開關(guān)模式電源電路的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請請求于2014年2月13日提交的美國臨時申請No. 61/939,575以及于2014 年5月21日提交的美國臨時申請No. 62/001,511的權(quán)益，這兩個申請都通過引用的方式以 其全文并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開涉及開關(guān)轉(zhuǎn)換器以及開關(guān)模式電源的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003] 開關(guān)模式電源（SMPS)十分常用并且逐漸地取代由變壓器和線性電壓調(diào)節(jié)器組成 的"傳統(tǒng)"電源。SMPS采用開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器將一個電壓（例如，AC線路電壓或13. 8V電池 電壓）轉(zhuǎn)換成另一個電壓，可被用作電氣設(shè)備或電子電路的電源電壓。例如，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換 器被廣泛地用于為移動設(shè)備的電池充電，諸如移動電話、便攜式計(jì)算機(jī)、便攜式電鉆等。許 多不同的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是領(lǐng)域內(nèi)公知的，諸如降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、Ouk 轉(zhuǎn)換器、反激式轉(zhuǎn)換器等。
[0004] 出于安全原因，期望的可能是功率轉(zhuǎn)換器電路包括在輸入電路（連接到公用電 網(wǎng)）和輸出電路（向負(fù)載提供所需的輸出電壓）之間進(jìn)行電氣隔離。一般地，光耦合器用 于將代表調(diào)節(jié)后的輸出電壓的反饋信號與功率轉(zhuǎn)換器電路的輸入電路進(jìn)行電氣隔離。功率 轉(zhuǎn)換是通過使用變壓器（包括例如，在反激式轉(zhuǎn)換器中）來實(shí)現(xiàn)的。然而，當(dāng)汽車電池（而 不是電網(wǎng)）被用作輸入電壓源，電氣隔離可以是可選的或者甚至是不希望的。
[0005] 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作由控制器進(jìn)行控制，其可針對特定的開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出電壓 和輸入電壓的特定范圍進(jìn)行優(yōu)化。取決于實(shí)際應(yīng)用，期望的可能是調(diào)整開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出 電壓或輸出功率，并且，在例如開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓變化時，所提到的控制器可以工作在 非最優(yōu)（低效）狀態(tài)。另外，回路穩(wěn)定性可以被輸出電壓范圍的顯著變化所影響。此外，諸 如過電壓保護(hù)的保護(hù)特征可能會在這樣的非最優(yōu)狀態(tài)下不工作或不正確工作。因此，需要 改進(jìn)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其能夠有效地提供不同標(biāo)稱值的穩(wěn)定輸出電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本文公開了一種開關(guān)模式電源（SMPS)電路。按照各種實(shí)施例中，SMPS電路包括開 關(guān)轉(zhuǎn)換器，其接收輸入電壓并根據(jù)開關(guān)信號從輸入電壓生成輸出電壓。開關(guān)控制器單元根 據(jù)控制參數(shù)集生成開關(guān)信號，使得輸出電壓與根據(jù)選擇信號所設(shè)定的設(shè)定點(diǎn)大致相匹配。 檢測電路檢測到設(shè)定點(diǎn)或設(shè)定點(diǎn)的變化，并向開關(guān)控制器電路發(fā)信號通知所檢測到的設(shè)定 點(diǎn)。開關(guān)控制器單元繼而響應(yīng)于設(shè)定點(diǎn)值的變化更新控制參數(shù)集。
[0007] 根據(jù)各種其它實(shí)施例，SMPS電路包括開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其接收輸入電壓并根據(jù)開關(guān)信 號從輸入電壓生成輸出電壓。開關(guān)轉(zhuǎn)換器包括變壓器，以提供在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)和次 級側(cè)之間的電氣隔離。開關(guān)控制器單元被配置為根據(jù)控制參數(shù)集和依賴于經(jīng)由電氣隔離傳 輸路徑接收到的輸入數(shù)據(jù)生成開關(guān)信號。輸入數(shù)據(jù)包括由負(fù)載提供的串行數(shù)據(jù)流，所述負(fù) 載被供應(yīng)以輸出電壓。
[0008] 此外，充電電路被描述為用于為包括在移動設(shè)備中的電池充電。根據(jù)各種實(shí)施例， 充電電路包括開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其接收輸入電壓并根據(jù)開關(guān)信號從輸入電壓生成輸出電壓。開 關(guān)轉(zhuǎn)換器包括變壓器，以提供開關(guān)轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)和次級側(cè)之間的電氣隔離。開關(guān)控制器 單元被配置為根據(jù)控制參數(shù)集并依賴于經(jīng)由電氣隔離傳輸路徑所接收到的輸入數(shù)據(jù)生成 開關(guān)信號。輸入數(shù)據(jù)包括由移動設(shè)備提供的串行數(shù)據(jù)流，所述移動設(shè)備被供應(yīng)以輸出電壓。
[0009] 根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施方案，SMPS電路包括開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其接收輸入電壓并根據(jù)開關(guān) 信號從輸入電壓生成輸出電壓。開關(guān)轉(zhuǎn)換器包括變壓器，以提供開關(guān)轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)和次 級側(cè)之間的電氣隔離。此外，開關(guān)轉(zhuǎn)換器包括被配置為對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的次級電流進(jìn)行整流 的同步整流器。開關(guān)控制器單元被配置為根據(jù)控制參數(shù)集并且依賴于經(jīng)由電氣隔離傳輸路 徑所接收到的輸入數(shù)據(jù)生成開關(guān)信號。轉(zhuǎn)換控制器單元被配置為生成用于同步整流器的驅(qū) 動電流，其經(jīng)由電氣隔離傳輸路徑傳送到同步整流器。
【附圖說明】
[0010] 本發(fā)明參照下面的附圖和描述可以得到更好地理解。附圖中的部件不一定按比例 繪制，而是重點(diǎn)放在說明本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，相同的參考標(biāo)號表示對應(yīng)的部分。 在附圖中：
[0011] 圖1示出使用反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并包括輸出電壓控制的開關(guān)模式電源 (SMPS)電路布置的基本結(jié)構(gòu)；
[0012] 圖2更詳細(xì)地說明圖1的實(shí)例；
[0013] 圖3為一般性示出反激式控制器的操作的時序圖；
[0014] 圖4為示出根據(jù)第一實(shí)施例的開關(guān)模式電源的框圖；
[0015] 圖5為示出根據(jù)第二實(shí)施例的開關(guān)模式電源的框圖；
[0016] 圖6為示出根據(jù)第三實(shí)施例的開關(guān)模式電源的框圖；
[0017] 圖7為示出根據(jù)第四實(shí)施例的包括過電壓保護(hù)器的開關(guān)模式電源的框圖；
[0018] 圖8為示出根據(jù)第五實(shí)施例的包括過電壓保護(hù)器的開關(guān)模式電源的框圖；
[0019] 圖9為示出根據(jù)第六實(shí)施例的包括過電壓保護(hù)器的開關(guān)模式電源的框圖；
[0020] 圖10為示出根據(jù)第七實(shí)施例的包括過電壓保護(hù)器的開關(guān)模式電源的框圖；
[0021] 圖11為示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的包括將負(fù)載與開關(guān)控制器的電氣隔離數(shù) 據(jù)傳送的開關(guān)模式電源的框圖；
[0022] 圖12為示出類似于圖11的實(shí)施例的另一實(shí)施例；以及
[0023] 圖13為示出類似于圖11的實(shí)施例的在次級側(cè)使用同步整流器的另一實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)例的開關(guān)模式電源（SMPS)電路布置的基本結(jié)構(gòu)。作 為開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，該電路布置包括反激式轉(zhuǎn)換器1，其包括初級側(cè)和由變壓器進(jìn)行電氣隔 離的次級側(cè)，具有初級繞組Lp和次級繞組Ls (也見圖2)。初級繞組Lp具有Np匝并且次級 繞組Ls具有N3匝。反激式轉(zhuǎn)換器1的初級繞組L5可耦合到整流器（在圖1未示出），其被 配置為對由例如電網(wǎng)供應(yīng)的交流線路電壓整流。也就是說，供應(yīng)給開關(guān)轉(zhuǎn)換器1的輸入電 壓Vin可以由整流器提供。可替換地，輸入電壓Vin可以根據(jù)應(yīng)用由不同的源提供。在以下 的說明中，物理地耦合到初級繞組的該電路的一部分被稱為"初級側(cè)"并且耦合到次級繞組 的該電路的一部分被稱為"次級側(cè)"。因此初級側(cè)上的所有電路與次級側(cè)上的任意電路電氣 隔離。被從次級側(cè)向初級側(cè)傳送的信號，必須使用電氣隔離信號路徑，諸如光耦合器、無芯 變壓器等來傳送。
[0025] 反激式轉(zhuǎn)換器1的次級繞組Ls被耦合到負(fù)載50,以用于向其提供輸出功率。負(fù)載 50可以是電池充電器或任何其它電氣負(fù)載。反激式轉(zhuǎn)換器1還包括用于控制流過初級繞組 Lp的電流（記為初級電流iP)的功率半導(dǎo)體開關(guān)的T1。也就是說，半導(dǎo)體開關(guān)1\被配置為 根據(jù)相應(yīng)的控制信號\將初級電流ip接通和關(guān)斷。電路布置還包括電流感測單元15,其 提供代表流過初級繞組Lp的初級電流ip的電流感測信號Vcs。電流感測單元15可以包括， 例如，分流電阻器（參見例如圖2中的Rcs)，其串聯(lián)連接到初級繞組LP，并且跨該分流電阻 器兩端的電壓降代表初級電流iP。然而，其他的電流感測方法也可以適用。該電路布置還 包括控制單元10,其產(chǎn)生提供給半導(dǎo)體開關(guān)T1的控制信號V以根據(jù)該控制信號V將其接 通和關(guān)斷。半導(dǎo)體開關(guān)T1可以是，例如MOS場效應(yīng)晶體管。在這種情況下，控制信號Vtj可 以是施加在MOS晶體管的柵極電壓或柵極電流。
[0026] 一般地，控制單元10控制反激式轉(zhuǎn)換器1的操作。在圖1所示的本實(shí)施例中，控 制單元10被配置為控制反激式轉(zhuǎn)換器，使得其工作在準(zhǔn)諧振（即自激振蕩）模式（QR模 式）?？刂茊卧?0還可以被配置為將電流感測信號Ves與可代表峰值初級電流的參考信號 進(jìn)行比較?？刂瓢雽?dǎo)體開關(guān)1\的開關(guān)狀態(tài)的控制信號Vtj以這樣的方式生成，即在初級電流 感測信號Vcs等于或超過該參考信號時，初級電流ip被關(guān)斷。在QR模式中，半導(dǎo)體開關(guān)T 例如在開關(guān)1\兩端的電壓處于（局部）最小時被接通。為了這個目的，電路布置可包括電 壓感測單元13,用于直接或間接地在開關(guān)的關(guān)斷時間期間監(jiān)測半導(dǎo)體開關(guān)兩端的電壓降， 以允許對半導(dǎo)體開關(guān)兩端的電壓降處于最小的時刻進(jìn)行檢測。因此，開關(guān)損耗和電磁發(fā)射 得到最小化。電壓感測單元13可以是，例如，輔助繞組提供代表在關(guān)斷時間期間半導(dǎo)體開 關(guān)兩端的電壓降的電壓Vaux。然而，其他的電壓感測的實(shí)施方式也可以適用。
[0027] 在包括在反激式轉(zhuǎn)換器1中的變壓器的次級側(cè)上可以提供電壓控制器16。另外， 在本實(shí)施例中，電壓控制器16被耦合到開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出以接收輸出電壓信號或代表輸出 電壓vOTJT的信號。電壓控制器16也被提供以代表期望的標(biāo)稱輸出電壓的參考電壓Vkef。參 考電壓Vkef可以看作輸出電壓調(diào)節(jié)的目標(biāo)值。一般來說，輸出電壓Vott的縮放版本Vott'和相 應(yīng)的縮放參考電壓Vkef'被提供給電壓控制器16。然而，由于VOTT/VKEF總是等于VOTT'/VKEF'， 縮放對輸出沒有影響。電壓控制器16被配置為提供代表參考電壓Vkef和實(shí)際輸出電壓VOTT 之間的不匹配的誤差信號Vfb。誤差信號Vfb被反饋到控制單元10 (例如，通過光耦合器17)， 并且控制單元10可以通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體開關(guān)T1 (例如，通過對代表峰值初級電流的上述參考 信號進(jìn)行調(diào)諧）抵消所述的不匹配。光耦合器17在控制單元10 (也被稱為初級側(cè)控制器） 和次級側(cè)上的電壓控制器16之間提供電氣隔離。
[0028] 可替換地，輸出電壓調(diào)節(jié)可以無需感測次級側(cè)的輸出電壓而實(shí)現(xiàn)。取而代之的是， 輸出電壓￥_可以從變壓器的初級側(cè)上可用的信號（例如來自電壓感測單元13)估計(jì)得到， 而無需使用光耦合器將代表輸出電壓的信號從次級側(cè)傳送給初級側(cè)上的控制單元10。這樣 的"初級側(cè)控制"意味著控制單元10能夠調(diào)節(jié)輸出電壓Vott從而僅使用反激式轉(zhuǎn)換器1中 包括的變壓器的初級側(cè)上可用的（測量的）信號。如上所