專利名稱：用于切換功率轉(zhuǎn)換器的谷模式切換方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)谷模式切換方案。
背景技術(shù)：
每當(dāng)接通或者關(guān)斷如晶體管之類的開關(guān)時(shí)，能量與切換的電流和電壓成比例地耗散。與開關(guān)操作關(guān)聯(lián)的功率損耗(稱為切換損耗)代表重要功率耗散來源并且因此代表常規(guī)開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的重要低效率來源。除了切換損耗增加之外，電壓和/或電流在開關(guān)轉(zhuǎn)變時(shí)的大改變速率(即dv/dt和/或di/dt)增加對(duì)開關(guān)的應(yīng)力和開關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)的量。已經(jīng)開發(fā)一些切換方案，這些切換方案利用開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的諧振以在向開關(guān)施加的電壓處于稱為谷的局部最小值時(shí)接通開關(guān)。這樣的切換方案因此通常稱為谷模式切換方案(VMS方案)。然而，常規(guī)VMS方案由于若干原因而不足。開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的諧振特性基于操作條件隨時(shí)間波動(dòng)。例如，輸入線路電壓或者外部負(fù)載從開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器汲取的輸出電流中的波動(dòng)可能影響開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的諧振行為并且因此影響谷定時(shí)。由于常規(guī) VMS方案通常在切換循環(huán)中的第一谷接通開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)，所以這樣的諧振波動(dòng)因而加速切換頻率改變。這些切換頻率改變造成EMI發(fā)射增加并且使常規(guī)VMS方案僅與利用可變切換頻率的控制方案比如脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制方案兼容。例如，運(yùn)用常規(guī)VMS 方案的功率轉(zhuǎn)換器通常表現(xiàn)低至40kHz和高至130kHz的切換頻率，其主要用于實(shí)現(xiàn)VMS接通的唯一目的。另外，常規(guī)VMS方案需要對(duì)開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器用來調(diào)節(jié)信號(hào)(比如輸出電壓和輸出電流)的反饋控制方案的大量基本修改。常規(guī)VMS方案也未考慮與關(guān)斷功率開關(guān)關(guān)聯(lián)的損耗。另外，常規(guī)VMS方案通常需要高切換頻率(例如130kHz)，這使得它們對(duì)于利用一個(gè)或者多個(gè)慢速功率開關(guān)如雙極結(jié)晶體管(BJT)的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器而言并不合適。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種改進(jìn)的谷模式切換(VMS)方案和用于在開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中實(shí)施改進(jìn)的VMS切換方案的電路的實(shí)施例。對(duì)于開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的給定切換循環(huán)而言，基于脈寬調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制或者其它適當(dāng)轉(zhuǎn)換器控制方案確定所需開關(guān)接通時(shí)間。此外，針對(duì)在功率開關(guān)兩端的電壓預(yù)測與局部最小值(谷)對(duì)應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)時(shí)間。在緊接于根據(jù)轉(zhuǎn)換器控制方案確定的所需開關(guān)時(shí)間之后或者以其他方式在該所需開關(guān)時(shí)間之后的谷接通功率開關(guān)。在一個(gè)實(shí)施例中，一種切換功率轉(zhuǎn)換器包括變壓器，包括耦合到輸入電壓的初級(jí)繞組和與切換功率轉(zhuǎn)換器的輸出耦合的次級(jí)繞組；開關(guān)，耦合到變壓器的初級(jí)繞組，在開關(guān)接通之時(shí)生成經(jīng)過初級(jí)繞組的電流而在開關(guān)關(guān)斷時(shí)不生成經(jīng)過初級(jí)繞組的電流；以及控制器，配置成生成用于接通或者關(guān)斷開關(guān)的控制信號(hào)，開關(guān)響應(yīng)于處于第一狀態(tài)的控制信號(hào)而接通，并且開關(guān)響應(yīng)于處于第二狀態(tài)的控制信號(hào)而關(guān)斷?？刂破鬟€被配置成根據(jù)切換功率轉(zhuǎn)換器采用的控制模式在各切換循環(huán)中確定開關(guān)的所需接通時(shí)間，并且在各切換循環(huán)中在實(shí)際接通時(shí)間生成處于第一狀態(tài)的控制信號(hào)以接通開關(guān)，該實(shí)際接通時(shí)間對(duì)應(yīng)于在開關(guān)兩端的電壓在根據(jù)控制模式確定的所需接通時(shí)間之后的多個(gè)局部最小值中的一個(gè)局部最小值。在一些實(shí)施例中，在開關(guān)兩端的電壓的局部最小值中的所述一個(gè)局部最小值可以是緊接于根據(jù)控制模式確定的所需接通時(shí)間之后出現(xiàn)的第一局部最小值。在一些實(shí)施例中， 開關(guān)是雙極結(jié)晶體管，并且在開關(guān)兩端的電壓對(duì)應(yīng)于在雙極結(jié)晶體管的集電極與發(fā)射極之間的電壓。在其它一些實(shí)施例中，開關(guān)是功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，并且在開關(guān)兩端的電壓對(duì)應(yīng)于在MOSFET的漏極與源極之間的電壓。在又一些其它實(shí)施例中， 開關(guān)可以是能夠以受控方式斷開或者閉合的任何其它器件。因此，根據(jù)這里的一些實(shí)施例的改進(jìn)VMS方案實(shí)現(xiàn)低電壓開關(guān)操作而不約束開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的控制方案。另外，改進(jìn)的VMS方案防止開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的諧振特性規(guī)定功率轉(zhuǎn)換器利用的切換頻率并且在開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中支持基于BJT的功率切換。在說明書中描述的特征和優(yōu)點(diǎn)并非囊括性的，并且具體而言，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)附圖和說明書將清楚許多附加特征和優(yōu)點(diǎn)。另外應(yīng)當(dāng)注意，在說明書中使用的語言主要出于可讀性和指導(dǎo)的目的而加以選擇并且可以未被已經(jīng)選擇用來界定或者限定本發(fā)明的主題內(nèi)容。


通過結(jié)合附圖考慮下文具體描述可以容易理解本發(fā)明實(shí)施例的教導(dǎo)。圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的AC到DC反激開關(guān)電源。圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的AC到DC反激開關(guān)電源的控制器IC的管腳說明。圖2B更具體圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的AC到DC反激開關(guān)電源的控制器IC 的內(nèi)部電路。圖3圖示了圖1的反激開關(guān)電源的操作波形。圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于檢測和預(yù)測開關(guān)電壓的谷的定時(shí)的電路。
具體實(shí)施例方式附圖和下文描述僅通過示例涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)下文討論將容易認(rèn)識(shí)到這里公開的結(jié)構(gòu)和方法的替代實(shí)施例作為可以在不脫離本發(fā)明的原理時(shí)運(yùn)用的可行替代實(shí)施例?，F(xiàn)在將具體參照本發(fā)明的若干實(shí)施例，在附圖中圖示了這些實(shí)施例的例子。應(yīng)當(dāng)注意，只要可行，相似或者同樣的標(biāo)號(hào)可以使用于圖中并且可以表示相似或者同樣的功能。 附圖僅出于示例的目的而描繪本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將根據(jù)下文描述容易理解可以運(yùn)用這里舉例的結(jié)構(gòu)和方法的替代實(shí)施例而不脫離這里描述的本發(fā)明的原理。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，提供一種改進(jìn)的谷模式切換(VMS)方案，該方法除了其它優(yōu)點(diǎn)之外還減少切換損耗、減少切換應(yīng)力、減少開關(guān)模式電源的由切換產(chǎn)生的EMI并且實(shí)現(xiàn)在開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中使用常規(guī)反饋控制技術(shù)。對(duì)于切換功率轉(zhuǎn)換器的給定切換循環(huán)，基于脈寬調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制或者其它適當(dāng)轉(zhuǎn)換器控制方案確定所需開關(guān)接通時(shí)間。 此外，針對(duì)在功率開關(guān)兩端的電壓預(yù)測與局部最小值(谷)對(duì)應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)時(shí)間。在緊接于根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器控制方案確定的所需開關(guān)時(shí)間之后或者以其他方式在該所需開關(guān)時(shí)間之后的谷接通功率開關(guān)。這里描述的改進(jìn)VMS方案也使切換功率轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒁粋€(gè)或者多個(gè)慢速切換器件(例如BJT)用于功率切換。BJT由于它們相對(duì)于場效應(yīng)晶體管(FET，諸如M0SFET)而言成本低(特別是相對(duì)于高電壓和/或功率額定值的FET)而作為開關(guān)是合乎需要的。BJT通常也具有電壓或者電流在切換期間的更低改變速率，從而允許更容易的EMI (電磁干擾)設(shè)計(jì)。此外，BJT—般具有慢速關(guān)斷，因此無需用于低功率設(shè)計(jì)的緩沖器電路，從而減少開關(guān)電源中的部件總數(shù)和BOM(物料清單)成本以及消除與緩沖器電路關(guān)聯(lián)的功率損耗。此外， BJT開關(guān)可以是在控制器IC 102外部的分立部件從而提供廣泛的部件選擇，并且有可能在切換功率轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)更低的總BOM成本。也描述一種實(shí)現(xiàn)改進(jìn)VMS方案的實(shí)現(xiàn)方式的谷檢測電路。圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示例功率轉(zhuǎn)換器100。如圖所示，功率轉(zhuǎn)換器100是AC到DC反激開關(guān)模式電源，但是可以根據(jù)這里描述的改進(jìn)VMS方案和其它教導(dǎo)來設(shè)計(jì)開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。功率轉(zhuǎn)換器100包括三個(gè)主要部分，即前端 104、功率級(jí)和次級(jí)。前端104在節(jié)點(diǎn)L、N直接連接到AC電壓源(未示出)并且包括橋式整流器，該整流器包括電感器Ll、電阻器Rl、Fl、二極管Dl、D2、D3、D4和電容器C2。前端部分104在節(jié)點(diǎn)105的輸出是整流、但未調(diào)節(jié)的DC輸入電壓。經(jīng)由電阻器RlO和Rll向開關(guān)控制器102 的電源電壓管腳Vcc (管腳1)輸入在節(jié)點(diǎn)105的整流輸入線路電壓用于在控制器102的初始啟動(dòng)期間用作電源電壓。也向功率變壓器Tl-A的初級(jí)繞組106施加在節(jié)點(diǎn)105的線路電壓。旁路電容器C5從在節(jié)點(diǎn)105的整流線路電壓去除高頻噪聲。功率級(jí)包括功率變壓器T1-A、開關(guān)112和控制器102。功率變壓器Tl-A包括初級(jí)繞組106、次級(jí)繞組107和輔助繞組108?？刂破?02經(jīng)由從控制器102的輸出管腳(管腳 5)輸出的控制信號(hào)110對(duì)開關(guān)112的接通和關(guān)斷狀態(tài)控制來維持輸出調(diào)節(jié)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器102是專用集成電路(ASIC)并且根據(jù)這里描述的改進(jìn)VMS方案和技術(shù)生成控制信號(hào)110?？刂菩盘?hào)110驅(qū)動(dòng)開關(guān)112的控制端子。在圖1圖示的實(shí)施例中，開關(guān)112是雙極結(jié)晶體管(BJT)，因而控制端子是開關(guān)112的基極(B)端子。同時(shí)，開關(guān)112的集電極 (C)與初級(jí)繞組106串聯(lián)連接，而開關(guān)112的發(fā)射極(E)連接到控制器102的ISENSE管腳 (管腳4)并且經(jīng)由電阻器R12接地。在其它一些實(shí)施例中，開關(guān)112可以是另一類晶體管如MOSFET或者能夠以受控方式斷開或者閉合電路的任何其它器件。ISENSE管腳(管腳4) 以在感測電阻器R12兩端的電壓這一形式感測經(jīng)過初級(jí)繞組106和開關(guān)112的電流。控制器102的GND管腳(管腳2)連接到地。控制器102可以運(yùn)用多種公知調(diào)制技術(shù)如脈寬調(diào)制(PWM)或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)和/或它們的組合中的任一種以控制BJT功率開關(guān)110 的接通和關(guān)斷狀態(tài)以及占空比以及BJT開關(guān)112的基極電流的幅度。轉(zhuǎn)換器100的次級(jí)包括次級(jí)繞組107和二極管D6、電容器ClO和電阻器R14。二極管D6作為輸出整流器來工作而電容器ClO作為輸出濾波器來工作。向負(fù)載(未示出)遞送在節(jié)點(diǎn)109的所得調(diào)節(jié)輸出電壓\。電阻器R14是通常用于在無負(fù)載條件下穩(wěn)定輸出的所謂預(yù)負(fù)載。此外，ESD放電間隙(ESDI)耦合于初級(jí)繞組106與輸出節(jié)點(diǎn)109之間。如圖1中所示，在次級(jí)繞組107兩端的輸出電壓Vq由在輔助繞組108兩端的電壓 120反映，該電壓經(jīng)由包括電阻器R3和R4的電阻分壓器向控制器IC 102的VSENSE管腳 (管腳幻輸入。在一個(gè)實(shí)施例中，在VSENSE管腳(管腳幻的電壓114向控制器102提供用于在控制開關(guān)112的操作和輸出電壓109以便調(diào)節(jié)輸出電壓OQ或者輸出電流(I。ut)時(shí)使用的反饋。另外，雖然控制器102在啟動(dòng)時(shí)由線路電壓105供電，但是在啟動(dòng)之后和在正常操作中，控制器102由在輔助繞組108兩端的電壓供電，并且在正常操作中不使用線路電壓105調(diào)節(jié)輸出電壓(Vq)和輸入電壓(V。ut)。二極管D5和電阻器R2形成整流器，該整流器用于整流在輔助繞組108兩端的電壓120用于作為在切換功率轉(zhuǎn)換器100的正常操作期間向控制器102的VCC管腳(管腳1)輸入的電源電壓。電容器C9用來保持在啟動(dòng)時(shí)來自于在節(jié)點(diǎn)105的線路電壓或者在啟動(dòng)期間和在切換功率轉(zhuǎn)換器100的切換循環(huán)之間來自于在輔助繞組108兩端的電壓的功率。圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制器IC 102的管腳說明?？刂破?02是 5個(gè)管腳的IC。管腳I(Vcc)是用于接收電源電壓的功率輸入管腳，管腳2(GND)是接地管腳，管腳3(Vsense)是配置成接收在反激開關(guān)電源的輔助繞組108兩端的電壓120的模擬輸入管腳，該電壓用于輸出電壓109的初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)，管腳4(Isense)是模擬輸入管腳，配置成以模擬電壓這一形式感測反激開關(guān)電源的的初級(jí)側(cè)電流，以便用于逐個(gè)循環(huán)的峰電流控制和限制。管腳5(0UTPUT)是輸出基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)110的輸出管腳，該信號(hào)用于控制BJT功率開關(guān)112的接通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間以及BJT功率開關(guān)112的基極電流的幅度。圖2B圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制器102的內(nèi)部電路?？刂破?02包括若干主要電路塊，這些電路塊包括Vsense信號(hào)條件化塊202、Isense信號(hào)條件化塊206和數(shù)字邏輯控制塊204?？刂破?02在管腳3接收模擬信號(hào)如VsenseIH而在管腳4接收Isense電壓 116、但是在采用的操作模式之下使用數(shù)字電路和數(shù)字狀態(tài)機(jī)來自適應(yīng)處理這些參數(shù)以在管腳5 (OUTPUT)生成適當(dāng)控制信號(hào)110，以便調(diào)節(jié)切換功率轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓(Vq)和
輸出電流(I OUTPUT/ °Vsense信號(hào)條件化塊202接收作為模擬電壓信號(hào)的VSENSE114并且生成一個(gè)或者多個(gè)電壓反饋信號(hào)218，這些信號(hào)反映在節(jié)點(diǎn)109的輸出電壓(V。)。Vsense信號(hào)條件化塊202包括谷檢測模塊212，如下文將參照圖4更具體說明的那樣，該模塊檢測Vsense 114的諧振特性并且輸出相關(guān)的谷反饋信號(hào)。在電壓反饋信號(hào)218中包括向谷預(yù)測模塊214輸出的谷反饋信號(hào)。Isense信號(hào)條件化塊206接收作為模擬電壓信號(hào)的Isense電壓116并且生成一個(gè)或者多個(gè)電流反饋信號(hào)220，這些信號(hào)反映流過開關(guān)112的初級(jí)側(cè)電流。感測VsenseIH電壓允許精確的輸出電壓調(diào)節(jié)，而感測Isense電壓116允許在恒壓和恒流模式中的逐個(gè)循環(huán)的精確峰電流控制和限制以及對(duì)變壓器Tl-A的磁化電感Lm不敏感的精確恒定電流(輸出電流
-lOUTPUT/ 控制。數(shù)字邏輯控制塊204處理電壓反饋信號(hào)218和電流反饋信號(hào)220并且實(shí)施改進(jìn)的 VMS方案以生成控制信號(hào)110，該信號(hào)支配開關(guān)112的操作和接通/關(guān)斷狀態(tài)以用于調(diào)節(jié)輸出電壓(％)和輸出電流(I。ut)。數(shù)字邏輯控制塊204包括谷預(yù)測模塊214，如下文參照圖3和圖4詳述的那樣，該模塊基于在電壓反饋信號(hào)中包括的諧振信息預(yù)測VsenseIH的局部谷位置。此外，數(shù)字邏輯控制塊204包括用于實(shí)施一種或者多種控制方案的數(shù)字狀態(tài)機(jī)(未示出)，這些控制方案用于基于電壓反饋信號(hào)218和電流反饋信號(hào)220調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器100 的操作。數(shù)字邏輯控制塊204可以實(shí)施適合于開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器100的任何數(shù)目的控制方案，比如脈寬調(diào)制(PWM)或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)和/或它們的組合。根據(jù)作為例子的PWM控制方案，數(shù)字邏輯控制塊204以恒定切換頻率并且因此以恒定切換周期接通開關(guān)112，但是通過調(diào)整開關(guān)112在各切換周期期間保持接通有多久來變化開關(guān)的占空比。占空比是指開關(guān)112接通時(shí)間占切換周期的分?jǐn)?shù)比(常表達(dá)為百分比)。例如，PWM切換方案可以具有IOOkHz的切換頻率，因此具有10 μ s的切換周期。因此對(duì)于占空比30%，開關(guān)112在各切換周期內(nèi)接通3 μ s而關(guān)斷7 μ S。在PWM控制之下，數(shù)字邏輯控制塊204通過調(diào)整控制信號(hào)110的占空比基于反饋信號(hào)(比如Vsense管腳(管腳3) 或者Isense管腳(管腳4)接收的電壓)來調(diào)節(jié)在節(jié)點(diǎn)109的輸出電壓(V。)，但是為控制信號(hào)110維持恒定切換頻率。根據(jù)作為例子的PFM控制方案，數(shù)字邏輯控制塊204用持續(xù)時(shí)間已設(shè)置的脈沖接通開關(guān)112，但是通過發(fā)出切換頻率可變并且因此切換周期可變的脈沖來控制控制信號(hào) 110的占空比。例如，PFM切換方案可以在各切換周期內(nèi)將開關(guān)112接通5 μ s、但是在40kHz 與130kHz之間變化切換頻率。40kHz的切換頻率將對(duì)應(yīng)于25 μ s的切換周期并且因此對(duì)應(yīng)于20%的占空比，而130kHz的切換頻率將對(duì)應(yīng)于7. 7μ s的切換周期并且因此對(duì)應(yīng)于約 65%的占空比。因此，在PFM控制之下，數(shù)字邏輯控制塊204通過調(diào)整控制信號(hào)110的頻率和周期基于反饋信號(hào)(比如Vsense管腳(管腳3)或者Isense管腳(管腳4)接收的電壓)調(diào)節(jié)在節(jié)點(diǎn)109的輸出電壓(VJ，但是開關(guān)112在各切換周期期間接通相同持續(xù)時(shí)間。出于示例的目的而呈現(xiàn)上述作為例子的PWM和PFM控制方案。這里描述的改進(jìn) VMS方案和關(guān)聯(lián)技術(shù)可以讓使用任何控制方案(無論使用PWM還是PFM或者一些其它控制方案)的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器110受益。例如，改進(jìn)的VMS方案使功率轉(zhuǎn)換器100能夠利用功率轉(zhuǎn)換器100內(nèi)的諧振以在開關(guān)112兩端的電壓處于最小值時(shí)操作開關(guān)112。圖3包括操作波形，這些波形圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)VMS方案。如上文所述，Vsense 114代表在開關(guān)控制器102的Vsense管腳(管腳3)上的電壓。Vce 304代表在開關(guān)112兩端的電壓。因此，在圖1所示實(shí)施例(其中開關(guān) 112是BJT)中，Vce 304是在BJT開關(guān)112的集電極與發(fā)射極之間的電壓。在其它一些實(shí)施例(未示出)中，開關(guān)112可以是功率M0SFET，在該情況下，Vce 304將對(duì)應(yīng)于在MOSFET的源極與MOSFET的漏極之間的電壓。如從圖1的示意圖可見，Vsense 114與在變壓器的輔助繞組兩端的電壓120基本上成比例。VsenseIH和Vce 304表現(xiàn)接近的相同定時(shí)特性。如上文所述，控制信號(hào)110代表在開關(guān)控制器102的OUTPUT管腳(管腳5)上的電壓。開關(guān)112在控制信號(hào)110為高時(shí)接通(閉合)，而開關(guān)112在控制信號(hào)110為低時(shí)關(guān)斷(斷開)。Vvms 308、谷指示脈沖310和所需開關(guān)脈沖312是在控制器102內(nèi)部的定時(shí)信號(hào)，下文參照圖3 詳述這些信號(hào)的生成和意義。在時(shí)間tQN320A，控制器102生成控制信號(hào)110為高從而接通(閉合)開關(guān)112。開關(guān)112保持閉合直至在控制信號(hào)110按照控制器102的操作變成低時(shí)的時(shí)間 _322Α。如上文說明的那樣，tQN320A和tQFF322A的特定定時(shí)取決于在切換功率轉(zhuǎn)換器100中運(yùn)用的特定控制方案(PWM或者PFM)。在開關(guān)112從時(shí)間tQN320A閉合到時(shí)間tQFF322A (這里稱為接通時(shí)間(或者接通時(shí)段)Tqn331)時(shí)，向初級(jí)繞組106施加整流的DC輸入電壓Vin 105，并且經(jīng)過初級(jí)繞組106的電流增加。在接通時(shí)間Tw331期間，在輔助繞組108兩端的電壓由數(shù)
學(xué)表達(dá)式
權(quán)利要求
1.一種切換功率轉(zhuǎn)換器，包括變壓器，包括耦合到輸入電壓的初級(jí)繞組和耦合到所述切換功率轉(zhuǎn)換器輸出的次級(jí)繞組；開關(guān)，耦合到所述變壓器的所述初級(jí)繞組，在所述開關(guān)接通時(shí)生成經(jīng)過所述初級(jí)繞組的電流而在所述開關(guān)關(guān)斷時(shí)不生成經(jīng)過所述初級(jí)繞組的電流；以及控制器，配置成生成用于接通或者關(guān)斷所述開關(guān)的控制信號(hào)，所述開關(guān)響應(yīng)于處于第一狀態(tài)的所述控制信號(hào)而接通，并且所述開關(guān)響應(yīng)于處于第二狀態(tài)的所述控制信號(hào)而關(guān)斷，其中所述控制器還被配置成根據(jù)所述切換功率轉(zhuǎn)換器采用的控制模式在各切換循環(huán)中確定所述開關(guān)的所需接通時(shí)間；以及所述控制器還被配置成在各切換循環(huán)中在實(shí)際接通時(shí)間生成處于所述第一狀態(tài)的所述控制信號(hào)以接通所述開關(guān)，所述實(shí)際接通時(shí)間對(duì)應(yīng)于在所述開關(guān)兩端的電壓在根據(jù)所述控制模式確定的所述所需接通時(shí)間之后的多個(gè)局部最小值中的一個(gè)局部最小值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中在所述開關(guān)兩端的所述電壓的所述局部最小值中的所述一個(gè)局部最小值是緊接于根據(jù)所述控制模式確定的所述所需接通時(shí)間之后出現(xiàn)的第一局部最小電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)是雙極結(jié)晶體管，并且在所述開關(guān)兩端的所述電壓對(duì)應(yīng)于在所述雙極結(jié)晶體管的集電極與發(fā)射極之間的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，并且在所述開關(guān)兩端的所述電壓是在所述MOSFET的漏極與源極之間的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中在所述開關(guān)兩端的所述電壓是在所述開關(guān)在各切換循環(huán)中關(guān)斷之時(shí)生成的衰減正弦信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器獨(dú)立于變壓器復(fù)位時(shí)段或者在所述開關(guān)兩端的所述電壓的諧振時(shí)段，根據(jù)所述切換功率控制器采用的所述控制模式在各切換循環(huán)中確定所述開關(guān)的所述所需接通時(shí)間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器包括比較器，配置成比較所述切換功率轉(zhuǎn)換器的按比例減小的輸出電壓與預(yù)定參考電壓以生成在所述第一狀態(tài)與所述第二狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變的谷模式切換信號(hào)；以及所述控制器基于所述谷模式切換信號(hào)在所述第一狀態(tài)與所述第二狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變定時(shí)預(yù)測所述局部最小值中的所述一個(gè)局部最小值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器被配置成如果所述谷模式切換信號(hào)在所述第二狀態(tài)中的持續(xù)時(shí)間超過預(yù)定閾值持續(xù)時(shí)間則在所述所需接通時(shí)間生成在所述第一狀態(tài)中的所述控制信號(hào)以接通所述開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器被配置成對(duì)在所述開關(guān)兩端的所述電壓的局部最小值的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)并且如果在所述開關(guān)兩端的所述電壓的局部最小值的所述計(jì)數(shù)的數(shù)目超過預(yù)定閾值計(jì)數(shù)則在所述所需接通時(shí)間生成處于所述第一狀態(tài)的所述控制信號(hào)以接通所述開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述切換功率轉(zhuǎn)換器是初級(jí)側(cè)反饋反激型切換功率轉(zhuǎn)換器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切換功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制模式是脈寬調(diào)制(PWM)或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)或者PWM與PFM的組合。
12.—種在控制器中的控制切換功率轉(zhuǎn)換器的方法，所述切換功率轉(zhuǎn)換器包括變壓器，具有耦合到輸入電壓的初級(jí)繞組和耦合到所述切換功率轉(zhuǎn)換器輸出的次級(jí)繞組；以及開關(guān)，耦合到所述變壓器的所述初級(jí)繞組，在所述開關(guān)接通時(shí)生成經(jīng)過所述初級(jí)繞組的電流而在所述開關(guān)關(guān)斷時(shí)不生成經(jīng)過所述初級(jí)繞組的電流，所述方法包括根據(jù)所述切換功率轉(zhuǎn)換器采用的控制模式在各切換循環(huán)中確定所述開關(guān)的所需接通時(shí)間；在各切換循環(huán)中在實(shí)際接通時(shí)間生成處于第一狀態(tài)的控制信號(hào)以接通所述開關(guān)，所述實(shí)際接通時(shí)間對(duì)應(yīng)于在所述開關(guān)兩端的電壓在根據(jù)所述控制模式確定的所述所需接通時(shí)間之后的多個(gè)局部最小值中的一個(gè)局部最小值；以及在各切換循環(huán)中根據(jù)所述控制模式生成處于所述第二狀態(tài)的所述控制信號(hào)以關(guān)斷所述開關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述開關(guān)兩端的所述電壓的所述局部最小值中的所述一個(gè)局部最小值是緊接于根據(jù)所述控制模式確定的所述所需接通時(shí)間之后出現(xiàn)的第一局部最小電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述開關(guān)是雙極結(jié)晶體管，并且在所述開關(guān)兩端的所述電壓對(duì)應(yīng)于在所述雙極結(jié)晶體管的集電極與發(fā)射極之間的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述開關(guān)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，并且在所述開關(guān)兩端的所述電壓是在所述MOSFET的漏極與源極之間的電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述開關(guān)兩端的所述電壓是在所述開關(guān)在各切換循環(huán)中關(guān)斷之時(shí)生成的衰減正弦信號(hào)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，獨(dú)立于變壓器復(fù)位時(shí)段或者在所述開關(guān)兩端的所述電壓的諧振時(shí)段，根據(jù)所述切換功率控制器運(yùn)用的所述控制模式在各切換循環(huán)中確定所述開關(guān)的所述所需接通時(shí)間。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中比較所述切換功率轉(zhuǎn)換器的按比例減小的輸出電壓與預(yù)定參考電壓以生成在所述第一狀態(tài)與所述第二狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變的谷模式切換信號(hào)；并且基于所述谷模式切換信號(hào)在所述第一狀態(tài)與所述第二狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變定時(shí)預(yù)測所述局部最小值中的所述一個(gè)局部最小值。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括如果所述谷模式切換信號(hào)在所述第二狀態(tài)中的持續(xù)時(shí)間超過預(yù)定閾值持續(xù)時(shí)間，則在所述所需接通時(shí)間生成在所述第一狀態(tài)中的所述控制信號(hào)以接通所述開關(guān)。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括對(duì)在所述開關(guān)兩端的所述電壓的局部最小值的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及如果所述計(jì)數(shù)超過預(yù)定閾值計(jì)數(shù)，則在所述所需接通時(shí)間生成處于所述第一狀態(tài)的所述控制信號(hào)以接通所述開關(guān)。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述切換功率轉(zhuǎn)換器是初級(jí)側(cè)反饋反激型切換功率轉(zhuǎn)換器。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述控制模式是脈寬調(diào)制(PWM)或者脈沖頻率調(diào)制(PFM)或者P麗與PFM的組合。
全文摘要
公開一種改進(jìn)谷模式切換(VMS)方案和用于在開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中實(shí)施改進(jìn)VMS切換方案的電路。對(duì)于給定切換循環(huán)，基于脈寬調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制或者其它適當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器控制方案確定所需開關(guān)接通時(shí)間。也針對(duì)在切換功率轉(zhuǎn)換器的功率開關(guān)兩端的電壓預(yù)測與局部最小值(谷)對(duì)應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)時(shí)間。在緊接于根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器控制方案確定的所需開關(guān)時(shí)間之后或者以別的方式在該所需開關(guān)時(shí)間之后的谷接通功率開關(guān)。因此，改進(jìn)的VMS方案使低電壓開關(guān)操作能夠減少切換損耗和EMI噪聲而未約束功率轉(zhuǎn)換器的控制方案。
文檔編號(hào)H02M7/00GK102273057SQ200980153262
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者H·H·布伊, J·W·克斯特森, 李勇, 鄭俊杰 申請人:艾沃特有限公司