专利名称：开关电路的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及开关电路领域和操作开关电路的方法，并且具体地，虽然非排他性地，涉及具有控制器的开关电路，该控制器被配置为确定开关电路的平均输出电流。
背景技术：
在已知的具有位于初级侧的干线隔离和控制的开关模式电源(SMPS)中，可能需要检测将被调整的输出变量，例如，输出电压或输出电流。检测到的输出变量随后可以用来调整SMPS使得输出处于目的水平。已知的是，检测输出变量，将输出变量与次级侧处的参考值进行比较，并将表示所述比较的误差信号发送至初级侧，用于调整。EP 1405397 (Koninklijke Philips Electronics N. V)公开了电流受控式开关模 式电源，其中线电压和初级电流由初级侧的辅助绕组仿真。流入电阻器(Rl)中的电流由第一和第二电流镜缓冲，以在脉宽调制器的输入端处提供随着时间变化的电压。该电压用来提供开关模式电源的电流模式受控操作。说明书中的现有公开文献或任何背景技术的列出或讨论不应当被当作是对所述文献或背景技术是现有技术状态的一部分或是公知常识的认同。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种开关电路，包括包括至少一个绕组的电感元件；开关，该开关被配置为根据开关控制信号将功率从电压源输送至电感元件；和控制器，该控制器被配置为对电感元件上的电压进行积分以产生表示电感元件中的磁通量的信号；以及采用表示电感元件中的磁通量的信号估计峰值磁化电流以控制开关。电感元件中的磁通量也可以被称为“磁化电流”，并且因此可以为绕组中按匝比进行调整的所有电流的总和。对电感元件上的电压进行积分以产生表示电感元件中的磁通量的信号可以被称为提供仿真信号。采用该仿真信号使得能够为峰值磁化电流确定更精确的值，并且因此可以提供更精确的开关电路。由于可以获得表示该电路的输出的更精确的反馈，因此该开关电路可以是更精确的，并且可以提供该电路的更精确的控制。在一些示例中，控制器可以被配置为控制开关以提供恒定的平均输出电流。与现有技术相反，可以减少在从反激变换器(例如)的初级侧的信号确定峰值磁化电流时可能引入的至少一些误差。在一些实施例中，开关可耦接在电压源和电感元件之间。控制器可以被配置为采用表示电感元件中的磁通量的信号补偿由开关电路中的传播延迟和/或谐振引起的误差。在一些实施例中，谐振也可以称为漏极上升时间，并且可以指1A X 2 X71 X的最大上升时间。在一些或大多数示例中，上升时间由在关断时通过开关的漏极的电流、漏极节点上的总电容和输入电压确定。这种误差可能在从反激变换器(例如)的初级侧的信号确定峰值磁化电流时由现有技术引入。开关可以为FET或任何其他晶体管。在其中开关为FET的示例中，它在FET的源极处具有电压(Vsource),并且在FET的源极处具有电压的期望值(Vsource, setpoint),FET的源极处的电压(Vsource)可以通过包括在FET的源极处的检测电阻器而被测量。控制器进一步被配置为当FET关断时(SI)将表示电感元件中的磁通量的信号的值记录为第一值(A),在次级行程(secondary stroke)开始时(S2)在磁通量的峰值处将表示电感元件中的磁通量的信号的值记录为第二值(B)。该控制器进一步被配置为采用第一值(A)和第二值(B)确定表示电感元件中的磁通量的信号在SI和S2处的值之间的比，以及采用确定的比调整Vsource或Vsource, setpoint,以在控制FET时估计峰值磁化电流。以这种方式，磁化电流在FET闭合之后继续增加(S卩，FET的栅极的信号变低)的程度可以被确定，并被记录为“确定的比”。所述确定的比可以用来偏调Vsource和Vsource, setpoint之间的比较,使得可以更精确地控制平均输出电流。在一些示例中，检测FET或电流镜可以用于检测通过开关的电流。
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控制器可以被配置为将Vsource, setpoint的值乘以第一值/第二值(A/B),以提供修正的Vsource, setpoint信号，并且将修正的Vsource, setpoint信号与Vsource进行比较，以确定开关将操作的时间。根据该示例，可以从开关电路的之前的操作循环记录第一和/或第二值，使得可以在不必为将被记录的第二值等待当前循环的情况下操作开关电路。控制器可以被配置为将Vsource在SI时的值乘以第二值/第一值(B/A),以确定峰值磁化电流。控制器还可以被配置为将表示电感元件中的磁通量的信号乘以缩放因子⑶，以提供表示峰值磁化电流的修改信号；以及调整缩放因子(D)，使得表示电感元件中的磁通量的修改信号的值在初级行程期间趋向于通过开关的电流的值；以及通过在开关电路的次级行程开始时测量表示电感元件中的磁通量的修改信号确定峰值磁化电流。开关电路的初级行程可以被认为是开关闭合瞬时和电感器的最大磁化电流的瞬时之间的时间段。次级行程可以被认为是磁能流向输出端直到电感元件中的电流越过零的时间段。在替代实施例中，初级行程可以被认为是开关闭合的瞬时和开关关断的瞬时之间的时间段。控制器可以包括积分器，该积分器被配置为处理表示电感元件中的磁通量的修改信号和表示通过开关的电流的信号，以调整缩放因子(D)。这可以在模拟或数字域中进行。控制器可以包括一个或多个开关，所述一个或多个开关被配置为将表示电感元件中的磁通量的修改信号和/或表示通过开关的电流的信号从积分器上断开，使得不根据不是在初级行程期间获得的信号更新缩放因子(D)。控制器可以包括比较器，该比较器被配置为将表示电感元件中的磁通量的信号与在初级行程期间通过开关的电流进行比较。控制器可以包括增/减计数器，该增/减计数器被配置为根据比较器的输出增加或减小缩放因子⑶。增/减计数器可以被配置为，在比较器的输出被认为代表表示电感元件中的磁通量的修改信号和表示通过开关的电流的信号之间可接受的比较时不调整缩放因子(D)。比较器输出可以在与系统的逻辑状态相关联的特定时刻被处理。在其他示例中，控制器可以包括窗口比较器，其被配置在缩放因子⑶位于窗口之外时增加或减小缩放因子(D)。本领域技术人员将认识到，其他实施方案是可行的。例如，数字实施方案可以用来与实际电流的测量值和仿真信号相关地调整缩放因子(D)。 控制器还可以被配置为采用峰值磁化电流确定平均输出电流。平均输出电流可以用于控制开关电路的开关。该电路可以包括连接至电感元件的辅助绕组。辅助绕组被配置为向控制器提供表 示电感元件上的电压的信号。电感元件可以为变压器，并且控制器被配置为对变压器的磁化电感上的电压进行积分以产生表示变压器中的电流的信号。可以提供一种开关电路，包括包括至少一个绕组的电感元件；开关，该开关被配置为根据开关控制信号将功率从电压源输送至电感元件；和控制器，该控制器被配置为对电感元件上的电压进行积分以产生表示电感元件中的磁化电流的信号；当开关关断时(SI)将表示电感元件中的磁化的信号的值记录为第一值(A);在次级行程开始时(S2)将表示电感元件中的磁化电流的信号的值记录为第二值(B)；米用第一值(A)和第二值(B)确定表不电感兀件中的磁化电流的信号在SI和S2处的值之间的比；以及采用确定的比调整Vsource或Vsource, setpoint,以在控制FET时估计峰值磁化电流。可以提供一种开关电路，包括包括至少一个绕组的电感元件；开关，该开关被配置为根据开关控制信号将功率从电压源输送至电感元件；和控制器，该控制器被配置为对电感元件上的电压进行积分以产生表示电感元件中的磁化电流的信号；将表示电感元件中的磁化电流的信号乘以缩放因子⑶，以提供表示电感元件中的磁化电流的修改信号；以及调整缩放因子(D)，使得表示电感元件中的磁化电流的修改信号的值在初级行程期间趋向于通过开关的电流的值；以及通过在开关电路的次级行程开始时测量表示电感元件中的磁化电流的修改信号确定峰值磁化电流。电感元件可以为变压器，并且在这种示例中，控制器可以被配置为对变压器的任何绕组上的电压进行积分以产生表示变压器中的磁化电流的信号。采用变压器作为电感元件的开关电路包括反激变换器，并且本发明的实施例对于以下情形是有用的在不必如本领域已知的那样采用光耦合器的情况下，在维持变压器的初级侧和次级侧之间的干线隔离的同时提供反馈。开关电路可以被配置为根据峰值磁化电流直接地或间接地调整其输出。这可以根据由控制器提供的反馈而提供性能改善的开关电路，这对于输出电流而言可以表示比现有技术可实现的更精确的值。该电路可以包括连接至电感元件的辅助绕组，其中辅助绕组可以被配置为提供能够由控制器使用的信号，以产生表示电感元件中的电流的信号。控制器可以包括被配置为产生表示电感元件中的磁化电流的信号的积分器，其中积分器包括复位管脚，其被配置为接收表示电感元件中的磁化电流为零的复位信号，并且其 中积分器被配置根据复位信号而被复位；和/或放大器，包括偏移消除电路。表示电感元件中的电流为零的复位信号可以代表次级行程结束、辅助绕组处的电压值的转折点(其可以被称为“谷值”或“最高值”)、或自由谐振期间漏极电压的转折点的指示。自由谐振被定义下述间隔期间的谐振，即变压器中的电流和变压器绕组节点处的寄生电容都进行振铃振荡，在输出端中的任何二极管或辅助电源中没有正向电流流动。开关电路可以为反激变换器、升压变压器、降压变压器或任何其他类型的开关模式电源(SMPS)，其中能量被临时存储在电感元件和随后释放至输出端(反激变换)，或被存储和输送(降压转换)，或释放和输送(升压转换)。可以提供计算机程序，当在计算上运行时，该计算机程序使得计算机配置任何设备，包括在此公开的开关电路、控制器或装置，或者进行在此公开的任何方法。作为非限制性示例，计算机程序可以是软件方案，计算机可以被认为是任何合适的硬件，包括数字信号处理器、微控制器、以及只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中的任何实施方案。所述软件可以为汇编程序。计算机程序可以设置在计算机可读介质上，如磁盘或存储装置，或者可以被实现为瞬态信号。这种瞬态信号可以被网络下载，包括互联网下载。
现在将参照附图，以举例的方式给出描述，在附图中图I说明经由光耦合器进行误差反馈的现有反激变换器；图2图示反激变换器的操作；图3图示磁化电流和通过反激变换器中的MOSFET的电流之间的关系；图4说明根据本发明的实施例的开关电路；图5说明根据本发明的另一种实施例的开关电路；图6说明根据本发明的实施例的控制器；图7图示图5的电路中的节点处的电流和电压值；图8示意性地说明用于减小设定值的本发明的实施例，期望将电路调整至该设定值；图9示意性地说明用于增加FET的源极处的记录电压的本发明的实施例；
图10示意性地说明用于调整仿真电压信号的幅值的本发明的实施例；图11说明一种实施例，其中增/减计数器用来递增地调整缩放因子D ；图12说明包括降压变压器的本发明的实施例；图13说明图12的降压变压器电路中的示例性信号；图14和15说明根据本发明的实施例的用于将信号提供至控制器的其他示例；以及图16说明根据本发明的实施例的积分器，其被配置为在电压域中操作。
具体实施方式
在此描述的一个或多个实施例涉及开关电路，如反激变换器，其具有包括至少一个绕组的电感元件和耦接在电压源和电感元件之间的开关。通过根据开关控制信号操作开关，可以将功率从电压源输送至电感元件。开关电路还可以包括控制器，该控制器被配置为采用表示电感元件中的磁通量(其也可以称为磁化电流)的仿真信号以在控制开关时精确地考虑峰值磁化电流。以这种方式，由于可以更精确地控制开关电路的输出，因此可以提供更精确的平均输出电流。图I说明现有的反激变换器，其检测输出变量，产生误差信号120，并且可以经由光耦合器122将误差信号120发送至反激变换器的初级侧。图I的电路接收干线功率信号102，干线功率信号102经由干线滤波器108提供至桥式整流器110。桥式整流器110的正输出提供至变压器的初级侧106的第一接线端。变压器的初级侧106的第二接线端耦接至场效应晶体管(FET) 104的漏极，FET 104的源极连接至桥式整流器110的负输出。FET 104配置为作为与电压源102和变压器的初级侧106串联连接的开关操作，使得当开关闭合时可以将功率从电压源102输送至变压器的初级侧106。FET 104根据在其栅极从反激控制器130接收的开关控制信号操作。反激控制器130被配置为使得FET 104的在源极和漏极之间的传导沟道周期地导通(从而闭合开关)，使得在电路的输出端处提供期望的输出电流112。变压器的次级侧107串联连接至二极管114和电容器116，如本领域已知的那样。二极管114和电容器116之间的接合点处的信号当作输出电压112，并且在该示例中还提供至次级控制元件118。次级控制元件118将输出电压(或任何其他输出变量,如电流或功率)与参考值进行比较，以产生表示两个信号之间的差异的误差信号120。误差信号120提供至光耦合器122的发光二极管124，使得误差信号120可以从电路/变压器的次级侧输送至与电路/变压器的初级侧相关联的光耦合器122的光电探测器126。应当理解，光耦合器122的使用维持电路的初级侧和次级侧之间的隔离，这是反激变换器的已知特征。在光电探测器126处接收到的信号随后提供至反激控制器130作为调整输入128，使得反激控制器130可以调整FET/开关104的操作，以考虑已经接收到的误差信号将输出调整到目的水平。在一些示例中，光耦合器122和次级控制元件118会被认为太昂贵，并且在低功率适配器市场和LED驱动器市场中可能特别会是如此。因此，可能希望提供不包括光耦合器的开关电路。
在许多应用中，必须将电流限制和控制到某个值，例如 在用于电池充电的低功率适配器中，必须限制电流并且添加电流调整器。 为了驱动发光二极管(LED)，需要电流源，其通常要求比适配器应用中更高的精度。可以以不同的方式、不采用光耦合器进行输出电流的控制I.在第一种方式中，采用下述等式确定每个循环的输入能量并将其除以测量的Vtjut (必须在初级侧测量该Vtjut)
权利要求
1.一种开关电路(400),包括 电感元件(406),该电感元件包括至少一个绕组； 开关(404)，该开关被配置为根据开关控制信号(412)将功率从电压源(402)输送至电感元件(406);和 控制器(408)，该控制器被配置为 对电感元件(406)上的电压进行积分以产生表示电感元件中的磁通量的信号；以及 采用表示电感元件中的磁通量的信号估计峰值磁化电流以控制开关(404)。
2.根据权利要求I所述的开关电路(400)，其中控制器(408)被配置为采用表示电感元件中的磁通量的信号补偿由开关电路中的传播延迟和/或谐振引起的误差。
3.根据权利要求I或2所述的开关电路，其中该开关为FET(504)，该FET在FET的源极处具有电压Vsource,并且在FET的源极处具有电压的期望值Vsource, setpoint,并且 其中控制器(508)进一步被配置为 在FET(504)关断时(SI)将表示电感元件中的磁通量的信号的值记录为第一值(A)；在次级行程开始时(S2)将表示电感元件中的磁通量的信号的值记录为第二值(B)；采用第一值(A)和第二值(B)以确定表示电感元件中的磁通量的信号在FET (504)关断时(SI)和在次级行程开始时(S2)的值之间的比；以及 采用确定的比调整Vsource或Vsource, setpoint,以在控制FET (504)时估计峰值磁化电流。
4.根据权利要求3所述的开关电路，其中控制器被配置为将Vsource，setpoint的值乘以(812)第一值/第二值(A/B),以提供修正的Vsource, setpoint信号(804),并且将修正的Vsource, setpoint信号与Vsource进行比较，以确定开关将操作的时间。
5.根据权利要求3所述的开关电路，其中控制器被配置为将Vsource在SI时的值乘以(910)第二值/第一值(B/A)，以确定峰值磁化电流。
6.根据权利要求I或2所述的开关电路，其中控制器进一步被配置为 将表示电感元件中的磁通量的信号乘以(1008 ；1108)缩放因子(D1006，1106)，以提供表示电感元件中的磁通量的修改信号(1004);以及 调整缩放因子(D 1006，1106)，使得表示电感元件中的磁通量的修改信号(1004)的值在初级行程期间趋向于通过开关的电流的值(1012);以及 通过在开关电路的次级行程开始时测量表示电感元件中的磁通量的修改信号(1004)确定峰值磁化电流。
7.根据权利要求6所述的开关电路，其中控制器包括积分器(1010，1030)，该积分器被配置为处理表示电感元件中的磁通量的修改信号(1004)和表示通过开关的电流的信号(1012)，以调整缩放因子(D 1006,1106)。
8.根据权利要求7所述的开关电路，其中控制器包括一个或多个开关(1014,1016，10181022),所述一个或多个开关被配置为将表不电感兀件中的磁通量的修改信号(1004)和/或表示通过开关的电流的信号从积分器上断开，使得根据在初级行程期间获得的信号仅更新缩放因子(D)。
9.根据权利要求6所述的开关电路，其中控制器包括 比较器，该比较器被配置为将表示电感元件中的磁通量的信号与在初级行程期间通过开关的电流进行比较；和 增/减计数器(1120)，该增/减计数器被配置为根据比较器的输出增加或减小缩放因子(D 1106)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的开关电路，其中控制器进一步被配置为采用峰值磁化电流确定平均输出电流。
11.根据前述权利要求中任一项所述的开关电路，其中该电路包括连接至电感元件的辅助绕组(510)，并且辅助绕组(510)被配置为向控制器提供表示电感元件上的电压的信号。
12.根据前述权利要求中任一项所述的开关电路，其中电感元件为变压器，并且控制器被配置为对变压器的任何绕组上的电压进行积分以产生表示变压器中的电流的信号。
13.根据前述权利要求中任一项所述的开关电路，其中控制器被配置为控制开关以提供恒定的平均输出电流。
14.根据前述权利要求中任一项所述的开关电路，其中开关电路为反激变换器。
15.根据前述权利要求中任一项所述的开关电路，其中电感元件(406)进一步包括辅助电感绕组，该辅助电感绕组被配置产生表示电感元件中的磁通量的信号。
全文摘要
本申请公开了一种开关电路(400)，包括包含至少一个绕组的电感元件(406)和开关(404)，该开关被配置为根据开关控制信号(412)将功率从电压源(402)输送至电感元件(406)。该开关电路(400)还包括控制器(408)，该控制器被配置为对电感元件(406)上的电压进行积分以产生表示电感元件中的磁通量的信号，以及采用表示电感元件中的磁通量的信号估计峰值磁化电流以控制开关(404)。
文档编号H02M3/335GK102751877SQ20121011327
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月17日 优先权日2011年4月20日
发明者威莱姆斯·朗格斯拉格, 汉斯·哈尔贝施塔特, 祖恩·克莱恩彭宁 申请人:Nxp股份有限公司