用于隔离变换器的混合软启动的制作方法

背景技术：

用于隔离系统的传统电源控制器利用初级侧开关在控制器的次级侧感应电压。从初级侧到次级侧的电隔离和功率传递可以例如通过经由变压器的磁耦合，经由电容器网络的电容耦合或其组合来实现。在稳态操作期间，可以提供反馈以控制开关元件并且在转换器的次级侧的输出处提供期望的电压和电流。对于隔离转换器的初级侧控制器，反馈可以包括隔离元件，例如但不限于光耦合器。在某些控制方案中，对不可预测的启动条件的调节可能增加转换器的成本和复杂性。

概述

提供了用于启动隔离式功率转换器的装置和方法。在一个示例中，一种用于控制隔离式功率转换器的集成电路可以包括：控制电路，被配置为在所述隔离电源的启动周期的初始间隔期间根据启动时间表控制主开关或初级侧开关的占空比，并且在所述dc输出功率信号的电压电平高于启动阈值之后的所述启动周期的第二间隔期间切换到所述主开关的闭环控制模式。

该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。其并不旨在提供本主题的排他性或穷尽性解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式总体示出了本文献中讨论的各种实施例。

图1大体上示出了根据本主题的示例的隔离转换器100。

图2一般性地示出了根据本主题的示例的用于隔离功率转换器的启动的方法的流程图。

具体实施方式

两种常见的控制拓扑可以分为脉冲宽度调制(pwm)和谐振频率拓扑。pwm拓扑通常使用可调整占空比作为控制变量。隔离转换器的谐振频率控制通常使用频率作为控制变量以在期望的电压和电流下输送功率。电压模式控制和电流模式控制是用于允许隔离转换器维持期望的电压输出的典型控制策略。欠压模式控制，来自次级侧的电压反馈用于控制主开关的占空比。在电流模式控制下，可以基于来自转换器的次级侧的电压误差反馈来调整初级侧电流限制。电流限制可以设置主开关的占空比。一般来说，电流模式控制系统提供诸如线路抑制，简化的误差补偿和对变化的负载条件的更好响应的益处。当占空比>50％时，电流模式控制会出现次谐波振荡。在一些示例中，可以使用诸如斜率补偿电阻器的斜率补偿来衰减子谐波振荡。在一些示例中，隔离转换器控制器的内部电路可以用于提供斜率补偿。

在使用电流模式控制策略的隔离转换器的启动期间，若干因素可使得转换器的控制困难。例如，在启动期间，次级侧的输出电压在预定时间段内可能不上升。在这样的启动期间，使用反馈可能是无用的和不稳定的。此外，在启动期间隔离变换器的电流需求低的情况下，输出电压可以非常快地上升，并且可以急剧地超过期望的输出电压。承受这些启动条件的容限会增加隔离转换器的成本和复杂性。

本发明人已经认识到用于隔离转换器的混合软启动策略，其允许转换器快速提供次级侧电压而没有过冲，并且与使用电压控制策略的转换器相比，随后提供对变化的负载或输入电压条件的快速响应。虽然不限于此，本主题非常适合于使用隔离控制集成电路管芯的隔离转换器，其可以电耦合到隔离转换器的初级侧和次级侧上的元件，但仍然在初级侧和次级侧之间提供电隔离，侧和次级侧。

图1大体上示出了根据本主题的示例的隔离转换器100。隔离转换器100可以包括初级侧101、次级侧102、功率隔离器103和控制器104。初级侧101可以包括初级侧开关105。为了简单起见，图1示出了单个初级侧开关。本主题不限于此。在某些示例中，如本文所讨论的混合软启动还可以应用于功率拓扑，其包括但不限于半桥pwm、全桥pwm、回扫pwm、正向pwm、半桥llc谐振和全桥llc谐振拓扑。在某些示例中，初级侧101可以包括可选的电流检测器106。初级侧101可以接收电压输入(vin)，并且初级侧开关105可以经由控制器104的输出周期性地建立和中断包括电压输入(vin)和隔离器103的电气电路。对于变压器功率隔离器103，初级侧开关105的切换可以使用磁耦合将功率从隔离器103的初级侧101传输到次级侧102。对于电容性功率隔离器(未示出)，初级侧开关105可以与次级侧开关结合工作，以将电荷从初级侧101传送到次级侧102。在某些示例中，次级侧102可以包括整流器和滤波器107以接收由初级侧开关105的切换感应的振荡功率信号，并且在隔离转换器100的输出处提供期望的直流(dc)电压。

在某些示例中，控制器104或控制电路可以控制初级侧开关105的状态，并且可以在若干控制模式之一中操作。在某些示例中，控制器104可以包括开关逻辑108、控制比较器109、误差放大器110和控制隔离器111。在一些示例中，开关逻辑108或开关电路可以包括脉冲宽度调制(pwm)开关电路。开关逻辑108或开关电路可以经由控制器104的输出来控制初级侧开关105。控制比较器109可以耦合到电流检测器106，并且可以接收隔离器103的初级侧的电流的表示。控制比较器109可以同时接收误差信号并且可以为开关逻辑108提供控制信号。误差放大器110可以接收指示隔离转换器100的期望输出电压的电压参考(vref)以及表示隔离转换器100的实际输出电压(vout)的反馈信号，并且可以向控制比较器109提供表示期望输出电压和实际输出电压(vout)之间的差的误差信号。在一些示例中，可以通过例如经由电阻器-电容器(rc)网络(未示出)在不同频率添加增益来补偿误差放大器110。在某些示例中，电压参考(vref)可以由控制器104的参考电压发生器116提供。控制隔离器111可以在通信时在控制器104的主端子和控制器104的次级端子之间提供电隔离跨越隔离栅的控制信息。如图1所示，控制隔离器111可以允许耦合到隔离转换器100的次级侧102的电压反馈电路112的误差放大器110的补偿误差信号被传递到控制比较器109，控制比较器109耦合到例如电流检测器106的初级侧101的电流检测器106。在某些pwm示例中，在电流模式控制中，控制比较器109可以被称为电流限制比较器。在一些示例中，控制隔离器111可以包括一个或多个磁耦合隔离器。在一些示例中，控制隔离器111可以包括高频变压器，例如高频空芯变压器。在一些示例中，控制隔离器111可以包括利用电容耦合技术的电容器。在一些示例中，控制隔离器111可以包括一个或多个光学隔离器。

在某些示例中，一旦隔离转换器100启动，开关逻辑108可以在开环模式下操作，然后在实际输出电压(vout)上升到次级电路的功率电路元件时切换到闭环电流模式。对于使用全电流模式控制的隔离转换器，以开环电流模式启动可能存在问题。这种启动模式可以从接近零扫描电流限制并且可以逐渐增加电流限制。然而，为了开始在隔离转换器100的输出处建立电压，可用电流以及扩展的电流限制需要高于负载电流，使得电荷可以开始在输出电容器113上建立。因此，当负载相对高时，开环电流限制启动方法可导致建立实际输出电压(vout)的显着延迟。当负载相对较轻时，开环电流限制启动方法可以很容易地建立电压，并且实际输出电压(vout)可以超过隔离变换器100的期望或额定输出电压。调节这种过冲可以增加隔离转换器的成本和复杂性。未能补偿这种过冲可能会缩短隔离式变换器的可用寿命。

如上所述，本发明人已经认识到用于隔离转换器的混合启动方法。在某些示例中，开关逻辑108在开环电压模式下启动，然后切换到闭环电流模式。混合启动方法允许隔离式转换器的实际输出电压(vout)立即开始上升，因为开环电压控制上的电流极限很小。在某些示例中，开环启动的逐渐斜坡是目标，并且控制可以在预定间隔之后从开环电压模式控制改变到闭环电流模式控制。对于具有固定开关频率的隔离转换器，开环电压控制可以通过逐渐增加初级侧开关105的占空比或导通时间来开始使隔离式转换器100的输出电压(vout)上升至所需的输出电压。对于具有谐振控制拓扑的隔离转换器，开环电压模式控制可通过保持开关频率稳定并增加初级侧开关105的占空比或导通时间来开始使输出电压(vout)上升到期望的输出电压。在一些示例中，谐振拓扑转换器的混合软启动可以通过保持开关频率固定并且将占空比从0增加到50％来进展。在某个点，例如10％占空比，输出电压(vout)可以大于锁定阈值(下面讨论)，并且转换器的次级侧可以被上电。在转换器的次级侧启动之后，并且大约在初级侧开关105的开环占空比达到50％的时间，固定频率使用隔离器111和误差放大器从初级侧传输到次级侧110可以开始提供可以直接控制开关逻辑108的频率误差信息。在这样的示例中，隔离转换器100可以不包括控制比较器109或峰值检测器115.因此，混合软启动可以允许功率转换器100以在启动和稳态功率输送的剩余期间利用在初始启动和闭环控制期间的电压模式控制的益处。在某些示例中，根据本主题的混合软启动可以减轻与允许控制器104从次级侧102以闭环模式操作的切换电路相关联的时序约束。

在一些示例中，隔离转换器控制器104可以包括欠压锁定(uvlo)电路114。当隔离转换器100掉电或实际输出电压(vout)低于锁定阈值时，uvlo电路114可以提供默认锁定信号。在启动时，随着隔离转换器100的输出电压(vout)开始上升，当隔离输出电压(vout)满足锁定阈值时，uvlo信号可以改变状态。在某些示例中，uvlo信号可以启用或影响依赖于用于功率或模式控制的实际输出电压(vout)的某些电路，包括例如但不限于隔离器111、误差放大器110、同步整流器控制器117、峰值电流存储器电路115、开关逻辑108或其组合。在一些示例中，uvlo信号可以可选地由开关逻辑108用于从开环启动电压模式切换到闭环电流模式。在某些示例中，锁定阈值可以显着不同于期望的输出电压，使得闭环控制模式可以在实际输出电压(vout)已经斜升到期望的输出电压电平之前被使能。

在某些示例中，控制器104可以包括存储器电路(ipeak)115或用于在开环电压启动模式期间存储峰值初级电流的采样和保持电路。对于具有固定开关频率的隔离功率转换器，在切换到闭环电流控制时，控制器104经由存储器电路115可以向控制比较器109提供初始电流限制，并且控制从开环电压到闭环电流可无缝发送。在完成具有初始电流限制的第一闭环切换周期时，反馈环可以用于向电流比较器提供后续电流限制值。

在某些示例中，控制器104可以包括存储器电路或用于在开环电压启动模式期间存储最后占空比的采样和保持电路。对于具有谐振控制拓扑的隔离功率变换器，在切换到闭环电流控制时，控制器经由存储器电路可以基于最后占空比的持续时间向电流比较器提供初始频率，并且切换从开环电压到闭环电流的控制可以无缝地发生。在完成具有初始频率的第一闭环切换周期时，反馈环可以用于向开关逻辑108或控制比较器109提供后续频率值。

在某些示例中，采用如上所述的混合启动的隔离转换器100可以提供电压在输出电容器113上的立即建立，而不管负载电流值如何，可以消除与在启动时转换到闭环电流控制相关的定时问题，并可避免输出电压过冲，特别是对于低输出电压，无需额外的启动电路。

在一些隔离转换器中，滤波器和整流器107可以可选地包括同步整流器。开关信息(诸如由控制比较器109提供的信息)可以由可选的同步整流器控制器(src)117使用，以在一些示例中通过另一隔离器(如111)控制同步整流器。在某些示例中，由控制比较器109提供的信息可以使用附加的隔离器跨控制器的隔离屏障传送。

图2一般性地示出了根据本主题的示例的用于隔离功率转换器的启动的方法的流程图。在201，可以在隔离式功率转换器的隔离器的初级侧上接收输入电压。在202，可以在隔离器的次级侧上提供振荡功率信号。在某些示例中，可以使用被配置为周期性地建立或完成电路并且中断包括隔离器的初级侧和输入电压的电路的初级侧开关来感生振荡功率信号。在203，在启动周期的初始间隔期间，初级侧开关可以被控制在开环电压模式。启动间隔的初始周期可以在隔离器的初级侧首次接收到输入电压时开始。在204，在启动周期的第二间隔期间，可以在闭环电流模式中控制初级侧开关。在某些示例中，启动周期的第二间隔可以在启动周期的初始间隔之后立即启动。

各种注释&例子

在示例1中，功率转换器可以包括具有初级侧和与来自初级侧的电流电隔离的次级侧的电隔离器，隔离器被配置为在初级侧上接收输入电压并且提供振荡功率信号在次级侧上耦合初级开关，初级开关被配置为在第一状态中完成初级侧电路并且在第二状态中中断初级侧电路，初级侧电路包括隔离器的初级侧，次级电路被配置为接收振荡功率信号并提供直流(dc)输出功率信号，以及控制电路，被配置为在启动周期的第一间隔期间根据开环占空比控制初级开关的占空比所述隔离功率转换器，并且在所述直流输出功率信号的电压电平被确定为高于启动阈值之后，在所述启动周期的第二间隔期间切换到所述初级开关的闭环控制模式。

在示例2中，示例1的控制电路可选地包括第一比较器。第一比较器可以包括用于接收dc输出功率信号的电压电平的表示的第一输入，用于接收启动阈值的表示的第二输入，其中比较器被配置为比较电压的表示并且当所述dc输出功率信号的电压电平的表示满足所述启动阈值时，将控制从所述开环占空比切换到所述闭环控制模式。

在示例3中，示例1-2中的任何一个或多个的开环占空比可选地被配置为在第一间隔期间逐渐增加主开关的接通时间。

在示例4中，示例1-3中的任何一个或多个的控制电路可选地包括峰值电流检测器电路，其被配置为在启动周期的第一间隔期间接收隔离器的初级侧中的电流的表示，存储指示在所述初级开关的导通时间期间所述隔离器的初级侧的峰值电流的峰值电流值。

在示例5中，示例1-4中的任何一个或多个的控制电路可选地包括误差放大器电路。误差放大器可以包括：第一输入，用于接收dc输出功率信号的电压电平的表示；第二输入以接收第二阈值的表示，以及输出，用于基于所述dc输出功率信号的电压电平的表示与所述第二阈值的比较来提供电流限制阈值。

在示例6中，示例1-5中的任何一个或多个的控制电路可选地包括控制比较器或电流限制比较器电路。电流限制比较器可以包括用于接收通过初级开关的电流的表示的第一输入和用于接收峰值电流值的第二输入。比较器电路可以被配置为在闭环电流模式控制的至少第一开关周期期间基于通过初级开关的电流的表示和峰值电流值的比较提供电流限制信号。

在示例7中，在闭环控制模式的至少第一切换周期之后，示例1-7中的任何一个或多个的电流限制比较器可选地被配置为接收在第一输入处通过主开关的电流的表示，在第二输入处接收电流限制阈值，以及基于通过初级开关的电流的表示与电流限制阈值的比较来提供电流限制信号。

在示例8中，其中示例1-7中的任何一个或多个的控制电路可选地包括开关电路。开关电路可以被配置为驱动初级开关的控制端子，以控制初级开关的开关频率和初级开关的占空比，并且接收电流限制信号并且调节初级开关的占空比基于电流限制信号。

在示例9中，示例1-8中的任何一个或多个的开关电路可选地是具有固定开关频率的脉宽调制(pwm)开关电路。

在示例10中，集成电路管芯可选地包括示例1-9中的任何一个或多个的控制电路，并且集成电路管芯可以包括用于在初级侧电路元件之间传递信息并维持隔离的基于空气芯的隔离器集成电路管芯和集成电路管芯的次级侧电路元件。

在示例11中，示例1-10中的任何一个或多个的集成电路管芯的初级侧电路元件可选地包括电流限制比较器，并且示例1-10中的任何一个或多个的次级侧电路元件可选地包括误差放大器。

在示例12中，示例1-11中的任何一个或多个的控制电路可选地包括误差放大器电路。误差放大器可以包括：第一输入端，用于接收dc输出功率信号的电压电平的表示；第二输入端，用于接收第二阈值的表示；以及输出端，用于基于直流输出功率信号的电压电平的表示和第二阈值。

在示例13中，示例1-12中的任一个或多个的隔离功率转换器可选地包括被配置为驱动初级开关的控制端子并且控制初级开关的频率和占空比的开关电路，电路被配置为接收错误切换频率并且基于错误切换频率来调整主开关的频率。

在示例14中，集成电路管芯可选地包括示例1-13中的任何一个或多个的控制电路。集成电路管芯可选地包括用于在集成电路管芯的初级侧电路元件和集成电路管芯的次级侧电路元件之间传送信息并且保持隔离的基于空气芯的隔离器。

在示例15中，示例1-14中的任何一个或多个的集成电路管芯的初级侧电路元件可选地包括开关电路，并且示例1-14中任一个或多个的次级侧电路元件可选地包括误差放大器。

在示例16中，用于控制隔离式功率转换器的集成电路可以包括控制电路，该控制电路被配置为在隔离的启动周期的初始间隔期间根据开环占空比调度来控制初级开关的占空比并且在dc输出功率信号的电压电平高于启动阈值之后的启动周期的第二间隔期间切换到初级开关的闭环控制模式。隔离功率转换器可以包括被配置为接收输入电压的初级侧和被配置为提供直流(dc)电源电压的次级侧，初级侧和次级侧彼此电隔离。

在示例17中，示例1-16中的任何一个或多个的控制电路可选地包括误差放大器。误差放大器可以包括：第一输入端，用于接收dc输出功率信号的电压电平的表示；第二输入端，用于接收第二阈值的表示；以及输出端，用于基于所述dc输出功率信号的电压电平和所述第二阈值。

在示例18中，示例1-14中的任何一个或多个的控制电路可选地包括电流检测器，其被配置为存储在启动周期的初始间隔期间初级开关的峰值电流值和电流限制比较器。电流限制比较器可以包括用于接收通过主开关的电流的表示的第一输入和用于接收误差信号的隔离版本的第二输入。电流限制比较器可以被配置为在闭环控制模式的至少第一开关周期期间基于通过初级开关的电流的表示和峰值电流值的比较提供电流限制信号。

在示例19中，在闭环控制模式控制的至少第一切换周期之后，示例1-18中的任何一个或多个的电流限制比较器可选地被配置为接收在第一时间通过主开关的电流的表示输入，以在所述第二输入处接收所述误差信号，并且基于通过所述初级开关的电流的表示与所述误差信号的比较来提供所述电流限制信号。

在示例20中，示例1-19中的任何一个或多个的控制电路可选地包括开关逻辑。开关逻辑可以被配置为驱动初级开关的控制端子，以控制初级开关的开关频率和占空比，接收电流限制信号并且基于电流来调节初级开关的占空比限制信号。

在示例21中，示例1-20中的任何一个或多个的控制电路可选地包括开关逻辑。开关逻辑可以被配置为驱动初级开关的控制端子，以控制初级开关的开关频率和占空比，接收误差信号并且基于电流限制信号来调节初级开关的频率。

在示例22中，当开环占空比接近50％时，示例1-21中的任一个或多个的主开关的开关频率可选地被传递到误差放大器，并且误差放大器可以提供初始闭环输出等于到开关频率。

在示例23中，软启动隔离的功率转换器的方法可以包括在隔离的功率转换器的隔离元件的初级侧上接收输入电压，在隔离元件的次级侧上提供振荡功率信号，在所述隔离式功率转换器的次级侧电路处提供振荡功率信号，在所述次级侧电路的输出处提供直流(dc)输出功率信号，在开环模式期间控制所述隔离功率转换器的初级侧开关所述隔离式功率转换器的启动周期的初始间隔，所述初级侧开关与所述隔离式功率转换器的隔离元件的初级侧电耦合，并且在第二期间控制所述初级侧开关处于闭环模式启动周期的间隔，紧接在初始间隔之后的第二间隔。

示例24可以包括或可以可选地与示例1至23中的任何一个或多个的任何部分或任何部分的组合，以包括主题，主题可以包括用于执行示例1至23的任何一个或多个功能的装置，23或包括指令的机器可读介质，所述指令在由机器执行时使机器执行示例1至23的功能中的任何一个或多个。

这些非限制性示例中的每一个可以独立，或者可以以各种排列或组合与一个或多个其他示例组合。

上述详细描述包括对形成详细描述的一部分的附图的参考。附图通过说明示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这些示例可以包括除了所示或所描述的元件之外的元件。然而，本发明人还考虑了其中仅提供所示或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑使用关于特定示例(或其一个或多个方面)或相对于其他示例(或其一个或多个方面)使用所示或所述元件(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例(或其一个或多个方面)。

如果本文档与通过引用并入本文的任何文档之间的用法不一致，则本文档中的用法将受到控制。

在本文中，如在专利文献中常见的，使用术语“一个”或“一个”来包括一个或多于一个，独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其它实例或用法。在本文中，术语“或”用于指非排他性的，或者使得“a或b”包括“a但不是b”、“b但不是a”和“a和b”，除非另有说明表示。在本文中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的简单英语等价物。另外，在所附权利要求中，术语“包括”是开放式的，即，包括除了在权利要求中的这样的术语之后列出的元件之外的元件的系统、装置、物品、组成、配方或过程仍被认为落入该权利要求的范围内。此外，在所附权利要求中，术语“第一”，“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不旨在对其对象强加数字要求。

本文描述的方法示例可以是至少部分地机器或计算机实现的。一些示例可以包括用指令编码的计算机可读介质或机器可读介质，可操作用于将电子设备配置为执行如上述示例中所描述的方法。这样的方法的实现可以包括代码，诸如微代码、汇编语言代码、更高级语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在示例中，代码可以例如在执行期间或在其他时间有形地存储在一个或多个易失性，非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，压缩盘和数字视频盘)、磁带盒、存储卡或棒、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)等。

上述描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。可以使用其他实施例，诸如由本领域普通技术人员在阅读上述描述之后。提供摘要以符合37c.f.r.§1.72(b)，允许读者快速确定技术公开的性质。提交时应理解，其不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上详细描述中，各种特征可以被分组在一起以简化本公开。这不应被解释为意图未声明的公开的特征对于任何权利要求是必要的。相反，发明主题可以在于少于特定公开的实施例的所有特征。因此，所附权利要求由此作为示例或实施例并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立作为单独的实施例，并且可以设想这样的实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。