CN106026718A - 用于开关模式电源的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于开关模式电源的系统和方法。根据实施例，一种操作开关模式功率转换器的方法包括：测量开关模式功率转换器的输入电压；确定开关模式功率转换器的开关的导通时间；确定开关模式功率转换器的开关的截止时间；以及基于测量的输入电压、确定的导通时间和确定的截止时间确定开关模式功率转换器的输出电压。输出电压包括具有到开关的负载路径的DC路径的第一节点处的电压。

Description

用于开关模式电源的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及电子器件，更具体地，涉及用于开关模式电源的系统和方法。

背景技术

电源系统广泛用于从计算机到汽车的许多电子应用中。通常，通过操作加载有电感器或变压器的开关执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换来生成电源系统内的电压。这些系统中的一类包括开关模式电源(SMPS)。SMPS通常比其他类型的电源转换系统更加有效，因为通过电感器或变压器的可控充电和放电来进行电能转换，并且减小了由于电阻压降的功耗而引起的能量损失。

SMPS通常包括至少一个开关以及电感器或变压器。一些特定的拓扑包括降压转换器、升压转换器和返驰转换器等。控制电路通常用于打开和闭合开关以对电感器进行充电和放电。在一些应用中，经由反馈环路来控制提供给负载的电流和/或提供给负载的电压。

SMPS的一个应用是作为用于发光二极管(LED)的电源，诸如用于住宅区和商业照明应用以替代白炽灯泡和节能灯(CFL)。在一些应用中，SMPS用于将AC线电压转换为DC电流来对LED供电。

发明内容

根据一个实施例，一种操作开关模式功率转换器的方法包括：测量开关模式功率转换器的输入电压；确定开关模式功率转换器的开关的接通时间；确定开关模式功率转换器的开关的断开时间；以及基于测量的输入电压、确定的接通时间和确定的断开时间确定开关模式功率转换器的输出电压。输出电压包括第一节点处的电压，其中第一节点具有DC路径到开关的负载路径。

附图说明

为了更好地理解本发明及其优点，现在结合附图进行以下描述，其中：

图1a-1c示出了示例性开关模式电源和示例电流波形的示意图；

图2a-2c示出了各种示例性输出电压估计电路的示意图；

图3示出了示例性集成电路；以及

图4示出了示例性方法的框图。

不同附图中的对应数字和符号通常表示对应的部件，除非另有指定。绘制附图以清楚地示出优选实施例的相关方面并且不需要按比例绘制。为了更清楚地理解特定实施例，表示相同结构、材料或处理步骤的变化的字母可以参照图号。

具体实施方式

以下详细讨论优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种特定条件下实施的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。

将在特定条件(用于发光二极管(LED)的开关模式降压转换器的系统和方法)下参照优选实施例描述本发明。本发明的实施例还可以应用于其他开关模式电源结构以及包括切换(包括但不限于)电源系统和电机控制系统的其他电路的其他系统和应用。

在许多传统的LED照明系统中，LED使用开关模式电源来供电，其中开关模式电源具有调整传输至LED的平均输出电流的控制系统。通过调节开关模式电源的平均输出电流，可以控制由LED提供的光强度。例如，通过降低提供给LED的平均电流，光输出可以变暗，而增加提供给LED的平均电流可以使得光输出变亮。在LED的正常操作期间，开关模式电源的输出电压通常通过LED的结电压来确定，其与LED的电流具有对数关系。在许多系统中，可以通过开关模式电源来驱动多个LED。这些LED可以串联耦合、并联耦合，或者是串联和并联电路的组合。

然而，如果从开关模式电源中去除LED，则电流调节环路将试图向其输出端继续提供恒定的电流。由于开关模式电源在去除LED时表现出高阻负载，所以试图提供恒定电流将引起开关模式电源的输出电压的增加。如果该电压持续增加到各个电源组件的安全操作电压之上，则会导致对电源输出级的损伤以及通过组件的电弧或加热而引起的火灾隐患的可能性。这尤其针对操作110V或220V的AC电源线电压的开关模式降压转换器。解决危险的过电压条件的一种方式是测量开关模式电源的输出电压并且在输出电压超过预定阈值时关闭开关模式电源。

存在可用于测量开关模式电源的输出电压的多种传统电路和方法。例如，耦合至返驰转换器的主变压器的辅助绕组可用于为开关模式电源的次级侧提供输出电压测量值。另一种传统方法是测量开关模式电源内的电感的消磁时间Tovp。例如，开关模式电源的消磁时间Tovp可以如下计算：

$T_{ovp}=\frac{L\×V_{CS}}{R_{CS}\×V_{ovp}},---\left(1\right)$

其中，L是耦合至电源开关的电感器的电感，R_CS是与开关晶体管的源极串联耦合的电阻器的电阻，V_CS是电阻R_CS两端的电压，以及V_OVP是对应于T_OVP的输出电压。从表达式(1)中清楚看出，消磁时间T_OVP与电源电感器的电感L成比例。此外，消磁时间方法的精度还可以依赖于定时电容器的电容的绝对值和/或用于测量T_OVP的RC电路的时间常数。由于电感L的值的潜在宽容限，定时电容器和/或RC时间恒定，所得到的测量值也可以具有宽容限，导致不精确的测量。

在本发明的实施例中，基于开关模式电源的输入电压、开关的接通时间和开关的断开时间来估计开关模式功率转换器的输出电压。在一些实施例中，基于开关模式电源的输入电压以及发送给开关的开关信号的占空比来估计开关模式电源的输出电压。

在一个具体实施例中，用于对发光二极管供电的降压转换器包括具有与共源共栅晶体管串联耦合的开关的降压转换器电路。电感器和续流二极管耦合至共源共栅晶体管的漏极，并且负载(诸如LED)耦合至电感器。在操作期间，脉宽调制信号被提供给开关以将通过开关的电流控制为第一预定电流。与脉宽调制信号的占空比和/或脉宽调制信号的接通和断开时间一起监控降压转换器的输入电压，并且基于这些值估计输出电压。在一些实施例中，估计的输出电压与预定阈值进行比较，并且当估计的输出电压超过预定阈值时，断开电源。

图1示出了示例性降压转换器电源系统100，其包括经由共源共栅晶体管Q₁和电感器L₀耦合至表示为LED的负载电路106的降压转换器IC 102。IC 102包括耦合至开关晶体管Q₂的控制电路104。在操作期间，例如使用操作的准谐振模式，控制电路104向开关晶体管Q₂的栅极提供脉宽调制(PWM)信号。控制电路104通过测量电阻器R_SENSE两端的电压来确定流过开关晶体管Q₂的电流，并且调整(PWM的)脉冲宽度以产生通过负载的固定平均电流。可以进一步通过执行电压的峰值检测、确定平均电压或者其他类型的计算来处理所测量的电阻器R_SENSE两端的电压。当开关晶体管Q₂被激活时，电流流过开关晶体管Q₂、共源共栅晶体管Q₁、电感器L₀和负载电路106。当开关晶体管Q₂失效时，电流流过负载电路106、电感器L₀和续流二极管D_free。

二极管桥BR对输入电压VAC进行整流，输入电压VAC可以是向降压转换器电源系统100提供DC输入电压V_IN的AC输入线电压。经由电阻器R_GD和稳压二极管D_ZGD偏置共源共栅晶体管Q₁的栅极。电容器G_GD与稳压二极管D_ZGD并联耦合并且用于过滤源自Q₁的漏极处的高频开关操作的共源共栅晶体管Q1的栅极处的电压纹波。经由二极管D_VCC针对IC 102产生电源电压VCC。VCC的电压大约为V_DZ–Vth1–V_DVCC，其中V_DZ是V_ZGD的齐纳电压，Vth1是共源共栅晶体管Q1的阈值电压，以及V_DVCC是二极管D_VCC的正向电压。例如，如果二极管D_ZGD的齐纳电压约为12V，则共源共栅晶体管Q₁的阈值约为3V，并且二极管D_VCC的正向电压为0.7V，IC102的VCC管脚处的所得电压在IC 102启动期间大约为8.3V。在IC 102启动之后，通过二极管D_VCC利用电容器C_DS对VCC充电。

如图1进一步所示，还使用熔丝、用于限制瞬态输入电压的压敏电阻VAR以及包括在开关模式操作期间用于EMI抑制的电感器L_f和电容器C_f的滤波器。电容器C_DS和电阻器R_DS的串联组合提供了从电感器L₀到IC 102的馈送正向路径，用于零电压的使用或者操作的准谐振模式的谷底检测。例如，在开关晶体管Q₂截止且电感器L₀被消磁之后，续流二极管D_free变成反向偏置，并且共源共栅晶体管Q₁的漏极节点开始以通过电感器L₀的值和耦合至共源共栅晶体管Q₁的漏极的电容的值所确定的频率处成环(ring)或振荡。通过在该成环周期内检测共源共栅晶体管Q₁的漏极处的最小电压以及当共源共栅晶体管Q₁的漏极处的电压最小时导通开关晶体管Q₂，可以减小开关损失。本领域已知的各种谷底开关和准谐振电路可用于在本发明的各个实施例中实施操作的谷底开关和准谐振模式。

集成电路102包括六个管脚：DRAIN、CS、VCC、GND、CON和VSENSE。DRAIN管脚和CS管脚分别耦合至开关晶体管Q₂的漏极和源极端。VCC管脚和GND管脚耦合至用于集成电路102的内部电路的电源，并且CON管脚与用于建立由控制电路104提供的脉宽调制信号的定时的外部电容器C_COMP相接合。外部电容器C_COMP用于测量输出电流并控制输出电流以具有恒定的平均输出电流。VSENSE管脚耦合至包括电阻器R₁和R₂的分压器的输出以感测降压转换器的输入电压V_IN。该分压的输入电压可例如用于估计降压转换器的输出电压V_OUT。

在电源系统100的操作期间，IC 102的管脚CS处的电压V_CS在开关晶体管Q₂导通的时间周期的结束处达到以下峰值电压：

$V_{CS}=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{L}\×T_{on}\×R_{CS},---\left(2\right)$

其中，R_CS是与开关晶体管Q2的源极串联的电阻，V_IN是降压转换器的输入电压，V_OUT是降压转换器的输出电压，T_ON是开关晶体管Q2的导通时间，以及L是电感器L₀的电感。因此，相对于开关晶体管Q2截止的周期的虚拟峰值电压V_CS的表达式如下：

$V_{CS}=\frac{V_{OUT}}{L}\×T_{off}\×R_{CS},---\left(3\right)$

其中，T_OFF是当电流流过电感器L时的开关晶体管Q₂的截止时间。在截止时间期间，压降V_CS是虚拟值，但是其描述了电流通过电感器L，如同其从导通时间结束时的相同峰值电流开始。

由于用于开关晶体管Q₂的导通周期和截止周期的VCS的峰值相等，并且由于R_CS和L的值保持相同，所以表达式(2)和(3)可以如下等效：

$\frac{V_{OUT}}{L}\×T_{off}\×R_{CS}=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{L}\×T_{on}\×R_{CS}.$

消除L和R_CS项，得到：

V_OUT×T_off＝{V_IN-V_OUT}×T_on.

这可以如下重新布置：

{T_on+T_off}×V_OUT＝V_IN×T_on，

以最终得到：

$V_{OUT}=\frac{T_{on}}{T_{on}+T_{off}}\×V_{IN}.---\left(4\right)$

从表达式(4)中清楚看出，给出输入电压V_IN、开关晶体管Q₂的导通时间T_on和截止时间T_off，可以估计具有浮置降压拓扑(具有临界准谐振(QR)控制模式)的开关模式电源中的输出电压。在本发明的可选实施例中，表达式(4)还可以应用于其他控制模式，诸如连续传导模式以及感测开关Q₂的导通时间的中部的平均电感器电流。在一些实施例中，导通时间可以使用其自身的集成调节器来测量，并且截止时间可以结合谷底检测来测量。

图1b示出了在使用现有技术已知的电路和技术利用用于开关晶体管Q₂的谷底开关和/或零电压开关的操作模式的示例性降压转换器电源系统100的操作期间的用于负载电流的示例性电流波形136。如图所示，波形136示出了用于电感器L的四个充电和放电循环期间的电流。在第一循环期间，通过电感器L的电流在T_ON1期间以第一增加斜率进行充电直到电流达到i_LPEAK，然后以对应于第一输出电压的第一下降斜率在T_OFF期间下降。在第二循环期间，通过电感器L的电流在T_ON2期间以第二(且较快)增加斜率充电直到电流达到i_LPEAK，然后以对应于第一循环的相同第一输出电压的第一下降斜率在T_OFF期间下降。在第三循环期间，通过电感器L的电流在T_ON3期间以第三(且更快)增加斜率充电直到电流达到i_LPEAK，然后以对应于第一循环的第一输出电压的相同第一下降斜率在T_OFF期间下降。最后，在第四循环期间，通过电感器L的电流在T_ON3(与前面的循环相同)期间以第三增加斜率充电直到电流达到i_LPEAK，然后以对应于第二输出电压(大于前三个循环的第一输出电压)的更快的第二下降斜率在T_OFF期间下降。

图1c示出了在连续传导模式期间的示例性降压转换器电源系统100的操作期间用于负载的示例性电流波形。如图所示，相对于波形130，该负载电流在T_on期间由于电感器L的充电而线性增加，并且在T_off期间由于电感器L通过负载的放电而线性下降。输出电压V_OUT与斜率相关，或者在T_off期间通过开关晶体管Q2的电流的第一导数如下：

$\frac{{\mathrm{di}}_{OFF}}{dt}=\frac{{\mathrm{dV}}_{OUT}}{L}.$

因此，即使电感器在Ton期间充电得更快，如相对于波形132所示，示出了更快的充电斜率但具有与波形132相同的放电斜率，输出电压相同。在一些实施例中，更快的充电斜率可以是由于更高的输入电源电压。如相对于波形134所示，电感器电流在Toff期间具有比波形130和132更陡峭的斜率，因此表示更高的输出电压应该理解，图1b和图1c所示的波形仅仅是示例性系统的操作期间的许多可能波形的示例。

根据以临界传导模式或连续传导模式操作的又一些实施例，占空比d可以如下定义：

$d=\frac{T_{on}}{T_{on}+T_{off}}.$

因此，输出电压V_OUT还可以如下估计：

V_OUT＝d×V_IN. (5)

因此，通过测量脉宽调制波形的占空比，可以确定输出电压。

图2a-2c示出了各种示例性电路，它们可用于实施示例性输出电压估计系统和方法。例如，图2a示出了示例性输出电压估计电路200，其包括数字化图1所示和上述管脚VSENSE处的电压的模数转换器202。模数转换器202可以使用本领域已知的各种模数转换电路和系统来实施。在一个实施例中，模数转换器202使用针对每个脉宽调制开关循环执行一次转换的8位连续近似转换器来实施。可选地，可以使用其他已知的模数转换器架构和其他解决方案。在一些实施例中，尤其是降压转换器的输入电压被低通滤波的实施例中，可以减少频率地执行模数转换。

在一个实施例中，高频时钟或振荡器204被用作定时参考来经由块206测量开关晶体管Q2的导通周期以及经由块208测量开关晶体管Q2的导通周期和截止周期的总和。在一些实施例中，通过监控用于产生开关晶体管Q2的驱动信号的驱动信号GATE并将驱动信号GATE与高频振荡器或时钟204的时钟输出进行比较来执行这些时间周期测量。在一个实施例中，驱动信号GATE的频率在大约10KHz和大约100KHz之间，而高频振荡器或时钟204的输出处出现的频率大于1MHz，例如在大约50MHz和大约100MHz之间。可选地，这些范围外的频率也可以取决于特定应用及其说明。

在一个实施例中，模数转换器以及测量块206和208的输出为多位输出的形式。计算块210根据上述表达式(4)计算输出电压的估计，以产生输出电压估计值V_ESTIMATE。在一个实施例中，计算块210使用本领域已知的数字逻辑来实施。例如，在一个实施例中，微处理器或微控制器用于执行计算。可选地，本领域已知的任何适当的数字逻辑可用于实施计算块210。

在一些实施例中，由计算块210产生的输出电压估计值V_ESTIMATE可以使用比较器212与参考电平REF进行比较，以产生在过量输出电压的情况下关闭示例性开关模式电源系统的过电压信号OverVoltage。比较器212可以使用根据本领域已知的数字逻辑方法和系统的数字比较器来实施。参考电平REF可以是对应于电源的安全输出电压限制的预定参考电平。在一些实施例中，附加的比例因子可用于补偿由图1所示的电阻器R1和R2形成的电阻分压器的效应。

图2b示出了示例性输出电压估计电路230，其基于计算占空比来估计开关模式电源的输出电压。如图所示，测量块232将高频振荡器或时钟204的输出用作参考来测量上述晶体管Q2的驱动信号的占空比d。使用乘法器将输出测量块232与模数转换器202的输出相乘，以根据表达式(5)形成输出电压估计值V_ESTIMATE。在一些实施例中，可在任何信号路径内使用附加的比例因子以补偿由图1所示的电阻器R1和R2形成的电阻分压器的效应。在一个实施例中，乘法器231可以使用本领域已知的数字乘法器、微处理器、微控制器或者其他适当的数字逻辑来实施。

图2c示出了可用于物理地实施图2a和图2b的实施例的示例性输出电压估计电路240的硬件实施。如图所示，示例性输出电压估计电路240包括模数转换器202和高频振荡器204。计数器块242包括用于测量占空比d、导通时间T_on和截止时间T_off的数字计数器。数字逻辑块和/或微处理器块244可用于产生输出电压估计值V_ESTIMATE以及过电压信号OverVoltage。

在可选实施例中，可以使用时钟输入来代替高频振荡器204。此外，可以代替数字电路或者除数字电路之外使用模拟电路来实施示例性输出电压估计电路。

图3示出了可用于在上述各个实施例中实施降压转换器IC 102的IC 300。IC 300包括耦合至可根据上述任何实施例实施的VSENSE管脚2的输出电压估计块340。输出电压估计块340监控用于驱动晶体管Q2的信号GATE并产生过电压信号OverVoltage。

IC 300还包括用于实施开关晶体管的内部NMOS晶体管Q2。晶体管Q2的栅极通过锁存器310的输出来驱动，其中锁存器310通过谷底检测电路306来激活并通过重置锁存器310的逻辑电路312而去激活。当软启动块、恒定导通时间块和过电流块的输出为高时和/或当输出电压估计块的OverVoltage输出如通过逻辑电路312确定而断定时，可以重置锁存器310。有效地，当断定OverVoltage时，晶体管Q2断开。应该理解，图3所示的逻辑电路312的实施方式仅仅是可执行类似功能的多种可能的逻辑电路的一个示例。

在一个实施例中，IC 300上电之后软启动块的输出为高，并且在不存在过电流条件的情况下过电流块的输出为高。恒定导通时间块提供基于管脚VCS的测量电压以及耦合至管脚CON的外部电容器的值的导通时间。峰值检测采样和保持块314采样管脚VCS的电压以及到电流转换器316的电压，将该测量的峰值电压经由电流源318转换成电流。当定时控制块308激活开关319时，外部电容器耦合至管脚CON。逻辑控制块320监控比较器322的输出并基于比较器322的相对于阈值电压Vref的输入控制恒定导通时间块。

通过带隙302和偏置生成块304来提供IC 300的偏置。IC 300进一步包括块305中的欠压锁定机制和振荡器以及包括温度传感器和热保护电路的热保护块324。应该理解，IC 300是许多可能的示例性降压转换器控制器IC的一个示例。在可选实施例中，可以使用其他控制器电路和系统。

图4示出了操作开关模式功率转换器的示例性方法400的框图。在步骤402中，测量开关模式功率转换器的输入。在步骤404和406中，分别确定开关模式功率转换器的开关的导通时间和截止时间。根据上述实施例，在步骤408中，基于测量的输入电压、确定的导通时间和确定的截止时间确定开关模式功率转换器的输出电压。

根据各个实施例，电路或系统可被配置为通过具有安装在系统上的硬件、软件、固件或它们的组合(在操作中，它们使得系统执行动作)来执行特定的操作或动作。一个一般的方面包括操作开关模式功率转换器的方法，包括：测量开关模式功率转换器的输入电压；确定开关模式功率转换器的开关的导通时间；确定开关模式功率转换器的开关的截止时间；以及基于测量的输入电压、确定的导通时间和确定的截止时间确定开关模式功率转换器的输出电压。输出电压包括位于具有dc路径到开关的负载路径的第一节点处的电压。该方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和系统。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。该方法进一步包括：在开关的导通时间期间，导通开关模式功率转换器的开关；以及在开关的截止时间期间，截止开关模式功率转换器的开关。在以下实施例中，开关模式功率转换器包括降压转换器，其包括dc耦合在开关的负载路径与第一节点之间的电感器。开关模式功率转换器的输出电压可以根据以下表达式来确定：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中，V_input是输入电压，T_on是开关的导通时间，以及T_off是开关的截止时间。

在一些实施例中，确定输入电压包括：执行输入电压的模数转换以产生数字化的输入电压值；以及确定开关的导通时间和确定开关的截止时间包括监控开关控制信号。监控开关控制信号可以包括使用计数器监控开关控制信号。在一个实施例中，确定开关模式功率转换器的输出电压包括使用数字逻辑电路来计算：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中，V_input是输入电压，T_on是开关的导通时间，以及T_off是开关的截止时间。

该方法可进一步包括将确定的输出电压与预定阈值进行比较，和/或可以进一步包括当确定的输出电压超过预定阈值时断开开关模式功率转换器。在一些实施例中，该方法进一步包括：在操作的准谐振模式下操作开关模式功率转换器，并且确定开关的截止时间包括使用零电流检测器和谷底检测电路中的至少一个。所描述技术的实施方式可以包括硬件、方法或处理或者计算机可访问介质上的计算机软件。

又一个一般的方面包括开关模式电源控制器，包括：第一输入，被配置为耦合至开关控制信号；第二输入，被配置为耦合至开关模式电源的输入电压；以及计算电路，被配置为确定开关模式电源的开关的导通时间，确定开关模式电源的开关的截止时间，基于输入电压、确定的导通时间和确定的截止时间确定开关模式电源的输出电压。输出电压包括位于具有dc路径到开关的负载路径的第一节点处的电压。本发明的其他实施例包括被配置为实施各种元件的对应电路、系统和方法。

实施方法可包括以下特征中的一个或多个。开关模式电源控制器可进一步包括：脉冲调制器，被配置为生成开关控制信号，其中脉冲调制器被配置为在开关的导通时间期间导通开关模式电源的开关以及在开关的截止时间期间截止开关模式电源的开关。计算电路可被配置为根据以下表达式确定开关模式电源的输出电压：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中，V_input是输入电压，T_on是开关的导通时间，以及T_off是开关的截止时间。

在一些实施例中，开关模式电源控制器还包括耦合在第二输入和计算电路之间的模数转换器。在一些实施方式中，计算电路包括：第一计数器电路，耦合至第一输入，第一计数器被配置为确定开关的导通时间；以及第二计数器电路，耦合至第二输入。第二计数器可以被配置为确定开关的截止时间以及开关的导通时间加上开关的截止时间的总和中的至少一个。

在一个实施例中，开关模式电源控制器还包括：数字逻辑电路，具有耦合至模数转换器的输出的第一输入、耦合至第一计数器电路的输出的第二输入以及耦合至第二计数器电路的输出的第三输入，使得数字逻辑电路被配置为根据以下表达式计算开关模式电源的输出电压：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中，V_input是由模数转换器确定的输入电压，T_on是由第一计数器电路确定的开关的导通时间，以及T_off是由第二计数器电路确定的开关的截止时间。在一个实施例中，在开关模式电源控制器中，模数转换器和计算电路被设置在半导体衬底上。

在一个实施例中，计算电路还包括比较器，其被配置为将确定的输出电压与预定阈值进行比较，并且在确定的输出电压超过预定阈值时断开开关模式电源。开关模式电源控制器可被配置为操作包括电感器的开关模式降压转换器，其中电感器dc耦合在开关的负载路径与第一节点之间。所述技术的实施方案可以包括硬件、方法或处理或者计算机可访问介质上的计算机软件。

一个一般的方面包括发光二极管(LED)电源，包括：第一集成电路，具有第一开关、被配置为通过调制提供给第一开关的控制节点的第一开关信号来控制通过第一开关的第一电流的控制器以及具有耦合至第一开关信号的第一输入和耦合至LED电源的电源输入节点的第二输入的计算电路。计算电路被配置为确定第一开关的导通时间，确定第一开关的截止时间，以及基于第一输入处的电压、确定的导通时间和确定的截止时间确定LED电源的输出电压。LED电源的输出电压包括具有DC路径到第一开关的负载路径的输出端口处的电压。该方面的其他实施例包括被配置为实施各种元件的对应电路和系统以及方法。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。LED电源可以进一步包括：电感器，DC耦合在第一开关的输出节点与LED电源的输出端口之间；以及续流二极管，耦合在第一开关的输出与电源输入节点之间。在一些实施例中，LED电源进一步包括耦合在AC输入端口和电源输入节点之间的整流器，和/或包括耦合至LED电源的输出端口的LED。LED电源可进一步包括耦合至计算电路的电源输入节点和第一输入的电阻分压器。所描述技术的实施方式可以包括硬件、方法或处理或者计算机可访问介质上的计算机软件。

又一个一般方面包括操作开关模式功率转换器的方法，包括：测量开关模式功率转换器的输入电压；确定开关模式功率转换器的开关的占空比；以及基于测量的输入电压和确定的占空比确定开关模式功率转换器的输出电压。本发明的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和系统。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。确定开关模式功率转换器的输出电压的方法包括计算V_input×d，其中，V_input是测量的输入电压，以及d是确定的占空比。所描述技术的实施方式可以包括硬件、方法或处理或者计算机可访问介质上的计算机软件。

一些实施例的优点包括精确地估计开关模式电源的输出电压而不使用辅助绕组且不执行开关模式电源的输出电压的直接测量的能力。一些有利的实施例仅需要额外的两个外部电阻器来将输入电压分压到开关模式电源。

在一个或多个示例中，本文所描述的功能可以至少部分地以硬件(诸如特定的硬件部件或处理器)来实施。更一般地，可以以硬件、处理器、软件、固件或任何它们的组合来实施技术。如果以软件来实施，则功能可以以一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或在计算机可读介质上传输，并且通过基于硬件的处理单元来执行。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，其对应于诸如数据存储介质的有形介质，或者包括任何利于计算机程序(例如，根据通信协议)从一个地方传输到另一个地方的任何介质的通信介质。以这种方式，计算机可读介质通常可以对应于(1)非暂态的有形计算机可读存储介质，或者(2)诸如信号或载波的通信介质。数据存储介质可以是任何可用的介质，其可被一个或多个计算机或者一个或多个处理器访问以检索用于实施本公开面搜狐的技术的指令、代码和/或数据结构。计算机程序产品可以包括计算机可读介质。

通过示例但不限制，这种计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或者其他磁性存储设备，闪存、或者可用于以可被计算机访问的指令或数据结构的形式存储期望的程序代码的任何其他介质。此外，任何连接适当地称为计算机可读介质，即计算机可读传输介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤、双钮线、数字用户线(DSL)或者无线技术(诸如红外、无线电和微波)从网站、服务器或其他远程源传输指令，则同轴线缆、光纤、双钮线、DSL或无线技术(诸如红外、无线电和微波)被包括在介质的定义中。然而，应该理解，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波信号或者其他瞬态介质，而是表示非暂态的有形存储介质。如本文所使用的，盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中盘通常磁性地再生数据，而光盘利用激光光学地再生数据。上述组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。

指令可以被一个或多个处理器(诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或分立逻辑电路)执行。因此，本文使用的术语“处理器”可以表示任何前述结构或者适合于实施本文所述技术的任何其他结构。此外，在一些方面中，本文所述的功能可以设置在被配置用于编码和解码的专用硬件和/或软件模块内，或者结合在组合编码解码器中。此外，技术可以完全以一个或多个电路或逻辑元件来实施。

本公开的技术可以在各种设备或装置(包括无线收集、集成电路(IC)或IC集合(例如，芯片集))中实施。本公开描述各种部件、模块或单元以强调被配置为执行所公开技术的设备的功能方面，但是不需要要求通过不同的硬件单元来实现。此外，如上所述，各种单元可以在单个硬件单元中组合或者通过操作中的硬件单元(包括一个或多个上述处理器)与适当的软件和/或固件的集合来提供。

虽然参照所示实施例描述了本发明，但说明书不用于限制。本领域技术人员在参照说明书的基础上，容易实现所示实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。

Claims (24)

1.一种操作开关模式功率转换器的方法，所述方法包括：

测量所述开关模式功率转换器的输入电压；

确定所述开关模式功率转换器的开关的导通时间；

确定所述开关模式功率转换器的所述开关的截止时间；以及

基于所测量的输入电压、所确定的导通时间和所确定的截止时间确定所述开关模式功率转换器的输出电压，其中所述输出电压包括第一节点处的电压，所述第一节点具有到所述开关的负载路径的DC路径。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述开关的所述导通时间期间，导通所述开关模式功率转换器的所述开关；以及

在所述开关的所述截止时间期间，截止所述开关模式功率转换器的所述开关。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关模式功率转换器包括降压转换器，所述降压转换器包括DC耦合在所述开关的所述负载路径与所述第一节点之间的电感器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关模式功率转换器的所述输出电压根据以下表达式来确定：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中V_input是所测量的输入电压，T_on是所述开关的所述导通时间，以及T_off是所述开关的所述截止时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

确定所述输入电压包括执行所述输入电压的模数转换，以产生数字化输入电压值；以及

确定所述开关的导通时间和确定所述开关的截止时间包括监控开关控制信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中监控所述开关控制信号包括使用计数器监控所述开关控制信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述开关模式功率转换器的所述输出电压包括使用数字逻辑电路来计算：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中V_input是所测量的输入电压，T_on是所述开关的所述导通时间，以及T_off是所述开关的所述截止时间。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所确定的输出电压与预定阈值进行比较。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：当所确定的输出电压超过所述预定阈值时，关闭所述开关模式功率转换器。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

以准谐振操作模式操作所述开关模式功率转换器；以及

使用零电流检测器和谷底检测电路中的至少一个来确定所述开关的所述截止时间。

11.一种开关模式电源控制器，包括：

第一输入，被配置为耦合至开关控制信号；

第二输入，被配置为耦合至开关模式电源的输入电压；以及

计算电路，被配置为确定所述开关模式电源的开关的导通时间，确定所述开关模式电源的所述开关的截止时间，基于所述输入电压、所确定的导通时间和所确定的截止时间来确定所述开关模式电源的输出电压，其中所述输出电压包括第一节点处的电压，所述第一节点具有到所述开关的负载路径的DC路径。

12.根据权利要求11所述的开关模式电源控制器，还包括脉冲调制器，其被配置为生成所述开关控制信号，其中所述脉冲调制器被配置为在所述开关的所述导通时间期间导通所述开关模式电源的所述开关以及在所述开关的所述截止时间期间截止所述开关模式电源的所述开关。

13.根据权利要求11所述的开关模式电源控制器，其中所述计算电路被配置为根据以下表达式确定所述开关模式电源的所述输出电压：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中V_input是所述输入电压，T_on是所述开关的所述导通时间，以及T_off是所述开关的所述截止时间。

14.根据权利要求11所述的开关模式电源控制器，还包括耦合在所述第二输入和所述计算电路之间的模数转换器。

15.根据权利要求14所述的开关模式电源控制器，其中所述计算电路包括：

第一计数器电路，耦合至所述第一输入，所述第一计数器被配置为确定所述开关的所述导通时间；以及

第二计数器电路，耦合至所述第二输入，所述第二计数器被配置为确定所述开关的所述截止时间以及所述开关的所述导通时间加上所述开关的所述截止时间的和中的至少一个。

16.根据权利要求15所述的开关模式电源控制器，还包括数字逻辑电路，所述数字逻辑电路具有耦合至所述模数转换器的输出的第一输入、耦合至所述第一计数器电路的输出的第二输入以及耦合至所述第二计数器电路的输出的第三输入，所述数字逻辑电路被配置为根据以下表达式计算所述开关模式电源的所述输出电压：

$\frac{V_{input}\×T_{on}}{T_{on}+T_{off}},$

其中V_input是由所述模数转换器确定的所述输入电压，T_on是由所述第一计数器电路确定的所述开关的所述导通时间，以及T_off是由所述第二计数器电路确定的所述开关的所述截止时间。

17.根据权利要求15所述的开关模式电源控制器，其中所述模数转换器和所述计算电路设置在半导体衬底上。

18.根据权利要求11所述的开关模式电源控制器，其中：

所述计算电路还包括被配置为将所确定的输出电压与预定阈值进行比较的比较器；以及

当所确定的输出电压超过所述预定阈值时，关闭所述开关模式电源。

19.根据权利要求11所述的开关模式电源控制器，其中所述开关模式电源控制器被配置为操作开关模式降压转换器，所述开关模式降压转换器包括DC耦合在所述开关的负载路径与所述第一节点之间的电感器。

20.一种发光二极管(LED)电源，包括：

第一集成电路，包括：

第一开关，

控制器，被配置为通过调制提供给所述第一开关的控制节点的第一开关信号来控制通过所述第一开关的第一电流，和

计算电路，具有耦合至所述第一开关信号的第一输入和耦合至所述LED电源的功率输入节点的第二输入，所述计算电路被配置为确定所述第一开关的导通时间，确定所述第一开关的截止时间，以及基于所述第一输入处的电压、所确定的导通时间和所确定的截止时间来确定所述LED电源的输出电压，其中所述LED电源的所述输出电压包括输出端口处的电压，所述输出端口具有到所述第一开关的负载路径的DC路径。

21.根据权利要求20所述的LED电源，还包括：

电感器，DC耦合在所述第一开关的输出节点与所述LED电源的所述输出端口之间；以及

续流二极管，耦合在所述第一开关的输出与所述功率输入节点之间。

22.根据权利要求21所述的LED电源，还包括耦合在AC输入端口和所述功率输入节点之间的整流器。

23.根据权利要求20所述的LED电源，还包括耦合至所述LED电源的所述输出端口的LED。

24.根据权利要求20所述的LED电源，还包括耦合至所述功率输入节点和所述计算电路的所述第一输入的电阻分压器。