CN104685777A - 软切换同步准谐振转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种切换电路(100)，其包含：变压器(104)，其具有初级侧及次级侧；第一MOSFET开关(SW1)，其与所述初级侧耦合；初级电流感测装置(Rp)；第二MOSFET开关(SW2)，其与所述次级侧耦合；次级电流感测装置(Rs)；及控制电路(602)，其用于驱动所述第一及第二MOSFET开关，其中第一及第二开关被互补地驱动且其中由所述初级及次级电流感测装置控制所述第一及第二MOSFET开关的切换。

Description

软切换同步准谐振转换器
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2012年9月28日提出申请的第61/707,506号美国临时申请案的权益，所述美国临时申请案如同完全陈述一般特此以全文方式并入本文中。本申请案涉及2012年11月8日提出申请的共同让与、同在申请中的序列号为13/671,953的美国专利申请案，所述美国专利申请案主张2011年11月11日提出申请的第61/558,616号美国临时申请案的权益，所述申请案如同完全陈述一般特此以全文引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及切换模式的电力供应器，特定来说涉及驱动负载，且更特定来说涉及发光二极管(LED)的驱动及变暗。
背景技术
切换模式电力供应器(SMPS)用以经由低通滤波器及将半导体装置(例如功率晶体管(例如，MOSFET))用作开关而将恒定电压提供到负载。用以实施切换模式电力供应器的半导体开关在高频率(50kHz到数MHz)下连续地接通及关断以经由无源组件将电能从输入转移到输出。
高输入电压电力供应器的效率受初级MOSFET的切换损失限制。切换损失变成高输入电压应用(汽车、a/c、工业等)的主导损失。
另外，高频率开关产生实质电磁干扰(EMI)，此日益成为政府规制的主题。
发明内容
根据实施例，一种切换电路可包括：变压器，其具有初级侧及次级侧；第一MOSFET开关，其与所述初级侧耦合；初级电流感测装置；第二MOSFET开关，其与所述次级侧耦合；次级电流感测装置；及控制电路，其用于驱动所述第一及第二MOSFET开关，其中第一及第二开关被互补地驱动且其中由所述初级及次级电流感测装置控制所述第一及第二MOSFET开关的切换。
根据又一实施例，所述初级及次级电流感测装置各自可包括耦合于接地与所述相应的第一或第二MOSFET开关之间的分路电阻器。根据又一实施例，所述切换电路可进一步包括耦合到所述次级电流感测装置的电流感测放大器。根据又一实施例，所述切换电路可进一步包括接收第一及第二电流感测信号且具有与所述控制电路耦合的输出的比较器。根据又一实施例，所述控制电路可包括脉冲宽度调制器。根据实施例，一种电力供应电路包含：控制电路；及准谐振回扫电路，其包含：初级电路，其由第一晶体管开关控制且包含第一电流感测装置；次级电路，其由第二晶体管开关控制且包含第二电流感测装置；及变压器，其具有初级侧及次级侧；其中所述控制电路经配置以驱动所述第一晶体管开关及所述第二晶体管开关，其中所述第一晶体管开关及所述第二晶体管开关被互补地驱动且其中经由所述第一及第二电流感测装置而控制所述第一晶体管开关及所述第二晶体管开关的切换。
在一些实施例中，所述初级及次级电流感测装置各自包括耦合于接地与所述相应的第一或第二晶体管开关之间的分路电阻器。在一些实施例中，所述电路进一步包含耦合到所述第二电流感测装置的电流感测放大器。在一些实施例中，所述电路包含接收第一及第二电流感测信号且具有与所述控制电路耦合的输出的比较器。在一些实施例中，所述控制电路包含脉冲宽度调制器。
根据实施例，一种方法包含：借助初级开关经由回扫变压器将输出电容器充电，所述回扫变压器及所述初级开关耦合到电源；借助次级开关经由所述回扫变压器将所述输出电容器放电，所述回扫变压器及所述次级开关耦合到所述输出电容器；感测所述初级开关的电流；感测所述次级开关的电流；及驱动所述初级开关及所述次级开关，其中互补地驱动所述初级开关及所述次级开关且其中响应于感测所述初级开关及所述次级开关的所述电流而控制所述初级开关及所述次级开关的切换。
在一些实施例中，使用耦合于接地与所述相应的初级或次级开关之间的分路电阻器来完成对所述初级开关的所述电流的所述感测及对所述次级开关的所述电流的所述感测。在一些实施例中，所述方法进一步包含包括将所述次级开关的电流放大。在一些实施例中，驱动所述初级及次级开关包含使用脉冲宽度调制器来驱动所述初级及次级开关。
在结合以下说明及附图考虑时，将更好地了解及理解本发明的这些及其它方面。然而，应理解，尽管以下说明指示本发明的各种实施例及其众多具体细节，但其以图解说明方式而非限制方式给出。可在不背离本发明的精神的情况下在本发明的范围内做出许多替换、修改、添加及/或重新布置，且本发明包含所有此等替换、修改、添加及/或重新布置。
附图说明
包含随附并形成本说明书的部分的图式以描绘本发明的特定方面。应注意，所述图式中所图解说明的特征未必按比例绘制。通过参考结合附图的以下说明可获取对本发明及其优点的较完全理解，在所述附图中相似元件符号指示相似特征且其中：
图1展示高电压LED驱动的电路图。
图2展示正常准谐振模式的时序图。
图3展示同步准谐振模式的波形。
图4展示准谐振零伏切换回扫拓扑的较多细节。
图5展示与图4的电路图相关联的波形。
图6展示根据实施例的零伏切换的示意图。
具体实施方式
参考附图中所图解说明且以下说明中所详述的示范性(且因此非限制性)实施例，更全面地阐释本发明及其各种特征以及有利细节。然而，应理解，尽管详细说明及具体实例指示优选实施例，但其仅以图解说明方式而非限制方式给出。可省略对已知编程技术、计算机软件、硬件、操作平台及协议的说明以免不必要地在细节上使本发明模糊。所属领域的技术人员将从本发明明了在基本发明概念的精神及/或范围内的各种替换、修改、添加及/或重新布置。
根据各种实施例，用于控制负载的装置具有同步能力以供电压定位。通过使用所述装置来控制反向电流而提供零电压切换，借此提高装置效率且降低EMI。
更特定来说，切换模式电力供应器(SMPS)架构可使用同步SMPS设计以将电压重新定位以使LED变暗。根据各种实施例，使用根据此架构的同步开关来对磁性装置加负载且使用反向能量来对MOSFET进行软切换。对MOSFET进行软切换显著地提高效率且降低EMI。
图1中展示驱动负载102的SMPS 100，所述负载可体现为多个发光二极管(LED)。电路100包含分别的一对MOSFET开关SW1、SW2、回扫变压器104、输出电容器Cout及分别用于感测SW1、SW2的输出处的电流的感测电阻器Rp、Rs。
在正常准谐振模式中，在于SW1的漏极上检测到振铃波形之后将初级开关SW1接通。SW1上的振铃是由于缺乏经由SW2的体二极管(BD_2)将次级绕组箝位到Vout的磁化电流而由回扫变压器104的去磁而引起的。
SW2提供供电流沿将COUT充电的“正常”方向流动的路径。在此情形中，在铁心中的能量达到零时，SW2提供供COUT沿反向方向(反向电流)驱动所述铁心的路径。通过沿反向方向操作回扫变压器104，可使用所存储的此能量来对SW2漏极电压进行复位或将SW2漏极电压箝位到0V或低于接地的二极管压降。此强制SW1开关的软切换，从而消除切换损失且显著地降低由于MOSFET的切换电压(硬切换)而由高dv/dt引起的EMI。
图2图解说明图1的电路的示范性波形。在于V_Drain上检测到振铃之后，SW1_Drive(表示图1的Vext)将SW1驱动为接通。ISW1对应于IP或初级电流(图1)。二极管2电流IDIODE2对应于ISN或次级电流(图1)。
图1的电路因此形成准谐振回扫转换器。如将在下文更详细地论述，实施例实施同步准谐振电路。一般来说，高电压拓扑并不受益于此同步操作。在适当时间强制反向电流且将SW2关断是重要的，此需要相应电流感测及快速低偏移比较器。
根据各种实施例，同步变暗方法用于零伏切换。添加同步开关以将用于LED变暗的输出电压定位。所述方法进一步用以产生用于多个LED串的“方形”波电流驱动器。所述同步开关用以使来自所存储输出电容器的能量反向。所述所存储能量用以将初级FET上的电容放电。此导致零电压切换，如图3中所展示。
此各种实施例对具有双向或同步能力的可变频率转换器起作用。高输入电压、低到中电力应用接收最大益处。许多同步拓扑可受益于此概念(回扫、升压式、SEPIC、库克(Cuk)等)。
图4中展示图1中所展示的实施例的较详细电路，特定来说关于电流感测。
展示了：初级电路，其包含晶体管Qp；及次级电路，其包含晶体管Qs；回扫变压器104；输出电容器Cout；及感测电阻器Rp、Rs，其分别用于感测SW1(Qp)、SW2(Qs)的输出处的电流。如所展示，对初级电路(IP)及次级电路(IS)的电流感测进行比较，且将所得控制信号馈送到脉冲宽度调制器PWM 404。随后，PWM逻辑提供VSW1及VSW2控制驱动电压。
在所图解说明的实施例中，将来自Qp的电流Ip提供到比较器410。将来自Qs的电流IS提供到包含放大器406及408的放大滤波器电路402。放大器电路406用以增益电流感测信号，这是因为使用低值电阻器来保持高效率。放大器408用以使用传统误差放大器VREF及来自放大器406的反馈信号来调节LED电流。
另外，去饱和比较器405可将QRS输出提供到PWM 404以检测零变压器能量(即，用以使电流反向以进行输出电压定位/零伏切换)。
在图4中指示在切换循环期间电路内的正常电流流动。在将SW1(Qp)接通时，电流流动穿过晶体管Qp穿过变压器绕组104。电流Ip经接收作为到比较器410的输入。电容器Cout将负载102放电并激活。如果SW2在经耦合电感器能量达到零之后仍保持接通，那么经耦合电感器沿反向方向存储能量。其能量来自输出电容器COUT。
图5图解说明根据图4的实施例的电流流动。如所展示，Vsw1驱动控制SW1及从Ip到Is的切换。PDRV(初级晶体管驱动信号)(图6)用以在将开关Qp“接通”时将能量存储于变压器104中。在此时间期间，初级电流流动穿过感测电阻器Rp。一旦达到所要初级峰值电流，PDRV即将Qp关断且SDRV(次级晶体管驱动信号)(图6)将Qs“接通”。在此时间期间，变压器104将电流提供到LED且将电荷补足到COUT中。在去饱和比较器405(图4)的输入desat+与desat-具有0V差时，检测到零变压器能量。可将额外偏移或延迟添加到进入到变压器104中的“反向”电流，从而允许电流经由同步开关反向。此所存储能量用以在将Qs关断之后强制电流流动穿过Qp的体二极管，从而跨越开关Qp产生0V。在开关漏极源极电压已达到0V后，PDRV信号将Qp接通，从而消除切换损失且降低EMI。在将Qp接通时，所述循环自身重复直到达到所要峰值电流为止。
注意：在比较器410非反向电流斜波信号超过反向比较器410输入时，达到所要峰值电流。此为LED电流的调节环路，独立于准谐振比较器操作。
最后，图6图解说明回扫准谐振电路的示范性实施方案。如所展示，可在集成电路中实施电路402及PWM逻辑的功能。
各种实施例提供准谐振同步零伏切换操作的以下益处：消除切换损失，其中最大影响在于AC-DC或极高电压输入设计。显著地降低EMI，这是因为即使是零电流切换拓扑，也会引入一些噪声。
虽然已关于本发明的具体实施例来描述本发明，但这些实施例仅为示范性的，且并非限制本发明。包含发明摘要及发明内容中的说明的本发明的所图解说明实施例的本文中的说明并不打算为穷尽的或将本发明限制于本文中所揭示的精确形式(且特定来说，发明摘要或发明内容内的任何特定实施例、特征或功能的包含并不打算将本发明的范围限制于此实施例、特征或功能)。而是，在不将本发明限制于任何特定描述的实施例、特征或功能(包含发明摘要或发明内容中所描述的任何此实施例特征或功能)的情况下，所述说明打算描述说明性实施例、特征或功能以便给所属领域的技术人员提供上下文以理解本发明。
尽管仅出于说明性目的而在本文中描述本发明的具体实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识及了解到，在本发明的精神及范围内的各种等效修改为可能的。如所指示，可根据本发明的所图解说明实施例的前述说明对本发明做出这些修改，且这些修改将包含于本发明的精神及范围内。因此，尽管本文中已参考本发明的特定实施例来描述本发明，但前述揭示内容中打算涵盖大量修改、各种改变及替代，且将了解，在一些实例中，在不背离如所描述的本发明的范围及精神的情况下，将在不对应使用其它特征的情况下采用本发明的实施例的一些特征。因此，可做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的基本范围及精神。
贯穿本说明书提及“一个实施例”、“实施例”或“具体实施例”或类似术语意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个实施例中且可不必呈现于所有实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方相应出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在具体实施例中”或类似术语未必是指相同实施例。此外，可以任何合适方式将任何特定实施例的特定特征、结构或特性与一或多个其它实施例组合。应理解，根据本文中的教示，本文中所描述及所图解说明的实施例的其它变化及修改为可能的，且将视为本发明的精神及范围的部分。
在本文中的说明中，提供例如组件及/或方法的实例等众多具体细节以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可能够在不具有一或多个具体细节或借助其它设备、系统、组合件、方法、组件、材料、部件及/或类似物的情况下实践实施例。在其它实例中，并不具体展示或详细描述众所周知的结构、组件、系统、材料或操作，以避免使本发明的实施例的方面模糊。尽管可使用特定实施例来图解说明本发明，但此不会且并不将本发明限制于任何特定实施例，且所属领域的技术人员将认识到额外实施例可易于理解且为本发明的部分。
如本文中所使用，术语“包括(comprises、comprising)”、“包含(includes、including)”“具有(has、having)”或其任何其它变化打算涵盖非排他性包含。举例来说，包括元件列表的过程、产品、物品或设备未必仅限于那些元件而是可包含未明确列出或此过程、过程、物品或设备固有的其它元件。
此外，除非另外指示，否则如本文中所使用的术语“或”通常意指“及/或”。举例来说，条件A或B可通过以下各项中的任一者来满足：A为真(或存在)且B为假(或不存在)、A为假(或不存在)且B为真(或存在)及A与B两者均为真(或存在)。如本文中包含以下权利要求书所使用，除非权利要求书内另外明确地指示(即，提及“一(a或an)”明确地指示仅为单数或仅为复数)，否则冠以“一(a或an)”(及在前置基础为“一(a或an)”时的“所述(the)”)的术语包含此术语的单数及复数两者。此外，如本文中的说明所使用且贯穿以下权利要求书，除非上下文另外明确地指示，否则“在…中(in)”的含义包含“在…中(in)”及“在…上(on)”。
将了解，如根据特定应用为有用的，图式/图中所描绘的元件中的一或多者也可以较分离或较集成方式实施，或甚至在特定情形中移除或使其不可操作。另外，除非另外具体说明，否则图式/图中的任何信号箭头应视为仅为示范性的，而非限制性。

Claims (14)

1.一种切换电路，其包括：
变压器，其具有初级侧及次级侧；
第一MOSFET开关，其与所述初级侧耦合；
初级电流感测装置；
第二MOSFET开关，其与所述次级侧耦合；
次级电流感测装置；
控制电路，其用于驱动所述第一MOSFET开关及所述第二MOSFET开关，其中所述第一MOSFET开关及所述第二MOSFET开关被互补地驱动，且其中由所述初级及次级电流感测装置控制所述第一MOSFET开关及所述第二MOSFET开关的切换。
2.根据权利要求1所述的切换电路，其中所述初级及次级电流感测装置各自包括耦合于接地与所述相应的第一或第二MOSFET开关之间的分路电阻器。
3.根据权利要求2所述的切换电路，其进一步包括耦合到所述次级电流感测装置的电流感测放大器。
4.根据权利要求3所述的切换电路，其进一步包括接收第一及第二电流感测信号且具有与所述控制电路耦合的输出的比较器。
5.根据权利要求4所述的切换电路，其中所述控制电路包括脉冲宽度调制器。
6.一种电力供应电路，其包括：
控制电路；以及
准谐振回扫电路，其包含：
初级电路，其由第一晶体管开关控制且包含第一电流感测装置；
次级电路，其由第二晶体管开关控制且包含第二电流感测装置；以及
变压器，其具有初级侧及次级侧；
其中所述控制电路经配置以驱动所述第一晶体管开关及所述第二晶体管开关，其中所述第一晶体管开关及所述第二晶体管开关被互补地驱动，且其中经由所述第一及第二电流感测装置而控制所述第一晶体管开关及所述第二晶体管开关的切换。
7.根据权利要求6所述的电力供应电路，其中所述初级及次级电流感测装置各自包括耦合于接地与所述相应的第一或第二晶体管开关之间的分路电阻器。
8.根据权利要求7所述的电力供应电路，其进一步包括耦合到所述第二电流感测装置的电流感测放大器。
9.根据权利要求8所述的电力供应电路，其进一步包括接收第一及第二电流感测信号且具有与所述控制电路耦合的输出的比较器。
10.根据权利要求9所述的电力供应电路，其中所述控制电路包括脉冲宽度调制器。
11.一种方法，其包括：
借助初级开关经由回扫变压器将输出电容器充电，所述回扫变压器及所述初级开关耦合到电源；
借助次级开关经由所述回扫变压器将所述输出电容器放电，所述回扫变压器及所述次级开关耦合到所述输出电容器；
感测所述初级开关的电流；
感测所述次级开关的电流；以及
驱动所述初级开关及所述次级开关，其中互补地驱动所述初级开关及所述次级开关，且其中响应于感测所述初级开关及所述次级开关的所述电流而控制所述初级开关及所述次级开关的切换。
12.根据权利要求11所述的方法，其中使用耦合于接地与所述相应的初级或次级开关之间的分路电阻器来完成对所述初级开关的所述电流的所述感测及对所述次级开关的所述电流的所述感测。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述次级开关的电流放大。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步其中驱动所述初级及次级开关包括使用脉冲宽度调制器来驱动所述初级及次级开关。
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