用于在隔离降压转换器中的隔离输出的负载调节的制作方法

优先权要求

本申请根据35u.s.c.119(e)要求2015年12月31日提交的标题为“loadregulationfortheisolatedoutputinaflybuckconverter”的美国临时专利申请62/273,745的优先权，其全部内容通过引用明确地并入本文。

背景技术：

在许多应用中，需要一个或多个工作在输入电压高达100伏特的低成本、简单使用的隔离电源。传统解决方案使用反激(flyback)转换器来产生该偏置电源。反激设计通常利用具有光耦合器和参考电压的初级功率绕组和次级功率绕组的不对称的变压器匝数比，或者利用反馈调节的辅助绕组。反激转换器需要精细的补偿设计来实现稳定性。这导致繁琐的设计过程和具有较高部件计算(count)和成本的庞大的解决方案。

隔离降压(buck)转换器(也称为fly-buck^tm转换器)将同步降压转换器与耦合电感绕组组合以产生隔离输出。通过用耦合电感器(即反激型变压器)替代同步降压转换器的输出滤波电感器并且使用二极管和电容器对次级绕组电压进行整流来创建隔离降压转换器。图1是表示隔离降压转换器的示意性电路图。图1的隔离降压转换器100包括高侧晶体管q1110、低侧晶体管q2115、包括初级电感绕组125和次级电感绕组130的变压器120、初级侧输出电容器cout1135、次级整流二极管140，以及次级侧输出电容器cout2145。晶体管q1110和q2115的占空比决定(dictate)初级侧输出电压vout1，并且进而决定次级侧输出电压vout2。反馈电阻器rfb1150和rfb2155向控制电路(未示出)提供反馈信号，该控制电路通过控制晶体管q1110和q2115的占空比来调节初级侧输出电压vout1。由于次级侧输出电压vout1与初级侧输出电压vout1相关，所以该初级侧输出电压调节也影响次级侧输出电压的一定程度的调节。然而，主要由于初级侧电感绕组125和次级侧电感绕组130的漏电感以及整流二极管140的正向压降，在次级侧输出电压vout2中的变化不能精确地被反映在初级侧输出电压vout1中。因为反馈回路仅接收初级侧输出电压信息，所以次级侧电压调节在较低输入电压vin和/或较高输出电流iout2下劣化。因此，例如，在次级侧上出现的电压降在初级侧上不可见并且在设定q1和q2的占空比时不被控制电路考虑。另外的因素还导致在较低输入电压vin和/或较高输出电流iout2(诸如初级绕组电阻和次级绕组电阻)处的次级侧电压调节的劣化。

技术实现要素：

本发明的说明性方面涉及一种调节隔离降压转换器的隔离输出的电压的方法，所述隔离降压转换器包括具有初级侧和次级侧的变压器。根据该方法，测量变压器的初级侧的参数，其中该参数部分地取决于变压器的次级侧上的输出电压。至少部分地基于测量的参数值来设定隔离降压转换器的占空比。

本发明的另一说明性方面涉及一种具有高侧晶体管、低侧晶体管、变压器、电流测量电路和控制电路的隔离降压转换器。高侧晶体管包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子处的电压水平控制从第一端子到第二端子的电流的流动。第一端子耦合到输入电压。低侧晶体管还包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子处的电压水平控制从第一端子到第二端子的电流的流动。低侧晶体管的第一端子耦合到高侧晶体管的第二端子，并且低侧晶体管的第二端子耦合到地。变压器具有初级电感绕组和次级电感绕组。初级电感绕组的第一端耦合到高侧晶体管的第二端子和低侧晶体管的第一端子。初级电感绕组的第二端耦合到第一输出节点。次级电感绕组的第一端通过二极管耦合到第二输出节点，并且次级电感绕组的第二端耦合到地。电流测量电路测量流过高侧晶体管的电流。控制电路接收表示流过高侧晶体管的电流的信号并且至少部分地基于所述电流来设定高侧晶体管和低侧晶体管的占空比。

本发明的另一说明性方面涉及一种具有高侧晶体管、低侧晶体管、变压器、电流测量电路和控制电路的隔离降压转换器。高侧晶体管包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子处的电压水平控制从第一端子到第二端子的电流的流动。第一端子耦合到输入电压。低侧晶体管还包括第一端子、第二端子和第三端子，其中在第三端子处的电压水平控制从第一端子到第二端子的电流的流动。低侧晶体管的第一端子耦合到高侧晶体管的第二端子，并且低侧晶体管的第二端子耦合到地。变压器具有初级电感绕组和次级电感绕组。初级电感绕组的第一端耦合到高侧晶体管的第二端子和低侧晶体管的第一端子。初级电感绕组的第二端耦合到第一输出节点。次级电感绕组的第一端通过二极管耦合到第二输出节点，并且次级电感绕组的第二端耦合到地。电流测量电路测量流过低侧晶体管的电流。控制电路接收表示流过低侧晶体管的电流的信号并且至少部分地基于所述电流来设定高侧晶体管和低侧晶体管的占空比。

附图说明

图1是表示现有技术的隔离降压转换器的示意性电路图。

图2是隔离降压转换器的示意图，其中部分地基于通过高侧(high-side)晶体管的测量电流来设定隔离降压转换器的占空比。

图3是隔离降压转换器的示意图，其中部分地基于通过低侧(low-side)晶体管的测量电流来设定隔离降压转换器的占空比。

图4是隔离降压转换器的示意图，其中部分地基于测量的初级电感(inductor)电压来设定隔离降压转换器的占空比。

图5是表示调节隔离降压转换器的隔离输出的电压的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图描述示例实施例，其中相同的附图标记用于指定类似或等同的元件。示出的动作或事件的顺序不应被认为是限制性的，因为一些动作或事件可以以不同的顺序发生和/或与其它动作或事件同时发生。此外，根据本公开，可能不需要一些示出的动作或事件来实施方法。

本公开的说明性方面总体上针对由于初级侧输出被卸载同时隔离次级侧输出被加载而减小在隔离降压转换器的次级侧中看到的电压的变化。在说明性实施例中，该电压调节通过测量隔离降压转换器的初级侧上的参数来实现，所述参数表示次级侧输出电压或次级侧负载电流，并且调节隔离降压转换器的占空比达与所测量的参数成比例的量。

图2是隔离降压转换器的示意图，其中部分地基于通过高侧晶体管的测量电流来设定隔离降压转换器的占空比。图2的隔离降压转换器200包括高侧晶体管q1210、低侧晶体管q2215、包括初级电感绕组225和次级电感绕组230的变压器220、初级侧输出电容器cout1235、次级整流二极管240以及次级侧输出电容器cout2245。晶体管q1210和q2215的占空比决定初级侧输出电压vout1，并且进而决定次级侧输出电压vout2。在说明性实施例中，晶体管q1210和q2215是场效应晶体管(fet)，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，但是也可以使用其它类型的晶体管。反馈电阻器rfb1250和rfb2255向控制电路275提供反馈信号，该控制电路275通过控制晶体管q1210和q2215的占空比来调节初级侧输出电压vout1。

因为在高侧晶体管q1210中看到的电流与次级侧输出电流iout2成比例，所以通过高侧晶体管q1210的测量电流可以被用于调节次级侧输出电压vout2。在图2的说明性隔离降压转换器中，通过测量通过高侧晶体管q1210的电流并且部分地基于测量的电流设定晶体管q1210和q2215的占空比来调节次级侧输出电压vout2。这减小了由于次级侧输出电压vout2中的变化未被完全反映在初级侧输出电压vout1中的事实而另外发生的在隔离降压转换器200的次级侧中看到的电压的变化。图2表示测量通过高侧晶体管q1210的电流并且部分地基于在其上的电流设定晶体管q1210和q2215的占空比的说明性实施方式。应当理解，感测通过高侧晶体管q1210的电流并且基于感测的电流调节占空比的许多替代方案是可能的，并且本公开决不限于图2中表示的特定方案。在图2表示的说明性实施例中，电阻器260被耦合在输入电压vin和n沟道mosfet210的漏极之间。差分放大器265的输入被耦合到电阻器260的任一端。因此，差分放大器265的输出表示输入电压vin和晶体管q1210的漏极电压vd之间的差，并且因此差分放大器265的输出与通过电阻器260的电流成比例，并且进而与晶体管q1210的漏极-源极电流ids成比例。在确定晶体管q1210和q2215的占空比时，控制电路275使用差分放大器265的输出。在图2的说明性实施例中，这通过将差分放大器265的输出提供给电压控制的电流源270来实现。反馈电阻器rfb1250被耦合在电压控制的电流源270和地之间。反馈电阻器rfb1250两端的电压被提供给控制电路275的反馈比较器280。因此，提供到反馈比较器280的信号至少部分地表示通过电阻器260并进而通过高侧晶体管q1210的电流。

在图2的说明性隔离降压转换器中，第二反馈电阻器rfb2255被耦合在反馈比较器280的反馈输入fb和隔离降压转换器200的初级侧输出vout1之间。因此，反馈比较器280的反馈输入fb基于通过高侧晶体管q1210的漏极-源极电流ids和隔离降压比较器200的初级侧输出电压vout1。反馈比较器280将反馈输入fb与参考电压进行比较，该参考电压至少部分地对应于通过高侧晶体管q1210的期望电流水平。在图2的说明性实施例中，参考电压也对应于期望的初级侧输出电压vout1。反馈比较器280将反馈信号fb与参考电压进行比较并且将表示反馈信号fb和参考电压(ref)之间的差的误差信号提供给脉冲宽度调制(pwm)逻辑285。基于误差信号的值，pwm逻辑285产生用于高侧晶体管q1210和低侧晶体管q2215的栅极驱动器信号。pwm逻辑285设定栅极驱动器信号的占空比，使得反馈信号fb的值将尽可能接近由参考电压表示的期望值。因此，pwm逻辑285设定栅极驱动器信号的占空比，以便调节通过高侧晶体管q1210的漏极-源极电流ids，使得输出电压vout1将尽可能接近期望值。设计人员可以调节或“调整”占空比变化量以满足特定的系统精度需求。应当理解，图2中描绘的控制方案仅仅是说明性的，并且本公开的方面可以结合基本上任何控制方案来实施，所述任何控制方案包括但不限于电流模式控制和电压模式控制两者。

图3是隔离降压转换器的示意图，其中部分地基于通过低侧晶体管的测量电流来设定隔离降压转换器的占空比。图3的隔离降压转换器300包括高侧晶体管q1310、低侧晶体管q2315、包括初级电感绕组325和次级电感绕组330的变压器320、初级侧输出电容器cout1335、次级整流二极管340和次级侧输出电容器cout2345。晶体管q1310和q2315的占空比决定初级侧输出电压vout1，并且进而决定次级侧输出电压vout2。在说明性实施例中，晶体管q1310和q2315是诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的场效应晶体管(fet)，但是也可以使用其它类型的晶体管。反馈电阻器rfb1350和rfb2355向控制电路375提供反馈信号，该控制电路375通过控制晶体管q1310和q2315的占空比来调节初级侧输出电压vout1。

因为在低侧晶体管q2315中看到的电流与次级侧输出电流iout2成正比，所以通过低侧晶体管q2315的测量电流可以用于调节次级侧输出电压vout2。在图3的说明性隔离降压转换器中，通过测量通过低侧晶体管q2315的电流并且部分地基于测量的电流设定晶体管q1310和q2315的占空比来调节次级侧输出电压vout2。这减小了由于次级侧输出电压vout2的变化未被完全反映在初级侧输出电压vout1中的事实而另外发生的在隔离降压转换器300的次级侧中看到的电压的变化。图3表示测量通过低侧晶体管q2315的电流并且部分地基于在其上的电流设定晶体管q1310和q2315的占空比的说明性实施方式。应当理解，感测通过低侧晶体管q2315的电流并且基于感测的电流调节占空比的许多替代方案是可能的，并且本公开决不限于图3中表示的特定方案。在图3所示的说明性实施例中，电阻器360被耦合在n沟道mosfet315的源极和地之间。差分放大器365的输入被耦合到电阻器360的任一端。因此，差分放大器365的输出表示晶体管q2315的源极电压vs与接地电压之间的差，并且因此差分放大器365的输出与通过电阻器360的电流成比例，并且进而与晶体管q2315的漏极-源极电流ids成比例。差分放大器365的该输出由控制电路375用于确定晶体管q1310和q2315的占空比。在图3的说明性实施例中，这是通过将差分放大器365的输出提供给电压控制的电流源370来实施的。反馈电阻器rfb1350被耦合在电压控制的电流源370和地之间。反馈电阻器rfb1350两端的电压被提供到控制电路375的反馈比较器380。因此，提供到反馈比较器380的信号至少部分表示通过电阻器360的电流和进而通过低侧晶体管q2315的电流。

在图3的说明性隔离降压转换器中，第二反馈电阻器rfb2355被耦合在反馈比较器380的反馈输入fb和隔离降压转换器300的初级侧输出vout1之间。因此，到反馈比较器380的反馈输入fb基于通过低侧晶体管q2315的漏极-源极电流ids和隔离降压比较器300的初级侧输出电压vout1。反馈比较器380将反馈输入fb与参考电压(ref)进行比较，该参考电压至少部分地对应于通过低侧晶体管q2315的期望电流水平。在图3的说明性实施例中，参考电压也对应于期望的初级侧输出电压vout1。反馈比较器380将反馈信号fb与参考电压进行比较并且将表示反馈信号fb和参考电压之间的差的误差信号提供给脉冲宽度调制(pwm)逻辑385。基于误差信号的值，pwm逻辑385产生用于高侧晶体管q1310和低侧晶体管q2315的栅极驱动器信号。pwm逻辑385设定栅极驱动器信号的占空比，使得反馈信号fb的值将尽可能接近由参考电压表示的期望值。因此，pwm逻辑385设定栅极驱动器信号的占空比，使得通过低侧晶体管315的漏极-源极电流ids将尽可能接近期望值。设计人员可以调节或“调整”占空比变化量以满足特定的系统精度需求。应当理解，图3中描绘的控制方案仅仅是说明性的，并且本公开的方面可以结合基本上任何控制方案来实施，所述任何控制方案包括但不限于电流模式控制和电压模式控制二者。

图4是隔离降压转换器的示意图，其中部分地基于测量的初级电感器电压来设定隔离降压转换器的占空比。图4的隔离降压转换器400包括高侧晶体管q1410、低侧晶体管q2415、包括初级电感绕组425和次级电感绕组430的变压器420、初级侧输出电容器cout1435、次级整流二极管440和次级侧输出电容器cout2445。在说明性实施例中，晶体管q1410和q2415是诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的场效应晶体管(fet)，但是也可以使用其它类型的晶体管。

因为初级电感绕组425两端的电压vl1与次级电感电压vl2成正比，所以测量的电压vl1可以用于调节次级侧输出电压vout2。在图4的说明性隔离降压转换器中，通过测量初级电感绕组425两端的电压vl1并且部分地基于测量的电压设定晶体管q1410和q2415的占空比来调节次级侧输出电压vout2。这减小由于次级侧输出电压vout2中的变化未被完全反映在初级侧输出电压vout1中的事实而另外发生的在隔离降压转换器400的次级侧中看到的电压的变化。图4表示测量初级电感电压vl1并部分基于在其上的电压设定晶体管q1410和晶体管415的占空比的说明性实施方式。应当理解，感测初级电感电压vl1并且基于感测的电压来调整占空比的许多替代方案是可能的，并且本公开绝不限于图4中表示的特定方案。在图4所示的说明性实施例中，初级电感绕组425的输入端被耦合到电感电压感测电路460的第一输入。初级电感绕组425的输出端被耦合到电感电压感测电路460的第二输入。在由图4表示的说明性实施例中，初级电感绕组425的输出端经由反馈电阻器rfb450被耦合到电感电压感测电路460的第二输入。电感电压感测电路460测量初级电感绕组425两端的电压vl1，并且向控制电路475的反馈比较器480提供表示感测电压的信号。

反馈比较器480将感测的初级电感电压vl1与对应于期望的vl1水平的参考电压进行比较。反馈比较器480将表示感测的初级电感电压vl1和参考电压之间的差的误差信号提供给脉冲宽度调制(pwm)逻辑485。基于误差信号的值，pwm逻辑485产生用于高侧晶体管q1410和低侧晶体管q2415的栅极驱动器信号。pwm逻辑485设定栅极驱动器信号的占空比，使得初级电感器电压vl1的值将尽可能接近由参考电压表示的期望值。设计人员可以调节或“调整”占空比变化量以满足特定的系统精度需求。应当理解，图4中描绘的控制方案仅仅是说明性的，并且本公开的方面可以结合基本上任何控制方案来实现，所述任何控制方案包括但不限于电流模式控制和电压模式控制二者。

在本公开的另一实施例中，部分地基于测量的初级电感电流来设定隔离降压转换器的占空比。因为通过初级电感绕组425的电流il1表示初级电流和次级电流，所以测量的电流il1可以用于调节次级侧电流和输出电压vout2。因此，在该实施例中，通过测量通过初级电感绕组425的电流il1并且部分地基于测量的电流il1设定晶体管q1410和q2415的占空比来调节次级侧输出电压vout2。这减小了由于次级侧输出电压vout2中的变化未被完全反映在初级侧输出电压vout1中的事实而另外发生的在隔离降压转换器400的次级侧中看到的电压的变化。

图5是表示调节包括具有初级侧和次级侧的变压器的隔离降压转换器的隔离输出的电压的方法的流程图。在框500处，测量变压器的初级侧的参数，其中该参数部分地取决于变压器的次级侧上的输出电压。在框510处，至少部分地基于所测量的参数的值来设定隔离降压转换器的占空比。

应当注意，本文公开的实施例在本质上是说明性的而不是限制性的，并且在前述公开中考虑了宽范围的变化、修改、改变和替代。此外，在一些情况下，可以采用一些特征而无需相应地使用其它特征。因此，适当的是，以与本文公开的广泛的发明概念一致的方式宽泛地解释随附权利要求。