CN101933218A - 用于运行开关变换器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于根据所谓的电流模式调节来运行开关变换器的方法，其中给PWM控制器(1)输送用于确定变换器开关元件(S1)的断开时刻的电流测量信号，并且其中借助于比较器(2)将与所述电流测量信号成比例的电压同比较电压相比较，并且在超过所述比较电压的情况下断开所述变换器开关元件(S1)。因此，以低工作量实现精确的电流限制，所述电流限制根本不需要PWM控制器(1)的内部电流限制的调整法。

Description

用于运行开关变换器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于根据所谓的电流模式调节(Current-Mode-Reglung)运行开关变换器(Schaltwandler)的方法，其中给PWM控制器输送用于确定变换器开关元件的断开时刻的电流测量信号。此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的开关变换器。
背景技术
存在各种开关变换器类型、例如升压变换器、降压变换器、反激变换器(Sperrwandler)、正激变换器(Flusswandler)等等。所有这些变换器共有的原理是：借助于变换器开关元件以快速的时钟脉冲序列(大多以千赫兹范围内的时钟脉冲频率)将输入侧电压切换到变压器的储能线圈或者初级绕组上。在此，在变换器开关元件接通的情况下，流经所述线圈或初级绕组的电流线性增加。在电流模式调节的情况下，所述电流被检测并且被考虑用于确定关断时刻。
通常，借助于电压调节器在开关变换器的输出端处提供所希望的输出电压。实际电压与额定电压的偏差引起所述电压调节器的输出信号的变化。在电流模式调节的情况下，所述输出信号与流经开关变换器的线圈或初级绕组的增加的电流在变换器开关元件的接通阶段期间应达到的电流值成比例。
为了执行关断时刻确定这一目的，开关变换器通常包括PWM控制器，给所述PWM控制器一方面输送电压调节器的所传输的输出信号，而另一方面输送与增加的线圈电流或初级绕组电流成比例的电流测量信号。在内部比较器中，PWM控制器将所述两个信号进行比较，并且在所述信号一致的情况下关断变换器开关元件。具体而言，例如电压调节器的作为电压存在于PWM控制器的COMP输入端处的所传输的输出信号通过PWM控制器的内部分压器被除以三。所述经过划分的电压通过PWM控制器的内部比较器与作为电压存在于电流测量输入端(I-SENSE输入端)处的电流测量信号相比较。如果电流测量信号大于经过划分的电压，则内部比较器翻转，并且变换器开关元件被关断。
在此，通常为了保护部件免受增加的电流的影响而设置电流限制装置。在常规的PWM控制器(例如尤尼特德(Unitrode)Uc3842)的情况下，借助于与内部分压器的正向直流电阻(Flusswidertand)并联布置的内部齐纳二极管(例如击穿电压为1V)进行电流限制。如果电压调节器允许例如100％的功率，则COMP输入端处的电压增加到例如5V。在没有齐纳二极管的情况下，内部分压器接着会预定5V/3＝1.67V；但是齐纳二极管将经过划分的电压限制到1V，使得变换器开关元件在电流测量信号与所述经过限制的、经过划分的被定义为PWM控制器的内部电流限制的电压一致的情况下就已经被关断。
在此所出现的问题是，在低成本的PWM控制器的情况下，用于进行电流限制的内部齐纳二极管具有大约20％的容差(例如击穿电压为0.9V-1.1V)。这意味着，在开关变换器的切换周期期间，增加的线圈电流或初级绕组电流例如一次在9A时已被限制而另一次在11A时才被限制。由于例如在反激变换器的情况下，电流以平方的形式被包括到功率中，所以这导致本身构造相同的开关变换器的大的方差。所述方差仅能通过每个单个开关变换器的复杂的调整法来减小，其中每个开关变换器都必须包括相对应的电位计。
发明内容
本发明所基于的任务是，针对开头所述类型的方法说明相对于现有技术的改进。此外，从现有技术中公知的开关变换器应被扩展来使得该开关变换器适于执行根据本发明的方法。
根据本发明，该任务通过一种根据权利要求1所述的方法和一种根据权利要求7所述的开关变换器来解决。
根据本发明的方法规定：借助于比较器将与电流测量信号成比例的电压与比较电压相比较，并且在超过比较电压的情况下断开变换器开关元件。也就是，不是PWM控制器的内部齐纳二极管而是除了PWM控制器以外所布置的比较器被用于进行电流限制。所述比较器比具有相应准确的内部电流限制装置的PWM控制器的额外费用要低得多。在此，给所述比较器预定精确的比较电压作为参考。
因此，以低成本实现精确的电流限制，所述精确的电流限制根本不需要调整法并且因此使调整电位计变得多余。具体而言，所述电流限制的容差从大约±20％改进到大约±2％。
利用一种开关变换器来执行根据本发明的方法，所述开关变换器包括用于控制变换器开关元件的PWM控制器，其中在PWM控制器的电流测量输入端处存在用于确定变换器开关元件的关断时刻的电流测量信号。在此，布置有比较器，所述比较器的第一输入端与其上施加与电流测量信号成比例的电压的测量点相连接。所述比较器的第二输入端与比较电压源相连接，并且在比较器的输出端上存在用于关断变换器开关元件的输出信号。
在本发明的简单的实施形式中规定：在超过比较电压的情况下，存在于比较器的输出端处的超过PWM控制器的内部电流限制值的信号被输送给PWM控制器，以用于确定变换器开关元件的断开时刻。在此，PWM控制器的内部齐纳二极管的击穿电压被定义为内部电流限制值。
在此，所述开关变换器有利地被构造为使得比较器的输出端通过二极管与PWM控制器的电流测量输入端相连接。
与增加的线圈电流或初级绕组电流成比例的信号例如作为在分流电阻(Shuntwiderstand)上降落的电压而存在于比较器输入端处。如果电压调节器允许最大的功率，则电流直至在分流电阻上降落的电压达到比较电压的值一直增加。比较器的输出信号从低切换到高并且在此超过内部齐纳二极管的击穿电压的容差上限，由此引起PWM控制器的内部比较器的翻转并且进一步因此关断变换器开关元件。
一种改进的方法规定：在超过比较电压的情况下，存在于比较器的输出端处的高信号被输送给辅助开关元件，所述辅助开关元件转换用于控制变换器开关元件的控制信号，使得所述变换器开关元件被断开。
为了执行该方法，在比较器的正输入端处存在与电流测量信号成比例的电压，并且在比较器的负输入端处存在比较电压，此外，比较器的输出端与用于转换被输送给变换器开关元件的控制信号的辅助开关元件的控制接线端子相连接。
利用本发明的有利的实施形式实现：PWM控制器的内部延迟(大约200ns)被消除。因此，一旦附加布置的比较器翻转，变换器开关元件就断开，而不是只有当PWM控制器的内部比较器记录对电流限制的超过时才断开。通过借助于比较器的正输入端处的电阻和电容器的正反馈(Mitkopplung)保证：比较器在超过PWM控制器的延迟的时间间隔内保持稳定，并且不发生变换器开关元件的再次接通。
该方法的另一改进方案规定：在超过比较电压的情况下，存在于比较器的输出端处的低信号被输送给第一辅助开关元件，所述第一辅助开关元件转换用于控制变换器开关元件的控制信号，使得所述变换器开关元件被断开。此外，所述低信号被输送给第二辅助开关元件，借助于所述第二辅助开关元件把超过PWM控制器的内部电流限制值的辅助信号输送给PWM控制器，以用于确定变换器开关元件的断开时刻。
在一种用于执行所述经过改进的方法的开关变换器中，在比较器的负输入端处存在与电流测量信号成比例的电压，并且在比较器的正输入端处存在比较电压，并且比较器的输出端与用于转换被输送给变换器开关元件的控制信号的第一辅助开关元件的控制接线端子相连接。此外，比较器的输出端与用于将参考电压接到PWM控制器的电流测量输入端上的第二辅助开关元件的控制接线端子相连接。
通过交换比较器输入端避免：借助于正输入端处的电阻和电容器的用于稳定比较器状态的正反馈影响电流测量。比较器在达到比较电压的情况下从高态翻转到低态，其中通过第一辅助开关元件转换变换器开关元件的控制电压。借助于第二辅助开关元件，辅助信号被接到PWM控制器的电流测量输入端，其中所述辅助信号超过PWM控制器的内部电流限制的容差上限。
有利地，所述辅助信号得自由PWM控制器所提供的参考电压，其中例如借助于分压器来设置超过PWM控制器的内部齐纳二极管的击穿电压的容差上限的值。
此外有利的是，比较电压借助于分压器得自由PWM控制器所提供的参考电压。
附图说明
下面以示例性的方式参考附图来阐述本发明。
图1以示意图示出了根据现有技术的具有反激变换器拓扑的开关变换器；
图2以示意图示出了本发明的具有反激变换器拓扑的简单实施形式；
图3以示意图示出了本发明的具有反激变换器拓扑和减小的关断延迟的实施形式；
图4以示意图示出了本发明的具有反激变换器拓扑、减小的关断延迟以及不受影响的电流测量的实施形式。
具体实施方式
图1中所示的反激变换器以公知的方式包括具有初级绕组W1和反向缠绕的次级绕组W2的变压器。在初级侧，被构造为绝缘层场效应晶体管(MOS-FET)的变换器开关元件S1将由交流电压形成的中间电路电压接到初级绕组W1上。
变换器开关S1的栅极接线端子G与PWM控制器1(例如尤尼特德Uc3842)的开关信号输出端OUT相连接。通过COMP接线端子给PWM控制器1输送有被布置在次级侧的电压调节器4的借助于光电耦合器3所传输的输出信号Reg。所述电压调节器4借助于可校准的齐纳二极管(例如REF 2.5V)由经过整流和平滑处理的输出电压Ua形成用于电流模式调节的额定信号。
在PWM控制器1中，所传输的输出信号Reg与存在于电流测量输入端I-SENSE上的电流测量信号相比较。在此，所述电流测量信号借助于分流电阻R4而被形成，所述分流电阻R4被布置在变换器开关元件S1的源极接线端子S与参考电势MP之间。在所述分流电阻R4上降落的电压通过第一电阻R1被接到电流测量输入端I-SENSE上。如果增加的电流测量信号达到预定的额定值，则变换器开关元件S1被关断。
如果电流测量信号由于电压调节器4的高的功率预给定值而超过在PWM控制器1中借助于内部齐纳二极管所确定的电流限制，则在所述电流限制值处就已经关断，其中出现由电流限制容差造成的并且在本说明书开头处被探讨的问题。
在图2中示出了根据本发明的用于避免所述问题的解决方案的实施形式。在此，图1中所示的反激变换器的结构被补充了附加的比较器2。给比较器2的负输入端加载有比较电压(例如0.8V)。所述比较电压借助于由两个电阻R2、R3构成的分压器而得自由在PWM控制器1的参考电压输出端VREF处所提供的参考电压。在比较器2的正接线端子处存在可以在变换器开关元件S1的源极接线端子S处截取到的电流测量信号(即在分流电阻R4上降落的电压)。
如果电流测量信号超过比较电压的值，则比较器2的输出信号从低切换到高。在此，通过二极管被输送给PWM控制器1的电流测量输入端I-SENSE的输出信号的高值超过PWM控制器1的内部电压限制的容差上限。PWM控制器1由此关断变换器开关元件S1。应当注意，比较电压必须小于确定PWM控制器的内部电流限制值的内部齐纳二极管的击穿电压的容差下限(例如0.8V＜0.9-1.1V)。因此，有效电流限制值借助于预定的比较电压而被确定。
此外，变换器开关元件S1的源极接线端子S也通过第一电阻R1与PWM控制器的电流测量输入端I-SENSE相连接，使得：在电压调节器4的额定电流预给定低于通过比较电压预定的有效电流限制值的情况下，电流模式调节在不受附加的比较器2影响的情况下工作。
本发明的图3中所示的另一实施形式规定布置辅助开关元件S2，所述辅助开关元件S2借助于比较器2被控制。在此，根据本发明的前述实施形式在比较器2的负输入端处预定比较电压。正输入端通过第五电阻R5与变换器开关元件S1的源极接线端子S相连接。
如果存在于分流电阻R4处的电压超过比较电压，则比较器2从低翻转到高。如前面那样，高值超过PWM控制器1的内部电流限制的容差上限的比较器2的输出信号通过二极管D1被引导到PWM控制器1的电流测量输入端I-SENSE处。与之并行地，比较器2的输出端与辅助开关元件的栅极接线端子相连接。辅助开关元件由于从低到高的信号切换而接通。在此，辅助开关元件S2的源极接线端子与PWM控制器1的开关信号输出端OUT和变换器开关元件S1的栅极接线端子G之间的连接点相连接，并且辅助开关元件S2的漏极接线端子被接到参考电势MP上。此外，在该连接点与开关信号输出端OUT之间布置有电阻R0。
因此，辅助开关元件S2的接通引起开关信号在变换器开关元件S1的栅极接线端子G处降落并且变换器开关元件S1被关断。因此，利用所述装置，PWM控制器的内部响应延迟(大约200ns)被消除。然而，在此必须保证辅助开关元件S2直至PWM控制器1由于在电流测量输入端I-SENSE处超过内部电流限制而关断开关信号输出端OUT处的开关信号都保持接通，即在所提及的响应延迟期间一直保持接通。
这通过在比较器2的输出端与正输入端之间布置电容器C3来实现。通过借助于电容器C3和第五电阻实现的正反馈，保证比较器2在超过PWM控制器1的响应延迟的持续时间(例如300ns)内保持稳定，并且不发生变换器开关元件S1的再次接通。
然而，所述正反馈减弱分流电阻R4处的电压升高。为了避免这一点，如在图4中所示出的那样设置有一种具有被互换的比较器输入端的装置。因此，比较电压存在于比较器2的正输入端处，负输入端直接与变换器开关元件S1的源极接线端子S相连接。在比较器的正输入端之间再次设置有借助于电容器C1和第五电阻R5进行的正反馈，用于稳定比较器输出信号。
如果分流电阻R4上的电压降达到比较电压，则比较器2从高翻转到低。在此，比较器2的输出端被接到构造为PNP晶体管的第一辅助开关元件S3的基极接线端子。从高到低的信号切换引起第一辅助开关元件S3的接通，由此变换器开关元件S1的栅极接线端子G处的开关信号再次被拉到参考电势MP；变换器开关元件S1被关断。
与之并行地，比较器2的输出端与被构造为MOSFET的第二辅助开关元件S4的栅极接线端子相连接。所述辅助开关元件S4的源极接线端子与参考电压相连接，并且漏极接线端子与PWM控制器1的电流测量输入端I-SENSE相连接。在源极接线端子与栅极接线端子之间布置有第六电阻R6。一旦比较器2的输出从高切换到低，则第二辅助开关元件S4的控制电压在所述第六电阻R6处下降。通过以这种方式被接通的第二辅助开关元件S4，给PWM控制器1的电流测量输入端I-SENSE加载有超过内部电流限制的容差上限并且因此导致开关信号输出端OUT处的关断的电压。
不言而喻的是，可以以相同的方式针对具有电流模式调节的所有其它变换器类型实施针对反激变换器所描述的借助于附加的比较器的电流限制。

Claims (10)

1.一种用于根据所谓的电流模式调节来运行开关变换器的方法，其中给PWM控制器(1)输送用于确定变换器开关元件(S1)的断开时刻的电流测量信号，其特征在于，借助于比较器(2)将与所述电流测量信号成比例的电压同比较电压相比较，并且在超过所述比较电压的情况下断开所述变换器开关元件(S1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在超过所述比较电压的情况下，存在于比较器(2)的输出端处的超过PWM控制器(1)的电流限制值的信号被输送给PWM控制器(1)，以用于确定所述变换器开关元件(S1)的断开时刻。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在超过所述比较电压的情况下，存在于比较器(2)的输出端处的高信号被输送给辅助开关元件(S2)，所述辅助开关元件(S2)转换用于控制所述变换器开关元件(S1)的控制信号，使得所述变换器开关元件(S1)被断开。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在超过所述比较电压的情况下，存在于比较器(2)的输出端处的低信号被输送给第一辅助开关元件(S3)，所述第一辅助开关元件(S3)转换用于控制所述变换器开关元件(S1)的控制信号，使得所述变换器开关元件(S1)被断开，并且所述低信号此外被输送给第二辅助开关元件(S4)，借助于所述第二辅助开关元件(S4)把超过PWM控制器(1)的电流限制值的辅助信号输送给PWM控制器(1)，以用于确定所述变换器开关元件(S1)的断开时刻。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述辅助信号得自由PWM控制器(1)所提供的参考电压。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述比较电压借助于分压器得自由PWM控制器(1)所提供的参考电压。
7.一种用于执行根据权利要求1至6之一所述的方法的开关变换器，所述开关变换器包括用于控制变换器开关元件(S1)的PWM控制器(1)，其中在PWM控制器(1)的电流测量输入端处存在用于确定所述变换器开关元件(S1)的关断时刻的电流测量信号，其特征在于，布置有比较器(2)，所述比较器(2)的第一输入端同上面施加与所述电流测量信号成比例的电压的测量点相连接，所述比较器(2)的第二输入端与比较电压源相连接，并且在所述比较器(2)的输出端处存在用于关断所述变换器开关元件(S1)的输出信号。
8.根据权利要求7所述的开关变换器，其特征在于，所述比较器(2)的输出端通过二极管(D1)与PWM控制器(1)的电流测量输入端(I-SENSE)相连接。
9.根据权利要求7所述的开关变换器，其特征在于，在所述比较器(2)的正输入端处存在与所述电流测量信号成比例的电压，并且在所述比较器(2)的负输入端处存在所述比较电压，并且所述比较器(2)的输出端与用于转换被输送给所述变换器开关元件(S1)的控制信号的辅助开关元件(S2)的控制接线端子相连接。
10.根据权利要求7所述的开关变换器，其特征在于，在所述比较器(2)的负输入端处存在与所述电流测量信号成比例的电压，并且在所述比较器(2)的正输入端处存在所述比较电压，并且所述比较器的输出端与用于转换被输送给所述变换器开关元件(S1)的控制信号的第一辅助开关元件(S3)的控制接线端子相连接，并且此外，所述比较器(2)的输出端与用于把参考电压接到PWM控制器(1)的电流测量输入端(I-SENSE)上的第二辅助开关元件(S4)的控制接线端子相连接。
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