DE102014210527A1

DE102014210527A1 - Schaltleistungswandler mit primärseitiger dynamischer lasterfassung und primärseitiger rückkopplung und steuerung

Info

Publication number: DE102014210527A1
Application number: DE102014210527.7A
Authority: DE
Inventors: c/o Dialog Semiconductor Inc. Shi Fuqiang; c/o Dialog Semicond. Inc. Kesterson John William; c/o Dialog Semiconductor Inc. Li Yong
Original assignee: Dialog Semiconductor Inc
Current assignee: Dialog Semiconductor Inc
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: CN104242655A; US9184667B2; DE102014210527B4; CN104242655B; US20140362612A1

Abstract

Ein Schaltleistungswandler liefert eine geregelte Spannung an eine Last. Der Schaltleistungswandler weist einen Transformator auf, der eine erste Primärwicklung umfasst, die mit einer Eingangsspannung gekoppelt ist, eine zweite Primärwicklung, eine Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang des Schaltleistungswandlers gekoppelt ist, und eine Hilfswicklung, einen ersten Schalter, der mit der ersten Primärwicklung gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter, der mit der zweiten Primärwicklung gekoppelt ist. Eine Steuervorrichtung erzeugt ein erstes Steuersignal zum Einschalten oder Ausschalten des ersten Schalters mit einer ersten Schaltfrequenz und ein zweites Steuersignal zum Einschalten oder Ausschalten des zweiten Schalters mit einer zweiten Schaltfrequenz, die höher als die erste Frequenz ist. Während Aus-Zyklen der Schalter wird eine Rückkopplungsspannung, die die Ausgangsspannung des Leistungswandlers repräsentiert, über die Hilfswicklung erzeugt. Die Steuervorrichtung steuert ein Schalten des ersten Schalters, um die Ausgangsspannung basierend auf der Rückkopplung zu regeln.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Schaltleistungsversorgung und insbesondere eine dynamische Lasterfassung mit primärseitiger Erfassung und Rückkopplung.
Herkömmliche Sperr(Flyback)leistungswandler umfassen eine Leistungsstufe zum Liefern von elektrischer Leistung von einer Leistungsquelle an eine Last. Ein Schalter in der Leistungsstufe koppelt oder entkoppelt elektrisch die Last mit der Leistungsquelle, und eine Schaltsteuervorrichtung, die mit dem Schalter gekoppelt ist, steuert die Ein-Zeit und Aus-Zeit des Schalters. Die Ein-Zeit und Aus-Zeit des Schalters kann durch die Steuervorrichtung modifiziert werden basierend auf einem Rückkopplungssignal, das die Ausgangsleistung, Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom repräsentiert, um diese zu steuern. Die Energie ist in der Lücke eines Transformators gespeichert, wenn ein Schalter eingeschaltet ist, und wird an die Last übertragen, wenn der Schalter ausgeschaltet ist. Eine Regelung kann erreicht werden unter anderem durch Messen des Ausgangsstroms (oder der Ausgangsspannung) und Rückführen dieses zu einer primärseitigen Steuervorrichtung, die verwendet werden kann, um die Ein-Zeit und Aus-Zeit des Schalters entsprechend zu modifizieren.
Um eine Kosteneffizienz zu verbessern und eine Gesamtgröße zu reduzieren, verwenden viele im Handel erhältliche isolierte Leistungsversorgungsgeräte nur-primäre Rückkopplung und Steuerung. Durch Erfassen von primärseitigen Signalen während jedes EIN- und AUS-Zyklus kann die sekundäre Ausgangs- und Lastbedingung erfasst werden und somit gesteuert und geregelt werden. Dies umfasst Betriebsmodi sowohl mit konstanter Spannung als auch konstantem Strom.
Viele elektronische Vorrichtungen erfordern, dass die Leistungsversorgung eine gesteuerte und geregelte Leistungsquelle über breite Betriebsbedingungen vorsieht, was die Schwierigkeit einer primärseitigen Erfassung und Steuerung erhöht. Tragbare elektronische Vorrichtungen, wie Smartphones und Tablet-Computer, sind Beispiele für derartige Vorrichtungen.
1 zeigt eine Betriebskurve eines beispielhaften Schaltleistungswandlers, der verwendet wird zum Vorsehen einer gesteuerten und geregelten Ausgabe an eine Last. Betriebsbedingungen, die der Schaltleistungsversorgung präsentiert werden, können auftreten, während eine Last, wie eine elektronische Vorrichtung, mit der Leistungsversorgung verbunden ist oder wenn eine Last nicht verbunden ist. Zum Beispiel liefert in einem Konstantspannungsmodus (CVM – Constant Voltage Mode) 101 die Schaltleistungsversorgung eine geregelte DC-Ausgabe einer festen Spannung in einem bestimmten Toleranzbereich, der durch einen CVM-Bereich 104 angegeben wird. CVM 101 gibt im Allgemeinen an, dass die interne Batterie der elektronischen Vorrichtung vollständig geladen ist und die feste Spannungsausgabe der Leistungsversorgung liefert die Betriebsleistung für die elektronische Vorrichtung zum normalen Betrieb.
In einem Konstantstrommodus (CCM – Constant Current Mode) 102 liefert die Leistungsversorgung eine feste Stromausgabe. CCM 102 gibt im Allgemeinen an, dass die interne Batterie der elektronischen Vorrichtung nicht vollständig geladen ist und die Konstantstromausgabe der Leistungsversorgung ermöglicht ein effizientes Laden der internen Batterie der elektronischen Vorrichtung.
Schließlich wird in einer Bedingung 103 ohne Last die elektronische Vorrichtung von der Leistungsversorgung getrennt. Bei der Bedingung 103 ohne Last kann die Schaltleistungsversorgung eine geregelte Spannungsausgabe in dem CVM-Bereich 104 beibehalten in Erwartung, dass die elektronische Vorrichtung wieder mit der Leistungsversorgung verbunden wird.
Zur Bequemlichkeit lassen Endbenutzer die Leistungsversorgung oft mit dem Netzstrom zu Zeiten verbunden, wo keine Last mit dem Leistungsversorgungsausgang verbunden ist. Da die Leistungsversorgung eine geregelte Ausgangsspannung auch bei Bedingungen ohne Last beibehält, wird im Allgemeinen eine Dual-Modus-Steuermethodik verwendet. In Perioden, während der es eine Nennlast gibt, wird eine Pulsbreitenmodulation verwendet. Wenn sich jedoch die Last keiner Last annähert, ist es schwierig, einen Arbeitszyklus beizubehalten, der niedrig genug ist, um eine Ausgaberegelung beizubehalten. Demgemäß kann eine Vorlast oder Test-Last hinzugefügt werden, jedoch werden eine Betriebseffizienz und ein Leistungsverbrauch ohne Last negativ beeinflusst. Weiterhin, da Leitsungsversorgungsgeräte oftmals mit dem Netzstrom für längere Zeit verbunden sind, wenn sie nicht mit der elektronischen Vorrichtung verbunden sind, haben Regierungs- und Umweltbehörden Maximalgrenzen für den Leistungsverbrauch ohne Last gesetzt.
In derartigen Situationen ist eine Technik für die Steuervorrichtung, ihren Regelmodus zu ändern bei Bedingungen mit geringer Last oder ohne Last. Bei Bedingungen ohne Last wird die Rate der Pulse, die den Leistungsschalter des Schaltleistungswandlers einschalten oder ausschalten, signifikant reduziert, um eine Ausgangsspannungsregelung beizubehalten, was zu langen Zeitdauern zwischen EIN- und AUS-Zyklen des Schaltleistungswandlers führt. Dies stellt eine signifikante Herausforderung für primärseitige Erfassungssteuerungsschemen dar, die auf den EIN- und AUS-Zyklen des Leistungsschalters beruhen, um ein Rückkopplungssignal zu erlangen. Während der Zeitdauern zwischen EIN-Zyklen des Schalters ist der Status der Ausgangsspannung für die Steuervorrichtung nicht bekannt, da kein Rückkopplungssignal erzeugt wird. Wenn die elektronische Vorrichtung erneut mit der Leistungsversorgung verbunden wird, was eine dynamische Laständerung repräsentiert, während einer der langen AUS-Zyklen des Schalters, empfängt die primärseitige Steuervorrichtung keine Rückkopplung über die Änderung in der sekundärseitigen Ausgangsspannung bis zu dem nächsten EIN-Zyklus des Schalters. In der Zwischenzeit kann deshalb die Ausgangsspannung signifikant sinken und den zulässigen Spannungsabfall übersteigen, der durch die Regelungsspezifikation spezifiziert wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Hier beschriebene Ausführungsbeispiele umfassen ein System und ein Verfahren für eine primärseitige dynamische Lasterfassung in einem Schaltleistungswandler ohne negative Auswirkungen auf einen Leistungsverbrauch ohne Last. Das System und das Verfahren umfassen ein Erhöhen der effektiven Erfassungsfrequenz des Status der Ausgangsspannung, was eine verbesserte Erfassung von dynamischen Bedingungen der sekundären Ausgabe ermöglicht. Sobald die dynamische Lastbedingung erfasst wird, kann die primärseitige Steuervorrichtung Steuermaßnahmen durchführen, um eine Ausgaberegelung beizubehalten. Weiter hat die erhöhte Abtastfrequenz wenig Einfluss auf einen Leistungsverbrauch ohne Last oder eine Ausgaberegelung.
In einem Ausführungsbeispiel weist ein Schaltleistungswandler einen Transformator auf, der eine erste Primärwicklung, die mit einer Eingangsspannung gekoppelt ist, eine zweite Primärwicklung, eine Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang des Schaltieistungswandlers gekoppelt ist, und eine Hilfswicklung auf einer primären Seite des Transformators aufweist. Eine Ausgangsspannung über die Sekundärwicklung ist als eine Rückkopplungsspannung über die Hilfswicklung reflektiert. Ein erster Schalter ist mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt derart, dass Strom in der Primärwicklung erzeugt wird in Reaktion darauf, dass der erste Schalter eingeschaltet wird, und nicht erzeugt wird in Reaktion darauf, dass der erste Schalter ausgeschaltet wird. Ein zweiter Schalter ist mit der zweiten Primärwicklung des Transformators gekoppelt derart, dass Strom in der zweiten Primärwicklung erzeugt wird in Reaktion darauf, dass der zweite Schalter eingeschaltet wird, und nicht erzeugt wird in Reaktion darauf, dass der zweite Schalter ausgeschaltet wird. Die Rückkopplungsspannung über die Hilfswicklung wird während Aus-Zyklen des ersten Schalters und während Aus-Zyklen des zweiten Schalters erzeugt.
Eine Steuervorrichtung, die mit dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter gekoppelt ist, erzeugt ein erstes Steuersignal zum Einschalten oder Ausschalten des ersten Schalters mit einer ersten Schaltfrequenz und erzeugt ein zweites Steuersignal zum Einschalten oder Ausschalten des zweiten Schalters mit einer zweiten Schaltfrequenz. Die zweite Schaltfrequenz ist höher als die erste Schaltfrequenz.
Der zweite Schalter ermöglicht ein Erfassen der sekundären Ausgangsspannung über die primärseitige Hilfswicklung während Aus-Zyklen des ersten Schalters. Während Betriebsbedingungen mit leichter oder ohne Last wird die erste Schaltfrequenz reduziert, um eine Ausgangsspannungsregelung beizubehalten. Als Ergebnis nimmt de Zeitdauer zwischen „EIN”- und „AUS”-Schaltzyklen des ersten Schalters zu. In einem Ausführungsbeispiel, wenn die Zeitdauer zwischen Schaltzyklen des ersten Schalters eine Zeitschwelle übersteigt (das heißt, wenn die erste Schaltfrequenz unter eine Schwelle fällt), initiiert die Steuervorrichtung „EIN”- und „AUS”-Zyklen des zweiten Schalters, um die Rückkopplungsspannung über die primärseitige Hilfswicklung zu erfassen. In einem Ausführungsbeispiel wird der zweite Schalter durch eine Spannung mit Energie versorgt, die geringer ist als die Eingangsspannung, und somit sind die Schaltverluste während eines „EIN”- und „AUS”-Zyklus des zweiten Schalters geringer als Schaltverluste des ersten Schalters.
Hier beschriebene Ausführungsbeispiele betreffen weiter ein Erfassen von dynamischen Lastbedingungen, die während AUS-Zyklen des ersten Schalters auftreten, und ein Aktivieren des ersten Schalters, wenn ein Abfall der Ausgangsspannung erfasst wird. Demgemäß beeinflusst das dynamische Lasterfassungsschema hierin minimal einen Energieverbrauch, einschließlich während eines Betriebs ohne Last, während eine zuverlässige Steuerung der Ausgangsspannung des Schaltleistungswandlers vorgesehen wird.
Die in der Spezifikation beschriebenen Merkmale und Vorteile sind nicht allumfassend und insbesondere viele zusätzliche Merkmale und Vorteile werden für Fachleute in Anbetracht der Zeichnungen, der Spezifikation und der Ansprüche offensichtlich. Darüber hinaus ist anzumerken, dass die in der Spezifikation verwendete Sprache hauptsächlich aus Gründen der Lesbarkeit und zu Anweisungszwecken ausgewählt wurde und nicht ausgewählt wurde, um den Erfindungsgegenstand zu begrenzen oder einzuschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Lehren der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind einfach verständlich durch Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt eine Betriebskurve eines beispielhaften Schaltleistungswandlers, der verwendet wird zum Vorsehen einer gesteuerten und geregelten Ausgabe an eine Last.
2A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers mit einer primärseitigen dynamischen Lasterfassung und primärseitigen Rückkopplung und Steuerung.
2B zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers mit einer primärseitigen dynamischen Lasterfassung und primärseitigen Rückkopplung und Steuerung.
2C zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers mit einer primärseitigen dynamischen Lasterfassung und primärseitigen Rückkopplung und Steuerung.
3 zeigt beispielhafte Wellenformen, die einem beispielhaften Leistungswandler mit primärseitiger dynamischer Lasterfassung und primärseitiger Rückkopplung und Steuerung entsprechen.
4A und 4B zeigen beispielhafte Wellenformen, einem beispielhaften Leistungswandler mit primärseitiger dynamischer Lasterfassung und primärseitiger Rückkopplung und Steuerung entsprechen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die Figuren und die folgende Beschreibung betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf illustrative Weise. Es sollte angemerkt werden, dass aus der folgenden Diskussion alternative Ausführungsbeispiele der Strukturen und Verfahren, die hier offenbart werden, als realistische Alternativen leicht erkennbar sind, die verwendet werden können, ohne von den Prinzipien der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
Es wird nun detailliert Referenz genommen auf verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung(en), von denen Beispiele in den beigefügten Figuren dargestellt werden. Es sollte angemerkt werden, dass, wenn möglich, ähnliche oder gleiche Bezugszeichen in den Figuren verwendet werden können und ähnliche oder gleiche Funktionalität angeben können. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nur für Darstellungszwecke. Ein Fachmann erkennt leicht aus der folgenden Beschreibung, dass alternative Ausführungsbeispiele der hier dargestellten Strukturen und Verfahren verwendet werden können, ohne von den Prinzipien der hier beschriebenen Erfindung abzuweichen.
Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Schaltleistungswandlern können konfiguriert sein zum (1) Erhöhen der primärseitigen Erfassungsfrequenz für die sekundärseitige Ausgangsspannung, um zu erfassen, wenn eine dynamische Last auf die sekundäre Ausgabe angewendet wird, (2) Signalisieren an die primärseitige Steuervorrichtung eines Auftretens einer dynamischen Last, ohne die Rückkopplungs- oder Regelungs-Regelschleife zu beeinflussen, somit ohne Beeinflussung einer Schleifenstabilität, und ohne einen Leistungsverbrauch ohne Last zu erhöhen. Die Steuervorrichtung regelt die Ausgangsspannung durch Modifizieren der Ein- und Aus-Zeiten des Leistungsschalters basierend auf der primärseitigen Rückkopplungsspannung.
Primärseitige dynamische Lasterfassung
Die 2A und 2B zeigen beispielhafte Ausführungsbeispiele eines Schaltleistungswandlers 200 mit einer primärseitigen dynamischen Lasterfassung und primärseitigen Rückkopplung und Steuerung. Der Schaltleistungswandler 200 umfasst neben anderen Komponenten einen Transformator mit Primärwicklungen 202 und 205, einer Sekundärwicklung 216 und einer Hilfswicklung 208, Schalter 203 und 206 und eine Steuervorrichtung 201.
Der Leistungswandler 200 empfängt Wechselstrom von einer Wechselstromquelle (nicht gezeigt), der gleichgerichtet wird, um die geregelte DC-Eingangsspannung V_IN vorzusehen. Die Eingangsspannung V_IN ist mit der Primärwicklung 202 gekoppelt. Während EIN-Zyklen des Schalters 203 wird Energie in der Primärwicklung 202 gespeichert, da die Diode D₁ sperrvorgespannt ist. Die in der Primärwicklung 202 gespeicherte Energie wird an die Sekundärwicklung 216 freigegeben und an die Last L1 über den Kondensator C₀ während der AUS-Zyklen des Schalters 203 übertragen, da die Diode D₁ in Durchlassrichtung vorgespannt wird. Die Diode D₁ gleichrichtet die Ausgangsspannung auf der Sekundärwicklung 216 und der Kondensator C₀ filtert die Ausgangsspannung auf der Sekundärwicklung 216 zum Ausgeben als Ausgangsspannung 212 über die Last L1. Während der AUS-Zyklen des Schalters 203 wird die Ausgangsspannung 212 als Rückkopplungsspannung 209 über die Hilfswicklung 208 reflektiert.
Der Kondensator 217 ist mit der Hilfswicklung 208 gekoppelt und wird während der AUS-Zyklen der Schalter 203 und 206 geladen. In 2A ist der Schalter 206 mit der Primärwicklung 205 gekoppelt, die von der Spannung 210 über den Kondensator 217 mit Energie versorgt wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie in 2B gezeigt, ist ein Schalter 206 auf der hohen Seite der Primärwicklung 205 platziert. In dem in den 2A und 2B gezeigten Beispiel ist die Spannung 210 zusätzlich die Vcc-Eingangsspannungsquelle für die primärseitige Steuervorrichtung 201, aber es kann jede Niederspannungsquelle verwendet werden. Die 2A und 2B zeigen die Schalter 203 und 206 als ideale Schalter, aber die Schalter 203 und 206 können als MOSFET-Schalter, bipolare Sperrschichttransistoren oder jeder andere Typ von Schalter implementiert werden. Zum Beispiel zeigt 2C die Schalter 203, 206, die als MOSFET-Schalter implementiert sind. Eine Diode 220 in Reihe mit dem Schalter 206 gleichrichtet den Strom durch den Schalter 206.
Die primärseitige Steuervorrichtung 201 erzeugt das Steuersignal 214 zum Einschalten oder Ausschalten des Schalters 203 mit einer ersten Schaltfrequenz und erzeugt das Steuersignal 215 zum Einschalten oder Ausschalten des Schalters 206 mit einer zweiten Schaltfrequenz. Die zweite Schaltfrequenz ist höher als die erste Schaltfrequenz, zum Beispiel um Größenordnungen. In einem Ausführungsbeispiel initiiert die Steuervorrichtung 201 „EIN”- und „AUS”-Zyklen des Schalters 206, um die Rückkopplungsspannung über die primärseitige Hilfswicklung 208 nur zu erfassen, wenn die Zeitdauer zwischen Schaltzyklen des ersten Schalters eine Zeitschwelle übersteigt (das heißt, wenn die erste Schaltfrequenz unter eine vorgegebene Schwelle fällt). Die Steuervorrichtung 201 regelt die Ausgangsspannung 212 basierend zumindest teilweise auf der Rückkopplungsspannung 209. Die Steuervorrichtung 201 kann eine aus einer Anzahl von Modulationstechniken verwenden, wie eine Pulsbreitenmodulation (PWM – pulse width modulation) oder Pulsfrequenzmodulation (PFM – pulse frequency modulation), um die EIN- und AUS-Zustände und Arbeitszyklen des Leistungsschalters 203 basierend auf der Rückkopplungsspannung 209 zur Regelung der Ausgangsspannung 212 zu steuern.
Bei Bedingungen mit geringer Last oder ohne Last kann die Steuervorrichtung 201 in dem PFM arbeiten und die Schaltfrequenz des Schalters 203 reduzieren, um eine Regelung der Ausgangsspannung 212 beizubehalten. Wenn die erste Schaltfrequenz abnimmt, nimmt die Zeit zwischen Rückkopplungssignalen 209 der reflektierten Wellenform über die Hilfswicklung 208 aufgrund der AUS-Zyklen des Schalters 203 zu. Um eine Minimum-Rückkopplungs-Abtastfrequenz beizubehalten, wenn die erste Schaltfrequenz verringert wird, initiiert die Steuervorrichtung 201 EIN- und AUS-Zyklen des Schalters 206 durch das Steuersignal 215. An jedem AUS-Zyklus des Schalters 203 und des Schalters 206 empfängt die Steuervorrichtung 201 das Rückkopplungssignal 209, das den Status der Ausgangsspannung 212 repräsentiert. Demgemäß empfängt die Steuervorrichtung 201 die Rückkopplungsspannung 209 mehrmals während eines einzelnen AUS-Zyklus des ersten Schalters 203 und verbessert dadurch die Gesamtregelleistung der Ausgangsspannung 212. Zum Beispiel kann die Rückkopplungsspannung 209 aufgrund der AUS-Zyklen des Schalters 206 eine Angabe über eine dynamische Lastbedingung vorsehen, die während eines AUS-Zyklus des Schalters 203 erfolgt.
Weiter, da die Primärwicklung 205 und der Schalter 206 durch die Spannung 210 mit Energie versorgt werden, die niedriger als die Eingangsspannung V_IN ist, kann die Energie, die an die sekundäre Wicklung des Transformators während jedes EIN- und AUS-Zyklus des Schalters 206 übertragen wird, vernachlässigbar sein und kann daher nicht die Regelung der Ausgangsspannung 212 beeinflussen. Weiter, da der Schalter 203 eine große parasitäre Kapazität haben kann, um eine hohe Spannung aufzunehmen, können Leistungsverluste bei einem Einschalten und Ausschalten des Schalters 203 relativ hoch sein. Die Schaltverluste (Psw) in jedem Schalter sind aufgrund der Kapazität des Schalters (Csw) sowie der Primärwicklungskapazität (Cprim) und können dargestellt werden durch: Psw = 0,5 × Csw × (Vin + N × V_out)² × Fsw, wobei

Csw: = Transistor-Kapazität plus Primärwicklungskapazität;
Vin: = Eingangsspannung (VDC);
N: = Wicklungsverhältnis Primär- zu Sekundärwicklung;
Fsw: = Schaltfrequenz.

Wenn zum Beispiel V_IN in 2A 300 VDC ist und die Spannung 210 ist 10 VDC, können die Schaltverluste in dem Schalter 206 signifikant niedriger sein als die Schaltverluste in dem Schalter 203, abhängig von den Werten der anderen Parameter. Daher kann der Niederspannungsschalter 206 Schaltverluste und den daraus resultierenden Leistungsverbrauch ohne Last reduzieren.
3 zeigt beispielhafte Wellenformen von Ausführungsbeispielen des Schaltleistungswandlers 200, wie hier beschrieben. Dargestellt sind ein Treibersignal SW1 214 für den Schalter 203 und der entsprechende Primärstrom Isw1 204 durch die Primärwicklung 202 während des EIN-Zyklus des Schalters 203.
Wenn der Schalter 203 in den AUS-Zyklus gesetzt ist, empfängt die Steuervorrichtung 201 eine Rückkopplung durch Abtasten der Rückkopplungsspannung 209 über die Hilfswicklung 208 bei Kniespannung 305. 3 zeigt auch ein Treibersignal SW2 215 für den Schalter 206 und den entsprechenden Primärstrom Isw2 207 durch die Primärwicklung 205 während des EIN-Zyklus des Schalters 206. Wenn der Schalter 206 in den AUS-Zyklus gesetzt ist, empfängt die Steuervorrichtung 201 auch eine Rückkopplung durch Abtasten der Rückkopplungsspannung 209 über die Hilfswicklung 208 bei Kniespannung 305. Wie in 3 gezeigt, umfasst die Rückkopplungs-Abtastzeitdauer 310 und die resultierende Abtastfrequenz von Signal 209 EIN- und AUS-Zyklen der beiden Schalter 203 und Schalter 206. Somit empfängt die Steuervorrichtung 201 die Rückkopplungsspannung mehrmals während jedes AUS-Zyklus des Schalters 203, und die resultierende Abtastfrequenz ist viel größer als die Schaltfrequenz des Schalters 203.
Die 4A und 4B zeigen die resultierende dynamische Lastreaktion des Schaltleistungswandlers 200. Eine dynamische Last von 0% bis 100% wird auf den Schaltleistungswandler 200 zum Zeitpunkt t_1 angelegt. An dem Zeitpunkt t_2 während eines AUS-Zyklus des Schalters 206 tastet die Steuervorrichtung 201 das Rückkopplungssignal ab, sobald der erste AUS-Zyklus des Schalters 206 nach dem Zeitpunkt t_1 stattfindet. Basierend auf dem erlangten Rückkopplungssignal FB 209 bestimmt die Steuervorrichtung 201, dass die Ausgangsspannung 212 aufgrund einer Zunahme der Ausgangslast gefallen ist. Zu dem Zeitpunkt t_3 initiiert die Steuervorrichtung 201 EIN- und AUS-Schaltzyklen des Schalters 203 in Reaktion auf die Zunahme der Ausgangslast. Während der Zeit T_sense zwischen t_1 und t_3 fällt die Ausgangsspannung 212 um V_drop. In einem Ausführungsbeispiel wird die Schaltfrequenz des Schalters 206 als ein konstanter Wert gesetzt, um eine Einschränkung auf V_drop oder T_sense zu erfüllen. Da die Schaltfrequenz des Schalters 206 viel höher ist als die Schaltfrequenz des Schalters 203, kann der Schaltleistungswandler den Spannungsabfall V_drop auf einen viel geringeren Wert begrenzen, als wenn V_drop nur bei der Schaltfrequenz des Schalters 203 erfasst würde.
Während bestimmte Ausführungsbeispiele und Anwendungen hier dargestellt und beschrieben werden, ist offensichtlich, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf die genaue Konstruktion und Komponenten begrenzt sind, die hier offenbart werden, und dass verschiedene Modifikationen, Änderungen und Variationen in der Anordnung, in dem Betrieb und bei den Details der Verfahren und Vorrichtungen der Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Ausführungsbeispiele wie in den beigefügten Ansprüchen definiert abzuweichen.
Nach der Lektüre dieser Offenbarung werden Fachleute auf dem Gebiet weitere alternative Ausgestaltungen für das System erkennen können. Während bestimmte Ausführungsbeispiele und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf die genaue Konstruktion und die Komponenten begrenzt ist, die hier beschrieben werden, und dass verschiedene Modifikationen, Änderungen und Variationen, die Fachleuten bekannt sind, in der Anordnung, in dem Betrieb und bei den Details des Verfahrens und der Vorrichtung der hier offenbarten vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den Ansprüchen bezüglich des Gegenstands hier definiert.

Claims

Ein Schaltleistungswandler, der aufweist: einen Transformator, der eine erste Primärwicklung umfasst, die mit einer Eingangsspannung gekoppelt ist, eine zweite Primärwicklung, eine Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang des Schaltleistungswandlers gekoppelt ist, und eine Hilfswicklung auf einer primären Seite des Transformators, wobei die Ausgangsspannung über die Sekundärwicklung als Rückkopplungsspannung über die Hilfswicklung reflektiert ist; einen ersten Schalter, der mit der ersten Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, wobei Strom in der Primärwicklung in Reaktion darauf erzeugt wird, dass der erste Schalter eingeschaltet wird, und nicht erzeugt wird in Reaktion darauf, dass der erste Schalter ausgeschaltet wird, wobei die Rückkopplungsspannung über die Hilfswicklung während Aus-Zyklen des ersten Schalters erzeugt wird; einen zweiten Schalter, der mit der zweiten Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, wobei Strom in der zweiten Primärwicklung in Reaktion darauf erzeugt wird, dass der zweite Schalter eingeschaltet wird, und nicht erzeugt wird in Reaktion darauf, dass der zweite Schalter ausgeschaltet wird, wobei die Rückkopplungsspannung ebenfalls über die Hilfswicklung während Aus-Zyklen des zweiten Schalters erzeugt wird; und eine Steuervorrichtung, die mit dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Erzeugen eines ersten Steuersignals zum Einschalten oder Ausschalten des ersten Schalters mit einer ersten Schaltfrequenz und eines zweiten Steuersignals zum Einschalten oder Ausschalten des zweiten Schalters mit einer zweiten Schaltfrequenz, die höher als die erste Frequenz ist.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist zum Regeln eines Einschaltens oder Ausschaltens des ersten Schalters zumindest teilweise basierend auf der Rückkopplungsspannung, die während Aus-Zyklen des ersten Schalters und des zweiten Schalters mit der zweiten Frequenz erzeugt wird.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Schalter durch eine Spannung mit Energie versorgt wird, die geringer ist als die Eingangsspannung.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 3, der weiter einen Kondensator aufweist, der mit der Hilfswicklung gekoppelt ist, wobei der Kondensator während der Aus-Zyklen des ersten Schalters und des zweiten Schalters geladen wird, und der zweite Schalter durch eine Spannung über den Kondensator mit Energie versorgt wird.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 4, wobei ein erster Schaltverlust während eines Schaltzyklus des ersten Schalters größer ist als ein zweiter Schaltverlust während eines Schaltzyklus des zweiten Schalters.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Erzeugen des zweiten Steuersignals, während die Steuervorrichtung das erste Steuersignal erzeugt, um den ersten Schalter unter Verwendung einer Pulsfrequenzmodulation zu steuern.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Erzeugen des zweiten Steuersignals in Reaktion darauf, dass die erste Schaltfrequenz unter eine vorgegebene Schwelle fällt.
Der Schaltleistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum mehrmaligen Empfangen der Rückkopplungsspannung während eines einzelnen Aus-Zyklus des ersten Schalters.
Ein Schaltleistungswandler, der aufweist: einen Transformator, der eine Primärwicklung umfasst, die mit einer Eingangsspannung gekoppelt ist, eine Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang des Schaltleistungswandlers gekoppelt ist, und eine Hilfswicklung auf einer primären Seite des Transformators, wobei die Ausgangsspannung über die Sekundärwicklung als Rückkopplungsspannung über die Hilfswicklung reflektiert ist; einen Schalter, der mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, wobei Strom in der Primärwicklung in Reaktion darauf erzeugt wird, dass der Schalter eingeschaltet wird, und nicht erzeugt wird in Reaktion darauf, dass der Schalter ausgeschaltet wird; eine Steuervorrichtung, die mit dem Schalter gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Erzeugen eines Steuersignals zum Einschalten oder Ausschalten des Schalters mit einer ersten Schaltfrequenz, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist zum Bestimmen der Rückkopplungsspannung mehrmals während eines einzelnen Aus-Zyklus des Schalters.
Ein Verfahren zum Steuern eines Schaltleistungswandlers, wobei der Schaltleistungswandler einen Transformator umfasst mit einer ersten Primärwicklung, die mit einer Eingangsspannung gekoppelt ist, einer zweiten Primärwicklung, einer Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang des Schaltleistungswandlers gekoppelt ist, und einer Hilfswicklung auf einer primären Seite des Transformators, wobei die Ausgangsspannung über die Sekundärwicklung als Rückkopplungsspannung über die Hilfswicklung reflektiert ist, einen ersten Schalter, der mit der ersten Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter, der mit der zweiten Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen eines ersten Steuersignals zum Einschalten oder Ausschalten des ersten Schalters mit einer ersten Schaltfrequenz; Erzeugen eines zweiten Steuersignals zum Einschalten oder Ausschalten des zweiten Schalters mit einer zweiten Schaltfrequenz, die höher ist als die erste Schaltfrequenz; und Bestimmen der Rückkopplungsspannung in jedem Aus-Zyklus des zweiten Schalters.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, das weiter aufweist ein Regeln eines Einschaltens oder Ausschaltens des ersten Schalters basierend zumindest teilweise auf der Rückkopplungsspannung, die während Aus-Zyklen des ersten Schalters und des zweiten Schalters mit der zweiten Frequenz erzeugt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der zweite Schalter durch eine Spannung mit Energie versorgt wird, die geringer ist als die Eingangsspannung.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Schaltleistungswandler weiter einen Kondensator aufweist, der mit der Hilfswicklung gekoppelt ist, und wobei das Verfahren weiter aufweist ein Laden des Kondensators während der Aus-Zyklen des ersten Schalters und des zweiten Schalters, und der zweite Schalter durch die Spannung über den Kondensator mit Energie versorgt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei ein erster Schaltverlust während eines Schaltzyklus des ersten Schalters größer ist als ein zweiter Schaltverlust während eines Schaltzyklus des zweiten Schalters.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, das weiter aufweist ein Erzeugen des zweiten Steuersignals während eines Erzeugens des ersten Steuersignals, um den ersten Schalter unter Verwendung einer Pulsfrequenzmodulation zu steuern.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das zweite Steuersignal in Reaktion darauf erzeugt wird, dass die erste Schaltfrequenz unter eine vorgegebene Schwelle fällt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, das weiter aufweist ein mehrmaliges Empfangen der Rückkopplungsspannung während eines einzelnen Aus-Zyklus des ersten Schalters.
Ein Verfahren zum Steuern eines Schaltleistungswandlers, wobei der Schaltleistungswandler einen Transformator umfasst mit einer ersten Primärwicklung, die mit einer Eingangsspannung gekoppelt ist, einer zweiten Primärwicklung, einer Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang des Schaltleistungswandlers gekoppelt ist, und einer Hilfswicklung auf einer primären Seite des Transformators, wobei die Ausgangsspannung über die Sekundärwicklung als Rückkopplungsspannung über die Hilfswicklung reflektiert ist, wobei der Schaltleistungswandler auch einen Schalter umfasst, der mit der ersten Primärwicklung des Transformators gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen eines Steuersignals zum Einschalten und Ausschalten des Schalters mit einer Schaltfrequenz; und mehrmaliges Bestimmen der Rückkopplungsspannung während eines einzelnen Aus-Zyklus des Schalters.