CN101641857B - 用于向电子设备供应隔离的经调节的直流功率的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种离线直流-直流转换器，包括与单片集成电路(405)耦合的变压器(180)。所述变压器将输入电源直流电压(Vin)施加于所述变压器的初级绕组(181)，以产生从次级绕组(182)提供的输出电源直流电压(Vout)。所述单片集成电路(400)包括开关调压器，所述开关调压器包括在所述单片集成电路的第一部分上的开关(151)和开关控制器(100)。在所述单片集成电路的第二部分上提供电容性隔离器(201)。所述单片集成电路对所述输出电源直流电压进行调节，并且将所述输出电源直流电压与所述输入电源直流电压进行隔离以避免电击危险。

Description

用于向电子设备供应隔离的经调节的直流功率的装置
技术领域
本发明涉及电源，并且更具体地涉及用于将以第一电平提供的离线直流功率转换成适于向电子设备供电的第二电平的隔离的经调节的直流功率的装置和方法。
背景技术
很多目前的电子设备是由从交流(AC)主电源得到的直流电流(DC)来进行供电的。交流至直流转换器将交流功率转换为第一直流电压或者电流以向设备供电。很多这些设备(例如，个人计算机和电视)被配置为与辅助设备耦合。在一些情况下，辅助电子设备使用与第一直流电压或者电流不同的第二直流电压或者电流来操作。在该情况下，使用直流-直流转换器以将第一直流电压或者电流(即，离线直流电压)转换为第二直流电压或者电流，以向辅助设备供电。
期望对第二直流电压或电流的调节和隔离，并且对第二直流电压或电流的调节和隔离是由常规的直流-直流转换器电路来提供的。尽管如此，常规地用定制设计的电源控制器电路和组件来实施这些直流-直流转换器特征。具体地，常规电源控制器电路依靠光学耦合器或者隔离信号变压器来对隔离变压器的初级和次级绕组进行隔离。两种解决方案都包括分立电路组件并且都不适于在单片集成电路上实现。作为结果，常规电路典型地包括多个分立组件、多个集成电路以及在某些情况下包括混合IC以提供转换器功能。尽管这些电路很好的执行了它们的功能，但同通常期望的情形相比它们占用了较多的空间。另外，它们可能是复杂和昂贵的。因此，希望提供一种可以集成在单个单片集成电路上的隔离的离线功率控制器。
发明内容
本发明的实施例提供一种电源设备，包括：与单片集成电路耦合的变压器。所述变压器将施加于所述变压器的初级绕组上的第一直流电压转换为在所述变压器的次级绕组处提供的第二直流电压。所述单片集成电路包括开关调压器，所述开关调压器包括在所述单片集成电路上的开关和开关控制器。在所述单片集成电路的第二部分上提供隔离器。所述单片集成电路对所述第二直流信号进行调节并且将所述第二直流信号与所述第一直流信号隔离。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：
图1是根据现有技术的常规直流-直流转换器的框图；
图2是根据本发明的实施例的直流-直流转换器的框图；
图3是根据本发明的实施例的直流至直流转换器的框图；
图4是表示根据本发明的实施例的电路的示意图；
图5是根据本发明的实施例的直流至直流转换器的框图。
具体实施方式
为了本说明书的需要，术语“直流信号”和术语“直流电压”、“直流电流”以及“直流功率”是同义的。包括直流(DC)至直流转换器的常规离线开关式电源(SMPS)是众所周知的。在常规离线直流-直流转换器中，通常通过对交流(AC)电源(比如由电力线提供的电源)进行整流和滤波来获得第一直流信号。本文中AC电源也被称作市电电源。在隔离的直流-直流转换器中，向变压器的初级绕组提供第一直流信号。电源开关(典型地，功率晶体管)与变压器的初级侧耦合并且以第一公共电势(例如，地电势)为基准。通过起止初级绕组中的电流流动的电源开关的动作在变压器的次级绕组中感生出第二直流信号。
将反馈电路与变压器的次级绕组处的电源输出进行耦合，以对第二直流信号进行采样，并且提供指示第二直流信号和所期望的参考直流电平之差的反馈信号。光学耦合器将来自变压器的次级侧的反馈电路的反馈信号与开关调压器进行耦合。开关调压器控制功率晶体管。隔离器提供变压器的初级和次级绕组之间的隔离。
常规离线直流-直流转换器是已商用的。例如，安森美半导体在输出处提供经调节的隔离的第二直流信号。
图1
图1示出了包括直流-直流转换器10在内的示例常规开关式电源(SMPS)。图1的直流-直流转换器10包括变压器180，该变压器180包括初级绕组181和次级绕组182。直流-直流转换器10还包括开关151和开关控制器100。直流-直流转换器10还包括：与变压器180的次级绕组182耦合的调压器300以及耦合在转换器输出195和控制器100之间的光学耦合器200。
转换器输入105与电源30耦合。在图1所示的示例中，电源30包括在转换器输入105处提供经整流以及经滤波的第一直流电压的市电整流器以及滤波器30。输入105耦合至变压器180的初级绕组181的一端。开关151经由电流感测电阻器17耦合在初级绕组181的另一端和第一参考电势(例如，地5)之间。由电阻17提供电流感测输出7并且将电流感测输出7耦合至控制器100的输入。将控制器100的输出耦合至开关151以操作开关151。
直流-直流转换器10在转换器输出195处提供第二直流电压。将转换器输出195耦合至变压器180的次级绕组182的一端。变压器180的次级绕组182的另一端以第二参考电势15为基准。将调压器300与变压器180的次级绕组耦合，以感测输出195处的第二直流电压并且提供代表了以第二参考电势15为基准的第二直流电压195的反馈信号4。光学耦合器200包括发光元件11和光感测元件12。发光元件11与输出195耦合，以接收第一反馈信号4并且依照于反馈信号4来发光。发光元件11与第二参考电势15耦合。
光接收元件12接收由发光元件11发射的光。光接收元件12向开关控制器100的输入提供与接收到的光一致的信号。光接收元件12提供给控制器100的信号与第一参考电势5为基准。开关控制器100的输出对开关151进行操作，以控制变压器180的初级绕组181中的电流。
这样一来，依靠光学耦合器200向变压器180的初级侧181的控制器151提供变压器180的次级侧182的输出195处的第二直流电压。同时，不管第一参考电势5和第二参考电势15之间的差异如何，光学耦合器200提供变压器180的初级绕组181和次级绕组182之间的隔离。
使用至少两个分离封装的电路来实施图1所示的直流-直流转换器的公共配置。一个封装是包括控制器100在内的单片IC。另一封装包括光学耦合器200。在一些配置中，第三封装包括调压器300。
因此，常规直流-直流转换器依赖于多个分离封装的电路来提供控制器100的功能。特别地，希望通过提供单片集成电路上的隔离器以及直流-直流转换器10的其它功能来提供变压器180的初级和次级绕组之间的隔离。
图2
图2的框图示出了根据本发明的实施例的电源设备20。设备20包括与单片集成电路400耦合的变压器电路180。变压器电路180包括初级侧、次级侧、整流器291以及电容器293，所述初级侧包括初级绕组181，所述次级侧包括次级绕组182。将第一整流直流电源电压Vin施加于电源设备输入105处的初级绕组181。电压Vin以第一公共电势5为基准，第一公共电势5一般被称作热地(hot ground)。第一公共电势5对于与变压器180的初级侧耦合的电路是公共的。
电源设备输出195通过在次级绕组182中产生的电压中得到输出电源第二直流电压Vout。电压Vout以第二公共电势5为基准，第二公共电势5一般被称作冷地(cold ground)或者底盘接地。电压Vout可以被用于向图中未示出的电子设备提供能量。变压器电路180的次级侧包括与次级绕组182耦合的整流器291以及以常规方式耦合在整流器291和第二公共电势15之间的电容器293。在一些实施例中，底盘公共电势对于包括设备在内的电路来说是公共的。在本发明的其它实施例中，第二参考电势15包括公共参考电势，该公共参考电势针对由变压器180的次级侧供电的电路。
单片集成电路400包括电源开关151、开关调压器100以及隔离器201。在本发明的一个实施例中，在单片集成电路400的第一部分上实现电源开关151。在单片集成电路400的第二部分上实现开关调压器100。在单片集成电路400的第三部分上实现隔离器201。在单片集成电路400的第四部分上实现调压器电路300。当本领域普通技术人员阅读本说明书时将容易理解：将单片集成电路制造为，某些电路部分相互重叠或以利于单片集成电路加工的各种配置与其它电路部分相互交织。因此，本文描述的单片集成电路400的第一、第二和第三和第四部分不一定包括单片集成电路上的在物理上彼此分离的独立的电路组件。
在本发明的一些实施例中，将开关调压器100封装为具有反馈电路300。在本发明的其它实施例中，将反馈电路300的至少一部分与开关调压器100分离地封装。将反馈电路300与电源输出195耦合，以感测第二直流电压Vout。反馈电路300基于第二直流信号电压Vout的电平提供反馈信号297。在本发明的备选实施例中，集成转换器电路400包括单个单片集成电路芯片，该芯片包括开关控制器100、反馈电路300、以及隔离器201。在一些备选实施例中，将开关151是分离组件提供的。在本发明的其它实施例中，在单片集成电路芯片上提供隔离器201，所述芯片包括隔离器201和至少一个电路，该电路被配置为提供选自开关控制器100、开关151以及调压器300组中的功能。
在操作中，在设备输入105处向电源设备20提供第一直流电压Vin。通过例如将设备输入105与常规交流市电电源8(例如60或者50Hz)所提供的经整流和滤波的电压相耦合来提供第一直流电压Vin。电压Vin与变压器180的初级绕组181的一端耦合。由电容器206以常规方式提供对整流后的市电电源执行的平滑操作。电容器206形成常规平滑电容器。初级绕组181的另一端经由开关151与第一公共电势5或者热地相耦合。第一公共电势5包括本发明的一个实施例中的大地接地。在本发明的其它实施例中，第一公共电势5包括针对变压器180的初级侧电路的电势参考。
开关151包括例如典型地使用于开关式电源中的常规断路器晶体管。在本发明的一个实施例中，开关151包括选自包括双极晶体管、场效应晶体管(FET)以及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在内的组中的半导体设备。用于在半导体基片上实施开关151以包括电源设备20的单片集成电路400的多种半导体设备是众所周知并且可以商用的。在图2所示的本发明的实施例中，开关151包括双极晶体管。
开关控制器100控制开关151的操作。控制器100通过以常规方式驱动开关151周期性地对变压器180的初级绕组181提供能量来控制开关151的操作。
在开关151闭合之后，从初级绕组181向变压器180的次级绕组182传输能量。将次级绕组182的第一端与整流器291耦合。由二极管291将传输的能量进行整流并且以常规方式将该能量存储在电容器293中，以在设备输出195处提供输出电压Vout。
反馈电路300补偿由于改变负载条件(例如，图1的负载RL)所造成的Vout的改变。在图2所示的实施例中，反馈电路300包括比较电路301和参考直流信号307。比较电路301包括：被耦合为接收电压Vout以向比较电路301提供电平指示信号4的第一输入。比较电路301将电平指示信号4(指示直流电压Vout的电平)与参考信号307进行比较。比较电路301在其输出处提供反馈信号297。
反馈信号297代表相对于参考信号307的电平的第二直流电压Vout的变化。就此而言，反馈信号297包括误差信号。将反馈信号297耦合至隔离器201。隔离器201将反馈信号耦合至开关调压器电路100。开关调压器100以常规方式操作。如果在第二直流电压Vout中存在误差，开关调压器100通过以常规方式调整开关(开和关)以及开关151的开关定时来进行补偿。
变压器180的次级绕组182的一端与第二公共电势15相耦合。因此，在第一公共电势5和第二公共电势15之间可能存在显著的电势差。为此，常规转换器典型地经由光学隔离器耦合用于调压目的的反馈信号。不幸地是，在单片集成电路上实际上不能提供光学隔离器。
图2所示的单片集成电路400包括依照于本发明的实施例配置的隔离器201。与常规隔离器不同，隔离器201不依赖于用于将来自变压器180的次级侧的反馈信号298与变压器180的初级侧相耦合的光学电路元件。相反，隔离器201包括依照于本发明的原理配置的电容性元件。因此，根据本发明的实施例，在单片集成电路400上提供隔离器201。
图3
图3是示出了根据本发明的实施例的单片集成电路400的隔离器的进一步细节的框图。如图2和3所示，电源设备20包括与单片集成转换器电路400耦合的变压器电路180。单片集成电路400包括开关151和开关控制器100、反馈电路300以及隔离器201。在图3所示的实施例中，隔离器201包括调制器303、电容性隔离元件373、以及解调器305，所述电容性隔离元件373分别包括第一和第二电容器307和309。调制器303与比较电路311耦合以接收反馈信号313。调制器303包括振荡器302。调制器303将振荡器302所提供的载波信号与反馈信号313进行调制。电容器307将交流(AC)调制信号耦合至解调器305的输入64。根据图3所示的本发明的实施例，调制器303的第一输出61耦合至电容器307的一侧。调制器305的第二输出62耦合至电容器309的一个端子。电容器309的另一个端子耦合至解调器305的输入65。从而，调制信号经由电容器307和309耦合至解调器305。在第一输出61和第二输出62处产生的信号是互补信号，它们彼此是反相的。电容器307和309可以是内置的、片上电容器(单片的)或者位于集成电路的外部。外部电容器将有利地允许以四个附加管脚为代价来使用特别额定电容器。
解调器305的输出298将信号施加于控制器100的反馈输入2，所述信号包含由反馈信号313获得的信息。控制器100向开关151提供驱动信号156。驱动信号156引起开关151以反馈信号313确定的速率来开启和闭合。根据本发明的实施例，依照于商用的开关式控制器配置来配置控制器100。例如，安森美半导体(NCP1200)描述了常规的控制器配置。根据本发明的一个实施例，依照于常规开关式控制器技术来配置控制器100的其它元件。尽管如此，作为与已知SMPS技术的对比，隔离器201不依靠光学组件来提供变压器180的初级绕组181和次级绕组182之间的隔离。
根据本发明的实施例，调制器303在载波上调制反馈信号313。调制信号经由电容器307以及309从调制器303耦合至解调器305。解调器305由调制信号恢复反馈信号313中包含的误差信息并且将恢复后的反馈信号提供给控制器100的输入2。图3所示的隔离器201的配置针对电源设备20提供了较高的抗扰度。这可以至少部分地被归功于包括隔离器201在内的电路所提供的对称性。经由电容器307和309所提供的差动驱动有利地利用共模抑制提供噪音消除。
在低频率(例如50或者60Hz)处热地电势5和冷地电势15之间需要隔离，以避免例如电击危险的可能。电容器307和电容器309在低频处形成高阻抗。从而，电容器307和309在热地电势5和冷地电势15之间的反馈信号路径中提供隔离。经由电容器307和309耦合的信号的频率被选择为高于电容器307和309必将提供隔离的频率。从而，电容器307和309在分别于调制器303的输出61和62处产生的信号的频率下形成低阻抗。因此，在调制器303的输出61和62处产生的信号分别通过而不受电容器307和309的阻碍。
在本发明的一个实施例中，调制器303用反馈信号313调制载波信号。在图4中示出了一个示例调制电路配置。本发明的备选实施例使用其它类型的调制以将反馈信号313留在载波信号上。本发明的实施例依照于安全考虑并且服从任意可适用的安全规范的等级来选择隔离电容器307和309。
图4
图4是示出了依照于本发明的实施例配置的电源设备20的框图。如之前针对图3描述的那样，将变压器电路180与单片集成电路400耦合。变压器180在电源传输路径中在热地电势5和冷地电势15之间提供隔离。变压器电路180可选地包括跨初级绕组181耦合的缓冲电路482。在图4所示的本发明的实施例中，在单片集成电路400的外部提供开关151。在单片集成电路400的第一部分上提供开关控制器100。相应地，在图4所示的本发明的实施例中，在单片集成电路400的驱动器输出端子156处将开关151与开关控制器100进行耦合。
包括分压器在内的误差信号生成电路536与单片集成电路400的第一端子A相耦合。第一端子A将反馈信号313耦合至单片集成电路400的调制器303。在单片集成电路400上实施调制器303。根据本发明的实施例，调制器电路303包括起止振荡器302并且分别包括第一和第二反相器453和455。在本发明的一个实施例中，起止振荡器302包括第一NOR门452和第二NOR门433。由NOR门433的管脚2处的信号来选通起止振荡器302。由电阻器R11来拉高管脚2处的电压。
反馈信号313被耦合至设备319。配置设备319被配置为作为具有第三管脚的可控齐纳二极管电路运行，所述第三管脚用于接收反馈信号313。当第三管脚上的反馈信号313降低至设备319阈值以下时，指示电压Vout过低，设备319产生电压电平，该电压电平在NOR门433的管脚2处形成逻辑高。因此，禁用起止振荡器302。另一方面，当第三管脚上的反馈信号313升高至设备319的阈值以上时，指示电压Vout过高，设备319产生电压电平，该电压电平在NOR门433的管脚2处形成逻辑低。因此，启用起止振荡器302从而以大约2MHz的频率运行。从而，调制器303依照于反馈信号313来调制振荡器302，以在NOR门452的管脚11处提供调制后的反馈信号。在图4所示的本发明的实施例中，在单片集成电路400的一部分上提供调制器303。用于振荡器起止模式的备选调制技术是可行的。
将NOR门452的管脚11处的调制后的反馈信号耦合至第一反相器453。将第一反相器453的输出耦合至第二反相器455以及电容器309。在图4所示的本发明的实施例中，由NOR门来实现反相器453和455。如本领域普通技术人员将容易理解地，多种的逻辑电路适于实现反向器电路453和455。本发明不限于包括NOR门的实现方式。
反相器455和453分别与隔离电容器307和309相耦合。隔离电容器307和309将调制后的反馈信息耦合至解调器305。在单片集成电路400的一部分上提供电容器307和309。将反相器455配置为以与反相器453对电容器309的充电和放电相反的关系来对电容器307进行充电和放电。
电容器307的另一侧与解调器305的第一输入相耦合。类似地，电容器309的另一侧与解调器的第二输入相耦合。解调器305包括晶体管325以及整流器302和301。由晶体管325和二极管301的基极-发射极结对电容器307和309提供的调制后的反馈信号进行整流，并且在晶体管325中产生集电极电流。当振荡器20在电容器307和309中产生电流脉冲时，晶体管325中的集流极电流对电容器C3进行放电。当在电容器307和309中没有产生电流脉冲时，单片集成电路400内部提供的电流源对电容器C3进行充电。
当第三管脚上的反馈信号313降低至设备319阈值以下时，指示电压Vout过低，对电容器C3充电引起信号156增加晶体管151的电流。另一方面，当第三管脚上的反馈信号313上升至设备319阈值以上时，指示电压Vout过高，电容器307和309中的脉冲对电容器C3进行放电，引起信号156减少晶体管151的电流。从而，建立了电压调节环。
图5
图5示出了根据本发明的实施例的电源设备50。电源设备50包括与单片集成电路500耦合的变压器电路180。根据图5所示的本发明的实施例，单片集成电路500包括六管脚IC芯片。向包括分压器(R12、R13)在内的反馈电路536提供输出电压Vout。可以在IC中部分地或者完全地实施该分压器。外部电阻器R12允许更大的灵活性。反馈电路536向单片集成电路500提供反馈信号313。单片集成电路500的端子A将反馈信号313耦合至调制器的二极管319(参见图4的303)。
表1示出了单片集成控制器100的管脚1至8的功能。
表1
  管脚   信号  功能   描述
  A   电平指示信号  指示第二直流信号195的电平   直流信号的电平随负载变化
  B   第二公共电势  底盘接地   对于变压器的次级侧是公共的
  C   第一公共电势  大地接地   对于变压器的初级侧是公共的
  D   Vcc电容器  用于向IC供应Vcc。经由电流
  源从例如变压器180的附加绕组充电
 E   脉冲调制开关信号   开关通过初级的电流   提供对输出Vout的调压
 F   耦合至Vout   提供IC的次级侧Vcc
因此本文描述的本发明的各种实施例为单个芯片电源单片集成电路提供了集成次级侧调压和热侧隔离。可以在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下用其它特定形式来体现本发明。因此，无论如何应将本实施例看作是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述来限定。因此，属于权利要求的等价物的含义和范围的所有改变都意在被涵盖于其中。

Claims (8)

1.一种电源，包括：
具有未经调节的输入电源电压的源，所述输入电源电压以第一公共导体电势为基准；
可控输出晶体管，与所述输入电源电压源耦合，用于由所述输入电源电压生成以第二公共导体电势为基准的输出电源电压；
调制器，包括起止振荡器(302)，响应于所述输出电源电压，用于生成具有第一频率的反馈信号，所述反馈信号包含由所述输出电源电压得到的误差电平信息；以及
第一电容，用于将所述反馈信号容性耦合至所述可控输出晶体管，以对所述输出电源电压进行调节，所述第一电容在从所述输出电源电压延伸至所述可控输出晶体管的所述反馈信号的反馈路径中形成隔离势垒，所述隔离势垒在所述第一和第二公共导体电势之间进行隔离。
2.根据权利要求1所述的电源，其中，所述第一电容包括分立组件。
3.根据权利要求1所述的电源，其中，所述第一电容包含在集成电路中，所述集成电路还包括半导体。
4.根据权利要求1所述的电源，其中，所述隔离势垒是针对具有比所述第一频率更低的频率的信号形成的。
5.根据权利要求1所述的电源，还包括第二电容，其中，所述起止振荡器(302)还生成第二交流反馈信号，所述第二交流反馈信号经由所述第二电容容性耦合至所述可控输出晶体管，以在所述反馈路径中提供差动驱动，所述反馈信号路径提供所述隔离势垒。
6.根据权利要求1所述的电源，其中，所述可控输出晶体管被耦合至隔离变压器，以在生成所述输入电源电压的端子和生成所述输出电源电压的端子之间形成隔离势垒，所述隔离势垒将所述第一公共导体电势与所述第二公共导体电势隔离。
7.根据权利要求1所述的电源，还包括：解调器(305)，响应于容性耦合的反馈信号，并耦合至所述可控输出晶体管，以调节所述输出电源电压。
8.根据权利要求7所述的电源，其中，所述解调器包括二极管结(D2、D3)。
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