CN103378751B - 用于开关反激式电源变换系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于开关反激式电源变换系统的系统和方法。用于开关电源变换系统的系统控制器包括第一控制器端子和第二控制器端子。该系统控制器被配置为在第一控制器端子处至少接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息在第二控制器端子处生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与反激式开关电源变换系统的次级绕组相关联的电流。该系统控制器还被配置为如果输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使该晶体管截止。

Description

用于开关反激式电源变换系统的系统和方法
技术领域
本发明涉及集成电路。更具体地，本发明提供了具有输出检测和同步整流机制的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已应用于开关电源变换系统。但是将认识到，本发明具有更广泛的应用范围。
背景技术
图1是示出传统的次级侧调整控制的反激式开关电源变换系统的简化示图。该电源变换系统100包括初级绕组110、次级绕组112、功率开关120、电流感测电阻器122、整流二极管124、电容器126、隔离反馈组件128和控制器102。控制器102包括欠压锁定(UVLO)组件104、脉宽调制生成器106、栅极驱动器108、前沿消隐(LEB)组件116和过流保护(OCP)组件114。例如，功率开关120是双极型晶体管。在另一示例中，功率开关120是场效应晶体管。
该电源变换系统100实现包含初级绕组110和次级绕组112的变压器来隔离初级侧上的AC输入电压190与初级侧上的输出电压192。隔离反馈组件128处理与输出电压192有关的信息并生成反馈信号136。控制器102接收反馈信号136，并生成用于接通和关断开关120的栅极驱动信号130，从而调整输出电压192。例如，隔离反馈组件128包括误差放大器、补偿网络和光电耦合器。
虽然图1所示反激式电源变换系统100可用于输出电压调整，但电源变换系统100在没有开关附加电路的情况下常常无法获得良好的输出电流控制。此外，为了获得稳定的输出电流控制其输出电流感测电阻器经常降低电源变换系统100的效率。
图2(A)是示出另一传统次级输出端所需的初级侧调整控制反激式电源变换系统的简化示图。该电源变换系统200包括系统控制器202、初级绕组210、次级绕组212、辅助绕组214、功率开关220、电流感测电阻器230、两个整流二极管260和262、两个电容器264和266、以及两个电阻器268和270。例如，例如，功率开关220是双极型晶体管。在另一示例中，功率开关220是MOS晶体管。
与输出电压250有关的信息可通过辅助绕组214来提取以便调整输出电压250。当功率开关220闭合(例如，接通)时，能量被存储在包括初级绕组210与次级绕组212的变压器中。然后，当功率开关220断开(例如，关断)时，所存储能量被释放到次级侧，并且辅助绕组214的电压映射次级侧上的输出电压。系统控制器202接收指示流经初级绕组210的初级电流276的电流感测信号272以及与次级侧的退磁过程有关的反馈信号274。例如，开关220的开关周期包括开关220闭合(例如，接通)的接通时间段和开关220断开(例如，关断)的关断时间段。
图2(B)是反激式电源变换系统200在断续传导模式(DCM)中操作的的简化传统时序图。波形292表示作为时间的函数的辅助绕组214的电压254，并且波形294表示作为时间的函数的流经次级绕组212的次级电流278。
例如，如图2(B)所示，开关220的开关周期Ts开始于时刻t0并结束于时刻t3，接通时间段Ton开始于时刻t0并结束于时刻t1，退磁时段Tdemag开始于时刻t1并结束于时刻t2，并且关断时间段Toff开始于时刻t1并结束于时刻t3。在另一示例中，t0≤t1≤t2≤t3。在DCM中，关断时间段Toff远长于退磁时段Tdemag。
在退磁时段Tdemag期间，开关220保持断开，初级电流276保持为低值(例如，近似为零)。次级电流278从值296(例如，t1处)下降，如波形294所示。退磁过程在初级电流278具有低值298(例如，近似为零)的时刻t2处结束。初级电流278在该开关周期的其余时间中保持为值298。下一开关周期直到退磁过程完成之后的一时间段(例如，t3处)才开始。
如图1和图2(A)所示，电源变换系统100和电源变换系统200各自在初级侧上使用整流二极管(例如，图1中的二极管124和图2中的二极管260)进行整流。整流二极管的正向电压通常在0.3V-0.8V的范围。这样的正向电压常常在操作中产生极大的功率损耗，并且因此导致电源变换系统的低效率。例如，当电源变换系统具有5V/1A的输出水平时，具有0.3V-0.4V的正向电压的整流二极管在满负载(例如，1A)下引起约0.3W-0.4W的功率损耗。系统效率被降低了大约4％-6％。
另外，为了使电源变换系统200获得低的待机功耗，常常使开关频率保持为低以减少无负载或轻负载条件下的开关损耗。然而，当电源变换系统200从无/轻负载条件变为满负载条件时，输出电压250可能突然下降，并且由于系统控制器202常常仅在每个开关周期的退磁过程期间可以检测输出电压，因此这样的输出电压的降低不能被系统控制器202立即检测到。因此，电源变换系统200的动态性能由于无/轻负载条件下的开关频率过低，无法满足要求。例如，电源变换系统200具有5V/1A的输出水平并且输出电容器264具有1000μF的电容。在无/轻负载条件下，开关频率是与1ms的开关周期相对应的1kHz。如果输出负载从无/轻负载条件(例如，0A)变为满负载条件(例如，1A)，则输出电压250下降1V(例如，从5V到4V)，这些某些应用中常常是不可接受的。
因此，改善用于电源变换系统的整流和输出检测的技术变得非常重要。
发明内容
本发明涉及集成电路。更具体地，本发明提供了具有输出检测和同步整流机制的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已应用于电源变换系统。但是将认识到，本发明具有更广泛的应用范围。
根据一个实施例，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括第一控制器端子和第二控制器端子。该系统控制器被配置为在第一控制器端子处至少接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息在第二控制器端子处生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。该系统控制器还被配置为如果输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使该晶体管截止，并且如果输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平改变为第二逻辑电平以使晶体管导通。
根据另一实施例，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括第一控制器端子和第二控制器端子。该系统控制器被配置为在第一控制器端子处至少接收输入信号，该输入信号与输出电压成比例，该输出电压与电源变换系统的次级绕组相关联，并且至少基于与输入信号相关联的信息在第二控制器端子处生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。该系统控制器还被配置为只有在输入信号从大于第一阈值的第一值变为小于第一阈值的第二值时，才生成栅极驱动信号的脉冲以在与脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。
根据又一实施例，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括第一比较器、信号检测器和驱动组件。第一比较器被配置为接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息输出第一比较信号。信号检测器被配置为接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息输出第一检测信号。驱动组件被配置为至少基于与第一比较信号和第一检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流；比较器还被配置为判断输入信号是否大于第一阈值。信号检测器还被配置为判断输入信号是否从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值。驱动组件还被配置为：如果第一比较信号指示输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使晶体管截止，并且如果第一检测信号指示输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平变为第二逻辑电平以使晶体管导通。
在一个实施例中，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括比较器、脉冲信号生成器和驱动组件。比较器被配置为接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息输出比较信号。脉冲信号生成器被配置为至少接收比较信号并且至少基于与比较信号相关联的信息生成脉冲信号。驱动组件被配置为接收脉冲信号并且至少基于与脉冲信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。比较器还被配置为判断输入信号是大于还是小于阈值。脉冲信号生成器还被配置为只有在比较信号指示输入信号从大于阈值的第一值变为小于阈值的第二值时，才生成脉冲信号的第一脉冲。驱动组件还被配置为响应于脉冲信号的第一脉冲，生成栅极驱动信号的第二脉冲以在与第二脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。
在另一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：至少接收输入信号；处理与输入信号相关联的信息；并且至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：如果输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使晶体管截止，并且如果输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平改变为第二逻辑电平以使晶体管导通。
在又一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：至少接收输入信号，输入信号与输出电压成比例，该输出电压与电源变换系统的次级绕组相关联；处理与输入信号相关联的信息；以及至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：只有在输入信号从大于第一阈值的第一值变为小于第一阈值的第二值时，才生成栅极驱动信号的脉冲以在与脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。
在又一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：接收输入信号；处理与输入信号相关联的信息；并且判断输入信号是否大于第一阈值。该方法还包括：至少基于与输入信号相关联的信息生成比较信号；判断输入信号是否从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值；并且至少基于与输入信号相关联的信息生成检测信号。另外，该方法包括至少基于与比较信号和检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与比较信号和检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：如果比较信号指示输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使晶体管截止；以及如果检测信号指示输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平变为第二逻辑电平以使晶体管导通。
在又一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：接收输入信号；处理与输入信号相关联的信息；并且判断输入信号是大于还是小于阈值。该方法还包括：至少基于与输入信号相关联的信息生成比较信号；接收比较信号；并且处理与比较信号相关联的信息。另外，该方法包括：至少基于与比较信号相关联的信息生成脉冲信号；接收脉冲信号；处理与脉冲信号相关联的信息；并且至少基于与脉冲信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与比较信号相关联的信息生成脉冲信号的处理包括：只有在比较信号指示输入信号从大于阈值的第一值变为小于阈值的第二值时，才生成脉冲信号的第一脉冲。用于至少基于与脉冲信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：响应于脉冲信号的第一脉冲，生成栅极驱动信号的第二脉冲以在与第二脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。
取决于实施例，可以获得一个或多个益处。参考下面的详细描述和附图可以全面地理解本发明的这些益处以及各个另外的目的、特征和优点。
附图说明
图1是示出传统反激式电源变换系统的简化示图。
图2(A)是示出另一传统反激式电源变换系统的简化示图。
图2(B)是在断续传导模式(DCM)中操作的如图2(A)所示的反激式电源变换系统的简化传统时序图。
图3(A)是示出根据本发明实施例的具有整流电路的电源变换系统的简化示图。
图3(B)是示出根据本发明另一实施例的具有整流电路的电源变换系统的简化示图。
图4是根据本发明实施例的如图3(A)所示的电源变换系统的在断续传导模式(DCM)中操作的简化时序图。
图5是示出根据本发明实施例的作为如图3(A)所示的电源变换系统一部分的次级控制器的某些组件的简化示图。
图6是根据本发明实施例的，包括如图5所示的次级控制器的如图3(A)所示的电源变换系统在断续传导模式(DCM)中操作的的简化时序图。
具体实施方式
本发明涉及集成电路。更具体地，本发明提供了具有输出检测和同步整流机制的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已应用于电源变换系统。但是将认识到，本发明具有更广泛的应用范围。
图3(A)是示出根据本发明实施例的具有整流电路的电源变换系统的简化示图。该示图仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。电源变换系统300包括控制器302、初级绕组304、次级绕组306、辅助绕组324、整流电路301、二极管320、电流感测电阻器328、电容器312和380、电阻器314、316、322和326、以及功率开关330。整流电路301包括次级控制器308、电阻器318和晶体管310。次级控制器308包括端子390、392、394、396和398。例如，晶体管310是MOSFET。在另一示例中，功率开关330是晶体管，例如，晶体管330是MOSFET。在另一实例中，功率开关330是双极晶体管。
根据一个实施例，当功率开关330闭合(例如，导通)时，能量被存储在包括初级绕组304和次级绕组306的变压器中。例如，当功率开关330断开(例如，关断)时，所存储能量被传送到次级侧，并且辅助绕组324的电压映射次级侧上的输出电压350。在另一示例中，控制器302接收来自分压器的反馈信号360，该分压器包括用于输出电压调整的电阻器322和326。在又一示例中，在能量传送过程(例如，退磁过程)期间，晶体管310导通并且次级电流352的至少一部分流经晶体管310。在又一示例中，晶体管310的导通电阻非常小(例如，在数十毫欧的范围中)。在又一示例中，晶体管310导通时的压降比整流二极管(例如，二极管124或二极管260)上的压降小得多，并且因此与系统100或系统200相比电源变换系统300的功率损耗大为降低。
根据另一实施例，在能量传送过程(例如，退磁过程)结束时，次级电流352具有低值(例如，几乎为零)。例如，晶体管310截止以防止反向电流从输出端子351通过晶体管310流向地。在另一示例中，功率开关330在晶体管310导通时保持截止(例如，断开)。在又一示例中，次级控制器308接收指示晶体管310的端子364(例如，晶体管310的漏极端子)处的电压的电压信号362(例如，VDR)，并且提供信号366(例如，在端子G2处)来驱动晶体管310。
如上面讨论并在此进一步强调的，图3(A)仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。例如，控制器302和次级控制器308位于不同芯片上。在另一示例中，次级控制器308和晶体管310位于作为多芯片封装的一部分的不同芯片上。在又一示例中，次级控制器308和晶体管310被集成在同一芯片上。
图3(B)是示出根据本发明另一实施例的具有整流电路的电源变换系统的简化示图。该示图仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。电源变换系统400包括控制器402、初级绕组404、次级绕组406、第一辅助绕组424、第二辅助绕组425、整流电路401、二极管420和474、电容器412、476和478、电流感测电阻器428、电阻器414、416、470和472、以及功率开关430。整流电路401包括次级控制器408、电阻器418和晶体管410。例如，晶体管410是MOSFET。在另一示例中，功率开关430是晶体管。在又一示例中，整流电路401与整流电路301相同。
根据一个实施例，当功率开关430闭合(例如，导通)时，能量被存储在包括初级绕组404和次级绕组406的变压器中。例如，当功率功率开关430断开(例如，关断)时，所存储能量被传送到次级侧，并且第二辅助绕组425的电压映射次级侧上的输出电压450。在另一示例中，控制器402接收来自分压器的反馈信号460，该分压器包括用于输出电压调整的电阻器470和472。在另一示例中，在能量传送过程(例如，退磁过程)期间，晶体管410导通并且次级电流452的至少一部分流经晶体管410。在又一示例中，晶体管410的导通电阻非常小(例如，在数十毫欧的范围中)。
根据另一实施例，在能量传送过程(例如，退磁过程)结束时，次级电流452具有低值(例如，几乎为零)。例如，晶体管410截止以防止反向电流从输出端子通过晶体管410流向地。在另一示例中，功率开关430在晶体管410导通时保持截止(例如，断开)。在又一示例中，次级控制器408(例如，在端子DR处)接收指示晶体管410的端子464(例如，晶体管410的漏极端子)处的电压的电压信号462，并且提供信号466(例如，在端子G2处)来驱动晶体管410。
如上面讨论并在此进一步强调的，图3(B)仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。例如，控制器402和次级控制器408位于不同芯片上。在另一示例中，次级控制器408和晶体管410位于作为多芯片封装的一部分的不同芯片上。在又一示例中，次级控制器408和晶体管410被集成在同一芯片上。
图4是根据本发明实施例的如图3(A)所示的电源变换系统300在断续传导模式(DCM)中操作的简化时序图。本发明实例其工作原理同样适于CCM或QR模式操作。该示图仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。例如，波形502表示作为时间的函数的被接通或关断的功率开关330，波形504表示作为时间的函数的次级电流352，并且波形506表示作为时间的函数的反馈信号360。另外，波形508表示作为时间的函数的电压信号362(例如，在端子DR处)，波形510表示作为时间的函数的信号366(例如，在端子G2处)，波形512表示作为时间的函数的流经晶体管310的沟道电流368，并且波形514表示作为时间的函数的流经晶体管310的体二极管(body diode)(例如，寄生二极管)的体二极管电流370。
例如，开关330的开关周期包括开关330在其期间闭合(例如，接通)的接通时间段和开关330在其期间断开(例如，关断)的关断时间段。在另一示例中，如图4所示，开关330的接通时间段(例如，Ton)开始于时刻t4并结束于时刻t5，并且开关330的关断时间段(例如，Toff)开始于时刻t5并结束于时刻t9。与包含初级绕组304和次级绕组306的变压器相关联的退磁时段(例如，Tdemag)开始于时刻t5并结束于时刻t8。在又一示例中，t4≤t5≤t6≤t7≤t8≤t9。
根据一个实施例，在接通时间段(例如，Ton)期间，开关330闭合(例如，正接通)，如波形502所示，并且能量被存储在包括初级绕组304和次级绕组306的变压器中。例如，次级电流352具有低值516(例如，几乎为零)，如波形504所示。在另一示例中，由次级控制器308接收的电压信号362(例如，VDR)具有高于零的值518(例如，如波形508所示)。在又一示例中，信号366为逻辑低电平(例如，如波形510所示)，并且晶体管310截止。在又一示例中，在接通时间段(例如，Ton)期间，沟道电流368具有低值520(例如，几乎为零，如波形512所示)，并且体二极管电流370具有低值522(例如，几乎为零，如波形514所示)。
根据另一实施例，在接通时间段结束时(例如，t5处)，开关330断开(例如，关断)，如波形502所示，并且能量被传送到次级侧。例如，次级电流352从值516增至值524(例如，在t5处)，如波形504所示。在另一示例中，电压信号362(例如，VDR)从值518降至值526(例如，如波形508所示)。在又一示例中，值526低于第一阈值电压528(例如，Vth1)和第二阈值电压530(例如，Vth2)两者。在又一示例中，第一阈值电压528(例如，Vth1)和第二阈值电压530(例如，Vth2)两者低于地电压372(例如，零伏)。在又一示例中，晶体管310的体二极管开始传导，并且体二极管电流370从值522增至值529(例如，如波形514所示)。在某些实施例中，此后，信号366从逻辑低电平变为逻辑高电平(例如，在t6处，如波形510所示)，并且晶体管310导通。例如，沟道电流368从值520增至值525(例如，在t6处，如波形512所示)。在另一示例中，在电压信号362(例如，VDR)从值518降至值526的时刻与信号366从逻辑低电平变为逻辑高电平的时刻之间存在延迟(例如，Td)。在又一示例中，延迟(例如，Td)为零。
根据又一实施例，在退磁过程期间(例如，Tdemag)，开关330保持断开(例如，关断)，如波形502所示。例如，次级电流352从值524下降，如波形504所示。在另一示例中，如果电压信号362(例如，VDR)大于第一阈值电压528(例如，在t7处，如波形508所示)，则信号366从逻辑高电平变为逻辑低电平(例如，如波形510所示)。在又一示例中，电压信号362(例如，VDR)再次变得低于第一阈值电压528(例如，在t8处，如波形508所示)。在又一示例中，晶体管310截止，并且沟道电流368降至低值534(例如，几乎为零，如波形512所示)。在又一示例中，体二极管电流370流经晶体管310的体二极管，并且降为低值(例如，在t9处几乎为零，如波形514所示)。在又一示例中，退磁时段在时刻t9处结束。在又一示例中，紧接时刻t9之后，电压信号362增大，如波形508中的上升沿所示，并且这样的上升沿即使被检测到也不被用于确定电源变换系统300的开关频率(例如，负载条件)。在又一示例中，次级电流352等于沟道电流368与体二极管电流370之和。因此，在某些实施例中，波形512的一部分(例如，t5与t9之间)与波形514的一部分(例如，t5与t9之间)的组合等于波形504的一部分(例如，t5与t9之间)。
根据本发明的又一实施例，图4是图3(B)所示的电源变换系统400在断续传导模式(DCM)中操作的简化时序图。例如，波形502表示作为时间的函数的被接通或关断的功率开关430，波形504表示作为时间的函数的次级电流452，并且波形506表示作为时间的函数的反馈信号460。另外，波形508表示作为时间的函数的电压信号462(例如，在端子DR处)，波形510表示作为时间的函数的信号466(例如，在端子G2处)，波形512表示作为时间的函数的流经晶体管410的沟道电流468，并且波形514表示作为时间的函数的流经晶体管410的体二极管(例如，寄生二极管)的体二极管电流480。
如上面讨论并在此进一步强调的，图4仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。例如，在诸如连续传导模式和临界传导模式(例如，准谐振模式)之类的其它模式中操作的图3(A)所示的电源变换系统300和图3(B)所示的电源变换系统400也可以实现图4所示的方案。
在某些实施例中，如图4所示的方案在连续传导模式中被实现。例如，如果次级控制器308检测到信号362(例如，VDR)的下降沿，则次级控制器308改变信号366以使晶体管310导通。在另一示例中，控制器302在退磁时段结束(例如，次级电流352大于零)之前使晶体管330导通，并且作为响应，信号362(例如，VDR)增大。在又一示例中，次级控制器308检测信号362的上升沿并改变信号366以使晶体管310截止。
图5是示出根据本发明实施例的作为电源变换系统300一部分的次级控制器308的某些组件的简化示图。该示图仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。次级控制器308包括钳位组件602、偏移组件604、上升沿检测组件606、比较器608和624、下降沿检测组件610、定时控制器612、逻辑控制组件614、栅极驱动器616、轻负载检测器618、信号生成器620、振荡器622、欠压锁定组件628和参考信号生成器626。例如，次级控制器308的一些组件用于同步整流，包括钳位组件602、偏移组件604、上升沿检测组件606、比较器608、下降沿检测组件610、定时控制器612、逻辑控制组件614和栅极驱动器616。在另一示例中，次级控制器308的一些组件用于输出电压检测和控制，包括轻负载检测器618、信号生成器620、振荡器622、参考信号生成器626、逻辑控制组件614和栅极驱动器616。在又一示例中，次级控制器308的用于同步整流的组件以及次级控制器308的用于输出电压检测和控制的组件被集成在同一芯片上。
图6是根据本发明实施例的，包括如图5所示的次级控制器308的电源变换系统300在断续传导模式(DCM)中操作的简化时序图。该示图仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。例如，波形702表示作为时间的函数的被接通或关断的功率开关330，波形704表示作为时间的函数的反馈信号360，并且波形706表示作为时间的函数的电压信号362(例如，在端子390处)。另外，波形708表示作为时间的函数的信号366(例如，在端子392处)，波形710表示作为时间的函数的流经晶体管310的沟道电流368，波形712表示作为时间的函数的指示输出电压350的电压信号388(例如，在端子398处)。
根据一个实施例，钳位组件602从端子390(例如，端子DR)接收电压信号362(例如，VDR)。例如，上升沿检测组件606、比较器608和下降沿检测组件610接收信号658，信号658等于被偏移组件604修改后的电压信号362。在另一示例中，上升沿检测组件606、比较器608和下降沿检测组件610至少基于与信号658相关联的信息分别输出信号670、660和650。在又一示例中，定时控制器612接收信号670、660和650，并向逻辑控制器614输出信号672以便驱动晶体管310。偏移组件604在一些实施例中被省略。
根据另一实施例，在时刻t16之前，电源变换系统300处于无/轻负载条件下，并且系统300的开关频率保持为低(例如，低于阈值)。例如，在接通时间段期间(例如，在时刻t11与时刻t12之间)，开关330闭合(例如，正接通)，如波形702所示，并且能量被存储在包括初级绕组304和次级绕组306的变压器中。在另一示例中，电压信号362(例如，在端子DR处)具有值714(例如，如波形706所示)，并且被钳位组件602钳位。在又一示例中，信号366(例如，在端子G2处)为逻辑低电平(例如，如波形708所示)，并且晶体管310关断。在又一示例中，在接通时间段(例如，Ton)期间，沟道电流368具有低值716(例如，几乎为零，如波形710所示)。在又一示例中，电压信号388(例如，Vs)具有值718(例如，如波形712所示)。
根据又一实施例，在接通时间段的结束处(例如，在t12处)，开关330断开(例如，关断)，如波形702所示，并且能量被传送到次级侧。例如，电压信号362从值714降至值720(例如，如波形706所示)。在又一示例中，值720低于第三阈值电压722(例如，Vth3)和第四阈值电压724(例如，Vth4)两者。在又一示例中，第三阈值电压722(例如，Vth3)和第四阈值电压724(例如，Vth4)两者低于地电压372。在又一示例中，晶体管310的体二极管开始传导，并且体二极管电流370的大小增大。在某些实施例中，此后，信号366从逻辑低电平变为逻辑高电平(例如，在t13处，如波形708所示)，并且晶体管310导通。例如，第三阈值电压722(例如，Vth3)和第四阈值电压724(例如，Vth4)分别与第一阈值电压528和第二阈值电压530相同。
根据又一实施例，当电压信号362从值714降为值720时(例如，如波形706所示)，下降沿检测组件610检测电压信号362的下降并且改变信号650以便使晶体管310导通。例如，作为响应，沟道电流368从值716增至值726(例如，在t13处，如波形710所示)。在另一示例中，晶体管310的漏极端子与源极端子之间的压降基于下式来确定：
VDS_M2＝-Isec×Rds_on    (式1)
其中，VDS_M2表示晶体管310的漏极端子与源极端子之间的压降，Isec表示次级电流352，并且Rds_on表示晶体管310的导通电阻。
根据某些实施例，由于晶体管310的导通电阻非常小，晶体管310的漏极端子与源极端子之间的压降的大小远小于整流二极管(例如，二极管124或二极管260)的正向电压。例如，当次级电流352变得非常小时(例如，近似为零)，晶体管310的漏极端子与源极端子之间的压降的大小也变得非常小，并且电压信号362的大小非常小。在另一示例中，如果信号658的大小大于参考信号652，则比较器608改变信号660以便使晶体管310截止。在又一示例中，信号366从逻辑高电平变为逻辑低电平(例如，在t14处，如波形708所示)，并且晶体管310截止。在又一示例中，晶体管310的体二极管再次开始传导，并且体二极管电流370的大小下降(例如，最终在t15处几乎为零)。因此，在一些实施例中，能量完全被传递到输出。
在一个实施例中，次级控制器308通过信号388(例如，Vs)持续监视输出电压350。例如，比较器624接收参考信号680和信号388(例如，Vs)并输出信号682。在另一示例中，轻负载检测器618从振荡器622接收时钟信号并从同步定时控制器612接收信号676。在又一示例中，信号676指示信号362中的某些开关事件(例如，上升沿或下降沿)。在又一示例中，轻负载检测器618通过检测电源变换系统300的开关频率来判断系统是否是在空/轻载状态，并输出状态信号678，如果开关频率低于某一设定阈值，表明系统处于空/轻载状态。在又一示例中，单稳态脉冲发生器620接收信号678和信号682，并向逻辑控制组件614输出信号684，从而影响晶体管310的状态。
在另一实施例中，如果输出电压350在任何条件下(例如，当输出负载条件从无/轻负载条件变为满负载条件时(例如，在t16与t17中间))降至阈值电平之下，则输出电压350下降(例如，到阈值电平之下)。例如，如果信号388(例如，Vs)从在大小方面大于参考信号680的第一值变为在大小方面低于参考信号680的第二值(例如，在t16处，如波形712所示)，则比较器624在信号682中生成脉冲，以便在短时间段期间使晶体管310导通。在一些实施例中，如果信号678指示电源变换系统300处于无/轻负载条件下，则单稳态脉冲发生器620在信号684中输出脉冲，并且作为响应，栅极驱动器616在信号366中生成脉冲730(例如，如波形708所示)。例如，信号362(例如，在端子DR处)降为值728(例如，在t16与t17之间，如波形706所示)。在又一示例中，晶体管310在与信号366中的脉冲730相关联的脉冲时段期间导通，并且沟道电流368方向相反(例如，从输出电容器312经过晶体管310到地)，如波形710所示。在又一示例中，反馈信号360的大小增加，并且形成脉冲(例如，在t16与t17之间，如波形704所示)。根据某些实施例，控制器302检测反馈信号360的该脉冲，并且作为响应，增大初级绕组304的峰电流以及开关频率，以便将更多能量传递到次级侧。例如，使得输出电压350和电压信号388的幅度增大(例如，在t18处，如波形712所示)。
如上面讨论并在此进一步强调的，图5和图6仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。例如，次级控制器408与如图5所示的次级控制器308相同。
在某些实施例中，图6是包括次级控制器408的电源变换系统400在断续传导模式(DCM)中操作的简化时序图。例如，波形702表示作为时间的函数的被接通或关断的功率开关430，波形704表示作为时间的函数的反馈信号460，并且波形706表示作为时间的函数的电压信号462。另外，波形708表示作为时间的函数的信号466，波形710表示作为时间的函数的流经晶体管410的沟道电流468，波形712表示作为时间的函数的指示输出电压450的电压信号488。
在一些实施例中，在诸如连续传导模式和临界传导模式(例如，准谐振模式)之类的其它模式中操作的作为电源变换系统300一部分的次级控制器308或者作为电源变换系统400一部分的次级控制器408也可以实现如图5和图6所示的方案。
根据另一实施例，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括第一控制器端子和第二控制器端子。该系统控制器被配置为在第一控制器端子处至少接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息在第二控制器端子处生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。该系统控制器还被配置为如果输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使该晶体管截止，并且如果输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平改变为第二逻辑电平以使晶体管导通。例如，该系统根据图3(A)、图3(B)、图4、图5和/或图6来实现。
根据另一实施例，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括第一控制器端子和第二控制器端子。该系统控制器被配置为在第一控制器端子处至少接收输入信号，该输入信号与输出电压成比例，该输出电压与电源变换系统的次级绕组相关联，并且至少基于与输入信号相关联的信息在第二控制器端子处生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。该系统控制器还被配置为只有在输入信号从大于第一阈值的第一值变为小于第一阈值的第二值时，才生成栅极驱动信号的脉冲以在与脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。例如，该系统至少根据图3(A)、图3(B)、图5和/或图6来实现。
根据又一实施例，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括第一比较器、信号检测器和驱动组件。第一比较器被配置为接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息输出第一比较信号。信号检测器被配置为接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息输出第一检测信号。驱动组件被配置为至少基于与第一比较信号和第一检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流；比较器还被配置为判断输入信号是否大于第一阈值。信号检测器还被配置为判断输入信号是否从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值。驱动组件还被配置为：如果第一比较信号指示输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使晶体管截止，并且如果第一检测信号指示输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平变为第二逻辑电平以使晶体管导通。例如，该系统根据图3(A)、图3(B)、图4、图5和/或图6来实现。
在一个实施例中，一种用于开关电源变换系统的系统控制器包括比较器、脉冲信号生成器和驱动组件。比较器被配置为接收输入信号并且至少基于与输入信号相关联的信息输出比较信号。脉冲信号生成器被配置为至少接收比较信号并且至少基于与比较信号相关联的信息生成脉冲信号。驱动组件被配置为接收脉冲信号并且至少基于与脉冲信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。比较器还被配置为判断输入信号是大于还是小于阈值。脉冲信号生成器还被配置为只有在比较信号指示输入信号从大于阈值的第一值变为小于阈值的第二值时，才生成脉冲信号的第一脉冲。驱动组件还被配置为响应于脉冲信号的第一脉冲，生成栅极驱动信号的第二脉冲以在与第二脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。例如，该系统至少根据图3(A)、图3(B)、图5和/或图6来实现。
在另一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：至少接收输入信号，处理与输入信号相关联的信息，并且至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：如果输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使晶体管截止，并且如果输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平改变为第二逻辑电平以使晶体管导通。例如，该方法根据图3(A)、图3(B)、图4、图5和/或图6来实现。
在又一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：至少接收输入信号，输入信号与输出电压成比例，该输出电压与电源变换系统的次级绕组相关联；处理与输入信号相关联的信息；以及至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与输入信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：只有在输入信号从大于第一阈值的第一值变为小于第一阈值的第二值时，才生成栅极驱动信号的脉冲以在与脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。例如，该方法至少根据图3(A)、图3(B)、图5和/或图6来实现。
在又一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：接收输入信号；处理与输入信号相关联的信息；并且判断输入信号是否大于第一阈值。该方法还包括：至少基于与输入信号相关联的信息生成比较信号；判断输入信号是否从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值；并且至少基于与输入信号相关联的信息生成检测信号。另外，该方法包括至少基于与比较信号和检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与比较信号和检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：如果比较信号指示输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的栅极驱动信号以使晶体管截止；以及如果检测信号指示输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于第二阈值的第二值，则将栅极驱动信号从第一逻辑电平变为第二逻辑电平以使晶体管导通。例如，该方法根据图3(A)、图3(B)、图4、图5和/或图6来实现。
在又一实施例中，一种用于开关电源变换系统的方法包括：接收输入信号；处理与输入信号相关联的信息；并且判断输入信号是大于还是小于阈值。该方法还包括：至少基于与输入信号相关联的信息生成比较信号；接收比较信号；并且处理与比较信号相关联的信息。另外，该方法包括：至少基于与比较信号相关联的信息生成脉冲信号；接收脉冲信号；处理与脉冲信号相关联的信息；并且至少基于与脉冲信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流。用于至少基于与比较信号相关联的信息生成脉冲信号的处理包括：只有在比较信号指示输入信号从大于阈值的第一值变为小于阈值的第二值时，才生成脉冲信号的第一脉冲。用于至少基于与脉冲信号相关联的信息生成栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：响应于脉冲信号的第一脉冲，生成栅极驱动信号的第二脉冲以在与第二脉冲相关联的脉冲时段期间使晶体管导通。例如，该方法至少根据图3(A)、图3(B)、图5和/或图6来实现。
例如，本发明各个实施例中的一些或所有组件单独地和/或与至少另一组件相组合地是利用一个或多个软件组件、一个或多个硬件组件和/或软件与硬件组件的一种或多种组合来实现的。在另一示例中，本发明各个实施例中的一些或所有组件单独地和/或与至少另一组件相组合地在一个或多个电路中实现，例如在一个或多个模拟电路和/或一个或多个数字电路中实现。在又一示例中，本发明的各个实施例和/或示例可以相组合。
虽然已描述了本发明的具体实施例，然而本领域技术人员将明白，还存在于所述实施例等同的其它实施例。因此，将明白，本发明不受所示具体实施例的限制，而是仅由权利要求的范围来限定。

Claims (22)

1.一种用于开关电源变换系统的系统控制器，该系统控制器包括：
第一控制器端子；
第二控制器端子；
第一比较器，被配置为在所述第一控制器端子处接收输入信号并且至少基于与所述输入信号相关联的信息输出第一比较信号；
信号检测器，被配置为在所述第一控制器端子处接收所述输入信号并且至少基于与所述输入信号相关联的信息输出第一检测信号；以及
驱动组件，被配置为至少基于与所述第一比较信号和所述第一检测信号相关联的信息在所述第二控制器端子处输出栅极驱动信号；
其中，所述系统控制器被配置为：
在所述第一控制器端子处至少接收输入信号；以及
至少基于与所述输入信号相关联的信息在所述第二控制器端子处生成所述栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与所述开关电源变换系统的次级绕组相关联的电流；
其中，所述系统控制器还被配置为：
如果所述输入信号大于第一阈值，则生成第一逻辑电平的所述栅极驱动信号以使所述晶体管截止；以及
如果所述输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于所述第二阈值的第二值，则将所述栅极驱动信号从所述第一逻辑电平改变为第二逻辑电平以使所述晶体管导通。
2.如权利要求1所述的系统控制器，还被配置为如果所述输入信号从大于第二阈值的第一值变为小于所述第二阈值的第二值，则在某一延迟之后将所述栅极驱动信号从所述第一逻辑电平改变为所述第二逻辑电平以使所述晶体管导通。
3.如权利要求1所述的系统控制器，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。
4.如权利要求3所述的系统控制器，其中，所述第一阈值小于零。
5.如权利要求4所述的系统控制器，其中，所述第二阈值小于零。
6.如权利要求1所述的系统控制器，其中，所述第一比较器还被配置为判断所述输入信号是否大于所述第一阈值。
7.如权利要求6所述的系统控制器，其中，所述信号检测器还被配置为判断所述输入信号是否从大于所述第二阈值的所述第一值变为小于所述第二阈值的所述第二值。
8.如权利要求7所述的系统控制器，其中，所述驱动组件包括：
定时控制器，被配置为接收所述第一比较信号和所述第一检测信号并且至少基于与所述第一比较信号和所述第一检测信号相关联的信息输出第一定时信号；
逻辑控制器，被配置为至少接收所述第一定时信号并且至少基于与所述第一定时信号相关联的信息生成控制信号；
栅极驱动器，被配置为接收所述控制信号并且至少基于与所述控制信号相关联的信息输出所述栅极驱动信号。
9.如权利要求8所述的系统控制器，还包括：
第二比较器，被配置为接收与所述开关电源变换系统的输出电压相关联的电压信号，并且至少基于与所述电压信号相关联的信息输出第二比较信号；
负载检测器，被配置为接收第二定时信号和时钟信号，并且至少基于与所述第二定时信号和所述时钟信号相关联的信息生成第二检测信号；以及
脉冲信号生成器，被配置为接收所述第二比较信号和所述第二检测信号，并且至少基于与所述第二比较信号和所述第二检测信号相关联的信息向所述逻辑控制器输出脉冲信号。
10.如权利要求1所述的系统控制器，其位于第一芯片上。
11.如权利要求10所述的系统控制器，其中，所述晶体管也位于所述第一芯片上。
12.如权利要求10所述的系统控制器，该系统控制器是多芯片封装的至少一部分，所述多芯片封装包括所述第一芯片并且还包括不同于所述第一芯片的第二芯片，所述晶体管位于所述第二芯片上。
13.一种用于开关电源变换系统的系统控制器，该系统控制器包括：
第一控制器端子；
第二控制器端子；
比较器，被配置为在所述第一控制器端子处接收输入信号并且至少基于与所述输入信号相关联的信息输出比较信号；
单稳态脉冲信号生成器，被配置为接收指示所述开关电源变换系统的输出负载条件的检测信号以及所述比较信号、并且至少基于与所述比较信号和所述检测信号相关联的信息生成所述脉冲信号；以及
驱动组件，被配置为接收所述脉冲信号并且至少基于与所述脉冲信号相关联的信息生成栅极驱动信号来使晶体管导通或截止，
其中，所述系统控制器被配置为：
在所述第一控制器端子处至少接收输入信号，所述输入信号与输出电压成比例，该输出电压与所述开关电源变换系统的次级绕组相关联；以及
至少基于与所述输入信号相关联的信息在所述第二控制器端子处生成所述栅极驱动信号以使所述晶体管导通或截止，从而影响与所述开关电源变换系统的次级绕组相关联的电流；
其中，所述系统控制器还被配置为只有在所述输入信号从大于第一阈值的第一值变为小于所述第一阈值的第二值时，才生成所述栅极驱动信号的脉冲以在与所述脉冲相关联的脉冲时段期间使所述晶体管导通，
其中，所述系统控制器还被配置为：
如果所述输入信号从大于所述第一阈值的所述第一值变为小于所述第一阈值的所述第二值并且所述开关电源变换系统的输出负载条件满足一个或多个条件，则生成所述栅极驱动信号的所述脉冲以在与所述脉冲相关联的所述脉冲时段期间使所述晶体管导通。
14.如权利要求13所述的系统控制器，其中，与所述开关电源变换系统相关联的开关频率表征所述开关电源变换系统的所述输出负载条件。
15.如权利要求13所述的系统控制器，其中，如果所述开关电源变换系统的所述输出负载条件满足所述一个或多个条件，则所述开关频率在第二阈值之下。
16.如权利要求13所述的系统控制器，其中，所述比较器还被配置为判断所述输入信号是否从大于所述第一阈值的所述第一值变为小于所述第一阈值的所述第二值。
17.如权利要求13所述的系统控制器，其中，所述驱动组件包括：
逻辑控制器，被配置为接收所述脉冲信号并且至少基于与所述脉冲信号相关联的信息生成控制信号；
栅极驱动器，被配置为接收所述控制信号并且至少基于与所述控制信号相关联的信息输出所述栅极驱动信号。
18.如权利要求13所述的系统控制器，还包括负载检测器，被配置为至少接收与所述开关电源变换系统的开关频率有关的定时信号，并且至少基于与所述定时信号相关联的信息输出所述检测信号。
19.如权利要求13所述的系统控制器，其位于第一芯片上。
20.如权利要求19所述的系统控制器，其中，所述晶体管也位于所述第一芯片上。
21.如权利要求19所述的系统控制器，该系统控制器是多芯片封装的至少一部分，所述多芯片封装包括所述第一芯片还包括不同于所述第一芯片的第二芯片，所述晶体管位于所述第二芯片上。
22.一种用于开关电源变换系统的方法，该方法包括：
接收输入信号；
处理与所述输入信号相关联的信息；
判断所述输入信号是否大于第一阈值；
至少基于与所述输入信号相关联的信息生成比较信号；
判断所述输入信号是否从大于第二阈值的第一值变为小于所述第二阈值的第二值；
至少基于与所述输入信号相关联的信息生成检测信号；以及
至少基于与所述比较信号和所述检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止，从而影响与所述开关电源变换系统的次级绕组相关联的电流；
其中，用于至少基于与所述比较信号和所述检测信号相关联的信息输出栅极驱动信号以使晶体管导通或截止从而影响与所述开关电源变换系统的次级绕组相关联的电流的处理包括：
如果所述比较信号指示所述输入信号大于所述第一阈值，则生成第一逻辑电平的所述栅极驱动信号以使所述晶体管截止；以及
如果所述检测信号指示所述输入信号从大于所述第二阈值的所述第一值变为小于所述第二阈值的所述第二值，则将所述栅极驱动信号从所述第一逻辑电平变为第二逻辑电平以使所述晶体管导通。
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