CN108288916B - 用于单级功率变换器的脉冲频率调制模式转换 - Google Patents

用于单级功率变换器的脉冲频率调制模式转换 Download PDF

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Abstract

提供了一种开关功率变换器，其响应于用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压和用于恒流操作的峰电压的比较来在恒压脉冲频率调制操作和恒流操作之间转换。

Description

用于单级功率变换器的脉冲频率调制模式转换
技术领域
本申请涉及开关功率变换器，更特别地，涉及具有利用脉冲频率调制的恒压和恒流操作模式的开关功率变换器。
背景技术
诸如反激式变换器的单级开关功率变换器使由控制器所控制的功率开关循环以向负载输送功率。在反激式变换器操作启动例如以对放完电的电池充电时(全负载条件)，控制器使功率开关循环以使得输出电流和输出电压都从其初始零值上升。但是输出电流不能超过最大输出电流，否则诸如功率开关的部件会被损坏。在达到最大输出电流限时，控制器将切换成将输出电流保持在最大电流限的恒流操作模式。图1示意了反激式变换器的恒流模式100中的操作期间的输出电压。随着电池被渐进地充电，恒流模式100中的输出电压将逐渐上升直到在转换点110达到期望的输出电压(Vdesired)，在这之后控制器转换到操作在恒压模式105中。由于控制器驱动全负载，所以其在恒压模式105期间利用恒定开关频率的脉宽调制来调节功率开关的循环。
随着负载降低(例如，随着电池被充电)，连同用于脉宽调制的占空比的减小，输出电流继续在恒压模式105中减小。但是即便脉宽被渐进地减小，当负载继续减小时脉宽调制操作也将最终使负载过驱动。因此，控制器将转换到恒压脉冲频率模式，以用于如图2所示的轻负载操作，图2示意了随输出负载变化的开关频率。特别地，在等于最大负载值的某个分数的预定负载值时，开关功率变换器将从脉宽调制(PWM)操作模式转换到脉冲频率操作模式(PFM)。当在PWM模式中操作时，控制器将开关频率保持在最大值Fmax。但是在PFM模式中，随着负载减小，控制器将从该最大值逐渐降低。
尽管脉冲频率调制模式使得控制器能够在低负载期间在不过驱动负载的情况下增加效率，但是控制器操作在恒压模式中。因此，本领域中存在对于在低负载条件期间的附加的控制操作模式的需要。
附图说明
图1示意了利用脉宽调制的恒压操作模式和对全负载供应最大允许电流的恒流模式之间的转换的、作为输出电流的函数的输出电压。
图2示意了利用脉宽调制的恒压操作模式和利用脉冲频率调制的恒压操作模式之间的转换的、基于输出功率的开关频率。
图3是反激式变换器的电路图，反激式变换器包括初级侧控制器，初级侧控制器配置为提供恒压脉冲频率调制模式和供应作为图1的最大允许电流的分数的电流的恒流模式之间的转换。
图4示意了恒压脉冲频率调制模式和第一恒流操作模式之间的转换以及恒压脉宽调制模式和第二恒流模式之间的转换的、作为输出电流的函数的输出电压和开关频率。
图5示意了作为输出电流的函数的峰值电压，该峰值电压用于控制用于恒流模式和恒压脉冲频率调制模式的功率开关的关断时间，其中，恒流模式和恒压脉冲频率调制模式之间的转换被禁止。
图6A示意了峰值电压，该峰值电压用于控制用于恒流模式和恒压脉冲频率调制模式的功率开关的关断时间，其中，恒压脉冲频率调制模式和恒流模式之间的转换被使能。
图6B示意了用于图6A的模式的开关频率。
图7是根据公开的一个方面的用于使能恒压脉冲频率调制模式和恒流模式之间的转换的控制器的图示。
图8是用于图7的控制器的操作的方法的流程图。
通过参阅下文的详细说明将最佳地理解本公开文本的实施方式及其优势。应该意识到，类似的附图标记用于标识一个或多个附图中的类似元件。
具体实施方式
提供了一种控制器，其将恒压脉冲频率调制模式转换为恒流模式，并且反之亦然。在恒流和恒压控制模式之间的这样的转换对于诸如的对电池直充的应用来说是有利的，在电池的直充中，在脉冲频率调制模式操作期间能够被驱动到电池的最大电流受到限制。取决于负载的需求，可以相应地调整最大电流限。下面的描述将针对反激式变换器中模式控制的实现，但是将应当理解，本文公开的构思容易适用于其他类型的单级开关功率变换器，例如降压、降压-升压或升压变换器。此外，尽管常规上在负载减小时利用脉冲频率调制(PFM)操作，但是本文公开的PFM模式能够适用于为重或全负载操作利用PFM操作的系统。
图3中示出了示例的反激式变换器300，其具有控制器305，控制器305配置为如本文进一步讨论地在恒压脉冲频率调制操作和恒流控制之间转换。反激式变换器300在控制器305接通功率开关晶体管Q4时接收驱动变压器T1的主机绕组310的经整流输入电压VIN。在反激式开关功率变换器300中，功率开关晶体管Q4是MOSFET(NMOS)晶体管，但是将应当理解在替代实施例中可以使用双极结型晶体管(BJT)功率开关。为了使功率开关晶体管Q4循环接通，控制器305对其栅极充电。基于经整流输入电压VIN和变压器T1的磁化阻抗，初级绕组310中的初级绕组电流从零斜升为峰电流值，在这之后，控制器305关断功率开关晶体管Q4以完成开关循环。为了感测何时已经取得期望的峰电流，控制器305接收例如来自耦接在功率开关晶体管Q4和接地之间的感测电阻器Rs上的电压的ISENSE信号。当ISENSE到达与期望的峰电流关联的峰电压时，控制器305关断功率开关晶体管Q4。控制器305响应于反馈电压(VSENSE)来确定峰电压，反馈电压通过由串联电阻对R1和R2形成的分压器从辅助绕组415上的反射电压导出。
当控制器305关断功率开关晶体管Q4时，耦接到变压器T1的第二绕组320的整流二极管D1变得正向偏置，以使得变压器T1中存储的磁能被输送为负载电容器C1滤波的负载两端的输出电压VOUT。将应当理解，在替代实施例中可以由同步整流(SR)开关取代整流二极管D1。到负载的这种能量输送在辅助绕组315上产生反射电压，其是二极管D1两端的电压降和输出电压VOUT的函数。当这种能量输送竭尽时，次级绕组320中的电流将下降为零，以使得二极管D1两端没有电压降，在这之后，辅助绕组315两端的反射电压直接与输出电压VOUT成比例。这个时间被指示为变压器重置时间(Trst)并且代表通过VSENSE来采样反射电压以获得输出电压VOUT的准确估计的理想时间。应当理解，可以使用光耦合器来感测输出电压VOUT，以代替这样的“仅初级”感测。
关于导出峰电压，通常使控制器305包括用于控制功率开关晶体管Q4的循环的恒压调节模块或功能以在PFM和PWM操作模式中将输出电压VOUT保持在恒定值。类似地，通常使控制器305包括恒流调节模块或功能，以在恒流模式中(在从PWM操作的转换中)控制功率开关晶体管Q4的循环。控制器305已经修改这些调节模块以在操作在脉冲频率调制模式中时(对于恒压操作)时使能到恒流模式的转换(类似地，从恒流模式到恒压模式的转换)。为了更好地领会如何实现这些有利的转换，现在将回顾用于控制器305的操作的一些理论。
在恒流操作期间反激式变换器100在全负载的平均输出电流(IO)可以表达为：
其中，n为变压器T1匝数比(n＝Np/Ns)，Ipri_pk为峰初级电流，Treset为变压器重置时间，并且Tp为对于功率开关晶体管Q4的先前循环的开关周期。再次参考图3，要注意，控制器305内的恒流调节模块(未示意)和恒压调节模块(未示意)通过针对在感测电阻器Rs之间感测的ISENSE电压设置期望的峰电压(Vpeak)来工作。在功率开关晶体管Q4的每个循环中，对应的调节模块(恒压或恒流)将在获得期望的峰电压时打开功率开关晶体管Q4。现在将讨论用于恒流操作的峰电压(Vipk_CC)的导出。
用于峰电压的恒流控制模式方程表达如下：
其中，Vipk_CC为针对恒流控制模式中的ISENSE电压的峰电压值，Kcc为比例常数，Tp为开关周期，并且Treset为变压器重置时间。与恒流调节模块相比，恒压调节模块处理从输出电压导出的反馈电压以形成用于恒压操作的峰电压。给出用于恒压操作的峰电压，则可以将峰初级电流值(Ipri_pk)表达为：
其中，Vipk_CV为用于恒压操作的峰电压，并且Rs是感测电阻器电阻。
从上面的方程(1)到(3)，得到平均输出电流IO等于：。
再次参考图1，可以看出用于恒压模式操作和恒流模式操作的输出电流在转换点100处相等。因此，在全负载时，Vipk_CV应当等于Vipk_CC。这样，将这些峰电压在方程(4)中设置为相等表明最大平均输出电流(Io_max)可以表达为：
因此，方程(4)与方程(5)的比引出下面的表达:
从方程(6)，可以看出，在恒压操作中的任何操作点，平均输出电流与最大平均输出电流的比等于恒压模峰电压(Vipk_CV)与恒流峰电压(Vipk_CC)的比。从而得出比(Vipk_CV/Vipk_CC)小于恒压操作期间的比而大于恒流操作期间的比。控制器305通过在PFM模式期间实现新的电流限(Io_light)来利用Vipk_CC和Vipk_CC之间的这种关系。该电流限对于诸如直接电池充电的应用而言是有利的，在直接电池充电中，在轻负载操作期间使用降低的电流限(相比于PWM操作期间的最大输出电流限)。
这样，可以推导出，开关功率变换器在Vipk_CV与Vipk_CC的比小于或等于1时应当操作在(或转换到)恒压控制脉冲频率调制模式中，而在Vipk_CV与Vipk_CC的比大于1时应当操作在(或转换到)恒流控制模式中。此处利用的该关系还将适用于当开关功率变换器正操作在PFM模式时的轻负载操作。在轻输出功率转换点(负载条件为轻，并且操作在PFM模式中)，开关功率变换器也应当利用相同的峰电流值来操作，而不管开关功率变换器是操作在恒压PFM(CV_PFM)模式还是恒流模式中。也就是说，恒压PFM模式中的峰电压值(Vipk_CV_PFM)应当与恒流模式中的峰电压值(Vipk_CC_PFM)相同。代入方程(6)中引出：
类似地，代入方程(2)中给出：
其中，Kcc_light为针对轻负载条件限定的比例常数，而Tp_cv_pfm时当开关功率变换器操作在PFM模式中时的开关周期，并且Trest是变压器重置时间。
控制器305配置为按需要使用ISENSE、VSENSE、Tp和Trst的值以在PFM操作期间导出用于恒流和恒压模式的峰电压。例如，基于从ISENSE、VSENSE、Tp和Trst导出的信息，控制器305可以在轻负载恒压PFM模式和轻负载恒流模式之间转换。特别地，Tp、Trst和Kcc用于按关于方程(2)所讨论地导出用于恒流模式的峰电压。类似地，Vsense用于导出用于恒压模式的峰电压。
在图4中示出输出电压和开关频率，它们是PFM和PWM操作中的恒流和恒压模式的输出电流的函数。PWM操作期间，恒流和恒压模式之间的转换点110如关于图1所讨论。但是当负载(输出电流)降低时，使用恒压PFM模式405。如果在恒压PFM模式405期间负载增加超过低电流限Io_light(其小于用于PWM模式中转换点110的最大电流)，则恒流模式415被激活，其以在转换点410由恒压模式405使用的开关频率进行开关。
参考图5可以更好地领会用于恒压PFM模式和恒流模式的峰电流之间的关系，图5示出在PFM操作期间作为输出负载的函数的CV峰电压505和CC峰电压510，在PFM操作期间，在图4的低电流限Io_light处，模式之间的转换被禁止。由于在脉冲频率调制模式期间开关频率的增加提供输出电压调节，所以当负载增加时，CV峰电压保持恒定。相比之下，变压器重置时间的改变使得CC峰电压510在输出电流增加时减小。CC峰电压510将因而从零负载起大于CV峰电压505，直到当输出电流等于Io_light时的转换点410(关于图4进行讨论)。相反，当负载增加时，CC峰电压510的这种持续的减小使得其在大于Io_light的输出电流处小于CV峰电压505。
图6A示出了当在转换点410使能转换时的CC峰电压和CV峰电压波形。当负载小于Io_light电流限时，CV峰电压605在CV PFM操作期间保持恒定。在更高的负载水平，CV峰电压610保持恒定，而CV峰电压605的转换水平处于转换点410。图6B示出了作为负载的函数的对应的开关频率。Cv开关频率625在CV PFM模式期间增加，直到达到电流限Io_light，在这之后在转换点410发生到CC模式的转换。CC开关频率630基于在转换点410锁存的开关周期而在CC操作期间是恒定的。
这样，可以得出开关功率变换器在CV PFM峰电压(Vipk_CV_PFM)与CC峰电压(Vipk_CC)的比小于或等于1时应当操作在(或转换到)恒压PFM模式中，而在Vipk_CV_PFM与Vipk_CC的比大于1时应当操作在(或转换到)恒流控制模式中。控制模式之间的转换的类似的不等式是：如果Vipk_CC大于Vipk_CV_PFM，则操作在CV PFM中，而在Vipk_CV_PFM大于Vipk_CC时则操作在CC模式中。在模式转换点，开关功率变换器还应当以相同的峰电压值来进行操作，而不管开关功率变换器是操作在CV PFM模式中还是CC PFM模式中。也就是说，当开关功率变换器在模式转换点时，恒压PFM模式中的峰电压值(Vipk_CV_PFM)应当与恒流模式中的峰电压值(Vipk_CC)相同。
利用CV_PFM模式和CC模式之间的模式转换点处的Vipk_CV_PFM和Vipk_CC之间的不等式，方程(2)导出：
其中，Kcc_light为针对轻负载条件限定的比例常数，而Tp_cv_pfm是当开关功率变换器在模式转换点以PFM模式操作时的开关周期，并且Trest是变压器重置时间。
在图7中示出控制器305的其他细节。恒压调节模块700生成用于恒压PFM模式和用于恒压PWM模式的峰电压。作为这种恒压调节的一部分，输出电压感测模块705响应于通过Vsense感测的输出电压(图3)和参考电压之间的差来生成反馈电压(Vfb)。补偿滤波器710补偿反馈电压以形成经补偿的控制电压Vc。恒定输出电压调节模块700响应于处理控制电压VC(例如通过比例积分反馈回路或比例积分差分反馈回路)而生成用于恒压PFM模式的峰电压(Vipk_CV_PFM)。
恒流调节模块715响应于由定时传感器感测的定时信号而工作以生成用于恒流模式的峰电压(Vipk_CC)。在从恒压PFM模式到恒流模式的转换时，恒流调节模块715接收并锁存在转换的时间(图4、6A和6B的转换点410)由恒压调节模块700使用的开关周期Tp(或等效地，开关频率)。该开关周期是目标开关周期，因为实际的开关周期被诸多因素影响，例如避免连续导通模式操作或谷值模式开关要求。CC和CV模式中的实际开关周期因此可能稍微不同于目标开关周期。定时传感器720因此感测用于随后开关循环的实际开关周期以及对应的变压器重置时间。基于这些因素并且基于方程(8)的KCC_light常数，恒流调节模块715为电流开关循环计算用于恒流模式操作的峰电压(Vipk_CC)。
为了确定操作应当在恒压PFM还是恒流模式中进行，转换检测模块730将峰电压Vipk_CC和Vipk_CV_PFM进行比较。例如，转换检测模块730可以确定哪个电压更大或者使用早先讨论的电压比来确定那个操作模式合适。控制选择模块725然后基于来自转换检测模块730的确定来选择对应的电压(Vipk_CC或Vipk_CV_PFM)，以提供用于与感测电阻器电压比较的峰电压，从而确定在何时在电流开关循环中关断功率开关晶体管。
现在将关于图8的流程讨论控制器305的操作的方法。所述方法包括步骤800：当操作在具有电流开关周期的恒压脉冲频率调制操作模式中时，为功率开关的当前周期确定用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压。通过恒压调制模块700来确定峰电压是步骤800的示例。所述方法还包括步骤805：响应于电流开关周期，为功率开关的当前循环确定用于恒流操作的峰电压。通过恒流调制模块715来确定峰电压是步骤805的示例。
所述方法还包括步骤810：确定用于恒流操作的峰电压是否小于或等于用于恒压频率调制操作的峰电压。在转换检测模块730内确定是步骤810的示例。最后，所述方法包括步骤815：响应于确定用于恒流操作的峰电压小于或等于用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压，转换到用于功率开关的当前循环的恒流操作模式。通过控制选择模块725进行到恒流操作的转换是步骤815的示例。
现在，本领域技术人员将意识到，取决于当前特定的应用，可以在本公开的材料、装置、配置和设备的使用方法中(或对它们)进行许多改进、替换和改变，而不脱离本公开的范围。鉴于这点，本公开的范围不应该被限制于本文所示出和描述的特定实施方式的范围，这是因为这些实施方式仅仅是通过其一些实例来展示，本公开的范围应该与随附权利要求及其功能性等价物的范围完全相当。

Claims (20)

1.一种调节开关功率变换器中的功率开关的方法，包括：
当操作在具有电流开关周期的恒压脉冲频率调制操作模式中时；为功率开关的当前循环确定用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压；
响应于电流开关周期，为功率开关的当前循环确定用于恒流操作的峰电压；
确定用于恒流操作的峰电压是否小于或等于用于恒压频率调制操作的峰电压；以及
响应于确定用于恒流操作的峰电压小于或等于用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压，转换到用于功率开关的当前循环的恒流操作模式。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
只要用于所述功率开关的随后循环的恒流操作的峰电压保持小于或等于用于所述功率开关的随后循环的恒压脉冲频率调制操作的所述峰电压，就为所述功率开关的随后循环保持所述恒流操作模式。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
响应于确定用于所述功率开关的附加的随后循环的恒流操作的峰电压大于用于所述功率开关的附加的随后循环的恒压脉冲频率调制操作的峰电压，在所述功率开关的附加的随后循环中转换到恒压脉冲频率调制操作模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于恒流操作的峰电压还响应于用于所述功率开关的先前循环的变压器重置时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于恒流操作的峰电压还响应于轻负载比例常数(Kcc_light)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于恒流操作的峰电压是否小于或等于用于恒压频率调制操作的峰电压包括：确定用于恒压频率调制操作的所述峰电压与用于恒流操作的所述峰电压的比是否小于1。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：响应于用于恒流操作的峰电压等于感测电阻器电压，使功率开关在功率开关的当前循环中循环关断。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使所述功率开关在所述功率开关的当前循环中循环关断包括：使反激式变换器中的NMOS功率开关晶体管循环关断。
9.一种用于控制功率开关的循环的控制器，包括：
恒压调节模块，其被配置为响应于控制电压确定用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压以及被配置为确定用于恒压脉冲频率调制的电流开关周期；
恒流调节模块，其被配置为响应于电流开关周期确定用于恒流操作的峰电压；以及
模式转换检测模块，其被配置为确定用于恒流操作的所述峰电压是否小于用于恒压脉冲频率调制操作的所述峰电压，其中，所述控制器被配置为响应于由模式转换检测模块确定用于恒流操作的所述峰电压小于用于恒压脉冲频率调制操作的所述峰电压而转换到所述功率开关的当前循环的恒流操作模式。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述控制器进一步被配置为：响应于确定感测电阻器电压等于用于恒流操作的峰电压，在功率开关的当前循环中使功率开关循环关断。
11.根据权利要求10所述的控制器，其中，所述恒流调节模块进一步被配置为：响应于功率开关的先前循环中的变压器重置时间来确定用于恒流操作的所述峰电压。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述恒流调节模块进一步被配置为响应于轻负载比例常数(Kcc_light)来确定用于恒流操作的峰电压。
13.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述恒流调节模块进一步被配置为锁存所述电流开关周期。
14.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述模式转换检测模块进一步被配置为利用用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压与用于恒流操作的峰电压的比来确定用于恒流操作的所述峰电压是否小于用于恒压脉冲频率调制操作的所述峰电压。
15.根据权利要求14所述的控制器，其中，所述模式转换检测模块进一步被配置为确定所述比是否大于1，并且其中，所述控制器被配置为响应于所述比大于1而转换到用于所述功率开关的所述当前循环的恒压操作模式。
16.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述功率开关是用于反激式变换器的功率开关。
17.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述功率开关是用于降压变换器的功率开关。
18.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述功率开关是用于降压-升压变换器的功率开关。
19.一种反激式变换器，包括：
用于变压器的初级绕组；
耦接到所述初级绕组的功率开关；
耦接在所述功率开关和接地之间的感测电阻器；以及
控制器，其被配置为确定用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压是否大于用于恒流操作的峰电压，并且其中，所述控制器进一步被配置为：响应于用于恒压脉冲频率调制操作的所述峰电压大于用于恒流操作的所述峰电压，在所述感测电阻器两端的电压等于用于恒流操作的所述峰电压时，在所述功率开关的当前循环中使所述功率开关循环关断。
20.根据权利要求19所述的反激式变换器，其中，所述控制器进一步被配置为锁存用于所述功率开关的电流开关周期。
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