KR20120081038A

KR20120081038A - 스위칭 전력 변환기를 위한 적응 제어 소프트 시작 방법

Info

Publication number: KR20120081038A
Application number: KR1020120002994A
Authority: KR
Inventors: 샤오린 가오; 용 리; 하이엔 후 부이; 푸퀴앙 쉬
Original assignee: 아이와트 인크.
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-18
Also published as: US8582329B2; CN102594115A; US20120176819A1; TW201236346A; KR101351778B1; CN102594115B; TWI455468B

Abstract

스위칭 전력 변환기는 원하는 규정 전압에 따른 부하로 규정된 전압을 제공한다. 스위칭 전력 변환기는 스위치에 연결된 변압기와 스위칭을 제어하기 위해 제어 신호를 생성하는 스위치 제어기를 포함한다. 스위치 제어기는 스위칭 전력 변환기의 출력 전압을 나타내는 감지된 전압을 모니터한다. 스위치 제어기는 연속 전도 모드에서 스위칭 전력 변환기를 동작하기 위해 스위치의 스위칭을 제어하고 반면 감지된 출력 전압은 출력 전압이 제1 임계치 전압 보다 낮음을 지시한다. 스위치 제어기는 불연속 전도 모드에서 스위칭 전력 변환기를 동작하기 위해 스위치의 스위칭을 제어하고 반면 감지된 출력 전압은 제1 임계치 전압 이상이다.

Description

스위칭 전력 변환기를 위한 적응 제어 소프트 시작 방법{ADAPTIVELY CONTROLLED SOFT START-UP SCHEME FOR SWITCHING POWER CONVERTERS}

본 발명은 일반적으로 전력 변환기에로, 더 특히, 시작 및/또는 리셋 온 전력(POR: power on reset)에서 스위칭 사이클을 제어하는 스위치 제어기를 가지는 전력 변환기에 관한 것이다.

2011년 1월 10일에 제출한 "스위칭 전력 변환기를 위한 적응 제어 소프트 시작 방법" 제목의 공동 출원 중인 미국 출원 번호 61/431283로부터 35 U.S.C. §119(e) 아래 본 출원 청구 우선권은 여기 통합된 참조에 의해 포함된다.

전력 변환기는 전력 변환기의 출력 전압과 기준 전압 사이에 "에러" 신호를 제공하는 에러 회로를 일반적으로 필요로 한다, 출력 전압을 조절하기 위해. 에러 회로는 기준 전압에 상대적인 출력 전압의 극성(양 또는 음)과 크기를 제공한다. 전력 변환기는 에러 신호에 응답하여 전력 변환기의 출력에 전달된 전력 양을 증가하거나 낮춤에 의해 출력 전압을 적절히 조절하도록 에러 신호를 사용할 수 있다.

기존 전력 변환기는 아날로그 값으로 출력 전압을 감지하고 감지된 출력 전압과 아날로그 값으로 기준 전압 사이에 차이를 유도하고 이것을 증폭함에 의해 에러 신호를 일반적으로 생성한다. 기존 전력 변환기는 또한 제어 방식에 의존하여 에러 신호를 생성하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 사용할 수 있다. 기타 기존 전력 변환기는 에러 신호를 생성하기 위해 아날로그 에러 증폭기를 사용할 수 있다.

많은 기존의 절연 스위칭 전력 변환기에서 출력 전압은 변압기 회로의 보조 측면에 직접적으로 감지되고 고정된 기준 전압과 비교된다. 이에 따라 전력 변환기의 출력 전압은 타겟 레벨로 조절된다. 또한, 다른 기존의 절연 스위칭 전력 변환기는 직접적으로 출력 전압을 감지하지 못하고, 대신 변압기 회로의 주 측면의 전압을 감지한다. 감지된 주 측 전압은 고정된 기준 전압과 비교되고 이에 따라 전력 변환기의 출력 전압은 목표 레벨에 조절된다. 이들 절연 스위칭 전력 변환기는 일반적으로 주 피드백 변환기로 언급된다.

주 피드백 변환기의 경우에서, 특정 스위칭 사이클 동안 상황이 있다, 출력 전압은 기준 전압에 의해 설정되는 것처럼 조절된 목표 전압으로부터 크게 다를 수 있다. 이러한 발생의 하나의 예는 스위칭 전력 변환기의 초기 시작 동안이다. 초기 시작 단계는 주 피드백 변환기에 대해 특히 어렵다 그들은 출력 전압을 직접적으로 감지하지 못하기 때문에. 출력 전압은 시작 동안 조절된 목표 전압으로부터 크게 다를 때, 감지된 주 측 전압은 출력 전압의 부정확한 표현을 제공한다. 결과적으로, 기존 주 피드백 변환기는 시작 후 조절된 목표 전압에 도달하도록 느릴 수 있다. 문제는 악화할 수 있다 주 스위칭 변환기의 보조 출력 단계는 고 캐패시턴스 전해 콘덴서를 포함하는 출력 필터 단계에 연결된다, 따라서 더 시작 사이클을 느리게 한다. 주 스위칭 전력 변환기의 제어기가 0VDC로부터 시간의 최대 양내에 조절된 출력 전압 레벨로 제어된 방법에서 출력 전압을 상승하도록 실패하면, 피해는 전력 변환기에 연결된 전자 장치에 야기될 수 있다.

제어기의 또다른 주 기능은 비정상 및/또는 고장 조건을 감지하고 검출하는 것이고, 고장 조건이 제거될 때까지 스위칭 변환기에 안전한 동작 모드를 제공한다. 시작 모드에서, 출력 전압, 일반적으로 0VDC에 시작하고, 원하는 조절된 출력 전압 레벨보다 훨씬 아래이다. 출력 필터 캐패시터에 기반된 용량성 부하는 또한 출력 전압의 상승 시간에 영향을 미친다. 출력 전압이 원하는 조절된 출력 전압 레벨 보다 훨씬 낮은 조건은 또한 고장 조건에서 관찰될 수 있고 스위칭 변환기의 출력의 단락 회로가 있다. 결과적으로, 기존 주 스위칭 변환기는 고장 검출에 실패하도록 민감하다. 이것은 고장 조건이 방지될 때 시작으로부터 스위칭 변환기를 방지할 수 있다.

위에서 기술된 문제에 하나의 기존 해법은 조절점에 도달하는 출력이 감지될 때까지 보조에 최대 양의 에너지를 전달하도록 제어기를 구성하는 것이다. 그러나, 이러한 기존 해법은 여전히 문제가 있다 이것은 출력 전압 오버슈트(over-shoot)를 야기할 수 있기 때문에, 후속 출력 전압 링잉.

스위칭 전력 변환기는 원하는 규정 전압에 따라 부하에 조절된 전압을 제공한다. 변압기는 입력에 연결된 주 권선과 스위칭 전력 변환기의 출력에 연결된 보조 권선을 포함한다. 스위치는 변압기의 주 권선에 연결된다. 주 권선을 통한 전류는 스위치가 켜질 때 생성되고 스위치가 꺼질 때 생성되지 않는다. 스위치 제어기는 스위치를 켜거나 끄기 위해 제어 신호를 생성한다. 스위치는 제1 단계에서 제어 신호에 응답하여 켜지고 스위치는 제2 단계에서 제어 신호에 응답하여 꺼진다. 스위치 제어기는 스위칭 전력 변환기의 출력 전압을 나타내는 감지된 전압을 모니터한다. 스위치 제어기는 연속 전도 모드에서 스위칭 전력 변환기를 동작하도록 스위치의 스위칭을 제어한다 출력 전압이 제1 임계치 전압보다 낮음을 감지된 출력 전압이 지시할 때. 스위치 제어기는 불연속 전도 모드에서 스위칭 전력 변환기를 동작하도록 스위치의 스위칭을 제어한다 감지된 출력 전압이 제1 임계치 전압 위에 있을 때. 일실시예에서, 제1 임계치 전압은 스위칭 전력 변환기의 출력에서 원하는 규정 전압의 10-25%의 범위 내에 있다.

일실시예에서, 스위치 제어기는 개방 루프 불연속 전도 모드에서 스위칭 전력 변환기를 동작하도록 스위치의 스위칭을 제어한다 출력 전압이 제1 임계치 전압 이상이고 제2 임계치 전압 이하임을 감지된 전압이 지시할 때. 스위치 제어기는 폐쇄 루프 불연속 전도 모드에서 스위칭 전력 변환기를 동작하도록 스위치의 스위칭을 제어한다 출력 전압이 제2 임계치 전압 이상임을 감지된 전압이 지시할 때. 일실시예에서, 제2 임계치 전압은 원하는 규정 전압의 60-80% 범위 내에 있다.

일실시예에서, 스위치 제어기는 연속 전도 모드 동안 감지된 출력 전압의 상승 시간에 기반하여 고장 조건을 검출하고 검출된 고장 조건에 반응하여 안전 모드에서 스위칭 변환기를 배치한다.

초기 시작에서 CCM에서 동작함에 의해 출력 전압이 원하는 규정 전압에 실질적으로 아래일 때, 스위칭 전력 변환기는 보조 단계로 최대 에너지를 전달하고, 출력 전압의 빠른 상승을 허용한다. 개방 루프 불연속 전도 모드로 스위칭에 의해 출력 전압이 제1 임계치 전압에 도달 후, 스위칭 전력 변환기는 출력 전압을 정확하게 모니터링할 수 있다 불연속 전도 동작에서 가능한 빠르게 출력 전압이 증가하도록 여전히 허용할 때. 마지막으로, 폐쇄 루프 불연속 전도 모드에 스위칭에 의해 출력 전압이 제2 임계치 전압에 도달한 후, 스위칭 전력 변환기는 출력 전압의 상승을 느리게할 수 있다 이것은 오버슈트(overshoot)와 링잉(ringing)을 최소화하기 위해 원하는 규정 전압에 근접하는 것처럼.

명세서에 기술된 기능과 장점은 모두 포함하는 것은 아니고, 특히, 많은 추가 기능과 장점은 도면과 명세서의 보기에서 기술에 일반적인 숙련된 이에게 명백할 수 있다. 또한, 이것은 명세서에 사용된 언어는 가독성과 교육 목적을 위해 주로 선택됨을 주지해야 한다, 발명의 주제 문제를 그리거나 경계선을 긋기 위해 선택된 것은 아닐 수 있다.

현재 발명의 가르침은 첨부된 도면에 함께 다음 상세히 기술로 고려되게 자세히 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 전력 변환기를 보인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 전력 변환기의 일반적인 시작 시퀀스 동안 Vout의 파형을 보인다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 CCM 동작 내지 DCM 동작에 비교하는 스위칭 전력 변환기의 전류 파형을 보인다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 CCM에서 스위칭 전력 변환기의 전압과 전류 파형을 보인다.
도 4는 일반적인 시작 시퀀스 동안 고장 조건이 감지될 때 CCM의 파형을 보인다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 전력 변환기의 CCM부터 DCM_HIGH로 전환의 파형을 보인다.

도면과 다음 기술은 도시의 수단에 의해 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 이것은 다음 기술로부터, 여기 공개된 구조와 방법의 대체 실시예는 쉽게 인지될 것임이 주시돼야 한다 다양한 대체가 청구된 발명의 원리로부터 출발함이 없이 고용될 수 있는 것처럼.

참조는 본 발명의 몇 가지 실시예에 상세히 만들어 질 수 있다, 이러한 예는 첨부된 도면에 도시된다. 실용적인 유사하거나 같은 참조 번호는 도면에서 사용될 수 있고 유사하거나 같은 기능을 지시할 수 있음이 주지된다. 도면은 오직 도시의 목적을 위한 본 발명의 실시예를 묘사한다. 기술에 숙련된 이는 다음 기술로부터 쉽게 인지할 수 있다 여기 도시된 구조와 방법의 대체 실시예는 여기 기술된 본 발명의 원리로부터 출발함이 없이 적용될 수 있음이다.

본 발명의 실시예는 스위칭 사이클의 적응 전용 제어를 제공하는 스위칭 전력 변환기를 포함한다. 시작 조건에서, 출력 전압이 원하는 규정 점 보다 훨씬 낮을 때, 전용 제어는 출력 전압 레벨의 질서 상승(최소 오버슈트와 링잉(minimal overshoot and ringing))을 제공한다 고장 조건의 방지를 유지하고 잘못된 고장 조건을 피할 때. 적응 제어는 보조 출력에 연결된 출력 캐패시턴스의 넓은 범위의 적절한 시동 절차를 허용한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환기(100)를 나타내는 다이어그램이다. 스위칭 전력 변환기는 다른 컴포넌트 사이에, 변압기(T1), 스위치(Q4), 출력 정류 다이오드(D1), 출력 필터 캐패시터(105), 및 스위치 제어기(101)를 포함한다.

입력 전압(V_IN), 일반적으로 정류 교류 전압, 스위칭 전력 변환기(100)에 입력이다. 스위치 제어기(101)는 온-시간(T_ON)과 오프-시간(T_OFF)를 가진 펄스의 형태에서 스위치 제어기(101)에 의해 생성된 펄스 신호(102)를 사용하여 스위치(Q4)의 온 상태와 오프 상태를 제어한다. 펄스 신호(102)는 필요한 것처럼 변화하는 기간으로 고정된 기간, 또는 펄스를 가진 주기적인 펄스일 수 있다. 스위치(Q4)가 켜질 때 펄스 신호(102)는 온 시간동안 하이이기 때문에, 에너지는 변압기(T1)의 주측 권선(Np)에 저장된다 다이오드(D1)가 역 바이어스되기 때문에. 스위치(Q4)가 꺼질 때, 변압기(T1)의 주 권선(Np)에 저장된 에너지는 변압기(T1)의 보조 권선(Ns)으로 전달된다 다이오드(D1)는 순방향 바이어스되기 때문에. 다이오드(D1)는 변압기(T1)의 보조 권선에 출력 전압을 정류하고 캐패시터(105)는 출력 전압(V_OUT)으로 출력하기 위해 변압기(T1)의 보조 권선에 출력 전압을 필터링한다.

저항(R1, R2)은 변압기(T1)의 보조 권선(Na)을 가진 시리즈로 연결된 전압 분배기를 형성하고, 감지된 전압 Vsense를 생성하고, 출력 전압(V_OUT)의 대표이다. 일반적인 동작에서, 제어기(101)는 Vsense를 모니터하고 원하는 규정 전압(V_REG)에 근처에 크게 V_OUT을 유지하도록 스위칭을 제어한다(예를 들어, 허용 오차 범위 내). I_P는 스위치(Q4)와 소스 저항(R_S)을 통해 주측 전류이다. I_OUT은 부하(121)를 통한 출력 전류이다. 일실시예에서, 부하(212)는 고 캐패시턴스 부하(예, 4000-8000uF)를 포함한다 예를 들어, 네트워크 어댑터 또는 다른 유사 응용 프로그램에서 찾을 수 있는 것처럼.

주요 스위칭 전력 변환기에 대해, Vsense로 활용하기 위해 원하는 파형은 전력 스위치(Q4)를 통해 정류된 파형이다, 더 특히, 시점에 근처 또는 순간에 스위칭 사이클에서 시점에서 변압기(T1)에 저장된 에너지는 출력 단계로 완전히 전달된다(다이오드(D1) 전류는 영으로 떨어진다). 이러한 시점은 보조 손실이 최소인 "무릎 전압(knee voltage)"(V-Knee)으로 언급된다. 시작 또는 전원 온 리셋(power-on-reset: POR)에서, 출력 전압(V_OUT)은 원하는 규정 전압(V_REG)보다 훨씬 낮다 무릎 전압은 V_OUT의 신뢰할 수 있는 대표를 제공하지 않는다. 이것은 따라서 빠르게 출력 전압(V_OUT)을 만들기 위해 바람직하다, 무릎 전압을 신뢰성 있는 피드백 소스로 만든다.

도 2는 전원 온 리셋(POR)에서 스위칭 전력 변환기(100)의 시작 시퀀스 동안 시간 t동안 V_OUT의 파형을 보인다. 도시된 실시예에서, 스위칭 전력 변환기(100)는 동작의 세 가지 주요 모드에서 동작한다: 연속 전도 모드(CCM), 고 전력 불연속 전도 모드(DCM_HIGH)(또한 오픈 루프 DCM으로 여기 언급된), 일반 불연속 전도 모드(DCM_NORMAL)(또한, 폐쇄 루프 DCM으로 여기 언급된). 여기 사용된 것처럼, DCM은 일반적으로 DCM_HIGH 또는 DCM_NORMAL 중 하나를 참조할 수 있다.

CCM에서, 제어기(101)는 보조 단계에 전달되는 전력 변압기(T1)에 저장된 모든 에너지에 앞서 온 상태에서 스위치(Q4)를 배치한다. 결과적으로, 전력 변압기(T1)에서 자화 전류는 영으로 이동하지 않는다. 스위치(Q4)가 켜질 때, 다이오드(D1)는 즉시 역 바이어스되고 전도 전류를 멈춘다. 따라서, 스위치(Q4)는 오프 시간(T_OFF) 동안 영으로 감소하기 위해 다이오드(D1)에 전류를 기다림이 없이 전류를 전도하기 위해 시작한다. 부하(121)에 흐르는 평균 출력 전류(I_OUT)는 다이오드(D1)에서 전류의 필터링된 저 주파수 구성 요소이다. 일반적으로, 평균 출력 전류는 DCM_HIGH 또는 DCM_NORMAL 에서 보다 CCM에서 더 크다, 출력 전압(V_OUT)은 더 빠르게 상승할 것이다. CCM에서 동작의 부작용은, 그러나 감지된 전압 Vsense는 DCM_HIGH 또는 DCM_NORMAL 에서 처럼 출력 전압(V_OUT)의 정확한 표현을 제공하지 않는다. 따라서, 오직 주 피드백 스위칭 전력 변환기에 대해, 이것은 일반 동작(시작 후) 동안 CCM에서 변환기(100)를 동작하기 위해 일반적으로 바람직하지 않다 안정적이고 정확하게 규정된 출력 전압(V_OUT)이 원할 때.

DCM_HIGH 또는 DCM_NORMAL 에서, 제어기(101)는 스위치(Q4)의 스위칭을 제어한다 이에 따라 변압기(T1)에 저장된 자화 전류는 스위칭 사이클 간에 영으로 떨어지고, 다이오드(D1)를 통한 전류 흐름은 스위치(Q4)가 켜지기 전 영으로 완전히 떨어진다. 결과적으로, 평균 출력 전류는 CCM 에서 보다 DCM_HIGH 또는 DCM_NORMAL 에서 더 낮고, 출력 전압(V_OUT)은 시작동안 천천히 상승할 것이다. CCM과 달리, 그러나, 감지된 전압 Vsense는 DCM_HIGH 또는 DCM_NORMAL 에서 출력 전압(V_OUT)의 정확한 표현을 실질적으로 제공할 수 있다. 특히, DCM_HIGH 또는 DCM_NORMAL 에서, 무릎 전압은 스위칭 전력 변환기(100)를 정확하게 제어하도록 사용될 수 있고 일반 동작과 존재하는 고장 상태 사이에 안정적으로 구별할 수 있다. 일반 동작(시작 후)에서, DCM에서 스위칭 전력 변환기(100)를 동작하는 많은 장점이 있다, V_OUT의 정확한 주 규정을 달설하기 위한 무릎 전압을 사용하고 영 전압 스위칭을 구현함을 포함하여.

DCM_HIGH 과 DCM_NORMAL은 "개방 루프" 구성에서 DCM_HIGH이 동작하는 점에서 다르고 반면 DCM_NORMAL은 "폐쇄 루프" 구성에서 동작한다. 폐쇄 루프 구성(DCM_NORMAL)에서, 제어기(101)는 Vsense를 모니터하고 조절된 레벨에서 V_OUT를 유지하기 위해 Q4를 통해 주요 피크 전류(I_P)와 스위칭 주파수를 제어한다. 개방 루프 구성(DCM_HIGH)에서, 제어기(101)는 Vsense레 관계없이 동일 제어 출력을 제공한다. 일실시예에서, 예를 들어, 제어기(101)는 보조 출력으로 최대 에너지를 전달하기 위해 미리 정의된 최대 허용 레벨에서 스위칭 주파수와 주요 피크 전류(I_P)를 설정한다. 즉, DCM_HIGH에서 동안, 스위치 제어기(101)는 보조 측으로 전달되기 위해 최대 불연속 전도 모드 에너지에 대해 허용할 수 있다 V-Knee 통해 V_OUT의 레벨을 정확하게 모니터링할 때. 결과적으로, DCM_HIGH는 일반적으로 DCM_NORMAL보다 더 빠른 상승 시간을 제공한다. 그러나, DCM_NORMAL에서 동작함은 일반적으로 낮은 전압 오버슈트와 링잉을 야기할 수 있다.

일실시예에서, 스위치 제어기(101)는 초기 시작에서 CCM에서 동작한다 출력 전압이 원하는 규정 전압(V_REG) 아래에 실질적으로 있을 때. 이것은 V_OUT의 가장 빠른 상승을 허용한다. 스위치 제어기(101)는 Vsense를 모니터링하고 DCM_HIGH로 스위치한다 V_OUT가 제1 임계치 전압 위로 상승함을 Vsense가 지시할 때. Vsense가 CCM에서 V_OUT의 정확한 표현을 제공하지 않을지라도, 이것은 제1 임계치가 규정 전압(V_REG) 아래 실질적으로 일반적으로 설정하기 때문에 DCM_HIGH로 스위칭할 때를 결정하는 목적을 위해 충분하다. DCM_HIGH에서 일 때, 무릎 전압은 안정적인 피드백 신호 소스가 된다. 스위치 제어기(101)는 Vsense를 모니터하기 위해 계속하고 V_OUT이 제2 임계치 전압 위로 상승함을 Vsense가 지시할 때, 스위치 제어기(101)는 DCM_NORMAL로 스위치한다.

일실시예에서, 임계치 전압은 규정 전압(V_REG)의 퍼센티지에 기반하여 결정될 수 있다. 예를 들어, CCM으로부터 DCM_HIGH로 스위칭을 위한 제1 임계치 전압은 V_REG의 10%와 25%(예, 15%정도)간에 값으로 설정될 수 있다, DCM_HIGH로부터 DCM_NORMAL로 스위칭을 위한 제2 임계치는 V_REG의 60%와 80%(예, 70%정도)간에 값으로 설정될 수 있다. 다른 임계치는 발명의 범위로부터 출발함이 없이 사용될 수 있다 이에 따라 CCM으로부터 DCM_HIGH로 제1 임계치 전압은 DCM_HIGH로부터 DCM_NORMAL로 제2 임계치 전압보다 낮다. 출력 전압(V_OUT)의 상승률은 (CCM에서 상승률) > (DCM_HIGH에서 상승률), 및 (DCM_HIGH에서 상승률) > (DCM_NORMAL에서 상승률)(캐패시터(105)의 주어진 캐패시터 값에 대해)이다.

스위칭 전력 변환기(100)의 시작 동안 CCM, DCM_HIGH, 및 DCM_NORMAL사이에 스위칭의 장점은 시작 과정이 V_OUT의 빠른 상승을 제공한다 아직 오버슈트와 링잉을 제한할 때. 이것은 V_OUT이 실질적으로 V_REG(예, 초기 시작) 아래일 때, Vsense의 정확성은 덜 중요하고 CCM 동작은 가능한 빨리 V_OUT이 상승하도록 사용될 수 있다. 개방 루프 불연속 전도 모드로 스위칭에 의해 출력 전압이 제1 임계치 전압에 도달한 후, 스위치 제어기(101)는 V_OUT을 정확히 모니터링하기 시작할 수 있다 아직 V_OUT이 불연속 전도 동작에서 가능한 빨리 증가하도록 허용할 때. 마지막으로, 폐쇄 루프 불연속 전도 모드로 스위칭에 의해 V_OUT이 제2 임계치 전압에 도달한 후, 스위칭 전력 변환기는 오버슈트와 링잉을 최소화하기 위해 V_REG에 가까이 있는 것처럼 V_OUT의 상승을 천천히 할 수 있다.

도 3a는 CCM 동작과 DCM 동작을 비교하는 다양한 전류 파형을 보인다. CCM에서, Q4는 전도 전류(파형 351에 보이는 것처럼)를 시작한다 스위치(Q4)가 켜질 때 오프 시간동안 다이오드 전류(353)가 영으로 떨어짐을 기다림이 없이. 평균 출력 전류(355)는 다이오드 전류(353)의 필터링된 저 주파수 구성요소를 나타낸다. 변압기(T1)에서 자화 전류(357)는 CCM에서 영으로 가지 않는다 스위치(Q4)가 이것이 발생하기 전에 뒤로 전환하기 때문에. DCM에서, Q4는 전도 전류(361)를 켜지 않고 시작하지 않는다 다이오드 전류(363)가 오프 시간 동안 영으로 떨어질 때까지. 결과적으로, 평균 출력 전류(365)는 CCM에서 보다 DCM에서 더 낮다. 또한, 자화 전류(367)는 Q4가 다시 켜지기 전 Q4의 오프 상태 동안 영으로 떨어진다.

도 3b는 일반 시작 시퀀스 동안 CCM에서 제어기가 동작할 때 펄스 신호(102)의 파형, 주 전류(I_P)의 파형(103), 감지된 전압(Vsense)의 파형(104), 및 출력 전압(V_OUT)의 파형(300)을 보인다. 출력 전압(V_OUT)이 규정 설정 전압(V_REG)(예, Vsense가 제1 임계치 전압 아래일 때) 더 아래일 때, 출력 전압 레벨이 영 볼트(영 근처)로부터 빠르게 증가하는 것이 더 바람직하다. 따라서, 초기 시작 단계 동안 Vsense가 제1 임계 전압 아래일 때, 스위치 제어기(101)는 주로부터 보조 출력으로 전달되는 에너지의 양을 최대화하고 V_OUT의 가장 큰 상승 시간을 달성하기 위해 CCM에서 스위칭 전력 변환기(100)를 동작한다.

펄스 신호(102)의 초기 펄스(321) 동안, 주 전류(I_P)(103)는 영으로부터 상승한다 펄스 신호(102)가 스위치(Q4)를 끌 때까지. 펄스 신호(102)가 스위치(Q4)를 끌 때, 전압은 보조 권선(Na)에 나타난다 대표 에너지는 보조 권선(Ns)으로 전달하는 것처럼. 따라서, 전압은 스위치(Q4)의 오프 기간 동안 Vsense(104)에 보인다. 이러한 전압은 영 가까이 뒤로 떨어진다 펄스 신호(102)가 펄스 신호(102)의 제2 펄스(322)에서 뒤로 스위치(Q4)를 켤 때. 펄스 신호(102)의 후속 펄스(322, 323, 324) 동안, 주 전류(I_P)는 더 높은 평균 값을 가진다 스위치(Q4)가 뒤로 켜지기 때문에 모든 에너지가 주 권선(Np)으로부터 보조 권선(Ns)으로 전달되기 전에. 또한, Vsense는 Vout에서 상승을 반영하는 펄스 신호(102)의 다음 각각의 후속 펄스(322, 323, 324)를 증가시킨다. Vsense가 실질적으로 안정화된 지점에서 반영 전압(302)은 V_OUT의 일반적인 레벨을 결정하도록 사용될 수 있다, 이러한 측정은 아래 기술된 DCM에서 무릎 전압을 사용하여 정확히 이루어지지 않을지라도. 출력 전압 파형(300)은 CCM 동작에 해당하는 V_OUT의 상승을 도시한다. 대체로, 비교에 대해, 점선 출력 전압 파형(301)은 V_OUT의 상승을 도시한다 스위칭 전력 변환기(100)는 DCM에서 동작한다면. 볼 수 있듯이, V_OUT은 DCM에서 보다 CCM에서 더 빠르게 상승한다.

CCM 동안 출력 전압의 상승 시간을 더 최대화하기 위해, 주 피크 전류 설정은 주어진 필수 동작 주파수로 최대에 설정될 수 있다, 보조 출력에 전달된 에너지를 최대화하도록. 이것을 구현하는데 다양한 방법이 있다, 포함하여, 예를 들어, 미국 특허 출원 번호 2010/0157636 "주 측 적응 디지털 제어에 기반된 BJT를 구성하는 스위칭 전력 변환기를 위한 제어기"에 기술된 기술, 이것의 컨텐츠는 완전히 여기에 참조로 통합된다.

CCM에서 초기 시작 단계로 잠재적인 문제는 제어기(101)가 고장 조건의 고장 검출에 민감할 수 있음이다 시나리오에서, 감지된 출력 전압(V_OUT)은 규정된 전압(V_REG)보다 실질적으로 낮을 수 있기 때문에. 이러한 문제는 도 4에 도시된 것처럼 임계치 타이머를 사용하여 치유될 수 있다. 도 4는 고장 조건이 감지될 때 일반 시작 시퀀스 동안 V_OUT을 도시한다. 시작 상태에서, 제어기(101)는 타이머(예, 제어기(101) 내부의 소프트웨어 또는 하드웨어 타이머)를 활성화한다. 감지된 출력 전압(Vsense)은 V_OUT이 주어진 시간 내 전압 임계치에 도달하지 않음을 지시한다면, 고장 조건은 감지되고 스위칭 전력 변환기(100)는 안전 동작 모드로 배치된다. 출력 전압(400)은 일반 시작 시퀀스 아래 출력 전압 상승을 보인다. 일반 시작 조건 아래, 출력 전압(400)은 고장 타이머 1(403)의 만료 전 고장 임계치 1(405)에 도달한다 고장 조건은 감지되지 않는다. 다중 고장 타이머와 임계치가 있을 수 있다, 예를 들어, 고장 타이머 2(404)와 고장 임계치 2(406). 반대로, 출력 전압(401)은 고장 조건 아래 출력 전압 상승을 보인다. 고장 조건 아래, 출력 전압(401)은 고장 타이머 1(403)의 만료 전 고장 임계치 1(405)에 도달에 실패한다. 스위칭 전력 변환기(100)는 고장 조건의 감지에 반응하여 다양한 안전 동작 모드에 배치될 수 있다. 고장 조건 전압은 고장 임계치 1(405)에 미치고 고장 임계치 2(406)는 원하는 규정 전압(V_REG)의 퍼센티지에 기반될 수 있다.

도 5는 CCM으로부터 DCM_HIGH로의 전환의 파형을 보인다. 펄스(521, 522, 523) 동안, 스위칭 전력 변환기(100)는 CCM에서 동작한다. CCM에서, 스위치(Q4)는 변압기(T1)에서 모든 에너지가 출력으로 전달되기 전(다이오드(D1) 전류가 영으로 가기 전)에 켜진다(펄스(521, 522, 523)에서). 따라서, 출력 전류(Iout)는 DCM에서보다 평균에 더 높고 V_OUT은 빠르게 상승한다. 또한 Vsense는 다음 각각의 펄스(521, 522, 523)로 증가한다. 감지된 전압(Vsense)은 V_OUT의 반영 전압을 나타내고, 그러나 이러한 반영 전압은 V_OUT의 정확한 표현을 제공하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 반영된 전압은 V_OUT의 일반적인 생각을 제공하고 제1 임계치 전압에 비교하고 DCM_HIGH로 전환 때 결정함에 충분하다. V_OUT이 제1 임계치 전압(Vsense에 의해 반영된 것처럼) 이상 상승할 때, 감지된 고장 조건이 없고, 스위치 제어기(101)는 CCM으로부터 DCM_HIGH로 스위칭 전력 변환기(100)를 전환한다. 도시된 예에서, 이러한 전환은 펄스(523)과 펄스(524) 간에 발생한다. DCM_HIGH에서, 무릎 전압(V-knee)은 V_OUT의 정확한 읽기를 도출하는데 사용될 수 있다. 무릎 전압은 스위칭 사이클에서 지점이다 변압기(T1)에서 에너지는 다이오드(D1) 전류가 영으로 떨어지는 것처럼 출력으로 완전히 절달되고, 파형의 두 개 실질적으로 선형 부분을 연결하는 지점처럼 Vsense에서 보일 수 있다. 볼 수 있듯이, 무릎 전압은 CCM에서 가능하지 않다 펄스(522, 523)가 Vsense를 영으로 떨어지도록 야기하기 때문에 무릎 전압 조건이 발생하기 전, 즉, 스위치(Q4)가 켜진다 변압기 권선(Ns)에서 모든 에너지가 완전히 출력으로 전달되기 전에. DCM에서 다음 펄스(523) 때, 제어기(101)는 Vsense를 모니터링함을 계속할 수 있다. 특히, 제어기(101)는 Vsense의 무릎 전압이 제2 임계치 전압 이상으로 상승할 때 감지한다. 이러한 점에서, 스위치 제어기(101)는 DCM_HIGH로부터 DCM_NORMAL (도 5에 미도시)로 스위칭 전력 변환기(100)를 전환할 수 있다.

본 발명의 실시예는 스위칭 사이클의 적응 주 제어를 제공하는 스위칭 전력 변환기를 포함한다. 시작 조건에서, 출력 전압이 원하는 규정 점보다 훨씬 낮을 때, 주 제어는 출력 전압 레벨의 일반적인 상승(최소 오버슈트와 링잉)을 제공한다 고장 조건에 대한 보호를 유지함과 오류 고장 조건을 피할 때. 적응 제어는 보조 출력에 연결된 출력 캐패시턴스의 넓은 범위 동안 적절한 시작 절차를 허용한다.

따라서, 제어기(101)는 V_OUT을 규정된 레벨로 빠르게 상승하도록 야기하기 위해 시작 동안 동작의 다양한 모드 사이에 유리하게 스위치한다 오버슈트와 링잉을 최소화할 때. 또한, 제어기(101)는 고장 조건에 대한 보호를 유지한다, 따라서 스위칭 변환기(100)의 더 강건한 동작을 제공한다.

이러한 공개를 읽을 때, 기술에 숙련된 이는 스위칭 전력 변환기의 추가 대체 설계와 스위칭 전력 변환기를 제어하기 위한 방법을 이해할 수 있다. 따라서, 특정 실시예와 본 발명의 응용은 도시되고 기술될 때, 이것은 이해될 수 있다 발명은 정확한 구성과 여기 공개된 구성요소에 제한되지 않고, 다양한 조정, 변환 및 변경은 기술에 숙련된 이에게 명백할 수 있다, 본 발명의 사상과 범위로부터 출발함이 없이 여기 공개된 본 발명의 방법과 장치에 상세한 동작, 배열에 만들어질 수 있다.

Claims

입력 전압에 연결된 주 권선과 스위칭 전력 변환기의 출력에 연결된 보조 권선을 포함하는 변압기;
상기 변압기의 주 권선에 연결된 스위치, 상기 주 권선을 통한 전류는 상기 스위치가 켜질 때 생성되고 상기 스위치가 꺼질 때 생성되지 않음;
상기 스위치를 켜거나 끄기 위한 제어 신호를 생성하도록 구성된 스위치 제어기, 상기 스위치는 제1 상태에서 상기 제어 신호에 응답하여 켜지고 상기 스위치는 제2 상태에서 상기 제어 신호에 응답하여 꺼짐,
상기 스위치 제어기는 상기 스위칭 전력 변환기의 출력 전압을 나타내는 감지된 전압을 모니터링하고, 상기 스위치 제어기는 연속 전도 모드에서 상기 스위칭 전력 변환기를 동작하기 위해 상기 스위치의 스위칭을 제어하기 위해 구성되고 감지된 출력 전압이 상기 출력 전압이 제1 임계치 전압보다 낮음을 지시할 때, 상기 스위치 제어기는 불연속 전도 모드에서 상기 스위칭 전력 변환기를 동작하기 위해 상기 스위치의 스위칭을 제어하기 위해 구성되고 감지된 출력 전압은 상기 출력 전압이 제1 임계치 전압 위에 있음을 지시할 때, 상기 제1 임계치 전압은 상기 스위칭 전력 변환기의 원하는 규정 전압보다 낮음.
을 포함하는 스위칭 전력 변환기.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 변압기 자화 전류가 영 이상 남아 있을 경우 상기 연속 전도 모드에서 상기 스위치의 스위칭을 제어하는 스위칭 전력 변환기.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 상기 스위치가 상기 스위치의 각각의 스위칭 사이클에서 켜지기 전 변압기 자화 전류가 영으로 떨어지는 경우 불연속 전도 모드에서 상기 스위치의 스위칭을 제어하는 스위칭 전력 변환기.
제1항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 개방 루프 불연속 전도 모드에서 상기 스위칭 전력 변환기를 동작하기 위해 상기 스위치의 스위칭을 제어하기 위해 더 구성되고 감지된 전압이 상기 출력 전압이 제1 임계치 전압 이상이고 제2 임계치 전압 아래임을 지시할 때, 상기 스위치 제어기는 폐쇄 루프 불연속 전도 모드에서 상기 스위칭 전력 변환기를 동작하기 위해 상기 스위치의 스위칭을 제어하기 위해 구성되고 감지된 전압이 상기 출력 전압이 상기 제2 임계치 전압 이상임을 지시할 때, 상기 제2 임계치 전압은 상기 스위칭 전력 변환기의 원하는 규정 전압 아래인 스위칭 전력 변환기.
제4항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 개방 루프 불연속 전도 모드에서 상기 스위치의 스위칭을 제어하고 스위칭 주파수와 피크 주측 전류가 상기 감지된 전압에 관계 없이 미리 정의된 레벨에서 유지되는 스위칭 전력 변환기.
제4항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 폐쇄 루프 불연속 전도 모드에서 상기 스위치의 스위칭을 제어하고 상기 출력 전압은 상기 원하는 규정 전압의 허용 오차 범위 내에 유지되는 스위칭 전력 변환기.
제4항에 있어서,
상기 제2 임계치 전압은 원하는 규정 전압의 미리 정의된 퍼센티지를 포함하고, 상기 미리 정의된 퍼센티지는 60%-80% 범위에 있는 스위칭 전력 변환기.
제1항에 있어서,
상기 제1 임계치 전압은 원하는 규정 전압의 미리 정의된 퍼센티지를 포함하고, 상기 미리 정의된 퍼센티지는 10%-25% 범위에 있는 스위칭 전력 변환기.
제1항에 있어서,
상기 스위칭 제어기는 상기 스위칭 전력 변환기의 시작 때 타이머를 활성화하기 위해 더 구성되고, 상기 감지된 전압은 상기 출력 전압이 상기 타이머가 제1 고장 감지 시간에 도달하기 전 제1 고장 검출 전압 위로 상승함에 실패함을 지시하면 상기 스위치 제어기는 오류 조건을 감지하도록 구성되는 스위칭 전력 변환기.
제9항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 고장 조건을 감지하도록 더 구성되고 상기 감지된 전압이 상기 출력 전압이 상기 타이머가 제2 고장 감지 시간에 도달하기 전 제2 고장 감지 전압 위로 상승에 실패함을 지시하면, 상기 제2 고장 감지 전압이 상기 제1 고장 감지 전압보다 크고, 상기 제1 고장 감지 시간이 상기 제1 고장 감지 시간보다 큰 스위칭 전력 변환기.
제어기에서, 스위칭 전력 변환기를 제어하는 방법, 상기 스위칭 전력 변환기는 입력 전압에 연결된 주 권선과 상기 스위칭 전력 변환기의 출력에 연결된 보조 권선을 가지는 변압기, 상기 변압기의 주 권선에 연결된 스위치, 상기 주 권선을 통한 전류가 생성되고 상기 스위치가 켜질 때 상기 스위치가 꺼질 때 생성되지 않는, 방법은 포함한다:
스위치를 온과 오프로 제어하기 위한 펄스 신호를 생성;
상기 스위칭 전력 변환기의 출력 전압을 나타내는 감지된 전압을 모니터링;
출력 전압이 제1 임계치 전압 보다 낮음을 감지된 출력 전압이 지시할 때 연속 전도 모드에서 상기 스위칭 전력 변환기를 동작하기 위해 상기 스위치의 스위칭을 제어; 및
상기 출력 전압이 상기 제1 임계치 전압 보다 이상임을 상기 감지된 출력 전압이 지시할 때 불연속 전도 모드에서 상기 스위치 제어기를 동작하기 위해 상기 스위치의 스위칭을 제어, 상기 제1 임계치 전압은 상기 스위칭 전력 변환기의 원하는 규정 전압보다 낮음.
제11항에 있어서,
연속 전도 모드에서 스위칭을 제어함은
변압기 자화 전류가 영 이상 남아 있도록 상기 스위치의 스위칭을 제어함을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 불연속 전도 모드에서 스위칭을 제어함은
상기 스위치의 각각의 스위칭 사이클에서 상기 스위치가 켜지기 전 변압기 자화 전류가 영으로 떨어지도록 상기 스위치의 스위칭을 제어함을 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 출력 전압이 제1 임계치 전압 이상이고 제2 임계치 전압 이하임을 감지된 전압이 지시할 때 개방 루프 불연속 전도 모드에서 상기 스위칭 전력 변환기를 동작하도록 상기 스위치의 스위칭을 제어함; 및
상기 출력 전압이 상기 제2 임계치 전압 이상임을 상기 감지된 전압이 지시할 때 폐쇄 루프 불연속 전도 모드에서 상기 스위칭 전력 변환기를 동작하도록 상기 스위치의 스위칭을 제어함, 상기 제1 임계치 전압은 상기 스위칭 전력 변환기의 원하는 규정 전압 아래임.
을 더 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 개방 루프 불연속 전도 모드에서 스위칭을 제어함은
스위칭 주파수와 피크 주측 전류가 상기 감지된 전압에 관계없이 미리 정의된 레벨에 유지되도록 상기 스위치의 스위칭을 제어함을 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 개방 루프 불연속 전도 모드에서 스위칭을 제어함은
상기 출력 전압이 상기 원하는 규정 전압의 허용 오차 범위 내에 유지하도록 상기 스위치의 스위칭을 제어함을 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 제2 임계치 전압은 원하는 규정 전압의 미리 정의된 퍼센티지를 포함하고, 상기 미리 정의된 퍼센티지는 60%-80% 범위 내에 있는 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 임계치 전압은 원하는 규정 전압의 미리 정의된 퍼센티지를 포함하고, 상기 미리 정의된 퍼센티지는 10%-25% 범위 내에 있는 방법.
제11항에 있어서,
상기 스위칭 전력 변환기의 시작할 때 타이머를 활성화함; 및
상기 타이머가 제1 고장 검출 시간에 도달하기 전 상기 출력 전압이 제1 고장 검출 전압 위로 상승함에 실패함을 상기 감지된 전압이 지시하면 고장 조건을 감지함
을 더 포함하는 방법.
제19항에 있어서,
상기 타이머가 제2 고장 검출 시간에 도달하기 전 상기 출력 전압이 제2 고장 검출 전압 위로 상승함에 실패함을 상기 감지된 전압이 지시하면 상기 고장 조건을 검출함, 상기 제2 고장 검출 전압은 상기 제1 고장 검출 전압보다 크고, 상기 제2 고장 검출 시간이 상기 제1 고장 검출 시간보다 큼.
을 더 포함하는 방법.