專利名稱：光電耦合感測(cè)中的改進(jìn)或與其相關(guān)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)的光電耦合，其可以在信號(hào)的發(fā)送和接收之間需要電氣隔離時(shí)使用。
背景技術(shù)：
在例如功率變換器中，輸入(例如120V交流線路、240V交流干線或者來(lái)源于未調(diào)節(jié)直流的線路或干線)和輸出(5V直流、19V已調(diào)節(jié)直流)之間的電氣隔離常常是強(qiáng)制性的。主要的轉(zhuǎn)換電路可以通過(guò)變壓器提供隔離，然而很可能需要從輸出(變壓器次級(jí)側(cè))到輸入(變壓器初級(jí)側(cè))的一定形式的反饋，以至于初級(jí)側(cè)的控制電路可能影響調(diào)節(jié)。在此路徑中隔離也是必需的，并且一種實(shí)現(xiàn)方式是用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。存在很多用于多種不同應(yīng)用的可購(gòu)買的光電耦合器設(shè)備。對(duì)于功率變換器，合適的設(shè)備例如可以是來(lái)自FairchildSemiconductor 的 M0C205 和 H11A817。不利的是，為了隔離的目的而用光電耦合連接取代有線連接的一個(gè)后果是光電設(shè)備消耗功率。下一代交流/直流膝上型電腦適配器需要滿足在待機(jī)功耗上越來(lái)越嚴(yán)格的限制，其中所述限制由歐洲委員會(huì)的生態(tài)化設(shè)計(jì)指令(EcoDesign Directive)、能源之星(EnergyStar)規(guī)范和其他規(guī)范以及由設(shè)備制造商制定的商業(yè)規(guī)范強(qiáng)制推行。當(dāng)前，提出了滿足30mW待機(jī)功率限制的設(shè)計(jì)。達(dá)到如此低的待機(jī)功耗要求所采取的每一步都要減少不必要的功率損耗。這包括減少例如偏置功率、電壓感測(cè)損耗和控制反饋系統(tǒng)損耗的步驟。這些交流/直流適配器的大體構(gòu)造具有兩個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)。第一級(jí)用于控制適配器的功率因數(shù)，而第二級(jí)用于調(diào)節(jié)并隔離輸出。在典型設(shè)計(jì)中，第二級(jí)由控制電路和開(kāi)關(guān)組成以便控制從第一級(jí)到第二級(jí)的供電連接，從而滿足負(fù)載需求所要求的輸出調(diào)節(jié)。需要一定種類的反饋信號(hào)(FB)以允許控制電路感測(cè)輸出的狀態(tài)。這種信號(hào)本質(zhì)上可能是線性的或滯后的。線性FB信號(hào)與輸出成正比或成反比，滯后FB信號(hào)具有指示控制器的切換/不切換命令的兩種狀態(tài)。然后控制器適當(dāng)?shù)夭僮鞴β始?jí)開(kāi)關(guān)。不利的是，F(xiàn)B信號(hào)的產(chǎn)生通常在輸出高于期望的控制設(shè)定點(diǎn)(其通常與輕負(fù)載或無(wú)負(fù)載下的操作相關(guān)聯(lián))時(shí)損耗最多。這主要是由于用于橫跨必要的隔離阻障轉(zhuǎn)移FB信號(hào)的光電耦合器的操作感測(cè)是，在線性FB信號(hào)的情況下，當(dāng)輸出電壓(Vo)大于所需的調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)(Vset)時(shí)，光電耦合器LED中的電流增長(zhǎng)到其最大值。在滯后FB信號(hào)的情況下，當(dāng)輸出電壓(Vo)大于所需的調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)(Vset)時(shí)，光電耦合器LED里的電流被開(kāi)啟。兩種情況的凈效應(yīng)是最大LED電流發(fā)生在最小負(fù)載下。很明顯，開(kāi)啟LED需要電流。與其相關(guān)聯(lián)的功率損耗通?？赡転?8mW (例如通過(guò)適當(dāng)?shù)钠珘弘娮杵鲝?9V輸出獲取大約1.5mA)或?qū)τ谛略O(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)占總待機(jī)功率預(yù)算的大約 95%。光電耦合器配置的興起是因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為零時(shí)，例如在啟動(dòng)事件中，所需要的光電耦合器LED的狀態(tài)是關(guān)閉，這是唯一可用的LED狀態(tài)，因?yàn)闆](méi)有功率源可用于開(kāi)啟LED?？刂破鞯哪J(rèn)操作接著開(kāi)始切換以增加輸出電壓，該輸出電壓正是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)所需要的。在典型適配器配置(圖1)中，第一級(jí)10提供來(lái)自例如240/110伏的干線/線路輸入的中間直流電壓到輸出11上。第一級(jí)可以是功率因數(shù)校正級(jí)，但是其準(zhǔn)確的功能與本發(fā)明沒(méi)有密切的關(guān)系。第二級(jí)12提供調(diào)節(jié)并且被顯示為耦合到回掃(flyback)級(jí)的變壓器，但是這僅僅是可被使用的多種類型的第二級(jí)中的一種。第二級(jí)的顯著要求是其能夠在施加負(fù)載時(shí)將輸出(Vo)調(diào)節(jié)到期望電平，以及其提供輸出與例如大致90V直流的中間電壓的電氣隔離。調(diào)節(jié)將受到應(yīng)用控制信號(hào)114到開(kāi)關(guān)15的影響，其中開(kāi)關(guān)15將變壓器初級(jí)繞組16連接到中間級(jí)供電，由此供應(yīng)更多的功率到次級(jí)(輸出)側(cè)?？刂破髟O(shè)備或電路16響應(yīng)于FB信號(hào)17指示輸出電壓是否在期望電壓Vset之上或之下而產(chǎn)生控制信號(hào)14。FB信號(hào)17由光電耦合器接收并如下產(chǎn)生，其中該光電耦合器包含光敏晶體管18和發(fā)光二極管(LED)19。FB光電耦合器18、19即U4被運(yùn)算放大器100驅(qū)動(dòng)，該運(yùn)算放大器100放大輸出的有條件形式(Vo)與期望電壓Vset之間的差值，以便經(jīng)過(guò)LED 19的電流在Vo>Vset時(shí)存在并且在VcKVset時(shí)消失。此FB由控制器16接收，該控制器16用于控制開(kāi)關(guān)15以將輸出電壓調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)于Vset的電壓，因此LED 19中的電流被放大器有效地設(shè)置，從而維持Vo在Vset或在高于Vset的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的數(shù)值。如果Vo下降到Vset以下，光電I禹合器電流變?yōu)榱?。零電流表明占空比?yīng)該被增加以增大Vo。次級(jí)側(cè)電路包括第二光電耦合器，該第二光電耦合器包含LED 101和光敏晶體管102。這被提供用于過(guò)壓保護(hù)(OVP)。OVP光電耦合器(101，102)正常情況下不被驅(qū)動(dòng)。如果OVP事件發(fā)生，則穩(wěn)壓二極管104將固定電位/箝位(clamp)并且電流將流入LED 101，LEDlOl通過(guò)光敏晶體管102和控制器輸入線路103向初級(jí)側(cè)的控制器16指示OVP事件。在此方案中，在輕載或無(wú)載操作期間出現(xiàn)困難，此時(shí)輸出電壓(Vo)傾向于被調(diào)節(jié)級(jí)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作提升并且在其大多數(shù)時(shí)間處于Vset之上，該輸出電壓(Vo)僅因?yàn)椴荒鼙苊獾碾s散負(fù)載而緩慢下降。這些雜散負(fù)載之一是光電耦合器LED中的電流本身，其中該光電耦合器LED在Vo>VSet時(shí)開(kāi)啟。因此最終在LED中損失的28mW成為阻止設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)期望性能的最小極限負(fù)載。顯而易見(jiàn)，將待機(jī)功率減少到整體轉(zhuǎn)換器滿足30mW目標(biāo)的定點(diǎn)需要可替換的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供如在權(quán)利要求中所述的裝置。根據(jù)本發(fā)明，一種功率變換器包括:調(diào)節(jié)隔離級(jí)，其中所述調(diào)節(jié)隔離級(jí)向其次級(jí)側(cè)上的負(fù)載及其初級(jí)側(cè)上的控制器提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出，所述控制器被布置成通過(guò)匹配所述初級(jí)側(cè)的供電與所述次級(jí)側(cè)的負(fù)載需求來(lái)保持所述輸出基本處于調(diào)節(jié)中；監(jiān)控電路，其中所述監(jiān)控電路接收所述輸出以及代表調(diào)節(jié)電平的參考值，所述監(jiān)控電路產(chǎn)生指示所述輸出與所述參考值相關(guān)聯(lián)的反饋信號(hào)；
第一耦合器，其中所述第一耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述反饋信號(hào)到所述控制器；發(fā)生器電路，其中所述發(fā)生器電路被布置成在所述次級(jí)側(cè)起作用的情況下產(chǎn)生心跳信號(hào)；以及第二耦合器，其中所述第二耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述心跳信號(hào)到所述控制器；其中所述第一稱合器是包含發(fā)光設(shè)備和光敏設(shè)備的光電稱合器，所述發(fā)光設(shè)備和光敏設(shè)備被布置成使得當(dāng)所述監(jiān)控電路表明所述輸出低于所述參考值時(shí)，所述反饋信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述發(fā)光設(shè)備開(kāi)啟；以及當(dāng)所述反饋信號(hào)如此指示且所述心跳信號(hào)存在時(shí)，所述控制器增加所述供電。優(yōu)選地，所述第二耦合器是包含發(fā)光設(shè)備和光敏設(shè)備的光電耦合器。有利的是，所述第二耦合器將過(guò)壓保護(hù)信號(hào)從次級(jí)側(cè)傳遞到控制器。過(guò)壓事件可以通過(guò)延長(zhǎng)第二耦合器的發(fā)光設(shè)備中的連續(xù)電流來(lái)傳遞，此外，心跳信號(hào)可以是不同于傳遞過(guò)壓事件的持續(xù)電流。可替代地，心跳信號(hào)可以是脈沖群。


具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了光電耦合器的感測(cè)相對(duì)于上述布置被轉(zhuǎn)換的方案，即光電耦合器LED在VcKVset時(shí)開(kāi)啟并且在Vo>Vset時(shí)關(guān)閉。轉(zhuǎn)換FB信號(hào)的工作感測(cè)以使得光電耦合器LED在VcKVset時(shí)開(kāi)啟并且在Vo>VSet時(shí)關(guān)閉意味著LED電流和功率損耗在Vo>VSet的時(shí)間里為零，正如許多控制器在低負(fù)載或無(wú)負(fù)載時(shí)的正常情況那樣。轉(zhuǎn)換FB信號(hào)感測(cè)消除了此時(shí)的LED功率損耗。此外，由于LED在此期間不再加載輸出，因此針對(duì)Vo>VSet的時(shí)間比例進(jìn)一步增加，這意味著開(kāi)關(guān)必須再次開(kāi)啟以滿足需求的時(shí)序/定時(shí)(timing)被延長(zhǎng),產(chǎn)生更多的功率節(jié)約。為了實(shí)現(xiàn)此方法，很必要考慮到在兩種不同的情況下FB LED是關(guān)閉的事實(shí)。首先，在啟動(dòng)期間或當(dāng)Vo太低而不足以開(kāi)啟LED時(shí)，在此情況下的校正系統(tǒng)響應(yīng)是在調(diào)節(jié)級(jí)中開(kāi)始切換以增加Vo。其次，當(dāng)Vo>Vset時(shí)，此時(shí)的校正系統(tǒng)響應(yīng)是等待Vo降到Vset以下。在此情況下調(diào)節(jié)級(jí)不被切換。因此，為了有效控制，這些情況必須是彼此可區(qū)分的，并且在當(dāng)前實(shí)施例中，這可按如下實(shí)現(xiàn)。除了用于FB信號(hào)的耦合器外，第二耦合器(光電耦合器或磁耦合器)通常作為過(guò)壓保護(hù)(OVP)網(wǎng)絡(luò)的一部分被包括在設(shè)計(jì)里。傳統(tǒng)上，該第二光電耦合器僅被激活以便用信號(hào)通知OVP事件，然后該OVP事件觸發(fā)控制器以迫使系統(tǒng)關(guān)閉。該第二光電耦合器可以被設(shè)定在系統(tǒng)啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生心跳信號(hào)的額外功能。心跳信號(hào)允許上述兩種情況彼此加以區(qū)分。工作方案是(a)如果FB LED由于Vo>VSet而關(guān)閉并且心跳信號(hào)存在，則不需要調(diào)節(jié)級(jí)切換，或(b)如果FB LED由于Vo=O而關(guān)閉并且心跳信號(hào)不存在，則需要調(diào)節(jié)級(jí)切換。可設(shè)想，心跳信號(hào)可能有很多形式，以下成功地用于說(shuō)明這點(diǎn)。OVP LED中的高電流低占空比脈沖群例如每大約10毫秒一個(gè)10微秒脈沖。這可能由簡(jiǎn)單的低成本非精密的振蕩器產(chǎn)生。控制器延遲于是為10毫秒，這是系統(tǒng)區(qū)分啟動(dòng)條件所需的最大時(shí)間，并且這一添加的延遲通常是可接受的。OVP LED中的穩(wěn)定電流明顯低于用信號(hào)通知OVP事件的LED電流。這可能比脈沖方式更簡(jiǎn)單。區(qū)分低光電耦合器電流與OVP情況是相對(duì)簡(jiǎn)單的。區(qū)分低穩(wěn)定電流與光電耦合器‘暗電流’(尤其是在溫度、時(shí)間和電流轉(zhuǎn)移率變化的情況下)要求謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D2描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在部件與圖1的布置中的那些部件相同或者等效的情況下，已經(jīng)使用了共同的參考標(biāo)記。FB光電耦合器(18，19)由放大器100驅(qū)動(dòng)。應(yīng)注意的是，當(dāng)與圖1的布置對(duì)比時(shí)，輸入連接具有本質(zhì)上相反的極性，因此，當(dāng)VcKVset時(shí)，LED19中存在電流，而當(dāng)Vo>VSet時(shí)，不存在電流。在此實(shí)施例中，OVP光電耦合器(101，102)被弛張振蕩器產(chǎn)生的心跳信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該弛張振蕩器由運(yùn)算放大器20形成，該運(yùn)算放大器20以例如大約每8毫秒一個(gè)10微秒脈沖的脈動(dòng)形式打開(kāi)LED 101。心跳信號(hào)可以由控制器16通過(guò)在103處的信號(hào)檢測(cè)到。如果OVP事件發(fā)生，則穩(wěn)壓二極管104將固定電位/箝位并且電流流入LED 101以通過(guò)光敏晶體管102和線路103向初級(jí)側(cè)的控制器16指示0VP。該控制器被布置成區(qū)分短路信號(hào)與由OVP信號(hào)引起的直流電平并且適當(dāng)?shù)赜绊戦_(kāi)關(guān)15的控制。在一些應(yīng)用中，運(yùn)算放大器100可以被比較器取代，以使得光電耦合器18，19提供的FB是分別對(duì)應(yīng)于LED 18中有電流/LED 18中無(wú)電流的命令/無(wú)命令信號(hào)。此外，驅(qū)動(dòng)第二耦合器的網(wǎng)絡(luò)可以被布置成監(jiān)控次級(jí)側(cè)的一般功能并且在次級(jí)側(cè)出現(xiàn)無(wú)功能或錯(cuò)誤功能的情況下抑制心跳信號(hào)，因?yàn)樵谛奶盘?hào)中斷的情況下，控制器16可以被布置成關(guān)掉
或重啟。
權(quán)利要求
1.一種功率變換器，其包括: 調(diào)節(jié)隔離級(jí)，其中所述調(diào)節(jié)隔離級(jí)向其次級(jí)側(cè)上的負(fù)載及其初級(jí)側(cè)上的控制器提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出，所述控制器被布置成通過(guò)匹配所述初級(jí)側(cè)的供電與所述次級(jí)側(cè)的負(fù)載需求來(lái)保持所述輸出基本處于調(diào)節(jié)中； 監(jiān)控電路，其中所述監(jiān)控電路接收所述輸出以及代表調(diào)節(jié)電平的參考值，所述監(jiān)控電路產(chǎn)生指示所述輸出與所述參考值相關(guān)聯(lián)的反饋信號(hào)； 第一耦合器，其中所述第一耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述反饋信號(hào)到所述控制器； 發(fā)生器電路，其中所述發(fā)生器電路被布置成在所述次級(jí)側(cè)起作用的情況下產(chǎn)生心跳信號(hào)；以及 第二耦合器，其中所述第二耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述心跳信號(hào)到所述控制器；其中 所述第一耦合器是包含發(fā)光設(shè)備和光敏設(shè)備的光電耦合器，所述發(fā)光設(shè)備和光敏設(shè)備被布置成使得當(dāng)所述監(jiān)控電路表明所述輸出低于所述參考值時(shí)，所述反饋信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述發(fā)光設(shè)備開(kāi)啟；以及當(dāng)所述反饋信號(hào)如此指示且所述心跳信號(hào)存在時(shí)，所述控制器增加所述供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所述第二耦合器是包含發(fā)光設(shè)備和光敏設(shè)備的光電稱合器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率變換器，其中第二耦合器從所述次級(jí)側(cè)傳遞過(guò)壓保護(hù)信號(hào)到所述控制器。
4.根據(jù)從屬于權(quán)利要求2的權(quán)利要求3所述的功率變換器，其中通過(guò)延長(zhǎng)所述第二耦合器的所述發(fā)光設(shè)備中的連續(xù)電流來(lái)傳遞過(guò)壓事件。
5.根據(jù)之前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的功率變換器，其中所述心跳信號(hào)是脈沖群。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的功率變換器，其中所述心跳信號(hào)是連續(xù)電流并且在僅從屬于權(quán)利要求4的情況下不同于其中所述的連續(xù)電流。
7.一種功率變換器，其基本上如在此參考附圖的圖2所述。
全文摘要
本發(fā)明提供一種獨(dú)立調(diào)節(jié)功率變換器，其具有關(guān)于參考電平(Vset)的光電耦合輸出反饋(Vo)，以便調(diào)節(jié)變換器控制器。反饋信號(hào)的感測(cè)使得光電耦合器LED在Vo<Vset時(shí)開(kāi)啟并且在Vo>Vset時(shí)關(guān)閉，其效果是在Vo>Vset的時(shí)間段內(nèi)LED的電流和功率消耗為零，正如許多控制器在低負(fù)載或無(wú)負(fù)載時(shí)的正常情況那樣。在如此環(huán)境下這樣節(jié)約功率。另外，由于在此時(shí)間段內(nèi)LED不加載輸出，因此Vo>Vset的時(shí)間比例增加，這意味著開(kāi)關(guān)必須再次開(kāi)啟以滿足需求的時(shí)序/定時(shí)被延長(zhǎng)，產(chǎn)生更多的功率節(jié)約。
文檔編號(hào)H02M3/335GK103098361SQ201180021828
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者C·吉爾摩 申請(qǐng)人:德州儀器考克有限公司