CN114424445A - 用于具有集成同步整流器控制器的usb电力输送的分离状态下的节电技术 - Google Patents

用于具有集成同步整流器控制器的usb电力输送的分离状态下的节电技术 Download PDF

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Abstract

一种用于AC‑DC转换器的次级侧控制器，该次级侧控制器具有耦接至AC‑DC转换器的同步整流器(SR)的单个同步整流器感测(SR_SNS)端子，以及耦接至单个SR_SNS端子的分压器电路，分压器电路被配置成向感测电路提供信号。分压器包括有源二极管、内部电阻元件和开关，其中，有源二极管被配置成基于单个SR_SNS端子处的电压与参考电压的比较结果来控制开关以启用或禁用内部电阻元件。

Description

用于具有集成同步整流器控制器的USB电力输送的分离状态 下的节电技术
优先权
本申请是于2019年12月6日提交的美国非临时申请第16/705,509号的国际申请，其要求于2019年9月23日提交的美国临时申请第62/904,026号的优先权和权益，所有这些申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容总体上涉及AC-DC电力转换器，并且更具体地涉及包括同步整流器感测架构的次级侧受控的转换器及其操作方法。
背景技术
AC-DC转换器将电力从交流(AC)源转换为处于指定的电压电平的直流(DC)。对于给定的尺寸，使用次级侧控制的AC-DC转换器可以更有效地输送电力，并且因此广泛地用于便携式电子设备中。通常，AC-DC转换器将电力从连接至或耦接至变压器的初级侧的AC输入传输至耦接至变压器的次级侧的DC输出。
图1示出了包括同步整流器(SR)感测架构的一个这样的AC-DC转换器的简化示意性框图。参照图1，AC-DC转换器100通常包括变压器102、有源整流元件或电力开关(PS)(例如在变压器的初级侧上的PS场效应晶体管(PS_FET 104))、同步整流器(SR)(例如在变压器的次级侧的SR场效应晶体管(SR_FET 106))以及输出滤波器或电容器108。在操作中，PS_FET 104响应于来自初级侧控制器110的信号而导通或关断至初级侧的电力。在次级侧受控的转换器中，耦接至SR_FET 106的漏极节点(SR_DRAIN 114)和栅极的次级侧控制器112感测SR_DRAIN上的电压，并且响应于感测到的电压峰值以及负交叉和过零来使SR_FET导通和关断。
在反激式转换器中，初级侧控制器110通过反馈或反激式路径116从SR_FET 106或次级侧控制器112接收信号。在PS_FET 104导通或闭合而SR_FET 106关断或断开的时间期间，AC-DC转换器100被认为在反激式模式下操作，并且在变压器102中建立磁场，同时初级侧上的电流线性地增加。当PS_FET 104关断或断开并且SR_FET1 06导通或闭合时，AC-DC转换器100将电力传输至次级侧，其中，磁场开始衰减并且次级电流随着电力被供给至连接至输出的Cout 108稳定而逐渐地减小，直至达到在次级侧中基本上为零电流流动的点为止。
使用SR感测架构的前几代AC-DC转换器的一个问题是，取决于变压器102的匝数比(N：1)(通常为4：1)，SR_FET 106的漏极节点114上的电压可能超过经整流的AC输入电压的1/N，对于230V AC输入而言通常高达115V。这又需要在SR_DRAIN节点114上使用相对较大且昂贵的高电压FET以及在次级侧控制器112中使用附加静电放电(ESD)电路以将该电压从漏极节点114安全地耦接至次级侧控制器。
至少部分地解决上述问题的现有方法依赖于在次级控制器112内部使用以大于150V容错技术制造的大的高功率FET来感测SR_DRAIN节点114，或者依赖于使用外部箝位电路118来对至次级侧控制器112的输入进行限幅。这些方法尚不能完全令人满意，因为次级侧控制器112通常被实现为集成电路(IC)，并且使用外部箝位电路118来对至IC的输入进行限幅需要用于峰值检测和前馈(feed-fwd)感测的附加封装引脚和外部部件以及连接，这是因为在外部对SR_DRAIN节点114上的电压进行限幅会干扰这些检测。因此，使用外部箝位电路118增加了IC的尺寸和复杂性以及专用于SR感测的IC的封装引脚的数量。这又增加了制造AC-DC转换器100所需的材料清单(BOM)以及在其上制造次级侧控制器112的IC的尺寸，这两者都倾向于增加成本，同时降低AC-DC转换器100在需要紧凑电力转换器的应用中的产量和效用。
前几代AC-DC转换器100以及特别是次级侧受控的反激式转换器的另一个问题是由于需要检测初级侧上的谷值或最小电压而产生的。在AC-DC转换器100中，PS_FET 104应当在谷值处导通，以使开关损耗最小化并且从而实现最佳效率。然而，在次级侧受控的反激式转换器100中，例如如图1所示，因为初级侧上的谷值被检测为次级侧上的峰值(其对应于次级侧上的峰值)，所以需要准确地进行峰值的检测。由于外部箝位电路118将不允许准确地感测SR_DRAIN上的峰值，因此峰值检测的该附加要求导致在SR_DRAIN节点114上需要附加部件。因此，在SR_DRAIN114上需要附加部件，例如如图1所示，电容器功能Cpd被添加到AC-DC转换器100中。因此，外部峰值检测部件(Cpd)的使用增加了IC的尺寸和复杂性以及专用于SR感测的IC的封装引脚的数量。这又增加了制造AC-DC转换器100所需的材料清单(BOM)以及在其上制造次级侧控制器112的IC的尺寸，这两者都倾向于增加成本，同时降低AC-DC转换器100在需要紧凑电力转换器的应用中的产量和效用。因此，利用前几代反激式转换器100不能够准确地击中谷值，从而导致效率损耗。
因此，需要在不负面地影响性能的情况下降低成本和复杂性的具有次级侧控制和SR感测架构的AC-DC转换器及其操作方法。还需要提供准确的谷值检测以提高效率的具有次级侧控制和SR感测架构的反激式转换器及其操作方法。
附图说明
现在将参照所附示意图仅通过示例的方式来描述本发明的实施方式，其中对应的附图标记指示对应的部件。此外，并入本文中并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且附图与说明书一起进一步用于说明本发明的原理并且使得相关领域的技术人员能够进行并使用本发明。
图1是示出AC-DC转换器的示意性框图，本公开内容的次级侧控制器和同步整流器(SR)架构对于该AC-DC转换器特别有用；
图2A是描绘根据本公开内容的包括次级侧控制器和SR架构的AC-DC转换器的实施方式的示意性框图；
图2B是描绘根据本公开内容的图2A的次级侧控制器的实施方式的详细框图；
图2C是描绘根据本公开内容的包括光隔离器的图2A的隔离阻障部(barrier)的实施方式的示意性框图；
图2D是描绘根据本公开内容的包括脉冲变压器的图2A的隔离阻障部的另一实施方式的示意性框图；
图2E是描绘图2B的次级侧控制器的一部分的示意性框图，图2E描绘了根据本公开内容的SR感测块的实施方式；
图3是示出根据本公开内容的用于操作包括次级侧控制器和SR架构的AC-DC转换器的方法的实施方式的流程图；
图4是示出在通过图3的方法操作时图2A的电路中的初级电流(I_初级)和次级电流(I_次级)随时间变化的图形；
图5是示出当通过图3的方法操作时图2A的电路中的SR的漏极节点上的电压随时间变化的图形；
图6是示出当通过图3的方法操作时图2E的电路中的SR感测块的SR的栅极、NSN_OUT节点和ZCD_OUT节点上的信号随时间变化的图形；
图7A是描绘图2B的次级侧控制器的一部分的示意性框图，图7A描绘了根据本公开内容的SR感测块和分压器的实施方式；
图7B是描绘根据本公开内容的分压器的一部分的示意性框图；
图8是描绘图2B的次级侧控制器的一部分的示意性框图，图8描绘了根据本公开内容的SR感测块和分压器的实施方式；
图9是描绘根据本公开内容的分压器的一部分的两个替选实施方式的示意性框图；以及
图10是示出根据本公开内容的用于操作包括次级侧控制器和SR架构的AC-DC转换器的方法的实施方式的流程图。
具体实施方式
公开了具有包括单个SR感测(SR_SNS)引脚或端子的次级侧控制和同步整流器(SR)架构的AC-DC转换器及其操作方法，以用于降低转换器的成本、复杂度和尺寸，同时提高效率。本公开内容的系统和方法在AC-DC反激式转换器中特别有用或者在有AC-DC反激式转换器的情况下特别有用，以改进谷值检测，从而改进次级侧控制器对初级侧电力开关或初级FET的控制，以提高转换器的效率。
实施方式的概述：
本文中所描述的示例、实现方式和实施方式包括针对次级侧受控的AC-DC转换器、系统和其操作方法的具有有源二极管的分压器，以在分离状态期间提供未分压的感测信号以用于提高感测效率并减少电力损耗。
根据一个实施方式，本主题的用于AC-DC转换器的次级侧控制器可以具有单个同步整流器感测(SR_SNS)端子，所述单个SR_SNS端子耦接至AC-DC转换器的同步整流器(SR)，具有显著小于SR漏极电压的最大输入电压。次级侧控制器还可以具有耦接至单个SR_SNS端子的分压器电路，所述分压器电路被配置成向感测电路提供信号。在一个实施方式中，分压器可以包括有源二极管、内部电阻元件和开关。在该实施方式中，有源二极管被配置成基于单个SR_SNS端子处的电压与参考电压的比较结果来控制开关以启用或禁用内部电阻元件。
在一个实施方式中，之前提及的次级侧控制器的有源二极管还可以被配置成当AC-DC转换器处于分离状态并且AC-DC转换器不通过USB C型连接器电耦接至任何负载时禁用内部电阻元件。
在一个实施方式中，有源二极管可以具有比较器和或非逻辑功能，其中，比较器的反向输出信号和分离信号耦接至或非逻辑功能的两个输入端，并且或非逻辑功能的输出信号被配置成控制开关的操作。
在一个实施方式中，有源二极管可以具有比较器，该比较器被配置成当单个SR_SNS端子处的电压大于Vref时向开关提供启用信号，并且当单个SR_SNS端子处的电压小于Vref时向开关提供禁用信号。
在一个实施方式中，感测电路可以具有整体地形成在感测电路上的过零检测(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测(PKD)块和线前馈(LFF)块。ZCD块、PKD块、NSN块和LFF块可以通过单个SR_SNS端子耦接至SR的漏极。
在一个实施方式中，分压器电路可以不包括任何包括P-N结二极管的无源二极管。
在一个实施方式中，分压器电路还可以具有耦接在单个SR_SNS端子与SR的漏极之间的外部电阻元件，其中，外部电阻元件可以被布置在次级侧控制器的外部。
在一个实施方式中，外部电阻元件可以具有基于以下各项的电阻值：到AC-DC转换器的变压器的初级侧的AC输入电压、变压器的匝数比、以及到单个SR_SNS端子的小于20V的最大输入电压。
在一个实施方式中，内部电阻元件可以通过开关串联地耦接至地，其中，开关可以由有源二极管控制，开关可以被配置成在次级侧控制器中的负感测和过零检测期间禁用分压。
在一个实施方式中，用于AC-DC转换器的次级侧控制器还可以具有布置在SR_SNS端子与VBUS_IN端子之间的无源二极管，其中，无源二极管可以被配置成在AC-DC转换器的上电期间限制SR_SNS端子处的电压。在实施方式中，参考电压可以是预定的或能够编程的。
在一个实施方式中，PKD块可以包括通过内部电容器耦接至SR_SNS端子的PKD比较器以在不对SR_SNS端子上的峰值电压进行任何限幅的情况下检测所述峰值电压，并且可以被配置成生成PKD_OUT信号，该PKD_OUT信号被处理并发送至初级侧控制器以导通耦接在AC输入与变压器的初级侧之间的电力开关(PS)，以启用谷值切换操作模式。感测电路还可以具有ZCD块，该ZCD块具有耦接在SR_SNS端子与AC-DC转换器的DC输出的负极端子之间的ZCD比较器，所述比较器可以被配置成当在无任何分压的情况下在SR_SNS端子上感测到过零电压时生成零电流信号以关断SR。在一个实施方式中，感测电路还可以具有NSN块，该NSN块具有耦接至SR_SNS端子的NSN比较器以在无任何分压的情况下检测负电压交叉，其中，NSN比较器被配置成生成用于导通SR的信号。在一个实施方式中，感测电路还可以具有LFF块，该LFF块具有耦接至SR_SNS端子的电压-电流(V2I)块以在有分压的情况下检测成比例的AC线输入电压，并且该线输入电压信息用于改变AC-DC转换器的参数以提高效率和性能。
根据一个实施方式，一种操作次级侧受控的AC-DC转换器的方法可以包括以下步骤：利用次级侧控制器来感测耦接至变压器的次级侧的同步整流器(SR)的漏极上的电压，所述次级侧控制器包括集成电路(IC)，所述集成电路(IC)包括单个同步整流器感测(SR_SNS)端子，所述IC通过单个SR_SNS端子耦接至SR的漏极；通过单个SR_SNS端子感测SR的漏极上的电压；通过包括有源二极管、内部电阻元件和开关的分压器电路将单个SR_SNS端子耦接至地；当SR_SNS端子处的电压被确定为小于参考电压时，使用有源二极管和开关来禁用内部电阻元件；以及当AC-DC转换器处于分离状态时，使用有源二极管和开关来禁用内部电阻元件。
在一个实施方式中，之前提及的方法还可以具有以下步骤：当SR_SNS端子处的电压被确定为大于参考电压并且AC-DC转换器处于附接状态时，使用有源二极管和开关来启用内部电阻元件。
在一个实施方式中，禁用内部电阻元件的步骤可以包括在无衰减的情况下在负感测和过零检测检测操作期间感测未分压电压。
在一个实施方式中，启用内部电阻元件的步骤可以包括在线前馈感测操作期间感测SR_SNS端子处的分压电压。
在实施方式中，用于电压比较的参考电压可以是预定的或能够编程的。
根据一个实施方式，本主题的USB系统可以包括变压器，该变压器具有被耦接以接收经整流的AC输入的初级侧以及通过USB连接器耦接至DC输出的次级侧，以及耦接在DC输出与次级侧之间的同步整流器(SR)。在一个实施方式中，之前提及的USB系统还可以具有次级侧控制器，该次级侧控制器可以具有集成电路(IC)和多个端子，IC通过所述多个端子耦接至变压器的次级侧，多个端子包括单个同步整流器感测(SR_SNS)端子，IC通过该单个SR_SNS端子耦接至SR的漏极以感测SR的漏极上的电压。在一个实施方式中，单个SR_SNS端子可以通过分压器电路耦接至SR的漏极和感测电路，其中，分压器电路可以具有有源二极管、内部电阻元件和开关。在一个实施方式中，有源二极管可以被配置成基于单个SR_SNS端子处的电压与参考电压的比较结果来控制开关以启用或禁用内部电阻元件。
在一个实施方式中，有源二极管还可以被配置成当AC-DC转换器处于分离状态时禁用内部电阻元件，其中，在分离状态下，AC-DC转换器不通过USB C型连接器电耦接至任何负载。
在一个实施方式中，分压器电路还可以具有将单个SR_SNS端子耦接至SR的漏极的外部电阻元件。
在一个实施方式中，感测电路可以具有整体地形成在IC上的过零检测(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测(PKD)块和线前馈(LFF)块。
下面参照附图来详细地描述本发明的实施方式的其他特征和优点以及本发明的各种实施方式的结构和操作。注意，本发明不限于本文中描述的特定实施方式。本文中提出这样的实施方式仅出于说明性目的。基于本文中所包含的教导，附加实施方式对相关领域技术人员而言将是明显的。
现在将参照图2A至图2E来描述根据本公开内容的包括次级侧控制器和SR架构的AC-DC转换器的实施方式。图2A是根据本公开内容的包括次级侧控制器202的实施方式并且具有SR架构的AC-DC转换器200的示意性框图。参照图2A，AC-DC转换器200通常包括变压器204，该变压器204具有电连接或耦接至AC输入的初级侧206上的初级绕组(NP)以及耦接至DC输出的次级侧208上的次级绕组(NS)。
在初级侧206上，耦接至变压器204的第一端子204a的整流电路例如桥式整流器210和一个或更多个输入滤波器212、214对AC输入电压进行整流，并且向变压器204的初级绕组提供输入电力。输入滤波器可以包括：第一输入滤波器212，其具有耦接至整流器210的输出或跨整流器210的输出两端的电容器(C1)；和第二RC滤波器214，其包括并联耦接在变压器204的第一端子204a与二极管或整流器(D2)的阴极之间的电阻器或电阻元件(R2)和电容器(C2)，二极管或整流器(D2)具有耦接至变压器的第二端子204b的阳极。通常，如在所示的实施方式中，AC-DC转换器200还包括电力开关(PS 216)例如初级场效应晶体管(PR_FET)，所述电力开关(PS 216)具有耦接至变压器204的第二端子204b的第一或漏极节点、耦接至初级侧控制器218的第二或栅极节点以及耦接至初级侧控制器并且通过电流感测元件(例如电阻元件(RCS))耦接至地的第三或源级节点，以在PS 216闭合或导电时感测流过初级绕组的初级电流(I_初级)。通常，如在所示的实施方式中，初级侧控制器218还通过电阻元件(Rin)耦接至变压器204的第一端子204a，以接收等于经整流的AC输入电压或与经整流的AC输入电压成比例的电压或信号。
在次级侧208上，AC-DC转换器200包括耦接在变压器204的第三端子204c与电接地或接地端子之间的滤波电容器221，以及耦接在变压器204的第三端子204c与电接地之间以向输出接口或连接器222提供DC输出电压的输出电容器220。通常，如在所示的实施方式中，输出连接器222还通过多个通信信道224耦接至次级侧控制器202，以支持各种充电协议。合适的输出连接器222可以包括兼容并支持下述标准和专有的充电协议的连接器：包括具有可编程电力供应(PPS)的通用串行总线电力输送USB PD2.0和USB PD3、
Figure BDA0003558560350000081
Quick Charge、
Figure BDA0003558560350000082
AFC和
Figure BDA0003558560350000083
充电协议。例如，连接器可以包括通用串行总线C型(USB-C)兼容性连接器，其中，AC-DC转换器200符合USB协议以在约0毫安(mA)至约3000毫安(mA)的电流下提供约3.3VDC至约21.5VDC的DC输出电压。
根据本公开内容，AC-DC转换器200在次级侧208上还包括同步整流器(SR 226)例如同步整流器场效应晶体管(SR_FET)，所述同步整流器(SR 226)耦接在变压器204的第四端子204d与DC输出的接地端子之间。SR 226包括：第一或漏极节点226a，其耦接至变压器204的第四端子204d和次级侧控制器202以感测SR的漏极上的电压；第二或栅极节点226b，其耦接至次级侧控制器以驱动或控制SR；以及第三或源极节点226c，其耦接至次级侧控制器和DC输出的接地端子。
在某些实施方式中，例如，如图所示，次级侧控制器202被实现或实施为单个集成电路(IC)，或者被实现或实施为封装在单个IC封装中的多个IC，并且漏极节点226a通过分压器230耦接至IC的单个SR_SNS引脚或端子228，分压器230包括在次级侧控制器的IC的内部和外部的电路元件。SR 226的栅极节点226b通过SR-G驱动(SR_GDRV)引脚或端子232耦接至次级侧控制器202，以及SR 226的源极节点226c通过SR_Vss(地电压电平)引脚或端子234耦接至次级侧控制器。
可选地，如在所示的实施方式中，次级侧还包括附加或次级开关(SS)236例如NFET，所述附加或次级开关(SS)236耦接在变压器204的第三端子204c与正DC输出之间，以使得次级侧控制器202能够关断DC输出以防止过压和/或欠压状况。SS 236包括：漏极节点，其耦接至次级侧控制器202的电压总线输入引脚或端子(VBUS_IN)238；栅极节点，其耦接至电压总线控制引脚或端子(VBUS_CTRL)240以驱动或控制SS；以及源极节点，其耦接至电压总线输出引脚或端子(VBUS_OUT)242和DC输出的正极端子。
分压器230包括外部电阻元件244、内部电阻元件246和内部整流器248。尽管示意性地示出为二极管，但应当理解，在每个实施方式中不必都是这种情况，并且内部整流器248可以是PN二极管(如图所示)，或者可替选地是同步二极管或被配置或连接为用作二极管的FET。内部整流器248的配置或放置——即阴极接地连接——确保了在负感测或过零操作期间基本上没有电流流过分压器230，从而允许漏极节点226a上的完整的未分压负电压耦接至SR_SNS引脚228。外部电阻元件244的电阻值通常由AC-DC转换器200的制造商固定，并且根据基于最大AC电压输入以及变压器204的匝数比的漏极节点226a上的预期最大电压进行选择，以限制SR_SEN节点228上的最大电压，以使得能够通过使用标准低压技术制造的非高压设备来制造次级侧控制器202。电阻元件244的电阻的合适值为约4KΩ至约10KΩ。例如，在一个实施方式中(其中，桥式整流器210之后的最大输入电压为380V以及变压器204的匝数比为4：1)，VBUS_IN 238上的电压为21.5V DC，SR_DRAIN 226a上的电压可能为116.5V。使用20V容错技术来制造次级侧控制器202，并且外部电阻元件244具有约10KΩ的电阻和约2KΩ的内阻，以将SR_SNS节点228上的最大电压限制在不超过约21.5V。
在图2A中示意性地示出为可变电阻的内部电阻元件246可以具有由制造商在基于期望输入电压或输出电压制造AC-DC转换器200时设置的电阻值，或者具有用于补偿AC-DC转换器中的IC或其他部件的参数变化的电阻值。可替选地，内部电阻元件246的电阻值可以由AC-DC转换器200或次级侧控制器202中的校准电路在AC-DC转换器启动或通电时动态地调整或者在AC-DC转换器启动或通电之后周期性地调整。
可选地，如在所示的实施方式中，分压器230还包括与内部整流器248并联的旁路开关元件或开关252。响应于在检测到漏极节点226a上升高的或非零的正电压(这指示前馈操作)时在次级侧控制器202中生成的ff信号(ff_enable)，开关252在前馈(ff)感测期间闭合。注意，尽管在图2A所示的实施方式中，内部整流器248和开关252被示意性地示为两个独立且不同的元件，但并非每个实施方式中都需要是这种情况，并且整流器和开关可以可替选地包括单个器件例如FET，其中，开关由FET形成，并且整流器由FET的源极与漏极之间的本征体二极管形成。
如图2A所示，AC-DC转换器200还包括隔离电路或阻障部254，所述隔离电路或阻障部254用于将次级侧208与在初级侧206上出现的高AC输入电压电隔离。因为变压器204是降压变压器，所以变压器204通常被认为是隔离阻障部254的一部分。此外，如在所示的实施方式中，AC-DC转换器200是反激式转换器，其中，将信号256从次级侧控制器202上的引脚(例如反馈引脚243或脉宽调制(PWM)驱动引脚258)提供给初级侧控制器218，隔离阻障部254还可以包括在次级侧控制器与初级侧控制器218或PS 216之间的附加电路或元件。下面参照图2C和图2D来描述根据各种实施方式的这些附加电路或元件的细节。
图2B是描绘图2A的次级侧控制器202的实施方式的详细框图。参照图2B，除了分压器230之外，次级侧控制器202通常还包括SR感测电路或块260以及通过SR-G驱动引脚232耦接至SR 226的栅极节点226b的SR栅极驱动器电路或块262。SR感测块260通过单个SR_SNS引脚228和分压器230耦接至SR226的漏极节点226a，并且通过SR-Vss引脚234耦接至SR的源极节点226c。SR感测块260通常包括过零检测(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测(PKD)块以及线前馈(LFF)块，以用于感测SR 226的漏极226a上的电压以感测或检测过零、负电压、峰值(正)电压和前馈操作。SR感测块260的一个或更多个输出耦接至SR栅极驱动器块262以控制SR 226，并且耦接至脉宽调制(PWM)电路264以通过PWM驱动引脚258向初级侧控制器218提供信号256以控制PS216。PWM电路264包括用于生成具有调制的脉冲宽度的信号的斜坡发生器和PWM，以及用于将信号的电压或电力提升到驱动初级侧控制器218或PS 216所需的电压或电力的PWM驱动器。
如图2B所示，次级侧控制器202还包括次级开关(SS)电路266。SS电路266包括：OV-UV电路或块，以用于检测VBUS_IN 238和VBUS_OUT242上的过压(OV)和欠压(UV)状况；低压降(LDO)和高压(HV)调节器；以及用于使VBUS_IN和VBUS_OUT放电的电路或块。
接口电路268开关包括用于与由AC-DC转换器200供电或充电的设备进行通信以支持各种充电协议的电路或块。这些电路或块可以包括使用特定充电协议与设备进行通信的两相标记码(BMC)物理层(PHY)、充电器检测块、以及使设备复位的上电复位(POR)块(在由AC-DC转换器200开始充电时将设备置于已知状态)。
次级侧控制器202还包括微控制器单元(MCU)子系统270，该MCU子系统270包括：用于执行存储在MCU子系统的存储器中的程序的逻辑微处理器或控制器；模数转换器(ADC)；能够执行MCU的操作所需的多个功能的多用途定时器计数器脉冲宽度调制器(TCPWM)；以及多个通用输入/输出(GPIO)(仅示出了其中的一个)。
最后，次级侧控制器202还包括反馈电路或耦接至反馈引脚243的电路272，以向PWM电路264提供误差校正，并且在隔离阻障部254的某些实施方式中以向初级侧控制器218提供反馈信号。通常，如在所示的实施方式中，电路272包括恒压(CV)参考、恒流(CC)参考、一个或更多个误差放大器和数模间转换器(IDAC)、低压侧电流感测放大器(LSCSA)和短路保护(SCP)块。
现在将参照图2C和图2D描述图2A的AC-DC转换器200的隔离阻障部254的实施方式。应注意，图2C和图2D各自示出了隔离阻障部254的一个示例性实施方式，并且可以实现隔离阻障部的其他实施方式，其他实施方式可以包括也可以不包括这些图中所示的所有元件和部件。因此，图2C和图2D的实施方式不旨在以任何方式限制本发明和所附权利要求。
参照图2C，在第一实施方式中，隔离阻障部254包括光隔离器274，以在次级侧控制器200的反馈引脚243与初级侧控制器218之间提供电隔离。通常，光隔离器包括发光元件(例如发光二极管(LED)274a)和光敏元件(例如光敏或光电晶体管274b)。LED 274a具有直接耦接至误差放大器输出引脚(EA_OUT)的阴极，以及通过包括第一电阻元件(R3)和第二电阻元件(R4)的分压器耦接至变压器204的第三端子204c的阳极。LED 274a的阴极还通过电阻电容滤波器或网络276和278耦接至FB引脚243和恒流补偿通用输入/输出(CC_COMP_GPIO)。光电晶体管274b可以包括双极性NPN晶体管，并且通过FB_输入引脚280耦接至初级侧控制器218。在该实施方式中，次级侧控制器202使用来自误差放大器272的输出来获取来自次级侧的反馈，并且通过光隔离器274将其传递给初级控制器。该架构提供三个关键特征：次级侧感测和调节、同步整流和充电端口控制器。
图2D是描绘图2A的隔离阻障部的另一实施方式的示意性框图，该隔离阻障部包括耦接在次级侧控制器202的PWM驱动引脚258与pulse_in引脚284和软启动(SS)引脚273之间的脉冲变压器282。初级侧控制器218的到初级侧控制器218的PWM驱动引脚258在电压模式控制中对初级MOSFET的脉冲宽度进行调制。在该架构中，初级侧控制器218将误差放大器272与PWM电路264的可编程斜坡发生器接合，以确定PWM信号的脉冲宽度。该PWM信号通过脉冲变压器282从次级侧控制器202传输至初级侧控制器218。该架构像图2C的架构那样也提供了三个关键特征：次级侧感测和调节、同步整流和充电端口控制器。隔离阻障部还包括变压器204的辅助线圈，该辅助线圈用作反激式降压变压器204e，以经由Aux引脚向初级侧控制器218提供电力。降压变压器204e与二极管D1以及随后的接地电容器C1一起存储降压电压，该降压电压随后被双极结晶体管(BJT)结构限幅并且然后耦接至辅助引脚。该附加电路有助于降低AC-DC转换器200的总电力消耗，因为初级侧控制器218通过Aux引脚被供电，而不是通过经由Rin耦接至变压器204的初级侧206上的第一端子204a的另一引脚由单独电源供电。连接至初级侧控制器218的过压保护(OVP)_AUX引脚284的电阻分压器R1、R2用于经由降压变压器204e感测次级侧208上的VBUS_IN的反射电压。利用该VBUS_IN信号，初级侧控制器218可以使用初级侧控制器的内部电路来禁用在此处示出为PR_FET的PS 216。
图2E是图2B的次级侧控制器的一部分的示意性框图，图2E描绘了根据本公开内容的SR感测块260的实施方式。如图2E所示，SR感测块包括过零检测(ZCD)块286、负感测(NSN)块288、峰值检测(PKD)块290和线前馈(LFF)块292，所有这些块都与次级侧控制器202的其他部件和元件一起整体地形成在单个IC上。
ZCD块286可以包括比较器，该比较器具有通过SR_Vss引脚234耦接至SR 226的源极节点226c的第一反相输入，以及耦接至SR_SNS引脚228并且通过分压器230耦接至SR的漏极节点226a的第二非反相输入。在其中SR_DRAIN 226a处于负电压并且朝向0V倾斜的ZCD检测阶段期间，整流器248保持启用而不启用开关252，以使得分压器230中无分压。这在ZCD比较器286的非反相输入处实现了SR_DRAIN 226a的直接电压。ZCD块286的比较器可以被配置成当在无任何分压的情况下在SR_SNS引脚228和SR_DRAIN引脚226a上感测到过零电压时生成零电流信号(ZCD_OUT)以关断SR 226。无分压使得能够精确地检测SR_DRAIN 226a的过零电流(或电压)，这提高了AC-DC转换器200的效率。
NSN块288也可以包括比较器，该比较器具有耦接至SR_SNS引脚228并且通过分压器230耦接至SR 226的漏极节点226a的第一反相输入，以及耦接至负参考电压(Vtnesn)的第二非反相输入，该负参考电压可以在-700mV至+200mV之间。该参考电压Vtnesn可以被定义为期望的负电压或低电压触发点，在该点处控制器需要导通SR_GDRV 226b。用于负参考电压的可替选方法可以是例如将通过SR-Vss引脚234耦接的非反相输入连接至SR 226的源极节点226c，并且比较器可以具有内置偏移以在SR_SNS引脚228处于负电压时触发。在SR_DRAIN 226a从正电压变为负电压的NSN检测阶段期间，整流器248保持启用而不启用开关252，以使得在分压器230中无分压。这在NSN比较器288的反相输入228处实现了SR_DRAIN226a的直接电压。NSN比较器288生成负电压信号(NSN_OUT)以导通SR 226。
在次级侧的电力输送期间，当SR 226关断时，并且由于PS 216尚未导通，因此导致SR_DRAIN 226a上的LC正弦振荡以及反激式变压器204的PR漏极204b端子上的反向正弦振荡。为了提高AC-DC转换器的效率，当这些正弦振荡中存在谷值(其对应于次级SR_DRAIN226a节点上的峰值)时，必须导通初级开关216。PKD块290是次级侧上的峰值感测块。PKD块290也可以包括比较器，该比较器具有通过开关294和内部电容器295耦接至SR_SNS引脚228并且通过分压器230从SR_SNS引脚耦接至SR226的漏极节点226a的第一反相输入，以及耦接至地的第二非反相输入。通常，如在所示的实施方式中，PKD块290还包括在比较器的第一输入与第二输入之间的背靠背连接的二极管电路296，以检测在SR_SEN 228上看到的正弦波形的峰值。比较器被配置成生成峰值电压检测信号(PKD_OUT)，该信号可以被耦接至初级侧控制器218以导通PS216以启用谷值切换操作模式。开关294在NSN和ZCD检测阶段期间保持关断，以避免在SR_SEN 228节点上的由PKD块提供的电容性负载，这减少了感测NSN和ZCD的延迟，并且提高了AC-DC转换器200的性能和效率。通过使用在ZCD_OUT决定SR FET 226的关断时的ZCD_OUT的导出信号，在峰值检测功能期间导通开关294，之后LC正弦振荡开始。
最后，AC线前馈(LFF)块292可以包括电压-电流(V2I)块，该V2I块通过开关297、使用二极管元件298以及电荷存储元件(电容器299)的采样和保持布置耦接至SR_SNS引脚228，并且通过分压器230耦接至SR 226的漏极节点226a。在初级开关216导通的阶段期间，根据反激式变压器204的匝数比(N)，反激式变压器的节点204d与204c之间的差值在变压器204的节点204a上形成线输入经整流电压的成比例的反射电压。由于节点204d也耦接至SR_DRAIN 226a，该SR_DRAIN 226a用作在电阻分压器230之后的次级侧控制器202内的感测节点，因此节点SR_SEN228也携带使用LFF块292导出的线输入电压信息。次级侧控制器202可以使用线输入信息来改变谷值切换或PWM脉冲宽度，以在可变的AC线输入上优化AC-DC转换器200的效率。初级开关216导通并且SR_DRAIN226a获得反射的成比例电压的阶段被定义为前馈感测阶段，并且在该阶段期间，开关297导通以经由SR_SEN 228引脚开始感测线输入电压。同时，开关252也导通以旁路整流器元件248，以允许SR_DRAIN 226a的精确电阻分压版本到达LFF块292的输入。开关297在NSN和ZCD检测阶段期间保持关断，以避免在SR_SEN 228节点上的由LFF块提供的电容性负载，这有助于减少感测NSN和ZCD的延迟，并且提高了AC-DC转换器200的性能和效率。LFF块292被配置成当AC-DC转换器200在前馈感测模式下操作时生成电流信号(IFF_OUT)。然后，该IFF_OUT电流可以用于根据线AC电压来调节PWM脉冲宽度，这在宽范围的AC输入电压范围内提高了AC-DC转换器的性能和效率。IFF_OUT电流也可以被转换为与线AC输入电压成比例的电压，并且可以用于次级侧控制器上所需的任何功能，例如用于针对相同的输出电力要求基于线AC电压来改变初级FET 216要导通时的谷值，以提高AC-DC转换器200的性能。
现在将参照图3的流程图和图4和图5的图形来描述操作具有次级侧控制器的AC-DC转换器的方法，该次级侧控制器包括具有单个SR_SNS引脚的IC，通过该单个SR_SNS引脚，IC通过分压器耦接至SR的漏极。图4是示出当通过图3的方法操作时在图2A至图2E的电路中的初级电流(I_初级402)和次级电流(I_次级404)的图形。图5是示出当通过图3的方法操作时SR的漏极节点上的所得电压502的图形。
参照图3以及图2A和图2E，该方法开始于接收到至变压器204的初级侧206的经整流AC输入(302)。通过单个SR_SNS引脚228感测SR 226的漏极226a上的电压(304)。接下来，确定是否检测到负感测(306)。通常，通过感测SR_SNS引脚228上增加的负电压来完成AC-DC转换器是否在负感测模式下操作的确定。如果未检测到负感测，则重复步骤或块304，并且通过单个SR_SNS引脚228继续感测SR 226的漏极226a上的电压。如果检测到负感测，则SR226导通，同时变压器204的初级侧206上的电力开关或PS 216保持关断(308)。
接下来，使用次级侧控制器202中的ZCD块286对SR_SNS引脚228上的过零执行检查(310)，并且确定是否检测到过零(312)。如果未检测到过零，则重复步骤或块310以继续检查SR_SNS引脚228上的过零。如果检测到过零，则SR 226关断，并且PS 216保持关断(314)。
然后使用次级侧控制器202中的PKD块290对SR_SNS引脚228上检测到的预定或期望峰值电压的预定或期望数量的峰值执行检查(316)，并且确定是否检测到期望数量的峰值(318)。如果未检测到期望数量的峰值，则重复步骤或块316以继续检查期望数量的峰值。如果检测到期望数量的峰值，则SR226保持关断，PS 216导通(320)，并且旁路开关252闭合以向SR_SNS引脚228施加分压电压。
接下来，执行检查以感测AC-DC转换器200是否在线前馈(LFF)感测模式下操作(322)，并且对是否感测到LFF进行确定(324)。通常，通过使用LFF块292感测通过单个SR_SNS引脚228施加的SR 226的漏极226a上的上升或稳定正电压，来完成AC-DC转换器200是否在LFF感测模式下操作的确定。如果AC-DC转换器200未在LFF感测模式下操作，则重复步骤或块322以继续检查LFF感测。如果确定AD-DC转换器在LFF感测模式下操作，则旁路开关252断开，使得通过单个SR_SNS引脚228施加至次级侧控制器202的电压不被分压器230分压(326)，并且重复步骤或块304以通过单个SR_SNS引脚228感测SR 226的漏极226a上的电压。
参照图2A和图2E中的分压器230，每当漏极节点226a上的电压高于0V或接近0V时，电流就可以从SR 226的漏极节点226a流向地。即使当AC-DC转换器200没有附接至任何设备或负载时(分离状态)(可能通过USB C型连接器)，也可能通过内部电阻元件246和内部整流器或二极管248在SR226的漏极节点226a与地之间发生持续的电力消耗。USB电力适配器监管行为准则可能要求任何电力适配器在分离状态下的消耗小于75mW。在其中AC-DC转换器200没有通过输出连接器222或以其他方式电附接至任何设备或负载的分离状态期间，通过分压器230到地的电力消耗可能引起某些问题，例如电力适配器即使在没有连接设备时也持续地获取电流，从而导致电力适配器发热以及恒定的电力消耗。在一些实施方式中，由于电力损耗，在分离状态期间，在VBUS_IN引脚238处于大约5V的情况下，电力适配器可能消耗高达700μA的电流。
图6是示出当通过图3所描绘的方法或类似方法操作时图2E的AC-DC转换器200中的SR 226的栅极226b、NSN_OUT节点和ZCD_OUT节点上的信号随时间变化的图形。如之前所说明的，在NSN检测阶段期间，参考电压(Vtnesn)可以被定义为期望的负电压或低电压触发点，在该期望的负电压或低电压触发点处，控制器需要通过SR_GDRV引脚226b导通SR226(在t1处)。一旦SR_SNS引脚228处的电压降至Vtensn以下，NSN块288就可以在t1处生成NSN_OUT信号(NSN检测到的)以导通SR 226。相应地，SR漏极节点226a处的电压可以达到负或低触发电压，例如，如图5所示的-0.7V。在一个实施方式中，应当立即导通SR 226以避免任何延迟。一旦SR漏极节点226a处的电压在t1处或在t1附近朝向负电压(例如-0.7V)下降，AC-DC转换器200的次级侧208中的电路就携带高电流。导通SR226的任何延迟都可能导致AC-DC转换器200的效率损耗。参照图6，在ZCD检测阶段期间，当在SR226上检测到零电流或零电压时，ZCD块286可以生成ZCD_OUT信号。然后，ZCD_OUT信号可以通过禁用SR_GDRV信号来关断SR 226。在一个实施方式中，优选地在t2处或在t2附近快速或几乎即时地禁用SR226，以避免AC-DC适配器200的交叉传导(cross conduction)。在一个实施方式中，如图2E所示的内部整流器248可以是无源二极管，例如P-N结二极管。当SR漏极节点226a处的电压降至低于0V或接近0V或无源二极管的阈值电压例如0.7V时(在图5中的时间504处或在时间504附近)，内部整流器248可以阻断包括内部电阻元件246至地的路径。禁用内部整流器248或断开内部整流器248到地的连接可能会导致SR漏极节点226a处的信号与SR_SNS引脚228处的信号之间的延迟，因为随后可能需要SR_SNS引脚228的放电通过具有高电阻的路径。作为结果，这可能会导致分别在t1和/或t2处或在t1和/或t2附近导通和/或关断SR226的延迟。在一个实施方式中，添加如图2E所描绘的包括内部整流器248的分压器230连同芯片寄生电容可能进一步对SR 226的导通和/或关断的延迟产生不利影响，从而导致AC-DC转换器200的效率损耗以及可能的交叉传导。因此，需要解决之前提及的在分离状态期间的电力损耗，以及由于SR226切换延迟导致的效率损耗和交叉传导。
图7A是描绘次级侧控制器的一部分的示意性框图，其描绘了根据本公开内容的SR感测电路260和分压器704的实施方式。在一个实施方式中，次级侧208的分压器704与SR感测电路260之间的连接类似于图2E及其相应描述中所描绘的连接，所述SR感测电路260包括ZCD块286、NSN块288、PKD块290和LFF块292。分压器704包括外部电阻元件244、内部电阻元件702、有源二极管710和开关706。外部电阻元件244的电阻值可以由AC-DC转换器200的制造商固定，并且根据基于最大AC电压输入以及变压器204的匝数比的漏极节点226a上的预期最大电压来选择，以使得能够利用通过使用标准低压技术制造的非高压设备来制造次级侧控制器202。外部电阻元件244的电阻的合适值为约4KΩ至约10KΩ(例如5KΩ)，以确保SR_SNS引脚228处的电压被限幅为低于20V至22V，以保护次级侧控制器202免受来自SR漏极节点226a的可能的高电压的影响。
在一个实施方式中，分压器704可以不包括任何无源或P-N结二极管，例如图2E中的内部整流器248。在一个实施方式中，在CMOS工艺中的P-N结二极管的实现可以与衬底产生寄生BJT结，这可能导致闩锁问题。替代地，包括比较器708的有源二极管710可以耦接至SR_SNS引脚228，以确保在负感测或过零感测操作期间，当SR漏极节点226a处的电压接近地或0V时，基本上没有电流流过分压器704，从而允许漏极节点226a上的完整的未分压的电压被耦接至SR_SNS引脚228并且在没有任何衰减的情况下被感测。由于在该实施方式中没有无源二极管，因此二极管的阈值压降没有出现在图中。替代地，每当SR_SNS引脚上的电压达到可编程的参考阈值(Vref)时，开关就可以断开。与无源二极管相比，该阈值电压可以非常接近地，从而有助于SR_SNS引脚快速放电，这有助于提高效率。在一个实施方式中，有源二极管710可以包括比较器708，该比较器708具有通过SR_SNS引脚228耦接的非反相输入和耦接至可编程参考电压(Vref)的反相输入。比较器708可以被配置成通过将SR_SNS引脚228处的电压与Vref进行比较来生成开关控制信号。在一个实施方式中，开关控制信号可以被耦接以直接控制开关706的操作。当SR_SNS电压大于Vref时，开关控制信号可以导通开关706，使得内部电阻元件702启用(导通)，以确保SR_SNS引脚228处的电压被限幅在约20V至22V。当SR漏极节点226a处的电压高于0V时，可以为LFF感测操作(例如，图5中的t3至t4)或NSN感测操作的开始部分提供分压电压。当SR_SNS 228电压降至Vref以下时，开关控制信号可以关断开关706，使得内部电阻元件702被禁用或阻断。在一个实施方式中，当SR漏极226a电压接近地或0V时，可以为ZCD感测或NSN感测提供完整的未分压的电压，从而产生良好的信噪比(SNR)和感测准确度。在一个实施方式中，Vref可以由制造商基于设计和操作要求以及其他参数来确定和固定。可替选地或另外地，用户可以对Vref进行编程。通常，可以确定Vref，使得当SR_SNS引脚228处的电压接近0V时，断开或禁用开关706，以允许未衰减的NSN感测和ZCD感测操作。作为结果，可以减少或消除(在t1处或t1附近)导通SR 226的可能延迟。
图7B是描绘根据本公开内容的分压器800的实现方式的实施方式的示意性框图。分压器800与SR感测电路260之间的连接类似于图2E和图7A及其各自相应的描述中所描绘的连接，所述SR感测电路260包括ZCD块286、NSN块288、PKD块290和LFF块292。在一个实施方式中，分压器800包括参考发生器804、比较器708、逻辑门808、开关706、mux(多路复用器)802和包括电阻器812a至812l的电阻器梯。
在图2A和图7A中示意性地示出为可变电阻的内部电阻元件246或702可以具有由制造商在制造AC-DC转换器时、基于期望输入或输出电压设置的电阻值，或者具有用于补偿AC-DC转换器中的IC或其他部件的参数变化的电阻值，例如2KΩ。可替选地或另外地，内部电阻元件702的电阻值可以在AC-DC转换器启动或通电时由AC-DC转换器或次级侧控制器中的校准电路动态地调整，或者在AC-DC转换器启动或通电之后周期性地调整。如图7B中最佳所示的，具有可变电阻值的内部电阻元件702的一个实现方式可以通过使用电阻器梯和mux电路来实现。在一个实施方式中，mux 802可以包括多个多路复用器，所述多个多路复用器连接电阻器812a至812l中的一个或更多个电阻器以调整内部电阻元件702的总电阻。在一个实施方式中，可以将控制信号(图7B中未示出)耦接至mux802以调整内部电阻元件702的总电阻。将理解的是，电阻器梯可以根据设计和操作要求而包括任意数量的具有可变电阻值的电阻器812a至812l。
在一个实施方式中，mux 802的输出可以耦接至比较器708的非反相输入，并且比较器708的反相输入耦接至参考发生器804以接收Vref。与图7A所描绘的实施方式类似，Vref可以由制造商固定或者可以通过参考发生器804被编程。可替选地，与图7A中所描绘的配置类似，比较器708的非反相输入可以替代地耦接至SR_SNS引脚228(图7B中未示出)。当比较器806的非反相输入(通过mux 802或SR_SNS引脚228的电压)大于Vref时，将输出启用信号以导通开关706。当Vref更大并且比较结果相反时，比较器708可以输出禁用信号以关断开关706，与图7A中所描绘的实施方式类似。可选地，如图7B中最佳所示的，有源二极管810还可以包括逻辑门808。比较器708可以耦接至逻辑门808的输入中的一个，逻辑门808可以采用与门形式。在一个实施方式中，逻辑门808的另一输入可以被耦接以接收NSN_EN(NSN启用信号)，使得比较器708的输出信号仅在NSN感测操作期间被耦接以控制开关706。在一个实施方式中，开关810可以被配置成在LFF感测操作期间导通或闭合以及在ZCD感测操作期间关断或断开。
图7A和图7B中描绘的使用有源二极管710、810来代替无源二极管的分压器方案可以通过在用于操作开关706的Vref可以被编程时激活用于放电的较低电阻路径来帮助减少SR_drain节点226a与SR_SNS引脚228之间的感测延迟。NSN检测中延迟的减少可以高达50％，这又可以显著减少AC-DC转换器200的效率损耗。
图8是描绘次级侧控制器的一部分的示意性框图，其描绘了根据本公开内容的SR感测电路260和分压器902的实施方式。如之前所提及的，除了减少由于感测延迟而导致的效率损耗和交叉传导之外，当AC-DC转换器(例如AC-DC转换器200)处于分离状态时减少电力损耗也可能是至关重要的。参照图8，分压器902可以具有与图7A中的分压器704或图7B中的分压器800类似的配置，其中，使用有源二极管代替无源二极管。在一个实施方式中，比较器708的使用反相器904的反向输出耦接至逻辑门906的输入中的一个，逻辑门906可以采用或非门的形式。逻辑门906的另一输入可以被耦接以接收分离信号，该分离信号可以指示AC-DC转换器200没有电连接至任何设备或负载(分离)。在一个实施方式中，或非门904的逻辑操作可以确保开关706仅在SR_SNS引脚228电压大于Vref(比较器708的反向逻辑值：0)并且AC-DC转换器不处于分离状态(逻辑值：0)的情况下导通(逻辑值：1)。换句话说，无论SR漏极节点226a处的电压如何，只要AC-DC转换器200处于分离状态(逻辑值：1)，开关706总是关断(逻辑值：0)。在一个实施方式中，内部电阻元件702仅在需要SR 226功能时(即在附接状态期间)启用，以避免在分离状态期间到地的静态电流消耗。在一个实施方式中，可以通过如图2B所描绘的AC-DC转换器200将分离信号提供给或非门904。在一个实施方式中，其USBC型插座处的cc引脚(CC1或CC2)中的一个引脚感测指定的到地的电阻，然后USB-PD控制器感测附接状态。作为结果，可以相应地生成分离信号。将理解的是，所示的反向比较器和或非门的组合只是实现之前提及的逻辑结果以操作开关706的一个示例，并且不应当被解释为限制。
如图7A、图7B和图8中所说明的，利用不具有任何无源二极管的分压器可以帮助将SR_SNS引脚228处的最大电压限制在20V至22V处或大约20V至22V，以保护AC-DC转换器200的次级侧控制器202。在AC-DC转换器200的上电期间，当没有电路是活动的时，仍然可以保护IC免受高电压的影响。在图7A、图7B和图8所描绘的实施方式中，用开关和有源二极管实施方式代替无源二极管。在一个实施方式中，开关706在上电期间可以被导通或关断。为了在上电期间保护IC免受较高电压的影响，二极管705被结合在SR_SNS引脚228(二极管705的阳极)与VBUS_IN引脚238(二极管705的阴极)之间。二极管705可以帮助限制在上电时SR_SNS引脚228上的电压，因为Vbus上允许的最大电压为21V或大约21V。在上电和/或故障状态期间，电流也可能受到SR_SNS引脚228与SR 226的漏极节点226a之间的外部电阻元件244的限制。
图9示出了描绘根据本公开内容的分压器的一部分的两个替选实施方式的一对示意性框图。在一个实施方式中，分压器900包括串联连接至地的外部电阻元件244、内部电阻元件702、无源二极管912和开关706。与图7A、图7B和图8中所公开的实施方式类似，可以根据Vref与SR_SNS引脚228处的电压之间的比较结果来由有源二极管710控制开关706。在另一实施方式中，分压器950不包括任何有源或无源二极管。如图9最佳所示的，分压器950包括串联连接至地的外部电阻元件244、内部电阻元件702和开关706。在一个实施方式中，开关706可以由通过次级侧控制器202的另一部分接收到的控制信号控制。控制信号的可能性之一可以是分离信号，以避免分离状态期间的电力损耗。
现在将参照图10的流程图以及图7A、图7B和图8的实施方式来描述操作具有次级侧控制器的AC-DC转换器的分压器的方法，该次级侧控制器包括具有单个SR_SNS引脚的IC，通过该单个SR_SNS引脚，IC通过分压器耦接至SR的漏极。参照图10，操作分压器1000的方法从步骤1002开始，在步骤1002中，(图7A和图8中的)SR_SNS引脚228处的电压/信号耦接至比较器708的非反相输入，比较器708可以是有源二极管的一部分。可替选地，比较器708的非反相输入可以耦接至内部电阻元件例如图7B中的电阻器梯812a至812l和mux 802的输出节点。接下来，将可以在参考发生器(例如图7B中的参考发生器804)中生成的参考电压Vref耦接至有源二极管的比较器708的反相输入。如前所述，Vref可以由制造商固定或可编程。接着，在步骤1004中，将SR_SNS引脚228处的电压与Vref进行比较。
接下来，参照图10、图7A和图7B，可以利用有源二极管710的输出信号来直接控制开关706的操作。(在步骤1006中)执行检查并且确定SR_SNS引脚228处的电压是否大于Vref，在步骤1008中，可以导通开关706以启用内部电阻元件702的分压。在一个实施方式中，可以为LFF感测或NSN感测的一部分提供分压电压，其中，SR漏极节点226a处的电压可以显著高于0V。(在步骤1006中)还确定SR_SNS引脚228处的电压是否小于Vref，来自有源二极管710的控制信号可以耦接至开关706以将其关断或断开。在一个实施方式中，在步骤1014中，可以禁用内部电阻元件702，并且可以在无衰减的情况下为ZCD和/或NSN感测提供来自SR-SNS引脚228的完整的未分压电压。
可选地或另外地，操作方法100可以解决在AC-DC转换器200的分离状态期间的电力损耗问题。接下来，参照图10和图8，在步骤1010中，来自比较器708的反向输出信号可以耦接至或非门904的输入。在一个实施方式中，在步骤1010中，将验证AC-DC转换器处于分离状态的分离信号提供给或非门904的另一输入。在一个实施方式中，分离信号可以由如图2B中最佳所示的次级侧控制器202生成。在一个实施方式中，其USB C型插座处的cc引脚(CC1或CC2)中的一个引脚感测指定的到地的电阻，然后USB-PD控制器感测附接状态。作为结果，可以相应地生成分离信号。
接下来，使用分离信号执行对分离状态的存在性的检查。在步骤1008中，确定如果AC-DC转换器“不处于分离状态”(即AC-DC转换器被附接并且需要SR功能)并且SR-SNS引脚228处的电压大于Vref，则开关706导通或闭合，以便启用内部电阻元件702。在步骤1014中，还确定：无论SR_SNS电压与Vref比较的结果如何，如果AC-DC转换器处于分离状态，则开关706将被关断或断开以禁用内部电阻元件702并减少电力损耗。
因此，公开了具有次级侧控制和SR结构的AC-DC转换器及其操作方法。上面已经借助于示出指定的功能及其关系的实现方式的功能和示意性框图描述了本发明的实施方式。为了便于描述，本文中已经任意限定了这些功能构建块的边界。只要适当地执行指定的功能及其关系，就可以限定可替选的边界。
对特定实施方式的前述描述将如此充分地揭示本发明的一般性质，使得在不脱离本发明的一般构思的情况下，其他人员可以通过应用本领域技术内的知识来容易地修改和/或适于诸如特定实施方式的各种应用而无需过度实验。因此，基于本文中提出的教导和指导，这样的适应和修改旨在在所公开的实施方式的等同内容的含义和范围内。应当理解，本文中的措辞或术语是为了描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员根据教导和指导来解释。
应当理解，具体实施方式部分(而不是发明内容部分和摘要部分)旨在用于解释权利要求。发明内容部分和摘要部分可以阐述本发明的由发明人所设想的一个或更多个示例性实施方式但不是全部示例性实施方式，并且因此，不旨在以任何方式限制本发明及所附权利要求。
本发明的广度和范围不应当受任何上述示例性实施方式限制，而应当仅根据所附权利要求及其等同内容来限定。

Claims (21)

1.一种用于AC-DC转换器的次级侧控制器，包括：
单个同步整流器感测(SR_SNS)端子，其耦接至所述AC-DC转换器的同步整流器(SR)，具有显著小于SR漏极电压的最大输入电压；以及
耦接至所述单个SR_SNS端子的分压器电路，所述分压器电路被配置成向感测电路提供信号，所述分压器包括有源二极管、内部电阻元件和开关，其中，所述有源二极管被配置成基于所述单个SR_SNS端子处的电压与参考电压的比较结果来控制所述开关以启用或禁用所述内部电阻元件。
2.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，所述有源二极管还被配置成：当所述AC-DC转换器处于分离状态时禁用所述内部电阻元件，其中，在所述分离状态下，所述AC-DC转换器不通过通用串行总线(USB)C型连接器电耦接至任何负载。
3.根据权利要求2所述的次级侧控制器，其中，所述有源二极管包括比较器以及或非逻辑功能，其中，所述比较器的反向输出信号和分离信号耦接至所述或非逻辑功能的两个输入端，以及其中，所述或非逻辑功能的输出信号被配置成控制所述开关的操作。
4.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，所述有源二极管包括比较器，以及其中：
所述比较器被配置成当所述单个SR_SNS端子处的电压大于Vref时向所述开关提供启用信号；以及
所述比较器被配置成当所述单个SR_SNS端子处的电压小于Vref时向所述开关提供禁用信号。
5.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，所述感测电路包括整体地形成在所述感测电路上的过零检测(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测(PKD)块和线前馈(LFF)块，以及其中，所述ZCD块、所述PKD块、所述NSN块和所述LFF块通过所述单个SR_SNS端子耦接至所述SR的漏极。
6.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，所述分压器电路不包括任何包括P-N结二极管的无源二极管。
7.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，所述分压器电路还包括耦接在所述单个SR_SNS端子与所述SR的漏极之间的外部电阻元件，其中，所述外部电阻元件被布置在所述次级侧控制器的外部。
8.根据权利要求7所述的次级侧控制器，其中，所述外部电阻元件具有基于以下各项的电阻值：到所述AC-DC转换器的变压器的初级侧的AC输入电压、所述变压器的匝数比、以及到所述单个SR_SNS端子的小于20V的最大输入电压。
9.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，所述内部电阻元件通过所述开关串联地耦接至地，以及其中，由所述有源二极管控制的所述开关被配置成在所述次级侧控制器中的负感测和过零检测期间禁用分压。
10.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，无源二极管被布置在所述SR_SNS端子与VBUS_IN端子之间，其中，所述无源二极管被配置成在所述AC-DC转换器的上电期间限制所述SR_SNS端子处的电压。
11.根据权利要求1所述的次级侧控制器，其中，所述参考电压是能够编程的。
12.根据权利要求5所述的次级侧控制器，其中：
所述PKD块包括通过内部电容器耦接至所述SR_SNS端子的PKD比较器以在不对所述SR_SNS端子上的峰值电压进行任何限幅的情况下检测所述峰值电压，并且被配置成生成PKD_OUT信号，所述PKD_OUT信号被处理并发送至初级侧控制器以导通耦接在AC输入与所述变压器的初级侧之间的电力开关(PS)以启用谷值切换操作模式；
所述ZCD块包括耦接在所述SR_SNS端子与所述AC-DC转换器的DC输出的负极端子之间的ZCD比较器，所述比较器被配置成当在无任何分压的情况下在所述SR_SNS端子上感测到过零电压时生成零电流信号以关断所述SR；
所述NSN块包括耦接至所述SR_SNS端子的NSN比较器以在无任何分压的情况下检测负电压交叉，所述NSN比较器被配置成生成用于导通所述SR的信号；以及
所述LFF块包括耦接至所述SR_SNS端子的电压-电流(V2I)块以在有分压的情况下检测成比例的AC线输入电压，并且该线输入电压信息用于改变所述AC-DC转换器的参数以提高效率和性能。
13.一种操作次级侧受控的AC-DC转换器的方法，包括：
利用次级侧控制器来感测耦接至变压器的次级侧的同步整流器(SR)的漏极上的电压，所述次级侧控制器包括集成电路(IC)，所述IC包括单个同步整流器感测(SR_SNS)端子，所述IC通过所述单个SR_SNS端子耦接至所述SR的漏极；
通过所述单个SR_SNS端子感测所述SR的漏极上的电压；
通过包括有源二极管、内部电阻元件和开关的分压器电路将所述单个SR_SNS端子耦接至地；
当确定所述SR_SNS端子处的电压小于参考电压时，使用所述有源二极管和所述开关来禁用所述内部电阻元件；以及
当所述AC-DC转换器处于分离状态时，使用所述有源二极管和所述开关来禁用所述内部电阻元件。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
当确定所述SR_SNS端子处的电压大于所述参考电压并且所述AC-DC转换器处于附接状态时，使用所述有源二极管和所述开关来启用所述内部电阻元件。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，禁用所述内部电阻元件包括在无衰减的情况下在负感测和过零检测感测操作期间感测未分压电压。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，启用所述内部电阻元件包括在线前馈感测操作期间感测所述SR_SNS端子处的分压电压。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述参考电压是能够编程的。
18.一种系统，包括：
变压器，其包括被耦接以接收经整流的AC输入的初级侧以及耦接至DC输出的次级侧，并且具有耦接在所述DC输出与所述次级侧之间的同步整流器(SR)；以及
次级侧控制器，其包括集成电路(IC)和多个端子，所述IC通过所述多个端子耦接至所述变压器的次级侧，所述多个端子包括单个同步整流器感测(SR_SNS)端子，所述IC通过所述单个SR_SNS端子耦接至所述SR的漏极以感测所述SR的漏极上的电压，其中，所述单个SR_SNS端子通过分压器电路耦接至所述SR的漏极和感测电路，所述分压器电路包括有源二极管、内部电阻元件和开关，其中，所述有源二极管被配置成基于所述单个SR_SNS端子处的电压与参考电压的比较结果来控制所述开关以启用或禁用所述内部电阻元件。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述有源二极管还被配置成当所述AC-DC转换器处于分离状态时禁用所述内部电阻元件，其中，在所述分离状态下，所述AC-DC转换器不通过USB C型连接器电耦接至任何负载。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述分压器电路还包括将所述单个SR_SNS端子耦接至所述SR的漏极的外部电阻元件。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述感测电路包括整体地形成于所述IC上的过零检测(ZCD)块、负感测(NSN)块、峰值检测(PKD)块和线前馈(LFF)块。
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