CN101826796B - 利用多模控制的准谐振系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了利用多模控制的准谐振系统和方法。开关模式电源变换系统包括初级线圈和次级线圈，初级线圈被配置为接收输入电压，次级线圈与初级线圈耦合并被配置为利用一个或多个其它组件来生成输出信号。另外，开关模式电源变换系统包括反馈组件和电压检测器，反馈组件被配置为接收输出信号并至少基于与输出信号相关联的信息来生成反馈信号，电压检测器被配置为接收输入电压并输出检测信号。而且，开关模式电源变换系统包括模式控制器和开关，模式控制器被配置为接收检测信号和反馈信号，并至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号，开关被配置为接收开关信号并影响流经初级线圈的第一电流。

Description

利用多模控制的准谐振系统和方法

技术领域

本发明涉及准谐振(QR)系统。更具体地，本发明提供了用于电子设备的双模QR系统和方法。仅仅作为示例，本发明已被应用于诸如反激(flyback)开关模式电源变换器之类的开关模式电源变换器的控制器。但是，将会了解，本发明具有更宽的适用范围。例如，本发明可应用于除集成电路之外的设备。在另一个示例中，本发明适用于使用QR控制的任何电源变换系统。

背景技术

准谐振(QR)技术已广泛用于中高功率水平的电源变换器。这些电源变换器通常包括各种控制技术，例如，反激技术。传统的QR系统可以使能零电压开关(ZVS)，零电压开关对于许多高功率应用是很重要的。另外，传统的QR系统通过利用寄生器件能够减少外部器件的数目。

图1是示出利用QR控制的传统反激脉宽调制(PWM)系统的简图。利用QR控制的反激PWM系统100包括辅助线圈用以生成用于QR控制器的退磁信号DEM。例如，DEM信号指示了如图1所示的电源变压器T的退磁。另外，系统100还包括用于生成DC输入电压Vin的一个或多个组件。DC输入电压Vin可以是整流线电压或者功率因素校正(PFC)级的输出。例如，将PFC级置于二极管桥和DC-DC变换器之间以用于某些高功率应用。这样的高功率应用可以包括利用QR控制的反激电源变换器和/或利用QR控制的正激(forward)电源变换器。

如图1所示，反激PWM系统100与Lleak和Cp的组合相关联。Lleak是初级电感Lm的泄漏部分，Cp是在MOSFET S1的漏极处的寄生电容。

图2是示出利用QR控制的传统反激脉宽调制(PWM)系统的工作机制的简图。例如，该传统反激脉宽调制(PWM)系统是系统100。

如图2所示，在t0处，PWM开关被使能。电源MOSFET S1(如图1所示)导通。因此，初级电感的电流斜线上升，电源变压器T存储能量。

在t1处，初级电感的电流斜线上升到由反馈确定的值。电源MOSFET S1截至。MOSFET S1的漏源电压Vds因为变压器电流而快速上升。漏源电压Vds的峰值由泄漏电感Lleak、DC输入电压Vin和反射输出电压Vr确定。Vr等于N×Vout，如图1所示。

在t2处，泄漏电感Lleak的退磁完成，并且初级电感Lm(如图1所示)开始退磁。

在t3处，初级电感Lm的退磁结束，并且开始阻尼谐振。谐振周期等于2×Tv，其由Lm和Cp确定。如图2所示，谐振通常产生一个或多个波谷。例如，第一个波谷出现在t4，第二个波谷出现在t5。

在这些波谷之一处，由QR控制器重新开始新的PWM周期。如果在t4处的第一波谷开始新PWM周期，则QR控制器以QR模式工作。如果在后续波谷(例如，t5处的第二波谷)开始新PWM周期，则QR控制器以QR返送(foldback)模式工作。

因为在这些波谷处，Vds等于零或局部最低点，所以提高了系统效率。例如，因为t4处的第一波谷对应于最小的局部最低点，所以通常会选择该波谷。

与具有固定频率的传统反激PWM系统相比，利用QR控制的传统反激PWM系统100具有以下特性。

(a)改善了EMI性能。在没有PFC级的情况下，由于经过输入大容量电容器(bulk capacitor)的脉动(ripple)，所以可以以两倍的线频率来调制系统100的开关频率。调制深度也取决于脉动幅度。因此，频谱延续一个或多个频带，而不是集中于单个频率值。于是可以减小EMI滤波器的大小和成本。

(b)提高了电源效率。例如，系统100基本上可以实现零电压开关(ZVS)；因此提高了系统100的电源效率。

(c)内在的短路保护。例如，在变压器全部退磁之前抑制电源MOSFET的导通周期；因此，变压器饱和是不可能的。在另一个示例中，在短路期间，退磁电压非常低；因此系统以具有小占空因数的低频率工作。其结果是，由变换器传递的功率也很低。

图3是示出包括传统QR控制器的传统反激PWM系统的简图。如图3所示，反激系统300包括QR控制器310。控制器310包括触发器块、UVLO&POR块、DEM块、PWM发生器块和LEB&OCP块。例如，UVLO&POR块可以向控制IC提供电源，并且DEM块可以检测变压器T1的退磁并触发新的PWM周期。PWM发生器块可以控制初级电流峰值。LEB&OCP块用于前沿空白(leading edge blanking)和过电流保护。如图3所示，辅助线圈不仅可以向IC提供电源，还可以提供DEM信号。

利用QR控制的反激PWM系统的传统技术可能是昂贵且大尺寸的。因此，高度希望改进与QR控制相关的技术。

发明内容

本发明涉及准谐振(QR)系统。更具体地，本发明提供了用于电子设备的双模QR系统和方法。仅仅作为示例，本发明已被应用于开关模式电源变换器(例如，反激开关模式电源变换器)的控制器。但是，将会了解，本发明具有更宽的应用范围。例如，本发明可被应用于除集成电路之外的设备。在另一个示例中，本发明适用于使用QR控制的任何电源变换系统。

根据本发明一个实施例，开关模式电源变换系统包括初级线圈和次级线圈，初级线圈被配置为接收输入电压，次级线圈与初级线圈耦合并被配置为利用一个或多个其它组件来生成输出信号。另外，开关模式电源变换系统包括反馈组件和电压检测器，反馈组件被配置为接收输出信号并至少基于与输出信号相关联的信息来生成反馈信号，电压检测器被配置为接收输入电压并输出检测信号。而且，开关模式电源变换系统包括模式控制器和开关，模式控制器被配置为接收检测信号和反馈信号，并至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号，开关被配置为接收开关信号并影响流经初级线圈的第一电流。模式控制器还被配置为处理与检测信号和第一阈值相关联的信息，判断该检测信号和第一阈值是否满足第一预定标准，处理与反馈信号和第二阈值相关联的信息，判断该反馈信号和第二阈值是否满足第二预定标准，并至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断开关模式电源变换系统的工作模式是否为准谐振模式。此外，开关信号对应于开关模式电源变换系统的工作模式。

根据本发明另一个实施例，开关模式电源变换系统包括初级线圈和次级线圈，初级线圈被配置为接收输入电压，次级线圈与初级线圈耦合并被配置为利用一个或多个其它组件来生成输出信号。另外，开关模式电源变换系统包括反馈组件和电压检测器，反馈组件被配置为接收输出信号并至少基于与输出信号相关联的信息来生成反馈信号，电压检测器被配置为接收输入电压并输出检测信号。而且，开关模式电源变换系统包括第一模式控制器和开关，第一模式控制器被配置为接收检测信号和反馈信号，并至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号，开关被配置为接收开关信号并影响流经初级线圈的第一电流。第一模式控制器至少包括模式选择组件和准谐振模式控制器。模式选择组件被配置为处理与检测信号和第一阈值相关联的信息，判断该检测信号和第一阈值是否满足第一预定标准，处理与反馈信号和第二阈值相关联的信息，判断该反馈信号和第二阈值是否满足第二预定标准，并至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断开关模式电源变换系统的工作模式是否为准谐振模式。另外，模式选择组件还被配置为：如果判定工作模式为准谐振模式，则向准谐振模式控制器发送模式选择信号以生成与准谐振模式相对应的开关信号。

根据本发明又一个实施例，一种用于确定开关模式电源变换系统的工作模式的方法包括：由初级线圈和电压检测器接收输入电压，以及由电压检测器至少基于与输入电压相关联的信息来生成检测信号。另外，该方法包括：至少基于与输入电压相关联的信息来生成输出信号，由反馈组件接收该输出信号，以及至少基于与该输出信号相关联的信息来生成反馈信号。此外，该方法包括：由模式控制器接收检测信号和反馈信号，至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号，以及至少基于与该开关信号相关联的信息来影响流经初级线圈的第一电流。用于至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号的处理包括：处理与检测信号和第一阈值相关联的信息，判断检测信号和第一阈值是否满足第一预定标准，处理与反馈信号和第二阈值相关联的信息，判断反馈信号和第二阈值是否满足第二预定标准，以及至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断开关模式电源变换系统的工作模式是否是准谐振模式。开关信号对应于开关模式电源变换系统的工作模式。

通过本发明实现了许多相对于传统技术的优点。本发明的某些实施例极大地减小了频率变化。本发明的一些实施例极大地简化了变压器设计。

取决于实施例，可以实现这些优点中的一个或多个。参考以下详细描述和附图，可以完整地理解本发明的这些优点和各种附加目的、特征和优点。

附图说明

图1是示出利用QR控制的传统反激脉宽调制(PWM)系统的简图；

图2是示出利用QR控制的传统反激脉宽调制(PWM)系统的工作机制的简图；

图3是示出包括传统QR控制器的传统反激系统的简图；

图4是示出对于恒定的V_out在V_in等于90V AC和等于260V AC时作为P₀的函数的开关频率的简图；

图5是示出在满负载下作为V_in的函数的开关频率的简图；

图6是示出根据本发明一个实施例具有多模控制器的脉宽调制(PWM)电源变换系统的简图；

图7是示出根据本发明一个实施例作为反馈电压和检测电压的函数的工作模式的简图；

图8是示出根据本发明另一个实施例具有多模控制器的脉宽调制(PWM)电源变换系统的简图；

图9是示出根据本发明一个实施例包括在脉宽调制(PWM)电源变换系统中的电压检测器和多模控制器的简图；

图10是示出根据本发明另一个实施例包括在脉宽调制(PWM)电源变换系统中的电压检测器和多模控制器的简图。

具体实施方式

本发明涉及准谐振(QR)系统。更具体地，本发明提供了用于电子设备的双模QR系统和方法。仅仅作为示例，本发明已被应用于开关模式电源变换器(例如，反激开关模式电源变换器)的控制器。但是，将会了解，本发明具有更宽的应用范围。例如，本发明可被应用于除集成电路之外的设备。在另一个示例中，本发明适用于使用QR控制的任何电源变换系统。

传统技术具有明显缺点。例如，如果选择t4处的第一波谷开始新PWM周期，并且如果Tv与Ts相比非常小，则利用QR控制的传统反激PWM系统可能工作于过渡模式，即，CCM/DCM边界模式，如图2所示。具体而言，Ts是从t0到t5的时间段，Tv是从t3到t4的时间段。

对于如图1、2和3所示的传统反激PWM系统，占空因数由匝数比、输入电压和输出电压确定，如下所示。

$D=\frac{{\mathrm{nV}}_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}+{\mathrm{nV}}_{\mathrm{out}}}---\left(1\right)$

其中，V_out是输出电压，V_in是输入电压，D是占空因数，n是变压器初级线圈与次级线圈的匝数比。另外，D等于Ton/(Ton+Toff)。因此，功率传递方程可用下式表示：

$P_0=\frac{1}{2}{L}_m{I}_{\mathrm{pk}}^2{f}_s=\frac{1}{2}{L}_m{\left(\frac{V_{\mathrm{in}}}{L_m}{\mathrm{DT}}_s\right)}^2{f}_s---\left(2\right)$

其中，L_m是初级电感，f_s是开关频率，I_pk是开关周期中的初级峰值电流，P₀是输出功率。另外，f_s等于1/(Ton+Toff)。因此，f_s可用下式表示：

$f_s=\frac{V_{\mathrm{in}}^2}{{2\mathrm{LP}}_0}{D}^2=\frac{1}{{2\mathrm{LP}}_0}{\left(\frac{{\mathrm{nV}}_{\mathrm{out}}}{1+\frac{{\mathrm{nV}}_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}}\right)}^2---\left(3\right)$

如式(3)所示，利用QR控制的传统反激PWM系统具有可变开关频率。频率f_s与输入电压V_in、输出功率P₀和输出电压V_out相关。

图4是示出对于恒定V_out在V_in等于90V AC和等于260V AC时作为P₀的函数的开关频率的简图。P₀表示负载变化。

如图4所示，260V AC处的f_s和90V AC处的f_s之间的频率比在整个负载范围内为恒定。更具体而言，

$\frac{f_1}{f_2}=\left(\frac{1+\frac{{\mathrm{nV}}_{\mathrm{out}}}{90\mathrm{VAC}}}{1+\frac{{\mathrm{nV}}_{\mathrm{out}}}{260\mathrm{VAC}}}\right)=\mathrm{const}.---\left(4\right)$

图5是示出在满负载下作为V_in的函数的开关频率的简图。如图5所示，如果在二极管桥之后直接跟有利用QR控制的传统反激PWM系统，则频率变化的范围通常很大。考虑到这个频率范围，变压器的大小通常变得更大并且更加昂贵。实践中，由于EMI问题，所以开关频率无法太高。例如，f_s限于130KHz。

图6是示出根据本发明一个实施例的利用多模控制器的脉宽调制(PWM)电源变换系统的简图。该图仅仅是一个示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。系统600包括多模控制器610、电压检测器620、开关630、初级线圈640、次级线圈642、辅助线圈644、二极管650、电容器652和反馈组件660。

电压检测器620和初级线圈640两者都接收输入电压V_in。例如，V_in是整流后的线输入电压。在另一个示例中，初级线圈640对应于L_m的电感值。如图6所示，初级线圈640与次级线圈642一起形成了变压器T1。变压器T1对应于初级线圈640与次级线圈642的匝数比N。作为响应，次级线圈642与二极管650和电容器652相组合来生成输出用于负载690的输出电压V_out。例如，二极管650和电容器652分别是二极管D1和电容器C1。输出电压V_out也被反馈组件660接收，反馈组件660又生成反馈电压V_FB。例如，反馈组件660是隔离反馈子系统。

如图6所示，次级线圈642电磁耦合到初级线圈640和辅助线圈644。例如，辅助线圈644生成退磁信号DEM并将信号DEM输出到多模控制器610。另外，多模控制器610还从电压检测器620接收检测电压V_d，并从反馈组件660接收反馈电压V_FB。作为响应，多模控制器610确定系统600的工作模式，并向开关630发送相应的驱动信号。例如，控制信号闭合或开启开关630。在一个实施例中，开关630是MOSFET晶体管S1。如果MOSFET晶体管S1导通，则开关闭合。如果MOSFET晶体管S1截止，则开关开启。

如上所述以及这里进一步强调的，图6仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。例如，电压检测器620输出检测电流I_d，该检测电流I_d被多模控制器610所接收。在另一个示例中，多模控制器610和电压检测器620相组合。

图7是示出根据本发明一个实施例的作为反馈电压和检测电压的函数的工作模式的简图。该图仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将回认识到许多变化、替换和修改。

如图7所示，多模控制器610使用反馈电压V_FB和检测电压V_d来实现对系统600的工作模式的二维控制。根据本发明一个实施例，系统600的工作模式按如下方式确定。

(a)如果V_FB高于阈值V_{ref_h}并且V_d高于阈值V_{ref_d}，则多模控制器610工作于QR模式。

(b)如果V_FB高于阈值V_{ref_h}并且V_d低于阈值V_{ref_d}，则多模控制器610工作于固定频率模式。例如，在固定频率模式下，开关频率被设置在预定值。在另一个示例中，固定频率模式是连续电流模式(CCM)。

(c)如果V_FB低于阈值V_{ref_h}但高于阈值V_{ref_1}，则多模控制器610工作于QR返送模式。例如，QR返送模式是脉冲频率调制(PFM)模式或频率返送模式。

(d)如果V_FB低于阈值V_{ref_1}，则多模控制器610工作于突发模式。例如，在突发模式下，多模控制器610以预定频率提供一个脉冲或一组脉冲。根据一个实施例，每一个脉冲可以接通开关630达一时间段。

根据一个实施例，V_d、V_{ref_1}和V_{ref_h}中的每一个表示两级阈值。例如，V_d、V_{ref_1}和V_{ref_h}中的每一个对应于两个迟滞阈值电压。在另一个示例中，为了简化起见，省略了关于模式过渡的迟滞的详细描述。对于模式过渡，简单地说，如果V＞V_th，则控制器处于模式A，而如果V＜V_th，则控制器处于模式B。但是，根据一个实施例，V_th事实上是双级电压阈值。V_d、V_{ref_1}和V_{ref_h}中的每一个都可记为V_th。

根据另一个实施例，如果V＞V_th，则控制器处于模式A，否则，控制器处于模式B。例如，因为在模式过渡之间存在迟滞，所以过渡阈值V_th代表幅度彼此接近的两个阈值水平V_{th_1}和V_{th_2}。V_th大于V_{th_1}但小于V_{th_2}。V_{th_1}和V_{th_2}中的每一个均是迟滞阈值电压。如果V＜V_{th_1}，则控制器处于模式B，而如果V＞V_{th_2}，则控制器处于模式A。对于V_{th_1}＜V＜V_{th_2}，控制器的模式取决于先前的状态。

如上所述以及这里进一步强调的，图7仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。例如，多模控制器610使用反馈电压V_FB和检测电流I_d或N×I_d来实现对系统600的工作模式的二维控制。N是正整数。根据一个实施例，多模控制器610对检测电流I_d或N×I_d与阈值I_{ref_d}进行比较，而不是对检测电压V_d与阈值V_{ref_d}进行比较。

根据另一个实施例，无论是使用检测电压V_d还是使用检测电流I_d或N×I_d来进行比较，多模控制器610都有效地对输入电压V_in与阈值V_{ref_in}进行比较，这是因为检测电压V_d和检测电流I_d各自指示了输入电压V_in的幅度。例如，如果V_FB高于阈值V_{ref_h}并且V_in高于阈值V_{ref_in}，则系统610工作于QR模式。在另一个示例中，如果V_FB高于阈值V_{ref_h}并且V_in低于阈值V_{ref_in}，则系统610工作于固定频率模式。

图8是示出根据本发明另一个实施例的具有多模控制器的脉宽调制(PWM)电源变换系统的简图。该图仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。系统800包括多模控制器810、电压检测器820、开关830、初级线圈840、次级线圈842、辅助线圈844、二极管850、电容器852和反馈组件860。多模控制器810包括模式选择组件880、QR模式控制器870、固定频率模式控制器872、QR返送模式控制器874、突发模式控制器876和栅极驱动器882。

根据一个实施例，系统800与系统600相同。例如，多模控制器810、电压检测器820、开关830、初级线圈840、次级线圈842、辅助线圈844、二极管850、电容器852和反馈组件860分别与多模控制器610、电压检测器620、开关630、初级线圈640、次级线圈642、辅助线圈644、二极管650、电容器652和反馈组件660相同。

如图8所示，多模控制器810从电压检测器820接收检测电压V_d，并从反馈组件860接收反馈电压V_FB。作为响应，多模控制器810确定系统800的工作模式并向开关830发送相应的驱动信号。

例如，模式选择组件880接收检测电压V_d和反馈电压V_FB，并选择系统应当工作的模式。根据一个实施例，基于图7，从QR模式、固定频率模式、QR返送模式和突发模式中选择模式。根据另一个实施例，驱动信号按如下方式来生成。

(a)如果选择QR模式，则QR模式控制器870向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与QR模式相对应的驱动信号。

(b)如果选择固定频率模式，则固定频率模式控制器872向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与固定频率模式相对应的驱动信号。

(c)如果选择QR返送模式，则QR返送模式控制器874向栅极驱动器8输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与QR返送模式相对应的驱动信号。

(d)如果选择突发模式，则突发模式控制器876向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与突发模式相对应的驱动信号。

如上所述以及这里进一步强调的，图8仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。例如，电压检测器820输出检测电流I_d，该检测电流I_d被多模控制器810所接收。

图9是示出根据本发明一个实施例包括在脉宽调制(PWM)电源变换系统中的电压检测器和多模控制器的简图。这个图仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。

多模控制器810包括模式选择组件880、QR模式控制器870、固定频率模式控制器872、QR返送模式控制器874、突发模式控制器876和栅极驱动器882。如图9所示，模式选择组件880包括电压比较器910、920和930以及逻辑组件940。电压比较器910、920和930也分别称为电压比较器A1、A2和A3。另外，电压检测器820包括电阻器950和952。电阻器950和952也称为电阻器R1和R2。

电压检测器820包括由电阻器950和952形成的分压器。该分压器接收输入电压V_in并生成检测电压V_d。检测电压V_d被发送给模式选择组件880。如果检测电压V_d高于阈值V_{ref_d}，则电压比较器910输出仅可使能QR模式、QR返送模式和突发模式的信号912。如果检测电压V_d低于阈值V_{ref_d}，则电压比较器910输出仅可使能固定频率模式、QR返送模式和突发模式的信号912。

另外，模式选择组件880还接收反馈电压V_FB。电压比较器920对反馈电压V_FB与阈值V_{ref_h}进行比较，电压比较器930对反馈电压V_FB与阈值V_{ref_1}进行比较。电压比较器920和930两者都将它们的输出信号发送给逻辑组件940，作为响应，逻辑组件940生成信号942。

如果反馈电压V_FB高于阈值V_{ref_h}，则信号942仅仅使能QR模式和固定频率模式。如果V_FB低于阈值V_{ref_h}但高于阈值V_{ref_1}，则信号942仅仅使能QR返送模式。如果V_FB低于阈值V_{ref_1}，则信号942将仅仅使能突发模式。

根据一个实施例，多模控制器810被进一步配置为如下所示。

(a)如果信号912和942两者都使能QR模式，则QR模式控制器870向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与QR模式相对应的驱动信号。如果信号912或信号942不使能QR模式，则QR模式控制器870不被激活，因而驱动信号将不与QR模式相对应。

(b)如果信号912和942两者都使能固定频率模式，则固定频率模式控制器872向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与固定频率模式相对应的驱动信号。如果信号912或信号942不使能固定频率模式，则固定频率模式控制器872不被激活，因而驱动信号将不与固定频率模式相对应。

(c)如果信号912和942两者都使能QR返送模式，则QR返送模式控制器874向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与QR返送模式相对应的驱动信号。如果信号912或信号942不使能QR返送模式，则QR返送模式控制器874不被激活，因而驱动信号将不与QR返送模式相对应。

(d)如果信号912和942两者都使能突发模式，则突发模式控制器876向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与突发模式相对应的驱动信号。如果信号912或信号942不使能突发模式，则突发模式控制器876不被激活，因而驱动信号将不与突发模式相对应。

如上所述以及这里进一步强调的，图9仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。例如，与电阻器950或952并联地向电压检测器820添加电容器以对检测电压V_d进行清空(clean up)。在另一个示例中，向电压比较器910添加具有反跳(debounce)的某种迟滞。

图10是示出根据本发明另一个实施例包括在脉宽调制(PWM)电源变换系统中的电压检测器和多模控制器的简图。该图仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。

多模控制器810包括模式选择组件1080、QR模式控制器870、固定频率模式控制器872、QR返送模式控制器874、突发模式控制器876和栅极驱动器882。如图10所示，模式选择组件1080包括电流比较器1010、电压比较器1020和1030、逻辑组件1040和钳压二极管1056。比较器1010、1020和1030也分别称为比较器A1、A2和A3，钳压二极管1056也称为二极管Vclamp。另外，电压检测器820包括电阻器1050和电容器1052。电阻器1050和电容器1052也称为电阻器R1和电容器C1。

对于电压检测器820，电阻器1050和电容器1052通过节点1054直接连接，节点1054的电压水平由钳压二极管1056钳位。如图10所示，电压检测器820接收输入电压V_in，并向模式选择组件1080输出检测电流I_d。检测电流I_d被镜像以生成电流比较器1010的输入电流，该输入电流等于N×I_d。

如果输入电流N×I_d高于阈值I_{ref_d}，则电流比较器1010输出将仅仅使能QR模式、QR返送模式和突发模式的信号1012。如果输入电流N×I_d低于阈值I_{ref_d}，则电流比较器1010输出将仅仅使能固定频率模式、QR返送模式和突发模式的信号1012。

另外，模式选择组件1080还接收反馈电压V_FB。电压比较器1020对反馈电压V_FB与阈值V_{ref_h}进行比较，电压比较器1030对反馈电压V_FB与阈值V_{ref_1}进行比较。电压比较器1020和1030两者都将它们的输出信号发送给逻辑组件1040，作为响应，逻辑组件1040生成信号1042。

如果反馈电压V_FB高于阈值V_{ref_h}，则信号1042仅仅使能QR模式和固定频率模式。如果V_FB低于阈值V_{ref_h}但高于阈值V_{ref_1}，则信号1042仅仅使能QR返送模式。如果V_FB低于阈值V_{ref_1}，则信号1042将仅仅使能突发模式。

根据一个实施例，多模控制器810被进一步配置为如下所示。

(a)如果信号1012和1042两者都使能QR模式，则QR模式控制器870向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与QR模式相对应的驱动信号。如果信号1012或信号1042不使能QR模式，则QR模式控制器870不被激活，因而驱动信号将不与QR模式相对应。

(b)如果信号1012和1042两者都使能固定频率模式，则固定频率模式控制器872向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与固定频率模式相对应的驱动信号。如果信号1012或信号1042不使能固定频率模式，则固定频率模式控制器872不被激活，因而驱动信号将不与固定频率模式相对应。

(c)如果信号1012和1042两者都使能QR返送模式，则QR返送模式控制器874向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与QR返送模式相对应的驱动信号。如果信号1012或信号1042不使能QR返送模式，则QR返送模式控制器874不被激活，因而驱动信号将不与QR返送模式相对应。

(d)如果信号1012和1042两者都使能突发模式，则突发模式控制器876向栅极驱动器882输出控制信号。作为响应，栅极驱动器882向开关830发送与突发模式相对应的驱动信号。如果信号1012或信号1042不使能突发模式，则突发模式控制器876不被激活，因而驱动信号将不与突发模式相对应。

如上所述以及这里进一步强调的，图10仅仅是一个示例，该示例不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将会认识到许多变化、替换和修改。例如，使用电容器1052来执行可编程软启动功能和/或滤波器功能。在另一个示例中，电容器1052被移除。

本发明提供了许多优点。本发明的某些实施例极大地减小了开关频率的变化范围。本发明的一些实施例极大地减小了电源变压器的尺寸。本发明的某些实施例极大地提高了电源变压器的效率，例如，在轻负载时。本发明的一些实施例极大地降低了电源变压器的成本。

根据某些实施例，利用QR控制的系统具有多个工作模式。例如，如果输入电压高于预定阈值并且反馈电压高于另一个预定阈值，则系统工作于QR模式。在另一个示例中，如果输入电压低于预定阈值并且反馈电压高于另一个预定阈值，则系统工作于固定频率模式。

根据本发明的一些实施例，由电压检测器检测输入电压。例如，电压检测器包括分压器，该分压器输出与输入电压成正比的检测电压。在另一个示例中，电压检测器包括电阻器，该电阻器的一个末端接收输入电压，另一个末端输出检测电流。该检测电流与输入电压成正比。

根据本发明的某些实施例，多模控制器使用引脚来接收来自电压检测器的检测电压或检测电流。例如，基于所接收的检测电压或电流以及所接收的反馈电压，多模控制器确定PWM电源变换系统的工作模式。在另一个示例中，用于接收检测电压或电流的引脚也可用于一个或多个其它功能，例如，软启动。在另一个示例中，多模控制器包括用于执行闭锁保护等的一个或多个组件。

根据本发明的某些实施例，多模控制器使用二维控制来确定工作模式。例如，基于反馈电压和由检测电压或检测电流指示的输入电压来选择工作模式。

根据本发明又一个实施例，开关模式电源变换系统包括初级线圈和次级线圈，初级线圈被配置为接收输入电压，次级线圈与初级线圈耦合并被配置为利用一个或多个其它组件来生成输出信号。另外，开关模式电源变换系统包括反馈组件和电压检测器，反馈组件被配置为接收输出信号并至少基于与输出信号相关联的信息来生成反馈信号，电压检测器被配置为接收输入电压并输出检测信号。而且，开关模式电源变换系统包括模式控制器和开关，模式控制器被配置为接收检测信号和反馈信号，并至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号，开关被配置为接收开关信号并影响流经初级线圈的第一电流。模式控制器还被配置为处理与检测信号和第一阈值相关联的信息，判断该检测信号和第一阈值是否满足第一预定标准，处理与反馈信号和第二阈值相关联的信息，判断该反馈信号和第二阈值是否满足第二预定标准，并至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断开关模式电源变换系统的工作模式是否为准谐振模式。此外，开关信号对应于开关模式电源变换系统的工作模式。例如，根据图6、7、8、9和/或10来实现开关模式电源变换系统。

在另一个示例中，第一预定标准是检测信号在幅度上大于第一阈值，第二预定标准是反馈信号在幅度上大于第二阈值。在又一个实施例中，模式控制器被进一步配置为至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断工作模式是否为固定频率模式。

在又一个实施例中，模式控制器被进一步配置为处理与反馈信号、第二阈值和第三阈值相关联的信息，判断该反馈信号、第二阈值和第三阈值是否满足第三预定标准，并且至少基于对第三阈值是否得以满足的判定来判断工作模式是否为准谐振返送模式，其中，准谐振返送模式不同于准谐振模式。在又一个示例中，第三预定标准是反馈信号在幅度上小于第二阈值并大于第三阈值。

在又一个实施例中，模式控制器被进一步配置为判断反馈信号和第三阈值是否满足第四预定标准，并且至少基于对第四预定标准是否得以满足的判定来判断工作模式是否为突发模式。在又一个实施例中，第四预定标准是反馈信号在幅度上小于第三阈值。

在又一个实施例中，开关模式电源变换系统是脉宽调制电源变换系统。在又一个实施例中，电压检测器包括第一电阻器和第二电阻器，该第一电阻器和第二电阻器彼此串联连接，并且检测信号是电压信号。在又一个实施例中，电压检测器包括至少一个电阻器，该电阻器与钳压二极管相连接，并且检测信号是电流信号。在又一个示例中，输入信号是整流后的线输入电压，输出信号是输出电压，并且/或者一个或多个其它组件包括从由二极管和电容器构成的群组中选择的至少一个。

根据本发明又一个实施例，开关模式电源变换系统包括初级线圈和次级线圈，初级线圈被配置为接收输入电压，次级线圈与初级线圈耦合并被配置为利用一个或多个其它组件来生成输出信号。另外，开关模式电源变换系统包括反馈组件和电压检测器，反馈组件被配置为接收输出信号并至少基于与输出信号相关联的信息来生成反馈信号，电压检测器被配置为接收输入电压并输出检测信号。而且，开关模式电源变换系统包括第一模式控制器和开关，第一模式控制器被配置为接收检测信号和反馈信号，并至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号，开关被配置为接收开关信号并影响流经初级线圈的第一电流。第一模式控制器至少包括模式选择组件和准谐振模式控制器。模式选择组件被配置为处理与检测信号和第一阈值相关联的信息，判断该检测信号和第一阈值是否满足第一预定标准，处理与反馈信号和第二阈值相关联的信息，判断该反馈信号和第二阈值是否满足第二预定标准，并至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断开关模式电源变换系统的工作模式是否为准谐振模式。另外，模式选择组件还被配置为：如果工作模式被判定为准谐振模式，则向准谐振模式控制器发送模式选择信号以生成与准谐振模式相对应的开关信号。例如，根据图6、7、8、9和/或10来实现开关模式电源变换系统。

在另一个示例中，第一预定标准是检测信号在幅度上大于第一阈值，第二预定标准是反馈信号在幅度上大于第二阈值。在又一个实施例中，第一模式控制器至少还包括固定频率模式控制器，并且模式选择组件被进一步配置为至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断工作模式是否为固定频率模式，并且如果判定工作模式是固定频率模式，则向固定模式控制器发送模式选择信号以生成与固定频率模式相对应的开关信号。

在又一个实施例中，第一模式控制器至少还包括准谐振返送模式控制器，并且第一模式控制器被进一步配置为处理与反馈信号、第二阈值和第三阈值相关联的信息，判断该反馈信号、第二阈值和第三阈值是否满足第三预定标准，至少基于对第三阈值是否得以满足的判定来判断工作模式是否为准谐振返送模式，并且如果判定工作模式是准谐振返送模式，则向准谐振返送模式控制器发送模式选择信号以生成与准谐振返送模式相对应的开关信号。准谐振返送模式不同于准谐振模式。在又一个示例中，第三预定标准是反馈信号在幅度上小于第二阈值并大于第三阈值。

在又一个实施例中，第一模式控制器至少还包括突发模式控制器，并且第一模式控制器被进一步配置为判断反馈信号和第三阈值是否满足第四预定标准，至少基于对第四预定标准是否得以满足的判定来判断工作模式是否为突发模式，并且如果判定工作模式是突发模式，则向突发模式控制器发送模式选择信号以生成与突发模式相对应的开关信号。在又一个实施例中，第四预定标准是反馈信号在幅度上小于第三阈值。

根据本发明又一个实施例，一种用于确定开关模式电源变换系统的工作模式的方法包括：由初级线圈和电压检测器接收输入电压，以及由电压检测器至少基于与输入电压相关联的信息来生成检测信号。另外，该方法包括：至少基于与输入电压相关联的信息来生成输出信号，由反馈组件接收该输出信号，以及至少基于与该输出信号相关联的信息来生成反馈信号。此外，该方法包括：由模式控制器接收检测信号和反馈信号，至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号，以及至少基于与该开关信号相关联的信息来影响流经初级线圈的第一电流。用于至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号的处理包括：处理与检测信号和第一阈值相关联的信息，判断检测信号和第一阈值是否满足第一预定标准，处理与反馈信号和第二阈值相关联的信息，判断反馈信号和第二阈值是否满足第二预定标准，以及至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断开关模式电源变换系统的工作模式是否是准谐振模式。开关信号对应于开关模式电源变换系统的工作模式。例如，根据图6、7、8、9和/或10来实现该方法。

在另一个示例中，第一预定标准是检测信号在幅度上大于第一阈值，第二预定标准是反馈信号在幅度上大于第二阈值。在又一个实施例中，用于至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号的处理包括：至少基于对第一预定标准是否得以满足的判定和对第二预定标准是否得以满足的判定来判断工作模式是否为固定频率模式。

在又一个实施例中，用于至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号的处理包括：处理与反馈信号、第二阈值和第三阈值相关联的信息，判断该反馈信号、第二阈值和第三阈值是否满足第三预定标准，并且至少基于对第三阈值是否得以满足的判定来判断工作模式是否为准谐振返送模式，其中，准谐振返送模式不同于准谐振模式。在又一个示例中，第三预定标准是反馈信号在幅度上小于第二阈值并大于第三阈值。

在又一个实施例中，用于至少基于与检测信号和反馈信号相关联的信息来生成开关信号的处理包括：判断反馈信号和第三阈值是否满足第四预定标准，并且至少基于对第四预定标准是否得以满足的判定来判断工作模式是否为突发模式。在又一个实施例中，第四预定标准是反馈信号在幅度上小于第三阈值。

通过本发明实现了许多相对于传统技术的优点。本发明的某些实施例极大地减小了频率变化。本发明的一些实施例极大地简化了变压器设计。

虽然已经描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将会了解，存在与所描述的实施例相等同的其它实施例。因此，应当理解，本发明并非由那些具体示出的实施例来限定，而仅仅由权利要求来限定。

Claims (17)

1.一种开关模式电源变换系统，该系统包括：

初级线圈，该初级线圈被配置为接收输入电压；

次级线圈，该次级线圈与所述初级线圈耦合，并被配置为利用一个或多个其它组件来生成输出信号；

反馈组件，该反馈组件被配置为接收所述输出信号，并至少基于与所述输出信号相关联的信息来生成反馈信号；

电压检测器，该电压检测器被配置为接收所述输入电压并输出检测信号；

模式控制器，该模式控制器被配置为接收所述检测信号和所述反馈信号，并至少基于与所述检测信号和所述反馈信号相关联的信息来生成开关信号；

开关，该开关被配置为接收所述开关信号，并影响流经所述初级线圈的第一电流；

其中，所述模式控制器还被配置为：

处理与所述检测信号和第一阈值相关联的信息；

判断所述检测信号和所述第一阈值是否满足第一预定标准，其中所述第一预定标准是：所述检测信号在幅度上大于所述第一阈值；

处理与所述反馈信号和第二阈值相关联的信息；

判断所述反馈信号和所述第二阈值是否满足第二预定标准，其中所述第二预定标准是：所述反馈信号在幅度上大于所述第二阈值；

如果所述第一预定标准得以满足、并且所述第二预定标准得以满足，则判断所述开关模式电源变换系统的工作模式为准谐振模式；

如果在所述第一预定标准的判断中判定所述检测信号在幅度上小于所述第一阈值、并且所述第二预定标准得以满足，则判断所述工作模式为固定频率模式；

处理与所述反馈信号、所述第二阈值和第三阈值相关联的信息；

判断所述反馈信号、所述第二阈值和所述第三阈值是否满足第三预定标准，其中所述第三预定标准是：所述反馈信号在幅度上小于所述第二阈值并大于所述第三阈值；以及

如果所述第三预定标准得以满足，则判断所述工作模式为准谐振返送模式，其中，所述准谐振返送模式不同于所述准谐振模式；

其中，所述开关信号对应于所述开关模式电源变换系统的工作模式。

2.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中，所述固定频率模式是连续电流模式。

3.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中，所述模式控制器还被配置为：

判断所述反馈信号和所述第三阈值是否满足第四预定标准；

至少基于对所述第四预定标准是否得以满足的判定来判断所述工作模式是否为突发模式。

4.如权利要求3所述的开关模式电源变换系统，其中，所述第四预定标准是：所述反馈信号在幅度上小于所述第三阈值。

5.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中，所述开关模式电源变换系统是脉宽调制电源变换系统。

6.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中：

所述电压检测器包括第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器和所述第二电阻器彼此串联连接；

所述检测信号是电压信号。

7.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中：

所述电压检测器包括至少一个电阻器，所述电阻器与钳压二极管相连接；

所述检测信号是电流信号。

8.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中，所述输入电压是整流后的线输入电压。

9.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中，所述输出信号是输出电压。

10.如权利要求1所述的开关模式电源变换系统，其中，所述一个或多个其它组件包括从由二极管和电容器组成的群组中选择的至少一个。

11.一种开关模式电源变换系统，该系统包括：

初级线圈，该初级线圈被配置为接收输入电压；

次级线圈，该次级线圈与所述初级线圈耦合，并被配置为利用一个或多个其它组件来生成输出信号；

反馈组件，该反馈组件被配置为接收所述输出信号，并至少基于与所述输出信号相关联的信息来生成反馈信号；

电压检测器，该电压检测器被配置为接收所述输入电压并输出检测信号；

第一模式控制器，该第一模式控制器被配置为接收所述检测信号和所述反馈信号，并至少基于与所述检测信号和所述反馈信号相关联的信息来生成开关信号；

开关，该开关被配置为接收所述开关信号，并影响流经所述初级线圈的第一电流；

其中，

所述第一模式控制器至少包括模式选择组件和准谐振模式控制器；

所述模式选择组件被配置为：

处理与所述检测信号和第一阈值相关联的信息；

判断所述检测信号和所述第一阈值是否满足第一预定标准，其中所述第一预定标准是：所述检测信号在幅度上大于所述第一阈值；

处理与所述反馈信号和第二阈值相关联的信息；

判断所述反馈信号和所述第二阈值是否满足第二预定标准，其中所述第二预定标准是：所述反馈信号在幅度上大于所述第二阈值；

如果所述第一预定标准得以满足、并且所述第二预定标准得以满足，则判断所述开关模式电源变换系统的工作模式为准谐振模式；

如果判定所述工作模式为准谐振模式，则向所述准谐振模式控制器发送模式选择信号以生成与所述准谐振模式相对应的开关信号；

所述第一模式控制器至少还包括固定频率模式控制器；

所述模式选择组件还被配置为：

如果在所述第一预定标准的判断中判定所述检测信号在幅度上小于所述第一阈值、并且所述第二预定标准得以满足，则判断所述工作模式为固定频率模式；

如果判定所述工作模式为固定频率模式，则向所述固定频率模式控制器发送模式选择信号以生成与所述固定频率模式相对应的开关信号；

所述第一模式控制器至少还包括准谐振返送模式控制器；

所述第一模式控制器还被配置为：

处理与所述反馈信号、所述第二阈值和第三阈值相关联的信息；

判断所述反馈信号、所述第二阈值和所述第三阈值是否满足第三预定标准，其中所述第三预定标准是：所述反馈信号在幅度上小于所述第二阈值并大于所述第三阈值；

如果所述第三预定标准得以满足，则判断所述工作模式为准谐振返送模式，其中，所述准谐振返送模式不同于所述准谐振模式；

如果判定所述工作模式为准谐振返送模式，则向所述准谐振返送模式控制器发送模式选择信号以生成与所述准谐振返送模式相对应的开关信号。

12.如权利要求11所述的开关模式电源变换系统，其中：

所述第一模式控制器至少还包括突发模式控制器；

所述第一模式控制器还被配置为：

判断所述反馈信号和所述第三阈值是否满足第四预定标准；

至少基于对所述第四预定标准是否得以满足的判定来判断所述工作模式是否为突发模式；

如果判定所述工作模式为突发模式，则向所述突发模式控制器发送模式选择信号以生成与所述突发模式相对应的开关信号。

13.如权利要求12所述的开关模式电源变换系统，其中，所述第四预定标准是：所述反馈信号在幅度上小于所述第三阈值。

14.一种用于确定开关模式电源变换系统的工作模式的方法，该方法包括：

由初级线圈和电压检测器接收输入电压；

由所述电压检测器至少基于与所述输入电压相关联的信息来生成检测信号；

至少基于与所述输入电压相关联的信息来生成输出信号；

由反馈组件接收所述输出信号；

至少基于与所述输出信号相关联的信息来生成反馈信号；

由模式控制器接收所述检测信号和所述反馈信号；

至少基于与所述检测信号和所述反馈信号相关联的信息来生成开关信号；

至少基于与所述开关信号相关联的信息来影响流经所述初级线圈的第一电流；

其中，用于至少基于与所述检测信号和所述反馈信号相关联的信息来生成开关信号的处理包括：

处理与所述检测信号和第一阈值相关联的信息；

判断所述检测信号和所述第一阈值是否满足第一预定标准，其中所述第一预定标准是：所述检测信号在幅度上大于所述第一阈值；

处理与所述反馈信号和第二阈值相关联的信息；

判断所述反馈信号和所述第二阈值是否满足第二预定标准，其中所述第二预定标准是：所述反馈信号在幅度上大于所述第二阈值；

如果所述第一预定标准得以满足、并且所述第二预定标准得以满足，则判断所述开关模式电源变换系统的工作模式是准谐振模式；

如果在所述第一预定标准的判断中判定所述检测信号在幅度上小于所述第一阈值、并且所述第二预定标准得以满足，则判断所述工作模式为固定频率模式；

处理与所述反馈信号、所述第二阈值和第三阈值相关联的信息；

判断所述反馈信号、所述第二阈值和所述第三阈值是否满足第三预定标准，其中所述第三预定标准是：所述反馈信号在幅度上小于所述第二阈值并大于所述第三阈值；以及

如果所述第三预定标准得以满足，则判断所述工作模式为准谐振返送模式，其中，所述准谐振返送模式不同于所述准谐振模式；

其中，所述开关信号对应于所述开关模式电源变换系统的工作模式。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述固定频率模式是连续电流模式。

16.如权利要求14所述的方法，其中，用于至少基于与所述检测信号和所述反馈信号相关联的信息来生成开关信号的处理包括：

判断所述反馈信号和所述第三阈值是否满足第四预定标准；

至少基于对所述第四预定标准是否得以满足的判定来判断所述工作模式是否为突发模式。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第四预定标准是：所述反馈信号在幅度上小于所述第三阈值。