專利名稱：用于識別和/或限制開關轉(zhuǎn)換器短路狀態(tài)的方法以及開關轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于識別和/或限制開關轉(zhuǎn)換器短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的方法，其中對負載電流或與負載電流成比例的量進行測量，并將測量結(jié)果與一個預先給定的最大值進行比較，利用比較的結(jié)果來調(diào)節(jié)開關脈沖。
本發(fā)明還涉及一種用于將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓的開關轉(zhuǎn)換器，其中輸入電壓經(jīng)過至少一個由控制電路通過開關脈沖來控制的開關可接至一個電感，并且調(diào)整開關轉(zhuǎn)換器，以使得當超過預先給定的負載電流最大值時，通過負載電流供給對開關脈沖進行調(diào)節(jié)。
開關轉(zhuǎn)換器和開關電源部件有多種已知的實施方式，如流量轉(zhuǎn)換器(Flusswandler)、閉塞變流器(Sperrwandler)。通過受控開關進行控制的電感可以與輸出端進行電氣連接，但通常使用變壓器，通過受控開關在該變壓器的初級線圈中形成電流脈沖。例如，控制電路包括一個脈寬調(diào)節(jié)器，為了進行控制，例如調(diào)節(jié)到恒定輸出電壓，其脈沖占空系數(shù)通?？梢愿淖?。
開關轉(zhuǎn)換器的一個問題是輸出端存在短路或類似的過電流狀況?？梢岳脗鞲衅鱽頊y量負載電流或者與負載電流成比例的其他電學量，并且同樣利用這一測量結(jié)果通過控制電路進行調(diào)節(jié)。當出現(xiàn)短路狀態(tài)時，必須將開關脈沖的脈沖占空系數(shù)調(diào)整到很小的值，使得在輸出電流升高很小的情況下也可達到穩(wěn)定狀態(tài)，例如在通量轉(zhuǎn)換器(Durchflusswandler)的次級線圈的充磁和退磁過程中實現(xiàn)同樣的時間-電壓面積。否則如整流二極管、自振蕩二極管等部件會因過熱而發(fā)生損壞，并可能引起安全問題。因此，在短路狀態(tài)下調(diào)節(jié)控制器的輸出端恒定電壓時，即在輸出端的電壓幾乎下降為零時，嘗試將脈沖占空系數(shù)調(diào)整為滿值，以保證持續(xù)得到輸出電壓。
對于短路問題的一種已知的解決方案為次級電流調(diào)節(jié)裝置設置了一個分流器(Shunt)作為電流傳感器。但這種方法需要使用具有低偏移電壓的昂貴的運算放大器，而且在電流很高的情況下，由于分流器的損耗大，還需要使用昂貴的電流轉(zhuǎn)換器來代替分流器。為此還需設置一個額外的光電耦合器，以保證初級線路與次級線路之間的電氣隔離，特別是在輸入電壓高的情況下，需要進一步增加費用。
當然，在選擇元件時可以考慮使其在解決一般的安全問題時不會損壞，但是由于費用的原因，這是幾乎是無法實現(xiàn)的。
另一種已知的解決方案是，保持控制電路較高的電流消耗，并通過變壓器的輔助繞組來饋電。當出現(xiàn)短路情況時，控制電路的供電停止，開關脈沖中斷，直至電路再次緩慢啟動為止。然而在這種方法中，空載情況下電路的供電存在問題，只能對負載電流的平均值進行限制而不能限制負載電流的瞬時值。并且多個開關轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)開關同樣也存在問題。
另外，在存在高頻場和/或大電流干擾的情況下，將由于干擾而做出錯誤的短路狀態(tài)判斷，導致開關轉(zhuǎn)換器斷開。這是不希望出現(xiàn)的情況，因為由該開關轉(zhuǎn)換器供電的設備或組件將發(fā)生故障。
因此本發(fā)明的目的是提供一種能迅速、可靠地識別短路狀態(tài)的開關轉(zhuǎn)換器。
該任務通過一種如開始時所提到的方法來實現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，僅在開關脈沖的至少一個脈沖周期內(nèi)的至少一個時間窗內(nèi)考慮負載電流與最大值的比較結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明，時間窗可以將差錯識別放在時域中進行，根據(jù)經(jīng)驗，在時域中很少出現(xiàn)干擾，其中通過選擇時間窗的長度和位置，可以保證很高的靈活性。
使時間窗位于開關脈沖的接通持續(xù)時間(Einschaltdauer)內(nèi)的至少一個脈沖周期內(nèi)是有利的。由此可以排除每個脈沖周期內(nèi)無電流階段干擾的影響。
另一種避免干擾的方法是選擇的時間窗比接通持續(xù)時間要短，并且位于接通持續(xù)時間的開始處。
如果比較結(jié)果在多個脈沖周期上進行積分，將所得到的積分值與一個預先給定的閾值進行比較，并僅當超過閾值時才實現(xiàn)對開關脈沖的調(diào)節(jié)，這樣做顯著地提高了短路識別的可靠性。
通過在預先給定的脈沖周期個數(shù)內(nèi)抑制開關脈沖來實現(xiàn)對開關脈沖的調(diào)節(jié)，由此可以簡單地實現(xiàn)在短路情況下減小負載電流。
所提出的任務還通過上述類型的開關轉(zhuǎn)換器來解決，其中根據(jù)本發(fā)明，為了對負載電流進行評估，僅在開關脈沖的至少一個脈沖周期內(nèi)的至少一個時間窗內(nèi)設置至少一個用于確定時間窗的第一時間元件(Zeitglied)。
其中第一時間元件在開關脈沖的接通持續(xù)時間開始時被觸發(fā)，并確定一個時間窗，該時間窗比接通持續(xù)時間短或者與之相等，這樣做是具有優(yōu)點的。
在一種根據(jù)實際應用所提出的變型中，設置了一個第一比較器，用于在第一時間窗內(nèi)的每個脈沖周期中將負載電流與第一個預先給定的最大值進行比較，通過比較所得到的脈沖被送入一個積分器，在積分器后面接入一個第二比較器，用于比較積分值與第二個可設定的閾值，這一比較的結(jié)果用于調(diào)節(jié)開關脈沖。
設置一個第三時間元件，用于在預先給定數(shù)目的脈沖周期之后使積分器復位，這樣做也是具有優(yōu)點的。由此可以避免由于偶然出現(xiàn)的短路被確定而引起的錯誤觸發(fā)。
在一種有利的改進型中設置了一個第四時間元件，它確定一定數(shù)目的脈沖周期，在此期間，當發(fā)生短路或過電流時開關脈沖受到抑制。
下面借助于附圖中所表示的、作為示例的實施方式來更詳細地說明本發(fā)明的各項優(yōu)點。其中

圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術的開關轉(zhuǎn)換器的原理圖，
圖2為根據(jù)現(xiàn)有技術的控制電路的一部分，圖3為本發(fā)明所述的開關轉(zhuǎn)換器的控制電路的一部分，以及圖4為用于說明本發(fā)明所述方法的波形圖。
圖1表示了一種構成為流量轉(zhuǎn)換器形式的開關轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓UE由一個交流電壓UW，例如電網(wǎng)電壓，借助于整流器D1、D2、D3、D4進行整流，并經(jīng)過電容器C1進行平滑而得到。輸入電壓UE通過受控開關S，這里為一個場效應管，可以施加到變壓器Tr的初級繞組W1上。在次級一側(cè)，次級繞組W2上的電壓借助于二極管D5進行整流，并通過扼流圈L饋入輸出電容器C2。此外，在已知的方法中還設置了一個自振蕩二極管D6。在輸出電壓UA處接入一個待饋電的負載LAS。
開關S由控制電路AST控制，控制電路在穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)出具有確定占空系數(shù)的三角形脈沖。為了實現(xiàn)控制，輸出電壓UA或輸出電壓的一部分被饋入控制電路，電流傳感器Se，例如一個分流器，向控制電路發(fā)出一個與負載電流IA成比例的信號。通過這種方法，可以用已知的方法調(diào)節(jié)到恒定的輸出電壓或恒定的負載電流。電流傳感器Se例如可以像圖中所示那樣在變壓器Tr的初級一側(cè)實現(xiàn)，也可以附加地在次級一側(cè)作為次級電流傳感器Se’來實現(xiàn)。
圖2更詳細地表示了一種常見的用于產(chǎn)生控制脈沖的脈寬調(diào)節(jié)器。這里，振蕩器OSC向觸發(fā)器FF的輸入端發(fā)出一個頻率固定的信號。誤差放大器A的一端接入輸出電壓的實際值，另一端接入一個參考電壓V1，其中放大器AMP的輸出端通過二極管D7和電阻R1接入到比較器KOM的反向輸入端，一個與負載電流IA成比例的信號被饋入到比較器的另一個輸入端。反向輸入端通過與之并聯(lián)的電阻R2和齊納二極管DZ接地。比較器KOM的輸出端接到觸發(fā)器FF的復位輸入端。為了簡要起見，這里沒有表示出其他的細節(jié)，如本領域的技術人員所知的，調(diào)節(jié)頻率響應的部件、以及負反饋支路等。
決定開關頻率的振蕩器OSC在觸發(fā)器FF的復位輸入端施加控制脈沖，其中或者通過振蕩器的下降沿、或者結(jié)合輸出電壓UA的控制信號與負載電流IA的實際值實現(xiàn)鎖閉。其中如果控制輸入端被設置為零，也可以完全抑制多個脈沖。例如在輸出電壓UA過高的情況下，或者負載電流IA過高，此時通過齊納二極管DZ來確定閾值。
圖3表示了一個第一比較器K1，用于將一個與負載電流IA成比例的電壓E1與一個參考值或最大值V1進行比較。該值預先給定了最大負載電流。比較器K1的輸出端連接到與門&1的第一輸入端，例如圖2所示的脈寬調(diào)節(jié)器的輸出端E2以及開關脈沖通過第一時間元件MF1接至與門&1的第二輸入端。
與門的輸出端接入積分器INT，積分器的輸出端接至第二比較器K2的(非反向)輸入端，一個可設定的參考電壓V2接入到第二比較器的第二(反向)輸入端，參考電壓V2對應于一個與積分結(jié)果進行比較的閾值。為了在一定給定數(shù)目n的脈沖周期T之后使積分器INT復位，設置了一個第三時間元件MF3，它的輸入端與第二時間元件MF2的輸出端相連接，第三時間元件的輸出端接至積分器INT的復位輸入端。
第二與門&2的兩個輸入端中的一端引入第二時間元件輸出端處的脈沖，另一端與第二比較器K2的輸出端相連接，第二與門&2的輸出端通過一個第四時間元件MF4與驅(qū)動級TRE的輸入端相連接，驅(qū)動級為開關S提供控制信號SA(參見圖1)。
現(xiàn)在參照圖4來說明本發(fā)明所述方法的具體過程。最上面的波形圖a)表示了E2的變化，即表示了例如圖2所示的脈寬調(diào)節(jié)器的輸出脈沖。脈沖的持續(xù)時間以T來表示，接通的持續(xù)時間以tON來表示。下方的波形圖b)表示了參考電壓V1的值，和負載電流IA相對應的電壓E1與該值進行比較。當高于電平V1時，比較器K1在其輸出端的輸出為“高”，參見圖4中第三幅波形圖c)。在接通持續(xù)時間tON結(jié)束時，比較器K1的輸出重新跳變?yōu)?或“低”。
鍵控信號E2啟動一個不可再次觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器—時間元件MF1，它輸出一個“高”信號，該信號例如可編程為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的持續(xù)時間為t1，如圖4中的波形圖d)所示。通過時間t1定義了一個用于短路檢測的時間窗，該時間窗處于接通持續(xù)時間tON之內(nèi)，并處于接通持續(xù)時間的開始處。這樣便可以保證處于接通持續(xù)時間以外的干擾不會被作為短路狀態(tài)而進行錯誤的積分；過電流只可能在接通持續(xù)時間tON之內(nèi)出現(xiàn)。將時間窗t1移至接通持續(xù)時間的開始處有著這樣的意義比較器K1受到干擾的可能性被限制在時鐘脈沖開始時的一段很短的時間內(nèi)，這一方面提高了抗干擾性，另一方面使得在負載電壓或輸入電壓變化時，電源變壓器的動態(tài)飽和現(xiàn)象不會被當作短路而被積分。此外，這種方法還可以減少輸入電壓值對短路電流的影響。
比較器K1的輸出端和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MF1的輸出端在第一與門&1中邏輯連接，邏輯連接的結(jié)果表示在圖4中的波形圖e)中。為了提高抗干擾性，應將如圖4中所示的脈沖在一定的時間上或脈沖數(shù)目上進行積分。然而由于圖e)中脈沖的持續(xù)時間不是恒定的，仍需要在第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MF2中將它們處理為統(tǒng)一的長度或持續(xù)時間t2，如圖4中的波形圖f)所示。
根據(jù)圖f)，如果出現(xiàn)一定數(shù)目的脈沖，它們與在比較器K1處超過參考電壓V1的次數(shù)相對應，可將這些脈沖在積分器INT中做高階積分(hochintegriert)，直到它們達到預先給定的參考值V2。如果達到這一電平值，與門&2再次接通脈沖。以這種方式，多個短路識別過程的高階積分對電路進行調(diào)節(jié)。通過可再次觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MF3使積分器INT再次復位為零，其中這樣來設置一旦在可自由編程的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時間t3內(nèi)確定為未發(fā)生短路，立即使積分器INT復位。
與門&2的輸出脈沖觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或時間元件MF4，其中相應的時間t4確定脈沖周期的數(shù)目，在該時間內(nèi)，當發(fā)生短路或過電流時開關脈沖將受到抑制。因此在時間t4期間，用于受控開關S的控制脈沖，即控制信號sa，將被設置為零。
由于在初級進行了干預，本發(fā)明可以免于使用高損耗的次級分流器或昂貴的次級電流轉(zhuǎn)換器。通過采用標準的CMOS集成電路，這里所使用的邏輯門電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的費用非常低廉，并且這些部件的耗電量很小。利用時間窗并采用積分方法顯著提高了抗干擾性。也可以這樣來選擇積分器INT的積分常數(shù)在短路情況下，在一段確定的時間內(nèi)流過很高的電流，該電流可以觸發(fā)安全自動裝置等。輸入電壓對短路電流的值幾乎沒有影響，短路電流也在短路阻抗下被限制為零。這里不需要通常所使用的、對開關控制器的開關頻率直接進行干預的方法，并且只有在極度過載和短路情況下，開關電源部件的電壓-電流特征曲線才會發(fā)生變化。
特別地，圖3中所示的實施例尤其具有優(yōu)點，當然也可以根據(jù)需要對電路加以簡化。例如可以省去積分器INT以及后接的比較器K2。在理論上，無論有無積分器，均可省去時間元件MF2，而且在去掉積分器INT的情況下也要去掉與門&2。
權利要求
1.用于識別和/或限制開關轉(zhuǎn)換器的短路電流或過電流狀態(tài)的方法，其中對負載電流或一個與負載電流成比例的量進行測量，并與一個預先給定的最大值進行比較，利用比較的結(jié)果來對開關脈沖進行調(diào)節(jié)，其特征在于，僅在開關脈沖的接通持續(xù)時間內(nèi)的至少一個脈沖周期中的至少一個時間窗內(nèi)考慮負載電流與最大值的比較結(jié)果。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，時間窗處于開關脈沖的接通持續(xù)時間內(nèi)的至少一個脈沖周期內(nèi)。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所選擇的時間窗比接通持續(xù)時間要短，并且處于接通持續(xù)時間的開始處。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，比較結(jié)果在多個脈沖周期上被積分，所得到的積分值與一個預先給定的閾值進行比較，并且僅在超過該閾值的情況下才對開關脈沖進行調(diào)節(jié)。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，通過在一段預先給定數(shù)目的脈沖周期內(nèi)抑制開關脈沖來實現(xiàn)對開關脈沖的調(diào)節(jié)。
6.用于將輸入直流電壓(UE)轉(zhuǎn)換為輸出電壓(UA)的開關轉(zhuǎn)換器，其中輸入電壓經(jīng)過至少一個由控制電路(AST)通過開關脈沖進行控制的開關(S)可以接至一個電感(Tr)，并且調(diào)整開關變換器，以使得當超過預先給定的負載電流的最大值時，通過負載電流供給來調(diào)節(jié)開關脈沖。其特征在于，為了對負載電流進行評估，僅在開關脈沖的至少一個脈沖周期內(nèi)的至少一個時間窗(t1)內(nèi)設置至少一個用于確定該時間窗的第一時間元件(MF1)。
7.如權利要求6所述的開關轉(zhuǎn)換器，其特征在于，第一時間元件(MF1)在開關脈沖的接通持續(xù)時間(tON)的開始處被觸發(fā)，并確定一個時間窗(t1)，該時間窗比接通持續(xù)時間要短或者與之相等。
8.如權利要求6或7所述的開關轉(zhuǎn)換器，其特征在于，設置了一個第一比較器(K1)，用于在第一時間窗(t1)內(nèi)的每個脈沖周期中對負載電流和第一個預先給定的最大值(V1)進行比較，通過比較得到的脈沖被引入積分器(INT)，在積分器后面接入一個第二比較器(K2)，用于將積分值與一個可設定的閾值(V2)進行比較，比較的結(jié)果用于對開關脈沖進行調(diào)節(jié)。
9.如權利要求8所述的開關轉(zhuǎn)換器，其特征在于，設置了一個第三時間元件(MF3)，用于在一定可預定數(shù)目的脈沖周期之后使積分器(INT)復位。
10.如權利要求6至8中任一項所述的開關轉(zhuǎn)換器，其特征在于，設置了一個第四時間元件(MF4)，它確定一定數(shù)目的脈沖周期，在此期間，當發(fā)生短路或過電流時開關脈沖受到抑制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于識別和/或限制開關轉(zhuǎn)換器短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的方法，其中對負載電流或一個與其成比例的量進行測量，并將測量結(jié)果與一個預先給定的最大值進行比較。比較的結(jié)果用于對開關脈沖進行調(diào)節(jié)，僅在開關脈沖的至少一個周期內(nèi)的至少一個時間窗內(nèi)考慮負載電流與最大值的比較結(jié)果。
文檔編號H02M3/335GK1441992SQ01812791
公開日2003年9月10日 申請日期2001年7月5日 優(yōu)先權日2000年7月14日
發(fā)明者安卓斯·克蘭尼斯特, 哈瑞德·舒威格特 申請人:奧地利西門子股份公司