CN104242655A - 具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的开关功率变换器 - Google Patents

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Abstract

具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的开关功率变换器。开关功率变换器向负责提供调节的电压。开关功率变换器包括：变压器，该变压器包括耦合至输入电压的第一初级绕组、第二初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组和辅助绕组；第一开关，该第一开关耦合至第一初级绕组；和第二开关，该第二开关耦合至第二初级绕组。控制器产生以第一开关频率接通或断开所述第一开关的第一控制信号和以高于所述第一开关频率的第二开关频率接通或断开所述第二开关的第二控制信号。在开关的断开周期期间，辅助绕组两端产生表示功率变换器的输出电压的反馈电压。控制器基于反馈来控制第一开关的开关以调节输出电压。

Description

具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的开关功率变换器
技术领域
本发明大体涉及开关电源，更特别地涉及具有初级侧感应反馈的动态负载检测。
背景技术
传统的反激功率变换器(flyback power converter)包括用于将电力从电源输送至负载的功率级(power stage)。功率级中的开关将负载电耦合至电源或者将负载从电源解耦，耦合至开关的开关控制器控制开关的接通时间和断开时间。开关的接通时间和断开时间可以由控制器基于表示输出功率、输出电压或输出电流的反馈信号进行更改以对其进行调节。能量在开关接通时储存在变压器的气隙中，并且在开关断开时转移至负载。除此之外，通过测量输出电流(或输出电压)并且将输出电流(或输出电压)反馈至初级侧控制器能够实现调节，因此这可以被用于更改开关的接通时间和断开时间。
为了提高成本性能并且减小整体尺寸，很多商业可用的隔离式电源仅采用初级的反馈控制。通过在各个接通和断开周期期间感应初级侧信号，次级输出和负载情况能够被检测出，因此能够被控制调节。这包括恒压和恒流两种工作模式。
很多电子设备要求电源在宽的工作条件下提供受控调节电源，增加了初级侧感应和控制的难度。诸如智能手机和平板电脑等便携式电子设备为这种设备的示例。
图1示出用于向负载提供受控调节输出的示例开关功率变换器的工作曲线。当诸如电子设备等负载连接到电源或者当未连接负载时，可能发生出现在开关电源的工作情况。例如，在恒定电压模式(CVM)101中，开关电源供给在由CVM范围104表示的特定容差范围内的固定电压的调节后的DC输出。CVM101一般表示电子设备的内部电池完全充满电，电源的固定的电压输出提供电子设备正常工作所用的工作电力。
在恒定电流模式(CCM)102中，电源提供固定的电流输出。CCM102一般表示电子设备的内部电池未完全充满电，电源的恒定电流输出允许电子设备的内部电池有效地充电。
最后，在空载情况103中，电子设备与电源断开连接。在空载情况103中，预期电子设备与电源重新连接，开关电源可以维持在CVM范围104内受调节的电压输出。
为了方便，终端用户有时经常在没有负载连接至电源输出时将电源遗留连接至交流电源。因为电源即使在空载情况下也维持受调节的输出电压，所以通常采用双模式控制方法。在存在标称负载期间，采用脉宽调制。然而，当负载接近于空载时，难以将占空比维持到足够低以维持调节输出。因此，可以添加预负载或虚负载，然而，工作效率和空载功率损耗被不利地影响。此外，因为电源经常在未连接至电子设备时而长时间地连接至交流电源，所以政府和环境机构对空载功率损耗设了最大限制。
在该情况下，一种技术是对于控制器改变其在低负载或空载情况下的调节模式。在空载情况下，接通或断开开关功率变换器的电源的脉冲频率显著降低，以维持输出电压调节，导致开关功率变换器的接通和断开周期之间的时间期间长。这对依赖于电源开关的接通和断开周期以获得反馈信号的初级侧感应控制方案提出重大挑战。在开关的接通周期之间的时间期间，由于未产生反馈信号，所以控制器不能得知输出电压的状态。如果电子设备在开关的一个长断开周期期间重新连接至电源(表示动负载变化)，则初级侧控制器在开关的下一个接通周期之前不接收关于次级侧输出电压的变化的反馈。在此期间，输出电压可能因此显著下降，超过由调节质量指标所规定的可允许的电压下降。
发明内容
这里说明的实施例包括开关功率变换器中的初级侧动态负载检测的***和方法，其不负面地影响空载功率损耗。***和方法包括增大输出电压的状态的有效感应频率，允许改善对次级输出的动态情况的检测。一旦检测到动态负载情况，则初级侧控制器可以采取控制动作以维持输出调节。此外，增大的采样频率对空载功率损耗或输出调节几乎不具有影响。
在一个实施例中，开关功率变换器包括变压器，所述变压器包括耦合至输入电压的第一初级绕组、第二初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组和位于所述变压器的初级侧的辅助绕组。跨所述次级绕组的输出电压被反射为跨所述辅助绕组的反馈电压。第一开关耦合至所述变压器的所述初级绕组，使得在所述初级绕组中，响应于所述第一开关接通而产生电流，响应于所述第一开关断开而不产生电流。第二开关耦合至所述变压器的所述第二初级绕组，使得在所述第二初级绕组中，响应于所述第二开关接通而产生电流，响应于所述第二开关断开而不产生电流。在所述第一开关的断开周期期间和所述第二开关的断开周期期间产生跨所述辅助绕组的反馈电压。
耦合至所述第一开关和所述第二开关的控制器产生以第一开关频率接通或断开所述第一开关的第一控制信号，并且产生以第二开关频率接通或断开所述第二开关的第二控制信号。第二开关频率高于所述第一开关频率。
第二开关使得能够在第一开关的断开周期期间通过初级侧辅助绕组感应次级输出电压。在在轻负载或空载工作期间，为了维持输出调节电压而减小第一开关频率。结果，第一开关的‘接通’和‘断开’开关周期之间的时间长度增加。在一个实施例中，当第一开关的开关周期之间的时间长度超过时间阈值时(即，当第一开关频率下降至阈值之下时)，为了感应跨初级侧辅助绕组的反馈电压，控制器发起第二开关的‘接通’和‘断开’周期。在一个实施例中，第二开关由低于输入电压的电压供电，因此在第二开关的‘接通’和‘断开’周期期间的开关损耗小于第一开关的开关损耗。
这里说明的实施例还涉及检测在所述第一开关的断开周期期间出现的动态负载情况，当检测到输出电压的下降时致动第一开关。因此，在对开关功率变换器的输出电压提供可靠控制的情况下，这里的动态负载检测最小程度地影响功率损耗，包括在空载工作时。
说明书中说明的特征和优点并不是包括全部，特别地，参照图、说明书和权利要求书，很多另外的特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要被选择用于易懂和教导目的，不是被选择用于刻画或限制发明主题。
附图说明
结合附图考虑以下详细的说明能够容易地理解本发明实施例的教导。
图1示出用于向负载提供受控调节的输出的示例开关功率变换器的工作曲线。
图2A示出具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的功率变换器的一个实施例。
图2B示出具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的功率变换器的可选实施例。
图2C示出具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的功率变换器的另一可选实施例。
图3示出对应于具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的示例功率变换器的示例波形。
图4A和4B示出对应于具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的示例功率变换器的波形示例。
具体实施方式
附图和以下说明仅通过例证来解释本发明的优选实施例。应当知道，通过以下论述，在不偏离主张发明的原理的情况下，这里公开的结构和方法的可选实施例将容易地被视作可能采用的可行的选择。
现在将详细地参考本发明的几个实施例，其示例在附图中示出。注意，只要是可行，可在图中使用相同或类似的附图标记并表示相同或类似的功能。图仅用于例证目的，图示本发明的实施例。本领域技术人员从以下说明中容易地知道，在不偏离这里说明的发明原理的情况下，可以采用这里示出的结构和方法的可选实施例。
这里说明的开关功率变换器的实施例可以构造成：(1)增大初级侧对次级侧输出电压的初级侧感应频率，以检测动态负载加载到次级输出上的时间，(2)在不影响反馈或调节控制环、因此不影响环稳定性并且不增加空载功率损耗的情况下，将出现动态负载的信号发送给初级侧控制器。控制器基于初级侧反馈电压通过更改功率开关的接通断开来调节输出电压。
初级侧动态负载检测
图2A和2B示出具有初级侧动态负载检测和初级侧反馈控制的开关功率变换器200的示例实施例。除了其他部件，开关功率变换器200还包括：具有初级绕组202和205、次级绕组216和辅助绕组208的变压器，开关203和206以及控制器201。
功率变换器200从交流电源(未示出)接收交流电，该交流电被整流以提供调节后的直流输入电压V_IN。输入电压V_IN耦合至初级绕组202。在开关203的接通周期期间，因为二极管D1被反向偏置，所以能量储存在初级绕组202中。在开关203的断开周期期间，因为二极管D1变成正向偏置，所以储存在初级绕组202中的能量释放至次级绕组216并且通过电容器Co转移到负载L1。二极管D1整流次级绕组216上的输出电压，电容器Co过滤次级绕组216上的输出电压，以作为跨负载L1的输出电压212输出。在开关203的断开周期期间，输出电压212被反射为跨辅助绕组208的反馈电压209。
电容器217耦合至辅助绕组208并且在开关203和206的断开周期期间充电。在图2A中，开关206耦合至初级绕组205，该初级绕组205由跨电容器217的电压210供电。在可选实施例中，如图2B所示，开关206被置于初级绕组205的高电平侧。在图2A和图2B示出的示例中，电压210另外是初级侧控制器201的Vcc输入电压源，但是可以采用任意低电压源。图2A和2B示出作为理想开关的开关203和206，但是开关203和206可以具体实施为MOSFET开关、双极结型晶体管或任何其他类型的开关。例如，图2C示出具体实施为MOSFET开关的开关203、206。与开关206串联的二极管220整流通过开关206的电流。
初级侧控制器201产生以第一开关频率接通或断开开关203的控制信号214，并且产生以第二开关频率接通或断开开关206的控制信号215。第二开关频率例如在量级上高于第一开关频率。在一个实施例中，仅在第一开关的开关周期之间的时间长度超过时间阈值时(即当第一开关频率下降至预定阈值之下时)，控制器201发起开关206的‘接通’周期和‘断开’周期，以便感应初级侧辅助绕组208的反馈电压。控制器201至少部分地基于反馈电压209调节输出电压212。控制器201可以采用诸如脉宽调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)等多种调制技术中的任一种，以基于反馈电压209控制功率开关203的接通和断开状态及占空比来调节输出电压212。
在轻负载或空载情况下，为了维持输出电压212的调节，控制器201可以采用PFM工作并且减小开关203的开关频率。当第一开关频率增大时，归因于开关203的断开周期而跨辅助绕组208的反射波形的反馈信号209之间的时间增大。为了在第一开关频率增大时维持最小的反馈采样频率，控制器201通过控制信号215发起开关206的接通和断开周期。在开关203和开关206的各个断开周期，控制器201接收代表输出电压212的状态的反馈信号209。因此，控制器201在第一开关203的单个断开周期期间多次接收反馈电压209，由此提高输出电压212的整体调节性能。例如，归因于开关206的断开周期的反馈电压209能够提供对在开关203的断开周期期间发生的动态负载情况的标识。
此外，因为初级绕组205和开关206由比输入电压V_IN低的电压210供电，所以在开关206的接通和断开周期期间转移到变压器的次级绕组的能量可以忽略，因此不会影响输出电压212的调节。此外，因为开关203可以具有大的寄生电容以适应高电压，所以在接通和断开开关203时的功率损耗可能相对高。各个开关的开关损耗(Psw)与开关的电容(Csw)和初级绕组电容(Cprim)有关，可以表达成：
Psw＝0.5×Csw×(Vin+N×V_out)2×Fsw，
其中，
Csw＝晶体管电容加上初级绕组电容；
Vin＝输入电压(VDC)；
N＝初级绕组与次级绕组的匝数比；
Fsw＝开关频率。
例如，如果图2A中的V_IN是300VDC，电压210是10VDC，则取决于其他参数的值，开关206的开关损耗可以显著地低于开关203的开关损耗。因此，低电压开关206可以降低开关损耗和产生的空载功率损耗。
图3示出这里说明的开关功率变换器200的实施例的示例波形。示出了开关203的驱动信号SW1214和在开关203的接通周期期间通过初级绕组202的相应的初级电流Iswl204。当开关203被置为断开周期时，控制器201通过以拐点电压305采样跨辅助绕组208的反馈电压209而接收反馈。图3还示出开关206的驱动信号SW2215和在开关206的接通周期期间通过初级绕组205的相应的初级电流Isw2207。当开关206被置为断开周期时，控制器201也通过以拐点电压305采样跨辅助绕组208的反馈电压209而接收反馈。如图3所示，反馈采样周期310和产生的信号209的采样频率包括开关202和开关206的接通和断开周期。因此，控制器201在开关203的每个断开周期期间多次接收反馈电压，并且所形成的采样频率远高于开关203的采样频率。
图4A和4B示出开关功率变换器200所产生的动态负载响应。在时间t_l，0％至100％的动态负载加载到开关功率变换器200上。在时间t_2，在开关206的断开周期期间，一旦开关206在时间t_l之后出现第一断开周期，控制器201就对反馈信号采样。基于获得的反馈信号FB209，控制器201确定输出电压212由于输出负载的增大而下降。在时间t_3，控制器201响应输出负载的增加而发起开关203的接通和断开开关周期。在t_l和t_3之间的时间T_sense，输出电压212下降了V_drop。在一个实施例中，开关206的开关频率设定为恒定值，以满足对V_drop和T_sense的限制。由于开关206的开关频率远高于开关203的开关频率，所以开关功率变换器能够将电压降V_drop限定为远小于当仅以开关203的开关频率而感应V_drop时电压降的值。
尽管这里例证说明了特别的实施例和应用，但是，要理解的是，实施例不限于这里公开的精确的结构和部件，在不偏离所附权利要求书中限定的实施例的精神和范围的情况下，可以对实施例的方法和装置的配置、操作以及细节作出各种更改、变化和变型。
通过阅读本公开，本领域技术人员将理解***的另外的可选设计。因此，尽管这里例证说明了本发明的特别的实施例和应用，但是，要理解的是，不限于这里公开的精确的结构和部件，在不偏离归结至这里的主题的任意权利要求中限定的发明的精神和范围的情况下，可以对这里公开的本发明的方法和设备的实施例配置、操作以及细节作出对于本领域技术人员而言显而易见的各种更改、变化和变型。

Claims (18)

1.一种开关功率变换器，其包括：
变压器，所述变压器包括耦合至输入电压的第一初级绕组、第二初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组和位于所述变压器的初级侧的辅助绕组，跨所述次级绕组的输出电压被反射为跨所述辅助绕组的反馈电压；
第一开关，所述第一开关耦合至所述变压器的所述第一初级绕组，在所述初级绕组中，响应于所述第一开关接通而产生电流，并且响应于所述第一开关断开而不产生电流，在所述第一开关的断开周期期间产生跨所述辅助绕组的所述反馈电压；
第二开关，所述第二开关耦合至所述变压器的所述第二初级绕组，在所述第二初级绕组中，响应于所述第二开关接通而产生电流，并且响应于所述第二开关断开而不产生电流，在所述第二开关的断开周期期间也产生跨所述辅助绕组的所述反馈电压；以及
控制器，所述控制器耦合至所述第一开关和所述第二开关，所述控制器被配置成产生以第一开关频率接通或断开所述第一开关的第一控制信号和以高于所述第一开关频率的第二开关频率接通或断开所述第二开关的第二控制信号。
2.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中，所述控制器还被配置成至少部分地基于以第二频率在所述第一开关和所述第二开关的断开周期期间产生的所述反馈电压来调节所述第一开关的接通或断开。
3.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中，所述第二开关以低于所述输入电压的电压被供电。
4.根据权利要求3所述的开关功率变换器，还包括耦合至所述辅助绕组的电容器，所述电容器在所述第一开关和所述第二开关的断开周期期间充电，并且所述第二开关由跨所述电容器的电压供电。
5.根据权利要求4所述的开关功率变换器，其中，在所述第一开关的一个开关周期期间的第一开关损耗大于在所述第二开关的一个开关周期期间的第二开关损耗。
6.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中，所述控制器被配置成在所述控制器产生第一控制信号以使用脉冲频率调制来控制所述第一开关的状态下产生所述第二控制信号。
7.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中，所述控制器被配置成响应于所述第一开关频率下降到预定阈值之下而产生所述第二控制信号。
8.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中，所述控制器被配置成在所述第一开关的单个断开周期期间多次接收所述反馈电压。
9.一种开关功率变换器，其包括：
变压器，所述变压器包括耦合至输入电压的初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组和位于所述变压器的初级侧的辅助绕组，跨所述次级绕组的输出电压被反射为跨所述辅助绕组的反馈电压；
开关，所述开关耦合至所述变压器的所述初级绕组，在所述初级绕组中，响应于所述开关接通而产生电流，并且响应于所述开关断开而不产生电流；
控制器，所述控制器耦合至所述开关并且被配置成产生以开关频率接通或断开所述开关的控制信号，
其中，所述控制器还被配置成在所述开关的单个断开周期期间多次确定所述反馈电压。
10.一种用于控制开关功率变换器的方法，所述开关功率变换器包括：变压器，所述变压器具有耦合至输入电压的第一初级绕组、第二初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组和位于所述变压器的初级侧的辅助绕组，跨所述次级绕组的输出电压被反射为跨所述辅助绕组的反馈电压；第一开关，所述第一开关耦合至所述变压器的所述第一初级绕组；和第二开关，所述第二开关耦合至所述变压器的所述第二初级绕组，所述方法包括：
产生以第一开关频率接通或断开所述第一开关的第一控制信号；
产生以高于所述第一开关频率的第二开关频率接通或断开所述第二开关的第二控制信号；以及
确定在所述第二开关的每个断开周期的所述反馈电压。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括至少部分地基于以第二频率在所述第一开关和所述第二开关的断开周期期间产生的所述反馈电压来调节所述第一开关的接通或断开。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二开关以低于所述输入电压的电压被供电。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述开关功率变换器还包括耦合至所述辅助绕组的电容器，并且所述方法还包括在所述第一开关和所述第二开关的断开周期期间对所述电容器充电，由跨所述电容器的电压对所述第二开关供电。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述第一开关的一个开关周期期间的第一开关损耗大于在所述第二开关的一个开关周期期间的第二开关损耗。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括：在产生所述第一控制信号以使用脉冲频率调制来控制所述第一开关的状态下产生所述第二控制信号。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，响应于所述第一开关频率下降到预定阈值之下而产生所述第二控制信号。
17.根据权利要求10所述的方法，还包括：在所述第一开关的单个断开周期期间多次接收所述反馈电压。
18.一种用于控制开关功率变换器的方法，所述开关功率变换器包括变压器，所述变压器具有耦合至输入电压的第一初级绕组、第二初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组和位于所述变压器的初级侧的辅助绕组，跨所述次级绕组的输出电压被反射为跨所述辅助绕组的反馈电压，所述开关功率变换器还包括耦合至所述变压器的所述第一初级绕组的开关，所述方法包括：
产生以开关频率接通或断开所述开关的控制信号；以及
在所述开关的单个断开周期期间多次确定所述反馈电压。
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