[发明专利]用于功率收集的输入调节式DC-DC转换器

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求以下于2007年6月15日提交的题目为“Input Regulated DC to DC Converter for Power Scavenging(用于功率收集的输入调节式DC-DC 转换器)”的美国临时申请No.60/944,454(代理机构案号No.06005/561853P) 的权益，该申请的公开内容特地通过引用合并于此。

技术领域

本申请总体涉及电压和功率转换电路，更具体地说，涉及用于调节 DC-DC转换器的输入电压的方法和装置。

背景技术

在多种应用中使用DC-DC转换器产生调节电压。以增压转换器或升压 转换器为人所知的某些转换器在输出端子处生成比输入端子处可得的电压 高的电压。反之，减压转换器在输出端子处生成较低的电压。本领域已知的 DC-DC转换器通常通过专用开关电路对流经电感器的电流的时序和方向进 行控制而操作。具体来说，这些转换器响应于由转换器输出端子处的反馈电 路所检测到的电压而循环地改变电感器累积电能然后释放电能的时间段。由 于典型的DC-DC转换器仅根据输出电压而操作，因此转换器按照需要从输 入端子汲取尽量多的功率，以便在输出端子处产生调节电压。例如，为了给 负载提供恒定的电压，典型的DC-DC转换器会根据负载的需求而从输入端 子汲取较多或较少的功率。这种特点使得可用DC-DC转换器不适宜于一些 需要电压转换的应用，

具体来说，在收集电路中可能需要电压转换。在诸多工业和家庭应用中， 由电源和一个以上用电设备组成的电流回路包括用于将电流回路的一部分 功率导向次级负载的附加电路。从主电路获取功率的过程经常被称作“收集 (scavenging)”，因此执行该操作所需的电路被称作“功率收集设备”。 在某些情况下，收集设备甚至可从除了电路系统之外的其它源，例如阳光， 获取功率。在其它情况下，收集设备以主电路的多余的或未使用的电能为目 标，以便给较小的负载供电。

例如，收集设备可以用在过程控制工业中广泛使用的4-20mA电流回路 中，以在现场设备与分布式控制系统即DCS之间传播模拟信号。一般而言， 诸如阀、阀定位器或开关之类的现场设备通过检测4-20mA范围内的DC电 流来处理控制信号。类似地，用于测量过程参数的诸如压力传感器、流量传 感器或温度传感器之类的现场设备生成4-20mA范围内的信号，并通过专用 线路对将这些信号传播到DCS。在某些情况下，期望使用4-20mA回路的功 率中的一些功率给诸如无线收发机之类的附加设备供电。同时，期望对用于 从4-20mA回路中汲取功率的收集电路两端的电压降进行限制，从而使收集 电路不对电流回路有所干扰，更具体地说，不对DCS与现场设备之间的信 号传输产生干扰。

不幸的是，可用DC-DC转换器并不对它们的输入端子之间的电压进行 调节。为了输出恒定的电压，这些转换器在输入端子处消耗必需的功率，这 有时可能导致输入端子之间产生多余电压降。因此，为了在4-20mA电路中 或在以改变回路电流为特征的任意其它环境中调节输入电压和安全地收集 功率，本领域已知的DC-DC转换器需要附加线路。例如，专用模拟电路可 限制转换器的输入端子处的电压。然而，该限制电路可能只会浪费有用功率。 类似地，并联的分路电路能够控制极限电压，但是也会通过电阻器耗散功率。 另一方面，反馈电路可用于打开或关闭收集电路，或者换句话说，对电路进 行“脉冲”操作，但是这种方法会生成可能干扰电流回路中的信号传输的低 频噪声。

进一步，本领域已知的转换器并未提供一种获取输入处可用的附加功率 的有效手段。例如，消耗相对较小功率的收集器负载将致使收集设备在输入 端子处汲取必需量的功率，而不考虑电流回路的实际能力。就像输出端子处 的功耗可能多余并可能扰乱电流回路一样，消耗过少的功率是不被期望的， 这是因为这种方法不能有效地利用电流回路。此外，可能存在供应电流显著 下降并且收集器负载无法接收到足够功率的情况。在这些情况下，显然期望 获取在输入处可用的额外功率，并通过使用诸如超电容器之类的传统装置对 其进行保存，以在到收集器电路的输入功率不充足时使用所保存的功率。