同步整流器及其在切换电源中的使用以及切换电源

摘要

本发明涉及一种同步整流器(1)，其整流作为输入信号的交流电压信号和/或前馈作为输入信号的直流电压信号以用作输出信号，至少包括：具有至少一个可控开关元件(12)的整流单元(5)；平滑单元(7)，其连接到整流单元(5)的下游并且平滑由整流单元(5)整流或前馈的信号并且提供该信号用作输出信号(Ua)；控制逻辑系统(2，3，4)，其利用输入信号和来自平滑单元(7)的输出信号(Ua)来驱动整流单元(5)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种同步整流器、在切换电源中这种同步整流器的使 用以及具有这种同步整流器的切换电源。

背景技术

所有的电子设备，特别是自动化技术的现场设备，都需要电源。

自动化技术的现场设备被应用于记录和/或影响过程变量。示例性 的这样的现场设备包括料位测量设备、质量流量测量设备、压力和温 度测量设备、pH氧化还原潜力测量设备、传导性测量设备等，作为传 感器，它们分别记录相应过程变量或料位、流量、压力、温度、pH值 和传导率值。用于影响过程变量的是所谓的致动器，例如阀，其控制 管道部分或者泵中流体的流量，其改变容器中的料位。因此，原则上， 所有那些被用于靠近过程并且输送或处理过程相关信息的设备都被称 作现场设备。因此，与本发明相关，该术语现场设备包括所有类型的 测量设备和致动器，以及例如在总线系统中集成的/可集成的的网关、 无线电适配器和其他总线部件。

恩德莱斯和豪瑟尔企业集团大量的生产和售卖这样的现场设备。

正如已经提到的那样，这样的现场设备需要电源。本领域公知的 是从电网向设备或现场设备供应电能基本上有三个变种。对所有的三 个变种，在电网操作的情况下，利用至少一个变压器的伽伐尼隔离 (galvanicisolation)是必需的。整流器的最简单情况为，其中，电网变 压器(50Hz)应用随后的线性电压调节器。然而，该电路的效率是相 对较差的。为了减少这些损失，线性电压调节器被切换调节器所替代。 这样，能够达到50-70％的效率。因为切换调节器被设置在电网变压器 的次级侧，这种电路也被称为二次切换电源。这些二次切换电源的效 率能够通过使用高频变压器(典型地几kHz到MHz)而被进一步提高。 然而，在该电路构成的情况下的技术负担是最大的。第一，电网电压 必须被整流，然后转换成高频交流电压，从而能够接着将其变换。为 了需要的输出电压，另外还需要控制脉冲宽度。为此使用的是控制环， 其被实施在次级侧和初级侧之间。进一步为了具有伽伐尼隔离，如光 耦这样的可能隔离被内置在控制环中。这样的电路构成也称为初级切 换电源。这些初级切换电源具有典型的输入电压范围，其以系数5扩 展，例如，从20到100V，其中在低输入电压范围内，典型地大约是 20到40V，然而，该效率低至60％。

发明内容

本发明的目的是优化这样的切换电源。

为了实现该目标，利用同步整流器、在切换电源中使用这种同步 整流器以及切换电源作为设备的能量来源。

关于同步整流器，通过如下同步整流器实现该目标，该同步整流 器整流作为输入信号的交流电压信号和/或前馈作为输入信号的直流电 压信号以用作输出信号，至少包括：

-整流单元，至少包括一个可控开关元件；

-平滑单元，连接到整流单元并且平滑由整流单元整流或前馈的信 号，以提供平滑后的信号用作输出信号；

-控制逻辑，其基于输入信号和来自平滑单元的输出信号控制整流 单元。

根据本发明，切换电源通过使用同步整流器而被优化，其在低输 入电压的情况下达到高效率。另外，在这种初级切换电源情况下需要 的巨大的技术负担通过使用该同步整流器而减少了，由于在其使用切 换电源的情况下，特别是低压切换电源的情况下，不再绝对需要初级 侧和次级侧之间的控制环了。取而代之，同步整流器包括控制逻辑， 其控制整流单元的至少一个可控开关元件。控制逻辑产生所需的控制 信号，例如，通过基于输入和输出信号在微控制器上运行的程序的方 式。这样，同步整流器可柔性适应于输入信号，其中控制逻辑检测输 入电压而不管其是直流电压还是具有任意频率的交流电压，并且确保 相应的输出信号在同步整流器上是可用的或存在的。在该情况下，输 入信号中特别是频率和幅值被评估。

因此，在提供交流电压作为输入电压的情况下，同步整流器能够 整流交流电压，在提供直流电压的情况下，同步整流器也能够前馈直 流电压，从而整流的的交流电压信号被提供作为输出信号，或者前馈 的直流电压信号被提供作为输出信号。进一步地，提供了通过使用控 制逻辑来实现似真性检查和/或缺陷分析的机会。

在本发明有利的实施例中，提供过电压保护单元，其设置在整流 单元和平滑单元之间并且把整流单元整流的信号或者前馈的信号限制 到特定的截断阈值。特别地，在该实施例中，该截断阈值是可变的。 同步整流器以如下方式构建以提供优点：平滑单元，其优选地包括电 容器，该平滑单元可适于优化其参数，特别是其电容值以及还有其物 理尺寸。过电压保护单元，在整流的或者前馈的信号超过截断阈值的 情况下，限制该信号，以避免损坏平滑单元。

这样，无论是由整流单元整流的信号还是前馈的信号都能够在提 供给平滑单元之前而被限制。这就降低了平滑单元的容量需求。

在本发明的其他优选实施例中，控制逻辑包括数字逻辑单元，其 利用至少一个控制信号来操作整流单元的至少一个可控开关元件。进 一步的，还设置控制逻辑包括零点检测单元和比较单元，其中零点检 测单元记录输入信号的零点跨越并且由此产生第一辅助信号，并且比 较单元将输入信号与输出信号进行比较并且由此产生第二辅助信号。 特别地，还设定数字逻辑单元基于第一和第二辅助信号产生至少一个 控制信号用于操作整流单元的至少一个可控开关元件。进一步的，该 实施例设置该第一辅助信号和第二辅助信号以及控制信号是数字信 号。

在本发明的其他优选实施例中，至少一个可控开关元件是半导体 元件。在这种情况下示例性的半导体开关元件包括优选场效应晶体管。

关于同步整流器的使用，通过包括在至少上述实施例之一中描述 的同步整流器被用于切换电源的特征来实现该目标，其中同步整流器 被设置在初级侧并且接收切换电源的输入信号以及提供输出信号给随 后的直流电压变换器，其中直流电压变换器形成在初级侧和次级侧的 伽伐尼隔离，切换电源在初级侧和次级侧之间不需要控制环。

关于切换电源，通过为负载提供能量来源的切换电源来实现该目 标，其中切换电源具有初级侧和次级侧，其中初级侧具有至少一个如 在前述那样构造的同步整流器，并且，其接收输入信号并且前馈该信 号给随后的直流电压变换器，直流电压变换器在初级侧和次级侧之间 形成伽伐尼隔离，其中切换电源在初级侧和次级侧之间不需要控制环。

附图说明

现在本发明将基于附图被详细描述，其中：

图1本发明同步整流器的示意性示图，

图2本发明同步整流器的详细示图，

图3本发明同步整流器的输入和输出信号的示意性示图，以及

图4具有本发明同步整流器的切换电源的示意性示图。

具体实施方式

图1示出了本发明的同步整流器1的示意性示图，同步整流器1 用于整流作为输入信号U_i的交流电压信号或者前馈作为输入信号U_i的直流电压信号，以用作输出信号U_o。输入信号U_i可以是任何频率(例 如50或者60Hz)的交流电压信号或者直流电压信号。另外，输入信号 U_i可具有15到230伏特的电压。

在该情况下，本发明的同步整流器1包括：

-整流单元5，包括至少一个可控开关元件12。在该情况下，开关 元件12是半导体元件，优选为场效应晶体管，例如，STD70N10F4， IRFR4615，NTD6414AN或者FDD86110。在输入信号U_i是交流电压 信号的情况下，整流单元5整流该信号。在输入信号U_i是直流电压信 号的情况下，整流单元5前馈该直流电压信号。

-平滑单元7，其连接在整流单元5之后，并且平滑由整流单元5 整流或者前馈的信号23并且提供该信号用作输出信号U_o。

-控制逻辑2、3、4，其基于输入信号U_i和来自平滑单元7的输出 信号U_o，操作整流单元5。在该情况下，控制逻辑2、3、4包括数字 逻辑单元4，其利用至少一个控制信号11控制整流单元5的至少一个 可控开关元件12。进一步，控制逻辑2、3、4包括零点检测单元2， 其检测输入信号U_i的零点跨越并且由此产生第一辅助信号13，其中根 据第一辅助信号13，用于整流单元的截断点22被产生。

另外，控制逻辑2、3、4包括比较单元3，其在最简单的情况下 是一个具有集成(无源)整流器的比较器，并且比较输入信号U_i和输 出信号U_o，以产生第二辅助信号14，其代表整流单元5的导通点21。

数字逻辑单元2、3、4基于分别以第一和第二辅助信号13、14的 形式传送的导通点21和截断点22产生控制信号即控制信号11，被应 用于多个开关元件12的情况。第一辅助信号13和第二辅助信号14以 及控制信号或控制信号11，在该情况下，是数字信号。

图1还示出过电压保护单元6，其设置在整流单元5和平滑单元7 之间，用于把整流单元5整流的信号或者前馈的信号23限制到特定的 截断阈值10。该截断阈值10是可自由选择的或可调节的，因此，能够 优化匹配到切换电源15中使用同步整流器1的情况下的直流电压变换 器(DC/DC变换器)16。另外，过电压保护单元6防止随后的平滑单 元7在截断阈值10之上过负载，因此，防止被过高信号所损坏。

图2详细的示出了本发明的同步整流器1。控制逻辑2、3、4被 以下方式实现，其基于零点检测单元2和比较单元3以及数字逻辑单 元4产生四个控制信号11，其操作整流单元5的四个开关元件12。四 个开关元件12，在该情况下，实现为场效应晶体管。

过电压保护单元6包括截断逻辑24和截断元件25，在超过截断 阈值10的情况下截断元件25由截断逻辑24激活。截断逻辑24根据 需要在截断元件25之前(图2的虚线)或者之后(图2中的实线)分 接其反馈信号26。

图3示出了本发明同步整流器1的信号的示意图。图3a示出了交 流电压信号提供给同步整流器1作为输入信号U_i的情况。

用于操作整流单元5的开关元件12，正如已描述的那样，是数字 控制逻辑4，其利用零点检测单元2和比较单元3确定切换点。在该情 况下，零点检测单元2为整流单元5确定截断点22，使得该截断点22 代表位于两个零跨越之间的时间点。另外，比较单元3根据输出信号 U_o和在比较单元内整流的输入信号U_i之间差值产生导通点21，例如， 当差值大于预定差值时。

如此确定的导通点21和截断点22利用第一辅助信号13和第二辅 助信号14馈送给数字逻辑单元4，接下来，数字逻辑单元4利用控制 信号11操作整流单元5的开关元件12。这样，输入信号U_i利用本发 明的同步整流器1被整流为相应的输出信号U_o。

图3b示出了截断阈值10，在该阈值过电压保护单元6被激活。 为此，示出两种情形，一种是当整流信号(虚线)23明显位于截断阈 值10之下时，另一种是当整流信号(实线)23位于截断阈值10之上 时。在整流信号23位于截断阈值10之上的情况下，通过相应地匹配 截断点22至截断阈值10，输出信号U_o被限制到截断阈值10。在该情 况下，截断阈值10可以自由选择，以不使平滑单元7充电超过该阈值， 平滑单元7例如包括电容器。这样，平滑单元7的输入范围U_i被限制 到截断阈值10，并且电容器的大小能够被相应的匹配。

图4示出了具有本发明同步整流器1的切换电源15的示意图。在 该情况下，切换电源15用于为负载17提供能量来源，负载17例如是 现场设备。切换电源15包括初级侧18和次级侧19。在该情况下，初 级侧18包括本发明的同步整流器1，正如上面所描述的那样。同步整 流器1接收输入电压U_i，其为直流电压或交流电压，并且提供输出信 号U_o给随后的直流电压变换器16。在该情况下，直流电压变换器16 本身在初级侧18和次级侧19之间形成伽伐尼隔离20，其中在两侧18、 19之间不提供或不需要提供控制环。

参考标记列表

1同步整流器

2零点检测单元

3比较单元

4数字逻辑单元

5整流单元

6过电压保护单元

7平滑单元

9控制信号

U_i输入信号

U_o输出信号

10截断阈值

11控制信号

12开关元件

13第一辅助信号

14第二辅助信号

15切换电源

16直流电压变换器或DC/DC变换器

17负载

18初级侧

19次级侧

20伽伐尼隔离

21用于整流单元的导通点

22用于整流单元的截断点

23整流的信号

24截断逻辑

25截断元件

26反馈信号