CN103872917B - 基于双电感器的高效ac-dc离线功率转换器 - Google Patents

基于双电感器的高效ac-dc离线功率转换器 Download PDF

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Abstract

本文公开的实施例描述了在非隔离功率转换器中使用双电感器。功率转换器从未经调节的电源接收功率，并且将所接收的功率转换为经调节的输出信号。功率转换器中的每个电感器经由控制器所控制的开关接收从未经调节的电源提供的功率，并且向功率转换器负载提供经调节的输出。由第一电感器提供的第一经调节的输出可以代表由第二电感器提供的第二经调节的输出。另外，可以基于第一经调节的输出和/或第二经调节的输出提供电压反馈信号以供控制器使用。

Description

基于双电感器的高效AC-DC离线功率转换器
相关申请
本申请要求于2012年12月10日提交的序列号为61/735,472的美国临时申请的权益，本申请通过引用将其整体并入本文。
技术领域
本文公开的实施例总体上涉及功率转换器，并且更具体地，涉及提供低电压辅助输出以便获得更高工作效率的功率转换器。
背景技术
在开关功率转换器被用于在耦合到未经调节的电源时向电子设备提供经调节的输出。通常，未经调节的电源的电压水平比经调节的输出电压水平显著地高。在电源为AC市电的情况下时常如此。
除了向外部负载设备提供经调节的输出之外，许多功率转换器要求内部低电压输出以便用于功率控制集成电路（“控制器”）。控制器可以包括低电压模拟和数字电路，其配置为使得实现针对功率转换器的反馈控制和保护功能。提供高压输入以对控制器进行供电要求使用导通元件（诸如线性调节器）并且效率十分低。例如，典型的功率控制器工作电压范围为5VDC至16VDC，然而典型的AC输入电压范围为90VAC至270VAC。另外，隔离功率变压器可以被用于向控制器提供功率。虽然比使用高电压输入以对控制器进行供电更为有效率，然而这样的实施例要求使用附加的变压器，这样就增加了附加的成本以及电路复杂性。
相应地，需要提供并对非隔离功率转换器进行控制，以维持多个经调解的输出，而不为了工作性能而对系统成本和复杂性做出妥协。
发明内容
本文所公开的实施例描述了非隔离功率转换器中的双电感器的使用。该功率转换器从未经调节的电源接收功率，并将所接收的功率转换为经调节的输出。该功率转换器包括开关，该开关被配置为在该开关处于“导通”状态时向该双电感器提供未经调节的输入，以及被配置为在该开关处于“关闭”状态时充当开路电路。
该功率转换器中的每个电感器均接收并存储从该未经调节的电源所提供的能量，并且传送所存储的能量以向功率转换器负载提供经调节的输出。由第一电感器所提供的第一经调节的输出能够代表由第二电感器所提供的第二经调节的输出。可以挑选该第一电感器的电感，从而使得当传送能量到各自的经调节的输出时，该第一电感器比该第二电感器放电更快。
该功率转换器包括控制器，该控制器被配置成控制该功率转换器开关的开关。该控制器可以从该第一经调节的输出接收低电压信号以维持该控制器的工作。另外，电压分压器可以被耦合在跨该两个电感器的两端，并且该控制器可以使用从电压分压器输出所接收的信号作为反馈信号。该控制器可以基于所接收的反馈信号控制该功率转换器开关的开关。
说明书中描述的特征和优势并非穷举，并且尤其是，对于本领域普通技术人员来说，在附图和说明书的基础上，许多附加特征和优势将会明显。另外，应当注意的是，说明书中所使用的语言大部分已经出于可读性和指导性的目的而进行挑选，并且不是为了勾画本发明主题的轮廓或对其进行限制而有所挑选的。
附图说明
本发明的实施例的教导可以通过结合所附附图考虑以下详细说明而易于理解。
图1图示根据一个实施例的常规隔离功率转换器的框图。
图2图示根据一个实施例的常规非隔离功率转换器的框图。
图3图示根据一个实施例的非隔离双电感器功率转换器的框图。
图4图示根据一个实施例的非隔离双电感器功率转换器的工作波形图。
图5图示根据一个实施例的耦合到AC市电和LED负载的非隔离双电感器功率转换器的框图。
图6图示根据一个实施例的非隔离双电感器功率转换器的框图。
具体实施方式
附图（图）和以下说明仅通过图示涉及各种实施例。应当注意的是，从以下讨论，本文所公开的结构和方法的备选实施例将容易认识为不脱离本文讨论原则可以采用的可行备选方案。
现在将详细参考若干实施例，其中的示例在附图中图示。要注意的是，在任何可应用处，可以在图中使用相似或同样的标记并且其可以指示相似或同样的功能。仅出于图示的目的，附图描绘了各种实施例。本领域技术人员从以下描述中将容易认识到可以采用本文图示的结构和方法的备选实施例而不脱离本文描述的原则。
本文所公开的实施例描述了在非隔离功率转换器中使用两个电感器。功率转换器从未经调节的电源接收功率，并且将所接收的功率转换为经调节的输出。功率转换器中的每个电感器经由控制器接收从未经调节的电源所提供的功率，并向功率转换器负载提供经调节的输出。在一个实施例中，被配置为向主要负载提供主要的经调节的输出的第一电感器在本文被称为“主电感器”，以及被配置为向次要负载（诸如反馈控制器）提供次要的经调节的输出的第二电感器在本文被称为“次电感器”。次要的经调节的输出可以基于或代表主要的经调节的输出。另外，基于次要的经调节的输出和/或主要的经调节的输出，可以提供电压反馈信号用于被控制器使用。
在要求主要到次要的隔离的功率转换器中，功率变压器被用于提供电气隔离。图1图示了根据一个实施例的常规隔离功率转换器10（例如初级侧反激开关功率转换器）的框图。图1的隔离功率转换器包括，在其他组件中的具有初级绕组16、次级绕组17以及辅助绕组18的变压器T1。隔离功率转换器还包括开关15（诸如晶体管）和控制器11。
输入电压VIN（诸如经整流的AC电压）由隔离功率转换器10所接收。控制器11使用例如脉宽调制（PWM）或脉频调制（PFM）对开关15的导通状态和关闭状态进行控制。当开关处于导通时，能量被存储在初级绕组16中，造成跨级次绕组17两端的负向电压，对二极管D1进行反向偏置。相应地，电容C1提供能量作为经调节的输出VOUT(1)。当开关处于关闭时，存储在初级绕组17中的能量被部分地传递到级次绕组，并且二极管成为正向偏置，使得存储在变压器T1中的能量传递到经调节的输出VOUT(1)并且对电容器C1进行充电。
相似地，当开关15处于导通时，能量被存储在初级绕组16中，造成跨辅助绕组18两端的负向电压，对二极管D2进行反向偏置，以及当开关处于关闭时，存储的能量被传递到辅助绕组，对二极管D2进行正向偏置。产生的经调节的输出VOUT(2)被提供到控制器11的VCC输入。另外，电阻器21形成跨辅助绕组两端耦合的电压分压器。电阻器之间的节点A耦合到控制器的Vsense输入。可以挑选电阻器值以便于提供代表输出电压VOUT(1)的信号Vsense。应当注意的是，可以基于所期望的输出电压VOUT(1)和VOUT(2)来挑选初级绕组16、次级绕组17以及辅助绕组的匝数比。
在变压器T1内部利用辅助绕组18提供了一种高性价比和有效的方式为控制器11提供经调节的低电压输出。然而，在其中不要求初级到次级隔离的环境中，使用变压器可能增加不必要的成本和系统复杂性。在这样的实施例中，可以实施非隔离功率转换器。图2图示了根据一个实施例的常规非隔离功率转换器22（比如，利用升降压拓扑）的框图。
在图2的实施例中，输入电压VIN由转换器22所接收，并且控制器23通过对开关26的开关进行控制来提供经调节的输出VOUT(1)和VOUT(2)。控制器基于反馈信号Vsense和Isense而对开关进行导通和关闭。当开关处于导通时，能量存储在电感器27中，并且当开关处于关闭时，所存储的能量由电感器递送到与经调节的输出VOUT(1)耦合的负载。
电压分压器利用耦合到跨电感器L1两端的电阻器28进行实施，并且电阻器之间的节点A处的电压施加在控制器23的Vsense输入。如图1的实施例一样，可以挑选电阻器的值从而使得Vsense代表输出电压VOUT(1)。第二经调节的输出VOUT(2)由利用跨电感器两端的线性导通元件29提供。VOUT(2)被供应到控制器的VCC输入，提供经调节的低电压输出以维持控制器的工作。应当注意的是，当VOUT(1)的电压调节水平比VOUT(2)的电压调节水平显著地高时，线性导通元件降低功率转换器22的工作效率。另外，线性导通元件可能造成组件额定和散热问题，这些问题可能要求额外的系统复杂性来缓解。
图3图示了根据一个实施例的非隔离双电感器功率转换器30的框图。虽然图3中所示出的功率转换器为升降压配置，根据本文的描述，其他功率转换器配置也可以被实施。图3的功率转换器包括控制器31、开关35、初级电感器L1、次级电感器L2以及电阻器R1和R2。控制器接收未经调节的输入电压VIN并且通过基于在输入Vsense和Isense处所接收的反馈信号向开关提供“驱动”信号，反复地将开关导通和关闭，而提供经调节的输出VOUT(1)和VOUT(2)。
应当注意的是，如本文所使用的，“L1”和“L2”指的既是电感器也是电感器的电感。相似地，“R1”和“R2”指的既是电阻器也是电阻器的电阻。另外，“VOUT(1)”和“VOUT(2)”指的既是经调节的输出也是经调节的输出的电压。最后，“IM”、“I1”和“I2”指的既是电流也是电流的安培数。
当控制器31将开关35置为“导通”状态时，磁化电流IM流过开关并且流过电感器L1和L2，造成通过电感器的能量存储。电流IM造成跨电感器两端的负向电压，对二极管37和38进行反向偏置，以及将经调节的输出VOUT(1)和VOUT(2)分别从电感器L1和L2隔离。电流IM随时间增加，而开关与VIN/(L1+L2)的速率处于导通。由电感L1和L2存储的能量分别为.5(L1)(Ip)2和.5(L2)(Ip)2，其中Ip为IM的峰值。
当控制器31继而将开关35置于“关闭”状态时，开关成为开路，并且磁化电流IM停止流过开关。此时，由于磁化电流IM不再流过电感器L1和L2，由L1和L2所存储的能量得以释放。当由电感器L1存储的能量释放时，电流I1流过电感器L1，对二极管37进行正向偏置，并且使得能量从电感器L1传递到与经调节的输出VOUT(1)耦合的负载。电流I1以VOUT(1)/L1的速率减小直至由电感器L1所存储的能量耗尽。当由电感器L1所存储的能量耗尽时，电流I1停止流过电感器L1，并且二极管37停止导通。
相似地，当由电感器L2所存储的能量释放时，电流I2流过电感器L2，对二极管38进行正向偏置，并且使得能量从电感器L2传递到与经调节的输出VOUT(2)耦合的负载。电流I2以VOUT(2)/L2的速率减小直至由电感器L2所存储的能量耗尽。当由电感器L2所存储的能量耗尽时，电流I2停止流过电感器L2，并且二极管38停止导通。如本文所使用的，在开关35被关闭和电感器（L1或者L2）完全放电之间的时间量被称为电感器的“放电时间”。
电阻器R1和R2跨L1和L2两端串联耦合，形成电压分压器。电阻器之间的节点A耦合到控制器31的Vsense输入。因此，由R1和R2制成的电压分压器向控制器提供反馈信号Vsense，允许控制器基于Vsense反馈信号，进一步驱动开关35。
优化经调节的输出VOUT(1)的输出调节特性，同时最小化VOUT(1)和VOUT(2)之间的交叉调节影响，可能是合意的。为了达成这一目标，可以挑选L1和L2的电感值，从而L2比L1的比率使得L2的重置时间比L1的重置时间短。在开关35关闭之后，在L2的重置时间之后但在L1的重置时间之前的时间间隔（本文称为“感应”间隔）的中间期间，节点A处的电压（Vsense输入）仅代表VOUT(1)经反射的电压。如果控制器31在感应间隔期间采样Vsense，这一配置能够最大化VOUT(1)的输出调节特性。在一个实施例中，控制器被配置为在感应间隔期间对节点A处的电压进行采样，例如通过将控制器配置为在对所接收的Vsense信号进行采样之前等待，直至已知与L2相关联的重置时间之后。
图4图示了根据一个实施例的非隔离双电感器功率转换器的操作波形图。波形40图示了由控制器31产生的驱动信号的值。波形42图示了磁化电流IM的值。波形44和46分别图示了电流I2和I1的值。波形48图示了由控制器的Vsense输入所接收的信号的值。
波形40的驱动信号包括在“关闭”值（与将开关35置于关闭状态的信号相关联）和“导通”值（与将开关置于导通状态的信号相关联）之间的迭代转变。驱动信号的占空比可以基于，例如，由控制器所接收的Vsense和Isense。在图4的实施例中，在开关的一个迭代期间，驱动信号在时间50处从关闭到导通转变，并且在时间52处从导通到关闭转变。
响应于开关35由控制器31置于导通状态，波形42所图示的磁化电流IM在时间50处开始增加。如上所述，电流IM的增加速率为VIN/(L1+L2)，由于电感器被串联耦合，该增加速率与电感器之和成比例。电流IM增加直至开关在时间52处被置于关闭状态。在时间52处，从输入VIN供电的电流立即降至零。IM、IP的最大值出现在时间52处。
在时间50和时间52之间，二极管37和38反向偏置。相应地，没有电流流过二极管，并且I1和I2的值为零，如波形44和46中所示。在时间52处，当开关35关闭时，电感器L1和L2储存的能量分别传递到与经调节的输出VOUT(1)和VOUT(2)耦合的负载。在能量传递期间由L1和L2提供的电流量在时间52处几乎立即上升，并且以与L1和L2的值成比例的速率随着时间减小，如上所述。
在图4的实施例中，由电感器L2所存储的能量数量小于由电感器L1存储的能量数量。相应地，电流I2以快于电流I1的速率减小至零。如波形44所示，电感器L2的重置时间为时间52（当开关35关闭时）与时间54（当由于L2所存储的能量被完全耗尽使得电流I2等于0时）之间的时间间隔。相似地，电感器L1的重置时间为时间52（当开关关闭时）与时间56（当由于L1所存储的能量被完全耗尽使得电流I1等于0时）之间的时间间隔。
电感器L1的重置时间比电感器L2的重置时间长。相应地，时间54和时间56之间出现感应间隔，在该间隔期间由控制器31的Vsense输入所接收的信号仅代表Vout(1)的经反射的电压。如波形48所指示的，由Vsense输入所接收的信号值在时间52和54之间，以及时间56之后不稳定，但是在时间54和56之间的感应间隔期间保持相对稳定。
通过挑选代表电感器L1的电感的部分的电感器L2的电感，感应间隔能够被最大化，增加控制器31能够对由Vsense输入所接收的信号进行采样，同时输出Vout(1)的电压调节特性得以优化的时间间隔。在一个实施例中，在感应间隔期间对由Vsense输入所接收的信号进行采样的优化时间刚好在时间56之前，在该时间期间路径损耗的影响和整流器压降的变形都得以最小化。另外，通过挑选适当小的电感器L2的电感，VOUT(1)和VOUT(2)之间的交叉调节的影响（图3的实施例中时间52和54之间的时间段）能够得以最小化。在一个示例实施例中，L2的电感大致为L1的电感的十分之一。
图5图示了根据一个实施例的耦合到AC市电50和LED负载52的非隔离双电感器功率转换器30的框图。在一个实施例中，图5的功率转换器为图3的功率转换器。AC市电可以为常规AC电源，例如住宅或商用AC电源（诸如壁上插座或电力发电机）。LED负载可以为LED灯或可以为任意其他LED负载。
在图5的实施例中，LED负载耦合到经调节的输出VOUT(1)。应当注意的是，在其他实施例中，经调节的输出VOUT(1)耦合到另一负载，例如，非LED发光负载、放大器、发声负载或任意其他配置为接收经调节的输出的合适负载。应当注意的还有，虽然在此处所描述的实施例中经调节的输出VOUT(2)耦合到功率转换器30的控制器，但是在其他实施例中，经调节的输出VOUT(2)可以被耦合到诸如另一控制器或IC的外部负载。
图6图示了根据一个实施例的非隔离双电感器功率转换器60的框图。在一个实施例中，图6的功率转换器与图3的功率转换器相似地工作。功率转换器包括通过控制器62进行导通和关闭的双极性晶体管（“BJT”）Q1。
当晶体管Q1导通时，电流从AC输入，流经晶体管Q1，并通过电感器L1和L2，对电感器进行充电。在这段时间期间，二极管D1和D2为反向偏置，并作为开路。当晶体管Q2关闭时，二极管D1和D2成为正向偏置，并且形成两个电流回路。电流流经第一回路，通过二极管D1，并通过电感器L1。电流还流经第二回路，通过电感器L2，并通过二极管D2。在图6的实施例中，第一回路通过将电感器L1中存储的能量传递到与DC输出耦合的负载而提供经调节的输出“DC输出”。另外，第二回路传递存储在电感器L2中的较少量的能量到控制器62的Vcc输入。
包括电阻器R1和R2电压分压器耦合到电感器L1。电阻器R1和R2之间的节点耦合到控制器62的FB/OTP输入，并且向控制器提供反馈信号，如以上关于图3所描述的。如以上所描述，控制器可以基于这一反馈信号对晶体管Q1的开关进行控制。
根据阅读本公开，本领域技术人员还将会明白针对基于双电感器的AC-DC离线功率控制器的额外备选设计。因此，虽然特定实施例和应用已经图示并描述，要理解的是本文讨论的实施例并不局限于本文所公开的精确构造和组件，并且对于本领域技术人员来说明显的各种修改、变化和变形可以在本文所公开的方法和装置的布置、操作和细节中达成，而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (15)

1.一种功率转换器电路，包括：
输入，配置为接收未经调节的输入信号；
开关，配置为：
接收所述未经调节的输入信号；
接收开关控制信号；
响应于接收到将所述开关配置为起短路作用的开关控制信号，在开关输出上输出所述未经调节的输入信号；以及
响应于接收到将所述开关配置为起开路作用的开关控制信号，防止所述未经调节的输入信号在所述开关输出上被输出；
第一电感器，耦合到所述开关输出，并且配置为：
当所述开关配置为起短路作用时，从所述未经调节的输入信号存储能量；以及
当所述开关配置起开路作用时，在第一时间间隔上将所存储的能量传递到第一经调节的输出；
第二电感器，串联耦合到所述第一电感器，并且配置为：
当所述开关配置为起短路作用时，从所述未经调节的输入信号存储能量；以及
当所述开关配置为起开路作用时，在长于所述第一时间间隔的第二时间间隔上将所存储的能量传递到第二经调节的输出；
分压器，并联耦合到所述第一电感器和所述第二电感器，并且包括输出节点，所述分压器配置为经由所述输出节点提供反馈信号；以及
控制器，耦合到所述分压器输出并且耦合到所述开关，并且配置为基于所接收的反馈信号向所述开关输出开关控制信号，所接收的反馈信号在所述第一电感器放电之后但是在所述第二电感器完全放电之前被采样。
2.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述未经调节的输入信号包括从AC市电所接收的信号。
3.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述开关包括双极结型晶体管。
4.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述控制器进一步耦合到所述第一经调节的输出，并且其中所述控制器进一步配置为基于从所述第一经调节的输出所接收的信号向所述开关输出开关控制信号。
5.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述第二经调节的输出耦合到LED负载。
6.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述第一经调节的输出配置为提供代表由所述第二经调节的输出所提供的信号的信号。
7.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述反馈信号代表由所述第一经调节的输出和所述第二经调节的输出所提供的信号。
8.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述第一电感器的电感小于所述第二电感器的电感的一半。
9.一种功率转换器电路，包括：
开关，配置为处于第一状态时输出所接收的未经调节的输入信号；
第一电感器，耦合到所述开关，并且配置为当所述开关处于所述第一状态时，从所述未经调节的输入信号存储能量，并且当所述开关处于第二状态时，在第一时间间隔上将所存储的能量传递到第一经调节的输出；
第二电感器，耦合到所述第一电感器，并且配置为当所述开关处于所述第一状态时，从所述未经调节的输入信号存储能量，并且当所述开关处于所述第二状态时，在长于所述第一时间间隔的第二时间间隔上将所存储的能量传递到第二经调节的输出；以及
控制器，耦合到所述第一经调节的输出，并且耦合到跨所述第一电感器和所述第二电感器进行耦合的分压器，并且配置为基于从所述第一经调节的输出所接收的低电压信号以及从所述分压器所接收的反馈信号控制所述开关的状态，所述反馈信号在所述第一电感器放电之后但是在所述第二电感器完全放电之前被采样。
10.根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中所述未经调节的输入信号包括从AC市电接收的信号。
11.根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中所述开关包括双极结型晶体管。
12.根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中所述第二经调节的输出耦合到LED负载。
13.根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中所述低电压信号代表由所述第二经调节的输出所提供的信号。
14.根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中所述反馈信号代表所述低电压输出并且代表由所述第二经调节的输出所提供的信号。
15.根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中所述第一电感器的电感小于所述第二电感器的电感的一半。
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