CN1528043A - 用于逆向变换器的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
披露了一种包括一个逆向变换器和一个控制器(20)的电源。当电气耦合到交流电源时，该逆向变换器驱动一个负载。在逆向变换器的每个切换时间周期，控制器(20)控制软切换。在初始切换时间周期，控制器(20)确定随后的切换时间周期中可接受的切换频率，并选择可接受的切换频率中的一个，在恒定负载下，在一个或多个切换时间周期上软切换逆向变换器。
Description
发明领域
本发明总体上涉及如电视、台式计算机、计算机监视器、膝上型电脑、CD播放器、DVD播放器、以及音频组件，如接收器和调谐器等电子设备的电源。具体而言，本发明涉及一种用于控制逆向变换器开关的软切换的方法和装置。
背景技术
典型的逆向变换器包括一个金属氧化物半导体场效应管开关(MOSFET开关)，该MOSFET开关有选择地接通和关断来调节逆向变换器的输出电压。具体地说，MOSFET开关在其漏极电压的一个波谷处从OFF-状态过渡到ON+状态，从而逆向变换器向负载传递输出功率。当输出功率在逆向变换器负载范围的上限以内时，发生第一个波谷切换。参考图1A，当检测到漏极电压VD1的第一个波谷时，MOSFET开关的栅极电压VG1从电压断开电平VOFF过渡到电压接通电平VON。关断时间周期TOFF(HL)对应于当输出功率在负载范围的上限之内时，逆向变换器的可接受的切换频率。
当输出功率在逆向变换器负载范围中间部分或下限之内时，会发生高位波谷切换。参考图1B，确定了延伸超过漏极电压VD1的第一个波谷和第二个波谷的最小关断时间TOFF(MIN)且经过最小关断时间TOFF(MIN)的延时后，一旦检测到漏极电压VD1的第三个波谷时，栅极电压VG1从电压断开电平VOFF过渡到电压接通电平VON。关断时间周期TOFF(IL/LL)对应于当输出功率在负载范围的中间部分或下限之内时，逆向变换器的可接受的切换频率。
图1A所示的第一个波谷切换和图1B所示的高位波谷切换是通过选择使栅极电压VG1从电压断开电平VOFF过渡到电压接通电平VON的漏极电压VD1的特殊波谷来判断的。但是，这样的判断不能识别漏极电压VD1的可能对应于其可接受的切换频率的两个或多个波谷。这样的判断也不能包括逆向变换器的其它特性和参数，如逆向变换器的有效的带电操作。因此，电子工业界正在努力改善对MOSFET开关的软切换的控制。
发明概述
本发明的目的之一是提供一种改进的逆向变换器。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有益的实施例。
本发明涉及控制逆向变换器开关的软切换。虽然本发明的实际属性只能参考附加的权利要求来限定，但是作为此处披露的实施例的特性的某些特征将在下面简要描述。
本发明的第一种形式是一种电源，包括一个逆向变换器，该逆向变换器包括可以在接通状态与关断状态之间操作切换的开关。该电源还包括一个控制器，可以在第一切换时间周期操作来确定至少一个软切换频率，用于在第二切换时间周期开关从关断状态切换到接通状态。第二切换时间周期紧跟在第一切换时间周期之后。
本发明的第一种形式是一种电源，包括一个逆向变换器，该逆向变换器包括一个开关，具有栅极端子、漏极端子、和源极端子。该电源还包括一个控制器，与所述栅极端子和漏极端子电气耦合。该控制器可以根据漏极端子处的漏极电压在栅极端子提供栅极电压。
本发明的上述形式和其它的形式、特征和优越性将通过下面结合附图对优选实施例的详细描述而更加清楚。详述和附图只是对本发明起说明作用，而不是限制作用。本发明的范围由附加的权利要求来限定。
附图简述
图1A是在高负载条件下，逆向变换器的MOSFET开关的现有技术栅极电压波形和现有技术漏极电压波形的举例说明；
图1B是在中间负载或低负载条件下，逆向变换器的MOSFET开关的现有技术栅极电压波形和现有技术漏极电压波形的举例说明；
图2是根据本发明的逆向变换器的一种实施例的简化图；
图3是根据本发明的控制器的一种实施例的框图；
图4图2所示逆向变换器的MOSFET开关的栅极电压波形和漏极电压波形的第一切换时间周期和第二切换时间周期的距离说明。
优选实施例详述
参考图2，示出逆向变换器10，耦合到交流电压源VAC，如墙上的电源插座。逆向变换器10包括电感L1和电容C1。电感L1电气耦合到交流电压源VAC和节点N1。电容电气耦合到节点N1和N2。交流电压源VAC也电气耦合到节点N2。
逆向变换器10还包括二极管D1、D2、D3和D4。二极管D1电气耦合到节点N1和节点N3。二极管D2电气耦合到节点N1和节点N4。二极管D3电气耦合到节点N2和节点N3。二极管D4电气耦合到节点N2和节点N4。在节点N3与N4之间施加输入电压VIN，输入电流IIN流入节点N3。
逆向变换器10还包括电容C2、C3、电阻R1和二极管D5，以及具有电感L2、L3、L4和L5的变压器。电容C2电气耦合到节点N3和节点N5。电容C3电气耦合到节点N3和节点N4。电阻R1电气耦合到节点N3和节点N5。电感L2电气耦合到节点N3和节点N6。二极管D5电气耦合到节点N5和节点N7。电感L3电气耦合到节点N6和节点N7。电感L4电气耦合到节点N6和节点N7。在节点节点N6和节点N7之间，施加反射次级电压VRS。
逆向变换器10还包括二极管D6、电容C4。电感L5电气耦合到二极管D6和节点N9。二极管D6还电气耦合到节点N8。电容C4电气耦合到节点N8和节点N9。输出电压VOUT作用在节点N8与N9之间。负载Z可以在节点8与节点9之间连接到逆向变换器10。
逆向变换器10还包括MOSFET开关S1、二极管D7和电容C5。MOSFET开关S1的漏极端子耦合到节点N7，源极端子耦合到节点N4。在根据本发明的逆向变换器的其它实施例中，可以用其它类型的开关代替MOSFET开关，这一点本领域的普通技术人员应该明白。二极管D7和电容C5电气耦合到节点N7和N4。
参照图3，控制器20电气耦合到MOSFET开关S1的栅极端子、节点4和节点7，控制MOSFET开关S1的软切换。控制器20最好是电子电路，包括组合成一个公共单元的一个或多个组件。可选地，对于多个组件的实施方案，一个或多个这种组件可以分布在包括逆向变换器10和控制器20的整个电源系统中。控制器20可以由数字电路、模拟电路或两种电路共同组成。控制器20还可以是可编程的、专用状态机器或由可编程的和专用硬件混合构成。
最好控制器20包括集成处理单元(未示出)，运行时耦合到一个或多个固态存储器件(未示出)。该存储器件最好包含对应于波谷切换接受程序30(图5)的编程，且该存储器件最好被安排来根据本发明的原理读出和写入数据。该存储器可以是易失性的或非易失性的，可以是磁性的或光学的。
为实现本发明的原理，控制器20还包括任意控制时钟、接口、信号调节器、滤波器、A/D转换器、D/A转换器、通讯端口、或其它类型的操作器，这对本领域普通技术人员来说是显然的。
此外，参考图4，示出栅极电压VG2和漏极电压VD2的切换时间周期TPER1和切换时间周期TPER2。在切换时间周期TPER1和切换时间周期TPER2内，示出漏极电压VD2的三个波谷，用于说明波谷切换接受程序。
在切换时间周期TPER1的接通时间周期TON1期间，栅极电压VG2的电平等于VON，漏极电压的电平为0。在切换时间周期TPER1的关断时间周期TOFF1期间，栅极电压VG2的电平等于VOFF。在切换时间周期TPER1的退磁周期TDEM1期间，漏极电压VD2的电压电平最初为VL1，该电平是输入电压VIN反射次级电压VR和超调电压VOS的和。超调电压VOS耗散，其后漏极电压VD2的电压电平变为VL2，该值是输入电压VIN、反射次级电压VR的和。
在切换时间周期TPER1的衰减时间周期TDEC1期间，漏极电压VD2作为电感L3和电容C5的函数发生谐振。漏极电压VD2在电压电平VL2和VL3之间向着电压电平VL4进一步衰减。电压电平VL3是输入电压VIN和反射次级电压VR的差分(differential)，电压电平VL4近似为输入电压VIN。当栅极电压VG2从电压关断电平VOFF向电压接通电平VON过渡到达漏极电压VD2的一个波谷，例如图示的第三个波谷时，衰减周期TDEC1结束。
优选的波谷切换接受程序的运行如下：在切换时间周期TPER1期间，控制器20执行程序的第一步、第二步、和第三步。在接通时间周期TON2期间，控制器20执行程序的第四步、第五步、和第六步。从关断时间周期TOFF2开始，控制器20执行程序的第七步，并可能在随后的一个或多个切换时间周期内继续执行第七步。
在程序的第一步，控制器20在整个切换时间周期TPER1上对漏极电压VD2采样。结果，测量了退磁周期TDEM1和退磁周期TDEM1期间的漏极电压VD2。
在程序30的第二步，控制器20在切换时间周期TPER1期间确定输入电压VIN和反射次级电压VR。在一种实施例中，输入电压VIN和反射次级电压VR根据下面的公式(1)和(2)计算：
TDEM1＝TON1(VIN/VR) (1)
VD2＝VIN+VR (2)
其中，控制器20已知退磁周期TDEM1、漏极电压VD2、和接通时间周期TON1。
在程序的第三步，控制器20确定漏极电压VD2的第三个波谷内输入电流IIN的平均值。在一种实施例中，该输入电流IIN的平均值根据下面的公式(3)计算：
IIN＝[0.5*TON1 2*(VIN/L3)]/[(TON1*(1+((VIN/VR))+((n-0.5)*TRES)] (3)
其中对于第三个波谷切换，n＝3，谐振时间周期TRES是电感L3和电容C5的函数，这对本领域的普通技术人员来说是清楚的。
在另一实施例中，一个电阻电气串联耦合在MOSFET开关S1的源极端子和节点N4之间。输入电流IIN在整个切换时间周期TPER1期间被测量，这在本领域内也是普遍的。
在程序的第四步，控制器20预测漏极电压VD2的第一波谷、第二波谷、和第三波谷的接通时间周期TON2。在一个实施例中，接通时间周期TON2是根据以下公式(4)计算的：
[0.5*(VIN/L3)*TON1 2]-[(1+(VIN/VR))*IIN*TON1]-[(n-0.5)*TRES*IIN]＝0 (4)
其中IIN的值是在从第三步提取的。对于漏极电压VD2的第一个波谷，整数n等于1，可以得到接通时间周期TON2(FV)。对于漏极电压VD2的第二个波谷，整数n等于2，可以得到接通时间周期TON2(SV)。对于漏极电压VD2的第三个波谷，整数n等于3，可以得到接通时间周期TON2(TV)。
在程序的第五步，控制器20计算切换时间周期TPER2期间的第一波谷切换的切换频率fS1切换时间周期TPER2期间的第二波谷切换的切换频率fS2，切换时间周期TPER2期间的第三波谷切换的切换频率fS3。在一种实施例中，切换频率fS1、切换频率fS2、切换频率fS3是根据下面的公式(5)计算的：
fSN＝1/[(TON2*(1+((VIN/VR))+(n-0.5))*TRES)] (5)
在计算切换频率fS1时，对于第一个波谷切换整数n等于1，TON2等于在第四步中计算出的TON2(FV)。在计算切换频率fS2时，对于第二个波谷切换整数n等于2，TON2等于在第四步中计算出的TON2(SV)。在计算切换频率fS3时，对于第三个波谷切换整数n等于3，TON2等于在第四步中计算出的TON2(TV)。
在程序的第六步，对切换频率fS1、切换频率fS2、切换频率fS3运用接受标准。在一种实施例中，将切换频率fS1、切换频率fS2、切换频率fS3与逆向变换器10的切换频率范围规范比较。如果切换频率fS1在所述的切换频率范围规范之内，则认为切换频率fS1是可接受的。如果切换频率fS2在所述的切换频率范围规范之内，则认为切换频率fS2是可接受的。如果切换频率fS3在所述的切换频率范围规范之内，则认为切换频率fS3是可接受的。
在程序的可选的第七步，将一个或多个特性参数运用于在第六步接受的每个切换频率。当第六步中认为有两个或更多的切换频率是可接受的时，控制器20执行第七步。在一种实施例中，对每个接受的切换频率计算输入功率PIN，具有最低输入功率PIN的切换频率被选择为下一个切换时间周期的切换频率，只要负载Z保持恒定。例如，当切换频率fS1、切换频率fS2、切换频率fS3在第六步都被接受时，根据下面的公式(6)和(7)计算相应的输入功率PIN：
PIN(n)＝VIN*IIN(n) (6)
IIN(n)＝fS(n)*0.5*(VIN/L3)*TON 2 (7)
其中，TON表示在电流切换时间期间测量到的值。在下一个切换时间周期，测试对应于计算到的最低PIN(n)的切换频率，如果测试证实了计算到的PIN(n)，则该切换频率被用于软切换。
虽然目前看来本发明的上述实施例是优选的，但是在不偏离本发明的范畴的前提下，可以做各种改动。本发明的范围在附加的权利要求中确定，所有落入其等效的范围和意图的变化和改动都包含在其中。
Claims (12)
1.一种电源，包括：
一个逆向变换器(10)，该逆向变换器(10)包括可以被操作在接通和关断状态之间切换的开关(S1)；和
一个控制器(20)，可以被操作在第一个切换时间周期(TPER1)期间确定所述开关(S1)在第二切换时间周期(TPER2)期间从所述关断状态到所述接通状态过渡的至少一个软切换频率，所述第二切换时间周期(TPER2)紧跟在所述第一个切换时间周期(TPER1)之后。
2.权利要求1的电源系统，其中
所述控制器(20)还可以被操作将接受标准运用于所述至少一个软切换频率中的每个软切换频率。
3.权利要求2的电源系统，其中
所述控制器(20)还可以被操作根据所述接受标准从所述至少一个软切换频率中选择第一软切换频率。
4.权利要求1的电源系统，其中
所述控制器(20)还可以被操作将至少一个特性参数运用于所述至少一个软切换频率中的每个软切换频率。
5.权利要求4的电源系统，其中
所述控制器(20)还可以被操作根据所述至少一个特性参数从所述至少一个软切换频率中选择第一软切换频率。
6.一种方法(30)，用于软切换逆向变换器(10)的切换开关(S1)，包括：
(S32)对开关(S1)的漏极电压(VD2)进行采样；以及
(S34)作为对所述漏极电压(VD2)进行的采样的函数来确定逆向变换器(10)的输入电压(VIN)。
7.权利要求6的方法(30)，还包括：
(S34)作为对所述漏极电压(VD2)进行的采样的函数来确定逆向变换器(10)的反射次级电压(VR)。
8.权利要求7的方法(30)，还包括：
(S36)在第一个切换时间周期(TPER1)期间，确定逆向变换器(10)的输入电流在所述漏极电压(VD2)的第一切换波谷内的平均值。
9.权利要求8的方法(30)，还包括：
(S38)对所述漏极电压(VD2)的每个波谷，预测开关(S1)的第二切换时间周期(TPER2)的接通时间周期(TON2)，所述第二切换时间周期(TPER2)紧跟在所述第一个切换时间周期(TPER1)之后。
10.权利要求9的方法(30)，还包括：
(S40)对漏极电压(VD2)的每个波谷，预测在所述第二切换时间周期(TPER2)期间的切换频率。
11.权利要求10的方法(30)，还包括：
(S42)对每个预测到的切换频率运用一个接受标准。
12.权利要求11的方法(30)，还包括：
(S44)对每个根据所述接受标准被认为可以接受的切换频率运用至少一个特性参数。
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