CN105680697B - 开关电源转换器和反激控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电源转换器的自适应参考电压。提供了一种开关电源转换器，其使用自适应减小的阈值，检测响应于负载活动产生的活动信号。

Description

开关电源转换器和反激控制方法
相关申请
本申请要求2014年12月8日提交的美国临时申请No.62/089,146的权益，其内容整体合并于本文中。
技术领域
本申请涉及开关电源转换器，尤其涉及配置成用于自适应参考电压的开关电源转换器。
背景技术
移动电子设备(诸如智能手机和平板电脑)的爆炸性增长造成了对紧凑和高效开关电源转换器的技术需求的增加，以使用户可以充电这些设备。反激式开关电源转换器通常提供有移动设备，因为它的变压器提供了与AC家庭电流的安全隔离。这种隔离引入了一个问题，电源开关出现在变压器的初级侧上，而负载在次级侧上。反激式转换器的电源开关调制需要了解在变压器的次级侧上的输出电压。这种反馈可通过从次级侧到初级侧的光电隔离器的桥接获得，但这增加了成本和控制复杂性。因此，开发了在每个开关循环使用变压器的初级侧上的反射电压的仅初级反馈的技术。
在反激式转换器的开关循环中，在初级侧电源开关循环关闭之后，次级电流(变压器的次级绕组的电流)脉动为高。当功率传送至负载时，次级电流斜降到零。将电源开关关断时间和次级电流斜降为零之间的延迟表示为变压器复位时间(Trst)。在变压器复位时间初级绕组上的反射电压与输出电压成比例，因为次级电流已经停止流动，在次级侧上没有二极管压降。因此，在变压器复位时间的反射电压根据变压器的匝比和其他因素与输出电压直接成比例。仅初级反馈的技术使用这种反射电压有效地调节电源开关，从而调节输出电压。
然而，在低负载或空载操作期间，出现了使用仅初级反馈的一个问题。反激式转换器中的控制器检测到这种活动的缺乏，并由此停止运转电源开关，使次级侧不被失调地驱动。只要负载保持休眠状态，随之产生的脉动的缺乏是令人满意的。但是，如果再次施加负载，在不产生次级电流脉冲的情况下，该控制器无法检测到变压器的次级侧上缺乏活动，从而在初级侧上产生反射电压(例如，由初级侧辅助绕组所感测的)。
为了解决仅初级反馈结构中的这个问题，在次级侧上提供配置为响应于负载的应用产生次级电流脉冲的活动检测器，尽管电源开关持续处于休眠状态。活动检测器的一个实例通过2014年7月24日提出的共同转让的美国申请No.14/340,482(‘482申请)提供，将其内容通过引用的方式作为整体合并于本文中。该次级侧活动检测器检测通常由初级侧电源开关的循环产生的次级绕组电流脉冲的终止。如上所述，次级绕组电流脉冲的终止发生在变压器复位时间。在该变压器复位时间之后，由于变压器的电感和电源开关的寄生电容形成的谐振电路，穿过初级侧辅助绕组的电压将会振荡。由于该振荡可由控制器解释为施加负载(或发生故障状态)，所以次级侧活动检测器不会在变压器复位时间之后，产生“消隐周期”的活动脉冲，以使辅助绕组振荡能充分消退。当消隐周期终止时，活动检测器监测穿过次级侧上的整流二极管的电压降，以确定是否已施加负载。利用施加的负载，穿过整流二极管的电压会随着负载电容器放电而变化。活动检测器检测穿过整流二极管的这种电压差，并接通旁通整流二极管的低阻抗电流通路。有利地，活动检测器可包括耦合到整流二极管的阴极和阳极的双端装置，例如‘482申请中所公开的。在其他结构中，活动检测器可以包括三引脚(或更多)器件，与两端子活动检测器相比，该三引脚器件制造成本更高。如果活动检测器检测到消隐周期后穿过整流二极管的负载感应电压变化，则它通过其低阻抗替代电流通路使整流二极管的阴极和阳极短路。这种低阻抗电流通路使变压器次级侧上的带电输出电容器能传送在初级侧辅助绕组上产生反射脉冲的次级电流脉冲。该反激控制器被配置为检测该次级电流脉冲。由于该次级电流脉冲不是由电源开关的脉动产生的，所以反射电压中相应的脉冲在本文中表示为“活动信号”，以区分它与由电源开关循环获得的反射电压。
响应检测活动信号，反激式控制器使电源开关脉冲循环。然后由电源开关的循环产生的反射电压可以用来如仅初级反馈技术中已知那样直接监测输出电压，以便可以相应地调节它。虽然产生活动信号是相当有利于在负载休眠或者不存在时处理反馈信息的缺失，但由此产生的反激式控制有几个问题。例如，反激式控制器在消隐周期期间不能接收活动信号。因此，反激式控制器无法在消隐周期期间响应负载的任何突然应用。但是，这种消隐周期必须足够长，以能够包含辅助绕组上的在变压器复位时间之后发生的电压震荡。此外，活动信号振幅随着消隐周期终止时间的推移而减小。换句话说，如果在消隐周期终止后立即地检测活动，则产生的反射到初级侧辅助绕组上的活动信号将会相对较强。相比之下，如果从消隐周期终止起的较长延迟之后检测活动，则活动信号振幅将会较弱。与初级绕组相关的缓冲电路可能会使活动信号振幅相对于自消隐周期终止起的延迟减少。因此，被反激式转换器用来检测活动信号存在的阈值应该是相对低的，以使得可以检测相对较长延迟的较弱的活动信号。但这种低的阈值提高了响应噪声的可能性。
因此，本领域需要改进反激式控制技术，以在减少或消除电源开关循环的周期之后检测负载的活动。
发明内容
为了改进反激式开关转换器变压器的次级侧上的活动检测器产生的活动信号脉冲的检测，提供一种初级侧控制器，其使用自适应阈值检测活动信号。该检测发生在检测周期期间，该检测周期在电源开关已经停止循环时出现。这种电源开关缺少循环对于仅初级反馈反激式转换器出现一个问题，原因在于由电源开关的每个循环产生的反射电压提供了关于输出电压的反馈信息。为了在电源开关循环停止之后提供关于重建负载的反馈信息，变压器的次级侧上的活动检测器脉动次级绕组电流以产生在变压器的初级侧包括反射电压的活动信号。
控制器的检测周期在接着最后的电源开关循环的消隐周期终止之后开始。消隐周期在变压器复位时间开始。在检测周期开始时，因为活动信号在那个时候相对强烈，所以自适应阈值也相对稳固。通过这种方式，与传统的使用静态阈值检测活动信号相比，消隐周期可以减少。这种消隐周期的减少不会因为电压震荡而导致活动信号的错误检测，该电压震荡由于在消隐周期的自适应阈值的相对强度而发生。随着检测周期继续，因为活动信号的振幅相对于自检测周期开始起的延迟而减小，自适应阈值降低。通过这种方式，灵敏度保持，而不会出现与传统技术相关的错误检测和消隐周期延迟。
附图说明
图1是根据本公开实施例的包括控制器的反激式转换器视图，其中该控制器具有用于检测负载活动的自适应阈值。
图2示出了用于一些示例性活动信号的第二电流、辅助绕组电压和故障报警波形。
图3A示出了由检测周期开始不久之后出现的活动信号产生的波形。
图3B示出了由相对于图3A的活动信号相对延迟出现的活动信号产生的波形。
图4是根据本公开实施例的使用自适应阈值操作的示例性方法的流程图。
通过参考下面的详细描述，将最好地理解本公开的实施例及其优势。应该意识到，相同的参考数字用于确定在一幅或多幅图中示出的元件。
具体实施方式
为了解决本领域中对改进活动信号检测结构的需要，提供了一种反激式转换器，其使用自适应阈值检测次级侧活动检测器产生的活动信号。在电源开关循环开始休眠之前，在跟着最后的电源开关循环的消隐周期之后，活动检测器响应于负载的应用或者故障条件的出现而激发活动信号。在这种方式下，由于控制器在消隐周期终止之后立即使用了相对高的阈值，所以可以减少该消隐周期。在由于持续振荡而没有产生活动信号的错误检测的情况下，由于在那个时间的阈值的相对强度，辅助绕组电压可继续振荡。相比之下，使用固定阈值的活动信号的检测将需要较长的消隐周期。虽然减少了消隐周期，但因为阈值随着延迟而减少，系统仍然检测由于从消隐周期终止起的相对较长延迟而具有减小振幅的活动信号。可选地，可以在活动信号阈值中可制造一系列的逐步不连续的减少。对于下面的示例性实施例，可更好地了解这些有利的特征。
在图1中，示出了示例性反激式转换器100。当控制器105接通电源开关时，经整流的输入电压(Vin)驱动变压器的初级绕组。在转换器100中，电源开关是双极性结型晶体管(BJT)功率开关，但应该了解，在替代实施例中可以使用MOSFET电源开关。为了使电源开关运转，控制器105驱动基极电流IB进入BJT电源开关的基极，以将其驱动成饱和。基于输入电压VIN和变压器的磁化电感，集电极电流IC然后从零斜升至峰值集电极电流值，于是控制器105关断BJT电源开关以完成开关循环。集电极电流还是变压器的初级绕组电流。由此得到的BJT电源开关的发射极电流等于基极和集电极电流之和。
控制器105响应于从辅助绕组上的反射电压得到的反馈电压(Vfb),控制集电极电流的量。当控制器105关断基极电流以关断BJT电源开关时，变压器次级侧上的整流二极管D1变为正向偏置，使得变压器中的存储能量传送为穿过被负载电容器Cout滤波的负载的输出电压(Vout)。这种到负载的能量传送产生了辅助绕组上的反射电压，其是穿过二极管D1的电压降和输出电压Vout的函数。随着这种能量传递的耗尽，变压器的次级绕组中的次级电流将降为零，以致没有二极管电压降，于是反射电压直接与Vout成比例。如前面所讨论的，这段时间称为变压器复位时间(Trst)，并由此表示采样反射电压(Vfb)以获得输出电压Vout的准确估计的理想时间。
反馈电压Vfb只是可以用在由控制器105执行的仅初级反馈中的一个参数。例如，可以通过感测电阻器Rsense采样初级绕组电流，以产生表示初级绕组电流振幅的Isense电压。在反激式转换器100中，感测电阻器采样发射极电流，如此通过从采样的发射极电流减去基极电流，控制器105可以确定集电极电流(因此是初级电流)。在MOSFET电源开关实施例中，Isense电压降与初级绕组电流直接成比例。控制器105可使用由Isense电压所确定的集电极电流的变化率来间接测量输入电压Vin。这是相当有利的，因为控制器105然后可以确定输入电压Vin，而不需要额外的输入引脚。在这种方式中，控制器105可以处理来自前一个脉冲的Vsense和Isense，以根据逐脉冲确定后续脉冲的理想的峰值集电极电流。
通过这种仅初级反馈，每当产生脉冲时，控制器105能确定反射电压的输出电压Vout。但可能存在有很小或没有负载的周期，其中控制器105停止发送脉冲，以防止输出电压被失去调节地驱动。因此，在这些空周期期间施加负载会拉低输出电压，因为控制器105不产生检测这种活动的脉冲。因此，如例如在‘482申请中所讨论的，次级侧活动检测器110运转，以在这些空周期检测负载的应用，从而接通旁通二极管D1的低阻抗通路，使得在初级侧辅助绕组上接收活动信号作为反射电压。由于有存储在输出电容器Cout上的相对少量的电荷，所以应用低阻抗路径的接通持续时间(从而由此产生的活动信号的持续时间)可能相对较短。例如，在一个实施例中，活动信号可具有500纳秒的持续时间。活动检测器110响应于检测到的应用负载或故障状态，可以产生一系列(或只有一个)这样的脉冲活动信号。不管是产生一个还是一系列活动信号，活动检测器110在变压器复位时间之后等待消隐周期，以使辅助绕组上的共振振荡能在检测任何后续活动之前减少。
控制器105检测变压器复位时间何时发生，以使得控制器105可以在那个时间采样发射电压，从而确定反馈电压Vfb。控制器105然后可以从变压器复位时间起计时消隐周期的持续时间。一旦消隐周期完成，控制器105启动检测周期，在检测周期中，其使比较器115能够比较自适应阈值120和接收的活动信号电压125，例如通过一对电阻器R1和R2形成的分压器接收的活动电压信号125。一旦消隐周期终止检测周期启动，控制器105使比较器115能够比较自适应阈值120与活动信号的采样版本125。因此，控制器105配置有也由活动检测器110使用的消隐周期持续时间。为了能使用相对较短的消隐周期，将控制器105配置为一旦消隐周期终止就立即产生自适应阈值120，以便具有相对较高的振幅。然而，自适应阈值120的这种相对较高的值是不理想的，因为从消隐周期终止起的延迟会增加。例如，由于从检测周期启动起的延迟增加，缓冲电路130可使活动信号的振幅减小。自适应阈值的相对较高的值可能无法检测到这种相对延迟的活动信号。因此，将控制器105配置为根据从消隐周期终止起的消逝时间而减小自适应阈值120。这种减小可以是线性的、阶梯式线性的、或者非线性的。当达到自适应阈值的最小等级时，控制器105然后在检测周期的剩余持续时间都将自适应阈值120保持在该最小等级。因为反馈电压Vfb和活动信号电压125都是次级绕组电流产生的反馈电压的版本，所以本文中反馈电压Vfb也可以被称为“第一反射电压”，而活动信号电压125可以被称为“第二反射电压”。
图2中示出了自适应减小阈值的实例。在该实施例中，阈值相对于自检测周期启动起的延迟线性减小。运转初级侧电源开关(未示出)会产生在变压器复位时间(Trst)使次级电流斜降到零的次级电流脉冲。然后，如前面所讨论的，在消隐周期期间，使辅助绕组上的反射电压(Aux电压)开始振荡。但注意到，即使在反射电压仍然振荡时，由于在这时自适应阈值电压120相对较高，活动区域可以开始，此期间将自适应阈值与反射电压相比较。因此，尽管在辅助绕组上仍然存在残余振荡，这时也能检测到反射电压所表示的活动信号A。然后，图1的比较器115将驱动其输出信号为高，这被控制器105接收为故障报警。但对于自适应阈值电压120的减小值，随后产生活动信号B的类似故障报警。类似地，对于自适应阈值120的减小更多的值，产生活动信号C的另一个故障报警。通过这种方式，由于活动信号的类似减少，对于从消隐周期终止起的消逝时间，活动信号的检测越来越敏感。应该意识到，图2被简化了，因为该控制器105响应故障报警激发产生脉冲。如图2中所示，自适应阈值电压120减小，直到达到最小等级，于是在检测周期的剩余时间，其保持在该最小等级。
在图3A和3B中示出了响应活动信号的脉冲产生。图3A示出了在电源脉冲完成不久之后，活动检测器响应于负载活动检测的开关波形。因此，自适应阈值120相对较高。出于示意目的，自适应阈值120的这种相对高的等级在图3A中被示出固定值。再次参照图1，当活动检测相对接近于检测周期的启动发生时，活动检测器110的二极管短路开关的循环在辅助绕组上产生相对强的活动信号。如图3A所示，活动信号125因而超过自适应阈值120的相对高的等级。因此，比较器115触发故障报警，继而又触发电源开关的循环。相比之下，图3B中的活动检测器循环发生在自检测周期启动起的较长延迟之后。因此，图3B中的自适应阈值120小于图3A中施加的自适应阈值。随之产生的活动信号因而较弱，但是由于自适应阈值120的等级减小，触发了故障报警。该故障报警接着触发电源开关循环。再次参照图3A，在每个电源开关循环关断时间之后，反射的反馈电压(被称为Vsense)的共振被触发。由于自适应阈值120相对较高，其大于每个共振的后沿。因此，即使在共振继续时检测周期也可以开始，只要选择检测周期启动的定时以使得剩余的共振小于自适应阈值120。通过这种方，可以减小传统技术的相对冗长的消隐周期。
图4示出了本文所讨论的包括自适应阈值的反激式转换器的操作方法的实例的流程图。开始步骤400响应于负载的消除并且包括在最后的电源开关循环之后，停止电源开关的循环。电源开关循环的停止如诸如图2所述，图2是步骤400的实例。该方法还包括步骤405，其发生在自跟着最后的电源开关循环的变压器复位时间起的消隐周期耗尽之后。此时，检测周期开始与步骤405结合，产生自适应阈值，该自适应阈值根据自消隐周期终止起的延迟而减小。图2中所示的自适应阈值120的产生是步骤405的一个实例。如之前所讨论的，自适应阈值120的减少不能够继续无限度地进行，因为控制器105然后将响应于活动信号125的故障DC值，这将导致故障报警并且会产生不必要的电源开关循环。因此，一旦自适应阈值125减小到最小钳位值，自适应阈值125保持为常量。此外，应该理解，控制器105不需要线性地减小自适应阈值120，但是可以替代地使用有限数量的步骤逐步降低自适应阈值120。例如，一旦启动检测周期，自适应阈值120立即可以保持固定在相对较高值。在一定时间之后，控制器105然后可以将自适应阈值120减小到中间值。最后，控制器105可以将自适应阈值120从中间值逐步降低到最小钳位值。
最后，该方法还包括步骤410，其检测反射电压是否超出自适应阈值，该反射电压响应于已经重新建立负载的检测产生。针对图2讨论的超出自适应阈值125的活动信号125的检测是步骤410的一个实例。
到目前止，本领域的一些技术人员应该知道，并根据将来的具体应用，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下，对本公开的装置所使用的材料、设备、配置和方法进行许多修改、替换和更改。根据这一点，本公开的范围不应限制于本文示出和描述的特定实施例的范围，因为它们仅仅是作为一些例子，相反地，应该与此后附加的权利要求和其功能等价物的范围完全相当。

Claims (18)

1.一种开关电源转换器，包括：
电源开关，其耦接到变压器的初级绕组；
控制器，其配置为在电源开关的每次循环之后，响应于处理在变压器复位时间产生的第一反射电压，停止电源开关的循环，控制器还配置为对电源开关的最后循环后的消隐周期终止之后开始的检测周期计时；和
比较器，其配置为确定由耦接到所述变压器的次级绕组的活动检测器触发的第二反射电压是否超出在检测周期期间减小的自适应阈值，其中控制器还配置成响应于比较器确定第二反射电压超出自适应阈值，启动电源开关的附加循环，其中，所述控制器配置为控制所述自适应阈值，以使得在检测周期启动时所述自适应阈值具有最大值，并且使得其在检测周期从该最大值减小，直到其钳位在最小值。
2.根据权利要求1所述的开关电源转换器，还包括配置为产生第一反射电压的辅助绕组，该开关电源转换器还包括耦接到辅助绕组的分压器，其中分压器配置为产生第二反射电压。
3.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其中，比较器配置为响应于第二反射电压超出自适应阈值的确定，激发故障报警信号，以及其中控制器还配置为响应于故障报警信号的激发，触发电源开关的附加循环。
4.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其中，控制器配置为控制自适应阈值，以使得其从最大值线性减小到最小值。
5.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其中，控制器配置为控制自适应阈值，以使得其从最大值阶梯式减小到最小值。
6.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其中，电源开关是BJT电源开关。
7.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其中，电源开关是MOSFET。
8.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其中，控制器还配置为计时检测周期，以使得检测周期在电源开关的最后循环之后，在变压器复位时间之后的消隐周期终止之后开始。
9.根据权利要求8所述的开关电源转换器，其中，控制器还配置为计时检测周期，以使得当共振响应于最后的电源开关循环而继续时，消隐周期终止发生。
10.一种反激控制方法，包括：
响应于耦接到变压器的次级绕组的负载的消除，在最后的电源开关循环之后，停止电源开关的循环，其中所述电源开关耦接到所述变压器的初级绕组；
在最后的电源开关循环之后，在消隐周期从变压器复位时间起耗尽之后，产生自适应阈值，该自适应阈值根据自消隐周期终止起的延迟减小，其中，产生所述自适应阈值包括，产生线性减小直到钳位在最小值的自适应阈值；以及
检测所述变压器的辅助绕组上的反射电压是否超出自适应阈值，其中，该反射电压是由耦接到所述次级绕组的活动检测器产生的。
11.根据权利要求10所述的反激控制方法，其中，在最后的电源开关循环之后在变压器复位时间之后耗尽的消隐周期包括当共振仍然进行时耗尽的消隐周期。
12.根据权利要求10所述的反激控制方法，其中，检测反射电压是否超出自适应阈值包括响应于检测激发故障报警信号，该方法还包括：响应于故障报警信号的激发，触发附加的电源开关循环。
13.根据权利要求12所述的反激控制方法，其中，触发附加的电源开关循环包括触发BJT电源开关的附加循环。
14.根据权利要求12所述的反激控制方法，其中，触发附加的电源开关循环包括触发MOSFET电源开关的附加循环。
15.一种开关电源转换器，包括：
活动检测器，其耦接到变压器的次级侧上的输出二极管，该活动检测器配置为响应于负载的活动检测，激活旁通输出二极管的低阻抗通路，其中激活低阻抗通路触发变压器中的次级绕组中的电流脉冲；
耦接到变压器的初级绕组的电源开关；以及
控制器，其配置为，紧接在跟随在所述电源开关的前一个循环之后的消隐周期之后，响应于电流脉冲超出了自适应减小的阈值而产生的在所述变压器的辅助绕组上的反射电压的检测，使电源开关循环。
16.根据权利要求15所述的开关电源转换器，还包括：
耦接到辅助绕组的比较器，该比较器配置为比较电流脉冲产生的反射电压和自适应减小的阈值，以产生检测。
17.根据权利要求15所述的开关电源转换器，其中，电源开关是BJT电源开关。
18.根据权利要求15所述的开关电源转换器，其中，自适应减小的阈值是线性减小的阈值。
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