CN106059304B - 使用次级开关的电压有效减小的开关 - Google Patents

使用次级开关的电压有效减小的开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在功率转换器中使用的控制器，包括一个初级控制器和一个次级控制器，以控制一个功率开关和一个次级开关的开关，该功率开关和该次级开关分别被耦合到一个功率转换器的一个能量传递元件。一个第一驱动电路被耦合为生成第一驱动信号以在该初级驱动信号的一个接通区段之后启用该次级驱动信号的第一接通区段。一个第二驱动电路被耦合为生成第二驱动信号以启用该次级驱动信号的第二接通区段，从而将能量储存在该能量传递元件内。在该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量被耦合为在该初级驱动信号的下一个接通区段之前减小该功率开关两端的开关电压。响应于该第一驱动信号和该第二驱动信号生成该次级驱动信号。

Description

使用次级开关的电压有效减小的开关
技术领域
本发明总体涉及控制功率转换器。更具体地，本发明的实施例涉及控制开关模式功率转换器。
背景技术
电子设备(诸如，蜂窝电话、平板电脑、膝上型电脑等)使用电力进行操作。由于开关模式功率转换器效率高、尺寸小以及重量低，因此它们通常被用于为许多当今的电子设备供电。常规壁式插座提供高压交流。在开关功率转换器中，高电压交流(ac)输入被转换，以通过能量传递元件提供经良好调节的直流(dc)输出至负载。在操作中，接通或关断一个开关以通过改变占空比(通常，开关的接通时间与总开关周期的比率)、改变开关频率或改变开关模式功率转换器中开关的每单位时间的接通脉冲的数目/关断脉冲的数目来提供期望的输出。
一般而言，使开关功率转换器的功率开关进行开关以提供期望的输出会由于使功率开关接通和关断而导致开关损耗。例如，当功率开关被接通时，当具有漏极电容(例如，功率开关的漏极和源极之间的有效电容)的功率开关两端的电压非零时，在该功率开关中可能发生接通损耗。漏极电容储存的(和耗散的)能量与漏极电容的值以及漏极电容两端的电压的平方成比例。由于漏极电容，功率开关两端的非零电压可能在通过该功率开关的开关电流中导致一个尖峰。可以通过减小漏极电容的值来减少接通期间的功率耗散。
由于开关电流下降到零和功率开关两端的开关电压从零增大存在重叠时间(crossover time)，因此在功率开关中可能发生关断损耗。开关电压从零增大的速度部分地决定于漏极电容的值。漏极电容越低，开关电压从零增大得越快。然而，开关电压从零增大得越快，在关断期间的功率耗散越大，这是因为关断损耗是重叠时间期间瞬时电压和瞬时电流的乘积。因此，关断损耗有时也被称为重叠损耗。可以通过增大漏极电容的值使得在开关电压从零增大之前开关电流已经大体上下降到零(这使重叠时间最小化且因此使接通损耗最小化)来减少关断期间的功率耗散。因此，在减少功率开关的接通损耗和减少功率开关的关断损耗之间存在折中。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种在功率转换器中使用的控制器，包括：
一个初级控制器，该初级控制器被耦合为响应于一个使能信号生成一个初级驱动信号，以控制一个功率开关的开关从而控制能量从该功率转换器的输入到该功率转换器的一个能量传递元件的传递；以及
一个次级控制器，该次级控制器被耦合为生成一个次级驱动信号，以控制一个被耦合到该能量传递元件的次级开关的开关，该次级控制器包括：
一个使能电路，该使能电路被耦合为接收一个代表该功率转换器的输出的反馈信号，该使能电路被耦合为响应于该反馈信号生成该使能信号；
第一驱动电路，该第一驱动电路被耦合为生成第一驱动信号，以在该初级驱动信号的一个接通区段之后启用该次级驱动信号的第一接通区段，从而控制能量从该能量传递元件到该功率转换器的该输出的传递；以及
第二驱动电路，该第二驱动电路被耦合为生成第二驱动信号以在该初级驱动信号的该接通区段之后启用该次级驱动信号的第二接通区段，从而将能量储存在该能量传递元件内，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量被耦合为在该次级驱动信号的该第二接通区段之后且在该初级驱动信号的下一个接通区段之前减小该功率开关两端的开关电压，其中响应于该第一驱动信号和该第二驱动信号生成该次级驱动信号。
根据本发明的又一方面，提供一种功率转换器，包括：
一个能量传递元件，该能量传递元件具有一个初级绕组和一个次级绕组；
一个功率开关，该功率开关被耦合到该初级绕组且被耦合到该功率转换器的输入；
一个初级控制器，该初级控制器被耦合为响应于一个使能信号生成一个初级驱动信号，以控制一个功率开关的开关从而控制能量从该功率转换器的所述输入到所述能量传递元件的传递；以及
一个次级控制器，该次级控制器被耦合为生成一个次级驱动信号，以控制一个被耦合到该次级绕组的次级开关的开关，该次级控制器包括：
一个使能电路，该使能电路被耦合为接收一个代表该功率转换器的所述输出的反馈信号，该使能电路被耦合为响应于该反馈信号生成该使能信号；
第一驱动电路，该第一驱动电路被耦合为生成第一驱动信号，以在该初级驱动信号的一个接通区段之后启用该次级驱动信号的第一接通区段，从而控制能量从该能量传递元件到该功率转换器的该输出的传递；以及
第二驱动电路，该第二驱动电路被耦合为生成第二驱动信号以在该初级驱动信号的该接通区段之后启用该次级驱动信号的第二接通区段，从而将能量储存在该能量传递元件内，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量被耦合为在该次级驱动信号的该第二接通区段之后且在该初级驱动信号的下一个接通区段之前减小该功率开关两端的开关电压，其中响应于该第一驱动信号和该第二驱动信号生成该次级驱动信号。
附图说明
参考下面的附图描述本发明的非限制性且非穷举性实施方案，其中在所有多个视图中相同的参考数字指示相同的部分，除非另有指明。
图1A例示了根据本发明的教导的在反激结构(flyback configuration)中利用一个用于输出整流的同步整流器的功率转换器的一个实施例。
图1B例示了根据本发明的教导的在反激结构中利用一个用于输出整流的同步整流器的功率转换器的另一个实施例。
图2示出了根据本发明的教导的例示了在一个示例功率转换器中发现的初级驱动信号的示例波形、次级驱动信号的示例波形、开关电流的示例波形以及开关电压的示例波形的示例时序图。
图3例示了根据本发明的教导的例示了漏极电容对关断损耗的影响的初级驱动信号的示例波形、开关电流的示例波形以及开关电压的示例波形的示例时序图。
图4例示了根据本发明的教导的第二驱动电路的一个示例判定过程的流程图。
图5A是根据本发明的教导的例示了示例初级控制和次级控制的示例图。
图5B示出了根据本发明的教导的例示了在一个示例功率转换器中发现的初级驱动信号的示例波形、开关电流的示例波形、开关电压的示例波形以及次级驱动信号的示例波形的示例时序图。
在附图的所有若干视图中，对应的参考字符指示对应的部件。本领域技术人员应理解，图中的元件是为了简化和清楚的目的而例示的，并且未必按比例绘制。例如，图中一些元件的尺度可以相对于其他元件被夸大，以帮助提高对本发明多种不同实施方案的理解。此外，为了便于较少妨碍观察本发明这些不同实施方案，在商业可行的实施方案中有用或必需的常见但是众所周知的元件通常未被示出。
具体实施方式
在下面的描述中，阐明了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将明了，不是必须采用这些具体细节来实施本发明。在其他情况下，为了避免模糊本发明，没有详细描述众所周知的材料或方法。
在此说明书全文中提到“一个实施方案”、“一实施方案”、“一个实施例”或“一实施例”意指关于该实施方案或实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在此说明书全文中多个地方出现的短语“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”未必全都指相同的实施方案或实施例。再者，所述具体特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合进行结合。具体特征、结构或特性可被包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的部件内。此外，应理解，本文中提供的图是出于向本领域普通技术人员解释的目的，并且附图未必按比例绘制。
出于例示目的，注意到，下文描述讨论了一种功率转换器，出于提供能量的目的，该功率转换器可以用来向电池供电的产品提供输出电压和输出电流。然而，应理解，本发明通常可以应用到任何功率转换器。
在本文中所描述的多个实施例中，根据本发明的教导，通过减小功率开关接通时其两端的电压来实现减少功率开关的开关损耗。还可以间接地使用根据本发明教导的实施例来减少功率开关中的关断损耗，这是因为该开关在接通时两端的电压的减小意味着该开关两端的电容不再对接通损耗具有可感知的影响。结果，该功率开关两端的电容可以增大，这通常会通过减少V×I重叠损耗来减少关断损耗，且不影响接通损耗。此接通损耗以及可能地关断损耗的减少使得例如根据本发明教导的功率转换电路中的效率较高。
为了例示，图1A例示了根据本发明的教导的在反激结构中利用用于输出整流的同步整流器122的功率转换器100的一个实施例，该同步整流器还可以被称为次级开关。在一个实施例中，功率转换器100可以被用来例如向电子设备(诸如例如，电池供电的产品)提供能量。然而，应理解，功率转换器100可以向其他类型的电子设备提供能量。此外，用于功率转换器100的其他拓扑结构也可以受益于本发明的教导。在所描绘的实施例中，以虚线例示的有效漏极电容CP 120代表耦合在功率开关116两端的全部电容。电容CP 120可以包括能量传递元件T1 106内部的固有电容，以及功率开关116的固有内部电容。电容CP 120还可以代表为了对噪声滤波以及为了放慢开关电压的转变而有意放置在电路的多个部分中的分立电容器。
在所例示的实施例中，功率转换器100还包括初级控制器134和次级控制器132。初级控制器134控制初级开关116的开关，而次级控制器132控制次级开关122的开关。如上文所提及的，次级开关122可以被例示为同步整流器122。初级控制器134和次级控制器132可以通过通信链路133通信。在一个实施例中，初级控制器134和次级控制器132可以被形成为一个被制造为混合集成电路或单片集成电路的集成电路的一部分，该集成电路被示出为控制器130。在一个实施例中，初级开关116还可以与控制器130集成在单个集成电路封装件中。在另一个实施例中，次级开关122可以与控制器130集成在单个集成电路封装中。然而，在另一个实施例中，应理解，初级控制器和次级控制器不一定被包括在单个控制器封装件中，且例如可以被实施在分开的控制器封装件中。此外，在一个实施例中，初级控制器134和次级控制器132可以被形成为分开的集成电路。
返回参考图1A中所描绘的实施例，次级控制器132被示出为包括如所例示的那样耦合的使能电路136、第一驱动电路138、第二驱动电路140、延迟电路144以及或门142。使能电路136接收代表输出量UO147的反馈信号UFB 150，且输出使能信号UEN 152。输出量UO 147可以代表功率转换器100的输出电压VO 146、功率转换器100的输出电流IO 148或二者。使能电路136确定功率转换器100的开关循环是否应被启用。换句话说，使能电路136确定初级开关116是否应被启用。在一个实施例中，使能信号UEN 152是具有逻辑高区段和逻辑低区段的矩形脉冲波形，其中使能信号UEN 152中的前沿对应于使初级开关116接通。
在一个实施例中，第一驱动电路138可以响应于使能信号152、绕组感测信号154和/或输出感测信号149输出第一驱动信号U1 156。在一个实施例中，第一驱动信号U1 156是控制同步整流器122接通和关断的输出。在一个实施例中，第一驱动信号U1 156是具有变化长度的逻辑高区段和逻辑低区段的矩形脉冲波形。对于图1A中示出的实施例，当第一驱动信号U1 156是逻辑高时，或门142的输出(该输出是次级驱动信号USR 158)也是逻辑高且次级开关122(同步整流器122)被接通。在一个实施例中，第一驱动电路138是用于同步整流器122的主要控制器。例如，在一个实施例中，功率转换器100的次级侧上的次级开关122被控制在初级开关116被关断之后被接通，使得在初级开关116接通时储存在能量传递元件106中的能量被传递到功率转换器100的输出(例如，被传递到输出电容器CO 124和负载126)。在此实施例中，次级绕组110中的电流在端子114到端子113的方向上流动。
在操作中，根据本发明的教导还利用次级开关122(同步整流器122)在次级开关122第一次接通之后并且在功率开关116下一次接通之前减小开关电压VDS 118。第二驱动电路140可以控制次级开关122以在功率开关116下一次接通之前另外接通。在一个实施例中，在功率开关116下一次接通之前，开关电压VDS 118被减小到大体上零。在功率开关116接通之前，次级开关122被接通以使得磁能被储存在能量传递元件106中，其中经过能量传递元件106的次级绕组110的电流从端子113流向端子114。在一个实施例中，次级开关122被接通足够长时间以使得储存在能量传递元件106中的磁能大体上等于储存在漏极电容CP 120两端(across)的能量。根据本发明的教导，在正常操作期间除了次级开关122的主接通以外是次级开关122的所述接通来储存磁能。
在该实施例中，一旦在将磁能储存在能量传递元件106中之后关断次级开关122，能量传递元件106中储存的磁能就在初级绕组108中生成从端子112到端子111方向的电流流动，根据本发明的教导，这耗尽了储存在漏极电容CP 120两端的能量且使得开关电压VDS118减小。在一个实施例中，开关电压VDS 118大体上被减小到零。因此，在功率开关116接通期间有非常少的开关损耗，这是因为当功率开关116被接通时开关电压VDS 118被大体上减小到零。此外，功率开关116的关断损耗也可以被减少。具体而言，因为开关电压VDS 118被大大减小，所以有效漏极电容CP 120的值会增大且相应地功率开关116的关断损耗也会减少。
在一个实施例中，接通次级开关122用于储存磁能和使电容性能量放电的时间长度(例如，图5A和图5B中的时间T2 592)可以是输出电流IO 148的值、输入电压VIN 102的值或初级驱动信号160的接通区段与次级驱动信号158的接着的第二接通区段之间的时间长度(在图5B中示出为时间长度T4 594)的函数。可以利用次级绕组(例如，图1B中的FWD引脚154)两端的电压感测输入电压VIN 102。当输入电压VIN 102增加时，时间T2 592也可以增加且反之亦然。当输出电流IO 148减小时，时间T2 592可以增加且反之亦然。在一个实施例中，自上一个被启用的开关循环以后，自输出电流IO 148可以是低的一些时间以后输出电流IO 148可以是低的，且一些电容(例如，初级绕组箝位或偏置绕组电容器中的电容)可能已经放电。这样，当输出电流IO 148是低的时，可能花费更长的时间来将足够的磁能储存在能量传递元件106中以使得电容CP 120的能量放电。
在一个实施方案中，初级控制器134还可以感测开关电压VDS 118以延迟初级电压VP 108的接通，直到开关电压VDS 118是低的为止。例如，一旦次级开关122被接通和被关断，初级开关116就可以立即接通。然而，直到初级控制器134感测到的开关电压VDS 118已经下降到一个阈值以下，功率开关116才被接通。
如将讨论的，在一个实施例中，初级控制器134还可以包括超时电路连同开关电压VDS感测电路(例如，图5A中的开关电压感测电路564)，使得如果开关电压VDS 118在给定的时间量内未下降到一个阈值以下，则允许功率开关116接通。
如图1A中所描绘的实施例中示出的，使能电路136输出的使能信号UEN 152由第二驱动电路140和延迟电路144接收。在一个实施例中，第二驱动电路140可以响应于使能信号UEN 152来确定接通次级开关122。第二驱动电路140可以响应于使能信号UEN 152来输出驱动信号U2 157。在一个实施例中，第二驱动信号U2 157是具有变化长度的逻辑高区段和逻辑低区段的矩形脉冲波形。对于图1中示出的实施例，当第二驱动信号U2 157是逻辑高时，或门142的输出(该输出是次级驱动信号USR 158)也是逻辑高且次级开关122(同步整流器122)被接通。如果次级控制132确定初级开关116的下一个开关循环应被启用，则第二驱动电路140接通同步整流器122。如下文将讨论的，图4例示了用于第二驱动电路140的判定过程的一个实施例。在一个实施例中，如果初级开关116的下一个开关循环被启用则第二驱动电路140断言(assert)第二驱动信号U2 157，功率转换器在不连续导通模式(DCM)下操作，且次级开关122已经关断，或换句话说，第一驱动信号U1 156已经被解除断言(de-assert)。
当次级开关122(同步整流器122)由于第二驱动电路140和第二驱动信号U2 157而被接通时，电流从次级绕组110的端子113流向端子114。磁能则被储存在能量传递元件106中，使得当同步整流器122被关断时，储存在电容CP 120中的能量导致从端子112到端子111的电流流动，这根据本发明的教导减小了开关电压VDS 118。
在一个实施例中，使能信号UEN 152中的一个前沿——其对应于启用初级开关116以进行下一个开关循环——可以触发第二驱动电路140以在给定的时间量(例如，图5B中的T2 592)内为第二驱动信号U2 157输出逻辑高值。第二驱动信号U2 157使同步整流器122接通的时间量(例如，图5B中的T2 592)可以是固定时间量或可变时间量。在一个实施例中，根据本发明的教导，该时间(例如，图5B中的T2 592)足够长以使得储存在能量传递元件106中的磁能大体上等于储存在漏极电容CP 120两端的能量。在一个实施例中，该时间长度(例如，图5中的T2 592)可以响应于代表输出电压VIN 102的绕组感测信号154、代表输出电流IO148的输出电流感测信号149或二者。在一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T2 592)随着输入电压VIN 102增大而增加。在另一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T2 592)随着输出电流IO 148减小而增加。在另一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T2 592)随着初级驱动信号的接通区段与次级驱动信号的接着的第二接通区段之间的时间长度(例如，图5B中的T4 594)增加而增加。
如所描绘的实施例中示出的，延迟电路144被耦合为接收使能信号UEN 152且可以使使能信号UEN 152延迟。如图1A中示出的实施例中例示的，延迟电路144的输出被称为经延迟的使能信号UEN_D 159。延迟长度(也被称为延迟时间)可以是固定的或可变的。在一个实施例中，第二驱动电路140可以启用或禁用延迟电路144。例如，如果第二驱动信号U2 157未被断言，则延迟电路144不使使能信号UEN 152延迟。然而，根据本发明的教导，如果第二驱动信号U2 157被断言，则延迟电路144防止使能信号UEN 152启动初级开关116的接通，直到次级开关122被关断且开关电压VDS 118已经被减小为止。在示出的实施例中，延迟电路144可以从第二驱动电路140接收代表延迟时间的信号195。延迟电路144的延迟时间可以是第二驱动信号U2 157被断言的时间长度(例如，图5B的时间T2 592)和在第二驱动信号U2 157已经被解除断言之后的时间长度(例如，图5B中的T5 596)的函数。换句话说，时间长度(例如，图5B中的T5 596)可以代表开关电压VDS 118下降到大体上零的时间量。第二驱动信号U2157已经被解除断言之后的时间长度(例如，图5B中的T5 596)可以响应于绕组感测信号154(代表输出电压VIN 102)、输出电流感测信号149(代表输出电流IO 148)、初级驱动信号的接通区段与次级驱动信号的接着的第二接通区段之间的时间长度(例如，图5B中的T4 594)或三者的组合。在一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T5 596)随着输入电压VIN 102增大而增加。在另一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T5 596)随着输出电流IO 148减小而增加。在另一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T5 596)随着初级驱动信号的接通区段与次级驱动信号的接着的第二接通区段之间的时间长度(例如，图5B中T4 594)增加而增加.
在所描绘的实施例中，初级控制134被例示为接收经延迟的使能信号UEN_D 159(如果不存在延迟则经延迟的使能信号UEN_D 159可以恰好是使能信号UEN 152)，且输出初级驱动信号UDR 160以控制功率开关116的开关。在一个实施例中，初级控制134还可以接收开关感测信号161，开关感测信号161可以代表开关电流ID 119、开关电压VDS 118或二者。
图1B例示了根据本发明的教导的功率转换器100的另一个实施例。注意到，图1B的功率转换器100可以是图1A的功率转换器100的另一个实施例，且下文引用的类似命名的元件和编号的元件因此类似于如上文所描述的被耦合和起作用。
图1B中例示的实施例与图1A中例示的实施例之间的一个区别是，图1B中例示的实施例示出了可以感测某些信号(诸如，FWD 154信号，其是绕组感测154信号的一个实例)的不同方式。如图1B中所描述的实施例中示出的，FWD 154绕组感测信号通过一个电阻器而被接收，该电阻器被耦合到能量传递元件106的次级绕组110的端子114。图1B中所描述的实施例还例示了一个电阻器分压器，该电阻器分压器如示出的被耦合到功率转换器100的输出，且被用来实施用于功率转换器100的感测电路128。此外，图1B中所描述的实施例还例示了功率开关116、初级控制器134以及次级控制器132都可以被包括在相同的封装件内。
图2例示了根据本发明的教导的在一个示例功率转换器(诸如例如，图1A-图1B的功率转换器100)中发现的初级驱动信号UDR 260的示例波形、次级驱动信号USR 258的示例波形、开关电流ID 219的示例波形以及开关电压VDS 218的示例波形的示例时序图200。在该实施例中，根据本发明的教导，页面的左侧的波形例示了在没有第二驱动电路140和第二驱动信号U2 157的情况下开关电流ID 219的示例波形和开关电压VDS 218的示例波形，而页面的右侧的波形例示了在有第二驱动电路140和第二驱动信号U2 157的情况下开关电流ID219的示例波形和开关电压VDS 218的示例波形。
如示出的，初级驱动信号UDR 260包括由关断区段间隔开的接通区段。在初级驱动信号UDR 260的接通区段期间，功率开关116被接通且通过能量传递元件106的初级绕组的开关电流使能量传递元件106中的磁性地储存的能量增加。在初级驱动信号UDR 260的接通区段之后的一个关断区段开始时，初级驱动信号UDR 260从逻辑高值转变到逻辑低值，这关断了功率开关116且第一接通区段开始且次级驱动信号USR 258从逻辑低值转变到逻辑高值。在该实施例中，次级驱动信号USR 258的第一接通区段被例示为对应于第一驱动信号U1256，该驱动信号U1 256接通次级开关122。在该实施例中，当次级开关122响应于对应于第一驱动信号U1 256的第一接通区段而被接通时，在初级驱动信号UDR 260的接通区段期间储存在能量传递元件106中的磁能被传递到功率转换器100的输出。如示出的，开关电流ID219下降到零，且开关电压VDS218从零增大。开关电压VDS 218振铃(ring)且然后稳定为大体上输入电压VIN加上初级绕组上的电压VP。在次级驱动信号USR的逻辑高区段结束时，开关电压VDS 218开始减小，然而，由于该功率转换器中的多种电感和电容，开关电压VDS 218也振铃。此区段还被称为弛豫周期(relaxation period)。
对于不具有第二驱动电路140且因此不具有第二驱动信号U2 157的一个实施例，如图2的左侧示出的，在初级驱动信号UDR 260的每个接通区段开始(其是当初级驱动信号UDR 260从逻辑低值转变到逻辑高值时)时，，初级开关116被接通同时开关电压VDS 218大体上为非零(在时间tA 262处示出的)。因此，漏极电容CP 120中的储存的能量被耗散，且在初级驱动信号UDR 260的接通区段开始时开关电流ID 219经历非零值的电流尖峰296。这通常被称为接通开关损耗。
然而在添加第二驱动电路140和第二驱动信号U2 157的情况下，如图2的右侧示出的，在初级驱动信号UDR 260中的每个接通区段之后在次级驱动信号USR 258中出现第二接通区段。次级驱动信号USR 258的第二接通区段被例示为对应于第二驱动信号脉冲U2 257，在初级驱动信号UDR 260的每个接通区段之间第二驱动信号脉冲U2 257第二次接通次级开关122。在该实施例中，当在初级驱动信号UDR 260的每个接通区段之后响应于第二驱动信号脉冲U2 257第二次接通次级开关122时，在第二驱动信号U2 257为逻辑高的时间长度内，开关电压VDS218大体上增大到输入电压VIN加上初级绕组上的电压VP。应注意，在一个实施例中，时间周期U2 257的启动可以被控制以与弛豫周期波形中的一个尖峰大体上一致，该弛豫周期波形将在图1中的同步整流FET122接通的点处减小该同步整流FET 122两端的电压(且因此减少该同步整流FET 122中的能量损耗)。在一个实施例中，此控制可以是使用来自绕组感测输入154的信息的第二驱动电路140的部分功能。在此时间期间，磁能被储存在能量传递元件106中。一旦第二驱动信号U2 257转变到逻辑低值且次级开关122关断，开关电压VDS 128就响应于在次级驱动信号USR 258的第二接通区段期间响应于第二驱动信号U2257储存在能量传递元件106中的磁能而减小。在图2中示出的实施例中，开关电压VDS 218减少到零(如在时间tB 263处示出的)。因此，根据本发明的教导，当在初级驱动信号UDR 260中出现下一个接通区段(如示出的从逻辑低值转变到逻辑高值)以接通功率开关116时，电容CP120基本被放电，且在开关电流ID 219中不存在尖峰。这样，根据本发明的教导可以减少接通开关损耗。
图3例示了示出根据本发明教导的初级驱动信号UDR 360的示例波形、开关电流ID319的示例波形以及开关电压VDS 318的示例波形的示例时序图300，这些波形图例示了漏极电容对在一个示例功率转换器(诸如例如，图1A-图1B的示例功率转换器100)中发现的关断损耗的影响。应理解，开关电流ID 319的延迟被夸大以更好地说明重叠周期。如所描述的实施例中示出的，在功率开关的接通时间(其在该实施例中当初级驱动信号UDR 360是逻辑高时出现)期间，开关电流ID 319增大。当初级开关关断(其在该实施例中当初级驱动信号UDR360从逻辑高转变到逻辑低时出现)时，开关电流ID 319减小到大体上为零。同样在此时当初级开关关断时漏极电压VDS 318开始增大。可以通过漏极电容CP 120的大小部分地确定漏极电压VDS 318的增大速率。例如，漏极电容CP 120的值越低可以对应于漏极电压VDS 318增大得越快。如图3中示出的，当漏极电容CP 120较低时，漏极电压VDS 318和开关电流ID 319重叠同时VDS 318为高的时间量较大，对应于较大的关断损耗。如上文提及的，由于同步整流器的附加的接通或第二次接通而使得开关电压VDS118大大减小。结果，根据本发明的教导，可以使有效漏极电容CP 120的值增大，且因此可以使功率转换器116的关断损耗减少。
图4例示了根据本发明的教导的第二驱动电路(诸如，例如图1A的第二驱动电路140)的一个示例判定过程的流程图400。如例示的，处理在过程块405处开始。在过程块410，如果下一个开关循环(switching cycle)被启用，则处理继续移动到过程块415。否则，处理返回到过程块405。在过程块415处，如果控制器正在不连续导通模式(DCM)下操作，则处理继续移动到过程块420。否则，处理返回至过程块405。在过程块420处，如果次级开关也被关断，则在过程块425中断言第二驱动信号。
图5A是根据本发明的教导的例示了示例初级控制534和次级控制532的示例图。注意到，图5A的初级控制534和次级控制532可以是图1A-图1B的初级控制134的实施例和次级控制132的实施例，且下文引用的类似命名的和编号的元件因此可以类似于如上文所描述的耦合和起作用。
例如，类似于图1A-图1B中所描绘的实施例，第一驱动电路538被示出为接收绕组感测554、输出电流IO感测549以及使能信号UEN 552。在所描绘的实施例中，第二驱动电路540被示出为单稳态多谐振荡器，该单稳态多谐振荡器还可以被称为单触发(one shot)。第二驱动电路540的单稳态多谐振荡器响应于使能信号UEN 552的一个前沿以具有长度T2 592的脉冲输出第二驱动信号U2 557。在一个实施例中，脉冲的长度T2592可以响应于绕组感测信号554或输出电流IO感测信号549或二者。在该实施例中，长度T2 592随着输入电压VIN增大而增加。在该实施例中，长度T2 592还随着输出电流IO减小而增加。在另一个实施例中，长度T2 592随着初级驱动信号UDR 560的接通区段(ON section)与次级驱动信号USR 558的接着的第二接通区段(由于第二驱动信号U2 557)之间的时间长度增加而增加。初级驱动信号UDR 560的接通区段与次级驱动信号USR 558的接着的第二接通区段之间的时间长度被例示为图5B中的时间T4 594。
在示出的实施例中，延迟电路544被耦合为接收使能信号UEN 552且可以使使能信号UEN 552延迟，且其输出可以被称为经延迟的使能信号UEN_D 559。延迟长度(被称为延迟时间)可以是固定的或可变的。在一个实施例中，第二驱动信号U2 557可以启用或禁用延迟电路544(如以虚线例示的信号595所示出的)。如果第二驱动信号U2 557未被断言，则延迟电路544不使使能信号UEN 552延迟。然而，如果第二驱动信号U2 557被断言，则延迟电路544防止使能信号UEN 552启动初级开关的接通，直到同步整流器被关断为止。此外，根据本发明的教导，延迟电路544可以防止接通初级开关，直到开关电压VDS 118已经被减小为止。在示出的实施例中，延迟电路544可以从第二驱动电路540接收代表延迟时间的信号595。延迟电路544的延迟时间可以是第二驱动信号U2 557被断言的时间(例如，图5B的时间T2 592)的长度和在第二驱动信号U2 557已经被解除断言之后的时间(例如，图5B中的T5 596)的长度的函数。第二驱动信号U2 557已经被解除断言之后的时间(例如，图5B中的T5 596)的长度可以响应于绕组感测信号554(代表输入电压VIN)、输出电流感测信号549(代表输出电流IO)、初级驱动信号的接通区段与次级驱动信号的接着的第二接通区段之间的时间长度(例如，图5B中的T4 594)或三者的组合。在一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T5 596)随着输入电压VIN增大而增加。在另一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T5 596)随着输出电流IO减小而增加。在另一个实施例中，时间长度(例如，图5B中的T5 596)随着初级驱动信号的接通区段与次级驱动信号的接着的第二接通区段之间的时间长度(例如，图5B中的T4594)增加而增加。
在所描绘的实施例中，初级控制器534被示出为包括开关感测电路564、超时电路565以及与门566。与门566的一个输入具有代表一个反相器的小圆圈。初级控制器534被耦合为通过通信链路533从次级控制器532接收经延迟的使能信号UEN_D 559。在所描绘的实施例中，开关感测电路564接收开关感测信号561，且输出一个代表开关电压VDS是否大于一个阈值的信号，该阈值在一个实施例中可以是零。当开关电压VDS大于该阈值时，开关感测电路564的输出可以是逻辑高。在一个实施例中，该阈值的值可以被选择以指示开关电压VDS在零附近。
在操作中，当开关电压VDS大于该阈值时，开关感测电路564防止经延迟的使能信号UEN_D 559接通初级开关。然而，初级控制534还可以包括超时电路565，使得如果在给定的时间量之后开关电压VDS不下降到该阈值以下，则超时电路565输出一个逻辑低值且经延迟的使能信号UEN_D 559可以控制初级开关的开关。
初级控制器534还可以向次级控制532发送一个信号，该信号指示更多或更少的能量应被储存在能量传递元件106内以减小开关电压VDS。或者换句话说，初级控制器534可以向次级控制532发送一个指示第二驱动信号U2 557的长度T2 592应被增加或被减小的信号。例如，如果在特定时间量内开关电压VDS未下降到该阈值以下，则初级控制534可以向次级控制532发送一个信号以增加第二驱动信号U2 557的长度T2592。
图5B示出了根据本发明的教导的例示初级驱动信号UDR 560的示例波形、开关电流ID 519的示例波形、开关电压VDS 518的示例波形、第一驱动信号U1 556的示例波形、第二驱动信号U2 557的示例波形、次级驱动信号USR 558的示例波形、使能信号UEN 552的示例波形以及经延迟的使能信号UEN_D 559的示例波形的示例时序图501，所述示例波形被例示在图5A的初级控制534和次级控制532中。
如示出的，驱动信号UDR 560接通功率开关，这使开关电流ID 519增大。在该实施例中，驱动信号UDR 560脉冲与经延迟的使能信号UEN_D 559同时出现。在一个关断区段(OFFsection)开始时，初级驱动信号UDR 560从逻辑高值转变到逻辑低值，且次级驱动信号USR558从逻辑低值转变到逻辑高值，这对应于第一驱动信号U1 556。开关电流ID 519下降到零，且开关电压VDS 518从零增大。开关电压VDS 518振铃并且然后稳定为大体上是输入电压VIN加上初级绕组上的电压VP。在次级驱动信号USR 558的对应于第一驱动信号U1 556的第一逻辑高区段结束时，开关电压VDS 518开始减小，然而，由于功率转换器中的多种电感和电容，开关电压VDS 518振铃。这可以被称为弛豫周期。
根据本发明的教导，当下一个使能信号UEN 552从逻辑低值转变到逻辑高值时，在如示出的在时间长度T2 592内次级驱动信号USR 558也转变到逻辑高值。在一个实施例中，可以响应于绕组感测554、输出电流IO感测549或二者确定时间长度T2 592。在另一个实施例中，可以响应于绕组感测554、初级驱动信号UDR 560的接通区段与次级驱动信号USR 558的接着的第二接通区段之间的时间长度(T4 594)或二者确定时间长度T2 592。由于次级驱动信号USR 558在时间T2 592内增大到逻辑高值，因此同步整流器接通，且磁能被储存在能量传递元件106内。一旦第二驱动信号U2 557转变到逻辑低值且同步整流器关断，开关电压VDS 518就响应于储存在能量传递元件106中的磁能而减小。在图5B中示出的实施例中，开关电压VDS 518减少到零。因此，根据本发明的教导，当初级驱动信号UDR 560从逻辑低转变到逻辑高以接通功率开关116时，漏极电容CP 120基本被放电，且在开关电流ID 519中不存在尖峰。这样，根据本发明的教导可以减少接通开关损耗。
对本发明的所例示的实施例的以上描述，包括摘要中描述的内容，并不旨在是穷举性的或是将本发明限制于所公开的确切形式。尽管出于例示目的在本文中描述了本发明的特定实施方案和实施例，但是在不偏离本发明的较宽的精神和范围的前提下，多种等效改型是可能的。实际上，应理解，具体示例的电压、电流、频率、功率范围值、时间等是出于解释目的被提供的，且根据本发明的教导，在其它实施方案和实施例中也可以使用其他值。

Claims (42)

1.一种在功率转换器中使用的控制器，包括：
一个初级控制器，该初级控制器被耦合为响应于一个使能信号生成一个初级驱动信号，以控制一个功率开关的开关从而控制能量从该功率转换器的输入到该功率转换器的一个能量传递元件的传递；以及
一个次级控制器，该次级控制器被耦合为生成一个次级驱动信号，以控制一个被耦合到该能量传递元件的次级开关的开关，该次级控制器包括：
一个使能电路，该使能电路被耦合为接收一个代表该功率转换器的输出的反馈信号，该使能电路被耦合为响应于该反馈信号生成该使能信号；
第一驱动电路，该第一驱动电路被耦合为生成第一驱动信号，以在该初级驱动信号的一个接通区段之后启用该次级驱动信号的第一接通区段，从而控制能量从该能量传递元件到该功率转换器的该输出的传递；以及
第二驱动电路，该第二驱动电路被耦合为生成第二驱动信号以在该初级驱动信号的该接通区段之后启用该次级驱动信号的第二接通区段，从而将能量储存在该能量传递元件内，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量被耦合为在该次级驱动信号的该第二接通区段之后且在该初级驱动信号的下一个接通区段之前减小该功率开关两端的开关电压，其中响应于该第一驱动信号和该第二驱动信号生成该次级驱动信号。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量还被耦合为在该次级驱动信号的该第二接通区段之后且在该初级驱动信号的下一个接通区段之前耗尽储存在该功率开关两端的一个漏极电容两端的能量。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量大体上等于储存在该功率开关两端的该漏极电容中的能量。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中该第一驱动电路被耦合为响应于该功率转换器的输入电压和该功率转换器的输出电流中的一个或多个来生成该第一驱动信号。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中该初级控制器被耦合为通过一个通信链路从该使能电路接收该使能信号，其中该初级控制器被耦合为响应于该使能信号生成该初级驱动信号。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中该第二驱动电路包括一个单稳态多谐振荡器电路。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度与该功率转换器的输出电流和该功率转换器的输入电压中的至少一个成比例。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度被耦合为响应于该功率转换器的该输入电压的增大而增加。
9.根据权利要求7所述的控制器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度被耦合为响应于该功率转换器的该输出电流的减小而增加。
10.根据权利要求1所述的控制器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度被耦合为响应于该初级驱动信号的该接通区段与该次级驱动信号的接着的该第二接通区段之间的时间长度的增加而增加。
11.根据权利要求1所述的控制器，其中该次级控制器还包括一个延迟电路，该延迟电路被耦合为接收该使能信号以使该使能信号延迟。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中该延迟电路被耦合为使该使能信号延迟启用该功率开关，直到该次级开关被关断且该功率开关两端的该开关电压被减小为止。
13.根据权利要求11所述的控制器，其中该延迟电路的延迟时间与该功率转换器的输出电流和该功率转换器的输入电压中的至少一个成比例。
14.根据权利要求13所述的控制器，其中该延迟时间被耦合为响应于该功率转换器的该输入电压的增大而增加。
15.根据权利要求13所述的控制器，其中该延迟时间被耦合为响应于该功率转换器的该输出电流的减小而增加。
16.根据权利要求11所述的控制器，其中该延迟电路的延迟时间响应于该初级驱动信号的该接通区段与该次级驱动信号的接着的该第二接通区段之间的时间长度的增加而增加。
17.根据权利要求1所述的控制器，其中该初级控制器还被耦合为响应于该功率开关两端的该开关电压来生成该初级驱动信号。
18.根据权利要求1所述的控制器，其中该初级控制器还被耦合为响应于在固定时间内该功率开关两端的该开关电压未下降到一个阈值以下来生成该初级驱动信号。
19.根据权利要求1所述的控制器，其中该初级控制器和该次级控制器被包括在单片集成电路中。
20.根据权利要求1所述的控制器，其中该初级控制器和该次级控制器被包括在单个集成电路封装件中。
21.根据权利要求1所述的控制器，其中大体上在该功率开关的该开关电压的一个弛豫周期中的一个峰值处该第二驱动电路启用该第二接通区段。
22.一种功率转换器，包括：
一个能量传递元件，该能量传递元件具有一个初级绕组和一个次级绕组；
一个功率开关，该功率开关被耦合到该初级绕组且被耦合到该功率转换器的输入；
一个初级控制器，该初级控制器被耦合为响应于一个使能信号生成一个初级驱动信号，以控制一个功率开关的开关从而控制能量从该功率转换器的所述输入到所述能量传递元件的传递；以及
一个次级控制器，该次级控制器被耦合为生成一个次级驱动信号，以控制一个被耦合到该次级绕组的次级开关的开关，该次级控制器包括：
一个使能电路，该使能电路被耦合为接收一个代表该功率转换器的输出的反馈信号，该使能电路被耦合为响应于该反馈信号生成该使能信号；
第一驱动电路，该第一驱动电路被耦合为生成第一驱动信号，以在该初级驱动信号的一个接通区段之后启用该次级驱动信号的第一接通区段，从而控制能量从该能量传递元件到该功率转换器的该输出的传递；以及
第二驱动电路，该第二驱动电路被耦合为生成第二驱动信号以在该初级驱动信号的该接通区段之后启用该次级驱动信号的第二接通区段，从而将能量储存在该能量传递元件内，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量被耦合为在该次级驱动信号的该第二接通区段之后且在该初级驱动信号的下一个接通区段之前减小该功率开关两端的开关电压，其中响应于该第一驱动信号和该第二驱动信号生成该次级驱动信号。
23.根据权利要求22所述的功率转换器，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量还被耦合为在该次级驱动信号的该第二接通区段之后且在该初级驱动信号的下一个接通区段之前耗尽储存在该功率开关两端的一个漏极电容两端的能量。
24.根据权利要求23所述的功率转换器，其中在该次级驱动信号的该第二接通区段期间储存在该能量传递元件内的能量大体上等于储存在该功率开关两端的该漏极电容中的能量。
25.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该第一驱动电路被耦合为响应于该功率转换器的输入电压和该功率转换器的输出电流中的一个或多个来生成该第一驱动信号。
26.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该初级控制器被耦合为通过一个通信链路从该使能电路接收该使能信号，其中该初级控制器被耦合为响应于该使能信号生成该初级驱动信号。
27.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该第二驱动电路包括一个单稳态多谐振荡器电路。
28.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度与该功率转换器的输出电流和该功率转换器的输入电压中的至少一个成比例。
29.根据权利要求28所述的功率转换器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度被耦合为响应于该功率转换器的该输入电压的增大而增加。
30.根据权利要求28所述的功率转换器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度被耦合为响应于该功率转换器的该输出电流的减小而增加。
31.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该次级驱动信号的该第二接通区段的时间长度被耦合为响应于该初级驱动信号的该接通区段与该次级驱动信号的接着的该第二接通区段之间的时间长度的增加而增加。
32.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该次级控制器还包括一个延迟电路，该延迟电路被耦合为接收该使能信号以使该使能信号延迟。
33.根据权利要求32所述的功率转换器，其中该延迟电路被耦合为使该使能信号延迟启用该功率开关，直到该次级开关被关断且该功率开关两端的该开关电压被减小为止。
34.根据权利要求32所述的功率转换器，其中该延迟电路的延迟时间与该功率转换器的输出电流和该功率转换器的输入电压中的至少一个成比例。
35.根据权利要求34所述的功率转换器，其中该延迟时间被耦合为响应于该功率转换器的该输入电压的增大而增加。
36.根据权利要求34所述的功率转换器，其中该延迟时间被耦合为响应于该功率转换器的该输出电流的减小而增加。
37.根据权利要求32所述的功率转换器，其中该延迟电路的延迟时间响应于该初级驱动信号的该接通区段与该次级驱动信号的接着的该第二接通区段之间的时间长度的增加而增加。
38.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该初级控制器还被耦合为响应于该功率开关两端的该开关电压来生成该初级驱动信号。
39.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该初级控制器还被耦合为响应于在固定时间内该功率开关两端的该开关电压未下降到一个阈值以下来生成该初级驱动信号。
40.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该初级控制器和该次级控制器被包括在单片集成电路中。
41.根据权利要求22所述的功率转换器，其中该初级控制器和该次级控制器被包括在单个集成电路封装件中。
42.根据权利要求22所述的功率转换器，其中大体上在该功率开关的该开关电压的一个弛豫周期中的一个峰值处该第二驱动电路启用该第二接通区段。
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