及脈寬調制(PWM)系統，且更特定來說，涉及測量模擬PWM系統的相對效率及使用所述所測量的效率來確定最優操作參數、系統健康及PWM系統故障的可能性。
技術介紹
正不斷地謀求改進電力/能量轉換系統的效率的方式。舉例來說，開關模式電力供應器(SMPS)應用。SMPS拓撲由于其高效率、小大小及輕重量而正獲得較廣泛接受。然而，隨著SMPS的大小減小，從其的熱耗散/移除變得更成問題。即使SMPS的典型效率可為90％，仍有SMPS所使用的10％的能量變成廢熱。另外，SMPS的高效率僅針對單負載條件優化。然而，在現實世界應用中，用電負載在廣泛范圍內變化，且在那些負載下相關聯的SMPS效率也變化。因此，除更多電力節省以外，SMPS效率的任何進一步改進還將產生甚至更小且更具成本效益的解決方案。大小、重量及電力節省具有顯著價值。另外，期望確定SMPS系統的健康，調整最大效率的操作參數且能夠預測潛在系統故障。
技術實現思路
因此，需要能夠在較小、較簡單系統解決方案中改進效率的電力/能量轉換開關模式電力供應器(SMPS)。此可通過對PWM控制信號求平均且周期性取得所述經平均PWM控制信號的樣本來確定SMPS系統的相對效率及在所有負載條件內維持SMPS系統的最大效率的最佳做法來實現。此外，通過在SMPS系統的操作期間知曉PWM控制信號平均值，可建立基準使得可確定且監視健康及潛在系統故障。根據一實施例，一種開關模式電力供應器(SMPS)可包括：至少一個功率開關，其耦合到電壓源；功率電感器，其耦合到所述至少一個功率開關；濾波器電容器，其耦合到所述功率電感器的負載側，提供所述SMPS的經調節電壓輸出；至少一個驅動器，其耦合到所述至少一個功率開關；脈寬調制(PWM)產生器，其具有耦合到且控制所述至少一個驅動器的至少一個輸出，所述PWM產生器的所述至少一個輸出提供包括多個脈沖的至少一個PWM信號；數字處理器，其具有存儲器，所述數字處理器耦合到所述PWM產生器且在所述PWM產生器的操作期間向其提供操作參數；電壓比較電路，其用于將所述經調節輸出電壓與參考電壓進行比較，其中所述電壓比較電路具有表示所述經調節輸出電壓與所述參考電壓之間的差的誤差信號輸出；比較器，其具有耦合到來自所述電壓比較電路的所述誤差信號輸出的第一輸入、耦合到斜坡信號的第二輸入及耦合到所述PWM產生器的輸入的輸出；PWM平均值濾波器，其中所述PWM平均值濾波器接收所述PWM信號且產生表示其相對效率的模擬信號；及模/數轉換器(ADC)，其具有耦合到表示所述PWM信號的所述相對效率的所述模擬信號的模擬輸入及耦合到具有存儲器的所述數字處理器的數字輸出；其中所述數字處理器通過調整所述PWM產生器的操作參數以提供產生所述SMPS的最高相對效率的所述至少一個PWM信號而優化所述SMPS的操作。根據另一實施例，最高相對效率是在表示所述相對效率的所述模擬信號處于最低值時。根據另一實施例，所述斜坡信號可表示所述功率電感器的電流值。根據另一實施例，所述斜坡信號可表示所產生的電壓斜坡。根據另一實施例，所述數字處理器可將來自所述ADC的所述數字輸出的數字效率值存儲于所述存儲器中。根據另一實施例，所述數字處理器可使用所述所存儲的數字效率值來調整所述PWM產生器的所述操作參數以提供產生所述SMPS的最優相對效率的所述PWM信號。根據另一實施例，所述PWM產生器的所述操作參數可選自由以下各項組成的群組中的任何一者或一者以上：所述至少一個功率開關的接通及關斷百分比、從所述至少一個驅動器到所述至少一個功率開關的驅動電流及每秒的PWM脈沖速率(頻率)。根據另一實施例，所述至少一個功率開關可為至少一個功率晶體管。根據另一實施例，所述至少一個功率晶體管可為至少一個功率金屬氧化物半導體(MOS)場效應晶體管(FET)。根據另一實施例，所述PWM平均值濾波器可耦合到所述至少一個驅動器以用于接收所述PWM信號。根據另一實施例，所述PWM平均值濾波器可為模擬低通濾波器。根據另一實施例，所述模擬低通濾波器可為電阻器-電容器低通濾波器。根據另一實施例，所述SMPS可進一步包括耦合到所述數字處理器的通信接口。根據另一實施例，所述數字處理器及存儲器可為微控制器。根據另一實施例，一種開關模式電力供應器(SMPS)可包括：第一功率開關，其耦合到電壓源；第二功率開關，其耦合于所述第一功率開關與電壓源回線之間；功率電感器，其耦合到所述第一功率開關及所述第二功率開關；濾波器電容器，其耦合到所述功率電感器的負載側，提供所述SMPS的經調節電壓輸出；第一驅動器，其耦合到所述第一功率開關；第二驅動器，其耦合到所述第二功率開關；脈寬調制(PWM)產生器，其具有分別耦合到且控制所述第一驅動器及所述第二驅動器的第一輸出及第二輸出，所述PWM產生器的所述第一輸出及所述第二輸出提供第一PWM信號及第二PWM信號，每一PWM信號包括多個脈沖；數字處理器，其具有存儲器，所述數字處理器耦合到所述PWM產生器且在所述PWM產生器的操作期間向其提供操作參數；電壓比較電路，其用于將所述經調節輸出電壓與參考電壓進行比較，其中所述電壓比較電路具有表示所述經調節輸出電壓與所述參考電壓之間的差的誤差信號輸出；比較器，其具有耦合到來自所述電壓比較電路的所述誤差信號輸出的第一輸入、耦合到斜坡信號的第二輸入及耦合到所述PWM產生器的輸入的輸出；第一PWM平均值濾波器，所述第一PWM平均值濾波器接收所述第一PWM信號且產生表示其相對效率的第一模擬信號；及模/數轉換器(ADC)，其具有耦合到表示所述第一PWM信號的所述相對效率的所述第一模擬信號的模擬輸入及耦合到具有存儲器的所述數字處理器的數字輸出；其中所述數字處理器通過調整所述PWM產生器的操作參數以提供產生所述SMPS的最高相對效率的所述第一PWM信號及所述第二PWM信號而優化所述SMPS的操作。根據另一實施例，當表示所述相對效率的所述模擬信號處于最低值時可達到最高相對效率。根據另一實施例，所述斜坡信號可表示所述功率電感器的電流值。根據另一實施例，所述斜坡信號可表示所產生的電壓斜坡。根據另一實施例，所述數字處理器可將來自所述ADC的所述數字輸出的數字效率值存儲于所述存儲器中。根據另一實施例，所述數字處理器可使用所述所存儲的數字效率值來調整所述PWM產生器的所述操作參數以提供產生所述SMPS的最優相對效率的所述PWM信號。根據另一實施例，所述PWM產生器的所述操作參數可選自由以下各項組成的群組中的任何一者或一者以上：所述第一功率開關的接通及關斷百分比、所述第二功率開關的接通及關斷百分比、從所述第本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.12.29 US 61/427,856;2011.12.07 US 13/313,2231.一種開關模式電力供應器SMPS，其包括：至少一個功率開關，其耦合到電壓源；功率電感器，其耦合到所述至少一個功率開關；濾波器電容器，其耦合到所述功率電感器的負載側，提供所述SMPS的經調節輸出電壓；至少一個驅動器，其耦合到所述至少一個功率開關；脈寬調制PWM產生器，其具有耦合到所述至少一個驅動器且控制所述至少一個驅動器的至少一個輸出，所述PWM產生器的所述至少一個輸出提供包括多個脈沖的至少一個PWM信號；數字處理器，其具有存儲器，所述數字處理器耦合到所述PWM產生器且在所述PWM產生器的操作期間向所述PWM產生器提供操作參數；電壓比較電路，其用于將所述經調節輸出電壓與參考電壓進行比較，其中所述電壓比較電路具有表示所述經調節輸出電壓與所述參考電壓之間的差的誤差信號輸出；比較器，其具有耦合到來自所述電壓比較電路的所述誤差信號輸出的第一輸入、耦合到斜坡信號的第二輸入以及耦合到所述PWM產生器的輸入的輸出；低通濾波器，其中所述低通濾波器接收饋送到所述至少一個功率開關的所述至少一個PWM信號且產生表示所述PWM信號的相對效率的模擬信號；以及模/數轉換器ADC，其具有耦合到表示所述PWM信號的所述相對效率的所述模擬信號的模擬輸入，以及耦合到具有存儲器的所述數字處理器的數字輸出；其中所述數字處理器通過調整所述PWM產生器的操作參數以提供產生所述SMPS的最高相對效率的所述至少一個PWM信號而優化所述SMPS的操作。2.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述最高相對效率是在表示所述相對效率的所述模擬信號處于最低值時。3.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述斜坡信號表示所述功率電感器的電流值。4.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述斜坡信號表示所產生的電壓斜坡。5.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述數字處理器將來自所述ADC的所述數字輸出的數字效率值存儲于所述存儲器中。6.根據權利要求5所述的SMPS，其中所述數字處理器使用所存儲的數字效率值來調整所述PWM產生器的所述操作參數以提供產生所述SMPS的最優相對效率的所述PWM信號。7.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述PWM產生器的所述操作參數選自由以下各項組成的群組中的任何一者或多者：所述至少一個功率開關的接通及關斷百分比、從所述至少一個驅動器到所述至少一個功率開關的驅動電流，以及每秒的PWM脈沖速率(頻率)。8.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述至少一個功率開關為至少一個功率晶體管。9.根據權利要求8所述的SMPS，其中所述至少一個功率晶體管為至少一個功率金屬氧化物半導體MOS場效應晶體管FET。10.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述低通濾波器耦合到所述至少一個驅動器以用于接收所述PWM信號。11.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述低通濾波器為電阻器-電容器低通濾波器。12.根據權利要求1所述的SMPS，其進一步包括耦合到所述數字處理器的通信接口。13.根據權利要求1所述的SMPS，其中所述數字處理器及所述存儲器為微控制器。14.一種開關模式電力供應器SMPS，其包括：第一功率開關，其耦合到電壓源；第二功率開關，其耦合于所述第一功率開關與電壓源回線之間；功率電感器，其耦合到所述第一功率開關及所述第二功率開關；濾波器電容器，其耦合到所述功率電感器的負載側，提供所述SMPS的經調節輸出電壓；第一驅動器，其耦合到所述第一功率開關；第二驅動器，其耦合到所述第二功率開關；脈寬調制PWM產生器，其具有分別耦合到所述第一驅動器及所述第二驅動器且控制所述第一驅動器及所述第二驅動器的第一輸出及第二輸出，所述PWM產生器的所述第一輸出及所述第二輸出提供第一PWM信號及第二PWM信號，每一PWM信號包括多個脈沖；數字處理器，其具有存儲器，所述數字處理器耦合到所述PWM產生器且在所述PWM產生器的操作期間向所述PWM產生器提供操作參數；電壓比較電路，其用于將所述經調節輸出電壓與參考電壓進行比較，其中所述電壓比較電路具有表示所述經調節輸出電壓與所述參考電壓之間的差的誤差信號輸出；比較器，其具有耦合到來自所述電壓比較電路的所述誤差信號輸出的第一輸入、耦合到斜坡信號的第二輸入，以及耦合到所述PWM產生器的輸入的輸出；第一低通濾波器，所述第一低通濾波器接收所述第一PWM信號且產生表示所述第一PWM信號的相對效率的第一模擬信號；以及模/數轉換器ADC，其具有耦合到表示所述第一PWM信號的所述相對效率的所述第一模擬信號的模擬輸入，以及耦合到具有存儲器的所述數字處理器的數字輸出；其中所述數字處理器通過調整所述PWM產生器的操作參數以提供產生所述SMPS的最高相對效率的所述第一PWM信號及所述第二PWM信號而優化所述SMPS的操作。15.根據權利要求14所述的SMPS，其中所述最高相對效率是在表示所述相對效率的所述模擬信號處于最低值時。16.根據權利要求14所述的SMPS，其中所述斜坡信號表示所述功率電感器的電流值。17.根據權利要求14所述的SMPS，其中所述斜坡信號表示所產生的電壓斜坡。18.根據權利要求14所述的SMPS，其中所述數字處理器將來自所述ADC的所述數字輸出的數字效率值存儲于所述存儲器中。19.根據權利要求18所述的SMPS，其中所述數字處理器使用所存儲的數字效率值來調整所述PWM產生器的所述操作參數以提供產生所述SMPS的最優相對效率的所述PWM信號。20.根據權利要求14所述的SMPS，其中所述PWM產生器的所述操作參數選自由以下各項組成的群組中的任何一者或多者：所述第一功率開關的接通及關斷百分比、所述第二功率開關的接通及關斷百分比、從所述第一驅動器到所述第一功率開關的驅動電流、從所述第二驅動器到所述第二功率開關的驅動電流、所述第一PWM信號及所述第二PWM信號的接通時間之間的關斷時間，以及每秒的PWM脈沖速率(頻率)。21.根據權利要求14所述的SMPS，其進一步包括第二低通濾波器，所述第二低通濾波器接收所述第二PWM信號且產生表示所述第二PWM信號的相對效率的第二...

【專利技術屬性】
技術研發人員：斯考特·迪爾伯恩，特麗·L·克利夫蘭，克利福·N·埃里森三世，
申請(專利權)人：密克羅奇普技術公司，
類型：
國別省市：