CN111357183A - 切换模式功率转换器及转换方法 - Google Patents

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CN111357183A CN201880073956.0A CN201880073956A CN111357183A CN 111357183 A CN111357183 A CN 111357183A CN 201880073956 A CN201880073956 A CN 201880073956A CN 111357183 A CN111357183 A CN 111357183A
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Abstract

一种切换模式功率转换器具有用于隔离输出的变压器和用于提供电压和电流反馈两者的光电隔离器。光电隔离器的光源在第一和第二调整信号之间串联，其中一个调整信号基于电流感测，并且另一调整信号基于电压感测。光电隔离器的光检测器提供用于控制转换器的经隔离的反馈信号。

Description

切换模式功率转换器及转换方法
技术领域
本发明涉及切换模式功率转换器，它们可以用于例如在初始AC到DC整流之后提供DC到DC的转换，或者它们可以用于递送AC输出。
背景技术
切换模式功率转换器广泛应用于LED驱动器电路。
可控制的驱动器可以用于改变向负载提供的电压和/或电流供电。这种可控制的驱动器的一种已知的用途是可控制地对LED输出负载调光。在这种驱动器中，通常具有初级转换器，该初级转换器适于响应于来自控制电路的至少一个所需的供电信号而接收和转换输入供电。控制电路通常由至少一个输入控制信号生成至少一个所需供电信号。初级转换器和输出负载通常通过一对磁耦合的绕组彼此隔离。
已知将生成至少一个所需的供电信号的控制电路与具有光电隔离器的初级转换器隔离。
图1示出了已知的驱动器10的示例性现有技术的拓扑。示出了反激转换器拓扑，其已知用于AC/DC和DC/DC转换，输入和任意输出之间采用电流隔离。反激转换器是降压-升压转换器，起点干分裂形成变压器，因此结合了初级到输出电压可调的优点同时还实现了隔离。可控制的驱动器10包括初级转换器12、控制电路14和光电隔离器16。
初级转换器12使用发电机13接收和转换输入供电Vsup以生成用于向负载18提供的供电信号Vload。初级转换器12和输出负载18通过第一绕组20和第二绕组22彼此隔离，第一绕组20和第二绕组22由共享磁芯24耦合在一起。供电信号(电压Vload和/或电流)的水平可以由发电机13响应调整信号Vad进行调整。控制电路14从感测信号Ifb或Vfb(图1中仅示意性示出)和参考信号生成误差信号，并且使用比较电路从该误差信号推导出调整信号Vad。在所示的示例中，调光接口26接收输入电压Vin并生成参考电压，该参考电压由控制电路14使用以生成误差信号以及调整信号Vad。调整信号Vad被控制电路14经由光电隔离器16提供给初级转换器12。因此，调整信号实现电流或电压反馈控制。
在该示例中的感测信号Ifb或Vfb从第二绕组22(即，从向负载提供的经隔离的供电信号)直接连接到控制电路14，并且特别是控制电路的比较电路。
因此，驱动器向负载递送可控制的输出供电信号(电压和/或电流)，同时确保负载与初级转换器隔离。用于控制输出供电的控制电路也与初级转换器隔离。
由控制器14实现的反馈控制可以用于调节输出电压或电流。一些照明负载需要电流调节，并且其他照明负载需要电压调节。因此，电流感测和反馈控制或电压感测和反馈控制都是可能的。
需要能够监测并控制电流和电压两者的照明驱动器。
例如，驱动器可以仅提供单个LED负载，并向该负载递送控制电流。在一些情况下，驱动器可以在负载两端电压较低时递送大电流，但是在负载两端电压较高时只递送较低的电流，有效限制/最大化向负载递送的功率。如果(单个)LED负载可以变为与驱动器断开连接，那么启动器输出电压必须被限制在安全的电平(即对驱动器本身安全，并且对其应用环境安全)。在其他情况下，多个LED负载可以并联连接，每个LED负载具有其自己的本地DC-DC转换器。在那些情况下，可能需要向所有并联连接的负载递送固定的电压。
因此，存在如下情况，其中能够实现电流调节控制回路或电压调节控制回路是优选的。存在不同的已知方式来实现两个反馈调节回路到一个整体控制器。
基本上，需要递送电压调整信号的第一反馈路径和递送电流调整信号的第二反馈路径。在第一种方法中，这些信号可以通过在结节点处进行电流求和来组合，其中当一个反馈路径没有活动时，其关断以不向节点递送电流。在第二种方法中，这些信号可以通过一个控制作为另一个控制的参考输入来组合，从而提供级联电路。
这些方法在电路对于模式间切换的响应速度和/或实现所需的频率响应方面存在困难。
因此需要经隔离的切换模式功率转换器的设计，其能够以高效的方式在电流调节和电压调节之间切换。
发明内容
本发明由权利要求定义。
根据本发明的一个方面的示例，提供了一种切换模式功率转换器，其包括：
具有输入绕组和输出绕组的隔离变压器；
用于控制通过输入绕组的电流流动的主控制开关；
用于控制主控制开关的控制电路；
连接到输出绕组的输出电路，该输出电路的输出被连接到负载，其中输出电路适于基于输出电压生成第一调整信号，并且基于输出电流生成第二调整信号；和
包括光源和光检测器的光电隔离器，其中光源串联在第一和第二调整信号之间，并且其中光检测器为控制电路提供经隔离的反馈信号。
该功率转换器设计具有通过共享的光电隔离器提供的电流和电压。光电隔离器的光源(将最终反馈信号转换为光学信号)连接在两个调整信号之间。电压控制和电流控制在任何时间都是活动的，并且另一反馈系统只递送饱和输出(即反馈回路中的放大器的供电电压)，其用作固定参考。以这种方式，在两种反馈控制方法之间进行平滑过渡是可能的。
这两种控制模式有助于为(最大)电流和(最大)电压提供设定点。最终是连接的负载确定哪种控制模式是活动的。
如果全驱动器电流可以流动，那么“高电阻”负载会导致过高的电压，因此电压控制是活动的。相反，如果可以施加全驱动器电压，那么“低电阻”负载将会导通过多的电流，因此电流控制是活动的。
当断开负载时，如果第一(电压)调整信号缓慢增加，并且只有当它大于第二(电流)调整信号时才会变为“活动”，那么输出电压中会出现较大的超调。相反，当连接负载时，如果第二(电流)调整信号缓慢增加，并且只有当它大于第一(电压)信号时才会变为“活动”，那么会发生电流超调。因此，电流和电压的限制有助于在连接和断开负载期间提供安全性。
当操作与电流和电压参考水平非常接近的负载时，非常小的变化(例如由100Hz纹波导致的供电电压变化或温度变化)会导致电压和电流反馈模式之间的连续或偶然的过渡，反之亦然。特别是如果负载是光源，那么在那些过渡期间的超调可能会导致可见的伪影或闪烁。
例如，输出电路包括用于生成输出电压感测信号的电阻分压器。
然后，可以提供第一误差放大器，以用于根据输出电压感测信号和第一参考输入生成第一(电压)调整信号。例如，可以生成表示输出电压与所需目标水平的偏差的误差信号，然后由第一误差放大器从误差信号生成调整信号。
转换器优选地具有电流控制模式和电压控制模式，其中当处于电流控制模式时，第一误差放大器处于饱和状态。这意味着第一误差放大器能够通过脱离饱和状态而快速切换到操作状态。
输出电路可以包括用于生成输出电流感测信号的电流感测电阻器。
然后，可以提供第二误差放大器，以用于根据输出电流感测信号和第二参考输入生成第二(电流)调整信号。再次，可以生成表示输出电流与所需目标水平的偏差的误差信号，然后由第二误差放大器从误差信号生成调整信号。
转换器优选地具有电流控制模式和电压控制模式，其中当处于电压控制模式时，第二误差放大器处于饱和状态。这意味着第二误差放大器能够在光电耦合器反馈信号立即响应的情况下切换到操作状态。
然后，光电隔离器的光源串联在误差放大器的输出之间，该误差放大器是两个调整信号。注意，术语“在第一和第二调整信号之间串联”不排除串联路径中的附加信号处理元件。
例如，转换器包括与光源串联的电阻器。这将通过光源的电流设置到适合用于光电隔离器的正确操作的水平。
例如，控制电路适于向主控制开关的开关端子应用脉冲宽度/频率/密度调制。这控制了切换模式功率转换过程，以调节输出电流或电压。
本发明还提供了一种照明电路，该照明电路包括：
如上所述的切换模式功率转换器；和
LED照明负载，该LED照明负载连接到输出电路的输出。
照明电路还可以包括位于切换模式转换器的输入处的AC/DC转换器(诸如整流器)。因此，照明电路适合于市电连接。
本发明还提供了一种使用切换模式功率转换器的功率转换方法，该方法包括：
使用主控制开关控制通过隔离变压器的输入绕组的电流流动，从而在输出绕组处生成应用至输出负载的电压；
基于输出电压生成第一调整信号，并且基于输出电流生成第二调整信号；
控制在第一和第二调整信号之间串联的光电隔离器的光源；和
使用光电隔离器的光检测器来提供经隔离的反馈信号，以用于控制主控制开关。
该方法使能负载的电流控制和电压控制之间的过渡平滑切换。该方法可以包括在电流控制模式和电压控制模式中的一种模式下操作切换模式功率转换器。
可以使用第一误差放大器根据输出电压感测信号和第一参考输入生成第一(电压)调整信号，其中当处于电流控制模式时，第一误差放大器处于饱和状态。类似地，可以使用第二误差放大器根据输出电流感测信号和第二参考输入生成第二(电流)调整信号，其中当处于电压控制模式时，第二误差放大器处于饱和状态。
本发明的这些和其他方面将在下文描述的(多个)实施例中显而易见，并参照其加以说明。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了已知驱动器的示例性现有技术的拓扑；
图2示出了提供电流和电压反馈的第一种可能的方法；
图3示出了提供电流和电压反馈的第二种可能的方法；
图4示出了根据本发明的一个示例的切换模式功率转换器；
图5示出了功率转换方法。
具体实施方式
将参考附图描述本发明。
应该理解的是，详细描述和具体示例在指示装置、系统和方法的示例性实施例的同时，仅用于说明目的，而不旨在限制本发明的范围。从以下说明书、所附权利要求和附图，将更好地理解本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应该理解的是，附图仅是示意性的，并不是按比例绘制的。还应该理解的是，贯穿附图使用相同的参考标号来指示相同或相似的部分。
本发明提供了一种切换模式功率转换器，该转换器具有用于隔离输出的变压器和用于提供电压和电流反馈的光电隔离器。光电隔离器的光源串联在(基于电压感测获得的)第一调整信号和(基于电流感测获得的)第二调整信号之间。光电隔离器的光检测器提供用于控制转换器的经隔离的反馈信号。
如上所述，存在不同的可能方式来提供电流和电压反馈和控制。
图2示出了第一种可能的方法。对于相同部件，使用了与图1中相同的参考标号。
输出绕组22通过反激二极管D1连接到输出电容器Cout。
负载18由电阻器Rload示意性地表示。例如，负载可以包括LED布置。负载由包括反激二极管D1和输出电容Cout的输出电路19驱动。
电阻分压器R1、R2基于输出电压生成输出电压感测信号，并且与负载Rload串联的电流感测电阻器Rsense用于基于通过负载的输出电流生成输出电流感测信号(作为电压)。注意，误差放大器34、36(下文讨论)可以包括经由补偿网络的PI、PD或PID动态控制行为。如图所示，输出电路19还可以被认为包括电流感测电阻器Rsense和电阻分压器R1、R2。
图2示出了以MOS晶体管的形式的单个主控制开关M1，该单个主控制开关M1用于控制通过输入绕组20的电流的流动。控制电路14用于控制主控制开关的控制端子(栅极)。可选地，它可以使用PID、PD或PI控制来实现动态行为，或者可以在输出侧控制电路中实现这种动态行为。
所示的光电隔离器16包括光源30和光检测器32。
电压分压器输出(输出电压感测信号)被提供给第一误差放大器34，以用于与第一参考电压Vref1进行比较以生成第一调整信号。
电流感测电阻器输出(输出电流感测信号)被提供给第二误差放大器36，以用于与第二参考电压Vref2进行比较以生成第二调整信号。
在本说明书中，术语“电流/电压感测信号”用于表示作为到误差放大器的输入的信号，并且术语“第一/第二调整信号”用于表示误差放大器的输出。最终的反馈控制基于这些调整信号。
需要两个控制电路，一个控制电路用于电流模式控制，一个控制电路用于电压模式控制。图2的布置通过经由二极管D2和D3向节点38提供两个调整信号来组合电压和电流模式控制。
经由二极管D2和D3，两个误差放大器34、36的两个输出电压的最高值馈送节点38，从而(经由电阻器R3)馈送光电隔离器光源30。然后，连接两个误差放大器的两个电压中的最低电压的二极管将简单地阻塞并且不传导电流(除了潜在任何泄漏电流)。
这种使用二极管的并行控制方法通常在LED驱动器中实现，但是它的缺点是，从电压模式控制到电流模式控制需要一段时间(反之亦然)。该时间延迟会导致大电流或电压超调，这是不需要的。
对于图2的示例，(来自电阻分压器R1、R2或电流感测电阻器Rsense的)电压和电流感测信号被连接到相应的放大器34和36的正输入，并且参考信号Vref1和Vref2被连接到相应的放大器34、36的负(反相)输入。因此，如果感测信号高于参考信号，那么放大器的输出处的“调整信号”将变得(动态行为)更正，从而增加光电隔离器光源的激活。
图3示出了了一种基于级联控制电路的方法。对于相同的部件，使用了与图2中相同的参考标号。
在该电路中，第一误差放大器34将其输出(第一调整信号)作为参考输入提供给第二误差放大器36，然后第二误差放大器36生成第二调整信号，然后第二调整信号用作最终反馈信号。实际上，电压分压器级可以存在于放大器之间，或者集成到放大器34的输出级中。与图2的电路相比，该电路具有较低的电压和电流超调，但其缺点是实现不够灵活；即电压模式控制回路的频率响应与电流模式控制回路的频率响应不独立(反之亦然)。这使得级联控制难以设计，并且只适用于小范围的应用。
图4示出了根据本发明的切换模式功率转换器。对于相同部件，使用了与图2和图3所示相同的参考标号。
在该电路中，光电隔离器的光源3串联在第一和第二调整信号之间。信号(电压)40是第一(电压)调整信号，并且信号(电压)42是第二(电流)调整信号。这些调整信号是第一和第二误差放大器34、36的输出，它们共同形成反馈电路35。基于输出电压的输出电压感测信号位于电阻分压器的输出39处，并且基于输出电流的输出电流感测信号位于电流感测电阻器的输出41处。这些是到生成调整信号的误差放大器34、36的输入。如上所述，这些调整信号均是基于递送误差信号并处理误差信号而获得的。如上所述，通过将两个调整信号与光源30串联，将其组合以形成最终反馈信号(即驱动光电隔离器的信号)。
因此，本发明提供了用于电流和电压模式控制的次级侧串联控制电路。在控制期间，一个误差放大器(作为运算放大器实现)具有饱和状态下的输出电压，而另一误差放大器控制LED驱动器的输出电流或电压。当从电流模式控制过渡到电压模式控制时(反之亦然)，饱和的运算放大器可以在从其饱和输出电压状态放松时立即改变光电隔离器光源的激活。饱和输出状态是放大器的输出电压接近放大器的供电端子电压中的一个电压的时候。
在模式之间过渡时，参考电压Vref1和Vref2保持恒定。然而，对于可调光的LED驱动器，可以经由有线或无线接口来控制Vref2电流参考以实现调光控制。
与图2的并行控制相比，其优点是：当控制模式发生转变并且先前饱和的误差放大器退出其饱和状态时，全局反馈控制回路(即，到光电隔离器的输出)能够立即作出反应。图2的并行控制电路到第二误差放大器接管控制需要一些时间。
电流和电压控制回路之间的带宽匹配优选地被提供用于最小电流或电压超调。
与典型的实现电路相比，该控制电路还表现出较低的电流和电压超调，特别是当从电压模式控制过渡到电流模式控制时，反之亦然。这降低了LED驱动器中的部件的电压和电流应力，从而提高其寿命和可靠性。
电阻器R3再次与光源30串联，使得第一(电压)调整信号40和第二(电流)调整信号42(其中一个用作饱和参考)之间的电压差递送用于激活光源的合适电流。
结合负载18，其可以是LED的串联或串并联布置，照明电路被形成。照明电路还可以包括AC/DC转换器，诸如用于将市电输入转换为DC电压Vsup以用于到输入绕组20的切换供电的全桥整流器。
图4的电路可以使用与参考图2所述的误差放大器相同的极性连接。当处于电流控制模式时，误差放大器34将饱和到其“低”状态，同时允许误差放大器36的输出假设较高的非饱和电压。
当处于电压控制模式时，误差放大器36的输出在其“低”状态下饱和，并且误差放大器34将假设较高的非饱和电压。
这意味着两个误差放大器的输出之间的差异的极性(“调整信号”)会改变。这要求光电隔离器的光源30能够不依赖电流的极性发光。这可以通过使用双光源光电隔离器替代如图所示的单个LED来实现，或者通过将光电隔离器光源，可能与电阻器R3一起，放置在二极管桥式整流器中来实现。
图4的电路可以对误差放大器使用不同的极性方案。两个误差放大器34和36中的(任意)一个的输入极性可以反相。例如，通过将输出电压感测信号39连接到反相输入并将Vref1参考信号连接到误差放大器34的正向(非反相)输入来使电压误差放大器34的极性反相。
以这种方式，如果输出电压感测信号和输出电流感测信号都不超过其相应的参考信号，则误差放大器34的输出(即，电压调整信号)在其“高”状态下饱和，而误差放大器36的输出(即，电流调整信号)在其“低”状态下饱和。以这种方式，光电隔离器光源被完全激活，从而主动要求将输出电压和电流增加到最大程度。
因此，根据本发明的具体实现，对于误差放大器的连接方式有不同的选择。
在第一实施例中，反馈信号可以指示将确定调整控制电路14的输出功率。
在另一实施例中，可以具有反向反馈控制，其中反馈控制可以指示在输出处的功率增加请求，而低值指示保持当前功率，并且无信号指示对控制电路的故障检测。图4电路的使用适用于任何类型的反馈管理。
图5示出了使用切换模式功率转换器的功率转换方法，该方法包括：
在步骤50中，使用主控制开关控制通过隔离变压器的输入绕组的电流流动，从而将能量转移到输出绕组以应用于输出负载；
在步骤52中，基于输出电压生成第一电压调整信号，并且基于输出电流生成第二电流调整信号；
在步骤54中，控制串联在第一和第二调整信号之间光电隔离器的光源；和
在步骤56中，使用光电隔离器的光检测器来提供用于控制主开关的经隔离的反馈信号。
开关电源转换器在电流控制模式和电压控制模式中的一个模式中操作。
例如，步骤52包括：使用第一误差放大器34根据输出电压感测信号39和第一参考输入Vref1生成第一调整信号40；以及使用第二误差放大器36根据输出电流感测信号41和第二参考输入Vref2生成第二调整信号42。当处于电压控制模式时，第二误差放大器处于饱和状态，并且当处于电流控制模式时，第一误差放大器处于饱和状态。
在许多类型的电源中，其中大多数具有经隔离的输出，众所周知有电压限制或控制和电流限制或控制。LED驱动器主要用作限压电流源，而大多数其他类型的负载(即包括非照明负载)需要用作流制电压源的电源。
上述示例示出了单个输出绕组，但是其他示例可以使用多个绕组。所示的电路具有单个主控制开关，但是可以存在多个控制开关的布置。
本发明可以应用于经隔离的方波转换器，诸如反激转换器或谐振转换器。谐振转换器通常具有两个主开关。
本领域的技术人员可以通过对附图、本公开和所附权利要求的研究在实践中理解和影响所公开的实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。事实上，在相互不同的从属权利要求中列举某些措施，并不指示这些措施的组合不能用于获取优势。权利要求书中的任何参考标志不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种切换模式功率转换器，包括：
隔离变压器，具有输入绕组(20)和输出绕组(22)；
主控制开关(M1)，所述主控制开关(M1)用于控制通过所述输入绕组的电流的流动；
控制电路(14)，所述控制电路(14)用于控制所述主控制开关；
输出电路(19)，被连接到所述输出绕组，所述输出电路具有用于连接到负载(18)的输出，其中所述输出电路适于基于输出电压生成第一电压调整信号(40)，并且基于输出电流生成第二电流调整信号(42)；以及
光电隔离器(16)，包括光源(30)和光检测器(32)，其中所述光源(30)在所述第一调整信号和所述第二调整信号之间串联，并且其中所述光检测器向所述控制电路(14)提供经隔离的反馈信号。
2.根据权利要求1所述的切换模式功率转换器，其中所述输出电路(19)包括电阻分压器(R1，R2)，所述电阻分压器(R1，R2)用于生成输出电压感测信号。
3.根据权利要求2所述的切换模式功率转换器，包括第一误差放大器(34)，所述第一误差放大器(34)用于根据所述输出电压感测信号和第一参考输入(Vref1)生成所述第一调整信号(40)。
4.根据权利要求3所述的切换模式功率转换器，其中所述转换器具有电流控制模式和电压控制模式，其中当处于所述电流控制模式时，所述第一误差放大器(34)处于饱和状态。
5.根据前述权利要求中任一项所述的切换模式功率转换器，其中所述输出电路(19)包括电流感测电阻器(Rsense)，所述电流感测电阻器(Rsense)用于生成输出电流感测信号。
6.根据权利要求5所述的切换模式功率转换器，包括第二误差放大器(36)，所述第二误差放大器(36)用于根据所述输出电流感测信号和第二参考输入(Vref1)生成所述第二调整信号(42)。
7.根据权利要求6所述的切换模式功率转换器，其中所述转换器具有电流控制模式和电压控制模式，其中当处于所述电压控制模式时，所述第二误差放大器(36)处于饱和状态。
8.根据前述权利要求中任一项所述的切换模式功率转换器，包括电阻器(R3)，所述电阻器(R3)与所述光源(30)串联。
9.根据前述权利要求中任一项所述的切换模式功率转换器，其中所述控制电路适于向所述主控制开关(M1)的开关端子应用脉冲宽度调制或脉冲频率调制或脉冲密度调制。
10.一种照明电路，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的切换模式功率转换器；和
LED照明负载(18)，被连接到所述输出电路的所述输出。
11.根据权利要求10所述的照明电路，进一步包括位于所述切换模式功率转换器的输入处的AC/DC转换器。
12.一种使用切换模式功率转换器的功率转换方法，所述方法包括：
(50)使用主控制开关控制通过隔离变压器的输入绕组的电流的流动，从而在所述隔离变压器的输出绕组处生成应用至输出负载的电压；
(52)基于所述输出电压生成第一电压调整信号，并且基于所述输出电流生成第二电流调整信号；
(54)控制串联在所述第一调整信号和所述第二调整信号之间的光电隔离器的光源；和
(56)使用所述光电隔离器的光检测器来提供经隔离的反馈信号，以用于控制所述主控制开关。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：在电流控制模式和电压控制模式中的一种控制模式下操作所述切换模式功率转换器。
14.根据权利要求13所述的方法，包括：使用第一误差放大器，根据输出电压感测信号和第一参考输入生成所述第一调整信号，其中当处于所述电流控制模式时，所述第一误差放大器处于饱和状态。
15.根据权利要求13或14所述的方法，包括：使用第二误差放大器，根据输出电流感测信号和第二参考输入生成所述第二调整信号信号，其中当处于所述电压控制模式时，所述第二误差放大器处于饱和状态。
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