專利名稱：開關電源效率測控裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及電子技術領域，更具體地，涉及開關電源效率測控裝置和方法。
背景技術：
近年來，作為地球溫暖化對策，正在尋求電氣設備的低耗電力化。特別是內(nèi)裝于大致所有設備中的開關電源的高效率化成為課題。開關電源中，實現(xiàn)效率檢測及提高效率的各種提案已經(jīng)實用化。隨著計算機產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，尤其在高功耗服務器領域，如何準確迅速的監(jiān)控及提高開關電源的效率，成為眾工程師關注的焦點。在目前的現(xiàn)有技術中，申請?zhí)枮?00810026537的專利申請公開了一種智能開關電源功率檢測及控制裝置包括有功率檢測及功率控制電路，其中功率檢測電路包括采樣電路⑴、整流濾波電路O)、電壓比較電路⑶、延時電路⑷、滯環(huán)反饋電路(5)，功率控制電路包括電壓采樣電路(6)、基準電壓設定電路(7)、PWM控制器(8)。功率檢測電路通過檢測開關電源主變壓器原邊電流來監(jiān)測輸出功率的結構，當輸出功率過大時，功率檢測電路通過對該電流進行采樣，并把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，與基準設定電壓進行比較，產(chǎn)生一個過功率信號?？刂齐娐窓z測到過功率信號，通過雙極性晶體管導通來改變控制電路的分壓網(wǎng)絡，改變誤差比較的基準設定電壓，進行降低控制電路的脈寬調(diào)制(PWM)控制器的輸出占空比，最終降低輸出電壓，實現(xiàn)電壓自動調(diào)整，控制系統(tǒng)內(nèi)部損耗的目的。雖然上述現(xiàn)有技術能夠較為有效的提高開關電源的效率，但是其方案僅檢測了輸出功率，無法實時檢測開關電源效率。由于此控制部分實現(xiàn)控制基準設定電壓，達到降低輸出電壓的目的，但對于大多設備，其輸入電壓并不能隨意變動，故此發(fā)明無法實用。另外此方法只能降低系統(tǒng)內(nèi)部損耗，對于開關電源效率的提升，關沒有起到實質(zhì)性的作用。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種開關電源效率測控裝置，包括開關電源模塊；輸入電流電壓采樣模塊，用于對所述開關電源模塊的輸入電流和輸入電壓進行采樣； 輸出電流電壓采樣模塊，用于對所述開關電源模塊的輸出電流和輸出電壓進行采樣；中央計算單元，用于根據(jù)所述輸入電流和所述輸入電壓以及所述輸出電流和所述輸出電壓來計算所述開關電源模塊的效率值；以及開關電源控制器，用于根據(jù)所述中央計算單元算得的所述效率值來控制所述開關電源模塊。該裝置還包括顯示模塊，與所述中央計算單元相連接，用于顯示所述中央計算單元算得的所述效率值。用戶根據(jù)所述顯示模塊上顯示的所述效率值來手動調(diào)節(jié)所述開關電源控制器，以便找到最高的所述效率值。所述開關電源控制器控制的是所述開關電源模塊的頻率。所述開關電源控制器以特定步長輪詢所述開關電源模塊的工作頻率，從中找到最高的所述效率值。
所述中央計算單元進一步包括乘法器MUX，用于分別對所述輸入電流和所述輸入電壓以及所述輸出電流和所述輸出電壓進行乘法運算，從而求得所述開關電源模塊的輸入功率和輸出功率；以及微計算單元MCU，用于分別對求得的所述輸入功率和所述輸出功率進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結果作除法，以便計算所述開關電源模塊的效率值。所述用戶通過可變電阻器來對所述開關電源控制器進行調(diào)節(jié)。此外，還提供了一種開關電源效率測控方法，包括以下步驟對開關電源模塊的輸入電流和輸入電壓進行采樣；對所述開關電源模塊的輸出電流和輸出電壓進行采樣；根據(jù)所述輸入電流和所述輸入電壓以及所述輸出電流和所述輸出電壓來計算所述開關電源模塊的效率值；以及根據(jù)所述中央計算單元算得的所述效率值來控制所述開關電源模塊。用戶根據(jù)所述效率值來手動調(diào)節(jié)所述開關電源模塊的頻率，以便找到最高的所述效率值。以特定步長輪詢所述開關電源模塊的工作頻率，從中找到最高的所述效率值。


當結合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細的描述可以更好地理解本發(fā)明。應該強調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標準實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的信號轉(zhuǎn)換成MCU格式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路布局；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的開關電源的電路布局；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的輸入電流采樣模塊的電路布局；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的輸出電流采樣模塊的電路布局；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的開關電源效率測控裝置；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的開關電源效率測控方法。
具體實施例方式為了實施本發(fā)明的不同部件，以下描述提供了許多不同的實施例或示例。以下描述元件和布置的特定示例以簡化本發(fā)明。當然這些僅僅是示例并不打算限定。再者，以下描述中第一部件形成在第二部件上可包括其中第一和第二部件以直接接觸形成的實施例， 并且也可包括其中額外的部件形成插入到第一和第二部件中的實施例，使得第一和第二部件不直接接觸。為了簡明和清楚，可以任意地以不同的尺寸繪制各種部件。本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種能夠?qū)﹄娫葱蕦崟r監(jiān)測及顯示，并根據(jù)不同的負載程序，手動調(diào)節(jié)開關電源頻率以達到不同應用均可以固定在相對應的開關頻率上面，達到效率最高的智能效率檢測及控制裝置。本發(fā)明的技術方案是包括有開關電源主功率電路，其中包括PWM開關電源控制器，輸入電感Lzin，輸出電感Lz，上下開關管Q1、Q2以及手動調(diào)整開關頻率的Rajust ；電流采樣電路其中包括輸入電流采樣電路，輸出電流采樣電路；以及主要計算中央單元，包括信號轉(zhuǎn)換成MCU格式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(HCF4067)，MCU (PIC24FJ64GA004)和SMBUS液晶顯示模塊。
上述輸入、輸出電流采樣電路利用電感的DCR特性，對流經(jīng)上面的電流信號通過電壓的方式(歐姆定律I = U/R)進行取樣，在自己內(nèi)部對取樣信號進行基本的處理及放大，通過VIN_CURRENT及V0UT_CURRENT兩PIN傳輸?shù)街饔嬎銌卧盘栟D(zhuǎn)換模塊，同時主計算單元模塊接收到主功率部分傳過來的輸入輸出電壓信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，變成MCU可以識別的數(shù)字信號，交給MCU處理，MCU根據(jù)輸入電壓，輸入電流以及輸出電壓，輸出電流來計算出開關電源的效率，其中計算公式為Pin = VIN*VIN_CURRENT, Pout = Vout*Vout_ ⑶RRENT，效率η = (Pin/Pout) *100%，計算出開關電源的效率后，通過SMBUS傳送到液晶顯示模塊，實時顯示。開關電源在工作的同時，由于可以實時觀察效率的數(shù)值及變化，可以通過開關電源主功率模塊下屬的Rajust調(diào)整開關電源的頻率，邊調(diào)整邊觀察，以至可以輕松找到一個最高效率的開關電源的頻率，作為后續(xù)產(chǎn)品的固定頻率。實例一本發(fā)明的結構示意圖如圖1、2、3、4所示，包括有開關電源主功率電路，其中包括 PWM開關電源控制器，輸入電感Lzin，輸出電感Lz，上下開關管Q1、Q2以及手動調(diào)整開關頻率的Rajust ；電流采樣電路其中包括輸入電流采樣電路，輸出電流采樣電路；以及主要計算中央單元，包括信號轉(zhuǎn)換成MCU格式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(HCF4067)，MCU(PICMFJ64GA004)和 SMBUS液晶顯示模塊。上述開關電源主功率電路的VIN+、VIN-分別與輸入電流采樣電路的 VIN+, VIN-相連，開關電源主功率電路的Vout+、Vout-分別與輸出電流采樣電路的Vout+、 Vout-相連；開關電源主功率電路的VIN-、Vout-分別與主計算單元中信號轉(zhuǎn)換成MCU格式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊的Vim、VOUTl相連；輸入電流采樣模塊的VIN_VOTRRENT與主計算單元中信號轉(zhuǎn)換成MCU格式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊的Vim_CURRENT相連；輸出電流采樣模塊的 Vout_VCURRENT 相連；MUXl 的 Pim、PIN10、PINll、PIN13、PIN14 分別與MCU 的 ΡΙΝ20、ΡΙΝ!35、 ΡΙΝ36、ΡΙΝ37、ΡΙΝ38 相連；MCU 的 SMBUS (ΡΙΝ44，Pim)分別與顯示模塊的 PIN2，PIN3 相連；本實施例中，輸入、輸出電流采樣電路利用電感的DCR特性，對流經(jīng)上面的電流信號通過電壓的方式(歐姆定律I =U/R)進行取樣，在自己內(nèi)部對取樣信號進行基本的處理及放大，通過VIN_CURRENT及V0UT_CURRENT兩PIN傳輸?shù)街饔嬎銌卧盘栟D(zhuǎn)換模塊，同時開關電源主功率電路的VIN-、VOUT-將輸入、輸出電壓信號傳送到主計算單元信號轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，變成MCU可以識別的數(shù)字信號，交給MCU處理，MCU根據(jù)輸入電壓，輸入電流以及輸出電壓，輸出電流來計算出開關電源的效率，其中計算公式為Pin = VIN*VIN_ CURRENT Pout = Vout*Vout_CURRENT，效率 η = (Pin/Pout) *100%，計算出開關電源的效率后，通過SMBUS傳送到液晶顯示模塊，實時顯示。對于服務器來講，不同的服務計算一般負載不同利用這一特性，針對跑特性程序的服務計算，根據(jù)跑運算時實時顯示的電源效率，手動調(diào)整開關電源的開關頻率，以達到最佳效率點。實例二由于HCF4067有16個10端口，故一次性可以監(jiān)控顯示4路開關電源的效率，另外 MCU可以支持4組HCF4067，故一次性可以監(jiān)控16路電源，基本涵蓋了主板上所有的開關電源。實例三
MCU(PIC24FJ64GA004)有儲數(shù)據(jù)的功能，可以將檢測的數(shù)據(jù)進行存儲分析，通過其下掛的E2R0M，可以將運行狀態(tài)信息進行保存，通過SMBUS提取存儲數(shù)據(jù)，進行分析，可以得到主板效率的整體狀況，對其靜態(tài)及動態(tài)特性有很大的幫助。更確切地，本發(fā)明提供了一種開關電源效率測控裝置，包括開關電源模塊102 ； 輸入電流電壓采樣模塊104，用于對開關電源模塊102的輸入電流和輸入電壓進行采樣；輸出電流電壓采樣模塊106，用于對開關電源模塊102的輸出電流和輸出電壓進行采樣；中央計算單元108，用于根據(jù)輸入電流和輸入電壓以及輸出電流和輸出電壓來計算開關電源模塊的效率值；以及開關電源控制器(未示出)，用于根據(jù)中央計算單元算得的效率值來控制開關電源模塊。該裝置還包括顯示模塊，與中央計算單元相連接，用于顯示中央計算單元算得的效率值。優(yōu)選地，用戶根據(jù)顯示模塊上顯示的效率值來手動調(diào)節(jié)開關電源控制器，以便找到最高的效率值。優(yōu)選地，開關電源控制器控制的是開關電源模塊的頻率。優(yōu)選地，開關電源控制器以特定步長輪詢開關電源模塊的工作頻率，從中找到最高的效率值。優(yōu)選地，中央計算單元進一步包括乘法器MUX，用于分別對輸入電流和輸入電壓以及輸出電流和輸出電壓進行乘法運算，從而求得開關電源模塊的輸入功率和輸出功率； 以及微計算單元MCU，用于分別對求得的輸入功率和輸出功率進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結果作除法，以便計算開關電源模塊的效率值。優(yōu)選地，用戶通過可變電阻器來對開關電源控制器進行調(diào)節(jié)。此外，還提供了一種開關電源效率測控方法，包括以下步驟S601，對開關電源模塊的輸入電流和輸入電壓進行采樣；S603，對開關電源模塊的輸出電流和輸出電壓進行采樣；S605，根據(jù)輸入電流和輸入電壓以及輸出電流和輸出電壓來計算開關電源模塊的效率值；以及S607，根據(jù)中央計算單元算得的效率值來控制開關電源模塊。優(yōu)選地，用戶根據(jù)效率值來手動調(diào)節(jié)開關電源模塊的頻率，以便找到最高的效率值。優(yōu)選地，以特定步長輪詢開關電源模塊的工作頻率，從中找到最高的效率值。此發(fā)明從開關電源變化級的輸入以及輸出采樣信號，以取整得電源系統(tǒng)中較為準確的數(shù)據(jù)，可以直觀得進行效率計算，在此基礎上的改善調(diào)控手段更加直接與有效。另外此發(fā)明可以實時直接的偵測后端負載的情況，對于負載的靜態(tài)特性及動態(tài)特性都可以實時的監(jiān)控，并在基礎上對電源進行調(diào)控。上面論述了若干實施例的部件，使得本領域普通技術人員可以更好地理解本發(fā)明的各個方面。本領域普通技術人員應該理解，可以很容易地使用本發(fā)明作為基礎來設計或更改其他用于達到與這里所介紹實施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點的處理和結構。本領域普通技術人員也應該意識到，這種等效構造并不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行多種變化、替換以及改變。
權利要求
1.一種開關電源效率測控裝置，其特征在于，包括 開關電源模塊；輸入電流電壓采樣模塊，用于對所述開關電源模塊的輸入電流和輸入電壓進行采樣； 輸出電流電壓采樣模塊，用于對所述開關電源模塊的輸出電流和輸出電壓進行采樣； 中央計算單元，用于根據(jù)所述輸入電流和所述輸入電壓以及所述輸出電流和所述輸出電壓來計算所述開關電源模塊的效率值；以及開關電源控制器，用于根據(jù)所述中央計算單元算得的所述效率值來控制所述開關電源模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括顯示模塊，與所述中央計算單元相連接，用于顯示所述中央計算單元算得的所述效率值。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，用戶根據(jù)所述顯示模塊上顯示的所述效率值來手動調(diào)節(jié)所述開關電源控制器，以便找到最高的所述效率值。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述開關電源控制器控制的是所述開關電源模塊的頻率。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述開關電源控制器以特定步長輪詢所述開關電源模塊的工作頻率，從中找到最高的所述效率值。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述中央計算單元進一步包括 乘法器MUX，用于分別對所述輸入電流和所述輸入電壓以及所述輸出電流和所述輸出電壓進行乘法運算，從而求得所述開關電源模塊的輸入功率和輸出功率；以及微計算單元MCU，用于分別對求得的所述輸入功率和所述輸出功率進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結果作除法，以便計算所述開關電源模塊的效率值。
7.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述用戶通過可變電阻器來對所述開關電源控制器進行調(diào)節(jié)。
8.一種開關電源效率測控方法，其特征在于，包括以下步驟 對開關電源模塊的輸入電流和輸入電壓進行采樣；對所述開關電源模塊的輸出電流和輸出電壓進行采樣；根據(jù)所述輸入電流和所述輸入電壓以及所述輸出電流和所述輸出電壓來計算所述開關電源模塊的效率值；以及根據(jù)所述中央計算單元算得的所述效率值來控制所述開關電源模塊。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，用戶根據(jù)所述效率值來手動調(diào)節(jié)所述開關電源模塊的頻率，以便找到最高的所述效率值。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，以特定步長輪詢所述開關電源模塊的工作頻率，從中找到最高的所述效率值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種開關電源效率測控裝置和方法，該裝置包括開關電源模塊；輸入電流電壓采樣模塊，用于對所述開關電源模塊的輸入電流和輸入電壓進行采樣；輸出電流電壓采樣模塊，用于對所述開關電源模塊的輸出電流和輸出電壓進行采樣；中央計算單元，用于根據(jù)所述輸入電流和所述輸入電壓以及所述輸出電流和所述輸出電壓來計算所述開關電源模塊的效率值；以及開關電源控制器，用于根據(jù)所述中央計算單元算得的所述效率值來控制所述開關電源模塊。
文檔編號H02M3/155GK102497099SQ20111045578
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權日2011年12月31日
發(fā)明者劉小亮, 沙超群, 王衛(wèi)鋼 申請人:曙光信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司