CN1937379A - 用于测量变压器的消磁电压的线性预测取样电路和装置 - Google Patents

Abstract

本发明开发一种线性预测取样电路以通过检测变压器的消磁电压来产生反馈信号。根据反馈信号而产生切换信号以调节功率转换器的输出。信号产生电路用于根据第一信号、第二信号和切换信号而产生取样信号。第一信号与变压器的磁化电压相关。第二信号与变压器的消磁电压相关。取样和保持电路耦合到变压器以根据取样信号而对变压器的消磁电压进行取样来产生反馈信号。反馈信号与功率转换器的输出电压相关。

Description

用于测量变压器的消磁电压的线性预测取样电路和装置

技术领域

本发明涉及一种功率转换器，且更具体地说，涉及一种切换功率转换器的控制电路。

背景技术

电源供应器已广泛用于提供经调节稳定的输出电压。为了安全起见，离线电源(off-line power supply)必须在其主侧与次侧之间提供隔离。需要光耦合器和次侧调节器来调节离线电源供应器的输出电压。为了减少器件数量和次侧反馈电路，已利用变压器的消磁电压来调节电源供应器的输出电压，例如Randolph D.W.Shelly在美国专利4,302,803“Rectifier-converterpower supply with multi-channel flyback inverter(具有多通道回扫变压器的整流器转换器电源)”中所描述。然而，前面提及的现有技术的技术无法测量来自变压器的准确的电压信号。因此，导致功率转换器的较差调节。在近来的发展中，已开发了许多主侧控制技术来提供变压器的精确电压测量，例如Yang等人的美国专利6,853,563“Primary-side controlled flybackpower converter(初级侧受控的回扫功率转换器)”；Yang等人的美国专利7,016,204“Close-loop PWM controller for primary-side controlledpower converters(用于初级侧受控的功率转换器的闭环脉宽调制控制器)”。但前面提及的现有技术的检测电路过于复杂，这增加了电源的成本。这些缺点是本发明要克服的主要目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一个更简单的和更精确的取样电路来测量变压器的消磁电压。消磁电压用于为功率转换器产生反馈信号。根据反馈信号而产生切换信号以调节功率转换器的输出。信号产生电路用于根据第一信号、第二信号和切换信号而产生取样信号。第一信号与变压器的磁化电压相关。第二信号与变压器的消磁电压相关。取样和保持电路耦合到变压器以根据取样信号而对变压器的消磁电压进行取样来产生反馈信号。因此，反馈信号与功率转换器的输出电压相关，且根据所述反馈信号而产生所述切换信号，用于切换所述变压器并调节所述功率转换器的输出。

本发明还提供一种功率转换器的线性预测取样装置，其包括：信号产生电路，其根据变压器的磁化电压和所述变压器的磁化周期而产生取样信号；以及取样和保持电路，其耦合到所述变压器以通过根据所述取样信号而对所述变压器的消磁电压进行取样来产生信号，其中，所述信号与所述功率转换器的输出电压相关。

附图说明

本发明包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并组成其一部分。附图说明本发明的实施例，且与描述内容一起，用于阐释本发明的原理。

图1绘示根据本发明优选实施例的功率转换器的示意图。

图2绘示根据本发明优选实施例的功率转换器的切换控制电路。

图3绘示根据本发明的线性预测取样电路的优选实施例。

图4绘示根据本发明优选实施例的转换电路。

图5绘示根据本发明优选实施例的信号产生电路。

图6绘示根据本发明优选实施例的单触发电路的示意图。

图7绘示根据本发明优选实施例的线性预测取样电路的多个波形。

具体实施方式

图1绘示根据本发明优选实施例的切换功率转换器，其包括变压器10，所述变压器10具有辅助绕组N_AUX、主绕组N_PRI和次绕组N_SEC。主绕组N_PRI耦合到输入电压V_IN。次绕组N_SEC经由整流器40和电容器45产生输出电压V_O。为了调节输出电压V_O，切换控制电路50产生切换信号S_W以便经由晶体管20来切换变压器10。当晶体管20开启时，等效于输入电压V_IN的磁化电压施加到变压器10。因此，充电电流流经变压器10的主绕组N_PRI和晶体管20。通过电阻器件25，将充电电流转换成耦合到切换控制电路50的VI端子的电流信号。一旦开关20切断，在磁化周期期间存储在变压器10中的能量就输送到次绕组N_SEC和辅助绕组N_AUX。如果整流器40的正向电压可被忽略，那么辅助绕组的消磁电压V_AUX可表达为，

$V_{\mathrm{AUX}}=\frac{N_A}{N_S}\×V_O---\left(1\right)$

其中N_A和N_S分别为变压器10的辅助绕组N_AUX和次绕组N_SEC的绕组匝数。

由多个电阻器30和35形成的分压器连接到切换控制电路50的VS端子，用于检测变压器10的辅助绕组N_AUX的电压。在切换控制电路50的VS端子处检测到的电压V_S可展示为，

$V_S=\frac{R_{35}}{R_{30}+R_{35}}\×V_{\mathrm{AUX}}---\left(2\right)$

其中R₃₀和R₃₅分别为电阻器30和35的电阻。

为了更精确地检测功率转换器的输出电压V_O，应在减少到零的次绕组N_SEC的切换电流后测量消磁电压。因此，可忽略整流器40的正向电压的变化。当将磁化电压(V_IN)施加到变压器10时，充电电流流经变压器10。根据消磁周期期间，越过变压器10的次绕组N_SEC的消磁电压(V_O)而产生放电电流。放电电流代表变压器10的次绕组N_SEC的切换电流。在消磁周期结束时，放电电流将减少到零。因此，在消磁周期结束时应对变压器的电压进行取样。充电电流I_C和放电电流I_D可展示为，

$I_C=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×T_{\mathrm{CHARGE}}---\left(3\right)$

$I_D=\frac{V_O}{L_S}\×T_{\mathrm{DISCHAREG}}---\left(4\right)$

其中L_P和L_S分别为变压器10的主绕组N_PRI和次绕组N_SEC的电感。T_CHARGE为磁化周期；T_DISCHARGE为消磁周期。

变压器的磁化通量Φ_C等于消磁通量Φ_D。等式展示为，

Φ_C＝Φ_D    ---------------------------------(5)

$\mathrm{\Φ}=B\×\mathrm{Ae}=\frac{V\×T}{N}---\left(6\right)$

$\frac{V_{\mathrm{IN}}}{N_P}\×T_{\mathrm{CHARGE}}=\frac{V_O}{N_S}\×T_{\mathrm{DISCHARGE}}---\left(7\right)$

$V_{\mathrm{IN}}\×T_{\mathrm{CHARGE}}=\frac{N_P}{N_S}\×V_O\×T_{\mathrm{DISCHARGE}}---\left(8\right)$

其中B为通量密度，Ae为变压器的横截面面积，T为变压器的磁化周期或消磁周期，且N为变压器的绕组匝数；

变压器10的消磁周期T_DISCHARGE可根据等式(8)来获得。

$T_{\mathrm{DISCHARGE}}=\frac{N_S}{N_P}\×\frac{V_{\mathrm{IN}}}{V_O}\×T_{\mathrm{CHARGE}}---\left(9\right)$

以上的等式(9)展示消磁周期T_DISCHARGE可根据磁化电压V_IN消磁电压V_O和磁化周期T_CHARGE来预测。磁化周期T_CHARGE对应于切换信号S_W的启用时间。

图2绘示切换控制电路50。切换控制电路50包含线性预测取样电路100，其耦合到VS端子以根据从变压器10检测到的电压而产生反馈信号V_X。反馈信号V_X耦合到误差放大器70。误差放大器70包含参考电压V_REF。振荡电路60产生脉冲信号PLS以周期性地启用触发器(flip-flop)65。触发器65的输出连接到AND门80的输入以产生切换信号S_W。AND门的另一输入通过反相器85连接到脉冲信号PLS。误差放大器70的输出连接到比较器75的输入。比较器75的另一输入耦合到VI端子以接收电流信号。比较器75的输出经耦合以使触发器65复位。因此，根据反馈信号V_X而产生切换信号S_W。

图3绘示线性预测取样电路100。信号产生电路200用于根据第一信号I₁、第二信号I₂和切换信号S_W而产生取样信号S_V。此外，根据取样信号S_V的结束，由信号产生电路200产生选通信号S_P。通过转换电路140，根据输入电压V_IN而产生第一信号I₁。根据图1中所示的优选实施例，输入电压V_IN等于变压器10的磁化电压。因此，第一信号I₁的量值与变压器10的磁化电压相关。转换电路150根据信号V_H而产生第二信号I₂。信号V_H由反馈信号V_X或参考信号V_R来确定。运算放大器110和二极管115形成由参考信号V_R供应的第一缓冲器。运算放大器120和二极管125形成由反馈信号V_X供应的第二缓冲器。第一缓冲器的输出和第二缓冲器的输出连接在一起以产生信号V_H。参考信号V_R箝制信号V_H的最小值。因此，将第二信号I₂的最小值箝制到由参考信号V_R确定的极限值。根据图1中的变压器10的消磁电压(V_O)的取样而产生反馈信号V_X。因此，第二信号I₂与变压器10的消磁电压(V_O)相关。多个开关170、180和电容器175、185形成取样和保持电路。开关170由取样信号S_V控制。开关180由选通信号S_P控制。电容器185用于产生反馈信号V_X。开关170通过VS端子耦合到变压器10，以便将变压器10的消磁电压取样到电容器175。开关180耦合到电容器175以根据选通信号S_P而将电容器175的电压取样到电容器185。因此，取样和保持电路耦合到变压器10，以便通过根据取样信号S_V而对变压器10的消磁电压进行取样来产生反馈信号V_X。消磁电压对应于功率转换器的输出电压V_O。因此，反馈信号V_X与功率转换器的输出电压V_O相关。根据反馈信号V_X而进一步产生切换信号S_W，用于切换变压器10并调节功率转换器的输出。

图4绘示根据本发明优选实施例的用于将电压V_H转换成第二信号I₂的转换电路150。运算放大器151、晶体管153和电阻器152形成电压转换电流电路，以根据电压V_H而产生电流I₁₅₃。多个晶体管155和156根据电流I₁₅₃而产生电流I₁₅₆。多个晶体管158和159根据电流I₁₅₆而进一步产生第二信号I₂。

图5绘示根据本发明优选实施例的信号产生电路200。电容器220用于确定取样信号S_W的周期。开关210耦合在第一信号I₁与电容器220之间。开关215耦合在第二信号I₂与电容器220之间。比较器230耦合到电容器220，以便一旦电容器220的电压高于第一参考电压V_R1，就在比较器230的输出处产生第一控制信号。由反相器231和AND门232形成的输出电路经耦合以根据第一控制信号的启用和切换信号S_W的禁用而在AND门232的输出处产生第一放电信号。切换信号S_W经耦合以控制开关210。开关210根据切换信号S_W的启用而开启。第一放电信号经耦合以控制开关215。开关215根据第一放电信号的启用而开启。第一信号I₁用于对电容器220进行充电。第二信号I₂用于对电容器220进行放电。

磁化电压确定电容器220的第一信号I₁。其可表达为，

$I_1=k1\×\frac{V_{\mathrm{IN}}}{R_{\mathrm{\α}}}---\left(10\right)$

消磁电压确定电容器220的第二信号I₂。其表达为，

$I_2=k2\×\frac{V_X}{R_{152}}---\left(11\right)$

电容器220上的电压可表达为，

$V_C=\frac{I_1}{C}\×T_{\mathrm{ON}}=\frac{\frac{k1\×V_{\mathrm{IN}}}{R_{\mathrm{\α}}}}{C}\×T_{\mathrm{ON}}---\left(12\right)$

其中k1和k2为常数，例如电阻器件的比率和/或电流镜的增益，C为电容器220的电容，T_ON为切换信号S_W的启用时间(电容器220的充电时间)，R_α为转换电路140的电阻，且R₁₅₂为电阻器152的电阻。电容器220的放电时间T_OFF由以下等式给出，

$T_{\mathrm{OFF}}=\frac{C\×V_C}{I_2}=\frac{C\×V_C}{K2\×\frac{V_X}{R_{152}}}---\left(13\right)$

反馈电压V_X与功率转换器的输出电压V_O相关。根据等式(12)和(13)，电容器220的放电时间T_OFF对应于变压器10的消磁周期T_DISCHARGE，如由以下等式所给出，

$T_{\mathrm{OFF}}=K\×\frac{V_{\mathrm{IN}}}{V_O}\×T_{\mathrm{ON}}---\left(14\right)$

$T_{\mathrm{DISCHARGE}}=K\×\frac{V_{\mathrm{IN}}}{V_O}\×T_{\mathrm{CHARGE}}---\left(15\right)$

其中k为常数。

比较器240耦合到电容器220，以便一旦电容器220的电压高于第二参考电压V_R2，就在比较器240的输出处产生第二控制信号。由反相器241和AND门242形成的另一输出电路经耦合以根据第二控制信号的启用和切换信号SW的禁用而在AND门242的输出处产生第二放电信号。可根据第一放电信号或第二放电信号而产生取样信号S_V。在此优选实施例中，第二放电信号用于产生取样信号S_V。参看等式(15)，取样信号S_V的周期等于消磁周期T_DISCHARGE，其根据磁化电压(V_IN)的增加而增加。取样信号S_V的周期根据变压器的磁化周期T_CHARGE的减小而减小。取样信号S_V的周期根据消磁电压(VO)的增加而减小。磁化周期T_CHARGE与切换信号S_W的启用时间相关。

第二放电信号进一步连接到OR门250的输入。OR门250的另一输入连接到单触发电路270的输出。单触发电路270的输入连接到切换信号S_W。OR门250的输出连接到AND门252的输入。AND门252的另一输入通过反相器251连接到脉冲信号PLS。AND门252的输出产生取样信号S_V。因为脉冲信号PLS用于启用切换信号S_W，所以取样信号S_V在切换信号S_W的启用前被禁用。另一单触发电路280进一步耦合到AND门252的输出，以便根据取样信号S_V的禁用而产生选通信号S_P。因此，根据切换信号S_W的禁用而产生取样信号S_V，其中单触发电路270用于确定取样信号S_V的最小脉冲宽度。

图6绘示单触发电路，例如单触发电路270、280。一旦晶体管320切断，恒定电流源310就用于对电容器350进行充电。单触发电路的输入端子IN连接到晶体管320的栅极和NOR门370的输入。NOR门370的另一输入连接到电容器350。因此，单触发电路根据单触发电路的输入信号的下降沿而在NOR门370的输出处产生单触发信号OUT。恒定电流源310的电流和电容器350的电容确定单触发信号OUT的脉冲宽度。图7绘示根据电容器220的电压V_C的取样信号S_V和选通信号S_P，以及VS端子处的消磁电压的波形。一旦变压器10完全消磁，就对消磁电压进行取样。

本领域技术人员将了解，可在不脱离本发明范围或精神的情况下，对本发明的结构作出各种修改和变化。鉴于前述内容，倘若对本发明的修改和变化在所附权利要求书及其等效物的范围内，那么希望本发明涵盖这些修改和变化。

Claims (15)

1.一种功率转换器的线性预测取样电路，其包括：

信号产生电路，其用于根据第一信号、第二信号和切换信号而产生取样信号，其中所述第一信号与变压器的磁化电压相关，且所述第二信号与所述变压器的消磁电压相关；以及

取样和保持电路，其耦合到所述变压器，以便通过根据所述取样信号而对所述变压器的所述消磁电压进行取样来产生反馈信号，其中所述反馈信号与所述功率转换器的输出电压相关，且根据所述反馈信号而产生所述切换信号，用于切换所述变压器并调节所述功率转换器的输出。

2.根据权利要求1所述的线性预测取样电路，其中所述取样信号的周期根据所述磁化电压的增加而增加，所述取样信号的所述周期根据所述变压器的磁化周期的减小而减小，所述取样信号的所述周期根据所述消磁电压的增加而减小，且其中所述变压器的所述磁化周期与所述切换信号的启用时间相关。

3.根据权利要求1所述的线性预测取样电路，其中一旦所述变压器消磁，就对所述消磁电压进行取样。

4.根据权利要求1所述的线性预测取样电路，其中将所述第二信号的最小值箝制到极限值。

5.根据权利要求1所述的线性预测取样电路，其中所述信号产生电路包括：

电容器；

第一开关，其耦合在所述第一信号与所述电容器之间；

第二开关，其耦合在所述第二信号与所述电容器之间；

第一比较器，其耦合到所述电容器，以便一旦所述电容器的电压高于第一参考电压，就产生第一控制信号；

输出电路，其经耦合以根据所述第一控制信号的启用和所述切换信号的禁用而产生第一放电信号，其中所述第一开关根据所述切换信号的启用而开启，且所述第二开关响应所述第一放电信号的启用而开启，其中所述第一信号用于对所述电容器进行充电，且所述第二信号用于对所述电容器进行放电。

6.根据权利要求5所述的线性预测取样电路，其中所述信号产生电路还包括第二比较器，其耦合到所述电容器，以便一旦所述电容器的所述电压高于第二参考电压，就产生第二放电信号，且

其中根据所述第一放电信号或所述第二放电信号而产生所述取样信号。

7.根据权利要求5所述的线性预测取样电路，其中所述信号产生电路还包括单触发脉冲产生器以根据所述取样信号的禁用而产生选通信号。

8.根据权利要求1所述的线性预测取样电路，其中根据所述切换信号的禁用而产生具有最小脉冲宽度的所述取样信号。

9.根据权利要求1所述的线性预测取样电路，其中所述取样信号在所述切换信号的启用前被禁用。

10.根据权利要求1所述的线性预测取样电路，其中所述取样和保持电路包括：

第一电容器；

第二电容器，其用于产生所述反馈信号；

第一开关，其用于根据所述取样信号而将所述变压器的所述消磁电压取样到所述第一电容器；以及

第二开关，其耦合到所述第一电容器，以便根据选通信号而将所述第一电容器的电压取样到所述第二电容器，其中所述选通信号是根据所述取样信号的结束而由所述信号产生电路产生。

11.一种功率转换器的线性预测取样装置，其包括：

信号产生电路，其根据变压器的磁化电压和所述变压器的磁化周期而产生取样信号；以及

取样和保持电路，其耦合到所述变压器以通过根据所述取样信号而对所述变压器的消磁电压进行取样来产生信号，

其中，所述信号与所述功率转换器的输出电压相关。

12.根据权利要求11所述的线性预测取样装置，其中所述变压器的消磁电压还确定所述取样信号的周期。

13.根据权利要求11所述的线性预测取样装置，其中所述取样信号的所述周期根据所述磁化电压的增加而增加，所述取样信号的所述周期根据所述变压器的所述磁化周期的减小而减小，且所述取样信号的所述周期根据所述消磁电压的增加而减小。

14.根据权利要求11所述的线性预测取样装置，其中所述取样和保持电路在所述变压器消磁后，对所述消磁电压进行取样。

15.根据权利要求11所述的线性预测取样装置，其中所述取样和保持电路包括：

第一电容器；

第二电容器，其用于产生所述信号；

第一开关，其经耦合以根据所述取样信号而将所述变压器的所述消磁电压取样到所述第一电容器；以及

第二开关，其耦合到所述第一电容器，以便根据所述取样信号的禁用而将所述第一电容器的电压取样到所述第二电容器。

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