優(yōu)先權要求

本申請根據35u.s.c.119(e)要求2015年12月31日提交的標題為“l(fā)oadregulationfortheisolatedoutputinaflybuckconverter”的美國臨時專利申請62/273,745的優(yōu)先權，其全部內容通過引用明確地并入本文。

背景技術：

在許多應用中，需要一個或多個工作在輸入電壓高達100伏特的低成本、簡單使用的隔離電源。傳統(tǒng)解決方案使用反激(flyback)轉換器來產生該偏置電源。反激設計通常利用具有光耦合器和參考電壓的初級功率繞組和次級功率繞組的不對稱的變壓器匝數(shù)比，或者利用反饋調節(jié)的輔助繞組。反激轉換器需要精細的補償設計來實現(xiàn)穩(wěn)定性。這導致繁瑣的設計過程和具有較高部件計算(count)和成本的龐大的解決方案。

隔離降壓(buck)轉換器(也稱為fly-buck^tm轉換器)將同步降壓轉換器與耦合電感繞組組合以產生隔離輸出。通過用耦合電感器(即反激型變壓器)替代同步降壓轉換器的輸出濾波電感器并且使用二極管和電容器對次級繞組電壓進行整流來創(chuàng)建隔離降壓轉換器。圖1是表示隔離降壓轉換器的示意性電路圖。圖1的隔離降壓轉換器100包括高側晶體管q1110、低側晶體管q2115、包括初級電感繞組125和次級電感繞組130的變壓器120、初級側輸出電容器cout1135、次級整流二極管140，以及次級側輸出電容器cout2145。晶體管q1110和q2115的占空比決定(dictate)初級側輸出電壓vout1，并且進而決定次級側輸出電壓vout2。反饋電阻器rfb1150和rfb2155向控制電路(未示出)提供反饋信號，該控制電路通過控制晶體管q1110和q2115的占空比來調節(jié)初級側輸出電壓vout1。由于次級側輸出電壓vout1與初級側輸出電壓vout1相關，所以該初級側輸出電壓調節(jié)也影響次級側輸出電壓的一定程度的調節(jié)。然而，主要由于初級側電感繞組125和次級側電感繞組130的漏電感以及整流二極管140的正向壓降，在次級側輸出電壓vout2中的變化不能精確地被反映在初級側輸出電壓vout1中。因為反饋回路僅接收初級側輸出電壓信息，所以次級側電壓調節(jié)在較低輸入電壓vin和/或較高輸出電流iout2下劣化。因此，例如，在次級側上出現(xiàn)的電壓降在初級側上不可見并且在設定q1和q2的占空比時不被控制電路考慮。另外的因素還導致在較低輸入電壓vin和/或較高輸出電流iout2(諸如初級繞組電阻和次級繞組電阻)處的次級側電壓調節(jié)的劣化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的說明性方面涉及一種調節(jié)隔離降壓轉換器的隔離輸出的電壓的方法，所述隔離降壓轉換器包括具有初級側和次級側的變壓器。根據該方法，測量變壓器的初級側的參數(shù)，其中該參數(shù)部分地取決于變壓器的次級側上的輸出電壓。至少部分地基于測量的參數(shù)值來設定隔離降壓轉換器的占空比。

本發(fā)明的另一說明性方面涉及一種具有高側晶體管、低側晶體管、變壓器、電流測量電路和控制電路的隔離降壓轉換器。高側晶體管包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子處的電壓水平控制從第一端子到第二端子的電流的流動。第一端子耦合到輸入電壓。低側晶體管還包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子處的電壓水平控制從第一端子到第二端子的電流的流動。低側晶體管的第一端子耦合到高側晶體管的第二端子，并且低側晶體管的第二端子耦合到地。變壓器具有初級電感繞組和次級電感繞組。初級電感繞組的第一端耦合到高側晶體管的第二端子和低側晶體管的第一端子。初級電感繞組的第二端耦合到第一輸出節(jié)點。次級電感繞組的第一端通過二極管耦合到第二輸出節(jié)點，并且次級電感繞組的第二端耦合到地。電流測量電路測量流過高側晶體管的電流?？刂齐娐方邮毡硎玖鬟^高側晶體管的電流的信號并且至少部分地基于所述電流來設定高側晶體管和低側晶體管的占空比。

本發(fā)明的另一說明性方面涉及一種具有高側晶體管、低側晶體管、變壓器、電流測量電路和控制電路的隔離降壓轉換器。高側晶體管包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子處的電壓水平控制從第一端子到第二端子的電流的流動。第一端子耦合到輸入電壓。低側晶體管還包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子處的電壓水平控制從第一端子到第二端子的電流的流動。低側晶體管的第一端子耦合到高側晶體管的第二端子，并且低側晶體管的第二端子耦合到地。變壓器具有初級電感繞組和次級電感繞組。初級電感繞組的第一端耦合到高側晶體管的第二端子和低側晶體管的第一端子。初級電感繞組的第二端耦合到第一輸出節(jié)點。次級電感繞組的第一端通過二極管耦合到第二輸出節(jié)點，并且次級電感繞組的第二端耦合到地。電流測量電路測量流過低側晶體管的電流?？刂齐娐方邮毡硎玖鬟^低側晶體管的電流的信號并且至少部分地基于所述電流來設定高側晶體管和低側晶體管的占空比。

附圖說明

圖1是表示現(xiàn)有技術的隔離降壓轉換器的示意性電路圖。

圖2是隔離降壓轉換器的示意圖，其中部分地基于通過高側(high-side)晶體管的測量電流來設定隔離降壓轉換器的占空比。

圖3是隔離降壓轉換器的示意圖，其中部分地基于通過低側(low-side)晶體管的測量電流來設定隔離降壓轉換器的占空比。

圖4是隔離降壓轉換器的示意圖，其中部分地基于測量的初級電感(inductor)電壓來設定隔離降壓轉換器的占空比。

圖5是表示調節(jié)隔離降壓轉換器的隔離輸出的電壓的方法的流程圖。

具體實施方式

參考附圖描述示例實施例，其中相同的附圖標記用于指定類似或等同的元件。示出的動作或事件的順序不應被認為是限制性的，因為一些動作或事件可以以不同的順序發(fā)生和/或與其它動作或事件同時發(fā)生。此外，根據本公開，可能不需要一些示出的動作或事件來實施方法。

本公開的說明性方面總體上針對由于初級側輸出被卸載同時隔離次級側輸出被加載而減小在隔離降壓轉換器的次級側中看到的電壓的變化。在說明性實施例中，該電壓調節(jié)通過測量隔離降壓轉換器的初級側上的參數(shù)來實現(xiàn)，所述參數(shù)表示次級側輸出電壓或次級側負載電流，并且調節(jié)隔離降壓轉換器的占空比達與所測量的參數(shù)成比例的量。

圖2是隔離降壓轉換器的示意圖，其中部分地基于通過高側晶體管的測量電流來設定隔離降壓轉換器的占空比。圖2的隔離降壓轉換器200包括高側晶體管q1210、低側晶體管q2215、包括初級電感繞組225和次級電感繞組230的變壓器220、初級側輸出電容器cout1235、次級整流二極管240以及次級側輸出電容器cout2245。晶體管q1210和q2215的占空比決定初級側輸出電壓vout1，并且進而決定次級側輸出電壓vout2。在說明性實施例中，晶體管q1210和q2215是場效應晶體管(fet)，諸如金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)，但是也可以使用其它類型的晶體管。反饋電阻器rfb1250和rfb2255向控制電路275提供反饋信號，該控制電路275通過控制晶體管q1210和q2215的占空比來調節(jié)初級側輸出電壓vout1。

因為在高側晶體管q1210中看到的電流與次級側輸出電流iout2成比例，所以通過高側晶體管q1210的測量電流可以被用于調節(jié)次級側輸出電壓vout2。在圖2的說明性隔離降壓轉換器中，通過測量通過高側晶體管q1210的電流并且部分地基于測量的電流設定晶體管q1210和q2215的占空比來調節(jié)次級側輸出電壓vout2。這減小了由于次級側輸出電壓vout2中的變化未被完全反映在初級側輸出電壓vout1中的事實而另外發(fā)生的在隔離降壓轉換器200的次級側中看到的電壓的變化。圖2表示測量通過高側晶體管q1210的電流并且部分地基于在其上的電流設定晶體管q1210和q2215的占空比的說明性實施方式。應當理解，感測通過高側晶體管q1210的電流并且基于感測的電流調節(jié)占空比的許多替代方案是可能的，并且本公開決不限于圖2中表示的特定方案。在圖2表示的說明性實施例中，電阻器260被耦合在輸入電壓vin和n溝道m(xù)osfet210的漏極之間。差分放大器265的輸入被耦合到電阻器260的任一端。因此，差分放大器265的輸出表示輸入電壓vin和晶體管q1210的漏極電壓vd之間的差，并且因此差分放大器265的輸出與通過電阻器260的電流成比例，并且進而與晶體管q1210的漏極-源極電流ids成比例。在確定晶體管q1210和q2215的占空比時，控制電路275使用差分放大器265的輸出。在圖2的說明性實施例中，這通過將差分放大器265的輸出提供給電壓控制的電流源270來實現(xiàn)。反饋電阻器rfb1250被耦合在電壓控制的電流源270和地之間。反饋電阻器rfb1250兩端的電壓被提供給控制電路275的反饋比較器280。因此，提供到反饋比較器280的信號至少部分地表示通過電阻器260并進而通過高側晶體管q1210的電流。

在圖2的說明性隔離降壓轉換器中，第二反饋電阻器rfb2255被耦合在反饋比較器280的反饋輸入fb和隔離降壓轉換器200的初級側輸出vout1之間。因此，反饋比較器280的反饋輸入fb基于通過高側晶體管q1210的漏極-源極電流ids和隔離降壓比較器200的初級側輸出電壓vout1。反饋比較器280將反饋輸入fb與參考電壓進行比較，該參考電壓至少部分地對應于通過高側晶體管q1210的期望電流水平。在圖2的說明性實施例中，參考電壓也對應于期望的初級側輸出電壓vout1。反饋比較器280將反饋信號fb與參考電壓進行比較并且將表示反饋信號fb和參考電壓(ref)之間的差的誤差信號提供給脈沖寬度調制(pwm)邏輯285?；谡`差信號的值，pwm邏輯285產生用于高側晶體管q1210和低側晶體管q2215的柵極驅動器信號。pwm邏輯285設定柵極驅動器信號的占空比，使得反饋信號fb的值將盡可能接近由參考電壓表示的期望值。因此，pwm邏輯285設定柵極驅動器信號的占空比，以便調節(jié)通過高側晶體管q1210的漏極-源極電流ids，使得輸出電壓vout1將盡可能接近期望值。設計人員可以調節(jié)或“調整”占空比變化量以滿足特定的系統(tǒng)精度需求。應當理解，圖2中描繪的控制方案僅僅是說明性的，并且本公開的方面可以結合基本上任何控制方案來實施，所述任何控制方案包括但不限于電流模式控制和電壓模式控制兩者。

圖3是隔離降壓轉換器的示意圖，其中部分地基于通過低側晶體管的測量電流來設定隔離降壓轉換器的占空比。圖3的隔離降壓轉換器300包括高側晶體管q1310、低側晶體管q2315、包括初級電感繞組325和次級電感繞組330的變壓器320、初級側輸出電容器cout1335、次級整流二極管340和次級側輸出電容器cout2345。晶體管q1310和q2315的占空比決定初級側輸出電壓vout1，并且進而決定次級側輸出電壓vout2。在說明性實施例中，晶體管q1310和q2315是諸如金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)的場效應晶體管(fet)，但是也可以使用其它類型的晶體管。反饋電阻器rfb1350和rfb2355向控制電路375提供反饋信號，該控制電路375通過控制晶體管q1310和q2315的占空比來調節(jié)初級側輸出電壓vout1。

因為在低側晶體管q2315中看到的電流與次級側輸出電流iout2成正比，所以通過低側晶體管q2315的測量電流可以用于調節(jié)次級側輸出電壓vout2。在圖3的說明性隔離降壓轉換器中，通過測量通過低側晶體管q2315的電流并且部分地基于測量的電流設定晶體管q1310和q2315的占空比來調節(jié)次級側輸出電壓vout2。這減小了由于次級側輸出電壓vout2的變化未被完全反映在初級側輸出電壓vout1中的事實而另外發(fā)生的在隔離降壓轉換器300的次級側中看到的電壓的變化。圖3表示測量通過低側晶體管q2315的電流并且部分地基于在其上的電流設定晶體管q1310和q2315的占空比的說明性實施方式。應當理解，感測通過低側晶體管q2315的電流并且基于感測的電流調節(jié)占空比的許多替代方案是可能的，并且本公開決不限于圖3中表示的特定方案。在圖3所示的說明性實施例中，電阻器360被耦合在n溝道m(xù)osfet315的源極和地之間。差分放大器365的輸入被耦合到電阻器360的任一端。因此，差分放大器365的輸出表示晶體管q2315的源極電壓vs與接地電壓之間的差，并且因此差分放大器365的輸出與通過電阻器360的電流成比例，并且進而與晶體管q2315的漏極-源極電流ids成比例。差分放大器365的該輸出由控制電路375用于確定晶體管q1310和q2315的占空比。在圖3的說明性實施例中，這是通過將差分放大器365的輸出提供給電壓控制的電流源370來實施的。反饋電阻器rfb1350被耦合在電壓控制的電流源370和地之間。反饋電阻器rfb1350兩端的電壓被提供到控制電路375的反饋比較器380。因此，提供到反饋比較器380的信號至少部分表示通過電阻器360的電流和進而通過低側晶體管q2315的電流。

在圖3的說明性隔離降壓轉換器中，第二反饋電阻器rfb2355被耦合在反饋比較器380的反饋輸入fb和隔離降壓轉換器300的初級側輸出vout1之間。因此，到反饋比較器380的反饋輸入fb基于通過低側晶體管q2315的漏極-源極電流ids和隔離降壓比較器300的初級側輸出電壓vout1。反饋比較器380將反饋輸入fb與參考電壓(ref)進行比較，該參考電壓至少部分地對應于通過低側晶體管q2315的期望電流水平。在圖3的說明性實施例中，參考電壓也對應于期望的初級側輸出電壓vout1。反饋比較器380將反饋信號fb與參考電壓進行比較并且將表示反饋信號fb和參考電壓之間的差的誤差信號提供給脈沖寬度調制(pwm)邏輯385?；谡`差信號的值，pwm邏輯385產生用于高側晶體管q1310和低側晶體管q2315的柵極驅動器信號。pwm邏輯385設定柵極驅動器信號的占空比，使得反饋信號fb的值將盡可能接近由參考電壓表示的期望值。因此，pwm邏輯385設定柵極驅動器信號的占空比，使得通過低側晶體管315的漏極-源極電流ids將盡可能接近期望值。設計人員可以調節(jié)或“調整”占空比變化量以滿足特定的系統(tǒng)精度需求。應當理解，圖3中描繪的控制方案僅僅是說明性的，并且本公開的方面可以結合基本上任何控制方案來實施，所述任何控制方案包括但不限于電流模式控制和電壓模式控制二者。

圖4是隔離降壓轉換器的示意圖，其中部分地基于測量的初級電感器電壓來設定隔離降壓轉換器的占空比。圖4的隔離降壓轉換器400包括高側晶體管q1410、低側晶體管q2415、包括初級電感繞組425和次級電感繞組430的變壓器420、初級側輸出電容器cout1435、次級整流二極管440和次級側輸出電容器cout2445。在說明性實施例中，晶體管q1410和q2415是諸如金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)的場效應晶體管(fet)，但是也可以使用其它類型的晶體管。

因為初級電感繞組425兩端的電壓vl1與次級電感電壓vl2成正比，所以測量的電壓vl1可以用于調節(jié)次級側輸出電壓vout2。在圖4的說明性隔離降壓轉換器中，通過測量初級電感繞組425兩端的電壓vl1并且部分地基于測量的電壓設定晶體管q1410和q2415的占空比來調節(jié)次級側輸出電壓vout2。這減小由于次級側輸出電壓vout2中的變化未被完全反映在初級側輸出電壓vout1中的事實而另外發(fā)生的在隔離降壓轉換器400的次級側中看到的電壓的變化。圖4表示測量初級電感電壓vl1并部分基于在其上的電壓設定晶體管q1410和晶體管415的占空比的說明性實施方式。應當理解，感測初級電感電壓vl1并且基于感測的電壓來調整占空比的許多替代方案是可能的，并且本公開絕不限于圖4中表示的特定方案。在圖4所示的說明性實施例中，初級電感繞組425的輸入端被耦合到電感電壓感測電路460的第一輸入。初級電感繞組425的輸出端被耦合到電感電壓感測電路460的第二輸入。在由圖4表示的說明性實施例中，初級電感繞組425的輸出端經由反饋電阻器rfb450被耦合到電感電壓感測電路460的第二輸入。電感電壓感測電路460測量初級電感繞組425兩端的電壓vl1，并且向控制電路475的反饋比較器480提供表示感測電壓的信號。

反饋比較器480將感測的初級電感電壓vl1與對應于期望的vl1水平的參考電壓進行比較。反饋比較器480將表示感測的初級電感電壓vl1和參考電壓之間的差的誤差信號提供給脈沖寬度調制(pwm)邏輯485。基于誤差信號的值，pwm邏輯485產生用于高側晶體管q1410和低側晶體管q2415的柵極驅動器信號。pwm邏輯485設定柵極驅動器信號的占空比，使得初級電感器電壓vl1的值將盡可能接近由參考電壓表示的期望值。設計人員可以調節(jié)或“調整”占空比變化量以滿足特定的系統(tǒng)精度需求。應當理解，圖4中描繪的控制方案僅僅是說明性的，并且本公開的方面可以結合基本上任何控制方案來實現(xiàn)，所述任何控制方案包括但不限于電流模式控制和電壓模式控制二者。

在本公開的另一實施例中，部分地基于測量的初級電感電流來設定隔離降壓轉換器的占空比。因為通過初級電感繞組425的電流il1表示初級電流和次級電流，所以測量的電流il1可以用于調節(jié)次級側電流和輸出電壓vout2。因此，在該實施例中，通過測量通過初級電感繞組425的電流il1并且部分地基于測量的電流il1設定晶體管q1410和q2415的占空比來調節(jié)次級側輸出電壓vout2。這減小了由于次級側輸出電壓vout2中的變化未被完全反映在初級側輸出電壓vout1中的事實而另外發(fā)生的在隔離降壓轉換器400的次級側中看到的電壓的變化。

圖5是表示調節(jié)包括具有初級側和次級側的變壓器的隔離降壓轉換器的隔離輸出的電壓的方法的流程圖。在框500處，測量變壓器的初級側的參數(shù)，其中該參數(shù)部分地取決于變壓器的次級側上的輸出電壓。在框510處，至少部分地基于所測量的參數(shù)的值來設定隔離降壓轉換器的占空比。

應當注意，本文公開的實施例在本質上是說明性的而不是限制性的，并且在前述公開中考慮了寬范圍的變化、修改、改變和替代。此外，在一些情況下，可以采用一些特征而無需相應地使用其它特征。因此，適當?shù)氖?，以與本文公開的廣泛的發(fā)明概念一致的方式寬泛地解釋隨附權利要求。