TW201935837A - 具有多模式啟動之開關模式電力控制器 - Google Patents

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Abstract

一種開關模式電力控制器包括一一次側控制器電路，該一次側控制器電路按一啟動操作模式組態以產生具有遞增之占空比值的一固定切換頻率脈寬調變(PWM)信號。該PWM信號驅動一主開關，該主開關用經儲存之能量對一電感裝置充電且將該經儲存之能量排放至一二次側上之一電容器中以產生一電力控制器輸出電壓。基於該電力控制器輸出電壓與一參考電壓之一比較，該一次側控制器電路經組態以停止該PWM信號之該占空比的遞增且開始一準共振操作模式，在該準共振操作模式期間，該一次側控制器電路減少在一或多個各別之主開關切換週期中在該主開關之一或多個斷開時間中偵測到之波谷的數目。

Description

具有多模式啟動之開關模式電力控制器
相關申請案
本申請案主張2018年9月28日提交且標題為「Switched-Mode Power Controller with Multi-Mode Startup」之美國非臨時專利申請案第16/146,615號的優先權；該申請案主張2018年2月12日提交且標題為「Flyback Digital Controller」之美國臨時專利申請案第62/629,337號的優先權，該等申請案全部特此出於所有目的以引用方式併入。
本發明係有關於具有多模式啟動之開關模式電力控制器。
開關模式電力控制器或轉換器可按各種不同方式來設計且可使用各種不同控制機制來將輸入電流轉換成輸出電流(例如，將輸入交流電轉換成輸出直流電，或將輸入直流位準轉換成不同之輸出直流位準)。在操作中，準共振開關模式電力控制器通常提供使電力開關週期性地接通及斷開之脈寬調變(PWM)信號。電力開關通常將電流供應至電感裝置(例如，感應器或變壓器)。該PWM信號之兩個上升邊緣之間的時間對應於由接通時間及斷開時間組成之切換週期。該電感裝置在接通時間期間磁化且在斷開時間期間去磁。
在去磁完成時，電感及寄生電容組件在電力開關上之電壓為零或最小值之時間時誘發準共振振盪信號，該信號包括波谷。一些準共振開關模式電力控制器被設計成藉由在斷開時間週期期間在選定之波谷時間使電力開關接通(被稱作「零電壓波谷切換」)來最小化切換損失。在此過程中，準共振開關模式電力轉換器通常包括波谷偵測電路，該波谷偵測電路為在振盪輔助繞組信號中偵測到之每個波谷產生一波谷信號。
基於該準共振開關模式電力控制器之輸出電壓與參考電壓之比較，補償電路通常產生一補償信號，該補償信號可用於調整主開關接通時間及斷開時間之持續時間以使輸出電壓維持在目標位準。
根據一實例，一種開關模式電力控制器包括一一次側控制器電路，該一次側控制器電路按一啟動操作模式組態以產生具有遞增之占空比值的一固定切換頻率脈寬調變(PWM)信號。該PWM信號驅動一主開關，該主開關用經儲存之能量對一電感裝置充電且將該經儲存之能量排放至一二次側上之一電容器中以產生一電力控制器輸出電壓。基於該電力控制器輸出電壓與一參考電壓之一比較，該一次側控制器電路經組態以停止該PWM信號之該占空比的遞增且開始一準共振操作模式，在該準共振操作模式期間，該一次側控制器電路減少在一或多個各別之主開關切換週期中在該主開關之一或多個斷開時間中偵測到之波谷的數目。
在一實例中，對於每個主開關週期，該一次側控制器電路使所偵測到之波谷數目減少一。
在另一實例中，該一次側控制器電路經組態以在該參考電壓比該電力控制器輸出電壓大了一預定義臨限電壓時停止每主開關切換週期使該波谷數目減少。在一實例中，該預定義臨限電壓為該一次側控制器電路之一補償器組件的一誤差窗口範圍。在一實例中，該一次側控制器電路經組態以在該電力控制器輸出電壓大於該參考電壓時退出該啟動操作模式。
在一實例中，一二次側控制器經組態以產生該電力控制器輸出電壓及該參考電壓之表示且經由一通信鏈路將該等表示發送至該一次側控制器電路。在一實例中，該二次側控制器經組態以在該控制器輸出電壓達到該參考電壓之前接通。在一實例中，該二次側控制器驅動該通信鏈路。在一實例中，該二次側控制器經組態以產生具有該輸出電壓及該參考電壓之數位表示的一編碼數位資料流，且該通信鏈路為一單向高速數位資料鏈路。
另一實例提供一種按一啟動操作模式操作一開關模式電力控制器之方法。根據此方法，一一次側控制器電路產生具有遞增之占空比值的一固定切換頻率脈寬調變(PWM)信號以驅動一主開關；其中該主開關用經儲存之能量對一電感裝置充電，且該主開關將該經儲存之能量排放至一二次側上之一電容器中以產生一電力控制器輸出電壓。基於該電力控制器輸出電壓與一參考電壓之一比較，該一次側控制器電路停止該PWM信號之該占空比的遞增且開始一準共振操作模式。在該準共振操作模式期間，該一次側控制器電路減少在一或多個各別之主開關切換週期中在該主開關之一或多個斷開時間中偵測到之波谷數目。
一實例包括，對於該一次側控制器電路之每個主開關週期，該一次側控制器電路使所偵測到之波谷數目減少一。在一實例中，該一次側控制器電路在該參考電壓比該電力控制器輸出電壓大了一預定義臨限電壓時停止每主開關切換週期使該波谷數目減少。
在一實例中，該預定義臨限電壓為該一次側控制器電路之一補償器組件的一誤差窗口範圍。在一實例中，該一次側控制器電路在該電力控制器輸出電壓大於該參考電壓時退出該啟動操作模式。
在一實例中，一二次側控制器產生該電力控制器輸出電壓及該參考電壓之表示且經由一通信鏈路將該等表示發送至該一次側控制器電路。在一些實例中，該二次側控制器在該控制器輸出電壓達到該參考電壓之前接通。在一實例中，該二次側控制器驅動該通信鏈路。在一實例中，該二次側控制器產生具有該輸出電壓及該參考電壓之數位表示的一編碼數位資料流，且該通信鏈路為一單向高速數位資料鏈路。
在一實例中，該開關模式電力控制器為一返馳轉換器數位準共振控制器。
所揭示之準共振開關模式電力控制器、轉換器及方法之實施例提供除了上文所提及之優點之外的額外或其他優點。熟習此項技術者自以下詳細闡述及以下圖式將容易地瞭解此等優點。
現在將詳細地參考所揭示發明之實施例，該等實施例之一或多個實例在附圖中示出。每一實例係以闡釋當前技術而非限制當前技術之方式來提供。事實上，熟習此項者將顯而易見，在不偏離本技術之範疇之情況下可對本技術進行修改及改變。舉例而言，被示出或闡述為一個實施例之部分的特徵可用於另一實施例以得到另一實施例。因此，希望本主題涵蓋屬於所附申請專利範圍及其等效物之範疇內的所有此等修改及變化。
本揭示案闡述用於準共振開關模式電力控制器之多模式啟動方法，該多模式啟動方法包括啟動斜升模式，之後跟著波谷減少模式。初始啟動斜升電壓涉及增加主開關接通時間以使電力控制器組件能夠快速地加電。後續之波谷減少模式藉由每個週期使波谷數目減少來減少斷開時間，此有效地增加接通時間。因此，每個切換週期使波谷數目減少一(或更多)使得準共振開關模式電力轉換器能夠具有較快之啟動時間，而同時獲得準共振操作模式之益處。
圖1示出實例性準共振開關模式電力轉換器10，該轉換器藉由交流(AC) /直流(DC)返馳轉換器12及混合信號控制器14實施，該混合信號控制器包括一次側控制器電路16、二次側控制器電路18及單向高速數位鏈路20，該數位鏈路將變化之輸出電壓及目標參考電壓之數位表示自二次側控制器電路18傳輸至一次側控制器電路16。
一次側控制器電路16包括閘極驅動器22、數位控制器24、解碼器26及上電重設(POR)電路71。一次側控制器電路16連接至一次側主開關34 (MS)之閘極32。數位控制器24將低功率脈寬調變(PWM)信號36供應至閘極驅動器22之輸入端。閘極驅動器22接收低電壓PWM信號且產生高電壓PWM驅動輸入信號(c)，該高電壓PWM驅動輸入信號應用於主開關閘極32以使高電流主開關34週期性地接通及斷開。主開關34控制通過電感裝置之電流，該電感裝置在本實例中藉由變壓器35來實施，該變壓器包括一次繞組38及二次繞組40，該等繞組在電流流經主開關34時電感耦合在一起。
準共振開關模式電力轉換器10將輸入AC電壓(VAC )轉換成輸出DC電壓(V輸出 )及輸出DC電流(I輸出 )以對負載(R負載 )供電。在本實例中，電源為經整流以產生輸入電壓(V匯流排 )之交流電壓(VAC )。一次側控制器電路16為高電流主開關34提供高電壓PWM輸入以使主開關34週期性地接通及斷開。在一次繞組38中流動之電流會在二次繞組40中誘發電流，該二次繞組驅動電流通過輸出電路27以在負載(R負載 )上產生輸出電壓(V輸出 )。
在一些實例中，準共振開關模式電力轉換器10亦包括輔助繞組41，該輔助繞組電感耦合至一次繞組38及二次繞組40。一次側控制器電路16之回饋電路43組件(FB)接收輔助繞組電容器(CAUX )上之輔助繞組電壓(VAUX )。該輔助繞組電壓與主開關接通時間相關。在已使變壓器或感應器去磁之後，輔助繞組電壓開始在信號波峰與信號波谷之間振蕩。回饋電路43產生在輔助繞組電壓(VAUX )中偵測到之每一波谷之波谷信號45的數位表示。
二次側控制器電路18包括類比/數位轉換器(ADC) 42、編碼器/有限狀態機(FSM) 44及欠壓鎖定(UVLO)電路47。類比/數位轉換器42將輸出電壓(V輸出 )及參考電壓(V參考 )轉換成數位值(例如，V輸出 [n]、V參考 [n])，且編碼器/有限狀態機44將該等數位值編碼成輸出電壓及參考電壓之各別數位表示(例如，d輸入 )。單向高速數位鏈路20將變化之輸出電壓及經編碼之參考電壓之經編碼數位表示(例如，d輸出 )傳輸至一次側控制器電路16中之解碼器26。解碼器26將輸出電壓及參考電壓之各別數位表示轉換成數位電壓值(例如，V輸出 [n]、V參考 [n])，將該等數位電壓值輸入至數位控制器24中以基於關於當前輸出電壓(V輸出 )及當前參考電壓(V參考 )之回饋來控制閘極驅動器22。
圖2示出圖1中所示之準共振開關模式電力轉換器10之輸出電壓49 (V輸出 )、平均主開關(MS)閘極-源極電壓51 (cavg )及數位鏈路表示52 (亦即，{d輸入 [n]、d輸出 [n]})之實例性輸出波形之圖。
在實例性啟動操作模式46中，一次側控制器電路16之數位控制器24及閘極驅動器22組件產生具有增加之占空比值的固定切換頻率(fsw ) PWM信號36，該PWM信號驅動返馳轉換器主開關(MS)開關34。該主開關之切換轉而用經整流之AC輸入(V匯流排 )對變壓器35之變壓器磁化電感器充電且將經儲存之能量排放至輸出電壓電容器(C輸出 )中。輸出電壓(V輸出 )開始朝向目標參考電壓(V參考 )緩慢地斜升。在一段時間之後，輸出電壓(V輸出 )達到欠壓鎖定(UVLO)電路47之UVLO臨限值50，使得二次側控制器電路18能夠接通且亦驅動單向數位鏈路20。在一些實例中，二次側控制器電路18不包括UVLO電路，在該情況中，二次側控制器電路18在啟動斜升操作模式46中可在較早時間時接通。
只要二次側控制器電路18接通(例如，當V輸出 達到UVLO 50時)，其即開始將變化之輸出電壓及目標參考電壓之數位表示52 (亦即，{V輸出 [n]、V參考 [n]})發送至數位鏈路20，該數位鏈路將數位表示(d輸入 、d輸出 )之編碼版本傳輸至一次側控制器電路16之解碼器26組件。藉由一次側控制器電路16之數位控制器24以如下方式來處理此資訊：當輸出電壓(V輸出 )接近於目標參考電壓(V參考 )時，PWM占空比斜率不再遞增且一次側控制器電路16切換至準共振波谷減少模式58。在一些實例中，當輸出電壓(V輸出 )係在一次側控制器電路16之內部數位補償器組件的誤差窗口54之範圍內時，一次側控制器電路16停止遞增PWM占空比斜率，該內部數位補償器組件將輸出電壓(V輸出 )與目標參考電壓(V參考 )進行比較。在一些實例中，該數位補償器為比例積分微分(PID)數位補償電路。只要輸出電壓(V輸出 )與參考電壓(V參考 )之間的差值大於預定義臨限電壓(例如，在一些實例中約150mV)，一次側控制器電路16即保持於準共振波谷減少模式58且繼續減少每個切換週期中之波谷數目。在一些實例中，波谷數目是每個切換週期減少一。如此，可達成自啟動斜升模式至正常穩態操作60之平滑且很好受控之轉變，同時最小化啟動時間及組件峰值電流及電壓應力。
圖3示出在波谷減少模式58及正常操作模式60期間的主開關(MS)汲極-源極電壓(Vds )及輸出電壓(V輸出 )之實例性波形。在波谷減少模式58中，一次側控制器電路16之數位控制器24組件自回饋電路43接收在振盪輔助繞組電壓(VAUX )中偵測到之每個波谷的各別波谷信號45，該波谷係在去磁完成之後開始。在啟動期間，一般而言，在輸出電壓足夠高之前都無法偵測到波谷。在一些實例中，在已達到臨限輸出電壓之後，一次側控制器電路16將確定在一週期之斷開時間中之波谷數目且接著開始減少該等切換週期之斷開時間期間的波谷之數目。在一些實例中，一次側控制器電路16藉由每切換週期使波谷數目減少一(例如，藉由在波谷數目比在前一個週期中被砍掉之波谷數目少一時接通主開關)來減少斷開時間。在一些實例中，對於一或多個週期，每切換週期砍掉一個以上波谷。每個切換週期使波谷數目減少一(或更多)使得準共振開關模式電力轉換器10能夠具有較快之啟動時間，而同時獲得準共振操作模式之益處。
在圖3中所示之實例中，在波谷減少模式58期間，一次側控制器電路16最初在波谷減少模式58中之第一週期中與第四波谷信號(VS4)一致之時間時接通主開關34。在下一個週期中，一次側控制器電路16在波谷減少模式58中之第二週期中與第三波谷信號(VS3)一致之時間時接通主開關34。在下一個週期中，一次側控制器電路16在波谷減少模式58中之第三週期中與第二波谷信號(VS2)一致之時間時接通主開關34。第四週期出現在輸出電壓(V輸出 )與參考電壓(V參考 )之間的差值已掉落至預定義臨限電壓(例如，150mV)以下之後。因此，電力轉換器10進入正常操作模式。在一些實例中，在正常操作模式期間，一次側控制器電路16接通主開關34以與波谷減少操作模式58中之信號波谷數目(例如，在圖3中所示之實例中，為第二波谷)一致。
圖4為藉由對上電重設(POR)信號之接收來起始的實例性啟動序列之流程圖，其中一次側控制器電路16脫離欠壓鎖定。根據此方法，上電重設電路71偵測施加於一次側控制器電路16之電力且產生重設脈衝，該重設脈衝使整個電路16重設至已知狀態(圖4，區塊70)。一次側控制器電路16使PWM閘極驅動器占空比遞增(圖4，區塊72)。一次側控制器電路16繼續使PWM閘極驅動器占空比遞增，直至參考電壓(V參考 )與輸出電壓(V輸出 )之間的差值超過PID誤差窗口之寬度為止(圖4，區塊74)。一次側控制器電路16使準共振波谷之數目遞減(例如，每週期遞減一) (圖4，區塊76)。一次側控制器電路16繼續使準共振波谷之數目遞減(例如，每週期遞減一)，直至參考電壓(V參考 )與輸出電壓(V輸出 )之間的差值超過預定臨限值(例如，在一些實例中，為約150mV) (圖4，區塊78)。當參考電壓(V參考 )與輸出電壓(V輸出 )之間的差值超過預定臨限值時，一次側控制器電路16進入正常操作模式(圖4，區塊80)。
圖5示出在啟動期間的典型輸出電壓波形及主開關汲極-源極電壓波形之實例，該圖說明藉由本文中闡述之準共振開關模式電力轉換器10之實例使之變成可能的平滑模式轉變。
本文中闡述之系統之實施例可與任何開關模式電源供應器(SMPS)結合使用，在該開關模式電源供應器中，能量在一次衝程期間儲存於電感裝置(例如，繞組、感應器或變壓器)中且在二次衝程期間轉移至輸出。此等SMPS之實例包括返馳轉換器、降壓型轉換器及升降壓型轉換器。
雖然已相對於本發明之特定實施例來詳細地闡述了本說明書，但應瞭解，熟習此項者在理解了前文後可容易地設想到此等實施例之更改、變化及等效物。在不偏離本發明之範疇的情況下，可由熟習此項技術者來實踐本發明之此等及其他修改及變化，在所附申請專利範圍中更具體地陳述本發明之範疇。此外，熟習此項技術者應瞭解，前文闡述僅係舉例且並非意欲限制本發明。
12‧‧‧交流(AC) /直流(DC)返馳轉換器
16‧‧‧一次側控制器電路
18‧‧‧二次側控制器電路
20‧‧‧單向高速數位鏈路
22‧‧‧閘極驅動器
24‧‧‧數位控制器
26‧‧‧解碼器
27‧‧‧輸出電路
32‧‧‧閘極
34‧‧‧一次側主開關
35‧‧‧變壓器
36‧‧‧低功率脈寬調變(PWM)信號
38‧‧‧一次繞組
40‧‧‧二次繞組
42‧‧‧類比/數位轉換器
44‧‧‧編碼器/有限狀態機
45‧‧‧波谷信號
47‧‧‧欠壓鎖定(UVLO)電路
71‧‧‧上電重設(POR)電路
70、72、74、76、78、80‧‧‧區塊
c‧‧‧高電壓PWM驅動輸入信號
cavg‧‧‧平均主開關閘極-源極電壓
CAUX‧‧‧輔助繞組電容器
COUT‧‧‧輸出電壓電容器
din‧‧‧電壓之數位表示
din[n]‧‧‧數位鏈路表示
dout‧‧‧電壓之數位表示
dout[n]‧‧‧數位鏈路表示
Iout‧‧‧輸出DC電流
RLOAD‧‧‧載
VAC‧‧‧交流電壓
VAUX‧‧‧振盪輔助繞組電壓
VBUS‧‧‧輸入電壓
VDS‧‧‧主開關(MS)汲極-源極電壓
Vds‧‧‧主開關(MS)汲極-源極電壓
Vout‧‧‧輸出DC電壓
Vout[n]‧‧‧輸出電壓之數位表示
Vref‧‧‧參考電壓
Vref[n]‧‧‧參考電壓之數位表示
VS4‧‧‧第四波谷信號
VS3‧‧‧第三波谷信號
VS2‧‧‧第二波谷信號
圖1為實例性準共振開關模式電力轉換器及包括一次側電路及二次側電路之混合信號控制器的示意性俯視圖。
圖2示出圖1中所示之準共振開關模式電力轉換器的啟動輸出電壓(V輸出 )、平均主開關(MS)閘極-源極電壓(cavg )及數位鏈路波形之實例性波形。
圖3示出主開關(MS)汲極-源極電壓及輸出電壓(V輸出 )之實例性波形。
圖4為在上電重設時起始之實例性啟動序列的流程圖，其中主控制器脫離欠壓鎖定。
圖5示出在啟動期間的典型輸出電壓波形及主開關汲極-源極電壓波形之實例。

Claims (20)

  1. 一種開關模式電力轉換器，其包括： 一一次側控制器電路，該一次側控制器電路按一啟動操作模式組態以產生具有遞增之占空比值的一固定切換頻率脈寬調變(PWM)信號以驅動一主開關，該主開關用經儲存之能量對一電感裝置充電且將該經儲存之能量排放至一二次側上之一電容器中以產生一電力轉換器輸出電壓； 其中基於該電力轉換器輸出電壓與一參考電壓之一比較，該一次側控制器電路經組態以停止該PWM信號之該占空比值的遞增且開始一準共振操作模式，在該準共振操作模式期間，該一次側控制器電路減少在一或多個各別之主開關切換週期中在該主開關之一或多個斷開時間中偵測到之波谷的一數目。
  2. 如申請專利範圍第1項之開關模式電力轉換器，其中對於每個主開關切換週期，該一次側控制器電路使所偵測到之波谷數目減少一。
  3. 如申請專利範圍第1項之開關模式電力轉換器，其中該一次側控制器電路經組態以在該參考電壓比該電力轉換器輸出電壓大了一預定義臨限電壓時停止每主開關切換週期使偵測到之該波谷數目減少。
  4. 如申請專利範圍第3項之開關模式電力轉換器，其中該預定義臨限電壓為該一次側控制器電路之一補償器組件的一誤差窗口範圍。
  5. 如申請專利範圍第3項之開關模式電力轉換器，其中該一次側控制器電路經組態以在該電力轉換器輸出電壓大於該參考電壓時退出該啟動操作模式。
  6. 如申請專利範圍第1項之開關模式電力轉換器，其進一步包括一二次側控制器，該二次側控制器經組態以產生該電力轉換器輸出電壓及該參考電壓之表示且經由一通信鏈路將該等表示發送至該一次側控制器電路。
  7. 如申請專利範圍第6項之開關模式電力轉換器，其中該二次側控制器經組態以在該電力轉換器輸出電壓達到該參考電壓之前接通。
  8. 如申請專利範圍第6項之開關模式電力轉換器，其中該二次側控制器驅動該通信鏈路。
  9. 如申請專利範圍第6項之開關模式電力轉換器，其中該二次側控制器經組態以產生具有該電力轉換器輸出電壓及該參考電壓之數位表示的一編碼數位資料流，且該通信鏈路為一單向高速數位資料鏈路。
  10. 如申請專利範圍第1項之開關模式電力轉換器，其中該開關模式電力轉換器為一返馳轉換器數位準共振控制器。
  11. 一種按一啟動操作模式操作一開關模式電力轉換器之方法，其包括： 一一次側控制器電路產生具有遞增之占空比值的一固定切換頻率脈寬調變(PWM)信號以驅動一主開關； 該主開關用經儲存之能量對一電感裝置充電； 該主開關將該經儲存之能量排放至一二次側上之一電容器中以產生一電力轉換器輸出電壓； 基於該電力轉換器輸出電壓與一參考電壓之一比較，該一次側控制器電路停止該PWM信號之該占空比值的遞增且開始一準共振操作模式；以及 在該準共振操作模式期間，該一次側控制器電路減少在一或多個各別之主開關切換週期中在該主開關之一或多個斷開時間中偵測到之波谷的一數目。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其包括，對於該一次側控制器電路之每個主開關切換週期，該一次側控制器電路使所偵測到之波谷數目減少一。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其包括該一次側控制器電路在該參考電壓比該電力轉換器輸出電壓大了一預定義臨限電壓時停止每主開關切換週期使偵測到之該波谷數目減少。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該預定義臨限電壓為該一次側控制器電路之一補償器組件的一誤差窗口範圍。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其包括該一次側控制器電路在該電力轉換器輸出電壓大於該參考電壓時退出該啟動操作模式。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其進一步包括一二次側控制器電路產生該電力轉換器輸出電壓及該參考電壓之表示且經由一通信鏈路將該等表示發送至該一次側控制器電路。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其包括該二次側控制器電路在該電力轉換器輸出電壓達到該參考電壓之前接通。
  18. 如申請專利範圍第16項之方法，其包括該二次側控制器電路驅動該通信鏈路。
  19. 如申請專利範圍第16項之方法，其包括該二次側控制器電路產生具有該電力轉換器輸出電壓及該參考電壓之數位表示的一編碼數位資料流，且其中該通信鏈路為一單向高速數位資料鏈路。
  20. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該開關模式電力轉換器為一返馳轉換器數位準共振轉換器。
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