CN103959626A - 用于隔离开关模式电源的启动过程 - Google Patents

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Abstract

一种隔离开关模式电源SMPS，包括：开关控制器(230)，其可操作以在所述隔离SMPS(200)启动期间生成启动开关控制信号，并在所述隔离SMPS(200)的随后操作期间生成周期T的操作开关控制信号；变压器(110)，其具有初级绕组(111)；以及全桥驱动电路，其布置成响应于开关控制信号而驱动所述变压器的初级绕组(111)。全桥驱动电路具有：第一开关元件(Q2)；自举驱动电路(120)，其布置成响应于开关控制信号而开关第一开关元件(Q2)，自举驱动电路具有自举电容器；以及第二开关元件(Q4)，其连接到第一开关元件(Q2)和自举驱动电路(120)，并且布置成当响应于开关控制信号而接通时传导电流以给自举电容器充电。开关控制器(230)可操作以通过如下方式来启动隔离SMPS：基于在隔离SMPS的输出端的电压(Vout)确定操作开关控制信号的占空比D；以及生成启动开关控制信号，其包括持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件(Q4)以及包括持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件(Q2)，其中P1<P2并且P2<DT，其中T是隔离SMPS的开关周期，由此允许在第一开关元件(Q2)由第二电压脉冲开启之前给自举电容器充电。

Description

用于隔离开关模式电源的启动过程
技术领域
一般而言，本发明涉及隔离开关模式电源(有时称为隔离开关转换器)领域，并且更具体地说，涉及具有全桥初级侧拓扑的隔离开关模式电源的启动。
背景技术
开关模式电源(SMPS)是众所周知的功率转换器类型，由于其小尺寸和重量以及高效率而具有广泛范围的应用，例如在个人计算机和便携式电子装置(诸如蜂窝电话)中。SMPS通过以高频(通常是数十kHz到数百kHz)开关一个或多个开关元件(诸如功率MOSFET)来获得这些优点，其中使用反馈信号来调整开关的频率或占空比，以将输入电压转换成期望的输出电压。SMPS可采取整流器(AC到DC转换器)、DC到DC转换器、变频器(AC到AC)或逆变器(DC到AC)的形式。通常，为了最小化电力分配系统中的功率损耗，电力在高压电平分配，并且然后在负载附近使用整流器或DC到DC转换器变换成需要的电平。
图1示出了硬开关隔离SMPS(即将输入电压Vin转换成输出电压Vout而同时通过隔离变压器将输入与输出隔离开的SMPS)的背景示例。SMPS 100以全桥(DC到DC)转换器的形式提供，其在其初级侧上具有初级侧驱动电路，该初级侧驱动电路具有晶体管Q1、Q2、Q3和Q4(它们例如可以是场效应晶体管（诸如MOSFET或IGBT）)，在全桥布置中，它们连接在电源的输入端之间，并连接到隔离变压器110的初级绕组111，如所示。晶体管Q1到Q4因而配置成响应于施加到此的开关控制信号而驱动初级绕组111。在高功率应用中，用全桥初级侧拓扑比用其它拓扑(诸如半桥或推挽)经常可获得更高的转换器效率。
晶体管的开关由开关控制电路控制，开关控制电路包括开关驱动电路120、以脉宽调制(PW)控制器形式的开关控制器130以及反馈信号发生器140。驱动电路120包括脉宽调制器，该脉宽调制器生成要施加到晶体管Q1至Q4的栅极以便开启或关掉晶体管的相应驱动脉冲，所述驱动脉冲由开关控制器130根据提供给驱动电路120的开关控制信号生成。开关控制器130又布置成接收由反馈信号发生器140生成的反馈信号，反馈信号发生器140在此示例中以误差放大器的形式提供。由反馈信号发生器140生成的反馈信号提供了SMPS 100的输出(在此是输出电压Vout)与输出的参考(其在本示例中是参考电压Vref)之间差的度量。在本示例中，来自反馈信号发生器140的反馈信号通过设置在SMPS 100的初级侧电路与次级侧电路之间的电气隔离屏障150(例如一个或多个光电转换器)。
图1还示出了隔离SMPS 100的次级侧上的标准拓扑，其包含整流电路以及连接到负载的LC滤波器。LC滤波器的电感器L连接到变压器110的次级绕组112。中央抽头(或“中间抽头”)113设置在次级绕组112的具有n2匝的第一部分与绕组112的也具有n2匝的第二部分之间。在本示例中，次级侧电路中的整流网络采用两个晶体管Q5和Q6以产生在次级绕组112中感应的电压的全波整流。开关装置Q5和Q6中的每个开关装置都可采取任何适合形式或期望形式，并且例如优选是MOSFET或IGBT形式的场效应晶体管。在图1的示例中，开关装置Q5和Q6具有内部体漏极二极管，其在图1中的开关装置符号中未示出。这些晶体管的开关由同一控制器电路控制，该控制器电路控制晶体管Q1至Q4的开关，即其包括驱动电路120、开关控制器130和反馈信号发生器140。如图1所示，由开关控制器130生成的晶体管Q5和Q6的开关控制信号也通过电气隔离屏障150。
控制电路驱动晶体管Q1至Q6使得初级侧晶体管Q1至Q4的开关与次级侧晶体管Q5和Q6的开关同步，这将在下面说明。要指出，开关控制器130备选地可位于图1所示的SMPS电路的次级侧上。换句话说，图1中的开关控制器130和隔离屏障150可互换。在那种情况下，驱动电路也可位于次级侧上，其中晶体管Q1至Q4的开关控制信号通过隔离屏障150。
图1中示出的SMPS的操作原理对本领域技术人员而言将是熟悉的，使得其详细说明在此是不必要的。然而，现在将讨论帮助理解本发明所必需的一些特征。
图2示出了由SMPS控制器电路驱动图1中开关Q1至Q6的栅极电极使得初级侧电路生成要施加到变压器110的初级绕组111的一系列电压脉冲所根据的开关循环图。在图2中，“D”表示初级侧开关的占空比，并且“T”表示开关周期。在四个时段0至DT、DT至T/2、T/2至(T/2+DT)和(T/2+DT)至T期间电路的操作如下。
时段1(0<t<DT)：开关装置Q1和Q4接通，而Q2和Q3关断，从而允许在Vin的输入源驱动电流通过变压器110的初级绕组111。在此时段期间，开关装置Q5接通而装置Q6关断，从而允许该源经由变压器110的次级绕组112将能量传递到负载R。输出电压Vout=n2/n1·Vin·D；其中n1是初级绕组中的匝数。
图1的半桥隔离降压转换器的操作与反激转换器(或组合的正激/反激转换器)形成对照，其中在此时段期间能量被存储在设置在变压器芯中的气隙中，以便随后当变压器的初级绕组不被驱动时释放到次级侧电路中。此类气隙在图1所示的变压器110的芯中或在实施例中描述的任何相关电路中都不存在。
时段2(DT<t<T/2)：开关Q5和Q6都传导，并且次级侧电路中的电流因此以基本相等的度量通过次级侧绕组的两个部分续流，从而允许平衡变压器通量。换句话说，续流的电流在次级绕组内在中央抽头113附近生成具有相反方向的两个磁通量，从而在次级绕组112的第一部分与第二部分之间的区域中产生等于0的净磁通量。因此，变压器芯磁化被平衡为0，并且在续流周期DT-T/2期间初级绕组中的电流被抑制，由此避免初级绕组中的损耗。因而，在开关周期T上获得变压器伏-秒平衡，使得变压器重置是不必要的。
时段3(T/2<t<T/2+DT)：在此间隔中，开关装置Q1和Q4关而装置Q2和Q3接通，从而用极性与在上面描述的第一时段中的极性相反的电压激励初级绕组111。在次级侧上，开关Q6保持开而开关Q5关掉，从而允许在次级绕组的较低部分生成的EMF驱动电流通过电感器L。
时段4(T/2+DT<t<T)：操作与在上面描述的时段2中一样继续进行。
在建立上面描述的操作之前，需要从不操作状态启动SMPS 100，并且在一些情况下，相对由连接到SMPS 100的负载电路提供的、在其输出端的偏置电压，即执行所谓的“预偏置启动”。如果此偏置在启动期间未被考虑进去，则输出将被拉到由内部参考Vref规定的电平，这可损坏负载电路。这可通过将参考设置成对应于输出电压的值或者通过延迟SMPS 100的启动直到参考Vref已经达到正确值来避免。这种问题的典型解决方案涉及通过斜升栅极电压来逐步启动开关元件Q5和Q6以获得期望性能。然而，如果SMPS 100执行预偏置启动，其中开关元件从一开始就根据图2所示的定时序列驱动，则变压器110中的磁化需要初始偏移，其在SMPS 100的输出电压Vout中的瞬变中表现出了。
为了解决这个问题，WO 2009/154545 A1公开了预偏置启动过程，其中施加到初级侧电路的初始电压脉冲的持续时间相对于随后脉冲的预定持续时间缩减了，随后脉冲的预定持续时间由开关控制器130基于Vout的所确定(例如测量)的初始值设置。此初始脉冲的持续时间优选是预定脉冲宽度的50%。
图3示出了这个改进的SMPS启动过程的开关定时序列的示例，其可用在图1的SMPS 100中。如图3所示，在时间t=0起动常规开关之前，向每一个晶体管Q2和Q3施加持续时间DT/2的初始脉冲，其根据图2中例证的定时继续进行。初始缩短脉冲具有平衡变压器110中通量的效应，由此缩减其磁化中的初始偏移以及电源的输出电压中的随后瞬变。这个初始缩减长度脉冲在下文被称为“变压器通量平衡脉冲”。使用变压器通量平衡脉冲启动SMPS具有进一步优势：允许SMPS 100快速启动，而不需要对晶体管驱动电压的任何逐步斜升。而且，这个解决方案(在下文被称为“缩减脉冲变压器平衡”)可通过只是修改开关控制器130而实现，并且因此与在模拟域中设计的已知解决方案相比实现起来更简单且便宜，在模拟域中设计的已知解决方案通常需要复杂的启动网以延迟晶体管的开启，迅速给参考Vref充电等。
发明内容
尽管有其优势，但本发明人已经发现，在WO 2009/154545 A1中公开的缩减脉冲变压器平衡过程在一些环境下可能引起转换器的输出电压在启动后不久就下降，使其暂时从负载电路吸收电流。这是个具体问题，因为在一些应用中，负载电路可能对由所附转换器进行的此类低电平电流吸收是敏感的，并且因而可受到损坏。
本发明人已经意识到，通过以克服他们发现在启动期间在全桥驱动电路中出现的两个问题的方式修改转换器的启动开关序列，可使缩减脉冲变压器平衡过程变得更通用。
发明人发现的第一个问题在于高侧驱动器的初始化，高侧驱动器形成驱动电路120的一部分，并且驱动初级侧上全桥驱动电路中的高侧晶体管(即图1示例中的晶体管Q1和Q2)。更具体地说，本发明人已经发现，图3所示的开关序列不允许高侧晶体管接通到获得变压器平衡所需的程度。这个问题的原因发明人已经认识到，并且现在将参考图4说明。
图4是布置成将驱动信号施加到全桥驱动电路中的晶体管栅极的驱动电路120的一部分的简化例证。尽管为了简化仅例证了驱动晶体管Q1和Q3的那部分驱动电路，但要理解到，与图4中所例证的相同的另一部分驱动电路120用于驱动全桥驱动电路的剩余晶体管，即Q2和Q4。
在图4中，高侧晶体管Q1由自举驱动电路开关，自举驱动电路包括放大器121以及自举二极管DB和自举电容器CB，它们连接到放大器的电源端子和放大器供电电压VD，如所示。放大器121配置成响应于来自开关控制器130的开关控制信号G1而生成用于Q1的驱动信号。由于开关控制信号G1参考地，并且高侧驱动器浮动，因此电平移位器LS用于适当地调节开关控制信号G1。
在图4中，低侧晶体管Q3由放大器122开关，该放大器的电源端子连接到VD和地。放大器122配置成响应于来自开关控制器130的开关控制信号G3而生成用于Q3的驱动信号。如图4所示，低侧晶体管Q3连接到高侧晶体管Q1以及Q1的自举驱动电路。
在典型的电信应用中，驱动电压VD可在5-10V左右。此驱动电压从SMPS输入电压Vin导出，并且因此VD将在输入电压Vin之后增大。在启动期间，当输入电压Vin上升时，在图4中示出的节点Va由于晶体管Q1和Q3的寄生电容CP分到大约12V的电压。然而，驱动器电压VD在此时可仅仅是5-10V。自举电容器CB的电容通常是每个晶体管的寄生电容CP的10倍大，在此示例中当施加输入电压Vin时自举电容器CB不会被充分充电。给自举电容器CB充电的一种方式是接通低侧开关元件Q3。在这么做之前，Q1可能未接通。因而，发明人已经认识到，在执行缩减脉冲变压器平衡之前，需要给将通过变压器通量平衡脉冲接通的至少一个开关元件的自举电容器CB充分充电。
发明人发现的在启动期间在全桥驱动电路中出现的第二个问题涉及开关元件的固有电容，这些开关元件由图4中的等效电容CP例证。发明人已经发现，缩减脉冲平衡受在启动时由于由寄生电容引起的电容性分压器而出现在节点Va和Vb的电压的影响。晶体管Q1至Q4通常是具有大致相同寄生电容量的同样装置。这使得当施加输入电压时，在Va和Vb的电压接近输入电压Vin的一半。在Va和Vb的电压影响缩减脉冲变压器平衡，这是因为引入到变压器中的通量不对应于峰峰通量的一半。发明人因而还认识到，在执行缩减脉冲变压器平衡之前，需要给开关元件Q1至Q4中的至少一些开关元件的寄生电容放电。
认识到这些问题，本发明人已经设计了采用如下开关序列的SMPS启动过程，该开关序列通过给将通过变压器通量平衡脉冲开关的高侧开关元件的自举电容器充电同时给初级侧上的至少一个低侧开关装置的寄生电容放电来改进变压器通量平衡脉冲(第一能量传递脉冲)的有效性。由发明人设计的改进的SMPS启动开关序列除了变压器通量平衡脉冲之外还包含初始化前短电压脉冲，其比变压器通量平衡脉冲短，并被施加以在变压器通量平衡脉冲接通对应高侧开关元件之前暂时接通全桥驱动电路中的低侧开关元件。发明人已经发现，此类相对短的初始化脉冲可能出奇地有效，不仅在给低侧开关元件的寄生电容放电上而且在给自举电路中的较大自举电容充电上，其将高侧开关元件驱动到在启动期间获得更完全变压器平衡所需的程度，由此基本上减少了或完全阻止了上面讨论的电流吸收的发生。
更具体地说，根据本发明的第一方面，提供有隔离SMPS，其包括：开关控制器，其可操作以在隔离SMPS启动期间生成启动开关控制信号，并在隔离SMPS的随后操作期间生成周期T的操作开关控制信号；变压器，其具有初级绕组；以及全桥驱动电路，其布置成响应于开关控制信号而驱动变压器的初级绕组。全桥驱动电路具有：第一开关元件；自举驱动电路，其布置成响应于开关控制信号而开关第一开关元件，自举驱动电路，其具有自举电容器；以及第二开关元件，其连接到第一开关元件和自举驱动电路，并且布置成当响应于开关控制信号而接通时传导电流以给自举电容器充电。开关控制器可操作以通过如下方式启动隔离SMPS：基于在隔离SMPS的输出端的电压确定操作开关控制信号的占空比D；以及生成启动开关控制信号，其包括持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件以及持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件，其中P1<P2并且P2<DT，其中T是隔离SMPS的开关周期，由此允许在第一开关元件由第二电压脉冲开启之前给自举电容器充电。
根据本发明的第二方面，提供有一种启动隔离SMPS的方法，所述隔离SMPS包括：开关控制器，其可操作以在隔离SMPS启动期间生成启动开关控制信号，并在隔离SMPS的随后操作期间生成周期T的操作开关控制信号；变压器，其具有初级绕组；以及全桥驱动电路，其布置成响应于开关控制信号而驱动变压器的初级绕组。全桥驱动电路具有：第一开关元件；自举驱动电路，其布置成响应于开关控制信号而开关第一开关元件，所述自举驱动电路具有自举电容器；以及第二开关元件，其连接到第一开关元件和自举驱动电路，并且布置成当响应于开关控制信号而接通时传导电流以给自举电容器充电。启动隔离SMPS的方法包括：基于在隔离SMPS的输出端的电压确定操作开关控制信号的占空比D；并且通过如下方式来生成启动开关控制信号：生成持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件以及生成持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件，其中P1<P2并且P2<DT，T是隔离SMPS的开关周期。因而允许在第一开关元件由第二电压脉冲开启之前给自举电容器充电。
附图说明
现在将仅作为示例参考附图详细说明本发明的实施例，这些实施例具有在功率效率和成本上的不同性能，附图中：
图1示出了具有全桥初级侧拓扑的背景示例隔离SMPS；
图2是图1所示的隔离SMPS操作所根据的常规开关定时图；
图3是图1所示的隔离SMPS启动所根据的背景示例启动开关定时图；
图4例证了图1的驱动电路的一部分，其具有布置成驱动全桥初级侧电路的高侧开关元件的自举驱动电路；
图5示出了根据本发明第一实施例的隔离SMPS；
图6示出了根据第一实施例的隔离SMPS启动所根据的启动开关定时图；
图7示出了根据第二实施例的隔离SMPS启动所根据的启动开关定时图；
图8示出了根据第三实施例的隔离SMPS启动所根据的启动开关定时图；
图9示出了根据第四实施例的隔离SMPS启动所根据的启动开关定时图；
图10是例证根据实施例的SMPS从启动其的操作的流程图；
图11示出了中间抽头电压、低侧晶体管上的栅极信号、在背景示例隔离SMPS启动期间和之后的输出电流和输出电压的测量，该SMPS根据图3所示的定时图启动；以及
图12示出了中间抽头电压、低侧晶体管上的栅极信号、在根据本发明实施例的隔离SMPS启动期间和之后的输出电流和输出电压的测量，该SMPS根据图8所示的定时图启动。
具体实施方式
现在将详细描述的根据本发明实施例的隔离开关模式电源具有与已经在上面背景技术和发明内容部分参考图1和图4描述的示例相同的全桥拓扑SMPS电路，其中附图中的相似标号标记共同组件。这个硬件的描述在此为了简洁起见将不重复了。
然而，如下实施例的隔离开关转换器与上面提到的已知隔离开关转换器的不同点在于：实施例的开关控制器以不同方式配置以便执行启动SMPS的不同开关序列，以便将它从不操作状态(其中不施加开关控制信号)带到操作状态(其中施加操作开关控制信号以使SMPS能够将输入电压转换成规定的输出电压)。下面参考图6至图9的定时图描述这些序列。如根据如下描述将认识到的，从启动就施加到SMPS开关元件的开关控制信号可被分成三个阶段，如下：
1.不操作状态：
不施加脉冲。
2.启动，包括：
阶段1脉冲——寄生电容的初始化放电以及自举电容器的充电；以及
阶段2脉冲——缩减脉冲变压器平衡。
3.工作操作，包括：
阶段3脉冲——用于正常电压调节的操作脉冲。
第一实施例
图1中例证了根据本发明第一实施例的隔离SMPS 200。SMPS 200与图1的背景示例的不同之处在于开关控制器230的配置。
具体地说，本实施例的开关控制器230可操作以通过在SMPS 200启动期间生成启动开关控制信号并在其正常操作模式下在隔离SMPS 200的随后操作期间生成周期T的操作开关控制信号来从不操作状态启动隔离SMPS 200。换句话说，开关控制器230可操作以当在启动模式中操作时用一组启动开关控制信号而在正常操作模式下在开关控制器230的随后操作期间用周期T的操作开关控制信号来控制SMPS 200的操作。在正常操作模式下，本实施例的开关控制器230通过在由反馈信号发生器140提供的反馈信号的基础上设置初级侧晶体管的开关占空比D来调节电源的输出电压Vout。
在本实施例中，在启动时，开关控制器230优选布置成确定在SMPS 200输出端的电压，例如通过使用反馈信号生成器140或者否则使用本领域技术人员熟悉的技术来测量输出电压Vout。代替单个测量值，可使用从多于一个测量值导出的值，诸如均值或另一平均值。输出电压值备选地可存储在开关控制器230内的存储器装置(例如闪存)或开关控制器230可访问的外部存储器装置中；在此情况下，开关控制器可通过从存储器中检索对应于由SMPS 200的用户使用操作上连接到开关控制器230的用户接口(例如键盘)录入的选择(例如SMPS负载种类的选择)的值来确定输出电压。初始输出电压值可备选地由用户例如经由键盘直接录入。
开关控制器230优选配置成将所确定的输出电压值与预定阈限相比较，并且如果确定输出电压超过预定阈限，则执行下面描述的预偏置启动过程。另一方面，如果确定输出电压未超过预定阈限，则开关控制器230可配置成执行不同的启动过程，例如将输出电压(优选从低初始值或0)斜升到预先设置的值。备选地，如果确定输出电压超过比第一阈限值(例如SMPS 200的最大输出电压)大的第二阈限值，则开关控制器230可配置成不发出任何开关控制信号，而是提供启动过程已经暂停的指示(例如通过生成点亮LED或发警告信号声音的信号)。以这种方式，SMPS 200将能够在各种各样的负载条件下安全启动。
在本实施例中，开关控制器230可操作以通过以下方式来启动SMPS 200：基于电压Vout的所确定值来确定操作开关控制信号的占空比D。一旦已经这么做，开关控制器230就可操作以在单个开关周期T期间生成启动开关控制信号。
如在图6的定时图中所示的，启动开关控制信号包括：持续时间P1的第一电压脉冲(其是在从不操作状态启动SMPS 200期间要施加的第一脉冲)以暂时接通低侧晶体管Q4；和持续时间P2的随后第二电压脉冲(其是在SMPS 200开始在正常操作模式操作之前在启动SMPS 200期间要施加的最后脉冲)。因而，本实施例的启动开关控制信号仅由两个脉冲组成，即分别是持续时间P1的第一脉冲和持续时间P2的第二脉冲。第二电压脉冲的持续时间P2优选等于DT/2或基本上如此(例如在0.4T至0.6T范围)，以暂时接通对应的高侧晶体管Q2。如图6所例证的，第一电压脉冲P1比持续时间P2的第二脉冲(即变压器通量平衡脉冲)短。施加第一脉冲P1允许在通过第二电压脉冲开启Q2之前给驱动Q2的自举电路的自举电容器CB充电，并且还使晶体管Q4的源极端子和漏极端子短路，由此使其寄生电容CP放电。
作为图6定时图的备选，第一脉冲反而可施加到低侧晶体管Q3，其中随后第二脉冲被施加到Q1和Q4中的每个。
在任一情况下，开关控制器230优选布置成通过用持续时间P1的电压脉冲暂时接通低侧晶体管Q4(或Q3，视情况而定)来启动隔离SMPS 200，持续时间P1的电压脉冲设置成使得隔离SMPS 200的输出电压在SMPS 200的操作的第一开关周期期间在操作开关控制信号的控制下保持在初始输出电压值或以上。换句话说，脉冲持续时间P1被设置成这样的值：其允许自举电容器CB充分充电，和/或允许低侧晶体管(Q4或Q3，视情况而定)的寄生电容CP被放电到阻止SMPS 200显现其输出电压Vout的下降并因而在操作的启动阶段期间或之后不久从负载吸收电流所需的程度。第一脉冲的持续时间P1的单个值(其例如可通过试错法用实验方法确定)可存储在上面提到的存储器装置中。备选地，多于一个此类值可存储在与初始输出电压值的相应子范围关联的存储器中，使得开关控制器230能够选择子范围，并且因而选择对应于所确定SMPS输出电压值的脉冲持续时间值P1。
第二实施例
在上面描述的第一实施例中，图6中所示的启动开关控制信号以及上面提到的这个定时图的变型二者具有如下缺点：未由第一脉冲开关的晶体管Q3(或Q4，视情况而定)的寄生电容通过变压器110放电，从而引起隔离变压器通量上的轻度失衡。
然而，在本发明的第二实施例中，高侧晶体管Q1和Q2的自举电路中的自举电容器CB的充电通过用施加到这些晶体管中每个晶体管的第一电压脉冲接通Q3和Q4来执行。同时，这些低侧晶体管Q3和Q4的寄生电容都被放电，这改进了缩减脉冲变压器平衡的准确性。然后，在同一开关周期T内，晶体管Q2和Q3各通过由开关控制器230生成的第二电压脉冲接通。这导致图7所示的定时图，其中开关序列在时间t=0之后根据图2所示的常规方案继续进行。第二实施例除此之外与上面描述的第一实施例相同，并且因此将不重复对共同特征的描述。
第三实施例
在本发明的第三实施例中，为了最小化由开关控制器230生成的PWM信号的数量，晶体管Q1和Q4都由第一PWM信号控制，而晶体管Q2和Q3都由第二PWM信号控制。在此情况下，全启动定时图采取图8所示的形式。
如图8所示，开关控制器230通过如下方式来启动SMPS 200：生成用于晶体管Q1和Q4中每一个晶体管的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通它们并生成用于晶体管Q2和Q3中每一个晶体管的持续时间P2(优选等于DT/2)的随后第二电压脉冲以暂时接通这些晶体管，由此允许在晶体管Q2和Q3由第二电压脉冲开启之前给晶体管Q2的自举驱动电路中的自举电容器CB充电。
在本实施例中，与晶体管Q2和Q3关联的寄生电容CP中的电荷通过变压器110放电，从而引起变压器中的轻度失衡。由于晶体管Q1的自举驱动电路中的自举电容器CB未被充电，因此Q1未由第一脉冲接通，并且因此未将电流传到变压器110。因此，除了由寄生电容放电引起的失衡，第一(初始化)脉冲未破坏缩减脉冲变压器平衡。施加到晶体管Q3的变压器通量平衡脉冲允许与晶体管Q1关联的自举电容器在那个阶段充电，由此允许Q1由正常操作的第一全脉冲(0<t<DT)更有效地接通。
第三实施例除此之外与上面描述的第一实施例相同，并且因此将不重复对共同特征的描述。
第四实施例
本发明的第四实施例是上面描述的第三实施例的变型，并且不同之处在于：开关控制器230配置成在第一PWM信号和第二PWM信号上施加初始化脉冲以便初始化，如图9所示。
如图9所示，开关控制器230通过如下方式来启动SMPS 200：生成用于初级侧上每一个晶体管Q1和Q4的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通它们并生成用于每一个晶体管Q2和Q3的持续时间P2(再次优选等于DT/2)的随后第二电压脉冲以暂时接通这些晶体管，由此允许在晶体管Q2和Q3由第二电压脉冲开启之前给初级侧上两个自举驱动电路中的两个自举电容器充电。
此开关方案减少了变压器110中的失衡，这是因为寄生电荷通过晶体管Q2和Q3而不是通过变压器110放电。由于初始化脉冲给两个自举电容器CB都充电了，因此重要的是保持这些第一组脉冲非常短（因为所有晶体管Q1至Q4都被接通了，并且因此存在全桥驱动电路通过电源的输入轨道(在以上实施例中在地和电压Vin)的短路可能受到损坏的风险）。此短路电流受输入滤波扼流器的限制。
在许多应用中，优选的是，开关控制器230在如下开关周期中开始生成操作开关控制信号，该开关周期紧接着在其间生成启动开关控制信号的单个开关周期(如图6至图9所示)，以便保持变压器中的通量平衡。
图10中示出了在上述实施例中由开关控制器230执行的启动SMPS 200的关键操作。
在步骤S10，开关控制器230基于在隔离SMPS 200的输出端的电压确定操作开关控制信号的占空比D。
在步骤S20和S30，开关控制器230在单个开关周期T期间生成启动开关控制信号。
更具体地说，在步骤S20，开关控制器230生成持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通隔离SMPS的初级侧上的全桥驱动电路中的第一(低侧)开关元件。
然后，在步骤S30，开关控制器生成持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第二(高侧)开关元件，其连接到第一开关元件并连接到第一开关元件的具有自举电容器的自举驱动电路。第一脉冲持续时间P1和第二脉冲持续时间P2使得P1<P2并且P2<DT。
随着启动开关控制完成，接下来是在步骤S40的正常操作模式下的转换器操作。
实验结果
根据上面描述的第三实施例的SMPS(其可操作以根据图8所示的定时图启动)的实际实现已经由发明人进行了，并且其性能被评估了并与根据图3所示的定时图启动的已知SMPS的性能进行了比较。
在这些实验中，预偏置情形由连接在输出端的大充电电容器获得。预偏置电压是11.5V，并且SMPS的标称输出电压Vout是12V。
图11示出了根据图3的定时序列启动的SMPS的各种参数的测量。具体地说，图10中的迹线A示出了变压器110的中间抽头上的电压，迹线B示出了初级侧上的低侧FET上的栅极信号，迹线C示出了预先充电的电容器的输入电流，并且迹线D示出了转换器的输出电压Vout。
由于自举电容器在变压器通量平衡脉冲期间未恰当充电，因此能量未传递到次级侧，并且在开关节点观测到噪声(见迹线A)。结果是，变压器变得不平衡，使SMPS从预偏置电容器吸收电流，如迹线C所示。输出电压Vout相应下降，如迹线D中所示。
图12示出了根据图8的定时序列启动的SMPS的各种参数的测量。图12中的迹线A-D示出了随着与图11中对应标记的迹线相同的参数的时间的变化。
在这组测量中，根据图8的开关定时图使用初始化脉冲。初始化脉冲期间的开关节点扰动(图12中的迹线A)相比前一测量减少了。在根据本发明实施例的SMPS中，能量在接下来的变压器通量平衡脉冲中被恰当传递到次级侧。因此，变压器变得平衡了，并且如图12中的迹线C和D中所示，到负载电容器的电流总是为正，并且输出电压未显示下降。
修改和变型
可对上面描述的实施例进行许多修改和变型。
例如，在上述实施例中，开关控制器230以可编程处理设备形式实现，所述可编程处理设备具有数据处理器(例如微处理器)，所述数据处理器通过执行存储在形成可编程处理设备一部分的指令存储器中的软件指令来提供开关控制器230的功能性。然而，将认识到，开关控制器230备选地可以用专用硬件(例如现场可编程门阵列(FPGA))来实现。
而且，尽管根据以上实施例的开关控制器230配置成在单个开关周期T内生成第一启动电压脉冲和第二启动电压脉冲，但开关控制器230备选地可在不同于开关周期T的启动时段内生成这些脉冲，这将取决于SMPS电路特性，诸如自举电容器CB的大小以及自举电容器和高侧驱动器中的泄露。而且，持续时间P1的初始化脉冲与持续时间P2的随后变压器通量平衡脉冲之间的间隔在采用本发明的SMPS实现之间可改变，并且将至少部分取决于变压器性质(例如所存储的磁能将在时标上衰变，这取决于变压器芯材料)。一般而言，脉冲持续时间P1和P2以及第一脉冲与第二脉冲之间的时间间隔应该设置成使得SMPS的输出电压Vout在操作模式下在SMPS操作的第一开关周期期间保持在初始输出电压值或以上，使得不发生输出电压的下降以及随之而来的电流吸收。本领域技术人员将能够容易地设置对于使用熟悉的多参数优化方法(试错法等)的所探讨的具体SMPS实现适当的这些参数值。

Claims (14)

1. 一种隔离开关模式电源SMPS，包括：
开关控制器(230)，其可操作以在所述隔离SMPS(200)启动期间生成启动开关控制信号，并在所述隔离SMPS(200)的随后操作期间生成周期T的操作开关控制信号；
变压器(110)，其具有初级绕组(111)；
全桥驱动电路，其布置成响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，所述全桥驱动电路具有：
　　第一开关元件(Q2)；
　　自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第一开关元件(Q2)，所述自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
　　第二开关元件(Q4)，其连接到第一开关元件(Q2)和所述自举驱动电路(120;121,DB,CB)，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给所述自举电容器(CB)充电；
其中所述开关控制器(230)可操作以通过如下方式来启动所述隔离SMPS(200)：
基于在所述隔离SMPS(200)的输出端的电压(Vout)确定所述操作开关控制信号的占空比D；以及
生成所述启动开关控制信号，其包括：持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件(Q4)；以及持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件(Q2)，其中P1<P2并且P2<DT，其中T是所述隔离SMPS的开关周期，由此允许在第一开关元件(Q2)由第二电压脉冲开启之前给所述自举电容器(CB)充电。
2. 如权利要求1所述的隔离开关模式电源，其中所述开关控制器(230)布置成生成持续时间P2的第二电压脉冲，使得P2≈DT/2。
3. 如权利要求1或2所述的隔离开关模式电源，其中所述开关控制器(230)布置成通过用持续时间P1的电压脉冲暂时接通第二开关元件(Q4)来启动所述隔离SMPS(200)，持续时间P1的电压脉冲设置成使得所述隔离SMPS(200)的输出电压(vout)在所述隔离SMPS(200)的操作的第一开关周期期间在所述操作开关控制信号的控制下保持在初始输出电压值或以上。
4. 如以上权利要求中任一项所述的隔离开关模式电源，其中所述全桥驱动电路进一步包括：
第三开关元件(Q1)；
第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第三开关元件(Q1)，第二自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
第四开关元件(Q3)，其连接到第三开关元件(Q1)和第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给第二自举驱动电路的所述自举电容器(CB)充电；
其中在全桥配置中第一开关元件和第二开关元件(Q2,Q4)连接到第三开关元件和第四开关元件(Q1,Q3)以响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，并且
其中所述开关控制器(230)可操作以通过如下方式来启动所述隔离SMPS(200)：生成用于第二开关元件和第四开关元件(Q4,Q3)中每个开关元件的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件和第四开关元件(Q4,Q3)以及生成用于第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)中每个开关元件的持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)，由此允许在第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)由第二电压脉冲开启之前给第二自举电容器充电。
5. 如权利要求1至3中任一项所述的隔离开关模式电源，其中所述全桥驱动电路进一步包括：
　　第三开关元件(Q1)；
第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第三开关元件(Q1)，第二自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
　　第四开关元件(Q3)，其连接到第三开关元件(Q1)和第二自举驱动电路，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给第二自举驱动电路的自举电容器(CB)充电；
其中在全桥配置中第一开关元件和第二开关元件(Q2,Q4)连接到第三开关元件和第四开关元件(Q1,Q3)以响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，并且
其中所述开关控制器(230)布置成通过如下方式来启动所述隔离SMPS(200)：生成用于第二开关元件和第三开关元件(Q4,Q1)中每个开关元件的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件和第三开关元件(Q4,Q1)，以及生成用于第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)中每个开关元件的持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)，由此允许在第一开关元件和第四开关元件由第二电压脉冲开启之前给第一自举驱动电路中的自举电容器(CB)充电。
6. 如权利要求1至3中任一项所述的隔离开关模式电源，其中所述全桥驱动电路进一步包括：
第三开关元件(Q1)；
第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第三开关元件(Q1)，第二自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
第四开关元件(Q3)，其连接到第三开关元件(Q1)和第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给第二自举驱动电路的自举电容器(CB)充电；
其中在全桥配置中第一开关元件和第二开关元件(Q2,Q4)连接到第三开关元件和第四开关元件(Q1,Q3)以响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，并且
其中所述开关控制器(230)可操作以通过如下方式来启动所述隔离SMPS(200)：生成用于第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件(Q2,Q4,Q1,Q3)中每个开关元件的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件以及生成用于第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)中每个开关元件的持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件和第四开关元件，由此允许在第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)由第二电压脉冲开启之前给所述自举电容器(CB)和所述第二自举电容器(CB)两者充电。
7. 如以上权利要求中任一项所述的隔离开关模式电源，其中所述开关控制器(230)布置成在如下开关周期中开始生成所述操作开关控制信号，所述开关周期紧接着在其间生成所述启动开关控制信号的开关周期。
8. 一种启动隔离开关模式电源SMPS的方法，所述隔离SMPS(200)包括：
开关控制器(230)，其可操作以在所述隔离SMPS(200)启动期间生成启动开关控制信号，并在所述隔离SMPS的随后操作期间生成周期T的操作开关控制信号；
变压器(110)，其具有初级绕组(111)；
全桥驱动电路，其布置成响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，所述全桥驱动电路具有：
　　第一开关元件(Q2)；
　　自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第一开关元件(Q2)，所述自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
　　第二开关元件(Q4)，其连接到第一开关元件(Q2)和所述自举驱动电路(120;121,DB,CB)，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给所述自举电容器(CB)充电；
所述方法包括：
基于在所述隔离SMPS(200)的输出端的电压确定所述操作开关控制信号的占空比D；以及
通过如下方式来生成所述启动开关控制信号：
　　生成持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件(Q4)，以及
　　生成持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件(Q2)，其中P1<P2并且P2<DT，T是所述隔离SMPS的开关周期，
由此允许在第一开关元件(Q2)由第二电压脉冲开启之前给所述自举电容器(CB)充电。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述开关控制器(230)生成持续时间P2的第二电压脉冲，使得P2≈DT/2。
10. 如权利要求8或9所述的方法，其中所述隔离SMPS(200)通过用持续时间P1的电压脉冲暂时接通第二开关元件(Q4)来启动，所述持续时间P1的电压脉冲设置成使得所述隔离SMPS(200)的输出电压(vout)在所述隔离SMPS的操作的第一开关周期期间在所述操作开关控制信号的控制下保持在初始输出电压值或以上。
11. 如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述全桥驱动电路进一步包括：
第三开关元件(Q1)；
第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第三开关元件(Q1)，第二自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
第四开关元件(Q3)，其连接到第三开关元件(Q1)和第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给第二自举驱动电路的所述自举电容器(CB)充电；
其中在全桥配置中第一开关元件和第二开关元件(Q2,Q4)连接到第三开关元件和第四开关元件(Q1,Q3)以响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，并且
其中在单个开关周期T期间通过如下方式生成所述启动开关控制信号：
生成用于第二开关元件和第四开关元件(Q4,Q3)中每个开关元件的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件和第四开关元件(Q4,Q3)；以及
生成用于第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)中每个开关元件的持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)，由此允许在第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)由第二电压脉冲开启之前给所述自举电容器(CB)和所述第二自举电容器(CB)两者充电。
12. 如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述全桥驱动电路进一步包括：
第三开关元件(Q1)；
第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第三开关元件(Q1)，第二自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
第四开关元件(Q3)，其连接到第三开关元件(Q1)和第二自举驱动电路，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给第二自举驱动电路的自举电容器(CB)充电；
其中在全桥配置中第一开关元件和第二开关元件(Q2,Q4)连接到第三开关元件和第四开关元件(Q1,Q3)以响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，并且
其中在单个开关周期T期间通过如下方式来生成所述启动开关控制信号：
生成用于第二开关元件和第三开关元件(Q4,Q1)中每个开关元件的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第二开关元件和第三开关元件(Q4,Q1)；以及
生成用于第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)中每个开关元件的持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)，由此允许在第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)由第二电压脉冲开启之前给第一自举驱动电路中的自举电容器(CB)充电。
13. 如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述全桥驱动电路进一步包括：
第三开关元件(Q1)；
第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，其布置成响应于所述开关控制信号而开关第三开关元件(Q1)，第二自举驱动电路具有自举电容器(CB)；以及
第四开关元件(Q3)，其连接到第三开关元件(Q1)和第二自举驱动电路(120;121,DB,CB)，并且布置成当响应于所述开关控制信号而接通时传导电流以给第二自举驱动电路的自举电容器(CB)充电；
其中在全桥配置中第一开关元件和第二开关元件(Q2,Q4)连接到第三开关元件和第四开关元件(Q1,Q3)，以响应于所述开关控制信号而驱动所述变压器(110)的初级绕组(111)，并且
其中在单个开关周期T期间通过如下方式来生成所述启动开关控制信号：
生成用于第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件(Q2,Q4,Q1,Q3)中每个开关元件的持续时间P1的第一电压脉冲以暂时接通第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件；以及
生成用于第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)中每个开关元件的持续时间P2的随后第二电压脉冲以暂时接通第一开关元件和第四开关元件，由此允许在第一开关元件和第四开关元件(Q2,Q3)由第二电压脉冲开启之前给所述自举电容器(CB)和第二自举电容器(CB)两者充电。
14. 如权利要求8至13中任一项所述的方法，其中所述开关控制器(230)在如下开关周期中开始生成所述操作开关控制信号，所述开关周期紧接着在其间生成所述启动开关控制信号的开关周期。
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