CN101728958B - 尾电流控制隔离式转换器的方法及控制装置 - Google Patents

尾电流控制隔离式转换器的方法及控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有精确电压调整性能的隔离式转换器，其包括：初级侧电路和次级侧电路，其中，所述初级侧电路由初级侧控制器控制初级侧开关的导通与关断，次级侧电路由次级侧控制器控制次级侧同步整流管的导通与关断。当次级侧电流减小到零时，次级侧控制器将次级侧同步整流管导通，并产生一个负尾电流；当所述负尾电流达到一个尾电流参考峰值时，次级侧控制器将次级侧同步整流管关断，同时在初级侧电路耦合出一个负电流，用于将初级侧开关导通。本发明提供的隔离式转换器无需采用辅助隔离装置，且具有精确的电压调整性能，效率高，电磁干扰低，成本低。

Description

尾电流控制隔离式转换器的方法及控制装置
技术领域
本发明涉及转换器，尤其涉及隔离式转换器的开关控制。
背景技术
隔离式转换器广泛应用于各种离线供电及对安全性要求较高的场合。精准、高效、电磁干扰（EMI）低、体积小、成本低的控制策略和控制电路成为应用的必须。而且为了达到对向负载提供能量的精确调节，必须采用反馈控制。对于隔离式转换器而言，采用反馈控制的一个最基本要求是在初级侧与次级侧间进行电气隔离。
通常采用光耦合器达到电气隔离的效果。次级侧的输出电压信息通过光耦合器被反馈到初级侧，以精确地控制初级侧开关传输最优化能量到次级侧。采用光耦合器的一个缺点在于增加了***成本。另外，在高隔离电压下光耦合器可能被损坏。例如，在医疗器械应用中，其供电***对可靠性要求非常高，并且通常需要经受高的电压尖峰。
另一种反馈隔离方式采用专用的第三绕组或者辅助绕组。次级侧的输出电压与辅助绕组上的电压相似，因此，可以通过检测辅助绕组上的电压来获得反馈信息。然而，这种方式在反馈时存在一些问题。首先，输出电平不能被精确反映，尤其是在负载响应过程中。其次，与采用光耦合器一样，这种方式增加了成本。因此，如何通过简单的方式实现精确的电压反馈控制成为一大挑战。
除却成本与精度的考虑，高效和低电磁干扰（EMI）也是必须的。其中，降低开关损失的一种方式是采用软开关技术，如零电压开关技术（ZeroVoltage Switching）。在零电压开关技术中，开关管导通时，其漏源电压为零，因而没有导通损耗。另外，可以在功率MOSFET上并联一个缓冲电容器，这样电压变化率dv/dt将大大减小，从而不仅降低了截止损耗，而且显著降低了电磁干扰（EMI）。随着开关损耗的降低，转换器可以工作在更高的开关频率，从而减小变压器以及其他无源元件的尺寸。
准谐振转换器是采用软开关技术和反馈控制的一种典型的隔离式转换器。图1示出了一种现有技术的准谐振转换器拓扑结构，其中Lp和Rp分别是初级侧绕组的电感值和电阻值，Cp是谐振电容，Ld是辅助绕组的电感值。当次级侧能量耗尽（即磁通量置零），在初级侧开关Qp的漏极将产生振荡电压。谐振频率由Lp和Cp决定，衰减因子由Rp决定。辅助绕组Ld用来检测磁通量的置零，从而控制Qp在所述振荡电压的谷值导通，以降低开关损耗。同时，输出电压信息由一个光耦合器反馈给初级侧，以调整传输给次级侧的能量。如上所述，准谐振转换器同时采用辅助绕组和光耦合器以实现反馈和软开关功能。然而，这种转换器不能保证零电压开关，并且尺寸大，成本高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供用于DC-DC转换器及AC-DC转换器中的新型隔离式转换器，本发明提供的新型隔离式转换器无需采用辅助隔离器件，诸如光耦合器及辅助绕组等，便可实现隔离反馈，并具有精确的电压调整性能。
本发明的目的还在于提供实现上述隔离式转换器的控制方法及其中应用的控制电路。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种隔离式电压转换器，包括：
初级侧电路，其包含初级侧开关和初级侧控制器，其中，初级侧控制器用于控制初级侧开关的导通与关断；
次级侧电路，其包含次级侧开关和次级侧控制器，其中，次级侧控制器用于控制次级侧开关的导通与关断；当次级侧电流减小到零时，所述次级侧控制器保持所述次级侧开关导通，以使次级侧电流换向成为负的尾电流；当所述尾电流达到尾电流峰值时，次级侧控制器关断所述次级侧开关；同时，尾电流在所述初级侧电路耦合出一个负的初级侧耦合电流，通过初级侧控制器将初级侧开关导通；并且所述次级侧控制器，在负载加重时，使所述尾电流峰值增大，在负载减轻时，使所述尾电流峰值减小。
本发明的隔离式电压转换器，所述次级侧电路进一步包含输出电容，其耦接于所述隔离式电压转换器的输出端与地之间。
本发明的隔离式电压转换器，所述初级侧开关并联第一电容。
本发明的隔离式电压转换器，所述次级侧开关并联第二电容。
本发明的隔离式电压转换器，所述初级侧控制器在初级侧开关的漏极电压低于初级侧参考触发电压时，将初级侧开关导通；所述初级侧参考触发电压等于零或者接近为零。
本发明的隔离式电压转换器，所述初级侧控制器，在初级侧电流增大到初级侧电流参考峰值时，将所述初级侧开关关断。
本发明的隔离式电压转换器，所述次级侧控制器，在次级侧电流增大到预设电流值或者次级侧开关的源漏电压高于预设电压值时，将次级侧开关导通。
本发明的隔离式电压转换器，所述初级侧控制器检测所述初级侧耦合电流的峰值，并使所述初级侧电流参考峰值与所述初级侧耦合电流峰值同向变化。
本发明的隔离式电压转换器，所述尾电流峰值与所述次级侧开关的源极电压峰值同向变化。
本发明的隔离式电压转换器，所述初级侧控制器包括：
初级侧参考电压发生器，用于接收所述初级侧耦合电流峰值，并基于所述初级侧耦合电流峰值输出与其同向变化的表征初级侧电流参考峰值的初级侧参考电压；
初级侧第一比较器，其反相输入端耦接所述初级侧参考电压发生器的输出端，接收所述初级侧参考电压，其同相输入端接收所述初级侧电流的检测值；
初级侧第二比较器，其反相输入端接收所述初级侧开关的漏极电压，其同相输入端接收初级侧参考触发电压；以及
初级侧RS锁存器，其复位输入端耦接所述初级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述初级侧第二比较器的输出端，其输出初级侧开关的门极控制信号。
本发明的隔离式电压转换器，所述初级侧控制器进一步包括一个或多个电压检测电路、电流检测电路、参考电压发生器及门极驱动电路。
本发明的隔离式电压转换器，所述次级侧控制器包括：
次级侧参考电压发生器，用于接收输出电压或电流并产生表征尾电流峰值的次级侧参考电压；
次级侧第一比较器，其反相输入端耦接所述次级侧参考电压发生器的输出端，接收所述次级侧参考电压，其同相输入端耦接表征所述次级侧电路的电流之负值的电压信号；
次级侧第二比较器，其反相输入端耦接次级侧参考触发电压，其同相输入端耦接所述次级侧开关的源极电压；
次级侧RS锁存器，其复位输入端耦接所述次级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述次级侧第二比较器的输出端，其输出次级侧开关的门极控制信号。
本发明的隔离式电压转换器，所述次级侧参考电压发生器接收输出电流，产生与所述输出电流同向变化的次级侧参考电压。
本发明的隔离式电压转换器，所述次级侧参考电压发生器接收输出电压，产生与所述输出电压反向变化的次级侧参考电压。
本发明的隔离式电压转换器，所述次级侧控制器进一步包括一个或多个电流检测电路、电压检测电路、参考电压发生器以及门极驱动电路。
本发明的隔离式电压转换器，还提供另一种次级侧控制器，在隔离式转换器的输出电压高于设定的上阈值时，将所述次级侧开关关断，并保持其关断状态，直到所述输出电压低于设定的下阈值为止。
本发明的隔离式电压转换器，所述另一种次级侧控制器，在次级侧电流减小到零时，保持所述次级侧开关导通，以使次级侧电流换向成为负的尾电流；当所述尾电流达到尾电流峰值时，关断所述次级侧开关；同时，尾电流在所述初级侧电路耦合出一个负的初级侧耦合电流，通过初级侧控制器将初级侧开关导通。
本发明的隔离式电压转换器，所述另一种次级侧控制器包括：
输出电压检测电路，用于接收所述输出电压，产生与所述输出电压成比例的电压检测信号；
次级侧第一比较器，其反相输入端接收所述电压检测信号，其同相输入端接收表征所述下阈值的参考电压；
次级侧第二比较器，其同相输入端接收所述电压检测信号，其反相输入端接收表征所述上阈值的参考电压；
次级侧第三比较器，其同相输入端接收与次级侧电流之负值成比例的电压信号，其反相输入端接收表征尾电流峰值的参考电压；
次级侧第四比较器，其同相输入端接收次级侧开关的源极电压，其反相输入端接收次级侧参考触发电压；
次级侧第一RS锁存器，其复位输入端耦接所述次级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述次级侧第二比较器的输出端；
次级侧第二RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第一比较器的输出端，其复位输入端耦接所述次级侧第一RS锁存器的输出端；
次级侧第三RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第二RS锁存器的输出端，其复位输入端耦接次级侧第四RS锁存器的输出端；
次级侧第四RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第三比较器的输出端，其复位输入端耦接所述次级侧第四比较器的输出端；
次级侧第五RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第四比较器的输出端，其复位输入端耦接次级侧第一或门的输出端；
次级侧第一或门，其一个输入端耦接所述次级侧第一RS锁存器的输出端，其另一个输入端耦接所述次级侧第四RS锁存器的输出端；
次级侧第二或门，其一个输入端耦接所述次级侧第三RS锁存器的输出端，其另一个输入端耦接所述次级侧第五RS锁存器的输出端，其输出次级侧开关的门极控制信号。
本发明的隔离式电压转换器，所述另一种次级侧控制器，进一步包括NPN晶体管，所述NPN晶体管，其基极耦接所述次级侧第一RS锁存器的输出端，其发射极耦接到地，其集电极耦接所述次级侧第二或门的输出端。
本发明的隔离式电压转换器，所述输出电压检测电路可以是电阻分压网络，还可以包括误差放大器。
一种隔离式转换器的控制方法，包括：
在次级侧电流达到零值时，继续保持次级侧开关导通，以使次级侧电流换向成为负的尾电流；以及
在所述尾电流达到尾电流峰值时，关断次级侧开关，同时在初级侧耦合出一个负的初级侧耦合电流，以导通初级侧开关；其中所述尾电流峰值在所述隔离式转换器的负载加重时增大，在所述负载减轻时减小。
本发明的隔离式转换器控制方法，所述负的初级侧耦合电流通过一个与所述初级侧开关并联的电容放电；当所述初级侧开关的漏极电压被下拉到零电压或者接近零电压时，将所述初级侧开关导通。
本发明的隔离式转换器控制方法，当正的初级侧电流达到初级侧电流参考峰值时，将所述初级侧开关关断。
本发明的隔离式转换器控制方法，所述初级侧电流参考峰值的变化与所述初级侧耦合电流的峰值变化同向。
本发明的隔离式转换器控制方法，所述尾电流峰值的变化与负载变化同向，同时，检测初级侧耦合电流的峰值，并使所述初级侧耦合电流峰值与所述尾电流峰值同向变化。
本发明的隔离式转换器控制方法，所述转换器的输出电压高于设定的上阈值时，将所述次级侧开关关断，直到所述输出电压低于设定的下阈值为止。
本发明提供的隔离式转换器电路及隔离式转换器控制方法，无需采用辅助隔离装置，诸如光耦合器及辅助绕组等，便可实现隔离反馈控制，具有精确的电压调整性能，电磁干扰低，并且在初级侧开关导通过程中实现了零电压开关功能，减小了开关损耗，提高了转换效率。同时，隔离式转换器电路及隔离式转换器控制方法，可以在集成电路级别上以低成本和低复杂性的方式实现。
附图说明
下面的图表明了本发明的实施方式。这些图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。
图1示出了现有技术中的一种准谐振转换器拓扑结构；
图2为根据本发明一个实施例的回扫电压直流转换器示意图；
图3为根据本发明一个实施例的采用尾电流控制的隔离式转换器工作时序图；
图4为根据本发明一个实施例的实现尾电流反馈控制的电路示意图；
图5为根据本发明又一实施例的采用滞环控制与尾电流控制相结合的隔离式转换器工作时序图；
图6为如图5所示根据本发明又一实施例的电路示意图；
图7为如图6所示电路中各信号在尾电流控制模式下的稳态波形图；
图8A和图8B为如图6所示电路中各信号在具有滞环控制模式的情况下之波形图；
具体实施方式
下面详细说明本发明的各优选实施例。虽然本发明通过各优选实施例得以解释，但本领域的技术人员应当知晓本发明并不局限于这些具体实施例。相反地，任何替代、修改和等同替换都在本发明的精神和保护范围内。本发明的保护范围由权利要求书限定。例如，在图5示出的实施例中，电路采用了一种类型的RS锁存器，本领域的技术人员应该得知其他类型的RS锁存器也可以用来实现相同的功能。另外，在接下来的详细说明中，为了更有效的帮助理解本发明，对一些特定的细节进行了详尽阐述。然而本领域的技术人员应该理解，即使在缺少很多细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明也可以被实现。在另外的一些实施例中，对公知的方法、步骤、元件及电路结构没有进行详细解释以免不必要地使本发明不清晰。
本发明所揭示的控制方法、初级侧控制器和次级侧控制器可以被应用于任何隔离式直流-直流（DC-DC）转换器和隔离式交流-直流（AC-DC）转换器。在接下来的详细描述中，为了简洁起见，仅以回扫电压直流变换器（flybackDC-DC Converter）为例来解释本发明的具体工作原理。
如图2所示，是根据本发明一个实施例的回扫电压直流转换器（flybackDC-DC Converter）示意图。该转换器包括由变压器T1隔离的初级侧电路和次级侧电路。其中初级侧电路包括直流输入Vin、初级绕组、初级侧开关Qp、电容C1和初级侧控制器。所述开关Qp周期性地导通或者关断。初级侧控制器直接或者间接地接收开关Qp的漏极电压Vswp、Qp的源极电压和初级侧电流Ip，产生初级侧门极控制信号DRVP以控制开关Qp的导通和关断。所述次级侧电路包括次级绕组、次级同步整流管Qs、滤波电容Cout和次级侧控制器。所述同步整流管Qs用于整流次级绕组产生的信号，该经整流的信号经滤波电容Cout滤波后输出电压Vout，为负载供电。次级侧控制器接收整流管Qs的源极电压Vsws、输出电压Vout和次级侧电流Is，产生次级侧门极控制信号DRVS以控制整流管Qs的导通和关断。
次级侧控制器在次级侧电流Is减小到零以后仍保持整流管Qs在很短的一段时间内导通，在Is减小到零换向为负电流后，称之为负尾电流,并且在该尾电流峰值时，次级侧控制器关断Qs，因此，Qs由一个小的负尾电流控制，所述负尾电流由整流管Qs的漏极流向源极。该尾电流被耦合到初级侧，使得Vswp经电容C1放电，直到为零。随后初级侧控制器在检测到Vswp为零时，运用零电压开关技术（ZVS）将开关Qp导通。本发明所指的尾电流控制即上述控制过程。
在一个实施例中，次级侧控制器基于输入电压Vin适应性地控制尾电流的峰值。由于整流管Qs的源极电压Vsws的峰值与输入电压Vin成比例，则这种前馈控制基于Vsws的峰值，通过控制尾电流峰值得以实现。在另外的实施例中，将负载信息通过尾电流峰值反馈给初级侧，初级侧电路通过检测耦合到初级侧的值来获得该信息。因此，次级侧信号无需通过辅助绕组或者光耦合器便被反馈到初级侧。除了用于实现零电压开关（ZVS）功能，电容C1还用作开关Qp的关断缓冲器。同样地，在一个实施例中，对于次级侧电路，可以将一个电容C2与整流管Qs并联，作为整流管Qs的关断缓冲器。
在本发明的各实施例中，开关Qp和整流管Qs可以是MOSFET、IGBT或者任何其他类型的开关。
图3示出了如图2所示的根据本发明一个实施例的采用尾电流控制的隔离式转换器的时序图。如图3所示，分别给出了信号Vswp、Ip、DRVP、Vsws、Is和DRVS的时序波形图。在t1时刻，Ip增大到最大值Ipmax，因而DRVP被重置为低电平以关断Qp。所述Ipmax是一个初级侧电流峰值的参考值。该初级侧电流被耦合到次级侧电路，那么一个正的次级侧电流Is将自下而上地流经次级绕组，并流经Qs的体二极管。次级侧电路检测到该正电流Is，并将DRVS置为高电平以使Qs导通。所述正电流使得Qs的源漏电压Vsd变为高电平。如果Qs是一个下端开关管(low side switch)，在Qs的漏极电压低于一个预先设定的负值时，也可以采用前述导通控制方式。如果Qs是一个上端开关管(high side switch)，如图2和图3所示，在Vsws高于一个预先设定的次级侧开通触发电压Vs2时，也可以采用前述导通控制方式。随后，电流Is逐渐降低，直到为零。
在Is达到零值后，次级侧控制器保持DRVS为高电平，保持Qs导通，因次级侧电路存在电容，Is在其零值后会换向为负值，成为负的尾电流。在t2时刻，所述尾电流达到其尾电流峰值Is0，并且将DRVS置为低电平，以使Qs关断。同时，在初级侧产生一个负的耦合电流，其峰值为Irp，使Vswp通过C1放电。当Vswp被放电到零时，DRVP被置为高电平，将Qp导通。在实际操作中，一个等于或者接近零的值Vp2被用作初级侧导通触发电压。当Vswp降到Vp2时，DRVP被置为高电平，将Qp导通。之后，Ip增大，在t3时刻达到如在t1时刻所述的初级侧电流参考峰值Ipmax。如前所述，在一个实施例中，尾电流峰值通过Vsws将输入电压Vin前馈。当Vin增大，则将Vswp放电到零所需的能量也相应增加。同时，Vsws的峰值随Vin增大而增大，通过检测Vsws，次级侧控制器基于Vsws的峰值将尾电流峰值Is0增大。因为耦合到初级侧的峰值电流Irp与Is0成比例，所以Irp也随之增大，以保证有更多的能量将Vswp放电到零。
相反地，如果输入电压Vin减小，Irp相应地减小，那么Qp的导通损耗降低。因此，Is0与Vsws的变化同向。这种适应性控制可以保证耦合到初级侧的电流，在使C1放电时足够大，在使Qp导通时足够小，以降低Qp的导通损耗。
在另外的实施例中，反馈控制在无需辅助隔离器件的情况下，通过将简单控制与尾电流控制相结合以实现对输出电压Vout的精确调整。这种控制方式的实现，采用输出电压Vout或者输出电流来调节尾电流峰值。负载上升跃变的响应过程中，输出电压Vout减小，或者输出电流增大。次级侧控制器检测到这种变化，将Is0相应地增大。通过在初级侧检测耦合电流峰值Irp，初级侧控制器相应地增大初级侧电流参考峰值Ipmax，以调整输出电压Vout。负载下降跃变的响应过程中，Ipmax随着Irp减小而减小。换言之，初级侧电流参考峰值Ipmax与初级侧耦合电流峰值Irp同向变化。
图4示出了实现尾电流反馈控制的电路示意图。如图所示，是一个回扫电压转换器（flyback converter），该转换器包括变压器T1、放电电容C1、初级侧开关Qp、初级侧控制器10、次级侧同步整流管Qs、滤波电容Cout和次级侧控制器20。初级侧控制器10包括第一比较器U1、第二比较器U2、Ipmax参考电压发生器11和锁存器U3。Ipmax参考电压发生器11接收耦合到初级侧的峰值电流Irp，并基于Irp产生一个与Irp同向的参考电压Vp1。当耦合峰值电流Irp增大时，Vp1随之增大。比较器U1的反相输入端耦接到参考电压发生器11的输出端，其同相输入端耦接电压Vpi。其中Vpi是初级侧电流Ip的检测值。并且参考电压Vp1与初级侧电流参考峰值Ipmax的比值等于初级侧电流检测值Vpi与初级侧电流Ip的比值。比较器U2的反相输入端接收初级侧开关Qp的漏极电压信号Vswp，其同相输入端接收参考电压Vp2。其中，参考电压Vp2是初级侧开关导通触发电压。比较器U1的输出端耦接锁存器U3的复位输入端R，比较器U2的输出端则耦接锁存器U3的置位输入端S。锁存器U3的输出端耦接到Qp的门极，输出初级侧门极驱动信号DRVP。
次级侧控制器20包括第一比较器U4、第二比较器U5、尾电流峰值参考电压发生器21和锁存器U6。尾电流峰值参考电压发生器21接收转换器的输出电压Vout或者输出电流以产生表征尾电流峰值Is0的参考电压Vs1，并且参考电压Vs1的变化与输出电压Vout的变化反向，与输出电流的变化同向。比较器U4在反相输入端接收参考电压Vs1，在其同相输入端接收表征次级侧电流Is之负值的电压信号Vsi。Vs1与Is0的比值和Vsi与|-Is|的比值相等。比较器U5在其同相输入端接收次级侧整流管Qs的源极电压Vsws，在其反相输入端接收次级侧参考触发电压Vs2。比较器U4的输出端耦接锁存器U6的复位输入端R，比较器U5的输出端耦接锁存器U6的置位输入端S。锁存器U6的输出端偶接到整流管Qs的门极，输出信号DRVS以驱动Qs。次级侧控制器20还可以将次级侧同步整流管纳入其中作为控制器的一部分。
图5示出了根据本发明又一实施例的采用滞环控制（Bang-Bang control）与图3所示尾电流控制相结合的控制方式来调整转换器输出的时序波形图。根据本发明的又一实施例，设定滞环控制相较于尾电流控制具有更高的优先级，通过滞环控制将输出电压限定在一个上阈值Vo_up和下阈值Vo_low之间。首先假设Qp和Qs的工作方式仍如在图3中描述的一样，并且输出电压Vout在上阈值Vo_up和下阈值Vo_low之间。一旦Vout大于Vo_up，Qp和Qs暂停开关动作，直到Vout重新降到低于Vo_low。下面将根据图5所示时序波形图来描述这种滞环控制与尾电流控制相结合的控制方法。图5中所示的各信号依次为：Vout、Vswp、Ip、DRVP、Vsws、Is和DRVS。在t1时刻，初级侧控制器检测到Ip>Ipmax，因而将DRVP置为低电平以关断Qp，这导致一个正的电流流经次级侧，从而使Vsws变为高电平。此时，虽然Vsws>Vs2，然而同时有Vout>Vo_up，且后者具有更高的优先级，所以DRVS保持为低电平，直至Vout<Vo_low为止。在t2时刻，Vout达到Vo_low，次级侧控制器将Qs再次导通。此时，将产生一个由Qs源极流向漏极的负的尾电流。此后的控制过程回到如图3所描述的正常尾电流控制。
在t3时刻，所述负的尾电流达到尾电流峰值Is0，次级侧控制器将DRVS置为低电平以关断Qs，使得初级侧产生一个负的耦合电流，并且将Vswp通过C1放电到低于Vp2，从而将Qp导通。Vp2等于零或者接近为零。滞环控制使得在轻载情况下，保持开关Qp和Qs在Vout从大于Vo_up到小于Vo_low期间关断的时间加长，因而减小了开关损耗，改善了转换器效率。
如图6所示，是一个采用滞环控制与尾电流控制相结合的电路示意图，其对应于图5所示的时序波形图。接下来将对初级侧控制器30和次级侧控制器40的工作原理作详细描述。
初级侧控制器30包括比较器U1、比较器U2和锁存器U3。比较器U1在其同相输入端接收与初级侧电流Ip成比例的电压信号Vpi，其反相输入端接收一个参考电压Vp1。比较器U1的输出端耦接RS锁存器U3的复位输入端R。Vpi和Ip的比值与Vp1和Ipmax的比值相等。比较器U2在其同相输入端接收参考电压Vp2，在其反相输入端接收初级侧开关Qp的漏极电压Vswp。比较器U2的输出端耦接RS锁存器U3的置位输入端S。U3的输出端耦接到开关Qp的门极。U3输出信号DRVP以控制开关Qp。当Ip>Ipmax时，Vpi>Vp1，比较器U1输出逻辑“1”，将U3复位，使其输出的DRVP信号为逻辑“0”，从而关断Qp。当尾电流达到Is0时，如图3所示，Qs关断，在初级侧将产生一个最大的负电流，即初级侧耦合电流峰值Irp，并且Irp=n1/n2*Is0。其中，n1为初级侧绕组匝数，n2为次级侧绕组匝数。这个负电流Irp使得Vswp经C1放电，从而使Vswp<Vp2，比较器U2输出逻辑值“1”将DRVP置为高电平。其中，Vp2等于或者接近于零电压。因此，Qp以零电压导通。电容C1实现了Qp的零电压开关（ZVS）功能。电容C1的选取应满足如下条件：
n 1 n 2 * I so = V in + n 2 n 1 * V out * cos ( &omega; * T 4 ) Z * sin ( &omega; * T 4 )
其中， &omega; = 1 L p * C p , T = 2 n L p * C p , Z = L p C p
电容Cp由电容C1及Qp的寄生电容并联构成，Lp是初级绕组的电感。当Qp在Ip达到Ipmax而被关断时，C1用作其关断缓冲器。
值得注意的是图4中的初级侧控制器10和图6中的初级侧控制器30还有其他等效实施例可以实现相同的控制功能。例如，还可以进一步包括漏源电压（Vswp）检测电路、初级侧电流(Ip)检测电路、参考电压Vp1及Vp2的发生器及门极驱动电路。其中门极驱动电路的输入耦接锁存器U3的输出，门极驱动电路的输出耦接Qp的门极。初级侧控制器10和30还可以采用其他类型的RS锁存器。
次级侧控制器40用于控制Qs的导通与关断，其包括第一比较器U4、第二比较器U5、第三比较器U6、第四比较器U7、第一RS锁存器U8、第二RS锁存器U9、第三RS锁存器U10、第四RS锁存器U11、第五RS锁存器U12、第一或门U13、第二或门U14和由电阻R1及R2构成的输出电压检测电路。比较器U4在其反相输入端接收信号Vo1，在其同相输入端接收下阈值参考电压Vth1，其输出端耦接锁存器U8的复位输入端R及锁存器U9的置位输入端S。Vo1是由电阻R1和R2分压得到的与输出电压Vout成比例的电压信号。
比较器U5在其同相输入端接收信号Vo1，在其反相输入端接收上阈值参考电压Vth2，其输出端耦接锁存器U8的置位输入端S。其中Vth1表征前述的下阈值Vo_low，Vth2表征前述的上阈值Vo_up，并且Vth1与Vo_low的比值及Vth2与Vo_up的比值等于Vo1与Vout之比值。比较器U6在其同相输入端接收与次级侧电流之负值成比例的电压信号Vsi，在其反相输入端接收尾电流峰值参考电压Vs1，其输出端耦接锁存器U11的置位输入端S。当次级侧电流Is从Qs的漏极流向源极可以看做是负电流时，Vsi为正值。Vsi与Is的绝对值之比等于Vs1与Is0之比。
比较器U7在其同相输入端接收次级侧整流管Qs的源极电压Vsws，在其反相输入端接收次级侧参考触发电压Vs2，其输出端耦接锁存器U11的复位输入端R及锁存器U12的置位输入端S。RS锁存器U8的输出端耦接锁存器U9的复位输入端R及或门U13的一个输入端。RS锁存器U9的输出端耦接锁存器U10的置位输入端S。锁存器U10的输出端耦接或门U14的一个输入端。锁存器U11的输出端耦接或门U13的另一个输出端以及锁存器U10的复位输入端R。或门U13的输出耦接RS锁存器U12的复位输入端R。锁存器U12的输出端耦接或门U14的另一个输入端。或门U14的输出耦接Qs的门极。U14输出DRVS信号以控制Qs的导通与关断。当Qp被关断，次级侧产生正电流，并使Vsws上升跃变。当检测到Vsws>Vs2时，比较器U7输出逻辑“1”并将RS锁存器U12置为高，从而导通Qs。次级侧电流Is逐渐减小到零，之后变为一个负的尾电流。当这个尾电流超过尾电流峰值Is0时，即有：Vsi>Vs1，则比较器U6输出逻辑“1”，将锁存器U11置为高电平，U10复位到低电平。同时，或门U13输出逻辑“1”，将锁存器U12复位为低电平，因而或门U14输出一个低电平的DRVS信号将Qs关断。在Qs的关断点，Vswp经C1放电到零，将Qp再次导通。
下面将参考图6对滞环控制进行描述。当输出电压Vout增大并且使得Vout>Vo_up或者Vo1>Vth2时，比较器U5输出逻辑“1”，将锁存器U8和或门U13置为高电平，锁存器U9和U12则被置为低电平。锁存器U10保持输出逻辑“0”，或门U14输出低电平的DRVS信号将Qs关断。当Qs在次级侧电流为零时被关断，次级侧绕组漏感和Qs的寄生电容将引起电压振荡，导致Vsws达到次级侧导通触发电压Vs2，而将Qs误导通。为了避免这种误触发，添加晶体管Q3。这里采用了NPN晶体管，其基极耦接锁存器U8的输出端，发射极耦接到地，集电极耦接到DRVS端。当Vo1>Vth2时，Q3导通，DRVS被下拉到低电平，以确保Qs处于关断状态。因为Qs在Vo1>Vth2时被关断没有产生任何尾电流，所以Qp也保持关断。Qp和Qs一直保持关断的状态，直到Vo1<Vth1。这时，锁存器U9被置为高电平，DRVS被置为高电平从而导通Qs。此后控制进入稳态尾电流控制模式。
图4中的次级侧控制器20和图6中的次级侧控制器40可以进一步具有其他等同替换以实现相同的功能。例如，可以用误差放大器来替换由R1和R2构成的输出电压检测电路，输出的误差信号用于与上阈值和下阈值比较以实现滞环控制。次级侧控制器20和40可以进一步包括一个或多个诸如输出电流检测电路、次级侧电流检测电路、次级侧开关漏极电压检测电路、参考电压发生器及次级侧开关门极驱动电路。次级侧控制器20和40还可以将次级侧同步整流管纳入其中作为控制器的一部分。
综上所述，本发明的采用尾电流控制的一个好处在于当次级侧整流管通过尾电流关断时，耦合到初级侧的负电流可以将初级侧开关的漏源电压下拉到零，从而实现了零电压开关（ZVS）功能，因而减小了电磁干扰（EMI）并降低了开关损耗。在另外的实施例中，无需采用光耦合器或者辅助绕组，通过在次级侧基于负载信息调节尾电流峰值而实现了反馈。次级侧的负载信息可以被反映到初级侧并且被检测，以获得更高效率和更高的输出精度。
图7、图8A和图8B示出了图6所示电路的测试信号波形图。图7依次示出了信号DRVP、DRVS、Ip和Is的稳态波形图。电路的主要参数设置为：输入电压Vin=60V，输出电压Vout=12V，输出电流Iout=1A。由图7可见，次级侧同步整流管在负的尾电流峰值处被关断，同时在初级侧产生一个负电流。这个初级侧负电流将Vswp拉为低电平，DRVP被置为高电平，将初级侧开关导通。当初级侧电流Ip增大到初级侧电流峰值参考电压值时，DRVP被置为逻辑“0”。
图8A示出了采用滞环控制的与图7相比在更长时间内上述各信号的波形图。图8A所示波形仍然在电路参数设置为：输入电压Vin=60V，输出电压Vout=12V及输出电流Iout=1A的情况下获得。在图8A中间的虚线处，Vout>Vo_up，DRVS被置为低电平。次级侧剩余正电流由次级侧整流管的体二极管续流并逐渐减小为零。信号DRVP和DRVS保持为低电平，直到Vout<Vo_low。如图8B中间虚线处所示，当Vout<Vo_low时，DRVS被立刻置为高电平，并且有尾电流产生，电路进入稳态工作模式。
尾电流控制与滞环控制相结合可以自动调节输出电压与工作频率。在重载情况下，初级侧开关和次级侧整流管的暂停工作状态持续时间比在轻载情况下的相应暂停工作状态持续时间短。因而在轻载状态下开关损耗相对较小，效率自然相对较高。
上述本发明的说明书和实施方式仅仅是示例性的尾电流控制隔离式转换器的方法和控制装置，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims (36)

1.一种隔离式电压转换器，用于为负载供电，包括：
初级侧电路，其包含初级侧开关和初级侧控制器；
次级侧电路，其包含次级侧开关和次级侧控制器，其中：
所述次级侧控制器，控制所述次级侧开关，在次级侧电流达到零值时继续保持导通，以使次级侧电流换向为负的尾电流而具有通路，并在所述尾电流达到尾电流峰值时，关断所述次级侧开关；同时，尾电流在所述初级侧电路耦合出一个负的初级侧耦合电流，通过初级侧控制器控制初级侧开关；并且
所述次级侧控制器，在负载加重时，使所述尾电流峰值增大，在负载减轻时，使所述尾电流峰值减小。
2.如权利要求1所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧电路进一步包含输出电容，其耦接于所述隔离式电压转换器的输出端与地之间。
3.如权利要求1所述的隔离式电压转换器，其特征在于，初级侧开关并联第一电容，并且初级侧控制器在初级侧开关的漏极电压低于设定的初级侧参考触发电压时，将初级侧开关导通。
4.如权利要求3所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述初级侧参考触发电压等于零或者接近为零。
5.如权利要求3所述的隔离式电压转换器，其特征在于，当初级侧电流增大到初级侧电流参考峰值时，所述初级侧控制器将所述初级侧开关关断。
6.如权利要求1所述的隔离式电压转换器，其特征在于，当次级侧电流增大到预设电流值时，次级侧控制器将次级侧开关导通。
7.如权利要求1所述的隔离式电压转换器，其特征在于，当次级侧开关的源漏电压高于预设电压值时，次级侧控制器将次级侧开关导通。
8.如权利要求5所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述初级侧控制器检测所述初级侧耦合电流的峰值，并使所述初级侧电流参考峰值与所述初级侧耦合电流峰值同向变化。
9.如权利要求1所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧控制器，在输出电压高于设定的上阈值时，将所述次级侧开关关断，并保持其关断状态，直到输出电压低于设定的下阈值为止。
10.如权利要求1所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述尾电流峰值与所述次级侧开关的源极电压峰值同向变化。
11.如权利要求1所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧开关并联第二电容。
12.如权利要求5或者8所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述初级侧控制器包括：
初级侧参考电压发生器，用于接收所述初级侧耦合电流峰值，并基于所述初级侧耦合电流峰值输出与其同向变化的表征初级侧电流参考峰值的初级侧参考电压；
初级侧第一比较器，其反相输入端耦接所述初级侧参考电压发生器的输出端，接收所述初级侧参考电压，其同相输入端接收所述初级侧电流的检测值；
初级侧第二比较器，其反相输入端接收所述初级侧开关的漏极电压，其同相输入端接收所述初级侧参考触发电压；以及
初级侧RS锁存器，其复位输入端耦接所述初级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述初级侧第二比较器的输出端，其输出初级侧开关的门极控制信号。
13.如权利要求12所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述初级侧控制器进一步包括一个或多个电压检测电路、电流检测电路、参考电压发生器及门极驱动电路。
14.如权利要求7所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧控制器包括：
次级侧参考电压发生器，用于接收输出电压或电流并产生表征所述尾电流峰值的次级侧参考电压；
次级侧第一比较器，其反相输入端耦接所述次级侧参考电压发生器的输出端，接收所述次级侧参考电压，其同相输入端耦接表征所述次级侧电流之负值的电压信号；
次级侧第二比较器，其反相输入端耦接次级侧参考触发电压，其同相输入端耦接所述次级侧开关的源极电压；
次级侧RS锁存器，其复位输入端耦接所述次级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述次级侧第二比较器的输出端，其输出次级侧开关的门极控制信号。
15.如权利要求14所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧参考电压发生器接收输出电流，产生与所述输出电流同向变化的次级侧参考电压。
16.如权利要求14所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧参考电压发生器接收输出电压，产生与所述输出电压反向变化的次级侧参考电压。
17.如权利要求14所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧控制器进一步包括一个或多个电流检测电路、电压检测电路、参考电压发生器以及门极驱动电路。
18.如权利要求9所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述初级侧控制器包括：
初级侧参考电压发生器，用于接收所述初级侧耦合电流峰值，并基于所述初级侧耦合电流峰值产生与其同向变化的表征初级侧电流参考峰值的初级侧参考电压；
初级侧第一比较器，其同相输入端接收所述初级侧电流的检测值，其反相输入端接收所述初级侧参考电压；
初级侧第二比较器，其反相输入端接收所述初级侧开关的漏极电压，其同相输入端接收初级侧参考触发电压；以及
初级侧RS锁存器，其复位输入端耦接所述初级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述初级侧第二比较器的输出端，其输出初级侧开关的控制信号。
19.如权利要求9所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧控制器进一步包括：
输出电压检测电路，用于接收所述输出电压，产生与所述输出电压成比例的电压检测信号；
次级侧第一比较器，其反相输入端接收所述电压检测信号，其同相输入端接收表征所述下阈值的参考电压；
次级侧第二比较器，其同相输入端接收所述电压检测信号，其反相输入端接收表征所述上阈值的参考电压；
次级侧第三比较器，其同相输入端接收与次级侧电流之负值成比例的电压信号，其反相输入端接收表征尾电流峰值的参考电压；
次级侧第四比较器，其同相输入端接收次级侧开关的源极电压，其反相输入端接收次级侧参考触发电压；
次级侧第一RS锁存器，其复位输入端耦接所述次级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述次级侧第二比较器的输出端；
次级侧第二RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第一比较器的输出端，其复位输入端耦接所述次级侧第一RS锁存器的输出端；
次级侧第三RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第二RS锁存器的输出端，其复位输入端耦接次级侧第四RS锁存器的输出端；
次级侧第四RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第三比较器的输出端，其复位输入端耦接所述次级侧第四比较器的输出端；
次级侧第五RS锁存器，其置位输入端耦接所述次级侧第四比较器的输出端，其复位输入端耦接次级侧第一或门的输出端；
次级侧第一或门，其一个输入端耦接所述次级侧第一RS锁存器的输出端，其另一个输入端耦接所述次级侧第四RS锁存器的输出端；
次级侧第二或门，其一个输入端耦接所述次级侧第三RS锁存器的输出端，其另一个输入端耦接所述次级侧第五RS锁存器的输出端，其输出次级侧开关的门极控制信号。
20.如权利要求19所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述次级侧控制器进一步包括NPN晶体管，所述NPN晶体管，其基极耦接所述次级侧第一RS锁存器的输出端，其发射极耦接到地，其集电极耦接所述次级侧第二或门的输出端。
21.如权利要求19所述的隔离式电压转换器，其特征在于，所述输出电压检测电路包括误差放大器。
22.一种次级侧控制器，其控制隔离式转换器的次级侧开关，在次级侧电流减小到零时，保持所述次级侧开关导通，以使次级侧电流换向为负的尾电流而具有通路；在所述尾电流达到尾电流峰值时，将所述次级侧开关关断；并且
所述次级侧控制器，在负载加重时，使所述尾电流峰值增大，在负载减轻时，使所述尾电流峰值减小。
23.如权利要求22所述的次级侧控制器，其特征在于，所述次级侧电流达到一个预设电流值时，其将所述次级侧开关导通。
24.如权利要求23所述的次级侧控制器，其特征在于，所述隔离式转换器输出电压高于设定的上阈值时，其将所述次级侧开关关断，直到所述输出电压低于设定的下阈值为止。
25.如权利要求22所述的次级侧控制器，其特征在于，包括：
次级侧参考电压发生器，用于接收输出电压或电流并产生表征尾电流峰值的次级侧参考电压；
次级侧第一比较器，其反相输入端耦接所述次级侧参考电压发生器的输出端，接收所述次级侧参考电压，其同相输入端耦接表征所述次级侧电流之负值的电压信号；
次级侧第二比较器，其反相输入端耦接次级侧参考触发电压，其同相输入端耦接所述次级侧开关的源极电压；
次级侧RS锁存器，其复位输入端耦接所述次级侧第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述次级侧第二比较器的输出端，其输出次级侧开关的门极控制信号。
26.如权利要求25所述的次级侧控制器，其特征在于，所述次级侧参考电压发生器接收输出电流，产生与所述输出电流同向变化的次级侧参考电压。
27.如权利要求25所述的次级侧控制器，其特征在于，所述次级侧参考电压发生器接收输出电压，产生与所述输出电压反向变化的次级侧参考电压。
28.如权利要求24所述的次级侧控制器，其包括：
输出电压检测电路，用于接收所述输出电压，并产生与所述输出电压成比例的电压检测信号；
第一比较器，其反相输入端接收所述电压检测信号，其同相输入端接收表征所述下阈值的参考电压；
第二比较器，其同相输入端接收所述电压检测信号，其反相输入端接收表征所述上阈值的参考电压；
第三比较器，其同相输入端接收与次级侧电流之负值成比例的电压信号，其反相输入端接收表征尾电流峰值的参考电压；
第四比较器，其同相输入端接收所述次级侧开关的源极电压，其反相输入端接收次级侧参考触发电压；
第一RS锁存器，其复位输入端耦接所述第一比较器的输出端，其置位输入端耦接所述第二比较器的输出端；
第二RS锁存器，其置位输入端耦接所述第一比较器的输出端，其复位输入端耦接所述第一RS锁存器的输出端；
第三RS锁存器，其置位输入端耦接所述第二RS锁存器的输出端，其复位输入端耦接第四RS锁存器的输出端；
第四RS锁存器，其置位输入端耦接所述第三比较器的输出端，其复位输入端耦接所述第四比较器的输出端；
第五RS锁存器，其置位输入端耦接所述第四比较器的输出端，其复位输入端耦接第一或门的输出端；
第一或门，其一个输入端耦接所述第一RS锁存器的输出端，其另一个输入端耦接第四RS锁存器的输出端；
第二或门，其一个输入端耦接所述第三RS锁存器的输出端，其另一个输入端耦接所述第五RS锁存器的输出端，其输出次级侧开关的门极控制信号。
29.如权利要求28所述的次级侧控制器，其进一步包括一个NPN晶体管，所述NPN晶体管，其基极耦接所述第一RS锁存器的输出端，其发射极耦接到地，其集电极耦接所述第二或门的输出端。
30.如权利要求28所述的次级侧控制器，其特征在于，所述输出电压检测电路包括误差放大器。
31.一种隔离式转换器的控制方法，包括：
在次级侧电流达到零值时，继续保持次级侧开关导通，以使次级侧电流换向为负的尾电流而具有通路；以及
在所述尾电流达到尾电流峰值时，关断次级侧开关，同时在初级侧耦合出一个负的初级侧耦合电流，以导通初级侧开关；其中所述尾电流峰值在所述隔离式转换器的负载加重时增大，在所述负载减轻时减小。
32.如权利要求31所述的隔离式转换器控制方法，其特征在于，所述负的初级侧耦合电流通过一个与初级侧开关并联的电容放电；当初级侧开关的漏极电压被下拉到零电压或者接近零电压时，将所述初级侧开关导通。
33.如权利要求31所述的隔离式转换器控制方法，其特征在于，当正的初级侧电流达到初级侧电流参考峰值时，将初级侧开关关断。
34.如权利要求33所述的隔离式转换器控制方法，其特征在于，所述初级侧电流参考峰值的变化与所述初级侧耦合电流的峰值变化同向。
35.如权利要求33所述的隔离式转换器控制方法，其特征在于，所述尾电流峰值的变化与负载变化同向，检测初级侧耦合电流的峰值，并使所述初级侧耦合电流峰值与所述尾电流峰值同向变化。
36.如权利要求31所述的隔离式转换器控制方法，其特征在于，所述转换器的输出电压高于设定的上阈值时，将次级侧开关关断，直到所述输出电压低于设定的下阈值为止。
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