CN110879319A - 利用次级侧整流电压感测的电压和电流保护 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及利用次级侧整流电压感测的电压和电流保护。一种隔离的开关模式功率转换器将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率。初级侧功率级内的功率开关控制输入到功率转换器并且最终提供给输出负载的功率量。功率转换器次级侧的数字控制器生成用于控制功率开关的信号。该控制器还感测功率转换器的次级侧的整流电压，并且使用该感测电压来检测初级侧的故障状况。例如，感测到的整流电压用于检测功率转换器的输入电源的欠压或过压状况、或初级侧功率级内的故障功率开关。

Description

利用次级侧整流电压感测的电压和电流保护
技术领域
本申请涉及隔离的开关模式功率转换器，并且具体地涉及用于检测初级侧故障的技术，其中这些技术基于感测功率转换器的次级侧的整流电压。
背景技术
隔离的开关模式直流(DC)至DC功率转换器使用变压器将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率。这种功率转换器包括将DC输入功率转换成被馈送到变压器的初级侧的交流(AC)功率的功率开关。在变压器的次级侧提供的AC功率被整流和滤波，以便为输出负载提供DC功率。初级侧功率开关通常由脉冲宽度调制(PWM)控制信号控制。控制器生成具有适合于满足输出负载的功率需求的频率和占空比的PWM控制信号。
控制器通常使用线性闭环反馈技术将输出电压保持在期望目标附近。控制器可以使用模拟或数字电路系统来实现，并且可以位于功率转换器的初级侧或次级侧。为了保持功率转换器的隔离屏障的完整性，在初级侧与次级侧之间交叉的任何信号必须通过隔离器，例如变压器、光耦合器。在功率转换器的初级侧定位模拟或数字控制器提供以下优点：可以容易地感测输入电压和/或电流并且将其用于检测初级侧故障状况。然而，这种初级侧控制器的缺点在于，为了实现闭环控制，必须使用一个或多个模拟隔离器将输出电压和/或电流信息从次级侧传输到初级侧。此外，系统管理器通常位于次级侧，这表示初级侧控制器与任何这样的系统管理器之间的通信信号也必须通过隔离器。由于这些原因、以及成本、尺寸和灵活性优势，隔离的开关模式功率转换器越来越多地使用位于次级侧的数字控制器。检测功率转换器的初级侧的故障状况给位于功率转换器的次级侧的控制器带来了困难。
期望用于检测隔离的开关模式功率转换器中的初级侧故障状况的技术，其中这些技术容易在次级侧控制器内实现。相对于功率转换器的典型操作所需要的电路系统，这些技术应当需要最少的或没有附加电路系统。
发明内容
根据一种具有隔离拓扑的开关模式功率转换器的实施例，功率转换器将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率。功率转换器包括初级侧、变压器和次级侧。初级侧包括耦合到输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级。功率级耦合到变压器的初级绕组。次级侧包括整流电路、滤波电路和控制器。整流电路耦合到变压器的次级绕组，并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压。滤波电路插入在第一整流电压节点与功率转换器的输出之间。滤波电路被配置为对第一整流电压进行滤波，从而在输出处提供滤波电压。控制器被配置为感测第一整流电压，并且基于该次级侧电压，检测初级侧故障状况。响应于这种检测，生成故障指示和/或修改开关模式功率转换器的操作。
根据一种电子系统的实施例，电子系统包括输入电源、输出负载、隔离的开关模式功率转换器和系统管理器。功率转换器如上所述配置。系统管理器被配置为输入由功率转换器生成的故障指示，并且响应于确定故障指示指示不安全操作状况或可能损坏电子系统的状况，关闭功率转换器。
根据一种方法的实施例，该方法在用于将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率的隔离的开关模式功率转换器内执行。功率转换器包括初级侧、变压器和次级侧。初级侧包括耦合到输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级。功率级耦合到变压器的初级绕组。次级侧包括整流电路、滤波电路和控制器。整流电路耦合到变压器的次级绕组，并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压。滤波电路插入在第一整流电压节点与功率转换器的输出之间。该方法包括在功率转换器的次级侧感测第一整流电压，并且基于该感测电压来检测初级侧故障状况。该方法还包括响应于该检测而生成故障指示和/或修改开关模式功率转换器的操作。
在阅读以下详细描述并且查看附图时，本领域技术人员将认识到另外的特征和优点。
附图说明
附图的元素不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记表示相应的类似部件。可以组合各种示出的实施例的特征，除非它们彼此排斥。实施例在附图中示出并且在以下描述中详述。
图1示出了隔离的开关模式功率转换器的电路图，其中控制器基于次级侧整流电压检测初级侧故障状况；
图2示出了用于检测到欠压状况的场景的与图1的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；
图3示出了用于检测到过压状况的场景的与图1的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；
图4示出了用于在整流电压中检测到丢失脉冲的场景的与图1的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；
图5示出了与功率开关发生故障的场景相对应的电压和电流波形；
图6示出了用于检测到整流电压的脉冲不对称的场景的电压和控制信号波形；
图7示出了用于基于感测功率转换器的次级侧的整流电压来检测欠压和过压故障状况的方法；
图8示出了用于基于感测功率转换器的次级侧的整流电压来检测开关故障的方法；
图9示出了用于基于对功率转换器的次级侧的整流电压的感测来检测脉冲宽度故障的方法；
图10示出了具有有源钳位正向(ACF)拓扑和半波整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；
图11示出了与图10的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；
图12示出了具有交错ACF功率级和半波整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；
图13示出了与图12的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；
图14示出了具有半桥功率级和全波整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；
图15示出了与图14的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；
图16示出了具有半桥功率级和电流倍增整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；
图17示出了与图16的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；以及
图18示出了作为AC-DC转换器的一部分的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障。
具体实施方式
本文中描述的实施例提供了用于检测隔离的开关模式功率转换器的初级侧的故障状况的技术和电路。与用于检测初级侧故障的其他技术不同，本文中描述的技术基于感测隔离功率转换器的次级侧的整流电压。因此，所描述的技术有利地在位于隔离功率转换器的次级侧的数字控制器内实现。
将数字控制器定位在隔离功率转换器的次级侧提供了若干优点。例如，控制器可以在不使用任何隔离电路系统的情况下通过具有也位于功率转换器的次级侧的系统管理器的数字系统总线容易地通信。系统管理器通常直接与由功率转换器供电的负载(例如，微处理器)通信，并且其自身可以由隔离功率转换器供电。因此，系统管理器优选地位于次级侧。作为用于将控制器定位在次级侧的另一示例性优点，考虑使用闭环反馈技术的控制器感测功率转换器的输出电压以及可能的输出电流，以便生成用于功率转换器的功率开关的控制信号。通过将控制器定位在次级侧，这种感测不需要与输出电压相对应的信号经过功率转换器的初级到次级边界处的模拟隔离电路系统系统。除了增加隔离功率转换器的成本和电路尺寸之外，这种模拟隔离电路系统不期望地在所感测的信号中引入延迟和一定量的噪声。将控制器定位在功率转换器的次级侧可以避免这些问题。
然而，将控制器定位在次级侧存在难以检测初级侧故障状况的一些困难，诸如输入电源的欠压、输入电源的过压或功率开关故障。这种故障的检测通常依赖于感测功率转换器的初级侧的电压和/或电流。如果要保持隔离屏障的完整性，则通过次级侧控制器感测初级侧电压或电流要求模拟信号经过功率转换器的初级到次级边界处的隔离电路系统。这种隔离电路系统(特别是用于支持模拟信号传输的隔离电路)对隔离功率转换器的成本和尺寸具有重要影响，并且优选地被避免。
本文中描述的隔离的开关模式功率转换器的实施例提供了由次级侧控制器对初级侧故障状况的检测。该检测不需要用于跨功率转换器的初级到次级边界来传输初级侧电压或电流的附加的模拟隔离电路系统。相反，故障检测基于在隔离功率转换器的次级侧的整流电压节点处感测到的整流电压。在本发明的典型实施例中，如图1的电路系统所示，唯一需要的隔离电路系统(除了变压器之外)包括用于将开关控制信号从次级侧数字控制器传递到位于隔离功率转换器的初级侧的功率级的开关的数字隔离器。
由于功率转换器的初级侧的电压异常以很小的延迟传播到(次级侧)整流电压节点，因此整流电压节点的整流电压可以用于快速检测这种初级侧电压异常，并且作为响应，生成相关联的故障指示。例如，可以通过感测整流电压节点处的低电压来检测功率转换器的输入电源处的低电压，并且作为响应，生成欠压故障指示。
为了其他目的，例如动态整流，可以由次级侧控制器感测整流电压，在这种情况下，实现本文中的技术不需要附加的电路组件。整流电压可以用于估计输入电压或其他初级侧电压，并且以最小延迟检测指示初级侧故障状况的这种电压的异常。整流电压节点耦合到隔离变压器的次级绕组，并且特别是在将次级绕组耦合到功率转换器的输出(负载)的滤波电路系统的绕组侧。因此，整流电压不会引起通常与变压器和负载之间的次级侧滤波电路系统(例如，由电感器和输出电容器组成的低通滤波器)相关联的显著延迟。这使得基于整流电压的故障检测能够快速响应于初级侧故障，并且在速度方面具有类似的性能，因为需要专用模拟隔离器来跨初级/次级边界传输初级侧电压以由次级侧控制器进行感测。值得注意的是，基于整流电压的故障检测能够比基于隔离电压转换器的输出电压的检测技术更快地检测初级侧故障。(基于输出电压的技术会在检测初级侧和相关联的故障状况时产生显著延迟，因为任何初级侧电压异常都会在输出处可检测到之前通过滤波电路系统产生传播延迟)。
在以下详细描述和相关附图中提供了功率转换器内的功率转换电路和方法的实施例。所描述的实施例出于解释的目的提供了特定示例，并且不表示限制。除了上下文不允许这样的情况之外，可以组合或重新布置来自示例实施例的特征和方面。
这些技术主要在DC-DC转换器的上下文中描述，但是也可以用在使用初级侧功率开关和变压器来控制到负载的功率流的AC-DC转换器中。(这些类型的AC-DC转换器可以被认为是耦合到隔离DC-DC转换器的初级侧AC整流器)。
最初针对使用初级侧的全桥功率级和中心抽头次级绕组的隔离的开关模式功率转换器的实施例描述这些技术。接着描述用于基于感测功率转换器的次级侧的整流电压来检测不同类型的故障的方法的实施例。所描述的技术可以容易地应用于具有其他初级和次级侧拓扑的功率转换器。接着描述这些实施例的采样，其中基于次级侧整流电压的故障检测技术被应用于具有其他电路拓扑的功率转换器。
使用整流电压感测来检测初级侧故障状况的功率转换器
图1示出了隔离的开关模式功率转换器100，其中基于功率转换器100的次级侧的整流电压VRECT来检测初级侧故障状况。功率转换器100包括输入102、输出104、整流电压节点106、功率级110、变压器120、隔离器130、整流器140、滤波器150、系统管理器160和数字控制器170。输入102用于耦合到输入电源，并且被提供输入电压VIN。输出104用于耦合到输出负载，例如微处理器，并且提供输出电压VO。由变压器120和隔离器130提供电(电流)隔离，变压器120和隔离器130一起将功率变换器100分成初级侧和次级侧，如图1所示。
来自输入电源的输入电压VIN被提供给功率级110，功率级110使用功率开关将输入电压VIN耦合到变压器120。图示的功率级110包括以全桥配置定向的四个功率开关Q1、Q2、Q3、Q4。功率开关经由驱动器112来控制，驱动器112连接到从隔离器130输出的开关控制信号VQ1_CTL、VQ2_CTL、VQ3_CTL、VQ4_CTL。在功率转换器100的正半周期内的有效间隔期间，开关Q1和Q3被设置为导通，从而在其输入VAB两端向变压器120提供正电压。在功率转换器100的负半周期内的有效间隔期间，开关Q2和Q4被设置为导通，从而跨其输入VAB向变压器120提供负电压。另外，可能存在空闲间隔，在该空闲间隔期间，开关Q1、Q2、Q3、Q4都没有导通并且没有电压跨VAB被提供给变压器120。有效间隔(正和负)的总和与包括有效间隔和空闲间隔的功率转换器的总开关周期间隔的比率表示功率转换占空比。该功率传输占空比确定通过功率转换器传输的功率量。
图1所示的功率开关Q1、Q2、Q3、Q4是增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但是可以使用其他开关类型。例如，在一些应用中，结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或其他类型的功率晶体管可能是优选的。
变压器120包括具有N1匝的初级绕组122、每个具有N2匝的次级绕组124a、124b、以及芯126。次级绕组124a、124b在中心抽头处连接在一起。具有整流电压VRECT的整流电压节点106耦合到该中心抽头。忽略诸如电阻损耗和变压器120的漏电感等实际效果，匝数比N2/N1确定整流电压VRECT与变压器120的输入电压VAB的比率。
整流电路140被配置为对从次级绕组124a、124b输出的电压进行整流，以便在整流电压节点106处提供整流电压VRECT。如图1所示，整流电路140包括整流开关SR1和SR2，每个整流开关具有相关联的驱动程序。整流开关SR1、SR2由控制器170内的整流器控制器176控制。可以使用其他整流电路或技术。例如，二极管可以将次级绕组124a、124b的每个外部端子耦合到整流电压节点，而中心抽头耦合到负载的地。在另一备选配置中，桥接配置的四个二极管可以与没有中心抽头的次级绕组一起使用。通常，与使用功率开关SR1、SR2的有源整流相比，由于与二极管相关的功率损耗，基于二极管的整流不是优选的，特别是对于低次级侧电压，如图1所示。图示的整流开关SR1、SR2是增强型MOSFET，但是与功率开关Q1、Q2、Q3、Q4一样，在某些应用中其他开关类型可能是优选的。
输出滤波器150使用输出电感器LO和输出电容器CO对整流电压VRECT进行低通滤波。(在一些应用中，其他滤波器类型可能是优选的，包括高阶滤波器和/或有源滤波器)。将所得到的滤波输出电压VO提供给输出104，用于耦合到功率转换器100的负载。注意，整流电压VRECT由频率与功率级110的开关频率相对应的一系列脉冲组成，而滤波后的输出电压相对恒定。而且，注意，滤波器150在其输入(整流电压节点106)和输出节点104处的电压变化之间产生显著延迟，并且该延迟取决于由耦合到输出104的负载汲取的电流量。
系统管理器160通过数字系统总线与控制器170通信。系统管理器160还与其他系统组件通信，包括例如输入电源和连接到功率转换器100的负载。系统管理器160执行诸如向控制器170提供目标输出电压、输出电流信息等任务。
控制器170及其组成部分可以使用模拟硬件组件(诸如晶体管、放大器、二极管和电阻器)以及主要包括数字组件的处理电路系统的组合来实现。处理电路系统可以包括数字信号处理器(DSP)、通用处理器和专用集成电路(ASIC)中的一个或多个。控制器170还可以包括存储器(例如，诸如闪存等非易失性存储器，存储器包括供处理电路系统使用的指令或数据)以及一个或多个定时器。控制器170输入传感器信号，诸如与VO和VRECT相对应的信号。
控制器170负责生成故障指示并且控制功率转换器100以便向负载提供必要的功率。控制器170感测整流电压VRECT和输出电压VO，并且使用感测电压生成用于控制整流电路140和功率级110的功率开关的控制信号VPWM_SR1、VPWM_SR2、VPWM_Q1、VPWM_Q2、VPWM_Q3、VPWM_Q4。另外并且如下面进一步详细描述的，感测到的整流电压VRECT用于检测初级侧故障状况。调节电路107调节整流电压VRECT以提供适合于由控制器170内的VRECT传感器172感测的电压电平VRECT_SEN。虽然调节电路107在图1中示出为电阻性分压器，但是在一些实现中，它可以附加地或备选地包括滤波器、放大器等。类似的调节电路105调节输出电压VO以提供适合于由VOUT传感器174感测的电压电平VOUT_SEN。调节电路105也被示出为电阻性分压器，但是在一些应用中，可以包括其他组件。在典型的实现中，传感器172、174包括模数转换器(ADC)，并且调节电路107、105将电压VRECT、VO转换为在这些ADC的输入极限限制(例如，电平、频率)内的电压。在一些实现中，调节电路105、107可以不是必需的，并且控制器170可以直接感测电压VRECT、VO。
整流器控制器176生成用于整流器开关SR1、SR2的控制信号VPWM_SR1、VPWM_SR2以便在整流电压节点106处提供(非负)整流电压VRECT。这些控制信号VPWM_SR1、VPWM_SR2可以基于整流电压VRECT的感测版本、由PWM发生器178提供的信号、和/或流过整流器开关SR1、SR2的感测电流。(为了便于说明，未示出这种电流感测)。因为这种整流技术在本领域中是公知的，所以不提供关于整流器控制器176的进一步细节。
控制器170还包括PWM发生器178，PWM发生器178生成用于控制功率级110的功率开关的开关控制信号VPWM_Q1、VPWM_Q2、VPWM_Q3、VPWM_Q4。PWM发生器178通常包括线性反馈控制器，诸如比例积分微分(PID)控制器。PWM发生器输入由VOUT传感器174提供的输出电压VO的感测版本，并且将该电压与参考(目标)电压VTARGET进行比较以确定用于生成开关控制信号的控制参数。PWM发生器可以使用几种控制技术。例如，PWM发生器178可以生成具有固定开关频率和可变占空比的控制信号，在这种情况下，所确定的控制参数是占空比。备选地，PWM发生器178可以生成具有固定脉冲宽度和可变频率的控制信号，在这种情况下，控制参数是开关频率。在另一备选方案中，PWM发生器178可以生成相移调制(PSM)信号，在这种情况下，控制参数是相移。这些和其他技术在反馈控制领域中是众所周知的。因为这些技术是众所周知的并且对于理解与故障检测有关的本发明的独特方面不是至关重要的，所以本文中不提供关于控制技术的进一步细节。
从控制器170输出的开关控制信号VPWM_Q1、VPWM_Q2、VPWM_Q3、VPWM_Q4被提供给隔离器130的次级侧，隔离器130又输出初级侧控制信号VQ1_CTL、VQ2_CTL、VQ3_CTL、VQ4_CTL。
控制器170还包括被配置为检测功率转换器的初级侧的故障状况的故障检测器180。该检测基于经由VRECT传感器172感测功率转换器的次级侧的整流电压VRECT。对于一些实施例，故障检测还基于关于用于功率级110的开关的控制信号的信息。例如，PWM发生器178可以向故障检测器180提供指示定时(开始时间和/或时间间隔)的信号，该定时针对预期由功率级110施加到变压器120的正和负有效电压脉冲。故障检测器180可以使用来自PWM发生器178的这种定时信息，来确定整流电压VRECT的波形内的预期脉冲的定时。响应于检测到故障状况，故障检测器180生成故障指示。
所生成的故障指示可以在控制器170内使用，或者可以从控制器170输出以供外部电路使用。当在内部使用时，故障指示可以用于更新存储功率转换器170的状态信息的状态存储器182(例如，寄存器)。附加地或备选地，可以将故障指示提供给PWM控制器178，从而引起PWM控制器178关闭或改变其操作。对于外部使用，可以使用例如一个或多个故障指示引脚或外部通信总线来从控制器170输出故障指示。(虽然在图1中示出为单独的连接，但是可以通过将系统管理器160连接到控制器170的相同数字系统总线提供故障指示)。系统管理器160、或控制器100的初级或次级侧的某个其他电路可以输入故障指示，并且使用它来改变功率转换器100或包括功率转换器100的电子系统的操作。
可以由故障检测器180检测到几种类型的初级侧故障状况。输入电源可以提供高于或低于针对功率转换器100的许可(例如，安全)操作范围的输入电压VIN。应当检测并且指示这些条件。还应当检测和指示初级侧硬件故障，诸如功率级110内的开关故障(例如，开路故障或短路故障)、驱动器112内的故障、以及与初级绕组122相关的故障(例如，开路、磁芯饱和)。
在正常操作条件下，基于输入电压VIN的正和负脉冲跨VAB被施加到变压器120，并且在整流电压节点106处产生对应(全正)电压脉冲。如果忽略诸如变压器和开关损耗等实际效应，则整流电压VRECT的脉冲的电压幅度应当根据变压器120的匝数比(例如，N2/N1)与输入电压VIN相关。功率转换器100可以具有高于其功率转换器100将不能安全地操作的输入过压阈值VIN_OV、以及低于其功率转换器100将不能安全地操作或者不能向功率转换器的负载提供足够功率的输入欠压阈值VIN_UV。例如，功率转换器100可以具有标称(预期)输入电压VIN＝12V和变压器匝数比N2/N1＝6，从而在整流电压VRECT的有效脉冲期间产生标称整流电压VRECT＝2V。高于过压极限VIN_OV＝18V的输入电压可能会损坏功率开关Q1、Q2、Q3、Q4或变压器120，而低于欠压极限VIN_UV＝9V的输入电压可能无法为功率转换器的负载提供足够的功率，或者可能在功率级110的开关内引起过大电流。对于变压器匝数比N2/N1＝6，这些极限产生整流电压过压阈值VRECT_OV＝3V和整流欠压阈值VRECT_UV＝1.5V。
故障检测器180基于整流电压VRECT的测量来检测整流电压脉冲，确定整流电压脉冲的代表性幅度，并且将该代表性幅度与欠压阈值VRECT_UV和过压阈值VRECT_OV进行比较。响应于确定代表性脉冲幅度高于过压阈值VRECT_OV＝3V，故障检测器180生成过压故障指示。响应于确定代表性脉冲幅度低于欠压阈值VRECT_UV＝1.5V，故障检测器180生成欠压故障指示。在备选的子实施例中，当检测到代表性脉冲幅度在欠压阈值VRECT_UV与过压阈值VRECT_OV之间的范围之外时，故障检测器180可以生成合并电压故障指示。
故障检测器180可以使用整流电压VRECT的测量和PWM发生器178提供的定时信号来检测丢失脉冲。PWM发生器178生成指引功率开关Q1、Q2、Q3、Q4跨初级绕组122(即，跨图1中的VAB)施加电压脉冲的控制信号。例如，VPWM_Q1和VPWM_Q3可以针对正有效间隔设置为高以跨VAB产生正电压脉冲，或者VPWM_Q2和VPWM_Q4可以针对负有效间隔设置为高以跨VAB传输负电压脉冲。如预期的那样，故障检测器180确定所生成的控制信号是否在整流电压节点106处产生对应整流脉冲。如果未检测到对应整流脉冲，则故障检测器生成丢失脉冲故障指示。
故障检测器180使用整流电压VRECT的测量以及可选的来自PWM发生器178的定时信号来检测整流电压VRECT脉冲的电压幅度的不对称性。与跨变压器的初级绕组122的预期的正脉冲和负脉冲相对应的整流电压脉冲应当具有相同的电压幅度。故障检测器180检测与预期的正初级侧电压脉冲相对应并且具有第一电压幅度的第一整流电压脉冲。预期的正初级侧电压脉冲基于由PWM发生器178提供的定时信号来确定。故障检测器180检测与预期的负初级侧电压脉冲相对应并且具有第二电压幅度的第二整流电压脉冲。预期的负初级侧电压脉冲基于由PWM发生器178提供的定时信号来确定。如果故障检测器180确定第一电压幅度与第二电压幅度之间的差值超过电压对称阈值，则故障检测器180生成电压不对称故障。这种电压不对称可能是由于未能导通初级侧功率级110中的低压侧开关引起的，例如，由于驱动级112内的驱动器的故障或隔离器130内的故障。(功率级110的其他开关内的体二极管可以提供电流路径，但是导致异常低的电压电平被施加到变压器输入VAB)。附加地，针对功率级110的高压侧开关的自举驱动故障可能导致高压侧开关无法完全导通。
故障检测器180使用整流电压VRECT的测量和来自PWM发生器178的定时信号来检测整流电压VRECT的脉冲间隔故障。PWM发生器178向故障检测器180提供有效脉冲间隔。有效脉冲间隔对应于PWM发生器178已经经由开关控制信号VPWM_Q1、VPWM_Q2、VPWM_Q3、VPWM_Q4的生成而指引要应用于变压器120的初级绕组122的电压脉冲的时间间隔。故障检测器180标识与指引的有效脉冲相对应的整流电压VRECT的整流电压脉冲，并且测量所标识的电压脉冲的整流脉冲宽度。除了诸如测量公差等实际考虑因素之外，在正常操作期间，有效脉冲间隔和整流脉冲宽度应当相同。如果故障检测器180检测到有效脉冲间隔与对应整流脉冲宽度之间的差值超过可接受的公差阈值，则故障检测器180生成脉冲间隔故障指示。
以上描述的是可以由次级侧控制器170生成的各种具体和示例性故障指示。注意，该列表不是穷举的，并且还可以检测和指示其他类型的初级侧故障状况。此外，控制器170不需要被配置为检测和生成所有上述初级侧故障指示的指示；可以由控制器170检测上述和其他特定故障指示的任何子集。
用于使用整流电压感测来检测初级侧故障状况的场景
使用图2-图5的波形进一步解释上述技术，这些波形对应于图1的功率转换器100或类似的功率转换器内的电压。与所示波形相对应的场景涉及可能存在于功率转换器的初级侧的各种故障状况。
图2示出了用于由电源提供的输入电压VIN下降到低于欠压极限的场景的电压波形200，如VIN波形250所示。这通过感测整流电压VRECT下降到低于整流欠压极限VRECT_UV来检测。波形210对应于在激活时跨变压器输入VAB施加正电压脉冲的开关控制信号VPWM_Q1和VPWM_Q3。波形220对应于在激活时跨变压器输入VAB施加负电压脉冲的开关控制信号VPWM_Q2和VPWM_Q4。这种开关控制导致施加到变压器输入VAB的所示电压波形260。VAB波形260在正脉冲和负脉冲之间交替。与整流开关控制信号VPWM_SR1和VPWM_SR2相对应的波形230、240示出了整流开关(诸如图1所示的开关SR1、SR2)用于整流从变压器输出的交变脉冲，从而产生整流电压VRECT，如波形270所示。整流电压VRECT是电压VAB的整流和下变频版本。(在本示例中，变压器的匝数比为6)。
如波形250所示，输入电压VIN保持稳定的12V电平直到时间t1，然后在时间t3降低到6V。该减小产生变压器输入VAB的脉冲262，其中脉冲262具有减小的电压幅度。随着输入电压VIN在时间t1到t3之间减小，整流电压VRECT的对应脉冲272从大约2V减小到大约1V。在时间t2，整流电压VRECT降低到欠压阈值VRECT_UV＝1.5V。(该阈值对应于9V的输入电压阈值)。响应于检测到整流电压VRECT已经下降到欠压阈值VRECT_UV＝1.5V，生成欠压故障指示。在第一子实施例中，在时间t2的检测之后立即生成欠压故障指示。例如，可以以高速率对整流电压VRECT进行采样，并且可以在检测到整流电压的样本已经下降到低于欠压阈值VRECT_UV＝1.5V时立即生成故障指示。在第二子实施例中，可以对整流电压VRECT的样本进行滤波(求平均)，使得在滤波器延迟之后发生检测和故障指示生成。在第三子实施例中，单个代表性样本或滤波值(例如，在脉冲272的末端附近)可以用于检测。对于这些子实施例中的任何一个，可以在检测时，在功率转换器的半周期结束时，例如在脉冲272之后，或者在功率转换器的周期结束时，例如，在图2中的周期2之后，立即生成故障指示。
图3示出了用于由电源提供的输入电压VIN上升到过压极限之上的场景的电压波形300，如VIN波形350所示。这通过感测整流电压VRECT上升到高于整流的过压极限VRECT_OV来检测。开关控制波形210、220、230、240与关于图2描述的相同，并且对于过压场景将不再重复它们的描述。
如波形350所示，输入电压VIN保持稳定的12V电平直到时间t1，然后在时间t3增加到24V。该增加产生变压器输入VAB的脉冲362，其中脉冲362具有增加的电压幅度。随着输入电压VIN在时间t1到t3之间增加，整流电压VRECT的对应脉冲372从大约2V增加到大约4V。在时间t2，整流电压VRECT增加到过压阈值VRECT_OV＝3V。(该阈值对应于18V的输入电压阈值)。响应于检测到整流电压VRECT已经上升到过压阈值VRECT_OV＝3V，生成过压故障指示。可以根据上面针对欠压故障指示而描述的特定定时子实施例来生成过压故障指示，例如，可以过滤样本，可以在周期之后生成故障。
响应于欠压或过压故障指示的生成，控制器或系统管理器可以关闭功率转换器或者可以改变其操作模式。虽然图2和图3的波形是在全桥功率级(如图1所示)上下文中描述的，但是其他拓扑(诸如半桥或有源钳位反激(ACF))的工作方式类似，但开关控制信号较少。例如，半桥功率级可以代替图1的全桥功率级110，并且波形200、300将适用，除了不存在波形VPWM_Q3、VPWM_Q4。
图4示出了用于在整流电压VRECT的波形470中检测到丢失脉冲的场景的电压波形400。生成开关控制信号VPWM_Q1、VPWM_Q2、VPWM_SR1、VPWM_SR2，如波形210、220、230、240所示并且如上所述。整流电压VRECT波形470包括与跨VAB施加到变压器的正脉冲相对应的脉冲。但是，没有脉冲对应于跨VAB施加到变压器的负脉冲。检测这些丢失脉冲，并且响应于该检测，生成丢失脉冲故障指示。
图4仅示出了用于功率级的两个开关控制信号VPWM_Q1、VPWM_Q2，如将针对半桥或ACF拓扑而生成的。类似的波形也适用于全桥拓扑，除了将提供两个附加的开关控制信号。
例如，丢失脉冲可能是由初级侧功率级中的故障开关(开路、短路)或由故障驱动器112引起的。对于所示波形，半桥功率级的功率开关Q2或其驱动器可能已经发生故障，或者全桥功率级的功率开关Q2、Q4或其对应驱动器中的任何一个可能已经发生故障。无论故障的根本原因如何，丢失脉冲故障通常会导致功率转换器的不安全操作。例如，正半周期或负半周期的丢失脉冲将导致变压器中的磁通不平衡，如果不减轻，磁通不平衡将导致磁通饱和以及相关联的过量初级侧电流和热量。除了可能对功率级110或变压器120的进一步损坏之外，过多的初级侧电流可能在功率转换器100外部具有破坏性影响，例如，向功率转换器100供电的电源可能由于电流电平过高而损坏。至少出于这些示例性原因，丢失脉冲故障通常迫使功率转换器关闭，以防止进一步损坏和/或防止不安全操作。虽然本文中的描述集中于初级侧故障，但是应当注意，丢失脉冲也可能是由整流器开关故障引起的，例如，图1中的短路整流开关SR1也导致如图4所示的丢失脉冲。
图5示出了类似于图4的波形400的电压波形500，但是对应于功率开关在图1的功率转换器100中短路并且未及时生成丢失脉冲指示的特定场景。功率转换器100正常操作直到时间t＝55微秒，此时功率开关Q3短路。在该故障之后，功率级110不能将正电压脉冲施加到变压器120；仅跨VAB施加负电压脉冲。如波形570所示，整流电压VRECT仅包括与施加到变压器120的负脉冲相对应的电压脉冲。PWM发生器178的闭环控制增加占空比以试图补偿针对正电压脉冲通常会发生的丢失功率传输。然而，功率转换器100不能仅使用负脉冲传输足够的功率，从而导致电压VO的崩溃和流过输出电感器LO的输出电流IO的减小，如波形580、590所示。用于产生PWM控制信号的占空比饱和，从而提供与在VAB输入到变压器120的负电压脉冲相对应并且具有接近50％的占空比的整流电压脉冲。
如果故障检测依赖于感测输出电压VO，则输出电压VO的缓慢降低将导致在故障状况发生之后很好地发生故障检测。这是由于滤波器150引起的延迟，包括输出电容器CO。特别地，如果连接到功率转换器100的负载吸收很少电流或没有电流，则输出电容器CO将保持输出电压VO接近其期望目标，并且初级侧故障(诸如功率级开关故障)可能根本检测不到或者可能在其发生后很好地检测到，从而导致功率转换器100的潜在不安全操作或进一步损坏。
不是在整流电压VRECT中标识丢失脉冲以检测初级侧故障，而是可以使用整流电压VRECT的占空比的饱和来检测故障。在图5的场景中，故障检测器180可以在t＝60微秒处或之后检测到整流电压VRECT波形的占空比是饱和的，例如接近50％。响应于这种检测，故障检测器可以生成饱和占空比故障指示。
图6示出了用于在整流电压VRECT的波形670中检测到不对称脉冲的场景的电压波形600。生成开关控制信号VPWM_Q1、VPWM_Q2、VPWM_Q3、VPWM_Q4、VPWM_SR1、VPWM_SR2，如波形210、220、230、240所示并且如上所述。整流电压VRECT波形670包括与跨VAB施加到变压器的正脉冲和负脉冲相对应的脉冲。然而，与正脉冲相对应的整流电压脉冲与与负脉冲相对应的整流电压脉冲相差电压差ΔV。如果该电压差ΔV超过阈值ΔVTHR，则生成电压不对称故障指示。
用于基于整流电压来检测初级侧故障的方法
下面描述的是用于基于在隔离的开关模式功率转换器的次级侧感测的整流电压来检测初级侧故障的方法的实施例。这些方法可以在诸如图1所示的功率转换器内实现。为了简化说明，针对不同类型的故障指示分别描述实施例。应当理解，可以组合这些实施例，并且典型的优选实施例可以检测几种不同类型的故障状况。
图7示出了用于检测欠压或过压故障的方法700。该方法开始于在有效脉冲期间感测710整流电压VRECT。这种感测可以通过对整流电压VRECT进行采样和数字化来完成。在一些子实施例中，有效脉冲的代表性电压VRECT_REP可以取自单个样本，而在其他子实施例中，多个样本被滤波以生成代表性电压。将代表性电压VRECT_REP与欠压阈值VRECT_UV进行比较720。如果代表性电压VRECT_REP低于欠压阈值VTHR_UV，则生成722欠压故障指示。否则，将代表性电压VRECT_REP与过压阈值VRECT_OV进行比较730。如果代表性电压VRECT_REP高于过压阈值VTHR_OV，则生成732过压故障指示。
图8示出了用于检测整流电压VRECT内的丢失脉冲的方法800。该方法开始于生成810用于指引初级侧功率级在变压器的初级侧施加正电压脉冲的开关控制信号。感测(测量)820变压器的次级侧的整流电压VRECT，并且在整流电压VRECT中搜索830与施加在变压器的初级侧的正电压脉冲相对应的整流电压脉冲。如果未检测840到这样的整流电压脉冲，则生成842开关故障指示。否则，该方法继续生成850指引初级侧功率级在变压器初级侧施加负电压脉冲的开关控制信号。然后，感测(测量)860整流电压VRECT，并且在整流电压VRECT中搜索870与施加在变压器初级侧的负电压脉冲相对应的整流电压脉冲。如果未检测到880这样的整流电压脉冲，则生成882开关故障指示。开关故障指示842、882可以是相同的，或者可以是不同的，例如，指示与丢失的正或负初级侧脉冲相对应的特定故障。
图9示出了用于检测整流电压VRECT的脉冲的脉冲宽度的异常的方法900。特别地，由控制器(例如，图1的PWM发生器178)生成的开关控制信号指引功率级将初级侧电压脉冲施加到变压器，其中该电压脉冲具有初级侧脉冲宽度。这应当在整流电压VRECT中产生对应脉冲。初级侧和整流脉冲的宽度应当相同。如果这些脉冲宽度显著不同，例如超过5％或10％的测量误差，则可能发生初级侧故障。注意，驱动器112可以是智能驱动器，在这种情况下，它们可以改变在控制信号上提供的定时，例如VCTL_Q1、VCTL_Q2、VCTL_Q3、VCTL_Q4。例如，驱动器112和功率级110可以包括安全机构，由此可以由于检测到过电流、过热、异常电压读数等而过早地断开开关。如果驱动器112出于任何原因而改变控制信号定时，则导致向变压器施加电压脉冲，该电压脉冲的脉冲宽度不同于次级侧控制器(例如，图1中的控制器170)预期的宽度。
方法900开始于生成910指引初级侧功率级(诸如图1中的功率级110)向变压器的初级侧施加电压脉冲的开关控制信号，其中电压脉冲具有初级侧脉冲宽度dPRIM。感测(测量)920变压器的次级侧的整流电压VRECT，并且标识与所指引的初级侧脉冲相对应的整流脉冲。测量930该整流脉冲的宽度(时间间隔)以提供整流脉冲宽度dRECT。根据Δd＝dPRIM-dRECT计算940初级侧脉冲宽度与整流脉冲宽度之间的差值。将该差值与下限ΔdLIM_LO和上限ΔdLIM_HI进行比较950。如果预期的初级侧脉冲宽度与整流脉冲宽度之间的差值落在该界限之外，则生成952脉冲间隔故障指示。在一些实施例中，上限ΔdLIM_LO和下限ΔdLIM_HI可以是相同的。
启动和关闭操作
上述电路和方法主要描述了在功率转换器的稳态(正常)操作期间的故障检测。这种故障检测可能不适合于功率转换器的其他操作模式，例如，在启动或关闭操作期间。为了便于解释，下面在图1的功率转换器100的上下文中描述这种操作，但是应当理解，这些技术也适用于其他功率转换器拓扑。
当功率转换器100首次开始其操作时，输入电压VIN可以斜升到其正常的稳态值。在这样的斜升间隔期间，上述技术将导致在斜升间隔期间生成欠压故障指示。这样的指示又可以引起功率转换器100关闭，使得功率转换器100可以永不退出其启动模式以进入正常操作。为了避免这样的问题，最初在启动间隔中开始操作时，功率转换器100抑制由故障检测器生成的故障指示。例如，可以禁用故障检测器180，或者可以忽略在启动间隔期间生成的故障指示。在检测到可以进入正常操作模式时，可以退出启动间隔并且使能故障指示的生成(或故障指示的使用)。响应于检测到整流电压VRECT已经达到正常操作阈值，可以发生正常操作模式可以开始的检测。备选地或附加地，转换到正常操作模式可以以输出电压VO达到(或接近达到)其目标(参考)电压电平为条件。
在关闭间隔期间，故障指示可能没有用，甚至可能导致问题。例如，故障指示可以触发用于在功率转换器100的关闭期间改变PWM发生器的操作模式的尝试。鉴于功率转换器100处于关闭过程中，这种改变可能是不期望的或有害的。因此，在关闭间隔期间，可以禁用故障检测器180，或者可以抑制或忽略某些故障指示的生成。
其他功率转换器拓扑中的初级侧故障检测
已经在具有全桥功率级、中心抽头次级绕组和全波整流器的隔离功率转换器的上下文中描述了上述实施例。所描述的故障检测技术容易应用于其他隔离拓扑，这些隔离拓扑的特征在于使用逆变器、次级侧整流器和输出滤波器，其中反相器用于使用初级侧功率级或开关将输入DC电压转换为耦合到变压器的AC电压，次级侧整流器用于使用功率级或开关将AC电压转换为DC电压。例如，初级侧功率级可以包括半桥拓扑、有源钳位正向(ACF)拓扑或推挽式拓扑。变压器次级可以包括中心抽头次级绕组、多个次级绕组或单个(非抽头)次级绕组。同样，在功率转换器的次级侧，整流电路系统可以包括半波整流器、全波整流器、电流倍增器或交错整流器。
由于不同拓扑组合的数目并且因为不同拓扑的故障检测技术相同或相似，因此下面仅描述附加拓扑的采样。对于每种拓扑，故障检测技术包括在功率转换器的次级侧感测至少第一整流电压VRECT，以及基于感测到的第一整流电压来检测初级侧故障。用于感测整流电压VRECT的特定节点根据拓扑而变化。为了便于图10-图18的功率转换器中的说明和描述，省略了与关于图1描述的组件相似或相同的组件。例如，电压传感器、隔离器和控制器连接未在下面描述的图中示出，因为这些元件可以容易地从图1的电路100外推。
图10示出了基于有源钳位正向(ACF)拓扑的隔离的开关模式功率转换器1000。与图1的功率级110不同，功率级1010仅包括两个功率开关Q1、Q2和用于将输入电压VIN耦合到变压器的电容器。另外，与图1的功率转换器不同，变压器次级绕组仅具有两个端子，并且耦合到次级绕组的整流器1040是半波整流器。由于半波整流，整流电压节点1006处的有效脉冲的最大占空比为50％。控制器1070感测(测量)整流电压VRECT并且使用该测量电压来检测故障。
图11示出了与图10的ACF功率转换器1000相对应的波形1100。这些波形1100包括用于经由驱动器和隔离器(为了便于说明而未示出)耦合到功率开关Q1、Q2的栅极的开关控制信号1110。还示出了与作为半波整流器1040的一部分的同步整流开关SR1、SR2的开关控制信号相对应的波形1190。还示出了与整流电压节点1006处的整流电压VRECT相对应的波形1180。故障检测技术感测整流电压VRECT并且基于感测到的电压来检测初级侧故障。例如，如果控制器1070感测到整流电压VRECT指示整流电压VRECT内的脉冲的电压低于欠压阈值，则生成欠压故障指示。
图10的功率转换器1000仅能够在开关周期的最多一半期间传输功率。与不使用半波整流器的功率转换器相比，这导致输出电压VO中的纹波增加或需要更多滤波，例如更大的输出电容器CO。这些问题可以通过交错ACF拓扑来克服。
图12示出了使用交错ACF拓扑的功率转换器1200。功率转换器1200使用两个功率级1210、1212将来自具有电压VIN的输入电源的功率耦合到两个隔离变压器。变压器的次级绕组均耦合到半波整流器1240、1242。如图13所示，初级侧功率开关控制信号1310、1312和整流开关控制信号1390、1392交错，使得整流电压VRECT1、VRECT2波形1380、1382交错。控制器1270感测整流电压节点1206、1208处的整流电压VRECT1、VRECT2，并且使用这些感测电压来检测初级侧故障。整流电压VRECT1、VRECT2可以在用于故障检测之前被组合，例如求平均、求和，或者整流电压VRECT1、VRECT2均可以被提供以分离控制器1270内的故障检测器。
图14示出了在初级侧采用半桥功率级1410并且在次级侧采用全波整流器1440的功率转换器1400。变压器包括(非抽头)次级绕组，并且四个开关SR1、SR2、SR3、SR4用于整流次级绕组的电压。图15示出了与用于初级侧开关Q1、Q2的控制信号1510、整流开关控制信号1590、以及整流电压节点1406处的整流电压VRECT 1580相对应的波形1500。如前述拓扑所示，整流电压VRECT由控制器1470感测并且用于检测初级侧故障状况。
图16示出了也在其初级侧使用半桥功率级1410但是在其次级侧包括电流倍增器整流器1640的功率转换器1600。电流倍增整流器1640跨变压器的次级绕组耦合，并且包括整流开关SR1、SR2。这些开关SR1、SR2在将次级绕组的第一端子和第二端子耦合到地之间交替，从而提供两个整流电压节点1606、1608。使用输出电感器LO1、LO2和输出电容器CO对这些节点1606、1608处的电压VRECT1、VRECT2进行滤波。相对于其他整流电路，电流倍增器整流器在其输出处提供双倍电流和减半的电压。
图17示出了与用于初级侧开关Q1、Q2的控制信号1710相对应的波形1700以及与用于整流开关SR1、SR2的控制信号1790相对应的波形。进一步示出了与整流电压节点1606、1608处的整流电压VRECT1、VRECT2相对应的波形1780、1782。控制器1670使用如上所述的这些电压和技术来感测整流电压VRECT1、VRECT2并且检测初级侧故障状况。
图18示出了隔离的AC-DC开关模式功率转换器1800。该功率转换器1800与先前描述的功率转换器的不同之处在于，AC电源VAC向输入整流器1801提供AC功率，输入整流器1801又在输入1802处提供DC输入电压VIN。虽然没有示出，但是输入整流器1801可以附加地包括功率因数校正(PFC)电路系统和/或滤波。输入电压VIN被提供给隔离的DC-DC开关模式功率转换器，该功率转换器可以使用各种初级侧和次级侧电路拓扑，包括上述那些。次级侧控制器1870感测第一整流电压Vr1，并且对于一些拓扑感测第二整流电压Vr2，并且使用该电压或这些电压以使用上述技术来检测初级侧故障状况。
根据一种具有隔离拓扑的开关模式功率转换器的实施例，功率转换器将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率。功率转换器包括初级侧、变压器和次级侧。初级侧包括耦合到输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级。功率级耦合到变压器的初级绕组。次级侧包括整流电路、滤波电路和控制器。整流电路耦合到变压器的次级绕组，并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压。滤波电路插入在第一整流电压节点与功率转换器的输出之间。滤波电路被配置为对第一整流电压进行滤波，从而在输出处提供滤波电压。控制器被配置为感测第一整流电压，并且基于该次级侧电压，检测初级侧故障状况。响应于这种检测，生成故障指示和/或修改开关模式功率转换器的操作。
根据一种电子系统的实施例，电子系统包括输入电源、输出负载、隔离的开关模式功率转换器和系统管理器。功率转换器如上所述配置。系统管理器被配置为输入由功率转换器生成的故障指示，并且响应于确定故障指示指示不安全操作状况或可能损坏电子系统的状况，关闭功率转换器。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，次级侧控制器被配置为基于感测到的第一整流电压估计输入源的输入电压。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，故障状况是欠压故障状况，并且次级侧控制器被配置为基于感测到的第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲，基于电压测量来确定整流电压脉冲的代表性电压幅度，并且响应于确定代表性电压幅度低于欠压阈值，检测到欠压故障状况。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，故障状况是过压故障状况，并且次级侧控制器被配置为基于感测到的第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲，基于电压测量来确定针对整流电压脉冲的代表性电压幅度，并且响应于确定代表性电压幅度高于过压阈值，检测到过压故障状况。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，故障状况是丢失脉冲故障状况，并且次级侧控制器被配置为生成指引一个或多个功率开关以便跨变压器初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；基于感测到的第一整流电压，确定所生成的控制信号和相关联的初级侧电压脉冲是否在第一整流电压节点处产生对应的整流电压脉冲，并且响应于确定没有产生对应的整流电压脉冲，检测到丢失脉冲故障状况。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，故障状况是电压不对称故障状况，并且次级侧控制器被配置为生成指引一个或多个功率开关以便跨变压器的初级绕组施加第一初级侧电压脉冲的控制信号，其中第一初级侧电压脉冲具有第一极性；基于感测到的整流电压，检测与第一初级侧电压脉冲相对应的第一整流电压脉冲，第一整流脉冲具有第一电压幅度；生成指引一个或多个功率开关以便跨变压器的初级绕组施加第二初级侧电压脉冲的控制信号，其中第二初级侧电压脉冲具有与第一极性相反的第二极性；基于感测到的整流电压，检测与第二初级侧电压脉冲相对应的第二整流电压脉冲，第二整流电压脉冲具有第二电压幅度；确定第一电压幅度与第二电压幅度之间的差值超过压差阈值；以及响应于上述确定，检测到电压不对称故障状况。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，故障指示是脉冲间隔故障指示，并且次级侧控制器被配置为生成指引一个或多个功率开关以便跨变压器的初级绕组施加具有第一脉冲间隔的第一初级侧电压脉冲的控制信号；基于感测到的整流电压，确定与第一脉冲间隔相对应的第一整流电压脉冲间隔；检测到第一整流电压脉冲间隔在可接受的间隔范围之外，其中可接受的间隔范围基于第一脉冲间隔；以及响应于上述确定，检测到脉冲间隔故障状况。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，次级侧控制器被配置为在开关模式功率转换器以启动操作模式进行操作的启动间隔期间，生成指引一个或多个功率开关向变压器的初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；基于感测到的第一整流电压，检测整流电压脉冲；在启动间隔期间，基于第一整流电压脉冲，抑制故障指示；响应于检测到第一整流电压脉冲包括指示正常操作模式可以开始的电压幅度、整流脉冲间隔或电压幅度和整流脉冲间隔两者，从启动操作模式转换到正常操作模式；以及在转换到正常操作模式之后，停止故障指示的抑制。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，检测到的故障状况指示开关模式功率转换器的不安全操作状况，并且次级侧控制器被配置为响应于检测到故障状况，禁止生成用于控制一个或多个功率开关的开关控制信号。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，检测到的故障状况指示开关模式功率转换器的操作可以利用改变的操作继续进行，并且次级侧控制器被配置为响应于检测到故障状况，改变用于生成用于控制一个或多个功率开关的开关控制信号的操作模式。
根据开关模式功率转换器或电子系统的任何实施例，次级侧控制器被配置为将故障指示提供给次级侧控制器的输出。
根据一种方法的实施例，该方法在用于将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率的隔离的开关模式功率转换器内执行。功率转换器包括初级侧、变压器和次级侧。初级侧包括耦合到输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级。功率级耦合到变压器的初级绕组。次级侧包括整流电路、滤波电路和控制器。整流电路耦合到变压器的次级绕组，并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压。滤波电路插入在第一整流电压节点与功率转换器的输出之间。该方法包括在功率转换器的次级侧感测第一整流电压，并且基于该感测电压来检测初级侧故障状况。该方法还包括响应于该检测而生成故障指示和/或修改开关模式功率转换器的操作。
根据该方法的任何实施例，该方法还包括基于感测到的第一整流电压来估计输入源的输入电压。
根据该方法的任何实施例，故障状况是欠压故障状况，并且该方法还包括基于感测到的第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；基于电压测量来确定针对整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及于确定代表性电压幅度低于欠压阈值，检测到欠压故障状况。
根据该方法的任何实施例，故障状况是过压故障状况，并且该方法还包括基于感测到的第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；基于电压测量来确定针对整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及响应于确定代表性电压幅度高于过压阈值，检测到过压故障状况。
根据该方法的任何实施例，故障状况是电压不对称故障状况，并且该方法还包括生成指引一个或多个功率开关以便跨变压器的初级绕组施加第一初级侧电压脉冲的控制信号，其中第一初级侧电压脉冲具有第一极性；基于感测到的整流电压，检测与第一初级侧电压脉冲相对应的第一整流电压脉冲，第一整流脉冲具有第一电压幅度；生成指引一个或多个功率开关以便跨变压器的初级绕组施加第二初级侧电压脉冲的控制信号，其中第二初级侧电压脉冲具有与第一极性相反的第二极性；基于感测到的整流电压，检测与第二初级侧电压脉冲相对应的第二整流电压脉冲，第二整流电压脉冲具有第二电压幅度；确定第一电压幅度与第二电压幅度之间的差值超过压差阈值；以及响应于上述确定，检测到电压不对称故障状况。
根据该方法的任何实施例，故障状况是脉冲间隔故障指示，并且该方法还包括生成指引一个或多个功率开关以便跨变压器的初级绕组施加具有第一脉冲间隔的第一初级侧电压脉冲的控制信号；基于感测到的整流电压，确定与第一脉冲间隔相对应的第一整流电压脉冲间隔；检测到第一整流电压脉冲间隔在可接受的间隔范围之外，其中可接受的间隔范围基于第一脉冲间隔；以及响应于上述确定，检测到脉冲间隔故障指示。
根据该方法的任何实施例，该方法还包括在开关模式功率转换器以启动操作模式进行操作的启动间隔期间，生成指引一个或多个功率开关向变压器的初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；基于感测到的第一整流电压，检测整流电压脉冲；在启动间隔期间，基于第一整流电压脉冲，抑制故障指示；响应于检测到第一整流电压脉冲包括指示正常操作模式可以开始的电压幅度、整流脉冲间隔或电压幅度和整流脉冲间隔两者，从启动操作模式转换到正常操作模式；以及在转换到正常操作模式之后，停止故障指示的抑制。
如本文中使用的，术语“具有(having)”、“包含(containing)”、“包括(including)”、“包括(comprising)”等是开放式术语，其指示所述元素或特征的存在，但不排除其他元素或特征。除非上下文另有明确说明，否则冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在包括复数以及单数。
应当理解，除非另外特别说明，否则本文中描述的各种实施例的特征可以彼此组合。
尽管本文中已经说明和描述了特定实施例，但是所属领域的技术人员将了解，可以在不脱离本发明的范围的情况下替代所示出和描述的特定实施例的各种备选和/或等效实现。本申请旨在涵盖本文中讨论的具体实施例的任何改编或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (20)

1.一种开关模式功率转换器，使用隔离拓扑将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率，所述开关模式功率转换器包括：
初级侧，包括被耦合到所述输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级；
变压器，包括被耦合到所述功率级的初级绕组、以及次级绕组；以及
次级侧，包括：
整流电路，被耦合到所述次级绕组并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压，
滤波电路，被插入在所述第一整流电压节点与所述开关模式功率转换器的输出之间，所述滤波电路被配置为对所述第一整流电压进行滤波，从而在所述输出处提供滤波电压，以及
次级侧控制器，被配置为：
感测所述第一整流电压；
基于在所述次级侧感测到的所述第一整流电压，检测所述初级侧的故障状况；以及
响应于所述检测，生成故障指示和/或修改所述开关模式功率转换器的操作。
2.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述次级侧控制器被配置为基于感测到的所述第一整流电压来估计所述输入源的输入电压。
3.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是欠压故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
基于感测到的所述第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；
基于所述电压测量来确定针对所述整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及
响应于确定所述代表性电压幅度低于欠压阈值，检测到所述欠压故障状况。
4.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是过压故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
基于感测到的所述第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；
基于所述电压测量来确定针对所述整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及
响应于确定所述代表性电压幅度高于过压阈值，检测到所述过压故障状况。
5.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是丢失脉冲故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述第一整流电压，确定生成的所述控制信号和相关联的初级侧电压脉冲是否在所述第一整流电压节点处产生对应的整流电压脉冲；以及
响应于确定没有产生对应的整流电压脉冲，检测到所述丢失脉冲故障状况。
6.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是电压不对称故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加第一初级侧电压脉冲的控制信号，其中所述第一初级侧电压脉冲具有第一极性；
基于感测到的所述整流电压，检测与所述第一初级侧电压脉冲相对应的第一整流电压脉冲，所述第一整流电压脉冲具有第一电压幅度；
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加第二初级侧电压脉冲的控制信号，其中所述第二初级侧电压脉冲具有与所述第一极性相反的第二极性；
基于感测到的所述整流电压，检测与所述第二初级侧电压脉冲相对应的第二整流电压脉冲，所述第二整流电压脉冲具有第二电压幅度；
确定所述第一电压幅度与所述第二电压幅度之间的差值超过压差阈值；以及
响应于所述确定，检测到所述电压不对称故障状况。
7.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障指示是脉冲间隔故障指示，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加具有第一脉冲间隔的第一初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述整流电压，确定与所述第一脉冲间隔相对应的第一整流电压脉冲间隔；
检测到所述第一整流电压脉冲间隔在可接受的间隔范围之外，其中所述可接受的间隔范围基于所述第一脉冲间隔；以及
响应于所述确定，检测到所述脉冲间隔故障指示。
8.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述次级侧控制器被配置为：
在所述开关模式功率转换器以启动操作模式进行操作的启动间隔期间，生成指引所述一个或多个功率开关以便向所述变压器的所述初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述第一整流电压，检测整流电压脉冲；
在所述启动间隔期间，基于所述第一整流电压脉冲，抑制故障指示；
响应于检测到所述整流电压脉冲中的第一整流电压脉冲包括指示正常操作模式能够开始的电压幅度、整流脉冲间隔或电压幅度和整流脉冲间隔两者，从所述启动操作模式转换到所述正常操作模式；以及
在转换到所述正常操作模式之后，停止所述故障指示的所述抑制。
9.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，
其中检测到的所述故障状况指示所述开关模式功率转换器的不安全操作状况；以及
其中所述次级侧控制器被配置为响应于检测到所述故障状况，禁止用于控制所述一个或多个功率开关的开关控制信号的生成。
10.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，
其中检测到的所述故障状况指示所述开关模式功率转换器的操作能够利用改变的操作继续进行；以及
其中所述次级侧控制器被配置为响应于检测到所述故障状况，改变用于生成用于控制所述一个或多个功率开关的开关控制信号的操作模式。
11.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述次级侧控制器被配置为：
将生成的所述故障指示提供给所述次级侧控制器的输出。
12.一种电子系统，包括：
输入电源；
输出负载；
开关模式功率转换器，使用隔离拓扑将来自所述输入电源的功率转换为用于所述输出负载的功率，所述开关模式功率转换器包括：
功率级，被耦合到所述输入源并且包括一个或多个功率开关；
变压器，包括被耦合到所述功率级的初级绕组、以及次级绕组；
整流电路，被耦合到所述次级绕组并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压；
滤波电路，被插入在所述第一整流电压节点与所述开关模式功率转换器的输出之间，并且被配置为对所述第一整流电压进行滤波，从而在所述输出处提供滤波电压；以及
次级侧控制器，被配置为：
感测所述第一整流电压；
基于感测到的所述第一整流电压，检测所述开关模式功率转换器内的故障状况；以及
响应于所述检测，生成故障指示；
系统管理器，被配置为：
输入所述故障指示；以及
响应于确定所述故障指示指示不安全操作情况或可能损坏所述电子系统的状况，关闭所述开关模式功率转换器。
13.根据权利要求12所述的电子系统，其中所述系统管理器被配置为：
响应于确定所述故障指示是警告信号，改变用于生成用于控制所述一个或多个功率开关的开关控制信号的操作模式。
14.一种隔离的开关模式功率转换器内的的方法，用于将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率，其中所述功率转换器包括：初级侧，包括被耦合到所述输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级；变压器，包括被耦合到所述功率级的初级绕组、以及次级绕组；以及次级侧，包括：整流电路，被耦合到所述次级绕组并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压；滤波电路，被插入在所述第一整流电压节点与所述开关模式功率转换器的输出之间，所述方法包括：
感测所述第一整流电压；
基于在所述次级侧感测到的所述第一整流电压，检测所述初级侧的故障状况；以及
响应于所述检测，生成故障指示和/或修改所述开关模式功率转换器的操作。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于感测到的所述第一整流电压来估计所述输入源的输入电压。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述故障状况是欠压故障指示，所述方法还包括：
基于感测到的所述第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；
基于所述电压测量来确定针对所述整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及
响应于确定所述代表性电压幅度低于欠压阈值，检测到所述欠压故障状况。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述故障状况是过压故障状况，所述方法还包括：
基于感测到的所述第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；
基于所述电压测量来确定针对所述整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及
响应于确定所述代表性电压幅度高于过压阈值，检测到所述过压故障状况。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述故障状况是电压不对称故障状况，所述方法还包括：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加第一初级侧电压脉冲的控制信号，其中所述第一初级侧电压脉冲具有第一极性；
基于感测到的所述整流电压，检测与所述第一初级侧电压脉冲相对应的第一整流电压脉冲，所述第一整流电压脉冲具有第一电压幅度；
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加第二初级侧电压脉冲的控制信号，其中所述第二初级侧电压脉冲具有与所述第一极性相反的第二极性；
基于感测到的所述整流电压，检测与所述第二初级侧电压脉冲相对应的第二整流电压脉冲，所述第二整流电压脉冲具有第二电压幅度；
确定所述第一电压幅度与所述第二电压幅度之间的差值超过压差阈值；以及
响应于所述确定，检测到所述电压不对称故障状况。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述故障状况是脉冲间隔故障指示，所述方法还包括：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加具有第一脉冲间隔的第一初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述整流电压，确定与所述第一脉冲间隔相对应的第一整流电压脉冲间隔；
检测到所述第一整流电压脉冲间隔在可接受的间隔范围之外，其中所述可接受的间隔范围基于所述第一脉冲间隔；以及
响应于所述确定，检测到所述脉冲间隔故障指示。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在所述开关模式功率转换器以启动操作模式进行操作的启动间隔期间，生成指引所述一个或多个功率开关以便向所述变压器的所述初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述第一整流电压，检测整流电压脉冲；
在所述启动间隔期间，基于所述第一整流电压脉冲，抑制故障指示；
响应于检测到所述整流电压脉冲中的第一整流电压脉冲包括指示正常操作模式能够开始的电压幅度、整流脉冲间隔或电压幅度和整流脉冲间隔两者，从所述启动操作模式转换到所述正常操作模式；以及
在转换到所述正常操作模式之后，停止所述故障指示的所述抑制。
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