CN111049385A - 用于通信的系统以及用于检测的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于通信的系统以及用于检测的设备和方法。描述了用于将数字信息从功率转换器诸如反激功率转换器的次级侧发送至初级侧的技术。通过对由在次级侧上的同步整流(SR)晶体管发起的零电压开关(ZVS)脉冲之间的时间量进行调制，本公开内容的功率转换器电路可以将数字信息从次级侧传送至初级侧。本公开内容的功率转换器电路可以包括初级侧上的稳定、准确且可靠的ZVS脉冲检测技术以确定来自次级侧的ZVS脉冲之间的时段的轻微变化。次级侧上的控制器电路可以通过对ZVS时段进行调制例如增加的时段、减少的时段或者时段无变化来编码数字信息。
Description
技术领域
本公开内容涉及功率转换器。
背景技术
在隔离式功率转换器中，可能期望将信号从次级侧传送至初级侧。某些类型的通信可以包括同步初级开关时序和次级开关时序并且传送负载功率需求的变化。在次级与初级之间进行通信的一些示例技术包括可能需要隔离的单独的通信信道，诸如光隔离器。其他示例可能需要附加的部件以对已经在功率转换器中发生的现有信号进行调制，例如对振铃频率进行调制。
发明内容
通常，本公开内容涉及用于将数字信息从功率转换器诸如反激功率转换器的次级侧发送至初级侧的技术。通过对由次级侧上的同步整流(SR)晶体管启动的零电压开关(ZVS)脉冲之间的时间量进行调制，本公开内容的功率转换器电路可以将数字信息从次级侧传送至初级侧。本公开内容的功率转换器电路可以包括初级侧上的稳定、准确且可靠的ZVS脉冲检测技术以确定来自次级侧的在ZVS脉冲之间的时段的轻微变化。次级侧上的控制器电路可以通过对ZVS时段进行调制例如增加的时段、减少的时段或者时段无变化来编码数字信息。
在一个示例中，本公开内容涉及一种系统，其包括：隔离式功率转换器，其包括电力变压器；次级侧控制器，其被配置成控制功率转换器的同步整流(SR)开关，其中，次级侧控制器被配置成通过控制SR开关的切换时间来发起零电压开关(ZVS)，并且通过对SR开关的切换时间之间的时段进行调制来编码数字信息；该系统还包括：初级侧控制器，其被配置成控制功率转换器的初级侧开关；检测SR开关的切换时间；并且基于SR开关的切换时间之间的经调制的时段对数字信息进行解码。
在另一示例中，本公开内容涉及一种设备，包括：零电压开关(ZVS)检测电路，其被配置成检测ZVS脉冲；定时器电路，其可操作地耦合至ZVS电路，所述定时器电路被配置成：确定第一ZVS脉冲与第二ZVS脉冲之间的第一时间段；并且确定第三ZVS脉冲与第四ZVS脉冲之间的第二时间段；以及解码器电路，其可操作地耦接至定时器电路，所述解码器电路被配置成基于第一时间段和第二时间段对数字信息进行解码。
在另一示例中，本公开内容涉及一种方法，包括：由控制器电路检测多个零电压开关(ZVS)脉冲，其中，多个ZVS脉冲包括第一ZVS脉冲、第二ZVS脉冲、第三ZVS脉冲和第四ZVS脉冲；由控制器电路确定第一ZVS脉冲与第二ZVS脉冲之间的第一时间段；由控制器电路确定第三ZVS脉冲与第四ZVS脉冲之间的第二时间段；以及由控制器电路基于第一时间段和第二时间段对数字信息进行解码。
在附图和下面的描述中阐述了本公开内容的一个或更多个示例的细节。本公开内容的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及从权利要求书中变得明显。
附图说明
图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的用于转换来自电源的电力并且被配置成跨电力变压器通信的示例系统的框图；
图2是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的示例功率转换器电路的示意图；
图3是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的包括ZVS脉冲检测电路的功率转换器电路的示例操作的时序图；
图4是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的ZVS检测和零电压交叉检测的一个示例实现方式的示意图；
图5是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的用于功率转换器的次级侧与初级侧之间通信的ZVS时段调制的时序图；
图6是示出通过图4的脉冲检测器的示例配置进行的ZVS脉冲检测的示例实现方式的时序图；
图7是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的被配置成跨电力变压器通信的功率转换器的示例操作的流程图。
具体实施方式
通常，本公开内容涉及用于将数字信息从功率转换器诸如反激式功率转换器的次级侧发送至初级侧的技术。通过对由次级侧上的同步整流(SR)晶体管启动的零电压开关(ZVS)脉冲的边沿之间的时间量进行调制，本公开内容的功率转换器电路可以将数字信息从次级侧传送至初级侧。本公开内容的功率转换器电路可以包括初级侧上的稳定、准确且可靠的ZVS脉冲检测技术，以确定来自次级侧的在ZVS脉冲之间的时段的轻微变化。次级侧上的控制器电路可以通过对ZVS时段进行调制例如增加的时段、减少的时段或者时段无变化来编码数字信息。
本公开内容的技术利用已经由功率转换器电路使用的部件和信号。与用于隔离式功率转换器的次级侧与初级侧之间通信的其他技术相比，本公开内容的技术不需要单独的通信信道，诸如使用光隔离器的通信信道或者基于引线框的无芯变压器的通信信道。使用附加通信设备的技术可能增加成本并且增加电力供应设计的复杂性。
一些其他示例技术不需要附加介质并且将重复使用已经是功率转换器的一部分的部件，诸如电力变压器和SR开关。例如，一些技术依赖于扩展不连续传导模式(DCM)反激式功率转换器的自由振铃。数字信息，即0和1，在初级侧开关周期之后由扩展的第一振铃或第二振铃进行编码。然而，这种振铃扩展技术有两个不足之处。首先，该技术依赖于可变开关频率，这意味着该技术与固定频率控制系统不兼容。其次，振铃扩展技术不支持ZVS，这诸如对于使用平面变压器的功率转换器可能是期望的特征。
其他示例技术使用一个或更多个附加开关，其连接与输出整流器并联的附加电容器。这些附加部件本质上对反激的自由振铃频率进行调制。然而，该技术需要附加的开关和电容器，导致成本增加、占用面积增加并且复杂性增加。
与之相对，本公开内容的技术通过变压器进行通信但是保持初级侧与次级侧之间的电隔离，并且不需要附加的通信设备或信道，也不需要除了已经是功率转换器的一部分的那些部件之外的附加部件。此外，与跨电力变压器进行通信的其他通信方法不同，本公开内容的技术支持ZVS和恒定频率模式并且支持DCM和连续传导模式(CCM)二者以及各种初级侧控制技术，诸如峰值电流控制或者基于时间的脉冲宽度调制(PWM)。
图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的用于转换来自电源的电力并且被配置成跨电力变压器通信的示例系统的框图。图1将系统1示出为具有四个独立且不同的部件，这些部件被示出为电源2、功率转换器6和负载4，然而系统1可以包括附加的部件或更少的部件。例如电源2、功率转换器6和负载4可以是四个单独的部件或者可以表示提供本文中所描述的系统1的功能的一个或更多个部件的组合。
系统1包括向系统1提供电力的电源2。电源2可以是交流(AC)电源或直流(DC)电源。存在电源2的许多示例，并且所述示例可以包括但不限于电网、发电机、变压器、电池、太阳能板、风车、再生制动系统、水力发电机或风力发电机、或者能够向系统1提供电力的任何其他形式的设备。
系统1包括功率转换器6，功率转换器6操作为将由电源2提供的一种形式的电力转换为用于为负载4供电的不同且可用形式的电力的反激式功率转换器。功率转换器6被示出具有通过变压器22与次级侧5隔开的初级侧7。在一些示例中，变压器22可以包括多于一个变压器或者被配置成将能量从源2传输至负载4的变压器绕组集合。使用变压器22以及初级侧7和次级侧5的部件，功率转换器6可以将链路8处的功率输入转换为链路10处的功率输出。反激式功率转换器是一种类型的隔离式功率转换器。
负载4(在本文中有时也被称为设备4)接收由功率转换器6转换的电力。在一些示例中，负载4可以使用来自功率转换器6的电力以执行功能。
电源2可以通过链路8提供具有第一电压水平和电流水平的电力。负载4可以接收具有由电力转换器6通过链路10转换的第二电压水平和电流水平的电力。链路8和链路10表示能够从一个位置向另一位置传导电力的任何介质。链路8和链路10的示例包括但不限于物理和/或无线电气传输介质诸如电线、电气迹线、导电气体管、双绞线等。链路8和链路10中的每一个分别在电源2与功率转换器6之间以及功率转换器6与负载4之间提供电耦接。
在系统1的示例中，由电源2传送的电力可以由转换器6转换成具有满足负载4的电力需求的调节的电压和/或电流水平的电力。例如，电源2可以在链路8处输出具有第一电压水平的电力，并且功率转换器6可以在链路8处接收具有第一电压水平的电力。功率转换器6可以将具有第一电压水平的电力转换成具有负载4所需的第二电压水平的电力。功率转换器6可以在链路10处输出具有第二电压水平的电力。负载4可以在链路10处接收具有第二电压水平的经转换的电力并且负载4可以使用具有第二电压电平的经转换的电力以执行功能(例如，对微处理器进行供电、对电池进行充电等)。在一些示例中，第二电压水平可以大于第一电压水平、小于第一电压水平或者与第一电压水平大致相同。
在工作中，如下面参照附图更详细描述的，功率转换器6可以通过经由通信链路14描绘的变压器22在次级侧5与初级侧7之间交换信息来控制链路10处的电流和电压的水平。通信链路14不是专用通信链路。替代地，如本文中所述，转换器6被配置成经由变压器22将信息从次级侧5传递至初级侧7。换句话说，除了包括可以由其他反激式转换器使用的用于在反激的两侧之间传输信息的附加的电隔离通信链路之外，转换器6还被配置成控制次级侧5上的SR开关的切换时间。次级侧5可以通过对SR开关的切换时间之间的时段进行调制来编码数字信息，作为用于将信息从次级侧5发送至初级侧7的方式。在一些示例中，次级侧5可以经由通信链路12接收来自负载4或者其他源的数字信息。
初级侧7可以经由变压器22检测SR开关的切换时间之间的时段的变化。初级侧7可以基于SR开关的切换时间之间的经调制的时段对数字信息进行解码。例如为了传送到初级侧7的所传送的数字信息的一些示例包括负载4需要来自电源2的附加能量、负载4的温度和其他操作参数或者可以被数字编码的任何其他信息。
图2是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的示例功率转换器电路的示意图。图2的功率转换器100包括变压器W1 114、初级侧130和次级侧132，类似于上文关于图1所述的系统1。对于数字数据的通信，本公开内容描述了使用SR开关启动的ZVS脉冲的下降沿以将数字信息从功率转换器100的次级侧132发送至初级侧130的技术。这种信息的一些示例可以包括电流限制、数字化温度信息、输出电压设定点，即目标电压诸如5V、9V、3V等。
初级侧130包括二极管整流器106、电容器C1 108、脉冲检测器128、初级控制器102和初级侧开关M1 110。整流器106从AC输入端子105接收AC电力并且连接至初级侧电容器C1108。初级控制器102控制初级侧开关M1 110的栅极。初级侧开关将变压器W1 114的初级绕组的一个端子连接至初级侧接地节点。脉冲检测器128通过电压感测输入VSENSE 126来监测反射电压VREFLECTED 130。图2示例中的反射电压VREFLECTED 130是通过变压器的匝数比缩放的输出电压VOUT 122。跨变压器的次级绕组的负载在初级侧130看来是具有取决于匝数比平方的倒数的值的反射负载。类似地，初级绕组中的磁化电流在次级绕组中被反射并且通过匝数比进行缩放。
在图2的示例中，初级侧开关M1 110被示出为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但是在其他示例中，初级侧开关M1 110可以被实现为不同类型的开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在其他示例中，初级侧130可以被配置成接收DC电力输入并且可以不包括整流器106。
次级侧132包括SR开关M2 112、次级控制器104、包括R1 116和R2 118的电阻分压器、以及输出电容器C2 120。变压器W1 114的次级侧的第一端子连接至输出端子、VOUT 122以及电阻器R1 116的一个端子。电阻器R1 116的相对端子连接至次级控制器104。电阻器R2118将次级控制器104和电阻器R1 116的相对端子连接至次级侧接地端。次级控制器104通过由电阻器R1 116和R2 118形成的电阻分压器来监测输出电压VOUT 122。输出电容器C2120将VOUT 122连接至次级侧接地端。在一些示例中，次级侧接地端可以与初级侧接地端不同。
变压器W1 114将初级侧130或功率转换器100与次级侧132隔离，并且基于初级绕组与次级绕组之间的匝数比来升高或降低次级侧电压。在一些示例中，变压器W1 114还可以包括一个或更多个辅助绕组(图2中未示出)。
在同步功率转换器诸如功率转换器100中，次级侧整流由SR开关诸如SR开关M2112来执行。同步整流也可以被称为有源整流，并且可以具有优于在一些应用中在功率转换器的次级侧使用二极管整流的优点。次级控制器104可以根据需要驱动SR开关M2 112的栅极引脚以对来自变压器W1 114的次级侧的信号进行整流。换句话说，次级控制器104使得SR开关M2 112充当整流器并且主动导通以使得电流能够在一个方向上但是主动关断以阻止电流流向另一个方向，即充当理想二极管。在一些示例中，次级控制器104可以被认为是SR控制器。
初级侧开关M1 110和SR开关M2 112二者以互补方式驱动。本公开内容的技术适用于以连续传导模式(CCM)或不连续传导模式(DCM)操作的功率转换器。在其中SR开关M2 112是FET并且当SR开关M2 112断开的示例中，来自次级绕组Isec 125的电流可以流过SR开关M2 112的体二极管。用于FET的体二极管可以具有当FET被导通时与源极-漏极电压相比较大的电压降。为了提高系统效率，可以在下次开关周期之前将SR开关M2 112导通持续预定义的时间周期以使得次级侧电流Isec 125能够以降低的电压降流动。在SR开关M2 112导通的时间期间，来自输出电容器C2 120的一些能量储存在变压器磁化电感中。当SR开关M2112关断时，生成的磁化电流Imag 124对初级侧寄生电容进行再充电，这使得初级开关M1110在检测到在VSENSE 126处测量的零电压时导通。初级侧寄生电容可以包括变压器的寄生电容，以及初级开关M1 110的寄生漏极-源极电容(Cds)。换句话说，初级侧控制器102检测ZVS事件并且启动开关周期。在初级侧130处的ZVS脉冲的下降沿始终与SR开关M2 112在次级侧132处关断对准，并且可以由与初级侧控制器102通信的脉冲检测器128非常可靠地进行检测。控制初级侧开关M1 110在检测到零伏时接通被称为ZVS操作。
对于通信操作，次级控制器104可以接收要从次级侧132发送至初级侧130的数字信息。在一些示例中，次级控制器104可以经由通信链路113接收信息。通信链路113可以通过信号线、无线链路、负载调制、以及类似的通信技术实现。通信链路113可以承载来自负载的包括数字信息的信息，类似于如上关于图1所述的通信链路12和负载4。次级控制器104还可以接收来自除负载之外的源诸如温度传感器、处理器(例如，微控制器)或其他源的要编码的信息。次级控制器104可以通过对SR开关的切换时间之间的时段进行调制来将接收到的信息编码为数字信息。
次级控制器104可以使用各种编码方案以将接收到的信息编码为数字信息。在一些示例中，次级控制器104可以基于具有至少三个调制状态诸如减少的时间段、增加的时间段和无调制，即时间段内无变化的差分编码方案对数字信息进行编码。在其他示例中，次级控制器104可以基于具有多于三个级别的差分编码方案对信息进行编码。在其他示例中，次级控制器104可以将数字1编码为减少的时段并且将数字0编码为延长的时段，或者将数字0编码为减少的时段并且将数字1编码为延长的时段。差分编码方案可以具有优于其他编码方案的一些优点，这是因为差分编码方案可能需要初级定时器和次级定时器的低精度的同步。例如，基于曼彻斯特码的编码方案，该方案基于两个时段之间的差异可能不需要精确同步。曼彻斯特编码需要至少两个开关周期以发送一些信息，因此曼彻斯特编码与其他编码方案相比可能较慢。例如，曼彻斯特编码零可以表示为+/-/+或-/+/-，其中最后一个变换是下一位的第一开关周期。类似地，数字1可以表示为+/+/-或-/-/+。曼彻斯特编码可能难以在丢失比特之后检测并且管理起始位同步和重新同步，这可能导致纠错的困难。
在初级侧130上，脉冲检测器128可以检测在电力变压器W1 114的初级绕组上感测到的反射电压VREFLECTED130中的ZVS脉冲。脉冲检测器128可以检测并且测量时间周期例如减少的时间段和延长的时间段中的小变化，并且对由次级控制器104编码的数字信息进行解码。换句话说，脉冲检测器128可以检测SR开关的切换时间并且基于SR开关的切换时间之间的经调制的时段来对数字信息进行解码。虽然脉冲检测器128被描绘为与初级控制器102分离的块，但是在一些示例中，脉冲检测器128可以包括在初级控制器102内。在一些示例中，脉冲检测器128可以感测与VREFLECTED 130不同的电压，诸如初级侧开关M1 110的漏极-源极电压或者变压器W1 114的辅助绕组两端的电压。
图3是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的包括ZVS脉冲检测电路的功率转换器电路的示例操作的时序图。图3的示例描绘了反激式功率转换器的开关周期的示例，类似于上文关于图2所述的功率转换器100。对图3的时序图的描述可以参照图2中的部件。
图3的时序图描绘了作为最顶部曲线的感测电压226、电力变压器(W1)磁化电流218、初级开关(M1)控制信号224以及次级开关(M2)控制信号220。感测电压曲线226对应于如图2中描绘的在VSENSE端子126处测量的VREFLECTED 130的电压在时间上的幅度。W1磁化电流218对应于IMAG124的电流在时间上的幅度，以及变压器W1 114的次级绕组上的相应磁化电流。M1控制信号224对应于连接至初级晶体管M1 110的栅极的初级控制器102的输出。M2控制信号220对应于连接至SR开关M2 112的栅极的次级控制器104的输出。
功率转换器开关周期以时间T1 230开始。在时间T1 230处，导通SR开关M2 112以生成ZVS脉冲225。W1磁化电流开始在负方向上累积。使用VSENSE电压波形226，初级侧130可以通过使用脉冲检测器128和初级控制器102来检测ZVS脉冲225事件。
在时间T2处，当M2控制信号220在ZVS脉冲225事件的末端处从高变低时，SR开关M2112关断。在SR开关M2 112关断之后，负变压器磁化电流(初级侧)218对初级侧开关M1 110(226)的Vds电容进行再充电。
在时间T3处，初级侧开关M1 110的漏极-源极电压Vds最小，这是因为M1控制信号224从低变高并且初级侧开关M1 110导通。随着初级侧开关M1 110导通，W1磁化电流218开始在正方向上增加。
在时间T4处，变压器磁化电流达到期望的设定点水平，M1控制信号224从高变低并且初级侧开关M1 110关断。变压器磁化电流(次级侧)218被重新定向至SR开关112的体二极管，并且开始对输出电容器例如电容器C2 120进行充电。在一些示例中，达到期望的设定点水平可以通过峰值电流控制或者通过基于时间的PWM控制或者一些其他类型的输出控制技术进行控制。
在时间T5处，接通SR开关M2 112以减小整流器电压降并且提高效率。这也被描绘为针对先前的定时循环至由T1至T6描述的定时循环的SR功能222。在时间T6处，SR开关M2112关闭。开关周期完成并且初级侧控制器102等待下一ZVS脉冲事件。在时间T7处，下一开关周期开始。
在图3的示例中，晶体管控制信号例如224或220上由低至高的转变导通晶体管。在其他示例中，诸如在负电压电力供应的情况下，图3的信号即负与正以及高与低的转变可以以不同的方式配置。
图4是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的ZVS检测和零电压交叉检测的一个示例实现方式的示意图。脉冲检测器300是图2中描绘的脉冲检测器128的一个示例实现方式。在一些示例中，脉冲检测器300可以结合至初级侧控制器诸如图2中描绘的初级控制器102中。
示例脉冲检测器300使用两个比较器330和332用于操作。比较器332是过零检测电路的一部分并且比较器330检测如上关于图3所述的ZVS事件。
过零检测电路包括比较器332、一些逻辑门和定时器2 322。比较器332的反相输入端连接至零参考电压例如电路接地端，并且比较器332的非反相输入端连接至Vsense 304。Vsense 304对应于如图2中描绘的在脉冲检测器128的Vsense 126输入处测量的VREFLECTED130。比较器332的输出是过零信号308，过零信号308连接至与门316。过零信号308直接连接至SR锁存器310的置位输入端以及通过非门Y23(312)连接至SR锁存器310的复位输入端。与门316的输出连接至定时器2 322的使能输入端以及通过非门Y30(318)连接至定时器2 322的复位输入端。定时器2 322的输出是ZVS低定时器信号344，ZVS低定时器信号344连接至被配置为减法电路334的运算放大器的反相输入端。
ZVS检测电路包括比较器330，其具有连接至与比较器304的非反相输入端相同的Vsense 304输入端的非反相输入。比较器330的反相输入段连接至用于ZVS检测水平的电压阈值。比较器330的输出是ZVS检测信号306。ZVS检测信号306指示反射电压信号例如图2中描绘的VREFLECTED130何时小于预定阈值电压，即ZVS检测水平302，其中，ZVS检测水平 302阈值大于零伏。
比较器330的输出端连接至时钟SR锁存器310的时钟输入端以及通过非门Y28(314)连接至与门316。SR锁存器310的非反相输出端Q连接至定时器1 320的使能输入端。反相输出端非Q
连接至定时器1 320的复位输入端。定时器1 320的输出是ZVS高定时器信号342，ZVS高定时器信号342连接至被配置为减法电路334的运算放大器的非反相输入端。
减法电路334的输出是定时差分信号346。定时差分信号346是从ZVS高定时器信号342(来自ZVS事件检测电路)中减去的ZVS低定时器信号344(来自过零检测电路)。定时差分信号346连接至比较器336的非反相输入端，并且与连接至比较器336的反相输入端的ZVS检测阈值324进行比较。ZVS检测阈值324不应当与ZVS检测水平302相混淆，虽然在本公开内容中二者电压阈值具有相似的名称。ZVS检测阈值324也可以被认为ZVS事件检测阈值。比较器336的输出是ZVS检测信号326。
在工作中，示例脉冲检测器300使用两个比较器330和332用于SR开关检测操作。比较器中的一个比较器332检测Vsense过零，并且另一比较器330检测Vsense水平何时高于阈值(ZVS检测水平302)，该阈值被设置成略低于期望的反射输出电压。期望的反射输出电压是针对要输出至负载诸如图1中描绘的负载4的功率的电压设定点。
在比较器330的反相输入端处的ZVS检测水平302阈值是非常接近期望的反射输出电压的电压。由于在输出电压的小变化，所感测的电压(Vsense 304)可以在开关周期期间多次超过阈值ZVS检测水平302。这可能意味着ZVS检测信号306可能难以分析。然而，与ZVS检测信号306相比，来自过零比较器332的信号，即过零信号308可以是稳定的，并且因此过零信号308可以用于限定ZVS检测器比较器信号。
脉冲检测器300使用两个定时器，即定时器1 320和定时器2 322，用于ZVS检测信号306的信号鉴定。定时器1 320开始计数ZVS检测器比较器信号ZVS检测信号306的第一上升沿，并且定时器1 320将继续计数直到过零比较器332的输出即过零信号308的下降沿为止。换句话说，定时器1 320被配置成在反射电压信号瞬间超过预定阈值电压即ZVS检测电平302时并且反射电压信号变得小于约零伏时在每个实例之间输出时间量。
定时器2 322在过零信号308为高但是ZVS检测器比较器信号306为低时开始计数。两个计数器之间的差，即减法电路334的输出(定时器差分信号346)表示SR开关例如图2中描绘的SR开关M2 112两端的电压接近零的时间量。换句话说，定时器2 322被配置成当下述两者时输出时间量：(a)来自过零电路的输出指示反射电压信号Vsense 304大于约零伏；和(b)来自ZVS检测电路ZVS检测306的输出指示反射电压信号Vsense 304超过预定阈值电压ZVS检测水平302。
减法电路334被配置成从定时器1 320的输出中减去定时器2 322的输出并且输出减法结果。通过将定时差分信号346与ZVS检测阈值324进行比较致使脉冲检测电路300可靠地检测来自次级侧上的SR开关的ZVS脉冲(即，ZVS事件)。换句话说，初级侧控制器诸如图2中描绘的初级控制器102被配置成基于在电力变压器的初级绕组(VSENSE 126)上感测到的反射电压来检测SR开关即SR开关M2 112的切换时间。可以耦合至初级控制器102的脉冲检测器电路300被配置成将减法结果、定时器差346与预定减法阈值ZVS检测阈值324进行比较。基于满足ZVS检测阈值324的定时器差346，脉冲检测电路300将指示在ZVS检测信号326的输出中的次级侧SR开关的切换时间的检测。
图5是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的用于在功率转换器的次级侧与初级侧之间通信的ZVS周期调制的时序图。如上面例如关于图2所述，次级侧控制器可以通过对SR开关的切换时间之间的时段进行调制来编码数字信息。次级侧控制器可以增加时段或者减少时段。在一些示例中，次级侧可以通过增加(或者减少)多个级别中的时段来对时序进行调制。例如，次级侧可以利用以下四个级别对时段进行调制：诸如时段的小的增加和时段的大的增加，连同时段的小的减少和大的减少一起。在一些示例中，编码方案可以不包括调制，连同时段的增加或减少一起。初级侧可以诸如利用上问关于图2和图4所描述的脉冲检测器电路来检测时段的增加或者时段的减少。
图5的时序图包括感测电压波形400和过零信号波形410。感测电压波形400可以对应于在图2中描绘的VSENSE端子126以及图4中描绘的VSENSE 304处测量的在初级绕组上感测到的VREFLECTED 130。过零信号波形410是可以在过零信号308，即，如上关于图4所述的比较器332的输出处测量的信号的示例描绘。
在无调制的情况下，感测电压波形400的时序遵循由VSENSE时段-无调制404指示的曲线。类似地，过零信号波形410遵循由过零信号-无调制412指示的曲线。
在次级侧上的SR开关控制器缩短SR开关的切换时间之间的时段的示例中，作为VSENSE 400测量的反射电压的时序改变以遵循由VSENSE时段减少402指示的曲线。类似地，监测VSENSE 400的过零信号410也将示出减少的时段(414)。
在次级侧上的SR开关控制器增加SR开关的切换时间之间的时段的示例中，VSENSE400的时序改变以遵循由VSENSE时段增加406指示的曲线。类似地，例如经由上文关于图4所描述的比较器332监测VSENSE 400的过零信号410还将示出增加的时段(416)。
图6是示出通过图4的脉冲检测器的示例配置的ZVS脉冲检测的示例实现方式的时序图。图6中的信号的描述将参照图4中描绘的脉冲检测器300的部件。
图6的时序图比较了VSENSE 420波形、过零比较器430波形、ZVS检测比较器440波形、ZVS低定时器452波形、ZVS高定时器454波形、定时器差分450波形和ZVS检测460波形的时序。针对功率转换器诸如上文关于图2所描述的功率转换器的开关周期的时段是ZVS检测信号460的下降沿之间的时间。由于ZVS检测信号460的下降沿与稳定的过零比较器430信号同步，因此ZVS检测信号460也是稳定的并且可以用于SR开关时序的高分辨率检测。
VSENSE 420波形对应于图5的感测电压400波形、图4中描绘的VSENSE 304和图2中描绘的VSENSE 126。ZVS检测水平424可以被设置为正好低于期望的反射输出电压。如上关于图2所述，反射输出电压是输出电压，例如，如在电力变压器例如图2中描绘的变压器W1 114的的初级侧测量的VOUT 122。ZVS检测水平424波形对应于输入至图4中描绘的比较器330的ZVS检测水平302。当VSENSE 420低于ZVS检测水平424时，则ZVS检测比较器440，即比较器330的输出从高变低。如上所述，图6的信号仅是基于脉冲检测器300的示例配置的一个示例。在其他示例中，比较器330或者其他部件可以被配置成从低至高切换，而不是从高至低切换。
VSENSE＝0水平422指示VSENSE 420波形超过零的位置。当VSENSE 420大于零时，过零比较器430波形为高。当VSENSE 420小于零时，过零比较器430波形为低。
如上关于图4所述，当过零比较器430波形为高但是ZVS检测器比较器440波形为低时，随着定时器1 320开始计数，ZVS高定时器454波形开始增加。当过零比较器430波形为高但是ZVS检测器比较器440波形为低时，ZVS低定时器452波形在定时器2 322开始计数时开始增加。
定时器差450波形是减法电路334的输出，减法电路334被配置成从ZVS高定时器454波形中减去ZVS低定时器452波形。当定时器差450波形的值满足ZVS检测阈值324(也在图4中描绘)时，脉冲检测器电路300指示ZVS脉冲事件检测，即如由SR开关生成的ZVS脉冲事件检测。
以这种方式，脉冲检测器电路300可以将针对功率转换器的开关周期的时段的时序确定为ZVS检测信号460的下降沿之间的时间。通过对次级侧的ZVS脉冲时间之间的时段进行调制来建立从功率转换器的次级侧至初级侧的通信。根据图6中描绘的波形，脉冲检测器300的操作是针对用于检测ZVS脉冲并且解码通信的初级侧的一种示例技术。在一些示例中，对通信进行解码可以包括第三定时器电路、ZVS脉冲时段定时器352，以测量每个时段的长度并且确定时段是否是例如减少的时段或者增加的时段。
图7是示出根据本公开内容的一种或更多种技术的被配制成跨电力变压器通信的功率转换器的示例操作的流程图。除非另有说明，否则将按照图5和图6的时序图来描述图7的块。
功率转换器电路的初级控制器电路可以检测通过接通次级侧SR开关(90)而生成的ZVS脉冲。在一些示例中，控制器电路可以检测ZVS脉冲的前沿、下降沿或者ZVS脉冲中的任何其他点。示例初级控制器电路可以包括图1的初级控制器102。如上关于图1所述，初级控制器电路可以包括脉冲检测器电路，诸如图1的脉冲检测器128或者图4的脉冲检测器300。示例ZVS脉冲可以包括图3的ZVS脉冲225，并且示例SR开关可以包括图2的SR开关M2112。
控制器电路可以确定第一ZVS脉冲与第二ZVS脉冲之间的第一时间段中的时间量(92)。如上关于图3所述，ZVS脉冲例如ZVS脉冲225指示功率转换器开关周期的开始。第一ZVS脉冲与第二ZVS脉冲之间的时间段的一个示例可以包括如图3中描绘的T1 230与T7 242之间的时间。
控制器还可以确定第三ZVS脉冲与第四ZVS脉冲之间的第二时间段中的时间量(94)。如上关于图5所述，次级控制器例如图2的次级控制器104可以通过减少时间段、增加时间段或者不改变时间段对ZVS脉冲之间的时间进行调制。
初级侧控制器电路可以基于第一时间时段和第二时间时段对由次级侧控制器编码的数字信息进行解码(96)。如上关于图1所述，可以基于各种编码技术对数字信息进行编码和解码。一些示例可以包括差分编码方案或者一些其他类型的数字编码。在一些示例中，初级侧控制器电路可以包括用于确定每个时段的长度例如减少的时段或者增加的时段的定时器，诸如图4中描绘的ZVS脉冲时段定时器352。定时器可以是电路或者可以是由可以包括在初级侧控制器中的处理电路执行的功能。由处理电路执行的定时器功能仍然可以被认为是定时器电路，这是因为定时器由电路实现。
在一个或更多个示例中，上文所描述的功能可以以硬件、软件、固件或者其任意组合来实现。例如图2的一些部件，诸如初级控制器102和次级控制器104可以以硬件、软件、固件或者其任意组合来实现。如果以软件实现，则该功能可以作为一个或更多个指令或者代码储存在计算机可读介质上或者通过计算机可读介质进行传输，并且由基于硬件的处理单元执行。
作为示例而非限制，这种计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、磁盘存储器或者其他磁存储设备、闪存或者可以用于储存呈指令或者数据结构的形式的期望程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。然而，应当理解的是，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或者其他暂态介质，而是涉及非暂态、有形存储介质。上述项的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。
指令可以由一个或更多个处理器诸如一个或更多个DSP、通用目的微处理器、ASIC、FPGA或者其他等效的集成或离散逻辑电路来执行。因此，本文中使用的术语“处理器”可以指适合于实现本文中所描述的技术的任何前述结构或者任何其他结构。此外，在一些方面，本文中所描述的功能可以设置在被配置成用于编码和解码的专用硬件和/或软件模块中。此外，这些技术可以在一个或更多个电路或者逻辑元件中完全实现。
本公开内容的技术可以在包括无线手持机、集成电路(IC)或一组IC(例如，芯片组)的各种设备或装置中实现。在本公开内容中描述了各种部件、模块或者单元以强调被配置成执行所公开技术的设备的功能方面，但是并非必须需要通过不同的硬件单元来实现。相反，如上所述，各种单元可以组合在硬件单元中，或者由包括如上所述的一个或更多个处理器的一组互操作的硬件单元结合适当的软件和/或固件来提供。
本公开内容的技术还可以在以下示例中描述。
示例1.一种系统，包括：隔离式功率转换器，其包括电力变压器；次级侧控制器，其被配置成控制功率转换器的同步整流(SR)开关，其中，次级侧控制器被配置成通过控制SR开关的切换时间来发起零电压开关(ZVS)，并且通过对SR开关的切换时间之间的时段进行调制来编码数字信息。系统还包括初级侧控制器，其被配置成：控制功率转换器的初级侧开关；检测SR开关的切换时间；并且基于SR开关的切换时间之间的经调制的时段对数字信息进行解码。
示例2.根据示例1的系统，其中，初级侧控制器被配置成基于利用至少三个调制状态的差分解码方案对数字信息进行解码，其中，三个调制状态为：减少的时间段、增加的时间段、和无调制。
示例3.根据示例1和示例2的任意组合的系统，其中，次级侧控制器被电耦接至SR开关的栅极，以及其中，初级侧控制器被配置成基于在电力变压器的初级绕组上感测到的反射电压来检测SR开关的所述切换时间。
示例4.根据示例1至3的任意组合的系统，其中，初级侧控制器包括：过零检测电路，其中，过零检测电路检测反射电压信号何时大于约零伏；以及ZVS检测电路，其中，ZVS检测电路检测反射电压信号何时小于预定阈值电压，其中，预定阈值电压大于零伏。
示例5.根据示例1至4的任意组合的系统，其中，初级侧控制器还包括：第一定时器电路，其被配置成在反射电压信号瞬间超过预定阈值电压时并且在反射电压信号变得小于约零伏时在每个实例之间输出时间量；以及第二定时器电路，其被配置成在下述两者时输出时间量：来自过零电路的输出指示反射电压信号大于约零伏并且来自ZVS检测电路的输出指示反射电压信号超过预定阈值电压。
示例6.根据示例1至5的任意组合的系统，其中，初级侧控制器还包括减法电路，减法电路被配置成：从第一定时器电路的输出中减去第二定时器电路的输出并且输出减法结果；将减法结果与预定的减法阈值进行比较；并且响应于满足预定的减法阈值的减法结果来检测SR开关的切换时间。
示例7.一种设备，包括：零电压开关(ZVS)检测电路，其被配置成检测ZVS脉冲；定时器电路，其能够操作地耦合至ZVS电路，定时器电路被配置成：确定第一ZVS脉冲与第二ZVS脉冲之间的第一时间段，并且确定第三ZVS脉冲与第四ZVS脉冲之间的第二时间段；以及解码器电路，其能够操作地耦接至定时器电路，解码器电路被配置成基于第一时间段和第二时间段对数字信息进行解码。
示例8.根据示例7述的设备，其中，设备还被配置成控制功率转换器的初级侧开关。
示例9.根据示例7的设备，其中，解码器电路被配置成基于差分曼彻斯特解码对数字信息进行解码。
示例10.根据示例7至9的任意组合的设备，其中，解码器电路被配置成基于利用三个调制状态的差分解码方案对数字信息进行解码，其中，三个调制状态为：减少的时间段、增加的时间段、和无调制。
示例11.根据示例7至10的任意组合的设备，其中，解码器电路被配置成将数字信息解码为：第一序列：无调制、减少的时间段、增加的时间段，无调制指示数字零；以及第二序列：无调制、增加的时间段、减少的时间段，无调制指示数字一。
示例12.根据示例7至11的任意组合的设备，其中，ZVS电路被配置成检测ZVS脉冲的下降沿。
示例13.根据示例7至12的任意组合的设备，其中，ZVS电路包括：过零检测电路，其中，过零检测电路检测反射电压信号何时大于约零伏；以及ZVS检测电路，其中，ZVS检测电路检测反射电压信号何时小于预定阈值电压，其中，预定阈值电压大于零伏。
示例14.根据示例7至13的任意组合的设备，其中，定时器电路包括第一定时器电路，并且其中，ZVS电路还包括第二定时器电路，第二定时器电路被配置成在来自ZVS检测器电路的输出的第一上升沿与继续计数直到来自过零电路的输出的下降沿为止之间输出时间量。
示例15.根据示例7至14的任意组合的设备，其中，ZVS电路还包括第三定时器电路，第三定时器电路被配置成当下述两者时输出时间量：来自过零电路的输出指示反射电压信号大于约零伏；并且来自ZVS检测电路的输出指示反射电压信号超过预定阈值电压。
示例16.根据示例7至15的任意组合的设备，其中，ZVS电路还包括减法电路，减法电路被配置成：从第二定时器电路的输出中减去第三定时器电路的输出并且输出减法结果；将减法结果与预定的减法阈值进行比较；并且响应于满足预定减法阈值的减法结果来输出ZVS脉冲的检测的指示。
示例17.一种方法，包括：控制器电路检测多个零电压开关(ZVS)脉冲，其中，多个ZVS脉冲包括第一ZVS脉冲、第二ZVS脉冲、第三ZVS脉冲和第四ZVS脉冲；控制器电路确定第一ZVS脉冲与第二ZVS脉冲之间的第一时间段；控制器电路确定第三ZVS脉冲与第四ZVS脉冲之间的第二时间段；以及控制器电路基于第一时间段和第二时间段对数字信息进行解码。
示例18.根据示例17的方法，其中，控制器电路被配置成控制功率转换器的初级侧开关。
示例19.根据示例17-18的任意组合的方法，其中，检测多个ZVS脉冲包括：由控制器电路检测反射电压信号何时大于约零伏；由控制器电路检测反射电压信号何时大于预定阈值电压，其中，预定阈值电压大于零伏；在反射电压信号瞬间超过预定阈值电压时并且在反射电压信号变得小于约零伏时在每个实例之间由控制器电路确定第一时间量；以及在下述两者时由控制器电路确定第二时间量：反射电压信号大于约零伏；和反射电压信号超过所述预定阈值电压。
示例20.根据示例17至19的任意组合的方法，还包括：控制器电路从第一时间量中减去第二时间量；控制器电路将减法结果与预定减法阈值进行比较；以及响应于满足预定减法阈值的减法结果来输出ZVS脉冲的检测的指示。
已经描述了本公开内容的各种示例。这些示例以及其他示例在所附权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种用于通信的系统，包括：
隔离式功率转换器，其包括电力变压器；
次级侧控制器，其被配置成：
控制所述功率转换器的同步整流SR开关，其中，所述次级侧控制器被配置成通过控制所述SR开关的切换时间来发起零电压开关ZVS；并且
通过对所述SR开关的切换时间之间的时段进行调制来编码数字信息；初级侧控制器，其被配置成:
控制所述功率转换器的初级侧开关；
检测所述SR开关的切换时间；并且
基于所述SR开关的切换时间之间的经调制的时段，对所述数字信息进行解码。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述初级侧控制器被配置成基于利用至少三个调制状态的差分解码方案对所述数字信息进行解码，其中，所述三个调制状态为：
减少的时间段；
增加的时间段；和
无调制。
3.根据权利要求1所述的系统，
其中，所述次级侧控制器被电耦接至所述SR开关的栅极；以及
其中，所述初级侧控制器被配置成基于在所述电力变压器的初级绕组上感测到的反射电压来检测所述SR开关的切换时间。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述初级侧控制器包括：
过零检测电路，其中，所述过零检测电路检测反射电压信号何时大于约零伏；以及
ZVS检测电路，其中，所述ZVS检测电路检测所述反射电压信号何时小于预定阈值电压，其中，所述预定阈值电压大于零伏。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述初级侧控制器还包括：
第一定时器电路，其被配置成输出在所述反射电压信号瞬间超过所述预定阈值电压时并且在所述反射电压信号变得小于零伏时在每个实例之间的时间量；以及
第二定时器电路，其被配置成在下述两者时输出时间量：
来自所述过零检测电路的输出指示所述反射电压信号大于零伏；和
来自所述ZVS检测电路的输出指示所述反射电压信号超过所述预定阈值电压。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述初级侧控制器还包括减法电路，所述减法电路被配置成：
从所述第一定时器电路的输出中减去所述第二定时器电路的输出，并且输出减法结果；
将所述减法结果与预定减法阈值进行比较；并且
响应于所述减法结果符合所述预定减法阈值，检测所述SR开关的切换时间。
7.一种用于检测的设备，包括：
零电压开关ZVS检测电路，其被配置成检测ZVS脉冲；
定时器电路，其能够操作地耦合至所述ZVS电路，所述定时器电路被配置成：
确定第一ZVS脉冲与第二ZVS脉冲之间的第一时间段，并且
确定第三ZVS脉冲与第四ZVS脉冲之间的第二时间段；以及解码器电路，其能够操作地耦接至所述定时器电路，所述解码器电路被配置成基于所述第一时间段和所述第二时间段对数字信息进行解码。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述设备还被配置成控制功率转换器的初级侧开关。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述解码器电路被配置成基于差分曼彻斯特解码来对所述数字信息进行解码。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述解码器电路被配置成基于利用三个调制状态的差分解码方案对所述数字信息进行解码，其中，所述三个调制状态为：
减少的时间段；
增加的时间段；和
无调制。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述解码器电路被配置成将所述数字信息解码为：
无调制、减少的时间段、增加的时间段、无调制的第一序列以指示数字零；以及
无调制、增加的时间段、减少的时间段、无调制的第二序列以指示数字一。
12.根据权利要求7所述的设备，其中，所述ZVS电路被配置成检测所述ZVS脉冲的下降沿。
13.根据权利要求7所述的设备，其中，所述ZVS电路包括：
过零检测电路，其中，所述过零检测电路检测反射电压信号何时大于约零伏；以及
ZVS检测电路，其中，所述ZVS检测电路检测所述反射电压信号何时小于预定阈值电压，其中，所述预定阈值电压大于零伏。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述定时器电路包括第一定时器电路，并且其中，所述ZVS检测电路还包括第二定时器电路，所述第二定时器电路被配置成输出在来自所述ZVS检测电路的输出的第一上升沿与继续计数直到来自所述过零检测电路的输出的下降沿为止之间的时间量。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述ZVS检测电路还包括第三定时器电路，所述第三定时器电路被配置成在下述两者时输出时间量：
来自所述过零检测电路的输出指示所述反射电压信号大于零伏；和
来自所述ZVS检测电路的输出指示所述反射电压信号超过所述预定阈值电压。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述ZVS检测电路还包括减法电路，所述减法电路被配置成：
从所述第二定时器电路的输出中减去所述第三定时器电路的输出，并且输出减法结果；
将所述减法结果与预定减法阈值进行比较；并且
响应于所述减法结果符合所述预定减法阈值，输出所述ZVS脉冲的检测的指示。
17.一种用于检测的方法，包括：
通过控制器电路检测多个零电压开关ZVS脉冲，其中，所述多个ZVS脉冲包括第一ZVS脉冲、第二ZVS脉冲、第三ZVS脉冲和第四ZVS脉冲；
通过所述控制器电路确定所述第一ZVS脉冲与所述第二ZVS脉冲之间的第一时间段；
通过所述控制器电路确定所述第三ZVS脉冲与所述第四ZVS脉冲之间的第二时间段；以及
通过所述控制器电路基于所述第一时间段和所述第二时间段对数字信息进行解码。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述控制器电路被配置成控制功率转换器的初级侧开关。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，检测所述多个ZVS脉冲包括：
通过所述控制器电路检测反射电压信号何时大于零伏；
通过所述控制器电路检测所述反射电压信号何时大于预定阈值电压，其中，所述预定阈值电压大于零伏；
在所述反射电压信号瞬间超过所述预定阈值电压时并且在所述反射电压信号变得小于零伏时在每个实例之间通过所述控制器电路确定第一时间量；以及
在下述两者时通过所述控制器电路确定第二时间量：
所述反射电压信号大于零伏；和
所述反射电压信号超过所述预定阈值电压。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
通过所述控制器电路从所述第一时间量中减去所述第二时间量；
通过所述控制器电路将减法结果与预定减法阈值进行比较；以及
响应于所述减法结果符合所述预定减法阈值，输出所述ZVS脉冲的检测的指示。
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