CN101997435A - 具有在次级侧上的主控制器和在初级侧上的从控制器的隔离式ac-dc转换器 - Google Patents

具有在次级侧上的主控制器和在初级侧上的从控制器的隔离式ac-dc转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有在次级侧上的主控制器和在初级侧上的从控制器的隔离式AC-DC转换器。公开了一种隔离式交流(AC)-直流(DC)转换器。该隔离式交流(AC)-直流(DC)转换器包括从控制电路，该从控制电路包括从驱动器模块，该从驱动器模块配置用于接收命令并且基于该命令控制该从控制电路到变压器的主侧电感器的耦合；主控制电路，该主控制电路与该变压器的次级侧电感器相耦合，该主控制电路包括主控制模块，该主控制模块配置用于在负载两端感测反馈电压，并基于该反馈电压和参考电压生成命令；以及耦合器，该耦合器被配置用于将该命令从主控制模块发送到从驱动器模块，并且提供主控制模块和从驱动器模块之间的隔离。

Description

具有在次级侧上的主控制器和在初级侧上的从控制器的隔离式AC-DC转换器
相关申请的交叉引用 
本申请要求于2009年8月14日递交的第61/234,187号美国临时申请和2009年8月19日递交的第61/235,121号美国临时申请的优先权。以上申请的公开通过引用被全部结合于此。 
技术领域
本公开涉及用于隔离式AC-DC转换器的控制系统和方法。 
背景技术
本文所提供的背景描述是为了一般介绍本公开的背景的目的。当前列举的发明人的工作(在该工作在本背景部分中被描述的意义上)以及可能在递交时不以另外方式取得现有技术的资格的该描述的方面既不明确也不隐含地被承认作为相对于当前的公开的现有技术。 
诸如隔离式AC-DC转换器之类的电源的主要功能是将来自AC信号源的AC信号转换为DC信号。DC信号可用于为负载供电。隔离式AC-DC转换器的另一个功能是提供AC信号源和负载之间的隔离以防止电击。隔离式AC-DC转换器还可被设计为防止由于高的操作温度、短路和其他故障导致的对AC-DC转换器和负载的损坏。 
隔离式AC-DC转换器的控制系统一般包括变压器以提供AC信号源和负载之间的隔离。主控制电路位于变压器的初级侧上。变压器的初级侧也直接地连接到AC信号源。主控制电路提供电压控制环和电流控制环。主控制电路还可提供保护功能，例如对温度、电压和电流限制的监控。 
辅助控制电路位于变压器的次级侧上。次级侧直接连接到负载。电压控制环调节AC-DC转换器的操作，使得反馈电压Vfb跟随(follows)参考电压Vref。电流控制环调节AC-DC转换器的操作，使得反馈电流Ifb跟随参考电流Iref。电流反馈环还可部分地基于反馈电压Vfb。 
反馈电压Vfb在AC-DC转换器的次级侧上被感测。反馈电压Vfb通过提供隔离的耦合器从次级侧被反馈到初级侧。耦合器可以是光学耦合器或磁耦合器。 
现参考图1，示例性AC-DC转换器10包括初级侧12和次级侧14。初级侧12包括AC信号源16和整流器18。例如，整流器18可以是包括如所示布置的二极管D1-D4的全波整流器。整流器18的输出连接到具有NP匝初级侧电感器30和NS匝次级侧电感器32的变压器28。 
隔离式AC-DC转换器10被配置在反激转换器拓扑中。变压器28连接到布置在次级侧电感器32的一端和输出电容器36之间的二极管34。输出电容器36连接在负载40两端。 
控制电路50位于并直接连接到初级侧12且包括晶体管54和控制模块56。晶体管54具有连接到初级侧电感器30的一端的第一端子。晶体管54选择性地将初级侧传感器30连接到参考电势例如地。初级侧12的匝数(或NP)相对于次级侧14的匝数(或NS)基于输出电压对输入电压范围的比来确定。 
控制模块56接收在次级侧14上感测到并通过耦合器60输出到控制模块56的反馈电压Vfb。耦合器60一般包括光学耦合器或磁耦合器。 
次级侧14可包括分压器，分压器包括第一电阻R1和第二电阻R2。反馈电压Vfb可在电阻R1和R2之间的节点上产生且可通过耦合器60反馈到控制模块56。反馈电流Ifb可由控制模块56在节点A感测，该节点A连接到电阻器RS和晶体管54的端子。控制模块56(通过晶体管54的控制端子)控制晶体管54的切换以调节供应到负载40的电流和电压。 
当晶体管54接通时，变压器28中的磁通量增加。次级侧电感器32两端的电压一般为负且因此二极管34反向偏置。存储在电容器36中的能 量流向负载40。当晶体管54关断时，二极管34正向偏置且能量从变压器28流向负载40和电容器36。 
一些应用可能需要由负载40执行的另外的监控和控制。在这些情况下，负载40可能需要发送和接收另外的控制参数以及从控制模块56接收所感测的参数。为了向图1的实施方式中的负载40提供另外的信息，对于需要从控制模块56被提供到负载40的每个另外的信号都需要另外的隔离部件。隔离这些信号所需要的另外的部件趋向于明显增加电子设备的总尺寸和成本。 
发明内容
隔离式交流(AC)-直流(DC)转换器包括从控制电路，该从控制电路包括从驱动器模块，该从驱动器模块配置用于接收命令并且基于该命令控制该从控制电路到变压器的主侧电感器的耦合；主控制电路，该主控制电路与该变压器的次级侧电感器相耦合，该主控制电路包括主控制模块，该主控制模块配置用于在负载两端感测反馈电压，并基于该反馈电压和参考电压生成命令；以及耦合器，该耦合器被配置用于将该命令从主控制模块发送到从驱动器模块，并且提供主控制模块和从驱动器模块之间的隔离。 
在其他特征中，隔离式AC-DC转换器被配置在反激转换器拓扑中。在该拓扑中，隔离式AC-DC转换器还包括连接在次级电感器的一端和负载之间的二极管，以及具有连接在该二极管和负载之间的一端和连接到次级电感器的另一端的相反一端的电容器。 
在其他特征中，从控制电路还包括配置为连接在AC信号源和整流器之间以及在整流器和变压器之间之一的第三晶体管。启动控制模块设置为控制第三晶体管的切换以选择性地在启动过程中提供供电电压。 
在其他特征中，隔离式AC-DC转换器还包括布置在次级电感器和电容器之间的开关。该开关由主控制电路控制。主控制模块被配置用于监控反馈电流并基于反馈电流和参考电流来控制该开关。主控制模块包括保护 电路，该保护电路监控隔离式AC-DC转换器的温度、过电压情况、过电流情况，以及短路情况中的至少一个。 
在其他特征中，隔离式AC-DC转换器被配置在正向转换器拓扑中。在该拓扑中，隔离式AC-DC转换器还包括，具有与次级侧电感器相连接的第一端子的第一开关、具有与该第一开关的第二端子相连接的第一端子的第二开关、具有与第一开关的第二端子相连接的第一端子和与负载相连接的第二端子的电感器，以及具有连接在电感器和负载之间的电容器。可替换地，隔离式AC-DC转换器还包括，具有与次级侧电感器相连接的第一端子的第一开关、具有与第一开关的第二端子相连接的第一端子的第二开关、具有与第二开关的第二端子相连接的第一端子和与负载相连接的第二端子的电感器，以及具有连接在电感器和负载之间的第一端子的电容器。 
从详细的描述、权利要求和附图中，本公开的适用性的另外领域将变得明显。详细的描述和具体的例子意图是仅用于说明的目的，且不是用来限制本公开的范围。 
附图说明
从详细的描述和附图中，将更加充分地理解本公开，其中： 
图1是依照现有技术的隔离式AC-DC转换器的功能结构图； 
图2A是依照本公开的具有反激转换器拓扑的示例性隔离式AC-DC转换器的功能结构图； 
图2B是依照本公开的具有反激转换器拓扑的另一示例性隔离式AC-DC转换器的功能结构图； 
图3是依照本公开的示例性主控制模块的功能结构图； 
图4A示出了依照本公开的正向转换器拓扑； 
图4B示出了依照本公开的另一正向转换器拓扑； 
图4C示出了依照本公开的又一正向转换器拓扑； 
图5示出了依照本公开的用于操作隔离式AC-DC转换器的方法；以及 
图6示出了依照本公开的电源集成电路。 
具体实施方式
以下的描述本质上仅是示例性的且并不是用来限制本公开、其应用或使用。为了清楚的目的，相同的参考数字将在附图中用于标识类似的元件。如此处所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应被解释为意指使用非排他性逻辑OR的逻辑(A或B或C)。应理解，方法中的步骤可按不同的顺序执行而不改变本公开的原理。 
如此处所使用的，术语“模块”可指、为其中的部分或包括：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组)和/或存储器(共享、专用或组)、组合逻辑电路、和/或提供所描述的功能的其他适当的部件。 
依照本公开的隔离式AC-DC转换器使用位于并直接连接到变压器的次级侧(而不是图1中的初级侧)的主控制电路操作。主控制电路包括电压控制环和电流控制环。从控制电路位于并直接连接到初级侧并如以下将进一步描述的执行启动、驱动和/或保护功能。 
使主控制电路位于次级侧上有若干优势。使用这个方法允许主控制电路和负载之间的通信，而不需要隔离主控制电路和负载之间的耦合器。作为结果，这个方法倾向于对与负载更紧密集成、由负载控制和/或与负载通信的下一代电源更加成本有效。 
现参考图2A，示例性系统100包括隔离式AC-DC转换器102和负载104。隔离式AC-DC转换器102具有初级侧112和次级侧114。初级侧112包括AC信号源116和整流器118。例如，整流器118可以是全波整流器或半波整流器。 
隔离式AC-DC转换器102可具有如图2A和图2B中示出的反激转换器拓扑124-1和124-2，图4A和图4B中示出的正向拓扑124-3和124-4 或任何其他适当的隔离式AC-DC转换器拓扑。在图2A中，整流器118的输出与具有初级侧电感器130-1和次级侧电感器132-1的变压器128-1通信。输出电容器Cout连接在负载104两端。 
负载104可以是需要DC供电的电子设备，例如消费类电子设备、笔记本、机顶盒、蜂窝电话或任何其他适当的电子设备。在一些实现方式中，负载104通过经由作为非隔离连接的一个或多个直接连接133交换命令、状态信息和/或被感测的参数来与隔离式AC-DC转换器102通过接口连接。也就是说，因为主控制模块布置在次级侧114上，直接连接不需要耦合器来提供隔离。 
主控制电路150位于且直接连接到次级侧114且包括晶体管Q3和主控制模块154。从控制电路158位于且直接连接到初级侧112。从控制电路158由主控制电路150控制且通过耦合器160接收来自主控制模块154的用于驱动晶体管Q2的驱动器命令。仅作为例子，耦合器160可包括光学耦合器或磁耦合器。 
从控制电路158包括第一晶体管Q1和启动控制模块170。启动控制模块170选择性地在启动期间通过晶体管Q1的控制端子将供电电压VDD连接到节点A。节点A位于整流器118和变压器128-1之间。可替换地，启动控制模块170可将供电电压VDD连接到节点B。节点B位于AC源116和整流器118之间。 
从控制电路158还包括包含第二晶体管Q2的从驱动器模块174。从驱动器模块174基于来自主控制模块154的命令驱动晶体管Q2的控制端子。第二晶体管Q2具有连接到变压器128-1的初级侧电感器130-1的一端的第一端子。晶体管Q2的第二端子连接到参考电势例如地。 
在电流环178中流动的反馈电流Ifb可被主控制模块154感测。反馈电压Vfb可在节点C被感测。主控制模块154(经由晶体管Q2的控制端子)将命令发送到从驱动器模块174，以控制晶体管Q2的切换来调节供应到负载40的电流和电压。 
隔离式AC-DC转换器102设置为以连续传导模式和/或不连续传导模 式操作。晶体管Q1、Q2和Q3可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。晶体管Q1、Q2和Q3可以是能承受超过100V DC的超高压(UHV)晶体管。晶体管Q1、Q2和Q3中的一个或多个可包括体二极管。晶体管Q1、Q2和Q3本质上执行切换/耦合功能。基于本公开和此处提供的教导，应该理解，可使用其他电子组件来影响由晶体管Q1、Q2和Q3执行的切换/耦合功能。 
在图2B，示出了另一个反激转换器拓扑124-2。变压器128-1与二极管D5134相连接，该二极管被布置于次级侧电感器132-1的一端与输出电容器Cout的一端之间。在该拓扑中，次级侧电感器132-1的另一侧直接与输出电容器Cout的另一端相耦合；换言之，晶体管Q3未被使用。基于本公开和此处提供的教导，应该理解，其他电子组件可被用于执行切换功能。 
现参考图3，示例性主控制模块154被示出。主控制模块154除以上描述的电压和电流控制环外，还执行各种监控和控制功能。主控制模块154包括感测流经晶体管Q3的反馈电流Ifb的电流感测模块180。 
温度感测模块182感测电源的温度。温度感测模块182可使用任何适当的方法实现。仅作为示例，温度感测模块182可包括产生与电源的温度相关的电压或电流信号的传感器。电压或电流信号可转换为温度值。可替换地，电压或电流信号可被输入到比较器，该比较器将信号与预先确定的温度或参考信号相比较。当信号超过参考信号时，可宣布有高温事件。 
故障检测模块184感测各种情况，例如短路情况、过电压情况和/或过电流情况。电压控制模块186基于反馈电压Vfb和参考电压Vref产生并输出对从驱动器模块174的命令。电流控制模块188基于反馈电流Ifb、参考电流Iref和/或反馈电压Vfb产生对于晶体管Q3的控制端子的控制信号。 
一个或多个负载通信接口190向负载104发送和/或接收来自负载104的数据。仅作为示例，一个或多个负载通信接口190可接收来自负载104的命令以关闭和/或减小功率。仅作为示例，一个或多个负载通信接口190可将被感测的参数例如反馈电压Vfb、反馈电流Ifb、温度、过电压情况、短路情况、参考电压Vref、参考电流Iref和/或任何其他被感测的参数发送到负载104。 
现参考图4A，隔离式AC-DC转换器102可用任何其他适当的隔离式AC/DC转换器拓扑实现。仅作为示例，正向转换器拓扑124-3在图4A中示出。正向转换器拓扑124-3包括分别具有初级和次级电感器130-2和132-2的变压器128-2。正向转换器拓扑124-3还包括图4A中示出的二极管D6和D7、电感器L和电容器C。二极管D6和D7被用作开关并且与晶体管Q2协同工作以从变压器128-2生成功率并提供给负载104。当晶体管Q2接通时，电流流经初级电感器130-2，其将导致电流流入由二极管D6、电感器L、负载和电感器132-2的次级侧所定义的环路中。当晶体管Q2关断时，电流将不流经初级电感器130-2和次级电感器132-2，但是，电流仍将流经由二极管D7、电感器L和电容器C所定义的环路。 
图4B示出了另一个正向转换器拓扑124-4。在该拓扑中，开关SW1和SW3替代二极管D6和D7被使用(如图4A所示)。但是，开关SW1和SW3执行类似于二极管D6和D7的功能。例如，开关SW1和SW3可包括MOSFET晶体管。因为开关SW1未与地电势耦合，所以开关SW1被实现为高电压设备；在另一方面，开关SW3可被实现为低电压设备。与二极管D6和D7不同的是，开关SW1和SW3与主控制模块154耦合且被其控制。 
图4C还示出了另一正向转换器拓扑124-5。在此拓扑中，开关SW2被布置在变压器128-2中的电感器132-2的次级侧和电容器C的一端之间。例如，开关SW2可包括MOSFET晶体管。因为开关SW2和SW3均与地电势相耦合，所以，开关SW2和SW3可被实现为低电压设备。类似地，开关SW2和SW3与主控制模块154相耦合且被其控制。 
现参考图5，依照本公开的图2A示出的用于操作隔离式AC-DC转换器的方法被示出。在200，电源使用启动控制模块170开始。更具体地，启动控制模块170供应VDD以使从驱动器模块174能够启动。 
在204在启动之后，主控制模块154监控次级侧114上的反馈电压Vfb和反馈电流Ifb。在206，主控制模块154基于反馈电压Vfb和/或反馈电流Ifb产生对于从驱动器模块174的命令。启动控制模块170在启动之后停止供应VDD。 
在208，主控制模块154经由耦合器160将命令从次级侧114发送到 初级侧112。在212，主控制模块154控制晶体管Q3。在212，主控制模块154控制晶体管Q3。如可认识到的，晶体管Q3可以被操作来提供连续模式和不连续模式。在连续模式中，电流在一周期期间波动但不达到零。在不连续模式中，电流在一周期期间波动并在该周期结束时或之前达到零。 
在214，从驱动器模块174基于命令控制初级侧晶体管Q2。在216，操作参数可由主控制模块154直接发送到负载104。另外，命令可由主控制模块154直接从负载104接收。 
电源的初级侧和次级侧可使用分立电路和/或一个或多个集成电路(IC)实现。例如且现参考图6，初级侧112和次级侧114可由单个ID实现。在这个实现方式中，耦合器是在芯片上实现的电感耦合器。 
本公开的概括性教导能以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定的例子，本公开的真实范围不应被如此限制，因为当研究附图、说明书和所附的权利要求时，其他的修改将变得明显。 

Claims (20)

1.一种隔离式交流(AC)-直流(DC)转换器，包括：
从控制电路，其包括：
从驱动器模块，其配置为接收命令以及基于所述命令控制所述从控制电路到变压器的初级侧电感器的耦合；
主控制电路，其与所述变压器的次级侧电感器相耦合，所述主控制电路包括主控制模块，该主控制模块配置为感测在负载两端的反馈电压并基于所述反馈电压和参考电压产生所述命令；以及
耦合器，其配置为将所述命令从所述主控制模块发送到所述从驱动器模块并提供所述主控制模块和所述从驱动器模块之间的隔离。
2.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述隔离式AC-DC转换器被配置在反激转换器拓扑中。
3.如权利要求2所述的隔离式AC-DC转换器，还包括：
二极管，其连接在所述次级侧电感器和所述负载之间；以及
电容器，其具有连接在所述二极管和所述负载之间的一端和连接到所述次级侧电感器的相对的一端。
4.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述主控制模块配置为经由到所述负载的非隔离连接将被感测的参数中的至少一个和所述命令发送到所述负载。
5.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述从控制电路还包括：
晶体管，其配置为连接在AC信号源和整流器之间和在所述整流器和所述变压器之间之一；以及
启动控制模块，其配置为控制所述晶体管的切换以选择性地在启动过程中提供供电电压。
6.如权利要求2所述的隔离式AC-DC转换器，还包括：
布置在所述次级侧电感器和电容器之间的开关；
其中，所述开关由所述主控制电路控制。
7.如权利要求6所述的隔离式AC-DC转换器，其中，所述开关是高电压晶体管。
8.如权利要求6所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述主控制模块被配置用以监测反馈电流并基于所述反馈电流和参考电流来控制所述开关。
9.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述主控制模块包括保护电路，所述保护电路监控所述隔离式AC-DC转换器的温度、过电压情况、过电流情况和短路情况中的至少一个。
10.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述从控制电路、所述主控制电路和所述耦合器被实现在单个集成电路上。
11.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述耦合器从包括光学耦合器和磁耦合器的组中选择。
12.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述主控制模块配置为经由到所述负载的非隔离连接接收来自所述负载的被感测的参数和控制命令中的至少一个。
13.如权利要求1所述的隔离式AC-DC转换器，其中所述隔离式AC-DC转换器被配置在正向转换器拓扑中。
14.如权利要求13所述的隔离式AC-DC转换器，还包括：
第一开关，该第一开关具有与所述次级侧电感器相连接的第一端子；
第二开关，该第二开关具有与所述第一开关的第二端子相连接的第一端子；
电感器，该电感器具有与所述第一开关的所述第二端子相连接的第一端子和与所述负载相连接的第二端子；以及
电容器，该电容器具有在所述电感器和所述负载间连接的第一端子。
15.如权利要求14所述的隔离式AC-DC转换器，其中，所述第一开关包括第一二极管并且所述第二开关包括第二二极管。
16.如权利要求14所述的隔离式AC-DC转换器，其中，所述第一开关包括第一晶体管并且所述第二开关包括第二晶体管。
17.如权利要求16所述的隔离式AC-DC转换器，其中，所述第一和第二晶体管由所述主控制模块控制。
18.如权利要求16所述的隔离式AC-DC转换器，其中，所述第一晶体管是高电压晶体管，而所述第二晶体管是低电压晶体管。
19.如权利要求13所述的隔离式AC-DC转换器，还包括：
第一开关，该第一开关具有与所述次级侧电感器相连接的第一端子；
第二开关，该第二开关具有与所述第一开关的第二端子相连接的第一端子；
电感器，该电感器具有与所述第二开关的所述第二端子相连接的第一端子和与所述负载相连接的第二端子；以及
电容器，该电容器具有在所述电感器和所述负载间连接的第一端子。
20.如权利要求19所述的隔离式AC-DC转换器，其中，所述第一开关和所述第二开关是由所述主控制模块控制的低电压晶体管。
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