CN101490940A - 开关式电源控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用初级侧感应的SMPS控制器。在此所描述的系统用于识别感应波形中的弯曲点，在该点，可以在初级侧精确地采样SMPS的输出电压。该系统通过用切线拟合一部分电源变压器电压波形来识别弯曲点，并且采样弯曲点处的电压波形，以确定SMPS输出电压。在优选的实施例中，使用衰减峰值检测器提供指示弯曲点检测的定时信号，来实现该技术。可采用采样/保持和误差放大器电路来实现输出电压调整。

Description

开关式电源控制器
技术领域
本发明一般地涉及一种开关式电源(SMPS)控制器及相关方法。更为具体的，本发明涉及这样一种SMPS控制器，该SMPS控制器使用初级侧感应来在感应波形中检测何时可以在初级侧采样该SMPS的输出电压。
背景技术
一般而言，在开关式电源中，磁能存储装置，例如变压器或电感器，用于将功率从SMPS的输入侧传送到输出侧。功率开关将功率切换到能量存储装置，在此期间，电流和磁场线性增大。当断开开关时，随着功率被输出侧负载消耗，磁场(和次级侧电流)几乎(平均地)线性减小。
SMPS可以工作在间断导通模式(DCM)下，或是连续导通模式(CCM)下，或是处于这两种模式边界的临界导通模式下。在DCM工作模式下，当开关装置关闭时，输出电压稳定且逐渐地下降，直至达到几乎为0输出电流的输出曲线弯曲点(knee)，并且电感器或变压器开始振荡(ring)，进入所谓的振荡阶段。振荡周期取决于电路的电感和寄生电容。在本说明书中，DCM包括所谓的临界(间断导通)模式(CRM)操作，其中，功率开关在振荡阶段的第一个谷底(trough)再次接通(有时称之为反激振荡(flyback oscillation))。通过减少与功率开关关闭转换有关的损耗，CRM下的操作可以是特别高效的。在连续导通模式(CCM)下，功率开关接通以便在下一周期中对电感器或变压器再次充入通量，然后通量(并且因此输出电流)下降至0(所以电感器或变压器几乎总是“导通”)。在此描述的该技术的实施例，对于所有这三种模式的操作都是有用的。
通常，SMPS的输出电压由输出侧的感应(sensing)电路来调节，所述输出侧的感应电路通过光绝缘体(opto-isolator)耦合回SMPS输入侧。然而，一些改进的技术使用初级侧感应，或是更一般地，使用在磁能存储装置上采用辅助线圈的感应，或在一些相关的电路中，采用输出滤波电感器辅助线圈的感应。
一些与初级侧感应有关的现有背景技术，可以在US6,958,920、US6,721,192、US2002/015315、WO2005/048442、WO2004/051834、US2005/0024898、US2005/0169017、US6,956,750、US6,862,198、US2006/0056204、US7,016,204、US2006/0050539、US2006/0055433、US2006/0034102、US6,900,995、US6,862,198以及US6,836,415中找到。更多的现有背景技术还可以在US6385059、US20050276083、US6977824、US6956750、WO2004082119、US6972969、WO03047079、US6882552、WO2004112227、US2005285587、WO2004112226、WO2005011095、US6985368、US7027312、US6373726、US4672516、US6301135、US6707283以及US6333624中找到。
现在参见图1，其示出了含有初级侧感应的开关式电源电路的示例。该电源包括连接到桥式整流器14的AC主电源输入，以便为电源的输入侧提供DC电源。该DC电源使用功率开关20，在本示例中为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，在变压器18的初级线圈16上切换。变压器18的次级线圈22提供整流后的AC输出电压，以便提供DC输出24，且辅助线圈26提供与次级线圈22上的电压成比例的反馈信号电压。该反馈信号为控制系统28提供输入，该控制系统28由整流后的主电源供电。次级线圈通常与初级线圈(和辅助线圈，若存在的话)及其相关部件物理隔离，以便符合法定要求。控制系统为功率切换装置20提供驱动输出30，调制脉冲宽度和/或脉冲频率，以便调节功率通过变压器18的传输，并因此调节DC输出24的电压。在实施例中，功率开关20和控制器28可以合并在单一电源集成电路上。
可以看到，图1中初级侧受控SMPS从变压器初级侧得到反馈信息，其中使用辅助线圈以避免高电压信号，电压按变压器的匝数比降低。然而，技术人员应认识到，不必一定使用单独的辅助线圈，尽管这在已经打算用该线圈给控制器提供低电压电源的情况下可能是很方便的。例如，可以感应初级线圈的电压，优选的，连接电容器从而该电压可以控制器的地为参考，且使用分压器来降压。图1中的插图示出了对此的示例电路图，用虚线连接到初级线圈16。技术人员还将认识到，辅助线圈不必为控制器提供dc电源，因为其可以从SMPS初级侧上的高电压dc电源中获得，或是通过众多其他途径获得，例如，使用通过二极管由功率开关上的开关电压驱动的电容器电荷泵。因此，在一些优选的实施方式中，省略了辅助线圈。
在此将描述使用变压器电压波形产生反馈信息以便调节SMPS的技术。在实施例中，这有助于在大范围的输入输出条件下进行操作，且提供了更低的成本、听不到的操作以及改进的输出调节。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于感应开关式电源(SMPS)输出电压的系统，该SMPS包括开关磁能存储装置，开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，该系统包括：输入，从所述磁装置的所述至少一个线圈接收感应信号，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；信号跟随器，耦合到所述输入，以便生成对所述感应信号波形的所述衰减部分进行近似的衰减信号；比较器，将所述衰减信号与所述感应信号波形相比较，以便识别所述感应信号波形衰减得快于所述衰减信号的时刻；以及采样器，响应所述比较器对所述感应信号进行采样，以便提供感应所述SMPS的所述输出电压的输出信号。
上述感应系统可以用于工作在DCM/CRM模式或CCM模式下的SMPS控制器中。在DCM/CRM模式下，反馈信号波形的第二部分包括波形的振荡部分(但是不必包括振荡的完整周期)；在CCM模式下，波形的第二部分包括波形中输入功率切换到磁能存储装置期间的一部分。
在DCM/CRM实施例中，该系统可以用于通过检测感应波形中波形衰减部分和振荡部分之间的弯曲点，来检测几乎为0磁通的时刻。在该时刻，由于次级侧电流几乎为0，在次级侧部件(典型的，二极管和某些串联电阻)上几乎没有电压降，所以在初级侧可以精确采样SMPS的输出电压。
在CCM实施例中，该系统可以用于确定将输入功率切换到磁能存储设备的功率切换装置接通的时间。典型的，该功率切换装置包括双极型或MOSFET开关，其通常具有小的切换延迟。通过监测感应信号波形，可以确定该装置的实际切换时间。此外，对于CCM模式SMPS控制器，希望能够控制DCM模式下的SMPS，以便在低负载水平下可使用该模式。上述感应系统实施例可以应用在DCM和CCM两种模式下，且从而可以为SMPS控制器使用单个公共感应系统，而不必根据SMPS的工作模式在不同的感应系统之间切换。感应系统的实施例提供了这样的双模操作(如果将CRM视为单独模式的话，则是三模操作)。
取决于SMPS的实施方式(例如，在DCM模式下，信号的振荡部分包括一个以上的振荡周期)，可以存在一个以上的感应信号波形比衰减信号衰减得快的时刻。因此，优选的，系统还包括接收使能信号的使能输入，用于在感应信号的振荡部分期间禁用采样器的操作。使能信号可以禁用信号跟随器和/或比较器，和/或可选通比较器输出；例如，其可以根据感应信号波形而获得，或根据驱动SMPS功率切换装置的驱动信号而获得。
在一些优选的实施例中，信号跟随器包括衰减峰值检测器，以检测感应信号的峰值，并以衰减特性来保持峰值。在一个实施例中，衰减峰值检测器包括耦合到电容器的整流器、以及耦合在电容器两端的放电电路，例如电流发生器。比较器可以具有内置偏移以便偏移整流器上的电压降。
响应比较器对感应信号进行采样的采样器可以包括采样-保持电路，其在感应信号波形衰减得快于衰减信号时采样并保持感应信号。可以对感应信号进行直接或是间接感应，例如，通过感应衰减(衰减峰值检测器的输出)来进行，所述衰减在采样点之前沿着感应信号的轨迹。在其他的实施例中，采样器包括积分器，其通过对从感应信号波形衰减得快于衰减信号时到感应信号波形上的后续点(例如，感应信号波形的过零点)之间的感应信号波形进行积分，来采样感应信号。该积分给出了取决于感应信号波形上弯曲点处信号幅度的值，并因此可以提供控制信号用于控制SMPS。该“区域相关(area correlation)”方法的更多细节在受让人与本申请同日提交的编号为XXX的共同未决专利申请中进行了描述，该申请的发明人为Vinod A Lalithambika(代理案号：P290661)，一并于此以作参考。
本发明还提供了一种SMP控制器，包括上述感应系统，以及在优选的实施例中，还包括比较器，将输出信号与基准相比较，以提供控制输出，以便响应比较来控制开关式电源。在实施例中，比较器可以包括提供模拟误差信号的误差放大器(虽然在实施例中这可以表示为数字形式，但是具有多个二进制电平，而不仅是二个二进制电平)。使用模拟控制信号有助于稳定SMPS的控制环。
另一方面，本发明提供了一种用于控制SMPS输出的SMPS控制器，该SMPS包括开关磁能存储装置，所述开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，该控制器包括：感应输入，接收来自所述磁装置的感应信号波形；衰减峰值检测器，耦合到所述感应输入，以便检测所述感应信号波形的下降斜率大于阈值的时刻，并产生第一定时信号；输出，在所述第一定时信号所指示的时刻，响应所述感应信号波形的值来提供SMPS控制信号。
在实施例中，使用SMPS控制信号来调整SMPS的输出电压，例如，通过控制振荡器的脉冲宽度和/或频率，所述振荡器驱动功率开关切换功率到磁能存储装置。在一些优选的实施例中，控制器包括定时信号输入，以便SMPS控制信号输出不检测感应信号波形的谐振、振荡部分中峰值处大的负斜率。优选的，控制器包括采样-保持模块，以响应第一定时信号，采样并保持感应信号波形。在SMPS控制器的实施方式中，在感应信号波形大致线性衰减部分中，可以存在多个次峰值，并且因此在实施例中，采样-保持模块可以采样该叠加“噪声”的峰值，保持在指示SMPS几乎没有提供任何功率的第二定时信号之前最后的采样，即第二定时信号禁用采样前的最后采样。在其他的实施例中，可以采用基于积分的或“区域相关”的采样技术。
在相关的方法中，本发明提供了一种感应开关式电源(SMPS)输出电压的方法，该SMPS包括开关磁能存储装置，开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，该方法包括：输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点；以及使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压；以及其中对所述弯曲点的所述识别包括，用逼近切线拟合所述感应信号波形的所述衰减部分；以及识别所述感应信号波形与所述逼近切线分离，以识别所述弯曲点。
在实施例中，感应信号波形上的弯曲点与次级电流刚刚下降到几乎为0的时刻相对应(此时，次级线圈上的电压几乎等于SMPS输出电压)。应认识到，感应信号通常提供与SMPS输出电压成比例的信号(例如，取决于SMPS变压器的初级：次级匝数比，或是辅助：次级匝数比)，而不是恰好等于SMPS输出电压的电压。
该方法的一些实施例可以根据斜率差大于阈值，而直接确定感应信号波形与逼近切线分离的时刻，以识别弯曲点。然而，在一些优选的实施例中，当应用(使能)该方法时，检测感应信号波形每一次与逼近切线分离大于阈值，并且用于触发采样(和保持)感应信号(或自此获得的信号)直至到达感应信号波形的第二部分，此时，最后检测到的分离(已被采样(和保持))提供了感应信号(或自此获得的信号)在弯曲点处的值。可选的，可以采用上述区域积分(area integration)法，通过对弯曲点到稍后点之间的感应信号波形进行积分，使用弯曲点处的感应信号值来(间接地)感应SMPS输出电压。
另一方面，本发明提供了一种感应开关式电源(SMPS)输出电压的方法，该SMPS包括开关磁能存储装置，开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，该方法包括：输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点；以及使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压；以及其中对所述弯曲点的所述识别包括：检测所述感应信号波形中大于阈值负斜率的点。
还提供了使用上述输出电压感应方法来调整SMPS输出电压的方法。在实施例中，该调整可以包括：将所感应的输出电压与基准电平相比较，以提供几乎与两者之差成比例的误差信号，并使用误差信号控制SMPS。
另一方面，本发明提供了一种感应SMPS输出电压的系统，该SMPS包括开关磁能存储装置，开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，该系统包括：用于输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号的装置，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置将功率提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；用于识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点的装置；以及使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压的装置；以及其中，用于识别所述弯曲点的所述装置包括：用逼近切线拟合所述感应信号波形的所述衰减部分的装置；以及用于识别所述感应信号波形与所述逼近切线分离以识别所述弯曲点的装置。
本发明还提供了一种感应SMPS输出电压的系统，该SMPS包括开关磁能存储装置，开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，该系统包括：用于输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号的装置，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎不传送功率；用于识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点的装置；以及使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压的装置；以及其中，用于识别所述弯曲点的所述装置包括：用于检测所述感应信号波形中大于阈值负斜率的点的装置。
技术人员应认识到，上述技术可以应用在各种广泛的SMPS结构中，包括但不限于反激转换器和直接耦合升压转换器。在一些实施方式中，磁能存储装置包括含有初级、次级和辅助线圈的变压器，但在另一些实施方式中，在SMPS的另一电感器上提供辅助线圈。在另一些实施方式中，可以省略辅助线圈，并且从初级线圈获得感应信号，例如，如以上参考图1所述。
在另一有关的方面，本发明提供了一种包括上述SMPS控制器的开关式电源。
在一些优选的实施例中，上述系统或SMPS控制器主要或完全是使用模拟电路实现的。这是因为时钟数字系统会带来更高的成本、可听见的噪声问题以及由于数字采样过程的时间-量化效应导致的输出误差。
然而，在另一些实施例中，可以部分或完全使用数字电路来实现系统或SMPS控制器。因此，本发明还提供了承载介质来承载处理器控制代码，例如定义硬件的RTL或系统C，以实现该电路。
附图说明
现在参考附图，仅以示例的方式，来进一步描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1示出了结合有初级侧感应的SMPS的示例；
图2示出了包括根据本发明实施例的SMPS控制器的开关式电源(SMPS)；
图3示出了图2中控制器的电压感应模块的具体细节；
图4示出了用于图3中电压感应模块的衰减峰值检测器的示例；
图5示出了用于图3中电压感应模块的采样/保持模块的示例；
图6示出了用于图3中电压感应模块的误差放大器的示例；
图7中的波形示出了根据本发明实施例的SMPS控制器的工作原理；以及
图8中的示例波形示出了图3中SMPS控制器的操作。
具体实施方式
一般来说，在此将描述从电源转换器(power converter)的初级侧测量输出电压的装置及相关方法。电源变压器上的线圈，例如初级或是辅助线圈，提供波形给定义了衰减(decay)特性的峰值检测器。因此，峰值检测器电压形成了所选择的辅助线圈波形部分的切线(tangent)。来自峰值检测器的状态信号指示切线与辅助线圈波形重合(和分离)的时间，因此，在DCM/CRM中，提供了变压器次级线圈电流下降为0的估计时刻。状态信号控制采样/保持电路，在所述时刻，采样/保持电路捕获反映变压器次级电压的电压，例如来自变压器初级或辅助线圈的电压。实质上，在CCM中，可以采用相同的技术来确定(初级侧)功率切换装置接通的时间。
在实施例中，误差放大器将所捕获的电压与基准相比较，以确定误差信号，优选地为模拟误差信号，其可以用于调整电源转换器的输出电压。使用模拟误差信号可以允许精确预测环路增益，便于进行环路补偿。此外，本技术的相似实施例有助于实现低功耗控制器。
初级侧感应的一个难点(尤其是在DCM/CRM模式下工作时)是，精确确定对所反映的次级电压进行采样的时刻。理想的，该电压应在次级线圈中的电流刚刚下降为0的时刻采样，因为在这个时刻，所采样的电压最精确的表现了输出电压。这是因为在次级电流刚刚下降为0时，在次级整流二极管上，或次级整流二极管和变压器的串联电阻上没有电压降，并且因此次级线圈上的电压等于输出电压。例如，辅助线圈上的电压等于次级线圈上的电压乘以两个线圈之间的(已知的)匝数比，且因此可以通过测量此刻(例如)辅助线圈上的电压来推断次级电压。
在CCM模式下，除了次级电压是在次级侧电流不为0的时候采样外，可以用与DCM模式下相似的方法，通过初级或辅助线圈来测量次级电压。该非0(尽管有时很小)电流导致了次级侧部件(例如可以包括二极管和一些输出电阻)上非0的电压降。因此，优选的，在CCM模式下，对这些部件上从次级侧线圈到SMPS输出的电压降做一些补偿。例如，可以根据次级侧电流的近似知识来做该补偿，次级侧电流可以从初级侧开关中的电流来推断。
现在参考图2，其示出了反激(flyback)单开关SMPS200的方框图，该反激单开关SMPS200中结合有根据本发明的SMPS控制器的实施例。如图所示，控制器在反激SMPS转换器的情况下工作，但是技术人员应理解，这里所描述的技术也可应用在其他形式的SMPS转换器中。
DC源100连接到与初级侧开关106串联连接的变压器初级线圈。变压器的次级线圈连接到与电容器102串联连接的输出二极管101。电阻器103所表示的负载连接到输出电容器102两端。变压器104上的辅助线圈的一端连接到DC源100的负极端，且另一端“VAUX”连接到振荡器和定时模块105，并连接到电压感应模块107。
电压感应模块107从信号VAUX和T1中生成信号(或值)VCTL，其表示所需要的输出功率电平。VCTL信号反馈到振荡器和定时模块，为开关106生成适当频率和持续时间的DRIVE脉冲。
在实施例中，定时信号T1从VAUX信号中获得，为电压感应模块107提供定时控制。典型的，根据VAUX与0的比较，或是根据DRIVE信号，当VAUX变正后不久(留出时间使得最初的过冲波形假象衰减)，使T1有效。当VAUX再次变负时，可以使T1失效。例如，可以使用比较器以识别VAUX的变负过0点，以使T1失效。定时信号T1可以由振荡器模块105生成或是在电压感应模块107内生成。
如前所述，振荡器和定时模块105使用输入VCTL来控制施加到DRIVE输出的频率和脉冲持续时间，DRIVE输出控制电源初级开关106。技术人员应理解，振荡器和定时模块105可以用很多不同的方式实现，在申请人的专利申请US 60/698808(0513772.4)和PCT/GB2005/050244中，描述了一些特别有优势的技术的示例，结合于此以作参考。
在描述电压感应模块107的细节之前，首先参考图7来描述基于切线的输出电压感应方法。如图7中所示，输出电压感应切线方法的目的是：在弯曲点(knee point)时，也就是在变压器次级电流下降到几乎为0的时刻，精确检测变压器辅助线圈的电压。
来自电源变压器初级或辅助线圈的VAUX(感应)信号典型的表现如图所示。这是次级线圈的变换，通常叠加有线圈漏电感、寄生电容等产生的假象。一般而言，切线方法是通过用负斜率的切线拟合VAUX波形的反激部分来实现的。选择切线斜率，以使得识别弯曲点的精确度最优化，并确保波形假象具有最小的影响。然后在弯曲点采样VAUX信号，并同基准电压相比较，以确定输出误差电压。如下描述优选的实际实施方式。
现在参考图3，其中示出了电压感应电路107的主要功能模块，共包括衰减峰值检测器模块109、采样/保持模块110和误差放大器模块111，生成输出信号VCTL(输出电压控制)。图8中示出了典型的波形。在一些实施例中没有使用来自衰减峰值检测器模块109的输出VPD(电压峰值检测)；在另一些实施例中，VPD可以用于感应或采样VAUX的值，这是由于VPD在近乎线性衰减的部分中近乎沿着VAUX的轨迹，并且在弯曲点几乎等于VAUX。
图4示出了图3中衰减峰值检测器(DPD)模块109的实施方式。
参考图4，如图所示，VAUX反馈到DPD模块的输入(IN)。当定时信号T1失效(图8中的低部分)时，DPD重置，迫使输出电压VPD为0伏。如图所示，T1有效，所以开关S1闭合且开关S2断开，从而DPD不被重置。当T1有效时，电路作为峰值检测器工作，提供以预定速率衰减的输出VPD。可选的，峰值检测器可以自由运转，在此情况下，可由T1选通EN信号。如图8中所示，VPD沿着VAUX的波形，除了当VAUX的斜率超出某一(负)值外，在该点上，VAUX和VPD彼此分开。当DPD更新(增大)VPD信号时，来自DPD的STATUS信号有效。
图4中以动作模型的方式，示出了衰减峰值检测器模块109的示例实施方式。二极管D1和电容器C1一同构成峰值检测器，在开关S1闭合且开关S2断开时使能。电流汇I1释放C1上的电压，因此确定了切线的斜率。比较器COMP1将C1上的切线近似电压与VAUX输入相比较。优选的，电压源V1增加小的DC偏移，补偿D1的正向电压降。因此，如果VAUX大于或等于C1上的(衰减)电压，那么比较器COMP1将使STATUS有效。所以，DPD有效检测VAUX大于衰落阈值或负斜率的时刻。峰值检测器通过RST信号再初始化，闭合开关S2且断开开关S1，从而释放电容器C1上的电压。C1的放电速率由I1设置，根据该实施方式，选择I1，使得在实施例中C1上的电压沿着VAUX近乎线性下降的部分，也就是说，在振荡或谐振部分之前，使得C1上的电压沿着VAUX的近乎切线。
图5中示出了采样/保持模块110的示例实施方式。缓冲器BUF1、电容器C2和开关S3一同构成了采样/保持电路，在EN有效时对VAUX输入进行采样，而在EN失效时保持所采样的值。因此，如图8中所示，当使STATUS失效(在反激阶段中的各个点，以及最终在弯曲点)时，电压输出VSENSE保持VAUX的瞬时值。
图6中示出了误差放大器模块111的示例实施方式。放大器OP1、电容器C1和电阻器R1构成了简单积分器，通过开关S4使能。当输入EN有效时，开关S4闭合，使放大器OP1可以对VSENSE和VREF之间的差值积分。优选的，时间常数至少是振荡器105的若干个周期，例如大约10个周期。这样，振荡器和定时模块可以使用在多个开关周期中积累的误差来修正所传送的功率，并因此调整输出电压。本领域的技术人员将认识到，例如，所示的电阻器和电容器可以用多种不同的阻抗网络替代，例如，用于补偿控制环，如使用极点相消技术。
再次参考图7，将认识到，希望其中应用了这里所描述的切线检测技术的波形是相对干净(clean)的，并且从而只使用少量滤波。此外或是可选的，除了弯曲点附近外，波形可以是“有限制的”，以使切线检测操作失效，例如，通过使峰值检测器失效直至达到接近弯曲点的点时。这可以如下来实现，例如，通过对变压器初级或辅助线圈上的电压进行积分来对变压器中的通量建模，更为具体的，通过从已知的0变压器通量点开始对感应信号进行积分，以确定下一0变压器通量点。后一点与初级或辅助线圈感应信号上的弯曲点相对应，并且因此可以使用该点的定时来确定窗口，切线方法在该窗口内查看感应信号波形，例如，通过在该时间窗口使能峰值检测器来实现。例如，已知的0变压器通量点与感应信号波形振荡部分的峰值和波谷相对应，且因此积分器可以在这些峰值和波谷的每一个处重置，使得在功率切换装置接通且开关周期开始之前，在已知的0通量点上总是重置积分器。可以用峰值检测器方便地检测峰值和波谷，例如，其可以采用微分器电路或是二极管电容器电路的形式。优选的，设置用于确定时间窗口的电路，例如，此前所述的的积分器以及比较器(用来确定积分器再次达到重置值的时刻)，以便恰好在弯曲点到来之前，“打开”窗口。例如，这可以通过将积分器的输出与其重置值相比较来设置，重置值比如0(用小的偏移量修正)。
一般而言，这里描述了这样的方法和系统，通过用切线拟合电源变压器电压波形的一部分来识别弯曲点，并且在弯曲点采样VAUX以便确定SMPS输出电压。在优选的实施例中，使用衰减峰值检测器来实现该技术，提供指示弯曲点检测的定时信号。采样/保持和误差放大器可以用于实现输出电压调整。
这里所描述的技术提供了精确估计开关式电源输出电压的低成本方法，其实现了更好的输出调整，减少了音频噪声以及比其他初级侧感应技术更低的实现成本。
对于技术人员来说，不容置疑，存在很多其他有效的可选方法。应理解的是，本发明不限于所描述的实施例，并且在所附权利要求的精神和范围内，还包括对于本领域的技术人员来说显而易见的修改。

Claims (38)

1.一种系统，用于感应开关式电源(SMPS)的输出电压，所述SMPS包括开关磁能存储装置，所述开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，所述系统包括；
输入，从所述磁装置的所述至少一个线圈接收感应信号，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；
信号跟随器，耦合到所述输入，以便生成对所述感应信号波形的所述衰减部分进行近似的衰减信号；
比较器，将所述衰减信号与所述感应信号波形相比较，以便识别所述感应信号波形衰减得快于所述衰减信号的时刻；以及
采样器，响应所述比较器，对所述感应信号进行采样，以便提供感应所述SMPS的所述输出电压的输出信号。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：接收使能信号的使能输入，以便在所述感应信号的所述第二部分期间，禁用所述采样器的操作。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述信号跟随器具有与所述使能输入耦合的重置输入，以便响应所述使能信号，重置所述衰减信号。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述信号跟随器包括衰减峰值检测器，所述衰减峰值检测器检测所述感应信号的峰值，并以衰减特性来保持所述感应信号的峰值，所述衰减峰值检测器具有提供所述衰减信号的输出。
5.根据权利要求4中所述的系统，其中，所述衰减峰值检测器包括耦合到电容器的整流器以及耦合在所述电容器两端的放电电路，以及从所述电容器提供所述衰减峰值检测器的输出。
6.根据此前任一权利要求所述的系统，其中，所述采样器包括耦合到所述比较器的采样-保持电路，用于在所述感应信号波形衰减得快于所述衰减信号时采样并保持所述感应信号，从而提供所述输出信号。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的系统，其中，所述采样器包括积分器，用于通过对从所述感应信号波形衰减得快于所述衰减信号时到所述感应信号波形上的后续点之间的所述感应信号波形进行积分，来采样所述感应信号。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的系统，其中，为了控制所述SMPS在间断或临界导通模式下工作，所述感应信号波形的所述第二部分包括所述波形的振荡部分。
9.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的系统，其中，为了控制所述SMPS在连续导通模式下工作，所述感应信号波形的所述第二部分包括所述波形中在输入功率切换到所述磁能存储装置期间的部分。
10.一种SMPS控制器，包括此前任一权利要求所述的感应系统、和比较器，所述比较器将所述输出信号与基准相比较，以提供控制输出，以便响应所述比较来控制SMPS。
11.根据权利要求10所述的SMPS控制器，还包括产生所述使能信号的定时信号发生器。
12.根据权利要求11所述的SMPS控制器，其中，所述定时信号发生器响应所述感应信号，以检测所述感应信号的变负过0点，以及控制所述使能信号以便响应所述检测而禁用所述采样器的操作。
13.一种SMPS控制器，用于控制SMPS的输出，所述SMPS包括开关磁能存储装置，所述开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，所述控制器包括：
感应输入，接收来自所述磁装置的感应信号波形；
衰减峰值检测器，耦合到所述感应输入，以便检测所述感应信号波形的下降斜率大于阈值的时刻，并产生第一定时信号；
输出，在所述第一定时信号所指示的时刻，响应所述感应信号波形的值来提供SMPS控制信号。
14.根据权利要求13所述的SMPS控制器，还包括：
定时信号输入，接收第二定时信号，所述第二定时信号指示所述SMPS几乎不提供功率的时刻；以及
其中，所述SMPS控制信号输出响应所述第二定时信号，使得在所述第二定时信号指示所述SMPS几乎不提供功率时，在所述第一定时信号指示的时刻，所述控制信号几乎不响应所述感应信号波形的值。
15.根据权利要求13或14所述的SMPS控制器，还包括采样-保持模块，该采样-保持模块响应所述第一定时信号，采样并保持所述感应信号波形，并具有用于提供所述SMPS控制信号的输出。
16.根据权利要求15所述的SMPS控制器，还包括：基准电平输入，用于接收输出电压基准电平信号；以及误差检测器，耦合到所述采样-保持模块输出和所述基准电平输入，且具有耦合到所述SMPS控制器输出的输出，以便响应所述所采样的感应信号波形和所述基准电平信号之差，提供所述SMPS控制信号。
17.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的SMPS控制器，其中，所述衰减峰值检测器包括：峰值检测器，耦合到所述感应输入，且包括存储所述感应信号波形的峰值电平的信号电平存储元件；以及衰减元件，耦合到所述存储元件，以便随着时间减小所存储的峰值电平。
18.根据权利要求17所述的SMPS控制器，其中，所述信号电平存储元件包括电容器，以及所述衰减元件包括电流发生器。
19.根据权利要求17或18所述的SMPS控制器，其中，所述衰减峰值检测器还包括比较器，用于将所存储的峰值电平与所述感应信号波形相比较，以提供所述第一定时信号。
20.根据权利要求1至19中任一权利要求所述的系统或SMPS控制器，其中，所述磁装置具有包括辅助线圈在内的至少2个线圈，以及所述感应信号来自所述辅助线圈。
21.一种SMPS，包括如权利要求10至20任一权利要求所述的SMPS控制器。
22.一种方法，用于感应开关式电源(SMPS)的输出电压，所述SMPS包括开关磁能存储装置，所述开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，所述方法包括：
输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；
识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点；以及
使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压；以及
其中，对所述弯曲点的所述识别包括：用逼近切线拟合所述感应信号波形的所述衰减部分；以及
识别所述感应信号波形与所述逼近切线分离，以识别所述弯曲点。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述切线拟合包括：检测所述感应信号波形的一个或多个峰值，响应所述检测存储峰值电平，以及衰减所述存储的峰值电平以生成切线逼近信号。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述分离识别包括：将所述切线逼近信号与所述感应信号波形相比较，以识别所述感应信号波形与所述切线逼近信号分离的时刻，从而识别所述弯曲点。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：在所述感应信号波形与所述切线逼近信号分离的所述时刻，采样所述感应信号以提供所述感应信号在所述弯曲点处的所述值。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述采样包括从所述弯曲点开始对所述感应信号进行积分。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中，所述分离识别对所述感应信号波形与所述切线逼近信号分离的多个所述时刻进行识别，所述方法还包括：识别几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出的时刻，以及使用在所述识别时刻之前所述感应信号最新的所述采样，以提供所述感应信号在所述弯曲点处的所述值。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，对几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出的时刻的所述识别包括：识别所述感应信号波形的所述第二部分与基准电平的交点。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，对几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出的时刻的所述识别包括：识别所述感应信号波形的时间积分与基准电平的交点，所述时间积分是从所述磁装置中已知的几乎是0能量存储的时刻起。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，对几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出的时刻的所述识别包括：识别从所述感应信号波形与基准电平的交点起延迟固定时间的时刻。
31.一种方法，用于感应开关式电源(SMPS)的输出电压，所述SMPS包括开关磁能存储装置，所述开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，所述方法包括：
输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；
识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点；以及
使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压；以及
其中，对所述弯曲点的所述识别包括：检测所述感应信号波形中大于阈值负斜率的点。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述弯曲点识别还包括：选择所述感应信号波形的一部分用于检测，以把所述波形的所述第二部分的至少一部分排除在外。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其中，所述检测包括：检测大于所述阈值负斜率的多个所述点，且选择紧接在所述波形的所述第二部分之前的所述点，以识别所述弯曲点。
34.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的方法，还包括：响应所述SMPS输出电压感应，调整所述SMPS的所述输出电压。
35.根据权利要求22至34中任一权利要求所述的方法，其中，所述磁装置包括变压器，以及所述感应信号波形的所述输入包括：输入来自所述变压器的辅助线圈的所述感应信号。
36.一种系统，用于感应SMPS的输出电压，所述SMPS包括开关磁能存储装置，所述开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，所述系统包括：
用于输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号的装置，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置将功率提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；
用于识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点的装置；以及
使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压的装置；以及
其中，用于识别所述弯曲点的所述装置包括：
用逼近切线拟合所述感应信号波形的所述衰减部分的装置；以及
用于识别所述感应信号波形与所述逼近切线分离以识别所述弯曲点的装置。
37.一种系统，用于感应SMPS的输出电压，所述SMPS包括开关磁能存储装置，所述开关磁能存储装置用于从所述SMPS的输入向输出传送功率，所述磁装置具有至少一个线圈，所述系统包括：
用于输入来自所述磁装置的所述至少一个线圈的感应信号的装置，所述感应信号具有这样的波形，该波形具有第一衰减部分和第二部分，在所述第一衰减部分期间，功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出，在所述第二部分期间，几乎没有功率通过所述磁装置提供给所述SMPS输出；
用于识别所述感应信号波形上所述波形的所述衰减部分和所述第二部分之间的弯曲点的装置；以及
使用所述感应信号在所述弯曲点处的值来感应所述SMPS的输出电压的装置；以及
其中，用于识别所述弯曲点的所述装置包括：
用于检测所述感应信号波形中大于阈值负斜率的点的装置。
38.根据权利要求1至19中任一权利要求所述的系统或SMPS控制器，其中，所述磁装置包括变压器，以及所述感应信号来自所述变压器的初级线圈，或，根据权利要求22至34中任一权利要求所述的方法，其中，所述磁装置包括变压器，以及所述感应信号波形的输入包括：输入来自所述变压器的初级线圈的所述感应信号。
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