CN114270686A - 用于提高效率的次级受控有源钳位实现方式 - Google Patents

用于提高效率的次级受控有源钳位实现方式 Download PDF

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Abstract

描述了控制次级受控有源钳位转换器中的有源钳位场效应晶体管(FET)。在一个实施方式中，装置包括：耦接至变压器的初级侧FET；耦接至变压器的次级侧FET；以及布置在变压器的初级侧上的有源钳位FET。次级侧控制器被配置成跨电流隔离势垒控制有源钳位FET。

Description

用于提高效率的次级受控有源钳位实现方式
相关申请
本申请是于2019年9月25日提交的美国专利申请第16/582,690号的国际申请，其要求于2019年8月22日提交的美国临时申请第62/890,411号的权益，上述两个申请通过引用整体并入本文。
背景技术
各种电子设备(例如，诸如智能电话、平板、笔记本计算机、膝上型计算机、集线器、充电器、适配器等)被配置成根据在通用串行总线(USB)电力传输(USB-PD)规范的各种修订版本中定义的USB电力传输协议，通过USB连接器传递电力。例如，在一些应用中，电子设备可以被配置作为电力消耗者来通过USB连接器接收电力(例如，用于电池充电)，而在其他应用中，电子设备可以被配置作为电力提供者来向通过USB连接器连接至该电子设备的另一设备提供电力。然而，USB-PD规范使得电力提供者和电力消耗者能够动态协商所提供的电压和电流的水平。在某些电力传输条件下，来自电力提供者的所提供的电压/电流可能出现故障条件，以及由电力消耗者接收到的所提供的电压/电流可能出现其他故障条件。
附图说明
在附图的各图中，通过示例而非限制的方式示出了本公开内容。
图1是根据一个实施方式的通过从次级侧至初级侧的电流隔离势垒利用次级受控有源钳位控制的次级受控转换器的框图。
图2是根据一个实施方式的具有次级侧控制器的次级受控反激式转换器的框图，该次级侧控制器通过电流隔离势垒控制初级侧的有源钳位FET。
图3是根据一个实施方式的用于检测来自次级侧控制器的用于控制有源钳位FET的信号模式的初级侧控制器的电路的框图。
图4A是根据一个实施方式的有源钳位N沟道场效应晶体管(NFET)的电路的框图。
图4B是根据一个实施方式的有源钳位P沟道场效应晶体管(PFET)的电路的框图。
图5是根据一个实施方式的用于通过电流隔离势垒从次级侧控制器发送控制信号以控制初级侧的有源钳位FET的USB-PD电力适配器的示意图。
图6是示出根据一些实施方式的用于在USB电力传输中使用的具有次级受控有源钳位FET的USB设备的系统的框图。
图7是示出根据一个实施方式的次级受控AC-DC反激式转换器的输出电压、初级侧FET的栅极电压以及初级侧FET的漏极电压的波形图。
图8是根据一个实施方式的由次级侧控制器跨电流隔离势垒控制初级侧的有源钳位FET的方法的流程图。
图9是根据另一实施方式的跨电流隔离势垒利用次级侧控制器来控制初级侧的有源钳位FET和初级侧FET以及利用次级侧控制器来控制次级侧FET的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述阐述了许多具体细节诸如具体系统、部件、方法等的示例，以提供对本文针对诸如在USB电力传输应用中使用的、使用次级受控反激式转换器中的次级侧控制器来控制有源钳位FET所描述的技术的各种实施方式的良好理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践至少一些实施方式。在其他实例中，为了避免使本文所描述的技术不必要地模糊，未详细描述公知的部件、元件或方法而是以简单的框图格式呈现。因此，在下文中阐述的具体细节仅是示例性的。特定实现方式可以根据这些示例性细节而变化，并且仍然被认为在本发明的精神和范围内。
在描述中对“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”的引用意指结合实施方式描述的特定特征、结构、步骤、操作或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。此外，在描述中各种地方出现的短语“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”不一定都指的是相同的实施方式。
描述包括对附图的参照，这些附图形成具体实施方式的一部分。附图示出了根据示例性实施方式的图示。在本文也可以被称为“示例”的这些实施方式以足够详细的方式进行描述，以使得本领域那些技术人员能够实践本文所描述的要求保护的主题的实施方式。在不脱离所要求保护的主题的范围和精神的情况下，可以对实施方式进行组合、可以利用其他实施方式或者可以对结构、逻辑和电气作出改变。应当理解，本文所描述的实施方式并不旨在限制主题的范围，而是使本领域技术人员能够实践、制造和/或使用本主题。
本文描述了用于在USB电力传输(USB-PD)中在耦接至电子设备中的电力线的次级受控反激式转换器中跨脉冲变压器使用次级侧控制器来控制有源钳位FET的技术的各种实施方式。这样的电子设备的示例包括但不限于个人计算机(例如，膝上型计算机、笔记本型计算机等)、移动计算设备(例如，平板、平板计算机、电子阅读器设备等)、移动通信设备(例如，智能电话、手机、个人数字助理、消息传递设备、掌上个人电脑等)、连接和充电设备(例如，集线器、扩展坞、适配器、充电器等)、音频/视频/数据记录和/或播放设备(例如，摄像装置、录音机、手持式扫描仪、监视器等)以及可以使用USB连接器(接口)进行通信、电池充电和/或电力传输的其他类似的电子设备。本文描述的实施方式可以用于AC至DC电力适配器、以600kHz频率进行操作的GaN基电力适配器、具有初级侧控制器或次级侧控制器的电力适配器、以诸如准谐振模式(QR)、不连续传导模式(DCM)、连续传导模式(CCM)等的操作模式进行操作的电力适配器。本文描述的实施方式可以连同C型PD能力一起用于电力适配器解决方案。这些实施方式允许更有效的性能，使得能够通过由次级侧控制器接合有源钳位FET来使用更低额定值并且因而更便宜的FET，次级侧控制器基于次级侧的参数来确定使有源钳位FET导通/关断。有源钳位还可以帮助减少电磁干扰(EMI)，这有助于减少输入端的滤波器。
USB使能的电子设备或系统可以符合至少一个发行版本的USB规范。这样的USB规范的示例包括但不限于USB规范修订版本2.0、USB 3.0规范、USB 3.1规范和/或其各种补充(例如，诸如便携式(On-The-Go)或OTG)、版本和勘误表。USB规范通常限定设计和构建标准通信系统和外围设备所需的差分串行总线的特征(例如，属性、协议定义、交易类型、总线管理、编程接口等)。例如，USB使能的外围设备通过USB使能的主机设备的USB端口附接至该主机设备以形成USB使能的系统。USB 2.0端口包括5V的电力电压线(表示为VBUS)、数据线的差分对(表示为D+或DP以及D-或DN)以及用于电力返回的接地线(表示为GND)。USB 3.0端口也提供VBUS线、D+线、D-线和GND线用于向下兼容USB 2.0。另外，为了支持较快的差分总线(USB超高速总线)，USB 3.0端口还提供了发送器数据线的差分对(表示为SSTX+和SSTX-)、接收器数据线的差分对(表示为SSRX+和SSRX-)、用于供电的电力线(表示为DPWR)和用于电力返回的接地线(表示为DGND)。USB 3.1端口提供与USB 3.0端口相同的线以向下兼容USB2.0和USB 3.0通信，但是通过被称为增强型超高速的一系列特征扩展了超高速总线的性能。
在USB C型规范的各种发行版本和/或版本(例如，诸如2014年8月11日的发行版本1.0、2015年4月3日的发行版本1.1等)中定义了用于USB连接器的最新技术，称为USB C型。USB C型规范定义了可以支持通过在USB-PD规范的各种修订版本/版本中定义的较新的USB电力传输协议进行的USB通信以及电力传输的C型插座、C型插头和C型线缆。USB C型功能和要求的示例可以包括但不限于根据USB 2.0和USB 3.0/USB 3.1的数据和其他通信、C型线缆的机电定义和性能要求、C型插座的机电定义和性能要求、C型插头的机电定义和性能要求、C型对传统线缆组件和适配器的要求、基于C型的设备检测和接口配置的要求、C型连接器的优化的电力传输的要求等。根据USB C型规范，C型端口提供VBUS线、D+线、D-线、GND线、SSTX+线、SSTX-线、SSRX+线和SSRX-线等。另外，C型端口还提供用于边带功能的信令的边带使用(表示为SBU)线以及用于发现、配置和管理在C型线缆上的连接的配置信道(表示为CC)线。C型端口可以与C型插头和/或C型插座相关联。为了便于使用，C型插头和C型插座被设计为无论插头到插座的取向如何均可以操作的可逆对。因此，被布置为标准C型插头或插座的标准USB C型连接器针对以下提供引脚：四根VBUS线、四根接地返回(GND)线、两根D+线(DP1和DP2)、两根D-线(DN1和DN2)、两根SSTX+线(SSTXP1和SSTXP2)、两根SSTX-线(SSTXN1和SSTXN2)、两根SSRX+线(SSRXP1和SSRXP2)、两根SSRX-线(SSRXN1和SSRXN2)、两根CC线(CC1和CC2)以及两根SBU线(SBU1和SBU2)等。
一些USB使能的电子设备可能符合特定修订版本和/或特定版本的USB-PD规范(例如，诸如2012年7月5日发布的修订版本1.0、2014年8月11日发布的修订版本2.0等或其后续修订版本/版本)。USB-PD规范定义了下述标准协议，该标准协议被设计成通过USB C型端口在单根USB C型线缆上提供更灵活的电力传输以及数据通信来使得USB使能设备的功能最大化。USB-PD规范还描述了用于管理在USB C型线缆上以高达100W功率进行电力传输所必需的架构、协议、电力供应行为、参数和线缆。根据USB-PD规范，与在旧USB规范(例如，诸如USB 2.0规范、USB 3.1规范、USB电池充电规范Rev.1.1/1.2等)中允许的电流和/或电压相比，具有USB C型端口的设备(例如，诸如USB使能的设备)可以通过USB C型线缆协商较多电流以及/或者较高或较低电压。例如，USB-PD规范定义了可以在一对USB使能的设备之间协商的电力传输合同(PD合同)的要求。PD合同可以指定两个设备都可以接纳的电力水平和电力传递方向，并且可以根据任一设备的请求和/或响应于各种事件和条件诸如电力角色交换、数据角色交换、硬复位、电源故障等(例如，在不拔出设备的情况下)动态地重新协商。
根据USB-PD规范，电子设备通常被配置成通过USB VBUS线上配置的电力路径将电力传输至另一设备。提供电力的设备通常称为(或包括)“提供者”(或电源)，而消耗电力的设备通常称为(或包括)“消耗者”(或电力耗散器)。电力路径通常包括在VBUS线上串联耦接并且被配置成接通和关断电力传输的电力开关。
USB-PD电源可以被配置成从交流(AC)电力适配器或另一AC源汲取电力。因此，作为交流至直流(AC-DC)转换的一部分，一些实现方式可以在VBUS线的电源侧上使用大容量电容器，以去除电力信号的AC分量。基于电流和电压条件的分析以及故障的检测，电力开关(也称为电力FET)的接通和关断可以允许进一步的电路保护。
在一个反激式转换器中，有源钳位FET由初级侧控制器驱动。然而，次级受控反激式转换器中的初级侧控制器被设计成没有太多智能，这是因为向初级侧控制器添加的任何智能都会导致：由于较高的技术节点而引起的较大的芯片面积，这会导致较高的成本；由于智能逻辑电路系统需要较多的熔丝或非易失性存储器而引起的较高的掩模计数，这会导致较高的成本；以及由于附加电路而引起的较高的电力损耗(在较高电压下获取的电流)。因此，为了驱动有源钳位FET，初级侧控制器可以使用与用于驱动初级侧FET的波形信号异相180度的波形信号。在这样的设置中，有源钳位FET的接合时间可能比必要的时间长，从而导致能量浪费和效率降低。此外，初级侧控制器无法访问与电力输出的负载要求相关的电气参数。因此，初级侧控制器不能确定接合有源钳位FET是否可能有益或者不能确定有源钳位FET的切换的持续时间(例如，有源钳位FET导通的持续时间和有源钳位FET关断的持续时间)，这可能会由于不必要的栅极切换而导致附加的损耗。
本文描述了相较于传统的反激式转换器、通过从次级受控转换器中的次级侧控制器控制有源钳位FET来提高效率的技术的各种实施方式。本文描述的次级受控有源钳位的实施方式可以通过独立于初级侧FET的控制、从次级侧控制器控制有源钳位FET来解决上面提及的挑战和其他挑战而无需上述附加的逻辑和电路以及复杂的协议。在一些实施方式中，本文描述的次级受控有源钳位可以用于次级受控反激式转换器。可替选地，次级受控有源钳位可以用于其他次级受控转换器。在一些实施方式中，次级受控有源钳位可以相较于传统的反激式转换器提高3％至4％的效率。在一些实施方式中，次级侧控制器可以提供用于控制初级侧的有源钳位FET的控制信号。在一些实施方式中，初级侧的有源钳位FET可以被控制成跟随次级侧FET的同步整流导通/关断周期。在一些实施方式中，来自次级侧的同步栅极整流器脉冲可以用于使用单独的脉冲变压器来切换有源钳位FET。脉冲变压器可以耦接在次级侧控制器与有源钳位FET之间，以控制有源钳位FET。例如，硬件受控方案或固件受控方案可以使用跨电流隔离势垒诸如跨脉冲变压器给出的多个连续脉冲(例如，+ve脉冲或-ve脉冲)来限定控制信号，以从次级侧控制器控制有源钳位FET。次级侧控制器可以仅在次级侧FET导通期间接合有源钳位FET。在这些实施方式中，次级侧控制器驱动有源钳位FET、初级侧FET和次级侧FET。次级侧控制有源钳位FET与次级侧FET同相切换。次级侧控制器还可以访问次级侧的电气参数(例如，次级侧的线路/负载信息)，并且可以使用这些参数来确定导通有源钳位FET是否有益。次级侧控制器可以延迟有源钳位FET的导通以避免交叉传导，或者可以提前关断有源钳位FET以防止有源钳位FET保持导通时间过长。如果次级侧控制器确定接合有源钳位FET是有益的，则它可以跨脉冲变压器将控制信号发送至有源钳位FET以使有源钳位FET导通。如上所述，初级侧控制器不能确定接合有源钳位FET是否可能有益或确定有源钳位FET的切换的持续时间(例如，有源钳位FET导通的持续时间和有源钳位FET关断的持续时间)，这可能会由于不必要的栅极切换而导致附加的损耗。然而，次级侧控制器可以确定接合有源钳位FET是否可能有益或确定有源钳位FET的切换的持续时间，包括有源钳位FET导通的持续时间和有源钳位FET关断的持续时间。
本文描述的实施方式可以通过提供与串行总线兼容的电力供应设备诸如具有电力控制模拟子系统的串行总线电力传输(SBPD)设备来解决上面提及的挑战和其他挑战，该电力控制模拟子系统具有硬件、固件或任何组合以传送包括来自次级侧控制器的控制信号的信息，从而跨电流隔离势垒智能地从次级侧驱动有源钳位FET。在一个实施方式中，电流隔离势垒可以由脉冲变压器提供。在其他实施方式中，电流隔离可以由光耦合器、电容隔离器等提供。SBPD(本文中也称为“源设备”)可以是USB兼容的电力供应设备。本文描述的实施方式也可以在其他类型的电力适配器、电力转换器、电力传输电路等中实现。
图1是根据一个实施方式的通过从次级侧至初级侧的电流隔离势垒利用次级受控有源钳位控制的次级受控转换器100的框图。在一些实施方式中，次级受控转换器100可以是次级受控反激式转换器。次级受控反激式转换器100可以是AC-DC电力适配器设备的一部分。次级受控反激式转换器100包括：耦接在AC输入端子104与整流DC线106(VIN)之间的整流器102(例如，全桥整流器)；反激式变压器108，反激式变压器108包括耦接至整流DC线106的初级绕组；初级侧电力开关110(例如，初级侧FET、电力FET或初级FET)；次级侧电力开关112(例如，次级侧FET、电力FET或次级FET)；有源钳位FET 138；初级侧控制器114；以及次级侧控制器116。整流DC线106耦接至反激式变压器108的初级绕组的第一端。VIN是在整流器102之后的整流DC线106上的电压。初级绕组的第二端耦接至初级侧FET 110的初级漏极和有源钳位FET 138的源极。有源钳位FET 138的源极节点耦接至初级侧FET 110的初级漏极。有源钳位FET 138的漏极节点耦接至DC阻断电容器140。此外，有源钳位FET 138的栅极节点和源极节点耦接至脉冲变压器136，脉冲变压器136也耦接至次级侧控制器116。反激式变压器108的次级绕组的第一端耦接至直流(DC)输出线118(VBUS_IN)，并且次级绕组的第二端耦接至次级侧FET 112的次级漏极(SR_Drain)。在替选实施方式中，DC阻断电容器可以耦接在初级侧FET 110的漏极节点与有源钳位FET 138的源极节点之间。在该配置中，有源钳位FET 138的漏极节点直接耦接至整流DC线。VBUS_IN是反激式变压器108的DC输出上的电压。SR_Drain是次级侧FET 112的漏极节点。DC输出线118和次级侧FET 112耦接至DC输出端子120。
次级受控反激式转换器100用于在输入与任何输出之间进行电流隔离的情况下的AC-DC转换。次级受控反激式转换器100使用与反激式变压器108分离的电感器，反激式变压器108在初级侧与次级侧之间具有电流隔离势垒122。当初级侧电力开关110(初级侧FET)闭合时，反激式变压器108的初级侧连接至输入电压源。在该实施方式中，反激式变压器108的初级侧耦接至整流器102。随着反激式变压器108中的初级电流和磁通量增加，能量存储在反激式变压器108的变压器芯中。在次级绕组中感应出的电压为负并且被次级整流器112阻断。当初级侧电力开关110(初级侧FET)断开时，初级电流和磁通量下降。次级电压为正，从而使得电流能够从反激式变压器108流出。存储在变压器中的能量被传递至输出负载。当初级开关(例如，初级侧FET)接合时，可以使用输出电容器向输出负载提供能量。因此，反激式变压器108基于对初级侧电力开关110的控制可以存储能量并且将能量传递至次级受控反激式转换器100的输出端。还应当注意，次级受控反激式转换器100可以在输入级、输出级或两者中包括其他部件。例如，在整流器102的输出与接地节点之间可以耦接有大容量电容器。在操作期间，AC输入电力由整流器102(桥式整流器)和大容量电容器进行整流和滤波。这产生了连接至反激式变压器108的初级绕组的DC高电压总线。类似地，在输出级中，次级绕组电力诸如通过二极管、电容器、输出LC滤波器等进行整流和滤波，以降低输出电压纹波。也可以通过调整反激式变压器的匝数比和输出级来实现其他输出电压。在一些实施方式中，可以使用其他转换器例如开关转换器等来代替反激式变压器。
次级受控反激式转换器100作为隔离电力转换器操作。两种流行的控制方案是电压模式控制和电流模式控制。两种控制方案都使用与输出电压相关的信号。光耦合器或脉冲变压器可以耦接至次级侧控制器116并且可以向初级侧控制器114发送信号以指示输出电压，诸如下面更详细描述的。光耦合器或脉冲变压器可以用于获得严格的电压和电流调节。
在所描绘的实施方式中，次级侧控制器116被配置成用于控制初级侧的有源钳位FET 138、初级侧的初级侧FET 110和次级侧的次级侧FET 112。在一个实施方式中，初级侧控制器114被配置成跨电流隔离势垒124接收来自次级侧控制器116的信号126。初级侧控制器114响应于信号126向初级侧FET 110施加脉冲信号128以使初级侧FET 110导通和关断。
在一个实施方式中，次级受控反激式转换器100包括耦接在初级侧控制器114与次级侧控制器116之间的脉冲变压器130。初级侧控制器114被配置成经由脉冲变压器130接收来自次级侧控制器116的信号126作为一个或更多个脉冲。初级侧控制器114可以包括用于跨电流隔离势垒124接收来自次级侧控制器116的脉冲信号128的接收器和脉冲生成器132。接收器和脉冲生成器132可以基于反激式变压器108的输出(例如，误差放大器(EA)输出)来改变初级侧导通脉冲。使用初级侧导通脉冲来使初级侧FET 110导通。在较高的EA电压情况下，从次级侧控制器116经由脉冲变压器130发送较宽的脉宽调制(PWM)脉冲，这导致使用较宽的初级导通脉冲。初级侧控制器114还可以包括耦接至接收器和脉冲生成器132的栅极驱动器134以驱动初级侧FET 110的栅极。如本文所述，导通脉冲和关断脉冲可以具有固定宽度或可变宽度。在一个实施方式中，接收器和脉冲生成器132可以包括PWM电路。可替选地，接收器和脉冲生成器132可以使用其他类型的电路来跨电流隔离势垒124接收脉冲。
在一个实施方式中，为了将脉冲信号128施加至初级侧FET 110，初级侧控制器114被配置成接收来自次级侧控制器116的导通脉冲(PTDRV)。初级侧控制器114经由栅极驱动器134将导通脉冲施加至初级侧FET 110的栅极。导通脉冲使初级侧FET 110的初级漏极变低(例如，与第一状态对应或表示数字值一的第一电压水平)。随后，初级侧控制器114接收来自次级侧控制器116的关断脉冲，并且经由栅极驱动器134将关断脉冲施加至初级侧FET110的栅极。关断脉冲使初级侧FET 110的初级漏极变高(例如，与第二状态对应或表示数字值零的第二电压水平)。
在一个实施方式中，次级侧控制器通过输入线142向次级侧FET 112发送控制信号，并且经由脉冲变压器136向有源钳位FET 138发送相同的控制信号。有源钳位FET 138和次级侧FET 112响应于接收到控制信号的导通脉冲而同相导通。随后，有源钳位FET 138和次级侧FET 112响应于接收到控制信号的关断脉冲而关断。如本文所述，控制信号的导通脉冲和关断脉冲可以具有固定宽度或可变宽度。
在一个实施方式中，次级侧控制器116包括可编程驱动器133，可编程驱动器133用于生成信号126以通过电流隔离势垒124发送至初级侧控制器114。使用可编程驱动器133，次级侧控制器能够将具有特定模式(协议)的0和1的任意组合从次级侧控制器116发送至初级侧控制器114，而不需要时钟同步。在一个实施方式中，次级侧控制器116包括用于同步初级侧控制器114的每个功能以被编程(例如，校准、修整等)的状态机。次级侧控制器116可以存储其他信息，诸如用户定义的设置。例如，与初级侧功能有关的用户定义的设置诸如过电压(OV)、欠电压(UV)、过电流(OC)、短路检测、过温(OT)、线电压、峰值电流限制等可以存储在次级侧控制器116的非易失性存储器中。次级侧控制器116的固件可以在适当的时间诸如在启动时或稍后在特定时间的转换器操作期间以类似的方式将该信息传递至初级侧控制器114。
在一个实施方式中，次级侧控制器116包括可编程驱动器133，可编程驱动器133用于生成信号142以通过脉冲变压器136发送至有源钳位FET 138。使用可编程驱动器133，次级侧控制器能够将具有特定模式(协议)的0和1的任意组合从次级侧控制器116发送至有源钳位FET 138。在一个实施方式中，次级侧控制器116包括用于同步初级侧控制器114的每个功能以被编程(例如，校准、修整等)的状态机。次级侧控制器116可以存储其他信息，诸如用户定义的设置。例如，与控制有源钳位FET 138有关的用户定义的设置可以存储在次级侧控制器116的非易失性存储器中。次级侧控制器116的固件可以在适当的时间诸如在启动时或稍后在特定时间的转换器操作期间以类似的方式将该信息传递至有源钳位FET。
如图1所示，次级侧控制器116可以传送用于控制所有开关(例如，初级侧FET 110、有源钳位FET 138和次级侧FET 112)的控制信号。诸如经由脉冲变压器130通过电流隔离势垒124将第一控制信号传送至初级侧控制器114。由次级侧控制器将第二控制信号传送至次级侧FET 112。通过脉冲变压器136将相同的第二控制信号传送至有源钳位FET 138。可编程驱动器133的附加细节在下面关于图2进行描述。
图2是根据一个实施方式的具有次级侧控制器216的次级受控反激式转换器200的框图，次级侧控制器216通过电流隔离势垒224控制初级侧的有源钳位FET 238。尽管未示出次级受控反激式转换器200的所有部件，但是次级受控反激式转换器200与图1的次级受控反激式转换器100类似，如由类似的附图标记所指出的。在一个实施方式中，为了控制有源钳位FET 238，次级侧控制器216可以将脉冲诸如经由脉冲变压器230跨电流隔离势垒224发送至有源钳位FET 238。
次级侧控制器216包括信号生成器231，信号生成器231用于生成用于经由脉冲变压器230至少控制有源钳位FET 238的信号(例如，脉冲)。例如，信号生成器231可以生成用于控制初级侧FET(图2中未示出)的第一信号和用于控制有源钳位FET 238的第二信号。例如，信号生成器231可以包括上拉晶体管和下拉晶体管。上拉晶体管和下拉晶体管可以由次级侧控制器216的控制逻辑或固件控制。在正常模式期间，信号生成器231可以生成并且输出方波信号。在信号生成器231与脉冲变压器230之间耦接有电容器240。电阻器241和电容器240的组合在方波信号的正转变(即上升沿)时生成正脉冲，而在方波信号的负转变(即下降沿)时生成负脉冲。正沿和负沿经由脉冲变压器230传递至初级侧控制器214。初级侧控制器214接收正沿和负沿以产生用于使初级侧电力开关(图2中未示出)导通和关断的PWM脉冲。由信号生成器231生成的方波的示例波形如图1所示。由电容器生成的正脉冲和负脉冲的示例波形如图1所示。
次级侧控制器216可以在正常操作期间(例如，在正常操作模式下)生成方波信号232。在这种情况下，次级侧控制器216可以在上拉晶体管与电容器240之间切换电阻器233。应当注意，电阻器233可以是任何类型的电阻元件。因此，信号生成器231生成锯齿波信号234，锯齿波信号234具有缓慢的上升沿和比缓慢的上升沿快的下降沿。给定锯齿波信号234的沿，电容器240不会为锯齿波信号234中的每个脉冲生成正脉冲，从而产生具有两个或更多个连续负脉冲的脉冲信号236。脉冲信号236的连续负脉冲经由脉冲变压器230传递至初级侧控制器214。初级侧控制器214接收连续负脉冲以检测次级侧控制器216正在向初级侧控制器214传送信息以控制有源钳位FET 238。尽管脉冲信号336包括两个连续负脉冲(即，没有任何中间的正脉冲)——这可以表示两个连续的“0”值跨电流隔离势垒224发送，但是在其他实施方式中，可以由次级侧控制器216生成其他特定模式并且通过初级侧控制器214检测其他特定模式。例如，次级侧控制器216可以扩展信号生成器231以生成两个或更多个连续的“1”值或者甚至是具有0和1的模式以将来自次级侧控制器216的信息给至初级侧控制器214以控制有源钳位FET 238。其他信息可以包括启动模式、停止模式、要求软启动操作的软故障、要求传输最小电力的软故障等。类似地，与下拉器件串联的电阻器可以用于生成连续的1。在另一实施方式中，次级侧控制器216可以生成PWM信号以由次级侧控制器216传输。也就是说，次级侧控制器216可以生成PWM信号到脉冲变压器230以通过电流隔离势垒进行传送。可替选地，PWM信号可以直接传送至初级侧控制器或有源钳位FET。
在一些情况下，两个连续的0需要两个“-ve”脉冲，这样就不需要初级侧的任何快速时钟同步。在所公开的实施方式中，两个连续的0可以由固件在确认需要系统关闭的故障之后发起。可以控制上拉晶体管和下拉晶体管以在脉冲变压器230的输入处进行可编程缓慢上拉，然后突然下拉，从而产生“-ve”沿而没有“+ve”沿。类似地，另一可编程缓慢上拉然后突然下拉将产生另一“-ve”沿。应当注意，可以通过将电阻器233切换至上拉路径来实现缓慢上拉。可替选地，可以通过基于电流源的上拉来实现缓慢上拉。
如图2所示，次级侧控制器216在脉冲信号236中发送两个连续的0，并且初级侧控制器214在脉冲信号226中接收两个连续的0。初级侧控制器214可以包括用于检测脉冲信号226中的两个连续的0的电路系统，诸如图3所示。可替选地，初级侧控制器214可以包括用于检测其他模式的电路系统，以检测由次级侧控制器216传送的信息。
图3是根据一个实施方式的用于检测来自次级侧控制器的用于驱动有源钳位FET338的信号模式的初级侧控制器的电路300的框图。电路300包括第一触发器302、第二触发器304和或门306。第一触发器302接收如果通过第一触发器302和第二触发器304传播则启动编程的第一输入值301(例如，1'b1)。当第一触发器302由与初级侧控制器接收到的脉冲信号中的0脉冲(图2所示的负脉冲236)对应的上冲脉冲307计时时，第二触发器304从第一触发器302的输出接收第二输入值303。0脉冲307被标记为fb_off信号，该fb_off信号是脉冲接收器电路的输出，当脉冲从脉冲变压器变为负时，该脉冲接收器电路的输出将为高。类似地，fb_on信号(信号309)是脉冲接收器电路的输出，当脉冲从脉冲变压器变为正时，该脉冲接收器电路的输出将为高。当第二触发器304由与初级侧控制器接收到的脉冲信号中的0脉冲226(图2中的负脉冲)对应的上冲脉冲307计时时，第二触发器304输出输出值305。然而，如果初级侧控制器在两个脉冲307之间接收到来自脉冲变压器230的与高脉冲309对应的初级控制器输入处的中间上冲脉冲(正脉冲)，则清除第一触发器和第二触发器。例如，当或门306接收到高脉冲309或复位信号311时，或门306可以向第一触发器302和第二触发器304两者的清除输入端输出复位(或清除)信号。尽管图3示出了用于检测两个连续的零的电路300的一个实施方式，但在其他实施方式中，电路300可以包括用于检测由初级侧控制器跨电流隔离势垒接收到的脉冲信号中的两个连续的零或其他特定模式的不同的逻辑或电路部件。
在该实施方式中，输出值305可以启动初级侧控制器的编程以控制有源钳位FET338。例如，初级侧控制器114可以接收脉冲以切换有源钳位FET 338。
在另一实施方式中，AC-DC电力适配器设备包括耦接在AC端子与DC端子之间的反激式变压器。反激式变压器在AC端子与DC端子之间进行电流隔离的情况下将AC端子上的AC电力转换为DC端子上的DC电力。AC-DC电力适配器设备还包括初级侧控制器和次级侧控制器，两者均耦接至反激式变压器。反激式变压器耦接至初级侧电力开关(例如，初级侧FET)、次级侧电力开关(例如，次级侧FET)以及布置在反激式变压器的初级侧的有源钳位FET。AC-DC电力适配器设备还包括在初级侧控制器与次级侧控制器之间的具有电流隔离势垒的第一脉冲变压器。AC-DC电力适配器设备还包括在次级侧控制器与有源钳位FET之间的具有电流隔离势垒的第二脉冲变压器。次级侧控制器经由第一脉冲变压器和初级侧控制器控制初级侧FET。次级侧控制器控制次级侧FET和有源钳位FET同相(例如，在次级侧FET导通时有源钳位FET导通)。次级侧控制器经由第二脉冲变压器控制有源钳位FET。
在另一实施方式中，初级侧控制器包括脉冲接收器和栅极驱动器，诸如上述的那些。脉冲接收器跨电流隔离势垒接收来自次级侧控制器的信号，并且栅极驱动器驱动初级侧FET的栅极处的信号以使初级侧FET导通和关断。在另一实施方式中，AC-DC电力适配器设备还包括耦接在AC源与AC线(Vin)之间的整流器。AC线耦接至有源钳位FET和反激式变压器的初级绕组的第一端。初级绕组的第二端耦接至初级侧FET的初级漏极。反激式变压器的次级绕组的第一端耦接至DC输出线(VBUS)，并且次级绕组的第二端耦接至次级侧FET的次级漏极。在AC线与接地节点之间耦接有大容量电容器。为了将脉冲信号施加至初级侧FET，初级侧控制器被配置成：接收来自次级侧控制器的导通脉冲；将导通脉冲施加至初级侧FET的栅极，该导通脉冲使初级侧FET的初级漏极变高；接收来自次级侧控制器的关断脉冲；以及将关断脉冲施加至初级侧FET的栅极，该关断脉冲使初级侧FET变低。
图4A是由次级侧控制器116从次级侧控制的有源钳位N沟道场效应晶体管(NFET)电路系统的框图，次级侧控制器116可以通过脉冲变压器136发送控制信号，上面参照图1进行了描述。在一个实施方式中，有源钳位FET 404a可以是NFET。有源钳位FET 404a耦接至反激式转换器402和电容器408，电容器408用作有源钳位FET电路系统中的DC阻断。在该实施方式中，有源钳位NFET 404a具有浮动接地(例如，有源钳位FET 404a的源极节点未连接至参考电压)。有源钳位NFET 404a以正的栅源电压导通并且这可以在大多数电路中实现。从次级侧控制器116经由脉冲变压器136发送的控制信号通过输入线142输入至有源钳位NFET404a。由于有源钳位NFET 404a的源极节点是浮动节点，因此有源钳位NFET 404a可以由光耦合器、电容隔离器、脉冲变压器驱动，如本文所述。
图4B是由次级侧控制器116从次级侧控制的有源钳位P沟道场效应晶体管(PFET)电路系统的框图，次级侧控制器116可以通过脉冲变压器136发送控制信号，上面参照图1进行了描述。使用脉冲变压器136，次级侧控制器116可以通过电流隔离势垒发送控制信号。在其他实施方式中，次级侧控制器116可以将控制信号直接发送至PFET电路系统，而不是通过电流隔离势垒发送。有源钳位FET 404b耦接至反激式转换器402和电容器408，电容器408用作有源钳位电路系统中的DC阻断。在该实施方式中，有源钳位PFET 404b具有参考接地(例如，有源钳位FET的源极节点连接至参考电压)。由于有源钳位PFET 404b的接地不浮动，因此该电路系统受电磁干扰(EMI)问题的影响较小。
在其他实施方式中，有源钳位可以是另一类型的晶体管，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。
图5是根据一个实施方式的用于通过电流隔离势垒从次级侧控制器516发送控制信号以控制初级侧的有源钳位FET 538的USB-PD电力适配器500的示意图。代替光隔离器反馈，USB-PD电力适配器500经由第一脉冲变压器530、反激式变压器508或两者跨隔离势垒控制初级侧开关510(例如，初级侧FET 510)。USB-PD电力适配器500包括初级IC控制器514和次级IC控制器516。USB-PD电力适配器500的次级IC控制器516还经由第二脉冲变压器536控制有源钳位FET 538。次级IC控制器516可以布置在芯片封装中并且包括根据本文描述的用于栅极驱动器控制的技术配置的USB-PD子系统。次级IC控制器516被配置成与附接至USB C型端口540的消耗者设备(未示出)协商PD合同，并且通过输出引脚(“PWM_DRV”)控制从反激式变压器508输出的所需的VBUS电压。USB C型端口540通常与C型插头相关联，但是应当理解，在各种实施方式中，替代地，USB C型端口可以与C型插座相关联。反激式变压器508耦接至整流DC电源，并且输出可以耦接至次级侧FET 512(例如，SR_FET 512)。VBUS_IN由连接至补偿网络550的误差放大器调节。补偿网络550可以是特定于USB-PD电力适配器500的设计的电阻器-电容器(RC)电路。补偿网络550可以被耦接以从次级IC控制器516的第一输出引脚(“FB”)接收反馈信号。补偿网络550也可以耦接至第二输出引脚(“EA_out”)和第三输出引脚(“CC_Comp”)。反激式变压器508可以耦接至大容量电容器533和有源钳位电路538和DC阻断电容器541。USB-PD电力适配器500还可以包括用于跨隔离势垒524传送信息的脉冲变压器530(或其他反馈控制机制)。
次级IC控制器516耦接至VBUS线511并且被配置成在检测到故障条件时通过向电力开关(诸如电力开关520)的栅极提供控制信号来控制开关的操作和状态。VBUS线511包括提供者开关520，提供者开关520被配置为受来自次级IC控制器516中的栅极驱动器的输出引脚(“VBUS_Control”)的信号控制的导通/关断开关器件。电力开关520可以对应于本文描述的提供者FET。在提供者开关520的一侧，VBUS线511上的电源节点505耦接至反激式变压器508的第二绕组，该第二绕组耦接至被配置成去除电力信号的AC分量的大容量电容器535。电源节点505耦接至次级IC控制器516的输入引脚(“VBUS_IN”)。在电力开关520的另一侧，VBUS线511上的输出节点507耦接至USB C型端口540。输出节点507耦接至次级IC控制器516的另一输入引脚(“VBUS_C”)。USB C型端口540的GND端子542耦接至次级侧FET 512。
在操作中，VBUS线511上电力流动的方向是从反激式变压器508到附接至USB C型端口540的消耗者设备，诸如膝上型计算机(未示出)。在与消耗者设备协商了PD合同的情况下，次级IC控制器516将提供者开关520导通用于以所协商的电压水平和/或电流水平向消耗者设备提供电力。当动态重新协商PD合同以降低VBUS电压和/或电流时，例如，当消耗者设备完成对其电池的充电并且现在只需要电力来操作时，可能需要在VBUS线511上进行从高到低的电压转变。
在检测到故障条件时，可以发送控制信号以使提供者开关520关断，从而将USB C型端口540与反激式变压器508断开。通过将VBUS_Control的输出驱动为零来使提供者开关520关断。这种断开可能是由过电压条件、过电流条件或可能需要将USB C型端口540从反激式变压器508断开以保护耦接至USB C型端口540的电路的其他条件引起的。
在另一实施方式中，辅助电路570可以耦接至初级IC控制器514。辅助输出引脚(“AUX_IN”)和过电压保护辅助引脚(“OVP_AUX”)耦接至辅助电路570。一旦启动完成，辅助电路570可以操作以保护VBUS_IN 511的过电压并且还向初级IC控制器514提供电力(AUX_IN)。如上所述，USB-PD电力适配器500允许通过隔离势垒524、隔离势垒522、脉冲变压器536的隔离势垒或以与上面关于图1至图4描述的方式类似的方式进行通信。特别地，次级IC控制器516的PWM驱动器电路可以在输出引脚(“PWM_DRV”)上输出信号，以经由脉冲变压器530跨隔离势垒524传送信息。如本文所述，PWM驱动器电路可以是在输出引脚上产生脉冲以跨隔离势垒524传送信息的其他驱动器电路。初级IC控制器514可以包括检测电路，该检测电路在输入引脚(“Pulse_In”)上接收信号并且检测次级IC控制器516何时传送信息。
如上所述，USB-PD电力适配器500允许通过隔离势垒524、脉冲变压器536的隔离势垒或以与上面关于图1至图4描述的方式类似的方式进行通信。特别地，次级IC控制器516的SR驱动器电路可以在输出引脚(“SR_DRV”)上输出信号，以跨脉冲变压器536的隔离势垒传送控制信号。如本文所述，SR驱动器电路可以是在输出引脚上产生脉冲以跨脉冲变压器536的隔离势垒传送信息的其他驱动器电路。跨脉冲变压器536传输的控制信号可以用于控制有源钳位FET 583。
在另一实施方式中，AC-DC电力适配器设备包括耦接在AC端子与DC端子之间的反激式转换器(具有反激式变压器)或隔离电力转换器。反激式变压器在AC端子与DC端子之间进行电流隔离的情况下将AC端子上的AC电力转换为DC端子上的DC电力。AC-DC电力适配器设备还包括耦接至反激式变压器的初级侧控制器和耦接至反激式变压器的次级侧控制器。初级侧电力开关(也称为初级侧FET或初级FET)和有源钳位FET耦接至反激式变压器的初级绕组和初级侧控制器。次级侧电力开关(也称为次级侧FET或次级FET)耦接至反激式变压器的次级绕组和次级侧控制器。初级侧控制器被配置成跨电流隔离势垒接收来自次级侧控制器的第一信号，并且响应于第一信号向初级侧电力开关施加第二信号以使初级侧电力开关导通和关断。可替选地，初级侧控制器被配置成直接接收来自次级侧控制器的第一信号，而不是跨电流隔离势垒接收。次级侧控制器还被配置成经由耦接在初级侧控制器与次级侧控制器之间的第一脉冲变压器将信息传送至初级侧控制器。次级侧控制器还被配置成跨耦接在次级侧控制器与有源钳位FET之间的第二脉冲变压器发送控制信号以控制有源钳位FET。由次级侧控制器发送的控制信号与用于控制次级侧FET的控制信号相同。而且，有源钳位FET(ACF)控制信号可以是独立信号，其中有源钳位FET的持续时间可以被控制成与发送至次级侧FET的控制信号无关。也就是说，第一控制信号可以控制有源钳位FET的切换(例如，有源钳位FET导通的持续时间和有源钳位FET关断的持续时间)，而第二控制信号可以单独控制次级侧FET。在另一实施方式中，所有三个FET都可以由三个独立的控制信号驱动。
在另一实施方式中，初级侧控制器包括脉冲接收器和驱动器。脉冲接收器跨电流隔离势垒接收来自次级侧控制器的第一信号。第一信号包括用于使初级侧电力开关导通的第一导通脉冲和用于使初级侧电力开关关断的第一关断脉冲。作为响应，耦接至脉冲接收器和初级侧电力开关(例如，初级侧FET)的驱动器将第一导通脉冲和第一关断脉冲施加至初级侧电力开关。
在另一实施方式中，AC-DC电力适配器设备包括耦接在初级侧控制器与次级侧控制器之间的第一脉冲变压器。初级侧控制器被配置成经由第一脉冲变压器接收来自次级侧控制器的第一信号作为一个或更多个脉冲。如本文所述，初级侧控制器可以检测次级侧控制器何时经由第一脉冲变压器传送信息。AC-DC电力适配器设备还包括耦接在次级侧控制器与有源钳位FET之间的第二脉冲变压器。次级侧控制器跨第二脉冲变压器发送第二信号以控制有源钳位FET。次级侧控制器发送相同的第二信号来控制次级侧FET与有源钳位FET同相切换。
本文描述的实施方式可以在电力传输系统诸如串行总线兼容的电力供应设备中实现。串行总线兼容的电力供应设备的示例可以包括串行总线电力传输(SBPD)设备、USB兼容的电力供应设备等。在一些实施方式中，SBPD设备是与USB-PD标准或更一般地与USB标准兼容的USB-PD设备。例如，SBPD设备可以用于基于输入电压(例如，Vbus_in、电力供应电压)来提供输出电压(例如，Vbus_c、电力供应电压)。SBPD设备可以包括本文描述的各种实施方式，以促进初级侧控制器与次级侧控制器之间的通信。SBPD设备可以包括电力转换器(例如，AC-DC转换器)和电力控制模拟子系统(例如，USB-PD控制器)。电力控制模拟子系统可以包括如本文描述的用于跨电流隔离势垒传送信息的电路系统、功能或两者。该信息可以包括用于不同功能的信息，诸如OV、UV、OCP、SCP、PFC、SR等。该信息可以包括用于任何这些不同功能的故障信息。
在其他实施方式中，SBPD设备连接至电源，诸如提供AC电力的壁式插座电源。在其他实施方式中，电源可以是不同的电源诸如电池，并且可以向SBPD设备提供DC电力。电力转换器可以转换从电源接收的电力(例如，将接收的电力转换为Vbus_in)。例如，电力转换器可以是AC-DC转换器并且将来自电源的AC电力转换为DC电力。在一些实施方式中，电力转换器是在输入(例如，初级侧)与输出(例如，次级侧)之间提供电流隔离的反激式转换器，诸如次级受控反激式转换器。
在一些实施方式中，SBPD设备向耗散器设备提供Vbus_c(例如，经由指定特定的输出电压和可能的输出电流的通信信道(CC))。SBPD设备还可以向耗散器设备提供对接地电位(例如，接地)的访问。在一些实施方式中，Vbus_c的提供与USB-PD标准兼容。电力控制模拟子系统可以从电力转换器接收Vbus_in。电力控制模拟子系统可以输出Vbus_in。在一些实施方式中，电力控制模拟子系统是与USB C型TM标准兼容的USB C型控制器。电力控制模拟子系统可以响应于Vbus_in和Vbus_c提供系统中断。
在一些实施方式中，SBPD设备的任何部件可以是IC的一部分，或者可替选地，SBPD设备的任何部件可以在其自己的IC中实现。例如，电力转换器和电力控制模拟子系统均可以是具有单独的封装和引脚配置的分立IC。
在一些实施方式中，SBPD设备可以为笔记本、加密狗、监视器、扩展坞、电力适配器、车辆充电器、电力组、移动适配器等提供完整的USB C型TM和USB电力传输端口控制解决方案。
使用隔离或电平移位器时的实施方式可能需要一些驱动器电路。驱动器电路可以像使用来自次级侧控制器516的PWM输出一样简单来驱动电容耦合控制器或光耦合器。当驱动脉冲变压器时，驱动器电路可以是复杂的结构。
在一些实施方式中，次级受控反激式转换器可以是单端正向转换器。在一些实施方式中，次级侧的前馈信息可以用于限制可以传递至初级侧FET 510和有源钳位FET 538的最大占空比。最大占空比可能随线电压而改变。线电压源自变压器绕组508。在另一实施方式中，线电压也可从512的源极引脚上的SR_Drain节点获得。
图6是示出根据一些实施方式的用于在USB电力传输中使用的具有次级受控有源钳位FET的USB设备的系统700的框图。系统700可以包括外围子系统710，外围子系统710包括用于在USB电力传输(USB-PD)中使用的若干部件。外围子系统710可以包括外围互连711，外围互连711包括时钟模块、用于向外围子系统710的各个部件提供时钟信号的外围时钟(PCLK)712。外围互连711可以是外围总线诸如单级或多级高级高性能总线(AHB)，并且可以在外围子系统710、CPU子系统730与系统资源740之间提供数据和控制接口。外围互连711可以包括诸如直接存储器访问(DMA)控制器的控制器电路，其可以被编程为在外围块之间传递数据而无需CPU子系统730的输入、控制或负荷。
外围互连711可以用于将外围子系统710的部件耦接至系统700的其他部件。耦接至外围互连711的可以是用于发送和接收信号的多个通用输入/输出(GPIO)715。GPIO 715可以包括被配置成实现各种功能诸如上拉、下拉、输入阈值选择、输入和输出缓冲器启用/禁用、单路复用等的电路。仍然可以由GPIO 715实现其他功能。一个或更多个定时器/计数器/脉宽调制器(TCPWM)717也可以耦接至外围互连，并且包括用于实现定时电路(定时器)、计数器、脉宽调制器(PWM)解码器以及可以对I/O信号进行操作并将数字信号提供至系统700的系统部件的其他数字功能的电路系统。外围子系统710还可以包括用于实现串行通信接口诸如I2C、串行外围设备接口(SPI)、通用异步接收器/发送器(UART)、控制器局域网(CAN)、时钟扩展外围设备接口(CXPI)等的一个或更多个串行通信块(SCB)719。
对于USB电力传输应用，外围子系统710可以包括USB电力传输子系统720，USB电力传输子系统720耦接至外围互连并且包括用于在USB电力传输中使用的一组USB-PD模块721。USB-PD模块721可以通过USB-PD互连623耦接至外围互连711。USB-PD模块721可以包括：用于将各种模拟信号转换成数字信号的模数转换(ADC)模块；根据PD合同调节VBUS线上的输出电压的误差放大器(AMP)；用于将电源电压转换成到电力系统700的精确电压(诸如3.5V至5V)的高电压(HV)调节器；用于准确地测量负载电流的低端电流感测放大器(LSCSA)；用于以可配置的阈值和响应时间在VBUS线上提供过电流和过电压保护的过电压保护(OVP)模块和过电流保护(OCP)模块；用于在提供者和消耗者配置中的USB电力传输中使用的外部电力场效应晶体管(FET)的一个或更多个栅极驱动器；以及用于支持在C型通信信道(CC)线上的通信的通信信道PHY(CC BB PHY)模块。USB-PD模块721还可以包括：用于确定存在充电电路并将其耦接至系统700的充电器检测模块；以及用于控制VBUS上的电压的放电的VBUS放电模块。放电控制模块可以被配置成耦接至VBUS线上的电源节点或VBUS线上的输出(电力耗散器)节点，并且将VBUS线上的电压放电至期望的电压水平(即，PD合同中协商的电压水平)。USB电力传输子系统720还可以包括用于外部连接的焊盘727和在C型端口上可能需要的静电放电(ESD)保护电路系统729。USB-PD模块721还可以包括用于检索和传送信息例如诸如从次级侧控制器到初级侧控制器的控制信号的通信模块。在一个实施方式中，USB-PD模块721包括次级侧控制器中的有源钳位控制模块以控制布置在初级侧(例如，AC-DC反激式转换器的初级侧)上的有源钳位FET。
GPIO 715、TCPWM 717和SCB 719可以耦接至输入/输出(I/O)子系统750，I/O子系统750可以包括耦接至多个GPIO 753的高速(HS)I/O矩阵751。GPIO 715、TCPWM 717和SCB719可以通过HS I/O矩阵751耦接至GPIO 753。
系统700还可以包括用于处理命令、存储程序信息和数据的中央处理单元(CPU)子系统730。CPU子系统730可以包括用于执行指令以及从多个存储器读取和写入多个存储器中的存储器位置的一个或更多个处理单元731。处理单元731可以是适合于在集成电路(IC)或片上系统(SOC)设备中操作的处理器。在一些实施方式中，可以利用大量门控时钟来优化处理单元731以用于低电力操作。在该实施方式中，可以实现各种内部控制电路以用于处理单元在各种电力状态下的操作。例如，处理单元731可以包括唤醒中断控制器(WIC)，该唤醒中断控制器被配置成将处理单元从睡眠状态唤醒，从而允许在IC或SOC处于睡眠状态时断开电力。CPU子系统730可以包括一个或更多个存储器，所述一个或更多个存储器包括闪速存储器733和静态随机存取存储器(SRAM)735以及只读存储器(ROM)737。闪速存储器733可以是被配置成存储数据、程序和/或其他固件指令的非易失性存储器(NAND闪存、NOR闪存等)。闪速存储器733可以包括读取加速器，并且可以通过在CPU子系统730内的集成来改善访问次数。SRAM 735可以是被配置成存储可由处理单元731访问的数据和固件指令的易失性存储器。ROM 737可以被配置成存储在系统700的操作期间不会改变的启动例程、配置参数以及其他固件参数和设置。SRAM 735和ROM 737可以具有相关联的控制电路。处理单元731和存储器可以耦接至系统互连739，以将去往CPU子系统730的各个部件的信号和来自CPU子系统730的各个部件的信号路由至系统700的其他块或模块。系统互连639可以被实现为系统总线，诸如单级或多级AHB。系统互连739可以被配置成接口，以将CPU子系统730的各个部件彼此耦接。系统互连739可以耦接至外围互连711，以提供CPU子系统730的部件与外围子系统710的部件之间的信号路径。
系统700还可以包括多个系统资源740，多个系统资源740包括电力模块741、时钟模块743、复位模块745和测试模块747。电力模块741可以包括睡眠控制模块、唤醒中断控制(WIC)模块、上电复位(POR)模块、多个电压基准(REF)和PWRSYS模块。在一些实施方式中，电力模块741可以包括允许系统700以不同的电压和/或电流水平从外部源汲取电力和/或向外部源提供电力并且支持控制器在不同电力状态诸如活动、低电力或睡眠下操作的电路。在各种实施方式中，随着系统700节流返回操作以实现期望的电力消耗或输出，可以实现更多的电力状态。例如，次级侧控制器可以访问次级侧的次级电气参数。在低线路和轻负载时，次级侧控制器可能会确定电力状态使得导通有源钳位FET无益。时钟模块743可以包括时钟控制模块、看门狗定时器(WDT)、内部低速振荡器(ILO)和内部主振荡器(IMO)。复位模块745可以包括复位控制模块和外部复位(XRES)模块。测试模块747可以包括用于控制和进入测试模式的模块以及用于模拟和数字功能(数字测试和模拟DFT)的测试控制模块。
系统700可以在单片(例如，单个)半导体管芯中实现。在其他实施方式中，系统700的各个部分或模块可以在不同的半导体管芯上实现。例如，CPU子系统730的存储器模块可以是片上的或分离的。在其他实施方式中，分离管芯电路可以被封装至单个“芯片”中，或者保持分离并被布置在电路板上(或者在USB线缆连接器中)作为分离元件。
系统700可以在许多应用环境中实现以向其提供USB-PD功能。在每个应用环境中，实现系统700的IC控制器或SOC可以被布置和配置在电子设备(例如，USB使能的设备)中以根据本文描述的技术执行操作。在一个示例实施方式中，系统700可以被布置和配置在用于膝上型计算机、笔记本型计算机等的个人计算机(PC)电力适配器中。在另一示例实施方式中，系统700可以被布置和配置在用于移动电子设备(例如，智能电话、平板等)的电力适配器(例如，壁式充电器)中。在另一示例实施方式中，系统700可以被布置和配置在壁式插座中，该壁式插座被配置成通过USB A型和/或C型端口提供电力。在另一示例实施方式中，系统700可以被布置和配置在车载充电器中，该车载充电器被配置成通过USB A型和/或C型端口提供电力。在又一示例实施方式中，系统700可以被布置和配置在电力组中，该电力组可以充电并且然后通过USB A型或C型端口向另一电子设备提供电力。在其他实施方式中，系统如系统700可以被配置有本文描述的电力开关门控制电路系统，并且可以被布置在各种其他USB使能的电子或机电设备中。
应当理解，可以将如与在IC控制器上实现或作为IC控制器实现的系统700的系统布置在不同的应用中，这可以关于正在使用的电源的类型和电力传输的方向而有所不同。例如，在车载充电器的情况下，电源是提供DC电力的车载电池，而在移动电力适配器的情况下，电源是AC壁式插座。此外，在PC电力适配器的情况下，电力传输的流动是从提供者设备至消耗者设备，而在电力组的情况下，电力传输的流动可以是双向的，这取决于电力组是作为电力提供者(例如，为另一设备供电)还是作为电力消耗者(例如，为自己充电)进行操作。由于这些原因，系统700的各种应用应当视为说明性而非限制性的意义。
图7是示出根据一个实施方式的在次级受控AC-DC反激式转换器中在各种情况下全部作为时间的函数的输出电压802、808和818、初级侧FET的栅极电压804、810和816以及初级侧FET的漏极电压806、812和818的波形图800。波形图802示出了次级受控AC-DC反激式转换器的输出电压。根据一个实施方式，在初始加电阶段(在图7中不可见)之后，输出电压是恒定的。波形图804示出了初级侧FET的栅极电压。波形图806示出了初级侧FET的漏极电压。下一组波形对应于以连续传导模式(CCM)操作的次级受控AC-DC反激式转换器的电压。具体地，波形808是以CCM操作的次级受控AC-DC反激式转换器的输出电压。波形810示出了初级侧FET的栅极电压，并且波形812示出了在CCM下操作的初级侧FET的漏极电压。最后一组波形对应于以不连续传导模式(DCM)操作的次级受控AC-DC反激式转换器的电压。具体地，波形814是以DCM操作的次级受控AC-DC反激式转换器的输出电压。波形816示出了初级侧FET的栅极电压，并且波形818示出了在DCM下操作的初级侧FET的漏极电压。返回参照图5，次级侧控制器516控制有源钳位FET 538以与次级侧FET 512同步导通。次级受控AC-DC反激式变换器在AC端子处获取AC电源，并且在DC端子处输出DC电源。对应的输出电压802、808和814在初始加电阶段之后是恒定的。控制信号——也称为驱动器信号或主开关脉冲宽度调制(例如，基于误差放大器(EA)输出的导通脉冲的变化)——被施加至初级侧FET的栅极。例如，较高的EA电压致使较宽的导通脉冲。由于也由次级侧控制器驱动的有源钳位FET 538利用用于控制次级侧FET的相同控制信号，因此泄漏能量被有源钳位FET 538回收，并且泄漏能量被再循环到DC总线上。如初级侧FET漏极节点的电压806、812和818所示，有源钳位FET减轻了初级侧FET导通时在每个开关周期出现的前沿尖峰。减轻电压尖峰有助于减少系统中的电磁干扰(EMI)，并且允许将更低额定值的FET用作主开关FET(初级侧FET)。在其他实施方式中，有源钳位原理可以用于单端正向转换器中。
图8是根据一个实施方式的由次级侧控制器跨电流隔离势垒控制初级侧的有源钳位FET的方法900的流程图。方法900可以由包括硬件(例如，电路系统、专用逻辑、可编程逻辑、微代码等)、软件、固件或其组合的处理逻辑来执行。在一个实施方式中，次级受控AC-DC反激式转换器中的次级侧控制器执行方法900。在另一实施方式中，图1的次级侧控制器116执行方法900。在另一实施方式中，图2的次级侧控制器216执行方法900。在另一实施方式中，图5的次级IC控制器516执行方法900。在另一实施方式中，图6的外围子系统710执行方法900。
参照图8，方法900开始于,处理逻辑跨电流隔离势垒从次级侧控制器生成第一控制信号和第二控制信号(框902)。处理逻辑经由耦接至次级侧控制器和初级侧控制器的第一脉冲变压器将第一控制信号发送至耦接至次级受控AC-DC反激式转换器中的反激式变压器的初级侧FET(例如，初级侧电力开关)以使初级侧电力开关导通和关断(框904)。处理逻辑经由次级侧控制器的栅极驱动器发送第二控制信号以驱动次级侧FET(框906)。然后，处理逻辑经由耦接至次级侧控制器和有源钳位FET的第二脉冲变压器发送相同的第二控制信号以使有源钳位FET导通和关断，该有源钳位FET耦接至反激式变压器并且布置在反激式变压器的初级侧(框908)。
在另一实施方式中，处理逻辑跨电流隔离势垒发送第一控制信号和第二控制信号作为脉冲信号。第一控制信号包括用于使初级侧FET导通和关断的脉冲信息。第二控制信号包括用于使有源钳位FET导通和关断的脉冲信息。处理逻辑还将相同的第二控制信号发送至次级侧FET以控制次级侧FET与有源钳位FET同相。在一些情况下，脉冲接收器响应于跨电流隔离势垒从次级侧控制器接收的信号而生成具有带有第一脉冲宽度的一个或更多个脉冲的脉冲信号。处理逻辑可以通过生成具有带有第二脉冲宽度的一个或更多个附加脉冲的脉冲信号来将脉冲信号的第一脉冲宽度改变为第二脉冲宽度。在另一实施方式中，为了将第一控制信号发送至初级侧FET，处理逻辑生成第一PWM脉冲信号并且将第一PWM脉冲信号施加至第一脉冲变压器的次级侧。将第一PWM脉冲信号施加至第一脉冲变压器的次级侧使在第一变压器的初级侧感应到信号以将第一PWM脉冲信号发送至初级侧控制器。初级侧控制器的脉冲接收器可以接收第一脉冲变压器的初级侧的信号，并且经由初级侧控制器的第一栅极驱动器向初级侧FET的栅极输出控制信号。第一控制信号使初级侧FET导通和关断以控制电力转换器的反激式变压器。在另一实施方式中，为了将第二控制信号发送至有源钳位FET，处理逻辑生成第二PWM脉冲信号并且将第二PWM脉冲信号施加至次级脉冲变压器的次级侧。将第二PWM脉冲信号施加至第二脉冲变压器的次级侧使在第二变压器的初级侧感应到信号以将第二PWM脉冲信号发送至有源钳位FET以驱动有源钳位FET。
在另一实施方式中，由于次级侧控制器在次级侧，因此次级侧控制器可以访问可以计算的次级电气参数，所述次级电气参数包括次级侧的线路和负载信息。例如，在低线路和轻负载时，次级侧控制器可以确定导通(例如，接合)有源钳位FET是无益的。这可以通过使不必要的栅极开关损耗最小化来提高效率。另外地或可替选地，次级侧控制器可以基于输出电力和输入电压来确定有源钳位FET的持续时间。
在另一实施方式中，次级侧控制器的处理逻辑使用相同的控制信号来控制初级侧的有源钳位FET和次级侧的次级侧FET。在这种情况下，有源钳位FET和次级侧FET同相切换，从而允许有源钳位FET保持导通达次级侧FET导通的持续时间，而不再更长。处理逻辑使用不同的控制信号来控制初级侧FET。由于有源钳位FET不需要在初级侧FET关断的整个持续时间期间保持导通，因此有源钳位FET与初级侧FET之间不需要人为的死区时间。
图9是根据另一实施方式的跨电流隔离势垒利用次级侧控制器来控制初级侧的有源钳位FET和初级侧FET以及利用次级侧控制器来控制次级侧FET的方法1000的流程图。方法1000可以由包括硬件(例如，电路系统、专用逻辑、可编程逻辑、微代码等)、软件、固件或其组合的处理逻辑来执行。在一个实施方式中，次级受控AC-DC反激式转换器中的次级侧控制器执行方法1000。在另一实施方式中，图1的次级侧控制器116执行方法1000。在另一实施方式中，图2的次级侧控制器216执行方法1000。在另一实施方式中，图5的次级IC控制器516执行方法1000。在另一实施方式中，图6的外围子系统710执行方法1000。
参照图9，方法1000开始于处理逻辑将第一控制信号发送至初级侧FET(框1002)以及经由次级侧控制器的栅极驱动器从次级侧控制器发送第二控制信号以控制次级侧FET(框1004)。处理逻辑经由耦接至次级侧控制器和初级侧控制器的第一脉冲变压器将第一控制信号发送至耦接至次级受控AC-DC反激式转换器中的反激式变压器的初级侧FET(例如，初级侧电力开关)以使初级侧电力开关导通和关断。处理逻辑访问包括次级侧的线路和负载信息的次级电气参数(框1006)。处理逻辑基于次级电气参数确定是否接合有源钳位(框1008)。例如，在低线路和轻负载时，处理逻辑可以确定切换有源钳位FET是无益的，并且不接合有源钳位FET(例如，处理逻辑不跨第二脉冲变压器将第二控制信号发送至有源钳位FET)。另外地或可替选地，在高线路和重负载下，处理逻辑可以确定导通有源钳位FET是有益的。在这种情况下，处理逻辑然后经由耦接至次级侧控制器和有源钳位FET的第二脉冲变压器发送相同的第二控制信号以使有源钳位FET导通和关断，该有源钳位FET耦接至反激式变压器并且布置在反激式变压器的初级侧(框1010)。
在以上描述中，具体实施方式中的某些部分按照对计算机存储器内的数据比特进行操作的算法和符号表示而呈现。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用于将技术人员的工作实质最有效地传达给本领域的其他技术人员的手段。此处，算法是并且通常被构思成致使期望结果的步骤的自身一致的序列。这些步骤是要求对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管不是必须的，但是这些量采用能够被存储、传递、组合、比较和以其他方式操纵的电信号或磁信号的形式。已经证明有时，主要由于普遍使用的原因，把这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语、数字等。
然而，应当牢记，所有这些术语以及类似术语均应与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非特别声明，否则如根据以上讨论明显的是，可以理解，在整个描述中，利用诸如“接收”、“调整”等术语的讨论指的是计算系统或类似电子计算设备的动作和处理，其操纵计算系统的寄存器和存储器内被表示为物理(例如，电子)量的数据并将这些数据转换成在计算系统存储器或寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内被类似地表示为物理量的其他数据。
本文使用词语“示例”或“示例性”以表示用作示例、实例或说明。本文描述为“示例”或“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为比其他方面或设计优选或有利。相反，词语“示例”或“示例性”的使用旨在以具体方式呈现构思。如本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而非排他性的“或”。也就是说，除非另有指定或根据上下文是清楚的，“X包括A或B”意在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X包括A；X包括B；或者X包括A和B两者，那么在任何前述情况下均满足“X包括A或B”。另外，除非另有指定或者根据上下文清楚地指向单数形式，否则在本申请和所附权利要求书中所使用的冠词“一个”和“一种”通常应当被解释为意指“一个或更多个”。此外，除非如此描述，否则全文中术语“实施方式(anembodiment)”、或“一个实施方式(one embodiment)”、或者“实施方式(an embodiment)”或“一种实施方式(one embodiment)”的使用不意在表示同一实施方式或实施方式。
本文描述的实施方式还可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以针对所需目的而专门构造，或者该装置可以包括通过存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在非暂态计算机可读存储介质中，例如但不限于包括以下的任何类型的盘：软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、闪速存储器或者适合于存储电子指令的任何类型的介质。术语“计算机可读存储介质”应当被视为包括存储一组或更多组指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”还应当被视为包括能够存储、编码或承载如下指令集的任何介质：该指令集由机器执行并且使机器执行本实施方式的方法中的任何一种或更多种方法。术语“计算机可读存储介质”因此应当被视为包括但不限于固态存储器、光学介质、磁介质、能够存储用于由机器执行并且使机器执行本实施方式的方法中的任何一种或更多种方法的指令集的任何介质。
本文呈现的算法和显示并非固有地与任何特定的计算机或其他装置相关。各种通用系统可以与根据本文的教导的程序一起使用，或者可以证明构造更加专用的装置以执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将从下面的描述中呈现。另外，并未参照任何特定的编程语言对本实施方式进行描述。应当理解，各种编程语言可以用于实现如本文所述的实施方式的教导。
以上描述阐述了许多具体细节，诸如具体系统、部件、方法等的示例，以提供对本公开内容的若干实施方式的良好理解。应当理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。在阅读并理解以上描述之后，许多其他实施方式对本领域那些技术人员将是明显的。因此，应当参照所附权利要求书连同这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本公开内容的范围。

Claims (20)

1.一种次级侧受控交流至直流(AC-DC)转换器，包括：
初级侧场效应晶体管(FET)；
次级侧FET；
所述AC-DC转换器的变压器，其中，所述变压器耦接至所述初级侧FET和所述次级侧FET；
耦接至所述初级侧FET的有源钳位FET，其中，所述有源钳位FET布置在所述变压器的初级侧上；以及
耦接至所述变压器的次级侧控制器，其中，所述次级侧控制器被配置成跨电流隔离势垒控制所述有源钳位FET。
2.根据权利要求1所述的次级侧受控AC-DC转换器，还包括耦接在所述有源钳位FET与所述次级侧控制器之间的脉冲变压器，其中，所述次级侧控制器用于经由所述脉冲变压器向所述有源钳位FET发送控制信号。
3.根据权利要求2所述的次级侧受控AC-DC转换器，其中，所述次级侧控制器包括：
耦接至所述次级侧FET的栅极的第一驱动器；
耦接至所述脉冲变压器的初级侧的第二驱动器；以及
用于生成所述控制信号的电路。
4.根据权利要求2所述的次级侧受控AC-DC反激式转换器，其中，所述脉冲变压器耦接至同步整流器，其中，所述同步整流器用于经由所述脉冲变压器驱动所述有源钳位FET。
5.根据权利要求1所述的次级侧受控AC-DC反激式转换器，其中，所述次级侧控制器用于使用相同的控制信号来控制所述次级侧FET和所述有源钳位FET。
6.根据权利要求1所述的次级侧受控AC-DC转换器，还包括：
耦接在初级侧控制器与所述次级侧控制器之间的第一脉冲变压器，其中，所述初级侧控制器耦接至所述初级侧FET，并且其中，所述次级侧控制器用于使用第一控制信号来控制所述初级侧FET；以及
耦接至所述有源钳位FET和所述次级侧控制器的第二脉冲变压器，其中，为了控制所述有源钳位FET，所述次级侧控制器用于经由所述第二脉冲变压器向所述有源钳位FET发送第二控制信号。
7.根据权利要求1所述的次级侧受控AC-DC转换器，其中，所述有源钳位FET是包括浮动接地的n型FET(NFET)。
8.根据权利要求1所述的次级侧受控AC-DC转换器，其中，所述有源钳位FET是包括参考接地的p型FET(PFET)。
9.根据权利要求1所述的次级侧受控AC-DC转换器，还包括耦接在所述有源钳位FET与整流DC线(VIN)之间的电容器。
10.根据权利要求1所述的次级侧受控AC-DC转换器，其中，所述次级侧FET的源极耦接至USB-C连接器的GND端子。
11.一种方法，包括：
由次级侧受控交流至直流(AC-DC)反激式转换器中的次级侧控制器生成控制信号；
由所述次级侧控制器使用所述控制信号来控制耦接至反激式变压器的次级侧FET；以及
由所述次级侧控制器使用所述控制信号来控制布置在所述反激式变压器的初级侧上的有源钳位FET。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，由所述次级侧控制器控制所述有源钳位FET包括：跨耦接在所述有源钳位FET与所述次级侧控制器之间的脉冲变压器发送所述控制信号。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括由所述次级侧控制器使用第一控制信号来控制耦接至变压器的初级侧场效应晶体管(FET)，其中，由所述次级侧控制器控制所述初级侧FET包括：跨耦接至所述初级侧FET和所述次级侧控制器的第一脉冲变压器发送所述第一控制信号。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
由所述次级侧控制器确定直流(DC)输出线上的输出电力；
响应于确定所述输出电力高于阈值，将所述次级侧FET和所述有源钳位FET激活达第一持续时间；以及
响应于确定所述输出电力低于所述阈值，将所述次级侧FET和所述有源钳位FET去激活达第二持续时间。
15.一种交流至直流(AC-DC)电力适配器设备，包括：
USB-C连接器；
耦接在AC端子与DC端子之间的变压器，所述变压器用于在所述AC端子与所述DC端子之间进行电流隔离的情况下将所述AC端子上的AC电力转换为所述DC端子上的DC电力；
初级侧场效应晶体管(FET)；
次级侧FET；
次级侧控制器；
耦接至所述次级侧控制器的有源钳位FET，其中，所述有源钳位FET布置在所述变压器的初级侧上；以及
耦接至所述变压器的次级侧控制器，其中，所述次级侧控制器用于跨电流隔离势垒控制所述有源钳位FET。
16.根据权利要求15所述的AC-DC电力适配器设备，还包括耦接在所述有源钳位FET与所述次级侧控制器之间的脉冲变压器，其中，为了控制所述有源钳位FET，所述次级侧控制器用于经由所述脉冲变压器向所述有源钳位FET发送控制信号。
17.根据权利要求15所述的AC-DC电力适配器设备，其中，所述次级侧控制器用于使用相同的控制信号来控制所述次级侧FET和所述有源钳位FET。
18.根据权利要求16所述的AC-DC电力适配器设备，其中，所述次级侧控制器包括：
耦接至所述次级侧FET的栅极的第一驱动器；
耦接至所述脉冲变压器的初级侧的第二驱动器；以及
用于生成所述控制信号的电路。
19.根据权利要求16所述的AC-DC电力适配器设备，其中，所述脉冲变压器耦接至同步整流器，其中，所述同步整流器用于经由所述脉冲变压器驱动所述有源钳位FET。
20.根据权利要求15所述的AC-DC电力适配器设备，还包括：
耦接在初级侧控制器与所述次级侧控制器之间的第一脉冲变压器，其中，所述初级侧控制器耦接至所述初级侧FET，并且其中，所述次级侧控制器用于使用第一控制信号来控制所述初级侧FET；以及
耦接在所述有源钳位FET与所述次级侧控制器之间的第二脉冲变压器，其中，所述次级侧控制器用于使用第二控制信号来控制所述有源钳位FET。
CN202080058808.9A 2019-08-22 2020-08-18 用于提高效率的次级受控有源钳位实现方式 Pending CN114270686A (zh)

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