CN103098361B - 功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种独立调节功率变换器，其具有关于参考电平（Vset）的光电耦合输出反馈（Vo），以便调节变换器控制器。反馈信号的感测使得光电耦合器LED在VoVset时开启并且在VoVset时关闭，其效果是在VoVset的时间段内LED的电流和功率消耗为零，正如许多控制器在低负载或无负载时的正常情况那样。在如此环境下这样节约功率。另外，由于在此时间段内LED不加载输出，因此VoVset的时间比例增加，这意味着开关必须再次开启以满足需求的时序/定时被延长，产生更多的功率节约。

Description

功率变换器
技术领域
本发明涉及信号的光电耦合，其可以在信号的发送和接收之间需要电气隔离时使用。
背景技术
在例如功率变换器中，输入（例如120V交流线路、240V交流干线或者来源于未调节直流的线路或干线）和输出（5V直流、19V已调节直流）之间的电气隔离常常是强制性的。主要的转换电路可以通过变压器提供隔离，然而很可能需要从输出（变压器次级侧）到输入（变压器初级侧）的一定形式的反馈，以至于初级侧的控制电路可能影响调节。在此路径中隔离也是必需的，并且一种实现方式是用光电耦合器来实现。存在很多用于多种不同应用的可购买的光电耦合器设备。对于功率变换器，合适的设备例如可以是来自Fairchild Semiconductor的MOC205和H11A817。
不利的是，为了隔离的目的而用光电耦合连接取代有线连接的一个后果是光电设备消耗功率。
下一代交流/直流膝上型电脑适配器需要满足在待机功耗上越来越严格的限制，其中所述限制由欧洲委员会的生态化设计指令（EcoDesign Directive）、能源之星（Energy Star）规范和其他规范以及由设备制造商制定的商业规范强制推行。当前，提出了满足30mW待机功率限制的设计。
达到如此低的待机功耗要求所采取的每一步都要减少不必要的功率损耗。这包括减少例如偏置功率、电压感测损耗和控制反馈系统损耗的步骤。这些交流/直流适配器的大体构造具有两个功率转换级。第一级用于控制适配器的功率因数，而第二级用于调节并隔离输出。在典型设计中，第二级由控制电路和开关组成以便控制从第一级到第二级的供电连接，从而满足负载需求所要求的输出调节。需要一定种类的反馈信号（FB）以允许控制电路感测输出的状态。这种信号本质上可能是线性的或滞后的。线性FB信号与输出成正比或成反比，滞后FB信号具有指示控制器的切换/不切换命令的两种状态。
然后控制器适当地操作功率级开关。不利的是，FB信号的产生通常在输出高于期望的控制设定点（其通常与轻负载或无负载下的操作相关联）时损 耗最多。这主要是由于用于横跨必要的隔离阻障转移FB信号的光电耦合器的操作感测是，在线性FB信号的情况下，当输出电压（Vo）大于所需的调节设定点（Vset）时，光电耦合器LED中的电流增长到其最大值。在滞后FB信号的情况下，当输出电压（Vo）大于所需的调节设定点（Vset）时，光电耦合器LED里的电流被开启。两种情况的净效应是最大LED电流发生在最小负载下。
很明显，开启LED需要电流。与其相关联的功率损耗通常可能为28mW（例如通过适当的偏压电阻器从19V输出获取大约1.5mA）或对于新设计来说占总待机功率预算的大约95%。
光电耦合器配置的兴起是因为当输出电压为零时，例如在启动事件中，所需要的光电耦合器LED的状态是关闭，这是唯一可用的LED状态，因为没有功率源可用于开启LED。控制器的默认操作接着开始切换以增加输出电压，该输出电压正是对系统进行调节所需要的。
在典型适配器配置（图1）中，第一级10提供来自例如240/110伏的干线/线路输入的中间直流电压到输出11上。第一级可以是功率因数校正级，但是其准确的功能与本发明没有密切的关系。第二级12提供调节并且被显示为耦合到回扫（flyback）级的变压器，但是这仅仅是可被使用的多种类型的第二级中的一种。第二级的显著要求是其能够在施加负载时将输出（Vo）调节到期望电平，以及其提供输出与例如大致90V直流的中间电压的电气隔离。
调节将受到应用控制信号114到开关15的影响，其中开关15将变压器初级绕组16连接到中间级供电，由此供应更多的功率到次级（输出）侧。控制器设备或电路16响应于FB信号17指示输出电压是否在期望电压Vset之上或之下而产生控制信号14。FB信号17由光电耦合器接收并如下产生，其中该光电耦合器包含光敏晶体管18和发光二极管（LED）19。
FB光电耦合器18、19即U4被运算放大器100驱动，该运算放大器100放大输出的有条件形式（Vo）与期望电压Vset之间的差值，以便经过LED 19的电流在Vo>Vset时存在并且在Vo<Vset时消失。此FB由控制器16接收，该控制器16用于控制开关15以将输出电压调节到对应于Vset的电压，因此LED 19中的电流被放大器有效地设置，从而维持Vo在Vset或在高于Vset的调节范围内的数值。如果Vo下降到Vset以下，光电耦合器电流变为零。零电流表明占空比应该被增加以增大Vo。
次级侧电路包括第二光电耦合器，该第二光电耦合器包含LED 101和光敏晶体管102。这被提供用于过压保护（OVP）。
OVP光电耦合器（101,102）正常情况下不被驱动。如果OVP事件发生，则稳压二极管104将固定电位/箝位（clamp）并且电流将流入LED 101，LED101通过光敏晶体管102和控制器输入线路103向初级侧的控制器16指示OVP事件。
在此方案中，在轻载或无载操作期间出现困难，此时输出电压（Vo）倾向于被调节级的开关动作提升并且在其大多数时间处于Vset之上，该输出电压（Vo）仅因为不能避免的杂散负载而缓慢下降。这些杂散负载之一是光电耦合器LED中的电流本身，其中该光电耦合器LED在Vo>Vset时开启。因此最终在LED中损失的28mW成为阻止设计实现期望性能的最小极限负载。
显而易见，将待机功率减少到整体转换器满足30mW目标的定点需要可替换的方法。 
发明内容
本发明提供如在权利要求中所述的装置。
根据本发明，一种功率变换器包括：调节隔离级，其中所述调节隔离级向其次级侧上的负载及其初级侧上的控制器提供经调节的输出，所述控制器被布置成通过匹配所述初级侧的供电与所述次级侧的负载需求来保持所述输出基本处于调节中；
监控电路，其中所述监控电路接收所述输出以及代表调节电平的参考值，所述监控电路产生指示所述输出与所述参考值相关联的反馈信号；
第一耦合器，其中所述第一耦合器被布置成在不损害隔离的情况下传递所述反馈信号到所述控制器；
发生器电路，其中所述发生器电路被布置成在所述次级侧起作用的情况下产生心跳信号；以及
第二耦合器，其中所述第二耦合器被布置成在不损害隔离的情况下传递所述心跳信号到所述控制器；其中
所述第一耦合器是包含发光设备和光敏设备的光电耦合器，所述发光设备和光敏设备被布置成使得当所述监控电路表明所述输出低于所述参考值时，所述反馈信号驱动所述发光设备开启；以及当所述反馈信号如此指示且 所述心跳信号存在时，所述控制器增加所述供电。
优选地，所述第二耦合器是包含发光设备和光敏设备的光电耦合器。有利的是，所述第二耦合器将过压保护信号从次级侧传递到控制器。过压事件可以通过延长第二耦合器的发光设备中的连续电流来传递，此外，心跳信号可以是不同于传递过压事件的持续电流。可替代地，心跳信号可以是脉冲群。
附图说明
具体实施方式
本发明提供了光电耦合器的感测相对于上述布置被转换的方案，即光电耦合器LED在Vo<Vset时开启并且在Vo>Vset时关闭。
转换FB信号的工作感测以使得光电耦合器LED在Vo<Vset时开启并且在Vo>Vset时关闭意味着LED电流和功率损耗在Vo>Vset的时间里为零，正如许多控制器在低负载或无负载时的正常情况那样。转换FB信号感测消除了此时的LED功率损耗。此外，由于LED在此期间不再加载输出，因此针对Vo>Vset的时间比例进一步增加，这意味着开关必须再次开启以满足需求的时序/定时（timing）被延长，产生更多的功率节约。
为了实现此方法，很必要考虑到在两种不同的情况下FB LED是关闭的事实。首先，在启动期间或当Vo太低而不足以开启LED时，在此情况下的校正系统响应是在调节级中开始切换以增加Vo。其次，当Vo>Vset时，此时的校正系统响应是等待Vo降到Vset以下。在此情况下调节级不被切换。因此，为了有效控制，这些情况必须是彼此可区分的，并且在当前实施例中，这可按如下实现。
除了用于FB信号的耦合器外，第二耦合器（光电耦合器或磁耦合器）通常作为过压保护（OVP）网络的一部分被包括在设计里。传统上，该第二光电耦合器仅被激活以便用信号通知OVP事件，然后该OVP事件触发控制器以迫使系统关闭。该第二光电耦合器可以被设定在系统启动并运行时产生心跳信号的额外功能。心跳信号允许上述两种情况彼此加以区分。
工作方案是（a）如果FB LED由于Vo>Vset而关闭并且心跳信号存在，则不需要调节级切换，或（b）如果FB LED由于Vo=0而关闭并且心跳信号不存在，则需要调节级切换。
可设想，心跳信号可能有很多形式，以下成功地用于说明这点。
OVP LED中的高电流低占空比脉冲群例如每大约10毫秒一个10微秒脉冲。这可能由简单的低成本非精密的振荡器产生。控制器延迟于是为10毫秒，这是系统区分启动条件所需的最大时间，并且这一添加的延迟通常是可接受的。
OVP LED中的稳定电流明显低于用信号通知OVP事件的LED电流。这可能比脉冲方式更简单。区分低光电耦合器电流与OVP情况是相对简单的。区分低稳定电流与光电耦合器‘暗电流’（尤其是在温度、时间和电流转移率变化的情况下）要求谨慎的设计。
现在将参照图2描述本发明的示例性实施例。在部件与图1的布置中的那些部件相同或者等效的情况下，已经使用了共同的参考标记。
FB光电耦合器（18，19）由放大器100驱动。应注意的是，当与图1的布置对比时，输入连接具有本质上相反的极性，因此，当Vo<Vset时，LED19中存在电流，而当Vo>Vset时，不存在电流。在此实施例中，OVP光电耦合器（101，102）被弛张振荡器产生的心跳信号驱动，该弛张振荡器由运算放大器20形成，该运算放大器20以例如大约每8毫秒一个10微秒脉冲的脉动形式打开LED 101。心跳信号可以由控制器16通过在103处的信号检测到。如果OVP事件发生，则稳压二极管104将固定电位/箝位并且电流流入LED 101以通过光敏晶体管102和线路103向初级侧的控制器16指示OVP。该控制器被布置成区分短路信号与由OVP信号引起的直流电平并且适当地影响开关15的控制。
在一些应用中，运算放大器100可以被比较器取代，以使得光电耦合器18，19提供的FB是分别对应于LED 18中有电流/LED 18中无电流的命令/无命令信号。此外，驱动第二耦合器的网络可以被布置成监控次级侧的一般功能并且在次级侧出现无功能或错误功能的情况下抑制心跳信号，因为在心跳信号中断的情况下，控制器16可以被布置成关掉或重启。

Claims (18)

1.一种功率变换器，其包括：
调节隔离级，其中所述调节隔离级向其次级侧上的负载及其初级侧上的控制器提供经调节的输出，所述控制器被布置成通过匹配所述初级侧的供电与所述次级侧的负载需求来保持所述输出基本处于调节中；
监控电路，其中所述监控电路接收所述输出以及代表调节电平的参考值，所述监控电路产生指示所述输出与所述参考值相关联的反馈信号；
第一耦合器，其中所述第一耦合器被布置成在不损害隔离的情况下传递所述反馈信号到所述控制器；
发生器电路，其中所述发生器电路被布置成在所述次级侧起作用的情况下产生心跳信号；以及
第二耦合器，其中所述第二耦合器被布置成在不损害隔离的情况下传递所述心跳信号到所述控制器；其中
所述第一耦合器是包含发光设备和光敏设备的光电耦合器，所述发光设备和光敏设备被布置成使得当所述监控电路表明所述输出低于所述参考值时，所述反馈信号驱动所述发光设备开启；以及当所述反馈信号如此指示且所述心跳信号存在时，所述控制器增加所述供电。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其中所述第二耦合器是包含发光设备和光敏设备的光电耦合器。
3.根据权利要求1所述的功率变换器，其中第二耦合器从所述次级侧传递过压保护信号到所述控制器。
4.根据权利要求2所述的功率变换器，其中第二耦合器从所述次级侧传递过压保护信号到所述控制器。
5.根据权利要求3所述的功率变换器，其中通过延长所述第二耦合器的所述发光设备中的连续电流来传递过压事件。
6.根据权利要求4所述的功率变换器，其中通过延长所述第二耦合器的所述发光设备中的连续电流来传递过压事件。
7.根据权利要求1所述的功率变换器，其中所述心跳信号是脉冲群。
8.根据权利要求2所述的功率变换器，其中所述心跳信号是脉冲群。
9.根据权利要求3所述的功率变换器，其中所述心跳信号是脉冲群。
10.根据权利要求4所述的功率变换器，其中所述心跳信号是脉冲群。
11.根据权利要求5所述的功率变换器，其中所述心跳信号是脉冲群。
12.根据权利要求6所述的功率变换器，其中所述心跳信号是脉冲群。
13.根据权利要求1所述的功率变换器，其中所述心跳信号是连续电
流。
14.根据权利要求2所述的功率变换器，其中所述心跳信号是连续电流。
15.根据权利要求3所述的功率变换器，其中所述心跳信号是连续电流。
16.根据权利要求4所述的功率变换器，其中所述心跳信号是连续电流。
17.根据权利要求5所述的功率变换器，其中所述心跳信号是连续电流。
18.根据权利要求6所述的功率变换器，其中所述心跳信号是连续电流。
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