本申请总体涉及用于操作开关电源的方法和电路。
背景技术：
反激式电源包括具有耦合到输入电压源的初级侧的变压器。反激式电源的输出耦合到变压器的次级侧。输出电压调节通过控制流过变压器的初级侧的电流来实现。
技术实现要素：
在所描述的示例中，一种电源具有变压器和开关，开关耦合到变压器的初级侧，以用于控制流过变压器的初级侧的电流。一种方法包括确定电源的输出电压。响应于输出电压大于标称输出电压并且小于预定电压而生成用于驱动开关的第一最小开关频率。响应于输出电压等于或大于预定电压而生成用于驱动开关的第二最小开关频率，其中第一最小开关频率大于第二最小开关频率。
附图说明
图1是反激式电源的示例的示意图。
图2是图1的电源中的采样电压的示例波形。
图3是示出由图1的电源中的开关频率引起的问题的时序图。
图4是示例电源控制器的示意图。
图5是示出图4的控制器的示例操作的多个时序图。
图6是描述图4的控制器的操作的示例的流程图。
图7是描述图4的控制器的操作的另一示例的流程图。
具体实施方式
一些反激式电源使用磁反馈或初级侧调节(psr)，以避免其它反馈方法的成本和部件计数。psr的使用通常伴随着开关频率折回(foldback)的使用，开关频率折回用于在轻负载下维持高操作效率，并且在“空载”或待机状况下降低功耗。满足待机功耗目标要求非常低的待机开关频率fsw(st)，诸如典型的10w电源为1khz至3khz。在待机模式下，电源的外部负载为零。虽然为了维持输出电压电平，电源在有限的负载水平下操作，该有限的负载水平为小的内部预负载和由电源本身施加的负载的总和。电源必须能够将其输出功率输送降低到此低电平，否则随着输出电压开始上升，将失去调节。
在psr的情况下，电源控制回路在其对负载改变的响应方面具有等于1/fsw的固有延迟，其中fsw是电源的开关频率。在此延迟期间，电源的输出电压基于输出电流的电平和输出电容器的尺寸而下降。如果在此延迟的开始时输出电流发生大的改变，则该下降可能大得令人无法接受。在重复的负载改变的情况下，该问题被增强。由于成本和尺寸原因，增加输出电容器的尺寸是不期望的。
图1是反激式电源100的示例的示意图。电源100是将ac输入电压vin转换为dc输出电压vout的开关电源。电源100包括桥式整流器102，该桥式整流器102将ac输入电压vac转换为整流电压。桥式整流器102的输出耦合到滤波器104。滤波器104的输出耦合到具有np绕组的变压器t11的初级侧110。变压器t11的初级侧110还包括辅助绕组112，该辅助绕组112具有naux绕组并且由电源100使用以生成电源100的操作电压vdd。辅助绕组112在电源100的操作期间生成电压vaux。
变压器t11的初级侧110串联耦合到开关q11、电阻器r11和接地节点。接地节点可以为除电压vdd之外的电势。在图1的示例中，开关q11是晶体管，诸如场效应晶体管(fet)。晶体管q11的状态由晶体管q11上的栅极电压设定。流过开关q11的电流是流过变压器t11的初级侧110的电流，并且在本文中被称为电流ip。流过电阻器r11的电流ip生成电流感测电压vcs，如本文中所描述的，测量该电流感测电压vcs以确定电流ip。
辅助绕组112耦合到由电容器c11和二极管d11组成的转换器，该转换器将辅助电压vaux转换为操作电压vdd。通过采样电压vs对辅助电压vaux进行采样。在图1的示例中，由电阻器r12和r13组成的分压器降低辅助电压vaux以生成采样电压vs。
变压器t11具有带有ns匝绕组的次级侧120。次级侧120的输出电压为输出电压vout。次级侧120生成电流is。输出电压vout耦合到电阻器r14、电容器c12和肖特基(schottky)整流器d12。整流器d12具有可以近似为0.35v的正向(forward)电压vz21。电阻器r14用作预负载。次级侧120生成流过负载122的电流iout。如本文所描述，负载122具有可以变化的阻抗。负载122的阻抗的改变改变流过负载122的电流iout，这改变电源100的功率输出。
控制器130监测电源100的输出电压vout并且控制晶体管q11的栅极的开关以维持输出电压vout恒定。通过控制器130在跨越变化的输出负载上维持输出电压vout恒定，从而在输出电压vout下将其功率输送与负载122相匹配。然后，晶体管q11的特定开关模式可被称为生成用于进入负载122中的调节输出电压vout的特定输出功率电平。而且，通过迫使晶体管q11上的特定开关控制，可以迫使独立于输出电压vout的特定功率输送水平。控制器130具有耦合到采样电压vs、操作电压vdd和电流感测电压vcs的输入。控制器130具有输出drv，该输出drv响应于对控制器130的输入而用驱动电压vdrv驱动晶体管q11的栅极。
电源100被称为初级侧调节(psr)电源，因为变压器t11的初级侧110上的电压和/或电流被采样和/或调节以控制输出电压vout。psr电源不包括来自变压器t11的次级侧120的反馈的成本和复杂性。
图2是示出辅助电压vaux作为时间的函数的示例的曲线图200。在电源100的操作期间，在对控制器130的vs输入处，每个开关周期对辅助电压vaux进行一次采样。在图2的周期中，辅助电压vaux在时间t21被采样并且等于(vout+vz21)na/ns。另外参考图1，采样电压vs和/或电流ip被测量并且用于调节输出电压vout。例如，控制器130响应于采样电压vs和/或电流ip，以开关频率fsw接通和断开晶体管q11达一定时段。当负载122汲取高负载时开关频率fsw高，并且当汲取轻负载时，诸如当电源100处于待机模式时，开关频率fsw降低。高开关频率fsw是为了在待机或轻负载状况之外的正常操作状况下驱动负载而生成的开关频率。在一些示例中，除调制晶体管q11的接通时间之外，还可调制晶体管q11的开关频率，以控制功率并且因此在变化的负载或输入电压状况下调节输出电压vout。此输出调节被称为电源100的控制回路。
晶体管q11的开关频率fsw和/或晶体管q11接通的时段确定对于给定负载的输出电压vout。开关频率fsw和/或晶体管q11接通的时段随着负载122中的阻抗改变而改变。例如，在重负载状况下，负载122比在轻负载状况下汲取更多电流，这使得输出电压vout下降，因此晶体管q11的开关频率fsw增加。当电源100在空载状态下操作时，负载122汲取很少或不汲取电流或功率。在这种状态下，晶体管q11以低开关频率fsw导通，来保持电压vdd足够高以操作电源100。在重负载和轻负载之间的转变期间，必须监测开关频率fsw以避免过电压情况或避免使电源100汲取过量电流，这两者均为低效的。
使用初级侧调节(psr)的电源避免了使用次级反馈方法的其它电源的成本和部件计数。psr的使用通常伴随着开关频率折回的使用，该开关频率折回用于以轻负载维持高操作效率并且在空载或待机状况下降低功耗。满足待机功耗目标要求非常低的开关频率fsw，诸如典型的10wac/dc电源为1khz至3khz。在待机模式中，由负载122汲取的电流为零或接近零，但电源100在有限负载水平下操作以维持控制器130，该有限负载水平是小的内部预负载(电阻器r14)和由控制器130本身施加的负载的总和。电源100必须能够将其输出功率输送降低到此低水平，否则将因输出电压vout上升而失去对功率的调节。可替代地，可以通过增加预负载来增加待机期间汲取的电流，这导致待机功耗增加。
在psr的情况下，电源控制回路在其对负载122的阻抗的改变的响应方面具有固有的潜在延迟1/fsw。在此延迟期间，电源100的输出电压vout经历下降，该下降基于输出电流iout的电平和输出电容器c12的电容值。如果在此延迟开始时输出电流iout发生大的改变，则该下降可能大的无法接受。增加输出电容器c12的尺寸是不期望的，因为其增加电源100的尺寸和成本。
在缺乏任何附加反馈信号的情况下，来自静态待机模式的初始瞬变响应基本上受到待机模式下待机开关频率的延迟时段l/(fsw(st))的限制。通常，待机开关频率fsw(st)在待机模式期间与次级侧120上的总负载成比例地变化。因此，优化此情况的瞬变响应必须通过调整预负载同时仍将待机功率保持在最大规格以下来完成，这要求将开关频率fsw增加到使得1/fsw的延迟导致可接受的瞬变响应的点。
增加待机开关频率fsw(st)并不能解决重复负载瞬变的情况，在这种情况下电源100的回路响应导致输出电压vout在重复瞬变的负(负载减小或负载突降)转变期间过冲。这些电压过冲致使控制器130生成绝对最小开关频率fsw(min)。该最小开关频率fsw(min)通常低于待机开关频率fsw(st)。如果在此状况期间发生随后的正瞬变边沿，则输出电压下降可相当地大。
图3是示出由上述开关频率引起的问题的时序图。曲线图302示出具有从低到高频率转变的辅助电压vaux的示例，其对应于从高到低时段1/fsw。在低频时段期间，开关频率fsw已达到最小开关频率fsw(min)，如曲线图302所示。在最小开关频率fsw(min)时段期间，负载122的阻抗迅速增加，这致使输出电流iout经历阶变增加，如曲线图308上的时间t31所示。负载122的阻抗的改变致使输出电压vout在时间t31处开始减小，如曲线图316所示，曲线图316是输出电压vout作为时间的函数的示例。由于最小开关频率的长时段l/fsw(min)，输出电压vout经历到最小下降电压vdmin的显著下降。输出电压vout和最小下降电压vdmin之间的差值是电压差δvout。输出电压vout继续减小直到达到时间t32，t32是辅助电压vaux复位或增加开关频率fsw时的时间。在一些示例中，如图2所示，在电压vaux的正漂移结束期间对输出电压vout进行采样。当控制回路响应现在已知的低输出电压vout时，在第一次正漂移(窄脉冲)之后的某个时间停止下降。辅助电压vaux中的脉冲宽度与峰值初级电流ip成比例。在这些示例中，控制器130用于调制电流ip和开关频率fsw两者。图3中描述的下降是最坏情况，这种情况发生于在1/fsw延迟开始处发生瞬变。上述最坏情况下降的电压差δvout由如下等式(1)给出：
如图3的曲线图316所示，输出电压vout已经历显著的下降达显著的时段，这导致显著的电压差δvout。如果最小开关频率fsw(min)重复发生，则输出电压vout将经历一系列下降并且将非常不稳定。例如，如果负载122的阻抗连续改变，则输出电压vout将连续经历曲线图316中所示的不期望的下降。
本文描述电源控制器和操作控制器的方法，当重复负载阶变(step)被施加到输出时，这些控制器提供用于自适应地维持高最小开关频率。高最小开关频率是固定的，并且改进负载瞬变响应，诸如降低最小下降电压电平。本文所述的方法使用升高的最小开关频率，其被称为第一最小开关频率fsw(min)，除非输出电压vout上升到预定过冲电平vout(hi)，否则维持该第一最小开关频率fsw(min)。当输出电压上升到预定电平vout(hi)时，生成第二最小开关频率fsw(min2)，这降低了输出电压vout。第二最小开关频率fsw(min2)也是固定的。对于晶体管q11中限定的操作电流电平，转换器130可以被示出为在第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)下输送两个限定的功率电平prw(min1)和pwr(min2)。
图4是实施本文所述的改进的示例电源控制器400的示意图。控制器400可以实施为图1的控制器130，并且可具有比图4中所示更少或更多的部件。控制器400接收电压vdd并且将其分散到功率和故障管理电路402和驱动电路406。电路402确定耦合到控制器400的电源或控制器400本身内是否存在故障。响应于此确定，输出偏置电压vbias。偏置电压vbias对控制器400内的设备和/或部件进行供电，并且如果电路402检测到故障则可以终止偏置电压vbias。
驱动电路406通过在驱动节点drv处输出的驱动电压vdrv驱动开关，诸如图1的晶体管q11，该开关调节图1的电源100的输出电压vout。驱动电路406包括由电压vdd供电的电流源i41，并且电流源i41耦合到节点n41，该节点n41也耦合到图1的驱动节点drv。在图4的示例中，节点n41耦合到齐纳二极管d41，该齐纳二极管d41在概念上调节或限制驱动电压vdrv。开关(诸如晶体管q41)耦合在节点n41和地之间。晶体管q41从锁存器410接收对其栅极的控制信号。在图4的示例中，驱动器或反相器412耦合在锁存器410和晶体管q41的栅极之间。电阻器r41与晶体管q41并联耦合。在控制器400的操作期间，当晶体管q41的状态处于接通或导通时，由电流源i41生成的电流流过晶体管q41。在这种状态下，驱动电压vdrv为零或低。当晶体管q41的状态处于断开或不导通时，由电流源i41生成的电流通过电阻器r41导通来生成驱动电压vdrv，以驱动图1的晶体管q11的栅极。
电压vs被输入到三个设备：采样器418、过零检测器420和次级定时检测器422。采样器418对电压vs进行采样并且生成采样电压vss。过零检测器420检测电压vs中的过零，并且在检测到过零时生成信号。次级定时检测器422生成输入到电流调节和电缆补偿电路430的信号。电路430生成补偿电压vcvs和耦合到与门432的输入的补偿信号。
误差放大器436利用恒定电压vc和补偿电压vcvs的偏移放大采样电压vss。恒定电压vc是与理想或标称输出电压vout(nom)相关的电压。在图4的示例中，恒定电压vc为4.05v，但其为设计选择，并且可使用其它值。放大器436的输出是指示由通过控制器400操作的电源输出的功率的信号，并且耦合到设定电源的开关频率的控制电路440的输入。在一些示例中，放大器436的输出指示电源的输出电压。放大器436的输出还耦合到锁存器442的复位输入。如下文更详细描述的，锁存器442确定由控制器400生成的最小开关频率fsw(min)。控制器400响应于电源的输出功率要求而生成第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)。在图4的示例中，第一最小开关频率fsw(min1)为4khz，并且第二最小开关频率fsw(min2)为1khz。
比较器450将采样电压vss的至少一部分与上文所述的恒定电压vc进行比较。在图4的示例中，恒定电压vc为4.05v并且采样电压vss除以1.1。比较器450的输出耦合到锁存器442的置位输入(setinput)。锁存器442的q输出上的高输出指示控制电路440输出第一最小开关频率fsw(min1)，并且锁存器442的q’输出上的高输出指示控制电路440输出第二最小开关频率fsw(min2)。在图4的示例中，第一最小开关频率fsw(min1)高于第二最小开关频率fsw(min2)。
电流感测信号cs耦合到比较器451的输入，该比较器451将电流感测信号cs与电压v41进行比较。当电流感测信号cs大于电压v41时，比较器451将高信号输出到与门452的输入。与门452的第二输入耦合到前沿消隐(leb)信号。前沿消隐是用于防止比较器451响应电流感测信号cs上的前沿尖峰的方法。尖峰是来自节点drv的驱动电流和开关节点对地电容的放电的组合的结果。与门的输出耦合到锁存器410的复位输入。
图5是示出图4的控制器400的操作的多个示例时序图。当输出电流iout如曲线图502所示经受变化时，控制器400如曲线图500所示维持输出电压vout。在一些示例中，电流的变化是电源输出所需的功率的变化。通过如曲线图504所示的变化开关频率fsw实现维持输出电压vout。控制器400生成多个开关频率，其中图4示出这些开关频率中的四个。本文的描述集中在这些开关频率中的两个上，即第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)。待机开关频率fsw(st)在控制器400处于待机模式时操作，并且高开关频率fsw(hi)在负载122汲取高电流或功率时操作并且电流可以波动。待机开关频率fsw(st)在第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)之间。第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)是内置在控制器400中的固定频率。第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)对应于上文所述的电源输送到输出的功率电平pwr(min1)和pwr(min2)。
在时段t51期间，电源在待机模式下操作，因此控制器400生成待机开关频率fsw(st)。在待机模式下，没有输出电流iout或输出电流iout非常小，并且这种状况持续了一定时段。电流流经图1的电阻器r14，以维持控制器400的操作。
在时段t52期间，负载122的阻抗经历若干改变，该改变可以是周期性的并且可以是阶跃函数。阻抗的这些改变导致输出电流iout和/或输出功率经历增加和减小的改变。在图5的示例中，输出电流iout被示出为在时段t52期间经历周期性负载阶变。在高输出电流iout时段期间，控制器400生成高开关频率fsw(hi)。在高输出电流iout之间的时段期间，控制器400生成第一最小开关频率fsw(minl)。如图5所示，在生成用于驱动高输出电流iout的高开关频率fsw(hi)之后，发生该第一最小开关频率fsw(minl)。在负载122的阻抗的这些转变期间，由于第一最小开关频率fsw(minl)高于待机开关频率或第二最小开关频率fsw(min2)，因此输出电压vout经历相对小的瞬变响应。当控制器400输出第一最小开关频率fsw(minl)的时段期间，输出电压vout继续上升。
在时段t53的开始，输出电流iout减小。在图5的示例中，输出电流iout已下降到零。在时段t53期间，控制器400输出第一最小开关频率fsw(minl)，使得如果输出电流iout增加，控制器400可以返回到输出高开关频率fsw(hi)。在时段t53期间，输出电压vout上升直到其达到高电压vout(hi)。当输出电压vout达到高电压vout(hi)时，控制器400进入时段t54，时段t54使开关频率降低到第二最小开关频率fsw(min2)。在时段t54期间，输出电压vout下降。当输出电压vout达到标称输出电压vout(nom)时，开关频率在时段t55期间返回到待机开关频率fsw(st)。可以通过控制器400在待机模式下施加低待机功率，并且可以使输出电压vout维持在标称电压vout(nom)。在第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)有效的时段期间，在电源100的输出上可以存在空载状况。
参考图1、图4和图5来描述关于控制器400的操作。通过电压vs测量输出电压vout，该电压vs是图1中变压器t1的辅助绕组112的电压。在一些示例中，测量输出功率，该输出功率可以与输出电压vout相关。采样器418对电压vs进行采样并且生成采样电压vss。采样电压vss用恒定电压vc和补偿电压vcvs的偏移被放大器436放大。在一些示例中，放大器436的输出与电源100的操作功率电平成比例。恒定电压vc对应于作为优选的输出电压的标称输出电压vout(nom)。在一些示例中，采样电压vss的放大中不包括补偿电压vcvs。放大器436的输出是与采样电压vss有关的线性电压。在一些示例中，通过放大器436输出的低电平意指该电平已达到其最低线性控制电平，该最低线性控制电平可以小于近似1.3v。此低电平有时关于锁存器442的复位输入被称为逻辑0。
如果采样电压vss小于标称输出电压vout(nom)和补偿电压vcvs的总和，则放大器436将逻辑1输出到控制电路440。逻辑1指示输出电压vout已下降到低于标称输出电压vout(nom)，因此控制电路440生成高开关频率fsw(hi)。这种情况在曲线图502中的t52时段期间示出，此时输出电流iout增加并且输出电压vout下降到低于标称输出电压vout(nom)。放大器436输出由控制电路440解码的线性电压，以生成高于第一最小开关频率fsw(min1)的高开关频率fsw(hi)。
在输出电压vout超过标称输出电压vout(nom)的时段期间，放大器436输出低电压或逻辑0，如上所述。当控制电路440从放大器436接收低电压时，控制电路440在输出第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)方面遵从锁存器442的输出。逻辑0也被输入到锁存器442的复位输入，因此锁存器442的q输出和q’输出取决于置位输入的逻辑电平。锁存器442的置位输入耦合到比较器450的输出，比较器450确定输出电压vout是高于还是低于高输出电压vout(hi)。比较器450将恒定电压vc与采样电压vss/1.10进行比较，该恒定电压vc表示标称输出电压vout(nom)，该采样电压vss/1.10与高输出电压vout(hi)相关。采样电压vss可除以其它值，并且1.10是设计选择的示例。当电压vss/1.10小于恒定电压vc时，比较器450输出逻辑0，意指输出电压vout尚未达到高输出电压vout(hi)，如图5中的时段t53所示。在这种状态下，比较器450输出逻辑0，所以锁存器442的置位输入和复位输入是逻辑0。在这种状态下，q输出是逻辑0，并且q’输出是逻辑1，这致使控制电路440生成第一最小开关频率fsw(minl)。当电压vss/1.10超过恒定电压vc或者在一些情况下等于恒定电压vc时，输出电压vout已达到高输出电压vout(hi)，如时段t54开始时所示。在这种状态下，比较器450将逻辑1输出到锁存器442的置位输入，因此q输出转变到逻辑1，并且q’输出转变到逻辑0。此状态致使控制电路440生成第二最小开关频率fsw(min2)。在生成第二最小开关频率fsw(min2)的预定时段之后，控制电路450生成待机开关频率fsw(st)。控制器400生成第二最小开关频率fsw(min2)的时段可以以不同的方式确定。在一些示例中，该时段与输出电压vout松弛到标称输出电压vout(nom)花费的时间有关。此时段是若干变量的函数，这些变量包括图1的输出电容器c21的电容、待机负载电流、第二最小开关频率fsw(min2)，以及vout(hi)和vout(nom)之间的电压差。在一些实施例中，在输出电压vout达到标称输出电压vout(nom)时生成待机频率fsw(st)。
图6是描述图4的控制器的操作示例的流程图600。流程图600中所述的方法基于电源100的输出功率。在框602中，确定电源100的输出功率。该确定可以通过分析放大器436的输出来完成，放大器436的输出可以通过测量输出电压vout来确定。处理行进到判定框610，确定输出功率是否大于第一预定功率。此第一预定功率指示电源100以输出高电流的方式操作，如曲线图502所示。如果判定框610的结果是肯定的，则处理行进到框614，在框614中电源100能够输出高功率。高功率可以包括设定电流ip的峰值。响应于功率设定，将最小开关频率设定为第一最小开关频率fsw(min1)。
如果判定框610的输出是否定的，则处理行进到判定框620，在框620中确定输出功率是否小于第二预定功率。如果是，则处理行进到框622，在框622中将最小输出功率设定为小于第一功率的第二功率。这可以通过设定电流ip的峰值来实现。响应于该确定，将最小开关频率设定为第二最小开关频率fsw(min2)。
图7是描述图4的控制器的操作的另一示例的流程图700。在框702中，确定电源的输出电压。在框704中，响应于输出电压大于标称输出电压并且小于预定电压，设定用于驱动开关的第一最小开关频率。第一最小开关频率是固定的。在框704中，响应于输出电压等于或大于预定电压，设定用于驱动开关的第二最小开关频率。第一最小开关频率大于第二最小开关频率，并且第二最小开关频率是固定的。
在其它示例控制器中，可以实施不同的方法来控制第一最小开关频率fsw(min1)和第二最小开关频率fsw(min2)。例如，第一最小开关频率fsw(min1)可以被应用达设定的时间段。在此示例中，输出电压vout可以被箝位以防止其上升得过高。同样的情况可应用于第二最小开关频率，该第二最小开关频率可以持续设定的时间，或者直到达到预定输出电压。
在权利要求的范围内，在所描述的实施例中修改是可能的，并且其它实施例是可能的。