一种两级式开关电源及其供电方法与流程

1.本发明实施例涉及开关电源技术领域，特别涉及一种两级式开关电源及其供电方法。


背景技术：

2.开关模式电源(switch mode power supply，简称smps)，又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。
3.在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：在设计宽输入范围的dc/dc两级式开关电源中，全部使用输入电压vin进行线性供电的方式会造成很大的开关电源损耗，并且长时间使用可能会导致线性稳压器过热而出现失效的情况。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种两级式开关电源及其供电方法，能够解决目前开关电源供电存在损耗大的问题。
5.本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种两级式开关电源，包括：第一级功率变换电路，其输入端与供电电源连接；第二级功率变换电路，其输入端与所述第一级功率变换电路的输出端连接，其输出端配置为为用电设备供电；第一级线性供电电源，其输入端与所述供电电源连接，其输出端并联有第一电容，且所述第一级线性供电电源配置为在启动阶段时提供辅助供电；第二级线性供电电源，其输入端与所述第一级线性供电电源的输出端连接，且通过二极管与所述第一级功率变换电路的输出端连接，其输出端并联有第二电容，且所述第二级线性供电电源配置为在所述第一级线性供电电源截止后提供辅助供电。
7.在一些实施例中，所述两级式开关电源还包括：数字控制器，其电源输入端分别与所述第一级线性供电电源和所述第二级线性供电电源的输出端连接。
8.在一些实施例中，所述数字控制器包括：模数转换单元，其输入端连接至所述两级式开关电源的连接点，用于获取电流、电压、温度数据；控制单元，其包括运算控制补偿电路和保护电路，其电源输入端分别与所述第一级线性供电电源和所述第二级线性供电电源的输出端连接，其信号输出端与所述模数转换单元连接，其输出端配置为可输出脉冲信号；时钟电路，其与所述控制单元电性连接。
9.在一些实施例中，还包括：驱动模块，其与所述数字控制器中控制单元的输出端连接。
10.在一些实施例中，还包括：电流采样单元，用于采集所述两级式开关电源的输出电流；电压采样单元，用于采集所述两级式开关电源的输入电压和输出电压；温度检测单元，用于采集所述两级式开关电源的温度数据；采样放大单元，其包括至少三个子放大电路且输入端分别与所述电流采样单元、所述电压采样单元和所述温度检测单元的输出端连接，其输出端与所述模数转换单元的输入端连接。
11.为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种两级式开关电源的供电方法，应用于如上述第一方面所述的两级式开关电源，所述方法包括：在启动阶段，通过第一线性供电电路提供辅助供电；在所述第一线性供电电路截止后，通过第二级线性供电电源提供辅助供电。
12.在一些实施例中，所述两级式开关电源还包括数字控制器，所述方法还包括：获取所述两级式开关电源的连接点的电流、电压和/或温度数据，以判断所述两级式开关电源是否进入保护模式；若是，根据所述保护模式的类型设置待机时长；降低所述数字控制器的时钟频率；控制计数器计数并实时判断所述计数值是否大于预设阈值；在所述计数值大于第一预设阈值时，开启预设并恢复所述时钟频率；在所述计数值大于第二预设阈值时，控制所述数字控制器重启启动采样程序，并控制所述计数器清零；判断是否需要退出保护模式；若是，则控制所述两级式开关电源退出保护模式；其中，第二预设阈值大于所述第一预设阈值。
13.在一些实施例中，所述第二预设阈值为所述第一预设阈值加一。
14.在一些实施例中，所述保护模式为打嗝模式时，所述根据所述保护模式的类型设置待机时长，包括：设置打嗝计数时长。
15.在一些实施例中，所述降低数字控制器的时钟频率，包括：将所述时钟频率调整为原时钟频率的1/128。
16.为解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例提供了一种控制器，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上第二方面所述的方法。
17.为解决上述技术问题，第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上第二方面所述的方法。
18.为解决上述技术问题，第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行如上第二方面所述的方法。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种两级式开关电源及其供电方法，该两级式开关电源包括串联的第一级功率变换电路和第二级功率变换电路，以及串联的第一级线性供电电源和第二级线性供电电源，且第一级线性供电电源和第二级线性供电电源的输出端都并联有电容，第二级线性供电电源的输入端与第一级功率变换电路的输出端之间连接有二极管，第一级线性供电电源的输入端还与供电电源连接，所述第一级线性供电电源配置为在启动阶段时提供辅助供电，所述第二级线性供电电源配置为在所述第一级线性供电电源截止后提供辅助供电，从而有效降
低开关电源在工作状态下的供电损耗、进一步地，还设置有数字控制器调整系统在保护模式下的使能状态和时钟频率，以降低开关电源在待机状态下的功耗。
附图说明
20.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
21.图1是本发明实施例一提供的一种两级式开关电源的结构示意图；
22.图2是本发明实施例一提供的一种数字控制器的内部结构及其必要的外设电路的示意图；
23.图3是本发明实施例二提供的一种两级式开关电源的供电方法的流程示意图；
24.图4是本发明实施例二提供的另一种两级式开关电源的供电方法的流程示意图；
25.图5是本发明实施例三提供的一种控制器的硬件结构示意图。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
27.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
28.需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。需要说明的是，当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。
29.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
30.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.为了降低目前开关电源系统本身存在供电损耗的问题，以及降低辅助供电部分电路的失效概率的问题，本发明提供了一种具有宽输入范围能够实现混合线性供电的两级式dc/dc开关电源，且可以通过使用数字控制器降低开关电源的待机功耗。
32.具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
33.实施例一
34.本发明实施例提供了一种两级式开关电源，请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种两级式开关电源100的结构，所述两级式开关电源100包括：第一级功率变换电路110、第二级功率变换电路120、第一级线性供电电源130和第二级线性供电电源140。
35.所述第一级功率变换电路110，其输入端与供电电源连接；具体地，所述第一级功率变换电路110通过正极母线和正极输入端口vi n 与供电电源的正极连接，所述第一级功率变换电路110通过负极母线和负极输入端口vin-与供电电源的负极连接，且有，所述第一级功率变换电路110连接至负极输入端口vin-的负极输入端和所述第一级功率变换电路110连接至所述第二级功率变换电路120的负极输出端还接地。所述第一级功率变换电路110可以是市面上常用的dc/dc转换器，具体可根据实际需要进行选择。
36.所述第二级功率变换电路120，其输入端与所述第一级功率变换电路110的输出端连接，其输出端配置为为用电设备供电；具体地，所述第二级功率变换电路120通过正负极母线与所述第一级功率变换电路110的输出端连接，且通过母线及正极输出端vo 和负极输出端vo-与用电设备，为负载提供电源。所述第二级功率变换电路120可以是市面上常用的dc/dc转换器，具体可根据实际需要进行选择。
37.所述第一级线性供电电源130，其输入端与所述供电电源连接，其输出端并联有第一电容c1，且所述第一级线性供电电源130配置为在启动阶段时作为辅助电源，为所述开关电源100内部的必要设备提供辅助供电，例如，为栅极驱动器、数字控制器等供电；所述第一级线性供电电源130可以是市面上常用的线性电源(linear power supply)，具体可根据实际需要进行选择，所述第一电容c1也可根据实际需要进行选择。
38.所述第二级线性供电电源140，其输入端与所述第一级线性供电电源130的输出端连接，且通过二极管d与所述第一级功率变换电路110的输出端连接，其输出端并联有第二电容c2，且所述第二级线性供电电源140配置为在所述第一级线性供电电源130截止后作为辅助电源，为所述开关电源100内部的必要设备提供辅助供电，例如，为栅极驱动器、数字控制器等供电；所述第二级线性供电电源140可以是市面上常用的线性电源(linear power supply)，具体可根据实际需要进行选择，所述二极管d和所述第二电容c2也可根据实际需要进行选择。
39.在一些实施例中，请参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种数字控制器150的内部结构及其必要的外设电路，所述两级式开关电源100还包括：数字控制器150，其电源输入端分别与所述第一级线性供电电源130和所述第二级线性供电电源140的输出端连接，用于通过辅助电源vdd获取电能。
40.在一些实施例中，请继续参见图2，所述数字控制器150包括：模数转换单元adc，其输入端连接至所述两级式开关电源100的连接点，用于获取电流、电压、温度数据；控制单元151，其作为所述数字控制器150的运算控制中心，可以是一块中央处理器(central processing unit，cpu)，所述控制单元151至少包括运算控制补偿电路151a和保护电路151b，所述运算控制补偿电路151a用于为采集到的数据进行补偿，所述保护电路151b用于执行过流、过压、过温保护，所述控制单元151的电源输入端分别与所述第一级线性供电电源130和所述第二级线性供电电源140的输出端连接，其信号输出端与所述模数转换单元adc连接，其输出端配置为可输出脉冲信号；时钟电路152，其与所述控制单元151电性连接。
具体地，所述运算控制补偿电路和保护电路的具体结构和连接关系可根据实际需要进行选择，所述模数转换单元adc和所述时钟电路152中计数器的型号和设置等也可根据实际需要进行选择。
41.在一些实施例中，请继续参见图2，所述两级式开关电源100还包括：驱动模块160，其与所述数字控制器150中控制单元151的输出端连接，用于接收所述控制单元151输出的脉冲宽度调制信号(pulse width modulation，pwm)并根据所述脉冲宽度调制信号执行开关动作。所述驱动模块160可以是开关器件，例如栅极驱动器，具体地可根据实际需要进行选择。
42.在一些实施例中，请继续参见图2，所述两级式开关电源100还包括：电流采样单元171，用于采集所述两级式开关电源100的输出电流；电压采样单元172，用于采集所述两级式开关电源100的输入电压和输出电压；温度检测单元173，用于采集所述两级式开关电源100的温度数据；采样放大单元174，其包括至少三个子放大电路且输入端分别与所述电流采样单元171、所述电压采样单元172和所述温度检测单元173的输出端连接，其输出端与所述模数转换单元adc的输入端连接。
43.本发明实施例中提供了一种两级式开关电源及其供电方法，该两级式开关电源包括串联的第一级功率变换电路和第二级功率变换电路，以及串联的第一级线性供电电源和第二级线性供电电源，且第一级线性供电电源和第二级线性供电电源的输出端都并联有电容，第二级线性供电电源的输入端与第一级功率变换电路的输出端之间连接有二极管，第一级线性供电电源的输入端还与供电电源连接，所述第一级线性供电电源配置为在启动阶段时提供辅助供电，所述第二级线性供电电源配置为在所述第一级线性供电电源截止后提供辅助供电，从而有效降低开关电源在工作状态下的供电损耗、进一步地，还设置有数字控制器调整系统在保护模式下的使能状态和时钟频率，以降低开关电源在待机状态下的功耗。
44.实施例二
45.本发明实施例提供了一种两级式开关电源的供电方法，该方法应用于如上述实施例一所述的两级式开关电源中，请参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种两级式开关电源的供电方法，所述方法包括但不限于以下步骤：
46.步骤s11：在启动阶段，通过第一线性供电电路提供辅助供电；
47.步骤s12：在所述第一线性供电电路截止后，通过第二级线性供电电源提供辅助供电。
48.在本发明实施例中，可通过两级混合线性供电的方式进行供电，以减少功率损耗，具体地，请一并参见图1，在启动时，第一级线性供电电路通过供电电源输出的电能进行辅助供电；当开关电源中的模块完成启动；正常开启后，采用第一级线性供电电路和第二级线性供电电路中间的母线vbus的电压通过二极管d提供辅助供电给第二级线性供电电路，从而进行辅助供电，此时第一级线性供电电路为截止状态。
49.在一些实施例中，所述两级式开关电源还包括数字控制器，请参见图4，其示出了本发明实施例提供的另一种两级式开关电源的供电方法，所述方法还包括：
50.步骤s21：获取所述两级式开关电源的连接点的电流、电压和/或温度数据，以判断所述两级式开关电源是否进入保护模式；若是，跳转至步骤s22；
51.步骤s22：根据所述保护模式的类型设置待机时长；
52.步骤s23：降低所述数字控制器的时钟频率；
53.步骤s24：控制计数器计数并实时判断所述计数值是否大于预设阈值；
54.步骤s25：在所述计数值大于第一预设阈值时，开启预设并恢复所述时钟频率；
55.步骤s26：在所述计数值大于第二预设阈值时，控制所述数字控制器重启启动采样程序，并控制所述计数器清零；
56.步骤s27：判断是否需要退出保护模式；若是，则跳转至步骤s28；
57.步骤s28：控制所述两级式开关电源退出保护模式；
58.其中，第二预设阈值大于所述第一预设阈值。进一步地，所述第二预设阈值为所述第一预设阈值加一。具体地，所述保护模式为打嗝模式时，所述根据所述保护模式的类型设置待机时长，包括：设置打嗝计数时长。所述降低数字控制器的时钟频率，具体可以包括：将所述时钟频率调整为原时钟频率的1/128。
59.在本发明实施例中，除了使用混合线性供电的方式降低系统供电损耗之外，本发明实施例还能够使用数字控制器对开关电源进行采样检测，当模块进入保护或者打嗝模式后，降低时钟频率，使模块进入节能模式，降低损耗；并在计数器的计数值大于设定值加一时开启外设，恢复为原时钟频率，在计数器的计数值大于设定值加二时，启动采样程序且计数器清零，消除保护并重新进入正常周期。其中，请参见下表1，其示出了采用节能模式前后的功耗：
[0060][0061]
表1
[0062]
不难看出，采用本发明实施例提供的供电方法，在检测到开关电源由于过压、过流、过温等原因进入保护模式后，降低时钟频率并采用节能模式后，开关电源的模块的待机电流由90ma降低为28ma，功耗降低约70％。
[0063]
实施例三
[0064]
本发明实施例提供了一种控制器，请参见图5，其示出了能够执行图3至图4所述两级式开关电源的供电方法的控制器的硬件结构。所述控制器10可以是如上述实施例一和/或中所述的数字控制器，或者，为至少包括所述数字控制器、能够执行所述数字控制器的全部功能的控制装置。
[0065]
所述控制器10包括：至少一个处理器11；以及，与所述至少一个处理器11通信连接的存储器12，图5中以一个处理器11为例。所述存储器12存储有可被所述至少一个处理器11执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器11执行，以使所述至少一个处理器11能够执行上述图3至图4所述的两级式开关电源的供电方法。所述处理器11和所述存储器12可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
[0066]
存储器12作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本技术实施例中的两级式开关电源的供电方法对应的程序指令/模块。处理器11通过运行存储在存储器12中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例两级式开关电源的供电方法。
[0067]
存储器12可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据两级式开关电源的供电装置的使用所创建的数据等。此外，存储器12可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器12可选包括相对于处理器11远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至两级式开关电源的供电装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0068]
所述一个或者多个模块存储在所述存储器12中，当被所述一个或者多个处理器11执行时，执行上述任意方法实施例中的两级式开关电源的供电方法，例如，执行以上描述的图3至图4的方法步骤。
[0069]
上述产品可执行本技术实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本技术实施例所提供的方法。
[0070]
本技术实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，例如，执行以上描述的图3至图4的方法步骤。
[0071]
本技术实施例还提供了一种计算机程序产品，包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时时，使所述计算机执行上述任意方法实施例中的两级式开关电源的供电方法，例如，执行以上描述的图3至图4的方法步骤。
[0072]
本发明实施例中提供了一种两级式开关电源及其供电方法，该两级式开关电源包括串联的第一级功率变换电路和第二级功率变换电路，以及串联的第一级线性供电电源和第二级线性供电电源，且第一级线性供电电源和第二级线性供电电源的输出端都并联有电容，第二级线性供电电源的输入端与第一级功率变换电路的输出端之间连接有二极管，第一级线性供电电源的输入端还与供电电源连接，所述第一级线性供电电源配置为在启动阶段时提供辅助供电，所述第二级线性供电电源配置为在所述第一级线性供电电源截止后提供辅助供电，从而有效降低开关电源在工作状态下的供电损耗、进一步地，还设置有数字控制器调整系统在保护模式下的使能状态和时钟频率，以降低开关电源在待机状态下的功耗。
[0073]
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0074]
通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可
以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory,rom)或随机存储记忆体(random access memory,ram)等。
[0075]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。