CN112600430A - 具有多模式操作的开关模式电源及其方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种具有多模式操作的开关模式电源及其方法。在一种形式中，一种用于生成用于开关模式电源中的开关的驱动信号的方法包括：接收反馈信号；响应于反馈信号而生成反馈电压；响应于反馈电压和模式信号而调制驱动信号的脉冲宽度；响应于反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而生成调制信号；响应于反馈电压的量值随后在第二方向上越过不同于第一电平的第二电平而生成模式信号；并且响应于模式信号而改变在反馈信号与反馈电压之间的增益。

Description

具有多模式操作的开关模式电源及其方法
技术领域
本公开总体涉及电力转换器，并且更具体地，涉及在不同负载条件下进行操作的开关模式电源。
背景技术
开关模式电源可用于通过经由储能元件(诸如变压器)切换电流而从交流(AC)电压产生直流(DC)电压。开关的占空比被控制以将输出电压调节到期望的电平。开关模式电源在较重的负载下通常是有效的，但在较轻的负载下效率较低。两种常用类型的隔离开关模式电源是正向模式转换器和反激模式转换器。
反激转换器在AC电压到DC电压应用中是常见的。反激转换器基于反激变压器，该反激变压器交替地在磁芯中形成通量并将能量传输至输出端。当电流通过初级绕组切换时，变压器中的初级电流增加，从而将能量储存在变压器内。当断开开关时，变压器中的初级电流下降，从而在次级绕组上感应出电压。次级绕组将电流供应到负载中。控制器改变与初级绕组串联的初级开关的导通时间和断开时间，以将输出电压调节到期望的电平。反激转换器一般在轻负载下比在较重的负载下更低效地操作。
为了改善轻负载操作，一些反激转换器可被配置为依据电源的负载而使用不同的操作模式。对于中等负载到重负载，反激转换器可通过对驱动信号的脉冲宽度进行开关来控制输出电压。对于此类条件，一些反激转换器可被配置为使用被称为有源箝位反激(ACF)的拓扑对与初级绕组并联的附加的电抗元件进行开关。然而，对于轻负载条件，使用诸如ACF等反激模式可导致增加的损耗和减小的效率。因此，一些反激转换器可被配置为在轻负载期间通过降低操作频率并且停用在ACF模式下使用的附加的电抗元件而切换至频率折回模式。然而，基于负载条件而在操作模式之间改变的转换器可能会在从轻负载转变为重负载时经历较大的电压降。另外，转换器在从轻负载转变为重负载时可能会具有较长的恢复时间。
近年来，特定监管机构已经在效率方面制定了严格的标准，并且已经鼓励开发能够进行高频率操作和低频率操作以在轻负载和无负载时以低频率进行操作的电源控制器。因此，从无负载到满负载的频率变化可基于所选择的操作频率而广泛地改变。然而，已知的转换器对从轻负载到满负载的转变具有低效的响应并且已经难以同时满足这些要求。
发明内容
一方面，本发明涉及一种开关模式电源控制器，所述开关模式电源控制器包括：反馈输入端，所述反馈输入端用于接收反馈信号；增益控制电路，所述增益控制电路耦接到所述反馈输入端以用于响应于所述反馈信号而提供反馈电压；脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器响应于所述反馈电压和模式信号，以用于使用具有响应于所述反馈电压而改变的脉冲宽度的驱动信号来开关电力开关；模式控制电路，所述模式控制电路具有用于接收所述反馈电压的输入端、用于响应于所述反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而提供调制信号的第一输出端，以及用于响应于所述反馈电压的所述量值随后在第二方向上越过不同于所述第一电平的第二电平而提供所述模式信号的第二输出端；并且其中所述增益控制电路响应于所述模式信号而改变在所述反馈信号与所述反馈电压之间的增益。
另一方面，本发明涉及一种开关模式电力转换器，所述开关模式电力转换器包括：电感元件，所述电感元件具有用于接收输入电压的输入端和用于提供输出电压的输出端；电力开关，所述电力开关具有耦接到所述电感元件的端子的第一电流电极、耦接到电源端子的第二电流电极和用于接收驱动信号的控制电极；反馈电路，所述反馈电路具有耦接到所述电感元件的所述输出端的输入端和用于提供反馈信号的输出端；和开关模式电源控制器，所述开关模式电源控制器包括：反馈输入端，所述反馈输入端用于接收所述反馈信号；增益控制电路，所述增益控制电路耦接到所述反馈输入端以用于响应于所述反馈信号而提供反馈电压；脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器响应于所述反馈电压和模式信号，所述脉冲宽度调制器具有耦接到所述电力开关的所述控制电极的输出端，以用于提供具有响应于所述反馈电压而改变的脉冲宽度的所述驱动信号；模式控制电路，所述模式控制电路具有用于接收所述反馈电压的输入端、用于响应于所述反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而提供调制信号的第一输出端，以及用于响应于所述反馈电压的所述量值随后在第二方向上越过不同于所述第一电平的第二电平而提供所述模式信号的第二输出端；并且其中所述增益控制电路响应于所述模式信号而改变在所述反馈信号与所述反馈电压之间的增益。
另一方面，本发明涉及一种用于生成用于开关模式电源中的开关的驱动信号的方法，所述方法包括：接收反馈信号；响应于所述反馈信号而生成反馈电压；响应于所述反馈电压和模式信号而调制驱动信号的脉冲宽度；响应于所述反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而生成调制信号；响应于所述反馈电压的所述量值随后在第二方向上越过第二电平而生成所述模式信号；以及响应于所述模式信号而改变在所述反馈信号与所述反馈电压之间的增益。
附图说明
通过参照附图可更好地理解本公开，并且本公开的多个特征和优点对于本领域的技术人员为显而易见的，在附图中：
图1示出根据本发明的实施方案的开关模式电力转换器的局部框图和局部示意形式；
图2示出可用作图1的开关模式电源控制器的开关模式电源控制器的局部框图和局部示意形式；
图3示出可用作图2的增益控制电路的增益控制电路的示意形式；
图4示出可用作图2的增益控制电路的另一增益控制电路的示意形式；
图5示出可用作图2的增益控制电路的另一增益控制电路的示意形式；
图6示出可用作图2的模式控制电路的模式控制电路的框图形式；
图7示出根据本发明的另一实施方案的开关模式电力转换器的一部分的局部框图和局部示意形式；
图8示出可用作图2的增益控制电路的另一增益控制电路的局部框图和局部示意形式；并且
图9示出与图2的开关模式电源控制器的操作相关联的过程的流程图。
在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否则字词“耦接”以及其相关联的动词形式包括直接连接以及通过本领域已知的方式的间接电连接两者；并且除非另有说明，否则对直接连接的任一描述也暗示使用合适形式的间接电连接的替代实施方案。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施方案的开关模式电力转换器100的局部框图和局部示意形式。开关模式电力转换器100是有源箝位反激(ACF)转换器，该ACF转换器在正常负载下使用滞后ACF开关，在轻负载下使用频率折回，并且在非常轻的负载下或在无负载条件下使用跳过模式以提高它的效率。开关模式电力转换器100一般包括前端电路110、反激变压器120、输出电路130、输出电容器140、开关级150、有源箝位级160、反馈和编程电路170、辅助供应电路180和开关模式电源控制器190。
前端电路110包括电磁干扰(EMI)滤波器111、二极管桥式整流器112、输入电容器117以及二极管118和119。EMI滤波器111具有用于与交流(AC)电网的连接的被标记为“L”和“N”的输入端，以及第一输出端和第二输出端。二极管桥式整流器112包括二极管113、114、115和116。二极管113具有连接至EMI滤波器111的第一输出端的阳极，以及阴极。二极管114具有连接至初级接地的阳极和连接至EMI滤波器111的第一输出端的阴极。二极管115具有连接至EMI滤波器111的第二输出端的阳极和连接至二极管113的阴极的阴极。二极管116具有连接至初级接地的阳极和连接至EMI滤波器111的第二输出端的阴极。输入电容器117具有连接至二极管113和115的第一端子和连接至初级接地的第二端子。二极管118具有连接至EMI滤波器111的第一输出端的阳极，以及阴极。二极管119具有连接至EMI滤波器111的第二输出端的阳极和连接至二极管118的阴极的阴极。
反激变压器120是具有初级绕组121、次级绕组122和辅助绕组123的磁芯变压器。初级绕组121具有连接至二极管113和115的阴极的第一端，以及第二端。次级绕组122和辅助绕组123各自具有第一端和第二端。
输出电路130包括二极管131和反馈电路132。二极管131具有连接至次级绕组122的第一端的阳极和用于向负载(在图1中未示出)提供被标记为“VOUT”的输出电压的阴极。反馈电路132包括电阻器133、光电二极管134、电阻器135、齐纳二极管136、电容器137以及电阻器138和139。电阻器133具有连接至二极管131的阳极的第一端子，以及第二端子。光电二极管134连接至电阻器133的第二端子的阳极，以及阴极。电阻器135具有连接至25电阻器133的第二端子的第一端子和连接至光电二极管134的阴极的第二端子。齐纳二极管136具有连接至光电二极管134的阴极和连接至电阻器135的第二端子的阴极和连接至次级接地的阳极。电容器137具有连接至光电二极管134的阴极、齐纳二极管136的阴极和电阻器135的第二端子的第一端子，以及第二端子。电阻器138具有连接至二极管131的阴极和电阻器133的第一端子的第一端子和连接至电容器137的第二端子的第二端子。电阻器139具有连接至电容器137的第二端子和电阻器138的第二端子的第一端子和连接至次级接地的第二端子。
输出电容器140具有连接至二极管131的阴极、电阻器133的第一端子和电阻器138的第一端子的第一端子和连接至次级接地的第二端子。
开关级150包括晶体管151、电阻器152和153以及电容器154。晶体管151是N沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管，该晶体管具有连接至初级绕组121的第二端的漏极、栅极和源极。电阻器152具有连接至晶体管151的源极的第一端子和连接至初级接地的第二端子。电阻器153具有连接至晶体管151的源极和电阻器152的第一端子的第一端子，以及第二端子。电容器154具有连接至电阻器153的第二端子的第一端子和连接至初级接地的第二端子。
有源箝位级160包括电容器161、电阻器162和晶体管163。电容器161具有连接至二极管113和115的阴极和输入电容器117的第一端子的第一端子，以及第二端子。电阻器162具有连接至二极管113和115的阴极和输入电容器117的第一端子的第一端子和连接至电容器161的第二端子的第二端子。晶体管163是N沟道MOS晶体管，该晶体管具有连接至电容器161和电阻器162的第二端子的漏极、栅极，以及连接至初级绕组121的第二端和晶体管151的漏极的源极。
反馈和编程电路170包括光电晶体管171以及电阻器172、173和174。光电晶体管171具有集电极、光耦合到光电二极管134的基极和连接至初级接地的发射极。电阻器172具有连接至光电晶体管171的集电极的第一端子和连接至初级接地的第二端子。电阻器173具有第一端子和连接至初级接地的第二端子。电阻器174具有第一端子和连接至初级接地的第二端子。
辅助供应电路180包括二极管181、电容器182、二极管183和电容器184。二极管181具有连接至辅助绕组123的第一端的阳极，以及阴极。电容器182具有连接至二极管181的阴极的第一端子和连接至初级接地的第二端子。二极管183具有连接至二极管181的阴极和电容器182的第一端子的阳极，以及阴极。电容器184具有连接至二极管183的阴极的第一端子和连接至初级接地的第二端子。
开关模式电源控制器190是控制开关模式电力转换器100的操作的集成电路。开关模式电源控制器190具有被标记为“HV”、“FB”、“GND”、“VCC”、“RT”、“ATH”、“CS”、“LDRV”、“VSW”和“HDRV”的一组端子。HV端子连接至二极管118和119的阴极。FB端子连接至光电晶体管171的集电极和电阻器172的第一端子。GND端子连接至初级接地。VCC端子连接至二极管183的阴极和电容器184的第一端子。RT端子连接至电阻器173的第一端子。ATH端子连接至电阻器174的第一端子。CS端子连接至电阻器153的第二端子和电容器154的第一端子。LDRV端子连接至晶体管151的栅极。VSW端子连接至初级绕组121的第二端、晶体管151的漏极和晶体管163的源极。HDRV信号连接至晶体管164的栅极。
前端电路110具有用于耦接至AC电网的L输入端和N输入端。二极管桥式整流器112将正弦AC电网信号转换为半波整流(半正矢)信号，并且输入电容器117使此信号平滑以形成提供给反激变压器120的初级绕组121的第一端的平滑的半正矢信号。
输出电路130对次级绕组122的第一端处的信号进行整流。反馈电路132提供跟VOUT与齐纳二极管136的击穿电压之间的差成比例的隔离的光学反馈信号，同时对VOUT中的高频率波动进行滤波。光电二极管134和光电晶体管171被隔离，并且在逻辑上在反激变压器120的次级侧与反激变压器120的初级侧之间分离，但一起实施为光耦合器。输出电容器140在负载瞬变期间提供对VOUT的平滑。
在开关级150中，使晶体管151导通以使电流流过反激变压器120的初级绕组121。电阻器152是电流感测电阻器，该电流感测电阻器的第一端子提供指示流过初级绕组121的电流量的电压。电流感测信号允许PWM控制以及逐循环限流。电阻器153和电容器154进行操作以滤除电流感测信号的高频内容。
有源箝位级160形成有源箝位，并且晶体管163在晶体管151的关闭时间的部分期间导通以允许零电压开关(ZVS)。开关模式电源控制器190使用VSW输入来确定何时停用有源箝位。
反馈和编程电路170提供用以调节VOUT并且还将折回功能编程的机构。光电晶体管171导通与VOUT成比例的电流以形成反馈信号。开关模式电源控制器190使用由电阻器173和174导通的电流以确定折回结束频率和折回结束电压。
辅助供应电路180提供被标记为“VCC”的电力供应电压，该电力供应电压向开关模式电源控制器190的内部电路供电。开关模式电源控制器190是集成电路控制器，该集成电路集成电路控制器具有可用于实施ACF控制器的未详细公开的各种功能。
开关模式电力转换器100是ACF转换器，该ACF转换器对通过反激变压器120的初级侧的电流进行开关以生成输出电压VOUT。ACF转换器可通过实现接近初级开关的ZVS并且产生不具有任何振鸣的清洁漏极波形而减少部件上的电应力并且提高效率。它们还允许次级电流的软增加。
对于中等负载和重负载，开关模式电力转换器100在ACF模式下操作。开关模式电力转换器100不仅包括晶体管151，而且包括与反激变压器120的初级绕组121并联的电抗元件(电容器161)，该电抗元件在晶体管163导通时谐振。开关模式电源控制器190使得晶体管163在晶体管151的关闭时间的部分期间导通并且改变晶体管163的占空比。以此方式，开关模式电力转换器100使用存储在寄生元件中的能量来实现ZVS，而不是耗散缓冲电路中的能量。开关模式电力转换器100还减少了由于开关瞬变而出现的尖峰，从而导致较低的电磁干扰(EMI)。
对于轻负载，开关模式电力转换器100作为具有频率折回的断续导通模式(DCM)反激转换器进行操作。在DCM折回模式下，晶体管163保持不导通，使得开关模式电力转换器100作为常规的反激转换器进行操作。然而，开关模式电力转换器100还在负载变轻时折回其操作频率以提高转换器效率，并且满足各种世界范围内的监管部门强制的对待机和系统效率的严格要求。
对于非常轻的负载，开关模式电力转换器100在跳过模式下操作，在跳过模式下，该开关模式电力转换器使晶体管151在VOUT下降到足以重新开始开关之前的时期内保持不导通。用于开关PWM转换器的振荡器的频率保持在恒定的低频率，该低频率被选择成高于人类可听的频率范围，例如25千赫兹(kHz)。
为了提供集成电路形式的开关模式电源控制器190，需要提供足够的灵活性来满足各种操作模式下的不同的设计要求。开关模式电源控制器190通过在模式转变期间调制操作频率并且在模式转变完成之后改变反馈信号增益来提供此灵活性。在模式转变期间调制操作频率会提供时钟频率的逐渐增加，以便增加开关模式电力转换器在转变为ACF模式之前可供应的电力的量。在模式转变完成之后改变反馈信号增益会在保留ACF性能的同时提供DCM折回效率的增加。
图2示出可用作图1的开关模式电源控制器200的开关模式电源控制器190的局部框图和局部示意形式。开关模式电源控制器200一般包括一组外部端子210、增益控制电路220、模式控制电路230、脉冲宽度调制器(PWM)240、可变频率振荡器250、电流源260、调节器270和驱动器电路280。外部端子210包括CS端子211、FB端子212、ATH端子213、RT端子214、HDRV端子215、LDRV端子216、VCC端子217和HV端子218。增益控制电路220具有用于接收被标记为“VCCINT”的电力供应电压的第一端子、连接至FB端子212的第二端子和用于接收模式信号的控制输入端。模式控制电路230具有连接至FB端子212的第一输入端、连接至ATH端子213的第二输入端、用于提供模式信号的第一输出端和用于提供调制信号的第二输出端。PWM电路240具有连接至FB端子212的第一输入端、用于接收模式信号的第二输入端、用于接收时钟信号的第三输入端、用于提供折回信号的第一输出端，以及第二输出端。可变频率振荡器250具有用于接收折回信号的第一输入端、用于接收模式信号的第二输入端、用于接收调制信号的第三输入端、连接至RT端子214的第四输入端和用于提供时钟信号的输出端。电流源260具有连接至HV端子218的第一端子、连接至VCC端子217的第二端子，以及控制端子。调节器270具有连接至电流源260的第二端子的输入端、用于提供电压VCCINT的输出端，以及连接至电流源260的控制输入端的控制输出端。驱动器电路280具有连接至PWM 240的第二输出端的输入端、连接至LDRV端子216的第一输出端和连接至HDRV端子215的第二输出端。
在操作中，开关模式电源控制器200是作为多模式控制器进行操作并且适合于用作图1的开关模式电源控制器190的集成电路。在其他实施方案中，可将开关模式电源控制器200实施为如本文描述的具有模式控制和/或增益变化的固定频率反激控制器。
在系统启动时，HV端子218快速地使电压VCCINT斜升，之后图1的辅助绕组123能够供应足够的电流以向开关模式电源控制器200内的电路供电。调节器270使电流源260操作，并且HV端子218提供启动电流以对图1的电容器184充电。调节器270还基于VCC端子217上的电压而向开关模式电源控制器200的内部电路提供电压VCCINT。
在针对中等负载和重负载的启动之后，开关模式电源控制器200在ACF模式下操作并且使用初级绕组121中的磁化电流来实现ZVS。ACF控制器通过在本领域中众所周知的方式激活LDRV信号和HDRV信号，并且在这里将不进一步描述该方式。
对于轻负载，开关模式电源控制器200使用动态频率折回在DCM折回模式下操作。可变频率振荡器250从PWM 240接收FB信号的经过缩放的版本并且使用该版本来生成时钟信号。随着经过缩放的FB信号在折回电压范围内改变，时钟信号的频率在折回频率范围内成比例地改变。然而，用户可分别使用ATH端子和RT端子来设定折回结束电压和折回结束频率。PWM 240将VFB的被除的值与电流感测信号进行比较以改变图1的晶体管151的接通时间，同时晶体管163保持不导通。
对于非常轻的负载，诸如当负载转变为待机状态或变为完全断开时，开关模式电源控制器200在跳过模式下操作。PWM 240确定VFB是否小于与折回起动电压相对应的跳过阈值。在此情况下，开关模式电源控制器200使用跳过阈值的值，即，0.4伏，来进入跳过模式并且停用PWM 240。当VFB小于跳过阈值时，PWM 240防止晶体管151有源。
当VFB随后上升到高于0.4伏时，诸如当负载从待机状态转变为有源状态时，开关模式电源控制器200返回到DCM折回模式并且保持在DCM折回模式，其中可变频率振荡器250提供与VFB成比例的时钟信号，直到VFB上升到高于折回结束电压为止。
然而，与已知的多模式开关模式电源控制器不同，开关模式电源控制器200改善了在该开关模式电源控制器响应于负载的突发性阶跃变化而从DCM折回模式转变为ACF模式时的模式瞬态响应。当VFB越过提交阈值(例如，上文关于图1所描述的折回结束电压)时，诸如当负载从轻负载转变为中等负载时，开关模式电源控制器200通过在下文更全面描述的方式转变为ACF模式。模式控制电路230将VFB的量值与提交阈值进行比较，并且当VFB的量值在第一方向上越过该提交阈值时，模式控制电路230转变为ACF模式并且经由调制信号来增加可变频率振荡器250的时钟频率。模式控制电路230继续在每个开关循环增加可变频率振荡器250的时钟频率，直到VFB的量值在与该第一方向相反的第二方向上越过确认阈值为止。当VFB的量值在第二方向上越过确认阈值时，在VFB的量值已经在第一方向上越过提交阈值之后，模式控制电路230经由将模式信号改变为逻辑高来完成到ACF模式的转变。当操作模式改变为ACF模式时，增益控制电路220响应于模式信号为高而改变进入FB端子212的反馈电流与VFB之间的增益。通过在完成转变为ACF模式之前调制频率，开关模式电源控制器200增加在ACF操作的开始所提供的电力，这时由于负载的突然增加而需要这样。通过根据模式改变增益，开关模式电源控制器200在轻负载下提供更好的性能，同时在较重的负载下保留性能。
应注意，可使用可变频率振荡器250将开关模式电源控制器200实施为针对中等负载和重负载在折回结束频率下操作的固定频率反激控制器。在此情况下，ACF控制器、HDRV端子215和驱动器电路280的ACF部分可全部省略。
图3示出可用于实施图2的增益控制电路220的增益控制电路300的示意形式。一般来说，增益控制电路300是设定在进入图2的FB端子212的反馈信号与VFB之间的增益的电路。增益控制电路300包括电阻器310和330以及晶体管320。
电阻器310具有用于接收电压VCCINT的第一端子和连接至图2的FB端子212的第二端子。晶体管320是N沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管，该晶体管具有用于接收电压VCCINT的漏极、用于接收模式信号的栅极，以及源极。电阻器330具有连接至晶体管320的源极的第一端子和连接至电阻器310的第二端子的第二端子。
在操作中，增益控制电路300响应于操作模式的改变而提供反馈信号增益的调整。对于轻负载，当开关模式电源控制器在DCM折回模式下操作时，晶体管320关断。在此时间期间，通过第一电阻器310设定反馈信号的增益。在开关模式电源控制器从轻负载转变为中等负载或重负载之后，模式信号指示ACF模式下的操作并且接通晶体管320。在此时间期间，通过第一电阻器310和第二电阻器330两者设定该增益。
图4示出可用于实施图2的增益控制电路220的另一增益控制电路400的示意形式。一般来说，增益控制电路400是设定在图2的FB端子212中的反馈信号与VFB之间的增益的电路。增益控制电路400包括可变电阻器410。可变电阻器410具有用于接收电压VCCINT的第一端子、连接至图2的FB端子212的第二端子和用于接收模式信号的控制输入端。
在操作中，增益控制电路400响应于操作模式的改变而提供反馈信号增益的调整。对于轻负载，当开关模式电源控制器在DCM折回模式下操作时，可变电阻器410具有相对高的电阻。在开关模式电源控制器从轻负载转变为中等负载或重负载之后，模式信号指示改变为ACF模式并且减小可变电阻器410的电阻。
图5示出可用于实施图2的增益控制电路220的另一增益控制电路500的示意形式。一般来说，增益控制电路500是设定在图2的FB端子212中的反馈信号与VFB之间的增益的电路。增益控制电路500包括可变电流源510。可变电流源510具有用于接收电压VCCINT的第一端子、连接至图2的FB端子212的第二端子和用于接收模式信号的控制输入端。
在操作中，增益控制电路500响应于操作模式的改变而提供反馈信号增益的调整。对于轻负载，当开关模式电源控制器在DCM折回模式下操作时，可变电流源510将大电流注入到反馈信号中。在开关模式电源控制器从轻负载转变为中等负载或重负载之后，模式信号指示改变为ACF模式并且减小由可变电流源510注入的电流。
增益控制电路300、400和500提供图2的增益控制电路220的示例性实现方式。通过使用增益控制电路，图2的开关模式电源控制器200可在DCM折回模式下具有更好的性能，同时维持ACF模式下的性能。
应注意，可使用可变频率振荡器在针对中等负载和重负载在折回结束频率下操作的固定频率反激控制器中实施增益控制电路300、400和500中的任一者。在此情况下，模式信号将指示开关模式电力转换器是处于折回模式还是处于固定频率反激模式(而不是ACF模式)。
图6示出可用于实施图2的模式控制电路230的模式控制电路600的局部框图和局部示意形式。一般来说，模式控制电路600是具有以下功能作为图2的开关模式电源控制器200的操作的部分的电路：检测VFB的量值在第一方向上越过提交阈值(例如，上升到高于提交阈值)并且调制信号，紧接着检测VFB的量值随后在与该第一方向相反的第二方向上越过确认阈值(例如，下降到低于该确认阈值)，并且改变模式信号以指示模式的改变(例如，改变为逻辑高)。
模式控制电路600具有连接至图2的FB端子212的第一输入端、用于接收被标记为“驱动”的信号的第二输入端、连接至图2的ATH端子213的第三输入端、用于提供模式信号的第一输出端和用于提供调制信号的第二输出端。应注意，当在图1的ACF转换器中使用时，驱动信号对应于LDRV信号。模式控制电路600包括参考发生器电路610和620、比较电路630和640、逻辑电路650和DCM开关计数器660。
参考发生器电路610是电压参考发生器，该电压参考发生器具有连接至图2的ATH端子213的输入端和用于提供提交阈值电压(VCOMMIT)的输出端。参考发生器620是电压参考发生器，该电压参考发生器具有连接至图2的ATH端子213的输入端和用于提供确认阈值电压(VCONFIRM)的输出端。在所说明的实施方案中，图2的ATH端子213上的信号的值用于编程参考发生器610和620的输出的值。比较电路630是电压比较器，该电压比较器具有用于接收VFB的非反相输入端、用于接收VCOMMIT的反相输入端和用于提供被标记为“提交”的信号的输出端。比较电路640是电压比较器，该电压比较器具有用于接收确认阈值电压(VCONFIRM)的非反相输入端、用于接收VFB的反相输入端和用于提供被标记为“确认”的信号的输出端。
逻辑电路650具有用于接收提交信号的第一输入端、用于接收确认信号的第二输入端、第三输入端、用于提供调制信号的第一输出端和用于提供模式信号的第二输出端。逻辑电路650包括提交锁存器652、转变检测器653和“与”门654。提交锁存器652是SR锁存器，该SR锁存器具有用于接收提交信号的被标记为“S”的设定输入端、用于接收确认信号的被标记为“R”的复位输入端和用于提供调制信号的被标记为“Q”的输出端。转变检测器653具有用于接收调制信号的输入端，以及输出端。“与”门654具有用于接收被标记为“通过”的信号的第一输入端、连接至转变检测器653的输出端的第二输入端和用于提供模式信号的输出端。DCM开关计数器660是数字计数器，该数字计数器具有用于接收驱动信号的输入端和用于提供通过信号的输出端。
对于轻负载，模式控制电路600提供处于指示DCM折回操作模式的逻辑状态的模式信号。在此时间期间，DCM开关计数器660对图1的晶体管151接通的次数进行计数。
对于中等负载和重负载，模式控制电路600提供处于特定逻辑状态(即，模式控制电路600中的逻辑高)的模式信号以指示ACF操作模式。比较电路630将VFB的量值与VCOMMIT进行比较，并且当VFB的量值上升到高于VCOMMIT时，诸如当负载从轻负载转变为中等负载或重负载时，比较电路630激活处于逻辑高的提交信号以设定提交锁存器652，从而使调制信号成为逻辑高以将图2的开关模式电源控制器200的DCM开关频率增加连续步长。在当调制信号活动时的每个DCM开关循环之后，图2的可变频率振荡器250继续增加图2的开关模式电源控制器200的DCM开关频率。比较电路640将VFB的量值与VCONFIRM进行比较，并且当VFB的量值下降到低于VCONFIRM时，比较电路640将确认信号改变为逻辑高，这会复位提交锁存器652并且将调制信号改变为逻辑低。转变检测器653检测调制信号何时从逻辑高转变为逻辑低并且将它的输出改变为逻辑高。DCM开关计数器660在自从起初进入DCM折回模式以来已经出现一定数目个DCM开关循环(例如，16个循环)时便将通过信号改变为逻辑高。当通过信号和转变检测器653的输出都为高时，“与”门654生成处于逻辑高状态的模式信号，从而将图2的开关模式电源控制器200从DCM折回模式转变为ACF模式。比较电路630和640与逻辑电路650和DCM开关计数器660联合操作，以确保VFB在已经上升到高于VCOMMIT之后随后已经下降到低于VCONFIRM，并且确保在生成处于逻辑高状态的模式信号之前已经出现了最小数目个DCM开关循环。
模式控制电路600提供图2的模式控制电路230的示例性实现方式，并且其他实现方式是可能的。通过在确认转变为ACF模式之前进入ACF模式，模式控制电路600在增加开关频率的同时致使开关模式电源保持在DCF模式，如此提供更好的负载瞬态响应，同时最终在此后在更高效的ACF模式下操作转换器。
应注意，模式控制电路600可调制固定频率振荡器的占空比而不是图2的可变频率振荡器250的频率。可在固定频率反激控制器中实施模式控制电路600，在此情况下，模式信号将指示开关模式电力转换器是处于折回模式还是处于固定频率反激模式。除了确认信号之外或作为确认信号的替代，可通过以下各项中的一者或多者将提交锁存器652复位：系统启动、系统重启、转变为DCM折回模式或转变为跳过模式。可使用触发器(而不是SR锁存器)实施提交锁存器652。在一个示例性实施方案中，可使用一连串D触发器来实施转变检测器653，然而，可使用转变检测器的替代性实施方案。在一些实施方案中，反馈电流随着输出电压上升而减小，并且在这些替代方案中，比较电路630和640可切换它们的极性以考虑到VFB行为的差异。在其中比较电路630和640的极性经过切换的实施方案中，模式控制电路600将在VFB下降到低于VCOMMIT时转变为ACF模式，并且将在VFB上升到高于VCONFIRM时转变为ACF模式。
图7示出根据本发明的另一实施方案的开关模式电力转换器700的一部分的局部框图和局部示意形式。开关模式电力转换器700是有源箝位反激(ACF)转换器，该ACF转换器与图1的开关模式电力转换器100类似地操作，但具有在下文描述的一些差异。开关模式电力转换器700一般包括开关模式电源控制器710、反馈电路730和在图1的开关模式电力转换器100中具有的相应元件。
开关模式电源控制器710是控制开关模式电力转换器700的操作的集成电路。开关模式电源控制器710具有与图1的开关模式电源控制器190相同的一组端子。VCC端子连接至二极管183的阴极和电容器184的第一端子。RT端子连接至电阻器173的第一端子。ATH端子连接至电阻器174的第一端子。CS端子连接至电阻器153的第二端子和电容器154的第一端子。LDRV端子连接至晶体管151的栅极。
与图1的开关模式电力转换器100不同，开关模式电力转换器700包括反馈电路730，该反馈电路在晶体管151的断开时间期间基于辅助绕组123上的电压而形成FB信号。反馈电路730包括电阻器731和732。电阻器731具有连接至辅助绕组723的第一端的第一端子和连接至开关模式电源控制器710的FB端子的第二端子。电阻器732具有连接至电阻器731的第二端子和开关模式电源控制器710的FB端子的第一端子和连接至初级接地的第二端子。
在操作中，开关模式电力转换器700与图1的开关模式电力转换器100类似地表现，除了本文描述的之外。开关模式电力转换器700消除了图1的开关模式电力转换器100的光耦合器，且替代地使用电阻器731和732作为在晶体管151的断开时间期间提供反映VOUT的电压的反馈电阻器。开关模式电源控制器710相同地操作，不同之处在于该开关模式电源控制器接收FB信号作为电压，并且通过在反激变压器120的断开时间期间对FB引脚上的电压进行采样而生成VFB。
图8示出可用作图2的增益控制电路220的另一增益控制电路800的局部框图和局部示意形式。一般来说，增益控制电路800是设定在进入图2的FB端子212的反馈信号与VFB之间的增益的电路。增益控制电路800包括可变增益元件810。可变增益元件810包括电阻器811和放大器812。
可变增益元件810具有用于接收电压VCCINT的第一端子、连接至FB端子212的第二端子、用于提供反馈电压VFB的第三端子和用于接收模式信号的控制端子。电阻器811是上拉电阻器，该上拉电阻器具有用于接收电压VCCINT的第一端子和连接至FB端子212的第二端子。放大器812是电压放大器，该电压放大器具有连接至FB端子212和电阻器811的第二端子的第一端子、用于提供反馈电压VFB的第二端子和用于接收模式信号的控制端子。
在操作中，增益控制电路800响应于操作模式的改变而提供反馈信号增益的调整。对于轻负载，当开关模式电源控制器在DCM折回模式下操作时，放大器812具有相对高的增益。在开关模式电源控制器从轻负载转变为中等负载或重负载之后，模式信号指示ACF模式并且降低放大器812的增益。
可修改增益控制电路800以通过移除电阻器811并且在FB端子212与放大器812的输入端之间添加采样保持电路而在开关模式电源控制器710中使用。在此情况下，采样固持电路将在晶体管151的断开时间期间对电压进行采样，并且增益控制电路800将在由模式信号设定的增益下提供VFB。
图9示出与图2的开关模式电源控制器200的操作相关联的过程900的流程图。可使用与各种增益控制电路中的一者与先前描述的模式控制电路的组合类似或相同的电路来执行过程900。过程900开始于框902处，当开关模式电源控制器200处于DCM折回模式时。在框904处，将反馈电压(VFB)与第一阈值进行比较。在一个示例中，将VFB与折回结束电压进行比较。如果VFB高于第一阈值，则过程前进到框906。
在框906处，开关模式电源控制器200将操作模式从DCM折回模式转变为ACF模式，并且过程900前进到框908。在框908处，通过使DCM折回开关频率增加一个步长来调制该DCM折回开关频率。在框910处，再次将VFB与第一阈值进行比较。在一个示例中，如果VFB仍然高于折回结束电压，则开关模式电源控制器200等待一个DCM折回开关循环(框911)并且返回到框908。重复此过程，直到VFB下降到低于折回结束电压为止，此时过程前进到框912。
在框912处，过程900对自从进入DCM折回模式以来已经出现多少DCM折回开关循环进行计数。如果开关循环的数目低于阈值，例如16个循环，则该过程等待一个DCM折回开关循环(框911)并且返回到框908。一旦达到该阈值，该过程可前进到框914。
在框914处，将VFB与第二阈值进行比较。在一个示例中，该第二阈值被称为确认阈值。如果VFB高于该确认阈值，则过程900等待一个DCM折回开关循环(框911)并且返回到框908。如果VFB低于该确认阈值，则该过程前进到框916并且操作模式转变为ACF。在框916处，过程900使用如先前描述的增益控制电路将增益转变为较低的增益。
应注意，可使用可变频率振荡器在针对中等负载和重负载在折回结束频率下操作的固定频率反激控制器中实施过程900。在此情况下，该过程将在框916中转变为固定频率反激模式而不是ACF模式，但另外与图9中示出的过程相同地操作。在一些实施方案中，可以替代地通过调制开关信号的占空比来实施框908。在一些实施方案中，反馈电流随着输出电压上升而减小，并且在这些替代方案中，框904将测量VFB是否低于第一阈值，框910可测量VFB是否高于第一阈值，并且框914可测量VFB是否高于第二阈值。
因此，已经描述了开关模式电力转换器、开关模式电源控制器和相应方法的各种实施方案。各种实施方案提供了从DCM折回模式到ACF模式的改进的转变。它们还在保留了ACF模式下的性能的同时提供了DCM折回操作模式下的提高的性能。
上文所公开的主题应被视为示例性的而非限制性的，并且所附权利要求书旨在涵盖落在权利要求书的真实范围内的所有此类修改、增强和其他实施方案。举例来说，开关模式电源控制器芯片所支持的开始和结束频率的特定值在不同的实施方案中可变化。另外，上文描述的模式转变方法可在不同的开关模式电源转换器架构中使用。举例来说，增益控制电路和/或模式控制电路的各种实施方案可用于常规的反激转换器和ACF转换器两者中的轻负载到中等负载或重负载的转变。
在一种形式中，开关模式电源控制器包括：反馈输入端，该反馈输入端用于接收反馈信号；增益控制电路，该增益控制电路耦接到该反馈输入端以用于响应于该反馈信号而提供反馈电压；脉冲宽度调制器，该脉冲宽度调制器响应于该反馈电压和模式信号，以用于使用具有响应于该反馈电压而改变的脉冲宽度的驱动信号来开关电力开关；和模式控制电路，该模式控制电路具有用于接收反馈电压的输入端、用于响应于反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而提供调制信号的第一输出端，以及用于响应于反馈电压的量值随后在第二方向上越过不同于该第一电平的第二电平而提供模式信号的第二输出端。增益控制电路响应于模式信号而改变在反馈信号与反馈电压之间的增益。
根据开关模式电源控制器的一个方面，该增益控制电路包括可变电阻电路，并且该可变电阻电路包括：第一电阻器，该第一电阻器具有耦接到电源端子的第一端子和耦接到反馈输入端的第二端子；晶体管，该晶体管具有耦接到电源端子的第一电流电极、第二电流电极和用于接收模式信号的控制电极；以及第二电阻器，该第二电阻器具有耦接到晶体管的第二电流电极的第一端子和耦接到反馈输入端的第二端子。
根据开关模式电源控制器的另一方面，该增益控制电路包括可变电流电路，其中该可变电流电路的电流响应于模式信号而改变在反馈信号与反馈电压之间的增益。
根据开关模式电源控制器的另一方面，该增益控制电路包括可变增益元件，该可变增益元件具有耦接到反馈输入端的输入端和用于提供反馈电压的输出端，其中该可变增益元件响应于模式信号而改变它的增益。
在另一种形式中，开关模式电力转换器包括：电感元件，该电感元件具有用于接收输入电压的输入端和用于提供输出电压的输出端；电力开关，该电力开关具有耦接到电感元件的端子的第一电流电极、耦接到电源端子的第二电流电极和用于接收驱动信号的控制电极；反馈电路，该反馈电路具有耦接到电感元件的输出端的输入端和用于提供反馈信号的输出端；以及开关模式电源控制器。该开关模式电源控制器包括：反馈输入端，该反馈输入端用于接收反馈信号；增益控制电路，该增益控制电路耦接到该反馈输入端以用于响应于该反馈信号而提供反馈电压；脉冲宽度调制器，该脉冲宽度调制器响应于该反馈电压和模式信号，该脉冲宽度调制器具有耦接到电力开关的控制电极的输出端，以用于提供具有响应于该反馈电压而改变的脉冲宽度的驱动信号；和模式控制电路，该模式控制电路具有用于接收反馈电压的输入端、用于响应于反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而提供调制信号的第一输出端，以及用于响应于反馈电压的量值随后在第二方向上越过不同于该第一电平的第二电平而提供模式信号的第二输出端。增益控制电路响应于模式信号而改变在反馈信号与反馈电压之间的增益。
根据开关模式电力转换器的一个方面，该开关模式电力转换器还包括：第一电阻器，该第一电阻器具有耦接到开关模式电源控制器的反馈输入端和反馈电路的输出端的第一端子，以及耦接到电源端子的第二端子；和增益控制电路，该增益控制电路还包括可变电阻电路，该可变电阻电路用于改变在反馈信号与反馈电压之间的增益。可变电阻电路包括：第二电阻器，该第二电阻器具有耦接到内部供应端子的第一端子和耦接到反馈输入端的第二端子；晶体管，该晶体管具有耦接到电源端子的第一电流电极、第二电流电极和用于接收模式信号的控制电极；以及第三电阻器，该第三电阻器具有耦接到晶体管的第二电流电极的第一端子和耦接到反馈输入端的第二端子。
根据开关模式电力转换器的另一方面，该增益控制电路包括可变增益元件，该可变增益元件具有耦接到反馈输入端的输入端和用于提供反馈电压的输出端，其中该可变增益元件响应于模式信号而改变它的增益。
根据开关模式电力转换器的另一方面，模式控制电路包括：第一比较电路，该第一比较电路用于在反馈电压的量值高于第一电平时提供提交信号；第二比较电路，该第二比较电路用于在反馈电压的量值低于第二电平时提供确认信号；和逻辑电路，该逻辑电路具有用于接收提交信号的第一输入端、用于接收确认信号的第二输入端、用于提供调制信号的第一输出端和用于提供模式信号的第二输出端，其中模式控制电路响应于在激活了该调制信号之后激活了该确认信号而改变模式信号。根据此其他方面，模式控制电路还可包括计数器电路，该计数器电路用于响应于电力开关在第一操作模式期间的开关循环的数目达到预定量而提供通过信号，其中逻辑电路具有用于接收通过信号的第三输入端，其中逻辑电路在接收到该通过信号之前禁止模式信号的改变，并且开关模式电源控制器响应于模式信号的改变而从第一操作模式转变为第二操作模式。在此情况下，开关模式电源控制器还可包括用于生成时钟信号的可变频率振荡器，该可变频率振荡器具有用于接收调制信号的第一控制输入端，其中该可变频率振荡器响应于该调制信号而改变该时钟信号的频率，其中模式控制电路在时钟信号的每个循环更新该调制信号。
根据开关模式电力转换器的另一方面，电感元件是变压器并且开关模式电力转换器作为反激电力转换器进行操作。在此情况下，该变压器可具有：初级绕组，该初级绕组具有用于接收输入电压的第一端，以及第二端；和次级绕组，该次级绕组具有用于提供输出电压的第一端，以及第二端，该开关模式电力转换器还可包括有源箝位电路，该有源箝位电路耦接在该变压器的该初级绕组的该第一端与该第二端之间，并且当反馈信号大于第一阈值时，模式控制电路和增益控制电路可将开关模式电力转换器的操作模式从第一模式转变为有源箝位反激模式。
因此，在法律所允许的最大范围上，本发明的范围将由对所附权利要求及它们的等同物的最广泛的可允许的解释来确定，并且不应受到前文详细描述约束或限制。

Claims (10)

1.一种开关模式电源控制器，所述开关模式电源控制器包括：
反馈输入端，所述反馈输入端用于接收反馈信号；
增益控制电路，所述增益控制电路耦接到所述反馈输入端以用于响应于所述反馈信号而提供反馈电压；
脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器响应于所述反馈电压和模式信号，以用于使用具有响应于所述反馈电压而改变的脉冲宽度的驱动信号来开关电力开关；
模式控制电路，所述模式控制电路具有用于接收所述反馈电压的输入端、用于响应于所述反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而提供调制信号的第一输出端，以及用于响应于所述反馈电压的所述量值随后在第二方向上越过不同于所述第一电平的第二电平而提供所述模式信号的第二输出端；并且
其中所述增益控制电路响应于所述模式信号而改变在所述反馈信号与所述反馈电压之间的增益。
2.根据权利要求1所述的开关模式电源控制器，其中所述模式控制电路包括：
第一比较电路，所述第一比较电路用于在所述反馈电压的所述量值高于所述第一电平时提供提交信号；
第二比较电路，所述第二比较电路用于在所述反馈电压的所述量值低于所述第二电平时提供确认信号；和
逻辑电路，所述逻辑电路具有用于接收所述提交信号的第一输入端、用于接收所述确认信号的第二输入端、用于提供所述调制信号的第一输出端和用于提供所述模式信号的第二输出端，其中所述模式控制电路响应于在激活了所述提交信号之后激活了所述确认信号而改变所述模式信号。
3.根据权利要求2所述的开关模式电源控制器，其中所述模式控制电路还包括：
计数器电路，所述计数器电路用于响应于所述脉冲宽度调制器的所述驱动信号在第一操作模式期间从第一逻辑状态转变为第二逻辑状态的次数达到预定量而提供通过信号，
其中所述逻辑电路具有用于接收所述通过信号的第三输入端，其中所述逻辑电路在接收到所述通过信号之前禁止所述模式信号的改变，并且
其中所述开关模式电源控制器响应于所述模式信号的所述改变而从所述第一操作模式转变为第二操作模式。
4.根据权利要求2所述的开关模式电源控制器，其中：
所述开关模式电源控制器还包括用于生成时钟信号的可变频率振荡器，所述可变频率振荡器具有用于接收所述调制信号的第一控制输入端，其中所述可变频率振荡器响应于所述调制信号而改变所述时钟信号的频率，
其中所述模式控制电路在所述时钟信号的每个循环更新所述调制信号。
5.根据权利要求2所述的开关模式电源控制器，其中：
所述开关模式电源控制器还包括用于生成时钟信号的固定频率振荡器，所述固定频率振荡器具有用于接收所述调制信号的第一控制输入端，其中所述固定频率振荡器响应于所述调制信号而改变所述时钟信号的接通时间或断开时间，
其中所述模式控制电路在所述时钟信号的每个循环更新所述调制信号。
6.一种开关模式电力转换器，所述开关模式电力转换器包括：
电感元件，所述电感元件具有用于接收输入电压的输入端和用于提供输出电压的输出端；
电力开关，所述电力开关具有耦接到所述电感元件的端子的第一电流电极、耦接到电源端子的第二电流电极和用于接收驱动信号的控制电极；
反馈电路，所述反馈电路具有耦接到所述电感元件的所述输出端的输入端和用于提供反馈信号的输出端；和
开关模式电源控制器，所述开关模式电源控制器包括：
反馈输入端，所述反馈输入端用于接收所述反馈信号；
增益控制电路，所述增益控制电路耦接到所述反馈输入端以用于响应于所述反馈信号而提供反馈电压；
脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器响应于所述反馈电压和模式信号，所述脉冲宽度调制器具有耦接到所述电力开关的所述控制电极的输出端，以用于提供具有响应于所述反馈电压而改变的脉冲宽度的所述驱动信号；
模式控制电路，所述模式控制电路具有用于接收所述反馈电压的输入端、用于响应于所述反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而提供调制信号的第一输出端，以及用于响应于所述反馈电压的所述量值随后在第二方向上越过不同于所述第一电平的第二电平而提供所述模式信号的第二输出端；并且
其中所述增益控制电路响应于所述模式信号而改变在所述反馈信号与所述反馈电压之间的增益。
7.一种用于生成用于开关模式电源中的开关的驱动信号的方法，所述方法包括：
接收反馈信号；
响应于所述反馈信号而生成反馈电压；
响应于所述反馈电压和模式信号而调制驱动信号的脉冲宽度；
响应于所述反馈电压的量值在第一方向上越过第一电平而生成调制信号；
响应于所述反馈电压的所述量值随后在第二方向上越过第二电平而生成所述模式信号；以及
响应于所述模式信号而改变在所述反馈信号与所述反馈电压之间的增益。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述生成所述模式信号包括：
响应于所述生成所述调制信号而进行模式转变；
在所述反馈电压的所述量值随后下降到低于所述第二电平时确认所述模式转变；以及
响应于所述进行所述模式转变以及所述确认所述模式转变而生成所述模式信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述生成所述模式信号包括：
响应于所述驱动信号已经在第一操作模式期间从第一逻辑状态转变为第二逻辑状态的次数达到预定量而生成通过信号；
在生成所述通过信号之前禁止所述模式信号的所述生成；以及
响应于生成了所述模式信号而致使所述开关模式电源从所述第一操作模式转变为第二操作模式。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述生成所述模式信号包括在所述反馈电压的所述量值高于所述第一电平时增加开关频率。
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