CN209375465U - 电源转换器和初级控制器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电源转换器和初级控制器。本申请描述了用于在待机模式、供电模式、以及从所述待机模式到所述供电模式的转变期间控制电源转换器的操作状态的装置和系统的各种实施方案。对于至少一个实施方案，电源转换器包括初级控制器和次级控制器，其中所述初级控制器包括第一电路，所述第一电路被配置为在接收到唤醒信号后启动从待机模式到供电模式的转变，并且其中所述第一电路在待机模式期间被供电。对于至少一个实施方案，所述第一电路在从待机模式到供电模式的转变期间通过在变压器的第三线圈中感应到的电压由为所述变压器的第二线圈供电的设备电池来供电。对于一个实施方案，在从待机到供电模式的转变期间使用IMIN控制器来控制输出电流。

Description

电源转换器和初级控制器
交叉引用
本申请要求以发明人BongGeun Chung、Gwanbon Koo和Taesung Kim的名义于2017年9月15日提交的标题为“Improved Standby Power(改善的待机功率)”的美国实用新型申请No.15/705,389的优先权。
技术领域
本文所述的技术整体涉及用于控制由电源转换器产生的电流和电压的系统和装置。本文所述的技术还涉及用于控制由开关模式操作的电源转换器产生的电流和电压的系统和装置。更具体地讲，本文所述的技术涉及用于在待机周期期间以及在不需要电力来唤醒电源转换器以向设备供电时使用开关模式电源转换器来控制电压和电流的系统和装置。该技术可与各种电子设备结合使用，诸如被配置用于与个人通信设备 (诸如移动电话和平板电脑)一起使用的电源转换器，而且与具有不同负载需求并且其电压和电流需求随时间变化的其他设备结合使用。
背景技术
如今，电源转换器通常与诸如移动电话、平板电脑、计算机以及其他自适应和非自适应设备之类的各种设备(在下文中，各自为“自适应设备”)结合使用以将线电压(诸如美国标准120伏特AC)转换为自适应设备随后所需的各种输出电压和电流 (在下文中，各自为“负载请求”)。电源转换器通常以至少两种模式操作，即供电模式和待机模式。在供电模式期间，电源转换器通常将输入电压和电流，诸如从设置在住宅、商店或其他地方的电路中提供的那些输入电压和电流(“输入功率”)转换为自适应设备所请求的电压和电流(“负载”)。然而，虽然电源转换器通常保持连接到源极，但自适应设备并不总是连接到电源转换器或者充当电源转换器的负载—用于电源转换器的这样的非连接/空载操作模式在本文中称为“待机模式”。在处于待机模式下时，如今的电源转换器通常继续从源极汲取功率，并且将这样的输入功率转换为电源转换器本身所需的低电平电压和电流，以保持对后来产生的负载的响应。
虽然在待机模式期间对电源转换器的持续供电使电源转换器能够高度响应负载请求，但这会浪费能量。在一些现有实施方式中，在待机模式期间浪费多达20-30毫瓦的功率(下文称为“待机功率”)。在延长的时间段内并且鉴于如今使用的数百万个电源转换器，待机功率的这种功率损耗可能相当大。
如今常用的一种类型的电源转换器是开关模式电源。开关模式电源通常包括具有第一(初级)线圈、第二(次级)线圈和第三(感测)线圈的变压器。初级线圈通常连接到输入功率源，并且次级线圈通常连接到自适应设备。在供电模式期间，初级线圈、次级线圈和感应线圈按设计操作，并且通常有效地将输入功率转换为期望的负载。然而，在待机模式期间，连接到输入功率源的初级线圈通常操作以将输出电压维持在恒定电压(诸如5伏特)，但是没有连接负载。这样向次级线圈提供5伏特使得电源转换器能够快速响应负载需求。但是，如上所述，该方法浪费了电力。
虽然应当理解，初级线圈可通过打开初级线圈和输入功率源之间的电路来断电，但是应当理解，这样的方法通常涉及人为干预以重新激活初级线圈。也就是说，按照这样的方法，自适应设备的连接(或来自已连接的自适应设备的新负载请求的生成) 通常需要人为干预以对初级线圈供电，因为如今不存在用于自动激活断电电源转换器的初级线圈的已知机制。
因此，需要这样的电源转换器，该电源转换器具有初级线圈，该初级线圈可在待机模式期间被断电并且因此不浪费电力，但是可根据需要被自动唤醒并响应新的负载请求。
本公开的各种实施方案通过提供对电源转换器(并且具体地讲为开关模式电源转换器)的待机模式的高度复杂的控制，通过提供次级侧控制电路来解决上述和其他问题，该次级侧控制电路能够从连接的自适应设备接收新的负载请求，并且被配置为通过在没有人为干预的情况下激活电源转换器的初级侧来响应这样的新的负载请求。
实用新型内容
根据本公开的至少一个实施方案，提供了用于在待机模式期间使电源转换器的初级侧所消耗的功率最小化，并且响应于新的负载请求来自动启用供电操作模式的装置、系统或方法。
根据本公开的至少一个实施方案，电源转换器包括初级控制器，该初级控制器被配置为在待机模式、供电模式、以及从待机模式到供电模式的转变期间控制变压器的第一线圈的操作状态。对于至少一个实施方案，初级控制器还可包括初级开关控制器和驱动器电路；第一电路，该第一电路被配置为在接收到唤醒信号后启动初级开关控制器和驱动器电路从待机模式到供电模式的转变，其中第一电路是在待机模式期间被供电的第一唤醒电路。电连接到变压器的第二线圈的次级控制器可包括在电源转换器中，并且还包括第二电路，该第二电路被配置为检测设备到电源转换器的连接。
对于至少一个实施方案，第二电路可以是次级唤醒电路，并且次级控制器可在从待机模式到供电模式的转变期间由设备供电。次级控制器可被配置为在设备连接到电源转换器时输出唤醒信号。初级开关控制器和驱动器电路在待机模式期间未被供电。
对于至少一个实施方案，电源转换器可包括光耦合器，该光耦合器被配置为将唤醒信号从次级控制器传输到初级控制器。
对于至少一个实施方案，次级唤醒电路可被配置为在接收到设备唤醒信号后检测设备到次级控制器的连接。
对于至少一个实施方案，次级唤醒电路可被配置为监测在分压器电路两端形成的电压电势，以检测设备何时电连接到电源转换器。电源转换器提供分压器电路的第一电阻元件。设备提供分压器电路的第二电阻元件。当设备电连接到电源转换器时形成分压器电路。当电源转换器没有电连接到设备时，形成第一电压电势。当电源转换器电连接到设备时，形成第二电压电势。
对于至少一个实施方案，次级控制器被配置用于与利用设备形成的电路一起使用。对于至少一个实施方案，电路包括检测电路，该检测电路被配置为检测在设备和电源转换器之间的电连接的形成。对于至少一个实施方案，电路包括信号传送电路，该信号传送电路被配置为操作设备开关，其中在闭合设备开关后，设备电池向次级控制器提供电力。对于至少一个实施方案，检测电路和信号传送电路中的至少一者由设备提供。
对于至少一个实施方案，在待机模式期间，初级开关控制器和驱动器电路控制连接到第一线圈的初级开关的操作以保持空载输出电压。
对于至少一个实施方案，次级控制器包括补偿器电路，该补偿器电路被配置为控制由第二线圈生成的输出纹波。
对于至少一个实施方案，补偿器包括放大器，该放大器被配置为比较参考电压信号与阈值电压并且输出经比较的参考电压信号，其中参考电压信号表示电源转换器的输出电压，并且阈值电压是预定的。对于至少一个实施方案，补偿器包括可变电阻器，该可变电阻器电连接到放大器，并且被配置为调整经比较的参考电压信号的电压。对于至少一个实施方案，当设备连接到第二控制器时，补偿器输出第一反馈信号，并且当设备未连接到第二控制器时，补偿器输出第二反馈信号。对于至少一个实施方案，第二电路包括附接检测器，该附接检测器被配置为在设备附接到电源转换器时降低可变电阻器的电阻，并且在设备与电源转换器分离时增加可变电阻器的电阻。
对于至少一个实施方案，电源转换器包括初级控制器，该初级控制器被配置为在待机模式、供电模式、以及从待机模式到供电模式的转变期间控制变压器的第一线圈的操作状态。对于至少一个实施方案，初级控制器包括初级开关控制器和驱动器电路。对于至少一个实施方案，初级开关控制器和驱动器电路在待机模式期间未被供电。对于至少一个实施方案，初级控制器包括初级供电线圈唤醒电路，该初级供电线圈唤醒电路被配置为在检测到在变压器的第三线圈中感应到的初级电压信号后启动初级控制器从待机模式到供电模式的转变。对于至少一个实施方案，在通过电连接到第二线圈的设备为第二线圈供电后，在变压器的第三线圈中感应到初级电压信号。
对于至少一个实施方案，电源转换器包括次级控制器，该次级控制器电连接到变压器的第二线圈，并且被配置为在待机模式期间控制第二线圈的供电。对于至少一个实施方案，次级控制器包括次级唤醒电路，该级唤醒电路被配置为检测设备到电源转换器的连接；以及次级开关控制器，该次级开关控制器被配置为控制电连接到第二线圈的第二开关的占空比。对于至少一个实施方案，在由次级唤醒电路检测到设备到电源转换器的连接之后，次级开关控制器闭合第二开关。对于至少一个实施方案，设备电池在从待机模式到供电模式的转变期间向第二线圈供电。
对于至少一个实施方案，次级唤醒电路被配置为通过监测在分压器电路两端形成的电压电势来检测设备到电源转换器的连接。对于至少一个实施方案，电源转换器提供分压器电路的第一电阻元件，并且设备提供分压器电路的第二电阻元件。对于至少一个实施方案，当设备电连接到电源转换器时形成分压器电路，使得当电源转换器没有电连接到设备时形成第一电压电势，并且当电源转换器电连接到设备时形成第二电压电势。
对于至少一个实施方案，次级控制器被配置用于与利用设备形成的电路一起使用。对于至少一个实施方案，电路包括检测电路，该检测电路被配置为检测在设备和电源转换器之间的电连接的形成。对于至少一个实施方案，电路包括信号传送电路，该信号传送电路被配置为操作设备开关，其中在闭合设备开关后，设备电池向次级控制器提供电力。对于至少一个实施方案，检测电路和信号传送电路中的至少一个由设备提供。
对于本公开的至少一个实施方案，用于与电源转换器一起使用的初级控制器包括IMIN控制器，该IMIN控制器被配置为在待机模式、供电模式、以及从待机模式到供电模式的转变期间控制由电源转换器输出的电流。
对于至少一个实施方案，IMIN控制器包括低电压主导旁路电路，该低电压主导旁路电路被配置为将在反馈信号中提供的电流与峰值电流阈值进行比较并且输出经比较的信号中的较小者。
对于至少一个实施方案，IMIN控制器包括高电压主导旁路电路，该高电压主导旁路电路被配置为第二次比较低电压主导旁路电路的输出与所选择的输出电流电平，并且输出第二次比较的信号中的较高者。
对于至少一个实施方案，IMIN控制器包括选择器，该选择器被配置为检测设备到电源转换器的电连接。对于至少一个实施方案，基于变压器的第三线圈中的反馈信号或初级电压信号的快速变化来检测连接。对于至少一个实施方案，IMIN控制器包括选择器，该选择器被配置为在第一IMIN电平和第二IMIN电平之间进行选择。对于至少一个实施方案，第一IMIN电平小于第二IMIN电平。对于至少一个实施方案，当设备电连接到电源转换器时，选择器选择第一IMIN电平。对于至少一个实施方案，当设备没有电连接到电源转换器时，选择器选择第二IMIN电平。
附图说明
本文关于以下描述和附图中的至少一个进一步公开了由本公开的各种实施方案提供的装置、系统和方法的特征、方面、优点、功能、模块和部件。
图1是根据本公开的第一实施方案的用于控制电源转换器从待机模式唤醒到供电模式的电路的示意图。
图2是根据本公开的第一实施方案的用于将电源转换器从待机模式唤醒到供电模式的方法的流程图。
图3是根据本公开的第二实施方案的用于控制电源转换器从待机模式唤醒到供电模式的电路的示意图。
图4是根据本公开的第二实施方案的用于将电源转换器从待机模式唤醒到供电模式的方法的流程图。
图5是根据本公开的第三实施方案的用于控制电源转换器从待机模式唤醒到供电模式的电路的示意图。
图6是根据本公开的第四实施方案的用于控制电源转换器从待机模式唤醒到供电模式的电路的示意图。
图7是根据本公开的第五实施方案的用于控制电源转换器从待机模式唤醒到供电模式的电路的示意图。
图8是结合本公开的至少一个实施方案的用于确定功率控制器的操作模式的初级电流控制电路的示意图。
图9A-9B是根据本公开的至少一个实施方案的示出由相应IMIN1和IMIN2设置的初级电流控制电路检测到的代表性电压和电流的时序图。
具体实施方式
本文所述的各种实施方案涉及用于控制待机功率并且转变到电源转换器中的功率操作模式的装置和系统。更具体地讲，本文所述的实施方案涉及用于控制开关模式操作的电源转换器中的待机模式与功率模式之间的转变的系统和装置。本文所述的实施方案可用于电子设备(诸如被配置用于与个人通信设备(诸如移动电话和平板电脑) 一起使用的电源转换器)中，以及与其他设备一起使用，所述其他设备对电源转换器所提供的电压和电流的请求随时间(包括设备未连接到电源转换器或负载请求未被待定的时间段)推移而变化。虽然本文所述以及如附图中所示的各种实施方案为本领域普通技术人员提供了足够的信息以实践本实用新型中的一项或多项，如本文所要求保护的或如稍后在要求本公开的优先权的任何申请中要求保护的，应当理解，可以在没有本文提供的细节中的一项或多项的情况下实践一个或多个实施方案。因此，本文所述的各种实施方案是通过示例提供的，并且不旨在也不应当用于限制任何实施方案要求保护的任何实用新型的范围。
如图1所示并且对于本公开的至少一个实施方案，提供了具有初级侧和次级侧的电源转换器100。电源转换器100可被配置为包括具有第一线圈L1、第二线圈L2和第三线圈L3的变压器101。第一线圈L1和第三线圈L3位于电源转换器100和变压器101的初级侧上。第二线圈L2位于电源转换器100和变压器101的次级侧上。
电源转换器的初级侧
第一线圈：第一线圈L1包括适当地连接到第一初级端口PP1的第一端子T1，在至少一个实施方案中，该第一初级端口用作初级输入功率端口，该初级输入功率端口被配置为接收来自电源(未示出)的输入电压和电流。电源可以是其输入信号被适当地整流为直流(DC)电源、DC电源或其他的交流(AC)电源。输入功率信号调节可使用并联连接到第一端子T1的电容器C1和C2以及电阻器R2来提供。电源转换器100可包括二极管D1，该二极管连接到第一线圈L1的第二端子T2并且被配置为防止第一线圈L1的反向偏置。电阻器R1也可被提供并且连接到第一端子T1以经由第二初级端口PP2向初级控制器102提供初级输入电压信号SV，该初级输入电压信号是由电源提供给第一线圈L1的输入电压的表示。下文更详细地讨论初级控制器102所使用的部件、连接性和信号。
第一开关：第一开关S1连接到第一线圈L1的第二端子T2。在至少一个实施方案中，第一开关S1是具有连接到第二端子T2的漏极的MOSFET。应当理解，在其他实施方案中，可根据任何实施方式的需要来使用包括MOSFET或其他的开关部件的其他配置和/或布置。二极管D2表示MOSFET S1的体二极管。
第一开关S1的栅极连接到初级控制器102的第三初级端口PP3。初级控制器 102被配置为经由第三初级端口PP3来输出初级栅极控制信号SPG。SPG控制第一开关S1“导通”和“关断”期间的持续时间(脉冲宽度)和频率。在S1的每个接通周期期间通过第一线圈L1生成初级电流IP。
第一开关S1的源极连接到电阻器R3，该电阻器也连接到地。当第一开关S1 “导通”时，电流感测电压信号SPV生成并且表示电阻器R3两端的电压。当第一开关“导通”时，初级电流IP从电源通过第一线圈L1、第一开关S1和电阻器R3流动到地。经由第六初级端口PP6向初级控制器102提供电流感测电压信号SPV。
第三线圈：电源转换器100和变压器101也包括第三线圈L3。第三线圈L3包括接地的第三端子T3和第四端子T4。第三端子T3经由二极管D4和第四初级端口 PP4连接到初级控制器102。第三端子T3也经由由电阻器R4和R5以及第五初级端口PP5形成的第一分压器电路连接到初级控制器102。在电源转换器100的每个占空比期间，第三线圈L3向初级控制器102提供表示由第一线圈L1传递的电压和电流的两个信号，如在第三线圈L3中生成的电压和电流所表示。更具体地讲，第三线圈L3 生成施加的电压信号SVDD并且经由第四初级端口PP4将其提供给初级控制器102。 SVDD通过第三线圈L3生成并且表示由变压器101在每个占空比内生成的电压和电流。其次，第三线圈L3在每个占空比内生成缩放的初级电压信号SPVS并且经由第五初级端口PP5将其提供给初级控制器。SPVS是与在第二线圈L2两端的电压成比例的在第三线圈L3两端的电压的缩放表示。二极管D4以及电容器C3和C4为SVDD和SPVS信号提供整流和滤波。
光耦合器：电源转换器100还包括光耦合器108a-b，该光耦合器包括初级侧上的接收元件108a以及次级侧上的传输元件108b。对于至少一个实施方案，光耦合器 108a-b被配置为向初级侧传输唤醒信号SWU和反馈信号SFB。取决于输出控制器110 中的操作模式(在下文中进一步描述)的这些信号中的每个信号都经由光耦合器 108a-b和初级控制器102的第七初级端口PP7由次级侧传输到初级控制器102。电容器C5为接收的SWU或SFB信号提供调节。应当理解，通常由光耦合器108a-b在任何给定时间将SWU或SFB信号中的仅一个从次级侧传输到初级侧。根据至少一个实施方案，可根据任何形式的模拟或数字信号特征(诸如电压、电流、持续时间、极性、一个或多个脉冲、或它们的序列、或其他)来提供SWU和SFB信号之间的区别。如下所述，SWU信号表示指示初级侧从待机模式加电的信号。当输出控制器110请求从待机模式转变到供电模式时，SWU被传输到初级侧。在供电模式期间，SFB信号对应于由电源转换器100提供给自适应设备150的输出功率。初级控制器102可使用SFB信号来控制由电源转换器100提供给自适应设备150的输出功率。
应当理解，在模拟和/或数字域中的其他信号表示可用于表示信息并且经由一个或多个光耦合器将信息从自适应设备150和/或输出控制器110传输到初级控制器102。
初级控制器：初级控制器102包括各种部件，所述部件被配置为将初级侧从待机模式配置唤醒，并且在供电模式期间，基于从次级侧和/或从连接到次级侧的自适应设备150接收的通信来控制输出电压，以及在需要时控制电源转换器100的输出功率。用于由初级控制器102执行的操作的部件可被设置在一个或多个集成电路组件中，并且可包括使用通常已知的电路元件，包括但不限于逻辑分立元件、有源和无源元件。根据至少一个实施方案，初级控制器102包括初级唤醒电路104以及初级开关控制器和驱动器电路106。根据本公开的一个或多个实施方案的任何给定实施方式的需要，其他部件可被包括在初级控制器102中。对于至少一个实施方案，在待机模式期间，初级开关控制器和驱动器电路106被断电。
初级唤醒电路104：如图1所示，初级控制器102可包括初级唤醒电路104，对于至少第一实施方案，该初级唤醒电路包括一个或多个部件，所述部件被配置为指示初级控制器102以及初级开关控制器和驱动器电路106来激活并且开始将在第一端口 PP1处接收的输入功率转换成自适应设备150所需的输出电压和电流。初级唤醒电路 104适当地连接到初级控制器102的一个或多个端口。初级唤醒电路104在待机模式期间以其接收和响应从次级控制器接收到的唤醒信号所需的最小电平供电，如下文进一步所述的。应当理解，所使用的最小功率电平将根据实施方式而改变，但是对于至少一个实施方案来说小于几毫瓦。在至少一个第一实施方案中，初级唤醒电路104适当地连接到第七初级端口PP7，初级控制器102经由该第七初级端口接收SWU信号。在接收到SWU后，初级唤醒电路104可被配置为指示初级开关控制器和驱动器电路 106来闭合第一开关S1并且开始电源转换器100的初级侧的加电操作。通常应当理解，开关模式电源通常经历转变周期，在该转变周期期间由电源转换器提供的输出功率被稳定，直到生成期望的基本上恒定的输出电压和电流。在该转变周期期间，初级控制器102可被配置为开始识别在PP7处接收的信号是反馈信号SFB，初级控制器102可使用该反馈信号来调整并控制电源转换器100的输出功率。
初级开关控制器和驱动器106：初级控制器102还可被配置为包括初级开关控制器和驱动器电路106，所述初级开关控制器和驱动器电路被配置为基于在初级控制器 102的各个端口上接收的信号(包括但不限于反馈信号SFB，以及就图3的第二实施方案而言，SPVS信号)来控制第一开关S1的打开和闭合。初级开关控制器和驱动器电路106的操作和配置可使用任何合适的设计，此类设计在本领域中是公知的。
电源转换器的次级侧
第二线圈，L2：电源转换器100的次级侧包括之前提到的第二线圈L2，该第二线圈具有第五端子T5和第六端子T6。如图1所示，第五端子T5适当地连接到二极管D3，该二极管并联连接到自适应设备150、信号调节电容器C6，并且连接到感测电阻器R6。第二线圈L2在每个占空比期间生成第二电流IS。电容器C6两端的电压经由第二次级端口SP2被提供给输出控制器110。
感测电阻器R6串联连接到二极管D3的阴极以及光耦合器108a-b的传输元件108b。在供电模式操作期间，感测电阻器R6感测由第二线圈L2提供给自适应设备 150的输出电压。反馈信号SFB经由光耦合器108a-b传输到初级控制器102。反馈信号SFB还经由双向第一次级端口SP1传输到输出控制器110。
输出控制器：输出控制器110包括次级唤醒电路112，该次级唤醒电路通信地耦接到第一次级端口SP1。输出控制器110还包括向输出控制器110提供电力的第二次级端口SP2。在供电模式期间，电力由第二线圈L2中的变压器101感应到的电压和电流提供。在待机模式期间并且在设备150从电源转换器接收到对电力的请求后，通过自适应设备150中的电池156经由利用设备开关SD的闭合形成的电路来向输出控制器110提供电力。如下所述，当请求从待机模式转变为供电模式时，设备150被配置为闭合开关SD，在该开关上，电路被配置为在电池156和输出控制器110之间。
输出控制器110还包括第三次级端口SP3，该第三次级端口可被通信地耦接到设备150，使得一个或多个指令可由设备150传送到输出控制器110。在至少一个实施方案中，次级端口SP3是便于通过电源转换器100和设备150以及在电源转换器100 和设备150之间传送信息信号的双向端口。在至少另一个实施方案中，次级端口SP3 是单向的并且支持信息信号从设备150到电源转换器100的传送。第三次级端口SP3 可从设备150接收设备唤醒信号SDWU。SDWU可用于指示电源转换器100从待机模式转变到供电模式。在设备150和电源转换器100之间建立电连接后，或者在此后的任何时间，SDWU可由设备150生成。根据至少一个实施方案，设备150可被配置为周期性地将SDWU发送到电源转换器100以在电池156上保持涓流或其他充电。在这样的周期性充电期间，电源转换器100可被配置为重复地从待机到供电到待机模式转变，并且由此在设备150不另外需要来自电源转换器100的电力时的周期期间使能量使用最小化。
现在参见图2，示出了用于将电源转换器从待机模式转变到供电模式的方法的一个实施方案。按照操作200，该方法在电源转换器100进入待机模式时开始并且在转换器保持待机模式时继续。如上所述，电源转换器100可基于许多事件中的任一个进入待机模式。例如，当设备150与电源转换器100断开连接时，次级电流IS的下降将由初级电流IP的对应变化来反映，这样的变化可经由第三线圈L3检测到，并且以施加的电压信号SVDD或缩放的初级电压信号SPVS表示。应当理解，在某些实施方案中，使用缩放的初级电压信号SPVS可更容易地检测到IP的变化。类似地，当设备150请求的负载对于一个或多个占空比为零时，操作200发生。如上所述，设备150可被配置为确定其何时被完全充电但仍保持连接到电源转换器100。在确定这样的状态后，设备150可被配置为打开开关SD，这打开电池156和电源转换器100之间的电路。在打开开关SD后，次级电流IS将快速下降，而输出电压通过电源转换器100保持在恒定电压。另外，设备150可被配置为向输出控制器110传送SDWU信号的反相，这样的反相信号可以模拟或数字格式表示并且可被配置为指示电源转换器100进入待机模式。
在操作202中，该过程通过确定设备是否连接而继续。应当理解，根据至少一个实施方案(其中当设备150断开连接并且变压器101在此后不久不再感应第二线圈 L2中的电压和电流时进入待机模式)，在设备150连接到电源转换器100之后进行操作200和202。对于这样的情景，输出控制器110通常直到设备再次连接到电源转换器才被供电。当设备150再次连接到电源转换器100时，可对应于分压器电路的RD和R7之间的比率来检测到在第三次级端口SP3处的任意设备电压电势VDP。也就是说，即使当设备开关SD打开时，经由VDP信号，电源转换器100也可确定设备150 是否连接。应当理解，输出控制器110检测表示设备150到电源转换器100的附接的 VDP信号的变化所需的电压变化可小于几毫瓦。
在操作204中，从待机模式到供电模式的转变可通过闭合设备开关SD而发生。通过闭合SD，电池156经由第二次级端口SP2向输出控制器110提供电力(按照操作206)。
按照操作206，输出控制器110现在由电池156供电。在该状态期间并且对于至少一个实施方案，输出控制器110可被配置为通过不使第一次级端口SP1接地来防止光耦合器108b的传输元件的供电。虽然在图1中未示出，但应当理解，对于至少一个实施方案，次级唤醒电路112可被配置为控制电流通过第一次级端口SP1，并且由此通过光耦合器108b的传输元件的流动。对于一种这样的配置，在经由输出控制器 110的第三次级端口SP3接收到设备唤醒信号SDWU之后，电流可被允许流过光耦合器108b的传输侧(按照操作208)。应当理解，这样的实施方案可将电源转换器100 配置用于在输出控制器110已被供电或者已经以其他方式达到稳定操作状态之后从待机模式转变到供电模式。在其他实施方案中，次级唤醒电路112可被配置为自动闭合连接到光耦合器108b的传输元件的电路，使得在闭合设备开关SD后，传输侧108b 将SWU信号传送到光耦合器的接收侧108a，而不需要设备150来单独地发送设备唤醒信号SDWU。
在另一个实施方案中，设备150可被配置为包括信号传送电路152和检测电路154。检测电路154可被配置为检测电源转换器100和设备150之间的连接。当将电源转换器100连接到设备150时，信号传送电路152可被配置为闭合设备开关SD以向输出控制器110供电，使得从待机模式到供电模式的转变可在输出控制器110中发生。按照至少一个实施方案，设备开关SD可被暂时闭合，如信号传送电路152所指示，使得提供足够时间和持续时间的电信号，这唤醒输出控制器110。在闭合设备开关SD后，信号传送电路152可被配置为然后经由第三次级端口SP3将设备唤醒信号 SDWU发送到输出控制器110(操作207)。然后可向次级唤醒电路112提供设备唤醒信号SDWU，这激活光耦合器108b的传输元件，并且由此将唤醒信号SWU传送到电源转换器100的初级侧。因此，在图1中，唤醒信号SWU被示为双向的，但是应当理解，按照一个或多个所述实施方案的给定实施方式，该唤醒信号通常与仅一个电流流动方向一起使用。
如上所述并且如操作208所表示，唤醒信号SWU被传输到初级控制器102。按照操作210，唤醒信号SWU通过光耦合器108a的接收元件由初级控制器接收。接下来，按照操作212，初级控制器102被唤醒并且自动开始稳定其对于供电模式的操作。按照操作214，在从待机模式转变为供电模式之后，供电电压信号SVDD将增加到一定电压电平以经由第一端口PP1、电阻器R1和第二初级端口PP2的输入电压来操作初级控制器102。在通过供电电压信号SVDD的增加来操作初级控制器之后，电源转换器100在设备开关SD闭合的情况下开始向设备150提供电力。在另一个实施方案中，在经由输出控制器110的第三次级端口SP3接收到设备唤醒信号SDWU之后打开设备开关SD后(按照操作208)，电源转换器100可提供给设备150的输出电压VDD也将增加。在至少一个实施方案中，VDD的这些增加可通过输出控制器110经由第三次级端口SP3传送到设备150。在输出电压VDD达到期望的阈值后，设备150可被配置为再次闭合设备开关SD，并且由此使用由电源转换器100提供的电力为设备供电并且/或者对电池156进行充电。在另一个实施方案中，设备150可被配置为在自设备 150将设备唤醒信号SDWU发送到电源转换器100以来经过给定量的时间之后闭合设备开关SD。
在操作216中，初级控制器102根据稳态参数操作并且向设备150提供电力，直到发生到待机模式的下一次转变。
输出开关控制的电源转换器实施方案
在图3中，示出了电源转换器300的第二实施方案。对于该实施方案，次级侧包括第二开关S2，该第二开关可用于控制第二线圈L2的占空比(在本文中为“第二占空比”)。在图3中，除非在本文中另外进一步描述，否则关于图1描述的实施方案共有的元件被相同地配置和操作。
如图3所示，初级控制器102-B包括初级开关控制器和驱动器106以及初级供电线圈唤醒电路302。初级控制器102-B被配置为接收SV、SPV、SVDD、SPVS和SFB信号，并且经由端口PP1-PP7发送SPG信号。对于图1的实施方案，初级供电线圈唤醒电路302与初级唤醒电路104的不同之处在于，它不被配置为在接收到由输出控制器110经由光耦合器108a-b发送的唤醒信号SWU后接收或唤醒初级控制器102。相反，按照图3的实施方案，光耦合器108a-b不用于将唤醒信号SWU发送到初级控制器 102。
在通过第三线圈L3生成缩放的初级电压信号SPVS后，由于设备150的电池 156对第二线圈L2的供电，初级供电线圈唤醒电路302检测在第三线圈L3中感应到的缩放的初级电压信号SPVS并且激活初级控制器102-B。应当理解，施加的电压信号 SVDD或缩放的初级电压信号SPVS(后者向初级控制器102-B提供更大的灵敏度，而更小的电力)可用于向初级供电线圈唤醒电路302传送信号以将初级控制器102-B从待机模式转变为供电模式。应当理解，使用由电池156从第二线圈L2在第三线圈L3 中感应到的电压，初级控制器102-B可被配置为检测并解释为设备150从待机模式转变为供电模式的请求。
如图3进一步所示，第二线圈L2经由第六端子T6连接到次级开关S2。在至少一个实施方案中，次级开关S2是具有连接到第六端子T6的漏极的MOSFET。应当理解，在其他实施方案中，可根据任何实施方式的需要来使用包括MOSFET或其他的开关部件的其他配置和/或布置。二极管D5表示MOSFET S2的体二极管。次级开关S2的漏极连接到第六端子T6，源极连接到地，并且栅极经由第四次级端口SP4连接到第二输出控制器304。
在供电操作模式期间，可通过控制第二占空比来减小二极管D5的传导损耗。第二占空比可通过第二输出控制器304经由次级栅极信号SSG来控制。更具体地讲，并且按照本公开的至少一个实施方案，次级开关控制器306经由第二次级端口SP2通信地耦接到第二开关S2的栅极。次级开关控制器306生成次级栅极信号SSG，该次级栅极信号用于控制第二占空比，并且由此控制电源转换器300在供电模式期间减小的传导损耗。根据任何给定实施方式的需要，次级开关S2可用于一个或多个实施方案中以减小传导损耗。
次级开关控制器306还可在待机模式期间用于向初级控制器102-B传送设备 150已经请求从待机模式转变为供电模式的信号。如上所述，对于至少一个实施方案，通过控制设备开关SD和第二开关S2的状态(打开/闭合)，可以形成电路，通过该电路，设备150的电池156在第二线圈L2两端生成电压，该电压感应到第三线圈L3两端的电压。初级供电线圈唤醒电路302可被配置为基于第三线圈L3两端的这种电压的生成来确定期望从待机模式转变为供电模式。该电压可以施加的电压信号SVDD和缩放的初级电压信号SPVS中的一个或多个来表示。
第二输出控制器304可被配置为在接收到设备唤醒信号SDWU后，在接收到由电池生成的输出电压VDD后，例如在闭合设备开关SD后，或在其他情况下生成第二栅极信号SSG。
在图4中，示出了用于使用第二电源转换器300来控制从待机模式到供电模式的转变的方法。该方法包括如上所述进行的操作200、202、204、206和207。按照操作400，在接收到设备唤醒信号SDWU后，次级开关控制器306闭合第二开关S2，由此在第二线圈L2两端施加电池156的电压。如上所述，该电压感应到第三线圈L3 两端的对应电压，该对应电压生成用于唤醒初级控制器的施加的电压SVDD和缩放的初级电压SPVS信号。到供电模式的转变然后继续操作212、214和216，如上所述。
补偿电源转换器实施方案
现在参见图5，示出了被配置为从待机模式转变为供电模式的第三电源转换器500，其中电源转换器的初级侧在待机操作模式期间保持供电。按照该实施方案，在待机模式期间，初级控制器102控制电源转换器500的初级侧，使得空载输出电压保持在例如3-7伏特之间。应当理解，当设备150与电源转换器500断开连接时，这样的操作模式可能导致在输出电压中生成大的输出纹波。为了在待机模式下控制电源转换器的此类纹波以及其他动态特征，第三输出控制器510被配置为缓慢响应输出电压的此类波动。如图所示，第三电源转换器500可被配置为包括分压器电路，该分压器电路包括生成参考电压信号VREF的电阻器R8和R9。经由第五次级端口SP5向设置在第三输出控制器510中的补偿器电路502提供了VREF。补偿器电路502可被配置为使用任何期望的技术或方法来检测和控制输出电压的波动。
另外，对于至少一个实施方案，设备唤醒信号SDWU可用于指示电源转换器500 转变为供电模式。这样的转变如上相对于第一实施方案和第一流程所述而发生，不同之处在于第三输出控制器510不使用来自电池的156的电力来执行转变。相反，第三输出控制器510保持由初级线圈L1在第二线圈L2中感应到的电流供电。应当理解，较快的补偿器600被配置为响应输出电压中的纹波，VDD通常相应地增加待机功率。相反，如果补偿器600的响应慢，则可降低待机功率，但是可生成输出电压中的输出纹波和其他不期望的特征。
鉴于这些问题，在图6中，示出了补偿器电路600的一个实施方案，其可自动调整输出电压的波动以实现期望的响应。补偿器电路600可设置在第三电源转换器 500中，该第三电源转换器被配置为接收并发送SDWU、VDP、VREF、VDD、SFB和 SWU信号，如上所述(出于简化该描述的目的，在图6中未示出由第三输出控制器510接收和/或发送的所有端口和信号)。补偿器电路600可包括放大器602，该放大器被配置为接收VREF信号，将这样的信号与由电容器C7的电压指定的设置阈值进行比较，并且输出经比较的参考电压。电容器C7的电压可基于观察到的电源转换器对输出电压范围的响应，基于数学分析或其他方式来设置。补偿器电路600还包括附接检测器604，该附接检测器被配置为接收VDP信号，如上所述，该信号可用于检测设备到电源转换器的附接。附接检测器604被配置为基于设备是否附接到电源转换器来控制电阻器R10的电阻。按照至少一个实施方案，电阻器R10的电阻在设备附接时减小，并且该电阻在设备分离时增加。电阻的这些变化在反馈信号SFB中传送，初级控制器 102可使用该反馈信号来控制第一开关S1的操作，并且由此在待机模式期间控制电源转换器来使用尽可能少的功率。
按照至少一个实施方案，补偿器600可被配置为使得在将设备附接到电源转换器之前，电阻R10被设置为非常大，并且补偿器对输出电压变化的响应(如VREF所表示)可非常慢。应当理解，所使用的电阻R10越大，在待机模式期间浪费的功率越少。在设备被附接之后，如对于至少一个实施方案通过VDP信号的变化所检测到的，电阻可被设置为非常小，具有非常快的响应。应当理解，鉴于在待机操作模式期间消耗的功率，可使用其他电阻排列来调谐电源转换器以提供给定的响应速率。
受控的最小初级电流实施方案
在图7中，示出了被配置为在待机模式期间使功率损耗最小化并且自动从待机模式转变为供电模式的电源转换器的第四实施方案700。按照该实施方案并且如同上述实施方案中的一个或多个，诸如通过图5的实施方案的示例，在待机模式期间，初级控制器可保持供电并且输出电压可被保持在期望的范围之间。然而，应当理解，在待机模式期间，通过控制第一开关的状态，由输出控制器710偶尔激活初级线圈可用于将输出电压保持在期望范围之间。按照至少图7的实施方案，可通过使用IMIN控制器702来进一步控制待机和供电模式之间的这些操作和转变，对于至少一个实施方案，该IMIN控制器被配置用于在电源转换器700的初级侧上使用。
更具体地讲，如图8所示，初级控制器102可被配置为包括IMIN控制器电路 800。对于至少一个实施方案，IMIN控制器800可被连接以接收SFB和SVDD信号并且向一个或多个初级开关控制器和驱动器106部件输出修改的反馈信号SFBM，所述部件通常用于控制第一开关的操作。IMIN控制器800由SVDD供电(如上所述，该SVDD可由第三线圈L3生成)，并且被连接到电阻器R10(该电阻器具有固定阻抗ZFB)。对于至少一个实施方案，例如，当电源转换器被配置为提供可变输出电压与固定输出电压时，电阻器R10的阻抗可以是可调节的，如所期望的那样。如此配置的电源转换器的实施方案在2017年8月23日提交的美国专利申请序列号15/683,939中有所描述，该申请的整个内容以引用方式并入本文。
IMIN控制器800还可被配置为包括二极管D6，该二极管具有与端口PP7和电阻器R10并联连接的阳极，以及与由电阻器R11和R12形成的分压器电路串联连接的阴极。电阻器R11和R12的阻抗值被选择为缩放接收的反馈信号SFB，如基于电阻器 R10的输出电压所调整的，以生成缩放的反馈信号SFBS以用于输入到低电压主导旁路电路802。
低电压主导旁路电路802被配置为也接收电流限制信号VCS-LIM。电流限制信号可用于通过提供初级电流IP的逐脉冲峰值不超过其的高阈值限制来保护部件免受过电流的影响。低电压主导旁路电路802向高电压主导旁路电路804输出SFBS和VCS-LIM信号中的较小者。
高电压主导旁路电路804也被配置为从选择器812接收VIMIN1或VIMIN2信号，并且将此类接收的信号与低电压主导旁路输出信号SLD进行比较。高电压主导旁路电路804输出低电压主导旁路输出信号SLD和从选择器812接收的信号中的较高者。以这种方式，电源转换器700可被配置为在所有操作模式(包括供电、待机以及其间的转变)期间为其自身和任何连接的设备提供过电流保护。
对于至少一个实施方案，选择器812可被配置为基于最后接收的反馈信号SFB来选择VIMIN1阈值或VIMIN2阈值。更具体地讲，当设备附接到电源转换器700时，由于加载了一定量的电流，反馈信号SFB将快速改变，例如变为高速。选择器812可被配置为检测这些变化并且从VIMIN2阈值切换为VIMIN1阈值，这些阈值分别表示在时间段t1到t3期间初级电流IP中的期望电平，如图9A和9B所示，其中当设备附接时使用VIMIN1，并且当设备不附接时使用VIMIN2。可基于数学分析、实验结果或其他方式来选择任何给定实施方案的VIMIN1和VIMIN2的值。
如图9A对于设备何时被附接进一步所示，反馈信号SFB根据标准电源转换器操作在一个或多个供电开关周期内随时间推移而重复振荡，如从t0到t4所示。在每个这样的开关周期中，通常在施加的电压信号SVDD中出现标称纹波SVDD(纹波-供电)。
如图9B对于设备何时未被附接进一步所示，开关周期延长，如现在由t0到2t0产生的待机开关周期所示。这导致产生更大的待机纹波SVDD(纹波-待机)，在此期间电源转换器使用的功率小于在供电模式期间使用的功率。应当理解，对于待机模式所产生的施加的电压信号小于供电模式所产生的施加的电压信号，它们通过相应的 SVDD(标称待机)和SVDD(标称供电)值分别示于图9B和9A中。
如图8进一步所示，对于至少一个实施方案，IMIN控制器电路800可被连接到初级开关控制器电路806的比较器808。比较器808还可被连接前沿消隐电路810和开关驱动器814。根据至少示于图9A和9B中的操作的原理并且/或者如本文在其他地方所述，开关驱动器814可连接到振荡器812，并且在每个开关周期期间传输初级栅极信号SPG。初级开关控制器电路806的部件的操作原理在本领域中是公知的。
虽然上文已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独实施方案描述了受权利要求保护的本实用新型的各种实施方案，但是本领域技术人员可在不脱离受权利要求保护的本实用新型的精神或范围的情况下对所公开的实施方案进行许多改变。本文所使用和描述的部件可被设置在一个或多个集成电路组件中，并且可包括使用通常已知的电路元件，包括但不限于逻辑分立元件、有源和无源元件。因此可以设想到其他实施方案。意图在于，包含在以上描述中并且在附图中示出的所有内容应被解释为仅是对实施方案的说明而非限制。对第一、第二等等的端子、线圈、部件或其他的参考仅出于解释和清楚的目的，并非旨在限制。在不脱离如所附权利要求中定义的本实用新型的基本要素的情况下，可以进行细节或结构的改变。

Claims (12)

1.一种电源转换器，其特征在于，包括：
初级控制器，所述初级控制器经配置以在待机模式、供电模式以及从所述待机模式到所述供电模式的转变期间控制变压器的第一线圈的操作状态，所述初级控制器进一步包括：
初级开关控制器和驱动器电路；
第一电路，所述第一电路经配置以在接收到唤醒信号后启动所述初级开关控制器和驱动器电路从所述待机模式到所述供电模式的转变；
其中所述第一电路是在待机模式期间被供电的第一唤醒电路；以及
次级控制器，其电连接到所述变压器的第二线圈，所述次级控制器进一步包括：
第二电路，所述第二电路经配置以检测设备到所述电源转换器的连接。
2.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，
其中所述第二电路是次级唤醒电路；
其中所述次级控制器在从所述待机模式到所述供电模式的转变期间由所述设备供电，其中所述次级控制器经配置以在所述设备连接到所述电源转换器时输出所述唤醒信号；并且
其中所述初级开关控制器和驱动器电路在待机模式期间未被供电。
3.根据权利要求2所述的电源转换器，其特征在于，包括：
光耦合器，所述光耦合器经配置以将所述唤醒信号从所述次级控制器传输到所述初级控制器；
其中所述次级唤醒电路经配置以：
在接收到设备唤醒信号后检测所述设备到所述电源转换器的所述连接；
监测在分压器电路两端形成的电压电势，以检测所述设备何时电连接到所述电源转换器；
其中所述电源转换器提供所述分压器电路的第一电阻元件；
其中所述设备提供所述分压器电路的第二电阻元件；
其中当所述设备电连接到所述电源转换器时形成所述分压器电路；
其中当所述电源转换器没有电连接到所述设备时，形成第一电压电势；并且
其中当所述电源转换器电连接到所述设备时，形成第二电压电势。
4.根据权利要求3所述的电源转换器，其特征在于，
其中所述次级控制器经配置以用于与所述设备一起形成的电路；
其中所述电路包括以下各项中的至少一项：
检测电路，所述检测电路经配置以检测所述设备和所述电源转换器之间的电连接的形成；以及
信号传送电路，所述信号传送电路经配置以操作设备开关；
其中所述检测电路和所述信号传送电路中的至少一者由所述设备提供；
其中在闭合所述设备开关后，设备电池向所述次级控制器提供电力。
5.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，
其中在待机模式期间，所述初级开关控制器和驱动器电路控制连接到所述第一线圈的初级开关的操作以保持空载输出电压；并且
其中所述次级控制器包括补偿器电路，所述补偿器电路经配置以控制由所述第二线圈生成的输出纹波。
6.根据权利要求5所述的电源转换器，其特征在于，
其中所述补偿器包括：
放大器，所述放大器经配置以比较参考电压信号与阈值电压并且输出经比较的参考电压信号；
其中所述参考电压信号表示所述电源转换器的输出电压；
其中所述阈值电压是预定的；
可变电阻器，所述可变电阻器电连接到所述放大器，并且经配置以调整所述经比较的参考电压信号；并且
当设备连接到所述次级控制器时，输出第一反馈信号；并且
当设备未连接到所述次级控制器时，输出第二反馈信号；
其中所述第二电路包括：
附接检测器，所述附接检测器经配置以在所述设备附接到所述电源转换器时降低所述可变电阻器的电阻，并且在所述设备与所述电源转换器分离时增加所述可变电阻器的所述电阻。
7.一种电源转换器，其特征在于，包括：
初级控制器，所述初级控制器经配置以在待机模式、供电模式以及从所述待机模式到所述供电模式的转变期间控制变压器的第一线圈的操作状态，所述初级控制器还包括：
初级开关控制器和驱动器电路；
其中所述初级开关控制器和驱动器电路在待机模式期间未被供电；以及
初级供电线圈唤醒电路，所述初级供电线圈唤醒电路经配置以在检测到在所述变压器的第三线圈中感应到的初级电压信号后启动所述初级控制器从所述待机模式到所述供电模式的转变；
其中在通过电连接到第二线圈的设备为所述变压器的所述第二线圈供电后，在所述变压器的所述第三线圈中感应到所述初级电压信号。
8.根据权利要求7所述的电源转换器，其特征在于，包括：
次级控制器，其电连接到所述变压器的所述第二线圈并且经配置以在待机模式期间控制所述变压器的所述第二线圈的供电，所述次级控制器包括：
次级唤醒电路，所述次级唤醒电路经配置以检测所述设备到所述电源转换器的连接；以及
次级开关控制器，所述次级开关控制器经配置以控制电连接到所述第二线圈的第二开关的占空比；
其中在由所述次级唤醒电路检测到所述设备到所述电源转换器的连接之后，所述次级开关控制器闭合所述第二开关。
9.根据权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，
其中设备电池在从待机模式到供电模式的所述转变期间向所述第二线圈供电。
10.根据权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，
其中所述次级唤醒电路经配置以通过监测在分压器电路两端形成的电压电势来检测所述设备到所述电源转换器的所述连接；
其中所述电源转换器提供所述分压器电路的第一电阻元件；
其中所述设备提供所述分压器电路的第二电阻元件；
其中当所述设备电连接到所述电源转换器时形成所述分压器电路；
其中当所述电源转换器没有电连接到所述设备时，形成第一电压电势；并且
其中当所述电源转换器电连接到所述设备时，形成第二电压电势。
11.根据权利要求10所述的电源转换器，其特征在于，
其中所述次级控制器经配置以用于与所述设备一起形成的电路，
其中所述电路包括以下各项中的至少一项：
检测电路，所述检测电路经配置以检测所述设备和所述电源转换器之间的电连接的形成；
信号传送电路，所述信号传送电路经配置以操作设备开关；
其中在闭合所述设备开关后，设备电池向所述次级控制器提供电力；并且
其中所述检测电路和所述信号传送电路中的至少一者由所述设备提供。
12.一种用于与电源转换器一起使用的初级控制器，其特征在于，包括：
IMIN控制器，所述IMIN控制器经配置以在待机模式、供电模式以及从所述待机模式到所述供电模式的转变期间控制由电源转换器输出的电流；
低电压主导旁路电路，所述低电压主导旁路电路经配置以将在反馈信号中提供的电流与峰值电流阈值进行比较并且输出所述经比较的信号中的较小者；
高电压主导旁路电路，所述高电压主导旁路电路经配置以第二次比较所述低电压主导旁路电路的输出与所选择的输出电流电平，并且输出所述第二次比较的信号中的较高者；以及
选择器，所述选择器经配置以：
检测设备到所述电源转换器的电连接；
其中基于变压器的第三线圈中的所述反馈信号或初级电压信号的快速变化来检测所述连接；
在第一IMIN电平和第二IMIN电平之间进行选择；
其中所述第一IMIN电平小于所述第二IMIN电平；
其中当设备电连接到所述电源转换器时，所述选择器选择所述第一IMIN电平；并且
其中当设备没有电连接到所述电源转换器时，所述选择器选择所述第二IMIN电平。
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