專利名稱：基于初級側(cè)自適應(yīng)數(shù)字控制驅(qū)動bjt的用于開關(guān)電源變換器的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動BJT(雙極結(jié)晶體管)開關(guān)的用于開關(guān)電源變換器的控制器。
背景技術(shù)：
同時實現(xiàn)低成本和高性能是設(shè)計低功耗AC/DC電源中的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)次級側(cè)反饋開關(guān)電源相比，初級側(cè)反饋開關(guān)電源變換器通過去除諸如光電耦合器和輸出電流感測電阻器的部件而提供很大的成本節(jié)約并增強(qiáng)可靠性。然而，初級側(cè)反饋開關(guān)電源變換器中使用的傳統(tǒng)控制器IC(集成電路)經(jīng)常使用輸入線路電壓作為控制開關(guān)電源變換器的操作來進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)的參數(shù)。因此，這些傳統(tǒng)電源控制器IC通常具有Vin管腳來感測由整流器電路整流的瞬時線路電壓(輸入電壓)，這向控制器IC增加了額外的管腳。此外，感測線路電壓也需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和其相關(guān)電路，用于將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制器IC可以使用的數(shù)字值；控制器IC內(nèi)部的控制邏輯；以及控制器IC外部的電阻性分壓器，用于采樣和饋送線路電壓信息給Vin管腳。這樣的額外管腳和額外電路增加了控制器IC的芯片尺寸和制造成本。同時，使用BJT作為開關(guān)電源中的功率開關(guān)有若干優(yōu)點，包括比功率MOSFET更低的成本，更小的EMI (電磁干擾)噪聲，以及去除用于2到3瓦的低功耗設(shè)計的昂貴的并且有損耗的緩沖器電路。然而，為了實現(xiàn)包括高效率的高性能，BJT的驅(qū)動器設(shè)計更具有挑戰(zhàn)性并且更復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式包括AC/DC反激開關(guān)電源變換器的控制器，其使用自適應(yīng)數(shù)字控制方案來基于初級側(cè)反饋控制BJT功率開關(guān)的開關(guān)操作，以調(diào)節(jié)次級側(cè)恒定輸出電壓和電流，而不使用輸入線路電壓。在反激開關(guān)電源變換器的恒定電壓操作模式和恒定電流操作模式中都借助于自適應(yīng)數(shù)字控制，基于感測的初級側(cè)電流而不是輸入線路電壓實現(xiàn)逐個開關(guān)周期的峰值電流控制和限制。因此，控制器不需要獨立的管腳和ADC電路來感測輸入線路電壓。結(jié)果，控制器的芯片尺寸和成本可以顯著降低。在一個實施方式中，開關(guān)電源變換器包括變壓器，耦合在輸入電壓和開關(guān)電源變換器的輸出之間，變壓器包括耦合到輸入電壓的初級繞組和耦合到開關(guān)電源變換器的輸出的次級繞組；開關(guān)，耦合到變壓器的初級繞組，當(dāng)開關(guān)接通時產(chǎn)生流過初級繞組的電流，當(dāng)開關(guān)斷開時不產(chǎn)生流過初級繞組的電流；以及控制器，配置為產(chǎn)生接通或斷開開關(guān)的控制信號，開關(guān)響應(yīng)于控制信號處于第一狀態(tài)而被接通，并且開關(guān)響應(yīng)于控制信號處于第二狀態(tài)而被斷開。控制器配置為，響應(yīng)于指示變壓器初級繞組的電流超過開關(guān)的峰值電流開關(guān)的峰值電流閾值的感測的信號，產(chǎn)生第二狀態(tài)的控制信號來斷開開關(guān)?？刂破鞑唤邮栈蚴褂幂斎刖€路電壓的幅度來調(diào)節(jié)開關(guān)電源變換器的輸出電壓或者輸出電流?？刂破魇遣话ㄓ糜谠陂_關(guān)電源變換器的常規(guī)操作期間接收開關(guān)電源變換器的輸入電壓的獨立管腳的集成電路芯片。在一個實施方式中，開關(guān)是雙極結(jié)晶體管(BJT)開關(guān)，并且控制器直接驅(qū)動BJT的基極端子，基于負(fù)載變化實時地逐開關(guān)周期動態(tài)調(diào)節(jié)BJT基極電流幅度。這是為了確保BJT 總是在最佳開關(guān)條件下工作。在恒定電壓(CV)和恒定電流(CC)操作中，控制器都可以使用脈寬調(diào)制(PWM)，脈沖頻率調(diào)制(PFM)和/或PWM模式和PFM模式的組合來控制開關(guān)頻率。說明書中描述的特征和優(yōu)點并非包括了全部的，并且特別是在閱讀附圖和說明書之后很多額外的特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。此外，應(yīng)當(dāng)理解，說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導(dǎo)性的目的而選擇的，并且可能不是為了勾畫或者限定發(fā)明主題而選擇的。


通過結(jié)合附圖考慮下列詳細(xì)描述，可以容易理解本發(fā)明實施方式的教導(dǎo)。圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的AC到DC反激開關(guān)電源變換器。圖2A示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的AC到DC反激開關(guān)電源變換器的控制器IC 的管腳說明。圖2B更詳細(xì)示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的AC到DC反激開關(guān)電源變換器的控制器IC的內(nèi)部電路。圖2C示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的AC到DC反激開關(guān)電源變換器的控制器IC 的數(shù)字邏輯控制塊內(nèi)部的電路的示例。圖3示出圖1的反激開關(guān)電源變換器的工作波形。
具體實施例方式附圖和下面的描述僅通過示例涉及本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)注意，通過下面的討論，將很容易認(rèn)識到此處公開的結(jié)構(gòu)和方法的替代實施方式，作為在不偏離本發(fā)明的原理的情況下可以采用的可行的替代?，F(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的若干實施方式，其示例示出于附圖中。注意在任何可行的地方，附圖中可能使用類似或者相同的附圖標(biāo)記，并且可能指示類似或者相同的功能性。 附圖僅為示例的目的描繪了本發(fā)明的實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員從下面的描述將容易理解此處示例的結(jié)構(gòu)和方法的替代實施方式可以在不偏離此處描述的本發(fā)明的原理的情況下采用。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式，AC/DC反激開關(guān)電源變換器的控制器使用自適應(yīng)數(shù)字控制方案來基于初級側(cè)反饋控制反激電源變換器的BJT開關(guān)的開關(guān)操作，以調(diào)節(jié)次級側(cè)恒定輸出電壓和電流，而不使用輸入線路電壓。在開關(guān)電源變換器的恒定電壓操作模式和恒定電流操作模式中都借助于自適應(yīng)數(shù)字控制，基于感測的初級側(cè)電流而不是輸入線路電壓實現(xiàn)逐個開關(guān)周期的峰值電流控制和限制。因此，控制器IC不需要獨立的管腳和ADC電路來感測輸入線路電壓。圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的AC到DC反激開關(guān)電源變換器。電源變換器 100包括三個主要部分，S卩，前端，功率級，以及次級。前端104在節(jié)點L，N連接到AC電壓源(未示出)，并且包括由電感器Li，電阻器Rl，F(xiàn)1，二極管Dl，D2，D3，D4，和電容器C2構(gòu)成的橋型整流器。節(jié)點105處的經(jīng)過整流的輸入線路電壓經(jīng)由電阻器RlO和Rll輸入到控制器IC 102的電源電壓管腳Vcc (管腳1)。節(jié)點105處的線路電壓還耦合到功率變壓器 Tl-A的初級繞組106。電容器C5從到電源電壓管腳Vcc (管腳1)的經(jīng)整流的線路電壓輸入去除高頻噪聲。前端部分在節(jié)點105的輸出是未經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸入電壓。注意電源電壓管腳Vcc (管腳1)接收節(jié)點105處的經(jīng)整流的輸入線路電壓僅用作在IC控制器102的啟動階段的對控制器IC 102的電源電壓(Vcc)。如下面將更詳細(xì)討論的，Vcc管腳(管腳1) 處的節(jié)點105處的經(jīng)整流的輸入線路電壓并未由控制器IC 102分別在恒定電壓操作模式和恒定電流操作模式中在確定輸入線路電壓的幅度以便調(diào)節(jié)次級側(cè)恒定輸出電壓Vout和輸出電流Iout中使用。功率級由功率變壓器T1_A，BJT功率開關(guān)Q1，以及控制器IC 102構(gòu)成。功率變壓器Tl-A包括初級繞組106，次級繞組107，以及輔助繞組108。控制器IC 102通過經(jīng)由從控制器IC 102的輸出管腳(管腳5)輸出的控制信號110控制BJT功率開關(guān)Ql的開和關(guān)狀態(tài)，維持輸出調(diào)節(jié)。控制信號110驅(qū)動BJT功率開關(guān)Ql的基極(B)。BJT功率開關(guān)Ql的集電極(C)連接到初級繞組106，而BJT功率開關(guān)Ql的發(fā)射極(E)連接到控制器IC 102的 ISENSE管腳(管腳4)并經(jīng)由電阻器R12接地。ISENSE管腳(管腳4)以跨感測電阻器R12 的電壓的形式感測流過初級繞組106和BJT開關(guān)Ql的電流。控制器IC 102可以采用多種調(diào)制技術(shù)中的任何一種和/或它們的組合來控制BJT功率開關(guān)110的開和關(guān)狀態(tài)以及占空比，以及BJT開關(guān)110的基極電流的幅度，所述多種調(diào)制技術(shù)諸如脈寬調(diào)制(PWM)或脈沖頻率調(diào)制(PFM)?？刂破鱅C 102的GND管腳(管腳2)接地。在開關(guān)電源中使用BJT作為功率開關(guān)有幾個優(yōu)點。首先，BJT通常具有比功率 MOSFET更低的成本，特別是對于高電壓額定。同時，BJT通常在開關(guān)期間具有較低的電壓或電流變化率(即dv/dt和di/dt)，允許更簡單的EMI (電磁干擾)設(shè)計。另外，BJT通常具有緩慢的關(guān)斷速度，因此不需要為2-3瓦的低功耗設(shè)計使用緩沖器，降低了開關(guān)電源中的部件數(shù)量和BOM(物料清單)成本，以及消除了與緩沖器電路相關(guān)的功率損失。另外，BJT開關(guān)將是控制器IC 102外部的分立部件，提供了廣泛的部件選擇，具有實現(xiàn)開關(guān)電源變換器 100中較低的總體BOM成本的可能性。然而，由于BJT是電流驅(qū)動器件，設(shè)計用于驅(qū)動開關(guān)電源100中使用的BJT的驅(qū)動器更有挑戰(zhàn)性并且更復(fù)雜。另外，有不同類型的BJT驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與控制器IC 102—起使用基極驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這帶來了比其他BJT驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)甚至更低的dv/dt (電壓變化)和EMI噪聲。次級由作為輸出整流器工作的二極管D6和作為輸出濾波器工作的電容器ClO構(gòu)成。得到的節(jié)點109處的經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓Vout被傳送到負(fù)載(未示出)。電阻器R14是前負(fù)載，其通常用于在反激開關(guān)電源變換器100的無負(fù)載條件下穩(wěn)定輸出。另外，ESD放電間隙(ESDI)耦合在初級繞組106和二極管D6的陰極之間。節(jié)點109處的輸出電壓Vout在節(jié)點120處被反射跨輔助繞組108，其經(jīng)由電阻器 R3和R4構(gòu)成的電阻性分壓器被輸入控制器IC102的VSENSE管腳(管腳3)。另外，盡管控制器IC 102在啟動時由線路電壓105供電，控制器IC 102在啟動之后以及在常規(guī)操作中由跨輔助繞組108的電壓供電。因此，二極管D5和電阻器R2形成整流器，用于對跨輔助繞組108的電壓進(jìn)行整流，以用作在啟動之后在常規(guī)操作期間對控制器IC 102的Vcc管腳(管腳1)的電源電壓輸入。因此，電源電壓管腳Vcc管腳(管腳1)在啟動之后不接收線路電壓105，并且控制器IC 102不使用線路電壓105上的信息來調(diào)節(jié)輸出電壓或輸出電流。 電容器C9用于在啟動時保持來自節(jié)點105處的線路電壓的功率，或者在啟動之后在開關(guān)周期之間保持來自跨輔助繞組108的電壓的功率。圖2A示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的AC到DC反激開關(guān)電源變換器的控制器IC 的管腳說明。在一個實施方式中，控制器IC 102是5個管腳的IC。管腳I(Vcc)是用于接收電源電壓的電源輸入管腳，管腳2 (GND)是地管腳，管腳3 (Vsense)是模擬輸入管腳，配置為以模擬電壓的形式感測反激開關(guān)電源變換器的初級側(cè)電流，用于逐個周期的峰值電流控制和限制。管腳5 (輸出)是輸出管腳，其輸出基極驅(qū)動信號110以控制BJT功率開關(guān)Ql 的接通時間以及斷開時間，以及BJT開關(guān)Ql的基極電流的幅度。電源電壓管腳Vcc (管腳 1)接收節(jié)點105處的經(jīng)整流的輸入線路電壓僅用作在IC控制器102的啟動階段的對控制器IC 102的電源電壓(Vcc)。電源電壓(Vcc)管腳(管腳1)處的電壓并未由控制器IC 102分別在恒定電壓操作模式和恒定電流操作模式中在確定輸入線路電壓的幅度以便調(diào)節(jié)次級側(cè)恒定輸出電壓和輸出電流中使用。注意開關(guān)控制器102不包括Vin管腳來感測輸入線路電壓(或者Rin管腳，其通常被包括來連接電阻器以便感測輸入線路電壓)，以便使用感測的輸入電路電壓來調(diào)節(jié)開關(guān)電源變換器100的輸出電壓或者輸出電流。開關(guān)控制器102配置用于使用來自管腳5 (輸出)的輸出控制信號管理BJT功率開關(guān)Ql的基極驅(qū)動。另外，開關(guān)控制器IC 102不具有 Ibc管腳，該IBe管腳是驅(qū)動BJT功率開關(guān)的傳統(tǒng)電源控制器IC中通常需要的以便設(shè)置最大 BJT基極電流。Ibc管腳在圖1的開關(guān)電源100中不是必要的，因為其特別設(shè)計用于低功耗 AC/DC應(yīng)用，其中最大初級電流在一定的預(yù)定義范圍內(nèi)，這使得最大BJT基極電流的外部調(diào)節(jié)不必要。去除IBe管腳還帶來了簡化內(nèi)部BJT基極驅(qū)動器設(shè)計的可能性。圖2B更詳細(xì)示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的AC到DC反激開關(guān)電源變換器的控制器IC的內(nèi)部電路。控制器IC 102接收模擬參數(shù)比如管腳3處的Vsense電壓和管腳4處的Isense電壓，但是使用數(shù)字電路和數(shù)字狀態(tài)機(jī)自適應(yīng)地處理這些參數(shù)，以生成管腳5(輸出)處適當(dāng)?shù)幕鶚O驅(qū)動信號?？刂破鱅C 102包括若干主要電路塊，包括啟動塊210，信號條件塊202，數(shù)字邏輯控制塊204，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 220，接通邏輯塊206，斷開邏輯塊208， SR觸發(fā)器212，Ipeak比較器218，過電流保護(hù)(OCP)比較器216，以及BJT基極驅(qū)動器214。 控制器IC 102借助于自適應(yīng)數(shù)字初級側(cè)反饋控制調(diào)節(jié)開關(guān)電源100的輸出電壓Vout和輸出電流lout。在Isense管腳(管腳4)感測初級側(cè)電流允許CV(恒定電壓)模式和CC(恒定電流)模式中的逐個周期的峰值電流控制和限制，以及對變壓器Tl-A的磁化電感Lm敏感的精確的恒定電流(輸出電流lout)控制。在Vsense管腳(管腳3)感測被反射跨輔助繞組108的輸出電壓Vout允許精確的輸出電壓調(diào)節(jié)?？刂破?02使得開關(guān)電源100在真實的峰值電流模式工作。更具體地，在加電之后，當(dāng)電源電壓Vcc電壓被累積到高于預(yù)定上電復(fù)位(POR)閾值的電壓時，從啟動塊210生成使能信號。使能信號被發(fā)送到數(shù)字邏輯控制塊204，其啟動接通命令。作為響應(yīng)，接通邏輯塊206設(shè)置SR觸發(fā)器212，使得BJT基極電流生成器214生成通過輸出管腳(管腳5)的基極驅(qū)動電流110來接通BJT功率開關(guān)Q1。控制器IC 102接著通過Vsense管腳(管腳 3)接收反射在輔助繞組108上的關(guān)于輸出電壓Vout的反饋信息。
信號條件塊202接收Vsense電壓并生成各種電壓和電流反饋參數(shù)供數(shù)字邏輯控制塊204使用。信號條件塊202生成各種電壓反饋信息，諸如數(shù)字反饋電壓值VFB。Vfb是代表在每個開關(guān)周期中在變壓器復(fù)位時間的結(jié)束處采樣的Vsense電壓的數(shù)字值，其被縮放到可比較的等級以便與參考電壓Vkef比較。Vkef也是數(shù)字值，其代表開關(guān)電源變換器的目標(biāo)調(diào)節(jié)輸出電壓(例如5V)，其根據(jù)次級繞組107和輔助繞組108之間的匝數(shù)比和電阻性分壓器(R3/(R3+R4))被縮放到較低值(例如1.538V)。因此，參考電壓Vkef的具體值根據(jù)開關(guān)電源變換器的目標(biāo)調(diào)節(jié)輸出電壓來確定。對于電流反饋，信號條件塊202基于在管腳 3采樣的Vsense電壓導(dǎo)出次級電流定時信息，比如Tp (開關(guān)電源變換器100的開關(guān)周期的開關(guān)時間)以及Trst (變壓器復(fù)位時間)，并將這樣的次級定時信息提供給數(shù)字邏輯控制塊 204。包括Vfb，Tp和Trst的電壓反饋值和電流反饋值可以使用多種傳統(tǒng)技術(shù)之一確定。圖2C示出使用信號條件塊202提供的電壓和電流反饋參數(shù)來生成控制電壓Vc的數(shù)字邏輯控制塊204內(nèi)部的電路的示例。在數(shù)字邏輯控制塊204內(nèi)部的是確定數(shù)字電壓反饋值Vfb和數(shù)字參考電壓Vkef之間的差異的數(shù)字誤差生成器228。得到的數(shù)字誤差信號230 被輸入P-I函數(shù)(比例積分函數(shù))240，其由積分器232和比例塊234構(gòu)成。積分器232在預(yù)定數(shù)量的開關(guān)周期上積分?jǐn)?shù)字誤差信號230，其輸出在加法器236中被添加到數(shù)字誤差信號230的經(jīng)過縮放的值(由比例塊234中的系數(shù)Kp縮放)，以產(chǎn)生控制電壓Vc 236?？刂齐妷篤c 236指示電源負(fù)荷的程度，即每個開關(guān)周期有多少能量被傳遞到負(fù)載以便維持要求的輸出電壓，使得數(shù)字誤差信號230維持零。一般，高控制電壓Vc指示輸出電流低于所期望并且應(yīng)當(dāng)被增加。盡管圖2C示出生成控制電壓Vc的數(shù)字實施，但是可以使用其他模擬實施來生成反映電源負(fù)荷程度的類似參數(shù)。再次參考圖2B，使用控制電壓Vc和Tp和Trst信息來計算Vipk的適當(dāng)數(shù)字值 219，其將用作峰值電流模式開關(guān)的峰值閾值。如果誤差信號230指示輸出電壓Vout低于所期望，則P-I函數(shù)240將增加控制電壓Vc，使得BJT開關(guān)Ql的接通時間增加并從而每個開關(guān)周期傳遞更多的能量給負(fù)載以維持要求的輸出調(diào)節(jié)電壓。如果誤差信號230指示輸出電壓Vout高于期望，則P-I函數(shù)240將減小控制電壓Ne’使得BJT開關(guān)Ql的接通時間減少并從而每個開關(guān)周期傳遞更少的能量給負(fù)載以維持要求的輸出調(diào)節(jié)電壓。另外，數(shù)字邏輯控制塊204包括數(shù)字狀態(tài)機(jī)(未示出)，其確定開關(guān)電源100應(yīng)當(dāng)工作的正確工作模式。該數(shù)字狀態(tài)機(jī)自適應(yīng)地選擇脈沖寬度調(diào)制(PWM)或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)來控制開關(guān)頻率， 并且自適應(yīng)地選擇恒定電壓(CV)模式或者恒定電流(CC)模式用于輸出調(diào)節(jié)。在所選工作模式(PWM或PFM，以及CV模式或CC模式)使用Vc、Tp、Trst，數(shù)字邏輯控制塊204生成適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸入信號219，其被轉(zhuǎn)換成用于峰值電流模式開關(guān)的模擬峰值電流模式閾值電壓 Vipk。Vipk被輸入到比較器218并與Isense電壓比較，Isense電壓指示了開關(guān)電源變換器100中流過BJT功率開關(guān)Ql的初級側(cè)電流。一旦Isense管腳電壓達(dá)到峰值電流模式閾值電壓Vipk，比較器218的輸出Ipeak被設(shè)定為高，使得斷開塊208復(fù)位SR觸發(fā)器212。作為響應(yīng)，BJT基極驅(qū)動電流214斷開BJT功率開關(guān)Ql。數(shù)字邏輯控制塊204基于所選擇的PWM模式或者PFM模式確定何時接通BJT功率開關(guān)Q1。不是遍及整個工作范圍輸出恒定幅度的基極電流，控制器IC 102基于負(fù)載改變實時地逐個開關(guān)周期動態(tài)調(diào)節(jié)BJT基極電流110的幅度。該動態(tài)BJT基極電流控制通過數(shù)字邏輯控制塊204來實現(xiàn)?；诖_定的峰值電流閾值Vipk信息，數(shù)字邏輯控制塊204可以預(yù)測最大BJT集電極電流(因為Isense被限制到Vipk)，并確定BJT功率開關(guān)Ql中需要多少基極電流，而不進(jìn)入過驅(qū)動或者驅(qū)動不足狀況。連同Tp，Trst定時信息和確定的基極電流信息，數(shù)字邏輯控制塊204可以用動態(tài)基極驅(qū)動控制接通BJT功率開關(guān)Ql。以這種方式，BJT開關(guān)Ql在整個電源工作范圍內(nèi)以最佳開關(guān)條件工作，產(chǎn)生低開關(guān)和傳導(dǎo)損耗，因此產(chǎn)生高效率。在BJT開關(guān)Ql接通并且變壓器初級電流被建立之后，Isense管腳電壓增加， 因為感測電阻器R12(見圖1)從BJT Ql發(fā)射極連接到地，并且該發(fā)射極連接到Isense管腳。如上所解釋的，一旦I sense管腳電壓達(dá)到閾值電壓Vipk，BJT基極驅(qū)動器214斷開BJT 功率開關(guān)。因此，通過設(shè)定閾值電壓Vipk，數(shù)字邏輯控制塊204也通過峰值電流模式開關(guān)控制BJT功率開關(guān)Ql的斷開。為了安全和可靠性，控制器IC 102還包括過電流保護(hù)(OCP)比較器216。一旦 Isense管腳電壓達(dá)到OCP閾值(例如在圖2B的示例中為1. IV)，比較器216的輸出Vocp 被設(shè)定到高，引起斷開塊208復(fù)位SR觸發(fā)器212。作為響應(yīng)，BJT基極驅(qū)動器214斷開BJT 功率開關(guān)Q1。因此，不管開關(guān)電源100工作在什么工作條件或者工作模式下，BJT基極驅(qū)動器214為了安全原因被直接斷開。也可以在控制器102中提供其他安全措施，諸如在電阻器R12短路的情況下保護(hù)電源100的機(jī)構(gòu)，或者當(dāng)故障發(fā)生時斷開BJT基極驅(qū)動器214的機(jī)構(gòu)，在此未示出。如圖2B中所示，控制器102借助于自適應(yīng)數(shù)字控制，基于Isense管腳電壓實現(xiàn)開關(guān)電源變換器100中的峰值電流模式開關(guān)，而不獨立地感測輸入線路電壓Vin。換言之，根據(jù)本發(fā)明的控制器102使用Isense管腳電壓作為輸入線路電壓Vin的指標(biāo)。這是可能的， 因為流過開關(guān)Ql的初級電流Ip (由Isense電壓代表)的增加的斜率基本上通過關(guān)系Vin =Lm(dlp/dt)與輸入線路電壓成比例，其中Lm是變壓器Tl-A的初級繞組106的磁化電感?？刂破?02在CV模式中使用Isense電壓(代表初級電流Ip)作為線路電壓Vin的指標(biāo)?？刂破?02還可以在CC模式中使用Isense電壓(代表初級電流Ip)來維持從開關(guān)電源變換器100的恒定經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電流，例如如美國專利第7，443，700號中說明的，該專利于2008年10月觀號頒發(fā)給Yan等人，并且轉(zhuǎn)讓給iWatt公司，其通過引用以其整體并入于此。因為線路電壓Vin在控制器IC 102中不是必要的，本發(fā)明的控制器102中不需要通常在常規(guī)電源控制器IC中找到的Vin和Rin管腳。另外，控制器IC 102不需要ADC電路來將輸入線路電壓轉(zhuǎn)換到數(shù)字值，或者與感測Vin線路電壓關(guān)聯(lián)的其他電路。這帶來了芯片尺寸和制造控制器IC 102的成本的很大節(jié)約。圖3示出圖1的反激開關(guān)電源變換器的工作波形。結(jié)合圖1參考圖3，控制器102 輸出控制信號110 (輸出，以電流形式)，其定義了 BJT功率開關(guān)Ql的接通和斷開狀態(tài)，以及 BJT功率開關(guān)Ql的基極電流的幅度。流過BJT功率開關(guān)Ql和初級繞組106的初級電流Ip 表示為電壓Isense 304。當(dāng)控制信號110為高并且從而功率開關(guān)Ql處于接通狀態(tài)，初級電流(由Isense代表)304斜升。初級電流(Isense) 304斜升的速率主要基于節(jié)點105處的輸入線路電壓以及初級繞組106的磁化電感Lm。當(dāng)功率開關(guān)Ql處于接通狀態(tài)，輸出整流器二極管D6反向偏置，因此Vsense電壓306 (代表輸出電壓Vout)為零并且輸出電流(次級電流)Iout 308也等于OA。因此，盡管功率開關(guān)Ql處于接通狀態(tài)，能量存儲在功率變壓器 Tl-A中而不傳遞到輸出處的負(fù)載。
當(dāng)初級電流(Isense) 304達(dá)到峰值電流模式閾值Vipk，控制信號110變?yōu)?伏特 (低)并且功率開關(guān)Ql被切換到關(guān)斷狀態(tài)。結(jié)果，輸出整流器二極管D6變成正向偏置，并且存儲在功率變壓器T-IA中的能量基于初級繞組106和次級繞組107之間的匝數(shù)比被傳送到功率變壓器T-IA的次級側(cè)。當(dāng)存儲在功率變壓器T-IA中的能量被傳送到次級，次級電流Iout 308尖峰升高并且接著開始緩慢地斜變降低。類似地，Vsense電壓306也尖峰升高并且接著開始緩慢地斜變降低。當(dāng)存儲在功率變壓器T-IA中的所有能量被傳送到次級，次級電流Iout 308變?yōu)榈扔?A，該點也稱為變壓器復(fù)位點312。時間段Trst也稱為變壓器復(fù)位時間。注意反饋電壓Vfb(上面參照圖2C解釋)在變壓器復(fù)位點312從Vsense采樣，如圖3所示。如果功率開關(guān)Ql在變壓器復(fù)位點312之后保持在斷開狀態(tài)，Vsense電壓表現(xiàn)出高頻振鈴，一般在電壓振鈴期間310內(nèi)發(fā)生，振鈴的振幅隨時間衰減。接著，控制器 IC 102將基于所選的工作模式(PWM或PFM，以及CV模式或CC模式)確定功率開關(guān)Ql的下一接通時間，并生成高輸出控制信號110來為下一開關(guān)周期接通功率開關(guān)Q1，并且在下一開關(guān)周期以及后續(xù)的開關(guān)周期重復(fù)上述操作。本發(fā)明的控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得能夠構(gòu)造具有低成本的初級反饋數(shù)字控制器，而仍然實現(xiàn)高性能。控制器IC 102中僅需要5個管腳，去除了輸入線路電壓并且配置用于 BJT功率開關(guān)的直接基極驅(qū)動，從而降低了制造控制器IC的成本。使用BJT開關(guān)Ql不僅降低了功率器件成本，還簡化了 EMI濾波器設(shè)計并為低功率電源設(shè)計去除了昂貴并且有損耗的緩沖器電路。如圖1所示，2到3瓦范圍內(nèi)的整個電源可以僅用23個部件來構(gòu)造，大大降低了構(gòu)造整個開關(guān)電源的成本。同時，動態(tài)BJT基極電流控制和PWM、PFM以及它們的適當(dāng)組合的操作實現(xiàn)了高性能，其包括高效率和低EMI。當(dāng)閱讀本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解還有的其他的開關(guān)電源變換器的替代設(shè)計。例如，圖1的電源應(yīng)用電路，圖2A中的管腳名稱，以及圖2B中的內(nèi)部電路僅為示例目的而提供并且可以被修改。因此，盡管已經(jīng)示例說明和描述了本發(fā)明的特定實施方式和應(yīng)用， 將理解本發(fā)明不限于此處公開的確切構(gòu)造和部件，并且在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員很明顯可以在此處公開的本發(fā)明的方法和設(shè)備的布置、操作和細(xì)節(jié)中做出各種修改，改變和變化。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源變換器，包括變壓器，耦合在輸入電壓和所述開關(guān)電源變換器的輸出之間，所述變壓器包括耦合到所述輸入電壓的初級繞組和耦合到所述開關(guān)電源變換器的輸出的次級繞組；開關(guān)，耦合到所述變壓器的初級繞組，當(dāng)所述開關(guān)接通時產(chǎn)生流過所述初級繞組的電流，當(dāng)所述開關(guān)斷開時不產(chǎn)生流過所述初級繞組的電流；以及控制器，配置為產(chǎn)生接通或斷開所述開關(guān)的控制信號，所述開關(guān)響應(yīng)于處于第一狀態(tài)的所述控制信號而被接通，并且開關(guān)響應(yīng)于處于第二狀態(tài)的所述控制信號而被斷開，其中所述控制器還配置為，響應(yīng)于指示流過所述初級側(cè)繞組的電流超過所述開關(guān)電源變換器的峰值電流開關(guān)的峰值電流閾值的感測的信號，產(chǎn)生第二狀態(tài)的控制信號來斷開所述開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述控制器不接收或使用輸入線路電壓的幅度來調(diào)節(jié)所述開關(guān)電源變換器的輸出電壓或者輸出電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述控制器是不包括用于在所述開關(guān)電源變換器的常規(guī)操作期間接收所述開關(guān)電源變換器的輸入電壓的獨立管腳的集成電路-H-· I I心片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述控制器是具有五個管腳的集成電路芯片，該五個管腳包括用于接收所述控制器的電源電壓的第一管腳，用于連接到地的第二管腳，用于接收指示所述開關(guān)電源變換器的縮小的輸出電壓的電壓信號的第三管腳，用于接收指示所述初級繞組中的電流的感測的信號的第四管腳，以及用于輸出所述控制信號來接通或者斷開所述開關(guān)的第五管腳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述感測的信號是跨所述初級繞組中的電流流過的電阻器測量的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述開關(guān)是雙極結(jié)晶體管，并且所述控制器信號直接驅(qū)動所述雙極結(jié)晶體管的基極端子以提供所述雙極結(jié)晶體管中的基極電流，并且控制器基于所述開關(guān)電源變換器的負(fù)載變化逐個開關(guān)周期地動態(tài)調(diào)節(jié)所述基極電流的幅度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述控制器包括峰值電流比較器，用于將所述感測的信號與所述峰值電流閾值比較。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述控制器還配置為響應(yīng)于指示所述變壓器的初級繞組中的電流超過指示過電流條件的預(yù)定電壓的感測的信號，產(chǎn)生第二狀態(tài)的控制信號來斷開所述開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中指示所述初級繞組中的電流的感測的信號的增加的斜率基本上與對開關(guān)電源變換器的輸入電壓成比例。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述開關(guān)電源變換器不包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器來將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，供所述控制器在調(diào)節(jié)所述開關(guān)電源變換器的輸出電壓或輸出電流中使用。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源變換器，其中所述開關(guān)電源變換器是初級側(cè)反饋， 反激型開關(guān)電源變換器。
12.—種開關(guān)電源變換器，包括變壓器，耦合在輸入電壓和所述開關(guān)電源變換器的輸出之間，所述變壓器包括耦合到所述輸入電壓的初級繞組和耦合到所述開關(guān)電源變換器的輸出的次級繞組；開關(guān)，耦合到所述變壓器的初級繞組，當(dāng)所述開關(guān)接通時產(chǎn)生流過所述初級繞組的電流，當(dāng)所述開關(guān)斷開時不產(chǎn)生流過所述初級繞組的電流；以及控制器，配置為產(chǎn)生接通或斷開所述開關(guān)的控制信號，所述開關(guān)響應(yīng)于處于第一狀態(tài)的控制信號而被接通，并且開關(guān)響應(yīng)于處于第二狀態(tài)的控制信號而被斷開，其中所述控制器不接收輸入電壓來調(diào)節(jié)所述開關(guān)電源變換器的輸出電壓或者輸出電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電源變換器，其中所述控制器是不包括用于在所述開關(guān)電源變換器的常規(guī)操作期間接收所述開關(guān)電源變換器的輸入電壓的獨立管腳的集成電路芯片。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電源變換器，其中所述控制器是具有五個管腳的集成電路芯片，該五個管腳包括用于接收所述控制器的電源電壓的第一管腳，用于連接到地的第二管腳，用于接收指示所述開關(guān)電源變換器的縮小的輸出電壓的電壓信號的第三管腳， 用于接收指示所述初級繞組中的電流的感測的信號的第四管腳，以及用于輸出所述控制信號來接通或者斷開所述開關(guān)的第五管腳。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電源變換器，其中所述開關(guān)是雙極結(jié)晶體管，并且所述控制器信號直接驅(qū)動所述雙極結(jié)晶體管的基極端子以提供所述雙極結(jié)晶體管中的基極電流，并且所述控制器基于開關(guān)電源變換器的負(fù)載變化逐個開關(guān)周期地動態(tài)調(diào)節(jié)基極電流的幅度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電源變換器，其中所述開關(guān)電源變換器不包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器來將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，供所述控制器在調(diào)節(jié)所述開關(guān)電源變換器的輸出電壓或輸出電流中使用。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電源變換器，其中所述開關(guān)電源變換器是初級側(cè)反饋，反激型開關(guān)電源變換器。
18.在控制器中，控制開關(guān)電源變換器的方法，該開關(guān)電源變換器包括變壓器，耦合在輸入電壓和所述開關(guān)電源變換器的輸出之間，變壓器包括耦合到所述輸入電壓的初級繞組和耦合到所述開關(guān)電源變換器的輸出的次級繞組；以及開關(guān)，耦合到所述變壓器的初級繞組，當(dāng)所述開關(guān)接通時產(chǎn)生流過所述初級繞組的電流，當(dāng)所述開關(guān)斷開時不產(chǎn)生流過所述初級繞組的電流，該方法包括產(chǎn)生接通所述開關(guān)的控制信號，所述開關(guān)響應(yīng)于處于第一狀態(tài)的所述控制信號而被接通；以及響應(yīng)于指示所述變壓器初級繞組中的電流超過所述開關(guān)電源變換器的峰值電流開關(guān)的峰值電流閾值的感測的信號，產(chǎn)生第二狀態(tài)的控制信號來斷開所述開關(guān)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述控制器不接收或使用所述輸入電壓的幅度來調(diào)節(jié)所述開關(guān)電源變換器的輸出電壓或者輸出電流。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述感測的信號是跨所述初級繞組中的電流流過的電阻器測量的電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括響應(yīng)于指示所述變壓器的初級繞組中的電流超過指示過電流條件的預(yù)定電壓的感測的信號，產(chǎn)生第二狀態(tài)的控制信號來斷開所述開關(guān)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中指示所述初級繞組中的電流的感測的信號的增加的斜率基本上與對所述開關(guān)電源變換器的輸入電壓成比例。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述開關(guān)是雙極結(jié)晶體管，并且所述控制器信號直接驅(qū)動所述雙極結(jié)晶體管的基極端子以提供所述雙極結(jié)晶體管中的基極電流，并且所述控制器基于開關(guān)電源變換器的負(fù)載變化逐個開關(guān)周期地動態(tài)調(diào)節(jié)基極電流的幅度。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述開關(guān)電源變換器是初級側(cè)反饋，反激型開關(guān)電源變換器。
全文摘要
AC/DC反激開關(guān)電源變換器的控制器使用自適應(yīng)數(shù)字控制方案來基于初級側(cè)反饋控制BJT功率開關(guān)的開關(guān)操作，以調(diào)節(jié)次級側(cè)恒定輸出電壓和電流，而不使用輸入線路電壓。在以PWM，PFM和/或多個PWM模式和PFM模式的組合工作的恒定電壓模式和恒定電流模式中都基于感測的初級側(cè)電流而不是輸入線路電壓實現(xiàn)逐個開關(guān)周期地對峰值電流的控制和限制?？刂破鞑恍枰毩⒌墓苣_和ADC電路來感測輸入線路電壓?？刂破鱅C直接驅(qū)動BJT基極，基于負(fù)載變化逐個周期動態(tài)調(diào)節(jié)BJT基極電流幅度。
文檔編號G05F1/10GK102265233SQ200980152214
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者J·W·克斯特森, 李勇, 鄭俊杰, 鄭軍 申請人:艾沃特有限公司