用于開關模式電源的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種電子設備，并且更特別地涉及一種用于開關模式電源的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]電源系統(tǒng)普遍存在于許多電子應用設備中，從計算機到汽車。一般地，電源系統(tǒng)內(nèi)部的電壓通過操作以電感器或變壓器加載的開關以執(zhí)行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生。一類這樣的系統(tǒng)包括開關模式電源(SMPS)。SMPS通常比其他類型的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更有效率，這是因為功率轉(zhuǎn)換通過該電感器或變壓器受控的充電和放電來執(zhí)行，并減少由于阻性電壓降上的功率耗散導致的能量損失。
[0003]SMPS通常包括至少一個開關和電感器或變壓器。其中，一些具體的拓撲包括降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、反激轉(zhuǎn)換器、以及其他轉(zhuǎn)換器?？刂齐娐吠ǔＳ脕泶蜷_和關閉該開關以使該電感器充電和放電。在一些應用中，供給負荷的電流和/或供給負荷的電壓經(jīng)由反饋環(huán)受到控制。
[0004]SMPS的一種應用為鋰離子電池充電。由于鋰離子電池在超過上限電壓時易被損壞，所以通常以恒定電流對電池充電直到輸出電壓達到目標電壓。因此，這樣的電池充電器可以使用被配置用于提供恒定電流的SMPS。由于這樣的電池充電器可以將從來自墻壁插座的AC電流轉(zhuǎn)換為DC電流，所以使用變壓器的反激轉(zhuǎn)換器被普遍用來提供從AC市電到被充電的電池的電流隔離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一個實施例，一種操作開關模式電源的方法包括通過使用容性耦合到變壓器的次級繞組的傳感器檢測第一電壓瞬態(tài)，來檢測變壓器的次級繞組的電壓下降。基于檢測到第一電壓瞬態(tài)的時間，耦合到變壓器的次級繞組的次級開關被接通。
【附圖說明】
[0006]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結合附圖來給出以下說明，其中:
[0007]圖1a-C圖示一個實施例的反激開關模式功率轉(zhuǎn)換器的示意圖以及相關聯(lián)的波形示意圖；
[0008]圖2圖示一個實施例的傳感器電路；
[0009]圖3a_c圖示描繪一個實施例的同步整流器控制器的操作的波形示意圖；
[0010]圖4圖示一個實施例的同步整流器控制器的集成電路；
[0011]圖5a_b圖示一個實施例的諧振功率轉(zhuǎn)換器和相關聯(lián)的波形示意圖；
[0012]圖6圖示一個實施例的方法流程圖；
[0013]在不同的圖中，相同的附圖標記一般指代相同的部件，除非另有指示。圖被繪制以清楚地圖示優(yōu)選實施例的相關特征，而不一定按比例畫出。為了更清楚地示出某些實施例，附圖數(shù)字標記后面可能伴隨有指示相同結構、材料或過程步驟的變化的字母。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明優(yōu)選實施例的制作和使用在下面詳細論述。然而，應該理解，本發(fā)明提供了許多可應用的創(chuàng)新理論，它們可以在各種特定的背景中實施。論述的特定實施例僅以特定的方式示出以制作和使用本發(fā)明，而不在于限制本發(fā)明的范圍。
[0015]本發(fā)明將關于具體情境中的優(yōu)選實施例描述一種用于反激式配置的開關模式電源的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例也可以被應用到其他開關模式電源配置以及包括其他電路的其他系統(tǒng)和應用中，所述開關包括但不限于功率系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)。
[0016]在本發(fā)明的實施例中，次級側同步整流器控制器被實現(xiàn)為使用容性耦合到開關模式電源中的變壓器的次級繞組的傳感器。當傳感器檢測到瞬變時，耦合到次級繞組的次級側開關被激活。該瞬變可以對應于由耦合到變壓器的初級側的開關在所述開關被打開時引起的瞬變。
[0017]在一個實施例中，鉗位電路被耦合到傳感器的輸入。因此，如果在傳感器檢測到次級繞組上的電壓瞬變的同時檢測到通過鉗位電路的電流，那么作為初級側開關接通的結果，該次級側開關的激活可以被避免。在一些實施例中，次級開關的關斷時間通過測量該次級繞組的去磁時間確定，并且基于前一個周期的去磁時間來關斷該次級側開關。在某些情況下，次級側開關的定時可以包括死區(qū)，所述死區(qū)阻止次級側開關與初級側開關同時接通。該死區(qū)可以通過使用延遲電路和計數(shù)器實現(xiàn)。
[0018]圖1圖示了開關模式反激轉(zhuǎn)換器100，其包括二極管橋式整流器102、變壓器106、受控于位于初級側的控制器126的初級側開關晶體管122，以及受控于位于次級側的次級控制器集成電路(IC) 140的初級側開關晶體管122。二極管橋整流器102將例如可以代表AC市電電壓的AC電壓Vac轉(zhuǎn)換為耦合到變壓器106的初級繞組108的DC電壓Vin。來自整流操作的剩余波紋通過輸入濾波電容器104濾波。初級側開關晶體管122的開關動作將變壓器106的初級繞組108磁化和去磁，從而以DC輸出Vout將功率從初級繞組108傳輸?shù)酱渭壚@組110。在次級繞組110處的輸出電流被受控于次級側控制器IC140的次級側開關晶體管112整流，次級側控制器IC140起到同步整流器的作用。
[0019]如所示，次級繞組110不具有從變壓器106的次級側耦合到變壓器106的初級側的反饋網(wǎng)絡。相反地，開關模式反激式轉(zhuǎn)換器100通過監(jiān)控磁性耦合到變壓器106的輔助繞組116的電壓獲得它的反饋電壓。來自輔助繞組116的該反饋電壓由管腳ZCD處的控制器126經(jīng)由分壓器監(jiān)控，所述分壓器使用電阻器132和134實現(xiàn)。此外，控制器126可以通過監(jiān)控在管腳CS處耦合到初級側開關晶體管122的源極的電流感測電阻器124兩端的電壓執(zhí)行初級側電流的測量。基于取自管腳ZCD和CS處的反饋，控制器126在通過柵極電阻器148耦合到初級側開關晶體管122的柵極的管腳GD處產(chǎn)生開關樣式，以維持大致穩(wěn)定的輸出電壓和/或輸出電流。在操作期間，功率經(jīng)由輔助繞組116、二極管118和電容器120向控制器126提供。在啟動期間，控制器126可以經(jīng)由電阻器128和二極管130接收來自電壓Vin的功率。在實施例中，實施例的開關模式反激式轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓通過使用低通濾波器濾波，所述低通濾波器包括電感器144和輸出電容器114。
[0020]次級側控制器IC140經(jīng)由管腳GD提供開關信號給次級側開關晶體管112，以提供同步整流和提供從變壓器106的次級側向控制器126的通信。在一個實施例中，次級繞組110的狀態(tài)經(jīng)由管腳PC輸入到次級側控制器IC140，所述管腳PC經(jīng)由電容器136被耦合到次級繞組110。
[0021]參看圖lb，當節(jié)點GD例如在時間^敦活初級側開關晶體管122時，初級繞組電流Ip上升。初級電流IP上升的斜率基本上與輸入電壓Vin的電壓水平成比例，并且基本上與初級繞組108和變壓器的電感L成反比例。即
[0022]dlin/dt = Vin/L
[0023]當初級側開關晶體管122被激活時，初級繞組108兩端的電壓基本等于電壓Vin，并且次級繞組I1兩端的電壓基本等于-N22/N21.Vin，其中N21代表初級繞組108的匝數(shù)，并且N22代表次級繞組110的匝數(shù)。由于在接通時間段^月間，由于初級繞組108和次級繞組110具有相反的繞組指向而使次級繞組110上的電壓Vw為負，當初級側開關晶體管122被激活時，經(jīng)過次級繞組110的電流Is為零。
[0024]當開關晶體管122例如在時間tl被解除激活時，初級繞組108兩端的電壓和次級繞組110兩端的電壓逆轉(zhuǎn)極性，并且上升直到次級繞組110兩端的電壓基本上對應于輸出電壓Vout。當初級側開關晶體管122被解除激活時，初級繞組108被去磁并且將感性存儲在初級繞組108中的能量輸送到次級繞組110和輸出Vout。如所示，當初級側開關晶體管122被關斷時，初級電流Ip在時間tl處下降到零。當初級側開關晶體管122被激活時，經(jīng)過次級繞組110的為零的電流Is在時間tl處急劇上升并且然后開始下降。
[0025]由于位于輔助繞組116和初級繞組108之間的感性耦合，初級側開關晶體管122被激活期間(即，當驅(qū)動電壓GD為高時)，輔助電壓Vw的電壓水平基本對應于
[0026]Vw = N23/N21.Vin
[0027]其中N23表示輔助繞組116的匝數(shù)。當初級側開關晶體管122沒有被激活時(即，當節(jié)點GD為低時)，輔助電壓Vaux的電壓水平基本對應于
[0028]Vaux = N23/N22.Vout
[0029]只要經(jīng)過次級繞組110的電流Is沒有下降到零。當次級側電流Is下降到零時，即當變壓器變?yōu)橥耆ゴ艜r，次級側電壓以及因此輔助繞組電壓Vw變?yōu)榱?。在當變壓?06已經(jīng)去磁的同時，寄生效應、例如變壓器的寄生電容可能導致輔助電壓Vw的振蕩或瞬時振蕩，如在Vw圖線中時間t2開始時。瞬時振蕩發(fā)生的原因是變壓器106的次級側的同步整流器逆轉(zhuǎn)極性并對次級繞組110呈現(xiàn)為開路。因此，初級側開關晶體管122的漏極處的阻抗呈現(xiàn)為并聯(lián)諧振