CN105939098A - 具有接近波谷开关的电源、电路和方法 - Google Patents

具有接近波谷开关的电源、电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有接近波谷开关的电源、电路和方法，所述电源包括准谐振转换器。所述转换器包括开关元件，所述开关元件不仅在所述波谷处打开，而且还在靠近所述波谷的ΔtNVW的窗口范围中打开，其中所述开关元件上的所述电压处于其最小值。这有利地减小开关损耗并且维持效率与频率变化之间的平衡。

Description

具有接近波谷开关的电源、电路和方法
相关申请的交叉引用
本发明要求2015年3月6日提交的美国临时申请No.62/129,546的权益，所述美国临时申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及电路，并且更具体地讲但不排他性地，涉及具有接近波谷开关的电源、电路和方法。
背景技术
油开关模式电源(SMPS)包括开关元件(也称为“初级开关”)，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，以将交流(AC)源转化为经调节的DC输出电压。开关元件的开关可由脉冲宽度调制(PWM)或其他控制方案来控制。SMPS可包括转换器，该转换器将直流(DC)电压转换成另一种DC电压。例如，SMPS可包括准谐振转换器。在典型的准谐振转换器中，当开关元件上的电压在谐振下处于其最小值时打开开关元件以减小开关损耗，该最小值也称为“波谷”。
美国专利No 7,791,909公开了准谐振转换器的例子，该准谐振转换器使用MOSFET作为开关元件，该专利以引用方式全文并入本文中。在‘909专利中，用作开关元件的MOSFET被禁止在消隐时期TB期间打开(例如，参见图1A)。在消隐时期到期之后，当在超时时期内检测到MOSFET的源漏电压的波谷VDS时打开MOSFET。如果在超时时期内未检测到波谷，则MOSFET被迫打开。在这种情况下，由于MOSFET打开时MOSFET上的可能高的VDS电压，MOSFET可具有较高开关损耗，这也称为“硬开关”。
‘909专利的准谐振转换器的基本操作示于图1A-图1D中。在图1A-图1D中，电流Ids为MOSFET的漏源电流，VDS为MOSFET的源漏电压，TB为消隐时期，TS为开关时间，TW为等待时期，并且TS max为超时时期。如图1A所示，在MOSFET关断之后，直到在消隐时期到期之后检测到波谷之后才打开MOSFET。图1B示出其中在一个谐振周期之后在等待时期期间检测到波谷的情况并且图1C示出其中在第一谐振周期内在等待时期期间检测到波谷的情况。图1D示出其中在等待时期内未检测到波谷的情况。在该情况下，在超时时期到期之后，MOSFET被迫打开。
图2示出开关频率对具有波谷开关的准谐振转换器中的输出功率的曲线图，所述准谐振转换器诸如‘909专利中的准谐振转换器(参见曲线210)和具有波谷开关的其他准谐振转换器(参见曲线220)。在图2的例子中，点A、B、C和D分别对应于图1A、图1B、图1C和图1D的情况。注意到开关频率中的变化取决于波谷何时被检测到。
为了确保波谷开关，超时时期应该长于消隐时期加谐振环时期。也就是说，
TS max＞TB+TRING
其中TS max为超时时期，TB为消隐时期，并且TRING为谐振环时期。这导致相对较宽的频率变化(参见图2)，该相对较宽频率变化在需要有限开关频率范围的应用中是不期望的。另外，当超时时期到期时MOSFET被迫打开，从而导致硬开关和较大开关损耗。
发明内容
在一个实施例中，具有接近波谷开关的开关模式电源包括准谐振转换器。转换器包括开关元件，该开关元件不仅在波谷处打开，而且还在靠近波谷(也称为“接近波谷”)的ΔtNVW的窗口范围中打开，其中开关元件上的电压处于其最小值，从而减小开关损耗并且维持效率与由波谷开关引起的频率变化之间的平衡。
本领域的一般技术人员将在阅读本公开的全文后容易明白本发明的这些和其他特征，本公开的全文包括附图和权利要求书。
附图说明
图1A-图1D示出波形，该波形示出具有波谷开关的准谐振转换器的基本操作。
图2示出开关频率对具有波谷开关的准谐振转换器中的输出功率的曲线图。
图3和图4示出根据本发明的实施例的在准谐振转换器的开关元件上的电压的波形。
图5示出示例性计算，该示例性计算比较波谷开关与接近波谷开关。
图6示出根据本发明的实施例的具有接近波谷开关的SMPS。
图7示出根据本发明的实施例的图6的SMPS的节点的波形。
图8和图9示出根据本发明的实施例的图6的SMPS的示例性操作的波形。
在不同图示中使用相同参考标记指示相同或相似部件。
具体实施方式
在本发明中，提供许多特定细节，诸如电路、部件和方法的例子，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本领域的一般技术人员将认识到，可在没有这些特定细节中的一者或多者的情况下实践本发明。在其他情况下，未示出或描述熟知细节以免模糊本发明的方面。
由于MOSFET上的可能高的VDS电压，固定频率开关或硬开关具有高开关损耗，该MOSFET被用作SMPS的开关元件。纯波谷开关(本文中也称为“波谷开关”)通过在MOSFET上的VDS电压的最小值处打开MOSFET来减小开关损耗，但是由于变化的谐振环时期而遭受开关频率的较大变化。利用系统开关频率带限制，需要新方法来维持效率与频率变化之间的平衡，诸如现在描述的接近波谷开关。
本发明的实施例涉及具有接近波谷开关的SMPS。与仅在波谷处打开开关元件相反，其中开关元件上的电压在谐振下处于其最小值，本发明的实施例允许不仅在波谷处而且还在接近波谷的时间点处打开开关元件。例如，开关元件可根据消隐时期相对于接近波谷检测窗口结束的时间在谐振下被打开。接近波谷检测窗口有利地允许开关元件在开关元件上的电压下降或上升的情况下被打开，允许在消隐时期之后有更多机会来打开开关元件，并且从而防止其中开关元件在超时时期到期时被迫打开的情况。接近波谷开关以图3开始被进一步说明。
图3示出根据本发明的实施例的在准谐振转换器的开关元件上的电压的波形。在图3的例子中，曲线251是开关元件的源漏电压VDS的波形，该开关元件包括MOSFET。与仅在波谷处(如在波谷开关中)打开MOSFET相反，MOSFET还允许在本文中称为“接近波谷窗口”ΔtNVW的时间周期期间打开，该“接近波谷窗口”被配置为在VDS电压下降或上升的情况下靠近VDS电压的波谷点。在一个实施例中，为了减小开关损耗，接近波谷窗口ΔtNVW应被配置为在VDS电压的波谷点附近，或在VDS谐振环相对于输入电压V输入的负半周期内。
接近波谷开关可根据消隐时期相对于接近波谷窗口ΔtNVW到期的时间而被允许。例如，当消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW内结束时，MOSFET可被立即打开。当消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW之外结束时(即，在接近波谷窗口ΔtNVW之后)，MOSFET可在下一个允许的接近波谷窗口ΔtNVW处或在等待时期TW结束时被打开。
图4示出根据本发明的实施例的在准谐振转换器的开关元件上的电压的另一个波形。在图4的例子中，曲线301是开关元件的源漏电压VDS的波形，该开关元件包括MOSFET。在准谐振转换器中，MOSFET耦合到变压器的初级绕组。当MOSFET被关断时，其源漏电压在由初级绕组的电感和MOSFET(或一些其他电容器)的寄生电容形成的谐振电路所指示的谐振频率下发生谐振。在图4的例子中，源漏电压VDS的峰值对应于输入电压V输入加反射输出电压VO(即，nVO，其中n为变压器的匝数比)。曲线301的正弦部分表示在MOSFET关断之后在谐振下的源漏电压VDS。
在4的例子中，波谷302为在MOSFET关断之后在谐振下的波谷。波谷302为在谐振下的MOSFET的源漏电压的最小值。还在图4中示出的是曲线301的一部分的放大版本，该曲线301示出波谷302。在一个实施例中，接近波谷开关涉及在接近波谷302的时间点处打开MOSFET。也就是说，MOSFET不仅可在波谷处打开，而且还在远离波谷的很少弧度内打开。例如，MOSFET可在距波谷的DE弧度处打开，诸如距波谷的0、1/6π或2/6π弧度。
在常规准谐振转换器中，通常进行波谷开关以将开关损耗最小化。然而，接近波谷轻微开关不导致显著开关损耗。也就是说，由接近波谷开关产生的开关损耗与波谷开关相比不太显著。当开关元件的开关频率上存在严格限制时，接近波谷开关因此是可行的设计选项。
图5示出示例性计算，该示例性计算比较波谷开关的开关损耗与接近波谷开关的开关损耗。图5的例子示出对于波谷开关，即DE＝0(计算块401)，DE＝π/6弧度的接近波谷开关(计算块402)和DE＝π2/6弧度的接近波谷开关(计算块403)的功率损耗计算，其中Vin＝370V并且nVO＝70。对于计算块401、402和403分别为0.646、0.66和0.7的所得功率损耗比指示接近波谷开关的开关损耗可与波谷开关的开关损耗相比。
图6示出根据本发明的实施例的具有接近波谷开关的SMPS 600。图7示出SMPS 600的关键节点上的示例性波形。图6结合图7的波形最好地理解，图7从上到下示出晶体管M1的源漏电压VDS(二曲线651)、辅助绕组L3上的辅助电压VAUX(曲线652)、NVD销上的钳位电压(曲线653)、流过NVD销的INVD电流(曲线654)、电阻器RNVD2上的VNVD电压(曲线655)，以及来自过零检测电路512的过零指示信号VZC(曲线656)的波形。
在图6的例子中，SMPS 600接收AC线电压。整流器电路522和输入电容器C1在变压器T1的初级绕组L1的节点上产生输入电压VIN。晶体管M1形式的开关元件(例如，MOSFET)将初级绕组L1连接到地面和与地面断开以对于变压器T1的次级绕组L2侧面上的负载产生输出电压VO。晶体管M1也称为“初级开关”。
在图6的例子中，控制器集成电路(IC)510(或一些分立控制器)例如通过PWM控制晶体管M1的开关操作以产生输出电压VO。在图6的例子中，控制器IC 510实施具有接近波谷开关的准谐振转换器，其中谐振电路由初级绕组L1的电感和在晶体管M1的漏极处的集总寄生电容形成。控制器510可包括用于接收辅助电压VAUX的NVD销，用于接收反馈电压的FB销，用于接收电源电压的VCC销，以及耦合到晶体管M1的栅极的栅极销。
在图6的例子中，控制器IC 510从由电阻器R感测上的漏源电流IDS产生的感测电压V感测感测晶体管M1的漏源电流IDS。控制器IC 510可通过光电晶体管504在FB销处接收指示输出电压VO的反馈信号，所述光电晶体管用光电二极管503在次级侧上形成光耦合器。比较器516比较感测电压V感测与由反馈信号产生的反馈电压以确定何时关断晶体管M1。
变压器T1还包括初级侧上的辅助绕组L3以用于产生辅助电压VAUX。内部偏置电路可从辅助电压VAUX生成内部电源电压。初级绕组L1上的电压可通过从晶体管M1的源漏电压中减去输入电压VIN来确定。因此，辅助电压VAUX指示晶体管M1的源漏电压(参见图7上的VAUX和VDS)。在NVD销处的相应电压可从辅助电压VAUX产生并且在辅助电压VAUX为负时通过包括比较器601的钳位电路在0V下钳制。包括电流镜602和电阻器RNVD2的复制电路允许钳位电压VCLMP在控制器IC 510内被复制。更具体地讲，电流镜602反射由0V的钳位电压VCLMP和负辅助电压VAUX生成的电流以在电阻器RNVD2上生成电压VNVD，该电压VNVD被输入到过零检测电路512。电压VNVD是在NVD销处的电压的复制。
在图6的例子中，过零检测电路512比较电压VNVD与参考阈值电压VTH以检测晶体管M1的源漏电压相对于参考阈值电压VTH的过零。在一个实施例中，过零检测电路512根据晶体管M1的VDS谐振电压相对于输入电压VIN在正半周期还是负半周期来生成过零指示信号VZC。在图6的例子中，当VDS谐振电压在负半周期上时，过零指示信号VZC是高的，而当VDS谐振电压在正半周期上时，过零指示信号VZC是低的(参见图7上的VZC)。在图6的例子中，单触发电路521被触发以在过零指示信号VZC的上升沿上生成接近波谷窗口ΔtNVW脉冲。
在图6的例子中，控制器IC 510包括栅极驱动器513，该栅极驱动器驱动晶体管M1的栅极。当晶体管M1如其栅极电压所指示关断时，单触发电路514生成对应于消隐时期TB的脉冲。振荡器电路511不发送短脉冲以在消隐时期期间打开晶体管M1。响应于消隐时期到期，单触发电路515在超时之前生成对应于等待时期TW的另一个脉冲。等待时期TW也称为系统允许的开关频率范围。振荡器电路511生成短脉冲以在传播延迟TPD(参见图8和图9)之后在消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW内到期的时刻或者在等待时期TW到期时打开晶体管M1。
在图6的例子中，振荡器电路511生成短脉冲以在消隐时期TB脉冲的下降沿在接近波谷窗口ΔtNVW脉冲为高(即，被断定)的时间发生时打开晶体管M1。当消隐时期TB脉冲的下降沿在接近波谷窗口ΔtNVW脉冲为低的时间发生时，振荡器电路511生成短脉冲以在下一个允许的接近波谷窗口ΔtNVW处或在等待时期TW结束时(以先发生者为准)打开晶体管M1。
图8示出在消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW内结束的情况下的SMPS600的波形。图8从上到下示出晶体管M1的源漏电压VDS(曲线671)、过零指示信号VZC(曲线672)、单触发电路521的接近波谷窗口ΔtNVW脉冲输出(曲线673)、单触发电路514的消隐时期TB脉冲输出(曲线674)、晶体管M1的栅极上的电压(曲线675)，以及单触发电路515的等待时期TW脉冲(曲线676)的波形。
在图8的例子中，接近波谷窗口ΔtNVW开始于过零指示信号VZC的上升沿。当消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW内结束时，晶体管M1的栅极(曲线673)被断定为允许晶体管M1在传播延迟TPD之后立即打开。在该例子中，允许的栅极开关窗口因此是除传播延迟TPD之外的允许的接近波谷开关窗口ΔtNVW，该允许的接近波谷开关窗口靠近源漏电压VDS的实际波谷。
图9示出在消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW之外(即，在接近波谷窗口ΔtNVW之后)结束的情况下的SMPS 600的波形。图9从上到下示出晶体管M1的源漏电压VDS(曲线671)、过零指示信号VZC(曲线672)、单触发电路521的接近波谷窗口ΔtNVW脉冲输出(曲线673)、单触发电路514的消隐时期TB脉冲输出(曲线674)、晶体管M1的栅极上的电压(曲线675)，以及单触发电路515的等待时期TW脉冲(曲线676)的波形。就图9而言，晶体管M1的栅极可被断定为在下一个允许的接近波谷窗口ΔtNVW处或在等待时期TW结束时打开晶体管M1。在一个实施例中，接近波谷窗口ΔtNVW的宽度可通过满足以下条件而被优化：
ΔtNVW+TW＞TRING
其中TRING为谐振环时期。因此，晶体管M1将通常靠近波谷，或接近波谷，以TW的允许开关频率范围打开。
如从上述内容可以理解，本发明的实施例包括许多迄今为止未实现的特征，所述特征包括但不限于具有等待时期TW的有限允许开关频率范围的准谐振转换器，所述等待时期Tw在消隐时期TB之后开始；在等待时期Tw内允许开关，不仅在初级开关的漏源谐振电压的波谷处，而且在波谷附近的下降或上升的情况下靠近波谷的窗口范围(即，接近波谷窗口)内允许；如果消隐时期TB在接近波谷窗口内结束，在消隐时期TB之后的传播延迟TPD之后立即允许开关；如果消隐时期TB在接近波谷窗口之外结束，在传播延迟TPD之后在接近波谷窗口开始时允许开关；开关被迫在等待时期TW结束时进行；通过在检测到下降过零上的漏源谐振电压之后实现接近波谷窗口开始来在初级开关的漏源谐振电压的负半周期处控制开关；通过比较漏源谐振电压的复制与参考阈值来检测过零。
已公开了具有接近波谷开关的电源。尽管已经提供了本发明的特定实施例，但应当理解，这些实施例用于说明目的而不具限制性。本领域的一般技术人员在阅读本公开后将会明白许多附加实施例。

Claims (20)

1.一种具有接近波谷开关的电路，所述电路包括：
控制器，所述控制器被配置为检测耦合到变压器的初级绕组的金属氧化物半导体场效应晶体管的漏源谐振电压相对于输入电压的过零，以响应于检测到所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零而生成指示接近波谷窗口时间周期发生的信号，并且当消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期内结束时，在所述接近波谷窗口时间周期期间的时间范围内打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管，在所述消隐时期期间禁止所述金属氧化物半导体场效应晶体管被打开。
2.根据权利要求1所述的电路，其中当所述消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期之外结束时，所述控制器被配置为在下一个接近波谷窗口时间周期处或在等待时期结束时打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器在所述接近波谷窗口时间周期期间但是在所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压到达其最小电压之前打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器在所述接近波谷窗口时间周期期间但是在所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压到达其最小电压之后打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器包括：
钳位电路，所述钳位电路被配置为钳制所述金属氧化物半导体场效应晶体管的感测源漏电压以生成钳位电压；
复制电路，所述复制电路在所述控制器内生成所述钳位电压的复制；以及
过零检测电路，所述过零检测电路从所述钳位电压的所述复制检测所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零。
6.根据权利要求1所述的电路，其中当电容与所述变压器的所述初级绕组的电感在所述金属氧化物半导体场效应晶体管被关断时发生谐振时，生成所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压。
7.根据权利要求5所述的电路，其中所述电容包括在所述金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极处的集总寄生电容。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器包括：
单触发电路，所述单触发电路响应于检测到所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零而生成指示所述接近波谷窗口时间周期发生的所述信号。
9.一种具有接近波谷开关的方法，所述方法包括：
在谐振下感测初级开关的漏源谐振电压，当变压器的初级绕组的电感与电容在所述初级开关关断时发生谐振时，所述初级开关处于谐振状态，所述初级开关耦合到所述所述变压器；
允许所述初级开关在接近波谷窗口时间周期期间的时间范围内打开，所述接近波谷窗口时间周期在所述初级开关的所述漏源谐振电压相对于输入电压的负半周期期间发生；以及
在所述接近波谷窗口时间周期期间打开所述初级开关。
10.根据权利要求9所述的方法，其中当消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期期间结束时，在所述接近波谷窗口时间周期期间打开所述初级开关，在所述消隐时期期间防止所述初级开关被打开。
11.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
当消隐时期不在所述接近波谷窗口时间周期期间结束以及等待时期到期时，在所述接近波谷时间周期之外打开所述初级开关，在所述消隐时期期间防止所述初级开关被打开。
12.根据权利要求9所述的方法，其中在谐振下感测所述初级开关的所述漏源谐振电压包括：
检测在所述变压器的辅助绕组处的辅助电压；
钳制所述辅助电压以生成钳位电压；以及
从所述钳位电压检测所述初级开关的所述漏源谐振电压的过零。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括：
响应于检测到所述初级开关的所述漏源谐振电压的所述过零而开始所述接近波谷窗口时间周期。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述初级开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管并且所述电容在所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏极处。
15.一种开关模式电源，所述开关模式电源包括：
变压器，所述变压器具有初级绕组和次级绕组；
金属氧化物半导体晶体管，所述金属氧化物半导体晶体管耦合到所述初级绕组；以及
控制器，所述控制器被配置为控制所述初级开关的开关操作以将所述初级绕组耦合或解耦到输入电压，在谐振下检测所述金属氧化物半导体晶体管的漏源谐振电压，响应于所述漏源谐振电压的过零而开始接近波谷窗口时间周期，以及允许所述金属氧化物半导体晶体管在所述接近波谷窗口时间周期期间的时间范围内被打开。
16.根据权利要求15所述的电源，其中所述金属氧化物半导体晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管。
17.根据权利要求15所述的电源，其中当消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期期间结束时，所述控制器被配置为打开所述金属氧化物半导体晶体管，在所述消隐时期期间防止所述金属氧化物半导体晶体管被打开。
18.根据权利要求17所述的电源，其中当所述消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期之外结束时，所述控制器被配置为在下一个接近波谷窗口时间周期中打开所述金属氧化物半导体晶体管。
19.根据权利要求17所述的电源，其中当所述消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期之外结束时，所述控制器被配置为在等待时期结束时打开所述金属氧化物半导体晶体管。
20.根据权利要求15所述的电源，其中所述控制器为集成电路并且包括：
钳位电路，所述钳位电路被配置为钳制所述金属氧化物半导体场效应晶体管的感测源漏谐振电压以生成钳位电压；
复制电路，所述复制电路在所述控制器内生成所述钳位电压的复制；以及
过零检测电路，所述过零检测电路从所述钳位电压的所述复制检测所述金属氧化物半导体晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零。
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