专利名称：用于电源变换系统中的零电压开关的系统和方法
技术领域：
本发明涉及集成电路。更具体地，本发明提供了用于低电压开关的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已应用于电源变换系统。但是将认识到，本发明具有更广泛的应用范围。返回参考
图1和图2，电源变换系统100在QR模式中操作。与变压器102相关联的退磁过程在时刻h与时刻t2之间发生。例如，在时刻t2，退磁过程完成，并且能量被存储在寄生电容器134和160，并且初级绕组122的电感引起LC谐振。开关112的压降的大小减小(例如，如波形202所示)。在时刻t3，开关112的压降减小为大小206，并且开关112闭合(例如，接通)。大小206可被确定为等于(Vin_nXV。)，而不用考虑二极管128处的压降，其中，Vin表示输入电压130，V0表示输出电压132，并且η表示初级绕组122与次级绕组124之间的匝数比。例如，二极管128处的压降非常小，因此可被忽略。通常，Vin大于ηΧ V。，因此，当开关112接通时，大小206不为零，这导致了开关损耗。为了减小开关损耗并获得更高的操作频率，这里提出零电压开关方案。图3是示出根据本发明实施例的反激式电源变换系统的简化示图。该示图仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。电源变换系统300 (即，电源变换器)包括变压器302、电阻器306、电容器308和314、二极管328、开关312和318以及控制器320。变压器302包括初级绕组322、次级绕组324和辅助绕组326。控制器320包括信号生成器316。此外，根据某些实施例，电源变换系统300还包括电容器310、319和334。例如，信号生成器316包括一个或多个组件，例如，非门。在另一示例中，开关312是晶体管(例如，双极结型晶体管、场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管)。在又一示例中，开关318是晶体管(例如，双极结型晶体管、场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管)。在又一示例中，开关312包括两个端子336和338，并且开关318包括两个端子337和339。在一个实施例中，电容器310被并联到初级绕组322。例如，电容器310包括初级绕组322的寄生电容器和外部电容器。在另一示例中，电容器310仅包括初级绕组322的寄生电容器。在另一实施例中，电容器319被并联连接到开关318。例如，电容器319包括开关318的寄生电容器和外部电容器。在另一不例中，电容器319仅包括开关318的寄生电容器。在又一示例中，电容器334被并联连接到开关312。例如，电容器334包括开关312的寄生电容器和外部电容器。在另一不例中，电容器334仅包括开关312的寄生电容器。
如图3所示，在一些实施例中，控制器320接收与流经初级绕组322的初级电流相关联的电流感测信号380以及与辅助绕组326的电压信号384相关联的检测信号382。例如，检测信号382指示电压信号384是否达到了零。在某些实施例中，信号生成器316生成信号342和340以分别接通和关断开关312和318。例如，基于电流感测信号380和检测信号382，控制器320判断开关312的端子336与338之间的压降(例如，Vds)是否接近于零。在另一示例中，如果端子336与338之间的压降(例如，Vds)接近零，则信号生成器316改变信号342以闭合(例如，接通)开关312，并且初级电流344流经初级绕组322。在又一示例中，当电流344增大从而达到预定大小时，信号生成器316改变信号342以断开(例如，关断)开关312。根据某些实施例，如上所述，开关312的零电压开关是例如，当开关312从关断变为接通时，端子336与338之间的压降(例如，Vds)等于零或基本上等于零。如上所述并在此进一步强调的，图3仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。例如，如果电容器310包括初级绕组322的寄生电容器和外部电容器，则电容器310部分地是初级绕组322的一部分。在另一示例中，如果电容器310仅包括初级绕组322的寄生电容器，则电容器310全部地是初级绕组322的一部分。在又一示例中，如果电容器319包括开关318的寄生电容器和外部电容器，则电容器319部分地是开关318的一部分。在又一示例中，如果电容器319仅包括开关318的寄生电容器，则电容器319全部地是开关318的一部分。在又一示例中，如果电容器334包括开关312的寄生电容器和外部电容器，则电容器334部分地是开关312的一部分。在又一示例中，如果电容器334仅包括开关312的寄生电容器，则电容器334全部地是开关312的一部分。图4是根据本发明实`施例的具有零电压开关(ZVS)的在临界传导模式(CRM)中操作的电源变换系统300的简化时序图。该示图仅仅是示例，其不应当不当地限制权利要求的范围。本领域技术人员将认识到许多变体、替换和修改。波形402表示作为时间的函数的与开关312相关联的信号342，波形404表示作为时间的函数的与开关318相关联的信号340，波形406表示作为时间的函数的开关312的压降(端子336与端子338之间的电压差)，波形408表示作为时间的函数的流经初级绕组322的初级电流344，波形410表示作为时间的函数的流经辅助绕组326的电流346，并且波形413表示开关318的压降(例如，端子337与端子339之间的电压差)。例如，波形408表示初级电流344的方向和大小两者。例如，临界传导模式(CRM)是准谐振模式(QR)。在另一示例中，接通时间段1 开始于时刻t5并结束于时刻t6，并且关断时间段Irff开始于时刻t6并结束于时刻t12。在又一示例中，关断时间段Irff包括五个时间段TpTyTyI^P T5。在又一示例中，时间段T1开始于时刻t6并结束于时刻t7，时间段T2开始于时刻t7并结束于时刻t9，并且时间段T3开始于时刻t9并结束于时刻t1(l。在又一示例中，时间段T4开始于时刻t1(l并结束于时刻tn，并且时间段T5开始于时亥Ij tn并结束于时亥Ij t12。在又一示例中，t5 ^ t6 ^ t7 ^ t8 ^ t9 ^ t10 ( tn ( t12。如图3和图4所示，根据一个实施例，在接通时间段Tm期间，与开关312相关联的信号342为逻辑高电平(例如，如波形402所示)，并且作为响应，开关312闭合(例如，接通)。例如，流经初级绕组322的电流344从大小412 (例如,t5处)增大到大小414 (例如，t6处)，如波形408所示。在另一示例中，在t6处，电压信号342从逻辑高电平变为逻辑低电平(例如，如波形402所示)，并且作为响应，开关312断开(例如，关断)。根据另一实施例，在时间段T1的开始处(例如，〖6处)，与变压器302相关联的退磁过程开始。例如，在时间段T1期间，流经初级绕组322的电流344继续从大小414 (例如，t6处)增大到大小416 (例如，丨7处)，并且对电容器310和电容器334充电。在另一示例中，电流344在时间段T1期间以比时间段Tm期间小的速率增大(例如，如波形408所示)，并且从初级绕组322流到开关312。在又一示例中，开关312上的压降(例如，端子336与端子338之间的电压差)从大小(418例如，1:6处)增大到大小419(例如，1:7处)，如波形406所示。在又一示例中，在时间段T1期间，与开关318相关联的信号340保持在逻辑低电平(例如，如波形404所示)。在又一示例中，开关318的压降从大小411减小到大小415 (例如，如波形413所示)。根据又一实施例，在时间段T2期间，开关312上的压降(例如，端子336与端子338之间的电压差)继续增大到峰值大小420(例如，丨8处)，并且然后下降到大小422 (例如，t9处)。例如，在不考虑二极管328处的压降的情况下，大小422近似等于Vin+nXV。，其中，Vin表示输入电压330，V。表示输出电压332，并且η表示初级绕组322与次级绕组324之间的匝数比。例如，二极管328处的压降非常小，因此可被忽略。在另一示例中，电流344从大小416 (例如，t7处)降低到大小424 (例如，t8处的零)，并且然后在时间段T2的剩余时间期间保持在大小424(例如，如波形408所示)。在一些实施例中，在时间段T2期间，电流开始在次级绕组324和辅助绕组326中流动。例如，流经辅助绕组326的电流346从大小428 (例如，t7处的零)增大到大小426 (例如，丨8处)，并且然后降低到大小430 (例如，t9处)。在另一示例中，电流346从辅助绕组326流到开关318。在一个实施例中，在时间段T3的开始处，与开关318相关联的信号340从逻辑低电平变为逻辑高电平(例如，如波形404所示)。例如，作为响应，开关318闭合(例如，接通)，并且开关318的端子337与339之间的压降几乎为零。这样，在某些实施例中，开关318的零电压接通(例如，开关318的零电压开关)被实现。例如，在时间段T3期间，流经辅助绕组326的电流346继续从大小430 (例如，t9处)降低到大小432 (例如，零，t1(l处)。在另一示例中，电容器308在时间段T3期间通过电流346被充电。在另一实施例中，在时间段T4期间，流经初级绕组322的电流344保持在大小424(例如，零)，如波形408所示。例如，与变压器302相关联的退磁过程结束。在另一示例中，二极管328被反向偏置，并且流经次级绕组324的电流的大小减小(例如，减小为零)。在又一示例中，开关312上的压降(例如，端子336与端子338之间的电压差)保持为大小422 (例如，如波形406所示)。在又一示例中，流经辅助绕组326的电流346逆转方向(例如，从开关318到辅助绕组326)，并且大小增大(例如，如波形410的负大小所示)。在又一示例中，电容器308被放电以维持反向的电流346。在又一示例中，电容器308具有大的电容，并且当电容器308在时间段T4期间被放电时， 电容器308上的压降不会改变许多。在又一示例中，在时间段T3和T4期间，开关318的压降保持为大小415 (例如，零，如波形413 所示)。
在又一实施例中，在时间段T5的开始处(例如，tn处)，电流346增大到大小434， 大小434大于或等于阈值。例如，与信号318相关联的信号340从逻辑高电平变为逻辑低电平(例如，如波形404所示)，并且作为响应，开关318断开(例如，关断)。在另一示例中， 流经辅助绕组326 (例如，从开关318到辅助绕组326)的电流346减小为低的大小450 (例如，tn处的零，如波形410所示)。在又一示例中，流经初级绕组322(例如，反激式变压器的初级绕组)的电流344逆转方向(例如，从初级绕组322的节点345流到另一节点347) 并且增大到大小436 (例如，tn处，如波形408所示)。在又一示例中，电流344对应于与电容器310相关联的电流分量(例如，从节点347到节点345)以及对电容器334放电的、 与电容器334相关联的另一电流分量(例如，从端子336到节点345)。在又一示例中，在时间段T5的开始处(例如，tn处)，电容器334上的压降(例如,大小422)的大小大于输入电压330，并且电容器310被负向地偏置以使得节点345处的电压高于节点347处的电压。在又一示例中，在时间段T5期间，电容器334和电容器310随着时间被放电，并且开关 312上的压降(例如，端子336与端子338之间的电压差)从大小422(例如，tn处)减小到大小438(例如,零，t12处)，如波形406所示。在又一示例中，电流344的大小下降到低的大小(例如，零，t12处)。在又一示例中，在时间段!^期间，开关318上的压降增大到大小417 (例如，如波形413所示)。在又一示例中，大小417等于大小411。在又一示例中， 在时间段1~5的结束处(例如，t12处)，节点345的电压变得等于芯片地电压(例如，零)，并且电容器310上的压降在大小上变得等于或近似等于输入电压330。
在又一实施例中，存储在初级绕组322中的能量可以如下来确定
权利要求
1.一种用于调整电源变换器的系统，该系统包括 控制器，被配置为生成第一开关信号和第二开关信号； 第一开关，被配置为接收所述第一开关信号，所述第一开关被耦合到所述电源变换器的辅助绕组，所述电源变换器还包括初级绕组和次级绕组；以及 第二开关，被配置为接收所述第二开关信号并被耦合到所述电源变换器的所述初级绕组； 其中，所述控制器还被配置为 在第一时间处改变所述第二开关信号以断开所述第二开关； 从所述第一时间到第二时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持断开；以及 在所述第二时间处，改变所述第一开关信号以闭合所述第一开关； 其中，所述控制器还被配置为 在第三时间处改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第三时间到第四时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开；以及 在所述第四时间处，改变所述第二开关信号以闭合所述第二开关。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一开关至少通过另一组件被耦合到所述辅助绕组。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二开关至少通过另一组件被耦合到所述初级绕组。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一开关包括第一晶体管。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一晶体管是场效应晶体管。
6.如权利要求4所述的系统，其中，所述第二开关包括第二晶体管。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述第二晶体管包括场效应晶体管。
8.如权利要求1所述的系统，其中 所述第一开关包括第一场效应晶体管；以及 所述第二开关包括第二场效应晶体管。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一开关被耦合到第一电容器。
10.如权利要求9所述的系统，其中，如果所述第一开关闭合， 所述第一电容器被配置为在第一时间段期间被充电；以及 所述第一电容器被配置为在第二时间段期间被放电，所述第二时间段跟随在所述第一时间段之后。
11.如权利要求1所述的系统，其中 所述第二开关与第二电容器相关联；以及 所述初级绕组与第三电容器相关联。
12.如权利要求11所述的系统，其中 所述第二电容器包括所述第二开关的第一寄生电容器；以及 所述第三电容器包括所述初级绕组的第二寄生电容器。
13.如权利要求11所述的系统，其中，如果所述第二开关断开，所述第二电容器和所述第三电容器被配置为在第一时间段期间被充电；以及所述第二电容器和所述第三电容器被配置为在第二时间段期间被放电，所述第二时间段跟随在所述第一时间段之后。
14.一种用于调整电源变换器的系统，该系统包括 控制器，被配置为生成第一开关信号和第二开关信号； 第一开关，被配置为接收所述第一开关信号，所述第一开关被耦合到第一电容器和所述电源变换器的辅助绕组，该电源变换系统还包括初级绕组和次级绕组； 第二开关，被配置为接收所述第二开关信号并被耦合到所述电源变换器的所述初级绕组，所述第二开关与第二电容器相关联，所述初级绕组与第三电容器相关联； 其中，所述控制器还被配置为 从第一时间到第二时间，响应于流经所述第一开关的第一电流对所述第一电容器充电； 从所述第二时间到第三时间，对所述第一电容器放电以生成流经所述第一开关的第二电流； 从所述第一时间到所述第三时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持闭合；以及 从所述第一时间到所述第三时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开； 其中，所述控制器还被配置为 在所述第三时间处，改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第三时间到第四时间，对所述第二电容器和所述第三电容器放电以生成流经所述初级绕组的第三电流；以及 从所述第三时间到所述第四时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述控制器还被配置为从所述第三时间到所述第四时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持断开。
16.如权利要求14所述的系统，其中 所述第二电容器包括所述第二开关的第一寄生电容器；以及 所述第三电容器包括所述初级绕组的第二寄生电容器。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述第二电容器由所述第二开关的所述第一寄生电容器组成。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述第三电容器由所述初级绕组的所述第二寄生电容器组成。
19.如权利要求16所述的系统，其中 所述第二电容器由所述第二开关的所述第一寄生电容器组成，以及 所述第三电容器由所述初级绕组的所述第二寄生电容器组成。
20.如权利要求14所述的系统，其中 所述电流沿着第一方向流动； 所述第二电流沿着第二方向流动；以及所述第一方向不同于所述第二方向。
21.如权利要求20所述的系统，其中 所述控制器还被配置为在一时间段期间响应于流经所述初级绕组的第四电流对所述第二电容器和所述第三电容器充电； 所述第二电流沿着第二方向流动； 所述第四电流沿着第四方向流动；以及 所述第三方向不同于所述第四方向。
22.如权利要求14所述的系统，其中，所述第二开关包括场效应晶体管。
23.如权利要求14所述的系统，其中 所述第一开关包括第一场效应晶体管；以及 所述第二开关包括第二场效应晶体管。
24.一种用于调整电源变换器的系统，该系统包括 控制器，被配置为生成第一开关信号和第二开关信号，将所述第一开关信号发送给第一开关，并且将所述第二开关信号发送给第二开关，所述第一开关被耦合到所述电源变换器的辅助绕组，所述电源变换器还包括初级绕组和次级绕组，所述第二开关被耦合到所述初级绕组； 其中，所述控制器还被配置为 在第一时间处改变所述第二开关信号以断开所述第二开关； 从所述第一时间到第二时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持断开；以及 在所述第二时间处，改变所述第一开关信号以闭合所述第一开关； 其中，所述控制器还被配置为 在第三时间处改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第三时间到第四时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开；以及 在所述第四时间处，改变所述第二开关信号以闭合所述第二开关。
25.如权利要求24所述的系统，其中，所述第二开关包括场效应晶体管。
26.如权利要求24所述的系统，其中 所述第一开关包括第一场效应晶体管；以及 所述第二开关包括第二场效应晶体管。
27.一种用于调整电源变换器的系统，该系统包括 控制器，被配置为生成第一开关信号和第二开关信号，将所述第一开关信号发送给第一开关，并且将所述第二开关信号发送给第二开关，所述第一开关被耦合到第一电容器和所述电源变换器的辅助绕组，所述电源变换器还包括初级绕组和次级绕组，所述第二开关被耦合到所述初级绕组并且与第二电容器相关联，所述初级绕组与第三电容器相关联；其中，所述控制器还被配置为 从第一时间到第二时间，响应于流经所述第一开关的第一电流对所述第一电容器充电；从所述第二时间到第三时间，对所述第一电容器放电以生成流经所述第一开关的第二电流； 从所述第一时间到所述第三时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持闭合；以及 从所述第一时间到所述第三时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开； 其中，所述控制器还被配置为 在所述第三时间处，改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第三时间到第四时间，对所述第二电容器和所述第三电容器放电以生成流经所述初级绕组的第三电流；以及 从所述第三时间到所述第四时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开。
28.如权利要求27所述的系统，其中，所述第二开关包括场效应晶体管。
29.如权利要求27所述的系统，其中 所述第一开关包括第一场效应晶体管；以及 所述第二开关包括第二场效应晶体管。
30.一种用于调整电源变换器的方法，该方法包括 生成第一开关信号和第二开关信号； 将所述第一开关信号发送给第一开关，所述第一开关被耦合到电源变换器的辅助绕组； 将所述第二开关信号发送给第二开关，所述第二开关被耦合到所述电源变换器的初级绕组，所述电源变换器还包括次级绕组； 在第一时间处改变所述第二开关信号以断开所述第二开关； 从所述第一时间到第二时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持断开； 在所述第二时间处，改变所述第一开关信号以闭合所述第一开关； 在第三时间处改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第三时间到第四时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开；以及 在所述第四时间处，改变所述第二开关信号以闭合所述第二开关。
31.如权利要求30所述的方法，还包括从所述第二时间到所述第三时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持闭合，所述第三时间在所述第二时间之后。
32.一种用于调整电源变换器的方法，该方法包括 生成第一开关信号和第二开关信号； 将所述第一开关信号发送给第一开关，所述第一开关被耦合到第一电容器和电源变换器的辅助绕组，所述电源变换器还包括初级绕组和次级绕组； 将所述第二开关信号发送给第二开关，所述第二开关被耦合到所述电源变换器的所述初级绕组，所述初级绕组与第三电容器相关联； 从第一时间到第二时间，响应于流经所述第一开关的第一电流对所述第一电容器充电；从所述第二时间到第三时间，对所述第一电容器放电以生成流经所述第一开关的第二电流； 从所述第一时间到所述第三时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持闭合； 从所述第一时间到所述第三时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开； 在所述第三时间处，改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第三时间到第四时间，对所述第二电容器和所述第三电容器放电以生成流经所述初级绕组的第三电流；以及 从所述第三时间到所述第四时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开。
33.如权利要求32所述的方法，还包括从所述第三时间到所述第四时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持断开。
34.一种用于调整电源变换器的系统，该系统包括 信号生成器，被配置为向第一开关输出第一开关信号并向第二开关输出第二开关信号，所述第一开关被耦合到电源变换器的辅助绕组，所述第二开关包括第一开关端子和第二开关端子并被耦合到所述电源变换器的初级绕组，所述电源变换器还包括次级绕组；其中，所述信号生成器还被配置为 从第一时间到第二时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持闭合； 在所述第二时间处，改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第一时间到第三时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开，所述第三时间早于所述第二时间；以及 如果所述第一开关端子的第一电压与所述第二开关端子的第二电压之差在所述第三时间处变为零，则改变所述第二开关信号以闭合所述第二开关。
35.如权利要求34所述的系统，还被配置为 从所述第一时间到第四时间，生成在第一方向上流经所述第一开关的第一电流； 从所述第四时间到所述第二时间，生成在第二方向上流经所述第一开关的第二电流，所述第二方向不同于所述第一方向；以及 在所述第二时间处，生成在第三方向上流经所述初级绕组的第三电流，从而减小所述第一电压与所述第二电压之差。
36.如权利要求34所述的系统，还被配置为接收与所述第一电压相关联的电流感测信号和与所述第二电压相关联的检测信号。
37.如权利要求34所述的系统，其中，所述第二开关包括场效应晶体管。
38.如权利要求37所述的系统，其中，所述第一开关端子是源极端子并且所述第二开关端子是漏极端子。
39.如权利要求34所述的系统，其中 所述第一开关包括第一场效应晶体管；以及 所述第二开关包括第二场效应晶体管。
40.如权利要求34所述的系统，其中，所述第三时间晚于所述第二时间。
41.一种用于调整电源变换器的方法，该方法包括为第一开关生成第一开关信号并为第二开关生成第二开关信号，所述第一开关被耦合到电源变换器的辅助绕组，所述第二开关包括第一开关端子和第二开关端子并被耦合到所述电源变换器的初级绕组，所述电源变换器还包括次级绕组； 从·第一时间到第二时间，维持所述第一开关信号以使所述第一开关保持闭合； 在所述第二时间处，改变所述第一开关信号以断开所述第一开关； 从所述第一时间到第三时间，维持所述第二开关信号以使所述第二开关保持断开，所述第三时间早于所述第二时间；以及 如果所述第一开关端子的第一电压与所述第二开关端子的第二电压之差在所述第三时间处变为零，则改变所述第二开关信号以闭合所述第二开关。
全文摘要
本发明公开了用于电源变换系统中的零电压开关的系统和方法。用于调整电源变换器的系统和方法。一种用于调整电源变换器的系统包括控制器、第一开关和第二开关。控制器被配置为生成第一开关信号和第二开关信号。第一开关被配置为接收第一开关信号，第一开关被耦合到电源变换器的辅助绕组，电源变换器还包括初级绕组和次级绕组。第二开关被配置为接收第二开关信号并被耦合到电源变换器的初级绕组。控制器还被配置为在第一时间处改变第二开关信号以断开第二开关；从第一时间到第二时间，维持第一开关信号以使第一开关保持断开；并且在第二时间处，改变第一开关信号以闭合第一开关。
文档编号H02M3/335GK103066855SQ201310014860
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者吕华伟, 方烈义 申请人:昂宝电子(上海)有限公司