精確的輸出功率檢測的制作方法
【專利摘要】一種開關(guān)功率變換器，其向負(fù)載提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出功率。開關(guān)功率變換器包括變壓器和開關(guān)，該變壓器包括耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至開關(guān)功率變換器的輸出的次級繞組；以及在變壓器的初級側(cè)的輔助繞組，該開關(guān)耦合至變壓器的初級繞組?？绱渭壚@組的輸出電壓被反映為跨輔助繞組的反饋電壓。開關(guān)功率變換器基于變壓器的復(fù)位時間來檢測輸出電流。基于所檢測的輸出功率，開關(guān)功率變換器控制開關(guān)的開關(guān)以提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出功率。
【專利說明】精確的輸出功率檢測
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年6月19日提交的美國臨時專利申請N0.61/837，079的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用合并到本文中。

【背景技術(shù)】
[0003]本公開內(nèi)容總體上涉及開關(guān)電源，更具體地涉及一種具有初級側(cè)感測和反饋的功率極限檢測。
[0004]反激功率變換器包括用于從電源向負(fù)載遞送電功率的功率級。圖1圖示了示例反激功率變換器100。功率級中的開關(guān)102將負(fù)載104電耦合至電源(未示出)或者將負(fù)載104從電源上去耦合(未示出)，并且耦合至開關(guān)102的開關(guān)控制器106控制開關(guān)102的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間。該開關(guān)102的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間可以通過控制器106基于表示輸出功率、輸出電壓或輸出電流的反饋信號以調(diào)節(jié)該輸出功率、輸出電壓或輸出電流而修改。能量在開關(guān)102導(dǎo)通時存儲在變壓器108的氣隙中而在開關(guān)102關(guān)斷時被傳送至負(fù)載。
[0005]功率變換器100通過測量輸出電壓V_out來檢測輸出功率，從而將其反饋至初級側(cè)控制器106。將輸出電壓V_out與參考電壓Vkef比較，并且將得到的誤差信號V。饋送到控制器106中用于控制開關(guān)102。使用圖1所示的輸出電壓，由下式給出輸出功率P。:
I/ KVr\^
[0006]P0 = JLmFsw(EFF)
[0007]其中，Lm為變壓器108的磁化電感，F(xiàn)sff為開關(guān)102的開關(guān)頻率，EFF為功率變換器100的工作效率，K為常數(shù)。不同功率變換器之間的磁化電感Lm和工作效率EFF可以有很大變化，并且V。根據(jù)負(fù)載變化。
[0008]圖2圖示了跨輸出電壓范圍的通過變換器100檢測的輸出功率。，Pout上邊界202和Pwt下邊界204分別表示輸出功率基于Lm、Vc和EFF的可能值的范圍的高邊界和低邊界。具體地，功率極限檢測范圍208指示在給定功率極限閾值電壓206處所檢測的輸出功率的可能值的范圍。如圖2A所示，變換器100的功率極限檢測范圍208很大，意味著變換器100確定輸出功率的精度很低。
[0009]圖3圖示了在功率變換器具有很大變化的功率極限檢測范圍時大量的設(shè)計考慮。功率變換器通常被設(shè)計成在正常工作范圍310內(nèi)工作，其包括在最大額定功率閾值311以下的輸出功率的電平。如果正常工作功率范圍310與最小功率極限檢測閾值215重疊，則通過功率變換器100檢測的輸出功率可能產(chǎn)生故障功率極限觸發(fā)。為了防止正常工作功率范圍310與功率極限檢測閾值215之間的重疊，在正常工作范圍310與功率極限檢測范圍208之間設(shè)計了很小的工作裕度312。這增加了最大額定功率閾值311與最大功率極限檢測點(diǎn)217之差。然而，功率變換器100可以在最大額定功率閾值311之上工作很短一段時間。相應(yīng)地，為了防止對變換器100的熱損壞，變換器100被設(shè)計成工作高達(dá)最大功率極限檢測點(diǎn)217。因?yàn)閺淖畲箢~定功率閾值311至最大功率極限檢測點(diǎn)217的范圍很大，所以將功率變換器的部件的熱設(shè)計和工作額定值超裕度涉及以實(shí)現(xiàn)高達(dá)最大功率極限檢測點(diǎn)217的安全工作模式。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本文中所描述的實(shí)施方式包括一種用于感測開關(guān)功率變換器的輸出功率的系統(tǒng)和方法。開關(guān)功率變換器包括變壓器，該變壓器包括耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至開關(guān)功率變換器的輸出的次級繞組、以及在變壓器的初級側(cè)的輔助繞組。開關(guān)耦合至變壓器的初級繞組。初級繞組中的電流響應(yīng)于開關(guān)導(dǎo)通而生成，而非響應(yīng)于開關(guān)關(guān)斷而生成。跨次級繞組的輸出電壓在開關(guān)的關(guān)斷周期期間被反映為跨輔助繞組的反饋電壓。輸出功率檢測器基于變壓器的復(fù)位時間來檢測開關(guān)功率變換器的輸出電流。輸出功率檢測器生成指示輸出功率的控制信號并且向控制器提供控制信號，該控制器被配置成控制開關(guān)的開關(guān)以調(diào)節(jié)輸出功率。
[0011]與取決于向變壓器的磁化電感的功率變換器的輸入電壓的知識的方法相比，通過使用變壓器的初級側(cè)的反饋電壓來檢測開關(guān)功率變換器的輸出功率，該開關(guān)功率變換器能夠更精確地檢測輸出功率。相應(yīng)地，開關(guān)功率變換器的實(shí)施方式向負(fù)載提供了在開關(guān)功率變換器或者負(fù)載的功率極限之上的功率輸出。
[0012]說明書中所描述的特征和優(yōu)點(diǎn)不全是包括性的，具體地，鑒于附圖、說明書和權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員將很清楚很多其他特征和優(yōu)點(diǎn)。此外，應(yīng)當(dāng)注意，說明書中所使用的語言主要被選擇用于易讀性目的和說明目的，而非選擇用于描寫或限制本發(fā)明的主題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]通過結(jié)合附圖考慮以下詳細(xì)描述，可以很容易理解各個實(shí)施方式的教導(dǎo)。
[0014]圖1圖示了示例反激功率變換器；
[0015]圖2圖示了通過示例反激功率變換器檢測的示例輸出功率電平；
[0016]圖3圖示了示例反激功率變換器的示例功率輸出范圍；
[0017]圖4圖示了具有初級側(cè)功率檢測的開關(guān)功率變換器的一個實(shí)施方式；
[0018]圖5A圖示了通過具有初級側(cè)功率檢測的開關(guān)功率變換器檢測的輸出功率；以及
[0019]圖5B圖示了具有初級側(cè)功率檢測的開關(guān)功率變換器的示例功率輸出范圍。

【具體實(shí)施方式】
[0020]附圖和以下描述僅通過說明的方式涉及各個實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)以下討論，可以很容易地將本文中所公開的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí)施方式認(rèn)識為可以在不脫離要求保護(hù)的本發(fā)明的原理的情況下采用的可變備選。
[0021]現(xiàn)在，將詳細(xì)地參考若干實(shí)施方式，其示例在附圖中示出。應(yīng)當(dāng)注意，只要可行，相似的或者相同的附圖標(biāo)記可以在附圖中使用，并且可以指示相似的或者相同的功能。附圖僅出于說明目的描繪了本發(fā)明的實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以下描述將很容易理解的是，本文中所說明的結(jié)構(gòu)和方法的備選實(shí)施方式可以在不脫離本文中所描述的本發(fā)明的原理的情況下采用。
[0022]本文中所描述的開關(guān)功率變換器的實(shí)施方式被配置成使用初級側(cè)電壓反饋來感測輸出功率。與依賴于不同功率變換器之間可以有很大變化的因子的表示例如包括在功率變換器中的變壓器的磁化電感的方法相比，通過基于初級側(cè)反饋來檢測輸出功率，本文中所描述的開關(guān)功率變換器的多種實(shí)施方式能夠更精確地檢測輸出功率。
[0023]圖4圖示了具有初級側(cè)功率檢測的開關(guān)功率變換器400的一個實(shí)施方式。該開關(guān)功率變換器400包括變壓器、開關(guān)403、開關(guān)控制器401和輸出功率檢測電路405等部件，該變壓器具有初級繞組402、次級繞組416和輔助繞組408。
[0024]功率變換器400從AC電源(未示出)接收AC功率，將該AC功率整流以提供經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸入電&V_IN。輸入電壓V_IN耦合至初級繞組402。在開關(guān)403的導(dǎo)通周期期間，因?yàn)槎O管D1被反向偏置，所以能量存儲在初級繞組402中。在開關(guān)403的導(dǎo)通周期期間，電阻器Rsense以跨電阻器Rsense的電壓的形式感測初級側(cè)峰值電流IPEAK。在開關(guān)403的關(guān)斷周期期間，因?yàn)槎O管D1變?yōu)檎蚱茫猿跫壚@組402中存儲的能量被釋放給次級繞組416并且跨電容器Ctl向負(fù)載LI傳送。二極管D1對次級繞組416上的輸出電壓進(jìn)行整流，并且電容器Ctl對次級繞組416上的輸出電壓進(jìn)行濾波，以用于輸出為跨負(fù)載LI的輸出電壓412。在開關(guān)403的關(guān)斷周期期間，輸出電壓V。被反映為跨輔助繞組408的反饋電
? ^SENSE0
[0025]輸出功率檢測電路405使用初級側(cè)電流Ipeak和反饋電壓Vsense來確定跨負(fù)載LI的功率輸出Pwt。通過使用Ipeak,輸出功率檢測電路405確定開關(guān)403的關(guān)斷周期期間的平均輸出電流Ιο。在一個實(shí)施方式中，輸出功率檢測電路405通過以下等式來確定平均輸出電流10:
rnnoci T — i I I I MC^)
[。。26] PS
[0027]其中，Nps為初級繞組402與次級繞組416的匝數(shù)比。Ipeak為導(dǎo)通時間期間初級開關(guān)的峰值電流值。值tret為次級繞組416的復(fù)位時間，其對應(yīng)于變壓器的次級側(cè)的電流脈沖的持續(xù)時間。tret的一個測量值為從初級電流Ipeak的下降沿到跨輔助繞組408的電壓Vsense的下降沿的持續(xù)時間。值％為開關(guān)403的開關(guān)周期的時段、或者開關(guān)403的導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間之和。通過使用所確定的輸出電流Itl,輸出功率檢測電路405根據(jù)等式Ptjut = V0^10來確定輸出功率Ptjut并且生成表示所確定的輸出功率的控制信號406。
[0028]初級側(cè)開關(guān)控制器401從輸出功率檢測電路405接收指示輸出功率Ptjut的控制信號406并且至少部分基于該控制信號406來調(diào)節(jié)開關(guān)403的開關(guān)。開關(guān)控制器401生成用于導(dǎo)通或關(guān)斷開關(guān)403的控制信號414以調(diào)節(jié)輸出電壓Vtl和輸出電流開關(guān)控制器401可以采用大量調(diào)制技術(shù)中的任一調(diào)制技術(shù)，比如脈沖寬度調(diào)制(PWM)或脈沖頻率調(diào)制(PFM)，以基于反饋電壓Vsense來控制開關(guān)403的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)以及占空比，從而調(diào)節(jié)輸出功率P-。
[0029]在一個實(shí)施方式中，開關(guān)控制器401被配置成控制開關(guān)403的開關(guān)以將輸出功率Pwt維持在期望電平。例如，當(dāng)以恒定的輸出電壓工作時，開關(guān)控制器401控制開關(guān)403以增加或減少穿過負(fù)載的電流從而實(shí)現(xiàn)期望輸出功率Pwt。在一個實(shí)施方式中，開關(guān)控制器401獨(dú)立于變壓器的磁化電感的表示來控制開關(guān)403的開關(guān)。
[0030]與取決于至功率變換器400的輸入電壓或者變壓器的磁化電感的知識的方法相t匕，通過使用初級側(cè)反饋來檢測輸出功率Ptjut,輸出功率檢測電路405能夠更精確地檢測PoutO圖5A圖示了跨輸出電壓V。范圍的通過檢測電路405檢測的輸出功率。Ptjut上邊界502和Ptjut下邊界504分別表示由輸出功率檢測電路405檢測的輸出功率電平的高邊界和低邊界。即，對于給定輸出電壓Vtl，輸出功率檢測電路405檢測用上邊界502和下邊界504表示的容限內(nèi)的輸出功率。例如，給定功率極限閾值電壓506，輸出功率檢測電路405檢測在低功率電平檢測極限值515與高功率電平檢測極限值517之間的功率極限檢測范圍508內(nèi)的來自功率變換器400的功率輸出。該功率極限閾值電壓506指示用于功率變換器400的電壓額定值或者由功率變換器400驅(qū)動的負(fù)載的電壓額定值。例如，功率變換器400或負(fù)載的熱設(shè)計基于在功率極限閾值506以下遞送輸出電壓的功率變換器400。
[0031]圖5B圖示了根據(jù)本文中所描述的各個實(shí)施方式的功率變換器400的示例功率輸出范圍。圖5B所示的示例功率輸出范圍表示恒定電壓比如功率極限閾值電壓506下的功率變換器400的各個功率輸出。橫跨功率額定值511以下的功率輸出范圍的正常工作模式510表示功率變換器400或者負(fù)載LI可以安全地工作持續(xù)延長的一段時間的功率電平。功率額定值511表示功率變換器400或負(fù)載LI的熱設(shè)計和工作額定值。然而，在很短的一段時間內(nèi)，功率變換器400可以在受限工作模式512下工作，以從功率額定值511延伸至峰值功率電平513。該峰值功率電平513表示功率變換器400或負(fù)載LI的工作范圍的上邊界。例如，峰值功率電平513由負(fù)載LI的制造商來指定為負(fù)載LI汲取的功率的上邊界。因?yàn)楣β蕵O限檢測范圍508在功率電平513之上，所以功率變換器400可以安全地在受限工作模式512下工作，即使功率變換器400或者負(fù)載LI被設(shè)計成在功率額定值511下工作。
[0032]在一個實(shí)施方式中，開關(guān)控制器401監(jiān)測功率變換器400的功率輸出在功率額定值511之上的時間量。例如，開關(guān)控制器401在輸出功率從正常工作模式510向受限工作模式512過渡時開始定時器。如果功率變換器400以受限工作模式512工作的時間量超過時間閾值或者占空比閾值，則開關(guān)控制器401檢測故障狀態(tài)。作為響應(yīng)，開關(guān)控制器401降低向負(fù)載遞送的輸出功率以降低部件載荷和熱損耗。
[0033]由于其相對較小的功率極限檢測范圍，本文中所描述的功率變換器400可以用于以接近該負(fù)載的功率極限閾值來向負(fù)載遞送功率。當(dāng)以接近功率極限閾值的功率電平來驅(qū)動負(fù)載時，精確的功率電平檢測對于避免對負(fù)載的熱損壞很重要。在一個實(shí)施方式中，功率變換器400被合并到電源中，其被設(shè)計成在額定功率電平或額定功率電平之上工作很短一段時間。例如，功率變換器400用來向打印機(jī)提供功率。在打印任務(wù)期間，打印機(jī)可能偶然以受限工作模式512工作很短持續(xù)時間，以汲取超過功率額定值511但是在峰值功率513范圍內(nèi)的功率。由于受限工作模式512在功率極限檢測范圍508以下，所以打印機(jī)的熱設(shè)計可以被額定用于以功率額定值511來工作并且仍然能夠以受限工作模式512安全地工作很短一段時間。
[0034]雖然本文中已經(jīng)圖示和描述了具體的實(shí)施方式和應(yīng)用，然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，這些實(shí)施方式不限于本文中所公開的精確的構(gòu)造和部件，并且可以在不脫離所附權(quán)利要求中定義的這些實(shí)施方式的精神和范圍的情況，對這些實(shí)施方式的方法和裝置的布置、操作和細(xì)節(jié)做出各種修改、變化和變更。
[0035]在閱讀本公開內(nèi)容時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解系統(tǒng)的另外的備選設(shè)計。因此，雖然已經(jīng)圖示和描述了本發(fā)明的具體的實(shí)施方式和應(yīng)用，然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不限于本文中所公開的精確的構(gòu)造和部件，可以在不脫離涉及本文中的主題的任何權(quán)利要求中所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本文中所公開的本發(fā)明的方法和裝置的布置、操作和細(xì)節(jié)進(jìn)行本領(lǐng)域技術(shù)人員將很清楚的各種修改、變化和變更。
【權(quán)利要求】
1.一種開關(guān)功率變換器，包括: 變壓器，包括耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至所述開關(guān)功率變換器的輸出的次級繞組、以及在所述變壓器的初級側(cè)的輔助繞組，跨所述次級繞組的輸出電壓被反映為跨所述輔助繞組的反饋電壓； 開關(guān)，耦合至所述變壓器的所述初級繞組，所述初級繞組中的電流響應(yīng)于所述開關(guān)被接通而生成并且響應(yīng)于所述開關(guān)被關(guān)斷而不生成，所述反饋電壓在所述開關(guān)的關(guān)斷周期期間跨所述輔助繞組生成； 輸出功率檢測器，被配置成基于所述變壓器的復(fù)位時間來檢測所述開關(guān)功率變換器的輸出電流，并且基于所檢測的所述輸出電流和所述反饋電壓來生成表示所述開關(guān)功率變換器的輸出功率的控制信號；以及 控制器，耦合至所述開關(guān)，所述控制器被配置成基于表示所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率的所述控制信號來控制所述開關(guān)的開關(guān)以調(diào)節(jié)所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)功率變換器，其中所述輸出功率檢測器被配置成通過以下來檢測所述輸出電流: 使用跨所述輔助繞組的所述反饋電壓來檢測所述變壓器的所述復(fù)位時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)功率變換器，其中檢測所述變壓器的所述復(fù)位時間包括: 檢測在所述開關(guān)的接通周期期間所述變壓器的所述初級側(cè)的電流； 檢測所述初級側(cè)電流的下降沿與跨所述輔助繞組的所述反饋電壓的下降沿之間的時間；以及 確定所述變壓器的所述復(fù)位時間作為所述檢測時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)功率變換器，其中所述輸出功率檢測器被配置成基于所述變壓器的所述復(fù)位時間與所述開關(guān)的開關(guān)周期時段之比來檢測所述輸出電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)功率變換器，其中所述控制器被配置成控制所述開關(guān)的開關(guān)以在功率極限之上向負(fù)載遞送功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)功率變換器，其中所述控制器還被配置成: 監(jiān)測向所述負(fù)載遞送的功率在所述功率極限之上的時間量；以及 響應(yīng)于所述時間量超過時間閾值而生成故障狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)功率變換器，其中所述控制器還被配置成響應(yīng)于生成所述故障狀態(tài)來降低所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率。
8.一種用于控制開關(guān)功率變換器的方法，所述開關(guān)功率變換器包括變壓器和第一開關(guān)，所述變壓器具有耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至所述開關(guān)功率變換器的輸出的次級繞組、以及在所述變壓器的初級側(cè)的輔助繞組，所述第一開關(guān)耦合至所述變壓器的所述初級繞組，跨所述次級繞組的輸出電壓被反映為跨所述輔助繞組的反饋電壓，所述方法包括: 基于所述變壓器的復(fù)位時間來檢測所述開關(guān)功率變換器的輸出電流； 基于所檢測的所述輸出電流和所述反饋電壓來生成表示所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率的控制信號；以及 基于表示所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率的所述控制信號來控制所述開關(guān)的開關(guān)以調(diào)節(jié)所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中檢測所述輸出電流包括: 使用跨所述輔助繞組的所述反饋電壓來檢測所述變壓器的所述復(fù)位時間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中檢測所述變壓器的所述復(fù)位時間包括: 檢測在所述開關(guān)的接通周期期間所述變壓器的所述初級側(cè)的電流； 檢測所述初級側(cè)電流的下降沿與跨所述輔助繞組的所述反饋電壓的下降沿之間的時間；以及 確定所述變壓器的所述復(fù)位時間作為所述檢測時間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述輸出電流基于所述變壓器的所述復(fù)位時間與所述開關(guān)的開關(guān)周期的時段之比來檢測。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率包括控制所述開關(guān)的開關(guān)以在功率極限之上向負(fù)載遞送功率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括: 監(jiān)測向所述負(fù)載遞送的功率在所述功率極限之上的時間量；以及 響應(yīng)于所述時間量超過時間閾值來生成故障狀態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括響應(yīng)于生成所述故障狀態(tài)來降低所述開關(guān)功率變換器的所述輸出功率。
【文檔編號】H02M3/335GK104242661SQ201410274117
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月19日
【發(fā)明者】史富強(qiáng), D·阮, H·H·布伊, 李勇, 姚建明 申請人:戴樂格半導(dǎo)體公司