CN103490648A - 隔离式开关变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了隔离式开关变换器及其控制方法。在正常工作状态下，初级控制器基于反馈信号控制初级开关管，次级控制器在初级开关管关断后将次级开关管导通，在初级开关管导通前将次级开关管关断。在轻载状态下，次级控制器基于输出电压控制次级开关管，在初级开关管关断后将次级开关管导通，并使流过次级绕组的次级电流换向为负。次级控制器在负的次级电流达到次级电流阈值时关断次级开关管，使负的次级电流在初级绕组耦合出负的初级电流。初级控制器基于该负的初级电流将初级开关管导通，并在初级电流大于初级电流阈值时将初级开关管关断。

Description

隔离式开关变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路，尤其涉及隔离式开关变换器及其控制方法。

背景技术

隔离式开关变换器被广泛应用于各种离线供电及对安全性要求较高的场合。精准、高效、电磁干扰低、成本低的控制策略成为应用的必须。而且为了达到对向负载提供能量的精确调节，必须采用反馈控制。

图1示出了常用的采用辅助绕组来实现反馈的隔离式开关变换器100。在整流管D1导通时，变压器T1辅助绕组上的电压与开关变换器的输出电压Vout成比例。因此，可以通过检测辅助绕组上的电压来获得反馈信息。如图1所示，辅助绕组上的电压被检测以获得反馈信号FB，控制器基于反馈信号FB和代表初级电流Ipri的电流采样信号CS产生控制信号DRV1，以控制主开关管M1。

图1所示的反馈方式简单易行，然而，这种反馈方式也存在一些问题。首先，反馈信号FB在整流管D1导通时方能反映输出电压Vout。因此，即使在空载状态下(输出电流lout约为0)，主开关管M1仍需被导通，从而将次级整流管D1导通，以使反馈信息能被提供至控制器。这无疑限制了开关变换器100的空载效率。

其次，在轻载状态下(输出电流lout小于预设阈值)，开关变换器100通常工作于电流断续模式，开关变换器的工作频率很低。图2为图1所示隔离式开关变换器100在轻载状态下的工作波形图。如图2所示，当变压器T1中储存的能量被全部传送至负载，即次级电流Isec减小至零后，反馈信号FB持续等于0而无法反映负载状态信息。若此时负载突然增大(例如在图2所示的t1时刻)，开关变换器将无法及时响应，从而导致输出电压Vout上出现下冲。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提高隔离式开关变换器的空载效率，并改善隔离式开关变换器在轻载状态下的瞬态响应。

根据本发明实施例的一种隔离式开关变换器，包括：变压器，具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组，其中初级绕组耦接以接收输入电压，次级绕组耦接以提供输出电压至负载；初级开关管，耦接至变压器的初级绕组；次级开关管，耦接至变压器的次级绕组；反馈电路，耦接至变压器的辅助绕组，产生指示开关变换器输出电压的反馈信号；初级控制器，产生初级控制信号以控制初级开关管；次级控制器，产生次级控制信号以控制次级开关管；其中在正常工作状态下，初级控制器基于反馈信号控制初级开关管，次级控制器在初级开关管关断后将次级开关管导通，在初级开关管导通前将次级开关管关断；在轻载状态下，次级控制器基于输出电压控制次级开关管，次级控制器在初级开关管关断后将次级开关管导通，并使流过次级绕组的次级电流换向为负，次级控制器在该负的次级电流达到次级电流阈值时关断次级开关管，使该负的次级电流在初级绕组耦合出负的初级电流，初级控制器基于该负的初级电流将初级开关管导通，并在初级电流达到初级电流阈值时将初级开关管关断。

根据本发明实施例的一种隔离式开关变换器的控制方法，该开关变换器将输入电压转换为输出电压以驱动负载，包括具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组的变压器、耦接至变压器初级绕组的初级开关管、耦接至变压器次级绕组的次级开关管以及耦接至变压器辅助绕组以产生反馈信号的反馈电路，该控制方法包括：判断开关变换器处于正常工作状态或轻载状态；在正常工作状态下，执行以下步骤：基于反馈信号控制初级开关管；以及在初级开关管关断后将次级开关管导通，在初级开关管导通前将次级开关管关断；在轻载状态下，基于输出电压控制次级开关管，并执行以下步骤：在初级开关管关断后将次级开关管导通，并使流过次级绕组的次级电流换向为负；在负的次级电流达到次级电流阈值时关断次级开关管，使负的次级电流在初级绕组耦合出负的初级电流；基于负的初级电流将初级开关管导通；以及在初级电流达到初级电流阈值时将初级开关管关断。

根据本发明的实施例，在轻载状态下，隔离式开关变换器将次级控制器用作主控制器而将初级控制器用作从控制器，从而无需反馈信号来提供反馈信息。因此，初级开关管在空载状态下可以被完全关断，隔离式开关变换器的空载效率与现有技术相比得到大幅提高。此外，由于次级控制器在轻载状态下直接根据输出电压来进行反馈控制，隔离式开关变换器在负载突变时可以给出及时的响应。现有技术中输出电压上的下冲被消除，隔离式开关变换器的瞬态响应得到改善。

附图说明

图1示出了常用的采用辅助绕组来实现反馈的隔离式开关变换器100；

图2为图1所示隔离式开关变换器100在轻载状态下的工作波形图；

图3为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器300的框图；

图4为根据本发明一实施例的初级控制器401的框图；

图5为根据本发明一实施例的次级控制器502的框图；

图6A～6C为根据本发明实施例的负载状态检测和负载状态信号传输的原理性示意图；

图7为根据本发明一实施例的第二初级控制电路713的电路原理图；

图8为根据本发明一实施例的第一初级控制电路812的电路原理图；

图9为根据本发明一实施例的第二次级控制电路923的电路原理图；

图10为根据本发明一实施例的第一次级控制电路1022的电路原理图；

图11为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

本发明可以被应用于任何隔离式开关变换器。在接下来的详细描述中，为了简洁起见，仅以反激变换器(flyback converter)为例来解释本发明的具体工作原理。

图3为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器300的框图。该开关变换器300包括变压器T1、初级开关管MP、次级开关管MS、初级控制器301、次级控制器302和反馈电路303。变压器T1具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组，其中初级绕组耦接以接收输入电压Vin，次级绕组耦接以提供输出电压Vout至负载。初级开关管MP耦接至变压器T1的初级绕组，次级开关管MS耦接至变压器T1的次级绕组。反馈电路303耦接至变压器T1的辅助绕组，产生指示输出电压Vout的反馈信号FB。在图3所示实施例中，反馈电路303包括电阻分压器。初级控制器301产生初级控制信号DRVP以控制初级开关管MP，次级控制器302产生次级控制信号DRVS以控制次级开关管MS。

在正常工作状态下，初级控制器301被用作主控制器(mastercontroller)，基于反馈信号FB产生初级控制信号DRVP，以控制初级开关管MP。次级控制器302被用作从控制器(slave controller)，在初级开关管MP关断后将次级开关管MS导通，在初级开关管MP导通前将次级开关管MS关断。次级控制器302可以基于次级开关管MS的漏源电压、次级绕组两端的电压或次级电流Isec等电参数检测初级开关管MP的状态，从而相应地导通或关断次级开关管MS。

在轻载状态下，次级控制器302被用作主控制器，基于输出电压Vout控制次级开关管MS。次级控制器302在初级开关管MP关断后将次级开关管MS导通，并使流过次级绕组的次级电流Isec换向为负。次级控制器302在负的次级电流达到次级电流阈值时关断次级开关管MS，使该负的次级电流在初级绕组耦合出负的初级电流。初级控制器301被用作从控制器，基于该负的初级电流将初级开关管MP导通，并在初级电流Ipri达到初级电流阈值时将初级开关管MP关断。

与图1所示的现有开关变换器100相比，开关变换器300在轻载状态下将次级控制器302用作主控制器而将初级控制器301用作从控制器，从而无需反馈信号FB来提供轻载状态下的负载状态信息。因此，初级开关管M1在空载状态下可以被完全关断，开关变换器300的空载效率与开关变换器100相比得到大幅提高。此外，由于次级控制器302直接根据输出电压Vout来进行反馈控制，开关变换器300在负载突变时可以给出及时的响应，开关变换器100中输出电压Vout上的下冲被消除。

在图3所示实施例中，初级开关管MP和次级开关管MS均为n型MOSFET。然而，本领域技术人员可知，在其他实施例中，初级开关管MP和次级开关管MS也可以为p型MOSFET或任何其他合适的可控半导体器件。在图3所示实施例中，次级开关管MS耦接在变压器T1次级绕组的上端(异名端)与负载之间。在其他实施例中，次级开关管MS也可以耦接在次级绕组的下端(同名端)与负载之间。

图4为根据本发明一实施例的初级控制器401的框图。该初级控制器401包括初级模式选择电路411、第一初级控制电路412、第二初级控制电路413和初级逻辑电路414。初级模式选择电路411产生初级模式选择信号MODEP。初级模式选择电路411可以基于开关变换器的开关频率Fs、初级电流Ipri、反馈信号FB等参数中的一个或者几个来检测负载状态，以产生初级模式选择信号MODEP。初级模式选择电路411也可以从次级控制器接收负载状态信息，并据此产生初级模式选择信号MODEP。

第一初级控制电路412具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至初级模式选择电路411以接收初级模式选择信号MODEP，第二输入端耦接至反馈电路以接收反馈信号FB。第一初级控制电路412基于初级模式选择信号MODEP和反馈信号FB，在输出端产生第一初级控制信号DRVP1。

第二初级控制电路413具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至初级模式选择电路411以接收初级模式选择信号MODEP，第二输入端接收代表初级电流Ipri的初级电流采样信号CSP。第二初级控制电路413基于初级模式选择信号MODEP和初级电流采样信号CSP，在输出端产生第二初级控制信号DRVP2。

初级逻辑电路414具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一初级控制电路412的输出端以接收第一初级控制信号DRVP1，第二输入端耦接至第二初级控制电路413的输出端以接收第二初级控制信号DRVP2。初级逻辑电路414基于第一初级控制信号DRVP1和第二初级控制信号DRVP2，在输出端产生初级控制信号DRVP。

在一个实施例中，初级模式选择信号MODEP被用作第一初级控制电路412和第二初级控制电路413的使能信号，初级逻辑电路414包括或门OR1。在正常工作状态下，第一初级控制电路412被使能(enabled)，第二初级控制电路413被屏蔽(disabled)，初级控制信号DRVP等于第一初级控制信号DRVP1。在轻载状态下，第一初级控制电路412被屏蔽，第二初级控制电路413被使能，初级控制信号DRVP等于第二初级控制信号DRVP2。

图5为根据本发明一实施例的次级控制器502的框图。该次级控制器502包括次级模式选择电路521、第一次级控制电路522、第二次级控制电路523和次级逻辑电路524。次级模式选择电路521产生次级模式选择信号MODES。次级模式选择电路521可以基于开关频率Fs、次级电流Isec、输出电压Vout等参数中的一个或者几个来检测负载状态，以产生次级模式选择信号MODES。次级模式选择电路521也可以从初级控制器接收负载状态信息，并据此产生初级模式选择信号MODES。

第一次级控制电路522具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至次级模式选择电路521以接收次级模式选择信号MODES，第二输入端接收次级开关管的端电压(例如漏源电压VDSS或源极电压VSS)。第一次级控制电路522基于次级模式选择信号MODES和次级开关管的端电压，在输出端产生第一次级控制信号DRVS1。

第二次级控制电路523具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和输出端，其中第一输入端耦接至次级模式选择电路521以接收次级模式选择信号MODES，第二输入端接收次级开关管的端电压，第三输入端接收代表负的次级电流的次级电流采样信号CSS，第四输入端接收代表输出电压Vout的输出电压采样信号VSENSE。第二次级控制电路523基于次级模式选择信号MODES、次级开关管的端电压、次级电流采样信号CSS和输出电压采样信号VSENSE，在输出端产生第二次级控制信号DRVS。

次级逻辑电路524具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一次级控制电路522的输出端以接收第一次级控制信号DRVS1，第二输入端耦接至第二次级控制电路523的输出端以接收第二次级控制信号DRVS2。次级逻辑电路524基于第一次级控制信号DRVS1和第二次级控制信号DRVS2，在输出端产生次级控制信号DRVS。

在一个实施例中，次级模式选择信号MODES被用作第一次级控制电路522和第二次级控制电路523的使能信号，次级逻辑电路524包括或门OR2。在正常工作状态下，第一次级控制电路522被使能，第二次级控制电路523被屏蔽，次级控制信号DRVS等于第一次级控制信号DRVS1。在轻载状态下，第一次级控制电路522被屏蔽，第二次级控制电路523被使能，次级控制信号DRVS等于第二次级控制信号DRVS2。

初级控制器和次级控制器可以通过开关频率Fs、初级电流Ipri、次级电流Isec、反馈信号FB或输出电压Vout来检测负载状态或传递负载状态信息。图6A～6C为根据本发明实施例的负载状态检测和负载状态信号传输的原理性示意图。

在图6A所示的实施例中，初级模式选择电路611A基于开关变换器的开关频率Fs、初级电流采样信号CSP、反馈信号FB等参数中的一个或者几个来检测负载状态，以产生初级模式选择信号MODEP。初级模式选择电路611A将初级模式选择信号MODEP提供至第一初级控制电路和第二初级控制电路以调节初级控制信号DRVP。同时，初级模式选择电路611A还将初级模式选择信号MODEP传递至次级模式选择电路621A，这可以通过调制开关频率Fs、初级电流Ipri、初级绕组两端的电压等信号以使其承载初级模式选择信号MODEP来实现。次级模式选择电路621A通过对开关频率Fs、次级电流Isec、次级绕组两端的电压等信号进行解调以接收初级模式选择信号MODEP，并根据接收到的初级模式选择信号MODEP产生次级模式选择信号MODES。在一些实施例中，初级模式选择电路611A和次级模式选择电路621A之间也可以采用其他常用的信号传输方式。

在图6B所示的实施例中，次级模式选择电路621B基于开关频率Fs、次级电流采样信号CSS、输出电压采样信号VSENSE等参数中的一个或者几个来检测负载状态，以产生次级模式选择信号MODES。次级模式选择电路621B将次级模式选择信号MODES提供至第一次级控制电路和第二次级控制电路以调节次级控制信号DRVS。同时，次级模式选择电路621B还将次级模式选择信号MODES传递至初级模式选择电路611B，这可以通过调制开关频率Fs、次级电流Isec、次级绕组两端的电压等信号以使其承载次级模式选择信号MODES来实现。初级模式选择电路611B通过对开关频率Fs、初级电流Ipri、初级绕组两端的电压等信号进行解调以接收次级模式选择信号MODES，并根据接收到的次级模式选择信号MODES产生初级模式选择信号MODEP。在一些实施例中，初级模式选择电路611B和次级模式选择电路621B之间也可以采用其他常用的信号传输方式。

在图6C所示的实施例中，在正常工作状态下，初级模式选择电路611C基于开关频率Fs、初级电流采样信号CSP、反馈信号FB等参数中的一个或者几个来检测开关变换器是否处于轻载状态，以产生初级模式选择信号MODEP，并将其传递至次级模式选择电路621C。次级模式选择电路621C根据接收到的初级模式选择信号MODEP产生次级模式选择信号MODES。

在轻载状态下，次级模式选择电路621C基于开关频率Fs、次级电流采样信号CSS、输出电压采样信号VSENSE等参数中的一个或者几个来检测开关变换器是否处于正常工作状态，以产生次级模式选择信号MODES，并将其传递至初级模式选择电路611C。初级模式选择电路611C根据接收到的次级模式选择信号MODES产生初级模式选择信号MODEP。

初级模式选择电路611C和次级模式选择电路621C之间的信息传输可以通过对开关频率Fs、初级电流Ipri、次级电流Isec等信号的调制解调来实现，也可以采用其他常用的信号传输方式。

在一个实施例中，当开关频率Fs下降至小于第一频率阈值时，初级模式选择电路611C判断开关变换器处于轻载状态。初级控制器由主控制器变为从控制器，第一初级控制电路被屏蔽，而第二初级控制电路被使能。当次级模式选择电路621C检测到输出电压采样信号VSENSE下降至预设阈值，或者检测到初级开关管连续多个周期未导通，则视为接收到初级模式选择电路611C传递的初级模式选择信号MODEP。次级控制器由从控制器变为主控制器，第一次级控制电路被屏蔽，而第二次级控制电路被使能。

当开关频率Fs增大至大于第二频率阈值时，次级模式选择电路621C判断开关变换器处于正常工作状态，其中第二频率阈值大于第一频率阈值。次级控制器由主控制器变为从控制器，第二次级控制电路被屏蔽，而第一次级控制电路被使能。当初级模式选择电路611C检测到次级开关管连续多个周期未导通，则视为接收到次级模式选择电路621C传递的次级模式选择信号MODES。初级控制器由从控制器变为主控制器，第二初级控制电路被屏蔽，而第一初级控制电路被使能。

图7为根据本发明一实施例的第二初级控制电路713的电路原理图。第二初级控制电路713在初级模式选择信号MODEP的作用下被使能或被屏蔽。第二初级控制电路713包括比较器CMP1、CMP2和触发器FFP1。比较器CMP1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收初级电流采样信号CSP，反相输入端接收阈值VTHP1。比较器CMP1将初级电流采样信号CSP与阈值VTHP1进行比较，在输出端产生比较信号COP1。比较器CMP2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收阈值VTHP2，反相输入端接收初级开关管的漏源电压VDSP。比较器CMP2将初级开关管的漏源电压VDSP与阈值VTHP2进行比较，在输出端产生比较信号COP2。触发器FFP1具有复位端、置位端和输出端，其中复位端耦接至比较器CMP1的输出端以接收比较信号COP1，置位端耦接至比较器CMP2的输出端以接收比较信号COP2。触发器FFP1基于比较信号COP1和COP2，在输出端产生第二初级控制信号DRVP2。

在轻载状态下，第二初级控制电路713被使能，初级控制信号DRVP等于第二初级控制信号DRVP2。在轻载状态下，次级开关管MS被导通以产生负的次级电流。在次级开关管MS关断后，该负的次级电流在初级绕组上耦合出负的初级电流，使得位于初级开关管漏极与源极之间的缓冲电容器(图3中未示出)放电，初级开关管的漏源电压VDSP逐渐减小。在初级开关管的漏源电压VDSP减小至阈值VTHP2(例如0V)时，触发器FFP1被置位，初级开关管MP被导通。在初级开关管MP导通后，初级电流Ipri和初级电流采样信号CSP逐渐增大。当初级电流采样信号CSP增大至阈值VTHP1时，触发器FFP1被复位，初级开关管MP被关断。在本发明的实施例中，阈值VTHP1可以为恒定值，也可以是随负初级电流的峰值变化而变化的可变值。

图7所示的第二初级控制电路713通过检测到初级开关管的漏源电压VDSP来实现初级开关管MP的零电压导通。然而，本领域技术人员可以理解，在其他实施例中，第二初级控制电路也可以基于初级电流采样信号CSP，在检测到负的初级电流时直接将初级开关管MP导通。

图8为根据本发明一实施例的第一初级控制电路812的电路原理图。第一初级控制电路812在初级模式选择信号MODEP的作用下被使能或被屏蔽。第一初级控制电路812包括比较器CMP3、CMP4、CMP5、采样保持电路8121、次级导通检测电路8122、误差放大器EA、逻辑门电路8123、电流源IS、电容器C1、放电开关管S1以及触发器FFP2。比较器CMP3具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收初级电流采样信号CSP，反相输入端接收阈值VTHP3。比较器CMP3将初级电流采样信号CSP与阈值VTHP3进行比较，在输出端产生比较信号COP3。采样保持电路8121具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈电路以接收反馈信号FB，第二输入端接收第一初级控制信号DRVP1。采样保持电路8121基于第一初级控制信号DRVP1对反馈信号FB进行采样保持，在输出端产生采样保持信号SH。在一个实施例中，采样保持电路8121基于第一初级控制信号DRVP1，在初级开关管MP关断一段时间(例如3.5uS)后，对反馈信号FB进行采样保持。误差放大器EA具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端耦接至采样保持电路8121的输出端以接收采样保持信号SH，反相输入端接收参考信号VREF。误差放大器EA基于采样保持信号SH和参考信号VREF，在输出端产生补偿信号COMP。

比较器CMP4具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收阈值VTHP4(例如0.1V)，反相输入端耦接至反馈电路以接收反馈信号FB。比较器CMP4将反馈信号FB与阈值VTHP4进行比较，在输出端产生比较信号COP4。次级导通检测电路8122具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至比较器CMP4的输出端以接收比较信号COP4，第二输入端接收第一初级控制信号DRVP1。次级导通检测电路8122基于比较信号COP4和第一初级控制信号DRVP1，在输出端产生次级导通信号TONS。逻辑门电路8123具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至次级导通检测电路8122的输出端以接收次级导通信号TONS，第二输入端接收第一初级控制信号DRVP1。逻辑门电路8123基于次级导通信号TONS和第一初级控制信号DRVP1，在输出端产生逻辑输出信号LGO。在一个实施例中，逻辑门电路8123包括或门OR3。

电流源IS具有输入端和输出端，其中输入端耦接至供电电压。电容器C1具有第一端和第二端，其中第一端耦接至电流源IS的输出端，第二端接地。放电开关管S1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电容器C1的第一端，第二端接地，控制端耦接至逻辑门电路8123的输出端以接收逻辑输出信号LGO。比较器CMP5具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端耦接至电容器C1的第一端，反相输入端耦接至误差放大器EA的输出端以接收补偿信号COMP。比较器CMP5将电容器C1两端的电压与补偿信号COMOP进行比较，在输出端产生比较信号COP5。触发器FFP2具有复位端、置位端和输出端，其中复位端耦接至比较器CMP3的输出端以接收比较信号COP3，第二输入端耦接至比较器CMP5的输出端以接收比较信号COP5。触发器FFP2基于比较信号COP3和COP5，在输出端产生第一初级控制信号DRVP1。

在正常工作状态下，第一初级控制电路812被使能，初级控制信号DRVP等于第一初级控制信号DRVP1。在初级开关管MP导通时，变压器T1存储能量，初级电流Ipri和初级电流采样信号CSP逐渐增大。当初级电流采样信号CSP增大至阈值VTHP3时，触发器FFP2被复位，初级开关管MP被关断，变压器T1中存储的能量被传递至负载。在变压器T1中存储的能量被全部传递至负载后，电流源IS对电容器C1进行充电，电容器C1两端的电压逐渐增大。当电容器C1两端的电压增大至补偿信号COMP时，触发器FFP2被置位，初级开关管MP被导通。

图8所示的第一初级控制电路812采用关断时间控制。然而，本领域技术人员可以理解，在其他实施例中，第一初级控制电路也可以采用任何其他合适的控制方式，例如定频峰值电流控制、准谐振控制等。

图9为根据本发明一实施例的第二次级控制电路923的电路原理图。第二次级控制电路923在次级模式选择信号MODES的作用下被使能或被屏蔽。第二次级控制电路包括阈值产生电路9231、比较器CMS1、CMS2和触发器FFS1。阈值产生电路9231具有输入端和输出端，其中输入端接收输出电压采样信号VSENSE。阈值产生电路9231基于输出电压采样信号VSENSE，在输出端产生阈值VTHS1。比较器CMS1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收次级电流采样信号CSS，反相输入端耦接至阈值产生电路9231的输出端以接收阈值VTHS1。比较器CMS1将次级电流采样信号CSS与阈值VTHS1进行比较，在输出端产生比较信号COS1。比较器CMS2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收阈值VTHS2，反相输入端接收次级开关管的漏源电压VDSS。比较器CMS2将次级开关管的漏源电压VDSS与阈值VTHS2进行比较，在输出端产生比较信号COS2。触发器FFS1具有复位端、置位端和输出端，其中复位端耦接至比较器CMS1的输出端以接收比较信号COS1，置位端耦接至比较器CMS2的输出端以接收比较信号COS2。触发器FFS1基于比较信号COS1和COS2，在输出端产生第二次级控制信号DRVS2。

在轻载状态下，第二次级控制电路923被使能，次级控制信号DRVS等于第二次级控制信号DRVS2。当初级开关管MP关断后，次级开关管MS的体二极管被导通。次级开关管的漏源电压VDSS减小至阈值VTHS2(例如-500mV)以下，触发器FFS1被置位，次级开关管MS被导通，次级电流Isec逐渐减小并换向为负。当代表负次级电流的次级电流采样信号CSS增大至阈值VTHS1时，触发器FFS1被复位，次级开关管MS被关断。

图9所示的第二次级控制电路923根据输出电压采样信号VSENSE改变阈值VTHS1，从而改变了次级电流阈值和负初级电流的峰值。初级控制器可以使初级电流阈值随负初级电流的峰值变化而变化，以实现对输出电压Vout的调节。本领域技术人员可知，在其他实施例中，第二次级控制电路也可采用其他合适的控制方式，例如滞环控制、关断时间控制等。

图10为根据本发明一实施例的第一次级控制电路1022的电路原理图。第一次级控制电路1022在次级模式选择信号MODES的作用下被使能或被屏蔽。第一次级控制电路1022包括比较器CMS3、CMS4和触发器FFS2。比较器CMS3具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收次级开关管的漏源电压VDSS，反相输入端接收阈值VTHS3。比较器CMS3将次级开关管的漏源电压VDSS与阈值VTHS3进行比较，在输出端产生比较信号COS3。比较器CMS4具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收阈值VTHS4，反相输入端接收次级开关管的漏源电压VDSS。比较器CMS4将次级开关管的漏源电压VDSS与阈值VTHS4进行比较，在输出端产生比较信号COS4。触发器FFS2具有复位端、置位端和输出端，其中复位端耦接至比较器CMS3的输出端以接收比较信号COS3，置位端耦接至比较器CMS4的输出端以接收比较信号COS4。触发器FFS2基于比较信号COS3和COS4，在输出端产生第一次级控制信号DRVS1。

在正常工作状态下，第一次级控制电路1022被使能，次级控制信号DRVS等于第一次级控制信号DRVS1。当初级开关管MP关断后，次级开关管MS的体二极管被导通。次级开关管的漏源电压VDSS减小至阈值VTHS4(例如-500mV)以下，触发器FFS2被置位，次级开关管MS被导通。当初级开关管MP准备导通时，次级开关管的漏源电压VDSS逐渐增大。当次级开关管的漏源电压VDSS增大至阈值VTHS3(例如-70mV)时，触发器FFS2被复位，次级开关管MS被关断。

图10所示的第一次级控制电路1022基于次级开关管的漏源电压VDSS来控制次级开关管MS。然而，本领域技术人员可以理解，第一次级控制电路也可以基于次级绕组两端的电压或次级电流Isec等电参数检测初级开关管MP的状态，从而相应地导通或关断次级开关管MS。

图11为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器控制方法的工作流程图。该控制方法包括步骤S111～S119。

在步骤S111，判断开关变换器处于正常工作状态还是轻载状态。若开关变换器处于正常工作状态，则至步骤S112；若开关变换器处于轻载状态，则至步骤S114。

在步骤S112，基于反馈信号控制初级开关管。

在步骤S113，在初级开关管关断后将次级开关管导通，在初级开关管导通前将次级开关管关断。

在步骤S114，基于输出电压控制次级开关管；

在步骤S115，在初级开关管关断后将次级开关管导通，并使流过次级绕组的次级电流换向为负。

在步骤S116，判断负的次级电流是否达到次级电流阈值。若是，则至步骤S117，否则继续判断。

在步骤S117，关断次级开关管，使负的次级电流在初级绕组耦合出负的初级电流。

在步骤S118，基于负的初级电流将初级开关管导通。

在步骤S119，判断初级电流是否达到初级电流阈值。若是，则至步骤S120，否则继续判断。

在步骤S120，关断初级开关管。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种隔离式开关变换器，包括：

变压器，具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组，其中初级绕组耦接以接收输入电压，次级绕组耦接以提供输出电压至负载；

初级开关管，耦接至变压器的初级绕组；

次级开关管，耦接至变压器的次级绕组；

反馈电路，耦接至变压器的辅助绕组，产生指示开关变换器输出电压的反馈信号；

初级控制器，产生初级控制信号以控制初级开关管；

次级控制器，产生次级控制信号以控制次级开关管；

其中在正常工作状态下，初级控制器基于反馈信号控制初级开关管，次级控制器在初级开关管关断后将次级开关管导通，在初级开关管导通前将次级开关管关断；

在轻载状态下，次级控制器基于输出电压控制次级开关管，次级控制器在初级开关管关断后将次级开关管导通，并使流过次级绕组的次级电流换向为负，次级控制器在该负的次级电流达到次级电流阈值时关断次级开关管，使该负的次级电流在初级绕组耦合出负的初级电流，初级控制器基于该负的初级电流将初级开关管导通，并在初级电流达到初级电流阈值时将初级开关管关断。

2.如权利要求1所述的开关变换器，其中初级控制器和次级控制器通过开关变换器的开关频率、初级电流、次级电流、反馈信号或输出电压中的一个或多个来检测负载状态或传递负载状态信息。

3.如权利要求1所述的开关变换器，其中初级控制器包括：

初级模式选择电路，产生初级模式选择信号；

第一初级控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至初级模式选择电路以接收初级模式选择信号，第二输入端耦接至反馈电路以接收反馈信号，第一初级控制电路基于初级模式选择信号和反馈信号，在输出端产生第一初级控制信号；

第二初级控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收初级模式选择信号，第二输入端接收代表初级电流的初级电流采样信号，第二初级控制电路基于初级模式选择信号和初级电流采样信号，在输出端产生第二初级控制信号；

初级逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一初级控制电路的输出端以接收第一初级控制信号，第二输入端耦接至第二初级控制电路的输出端以接收第二初级控制信号，初级逻辑电路基于第一初级控制信号和第二初级控制信号，在输出端产生初级控制信号。

4.如权利要求3所述的开关变换器，其中第二初级控制电路包括：

第一初级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收初级电流采样信号，第二输入端接收第一初级阈值，第一初级比较器将初级电流采样信号与第一初级阈值进行比较，在输出端产生第一初级比较信号；

第二初级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第二初级阈值，第二输入端接收初级开关管的漏源电压，第二初级比较器将初级开关管的漏源电压与第二初级阈值进行比较，在输出端产生第二初级比较信号；以及

第一初级触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一初级比较器的输出端以接收第一初级比较信号，第二输入端耦接至第二初级比较器的输出端以接收第二初级比较信号，第一初级触发器基于第一初级比较信号和第二初级比较信号，在输出端产生第二初级控制信号。

5.如权利要求3所述的开关变换器，其中第一初级控制电路包括：

第三初级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收初级电流采样信号，第二输入端接收第三初级阈值，第三初级比较器将初级电流采样信号与第三初级阈值进行比较，在输出端产生第三初级比较信号；

采样保持电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈电路以接收反馈信号，第二输入端接收第一初级控制信号，采样保持电路基于第一初级控制信号对反馈信号进行采样保持，在输出端产生采样保持信号；

误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至采样保持电路的输出端以接收采样保持信号，第二输入端接收参考信号，误差放大器基于采样保持信号和参考信号，在输出端产生补偿信号；

第四初级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第四初级阈值，第二输入端耦接至反馈电路以接收反馈信号，第四初级比较器将反馈信号与第四初级阈值进行比较，在输出端产生第四初级比较信号；

次级导通检测电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第四初级比较器的输出端以接收第四初级比较信号，第二输入端接收第一初级控制信号，次级导通检测电路基于第四初级比较信号和第一初级控制信号，在输出端产生次级导通信号；

逻辑门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至次级导通检测电路的输出端以接收次级导通信号，第二输入端接收第一初级控制信号，逻辑门电路基于次级导通信号和第一初级控制信号，在输出端产生逻辑输出信号；

电流源，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至供电电压；

电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至电流源的输出端，第二端接地；

放电开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电容器的第一端，第二端接地，控制端耦接至逻辑门电路的输出端以接收逻辑输出信号；

第五初级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至电容器的第一端，第二输入端耦接至误差放大器的输出端以接收补偿信号，第五初级比较器将电容器两端的电压与补偿信号进行比较，在输出端产生第五初级比较信号；以及

第二初级触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第三初级比较器的输出端以接收第三初级比较信号，第二输入端耦接至第五初级比较器的输出端以接收第五初级比较信号，第二初级触发器基于第三初级比较信号和第五初级比较信号，在输出端产生第一初级控制信号。

6.如权利要求1所述的开关变换器，其中次级控制器包括：

次级模式选择电路，产生次级模式选择信号；

第一次级控制电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至次级模式选择电路以接收次级模式选择信号，第二输入端接收次级开关管的端电压，第一次级控制电路基于次级模式选择信号和次级开关管的端电压，在输出端产生第一次级控制信号；

第二次级控制电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和输出端，其中第一输入端耦接至次级模式选择电路以接收次级模式选择信号，第二输入端接收次级开关管的端电压，第三输入端接收代表负的次级电流的次级电流采样信号，第四输入端接收代表开关变换器输出电压的输出电压采样信号，第二次级控制电路基于次级模式选择信号、次级开关管的端电压、次级电流采样信号和输出电压采样信号，在输出端产生第二次级控制信号；

次级逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一次级控制电路的输出端以接收第一次级控制信号，第二输入端耦接至第二次级控制电路的输出端以接收第二次级控制信号，次级逻辑电路基于第一次级控制信号和第二次级控制信号，在输出端产生次级控制信号。

7.如权利要求6所述的开关变换器，其中第二次级控制电路包括：

阈值产生电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收输出电压采样信号，阈值产生电路基于输出电压采样信号，在输出端产生第一次级阈值；

第一次级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端次级电流采样信号，第二输入端耦接至阈值产生电路的输出端以接收第一次级阈值，第一次级比较器将次级电流采样信号与第一次级阈值进行比较，在输出端产生第一次级比较信号；

第二次级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第二次级阈值，第二输入端接收次级开关管的端电压，第二次级比较器将次级开关管的端电压与第二次级阈值进行比较，在输出端产生第二次级比较信号；以及

第一次级触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一次级比较器的输出端以接收第一次级比较信号，第二输入端耦接至第二次级比较器的输出端以接收第二次级比较信号，第一次级触发器基于第一次级比较信号和第二次级比较信号，在输出端产生第二次级控制信号。

8.如权利要求6所述的开关变换器，其中第一次级控制电路包括：

第三次级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收次级开关管的端电压，第二输入端接收第三次级阈值，第三次级比较器将次级开关管的端电压与第三次级阈值进行比较，在输出端产生第三次级比较信号；

第四次级比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第四次级阈值，第二输入端接收次级开关管的端电压，第四次级比较器将次级开关管的端电压与第四次级阈值进行比较，在输出端产生第四次级比较信号；以及

第二次级触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第三次级比较器的输出端以接收第三次级比较信号，第二输入端耦接至第四次级比较器的输出端以接收第四次级比较信号，第二次级触发器基于第三次级比较信号和第四次级比较信号，在输出端产生第一次级控制信号。

9.一种隔离式开关变换器的控制方法，该开关变换器将输入电压转换为输出电压以驱动负载，包括具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组的变压器、耦接至变压器初级绕组的初级开关管、耦接至变压器次级绕组的次级开关管以及耦接至变压器辅助绕组以产生反馈信号的反馈电路，该控制方法包括：

判断开关变换器处于正常工作状态或轻载状态；

在正常工作状态下，执行以下步骤：

基于反馈信号控制初级开关管；以及

在初级开关管关断后将次级开关管导通，在初级开关管导通前将次级开关管关断；

在轻载状态下，基于输出电压控制次级开关管，并执行以下步骤：

在初级开关管关断后将次级开关管导通，并使流过次级绕组的次级电流换向为负；

在负的次级电流达到次级电流阈值时关断次级开关管，使负的次级电流在初级绕组耦合出负的初级电流；

基于负的初级电流将初级开关管导通；以及

在初级电流达到初级电流阈值时将初级开关管关断。

10.如权利要求9所述的控制方法，其中通过开关变换器的开关频率、初级电流、次级电流、反馈信号或输出电压中的一个或多个来检测负载状态或传递负载状态信息。

11.如权利要求9所述的控制方法，其中在轻载状态下的步骤包括：

将代表初级电流的初级电流采样信号与第一初级阈值进行比较，并在初级电流采样信号大于第一初级阈值时将初级开关管关断；

将初级开关管的漏源电压与第二初级阈值进行比较，并在初级开关管的漏源电压小于第二初级阈值时将初级开关管导通。

12.如权利要求9所述的控制方法，其中在轻载状态下的步骤包括：

基于代表开关变换器输出电压的输出电压采样信号，产生第一次级阈值；

将代表负的次级电流的次级电流采样信号与第一次级阈值进行比较，并在次级电流采样信号大于第一次级阈值时将次级开关管关断；

将次级开关管的漏源电压与第二次级阈值进行比较，并在次级开关管的漏源电压小于第二次级阈值时将次级开关管导通。

13.如权利要求9所述的控制方法，其中在正常工作状态下的步骤包括：

将次级开关管的漏源电压与第三次级阈值进行比较，并在次级开关管的漏源电压大于第三次级阈值时将次级开关管关断；

将次级开关管的漏源电压与第四次级阈值进行比较，并在次级开关管的漏源电压小于第四次级阈值时将次级开关管导通。

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