CN104852579B - 开关模式功率转换 - Google Patents

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Abstract

本发明的各实施方式总体上涉及开关模式功率转换。具体地，依据一个实施例，一种对开关模式功率转换器进行操作的方法，包括：定义最小开关频率阈值和最大开关频率阈值中的至少一个；当开关元件处于关断状态时，检测开关元件上的电压中出现的谷值；以及在准谐振模式中，当出现第n个连续谷值时开启开关元件(n是大于或等于1的整数)以使得实际开关频率为以下各项中的至少一项：低于最大开关频率阈值和高于最小开关频率阈值，或者在强制开关频率模式中，开启开关元件以使得实际开关频率为最大开关频率或最小开关频率。

Description

开关模式功率转换
本申请要求于2014年2月14日提交的美国临时申请号 61/940,100的权益，该申请据此通过引用全文结合于此。
技术领域
本公开涉及一种开关模式功率转换器、一种被配置为操作开关模式功率转换器的方法以及一种存储计算机可执行指令的计算机可读存储设备，该计算机可执行指令响应于执行而使包括处理器的开关模式功率转换器进行工作。
背景技术
每当开关模式功率转换器中诸如晶体管之类的开关开启或关断时，耗散与所开关的电流和电压成比例的能量。与开关操作相关联的功率损失被称作开关损失，其表示功率消散的重要来源并且因此是常规开关模式功率转换器中低效的重要来源。除了增加开关损失之外，开关变换时大的电压和/或电流的变化率(即，dv/dt和/或di/dt) 增加了对开关的压力以及由开关产生的电磁干扰(EMI)量。已经研发了一些开关方案，其利用开关模式功率转换器中的谐振以在施加到开关的电压处于被称作谷值的局部最小值时开启开关。这样的开关方案因此通常被称作谷值模式开关方案。
发明内容
一种方法，被配置为对开关模式功率转换器进行操作，其中功率转换器可操作为以功率转换器中的开关元件的可变开关频率将输入电压转换为输出电压，该方法包括：定义最小开关频率阈值和最大开关频率阈值中的至少一个；当开关元件处于关断状态时，检测开关元件上的电压中出现的谷值；以及在准谐振模式中，当出现第n 个连续谷值时开启开关元件(n是大于或等于1的整数)以使得实际开关频率为以下各项中的至少一项：低于最大开关频率阈值和高于最小开关频率阈值，或者在强制开关频率模式中，开启开关元件以使得实际开关频率为最大开关频率或最小开关频率。
一种开关模式功率转换器，其可操作为将输入电压转换为输出电压，包括：可控开关元件，被配置为以可变开关频率进行操作；以及开关控制单元，被配置为对开关元件进行控制；开关控制单元进一步被配置为：接收所定义的最小开关频率阈值和所定义的最大开关频率阈值中的至少一个；当开关元件处于关断状态时，检测开关元件上的电压中出现的谷值；以及在准谐振模式中，当出现第n 个连续谷值时开启开关元件(n是大于或等于1的整数)以使得实际开关频率为以下各项中的至少一项：低于最大开关频率阈值和高于最小开关频率阈值，或者在强制开关频率模式中，开启开关元件以使得实际开关频率为最大开关频率或最小开关频率。
一种计算机可读存储设备，存储计算机可执行指令，该计算机可执行指令响应于执行而使处理组件用以：存储最小开关频率阈值和最大开关频率阈值中的至少一个；当开关元件处于关断状态时，检测开关元件上的电压中出现的谷值；以及在准谐振模式中，当出现第n个连续谷值时开启开关元件(n是大于或等于1的整数)以使得实际开关频率为以下各项中的至少一项：低于最大开关频率阈值和高于最小开关频率阈值，或者在强制开关频率模式中，开启开关元件以使得实际开关频率为最大开关频率或最小开关频率。
通过研习以下附图和详细描述，其它的转换器、方法、软件、特征和优势对于本领域技术人员将是或将变为显而易见的。所有这些附加的转换器、方法、程序、特征和优势都意在被包括在该描述之内、处于本发明的范围之内并且被以下权利要求所保护。
附图说明
参考以下附图和描述可以更好地理解该系统。在图中，同样的附图标记贯穿不同视图而表示相对应的部分。
图1是图示第一示例性开关模式功率转换器的电路图；
图2是图示对开关模式功率转换器进行操作的示例性方法的流程图；
图3是图示第二示例性开关模式功率转换器的电路图；
图4是图示图3所示的示例性开关模式功率转换器中的开关控制单元的输入信号和输出信号的示图；
图5是图示图3所示的示例性开关模式功率转换器中取决于负载的谷值开关的示图；以及
图6是图示图3所示的示例性开关模式功率转换器中的操作模式开关的示图。
具体实施方式
参考图1，示例性开关模式功率转换器可以包括功率转换单元 100，例如DC-DC反激式转换器，其具有开关元件101、诸如变压器 102之类的磁性元件以及诸如整流器、电容器等其它部分(未示出)。功率转换器单元100具有被提供以DC电压(体电压VBULK)的输入，以及向负载103提供输出电压VOUT的输出。开关元件101可以是半导体开关，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等，其被配置为依据相应控制信号将变压器连接至电压VBULK。开关模式功率转换器可以进一步包括电流感测模块104，其提供例如(初级)电流感测电压VCS的电流感测信号，其表示流过变压器102的初级绕组的电流。开关控制单元105被配置为生成控制信号VGD，其被提供至开关元件103，用于根据控制信号VGD开启(导通)和关断(非导通)开关元件101。如果开关元件 101是MOSFET或IGBT，则控制信号VGD可以应用于其栅极。
开关控制单元105被配置为对功率转换单元100的开关操作进行控制。在以下示例中，开关控制单元105被配置为对功率转换单元100进行控制以在准谐振模式(即自振荡模式)中至少在某些环境下进行操作。控制单元10可以进一步被配置为将电流感测电压 VCS与参考电压进行比较。控制信号VGD被设置为当电流感测信号 VCS等于或超过参考电压时关断流入变压器102中的初级电流。在准谐振模式中，开关元件101可以在跨开关元件101的电压处于也被称作电压谷值或谷值的(局部)最小值时被开启。为了实现该目的，开关模式功率转换器可以包括电压感测模块106，其用于在开关元件 101的关断期间直接或间接监视跨开关元件101的压降VD，以便允许检测电压处于最小值(谷值)的时刻。从开关模式功率转换器输出(即，从功率转换单元100的输出)到开关控制单元105的反馈路径可以向开关控制单元105提供附加的输入信号(反馈信号FB)。反馈路径可以包括基本信号处理(例如PI或PID调节)和电流隔离 (例如通过光电耦合器等)。
在谷值进行开关使得开关损失和电磁干扰(EMI)最小化。通常，一行中的多个谷值中的固定(恒定)谷值，例如第一、第二或任意其它谷值，被用作用于控制开关元件101开启的触发器。当处于准谐振模式中时，开关模式功率转换器的开关频率对应于负载103，并且因此可能会大幅变化。然而，高的开关频率(在低负载处)增加了开关损失和电磁干扰。低的开关频率(在高负载处)在它们与可听频率范围重叠时可能并不是用户所期望见到的。限制开关频率范围对功率转换器的可应用性进行限制。
参考图2，一种操作开关模式功率转换器的示例性方法可以包括以下过程，其可以以硬件、软件或者它们的任意组合来实施。最初，预先定义最小开关频率阈值和最大开关频率阈值(201)。上述阈值可以是恒定的或可变的，例如随着反馈信号而改变。随后，在开关元件处于关断状态时，检测其上的电压中可能出现的谷值(202)。谷值例如可以通过专用硬件或软件检测器进行检测，或者可以从诸如过零事件和谐振频率之类的其它参数进行计算。
在准谐振操作模式中，开关元件在一行中出现第n个谷值时被开启，其中n是大于或等于1的整数(203)。在强制频率模式中，开关元件在最后一次开启之后的开关时间周期TSW＝1/fSW内被开启 (204)。实际开关频率为fSW。在一种情况下，实际开关频率fSW等于最大开关频率。在另一种情况下，实际开关频率fSW等于最小开关频率。依据负载条件和线路条件，选择最佳的操作模式。例如，在低负载时，处于更低开关频率范围中的强制频率操作模式可能是适宜的。这里，最大频率可以被设置为更低数值并且控制器可以以较低的最大频率进行开关。在更高负载时，处于更高开关频率范围中的准谐振操作模式可能更为适宜。谷值数量n可以被选择以便保持实际开关频率低于最大开关频率阈值。然而，在大多数情况下，谷值数量n可以被选择以保持开关频率高于最小开关频率阈值。
为了实现这样的准谐振操作，以下给出一种示例算法。开关元件的实际开关频率与最小开关频率阈值和最大开关频率阈值进行比较以达到如下效果：如果实际频率小于或等于最小开关频率阈值则将n减1，或者如果实际频率大于或等于最大开关频率阈值则将n加1。
图3描绘了另一种示例性开关模式功率转换器(例如，脉冲宽度调制反激式转换器)，其中开关器件304可操作为将变压器300 连接至DC输入电压(体电压VBULK)，并且对从变压器300的初级绕组301传递至次级绕组302的功率进行控制。当开关器件304开启时，能量被存储在变压器300中。当开关器件304被关断时，变压器300的能量通过整流器305在功率转换器的输出处被放电至电容器306以及负载307，而使得在负载307出现输出电压VOUT。如图4所示，此时在变压器300的初级绕组301中依据输出电压VOUT以及变压器300的匝数比产生反射电压VR。因此，一旦开关器件304 被关断，跨接至开关器件304的电压VD就等于体电压VBULK加上反射电压VR。对应于电压VD的能量被存储在开关器件304的寄生电容器308中。在放电周期TDS之后，变压器300的能量被完全释放，存储在寄生电容器308中的能量通过变压器300的初级绕组301流回到体电压VBULK。表示如开关器件304的漏极-源极电容或者变压器300的绕组电容的所有适用寄生电容Cj的电容308以及初级绕组301 的电感LP形成谐振槽，其谐振频率fR可以如等式(1a)所描述：
在谐振周期期间，寄生电容器308的能量往来于由初级绕组301 提供的电感来回传递。寄生电容器308针对出现在电压VD上的(第一)谷值电压401(后跟有后续谷值402等)的放电发生在延迟时间 Tq期间。延迟时间Tq是准谐振周期的一半并且能够如等式(1b)所表示：
如果开关器件304在跨开关器件308的谷值电压401期间被开启，则开关损失和EMI能够被降低。
开关控制电路309接收反馈信号FB、电流感测信号VCS(例如表示电流的电压)和过零检测信号ZCD，并且提供输出信号VGD(例如电压)。输出信号VGD用于驱动诸如MOSFET之类的开关器件304。开关器件304进一步耦合至变压器300以在电流感测电阻器310上生成开关电流信号，电流感测电阻器310将流过初级绕组301的初级电流IP变换为形成电流感测信号的电压VCS。除了初级绕组301和次级绕组302之外，变压器300还包括具有电感LA的辅助绕组303。初级绕组301通过开关器件302连接至体电压，并且次级绕组302 通过整流器305提供功率转换器的输出电压。辅助绕组303向开关控制电路309提供过零检测信号ZCD并且可以通过整流器布置311 向开关控制电路309提供供电电压。输出电压感测单元312被配备 (例如，具有光学耦合器以及PI或PID调节器)以生成电流隔离的反馈信号FB。因此，输出电压感测单元312的输入耦合至功率转换器的输出，并且其输出耦合至开关控制电路309的相应输入以生成用于对功率转换器的输出电压VOUT进行调节的开关控制信号VGD。
如图3中进一步示出的，DC体电压VBULK可以通过桥式整流器 313和平滑电容器314从AC输入电压VIN得出。开关控制电路309 的输入可以包括频率律模块315，其从反馈信号FB生成峰值电流阈值IPK以及表示开关时间周期TSW或开关时间周期阈值TSWmin和TSWmax的开关时间信号：
如能够从图4看出的，表示初级电流IP的电流感测信号VCS在开关元件304被开启的时间周期TON期间增大，直至达到峰值电流阈值 IPK，并且开关元件304被关断直至下一次开启。连续开启时间周期 TON的上升沿之间的时间段被称作开关时间周期TSW。频率律模块315可以包括查找表或计算模块，以根据反馈信号FB生成峰值电流阈值 IPK和开关时间周期TSW。
因此，跨图3所示的功率转换器中的辅助绕组303的电压VAUX、变压器电流IL(即，初级电流IP和次级电流IS)以及开关控制单元 304的输出信号VGD表现如下：时刻t1和开关元件304在其在时刻t2被关断之后再次开启的时刻t5之间的信号曲线在操作期间被连续重复。在时刻t1，开关元件304被开启并且初级电流IP开始斜坡升高直至在时刻t2达到最大电流(峰值电流阈值IPK)，此时开关元件304 被再次关断。作为结果，初级电流IP快速下降为零，而流过次级绕组302的次级电流IS则急剧上升至其最大数值并且随后斜坡下降直至其在时刻t4达到零。在开关元件304在时刻t1和t2之间被开启的同时，跨辅助绕组303的电压VAUX几乎为零。当开关元件304在时刻t2被关断时，电压VAUX急剧上升至最大电压。在时刻t2和t3之间(即，在稳定时间期间)以及在时刻t3和t4之间可能观察到电压VAUX的一些振铃(ringing)。当次级电流IS已经下降为零时，电压VAUX下降至数值VAUX(t4)，其能够用等式3描述：
其中
NAUX是辅助绕组303的匝数，NSEC是次级绕组302的匝数，而 LS是次级绕组302的电感。
因此，电压VAUX在时刻t2下降至数值VAUX(t2)能够用等式5描述：
其中
NPRI是初级绕组301的匝数，LP是初级绕组301的电感，并且最大初级电流IPmax等于最大变压器电流ILPK。
在时刻t4和t5之间的时间间隔中，电压VAUX再次振铃。当以准谐振模式进行操作时，开关元件304在电压VAUX达到多个(局部) 最小值(谷值501-504)中的某一个最小值时再次被开启，该最小值在本示例中位于时刻t5。在时刻t5，循环再次开始。在下文中，t1和 t2之间的时间间隔被称作开启时间TON，t2和t4之间的时间间隔被称作关断时间TOFF，并且t4和t5之间的时间间隔被称作等待时间TW。开启时间TON、关断时间TOFF和等待时间TW能够用等式7-9描述：
其中n＝1，2，3... (9)
其中fR是准谐振模式中的谐振频率(参见等式1)，并且n是以1 开始的行中的谷值数量，并且
其中fSW是开关元件304的开关频率。所产生的初级功率PP根据等式11是：
过零信号ZCD不仅可以提供辅助电压VAUX的过零，而且还能够形成用于计算体电压VBULK和输出电压VOUT的基础。然而，用于确定那些参数的其它方式也是适用的。
图5是示出处于低功率输出PLOW、中等功率输出PMED和高功率输出PHIGH的最大变压器电流ILPK上的开关频率fSW的示图。具体功率输出的曲线能够从等式11得出以改写为等式12：
低功率输出PLOW、中等功率输出PMED和高功率输出PHIGH的曲线与表示谷值V1-V7的曲线相交。假设转换器在高功率PHIGH和谷值 V1处操作，即在操作点OP1处操作。当功率下降时，功率曲线如所指示地朝向更小的ILPK值移动，例如低功率输出PLOW和中等功率输出PMED的曲线，并且因此操作点OP1沿谷值V1的曲线向更高的开关频率fSW移动。然而，开关频率fSW越高，则功率转换器不期望的功率损失将越高。与之相比，如果功率输出上升，则开关频率fSW下降并且可能与可听频率范围重叠，即可能生成不期望的声学噪声。因此，频率范围在该示例中被限制为在最大开关频率fSWmax和最小开关频率fSWmin之间的适当范围。如一般所使用的固定谷值可能导致处于所限制的开关频率范围之外的操作点OP1，这意味着功率转换器将仅无法输送所需功率。因此，如果实际频率等于或大于处于频率 fSWmax的最大开关频率阈值，则本功率转换器被操作以切换至具有更高数量n的谷值(例如，从V1到V2或V3等)，并且如果实际频率等于或小于处于频率fSWmin的最小开关频率阈值，则本功率转换器被操作以切换至具有更小数量n的谷值(例如，从V3到V2等)，以便使操作点保持在所期望的频率范围之内。所期望的预定频率范围可以是固定的或者可以是可根据某些参数调适的。如从图5可以看到的，操作点可以从其位置OP1移动至在最大开关频率fSWmax处的位置OP2，其在那里从谷值V1切换至具有操作点OP3的谷值V3。处于谷值曲线Vn(n＝1,2,3…)上的操作点的开关频率fSW能够被描述为等式13：
图3所示的开关模式功率转换器可以是多模式开关功率转换器。多模式意味着控制电路309可以被配置为以不同模式进行操作，诸如在高负载的准谐振模式(QR-n)、在中等负载的强制频率非连续模式(DCM 1,2)以及在极低负载的突发模式(BM)。在图5所示的涉及准谐振模式的示图中，如能够在图6中更为详细地看到的，低于某个最大变压器电流ILPK的操作点使转换器切换至另一操作模式。
图6在其上方示图中描绘了图3所示的转换器的开关频率表现，即，其针对各种模式在反馈电压VFB(表示反馈信号FB)上的开关频率fSW或开关频率阈值，上述模式诸如主动突发模式ABM、具有可变峰值电流Ipk和固定的恒定频率的非连续模式DCM 1、具有恒定峰值电流Ipk和强制可变频率的非连续模式DCM 2以及具有第n谷值开关的准谐振模式QR-n。图6的底部示图则图示了在反馈电压VFB上的峰值电流Ipk。
以下结合图6 所示的频率方案对多模式操作进行说明。如能够从等式(11)至(13)所看到的，模式的选择取决于负载条件和体电压VBULK。峰值电流例如可以通过开关控制单元309中相应的电流感测信号(未示出)进行设置。每个模式(突发模式除外)的开关频率可以如下。
在设置点A和B之间，开关频率fSW是恒定的；频率曲线仅是水平线。
在设置点B和C之间，开关频率fSW是强制的但不是恒定的。其由反馈电压直接给出，如能够通过B和C之间的增长线所看到的，其由设置点B和C之间的最小开关频率曲线给出，或者由设置点B 和C之间的最大开关频率曲线给出。根据体电压VBULK和系统规模，可能发生DCM操作或QR操作。
在QR-n模式中，开关频率处于从设置点C到设置点D的QR 最大开关频率曲线与从设置点E到设置点F的最小开关频率限制曲线之间。开关频率fSW在这里是如由电压VCS、选择的谷值n和体电压 VBULK表示的峰值电流的函数。因此，在QR-n模式(n＝1,2,3…) 中，如它们在图6中所示的示例中那样，上限和下限不是恒定的。
开关控制单元309从模式ABM、DCM 1、DCM 2或QR-n中选择操作模式，并且在QR-n操作的情况下还选择适于满足要求的谷值数量n。
在轻负载条件下进入突发模式ABM以将平坦的效率曲线还向下驱动至“无负载”。过渡模式DCM 2是非连续电流模式DCM 1 中的操作和准谐振模式QR-n中的操作之间的阶段。在跳过过零点的准谐振模式QR-n中，功率转换器在图6所示的最大频率限制曲线 C-D-E与最小频率限制曲线C-E-F之间操作。在QR-n中，谷值开关根据谷值数量n而发生。过零信号ZCD与内部阈值进行比较以生成用于开启开关元件304的触发信号。该触发信号可以通过集成的传播延迟被延迟，集成的传播延迟能够被配置为支持在振铃谷值的最小值中开启开关元件304。
开关元件304的开启在该模式中通过基于信号ZCD的过零检测被确定。一旦变压器100在开关元件304被关断之后被退磁，就开始出现过零。一旦所计数的过零数量与例如用于谷值数量n的上/下计数器已经存储的数量相匹配，就释放下一次开启。计数器在最大频率限制曲线被超过时向上计入1并且在最小频率限制曲线被超过时向下计入1。上/下计数器的即时变化支持低动态电压降。上/下计数器的最大数量由可配置的参数(即，谷值数量n)给出。
如果所选择的谷值开关操作导致比上开关频率阈值更高的开关频率，则每个开关周期的开关频率能够被箝位至上开关频率阈值。
类似地，如果所选择的谷值开关操作导致比上开关频率阈值更低的开关频率，则每个开关周期的开关频率能够被箝位至下开关频率阈值。
虽然已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在本发明的范围内可能有许多另外的实施例和实施方式。因此，除了在考虑所附权利要求及其等同形式的情况下，本发明不以其它方式被限制。
在一个或多个示例中，这里所描述的功能可以至少部分以诸如具体硬件组件或处理器之类的硬件来实施。更一般地，这些技术可以以硬件、处理器、软件、固件或者它们的任意组合来实施。如果以软件来实施，则这些功能可以被存储在计算机可读介质上或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码被传送，并且由基于硬件的处理单元来执行。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，其对应于诸如数据存储介质之类的有形介质，或者包括促成计算机程序例如根据通信协议从一个地方传输至另一地方的任意介质的通信介质。以这种方式，计算机可读介质总体上可以对应于(1) 非暂态的有形计算机可读存储介质或者(2)诸如信号或载波之类的通信介质。数据存储介质可以是能够被一个或多个计算机或者一个或多个处理器访问以获取指令、代码和/或数据结构用于实施本公开中所描述的技术的任意可用介质。计算机程序产品可以包括计算机可读介质。
通过示例而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括RAM、 ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或者其它磁性存储设备、闪存或者能够被用来以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且能够被计算机访问的任意其它介质。而且，任何连接都被适当称作计算机可读介质，即计算机可读传输介质。例如，如果指令使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字订户线路 (DSL)或者诸如红外、无线电和微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远程来源进行传送，则同轴线缆、光纤线缆、双绞线、 DSL或者诸如红外、无线电和微波之类的无线技术被包括在介质的定义中。然而，应当理解的是，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或其它瞬态介质，而相反是针对非瞬态的有形存储介质。如这里所使用的，盘片和碟片包括紧致盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中盘片一般以磁性方式再现数据，而碟片则以光学方式利用激光再现数据。以上的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围之内。
指令可以由一个或多个处理器来执行，诸如一个或多个中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其它等同的集成或离散逻辑电路。因此，如这里所使用的，术语“处理器”可以指以上的任意结构或者适于实施这里所描述的技术的任意其它结构。此外，在一些方面，这里所描述的功能可以在被配置用于进行编码和解码或者结合在组合编解码器中的专用硬件和/或软件模块内被提供。而且，这些技术能够完全在一个或多个电路或逻辑元件中被实施。
本公开的技术可以在各种设备或装置中实施，包括无线手机、集成电路(IC)或IC集合(例如芯片组)。各种组件、模块或单元在本公开中被描述以强调被配置为执行所公开的技术的设备的各个功能方面，但是并非必然要求由不同的硬件单元来实现。相反，如以上所描述的，各个单元可以被组合在单个硬件单元中或者由包括如以上所描述的一个或多个处理器在内的协同操作的硬件单元的集合结合适当的软件和/或固件来提供。

Claims (30)

1.一种用于操作开关模式功率转换器的方法，其中所述功率转换器可操作为以所述功率转换器中的开关元件的开关频率将输入电压和初级电流转换为输出电压和次级电流；所述方法包括：
定义最小开关频率阈值和最大开关频率阈值中的至少一个；
当所述开关元件处于关断状态时，检测所述开关元件上的电压中出现的谷值；
使用查找表从表示所述功率转换器的输出电压的信号生成峰值电流阈值和表示开关时间周期的开关时间信号；以及
基于所检测的谷值、所述峰值电流阈值和所述开关时间信号来控制所述开关元件，以用于：
在准谐振模式中，当出现第n个连续谷值时开启所述开关元件，n是大于或等于1的整数，并且当所述功率转换器的初级电流达到所述峰值电流阈值时断开所述开关元件，使得所述开关频率为以下各项中的至少一项：低于所述最大开关频率阈值和高于所述最小开关频率阈值；或者
在强制开关频率模式中，开启所述开关元件持续所述开关时间周期以使得所述开关频率为所述最大开关频率或所述最小开关频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述最小开关频率阈值、所述最大开关频率阈值、所检测的谷值的数量以及来自所述准谐振模式和所述强制开关频率模式的开关操作模式中的至少一项根据所述功率转换器的至少一个参数被控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述功率转换器的所述参数包括所述功率转换器的负载条件和反馈条件中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率转换器根据所述功率转换器的至少一个负载条件而以准谐振模式和强制开关频率模式以外的附加操作模式被操作。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中所述至少一个负载条件由谷值数量n表示，并且n与至少一个阈值谷值数量进行比较，其中所述谷值数量n表示所检测的谷值的数量；以及
其中所述操作模式在所述谷值数量n超过或低于所述至少一个阈值谷值数量时被改变。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述附加操作模式是突发模式。
7.根据权利要求2所述的方法，其中在所述强制开关频率模式中，所述功率转换器的开关频率是恒定的，并且所述功率转换器的峰值主电流是可变的。
8.根据权利要求2所述的方法，其中在所述强制开关频率模式中，所述功率转换器的峰值主电流是恒定的，并且所述功率转换器的开关频率是可变的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述功率转换器根据脉冲宽度调制方案被开关。
10.根据权利要求4所述的方法，其中在所述附加操作模式中，所述功率转换器根据脉冲宽度调制方案被开关。
11.一种开关模式功率转换器，其可操作为将输入电压和初级电流转换为输出电压和次级电流，包括：
可控开关元件，被配置为以可变开关频率进行操作；以及
开关控制单元，包括查找表并且被配置为对所述可控开关元件进行控制；所述开关控制单元进一步被配置为：
接收所定义的最小开关频率阈值和所定义的最大开关频率阈值中的至少一个；
当所述可控开关元件处于关断状态时，检测所述可控开关元件上的电压中出现的谷值；
使用查找表从表示所述功率转换器的输出电压的信号生成峰值电流阈值和表示开关时间周期的开关时间信号；以及
基于所检测的谷值、所述峰值电流阈值和所述开关时间信号来控制所述开关元件，以用于：
在准谐振模式中，当出现第n个连续谷值时开启所述可控开关元件，n是大于或等于1的整数，并且当所述功率转换器的初级电流达到所述峰值电流阈值时断开所述可控开关元件，使得所述开关频率为以下各项中的至少一项：低于所述最大开关频率阈值和高于所述最小开关频率阈值；或者
在强制开关频率模式中，开启所述可控开关元件持续所述开关时间周期以使得所述开关频率为所述最大开关频率或所述最小开关频率。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中所述最小开关频率阈值、所述最大开关频率阈值、所检测的谷值的数量以及来自所述准谐振模式和所述强制开关频率模式的开关操作模式中的至少一项是根据所述功率转换器的至少一个参数可控的。
13.根据权利要求12所述的功率转换器，其中所述功率转换器的所述参数包括所述功率转换器的负载条件和反馈条件中的至少一个。
14.根据权利要求11所述的功率转换器，其中所述功率转换器被配置为根据所述功率转换器的至少一个负载条件而以准谐振模式和强制开关频率模式以外的附加操作模式被操作。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，
其中所述至少一个负载条件由谷值数量n表示，并且n与至少一个阈值谷值数量进行比较，其中所述谷值数量n表示所检测的谷值的数量；以及
其中所述功率转换器被配置为在所述谷值数量n超过或低于所述至少一个阈值谷值数量时改变其操作。
16.根据权利要求14所述的功率转换器，其中所述附加操作模式是突发模式。
17.根据权利要求12所述的功率转换器，其中所述功率转换器在所述强制开关频率模式中被配置为保持所述开关频率恒定并且改变峰值主电流。
18.根据权利要求12所述的功率转换器，其中所述功率转换器在所述强制开关频率模式中被配置为保持峰值主电流恒定并且改变所述开关频率。
19.根据权利要求11所述的功率转换器，其中所述功率转换器被配置为根据脉冲宽度调制方案进行开关。
20.根据权利要求14所述的功率转换器，其中在所述附加操作模式中，所述功率转换器被配置为根据脉冲宽度调制方案进行开关。
21.一种计算机可读存储设备，存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于执行而使处理组件用以：
存储最小开关频率阈值和最大开关频率阈值中的至少一个；
当开关元件处于关断状态时，检测所述开关元件上的电压中出现的谷值；
使用查找表从表示功率转换器的输出电压的信号生成峰值电流阈值和表示开关时间周期的开关时间信号；以及
基于所检测的谷值、所述峰值电流阈值和所述开关时间信号来控制所述开关元件，以用于：
在准谐振模式中，当出现第n个连续谷值时开启所述开关元件，n是大于或等于1的整数，并且当所述功率转换器的初级电流达到所述峰值电流阈值时断开所述开关元件，使得所述开关元件的开关频率为以下各项中的至少一项：低于所述最大开关频率阈值和高于所述最小开关频率阈值，或者
在强制开关频率模式中，开启所述开关元件持续所述开关时间周期以使得所述开关频率为所述最大开关频率或所述最小开关频率。
22.根据权利要求21所述的计算机可读存储设备，其中所述最小开关频率阈值、所述最大开关频率阈值、所检测的谷值的数量以及来自所述准谐振模式和所述强制开关频率模式的开关操作模式中的至少一项根据功率转换器的至少一个参数被控制。
23.根据权利要求22所述的计算机可读存储设备，其中所述功率转换器的所述参数包括所述功率转换器的负载条件和反馈条件中的至少一个。
24.根据权利要求21所述的计算机可读存储设备，其中功率转换器根据所述功率转换器的至少一个负载条件而以准谐振模式和强制开关频率模式以外的附加操作模式被操作。
25.根据权利要求24所述的计算机可读存储设备，
其中所述至少一个负载条件由谷值数量n表示，并且n与至少一个阈值谷值数量进行比较，其中所述谷值数量n表示所检测的谷值的数量；以及
其中所述操作模式在所述谷值数量n超过或低于所述至少一个阈值谷值数量时被改变。
26.根据权利要求24所述的计算机可读存储设备，其中所述附加操作模式是突发模式。
27.根据权利要求22所述的计算机可读存储设备，其中在所述强制开关频率模式中，所述功率转换器的开关频率是恒定的，并且所述功率转换器的峰值主电流是可变的。
28.根据权利要求22所述的计算机可读存储设备，其中在所述强制开关频率模式中，所述功率转换器的峰值主电流是恒定的，并且所述功率转换器的开关频率是可变的。
29.根据权利要求21所述的计算机可读存储设备，其中功率转换器根据脉冲宽度调制方案被开关。
30.根据权利要求24所述的计算机可读存储设备，其中在所述附加操作模式中，所述功率转换器根据脉冲宽度调制方案被开关。
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016164086A1 (en) * 2015-04-10 2016-10-13 Dialog Semiconductor Inc. Auxiliary winding ground fault detection for isolated dc/dc converter
US9742265B2 (en) * 2015-06-17 2017-08-22 Chicony Power Technology Co., Ltd. Power supply method for avoiding audio noise and power supply apparatus for avoiding audio noise
WO2017111617A1 (en) * 2015-12-24 2017-06-29 Enatel Limited Improvements in the regulation and control of switch mode power supplies
US9991799B2 (en) 2016-03-01 2018-06-05 Astec International Limited Switch mode power supplies including primary side clamping circuits controlled based on secondary side signals
US9793816B2 (en) 2016-03-10 2017-10-17 Semiconductor Components Industires, Llc Method and circuit for peak power in quasi-resonant converters
TWI569561B (zh) * 2016-04-20 2017-02-01 台灣類比科技股份有限公司 升壓電源轉換電路及其不連續電流模式的控制方法
US10008933B1 (en) 2016-12-16 2018-06-26 Stmicroelectronics Asia Pacific Pte Ltd Frequency detection to perform dynamic peak current control
US10181782B2 (en) * 2017-04-18 2019-01-15 Richtek Technology Corporation Flyback power converter circuit with active clamping and zero voltage switching and conversion control circuit thereof
TWI626821B (zh) * 2017-04-18 2018-06-11 立錡科技股份有限公司 具主動箝位及零電壓切換之返馳式電源轉換電路及其中之轉換控制電路
JP6949618B2 (ja) * 2017-08-15 2021-10-13 キヤノン株式会社 電源装置及び画像形成装置
CN108344119B (zh) * 2018-02-10 2020-12-11 广东美的制冷设备有限公司 空调器的控制方法、装置和计算机可读存储介质
US10367422B1 (en) * 2018-10-26 2019-07-30 Infineon Technologies Austria Ag Valley mode switching with fixed frequency for switching mode power supply
US11064068B2 (en) 2019-04-16 2021-07-13 Apple Inc. Reminders techniques on a user device
US11372696B2 (en) 2019-05-30 2022-06-28 Apple Inc. Siri reminders found in apps
TWI743916B (zh) * 2020-07-31 2021-10-21 大陸商艾科微電子（深圳）有限公司 電源轉換裝置、控制模組及其操作方法
US11451155B2 (en) * 2020-08-03 2022-09-20 Infineon Technologies Austria Ag Power generation and ZVS control in a power supply
CN112701927A (zh) * 2021-01-25 2021-04-23 东莞市石龙富华电子有限公司 一种开关电源可编程多模反激自动升频的方法
CN114123790B (zh) * 2021-11-22 2023-12-08 哈尔滨工业大学（深圳） 一种大规模高效直流变压器
TWI816615B (zh) * 2022-12-07 2023-09-21 通嘉科技股份有限公司 應用於電源轉換器的一次側的初級控制器及其操作方法
CN117175906A (zh) * 2023-06-07 2023-12-05 梵塔半导体技术(杭州)有限公司 开关电路控制方法、控制芯片及开关电路

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080310191A1 (en) * 2007-06-12 2008-12-18 Bcd Semiconductor Manufacturing Limited Method and system for pulse frequency modulated switching mode power supplies
CN101645655A (zh) * 2009-06-16 2010-02-10 成都芯源系统有限公司 一种准谐振控制的开关稳压电路及方法
CN102118107A (zh) * 2009-12-31 2011-07-06 Nxp股份有限公司 用于功率转换电路的控制器

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6674655B2 (en) 2000-12-29 2004-01-06 Koninklijke Philips Electronics N.V. Control method and apparatus for a flyback converter
JP4228297B2 (ja) * 2001-09-17 2009-02-25 エヌエックスピー ビー ヴィ 入力電圧を出力電圧に変換するためのコンバータ
CN101826796B (zh) * 2009-03-02 2015-10-21 昂宝电子（上海）有限公司 利用多模控制的准谐振系统和方法
GB0912745D0 (en) * 2009-07-22 2009-08-26 Wolfson Microelectronics Plc Improvements relating to DC-DC converters
US8482937B2 (en) * 2010-06-11 2013-07-09 System General Corporation Switching control circuits with valley lock for power converters
EP2544347A1 (de) * 2011-07-07 2013-01-09 Siemens Aktiengesellschaft Schaltwandler und Verfahren zur Regelung des Schaltwandlers
CN102904448B (zh) 2011-07-29 2015-07-22 比亚迪股份有限公司 一种开关电源的控制芯片和开关电源
US9182766B2 (en) * 2013-03-11 2015-11-10 Qualcomm Incorporated Switching voltage regulator
CN103414350B (zh) * 2013-08-29 2016-08-17 昂宝电子（上海）有限公司 基于负载条件调节频率和电流的系统和方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080310191A1 (en) * 2007-06-12 2008-12-18 Bcd Semiconductor Manufacturing Limited Method and system for pulse frequency modulated switching mode power supplies
CN101645655A (zh) * 2009-06-16 2010-02-10 成都芯源系统有限公司 一种准谐振控制的开关稳压电路及方法
CN102118107A (zh) * 2009-12-31 2011-07-06 Nxp股份有限公司 用于功率转换电路的控制器

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Publication number Publication date
US20150236598A1 (en) 2015-08-20
US9941798B2 (en) 2018-04-10
CN104852579A (zh) 2015-08-19

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