CN1972097B - 软过渡控制器、控制软过渡的方法和使用其的同步转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于具有初级和次级整流器的同步转换器的软过渡控制器。在一个实施例中，该软过渡控制器包括初级驱动器，它被配置来在所述次级整流器正工作在二极管模式中时，向工作在同步模式中的所述初级整流器提供初级驱动信号，以提供所述同步整流器的输出电压。另外，软过渡控制器也包括互补驱动器，它耦接到所述初级驱动器并且被配置来在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，以在将所述输出电压保持在预定电压范围内的同时将所述次级整流器从所述二极管模式向同步模式转换。

Description

软过渡控制器、控制软过渡的方法和使用其的同步转换器
技术领域
本发明一般地涉及电源转换，具体涉及软过渡控制器、控制软过渡的方法和使用所述控制器或所述方法的同步转换器。
背景技术
电源转换器被广泛地用于计算机和电信产业中以在大量的应用中提供本地电源。与使用二极管的整流相比，使用初级和次级可控制开关的同步整流被广泛地用于改善转换器的效率。二极管整流器提供了大约700微伏的导通或正向电压降，这可以与提供仅仅大约50微伏的导通电压降的同步整流器相当。因此，使用同步整流的整流器功耗大约小于二极管整流的一个数量级。但是，在同步转换器的启动模式期间可以采用二极管整流。
在启动模式中使用二极管整流的一个示例发生在当同步转换器与在同步转换器的输出上提供预先存在或预偏置的电压的另一个操作电压源并联使用时。这个预偏置的电压状态将使得使用同步整流的同步转换器在启动期间提供和吸收负载电流，直到其输出电压达到预偏置的电压电平。这个负载电流的吸收是电源转换器的终端用户非常不希望有的和不可接受的，因为它在操作并联电压源上引起不可预测或不可接受的电流负荷，由此使得它过载或故障。为了解决预偏置电压问题，需要在启动的第一级禁止次级可控制开关，而使用次级二极管整流。
另一个问题是通常在转换器操作转换到同步整流模式时遇到的。如果次级整流器突然从二极管模式向同步整流器模式转换，则这个硬过渡(hardtransition)导致具有依赖于转换器负荷电流的极性的输出电压尖脉冲。高负荷可能发生过冲(overshoot)，轻负荷可能发生下冲(undershoot)。这些结果阻止了输出电压中的期望的单调上升，并且还产生了不希望有的反向电流问题。这些结果的每个都导致终端系统上的有害效果。
因此，在本领域中所需要的是从二极管整流模式向同步整流器模式过渡而基本上不影响输出电压的方式。
发明内容
为了处理现有技术的上述不足，本发明提供了一种用于具有初级和次级整流器的同步转换器的软过渡控制器。在一个实施例中，软过渡控制器包括初级驱动器，它被配置来在次级整流器正工作在二极管模式中时向工作在同步模式中的初级整流器提供初级驱动信号，以提供同步整流器的输出电压。另外，软过渡控制器也包括互补驱动器，它耦接到初级驱动器并且被配置来在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，以在将输出电压保持在预定电压范围内的同时将次级整流器从二极管模式向同步模式转换。
在另一个方面，本发明提供了一种控制用于具有初级和次级整流器的同步转换器的软过渡的方法。所述方法包括：在次级整流器正工作在二极管模式中时向工作在同步模式中的初级整流器提供初级驱动信号，以提供同步转换器的输出电压。所述方法也包括：还在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，以在将输出电压保持在预定电压范围内的同时将次级整流器从二极管模式向同步模式转换。
在另一个方面，本发明也提供一种同步转换器。所述同步转换器包括：初级和次级整流器，它们耦接到输出电感器和电容器；以及软过渡控制器，它耦接到所述初级和次级整流器。所述软过渡控制器具有初级驱动器，它在次级整流器正工作在二极管模式中时向正工作在同步模式中的初级整流器提供初级驱动信号，以提供同步整流器的输出电压。所述软过渡控制器也具有互补驱动器，它耦接到初级驱动器，用于在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，以在将输出电压保持在预定电压范围内的同时将次级整流器从二极管模式向同步模式转换。
上面已经给出了本发明的优选的和替代的特征，以便本领域的技术人员可以更好地理解随后的本发明的详细说明。以下说明形成本发明的权利要求的主题的本发明的附加特征。本领域的技术人员应当明白，他们可以容易地使用所公开的原理和具体实施例来作为设计或修改用于执行本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员也应当认识到，这样的等同构造不偏离本发明的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本发明，现在结合附图来进行下面的说明，其中：
图1图解了按照本发明的原理构造的同步转换器的一个实施例的示意图；
图2A图解了可以按照本发明的原理构造和由软过渡控制器提供的驱动信号的一个实施例；
图2B图解了可以按照本发明的原理构造和由软过渡控制器提供的驱动信号的一个替代实施例；
图3图解了与诸如参照图1所述之类的同步转换器相关联的电压波形的示例；和
图4图解了用于控制按照本发明的原理执行的软过渡的方法的流程图。
具体实施方式
首先参照图1，所图解的是按照本发明的原理构造的同步转换器——一般地被指定为100——的一个实施例的示意图。所述同步转换器100连接到输入电压Vin，并且包括：初级整流器105，它具有初级可控制开关QP；次级整流器110，它具有与次级整流器二极管DS并联的次级可控制开关QS；输出电感器Lo；输出电容器Co；和软过渡控制器115，它具有初级驱动器116和互补驱动器117。同步转换器100提供输出电压VO。
在正常或全同步的操作模式期间，软过渡控制器115向同步转换器100提供传统的脉冲宽度调制(PWM)信号。初级驱动器116向初级整流器105提供初级导通周期d，并且互补驱动器117向次级整流器110提供次级导通周期(1-d)。初级导通周期d和次级导通周期(1-d)是连续的交替以形成完整的控制周期。软过渡控制器115监控输出电压VO和调整初级脉冲持续时间d，以当同步转换器100的负荷电流变化时提供输出电压VO的调节。在初级导通周期d期间，同步转换器100的输出耦接到输入电压Vin，而在次级导通周期(1-d)期间，输出电压是空程的(freewheeling)。
在操作的启动模式期间，次级整流器110工作在二极管模式中，其中，初始使用次级整流器二极管DS，并且不使用次级可控制开关QS。这包容了任何预偏置电压问题，并且阻止从并联的输出电压源的电流吸收。初级驱动器116向初级整流器105提供初级导通周期d，如上所述，但是，互补驱动器117将次级可控制开关QS保持在非导通模式中，并且使用次级整流器二极管DS来在也进行其空程操作的同时提供同步转换器100的输出电压VO的初始建立。
在同步转换器100的启动期间的适当时间，启动过渡周期，其中，仍然耦接到初级驱动器116的互补驱动器117向次级可控制开关QS提供软过渡驱动信号以将次级整流器110从二极管模式向同步模式过渡。所述软过渡驱动信号在过渡周期期间将输出电压VO保持在预定的电压范围内。所述预定电压范围在所述过渡周期期间提供了与次级整流器110的连续二极管模式操作的输出电压偏离(output voltage deviation)，可以通过每个过渡步骤的可允许的改变来定义所述输出电压偏离。
现在转向图2A，所图解的是可以按照本发明的原理构造并且由软过渡控制器提供的驱动信号——一般地指定为200——的一个实施例。驱动信号200包括初级驱动信号205和软过渡驱动信号210。在图解的实施例中，初级驱动信号205提供了具有5伏特的恒定脉冲幅度的脉冲，其中，每个脉冲使用初级导通周期d，如图所示。
在过渡周期Tt之前，软过渡驱动信号210在零伏特被保持无效(inactive)，并且在过渡周期Tt之后，软过渡驱动信号210提供具有次级导通周期(1-d)的5伏特脉冲。在过渡周期Tt期间，软过渡驱动信号210提供多个过渡步骤，它们在每个连续的次级导通周期(1-d)期间具有单调上升的脉冲幅度。这些单调上升的脉冲幅度的每个提供了次级可控制开关的更大程度的导通，由此允许向全同步操作的可预测的和有序的过渡。可以定义在过渡周期Tt期间使用的过渡步骤的数量和每个步骤的对应的递增过渡幅度，以控制输出电压偏离。
现在转向图2B，所图解的是可以按照本发明的原理构造并且由软过渡控制器提供的驱动信号——一般地指定为250——的一个替代实施例。驱动信号250包括初级驱动信号255和软过渡驱动信号260。在图解的替代实施例中，初级驱动信号255提供了具有5伏特的恒定脉冲幅度的脉冲，其中，每个脉冲使用初级导通周期d，如上所述。
在过渡周期Tt之前，软过渡驱动信号260在零伏特被保持无效，并且在过渡周期Tt之后，软过渡驱动信号260提供具有如上所述的次级导通周期(1-d)的5伏特脉冲。在过渡周期Tt期间，软过渡驱动信号260提供多个过渡步骤，它们具有单调增加的脉冲宽度，它们开始小于次级导通周期(1-d)并且在每个连续的次级整流器周期期间增加直到它们达到次级导通周期(1-d)。这些单调增加的脉冲宽度的每个提供了次级可控制开关的更长的导通时间，由此允许向全同步操作的可预测的和有序的过渡。再次，可以定义在过渡周期Tt期间使用的过渡步骤的数量和每个步骤的对应的递增过渡宽度，以控制输出电压偏离。
虽然图2A、2B的图解实施例使用基本上线性的过渡幅度，但是相应的软过渡驱动信号210、260可以采用由输出电压偏离的给定过渡要求所要求的其它过渡步骤分布(profile)。另外，相关领域的技术人员可以明白，也可以使用如下过渡步骤分布，其中，单调改变的脉冲幅度可以与单调增加的脉冲宽度组合。它们也可以被定制来满足产生所需的输出电压波形特征所需要的、由次级可控制开关和次级整流器二极管担负得起的各种驱动要求或特征。当然，初级导通周期d以及对应地次级导通周期(1-d)可以在过渡周期Tt期间改变。
现在返回图1，软过渡驱动信号——诸如参照图2A或2B所讨论的——间歇地将次级可控制开关QS与次级整流器二极管DS并联。这些间歇连接的每个在过渡周期期间使用单调增加的数量的并联。在这个并联数量中的增加可以是线性或非线性的，由特定的输出电压特征和在次级整流器中使用的特定部件控制。
这些单调增加的连接次数在次级整流器的电阻和电压降上提供了从全二极管整流模式向全同步整流模式的分段的线性过渡。由此，由这个分段的线性过渡提供向同步转换器100的全同步操作的有序转换。软过渡驱动信号可以适当地满足直到其额定的负荷电流的、同步转换器100的所有输出电流条件。另外，可以在输出电压VO超过预定电平或在输出电压VO已经达到了额定的负荷电压时提供所述软过渡驱动信号。
现在转向图3，所图解的是与诸如参照图1所述的之类的同步转换器相关联的电压波形——一般地指定为300——的示例。电压波形300包括输出电压波形305和预定电平310。输出电压波形305对应于在其启动操作期间发生的同步转换器的三种操作模式。同步转换器在二极管模式中以次级整流器开始。然后，次级整流器工作在过渡模式中，其中，当输出电压已经达到预定电平310时，它以有序和基本上单调的方式而从二极管模式向同步模式过渡。
现在转向图4，所图解的是用于控制按照本发明的原理执行的软过渡——一般地被指定为400——的方法的流程图。方法400用于具有初级和次级整流器的同步转换器，并且在步骤405开始。然后，在步骤410，在次级整流器正工作在二极管模式中的时候，向工作在同步模式中的初级整流器提供初级驱动信号。步骤410由此在同步转换器通常正运行在操作的启动模式中时提供同步转换器的输出电压。
次级整流器包括并联到可控制开关的二极管，以便它可以使用所述可控制开关而工作在二极管模式或同步模式中。在步骤415，还在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，由此将次级整流器从二极管模式向同步模式转换。另外，软过渡驱动信号被提供来满足直到额定负荷电流的、同步转换器的所有输出电流条件。
在所图解的实施例中，采用软过渡驱动信号以在同步转换器的操作的启动模式和正常模式之间过渡。另外，可以在同步转换器的输出上存在预偏置电压时，使用软过渡驱动信号，以防止同步转换器从预偏置电压源吸收的电流。对于输出电压等于或超过预偏置电压的情况，发生过渡周期。或者，当在现存的预偏置电压源条件期间或当不存在预偏置电压时输出电压达到额定负荷电压时，在过渡周期期间可以提供软过渡驱动信号。
在步骤420，在过渡周期期间，同步转换器的输出电压被保持在预定电压范围内。该预定电压范围提供了与由次级整流器的每个过渡步骤的可允许的改变所限定的次级整流器的连续二极管模式操作的输出电压偏离。在本发明的一个实施例中，软过渡驱动信号在过渡周期期间提供了单调改变的脉冲幅度。在一个替代的实施例中，软过渡驱动信号在过渡周期期间提供了单调增加的脉冲宽度。在这些实施例的每个中，可选择每个过渡步骤的单调改变的数量和每个过渡周期的过渡步骤的数量。改变这个改变数量和步骤数量使得可以定制输出电压偏离以满足给定的要求。方法400在步骤425结束。
虽然已经参照以特定顺序执行的特定步骤来说明和示出了在此公开的方法，但是应当明白，这些步骤可以在不脱离本发明的教程的情况下被组合、细分或重新排序以形成等同的方法。因此，除非在此具体指示，步骤的顺序或编组不是本发明的限制。
总之，已经提供了使用软过渡控制器、控制软过渡的方法以及使用所述控制器或所述方法的同步转换器的本发明的实施例。优点包括同步转换器能够在将其输出电压保持在预定电压范围内的同时从使用整流的二极管模式的启动状态向操作的同步模式过渡。这个预定电压可以近似在二极管模式中的连续操作，其近似程度接近根据在过渡周期的长度和由软过渡驱动信号的每个步骤担负得起的改变量之间的关系而要求的那样。可以通过在软过渡驱动信号的脉冲幅度或脉冲宽度中的递增的单调改变来实现该改变。
虽然已经详细说明了本发明，但是本领域技术人员应当明白，它们在不脱离最宽形式的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种改变、替代和替换。

Claims (24)

1.一种用于具有初级和次级整流器的同步转换器的软过渡控制器，包括：
初级驱动器，被配置来在所述次级整流器正工作在二极管模式中时向工作在同步模式中的所述初级整流器提供初级驱动信号，以提供所述同步转换器的输出电压；以及
互补驱动器，耦接到所述初级驱动器并且被配置来在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，以在将所述输出电压保持在预定电压范围内的同时将所述次级整流器从所述二极管模式向同步模式转换。
2.按照权利要求1的控制器，其中，所述软过渡驱动信号在所述过渡周期期间提供单调改变的脉冲幅度。
3.按照权利要求1的控制器，其中，所述软过渡驱动信号在所述过渡周期期间提供单调增加的脉冲宽度。
4.按照权利要求1的控制器，其中，当所述输出电压已经达到预定电平时，提供所述软过渡驱动信号。
5.按照权利要求1的控制器，其中，对于直到额定负荷电流的、所述同步转换器的所有输出电流条件提供所述软过渡驱动信号。
6.按照权利要求1的控制器，其中，使用所述软过渡驱动信号来在所述同步转换器的操作的启动模式和正常模式之间过渡。
7.按照权利要求1的控制器，其中，所述预定电压范围提供了与由每个过渡步骤可允许的改变所限定的、在所述过渡周期期间的所述次级整流器的连续二极管模式操作的输出电压偏离。
8.按照权利要求1的控制器，其中，所述同步转换器包括输出电感器和输出电容器，并且将在输出电感器和输出电容器之间的节点测量的电压提供给软过渡控制器。
9.一种控制用于具有初级和次级整流器的同步转换器的软过渡的方法，包括：
在所述次级整流器工作在二极管模式中时，向工作在同步模式中的所述初级整流器提供初级驱动信号，以提供所述同步转换器的输出电压；以及
还在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，从而在将所述输出电压保持在预定电压范围内的同时将所述次级整流器从所述二极管模式向同步模式转换。
10.按照权利要求9的方法，其中，所述软过渡驱动信号在所述过渡周期期间提供单调改变的脉冲幅度。
11.按照权利要求9的方法，其中，所述软过渡驱动信号在所述过渡周期期间提供单调增加的脉冲宽度。
12.按照权利要求9的方法，其中，当所述输出电压已经达到预定电平时，提供所述软过渡驱动信号。
13.按照权利要求9的方法，其中提供在输出电感器和输出电容器之间的节点测量的电压以用于控制软过渡。
14.按照权利要求9的方法，其中，使用所述软过渡驱动信号来在所述同步转换器的操作的启动模式和正常模式之间过渡。
15.按照权利要求9的方法，其中，所述预定电压范围提供了与由每个过渡步骤可允许的改变限定的、在所述过渡周期期间的所述次级整流器的连续二极管模式操作的输出电压偏离。
16.按照权利要求9的方法，其中，所述次级整流器包括与可控制开关并联的二极管。
17.一种同步转换器，包括：
初级和次级整流器，耦接到输出电感器和电容器；以及
软过渡控制器，耦接到所述初级和次级整流器，所述软过渡控制器包括：
初级驱动器，在所述次级整流器正工作在二极管模式中时，向工作在同步模式中的所述初级整流器提供初级驱动信号，以提供所述同步转换器的输出电压；以及
互补驱动器，耦接到所述初级驱动器，用于在过渡周期期间提供软过渡驱动信号，以在将所述输出电压保持在预定电压范围内的同时将所述次级整流器从所述二极管模式向同步模式转换。
18.按照权利要求17的转换器，其中，所述软过渡驱动信号在所述过渡周期期间提供单调改变的脉冲幅度。
19.按照权利要求17的转换器，其中，所述软过渡驱动信号在所述过渡周期期间提供单调增加的脉冲宽度。
20.按照权利要求17的转换器，其中，将在输出电感器和输出电容器之间的节点测量的电压提供给软过渡控制器。
21.按照权利要求17的转换器，其中，对于直到额定负荷电流的、所述同步转换器的所有输出电流条件提供所述软过渡驱动信号。
22.按照权利要求17的转换器，其中，使用所述软过渡驱动信号来在所述同步转换器的操作的启动模式和正常模式之间过渡。
23.按照权利要求17的转换器，其中，所述预定电压范围提供与在由每个过渡步骤可允许的改变限定的、所述过渡周期期间的所述次级整流器的连续二极管模式操作的输出电压偏离。
24.按照权利要求17的转换器，其中，所述次级整流器包括与可控制开关并联的二极管。
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