CN101179229A - 用于控制开关模式电源的方法和电路 - Google Patents

Abstract

用于控制开关模式电源的方法和电路。本发明涉及对开关模式电源的控制。根据本发明的开关模式电源包括次级开关(306)，其允许该开关模式电源的次级侧(302)把磁能充到该开关模式电源的变压器(303)中。该开关模式电源还包括控制电路(310)，其控制该次级开关的操作。由于次级侧能够向该开关模式电源的初级侧(301)返回能量，因此对该开关模式电源的控制可以非常快。此外，不再需要例如光学隔离器的隔离器电路。

Description

用于控制开关模式电源的方法和电路

技术领域

本发明总体涉及用于开关模式电源的控制方法和控制电路的技术。具体来说，本发明涉及利用开关模式电源的变压器把控制信息从该开关模式电源的次级侧传送到该开关模式电源的初级侧的技术。

背景技术

开关模式电源必须包括固有的控制功能，以便即使在异常情况下也能确保受控的操作。例如想象电池充电器，几乎肯定会出现这样的情况，即输入功率接通，但是却没有负载被耦合到充电器。在不采取具有某些限制效果的控制措施的情况下，持续把电功率注入次级侧将导致输出电压升高到高于标称输出电压电平。另一方面，在输出端处的短路将很容易导致输出电流高到不可接受的程度。

图1示出了根据现有技术的开关模式电源的原理图。该开关模式电源包括通过变压器103彼此分离的初级侧101和次级侧102。初级开关104控制流经初级线圈105的电流。当初级开关处于导通状态时，磁能被加载到该变压器103中。在该初级开关被转到非导通状态之后，存储在该变压器中的磁能被释放到次级侧。在次级侧的二极管106只允许电流在一个方向上流经次级线圈107。耦合在该设备输出端两端的电容器108平滑输出电压。这种开关模式电源的一个固有的优点在于，在初级侧101与次级侧102之间存在电分离(galvanic separation)。因此，初级侧与次级侧的电势可以相对于彼此浮动。

所述开关模式电源包括监督电路113，其监控输出电压和输出电流的电平。在该例中，利用旁路电阻器109来监控输出电流。该监督电路形成用于控制初级开关104的操作的控制信息。由于该开关模式电源的初级侧和次级侧的电势可以相对于彼此浮动，因此在从监督电路113到控制单元115的信号路径上需要电分离，该控制单元115产生驱动初级开关104的栅极(或基极)的信号。通过隔离器电路114把所述控制信息从监督电路113递送到控制单元115，该隔离器电路114例如可以是光学隔离器。然而，该隔离器电路114是一个在开关模式电源的总的材料和组件成本中占有重要地位的组件。此外，光学隔离器特别容易受到杂质的不利影响。

图2示出了根据现有技术的开关模式电源。该开关模式电源包括通过变压器203彼此分离的初级侧201和次级侧202。初级开关204控制流经初级线圈210的电流。该开关模式电源包括监督电路213，其监控输出电压和输出电流的电平。该监督电路形成用于控制初级开关204的操作的控制信息。该监督电路操作一个开关205，该开关在变压器203的次级端子之间耦合低阻抗电组件207。当该低阻抗电组件207在初级开关204的导通状态期间被耦合在该变压器的次级端子之间时，在该变压器的初级电流中出现峰值。因此，所述控制信息以初级电流中的峰值形式从次级侧202递送到初级侧201。由于二极管206的存在，输出电容器208不会经由该低阻抗电组件207放电。利用控制单元215检测到初级电流中的峰值，该控制单元产生驱动初级开关204的栅极(或基极)的信号。在该例中，利用旁路电阻器209监控初级电流。US 4 930 060公开了基于上述内容的解决方案。

所述低阻抗电组件207的阻抗必须小到使得初级电流中的峰值强到足以允许利用控制单元215可靠地检测到所述控制信息。另一方面，所述阻抗必须大到使得初级电流中的峰值小到不需要对初级开关204进行过度超定制(over-dimensioning)。在许多实际情况中，可能很难满足上述边界条件。

与图1和2中示出的开关模式电源相关的一个特征在于，对输出电压的控制较慢，特别是在其中输出电压高于其参考值的情况下。这是由于可以通过操作初级开关104、204对输出电容器108、208进行充电，而不能对其进行放电。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于控制开关模式电源的电路设置，从而可以消除或者减轻与现有技术相关的缺陷。本发明的另一个目的是提供一种用于控制开关模式电源的方法，从而可以消除或者减轻与现有技术相关的缺陷。本发明的另一个目的是提供一种开关模式电源，从而可以消除或者减轻与现有技术相关的缺陷。

本发明的所述目的是通过为开关模式电源配备次级开关和控制电路来实现的，从而使得该开关模式电源的次级侧能够把磁能充到该开关模式电源的次级侧与初级侧之间的变压器中。该控制电路适于根据与次级侧相关联的至少一个电量来控制次级开关。

与现有技术解决方案相比，本发明带来显著的益处。下面将讨论所述益处。

不再需要用于把控制信息从次级侧传送到初级侧的隔离器电路。这样可以经济地构造开关模式电源。此外，在不需要光学隔离器或类似装置的情况下，更容易建立具有良好的过电压容差的开关模式电源。

把所述控制信息从次级侧传送到初级侧不会增大初级电流的峰值。因此，把本发明实现到开关模式电源中不需要对初级开关的峰值电流耐性进行升级。

次级开关可以被用作一个同步整流开关，其减小了次级侧的电损耗。然而，为了这种用途，次级开关必须能够在两个方向上传导电流。

由于次级侧能够把能量返回到初级侧，因此对所述开关模式电源的控制可以很快。

根据本发明的开关模式电源包括：

-初级侧；

-次级侧；以及

-初级侧与次级侧之间的变压器，

其特征在于，该开关模式电源还包括：

-次级侧中的次级开关，所述次级开关适于允许次级侧把磁能充到该变压器中；以及

-控制电路，其适于根据与次级侧相关的至少一个电量来控制所述次级开关。

根据本发明，一种用于控制开关模式电源的电路设置的特征在于，该电路设置包括：

-该开关模式电源的次级侧中的次级开关，所述次级开关适于允许次级侧把磁能充到该开关模式电源的变压器中；以及

-控制电路，其适于根据与次级侧相关的至少一个电量来控制所述次级开关。

根据本发明，一种用于控制开关模式电源的方法的特征在于，根据与该开关模式电源的次级侧相关的至少一个电量，允许次级侧把磁能充到该开关模式电源的变压器中。

在所附的从属权利要求中描述了本发明的多个实施例。

然而，通过结合附图阅读下面对特定实施例的描述，可以更好地理解本发明本身的构造和操作方法及其附加目的和优点。

本文献中给出的本发明的示例性实施例不应被解释成对所附权利要求书的适用性做出限制。用在本文献中的“包括”一词是用作开放的限制，其不排除未引述的特征的存在。除非另行明确声明，否则在从属权利要求中引述的特征可以彼此被自由组合。

附图说明

下面将参照以举例的方式给出的优选实施例并且参照附图来更详细地解释本发明及其优点，其中：

图1示出了根据现有技术的开关模式电源的原理图；

图2示出了根据现有技术的开关模式电源的原理图；

图3示出了根据本发明一个实施例的开关模式电源的高级别电路图；

图4a、4b、4c和4d分别示出了根据本发明一个实施例的开关模式电源在示例性操作情况下的磁通量、初级电流、次级电流和输出电压的波形；

图5示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图；

图7a示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图；

图7b示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图；

图8示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图；

图9示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图；

图10示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的高级别电路图；

图11示出了根据本发明的一个实施例的用于控制开关模式电源的电路设置；以及

图12是根据本发明的一个实施例的用于控制开关模式电源的方法的流程图。

具体实施方式

上面对现有技术的描述中已经解释了图1和2。因此，下面的讨论将集中于图3到12。

图3示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的高级别电路图。该开关模式电源包括：初级侧301，次级侧301，初级侧与次级侧之间的变压器303，次级侧中的次级开关306，以及适于根据与次级侧相关的至少一个电量来控制所述次级开关的控制电路310。该次级开关允许次级侧302把磁能充到变压器303中。该开关模式电源包括初级开关308以及控制设置311，该控制设置适于控制初级开关的操作。该控制设置311适于在次级电流i2流动的情况下把初级开关308保持在非导通状态下。该初级开关允许初级侧301把磁能充到变压器303中。与次级开关306并联的二极管307允许次级侧从该变压器释放磁能，与初级开关308并联的二极管309允许初级侧从该变压器释放磁能。该开关模式电源包括输入电容器313和输出电容器312。可以例如用耦合到ac电压源的二极管整流器来给该输入电容器供能。该二极管整流器和该ac电压源没有在图3中示出。作为该开关模式电源的负载的电路与该输出电容器并联。图3中没有示出负载电路。

下面给出了简化的分析，以便说明图3中示出的开关模式电源的操作的基本原理。在下面的简化分析中，假定该开关模式电源的各电组件是理想的，也就是说忽略了各电组件的寄生电阻、寄生电容和杂散电感的效应以及变压器303的磁心材料中的磁滞和涡电流效应。

图4a、4b、4c和4d分别示出了根据本发明一个实施例的开关模式电源在示例性操作情况下的变压器303的磁通量φ、初级电流i1、次级电流i2和输出电压Uout的波形。图4a-4d都具有相同的时间尺度。

在对应于图4a-4d的所述示例性情况下，在时刻T0突然去除开关模式电源的负载。在这种情况下，该开关模式电源的输出电压Uout往往会上升。

在与图4a-4d相关的本发明的实施例中，控制设置311已经被适配成作为对其中初级电流i1超出电流极限i1lim的响应，而把初级开关308改变成非导通状态。控制电路310被适配成作为对其中输出电压Uout超出电压极限Ulim的响应，而把次级开关保持在导通状态下。

在图4c中示出了在时刻T0突然下降到零的输出电流iout的波形。在图4b和4d中分别用水平虚线示出了电流极限i1lim和电压极限Ulim。

输出电压Uout的特性近似依照下面的微分等式：

$\frac{\mathrm{dUout}}{\mathrm{dt}}=\frac{i2-\mathrm{iout}}{C},---\left(1\right)$

其中dUout/dt是输出电压的时间导数，并且C是输出电容器312的电容。

当初级开关308和二极管309的至少其中之一处在导通状态下时，初级电流i1的特性近似依照下面的微分等式：

$\frac{\mathrm{di}1}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{Uin}}{L1},---\left(2\right)$

其中di1/dt是初级电流的时间导数，并且L1是变压器303的初级线圈304的电感。电感L1对应于其中变压器303的次级线圈305是开路的情况。

当次级开关306与二极管307的至少其中之一处在导通状态下时，次级电流i2的特性近似依照下面的微分等式：

$\frac{\mathrm{di}2}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{Uout}}{L2},---\left(3\right)$

其中，di2/dt是次级电流的时间导数，并且L2是变压器303的次级线圈305的电感。电感L2对应于其中初级线圈304是开路的情况。

变压器303的磁心中的磁通量近似是：

$\mathrm{\φ}=\frac{N1\×i1+N2\×i2}{\mathrm{Rm}},---\left(4\right)$

其中，Rm是变压器的磁心的磁路的磁阻，N1是初级线圈304中的匝数，并且N2是次级线圈305中的匝数。

图3中的箭头表示电压和电流的正方向。变压器的初级线圈304和次级线圈305相对于彼此被定向成使得磁通量的正时间导数(dφ/dt＞0)感应出正初级电压u1和负次级电压u2。

图4a中示出的工作循环A对应于所述开关模式电源在输出电流iout为正时的操作。工作循环A具有两个顺序阶段A1和A2。

在阶段A1中：

-初级开关308导通初级电流i1，该初级电流i1为正并且如图4b中所示的那样根据等式(2)增大；

-初级侧301把磁能充到变压器303中，这是因为磁通量的绝对值如图4a中所示的那样增大；以及

-次级电流i2为零，并且输出电压Uout如图4d中所示的那样根据等式(1)由于输出电流iout而减小。

当初级电流超出电流极限i1lim时，阶段A1结束，并且初级开关被改变到非导通状态。在阶段A1与A2之间的边界处，初级电流突然下降到零，如图4b中所示的那样。由于磁通量φ不可能被突然改变，因此如图4c中所示，次级电流i2突然上升到这样一个值，该值使得等式(4)的右侧保持基本上恒定。

在阶段A2中：

-二极管307(或次级开关306)导通次级电流i2，该次级电流i2为正并且如图4c中所示的那样根据等式(3)减小；

-初级电流i1为零，如图4b中所示；

-次级侧302从变压器303释放磁能，这是由于磁通量的绝对值如图4a中所示的那样减小；以及

-如图4d中所示，输出电压Uout的特性依照等式(1)。

当次级电流i2到零时，阶段A2结束。可以利用控制设置311检测到阶段A2的结束，这例如是通过检测初级电压u1。在阶段A2期间，磁通量减小(dφ/dt＜0)，从而初级电压u1为负。在阶段A2结束时，在初级电压u1中有一个阶跃式增大，这是由于当次级电流停止减小时磁通量停止减小。控制设置311把初级开关308设定在导通状态下，以作为对其中该控制设置311检测到阶段A2结束的情况的响应。作为上述事件的结果，开始一个新的工作循环。

在时刻T0处，输出电流iout为零，并且正的次级电流增大输出电压Uout，从而如图4d中所示在T0之后的每个工作循环处超出电压极限Ulim。控制电路310把次级开关设定到导通状态，以作为对于输出电压Uout超出该电压极限的情况的响应。当次级开关处在导通状态下时，次级电流能够取得负值。

图4a-4d中示出的工作循环B对应于所述开关模式电源在输出电流iout为零时的操作。工作循环B具有四个顺序阶段B1-B4。

在阶段B1中：

-二极管309(或初级开关308)导通初级电流i1，该初级电流i1为负并且如图4b中所示的那样根据等式(2)增大；

-初级侧301从变压器303释放磁能，这是因为磁通量的绝对值如图4a中所示的那样减小；以及

-次级电流i2为零，并且输出电压Uout如图4d中所示的那样根据等式(1)是恒定的。

在阶段B2中：

-初级开关308导通初级电流i1，该初级电流i1为正并且如图4b中所示的那样根据等式(2)增大；

-初级侧301把磁能充到变压器303中，这是因为磁通量的绝对值如图4a中所示的那样增大；以及

-次级电流i2为零，并且输出电压Uout如图4d中所示的那样根据等式(1)是恒定的。

当初级电流超出电流极限i1lim时，阶段B2结束，并且初级开关被改变到非导通状态。在阶段B2与B3之间的边界处，初级电流突然下降到零，如图4b中所示的那样。由于磁通量φ不可能被突然改变，因此如图4c中所示，次级电流i2突然上升到这样一个值，该值使得等式(4)的右侧保持基本上恒定。

在阶段B3中：

-二极管307(或次级开关306)导通次级电流i2，该次级电流i2为正并且如图4c中所示的那样根据等式(3)减小；

-初级电流i1为零，如图4b中所示；

-次级侧302从变压器303释放磁能，这是由于磁通量的绝对值如图4a中所示的那样减小；以及

-如图4d中所示，输出电压Uout根据等式(1)增大。

在阶段B4中：

-次级开关306导通次级电流i2，该次级电流i2为负并且如图4c中所示的那样根据等式(3)减小；

-初级电流i1为零，如图4b中所示；

-次级侧302把磁能充到变压器303，这是由于磁通量的绝对值如图4a中所示的那样增大；以及

-如图4d中所示，输出电压Uout根据等式(1)减小。

当次级开关306被设定到非导通状态时，阶段B4结束，并且次级电流如图4c中所示以阶跃的方式改变到零。由于磁通量φ不可能被突然改变，因此如图4b中所示，初级电流i1阶跃地下降到这样一个负值，该负值使得等式(4)的右侧保持基本上恒定。作为上述事件的结果，开始一个新的工作循环。

可以利用控制设置311检测到阶段B4的结束，这例如是通过检测初级电压u1。在阶段B4期间，磁通量减小(dφ/dt＜0)，从而初级电压u1为负。在阶段B4结束时，在初级电压u1中有一个阶跃式增大，这是由于当次级电流停止减小时磁通量停止减小。没有必要能够在次级开关被设定到非导通状态的同时把初级开关设定到导通状态，这是因为二极管309能够导通负的初级电流。

在图3中示出的开关模式电源中，由初级侧301从变压器303中释放的磁能可以被加载到输入电容器313中。因此，上面描述的控制输出电压Uout的原理是一种基本上无损耗的控制处理。该控制处理还是非常快速的，这是因为如图4d中所示，在其中输出电压变得高于电压极限Ulim的相同工作循环中该输出电压Uout已经被减小。

图5示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图。该开关模式电源包括初级侧501、次级侧502以及初级侧与次级侧之间的变压器503。次级侧包括次级开关506和控制电路510，该控制电路适于响应于其中输出电压Uout超出电压极限Ulim的情况把次级开关设定到导通状态，以及响应于其中输出电压Uout下降到电压极限Ulim以下的情况把次级开关设定到非导通状态。次级开关506是一个金属氧化物半导体(MOS)晶体管。该MOS晶体管506的内部体二极管充当能够控制正次级电流i2的二极管。

所述控制电路510包括比较器521，其适于在该比较器的加端子的电势高于其减端子的电势时把次级开关的控制端子(即栅极)连接到正输出端子515的电势，以及在加端子的电势低于减端子的电势时把次级开关506的栅极连接到负输出端子516的电势。该控制电路510包括参考电压源524，其适于产生参考电压Uref。该参考电压源的正输出端子连接到该比较器的减端子。电阻器522和523适于对输出电压Uout执行分压。经过分压后的电压被连接到该比较器的加端子。电压极限Ulim与参考电压Uref的关系为Uref＝Ulim x R2/(R1+R2)，其中，R1和R2分别是电阻器522和523的电阻。参考电压源524例如可以是由输出电压供能的线性调节器。

初级侧501包括初级开关508和适于控制该初级开关的操作的控制设置511。初级开关508是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。该MOS晶体管508的内部体二极管充当能够导通负初级电流i1的二极管。控制设置511包括初级侧辅助线圈514，其通过电阻器531和电容器532电耦合到该初级开关的控制端子(即栅极)。当次级电流i2停止流动时，即变压器503的磁通量的时间导数(dφ/dt)改变其值，该初级开关的栅极得到正电荷，并且初级开关508变为导通。利用旁路电阻器533来监控初级电流i1。当初级电流变得高于电流极限i1lim(即最大允许初级电流)时，该旁路电阻器533上的电压超出双极型晶体管534的基极阈值电压。因此，该双极型晶体管534变为导通，该初级开关的栅极被连接到负输入端子518的电势，并且初级开关508变为非导通状态。控制设置511包括启动所述开关模式电源的操作所需要的启动电阻器535。

所述开关模式电源包括构成用于变压器503的初级线圈504的公知振铃衰减器的二极管541、电阻器542和543以及电容器544。相应地，二极管551、电阻器552和553以及电容器554构成用于变压器503的次级线圈505的公知的振铃衰减器。

图6示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图。该开关模式电源包括初级侧601、次级侧602以及初级侧与次级侧之间的变压器603。次级侧包括次级开关606和控制电路610，该控制电路适于响应于其中输出电压Uout超出电压极限Ulim的情况把次级开关设定到导通状态，以及响应于其中输出电压Uout下降到电压极限Ulim以下的情况把所述次级开关设定到非导通状态。

控制电路610包括参考二极管621，其适于在该参考二极管的阴极端子与该参考二极管的控制端子之间的电压ud超出阈值Uth时把次级开关的控制端子(即栅极)通过电阻器622连接到正输出端子615，其中该阈值Uth特定于该参考二极管。当该电压ud低于该阈值Uth时，该参考二极管621处在非导通状态。控制电路610包括对输出电压Uout执行经滤波的分压的电阻器623和624以及电容器625。电压极限Ulim与该阈值Uth的关系为Uth＝Ulim x R1/(R1+R2)，其中，R1和R2分别是电阻器623和624的电阻。

初级侧601包括初级开关608和适于控制该初级开关的操作的控制设置611。利用旁路电阻器633来监控初级电流i1。如果次级电流i2在前一个工作循环的末尾处处于负值，则初级电流i1在下一个工作循环的开头得到负值。负的初级电流表明应当减小从初级侧到次级侧的能量流。例如可以通过减小所述电流极限i1lim(即初级电流的最大允许值)来减小所述能量流。

在肖特基势垒二极管637和638的帮助下，把旁路电阻器633两端的电压urs的负峰值Upeak带到电容器636中。因此，双极型晶体管634的发射极的电势比负输入端子618的电势低该负峰值Upeak。该负峰值Upeak越高，能够把该双极型晶体管634设定到导通状态(从而把初级开关608设定到非导通状态)的初级电流i1的值就越小。所述电流极限i1lim和负峰值的关系为：

$i1\lim =\frac{\mathrm{Ubth}+\mathrm{Upeak}}{\mathrm{Rsh}},---\left(5\right)$

其中，Ubth是双极型晶体管634的基极阈值电压，Rsh是旁路电阻器633的电阻，并且Upeak＜0。

Upeak由下面的等式给出：

$\mathrm{Upeak}=\frac{N2\×\mathrm{Rsh}}{N1}\×i2\mathrm{peak},---\left(6\right)$

其中，i2peak是次级电流i2的负峰值(＜0)，并且N1和N2分别是变压器603的初级线圈和次级线圈中的匝数。

可以看出，在某工作循环的末尾处的次级电流负峰值i2peak(＜0)对于下一个工作循环减小了电流极限i1lim。电流极限i1lim的减小也减少了所述开关模式电源的损耗。从次级侧传送回到初级侧的能量可以被视为携带从次级侧到初级侧的控制信息的消息。

图6中示出的开关模式电源表示一种解决方案的一个例子，响应于其中初级侧从次级侧接收到能量(即检测到初级电流的负值)的情况，而减小从初级侧到次级侧的能量流。换句话说，有一个限制反馈动作。在图6中示出的开关模式电源中，通过减小初级电流的极限值i1lim(即通过减小在一个工作循环内从初级侧充到变压器中的磁能的数量)来减小所述能量流。还有可能通过延迟初级侧开始把磁能充到变压器中的时刻(即通过延迟初级开关被设定到导通状态的时刻)，来实现限制反馈动作。

使用从次级侧传送回初级侧的能量作为携带从次级侧到初级侧的控制信息的消息的原理，不仅仅适用于其中有限制反馈动作的解决方案。上述原理可以与许多类型的反馈控制方法一起使用。例如，上述原理还可以应用于其中有请求反馈动作的解决方案。在一种具有请求反馈动作的示例性开关模式电源中，响应于其中初级侧接收到来自次级侧的能量的情况(例如检测到初级电流的负值)，而增大从初级侧到次级侧的能量流。所述操作例如可以是如下所述：

-最初，初级侧以适度的速率向次级侧给出小的激发能量脉冲。

-在与次级侧相关联的一个电量(例如电流、电压或功率)超出第一预定极限之后，次级侧开始通过向初级侧返回能量来从初级侧要求能量。次级侧可以在每个工作循环期间返回能量，或者在N+M个工作循环当中的N个期间返回能量(N和M是整数)。

-初级侧把初级电流的所检测到的负值解释为针对能量的请求，并且与其中给出小激发能量脉冲的情况相比，开始在每个工作循环期间把更多数量的能量充到变压器中。

-次级侧向初级侧返回能量，直到与次级侧相关的该电量超出第二预定极限。

-在与次级侧相关联的该电量超出第二预定极限之后，次级侧停止从初级侧要求能量，即次级侧停止向初级侧返回能量。

-结果，初级侧停止向初级侧递送能量，并且与次级侧相关联的该电量开始减小。

-在与次级侧相关联的该电量下降到第三预定极限以下之后，次级侧再次开始通过向初级侧返回能量而从初级侧要求能量，并且所述操作如上所述地继续。

上述操作例如可以用可编程数字处理装置和适当的计算机程序来实现。可以把一个与次级侧相关联的电量成正比的信号转换成数字形式，并且可以把所得到的数字信号提供给次级侧的可编程数字处理器。次级侧的可编程数字处理器适于通过一个栅极(或基极)驱动器电路来控制次级开关。相应地，在初级电流路径上的旁路电阻器上的电压可以被转换成数字形式，并且可以把所得到的数字信号提供给初级侧的可编程数字处理器。初级侧的可编程数字处理器适于通过栅极(或基极)驱动器电路控制初级开关。

图7a示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图。该开关模式电源包括初级侧701、次级侧702以及初级侧与次级侧之间的变压器703。次级侧包括次级开关706和控制电路710，该控制电路适于响应于其中次级电流i2超出电流极限i2lim或者输出电压Uout超出电压极限Ulim的情况，把次级开关706保持在导通状态下。在本发明的该实施例中，次级开关不仅仅是允许次级侧把磁能充到变压器中的设备，而且还充当用于在次级电流i2为正时减小二极管707上的电压损耗的同步整流元件。因此，次级开关被用于减小在其中次级侧从变压器释放磁能的阶段期间的损耗。

控制电路710包括比较器721，其适于把输出电压Uout与电压极限Ulim进行比较。对应于比较器721的加端子的输入信号是利用来自输出电压Uout的分压形成的。对应于比较器721的减端子的输入信号是利用来自参考电压Uref的分压形成的。该参考电压Uref是利用参考电压源722形成的，该参考电压源722例如可以是由输出电压供能的线性调节器。控制电路710包括比较器723，该比较器723的一个输出端子连接到次级开关706的控制端子(即栅极)。对应于比较器723的减端子的输入信号U-相对于接地799基本上是：

$U-=\frac{R2}{R1+R2}\×\mathrm{Uref}-\frac{R1}{R1+R2}\×\mathrm{Rsh}\×i2,---\left(7\right)$

其中，R1和R2分别是电阻器725和726的电阻，并且Rsh是旁路电阻器724的电阻。这里假设Rsh＜＜R1并且Rsh＜＜R2。

对应于比较器723的加端子的输入信号U+相对于接地799基本上是：

$U+=\frac{R3}{R3+R4}\×\mathrm{Uo},---\left(8\right)$

其中，R3和R4分别是电阻器728和727的电阻，并且Uo是比较器721的输出信号。

所述电阻R1、R2、R3、R4和Rsh被选择成使得在i2＞i2lim或者比较器721的输出信号Uo为高的情况下，U+＞U-。因此，如果满足以下条件的至少其中之一，则次级开关被保持在导通状态：

-A)次级电流i2＞电流极限i2lim。

-B)输出电压Uout＞电压极限Ulim。

为了满足第一个条件A)，必须把所述电阻R1、R2、R3、R4和Rsh选择成使得在i2＞i2lim时，即使比较器721的输出信号Uo为低，等式(8)的右侧也大于等式(7)的右侧。

为了满足第二个条件B)，必须把所述电阻R1、R2、R3、R4和Rsh选择成使得在比较器721的输出信号Uo为高时(即Uout＞Ulim)，即使次级电流i2具有较大负值，等式(8)的右侧也大于等式(7)的右侧。

当次级电流i2衰减到电流极限i2lim以下时，如果输出电压Uout小于电压极限Ulim，则次级开关706被设定到非导通状态。在这种情况下，次级开关仅仅作为同步整流器元件来操作。

图7b示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图。图7b中示出的开关模式电源是图7a中示出的开关模式电源的进一步的发展。在图7b中示出的开关模式电源中，控制电路710响应于其中次级电流i2下降到负电流极限以下的情况(即把磁能充到变压器703的次级电流超出预定极限值)，适于把次级开关706设定到非导通状态。

如果次级电流i2超出正电流极限i2lim，则次级开关706被保持在导通状态。因此，电阻器725、726、728、727和724的电阻R1、R2、R3、R4和Rsh分别被选择成使得在i2＞i2lim时，即使比较器721的输出信号Uo为低，等式(8)的右侧也大于等式(7)的右侧。

当次级电流i2下降到所述负电流极限i2limNeg以下时，次级开关706被设定到非导通状态。因此，电阻器728和727的电阻R3和R4分别被选择成使得在i2＜i2limNeg时，即使比较器721的输出信号Uo为高，等式(8)的右侧也小于等式(7)的右侧。

在其中次级电流i2下降到负电流极限i2limNeg以下的情况下，次级开关706被设定到非导通状态，并且次级电流以阶跃的方式被改变到零。变压器703的次级线圈751的杂散电感试图保持负次级电流，因此次级开关的漏极端子760的电势增大。此外，由于变压器703的磁通量φ不能被突然改变，因此初级电流i1阶跃地下降到一个负值。当初级电流i1正在流动(或者过零)时，输入电压Uin被连接到变压器的初级线圈，磁通量的时间导数fφ/dt为正，并且次级线圈751上的电压u2为负。因此，紧接在次级开关被设定到非导通状态和/或当初级电流i1正在流动(或过零)时，漏极端子760的电势为高。

漏极端子760通过电阻器750耦合到比较器723的减端子。电阻器750的电阻被选择成使得在其中次级开关刚被设定到非导通状态和/或初级电流i1正在流动(或过零)时，对应于比较器723的减端子的输入信号U-相对于接地799高到使得即使等式(8)的右侧大于等式(7)的右侧(即使Uout＞Ulim)，次级开关706也被保持在非导通状态。

在其他方面，图7b中示出的控制电路710的操作类似于图7a中示出的开关模式电源的控制电路的操作。当次级电流i2正在流动时，电阻器750对于所述操作没有显著影响，这是因为当次级电流i2正在流动时，次级开关706上的电压较小。

对把磁能充到变压器703的次级电流i2的值进行限制会减小各电子组件的功率损耗以及由该开关模式电源发射的电磁干扰。另一方面，所述限制使得对于输出电压Uout的控制变慢，这是由于只要输出电压Uout超出预定极限值，次级开关就不必被保持在导通状态下。在实践中，可以在功率损耗和电磁干扰与控制速度之间获得适当的折衷。

图8示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图。该开关模式电源包括初级侧801、次级侧802以及初级侧与次级侧之间的变压器803。块804表示初级侧的电路。控制电路810适于响应于其中次级电压u2超出电压极限Ulim的情况把次级开关806设定到导通状态，以及响应于其中次级电压u2下降到电压极限Ulim以下的情况把所述次级开关设定到非导通状态。在本发明的该实施例中，把次级开关806改变到导通状态的决定是基于次级电压u2而不是输出电压Uout。如果该开关模式电源加有电抗性负载，则输出电流iout有可能在特定时间间隔内是负的，即该电抗性负载在所提到的时间间隔期间对输出电容器812充电。因此，在其间初级电流i1正在流动的这部分工作循环期间，输出电压Uout有可能变得高于电压极限Ulim。

次级电压u2是：

$u2=-N2\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}},---\left(9\right)$

其中，N2是变压器803的次级线圈805的匝数，并且dφ/dt是磁通量φ的时间导数。在其间初级电流i1流动的一部分工作循环期间，该磁通量的时间导数是正的，因此次级电压u2是负的。因此，在其间初级电流i1流动的一部分工作循环期间，次级电压u2不会变得高于(正)电压极限Ulim。在其间次级电流i2流经次级开关806或流经二极管807的一部分工作循环期间，次级电压u2与输出电压Uout基本上相同。通过对于次级电压u2执行的分压比，电压极限Ulim与图8中示出的参考电压Uref相关。

图9示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的电路图。该开关模式电源包括初级侧901、次级侧902以及初级侧与次级侧之间的变压器903。块904表示初级侧的电路。控制电路910适于响应于其中输出电流iout超出电流极限ioutlim并且次级电压u2与输出电压Uout具有相同极性的情况，把次级开关906保持在导通状态下。要求次级电压u2具有与输出电压Uout相同的极性的情况确保了在其间初级电流i1流动的一部分工作循环期间，把次级开关906保持在非导通状态下。

控制电路910包括比较器921。当旁路电阻器925上的电压损耗超出参考电压Uref时，比较器921的输出信号为高。控制电路910包括比较器922。当次级电压u2具有与输出电压Uout相同的极性时，比较器922的输出信号为高。比较器922的输出信号被连接到开关元件923的控制端子。当比较器922的输出信号为高时，该开关元件处在导通状态下，并且当该输出信号为低时，该开关元件处在非导通状态下。当比较器921的输出信号为高并且开关元件923处在导通状态下时，次级开关906处在导通状态下。开关元件923例如可以是场效应晶体管(FET)。

本领域技术人员可以看出，有可能对次级开关的上述控制原理进行组合。例如，根据本发明的一个实施例的开关模式电源包括控制电路，该控制电路适于在满足以下条件的至少其中之一时把次级开关保持在导通状态下：

-输出电流iout超出电流极限，并且次级电压具有与输出电压相同的极性；

-输出电压超出电压极限。

图10示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的高级别电路图。变压器1003包括次级侧辅助线圈1015。该开关模式电源包括适于控制辅助次级电流i3的次级开关1006。该辅助次级线圈和该次级开关适于允许该开关模式电源的次级侧1002把磁能充到变压器1003中。

例如可以通过把次级侧辅助线圈1015的匝数N3设置成多于次级线圈1005的匝数N2来防止通过次级线圈1005和次级侧辅助线圈1015的循环电流分量。当次级电流i2正在流动时，输出电压Uout基本上是N2 x dφ/dt。辅助次级电压u3是N3 x dφ/dt，如果N3＞N2，则其高于输出电压。由于二极管1007的存在，即使次级开关1006处在导通状态，辅助次级电流i3也是零。如果次级开关1006只能导通正辅助次级电流i3，则不需要二极管1007。

在根据本发明的一个实施例的开关模式电源中，控制电路1010适于把次级开关1006保持在导通状态下，以作为对于其中辅助次级电压u3超出电压极限Ulim的情况的响应。

图11示出了根据本发明的一个实施例的用于控制开关模式电源的电路设置1100。该电路设置1100包括该开关模式电源的次级侧1102中的次级开关1106。该次级开关适于允许次级侧把磁能充到该开关模式电源的变压器1103中。该电路设置1100包括控制电路1110，该控制电路1110适于根据与次级侧相关联的至少一个电量来控制次级开关

在根据本发明的一个实施例的电路设置中，次级开关1106电耦合到变压器的次级线圈1105。在根据本发明的一个替换实施例的电路设置中，次级开关1106电耦合到次级侧辅助线圈。

在根据本发明的一个实施例的电路设置中，控制电路1110包括比较器，其输出端子电耦合到次级开关的控制端子。

在根据本发明的一个实施例的电路设置中，控制电路1110包括参考二极管，其电耦合到次级开关的控制端子。

在根据本发明的一个实施例的电路设置中，次级开关1106是金属氧化物半导体晶体管。

在根据本发明的一个实施例的电路设置中，金属氧化物半导体晶体管的内部体二极管适于作为次级开关的反向二极管来操作。

图12是根据本发明的一个实施例的用于控制开关模式电源的方法流程图。在阶段1201中，监控与该开关模式电源的次级侧相关联的至少一个电量。在判定块1202中，判定是否允许次级侧把磁能充到该开关模式电源的变压器中。该判定是基于所监控的至少一个电量。在阶段1203中，允许次级侧把磁能充到变压器中。

在根据本发明的一个实施例的方法中，允许次级侧把磁能充到变压器中，以作为对于其中开关模式电源的输出电压超出预定电压极限的情况的响应。

在根据本发明的一个实施例的方法中，允许次级侧把磁能充到变压器中，以作为对于其中该变压器的次级线圈上的电压超出预定电压极限的情况的响应。

在根据本发明的一个实施例的方法中，允许次级侧把磁能充到变压器中，以作为对于其中该变压器的次级侧辅助线圈上的电压超出预定电压极限的情况的响应。

在根据本发明的一个实施例的方法中，允许次级侧把磁能充到变压器中，以作为对于其中开关模式电源的输出电流超出预定电流极限的情况的响应。

在根据本发明的一个实施例的方法中，把次级侧的次级开关保持在导通状态下，以作为对于其中满足以下条件的其中之一的情况的响应：变压器的次级电流超出预定电流极限，以及开关模式电源的输出电压超出预定电压极限。

在上面的描述中提供的具体例子不应被理解成是进行限制。例如，本领域技术人员可以看出，与开关模式电源的初级侧相关的电量和/或与开关模式电源的次级侧相关的电量可以从模拟形式转换成数字形式，并且可以使用多种数字信号处理(DSP)方法来控制初级侧和/或次级侧。因此，本发明不仅仅限于上述实施例，在不背离独立权利要求中限定的本发明的范围的情况下，许多变型都是可能的。

Claims (29)

1.一种开关模式电源，包括：

-初级侧(301)；

-次级侧(302)；以及

-初级侧与次级侧之间的变压器(303)，

其特征在于，该开关模式电源还包括：

-次级侧中的次级开关(306)，所述次级开关适于允许次级侧把磁能充到该变压器中；以及

-控制电路(310)，其适于根据与次级侧(302)相关的至少一个电量来控制所述次级开关(306)。

2.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述次级开关电耦合到所述变压器的次级线圈(305)。

3.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述变压器包括次级侧辅助线圈(1015)，并且所述次级开关电耦合到所述次级侧辅助线圈。

4.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述至少一个电量包括该开关模式电源的输出电压，并且所述控制电路(510)适于响应于其中该开关模式电源的输出电压超出预定电压极限的情况而把所述次级开关保持在导通状态下。

5.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述至少一个电量包括所述变压器的次级线圈上的电压，并且所述控制电路(810)适于响应于其中该变压器的次级线圈(805)上的电压超出预定电压极限的情况而把所述次级开关保持在导通状态下。

6.根据权利要求3的开关模式电源，其特征在于，所述至少一个电量包括所述次级侧辅助线圈上的电压，并且所述控制电路(1010)适于响应于其中所述变压器的次级侧辅助线圈(1015)上的电压超出预定电压极限的情况而把所述次级开关保持在导通状态下。

7.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述至少一个电量包括该开关模式电源的输出电流和所述变压器的次级线圈上的电压，并且所述控制电路(910)适于响应于其中以下两个条件都得到满足的情况而把所述次级开关保持在导通状态下：该开关模式电源的输出电流超出预定电流极限，并且该变压器的次级线圈上的电压具有与该开关模式电源的输出电压相同的极性。

8.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述至少一个电量包括该开关模式电源的输出电压和所述变压器的次级电流，并且所述控制电路(710)适于响应于其中以下条件的至少其中之一得到满足的情况而把所述次级开关保持在导通状态下：该变压器的次级电流超出预定电流极限，以及该开关模式电源的输出电压超出预定电压极限。

9.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述控制电路(510)包括比较器(521)，该比较器的输出端子电耦合到所述次级开关的控制端子。

10.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述控制电路(610)包括参考二极管(621)，该参考二极管电耦合到所述次级开关的控制端子。

11.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，该开关模式电源包括与所述变压器的初级线圈串联的旁路电阻器(633)和控制设置(611)，该控制设置适于响应于其中检测到所述初级电流从该变压器释放磁能的情况而减小初级电流的极限值。

12.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述变压器包括电耦合到初级开关(508)的控制端子的初级侧辅助线圈(514)。

13.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述次级开关(506)是金属氧化物半导体晶体管。

14.根据权利要求13的开关模式电源，其特征在于，所述金属氧化物半导体晶体管的内部体二极管适于作为所述次级开关的反向二极管操作。

15.根据权利要求1的开关模式电源，其特征在于，所述至少一个电量包括所述变压器(703)的次级电流，并且所述控制电路(710)适于响应于其中该次级电流把磁能充到该变压器中并且超出预定电流极限的情况而把所述次级开关(706)设定到非导通状态。

16.一种用于控制开关模式电源的电路设置，其特征在于，该电路设置包括：

-该开关模式电源的次级侧(1102)中的次级开关(1106)，所述次级开关适于允许次级侧把磁能充到该开关模式电源的变压器(1103)中；以及

-控制电路(1110)，其适于根据与次级侧(1102)相关的至少一个电量来控制所述次级开关(1106)。

17.根据权利要求16的电路设置，其特征在于，所述次级开关电耦合到所述变压器的次级线圈(1105)。

18.根据权利要求16的电路设置，其特征在于，所述变压器包括次级侧辅助线圈，并且所述次级开关电耦合到所述次级侧辅助线圈。

19.根据权利要求16的电路设置，其特征在于，所述控制电路包括比较器，该比较器的输出端子电耦合到所述次级开关的控制端子。

20.根据权利要求16的电路设置，其特征在于，所述控制电路包括参考二极管，该参考二极管电耦合到所述次级开关的控制端子。

21.根据权利要求16的电路设置，其特征在于，所述次级开关是金属氧化物半导体晶体管。

22.根据权利要求21的电路设置，其特征在于，所述金属氧化物半导体晶体管的内部体二极管适于作为所述次级开关的反向二极管操作。

23.一种用于控制开关模式电源的方法，其特征在于，该开关模式电源的次级侧被允许根据(1202)与所述次级侧相关的至少一个电量把磁能充到(1203)该开关模式电源的变压器中。

24.根据权利要求23的方法，其特征在于，所述次级侧被允许响应于其中所述开关模式电源的输出电压超出预定电压极限的情况而把磁能充到所述变压器中。

25.根据权利要求23的方法，其特征在于，所述次级侧被允许响应于其中所述变压器的次级线圈上的电压超出预定电压极限的情况而把磁能充到该变压器中。

26.根据权利要求23的方法，其特征在于，所述次级侧被允许响应于其中所述变压器的次级侧辅助线圈上的电压超出预定电压极限的情况而把磁能充到该变压器中。

27.根据权利要求23的方法，其特征在于，所述次级侧被允许响应于其中所述开关模式电源的输出电流超出预定电流极限的情况而把磁能充到所述变压器中。

28.根据权利要求23的方法，其特征在于，响应于其中以下条件的其中之一得到满足的情况而把所述次级侧的次级开关保持在导通状态下：所述变压器的次级电流超出预定电流极限，以及所述开关模式电源的输出电压超出预定电压极限。

29.根据权利要求23的方法，其特征在于，响应于其中所述变压器的次级电流把磁能充到该变压器中并且超出预定电流极限的情况而把所述次级侧的次级开关设定到非导通状态。

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