用于開(kāi)關(guān)模式電源的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】用于開(kāi)關(guān)模式電源的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2014年3月26日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/970789的權(quán)益，該申請(qǐng)因此通過(guò)引用全文結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)總體上涉及電子設(shè)備，尤其涉及一種用于開(kāi)關(guān)模式電源的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]電源系統(tǒng)在從計(jì)算機(jī)到汽車(chē)的許多電子應(yīng)用中都是普遍的。通常，電源系統(tǒng)內(nèi)的電壓通過(guò)對(duì)加載有電感器或變壓器的開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作而執(zhí)行DC/DC、DC/AC和/或AC/DC轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生。諸如降壓轉(zhuǎn)換器之類的DC-DC轉(zhuǎn)換器被用在使用多個(gè)電源的系統(tǒng)之中。例如，在汽車(chē)系統(tǒng)中，正常情況以5V電源電壓進(jìn)行操作的微控制器可以使用諸如降壓轉(zhuǎn)換器之類的開(kāi)關(guān)模式電源從12V的車(chē)載電池產(chǎn)生本地的5V電源。這樣的電源可以通過(guò)使用耦合至DC電源的高側(cè)開(kāi)關(guān)晶體管驅(qū)動(dòng)電感器來(lái)進(jìn)行操作。在中度到重度負(fù)載的條件下，電源的輸出電壓通過(guò)改變開(kāi)關(guān)晶體管在其間處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間的脈沖寬度來(lái)進(jìn)行控制。
[0005]SMPS通常包括至少一個(gè)開(kāi)關(guān)以及電感器或變壓器。除其它之外，一些具體拓?fù)浒ń祲恨D(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和反激式轉(zhuǎn)換器?？刂齐娐芬话惚挥脕?lái)關(guān)斷和閉合開(kāi)關(guān)以對(duì)電感器進(jìn)行充電和放電。在一些應(yīng)用中，提供至負(fù)載的電流和/或提供至負(fù)載的電壓經(jīng)由反饋回路進(jìn)行控制。
[0006]在SMPS的設(shè)計(jì)中經(jīng)常指定多個(gè)不同參數(shù)。一個(gè)這樣的參數(shù)是效率，其被定義為功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出除以針對(duì)該功率轉(zhuǎn)換器的功率輸入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種控制開(kāi)關(guān)模式電源的方法包括對(duì)變壓器的次級(jí)繞組進(jìn)行消磁，監(jiān)測(cè)該消磁的結(jié)束條件，對(duì)所過(guò)去的時(shí)間進(jìn)行追蹤直至基于該監(jiān)測(cè)檢測(cè)到結(jié)束條件，并且在所過(guò)去的時(shí)間超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)關(guān)斷該開(kāi)關(guān)模式電源。
【附圖說(shuō)明】
[0008]為了更為全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在對(duì)以下結(jié)合附圖所進(jìn)行的描述進(jìn)行參考，其中:
[0009]圖la-b圖示了反激式轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例和相對(duì)應(yīng)的波形圖；
[0010]圖2圖示了圖示出短路條件對(duì)于開(kāi)關(guān)模式電源的影響的波形圖；
[0011]圖3圖示了電源控制器集成電路的實(shí)施例的框圖；以及
[0012]圖4圖示了實(shí)施例方法的框圖。
[0013]除非另外有所指示，否則不同附圖中相對(duì)應(yīng)的數(shù)字和符號(hào)指代相對(duì)應(yīng)的部分。附圖被繪制為清楚地圖示出對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的相關(guān)方面而并非必然依比例進(jìn)行繪制。為了更為清楚地圖示某些實(shí)施例，在附圖編號(hào)后可以跟有指示相同結(jié)構(gòu)、材料或處理步驟的字母。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下對(duì)目前優(yōu)選的實(shí)施例的形成和使用進(jìn)行詳細(xì)討論。然而，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到的是，本發(fā)明提供了能夠以在各種具體環(huán)境中實(shí)施的許多可應(yīng)用的發(fā)明概念。所討論的具體實(shí)施例僅闡述了形成并使用本發(fā)明的具體方式而并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。
[0015]將參考具體環(huán)境中的優(yōu)選實(shí)施例一使用反激式拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)一對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，本發(fā)明的實(shí)施例還可以應(yīng)用于其它開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)?，以及非開(kāi)關(guān)模式電源、反饋控制系統(tǒng)和其它類型的電子電路。
[0016]圖1a圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)100。如所示出的，開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)100被配置為反激式轉(zhuǎn)換器。在操作期間，使用輸入整流器102和輸入濾波電容器104將端口 VAC處的AC電壓整流并濾波為DC電壓。在一些實(shí)施例中，輸入整流器102可以利用二極管、二極管橋或其它整流設(shè)備來(lái)實(shí)施。所產(chǎn)生的DC電壓被應(yīng)用于變壓器106的初級(jí)繞組108。初級(jí)側(cè)控制器101經(jīng)由管腳⑶和串聯(lián)電阻器148對(duì)開(kāi)關(guān)晶體管118進(jìn)行激勵(lì)和去激勵(lì)，而使得來(lái)自變壓器106初級(jí)側(cè)的能量被傳輸至變壓器106的次級(jí)側(cè)。與開(kāi)關(guān)晶體管112和電容器114協(xié)同的同步整流器驅(qū)動(dòng)器控制器140對(duì)變壓器106的次級(jí)側(cè)的輸出進(jìn)行整流和濾波。雖然次級(jí)電流Is被描繪為使用同步整流技術(shù)進(jìn)行整流，但是在一些實(shí)施例中可以替代整流器驅(qū)動(dòng)器控制器140而使用二極管。
[0017]在節(jié)點(diǎn)Vout處取得的電源的輸出電壓由反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)160進(jìn)行調(diào)節(jié)并且經(jīng)由光電耦合器130傳輸至初級(jí)側(cè)控制器101的輸入管腳FB。如所示出的，光電耦合器130使用發(fā)光二極管135和光電晶體管134來(lái)實(shí)施。應(yīng)當(dāng)理解的是，在可替換實(shí)施例中，可以使用諸如無(wú)芯變壓器之類的其它電隔離結(jié)構(gòu)。如所示出的，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)160包括電阻器162、164、166、172和174 ;電容器168和170 ;以及可編程基準(zhǔn)176。反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)160的數(shù)值可以被選擇為對(duì)該電源的電壓反饋回路進(jìn)行穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)理解的是，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)160僅是可以在開(kāi)關(guān)模式電源的實(shí)施例中進(jìn)行實(shí)施的各種反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)施例的一個(gè)示例。除輸出電壓反饋之外，通過(guò)初級(jí)繞組的電流經(jīng)由電阻器124和150以及管腳CS進(jìn)行反饋。
[0018]參考圖lb，初級(jí)繞組電流Ip在節(jié)點(diǎn)⑶例如在時(shí)間h和t samplel之間激活開(kāi)關(guān)晶體管118時(shí)有所增大。初級(jí)電流Ip在開(kāi)關(guān)晶體管118被激活時(shí)的增大斜度基本上與輸入電壓Vin的電壓電平成比例，并且基本上分別與初級(jí)繞組108和變壓器的電感L成反比。也就是說(shuō)
[0019]dlin/dt = Vin/L
[0020]當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管118被激活時(shí)，跨初級(jí)繞組108的電壓基本上對(duì)應(yīng)于電壓Vin，并且跨次級(jí)繞組I1的電壓基本上對(duì)應(yīng)于-N22/N21.ν?η，其中Ν21表示初級(jí)繞組108的繞組數(shù)并且Ν22表示次級(jí)繞組110的繞組數(shù)。由于跨次級(jí)繞組110的電壓在導(dǎo)通期間為負(fù)(這是因?yàn)槌跫?jí)繞組108和次級(jí)繞組110具有相反的繞組感測(cè))，所以通過(guò)次級(jí)繞組110的電流Is在開(kāi)關(guān)晶體管118被激活時(shí)為零。
[0021]當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管118例如在時(shí)間％_161被停用時(shí)，跨初級(jí)繞組108的電壓并且因此跨次級(jí)繞組110的電壓逆轉(zhuǎn)極性并且有所增大，直至跨次級(jí)繞組110的電壓基本上對(duì)應(yīng)于輸出電壓Vout加上對(duì)應(yīng)于跨次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)晶體管112的電壓(或者對(duì)應(yīng)于非同步整流器實(shí)施例中的正向二極管電壓)的電壓。
[0022]憑借輔助繞組116和初級(jí)繞組108之間的電感耦合，開(kāi)關(guān)晶體管118激活的時(shí)間(即，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源GD為高時(shí))期間的輔助電壓Vw的電壓電平基本上對(duì)應(yīng)于
[0023]Vw = -N23/N21.Vin
[0024]其中N23表示輔助繞組116的繞組數(shù)量。當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管118無(wú)活動(dòng)時(shí)(即，節(jié)點(diǎn)GD為低時(shí))，只要通過(guò)次級(jí)繞組110的電流Is還沒(méi)有下降為零，輔助電源Vaux的電壓電平就基本上對(duì)應(yīng)于
[0025]Vw = -N23/N22.Vout
[0026]在次級(jí)側(cè)電流Is下降為零時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)變壓器被完全消磁時(shí)，次級(jí)側(cè)電壓以及因此的輔助電源Vw變?yōu)榱?。如在時(shí)間tsample2開(kāi)始的圖形中所示出的，在變壓器106被消磁時(shí)，例如變壓器的寄生電容的寄生效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致輔助電源Vw的振鈴或振蕩。該振鈴由于變壓器106的次級(jí)側(cè)上的開(kāi)關(guān)晶體管112被關(guān)閉并且針對(duì)次級(jí)繞組110呈現(xiàn)為開(kāi)路而出現(xiàn)。這樣，開(kāi)關(guān)晶體管118的漏極處的阻抗表現(xiàn)為并聯(lián)諧振，其包括與耦合至該開(kāi)關(guān)晶體管的漏極的電容相并聯(lián)的初級(jí)繞組108的電感。
[0027]控制器101可以使用該振鈴現(xiàn)象來(lái)確定次級(jí)側(cè)繞組110何時(shí)被完全消磁，以及在下一個(gè)周期中何時(shí)再次開(kāi)啟初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)。例如，在一些實(shí)施例中，輔助繞組電壓Vw的過(guò)零點(diǎn)被用來(lái)確定次級(jí)側(cè)繞組110被完全消磁的時(shí)間。此外，在實(shí)施準(zhǔn)諧振模式的操作的一些實(shí)施例中，可以實(shí)施其中輔助繞組電壓Vw為最小電壓時(shí)接通初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的谷值開(kāi)關(guān)。這經(jīng)常被稱作“谷值開(kāi)關(guān)”。此外，當(dāng)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)晶體管118在次級(jí)繞組110已經(jīng)消磁之后接通時(shí)，該電源被稱之為以非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)進(jìn)行操作。當(dāng)初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)晶體管118在次級(jí)繞組110已經(jīng)被消磁之前接通時(shí)，該電源被稱之為以連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)進(jìn)行操作。
[0028]在一些實(shí)施例中，在電源進(jìn)行操作時(shí)，輔助繞組116經(jīng)由整流二極管120、電容器121和管腳Vcc向初級(jí)側(cè)控制器101提供電力。然而，當(dāng)該電源啟動(dòng)時(shí)，可以經(jīng)由二極管131和電阻器128從主電源Vin向高壓管腳HV提供電力。
[0029]在一些實(shí)施例中，控制器101防止該電源以CCM模式進(jìn)行操作以便避免次級(jí)側(cè)中的直通電流。一種防止CCM的方式是通過(guò)在并未檢測(cè)到次級(jí)繞組110的消磁的結(jié)束條件的情況下關(guān)斷電源。例如，如果耦合至管腳ZCD的過(guò)零檢測(cè)器并未在例如大約50 μ s和大約2s之間的指定時(shí)間周期內(nèi)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)?？商鎿Q地，可以根據(jù)特定實(shí)施例及其規(guī)范而使用該范圍以外的時(shí)間周期。這樣的條件例如可能在其中在次級(jí)繞組中循環(huán)的電流以及該電源中的負(fù)載非常低而接近于衰減的低阻抗負(fù)載或短路條件下出現(xiàn)。
[0030]圖2圖示了對(duì)在時(shí)間周期T1期間的正常負(fù)載條件下以及在時(shí)間周期T 2期間的短路或