控制開(kāi)關(guān)模式電源中的最小脈寬的方法
【專(zhuān)利摘要】一種功率轉(zhuǎn)換器電路包括變壓器和在初級(jí)側(cè)控制器旁邊的主開(kāi)關(guān)控制器。感測(cè)電路被實(shí)現(xiàn)用于當(dāng)主開(kāi)關(guān)接通時(shí)感測(cè)變壓器的輔助繞組處的電壓。輔助繞組是變壓器的初級(jí)側(cè)上的另一繞組，磁耦合至次級(jí)繞組并且與初級(jí)繞組電隔離。當(dāng)跨輔助繞組的電壓達(dá)到預(yù)定閾值電壓電平時(shí)，主開(kāi)關(guān)被斷開(kāi)。閾值電壓電平被設(shè)置為這樣的值：其使得每個(gè)脈沖傳送至電路的次級(jí)側(cè)的能量的量最小化、而維持最小量的能量傳送以實(shí)現(xiàn)在輔助繞組處的輸出電壓感測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】控制開(kāi)關(guān)模式電源中的最小脈寬的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本專(zhuān)利申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C119(e)要求本發(fā)明人于2012年10月10日提交的、序列號(hào)為 61 / 712，183 并且標(biāo)題為“Intermediate Valley Switching Mode Converter，，的共同未決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。本申請(qǐng)將序列號(hào)為61 / 712，183的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)以引用方式整體并入于此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體涉及功率轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及具有增加的效率的新功率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0004]電源或功率轉(zhuǎn)換器將電功率的一種形式和電壓轉(zhuǎn)換為另一期望的形式和電壓。AC到DC電源將交流電壓(例如公用事業(yè)公司供應(yīng)的115或230伏特交流電(AC))轉(zhuǎn)換為經(jīng)調(diào)節(jié)的直流(DC)電壓。DC到DC電源將一個(gè)電平的DC電壓(例如400V)轉(zhuǎn)換成另一 DC電壓(例如12V)。
[0005]開(kāi)關(guān)模式電源SMPS是并入了開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的電源。SMPS在全飽和與全截止之間以高速率主動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管。得到的矩形波形然后通過(guò)低通濾波器以獲得近似的輸出電壓，低通濾波器通常為電感器和電容器(LC)電路。
[0006]SMPS利用變化的占空比使用高頻開(kāi)關(guān)(晶體管)來(lái)維持輸出電壓。開(kāi)關(guān)引起的輸出電壓變化被LC濾波器過(guò)濾掉。SMPS可以用于降低(st印-down)電源電壓，也用于提供升壓(st印-up)功能和反向的輸出功能。SMPS通過(guò)臨時(shí)存儲(chǔ)輸入能量并且然后以不同電壓將能量釋放到輸出，來(lái)將輸入電壓電平轉(zhuǎn)換為另一電平。存儲(chǔ)可以在電磁部件(諸如電感器和/或變壓器)中，或在靜電部件(諸如電容器)中。
[0007]隨著高速?gòu)?fù)合半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的引入，諸如由脈沖寬度調(diào)制(PWM)操作的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，最近的SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在能夠以大大增加的開(kāi)關(guān)頻率操作，諸如高達(dá)1.0MHz。然而，為了能夠?yàn)镾MPS提供很低的輸出功率，有必要使得開(kāi)關(guān)頻率和/或利用每個(gè)脈沖傳送至電源的次級(jí)側(cè)的能量的量最小化。很低的開(kāi)關(guān)頻率具有經(jīng)由變壓器的繞組感測(cè)的電壓很低的缺點(diǎn)。常規(guī)的電壓感測(cè)利用在電流在次級(jí)繞組中流動(dòng)時(shí)采樣在初級(jí)側(cè)變壓器繞組處的電壓的采樣保持元件完成。這在主開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)完成。感測(cè)的電壓用于確定輸出電壓。常規(guī)的方法在沒(méi)有實(shí)時(shí)反饋的情況下控制主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，其防止當(dāng)前脈沖的導(dǎo)通時(shí)間受同一當(dāng)前脈沖的特性的影響。反而，常規(guī)的裝置提供了延遲的反饋，其中與之前脈沖相關(guān)的特性將影響當(dāng)前脈沖的導(dǎo)通時(shí)間。
[0008]傳送至次級(jí)側(cè)的功率是P=Wp*fs,其中Wp是利用每個(gè)脈沖傳送的能量并且fs是主開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率。為了使得空載功率最小化，傳送的功率P必須盡可能小，這是因?yàn)槠浔厝挥苫矩?fù)載消耗。否則如果沒(méi)有連接負(fù)載，則輸出電壓會(huì)升高。脈沖必須具有最小脈沖寬度來(lái)確保某些能量被傳送至次級(jí)側(cè)。為了使得傳送的功率P最小化，有必要減少利用每個(gè)脈沖傳送的能量Wp和開(kāi)關(guān)頻率fs。
[0009]要足夠精確地控制導(dǎo)通時(shí)間使得能量傳送最小化但是在沒(méi)有直接反饋的情況下仍然足夠大以使得小量的能量傳送到次級(jí)側(cè)是非常困難的。如果脈沖過(guò)小，則所有的能量在寄生元件中消失。脈沖寬度的微小變化對(duì)傳送至次級(jí)側(cè)的能量的量具有相當(dāng)大的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]實(shí)施例涉及用于使得每個(gè)脈沖傳送至次級(jí)側(cè)的能量的量最小化而維持最小閾值量的能量傳送以實(shí)現(xiàn)在變壓器的次級(jí)繞組處的輸出電壓感測(cè)的功率轉(zhuǎn)換器電路和方法。功率轉(zhuǎn)換器電路包括變壓器和耦合至初級(jí)繞組的主開(kāi)關(guān)。主開(kāi)關(guān)通過(guò)受控驅(qū)動(dòng)器電路接通和斷開(kāi)。當(dāng)主開(kāi)關(guān)接通時(shí)，啟動(dòng)通過(guò)初級(jí)繞組的初級(jí)電流。為了控制傳送至次級(jí)側(cè)的能量的量，感測(cè)電路被實(shí)現(xiàn)用于在主開(kāi)關(guān)接通時(shí)感測(cè)變壓器的輔助繞組處的電壓。輔助繞組是變壓器的初級(jí)側(cè)上的另一繞組，磁耦合至次級(jí)繞組并且與初級(jí)繞組電隔離。當(dāng)跨輔助繞組的電壓達(dá)到預(yù)定的閾值電壓電平時(shí)，主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。如果閾值電壓電平被合適選擇，那么傳送的能量被最小化，但是大到足以實(shí)現(xiàn)在變壓器的輔助繞組處的輸出電壓感測(cè)。閾值電壓電平被設(shè)置為這樣的值:其使得每個(gè)脈沖傳送至電路的次級(jí)側(cè)的能量的量最小化，而維持最小量的能量傳送以實(shí)現(xiàn)在輔助繞組處的輸出電壓感測(cè)。在一些實(shí)施例中，閾值電壓電平被設(shè)置為等于輸出電壓Vout加上跨次級(jí)側(cè)二極管的電壓降，總和乘以輔助繞組對(duì)次級(jí)繞組的匝數(shù)比。
[0011]在一個(gè)方面，公開(kāi)了一種控制開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的方法。方法包括配置開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，該開(kāi)關(guān)模式功率變換器包括具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組的變壓器、串聯(lián)耦合至初級(jí)繞組的開(kāi)關(guān)、耦合至開(kāi)關(guān)的控制器，以及電耦合至第一控制器并且磁耦合至次級(jí)繞組的輔助繞組。方法還包括確定跨次級(jí)繞組的最小電壓，以實(shí)現(xiàn)從變壓器的初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的能量傳送。方法還包括接通開(kāi)關(guān)并且比較跨輔助繞組的電壓和閾值電壓，其中閾值電壓與最小電壓成比例。方法還包括一旦跨輔助繞組的電壓達(dá)到閾值電壓，則斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，其中接通開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)之間的時(shí)間周期是開(kāi)關(guān)的最小脈沖寬度。
[0012]在一些實(shí)施例中，方法還包括當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)將能量從初級(jí)側(cè)傳送到次級(jí)側(cè)。在一些實(shí)施例中，方法還包括當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)測(cè)量跨輔助繞組的電壓，其中所測(cè)量的電壓與開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓成比例?？刂破魇褂盟鶞y(cè)量的電壓以確定何時(shí)執(zhí)行最小脈沖寬度。在一些實(shí)施例中，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，跨次級(jí)繞組的電壓增加到最小電壓，從而由此實(shí)現(xiàn)能量傳送，并且在跨次級(jí)繞組的電壓達(dá)到最小電壓時(shí)測(cè)量跨次級(jí)繞組的電壓。在一些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器還包括耦合至輔助繞組和控制器的閾值電壓檢測(cè)電路，閾值電壓檢測(cè)電路比較跨輔助繞組的電壓和閾值電壓，并且一旦跨輔助繞組的電壓達(dá)到閾值電壓，則發(fā)送閾值電壓信號(hào)至控制器。在一些實(shí)施例中，方法還包括使用傳送至輔助繞組的能量為控制器供電。在一些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)包括晶體管。在一些實(shí)施例中，閾值電壓等于最小電壓乘以輔助繞組對(duì)次級(jí)繞組的匝數(shù)比。在一些實(shí)施例中，最小電壓被設(shè)置為固定值。在其它實(shí)施例中，最小電壓是由控制器確定的可變值。
[0013]在另一方面，公開(kāi)了另一控制開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的方法。方法包括配置開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，該開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器包括具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組的變壓器、串聯(lián)耦合至初級(jí)繞組的開(kāi)關(guān)、以及耦合至開(kāi)關(guān)的控制器。方法還包括確定跨次級(jí)繞組的最小電壓，以實(shí)現(xiàn)從變壓器的初級(jí)側(cè)至次級(jí)側(cè)的能量傳送。方法還包括接通開(kāi)關(guān)，并且比較跨初級(jí)繞組的電壓和閾值電壓，其中閾值電壓與最小電壓成比例。方法還包括一旦跨初級(jí)繞組的電壓達(dá)到閾值電壓，則斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，其中接通開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)之間的時(shí)間周期是開(kāi)關(guān)的最小脈沖寬度。
[0014]在另一方面，公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器。開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器包括變壓器、開(kāi)關(guān)、控制器、輔助繞組和閾值電壓檢測(cè)電路。變壓器具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組。開(kāi)關(guān)串聯(lián)耦合至初級(jí)繞組?？刂破黢詈现灵_(kāi)關(guān)，其中控制器被配置用于接通和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。輔助繞組磁耦合至次級(jí)繞組。閾值電壓檢測(cè)電路耦合至輔助繞組和控制器。閾值電壓檢測(cè)電路被配置用于比較跨輔助繞組的電壓和最小電壓，并且一旦跨輔助繞組的電壓達(dá)到最小電壓，則發(fā)送信號(hào)至控制器。最小電壓是跨次級(jí)繞組的用于實(shí)現(xiàn)從變壓器的初級(jí)側(cè)至變壓器的次級(jí)側(cè)的能量傳送的最小電壓?？刂破鞅慌渲糜糜陧憫?yīng)于從閾值電壓檢測(cè)電路接收信號(hào)來(lái)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。
[0015]在一些實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器還包括耦合至輔助繞組和控制器的電壓檢測(cè)電路，電壓檢測(cè)電路被配置用于當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)測(cè)量跨輔助繞組的電壓并且將所測(cè)量的電壓發(fā)送到控制器，其中所測(cè)量的電壓與開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓成比例。在一些實(shí)施例中，控制器還被配置用于根據(jù)所測(cè)量的電壓確定何時(shí)接通和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。在一些實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器具有諧振電路，該諧振電路包括變壓器和變壓器與開(kāi)關(guān)的寄生電容。在一些實(shí)施例中，閾值電壓檢測(cè)電路是比較器。在一些實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器還包括耦合至輔助繞組和控制器的電源電路，其中電源電路被配置用于從輔助繞組接收并存儲(chǔ)能量并且向控制器提供能量。在一些實(shí)施例中，電源電路包括電容器和成對(duì)的晶體管。在一些實(shí)施例中，最小電壓是固定值。在其它實(shí)施例中，最小電壓是由控制器確定的可變值。
[0016]在另一方面，公開(kāi)了另一開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器。開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器包括變壓器、開(kāi)關(guān)、控制器、以及閾值電壓檢測(cè)電路。變壓器具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組。開(kāi)關(guān)串聯(lián)耦合至初級(jí)繞組?？刂破黢詈现灵_(kāi)關(guān)，其中控制器被配置用于接通和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。閾值電壓檢測(cè)電路耦合至初級(jí)繞組和控制器。閾值電壓檢測(cè)電路被配置用于比較跨初級(jí)繞組的電壓和最小電壓，并且一旦跨初級(jí)繞組的電壓達(dá)到最小電壓或其比例值，則發(fā)送信號(hào)至控制器。最小電壓是跨次級(jí)繞組的用于實(shí)現(xiàn)從變壓器的初級(jí)側(cè)至變壓器的次級(jí)側(cè)的能量傳送的最小電壓?？刂破鞅慌渲糜糜陧憫?yīng)于從閾值電壓檢測(cè)電路接收信號(hào)來(lái)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]參考附圖描述了若干示例實(shí)施例，其中類(lèi)似組成部分具有類(lèi)似參考標(biāo)號(hào)。示例實(shí)施例旨在對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，并非限制。附圖包括下列圖:
[0018]圖1圖示了根據(jù)實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換器電路。
[0019]圖2圖示了根據(jù)實(shí)施例的具有電源電路50的示例性配置的圖1的功率轉(zhuǎn)換器。
[0020]圖3圖示了根據(jù)實(shí)施例的與圖1的功率轉(zhuǎn)換器電路的操作相對(duì)應(yīng)的各個(gè)示例性電壓和電流波形。
[0021]圖4圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換器電路。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本申請(qǐng)的實(shí)施例涉及功率轉(zhuǎn)換器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到以下對(duì)功率轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)描述僅是說(shuō)明性的，并不旨在以任何方式進(jìn)行限制。受益于本公開(kāi)的此類(lèi)技術(shù)人員將很容易想到功率轉(zhuǎn)換器的其它實(shí)施例。
[0023]現(xiàn)在將詳細(xì)參考功率轉(zhuǎn)換器如附圖所述的實(shí)現(xiàn)。相同參考指示符將用于整個(gè)附圖和以下詳細(xì)描述，以指代相同的相同或類(lèi)似部分。為清楚起見(jiàn)，并非此處描述的實(shí)現(xiàn)的所有常規(guī)功能都被示出并描述。當(dāng)然將理解在任何此類(lèi)實(shí)際實(shí)現(xiàn)的開(kāi)發(fā)中，必須做出很多實(shí)現(xiàn)特定的決定，以達(dá)到開(kāi)發(fā)者的特定目標(biāo)，諸如符合應(yīng)用和商業(yè)有關(guān)的限制，并且這些特定目標(biāo)將根據(jù)實(shí)現(xiàn)的不同和開(kāi)發(fā)者的不同而不同。另外，將理解此種開(kāi)發(fā)努力可能是復(fù)雜且耗時(shí)的，但仍對(duì)受益于本公開(kāi)的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)仍是日常的工程任務(wù)。
[0024]圖1圖示了根據(jù)實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換器電路。功率轉(zhuǎn)換器10被配置用于接收未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電壓信號(hào)作為輸入電壓Vin并且提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓Vout。去往電路的輸入電壓可以是來(lái)源于AC電源的整流之后的未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電壓。輸入電壓通常諸如經(jīng)由電容器12被過(guò)濾。在一些實(shí)施例中，輸出電壓電平適合于許多低電壓電器，諸如膝上型計(jì)算機(jī)、蜂窩電話和其它手持設(shè)備。示例性實(shí)施例中輸出電壓Vout被設(shè)置為1V或更少。備選地，功率轉(zhuǎn)換器10可以提供大于1V DC的輸出電壓Vout。
[0025]功率轉(zhuǎn)換器10被配置為降壓轉(zhuǎn)換器。在一些實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器被配置為包括來(lái)自反激式(flyback)轉(zhuǎn)換器的屬性。一般來(lái)說(shuō)，功率轉(zhuǎn)換器可以包括對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的開(kāi)關(guān)模式電源的配置。功率轉(zhuǎn)換器10包括具有初級(jí)繞組Pl和次級(jí)繞組SI的隔離變壓器14、主開(kāi)關(guān)16、電阻器18、驅(qū)動(dòng)器電路20、控制器22和感測(cè)電路。初級(jí)繞組Pl耦合至輸入電壓Vin、主開(kāi)關(guān)16和緩沖電路30。緩沖電路30被配置用于防止主開(kāi)關(guān)16處的峰值電壓，并且減小電磁干涉(EMI)。電阻器18是分流電阻器并且用于設(shè)置通過(guò)初級(jí)繞組Pl的峰值初級(jí)電流。主開(kāi)關(guān)16是合適的開(kāi)關(guān)器件。在示例性實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)16是η型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件。備選地，任何其它對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件可以代替開(kāi)關(guān)16。晶體管16被控制器22控制用于維持期望的輸出電壓Vout0控制器22利用驅(qū)動(dòng)器電路20控制晶體管16。在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器電路20是脈寬調(diào)制(PWM)電路?？刂破?2利用PWM電路調(diào)節(jié)晶體管16的占空比。
[0026]輸出電路耦合至次級(jí)繞組SI。輸出電路包括二極管24和電容器26。次級(jí)繞組電壓使用二極管24和電容器26被整流并過(guò)濾，而輸出電壓Vout被遞送至負(fù)載28。
[0027]在一些實(shí)施例中，感測(cè)電路包括輔助繞組32，輔助繞組32是變壓器14的初級(jí)側(cè)上的另一繞組。輔助繞組32磁耦合至次級(jí)繞組SI并且與初級(jí)繞組Pl電隔離。感測(cè)電路還包括閾值檢測(cè)電路34、電壓檢測(cè)電路36和電源電路50。
[0028]電源電路50被配置用于為控制器22供應(yīng)功率。在一些實(shí)施例中，電源電路50包括電容器和成對(duì)晶體管，晶體管在控制器22的控制之下用于實(shí)現(xiàn)從輔助繞組32向電容器的電流流動(dòng)，用于存儲(chǔ)用于為控制器22供電的能量。圖2圖示了根據(jù)實(shí)施例的具有電源電路50的示例性配置的圖1的功率轉(zhuǎn)換器10。在圖2的示例性配置中，電源電路50包括電阻器38、二極管40、晶體管42、晶體管44以及電容器46。電阻器38和二極管40串聯(lián)耦合至輔助繞組32，并且用于從輔助繞組32向感測(cè)電路和控制器22提供電源電流。電容器46在電源電流經(jīng)由二極管40和電阻器38被提供時(shí)存儲(chǔ)能量并且在脈沖之間為控制器22供電。晶體管42和44實(shí)現(xiàn)通過(guò)二極管40和電阻器38接通和斷開(kāi)電源電流。晶體管42和44由控制器22控制。電源電路50還可以在沒(méi)有晶體管42和44的情況下運(yùn)作，但是最小脈沖必須稍大，因?yàn)橐恍┠芰勘粋魉椭量刂破?2。在包括晶體管42和44的情況下，控制器22可以控制電流何時(shí)流向電源，該電源是電容器46。在最小脈沖處，優(yōu)選在對(duì)輸出電壓的采樣期間斷開(kāi)晶體管42和44，因?yàn)槿缓髮?duì)輸出電壓的采樣更精確并且對(duì)最小脈沖的控制更精確。某些情況下，晶體管42和44在采樣期間必須被接通，以確?？刂破?2得到足夠的電源。這可以利用低頻率的較大脈沖來(lái)完成。
[0029]電壓檢測(cè)器36測(cè)量跨輔助繞組32的電壓Vaux并且將測(cè)量的輔助繞組電壓Vaux傳輸至控制器22。閾值檢測(cè)器34測(cè)量輔助繞組電壓Vaux并且在閾值電壓值達(dá)到時(shí)產(chǎn)生閾值電壓信號(hào)。閾值電壓值被設(shè)置為等于輸出電壓Vout加上跨二極管24的電壓降，總和乘以輔助繞組對(duì)次級(jí)繞組的匝數(shù)比。在一些實(shí)施例中，這是閾值電壓值的第一近似值。閾值電壓值可以隨后被調(diào)高或調(diào)低，以調(diào)整利用每個(gè)脈沖傳送至次級(jí)側(cè)的能量的量。將閾值電壓值調(diào)高導(dǎo)致更高的能量被傳送，將閾值電壓值調(diào)低導(dǎo)致較低的能量被傳送。此種調(diào)整可以例如對(duì)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)延遲做出補(bǔ)償。閾值電壓信號(hào)被發(fā)送至控制器22，控制器22響應(yīng)于達(dá)到閾值電壓電平而斷開(kāi)晶體管16。根據(jù)閾值電壓信號(hào)斷開(kāi)晶體管16限制了跨輔助繞組32的峰值電壓電平。在一些實(shí)施例中，閾值檢測(cè)器34是比較器。
[0030]在一些實(shí)施例中，控制器22包括脈沖整形器和SR觸發(fā)器。脈沖整形器接收來(lái)自電壓檢測(cè)器36的閾值信號(hào)并且防止SR觸發(fā)器處的未定義狀態(tài)。SR觸發(fā)器接收來(lái)自脈沖整形器的閾值信號(hào)輸出并且生成主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)信號(hào)，其對(duì)應(yīng)于輔助繞組電壓Vaux達(dá)到閾值電壓電平。主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)信號(hào)被提供給驅(qū)動(dòng)器電路20并且主開(kāi)關(guān)被斷開(kāi)。
[0031]在操作中，變壓器14和變壓器14與主開(kāi)關(guān)16的寄生電容形成諧振電路?？梢岳斫庵C振電路可以包括其它元件，包括但不限于，次級(jí)二極管、緩沖電路(如若存在)、以及印刷電路板上的跡線(track)的電容和電感。為了將能量傳送至功率轉(zhuǎn)換器電路的次級(jí)側(cè)，次級(jí)繞組SI處的第一震蕩波的電壓振幅必須達(dá)到輸出電壓Vout加上跨二極管24的電壓降。如果跨變壓器14傳送的能量過(guò)低，那么能量將被寄生效應(yīng)消耗。這種情況下，跨次級(jí)繞組SI的電壓保持在輸出電壓Vout加上跨二極管24的電壓降的臨界值之下，并且不存在通過(guò)二極管24的次級(jí)電流。沒(méi)有次級(jí)電流，跨次級(jí)繞組SI的電壓以及因此跨初級(jí)繞組Pl的電壓獨(dú)立于輸出電壓Vout，并且輸出電壓Vout不能被檢測(cè)到。輸出電壓Vout的值被控制器22用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)控制功能，包括控制最小脈沖寬度。
[0032]圖3圖示了根據(jù)實(shí)施例的與圖1的功率轉(zhuǎn)換器電路的操作相對(duì)應(yīng)的各個(gè)示例性電壓和電流波形。波形100示出了作為圖1中的輸出電壓Vout的電壓Vout。波形110示出了作為圖1中跨輔助繞組32的電壓的電壓Vaux。波形120示出了作為圖1中跨次級(jí)繞組SI的電壓的電壓Vsec。波形130示出了作為圖1中的跨次級(jí)繞組SI的次級(jí)電流的電流Isec0波形140示出了作為施加到圖1中的主開(kāi)關(guān)16的柵極電壓的電壓Vg。波形150示出了作為圖1中的主開(kāi)關(guān)16的漏極電壓的電壓Vd。波形160示出了作為來(lái)自圖1中的閾值檢測(cè)器34的電壓輸出的電壓Vtd。
[0033]在時(shí)間6.10005ms (時(shí)間tO)處，控制器22控制驅(qū)動(dòng)器電路20開(kāi)始接通晶體管
16。因此，柵極電壓Vg開(kāi)始上升。晶體管16保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)直至柵極電壓Vg達(dá)到接通電壓閾值。在時(shí)間6.10025ms (時(shí)間tl)處，達(dá)到接通柵極電壓并且晶體管16接通。當(dāng)晶體管16接通時(shí)，通過(guò)晶體管16的電流開(kāi)始增加，導(dǎo)致漏極電壓Vd開(kāi)始減少，如波形150所示，并且跨輔助繞組32的電壓Vaux開(kāi)始減少，如波形110所示。
[0034]在時(shí)間6.1003ms (時(shí)間t2)處，跨輔助繞組32的電壓Vaux達(dá)到閾值電壓檢測(cè)器34的設(shè)置閾值電壓值。閾值電壓值被設(shè)置為提供跨變壓器的能量傳送所需的最小能量的值，例如輸出電壓Vout加上跨二極管24的電壓降，總和乘以匝數(shù)比。在一些實(shí)施例中，閾值電壓值被設(shè)置為例如由電路設(shè)計(jì)者確定的固定值。在其它實(shí)施例中，閾值是例如由控制器在操作期間確定的可變值。在這一示例性應(yīng)用中，閾值電壓被設(shè)置在-9V。小段延遲之后，在時(shí)間6.10035ms (時(shí)間t3)處，閾值電壓檢測(cè)器34發(fā)送閾值電壓信號(hào)至控制器22，其指示閾值電壓已經(jīng)達(dá)到。在這一示例性應(yīng)用中，閾值電壓信號(hào)由閾值檢測(cè)電壓Vtd走低指示，如波形160中的時(shí)間t3處所示。響應(yīng)于接收閾值電壓信號(hào)，控制器22在時(shí)間6.10038ms (時(shí)間t4)處指示驅(qū)動(dòng)器電路20斷開(kāi)晶體管16。小段延遲之后，柵極電壓Vg幾乎降至0V，但未完全達(dá)到0V。柵極電壓Vg由于寄生效應(yīng)并不完全降至0V。在一些實(shí)施例中，如果驅(qū)動(dòng)器電路被配置用于達(dá)到負(fù)電壓，柵極電壓Vg可以降至0V，或甚至負(fù)電壓。
[0035]次級(jí)繞組電壓Vsec在晶體管16斷開(kāi)時(shí)達(dá)到最小值，在時(shí)間t4之后的小段延遲后。在這一示例性應(yīng)用中，次級(jí)繞組電壓Vsec的最小值是-10V。此時(shí)，變壓器14與晶體管16的寄生電容被充電。
[0036]由于晶體管16被接通的短持續(xù)時(shí)間(從tl到t4)，所以變壓器電感中存在極低的電流。從晶體管16斷開(kāi)的時(shí)間6.1004ms (時(shí)間t4)到時(shí)間6.1008ms (時(shí)間t5)，次級(jí)繞組電壓Vsec從-1OV升至0V。換而言之，在次級(jí)繞組SI處的絕對(duì)電壓從1V降到0V。能量從寄生電容傳送至變壓器電感。變壓器電感和寄生電容形成諧振電路。當(dāng)次級(jí)繞組電壓Vsec在時(shí)間6.1008ms處達(dá)到OV時(shí)，能量從變壓器電感傳送回到寄生電容器。
[0037]次級(jí)繞組電壓Vsec在時(shí)間6.1Olms (時(shí)間t6)處繼續(xù)增加至等于輸出電壓Vout加上二極管24的正向電壓的高值。一旦次級(jí)繞組電壓Vsec在時(shí)間t6處等于輸出電壓Vout加上二極管24的正向電壓，則余下的能量傳送至輸出。從時(shí)間6.1Olms (時(shí)間t6)到時(shí)間
6.1013ms (時(shí)間t8)，次級(jí)電流SI中存在電流脈沖，如波形130所示。這一電流脈沖對(duì)應(yīng)于去往輸出的能量傳送。從時(shí)間6.1Olms (時(shí)間t6)到時(shí)間6.1013ms (時(shí)間t8), Vout和Vaux之間存在依賴(lài)。然而，從時(shí)間6.1Olms (時(shí)間t6)到時(shí)間6.1012ms (時(shí)間t7)，跨輔助繞組32的電壓Vaux由于漏電感而具有過(guò)沖值。從時(shí)間6.1012(時(shí)間t7)到時(shí)間6.1013ms (時(shí)間t8)，電壓Vaux具有大約等于次級(jí)繞組電壓Vsec*匝數(shù)比(Na / Ns)的值，其中Na是輔助繞組32的匝圈的數(shù)目并且Ns是次級(jí)繞組SI的匝圈的數(shù)目。
[0038]大約在6.1012ms (時(shí)間t7)和時(shí)間6.1013ms (時(shí)間t8)之間，電壓檢測(cè)器36可以通過(guò)測(cè)量電壓Vaux確定輸出電壓。從時(shí)間6.1013ms (時(shí)間t8)開(kāi)始,存在一些不向輸出傳送功率的振蕩，直到變壓器穩(wěn)定到OV / OA0
[0039]圖1的功率轉(zhuǎn)換器被配置用于測(cè)量和比較輔助繞組電壓Vaux，用于確定何時(shí)斷開(kāi)晶體管16的目的。備選地，功率轉(zhuǎn)換器可以備選地被配置為沒(méi)有輔助繞組，其中初級(jí)繞組代替地被測(cè)量并比較，用于確定何時(shí)斷開(kāi)主開(kāi)關(guān)的目的。圖4圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換器200。除了功率轉(zhuǎn)換器200不包括輔助繞組之外，功率轉(zhuǎn)換器200與圖1的功率轉(zhuǎn)換器10相似地被配置并且操作。反而，電壓檢測(cè)器236測(cè)量跨初級(jí)繞組Pl的電壓Vd并且將測(cè)量的電壓Vd傳輸至控制器222。閾值檢測(cè)器234測(cè)量電壓Vd并且當(dāng)閾值電壓值達(dá)到時(shí)生成閾值電壓信號(hào)。在圖4的示例性配置中，電源電路250耦合至輸入電壓Vin。功率轉(zhuǎn)換器200與圖1中的功率轉(zhuǎn)換器10相似地運(yùn)作，以根據(jù)電壓Vd的值來(lái)接通和斷開(kāi)晶體管216。
[0040]使用以上描述的方法，傳送至次級(jí)側(cè)的能量的量通過(guò)使得驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)的脈寬最小化、同時(shí)仍提供用于實(shí)現(xiàn)確定輸出電壓Vout的足夠的能量傳送而被最小化。確定的輸出電壓Vout被控制器的控制算法使用?？刂破魇褂么_定的輸出電壓Vout來(lái)確定何時(shí)需要最小脈寬以及何時(shí)通過(guò)使用柵極電壓Vg接通或斷開(kāi)主開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)最小脈寬。
[0041]控制方法實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的實(shí)時(shí)反饋，其中當(dāng)前脈沖的導(dǎo)通時(shí)間受與同一當(dāng)前脈沖相關(guān)的電路特征影響。在以上描述的示例性應(yīng)用中，輔助電壓Vaux被實(shí)時(shí)測(cè)量并比較，其結(jié)果指示斷開(kāi)主開(kāi)關(guān)，從而由此實(shí)時(shí)地影響主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。
[0042]本發(fā)明在具體實(shí)施例方面得到描述，合并了細(xì)節(jié)以便利對(duì)變壓器的構(gòu)造和操作的原理的理解。各個(gè)附圖中示出和描述的許多元件可以互換，以獲得必要的結(jié)果，并且此描述應(yīng)該被解讀為也包含此類(lèi)互換。同樣，此處對(duì)特定實(shí)施例及其細(xì)節(jié)的參考并不旨在限制所附權(quán)利要求的范圍?？梢詫?duì)被選用于說(shuō)明目的的實(shí)施例做出修改而不脫離本申請(qǐng)的精神和范圍對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯。
【權(quán)利要求】
1.一種控制開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的方法，所述方法包括: a.配置開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器包括具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組的變壓器、串聯(lián)耦合至所述初級(jí)繞組的開(kāi)關(guān)、耦合至所述開(kāi)關(guān)的控制器、以及電耦合至第一控制器并且磁耦合至所述次級(jí)繞組的輔助繞組； b.確定跨所述次級(jí)繞組的最小電壓，以實(shí)現(xiàn)從所述變壓器的初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的能量傳送； c.接通所述開(kāi)關(guān)； d.比較跨所述輔助繞組的電壓和閾值電壓，其中所述閾值電壓與所述最小電壓成比例；以及 e.一旦跨所述輔助繞組的所述電壓達(dá)到所述閾值電壓，則斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)，其中接通所述開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)之間的時(shí)間周期是所述開(kāi)關(guān)的最小脈沖寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)將能量從所述初級(jí)側(cè)傳送到所述次級(jí)側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)測(cè)量跨所述輔助繞組的所述電壓，其中所測(cè)量的電壓與所述開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓成比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述控制器使用所測(cè)量的電壓以確定何時(shí)執(zhí)行所述最小脈沖寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，跨所述次級(jí)繞組的所述電壓增加到所述最小電壓，從而由此實(shí)現(xiàn)能量傳送，并且在跨所述次級(jí)繞組的所述電壓達(dá)到所述最小電壓時(shí)測(cè)量跨所述次級(jí)繞組的所述電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器還包括耦合至所述輔助繞組和所述控制器的閾值電壓檢測(cè)電路，所述閾值電壓檢測(cè)電路比較跨所述輔助繞組的所述電壓和所述閾值電壓，并且一旦跨所述輔助繞組的所述電壓達(dá)到所述閾值電壓，則發(fā)送閾值電壓信號(hào)至所述控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使用傳送至所述輔助繞組的能量為所述控制器供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述開(kāi)關(guān)包括晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述閾值電壓等于所述最小電壓乘以所述輔助繞組對(duì)所述次級(jí)繞組的匝數(shù)比。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述最小電壓被設(shè)置為固定值。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述最小電壓是由所述控制器確定的可變值。
12.—種控制開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的方法,所述方法包括: a.配置開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器包括具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組的變壓器、串聯(lián)耦合至所述初級(jí)繞組的開(kāi)關(guān)、以及耦合至所述開(kāi)關(guān)的控制器； b.確定跨所述次級(jí)繞組的最小電壓，以實(shí)現(xiàn)從所述變壓器的初級(jí)側(cè)至次級(jí)側(cè)的能量傳送； c.接通所述開(kāi)關(guān)； d.比較跨所述初級(jí)繞組的電壓和閾值電壓，其中所述閾值電壓與所述最小電壓成比例；以及 e.一旦跨所述初級(jí)繞組的所述電壓達(dá)到所述閾值電壓，則斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)，其中接通所述開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)之間的時(shí)間周期是所述開(kāi)關(guān)的最小脈沖寬度。
13.—種開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器,包括: a.具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組的變壓器； b.串聯(lián)耦合至所述初級(jí)繞組的開(kāi)關(guān)； c.耦合至所述開(kāi)關(guān)的控制器，其中所述控制器被配置用于接通和斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)； d.磁耦合至所述次級(jí)繞組的輔助繞組；以及 e.耦合至所述輔助繞組和所述控制器的閾值電壓檢測(cè)電路，其中所述閾值電壓檢測(cè)電路被配置用于比較跨所述輔助繞組的電壓和最小電壓，并且一旦跨所述輔助繞組的所述電壓達(dá)到所述最小電壓就發(fā)送信號(hào)至所述控制器，其中所述最小電壓是跨所述次級(jí)繞組的用于實(shí)現(xiàn)從所述變壓器的初級(jí)側(cè)至所述變壓器的次級(jí)側(cè)的能量傳送的最小電壓， 其中所述控制器被配置用于響應(yīng)于從所述閾值電壓檢測(cè)電路接收所述信號(hào)來(lái)斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，還包括耦合至所述輔助繞組和所述控制器的電壓檢測(cè)電路，所述電壓檢測(cè)電路被配置用于當(dāng)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)測(cè)量跨所述輔助繞組的所述電壓并且將所測(cè)量的電壓發(fā)送到所述控制器，其中所測(cè)量的電壓與所述開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓成比例。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器還被配置用于根據(jù)所測(cè)量的電壓確定何時(shí)接通和斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，包括諧振電路，所述諧振電路包括所述變壓器和所述變壓器與所述開(kāi)關(guān)的寄生電容。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述閾值電壓檢測(cè)電路包括比較器。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述開(kāi)關(guān)包括晶體管。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，還包括耦合至所述輔助繞組和所述控制器的電源電路，其中所述電源電路被配置用于從所述輔助繞組接收并存儲(chǔ)能量并且向所述控制器提供能量。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述電源電路包括電容器和成對(duì)的晶體管。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述最小電壓是固定值。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述最小電壓是由所述控制器確定的可變值。
23.—種開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器,包括: a.具有次級(jí)繞組和耦合至輸入電源電壓的初級(jí)繞組的變壓器； b.串聯(lián)耦合至所述初級(jí)繞組的開(kāi)關(guān)； c.耦合至所述開(kāi)關(guān)的控制器，其中所述控制器被配置用于接通和斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)；以及 d.耦合至所述初級(jí)繞組和所述控制器的閾值電壓檢測(cè)電路，其中所述閾值電壓檢測(cè)電路被配置用于比較跨所述初級(jí)繞組的電壓和最小電壓，并且一旦跨所述初級(jí)繞組的所述電壓達(dá)到所述最小電壓或其比例值，則發(fā)送信號(hào)至所述控制器，其中所述最小電壓是跨所述次級(jí)繞組的用于實(shí)現(xiàn)從所述變壓器的初級(jí)側(cè)至所述變壓器的次級(jí)側(cè)的能量傳送的最小電壓，其中所述控制器被配置用于響應(yīng)于從所述閾值電壓檢測(cè)電路接收所述信號(hào)來(lái)斷開(kāi)所述開(kāi)關(guān)。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK104201890SQ201310474468
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月5日
【發(fā)明者】R·S·G·貝格希格 申請(qǐng)人:弗萊克斯電子有限責(zé)任公司