专利名称：用于开关模式功率转换器的控制器的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于开关模式功率转换器的控制器的领域，具体地而非排他地，涉及一种在恒流操作模式和恒压操作模式下操作开关模式功率转换器的控制器。
背景技术：
已知在适配器和低功率转换器中使用开关模式电源(SMPS)转换器。这种转换器可以用于提供在输出电压范围上调节的最大输出电流，这对于如下是需要的移动电话、电动剃须刀和其他手持应用中使用的电池充电，可以提供恒定光输出而无调光的发光二极管(LED)应用，次级ニ极管中限定的最大耗散，以及具有开放连接器的壁式插头充电器的短路保护。可以提供用于电池充电器的干线隔离的常用SMPS技术是反激式(flyback)转换器。现有已公开文献或说明书中任意背景技术中的列举或讨论并非是看作是对于所述文献或背景技术是现有技术一部分或公知常识的承认。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种用于开关模式功率转换器的控制器，所述开关模式功率转换器具有开关，其中所述开关模式功率转换器可以按照恒流操作模式和恒压操作模式工作，其中所述控制器配置为输出针对所述开关的开关控制信号，并且配置为接收感测电压输入信号；以及初级电流输入信号；其中所述控制器包括恒流模式控制器，配置为处理感测电压输入信号并且产生输出控制信号，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者；恒压模式控制器，配置为处理感测的电压输入信号并且输出控制信号，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者；初级峰值电流调节器，配置为处理初级电流输入信号、和来自恒流模式控制器和恒压模式控制器的输出控制信号之ー或两者，以配置开关控制信号关断所述开关；开关频率调节器，配置为处理来自恒流模式控制器和恒压模式控制器的输出控制信号之ー或两者，以配置开关控制信号接通所述开关；其中所述控制器配置为如果所述恒压模式控制器的输出控制信号表示峰值电流和开关频率处于最大值的操作，则使能恒流模式控制器。这种控制器可以提供在针对峰值电流和开关频率的最大值发生转变时在恒流操作模式和恒压操作模式之间转变的有利方式，从而限定转换器的最大输出功率。可以利用控制器集成电路中的少量附加部件并且无需要求在控制器集成电路(IC)上的任意附加管脚，按照这种方式相对于输出功率来控制转变。所述恒流模式控制器可以配置为在被使能时产生输出控制信号。在其他示例中，恒流模式控制器可以配置为当被使能时产生输出控制信号，所述输出控制信号设置或者修改峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者。如果没有使能恒流模式控制器，恒流模式控制器可以配置为产生输出控制信号，所述输出控制信号不设置或修改峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者。所述控制器可以配置为如果恒流模式控制器的输出控制信号表示峰值电流和开关频率处于最大值的操作，则使能恒压模式控制器。这对于以下情况而言可以是额外的或作为替代如果所述恒压模式控制器的输出控制信号表示峰值电流和开关频率处于最大值的操作，则使能恒流模式控制器。初级峰值电流调节器可以配置为提供开关控制信号，使得所述开关控制信号配置 为关断所述开关以提供恒定峰值电流处于最大值的操作。在一些实施例中，如果以恒定的初级峰值电流控制转换器，可以不需要初级峰值电流调节器。所述开关频率调节器可以配置为提供开关控制信号，使得所述开关控制信号配置为以处于最大值的恒定频率接通开关。在一些实施例中，如果以恒定的开关频率来控制转换器，可以不需要开关频率转换器。所述控制器可以配置为当恒压模式控制器的输出控制信号表示开关频率和初级峰值电流在其最大值的操作，并且感测电压输入信号下降到CC阈值电平时，使能恒流控制器。CC阈值电平可以在开关模式功率转换器按照恒压模式操作时的电压电平以下。按照这种方式，在恒流操作模式和恒压操作模式之间提供转变模式。所述控制器可以配置为在恒流操作模式和恒压操作模式之间转变时，以开关频率和初级峰值电流的最大值来操作所述开关模式功率转换器。按照这种方式提供转变模式，从而维持最大输出功率，并且针对合适恒定模式下的后续操作，将输出电流和输出电压之ー调节为恒定值。开关模式功率转换器也可以按照调节电流操作模式(regulated current mode ofoperation)来操作。所述控制器可以包括调节电流模式控制器，包括前述恒流模式控制器，配置为产生输出控制信号，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者，使得针对在CC阈值电平和折返(fold-back)阈值电平之间的感测电压输入信号，输出电流保持实质上恒定；以及折返控制器，配置为产生输出控制信号，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者，使得针对折返阈值电平以下的感测电压输入信号，随着感测电压输入信号减小，输出电流减小。这种调节电流模式控制器可以使能开关模式功率转换器来提供折返操作，所述折返操作可以对于满足ー些标准而言是需要的，或者在输出持续过低的情况(例如对于输出处的短路)下是需要的。恒流模式控制器可以配置为产生针对开关频率调节器的输出控制信号和针对初级峰值电流调节器的输出控制信号，使得针对开关最小值以上的开关频率值来调节开关频率，并且保持初级峰值电流恒定。按照这种方式，可以确保开关频率不会下降到如由开关最小值所定义的可听水平。恒流模式控制器可以配置为产生针对开关频率调节器的输出控制信号和针对初级峰值电流调节器的输出控制信号，使得当开关频率达到开关最小值时，保持开关频率恒定在开关最小值处并且调节初级峰值电流。相比于峰值电流，优先调节开关频率，这在ー些示例中可以认为更高效，在一些实施例中可以认为在计算上更有效。因此，当按照恒流模式操作时可以针对较高的感测电压电平来调节开关频率。开关频率调节器可以配置为设置开关控制信号的频率。初级峰值电流调节器可以配置为设置开关控制信号的占空比或接通时间(因为开关频率是可变的)，或者设置针对初级峰值电流的感测电平。初级峰值电流调节器可以配置为当开关模制功率转换器按照恒压操作模式操作时，根据来自恒压控制器的输出控制信号来调节峰值电流。恒压模式控制器的输出控制信号可以表示具有最大初级峰值电流的操作，并且恒流模式控制器的输出控制信号可以表示所需的从最大初级峰值电流的扣减，以按照恒流模式操作。 初级峰值电流调节器可以配置为当开关模式功率转换器按照恒流操作模式操作时，根据来自恒流控制器的输出控制信号和来自恒压控制器的输出控制信号来调节峰值电流。因为当按照恒流操作模式操作时可以不必禁用恒压控制器，所以可以认为这种转换器是有利的。初级峰值电流调节器可以包括通过恒压控制器可控的第一可变电流源和通过恒流控制器可控的第二可变电流源。第一和第二可变电流源可以彼此并联并具有ー个公共输出。来自第二可变电流源的电流可以配置为被从第一可变电流源的电流中减掉，以在恒流操作模式下调节初级峰值电流。所述开关频率调节器可以配置为当开关模式功率转换器按照恒压操作模式操作时，根据来自恒压控制器的输出控制信号来调节开关频率。开关频率调节器可以配置为当开关模式功率转换器按照恒流操作模式操作时，根据来自恒压控制器的输出控制信号和来自恒流控制器的输出控制信号两者来调节开关频率。因为当按照恒流操作模式操作时可以不必禁用恒压控制器，所以可以认为这种转换器是有利的。恒压模式控制器的输出控制信号可以表示具有最大开关频率的操作，并且恒流模式控制器的输出控制信号可以表示所需的从最大开关频率的扣减，以按照恒流模式操作。所述开关频率调节器可以包括通过恒压控制器可控的第一可变电流源和通过恒流控制器可控的第二可变电流源。第一和第二可变电流源可以彼此并联并具有ー个公共输出。来自第二可变电流源的电流可以配置为被从第一可变电流源的电流中减掉，以在恒流操作模式下调节初级峰值电流。所述恒流模式控制器可以配置为提供输出控制信号，所述输出控制信号防止在零伏特的感测电压输入下初级峰值电流下降到零。这种最小电平可以用于确保所述控制器可以正确启动。根据本发明的另ー个方面，提出了ー种操作开关模式功率转换器的方法，包括通过调节开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者，在恒流操作模式下操作所述开关模式功率转换器；
当峰值电流和开关频率操作參数达到最大值时，将开关模式功率的操作模式从恒流操作模式改变为恒功率操作模式，其中在恒功率操作模式下操作开关模式功率转换器包括应用峰值电流和开关频率操作參数两者的最大值；以及当输出电压达到恒定电压电平时，将开关模式功率转换器的操作模式从恒功率操作模式改变为恒压工作模式，其中在恒压操作模式下操作开关模式功率转换器包括调节开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者。可以在恒流操作模式下开关模式功率转换器所经受的负载要求以最大峰值电流和开关频率值操作时，执行从恒流操作模式到恒功率操作模式的操作模式改变步骤。可以在开关模式功率转换器所经受的负载要求以最大值以下的峰值电流和开关频率来产生恒定输出电压电平的操作时，执行从恒功率操作模式到恒压操作模式的开关模式功率的操作模式改变步骤。
可以提供ー种包括这里公开的任一控制器的开关模式功率转换器。可以提供ー种包括这里公开的任一开关模式功率转换器或控制器的电池充电器。可以提供一种计算机程序，其中当在计算机上运行所述计算机程序时，所述计算机程序引起计算机配置包括这里公开的电路、控制器、转换器或器件的任何设备，或者执行这里公开的任何方法。所述计算机程序可以是软件实现，并且可以将所述计算机看作是任何合适的硬件，包括数字信号处理器、微控制器以及只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)形式的实现，作为非限制性示例。所述软件可以是汇编程序。可以将所述计算机程序设置在计算机可读介质上，所述计算机可读介质可以是诸如盘或者存储器之类的物理计算机可读介质，或者可以实现为瞬态信号。这种瞬态信号可以是网络下载的，包括因特网下载。
图I示出了已知的反激式转换器；图2示出了根据本发明实施例的控制器；图3用图表示出了图2的控制器的示例操作；图4示出了根据本发明实施例的方法的流程；图5示出了根据本发明另ー个实施例的控制器；图6用图表示出了图4的控制器的示例操作；以及图7用图表示出了根据本发明实施例的控制器的示例操作。
具体实施例方式本发明的一个或多个实施例涉及用于开关模式功率转换器的控制器。所述控制器可以产生用于开关模式功率转换器的开关控制信号，使得开关模式功率转换器的输出可以按照恒流操作模式和恒压操作模式操作。所述控制器可以处理感测电压输入信号和初级电流输入信号，以便控制以下之ー或两者，以按照恒流模式或恒压模式操作(i)开关模式功率转换器的初级侧的峰值电流；(ii)开关频率。按照这种方式，可以控制开关功率转换器，使得在恒流模式和恒压模式之间转变时不超过针对(i)和(ii)的最大值，因此不超过最大输出功率。可以利用相对较少的附加集成部件实现这种方式的在操作模式之间的转变，并且在ー些实施例中不需要控制器集成电路(IC)上的附加管脚。图I示出了已知的反激式转换器100。反激式转换器100包括控制器102，在该示例中该控制器也包括反激式转换器100的开关104。这里将不会描述在现有技术众所周知的反激式转换器100的ー些部件。如现有技术已知的，开关104串联连接在变压器108的初级绕组106和感测电阻器110之间。感测电阻器110的另一端接地。 变压器108包括辅助绕组112，所述辅助绕组用于向控制器102提供电源电压和电流。这种电源电流在图I中示出为Isupply 124，并且提供给控制器102的VCC管脚。此夕卜，包括两个电阻器R1114和R2116的电阻分压器与辅助绕组112串联连接，以向控制器102的FB管脚提供感测的电压信号130。从两个电阻器R1114和R2116的结点提供该感测电压信号130，并且该感测电压信号表示由于变压器108的辅助绕组112、初级绕组106和次级绕组118之间的磁耦合而导致的反激式转换器的输出。在图I中也标识了以下信号Iprimary 120，表示流过初级绕组112并也流过开关104的电流；Fswitch 122，表示控制器102操作开关104的频率；Iout 126,表不反激式转换器100的输出电流；以及Vout 128,表不反激式转换器100的输出电压。这里公开的ー个或多个实施例涉及用于反激式转换器100的控制器102，可以改善转换器100的性能。本发明的实施例可以不使用或者使用最少的附加电路，并且可以使用在控制器102的FB管脚处的最大输出功率级别和感测的反激式电压130，作为用于控制转换器的输出的两个基准參数。图2示出了根据本发明实施例的控制器200。控制器200可以是图I的控制器102的一部分，以提供根据本发明实施例的转换器。开关没有示出是图2的控制器200的一部分，尽管在其他实施例中可以包括诸如场效应晶体管(FET)之类的开关作为控制器200的一部分。控制器200接收感测的电压输入信号202和对变压器初级侧的电流(Ipiimmy)加以表示的初级电流输入信号204，所述感测的电压输入信号202可以是由图I的电阻分压器114、116提供的信号(Vfb) 130。如图I所示，可以将初级电流输入信号204看作是流过变压器108的初级侧的感测电阻器(Rsense 110)的电流。控制器200输出开关控制信号206，所述开关控制信号可以用于操作转换器的开关。在该示例中，感测电压输入信号202是在开关周期的导通结束附近，在次级冲程(secondary stroke)的末端已经感测和采样的Vfb的值。在开关周期中的这ー时刻，FB管脚上的感测电压(将称作Vfbs)是输出处的次级电压的良好表示。在次级冲程的末端，可以将Vfbs看作是良好的值，因为Vfbs不会受到由电流换向引起的漏极处的任何振铃(ringing)的显著影响，它是在如下时间采样的在该时间，具有次级输出ニ极管的最小正向电压，并且部件之间迹线的铜电阻上、ニ极管电阻上和次级输出电容器的等效串联电阻(ESR)上具有最小电压降。假定输出ニ极管上下降的电压(Vditjde)比输出电压(V。」小得多。当使用要求高效率的转换器时会尤其如此，，要求高效率的转换器例如是具有5V输出电压并使用O. 3V低电压肖特基ニ极管的转换器。感测电压信号的采样值(Vfbs)和转换器的输出电压(V。」之间的近似关系是Vout = Vfbs · ns/na · (R1+R2) /R2其中
ns是次级绕组的匝数；na是辅助绕组的匝数；以及Rl和R2是图I所示的电阻桥114、116中的电阻器的值。当图I的反激式转换器100作为按照非连续传导模式(discontinuousconduction mode,DCM)的电源操作时,姆ー个开关周期向如图I所示的变压器108的次级绕组118 (输出)和辅助绕组112传递能量包V2 · Lp. Ipeak20转换器可以具有针对Ipeak_max和fswitc;h-max的最大值，其限定了可以传递的最大功率。可以将针对初级电流(Ipeak_max)和开关频率(fswitc;h-max)的最大值看作是在控制器IC上存储的控制范围的端值。在一些示例中用户可以通过设置外部感测电阻器的值来定义与
行比较的峰值初级电流的值。下面提供进ー步的细节。最大传送功率是其中IpMk__表示针对峰值初级电流的最大值；fswiteh_max表不开关频率的最大值；以及Lp是初级绕组的电感。将Vrat的以上近似代入最大功率等式给出了 Iout = Pout_max/Vout I0Ut12· Lp. Ipeak-max · fswitch-maxZVoutI— — 11. Lp. Ipeak-max · f switch-max/ (^FBS · nS/na· (R1+R2) /R2))为了在Vfbs改变时維持恒定的输出电流，可以调整以下表达式中的任ー个或两个使得它们恒定fswitch_max/VFBS ;和 / 或Ipeak-max /VfBS。应该理解的是以上等式中的所有其他參数(也就是Lp、ns、na、Rl和R2)是转换器常数。可以将控制器200输出的开关控制信号206提供给MOSFET的栅极，以控制MOSFET的传导沟道(漏极和源极之间)的传导性。如上所述在ー些示例中，开关(未示出)可以是控制器200的一部分，并且控制器可以具有与开关的各个端子分别对应的两个管脚(例如图I中所示的控制器102的漏极和源极管脚)。控制器200包括峰值电流调节器208，所述峰值电流调节器可以设置开关控制信号206的至少ー个參数，以操作所述开关，使得调节通过变压器的初级侧的峰值电流。控制器200也包括开关频率调节器210，所述开关频率调节器可以设置开关控制信号206的至少ー个參数，以调节操作开关的开关频率。在一个示例中，开关频率调节器210可以用于直接影响开关控制信号206的频率，这可以包括设置什么时候应该接通开关；并且峰值电流调节器可以用于影响针对开关控制信号206的初级峰值电流或接通时间的感测电平，这可以包括设置什么时候应该关断开关。如上所述，可以调节峰值初级电流和/或开关频率，以改变输出功率并且维持恒定的输出电流。控制器200包括恒流模式控制器212，所述恒流模式控制器配置为当转换器按照恒流操作模式操作时向峰值电流调节器208和开关频率调节器210提供控制信号。类似地，控制器200包括恒压模式控制器214，所述恒压模式控制器配置为当转换器按照恒压操作模式操作时向峰值电流调节器208和开关频率调节器210提供控制信号。峰值电流调节器208也接收初级电流输入信号(Ipiinmy) 204，使得通过初级侧的电流可用于控制器200。在该示例中，恒压控制器214向恒流控制器212提供使能信号218，使能信号218指示恒压控制器214是否提供对具有最大开关频率和最大峰值初级电流的操作加以表示的输出控制信号。按照这种方式，当峰值电流(Ipeak)和开关频率(fswitJ在其最大值处操作吋，发生从恒压模式到恒流模式的转变。恒压模式控制器214可以固有地(inherently) 知晓什么时候引起峰值电流调节器208和开关频率调节器210使用这些最大值，并且因此可以相应地设置使能信号218。在该示例中，当反激式转换器按照恒流操作模式操作时，可以不需要禁用恒压控制器214。也将感测电压输入信号202提供给恒流控制器212和恒压控制器214。当⑴感测电压输入信号202在恒定电流(CC)阈值以下，以及(ii)使能信号218指示开关模式功率转换器以最大开关频率和最大峰值初级电流操作时，可以使能恒流控制器212。在其他示例中，恒流模式控制器212可以向恒压控制器214提供使能信号220，使能信号220可以是除了针对恒流控制器212的使能信号218之外的附加信号，或者可以代替使能信号218。在该示例中，恒压模式控制器214向恒流控制器212提供使能信号218。在其他示例中，可以通过恒流控制器212和恒压控制器214的一个或两者来提供用于设置使能信号218的功能，或者可以通过分立的部件来提供该功能。在这些示例中，可能需要反馈峰值电流值和开关频率，因为这些參数的使用中的值可能不容易获取。对于涉及电池充电器的本发明实施例，例如用于对移动电话等充电的开关模式功率转换器，对于正被充电的设备而言，在现有技术中公知的是改变表现给开关模式功率转换器的负载阻杭，以控制是利用恒流还是恒压对设备进行充电。例如，当电池几乎充满吋，电池可以从充电器汲取恒定电压，以及当电池几乎为空吋，电池可以从充电器汲取恒定电流。将存在充电器从恒流模式到恒压模式的转变点。现在将參考图3描述图2的控制器200的示例操作，其示出了在垂直轴的次级冲程末尾的感测电压(Vfbs)和水平轴上的输出电流(I。」之间的关系。作为示例，用于全局干线输入的5W适配器的反激式控制器可以5V的恒压操作模式和IA的恒流操作模式。如上所述，转换器具有可以传递的最大功率，如下所述定义 I out-max 12· Lp. Ipeak—max · 土 switch—max如果在曲线上彼此对应地绘制输出电流和感测电压，可以将能够传递的最大功率看作是恒定功率双曲线308。恒定功率双曲线308上的任意位置表示具有最大峰值初级电
流(IpKik-miJ和最大开关频率(f switch-max
)的操作。
针对功率双曲线上的操作点的输出电流是Iout = Pout_max/Vout如果转换器按 照恒定输出电流操作模式操作，那么可以减小输出功率，以当表现给转换器的负载阻抗减小吋，针对减小的输出电压而维持恒定的输出电流。根据以上等式应该理解的是，可以通过减小⑴fswitc;h、或(ii)Ipeak、或(iii)fswitc;h和Ipeak,来减小输出功率级别。在垂直轴上示出了感测电压的三个阈值电平。这些阈值电平是=Vfbsct 302，表示当转换器按照恒压操作模式操作时的所需采样电压；VFBS。。304，表示转换器从恒流操作模式或向恒流操作模式转变时的采样电压电平，并且是上述的CC阈值电平的示例；以及UVLO306，表示电压封锁(lock out)电平。UVLO电平306定义了针对采样电压的最小值，可以确保向控制器供应足够的电压以正确操作。在一个示例中，诸如移动电话之类的设备可以改变展现给功率转换器的负载阻抗，使得其根据电池的充电水平来接收合适的电流和功率。操作转换器的开关，使得在达到最大峰值初级电流和最大开关频率之前，转换器针对电流值提供恒定输出电压电平(Vfbsct 302)，这在图3中将其示出为使最大功率双曲线308。也就是说，允许输出电流在恒压模式下増加，直至不能传递任何更多功率为止。在由图3的參考数字310所表示的这一点上，在不超过最大功率308的情况下，在停留在恒电压模式的同时，不能进ー步増加输出电流。在点310处，通过最大功率双曲线308定义了输出电流值，初级峰值电流和开关频率位于它们的最大值，并且输出电流等于最大功率除以输出电压。当转换器在最大功率下按照恒压模式操作时，展现给转换器的负载阻抗持续降低时，控制所述转换器，使得输出电流和输出电压继续沿着最大功率双曲线308从点310到点312，增加电流并且降低电压。可以将其看作是最大操作功率模式或转变操作模式。然后允许增加输出电流，直至输出电压满足用于切换到恒流操作模式的阈值电平VFBS。。304为止。在阈值电平VFBS。。304处，输出电流具有所需的恒定值。利用图3的參考数字312来标识至恒流模式的这种转变，当(i)初级峰值电流和开关频率处于其最大值(因此正在传递最大功率)，并且(ii)在次级冲程结束时的感测电压(Vfbs)在阈值电平(Vfbscc 304)以下时发生这种转变。图3所示的本发明实施例的操作提供了在恒压模式310的结束和恒流模式312的开始之间的操作裕度(operation margin)。在恒压模式中，将感测电压(Vfbs)调节到參考值Vfbsw 302。一旦感测电压(Vfbs)下降到稍微更低的Vf■的阈值电平304以下，则使能恒流模式。应该理解的是在其他实施例中，依赖于要求的恒定电压和恒定电流的电平以及可以传递的最大功率308，Vfbsw 302和Vfbscc 304之间的差异的大小可以大于或小于图3所示的大小。当控制转换器按照恒流模式操作，并且随着所示设备提供的负载阻抗继续降低而输出电压减小时，必须减小输出功率以维持恒定输出电流。这是由于众所周知的关系P =IXV0如上面详细讨论的，可以改变开关频率fswitc;h和/或峰值初级电流Ipeak,以调节输出功率。在一些示例中，由控制器的涉及恒压操作的部件对于开关频率fswitc;h和峰值初级电流Ipeak的值的贡献仍然涉及到最大值；控制器的涉及恒流操作的部件用于将开关频率fswitch和峰值初级电流Ipeak的值从这些最大值减小。在该示例中，当采样的输出电压Vfbs下降到VF·阈值电平304以下吋，开关频率fswitch减小并且随着Vfbs縮小，以维持恒定的输出电流。重新排列提供Iwt和fswitc;h之间关系的以上等式，并且假设当调节开关频率(fswitch)时保持峰值初级电流(IpeakJ恒定 fswitch — Iout/ ( /2· Lp- Ipeak-max ) · (^FBS· nS/na· (R1+R2) /R2) — kFsw. Vfbs其中kFsw是对以上等式中的所有固定參数加以表示的常数。 在开关频率fswitc；h达到开关最小水平之如，可以减小开关频率fswiteh。针对开关频率fswitc；h的开关最小水平的示例是人耳的可听界限(可以将其看作是20kHz)，或者是认为实际上听不见的任意值。在图3中用參考数字314示出了调节开关频率fswitc;h的输出电压范围，即直到fswitch达到可听阈值水平之前为止。当输出电压进ー步减小，并且开关频率fswiteh位于可听界限时，减小初级峰值电流Ipeak而不是f—以维持恒定输出电流水平。重新排列提供し和Ipeak之间关系的以上等式，并且假设当调节峰值电流(Ipeak)时保持开关频率(fswitc；h)恒定 Ipeak = ^flout{VFBS.n2 /.(M +尺2)/尺2))71Z72丄P·/谓.ic/2 = kIpk^Vfbs其中kIpk是对以上等式中的所有固定參数加以表示的常数。因此，Ipeak随縮小，以维持恒定输出电流。在图3中用參考数字316示出了可以调节峰值初级电流Ipeak的输出电压范围。在该示例中，存在输出电压可以减小至的界限，如阈值电平UVL0306所限定的。这种阈值电平306指的是控制器的最小电源电压，并且要求该阈值电平确保控制器在稳态操作时正确操作。例如并且如图I所示，可以将控制器设置为从转换器的变压器的辅助绕组 接收器电源电压(Vrc)的分立集成电路102。这ー电源电压(Vcc)必须保持在最小值以上；这ー最小电平称作Vcc的欠压封锁电平(UVLO)。在图3中用參考数字318示出了在阈值电平UVLO 306以下转换器的操作，在318这一点已经减小了 fswitah和Ipeak,并且维持非连续传导模式(DCM)操作。在启动期间发生UVLO以下的操作，这是转变情况，其中输出电压从OV增加到关于UVLO电平的电平306以上的所需电平。控制器可以防止fswitdl和Ipeak减小为0，以确保从OV输出电压的启动。可以将对于UVLO 306的值设置为小于在稳态使用时很可能要求的值。例如，当电池具有相对较少电荷时可以使用恒流模式，并且UVLO阈值306可以表不在电用完了的电池所要求的电压电平以下的感测电压电平(Vfbs)上的操作。在一个示例中，UVLO阈值可以表示IV的输出电压，并且电用完了的电池将展现负载，该负载将按照2V的电压电平汲取恒定电流。在一些示例中，可以适当地定义针对O输出电压的操作，因此定义O感测电HVfbs,使得所述转换器可以利用最小Iprak电流操作，并且使能转换器的启动。这在图3中用參考数字320表示。在一些实施例中，优选地是初始地在恒流模式下从最大输出电压电平(Vfbscc 304)开始调节fswitc；h-max/VFBS(与Ipeak相反),使得转换器按照相对接近边界传导模式(boundaryconduction mode, BCM)的非连续传导模式(DCM)来操作。这可以提高效率。图4示出了说明根据本发明实施例的方法的流程。所述方法提供了当从开关模式功率转换器恒流操作模式转变为恒压操作模式时控制器可以如何控制开关模式功率转换器的示例。所述方法开始于步骤402，其中控制器提供开关控制信号，所述开关控制信号引起转换器按照恒流操作模式操作。
在恒流操作模式期间，输出电压可以随着展现给转换器的负载阻抗增加而增加。这是图4的步骤404。当增加电池上电荷时，可以按照这种方式増加负载阻杭。当转换器按照恒流模式操作时，应该理解的是当输出电压增压时输出功率増加，并且这可以通过増加
Ipeakヽ fswitch 或两者来实现。在步骤406，当针对Ipeak和fswiteh的值处于它们最大值时，输出功率达到已针对转换器定义的最大值。在步骤408，控制器以针对Ipeak和fswiteh的最大值操作转换器，并且当负载继续增加时允许改变输出电流和输出电压，以维持输出功率的最大值。如上所述，这包括输出电流和输出电压遵循输出功率双曲线，并且可以看作是恒定功率操作模式。在步骤410，输出电压达到所需的恒定输出电压电平。在步骤412，当负载继续增加时，转换器按照恒压模式操作，具有降低的电流。在步骤412的操作期间，操作转换器的开关，使得开关频率(fswitJ和峰值初级电流(Iprak)中的任一个或两者从它们的最大值降低。图5示出了根据本发明实施例的控制器500。图6图表地示出了图5的控制器500的性能。图6示出了四条曲线曲线602不出了米样的感测电压输入信号536 (Vfbs)和反激式转换器的输出电压(Vout)之间的关系；曲线604示出了采样的感测电压输入信号536(Vfbs)和峰值初级电压(Vpeak)之间的关系。将理解，Vpeak与峰值初级电流(Ipeak)成比例；曲线606示出了采样的感测电压输入信号536 (Vfbs)和开关频率之间的关系；以及曲线608示出了采样的感测电压输入信号536 (Vfbs)和反激式转换器的输出电流(Iout)之间的关系。控制器接收作为感测电压输入信号的示例的Vfb输入信号502、和作为对变压器的初级绕组中的电流加以表不的信号的不例的VPrimal7输入信号504。峰值初级电流(Ipeak)的值等于Vprimal7输入信号504除以Rsense电阻器534的值。控制器向场效应晶体管532的栅极提供开关控制信号506。应该理解的是连接在晶体管532的源极和地之间的Rsense电阻器534可以并非控制器IC 一部分的分立部件。这种分立Rsense电阻器给出了用于设置最大功率的设计自由度，因为可以通过改变感测电阻器Rsense 534的电阻来定义在确定峰值初级电流Ipeak时向Vp,iMy输入信号504施加的除法因子。因此，在图5中示出的控制器的部件与控制器集成电路(IC)的四个管脚相连FB、GND、漏极和源扱。从与图I的比较中应该理解的是，本发明的该实施例不需要在控制器IC上设置任何附加管脚。这是本发明的这ー实施例的有利特征。在其他示例中，可以使用内部感测电阻器或结合了电流镜的感测FET来代替分立感测电阻器Rsense 534。将感测电压输入信号Vfb 502提供给采样保持部件530。所述采样保持部件530配置为在次级冲程结束时感测Vfb 502，以提供采样电压输入信号Vfbs 536。将米样电压输入信号Vfbs 536作为输入提供给恒压(CV)控制器514。CV控制器514可以处理采样电压输入信号Vfbs 536，以向开关频率调节器510提供控制信号510并且向峰值电流调节器508提供控制信号538。CV控制器514调节开关频率和峰值初级电流，使得在恒压模式期间维持所需的恒定电压。开关频率调节器510包括可变电流源(しぬ)548，所述电流源是通过来自CV控制器514的控制信号540可调节的。将来自Itjsew 548的电流作为输入提供给电流控制振荡器550。电流控制振荡器550的输出表示所需的开关频率(fswiteh)，并且提供给脉冲发生器552。将脉冲发生器552的输出作为置位输入提供给SR触发器546。将SR触发器546的Q输出作为输入提供给栅极驱动器放大器554，并且栅极驱动器放大器554的输出是开关控制信号506。按照这样的方式控制SR触发器546的置位输入，这限定了开关控制信号506中从低到高的连续转变之间的时间段，因此设置了什么时间接通开关532。这种时间段表示反激式转换器的连续初级冲程之间的间隙，因此表示反激式转换器的开关频率。峰值电流调节器508包括可变电流源(Ipeakw) 542，所述可变电流源是通过来自CV控制器514的控制信号538可调节的。将来自Ipeakev 542的电流提供给峰值电阻器Rpeak566，使得将在Rpaek 566上下降的电压作为输入提供给比较器544的反相输入。在图5中将该电压称作Vpeak。向比较器544的非反相输入提供由变压器的初级侧电流导致的感测电阻器Rsense 530上下降的电压504。因此，输入信号504表不Ilffimal7输入信号。将比较器544的输出提供给SR触发器546的复位输入，以便控制开关控制信号506何时变低，因此控制允许电流流过反激式转换器初级绕组的开关周期的比例。按照这种方式，峰值电流调节器508设置何时关断开关。參考图6的曲线，并且从曲线的右手侧开始朝左移动，可以将所述曲线看作是表示当向电池充电并且转换器输出处展现的负载改变时转换器的性能。可以看出，针对在两条虚线610、612之间的Vfbs值的转换器操作，输出电压(曲线602)恒定，并且峰值初级电流(由曲线604表示)、开关频率(曲线606)和输出电流(曲线608)逐渐增加。应该理解的是峰值初级电流(曲线604)和开关频率(曲线606)不一定需要线性增加以维持恒定输出电压。在该实施例中，通过保持相应的控制信号538、540在最大值以下，CV控制器514可以确保峰值初级电流和开关频率不会增加到大于它们的最大值的值。以针对峰值初级电流和开关频率的最大值进行操作，这引起转换器提供最大功率输出。当由转换器的负载汲取的电流增加，使得控制信号538、540位于它们的最大值时，将控制信号固定在它们的最大、值，并且设置由CV控制器514输出的EnableCC信号556。參考图6的曲线，当开关频率(曲线606)和峰值初级电流(曲线604)恒定在它们的最大值时，在虚线612、614之间发生以最大输出功率的操作。针对输出电压(曲线602)和输出电流(曲线608)的值在612和614之间实质上恒定，尽管在一些实施例中如图3所示，在转变期间在输出电流中可能存在小的增加，并且在输出电压中可能存在降低。在由虚线612表示的时刻，EnableCC信号556置位。恒流(CC)控制器512从CV控制器514接收EnableCC信号556。CC控制器512也接收来自采样保持部件530的Vfbs信号536。CC控制器512配置为当(i)EnableCC信号556置位，以及(ii)VFBS的值小于用于改变到恒流操作模式的CC阈值电平(VFBS。。)吋，向峰值电流调节器508和开关频率调节器510提供控制信号558、560，以引起转换器按照恒流模式操作。在图6中用虚线614标识转变到恒流操作模式的时刻。由CC控制器512提供给开关频率调节器510的控制信号558用于控制可变电流源Isutoserc 562。可变电流源Isubtjsecc 562与由CV控制器514控制的对应可变电流源I_CT 548并联，使得提供给电流控制振荡器550的最終电流是(しぬ-1-。3。。。)。按照这种方式，可以将CC控制器512看作是当转换器按照恒流模式操作时能够将开关频率从其最大值减小。当转换器按照恒压操作模式操作吋，Isubosccc为0，因此对转换器操作没有贡献。当转换器按照恒流操作模式操作时，来自CV控制器514的控制输出信号540維持其最大值。由CC控制器512提供给峰值电流调节器508的控制信号506用于控制可变电流源1 564。可变电流源Isubpeakrc 564与由CV控制器514控制的对应可变电流源Ipeakcv542并联，使得提供给比较器544的反相输入的最終电流是(Ipeakw-Isubpeam)。按照这种方式，可以将CC控制器512看作是当转换器按照恒流模式操作时能够将峰值初级电流从其最大值减小。当转换器按照恒压操作模式操作吋，I—。为零，因此对于转换器的操作没有贡献。当转换器按照恒流操作模式操作时，来自CV控制器514的控制输出信号538維持其最大值。应该理解的是，CC控制器612可以配置为产生一起使转换器的输出电流保持恒定的任何控制信号558、560。图6将用于描述ー个示例，其中初始地调节开关频率控制信号558而不是峰值电流控制信号560，直到开关频率达到开关最小值为止。在其他实施例中，可以采用更加成熟复杂的控制算法，使得一起或者按照任意方式调节开关频率控制信号558和峰值电流控制信号560，以提供所需的输出值。參考图6，并且考虑从虚线614开始从右向左移动的操作，在开关频率达到虚线616处与人耳可听界限相对应的开关最小值之前，开关频率(曲线608)从其最大值(在图6中称作FswCVmax,并且可以将其看作等效于以上讨论的fswitdl_max)逐渐减小。也就是说，避免了小于开关最小值的开关频率下的操作可能被人耳听到，这在ー些实施例中可能认为令人厌烦的。如图6所示，恒流模式下的最大开关频率(FswCVmax)和减小的开关频率之间的差与IfsubofsdX可变电も丨L源562的值成比例。针对IfsubofselX电も丨し源562的取大值疋I
suboscCCmax，
表示可
听限制处的操作。在该示例中，CC控制器512向相关联的控制信号558施加阈值Isubtjs。⑩ax，使得不超过可听阈值。当在图6的虚线616处达到可听阈值吋，针对进一歩降低的负载保持开关频率(曲线606)恒定，并且减小峰值初级电流(曲线604)以便维持恒定输出电流(曲线608)。尽管为了方便起见在曲线604中示出了 Vfbs和Vpeak之间的线性关系，根据以上描述和等式应该理解的是，根据Vfbs的平方根减小Vpeak，以便维持恒定输出电流。也就是说(利用 lout/ (1/2. Lp. Fsw-max))
权利要求
1.一种用于开关模式功率转换器的控制器(200 ;500)，所述开关模式功率转换器具有开关(532)，其中所述开关模式功率转换器按照恒流操作模式和恒压操作模式操作，其中所述控制器(200 ；500)配置为输出针对所述开关(532)的开关控制信号(206 ;506)，并且配置为接收 感测电压输入信号(202 ；502);以及 初级电流输入信号(204 ；504)； 其中所述控制器(200 ；500)包括 恒流模式控制器(212 ;512)，配置为处理感测电压输入信号(202;502)并且产生输出控制信号(558，560)，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作参数之一或两者； 恒压模式控制器(214 ;514)，配置为处理感测电压输入信号(202 ；502)并且产生输出控制信号(538，540)，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作参数之一或两者； 初级峰值电流调节器(208 ;508)，配置为处理初级电流输入信号(204 ;504)、以及来自恒流模式控制器(212 ；512)和恒压模式控制器(214 ；514)的输出控制信号(538，560)之一或两者，以配置开关控制信号(206 ；506)关断所述开关(532)； 开关频率调节器(210 ;510)，配置为处理来自恒流模式控制器(212 ；512)和恒压模式控制器(214 ；514)的输出控制信号(540,558)之一或两者，以配置开关控制信号(206 ；506)接通所述开关(532);以及 其中所述控制器(200;500)配置为如果所述恒压模式控制器(214;514)的输出控制信号表示峰值电流和开关频率处于最大值的操作，则使能恒流模式控制器(212 ;512)。
2.根据权利要求I所述的控制器(200;500)，其中所述控制器(200 ；500)配置为如果恒流模式控制器(212;512)的输出控制信号表示峰值电流和开关频率处于最大值的操作，则使能恒压模式控制器(214 ；514)。
3.根据权利要求I或2所述的控制器(200;500)，其中 所述初级峰值电流调节器(208 ；508)配置为提供开关控制信号(206 ;506)，使得所述开关控制信号配置为关断所述开关(532)，以提供恒定峰值电流处于最大值的操作；或者所述开关频率调节器(210 ；510)配置为提供开关控制信号(206 ;506)，使得所述开关控制信号配置为以处于最大值的恒定频率来接通所述开关(532)。
4.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述控制器(200 ；500)配置为当恒压模式控制器的输出控制信号表示开关频率和初级峰值电流处于它们的最大值的操作，并且感测电压输入信号(Vfbs ;212)下降到在开关模式功率转换器按照恒压模式操作时的电压电平(Vfbsct，302)以下的CC阈值电平(Vfbscc，304)时，使能恒流控制器(512)。
5.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述控制器(200 ；500)配置为在恒流操作模式(312)和恒压操作模式(310)之间转变时，以开关频率和初级峰值电流的最大值来操作所述开关模式功率转换器。
6.根据任一前述权利要求所述的控制器，其中所述开关模式功率转换器按照调节电流操作模式来操作，并且所述控制器包括 调节电流模式控制器，包括所述恒流模式控制器，配置为产生输出控制信号，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作參数之ー或两者，使得针对在CC阈值电平(304)和折返阈值电平(706)之间的感测电压输入信号电平，输出电流保持实质上恒定(702);以及 折返控制器，配置为产生输出控制信号，所述输出控制信号用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率工作參数之ー或两者，使得针对折返阈值电平(706)以下的感测电压输入信号电平，当感测电压输入信号减小时，输出电流减小(704)。
7.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述恒流模式控制器(212 ；512)配置为产生针对开关频率调节器(210 ；510)的输出控制信号(558)和针对初级峰值电流调节器(208;508)的输出控制信号(560)，使得针对开关最小值以上的开关频率值来调节开关频率，并且保持初级峰值电流恒定(314)。
8.根据权利要求7所述的控制器(200;500)，其中所述恒流模式控制器(212 ；512)配置为产生针对开关频率调节器(210 ；510)的输出控制信号(558)和针对初级峰值电流调节器(208 ；508)的输出控制信号(560)，使得当开关频率达到开关最小值(316)时，保持开关频率恒定在开关最小值处并且调节初级峰值电流。
9.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述初级峰值电流调节器(208 ；508)配置为设置开关控制信号(206 ；506)的接通时间。
10.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述初级峰值电流调节器(508)配置为当开关模制功率转换器按照恒压操作模式操作时，根据来自恒压控制器(514)的输出控制信号(538)来调节峰值电流。
11.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述初级峰值电流调节器(508)配置为当开关模式功率转换器按照恒流操作模式操作时，根据来自恒流控制器(512)的输出控制信号(560)和来自恒压控制器(514)的输出控制信号(538)两者来调节峰值电流。
12.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述初级峰值电流调节器(508)包括通过恒压控制器(514)可控的第一可变电流源(542)和通过恒流控制器(512)可控的第二可变电流源(564)，其中第一和第二可变电流源(542，564)彼此并联，并且从第一可变电流源(542)的电流中减去来自第二可变电流源(564)的电流，以调节恒流操作模式下的初级峰值电流。
13.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述开关频率调节器(510)配置为当开关模式功率转换器按照恒压操作模式操作时，根据来自恒压控制器(514)的输出控制信号(540)来调节开关频率。
14.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述开关频率调节器(510)配置为当开关模式功率转换器按照恒流操作模式操作时，根据来自恒压控制器(514)的输出控制信号(540)和来自恒流控制器(512)的输出控制信号(558)两者来调节开关频率。
15.根据任一前述权利要求所述的控制器(200;500)，其中所述开关频率调节器(510)包括通过恒压控制器(514)可控的第一可变电流源(548)和通过恒流控制器(512)可控的第二可变电流源(562)，其中第一和第二可变电流源(548，562)彼此并联，并且从第一可变电流源(548)的电流中减去来自第二可变电流源(562)的电流，以调节恒流操作模式下的开关频 率。
全文摘要
公开了一种具有开关(532)的开关模式功率转换器的控制器(200；500)，开关模式功率转换器按照恒流和恒压操作模式操作，控制器(200；500)配置为输出针对开关(532)的开关控制信号(206；506)，并且配置为接收感测电压输入信号(202；502)和初级电流输入信号(204；504)。控制器(200；500)包括恒流模式控制器(212；512)，处理感测电压输入信号(202；502)并产生输出控制信号(558，560)，用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作参数之一或两者；恒压模式控制器(214；514)，处理感测电压输入信号(202；502)并且产生输出控制信号(538，540)，用于控制开关模式功率转换器的峰值电流和开关频率操作参数之一或两者；初级峰值电流调节器(208；508)，处理初级电流输入信号(204；504)、以及来自恒流模式控制器(212；512)和恒压模式控制器(214；514)的输出控制信号(538，560)之一或两者，以配置开关控制信号(206；506)关断所述开关(532)；开关频率调节器(210；510)，处理来自恒流模式控制器(212；512)和恒压模式控制器(214；514)的输出控制信号(540，558)之一或两者，以配置开关控制信号(206；506)接通所述开关(532)。控制器(200；500)配置为如果所述恒压模式控制器(214；514)的输出控制信号表示峰值电流和开关频率处于最大值的操作，则使能恒流模式控制器(212；512)。
文档编号H02M3/28GK102739054SQ20121010710
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月12日 优先权日2011年4月14日
发明者杰罗恩·克莱彭宁 申请人:Nxp股份有限公司