CN101647183A - 脉冲频率到电压变换 - Google Patents

Abstract

提供了一种电源设备和调节方法。变换器电路包括主开关元件和辅助开关元件。该辅助开关元件用于传输反射电压信号。变压器包括初级和次级，该初级与该变换器电路耦合。该初级和该次级分别包括单个绕组。输出整流器电路与该变压器的次级耦合。谐振电路包括在该变换器电路内且与该初级耦合。该谐振电路包括配置成用于提供变压器谐振的一个或多个谐振电容器。该变压器谐振包括该反射电压信号、该一个或多个谐振电容器的电容以及该变压器的寄生电容。该变换器电路在调节输出电压时响应于虚拟输出电压基准信号。

Description

脉冲频率到电压变换

相关申请

本专利申请根据35U.S.C.119(e)主张同时在审的美国临时专利申请No.60/921,220的优先权，该专利申请的申请日为2007年3月29日，题为″PRIMARY ONLY CONSTANT VOLTAGE/CONSTANTCURRENT(CVCC)CONTROL IN QUASI RESONANTCONVERTOR″，其通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及电源领域。更具体而言，本发明涉及使用脉冲频率到电压变换的仅初级受控的准谐振变换器。

背景技术

在许多应用中，需要电压调节器以提供预定范围内的电压。如果输入电源在特定范围以外，一些电路将出现不确定和不期望的运行且甚至是不可修复的损伤。

现有技术电源设备10的功能框图示于图1。该设备10总体上包括与变压器14耦合的功率变换器12，该变压器14与输出整流器16耦合。输出整流器16在输出Vout处与输出电容器19耦合。包括光耦合器17和电压基准和误差放大器18的调节电路15耦合在电压变换器12和输出Vout之间。功率变换器12配置成接收未调节DC电压信号。未调节DC电压信号耦合到变压器14。变压器14包括初级14P和次级14S。未调节DC电压信号驱动初级14P以产生中间电压信号。该中间电压信号包括从驱动初级14P的电压信号导出的递增或递减电压信号。中间电压信号耦合到输出整流器16。输出整流器16整流中间电压信号以产生经过调节的DC输出电压信号。由光耦合器17提供的反馈信号耦合到功率变换器用于调节输出电压Vout。

现有技术受调节电源100的示意图示于图1A。电源100包括与变压器140耦合的变换器电路102。变压器140与输出电路106耦合。变换器电路102包括电容器110，该电容器跨接输入Vin且与变压器140的初级140P1和140P2耦合。主开关112A和辅助开关112B分别与初级140P1、140P2耦合。脉冲宽度调制器(PWM)模块130与主开关112A的栅极耦合。输出电路106包括输出整流二极管146以及跨接变压器140的次级140S的负载或输出电容器150。电源100可以包括电压调节电路，该电压调节电路包括光学耦合器电路108和电压基准和误差放大器109。电源100使用PWM模块130来改变主开关112A的占空比。光学耦合器电路108与电压基准和误差放大器109协作提供反馈到PWM模块130。PWM模块130相应地调整主开关112A的占空比以补偿输出电压Vout的任何变动。电源100的故障点很多时候为光耦合器108。光耦合器108和电压基准和误差放大器109增加了电源100的生产成本。

相应地，期望制作一种受调节电源以大幅减少故障点并减少生产成本。

发明内容

根据本发明第一方面，提供了一种电源设备。该电源设备包括具有主开关元件和辅助开关元件的变换器电路。该辅助开关元件用于传输反射电压信号。变压器包括初级和次级，该初级与该变换器电路耦合。该初级包括单个绕组，以及该次级包括单个绕组。输出整流器电路与该变压器的次级耦合。谐振电路包括在该变换器电路内，该谐振电路与该初级耦合。该谐振电路包括一个或多个谐振电容器，其中该一个或多个谐振电容器配置成用于提供变压器谐振。该变压器谐振包括该反射电压信号、该一个或多个谐振电容器的电容以及该变压器的寄生电容。该反射电压信号在该谐振电路处通过该辅助开关元件被接收。该反射电压信号从该次级反射到该初级。该谐振电路变换脉冲序列以产生电压电势，该电压电势与输出电压成比例地变化，该脉冲序列包括与负载电流成比例的占空比。

在示例性实施例中，该电源设备包括虚拟输出电压反馈回路，该虚拟输出电压反馈回路通过该谐振电路提供输出电压基准信号到该变换器电路。该输出电压基准信号由反射电压信号产生。该变换器电路在调节输出电压时响应于该输出电压基准信号。该电压反馈电路包括与该初级耦合的分压器，以用于采样该反射电压。该主开关元件和该辅助开关元件分别包括n型MOSFET晶体管。该第一和第二谐振电容器与该初级并联耦合。控制器包括与该主开关元件耦合的脉冲宽度调制(PWM)电路。该脉冲宽度调制(PWM)电路由所产生的电压电势供电。该变换器电路包括回扫变换器。

根据本发明第二方面，提供了一种调节电源设备的方法。该方法包括：在包括初级和次级的变压器内产生反射电压信号。该反射电压信号从该次级反射到该初级，其中该初级与变换器电路耦合。该初级包括单个绕组以及该次级包括单个绕组。反射电压信号从该初级传输到变换器电路。该变换器电路包括主开关元件和辅助开关元件。该辅助开关元件用于传输该反射电压信号。使用包括在该变换器电路内的谐振电路产生变压器谐振。该谐振电路与该初级耦合。该谐振电路包括一个或多个谐振电容器，其中该一个或多个谐振电容器配置成用于提供该变压器谐振。该一个或多个谐振电容器和该变压器的电感形成谐振回路。该谐振电路的脉冲序列被变换以产生电压电势。该电压电势与输出电压成比例地变化。该脉冲序列包括与负载电流成比例的占空比。该变压器谐振包括该反射电压信号、该一个或多个谐振电容器的电容以及该变压器的寄生电容。

该反射电压存储在该一个或多个谐振电容器内，并通过该脉冲序列从该一个或多个谐振电容器传输到该谐振电路的电源端子。该谐振回路增加脉冲序列到电压电势变换的变换速度(conversionrate)。所产生的电压电势被供应以对控制器供电，该控制器具有与主开关元件耦合的脉冲宽度调制(PWM)电路。所产生的电压电势被供应，而未在该变压器内使用附加变压器绕组。该反射电压与第一谐振电容器的电容除以第二谐振电容器的电容的因子成比例。所产生的电压电势与该负载电流成比例。

考虑结合附图进行的下述描述，本发明的其他特征将是明显的。

附图说明

本发明的新颖特征在所附权利要求书中列出。然而，出于解释的目的，本发明的若干实施例在下述图中列出。

图1示出现有技术电源设备的功能框图。

图1A示出现有技术电源设备的示意图。

图2示出根据本发明实施例的电源设备的功能框图。

图3示出根据本发明实施例的电源设备的示意图。

图4示出根据本发明实施例的电源设备的谐振电路的功能示意图。

图5示出根据本发明备选实施例的电源设备的示意图。

图6示出根据本发明再一实施例的电源设备的示意图。

图7示出根据本发明实施例的电源设备的波形图。

图8示出根据本发明实施例的调节电源设备的方法的处理流程图。

具体实施方式

在下述描述中，出于解释的目的而给出许多细节和备选方案。然而，本领域普通技术人员将理解，可以实践本发明而不使用这些具体细节。在其他情形中，在框图中示出了已知结构和装置，以便不会由于不必要的细节而使本发明的描述不清楚。

转到图2，示出根据本发明的电源设备20的功能框图。设备20总体上包括与变压器24耦合的功率变换器22，该变压器24与输出整流器26耦合。输出整流器26与输出电容器32耦合。功率变换器22和变压器24包括耦合在他们之间的谐振电路27。虚拟反馈回路23耦合在功率变换器22和输出电容器32之间。

功率变换器22配置成接收未调节DC电压信号。未调节DC电压信号耦合到变压器24。变压器24包括初级24P和次级24S。未调节DC电压信号驱动初级24P以产生中间电压信号。该中间电压信号包括从驱动初级24P的电压信号导出的升压或降压电压信号。中间电压信号耦合到输出整流器26。输出整流器26整流中间电压信号以产生DC输出电压信号。

使用反射电压信号和寄生电容作为能量源在变压器24内产生变压器谐振，反射电压信号和寄生电容二者均为变压器24的属性。反射电压信号25从次级24S反射到初级24P。反射电压信号25通过谐振电路27从初级24P传输到功率变换器22。谐振电路27通过提供用于在初级24P和谐振电路27之间交换能量的电容性电路来促进变压器谐振。反射电压信号25用作输出电压Vout的输出电压基准信号，以便调节功率变换器22。虚拟反馈回路23由谐振电路27与初级22和功率变换器22协作来实现。谐振电路27包括脉冲频率到电压变换功能。谐振电路27的脉冲序列被变换为电压电势，该电压电势与输出电压Vout成比例。该脉冲序列包括与输出电容器32的负载电流成比例的占空比。

转到图3，示出根据本发明的电源设备300的示意图。设备300总体上包括与变压器340耦合的变换器电路302，该变压器340与输出电路306耦合。输出电路306与输出节点Vout耦合。虚拟输出电压反馈回路323耦合在变换器电路302和输出节点Vout之间。电源设备300配置成在输入节点Vin接收未调节DC电压信号并提供经过调节的输出电压Vout，该经过调节的输出电压Vout适用于许多低压电器，例如膝上型计算机、移动电话和其他手持装置。在示例性实施例中，输出电压Vout可以设置在范围5-40VDC内。备选地，电源设备可以提供小于5VDC的输出电压Vout。

变换器电路302配置成接收未调节DC电压信号。变换器电路302包括功率变换器322和谐振电路327。在示例性实施例中，变换器电路302包括回扫变换器。备选地，变换器电路302可以包括正向变换器、推挽式变换器、半桥变换器和全桥变换器其中之一。在另外备选中，变换器电路302可以包括本领域技术人员已知的开关模式电源的其他配置。谐振电路327耦合在变压器340的初级340P和功率变换器322之间。

功率变换器322包括耦合到输入节点Vin的主开关元件或主开关312的第一端子。主开关312的第二端子与控制器330耦合，主开关312的第三端子耦合到电阻器336的第一端子且与控制器330耦合。电阻器336的第二端子耦合到初级340P的第一端子。输入电容器310跨接输入节点Vin。上拉电阻器334的第一端子耦合到输入节点Vin。上拉电阻器334的第二端子与控制器330耦合。电容器332耦合在上拉电阻器334的第二端子和分压器326、328的第一端子之间。浮置或虚拟接地335耦合在电阻器336的第二端子和分压器326、328的第一端子之间。控制器330的输出耦合到浮置接地335。分压器326、328的第二端子耦合到控制器330，分压器326、328的第三端子耦合到‘-Vin’节点。电容器324的第一端子耦合到浮置接地335，电容器324的第二端子耦合到二极管319的阴极。二极管321的阴极耦合到电阻器334的第二端子，二极管321的阳极耦合到二极管319的阴极。二极管319的阳极耦合到电容器320的第一端子。

电压反馈电路313包括在功率变换器322内。该电压反馈电路包括分压器326、328以及耦合在控制器330的输入和分压器326、328的第二端子之间的引线313A。电压反馈电路313通过浮置接地335与初级340P的第一端子耦合。电压反馈电路313采样在下文进一步描述的反射电压。电压反馈电路313可用于调节输出电压Vout。

主开关312包括合适的开关器件。在示例性实施例中，主开关312包括n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。备选地，本领域技术人员已知的任何其他半导体开关器件可替代主开关312。控制器330包括脉冲宽度调制(PWM)电路。控制器330使用PWM电路调节主开关312的占空比。控制器330可包括电流比较器电路(未示出)，以与电流反馈电路(未示出)一起来调节主开关312的占空比。类似地，控制器330可包括电压比较器电路(未示出)，以与电压反馈电路313一起来调节主开关312的占空比。

谐振电路327包括辅助开关元件或辅助开关314的第一端子，该第一端子耦合到电阻器336的第二端子且耦合到初级340P的第一端子。辅助开关的第二端子耦合到二极管315的阴极且耦合到二极管317的阳极。二极管317的阴极耦合到-Vin节点。辅助开关314的第三端子耦合到第一谐振电容器308的第一端子。第一谐振电容器308的第二端子耦合到-Vin节点且耦合到初级340P的第二端子。二极管318的阴极耦合到电容器320的第二端子，二极管318的阳极耦合到第二谐振电容器309的第一端子且耦合到二极管315的阳极。第二谐振电容器309的第二端子耦合到-Vin节点。二极管316的阴极耦合到二极管315的阳极，且二极管316的阳极耦合到第一谐振电容器308的第一端子。第一和第二谐振电容器308、309与初级340P并联耦合。备选地，谐振电容器可以包括与初级340P耦合的串联谐振电路。

谐振电路327的谐振回路包括与二极管315、316和317耦合的第一和第二谐振电容器308、309，该二极管315、316和317与辅助开关314耦合，该辅助开关314与第一谐振电容器308串联耦合，第一谐振电容器308和辅助开关314均并联跨接初级340P。谐振回路在振荡时作为DC发电机产生电压电势。所产生的电压电势可用于对控制器330供电。包括电容器320、二极管319和电容器324的电荷泵用于存储所产生的电压电势和将其通过二极管321耦合到控制器330。随着该谐振回路振荡以产生用于辅助开关314的开启(turn-on)电压，辅助开关314循环闭合和断开(on and off)。该开启电压为操作或″开启″辅助开关314所需的电压值。开启电压使用该反射电压以及该谐振回路的振荡能量来产生。开启电压值可依赖于第一和第二谐振电容器308、309选用的电容。所产生的电压电势也可依赖于第一和第二谐振电容器308、309选用的电容。

变压器340包括初级340P和次级340S。在示例性实施例中，初级340P和次级340S可分别包括单个绕组。输出电路306包括整流二极管346和输出电容器350。整流二极管346的阳极耦合到次级340S的第一端子。整流二极管346的阴极耦合到输出电容器350的第一端子且耦合到输出节点Vout。输出电容器350的第二端子耦合到-Vout节点且耦合到次级340S的第二端子。备选地，输出电路306可以包括含有半波整流器的输出整流器电路。在再一实施例中，输出电路306可以包括含有全波整流器的输出整流器电路。在变压器340内使用反射电压以及变压器340的寄生电容和第一和第二谐振电容器308、309的电容来产生变压器谐振。

辅助开关314包括合适的开关器件。在示例性实施例中，辅助开关314包括n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。备选地，本领域技术人员已知的任何其他半导体开关器件可替代辅助开关314。

虚拟输出电压反馈回路323通过谐振电路327提供虚拟输出电压基准信号到功率变换器322。谐振电路327与初级340P和功率变换器322结合提供虚拟输出电压反馈回路323。虚拟输出电压基准信号是从反射电压信号产生。功率变换器322在来调节输出电压Vout时响应于该虚拟输出电压基准信号。包括分压器326、328的电压反馈电路313与初级340P耦合，以用于采样反射电压信号并提供该采样的反射电压信号到控制器330。谐振电路327也允许控制变压器的复位定时和整流二极管346的零电流。

转到图4，示出根据本发明的谐振电路400的功能示意图。电容器410的第一端子耦合到DC源‘Vb’的正端子。电容器410的第二端子与二极管416的阴极耦合且与电源端子‘Vo’耦合。第一谐振电容器409的第一端子与DC源Vb的正端子耦合。第一谐振电容器409的第二端子与二极管416的阳极耦合且与开关412的第一端子耦合。第二谐振电容器408的第一端子与第一谐振电容器409的第一端子耦合且与初级440P的第一端子耦合。第二谐振电容器408的第二端子耦合到开关414的第一端子。DC源Vb的负端子耦合到开关414的第二端子。初级440P的第二端子与开关412的第二端子耦合且与运放或运算放大器430的反相输入耦合。运算放大器430的非反相输入与DC源Vb的正端子耦合。运算放大器430的输出与开关412的第三端子耦合。

谐振电路400包括脉冲频率到电压变换功能。谐振电路440的脉冲序列在谐振回路442内产生，该谐振回路包括初级440P的电感以及第一和第二谐振电容器409、408。该脉冲序列变换成电压电势Vo。第一和第二谐振电容器409、408存储来自初级440P的反射电压并将所存储的电压传输到电源端子Vo。该脉冲序列包括与负载电流成比例增加的频率。运算放大器430以谐振回路442内产生的脉冲序列的该频率的因子来放大DC电压源Vb产生的DC电压。使用初级440P的反射电压Vr控制和调节经放大的电压。因此，由谐振电路400产生的用于耦合到输出负载的电压在未使用光耦合器的情况下被调节。电压电势Vo可用于对IC控制器电路例如控制器330供电。(见图3)。电压电势Vo可由方程(1)定义。

(1)Vo＝VrxC2xton/(C1+C2)

转到图5，示出根据本发明备选实施例的电源设备500的示意图。设备500总体上包括与变压器540耦合的变换器电路502，该变压器与输出电路506耦合。输出电路506与输出节点Vout耦合。虚拟输出电压反馈回路523耦合在变换器电路502和输出节点Vout之间。电源设备500配置成在输入节点Vin接收未经调节的DC电压信号508并提供经过调节的输出电压Vout，该经过调节的输出电压Vout适于如上所述许多低压电器。在示例性实施例中，输出电压Vout可以设置在范围5-40VDC内。备选地，电源设备可以提供小于5VDC的输出电压Vout。

变换器电路502配置成接收未经调节的DC电压信号。变换器电路502包括功率变换器522和谐振电路527。在示例性实施例中，变换器电路502包括回扫变换器。备选地，变换器电路502可包括正向变换器、推挽式变换器、半桥变换器和全桥变换器其中之一。在再一备选中，变换器电路502可包括本领域技术人员已知的开关模式电源的其他配置。谐振电路527耦合在变压器540的初级540P和功率变换器522之间。

功率变换器522包括主开关元件或主开关512的第一端子，该第一端子耦合到输入节点Vin。主开关512的第二端子与电阻器528的第一端子耦合，主开关512的第三端子耦合到电阻器对534、536的第一端子。电阻器528的第二端子耦合到‘驱动器(DRIVER)’节点。电阻器534端子耦合到‘CS’节点且耦合到电容器520的第一端子。电容器520的第二端子与电阻器536的第二端子耦合且与浮置接地或接地535耦合。电阻器526的第一端子与电容器532的第一端子耦合且与二极管521的阴极耦合。电阻器526和电容器532的第二端子与接地535耦合。二极管521的阳极与二极管519的阴极耦合且与谐振电路527耦合。二极管519的阳极耦合到接地535。dc源508跨接输入节点Vin。

电压反馈电路(未示出)与先前实施例类似地可以包括在功率变换器522内。该电压反馈电路可包括分压器(未示出)，该分压器跨接输入节点Vin且耦合到控制器(未示出)，该控制器耦合到该驱动器节点。该电压反馈电路可以通过浮置接地535与初级540P的第一端子耦合。电压反馈电路可以采样如下文进一步描述的反射电压。该电压反馈电路可用于调节输出电压Vout。

主开关512包括合适的开关器件。在示例性实施例中，主开关512包括n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。备选地，本领域技术人员已知的任何其他半导体开关器件可替代主开关512。控制器(未示出)可包括脉冲宽度调制(PWM)电路。控制器使用PWM电路来调节主开关512的占空比。控制器可包括电流比较器电路(未示出)，以与电流反馈电路(未示出)一起来调节主开关512的占空比。类似地，控制器可包括电压比较器电路(未示出)，以与电压反馈电路(未示出)一起来调节主开关512的占空比。

谐振电路527包括辅助开关元件或辅助开关514的第一端子，该第一端子耦合到电阻器536的第二端子且通过电阻器524和电感器538耦合到初级540P的第一端子。辅助开关514的第二端子耦合到二极管515的阴极且耦合到二极管517的阳极。二极管517的阴极耦合到初级540P的第二端子。辅助开关514的第三端子耦合到第一谐振电容器508的第一端子。第一谐振电容器508的第二端子耦合到电阻器525的第一端子且耦合到初级540P的第二端子。电阻器525的第二端子耦合到‘ZCD’节点。第二谐振电容器509的第一端子耦合到二极管515的阳极且耦合到二极管516的阴极。第二谐振电容器509的第二端子耦合到二极管517的阴极。电容器510的第一端子与二极管519的阴极耦合。电容器510的第二端子与电阻器518的第一端子耦合，且电阻器518的第二端子与初级540P的第二端子耦合。第一和第二谐振电容器508、509与初级540P并联耦合。备选地，谐振电容器可包括与初级540P耦合的串联谐振电路。

谐振电路527的谐振回路包括与二极管515、516和517耦合的第一和第二谐振电容器508、509，该二极管515、516和517与辅助开关514耦合，该辅助开关514与第一谐振电容器508串联耦合，第一谐振电容器508和辅助开关514两者并联跨接初级540P。谐振回路在振荡时作为DC发电机以产生电压电势。所产生的电压电势可用于对控制器(未示出)供电。与先前实施例相似，电荷泵(未示出)可以包括二极管和一个或多个电容器，其可以用于存储所产生的电压电势和将所产生的电压电势耦合到该控制器。随着该谐振回路振荡产生用于辅助开关514的开启电压，辅助开关514循环闭合和断开(on and off)。该开启电压为操作或″开启″辅助开关514所需的电压值。开启电压使用该反射电压以及该谐振回路的振荡能量来产生。开启电压值可以依赖于第一和第二谐振电容器508、509选用的电容。所产生的电压电势也可以依赖于第一和第二谐振电容器508、509选用的电容。

变压器540包括初级540P和次级540S。在示例性实施例中，初级540P和次级540S可分别包括单个绕组。输出电路506包括整流二极管546和输出电容器548、550。整流二极管546的阳极耦合到探针(PROBE)545，该探针545耦合到次级540S的第二端子。整流二极管546的阴极耦合到输出电容器548的第一端子，并且耦合到电阻器549的第一端子且耦合到输出节点Vout。电阻器552的第一端子也耦合到输出节点Vout，且电阻器552的第二端子耦合到-Vout节点。输出电容器550的第二端子耦合到-Vout节点，且耦合到次级540S的第一端子。电容器550的第一端子耦合到电阻器549的第二端子，且电容器550的第二端子耦合到-Vout节点。备选地，输出电路506可以包括含有半波整流器的输出整流器电路。在再一实施例中，输出电路506可包括含有全波整流器的输出整流器电路。在变压器540内使用反射电压以及变压器540的寄生电容和第一和第二谐振电容器508、509的电容来产生变压器谐振。

辅助开关514包括合适的开关器件。在示例性实施例中，辅助开关514包括n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。备选地，本领域技术人员已知的任何其他半导体开关器件均可以替代辅助开关514。

虚拟输出电压反馈回路523通过谐振电路527提供虚拟输出电压基准信号到功率变换器522。谐振电路527与初级540P及功率变换器522协作提供虚拟输出电压反馈回路523。虚拟输出电压基准信号是由反射电压信号产生的。功率变换器522在调节输出电压Vout时响应于该虚拟输出电压基准信号。电压反馈回路(未示出)可以包括与初级540P耦合的分压器(未示出)，该电流反馈回路可以采样反射电压信号，并提供该采样的反射电压信号到控制器(未示出)。谐振电路527也允许控制变压器的复位定时和整流二极管546的零电流。

转到图6，示出根据本发明又一实施例的电源设备600的示意图。设备600总体上包括与变压器640耦合的变换器电路602，该变压器与输出电路606耦合。输出电路606与输出节点Vout耦合。虚拟输出电压反馈回路(未示出)与先前实施例相似地可以耦合在变换器电路602和输出节点Vout之间。电源设备600配置成在输入节点Vin接收未经调节的DC电压信号，并提供经过调节的输出电压Vout，该经过调节的输出电压Vout适于许多低压电器，例如膝上型计算机、移动电话和其他手持装置。在示例性实施例中，输出电压Vout可以设置在范围5-40VDC内。备选地，电源设备600可以提供小于5VDC的输出电压Vout。

变换器电路602配置成接收未经调节的DC电压信号。变换器电路602包括主开关元件或主开关612的第一端子，该第一端子与输入节点Vin耦合且与变压器640的初级640P的第一端子耦合。主开关的第二端子耦合到控制器630，主开关612的第三端子与控制器630耦合且耦合到谐振电容器608的第一端子。谐振电容器608的第二端子耦合到初级640P的第二端子且与辅助开关元件或辅助开关614的第一端子耦合。辅助开关614的第二端子与控制器630耦合，辅助开关614的第三端子耦合到‘-Vin’节点。控制器耦合到Vin节点且耦合到-Vin节点。变换器电路602也包括输入电容器610和谐振电容器608。

输出电路606包括整流二极管646和输出电容器650。整流二极管646的阳极耦合到次级640S的第一端子。整流二极管646的阴极耦合到输出电容器650的第一端子且耦合到输出节点Vout。输出电容器650的第二端子耦合到‘-Vout’节点且耦合到次级640S的第二端子。控制器630配置成驱动主开关612和辅助开关614。谐振电容器608配置成与先前实施例相似地与变压器640的电感一起作为谐振回路。变压器640包括初级640P和次级640S。在示例性实施例中，初级640P和次级640S可分别包括单个绕组。

转到图7，示出根据本发明实施例的电源设备300的波形图700。波形‘A’描述在点710处示出的主开关312的电流。辅助开关314的电流在点720处示出。随着点720处的辅助开关314的电流减小，在点710处的主开关312的电流增大。波形‘B’描述次级340S的变压器电流730。在一个实施例中，当经过辅助开关314的电流720最小时，次级340S内的变压器电流730最大。

转到图8，示出根据本发明的调节电源设备300的方法的处理流程图。该处理开始于步骤810。未经调节的DC电压信号在输入节点Vin被接收。在步骤820，反射电压信号在包括初级340P和次级340S的变压器340内产生。反射电压信号从次级340S反射到初级340P。在示例性实施例中，初级340S包括单个绕组且次级340S包括单个绕组。在步骤830，反射电压信号从初级340P传输到变换器电路302。变换器电路302包括主开关312和辅助开关314。辅助开关314用于将反射信号传输到变换器电路302。

在步骤840，使用谐振电路327产生变压器谐振。谐振电路327耦合在功率变换器322和初级340P之间。谐振电路327包括第一谐振电容器308和第二谐振电容器309。谐振电路327通过提供用于在初级340P和谐振电路327之间交换能量的第一和第二谐振电容器308、309来促进变压器谐振。变压器谐振包括反射电压信号、第一和第二谐振电容器308、309的电容以及变压器340的寄生电容。反射电压信号在该谐振电路被接收。

回到图4，电源设备300可包括如谐振电路400中所示的脉冲频率到电压变换功能。谐振电路440的脉冲序列在谐振回路442内产生，该谐振回路包括初级440P的电感以及第一和第二谐振电容器409、408。与没有谐振回路442的变换器电路相比，谐振回路442提高了脉冲序列到电压变换的变换速度。脉冲序列被变换成电压电势Vo，该电压电势与负载例如输出电容器350(图3)的输出电流成比例。产生或生成电压电势Vo而未在初级440P内使用附加变压器绕组。第一和第二谐振电容器409、408存储来自初级440P的反射电压，并将所存储的电压传输到电源端子Vo。脉冲序列包括与负载电流成比例的占空比。运算放大器430以谐振回路442内产生的脉冲序列的频率的因子来放大DC电压源Vb产生的电压。使用初级440P的反射电压Vr控制和调节经放大的电压。反射电压Vr与第一谐振电容器的电容除以第二谐振电容器的电容的因子成比例。电压电势Vo可用于对控制器330供电。

转到图8，在步骤850，虚拟输出电压基准信号通过谐振电路327被提供到功率变换器322。谐振电路327与初级340P和功率变换器322协作提供该虚拟输出电压反馈回路323。虚拟输出电压基准信号是由反射电压信号产生的。功率变换器322在调节输出电压Vout时响应于该虚拟输出电压基准信号。包括分压器326、328的电压反馈电路313与初级340P耦合，以用于采样反射电压信号，并提供该采样的反射电压信号到控制器330。控制器330基于所附接装置的输出电压要求，通过将分压器326、328两端的采样反射电压信号与输出电压基准值比较而改变主开关312的占空比来确定目标占空比，从而调节输出电压Vout。变压器340的匝数比可以用于确定目标占空比，因为输出电压与采样的反射电压信号成比例。

谐振电路327的谐振回路在振荡时作为DC发电机以产生电压电势，该电压电势可用于对控制器330供电。在示例性实施例中，所产生的电压电势可以被供应，而无需使用除了单个初级绕组340P和单个次级绕组340S以外的附加变压器绕组。随着谐振电路327的谐振回路振荡产生用于辅助开关314的开启电压，辅助开关314循环闭合和断开。在示例性实施例中，辅助开关314可以利用由反射电压和谐振电路327的谐振回路的振荡能量产生的开启电压进行自振荡从而闭合和断开。在另一实施例中，辅助开关314可以由控制器330循环闭合和断开或驱动。在又一实施例中，辅助开关314可以由在变换器电路302外部的开关驱动电路(未示出)驱动。方法800在步骤860结束。

尽管已经参考许多具体细节描述了本发明，本领域普通技术人员将理解，本发明可以以其他具体形式实施而不背离本发明的精神。因此，本领域普通技术人员将理解，本发明并非由前述说明性细节限定，而是由所附权利要求书限定。

Claims (41)

1.一种电源设备，包括：

变换器电路，包括主开关元件和辅助开关元件，该辅助开关元件用于传输反射电压信号；

变压器，包括初级和次级，该初级与该变换器电路耦合，该初级包括单个绕组以及该次级包括单个绕组；

输出整流器电路，与该变压器的次级耦合；以及

谐振电路，包括在该变换器电路内，该谐振电路与该初级耦合，该谐振电路包括一个或多个谐振电容器，该一个或多个谐振电容器配置成用于提供变压器谐振，该变压器谐振包括该反射电压信号、该一个或多个谐振电容器的电容以及该变压器的寄生电容，该反射电压信号在该谐振电路处通过该辅助开关元件被接收，该反射电压信号从该次级被反射到该初级，该谐振电路变换脉冲序列以产生电压电势，该电压电势与输出电压成比例地变化，该脉冲序列包括与负载电流成比例的占空比。

2.如权利要求1所述的设备，还包括虚拟输出电压反馈回路，该虚拟输出电压反馈回路通过该电压反馈电路提供输出电压基准信号到该变换器电路，该输出电压基准信号由该反射电压信号产生，该输出电压基准信号与由该电压反馈电路采样的该反射电压信号成比例，该变换器电路在调节该输出电压时响应于该输出电压基准信号。

3.如权利要求1所述的设备，还包括电压反馈电路，该电压反馈电路包括与控制器耦合且与该初级耦合的分压器，以用于采样该反射电压。

4.如权利要求1所述的设备，其中该主开关元件和该辅助开关元件分别包括n型MOSFET晶体管。

5.如权利要求1所述的设备，其中第一和第二谐振电容器与该初级并联耦合。

6.如权利要求1所述的设备，其中控制器包括与该主开关元件耦合的脉冲宽度调制(PWM)电路。

7.如权利要求6所述的设备，其中该PWM电路调节该主开关元件的占空比。

8.如权利要求1所述的设备，其中该变换器电路包括回扫变换器。

9.如权利要求1所述的设备，其中该变换器电路包括正向变换器、推挽式变换器、半桥变换器和全桥变换器其中之一。

10.如权利要求1所述的设备，其中该输出整流器电路包括二极管、半波整流器和全波整流器其中之一。

11.如权利要求1所述的设备，还包括与该输出整流器电路耦合的输出电容器。

12.如权利要求1所述的设备，其中该谐振电路的谐振回路包括与一个或多个二极管耦合的一个或多个谐振电容器，该一个或多个二极管耦合与辅助开关元件耦合，该辅助开关元件与该初级的电感耦合。

13.如权利要求12所述的设备，其中该谐振回路产生用于对控制器供电的该电压电势。

14.如权利要求1所述的设备，其中包括二极管和一个或多个电容器的电荷泵用于存储所产生的电压电势以及将其耦合到控制器。

15.一种调节电源设备的方法，包括：

在包括初级和次级的变压器内产生反射电压信号，该反射电压信号从该次级反射到该初级，该初级与变换器电路耦合，该初级包括单个绕组以及该次级包括单个绕组；

将该反射电压信号从该初级传输到该变换器电路，该变换器电路包括主开关元件和辅助开关元件，该辅助开关元件用于传输该反射电压信号；

使用包括在该变换器电路内的谐振电路产生变压器谐振，该谐振电路与该初级耦合，该谐振电路包括一个或多个谐振电容器，该一个或多个谐振电容器配置成用于提供该变压器谐振，该一个或多个谐振电容器和该变压器的电感形成谐振回路；以及

变换该谐振电路的脉冲序列以产生电压电势，该电压电势与输出电压成比例地变化，该脉冲序列包括与负载电流成比例的占空比。

16.如权利要求15所述的方法，还包括将该反射电压存储在该一个或多个谐振电容器内，并通过该脉冲序列将反射电压从该一个或多个谐振电容器传输到该谐振电路的电源端子。

17.如权利要求15所述的方法，其中该谐振回路增加脉冲序列到电压电势变换的变换速度

18.如权利要求15所述的方法，其中控制器包括与该主开关元件耦合的脉冲宽度调制(PWM)电路。

19.如权利要求18所述的方法，其中该PWM电路调节该主开关元件的占空比。

20.如权利要求15所述的方法，其中该反射电压与第一谐振电容器的电容除以第二谐振电容器的电容的因子成比例。

21.如权利要求15所述的方法，其中所产生的电压电势与该负载电流成比例。

22.如权利要求15所述的方法，其中该变压器谐振包括该反射电压信号、一个或多个谐振电容器的电容以及该变压器的寄生电容。

23.如权利要求15所述的方法，还包括虚拟输出电压反馈回路，该虚拟输出电压反馈回路通过该电压反馈电路提供输出电压基准信号到该变换器电路，该输出电压基准信号由该反射电压信号产生，该输出电压基准信号与由该电压反馈电路采样的反射电压信号成比例，该变换器电路在调节该输出电压时响应于该输出电压基准信号。

24.如权利要求15所述的方法，还包括使用该谐振电路来控制该初级的复位定时。

25.如权利要求15所述的方法，还包括电压反馈电路，该电压反馈电路包括与控制器耦合以及与该初级耦合的分压器，以用于采样该反射电压。

26.如权利要求15所述的方法，其中该主开关元件和该辅助开关元件分别包括n型MOSFET晶体管。

27.如权利要求15所述的方法，其中第一和第二谐振电容器与该初级并联耦合。

28.如权利要求15所述的方法，其中该变换器电路包括回扫变换器。

29.如权利要求15所述的方法，其中该变换器电路包括正向变换器、推挽式变换器、半桥变换器和全桥变换器其中之一。

30.如权利要求15所述的方法，还包括与该变压器的次级耦合的输出整流器电路。

31.如权利要求30所述的方法，还包括与该输出整流器电路耦合的输出电容器。

32.如权利要求15所述的方法，其中该谐振电路的谐振回路还包括该辅助开关元件以及与该辅助开关元件耦合的一个或多个二极管，该一个或多个二极管也与该一个或多个谐振电容器耦合。

33.如权利要求15所述的方法，其中包括二极管和一个或多个电容器的电荷泵用于存储所产生的电压电势和将其耦合到控制器。

34.如权利要求32所述的方法，其中该谐振回路产生用于对控制器供电的电压电势。

35.如权利要求32所述的方法，其中所产生的电压电势被供应，而不使用除了单个初级绕组和单个次级绕组以外的附加变压器绕组。

36.如权利要求32所述的方法，其中该辅助开关元件自振荡，该自振荡由该反射电压和该谐振回路的振荡能量来驱动。

37.如权利要求32所述的方法，其中该辅助开关元件由控制器驱动。

38.如权利要求32所述的方法，其中该辅助开关元件由位于该变换器电路外部的开关驱动电路来驱动。

39.一种电源设备，包括：

输入电容器，跨接输入节点；

变换器电路，包括主开关元件和辅助开关元件，该辅助开关元件用于传输反射电压信号，该变换器电路与该输入电容器耦合；

变压器，包括初级和次级，该初级与该变换器电路耦合，该初级包括单个绕组以及该次级包括单个绕组；

输出整流器电路，与该变压器的次级耦合；以及

谐振电路，包括在该变换器电路内，该谐振电路与该初级耦合，该谐振电路包括一个或多个谐振电容器，该一个或多个谐振电容器配置成用于提供变压器谐振，该变压器谐振包括该反射电压信号以及该一个或多个谐振电容器的电容，该反射电压信号在该谐振电路处通过该辅助开关元件被接收，该反射电压信号从该次级被反射到该初级，该谐振电路变换脉冲序列以产生电压电势，该电压电势与输出电压成比例地变化，该脉冲序列包括与负载电流成比例的占空比。

40.如权利要求39所述的设备，还包括虚拟输出电压反馈回路，该虚拟输出电压反馈回路通过该电压反馈电路提供输出电压基准信号到该变换器电路，该输出电压基准信号由该反射电压信号产生，该输出电压基准信号与由该电压反馈电路采样的反射电压信号成比例，该变换器电路在调节该输出电压时响应于该输出电压基准信号。

41.如权利要求39所述的设备，还包括电压反馈电路，该电压反馈电路包括与控制器耦合且与该初级耦合的分压器，以用于采样该反射电压。

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