CN1513224A - 具有受控通电和断电顺序的电源结构 - Google Patents

Abstract

一种电源装置将输入电压(2)变换为第一(3)和第二输出电压(7)。将第一(3)和第二输出电压(7)顺序地投入和/或退出运行。该电源装置包括将输入电压(2)变换为第一输出电压(3)的第一变换器单元(1)和用于提供第二输出电压(7)的第二变换器单元(5)。第二变换器单元的输入端(6)被连接到第一变换器单元的输出端(3)。在第一变换器单元(1)已经启动之后，第二变换器单元(5)才可以启动并且提供输出电压。在断电期间，建立一个顺序，其中，在连接到第一变换器单元输出端的所有电容已经被放电之前，第二变换器单元维持运行。

Description

具有受控通电和断电顺序的电源结构

本发明涉及一种电源装置，具体来说，涉及开关电源装置，该装置用于将输入电压变换为第一输出电压和第二输出电压，并且用于提供预定的通电和/或断电顺序，其中，按照指定顺序，使第一输出电压和第二输出电压投入和/或退出运行，该电源装置包括具有输入端和输出端的第一变换器单元，其输入端用于接收输入电压，其输出端用于提供第一输出电压。本发明还涉及将这种电源装置投入运行的方法。本发明还涉及将这种电源装置退出运行的方法。

电源，如开关电源，被广泛用于电子设备领域中，如计算和电信设备、视频设备和显示器等。在多数情况下，电源装置产生多路输出电压，用于给多个电子电路或设备提供独立的供电电压，和/或给单个电子电路或设备提供多路供电电压。考虑到可靠性或其它原因，需要一个预定的顺序，用于在通电期间施加这些电压和/或在断电期间切除这些电压。例如，在具有显示器如液晶显示器或等离子显示板的电子设备中可能出现这样的顺序。在用于其它电子设备的电源装置中，也需要受控的通电和断电顺序。

WO 98/38727披露了一种具有开关的开关电源，该开关用于将开关电源输出电压中的一个输出电压连接到负载。该开关电源还具有用于控制开关装置的逻辑电路。在正常运行期间，该开关装置闭合，以便给负载施加各个输出端提供的输出电压。在通电和断电期间，可以将该开关装置断开，用于立刻将各个输出电压从负载断开。当其它输出电压或者多路其它输出电压保持与负载连接时，在断电期间，通过该开关装置被断开的个别输出电压被立即切除，同时，由于存储在开关电源二次电路电容器中的电荷，其它输出电压表现出缓慢下降。

一个缺点在于，电源的启动和断电顺序很大程度上取决于负载的特性。在负载显示出明显的容性的情况下，根据电容量值的大小以及负载从该电容中吸收的电流的大小，由该电源提供的各个输出电压的下降可能大不一样。另一个缺点在于，需要将被切换的输出电压连接到负载的电源开关，该开关增加了该电源的制造以及元件成本。为了达到最佳的电源效率并且保持对输出电压的最佳调节，需要减小该开关的导通电阻，以避免电压降。此外，需要复杂的检测电路如欠压检测，用于控制该开关，使得该开关电源更复杂。另一个缺点在于，虽然通过该开关将输出电压中的一个电压从负载断开，但在打开该开关之后，在构成一部分负载的一个或多个电容中，可能继续存在一定电压。这个剩余电压会导致安全或可靠性问题，这是由于，尽管由该开关将输出电压中的一个或多个输出电压从负载断开，但由于储存的该电容或多个电容中的电荷，电压继续存在于电路中。

为了努力至少部分地克服上述缺点，已知一种具有多个并联变换器单元的开关电源结构。将每个变换器单元的输入端连接到输入电压端子，而每个变换器单元在输出电压端向负载设备至少提供一个输出电压。为了控制这个开关电源的启动和断电顺序，提供用于按照预定顺序启动和/或释放(deactivate)每个变换器单元的顺序逻辑。此外，可以提供用于在释放相关变换器单元之后，至少对一个输出电压端进行放电的放电电路。可以由顺序逻辑对该放电电路进行控制。一个缺点在于这种电源结构的成本很高，这是由于需要分开的变换器单元，在某个时刻按照通电和/或断电顺序启动和/或释放每个供电电压或一组供电电压。由于变换器单元的数量多，这种开关电源的尺寸很大，举例来说，这表示这种开关电源需要很大的印刷电路板面积。另一个缺点在于这种电源的电磁兼容性能差。由于需要将每个变换器单元与输入电压连接，因此对干扰如输入电压尖峰的敏感性很高，需要能够满足电磁兼容需要和调节的附加措施。此外，如果需要对开关电源装置的输入电压和输出电压进行隔离，则每个变换器装置都需要电气隔离，并且顺序逻辑也需要电气隔离。由于对所有的变换器单元以及顺序逻辑进行隔离，电源的成本将进一步增加。另一个缺点在于，由于多处电气隔离，漏电流将很大。另一个缺点在于，由于可能需要相对较大的、能够在短时间内释放大量电能的器件，因此放电电路可能具有很大的尺寸。

在本文献中，所有电压都应该理解为绝对值，即，电压可以是正的以及负的，并且也应该在绝对值意义上分别理解电压的增减。

在本文献的范围以内，通电和上电说法以及断电和掉电的说法具有相同的含义，因此，这些说法可以相互交换。

本发明的一个目的是消除或者至少是缓解与现有技术有关的问题。本发明的另一个目的是简化具有受控通电和/或断电顺序的电源的结构。本发明的另一个目的是按照受控的方式，施加和/或撤出由电源提供的多路电压。

为了达到这些以及其它目的，按照本发明的电源装置的特征在于它包括一个第二变换器单元，第二变换器单元具有耦合到第一变换器输出端的输入端以及用于提供第二输出电压的输出端。由于第二变换器单元的输入端连接到第一变换器的输出端，因此，只有当第一变换器单元的输出电压达到某个值时，第二变换器单元才开始工作。由于由第一变换器单元给第二变换器单元提供电能，因此，在第一变换器已经启动之前，第二变换器不可能启动。此外，断电顺序具有定义清楚的变化过程。例如，当切除输入电压时，首先通过对连接到其输入端的任何电容进行放电，第一变换器单元将继续工作。此时，由于储存在连接到第一变换器单元的输出端的电容中的电能，第一变换器的输出电压将继续存在一段时间。由于在第一变换器单元的输出端存在电压，因此第二变换器单元将继续运行。在这个过程中，第二变换器单元将从连接到第一变换器输出端的电容或多个电容中吸收电流。这使得电容放电到较低的电压水平。在某个时刻，电压水平将降低到这样的程度，以至第二变换器将停止工作。从这个时刻开始，第二输出电压也将表现出衰减。因此，在通电期间，按照本发明的电源将首先表现出第一输出电压升高，只有在达到某个预定值之后，第二输出电压才开始增加。由于在第一输出电压已经被放电到预定值之前，第二变换器单元将继续工作，因此在断电期间还要保证一个顺序。按照本发明的电源结构的另一个优点在于，在需要电流隔离的情况下，只有第一变换器单元需要这样的隔离。由于第二变换器单元的输入端连接到第一变换器单元的输出端，因此它也应该是被隔离的。此外，该电源结构将很容易满足电磁兼容性和漏电流的要求，由于只将第一变换器单元连接到输入电压，从而导致输入电压端与输出电压端之间的良好隔离。

有利地，该电源装置包括给第一变换器单元提供第一控制信号的控制装置，用于使第一变换器单元能够在输出电压低于第一输出电压的情况下工作。通过使第一变换器单元能够在输出电压较低的情况下工作，可以进一步改进通电和断电性能。在某段时间当中，通过使第一变换器单元在预定的较低输出电压下运行，第一输出电压维持在低而安全的水平。这个电压水平应该足以启动第二变换器单元。这使得能够，例如，建立一个连续启动输出电压的顺序，其中，第一变换器单元在预定的较低输出电压下开始运行，然后第二变换器单元开始工作并且由此开始提供第二输出电压，随后第一变换器单元达到正常运行条件，从而导致充分运行的第一输出电压。在断电期间，同样的顺序可以按照相反的次序进行。

有利地，给该电源装置具有连接到控制装置的、用于对控制装置进行控制的第二控制信号输入端，其中，由连接到该电源装置的或者至少连接到变换器单元输出端中的一个输出端的负载设备有利地产生第二控制信号。通过连接到控制信号输入端的控制信号对控制装置进行控制，可以很容易地对启动性能进行控制。当由负载设备产生第二控制信号时，该负载设备可以给电源装置提供反馈，因此可以由负载设备对通电和/或断电过程的顺序和/或时序进行控制。这使得负载设备能够指示什么时候它准备好接收某个供电电压，或者什么时候它准备好将某个供电电压从预定的较低值提高到正常运行值。通过将第二控制信号连接到变换器单元输出端中的至少一个输出端，可以用变换器单元输出端的电压值控制通电和/或断电顺序。

有利地，该电源至少包括具有连接到第一变换器单元输出端的输入端和用于提供第三输出电压的输出端的第三变换器单元。如果至少需要第三输出电压，则电源装置可以包括至少一个附加的、具有连接到第一变换器输出端的输入端的第三变换器单元。由此可以建立具有预定通电和/或断电顺序的多路输出电压。由于只将第一变换器单元连接输入电压，并且由于第三或者更多的变换器单元的输入端被连接到第一变换器单元的输出端，按照与第二变换器单元相似的方式将附加变换器单元或多个附加变换器单元连接到第一变换器单元，因此本发明的所有优点仍然适用。

有利地，由控制装置提供第三控制信号，用于对第二和/或第三变换器单元中的至少一个单元进行控制。利用通过第三控制信号对第二和第三变换器单元中的至少一个单元进行控制，可以为第二和第三变换器单元建立通电和/或断电顺序。

本发明还涉及将这种电源装置投入运行方法，其特征在于将第一变换器单元投入运行的步骤，以及在第一变换器单元的输出达到预定输出电压之后，将第二变换器单元投入运行的步骤。

有利地，该方法还包括将第一变换器单元输出端的电压值增加到运行值的步骤。有利地，响应由连接到电源装置的负载设备产生的控制信号，将第一变换器输出端的电压增加到运行值。

本发明还涉及将这种电源装置退出运行的方法，并且特征在于将第一变换器单元退出运行的步骤，通过提供从第一变换器单元输出端到第二变换器单元输入端的电流，将第一变换器单元的输出端放电到或者低于预定电压的步骤，以及当第一变换器单元至少被部分放电时，使第二变换器单元退出运行的步骤。

有利地，该方法还包括通过第二变换器单元的输入电压和/或通过连接到第一变换器单元输出端的负载设备，使第一变换器单元的输出端进一步放电的步骤。

由此，按照本发明的电源设备用简单的手段将第二变换器单元的输入端连接到第一变换器单元输出端的方法，得到受控的并且可靠的通电和/或断电顺序。

根据说明本发明的非限制性实施例的附图，其它特征和优点将变得清楚，其中：

图1示出了按照本发明的开关电源实施例的电路框图；

图2示出了按照图1的开关电源的通电和断电顺序的简化时序图。

在这些附图中，相同的参考数字指示相似或相同的项目。

图1中的开关电源装置包括第一变换器单元1，用于将施加在输入端2的输入电压变换为在输出端3提供的输出电压。第一变换器单元1的输出端3被连接到负载设备18并且向负载设备18的第一输入端4提供第一供电电压。该电源装置还包括具有输入端6的第二变换器单元5，输入端6被连接到第一变换器单元1的输出端3。第二变换器单元5的输出端7被连接到负载设备18的第二输入端8，并且向负载设备18提供第二供电电压。该电源装置还包括具有输入端10和输出端11的第三变换器单元9，输入端10被连接到第一变换器单元1的输出端3，输出端11被连接到负载设备18的第三输入端12，用于向负载设备18提供第三供电电压。然而，该电源装置包括一个控制装置，即控制设备13。控制设备13通过第一控制信号14控制第一变换器单元1。负载设备18产生的第二控制信号15以及基于第一变换器单元1的输出电压的第三控制信号19对控制设备13进行控制。控制设备13通过第四控制信号16控制第三变换器单元9。

利用第一变换器单元中的隔离，在电气上将负载设备18与输入电压2隔离，用虚线17表示这种隔离。由于将电气隔离放在第一变换器单元1中，因此，在第二变换器单元5和第三变换器单元9中不再需要电气隔离。

图2示出了该装置的各个端子的电压U对时间t的特性。在t1所示时刻，给输入电压端2加上输入电压。因此，第一变换器单元1输出电压端3的输出电压开始上升。在t2所示时刻，输出电压端3的输出电压已经达到足以使第二变换器单元5启动的值，导致其输出电压端7的输出电压上升。第一变换器单元1的输出电压将达到预定值并且停留在该值。在t3所示时刻，利用第二控制信号15的变化，负载设备18将指示准备在第一输入端4接收在输出端3的第一输出电压的满运行值，并且在第三输入端12接收来自输出端11的、第三变换器单元9的输出电压。随后，响应控制信号15的改变，控制设备13通过第一控制信号14使得第一变换器单元1能够在输出端3的输出电压的正常运行值运行，因此，这个电压将上升到其运行值，并且控制设备13同时使第三变换器单元9开始启动，因此第三变换器单元9的输出端11的输出电压将上升。

因此，完成通电顺序，其中，首先启动第一变换器单元1，并且达到安全的低输出电压，启动第二变换器单元5，然后在使第一变换器单元1能够在其正常运行值运行的同时，启动第三变换器单元9。

当切断电源时，例如在t4时刻断开加在输入电压端2的输入电压，第一变换器单元1输出端3的输出电压首先开始下降。在输入电压端2的电容已经被部分放电以后，第一变换器单元1输出端3的输出电压下降在时刻t5开始启动。由于第一变换器单元1输出端3的输出电压仍然足以给第二变换器单元5和第三变换器单元9供电，因此在输出端7和11的其它输出电压维持现状。在时刻t6，负载设备18通过第二控制信号15通知控制单元13，输出端3的输出电压已经降低到这样的程度，即可以或者需要切断变换器的其它输出电压。因此，控制单元13通过第三控制信号16使第三变换器单元9停止工作，使得第三变换器单元的输出端11的输出电压下降。由于用于其运行需要的电能，第二变换器单元5仍然运行，并且由此使连接到第一变换器单元输出端3的电容进一步放电。或许，储存在连接到输入电压端2的电容中的电荷可以使第一变换器单元1在预定的低输出电压下运行有限的时间，直到该电容已经被放电到第一变换器单元将停止工作的程度为止。在t7时刻，输出端3的输出电压已经下降到该电压不足以使第二变换器单元5继续工作的程度，使得第二变换器单元5停止工作，导致第二变换器单元5的输出端7的输出电压下降。

因此，断电顺序已经被建立，由此，第一变换器单元1的输出端3的输出电压首先减小，通过第二变换器单元5并且部分通过第三变换器单元9使连接到输出端3的电容放电，导致输出端3的输出电压快速衰减，此后，先是输出端11的输出电压开始下降，然后是输出端7的输出电压开始下降。

由此，按照本发明的电源提供了适当规定的通电和/或断电顺序，并且在断电期间，在不需要提供单独的放电器件的情况下，它可以对任何连接到第一输出端3的电容进行放电。

尽管在本文献中仅对使用开关电源的本发明的申请进行了说明，但是本发明当然也可以被应用于其它类型的电源，如谐振电源。此外，每个第一、第二和第三变换器单元当然可以提供用于给负载提供多路供电电压的多路输出电压。此外，负载或者负载设备可以不仅包括单个电气或电子电路，或者单个电气或电子设备，而且包括多个电气或电子电路，或者多个电气或电子设备。

应该注意，上述的实施例是对本发明的说明而不是限制，并且在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域的技术人员将能够设计许多其它的实施例。在权利要求中，不应该将括号中的参考符号理解为对权利要求的限制。词“包括”不排除存在没有列在权利要求中的那些要素或步骤。在要素之前的词“一个”不排除存在多个这样的要素。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件来实施，也可以通过被适当编程的计算机来实施。在设备权利要求列举的几个装置中，这些装置中的几个装置可以通过一个并且是相同的硬件项目来体现。在相互不同的相关权利要求中陈述的某些措施的仅有事实不表示不能有利地利用这些措施的组合。

Claims (12)

1.一种电源装置，用于将输入电压变换为第一输出电压和第二输出电压，并且用于提供预定的通电和/或断电顺序，其中，按照特定的顺序，使第一输出电压和第二输出电压投入运行和/或退出运行，该电源装置包括具有输入端和输出端的第一变换器单元，其输入端用于接收输入电压，输出端用于提供第一输出电压，

其特征在于该电源装置还包括具有输入端和输出端的第二变换器单元，其输入端连接到第一变换器单元输出端，输出端用于提供第二输出电压。

2.如权利要求1所述的电源装置，特征在于给第一变换器单元提供第一控制信号的控制装置，使第一变换器单元能够在低于第一输出电压的输出电压下运行。

3.如权利要求2所述的电源装置，特征在于由连接到电源装置的负载设备给控制装置提供的第二控制信号。

4.如权利要求3所述的电源装置，特征在于第二控制信号确定第一输出电压什么时候应该投入运行和/或退出运行。

5.如权利要求1所述的电源装置，特征在于至少一个具有输入端和输出端的第三变换器单元，其输入端连接到第一变换器单元输出端，输出端用于提供至少第三输出电压。

6.如权利要求5所述的电源装置，特征在于由控制装置提供的、至少用于控制第二和第三变换器单元中的一个的第三控制信号。

7.如权利要求6所述的电源装置，特征在于第三控制信号确定第二和第三输出电压中的一个输出电压什么时候应该投入和/或退出运行。

8.一种将如权利要求1所述的电源装置投入运行的方法，该方法的特征在于如下步骤：

将第一变换器单元投入运行；以及

在第一变换器单元输出端达到预定输出电压以后，将第二变换器单元投入运行。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于如下步骤：

将第一变换器单元输出端的电压值增加到运行值。

10.如权利要求9所述的方法，其中，响应由连接到电源装置的负载设备产生的控制信号，将第一变换器单元输出端的电压增加到运行值。

11.一种将如权利要求1所述的电源装置退出运行的方法，该方法的特征在于如下步骤：

使第一变换器单元退出运行；

通过提供从第一变换器单元的输出端到第二变换器单元的输入端的电流，将第一变换器单元输出端的电压放电到预定电压或者放电到低于预定电压；以及

当第一变换器单元的输出端至少被部分放电时，使第二变换器单元退出运行。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于如下步骤：

通过第二变换器单元的输入端和/或通过连接到第一变换器单元的输出端的负载设备使第一变换器单元的输出端进一步放电。

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