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CN112470385A - 稳流电源 - Google Patents

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CN112470385A
CN112470385A CN201980049300.XA CN201980049300A CN112470385A CN 112470385 A CN112470385 A CN 112470385A CN 201980049300 A CN201980049300 A CN 201980049300A CN 112470385 A CN112470385 A CN 112470385A
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CN
China
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voltage
current
regulator
voltage drop
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CN201980049300.XA
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Inventor
耶胡达·塞尔恩
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Celebre Ltd
Original Assignee
Celebre Ltd
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Abstract

用于向可变电阻负载提供稳定电流的设备和方法。由主电源供电的升压器在负载两端提供可调电压，而与负载串联的电流调节器保持期望的电流。当在电流调节器两端的电压降超过上限阈值时，升压器输出降低到较低水平以减少由电流调节器消耗的功率，并从而提高效率。当在电流调节器两端的电压降小于下限阈值时，升压器输出增加到较高水平。在突发模式操作中，升压器输出在全电压和零电压之间交替，且可选的电容器在放电期间在电阻负载两端提供电压。在升压器输出不是浮动的情况下，可选的二极管确保电容器通过负载放电。

Description

稳流电源
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月25日提交的标题为“Constant-current power supplysystem”的美国临时专利申请序列号62/703,244和于2018年7月25日与前述申请同时提交的标题为“Burst mode constant-current power supply system”的美国临时专利申请序列号62/703,256的利益，这两个临时专利申请的提交优先权特此被主张。
领域
本发明涉及基于稳定电流源(regulated current source)的电力设备和系统。
背景
诸如电池和电源干线出口(main outlets)的电源一般提供在某些情况下可以直接被应用的稳定电压(regulated voltage)。相反，一般具有广泛变化的电阻的生物和类似负载常常需要稳定电流(regulated current)。
图1是稳定电流源100的简单常规配置的框图。主电能量源105供应相对于局部(底盘)接地107测量的电压Vin，该电压Vin连接到升压器110的输入端111以在电力输出点112处提供更高的电压Vout 108。Vout 108连接到输出端子135，输出端子135连接到具有可变电阻Rvar的外部负载150的一个引线。稳定电流源100的另一输出端子130连接到外部负载150的另一引线。期望将稳定电流Iload 140驱动通过外部负载150。因此，输出端子130连接到电流调节器120，该电流调节器120通过自动改变其内电阻而被调整以使稳定电流Iload 140通过。作为结果，变化的调节器电压降Vreg145在电流调节器120两端出现，变化的调节器电压降Vreg 145随着Rvar值的变化而变化。
如所公知的，诸如电流源100的配置是非常低效的，因为电流调节器120消耗功率P＝Vreg*Iload，其是被浪费的，因为该功率没有被外部负载150所利用。
已知的电源干线恒流电源集成电流调节器，其中反馈用于启动诸如脉宽调制(PWM)的机制。几个布置基于这种技术，但是没有一个布置提供具有单独电流调节器的单独升压器(和/或调节器)。
因此，使更有效的稳定电流源利用升高的电压是合乎需要的，该稳定电流源仍然保持电流源100的简单性和可靠性。这个目标通过本发明的实施例来实现。
应用
施加稳定电流(诸如由本发明的实施例提供的稳定电流)在各种治疗场景中的医学和生物应用中是特别有用的。特定的治疗区域包括但不限于：
肌与骨骼、皮肤和软组织问题：
急性和亚急性的脊骨疼痛，包括椎间盘性、肌筋膜、韧带或小平面关节疼痛；
骨盆疼痛；
胸廓出口综合征；
急性和/或慢性的四肢关节疼痛；
骨关节炎、类风湿性关节炎、滑囊炎；
急性和/或慢性的痛风；
触发点疼痛；
急性和/或慢性的损伤，包括软组织损伤；
运动后肌肉酸痛；
伴有新疼痛或慢性疼痛的骨折；
肌筋膜疼痛，包括关节退行性变和/或脊骨/椎间盘问题；
皮肤伤口愈合、过敏反应；
锻炼恢复、镇静或表现；
淋巴水肿；
肌肉减少症；
皮肤皮下脂肪和/或皱纹减少；
电针刺；
神经学：大脑和中枢神经系统问题：
三叉神经痛；
神经根病；
神经瘤；
纤维肌痛；
丘脑疼痛；
带状疱疹：病变疼痛的减少；
PTSD(创伤后精神紧张性精神障碍)改善；
疱疹后神经痛；
周围神经病；
伴有脑震荡和/或脑雾的脑损伤；
脑垂体、后脑、中脑或髓质的亚急性损伤；
抑郁；
放松和/或睡眠问题；
腕管综合征；
帕金森氏病；
阿片成瘾：预防和禁断症状减少；
内部器官问题：
关于毒性、肝炎、纤维化的肝脏问题；
胰腺支持和抗胰岛素性；
涉及胃、食道、胆囊、小肠/大肠(包括便秘)的GI问题；
肾脏支持，包括肾结石问题；
肺支持、支气管炎；
输尿管粘连；
肾上腺支持；
子宫出血、纤维瘤问题；
冷/窦；
全身炎症。
概述
本发明的实施例提供了与受控升压器及对其的控制器耦合的稳定电流源。控制器感测负载电阻的变化，并响应于此而调整升压器的操作参数，其结果是在减少功率消耗的情况下提高效率。
因此，根据本发明的实施例，公开了一种用于向电阻负载提供稳定电流的稳定电流源设备，该稳定电流源包括：(a)提供输入电压的主电能量源；(b)升压器，其接收输入电压并从电力输出点提供可调电压，其中可调电压是经由在升压器的控制点处的控制信号可控制的；(c)电流调节器，其根据预定稳定负载电流来调节通过电阻负载的电流；以及(d)控制器，其用于测量在电流调节器两端的电压降，并用于根据该电压降经由控制点来控制升压器。
此外，根据本发明的另一实施例，公开了一种用于向电阻负载提供稳定电流的方法，该方法包括：(a)初始化电流调节器以使预定负载电流通过电阻负载；(b)初始化升压器以向电阻负载输出初始输出电压，其中升压器从主电能量源接收输入电压，其中升压器输出电压是根据控制信号可控制的，并且其中初始化包括向升压器发送第一控制信号；(c)测量在电流调节器两端的电压降以获得电流调节器电压降测量值；(d)将电流调节器电压降测量值与预定上限阈值进行比较；以及(e)如果电流调节器电压降测量值大于上限阈值，则向升压器发送第二控制信号以向电阻负载输出降低的输出电压，其中降低的输出电压等于输出电压减去增量输出电压变化值；(f)将电流调节器电压降测量值与预定下限阈值进行比较；以及(g)如果电流调节器电压降测量值小于下限阈值，则向升压器发送第三控制信号以输出增加的输出电压，其中增加的输出电压等于输出电压加上增量输出电压变化值。
附图简述
当下面的详细描述与附图一起被阅读时，所公开的主题可通过参考下面的详细描述被最好地理解，其中：
图1是稳定电流源的常规配置的框图。
图2a是根据本发明的实施例的稳定电流源的框图。
图2b是根据与图2a的稳定电流源相关的实施例的稳定电流源的框图。
图2c是根据本发明的与图2b的稳定电流源相关的另一实施例的稳定电流源的框图。
图3是根据本发明的另一实施例的用于提供稳定电流的方法的流程图。
为了说明的简单和清楚，附图中所示的元件不一定按比例绘制，且一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大。此外，可以在附图当中重复参考数字以指示相应或类似的元件。
详细描述
图2a是根据本发明的实施例的稳定电流源200a的框图。主电能量源205供应相对于局部(底盘)接地207测量的输入电压Vin，输入电压Vin连接到升压器210的输入端211以在电力输出点212处提供可调电压Vout208。特别地，电压Vout可以大于电压Vin。Vout 208连接到输出端子235，输出端子235连接到具有可变电阻Rvar的外部电阻负载250的一个引线。稳定电流源200a的另一个输出端子230连接到外部负载250的另一个引线。期望将稳定电流Iload240驱动通过外部负载250。因此，输出端子230连接到电流调节器220，该电流调节器220通过自动改变其内电阻来被调整以使预定稳定负载电流Iload 240通过。作为结果，变化的调节器电压降Vreg 245出现在电流调节器220两端，变化的调节器电压降Vreg 245随着Rvar的值的变化而变化。
根据该实施例，控制器225感测Vreg 245，并向升压器210的控制点213输出控制信号，根据该控制信号，升压器210调整输出电压Vout 208。
控制器225根据参数集260来调整输出电压208，参数集260包括：
初始输出电压值Vout-init 262；
输出电压值的增量变化ΔV 264；
第一调节器电压降阈值Vreg-thresh-lower 266；以及
第二调节器电压降阈值Vreg-thresh-upper 268，使得：
Vreg-thresh-lower<Vreg-thresh-upper。
控制器225根据如在下面关于图3所示的方法的讨论中公开的过程利用参数集260来执行输出电压208的调整。
总之，本发明的相关实施例如下提供控制：升压器210供应电压Vout208，电压Vout208最初由控制器225(经由控制点213)设置为Vout-init 262，以用于驱动期望电流Iload 240通过外部负载Rvar 250。通过外部负载Rvar 250的电流由电流调节器220限制到Iload 240。控制器225持续地监测电压降Vreg 245，并且如果Vreg 245超过阈值Vreg-thresh-upper 268，则这被视为指示过多功率正被电流调节器220消耗以及电流源200a在低效地操作。作为响应，控制器225用信号通知升压器210以输出降低的电压Vout-ΔVout，其又导致电压降Vreg 245的降低，并因而导致所消耗的功率的降低。Vreg 245的感测被持续地重复，并且如果Vreg 245仍然超过阈值Vreg-thresh-upper 268，则Vout到Vout-ΔVout的降低被重复，直到Vreg 245不再超过阈值Vreg-thresh-upper 268为止。
如果外部负载电阻Rvar 250增加，例如导致电压降Vreg 245降低到低于阈值Vreg-thresh-lower 266的值，则控制器225用信号通知升压器210(再次经由控制点213)以输出增加的电压Vout+ΔV。当Vreg 245的感测继续进行时，如果Vreg 245仍然低于阈值Vreg-thresh-lower 266，则Vout到Vout+ΔVout的增加被重复，直到Vreg 245不再低于阈值Vreg-thresh-lower 266为止。如果Vreg 245既不低于Vreg-thresh-lower 266，也不高于Vreg-thresh-upper268，则不对Vout做出变化。
应当理解，上述实施例及其描述是说明性的而非限制性的，并且其他实施例提供附加的电压控制方案。
图2b是根据本发明的相关实施例的稳定电流源200b的框图。该相关实施例的功能特征是，它采用具有分别对应于图2a中的参数集260的值的Vout-init 272、Vreg-thresh-lower 276和Vreg-thresh-upper 278的参数集270。然而，在电流源200b的这个相关实施例中，ΔVout 274被设置为Vout-init，使得当从初始值降低输出电压时，输出电压将降低至0伏(Vinit-ΔVout＝0)；并且当从0伏增加输出电压时，输出电压将恢复到其初始值(0+ΔVout＝Vout-init)。也就是说，电流源200b在“突发模式”中操作，其中电压由升压器210间歇地供应到外部负载。
为了有通过外部负载Rvar的电流的连续性，在输出端子235和局部接地207之间的电容器C 280在升压器210输出Vout-init 272时存储电荷，并在升压器210输出0伏(Vout-init-ΔV)时放电。可选的二极管282确保当升压器210输出零伏时电容器C 280通过外部负载Rvar放电。在升压器210以浮动电力输出点212为特征的情况下，二极管282是不需要的。此外，电容器C 280是可选的，并且在升压器210以浮动电容稳定的电力输出点为特征的情况下是不需要的。
图2b的配置由于下面的事实而提供效率的提高：在放电期间由电容器C 280供应的电压固有地降低并且小于Vout-init 272，并且因此导致减少的功率消耗。
图2c是根据本发明的另一相关实施例的稳定电流源200c的框图。稳定电流源200c与电流源200b(图2b)一样也在“突发模式”中操作，但是不是利用修改的参数集(如图2b的参数集270)，电流源200c经由升压器210的关闭点215在“突发模式”中操作。关闭点215与控制点213分离且不同。在关闭信号被施加到关闭点215的时间期间，升压器210停止操作，并在电力输出点212处提供零伏。当关闭信号被移除时，升压器210根据在控制点213处的信号重新开始在电力输出点212处提供电压。关于电容器C 280和二极管282的上述评论也适用于稳定电流源200c。
图3是根据本发明的实施例的用于提供稳定电流的方法300的流程图。在相关实施例中，方法300由稳定电流源200a(图2a)的控制器225执行。
在初始化步骤310中，电流调节器(例如图2a的电流调节器220)被设置为使期望的外部负载电流Iload通过，并且升压器(例如图2a的升压器210)被设置为以电压Vout-init 262输出电压Vout 208。然后，在调节循环开始点320之后，在步骤321中测量在电流调节器两端的电压降Vreg。在判定点322处，将Vreg的测量值与Vreg-thresh-upper 268进行比较，并且如果Vreg大于Vreg-thresh-upper 268，则在步骤323中将电压Vout 208设置为Vout-ΔV。
另一方面，如果Vreg不大于Vreg-thresh-upper 268，则该方法继续判定点324，其中Vreg的测量值与Vreg-thresh-lower 266比较。如果Vreg低于Vreg-thresh-upper 268，则在步骤325中电压Vout 208被设置为Vout+ΔV。
如果Vreg既不高于Vreg-thresh-upper也不低于Vreg-thresh-lower，则不对Vout做出变化，并且循环继续监测Vreg。
在判定点322和/或324被通过之后，在调节循环结束点330，控制回传到调节循环开始点320，并且执行继续。

Claims (14)

1.一种用于向电阻负载提供稳定电流的稳定电流源设备，稳定电流源包括：
主电能量源，其提供输入电压；
升压器，其接收所述输入电压并从电力输出点提供可调电压，其中，所述可调电压是经由在所述升压器的控制点处的控制信号可控制的；
电流调节器，其根据预定稳定负载电流来调节通过所述电阻负载的电流；以及
控制器，其用于测量在所述电流调节器两端的电压降，并用于根据所述电压降经由所述控制点来控制所述升压器。
2.根据权利要求1所述的稳定电流源设备，还包括参数集，所述参数集包括：
初始输出电压值；
增量输出电压变化值；
第一调节器电压降阈值；以及
第二调节器电压降阈值；
其中，所述第一调节器电压降阈值小于所述第二调节器电压降阈值；以及
其中，根据所述电压降经由所述控制点控制所述升压器包括：
根据所述初始输出电压值、所述增量输出电压变化值、所述第一调节器电压降阈值和所述第二调节器电压降阈值经由所述控制点来控制所述升压器。
3.根据权利要求2所述的稳定电流源设备，其中，所述增量输出电压变化值等于所述初始输出电压值。
4.根据权利要求3所述的稳定电流源设备，还包括连接在所述升压器的所述电力输出点和局部接地之间的电容器。
5.根据权利要求4所述的稳定电流源设备，还包括在所述升压器的所述电力输出点和所述电容器的连接中的二极管。
6.根据权利要求3所述的稳定电流源设备，其中，所述升压器还包括关闭点，所述关闭点当用关闭信号被通知时使所述升压器停止操作并提供零伏输出。
7.根据权利要求6所述的稳定电流源设备，还包括连接在所述升压器的所述电力输出点和局部接地之间的电容器。
8.根据权利要求7所述的稳定电流源设备，还包括在所述升压器的所述电力输出点和所述电容器的连接中的二极管。
9.一种用于向电阻负载提供稳定电流的方法，所述方法包括：
初始化电流调节器以使预定负载电流通过所述电阻负载；
初始化升压器以向所述电阻负载输出初始输出电压，其中，所述升压器从主电能量源接收输入电压，其中，所述升压器输出电压是根据控制信号可控制的，并且其中，所述初始化包括向所述升压器发送第一控制信号；
测量在所述电流调节器两端的电压降以获得电流调节器电压降测量值；
将所述电流调节器电压降测量值与预定上限阈值进行比较；以及
如果所述电流调节器电压降测量值大于所述上限阈值，则向所述升压器发送第二控制信号以向所述电阻负载输出降低的输出电压，其中，所述降低的输出电压等于所述输出电压减去增量输出电压变化值；
将所述电流调节器电压降测量值与预定下限阈值进行比较；以及
如果所述电流调节器电压降测量值小于所述下限阈值，则向所述升压器发送第三控制信号以输出增加的输出电压，其中，所述增加的输出电压等于所述输出电压加上所述增量输出电压变化值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述增量输出电压变化值等于所述初始输出电压。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二控制信号是关闭信号，并且其中，所述升压器在所述关闭信号的时间期间停止操作。
12.一种用于向电阻负载提供稳定电流的稳定电流源设备，稳定电流源包括：
主电能量源；
升压器；
电流调节器；以及
控制器，其布置成执行根据权利要求9所述的方法。
13.一种用于向电阻负载提供稳定电流的稳定电流源设备，稳定电流源包括：
主电能量源；
升压器；
电流调节器；以及
控制器，其布置成执行根据权利要求10所述的方法。
14.一种用于向电阻负载提供稳定电流的稳定电流源设备，稳定电流源包括：
主电能量源；
升压器；
电流调节器；以及
控制器，其布置成执行根据权利要求11所述的方法。
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