CN105119468B - 功率转换器的控制电路及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率转换器的控制电路及其方法。本发明的功率转换器的控制电路包括输入电路、放大器、脉冲宽度调制电路以及功率管理电路。输入电路耦接到变压器以产生与功率转换器的输出电压有关的传感信号。放大器根据传感信号以及参考信号产生反馈信号。脉冲宽度调制电路根据反馈信号产生切换信号，用于切换变压器以及调节功率转换器的输出电压。功率管理电路根据反馈信号控制参考信号。功率管理电路包括用于确定一时间区间的计时器，并且当功率转换器的输出功率小于轻负载阈值时，减少功率转换器的输出电压。本发明可减小功率转换器的尺寸。

Description

功率转换器的控制电路及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于功率转换器的控制技术，尤其涉及一种用于初级侧调节功率转换器以在轻负载操作过程中节省功率的功率转换器的控制电路及其方法。
背景技术
各种功率转换器已经广泛用于提供稳定电压和电流。为了安全起见，离线功率转换器必须在其初级侧与次级侧之间提供电气隔离(galvanic isolation)。本发明的目的是编程和减小功率转换器在轻负载以及空载条件下的输出电压。
本发明的目的是提供一种用于在不需要光耦合器以及次级侧调节器的情况下控制功率转换器在初级侧的输出电压以及输出电流的控制模块。因此，功率转换器的尺寸可以减小并且降低其成本。
发明内容
本发明提供一种功率转换器的控制电路及其方法，以减小功率转换器的尺寸。
本发明提供一种功率转换器的控制电路，包括输入电路、放大器、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)电路以及功率管理电路。输入电路耦接到变压器以产生与功率转换器的输出电压有关的传感信号。放大器根据传感信号以及参考信号产生反馈信号。脉冲宽度调制电路根据反馈信号产生切换信号，用于切换变压器以及调节功率转换器的输出电压。功率管理电路根据反馈信号控制参考信号。功率管理电路包括用于确定一时间区间的计时器，并且在此时间区间中当功率转换器的输出功率小于轻负载阈值时，减小功率转换器的输出电压。
本发明另外提供一种用于控制功率转换器的方法，包括：通过对变压器的反射电压取样来产生反馈信号；根据反馈信号产生切换信号，用于切换变压器以及调节功率转换器的输出电压；在一时间区间中，在功率转换器的轻负载条件下减小功率转换器的输出电压。
本发明提供的功率转换器的控制电路及其方法，可在不需要光耦合器以及次级侧调节器的情况下控制功率转换器在初级侧的输出电压以及输出电流的控制模块，因而可减小功率转换器的尺寸并且降低其成本。
附图说明
附图被包含在内以提供对本发明的进一步理解，且并入在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的示例性实施例，并且与描述一起解释本发明的原理。
图1示出本发明的一个实施例的自适应功率转换器的方块图；
图2示出本发明的另一实施例的自适应功率转换器的方块图；
图3示出本发明的实施例的图1以及图2中的自适应功率转换器的控制电路的方块图；
图4示出本发明的一个实施例的脉冲宽度调制电路产生的切换信号的波形图；
图5示出本发明的一个实施例的自适应功率转换器的功率管理电路的方块图；
图6示出本发明的一个实施例的用于控制功率转换器的方法的流程图。
附图标记说明：
10：变压器；
20：晶体管；
25、31、32、35、36、51、52、127：电阻器；
38、45、65：电容器；
40、60：整流器；
70：电感器；
90、95：负载；
100：控制电路；
110：取样保持电路(S/H)；
120：误差放大器；
125、126：电流源；
130：开路漏极缓冲器；
135：反相器；
141、142：切换器；
150：脉冲宽度调制电路(PWM)；
200：功率管理电路；
210：比较器；
250：计数器；
NA：辅助绕组；
NP：初级绕组；
NS：次级绕组；
VIN：输入电压；
VO：输出电压；
VS：反射信号；
VR：参考信号；
SW：切换信号；
SX：控制信号；
RP：参考信号；
LD：阈值信号；
CS：传感电流信号；
CMP：反馈信号；
IT：变压器电流；
KVO：反馈电压；
fsw：切换频率；
fz：最小的切换频率；
PL：轻负载阈值；
PH：阈值；
PO：输出功率；
TON：最小的接通时间；
TP：时间区间；
S610～S630：步骤。
具体实施方式
图1示出本发明的一个实施例的自适应功率转换器的方块图。根据本发明的本实施例示出了隔离式回扫(isolated flyback)功率转换器，其包含变压器10、晶体管20、负载90、控制电路100、电阻器25、31、32、35和36、电容器38和45以及整流器40。变压器10连接到功率转换器的输入电压VIN。变压器10包括初级绕组(primary winding)NP、辅助绕组(auxiliary winding)NA以及次级绕组NS。晶体管20经配置以切换变压器10的初级绕组NP。控制电路100产生切换信号SW，切换信号SW经配置以驱动晶体管20并用于调节功率转换器的输出电压VO。当晶体管20接通时，变压器电流IT将通过电阻器25产生传感电流信号CS。传感电流信号CS耦接到控制电路100。电阻器31和32耦接到变压器10的辅助绕组NA，以用于检测以及产生反射信号VS，并且反射信号VS连接到控制电路100。反射信号VS表示变压器10的反射电压。反射信号VS的电平与在变压器10的去磁时间区间(demagnetizing period)中的输出电压VO的电平相关。因此，反馈电压KVO是根据反射信号VS另外产生的，用于产生切换信号SW。反馈电压KVO与功率转换器的输出电压VO相互关联。
变压器10的次级绕组NS将产生通过整流器40以及电容器45的输出电压VO。负载90连接到输出电压VO上。控制电路100如公式(1)调节(regulate)输出电压VO。
参数R31和R32分别是电阻器31和32的电阻。反射信号VS的电压与在变压器10的去磁时间区间中输出电压VO的电平相关。
电容器38连接到控制电路100的反馈信号CMP上用于反馈回路补偿。控制电路100通过对变压器10的反射电压VS取样来产生反馈信号CMP。电容器38的电容将确定反馈回路的带宽(bandwidth)，用于调节输出电压VO。反馈信号CMP的电平与功率转换器的输出功率的电平成正比。当控制电路100在一时间区间内在功率转换器的输出电压VO下检测到轻负载(即，负载90)时，控制电路100可减小输出电压VO，以用于节省功率。第一电阻器36产生阈值信号LD，以用于产生以及确定轻负载阈值。第二电阻器35调节、编程以及产生经施加以确定在轻负载条件下的输出电压VO的参考信号RP。因此，如果功率转换器的输出功率在小于轻负载阈值下操作，则输出电压VO将根据参考信号RP的电平而减小。
图2示出本发明的另一实施例的自适应功率转换器的方块图。在本发明的本实施例中，所述功率转换器是非隔离式高电压降压式转换器(non-isolated high voltagebuck converter)，其包含晶体管20、负载95、控制电路100、电阻器35、36、51和52、电容器38和65、电感器70以及整流器60。非隔离式高电压降压式转换器的控制电路100的技术与在图1中描述的隔离式回扫功率转换器类似。
图3示出本发明的实施例的图1以及图2中的自适应功率转换器的控制电路的方块图。控制电路100包括输入电路、误差放大器120、电流源125和126、开路漏极缓冲器130、反相器135、切换器(switch)141和142、电阻器127以及功率管理电路200。输入电路耦接到变压器以产生与功率转换器的输出电压VO有关的传感信号。输入电路包括取样保持电路(S/H)110。取样保持电路(S/H)110经配置以接收变压器的反射信号VS并且对其取样，并且随后产生反馈电压KVO。反馈电压KVO与输出电压VO有关。
反馈电压KVO耦接到误差放大器120，用于根据传感信号(即，反馈电压KVO)以及参考信号VR产生反馈信号CMP。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)电路150接收反馈信号CMP，以根据反馈信号CMP产生切换信号SW。换句话说，控制电路100根据反馈信号CMP产生切换信号SW，用于切换变压器10以及调节功率转换器的输出电压VO。反馈信号CMP的更高电平将产生具有更宽脉冲宽度的切换信号SW。功率管理电路200根据反馈信号CMP控制参考信号VR。反馈信号CMP进一步耦接到功率管理(power management，简称PM)电路200，以用于产生控制信号SX。当反馈信号CMP的电平小于阈值信号LD的电平时，控制信号SX将被启用(enable)。与电阻器36相关联的电流源125产生阈值信号LD。与电阻器35相关联的电流源126产生参考信号RP。参考信号RP的最大值通过开路漏极缓冲器130而由参考信号VR箝制(clamp)。控制信号SX经施加以控制切换器141和142。当控制信号SX在高负载条件下被禁用时，切换器141断开并且切换器142接通，并且参考信号VR耦接到误差放大器120。输出电压VO可由公式(2)来表示。
当控制信号SX在轻负载条件(即，反馈信号CMP的电平小于轻负载阈值)下被启用时，切换器142断开并且切换器141接通，并且信号RP将耦接到误差放大器120，以如公式(3)般确定输出电压VO。
参数VRP是参考信号RP的电平。
图4示出本发明的一个实施例的脉冲宽度调制电路产生的切换信号的波形图。在输出功率PO在一时间区间中小于阈值PH时，脉冲宽度调制电路150将会降低切换信号SW的切换频率fSW。当输出功率PO小于轻负载阈值PL时，输出电压VO将会根据参考信号RP(公式(3)中所示)的电平而减少。在轻负载或空载条件下，切换信号SW具有最小的接通时间TON以及最小的切换频率fZ以适当地维持初级侧调节功率转换器的运行。最大时间区间TP是需要的，其中TP＝1/fZ。
图5示出本发明的一个实施例的自适应功率转换器的功率管理电路的方块图。功率管理电路200包括比较器210以及用于确定时间区间TP的计数器(计时器)250。时间区间TP通过计数器250来确定。比较器210在反馈信号CMP小于阈值信号LD的电平时产生轻负载信号。轻负载信号经配置以启用计数器250并且在计数器250结束计数时产生控制信号SX。
图6示出本发明的一个实施例的用于控制功率转换器的方法的流程图。在本实施例中，所述方法适用于图1以及图2的功率转换器的控制电路100。在步骤S610中，控制电路100通过对变压器10的反射电压VS取样来产生反馈信号CMP。在步骤S620中，控制电路100根据反馈信号CMP产生切换信号SW，用于切换变压器10以及调节功率转换器的输出电压VO。在步骤S630中，控制电路100在功率转换器的轻负载条件下减小功率转换器的输出电压VO。在一时间区间TP过程中当功率转换器在轻负载条件下操作时，将减小功率转换器的输出电压VO。结合了功率转换器的控制电路的具体使能的技术在本发明的上述实施例中已经进行描述。
尽管已经详细描述了本发明以及其优点，但应理解，在不脱离由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下可以在其中做出各种变化、替代以及改变。也就是说，包含在本发明中的讨论既定作为基本的描述。应理解，特定的讨论可以不明确描述所有可能的实施例；很多替代方案是隐含的。可能无法完全解释本发明的一般性质并且可能无法明确表示每个特征或元件如何可以实际上代表替代或等效元件的更广泛的功能或大量变型。同样，这些内容暗含地包含在本发明中。描述或者术语均不既定限制权利要求书的范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种功率转换器的控制电路，其特征在于，包括：
输入电路，所述输入电路耦接到变压器以产生与所述功率转换器的输出电压有关的传感信号；
放大器，所述放大器用于根据所述传感信号以及参考信号产生反馈信号；
脉冲宽度调制电路，所述脉冲宽度调制电路根据所述反馈信号产生切换信号，用于切换所述变压器以及调节所述功率转换器的所述输出电压；以及
功率管理电路，所述功率管理电路用于根据所述反馈信号控制所述参考信号，
其中，所述功率管理电路包括用于确定一时间区间的计时器；在所述时间区间中，当所述功率转换器的输出功率小于轻负载阈值时，减小所述功率转换器的所述输出电压。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述切换信号具有最小的切换频率以及最小的接通时间。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述输入电路包括：
取样保持电路，用于对所述变压器的反射电压进行取样。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，进一步包括：
第一电阻器，所述第一电阻用于对所述轻负载阈值进行编程。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，进一步包括：
第二电阻器，所述第二电阻用于对所述参考信号进行编程，所述参考信号用于确定所述功率转换器在轻负载条件下的输出电压。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，进一步包括：
电容器，所述电容器用于反馈回路补偿。
7.一种用于控制功率转换器的方法，其特征在于，包括：
通过对变压器的反射电压进行取样来产生反馈信号；
根据所述反馈信号产生切换信号，用于切换所述变压器以及调节所述功率转换器的输出电压；以及
在一时间区间中，在所述功率转换器的轻负载条件下，减小所述功率转换器的所述输出电压。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
产生轻负载阈值，以及
产生轻负载阈值的步骤包括：
由第一电阻器产生阈值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过由第二电阻器调节参考信号确定在所述轻负载条件下所述功率转换器的所述输出电压。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过计数器确定所述时间区间。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述切换信号具有最小的切换频率以及最小的接通时间。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述功率转换器是初级侧调节功率转换器。
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