新型電能管理集成電路配置的制作方法
【專利摘要】開關(guān)模式電力變換器包括反饋機(jī)制，通過這種機(jī)制，電力變換器次級(jí)側(cè)產(chǎn)生具有準(zhǔn)確定義的完整性的脈沖編碼列，并且發(fā)送至初級(jí)側(cè)，由波形分析器解碼和應(yīng)用從而調(diào)節(jié)電力變換器輸出。脈沖列由次級(jí)側(cè)控制器調(diào)制并且跨過電隔離阻擋層發(fā)送。主變壓器被用作從電力變換器次級(jí)側(cè)至初級(jí)側(cè)的信號(hào)發(fā)送器。編碼脈沖列由初級(jí)側(cè)的控制器識(shí)別并解析為用于主開關(guān)元件的調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。發(fā)送的編碼脈沖列可以嵌入允許電隔離阻擋層充當(dāng)容性信號(hào)發(fā)送器的高頻調(diào)制。
【專利說明】新型電能管理集成電路配置
[0001]相關(guān)申請
[0002]本專利申請依據(jù)35U.S.C.119(e)要求了 2013年3月15日提交的題為“New PowerManagement Integrated Circuit Partitioning”的還未審批的序列號(hào)為 61/793，099 的美國臨時(shí)申請的優(yōu)先權(quán)。本申請通過引用將序列號(hào)為61/793，099的美國臨時(shí)申請整體合并到本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明一般來說涉及電力變換器領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及電力變換器的控制。

【背景技術(shù)】
[0004]在很多應(yīng)用中，需要電力變換器來提供從具有不同電壓電平的電壓源形成的預(yù)定范圍內(nèi)的電壓。如果供電跌落到特定范圍之外，一些電路會(huì)遭受不確定和不希望的運(yùn)作甚至?xí)馐懿豢赏旎氐膿p壞。更具體地說，在一些應(yīng)用中，在已知時(shí)段需要精確的電量。這被稱為穩(wěn)壓電源。
[0005]為了控制電力變換器傳送按需的精確電量，需要電力變換器的某種形式的控制。該控制可以發(fā)生在隔離變壓器的初級(jí)側(cè)或次級(jí)側(cè)。閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，即監(jiān)測電路中的某些參量，諸如電路輸出電壓，以及它們的變化趨勢，并將這些參量調(diào)節(jié)到基本上恒定的值。電力變換器次級(jí)側(cè)的控制可以使用監(jiān)測的輸出電壓作為反饋控制，但是需要使用從隔離變壓器的次級(jí)側(cè)到初級(jí)側(cè)的一些通信來控制初級(jí)側(cè)開關(guān)參量。初級(jí)側(cè)的控制可以容易地控制初級(jí)側(cè)開關(guān)參量，但是需要從次級(jí)側(cè)到初級(jí)側(cè)的一些反饋機(jī)制以傳遞監(jiān)測參量的狀態(tài)。在一些應(yīng)用中，使用光耦合器電路，或光耦合器來發(fā)送反饋信號(hào)，同時(shí)保持初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的電氣隔離。
[0006]圖1示出了包括光耦合器電路的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)開關(guān)模式電力變換器。電力變換器2被配置為傳統(tǒng)的反激型變換器。電力變換器2包括具有初級(jí)繞組Pl和次級(jí)繞組SI的隔離變壓器4。初級(jí)繞組Pl與輸入電壓Vin電氣耦接，驅(qū)動(dòng)電路包括晶體管8、電阻器12和控制器10。電容器28橫跨輸入Vin耦接并與初級(jí)繞組Pl耦接。電路的輸入電壓可以是AC電源通過整流和濾波后得到的未穩(wěn)壓的DC電壓。晶體管8是快速開關(guān)設(shè)備，諸如M0SFET，其開關(guān)由快速動(dòng)態(tài)控制器10來控制以維持所希望的輸出電壓Vout?？刂破?0與晶體管8的柵極耦接。眾所周知，通過提供給晶體管8的PWM開關(guān)信號(hào)的占空比來確定從初級(jí)繞組Pl到次級(jí)繞組SI的DC/DC變換。使用二極管6和電容器22來整流和濾波次級(jí)繞組電壓。感測電路和負(fù)載14經(jīng)由二極管6并聯(lián)耦接到次級(jí)繞組SI。感測電路包括電阻器16、電阻器18和次級(jí)控制器20。次級(jí)控制器20感測負(fù)載上的輸出電壓Vout。
[0007]這樣的配置中，電力變換器由初級(jí)側(cè)的驅(qū)動(dòng)電路控制，耦接于輸出的負(fù)載與控制相隔離。這樣，需要用于電壓調(diào)節(jié)的監(jiān)測的輸出電壓來作為由次級(jí)側(cè)到初級(jí)側(cè)控制的反饋。電力變換器2具有電壓調(diào)節(jié)電路，包括次級(jí)控制器20和光耦合器電路。光耦合器電路包括兩個(gè)電力隔離組件，耦接于次級(jí)控制器20的光二極管24和耦接于控制器10的光敏晶體管26。光二極管24跨過由變壓器4構(gòu)成的隔離阻擋層提供與光敏晶體管26的光通信。光耦合器電路與次級(jí)控制器20共同為控制10提供反饋?？刂破?0由此調(diào)節(jié)晶體管8的占空比來補(bǔ)償輸出電壓Vout的任意變化。
[0008]但是，光耦合器電路的使用和電路本身都帶來問題。首先，光耦合器電路帶來額外的費(fèi)用。在一些應(yīng)用中，光耦合器電路對(duì)于電力變換器增加的費(fèi)用大于隔離變壓器。光耦合器電路還增加了制造和測試成本。此外，光耦合器電路的性能隨著時(shí)間遞減，由此在整個(gè)電力變換器中引入其他潛在的故障點(diǎn)。并且，必須在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中考慮光耦合器電路的特性。例如，光二極管組件是非線性的，因此必須建立光二極管和光敏晶體管之間的相關(guān)性。光耦合器電路具有與光二極管和光敏晶體管的運(yùn)行相關(guān)的延遲，并且光二極管的運(yùn)行需要明確定義的DC電平。由此，通常期望避免使用光耦合器電路。
[0009]下一代的反饋控制不使用光控電路。而是使用變壓器將次級(jí)側(cè)的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)傳遞至初級(jí)側(cè)。在這樣的應(yīng)用中，變壓器包括磁耦接到次級(jí)繞組的初級(jí)側(cè)的輔助繞組。圖2示出了包括磁耦接反饋電路的傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電力變換器。電力變換器32被配置為傳統(tǒng)的反激型變換器。電力變換器32包括具有初級(jí)繞組Pl和次級(jí)繞組SI的隔離變壓器34。初級(jí)繞組Pl電耦接到輸入電壓Vin，驅(qū)動(dòng)電路包括晶體管44、電阻器46和控制器42。電容器58跨越輸入Vin耦接并與初級(jí)繞組Pl耦接。電路的輸入電壓可以是來源于經(jīng)整流和濾波后的AC電源的未穩(wěn)壓的DC電壓。與圖1的電力變換器類似，晶體管44是快速開關(guān)設(shè)備，由快速動(dòng)態(tài)控制器42來控制以維持在所希望的輸出電壓Vout。使用二極管36和電容器38來整流和濾波次級(jí)繞組電壓，輸出電壓Vout被傳送至負(fù)載40。
[0010]電力變換器32具有反饋環(huán)，其包括耦接到變壓器34的次級(jí)繞組SI和控制器42的磁耦接的反饋電路。磁耦接反饋電路包括二極管48、電容器50、電阻器52和54以及輔助繞組56。輔助繞組56并聯(lián)耦接到串聯(lián)電阻器52和54。
[0011]電壓VA正比于輔助繞組56兩端的電壓。電壓VA作為反饋電壓VFB提供給控制器42。電阻器44上的電流同樣作為反饋電流IFB提供給控制器42?？刂破?2包括實(shí)時(shí)波形分析器來分析輸入反饋信號(hào)，諸如反饋電壓VFB和反饋電流IFB。
[0012]輔助繞組56還磁耦接到次級(jí)繞組SI。當(dāng)流過二極管36的電流為零時(shí)，次級(jí)繞組SI兩端的電壓等于輔助繞組56兩端的電壓。這樣的關(guān)系為將輸出電壓Vout作為反饋通信到電路初級(jí)側(cè)提供了手段。當(dāng)確定通過二極管36的電流為零時(shí)，測量輔助繞組56兩端的電壓，由此為次級(jí)繞組SI兩端的電壓提供測量，從而為輸出電壓Vout提供測量。
[0013]確定當(dāng)二極管36的電流為零時(shí)的反饋電壓VFB，并將之稱作“電壓感測”，確定當(dāng)二極管36的電流為零時(shí)的反饋電流IFB并將之稱作“電流感測”。電壓感測和電流感測輸入到控制器42中的實(shí)時(shí)波形分析器。圖3示出了傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)波形分析器60的功能框圖。誤差放大器62和64是調(diào)節(jié)手段的接收器，這個(gè)配置中，調(diào)節(jié)手段是感測電壓和感測電流。誤差放大器將輸入的感測電壓與參考電壓相比較，并輸出第一差值。第一差值被按照誤差放大器62的增益進(jìn)行放大。誤差放大器64將放大的第一差值與感測電流相比較，并輸出第二差值，該第二差值為“高”或“低”。脈寬調(diào)制(PWM)模塊66被配置為數(shù)字觸發(fā)器設(shè)備。PWM模塊66的輸出根據(jù)時(shí)鐘68的開關(guān)頻率設(shè)定，并由誤差放大器64輸入的“高”或“低”值來復(fù)位。應(yīng)用至復(fù)位引腳的可變信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)作為由脈寬調(diào)制的脈沖列的輸出信號(hào)。多輸入端“或門” 70輸入時(shí)鐘信號(hào)、脈沖列信號(hào)、關(guān)斷信號(hào)、以及0VP/UVP/0TP信號(hào)，其中OVP表示“過壓保護(hù)”，“UVP”表示“欠壓保護(hù)”而“OTP”表示“過熱保護(hù)”。波形分析器被配置為，當(dāng)“或門”的輸入之一為“高”時(shí)輸出高電壓值，或者“或門”的所有輸入為低時(shí)輸出低電壓值。由波形分析器輸出的高電壓值對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通圖2中的晶體管44。低電壓值對(duì)應(yīng)于關(guān)斷晶體管44。“或門”還使得能夠通過監(jiān)測異常情況，如欠壓，過壓，過熱等將PWM模塊66輸出的高電壓信號(hào)傳播至輸出端。以這種方式，可以改變每個(gè)脈沖的脈寬，從而將輸出電壓調(diào)整為穩(wěn)壓。
[0014]一般來說，波形分析器的控制復(fù)雜性與控制自變量取樣相校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能性能。取樣自變量是電流、電壓和阻抗的形式。系統(tǒng)的功能性能是脈寬調(diào)制(PWM)、脈頻調(diào)制(PFM)和脈幅調(diào)制(PAM)的形式。圖3中的波形分析器限定為DC或?qū)崟r(shí)開關(guān)波形的信號(hào)處理。在任一情況下，波形分析器接收的反饋信號(hào)需要某些狀態(tài)完整性，諸如DC電平?jīng)]有噪音，開關(guān)波形沒有擾動(dòng)，并在某種程度上表示為模擬和數(shù)字表示的組合?？巛o助繞組兩端的電壓典型地形成為脈沖列，其頻率對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)晶體管的開關(guān)頻率。當(dāng)次級(jí)繞組電流為零，對(duì)應(yīng)于二極管36的電流為零時(shí)，輔助繞組兩端的電壓對(duì)應(yīng)于脈沖的下降沿。這樣，測量準(zhǔn)確電壓值需要，特別是在下降沿，利用足夠的脈沖完整性準(zhǔn)確定義脈沖。此外，直接跟隨上升沿的電壓值包括由變壓器漏抗引起的激振(ringing)。這樣，脈沖完整性也需要電壓值具有足夠時(shí)間去穩(wěn)定追隨上升沿。更高的開關(guān)頻率使脈寬最小化，并由此提供用于電壓穩(wěn)定的更短的時(shí)間。至少由于這些原因，通常很難實(shí)現(xiàn)具有足夠脈沖完整性的脈沖。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]開關(guān)模式電力變換器的實(shí)施例涉及一種反饋機(jī)制，通過這種機(jī)制，電力變換器次級(jí)側(cè)產(chǎn)生具有準(zhǔn)確定義的完整性的脈沖編碼列，并發(fā)送至初級(jí)側(cè)，由波形分析器解碼和應(yīng)用從而調(diào)節(jié)電力變換器輸出。脈沖列由次級(jí)側(cè)控制器調(diào)制。這樣的技術(shù)允許在電隔離阻擋層上發(fā)送調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)而無需使用光耦合電路。編碼信息通過調(diào)制脈沖列的脈沖包含于編碼脈沖列中，包括但不限于，脈沖寬度、脈沖幅度、脈沖頻率、或它們的任意組合。例如，脈沖列可以由多個(gè)脈沖在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)調(diào)制，或者由多個(gè)具有不同幅度的脈沖在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)調(diào)制。在一些實(shí)施例中，主變壓器被用作從電力變換器次級(jí)側(cè)至初級(jí)側(cè)的信號(hào)發(fā)送器。在一些實(shí)施例中，脈沖編碼列由初級(jí)側(cè)的控制器識(shí)別并被轉(zhuǎn)換為輸入至波形分析器中的觸發(fā)器電路的設(shè)置或復(fù)位信號(hào)。波形分析器產(chǎn)生脈沖列為主功率開關(guān)通電。在一些實(shí)施例中，發(fā)送的編碼脈沖列嵌入允許電隔離阻擋層充當(dāng)容性信號(hào)發(fā)送器的高頻調(diào)制。
[0016]—方面，公開了一種控制開關(guān)模式電力變換器的方法。該方法包括配置一種開關(guān)模式電力變換器，其包括變壓器、耦接至變壓器次級(jí)繞組的輸出電路、耦接至變壓器初級(jí)繞組的第一開關(guān)和耦接至第一開關(guān)的第一控制器。輸出電路包括耦接至變壓器次級(jí)繞組的第二開關(guān)、和耦接至第二開關(guān)的第二控制器。該方法還包括測量輸出電路的輸出特性(characteristic) 0該方法還包括由第二控制器驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)產(chǎn)生編碼信號(hào)。編碼信號(hào)包括基于輸出特性的編碼控制信息。該方法還包括將編碼信號(hào)從輸出電路發(fā)送至第一控制器，并由第一控制器解碼編碼信號(hào)，從而識(shí)別控制信息。該方法還包括根據(jù)控制信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使用驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一開關(guān)，從而調(diào)節(jié)輸出特性。
[0017]編碼信號(hào)可以是具有調(diào)制的多個(gè)電壓脈沖的脈沖列信號(hào)。調(diào)制的多個(gè)脈沖可通過調(diào)制脈沖幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖延遲、多個(gè)脈沖周期中的一個(gè)或多個(gè)來調(diào)制。編碼信號(hào)可在第一開關(guān)關(guān)斷期間發(fā)送。輸出特性可以是電力變換器的輸出電壓、輸出電流和輸出功率中的一個(gè)或多個(gè)?？刂菩畔⒖梢允禽敵鎏匦?。控制信息可以是控制指令。產(chǎn)生編碼信號(hào)可包括根據(jù)預(yù)定模式產(chǎn)生和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)信號(hào)至第二開關(guān)來導(dǎo)通或關(guān)斷第二開關(guān)，從而導(dǎo)致跨越變壓器的次級(jí)繞組兩端的調(diào)制的多個(gè)電壓脈沖。導(dǎo)通第二開關(guān)可使能負(fù)次級(jí)電流通過次級(jí)繞組。使能負(fù)次級(jí)電流可包括使能由輸出電路中的輸出電容器至次級(jí)繞組的另一電流通路。次級(jí)繞組可磁耦合至輔助繞組，并且輔助繞組可耦接至第一控制器，且其中發(fā)送編碼信號(hào)可包括使用次級(jí)繞組和輔助繞組之間的磁耦合來將編碼信號(hào)由輸出電路發(fā)送至第一控制器。發(fā)送編碼信號(hào)可包括使用電力變換器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的寄生電容。寄生電容可以是變壓器的寄生電容。寄生電容可以是安裝電力變換器的印刷電路板的固有電容，其中固有電容是由布置在電隔離阻擋層任一側(cè)的組件產(chǎn)生的。第一開關(guān)可以是第一晶體管，且第二開關(guān)可以是第二晶體管。
[0018]另一方面，公開了一種開關(guān)模式電力變換器。該電力變換器包括變壓器、第一開關(guān)、第一控制器、第二開關(guān)、第二控制器和感測電路。變壓器具有耦接至輸入電源電壓的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組。第一開關(guān)與初級(jí)繞組串聯(lián)耦接。第一控制器耦接至上述開關(guān)，其中第一控制器被配置為導(dǎo)通和關(guān)斷第一開關(guān)。第二開關(guān)與次級(jí)繞組串聯(lián)耦接。第二控制器耦接至第二開關(guān)，其中第二控制器被配置為導(dǎo)通和關(guān)斷第二開關(guān)。感測電路耦接至次級(jí)繞組和第二控制器，其中感測電路被配置為感測電力變換器的輸出特性。第二控制器被配置為驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)產(chǎn)生編碼信號(hào)，其中編碼信號(hào)包括基于輸出特性的編碼控制信息。變壓器被配置為信號(hào)發(fā)送器以將編碼信號(hào)由變壓器次級(jí)側(cè)發(fā)送至變壓器初級(jí)側(cè)。第一控制器被配置為解碼編碼信號(hào)以識(shí)別控制信息，根據(jù)控制信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使用驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一開關(guān)以調(diào)節(jié)輸出特性。
[0019]編碼信號(hào)可以是具有調(diào)制的多個(gè)電壓脈沖的脈沖列信號(hào)。調(diào)制的多個(gè)脈沖可通過調(diào)制脈沖幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖延遲、多個(gè)脈沖周期中的一個(gè)或多個(gè)來調(diào)制。編碼信號(hào)可在第一開關(guān)關(guān)斷期間發(fā)送。輸出特性可以是電力變換器的輸出電壓、輸出電流和輸出功率中的一個(gè)或多個(gè)?？刂菩畔⒖砂ㄝ敵鎏匦浴？刂菩畔⒖砂刂浦噶?。電力變換器還可包括耦接至第一控制器的輔助繞組，其中輔助繞組與次級(jí)繞組磁耦合。變壓器可被配置為使用次級(jí)繞組和輔助繞組之間的磁耦合將編碼信號(hào)由次級(jí)繞組發(fā)送至輔助繞組。變壓器可被配置為使用電力變換器初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的寄生電容將編碼信號(hào)由次級(jí)繞組發(fā)送至輔助繞組。寄生電容可以是變壓器的寄生電容。寄生電容可以是安裝電力變換器的印刷電路板的固有電容，其中固有電容是由布置在電隔離阻擋層任一側(cè)的組件產(chǎn)生的。第一開關(guān)可以是第一晶體管，且第二開關(guān)可以是第二晶體管。感測電路可以是分壓電路。電力變換器還可包括與第二開關(guān)并聯(lián)耦接的二極管和與二極管串聯(lián)耦接的輸出電容器，其中二極管被配置為正向偏壓時(shí)使能電流從次級(jí)繞組流向輸出電容器。第二開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸出電容器和變壓器的次級(jí)繞組之間可形成另一電流通路，且其中負(fù)次級(jí)電流經(jīng)由該另一電流通路由輸出電容器流至次級(jí)繞組。當(dāng)形成另一電流通路時(shí)，輸出電容器可放電產(chǎn)生負(fù)次級(jí)電流。輸出電路可被配置為雙向電流電路，其中第一電流流向?qū)?yīng)于正次級(jí)電流，從次級(jí)繞組流向輸出電容器且流向輸出電路的輸出端來傳送電能，且第二電流流向?qū)?yīng)于負(fù)次級(jí)電流，從輸出電容器流向次級(jí)繞組從而控制耦接于初級(jí)繞組的第一開關(guān)的通斷。電力變換器可被配置為反激型電力變換器電路、正向型電力變換器電路、推挽型電力變換器電路、半橋型電力變換器電路和全橋型電力變換器電路之一。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]參照附圖描述多個(gè)示例實(shí)施例，其中相同的組件采用相同的附圖標(biāo)記。示例實(shí)施例意在描述，但并不限制本發(fā)明。附圖包括如下圖示:
[0021]圖1示出包括光耦合器電路的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)開關(guān)模式電力變換器。
[0022]圖2示出包括磁耦接的反饋電路的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)電力變換器。
[0023]圖3示出了傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)波形分析器的功能框圖。
[0024]圖4示出了根據(jù)一種實(shí)施例的電力變換器。
[0025]圖5示出了根據(jù)一種實(shí)施例的用于處理編碼電壓脈沖列的控制器的一部分的功能框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種電力變換器。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，以下電力變換器的具體說明僅為示例，并不旨在任何方式的限定。電力變換器的其他實(shí)施例也可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的教義下很容易的得到。
[0027]現(xiàn)在參照附圖詳細(xì)描述電力變換器的實(shí)施方式。在附圖和以下詳細(xì)說明中使用相同的參考標(biāo)記來表示相同或相似的部件。清楚起見，并非所述實(shí)施方式中所有的常規(guī)特征均在此示出或描述。當(dāng)然，可以理解的是，在任意這樣實(shí)際實(shí)施方式的開發(fā)中，必須做出多個(gè)【具體實(shí)施方式】的決定來達(dá)到開發(fā)者的具體目的，例如服從于應(yīng)用和商業(yè)的相關(guān)限定，并且這些具體目的從一種實(shí)施方式到另一種實(shí)施方式，從一個(gè)開發(fā)者到另一個(gè)開發(fā)者而不同。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這樣的開發(fā)努力可能復(fù)雜耗時(shí)，但其不過是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本發(fā)明教義下進(jìn)行的常規(guī)工程。
[0028]圖4示出了根據(jù)一種實(shí)施例的電力變換器。電力變換器100被配置為在輸入節(jié)點(diǎn)Vin接收未穩(wěn)壓的DC電壓信號(hào)，并提供穩(wěn)定的輸出電壓Vout。電路的輸入電壓可以是來源于經(jīng)過整流后的AC電源的未穩(wěn)壓的DC電壓。輸入電壓通常被濾波，諸如經(jīng)由電容器102濾波。
[0029]電力變換器100被配置為反激變換器。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處描述的概念可以應(yīng)用于其他配置的開關(guān)模式變換器中，包括但不限于，正向變換器、推挽變換器、半橋變換器和全橋變換器。電力變換器100包括具有初級(jí)繞組Pl和次級(jí)繞組SI的隔離變壓器104。初級(jí)繞組Pl電耦接于輸入電壓Vin和包括開關(guān)106、感測電阻器112和控制器110的驅(qū)動(dòng)電路。開關(guān)106與變壓器104的初級(jí)繞組Pl及感測電阻器112串聯(lián)耦接?？刂破?10耦接于開關(guān)106來導(dǎo)通和關(guān)斷該開關(guān)。
[0030]電力變換器100還包括耦接于變壓器104次級(jí)繞組SI的輸出電路。輸出電路包括續(xù)流整流二極管116、開關(guān)118、控制器120和輸出電容器126。開關(guān)118與二極管116并聯(lián)耦接。二極管116的陽極與次級(jí)繞組的第一端耦接。二極管116的陰極耦接至輸出電容器126的第一端并耦接至輸出節(jié)點(diǎn)Vout。輸出電容器126跨越輸出負(fù)載耦接至Vout節(jié)點(diǎn)，負(fù)載表示為電阻器128。控制器120耦接至開關(guān)118來導(dǎo)通和關(guān)斷該開關(guān)。輸出電路還包括感測電路，被配置為測量要被調(diào)節(jié)的電路特性，如輸出電壓、輸出電流和/或輸出功率。在該示例配置中以及接下來的說明中，電源電路被描述為感測和調(diào)節(jié)輸出電壓Vout。圖4所示的示例配置中，感測電路包括電阻分壓器，包括與電容器126并聯(lián)耦接的電阻器122和124來測量電容器126兩端的電壓。應(yīng)當(dāng)理解的是，也可使用可替換感測電路來測量輸出電壓Vout?？傊袦y電路可以被配置為使用任意傳統(tǒng)技術(shù)來確定調(diào)節(jié)電路的特性值。
[0031]開關(guān)106和開關(guān)118均是合適的開關(guān)設(shè)備。在示例實(shí)施例中，開關(guān)106和輔助開關(guān)118均是η型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)設(shè)備。可替換地，本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任何其他半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備也可以替代開關(guān)106和/或開關(guān)118。接下來的描述基于η溝道MOSFET。
[0032]電力變換器100具有反饋環(huán)，包括與變壓器104的次級(jí)繞組SI和控制器110耦接的磁耦接反饋電路。磁耦接反饋電路包括二極管108、電容器130、電阻器132和134，以及輔助繞組114。輔助繞組114與串聯(lián)的電阻器132和134并聯(lián)耦接。輔助繞組114還與次級(jí)繞組SI磁耦合。當(dāng)通過二極管116的電流為零時(shí)，如果匝數(shù)比為1:1或在其他正比于匝數(shù)比的情況下，次級(jí)繞組SI兩端的電壓等于輔助繞組114兩端的電壓。這樣的關(guān)系提供了用于將次級(jí)繞組SI兩端的電壓作為反饋通信至電路初級(jí)側(cè)的手段。次級(jí)繞組SI兩端電壓值是流過次級(jí)繞組SI的次級(jí)電流的函數(shù)。流過二極管116的電流為零時(shí)，晶體管118由控制器120來選擇性地導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)晶體管118導(dǎo)通時(shí)，從充電電容器126至次級(jí)繞組SI形成可替換的電流路徑?？商鎿Q的電流路徑使得負(fù)電流能夠流過次級(jí)繞組SI。以這種方式，控制器120產(chǎn)生選擇性地導(dǎo)通或關(guān)斷晶體管118的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由此跨越次級(jí)繞組SI兩端產(chǎn)生電壓脈沖的編碼列。配置驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得電壓脈沖由編碼信息調(diào)制。以這種方式，編碼電壓脈沖列在對(duì)應(yīng)于開關(guān)106斷開且通過二極管116的正次級(jí)電流已經(jīng)下降為零的延遲期間發(fā)送。
[0033]在一些實(shí)施例中，編碼信息為所測得的要被調(diào)節(jié)的輸出電路特性，如輸出電壓Vout0這種情況下，控制器120接收感測的輸出電壓Vout，并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而導(dǎo)致跨越次級(jí)繞組SI兩端的調(diào)制的電壓脈沖列，對(duì)該脈沖列編碼以傳遞感測的輸出電壓Vout。以這種方式，編碼信號(hào)以編碼電壓脈沖列的形式產(chǎn)生，此處所測得的輸出電壓Vout的DC電平被編碼為編碼信號(hào)。編碼信息通過調(diào)制脈沖列的脈沖包含于編碼脈沖列中，包括但不限于，脈沖寬度、脈沖幅度、脈沖頻率，或它們的任意組合。例如，脈沖列可以由多個(gè)脈沖在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)調(diào)制，或者由多個(gè)具有不同幅度的脈沖在該時(shí)間段內(nèi)調(diào)制。
[0034]輔助繞組114磁耦合于次級(jí)繞組SI，并且當(dāng)通過二極管116的電流為零時(shí)，輔助繞組114兩端的電壓等于或正比于次級(jí)繞組SI兩端的電壓。這樣，經(jīng)由磁耦合的輔助繞組114和次級(jí)繞組SI，跨過電隔離阻擋層發(fā)送編碼電壓脈沖列。
[0035]當(dāng)晶體管106關(guān)斷且通過二極管116的電流為零時(shí)，測得跨越輔助繞組114兩端的編碼電壓脈沖列。電壓VA正比于輔助繞組114兩端的電壓并由此表示編碼電壓脈沖列。電壓VA作為反饋電壓VFB提供給控制器110，其中反饋電壓VFB表示編碼電壓脈沖列。對(duì)照其中反饋電壓VFB為主晶體管44每個(gè)開關(guān)周期中的單個(gè)脈沖的圖2中的傳統(tǒng)電力變換器，輸入至控制器110的反饋?zhàn)儔篤FB為主晶體管106每個(gè)開關(guān)周期中的脈沖列。脈沖列包括識(shí)別所測輸出電壓Vout的編碼信息，再次對(duì)照其中單個(gè)脈沖表示實(shí)際的輸出電壓Vout的圖2的傳統(tǒng)電力變換器。
[0036]控制器110被配置為接收反饋電壓FB。通過晶體管106的電流還作為反饋電流IFB提供至控制器110。控制器110包括實(shí)時(shí)波形分析器，分析輸入反饋信號(hào)，如反饋電壓VFB和反饋電流IFB。圖5示出了根據(jù)一種實(shí)施例的控制器110的一部分的功能框圖，該控制器用于處理編碼電壓脈沖列。輸入控制器110的反饋電壓VFB由脈沖列接收器140接收。脈沖列接收器是諸如高通濾波器的數(shù)字濾波元件，對(duì)接收的編碼電壓脈沖列進(jìn)行濾波。脈沖列接收器140輸出的過濾信號(hào)輸入到信號(hào)完整性辨別器142，信號(hào)在這里被解碼并且被編碼為編碼電壓脈沖列的所測輸出電壓Vout被識(shí)別。信號(hào)完整性辨別器142產(chǎn)生和輸出對(duì)應(yīng)于識(shí)別出的輸出電壓Vout的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器144并被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的DC電平。
[0037]轉(zhuǎn)換器144輸出的DC電平輸入至波形分析器146作為“電壓感測”。反饋電流IFB輸入至波形分析器作為“電流感測”。提供電壓感測作為誤差放大器148的第一輸入。提供電流感測作為誤差放大器150的第一輸入。誤差放大器148和150是調(diào)節(jié)手段的接收器，在這個(gè)配置中，調(diào)節(jié)手段為電壓感測和電流感測。誤差放大器148比較輸入電壓感測和參考電壓并輸出第一差值。第一差值按照誤差放大器148的增益進(jìn)行放大。誤差放大器150比較放大的第一差值和電流感測并輸出第二差值，該第二差值為“高”或“低”。脈寬調(diào)制(PWM)模塊152被配置為數(shù)字觸發(fā)器設(shè)備。PWM模塊152的輸出根據(jù)時(shí)鐘154的開關(guān)頻率設(shè)定，并由誤差放大器150輸入的“高”或“低”值來復(fù)位。應(yīng)用至復(fù)位引腳的可變信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)作為由脈寬調(diào)制的脈沖列的輸出信號(hào)。多輸入端“或門” 156輸入時(shí)鐘信號(hào)、脈沖列信號(hào)、關(guān)斷信號(hào)，以及0VP/UVP/0TP信號(hào)。當(dāng)“或門”的輸入之一為“高”時(shí)，“或門” 156輸出高電壓值或者當(dāng)“或門”的所有輸入為低時(shí)，“或門”156輸出低電壓值。“或門”156的輸出由放大器158放大并輸出以驅(qū)動(dòng)晶體管106的柵極(圖4)?！盎蜷T”156輸出的高電壓值對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通圖4中的晶體管106?！盎蜷T”156輸出的低電壓值對(duì)應(yīng)于關(guān)斷晶體管106?！盎蜷T”156還使得能夠通過監(jiān)測異常情況，如欠壓，過壓，過熱等將高電壓值傳播至輸出端。以這種方式，可以修改從PWM模塊152輸出的每個(gè)脈沖的脈寬,從而將輸出電壓調(diào)整為穩(wěn)壓。
[0038]一般來說，波形分析器的控制復(fù)雜性與控制自變量取樣相校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能性能。取樣自變量可以是電流、電壓和阻抗的形式。系統(tǒng)的功能性能是脈寬調(diào)制(PWM)、脈頻調(diào)制(PFM)和脈幅調(diào)制(PAM)的形式。圖5所示的波形分析器是示例實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，也可使用可替換的電路和方法來處理變換器144輸出的DC電平，并輸出信號(hào)來適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)晶體管106。還應(yīng)當(dāng)理解的是，可以可替換地配置控制器110以處理編碼電壓脈沖列并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制晶體管106。
[0039]運(yùn)行中，電路輸出特性在開關(guān)模式電力變換器的次級(jí)側(cè)測得。在示例應(yīng)用中，電路輸出特性為輸出電壓Vout。當(dāng)初級(jí)側(cè)主晶體管關(guān)斷時(shí)，次級(jí)側(cè)控制器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制次級(jí)側(cè)晶體管。驅(qū)動(dòng)信號(hào)選擇性地導(dǎo)通和關(guān)斷次級(jí)側(cè)晶體管，從而導(dǎo)致跨越次級(jí)繞組兩端的電壓脈沖的編碼列。所測得的輸出電壓Vout被編碼為編碼電壓脈沖列。在一些實(shí)施例中，編碼電壓脈沖列通過兩個(gè)繞組之間的磁耦合由次級(jí)繞組發(fā)送至輔助繞組。在其他實(shí)施例中，使用變壓器或印刷電路板固有電容的寄生電容跨過電隔離阻擋層，將編碼電壓脈沖列由次級(jí)繞組發(fā)送至輔助繞組，這里印刷電路板電容是由于變壓器的構(gòu)造和相應(yīng)的電力變換器組件的電路布局。編碼電壓脈沖列由初級(jí)側(cè)控制器接收和解碼。初級(jí)側(cè)控制器根據(jù)解碼信息識(shí)別所測的輸出電壓Vout并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于識(shí)別的輸出電壓Vout的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為作為電壓感測輸入波形分析器的DC電平。波形分析器使用輸入電壓感測來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制初級(jí)側(cè)主晶體管并調(diào)節(jié)輸出電壓Vout。
[0040]盡管前文中編碼電壓脈沖列中的編碼信息描述為包含識(shí)別輸出電壓Vout的信息，但編碼電壓脈沖列還可以可替換地調(diào)制為包括額外的或可替換的信息。這些信息包括，但不限于，導(dǎo)通或關(guān)斷初級(jí)側(cè)主晶體管的簡單指令、短路狀態(tài)指示符或穩(wěn)壓的電壓輸出的指示符。每種類型的信息均表示為獨(dú)立編碼。
[0041 ] 在可替換配置中，使用雙向開關(guān)代替二極管116和晶體管118。雙向開關(guān)的主體二極管充當(dāng)續(xù)流二極管116。雙向開關(guān)的控制與晶體管118類似，以使能負(fù)次級(jí)電流Isec。
[0042]已經(jīng)根據(jù)合并了細(xì)節(jié)的具體實(shí)施例描述了本申請以便于理解電力變換器的構(gòu)造原理和操作。各個(gè)圖中示出和描述的多個(gè)組件可以進(jìn)行互換以達(dá)到所需結(jié)果，并且這些描述也應(yīng)當(dāng)理解為包括這樣的互換。這樣，本文提及的具體實(shí)施例和它們的細(xì)節(jié)并不意在限制所附權(quán)利要求的范圍。對(duì)于選作描述的實(shí)施例作出的修改并不脫離本申請的教義和范圍，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
【權(quán)利要求】
1.一種控制開關(guān)模式電力變換器的方法，包括: a.配置開關(guān)模式電力變換器，該電力變換器包括變壓器、耦接至變壓器次級(jí)繞組的輸出電路、耦接至變壓器初級(jí)繞組的第一開關(guān)和耦接至第一開關(guān)的第一控制器，其中輸出電路包括耦接至變壓器次級(jí)繞組的第二開關(guān)以及耦接至第二開關(guān)的第二控制器； b.測量輸出電路的輸出特性； c.由第二控制器驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)產(chǎn)生編碼信號(hào)，其中編碼信號(hào)包括基于輸出特性的編碼控制信息； d.將編碼信號(hào)由輸出電路發(fā)送至第一控制器； e.由第一控制器解碼編碼信號(hào)以識(shí)別控制信息； f.根據(jù)控制信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及 g.使用驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一開關(guān)以調(diào)節(jié)輸出特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中編碼信號(hào)包括具有調(diào)制的多個(gè)電壓脈沖的脈沖列信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中調(diào)制的多個(gè)脈沖通過調(diào)制脈沖幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖延遲以及多個(gè)脈沖周期中的一個(gè)或多個(gè)來調(diào)制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在第一開關(guān)關(guān)斷期間發(fā)送編碼信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中輸出特性為電力變換器的輸出電壓、輸出電流和輸出功率中的一個(gè)或多個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中控制信息包括輸出特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中控制信息包括控制指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中產(chǎn)生編碼信號(hào)包括根據(jù)預(yù)定模式產(chǎn)生和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)信號(hào)至第二開關(guān)來導(dǎo)通和關(guān)斷第二開關(guān)，從而導(dǎo)致跨越變壓器的次級(jí)繞組兩端的調(diào)制的多個(gè)電壓脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中導(dǎo)通第二開關(guān)使能負(fù)次級(jí)電流通過次級(jí)繞組。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中使能負(fù)次級(jí)電流包括使能由輸出電路中的輸出電容器至次級(jí)繞組的另一電流通路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中次級(jí)繞組磁耦合至輔助繞組，且輔助繞組耦接至第一控制器，且其中發(fā)送編碼信號(hào)包括使用次級(jí)繞組和輔助繞組之間的磁耦合來將編碼信號(hào)由輸出電路發(fā)送至第一控制器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)送編碼信號(hào)包括使用電力變換器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的寄生電容。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中寄生電容包括變壓器的寄生電容。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中寄生電容包括安裝了電力變換器的印刷電路板的固有電容，其中固有電容是由布置在電隔離阻擋層任一側(cè)的組件產(chǎn)生的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中第一開關(guān)包括第一晶體管，第二開關(guān)包括第二晶體管。
16.一種開關(guān)模式電力變換器，包括: a.變壓器，具有耦接至輸入電源電壓的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組； b.與初級(jí)繞組串聯(lián)耦接的第一開關(guān)；C.耦接至上述開關(guān)的第一控制器，其中第一控制器被配置為導(dǎo)通和關(guān)斷第一開關(guān)； d.與次級(jí)繞組串聯(lián)耦接的第二開關(guān)； e.耦接至第二開關(guān)的第二控制器，其中第二控制器被配置為導(dǎo)通和關(guān)斷第二開關(guān)； f.耦接至次級(jí)繞組和第二控制器的感測電路，其中感測電路被配置為感測電力變換器的輸出特性， 其中第二控制器被配置為驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)產(chǎn)生編碼信號(hào)，其中編碼信號(hào)包括基于輸出特性的編碼控制信息，且其中變壓器被配置為信號(hào)發(fā)送器以將編碼信號(hào)由變壓器次級(jí)側(cè)發(fā)送至變壓器初級(jí)側(cè)，其中第一控制器被配置為解碼編碼信號(hào)以識(shí)別控制信息，根據(jù)控制信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并使用驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一開關(guān)以調(diào)節(jié)輸出特性。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中編碼信號(hào)包括具有調(diào)制的多個(gè)電壓脈沖的脈沖列信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電力變換器，其中調(diào)制的多個(gè)脈沖通過調(diào)制脈沖幅度、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖延遲、以及多個(gè)脈沖周期中的一個(gè)或多個(gè)來調(diào)制。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中在第一開關(guān)關(guān)斷期間發(fā)送編碼信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器,其中輸出特性為電力變換器的輸出電壓、輸出電流和輸出功率中的一個(gè)或多個(gè)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16 所述的電力變換器，其中控制信息包括輸出特性。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中控制信息包括控制指令。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，還包括耦接至第一控制器的輔助繞組，其中輔助繞組與次級(jí)繞組磁耦合。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電力變換器，其中變壓器被配置為使用次級(jí)繞組和輔助繞組之間的磁耦合將編碼信號(hào)由次級(jí)繞組發(fā)送至輔助繞組。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電力變換器，其中變壓器被配置為使用電力變換器初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的寄生電容將編碼信號(hào)由次級(jí)繞組發(fā)送至輔助繞組。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電力變換器，其中寄生電容包括變壓器的寄生電容。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電力變換器，其中寄生電容包括安裝了電力變換器的印刷電路板的固有電容，其中固有電容是由布置在電隔離阻擋層任一側(cè)的組件產(chǎn)生的。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中第一開關(guān)包括第一晶體管，第二開關(guān)包括第二晶體管。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中感測電路包括分壓電路。
30.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，還包括與第二開關(guān)并聯(lián)耦接的二極管和與二極管串聯(lián)耦接的輸出電容器，其中二極管被配置為正向偏壓時(shí)使能電流從次級(jí)繞組流向輸出電容器。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的電力變換器，其中第二開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸出電容器和變壓器次級(jí)繞組之間形成另一電流通路，且其中負(fù)次級(jí)電流經(jīng)由該另一電流通路由輸出電容器流至次級(jí)繞組。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的電力變換器，其中當(dāng)形成另一電流通路時(shí)，輸出電容器放電產(chǎn)生負(fù)次級(jí)電流。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的電力變換器，其中輸出電路被配置為雙向電流電路，其中第一電流流向?qū)?yīng)于正次級(jí)電流，從次級(jí)繞組流向輸出電容器且流向輸出電路的輸出端來傳送電能，并且第二電流流向?qū)?yīng)于負(fù)次級(jí)電流，從輸出電容器流向次級(jí)繞組從而控制耦接于初級(jí)繞組的第一開關(guān)的通斷。
34.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力變換器，其中電力變換器被配置為反激型電力變換器電路、正向型電力變換器電路、推挽型電力變換器電路、半橋型電力變換器電路、和全橋型電力變換器電路之一 。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK104079175SQ201410165496
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】M·泰里弗斯 申請人:弗萊克斯電子有限責(zé)任公司