CN104201891B - 用于具有低空载功率的切换模式电源的负载改变检测 - Google Patents

Abstract

一种用于在具有低空载功率消耗的切换模式电源中负载改变检测的脉冲方案。该脉冲方案包括用于确定在输出处的负载状况或空载状况的测量脉冲。生成测量脉冲导致去往次级侧的充分能量传送以经由在初级侧上的反射电压精确地测量输出电压。一旦处于空载操作模式，则使用具有比测量脉冲更低的能量传送的参考脉冲来确定对应于空载状况的基线反射电压。继而生成相继的检测脉冲并且测量对应的反射电压并且将其与基线反射电压进行比较。反射值中超出阈值的改变指示空载状况的改变。

Description

用于具有低空载功率的切换模式电源的负载改变检测

相关申请的交叉引用

本专利申请要求本发明人于2012年10月10日提交的、序列号为61／712,183并且标题为“Intermediate Valley Switching Mode Converter”的共同待决的美国临时申请的根据35U.S.C119(e)的优先权。本申请通过引用将序列号为61／712,183的美国临时申请整体并入本文。

技术领域

本发明总体涉及功率转换器的领域。更具体而言，本发明涉及配置为使切换模式电源的空载功率最小化的功率转换器架构。

背景技术

电源或功率转换器将电功率的一种形式和电压转换为另一种的期望形式和电压。交流到直流电源将交流电压(例如共用事业公司供应的115或230伏特交流(AC))转换成经调节的直流(DC)电压。直流到直流电源将一个电平的直流电压(例如400V)转换成例如12V的另一直流电压。

切换模式电源SMPS是包含开关调节器的电源。SMPS在全饱和与全截止之间以高速率主动切换晶体管。所得矩形波形继而通过低通滤波器(通常为电感器和电容器(LC)电路)以实现近似的输出电压。

SMPS利用变化的占空比使用高频开关(晶体管)来维持输出电压。由切换引起的输出电压变化由LC滤波器滤除。SMPS可以用于降压(step-down)电源电压以及提供升压(step-up)功能和反转输出功能。SMPS通过暂时存储输入能量并且继而以不同电压释放能量至输出来将输入电压电平转换成另一电平。存储可以在诸如电感器和／或变压器之类的电磁部件或者诸如电容器之类的静电部件中。负载耦合至输出以利用所递送的能量。当没有负载耦合至功率转换器的输出时，存在空载功率状况。空载功率消耗是当功率转换器耦合至输入电源但是未连接负载(诸如当将功率充电器插入墙壁插座但是没有移动电话或其它手持设备连接时)时由功率转换器消耗的能量。

通过引入诸如由脉宽调制(PWM)操作的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的高速复合半导体开关，近来的SMPS拓扑结构现在能够以大幅增加的切换频率操作，诸如高达1.0MHz。然而，为了减小SMPS的空载功率，需要最小化切换频率和每个脉冲传送至次级侧的功率量。

传送至次级侧的功率是P=Wp*fs，其中Wp是每个脉冲传送的能量并且fs是主开关的切换频率。为了最小化空载功率，所传送的功率P必须尽可能小，这是因为其必然由基本负载消耗。否则在没有负载连接的情形下输出电压上升。脉冲必须具有最小脉冲宽度以确保一些能量传送至次级侧。为了最小化传送的功率P，需要减小每个脉冲传送的能量Wp和切换频率fs。

现代SMPS控制器通过测量在变压器绕组处的反射电压来控制输出电压和电流。如果每个脉冲所传送的能量非常低，则非常难于检测输出电压，这是因为反射的脉冲受寄生效应影响。如果频率非常低，则仅可以通过大的延迟检测输出电压的改变。因此，对于负载改变的快速响应几乎不可能。

发明内容

一些实施例涉及用于最小化由功率转换器消耗的空载功率的功率转换器电路和方法。功率转换器电路包括变压器和耦合至初级绕组的主开关。主开关通过受控驱动电路接通(ON)和断开(OFF)。在主开关接通时，启动通过初级绕组的初级电流。

测量脉冲用于确定精确输出电压值，并且所确定的输出电压值被用于确定负载状况或空载状况。当检测到空载时，在之前的测量脉冲之后的短时间生成非常小的参考脉冲。测量参考脉冲的峰值电压并且存储结果。备选地，作为参考脉冲的峰值电压的替代，可以使用在参考脉冲的某个部分处的采样电压或参考脉冲电压的在某个时间内的平均。在一些实施例中，所测的峰值电压在模数转换后被存储为数字值。在测量参考脉冲之后，使用如下频率生成与参考脉冲相同“尺寸”(例如相同量的传送能量和／或相同的初级峰值电流)的检测脉冲，该频率小到足以保持输入功率为低但是高到足以实现充分的负载响应时间。在一些情形下，参考脉冲和检测脉冲可以如此之小，以致非常难于或不可能检测精确输出电压。然而，可以使用所测量的峰值电压来检测在输出处的电压改变。由于参考脉冲和检测脉冲传送相同量的能量，因此所测量的峰值电压是相同的，除非输出电压改变。控制器通过在每个检测脉冲之后将所存储的结果与峰值电压的结果进行比较来检测电压降并且增加去往次级侧的能量传送。在一些实施例中，以非常低的频率实现测量脉冲以重新检查输出电压。测量脉冲应该尽可能的小，但是应该大到足以检测精确输出电压。在每个测量脉冲之后，如果确定空载的状况，则可以实现新的参考脉冲和若干(一个或多个)检测脉冲。

在一个方面，公开了一种控制切换模式功率转换器的方法。该方法包括配置切换模式功率转换器，该切换模式功率转换器包括具有耦合到输入电源电压的初级绕组和耦合到输出的次级绕组的变压器、串联耦合至初级绕组的开关以及耦合至开关的控制器。该方法还包括通过选择性地接通和断开开关来生成一个或多个测量脉冲以及测量与每个测量脉冲对应的反射电压直至确定在输出处的空载状况，其中所测量的反射电压与切换模式功率转换器的输出电压成比例。该方法还包括在确定空载状况之后，通过选择性地接通和断开开关来生成参考脉冲并且测量与参考脉冲对应的反射电压，其中与参考脉冲对应的所测量的反射电压包括基线反射电压。该方法还包括通过选择性地接通和断开开关来生成一个或多个检测脉冲，以及测量与每个检测脉冲对应的反射电压。该方法还包括将与每个检测脉冲对应的反射电压与基线反射电压进行比较，直至在两者之间的差值超出阈值，在此情形下确定空载状况出现改变。

生成每个测量脉冲可以导致去往切换模式功率转换器的次级侧的充分的能量传送，以便根据所测量的反射电压精确地确定输出电压。生成参考脉冲可以导致去往切换模式功率转换器的次级例的能量传送，其中与参考脉冲对应的能量传送小于与测量脉冲对应的能量传送。与参考脉冲对应的能量传送可能不足以根据所测量的反射电压精确地确定输出电压。可以在生成反射脉冲和生成第一检测脉冲之间具有断开时间，在该断开时间期间，反射电压稳定至几乎为0。可以在生成相继的检测脉冲期间具有断开时间，在该断开时间期间反射电压稳定至几乎为0。当确定空载状况时，可以将切换模式功率转换器设置为空载操作模式。当确定空载状况改变时，可以将切换模式功率转换器设置为正常负载操作模式。当确定空载状况改变时，该方法还包括生成另一测量脉冲、测量与另一测量脉冲对应的反射电压和根据与另一测量脉冲对应的所测量的反射电压确定在输出处是存在负载的状况还是空载的状况。反射电压可以是跨初级绕组的电压。切换模式功率转换器还可以包括电耦合至控制器并且磁耦合至次级绕组的辅助绕组，其中反射电压包括跨辅助绕组的电压。

在另一方面，公开了控制切换模式功率转换器的另一方法。该方法包括配置切换模式功率转换器，该切换模式功率转换器包括具有耦合至输入电源电压的初级绕组和耦合至输出的次级绕组的变压器、串联耦合至初级绕组的开关以及耦合至开关的控制器。该方法还包括通过选择性地接通和断开开关来生成测量脉冲以及测量与测量脉冲对应的反射电压，其中与测量脉冲对应的所测量的反射电压与切换模式功率转换器的输出电压成比例。该方法还包括根据与测量脉冲对应的所测量的反射电压确定在输出处的负载状况或空载状况。如果确定负载状况，则周期性生成附加测量脉冲，直至确定空载状况。如果确定空载状况，则通过选择性地接通和断开开关来生成参考脉冲并且测量与参考脉冲对应的反射电压，其中与参考脉冲对应的所测量的反射电压包括基线反射电压；通过选择性地接通和断开开关来生成检测脉冲以及测量与检测脉冲对应的反射电压；以及将与检测脉冲对应的反射电压与基线反射电压进行比较，并且如果在与检测脉冲对应的反射电压和基线反射电压之间的差值少于阈值，则确定空载状况维持并且生成和比较后继检测脉冲，并且如果差值大于或等于阈值，则确定空载状况改变。

生成测量脉冲可以导致去往切换模式功率转换器的次级侧的充分的能量传送，以便根据所测量的反射电压精确地确定输出电压。生成参考脉冲可以导致去往切换模式功率转换器的次级侧的能量传送，其中与参考脉冲对应的能量传送少于与测量脉冲对应的能量传送。与参考脉冲对应的能量传送可能不足以根据所测量的反射电压精确地确定输出电压。在生成反射脉冲和生成检测脉冲之间可以存在断开时间，在该断开时间期间，反射电压稳定至几乎为0。可以在生成相继的检测脉冲期间具有断开时间，在该断开时间期间反射电压稳定至几乎为0。如果确定空载状况，则可以将切换模式功率转换器设置为空载操作模式。如果确定负载状况，则可以将切换模式功率转换器设置为正常负载操作模式。如果确定空载状况改变，则该方法还可以包括生成另一测量脉冲、测量与另一测量脉冲对应的反射电压和根据与另一测量脉冲对应的所测量的反射电压确定在输出处是存在负载的状况还是空载的状况。反射电压可以是跨初级绕组的电压。切换模式功率转换器还可以包括电耦合至控制器并且磁耦合至次级绕组的辅助绕组，其中反射电压包括跨辅助绕组的电压。

在另一方面，公开了一种切换模式功率转换器。切换模式功率转换器包括变压器、开关和控制器。变压器具有耦合至输入电源电压的初级绕组和耦合至输出的次级绕组。开关串联耦合至初级绕组。控制器耦合至开关，其中控制器被配置为使得开关接通和断开。控制器还被配置成通过选择性地接通和断开开关来生成一个或多个测量脉冲并且测量与每个测量脉冲对应的反射电压，直至确定在输出处的空载状况，其中所测量的反射电压与切换模式功率转换器的输出电压成比例，并且在确定空载状况之后，通过选择性地接通和断开开关来生成参考脉冲并且测量与参考脉冲对应的反射电压，其中与参考脉冲对应的所测量的反射电压包括基线反射电压，并且通过选择性地接通和断开开关来生成一个或多个检测脉冲以及测量与每个检测脉冲对应的反射电压，并且将与每个检测脉冲对应的反射电压与基线反射电压进行比较，直至在两者之间的差值超出阈值，在此情形下确定空载状况改变。

附图说明

参考附图描述若干示例实施例，其中相似部件具有相似参考数字。示例实施例旨在示出而非限制本发明。附图包括以下图：

图1示出了根据一个实施例的功率转换器电路。

图2示出了根据一个实施例的具有电源电路50的示例配置的图1的功率转换器。

图3A示出了根据一个示例的与图1的功率转换器电路的空载操作相关的示例测量脉冲、参考脉冲和检测脉冲。

图3B更具体示出了根据一个实施例的图3A的测量脉冲。

图3C更具体示出了根据一个实施例的图3A的参考脉冲。

图3D更具体示出了根据一个实施例的图3A的检测脉冲。

图3E示出了根据一个实施例的图3A中所示的脉冲方案的后续。

图3F示出了图3E中所示的波形的一部分的扩展图。

图4示出了根据另一实施例的功率转换器电路。

具体实施方式

本发明的实施例涉及功率转换器。本领域技术人员将认识到下面对于功率转换器的具体描述仅是示例而非旨在以任何方式进行限制。理解本公开的优势的本领域技术人员将易于想起功率转换器的其它一些实施例。

现在将对如所附附图中示出的功率转换器的实现方式做出详细参考。贯穿附图和下面的具体描述将使用相同的参考指示符以指代相同或相似部件。为了清楚起见，未示出和描述在本文描述的实现方式的所有惯例特征。当然可以理解，在任何这类具体实现方式的开发中，可以做出许多实现方式专有的判决，以实现开发者的具体目标(诸如符合应用和商业相关约束)，并且这些具体目标将从一个实现方式变化至另一实现方式以及从一个开发者变化至另一开发者。此外，可以理解，这类开发工作可以是复杂并且耗时的，但是对于理解本公开优势的本领域技术人员而言将是工程设计的例行任务。

图1示出了根据一个实施例的功率转换器电路。功率转换器10被配置为接收未调节DC电压信号作为输入电压Vin并且提供经调节的输出电压Vout。电路的输入电压可以是源自AC电源的在整流后的未经调节的DC电压。输入电压通常诸如经由电容器12被过滤。在一些实施例中，输出电压电平适于许多低电压装置，诸如膝上型计算机、蜂窝电话和其它手持设备。在一个示例实施例中，输出电压Vout被设置为10V或更少。备选地，功率转换器10可以提供大于10VDC的输出电压Vout。

功率转换器10被配置为降压转换器。在一些实施例中，功率转换器被配置为包括来自回扫(flyback)型转换器的属性。具体而言，功率转换器可以包括为本领域技术人员所知的切换模式电源的配置。功率转换器10包括具有初级绕组P1和次级绕组S1的隔离变压器14、主开关16、电阻器18、驱动电路20、控制器22和感测电路。初级绕组P1耦合至输入电压Vin、主开关16和缓冲电路30。缓冲电路30配置成防止在主开关16处的高峰值电压并且减少电磁干扰(EMI)。电阻器18是分流电阻器并且用作设置通过初级绕组P1的峰值初级电流。主开关16是合适的切换器件。在一个示例实施例中，开关16是n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。备选地，本领域技术人员所知的任何其它半导体切换器件可以替换开关16。晶体管16由控制器22控制以维持期望的输出电压Vout。控制器22使用驱动电路20控制晶体管16。在一些实施例中，驱动电路20是脉冲宽度调制(PWM)电路。控制器22使用PWM电路调节晶体管16的占空比。

输出电路耦合至次级绕组S1。输出电路包括二极管24和电容器26。使用二极管24和电容器26将次级绕组电压进行整流和过滤，其中输出电压Vout被递送至负载28。

在一些实施例中，感测电路包括辅助绕组32，辅助绕组32是在变压器14的初级侧的另一绕组。辅助绕组32磁耦合至次级绕组S1并且与初级绕组P1电隔离。感测电路还包括电压检测器电路36和电源电路50。电压检测器36测量跨辅助绕组32的电压Vaux并且将所测量的辅助绕组电压Vaux传送给控制器22。

电源电路50被配置为向控制器22供电。在一些实施例中，电源电路50包括成对的晶体管和电容器，晶体管在控制器22的控制之下用于使得电流从辅助绕组32流至电容器以存储用于对控制器22供电的能量。图2示出了根据一个示例的具有电源电路50的示例配置的图1的功率转换器10。在图2的示例配置中，电源电路50包括电阻器38、二极管40、晶体管42、晶体管44和电容器46。电阻器38和二极管40串联耦合至辅助绕组32并且用作从辅助绕组32向感测电路和控制器22提供电源电流。

电容器46在经由二极管40和电阻器38提供电源电流时存储能量并且在脉冲之间对控制器22进行供电。晶体管42和44使得通过二极管40和电阻器38的电源电流接通和断开。晶体管42和44由控制器22控制。电源电路50还可以在没有晶体管42和44的情形下工作，但是最小脉冲必须稍大，这是因为一些能量被传送至控制器22。在包括晶体管42和44的情形下，控制器22可以在电流流至电源时进行控制，该电源是电容器46。在一些实施例中，在输出电压的采样期间断开晶体管42和44，这是因为这样使得输出电压的采样更为精密。在一些情形下，晶体管42和44可以在采用期间接通以确保控制器22获得足够的电源功率。这应该使用低频率的更大的脉冲来实现。

在操作中，变压器14与变压器14和主开关16的寄生电容形成谐振电路。可以理解，谐振电路可以包括其它部件，其包括但不限于次级二极管电容、缓冲电路(如果存在)和在印刷电路板上的迹线的电容和电感。为了将能量传送给功率转换器电路的次级侧，在次级绕组S1处的振荡的第一波动的电压幅度必须达到输出电压Vout加跨二极管24的电压降。如果跨变压器14传送的能量过低，则能量将由寄生部件消耗。在此情形下，跨次级绕组S1的电压保持在输入电压Vout加跨二极管24的电压降的临界值之下，并且没有次级电流流过二极管24。在没有次级电流的情形下，跨次级绕组S1的电压以及因此跨初级绕组P1的电压独立于输出电压Vout，并且无法检测输出电压Vout。控制器22使用输出电压Vout的值来执行一个或多个控制功能。

执行脉冲方案以使功率转换器消耗的空载功率最小化。控制器22选择性地驱动驱动电路20以生成用于使得主开关16接通和断开的一系列控制脉冲。控制脉冲导致对应的反射电压脉冲，该反射电压脉冲是由电压检测器36测量的辅助电压Vaux的脉冲。脉冲方案导致与空载操作相关的三种不同类型的反射电压脉冲。针对空载操作的三种脉冲类型被称为测量脉冲、参考脉冲和检测脉冲。图3A示出了与根据一个示例的图1的功率转换器电路的空载操作相关的示例测量脉冲、参考脉冲和检测脉冲。在图3A中示出的波形示出了所测量的辅助电压Vaux比对时间。示例波形包括测量脉冲100、参考脉冲110和检测脉冲120。如下文更具体描述的那样，通过简短接通主开关16来启动每个脉冲。如图3A所示，在近似20.0毫秒处启动测量脉冲100。控制器22使用测量脉冲100以经由辅助绕组32测量输出电压Vout，其中输出电压Vout与辅助电压Vaux成比例。所测量的辅助电压Vaux用于确定是否存在空载状况。在该示例中，测量脉冲100指示空载状况，这是因为虽然辅助电压Vaux为高，但是输出功率在测量脉冲之前已经为低。一般而言，可以使用用于检测空载状况何时出现的任何常规方法。方法取决于在正常负载状况下的控制回路。检测空载状况的示例包括但不限于当输出电压超出某个电压时，当控制器处于最小正常负载占空比并且输出电压上升时如果控制器处于最小正常负载占空比并且输出电压超出某个电平，或者当控制回路中的电压／电流达到指示控制器已达到最小输出功率的水平但是仍要求降低输出功率时。由于已确定空载状况，因此生成断开时间，该断开时间长到足以使得辅助电压Vaux的振荡稳定至低到足以使得其对下一脉冲的影响可忽略的值，诸如在与近似20.1毫秒处对应的时间t1处。断开时间是主开关16保持断开的时间量。辅助电压Vaux因由主开关16和变压器14形成的谐振电路而振荡。

在时间t1处，继而通过简短接通主开关16来生成参考脉冲110。一旦主开关16断开，测量辅助电压Vaux以确定参考脉冲110的峰值电压。在启动参考脉冲110并且断开主开关16之后，维持另一断开时间直至与近似21.1毫秒对应的时间t2。断开时间的长度由所需负载响应时间确定。这可以由设计者设定。如果要求对负载改变的快速响应，则断开时间必须为短的，但是空载功率高于当实现较长的断开时间的较慢负载响应被允许时。

在时间t2处，继而通过简短接通主开关16来生成检测脉冲。优选地，因启动检测脉冲导致的被传送至次级侧的能量与通过启动参考脉冲而传送的能量相同，或几乎相同。参考脉冲和检测脉冲的启动通过接通主开关16而实现。通过启动参考脉冲而传送的能量的量取决于在参考脉冲启动期间主开关16的接通时间。类似地，通过启动检测脉冲而传送的能量的量取决于在检测脉冲启动期间主开关16的接通时间。由于对应于参考脉冲的能量传送与对应于检测脉冲的能量传送相同，或几乎相同，因此如果输出电压未变，则在检测脉冲之后所测量的辅助电压Vaux的峰值电压与在参考脉冲之后的峰值电压相同或几乎相同。未改变的输出电压指示维持空载状况。在例如因负载改变导致电压降的情形下，在检测脉冲之后的峰值电压变得低于在参考脉冲之后的峰值电压。因此，控制器22可以使用所测量的辅助电压Vaux的峰值电压来检测输出电压是否已降低，并且因此确定负载状况是否已改变。

图3B更具体的示出了根据一个实施例的图3A的测量脉冲100。测量脉冲通过使得主开关16在与近似时间20.0002毫秒对应的时间t0处接通来启动。主开关16保持接通足够长的时间以确保足够的能量被传送至次级侧，从而经由在辅助绕组32处的辅助电压Vaux测量输出电压Vout。在图3B中示出的示例情形中，主开关16从时间t0至时间t3接通，其中时间t3对应于近似20.001毫秒。在主开关16从时间20.001毫秒(时间t3)开始断开时，在次级绕组处的与图3B中所示辅助电压Vaux成比例的电压升高至足以实现充分电流流经次级绕组进入输出，以用于去往次级侧的用以测量输出电压Vout所需的最小能量传送。该能量传送时间段从与近似20.0015毫秒对应的时间t3至与时间20.0046毫秒对应的时间t5出现。在从时间t3至t5的时间段内，由于漏感因此在辅助绕组处首先存在一些电压过冲和振荡。该过冲和振荡时段从时间t3延伸至时间t4，其中时间t4对应于近似20.0028毫秒。在时间t4之后至时间t5，辅助电压Vaux与输出电压Vout成比例。在一些实施例中，辅助电压Vaux等于或者几乎等于输出电压Vout加次级二极管的正向电压乘以辅助绕组对次级绕组的匝数比的加和。因此，在近似20.0028(时间t4)和时间20.0046毫秒(时间t5)之间，控制器22可以通过所测量的辅助电压Vaux确定输出电压。

图3C更具体示出根据一个实施例的图3A的参考脉冲110。通过在与近似20.1003毫秒对应的时间t1处接通主开关16来启动参考脉冲。主开关16保持接通足够长的时间以将非常小量的能量传送给次级侧。必然存在去往次级侧的大于0的一些能量传送。所传送的能量应该尽可能的小，以保持空载功率尽可能的小。在图3C中示出的示例情形中，主开关16从时间t1至时间t6接通，其中时间t6对应于近似时间20.1004毫秒。用于生成参考脉冲110的接通时间少于用于生成测量脉冲100的接通时间，并且因此与参考脉冲110有关的比与测量脉冲100有关的更少的能量被传送至次级侧。当主开关16从时间20.1004ms(时间t6)断开时，在次级绕组处的电压(与图3C中所示的辅助电压Vaux成比例)升高至足以实现经过次级绕组进入输出的电流流动。在时间t7(其对应于近似时间20.1009毫秒)处实现电流流动，至时间t9(其对应于近似时间20.1016毫秒)。没有其中辅助电压Vaux指示输出电压Vout的点。然而，在电流流经次级绕组进入输出时，存在对输出电压Vout的影响，并且因此在电流流经次级绕组时也存在对辅助电压Vaux的影响。因此，如果输出电压变化，则峰值辅助电压Vaux在时间t8处上升。

图3D更具体示出了根据一个实施例的图3A的检测脉冲120。通过在对应于近似时间21.10025毫秒的时间t2处接通主开关16来启动检测脉冲。主开关16保持接通足够长的时间以将非常小量的能量传送给次级侧。必然存在去往次级侧的比0大的一些能量传送。所传送的能量应该尽可能的小，以保持空载功率尽可能的小。在图3D中示出的示例情形中，主开关16从时间t2至时间t10接通。当主开关16从时间t10开始断开时，在次级侧处的与图3D中所示的辅助电压Vaux成比例的电压升高至足以实现经过次级绕组进入输出的电流流动。在时间t11(与近似时间21.10009毫秒对应)处实现电流流动，至时间t13(与近似时间21.10165毫秒对应)。与参考脉冲一样，在检测脉冲中不存在其中辅助电压Vaux指示输出电压Vout的点。然而，在电流流经次级绕组进入输出时，具有对输出电压Vout的影响，并且因此在电流流经次级绕组时也存在对辅助电压Vaux的影响。因此，如果输出电压变化，则峰值辅助电压Vaux在时间t12处变化。

控制器22将针对检测脉冲测量的峰值电压与针对参考脉冲测量的峰值电压进行比较。如果峰值电压相同，则确定在输出处的空载状况维持。如果相反，确定峰值电压不同，则确定在输出处的空载状况已改变。在图3A、图3B和图3C中所示的示例波形中，在输出处的空载状况没有改变，并且因此输出电压Vout保持未变。因此，检测脉冲120具有与参考脉冲110相同的波形和相同的峰值电压。使用该方法，可以通过测量和比较参考脉冲和检测脉冲的峰值电压来确定输出电压Vout是否未变。

在空载状况保持未变时，生成附加的检测脉冲，每个附加的检测脉冲由断开时间分开，直至确定在输出电压Vout中的改变，并且因此确定空载状况的改变。图3E示出了根据一个实施例的在图3A中所示的脉冲方案的后续。除了辅助电压Vaux之外，图3E还包括与输出电压Vout对应的示例波形。图3F示出了图3E中示出的波形的一部分的扩展视图。周期性地生成相继检测脉冲130、140和150，每个检测脉冲对应于恒定的输出电压Vout。在该示例情形中，输出电压Vout保持在恒定的5V。恒定输出电压Vout表示在输出处空载状况未变。在该示例情形中，空载状况保持直至与近似25毫秒对应的时间t14。峰值电压针对每个检测脉冲120、130、140和150都相同，直至时间t14。从时间t14至时间t18，输出电压Vout从5V降至4.87V，其中时间t18对应于近似时间26.12毫秒。

在对应于近似时间25.1毫秒的时间t15处，生成规则地预定的检测脉冲160。由于检测脉冲160生成为非常靠近输出电压Vout降低的开始，因此与检测脉冲160对应的峰值电压仅稍微不同于与参考脉冲110对应的峰值电压。在一些实施例中，在参考脉冲和给定检测脉冲的峰值电压之间的比较提供一些轻微变化，诸如因随机噪声和其它电路异常导致。在此情形下，建立阈值，其中针对待获知的输出电压改变，峰值电压之间的差值必须超出阈值。如检测脉冲160的情形一样，在检测脉冲160的峰值电压和参考脉冲110的峰值电压之间的差值并未超出所建立的阈值。因此，控制器22并不对电压降做出反应。

在与时间26.1毫秒近似对应的时间t16(图3F)处，生成下一规则地预定的检测脉冲170。到生成检测脉冲170时，输出电压Vout已下降在与检测脉冲170对应的峰值电压和与参考脉冲110对应的峰值电压之间的差值超出阈值的量。因此，控制器22确定在输出处空载状况存在改变。响应于这种确定，在与时间26.12毫秒近似对应的时间t17处生成测量脉冲180。

如上所述，测量脉冲使得足够的能量被传送至次级侧，使得可以经由测量辅助电压Vaux精确地测量输出电压Vout。响应于测量脉冲180，输出电压Vout被确定为低于期望的5V。因此，控制器22增加输出功率以增加输出电压Vout。此时，控制器22处于正常负载模式直至再次检测到空载。在一些实施例中，系统在测量脉冲180之后进入正常负载模式。在其它一些实施例中，系统在检测脉冲170之后并且在测量脉冲180之前进入正常负载模式。在正常负载模式中，生成与图3A中测量脉冲100相似的相继的测量脉冲以检测空载状况。以高于检测脉冲的频率生成测量脉冲，诸如图3F中所示的测量脉冲190、200、210和220。在正常负载模式中的测量脉冲190、200、210和220至少与测量脉冲100一样大。

在操作中，生成测量脉冲以确定在输出处是负载状况还是空载状况。测量脉冲提供去往次级侧的足够能量传送以实现根据测量的反射电压(诸如辅助电压)确定精确输出电压。如果确定存在负载状况，则系统继续以正常模式操作并且根据预定的周期生成另一测量脉冲。如果相反地确定存在空载状况，则系统进入空载操作模式。当处于空载操作模式时，需要确定负载何时耦合至输出，使得系统可以转回正常操作模式。在确定了空载状况的测量脉冲之后，生成参考脉冲。参考脉冲用于确定基线辅助电压值，诸如峰值电压。参考脉冲导致比测量脉冲更少的能量传送。因参考脉冲引起传送的能量不足以实现输出电压的精确计算。然而，可以确定峰值电压的相对改变。峰值电压改变指示空载状况的改变。为了确定峰值电压改变，在使用参考脉冲确定基线峰值电压之后周期性生成检测脉冲。针对检测脉冲的峰值电压与针对参考脉冲的峰值电压进行比较。如果针对检测脉冲的峰值电压与针对参考脉冲的峰值电压不同或超出某阈值差值，则确定空载状况已经改变，并且生成测量脉冲以确定精确的输出电压。如果输出电压已经降至某个值之下，则系统转回正常负载模式并且增加输出功率。如果针对检测脉冲的峰值电压与针对参考脉冲的峰值电压相同或在某阈值差值之内，则确定空载状况维持。系统维持在空载操作模式，并且周期性生成另一检测脉冲。

图1的功率转换器10被配置成出于确定在输出处的空载状况的改变的目的测量和比较辅助绕组电压Vaux。一般而言，可以通过监控在电路的初级侧上的反射电压来确定空载状况的改变。因此，可以备选地配置功率转换器为不具有辅助绕组，其中出于确定在输出处的空载状况的改变的目的而替代地测量和比较初级绕组。图4示出了根据另一实施例的功率转换器200。功率转换器200与图1的功率转换器10相似地被配置和操作，除了功率转换器200不包括辅助绕组之外。替代地，电压检测器236测量跨初级绕组P1的电压Vd并且将所测量的电压Vd传输至控制器222。在图4的示例配置中，电源电路250耦合至输入电压Vin。功率转换器200与图1中的功率转换器10相似地起作用以确定在输出处的空载状况的改变。

在一些实施例中，用于控制器的电源电压源自变压器的绕组。在此情形下，控制器的电流消耗可以具有对反射电压的大的影响，测量并且比较该反射电压以用于确定空载状况的改变。为了使得影响最小化，在采样反射电压时，绕组可以与控制器的电源断开。绕组必须连接至控制器的电源持续一段时间以为控制器提供足够能量。因此，可以在绕组和控制器的电源之间实现开关。在上述脉冲方案的情形下，该开关优选地在测量针对参考脉冲和检测脉冲的反射电压期间将绕组与控制器的电源断开。针对测量脉冲，在测量脉冲的初始部分期间，将绕组连接至控制器的电源，从而能够提供能量给控制器。在之后的部分期间，将绕组断开以实现精确测量。

在一些实施例中，可以在施加测量脉冲之前实现另一脉冲，其中该另一脉冲导致去往控制器的能量传送但是并不测量。该另一脉冲的尺寸与测量脉冲相似，或者可能更大。在与图3E相似的时序图中，这两个脉冲可以以在其间具有短的断开时间与两个测量脉冲相似地依次出现。

已经从包含用于便于理解功率转换器的构造和操作的原理的细节的具体实施例的方面描述了本申请。在各种附图中显示和描述的许多部件可以交换以实现必须的结果，并且该描述不应被解读为也包含这类交换。因此，本文对具体实施例及其细节的参考并不旨在限制下文所附权利要求书的范围。对于本领域技术人员显然的是，可以在不偏离本申请的精神和范围的前提下对用于示出而选择的实施例做出修改。

Claims (24)

1.一种控制切换模式功率转换器的方法，所述方法包括：

a.配置切换模式功率转换器，所述切换模式功率转换器包括具有耦合至输入电源电压的初级绕组和耦合至输出的次级绕组的变压器、串联耦合至所述初级绕组的开关、以及耦合至所述开关的控制器；

b.通过选择性地接通和断开所述开关来生成一个或多个测量脉冲，并且测量与每个测量脉冲对应的反射电压直至确定在所述输出处的空载状况，其中测量的所述反射电压与所述切换模式功率转换器的输出电压成比例；

c.在确定所述空载状况之后，通过选择性地接通和断开所述开关来生成参考脉冲，并且测量与所述参考脉冲对应的所述反射电压，其中与所述参考脉冲对应的测量的所述反射电压包括基线反射电压；

d.通过选择性地接通和断开所述开关来生成一个或多个检测脉冲，并且测量与每个检测脉冲对应的所述反射电压；

e.将与每个检测脉冲对应的所述反射电压与所述基线反射电压进行比较，直至在两者之间的差值超出阈值，由此确定所述空载状况的改变。

2.根据权利要求1所述的方法，其中生成每个测量脉冲导致去往所述切换模式功率转换器的次级侧的充分的能量传送，以便根据测量的所述反射电压来精确地确定所述输出电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其中生成所述参考脉冲导致去往所述切换模式功率转换器的所述次级侧的能量传送，其中与所述参考脉冲对应的能量传送少于与所述测量脉冲对应的能量传送。

4.根据权利要求3所述的方法，其中与所述参考脉冲对应的能量传送不足以根据测量的所述反射电压精确地确定所述输出电压。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在生成所述参考脉冲和生成第一检测脉冲之间具有断开时间，在所述断开时间期间，所述反射电压稳定至几乎为0。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在生成相继的检测脉冲之间具有断开时间，在所述断开时间期间，所述反射电压稳定至几乎为0。

7.根据权利要求1所述的方法，其中当确定所述空载状况时，将所述切换模式功率转换器设置为空载操作模式。

8.根据权利要求1所述的方法，其中当确定所述空载状况改变时，将所述切换模式功率转换器设置为正常负载操作模式。

9.根据权利要求1所述的方法，其中当确定所述空载状况改变时，所述方法还包括：生成另一测量脉冲，测量与所述另一测量脉冲对应的所述反射电压，并且根据与所述另一测量脉冲对应的测量的所述反射电压确定在所述输出处是负载状况还是所述空载状况。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述反射电压包括跨所述初级绕组的电压。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述切换模式功率转换器还包括电耦合至所述控制器并且磁耦合至所述次级绕组的辅助绕组，其中所述反射电压包括跨所述辅助绕组的电压。

12.一种控制切换模式功率转换器的方法，所述方法包括：

a.配置切换模式功率转换器，所述切换模式功率转换器包括具有耦合至输入电源电压的初级绕组和耦合至输出的次级绕组的变压器、串联耦合至所述初级绕组的开关、以及耦合至所述开关的控制器；

b.通过选择性地接通和断开所述开关来生成测量脉冲，并且测量与所述测量脉冲对应的反射电压，其中与所述测量脉冲对应的测量的所述反射电压与所述切换模式功率转换器的输出电压成比例；

c.根据与所述测量脉冲对应的测量的所述反射电压确定在所述输出处的负载状况或空载状况；

d.如果确定是所述负载状况，则周期性生成附加的测量脉冲，直至确定所述空载状况；

e.如果确定是所述空载状况，则：

i.通过选择性地接通和断开所述开关来生成参考脉冲，并且测量与所述参考脉冲对应的所述反射电压，其中与所述参考脉冲对应的测量的所述反射电压包括基线反射电压；

ii.通过选择性地接通和断开所述开关来生成检测脉冲，并且测量与所述检测脉冲对应的所述反射电压；

iii.将与所述检测脉冲对应的所述反射电压与所述基线反射电压进行比较，并且如果在与所述检测脉冲对应的所述反射电压与所述基线反射电压之间的差值少于阈值，则确定维持所述空载状况并且生成和比较后续检测脉冲，而如果所述差值大于或等于所述阈值，则确定所述空载状况的改变。

13.根据权利要求12所述的方法，其中生成所述测量脉冲导致去往所述切换模式功率转换器的次级侧的充分的能量传送，以便根据测量的所述反射电压来精确地确定所述输出电压。

14.根据权利要求13所述的方法，其中生成所述参考脉冲导致去往所述切换模式功率转换器的所述次级侧的能量传送，其中与所述参考脉冲对应的能量传送少于与所述测量脉冲对应的能量传送。

15.根据权利要求14所述的方法，其中与所述参考脉冲对应的能量传送不足以根据测量的所述反射电压精确地确定所述输出电压。

16.根据权利要求12所述的方法，其中在生成所述参考脉冲和生成所述检测脉冲之间具有断开时间，在所述断开时间期间，所述反射电压稳定至几乎为0。

17.根据权利要求12所述的方法，其中在生成相继的检测脉冲之间具有断开时间，在所述断开时间期间，所述反射电压稳定至几乎为0。

18.根据权利要求12所述的方法，其中如果确定所述空载状况，则将所述切换模式功率转换器设置为空载操作模式。

19.根据权利要求12所述的方法，其中如果确定所述负载状况，则将所述切换模式功率转换器设置为正常负载操作模式。

20.根据权利要求12所述的方法，其中如果确定所述空载状况改变，则将所述切换模式功率转换器设置为正常负载操作模式。

21.根据权利要求12所述的方法，其中如果确定所述空载状况改变，则所述方法还包括：生成另一测量脉冲，测量与所述另一测量脉冲对应的所述反射电压，并且根据与所述另一测量脉冲对应的测量的所述反射电压确定在所述输出处是所述负载状况还是所述空载状况。

22.根据权利要求12所述的方法，其中所述反射电压包括跨所述初级绕组的电压。

23.根据权利要求12所述的方法，其中所述切换模式功率转换器还包括电耦合至所述控制器并且磁耦合至所述次级绕组的辅助绕组，其中所述反射电压包括跨所述辅助绕组的电压。

24.一种切换模式功率转换器，包括：

a.变压器，具有耦合至输入电源电压的初级绕组和耦合至输出的次级绕组；

b.开关，串联耦合至所述初级绕组；以及

c.控制器，耦合至所述开关，其中所述控制器被配置为接通和断开所述开关，

其中所述控制器被配置为通过选择性地接通和断开所述开关来生成一个或多个测量脉冲，并且测量与每个测量脉冲对应的反射电压直至确定在所述输出处的空载状况，其中测量的所述反射电压与所述切换模式功率转换器的输出电压成比例；在确定所述空载状况之后，通过选择性地接通和断开所述开关来生成参考脉冲，并且测量与所述参考脉冲对应的所述反射电压，其中与所述参考脉冲对应的测量的所述反射电压包括基线反射电压；通过选择性地接通和断开所述开关来生成一个或多个检测脉冲，并且测量与每个检测脉冲对应的所述反射电压；并且将与每个检测脉冲对应的所述反射电压与所述基线反射电压进行比较，直至在两者之间的差值超出阈值，由此确定所述空载状况的改变。