具有休眠/唤醒模式的功率转换器的制作方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2015年8月21日申请的共同拥有的第62/208,123号美国临时专利申请案的优先权；且涉及2015年11月19日申请的第14/945,729号美国专利申请案及2015年6月1日申请的第62/169,415号美国临时专利申请案，其中所有申请案特此出于所有目的而以引用的方式并入本文中。

本发明涉及功率转换器，且特定来说涉及在轻负载或无负载条件期间有效率地将功率转换器置于低功率休眠模式且接着在负载需要来自功率转换器的功率时将功率转换器从休眠模式唤醒。

背景技术：

功率转换器，特定来说切换模式ac/dc功率转换器，通常具有用以降低在轻负载及无负载条件期间使用的功率的独有电路。可使用具有低功率备用模式的功率转换器以在轻负载及无负载条件期间有效率地操作功率转换器。越来越迫切地需要在功率转换器在休眠模式中无负载或非作用中(无负载需求)时汲取极小量的功率的脱机功率转换器。

技术实现要素：

因此需要降低在功率转换器处于休眠模式时使用的功率。

根据实施例，一种用于进入及退出功率转换器中的低功率休眠模式的方法可包括以下步骤：提供初级侧能量存储电路，所述初级侧能量存储电路可包括初级侧起动控制器、耦合到变压器的功率开关及初级侧能量存储电容器；提供次级侧能量存储电路，所述次级侧能量存储电路可包括次级侧控制器及次级侧能量存储电容器；通过所述变压器耦合所述初级侧及次级侧能量存储电路；在起动期间用所述初级侧起动控制器控制所述功率开关，直到所述次级侧能量存储电容器上的操作电压达到所要值；及进入低功率休眠模式，其中在低iq模式中的所述初级侧及次级侧电路根据存储于其相应能量存储电容器中的能量操作，其中当所述能量存储电容器中的任一者上的相应电压可小于或等于相应低电压限值时，则所述初级侧起动控制器可唤醒其本身或所述次级侧控制器可唤醒其本身及所述初级侧起动控制器，借此可对所述初级侧及次级侧能量存储电容器充电，直到两个相应电压都可大于其相应低电压限值。

根据所述方法的另一实施例，其可包括以下步骤：在确定所述初级侧能量存储电容器上的所述电压可大于初级侧高电压限值之后，使所述初级侧起动控制器进入所述低功率休眠模式。根据所述方法的另一实施例，其可包括以下步骤：在确定已超过所述初级侧高电压限值之后，开始初级侧高电压限值定时器；及在所述初级侧高电压限值定时器已超时之后，增大由所述初级侧起动控制器汲取的电流。根据所述方法的另一实施例，其可包括以下步骤：在确定所述初级侧起动控制器可处于所述低功率休眠模式之后，使所述次级侧控制器进入所述低功率休眠模式。根据所述方法的另一实施例，确定所述初级侧起动控制器可处于所述休眠模式的所述步骤可包括确定所述功率开关可未在切换中的步骤。

根据所述方法的另一实施例，其可包括以下步骤：在所述次级侧控制器进入所述低功率休眠模式之前，用所述次级侧控制器提升所述次级侧能量存储电容器上的所述电压。根据所述方法的另一实施例，提升所述次级侧能量存储电容器上的所述电压的所述步骤可引起所述初级侧能量存储电容器上的所述电压增大。根据所述方法的另一实施例，其可包括以下步骤：在确定所述初级侧能量存储电容器上的所述电压可大于初级侧高电压限值之后，使所述初级侧起动控制器进入所述低功率休眠模式。

根据所述方法的另一实施例，控制所述功率开关的所述步骤可包括以下步骤：将第一dc电压施加到所述初级侧起动控制器；用所述初级侧起动控制器接通及断开所述功率开关，其中所述第一dc电压及所述功率开关可耦合到所述变压器的初级绕组，借此可在所述变压器的次级绕组上产生ac电压；用第二整流器整流来自所述变压器的所述次级绕组的所述ac电压以提供第二dc电压，以供电给所述次级侧控制器及负载；及当所述第二dc电压可处于所要电压值时，将对所述功率开关的控制从所述起动控制器转移到所述次级侧控制器。

根据另一实施例，一种具有低功率休眠模式的功率转换器可包括：初级侧起动控制器，其耦合到第一dc电压；变压器，其具有初级及次级绕组，其中所述变压器初级绕组可耦合到所述第一dc电压；电流测量电路，用于测量通过所述变压器的所述初级绕组的电流，且将所述经测量初级绕组电流提供到所述初级侧起动控制器；功率开关，其耦合到所述变压器初级，且耦合到所述初级侧起动控制器并受控于所述初级侧起动控制器；次级侧整流器，其耦合到所述变压器次级绕组以提供第二dc电压；次级侧控制器，其耦合到所述初级侧起动控制器及所述次级侧整流器；及所述初级侧起动控制器及所述次级侧控制器可具有低功率休眠模式。

根据另一实施例，当所述初级侧起动控制器接收到所述第一dc电压时，其可开始控制所述功率开关接通及断开，借此电流可流动通过所述变压器初级，ac电压可跨所述变压器次级绕组而产生，来自所述次级侧整流器的dc电压可将所述次级侧控制器通电，且当所述第二dc电压达到所要电压电平时，所述次级侧控制器可从所述初级侧起动控制器接管对所述功率开关的控制。

根据另一实施例，当初级侧能量存储电容器上的电压可大于初级侧高电压限值时，所述初级侧起动控制器可进入所述低功率休眠模式。根据另一实施例，当所述初级侧起动控制器可处于所述低功率休眠模式时，所述次级侧控制器可进入所述低功率休眠模式。根据另一实施例，当所述初级侧起动控制器可处于所述低功率休眠模式时，所述功率开关可未在切换中。根据另一实施例，所述次级侧控制器可在进入所述低功率休眠模式之前提升次级侧能量存储电容器上的电压。根据另一实施例，当所述次级侧能量存储电容器上的所述电压可提升时，所述初级侧能量存储电容器上的所述电压也可上升，其中所述初级侧起动控制器可检测所述初级侧能量存储电容器上的电压的此上升，且借此可进入所述低功率休眠模式。

根据另一实施例，所述初级侧起动控制器可包括：电压调节器，其具有输入及输出；内部偏压电路，其耦合到所述电压调节器输出；欠电压及过电压锁定电路，其耦合到所述电压调节器输出；电流调节器及逻辑电路，用于产生脉宽调制(pwm)控制信号；固定断开时间电路，其耦合到所述逻辑电路；功率驱动器，其耦合到所述逻辑电路且提供pwm控制信号以控制外部功率开关；外部栅极命令检测电路，其耦合到所述逻辑电路且经调适以接收外部pwm控制信号，其中当可检测到所述外部pwm控制信号时，所述外部栅极命令检测电路引起控制所述外部功率开关从所述逻辑电路改变到所述外部pwm控制信号；及第一及第二电压比较器，其具有耦合到所述内部电流调节器的输出，及耦合到电流感测输入的输入。

根据另一实施例，消隐电路可耦合于所述电流感测输入与所述第一及第二电压比较器输入之间。根据另一实施例，固定断开时间电路时间周期可由电容器的电容值确定。根据另一实施例，所述初级侧起动控制器可包括开环电流调节器及功率开关驱动器。根据另一实施例，其中所述初级侧起动控制器可为简单、低成本模拟装置。根据另一实施例，所述次级侧控制器可选自由微控制器、模拟控制器及组合模拟及数字控制器组成的群组。

附图说明

通过结合附图，参考以下描述可获得对本发明的更完全理解，在附图中：

图1说明根据本发明的特定实例实施例的经调适用于降低功率转换器中的备用功率的低电压版本的起动控制器的示意框图；

图2说明根据本发明的特定实例实施例的经调适用于通过使用图1中所示的起动控制器来降低备用功率的功率转换器的示意框图；

图3说明根据本发明的另一特定实例实施例的经调适用于降低功率转换器中的备用功率的高电压版本的起动控制器的示意框图；及

图4说明根据本发明的另一特定实例实施例的经调适用于通过使用图3中所示的起动控制器来降低备用功率的功率转换器的示意框图。

虽然本发明易于以各种修改及替代形式呈现，但其特定实例实施例已在所述图式中展示且在本文中详细描述。然而，应了解，本文中对特定实例实施例的描述并不希望将本发明限于本文中揭示的特定形式。

具体实施方式

电源供应器，特定来说dc转dc及ac转dc功率转换器，通常具有起动其的独有电路。根据本发明的各种实施例，功率转换器可包括初级侧起动控制器及次级侧控制器，其中当首先将功率(电压)施加到功率转换器的初级侧时，利用起动控制器将功率发送到次级侧控制器。这提供在初级侧上使用常规装置起动dc转dc及ac转dc功率转换器的低成本集成电路(ic)解决方案，所述解决方案不重复次级侧控制器的资源且最小化初级侧上的离散组件。根据本发明的教示，对功率转换器的实施及操作的更详细描述提供于由托马斯·奎格利(thomasquigley)于2015年11月19日申请的标题为“用于功率转换器的起动控制器(start-upcontrollerforapowerconverter)”的共同拥有的第14/945,729号美国专利申请案中，且所述申请案特此出于所有目的而以引用的方式并入本文中。

随着对在功率转换器无负载或非作用中(无负载需求)时汲取极小量的功率的脱机功率转换器的越来越迫切的需求，可通过允许起动控制器及/或次级侧控制器进入休眠模式(控制器内的功能关闭且因此汲取极低的静态电流)而进一步降低功率消耗。当起动控制器或次级侧控制器中的任一者的能量存储电容器达到低电荷状态时，任一控制器可唤醒其本身及另一控制器，借此允许功率转换器变为作用中，直到两个能量存储电容器经刷新而足以使控制器回到低功率休眠模式中。从所述ac线汲取极少的平均功率的此循环继续，直到需要所述功率转换器保持被唤醒(操作模式)且将功率输送到负载。

根据各种实施例，起动控制器概念(低电压(lv)或高电压(hv)实施例)基本上为初级侧功率开关栅极驱动器，其可在检测到外部命令时从内部开环电流调节器(预设状态)或从外部控制器(例如，次级侧控制器)接收输入命令。一旦外部命令停止，且在时间周期之后，到栅极驱动器的输入便返回到预设状态。在任一状态中，起动控制器保护功率转换器使其免受过电流以及欠电压及过电压的干扰。参见如上所述的托马斯·奎格利(thomasquigley)的“用于功率转换器的起动控制器(start-upcontrollerforapowerconverter)”。另外，欠/过电压检测可用以通过将起动控制器及/或次级侧控制器置于低功率休眠模式中而进一步降低功率转换器中的功率消耗。

现参考图式，示意性地说明实例实施例的细节。在图式中，相似元件将由相似数字表示，且类似元件将由具有不同小写字母下标的相似数字表示。

现参考图1，其描绘根据本发明的特定实例实施例的经调适用于降低功率转换器中的备用功率的低电压版本的起动控制器的示意框图。起动控制器106a可包括低电压调节器130、内部偏压电路132、第一电压比较器134、第二电压比较器138、固定消隐时间电路140、内部电流调节器及逻辑电路136、外部栅极命令检测电路142、信号缓冲器144、受控于逻辑电路136的开关146、mosfet驱动器148、固定断开时间定时器150、过电压及欠电压锁定电路152、电压分流保护154及分流定时器158。欠电压锁定(uvlo)电路152b确保足够的电压可用于适当地增强mosfet功率开关236(图2)的栅极。

起动控制器106a可包括开环的脉宽调制(pwm)源、以固定断开时间操作的峰值电流模式控制器，且具有经调适以驱动功率转换器200的初级侧上的mosfet功率开关236(如图2中所示)的mosfet栅极驱动器148。在初始起动期间，内部电流调节器及逻辑电路136脉动mosfet栅极驱动器148而允许功率转换器200的功率开关236将能量转换到其次级侧。功率转换器的主控制器定位于次级侧上，且当所述主控制器变为作用中时，其可通过经由耦合到起动控制器106a的脉冲(pulse)节点(接针)的隔离电路248(例如，光学耦合器、脉冲变压器等)接通及断开到起动控制器106a的栅极驱动器148的栅极命令来控制次级电压。过电压及欠电压锁定电路152可具有例如但不限于9伏特到16伏特的电压迟滞值。两个电流感测比较器134及138可分别具备内部电压参考vref1及vref2。

低电压版本起动控制器106a的节点(接针)描述如下：

vin–是到起动控制器106a的输入电压。

gate–mosfet栅极驱动器150的输出。mosfet驱动器148可受uvlo电路152b抑制。

c/s–电流感测，监测跨外部感测电阻器的电压。当mosfet驱动器148首先接通外部mosfet功率开关236时，监测可由固定消隐时间电路140消隐。

gnd–接地或共同用于信号电路及mosfet驱动器148的dc返回两者。

pwmd–当被拉低时，抑制从内部pwm源到mosfet栅极驱动器148的栅极命令。

pulse–从外部源(次级侧控制器)接受pwm信号。当检测到pwm信号时，内部产生的pwm信号由mosfet栅极驱动器148忽略(抑制)。

vin是用于起动控制器106a的偏压源。电阻器226(图2)限制到起动控制器106a中的电流。vin是到输出是vdd的低电压调节器130的输入。vin将操作偏压提供到栅极驱动器148。vin由过电压锁定(ovlo)电路152a及欠电压锁定(uvlo)电路152b监测。vdd将经调节低电压偏压提供到起动控制器106a。分流保护电路154可耦合到vin以保护其免受过电压的干扰。

现参考图2，其描绘根据本发明的特定实例实施例的经调适用于通过使用图1中所示的起动控制器来降低备用功率的功率转换器的示意框图。一般由数字200表示的返驰式功率转换器可包括主线滤波器/整流器202，电容器222、240、244、250、252及254；电阻器226、228、230、238及239；二极管232、242及260；电流传感器234、功率切换晶体管236、变压器241、隔离电路246及248、起动控制器106a及次级侧控制器218。主线滤波器/整流器202可包括熔断器203、电感器204及214、电阻器206、210及220；电容器208及218，以及二极管桥式整流器212。

当将ac功率施加到图2中所示的功率转换器200时，起动控制器106a处于非作用中、低静止状态。电阻器226对电容器250充电。uvlo电路152b可具有例如但不限于约9伏特到约16伏特的迟滞带。当vin达到16伏特时，起动控制器106a变为作用中且开始用栅极驱动器148来驱动功率开关236，例如，功率金属氧化物半导体场效晶体管(mosfet)。在功率转换器200的次级侧上，电容器244充电，其中次级侧控制器218将在其v/s节点上约4.5伏特的电压下启动。接着，次级侧控制器218通过经由隔离电路248将命令发送到起动控制器106a的脉冲(pulse)节点而开始控制功率开关236的选通。次级侧控制器218可将电容器244上的电压调节到约20伏特。此电压经变压器耦合到变压器241的初级侧偏压绕组t1，且可用以自举vin二极管260。变压器t1绕组的比例使得当跨电容器244的电压在约20伏特时，vin处的电压是约15伏特。电阻器226的值过高而无法供应起动控制器106a的栅极驱动器所必需的电流。因此，必须在电容器250放电到低于9伏特之前，完成此自举电压。

当次级侧控制器218决定进入低功率休眠模式时，其提升跨电容器240的电压，这又提升起动控制器106a的vin上的电压。ovlo电路152a可具有例如但不限于约17伏特到约19伏特的迟滞带。当vin超过19伏特时，ovlo电路152a将起动控制器106a置于低功率休眠模式中。次级侧控制器218在其v_qr输入节点处监测变压器241的次级绕组上的电压，且借此可确定起动控制器106a已停止驱动(选通)功率开关236。一旦所述情况发生，次级侧控制器218便进入低功率休眠模式。在其休眠模式期间，起动控制器106a的静态电流(iq)极低，且超过iq的通过电阻器226的电流流动通过分流器154。分流器折转电压可为约21伏特。

存在从低功率休眠模式唤醒的若干方式。一种方法可为：一旦分流电路154在作用中，便可开始分流定时器158。在时间到期之后，iq增大到超出电阻器226可供应的电流且电容器250开始放电。一旦vin下降到低于17伏特，uvlo电路152b便释放，且起动控制器106a唤醒并开始使用其内部电流调节器及逻辑电路136来选通功率开关236。此选通刷新电容器240及电容器250，直到vin再次超过19伏特，接着起动控制器106a可再次重新进入低功率休眠模式。另一方法可为：次级侧控制器218可已确定跨电容器240的电压已下降到低于特定阈值。当此情况发生时，次级侧控制器218从其休眠模式唤醒，且经由隔离电路248将栅极脉冲发送到起动控制器106a的脉冲(pulse)节点(接针)。起动控制器106a检测此脉冲且从其休眠模式唤醒，借此其iq增大，从而开始电容器250的放电。当vin下降到低于约17伏特时，对功率开关236的选通再次开始。一旦电容器244及250经电压刷新，起动控制器106a的ovlo电路152a便可使起动控制器106a回到低功率休眠模式中(vin已超过19v)。一旦次级侧控制器218确定功率开关选通已停止，其便也返回到低功率休眠模式。如果次级侧控制器218决定保持被唤醒，那么其经由隔离电路248将信号发送到起动控制器106a的脉冲(pulse)节点(接针)以唤醒起动控制器106a。一旦ovlo电路152a释放，次级侧控制器218便可通过经由起动控制器106a选通功率开关236而主动调节功率转换器200。

现参考图3，其描绘根据本发明的特定实例实施例的经调适用于降低功率转换器中的备用功率的高电压版本的起动控制器的示意框图。起动控制器106b可包括高电压调节器330、内部偏压电路132、第一电压比较器134、第二电压比较器138、固定消隐时间电路140、内部电流调节器及逻辑电路136、外部栅极命令检测电路142、信号缓冲器144、受控于逻辑电路136的开关146、mosfet驱动器148、固定断开时间定时器150，以及过电压及欠电压锁定电路352。欠电压锁定(uvlo)电路352b确保足够的电压可用于适当地增强mosfet236(图4)的栅极。

起动控制器106b可包括开环的脉宽调制(pwm)源、以固定断开时间操作的峰值电流模式控制器，且具有经调适以驱动功率转换器400的初级侧上的功率开关236(如图4中所示)的mosfet栅极驱动器148。vin是用于起动控制器106b的初始偏压源。vin可直接连结到如图4中所示的经整流ac线(dc+，滤波器/整流器区块202的输出)。vin是到输出是vdd的hv调节器330的输入。vdd将低电压偏压提供到起动控制器106b的内部电路。vdd还为用于栅极驱动器148的偏压，所述栅极驱动器148的输出耦合到起动控制器106b的栅极(gate)节点。

vdd由欠电压锁定(uvlo)电路352b及过电压锁定(ovlo)电路352a监测。当将ac功率施加到图4中所示的功率转换器400时，起动控制器106b处于非作用中、低功率静止状态。vdd对电容器250充电。uvlo电路352b可具有例如但不限于约9伏特到约9.5伏特的迟滞带。当vdd达到9.5伏特时，起动控制器106b变为作用中而用来自其内部电流调节器电路136的命令选通功率开关236。电容器244充电且次级侧控制器218在约4.5伏特下变为作用中。接着，次级侧控制器218通过经由隔离电路248将脉冲命令发送到起动控制器106b的脉冲(pulse)节点(接针)而接管对选通功率开关236的控制。次级侧控制器可将电容器240上的电压调节到约20伏特。此电压经变压器耦合到经由二极管260自举vdd的初级侧偏压绕组t1。变压器241的t1绕组的比例使得当跨电容器240的电压等于约20伏特时，vin处的电压等于约15伏特。当vdd在约15伏特时，其断开其hv调节器330的耗尽模式fet，这又引起从经整流ac线到vin的电流大体上降低为零，借此节省起动控制器106b中的功率及热消散。

当次级侧控制器218决定进入低功率休眠模式时，其提升跨电容器240的电压，这又提升起动控制器106b的vdd上的电压。ovlo电路352a可具有例如但不限于约17伏特到约19伏特的迟滞带。当vin超过19伏特时，ovlo电路352a将起动控制器106b置于低功率休眠模式中。次级侧控制器218在其v_qr输入节点处监测变压器241的次级绕组上的电压，且借此可确定起动控制器106b已停止驱动(选通)功率开关236。一旦所述情况发生，次级侧控制器218便进入低功率休眠模式。

存在从低功率休眠模式唤醒的若干方式。在其休眠模式期间，起动控制器106b的静态电流(iq)极低。一种方法可为：在休眠模式中，起动控制器106b的vdd将具有特定低iq值，所述iq值将缓慢地使电容器250放电。一旦vdd下降到低于17伏特，uvlo电路352b便释放，且起动控制器106b唤醒并开始使用其内部电流调节器及逻辑电路136来选通功率开关236。此选通刷新电容器240及250，直到vdd超过19伏特且起动控制器106b重新进入其低功率休眠模式。另一方法是：次级侧控制器218可已确定跨电容器240的电压已下降到低于特定阈值。当此情况发生时，次级侧控制器218唤醒，且经由隔离电路248将栅极脉冲发送到起动控制器106b的脉冲(pulse)节点(接针)。起动控制器106b检测到此、唤醒且增大其vddiq，从而开始电容器250的放电。当vdd下降到低于17伏特时，对功率开关236的选通再次开始。一旦电容器244及250经电压刷新，起动控制器106b的ovlo电路352a便可使起动控制器106b回到低功率休眠模式中(vin已超过19v)。一旦次级侧控制器218确定功率开关选通已停止，其便还返回到低功率休眠模式。如果次级侧控制器218决定保持被唤醒，那么其经由隔离电路248将信号发送到起动控制器106b的脉冲(pulse)节点(接针)以唤醒起动控制器106b。一旦ovlo电路352a释放，次级侧控制器218便可通过经由起动控制器106b选通功率开关236而主动调节功率转换器400。