用于在同步回扫转换器中使用的次级控制器的制造方法
【专利摘要】一种用于在同步回扫转换器中使用的次级控制器，包含比较器、驱动电路和逻辑电路系统。该比较器被耦合以响应于阈值与代表该同步回扫转换器的次级绕组电压的输入信号的比较生成比较信号。该驱动电路被耦合以生成驱动信号，从而控制待被耦合到该同步回扫转换器的初级侧的第一开关。该驱动信号被耦合以由该驱动电路响应于代表该同步回扫转换器的输出的反馈信号来生成。该逻辑电路系统被耦合到该驱动电路并且被耦合到该比较器。该逻辑电路系统也被耦合以响应于该驱动信号并且响应于该比较信号来生成对第二开关进行控制的控制信号。
【专利说明】用于在同步回扫转换器中使用的次级控制器
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及控制功率转换器(power converter)。更具体地,本发明的实施例涉及控制开关模式功率转换器。
【背景技术】
[0002]开关模式功率转换器被广泛地用于要求经调整的直流(dc)源来运行的家庭或工业应用，诸如例如普遍用在电子移动设备中的电池充电器。离线ac-dc转换器将低频(例如50Hz或60Hz)高电压ac (交流)输入电压转换到所要求的水平的dc输出电压。多种类型的开关模式功率转换器是流行的，这是因为它们的良好的调整的输出、高效率和小尺寸，连同它们的安全性和保护特征。开关模式功率转换器的流行拓扑结构包含回扫(flyback)、正向(forward)、升压(boost)、降压(buck)、半桥(half bridge)和全桥(full bridge)及许多其他拓扑结构，包含谐振类型。
[0003]一些开关模式功率转换器，诸如同步开关模式功率转换器，可以在该功率转换器的初级侧包含第一开关，而且在该功率转换器的次级侧包含第二开关，诸如同步整流电路的开关。该第一开关可以在通状态(即闭合的开关)与断状态(即打开的开关)之间切换，以控制在该功率转换器的输入与输出之间的能量传递。当该第一开关被切换到断状态时，该第二开关可以被用来提高向该功率转换器的输出传递能量的效率。在运行中，该第二开关可以与该第一开关协调地在通状态与断状态之间切换，以使得这两个开关不同时处于通状态，以防止该功率转换器试图向输出处的短路提供能量的状况，该状况会导致该功率转换器的效率降低。
[0004]同步开关模式功率转换器可以运行在连续传导模式和间断传导模式二者中，依赖于该功率转换器的输出端处的负载状况。可能期望该功率转换器在这两个运行模式中都有效率地运转。因此，该功率转换器的次级侧可以用该功率转换器的初级侧协调对该第二开关的控制，以确保该第一开关和该第二开关在该连续传导模式和该间断传导模式中都不同时处于通状态。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一方面，提供一种用于在同步回扫转换器中使用的次级控制器，该次级控制器包括:
[0006]一个比较器，被耦合以响应于一个阈值与代表该同步回扫转换器的次级绕组电压的输入信号的比较生成一个比较信号；
[0007]—个驱动电路，被耦合以生成一个驱动信号，以控制待被耦合到该同步回扫转换器的初级侧的第一开关，其中该驱动信号被耦合以由该驱动电路响应于代表该同步回扫转换器的输出的反馈信号来生成；以及
[0008]逻辑电路系统，被耦合到该驱动电路并且被耦合到该比较器，其中该逻辑电路系统被耦合以响应于该驱动信号并且响应于该比较信号生成一个控制信号，以控制第二开关，并且其中该第二开关待被耦合到该同步回扫转换器的次级侧。
[0009]根据本发明的另一方面，提供一种功率转换器，包括:
[0010]—个能量传递元件,具有初级绕组和次级绕组；
[0011 ] 第一开关，被耦合到该初级绕组并且被耦合到该功率转换器的输入；以及
[0012]一个次级控制器，被耦合以控制该第一开关的切换，以控制通过该能量传递元件从该功率转换器的所述输入到该功率转换器的输出的能量传递，该次级控制器包含:
[0013]一个比较器，被耦合以响应于一个阈值与代表该次级绕组的次级绕组电压的输入信号的比较生成一个比较信号；
[0014]—个驱动电路，被I禹合以生成一个驱动信号，以控制该第一开关，其中该驱动信号被耦合以由该驱动电路响应于代表该功率转换器的所述输出的反馈信号来生成；以及
[0015]逻辑电路系统，被耦合到该驱动电路并且被耦合到该比较器，其中该逻辑电路系统被耦合以响应于该驱动信号并且响应于该比较信号生成一个控制信号，以控制第二开关，并且其中该第二开关被耦合到该功率转换器的次级侧。
[0016]根据本发明的又一方面，提供一种控制同步回扫功率转换器的方法，该方法包括:
[0017]将一个阈值与代表该同步回扫功率转换器的能量传递元件的次级绕组的次级绕组电压的输入信号进行比较；
[0018]响应于该阈值与该输入信号的所述比较来使能耦合到该次级绕组的第二开关；以及
[0019]响应于多个事件中的至少一个来禁用该第二开关，其中该多个事件包含该输入信号达到该阈值，并且包含驱动信号具有使能耦合到该能量传递元件的初级绕组的第一开关的电平，其中该第一开关控制通过该能量传递元件从该同步回扫功率转换器的输入到该同步回扫功率转换器的输出的能量传递。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]参照下列图来描述本公开内容的非限制性和非穷举性实施方案，其中在全部各个视图中，相同的参考数字指代相同的零件，除非另有指定。
[0021]图1示出了根据本发明的教导的同步回扫开关模式功率转换器的一个实施例的示意图，该同步回扫开关模式功率转换器包含初级控制器，该初级控制器被耦合以接收来自该同步回扫开关模式功率转换器的次级控制器的信号。
[0022]图2示出了根据本发明的教导的一个示例性的控制电路的示意性框图，该控制电路可以被包含在同步回扫开关模式功率转换器的次级控制器中。
[0023]图3A例示了根据本发明的教导的一个示例性的时序图，该时序图示出了与运行在间断传导模式中的次级控制器关联的信号。
[0024]图3B例示了根据本发明的教导的一个示例性的时序图，该时序图示出了与运行在连续传导模式中的次级控制器关联的信号。
[0025]图4是例示了根据本发明的教导的同步回扫开关模式功率转换器的一个示例性的运行过程的流程图。
[0026]在这些绘图的全部若干个视图中，对应的参考字符指示对应的部件。技术人员将意识到，这些图中的元件是为了简化和澄清而例示的，且不必然按比例绘制。例如，在这些图中，一些元件的尺寸可以相对于其他元件被夸大，以帮助增进对本发明的多种实施方案的理解。而且，在商业上可行的实施方案中有用或必要的普遍但被良好理解的元件常常不被描绘，以免妨碍对本公开内容的多种实施方案的观察。
【具体实施方式】
[0027]在下文的描述中，阐明了众多具体细节，以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将明了，实施本发明无需采用所述具体细节。在其他情况下，为了避免模糊本发明，没有详细描述众所周知的材料或方法。
[0028]本说明书全文提到“一个实施方案”、“一实施方案”、“一个实施例”或“一实施例”意指，关于该实施方案或实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，本说明书全文多处出现的短语“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”未必全都指相同的实施方案或实施例。再者，所述具体特征、结构或特性可在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合结合。具体特征、结构或特性可被包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或其他提供所描述的功能的合适的部件中。此外，应理解，这里提供的图出于向本领域普通技术人员解释的目的，并且这些图未必按比例绘制。
[0029]图1示出了根据本发明的教导的同步回扫开关模式功率转换器100的一个实施例的示意图，同步回扫开关模式功率转换器100包含初级控制器180，初级控制器180被耦合以接收来自同步回扫开关模式功率转换器100的次级控制器140的信号。在图1中例示的实施例中，同步回扫开关模式功率转换器100利用了次级控制。应意识到，用于回扫转换器的次级控制具有更密的输出调整和对负载瞬变(1adtransient)的更快的响应的优势。
[0030]同步回扫开关模式功率转换器100在输入接收未经调整的输入电压Vin102，以产生到电负载128的输出电压VQ120和输出电流1。118。输入电压VIN102可以是经整流的和经滤波的ac电压。如所示,输入电压VIN102以初级接地(primary ground) 104为参考,也被称为输入返回(input return),且输出电压VmjtWO以次级接地(secondary ground) 122为参考，也被称为输出返回(output return)。在其他实施例中，同步回扫开关模式功率转换器100可以具有多于一个的输出。
[0031]如图1中进一步示出的，同步回扫开关模式功率转换器100包含初级控制器180和次级控制器140，以控制功率转换器100的电路，从而将输出电压VQ120调整在期望的电压水平处。在一个实施例中，同步回扫开关模式功率转换器100可以在启动时期之后将输出电压VJ20调整到期望的电压水平。该启动时期可以是如下一段时间，该段时间从同步回扫开关模式功率转换器100被引入至输入电压Vin102开始，直到初级控制器180和次级控制器140开始运行以调整输出电压％120。在该示例性的同步回扫开关模式功率转换器100中，输出电容器C1116被耦合到输出，以平滑(smooth out)输出电压VQ120中的波纹。
[0032]图1中也包含能量传递元件Tl 124，它被例示为带有初级绕组110和次级绕组112的耦合电感器。能量传递元件T1124被耦合以将能量从初级绕组110传递至次级绕组112。附加地，能量传递元件T1124提供同步回扫开关模式功率转换器100的初级侧上的电路与同步回扫开关模式功率转换器100的次级侧上的电路之间的电流隔离。换言之，施加在同步回扫开关模式功率转换器100的初级侧与次级侧之间的dc电压将产生基本为零的电流。
[0033]电耦合至初级绕组110的电路可以被称为同步回扫开关模式功率转换器100的初级侧。相似地，电耦合到次级绕组112的电路可以被称为同步回扫开关模式功率转换器100的次级侧。在所描绘的实施例中，开关器件S1150在初级绕组110处被耦合到能量传递元件124，且在输入返回104处被耦合到同步回扫开关模式功率转换器100的输入。开关器件S1150可以是金属氧化物场效应晶体管(M0SFET)、双极结型晶体管(BJT)或类似物。如所示，初级控制器180被耦合到该初级侧的电路部件，诸如开关器件S1150。次级控制器140被耦合到该次级侧上的电路，诸如同步整流电路126、次级绕组112连同其他电路部件。在运行中，初级控制器180和次级控制器140控制同步回扫开关模式功率转换器100的电路(例如开关器件S1150和同步整流电路126 )，以控制经过能量传递元件T1124的从同步回扫开关模式功率转换器100的输入到输出的能量传递。
[0034]箝位电路106被耦合在能量传递元件Tl 124的初级绕组110两端，且耦合至同步回扫开关模式功率转换器100的输入。箝位电路106运行以对开关器件S1150两端的断开尖峰进行箝位，所述断开尖峰由源自初级绕组110的漏电感引起。
[0035]初级控制器180和次级控制器140可以被包含在集成电路中。在一个实施例中，初级控制器180被包含在第一集成电路芯片(die)中，且次级控制器140被包含在第二集成电路芯片中，第一集成电路芯片和第二集成电路芯片都被布置在集成电路封装件中。在一个实施例中，开关器件SI 150可以被包含在集成电路封装件中的单片式或混合结构中，该集成电路封装件也包含初级控制器180和次级控制器140。在一个实施例中，开关器件SI 150被布置在也包含初级控制器180的第一集成电路芯片上，且次级控制器140被包含在第二集成电路芯片中。在另一个实施例中，开关器件SI 150被布置在第一集成电路芯片上，初级控制器180被包含在第二集成电路芯片中，且次级控制器140被包含在第三集成电路芯片中。包含初级控制器180的芯片与包含次级控制器140的芯片电流隔离。据此，初级控制器180与次级控制器140电流隔离。
[0036]尽管初级控制器180与次级控制器140彼此电流隔离，但初级控制器180与次级控制器可以与彼此通信。具体地，通过经由磁耦合通信链路(图1中未示出)来提供信号，次级控制器140可以与初级控制器180通信。在一个实施例中，可以使用被包含在集成电路封装件的引线框架中的电流隔离的传导环来实施初级控制器180与次级控制器140之间的通信链路。替代地，次级控制器140可以通过光学耦合器或耦合电感器来向初级控制器180提供信号。
[0037]在所例示的实施例中，次级控制器140向初级控制器180传输延迟的驱动信号Udpd1480初级控制器180响应于延迟的驱动信号Udpd148来控制开关器件S1150的状态。例如，开关器件S1150可以运行在通状态(例如闭合的开关)或断状态(例如打开的开关冲，依赖于由初级控制器180响应于延迟的驱动信号UDPD148生成的开关驱动信号182。在运行中，初级控制器180控制经过开关器件S1150和初级绕组110的初级电流Isw130。在所例示的实施例中，初级控制器180感测初级电流Isw130作为电流感测信号134。为了感测初级电流Isw130，可以使用多种技术，包含:接收传导电流的电阻器的两端电压、接收来自电流变换器的经缩放的电流、接收传导电流的MOSFET的通电阻(on-resistance)两端的电压，或以其他方式。[0038]图1中的电流感测信号134的波形示出了同步回扫开关模式功率转换器100运行在间断传导模式中，这对于在轻负载下的运行可以是典型的。间断传导模式中的运行的一个区别特性是，在开关器件S1150接通的短时间之后，初级电流Isw130基本为零。在较高负载，同步回扫开关模式功率转换器100通常运行在连续传导模式中，其区别在于，在开关器件S1150接通的短时间之后，具有非零值的初级电流Isw130。
[0039]当开关器件S1150为通时，经过初级绕组110的电流增加了存储在能量传递元件T1124中的能量。在初级绕组110两端形成具有第一极性的初级绕组电压VP108。当开关器件S1150处于通状态时，在次级绕组112两端形成具有与VpIOS相反的极性的次级绕组电压Vs113。当次级绕组电压Vs113是正电压时，同步整流路126可以充当开路。
[0040]当初级电流Isw130达到电流极限IP132 (在一个实施例中是固定的极限)时，初级控制器180可以将开关器件S1150从通状态转变到断状态，由此阻塞电流经过开关器件S1150。当开关器件S1150从通状态转变到断状态时，次级绕组电压％113变成负电压，且允许能量被传递到输出电容器Cl 116，从而向电负载128提供功率。在一个实施例中，当次级绕组电压Vs113转变到负电压时，次级控制器140可以控制同步整流电路126来充当闭合的开关(即传导电流)，以使得输出电容器C1116被充电。
[0041]在该实施例中，同步回扫开关模式功率转换器100也包含次级绕组感测电路168。在一个实施例中，次级绕组感测电路168被耦合以感测正向电压Vf167，正向电压Vf167代表次级绕组电压Vs113,并生成经箝位的形式(version)的正向电压VF167。在一个实施例中，正向电压％167基本等于输出电压VJ20与次级绕组电压％113的总和。在所例示的实施例中，次级绕组感测电路168通过限制经箝位的正向电压Vcf166的正幅度来生成经箝位的正向电压Vcf166，经箝位的正向电压Vcf166代表经箝位形式的正向电压Vf167。更具体地，次级绕组感测电路168包含高电压η沟道M0SFET，它被耦合到次级绕组112，以感测正向电&VF167，且通过将经箝位的正向电压Vcf166的正幅度限制到约4.3V来产生经箝位的正向电压Vcf166。注意，在其他实施例中，次级绕组感测电路168可以不必然限制在次级绕组感测电路168的输出处生成的信号的正幅度。在同步回扫开关模式功率转换器100的启动期间，在次级控制器140被上电(powered up)之后，当同步回扫开关模式功率转换器100进入正常运行时，次级绕组感测电路168被使能。在一个实施例中，次级绕组感测电路168可以与次级控制器140被布置在同一集成电路芯片上。在另一个实施例中，次级绕组感测电路168位于包含次级控制器140的集成电路芯片之外，且可以被耦合以向次级控制器140的绕组感测端子提供经箝位的正向电压Vcf166。
[0042]在所描绘的实施例中，次级控制器140包含驱动电路144，以响应于反馈信号Ufb154来生成驱动信号UPD146，驱动信号Upd146代表同步回扫开关模式功率转换器100的输出量(output quantity) Uq156。输出量Uq156可以包含输出电压Vq120和/或输出电流IJ18。在一个实施例中，感测电路152被耦合以感测输出量队156，且响应于输出量156来生成反馈信号Ufb154。在所例示的实施例中，次级控制器140被耦合到感测电路152，以在次级控制器140的反馈端子处接收反馈信号Ufb154。在一个实施例中，感测电路152包含电阻分压器(resistive divider)，该电阻分压器被耦合至同步回扫开关模式功率转换器100的输出，以生成作为代表输出电压Vq120的经缩小的(scaled down)电压的反馈信号Ufb1540在一个实施例中，感测电路152与次级控制器140被布置在同一集成电路芯片上。[0043]在示例性的次级控制器140中，驱动信号Upd146可以代表针对开关器件SI 150的使能的切换周期(enabled switching period)或禁用的切换周期(disabled switchingperiod)。换言之，驱动信号Upd146可以指示初级控制器180是否应在切换周期中使能(允许接通)或禁用(不允许接通)开关器件S1150，该切换周期是由次级控制器140中包含的振荡器170生成的时钟信号UaK172的相继脉冲之间的时间段限定的。例如，当输出电压VQ120下降到期望的电压水平以下时，驱动信号UPD146可以指示初级控制器180应使能开关器件S1150，以在切换周期中向功率转换器100的次级侧提供更多能量。相似地，当输出电压Vq120基本等于或大于期望的电压水平时，驱动信号UPD146可以指示初级控制器180应禁用开关器件S1150，以在切换周期中向功率转换器100的次级侧提供更少能量。
[0044]在所例示的实施例中，驱动电路144被耦合以接收来自振荡器170的时钟信号UclkI720在一个实施例中，驱动电路144将反馈信号Ufb154与输出阈值Vth比较，且如果当时钟信号UaK172是逻辑高时反馈信号Ufb154小于该输出阈值VTH，则生成作为逻辑高信号的驱动信号Upd146。如果反馈信号Ufb154大于该输出阈值Vth且/或时钟信号UaK172是逻辑低，则驱动电路144生成作为逻辑低信号的驱动信号Upd146。在所例示的实施例中，驱动电路144包含与门(AND-gate)，该与门被耦合以响应于时钟信号UaK172且响应于反馈信号Ufb154与该输出阈值Vth的比较来输出驱动信号Upd146。如进一步例示的，该与门是双输入与门。驱动电路144也包含反相器，该反相器被耦合在该与门的第一输入与比较器之间。在一个实施例中，该比较器是电压比较器，该电压比较器的阈值电压基本等于输出阈值Vth,且该比较器进一步被耦合以接收反馈信号Ufb154。该与门的第二输入端被耦合以接收来自振荡器170的时钟信号UmI72。[0045]如图1中进一步例示的，次级控制器140也包含延迟电路162和控制电路160。延迟电路162被耦合到驱动电路144以接收驱动信号UPD146，且被耦合以延迟驱动信号Upd146,以生成延迟的驱动信号Udpd148。在所例示的实施例中，控制电路160被耦合以接收驱动信号UPD146、延迟的驱动信号Udpd148和经箝位的正向电压Vcf166。控制电路160被耦合以响应于驱动信号Upd146且响应于经箝位的正向电压Vcf166来生成控制信号1^164,如所示。控制电路160也可以被耦合以响应于延迟的驱动信号Udpd148来生成控制信号UCK164。
[0046]控制信号Ura164控制同步整流电路126。如图1的实施例中示出的，同步整流电路126被耦合到同步回扫开关模式功率转换器100的次级侧上的次级绕组112。在所例示的实施例中，同步整流电路126包含开关S2127，开关S2127由来自次级控制器140的控制信号Uce164控制。在一个实施例中，开关S2127是M0SFET，它的栅极被耦合到控制信号Ura164。依赖于控制信号UCK164，开关S2127可以运行在通状态(即开关S2127被接通)或断状态(即开关S2127被断开)中。当被来自次级控制器140的控制信号UeK164接通时，同步整流电路126的开关S2127可以传导电流。在所例示的实施例中，同步整流电路126包含二极管，它可以是分立部件，或可以与所例示的开关被包含在同一部件中(例如该MOSFET的体二极管)。
[0047]控制电路160可以控制同步整流电路126的开关S2127，以使得开关器件S1150和开关S2127不同时处于通状态(如果这发生则会大大降低同步回扫开关模式功率转换器100的效率)。控制电路160可以监测经箝位的正向电压VCF166，且当经箝位的正向电压^166变成负电压(指示开关器件51150已转变到断状态)时接通开关S2127。在一个实施例中，控制电路160可以将经箝位的正向电压VCF166与负阈值电压比较，以确定经箝位的正向电压Vcf166是否已经变成负电压。
[0048]当开关S2127处于通状态时，存储在能量传递元件T1124中的能量被传递到同步回扫开关模式功率转换器100的输出，次级电流(未示出)对输出电容器C1116进行充电。该次级电流可以随着输出电压％120增大(即随着更多能量被传递到同步回扫开关模式功率转换器100的输出)而减小。由于开关S2127中的电流与该次级电流基本相同，所以开关S2127两端的电压降也可减小。这导致正向电&Vf167 (和经箝位的正向电压Vcf166)相对于输出返回122变得负的较少，在一个实施例中基本为零伏特。在一个实施例中，当经箝位的正向电压Vcf166变成基本为零伏特时，控制电路160可以断开开关S2127。
[0049]当同步回扫开关模式功率转换器100运行在间断传导模式中时，在下一个使能的切换周期开始之前(即在驱动信号UPD146变成逻辑高信号之前)，该次级电流下降到基本为零。据此，正向电压VF167(和经箝位的正向电压VCF166)从负电压增大到基本为零伏特。因此，在间断传导模式中，控制电路160可以使用经箝位的正向电压VCT166来确定何时断开开关S2127。具体地，控制电路160可以将经箝位的正向电压VCF166与同一负阈值电压进行比较，且如果经箝位的正向电压Vcf166基本等于或大于该负阈值电压，则断开开关S2127。
[0050]当同步回扫开关模式功率转换器100运行在连续传导模式中时，在驱动信号Upd146指示初级控制器180应使能开关器件S1150之前(即在下一个使能的切换周期开始之前)，该次级电流不下降到基本为零。据此，正向电压Vf167(和经箝位的正向电压Vcf166)可以保持低于负阈值电压，直到开关器件S1150转变到通状态。结果，在开关器件S1150转变成通状态之前，控制电路160可以不使用经箝位的正向电压Vcf166来截断开关S2127。在所例示的实施例中，在连续传导模式中，当驱动信号Upd146变成逻辑高信号(指示初级控制器180应使能开关器件S1150)时，控制电路160断开开关S2127。应注意，尽管驱动信号Upd146指示初级控制器180应使能开关器件SI 150，但在从次级控制器140接收到驱动信号Upd146的延迟形式(即延迟的驱动信号Udpd148)之前，初级控制器180不将开关器件S1150转变到通状态。以此方式，控制电路160确保了开关器件S1150和开关S2127在间断传导运行模式和连续传导运行模式二者中都不同时处于通状态。
[0051]在所例示的实施例中，次级控制器140可以被耦合以从同步回扫开关模式功率转换器100的次级侧接收功率。例如，次级控制器140可以被耦合到旁路电容器(未示出)，该旁路电容器可以被耦合到次级绕组112。当被充电到某一电压水平时，该旁路电容器可以提供功率，以运行次级控制器140的电路，诸如控制电路160。在启动时，例如当输入电压Vin102被引入到同步回扫开关模式功率转换器100的输入时，初级控制器180开始将开关器件S1150的状态在通状态和断状态之间切换，从而开始向同步回扫开关模式功率转换器100的次级侧的能量传递。然而，同步回扫开关模式功率转换器100的次级侧可能尚未向次级控制器140提供足够的功率，这是因为例如该旁路电容器可能是未充电的，或可能被充电到低于运行次级控制器140所要求的最小值的电压水平。因此，次级控制器140可能不向初级控制器180发送延迟的驱动信号UDPD148，且可能不产生控制信号Ura164来控制同步整流电路126的开关S2127。据此，在启动时，开关S2127可以保持处于断状态，且初级控制器180可在不从次级控制器140接收延迟的驱动信号Udpd148的情况下控制开关器件S1150的状态。应注意，尽管在启动期间开关S2127可保持处于断状态，但当次级绕组电压Vs113变成负电压时，同步整流电路126的二极管可以传导电流，从而可允许从同步回扫开关模式功率转换器100的初级侧到次级侧的能量传递。以此方式，同步回扫开关模式功率转换器100的次级侧中的能量在启动期间可以增加，并且达到足以运行次级控制器140的水平。
[0052]图2示出了根据本发明的教导的示例性的控制电路260的示意性框图，控制电路260可以被用作同步回扫开关模式功率转换器的次级控制器中的控制电路160。在所例示的实施例中，控制电路260包含比较器250、逻辑电路系统(circuitry) 270和单触发(one-shot)电路258。比较器250被耦合以响应于次级阈值Vtn与代表同步回扫开关模式功率转换器的次级绕组电压(例如次级绕组电压Vs113)的输入信号(例如经箝位的正向电压VeF166)的比较来生成比较信号U-252。在一个实施例中，该次级阈值Vtn是-30mV。尽管图2示出了比较器250被实施为电压比较器，但替代的实施例可以包含电流比较器，或其他。
[0053]在图2中，控制电路260也包含逻辑电路系统270，逻辑电路系统270被耦合到比较器250，且被耦合以接收比较信号U-252。逻辑电路系统270也被耦合以从驱动电路144接收驱动信号Upd146。逻辑电路系统270可以被耦合以响应于比较信号U-252和驱动信号Upd146来生成控制信号Ura164，以控制同步整流电路126的开关S2127。
[0054]在所例示的实施例中，逻辑电路系统270包含锁存器256，且锁存器256被耦合响应于驱动信号Upd146而被置位(set)。逻辑电路系统270可以被耦合以从延迟电路162接收延迟的驱动信号UDPD148，延迟电路162被耦合以通过对驱动信号Upd146进行延迟来生成延迟的驱动信号 Udpd148。在所例示的实施例中，锁存器256被耦合以被延迟的驱动信号Udpd148置位。当锁存器256被置位时，该锁存器的输出生成了使能信号Usken254，使能信号USKEN254变成逻辑高。在所例示的实施例中，逻辑电路系统包含与门，该与门被耦合以响应于驱动信号UPD146、响应于比较信号11^^252且响应于来自该锁存器输出的使能信号USKEN254来生成控制信号Ura164(在该与门的输出处)。在所例示的实施例中，该与门是三输入与门。在所例示的实施例中，逻辑电路系统270也包含反相器，该反相器被耦合在比较器250与该与门的第一输入之间。附加地，一个反相器被I禹合到该与门的第二输入，且被I禹合以对驱动信号Upd146进行反相。在所例示的实施例中，该与门的第三输入接收使能信号Usken254。
[0055]仍参照图2，单触发电路258被耦合以接收控制信号Ura164，且响应于控制信号Ura164来将锁存器256复位(reset)。在一个实施例中，单触发电路258被耦合以响应于控制信号1^164的下降沿来将锁存器256复位。在一个实施例中，响应于控制信号1^164,单触发电路258生成作为单触发信号Uwe257的脉冲，以将锁存器256复位。在锁存器256被复位之后，锁存器输出上的使能信号Usken254变成逻辑低。
[0056]图3A例示了一个根据本发明的教导的示例性的时序图，该时序图示出了根据本发明的教导与运行在间断传导模式中的次级控制器(例如次级控制器140)关联的信号。时钟信号UaK310是时钟信号UaK172的一个可能的表示。反馈信号Ufb320是反馈信号UFB154的一个可能的表不。驱动信号Upd346是驱动信号Upd146的一个可能的表不,延迟的驱动信号Udpd348是延迟的驱动信号Udpd148的一个可能的表不。时钟信号UaK310是周期性脉冲,它的周期代表切换周期Tsw (在时间^与时间t5之间)。然而，同步回扫开关模式功率转换器100的实际切换周期可以不同于切换周期Tsw，这是因为驱动信号Upd346确定了同步回扫开关模式功率转换器100具有使能的切换周期还是禁用的切换周期。使能的切换周期代表如下切换周期，其中开关器件S1150被允许响应于开关驱动信号182从断状态切换到通状态(即开关器件S1150被使能)。另一方面，禁用的切换周期代表如下切换周期，其中开关器件S1150不被允许从断状态切换到通状态(即开关器件S1150被禁用)，从而维持在断状态。具体地，如果驱动信号Upd346在切换周期Tsw中是逻辑高，则开关器件S1150在那个切换周期Tsff中被使能。然而，如果驱动信号Upd346在切换周期Tsw中是逻辑低，则开关器件S1150在那个切换周期Tsw中被禁用。在使能的切换周期中，初级控制器180 —接收到延迟的驱动信号Udpd348中的脉冲就将开关驱动信号182设置到逻辑高，且因此开关器件SI 150可以从断状态转变到通状态。在禁用的切换周期中，初级控制器180不接收延迟的驱动信号Udpd348中的脉冲，且将开关驱动信号182保持在逻辑低，由此造成开关器件S1150保持在断状态。
[0057]在图3A中，时间h与时间t5之间的时间段示出了使能的切换周期。时间t5与时间t6之间的时间段示出了禁用的切换周期。时间16之后的时间段示出了另一个使能切换周期的开始。
[0058]在时间tl与时间t2之间，时钟信号UaK310从逻辑低变为逻辑高并保持一短段时间，同时反馈信号Ufb320在输出阈值Vth以下。由于这是输出电压VJ20在期望的输出电压水平以下的指示，因此驱动电路144可以将驱动信号upd346切换到逻辑高并保持一段持续时间(duration)，该持续时间基本等于时钟信号UaK310的脉冲的脉冲宽度。仍参照时间h与时间t2之间的时间段，比较器250输出作为逻辑高的比较信号U-352 (比较信号U52的一个可能的表示)，这是因为经箝位的正向电压Vcf366 (它是经箝位的正向电压Vcf166的一个可能的表不)大于次级阈值Vm。由于图2中的反相器将比较信号11。?352的逻辑高翻转成逻辑低，因此该与门输出作为逻辑低的控制信号Ura364 (它是控制信号Ura164的一个可能的表示)，且同步整流 电路126的开关S2127处于断状态。使能信号USKEN354(它是使能信号Usken254的一个可能的表不)也是逻辑低。
[0059]在时间t2，当延迟电路162响应于驱动信号Upd346生成驱动信号UDPD348时，延迟的驱动信号Udpd348变为逻辑高。在一个实施例中，延迟的驱动信号Udpd348滞后于对应的驱动信号UPD346100ns。当延迟的驱动信号UDPD348将锁存器256置位时，使能信号U_354变为逻辑高。初级控制器180 (响应于延迟的驱动信号UDPD348转变到逻辑高)将开关器件SI 150转变到通状态，且初级电流Isw330 (它是初级电流Isw130的一个可能的表示)从零增大到电流极限IP132。在时间t2，经箝位的正向电压VCF366爬升，以代表输出电压VQ120加上输入Vin102的经缩小的电压的总和。该经缩小的电压可以基本等于输入VIN102上的按照初级绕组110上的匝数与次级绕组112上的匝数的比缩放的电压。比较信号U-352仍大于次级阈值VTN，这意味着控制信号Ura364是逻辑低，且同步整流电路126的开关S2127处于断状态。
[0060]在时间t3，初级电流Isw330达到电流极限IP132，且作为响应，初级控制器180将开关器件S1150切换到断状态。次级绕组电压Vs113变成负电压(它造成经箝位的正向电压Vcf366也变成负电压)，且当由于负次级绕组电压Vs113而同步整流电路126的二极管变得正向偏置时，该二极管开始传导电流。当经箝位的正向电压VCF366变得低于比较器250的次级阈值Vtn时，比较器250将比较信号U-352从逻辑高切换到逻辑低。由于逻辑电路系统270中的与门在它的三个输入具有三个逻辑高，因此该与门输出作为逻辑高的控制信号UCK364，且同步整流电路126的开关S2127转变到通状态。
[0061]在经箝位的正向电压Vcf366在时间t3急剧下降之后，随着能量传递元件T1124中的能量从初级绕组110被传递到次级绕组112，经箝位的正向电压Vcf366增大。随着能量向次级绕组112的传递输出电压Vq120上升，反馈信号Ufb320变得大于输出阈值VTH。
[0062]在时间t4，经箝位的正向电压Vcf366达到次级阈值Vm，这将比较信号U-352切换到逻辑高。这造成该与门为控制信号Ura364生成逻辑低，逻辑低将使得同步整流电路126的开关S2127切换到断状态。响应于控制信号Ura364的下降沿(当它从逻辑高转变到逻辑低时)，单触发电路258生成将锁存器256复位的短脉冲，且造成该锁存器输出的使能信号Usken354变为逻辑低。由单触发电路258生成的该短脉冲在图3A中被例示为单触发信号UWE357，它是图2中的单触发信号Uwe257的一个可能的表示。当同步整流电路126的开关S2127被断开时，经箝位的正向电压Vcf366短暂地下降到该次级阈值Vtn以下，然后继续爬升。注意，尽管经箝位的正向电压Vct366短暂地下降到次级阈值Vtn以下，但使能信号U_354保持逻辑低，这是因为锁存器256被复位(且尚未被置位)，这确保了控制信号Ura364不会在无意中转变到逻辑高。
[0063]在时间t5，时钟信号UaK310变为逻辑高，同时反馈信号Ufb320在该输出阈值Vth以上，所以驱动电路144不为驱动信号Upd346生成逻辑高。当然，在没有来自驱动信号Upd346的逻辑高的情况下，延迟的驱动信号Udpd348也保持逻辑低，且初级控制器180不将开关器件SI 150转变到通状态。
[0064]在某一点处(在图3A中刚刚在时间t6之前)，反馈信号Ufb320下降到输出阈值Vth以下，这 造成当时钟信号UaK310再次切换到逻辑高时(在图3Α中在时间t6)，驱动电路144将驱动信号Upd346转变到逻辑高。在驱动信号Upd346指示使能的切换周期的开始的情况下，开关器件SI 150将响应于开关驱动信号182而被初级控制器180接通，且能量将再一次被传送到同步回扫开关模式功率转换器100的输出，以调整输出电压％120。值得注意，在驱动信号Upd346在时间t6从逻辑低转变到逻辑高之后，经过时间延迟(例如100ns)，延迟的驱动信号Udpd348在时间t7变为逻辑高且将锁存器256置位，以使得控制信号Ura364可以再一次变为逻辑高且接通同步整流电路126的开关S2127。
[0065]图3B例示了一个根据本发明的教导的示例性的时序图，该时序图示出了根据本发明的教导与运行在连续传导模式中的次级控制器(例如次级控制器140)关联的信号。在图3B中，时间tl与时间t4之间的时间段示出了使能的切换周期。从时间tl到时间t3这个时间段，图3A和图3B是相似的。
[0066]在图3B中，在时间t3，在开关器件SI 150转变到断状态之后，经箝位的正向电压Vcf366下降到次级阈值Vtn以下。然后，随着能量传递元件T1124中的能量被传递到同步开关模式功率转换器100的输出，经箝位的正向电压^^366开始增大。在时间t4,时钟信号UaK310变为逻辑高，同时经箝位的正向电压Vcf366尚未达到次级阈值Vtn。由于经箝位的正向电压Vcf366不在次级阈值Vtn以上，因此比较信号U-352保持逻辑低。
[0067]在时间t4，驱动信号UPD346转变到逻辑高，这指示使能的切换周期。响应于高的驱动信号UPD346，与门的第二输入变为逻辑低，从而造成控制信号Ura364也变为逻辑低，这断开了同步整流电路126的开关S2127。控制信号Ura364的下降沿(它断开开关S2127)造成单触发电路258生成单触发信号U.357上的脉冲，该脉冲将锁存器256复位.[0068]在时间t5，比较信号U-352转变到逻辑高，且驱动信号Upd346是逻辑低。也在时间t5，延迟的驱动信号Udpd348转变到逻辑高，这将锁存器256置位。当然，当同步回扫开关模式功率转换器100运行在连续传导模式中时，延迟的驱动信号Udpd348也造成初级控制器180接通开关器件S1150，且作为结果，初级电流Isw330从非零值开始上升。
[0069]如前文讨论的，功率转换器的效率在工业中非常重要。为了效率，同步整流电路126的开关器件SI 150和开关S2127通常应不同时被接通。在所例示的实施例中，次级控制器140被配置为在间断传导模式(图3A)和连续传导模式(图3B) 二者中与初级控制器180协调来控制开关S2127的切换，从而确保开关器件S1150和同步整流电路126的开关S2127不同时被接通。
[0070]图4是一个根据本发明的教导的流程图，该流程图例示了根据本发明的教导运行同步回扫开关模式功率转换器的示例性的过程400。过程400在过程框405处开始，此时初级开关(例如开关器件S1150)被使能(即允许被接通)。在过程框410中，代表同步回扫开关模式功率转换器的能量传递元件的次级绕组的次级绕组电压的输入信号被监测。在决策框420中，代表次级绕组的次级绕组电压的输入信号被与阈值(例如负阈值Vtn)比较。如果代表次级绕组的次级绕组电压的输入信号大于指示初级开关处于断状态的阈值，则过程400返回到过程框410。如果代表次级绕组的次级绕组电压的输入信号小于指示该初级开关已被切换到断状态的阈值，则在过程430中，耦合到该次级绕组的次级开关(例如同步整流电路126的开关S2127)被使能(例如切换到通状态)。
[0071]在过程框440中，代表次级绕组的次级绕组电压的输入信号被监测。在决策框450中，该输入信号被与阈值比较。如果该输入信号大于阈值，则过程400行进到过程框460，在此该次级开关被禁用(例如切换到断状态)。当该同步回扫开关模式功率转换器在间断传导模式中时，这将是接下来的过程。如果在决策框450中代表次级绕组电压的输入信号不大于阈值，则过程400将行进到决策框470，且确定初级开关是否被使能。如果在决策框470中该初级开关被使能，则过程400继续到过程框480，在此该次级开关被禁用。当该同步回扫开关模式功率转换器在连续传导模式中时，这将是接下来的过程。因而，该次级开关响应于多个事件中的至少一个而被禁用。可以触发将该次级开关禁用的多个事件包含:该输入信号达到阈值，以及驱动信号(例如驱动信号UPD346)具有使能该初级开关的电平(例如逻辑高)。在一个实施例中，会造成该次级开关被禁用的多个事件可以包含:该输入信号达到阈值，以及驱动信号具有使能该初级开关的电平。
[0072]如果在决策框470中该初级开关不被使能，则过程400返回到过程框440。在所例示的实施例中，在该次级开关在过程框460或480中被断开之后，过程400在过程框490处结束。然而，在一个实施例中，过程400返回到过程框405，而不是在过程框490处结束。
[0073]在一个实施例中，响应于时钟信号且响应于代表该同步回扫开关模式功率转换器的输出量(例如输出量Uol56)的反馈信号而生成驱动信号。在一个实施例中，该输出量包含该同步回扫开关模式功率转换器的输出电压。初级开关可以被耦合到能量传递元件的初级绕组，且控制经过该能量传递元件从该同步回扫开关模式功率转换器的输入到该同步回扫开关模式功率转换器的输出的能量传递。
[0074]在一个实施例中，使能次级开关(过程框430)包含响应于驱动信号来将锁存器置位，且禁用该次级开关(过程框460或480)包含将该锁存器复位。将该锁存器置位可以包含:延迟该驱动信号，以使得该锁存器响应于延迟的驱动信号而被置位。将该锁存器复位可以包含:检测控制信号的下降沿(它使能和禁用该次级开关)，且该锁存器可以响应于检测该控制信号的下降沿而被复位。
[0075]上面对本发明的所例示的实施例的描述，包含在摘要中描述的内容，不旨在是穷举性的或是对所公开的精确形式的限制。尽管本发明的具体实施方案和针对本发明的实施例在这里是为了例示而被描述的，但在不脱离本发明的较宽泛的精神和范围的前提下，多种等同变体是可能的。其实，应意识到，电压、电流、频率、功率范围、时间等的具体实施例是为了解释而被提供的，且根据本公开内容的教导，在其他实施方案和实施例中也可以采用其他值。
【权利要求】
1.一种用于在同步回扫转换器中使用的次级控制器，该次级控制器包括: 一个比较器，被耦合以响应于一个阈值与代表该同步回扫转换器的次级绕组电压的输入信号的比较生成一个比较信号； 一个驱动电路，被耦合以生成一个驱动信号，以控制待被耦合到该同步回扫转换器的初级侧的第一开关，其中该驱动信号被耦合以由该驱动电路响应于代表该同步回扫转换器的输出的反馈信号来生成；以及 逻辑电路系统，被耦合到该驱动电路并且被耦合到该比较器，其中该逻辑电路系统被耦合以响应于该驱动信号并且响应于该比较信号生成一个控制信号，以控制第二开关，并且其中该第二开关待被耦合到该同步回扫转换器的次级侧。
2.根据权利要求1所述的次级控制器，其中该逻辑电路系统包含一个锁存器，该锁存器被耦合以响应于该驱动信号被置位，并且被耦合以响应于该控制信号被复位，并且其中该逻辑电路系统被耦合以响应于该锁存器的锁存输出生成该控制信号。
3.根据权利要求2所述的次级控制器，还包括一个延迟电路，该延迟电路被耦合到该驱动电路以接收该驱动信号，并且被耦合以生成一个延迟的驱动信号，其中该锁存器被耦合到该延迟电路以响应于该延迟的驱动信号被置位。
4.根据权利要求2所述的次级控制器，其中该逻辑电路系统包含一个与门，该与门被率禹合以响应于该驱动信号、响应于该比较信号并且响应于该锁存输出生成该控制信号。
5.根据权利要求2所述的次级控制器，还包括一个单触发电路，该单触发电路被耦合到该锁存器并且被耦合以接收该控制信号，其中该单触发电路被耦合以响应于该控制信号来复位该锁存器。
6.根据权利要求5所述的次级控制器，其中该单触发电路被耦合以响应于该控制信号的下降沿来复位该锁存器。
7.根据权利要求1所述的次级控制器，其中该输入信号是由一个绕组感测电路生成的，该绕组感测电路被耦合到该同步回扫转换器的能量传递元件的次级绕组。
8.根据权利要求1所述的次级控制器，还包括一个振荡器，该振荡器被耦合以生成时钟信号，该时钟信号被耦合以被该驱动电路接收，其中该驱动电路被耦合以响应于该时钟信号生成该驱动信号。
9.一种功率转换器,包括: 一个能量传递元件，具有初级绕组和次级绕组； 第一开关，被耦合到该初级绕组并且被耦合到该功率转换器的输入；以及 一个次级控制器，被耦合以控制该第一开关的切换，以控制通过该能量传递元件从该功率转换器的所述输入到该功率转换器的输出的能量传递，该次级控制器包含: 一个比较器，被耦合以响应于一个阈值与代表该次级绕组的次级绕组电压的输入信号的比较生成一个比较信号； 一个驱动电路，被I禹合以生成一个驱动信号，以控制该第一开关，其中该驱动信号被率禹合以由该驱动电路响应于代表该功率转换器的所述输出的反馈信号来生成；以及 逻 辑电路系统，被耦合到该驱动电路并且被耦合到该比较器，其中该逻辑电路系统被耦合以响应于该驱动信号并且响应于该比较信号生成一个控制信号，以控制第二开关，并且其中该第二开关被耦合到该功率转换器的次级侧。
10.根据权利要求9所述的功率转换器，其中所述逻辑电路系统包含一个锁存器，该锁存器被耦合以响应于该驱动信号被置位，并且被耦合以响应于该控制信号被复位，并且其中该逻辑电路系统被耦合以响应于该锁存器的锁存输出生成该控制信号。
11.根据权利要求10所述的功率转换器，其中该次级控制器还包含一个延迟电路，该延迟电路被耦合到该驱动电路以接收该驱动信号，并且被耦合以生成一个延迟的驱动信号，其中该锁存器被耦合到该延迟电路以响应于该延迟的驱动信号被置位。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中该第一开关的切换被耦合以响应于该延迟的驱动信号被控制。
13.根据权利要求10所述的功率转换器，其中该逻辑电路系统包含一个与门，该与门被率禹合以响应于该驱动信号、响应于该比较信号并且响应于该锁存输出生成该控制信号。
14.根据权利要求10所述的功率转换器，还包括一个单触发电路，该单触发电路被耦合到该锁存器并且被耦合以接收该控制信号，其中该单触发电路被耦合以响应于该控制信号复位该锁存器。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，其中该单触发电路被耦合以响应于该控制信号的下降沿复位该锁存器。
16.根据权利要求9所述的功率转换器，其中该输入信号由耦合到该次级绕组的绕组感测电路生成。
17.根据权利要求9所述的功率转换器，其中该次级控制器还包括一个振荡器，该振荡器被耦合以生成时钟信号，该时钟信号被耦合以被该驱动电路接收，其中该驱动电路被耦合以响应于该时钟信号生成该驱动信号。
18.—种控制同步回扫功率转换器的方法，该方法包括: 将一个阈值与代表该同步回扫功率转换器的能量传递元件的次级绕组的次级绕组电压的输入信号进行比较； 响应于该阈值与该输入信号的所述比较来使能耦合到该次级绕组的第二开关；以及 响应于多个事件中的至少一个来禁用该第二开关，其中该多个事件包含该输入信号达到该阈值，并且包含驱动信号具有使能耦合到该能量传递元件的初级绕组的第一开关的电平，其中该第一开关控制通过该能量传递元件从该同步回扫功率转换器的输入到该同步回扫功率转换器的输出的能量传递。
19.根据权利要求18所述的方法，其中使能该第二开关包括响应于该驱动信号置位一个锁存器，并且其中禁用该第二开关包括复位该锁存器。
20.根据权利要求19所述的方法，其中置位该锁存器包括:延迟该驱动信号，以使得该锁存器响应于延迟的驱动信号被置位。
21.根据权利要求19所 述的方法，其中复位该锁存器包括:检测控制信号的使能和禁用该第二开关的下降沿，其中该锁存器响应于所述检测该控制信号的该下降沿被复位。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括响应于时钟信号并且响应于该同步回扫功率转换器的输出生成该驱动信号。
【文档编号】H02M3/335GK103944392SQ201410030451
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2013年1月22日
【发明者】S·刘, A·B·詹格里安 申请人:电力集成公司