CN105871214A - 用于次级侧功率调节的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及次级侧功率调节的系统及方法。通过在变压器的次级侧执行至少某个控制回路处理，能够在开关式供电系统中实现更精确的功率调节。特别地，至少部分地由次级侧控制器来处理次级侧测量以获取开关指示信号。然后将开关指示信号从次级侧控制器通信至初级侧控制器，开关指示信号在初级侧控制器处用于调节向初级绕组施加的能量的总量。开关指示信号可以是提示初级侧控制器调节和/或修改向初级绕组施加的功率的任何控制信令指令。开关指示信号可以通过诸如单端电容性耦合器、差分电容耦合器、电感性耦合器或光耦合器的隔离信号路径来通信。

Description

用于次级侧功率调节的系统及方法

本专利申请要求于2015年2月10日提交的名为“用于次级侧功率调节的系统及方法”的美国临时申请第62/114,404号的优先权，其全部内容由此通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及功率设备，并且在特别的实施例中涉及用于次级侧功率调节的系统及方法。

背景技术

供电系统在从计算机到汽车等很多电子应用中非常普遍。通常，供电系统内的电压通过加载有电感器或变压器的开关的操作以执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC变换来生成。一种这样的系统包括开关式电源(SMPS)。SMPS通常比其他类型的功率变换系统更高效，因为功率变换通过电感器或变压器的受控的充电和放电并且减小由于电阻电压降上的功耗而产生的能量损失来执行。

在一些应用中，电源的次级侧的负载可能随着时间动态波动，在这种情况下，理想的是调节初级侧以提供不同的电力量从而补偿变化的负载情况。传统的电源通过向初级侧控制器发送指示次级侧测量(例如电压、电流等)的反馈信号来实现这一操作。这一测量然后在初级侧控制器处被处理以确定用于调节变压器的初级侧的适当的脉冲宽度和开关循环。

发明内容

技术优点通常通过描述用于次级侧功率调节的系统及方法的本公开的实施例来实现。

根据一种实施例，提供了一种用于由初级侧控制器来执行的用于功率调节的方法。在本示例中，方法包括：调节在第一周期期间向供电系统中的变压器的初级绕组供应的功率，从变压器的次级侧控制器接收开关指示，并且基于开关指示修改在第二周期期间向初级绕组施加的功率。

根据另一实施例，提供了一种初级侧控制器。在本示例中，初级侧控制器包括：被配置成调节在第一周期期间向变压器中的初级绕组施加的功率的初级侧开关控制器、以及耦合到初级侧开关控制器的输入接口。输入接口被配置成从变压器的次级侧控制器接收开关指示并且向初级侧开关控制器提供开关指示。初级侧开关控制器还被配置成基于从次级侧控制器接收的开关指示修改在第二周期期间向变压器施加的功率。

根据又一实施例，提供了一种具有初级侧控制器以及耦合到初级侧控制器的次级侧控制器的装置。在本示例中，次级侧控制器被适配成监控次级侧电力系统的参数并且基于次级侧电力系统的参数生成开关指示。初级侧控制器被适配成从次级侧控制器接收开关指示并且至少部分基于开关指示调节向变压器的初级绕组施加的功率。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考结合附图给出的以下描述，在附图中：

图1图示被适配用于初级侧控制回路处理的传统的供电系统的图；

图2图示被适配用于至少部分次级侧控制回路处理的实施例供电系统的图；

图3图示被适配用于至少部分次级侧控制回路处理的另一实施例供电系统的图；

图4图示实施例隔离信号路径的图；

图5图示实施例次级侧控制器的图；

图6图示实施例初级侧控制器的图；

图7图示被适配用于至少部分次级侧控制回路处理的供电系统的实施例时序图的图；以及

图8图示实施例处理系统的图。

不同附图中的对应的数字和符号通常指代对应的部分，除非另外指出。绘制附图以清楚地图示实施例的相关方面，而不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论本公开的实施例的做出和使用。然而，应当理解，本文中所公开的概念可以在各种具体上下文中来实施，并且本文中所讨论的具体实施例仅是说明性的而非用于限制权利要求的范围。另外，应当理解，可以在本文中做出各种变化、置换和替选而没有偏离如所附权利要求定义的本公开的精神和范围。

注意，由于反馈信号从次级侧向初级侧传送，所以次级侧测量的完整性可能受到失真的影响，从而减小功率调节的整个准确性。这样，希望有一种技术能够用于对次级侧执行至少某种控制回路处理的技术以实现更精确的变压器功率调节。

本公开的方面提供用于对变压器的次级侧执行至少某种控制回路处理以提供更精确的功率调节的技术。具体地，至少部分由次级侧控制器来处理次级侧测量以获得开关指示信号。然后从次级侧控制器向初级侧控制器通信开关指示信号，开关指示信号用于调节向初级绕组施加的能量的量。开关指示信号可以是提示初级侧控制器调节和/或修改向初级绕组施加的功率的任何控制信令指令(例如脉冲宽度调制(PWM)等)。可以通过被适配成隔离变压器的初级侧与变压器的次级侧的隔离信号路径(诸如单端电容性耦合器、差分电容性耦合器、电感性耦合器、光耦合器、巨磁电阻(GMR)传感器、或者任何其他部件(或者这些部件的组合))来通信开关指示信号。

图1图示被适配用于初级侧控制回路处理的传统的供电系统100。如所示，传统的供电系统100包括：具有初级绕组110和次级绕组130的变压器、以及初级侧控制器120。初级侧控制器120被适配成基于测量信号131调节向初级绕组110施加的功率。测量信号131可以指示次级绕组130的输出电压或输出电流，并且可以通过反馈路径从次级侧反馈到初级侧。注意，通过反馈路径传输测量信号131可能影响测量信号131在初级侧控制器120的控制回路处理期间的准确性，从而降低由初级侧控制器120进行的功率调节的精度。

本公开的各个方面通过在变压器的次级侧执行至少某种控制回路处理来提供更精确的功率调节。图2图示实施例供电系统200，其中由次级侧控制器240执行至少某种控制回路处理。如所示，实施例供电系统200包括：具有初级绕组210和次级绕组230的变压器、初级侧激活开关215、初级侧控制器220、次级侧控制器240和隔离信号路径250。

在本示例中，次级侧控制器240接收测量信号231，测量信号231对应于由次级绕组230馈送的电力系统的参数(例如输出电压、输出电流等)。电力系统可以包括：整流器元件、缓冲电容器、温度传感器或其他滤波元件。负载连接到电力系统的输出端子。次级侧控制器240然后对测量信号231执行至少某种控制回路处理以生成开关指示信号241，开关指示信号241经由隔离信号路径250被转发给初级侧控制器220。隔离信号路径250可以是隔离实施例供电系统200的初级侧与供电系统200的次级侧的任何部件。

开关指示信号241可以是提示初级侧控制器220修改向初级绕组210施加的功率的任何控制信令指令。在一个示例中，开关指示信号241提示初级侧控制器220通过初级侧激活开关215的操纵来调节初级绕组210的开关循环的长度。如本文中所讨论的，术语“开关循环”在广义上指代影响向初级绕组110施加的功率的任何参数(例如间隔、周期等)。例如，初级绕组215的开关循环可以包括不同的部分，例如一个部分可以对应于初级绕组215的充电间隔，另一部分可以对应于初级绕组215的放电间隔、或者初级绕组215的开关间隔，例如在充电间隔固定时的充放电间隔的组合长度。在另一示例中，开关隔离信号241为提示初级侧时序控制器激活/去激活驱动初级侧激活开关215的栅极驱动器的脉冲宽度调制(PWM)信号。作为另一示例，开关指示信号241可以是进入新的突发模式的请求。在另一实施例中，开关指示信号触发初级侧控制器的新的开关循环的开始。在这样的实施例中，初级侧控制器可以定义初级侧绕组的充电间隔的长度，并且次级侧控制器可以定义放电间隔的长度。在另一实施例中，开关指示信号的频率或占空比由初级侧控制器用于修改开关循环的时序(以修改从初级侧向次级侧传输的能量的量)。

在一些实施例中，初级侧控制器接收多个测量和/或时序信号。图3图示示例供电系统300，其中次级侧控制器340接收测量信号321和时序信号322。时序信号322可以指示次级绕组330的充电/放电间隔。在一个实施例中，次级侧控制器接收与开关215上的电压的形状有关的信息，并且按照与电压形状的定义的时序关系输出开关指示信号(例如次级侧绕组上的电压包含在通过绕组的电流达到0之后该电压形状的图像)。

初级侧控制器可以经由隔离信号路径与次级侧控制器隔离。图4图示用于隔离初级侧控制器与次级侧控制器的多个实施例隔离信号路径410-450。如所示，隔离信号路径410包括单端电容性耦合器，隔离信号路径420包括差分电容性耦合器，隔离信号路径430包括电感性耦合器，隔离信号路径440包括无芯变压器(例如没有磁芯电感性耦合器)，隔离信号路径450包括光耦合器。替选地，可以使用实现隔离信号路径的其他电路和系统。

本公开的各个方面提供用于执行用于变压器功率调节的至少某种控制回路处理的次级侧控制器架构。图5图示被适配成在供电系统500中执行控制回路处理的实施例次级侧控制器540。如所示，实施例次级侧控制器540包括测量信号处理器541、参考信号生成器543、控制回路处理器544、定时器545和输出驱动器。

测量信号处理器541处理次级侧测量531并且向控制回路处理器544提供信令指示。参考信号生成器543向控制回路处理器提供参考信号。

本公开的各个方面还提供用于基于从次级侧控制器接收的开关指示信号调节初级绕组的开关循环的初级侧控制器架构。图6图示被适配用于促进供电系统600中的次级侧控制回路处理的实施例初级侧控制器620。如所示，实施例初级侧控制器620包括输入接口621、功率定时器622、模式控制器623、栅极驱动器624、电流传感器625、辅助电压传感器626、过零检测器627和启动块628。输入接口621可以是被适配成从次级侧控制器640接收(或者直接或者经由隔离信号路径650)开关指示信号641并且向功率定时器622和功率模式控制器623转发开关指示信号641的任何部件。

功率定时器622可以是被适配成向栅极驱动器624供应信号642(例如PWM信号)的任何部件。栅极驱动器624可以是被适配成生成用于激活/去激活初级侧激活开关615的控制信号646的任何部件。电流传感器625可以检测通过初级绕组610的电流，辅助电压传感器可以检测辅助绕组电压。辅助绕组电压可以包含初级和次级绕组上的电压的图像。过零检测器627可以检测辅助绕组电压何时为零电压情况或者在零电压情况附近。辅助绕组电压的过零可以指示开关615上的电压何时朝着其最小值变化。

在一些操作模式(例如正常操作模式、突发操作模式等)期间，功率定时器622可以使用开关信号641调节初级绕组610的开关循环。在其他操作模式(例如启动模式等)期间，功率计时器622可以使用从电流传感器625和/或过零检测器627接收的信号调节初级绕组610的开关循环。模式控制器623可以尤其基于通过输入接口621接收的开关指示信号641以及从辅助电压传感器626和/或过零检测器627接收的信号来选择初级侧控制器620在哪个操作模式下操作。

在一个实施例中，当供电系统600初始打开时，初级侧控制器620在启动模式下操作，当次级绕组630经历正常加载情况时，初级侧控制器620在正常操作模式下操作。图7图示在启动和正常操作模式期间供电系统600的实施例开关循环的时序图700。如所示，信号642由初级侧控制器基于预先配置的激活(Ton)和去激活(Toff)间隔来生成。这使得次级侧控制器640能够逐渐上电。在接收到充足的功率时，次级侧控制器640开始提供开关指示信号641，开关指示信号641将初级侧控制器620从启动模式向正常操作模式过渡。在正常操作模式期间，初级侧控制器620基于开关指示信号641生成信号642。

启动模式可以在变压器初始打开时提供功率调节，因为其可以使得次级侧控制器640在一段时间上电。当在启动模式下操作时，初级侧控制器620可以基于从电流传感器625和过零检测器627接收的信号调节初级绕组610的开关循环。在一个示例中，初级侧控制器620可以基于与变压器的次级侧对应的测量(例如辅助绕组的电压等)以准谐振方式自动开始能量传递。

初级侧控制器620可以调节初级绕组610以在启动模式下操作时提供启动输出电压(或者启动操作设定点)。启动输出电压可以稍微小于标准模板输出电压，以避免超越标称(或备用状态)输出功率并且确保次级侧控制器640接收到实际上足以过渡到完全或部分次级侧控制回路处理的功率。在接近或者达到启动输出电压时，初级侧控制器可以修改开关循环，例如增加放电间隔的长度，以调节稳定状态的输出功率直到从次级侧控制器640接收到开关指示信号641。这使得能够实现从初级侧控制到次级侧控制的平滑过渡。由于次级侧控制器640已经上电并且开始提供开关指示信号641，所以初级侧控制器620可以过渡到正常操作模式。

在一些实施例中，初级侧和次级侧可以指代不同的参考或接地电势。隔离信号路径650可以使得能够在设备之间交换涉及不同电势的信息。隔离信号路径650使得能够传送用于初级侧激活开关615的打开和关闭二者的信息，然而电流传感器625可以提供Ipeak机制作为正常操作模式期间的紧急关闭准则(例如在短路的情况下)。

在其他实施例中，隔离信号路径650仅能够传送开始新的切换循环的请求。在这样的实施例中，次级侧控制器可以控制初级绕组610的充电间隔的开始，并且初级侧控制器620可以基于次级侧的能量需求控制初级绕组610的放电间隔的开始。如果次级侧需要更多或更少能量，则初级侧控制器620可以逐渐延长或缩短初级绕组的充电间隔。另外，初级侧控制器620可以缓慢地适配充电间隔以优化零电压开关。

初级侧控制器可以监控辅助绕组的形状，尤其是过零。初级侧开关215的高效激活可以在初级侧开关上的电压等于或小于电压门限(例如波谷开关)时实现。该电压门限可以根据过零的时序来取得。

在一个实施例中，如果由次级侧控制器递送的开关指示与波谷开关不匹配，则初级侧控制器可以通过例如修改初级绕组的充电间隔的长度以实现波谷开关来修改向次级侧传送的能量的量。

当次级侧经历高负载情况时，初级侧控制器620可以向突发模式过渡。在突发模式期间，初级侧控制器620在有效能量传送的阶段(有效突发阶段)与没有能量传送的阶段(突发暂停阶段)之间交替。在有效突发阶段期间，加载次级侧上的电容。这一能量然后用于在突发暂停阶段期间对次级侧电路系统供电。突发模式可以在所需要的能量很小的情况下使用。因此，在有效突发阶段期间，初级侧递送比次级侧实际需要的更多的能量。这一能量然后在突发暂停期间被消耗。

传统的突发模式技术需要初级侧控制器不时测量次级侧输出电压以确定何时从突发暂停向有效突发过渡，从突发暂停向有效突发的过渡可以在次级侧负载尖峰时或者在次级绕组的输出电压下降到定义门限以下时出现。本公开的各个方面通过使得次级侧控制器能够请求新的开关循环的开始来避免这一问题。因此，正常模式和突发模式下的开关活动由次级侧来定义。在一些实施例中，如果初级侧设备在定义的时间范围内没有接收到对于新的开关周期开始的请求，则初级侧控制器可以发起新的开关循环(或者进入节电模式)。在一些实施例中，如果没有在超时周期内接收到使得次级侧能够重新加载其电容的次级侧请求，则初级侧设备发起新的有效突发阶段。这可以使得次级侧请求能够主要用于指示次级侧上的负载尖峰，从而降低这样的请求的频率(并且有可能节省电力)。在这样的实施例中，可以在周期性有效突发阶段期间以恒定的值调节输出功率。在所请求的突发阶段期间，可以基于次级侧请求确定输出功率值。例如，当次级侧请求小于所定义的时间范围(或者超时周期)的超时(Toff)时，初级侧设备可以假定已经出现负载跳跃，并且可以增加Ton/Ipeak以递送更多能量。

在负载变化之后出现的瞬变可能产生开关循环的明显变化。这可以被解释为由初级侧设备产生的次级侧的负载跳跃，并且可以自动适配Ton/Ipeak值。在一个实施例中，Ton/Ipeak的变化可以根据Toff值的变化来取得。在另一实施例中，Ton/Ipeak的变化可以在定义步骤中处理。

还可以基于来自次级侧的请求来处理初级侧的Ton/Ipeak定义并且取决于实际操作模式来适配Ton/Ipeak设置。在一个实施例中，次级侧仅从初级侧请求新的开关循环的开始，其自动处理Ton/Ipeak。在另一实施例中，次级侧从初级侧请求新的开关循环的开始，并且还向初级侧传送用于修改Ton/Ipeak的信息。在又一实施例中，次级侧请求初级侧晶体管的激活和去激活。在一些实施例中，初级侧控制变压器启动期间的开关循环，并且还提供保护机制，例如开路/短路检测、高电压检测等。

图7图示初级侧和次级侧控制器的上电场景，其中假定这两个部分都以0电压开始。在开始(向初级侧控制器供应的功率)，初级侧控制器输出激活初级开关215的控制信号646。次级侧电力系统和次级侧控制器可以尚未被上电以正常操作。因此，初级侧控制器根据由初级侧控制器定义的控制方案来调节开关循环的部分。控制方案可以包括监控辅助电压以获得与次级侧电力系统的电压有关的信息。当次级侧控制器被上电以操作时，其开始根据由次级侧控制器定义的控制方案向初级侧控制器发送开关指示。控制方案可以包括监控次级侧电力系统的至少一部分，诸如输出电流或者输出电压。通过从次级侧控制器接收开关指示，初级侧控制器改变其控制方案以包括来自次级侧控制器的开关指示。

图8图示可以用于实现本文中所公开的设备和方法的处理系统800的框图。处理系统800可以包括可以(或者可以没有)如图8所示布置的处理器804、存储器806以及多个接口810-814。处理器804可以是能够执行计算和/或其他处理相关任务的任何部件，存储器806可以是能够存储用于处理器804的程序和/或指令的任何部件。接口810-814可以是使得处理系统800能够与其他系统和/或设备通信的任何部件或者这样的部件的任意组合。接口810-814可以包括串行接口(例如串行外围接口(SPI)、通用串行总线(USB)等)、并行接口、或者其组合。

虽然已经详细描述了本描述，然而应当理解，可以在不偏离如所附权利要求定义的本公开的精神和范围的情况下做出各种变化、置换和替选。另外，本公开的范围并非意在限于本文中所描述的特定实施例，本领域普通技术人员根据本公开将很容易理解，现有或稍后开发的处理、机器、产品、组合物、装置、方法或步骤可以执行与本文中所描述的对应实施例基本上相同的功能或者实现与本文中所描述的对应实施例基本上相同的结果。因此，所附权利要求意在在其范围内包括这样的处理、机器、产品、组合物、装置、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

由初级侧控制器调节在第一周期期间向供电系统中的变压器的初级绕组施加的功率；

由所述初级侧控制器接收来自于所述变压器的次级侧控制器的开关指示；以及

由所述初级侧控制器基于所述开关指示来修改在第二周期期间向所述初级绕组施加的功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中调节在所述第一周期期间向所述初级绕组施加的功率包括调节所述初级绕组的开关循环的至少一部分。

3.根据权利要求2所述的方法，其中基于所述开关指示来修改所述第二周期期间所述初级绕组的功率输出包括：

延长或者缩短所述第二周期期间所述初级绕组的开关循环的至少一部分。

4.根据权利要求2所述的方法，其中基于所述开关指示来修改所述第二周期期间所述初级绕组的功率输出包括：

从所述次级侧控制器接收经修改的脉冲宽度调制(PWM)信号，所述经修改的PWM信号具有与在所述第一周期期间向初级侧开关控制器提供的PWM信号不同的脉冲宽度；以及

向所述初级侧开关控制器提供所述经修改的PWM信号，其中所述经修改的PWM信号提示所述初级侧开关控制器在所述第二周期期间延长或者缩短所述初级绕组的开关循环的至少一部分。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述经修改的PWM信号直接地由所述次级侧控制器生成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关指示通过在所述次级侧控制器与所述初级侧控制器之间延伸的隔离信号路径来接收。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述隔离信号路径包括以下各项中的一项：单端电容性耦合器、差分电容性耦合器、电感性耦合器、巨磁电阻(GMR)传感器和光耦合器。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在突发操作模式期间根据突发暂停阶段调节所述初级绕组；

由所述初级侧控制器从所述次级侧控制器接收开关指示；以及

根据从所述次级侧控制器接收的所述开关指示将所述初级绕组从所述突发暂停阶段向突发激活阶段过渡。

9.一种初级侧控制器，包括：

初级侧开关控制器，被配置成调节在第一周期期间向变压器中的初级绕组施加的功率；以及

耦合到所述初级侧开关控制器的输入接口，所述输入接口被配置成从所述变压器的次级侧控制器接收开关指示并且向所述初级侧开关控制器提供所述开关指示，

其中所述初级侧开关控制器还被配置成基于从所述次级侧控制器接收的所述开关指示修改在第二周期期间向所述变压器施加的功率。

10.根据权利要求9所述的初级侧控制器，其中所述开关指示通过隔离信号路径来接收。

11.一种控制器，包括：

次级侧控制器，被适配成监控次级侧电力系统的参数并且基于所述次级侧电力系统的所述参数生成开关指示；以及

耦合到所述次级侧控制器的初级侧控制器，其中所述初级侧控制器被适配成从所述次级侧控制器接收所述开关指示并且至少部分基于所述开关指示调节向所述变压器的初级绕组施加的功率。

12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述初级侧控制器在接收到所述开关指示时开始新的开关循环。

13.根据权利要求11所述的控制器，其中所述初级侧控制器根据所述开关指示信号的时序修改所述开关循环的至少一部分。

14.根据权利要求13所述的控制器，其中如果所述开关指示在所述开关循环中比在前一开关循环中的前一开关指示更早地被接收，则所述初级侧控制器延长所述初级绕组的充电时间。

15.根据权利要求11所述的控制器，还包括：

耦合在所述初级侧控制器与所述次级侧控制器之间的隔离信号路径，其中所述隔离信号路径被适配成从所述次级侧控制器向所述初级侧控制器运送所述开关指示信号。

16.根据权利要求15所述的控制器，其中所述隔离信号路径包括光耦合器。

17.根据权利要求15所述的控制器，其中所述隔离信号路径包括电感性耦合器。

18.根据权利要求15所述的控制器，其中所述隔离信号路径包括电容性耦合器。

19.根据权利要求13所述的控制器，其中所述电感性耦合器包括无芯变压器。

20.根据权利要求14所述的控制器，其中由所述次级侧控制器监控的参数包括以下各项中的至少一项：电流、电压和负载。