CN107040124A - 控制器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力转换器的次级侧控制器，其被配置成提供控制信号到光耦合器的发射器元件以用于控制所述电力转换器的初级侧控制器，所述次级侧控制器被配置成与所述初级侧控制器一起操作以用于控制所述电力转换器的电压输出，所述次级侧控制器被配置成基于：被配置成指示所述电力转换器输出其当前电压输出的第一控制值；以及被配置成指示所述电力转换器提供所请求的目标电压输出的第二控制值；根据过渡曲线，在预定过渡时间段内提供所述控制信号以实现在所述第一控制值和所述第二控制值之间的变化，所述过渡曲线包括控制信号的至少第一变化速率，其跟随有引起过渡时间段结束的结束时间段，在所述结束时间段期间，所述控制信号的所述变化速率小于基于光耦合器和/或所述电力转换器的特性的阈值速率，所述控制器被估计成利用所述特性操作，所述第一变化速率大于所述阈值变化速率。

Description

控制器
技术领域
本公开涉及用于电力转换器的次级侧控制器。具体地说，本公开涉及被配置成将控制信号提供到光耦合器的次级侧控制器，所述光耦合器被配置成将反馈信号提供到电力转换器的初级侧控制器。本公开还涉及光耦合器的次级侧控制器和发射器元件的组合。本公开还涉及包括次级侧控制器的电力转换器。本公开还涉及通用串行总线(USB)充电器。本公开还涉及提供在通过电力转换器输出的初始电压和请求的目标电压之间的过渡的方法。
背景技术
电力转换器需要次级侧控制器。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供用于电力转换器的次级侧控制器，该次级侧控制器被配置成将控制信号提供到光耦合器的发射器元件以用于控制电力转换器的初级侧控制器，该次级侧控制器被配置成与初级侧控制器一起操作以用于控制电力转换器的电压输出，该次级侧控制器被配置成结合光耦合器操作并且基于以下被配置：
被配置成指示电力转换器输出其当前电压输出的第一控制值；以及
被配置成指示电力转换器提供所请求的目标电压输出的第二控制值；
根据过渡曲线在预定过渡时间段提供所述控制信号以实现在第一控制值和第二控制值之间的变化，该过渡曲线包括控制信号的至少第一变化速率，跟随有引起过渡时间段结束的结束时间段，在该结束时间段期间控制信号的变化速率小于阈值速率，该阈值速率和/或结束时间段的大小基于光耦合器和/或电力转换器的特性，控制器被配置成与该光耦合器和/或电力转换器一起操作，第一变化速率大于阈值变化速率。
在一个或多个实施例中，预定过渡时间段是基于限定用于过渡到所请求的目标电压的最大时间的(例如USB)充电标准。
因此，在一个或多个实施例中，次级侧控制器与已知性能特性的特定光耦合器或电力转换器组合设置，或被限定成与已知性能特性的特定光耦合器或电力转换器一起操作。
在一个或多个实施例中，第二控制值被配置成从接收自负载的信令导出，该负载可连接到用于从其中接收电力的电力转换器。因此，负载可以请求比电压过渡。
在一个或多个实施例中，第一变化速率、阈值速率和结束时间段中的一个或多个以防止光耦合器的发射器元件在过渡时间段结束时处于饱和状态为目标而被选择。在一个或多个实施例中，第一变化速率、阈值速率和结束时间段中的一个或多个以防止反馈元件(光耦合器可以为该反馈元件的部件)的积分器在过渡时间段结束时对不正确值进行积分为目标而被选择。
在一个或多个实施例中，第一变化速率和/或阈值速率为非零。
在一个或多个实施例中，独立于光耦合器提供次级侧控制器且其被估计成与特定光耦合器一起操作。
在一个或多个实施例中，结束时间段的暂态大小为过渡时间段的至少5％、10％、20％、30％、40％或50％或更多。
在一个或多个实施例中，过渡曲线包括控制信号的变化速率在过渡时间段的至少50％(例如在结束时间段期间)的逐渐减小。在一个或多个实施例中，过渡曲线包括控制信号的变化速率在基本上全部过渡时间段逐渐减小。在一个或多个实施例中，过渡曲线包括控制信号变化速率在过渡时间段的大致上10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％的逐渐减小。在一个或多个实施例中，所述逐渐减小发生在结束时间段中。
在一个或多个实施例中，过渡曲线包括在至少结束时间段的控制信号的变化速率的逐渐减小，该结束时间段包括过渡时间段的至少10％。在一个或多个实施例中，结束时间段包括过渡时间段的至少5％、15％、20％、30％、40％、50％。
在一个或多个实施例中，过渡曲线提供控制信号的逐步变化。
在一个或多个实施例中，第一变化速率由控制信号的一个或多个逐步变化提供。在一个或多个实施例中，通过提供关于在结束时间段期间施加的阶跃的大小的量值的界限值而提供阈值速率。
在一个或多个实施例中，逐步变化的量值在预定过渡时间段逐渐减小。在一个或多个实施例中，当逐步变化设置于过渡曲线中时，结束时间段的大小独立于在过渡曲线期间电压转换器的当前电压输出和目标电压之间的差。在一个或多个实施例中，控制器被配置成从初始电压输出到目标电压输出提供至少2、3、4、5或8或10个阶跃。
在一个或多个实施例中，逐步变化中的一个或多个的量值是基于在当前控制值和第二控制值之间的差。因此，在第一控制值和第二控制值之间的过渡期间可以确定步长。
在一个或多个实施例中，逐步变化中的一个或多个的量值是基于下式：
(Vp-Vt)/N
其中Vp为当前控制值，且Vt为第二控制值且N为整数。
在一个或多个实施例中，N包括2的幂。
在一个或多个实施例中，对于其中电力转换器的电压输出跨越布置在电力转换器的两个输出端之间的输出电容器施加的电力转换器而言，所述电容器的放电限定最大速率(在没有处于输出端的电连接负载的情况下在该最大速率下电力转换器的电压输出减小)，过渡曲线被配置成使得第一变化速率在量值上大于最大速率，该最大速率通过所述电容器的所述放电提供，且阈值速率在量值上小于通过处于至少目标电压输出的所述电容器提供的速率。
在一个或多个实施例中，发射器元件和光耦合器可以更一般化地为反馈元件。因此，在一个或多个实施例中，反馈元件选自通信变换器或发射器元件和光耦合器。
在一个或多个实施例中，电力转换器的特性包括在电力转换器的输出端之间布置的输出电容器的放电曲线。在一个或多个实施例中，放电曲线为在仅通过不具有电连接负载的电力转换器的一个或多个放电电阻器放电时的放电曲线。在其它实施例中，放电曲线包括通过电力转换器的一个或多个放电电阻器和负载的放电。在一个或多个实施例中，阈值速率(在量值上)小于布置在电力转换器的输出端处的电容器的放电的速率。应了解，影响跨越反馈元件的电压的任一电容器的放电速率可用于确定结束时间段的大小和/或阈值速率。
在一个或多个实施例中，次级侧控制器被配置成从第一控制值到第二控制值实现该变化，其中当不连接到负载时，在比采取用于所述输出电容器从当前电压放电到目标电压的时间更长的时间段，目标电压低于当前电压。在一个或多个实施例中，次级侧控制器被配置成在小于或等于过渡时间段的时间中从第一控制值到第二控制值实现该变化。
在一个或多个实施例中，结束时间段包括在过渡时间段结束的至少瞬间。在一个或多个实施例中，结束时间段的暂态大小是基于光耦合器和/或电力转换器的(性能)特性，例如在电力转换器的输出端之间电连接的电容器的放电的速率。
在一个或多个实施例中，对于其中电力转换器的电压输出跨越布置在电力转换器的两个输出端之间的输出电容器施加的电力转换器而言，对于通过限定(当电力转换器不连接到负载时电力转换器的电压输出在其减小的)的最大速率的电力转换器的放电电阻器的所述电容器的放电而言，过渡曲线被配置成使得变化的第一速率在量值上大于通过所述电容器提供的速率，且阈值速率在量值上小于通过处于目标电压输出的电容器的所述放电提供的速率。
在一个或多个实施例中，控制信号在过渡曲线上被配置成使得在接近结束时间段的结束时，控制信号被驱动成以偏移值超出第二控制值并且随后控制信号返回以在结束时间段结束时实现到第二控制值的过渡。可为有利的是，控制信号类似于临界阻尼系统被驱动，这可以帮助稳定地到达第二控制值。
在一个或多个实施例中，次级侧控制器被配置成与电力转换器一起操作，其中相对于当电力转换器的电压输出小于目标值时，当电力转换器的电压输出大于目标值时发射器元件被配置成提供更大光学输出，且次级侧控制器被配置成基于电力转换器的电压输出中的所请求的减小的出现根据过渡曲线提供所述控制信号。因此，在一些实施例中，所请求的电压输出提高时，过渡曲线不实施。
在一个或多个实施例中第一时间段(控制信号在该第一时间段以第一变化速率变化)在过渡时间段的前半部内。在一个或多个实施例中，第一时间段在过渡时间段的前10％、20％、30％、40％、50％内。
在一个或多个实施例中，第一变化速率(例如由一个或多个电压阶跃变化提供)经选择以提供在电力转换器的当前电压输出和目标电压之间的初始差(即，在第一控制值和第二控制值之间的差)的至少80％的电力转换器的电压输出的变化。在一个或多个实施例中，初始差的百分比可替换地为至少50％、60％、70％或90％。
在一个或多个实施例中，电力转换器的所请求的目标电压输出包括由电力转换器提供的多个预定电压电平中的一个。在一个或多个实施例中，所述预定电压电平由USB电力输送标准限定。
根据本公开的第二方面，我们提供电力转换器，其包括初级侧、次级侧、初级侧控制器、次级侧控制器和光耦合器，该初级侧和该次级侧通过绕组连接，该初级侧控制器被配置成响应于反馈信号而控制开关元件以提供电荷存储元件的充电和放电，该初级侧控制器根据第一方面，该光耦合器被配置成接收次级侧控制器的控制信号，且响应于提供反馈信号到初级侧控制器以用于控制电力转换器的电压输出。
根据本公开的第三方面，我们提供包括第二方面的电力转换器的通用串行总线充电器，其被配置成当连接到充电器时提供电力到负载。
根据本公开的第四方面，我们提供方法，该方法提供在第一控制值和第二控制值之间的过渡，该第一控制值被配置成通过电力转换器提供初始电压输出，该第二控制值被配置成通过电力转换器提供所请求的目标电压以供输出，该方法包括基于至少第一控制值和第二控制值，根据过渡曲线，在预定过渡时间段内提供控制信号到光耦合器的发射器元件以实现转换器的电压输出的变化，该过渡曲线包括控制信号的至少第一变化速率，其跟随有在转换器的电压输出达到目标电压输出之前引起过渡时间段的结束的结束时间段，在该结束时间段中控制信号的变化速率小于基于光耦合器和/或电力转换器的特性的阈值速率，控制器被估计成利用该特性操作，第一变化速率大于阈值变化速率。
此方法对于这样的电力转换器而言是有利的：该电力转换器包括初级侧控制器、次级侧控制器和光耦合器，该初级侧控制器被配置成响应于反馈信号而控制开关元件以提供电荷存储元件的充电和放电，该次级侧控制器被配置成执行该方法，该光耦合器被配置成接收控制信号，且响应于提供反馈信号到初级侧控制器以用于控制电力转换器的电压输出。
在一个或多个实施例中，该方法包括提供过渡曲线，其中在过渡曲线期间期间提供控制信号超过第二控制值并且在过渡时间段的结束返回到该第二控制值。
在一个或多个实施例中，该方法包括通过控制信号的多个逐步变化提供过渡曲线，通过一个或多个阶跃提供的第一变化速率随时间变化，并且通过在结束时间段期间提供的一个或多个逐步变化中的每个的量值上的界限值而提供阈值速率提供。
根据本公开的第五方面，提供用于电力转换器的次级侧控制器，其被配置成将控制信号提供到光耦合器的发射器元件以用于控制电力转换器的初级侧控制器，该次级侧控制器被配置成与初级侧控制器一起操作以用于控制电力转换器的电压输出，该次级侧控制器与光耦合器组合并且基于以下被配置：
被配置成指示电力转换器输出其当前电压输出的第一控制值；以及
被配置成指示电力转换器提供所请求的目标电压输出的第二控制值；
根据过渡曲线在预定过渡时间段提供所述控制信号段以实现在第一控制值和第二控制值之间的变化，该过渡曲线被配置成使得在经过过渡时间段的50％，以第一控制值和第二控制值之间的差的至少55％并且小于99％调整控制信号。
在一个或多个例子中，过渡曲线被配置成使得在经过过渡时间段的50％，以第一控制值和第二控制值之间的差的至少60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％调整控制信号。在一个或多个，过渡曲线被配置成使得在经过过渡时间段的50％，以第一控制值和第二控制值之间的差的小于60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、93％、95％或97％调整控制信号。
在一个或多个例子中，过渡曲线被配置成使得在经过过渡时间段的90％，以第一控制值和第二控制值之间的差的至少92％、94％、96％、98％、99％或100％调整控制信号。
在一个或多个例子中，过渡曲线被配置成使得在经过过渡时间段的75％，以第一控制值和第二控制值之间的差的至少80％、85％、90％、95％、99％或100％调整控制信号。
在一个或多个例子中，过渡曲线被配置成使得在经过过渡时间段的25％，以第一控制值和第二控制值之间的差的至少26％、30％、35％、40％、45％或50％调整过渡曲线。在一个或多个，过渡曲线被配置成使得在经过过渡时间段的25％，以第一控制值和第二控制值之间的差的小于100％、95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％、60％或55％调整控制信号。
应了解，第一方面的可选的特征(包括基于光耦合器/电力转换器的特性可选地提供第一变化速率、结束时间段和阈值速率)同样适用于本方面。
在一个或多个实施例中，过渡时间段为固定预定时间段。在一个或多个实施例中，过渡曲线被配置成使得在过渡时间段结束时，光耦合器不经历饱和度且能够为电力转换器提供调压。
根据本公开的第六方面，我们提供电力转换器，其包括初级侧、次级侧、初级侧控制器、次级侧控制器和光耦合器，该初级侧和该次级侧通过绕组连接，该初级侧控制器被配置成响应于反馈信号而控制开关元件以提供电荷存储元件的充电和放电，该次级侧控制器根据第五方面，该光耦合器被配置成接收次级侧控制器的控制信号，且响应于提供反馈信号到初级侧控制器以用于控制电力转换器的电压输出。
根据本公开的第七方面，我们提供通用串行总线充电器，其包括第六方面的电力转换器，该电力转换器被配置成当连接到充电器时提供电力到负载。
虽然本公开容许各种修改和可替换形式，但是已经借助于例子在附图中示出其特性且将进行详细描述。然而，应理解，也可能存在除所描述的特定实施例以外的其它实施例。还涵盖落在所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和可替换实施例。
以上论述并不意图表示当前或将来权利要求集的范围内的每一例子实施例或每一实施方案。附图和以下具体实施方式还举例说明各种例子实施例。结合附图考虑以下具体实施方式可以更全面地理解各种例子实施例。
附图说明
现将仅以举例方式参考附图描述一个或多个实施例，附图中：
图1示出在电力转换器内的次级侧控制器的例子实施例；
图2示出实施过渡曲线的次级侧控制器的一部分的例子实施例；
图3示出例子过渡曲线；
图4示出当使用例子过渡曲线时光耦合器的发射器元件的行为；
图5示出第二例子过渡曲线；
图6示出包括次级侧控制器的电力转换器的具体例子；
图7示出例子方法；以及
图8示出在无电连接到电力转换器的负载的情况下输出电容器的最大放电率。
具体实施方式
电力转换器可以包括通过绕组连接的初级侧和次级侧，且包括与初级侧相关联的初级侧控制器和与次级侧相关联的次级侧控制器。控制器可以通过光耦合器耦接且提供待至少发送到初级侧控制器的反馈信号用于调节电压输出并且还用于在预定电压电平之间的过渡。光耦合器通常包括发射器元件，其被配置成发出光，该光通过在光耦合器的相对端处的接收器元件接收。发射器可以包括发光二极管(LED)。LED可能具有受限制的带宽且可能在某些条件下变成饱和，例如当跨越其的电压差超出预定量时。如果LED变成饱和，则该LED在其饱和时间期间不能够提供有效反馈，由此潜在地导致电力转换器提供未经调节的电力输出。可以基于经测量值的积分提供反馈信号，且用作积分的一部分的值中的错误可以导致在反馈信号中的错误，在反馈调节为必需的情况下，该错误可能有时持续。
现代的USB充电器通常使用电力转换器，例如开关模式电力供应器，以提供不同预定输出电压电平用于向负载的能量存储器(例如电化学电池)供电和/或充电。输出电压电平可以使用特定通信协议经由在USB充电器和负载装置之间的协商而设定。所以，USB充电器可以提供不同于和/或超过可从服从电池充电1.2规格的标准USB端口或USB充电器获得的受限制可用电力的电压电平，在该电池充电1.2规格中电压限于5V且最大电流限于500mA(USB-2.x)、900mA(USB-3.x)或1.5A(BC1.2)。
在大部分已知通信协议中，例如USB电力输送(USB-PD)、快速充电(QC)、HiSilicon(HS)、AFC、FCP、SCP等，时间限值为指定用于允许在预定电压电平之间过渡到彻底充放电(或向上或向下)的时间。另外，通常，连接的负载装置在过渡期间不被允许汲取大于一定量的电流，但紧接在过渡已结束之后被允许汲取协协商量的电流。这造成在用于电力转换器的电压控制环路上调节速度的挑战，该电力转换器在充电负载装置中具有应用。
如上所述，在电力转换器中的电压控制可以通过次级侧控制器提供，该次级侧控制器提供控制信号到光耦合器，该光耦合器由此提供反馈信号到初级侧控制器。所述光耦合器的普遍布置使得当电力转换器的经调节输出电压高于目标值时通过光耦合器的电流相对于当电力转换器的输出电压低于目标值时的低电流(或无电流)为高。
在此类布置中，已发现，在从较高输出电压到较低目标电压的相对快速过渡时由于环路的(预期的)受限制带宽，光耦合器可能经历饱和。如果电压阶跃即刻做出，则在到达其最终值之前输出电压可能示出不可接受的突降。另一方面，如果为了阻止此类突降，电压以受控方式通过线性地减小施加到光耦合器的控制信号而向下调节，输出电压可以具有与通过次级侧控制器提供的控制信号大体上相同的形状。然而，已发现，在电力转换器输出电压已达到其端值之后，在一定量时间期间光耦合器的重饱和可能出现。在光耦合器经历饱和时，如果负载开始汲取其协商的电流(被称为电流负载阶跃)，则只要反馈环路处于饱和，电力转换器的输出电压将仍示出突降，毕竟因为环路“无视”所述电流负载阶跃。时间限制在由上述各种通信协议限定的预定电压电平之间增添最大过渡时间，该最大过渡时间通常不超过数百毫秒，造成对基于光耦合器的反馈控制器的挑战。
图1示出电力转换器100并且具体地说示出其次级侧控制器101，该次级侧控制器101被配置成提供控制信号到光耦合器的发射器元件102。发射器元件被配置成发出基于控制信号的反馈信号到光耦合器的接收器元件103。接收器元件103连接到初级侧控制器(即示出为方块104)，方块104还指定电力转换器的初级侧和绕组。来自绕组的输出包括在端105和参考电压端极柱106(例如接地端)处的转换器的电压输出Vcc。方块104可以具有接收AC电压作为到电力转换器的输入的供电端107。电力转换器可以为开关模式电源。因此，电力转换器通常包括整流器、一个或多个开关元件以重配置其中电流路径和为一个或多个电荷存储元件充电，经整流电源电压和跨越电荷存储元件的电压施加到绕组以用于过渡到次级侧。初级侧控制器通常被配置成响应于经由光耦合器的接收器元件103接收的反馈信号控制一个或多个开关元件，以在输出端105处提供不同电压电平和/或调节电压输出。因此，由次级侧控制器101生成的控制信号可被配置成经由光耦合器(提供在初级侧和次级侧之间的电隔离)和初级侧控制器控制电力转换器的电压输出。
电容器108示出在绕组的输出端105和参考电压端106之间。在此例子中，次级侧控制器101被配置成经由分压器110接收转换器输出电压。
电力转换器100包括用于连接到负载的电压输出端116和参考端117。负载可以包括可以从电力转换器充电的电荷存储元件，例如电容器或电化学电池。
次级侧控制器包括控制环路放大器111，其具有由环路参考块112生成的作为输入的Vcc和参考电压的经分频版的电压。环路放大器111提供控制信号以驱动电流通过光耦合器的发射器元件(LED)以便过渡到所请求的目标电压，如将在下文更详细地描述。环路参考块112被配置成提供过渡曲线以在控制信号过渡期间控制(相对于时间)对控制信号的形状进行控制以在过渡时间段实现所请求目标电压。应了解，控制信号的控制值具有与电力转换器的电压输出的直接关系，并且因此通过控制信号提供的控制值(一般来说在经调节的使用中)可与电力转换器的电压输出互换使用。
为了具有快速放电，提供包括电阻器114和开关115的放电路径113到参考电压，或存在接地。在端105和电力转换器100的电压输出端116之间串联的开关118被提供且可以用于断开负载与电力转换器100。
次级侧控制器100可以与负载通信(由箭头119示意性地示出)。根据USB电力输送协议或类似协议(如上所述)，负载可以提供对特定电压输出的请求到电力转换器100，该特定电压输出形成次级侧控制器101的所请求的目标电压输出。
因此，控制根据过渡曲线通过环参考块112提供到放大器111的信号提供控制信号的生成，该控制信号通过第二侧控制器101施加到发射器元件102。发射器元件102包括两个端并且在其第一端被配置成经由可选的电阻器120接收表示转换器输出电压Vcc的电源电压，并且在该发射器元件102的另一端接收控制信号。因此，相对于通过转换器输出的电压，控制信号的电压控制通过发射器元件102发出的光。
应了解，发射器元件102可以具备在不同配置中的控制信号，其条件是控制信号可以经由光耦合器有效地提供反馈到初级侧控制器。
图2和图3示出环路参考块112例子实施方案，其中次级侧控制器101提供过渡曲线，在该过渡曲线中控制信号的变化速率在过渡时间段逐渐减小。
首先转向图3，示出过渡曲线300，其包括由次级侧控制器101生成的控制信号如何在其过渡期间随着时间(横轴)提供到发射器元件102，该过渡在过渡时间段303从与初始电压输出相关联的第一控制信号301到与所请求目标电压输出相关联的第二控制信号302。应了解，控制信号的变化速率(至少在考虑对时阶跃行平均时)在过渡时间段逐渐减小。因此，初始地，控制信号的变化速率为高，包括至少第一(高)变化速率。然而，在引起过渡时间段的结束305的结束时间段304中，控制信号的变化速率低于第一变化速率并且具体地说低于阈值变化速率。通过提供其中控制信号的变化速率保持低于阈值速率的结束时间段为有利的，可以用以阻止发射器元件在过渡时间段的结束305时免受经历饱和。因此，当在过渡时间段的结束305之后负载在一些点处开始汲取电流时，通过次级侧控制器112、光耦合器102和初级侧控制器提供的控制环路可以有效调节电压。在此例子中，其提供控制信号的逐步变化，限制在结束时间段304期间提供的阶跃的大小以提供阈值速率从而减小光耦合器在时间段303的结束时经历饱和的风险。
阈值速率可以通过限制每阶跃的阶跃变化大小和/或在阶跃之间的时间而提供。阈值速率可以高至250mV/ms或150、200、225、275或300mV/ms。
当在电压电平之间变化时，电压差通常至少3伏或在3或4和15伏之间。USB充电电压过渡的例子包括20伏到5伏或12伏到9伏。根据如上所述的充电标准，电压过渡可以在其实施的时间段通常在100和500毫秒之间。其中变化速率低于阈值的结束时间段的长度为通常至少50毫秒。
在图3的例子中，控制信号以逐步方式，即在多个阶跃307上从第一值301(其提供在初始电平处输出电压的电压转换器)过渡到第二值308(其可被配置成提供在所请求的目标电压电平处输出电压的电压转换器)。在一个或多个例子中，控制信号可被配置成在返回到目标电平之前以预定偏移量通过目标电平。在一个或多个例子中，电压阶跃变化的量值在过渡时间段减小，例如过渡时间段的至少10％或20％或更大。
因此，在接收目标电压电平时，第二侧控制器被配置成在至少100毫秒或至少275ms的过渡时间段过渡到该目标电平。
通过在过渡时间段开始处提供电压的突然变化(即第一变化速率)，在结束时间段中的更慢变化速率允许发射器元件(如果通过突然变化速率被饱和)恢复，例如在过渡时间段结束之前。因此，当负载开始汲取电流时光耦合器能够提供对通过电力转换器输出的电压的调节。
控制信号的变化速率的逐步减小(由每个阶跃表示的电压变化限定)可以以大致上抛物面或大致上指数的方式减小。在过渡时间段逐渐减小步长已被发现尤其有效减小发射器元件在过渡时间段结束时经历饱和的风险。
在第一值301和第二值302之间的电压的阶跃变化307的数量可为至少5、6、7、8、9、10、15、20或更大。应了解，阶跃的数量可以影响控制信号的有效变化速率。因此，阶跃的数量可被配置成在过渡时间段的所期望的时间段提供所期望的变化速率。
在图3的例子中，过渡时间段303为大致上275ms。至少5或至少7或大致上9电压阶跃被提供到在第一控制值和第二控制值之间的过渡。在此例子中，在电压阶跃之间的时间(时步时间段306)为大致上固定的，不过在其它例子中其可以变化。时步时间段306可以为至少1ms或低于1ms。在一个或多个例子中，时步为在200μs和1.5ms之间，或300μs和1ms之间，例如625μs。
在一个或多个实施例中，过渡曲线可以基于包括所请求的目标控制值的第一控制值和第二控制值确定。因此，响应于第二控制值的接收确定过渡曲线的形状。可替换的是，在一个或多个例子中，在过渡进行时，基于对应于电压转换器的当前电压输出的当前控制值而非在过渡开始处的初始控制值确定过渡曲线。
因此，作为过渡曲线的一部分得到的电压阶跃的大小包括：
(Vp-Vt)/N
其中Vp包括当前控制值且Vt包括目标第二控制值，并且N包括整数。应了解，给出的控制值涉及电力转换器的电压输出，Vp可以包括电力转换器的当前电压输出且Vt可以包括电力转换器的所请求的电压输出。
N的值经选择以提供在过渡时间段的过渡曲线的大约形状。N的值可以控制曲线的形状，使得在结束时间段期间，变化速率低于阈值速率。在此例子中，N为64。在其它例子中，N的值可以为例如至少8、16、24、32、48、64、128。在其它例子中，N的值可以为2x，其中x为整数。可能有利的是，当数字地实施过渡曲线时使用为2的幂的N值。然而，N的值不为2的幂是可以的。
应了解，电压阶跃的大小，尤其在接近过渡时间段的结束时，影响控制器接近第二目标控制值的程度。作为各种充电标准的一部分，对公差进行限定，并因此控制器可被配置成在限定公差内提供第二控制信号(并因此提供输出电压)。还将了解，电压阶跃在过渡时间段和特别是在过渡时间段期间的以下时间内的减小独立于限定公差：在该时间内过渡，电压阶跃的量值的逐渐减小开始。具体地说，电压阶跃的量值的逐渐减小的开始可以发生在过渡时间段结束之前的过渡时间段的至少10％、20％、30％、40％或50％。
在一个或多个例子中，过渡曲线被配置成在过渡时间段内以预定偏移308过冲所请求的第二控制值。过冲可以在小于5或小于3或小于2或1个时步时间段内存在。表达为过渡时间段的百分比，过冲可以在小于过渡时间段的最终10％或5％内存在。返回到目标，第二控制值可以过渡帮助确保在过渡时间段结束时，发射器元件从任一电势饱和状态恢复。偏移可以包括小于0.5伏或更优选地小于0.25伏。表达为在初始电压和所请求的目标电压之间的电压变化的百分比，偏移小于10％或更优选地小于5％。
箭头310标记在过渡时间段期间穿过时间段50％的点。箭头311标记在该50％点处的控制信号的值。箭头311示出在由箭头310标记的点之前，控制值大于其到目标308的路径的50％且小于99％。类似地，可以在整个过渡时间段内限定其它时间点以便指定在该时间点之前控制值变化多少。应了解，可以有利的是，在过渡时间段中控制信号已经较早达到接近第二控制值的值，由此能够实现在过渡时间段的最终部分期间的低变化速率。因此，类似于箭头310的不同时间点可以被限定成指定在不同时间点处由控制信号达到的控制值的范围。
转向图2，示出实施逐渐减小的逐步过渡曲线的例子布置。在此例子中，过渡曲线通过一连串逻辑元件用数字方式提供。在其它例子中，过渡曲线可以通过微控制器提供。图2示出环路参考块112的例子功能组件。环路参考块包括数模转换器200以提供信号到控制环路放大器111。
环路参考块112被配置成从次级侧控制器的另一部分接收第二控制值，其包括对应于所请求的电压输出的控制信号。应了解，该目标第二控制值可以通过任一合适过程确定，且环路参考块112相关于如何(即过渡曲线)在电压电平之间执行过渡。因此，第一逻辑块201从区块202接收目标值或第二控制值E，该区块202可以表示次级侧控制器101的另一部分。第一逻辑块201还从区块203接收目标偏移值F。区块203可包括存储器或次级侧控制器101的另一部分。第一逻辑块执行公式E-F以确定偏移控制值D，其将在返回目标控制值之前达到包括偏移过冲。
第二逻辑块204从第一逻辑块201接收偏移控制值以及当前控制值C。当前控制值包括在当前时间处的控制值。如将了解，在控制值被配置成控制电压输出Vcc的条件下，当前控制值可以从电力转换器的电压输出中导出。在其它例子中，上一次使用的控制值存储于存储器中。第二逻辑块204执行公式C-D以确定电压到偏移目标值。在第三逻辑块205中电压到偏移目标值除以N以提供电压阶跃大小B。应了解，给出的数字逻辑方便地以二为幂进行运算，提供等于二的幂的N允许第三逻辑块205被实施为移位寄存器。
第四逻辑块206接收电压阶跃大小B以及当前控制值(在该区块中指定为A)，并且判定公式A-B以确定应用于放大器111的控制值。控制值通过寄存器块207接收，该寄存器块207根据设定成特定时步时间段的时步信号208提供控制值到DAC 200。
在一个或多个例子中，控制器可被配置成主动地控制时步信号以根据光耦合器或电力转换器的组件的性能控制过渡曲线的形状。
寄存器块207根据适当时步提供控制值到DAC 200。信号210为通过区块207提供的控制值并且连同减法器输入A和C(来自204，206)输入到DAC 200。
包括逐步抛物线/指数近似值的该过渡曲线已发现在确保在过渡时间段结束时光耦合器控制环路处于调节上有效，因为在过渡时间段的结束时间段中控制值的变化速率可以有效地设定低于阈值速率。步长的逐渐减小提供跨越发射器元件的电压以在过渡时间段的结束时足够减小，使得发射器元件可以不经历饱和且因此可以提供有效调节。
图4示出包括Vcc 400、控制信号401和在发射器元件402的负极处跨越发射器元件102的电压的图的曲线。还示出过渡时间段303以及在偏移之后的升压403。可见，在404处的发射器元件102的饱和时间段之后，在结束时间段期间控制值变化速率的减小低于阈值速率允许光耦合器在过渡时间段303结束时有效地调节。应了解，电力转换器的输出电压Vcc的变化通过电容器108的放电确定，因为控制信号的初始第一变化速率(在量值上)大于通过电容器108放电提供的变化速率。变化速率的量值在过渡时间段303减小，使得在结束时间段中控制信号的变化速率的量值至少在目标电压处小于通过电容器108的放电提供的速率。
图5示出了另外的实施例。图5还示出在第一控制值和第二控制值之间的逐步过渡，并且其中在结束时间段期间，变化速率保持低于阈值速率。最上面曲线500示出控制信号在过渡时间段501的变化。曲线500示出在第一变化速率502的控制信号的突然变化。该突然变化速率502在过渡时间段开始处提供。如最低曲线503中示出，发射器元件102可以在突然变化之后经历饱和时间段504。然而，在结束时间段505期间，控制信号的变化速率低于阈值速率，从而允许发射器元件102走出饱和并且在过渡时间段501的结束时提供有效调节。实际上，在此例子中，在突然变化速率之后控制信号的变化速率在506处示出在过渡时间段501的约60％上大致上为0。因此，在变化502之后，控制信号处于控制值，其提供目标电压的输出电压加标记为xx％的容限百分比。值xx％可以取决于USB充电标准。随后，提供第三变化速率507，其低于阈值速率。在此例子中，阈值速率提供为在过渡时间段的至少90％(即结束时间段505)在当前控制值和第二控制值之间剩余的差。在此例子中，经过过渡时间段的50％，控制信号为当时的第二控制值的约95％。在此例子中，第三变化速率在量值上小于在目标电压处的最大放电斜率(在无负载情况下)800，如下文将描述的。
在以上例子中的任一者中，阈值速率以及结束时间段的大小经选择以允许光耦合器的发射器元件的恢复，如果其在过渡时间段的初始时间段期间经历饱和的话。阈值速率和/或结束时间段可以基于其中实施阈值速率的发射器元件和/或电力转换器100的特性。例如，基于布置在电力转换器的输出端105、106之间的输出电容器108的放电电阻选择阈值速率和/或结束时间段的大小，使得过渡曲线驱动施加到光耦合器102的电压变化而非跨越输出电容器108(和经由电阻器120施加到发射器元件102)的电压的变化。
可以在无电连接负载情况下达成的最大变化速率(斜率为负)可以是在经由放电电阻器114提供输出电容器108的放电时。该RC放电可以经由以下公式描述：
在图8中，当电压Vout变得较低时，可见RC放电斜率800的变化速率的量值减小(在斜率为负号时变成较小负值)。Vinit包括从其开始做出电压过渡的初始电压，即当前电压。图8绘制为Vinit＝20V、R＝100欧、C＝1mF和t＝0到0.3秒。从20V到5V的过渡可以为由遵循的充电标准限定的最大过渡。斜率800的导数(表示变化速率)可以计算和通过以下公式给出：
(当结束目标电压Vend达到时的导数)
应了解，该公式提供用于曲线的斜率方向的合适符号的导数。因此，在变化速率的量值可以随时间减小时，实际变化速率将变成较小负值(即增大)。
在一些实施例中，为了避免饱和以及提供有效调压，可为有益的是，提供过渡曲线801，其中至少在过渡时间段结束和可选地在时间上更大的结束时间段，电容器108的放电通过控制信号而非电容器固有的“无负载”放电斜率800确定。因此，在一个或多个例子中，阈值变化速率可以在最低/目标电压Vend处在量值上比(或，因为斜率为负，按绝对值计算更大)曲线800斜率更小，其中：
其中Vend为电力转换器的所期望的电压输出，R包括一个或多个电阻器的电阻，输出电容器通过该一个或多个电阻器放电，并且C包括输出电容器108的电容。应了解，该公式提供用于曲线的负斜率方向的合适符号的导数。因此，阈值速率的量值可以小于Vend/RC的量值。
示出在图8中的放电斜率为当转换器100上不存在负载并且电容器108经由放电电阻器114(和分压器的电阻器)放电时。可见，这是为了满足以上阈值速率要求的最不利的情况形式(因为在负载情况下放电斜率将更陡)。在其它例子中，可以考虑通过负载放电。因此，阈值速率可以在量值上小于基于的值。例如，在其中电容器的放电部分通过负载提供的实施例中，阈值速率可以基于取决于的组成部分和基于通过负载的放电速率的组成部分中的一个或多个。
在一个或多个例子中，提供非线性的过渡曲线可以是有利的，例如抛物线形斜率或多个分段线性部分。在一些例子中，第一变化速率可以在量值上(更为负值)比通过经由一个或多个电阻器114的输出电容器108的放电确定的放电800更大。在当前电压或最高额定电压处第一变化速率可以大于电容器108的放电速率，例如在Vinit处的速率。这引起在其中施加第一变化速率的时间段期间遵循的斜率800。然而，在结束时间段期间使用阈值速率实现通过控制信号的变化控制电力转换器的输出电压，因为阈值速率在量值上小于在目标电压Vend处斜率800的变化速率。
在一个或多个实施例中，其中所述电容器108在电力转换器的输出端处通过一个或多个电阻的放电限定最大速率，在该最大速率下当电力转换器不连接到负载时电力转换器100的电压输出减小，过渡曲线被配置成使得第一变化速率在量值上比通过所述电容器提供的放电率更大，即初始地比通过斜率800示出的变化速率更大的变化速率。随后，过渡曲线(在过渡时间段结束和/或在结束时间段期间)可以在这样的值处提供阈值速率，该值在量值上比通过电容器在目标电压处的所述放电提供的放电速率更低，由此使得在利用最大速率(在该最大速率下输出电容器可以放电)之间的过渡跟随有时间段，在该时间段中由控制器101提供的控制信号为输出电容器108如何快速放电的限制因素。
在过渡时间段的结束之前处于输出电压的控制的电力转换器100(包括控制器101)的时间量可以由当过渡曲线801交叉曲线800时限定，即在交叉点和tttp之间的时间。在一些实施例中，阈值速率可以在过渡时间段的结束处提供。因此，结束时间段可以为在过渡时间段结束的瞬间。在其它例子中，结束时间段可为更大时间段，这可为有利的。由电容器放电限定的时间段Ta短于过渡时间段tttp，由此提供其中过渡曲线控制电力转换器的电压输出的结束时间段。
图6更详细示出电力转换器100。电力转换器100包括通过绕组603连接的初级侧601和次级侧602。次级侧602包括次级侧控制器604，其提供控制信号到发射器元件102。如上文所描述，参考图1，发射器元件102经由接收器元件103提供光学反馈信号到初级侧控制器605。初级侧601包括整流器606和通过初级侧控制器605控制的开关元件607，以致使电荷存储元件608充电和放电以提供电流到绕组603以用于转移电力到次级侧602。在此例子中，电力转换器还包括辅助绕组610，其此处将不更详细描述。次级侧602另外包括负载断开连接开关611以当电力转换器的电压输出施加到负载时进行控制。
在其它例子中过渡曲线使用模拟组件而非以逐步方式数字地实施。例如，电容器的放电可用于控制在第一控制值和第二控制值之间的过渡。
图7示出绘示方法的实施例的流程图。该方法包括提供第一控制值700以指示电力转换器输出特定电压。该方法包括，响应于接收所请求的电压输出，根据过渡曲线701在预定过渡时间段提供控制信号到光耦合器的发射器元件以实现转换器的电压输出的变化，过渡曲线包括控制信号的至少第一变化速率，其跟随有结束时间段，该结束时间段引起在转换器的电压输出到达目标电压输出之前的过渡时间段的结束，在该结束时间段中控制信号的变化速率小于基于光耦合器和/或电力转换器的特性的阈值速率，控制器被估计成利用该特性操作，第一变化速率大于阈值变化速率。可替换的是，过渡曲线可以通过确保在过渡时间段在一个或多个时间点处(例如50％、25％或75％或其它)控制信号在预定范围内实现。该方法另外包括提供第二控制值702以指示电力转换器输出包括所请求的电压输出的特定电压。
在以上说明书中，电力转换器使用光耦合器以提供反馈到初级侧控制器。然而，应了解，到初级侧的反馈也可通过例如通信变换器完成。在此情况下，在次级侧控制器的反馈回路中的积分器可以处于错误值，这引起如同基于反馈的光耦合器的相同影响。因此，在反馈环路中具有积分器的电力转换器可以得益于次级侧控制器。
除非明确陈述特定顺序，否则可以任何顺序执行以上附图中的指令和/或流程图步骤。而且，本领域的技术人员将认识到，尽管已经论述一个例子指令集/方法，但是在本说明书中的材料可以多种方式组合从而还产生其它例子，并且应在此详细描述提供的上下文内来理解。
在一些例子实施例中，上文描述的指令集/方法步骤实施为体现为可执行指令集的功能和软件指令，其在计算机或以所述可执行指令编程和控制的机器上实现。此类指令经加载以在处理器(例如，一个或多个CPU)上执行。术语“处理器”包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器)，或其它控制或计算装置。处理器可以指代单一组件或多个组件。
在其它例子中，本文示出的指令集/方法以及与其相关联的数据和指令存储在相应的存储装置中，该存储装置实施为一个或多个非暂时性机器或计算机可读或计算机可用存储媒体。此类计算机可读或计算机可用存储媒体被认为是物品(或制品)的一部分。物品或制品可指代任何制造的单个组件或多个组件。如本文所限定的非暂时性机器或计算机可用媒体不包括信号，但此类媒体能够接收和处理来自信号和/或其它暂时性媒体的信息。
本说明书中论述的材料的例子实施例可整体或部分通过网络、计算机或基于数据的装置和/或服务实施。这些可包括云、互联网、内联网、移动装置、台式计算机、处理器、查找表、微控制器、消费者设备、基础架构，或其它使能装置和服务。如本文和权利要求书中可使用的，提供以下非排他性限定。
在一个例子中，使本文论述的一个或多个指令或步骤自动化。术语自动化或自动地(及其类似变体)意味着使用计算机和/或机器/电气装置控制设备、系统和/或过程的操作，而不需要人类干预、观测、努力和/或决策。
应了解，称为被耦接的任何组件可直接或间接地耦接或连接。在间接耦接的情况下，可在据称将耦接的两个组件之间安置额外的组件。
在本说明书中，已经依据选择的细节集合呈现例子实施例。然而，本领域的普通技术人员将理解，可实践包括这些细节的不同选定集合的许多其它例子实施例。希望所附权利要求书涵盖所有可能的例子实施例。

Claims (15)

1.一种用于电力转换器的次级侧控制器，其特征在于，所述次级侧控制器被配置成提供控制信号到反馈元件以用于控制所述电力转换器的初级侧控制器，所述次级侧控制器被配置成与所述初级侧控制器一起操作以用于控制所述电力转换器的电压输出，所述次级侧控制器被配置成基于：
被配置成指示所述电力转换器输出其当前电压输出的第一控制值；以及
被配置成指示所述电力转换器提供所请求的目标电压输出的第二控制值；
根据过渡曲线，在预定过渡时间段内过渡提供所述控制信号以实现在所述第一控制值和所述第二控制值之间的变化，所述过渡曲线包括所述控制信号的至少第一变化速率，其跟随有引起所述过渡时间段结束的结束时间段，在所述过渡时间段期间，所述控制信号的所述变化速率的量值小于阈值速率，所述阈值速率和/或所述结束时间段的大小基于所述电力转换器的特性，所述控制器被配置成利用所述特性操作，所述第一变化速率在量值上大于所述阈值变化速率。
2.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其特征在于，所述电力转换器的所述特性包括布置在所述电力转换器的输出端之间的至少输出电容器的放电曲线。
3.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其特征在于，所述过渡曲线包括在所述过渡时间段的至少50％内所述控制信号的所述变化速率的逐渐减小。
4.根据在前的任一项权利要求所述的次级侧控制器，其特征在于，所述过渡曲线提供所述控制信号的逐步变化，并且所述逐步变化的量值在所述预定过渡时间段内逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的次级侧控制器，其特征在于，所述逐步变化中的一个或多个的所述量值是基于在当前控制值和所述第二控制值之间的差。
6.根据权利要求5所述的次级侧控制器，其特征在于，所述逐步变化中的一个或多个的所述量值是基于下式：
(Vp-Vt)/N
其中Vp为当前控制值，并且Vt为所述第二控制值且N为整数。
7.根据在前的任一项权利要求所述的次级侧控制器，其特征在于，对于其中所述电力转换器的电压输出跨越布置在所述电力转换器的两个输出端之间的输出电容器而施加的所述电力转换器而言，所述电容器的放电限定最大速率，在没有处于所述输出端的电连接负载的情况下，在所述最大速率下所述电力转换器的所述电压输出减小，所述过渡曲线被配置成使得所述第一变化速率在量值上大于所述最大速率，所述最大速率通过所述电容器的所述放电提供，且所述阈值速率在量值上小于通过处于至少所述目标电压输出的所述电容器提供的速率。
8.根据在前的任一项权利要求所述的次级侧控制器，其特征在于，所述控制信号在所述过渡曲线上被配置成使得在接近所述结束时间段的所述结束时，所述控制信号被驱动成以偏移值超出所述第二控制值，并且随后所述控制信号返回以在所述结束时间段结束时实现到所述第二控制值的所述过渡。
9.根据在前的任一项权利要求所述的次级侧控制器，其特征在于，所述次级侧控制器被配置成与电力转换器一起操作，其中所述反馈元件包括具有发射器元件的光耦合器，所述发射器元件被配置成提供反馈信号到所述初级侧控制器，并且其中相对于当所述电力转换器的所述电压输出小于所述目标值时，当所述电力转换器的所述电压输出大于所述目标值时，所述发射器元件被配置成提供更大光学输出，并且所述次级侧控制器被配置成根据所述过渡曲线，基于出现所请求的所述电力转换器的所述电压输出的减小来提供所述控制信号。
10.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其特征在于，其中所述控制信号以所述至少第一变化速率变化的第一时间段在所述过渡时间段的前半部内。
11.根据权利要求10所述的次级侧控制器，其特征在于，所述第一变化速率经选择以提供在所述第一控制值和所述第二控制值之间的初始差的至少80％的所述电力转换器的所述电压输出的变化。
12.根据在前的任一项权利要求所述的次级侧控制器，其特征在于，所述电力转换器的所述所请求的目标电压输出包括由所述电力转换器提供的多个预定电压电平中的一个。
13.一种电力转换器，其特征在于，所述电力转换器包括初级侧、次级侧、初级侧控制器、次级侧控制器和反馈元件，所述初级侧和所述次级侧通过绕组连接，所述初级侧控制器被配置成响应于反馈信号而控制开关元件以提供电荷存储元件的充电和放电，所述次级侧控制器根据在前的任一项权利要求，所述反馈元件被配置成接收所述次级侧控制器的所述控制信号，且响应于提供所述反馈信号到所述初级侧控制器以用于控制所述电力转换器的所述电压输出。
14.一种通用串行总线充电器，其特征在于，所述通用串行总线充电器包括根据权利要求13所述的电力转换器，所述电力转换器被配置成当连接到所述充电器时提供电力到负载。
15.一种提供在第一控制值和第二控制值之间的过渡的方法，过渡所述第一控制值被配置成通过电力转换器提供初始电压输出，所述第二控制值被配置成通过所述电力转换器提供所请求的目标电压以供输出，其特征在于，所述方法包括基于至少所述第一控制值和所述第二控制值，根据过渡曲线，在预定过渡时间段内提供控制信号到反馈元件以实现所述转换器的所述电压输出的变化，所述过渡曲线包括所述控制信号的至少第一变化速率，其跟随有在所述转换器的所述电压输出达到所述目标电压输出之前引起所述过渡时间段的结束的结束时间段，在所述过渡时间段中所述控制信号的所述变化速率的量值小于基于所述电力转换器的特性的阈值速率，所述控制器被估计成利用所述特性操作，所述第一变化速率大于所述阈值变化速率。
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