專利名稱：開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器及其操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。更具體地講，本發(fā)明涉及一種開(kāi)關(guān) 式電力轉(zhuǎn)換器以及操作這種轉(zhuǎn)換器的方法。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器廣泛地使用在電子工業(yè)中，用于將一個(gè)DC 電平電壓轉(zhuǎn)換成用于提供到負(fù)載的另一個(gè)電壓。通常，提供變壓器， 該變壓器將初級(jí)側(cè)上的電壓源與其次級(jí)側(cè)上的負(fù)載進(jìn)行分離。使用一 個(gè)或更多個(gè)電源開(kāi)關(guān)在該變壓器的初級(jí)側(cè)兩端對(duì)該輸入DC電壓進(jìn) 行周期性開(kāi)/關(guān)操作。通過(guò)將電流開(kāi)關(guān)輸入到一個(gè)輸出電感線圈，使 得能量被存儲(chǔ)在該輸出電感線圈中，并且調(diào)整后的電壓被提供給該次 級(jí)側(cè)上的負(fù)載。次級(jí)側(cè)上的兩個(gè)二極管對(duì)次級(jí)繞組兩端的進(jìn)行開(kāi)/關(guān)操作后的并 且分離的電壓進(jìn)行整流，這兩個(gè)二極管包括一個(gè)正激二極管、 一個(gè)續(xù) 流二極管，其中，該正激二極管與次級(jí)繞組串聯(lián)，用于當(dāng)次級(jí)繞組兩 端呈現(xiàn)正電壓時(shí)將電流傳導(dǎo)到負(fù)載；該續(xù)流二極管與次級(jí)繞組并聯(lián)， 用于當(dāng)次級(jí)繞組兩端沒(méi)有電壓或呈現(xiàn)負(fù)電壓時(shí)將電流傳導(dǎo)到負(fù)載。為了改進(jìn)這種電路的效率，已知采用開(kāi)關(guān)來(lái)取代這兩個(gè)整流二 極管中的一個(gè)或全部，該開(kāi)關(guān)例如是由控制裝置進(jìn)行調(diào)制的MOSFET 器件。US-A-2004/0136207公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器，其中，正激 二極管由兩個(gè)MOSFET器件取代，這兩個(gè)MOSFET器件的源極連接 在一起，它們的柵極也連接在一起，從而這兩個(gè)器件能夠被同時(shí)激活。考慮到對(duì)較大能量效率的一般需求，期望提供一種以較大效率 操作同時(shí)將與任何新的設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的任何附加成本最小化的電力轉(zhuǎn) 換器。具體地講，考慮到個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)的廣泛應(yīng)用，它們的電
源的效率的任何小的改進(jìn)能夠具有顯著效果。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器包括 變壓器，其具有初級(jí)繞組和至少一個(gè)次級(jí)繞組；初級(jí)側(cè)有源電源開(kāi)關(guān)裝置，其耦合到所述初級(jí)繞組，用于向所 述初級(jí)繞組選擇性地施加輸入電壓；次級(jí)側(cè)整流電路，其具有輸出濾波器以及次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置， 其中，所述輸出濾波器耦合到所述至少一個(gè)次級(jí)繞組，所述次級(jí)側(cè)有 源開(kāi)關(guān)裝置耦合在所述至少一個(gè)次級(jí)繞組與所述輸出濾波器之間；以 及初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制裝置，用于分別調(diào)整所述初級(jí)側(cè)和所述次 級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)，并且被配置來(lái)在所述轉(zhuǎn)換器的操作的低功率模式期 間用于減小所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比，其中，對(duì)照所述次級(jí)側(cè)開(kāi) 關(guān)的占空比來(lái)確定所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的占空比的減小量。即使在所謂的"待機(jī)"或當(dāng)所述轉(zhuǎn)換器上的負(fù)載減小時(shí)的操作 的低功率模式期間，現(xiàn)有的電力轉(zhuǎn)換器以較差的效率水平來(lái)操作。根 據(jù)本發(fā)明，所述控制裝置操作以減小待機(jī)模式下所述初級(jí)側(cè)有源電源開(kāi)關(guān)的占空比，將用于將能量從所述變壓器的所述初級(jí)側(cè)傳遞到所述 次級(jí)側(cè)所花費(fèi)的時(shí)間最小化。這會(huì)基本上導(dǎo)致待機(jī)模式下操作效率的 提高。在實(shí)施例中，設(shè)置所述次級(jí)側(cè)控制裝置來(lái)接收表示所述初級(jí)側(cè) 開(kāi)關(guān)接通的輸入信號(hào)，并且產(chǎn)生取決于所述輸入信號(hào)和所述次級(jí)側(cè)開(kāi) 關(guān)的接通時(shí)間的輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)耦合到所述初級(jí)側(cè)控制裝 置。優(yōu)選的是，所述轉(zhuǎn)換器可操作以選擇性地產(chǎn)生連續(xù)輸出電流或 不連續(xù)輸出電流，其中，通過(guò)減小所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比來(lái)獲 得所述不連續(xù)輸出電流。如果所述系統(tǒng)用于PC電源，則通常在正常 模式期間所述系統(tǒng)處于連續(xù)模式。在待機(jī)模式下，取決于需要的輸出 電源，所述系統(tǒng)或者處于連續(xù)模式或者處于不連續(xù)模式下。在待機(jī)模式下，當(dāng)所述系統(tǒng)在不連續(xù)模式下操作時(shí)，所述占空比被進(jìn)一步減小， 從而進(jìn)一步提高效率。配置所述控制裝置，從而可以在待機(jī)模式期間調(diào)整所述初級(jí)側(cè) 開(kāi)關(guān)裝置的占空比以使得所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比基本等于所 述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述控制裝置被設(shè)置為首先相對(duì)于正常模 式下的所述轉(zhuǎn)換器的操作占空比來(lái)減小待機(jī)模式下的所述轉(zhuǎn)換器的 操作占空比(同時(shí)保留其操作頻率不變)。當(dāng)在某點(diǎn)所述初級(jí)開(kāi)關(guān)裝 置的接通時(shí)間段實(shí)現(xiàn)了用于實(shí)現(xiàn)所述初級(jí)主開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)的最 小時(shí)間時(shí)(通常是1到2微秒并且由所述初級(jí)控制器定義)，所述初 級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的頻率被進(jìn)一步減小。由于所述接通時(shí)間段保持恒定， 這導(dǎo)致低占空比和低頻率，從而給出進(jìn)一步效率提高。這是因?yàn)樗?述轉(zhuǎn)換器的效率主要由所述變壓器操作以將能量從所述初級(jí)側(cè)傳遞 到所述次級(jí)側(cè)的時(shí)間所確定。變壓器的磁損失能夠表達(dá)為4, =C其中，C是常數(shù)，f是頻率，B是磁場(chǎng)強(qiáng)度。a的值通常大約為1到1.5，而b通常約為2到2.5。減小所述轉(zhuǎn)換器的占空比會(huì)自動(dòng)地減小 所述磁場(chǎng)強(qiáng)度的值。由于在公式中b大于a，所以這給出了最高的效 率提高。在一個(gè)實(shí)施例中，所述控制裝置被設(shè)置來(lái)接收表示所述至少一 個(gè)次級(jí)繞組兩端的電壓的信號(hào)，并且由其來(lái)確定所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置 的接通時(shí)間。當(dāng)在不連續(xù)模式下時(shí)，所述初級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)的占空比取 決于所述輸出電流，可能需要在所述轉(zhuǎn)換器電路的次級(jí)側(cè)和初級(jí)側(cè)之 間進(jìn)行連接或耦合。所述次級(jí)繞組兩端電壓中的正邊沿變化表示所述 初級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)接通，并且所述控制裝置可操作以測(cè)量這個(gè)變化與所 述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的接通之間的時(shí)間，并且響應(yīng)于這個(gè)時(shí)間段恰當(dāng)?shù)?調(diào)整所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比。在另外的實(shí)施例中，電容式裝置耦合在所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的 漏極和接地之間。
所述控制裝置可以包括波谷檢測(cè)電路，所述波谷檢測(cè)電路用于 監(jiān)測(cè)所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置兩端的電壓，其中，所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的 接通取決于其輸出。當(dāng)最小負(fù)載時(shí)，所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置可以不接通， 同時(shí)在所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置兩端施加零電壓。因此，可以采用波谷檢 測(cè)電路來(lái)檢測(cè)何時(shí)在所述開(kāi)關(guān)兩端為最小電壓，從而所述開(kāi)關(guān)能夠在 那個(gè)時(shí)間接通。不需要諸如所述初級(jí)和次級(jí)側(cè)控制裝置之間的光耦合 器之類的耦合就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個(gè)波谷檢測(cè)電路還可以用于更髙功率模式下，以確定所述初 級(jí)主開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間。在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，電容式裝置耦合在所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝 置的漏極和接地之間。在所述電路的操作中，所述電容器兩端的電壓 總是正的，從而使得所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置可以在任何時(shí)間接通。具體 地講，這個(gè)電容式裝置的存在可以使得所述控制裝置被配置來(lái)調(diào)整初 級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)從而使得所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比小于所 述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比。于此描述的這種電力轉(zhuǎn)換器可以特別適于包含在PC電源中，例 如，提供有效的5V待機(jī)輸出電源。本發(fā)明還提供了一種操作開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器的方法，所述轉(zhuǎn)換 器包括變壓器，其具有初級(jí)繞組和至少一個(gè)次級(jí)繞組；初級(jí)側(cè)有源電源開(kāi)關(guān)裝置，其耦合到所述初級(jí)繞組，用于向所 述初級(jí)繞組選擇性地施加輸入電壓；次級(jí)側(cè)整流電路，其具有輸出濾波器以及次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置， 其中，所述輸出濾波器耦合到所述至少一個(gè)次級(jí)繞組，所述次級(jí)側(cè)有 源開(kāi)關(guān)裝置耦合在所述至少一個(gè)次級(jí)繞組與所述輸出濾波器之間；以 及初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制裝置，用于調(diào)整所述各個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)， 并且在所述轉(zhuǎn)換器的操作的正常模式期間可操作以產(chǎn)生連續(xù)輸出電 流，所述方法包括如下步驟相對(duì)于高功率模式期間所述初級(jí)側(cè)開(kāi)
關(guān)裝置的占空比來(lái)減小低功率模式期間所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空 比。所述方法還可以包括如下步驟在所述轉(zhuǎn)換器操作的低功率模 式期間減小所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的占空比來(lái)產(chǎn)生不連續(xù)的輸出電流。


現(xiàn)在將對(duì)照示意性附圖作為例子來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例和現(xiàn)有 技術(shù)中的設(shè)置，這些附圖如下圖1示出了已知正激轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2到圖4示出了在圖1所示的電路的操作期間產(chǎn)生的示意性波形；圖5示出了占空比對(duì)輸出電流的曲線圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的正激轉(zhuǎn)換器的電路圖； 圖7示出了在圖6所示的電路的操作期間產(chǎn)生的示例性波形； 圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的正激轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖8B示出了在圖8A所示的電路的操作期間產(chǎn)生的示意性波形；圖9示出了占空比對(duì)操作頻率的曲線圖；圖IOA和IOB示出了圖8A所示的實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施方式的部 分的電路圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的正激轉(zhuǎn)換器的電路圖；以及圖12示出了在圖ll所示的電路的操作期間產(chǎn)生的示意性波形。
具體實(shí)施方式
通常使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)在附圖中表示改進(jìn)實(shí)施例和不同實(shí) 施例中相應(yīng)或相似的特征部分。圖1示出了已知的電力轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，特別是正激轉(zhuǎn)換器。該電 力轉(zhuǎn)換器包括變壓器2，該變壓器2具有初級(jí)繞組2a和次級(jí)繞組2b。 該初級(jí)繞組2a的點(diǎn)端耦合到輸入電壓源Vin，該初級(jí)繞組2a的另一 端經(jīng)由電源開(kāi)關(guān)Sl耦合到接地。該電源開(kāi)關(guān)Sl包括MOSFET器件，該MOSFET器件包括耦合 到該初級(jí)繞組2a的漏極端子、耦合到接地的源極端子、以及耦合到 初級(jí)側(cè)控制器12的柵極端子。該控制器12向該電源開(kāi)關(guān)Sl提供周 期性激勵(lì)信號(hào)。在該次級(jí)側(cè)，開(kāi)關(guān)S3耦合在次級(jí)繞組2b的點(diǎn)端與輸出電感線 圈IO之間。續(xù)流二極管4的陽(yáng)極連接到接地，其陰極連接到開(kāi)關(guān)S3 與電感線圈IO之間的結(jié)點(diǎn)J。該輸出電感線圈IO還耦合到輸出端子， 同時(shí)電容器6耦合在輸出端子與接地之間。該輸出電感線圈10和該 電容器6形成了一個(gè)濾波器，該濾波器在該輸出端子處提供相對(duì)接地 的平穩(wěn)DC輸出電壓Vout。次級(jí)側(cè)控制器向該次級(jí)側(cè)電源開(kāi)關(guān)S3提 供周期性激勵(lì)信號(hào)。圖1的電路以公知方式操作，以提供輸出電壓， 并且負(fù)載7被耦合到該輸出端子。在較低負(fù)載，該電路可以從連續(xù)模式轉(zhuǎn)換成不連續(xù)模式，現(xiàn)在， 將對(duì)照?qǐng)D2到圖5來(lái)對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行描述。圖2中示出了以連續(xù)模式通過(guò)圖1所示的電路的操作所產(chǎn)生的 波形。由Sl和S3指示的波形分別示出了通過(guò)從控制器12和控制器 14接收到的控制信號(hào)來(lái)操作的各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。波形"Vsec"表示 變壓器2的次級(jí)繞組2b兩端的電壓。波形指示通過(guò)輸出電感 線圈IO的電流。lL的均值被標(biāo)記為"lout—av"，該"lout—av"是通 過(guò)輸出端子Vout的負(fù)載計(jì)算出的。在連續(xù)模式下，開(kāi)關(guān)Sl的占空比相反地取決于該輸入電壓Vin。 在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下，該輸出電壓為K(9Wf = 5 * * E其中，5是該系統(tǒng)的占空比，叩和ns分別是變壓器2的初級(jí)繞組和 次級(jí)繞組的數(shù)目。能夠從這個(gè)公式導(dǎo)出該系統(tǒng)的占空比。 d =-氺—假定Vout和繞組的數(shù)目是常數(shù)，則該占空比與Vin成反比。在 圖1的系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)Sl的占空比與Vin成反比，從而采用開(kāi)關(guān)S3， 通過(guò)調(diào)節(jié)該開(kāi)關(guān)S3能夠?qū)崿F(xiàn)需要的輸出電壓。Sl的占空比將大于S3的占空比，從而不需要改變Sl的占空比而通過(guò)開(kāi)關(guān)S3就能夠處理瞬態(tài)(突然負(fù)載增加/減少)。從以上能夠總結(jié)出在連續(xù)模式下，該系統(tǒng)的占空比與輸出電 流無(wú)關(guān)。當(dāng)在不連續(xù)模式下進(jìn)行操作時(shí)，可以產(chǎn)生圖3所示的波形?？梢钥闯鐾ㄟ^(guò)輸出電感線圈的電流周期性地下降到零。圖4示出了采用兩個(gè)不同的占空比在不連續(xù)模式下該電路的操 作期間產(chǎn)生的波形，其中，較短占空比產(chǎn)生虛線波形。相對(duì)于由該較短占空比產(chǎn)生的平均輸出電流Ioutav(S2)，該較長(zhǎng)占空比產(chǎn)生較大的 平均輸出電流Ioutav(Sl)。該平均輸出電流等于通過(guò)該輸出電感線圈 的平均電流。由該輸出電容器對(duì)通過(guò)該輸出電感線圈的電流的波紋進(jìn) 行濾波。因此，該輸出電流基本上等于恒定值。在圖4中，可以看出當(dāng)該輸出電流下降時(shí)，該占空比也下降， 從而該系統(tǒng)的占空比是輸出電流lout的函數(shù)。在不連續(xù)模式下，開(kāi)關(guān)Sl的占空比(由該初級(jí)側(cè)控制器12確 定)也取決于該輸出電流。作為示意，圖5示出了垂直軸上的占空比 5關(guān)于輸出電流的圖，其中，例如，在0.9A的輸出電流處發(fā)生從不 連續(xù)模式到連續(xù)模式的轉(zhuǎn)換。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)該電力轉(zhuǎn)換器的控制裝置進(jìn)行操作以 減小初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)Sl的占空比。例如，當(dāng)提供500mW負(fù)載時(shí)，這個(gè) 方法使得該轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)50%的效率或者更佳的效率。為了實(shí)現(xiàn) 這個(gè)控制，需要在該電路的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間進(jìn)行通信。減小Sl的占空比會(huì)減小能量從初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí)側(cè)的時(shí)間，這 會(huì)提高其效率。圖6示出了實(shí)施本發(fā)明的電力轉(zhuǎn)換器的電路圖。在次級(jí)側(cè)該控制裝置包括兩個(gè)調(diào)整電路，即第一調(diào)整電路16和 第二調(diào)整電路18。該控制裝置還包括初級(jí)側(cè)控制器12。來(lái)自電路18的輸出經(jīng)由光耦器21耦合到初級(jí)側(cè)控制器12。該第一調(diào)整電路16可以包括例如已知電流或電壓模式控制調(diào)整 器。它定義了S3的占空比。圖6示出的實(shí)施方式包括已知的電流或電壓調(diào)整器56、比較器52以及數(shù)字AND端口 54。在該電流或電壓調(diào)整器56中，該輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較。 如果該輸出電壓小于需要的參考電壓，則其輸出為高電平。將該調(diào)整 器的這個(gè)輸出連接到該數(shù)字AND端口 54的輸入。由于S3的接通僅 僅發(fā)生于該變壓器的次級(jí)側(cè)上的電壓為正的條件下，所以需要這個(gè) AND端口。因此，該數(shù)字AND端口的其它輸入被連接到比較器52。 該比較器的輸入被分別連接到次級(jí)電壓Vsec和接地。當(dāng)Vsec為正時(shí)， 該比較器的輸出為高電平。第二調(diào)整電路18將Sl的占空因素與S3的占空比進(jìn)行比較(或 者更加準(zhǔn)確地講，與根據(jù)該調(diào)整器56而將S3接通的時(shí)間進(jìn)行比較； 這樣的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，該初級(jí)占空比迅速增加)，并 且該第二調(diào)整電路18調(diào)整Sl的占空比，當(dāng)恰當(dāng)?shù)販p小該電路的功 耗時(shí)將其減小，并且在具體的操作方法中，使得S1的占空比等于S3 的占空比。例如，可以以下述方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。該第二調(diào)整電路18測(cè)量該變壓器的該次級(jí)側(cè)上的電壓。當(dāng)其處 于最大值時(shí)，這指示了S1已經(jīng)接通。該第二調(diào)整電路從第一調(diào)整電 路16接收S3控制信號(hào)，該S3控制信號(hào)指示了 S3何時(shí)應(yīng)該接通(由 調(diào)整器56確定)。代表這兩個(gè)事件之間的時(shí)間差的信號(hào)由該第二調(diào) 整電路18發(fā)送到初級(jí)側(cè)控制器12，該初級(jí)側(cè)控制器12響應(yīng)于那個(gè) 信號(hào)來(lái)調(diào)整S1的占空比。在這種設(shè)置的操作中，如果該輸出電流突然增加，則當(dāng)該系統(tǒng) 在不連續(xù)模式下時(shí)該占空比需要增加。然而，在Sl接通之前S3不 能夠接通，所以在該控制裝置能夠增加S3的占空比之前必須首先增 加S1的占空比。這種延遲會(huì)降低該系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，并且可以通過(guò) 確保開(kāi)關(guān)Sl的占空比大于開(kāi)關(guān)S3的占空比來(lái)避免這種延遲，盡管 這會(huì)輕微地降低該系統(tǒng)的整體效率。圖7示出了在圖6所示的電路的操作期間產(chǎn)生的示例性波形。 波形"Vsl"表示開(kāi)關(guān)Sl兩端的電壓。其最大值等于輸入電壓Vin + Vrest，其中，該Vrest是用于復(fù)位這個(gè)變壓器的該變壓器兩端的反向12電壓。圖7的波形假定Sl的零電壓開(kāi)關(guān)(由箭頭"A"指示)，當(dāng)在 VS1為零時(shí)間內(nèi)結(jié)合將開(kāi)關(guān)S3保持打開(kāi)而在初級(jí)側(cè)使用有源箝位復(fù)位機(jī)制(未示出)時(shí)，這是可能的。控制器12內(nèi)的波谷檢測(cè)電路用 于控制Sl的接通。當(dāng)S3接通時(shí)，該變壓器兩端的次級(jí)側(cè)的電壓取決于該輸出電流 而可以臨時(shí)地下降到零。在這個(gè)期間內(nèi)，該電流從二極管4流到該變 壓器和開(kāi)關(guān)S3。操作該第二調(diào)整電路18以通過(guò)將S1的占空比減小為接近S3的 占空比來(lái)減小標(biāo)記為"t"的時(shí)間間隔(Sl的接通和S3的接通之間)。 通過(guò)監(jiān)測(cè)該變壓器的次級(jí)側(cè)上的電壓來(lái)估計(jì)間隔"t"的開(kāi)始，并且 使用峰值檢測(cè)來(lái)確定該變壓器的次級(jí)側(cè)上的電壓何時(shí)到達(dá)最大值，從 而指示Sl已經(jīng)接通(在圖7中的箭頭"B"表示的點(diǎn)處)。為了確保在Sl接通之前Sl兩端的電壓下降到可接受電平，Sl 的接通時(shí)間具有最小值。這個(gè)最小值給出了用于對(duì)Sl的寄生電容進(jìn) 行最后放電的最小磁化電流。 一旦減小Sl的占空比直到達(dá)到其最小 接通時(shí)間(通常是1到2微秒以確保接近零電壓開(kāi)關(guān))，可以通過(guò)降 低操作的頻率以及保持這個(gè)最小接通時(shí)間來(lái)進(jìn)一步降低該電路的效 率，這是因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致占空比的進(jìn)一步減小。圖8A示出了示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的電路圖。它提供了用于 改進(jìn)該系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)的裝置。在圖8A中，將更加詳細(xì)地示出在圖6中示意性示出的開(kāi)關(guān)S3。 具體地講，整流二極管串聯(lián)到變壓器2的次級(jí)繞組2b的點(diǎn)端，并且 MOSFET開(kāi)關(guān)裝置Sb串聯(lián)地耦合到二極管和輸出電感線圈10。 Sb 的漏極連接到該二極管，其源極連接到該電感線圈，其柵極連接到第 一和第二調(diào)整電路16和18。電容器24連接到二極管22與開(kāi)關(guān)Sb之間的結(jié)點(diǎn)"K"和接地。 在該電路的操作期間，該電容器兩端的電壓總是正的，這是因?yàn)楫?dāng) 該變壓器的次級(jí)側(cè)的電壓為正時(shí)，該電容器兩端的電壓將被充電，另 外當(dāng)該變壓器的次級(jí)側(cè)的電壓為負(fù)時(shí)，由于該二極管22對(duì)放電的阻
擋使得該電容器兩端的電壓不會(huì)被放電。這使得該開(kāi)關(guān)Sb在任何時(shí) 間都保持接通，因?yàn)槿绻枰撠?fù)載會(huì)經(jīng)由開(kāi)關(guān)Sb從該電容器吸收 電流。為了將該電容器24的尺寸(及其成本)最小化，該二極管22 和開(kāi)關(guān)Sb應(yīng)該同時(shí)導(dǎo)通。因此，Sb和Sl的占空比應(yīng)該被連續(xù)同步。 這確保了大多數(shù)的輸出電流由該變壓器進(jìn)行傳遞而非來(lái)自該電容器。 在一些情況下，當(dāng)存在電容器24時(shí)可以優(yōu)選地將Sl的占空比減小 為小于Sb的占空比。采用電容器24的另一優(yōu)點(diǎn)在于在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，僅僅當(dāng)其 電壓達(dá)到某高電平時(shí)，在該變壓器的次級(jí)側(cè)上吸收電流。這確保了當(dāng) 其兩端的電壓達(dá)到最小值時(shí)Sl被接通。電容器24的存在意味著Sl的占空比沒(méi)有必要被精確測(cè)量。例 如，采用一種更加成本有效的方法(相對(duì)峰值檢測(cè))，通過(guò)使用電平 檢測(cè)器來(lái)執(zhí)行這個(gè)估計(jì)，如圖8B所示。圖6的系統(tǒng)需要峰值檢測(cè)器，如圖7的波形所示。這是因?yàn)?需要確切地知道何時(shí)開(kāi)關(guān)Sl接通。盡管峰值檢測(cè)器是實(shí)際可行的， 但是與電平檢測(cè)器相比可能實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加復(fù)雜。當(dāng)使用圖8A的電容器時(shí)，Sl接通的時(shí)間不需要被準(zhǔn)確地知道， 這是因?yàn)镾l與S3 (或圖8A中的Sb)之間的定時(shí)中的任何"不匹 配"能夠由該電容器進(jìn)行補(bǔ)償。如果例如在Sl接通之前將Sb接通， 則Sb將從該電容器吸收電流，并且一旦Sl接通，則該電容器被再 次充電。由于Sl的接通時(shí)間不需要被確切地知道，所以能夠?qū)ζ溥M(jìn)行估 計(jì)。當(dāng)這個(gè)開(kāi)關(guān)兩端的電壓最小時(shí)，即當(dāng)該次級(jí)側(cè)上的電壓達(dá)到其最 大值時(shí)，Sl被接通。通過(guò)監(jiān)測(cè)該次級(jí)電壓以檢測(cè)何時(shí)該次級(jí)電壓會(huì) 達(dá)到圖8B中的"D"所指示的某一電平(10V)并且通過(guò)允許其后 的預(yù)定時(shí)間At來(lái)估計(jì)這個(gè)事件的時(shí)間，其中，該At是Vsec從電平 D達(dá)到其最大值所花費(fèi)的時(shí)間的估計(jì)。這識(shí)別了圖8B中的"E"指 示的時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)使用比較器和延遲電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，其中， 該比較器和延遲電路沒(méi)有峰值檢測(cè)器復(fù)雜但是比它可靠。
此外，由于電容器24的存在，Sb的接通對(duì)在Sl的接通時(shí)Sl兩端的電壓幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何影響。作為例子，圖IOA和10B示出了采用電平檢測(cè)器電路的圖8A 的第二調(diào)整電路18的可能實(shí)現(xiàn)方式。開(kāi)關(guān)S4的接通和斷開(kāi)時(shí)間與 開(kāi)關(guān)S3的接通和斷開(kāi)時(shí)間相同。比較器30的正輸入連接到該次級(jí)繞組2b的點(diǎn)端。其負(fù)輸入連 接到參考電壓，例如在圖中示為IOV。比較器30的輸出用于控制開(kāi) 關(guān)28的操作。該比較器30經(jīng)由延遲電路31耦合到該開(kāi)關(guān)，該延遲 電路31延遲比較器30的輸出的正邊沿(而非其負(fù)邊沿)。兩個(gè)電流 源32和34在開(kāi)關(guān)S4與開(kāi)關(guān)28之間串聯(lián)。電源(未示出)連接到 開(kāi)關(guān)S4的另一端。電容器36與電流源34和開(kāi)關(guān)28并聯(lián)。電壓一 電流轉(zhuǎn)換器38連接在電流源32、 34的中點(diǎn)與該光耦合器21之間。在該變壓器2的次級(jí)側(cè)上的電壓為正(即，在這個(gè)例子中大于 10V)的相同時(shí)間段(減延遲AT;處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間t=0)內(nèi)Sb(S4) 處于接通，該電容器36上的電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果該輸出電流隨 后增加，則Sb的占空比(S4的占空比)也將增加。該電容器兩端的 電壓將增加。結(jié)果，通過(guò)該光耦合器的電流也增加并且經(jīng)由電壓一電 流轉(zhuǎn)換器38流入該初級(jí)側(cè)。初級(jí)側(cè)控制隨后將增加開(kāi)關(guān)Sl的占空 比。因此，該變壓器的次級(jí)側(cè)為正的時(shí)間將增加，從而由于現(xiàn)在開(kāi)關(guān) 28長(zhǎng)時(shí)間處于接通所以該該電容器兩端的電壓將再次減小，直到建 立了新的穩(wěn)定狀態(tài)。如果該輸出電流減小，則這些變化是相反的。如圖9所示，當(dāng)次級(jí)側(cè)控制器確定該初級(jí)側(cè)占空比(S)不得不 減小時(shí)，如上所討論的通過(guò)該光耦合器的電流減小。結(jié)果，由圖9 中的點(diǎn)a和點(diǎn)b之間的線所指示的，該初級(jí)側(cè)控制器將首先減小開(kāi)關(guān) Sl的接通時(shí)間。由于在該時(shí)間段接通時(shí)間被減小，該占空比由此被 減小并且頻率保持恒定。一旦在該初級(jí)側(cè)上檢測(cè)到最小接通時(shí)間，則在通過(guò)該光耦合器 件的電流被進(jìn)一步減小時(shí)該初級(jí)側(cè)控制器隨后將增加開(kāi)關(guān)Sl的斷開(kāi) 時(shí)間。這會(huì)導(dǎo)致較小的占空比和較小的頻率，由b和c之間的線所指 示。 一旦該初級(jí)側(cè)控制器檢測(cè)到該最小頻率，則它停止減小其占空比
以避免進(jìn)入音頻頻譜。當(dāng)在開(kāi)關(guān)Sl接通時(shí)刻測(cè)量初級(jí)主開(kāi)關(guān)Sl兩端的電壓并且該初 級(jí)主開(kāi)關(guān)Sl兩端的電壓用于適應(yīng)初級(jí)主開(kāi)關(guān)占空比時(shí)，能夠省去圖8A中的該次級(jí)控制電路18。如前所述，在Sl之前次級(jí)開(kāi)關(guān)Sb能夠被接通。需要的輸出電流隨后由電容器24進(jìn)行傳送。結(jié)果是當(dāng)通過(guò)波谷檢測(cè)來(lái)接通開(kāi)關(guān)si時(shí)，在那個(gè)特定時(shí)刻其電壓取決于該電容器的放電量。當(dāng)該初級(jí)主開(kāi)關(guān)接通時(shí)該電容器的放電導(dǎo)致該初級(jí)主開(kāi) 關(guān)兩端更高的電壓。這個(gè)更高的電壓能夠被檢測(cè)到并且用于增加該初 級(jí)主開(kāi)關(guān)的占空比。圖11示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。第一調(diào)整電路16包括電壓 一電流轉(zhuǎn)換器40。該電力轉(zhuǎn)換器電路的輸出(Vout)連接到轉(zhuǎn)換器 40的負(fù)輸入，并且參考電壓例如5V連接到其正輸入。該轉(zhuǎn)換器40 的輸出經(jīng)由光耦合器件21耦合到該初級(jí)側(cè)控制器12并且定義Sl的 占空比。圖12示出了由圖11所示的電路的操作所產(chǎn)生的波形。當(dāng)波谷 檢測(cè)感測(cè)到Sl兩端的電壓下降到最小值(點(diǎn)"K")時(shí)，Sl接通。 控制器18經(jīng)由應(yīng)用到信號(hào)Vsec (點(diǎn)"L")的峰值檢測(cè)來(lái)檢測(cè)何時(shí) 初級(jí)開(kāi)關(guān)S1接通。在點(diǎn)L之后的短時(shí)間t (可以是零)，控制器18 接通Sb。通過(guò)測(cè)量Vout與參考電壓(例如，圖11所示的5V)之間 的差而由控制器16定義S1的占空比。通過(guò)閱讀本公開(kāi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白其它變型和修改。 這些變型和修改可以涉及本領(lǐng)域中已知的并且可以被利用以替代于此描述的特征的等價(jià)物和其它特征。盡管在本申請(qǐng)中已經(jīng)將權(quán)利要求闡述為特征的特定組合，但是應(yīng)該明白，本發(fā)明的范圍還包括任何新穎特征或者明確地或暗含地或概括性地于此公開(kāi)的特征的新穎組合，而無(wú)論它是否涉及與在任何權(quán)利要求中所述的發(fā)明相同的發(fā)明，無(wú)論它是否解決與本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題相同的任何或所有技術(shù)問(wèn)題。在各個(gè)實(shí)施例的文本中所述的特征還可以組合在單一實(shí)施例中。相反，為簡(jiǎn)潔描述于單一實(shí)施例的文本中的各個(gè)特征還可以單獨(dú) 提供或以任何適合的子組合方式進(jìn)行提供。因此，申請(qǐng)人給出通知 在本申請(qǐng)或從本申請(qǐng)衍生出的任何另外申請(qǐng)的審査期間，新的權(quán)利要 求可以闡述為這些特征和/或這些特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器包括變壓器(2)，其具有初級(jí)繞組(2a)和至少一個(gè)次級(jí)繞組(2b)；初級(jí)側(cè)有源電源開(kāi)關(guān)裝置(S1)，其耦合到所述初級(jí)繞組，用于向所述初級(jí)繞組選擇性地施加輸入電壓(Vin)；次級(jí)側(cè)整流電路，其具有輸出濾波器(6，10)以及次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置(S3)，其中，所述輸出濾波器(6，10)耦合到所述至少一個(gè)次級(jí)繞組(2b)，所述次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置(S3)耦合在所述至少一個(gè)次級(jí)繞組與所述輸出濾波器之間；以及初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制裝置(12，16，18)，用于分別調(diào)整所述初級(jí)側(cè)和所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)，并且被配置為在所述轉(zhuǎn)換器的操作的低功率模式期間用于減小所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(S1)的占空比，其中，對(duì)照所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(S3)的占空比來(lái)確定所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(S1)的占空比的減小量。
2. 如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述轉(zhuǎn)換器可操作以選 擇性地產(chǎn)生連續(xù)輸出電流和不連續(xù)輸出電流，其中，通過(guò)減小所述次 級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(S3)的占空比來(lái)獲得所述不連續(xù)輸出電流。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述初級(jí)側(cè)和次級(jí) 側(cè)控制裝置(12， 16， 18)被配置為相對(duì)于所述高功率模式期間的所 述轉(zhuǎn)換器的操作頻率而減小所述低功率模式期間的所述轉(zhuǎn)換器的操 作頻率。
4. 如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述次級(jí)側(cè) 控制裝置(16， 18)被設(shè)置來(lái)接收表示所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(Sl)接通 的輸入信號(hào)，并且產(chǎn)生取決于所述輸入信號(hào)和耦合到所述初級(jí)側(cè)控制 裝置(12)的所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(S3)的接通時(shí)間的輸出信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述次級(jí)側(cè)控制裝置(16，18)被設(shè)置來(lái)接收表示了所述至少一個(gè)次級(jí)繞組(2b)兩端電壓的信 號(hào)，并且由此確定所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(Sl)的接通時(shí)間。
6. 如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其中，電容式裝置 (24)耦合在所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(S3)的漏極和接地之間。
7. 如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述初級(jí)側(cè) 控制裝置(12)包括波谷檢測(cè)電路，所述波谷檢測(cè)電路用于監(jiān)測(cè)所述 初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(Sl)兩端的電壓，其中，所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置的 接通時(shí)間取決于其輸出。
8. 如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述初級(jí)側(cè) 和所述次級(jí)側(cè)控制裝置(12， 16， 18)被設(shè)置來(lái)調(diào)整所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān) 裝置(Sl)的占空比，從而使得在所述低功率模式期間所述初級(jí)側(cè) 開(kāi)關(guān)裝置(Sl)的占空比基本上等于所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(S3)的 占空比。
9. 如權(quán)利要求6或7所述的轉(zhuǎn)換器，其中當(dāng)依據(jù)權(quán)利要求6時(shí)， 所述初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制裝置(12， 16, 18)可操作以調(diào)整初級(jí)側(cè)開(kāi) 關(guān)裝置(Sl)的開(kāi)關(guān)，從而使得所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(Sl)的占空 比小于所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(S3)的占空比。
10. —種PC電源，所述PC電源包括一個(gè)任何上述權(quán)利要求的 電力轉(zhuǎn)換器。
11. 一種操作開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器的方法，所述轉(zhuǎn)換器包括 變壓器(2)，其具有初級(jí)繞組(2a)和至少一個(gè)次級(jí)繞組(2b); 初級(jí)側(cè)有源電源開(kāi)關(guān)裝置(Sl)，其耦合到所述初級(jí)繞組，用于向所述初級(jí)繞組選擇性地施加輸入電壓(Vin); 次級(jí)側(cè)整流電路，其具有輸出濾波器(6， 10)以及次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置(S3)，其中，所述輸出濾波器(6， 10)耦合到所述至少一個(gè)次級(jí)繞組(2b)，所述次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置(S3)耦合在所述 至少一個(gè)次級(jí)繞組與所述輸出濾波器之間；以及初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制裝置(12， 16， 18)，用于調(diào)整所述各個(gè) 開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)，所述方法包括如下步驟相對(duì)于所述轉(zhuǎn)換器操作的高功率模式期間所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置 (Sl)的占空比來(lái)減小低功率模式期間所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(Sl) 的占空比，其中，對(duì)照所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(S3)的占空比來(lái)確定所述 初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(Sl)的占空比的減小量。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，包括如下步驟 在所述轉(zhuǎn)換器操作的低功率模式期間減小所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置 (S3)的占空比來(lái)產(chǎn)生不連續(xù)的輸出電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器以及操作這種轉(zhuǎn)換器的方法。根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器包括變壓器(2)，具有初級(jí)繞組(2a)和至少一個(gè)次級(jí)繞組(2b)；次級(jí)側(cè)整流電路，具有輸出濾波器(6，10)以及次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置(S3)，其中，所述輸出濾波器(6，10)耦合到所述至少一個(gè)次級(jí)繞組(2b)，所述次級(jí)側(cè)有源開(kāi)關(guān)裝置(S3)耦合在所述至少一個(gè)次級(jí)繞組與所述輸出濾波器之間。所述轉(zhuǎn)換器還包括初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制裝置(12，16，18)，用于分別調(diào)整所述初級(jí)側(cè)和所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)地開(kāi)關(guān)，并且被配置為在所述轉(zhuǎn)換器的操作的低功率模式期間用于減小所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)裝置(S1)的占空比，其中，對(duì)照所述次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)(S3)的占空比來(lái)確定所述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的占空比的減小量。這會(huì)基本上導(dǎo)致低功率模式下操作效率的提高。
文檔編號(hào)H02M3/335GK101156304SQ200680007953
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者彼得·德根, 漢弗萊·德格魯特, 簡(jiǎn)·迪肯 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司