CN104052300A - 无负载检测和摆率补偿 - Google Patents

Abstract

电源调节控制电路被在两个模式期间实施。第一模式是休眠模式，并且第二模式是唤醒模式。在休眠模式期间，电源调节控制电路检测无负载存在并且人为地把输出电压Vout增大到其最大允许值。在某些实施例中，这通过上拉馈给PWM模块的误差放大器的输出实现。在唤醒模式期间，当电源在最大负载下从休眠模式唤醒时，输出电压Vout从人为较高的电压下降，但仍处于最小工作电压电平之上。当负载被施加时，实施摆率补偿以便控制输出电压下降的速率。无负载条件期间人为的高输出电压和摆率补偿提供了开环电压调整。

Description

无负载检测和摆率补偿

相关申请

本申请要求2013年3月15日递交的序列号61/799,124、名为“具有专用一次侧控制绕组的新型电源管理集成电路分区”的美国临时申请的优先杈。本申请通过引用将美国临时申请61/799,124全部包含。

技术领域

本发明一般地涉及电源转换器领域。更具体地，本发明特别涉及在负载下设备唤醒期间的电源调整控制。

背景技术

在很多应用中，要求电源转换器提供由具有不同电压电平的电压源形成的预定范围内的电压。如果所供应的电源落在特定范围之外，则某些电路遭受不确定并且不期望的运转，甚至不可修复的损坏。更具体地，在某些应用中，在已知的时刻要求精确的电量。这被称为调节电源。

为了控制电源转换器输送如条件所要求的精确电量，要求某些形式的电源转换器的控制。这种控制可以出现在隔离变压器的一次侧上或者二次侧上。闭环反馈控制系统是监视电路中的例如电路输出电压的某个元素及其变化趋势，并调节该元素在基本恒定值的系统。在电源转换器的二次侧上的控制可以使用被监视的输出电压作为反馈控制，但是要求使用从隔离变压器的二次侧到一次侧的一些通信来控制一次侧开关元件。在一次侧上的控制能够很容易地控制一次侧开关元件，但是要求从二次侧到一次侧的某种反馈机制来传递被监视元素的状态。

图1示出了常规的回扫型电压转换器。转换器10包括晶体管T1、控制器14、变压器12、电容器C1和二极管D1。电路的输入电压可以是从AC电源经整流和滤波之后得到的未被调节的DC电压。晶体管T1是快速开关器件，例如MOSFET，其开关受快速动态控制器14控制，以便维持期望的调节输出电压Vout。二次侧绕组电压被使用二极管D1和电容器C1整流和滤波。回扫转换器的变压器12运行不同于典型的变压器。在负载下，典型变压器的初级线圈和次级线圈同时导通。但是，在回扫(flyback)转换器中，变压器的初级线圈和次级线圈不同时承载电流。在操作中，当晶体管T1被导通时，变压器12的初级线圈P1被连接到输入电源电压，以使输入电源电压看起来跨过初级线圈P1，导致变压器12中磁通量增加并且初级线圈电流线性地升高。但是，随着晶体管T1被导通，二极管D1被反向偏置，并且没有电流通过次级线圈S1。尽管在晶体管T1被导通时次级线圈S1不传导电流，但是因先前在电容器C1上存储的电荷所致，耦合到电容器C1、被表示为Rload的负载接收到不中断的电流。

当晶体管T1被关断时，初级线圈电流路径被断开，并且跨过初级线圈和次级线圈的电压极性反转，使得二极管D1正向偏置。这样，初级线圈电流被中断，但是次级线圈S1开始传导电流，从而把能量从变压器的磁场转移到转换器的输出。这种能量转移包括对电容器C1充电和将能量传递到负载。如果晶体管T1的关断周期足够长，则次级电流具有足够时间衰减到零，并且存储在变压器12中的磁场能量被完全消耗。

为了调节输出电压Vout，输出电压或者输出电压的一些表示被提供给控制器14。控制器14调节用来驱动主开关——晶体管T1——的脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比。通过调整PWM信号的占空比来调节输出电压Vout。

电源转换器设计的重要考虑是使无负载条件下的功耗最小化。这通常通过在检测到无负载条件时把电源转换器置于低电源模式来实现，低电源模式经常被称为待机模式或者休眠模式。在正常操作中，主开关在控制器的控制下被以高开关速率导通和关断，以维持调节输出电压Vout。在休眠模式中，电源转换器工作于脉冲串模式。PWM信号驱动主开关导通和关断短暂的周期，例如几个微秒，跟着是较长的不活动周期，例如几个毫秒，在不活动周期中主开关被关断。如图2中所示，在不活动周期期间，输出电压Vout衰减到其达到阈值Vt，阈值Vt代表最小工作电压，电源转换器在该点激活(时间tburst)，以便把电力传递到输出，从而把输出电压Vout增大回正常调节值。一旦输出电压Vout增大到期望电平，例如调节电压，则在图2的时间tinactive，电源转换器恢复其不活动状态。

当控制器处于休眠模式时负载被连接时，负载从输出电容器吸纳，从而将电容器耗尽，因为休眠模式只提供短持续时间的电源脉冲串。对被连接负载的初始响应是吸收大量电压，这导致被预期调节的输出电压降落。控制器需要某个时间周期脱离休眠模式，但在此时间周期期间，被连接的负载把输出电压Vout拉到阈值电压Vt以下，如图3中所示。随着输出电压Vout在阈值电压以下，电压脱离调节，被连接的负载确定电源不足，并关机或者提供错误消息。这就是休眠操作模式的不足。在常规的电源转换器中，为了在从休眠模式到唤醒的过渡下保持输出电压处于调节，要求过多的电容器来防止输出电压降到阈值电压Vt以下，这给瞬态响应带来了巨大的惯性。

发明内容

一种电源调节控制电路被作为电源转换器的一部分实施。所述电源调节控制电路被在两个模式期间实施：休眠模式和唤醒模式。在休眠模式期间，电源调节控制电路检测无负载存在，并且人为地把输出电压Vout增大到其最大允许值。在某些实施例中，这通过上拉馈给PWM模块的误差放大器的输出实现。在唤醒模式期间，在电源转换器在最大负载下从休眠模式唤醒时，输出电压Vout从人为较高的电压下降，但仍处于最小工作电压电平之上。当负载被施加时，实施摆率补偿以便控制输出电压下降的速率。在人为升高无负载输出电压电平之外还可以实施摆率补偿，或者，可以独立于人为升高无负载输出电压电平地实施摆率补偿。无负载条件期间人为的高输出电压和摆率补偿提供了开环电压调整。

在一个方面中，公开了一种控制电源转换器的输出电压的方法。所述方法包括：在处于休眠模式中时，检测电源转换器输出处的负载条件；在唤醒时间周期期间处把摆率补偿施加于输出电压；和，在唤醒时间周期之后，恢复调节输出电压到调节的输出电压电平。在某些实施例中，恢复调节包括中止摆率补偿。在某些实施例中，施加摆率补偿包括以接连的周期性间隔增大输出电压。在某些实施例中，休眠操作模式包含交替的不活动周期和突发活动周期。在某些实施例中，在负载条件被检测到时并且在控制器唤醒之前，输出电压被根据输出电压降落的斜率周期性地上拉。在某些实施例中，在负载被施加之后的唤醒时间周期期间，输出电压从调节输出电压电平降落到中间电压电平，所述中间电压电平在可接受工作电压范围内，并在欠电压条件之上。

在另一个方面中，公开了另一种控制电源转换器的输出电压的方法。所述方法包括：在电源转换器的输出处在负载条件和无负载条件之间进行确定。当检测到无负载条件时，电源转换器的控制器进入休眠模式。当在休眠模式中检测到负载条件时，把摆率补偿施加于输出电压，直到控制器唤醒为止。在某些实施例中，所述方法还包括一旦控制器唤醒，则恢复调节输出电压到调节的输出电压电平。在某些实施例中，施加摆率补偿包含以接连的周期性间隔增大输出电压。在某些实施例中，休眠操作模式包含交替的不活动周期和突发活动周期。在某些实施例中，在负载被检测到时并且在控制器唤醒之前，输出电压被根据输出电压降落的斜率周期性地上拉。在某些实施例中，在负载被施加之后的唤醒时间周期期间，输出电压从调节输出电压电平降落到中间电压电平，所述中间电压电平在可接受工作电压范围内，并在欠电压条件之上。

在又一实施例中，公开了一种用于调节供应给负载的输出电压的电源转换器。所述电源转换器包括电源调节控制电路，所述电路被配置成：在处于休眠模式中时，检测电源转换器输出处的负载条件；在唤醒时间周期期间，把摆率补偿施加于输出电压；和，在唤醒时间周期之后，恢复调节输出电压到调节的输出电压电平。在某些实施例中，在施加摆率补偿时，输出电压保持在可接受工作电压范围内，所述可接受工作电压范围在过电压条件之下，并且在欠电压范围之上。在某些实施例中，电源调节控制电路被配置成通过以接连的周期性间隔增大输出电压来施加摆率补偿。在某些实施例中，电源调节控制电路被配置成在唤醒时间周期期间负载被检测到时，根据输出电压电平降落的斜率提供电压调整来施加摆率补偿。

附图说明

参考附图描述几个示范性实施例，其中，给相同的部件提供相同的参考数字。这些示范性实施例旨在说明而非限制本发明。附图包括以下图形：

图1示出了常规的回扫型电压转换器。

图2示出了在电源转换器处于休眠模式中时的示范性输出电压。

图3示出了在休眠模式中负载被施加于电源转换器之前和之后的示范性输出电压。

图4示出了在休眠模式中负载被施加于电源转换器之前和之后处于人为高电平的示范性输出电压。

图5示出了电源转换器的示范性一次侧，包括根据实施例的电源调节控制电路的示意性框图。

图6示出了具有电压上拉形式的周期性摆率补偿的示范性电压输出波形。

具体实施方式

本申请的实施例涉及电源调节控制。本领域技术人员将会发现，下面的电源调节控制的详细描述仅仅是说明性的，并非旨在以任何方式限制。本领域技术人员在得益于本公开后将很容易想到电源调节控制的其他实施例。

现在将详细如参考附图中所示的电源调节控制的实施方案。贯穿附图和下面的详细描述，将使用相同的参考指示符来指示相同或者相似的部分。为清晰起见，并非这里所描述的实施方案的所有常规特征都被示出和描述。当然，将会理解在任何这种实际实施方案的开发中，为了实现开发者的具体目标，必须做出许多特定于实施方案的决策，例如符合应用和业务相关的约束，并且，这些具体目标将因实施方案而异，并因开发者而异。而且，将会理解，这种开发努力可能会复杂并且耗时，但是尽管如此，对于已得益于本公开的本领域技术人员来说，将是常规的工程任务。

电源调节控制电路的实施例被作为电源转换器的一部分实施。电源调节控制电路执行休眠模式操作和唤醒模式操作。电源调节控制电路确定何时存在无负载条件，然后进入休眠操作模式。休眠操作模式是低电源操作模式，特征在于交替的不活动周期和突发活动周期。在进入休眠模式后，电源调节控制电路为可能的负载条件做好准备。可以使用任何常规手段确定无负载操作。在某些实施例中，用于确定无负载条件的手段和用于确定设备何时进入休眠模式的常规手段相同。

当检测到无负载条件并且进入休眠模式时，输出电压被人为地改变到较高值。这种人为设置使得输出电压Vout高于标准的调节电平Vreg，但在可接受工作电压范围内。在示范性应用中，标准的调节电压电平是5V，并且人为电压电平被设置到5.5V。设备通常在可接受工作电压范围内工作，例如在4.85V和5.6V之间。5.6V以上被视为过电压条件，并且4.85V以下被视为欠电压条件。过电压条件和欠电压条件都被视为错误条件。输出电压电平可以被增大超过标准调节电平，因为无负载被连接到输出。当在休眠模式中负载被施加时，输出电压在电源转换器的控制器唤醒之前下降。通过把输出电压电平设置到人为高电平Vart，输出电压不降落到用于最小调节的阈值电压Vt以下，因为电压从人为较高电压值开始降落，如图4中所示。把输出电压电平设置到人为高电平Vart给控制器提供了额外的时间唤醒，并在输出电压电平Vout下降到最小调节电压电平以下之前激活充电。一旦负载条件被建立并且控制器的唤醒时间周期已经过去，则电源转换器恢复正常的处于例如5V的Vreg的电压调节。

当在无负载条件期间被执行时，把输出电压电平设置到人为高电平是有效的。简单地把调节输出电压电平增大到工作电压范围的高端将为控制器提供额外的时间来唤醒，这是无效的，因为当在负载条件中时，输出电压电平上下摆动，从工作电压范围的高端开始的上摆将导致过电压条件。

图5示出了电源转换器的示范性一次侧，包括根据实施例的电源调节控制电路的示意性框图。在示范性实施方案中，电源调节控制电路被实施在电源转换器的控制器内。要理解，电源调节控制电路能够与控制器分开实施。输出电压Vout被提供给一次侧控制器供调节。任何常规手段可被用来将输出电压Vout或者其表示提供给一次侧控制器。控制器被耦合到主开关Q1，例如MOSFET或者其他类型的晶体管。主开关Q1与电源转换器的初级线圈P1串联耦合。初级线圈P1被耦合到输入电压Vin。图5中未示出电源转换器的二次侧。要理解，电源调节控制电路可被应用于各种不同类型的电源转换器架构。在示范性配置中，电源转换器具有回扫型配置，并且电源转换器的二次侧被和图1中的二次侧类似地配置。

无负载检测块确定在输出无负载。当检测到无负载条件时，误差放大器(E/A)的输出被上拉的足够高，以便使用不同于标准调节的脉冲宽度调制模式把主开关Q1导通，从而把输出电压Vout增大到较高的人为电平，例如5.5V。一检测到负载，来自误差放大器的输出就不再被上拉，并且恢复标准调节，例如5V。

在某些实施例中，在控制器的唤醒周期期间实施摆率控制。在这个时间周期期间的操作被称为唤醒模式操作。当在电源转换器处于休眠模式中时施加负载时，输出电压将如上所述那样降落。摆率控制用作降低输出电压在唤醒时间周期期间降落的速率。所以在唤醒时间周期期间，当负载被施加并且控制器唤醒时，摆率补偿块监视电压降落并且通过上拉误差放大器的输出周期性地执行输出电压调整。图6示出了具有电压上拉形式的周期性摆率补偿的示范性电压输出波形。以这种方式，等到控制器唤醒时，电压输出降落得不像如图4中那样未实施摆率补偿的情况那么多。在这个示范性实施例中，摆率补偿与人为地高无负载输出电压一起实施。在其他实施例中，实施摆率补偿而不使用人为地高无负载输出电压。

在示范性实施方案中，在具有无负载条件的休眠模式期间，人为输出电压被设置在5.5V。当负载被施加时，输出电压开始降落到5.1V，在该点摆率补偿把输出电压上拉到5.3V。当实施另一摆率补偿，把输出电压增大到5.1V时，输出电压持续从5.3V降落到4.9V。这持续到控制器唤醒为止。

供应给PWM模块的电压被摆率补偿块周期性地强迫较高。这起到增大供应给主开关Q1的PWM信号的占空比的作用。在某些实施例中，使用RC时间常数实施摆率补偿来模仿因负载所致的输出电压降落的斜率。知道了斜率，输出电压被周期性地上拉。

人为高输出电压和摆率补偿的实施方案发生在调节反馈环路的外部。这两个技术是开环技术。

也能够应用这些技术来补偿电源电缆中的电压损失。

已经就包含帮助理解电源调节控制的构造和操作的原理细节的具体实施例描述了本申请。在各个附图中示出和描述的很多部件可被互换以实现必要的结果，并且本描述应被解读成也包含这种互换。这样，这里对具体实施例及其细节的参考并非旨在限制所附权利要求的范围。本领域技术人员将会清楚，可以对为说明所选的那些实施例做出修改而不脱离本申请的精神和范围。

Claims (18)

1.一种控制电源转换器的输出电压的方法，所述方法包含：

a.在处于休眠模式中时，检测电源转换器输出处的负载条件；

b.在唤醒时间周期期间，把摆率补偿施加于输出电压；和

c.在唤醒时间周期之后，恢复调节输出电压到调节的输出电压电平。

2.如权利要求1所述的方法，其中，恢复调节包含中止摆率补偿。

3.如权利要求1所述的方法，其中，施加摆率补偿包含以接连的周期性间隔增大输出电压。

4.如权利要求1所述的方法，其中，在休眠模式中当负载被耦合到输出时，输出电压降落，进一步地其中，施加摆率补偿包含以接连的周期性间隔增大输出电压。

5.如权利要求1所述的方法，其中，休眠操作模式包含交替的不活动周期和突发活动周期。

6.如权利要求1所述的方法，其中，在负载条件被检测到时并且在控制器唤醒之前，输出电压被根据输出电压降落的斜率周期性地上拉。

7.如权利要求1所述的方法，其中，在负载被施加之后的唤醒时间周期期间，输出电压从调节输出电压电平降落到中间电压电平，所述中间电压电平在可接受工作电压范围内，并在欠电压条件之上。

8.一种控制电源转换器的输出电压的方法，所述方法包含：

a.在电源转换器的输出处在负载条件和无负载条件之间进行确定；

b.当检测到无负载条件时，电源转换器的控制器进入休眠模式；和

c.当在休眠模式中检测到负载条件时，把摆率补偿施加于输出电压，直到控制器唤醒为止。

9.如权利要求8所述的方法，还包含一旦控制器唤醒，则恢复调节输出电压到调节的输出电压电平。

10.如权利要求8所述的方法，其中，施加摆率补偿包含以接连的周期性间隔增大输出电压。

11.如权利要求8所述的方法，其中，在控制器处于休眠模式中时，当负载被耦合到输出时，输出电压降落，进一步地其中，施加摆率补偿包含以接连的周期性间隔增大输出电压。

12.如权利要求8所述的方法，其中，休眠操作模式包含交替的不活动周期和突发活动周期。

13.如权利要求8所述的方法，其中，在负载被检测到时并且在控制器唤醒之前，输出电压被根据输出电压降落的斜率周期性地上拉。

14.如权利要求1所述的方法，其中，在负载被施加之后的唤醒时间周期期间，输出电压从调节输出电压电平降落到中间电压电平，所述中间电压电平在可接受工作电压范围内，并在欠电压条件之上。

15.一种用于调节供应给负载的输出电压的电源转换器，所述电源转换器包含电源调节控制电路，所述电路被配置成：在处于休眠模式中时，检测电源转换器输出处的负载条件；在唤醒时间周期期间，把摆率补偿施加于输出电压；和，在唤醒时间周期之后，恢复调节输出电压到调节的输出电压电平。

16.如权利要求15所述的电源转换器，其中，在施加摆率补偿时，输出电压保持在可接受工作电压范围内，所述可接受工作电压范围在过电压条件之下，并且在欠电压范围之上。

17.如权利要求15所述的电源转换器，其中，电源调节控制电路被配置成通过以接连的周期性间隔增大输出电压来施加摆率补偿。

18.如权利要求15所述的电源转换器，其中，电源调节控制电路被配置成在唤醒时间周期期间负载被检测到时根据输出电压电平降落的斜率提供电压调整来施加摆率补偿。