專利名稱：進行pwm smps電流檢測和系統驗證的算法的制作方法
進行PWM SMPS電流檢測和系統驗證的算法相關申請的交叉引用本公開要求于2009年12月21日提交的題為“進行PWM SMPS電流檢測和系統驗證的算法”的第61/288，593號美國臨時申請的優先權，該申請的全部內容通過引用并入本文。
背景技術：
基于脈寬調制(PWM)的開關模式電源(SMPS)是在各種應用中使用的通常電源。PWM SMPS裝置可以是獨立電源單元或者可以是電路(諸如用于鐵路エ業的重要電路)的元件。在PWM SMPS中，通過快速斷開和閉合電源與負載之間的開關以形成傳輸功率的脈沖來對供給至負載的DC功率進行控制。通過電容器和/或電感器將這些脈沖調節為大致線性的DC信號。在基于PWM的電源中，可進行負載電流測量以快速檢測過載狀態或電容損失，或用于一般的負載監測。因為在典型電源中，不希望在系統的使用壽命期間改變器件，故這種監測是有用的。因此，對于給定負載而言，檢測到的電流改變可指示諸如電容故障的問題。電容故障可導致裝置的等效串聯電阻增加，該增加進而可導致熱量的増加和物理電解液的泄漏。減小的電容還可損害電路的反饋回路響應。負載電流常常通過多種檢測技術之ー來確定，這些檢測技術需要與電路中的器件的檢測連接。現有技術中用于監測負載電流的一種技術使用負載本身的高壓側或低壓側檢測電阻來確定輸出電流。例如，在圖I的電路中，PWM控制器100控制開關140。當開關140閉合吋，電源170使電流流過變壓器150，變壓器150進而將電流供給至電感器160。電感器160和電容器180在電流到達負載110之前對電流進行調節。電阻器120設置在電感器160與負載110之間。電阻器120兩端的電壓降通過電源傳感器130檢測，電源傳感器130可包括模數轉換器或模擬閾值檢測器。傳感器130所檢測的電壓可連接至比較器或放大器以有助于電流水平檢測或過載監測。根據該測量的電壓降和電阻120的已知電阻值，可以確定負載電流。雖然該方法可相當精確，但所増加的電阻120増加了器件成本、熱耗散以及輸出的電壓降。圖2A和2B示出另ー種現有技術的負載電流監測技術，其中開關元件上的檢測電阻或開關元件本身的寄生電阻被用于發現電流。如圖I所示，PWM控制器200控制開關240。當開關240閉合吋，電源270使電流流過變壓器250。變壓器250進而將電流供給至電感器260。電感器260和電容器280在電流到達210之前對電流進行調節。在圖2中電阻器設置在開關元件240與地220之間，或者如圖2B所示可使用開關元件240的寄生電阻225。在任何一種情況下，傳感器230測量電阻器220或225與地之間的電壓降。傳感器130所檢測到電壓可以連接到比較器和放大器上，以便于電流水平檢測和過載監測。根據測量到的電壓降和電阻器220或225的已知電阻，能夠確定負載電流。與圖I相同，圖2A中的電阻器220増加器件成本、熱耗散、以及輸出的電壓降。圖2B的寄生電阻225不能解決這些問題(因為開關240必須在任何情況下都存在)，然而，因為器件的大量變型和環境對寄生電阻值的影響，無法精確地獲知寄生電阻225。
圖3中示出不使用電阻來檢測電流的現有技術的電流檢測技木。PWM控制器300通過激活開關360和370從電源380供給功率。電感器320和電容器390在電流到達負載310之前對電流進行調節。傳感器350監測負載310、電感器320和電容器390所共享的節點330處以及開關360、開關370和電感器320所共享的節點340處的節點電壓。這些節點電壓在與開關360和370的動作有關的時間的某些點處進行測量，可從這些測量中估算電感器320中的正向電流。在這種技術中，節點330和340上的噪聲能夠降低電流估算的精度。
圖I示出現有技術的負載電流監測電路；圖2A示出現有技術的負載電流監測電路； 圖2B示出現有技術的負載電流監測電路；圖3示出現有技術的負載電流監測電路；圖4示出根據本發明的實施方式的現有技術的負載電流監測電路；圖5A示出根據本發明的實施方式的占空比波形；圖5B示出根據本發明的實施方式的占空比波形；圖6A示出根據本發明的實施方式的占空比波形；圖6B示出根據本發明的實施方式的占空比波形；圖7示出根據本發明的實施方式的負載電流近似曲線；圖8A示出根據本發明的實施方式的負載電流監測電路的一部分；圖SB示出根據本發明的實施方式的負載電流監測電路的一部分；圖SC示出根據本發明的實施方式的占空比波形；圖9A示出根據本發明的實施方式的監測到的脈沖寬度隨時間的變化；圖9B示出根據本發明的實施方式的監測到的脈沖寬度隨時間的變化；圖10示出根據本發明的實施方式的監測到的脈沖寬度隨時間的變化；圖11示出根據本發明的實施方式的監測到的脈沖寬度隨時間的變化。
具體實施例方式進行電流檢測的算法可消除連接檢測元件的需要。算法可利用PWM系統的使這些系統靈活地用于多種功率轉換應用的內在方面。注意，本公開中的術語“PWM”和“電源”是指以與專用PWM電源類似的方式運行的任何電路，但不限于獨立電源單元。某些PWM系統的實施例可包括重要的鐵路控制電路，諸如機車控制(制動、喇叭、鈴、聯鎖等)和鐵路路旁元件(橫臂門、鉄路信號燈、道ロ信號、聯鎖、重要邏輯等)的控制。在保持固定輸出電壓的同時，基于PWM的功率轉換系統能夠通過調節PWM占空比在給定輸入電壓下補償負載的變化和/或在輸入電壓變化的同時驅動恒定負載。圖4示出根據本發明的PWM電路，其中在不與檢測元件連接的情況下進行電流監測。該電路僅作為示例呈現，并且在本發明的不同實施方式中可以增加、省略、或改變各種器件。可以提供PWM處理器400。處理器400可以是任何類型的處理器，諸如可編程邏輯器件(CPLD、FPGA等)或硬硅裝置(ASIC、微處理器、微控制器等)。在某些實施方式中，處理器400可控制開關430。在其他實施方式中，處理器400可與控制開關430的其他裝置通信。當開關430閉合時，來自電源420的電流可流過變壓器440。例如，電源420可以是提供具有恒定電壓的信號的DC源，然而，在某些實施方式中，也可以使用AC源。斷開和閉合開關430可產生信號脈沖，信號脈沖可從基本O伏的電壓快速地轉變為源420的恒定電壓值。電流隨后可從變壓器440通過ニ極管470和/或電感器460流到節點490。在節點490處,可存在電容器450以將來自變壓器440的脈沖信號轉換為基本穩定的電壓以供負載410使用。
供給至負載410的輸出電壓可通過脈沖寬度和電容器450的電容進行確定。通過以不同速率斷開和閉合開關，處理器400可向負載410提供不同電壓。考慮到電容器450的已知電容和靜態負載410，處理器410可為期望的電壓輸出設定合適的脈沖寬度。使用輸入480，處理器400可檢測輸入電壓。當開關430斷開時，該電壓可能很高。當開關430閉合吋，由于通過變壓器440和閉合的開關430將信號接地，故所檢測的電壓可能快速下降至基本O伏。處理器400還可具有連接到節點490的反饋輸入481，反饋輸入481可檢測節點490處的電壓。輸入480和481可通過模數轉換器或模擬閾值檢測器將所檢測的信號饋送至處理器400。檢測節點490電壓可使得處理器400調節脈沖寬度，以向動態負載410供給恒定電壓或為已知負載設定期望脈沖寬度范圍，下面將詳細討論。輸入480可向處理器400供給如圖5A-6B中所不那樣的信號。對圖5A-6B中的不例中的脈沖寬度所進行的改動可由處理器400通過輸入480感測檢測。圖5A示出根據本發明的實施方式的PWM漏扱-源極電壓波形。這可以是通過圖4的電路中的輸入480所讀取的電壓。一個循環的整個時間周期由tPEK表示。該周期tPEK中的開關430斷開的部分由tQFF表示。當開關430斷開時，電壓可位于或接近VIN。該周期tPEK中的開關430閉合的部分由tw表示。當開關430閉合吋，電壓可快速地降至約O伏并保持O伏直至開關重新再次斷開。當開關430重新再次斷開時，電壓可再次快速地升高至Vin并且可以開始新的周期tPEK可以開始。電源的占空比可以是在周期tPEK中開關430閉合時間所占的周期tPEK的百分比。例如，如果開關430在閉合整個周期tPEK都閉合，則占空比為100%。如果開關430在整個周期tPEK都斷開，則占空比為0%。圖5B示出根據本發明的實施方式的另ー漏扱-源極電壓波形。該波形示出PWM電源如何響應負載特性的變化。當負載特性變化吋，占空比可成比例地變化。例如，如果負載增加，則可變為tぼ，產生更寬的脈沖寬度并使更多電流穿過變壓器440。如果負載減小，則可降為tM，,，產生更窄的脈沖寬度并使更少電流穿過變壓器440。如果Vin改變，PWM電源還可向恒定負載提供恒定電壓。圖6A和6B是示出此種情況的根據本發明的實施方式的漏扱-源極電壓波形。Vin可増加至VIN，，。相應地，tON可降為tQN，,，以保持轉移至負載410的總能量。恒定能量(排除寄生系統影響)可由A’表示，并且對于恒定負載，具有Λ Vin的Α”可約等于Α’。如圖5Α-6Β所示，當負載或輸入電壓發生變化時，PWM系統能夠可預見地運轉。通過考慮輸出電壓調整變化中的改變，負載電流可由最佳擬合曲線逼近。圖7示出根據本發明的實施方式的某些最佳擬合負載電流曲線。對于示例性PWM電源，根據不同負載的近似曲線，在輸入480處測量的Vin脈沖寬度值可與輸入電壓成反比地變化。因此，對于給定的PWM電源，任何負載的負載電流都可由最佳擬合曲線方程逼近。例如，具有以下形式的多項式可充分表示電流脈沖寬度值=(Ic1XVin2)- (k2xVIN)+k3該多項式僅作為示例呈現，根據電源的特征，合適的方程可以具有任何形式。常量ki、k2和k3可根據負載變化。處理器400可使用該等式監測電流，而不必直接測量電阻兩端的電流。一旦得到最 佳擬合逼近，該逼近就能夠用于多種應用。例如，其可用于實施負載監測。處理器400從輸入480測量到的輸入電壓可用于確定使系統工作在閾值之上或之下的理論脈沖寬度值。例如，對于給定最大負載，可通過測量Vin并計算脈沖寬度值來建立最大負載閾值。此后，理論脈沖寬度值與當前脈沖寬度值的比較可確定系統是否超負荷運行和/或系統是否應繼續運行或被禁用。此外，對于任何恒定負載，可監測脈沖寬度以確定系統的健康狀況。如上所述，PWM電源可具有能量存儲元件，諸如最初電感值和電容值是已知的電感和電容。這些元件的能量存儲容量的擴大和減小可影響內部PWM功能性(循環穩定性等)和SMPS本身的能力(負載/線性調節、瞬態響應)。算法脈沖寬度監測可提供確定這些能量儲存元件的健康的窗□。例如，如果在脈沖寬度減小時，負載和輸入電壓保持恒定，則這可能表示電容器發生故障并且其儲存能量的能力降低。増加的占空比可代表電源發送更多脈沖以保持輸出電壓基本恒定而不管能量儲存的損失。圖8A-8C示出根據本發明的實施方式的影響占空比的電容變化的示例。在圖8A和8B中，在電容Cpki從圖8A至圖8B減小吋，電感Ipeak和負載Rum可保持恒定。這可導致輸送至負載的峰值電流發生變化。該變化可反映在圖8C的監測的占空比中，其中tQN代表圖8A的電路的開關閉合的周期并且AtQN示出當電容在圖SB中降低時的變化。監測脈沖寬度可掲示tw已經增加，因此輸送至負載的電流增加。由于脈沖寬度和電流的關系可通過前述技術限定，故可以監測對SMPS的元件的改變。在實施方式中，系統意識到Rwad可位于標稱值內，可期望所監測到的脈沖寬度值在電源的整個壽命中保持基本恒定。如果脈沖寬度以指示特征化功能的方式改變，諸如電容值遞減，則算法逼近可警告用戶SMPS中的最初電容的隱約可見的故障。圖9A和9B示出本發明的實施方式中的如何能夠隨時間監測脈沖寬度以檢測器件故障的示例。圖9A是對于已知負載的隨時間監測脈沖寬度的圖示的示例。可對負載進行特征化以連續繪出可靜態地確定的范圍LOADm內的已知電流。可監測平均脈沖寬度值以確定供給至負載的電流是否位于LOADmi內。如果脈沖寬度值(并且電流)超過閾值，則系統可將此解釋為錯誤并且可采取糾正行為，諸如在系統出現故障之前發出警告。有區別地設定范圍LOADn 可允許檢測不同類型的故障。例如，較寬LOADn 可用作指示電容器何時出現完全故障，而較窄LOADm可用于確定電容器已經開始發生故障但依然具有ー些電容值。圖9B示出類似的監測方法，其中可周期性地獲取脈沖寬度的瞬時樣本。如圖9A中所示，可對負載進行特征化以連續繪出可靜態地確定的范圍LOADm內的已知電流。可對脈沖寬度周期性地采樣以確定供給至負載的電流是否位于LOADn 內。如果所采集的脈沖寬度值(因此和電流)位于閾值之外，則系統可將此解釋為錯誤并采取糾正行為，諸如在系統出現故障之前發出警告。在某些實施方式中，范圍LOADm可被系統本身特征化。例如，系統可監測給定周期內的脈沖寬度變化井“學習”其所擁有的曲線。一旦標稱曲線已經被系統確定，之后點處的偏差可觸發系統警告。在這種情況下，系統可首先監測脈沖變化以確定電流是否通常是恒定的、周期的、或恒定并具有高脈沖或低脈沖的短暫間隔。系統隨后可基于最初監測的曲線經驗地導出標稱窗ロ loadnqm。此外，當期望出現周期性的電流尖峰時，可監測PWM系統的曲線以發現異常現象。例如，負載可以是期望以有規律間隔為基礎發送(因此抽取更多電流)的無線電。圖10示出這種實施方式。如果在周期間隔處電流需求被期望為尖峰，則LOADn 可被定義為在這些間隔處允許更高電流而不觸發警告。這不僅可允許系統檢測如圖9A和9B中的錯誤，還可允許系統檢測期望電流尖峰的不正確時機。脈沖寬度、輸入電壓、輸出電壓、和/或其它參數可通過控制器400同時監測。在本發明的某些實施方式中，可通過處理器將這些參數乘以最佳擬合電流逼近方程。圖11示出本發明的實施方式，其中反饋輸入所檢測到的脈沖寬度和輸出電壓可通過這種方式結合。脈沖寬度與其它信號(諸如輸出電壓)的相乘或相除可影響曲線的形狀。例如，圖11呈現 出波浪形而非圖9A的平滑直線。然而，本發明的實施方式可考慮這些變化，例如通過根據對最佳擬合電流逼近方程的修改，將圖9A的范圍LOADnqm修改為圖11的范圍RIPPLENQM。這可允許處理器繼續監測脈沖寬度值(并且因此電流)，即使除了脈沖寬度之外的其他信號也被監測。雖然上面已經描述了各種實施方式，但應理解，它們已經通過示例性而非限制性的方式呈現。對本領域相關技術人員顯而易見的是，在不背離精神和范圍的情況下，可以對形式和細節進行各種修改。事實上，在閱讀了上面的描述之后，如何實施可替換實施方式對本領域技術人員來說是顯而易見的。因此，所存在的實施方式應受到上述實施方式中的任何一個的限制。此外，應理解，任何強調功能和優點的圖示均僅作為示例呈現。所公開的方法和系統各自足夠靈活和可配置，使得其應用可不限于所示方式。此外，本公開的摘要的目的是通常使美國專利和商標局和公眾特別是不熟悉專利或法律術語或措辭的本領域科學家、工程師和實踐者能夠通過粗略檢查快速確定本申請的技術公開的性質和本質。本公開的摘要不打算以任何方式限制本發明的范圍。應注意，在說明書、權利要求和附圖中，術語“ー個(a) ”、“ー個(an) ”、“該(the) ”、“所述(said) ”等表示“至少ー個”或“該至少ー個”。最后，申請人打算，僅包含表達語言“用干...的裝置”或“用干...的步驟”的權利要求按照35 U.S.C. §112，第6段進行解釋。不明確包含短語“用干...的裝置”或“用干...的步驟”的權利要求不按照35 U. S. C. § 112，第6段進行解釋。
權利要求
1.ー種電源電流監測器，包括 負載； 開關模式電源，可操作地向所述負載提供電流； 處理器，可操作地監測所述電源所生成的脈沖電壓信號，并在所述脈沖電壓信號的脈沖寬度位于期望脈沖寬度范圍之外時生成警告； 其中，所述脈沖寬度取決于提供至所述負載的電流量。
2.如權利要求I所述的電源電流監測器，其中，所述期望脈沖寬度范圍能夠由用戶編程。
3.如權利要求I所述的電源電流監測器，其中，所述處理器可操作地基于所述脈沖電壓信號的多個采樣脈沖寬度設定所述期望脈沖寬度范圍。
4.如權利要求I所述的電源電流監測器，其中，所述期望脈沖寬度范圍隨時間變化。
5.如權利要求I所述的電源電流監測器，其中，所述處理器可操作地控制開關，以調節所述脈沖電壓信號的脈沖寬度。
6.如權利要求I所述的電源電流監測器，其中，所述脈沖電壓信號是脈沖輸入電壓信號和輸出信號的乘積。
7.如權利要求I所述的電源電流監測器，其中，所述負載是機車控制元件。
8.如權利要求I所述的電源電流監測器，其中，所述負載是鐵路路旁元件。
9.一種監測電源電流的方法，包括 檢測電源所生成的脈沖電壓信號； 當所述脈沖電壓信號的脈沖寬度位于期望脈沖寬度范圍之外時生成警告； 其中，所述脈沖寬度取決于所述電源提供至所述負載的電流量。
10.如權利要求9所述的方法，還包括基于用戶的輸入設定所述期望脈沖寬度范圍。
11.如權利要求9所述的方法，還包括 檢測所述脈沖電壓信號的多個采樣脈沖寬度； 基于所述多個采樣脈沖寬度設定所述期望脈沖寬度范圍。
12.如權利要求9所述的方法，其中，所述期望脈沖寬度范圍隨時間變化。
13.如權利要求9所述的方法，還包括調節所述脈沖電壓信號的脈沖寬度。
14.如權利要求9所述的方法,其中,所述脈沖電壓信號是脈沖輸入電壓信號和輸出信號的乘積。
15.如權利要求9所述的方法，其中，所述負載是機車控制元件。
16.如權利要求9所述的方法，其中，所述負載是鐵路路旁元件。
17.ー種電源電流監測器，包括 處理器，可操作地監測由電源所生成的脈沖電壓信號，并在所述脈沖電壓信號的脈沖寬度位于期望脈沖寬度范圍之外時生成警告。
全文摘要
電源電流監測器，包括處理器，可操作為監測電源所生成的脈沖電壓信號并在脈沖電壓信號的脈沖寬度位于期望脈沖寬度范圍之外時生成警告；其中，脈沖寬度取決于電源供給至負載的電流量。
文檔編號H02M3/28GK102725949SQ201080058006
公開日2012年10月10日 申請日期2010年12月21日 優先權日2009年12月21日
發明者馬克·格萊克 申請人:英萬賽斯鐵路公司