CN111987894A

CN111987894A - 切换电源转换器和初级侧控制器及其控制方法

Info

Publication number: CN111987894A
Application number: CN202010400442.0A
Authority: CN
Inventors: J·赫罗姆恰克
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2020-11-24

Abstract

本发明题为“切换电源转换器和初级侧控制器及其控制方法”。本发明公开了切换电源转换器，以及初级侧控制器以及其控制方法。至少一些示例性实施方案为操作切换电源转换器的方法，包括：由初级侧控制器以第一频率操作切换电源转换器，该第一频率由耦接至初级侧控制器的第一销的电阻器设置；以及感测施加至到初级侧控制器的第一端子的同步信号，该同步信号具有可变的第二频率；以及由初级侧控制器以第二频率操作切换电源转换器。

Description

切换电源转换器和初级侧控制器及其控制方法

技术领域

本专利申请涉及切换电源转换器的技术领域，具体地是追踪外加同步信号的切换电源转换器。

背景技术

集成电路的封装件包封集成电路，并且通过电暴露在封装件外部的销或端子提供与包封的集成电路的电连接。对于特定包装尺寸(例如，具有16个端子的小轮廓集成电路(SOIC)(即，SOIC-16))，端子的数量是有限的。在一些情况下，由于各种原因(例如，驱动至端子或从端子驱动的信号之间的物理分离以减少串扰)，省略或不使用端子。

在切换电源转换器领域中，用于切换电源转换器的控制器(例如，初级侧控制器，次级整流器控制器)在许多情况下是封装的集成电路。然而，对于控制器的设置和操作，通过端子向控制器进行许多连接。例如，切换电源转换器的操作频率可由耦接至初级侧控制器的端子的电阻器来设置。然而，当需要向控制器提供附加信息和/或信号但没有附加端子可用时，会出现问题。

发明内容

至少一个示例性实施方案是一种操作切换电源转换器的方法，包括：由初级侧控制器以第一频率操作切换电源转换器，该第一频率由耦接至初级侧控制器的第一端子的电阻器设置；以及感测施加至到初级侧控制器的第一端子的同步信号，该同步信号具有可变的第二频率；以及然后由初级侧控制器以第二频率操作切换电源转换器。

在该示例性方法中，以第二频率操作切换电源转换器还可包括：基于同步信号的先前循环中的同步信号的参数来限制同步信号的每个循环中的主切换信号的占空比。限制同步信号的每个循环中的占空比还可包括基于同步信号的紧接先前循环来限制同步信号的每个循环中的主切换信号的占空比。限制同步信号的每个循环中的占空比还可包括基于紧接先前循环中同步信号的周期来限制主切换信号的每个循环中的占空比。

在该示例性方法中，以第二频率操作切换电源转换器还可包括：在同步信号的第一循环期间，对初级侧控制器内的第一电容器充电；以及在同步信号的第二循环中设置被驱动到初级侧控制器的驱动端子的驱动信号的占空比限制，设置基于第二斜坡信号转换超过保持在第一电容器上的电压。该示例性方法还可包括通过对第三电容器充电来在第二循环中生成第二斜坡信号。该示例性方法还可包括：在同步信号的第一循环期间，基于第一斜坡信号转换超过保持在第二电容器上的电压来设置第一循环中的驱动信号的占空比限制，第二电容器与第一电容器不同。该示例性方法还可包括：在紧接第一循环之前的同步信号的第三循环期间，对初级侧控制器内的第二电容器充电；以及在同步信号的第一循环中，基于第一斜坡信号转换超过保持在第二电容器上的电压来设置第一循环中的驱动信号的占空比限制。该示例性方法还可包括通过对第三电容器充电来在第一循环中生成第一斜坡信号。

另一个示例性实施方案是用于切换电源转换器的初级侧控制器，该初级侧控制器包括：同步端子和驱动端子；同步控制器，该同步控制器限定同步输入、设置输出和复位输出，同步输入耦接至同步端子；以及驱动逻辑，该驱动逻辑限定设置输入、复位输入和驱动输出，该设置输入耦接至该设置输出，该复位输入耦接至该复位输出，并且该驱动输出耦接至该驱动端子，驱动逻辑被配置为驱动电控制开关的控制输入。驱动逻辑可被配置为响应于设置输入的断言来断言驱动输出，并且该驱动逻辑可被配置为响应于复位输入的断言来解除断言驱动输出。同步控制器可被配置为：在不存在同步端子上感测到的同步信号的情况下，断言在由同步端子上的同步控制器感测的直流电压(DC电压)设置的第一频率下对驱动逻辑的设置输入；感测施加至同步端子的同步信号，该同步信号具有可变的第二频率；在存在同步端子上的同步信号的情况下，断言在第二频率下对驱动逻辑的设置输入；并且基于先前循环中同步信号的参数来限制同步信号的每个循环中的占空比。

在示例性初级侧控制器中，同步控制器还可包括：电流镜，该电流镜限定第一镜像输出和第三镜像输出；第一感测电容器，该第一感测电容器耦接至第一镜像输出；第二感测电容器，该第二感测电容器保持与同步信号的先前循环的周期成比例的电压；斜坡电容器，该斜坡电容器耦接至第三镜像输出。在同步信号的第一循环期间，同步控制器可被配置为：通过第一镜像输出对第一感测电容器充电；通过第三镜像输出对斜坡电容器充电，该充电产生斜坡信号；当第一斜坡信号的量值穿过第二感测电容器的电压的量值时，断言复位输出。

同步控制器还可包括：电流镜，该电流镜限定第二镜像输出；第一感测电容器，该第一感测电容器保持与同步信号的第一循环的周期成比例的电压；以及第二感测电容器，该第二感测电容器耦接至第二镜像输出；斜坡电容器，该斜坡电容器耦接至第三镜像输出。在同步信号的第二循环期间，同步控制器可被配置为：通过第二镜像输出对第二感测电容器充电；通过第三镜像输出对斜坡电容器充电，充电产生第二斜坡信号；当第二斜坡信号的量值穿过第一感测电容器的电压的量值时，断言复位输出。同步信号的第一循环可为紧接在同步信号的第二循环之前。

在示例性初级侧控制器中，同步控制器还可包括：电流镜，该电流镜限定第一镜像输出、第二镜像输出和第三镜像输出；第一感测电容器，该第一感测电容器通过限定控制输入的第一电控制开关耦接至第一镜像输出；第二感测电容器，该第二感测电容器通过限定控制输入的第二电控制开关耦接至第二镜像输出；斜坡电容器，该斜坡电容器通过限定控制输入的第三电控制开关耦接至第三镜像输出；比较器，该比较器限定第一比较输入、第二比较输入和比较输出，第一比较输入耦接至斜坡电容器；第四电控制开关，该第四电控制开关限定控制输入，第四电控制开关耦接在第一感测电容器和第二比较输入之间；第五电控制开关，该第五电控制开关限定控制输入，第五电控制开关耦接在第二感测电容器和第二比较输入之间；以及控制逻辑，该控制逻辑限定耦接第一电控制开关的控制输入的第一控制输出，耦接第二电控制开关的控制输入的第二控制输出，耦接第三电控制开关的控制输入的第三控制输出，耦接第四电控制开关的控制输入的第四控制输出，耦接第五电控制开关的控制输入的第五控制输出，以及耦接至同步输入的控制逻辑。控制逻辑可被配置为在同步信号的第一循环中：通过第一电控制开关将第一感测电容器耦接至第一镜像输出；通过第五电控制开关将第二感测电容器耦接至第二比较输入。并且控制逻辑可被配置为在同步信号的第二循环中：通过第二电控制开关将第二感测电容器耦接至第二镜像输出；以及通过第二电控制开关将第二感测电容器耦接至第二镜像输出。

在示例初级侧控制器中，驱动逻辑可被配置为以场效应晶体管的形式驱动栅极和电控制开关。

在示例性初级侧控制器中，同步信号可以是选自包括以下项的组的至少一者：AC信号；脉冲串；具有非零平均电压的脉冲串。

另一示例性实施方案为切换电源转换器，其包括：初级侧；次级侧；以及初级侧控制器。初级侧可以包括：变压器的初级绕组；以及限定控制输入的主电控制开关，该主电控制开关被配置为将供电电压选择性地耦接至变压器的初级绕组。次级侧可包括变压器的次级绕组和耦接至次级绕组的整流器。初级侧控制器可包括同步端子和驱动端子，该驱动端子耦接至主电控制开关的控制输入。初级侧控制器可被配置为：在不存在同步端子上感测到的同步信号的情况下，断言在由同步端子上感测的直流电压(DC电压)设置的第一频率下的驱动端子；感测施加至同步端子的同步信号，该同步信号具有可变的第二频率；在存在同步端子上的同步信号的情况下，以第二频率驱动主电控制开关的控制输入；并且基于先前循环中同步信号的参数来限制同步信号的每个循环中的占空比。

在示例性切换电源转换器中，初级侧控制器还可包括：电流镜，该电流镜限定第一镜像输出和第三镜像输出；第一感测电容器，该第一感测电容器耦接至第一镜像输出；第二感测电容器，该第二感测电容器保持与同步信号的先前循环的周期成比例的电压；以及斜坡电容器，该斜坡电容器耦接至第三镜像输出。在同步信号的第一循环期间，初级侧控制器可被配置为：通过第一镜像输出对第一感测电容器充电；通过第三镜像输出对斜坡电容器充电，充电产生第一斜坡信号；当第一斜坡信号的量值穿过第二感测电容器的电压的量值时，解除断言主电控制开关的控制输入。初级侧控制器还可包括：电流镜，该电流镜限定第二镜像输出；第一感测电容器，该第一感测电容器保持与同步信号的第一循环的周期成比例的电压；第二感测电容器，该第二感测电容器耦接至第二镜像输出；以及斜坡电容器，该斜坡电容器耦接至第三镜像输出。在同步信号的第二循环期间，初级侧控制器可被配置为：通过第二镜像输出对第二感测电容器充电；通过第三镜像输出对斜坡电容器充电，充电产生第二斜坡信号；当第二斜坡信号的量值穿过第一感测电容器的电压的量值时，解除断言主电控制开关的控制输入。同步信号的第一循环可紧接在同步信号的第二循环之前。

附图说明

为了详细描述示例性实施方案，现在将参照附图，在附图中：

图1示出了根据至少一些实施方案的切换电源转换器的电路图；

图2示出了根据至少一些实施方案的初级侧控制器126的框图；

图3示出了根据至少一些实施方案的同步控制器的框图；

图4示出了根据至少一些实施方案的可变频率控制器的部分框图，部分电气原理图；并且

图5示出了根据至少一些实施方案的方法。

定义

各种术语用来指特定***部件。不同公司可用不同名称来指一种部件–本文献并非意于在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于…”。另外，术语“耦接”(“couple”或“couples”)旨在意指间接连接或直接连接。因此，如果第一器件耦接至第二器件，则该连接可通过直接连接或通过经由其他器件和连接的间接连接进行。

就电气设备(无论是独立式还是作为集成电路的一部分)而言，术语“输入”和“输出”是指到电气设备的电连接，并且不应被视为需要操作的动词。例如，差分放大器(诸如运算放大器)可具有第一差分输入和第二差分输入，并且这些“输入”限定到运算放大器的电连接，并且不应被理解为需要运算放大器的信号输入。

“断言”是指改变布尔信号(Boolean signal)的状态。布尔信号可被断言为高电压或具有较高电压，并且布尔信号可由电路设计器酌情断言为低电压或具有较低电压。类似地，“解除断言”是指将布尔信号的状态更改为与已断言状态相反的电压水平。

关于与周期性信号相关联的时间的“周期”是指周期性信号的任何两个一致特征之间的持续时间。例如，对于包括一系列脉冲的脉冲信号，周期可为两个连续上升边缘或两个连续下降边缘之间的持续时间。

具体实施方式

本申请要求于2019年5月22日提交的名称为“自适应占空比限制(Adaptive DutyCycle Limit)”的美国临时申请号62/851,323的权益。该临时申请以引用方式并入本文，如同在下面完全再现。

以下讨论涉及本发明的各种实施方案。虽然这些实施方案中的一个或多个实施方案可能是优选的，但所公开的实施方案不应解释为或以其他方式用来限制包括权利要求书在内的本公开的范围。另外，本领域技术人员应当理解，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施方案的讨论仅意指该实施方案的示例，而并非旨在表示包括权利要求书在内的本公开的范围限于该实施方案。

示例性实施方案涉及控制切换电源转换器的切换频率的方法和***。更具体地，示例性实施方案涉及用于切换电源转换器的初级侧控制器，其中初级侧控制器感测施加到初级侧控制器的端子上的电压和信号，并且基于感测到的电压和信号控制主电控制开关的开关频率。更具体地讲，示例性初级侧控制器可在由耦接至初级侧控制器的端子的电阻所选择的固定频率下操作(例如，通过感测与电阻器相关联的直流(DC)电压)，并且当将同步信号(例如，交流(AC)信号)施加至端子时也可在同步频率下操作。在另一些实施方案中，当在同步信号所设置的同步频率下操作时，初级侧控制器可限制同步信号的每个周期中的占空比。本说明书现在转向示例性切换电源转换器。

图1示出了根据至少一些实施方案的切换电源转换器的电路图。具体地讲，切换电源转换器100包括限定初级绕组104和次级绕组106的变压器102。变压器102概念性地形成切换电源转换器100的初级侧108和切换电源转换器100的次级侧110。初级侧108和次级侧110之间的概念划分是电概念，而不一定是物理概念。在示例性切换电源转换器100中，初级侧108通过变压器102与次级侧110电隔离，但不需要在所有情况下都电隔离。

转向初级侧108，示例性切换电源转换器100被布置用于正向操作，并且因此包括高侧电控制开关112和低侧电控制开关114。在图1的示例性***中，电控制开关被示出为场效应晶体管(FET)，但可使用任何合适的电控制开关(例如，结式晶体管，硅控制整流器)。电控制开关在下文中称为高侧FET 112和低侧FET 114。

高侧FET 112限定漏极116、源极118和栅极120。漏极116耦接至输入电压V_IN的正极引线。源极118耦接至初级绕组104的第一引线122。栅极120耦接至初级侧控制器126的高侧驱动端子124。低侧FET 114同样限定漏极128、源极130和栅极132。漏极128耦接至初级绕组104的第二引线134。源极130通过感测电阻器136在初级侧上接地。栅极132耦接至低侧驱动端子138。感测电阻器136具有耦接至低侧FET 114的源极130的第一引线，并且第一引线和源极130耦接至初级侧控制器126的感测端子139。顾名思义，当低侧FET 114导电时，感测电阻器用于感测流过初级绕组104的电流。

示例性初级侧控制器126还限定同步端子140和反馈端子142。示例性反馈端子142耦接至光耦合器144的晶体管侧，并且光耦合器144的发光二极管侧耦接至输出电压V_OUT。光耦合器144的LED侧以与输出电压V_OUT成比例的速率产生光子，并且光子激发光耦合器144的晶体管侧的基部。光耦合器的晶体管侧的电导率与输出电压V_OUT成比例。因此，初级侧控制器126通过反馈端子142接收指示输出电压V_OUT的信号。

在示例性***中，外部电阻器146耦接在同步端子140与初级侧108上的接地之间，并且电阻的值设置初级侧控制器126用于控制高侧FET 112和低侧FET 114的切换的默认操作频率。为了读取外部电阻器146的电阻，初级侧控制器126可将电流施加到同步端子140，并且读取同步端子140上由外部电阻器146引起的DC电压。初级侧控制器126因此可基于所感测的电压来设置切换电源转换器100的操作频率。将存在附加端子和与初级侧控制器126的连接(例如，电源，初级侧上的接地)，但此类附加端子和连接不被示出，以便不会不适当地使图形复杂化。

现在转到次级侧110，在示例性***中，次级绕组106的第一引线148耦接至二极管150的阳极，并且次级绕组106的第二引线152耦接至并限定次级侧110上的返回端或公共端。二极管150的阴极耦接至电感器154的第一引线，并且电感器154的第二引线限定输出电压V_OUT的正极连接。另一个二极管156具有耦接至次级绕组106的第二引线152的阳极和耦接至二极管150的阴极的阳极。电容器158耦接至电感器154的第二引线和电感器154的第二引线之间。电容器158存储电荷，使由次级绕组106提供的电压和电流平滑，并且还可用于在未从次级绕组106或电感器154的塌缩场提供电流的时间段期间提供能量。

仍然参见图1，次级侧110还包括光耦合器144的LED侧。具体地讲，光耦合器144的LED侧的阳极通过电阻器160耦接至输出电压V_OUT的正极引线。光耦合器144的LED侧的阴极通过齐纳二极管162耦接至次级侧上的公共端。因此，当输出电压V_OUT超过由齐纳二极管162设置的预先确定的阈值时，电流流过光耦合器144并且因此向初级侧控制器126提供电压反馈。

在操作中，初级侧控制器126以由外部电阻器146设置的初始频率操作切换电源转换器100。具体地讲，初级侧控制器126驱动高侧驱动端子124以使高侧FET 112导电，并且同样驱动低侧驱动端子138以使低侧FET 114导电。因此电流从输入电压V_IN，流过高侧FET112，流过初级绕组104，流过低侧FET 114，流过感测电阻器136，然后到达初级侧108上的接地端。基于通过感测端子139感测的电流，或基于达到占空比限制，初级侧控制器126关闭高侧FET 112和低侧FET 114。未具体示出的附加电路(例如，二极管，附加FET)可用于解决初级绕组104的感应效应。在稍后，基于初始频率，重复循环。因此，FET和初级侧控制器126将时间变化电压和时间变化电流施加到初级绕组104，这在次级绕组106上产生电压和电流。图1的初级侧108示出了两个开关布置；然而，各种示例性方法和***不限于两个开关正向转换器。方法和***可适用于在初级侧上针对正向转换器的任何装置，诸如半桥，全桥或电感器-电感器-电容器(LLC)初级侧装置。此外，示例性方法和***不限于正向转换器，并且可在任何类型的切换电源转换器中找到应用，诸如非隔离转换器和反激电源转换器。

在次级侧110上，次级绕组106产生的电压(具有由图1中的点惯例所示的极性)产生流过二极管150的电流，对与电感器154相关联的场充电，并且最终流入电容器158和输出电压V_OUT。当次级绕组106向前偏置二极管150时，二极管156被反向偏置。当次级绕组106提供的电压和电流在每个切换周期中停止时，当电感器154周围的场塌缩时，电感器154继续提供电流。二极管156(有时称为飞轮二极管)为电感器154的场塌缩期间的电感器电流提供电流路径。图1的次级侧110示出了使用电感器154的无源整流和降压布置；然而，各种示例性方法和***不限于图1所示的精确次级侧110。方法和***可适用于任何次级侧布置，包括使用有源整流(例如，FET)的次级侧，并且取决于初级侧108的装置和操作，半波和全波整流布置。

仍然参见图1，虽然在一些情况下切换电源转换器100可作为独立转换器操作，但在其他情况下，可并行操作多个切换电源转换器以满足负载的安培要求。在这种情况下，使各种切换电源转换器的操作频率同步可能是有益的。为了实现同步，初级侧控制器126可接收同步信号。如果初级侧控制器的封装件具有足够数量的可用端子，则可在专用端子上接收同步信号。然而，如果没有附加的端子可专用于接收同步信号，则出现困难。根据示例性实施方案，初级侧控制器126被设计和构造成能够对端子进行双重使用，并且具体地讲能够对同步端子140进行双重使用。即，示例性初级侧控制器126在由耦接至同步端子140的外部电阻器146所设置的初始频率下操作切换电源转换器100。然而，初级侧控制器126还监视施加至同步端子140的同步信号(例如，AC信号)的存在。当初级侧控制器126感测或检测到同步信号时，初级侧控制器126在同步信号的频率和相位处操作切换电源转换器100。在一些情况下，同步信号具有可变的频率，并且当与同步信号同步时，初级侧控制器126跟踪同步信号的频率和相位。在示例性切换电源转换器100中，同步信号通过电容器164施加至同步端子140。电容器164阻断与设置初始频率的电阻器146相关联的DC信号。

图2示出了根据至少一些实施方案的初级侧控制器126的框图。具体地讲，图2示出了作为具有多个外部可触及的销或端子的封装半导体器件或封装集成电路器件的初级侧控制器126。图2中可见的是高侧驱动端子124，低侧驱动端子138，感测端子139，同步端子140和反馈端子142。封装器件内驻留半导体管芯200，在半导体管芯上，各种电路被单片地构造。虽然图2仅示出单个半导体管芯200，但两个或更多个半导体管芯可被封装在一起(即，多芯片模块)以形成初级侧控制器126。

示例性初级侧控制器126限定同步控制器202，驱动逻辑204和电流控制逻辑206。同步控制器202限定同步输入208，设置输出210和复位输出212。同步输入208耦接至同步端子140。驱动逻辑204限定设置输入214，复位输入216，高驱动输出218和低驱动输出220。设置输入214耦接至同步控制器202的设置输出210。复位输入216通过逻辑OR门222耦接至同步控制器202的复位输出212。高驱动输出218耦接至高侧驱动端子124，并且低驱动输出220耦接至低侧驱动端子138。驱动逻辑204被配置为将控制信号驱动至电控制开关的控制输入，并且具体地讲，驱动逻辑204被配置为分别驱动高侧FET 112和低侧FET 114的栅极120和栅极132。另外，驱动逻辑204被配置为响应于设置输入214的断言来断言高驱动输出218并断言低驱动输出220。相对地，驱动逻辑204被配置为响应于重置输入216的断言来对高驱动输出218解除断言并对低驱动输出220解除断言。

电流控制逻辑206限定复位输出224，感测输入226和反馈输入228。感测输入226耦接至感测端子139。反馈输入228耦接至反馈端子142。复位输出224耦接至逻辑OR门222，并且逻辑OR门222的逻辑输出230耦接至驱动逻辑204的复位输入216。在操作中，在切换电源转换器100的每个循环期间(图1)(例如，在高侧FET 112和低侧FET 114导电的时间段期间)，电流控制逻辑206通过感测端子139监测指示初级绕组中的电流的信号。当指示电流的信号达到或超过预先确定的阈值时，电流控制逻辑206断言复位输出224，该断言传播到驱动逻辑204的复位输入216。预先确定的阈值可基于指示通过反馈端子142感测到的输出电压V_OUT的信号来确定。即，当输出电压V_OUT低时，增加预先确定的阈值。并且相反，当输出电压V_OUT高时，减小预先确定的阈值。因此，在正常操作中，基于输出电压V_OUT来调节施加到初级侧上的FET的栅极的信号的占空比。

图3示出了根据至少一些实施方案的同步控制器202的框图。具体地讲，示例性同步控制器202包括设置多路复用器300，复位多路复用器302，可变频率控制器304和固定频率控制器306。多路复用器各自被绘制为单极，双掷开关，以用于解释目的；然而，不应将其理解为要求存在物理开关。功能性可使用两个电控制开关(例如两个互补FET)在硅中实现。示例性设置多路复用器300限定公共端子308，第一开关端子310，第二开关端子312和控制输入314。公共端子308耦接至设置输出210。示例性复位多路复用器302限定公共端子316，第一开关端子318，第二开关端子320和控制端子322。公共端子316耦接至复位输出212。

固定频率控制器306限定感测输入324，设置输出326和复位输出328。感测输入324耦接至同步输入208。设置输出326耦接至设置多路复用器300的第二开关端子312，并且复位输出328耦接至复位多路复用器302的第二开关端子320。在操作中，固定频率控制器306感测与外部电阻器146相关联的信号(图1)，并且以由外部电阻器146指示的频率将设置信号驱动至驱动逻辑204(图2)。例如，感测输入324可耦接至上拉电阻器331至内部供电电压VD。因此，上拉电阻器331和外部电阻器146形成分压器，并且固定频率控制器306感测由分压器产生的DC电压。因此，同步控制器202，尤其是固定频率控制器306被配置为断言在由所感测的DC电压指示的初始频率下对驱动逻辑204的设置输入。在非故障操作中，驱动逻辑204被基于预先确定的阈值电流的电流控制逻辑206(图2)复位；然而，固定频率控制器306还可通过复位输出328提供复位信号，以确保在故障状态(例如，短路输出电压V_OUT)中满足占空比限制。例如，如果切换电源转换器作为双开关正向转换器操作，则施加到初级侧上的FET的驱动信号的占空比可限制于50％。

仍然参见图3，示例性可变频率控制器304限定感测输入330，设置输出332，控制输出334和复位输出336。感测输入330通过DC阻隔电容器338耦接至同步输入208。设置输出332耦接至设置多路复用器300的第一开关端子310。控制输出334耦接至设置多路复用器300的控制输入314，并且控制输出334也耦接至复位多路复用器302的控制端子322。复位输出336耦接至复位多路复用器302的第一开关端子318。在操作中，固定频率控制器306最初感测与外部电阻器146相关联的DC电压(图1)，并且断言在由DC电压设置的初始频率下对驱动逻辑204(图2)的设置输入。同时，可变频率控制器304监视同步输入208的AC信号为同步信号，其中同步信号可具有可变的频率。当可变频率控制器感测到施加至同步端子140的同步信号(图1)时，可变频率控制器304从固定频率控制器306接管。在示例性***中，当可变频率控制器304感测同步信号时，可变频率控制器304断言控制输出334。断言控制输出334改变设置多路复用器300和复位多路复用器302的开关位置，使得分别施加至设置输出210和复位输出212的设置信号和复位信号由可变频率控制器304而非固定频率控制器306提供。因此，可变频率控制器304在存在同步端子140上的同步信号的情况下断言以同步信号所指示的频率对驱动逻辑204(图2)的设置输入214。

同样，在非故障操作中，基于预先确定的阈值电流，驱动逻辑204(图2)被电流控制逻辑206(图2)复位；然而，可变频率控制器304还可通过复位输出336提供复位信号，以确保在故障操作期间满足占空比限制(例如，将施加至FET的驱动信号的占空比限制于50％)。

图4示出了根据至少一些实施方案的可变频率控制器304的部分框图，部分电气原理图。具体地讲，可变频率控制器包括施密特触发器缓冲器400，电流镜电路402，比较器404，开关控制逻辑406，以及将依次寻址的一系列电容器和开关。示例性施密特触发器缓冲器400限定耦接至感测输入330的缓冲输入408以及缓冲输出410。缓冲输出410耦接至设置输出332并且耦接至开关控制逻辑406。施密特触发器缓冲器400提供状态的按扣动作改变以减少可能与同步信号相关联的噪声；然而，不严格需要施密特触发器缓冲器，并且也可使用其他非施密特触发器缓冲器。

示例性电流镜电路402包括耦接至一系列晶体管的电流源412，并且在该示例性***中包括一系列FET。初级FET 413耦接至电流源412，并且一系列次级FET 414，416和418分别限定第一镜像输出420，第二镜像输出422和第三镜像输出424。因此，第一镜像输出420产生与电流源412的电流成比例的镜像电流。第二镜像输出422产生与电流源412的电流成比例的镜像电流。第三镜像输出424产生与电流源412的电流成比例的镜像电流。在一些情况下，每个镜像电流与流过电流源412的电流成比例为1:1；然而，在其他情况下，在电路设计人员的判断下，镜像电流可大于或小于流过电流源412的电流。当需要更大的镜像电流时，次级FET 414-418的尺寸(例如，宽度和长度)被选择为大于初级FET 413的尺寸(例如，宽度和长度)。相反，当需要较小的镜像电流时，次级FET 414-418的尺寸被选择为小于初级FET413的尺寸。

第一镜像输出420通过电控制开关428耦接感测电容器426，该电控制开关被示例性地绘制为单极单掷开关。显示为单极单掷开关的开关可采取任何合适的形式(例如，FET，结式晶体管，硅控制整流器)。因此，电控制开关428在下文中称为“开关428”。开关428可采用任何合适的形式，诸如晶体管(例如，FET)。开关428限定控制输入430。第一镜像输出420耦接至开关428的第一端子，并且开关428的第二端子耦接至感测电容器426的第一引线。感测电容器426的第二引线接地或耦接至初级侧控制器的公共端。短路电控制开关432(下文称为“短路开关432”)与感测电容器426并联耦接。短路开关432限定控制输入434。如下文将更详细地讨论，开关428周期性地闭合以对感测电容器426充电，并且短路开关432周期性地闭合以使感测电容器426放电。

仍然参见图4，第二镜像输出422通过电控制开关438(下文称为“开关438”)耦接至感测电容器436。开关438限定控制输入440。第二镜像输出422耦接至开关438的第一端子，并且开关438的第二端子耦接至感测电容器436的第一引线。感测电容器436的第二引线接地或耦接至初级侧控制器的公共端。短路电控制开关442(下文称为“短路开关442”)与感测电容器436并联耦接。短路开关442限定控制输入444。如下文将更详细地讨论，开关438周期性地闭合以对感测电容器436充电，并且短路开关442周期性地闭合以使感测电容器426放电。

第三镜像输出424通过电控制开关448(下文称为“开关448”)耦接至斜坡电容器446。开关448限定控制输入450。第三镜像输出424耦接至开关448的第一端子，并且开关448的第二端子耦接至斜坡电容器446的第一引线。斜坡电容器446的第二引线接地或耦接至初级侧控制器的公共端。短路电控制开关452(下文称为“短路开关452”)与斜坡电容器446并联耦接。短路开关452限定控制输入454。如下文将更详细地讨论，开关448周期性地闭合以对斜坡电容器446充电，并且短路开关452周期性地闭合以使斜坡电容器446放电。

比较器404限定非反相输入456、反相输入458和比较器输出460。非反相输入456耦接至斜坡电容器446的第一引线，因此比较器404接收电压形式的斜坡信号作为斜坡电容器446上累积的时间的函数。比较器输出460耦接至复位输出336。对于反相输入458，反相输入458选择性地耦接至感测电容器426或感测电容器436。具体地讲，示例性可变频率控制器304(并且因此同步控制器202)还包括电控制开关462(下文称为“开关462”)和电控制开关464(下文称为“开关464”)。开关462具有耦接至感测电容器436的第一引线的第一端子，并且第二端子耦接至比较器404的反相输入458。开关462还限定控制输入466。开关464具有耦接至感测电容器426的第一引线的第一端子，并且第二端子耦接至比较器404的反相输入458。开关464还限定控制输入468。因此，通过开关462和开关464的操作，可变频率控制器304选择性地将保持在感测电容器426上的电压耦接至反相输入458，或将保持在感测电容器436上的电压耦接至反相输入458。

仍参见图4，开关控制逻辑406限定同步输入470以及八个开关控制输出472-488。同步输入470耦接至缓冲器输出410。开关控制输出472耦接至开关428的控制输入430。开关控制输出474耦接至开关432的控制输入434。开关控制输出476耦接至开关438的控制输入440。开关控制输出478耦接至开关442的控制输入444。开关控制输出480耦接至开关448的控制输入450。开关控制输出482耦接至开关452的控制输入454。开关控制输出484耦接至开关462的控制输入466。开关控制输出486耦接至开关464的控制输入468。开关控制输出488耦接至控制输出334。因此，开关控制逻辑406选择性地控制可变频率控制器304中的所有开关，并且通过开关控制输出488还选择性地控制设置多路复用器300(图3)和复位多路复用器302(也参见图3)的操作。

在操作中，同步控制器202，尤其是可变频率控制器304被配置为通过感测输入330和施密特触发器缓冲器400来感测施加至同步端子140(图1)的同步信号。更具体地讲，开关控制逻辑406感测同步信号的存在，该同步信号可具有可变的并且不同于初始频率的频率。在示例性***中，当检测到同步信号时，开关控制逻辑406断言开关控制输出488以将频率控制传输到可变频率控制器304。一旦将控制转移到可变频率控制器304，示例性***就断言在同步信号的频率下对驱动逻辑204的设置输入。具体地讲，在示例性***中，在对施密特触发器缓冲器400施加的同步信号的每次断言之后，设置输出332由施密特触发器缓冲器400断言。断言设置输出332断言同步控制器202的设置输出210(图2)，因此断言驱动逻辑204的设置输入214(图2)。

如上所述，在非故障操作中，当主电流达到预先确定的阈值时，驱动逻辑204(图2)由电流控制逻辑206(图2)复位。当以固定的初始频率操作时，确定和限制占空比是直接的努力。然而，当跟踪可具有可变频率(例如，从50千赫至1兆赫)的同步信号时，基于同步信号的电流循环的预期周期来计算占空比限制是不可靠的。换句话说，在循环的整个周期完成之前，确定或计算占空比是不可靠的，因为占空比由所断言的时间与完成循环的周期的比率来限定。

示例性实施方案通过基于先前循环中同步信号的参数来限制同步信号的每个循环中的占空比来解决占空比问题。在一种示例性情况下，基于同步信号的紧接先前循环中的同步信号的参数，占空比在同步信号的每个循环中受到限制。在一种情况下，基于紧接先前循环中的同步信号的周期，占空比在同步信号的每个循环中受到限制。

考虑同步信号的任意循环(例如，断言时间以及紧跟在解除断言时间之后)，该任意循环称为第一循环。根据示例性实施方案，在第一循环期间，感测电容器426被电流镜电路402的第一镜像输出420充电。即，在第一循环中，开关控制逻辑406断言开关428的控制输入430使开关428导电，并且在第一循环中，开关控制逻辑406解除断言开关432的控制输入434使开关432不导电。当开关428是导电的时，流出第一镜像输出420的电流对感测电容器426充电。在示例性情况下，感测电容器426的充电在第一循环结束时结束(例如，在同步信号再次被断言的时刻，启动紧接的后续第二循环)。在第一循环结束时，开关控制逻辑406解除断言开关428的控制输入430，从而使开关428不导电，并且开关432的控制输入434保持解除断言。

现在考虑第一循环之后(例如，紧接着)的第二循环。在示例性实施方案中，可变频率控制器304(并且因此同步控制器202)在第二循环期间断言复位输出336以实现占空比限制。在示例性情况下，第二循环的占空比限制基于前一循环中同步信号的周期，此处是紧接先前循环。具体地讲，在示例性第二循环中，占空比限制基于斜坡信号和保持在感测电容器426上的电压来设置，其中保持在感测电容器426上的电压指示第一循环的周期。斜坡信号的电压与感测电容器426上的电压进行比较，并且当斜坡信号的电压转变通过感测电容器426上的电压时，复位输出336被断言。为了在第二循环中实现占空比限制，开关控制逻辑406通过断言控制输入468使开关464导电来将感测电容器426上的电压耦接至比较器404的反相输入458。此外，在第二循环期间，开关控制逻辑406通过断言开关448的控制输入450从而使开关448导电来将斜坡电容器446耦接至第三镜像输出424。并且在第二循环中，开关控制逻辑406解除断言开关452的控制输入454使开关452不导电。当开关448是导电的时，流出第三镜像输出424的电流对斜坡电容器446充电，并且斜坡信号上的上升电压为斜坡信号。当施加到非反相输入456的斜坡信号的电压转变通过施加到反相输入458的感测电容器426上的电压时，比较器输出460断言复位输出336，从而实现占空比控制。应当指出的是，在非故障操作中，当复位输出336被断言时，驱动逻辑204(图2)将已由电流控制逻辑206复位。然而，在其中电流控制逻辑206正在调用过多电流(例如，输出电压V_OUT短路)的故障操作中，复位输出336复位驱动逻辑204以防止过电流状况。

现在考虑第二循环之后(例如，紧接着)的第三循环。在示例性***中，感测电容器426再次用于产生指示第三循环的周期的值。因此，示例性开关控制逻辑406：通过解除断言开关464的控制输入468来从比较器404解耦感测电容器426；然后通过即时断言开关432的控制输入434来对感测电容器426放电；然后如第一循环那样布置***以再次对感测电容器426充电。

再次考虑第一循环。为了在第一循环期间(并且在感测电容器426被充电的同时)提供占空比限制，可变频率控制器304(并且因此同步控制器202)再次断言复位输出336以实现占空比限制。在示例性情况下，第一循环的占空比限制基于先前循环中同步信号的周期，此处是紧接的先前循环(称为零循环)。具体地讲，在示例性第一循环中，占空比限制基于斜坡信号和保持在感测电容器436上的电压来设置。感测电容器436在零循环期间充电，并且保持在感测电容器436上的电压指示零循环的持续时间。斜坡信号在第一循环期间产生，并且在这种情况下与感测电容器436上的电压相比较。因此，在示例性第一循环期间，当斜坡信号转变通过感测电容器436上的电压时，复位输出336被断言。

为了在第一循环中实现占空比限制，开关控制逻辑406通过断言控制输入466使开关462导电来将感测电容器436上的电压耦接至比较器404的反相输入458。此外，在第一循环期间，开关控制逻辑406断言开关448的控制输入450使开关448导电，并且在第一循环中，开关控制逻辑406解除断言开关452的控制输入454使开关452不导电。当开关448是导电的时，流出第三镜像输出424的电流对斜坡电容器446充电，从而再次产生斜坡信号。当施加到非反相输入456的斜坡信号的电压转变通过施加到反相输入458的感测电容器436上的电压时，比较器输出460断言复位输出336，从而在示例性第一循环中实现占空比控制。同样，在非故障操作中，驱动逻辑204将已被电流控制逻辑206复位。然而，在其中电流控制逻辑206调用过多电流的故障操作中，复位输出336复位驱动逻辑204以防止过电流状况。

更抽象地描述，在同步信号的任何特定周期或循环期间，向一个电容器充电将指示循环周期的电压，第二电容器保持指示前一循环的周期的电压，并且将指示前一循环的周期的电压与斜坡信号(在每个循环中重新创建)进行比较以驱动复位输出336以实现占空比限制。在后续循环期间(例如，紧接着)，感测电容器的作用被反转，并且再次向一个电容器充电将指示电流循环的周期的电压，第二电容器保持指示前一循环的周期的电压，并且将指示前一循环的周期的电压与斜坡信号(在每个循环中重新创建)进行比较以驱动复位输出336以实现占空比限制。

在对任何特定电容器充电之前，开关控制逻辑406通过暂时地或瞬间地断言电容器的短路开关的控制输入(例如，用于感测电容器426的短路开关432，用于感测电容器436的短路开关442，以及用于斜坡电容器446的短路开关452)来使电容器放电。接着，斜坡电容器446在同步信号的每个循环放电，而每个感测电容器426/436交替地每隔一个循环放电一次。

示例性可变频率控制器304具有三个如上所述可操作的电容器。然而，实施不应被理解为仅限于三个电容器。例如，如果任何电容器的放电速率限制了操作速度，则电容器可被复制，使得在任何特定循环期间，一组电容器正在放电，而另一组电容器正在充电和/或用作参考。

开关控制逻辑406可采用任何合适的形式。例如，开关控制逻辑可为组合逻辑电路，实现状态机的组合逻辑电路，处理器核心和嵌入式软件，或器件和电路的任何合适的组合以实现对各种控制输出的控制。

图5示出了根据至少一些实施方案的方法。具体地讲，该方法开始(框500)并且包括：断言对初级侧控制器的驱动逻辑的设置输入，在由初级侧控制器的同步控制器感测的DC电压设置的第一频率下进行断言，通过同步端子感测以及在不存在同步端子上感测的同步信号的情况下进行感测(框502)；由初级侧控制器感测施加到同步端子的同步信号，同步信号具有可变的第二频率(框504)；然后由初级侧控制器在存在同步端子上的同步信号的情况下，断言以第二频率对驱动逻辑的设置输入(框506)；以及基于先前循环中的同步信号的参数来限制同步信号的每个循环中的占空比(框508)。之后，方法结束(框510)，可能立即重新开始。

附图中的许多电连接被示为没有中间器件的直接耦接，但在上面的描述中并未如此明确说明。然而，对于在附图中示出的没有中间器件的电连接，该段落应充当权利要求的先行基础，以用于引用任何电连接作为“直接耦接”。

上述讨论意在说明本发明的原理和各种实施方案。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多变型形式和修改形式就将变得显而易见。例如，同步信号可采取任何合适的形式，诸如AC信号，脉冲串和/或具有非零平均电压的脉冲串。以下权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式和修改形式。

Claims

1.一种操作切换电源转换器的方法，包括：

由初级侧控制器以第一频率操作切换电源转换器，所述第一频率由耦接至所述初级侧控制器的第一端子的电阻器设置；以及

感测施加至所述初级侧控制器的所述第一端子的同步信号，所述同步信号具有可变的第二频率；以及然后

由所述初级侧控制器以所述第二频率操作所述切换电源转换器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中以所述第二频率操作所述切换电源转换器还包括基于所述同步信号的先前循环中的所述同步信号的参数来限制所述同步信号的每个循环中的主切换信号的占空比。

3.根据权利要求1所述的方法，其中以所述第二频率操作所述切换电源转换器还包括：

在所述同步信号的第一循环期间，对所述初级侧控制器内的第一电容器充电；以及

在所述同步信号的第二循环中设置被驱动到所述初级侧控制器的驱动端子的驱动信号的占空比限制，所述设置基于第二斜坡信号转换超过保持在所述第一电容器上的电压。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括在所述同步信号的所述第一循环期间，基于第一斜坡信号转换超过保持在第二电容器上的电压来设置所述第一循环中的所述驱动信号的占空比限制，所述第二电容器与所述第一电容器不同。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

在紧接所述第一循环之前的所述同步信号的第三循环期间，对所述初级侧控制器内的所述第二电容器充电；以及

在所述同步信号的所述第一循环中，基于所述第一斜坡信号转换超过保持在所述第二电容器上的电压，设置所述第一循环中的所述驱动信号的占空比限制。

6.一种用于切换电源转换器的初级侧控制器，所述初级侧控制器包括：

同步端子和驱动端子；

同步控制器，所述同步控制器限定同步输入、设置输出和复位输出，所述同步输入耦接至所述同步端子；

驱动逻辑，所述驱动逻辑限定设置输入、复位输入和驱动输出，所述设置输入耦接至所述设置输出，所述复位输入耦接至所述复位输出，并且所述驱动输出耦接至所述驱动端子，所述驱动逻辑被配置为驱动电控制开关的控制输入；

所述驱动逻辑被配置为响应于所述设置输入的断言来断言所述驱动输出，并且所述驱动逻辑被配置为响应于所述复位输入的断言来解除断言所述驱动输出；

所述同步控制器被配置为：

在不存在所述同步端子上感测到的同步信号的情况下，在由所述同步控制器在所述同步端子上感测的直流电压(DC电压)设置的第一频率下断言对所述驱动逻辑的所述设置输入；

感测施加至所述同步端子的同步信号，所述同步信号具有可变的第二频率；

在存在所述同步端子上的所述同步信号的情况下，在所述第二频率下断言对所述驱动逻辑的所述设置输入；以及

基于所述同步信号在先前循环中的参数来限制所述同步信号的每个循环中的占空比。

7.根据权利要求6所述的初级侧控制器，其中所述同步控制器还包括：

电流镜，所述电流镜限定第一镜像输出和第三镜像输出；

第一感测电容器，所述第一感测电容器耦接至所述第一镜像输出；

第二感测电容器，所述第二感测电容器保持与所述同步信号的先前循环的周期成比例的电压；

斜坡电容器，所述斜坡电容器耦接至所述第三镜像输出；

在所述同步信号的第一循环期间，所述同步控制器被配置为：

通过所述第一镜像输出对所述第一感测电容器充电；

通过所述第三镜像输出对所述斜坡电容器充电，所述充电产生第一斜坡信号；

当所述第一斜坡信号的量值跨过所述第二感测电容器的所述电压的量值时，断言所述复位输出。

8.根据权利要求7所述的初级侧控制器，其中所述同步控制器还包括：

所述电流镜，所述电流镜限定第二镜像输出；

所述第一感测电容器，所述第一感测电容器保持与所述同步信号的所述第一循环的周期成比例的电压；

所述第二感测电容器，所述第二感测电容器耦接至所述第二镜像输出；

所述斜坡电容器，所述斜坡电容器耦接至所述第三镜像输出；

在所述同步信号的第二循环期间，所述同步控制器被配置为：

通过所述第二镜像输出对所述第二感测电容器充电；

通过所述第三镜像输出对所述斜坡电容器充电，所述充电产生第二斜坡信号；

当所述第二斜坡信号的量值跨过所述第一感测电容器的所述电压的量值时，断言所述复位输出。

9.根据权利要求6所述的初级侧控制器，其中所述同步控制器还包括：

电流镜，所述电流镜限定第一镜像输出、第二镜像输出和第三镜像输出；

第一感测电容器，所述第一感测电容器通过限定控制输入的第一电控制开关耦接至所述第一镜像输出；

第二感测电容器，所述第二感测电容器通过限定控制输入的第二电控制开关耦接至所述第二镜像输出；

斜坡电容器，所述斜坡电容器通过限定控制输入的第三电控制开关耦接至所述第三镜像输出；

比较器，所述比较器限定第一比较输入、第二比较输入和比较输出，所述第一比较输入耦接至所述斜坡电容器；

第四电控制开关，所述第四电控制开关限定控制输入，所述第四电控制开关耦接在所述第一感测电容器和所述第二比较输入之间；

第五电控制开关，所述第五电控制开关限定控制输入，所述第五电控制开关耦接在所述第二感测电容器和所述第二比较输入之间；

控制逻辑，所述控制逻辑限定耦接所述第一电控制开关的所述控制输入的第一控制输出，耦接所述第二电控制开关的所述控制输入的第二控制输出，耦接所述第三电控制开关的所述控制输入的第三控制输出，耦接所述第四电控制开关的所述控制输入的第四控制输出，耦接所述第五电控制开关的所述控制输入的第五控制输出，且所述控制逻辑耦接至所述同步输入；

所述控制逻辑被配置为在所述同步信号的第一循环中：

通过所述第一电控制开关将所述第一感测电容器耦接至所述第一镜像输出；

通过所述第五电控制开关将所述第二感测电容器耦接至所述第二比较输入；所述控制逻辑被配置为在所述同步信号的第二循环中：

通过所述第二电控制开关将所述第二感测电容器耦接至所述第二镜像输出；以及

通过所述第二电控制开关将所述第二感测电容器耦接至所述第二镜像输出。

10.一种切换电源转换器，包括：

初级侧，所述初级侧包括：

变压器的初级绕组；

主电控制开关，所述主电控制开关限定控制输入，所述主电控制开关被配置为将供电电压选择性地耦接至所述变压器的所述初级绕组；

次级侧，所述次级侧包括所述变压器的次级绕组和耦接至所述次级绕组的整流器；

初级侧控制器，所述初级侧控制器包括同步端子和驱动端子，所述驱动端子耦接至所述主电控制开关的所述控制输入；

所述初级侧控制器被配置为：

在不存在所述同步端子上感测到的同步信号的情况下，在由所述同步端子上感测的直流电压(DC电压)设置的第一频率下断言所述驱动端子；

在存在所述同步端子上的所述同步信号的情况下，以所述第二频率驱动所述主电控制开关的所述控制输入；以及

11.根据权利要求10所述的切换电源转换器，其中所述初级侧控制器还包括：

电流镜，所述电流镜限定第一镜像输出和第三镜像输出；

斜坡电容器，所述斜坡电容器耦接至所述第三镜像输出；

在所述同步信号的第一循环期间，所述初级侧控制器被配置为：

通过所述第一镜像输出对所述第一感测电容器充电；

当所述第一斜坡信号的量值跨过所述第二感测电容器的所述电压的量值时，解除断言所述主电控制开关的所述控制输入。

12.根据权利要求11所述的切换电源转换器，其中所述初级侧控制器还包括：

所述电流镜，所述电流镜限定第二镜像输出；

在所述同步信号的第二循环期间，所述初级侧控制器被配置为：

通过所述第二镜像输出对所述第二感测电容器充电；

当所述第二斜坡信号的量值跨过所述第一感测电容器的所述电压的量值时，解除断言所述主电控制开关的所述控制输入。