用于調(diào)節(jié)功率變換器輸出電壓的控制器以及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于調(diào)節(jié)功率變換器輸出電壓的控制器以及方法。所述控制器從電源的輸入側(cè)間接檢測(cè)輸出電壓，所述控制器包括：一反饋電路，其被連接以將代表偏置繞組電壓的一個(gè)反饋信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓比較；一驅(qū)動(dòng)電路，其被連接至所述反饋電路并且輸出一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用以將電源開關(guān)在接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換，從而響應(yīng)于所述反饋信號(hào)和一開關(guān)限流調(diào)節(jié)所述功率變換器的輸出；一限流調(diào)整電路，其被連接以檢測(cè)所述功率變換器的負(fù)載狀況并且調(diào)整所述開關(guān)限流，使得響應(yīng)于所述功率變換器的負(fù)載狀態(tài)，非線性地調(diào)整所述功率變換器的偏置繞組電壓。
【專利說明】用于調(diào)節(jié)功率變換器輸出電壓的控制器以及方法
[0001]本申請(qǐng)是2010年I月29日提交的題為“用于調(diào)節(jié)輕載/空載下的功率變換器輸出電壓的方法和裝置”、國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?01010107598.6的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體涉及功率變換器(power converter),更具體而言,本發(fā)明涉及對(duì)輕載/空載狀態(tài)下的輸出電壓的調(diào)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0003]許多電氣設(shè)備，例如蜂窩電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、膝上電腦等都由直流電源供電。因?yàn)楣β释ǔＲ愿邏航涣鞴β释ㄟ^墻上插座來傳送，所以需要諸如功率變換器之類的設(shè)備來將高壓交流功率轉(zhuǎn)化為對(duì)許多電氣設(shè)備可用的直流功率。在運(yùn)行過程中，功率變換器可使用一控制器來對(duì)被傳送至電氣設(shè)備的能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，該電氣設(shè)備一般可被稱為負(fù)載。有一情形是，控制器可通過響應(yīng)輸出電壓的反饋信息以將電源開關(guān)接通或斷開，來控制能量脈沖的傳輸，以不斷對(duì)功率變換器輸出端處的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0004]在某些應(yīng)用中，功率變換器可包括一能量傳輸元件，以將功率變換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)分隔開。更具體而言，能量傳輸元件可提供如下的電流絕緣，即防止直流電流在功率變換器的輸入端和輸出端之間流動(dòng)，由于一些特定的安全規(guī)定，可能要求有這種電流絕緣。能量傳輸元件的常見實(shí)施例是耦合電感，其中由輸入側(cè)上的輸入繞組所接收的電能被存儲(chǔ)為磁能，然后再在功率變換器的輸出側(cè)被轉(zhuǎn)化為跨于輸出繞組上的電能。
[0005]對(duì)于某些功率變換器設(shè)計(jì)，可能需要將輸出電壓調(diào)節(jié)在指定電壓范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，一些功率變換器可能使用“初級(jí)反饋”以允許從功率變換器的輸入側(cè)間接檢測(cè)輸出電壓，從而將輸出電壓調(diào)節(jié)在指定范圍內(nèi)。為了降低成本，可能使用初級(jí)反饋，而不是使用直接檢測(cè)功率變換器輸出端處的輸出電壓的電路。初級(jí)反饋的一個(gè)實(shí)例是將一偏置繞組電連接至功率變換器的輸入側(cè)，使得偏置繞組也被磁耦合(非直接連接)至能量傳輸元件的輸出繞組。這使得偏置繞組能夠產(chǎn)生一個(gè)跨于偏置繞組上的代表了功率變換器的輸出電壓的電壓，該偏置繞組與功率變換器的輸入側(cè)電連接。以這樣的方式，功率變換器獲取一個(gè)代表了輸出電壓的反饋信號(hào)，而不直接檢測(cè)在功率變換器的輸出端處的輸出電壓。
[0006]然而，當(dāng)對(duì)基本輕載/空載狀態(tài)下(其中負(fù)載需要非常小的功率或不需要功率)的功率變換器的調(diào)節(jié)應(yīng)用初級(jí)反饋時(shí)，輸出電壓會(huì)相當(dāng)大地偏離其所需值。這會(huì)阻止輸出電壓在輕載/空載狀態(tài)下落在指定的輸出電壓范圍內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]參照附圖描述了本發(fā)明的非限制性且非窮舉的實(shí)施方案和實(shí)施例，若非另有說明，則其中多個(gè)不同附圖中的相同參考數(shù)字指的是相同部分。
[0008]圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的示例性功率變換器的功能方框圖。
[0009]圖1B是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的示例性波形，該波形示出了通過圖1A的電源開關(guān)106的開關(guān)電流Isw。
[0010]圖2是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的示例性波形，該波形示出了沒有調(diào)整偏置繞組電壓波形下，初級(jí)反饋功率變換器的輸出電壓。
[0011]圖3A和3B示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的，經(jīng)調(diào)整的偏置電壓的示例波形。
[0012]圖4是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的用于調(diào)整基準(zhǔn)電壓以改變偏置電壓的示例性控制器的功能方框圖。
[0013]圖5是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的用于調(diào)整限流以改變偏置電壓的示例性控制器的功能方框圖。
[0014]圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的示例性的可調(diào)整的基準(zhǔn)電壓電路的功能方框圖。
[0015]圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的包括了電源開關(guān)和控制器的示例性集成電路的功能方框圖。
[0016]圖8是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的可調(diào)整的基準(zhǔn)電壓電路的示例性示意圖。
[0017]圖9是一曲線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的圖8的被調(diào)基準(zhǔn)電壓對(duì)功率變換器的輸出電流的響應(yīng)關(guān)系。
[0018]圖10是一個(gè)流程圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的響應(yīng)輸出電流來調(diào)整偏置電壓的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0019]公開了一種用于對(duì)一定負(fù)載狀態(tài)下的功率變換器的輸出電壓的調(diào)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)的方法和裝置。更具體而言，公開了一種響應(yīng)于功率變換器的變動(dòng)負(fù)載狀態(tài)來非線性調(diào)整偏置電壓的方法和裝置。在下面的說明中，列出了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的徹底理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是，實(shí)施本發(fā)明并不必需使用這些具體細(xì)節(jié)。在其他情況下，那些眾所周知的材料或方法沒有被詳細(xì)描述，以免混淆本發(fā)明。
[0020]所提及的貫穿該說明書的“一個(gè)實(shí)施方案”、“一實(shí)施方案”、“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”意味著，針對(duì)所述實(shí)施方案或?qū)嵤├枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案中。由此，貫穿該說明書的在各個(gè)位置中出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施方案中”、“在一實(shí)施方案中”、“一個(gè)實(shí)施例”或“ 一實(shí)施例”未必全指的是相同的實(shí)施方案或?qū)嵤├?。而且，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案或?qū)嵤├?，具體的多個(gè)特征、結(jié)構(gòu)或特性可被結(jié)合到任何合適的組合和/或子組合中。另外，應(yīng)理解的是，此處所提供的附圖是用于對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進(jìn)行解釋的目的的，所述附圖未必按比例畫出。
[0021]現(xiàn)在參照?qǐng)D1A，一功能方框圖示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的功率變換器100。在所示出的實(shí)施例中，功率變換器100包括集成電路102、能量傳輸元件108、反饋電路110、二極管D1、輸出電容器Cqut、以及預(yù)負(fù)載電阻器(pre-load resistor) Rpij,所述集成電路102進(jìn)一步包括控制器104和電源開關(guān)106。集成電路102還包括漏極端子D、源極端子S、反饋端子FB,以及旁路端子BP。如所示的，反饋電路110被示為包括偏置繞組128、二極管D2、第一電阻器R1和第二電阻器民，以及偏置電容器CBIAS。
[0022]如所示的，功率變換器100被配置為逆向變換器(flyback converter)。在運(yùn)行中，功率變換器100從一個(gè)未調(diào)節(jié)的直流輸入電壓Vin——自此被稱為“輸入電壓”——向負(fù)載119提供輸出功率。在圖1的實(shí)施例中，能量傳輸元件108是耦合電感，該耦合電感自此被稱為“變壓器”，該耦合電感具有輸入繞組124和輸出繞組126?！拜斎肜@組”也可被稱為“初級(jí)繞組”，“輸出繞組”也可被稱為“次級(jí)繞組”。在一個(gè)實(shí)施例中，能量傳輸元件108可提供電流絕緣。更具體而言，電流絕緣防止直流電流在功率變換器100的輸入側(cè)和輸出側(cè)之間流動(dòng)，并且通常需要有電流絕緣，以滿足安全規(guī)定。如所示的，輸入返回105電連接至功率變換器100 “輸入側(cè)”上所指示的電路。類似地，輸出返回107被電連接至功率變換器100 “輸出側(cè)”上的電路。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，初級(jí)繞組124連接至電源開關(guān)106，使得在運(yùn)行中，當(dāng)電源開關(guān)106處于接通狀態(tài)時(shí)，能量傳輸元件108接收輸入電流為Iin的能量，當(dāng)電源開關(guān)106處于斷開狀態(tài)時(shí)，能量傳輸元件108將能量輸送至功率變換器100的輸出端。
[0024]如所示的，電源開關(guān)106可在“接通(on) ”狀態(tài)和“斷開(off) ”狀態(tài)之間切換，在“接通”狀態(tài)時(shí)，使電流傳導(dǎo)通過該開關(guān)，在“斷開”狀態(tài)時(shí)，阻止電流傳導(dǎo)通過該開關(guān)。在運(yùn)行中，控制器104輸出一開關(guān)信號(hào)Usw,以使電源開關(guān)106在接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器104可操作該開關(guān)106以將輸出電壓Vqut調(diào)節(jié)至其所需值。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器104包括一個(gè)振蕩器(未示出)，該振蕩器限定了基本規(guī)則的、開關(guān)106在其間可為導(dǎo)通或不導(dǎo)通的開關(guān)周期Ts。更具體地，對(duì)輸出電壓Vott的調(diào)節(jié)是這樣實(shí)現(xiàn)的:響應(yīng)反饋信號(hào)Ufb——它間接代表了輸出電壓Vtot——而切換電源開關(guān)106以控制從功率變換器100的輸入端傳遞至輸出端的能量的量。在一個(gè)實(shí)施例中，反饋信號(hào)Ufb可直接將偏置電壓Vbias調(diào)節(jié)至所需的代表了所需輸出電壓Vtot值的電壓。例如，偏置電壓Vbias可被調(diào)節(jié)為20V，以便間接地將輸出電壓Vtot調(diào)節(jié)為5V。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，電源開關(guān)106是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在一個(gè)實(shí)施例中，集成電路102可被實(shí)現(xiàn)為單片集成電路，或者可使用分立的電氣元件、或者分立的元件與集成電路的組合來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，集成電路102被制造為包括控制器104和電源開關(guān)106的混合集成電路或單片集成電路。在另一實(shí)施例中，電源開關(guān)106不包括在集成電路102中，其中，控制器104將被連接至一如下的電源開關(guān)，該電源開關(guān)被制造為一個(gè)與控制器104分立的器件。在功率變換器100的運(yùn)行中，電源開關(guān)106的切換在二極管D1中產(chǎn)生脈動(dòng)電流,該脈動(dòng)電流被輸出電容器Cotjt濾波以產(chǎn)生基本恒定的輸出電壓 Vout。
[0026]如所示的，反饋電路110適于提供初級(jí)反饋，所述初級(jí)反饋允許從電源的輸入側(cè)間接檢測(cè)輸出電壓VOTT。在運(yùn)行中，反饋電路110將反饋信號(hào)Ufb提供至控制器104。在一個(gè)實(shí)施例中，反饋信號(hào)Ufb可代表偏置電壓VBIAS。如所不的,偏置繞組128磁稱合至輸出繞組126。由于磁耦合，在運(yùn)行中，能量傳輸元件108將能量傳送至輸出繞組126，當(dāng)電源開關(guān)106處于斷開狀態(tài)時(shí)，將能量傳送至偏置繞組128。更具體而言，所感應(yīng)的跨于輸出繞組126上的電壓可與跨于偏置繞組128上的電壓基本成比例。以這種方式，在電源開關(guān)106處于斷開狀態(tài)期間，二極管D2導(dǎo)通以向電容器Cbias充電時(shí)，偏置電壓Vbias——其被限定為電容器Cbias上的電壓-±曾加至一個(gè)代表了輸出電壓Vmjt的電壓。
[0027]如所示的，二極管D2連接在偏置繞組128和偏置電容器Cbias之間，以防止當(dāng)電源開關(guān)106導(dǎo)通時(shí),該偏置電容器Cbias放電。在一實(shí)施例中，偏置繞組電Svbias包括一直流電壓，并且還包括一隨時(shí)間而變化的電壓分量——其也被稱為波紋電壓。在一實(shí)施例中，Vbias的波紋電壓由于電容器Cbias的充電和放電而發(fā)生。更具體而言，電容器Cbias的充電發(fā)生在當(dāng)能量被傳送至偏置繞組128且二極管D2導(dǎo)通時(shí)。電容器Cbias的放電發(fā)生在當(dāng)二極管D2未導(dǎo)通且能量以基本恒定的速率通過R1和R2釋放時(shí)。如所示出的，包括電阻器R1和電阻器民的電阻分壓器連接在偏置電容器Cbias上。在一實(shí)施例中，所述電阻分壓器被連接以提供一被分割的偏置電壓Vbias至集成電路102的反饋引腳FB。
[0028]在運(yùn)行中，功率變換器100通過直接調(diào)節(jié)間接地(通過磁耦合)代表了所需的輸出電壓Vtot值的偏置電壓Vbias來實(shí)施初級(jí)反饋。因此，如果輸出電壓Vot相對(duì)其所需值開始改變，那么輸出電壓中 的改變將成比例地改變偏置電壓VBIAS。控制器104將相應(yīng)地切換電源開關(guān)106，以通過調(diào)整輸送至輸出端的能量從而將偏置電壓Vbias恢復(fù)至其所需值。以這種方式，輸出電壓Vott被偏置繞組電壓Vbias間接調(diào)節(jié)。
[0029]在一實(shí)施例中，對(duì)于調(diào)節(jié)輸出電壓Vot的電源開關(guān)106，控制器104決定是否使電源開關(guān)106在開關(guān)周期Ts內(nèi)響應(yīng)反饋信號(hào)Ufb而導(dǎo)通。如上所述，開關(guān)周期Ts可以是由控制器104中的振蕩器(未示出)所設(shè)置的恒定時(shí)間周期。其中允許開關(guān)106導(dǎo)通的開關(guān)周期Ts是“允許(enabled)”周期。其中不允許開關(guān)106導(dǎo)通的開關(guān)周期Ts是“禁止(disabled)”周期。換言之，控制器104決定在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)是將電源開關(guān)106導(dǎo)通還是將電源開關(guān)106斷開，以控制傳送至功率變換器100的輸出的能量。以這樣的方式，控制器104可響應(yīng)于反饋信號(hào)Ufb來調(diào)節(jié)功率變換器100的輸出電壓VTOT。
[0030]現(xiàn)在參照?qǐng)D1B，示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的用于多個(gè)允許和禁止開關(guān)周期Ts的圖1A的開關(guān)電流Isw的示例性波形。如所示的，圖1B中示出了用于多個(gè)允許和禁止開關(guān)周期Ts——從Ttl到TN+1——的開關(guān)106中的開關(guān)電流Isw的示例性波形。在圖1B的實(shí)施例中，開關(guān)106在每個(gè)允許開關(guān)周期Tc^T1和Tn的開始處導(dǎo)通。開關(guān)106導(dǎo)通直到開關(guān)106中的開關(guān)電流Isw達(dá)到限流IUMIT。當(dāng)開關(guān)電流Isw達(dá)到限流Iumit時(shí)，開關(guān)電流位于其峰值，該值被稱為峰值開關(guān)電流ISWPEAK。通過調(diào)整限流IUMIT，開關(guān)電流Isw在開關(guān)周期Ts內(nèi)的峰值被改變，從而改變了電源開關(guān)在一個(gè)允許開關(guān)周期內(nèi)的接通時(shí)間期間所存儲(chǔ)的能量的量。所儲(chǔ)存的能量和峰值電流之間的關(guān)系被表示為:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.用于于初級(jí)側(cè)控制功率變換器的控制器，其特征在于，所述控制器從電源的輸入側(cè)間接檢測(cè)輸出電壓，所述控制器包括: 一反饋電路，其被連接以將代表偏置繞組電壓的一反饋信號(hào)與一基準(zhǔn)電壓比較； 一驅(qū)動(dòng)電路，其被連接至所述反饋電路并且輸出一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用以將電源開關(guān)在接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換，從而響應(yīng)于所述反饋信號(hào)和一開關(guān)限流調(diào)節(jié)所述功率變換器的輸出； 一限流調(diào)整電路，其被連接以檢測(cè)所述功率變換器的負(fù)載狀況并且調(diào)整所述開關(guān)限流，使得響應(yīng)于所述功率變換器的負(fù)載狀態(tài)，非線性地調(diào)整所述功率變換器的偏置繞組電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，還包括電流傳感器，該電流傳感器被連接以輸出代表通過所 述電源開關(guān)的開關(guān)電流的一開關(guān)電流檢測(cè)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，還包括一振蕩器，該振蕩器被連接至所述驅(qū)動(dòng)電路，其中所述振蕩器輸出一時(shí)鐘信號(hào)以設(shè)置所述電源開關(guān)的基本恒定的開關(guān)周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述限流調(diào)整電路被連接，以響應(yīng)于所述電源開關(guān)的有效開關(guān)頻率，來檢測(cè)所述功率變換器的負(fù)載狀況。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制器，其中響應(yīng)于所述開關(guān)的有效開關(guān)頻率調(diào)整所述開關(guān)限流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述偏置繞組電壓是在一基本大于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開關(guān)周期的時(shí)間段內(nèi)的平均電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述限流調(diào)整電路包括: 第一閾值調(diào)整電路，其中該第一閾值調(diào)整電路響應(yīng)于第一負(fù)載狀態(tài)對(duì)所述開關(guān)限流調(diào)整一個(gè)第一量； 第二閾值調(diào)整電路，其中該第二閾值調(diào)整電路響應(yīng)于第二負(fù)載狀態(tài)對(duì)所述開關(guān)限流調(diào)整一個(gè)第二量，其中從第一量到第二量的百分?jǐn)?shù)變化大于從第一負(fù)載狀態(tài)到第二負(fù)載狀態(tài)的百分?jǐn)?shù)變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述限流調(diào)整電路還包括平均電路，該平均電路響應(yīng)于由閾值調(diào)整電路中的一個(gè)或多個(gè)所產(chǎn)生的閾值調(diào)整信號(hào)來改變限流的值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述反饋電路產(chǎn)生一個(gè)判決信號(hào)，該判決信號(hào)指示所述驅(qū)動(dòng)電路，是應(yīng)允許還是應(yīng)禁止一開關(guān)周期。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，還包括信號(hào)變換器，該信號(hào)變換器被連接以產(chǎn)生允許信號(hào)，該允許信號(hào)響應(yīng)于開關(guān)信號(hào)而對(duì)于一整個(gè)開關(guān)周期處于兩個(gè)邏輯狀態(tài)之一，并且其中所述限流調(diào)整電路被連接以響應(yīng)于所述允許信號(hào)檢測(cè)負(fù)載狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述限流調(diào)整電路被連接以直接接收開關(guān)信號(hào)。
12.一種用于功率變換器的初級(jí)側(cè)控制器的方法，其特征在于，所述初級(jí)側(cè)控制器從電源的輸入側(cè)間接檢測(cè)輸出電壓，所述方法包括: 接收代表偏置繞組電壓的一反饋信號(hào)； 將所接收的反饋信號(hào)與一基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較； 響應(yīng)于所接收的反饋信號(hào)與一基準(zhǔn)電壓的比較，輸出一判決信號(hào)；將電源開關(guān)在接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換，從而響應(yīng)于所述判決信號(hào)和一開關(guān)限流來調(diào)節(jié)所述功率變換器的輸出； 檢測(cè)所述功率變換器的負(fù)載狀況；以及 調(diào)整所述開關(guān)限流，使得響應(yīng)于所述功率變換器的負(fù)載狀態(tài)，非線性地調(diào)整所述功率變換器的偏置繞組電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述功率變換器的負(fù)載狀況是響應(yīng)于所述電源開關(guān)的有效開關(guān)頻率被檢測(cè)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中響應(yīng)于所述開關(guān)的有效開關(guān)頻率調(diào)整所述開關(guān)限流。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK103997227SQ201410255704
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2009年1月30日
【發(fā)明者】L·倫德, A·B·詹格里安, W·M·波利夫卡 申請(qǐng)人:電力集成公司