CN113243076A - 反激转换器输入电压检测 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种反激转换器，该反激转换器对功率开关管的每个开关周期的电感电流初始上升时间进行计时。每个开关周期的检测时间从功率开关管开通开始到电流检测电阻电压超过阈值电压时结束。在反激转换器的AC输入电压的半周期内，按各开关周期测得一系列检测时间，并且由该一系列检测时间确定最小检测时间。如果最小检测时间超过输入电压欠压阈值，则存在输入电压欠压状况。如果最小检测时间小于过电压阈值，则存在输入电压过压状况。

Description

反激转换器输入电压检测

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年6月24日提交的美国非临时专利申请16/911,344号以及于2019年6月26日提交的美国临时专利申请62/867,156号的优先权和权益，这些专利申请中的内容通过引用方式并入本文，如同在下文完整示出并用于所有适用目的一样。

技术领域

本申请涉及反激转换器，并且更具体地涉及反激转换器的输入电压检测。

背景技术

反激转换器通常用于将未经调节的AC输入电压转换成经调节的DC电压，诸如用于对移动设备进行充电。作为该电源转换的一部分，二极管电桥将来自供电线路的AC电压整流成整流后的DC电压，该整流后的DC电压用作反激转换器的初级绕组的输入电压。尽管输入电压被整流并用输入DC电容器滤波，但其以两倍于AC线路的频率波动，尤其是在负载较重的状况下。如果AC线路电压由于诸如欠压(brownout)状况而下降，则输入电压的峰值电压下降。相反地，输入电压的峰值电压随着AC线路电压的峰值振幅(正的和负的)在过电压状况下上升而上升。

为了提供其输出电压的适当调节并用于电路保护，反激转换器控制器通常将监测输入电压，以检测是否存在欠压或过压状况。例如，控制器可具有直接连接到输入电压的输入电压端。但是在正常(无欠压或过压)状况期间，输入电压在其正弦振荡的峰值处超过100V。因此，具有直接输入电压检测的控制器必须能够承受高电压并采用保护电路，这增加了成本。此外，使用专用检测端进行直接输入电压检测也增加了成本和功耗。

为了避免直接输入电压检测的成本，已经存在具有间接输入电压检测的反激控制器，该反激控制器使用连接在功率开关管和地之间的电流检测电阻上形成的检测电阻电压。因此，检测电阻电压与流过功率开关管的初级绕组电流成正比。继而，初级绕组电流取决于输入电压以及其它因素，诸如变压器的磁化电感和功率开关管的开通时间。通过确定在输入电压的正弦变化的最小值期间功率开关管的开通时间是否超过欠压开通时间阈值，控制器可因此检测是否存在欠压状况。类似地，控制器可以在输入电压的变化的最小值期间将检测电阻电压与欠压检测阈值进行比较，以检测欠压状况。

尽管此类输入电压的间接检测有效地避免了对高压保护电路和专用输入电压检测端的需要，但检测准确性受到各种因素诸如磁化电感、输入直流滤波电容、负载、检测电阻和其它因素变化的影响。

因此，有必要对用于反激转换器的输入电压的间接检测进行改进。

发明内容

根据本发明披露的第一方面，提供了一种用于反激转换器的反激转换器控制器，该反激转换器控制器包括：计时器，该计时器被配置为对功率开关管的每个开关周期的检测时间进行计时，其中该检测时间是功率开关管的开通时间点与检测电阻电压超过阈值检测电压时间点之间的时段；存储器，该存储器被配置为存储来自AC输入电压的半周期期间的每个检测时间的最小检测时间；以及逻辑电路，该逻辑电路被配置为将最小检测时间与阈值检测时间进行比较以表征该反激转换器的直流输入电压。

根据本发明披露的第二方面，提供了一种确定反激转换器是否存在欠压状况的方法，该方法包括：在用于为反激转换器供电的AC输入电压的半周期期间，通过一系列开通时间对功率开关管进行反复开关操作；对于每个接通时间，对从开通时间的起点到检测电阻电压超过阈值检测电压的时间点的检测时间进行计时，以形成对应于该一系列开通时间的一系列检测时间；确定该一系列检测时间中的最小检测时间；以及确定该最小检测时间是否超过欠压检测时间以检测是否存在输入欠压状况。

根据本发明披露的第三方面，提供了一种用于反激转换器的反激转换器控制器，该反激转换器控制器包括：计时器，该计时器被配置为对功率开关管的每个开关周期的检测时间进行计时，其中该检测时间是检测电阻电压超过第一阈值电压的时间点与该检测电阻电压超过阈值检测电压的时间点之间的时段，该计时器被进一步配置为在AC输入电压的半周期期间检测一系列检测时间；存储器，该存储器被配置为存储来自AC输入电压的半周期期间的每个检测时间的最小检测时间；以及逻辑电路，该逻辑电路被配置为将该最小检测时间与阈值检测时间进行比较以表征该反激转换器的直流输入电压。

通过以下具体描述可以更好地理解这些优越特性。

附图说明

图1示出了根据本发明披露的一个方面的反激转换器的示例，在该反激转换器中，控制器对从功率开关管被开通时开始到检测电阻电压超过阈值检测电压时结束的检测时间进行计时，以间接检测AC输入电压。

图2示出了图1的控制器的一些波形。

图3示出了根据本公开的一个方面的控制器，该控制器对从检测电阻电压超过第一阈值电压(例如，零伏阈值)开始到检测电阻电压超过阈值检测电压时结束的检测时间进行计时，以间接检测AC输入电压。

通过参考以下具体描述来更好地理解本发明披露的实施方案及其优点。应当理解，类似的附图标号用于标识附图中的一个或多个附图中示出的类似元件。

具体实施方式

为了提高针对反激转换器的直流输入电压的间接检测的准确性，本文披露了一种反激转换器控制器，该反激转换器控制器针对整流滤波后的输入电压(即直流输入电压)的波动将检测电阻电压与峰值处的阈值进行比较。通过考虑以下理论因素，可更好地理解这种对直流输入电压的间接检测的优点。例如，直流输入电压(V_{IN_DC})可表示为如下：

其中L_m是磁化电感，Rs是检测电阻阻值，V_{DET_TH}是检测电阻电压的阈值检测电压，并且t_DET是功率开关管的开通点与检测电阻器电压满足阈值检测电压V_{DET_TH}的时间点之间的时段。需注意，对直流输入电压(V_{IN_DC(max)})的最大值的检测仅受L_m和R_S的影响，并且不受输入直流滤波电容变化或负载变化的影响。此外，V_{IN_DC(max)}与AC输入电压(V_{IN_AC(RMS)})的有效值(RMS)成正比，如以下表达式所给出：

继而，AC输入电压有效值可表示为：

检测时间t_DET将根据整流滤波后的输入电压的波动而变化。随着直流输入电压上升，检测时间减少。相反地，随着直流输入电压下降，检测时间上升。因此，检测时间将随着直流输入电压上升和下降而周期性地下降和上升。

AC输入电压在每个半周期结束时会有过零点。直流输入电压在AC输入电压的过零点处下降到最小值。随着AC输入电压上升到其正的最大值和负的最大值，直流输入电压上升到其峰值。AC输入电压的每个半周期都会从一个过零点到后一个过零点。对于AC输入电压的每个半周期，直流输入电压将因此从最小值上升到其峰值，然后再次下降到最小值。因此，对于AC输入电压的每个半周期而言，检测时间将从最大值下降到最小值，然后再回升到最大值。本文所披露的反激控制器检测AC输入电压的每半个周期中的检测时间的最小值，并且使用该最小值来检测AC输入电压的每半个周期对应的直流输入电压峰值电压。根据该直流输入峰值电压测量值，反激控制器可进一步检测输入过压或欠压状况。

图1中示出了包括控制器105的反激转换器范例100。二极管电桥110对AC线路电压(V_{IN_AC})进行整流，得到反激转换器100的直流输入电压V_{IN_DC}。控制器105包括调制器125，该调制器125调制功率开关管M1的开关，以调节反激转换器100的输出电压Vout。，调制器125与开关驱动器集成在一起，在每个开关周期，该开关驱动器开通功率开关管M1，使得变压器T的初级绕组电流流过功率开关管M1并在检测电阻R_S上产生检测电阻电压。当初级电流上升时，同步整流器(SR)开关管保持断开，以防止次级绕组电流导通。当调节器125关断功率开关管M1时，SR开关管被开通，使得变压器T中存储的能量通过次级绕组对输出电容Cout充电。此外，次级绕组电流可利用输出二极管进行整流，而不是使用同步整流。

如前所述，初级绕组电流的上升速率与AC输入电压的有效值成比例。随着有效值增加，功率开关管M1的开通时间减少以达到设定的初级绕组电流。因此，控制器105可使用计时器115来对检测时间进行计时，该检测时间在开关驱动器125开通功率开关管M1时开始，并且在来自比较器120的输出信号显示检测电阻电压已增大到等于阈值检测电压V_{DET_TH}时结束。如先前所讨论，检测时间将在AC输入电压的每个半周期中会有一个最小值。在每个半周期期间，存储器111(诸如寄存器)存储来自功率开关管M1的每个开通时间的检测时间。一般来讲，在每个半周期中存在功率开关管M1的多个开通时间。在半周期开始时，功率开关管M1的每个接通时间的检测时间相对较大，但将随着直流输入电压朝向其峰值增加而依次变小。功率开关管M1的当前开通时间的检测时间可被表示为当前检测时间，而来自功率开关管M1的前一个接通时间的检测时间可被表示为先前检测时间。如果当前检测时间小于先前检测时间，则存储器111用当前检测时间替换其存储的先前检测时间。

反激转换器100的检测电阻电压和功率开关管的反复开关波形如图2所示。AC输入电压有效值在功率开关管M1的第一个开通时间比在，第二开通时间低。因此在第一个开通时间中的检测电阻电压(V_RS)的检测时间t_DET比第二个开通时间的检测时间更长。

随着AC输入电压在每个AC半周期中变化到峰值，检测时间将因此变化到对应的低位。再次参见图1，控制器105中的逻辑电路121可因此将由计时器115确定并存储在存储器111中的最小检测时间与每个AC半周期的阈值时间进行比较以表征AC输入电压。例如，在电压较低的状况下，每个AC半周期的最小检测时间将变长。因此，逻辑电路121可以确定最小检测时间是否超过欠压阈值时间，以确定是否存在输入欠压状况。相反地，在AC输入电压过电压状况期间，最小检测时间将小于过电压阈值时间。因此，逻辑电路121可以确定每个AC半周期的最小检测时间是否小于过电压阈值时间，以确定是否存在输入过电压状况。作为对检测到输入过电压状况的响应，逻辑电路121可命令调节器125停止功率开关管M1的开关动作，以防止输入过电压状况对反激转换器100造成损坏。

本文所披露的AC线路电压检测技术并非只局限于欠压状况和过电压状况的检测。例如，反激转换器可能需要与各种区域的电压标准兼容，诸如AC电压有效值是110伏(低压线路)还是220伏(高压线路)。为了确定反激转换器100是由交流低压线路还是高压线路供电，以便优化PWM控制，控制器105可因此确定每个AC半周期的最小检测时间是否超过高压线路阈值时间。如果最小检测时间超过高压线路阈值时间，则控制器105确定低压线路状况的存在。相反地，如果最小检测时间小于高压线路阈值时间，则控制器105确定高压线路状况的存在。低电压检测时间大于高压线路阈值时间，而该高压线路阈值时间大于过电压检测时间。

如果反激转换器在连续导电模式(CCM)或零电压开关状况(ZVS)下工作，则通过主功率开关的初始电流或电流检测电阻的初始电压不为零。对于CCM操作，初始电流为正，而对于ZVS操作，初始电流为负。在此类情况下，检测时间不应从主功率开关开通点开始。相反，应将检测时间修改为电流检测电阻电压的两个电压阈值之间的时间间隔，并且应用两个电压阈值之间的电压差替换V_{DET_TH}。图3中示出了用于ZVS工作的示例性控制器300。比较器300监视检测电阻电压何时越过第一阈值电压。然后比较器300发出其输出信号以触发计时器305开始对检测时间进行计时。比较器120如前所述那样工作，让计时器305对检测电阻电压升高到阈值检测电压V_{DET_TH}之上作出响应，从而停止对检测时间进行计时。存储器111如针对控制器100所讨论的那样工作，存储每个AC半周期的最小检测时间。然后，逻辑电路121可将最小检测时间与欠压、过电压和高压线路阈值时间进行比较，以类似于针对控制器100所讨论的那样检测这些状况。

如本领域技术人员现在将理解并取决于手头的特定应用，在不脱离本发明披露的范围的前提下，可以对本发明的设备的材料、装置、配置和使用方法进行多种修改、替换和变化。鉴于此，本公开的范围不应限于本文所示和所述的具体实施方案的范围，因为它们仅作为其一些示例，而是应与下文所附权利要求书及其功能等同物的范围完全相称。

Claims (20)

1.一种用于反激转换器的反激转换器控制器，包括：

计时器，所述计时器被配置为对功率开关管的每个开关周期的检测时间进行计时，其中所述检测时间是所述功率开关管在每个开关周期的开通时间点与电流检测电阻电压超过阈值检测电压时之间的时段，所述计时器被进一步配置为在AC输入电压的半周期期间检测得到一系列上述检测时间；

存储器，所述存储器被配置为存储来自上述一系列检测时间的最小检测时间；以及

逻辑电路，所述逻辑电路被配置为将所述最小检测时间与阈值检测时间进行比较以表征所述反激转换器的整流后的输入电压，又称直流输入电压。

2.根据权利要求1所述的反激转换器控制器，还包括：

电压或电流调节器，所述电压或电流调节器被配置为调制所述功率开关管的开通时间和开关周期以调节输出电压或电流；以及

比较器，所述比较器被配置为将上述电流检测电阻电压与所述阈值检测电压进行比较，其中所述计时器被配置为对来自所述比较器的比较器的输出信号作出响应，从而对每个开关周期的检测时间停止计时。

3.根据权利要求2所述的反激转换器控制器，还包括：

开关驱动器，所述开关驱动器用于驱动所述功率开关管，其中所述计时器被配置为响应对来自所述开关驱动器的输出信号作出响应，从而对所述检测时间开始进行计时。

4.根据权利要求2所述的反激转换器控制器，其中所述逻辑电路被配置为确定所述最小检测时间是否超过欠压检测时间以确定是否存在输入欠压状况。

5.根据权利要求3所述的反激转换器控制器，其中所述逻辑电路被配置为确定所述最小检测时间是否小于过电压检测时间以确定是否存在输入过电压状况。

6.根据权利要求5所述的反激转换器控制器，其中所述逻辑电路被进一步配置为对所述过电压状况的检测作出响应，从而命令所述开关驱动器停止驱动所述功率开关管。

7.根据权利要求2所述的反激转换器控制器，其中所述控制器被配置为确定所述最小检测时间是否小于高压线路检测时间，以确定为所述反激转换器供电的交流电压是110V还是220V。

8.一种确定反激转换器是否存在欠压状况的方法，包括：

在用于为所述反激转换器供电的AC输入电压的半周期期间，通过一系列开通时间对功率开关管进行反复开关；

对于每个开通时间，对从所述开通时间的开始到检测电阻电压超过阈值检测电压时的检测时间进行计时，以形成对应于所述一系列接通时间的一系列检测时间；

确定所述一系列检测时间中的最小检测时间；以及

确定所述最小检测时间是否超过欠压检测时间以检测是否存在所述输入欠压状况。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

确定所述最小检测时间是否小于过电压检测时间以检测是否存在输入过电压状况。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

对所述过电压状况的所述检测作出响应，从而停止所述功率开关管的反复开关操作。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括：

确定所述最小检测时间是否小于高压线路检测时间，以检测用于为所述反激转换器供电的交流电压是110V还是220V。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述过电压检测时间小于所述低电压检测时间。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括根据所述最小检测时间测量所述反激转换器的整流后的输入电压峰值电压。

14.一种用于反激转换器的反激转换器控制器，包括：

计时器，所述计时器被配置为对功率开关管的每个开关周期的检测时间进行计时，其中所述检测时间是检测电阻电压超过第一个阈值电压的时间与所述检测电阻电压超过阈值检测电压的时间之间的时段，所述计时器被进一步配置为在AC输入电压的半周期期间测得一系列所述检测时间；

存储器，所述存储器被配置为存储来自AC输入电压的半周期期间的每个检测时间的最小检测时间；以及

逻辑电路，所述逻辑电路被配置为将所述最小检测时间与阈值检测时间进行比较以表征所述反激转换器的直流输入电压。

15.根据权利要求14所述的反激转换器控制器，还包括：

计时起点的第一比较器，所述第一比较器被配置对所述检测电阻电压大于所述第一阈值电压作出响应，从而发出计时起点的第一输出信号，其中所述计时器被配置为对所述计时起点第一个输出信号作出响应，从而开始对每个检测时间进行计时。

16.根据权利要求15所述的反激转换器控制器，还包括：

计时终点的第二比较器，所述第二比较器被配置对所述检测电阻电压大于所述阈值检测电压作出响应，从而发出第二输出信号，其中所述计时器被配置对所述第二输出信号作出响应，从而停止对每个检测时间进行计时。

17.根据权利要求15所述的反激转换器控制器，其中所述第一阈值电压为负值或大约零伏。

18.根据权利要求17所述的反激转换器控制器，其中所述反激转换器是零电压开关反激转换器。

19.根据权利要求14所述的反激转换器控制器，其中所述逻辑电路被配置为确定所述最小检测时间是否超过欠压检测时间以确定是否存在输入欠压状况。

20.根据权利要求14所述的反激转换器控制器，其中所述逻辑电路被配置为确定所述最小检测时间是否小于过电压检测时间以确定是否存在输入过电压状况。

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