CN105024535A - 用于开关式电源的峰值功率限制和过功率保护 - Google Patents

用于开关式电源的峰值功率限制和过功率保护 Download PDF

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Abstract

提供了用于开关式电源的峰值功率限制和过功率保护。一种开关式功率变换器的逐周期操作的方法包括:在当前周期期间通过将连接到初级侧的晶体管从接通状态切换到关断状态而将在初级侧处的输入电压变换为次级侧处的输出电压,检测跨处于关断状态的晶体管的电压中的波谷,确定在下一切换周期中晶体管将在哪个波谷处从关断状态切换到接通状态,以及确定用于初级侧的最大峰值电流限制,在该最大峰值电流限制之上晶体管在下一切换周期中从接通状态切换到关断状态。根据输入电压和波谷确定最大峰值电流限制,在下一切换周期中晶体管将在该波谷处从关断状态切换到接通状态。还公开了强制波谷切换技术。

Description

用于开关式电源的峰值功率限制和过功率保护
技术领域
本申请涉及开关式电源,具体地涉及用于开关式电源的峰值功率限制和过功率保护。
背景技术
开关式电源是并入开关调节器以有效地转换电力的电子电源。开关式电源从像主电源之类的源向诸如个人计算机之类的负载传送功率,同时转换电压和电流特性。开关式电源的传输晶体管在低耗散的全接通与全关断状态之间不断地切换,并且在高耗散转换中花费非常少的时间,这使得浪费的能量最小化。电压调节通过变化接通时间和关断时间(即,可以改变占空比和周期)实现。具有隔离拓扑的开关式电源包括变压器,并且因而能够产生比输入更高或者更低的电压的输出。一些变换器使用用于能量存储的变压器,而其他变换器使用分立的电感器。
在每种情况下,例如由于负载处的短路或者错误导致的负载需求的非期望的增加,能够导致非常高的功耗。保护免受这样的过功率和短路情况是期望的。
发明内容
根据一种具有含初级侧和次级侧的变压器的开关式功率变换器的逐周期操作的方法的一个实施例,该方法包括:在当前周期期间通过将连接到主级侧的晶体管从接通状态切换到关断状态而将初级侧处的输入电压变换到次级侧处的输出电压;检测在关断状态中跨晶体管的电压中的波谷;确定在下一切换周期中晶体管将在哪个波谷处从关断状态切换到接通状态;以及确定用于初级侧的最大峰值电流限制,超过该最大峰值电流限制则在下一切换周期中从接通状态切换到关断状态,根据输入电压和波谷确定最大峰值电流限制,在该波谷处晶体管将在下一切换周期中从关断状态切换到接通状态。
根据具有含初级侧和次级侧的变压器的开关式功率变换器的逐周期操作的方法的另一个实施例,该方法包括:在当前周期期间通过将连接到初级侧的晶体管从接通状态切换到关断状态而将初级侧处的输入电压变换到次级侧处的输出电压;检测在关断状态中跨晶体管的电压中的波谷;确定在下一切换周期中晶体管将在哪个波谷处从关断状态切换到接通状态;以及如果在当前切换周期中满足或者超过用于初级侧的最大峰值电流限制并且先前确定的波谷是针对其确定最大峰值电流限制的较高的波谷,则强制晶体管在比先前确定的波谷更早的波谷中从关断状态切换到接通状态,从而允许增加所传送的功率。
本领域技术人员在阅读以下详细描述之后,并且在观看附图之后将认识到附加特征和优点。
附图说明
附图的元件相对于彼此不一定成比例。同样的附图标记标注对应的部分。各个图示的实施例的特征可以被组合除非它们互相排斥。在附图中描述实施例,并且在以下描述中详述实施例。
图1图示了开关式功率变换器的框图。
图2是图示用于图1的开关式功率变换器的各种切换相关信号的波形图。
图3示出了用于图1的开关式功率变换器的根据输出电压和电流的不同峰值功率限制和过功率保护OPP操作区域。
图4是示出在基于中断的切换周期期间所执行的峰值电流设置和波谷切换程序的流程图。
图5是更加详细地图示图4的峰值电流设置程序的流程图。
图6是更加详细地图示图4的波谷切换程序的流程图。
具体实施方式
根据本文所描述的实施例,提供用于开关式电源的峰值功率限制和过功率保护。峰值功率限制技术通过控制最大峰值电流实现逐周期的峰值功率限制,并且使用高电压测量以折返最大峰值电流。提供快速和慢速过功率保护方案二者。快速和慢速过功率保护反应事件是可编程的(例如,忽略/自动重启/闭锁/加电复位)并且可以用非对称的并且可编程的向上/向下计数器分别处理以在反应事件之前提供有效的滤波。在快速过功率保护的情况下,保护输出和输出整流器免于过电流操作。可以检测标志以确定峰值功率限制是有效的。在慢速过功率保护的情况下,即使未达到这里的峰值功率限制,也保护系统免于连续的过功率操作(热保护)。
在一个实施例中,对于功率变换器提供具有折返和波谷数反射的峰值功率限制,该功率变换器使用针对峰值功率限制的峰值电流限制。使用输入(高)电压的测量与QRM(准谐振模式)波谷数一起导出用于当前电压和波谷的峰值电流限制以产生精确的峰值功率限制。附加地或者备选地,可以使用强制波谷切换以降低QRM波谷数。如果达到峰值电流限制但波谷数比存储在峰值功率限制表中的更高,则由于比预先计算更高的切换周期导致还未达到峰值功率,并且因此可以降低波谷数。只有达到峰值电流限制并且波谷数等于最小允许QRM波谷,才达到峰值功率并且发生峰值功率限制。可以与用于快速过功率保护的计数器一起使用峰值功率限制。
提供用于开关式电源的峰值功率限制(PPL)和过功率保护(OPP)技术。PPL通过控制最大峰值电流IPKmax提供逐周期的峰值功率限制并且使用测量的高(输入)电压VBulk折返最大峰值电流,其中VBulk是系统的高、整流AC电压输入。PPL提供充分的灵活性,正如由iLpkmax(vBulk,N=1)针对任何波谷N=1、2、3、4…给出的存储在具有高电压Vbulk的索引的表中(最大峰值电流表符合频率规律)的最大峰值电流和最小允许QRM(准谐振模式)波谷(N)。例如,如果有4个QRM波谷,则可以有四个对应的表。在每个表中,单独的峰值电流限制值与对于相应的波谷的单独的输入电压值相关联。与输入电压和在下一切换周期中晶体管将在其处从关断状态切换到接通状态的波谷相关联的单独的峰值电流值被选择为最大峰值电流限制。此外,波谷数N可以被推进(强制)使得峰值功率操作不具有模糊性,正如由N→NOPP(vBulk)和iLpkmax(vBulk)=iLpkmax(vBulk,NOPP(vBulk))给出。这可以降低所请求的表的量,以使只需一个表结合波谷数N和峰值电流限制。本文在具有如图1所示的隔离拓扑的开关式电源的背景下描述峰值功率限制和强制波谷切换实施例。
参考图1,示例性开关式功率变换器可以包括诸如DC-DC反激式变换器之类的功率变换单元100,其具有传输晶体管101、诸如变压器102之类的磁元件以及诸如整流器、电容器等之类的其他部分(未示出)。功率变换单元100具有提供有DC电压、高电压VBULK的输入以及向负载103提供输出电压VOUT的输出。传输晶体管101可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等,并且被配置为根据相应的控制信号VGD将变压器102的初级绕组(P)连接到电压VBULK。开关式功率变换器可以进一步包括提供电流感测信号的电流感测(Isen)模块104,电流感测信号例如,表示流过变压器102的初级绕组的电流的(初级)电流感测电压VCS。切换控制模块105被配置为生成控制信号VGD,该控制信号被供应至用于根据控制信号VGD接通(导通)和关断(非导通)晶体管101的传输晶体管101。如果传输晶体管101是MOSFET或者IGBT,则控制信号VGD可以被施加到其栅极。
切换控制单元105被配置为控制功率变换单元100的切换操作。在以下示例中,切换控制单元105被配置为控制功率变换单元100至少在某些环境下操作在准谐振(QR)模式,即自振荡模式中。切换控制单元105可以进一步被配置为将电流感测电压VCS与基准电压进行比较。控制信号VGD被设置为当电流感测信号VCS等于或者超过基准电压时关断流到变压器102中的初级电流。
在准谐振模式中,当跨晶体管101的电压VD处于(局部)极小值(也被称为电压波谷或者波谷)时,传输晶体管101可以被接通。为实现此,开关式功率变换器可以包括用于在晶体管101的关断期间直接地或者间接地监测跨传输晶体管101的电压降VD的电压感测(Vsen)模块106,以便允许检测当电压处于极小值(波谷)时的时间点。从开关式功率变换器输出(即,从功率变换单元100的输出)到切换控制单元105的反馈路径可以向切换控制单元105提供附加输入信号、反馈信号FB。反馈路径可以包括基本的信号处理(例如,PI或者PID调节)以及电流隔离(例如,借助于光电耦合器等)电路系统107。
图2是图示响应于控制信号VGD和电流感测信号VCS的跨传输晶体管101的电压降VD的波形图。在VD中的波谷201、202等处的切换使切换损耗和电磁辐射(EMI)最小化。通常,在一行中的若干波谷中的固定(恒定)波谷,例如第一、第二或者任何其他波谷,被用作用于控制传输晶体管101接通的触发。
当传输晶体管101被关断时,变压器传导其极性并且变压器102的能量通过电容器和整流器(在图1中未示出)被放电到功率变换器的输出处的负载103,使得输出电压VOUT出现在负载103处。此时在变压器102的初级绕组中根据输出电压VOUT和变压器102的匝数比生成整流电压VR。因此,在晶体管101被关断之后,跨传输晶体管101的电压VD等于高(输入)电压VBULK加上反射电压VR。对应于电压VD的能量被存储在寄生电容器中,该寄生电容器包括诸如传输晶体管101的漏极-源极电容和变压器102的绕组电容之类的所有适用的寄生电容。在放电周期TDS之后,变压器102的能量被完全地放电并且存储在寄生电容器中的能量通过变压器102的初级绕组回流到高(输入)电压VBULK。初级绕组的寄生电容器和电感形成具有谐振频率fR的谐振回路。
在谐振周期期间,寄生电容器的能量从和向由初级绕组提供的电感来回地递送。寄生电容器向电压VD的(第一)波谷电压201(接着是后续的波谷202等)的放电在延迟时间Tq期间发生。延迟时间Tq是准谐振的周期的一半,并且可以被表示为如果传输晶体管101在跨晶体管101的电压波谷201、202等之一期间被接通,则切换损耗和EMI可以被降低。
如从图2可以看出的,表示初级绕组电流IP的电流感测信号VCS在其中传输晶体管101被接通的时间段TON期间增加直到达到峰值电流阈值IPK(在图2中其对应于VPK),并且晶体管101被关断直到下一周期。在连续接通周期TON的上升沿之间的时间段被称为切换时间周期TSW。反馈信号FB用于生成峰值电流阈值IPK,峰值电流阈值IPK又确定QR模式中的时间周期TSW
可以在QR模式中提供快速和慢速OPP(过功率保护)二者。可以例如每100μs每帧处理快速和慢速OPP。快速和慢速OPP反应事件是可编程的(例如,忽略/自动重启/闭锁/加电复位,等等)。快速和慢速OPP事件可以单独地例如用非对称和可编程向上/向下计数器处理以在反应事件之前提供有效的滤波。快速OPP保护输出并且输出滤波器在使用示出峰值功率限制的标志的过电流保护期间是激活的。当未达到峰值功率限制以提供热保护时,慢速OPP保护用于连续过功率操作的系统。慢速OPP检测例如经由ZCD(零电流检测)引脚使用高电压测量VBulk、例如经由CS(电流感测)引脚使用峰值电流设置IPK、栅极接通时间ton和切换循环周期tsw以计算一个切换周期的平均功率,其中 p Bulk = 1 2 L P i Lpk 2 f Sw 以及 1 f Sw = L P i Lpk ( 1 v Bulk + 1 v R ) + ( N - 1 2 ) · t Osc .
快速OPP可以被实现为基于计时器的保护。非对称向上/向下计时器可以被激活以对在系统进入峰值功率限制时向上计数。在可配置时间之后,系统宣布OPP并且进入自动重启。在启动期间,快速OPP被禁用,并且因此可以实现Vout选通检查。在特定可配置时间之后,输出被期望在专用电压电平之上。如果不是这种情况,则宣布OPP并且系统进入自动重启。在操作开始之后的可配置时间启用快速OPP检测。针对在额定功率之上但不在峰值功率限制处的操作,慢速OPP保护系统。慢速OPP基于平均输入功率的反激式周期准确计算。
图3示出了根据Vout与Iout的峰值功率限制和OPP操作的不同操作区域。在正常操作的区域中,独立于输出电流Iout直到最大目标输出电流Iout_target_max,输出电压Vout被调节到在允许的容差带内的目标输出电压Vout_target。变压器102必须能够提供用于输出电压调节的更多电流,意味着如果输出电压下降,则变压器102必须提供输出电流Iout_target_max加上附加的电流直到总计Iout_abs_max用于对输出电容器再充电回到目标输出电压Vout_target。在图3中该区域被示为控制裕量(‘ctrl.margin’)。如果电流上升到多于Iout_abs_max,则系统通过将初级侧上的峰值电流IPK限制到依赖于高电压VBulk的值而提供峰值功率限制。在该区域中,系统供应受限的功率,意味着如果输出电压Vout下降,则输出电流Iout上升。
如果系统更长时间地操作在控制裕量区域中,则系统操作在过功率处但是峰值功率限制不发生。为了保护系统例如免于过热(所谓的热设计),如果它更长时间地操作在该区域中,则慢速OPP经由输入功率计算检测到此并且相应地对其进行滤波,并且如果必要,与像例如自动重启的编程模式反应。如果系统操作在逐周期峰值功率限制区域中,输出电流Iout可以上升到可以破坏例如输出整流器的高值。为了保护系统,快速OPP经由示出峰值功率限制激活的标志而检测此,相应地对其进行过滤,并且如果必要用例如自动重启的编程模式等反应。
图4是图示在基于切换周期的中断期间执行的峰值电流设置(VMFIO=FB/VCSpk)和波谷切换程序的流程图。中断发生在每个QR循环中(框300)。在切换周期中断期间,VMFIO/VCSpk处理程序(框310)和波谷切换程序(框320)在中断过程(框330)完成之前被执行。峰值功率限制被集成到VMFIO/VCSpk处理和波谷切换程序二者中。
图5是更详细地图示图4的峰值电流设置(VMFIO/VCSpk)处理程序的流程图。VMFIO/VCSpk处理程序通过从ADC(模拟数字转换器)通道取出反馈电压FB=VMFIO而开始(框400)。例如,0V的额定电压电平被转换为值‘0’并且2.4V的电压电平被转换为值‘255’。当VMFIO可以上升到例如VDD=3.3V时,甚至考虑到ADC的容差,确保经转换的VMFIO电压的数字值达到255。该过程使用作为索引的数字化VMFIO值从频率规律(f-law)表查找用于VCSpk(在图2中=VPK)的值(框400)。该VCSpk值使用VBulk的数字化值作为索引(折返算法)与由来自用于峰值功率限制的查找表的100μs中断提供的VCSpk_lim值进行比较(框410)。如果来自频率律查找表的VCSpk值更大,则VCSpk_lim、VCSpk被设置为限制VCSpk_lim(框420)。这与波谷切换规则一起确保在其之下峰值功率不超过预定水平。峰值电流设置VCSpk被转移到例如在引脚CS处连接到比较器的DAC(框430),并且峰值电流设置程序终止(框440)。比较器监测电压VCS,并且如果VCS=VCSpk则生成信号以在信号VGD上发起下降沿以根据图2将晶体管从接通状态改变到关断状态。
图6是更详细地图示图4的波谷切换程序的流程图。用于波谷切换的一般规则是tmin和tmax边界。如果切换周期tsw超过由tmin和tmax给出的带,则改变波谷(框510-580)。为了处理峰值功率限制,应用附加的波谷切换规则。例如,用于峰值功率限制的查找表不仅提供在100μs中断内的VCSpk_lim值,而且附加地提供在100μs中断内的用于valleymin的值。这意味着VCSpk_lim的给定值仅对于波谷数valleymin是有效的。因此,波谷切换过程中的第一个检查是来自峰值功率限制表的峰值电流限制VCSpk_lim是否针对VCSpk被应用,而当前(现在)波谷数valley高于valleymin(框500)。这意味着尚未达到峰值功率,因为切换频率低于所计算的限制。为了防止系统死锁,在这种情况降低参数valley以强制系统达到峰值功率(框570、框580)。
波谷切换过程中的第二个检查是当前(现在)valley是否小于valleymin(框510)。如果该时间期间VBulk已经降低,则这可以发生,并且系统操作在更低的波谷数中,因为先前由于更高的VBulk的值这可能被允许。为了确保来自峰值功率限制表的峰值功率限制值VCSpk_lim的适当操作,系统被强制增加valley(框550、框560)。波谷切换过程中的其他两个条件是确保切换频率被移回允许的频率带的正常频率规律和波谷改变规则(框520、530、540)。然后波谷切换过程终止(框590),并且针对每个后续QRM切换周期进行重复。
快速OPP算法使用示出峰值功率限制是激活的标志以检测过功率条件。在100μs中断期间执行算法,并且进行以下步骤:检查标志是否示出峰值功率限制是激活的;如果是,则按照FW参数FAST_OPP_INC的值增加向上/向下计数器(FAST_OPP_COUNTER,16位,永远为正);检查该计数器是否等于或者大于FAST_OPP_CNT_LIMIT;如果是,则根据FW参数FAST_OPP_MODE做出行动(忽略/自动重启/闭锁/加电重置);如果标志示出峰值功率限制是未激活的,则按照FAST_OPP_DEC将向上/向下计数器FAST_OPP_COUNTER降低到0。使用FW参数,快速OPP可以调整多快地执行快速OPP检测以恰当地保护系统。
在计算用于QRM波谷表之一中的任何点的峰值电流的以下公式中,Lp是主变压器电感,是变压器匝数比,是稳态高电压,是稳态输出电压,是稳态反射电压,Po是输出功率,并且Tw是QRM等待时间。反射电压由 v R = N primary N sec ondary ( v Out + v Diode ) 给出。在接通时间期间,并且在放电时间期间,并且基于这些条件,峰值电流限制由以下公式给出:
I ‾ pk = n · P o V o · V ‾ g + V ‾ r V ‾ g · [ 1 + 1 + 2 · V ‾ r · V ‾ g 2 · T w n · L p · P o V o ( V ‾ g + V ‾ r ) 2 ] - - - ( 1 )
并且输出公式由以下公式给出:
P o = V o · L p 2 · n · I ‾ pk 2 ( V ‾ g + V ‾ r ) · I ‾ pk V ‾ g + V ‾ r · T w - - - ( 2 )
本文已经参考计算机实现方法、装置(系统和/或设备)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示描述了示例实施例。据理解,框图和/或流程图图示的框,以及框图和/或流程图图示中的框的组合,可以通过由一个或者多个计算机电路执行的计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路、专用计算机电路和/或其他可编程数据处理电路的处理器电路以产生机器,使得经由计算机和/或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令对晶体管、存储在存储器位置中的值以及在这样的电路系统中的其他硬件部件进行变换和控制以实现在框图和/或流程图框或多个框中指明的功能/工作,并且由此创建用于实现在框图和/或流程图框中指明的功能/动作的装置(功能)和/或结构。
这些计算机程序指令也可以被存储在可以命令计算机或者其他可编程数据处理装置以特定方式起作用的有形计算机可读介质中,使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现在框图和/或流程框中指明的功能/动作的指令的制造物品。因此,本发明构思的实施例可以被实施在硬件和/或在诸如数字信号处理器之类的处理器上运行的软件中,其可以被共同地称为“电路系统”、“模块”、“控制器”或其变型。
诸如“第一”、“第二”等之类的术语用于描述各个元件、区域、部分等并且并不旨在限制。同样的术语贯穿该描述指代同样的元件。
如本文所使用的术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是指示存在所陈述的元件或者特征但并不排除附加元件或者特征的开放式术语。冠词“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在包括复数以及单数,除非上下文明确另外指出。
知道了变化和应用的以上范围,应当理解的是本发明不由前述描述限制,也不由附图限制。相反,本发明仅由权利要求及它们的法律等价方案限制。

Claims (6)

1.一种开关式功率变换器的逐周期操作的方法,所述开关式功率变换器具有含初级侧和次级侧的变压器,所述方法包括:
在当前周期期间通过将连接到所述初级侧的晶体管从接通状态切换到关断状态而将在所述初级侧处的输入电压变换到在所述次级侧处的输出电压;
检测跨处于所述关断状态中的所述晶体管的电压中的波谷;
确定在下一切换周期中所述晶体管将在哪个波谷处从所述关断状态切换到所述接通状态;以及
确定用于所述初级侧的最大峰值电流限制,所述晶体管在所述最大峰值电流限制之上在所述下一切换周期中从所述接通状态切换到所述关断状态,所述最大峰值电流限制被根据所述输入电压和所述波谷而确定,在所述波谷处所述晶体管在所述下一切换周期中将从所述关断状态切换到所述接通状态。
2.根据权利要求1所述的方法,进一步包括:
将单独的峰值电流限制值与用于跨处于所述关断状态的所述晶体管的所述电压中的不同波谷的单独的输入电压值相关联;以及
选择与所述输入电压和所述波谷相关联的所述单独的峰值电流限制值作为所述最大峰值电流限制,在所述下一切换周期中所述晶体管将在所述波谷处从所述关断状态切换到所述接通状态。
3.根据权利要求1所述的方法,进一步包括:
如果在所述当前切换周期中满足或者超过用于所述初级侧的所述最大峰值电流限制并且先前确定的波谷是针对其确定所述最大峰值电流限制的更高的波谷,则在比所述先前确定的波谷更早的波谷处强制所述晶体管从所述关断状态切换到所述接通状态,从而允许增加转移的功率。
4.一种开关式功率变换器的逐周期操作的方法,所述开关式功率变换器具有含初级侧和次级侧的变压器,所述方法包括:
在当前周期期间通过将连接到所述初级侧的晶体管从接通状态切换到关断状态而将所述初级侧处的输入电压变换到所述次级侧处的输出电压;
检测跨处于所述关断状态中的所述晶体管的电压中的波谷;
确定在下一切换周期中所述晶体管将在哪个波谷处从所述关断状态切换到所述接通状态;以及
如果在所述当前切换周期中满足或者超过用于所述初级侧的所述最大峰值电流限制并且先前确定的波谷是针对其确定所述最大峰值电流限制的更高的波谷,则在比所述先前确定的波谷更早的波谷处强制所述晶体管从所述关断状态切换到所述接通状态,从而允许增加转移的功率。
5.根据权利要求4所述的方法,其中用于所述初级侧的所述最大峰值电流限制最初针对所述下一切换周期被根据所述输入电压和所述波谷而确定,在所述下一切换周期中所述晶体管将在所述波谷处从所述关断状态切换到所述接通状态。
6.根据权利要求5所述的方法,其中用于所述初级侧的所述最大峰值电流限制最初针对所述下一切换周期通过以下各项被确定:
将单独的峰值电流限制值与用于跨处于所述关断状态的所述晶体管的所述电压中的不同波谷的单独的输入电压值相关联;以及
选择与所述输入电压和所述波谷相关联的单独的峰值电流限制值作为所述最大峰值电流限制,在所述下一切换周期中所述晶体管将在所述波谷处从所述关断状态切换到所述接通状态。
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