專利名稱：可變結(jié)構(gòu)輸出不同電壓的電源及其運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的說來涉及功率轉(zhuǎn)換，更具體地說涉及可以構(gòu)造成提供不同輸出電壓的直流電源，以及提供不同輸出電壓的直流電源的運行方法。
用戶所依賴的通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)可靠性主要歸因于系統(tǒng)運行于高可靠和有裕度的電源系統(tǒng)。用在通信中的電源系統(tǒng)通常包括直流電源，它將商用交流電流(AC)功率轉(zhuǎn)換成直流(DC)功率，供給通信系統(tǒng)使用。為了適用于許多不同國家，直流電源必須在電壓和頻率的廣泛范圍內(nèi)兼容。例如在歐洲的商用功率是220VAC,50Hz。然而，在美國的標準電壓是120VAC,60HZ。此外，節(jié)電可以明顯地降低線路電壓，相反地，特別在晚上，照明負荷可能使線路電壓上升。相應地，通常把電源設(shè)計成為運行在頻率在47到65HZ之間，電壓在80VAC到高至265VAC(通常稱為“通用輸入”)的范圍內(nèi)。
直流電源將這一交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，供給特殊通信系統(tǒng)中的通信設(shè)備用。直流電源一般包括電磁干擾(EMI)濾波器，功率因數(shù)校正電路和DC/DC變換器。采用EMI濾波器保證符合EMI標準，功率因數(shù)校正電路將商用交流功率轉(zhuǎn)換為直流電壓，例如400VDC電壓，然后，DC/DC轉(zhuǎn)換器將高直流電壓降為通信設(shè)備內(nèi)部插件板電源(BMP)所需要的低電壓。
通信設(shè)備通常運行在兩種電壓之一+24VDC和-48VDC。例如無繩設(shè)備通常需要+24VDC，然而，中央辦公設(shè)備通常需要-48VDC。因此，通信電源設(shè)計為運行在+24VDC或者-48VDC。
為了保持通信系統(tǒng)的高可用性，電源用在有裕度結(jié)構(gòu)的電源系統(tǒng)中。即使在一個直流電源失效時，也要保證通信系統(tǒng)不間斷運行。必須馬上替換失效的電源，以保證有裕度和避免進一步發(fā)生服務中斷。然而，提供服務者必須有電源的備品可以立即替換系統(tǒng)。因為通信設(shè)備要求不同電壓，提供服務者必須保存兩種類型的電源。從多種理由考慮，僅保存一種類型的電源是比較好的。
相應地，在本領(lǐng)域中需要能夠提供有多種輸出電壓(即+24VD或-48VDC)的直流電源，正如它所供電的系統(tǒng)所需要的。
提供可變結(jié)構(gòu)輸出的一種方法是具有多個輸出整流電路。輸出整流電路可以串聯(lián)或者并聯(lián)結(jié)構(gòu)來提供必要的輸出電壓。
多個輸出整流電路可以從單一的、公共變壓器引出功率，并且把功率送到公共負荷。然而，每一個輸出整流電路的輸出電流可能由于元件的容限而變化。雖然每一個整流電路的輸出功率相同，輸出電壓和電流也可能變化。諸如過電壓和欠電壓關(guān)斷和輸出電流限制的保護功能必然根據(jù)每一個輸出流出的電流而定標，如果可以保證均分電流，就可以只在一個輸出進行電流測量。在這些條件下，不需要對每一個整流電路分別檢驗保護功能。
方便地均分電流的一個方法是使輸出整流電路的元件匹配，保證電流平均地分配。然而，元件的匹配增加了直流電源制造的總時間和費用。保證電流均分的另一種方法是對每一個輸出整流電路分別提供串聯(lián)變壓器。使分別的變壓器的一次繞組串聯(lián)，就可以強迫同一電流流過每一個變壓器，從而流過每一個對應的輸出整流電路。
一旦保證了電流均分(通過上述的任何一種方法)，可以直接地控制一個輸出整流電路中的電流，間接地控制了其他輸出整流電路的電流。
在保證電路均分和正確控制以后，下一步必須控制輸出電壓。然而，由于直流電源能夠有選擇地提供多種輸出電壓，必須研究適應于多種輸出電壓的電壓控制技術(shù)。
為了強調(diào)適應性電壓控制技術(shù)的需要，用在一種直流電源中，這種電源具有第一和第二輸出整流電路以可變結(jié)構(gòu)連接，在直流電源的一個輸出上輸出兩個電壓，本發(fā)明提供一種適應性電壓控制器和適應性控制輸出電壓的方法。在一個實施例中，適應性電壓控制器包括(1)結(jié)構(gòu)確定電路，連接到輸出上，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號，其是第一和第二輸出整流電路的結(jié)構(gòu)的函數(shù)；(2)電壓反饋電路，連接到結(jié)構(gòu)確定電路上，在結(jié)構(gòu)信號的基礎(chǔ)上產(chǎn)生電壓反饋信號；(3)電壓控制電路，連接到電壓反饋電路上，接受電壓反饋信號，并按其功能來控制直流電源的輸出電壓。
因此，本發(fā)明介紹了一種在電壓控制器中用適應性電壓反饋信號去提供不同輸出電壓的廣泛概念。這樣便允許用單一電壓控制器去調(diào)節(jié)可變結(jié)構(gòu)的直流電源的輸出電壓。在以下說明和描述雙電壓直流電源的同時，本發(fā)明的范圍并不受限制。本發(fā)明一般提供一種適應性電壓控制技術(shù)，它能夠在采用本發(fā)明的電源輸出上提供兩種或者更多種不同電壓。
以上較為廣泛地概述了本發(fā)明的特點，所以，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解以下對本發(fā)明的詳細敘述。以下將描述本發(fā)明的其他特點，它們形成本發(fā)明權(quán)利要求的主題。對于熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員應該高興的是他們可以方便地使用該公開的概念和特殊實施例，作為設(shè)計或者修正其他結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，來實現(xiàn)本發(fā)明的相同目的，熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員也應該理解，那些設(shè)備結(jié)構(gòu)在最廣泛的形式上并不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
為了更充分地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照附圖進行以下敘述。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明原則構(gòu)成的直流電源的一個實施例；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明原則構(gòu)成的直流電源的另一個實施例；先參考圖1，所示為根據(jù)本發(fā)明原則構(gòu)成的直流電源100的一個實施例。直流電源100包括第一和第二隔離變壓器110,120(每個具有一次和二次繞組)，分別連接到第一和第二輸出整流電路130和140上。在所示的實施例中，第一和第二變壓器110,120具有相同的匝比。第一和第二變壓器110,120為串聯(lián)，因此，在第一和第二輸出整流電路130和140之間平均地分配直流電源100的輸出電流。但是，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該理解，也可以采用單個變壓器。直流電源100進一步包括適應性電壓控制器150，用于控制直流電源100的輸出。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一和第二輸出整流電路130,140各包括一個整流二極管和一個濾波電容。在最佳實施例中，第一和第二輸出整流電路130和140各包括一對整流二極管，一個輸出電感和一個濾波電容。第一和第二輸出整流電路130,140以可選擇的串聯(lián)或者并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，在直流電源100的輸出處提供雙電壓。在所示的實施例中，雙電壓為+24VDC和-48VDC。當然，直流電源100也可以構(gòu)造成提供其他電壓或者多于兩種電壓。第一和第二輸出整流電路130和140如下連接。在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，第一和第二端1,2分別連接到第三和第四端3,4上。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，第二和第三端2,3連接在一起，跨過第一和第四端1,4上提供輸出電壓。
電壓控制器150包括結(jié)構(gòu)確定電路160，連接到直流電源100的輸出上，它產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號167，作為構(gòu)造第一和第二輸出整流電路130和140的功能。在本發(fā)明的這一實施例中，結(jié)構(gòu)確定電路160包括一個比較器165和它的相關(guān)元件(例如電阻R4,R5，參考電壓源Vref)。電壓控制器150進一步包括電壓反饋電路170，連接到結(jié)構(gòu)確定電路160上，它在結(jié)構(gòu)信號167的基礎(chǔ)上產(chǎn)生電壓反饋信號175和177。在本實施例中，電壓反饋電路170包括兩個電路，每一個具有由第一，第二和第三電阻R1,R2,R3形成的電阻階梯，連接到電阻旁路開關(guān)Q1上。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該理解，在另一個實施例中，電壓反饋電路170可以包括一個或者更多的電路，產(chǎn)生一個或者更多的電壓反饋信號。兩個電路的電壓反饋信號175和177分別代表在直流電源100的輸出和在負荷(未示出)上測定的輸出電壓。電壓反饋信號175和177可以根據(jù)直流電源100的需要交替運行。電壓控制器150還進一步包括電壓控制電路180，連接到電壓反饋電路170上。在本實施例中，電壓控制電路180包括一組比較電路185和187，它接受電壓反饋信號175和177。當然，采用任何數(shù)量的比較電路均是在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。電壓控制電路180利用電壓反饋信號175和177，按其函數(shù)控制直流電源100的輸出電壓。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉閉環(huán)反饋電路，因此將不詳細敘述電壓控制電路180的運行。此外，電壓控制電路180可以利用電壓反饋信號175和177來啟動欠電壓和過電壓停機。
因此本發(fā)明介紹了一種適應性電壓反饋信號175和177的廣泛概念，在電壓控制器150中實現(xiàn)不同的輸出電壓。它允許用單一電壓控制器150控制雙電壓直流電源的任何一個輸出電壓。雖然電源100是雙電壓電源，但是，本發(fā)明的范圍并不局限于此。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員已經(jīng)熟悉了常規(guī)直流電源的運行，它的運行在此不詳細敘述。電壓控制器150的運行如下。結(jié)構(gòu)確定電路160測定輸出整流電路130和140之一個的輸出端的輸出電壓。在所述的實施例中，結(jié)構(gòu)確定電路160測定第二端2的輸出電壓。第二端2的輸出電壓或者是+24VDC，或者是地電位，指示第一和第二輸出整流電路130,140的結(jié)構(gòu)。例如，如果第一和第二輸出整流電路130,140為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，提供-48VDC，第二和第三端2,3將連接在一起。因此，第二端2的輸出電壓將為+24VDC。然而，如果第一和第二輸出整流電路130,140為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提供+24VDC，第二端2的輸出電壓將為地電位(0VDC)。因此，結(jié)構(gòu)確定電路160的比較器165從第二端2的輸出電壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號167。
在本發(fā)明所示的實施例中，結(jié)構(gòu)信號167采用作為結(jié)構(gòu)的函數(shù)的離散值(即邏輯零或者邏輯1)。換一種方式，結(jié)構(gòu)信號167也可以是連續(xù)變量或者是其他函數(shù)關(guān)系。本發(fā)明不限制結(jié)構(gòu)信號167為特定的形式。
結(jié)構(gòu)信號167是被電壓反饋電路170用于產(chǎn)生電壓反饋信號175,177。在所示的實施例中，電阻階梯的電阻是結(jié)構(gòu)信號167的函數(shù)。結(jié)構(gòu)信號167啟動或者禁止電阻旁路開關(guān)Q1，改變電阻階梯的總電阻，從而產(chǎn)生電壓反饋信號175,177。
電壓控制電路180的比較電路185,187然后將電壓反饋信號175,177與參考電壓比較，以控制輸出電壓。此外，比較電路185,187可以啟動電源100的欠電壓和過電壓停止機。本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉建立在反饋和產(chǎn)生誤差信號基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)控制技術(shù)。
現(xiàn)在參照圖2，所示為根據(jù)本發(fā)明原則構(gòu)造的直流電源200的另一個實施例。直流電源200包括第一和第二隔離變壓器210,220，分別連接到第一和第二輸出整流電路230和240上。在所示的實施例中，第一整流電路230的第一輸出提供在第一和第二端1,2上。第二整流電路240的第二輸出提供在第三和第四端3,4上。直流電源200進一步包括適應性電壓控制器250，用于控制直流電源200的輸出。
第一和第二輸出整流電路230,240各包括第一和第二整流二極管，輸出電感和濾波電容。換一種方式，第一和第二輸出整流電路230和240可以各包括整流二極管和濾波電容。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該認識到輸出電感和第二整流二極管不是第一和第二輸出整流電路230,240的集成部分。第一輸出整流電路230進一步包括第一輸出二極管235。第二輸出整流電路240進一步包括第二輸出二極管245。當然，第一和第二輸出整流電路230,240以可選擇的串聯(lián)或者并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接。
電壓控制器250包括結(jié)構(gòu)確定電路260，連接到直流電源200的輸出上，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號267，作為第一和第二輸出整流電路230和240結(jié)構(gòu)的函數(shù)。電壓控制器250進一步包括電壓反饋電路270，連接到結(jié)構(gòu)確定電路260上，在結(jié)構(gòu)信號的基礎(chǔ)上產(chǎn)生輸出電壓反饋信號275和277。
電壓控制器250進一步包括電壓控制電路280，連接到電壓反饋電路270上。在本實施例中，電壓控制電路280包括一組比較電路285,287，它們接受電壓反饋信號275,277，并且作為其函數(shù)控制直流電源200的輸出。在所示的實施例中，電源控制電路280是常規(guī)的閉環(huán)反饋電路，本領(lǐng)域的技術(shù)人員是熟悉的。比較電路285,287然后將電壓反饋信號275,277與參考電壓比較，從而產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動信號，去控制直流電源200的功率級中的開關(guān)。
電壓控制器250進一步包括二極管旁路電路290，連接到第二輸出二極管245上，它接受來自結(jié)構(gòu)確定電路260的結(jié)構(gòu)信號，按照它的功能將輸出二極管旁路。在所示的實施例中，二極管旁路電路290包括一個繼電器。當然，可以采用任何類型的旁路電路。
直流電源200的運行和圖1所示直流電源100的運行基本相似，將不作詳細的敘述。在所示的實施例中，第二和第三端2,3連接在一起，第一和第二整流電路230,240以串聯(lián)構(gòu)造提供-48VDC。因此，連接到第二端2的結(jié)構(gòu)確定電路260測出+24VDC。可選擇地，第一和第二輸出整流電路230,240可以并聯(lián)構(gòu)造，提供+24VDC。這時，結(jié)構(gòu)確定電路260就測到0VDC(地電位)。
當?shù)谝缓偷诙敵稣麟娐?30,240為并聯(lián)結(jié)構(gòu)時，第一和第二二極管235,245分別保護第一和第二輸出整流電路230,240。然而，當?shù)谝缓偷诙敵稣麟娐?30,240為串聯(lián)結(jié)構(gòu)時，第二輸出二極管245是不需要的。因此，二極管旁路電路290根據(jù)結(jié)構(gòu)信號的功能，旁路第二輸出二極管245。通過旁路第二二極管245，去除了內(nèi)部的無效連接。當然，可以根據(jù)輸出整流電路的數(shù)量改變二極管旁路電路的數(shù)量。
在所示的實施例中，第一和第二輸出整流電路230,240為串聯(lián)。由結(jié)構(gòu)確定電路260測到的+24VDC可以用來驅(qū)動二極管旁路電路290，將第二輸出二極管245旁路。換一種方式，第一和第二輸出整流電路230,240為并聯(lián)。由結(jié)構(gòu)確定電路260測到0VDC(地電位)，可以用來關(guān)斷二極管旁路電路290，將第二輸出二極管245留在電路里。
雖然詳細地敘述了本發(fā)明，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應該理解到它們可以作各種變化，替換和改變，在它的最廣泛的形式上都不離開本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種適應性電壓控制器，用于一種直流電源，該直流電源具有第一和第二輸出整流電路，以可變結(jié)構(gòu)連接，在所述直流電源的一個輸出上提供雙電壓，所述適應性電壓控制器包括結(jié)構(gòu)確定電路，連接到所述輸出上，它產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號，該結(jié)構(gòu)信號是所述第一和第二輸出整流電路結(jié)構(gòu)的函數(shù)；電壓反饋電路，連接到所述結(jié)構(gòu)確定電路，它在所述結(jié)構(gòu)信號的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生電壓反饋信號；電壓控制電路，連接到所述電壓反饋電路，它接受所述電壓反饋信號并控制作為其函數(shù)的直流電源的輸出電壓。
2．權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述第一和第二輸出整流電路可以按可選擇的并聯(lián)或者串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，以提供所述雙電壓。
3．權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)確定電路測定所述第一和第二輸出整流電路之一個的輸出端的輸出電壓。
4．權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)信號采取作為所述結(jié)構(gòu)的函數(shù)的離散值。
5．權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述電壓反饋電路包括具有電阻的電阻階梯，該電阻是所述結(jié)構(gòu)信號的函數(shù)。
6．權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述電壓控制電路包括比較電路，它將電壓反饋信號和所述輸出電壓比較，以控制所述輸出電壓。
7．權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所述第一和第二輸出整流電路之一包括輸出二極管，所述控制器進一步包括二極管旁路電路，連接到所述輸出二極管上，它接受來自所述結(jié)構(gòu)確定電路的所述結(jié)構(gòu)信號，并且作為其函數(shù)旁路所述輸出二極管。
8．一種控制直流電源的方法，所述直流電源具有第一和第二輸出整流電路，可以按可變結(jié)構(gòu)連接，在所述直流電源的一個輸出端上提供雙電壓，該控制該直流電源的方法包括以下步驟產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)信號，該結(jié)構(gòu)信號是所述第一和第二輸出整流電路結(jié)構(gòu)的函數(shù)；在所述結(jié)構(gòu)信號的基礎(chǔ)上產(chǎn)生電壓反饋信號；和作為其函數(shù)控制所述直流電源的輸出電壓。
9．權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述第一和第二輸出整流電路可以按可變的并聯(lián)或者串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，以提供所述雙電壓。
10．權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號的步驟包括測定所述第一和第二輸出整流電路之一的輸出端的輸出電壓的步驟。
11．權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述結(jié)構(gòu)信號采用作為所述結(jié)構(gòu)的函數(shù)的離散值。
12．權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的產(chǎn)生電壓反饋信號的步驟包括修正電阻階梯的電阻值的步驟。
13．權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述控制步驟包括將所述電壓反饋信號與所述輸出電壓比較，以控制所述輸出電壓的步驟。
14．權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述第一和第二輸出整流電路包括輸出二極管，所述方法進一步包括按照所述結(jié)構(gòu)信號的作用旁路所述輸出二極管的步驟。
15．一種直流電源，包括第一和第二輸出整流電路，所述第一和第二輸出整流電路的輸出可以可按變的并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，提供較低電壓的功率，并且可以按串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接，提供較高電壓的功率；電壓控制器，在所選擇的較低或者較高電壓之一上控制所述直流電源，所述電壓控制器包括結(jié)構(gòu)確定電路，連接到所述輸出，它測定第一和第二輸出整流電路之一的輸出端的輸出電壓，并且產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號，該結(jié)構(gòu)信號是所述第一和第二輸出整流電路的結(jié)構(gòu)的函數(shù)；電壓反饋電路，連接到所述結(jié)構(gòu)確定電路，它在所述結(jié)構(gòu)信號的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生電壓反饋信號；電壓控制電路，連接到所述電壓反饋電路，它接受所述電壓反饋信號并按其功能控制直流電源的輸出電壓。
16．權(quán)利要求15所述的直流電源，進一步包括分開的第一和第二變壓器，分別連接到所述第一和第二輸出整流電路上，所述第一和第二變壓器在所述第一和第二輸出整流電路之間均分所述直流電源的輸出電流。
17．權(quán)利要求15所述的直流電源，其特征在于所述結(jié)構(gòu)信號采用作為所述結(jié)構(gòu)的函數(shù)的離散值。
18．權(quán)利要求15所述的直流電源，其特征在于所述電壓反饋電路包括具有電阻的電阻階梯，其是所述結(jié)構(gòu)信號的函數(shù)。
19．權(quán)利要求15所述的直流電源，其特征在于所述電壓控制電路包括比較電路，它比較所述電壓反饋信號和所述輸出電壓，以控制所述輸出電壓。
20．權(quán)利要求15所述的直流電源，其特征在于所述第一和第二輸出整流電路之一包括輸出二極管，所述控制器進一步包括二極管旁路電路，連接到所述輸出二極管，它接受來自所述結(jié)構(gòu)確定電路的所述結(jié)構(gòu)信號，并按其功能旁路所述輸出二極管。
全文摘要
一種適應性電壓控制器和適應性控制輸出電壓的方法,用于一種直流電源,它具有第一和第二輸出整流電路,可按變化結(jié)構(gòu)連接,在直流電源的一個輸出上提供雙電壓。該適應性控制器包括:結(jié)構(gòu)確定電路,連接到所述輸出,它產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號,該結(jié)構(gòu)信號是第一和第二輸出整流電路的結(jié)構(gòu)的函數(shù);電壓反饋電路,連接到所述結(jié)構(gòu)確定電路;電壓控制電路,連接到所述電壓反饋電路。
文檔編號G05F1/10GK1207605SQ9811605
公開日1999年2月10日 申請日期1998年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月15日
發(fā)明者維克托·K·李, 劉銳(音譯) 申請人:朗迅科技公司