CN102064679A - 开关电源smps控制器,smps和控制smps的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了开关电源SMPS控制器，SMPS和控制SMPS的方法，具体公开了具有基于光耦合器的从次级侧到初级侧的反馈的开关电源的控制器，其中，光耦合器电流随在电压控制范围上的输出电压反向变化。当在低能量待机模式下时，转换器因此能够消耗比传统的转换器更少的功率。还公开了与这样的控制器组合的低电压启动和过压保护装置，以及相应的方法。

Description

开关电源SMPS控制器,SMPS和控制SMPS的方法 

技术领域

本发明涉及开关电源(SMPS)、控制器和控制SMPS的方法。 

背景技术

开关电源转换器，特别地并不限于AC-DC转换器，典型的利用从次级侧到初级侧的反馈以控制转换器的能量。然而对很多应用来说，在两侧之间需要电隔离，典型地为了保护次级侧的用户不被初级侧的相对高电压(例如干线电压)伤害。对于这样的应用来说，光耦合器(optocoupler)是一种提供穿过隔离的反馈的适宜的装置，因为反馈信息从电学域传递到光学域，再传递回来。 

在已知的反馈系统中，光耦合器被用来传递表示实际输出电压(Vout)和所需要的输出电压(Voutref)之间的差异的误差信号(Vout-Voutref)。在光耦合器的输出侧(即转换器的初级侧)的反馈电流典型地随误差信号线性增加，如图1中示意性示出，其中图1描述了来自光耦合器的输出电流(Iopto)10与转换器输出电压(Voutout)之间关系的曲线图。反馈电流Iopto典型地与驱动光耦合器的输入电流(Ioptin)(也就是在光耦合器的次级侧)直接相关——例如，反馈电流Iopto可以与输入电流(Ioptin)成正比，增益因子为g。在一些实现中，对于低于或等于Voutref的转换器电压，反馈电流为零，同时对于高于Voutref的转换器电压，反馈电流随误差信号(Vout-Voutref)线性增加。进一步，误差环路可以包括频率依赖元件以实现积分和/或微分操作。 

在低功率或无负载条件下，光耦合器反馈误差信号所需要的电流可能较高。特别地，为了在低负载时提高转换器效率，迫切需要在反馈机制中降低能耗。 

发明内容

根据本发明的第一方面，提供配置为控制开关电源转换器的控制器，所述开关电源转换器具有初级侧、与初级侧隔离的并且提供输出电压的次级侧、和位于二者之间提供从次级侧到初级侧的反馈信息，并且在使用中从次级侧引出反馈电流的光耦合器，其中反馈信息依赖于输出电压，并且控制器配置为使反馈电流随介于门限电压和至少上限之间的输出电压增加而单调降低。当然，更适宜的是，单调降低函数在它的部分范围内可以很平坦，或是不变的。因此光耦合器在待机模式下比在传统的装置中可以消耗更少的能量。 

在实施例中，配置控制器从而使反馈电流随介于门限电压和参考电压(Voutref)之间的输出电压无变化，其中参考电压比门限电压高。在这些实施例中，反馈电流只位于介于门限电压和上限之间的输出电压范围的较高部分。在另外的实施例中，反馈电流位于输出电压范围的较低部分，但在该范围的较低部分中，反馈电流对于要求的最大输出功率而言仍然足够高。在一些实施例中，配置控制器从而使反馈电流或者与比参考电压(Voutref)高的输出电压成反比，或者随比参考电压(Voutref)高的输出电压增加而线性降低。 

在实施例中，控制器配置为接收来自初级侧的指示输出电压(Vout)的信号(Voutprim)，并且其中控制器进一步配置为当输出电压低于门限电压时用所述信号(Voutprim)取代来自光耦合器的反馈信息。 

在实施例中，控制器配置为在输出电压超过上限时提供过压反馈电流。 

在一些实施例中，控制器进一步包括计时器，所述计时器仅在超过预设时间之后触发过压反馈电流。 

在实施例中，控制器配置为在输出电压高于上限时提供最小反馈电流。在实施例中，控制器配置为，在来自光耦合器的反馈信息低于预设的比最低反馈电流低的门限电流的情况下，忽略来自光耦合器的反馈信息。 

根据本发明的另外一个方面，提供开关电源转换器，所述开关电 源转换器包括上述提及的控制器。 

根据本发明的另外一个方面，提供控制开关电源转换器的方法，所述开关电源转换器具有初级侧、与初级侧隔离的并且提供输出电压的次级侧、和位于二者之间提供反馈信息，并且在使用中从次级侧引出反馈电流的光耦合器，所述方法包括提供从次级侧到初级侧的依赖于输出电压的反馈信息，和生成反馈电流从而使它随介于门限电压和至少上限之间的输出电压增加而单调降低。 

在实施例中，反馈电流随介于门限电压和参考电压(Voutref)之间的输出电压无变化。因此，反馈电流可以部分具有平坦的外形，其不随输出电压改变而改变。 

在实施例中，反馈电流或者与比参考电压(Voutref)高的输出电压成反比变化，或者随比参考电压(Voutref)高的输出电压增加而线性降低。 

在本发明的实施例中，方法进一步包括测量初级侧上指示输出电压(Vout)的信号(Voutprim)，和在输出电压低于门限电压的情况下用所述信号取代来自光耦合器的反馈信息。在实施例中，控制器在输出电压超过上限时提供过压反馈电流。在实施例中，过压反馈电流只在输出电压超过上限一个预设的时间段时被触发。 

在实施例中，反馈电流在输出电压超过上限时被设置为最小值(10f)。在实施例中，在来自光耦合器的反馈信息低于比最小电流值(10f)还低的预设的门限值的情况下，控制器忽略来自光耦合器的反馈信息。 

根据本发明的另一个方面，提供计算机程序，所述程序当在计算机上运行时，促成计算机配置如上面描述的控制器，或实施如上面描述的方法。 

本发明的这些或其它方面是显而易见的，并参考下面描述的实施例进行阐述。 

附图说明

本发明的实施例将通过示例并参考附图进行描述，其中： 

图1图示了根据已知转换器，光耦合器电流与输出电压之间的关系的曲线图； 

图2图示了根据本发明的实施例，光耦合器电流与输出电压之间的关系的曲线图； 

图3图示了根据本发明的实施例，光耦合器电流与输出电压(包括无效的低电压)之间的关系的曲线图； 

图4图示了根据本发明的实施例的控制器的方框图； 

图5图示了根据本发明的另一个实施例，光耦合器电流与输出电压(包括无效的低电压和过压保护)之间的关系的曲线图； 

图6图示了根据图5的曲线图的可操作的控制器的方框图； 

图7图示了根据本发明的进一步的实施例，光耦合器电流与输出电压之间的关系的曲线图；和 

图8图示了根据图7的曲线图的可操作的控制器的方框图。 

应注意的是，附图均是概略的并且未按比例示出。出于清楚的目的和画图的便利，这些附图的部分的相关的尺寸和比例在尺寸上被放大或缩小示出。相同的参考符号在改进的和不同的实施例中通常用来指示相应的或相似的特征。 

具体实施方式

如图1所示，反馈电路的传统布置使得输出电压的较高值导致了光耦合器输出电流(下文中也称为反馈电流)的较高值；对于较低功率，控制器将高光电流评估为对较低功率的请求，并且控制转换器以降低输出功率。相反，控制器将低反馈电流评估为对较高功率的请求，因此转换器被调节以增加输出功率。选择该装置的一个重要的理由是确保可靠的启动：在低输出电压时，未向次级电路提供足够高的电源电压以驱动光耦合器，导致零反馈电流。由于零反馈电流是低电流，这将被控制器解释为请求较高的功率，从而功率被增加——促使可靠的启动。 

然而，在待机模式期间，当负载非常低时，这将导致不必要的功率消耗。对于如电源适配器的系统，待机模式可以存在相当长的时期。 在待机模式下，输出电压保持很高，虽然只有低功率被画出。由于在此操作期间维持输出电压，光耦合器持续引进高输入电流，其可能导致在次级侧的功率消耗典型的达到50到100mW。而且，因为这个功率必须由初级侧提供，由于任何转换器低于1的转换效率，进一步存在功率损失；因此，情况甚至更糟糕，并且在输入功率上光耦合器的消耗典型的为60到200mW。 

为了降低在无负载或待机情况下由于光耦合器造成的功率损失，需要“反转”光耦合器的操作，如图2象征性示出；然后，对于超过参考电压(Voutref)的输出电压增加，由光耦合器引出的电流降低。图2图示了根据本发明的实施例的光耦合器电流10与输出电压之间的关系的曲线图。对于高于参考电压Voutref的电压，电流10a随电压增加而降低。在图示的实施例中，降低随误差(Vout-Voutref)是线性的；然而，也可以使用其它关系如二次方或倒数。概括的说，如果导数d(Iopto)/d(Vout)是负数，任何关系都可以使用。而且，频率依赖元件，如电容器，也可以在反馈环路中使用，并且降低函数可以附加或者可选地确定为依赖于(Vout-Voutref)的时间积分和/或微分。 

对于低于参考电压的电压，电流10b是平坦的，或随电压无变化的，处于名义上第一最大电平。在实际中，对于低于参考电压的电压，电流不必平坦；只要电流足够高以要求SMPS在受调节的输出电压下提供最大的所需输出电流就可以了。 

因此根据本布置，包括光耦合器的反馈的增益是负的，而不是根据传统装置的正增益。那么从一个角度来说，可以考虑的是，反馈或者更准确的说反馈的增益，已经反转了极性。 

利用此布置，来自次级侧的要求更多功率的指令，也就是说Vout的低值，导致了升高的反馈电流。在待机模式下，输出电压Vout很高，其导致了低的光耦合器电流；这极大的降低了在待机模式下的功率消耗。 

然而，这种方法在启动期间和在过流情况下带来了极大的问题。过流情况指的是，在此情况下从转换器引出的电流比可以稳定地提供的最大电流高。所要求的电流的不能提供的部分将使电源的输出电容 放电，导致了输出电压的下降——这相当于在启动时输出电压低。在启动和过流情况下，如图2的左边部分所示，当输出电压(Vout)太低以至于不支持光耦合器的运行时，光耦合器的输入电流和光耦合器的输出(反馈)电流均低于名义第一最大电平。然而，控制器可以将这种情况(也就是说低反馈电流)作为电压过高的指示，并且因此需要更少的功率。结果是，输出电压不能提高，并且启动不能正确发生。 

对此问题的一个解决方法是将参考图2如上所描述的的反转极性增益与在初级侧进行的输出电压(Voutprim)的补充测量结合起来。当Voutprim指示较高的电压低于某个门限电平(V1)时，反转极性增益被忽略。这在图3中图示。附图(如图2)描述了反馈电流10与输出电压之间的关系的曲线图。在参考电压(Voutref)之上时，反馈电流随电压增加而回落。然而，对于超过门限电压(V1)的电压31，控制器只依赖反馈电流。对于低于门限的电压30，反馈环路被忽略。将门限电压设置得足够高，从而光耦合器能够在此电压处正确运行。低于门限值时，转换器操作完全由初级侧控制确定，并且例如可以根据固定值的控制参数来设置，如初级峰值电流、占空因子、工作时间或频率等对本领域的技术人员来说熟知的参数。在其它实施例中，把对控制参数的设置与时变因素结合在一起，例如，在某一时间间隔上缓慢增加，以提供软启动，或依赖Voutprim的上升速率(也就是说依赖dV/dT)的值，以获得在启动期间定义好的输出电压上升。 

用于利用此方法的SMPS装置在图4中的框图中描述。图4描述了电源转换器41，其在介于初级侧43和次级侧44之间的主隔离区42上操作。在次级侧，有次级侧控制模块45a，其接收作为输入的输出电压(Vout)。次级侧控制模块45a驱动光耦合器46的LED 46a。光耦合器46的光电二极管46p将此信息馈回电源转换器41。在初级侧有初级侧控制模块45b，其提供指示输出电压的测量值(Voutprim)，其测量方法对本领域的技术人员来说是显而易见的；例如，依靠初级侧辅助转换或绕组。指示输出电压的测量值(Voutprim)在比较器45d中与门限电压V1作比较，并且将结果提供给转换器以确定转换器的控制是依赖反馈电流还是指示输出电压的测量值(Voutprim)。 

图4中示出的装置的使用可能导致反常的、或潜在不安全的情况，其中输入测量电路确定Voutprim的故障，例如，由于在辅助绕组电路中的断路或短路连接而导致的故障。光耦合器可能被永久忽略，导致不受控制的输出电压。 

为了避免这种情况，在一个实施例中，在次级侧提供了过压保护，其提供附加信息给初级侧。此附加信息可以通过施加正常操作范围外的电流水平通过光耦合器来传送。因此，当输出电压超过了上限时，反转极性反馈和Voutprim测量均被光耦合器上反常的高电流忽略。可以在确定过压时施加的纠正操作可以包括逐周期的操作，其中当电平超过过压门限时转换器被禁用，但当电平回落到低于此门限时转换器又被激活；可选地可以运用闭锁(latch)，从而当电平超过门限时转换器被禁用并且强制安全重启。 

图5图示了根据此实施例的反馈电流与输出电压之间的关系的曲线图。图形与图3中图示的类似，然而在此例中，当输出电压超过上限51时，通过光耦合器的LED 46a驱动反常的高电流10d。因为此反常的高电流10d超过了过压保护门限值或上限52，控制器能够识别出故障发生了。如图所示，反常的高电流10d随着继续升高的输出电压而升高，然而，技术人员应意识到，此电流可能随着继续升高的输出电压而无变化，或甚至随着这样的电压升高而回落。进一步，如图所示，可以包括围绕上限51的滞后量10e，以防止在正常电压状态和过压保护状态之间弹跳。 

防止反常情况发生的另外一种方法可以是提供额外的计时信息，其检测是否反馈电流忽略花费了比预期的或要求的更长的时间，作为故障的指示。如果故障被指示，可以采取行动，例如禁用转换器或禁用Voutprim测量忽略机制。 

用于利用过压保护方法的装置在图6的框图中图示。此图基本上与图4相同，并且同样的数字用来标记同样的元件；然而，在这个例子中，次级侧控制模块45a包括过压保护控制元件45c。 

在另一个实施例中，通过利用最小电流门限(Ithreshold)解决了低输出电压不够驱动光耦合器这一潜在的问题。在此实施例中，将光 耦合器的输出电流的表示值与门限比较，以确定对于光耦合器输出的忽略条件。把初级侧的控制限定为与最小需要的输出功率相对应的电流比光耦合器的的输出电流的最小值大，因此确保了输出可以调节到最小输出功率。因为对于光耦合器输出的忽略条件是基于光耦合器电流，所以输出电压的附加(初级侧)感测是不必要的：在没有任何Voutprim测量电路的情况下，电路故障的反常状况被排除了。 

对于此实施例的反馈电流与输出电压之间的关系的曲线图在图7中图示，并且相应的框图在图8中图示。在图7中，类似于先前的实施例，反馈电流的10b和10a部分又形成了电压的单调减函数，其中10b部分是平坦的并且10a部分线性下降。然而，在此实施例中，10a部分随输出电压增加不会下降到零，但在正常Vout条件下被钳制从而不能降到低于如10f所示的最小值。该值比预先确定的电流门限电平(Ithreshold)高。在低电压时，典型地通过关闭来自误差放大器的输出电流，使电流在10c’处突降到零。因为这比门限电流低，控制能够确定转换器在低电压环境下运行。 

相对应的使用的框图在图8中图示。该装置与图4和6中图示的相似；然而，在此情况下，光耦合器的输出电流Iopto也用来提供到比较器81的输入。比较器81比较该电流(Iopto)与门限电流(Ithreshold)，并且当确定了光耦合器电流低于门限时，确定转换器处于低电压模式。 

出于完整性和避免混淆的目的，因此在这里强调，“单调下降”函数是不上升的函数；也就是说该函数可以下降或保持平坦(即既不下降也不上升)，或下降和保持平坦的组合。 

总之，从一个角度，公开了对于具有基于光耦合器的从次级侧到初级侧的反馈的开关电源的控制器，其中，光耦合器电流随在电压控制范围上的输出电压反向变化。当在低功率待机模式下时，转换器因此能够消耗比传统的转换器更少的功率。还公开了与这样的控制器组合的低电压启动和过压保护装置。还公开了相应的方法。 

从阅读本说明书，其它的变化和改进对于技术人员来说是显而易见的。这样的变化或改进也包括相同的和其它的特征，所述特征在电源转换器领域是熟知的，并且可以用来代替或者附加到这里已描述的 特征上。 

虽然所附权利要求针对这些特征的特别的组合，应理解，本发明的公开的范畴也包括这里明确或隐含公开的任意新颖的特征或它们的任意新颖的组合或它们的任意广义概括，无论它是否涉及到目前在任意权利要求中要求的同样的发明，并且无论它是否削弱了本发明的任意或所有同样的技术问题。 

在单独的实施例的上下文中描述的特征也可以提供在单一实施例中。相反，在单一实施例的上下文中描述的不同的简短的特征，也可以单独或在任何合适的子组合中提供。 

因此申请者给出提醒，在本申请或由此引申的进一步的申请的审查期间，新权利要求可以明确表达成这些特征和/或这些特征的组合。 

出于完整性的目的，也应声明的是，词语“包括”不排除其它元件或步骤，单一处理器或其它单元可以执行权利要求中引述的几个装置的功能，并且权利要求中的参考标记不应解释为限制权利要求的范畴。 

Claims (18)

1.一种控制器(45a、45b、45d)，所述控制器配置为控制开关电源转换器，所述开关电源转换器具有初级侧(43)，与初级侧隔离并且提供输出电压的次级侧(44)，和位于初级侧和次级侧之间的光耦合器(46)，所述光耦合器提供从次级侧到初级侧的反馈信息，并且从次级侧引出反馈电流，

其中反馈信息依赖于输出电压(Vout)，和

控制器配置为使反馈电流(Iopto)随介于门限电压(V1)和至少上限电压之间的输出电压增加而单调降低。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中控制器配置为使反馈电流随介于门限电压和参考电压(Voutref)之间的输出电压无变化，其中参考电压比门限电压高。

3.根据权利要求2所述的控制器，其中控制器配置为使反馈电流与比参考电压(Voutref)高的输出电压成反比或者随比参考电压(Voutref)高的输出电压增加而线性降低。

4.根据任意前述权利要求所述的控制器，所述控制器配置为接收来自初级侧的指示输出电压(Vout)的信号(Voutprim)，并且控制器进一步配置为当输出电压低于门限电压时用所述信号(Voutprim)取代来自光耦合器的反馈信息。

5.根据权利要求4所述的控制器，其中控制器配置为在输出电压超过上限电压时提供过压反馈电流(10d)。

6.根据权利要求5所述的控制器，进一步包括计时器，所述计时器仅在超过预设时间之后触发过压反馈电流。

7.根据权利要求1到3中任意一个所述的控制器，其中控制器配置为在输出电压高于上限电压时提供最小反馈电流。

8.根据权利要求7所述的控制器，其中控制器配置为，在来自光耦合器的反馈信息低于预设的门限电流的情况下，忽略来自光耦合器的反馈信息。

9.一种开关电源转换器，所述开关电源转换器包括根据任意前述权利要求所述的控制器。

10.一种控制开关电源转换器的方法，所述开关电源转换器具有初级侧，与初级侧隔离并且提供输出电压的次级侧，和位于初级侧和次级侧之间的光耦合器，所述光耦合器提供反馈信息，并且从次级侧引出反馈电流，

所述方法包括提供从次级侧到初级侧的依赖于输出电压的反馈信息，和

生成反馈电流，从而使反馈电流随介于门限电压和至少上限电压之间的输出电压增加而单调降低。

11.根据权利要求10所述的方法，其中反馈电流随介于门限电压和参考电压(Voutref)之间的输出电压无变化。

12.根据权利要求11所述的方法，其中反馈电流与比参考电压(Voutref)高的输出电压成反比变化，或者随比参考电压(Voutref)高的输出电压增加而线性降低。

13.根据权利要求10到12中任意一个所述的方法，进一步包括测量初级侧上指示输出电压(Vout)的信号(Voutprim)，和在输出电压低于门限电压的情况下用所述信号(Voutprim)取代来自光耦合器的反馈信息。

14.根据权利要求13所述的方法，其中控制器在输出电压超过上限电压时提供过压反馈电流。

15.根据权利要求14所述的方法，其中过压反馈电流只在当输出电压超过上限电压预设的时间段时被触发。

16.根据权利要求10到12的任意一个所述的方法，其中反馈电流在输出电压超过上限电压时被设置为最小值(10f)。

17.根据权利要求16所述的方法，其中控制器在来自光耦合器的反馈信息低于预设的门限值的情况下，忽略来自光耦合器的反馈信息，其中所述预设的门限值低于最小电流值(10f)。

18.一种计算机程序，所述程序当在计算机上运行时，促成计算机配置根据权利要求1到8中任意一个所述的控制器，或实施根据权利要求10到16中任意一个所述的方法。

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