CN103119839A - 双输出电源 - Google Patents

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Abstract

一种单个电源，提供至少一个恒压输出和至少一个恒流输出。该单个电源包括两个或更多个开关功率变换器，诸如反激变换器，其基于对应于相关输出的误差信号而被独立控制。此外，开关功率变换器中的一个或多个可以使用初级侧反馈实现这种控制。开关功率变换器可以是反激变换器。包括在该单个电源中的任何开关功率变换器可以是单个PCB组件的一部分，单个IC封装的一部分，或单个单片半导体裸片的一部分。

Description

双输出电源
相关申请
本申请要求享有2010年7月29日递交的美国临时申请61/368,806的优先权，该申请通过引用被整体结合于此。
技术领域
本发明大体上涉及功率转换领域，更具体地涉及具有反馈控制的开关电源。
背景技术
在电子设备或***中使用的各种类型的负载设备对功率的需求是有很大不同的。例如，大多数设备负载要求在负载操作范围内严格控制的恒压源。然而，还存在诸如发光二极管(LED)元件之类的负载设备，其采用恒流源控制。包含这些负载设备的电子设备或***需要使用多个功率变换器，这进一步使***设计和成本变复杂。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于控制两个功率变换器以将功率从源传送至多个负载的四端电源封装。在一个实施例中，四端电源封装具有用于耦合至第一功率变换器的变压器的初级绕组的第一端子，用于耦合至第二功率变换器的变压器的初级绕组的第二端子，用于耦合至参考地的第三端子，以及用于耦合至工作功率的源的第四端子。第一内部功率开关具有耦合至第一端子的输入以及耦合至第三端子的输出。第二内部功率开关具有耦合至第二端子的输入以及耦合至第三端子的输出。耦合至这两个功率开关的激活栅极的内部控制器提供对每个功率变换器的参数和误差信号的独立控制和响应。
控制器利用出现在功率变化器的初级侧的信号和波形，包括但不限制于功率变压器的初级和每个功率开关的输出电流。在一个实施例中，优化第一功率变换器以对相关一个或多个负载提供恒压输出，同时优化第二功率变换器以对相关一个或多个负载提供恒流源。如以上提到的，当控制器提供对这两个功率变换器的独立控制时，控制器可以同步地和/或异步地操作两个功率变换器。取决于设计考虑，内部功率开关和控制器电路可以形成为单个集成电路的一部分或多个集成电路元件。
根据本发明的另一方面，提供了用于控制两个功率变换器以将功率从源传送至多个负载的八端电源封装。在一个实施例中，八端电源封装具有用于耦合至第一功率变换器的变压器的初级绕组的第一端子，用于耦合至第一外部功率开关的激活栅极的第二端子，用于感测第一功率变换器的初级电流的第三端子，用于耦合至第二功率变换器的变压器的初级绕组的第四端子，用于耦合至第二外部功率开关的激活栅极的第五端子，用于感测第二功率变换器的初级电流的第六端子，用于耦合至参考地的第七端子，以及用于耦合至工作功率的源的第八端子。耦合至这两个外部功率开关的激活栅极的控制器提供对每个功率变化器的参数和误差信号的独立控制和响应。
控制器利用出现在功率变化器的初级侧的信号和波形，包括但不限制于功率变压器的初级和每个功率开关的输出电流。在一个实施例中，优化第一功率变换器以对相关一个或多个负载提供恒压输出，同时优化第二功率变换器以对相关一个或多个负载提供恒流源。如以上提到的，当控制器提供对这两个功率变换器的独立控制时，控制器可以同步地和/或异步地操作两个功率变换器。取决于设计考虑，控制器电路可以形成为单个集成电路的一部分或多个集成电路元件。
根据本发明的另一个方面，提供了用于耦合至输出电流设置信号的端子。使用输出电流设置来调整第二功率变换器的恒流输出。
本发明的另一方面是单个PCB，其包括至少一个配置为产生恒压输出的功率变换器和至少另一个配置为产生恒流输出的功率变换器。
本说明书中的特征和优势并不是无所不包的，特别地很多附加特征和优势基于附图、说明书以及权利要求对本领域的技术人员将会是显而易见的。此外，应当注意的是在说明书中使用的语言主要是为了可读性和说明性的目的而选择的，而不是选择以描述或限制公开的主题。
附图说明
公开的实施例具有其他优势和特征，其将从详细描述、附加权利要求以及附图(或绘图)中更加容易明白。以下是简要的图的介绍。
图1是双输出电源的一个实施例的框图。
图2提供了双输出电源的一个实施例的示意图。
图3是比较双输出电源的两种实施例的设计的表。
图4A是四端电源控制封装的一个实施例的框图。
图4B是四端电源控制封装的另一个实施例的框图。
图5是五端电源控制封装的一个实施例的框图。
图6A是八端电源控制封装的一个实施例的框图。
图6B是八端电源控制封装的另一个实施例的框图。
图7是九端电源控制封装的一个实施例的框图。
具体实施方式
附图和以下描述仅通过图示的方式涉及本发明的优选实施例。应当注意的是从以下讨论中，在此公开的结构和方法的可替代实施例将会容易地被认为是可以在不偏离所请求保护的发明的原理下采用的可行的替代。
现在将详细参考附图中图示的本发明的多个实施例、示例。应当注意，任何地方可用的相似或相同的参考标号可以在图中使用并且可以指示相似或相同功能。附图仅为图示的目的描绘本发明的实施例。本领域的技术人员将很容易地从以下描述认识到在此图示的结构和方法的可替代的实施例可以在不脱离此处描述的发明的原理的情况下被采用。
概念概述
针对以下描述和权利要求的目的，术语“封装”(“package”)通过示例而非限制的方式概括地解释为包括具有其上形成的一个或多个电路的单个芯片或半导体裸片(die)，以及具有其上形成的一个或多个电路并且安装至公共基底的多个芯片和/或多个半导体裸片。术语“端子”同样概括地解释为包括用作封装中的电路的输入或输出的任何形式的电气连接。仅通过示例的方式，封装可以包括具有一个或多个安装至其上的裸片并且用保护盖覆盖的基底，其具有从封装中延伸并耦合至位于该一个或多个裸片上的电路元件的多个端子(例如，金属引线)。如此处使用的，当描述各种实施例的元件时，“外部功率开关”涉及位于电源控制封装外部的功率开关，以及“内部功率开关”涉及位于电源控制封装内的功率开关。功率开关可以是MOSFET、双极结型晶体管、或能够切换适合的电流和电压信号的任何其他电气控制的开关机构。
图1是电源100的一个实施例的框图。电源100提供标记为Vout的恒定电压(CV)输出，以及标记为Iout的恒定电流(CC)输出。在一个实施例中，能够独立控制CV输出和CC输出。同时提供CV和CC输出的单个电源100对很大范围内的应用都是有利的。例如，很多电视和计算机监视器要求(i)用于对被使用以提供背光的发光二极管(LED)供能的CC供电；以及(ii)用于给诸如主板、图形处理器以及其他电子器件的其他监视器元件供能的CV供电。由于平面监视器已变得更薄，因此更需要将传统的电源放置在监视器壳的外部。然而，用单个集成电源100同时提供CC供电和CV供电能够改善(即缩小)电源100的形状因子并且使得电源100整体能够放置在监视器的外壳中。其他可能的应用包括含有LED灯的街灯。
在图1的电源100中，EMI滤波器105和整流器110的串联组合接收AC供电电压并且在节点115处提供整流的DC输入电压。该整流的DC输入电压是用于两个电源模块，CV模块120和CC模块125的输入电压。这两个电源模块120、125均连接至公共地。如以上描述的，CV模块120提供标记为Vout的CV输出，而CC模块125提供标记为Iout的CC输出。能够使用CC输出例如对诸如这常使用在平面电视或计算机监视器中的一个或多个发光二极管(LED)135供电。同样，在一些实施例中，CV模块120从单个电压或电流输入产生多个CV输出。类似地，CC模块125的不同实施例能够从单个电压或电流输入产生多个CC输出。CV模块120和CC模块125能够被包括在单个印刷电路板(PCB)中以形成单个集成双输出电源100。
可替换地，CV模块120和CC模块125能够集成在单个集成电路(IC)封装中，通过在IC封装内包含多个裸片或者通过在单个单片半导体裸片上包含这两种模块的方式。因此，此处的实施例有利地包括用于控制两个或更多个独立功率变换器的最少端电源封装，包括隔离通过变压器的输入和输出而不要求从变压器的次级侧反馈的变换器。此外，每个个体功率变换器可以被独立地控制，响应于相关误差信号和控制方法，由此简化了***设计并且降低了成本。
板级别集成
图2提供了双输出电源200的一个实施例的示意图。双输出电源200包括两个电源控制封装U1和U2。U1连接至外部元件的第一网络，因此实现配置为基于在节点115(也标记为节点A)处的整流的DC电压产生至少一个CV输出的第一反激变换器250。U2连接至外部元件的第二网络，因此实现配置为基于整流的DC电压产生至少一个CC输出的第二反激变换器270。在一个实施例中，双输出电源200包括两个变压器252、272，对每个反激变换器250、270配置一个变压器。
第一反激变换器250包括4绕组隔离变压器252。变压器252包括初级绕组254，其一端耦合至节点115的整流的DC电压并且另一端耦合至功率开关262。当功率开关262闭合时，电流流经变压器252的初级绕组254并且因此在变压器252的磁芯中能量增加。当功率开关262随后断开时，电流停止流经初级绕组254并且变压器252的磁芯中存储的能量释放为经过两个反激偏压的次级绕组256、258。次级绕组256耦合至阻塞二极管和滤波器/储能电容器以便产生第一CV输出264。次级绕组258耦合至阻塞二极管和滤波器/储能电容器网络以便产生第二CV输出266。CV输出264和CV输出266基于初级绕组254和相应的次级绕组256、258之间的匝数比以及功率开关262断开和闭合的定时而与在节点115的整流的DC电压有关。
在一个实施例中，U1是8端电源控制封装。U1的OUTPUT(输出)端子耦合至功率开关262，并且U1被配置为交替地断开和闭合功率开关262以实现上述从初级绕组254到次级绕组256、258的能量转移。取决于实施例，U1能够根据脉冲宽度调制(PWM)技术、脉冲频率调制技术(PFM)、脉冲序列技术、或其任意组合来操作功率开关262。在共同受让的标题为“Switching Power Supply Packages”的美国专利6,434,021中提出了用于控制功率开关262的操作的脉冲序列技术的一个示例，该专利通过引用全部包含于此。
当实施上述开关技术之一以控制功率开关262时，U1可以利用一个或多个反馈信号。例如，U1包括被耦合到放置在功率开关262和地之间的电阻的ISENSE端子。因此，与经过初级绕组254的电流(这是与通过功率开关262相同的电流)成比例的电压出现在ISENSE端子。因此U1能够基于经过初级绕组254的电流(即经过功率开关262的电流)来控制功率开关262，有时也被称为电流模式控制。U1还包括耦合至分压器(例如，两个电阻或电阻和电位器的串联布置)的中点的VSENSE端子。分压器与变压器252的第四绕组260并联耦合。因此，在VSENSE上的电压基于相关的匝数比和分压比而与在变压器252的任何一个绕组254、256、258、260上的电压成比例。因此，U1还可以基于与变压器252相关的任何电压来控制功率开关262，有时也被称为电压模式控制。在一些实施例中，变压器252不包括第四绕组260，相反U1只基于初级侧反馈(例如，基于电气耦合至初级绕组254的电路的反馈)来控制功率开关262。初级侧反馈允许在第一反激变换器250的输入和输出部分之间的完全电气隔离。
在一个实施例中，U1和U2被配置为基于与输出相关的负载来产生CV输出或CC输出。例如，如果与输出相关的负载是电阻性的，则产生CV输出。替代地，如果与输出相关的负载包括电流吸收器(例如，包括LED的串联布置的负载)，则产生CC输出。
在一个实施例中，第二反激变换器270包括具有初级绕组274、次级绕组276、以及第三绕组280的三绕组隔离变压器272。U2可以是基本上与U1相似或相同的电源封装。U2也可以以与U1耦合至变压器252的初级绕组254和第四绕组变压器260的方式基本相似或相同的方式被耦合至变压器272的初级绕组274和第三绕组280。次级绕组276被耦合到阻塞二极管和滤波器/储能电容器以产生CC输出284。能够使用CC输出284以对适用于恒流供电的任何负载，例如布置为串联的一个或多个LED进行供电。
因为U1和U2每个包括单独的和独立的内部控制电路以及单独的和独立的反馈端子(例如，都具有ISENSE和VSENSE端子)，双输出电源200的一个实施例允许对第一个反激变换器250和第二反激变换器270的完全独立的控制。因此，对CV输出264、266以及CC输出284的完全独立的控制是可能的。同样，能够构造双输出电源200为至少为10mm薄的规格。在一个实施例中，U1和U2包括来自iWatt，Inc.(iWatt公司)的iW7005电源控制封装。
图3是一个表，其对(i)用于双输出电源的一个变压器的设计与(ii)用于双输出电源的两个变压器的设计(例如，图2的双输出电源200)的比较。一个变压器的设计要求至少一个输出，CV输出或CC输出，使用非反激变换器拓扑来实现。图3解释了两个变压器的设计能够具有超过一个变压器设计的许多优点。
封装级别集成
尽管图2描绘了双输出电源200的实施例，其中双输出电源200包括集成到单个PCB以形成能够产生单独和独立可控的CV和CC输出的单个电源200的两个单独的电源控制封装(U1，U2)，使用单个电源控制封装实现等效功能的双输出电源的其他的实施例也是可能的。此外，能够控制多个功率开关以产生单独的和独立可控的CV和CC输出的单个电源控制封装可以包括用于外部连接的不同数目的端子。例如，通过这种电源控制封装控制的功率开关能够在电源控制封装的外部或内部，其中内部功率开关越多导致封装的端子越少。类似地，封装所使用以控制各种功率开关的具体的开关技术(例如，PWM、PFM、或脉冲序列控制)和反馈信号(例如，基于电压或电流的反馈技术)能够影响由具体实施例提供的端子数目。
例如，图4A是用于控制两个开关变压器耦合的功率变换器450、470的四端电源控制封装400的一个实施例的框图。提供第一端子401用于耦合第一内部功率开关402的漏极端子至第一隔离变压器403，第一隔离变压器403被耦合到整流DC电源(Vin)409，构成第一功率变换器450。第一功率变换器450耦合至一个或多个负载404。提供第二端子405用于耦合第二内部功率开关406的漏极端子至第二隔离变压器407，第二隔离变压器407被耦合到整流DC电源(Vin)409，构成第二功率变换器470。第二功率变换器470耦合至一个或多个负载408。控制器410包括在封装400中并且确定内部功率开关402和内部功率开关406的ON(开)和OFF(关)状态，对一个或多个负载404和一个或多个负载408提供经调节的输出源。如能够在图4A中看到的，封装400被配置成感测与隔离变压器403、407的初级绕组相关的电压和/或电流信号。因此封装400能够实现对功率开关404、406的初级侧反馈控制，而不损害由变压器403、407提供的隔离。提供第三(“地”)端子411用于耦合各个内部功率开关的源端子至初级侧参考地。提供第四(“偏置功率”)端子414用于接收偏置电源电压(Vin)以操作电源控制封装400。
第一功率变换器450和第二功率变换器470可以都是反激变换器，可以都是一些其他开关功率变换器的拓扑，或者可以包括两种不同的变换器拓扑。在一个实施例中，第一功率变换器450是配置为向一个或多个负载204提供CV输出的反激变换器，并且第二功率变换器470是配置为向一个或多个负载208提供CC输出的反激变换器。
图4B是用于控制两个开关变压器耦合的功率变换器450、470的四端电源控制封装400的另一个实施例的框图。控制器410确定内部功率开关406的ON和OFF状态，使得第二功率变换器470向负载300提供经调节的电流源(即CC输出)。如上所述，期望调节的电流源用来控制特定类型的负载300，诸如布置为串联的一个或多个LED设备。
图5图示了用于控制两个开关变压器耦合的功率变换器550、570的五端电源控制封装500的一个实施例。提供第一端子501用于耦合第一内部功率开关502的漏极端子至第一隔离变压器503，第一隔离变压器503被耦合到整流DC电源(Vin)509，构成第一功率变换器550。第一功率变换器550耦合至一个或多个负载504。提供第二端子505用于耦合第二内部功率开关506的漏极端子至第二隔离变压器507，第二隔离变压器507被耦合到整流DC电源(Vin)509，构成第二功率变换器570。第二功率变换器570耦合至一个或多个负载508。控制器410包括在封装500中并且确定内部功率开关502和内部功率开关506的ON和OFF状态，对一个或多个负载505和一个或多个负载508提供经调节的输出源。控制器510确定内部功率开关506的ON和OFF状态，使得第二功率变换器对负载508提供经调节的电流源。提供第三(“地”)端子511用于耦合内部功率开关的源端子至初级侧参考地。提供第四(“偏置功率”)端子512用于接收偏置电源电压(Vin)以操作电源控制封装500。提供第五端子513用于耦合设置第二功率变换器570的输出的期望的电流输出的输入信号。由于负载508可以是LED元件，因此输出电流设置输入能够确定LED元件的光输出水平。
图6A图示了用于控制两个开关变压器耦合的功率变换器650、670的八端电源控制封装600的一个实施例。提供第一端子601用于耦合第一隔离变压器603，第一隔离变压器603耦合至整流DC电源(Vin)609，提供第二端子614用于耦合第一外部功率开关602的栅极端子，第三端子615感测第一功率变换器650的初级电流波形，因此构成第一功率变换器650。第一功率变换器650耦合至一个或多个负载604。提供第四端子605用于耦合第二隔离变压器607，第二隔离变压器607被耦合到整流DC电源(Vin)609，提供第五端子616用于耦合第二外部功率开关606的栅极端，第六端子617感测第二功率变换器670的初级电流波形，因此构成第二功率变换器670。第二功率变换器670耦合至一个或多个负载608。控制器610确定外部功率开关602和外部功率开关606的ON和OFF状态，对一个或多个负载604和一个或多个负载608提供经调节的输出源。提供第七(“地”)端子611用于耦合外部功率开关的源极端子至初级侧参考地。提供第八(“偏置功率”)端子612用于接收偏置电源电压(Vin)以操作电源控制封装600。
图6B是用于控制两个开关变压器耦合的功率变换器650、670的八端电源控制封装600的另一个实施例的框图。控制器610确定内部功率开关606的ON和OFF状态，使得第二功率变换器对负载600提供经调节的电流源(即CC供电输出)。如上所述，期望经调节的电流源控制特定类型的负载600，诸如布置为串联的一个或多个LED设备。
图7图示了用于控制两个变压器耦合的功率变换器750、770的九端电源控制封装700的一个实施例。提供第一端子701用于耦合第一隔离变压器703，第一隔离变压器703耦合至整流DC电源(Vin)709，提供第二端子714用于耦合第一外部功率开关702的栅极端子，提供第三端子715用于感测第一功率变换器750的初级电流波形，因此构成第一功率变换器750。第一功率变换器750耦合至一个或多个负载704。提供第四端子705用于耦合第二隔离变压器707，第二隔离变压器707被耦合到整流DC电源(Vin)709，提供第五端子716用于耦合第二外部功率开关706的栅极端子，第六端子717感测第二功率变换器770的初级电流波形，因此构成第二功率变换器770。第二功率变换器770耦合至一个或多个负载708。控制器710确定外部功率开关702和外部功率开关706的ON和OFF状态，对一个或多个负载704和一个或多个负载708提供经调节的输出源。在一个实施例中，控制器710确定外部功率开关706的ON和OFF状态，使得第二功率变换器向负载708提供经调节的电流源(即CC供电)。提供第七(“地”)端子711用于耦合外部功率开关的源极端子至初级侧参考地。提供第八(“偏置功率”)端子712用于接收偏置电源电压(Vin)以操作电源控制封装700。提供第九端子713用于耦合设置第二功率变换器输出的期望的电流输出的输入信号。因为负载708可以是LED元件，所以输出电流设置输入可以确定LED元件的光输出水平。
虽然已根据当前优选实施例对本发明进行了描述，在阅读本公开之后本领域的技术人员应当理解本发明的其他实施例和变型也是可能的。因此，本发明除根据附加权利要求以及其等价物外不受限制。
其他注意事项
如于此使用的任何涉及的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的具体的元件、特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。在说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都涉及相同的实施例。
可以使用表达“耦合”以及“连接”以及它们的衍生物来描述一些实施例。应当理解的是这些术语彼此不是同义词。例如，一些实施例可以使用术语“连接”来描述以指示两个或更多个元件彼此直接物理或电气接触。在另一实例中，一些实施例可以使用术语“耦合”来描述以指示两个或更多个元件是直接物理或电气接触。然而术语“耦合”可以同样意味着两个或更多个元件不是彼此直接接触，但是仍然彼此合作或相互作用。在此上下文中实施例不受限制。
如此处使用的，术语“包含”、“包括”、“具有”或它们的任何其他变形意味着不是唯一的内含物。例如，包括一系列元素的过程、方法、制品或装置不必要仅限制为这些元素而是可以包括不是明显地列出的或对于这些过程、方法、制品或装置是固有的其他元素。此外，除非有明确地相反声明，“或”是指内含的或而不是排除性的或。例如以下任何一项满足条件A或B：A是真(或存在)以及B是假(或不存在)，A是假(或不存在)以及B是真(或存在)，以及A和B都是真(或存在)。
此外，采用“一”或“一个”的使用来描述此处实施例的元件和构件。这只是为了方便以及提出本发明的一般意义。需要阅读该描述以包括一个或至少一个并且单数同样包括复数除非很明显地意味着其它方面。
当阅读本发明时，本领域的技术人员会理解用于通过此处的公开原理提供的消除户外噪音的***也是附加的替代设计。因此虽然已经图示和描述了具体的实施例和应用，应当理解的是公开的实施例不限于此处精确的解释和构件。在不偏离所附权利要求中定义的精神和范围的情况下，可以在此处公开的布置、操作以及方法和装置的细节中做出对于本领域的技术人员是显而易见的各种修正、变化和变型。

Claims (9)

1.一种电源电路，包括：
第一功率变换器，配置为基于输入信号产生恒压输出；以及
第二功率变换器，配置为基于所述输入信号产生恒流输出。
2.如权利要求1所述的电源电路，其中所述第一功率变换器包括第一开关控制电路，并且所述第二功率变换器包括第二开关控制电路，所述第一开关控制电路和所述第二开关控制电路包括在单个集成电路中。
3.如权利要求1所述的电源电路，其中所述第一功率变换器包括第一开关控制电路，并且所述第二功率变换器包括第二开关控制电路，所述第一开关控制电路和所述第二开关控制电路实现在单个单片半导体裸片上。
4.如权利要求1所述的电源电路，其中所述第一功率变换器和所述第二功率变换器是基于反激拓扑。
5.如权利要求1所述的电源电路，其中所述第一功率变换器和所述第二功率变换器采用基于初级侧反馈的开关控制方法。
6.如权利要求1所述的电源电路，其中所述电源电路包括在电视监视器的外壳中。
7.一种用于控制将功率从源传送至多个负载的电源封装，包括：
第一端子，用于耦合至第一变压器的初级绕组；
第二端子，用于耦合至第二变压器的初级绕组；
第三端子，用于耦合至参考地；
第四端子，用于耦合至工作功率的源；
第一功率开关，其具有耦合至所述第一端子的输入、耦合至所述第三端子的输出以及激活栅极；
控制电路，其耦合至所述第一功率开关的激活栅极并且响应于用于驱动所述第二功率开关的误差信号，所述误差信号从内部生成补偿信号获得；
第二功率开关，其具有耦合至所述第二端子的输入、耦合至所述第三端子的输出以及激活栅极；以及
控制电路，其耦合至所述第二功率开关的激活栅极并且响应于用于驱动所述第二功率开关的误差信号，所述误差信号从内部生成补偿信号获得。
8.如权利要求7所述的电源封装，其中耦合至所述第一功率开关和所述第二功率开关的所述控制电路是基于反激拓扑。
9.如权利要求7所述的电源封装，其中所述电源封装包括在电视监视器的外壳中。
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