具有从次级侧至初级侧的信号传输的开关变换器的制作方法

本发明涉及开关变换器领域，例如该开关变换器例如被使用在用于便携式电子设备的充电设备中。

背景技术：

许多便携式电子设备，例如移动电话、平板电脑和笔记本电脑、MP3播放器等，借助于能够再充电的电池来供给能量。许多设备使用通用串行端口(USB)，用于为电池充电的充电设备被连接到该通用串行端口上。该USB标准定义两种充电工作类型。在一种工作类型中，设备的USB端口被称为“专用充电端口(Dedicated Charging Port，DCP)”，在第二中工作类型中被称作“标准下游端口(Standard Downstream Port，SDP)”。经由DCP能够实现快速充电。为了充电设备能够被切换到快速充电工作模式，便携式设备必须通知充电设备，是否支持或期望快速充电。在一些情况下必要的是，将信息从充电设备传输至便携式设备。用于连接到充电设备的USB端口的应用在这里仅仅理解为示例性的实例。当然，任意其他的接口都是可以应用的。

包含在充电设备中的开关电源中的开关电源一般包括具有在初级侧和次级侧之间的电隔离(转换器)的开关变换器，例如逆向转换器(Flyback-Wandler)。在集成的开关回路(IC)中集成的控制单元控制开关变换器的开环性能并且生成用于包含在开关变换器中的半导体开关的必要的控制信号。这种控制单元也称作初级侧控制器。根据充电设备的功能范围，初级侧控制器需要用于控制开关操作的信息(数据)，其仅在开关变换器的次级侧上供可供使用(例如输出电压的水平，唤醒信号，过压信号，从连接的设备接收的数据等)。这些在次级侧上使用的信息能够通过电隔离的信号路径向初级侧控制器传输。这些接收的数据经由电隔离的信号路径并且在数据中包含的信 息能够用于控制开关变换器的开关操作。例如光学耦合器能够被用作电隔离的信号路径。

技术实现要素：

在复杂的开关电源中，多个信号从次级侧被传输到初级侧控制器。这引起了在电隔离方面的相应的复杂性。根据应用例如大量的光学耦合器以及在其中集成有次级侧电子电路的集成电路(IC)需要大量的用于向初级侧控制器进行数据传输输出引脚。为此，本发明的目的能够被视作，提供开关电源电路，其需要在次级侧IC方面的较少的输出引脚以及导致在电隔离方面的更少的花费。该目的能够通过权利要求1所述的电路以及权利要求7所述的方法来解决。不同的实施例和进一步的改进由从属权利要求来覆盖。

描述了一种用于开关电源的电路，根据本发明的实施例，电路包括开关变换器，具有用于开关变换器的初级侧和次级侧之间的电隔离的转换器，其中该开关变换器被构造用于，将向开关变换器输送的输入电压根据开关信号的大小转换为输出电压。在开关变换器的初级侧上布置有控制电路，其构造用于生成用于开关变换器的开关信号。电路还包括电隔离的传输线缆，通过该传输线缆，经调制的反馈信号被传输至初级侧上的控制电路。在开关变换器的次级侧上布置有集成的开关回路，其具有编码器电路和调制器电路。该编码器电路被输送有两个或多个反馈信号，并且编码器电路由该反馈信号生成经编码的信号。调制器电路对经编码的信号进行调制，以生成前述的经调制的反馈信号。

附图说明

接下来，本发明将依据在附图中示出的实例被进一步地描述。所示的附图并不一定是按比例绘制的并且本发明并不仅限于所示出的方面。相反，需要强调的是，所示的附图旨在表示本发明的基本原理。相同的附图标记表示相应的部件或信号。

图1示出了具有逆向变换器(闭塞变换器)以及初级侧控制器的电路，初级侧控制器接收来自次级侧的、对于控制逆向变换器的开关操作所需的数据。

图2更加具体地示出了来自图1的电路的次级侧电子电路。

图3示出了用于经由电隔离的传输路径进行的从次级侧到初级侧控制器的数据传输的信号编码以及调制的实例。

图4示出了用于经由电隔离的传输路径进行的从次级侧到初级侧控制器的数据传输的信号编码以及调制的另一实例。

图5示出了具有光电耦合器的，来自图1至图4中的电隔离的传输路径的示例性的实施例。

图6示出了具有在逆向变换器的次级线圈处的，来自图1至图4中的电隔离的传输路径的另一示例性的实施例。

图7为用于示出图1的电路的控制方法的实例的流程图。

具体实施方式

在实施例的描述中，作为用于开关电源的示例性的应用，描述一种用于便携式设备(例如移动电话、笔记本电脑或平板电脑)的充电设备。然而本发明并不局限于充电设备并这里描述的开关电源也能够使用在其他应用上。在这里描述的实施例中，逆向变换器(闭塞变换器)被使用作为开关变换器。然而本发明并不局限于应用逆向变换器并且相反的，同样可以使用任意其他的具有在初级侧和次级侧之间的电隔离的开关变换器-拓扑结构。

在图1中示出的开关电源电路包括作为开关变换器的逆向变换器1。逆向变换器1具有用于开关变换器的初级侧和次级侧之间的电隔离的转换器。在这一实例中，转换器1具有初级线圈L_p(具有N_p个绕组)以及次级线圈L_s(具有N_s个绕组)。可选地可以设置辅助线圈L_AUX(具有N_AUX个绕组)，在该处能够获得辅助电压V_AUX。辅助线圈L_AUX和辅助电压V_AUX的目的将在下文中进一步阐述。半导体开关T₁(例如MOS晶体管)与初级线圈L_p串联。半导体开关T₁能够 因此依照开关信号接通或切断流经初级线圈L_p的初级电流。在接通半导体开关T₁的情况下，向开关变换器输送的输入电压V_IN基本上被施加在初级线圈L_p上。在(接通的)半导体开关T₁以及在电流检测电阻器R_CS(如存在)上下降的输入电压的部分可以忽略不计，电流检测电阻器能够于初级线圈串联连接。

前述电流检测电阻器R_CS仅仅为用于测量通过初级线圈L_p的初级电流i_p的电流测量电路的一个实例。在这种情况下，电流检测电阻器R_CS可以获得电流测量信号V_CS，其表示初级电流i_p。然而同样可以使用其他用于电流测量的部件。例如具有集成的电流测量功能(具有集成的感测FET的MOSFET)的半导体开关。在本实例中，向逆向变换器1输送的输入电压V_IN由整流器2提供，其由交流电压V_AC(例如从电流电网)生成输入电压V_IN。为了使输入电压V_IN变得平滑，电容器C_IN能够连接整流器2的输出端(并且因此与逆向变换器1的输入端连接)。

一般来说，开关变换器被构造用于将向开关变换器输送的输入电压根据开关信号的大小转换为输出电压。在本实例中，逆向变换器1的输入电压V_IN通过由初级线圈L_p、半导体开关T₁以及在电流检测电阻器R_CS组成的串联电路下降。在MOSFET的情况下，开关信号要么向MOSFET输送栅极电压V_G，要么输送栅极电流。在接通半导体开关T₁时，初级电流i_p斜坡状地上升并且在初级线圈L_p中存储的能量E上升。在初级线圈L_p充电的这一阶段，通过次级线圈L_S的次级电流I_s为零，因为与次级线圈L_S串联连接的二极管D_s处于反向偏置。在切断初级电流i_p时，与次级线圈L_S串联连接的二极管D_s处于正向偏置并且次级电流陡升至峰值并且以斜坡状下降，这时次级电流(经由二极管D_s)为输出电容器C_OUT充电。输出电容器使得到的输出电压V_OUT变得平滑并且与由次级线圈L_p和二极管D_s组成的串联电路并联连接。输出电压V_OUT被输送至负载5。负载5例如可以是包含待充电的电池的便携式电设备或电子设备。在次级侧的接地节点被标记为GND2。与该接地节点GND2电隔离的在初级侧上的接地节点被被标 记为GND1。

已知不同的方法用于确定半导体开关的接通时间点和切断时间点。一般来说接通时间点取决于开关变换器的工作模式和用于调节输出电压(或输出电流)所应用的策略。已知的工作模式有电流连续模式(CCM)、电流断续模式(DCM)以及(作为DCM的特殊情况的)近似共振模式(QRM)并且在此不再赘述。在被称作电流连续模式的调节策略的情况下，半导体开关在初级电流达到能预设的初级电流峰值i_PP的时刻被切断。输出电压V_OUT的设定借助于初级电流峰值i_PP的变化来进行。另一已知的调节策略是电压模式控制。

用于确定半导体开关的正确的切换时间点的功能性被实施在控制电路10中(在图1中被称作初级侧控制器)。控制电路10被布置在开关变换器的初级侧上并且控制电路10的目的在于生成用于半导体开关的切换信号(例如栅极电压V_G)。在这一情境下“被布置在开关变换器的初级侧上”意味着所涉及的电路与初级侧电耦合，然而与开关变换器的次级侧电隔离。取决于工作模式(例如CCM、DCM、QRM)以及所应用的调节策略(例如以电流模式控制调节输出电压)，根据不同的控制参数和/或反馈信号进行开关信号V_G的生成。反馈信号理解为包含信息的每个信号(与它们的来源无关)，其被控制电路10用作对逆向变化其1的开关特性的控制。

为了调节输出电压V_OUT，控制电路10使用表示输出电压的测量信号，以及输出电压的额定值。控制电路10被构造用于，为逆向变换器1生成开关信号，使得该输出电压V_OUT近似于额定值。在输出电压和额定值之间留下的差值被称作错误信号。表示输出电压的测量信号能在次级侧被容易地获得，因为输出电压能直接在开关变换器的输出端处获得。在图1示出的实例中，所述开关变换器的输出端是二极管D_s和电容器C_OUT的共同的电路节点。然而表示输出电压的测量信号也提供在开关变换器的初级侧上。例如表示输出电压V_OUT的测量值是由在辅助线圈L_AUX中感应的辅助电压V_AUX推导出来的。这种电压测量能够由通常集成在控制电路10中的电压测量电路11得到。 然而在图1中为了更直观的目的电压测量电路11与控制单元10分开地示出。由辅助电压V_AUX能够测定表示输出电压的测量值是已知的并不再进一步地详细描述。例如在DCM中，辅助电压V_AUX在每个次级电流为零的时刻，与输出电压成比例(V_AUX＝V_OUT·N_AUX/N_s)，并且一开关周期一次地作为用于输出电压V_OUT的测量值来使用。

与控制电路10不同，在开关变换器的初级侧上使用的反馈信号仅仅在次级侧上可用。在图2中示出了不同的实例，其作为图1中的开关变换器的次级侧的部分详细地示出，例如在次级侧上布置过压检测器电路(参加图2中的过压检测器电路23)，其构造用于，检测在逆向变换器1处的过压(用于过压的检测的临界值：V_OUT>V_TH，其中V_TH为可预定的阈值)并且发送检测的结果的信号，也就是生成作为反馈信号的(二进制的)过压信号OV。作为仅在次级侧上可用另一反馈信号，唤醒信号WU能够由唤醒电路(参见图2，唤醒检测器24)生成，其发送开关变换器要由睡眠模式转换为正常操作的信号，因为所连接的负载这时需要其额定功率。例如在输出电压超出定义的阈值时生成唤醒信号WU。唤醒事件的快速检测也可以是通过次级电流is的电流梯度di_s/dt的估计。为此电压能通过与二极管D_s串联连接(例如参见图6)的线圈L_F来估计。在线圈上的电压U_F与前面提到的电流梯度成比例。一旦电流梯度上述超出定义的阈值，就向其显示唤醒信号。代替线圈，线路的电感也能适用于获得表示电流梯度的电压信号。可选的，也可以使用电阻。在电阻上的电压降在这里与电流成比例(而不与电流梯度di_s/dt)，然而梯度也能够通过合适的电子电路形成。超温信号OT也可以作为反馈信号被提供在次级侧上(参见图2，超温检测器25)。超温检测器25例如包括温度传感器，其生产表示温度的测量信号，该信号与温度阈值进行比较。一旦该阈值被超出，超温信号OT指示超温。最后，模式选择信号MS能够在逆向转换器1的次级侧上作为反馈信号被提供。模式选择信号MS例如能够从模式选择电路28生成，其构造用于借助通信接口27经由总线(例如通用串行总线，USB)或点对点连接从负载5(或其他外部单元)接收 指令。取决于在接收到的指令中包含的信息生成反馈信号。在本实例中负载5同样具有通信接口51，其经由一个或多个总线线路26(例如经由USB线路)与通信接口27连接。包含在由负载5发出的并且经由通信接口27接收的指令中的信息例如可以是输出电压VOUT的水平。例如负载5能够截止开关电源的总线连接来要求确定的输出电压。当开关电源例如在充电设备中使用时，负载5(例如具有待充电的电池的设备)能够要求快速充电。模式选择电路28之后接收在总线线路(多个)26上的相应的需求指令并且生成相应的模式选择信号MS。一旦例如负载要求快速充电，模式选择信号MS能够发出快速充电模式的信号，其中由逆向转换器1生成更高的输出电压V_OUT(例如以12V或9V取代5V)。

反馈在次级侧生成的反馈信号OT，OV，WU，MS需要向控制电路10(初级侧控制器)输送，为了实现这一动作在控制逆向转换器1的开关操作时考虑反馈信号。从次级侧到初级侧的反馈信号的传输需要经由电隔离实现，也就是说，经由电隔离的传输路径30(其例如包括光电耦合器)。过压检测器23，唤醒检测器24，超温检测器25以及模式选择电路28以及其他布置在逆向变换器的次级侧上的电子组件可以包含在集成的开关回路(IC)中(也就是在半导体芯片或在芯片壳体中，在图1中称作次级侧电子电路)。一般IC在次级侧上具有用于待传输的反馈信号的每一个的单独的引脚，并且每个反馈信号将经由单独的电隔离的信号路径被传输至初级侧控制器。对于大量的反馈信号的情况，其需要相应的数量的光电耦合器以及相应较大的芯片壳体(由于引脚的数量)。为了减少由次级侧IC所需的引脚数量以及为了降低电隔离的复杂性，在布置在次级侧的IC 20中能设置有编码器电路和调制器电路(参见图1和图2，编码器21，调制器22)。

向编码器21输送反馈信号中的两个或多个(例如信号OT，OV，WU，ME等)，并且编码器21由反馈信号生产经编码的信号S1，其输送至调制器22。调制器22构造用于，将经编码的信号根据预定的调制方案(例如频移键控(FSK)，脉宽调制(PWM)等)进行调制， 由此生成经调制的反馈信号S2。经调制的反馈信号S2经由电隔离的信号路径30传输至控制单元。通过所描述的将多个反馈信号编码成经编码(例如数字的)信号以及通过接下来的调制，在次级侧上布置的IC 20以及电隔离的复杂性被降低。仅需要将一个(唯一)的经调制的反馈信号S2通过电隔离传输至控制单元10。次级侧IC 20仅需要一个引脚31，以向外部提供经调制的反馈信号。因此电隔离被相当容易地构造并且例如仅需要唯一的光电耦合器。通过编码，在反馈信号OT，OV，WU，MS中包含的信息也可以包含在经编码的信号S1中以及如有需要也可以包含在经调制的反馈信号S2中。这些信息能在控制单元10中通过合适的解调以及解码来重新构建以及再处理。

在图3和图4中示出了解调器的不同的实施例。在图3中示出的实例中，经编码的信号S1借助频移键控(FSK)来调制。调制器21为此包括振荡器220以及分频器221，其输出具有不同频率f1,f2,f3等的一系列载体信号，其被输送到乘法器222(也就是其信号输出端)。哪个载体信号被连接到乘法器222的输出端，取决于经编码的信号S1，其被输送到乘法器222的控制输入端。在乘法器222的输出端处的信号作为经调制的反馈信号S2来输出。通过该经调制的反馈信号S2传送的信息插入信号S2的频率。因此，例如频率f1能够表示过压，频率f2能够表示充电模式，等。在根据图3的实例中，编码器21能够非常容易的构建。在这种情况下，编码器21生成多位数字信号，其表示连同待编码的反馈信息一起包含的信息的数字值。多位数字信号按照数字字的顺序分别具有两个或多个位。经编码的信号S1例如能够使2位数字信号，其值表示为(00,01,10或11)，这些值使二进制反馈信号(OT，OV，WU，MS等)具有高电平。早在这种情况下，例如由OT＝1，经编码的信号S1＝00，由OV＝1，经编码的信号S1＝01，由WU＝1，经编码的信号S1＝10，由MS＝1，经编码的信号S1＝11。一旦多个反馈信号具有高电平，它们可以接连被编码(即：在时间复用方法中，也就是对于OT＝1以及MS＝1，结果为00,11)。编码的其他可能性当然也是可以的。在最简单的情况下，编 码器21的四个反馈信息的(二进制)状态可以被简单地作为四位数字信号输出，在这种情况下例如4位字符0101表示反馈信号，OT＝0，OV＝1，WU＝0，MS＝1。

在图4中，经编码的信号S1受到脉冲宽度调制，以获得经调制的反馈信号S2。在这种情况下，编码器21例如具有数字-模拟-转换器，其输出作为经编码的信号S1的模拟信号的电平表示反馈信号OT，OV，WU，MS等的状态。经编码的信号S1在这种情况下表示由调制器22执行的脉冲宽度调制的占空比并且包含连同待编码的反馈信号在内的信息。调制器22在之后生成具有由经编码的信号S1预定的占空比的经脉冲宽度调制的信号。调制器22为此具有斜坡生成器225其周期性地输出斜坡状的脉冲(方齿信号)。斜坡生成器225的输出信号和模拟的经编码的信号S1被输送到包含在调制器22中的比较器。一旦方齿信号的电平(斜坡生成器225的输出信号)低于信号S1的电平，该比较器226比较斜坡生成器225的输出信号与信号S1并且在输出端处提供例如具有低电平的经调制的信号。比较器226的输出信号为经脉冲宽度调制的信号，其作为经调制的反馈信号被提供在调制器的输出端处(例如经由引脚31)。斜坡生成器225例如可以生成线性的从0到5V增长的斜坡，其中经编码的信号S1也可以采用在0V和5V之间的值。在这个实例中，在之后4V的信号S1引起80％的占空比。就这方面而言，通过经编码的信号S1设定脉冲宽度调制的占空比。也就是说，经编码的信号表示脉冲宽度调制的占空比。如已经在图1和2中描述过的那样，经调制的反馈信号S2经由电隔离的信号路径30传输至控制单元10，控制单元能够重建包含在经调制的反馈信号中的信息(通过解调和解码)。

图5示出了如在图1和2中所示的电隔离的信号路径30的实施方式的实例。根据本实施例，电隔离的信号路径30具有本质上的光电耦合器。经调制的信号S2(调制器22的输出信号，参见图2)被输送至该光电耦合器，并且取决于所使用的调制方法，光电耦合器30能够被非常简单的构造(例如借助发光二极管和光电晶体管 (Fototransitor)，其中仅传输状态“接通”或“切断”)。在图5中也示出了控制单元10，与在图1中的不同的是，电压测量单元11集成在控制单元10中并且辅助电压V_AUX直接输送给控制单元10。

图6示出了电隔离的信号路径30的可选方案。根据图6逆向变换器1的转换器被用作电隔离。在这种情况下，调制器22在其输出端处提供经调制的电流信号，其经由电容器C_X被存储在逆向变换器1的转换器的次级线圈L_s中。这意味着调制器22的(电流)输出端经由电容器C_X与次级线圈L_s的第一接口耦合，而次级线圈L_s的第二接口与接地GND2连接。经调制的反馈信号S2在这种情况下是电流i_X，其经由电容器C_X存储在次级线圈中并且在此覆盖次级电流。这样通过电流i_X引起的次级电流的变化造成初级电流i_P的变化，其能够通过控制单元10直接测量(电流测量信号V_CS)。为了实现具有尽可能小的干扰的传输，当开关变换器运行在断续电流模式(DCM)时，这样调制经编码的信号使得包含在经调制的反馈信号中的信息在(感应的)电流通过转换器的次级线圈下降到0之后才被传输。同样的，在点放模式(burst mode)中次级电流下降到0并且在一定时间内保持为0。半导体开关T1的开关操作被中断并且半导体开关T1在点放之间空缺。同样的，在这种情况下，反馈信号的传输在点放之间的时间间隔中进行。DCM和点放模式在开关变换器领域是已知的并且在此不再进一步描述。在图6的实例中，与次级线圈L_S和二极管D_S还串联有(可选的)电感L_F。其另外的用作过滤高频干扰。如还在上文提到的借助该线圈L_F下降的电压U_F(与次级电流的梯度di_s/dt成比例的)检测唤醒事件。当电压U_F和电流梯度超出预定义的阈值时，才进行例如对唤醒事件的检测。

图7为用于示出例如在图1至图6中阐释的开关变换器的控制的实例的流程图。根据示出的方法，借助控制电路10(例如在图1中的初级侧控制10)在开关变换器的初级侧生成开关信号V_G(图7，步骤71)。根据开关信号V_G，流经初级线圈L_p的初级电流i_p被接通和切断，通过这种开关操作，输入电压V_IN被转换成输出电压V_OUT(图 7，步骤72)。该方法包括对在开关变换器的次级侧上的两个或多个反馈信号编码来生成经编码的信号(参见图3和4，信号S1)(图7，步骤73)。通过对在开关变换器的次级侧上的经编码的信号S1进行调制生成唯一的经调制的反馈信号(参见图3和4，信号S2)(图7，步骤74)。经调制的反馈信号S2经由电隔离的传输线缆30向初级侧上的控制电路10传输(图7，步骤75)。

在上文的说明书中根据不同的实施例描述了本发明。结合示出的实例阐述的结构上的特征满足特定的功能同样被描述，只要其对于本领域的技术人员来说是未知的。应理解的是，只要其他的特征能够满足功能，结构上的特征能够通过其他的特征来代替。描述的实施例同样包括这种改型。例如已知的电路组件能够实施在数字技术中也能够实施在模拟技术中。物理上的和逻辑上的信号电平能够彼此区分。一般来说，除非另作说明，在不同的实施例中描述的特征也能够被其他的实施例所使用。