电源转换系统及其控制方法与流程

本发明涉及电路领域，尤其涉及一种电源转换系统及其控制方法。

背景技术：

随着type-c、pd协议和多种快充协议的提出，通过一个电源转换系统实现对几十种不同设备进行充电成为可能。不同设备要求的充电电压之间可能存在高达十几伏的压差，并且不同设备要求的充电功率之间可能存在高达几十瓦的功率差。传统的反激式电源转换系统是固定增益的系统，这使得其对一些设备的充电效率很高，而对其他设备的充电效率很低，因此导致系统能耗很高，无法实现效率最优化，从而无法满足当前市场上的新能源的标准。

技术实现要素：

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种新颖的电源转换系统及其控制方法。

根据本发明实施例的电源转换系统，包括变压器、开关管、以及控制器，该控制器被配置为：基于变压器的副边侧的输出电压的互感电压调节第一电阻的阻值；利用第一电阻和第二电阻对该输出电压的反馈电压进行分压，生成反馈分压电压；将反馈分压电压与表征流过变压器的原边侧的输入电流的电流感测电压进行比较，生成关断控制信号；以及基于关断控制信号，控制开关管的关断。

根据本发明实施例的电源转换系统的控制方法，该电源转换系统包括变压器和开关管，该控制方法包括：基于变压器的副边侧的输出电压的互感电压调节第一电阻的阻值；利用第一电阻和第二电阻对该输出电压的反馈电压进行分压，生成反馈分压电压；将反馈分压电压与表征流过变压器的原边侧的输入电流的电流感测电压进行比较，生成关断控制信号；以及基于关断控制信号，控制开关管的关断。

根据本发明实施例的电源转换系统及其控制方法基于互感电压调节系统增益，使得系统效率在不同等级的输出电压时均能达到最佳。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1示出了传统的反激式电源转换系统的工作原理示意图；

图2示出了图1所示的反激式电源转换系统在输出电压满载的情况下的输出电压与系统频率的关系；

图3示出了根据本发明实施例的电源转换系统的工作原理示意图；

图4示出了图3所示的互感电压取样网络和检测单元的示例性电路图；

图5示出了图3所示的互感电压取样网络和检测单元的另一示例性电路图；

图6示出了图3所示的电源转换系统的系统增益与互感电压的感测电流经电流取样后得到的采样电流之间的关系；

图7示出了图3所示的电源转换系统的系统增益与互感电压的感测电压经电阻分压后得到的采样电压之间的关系。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。

图1示出了传统的反激式电源转换系统的工作原理示意图。如图1所示，该反激式电源转换系统包括整流器、变压器t1、开关管q1、电流感测电阻rs、误差放大器、光耦合器、以及控制器，其中：整流器对交流输入电压vac进行整流，生成经整流的输入电压vin(下面简称为输入电压vin)；变压器t1将其原边侧的输入电压vin变换成其副边侧的输出电压vout，并将输出电压vout提供给设备1至设备n；变压器t1﹑开关管q1、以及电流感测电阻rs基于输入电压vin生成输入电流il；输入电流il在电流感测电阻rs上生成电流感测电压vcs，该电流感测电压vcs被提供给控制器；误差放大器和光耦合器基于输出电压vout生成反馈电压vfb，并将反馈电压vfb提供给控制器；控制器基于反馈电压vfb和电流感测电压vcs控制开关管q1的导通与关断。

在图1所示的控制器中，二极管d1将反馈电压vfb变换为反馈表征电压fbd，并将反馈表征电压fbd提供给振荡器；电阻rdivd1和rdivd2对反馈表征电压fbd进行分压生成反馈分压电压fb_div，并将反馈分压电压fb_div提供给比较器的正相输入端；电流感测电压vcs被提供给比较器的负相输入端；振荡器基于反馈表征电压fbd生成导通控制信号clk，并将导通控制信号clk提供给核心逻辑单元；比较器基于反馈分压电压fb_div和电流感测电压vcs生成截止控制信号off，并将截止控制信号off提供给核心逻辑单元；核心逻辑单元基于导通控制信号clk和截止控制信号off生成驱动开关管q1的导通与关断的脉宽调制(pwm)信号，即驱动信号。

图1所示的反激式电源转换系统的系统增益k1和系统频率fsw分别由以下等式得出：

其中，iout是变压器t1的副边侧的输出电流，ton是开关管q1处于导通状态的持续时间，lm是变压器t1的感量。

图2示出了图1所示的反激式电源转换系统在输出电压满载的情况下的输出电压与系统频率的关系。如图2所示，在图1所示的反激式电源转换系统的输出电压满载的情况下，输出电压越高，系统频率越高，此时对应的系统效率也越高；输出电压越低，系统频率越低，此时对应的系统效率也越低。具体地，在图1所示的反激式电源转换系统的输出电压vout为v1时，其系统频率较高，此时对应的系统效率也很高；在图1所示的反激式电源转换系统的输出电压vout为v4时，由于其系统增益为固定增益k1，假定输出电流保持不变，则可以得出此时的系统频率比较低，仅为输出电压vout为v1时的几分之一。

鉴于以上所述的问题，本发明提供了一种新颖的电源转换系统及其控制方法。下面结合图3至图7，详细描述根据本发明实施例的电源转换系统及其控制方法。

图3示出了根据本发明实施例的电源转换系统的工作原理示意图。图3所示的电源转换系统的工作原理与图1所示的反激式电源转换系统基本相同，相对于图1所示的反激式电源转换系统的主要区别在于：变压器的辅助绕组基于输出电压vout生成互感电压vaux；互感电压取样网络基于互感电压vaux生成互感电压的感测电流iaux或感测电压vprt；控制器中的检测单元基于互感电压的感测电流iaux或感测电压vprt调节可变电阻rdvid1’的阻值，从而改变该电源转换系统的系统增益。

具体地，在图3所示的电源转换系统中，变压器t1的辅组绕组通过与变压器t1的副边绕组互感耦合，生成与输出电压vout成正比的互感电压vaux；互感电压取样网络基于互感电压vaux生成互感电压的感测电流iaux或感测电压vprt；控制器内部的检测单元通过对互感电压的感测电流iaux或感测电压vprt进行采样生成采样电流isample或采样电压vsample，将采样电流isample与预设的多个电流阈值ith1～ithn(n是大于0的整数)进行比较或将采样电压vsample与预设的多个电压阈值vth1～vthn进行比较，并且基于比较结果来调节可变电阻rdvid1’的阻值，从而使该电源转换系统在不同输出电压下具有不同的系统增益k1～kn。

图3所示的电源转换系统的系统增益这里，由于电阻rdivd1’的阻值随着互感电压的感测电流iaux或感测电压vprt的变化而变化，因此可以在不同输出电压下实现不同的系统增益k1～kn。

图4示出了图3所示的互感电压取样网络和检测单元的示例性电路图。如图4所示，互感电压取样网络包括电阻r1、二极管d3、以及热敏电阻m1，即互感电压取样网络可以被实现为由电阻r1、二极管d3、以及热敏电阻m1组成的电阻取样网络的形式，互感电压的感测电流iaux是通过对互感电压vaux进行电阻取样得到的；检测单元包括电流采样单元、数据选择器、以及n个电流比较器。在这种情况下，电流采样单元通过对互感电压的感测电流iaux进行采样生成采样电流isample，n个电流比较器将采样电流isample与预设的多个电流阈值ith1～ithn进行比较，数据选择器基于n个电流比较器的比较结果来调节可变电阻rdvid1’的阻值。

在图4所示的互感电压取样网络的情况下，互感电压的感测电流iaux可以通过等式1计算得出：

其中，naux是变压器t1的辅组绕组的匝数，ns是变压器t1的副边绕组的匝数。

除了如图4所示的互感电压取样网络的实现方式以外，互感电压取样网络也可以被实现为图5所示的形式。图5示出了图3所示的互感电压取样网络和检测单元的另一示例性电路图。如图5所示，互感电压取样网络包括电阻r1和电阻r2，即互感电压取样网络可以被实现为由电阻r1和电阻r2组成的电阻分压网络的形式，互感电压的感测电压vprt是通过对互感电压vaux进行分压得到的；检测单元包括电压采样单元、数据选择器、以及n个电压比较器。在这种情况下，电压采样单元通过对互感电压的感测电压vprt进行采样生成采样电压vsample，n个电压比较器将采样电压vsample与预设的多个电压阈值vth1～vthn进行比较，数据选择器基于n个电压比较器的比较结果来调节可变电阻rdvid1’的阻值。

在图5所示的互感电压取样网络的情况下，互感电压的感测电压vprt可以通过等式2计算得出：

通过等式1和等式2可以看出，互感电压的感测电流iaux和感测电压vprt均与输出电压vout成正比，所以都可以表征输出电压vout。

图6示出了图3所示的电源转换系统的系统增益与互感电压的感测电流经电流取样后所得的采样电流之间的关系。如图6所示，当检测单元检测到isample<ith1时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为k1；当检测单元检测到ith2>isample>ith1时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为k2；当检测单元检测到ith3>isample>ith2时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为k3；当检测单元检测到ith4>isample>ith3时，通过调节rdivd1’的阻值使得系统增益为k4；依次类推，当检测单元检测到isample>ithn时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为kn。

图7示出了图3所示的电源转换系统的系统增益与互感电压的感测电压经电阻分压后得到的采样电压之间的关系。如图7所示，当检测单元检测到vsample<vth1时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为k1；当检测单元检测到vth2>vsample>vth1时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为k2；当检测单元检测到vth3>vsample>vth2时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为k3；当检测单元检测到vth4>vsample>vth3时，通过调节rdivd1’的阻值使得系统增益为k4；依次类推，当检测单元检测到vsample>vthn时，通过调节rdivd1’的阻值使得△vfb/△vcs的增益为kn。

结合图3至图7描述的电源转换系统，基于表征输出电压vout的互感电压的感测电流iaux或感测电压vprt调节系统增益，使得系统效率在不同等级的输出电压时均能达到最佳，系统频率一致性很好，并且整个系统无论在高压高功率还是低压低功率应用时都能符合开关电源系统高能效的国际标准。相对于结合图1至图2描述的传统的反激式电源转换系统，根据本发明实施例的电源转换系统可以极大地提高系统效率，降低系统成本、增加系统适用范围。

需要说明的是，根据本发明实施例的电源转换系统不仅仅适用于目前主流的快充系统，也适用于非快充协议的、具有多级电压输出的开关电源系统。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。