CN103229404A - 针对反激转换器的电压读出布置 - Google Patents

针对反激转换器的电压读出布置 Download PDF

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Abstract

一种读出布置使用读出绕组(19)提供电压，所述电压表示跨越电路内磁性组件(11)呈现的电压。在反激相位中，当所述组件(11)正在供应输出时，此电压表示输出电压，且在供应相位中，此电压表示供应电压。此布置通过提供上拉电阻器(Rp)而解决在两个相位期间读出绕组输出的量级的不一致问题，所述上拉电阻器(Rp)经布置以对所测量的电压施加偏压，在所述供应周期期间所述上拉是到第一电平，且在所述反激周期期间是到第二值，所述第一和第二电平经选择使得在所述供应周期和所述反激周期期间不同地按比例调整跨越所述读出绕组的所述电压。本发明适宜用在其中匝比可加剧量级不一致问题的基于变压器的反激功率转换器中。

Description

针对反激转换器的电压读出布置
技术领域
本发明涉及借助于与电路中的磁性组件相互作用的读出绕组来读出电路中的变量。在此电路中，所述磁性组件可存储从电路供应的能量，或当移除对所述组件的供应时，其自身将之前存储的能量供应到所述电路。在供应相位期间，当驱动所述组件时，所述读出绕组的电压输出由所供应的驱动确定，且所述读出绕组可用于测量此驱动。在所谓的反激相位期间，当所存储的能量返回到电路时，所述组件中的磁化电流将随着能量转移的发生而下降。此发生的速度取决于电路负载等，在此时间期间，读出绕组的输出可用于测量电路行为。
在许多应用中，这些经读出的电压将用于控制或调节由磁性组件形成部分的系统。读出布置的优势在于可借助于单连接件来读出即使在不同时间处的两者电压。其中控制器包括集成电路装置，这意指到装置的单连接引脚，这是重要的成本节约思路。然而，在实践中，在此系统的实施方案中存在待解决的一些并发症。
由于反激的本性，将被测量的电压将具有相反极性的性质。而且，有可能在反激相位期间待测量的电压的量级将实质上小于在驱动相位期间待测量的电压的量级。其中磁性组件是在初级侧上驱动的变压器，且在次级侧上产生输出，因为反激相位电压可除以变压器的匝比，所以此情况可加重。因此，可在两个测量值的动态范围中存在显著不一致。此动态范围造成减损单引脚读出的固有优势的结果，且为实现在两个测量值中相当的准确度，可要求单独的读出布置。当控制集成电路装置在低单端供应电压下操作，且所读出的电压偏压到给定单极性测量值时，此问题变得尤为严重且可能难以运转。此处一旦调节输入的全电势范围(90-260V，例如)即可读出输出电压(5V，例如，可能以10∶1逐渐减低)的不良分辨率可为不能接受地低。
背景技术
使用磁性读出绕组有吸引力的一个领域中是在功率转换器中。功率转换器设计经常基于在从主导出的未经调节的dc电源馈送的初级驱动电路与次级输出电路之间的磁性耦合，次级输出电路由于在初级侧与次级侧之间的电隔离而供应负载。读出绕组的引人注目的地方在于其允许在不损害隔离的情况下读出在次级侧上的输出(例如，为了调节目的)。确实，读出绕组通常已用在功率转换器中，尤其用于输出过电压检测。无论如何，在转换器内对于偏压的产生，几乎总是需要此绕组。
不幸地是，由于动态范围不一致引起的在驱动和反激两者期间使用单读出绕组中的困难排除了其在许多应用中的用途。为了实现成功调节，可被读出的输出电压的不良分辨率可为不能接受地低。由于这个原因，正在使用如下设计：其使用提供输出电压的更精确测量值的单独次级侧读出方案。此些方案不具有读出绕组的隔离优势，且信号通常通过光耦合器而反馈给初级侧控制器，所述布置显著增加转换器的成本。
本发明已作为学习此些额外组件是否有可能从支持读出绕组的转换器设计消除的结果而制造。
发明内容
本发明提供如在权利要求中所述的设备和方法，且具体来说提供用于包括磁性组件的电路的读出布置，所述电路经布置使得在供应周期期间驱动所述组件，且当不供应所述组件时，在反激周期期间提供输出，所述布置包含：
读出绕组，其耦合到所述磁性组件；
接口网络，其耦合到所述读出绕组，且经布置以提供电路节点，可测量在所述电路节点处的电压，作为指示跨越所述读出绕组的电压；以及
上拉电阻器，其经布置以对经测量的所述电压施加偏压，其特征在于：
在供应周期期间所述上拉是到第一电平，且在反激周期期间所述上拉是到第二值；
所述第一和第二电平经选定使得在所述供应周期和所述反激周期期间不同地按比例调整跨越读出绕组的所述电压。
优选地，所述按比例调整是使得在供应周期期间测量的值和在反激周期期间测量的值比假如所述上拉恒定的情况下更接近在一起。所述布置可适于测量在供应周期和反激周期两者期间跨越读出绕组的电压。具有其上连接有上拉电阻器的驱动输出的控制电路可经布置以在供应周期期间将所述驱动输出驱动到第一电平并在反激周期期间驱动到第二电平。此外，在所述周期中的一者期间，上拉电阻器可优选地通过变为反向偏压的二极管而与接口网络隔离。有利地是，在所述供应周期期间提供隔离。
本发明可易于被并入于包含AC-DC及DC-DC两者适配器及转换器的功率转换器或功率适配器中。
附图说明
为了可进一步理解本发明的特征和优势，现在将仅通过实例且参考所附示意图来描述一些实施例，其中：
图1是并入有读出绕组和控制集成电路装置的已知功率转换器的实例；
图2表示典型的控制集成电路；
图3描绘本发明的实施例；
图4展示针对反激相位和相关联的波形的等效电路；
图5展示针对驱动相位和相关联的波形的等效电路；
图6描绘本发明的替代性实施例；
图7展示针对反激相位和相关联的波形的等效电路；以及
图8展示针对驱动相位和相关联的波形的等效电路。
具体实施方式
图1中展示基本反激转换器设置，其围绕具有Np个初级匝和Ns个次级匝的变压器11而建构。当开关10接通时，能量通过初级绕组12从Vdc处的电源供应到变压器，这引起初级中增加的磁化电流。没有电流通过次级绕组14，这是因为二极管15是反向偏压的。负载16从已在先前循环上充电的大容量电容器供应。当开关10断开时，磁化电流转移到次级，且极性反转。二极管15现在导通，存储在变压器中的能量对负载供电且补充电容器15。
通常需要保持功率转换器的输出电压(即跨越负载16的电压)实质上恒定，且在所述领域中众所周知可适用于反激转换，此调节可通过控制开关10而实现。脉宽调制(PWM)方案可用于在循环偏压上实施调节，其中，如果在循环期间输出电压较低，那么开关10保持闭合相对较长时间以将更多能量供应到变压器，用于转移到所述输出，而如果在循环期间输出电压较高，那么开关10保持闭合相对较短时间(或甚至根本不闭合)以将较少能量供应到变压器。在实际实现中，控制方案有可能更复杂，可能包含根据负载条件改变PWM频率。
此方案实施在图1的布置中，其中通过驱动器电路17将PWM控制信号供应到开关10。PWM控制信号由呈集成电路形式的PWM控制器18提供，所述PWM控制器18用于产生适于所需调节的脉冲宽度。显然为了实现此方案，需要功率转换器输出实际值的一些反馈，该反馈是从在变压器11磁芯上缠绕Nb匝的读出绕组19导出。当开关10是断开时(反激相位)，读出绕组的输出表示转换器输出电压。如上文所描述，当开关10接通时，此相同的绕组还可用于读出施加到初级绕组的驱动电压Vdc。
图2更详细地描绘集成电路控制器。具体来说，图中展示为读出绕组19提供接口的电路。已使用与图1中一样的参考数字。集成电路控制器分别在引脚4和6上接收接地和电源(VDD)连接。装置内的控制环路电路(未图示)在引脚5上产生驱动信号DRV，其控制图1的开关10。
用电阻分压器Ra/Rb按比例调整跨越读出绕组19的电压，且接着用上拉电阻器Rp将所述电压偏移到偏压轨VDD。通常，在高压线处，正绕组摆动远小于负摆动，因此在设计中倾向于使用在初级上产生较低反射电压的变压器匝比。在一些情况下，负摆动(例如)可达正摆动的10倍。此dc上拉偏移的使用将SENSE(读出)引脚(装置引脚1，用于测量输出电压)处用于信号正摆动部分的动态范围限制在所述引脚可用范围的10％左右，从而限制了性能，因为动态范围的90％(例如)被负摆动占据以在驱动相位期间测量供电电压Vdc。
根据本发明，在图3中陈述替代性配置。
在此情况下，上拉电阻器Rp未连接到偏压轨，而是连接到控制器开关驱动引脚DRV。跨越绕组的电压用电阻分压器Ra/Rb按比例调整，且接着用上拉电阻器Rp偏移到栅极驱动引脚DRV。当DRV较低时，呈现Rp与Rb并行，如图4(b)中展示。这允许正电压摆动被合适地按比例调整，且容易在SENSE(读出)引脚处测量以用于输出电压调节。然而，当DRV引脚趋于高时(通常在VDD引脚处非常接近于Vbias轨的值)，此上拉Rp允许绕组上的负摆动也在SENSE(读出)引脚处读出，如图5(b)中所展示。因此，读出绕组可用于以改进的动态范围读出供电/线(线V)输入电压和输出电压(Vout)两者，从而提高精确度。所读出的线和输出电压可由集成电路控制器使用，以用于输入掉电检测、某一调节模式中的输出电压调节以及输出过电压保护(OVP)。
可挑选Ra、Rb及Rp的值以允许合适地按比例调整读出绕组电压以迎合变压器匝比的范围。连接到DRV的上拉Rp的使用允许以可单独按比例调整每一信号的方式来读出读出绕组上的正摆动和负摆动两者，使得两个信号的动态范围最大化。图4(a)和5(a)中对此予以说明。
图4(a)中，迹线40描绘读出绕组19的输出。在周期41期间，当开关10接通时，输出Vb由以下公式给出：
Vb＝Vin(Nb/Np)，其中Vin＝供电电压Vdc。
在反激相位42期间，当开关10断开时，读出绕组输出由以下公式给出：
Vb＝Vout(Nb/Ns)，其中Vout是在次级输出处的电压。
在此较后的时间期间，因为DRV引脚是低电平，所以图4(b)中展示的接口电路是操作的，且因此在SENSE(读出)引脚处将此电压按比例调整为Vout(Nb/Ns)Ra/Ra+Rp||Rb)[图4(c)]，且这是所测量且馈送到误差放大器Vea的电压，其接着控制PWM环路(未图示)。
相似地，在驱动相位40期间，图5(b)中展示的电路是操作的，从而将SENSE(读出)引脚处的电压(V′sense)[图5(c)]按比例调整为：
V ′ sense = v bias ( R a R b / ( R a + R b ) ) ( R P + R a R b / ( R a + R b ) ) - Vin ( N b / N p ) R p ( R b / ( R a + R b ) )
因此本发明的作用是不同地按比例调整驱动相位读出绕组电压和反激相位读出绕组电压，使得它们比未按比例调整的值更对称地横跨接地电位。因此，可在较小动态范围内以改进的精确度进行测量。
现在将参看图6来描述本发明的替代性实施例，且在某些应用中，所述替代性实施例可提供优势。
在实施例中，当DRV引脚是低电平时，从DRV引脚连接到Rp的二极管60解耦上拉。这简化了Ra、Rb&Rp的规格和计算，因为在反激相位期间，不再必须对Rp加以考虑。对于此实施例，等效于图4和5的诸图(其涉及图3)分别表示为图7和8。
二极管60还将Ra、Rb、Rp网络从DRV引脚解耦。如果DRV引脚用于任何其它目的，那么(例如)在装置测试及装置设置模式中这是有用的。还在图6中展示的是包括整流器61和平滑电容器62的偏压布置。因此，在此实施例中，用于控制装置18(VDD)的电源是完全从读出绕组导出的，使得实际上读出绕组未给制造此实施例的材料账单增加成本。而且，当隔离上拉时，其不消耗功率。
尽管在此实施例中，二极管正向电压降在所测量的值Vdc中呈现为误差，但是很少需要电源线的值达到某一精确度，其中那将会是有害的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于包括磁性组件(11)的电路的读出布置，所述电路经布置使得在供电周期(41)期间驱动所述组件，且当不对所述组件(11)供电时在反激周期(42)期间提供输出，
所述布置包含：
读出绕组(19)，其耦合到所述磁性组件(11)；
接口网络(Ra、Rb)，其耦合到所述读出绕组(19)且经布置以提供电路节点(1)，可在所述电路节点(1)处测量电压，作为指示跨越所述读出绕组(19)的电压；以及
上拉(Rp)电阻器，其经布置以对所测量的所述电压施加偏压，其特征在于：
控制电路(18)，其具有驱动输出(5)，所述上拉电阻器(Rp)连接到所述驱动输出(5)，且所述控制电路(18)经布置以在所述供电周期(41)期间将所述驱动输出(5)驱动到第一电平，并在所述反激周期(42)期间将所述驱动输出驱动到第二电平；
其中所述第一和第二电平经选择使得在所述供电周期(41)和所述反激(42)周期期间不同地按比例调整跨越所述读出绕组(19)的所述电压。
2.根据权利要求1所述的读出布置，其中在所述供电周期(41)期间测量的所述电压的值和在所述反激周期(42)期间测量的所述电压的值比所述上拉恒定的情况更接近。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的读出布置，其适于测量在所述供电周期和所述反激周期两者期间跨越所述读出绕组(19)的所述电压。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的读出布置，其中在所述周期之一期间，所述上拉电阻器(Rp)与所述接口网络(Ra、Rb)隔离。
5.根据权利要求4所述的读出布置，其中所述隔离由二极管(60)提供。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的读出布置，其中所述隔离是在所述供电周期期间提供。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的读出布置，其中用于所述控制器电路(18)的电源(61、62)是从所述读出绕组(19)导出的。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的读出布置，其中所述测量值两者是在所述控制电路(18)的相同输入引脚(1)处读出。
9.一种用于包括磁性组件(11)的电路的读出方法，所述电路经布置使得在供电周期(41)期间驱动所述组件，且当不对所述组件供电时在反激周期(42)期间提供输出，所述布置包含：
提供读出绕组(19)，其耦合到所述磁性组件(11)；
提供接口网络(Ra、Rb)，其耦合到所述读出绕组(19)且经布置以提供电路节点(1)，可在所述电路节点(1)处测量电压(Vsense)，作为指示跨越所述读出绕组(19)的电压；以及
提供上拉电阻器(Rp)，其经布置以对所测量的所述电压施加偏压，其特征在于：
提供控制电路(18)，所述控制电路(18)具有驱动输出(5)，所述上拉电阻器(Rp)连接到所述驱动输出(5)，且所述控制电路(18)经布置以在所述供电周期期间将所述驱动输出驱动到第一电平并在所述反激周期期间将所述驱动输出驱动到第二电平；以及
选择所述第一和第二电平使得在所述供电周期(41)和在所述反激(42)周期期间不同地按比例调整跨越所述读出绕组(19)的所述电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述按比例调整是使得在所述供电周期(41)期间测量的值和在所述反激周期(42)期间测量的值比所述上拉恒定的情况更接近。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其包含测量在所述供电周期(41)和所述反激周期(42)两者期间跨越所述读出绕组(19)的所述电压的步骤。
12.根据权利要求9到11中任一权利要求所述的方法，其包含在所述周期之一期间将所述上拉电阻器(Rp)与所述接口网络(Ra、Rb)隔离。
13.根据权利要求12所述的方法，其包含借助于二极管(60)将所述上拉电阻器(Rp)与所述接口网络(Ra、Rb)隔离。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其包含在所述供电周期(41)期间将所述上拉电阻器(Rp)与所述接口网络(Ra、Rb)隔离。
15.根据权利要求9到14中任一权利要求所述的方法，其包含从所述读出绕组(19)导出用于所述控制器电路(18)的电源(61、62)。
16.根据权利要求9到15中任一权利要求所述的方法，其包含在所述控制电路(18)的相同输入引脚(1)处读出所述测量值两者。
17.一种实质上如本文中参照图式中的图3到8所描述的设备或方法。
18.一种功率转换器，其包含根据权利要求1到8中任一权利要求所述的读出布置，或根据权利要求9到16所述的方法，或根据权利要求17所述的设备或方法。
19.根据权利要求18所述的功率转换器，其包含变压器(11)，所述读出绕组(19)耦合到所述变压器(11)，其中所述控制电路(18)的所述驱动输出驱动所述变压器(11)的初级绕组(12)。

Claims (21)

1.一种用于包括磁性组件的电路的读出布置，所述电路经布置使得在供电周期期间驱动所述组件，且当不对所述组件供电时在反激周期期间提供输出，所述布置包含：
读出绕组，其耦合到所述磁性组件；
接口网络，其耦合到所述读出绕组且经布置以提供电路节点，可在所述电路节点处测量电压，作为指示跨越所述读出绕组的电压；以及
上拉电阻器，其经布置以对所测量的所述电压施加偏压，其特征在于：
在所述供电周期期间，所述上拉是到第一电平，以及在所述反激周期期间所述上拉是到第二电平；
所述第一和第二电平经选择使得在所述供电周期和所述反激周期期间不同地按比例调整跨越所述读出绕组的所述电压。
2.根据权利要求1所述的读出布置，其中所述按比例调整是使得在所述供电周期期间测量的值和在所述反激周期期间测量的值比所述上拉恒定的情况更接近。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的读出布置，其适于测量在所述供电周期和所述反激周期两者期间跨越所述读出绕组的所述电压。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的读出布置，其包含控制电路，所述控制电路具有驱动输出，所述上拉电阻器连接到所述驱动输出，且所述控制电路经布置以在所述供电周期期间将所述驱动输出驱动到所述第一电平并在所述反激周期期间将所述驱动输出驱动到所述第二电平。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的读出布置，其中在所述周期之一期间，所述上拉电阻器与所述接口网络隔离。
6.根据权利要求5所述的读出布置，其中所述隔离由二极管提供。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的读出布置，其中所述隔离是在所述供电周期期间提供。
8.根据权利要求4或附属于权利要求4的任一权利要求所述的读出布置，其中用于所述控制器电路的电源是从所述读出绕组导出的。
9.根据权利要求4或附属于还附属于权利要求3的权利要求4的任一权利要求所述的读出布置，其中所述测量值两者是在所述控制电路的相同输入引脚处读出。
10.一种用于包括磁性组件的电路的读出方法，所述电路经布置使得在供电周期期间驱动所述组件，且当不对所述组件供电时在反激周期期间提供输出，所述布置包含：
提供读出绕组，其耦合到所述磁性组件；
提供接口网络，其耦合到所述读出绕组且经布置以提供电路节点，可在所述电路节点处测量电压，作为指示跨越所述读出绕组的电压；以及
提供上拉电阻器，其经布置以对所测量的所述电压施加偏压，其特征在于：
在所述供电周期期间上拉到第一电平，且在所述反激周期期间上拉到第二值；以及
选择所述第一和第二电平使得在所述供电周期和所述反激周期期间不同地按比例调整跨越所述读出绕组的所述电压。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述按比例调整是使得在所述供电周期期间测量的值和在所述反激周期期间测量的值比所述上拉恒定的情况更接近。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其包含测量在所述供电周期和所述反激周期两者期间跨越所述读出绕组的所述电压的步骤。
13.根据权利要求10、权利要求11或权利要求12所述的方法，其包含提供控制电路，所述控制电路具有驱动输出，所述上拉电阻器连接到所述驱动输出，且所述控制电路经布置以在所述供电周期期间将所述驱动输出驱动到第一电平并在所述反激周期期间驱动到第二电平。
14.根据权利要求10、权利要求11、权利要求12或权利要求13中任一权利要求所述的方法，其包含在所述周期之一期间将所述上拉电阻器与所述接口网络隔离。
15.根据权利要求14所述的方法，其包括借助于二极管将所述上拉电阻器与所述接口网络隔离。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其包含在所述供电周期期间将所述上拉电阻器与所述接口网络隔离。
17.根据权利要求13或附属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其包含从所述读出绕组导出用于所述控制器电路的电源。
18.根据权利要求13或附属于还附属于权利要求12的权利要求13的任一权利要求所述的方法，其包含在所述控制电路的相同输入引脚处读出所述测量值两者。
19.一种实质上如本文中参考图式中的图3到8所描述的设备或方法。
20.一种功率转换器，其包含根据权利要求1到9中任一权利要求所述的读出布置，或根据权利要求10到18所述的方法，或根据权利要求19所述的设备或方法。
21.根据还附属于权利要求4或13的权利要求20所述的功率转换器，其包含变压器，所述读出绕组耦合到所述变压器，其中所述控制电路的驱动输出驱动所述变压器的初级绕组。
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