CN106341045B - 电源系统、自适应钳位电路及控制自适应钳位电路的方法 - Google Patents

电源系统、自适应钳位电路及控制自适应钳位电路的方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了电源系统、自适应钳位电路及控制自适应钳位电路的方法，所述电源系统包括初级侧和次级侧以从输入DC电压生成输出DC电压。所述电源还包括自适应钳位电路，所述自适应钳位电路被配置成生成可调节的钳位电压和/或电流以限制所述次级侧的多个开关的漏极‑源极击穿电压。

Description

电源系统、自适应钳位电路及控制自适应钳位电路的方法
技术领域
本公开涉及电源系统、自适应钳位电路及控制自适应钳位电路的方法。
背景技术
在全桥DC-DC电源转换架构中，一个主要的挑战是次级侧上的低频振荡的最大幅度不应超过电源开关器件的漏极-源极击穿电压(Vds)。相同挑战适用于半桥DC-DC电源转换架构。对于大多数应用而言，电阻器-二极管-电容器(RDC)钳位电路是在不中断调节回路的情况下衰减振荡幅度的有效方式。RDC钳位电路通常在使用分立部件的电源印刷电路板(PCB)上实现。对于具有宽范围的输入电压的应用(例如，需要36-72V输入电压的电信)而言，RDC钳位电路设计必须考虑到最坏的情况，使得电源开关器件将不会经受Vds击穿。因此，组成RDC钳位电路的部件不得不比大多数应用中所需的大得多。另外，产生的电力损失大到没有必要，这可能影响效率和热性能。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种电源系统，包括：初级侧电路和次级侧电路，其用以从输入电压生成输出电压，至少所述次级侧电路包括多个开关；以及自适应钳位电路，其用以生成可调节钳位电流或可调节钳位电压中的至少一者以防止所述多个开关的开关电压超过漏极-源极击穿电压。
根据本发明的第二方面，提供了一种自适应钳位电路，包括：钳位电流生成电路，其用以生成钳位电流以防止至少一个开关的开关电压超过漏极-源极击穿电压；以及控制器电路，其用以生成控制信号，从而控制所述钳位电流生成电路的操作。
根据本发明的第三方面，一种用于控制自适应钳位电路的方法，包括：确定在电源系统的次级侧上包括至少多个开关的电源系统的状况，以判断所述多个开关的开关电压是否可能超过漏极-源极击穿电压；以及控制所述电源系统中的自适应钳位电路以基于所述判断生成可调节钳位电流或可调节钳位电压中的至少一者。
附图说明
从下面对与要求保护的主题相符的实施例的详细描述中，要求保护的主题的特征和优点将变得清楚，应该参照附图来理解这些详细描述，其中：
图1示出了符合本公开若干实施方案的电源系统；
图2示出了根据本公开的一个实施方案的电源系统；
图3示出了根据本公开的另一个实施方案的电源系统；
图4示出了根据本公开的另一个实施方案的电源系统；并且
图5示出了根据本公开的另一个实施方案的用以控制自适应钳位电路的示例性操作。
虽然下面的具体实施方式将参照示例性实施例进行，但是实施例的多个替代形式、修改形式和变型对于本领域的技术人员而言将显而易见的。
具体实施方式
图1示出了符合本公开的几个实施方案的电源系统100。该实施例的电源系统100为全桥拓扑结构，该全桥拓扑结构通常被配置成由输入DC电压源Vin生成DC电压Vout。该系统包括具有多个初级侧电源开关104的初级侧102、变压器电路106以及具有次级侧电源开关110和自适应钳位电路112的次级侧108。次级侧108的电路也可按照对于DC-DC转换器而言惯用或已知的配置包含电感器L、二极管D以及电容器C1和C2。在该实施例中，初级侧电源开关104和次级侧电源开关110各自包括以全桥配置布置的四个可控电源开关，从而由输入DC电压源Vin生成可控DC输出电压Vout。初级侧102和次级侧电路108的开关经由变压器电路104的操作的每者都是公知的，并且可包括(例如)脉冲宽度调制(PWM)和/或脉冲频率调制(PFM)控制技术。虽然该实施例示出布置为全桥电源的电源开关，但本公开的教导内容也可适用于半桥电源拓扑结构等。
自适应钳位电路112设置在次级侧108上，位于电源开关110和输出电压Vout之间(例如，位于电源开关110和负载(未示出)之间)。自适应钳位电路112通常被配置成动态控制转到输出电流i负载当中的钳位电流i钳位的量，从而降低或消除电源开关110中发生Vds击穿的可能性。钳位电流i钳位可使电容器C1放电以生成钳位电压(Vc)。在一些实施方案中，自适应钳位电路112被配置成至少部分地基于输入电压Vin和/或负载电流i负载来动态控制钳位电流i钳位的量。一般来讲，自适应钳位电路112钳制开关110的电压Vsw(例如，使Vsw保持在某一电压水平上)。随着Vin增加，Vsw将具有增加的趋势。自适应钳位电路112减小或消除低频电压振荡以避免超过开关110的Vds。
图2示出了根据本公开的至少一个实施方案的电源系统200。为了清楚起见，先前图(例如，图1)中定义的绘制项目附图标记在后续图(例如，图2)中不重复。此外，后面带有撇号的绘制项目附图标记(例如，112’)指示正在示出特定绘制项目的例子。示出的实施例并不旨在将本公开的各种实施方案限于任何特定实施方式。虽然下文公开的各种实施方案通过控制钳位电流来实现钳位电压，但用以控制钳位电压的基于电压的控制系统也是可能的。
该实施方案的自适应钳位电路112’包括至少钳位电流生成电路和控制器电路。钳位电流生成电路包括在次级侧108的开关110和负载(未示出)之间并联耦合的多个电阻器R1、R2…RN。每个电阻器包括可控耦合开关202。电阻器可各自具有大致相同的电阻值或加权值。钳位电路112’还包括控制器电路204，该控制器电路包括多个比较器电路206-1、206-2…206-N以将输入电压Vin与相应的阈值电压Vth1、Vth2…VthN比较。阈值电压Vth1、Vth2…VthN的值可基于(例如)电源系统的所需输出电压范围来选择。比较器电路206-1、206-2…206-N的数目可基于(例如)电源系统200的所需分辨率和/或能量效率来选择。对于每个比较器电路206-1、206-2…206-N，如果Vin小于相应的阈值电压Vth1、Vth2…VthN，则相应比较器电路206-1、206-2…206-N的输出可为第一电压电平(例如，逻辑0)；而如果Vin大于相应的阈值电压Vth1、Vth2…VthN，则相应比较器电路206-1、206-2…206-N的输出可为第二电压电平(例如，逻辑1)。状态机电路208被配置成接收每个相应比较器电路206-1、206-2…206-N的输出并且生成多个开关控制信号S1、S2…SN以控制与相应电阻器R1、R2…RN中的每个相关联的开关202的导电状态。
例如，当Vin相对较低时(例如，与次级侧的开关的Vds相比)，电阻器R1、R2…RN的集总电阻可为高的，因此降低经由耦合开关202耦合到电源系统200的电阻器R1、R2…RN的数目以使得钳位电流保持相对较低。例如，随着耦合到电源系统200中的电阻器的数目增加，集总电阻减小，因为电阻器R1、R2…RN是并联耦合的。当Vin相对较高时(例如，与次级侧108的开关110的Vds相比)，电阻器R1、R2…RN的集总电阻可为低的，因此提高经由耦合开关202耦合到电源系统200的电阻器R1、R2…RN的数目以使得钳位电流相对较高，由此降低Vds电压，并避免开关110的Vds击穿。在一些实施方案中，状态机电路208可包括用以在(例如)负载电流i负载(例如，该负载电流经由感测电路提供给状态机电路208)和/或电源拓扑结构(Topo)的细节的基础上控制耦合开关的导电状态的逻辑，该电源拓扑结构可为(例如)全桥拓扑结构、半桥拓扑结构等。在至少一个实施方案中，自适应钳位电路112’可采用用户编程接口(PGR)以(例如)基于i负载和/或Topo设置阈值电压Vth1、Vth2…VthN。i负载和/或Topo可为(例如)用户可选的输入值来调谐电源系统200以用于特定操作环境(例如，特定电路配置、潜在输入电压等)。
图3示出了根据本公开的另一个实施方案的电源系统300。该实施方案的自适应钳位电路112’的钳位电流生成电路包括在次级侧108的开关110和负载(未示出)之间并联耦合的多个电流源I1、I2…IN。每个电流源I1、I2…IN包括可控耦合开关302。电流源I1、I2…IN可各自具有相同的电流值或加权值。类似于前述图2的实施例，钳位电路112’还包括控制器电路304，该控制器电路包括多个比较器电路306-1、302-6…306-N以将输入电压Vin与相应的阈值电压Vth1、Vth2…VthN进行比较。阈值电压Vth1、Vth2…VthN的值可基于(例如)电源系统的所需输出电压范围来选择。比较器电路306-1、306-2…306-N的数目可基于(例如)电源系统300的所需分辨率和/或能量效率来选择。对于每个比较器电路306-1、306-2…306-N，如果输入电压Vin小于相应的阈值电压Vth1、Vth2…VthN，则相应比较器电路306-1、306-2…306-N的输出可为第一电压电平(例如，逻辑0)；而如果Vin大于相应的阈值电压Vth1、Vth2…VthN，则相应比较器电路306-1、306-2…306-N的输出可为第二电压电平(例如，逻辑1)。状态机电路308可包括逻辑，该逻辑被配置成接收每个相应比较器电路306-1、306-2…306-N的输出并且生成多个开关控制信号S1、S2…Sn以控制与相应电流源I1、I2…IN中的每个相关联的开关302的导电状态。
当Vin与次级侧108的开关110的Vds相比相对较低时，降低经由耦合开关302耦合到电源系统300的电流源I1、I2…IN的总数以使得钳位电流i钳位相对较低。当Vin与次级侧108的开关110的Vds相比相对较高时，提高经由耦合开关302耦合到电源系统300的电流源I1、I2…IN的总数以使得钳位电流i钳位相对较高，因此降低或消除Vds击穿电压。与上文针对图2描述的示例性操作类似，在一些实施方案中，状态机电路308可基于(例如)负载电流i负载和/或Topo来控制耦合开关的导电状态。
图4示出了根据本公开的另一个实施方案的电源系统400。示于图4中的实施方案的自适应钳位电路112’包括闭环调节器，该闭环调节器包括作为钳位电流生成电路操作的可控电流源402和作为控制器电路操作的运算放大器电路404。一般来讲，运算放大器电路404对所述回路进行调节，以使得钳位电压Vc大致等于目标钳位电压Vc_目标。当Vin与次级侧的开关的Vds相比相对较低时，需要来自可控电流源402的较少电流以维持钳位电压Vc等于Vc_目标。当Vin与次级侧的开关的Vds相比相对较高时，需要来自可控电流源402的较多电流以维持钳位电压Vc等于Vc_目标，因此降低或者消除电压升高到Vds击穿电压以上的可能性。Vc_目标的值可基于(例如)次级侧108的开关110的特性。与上文针对图2和图3描述的示例性操作类似，在一些实施方案中，运算放大器电路404可基于(例如)i负载和/或Topo来控制可控电流源402。i负载和/或Topo可作为用户可选的输入值来调谐电源系统400以用于特定操作环境。
图5示出了根据本公开的另一个实施方案的用以控制自适应钳位电路的示例性操作。在操作500中，电源系统可被启动。可任选在操作502中对该系统进行配置。所述配置可为任选的，该系统也可能在针对具体应用的制造过程中受到预先配置。在至少一个实施方案中，所述配置可取决于系统的拓扑结构(Topo)。在操作504中，可确定电路状况(例如，对自适应钳位电路的输入)。例如，待确定的特定输入可取决于(例如)系统中正在使用的自适应钳位电路的类型。例如，如果采用(例如)图2或图3中所示的自适应钳位电路，则Vin和各种阈值电压可被认为是输入。如果采用(例如)图4中所示的自适应钳位电路，则Vc和Vc_目标可被认为是输入。
然后可在操作506中对是否存在次级侧开关的开关电压超过其Vds击穿电压的可能性进行判断。如果在操作506中判断存在超过次级侧开关的Vds击穿电压的可能性，则可在操作508中对自适应钳位电路重新配置。重新配置可包括(例如)使得电阻器或电流源耦合到系统以增加钳位电流i钳位，使得可控电流源被配置成增加钳位电流i钳位，等等。增加钳位电流i钳位可使得开关电压被钳制到低于次级侧开关的Vds的电平。在操作506中确定不存在超过次级侧开关的Vds的可能性之后，或者说是操作508之后继之以操作510中的另一有关是否继续系统操作的判断。在操作510中确定继续系统操作之后可以是返回到操作504以重新评估电路状况。在操作510中确定不继续操作之后可以是在操作512中停用系统。
虽然图5示出了根据实施方案的操作，但应当理解，对于其他实施方案而言，并非图5中所示的所有操作都是必需的。实际上，本文中完全预期到在本公开的其他实施例中，图5中所示的操作和/或本文中所述的其他操作可按照未在任何附图中具体示出但仍然完全符合本公开的方式组合。因此，认为涉及未明确在一幅附图中示出的特征和/或操作的权利要求落入本发明的范围和内涵当中。
如本申请和权利要求中所用，由词语“和/或”连接的一系列项目可意指所列项目的任意组合。例如，短语“A、B和/或C”可意指A；B；C；A和B；A和C；B和C；或A、B和C。如本申请和权利要求中所用，由措辞“…中的至少一个”连接的一系列项目可意指所列项目的任意组合。例如，短语“A、B或C中的至少一个”可意指A；B；C；A和B；A和C；B和C；或A、B和C。
如本文的任何实施例中所用，术语“系统”或“模块”可以指(例如)被配置用于进行任何上述操作的软件、固件和/或电路。软件可以体现为记录在非瞬时性计算机可读存储介质上的软件包、代码、指令、指令集和/或数据。固件可以体现为存储设备中硬编码的(如，非易失性的)代码、指令或指令集和/或数据。如本文任何实施例中所用，“电路”可以包括例如单独的或任何组合形式的硬连线电路、可编程电路(如包括一个或多个单独的指令处理内核的计算机处理器)、状态机电路和/或存储由可编程电路执行的指令的固件。电路可总体地或单独地体现为形成较大系统的一部分的电路，例如，集成电路(IC)、芯片上系统(SoC)、台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、服务器、智能手机等。
本文所述的任何操作都可以在包括一个或多个存储介质(例如，非临时性存储介质)的系统中实施，其中存储介质上单独或组合地存储了指令，当一个或多个处理器执行这些指令时，执行所述方法。这里，处理器可以包括(例如)服务器CPU、移动设备CPU和/或其他可编程电路。另外，意图可将本文所述的操作分配到多个物理设备上，诸如，处于不止一个不同的物理位置上的处理结构。存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如：任何类型的盘，包括硬盘、软盘、光盘、紧致盘只读存储器(CD-ROM)、紧致盘可重写光盘(CD-RW)和磁光盘；半导体设备，如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)(如动态和静态RAM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、固态硬盘(SSD)、嵌入式多媒体卡(eMMC)、安全数字输入/输出(SDIO)卡；磁卡或光卡；或任何类型的适于存储电子指令的介质。可由可编程控制设备执行的软件来实施其他实施例。
因此，本公开提供了DC/DC电源系统，该电源系统包括初级侧和次级侧以从输入DC电压生成输出DC电压。所述电源还包括自适应钳位电路，该自适应钳位电路被配置成生成可调节的钳位电压和/或电流以限制次级侧的多个开关的Vds击穿电压。
以下例子属于进一步的实施例。本公开的以下例子可包括主题素材，诸如设备、方法、用于存储在受到执行时使机器执行基于所述方法的操作的指令的至少一种机器可读介质、用于基于所述方法执行操作的机构以及/或者自适应钳位电路系统。
根据第一例子提供了一种电源系统。所述电源系统可包括初级侧电路和次级侧电路以从输入电压生成输出电压，至少次级侧电路包括多个开关和自适应钳位电路，以生成可调节钳位电流或电压中的至少一者，从而防止所述多个开关的开关电压超过漏极-源极(Vds)击穿电压。
根据第二例子提供了自适应钳位电路。自适应钳位电路可包括钳位电流生成电路，以生成钳位电流，从而防止至少一个开关的开关电压超过漏极-源极(Vds)击穿电压，并且包括控制器电路，以生成控制信号，从而控制钳位电流生成电路的操作。
根据第三例子提供了用于控制自适应钳位电路的方法。该方法可包括确定在电源系统的次级侧上包括至少多个开关的电源系统的状况，以判断所述多个开关的开关电压是否可能超过漏极-源极(Vds)击穿电压，以及基于所述判断控制电源系统中的自适应钳位电路生成可调节钳位电流或电压中的至少一者。
本文中采用的术语和表达方式作为描述而非限制的术语使用，并且在使用此类术语和表达的过程中，不旨在排除示出和描述的特征(或其部分)的任何等价方案，并且认识到，各种修改形式可落入权利要求书的范围内。因此，权利要求书旨在涵盖所有此类等价方案。

Claims (18)

1.一种电源系统，包括：
初级侧电路和次级侧电路，其用以从输入电压生成输出电压，至少所述次级侧电路包括多个开关；以及
自适应钳位电路，其用以基于所述输入电压与多个阈值电压的比较的结果生成可调节钳位电流或可调节钳位电压中的至少一者以防止所述多个开关的开关电压超过漏极-源极击穿电压。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述自适应钳位电路在所述多个开关和所述输出电压之间耦合到所述次级侧电路。
3.根据权利要求1所述的电源系统，其中，所述自适应钳位电路包括至少钳位电流生成电路和控制器电路，所述控制器电路用以生成控制信号，以控制所述钳位电流生成电路的操作。
4.根据权利要求3所述的电源系统，其中，所述钳位电流生成电路包括：并联布置的多个电阻器；以及耦合到所述多个电阻器中的每个以响应于所述控制信号将所述电阻器中的每个可控地耦合到所述电源系统或者将所述电阻器中的每个从所述电源系统解耦的开关。
5.根据权利要求3所述的电源系统，其中，所述钳位电流生成电路包括：并联布置的多个电流源；以及耦合到所述多个电流源中的每个以响应于所述控制信号将所述电流源中的每个可控地耦合到所述电源系统或者将所述电流源中的每个从所述电源系统解耦的开关。
6.根据权利要求3所述的电源系统，其中，所述控制器电路包括多个运算放大器和状态机电路。
7.根据权利要求6所述的电源系统，其中，所述多个运算放大器中的每个将对所述输入电压和阈值电压进行比较，如果所述输入电压高于所述阈值电压，便生成第一电压电平；而如果所述输入电压小于所述阈值电压，便生成第二电压电平。
8.根据权利要求7所述的电源系统，其中，所述状态机电路包括基于所述电压电平生成所述控制信号的逻辑，其中所述逻辑将生成所述控制信号以防止所述多个开关的所述开关电压超过所述漏极-源极击穿电压。
9.根据权利要求3所述的电源系统，其中，所述钳位电流生成电路包括可控电流源。
10.根据权利要求9所述的电源系统，其中，控制器电路包括放大器电路以生成至少部分地基于钳位电压与目标钳位电压的比较来控制所述可控电流源的电流的信号。
11.一种自适应钳位电路，包括：
钳位电流生成电路，其用以生成钳位电流以防止至少一个开关的开关电压超过漏极-源极击穿电压；以及
控制器电路，其用以基于输入电压与多个阈值电压的比较生成控制信号，从而控制所述钳位电流生成电路的操作。
12.根据权利要求11所述的自适应钳位电路，其中，所述钳位电流生成电路包括：并联布置的多个电阻器；以及耦合到所述多个电阻器中的每个以响应于所述控制信号将所述电阻器中的每个可控地耦合到包括有所述自适应钳位电路的电源系统或者将所述电阻器中的每个从所述电源系统解耦的开关。
13.根据权利要求11所述的自适应钳位电路，其中，所述钳位电流生成电路包括：并联布置的多个电流源；以及耦合到所述多个电流源中的每个以响应于所述控制信号将所述电流源中的每个可控地耦合到包括有所述自适应钳位电路的电源系统或者将所述电流源中的每个从所述电源系统解耦的开关。
14.根据权利要求11所述的自适应钳位电路，其中，所述控制器电路包括：
多个运算放大器，所述多个运算放大器各自将所述输入电压和阈值电压进行比较，如果所述输入电压高于所述阈值电压，便生成第一电压电平；而如果所述输入电压小于所述阈值电压，便生成第二电压电平；以及
状态机电路，所述状态机电路包括基于所述电压电平生成所述控制信号的逻辑，其中所述逻辑将生成所述控制信号以防止所述至少一个开关的所述开关电压超过所述漏极-源极击穿电压。
15.根据权利要求11所述的自适应钳位电路，其中，所述钳位电流生成电路包括可控电流源；并且
所述控制器电路包括放大器电路以生成至少部分地基于钳位电压与目标钳位电压的比较来控制所述可控电流源的电流的信号。
16.一种用于控制自适应钳位电路的方法，包括：
确定在电源系统的次级侧上包括至少多个开关的电源系统的状况，以判断所述多个开关的开关电压是否可能超过漏极-源极击穿电压；以及
控制所述电源系统中的自适应钳位电路以基于所述判断生成可调节钳位电流或可调节钳位电压中的至少一者，其中，确定所述电源系统的状况包括将所述电源系统的输入电压与所述自适应钳位电路中的多个阈值电压进行比较。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，控制所述自适应钳位电路包括使得所述自适应钳位电路中的开关基于由所述自适应钳位电路中的状态机电路生成的控制信号将并联布置的多个电阻器或电流源中的每个可控地耦合到所述电源系统。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，控制所述自适应钳位电路包括基于由所述自适应钳位电路中的放大器电路生成的控制信号来控制所述自适应钳位电路中的可控电流源。
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