CN104104245A - 基于与负载的通信具有可选操作的电源 - Google Patents

基于与负载的通信具有可选操作的电源 Download PDF

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Abstract

一种电源包括：信号通知电路，耦接到用于与负载进行双向通信的输出端子。控制器能够进行双向通信，并基于所述通信在电源的不同操作模式中进行选择。所述模式可以包括：适用于例如电池充电和功率LED灯的应用的恒流模式，以及适用于例如供电电路的多种传统用途的恒压模式。信号通知电路可以包括与负载串联的电源开关晶体管，以二进制形式形成脉冲以便向负载发送通信。与电源开关晶体管并联的信号形成电阻器产生由控制器监控的信号通知电压以便从负载接收通信。

Description

基于与负载的通信具有可选操作的电源
技术领域
本发明涉及开关电源领域，具体地，涉及一种能够针对不同应用以多种不同方式配置的可配置开关电源。
发明内容
首先，所公开的电源包括：电源电路，配置并操作为通过导电端子对向分离负载提供DC功率，所述电源电路包括通过端子之一与负载串联的电源开关晶体管，当电源向负载传送电力时电源开关晶体管是导通的。与电源开关晶体管并联的信号形成电阻器为负载传导的信号通知电流提供路径，当电源开关晶体管截止时产生对应信号通知电压。控制器操作为通过所述导电端子对传导与负载的双向通信，响应于所述通信产生负载相关电源配置参数值。所述双向通信包括(i)在发送模式下，向电源开关晶体管提供二进制脉冲控制信号以便向负载传达输出消息，作为导电端子对两端的不同信号通知电压值序列；以及(ii)在接收模式下，保持电源开关晶体管截止，监控信号通知电压以便响应于由负载的信号通知动作产生的对应信号通知电流值，从负载接收输入的消息，作为由信号形成电阻器产生的不同电压值序列。
可以将通信用于多种用途中的任何一种，包括例如能够使负载控制电源的配置。这种功能能够令电源以所需特定负载形式使用。
另一方面，所公开的电源包括：电源电路，配置并操作为通过导电端子对向分离负载提供DC功率，所述负载是请求第一电力传送模式的第一类型，或请求不同的第二电力传送模式的第二类型。通信信号通知电路通过导电端子对耦接到负载，以便在电源和负载之间进行双向通信，其中双向通信包括：(i)发送消息，作为由负载检测的信号通知电压的二进制脉冲序列；以及(ii)通过检测由负载传导的信号通知电流的二进制脉冲序列来接收消息。控制器配置并操作为通过通信信号通知电路和导电端子对与负载进行双向通信，响应于所述双向通信，(1)从至少包括第一电力传送模式和第二电力传送模式在内的两个或更多电源电力传送模式的集合中进行选择，当负载通信为第一类型时选择第一电力传送模式，当负载通信为第二类型时选择第二电力传送模式；以及(2)配置电源以便以所选电力传送模式进行操作。
第一和第二电力传送模式可以分别是恒流和恒压模式，其中基于指示所述负载为对应类型的负载通信来选择恒流模式。在一个示例中，负载包括由使用恒流操作模式的电源进行充电的电池。通信信号通知电路可以实现为多种方式，包括与负载串联的电源开关晶体管的切换。当检测到过大的负载电流时，控制器可以通过有选择地截止晶体管来实现保护。
附图说明
如参考附图所示，根据对本发明的特定实施例的以下描述，将更清楚上述和其它目标、特征和优点，贯穿不同视图，相同附图标记表示相同部件。
图1是电学***的框图；
图2是电源的示意图；
图3是电源的部分框图的部分示意图；
图4是状态图；
图5是在充电期间电压和电流的波形图。
具体实施方式
电源具有以下特征：与负载通信，基于与负载的通信调整自己操作(例如，输出电压和电流)。针对具有恒流负载的应用，例如，对电池充电或对发光二极管(LED)灯供电，来定制电源。
图1示出了***环境。电源10从AC或DC源(例如，干线电源、高功率***电平供给等)接收电能。电源10通过连接(connection)14连接到负载12。电源10通过连接14向负载12提供DC功率，如下文所述，连接14还用于在电源10和负载12之间进行双向通信。在一个实施例中，电源10能够以不同模式操作，还能够响应于从负载12接收的通信选择给定操作模式。该功能能够使电源10具有更通用的设计，可以用于多种应用。当在给定应用中使用时，电源10通过连接14(从例如负载12的负载或能够在所需通信中使用的一些其它设备)接收通信，引起电源10内的控制电路将电源10配置为以对应特定应用方式进行操作。下文描述示例。
在一个实施例中，电源10和负载12在不同物理附件(enclosure)中，连接14实现为具有特定机械和电子特性的连接器。具体地，在一个应用中，负载12是移动电机械设备(例如，用可充电电池操作的机器人器械)，能够在不使用所述器械时，与执行任务相独立地进行漫游，然后与电源10进行对接(docked)以便对其电池重新充电。在一个配置中，连接14形成为位于电源10和机器人器械外侧面的导电触点。当对接机器人器械时，触点可以彼此物理接触和电学接触，接着通过触点传送充电电流和通信信号。
现简略描述电源的操作。操作包括两个具体方面，即通信和配置功能以及保护功能。
负载12与电源10进行通信，以使负载12有效控制电源10的充电模式电压和电流。初始时，负载12展现远大于通常在正常操作期间所展现阻抗的阻抗(例如，大于充电应用中电池的相对较低阻抗)。电源10检测到这种非零、高阻抗负载并进入通信模式。在通信模式期间，电源10监控VX点相对于次级侧地(secondary side ground)的电压。负载12通过断开和接通内部通信电阻器以表示逻辑0和1值，来向电源10发送消息。电源10将这些脉冲序列解译为消息。类似地，电源10通过接通和断开内部开关向负载12异步发送消息，提供与逻辑0和1值相对应的脉冲。负载12将这些脉冲序列解译为消息。下文提供示例电路和其它细节。
一旦通信完成，电源10使用所接收的消息的内容来相应地配置自身。下文描述了具体示例，其中电源10能够进行恒流操作或恒压操作。恒压操作是许多应用的典型，其中以预定恒定输出电压和通过负载引出通常可变电流的形式提供输出电力。相反，恒流操作以通常可变电压提供预定电流。恒流操作在特定应用中是有用的，该特定应用包括对电池充电和向LED灯供电。因此，上述电池充电应用(电池供电的机器人设备)中，在完成通信之后，电源10进入恒流充电模式。
操作的另一方面是保护，可以包括内部和外部两个方面。内部方面在于通过检测特定故障条件和相应地进行响应(例如，断开开关Q1以中断电流)，保护例如开关Q1的内部组件不受损坏。在缺少适合保护的情况下有可能发生危险的外部电弧，保护电路还可以解决这方面问题。下文给出与保护有关的其它细节。
图2是电源10的电学示意图。它包括具有DC隔离的初级侧和次级侧的电源变压器20。初级侧包括初级电源级和控制器22，接收***电平的输入电压(AC或DC)，并在变压器20中产生AC。次级侧包括整流二极管24、滤波器电容Cx和滤波变压器26，DC输出电流通过示出为“+”或“-”的端子经过滤波变压器26流向分离负载。误差放大器和参考电路28通过例如光隔离器的隔离设备30，产生从次级侧向初级电源级和控制器22发送的反馈信号。
次级侧包含其他电路，包括功率场效应晶体管(FET)形式的保护开关Q1、与负载串联的电流感测电阻器Rsns和多用途电阻器Rchk。次级侧控制器32执行多种控制功能，包括对开关Q1的控制操作和通过误差放大器和参考电路28对初级侧的修改操作。控制器32接收来自感测电阻器Rsns的信号Iout作为输出电流电平的指示。该控制器32还接收输出电压Vout(+)和Vx(-)。
图3是略微更高电平的电源10’的示意图，同样具有附加次级侧电路。例如初级电源级、变压器、滤波器电容器等基础电源电路由标为电源40的组件表示。将控制器32和输出处的电路(例如，开关Q1以及晶体管Rchk和Rsns)示出为分离组件。如图所示，该输出部分还包括第二电路，由开关Q2和Q3、二极管D1及包括限制电阻器Rlim的电阻器构成。对电源10的操作的以上描述同样可用于电源10’。
电源10’具有模拟限幅函数(analog trim function)(通过外部连接TRIM来控制)，通过施加限幅电压来将电源输出电压设置在特定范围内。通过对由控制器32产生的数字PWM信号进行滤波来确定该限幅电压。控制器32还监控通过各模数转换(ADC)输入的Vout、Vx和Isns，使用Q1_ON和Q2_ON来控制Q1和Q2.
关于限幅函数，执行固件的控制器32可以通过计算Vout和Vx之间的差值并调整PWM的占空周期，来控制电源的输出电压，以便将该差值驱动到所需值。这是恒压模式的操作。备选地，控制器固件可以通过监控Isns信号(与输出电流成比例)并调整PWM信号来控制输出电流，使得电源产生输出电压，该输出电压导致通过Rsns的所需输出电流。这是恒流模式的操作。控制器固件可以基于所需算法决定以该方式控制电流还是电压。例如，这些算法可以用于针对多种电池化学作用确定不同充电条件。算法还可以实现为控制LED灯串形式的负载的电流和电压。控制器32可以基于这些算法决定何时导通/截止Q1和/或Q2。
在施加负载之前，Q1和Q2截止，输出电压升至高开路值。当施加负载时，通过Rchk限制涌出电流(outrush current)，其中可以调整Rchk大小来限制输出端子两端的电弧。在一个实施例中，Rchk具有3.9K欧姆的值。应理解，在具有适合值的情况下，Rchk可以起到两个不同作用，即当初始施加负载12时，限制涌出电流，以及响应于切换负载的信号形成适合电平的电压Vx以便能够使控制器32从负载12接收通信。
当Q1导通且Rsns两端的电压非常低时，指示高负载，可能由于控制器32内ADC对Isns信号的不足分辨率而无法确定负载的存在。在这种情况下，控制器32可以导通Q2且截止Q1。如果存在较轻负载，则电流流过D1和Q2，可以在Vx节点监控这些器件两端的电压降。如果完全移除负载，则由于没有电流来偏置D1和Q2而导致Vx降至接近零。如果检测到这种情况，则控制器32可以接着截止Q2和Q1，准备建立后续的非电弧连接。控制器32同样可以将该条件用作等待外部通信的信号。
当Q1导通时，控制器可以实现保护以防止短路。应注意，重要的是区分短路的故障情况和向严重放电的电池提供充电电流的正常情况。可以通过监控输出电压Vx来进行这种区分。只要输出电压Vx在特定阈值之下，可以推断操作是正常的。一旦Vx升到高于阈值，则可以推断发生了短路。在不同实施例中可以改变阈值；在一个实例中，阈值为2.5V。此外，需要在首次检测到上述阈值Vx之后包括短暂的等待时间段，接着进行第二次采样。如果Vx依然过高，则可以宣布是短路故障情况，反之则不是。这样，可以容忍输出电流非常短的瞬时峰值，这种非常短的瞬时峰值不会引起故障。
下文图4和表1提供了控制器32的控制操作的具体示例。图4将操作状态或模式示出为空闲50、恒流52、恒压54、确定负载56和通信58。表1总结了每个状态下的状态转换和操作条件。针对提供12V的正常输出电压Vout和40W的功率额定值的实施例，表格呈现了多种操作参数的值。本领域技术人员应清楚如何基于电源10和负载12的其他特点来调整这些参数。
表1
空闲的转换输出在表1中示出为进入默认模式。在图4的示例中，默认操作模式是恒流模式52。在其它实施例中，可以使用其他默认操作模式。
图4中，将从模式52或54到确定负载56的转换示出为“负载断开”，表1中用术语“最小滞留(minimum dwell)”来表示。可以根据负载电流的相应低值推断出断开；下文给出特定示例。“最小滞留”表示在进入对输出电流采样之前的状态之后允许流逝的预定时间段(例如，1.5秒)。当重新建立负载电流并推断出断开是意外或瞬时时，可能发生其他方向的转换(从确定负载56到其他模式52或54)。到通信58的转换时基于在特定预定周期(例如，2秒)内小于100mA的负载电流。当负载电流降至0.5mA时，发生从通信返回到空闲的转换。当在没有从负载接收任何通信的前提下经过了超时(例如，5秒)时，发生从通信到默认模式(在这种情况下为恒流)的转换。
表2示出了根据一个实施例的多种操作参数的值。这些操作参数的值可适于上述12V、40W的电源。
表2
如上所述，电源10基于通过输出端子接收的通信进行自我配置的能力能够使电源10具有更通用的设计，可以用于多种应用。当用于给定应用中时，电源10通过连接14(从例如负载12的负载或能够在所需通信中使用的一些其他设备)接收通信，引起电源10内的控制电路配置电源10以便以对应专门应用方式进行操作。即使如特定应用所需，将电源实现为完全密封方式，例如，实现为封装，这种类型的操作仍然可以使用。无需设置机械开关或跳线(jumper)来实现所需配置。电源10可以在数量上叠加(stocked)，针对给定应用，制造商或分销商可以启用编程设备以便通过输出端子连接到电源，向电源发送特定应用的通信以便能够使其进行自我配置。
图5示出了所公开通信技术的用途。在该示例中，信号充电操作包括四个连续模式的操作，示出为A、B、C和D。负载12传达专门针对其电池化学作用和容量的特定充电需求，电源10相应地针对多种充电模式设置参数。在该示例中，模式A提供第一恒流值，直到输出电压到达所限定的电压电平。模式B中，提供不同恒流值直到输出到达所限定的第二电压电平。模式C是恒压模式，提供恒压电平直到输出电流逐渐减少为所限定值，模式D是最后恒压电平。可以传输充电参数以便包括部分或所有这些模式，也可以在模式D中，接通电源开关(Q1)以移除充电电压。根据通过通信的配置，电源10可以针对相当多的不同电池化学作用来调节充电曲线。
尽管具体示出并描述了本发明的多种实施例，然而本领域技术人员应理解，可以在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，在其中进行多种形式和细节上的改变。

Claims (16)

1.一种电源，包括：
电源电路，配置并操作为通过导电端子对向分离的负载提供DC功率，所述电源电路包括通过端子之一与负载串联的电源开关晶体管，当电源向负载传送电力时所述电源开关晶体管是导通的；
信号形成电阻器，与电源开关晶体管并联，为负载传导的信号通知电流提供路径，当电源开关晶体管截止时产生对应的信号通知电压；以及
控制器，配置并操作为通过所述导电端子对与负载进行双向通信，响应于所述通信产生电源的负载相关配置参数值，所述双向通信包括(i)在发送模式下，向电源开关晶体管提供二进制脉冲控制信号，以便以导电端子对两端的不同信号通知电压值序列的形式向负载传达输出消息；以及(ii)在接收模式下，保持电源开关晶体管截止，监控信号通知电压，以便响应于由负载的信号通知动作产生的对应信号通知电流值，以信号形成电阻器产生的不同电压值序列的形式从负载接收输入消息。
2.根据权利要求1所述的电源，其中所述负载是多种类型的负载之一，针对所述多种类型的负载需要电源的对应不同操作模式，其中负载相关配置参数反映了基于与负载的通信在不同电源操作模式中的选择，其中与负载的通信表明负载是给定类型的。
3.根据权利要求2所述的电源，其中所述不同操作模式包括恒压模式和恒流模式，恒压模式在一定范围的输出电流值上保持预定的恒定输出电压值，恒流模式在一定范围的输出电压值上保持预定的恒定输出电流值。
4.根据权利要求1所述的电源，其中，
所述电源电路包括初级侧电源开关电路，所述初级侧电源开关电路根据通过DC隔离设备从控制器接收的控制信号以可变的占空周期进行操作，占空周期的变化引起电源的输出电压和/或输出电流的对应变化；
所述控制器是次级侧控制器，具有DC耦接到所述次级侧控制器的输出电压作为感测电压，并执行恒压操作，在恒压操作中控制器以保持由感测电压表示的输出电压为恒定值的方式来产生控制信号；并且
响应于与负载的通信产生的负载相关配置参数值确定由控制器保持的输出电压的恒定值。
5.根据权利要求1所述的电源，其中，
所述电源电路包括初级侧电源开关电路，所述初级侧电源开关电路根据通过DC隔离设备从控制器接收的控制信号以可变的占空周期进行操作，占空周期的变化引起电源的输出电压和/或输出电流的对应变化；
所述控制器是次级侧控制器，具有DC耦接到所述次级侧控制器的电流感测信号，所述电流感测信号是从流经电源开关晶体管的电源的输出电流直接形成的，控制器执行恒流操作，在恒流操作中控制器以保持由电流感测信号表示的输出电流为恒定值的方式来产生控制信号；并且
响应于与负载的通信产生的负载相关配置参数值确定由控制器保持的输出电流的恒定值。
6.根据权利要求5所述的电源，其中所述控制器配置并操作为当电源开关晶体管导通时以足够高的电流感测信号值感测负载的存在，所述电源电路还包括次级开关电路，能够向足够轻的负载提供电流并产生高于在第一开关晶体管导通时产生的电压值的输出电压值，所述控制器配置并操作为使电源开关晶体管截止并接通次级开关电路以便监控轻负载条件下足够高的输出电压值作为负载的存在。
7.根据权利要求1所述的电源，其中当连接负载时，所述电源具有最大输出电压，其中信号形成电阻器具有将涌出电流限制为实质上小于电源可提供的最大电流的电阻值。
8.根据权利要求1所述的电源，其中所述控制器还配置并操作为通过以下方式提供保护以免输出端子短路：(a)当向负载供电时，监控大于与最大容许输出电流相对应的阈值的输出电压值，以及(b)一旦检测到输出电压值超过所述阈值，则截止电源开关晶体管以防止输出电流流动。
9.一种电源，包括：
电源电路，配置并操作为通过导电端子对向分离的负载提供DC功率，所述负载是需要第一电力传送模式的第一类型或需要不同的第二电力传送模式的第二类型；
通信信号通知电路，通过导电端子对耦接到负载，以便在电源和负载之间进行双向通信，其中所述双向通信包括：(i)以负载检测的信号通知电压的二进制脉冲序列的形式发送消息；以及(ii)通过检测由负载传导的信号通知电流的二进制脉冲序列来接收消息；以及
控制器，配置并操作为通过通信信号通知电路和导电端子对与负载进行双向通信，响应于所述双向通信，(1)从电源的两个或更多电力传送模式的集合中进行选择，所述两个或更多电力传送模式包括至少第一电力传送模式和第二电力传送模式，在内当负载以通信方式告知其为第一类型负载时选择第一电力传送模式，当负载以通信方式告知其为第二类型负载时选择第二电力传送模式；以及(2)配置电源以便以所选电力传送模式进行操作。
10.根据权利要求9所述的电源，其中所述第一和第二电力传送模式分别是恒流模式和恒压模式，恒流模式在一定范围的输出电压值上提供恒定输出电流值，恒压模式在一定范围的输出电流值上提供恒定输出电压值，其中所述第一类型包括需要以恒流模式操作电源的可充电电池类型。
11.根据权利要求9所述的电源，其中，
所述负载在正常操作时间段内有规律地断开电源和重连电源；并且
控制器还配置并操作为根据包括空闲状态、电力传送状态、负载确定状态和通信状态在内的操作状态序列来工作，控制器基于检测到与负载的连接和断开以及在通信状态下与负载的通信，在操作状态之间进行转换。
12.根据权利要求9所述的电源，其中，
电源电路包括通过端子之一与负载串联的电源开关晶体管，当电源向负载传送电力时所述电源开关晶体管导通；
通信信号通知电路包括与电源开关晶体管并联的信号形成电阻器，所述信号形成电阻器为负载传导的信号通知电流提供路径，并当电源开关晶体管截止时产生对应的信号通知电压；并且
所述控制器通过以下方式与负载进行双向通信：(i)在发送模式下，向电源开关晶体管提供二进制脉冲控制信号，以便以导电端子对两端的不同信号通知电压值序列的形式向负载传达输出消息；以及(ii)在接收模式下，保持电源开关晶体管截止，并监控信号通知电压，以便响应于负载的信号通知动作产生的对应信号通知电流值，以信号形成电阻器产生的不同电压值序列的形式从负载接收输入消息。
13.根据权利要求12所述的电源，其中所述控制器还配置并操作为通过以下方式提供保护以免输出端子短路：(a)当向负载供电时，监控大于与最大容许输出电流相对应的阈值的输出电压值，以及(b)一旦检测到输出电压值超过所述阈值，则使电源开关晶体管截止以防止输出电流流动。
14.根据权利要求9所述的电源，其中，
所述负载的第一类型是需要电源根据多步充电周期进行充电的电池类型；
第一电力传送模式在充电周期的各步中使用的电力传送模式序列中的第一个；
来自负载的通信针对电力传送模式序列中的一个或多个指定了充电参数；
控制器还配置并操作为根据电力传送模式序列来操作电源以便针对负载实现多步充电周期。
15.根据权利要求14所述的电源，其中所述电力传送模式序列包括至少一个恒压电力传送模式跟随至少一个恒流电力传送模式。
16.根据权利要求15所述的电源，其中在最终恒压电力传送模式期间，断开电源开关。
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