CN106208705A - 检测开关型电源中的辅助绕组的开路连接 - Google Patents

检测开关型电源中的辅助绕组的开路连接 Download PDF

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Abstract

提供了被配置成检测辅助绕组的开路连接故障的电力变换器和用于检测电力变换器的辅助绕组的开路连接故障的方法。该电力变换器包括变压器，该变压器包括耦合至输入电压的初级绕组、耦合至电力变换器的输出的次级绕组、以及辅助绕组。该电力变换器包括耦合至辅助绕组的电流源，该电流源在被激活时向辅助绕组提供电流。控制器测量跨辅助绕组的电压。响应于在电流源被激活时检测到跨辅助绕组的电压的增加，控制器禁用电力变换器。

Description

检测开关型电源中的辅助绕组的开路连接
技术领域
本公开内容一般涉及开关电源，并且更具体地涉及检测开关型电源中的辅助绕组的开路连接故障。
背景技术
包括智能电话、平板计算机和便携式计算机的许多电子设备采用在较宽操作条件上提供受控的且经调节的电力输出的电源。这些电源常常包括用于从电源向跨变压器的负载递送电功率的功率级(power stage)。功率级中的开关将负载电耦合至电源或者将负载与电源解耦，并且耦合至该开关的开关控制器控制开关的导通时间和关断时间。除其他方式之外，可以通过测量输出电流或输出电压并且将其馈送回初级侧开关控制器来实现对电力输出的调节。为了提高成本性能和减小尺寸，许多市场上可获得的隔离电源采用仅初级侧反馈和控制。
在使用初级侧反馈和控制的电源中，辅助绕组向开关控制器提供反馈信号。通过感测初级侧信号，控制器检测次级输出和负载状况，以控制和调节电源的输出。然而，如果辅助绕组故障或从电源断开，则开关控制器接收不到准确的反馈信号。在没有准确的反馈信号的情况下，控制器不能将电源的操作保持在过电压限制内，从而可能导致对电源或由电源驱动的负载的损坏。因此，在使用辅助绕组向开关控制器提供反馈之前检测辅助绕组的开路连接故障是重要的。
发明内容
电力变换器被配置成检测辅助绕组的开路连接故障，例如辅助绕组从电力变换器断开或辅助绕组的制造缺陷。电力变换器包括变压器，该变压器包括耦合至输入电压的初级绕组、耦合至电力变换器的输出的次级绕组、以及辅助绕组。电力变换器的输出电压被反映为跨辅助绕组的反馈。控制器耦合至辅助绕组并且测量跨辅助绕组的电压。在一个实施方式中，控制器接收跨辅助绕组生成的反馈，并且基于所接收到的反馈来调节电力变换器的输出。
电流源耦合至辅助绕组。该电流源在被激活时向辅助绕组提供电流。如果在电流源被激活时控制器检测到跨辅助绕组的电压的增加，则控制器检测到辅助绕组的开路连接故障，并且作为响应禁用电力变换器。
在说明书中描述的特征和优点并不是包括全部的，并且具体地，鉴于附图、说明书和权利要求，许多另外的特征和优点对于本领域技术人员来说将是明显的。此外，应当指出的是，说明书中所使用的语言主要是为了易读和指导的目的而选择的，它可能未被选择成描绘或限制发明主题。
附图说明
通过结合附图来考虑以下详细描述，能够容易地理解本发明的实施方式的教导。
附图(图)1示出了根据一个实施方式的电力变换器。
图2是根据一个实施方式的被配置成检测开路连接故障的电力变换器的框图。
图3是根据另一实施方式的被配置成检测开路连接故障的电力变换器的框图。
图4是图解根据一个实施方式的用于检测开路连接故障的过程的流程图。
具体实施方式
附图和以下描述仅通过说明的方式涉及本发明的优选实施方式。应当指出的是，根据以下讨论，将容易认识到本文所公开的结构和方法的替选实施方式为在不背离所要求保护的发明的原理的情况下可以采用的可行替选方案。
现在将详细地参照在附图中示出其示例的若干实施方式。要指出的是，在任何可实行的情况下，可以在附图中使用相似或相同附图标记，并且其可以表示相似或相同的功能。附图仅出于示出的目的描绘了本发明的实施方式。本领域技术人员根据以下描述将容易认识到，在不背离本文所描述的发明的远离的情况下可以采用本文所示的结构和方法的替选实施方式。
本文所描述的电力变换器的实施方式可以被配置成检测辅助绕组的开路故障连接，该辅助绕组在电力变换器的初级侧提供电力变换器的输出的反馈。由于辅助绕组的开路故障连接例如辅助绕组与电力变换器断开连接或辅助绕组的制造缺陷降低反馈信号的准确度，所以基于跨故障辅助绕组生成的反馈信号来对电力变换器的输出进行调节可能导致电力变换器在电力变换器或耦合至电力变换器的负载的规范之外操作。因此，电力变换器的实施方式包括控制器，该控制器响应于检测到开路连接故障而禁用电力变换器。
图1示出了采用初级侧反馈和控制的电力变换器100的示例实施方式。在一个实施方式中，除其他部件之外，电力变换器100包括：具有初级绕组102、次级绕组104和辅助绕组103的变压器；电力开关106；以及控制器110。
参照图1，电力变换器100从交流(AC)电源(未示出)接收AC电力，该AC电力被整流以提供跨输入电容器C1的经调节的直流(DC)输入电压101。输入电压101耦合至初级绕组102。在电力开关106的导通周期期间，由于整流器D1反向偏置，所以能量被存储在初级绕组102中。在电力开关106的关断周期期间，由于整流器D1变为正向偏置，所以存储在初级绕组102中的能量被释放到次级绕组104并且被传递至跨电容器C2的负载120。在电力开关106关断之后，整流器D1将电流传导至开关电力变换器100的输出。
初级侧控制器110生成控制信号113(DRIVE(驱动))以使电力开关106导通或关断。控制器110以跨感测电阻器Rs的电压115的形式感测通过初级绕组102的电流I_sense。根据变压器的匝数比，电流I_sense与通过负载120的电流成比例。在一个实施方式中，控制器110还接收两个反馈信号：所感测的电压V_SENSE，其指示电力变换器100的输出电压121；以及故障检测信号FAULT，其指示电力变换器100的过电压状况或其他故障状况。输入至控制器110的反馈信号是通过在电力开关106的关断周期期间将跨变压器的辅助绕组104的电压反映为跨变压器的辅助绕组103来生成的。跨辅助绕组103的电压被包括电阻器R1和电阻器R2的第一电阻分压器分压，并且输入至控制器110作为指示输出电压121的感测电压V_sense。FAULT信号是通过由包括电阻器R3和电阻器R4的第二电阻分压器对跨辅助绕组103的电压进行分压而生成的。当辅助绕组103连接至电力变换器100时，电阻器R1与电阻器R2的组合电阻以及电阻器R3与电阻器R4的组合电阻均大于辅助绕组103的电阻。
控制器110控制电力开关106的切换以基于V_sense来调节输出电压121或者基于I_sense来调节通过负载120的输出电流。控制器110可以采用许多调制技术中的任一调制技术例如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)，以控制电力开关106的导通状态和关断状态以及占空比，以调节输出电压121和通过负载120的电流。
控制器110被配置成在各种负载状况期间，包括当负载(如电子设备)连接至电源时以及当负载未连接至电源时，对开关电力变换器100进行操作。例如，在恒压模式下，控制器110提供处于指定容差范围内的固定电压的经调节的DC输出。恒压模式一般指示电子设备的内部电池完全充电并且电源的固定电压输出为要正常工作的电子设备提供工作电力。在恒流模式下，电源提供固定电流输出。恒流模式一般指示电子设备的内部电池未完全充电并且电源的恒定电流输出使得能够对电子设备的内部电池进行有效充电。最后，在无负载状况下，电子设备从电源断开。在无负载状况下，控制器110可以保持从电力变换器100输出的经调节的电压输出，以待负载重新连接至电源。
在轻负载或无负载状况下，控制器110可以以PFM工作并且减小电力开关106的开关频率，以便保持对输出电压121的调节。随着电力开关106的开关频率减小，归因于电力开关106的关断周期的感测电压V_sense的测量之间的时间增加。如果负载120在测量间增加，则输出电压121下降，直到V_sense被再次感测并且控制器110对该负载改变做出响应。
控制器110还被配置成基于故障检测信号来监视故障状况，并且响应于检测到故障状况来禁用电力变换器100。例如，如果控制器110检测到输出电压121已增加到过电压阈值以上，则控制器110禁用电力变换器100，以减小损坏电力变换器100或负载120的可能性。
因此，控制器110基于跨辅助绕组103生成的反馈电压来调节输出电压121。如果辅助绕组103到电力变换器100的连接出现故障(例如，辅助绕组103从电力变换器100断开)，则控制器110未接收准确的反馈信号，并且因此未正确地调节输出电压121。为验证辅助绕组103被正确地连接，控制器110在电力变换器100的启动序列期间执行验证过程。如果验证过程显示辅助绕组103断开或不正确地连接，则控制器110禁用电力变换器100。
图2是示出被配置成检测辅助绕组103的开路连接故障的电力变换器100的示例实施方式的框图。如图2所示，电力变换器100包括耦合在辅助绕组103与控制器110之间的电流源205。电流源205在被激活时向辅助绕组103提供电流。由于在辅助绕组103连接至电力变换器100时辅助绕组103的有效电阻较低，所以在电流源205被激活时跨已连接的辅助绕组103生成的电压较低。相反，由于在辅助绕组103未被正确连接时辅助绕组103的有效电阻较高，在电流源205被激活时跨故障辅助绕组103生成的电压较高。
在一个实施方式中，控制器110测量跨电阻器R4的电压，以检测辅助绕组103处的开路连接。跨电阻器R4的电压被输入至比较器210，比较器210将该电压与阈值电压Vth进行比较。如果在验证过程期间跨电阻器R4的电压大于阈值电压Vth，则控制器110确定辅助绕组103到电力变换器100的连接出现故障，并且禁用电力变换器100。相反，如果在验证过程期间比较器210未检测到跨电阻器R4的电压的增加，则控制器110确定辅助绕组103连接至电力变换器100，并且使电力变换器100的正常工作继续进行。
向辅助绕组103提供电流以检测辅助绕组103的开路连接的电流源205可以是电力变换器100内的任何电流源。在一个实施方式中，如图3所示，控制器110包括电流源205。在图3所示的实施方式中，电流源205包括耦合至控制器110内的电压源(例如，向控制器110的内部部件提供电压的电压VDDA)的开关305。控制器110激活开关305以验证辅助绕组103连接至电力变换器100。在验证辅助绕组103连接至电力变换器100(例如，如果控制器110未检测到跨辅助绕组103的电压的增加)之后，控制器110关断开关305以恢复电力变换器100的正常工作。
图4是图解用于检测初级侧反馈和控制的电力变换器100中的辅助绕组103的开路连接故障的验证过程400的流程图。可以在电力变换器100的启动序列期间例如当电力变换器100连接至AC电源时执行过程400。在一个实施方式中，由控制器110执行过程400的步骤，控制器400被配置成从辅助绕组103接收反馈并且基于该反馈调节电力变换器100的输出。
控制器110向辅助绕组103提供402电流。在一个实施方式中，控制器110通过激活电流源205来提供402电流。例如，控制器110使耦合至控制器110的内部电压源VDDA的开关305导通。电流源205在被激活时向辅助绕组103提供电流。
控制器110检测404指示跨辅助绕组103的电压的信号(例如，指示跨电阻器R4的电压的信号)，测量所检测的信号的电压，以及将测量到的电压与阈值电压Vth进行比较406。在一个实施方式中，控制器110在激活电流源205之后的指定时间段(例如10毫秒)内检测404指示跨辅助绕组103的电压的信号。如果在电流源205被激活时测量到的电压大于阈值电压Vth，则控制器110禁用408电力变换器100。如果在电流源205被激活时测量到的电压小于阈值电压Vth，则控制器110通过基于跨辅助绕组103生成的反馈信号对电力变换器100的输出进行调节410来使电力变换器100的正常工作继续进行。
尽管在本文中已经示出并描述了特定实施方式和应用，但要理解的是，实施方式不限于本文所公开的确切结构和部件，并且在不背离如所附权利要求中限定的实施方式的精神和范围的情况下，可以在实施方式的方法和装置的布置、操作和细节中做出各种修改、改变和变型。
在阅读本公开内容时，本领域技术人员将理解用于该系统的又一些另外的替选设计。因此，尽管已示出并描述了特定实施方式和应用，但要理解的是，本发明不限于本文所公开的确切结构和部件，并且在不背离如从本文的主题提取的任何权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在本文所公开的本发明的方法和装置的布置、操作和细节中做出对于本领域技术人员来说将是明显的各种修改、改变和变型。

Claims (16)

1.一种电力变换器，包括：
变压器，其包括耦合至输入电压的初级绕组、耦合至所述电力变换器的输出的次级绕组、以及辅助绕组，所述电力变换器的输出电压被反映为跨所述辅助绕组的反馈；
耦合至所述辅助绕组的电流源，所述电流源在被激活时向所述辅助绕组提供电流；以及
控制器，其测量跨所述辅助绕组的电压，所述控制器适于响应于在所述电流源被激活时检测到跨所述辅助绕组的电压的增加而禁用所述电力变换器。
2.根据权利要求1所述的电力变换器，还包括：
比较器，其接收跨所述辅助绕组的电压并且将所接收到的电压与阈值电压进行比较；
其中，所述控制器响应于跨所述辅助绕组的电压大于所述阈值电压而禁用所述电力变换器。
3.根据权利要求1所述的电力变换器，其中，所述电流源为所述控制器的输出。
4.根据权利要求3所述的电力变换器，其中，所述电流源包括耦合至所述控制器的电压源的开关，并且其中，所述控制器使所述开关导通以激活所述电流源，以及关断所述开关以使所述电流源去活。
5.根据权利要求3所述的电力变换器，其中，所述控制器在所述电力变换器的启动序列期间激活所述电流源。
6.根据权利要求1所述的电力变换器，还包括：
耦合至所述变压器的所述初级绕组的开关，响应于所述开关导通而生成所述初级绕组中的电流，以及响应于所述开关关断而不生成所述初级绕组中的电流；
其中，所述控制器基于跨所述辅助绕组的所述反馈来生成控制所述开关的切换的信号。
7.根据权利要求6所述的电力变换器，其中，所述控制器响应于在所述电流源被激活时未检测到跨所述辅助绕组的电压的增加而生成控制所述开关的切换的所述信号。
8.根据权利要求1所述的电力变换器，其中，所述控制器从所述辅助绕组接收所述反馈。
9.一种用于检测电力变换器的辅助绕组的开路连接故障的方法，所述电力变换器包括控制器和变压器，所述变压器具有耦合至输入电压的初级绕组、耦合至所述开关电力变换器的输出的次级绕组、以及辅助绕组，所述电力变换器的输出电压被反映为跨所述辅助绕组的反馈，所述方法包括：
向所述辅助绕组提供电流；
检测指示跨所述辅助绕组的电压的信号；以及
响应于在所述电流被提供至所述辅助绕组时所检测到的指示跨所述辅助绕组的电压增加的信号，禁用所述电力变换器。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
将跨所述辅助绕组的电压与阈值电压进行比较；
其中，响应于跨所述辅助绕组的电压大于所述阈值电压而禁用所述电力变换器。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，由所述控制器提供所述电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，向所述辅助绕组提供所述电流的电流源包括耦合至所述控制器的电压源的开关，并且其中，提供所述电流包括使所述开关导通。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述电力变换器的启动序列期间将所述电流提供给所述辅助绕组。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电力变换器还包括耦合至所述变压器的所述初级绕组的开关，响应于所述开关导通而生成所述初级绕组中的电流，以及响应于所述开关关断而不生成所述初级绕组中的电流，并且其中，所述控制器基于跨所述辅助绕组的所述反馈来生成控制所述开关的切换的信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于在所述电流被提供给所述辅助绕组时所检测到的未指示跨所述辅助绕组的电压的增加的信号，生成控制所述开关的切换的所述信号。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括从所述辅助绕组接收所述反馈。
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