专利名称：测量来自功率转换器初级侧的输出电流的设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种功率转换器，且更明确地说涉及一种对所述功率转换 器的监测和控制方法。
背景技术：
各种功率转换器已广泛用于提供经调节的电压和电流。为了安全起见，离线功率转换器必须在其初级侧与次级侧之间提供电隔离(galvanic isolation)。在控制电路配置在功率转换器的初级侧的情况下，将难以测量 输出电流。因此，需要提供一种在功率转换器的初级侧测量输出电流的设 备及其方法。因此，所测量的输出电流可用于进一步的输出电流控制和/或 功率转换器保护等。发明内容本发明的 一个方面，提供一种在功率转换器的初级侧测量输出电流的 设备。所述设备包含峰值检测器，其对初级侧切换峰值电流的转换电压换电流的放电时间；振荡器，其产生用于切换该功率转换器的切换信号； 以及积分器，其用于通过将初级侧切换峰值电流的转换电压与放电时间进 行积分来产生积分信号。为了获得功率转换器的输出电流，积分信号与输 出电流成正比例，因为积分器的时间常数与切换信号的切换周期相关。本发明的另 一 方面，提供一种用在功率转换器的初级侧测量输出电流 的方法。所述方法包含通过峰值检测器对初级侧切换峰值电流的转换电 压进行取样；通过零电流检测装置检测经过变压器的辅助绕组的次级侧切 换电流的放电时间；通过振荡装置产生用于切换该功率转换器的切换信 号；以及通过将初级侧切换峰值电流的转换电压与放电时间进行积分来产应了解，上文大体上的描述和下文详细的描述均是示范性的，且将提供对所主张的本发明的进 一 步阐释。通过考虑随后的描述内容和附图将了 解其它目的和优点。
图1是说明根据本发明一个实施例的功率转换器的示意电路图。图2是说明根据本发明一个实施例的功率转换器的各种信号波形的示意图。图3是说明根据本发明一个实施例的功率转换器的输出电流的测量方 法的示意电路图。图4是说明根据本发明一个实施例的功率转换器的振荡器的示意电路图。图5是说明根据本发明一个实施例的功率转换器的零电流检测器的示意电路图。
具体实施方式
参看图1，说明根据本发明一个实施例的功率转换器的示意电路图。 功率转换器包含变压器10,其具有辅助绕组NA、初级绕组Np和次级绕组 Ns。为了调节功率转换器的输出电压Vo和/或输出电流l0,控制器70产生 PWM控制信号VpwM以通过切换晶体管20来切换该变压器10。参看图2， 说明图1中的功率转换器的各种信号波形的示意图。当PWM控制信号 VpWM电平升为高时，相应地产生初级侧切换电流Ip 。初级侧切换电流Ip由 下式给出，" ……----------…一-....................................(1 )其中V^是施加到变压器10的输入电压，Lp是变压器10的初级绕组 Np的电感，且Ton是PWM控制信号VpwM的接通时间区间。当PWM控制信号VpwM电平降为低时，存储在变压器10中的能量将 传递到变压器]0的次级侧，并经由整流器40而传递到功率转换器的输 出。次级侧切换电流Is可表达为工—(v。+vF)丄S — ; X丄DSLs --..................................-.................... ( 2 )其中Vo是功率转换器的输出电压，Vf是整流器40上的正向电压降， Ls是变压器10的次级绕组Ns的电感，且Tos是次级侧切换电流Is的放电时间。同时，在变压器10的辅助绕组NA处产生一反射电压VAUX。此反射电 压V壯'x由下式给定(3)其中TNA和TNS分别是辅助绕组NA和次级绕组Ns的绕组匝数。 随着次级侧切换电流Is减小为零，反射电压Vaux将幵始威小。这也指 出该变压器10的能量此刻完全释放。因此，如图2所示，可从PWM控制 信号VpwM的下降边缘至反射电压Vaux的下降点測量等式(2)中的放电时间TDS。参看图1，控制器70具有电源端子VCC、电压检测端子VDET、接地 端子GND、电流感测端子VS和输出端子VPWM。输出端子VPWM输出 PWM控制信号VPWM。电压检测端子VDET经由电阻器50连接到辅助绕组 NA以检测该反射电压VAUX。反射电压VAUX经由整流器60进一步对电源电 容器65进行充电以向控制器70供电。电流感测电阻器30从晶体管20的 源极连接到接地参考电平，以将初级侧切换电流Ip转换为转换电压Vs。参看图3,说明根据本发明一个实施例来测量该输出电流I0的示意电 路图。峰值检测器300对初级侧切换峰值电流的转换电压Vs进行取样。零 电流检测器(零电流检测)100经过变压器10的辅助绕组NA检测次级侧切 换电流Is的放电时间TDS。振荡器200产生高频率信号以切换所述功率转换 器。振荡器200产生脉冲信号PLS以用于同步并产生PWM控制信号 VPWM。积分器500经设计以通过将初级侧切换峰值电流的转换电压Vs与放 电时间TDs进行积分来产生积分信号Vx。积分器500的时间常数与该切换 频率的切换周期T相关。因此，积分信号Vx与功率转换器的输出电流I0成正比例。初级侧切换峰值电流是初级侧切换电流Ip的^奪值。初级侧切换 电流Ip和次级侧切换电流Is分別是变压器10的初级侧和次级侧中的切换电流。根据图2中的波形，功率转换器的输出电流Io由下式给定变压器10的初级侧切换电流Ip和绕组匝数决定次级侧切换电流Is。次 级侧切换电流Is可由下式给定，<formula>formula see original document page 10</formula>-------.................--(5 )其中Tw是变压器10的初级绕组Np的绕组匝数。初级侧切换电流Ip通过电流感测电阻器30而转换为转换电压Vs。 Rs 是电流感测电阻器30的电阻。峰值检测器300通过对转换电压Vs进行取 样来产生峰值电压信号Vsp。积分信号Vx可表达为<formula>formula see original document page 10</formula>.............................. (6)注意到，等式(4) - (6)中积分信号Vx可重写为<formula>formula see original document page 10</formula>-...............--…-..............(7) 其中T,是积分器500的时间常数。可以发现，积分信号Vx与功率转换器的输出电流Io成正比例，如等式 (7)所示。进一步参看图3,峰值检测器300包含比较器71，其具有连接到电流 感测端子VS的正输入。转换电压Vs的值与初级侧切换电流Ip的值成正比 例。电容器91用于保持转换电压Vs的峰值。因此，在电容器91上获得峰 值电压信号Vsp。比较器71的负输入连接到电容器91。施加恒定电流源73以对电容器91进行充电。开关75连接在恒定电流源73与电容器91之间。 开关75由比较器71的输出来接通/断开。晶体管84与电容器91并联连接 以对电容器91进行放电。积分器500包含开关76，其用于将来自电容器91的峰值电压信号VSP 周期性地取样至电容器92。运算放大器72、电阻器90和晶体管80形成第 一电压至电流转换器，其响应于电容器92上的电压而产生可编程电流180。 运算放大器72的正输入连接到电容器92。运算放大器72的负输入连接到 电阻器90。晶体管81和晶体管82形成电流镜。电流镜从可编程电流180镜 射一可编程充电电 流 Is2。 晶 体管81的漏极和栅极连接到晶体管80的漏 极。晶体管82的漏极输出该可编程充电电流182。开关78连接在晶体管82 的漏极与电容器95之间。开关78仅在放电时间lDs的周期期间接通。晶体 管85与电容器95并联连接以对电容器95进行放电。开关79用于将电容 器95上的电压周期性地取样至输出电容器96。因此，在输出电容器96上 获得积分信号Vx。电阻器90和电容器95决定积分器500的时间常数。参看图4，说明根据本发明一个实施例的功率转换器的振荡器200。运 算放大器201、电阻器210和晶体管250形成第二电压至电流转换器。第二 电压至电流转换器响应于一参考电压VIlEF而产生一参考电流I25Q。多个晶 体管(例如，251、 252、 253、 254和255 )形成电流镜，用于响应于该参 考电流125。而产生振荡器充电电流1253和振荡器放电电 流〖255。 晶体管253的漏极产生振荡器充电电流1253。振荡器放电电流1255流动经过晶体管253 的漏极。开关230连接在晶体管253的漏极与电容器215之间。开关231 连接在晶体管255的漏极与电容器215之间。比较器205具有连接到电容 器215的正输入。比较器205输出脉冲信号PLS。脉冲信号PLS决定切换 频率并接通/断开开关76和开关79，如图3所示。'开关232的第一端子供 应有高阈值电压VH。开关233的第一端子供应有低阔值电压VL。开关232 的第二端子和开关233的第二端子均连接到比较器205的负输入。反相器 260的输入连接到比较器205的输出以产生反相脉冲信号/PLS。脉沖信号 PLS接通/断开该开关231和开关233。反相脉冲信号/PLS接通/断开该开关 230和开关232。反相器261、 262、 263和264串联连接。反相器261的输 入供应有脉冲信号PLS。与门270产生一清除信号CLR。与门270的第一 输入连接到反相器264的输出。与门270的第二输入连接到反相器261的输出。该清除信号CLR接通/断开晶体管84和晶体管85。电阻器210的电 阻R2,o和电容器215的电容C215决定切换频率的切换周期T，T = G215 x V0Sc VREF/R2I。R210:CV,osc215(8)其中v0SC=vH-vL。参看图5,说明根据本发明一个实施例的功率转换器的零电流检测器 100。零电流检测器100的延迟电路包含反相器150、晶体管122、恒定电 流源120、电容器121和与门155。延迟电路的输入供应有PWM控制信号 VPWM。延迟电路针对PWM控制信号VPWM的下降边缘提供一种传播延迟时 间。恒定电流源120的电流和电容器121的电容决定该传播延迟时间。反 相器151、反相器152、晶体管125、恒定电流源123、电容器124和与门 156形成单触发信号产生器，用于产生电压取样信号SMP。单触发信号产 生器的输入连接到延迟电路的输出，所述延迟电路的输出也是与门155的 输出。恒定电流源123的电流和电容器124的电容决定电压取样信号SMP 的脉冲宽度。运算放大器101操作成緩冲放大器。运算放大器101的负输入和输出 连接在一起。运算放大器101的正输入是连接到电压检测端子VDET的緩 冲放大器的输入。电压检测端子VDET经由电阻器50而连接到变压器]0 的辅助绕组N,v以检测该反射电压VAUX。开关109连接在緩冲放大器的输 出与电容器112之间。电压取样信号SMP接通/断开该开关109。因此，该反射电压VAux被取样为电压VDET。电压VoET将保持在电容器112中。比较器105用于检测该反射电压Vaux的衰咸量，其中比较器105的正输入连 接到电容器112 。一种参考阈值电压源106耦合在比较器105的负输入与緩 冲放大器的输出之间，以提供用于检测该反射电压VAUX的衰减量的阈值。 因此， 一旦反射电压的衰减量超过该参考阈值电压源106的电压，比较器 105将输出一种逻辑高信号。反相器115的输入供应有PWM控制信号 VPWM。反相器116的输入供应有电压取样信号SMP。与门119具有连接到 比较器105的输出的第一输入。SR触发器117和SR触发器118分别具有 上升边缘触发的设定输入和高电平重设输入。SR触发器118的设定输入连接到反相器116的输出。SR触发器118的重设输入供应有PWM控制信号 VPWM。 SR触发器118的输出连接到与门119的第二输入。SR触发器117 用于产生放电时间信号SDS。 SR触发器117的设定输入连接到反相器115 的输出。SR触发器117的重设输入连接到与门119的输出。放电时间信号 SDs接通/断开该开关78 ，其中放电时间信号SDS的脉冲宽度与次级侧切换电 流s 的i文电时间丁DS相关。根据本发明实施例的以上描述并参看图3 5,积分信号Vx是与次级侧 切换电流Is和功率转换器的输出电流Io相关。因此，等式(7)可重写为<formula>formula see original document page 13</formula>其中m是常数，其可通过下式来确定:<formula>formula see original document page 13</formula>图3中的电阻器90的电阻R9o与图4中的电阻器210的电阻R剖相关。 图3中的电容器95的电容(:95与图4中的电容器215的电容C^相关。因 此，积分信号Vx与功率转换器的输出电流Io成正比例。所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的范围或精神的情况 下对本发明的结构作出各种修改和变化。鉴于以上内容，倘若对本发明的 修改和变化落在所附权利要求书及其等效物的范围内，则本发明涵盖所述 修改和变化。
权利要求
1.一种用于自功率转换器的初级侧测量输出电流的设备，其包括峰值检测器，其对初级侧切换峰值电流的转换电压进行取样，其中所述初级侧切换峰值电流是初级侧切换电流的峰值，其中所述初级侧切换电流是从所述功率转换器的变压器的所述初级侧产生的；零电流检测器，其通过所述变压器的辅助绕组检测次级侧切换电流的放电时间，其中所述次级侧切换电流是从所述变压器的次级侧产生的；以及积分器，其用于通过将所述初级侧切换峰值电流的所述转换电压与所述放电时间进行积分来产生积分信号。
2. 根据权利要求1所述的设备，其进一步包括振荡器，所述振荡器用 以产生用于切换所述功率转换器的切换频率。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述积分信号与所述功 率转换器的所述输出电流成正比例。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述积分器的时间常数 与所述切换频率的切换周期相关。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述峰值检测器包括 第一比较器，其具有正输入，所述正输入耦合到电流感测端子以传送所述转换电压；第一电容器，其用于保持所述转换电压的峰值，其中所述第一比较器 的负输入耦合到所述第一电容器；第一恒定电流源，其用于对所述第一电容器进行充电；第一开关，其耦合在所述第一恒定电流源与所述第一电容器之间，其 中所述第一开关由所述第一比较器的输出来接通/断开；以及第一晶体管，其与所述第一电容器并联耦合，用于对所述第一电容器 进4亍i文电。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述电流感测端子接收 所述转换电压。
7. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述转换电压的值与所 述初级侧切:换电流的^直成正比例。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述积分器包括第二电容器；第二开关，其用于将所述第一电容器上的电压周期性地取样至所述第二电容器；第一电压至电流转换器，其响应于所述第二电容器上的电压而产生可编牙呈电流；时控电流镜，其响应于所述可编程电流而产生可编程充电电流，其中 所述时控电流镜由第 一 时控晶体管和第二时控晶体管形成；时控电容器； .第三开关，其耦合在所述第二时控晶体管的漏极与所述时控电容器之 间，其中经由所述第二时控晶体管的所述漏极而产生所述可编程充电电 流;第二晶体管，其与所述时控电容器并联耦合，用于对所述时控电容器进4亍》文电；输出电容器；以及第四开关，其用于将所述时控电容器上的电压周期性地取样至所述输 出电容器，其中在所述输出电容器上获得所述积分信号。
9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一电压至电流转 换器包括时控电阻器； 时控晶体管；以及时控运算放大器，其中所述时控运算放大器的正输入连接到所述第二 电容器，且所述时控运算放大器的负输入连接到所述时控电阻器。
10. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述振荡器包括 第二电压至电流转换器，其通过转换一参考电压来产生参考电流，其中所述第二电压至电流转换器由振荡运算放大器、振荡电阻器和振荡晶体 管形成；第一振荡电流镜，其产生振荡充电电流，其中所述第一振荡电流镜由 第 一 振荡晶体管、第二振荡晶体管和第三振荡晶体管形成；第二振荡电流镜，其产生振荡放电电流，其中所述第二振荡电流镜由 第四振荡晶体管和第五振荡晶体管形成；振荡电容器；第一振荡开关，其耦合在所述第三振荡晶体管的漏极与所述振荡电容 器之间；第二振荡开关，其耦合在所述振荡电容器与所述第五振荡晶体管的漏 极之间；振荡比较器，其产生脉冲信号，所述脉冲信号用于确定所述切换频率 并用于控制所述第二振荡开关的接通/断开状态；第三振荡开关，其具有供应有高阂值电压的第一端子和耦合到所述振荡比较器的负输入的第二端子；第四振荡开关，其具有供应有低阈值电压的第一端子和耦合到所述振荡比较器的所述负输入的第二端子，其中所述第四振荡开关由所述脉冲信号控制；振荡反相器，其具有耦合到所述振荡比较器的输出的输入，用于产生 反相脉冲信号；依次串联耦接第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器， 其中所述第一反相器的输入供应有所述脉沖信号；以及与门，其产生一清除信号，其中所述与门的第一输入耦合到所述第四 反相器的输出，所述与门的第二输入耦合到所述第一反相器的输出，且所 述清除信号控制所述第一晶体管和所述第二晶体管的接通/断开状态。
11. 根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述脉冲信号控制所 述第二振荡开关和所述第四振荡开关的接通/断开状态，且所述反相脉冲信 号控制所述第一振荡开关和所述第三振荡开关的接通/断开状态。
12. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述零电流检测器包括延迟电路，其具有第一零电流检测反相器、第一零电流检测晶体管、 第 一零电流检测恒定电流源、第 一零电流检测电容器和第 一零电流检测与 门，其中所述延迟电路的输入供应有所述PWM控制信号，其中所述PWM 控制信号用于经由所述功率转换器的初级侧中的功率晶体管来切换所述变 压器，其中所述延迟电路针对所述PWM控制信号的下降边缘提供传播延 迟，其中所述传播延迟的时间间隔由所述第 一零电流检测恒定电流源的电 流和所述第一零电流检测电容器的电容决定；单触发信号产生器，其具有第二零电流检测反相器、第三零电流检测 反相器、第二零电流检测晶体管、第二零电流检测恒定电流源、第二零电 流检测电容器和第二零电流检测与门，其中所述单触发信号产生器产生电 压取样信号，其中所述单触发信号产生器的输入耦合到所述延迟电路的输 出，其中所述电压取样信号的脉冲宽度由所述第二零电流检测恒定电流源的电流和所述第二零电流;险测电容器的电容决定；零电流检测运算放大器，其充当緩冲放大器，其中所述零电流检测运 算放大器的输入耦合到电压检测端子，其中所述电压检测端子经由零电流检测电阻器耦合到所述变压器的所述辅助绕组； 取样电容器；取样开关，其耦合在所述零电流检测运算放大器的输出与所述取样电 容器之间，其中所述电压取样信号控制所述取样开关的接通/断开状态；零电流检测比较器，其中所述零电流检测比较器的正输入耦合到所述 取样电容器；参考阈值电压源，其耦合在所述零电流检测比较器的负输入与所述零电流检测运算放大器的所述输出之间；第四零电流检测反相器，其具有供应有所述PWM控制信号的输入；第五零电流检测反相器，其具有供应有所述电压取样信号的输入；零电流检测与门，其具有耦合到所述零电流检测比较器的输出的第一输入；第一 SR触发器，其具有上升边缘触发的设定输入和高电平重设输 入，其中所述第一 SR触发器用于产生放电时间信号，其中所述第一SR触 发器的所述设定输入耦合到所述第四零电流检测反相器的输出，所述第一 SR触发器的所述重设输入耦合到所述零电流检测与门的输出，所述放电时 间信号控制所述第三开关的接通/断开状态，且所述放电时间信号的脉冲宽 度与所述次级侧切换电流的放电时间相关；以及第二 SR触发器，其具有上升边缘触发的设定输入和高电平重设输 入，其中所述第二 SR触发器的所述设定输入耦合到所述第五零电流检测 反相器的输出，所述第二 SR触发器的所述重设输入供应有所述PWM控制 信号，且所述第二 SR触发器的输出耦合到所述零电流检测与门的第二输 入。
13. 根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述时控电阻器的电 阻与所述振荡电阻器的电阻相关。
14. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述时控电容器的电 容与所述振荡电容器的电容相关。
15. —种自功率转换器的初级侧测量输出电流的方法，所述功率转换 器具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组，所述方法包括以下步骤;险测初级侧切换电流的转换电压的峰值；通过所述功率转换器的变压器的辅助绕组检测次级侧切换电流的放电 时间；将所述初级侧切换电流的所述转换电压的所述峰值与所述放电时间进 行积分以获得时间常数；
16. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包括以下步骤用振荡方法产生用于切换所述功率转换器的切换信号，其中所述振荡 方法包括对振荡装置进行操作；获得所述切换信号的切换周期。
17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述积分信号是所述 时间常数和所述切换周期的函数。
18. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述对所述初级侧切 换电流的峰值进行检测的步骤包括对峰值检测电路进行操作。
19. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述对所述放电时间 进行;f全测的步骤包括零电流;险测方法。
20. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述对所述转换电压 进行积分的步骤包括对积分装置进行操作。
全文摘要
本发明提供一种用于测量来自功率转换器的初级侧的输出电流的设备及其方法。峰值检测器经设计以对初级侧切换电流的转换电压的峰值进行取样。零电流检测器检测通过变压器的辅助绕组的次级侧切换电流的放电时间。振荡器产生用于切换该功率转换器的切换信号。积分器通过将初级侧切换峰值电流的转换电压与放电时间进行积分来产生积分信号。积分器的时间常数与切换信号的切换周期相关。因此，积分信号与功率转换器的输出电流成正比例。
文档编号H02M3/22GK101292415SQ200580051519
公开日2008年10月22日 申请日期2005年10月9日 优先权日2005年10月9日
发明者杨大勇, 林振宇, 洪国强 申请人:崇贸科技股份有限公司