利用专用初级端控制线圈的新型电源管理集成电路分割的利记博彩app
【专利摘要】一种具有反馈机制的切换模式的电源转换器，通过该反馈机制，在所述电源转换器的次级端上生成具有定义良好的完整性的脉冲的编码序列，并且该编码序列被发送到初级端上的专用控制信号线圈，以用于解码和施加来调节电源转换器输出。控制信号线圈使控制信号传输和电力传输分开，从而导致初级端控制器对控制信号的处理的改善。脉冲序列由次级端控制器调制，在变压器上发送并由控制信号线圈接收，并且被供应给初级端控制器。通过调制脉冲序列的脉冲，编码信息被包括在编码脉冲序列中。
【专利说明】利用专用初级端控制线圈的新型电源管理集成电路分割
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求于2013年3月15日提交的、名为“New Power MangementIntegrated Circuit Partit1ning With Dedicated Primary Side Control Winding(利用专用初级端控制线圈的新型电源管理集成电路分割)”的未决的序列号为61 / 799，124的美国临时申请以及2013年3月15日提交的、名为“New Power Management IntegratedCircuit Partit1ning(新型电源管理集成电路分割)”的未决的序列号为61 / 793,099的美国临时申请的优先权，本申请将序列号为61 / 799，124的美国临时申请和序列号为61 / 793,099的美国临时申请的全部内容结合于此。
【技术领域】
[0003]本发明一般地示出了电源转换器领域。更具体而言，本发明专注于控制电源转换器。
【背景技术】
[0004]在许多应用中需要电源转换器来提供在预定范围内的电压，该电压从具有不同电压电平的电源形成。如果被供应的电压落到某一范围内，则一些电路会经受到不确定且不期望的运行以及甚至不可修复的损坏。更具体而言，在一些应用中，经常需要精确量的电力。这样的电源转换器被称为稳压电源。
[0005]为了控制电源转换器输送如状况要求的精确量的电力，需要某种控制电源转换器的形式。该控制可以发生在隔离变压器的初级端(primary side)或次级端上(secondaryside)。闭环反馈控制系统是监视电路中的一些元素，比如电路输出电压及其改变的趋势，并且将那个元素调节在基本恒定值的系统。对电源转换器的次级端的控制可以将监视的输出电压用作反馈控制，但需要对从隔离变压器的初级端到次级端的某些传达的使用以控制初级端的切换元素。对初级端的控制可以容易地控制初级端切换元素，但需要从次级端到初级端的用来传输被监视元素的状态的某种反馈机制。在一些应用中，光耦合器电路或者光电耦合器被用来在保持初级端和次级端之间的电隔离的同时，发送反馈信号。
[0006]图1图示了传统的包括光耦合器电路的调节切换模式的电源转换器。电源转换器2被配置为惯用的回扫型(flyback type)转换器。电源转换器2包括具有初级线圈Pl和次级线圈SI的隔离变压器4。初级线圈Pl电耦合到输入电压Vin以及包括晶体管8、电阻12和控制器10的驱动电路。电容28在输入Vin之上耦合并且与初级线圈Pl耦合。到该电路的输入电压可以是在整流和滤波之后从AC电源得到的未经调节的DC电压。晶体管8是快速切换器件，比如M0SFET，其切换由快速动态控制器10控制以保持期望的输出电压Vout0控制器10耦合到晶体管的栅极。众所周知，从初级线圈Pl到次级线圈SI的DC /DC转换由提供给晶体管8的脉宽调制(PWM)切换信号的占空比确定。利用二级管6和电容22对次级线圈电压进行整流和滤波。读出电路和负载14经由二极管6被并行耦合到次级线圈SI。读出电路包括电阻16、电阻18以及次级控制器20。次级控制器20读出负载之上的输出电压Vout。
[0007]在本配置中，电源转换器由初级端上的驱动电路控制，而耦合到输出的负载与该控制隔离。从而，对于在初级端上的控制，需要用于电压调节的被监视输出电压以作为来自次级端的反馈。电源转换器2具有包括次级控制器20的电压调节电路和光耦合器电路。光耦合器电路包括两个电位隔离的组件:耦合到次级控制器20的光二极管24以及耦合到控制器10的光学晶体管26。光二极管24在由变压器4形成的隔离势垒之上提供与光学晶体管26的光通信。与次级控制器20合作的光耦合器电路向控制器10提供反馈。控制器10从而调整晶体管8的占空比以补偿输出电压Vout的任意变动。
[0008]然而，对光耦合器电路及其本身的使用呈现了问题。首先，光耦合器电路增加了额外的成本。在一些应用中，光耦合器电路会相比于隔离变压器将更多的成本添加到电源转换器。光耦合器电路也增加了控制和测试成本。此外，光耦合器电路的性能随时间流逝而退化，从而在整体电源转换器中引入了另一个潜在的故障点。另外，在整体电路设计中必须考虑光耦合器电路的特性。例如，光二级管组件是非线性的，从而必须建立光二极管和光学晶体管之间的相关性。光耦合器电路也具有与光二极管和光学晶体管的操作有关的延迟，并且光二极管的操作需要定义良好的DC电平。结果，避免对光耦合器电路的使用通常是值得做的。
[0009]反馈控制的下一代不使用光控制电路。作为替代，变压器被用来传输从次级端到初级端的实时反馈信号。在这种应用中，变压器包括在初级端上的辅助线圈，其磁耦合到次级线圈。图2图示了包括传统的包括磁耦合反馈电路的稳压器。电压转换器32被配置为惯用的回扫型转换器。电源转换器32包括具有初级线圈Pl和次级线圈SI的隔离变压器34。初级线圈Pl电耦合到输入电压Vin以及包括晶体管44、电阻46和控制器42的驱动电路。电容器58在输入Vin之上耦合并且与初级线圈Pl耦合。到该电路的输入电压可以是在整流和滤波之后从AC电源得到的未经调节的DC电压。与图1中的电源转换器相似，晶体管44是由快速动态控制器42控制以保持期望的输出电压Vout的快速切换器件。利用二级管36和电容38对次级线圈电压进行整流和滤波，其中，输出电压Vout被输送到负载40。
[0010]电源转换器32具有包括磁耦合反馈电路的反馈环，该磁耦合反馈电路耦合到变压器34的次级线圈SI以及控制器42。磁耦合反馈电路包括二极管48、电容器50、电阻52和和54以及辅助线圈56。辅助线圈56并联耦合到串联的电阻52和54。
[0011]电压VA与辅助线圈56上的电压成比例。电压VA被提供为到控制器42的反馈电压VFB。通过晶体管44的电流也被提供为到控制器42的反馈电流IFB。控制器42包括实时波形分析器，该实时波形分析器分析输入的反馈信号，比如反馈电压VFB和反馈电流IFB。
[0012]辅助线圈56也磁稱合到次级线圈SI。当通过二极管36的电流是零时,次级线圈SI上的电压等于辅助线圈56上的电压。这个关系提供了将输出电压Vout作为反馈传达给电路的初级端的手段。当确定通过二极管36的电流是零时，测量辅助线圈56上的电压，该测量提供了对次级线圈SI上的电压的测量，进而提供了对输出电压Vout的测量。
[0013]当二极管36的电流是零时，反馈电压VFB被确定并被称为“电压感应”，并且当二极管36的电流是零时，反馈电流IFB被确定并被称为“电流感应”。电压感应和电流感应被输入到控制器42内的实时波形分析器。图3图示了传统的实时波形分析器60的功能框图。误差放大器62和64是调节手段的接收器，所述调节手段在本配置中是感应电压和感应电流。误差放大器将输入的感应电压与参考电压进行比较并且输出第一差值。第一差值由误差放大器62的增益放大。误差放大器64将经放大的第一差值与感应电流进行比较并且输出或为高或为低的第二差值。脉宽调制(PWM)块66被配置为触发器电子设备。PWM块66的输出根据时钟68的切换频率而设定，并且由从误差放大器64输入的高值或低值复位。施加到复位管脚的可变信号生成输出信号，该输出信号是由脉宽调制的脉冲序列。多输入OR(或)门80输入时钟信号、脉冲序列信号、关闭信号以及OVP / UVP / OTP信号，其中OVP代表“过电压保护”，UVP代表“欠压保护”，并且OTP代表“过温度保护”。波形分析器被配置为当到OR门的输出之一为高时，输出高电压值，而当到OR门的所有输入为低时，输出低电压值。从波形分析器输出的高电压值对应于图2中晶体管44的导通。低电压值对应于晶体管44的截止。通过监视反常状况(比如欠压、过电压、过温度等等)0R门也使得从PWM块66输出的高电压信号能够传播到输出。以此方式，每个脉冲的脉冲宽度能够被修改，这调整输出电压为校准的。
[0014]通常，波形分析器的控制复杂度与实现整体系统功能性能的控制自变量采样一致。采样自变量是以电流、电压和阻抗的形式。系统功能性能是以脉宽调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和脉冲幅度调制(PAM)的形式。图3的波形分析器限制在DC或实时切换波形中的信号处理。在任一情况下，由波形分析器接收到的反馈信号需要某种状态完整性，比如在DC电平上没有噪声、在切换波形上没有干扰，并且在某种程度上表示模拟表示和数字表示的组合。辅助线圈上的电压典型地形成具有与驱动晶体管的切换频率相对应的频率的脉冲序列。当次级线圈的电流是零时(其对应于二极管36的电流等于零)，辅助线圈上的电压对应于脉冲的下降沿。因而，测量准确的电压值需要脉冲是具有充分的脉冲完整性(特别是在下降沿处)的定义良好的。此外，紧跟着上升沿的电压值包括由于变压器的泄漏阻抗导致的振铃。因而，脉冲完整性也需要足够的时间来使跟随着上升沿的电压值稳定。更高的切换频率使脉宽最小化，从而提供了用于电压稳定的更少的时间。至少由于这些原因，提供具有充分脉冲完整性的脉冲是难以实现的。
[0015]另一种类型的反馈机制使用第二变压器作为由电路的次级端上的脉宽调制器控制的栅极驱动变压器。图8图示了传统的包括用作栅极驱动变压器的第二变压器的稳压器。电压转换器74被配置为惯用的回扫型转换器。电源转换器74包括具有初级线圈Pl和次级线圈SI的隔离变压器94。初级线圈Pl电耦合到输入电压Vin以及包括晶体管80、电阻78和二极管82的驱动电路。电容器84在输入Vin之上耦合并且与初级线圈Pl耦合。到该电路的输入电压可以是在整流和滤波之后从AC电源得到的未经调节的DC电压。驱动电路也包括二极管96、控制器86以及具有初级线圈P2和次级线圈S2的栅极驱动变压器76。二极管96和控制器86串联耦合到电路的次级端上的次级线圈S2。变压器94的初级线圈P2耦合到快速动态控制器86以保持期望的输出电压Vout。利用二级管92和电容器90对变压器94的次级线圈上的电压进行整流和滤波，其中，输出电压Vout被输送到负载80和控制器86。次级端控制器86通过经由栅极驱动变压器76向晶体管80发送驱动信号来调节输出电压Vout。
【发明内容】
[0016]切换模式的电源转换器的实施例示出了反馈机制，通过该反馈机制，在所述电源转换器的次级端上生成具有定义良好的完整性的脉冲的编码序列，并且该编码序列被发送到初级端上的专用控制信号线圈，以用于解码和施加来调节电源转换器输出。控制信号线圈使控制信号传输和电力传输分开，从而导致初级端控制器对控制信号的处理的改善。脉冲序列由次级端控制器调制，在变压器上发送并由控制信号线圈接收，并且被供应给初级端控制器。这种技术在不使用光耦合电路的情况下允许调节数据在隔离电位垫垒上传输。通过调制脉冲序列的脉冲，编码信息被包括在编码脉冲序列中，调制脉冲包括但不限于调制脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲频率或它们的组合。
[0017]在一方面中，一种切换模式电源转换器被配置用于从初级端到次级端的正向能量传递以及从次级端到初级端的反向能量传递。所述电源转换器包括:变压器、第一开关、第一控制器、第二开关、第二控制器、第一辅助线圈和第二辅助线圈。变压器具有耦合到输入的供应电压的初级线圈和次级线圈。第一开关串联耦合到所述初级线圈。第一控制器耦合到所述开关，并且第一控制器被配置为将所述第一开关开启或关闭。第二开关串联耦合到所述次级线圈。第二控制器耦合到所述第二开关，并且所述第二控制器被配置为将所述第二开关开启或关闭，从而控制通过所述次级线圈的负电流。第一辅助线圈电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈，以接收所述反向能量传递的用于将电力提供给所述第一控制器的电力分量。第二辅助线圈电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈，以接收所述反向能量传递的用于提供用来调节电路输出特性的反馈信号的控制分量。
[0018]在一些实施例中，所述第二控制器被配置为驱动所述第二开关以生成通过所述次级线圈的负电流，来形成编码控制信号，另外，其中，所述变压器被配置为将所述编码控制信号从所述变压器的次级端发送到所述变压器的初级端的信号发送器，其中，所述第一控制器被配置为对所述编码控制信号进行解码以识别控制信息，根据控制信息生成驱动信号，并且利用所述驱动信号驱动所述第一开关以调节输出特性。在一些实施例中，所述编码控制信号是具有经调制的多个电压脉冲的脉冲序列信号。经调制的多个脉冲可以通过调制脉冲幅度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲延迟以及脉冲周期的个数中的一个或多个来调制。所述第二控制器被配置为在所述第一开关的关闭时段期间发送所述编码控制信号。所述输出特性可以是所述电源转换器的输出电压、输出电流和输出功率中的一个或多个。所述电源转换器还可以包括耦合到所述次级线圈和所述第二控制器的读出电路，其中，所述读出电路被配置为读出所述电源转换器的输出特性。在一些实施例中，所述第一辅助线圈具有与所述次级线圈相同的极性，并且所述第二辅助线圈具有与所述次级线圈相反的极性。在一些实施例中，从所述变压器的初级端到所述变压器的次级端的正向能量传递不感应所述第二辅助线圈中的电流。在一些实施例中，所述第一开关包括第一晶体管并且所述第二开关包括第二晶体管。所述电源转换器还可以包括并联耦合到所述第二开关的二极管以及串联到所述二极管的输出电容器，其中，所述二极管被配置为当正向偏置时使电流能够从所述次级线圈流到所述输出电容器。在本配置中，当所述第二开关开启时，通过所述第二开关的可替换电流路径在所述输出电容器和所述变压器的次级线圈之间形成，另外，其中，负的次级电流经由所述可替换电流路径从所述输出电容流到所述次级线圈。在一些实施例中，所述第二辅助线圈被配置为通过所述第一控制器提供用于控制的采样信号，所述采样信号是在所述第一开关被开启和关闭时提供的。
[0019]在另一方面中，公开了一种控制切换模式电源转换器的方法。所述包括配置切换模式电源转换器。所述电源转换器包括变压器、第一开关、第一控制器、第二开关、第二控制器、第一辅助线圈和第二辅助线圈。变压器具有耦合到输入的供应电压的初级线圈和次级线圈。第一开关串联耦合到所述初级线圈。第一控制器耦合到所述开关。第二开关串联耦合到所述次级线圈。第二控制器耦合到所述第二开关。第一辅助线圈电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈。第二辅助线圈电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈。所述第一辅助线圈专用于接收用于为所述第一控制器供电的电力传输。所述第二辅助线圈专用于接收用于控制所述第一开关的编码控制信号。所述方法也包括通过所述第二控制器驱动所述第二开关以生成所述编码控制信号，并且将所述编码控制信号从所述次级线圈发送到所述第二辅助线圈。所述方法也包括通过所述第一控制器对所述编码控制信号进行解码以识别控制信息，并且利用根据所述控制信息生成的驱动信号驱动所述第一开关。
[0020]在一些实施例中，所述第一辅助线圈具有与所述次级线圈相同的极性，并且所述第二辅助线圈具有与所述次级线圈相反的极性。在一些实施例中，从所述变压器的初级端到所述变压器的次级端的正向能量传递不感应所述第二辅助线圈中的电流。在一些实施例中，驱动所述第二开关生成通过所述次级线圈的负电流，以形成编码控制信号。在一些实施例中，所述编码控制信号包括具有经调制的多个电压脉冲的脉冲序列信号。经调制的多个脉冲思考以通过调制脉冲幅度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲延迟以及脉冲周期的个数中的一个或多个来调制。在所述第一开关的关闭时段期间发送所述编码控制信号。所述方法也可以包括测量所述变压器的次级端的输出特性，并且所述编码控制信号是根据所述输出特性生成的。所述输出特性可以是所述电源转换器的输出电压、输出电流和输出功率中的一个或多个。在一些实施例中，生成所述编码控制信号包括生成驱动信号并且将其施加到所述第二开关以根据预定模式将所述第二开关开启和关闭，从而产生所述变压器的次级线圈上的经调制的多个电压脉冲。在一些实施例中，将所述第二开关开启使能通过所述次级线圈的负的次级电流。在一些实施例中，使能所述负的次级电流包括使能从输出电路中的输出电容器到所述次级线圈的可替换电流路径。在一些实施例中，所述第二辅助线圈通过所述第一控制器提供用于控制的采样信号，所述采样信号是在所述第一开关被开启和关闭时提供的。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]参照附图描述了几个示例实施例，其中，同样的组件设有同样的参考标记。示例实施例意图说明但不限制本发明。附图包括下列图:
[0022]图1图示了传统的包括光耦合器电路的调节切换模式的电源转换器。
[0023]图2图示了包括传统的包括磁耦合反馈电路的稳压器。
[0024]图3图示了传统的实时波形分析器60的功能框图。
[0025]图4图示了根据实施例的电源转换器。
[0026]图5图示了根据实施例的用于处理编码的电压脉冲序列的控制器的一部分的功能框图。
[0027]图6图示了根据另一实施例的电源转换器。
[0028]图7图示了图6的电源转换器在反向能量传递期间的等效电路。
[0029]图8图示了传统的包括用作栅极驱动变压器的第二变压器的稳压器。
【具体实施方式】
[0030]本申请的实施例示出了电源转换器。本领域普通技术人员将认识到，以下对电源转换器的详细描述仅仅是说明性的，而不意图以任何方式进行限制。电源转换器的其它实施例将容易地自行建议给拥有本公开的好处的这样的技术人员。
[0031]现在将详细说明附图中图示的电源转换器的实现方式。贯穿附图以及以下参考相同或相似部件的详细描述中，将使用相同的参考指示符。为了清楚，并没有示出和描述这里描述的实现方式的所有常规特征。当然，将会理解，在任意这样的实际实现方式的开发中，必须进行许多实现方式特定的决定以便实现开发者的特定目标，比如符合应用以及商业有关的约束，并且这些特定目标将因每个实现方式以及每个开发者而异。此外，将会理解，这种开发的努力可能是复杂且耗时的，但是这种努力对于拥有本公开的好处的本领域普通技术人员不过是工程的常规进行。
[0032]图4图示了根据实施例的电源转换器。电源转换器100被配置为接收在输入节点Vin处的未经调节的DC电压信号并且提供经调节的输出电压Vout。到电路的输入电压可以是在整流之后从AC电源得到的未经调节的DC电压。输入电压被典型地滤波，比如经由电容器102。
[0033]电源转换器100被配置为回扫转换器。将会理解，这里描述的构思可以被应用到可替换地配置的切换模式的转换器，包括但不限于正向转换器、推挽式转换器、半桥转换器以及全桥转换器。电源转换器100包括具有初级线圈Pl和次级线圈SI的隔离变压器104。初级线圈Pl电耦合到输入电压Vin以及包括开关106、检测电阻112和控制器110的驱动电路。开关106串联耦合到变压器104的初级线圈Pl和检测电阻112。控制器110耦合到开关106以将开关开启或关闭。
[0034]电源转换器100还包括耦合到变压器104的次级线圈SI的输出电路。输出电路包括续流整流二极管116、开关118、控制器120以及输出电容器126。开关118并联耦合到二极管116。二极管116的阳极耦合到次级线圈SI的第一端。二极管216的阴极耦合到输出电容器126的第一端并且耦合到输出节点Vout。输出电容器126耦合到由电阻128表示的输出负载上的Vout节点。控制器120耦合到开关118以将开关开启或关闭。输出电路也包括读出电路，该读出电路被配置为测量要调节的电路特性，比如输出电压、输出电流和/或输出功率。在本示例性配置和随后的描述中，电源电路被描述为读出和调节输出电压Vout。在图4的示例性配置中，读出电路包括测量电容器126上的电压的电阻分压器，该电阻分压器包括并联耦合到电容器126的电阻122和124。将会理解，可替换的读出电路可以用来测量输出电压Vout。通常，读出电路可以被配置为使用用于确定经调节的电路特性的值的任意传统技术。
[0035]开关106和开关118各自是适合的开关器件。在示例性实施例中，开关106和辅助开关118各自是η型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。可替换地，本领域技术人员已知的任意其它的半导体开关器件可以替代开关106和/或开关118。后面的描述是基于η沟道MOSFET的。
[0036]电源转换器100具有包括耦合到变压器104的次级线圈SI的磁耦合反馈电路的反馈环。磁耦合反馈电路包括二极管108、电容器130、电阻132和134以及辅助线圈114。辅助线圈114并联耦合到串联的电阻132和134。辅助线圈114也磁耦合到次级线圈SI。当通过二极管116的电流是零时，如果匝比是1:1，则次级线圈SI上的电压等于辅助线圈114上的电压，或者取决于匝比而成其它比例。这种关系提供了用于将次级线圈SI上的电压作为反馈传达给电路的初级端的手段。次级线圈SI上的电压值是通过次级线圈SI的次级电流的函数。随着通过二极管116的电流等于零，控制器120选择性地导通或截止晶体管118。当晶体管118导通时，从充电的电容126到次级线圈SI形成可替换的电流路径。可替换的电流路径使反向电流能够流过次级线圈SI。以这种方式，控制器120生成选择性地导通或截止晶体管118的驱动信号，从而在次级线圈SI之上生成电压脉冲的编码序列。驱动信号被配置为使得电压脉冲是利用编码信息调制的。以这种方式，编码的电压脉冲序列在与开关106关闭和通过二极管116的正向次级电流下降到零相对应的延迟时段期间被发送。
[0037]在一些实施例中，编码信息是要调节的被测量输出电路特性，比如输出电压Vout。在这种情况下，控制器120接收读出的输出电压Vout，并且生成驱动信号，从而导致被编码成传输读出的输出电压Vout的次级线圈SI之上的电压脉冲调制序列。以这种方式，编码信号以编码的电压脉冲序列的形式生成，其中被测量的输出电压Vout的DC电平被编码到编码信号中。通过调制脉冲序列的脉冲，编码信息被包括在编码脉冲序列中，调制脉冲包括但不限于调制脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲频率或它们的组合。例如，可以通过预定时段上的脉冲数量或者该时段上具有不同幅度的脉冲数量来调制脉冲序列。
[0038]辅助线圈114磁耦合到次级线圈SI，并且当通过二极管116的电流是零时，辅助线圈114上的电压等于次级线圈SI上的电压或者与其成比例。因而，编码的电压脉冲序列经由磁耦合辅助线圈114和次级线圈SI从隔离电位势垒之上发送。
[0039]当晶体管106截止并且通过二极管116的电流等于零时，测量辅助线圈114上的编码的电压脉冲序列。电压VA与辅助线圈114上的电压成比例，从而表示编码的电压脉冲序列。电压VA被作为反馈电压VFB提供给控制器110，其中，反馈电压VFB表示编码的电压脉冲序列。与反馈电压VFB是图2的根据主晶体管44的切换周期的单一脉冲的传统电源转换器形成对照，输入到控制器110的反馈电压VFB是根据主晶体管106的切换周期的脉冲序列。脉冲序列包括识别被测量输出电压Vout的编码信息，再次与图2的单一脉冲表示实际输出电压Vout的传统电源转换器形成对照。
[0040]控制器110被配置为接收反馈电压VFB。通过晶体管106的电流也作为反馈电流IFB提供给控制器110。控制器110包括实时波形分析器，该实时波形分析器分析输入的反馈信号，比如反馈电压VFB和反馈电流IFB。图5图示了根据实施例的用于处理编码的电压脉冲序列的控制器的一部分的功能框图。输入到控制器110的反馈电压VFB由脉冲序列接收器140接收。脉冲序列接收器是对接收到的编码的电压脉冲序列进行滤波的数字滤波器元件，比如高通滤波器。从脉冲序列接收器140输出的经滤波的信号被输入到信号完整性鉴别器142，在信号完整性鉴别器中，信号被解码并且编码到编码的电压脉冲序列中的被测量输出电压Vout被识别。信号完整性鉴别器142生成并输出与所识别的输出电压Vout相对应的驱动信号。该驱动信号被输入到数模转换器144并且被转换成相应DC电平。
[0041]从转换器144输出的DC电平作为“电压感应”被输入到波形分析器146。反馈电流IFB作为“电流感应”被输入到波形分析器。电压感应被提供为到误差放大器148的第一输入。电流感应被提供为到误差放大器150的第一输入。误差放大器148和150是调节手段的接收器，所述调节手段在本配置中是电压感应和电流感应。误差放大器148将输入的感应电压与参考电压进行比较并且输出第一差值。第一差值由误差放大器148的增益放大。误差放大器150将经放大的第一差值与电流感应进行比较并且输出或为高或为低的第二差值。脉宽调制(PWM)块152被配置为触发器电子设备。PWM块152的输出根据时钟154的切换频率而设定，并且由从误差放大器150输入的高值或低值复位。施加到复位管脚的可变信号生成输出信号，该输出信号是由脉宽调制的脉冲序列。多输入OR(或)门156输入时钟信号、脉冲序列信号、关闭信号以及OVP / UVP / OTP信号。当到OR门的输出之一为高时，OR门输出高电压值，而当到OR门的所有输入为低时，OR门输出低电压值。OR门156的输出由放大器158放大并输出以驱动晶体管106 (图4)的栅极。从OR门156输出的高电压值对应于图4中晶体管106的导通。从OR门156输出的低电压值对应于晶体管106的截止。OR门也使高电压值能够通过监视反常状况来传播到输出，所述反常状况比如欠压、过电压、过温度等等。以这种方式，从PWM块152输出的每个脉冲的脉宽可以被修改以将输出电压调整成稳压。
[0042]通常，波形分析器的控制复杂度与实现整体系统功能性能的控制自变量采样一致。采样自变量是以电流、电压和阻抗的形式。系统功能性能是以脉宽调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和脉冲幅度调制(PAM)的形式。图5中所示的波形分析器是示例性实现方式。应当理解，可替换的电压和方法被用来处理从转换器144输出的DC电平并且输出适合驱动晶体管106的信号。也应理解，控制器110可以可替换地配置成处理编码的电压脉冲序列并且生成用于控制晶体管106的驱动信号。
[0043]在操作中，在切换模式电压转换器的次级端上测量电流输出特性。在示例性应用中，电流输出特性是输出电压Vout。次级端控制器生成用于在初级端主晶体管截止时控制次级端晶体管的驱动信号。该驱动信号选择性地导通和截止次级端晶体管，导致次级线圈上的电压脉冲的编码序列。被测量输出电压Vout被编码到编码的电压脉冲序列中。在一些实施例中，通过两个线圈之间的磁耦合将编码的电压脉冲序列从次级线圈发送到辅助线圈。在其它实施例中，利用或者变压器或者隔离电位势垒上的印刷电路板的固有电容的寄生电容将编码的电压脉冲序列从次级线圈发送辅助线圈，其中印刷电路板电容是由于变压器和电压转换器组件的相应电路布局的形成所导致的。编码的电压脉冲序列由初级端控制器接收和解码。初级端控制器根据解码的信息识别被测量输出电压Vout并且生成与所识别的输出电压Vout相对应的驱动信号。在一些实施例中，驱动信号被转换成作为电压感应输入到波形分析器的DC电平。波形分析器使用输入的电压感应来生成用于控制初级端主晶体管和调节输出电压Vout的驱动信号。
[0044]虽然在编码的电压脉冲序列内的编码信息在上面被描述为包括识别输出电压Vout的信息，但编码的电压脉冲序列可以可替换地被调制成包括额外的或者可替换的信息。这样的信息包括但不限于导通或截止初级端主晶体管的简单指令，短路状况的指示符，或者调节之外的电压的指示符。每一种类型的信息由分开的编码表示。
[0045]在可替换配置中，双向开关被用在二极管116和晶体管118的位置中。双向开关的体二极管用作继流二极管116。对双向开关的控制与晶体管118相同以使能负的次级电流 Isec0
[0046]在图4的电源转换器电路配置中，能量在两个方向上传递，从初级端到次级端的第一方向和从次级端到初级端的第二方向。第一方向是将来自输入电源的电力提供给输出负载的正向能量传递。第二方向是提供能量借以存储在电容130中的电力分量以及初级端控制器110感应到的控制信令分量两者的反向能量传递。由反向能量传递的电力分量供应的、存储在电容130中的能量与Vcc供应的电力一起给控制器110供以电力。电耦合辅助线圈114使反向能量传递和控制器110能够将控制信令与用于操作控制器的电力鉴别开来。
[0047]在对于图4的电源转换器电路的可替换配置中，次级辅助线圈被添加到初级电路从而将反向能量传递方向中的控制信令与电力输送分开。图6图示了根据另一实施例的电源转换器。电源转换器200被配置为接收在输入节点Vin处的未经调节的DC电压信号并且提供经调节的输出电压Vout。到电路的输入电压可以是在整流之后从AC电源得到的未经调节的DC电压。输入电压被典型地滤波，比如经由电容202。
[0048]电源转换器200被配置为回扫型转换器。将会理解，这里描述的构思可以被应用到可替换地配置的切换模式的转换器，包括但不限于正向转换器、推挽式转换器、半桥转换器以及全桥转换器。电源转换器200包括具有初级线圈Pl和次级线圈SI的隔离变压器204。初级线圈Pl电耦合到输入电压Vin以及包括开关206、检测电阻212和控制器210的驱动电路。开关206串联耦合到变压器204的初级线圈Pl和检测电阻212。控制器210耦合到开关206以将开关开启或关闭。
[0049]电源转换器200还包括耦合到变压器204的次级线圈SI的输出电路。输出电路包括续流整流二极管216、开关218、控制器220以及输出电容226。开关218并联耦合到二极管216。二极管216的阳极耦合到次级线圈SI的第一端。二极管216的阴极耦合到输出电容226的第一端并且耦合到输出节点Vout。输出电容226耦合到由电阻228表示的输出负载上的Vout节点。控制器220耦合到开关218以将开关开启或关闭。输出电路也包括读出电路，该读出电路被配置为测量要调节的电路特性，比如输出电压、输出电流和/或输出功率。在本示例性配置和随后的描述中，电源电路被描述为读出和调节输出电压Vout。在图6的示例性配置中，读出电路包括测量电容226上的电压的电阻分压器，该电阻分压器包括并联耦合到电容226的电阻222和224。将会理解，可替换的读出电路可以用来测量输出电压Vout。通常，读出电路可以被配置为使用用于确定经调节的电路特性的值的传统技术，所述电路特性比如电压、电流或功率。
[0050]开关206和开关218各自是适合的开关器件。在示例性实施例中，开关206和辅助开关218各自是η型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。可替换地，本领域技术人员已知的任意其它的半导体开关器件可以替代开关206和/或开关218。后面的描述是基于η沟道MOSFET的。
[0051]电源转换器200在初级端电路中具有两个分开的辅助线圈，第一辅助线圈214和第二辅助线圈236，以使能用于将能量从次级端传递到初级端的两条路径。这两条分开的路径将反向能量传递中包括的电力传递功能与控制信令功能有效地分开。第一辅助线圈214是包括二极管208和电容器230的电力输送电路的一部分。电力输送电路被稱合来将电力提供给控制器210。辅助线圈214电耦合到次级线圈SI并且形成使电力能够从次级端传递到控制器210的能量传递路径。
[0052]辅助线圈236是用于将来自次级端的控制信令提供给控制器210的反馈环的一部分。辅助线圈236磁耦合到次级线圈SI。图6中的反馈环的功能与图4中的反馈环在操作上相似。当通过二极管216的电流是零时，如果匝比是1:1，则次级线圈SI上的电压等于辅助线圈236上的电压，或者取决于匝比而成其它比例。这种关系提供了用于将次级线圈SI上的电压作为反馈传达给电路的初级端的手段。次级线圈SI上的电压值是通过次级线圈SI的次级电流的函数。随着晶体管206截止并且通过二极管216的电流等于零，控制器220选择性地导通或截止晶体管218。当晶体管218导通时，从充电的电容226到次级线圈SI形成可替换的电流路径。可替换的电流路径使反向电流能够流过次级线圈SI。以这种方式，控制器220生成选择性地导通或截止晶体管218的驱动信号，从而在次级线圈SI上生成电压脉冲的编码序列。驱动信号被配置为使得电压脉冲是利用编码信息调制的。以这种方式，编码的电压脉冲序列在与开关206关闭和通过二极管216的正向次级电流下降到零相对应的延迟时段期间被发送。
[0053]在一些实施例中，编码信息是要调节的被测量输出电路特性，比如输出电压Vout。在这种情况下，控制器220接收读出的输出电压Vout，并且生成驱动信号，从而导致被编码成传输读出的输出电压Vout的次级线圈SI之上的电压脉冲调制序列。以这种方式，编码信号以编码的电压脉冲序列的形式生成，其中被测量的输出电压Vout的DC电平被编码到编码信号中。通过调制脉冲序列的脉冲，编码信息被包括在编码脉冲序列中，调制脉冲包括但不限于调制脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲频率或它们的组合。例如，可以通过预定时段上的脉冲数量或者该时段上具有不同幅度的脉冲数量来调制脉冲序列。
[0054]辅助线圈236磁耦合到次级线圈SI，并且当通过二极管216的电流是零时，辅助线圈236上的电压等于次级线圈SI上的电压或者与其成比例。因而，编码的电压脉冲序列经由磁耦合辅助线圈236和次级线圈SI从隔离电位势垒之上发送。
[0055]当晶体管206截止并且通过二极管216的电流等于零时，测量辅助线圈236上的编码的电压脉冲序列。辅助线圈236上的电压被作为反馈电压VFB提供给控制器210，其中，反馈电压VFB表示编码的电压脉冲序列。输入到控制器210的反馈电压VFB是根据主晶体管206的切换周期的脉冲序列。脉冲序列包括识别被测量输出电压Vout或者其它输出电路特性或比如过电压、欠压或过温度的反常的编码信息。
[0056]控制器210被配置为接收反馈电压VFB。通过晶体管206的电流也作为反馈电流IFB提供给控制器210。通常，控制器210基于脉冲序列信号中的脉冲幅度、脉冲宽度和/或脉冲频率来鉴别调节电压或电流。在一些实施例中，控制器210包括脉冲序列接收器、信号完整性鉴别器、数模转换器以及包括脉宽调制(PWM)块的实时波形分析器。在一些实施例中，脉冲序列接收器、信号完整性鉴别器、数模转换器以及实时波形分析器分别执行与图5中的脉冲序列接收器140、信号完整性鉴别器142、数模转换器144以及实时波形分析器146相似的功能。在一些实施例中，输入到控制器210的反馈电压VFB由脉冲序列接收器接收。脉冲序列接收器是对接收到的编码的电压脉冲序列进行滤波的数字滤波器元件，比如高通滤波器。从脉冲序列接收器输出的经滤波的信号被输入到信号完整性鉴别器，在信号完整性鉴别器中，信号被解码并且编码到编码的电压脉冲序列中的被测量输出电压Vout被识别。信号完整性鉴别器生成并输出与所识别的输出电压Vout相对应的驱动信号。该驱动信号被输入到数模转换器并且被转换成相应DC电平。
[0057]从转换器输出的DC电平被输入到波形分析器。反馈电流IFB也被输入到波形分析器。波形分析器分析输入的反馈信号，比如反馈电压VFB和反馈电流IFB，以生成用于晶体管206的驱动信号。
[0058]在操作中，电源转换器200起与电源转换器100相似的作用，除了从次级端发送的控制信令是通过接收控制信令专用的线圈(在这个情况下，是第二辅助线圈236)在初级端接收到的。第一辅助线圈214是专用于电力输送的。因而，控制器210执行的信号鉴别不需要像电源转换器100中的控制器110那样将控制信令与电力传输分开。辅助线圈236独立于初级线圈和辅助线圈214，并且仅由控制器210内的控制信号鉴别电路认出。在一些实施例中，通过将两个辅助线圈以相反的极性配置，辅助线圈236专用于接收控制信令，而辅助线圈214与接收控制信令隔离。
[0059]初级线圈P1、次级线圈S1、第一辅助线圈214和第二辅助线圈236的极性被配置为使得在能量从初级端输送到次级端的正向能量传递期间，初级线圈P1、次级线圈Si和第一辅助线圈214同步，而第二辅助线圈236不同步，从而在正向能量传输期间，第二辅助线圈236上有零电压。
[0060]在能量从次级端输送到初级端的反向能量传递期间，次级线圈SI和第二辅助线圈236同步，而第一辅助线圈214不同步，从而第一辅助线圈214上的电压足够使二极管208处于传导模式，从而对电容230进行充电。当控制信号由控制器220发送时，所述控制信号比如在晶体管206截止时的延迟时段期间发送的脉冲序列信号，产生的电压显现在第二辅助线圈236上。以这种方式，控制信号被发送到辅助线圈236而非初级线圈P1，因为晶体管206在反向能量传递期间是截止的。因为辅助线圈236是与二极管208和电容230隔离的专用线圈，所以供应为辅助线圈236上的电压的控制信号不再经受到二极管208和电容230引起的扭曲。
[0061]额外地，利用极性与辅助线圈214不同的辅助线圈236配置使控制器210能够在晶体管206导通时检测正电压。这样为在晶体管206导通时监视并进而控制电路状况提供了额外的灵活性。当晶体管206截止时，控制器通过监视辅助线圈236上的感应电压来控制反馈状况，监视辅助线圈236上的感应电压的点对应于延迟时段期间的输出电压Vout。当晶体管206导通时，控制器210控制另一组辅助线圈236上的电压与输入电压Vin成比例。以这种方式，配置具有不同极性的辅助线圈214和236提供了对控制器的比图4中单一辅助线圈配置更宽范围的控制。辅助线圈236在晶体管206或者导通或者截止时提供用于全周期控制的采样信号。
[0062]图7图示了电源转换器200在反向能量传递期间的等效电路。在这种情况下，晶体管206截止,从而没有电流流过初级线圈Pl。在从次级端到初级端的反向能量传递期间，第一辅助线圈214具有与次级线圈SI相反的极性。随着控制器220驱动晶体管218，控制信号随着反向能量传递从次级线圈SI发送到第二辅助线圈236。以这种方式，第二辅助线圈236用作用于接收从次级端发送的控制信号的专用控制线圈。
[0063]在一些实施例中，变压器204具有拥有4个线圈(初级线圈和次级线圈、第一辅助线圈214和第二辅助线圈236)的单一核。将会理解，可替换配置被设想到，通过可替换配置，初级端上的线圈作为控制信号线圈是专用的。
[0064] 已经按照包含便利对电源转换器的构造和操作的原理的理解的特定实施例描述了本发明。为实现必要的结果，可以替换各图中示出和描述的许多组件，应当理解本描述也涵盖这些替换。因此，这里对附图中的特定实施例和细节的说明并不意图限制权利要求的范围。本领域技术人员将清楚，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以对选择用于说明的实施例进行修改。
【权利要求】
1.一种配置用于从初级端到次级端的正向能量传递以及从次级端到初级端的反向能量传递的切换模式电源转换器，所述电源转换器包括: a.变压器，具有耦合到输入的供应电压的初级线圈和次级线圈； b.串联耦合到所述初级线圈的第一开关； c.耦合到所述开关的第一控制器，其中，所述第一控制器被配置为将所述第一开关开启或关闭； d.串联耦合到所述次级线圈的第二开关； e.耦合到所述第二开关的第二控制器，其中，所述第二控制器被配置为将所述第二开关开启或关闭，从而控制通过所述次级线圈的负电流； f.电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈的第一辅助线圈，以接收所述反向能量传递的用于将电力提供给所述第一控制器的电力分量； g.电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈的第二辅助线圈，以接收所述反向能量传递的用于提供用来调节电路输出特性的反馈信号的控制分量。
2.如权利要求1所述的电源转换器，其中，所述第二控制器被配置为驱动所述第二开关以生成通过所述次级线圈的负电流，来形成编码控制信号，另外，其中，所述变压器被配置为将所述编码控制信号从所述变压器的次级端发送到所述变压器的初级端的信号发送器，其中，所述第一控制器被配置为对所述编码控制信号进行解码以识别控制信息，根据控制信息生成驱动信号，并且利用所述驱动信号驱动所述第一开关以调节输出特性。
3.如权利要求2所述的电源转换器，其中，所述编码控制信号包括具有经调制的多个电压脉冲的脉冲序列信号。
4.如权利要求3所述的电源转换器，其中，经调制的多个脉冲通过调制脉冲幅度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲延迟以及脉冲周期的个数中的一个或多个来调制。
5.如权利要求2所述的电源转换器，其中，所述第二控制器被配置为在所述第一开关的关闭时段期间发送所述编码控制信号。
6.如权利要求2所述的电源转换器，其中，所述输出特性是所述电源转换器的输出电压、输出电流和输出功率中的一个或多个。
7.如权利要求1所述的电源转换器，其中，所述编码控制信号是基于读出的输出特性的。
8.如权利要求1所述的电源转换器，还包括耦合到所述次级线圈和所述第二控制器的读出电路，其中，所述读出电路被配置为读出所述电源转换器的输出特性。
9.如权利要求1所述的电源转换器，其中，所述第一辅助线圈具有与所述次级线圈相同的极性，并且所述第二辅助线圈具有与所述次级线圈相反的极性。
10.如权利要求5所述的电源转换器，其中，从所述变压器的初级端到所述变压器的次级端的正向能量传递不感应所述第二辅助线圈中的电流。
11.如权利要求1所述的电源转换器，其中，所述第一开关包括第一晶体管并且所述第二开关包括第二晶体管。
12.如权利要求1所述的电源转换器，还包括并联耦合到所述第二开关的二极管以及串联到所述二极管的输出电容器，其中，所述二极管被配置为当正向偏置时使电流能够从所述次级线圈流到所述输出电容器。
13.如权利要求12所述的电源转换器，其中，当所述第二开关开启时，通过所述第二开关的可替换电流路径在所述输出电容器和所述变压器的次级线圈之间形成，另外，其中，负的次级电流经由所述可替换电流路径从所述输出电容器流到所述次级线圈。
14.如权利要求1所述的电源转换器，其中，所述第二辅助线圈被配置为通过所述第一控制器提供用于控制的采样信号，所述采样信号是在所述第一开关被开启和关闭时提供的。
15.—种控制切换模式电源转换器的方法,包括: a.配置切换模式电源转换器，该电源转换器包括:变压器，具有耦合到输入的供应电压的初级线圈和次级线圈；串联耦合到所述初级线圈的第一开关；耦合到所述开关的第一控制器；串联耦合到所述次级线圈的第二开关；耦合到所述第二开关的第二控制器；电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈的第一辅助线圈以及电耦合到所述第一控制器并磁耦合到所述次级线圈的第二辅助线圈，其中，所述第一辅助线圈专用于接收用于为所述第一控制器供电的电力传输，并且所述第二辅助线圈专用于接收用于控制所述第一开关的编码控制信号； b.通过所述第二控制器驱动所述第二开关以生成所述编码控制信号； c.将所述编码控制信号从所述次级线圈发送到所述第二辅助线圈； d.通过所述第一控制器对所述编码控制信号进行解码以识别控制信息； f.利用根据所述控制信息生成的驱动信号驱动所述第一开关。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一辅助线圈具有与所述次级线圈相同的极性，并且所述第二辅助线圈具有与所述次级线圈相反的极性。
17.如权利要求16所述的方法，其中，从所述变压器的初级端到所述变压器的次级端的正向能量传递不感应所述第二辅助线圈中的电流。
18.如权利要求15所述的方法，其中，驱动所述第二开关生成通过所述次级线圈的负电流，以形成编码控制信号
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述编码控制信号包括具有经调制的多个电压脉冲的脉冲序列信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中，经调制的多个脉冲通过调制脉冲幅度、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲延迟以及脉冲周期的个数中的一个或多个来调制。
21.如权利要求15所述的方法，其中，在所述第一开关的关闭时段期间发送所述编码控制信号。
22.如权利要求15所述的方法，还包括测量所述变压器的次级端的输出特性，并且所述编码控制信号是根据所述输出特性生成的。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述输出特性是所述电源转换器的输出电压、输出电流和输出功率中的一个或多个。
24.如权利要求15所述的方法，其中，生成所述编码控制信号包括生成驱动信号并且将其施加到所述第二开关以根据预定模式将所述第二开关开启和关闭，从而产生所述变压器的次级线圈上的经调制的多个电压脉冲。
25.如权利要求24所述的方法，其中，将所述第二开关开启使能通过所述次级线圈的负的次级电流。
26.如权利要求25所述的方法，其中，使能所述负的次级电流包括使能从输出电路中的输出电容器到所述次级线圈的可替换电流路径。
27.如权利要求15所述的方法，其中，所述第二辅助线圈通过所述第一控制器提供用于控制的采样信号，所述采样信号是在所述第一开关被开启和关闭时提供的。
【文档编号】H02M3/335GK104348363SQ201410111672
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】M·泰利福斯 申请人:弗莱克斯电子有限责任公司