具有多模式启动功能的开关式电源控制器的制作方法

相关申请

本中请要求2018年9月28日提交的名称为“具有多模式启动功能的开关式电源控制器”的美国非临时专利申请号16/146,615的优先权；该美国非临时专利申请要求2018年2月12日提交的名称为“反激式数字控制器”的美国临时专利申请号62/629,337的优先权，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。

背景技术：

开关式电源控制器或转换器可以以多种不同的方式来设计，并且可以使用多种不同的控制机制将输入电流转换为输出电流(例如，将输入交流电转换为输出直流电，或者将输入直流电平转换为不同的输出直流电平)。在操作中，准谐振开关式电源控制器通常提供脉冲宽度调制(pwm)信号，该信号周期性地接通和断开电源开关。电源开关通常将电流提供给电感装置(例如，电感器或变压器)。pwm信号的两个上升沿之间的时间对应于由导通时间和关断时间组成的开关周期。电感装置在导通时间内磁化，并且在关断时间内退磁。

在退磁完成时，电感和寄生电容部件感应出准谐振振荡信号，该信号在电源开关两端的电压为零或最小值的时间包括波谷。一些准谐振开关式电源控制器被设计为通过在关断时间周期内的选定波谷时间接通电源开关(称为“零电压波谷开关”)来使开关损耗最小化。在此过程中，准谐振开关式电源转换器通常包括波谷检测电路，该波谷检测电路针对振荡辅助绕组信号中检测到的每个波谷产生波谷信号。

基于准谐振开关式电源控制器的输出电压与参考电压的比较，补偿电路通常产生补偿信号，该补偿信号可以用于调节主开关导通时间和关断时间的持续时间以将输出电压维持在目标水平。

技术实现要素：

根据一个示例，开关式电源控制器包括初级侧控制器电路，该初级侧控制器电路被配置为在启动操作模式下产生具有占空比值增加的固定开关频率脉冲宽度调制(pwm)信号。pwm信号驱动主开关，该主开关用所存储的能量对电感装置充电，并将所存储的能量放电到次级侧上的电容器中，以产生电源控制器输出电压。基于电源控制器输出电压与参考电压的比较，初级侧控制器电路被配置为停止pwm信号占空比的增加并开始准谐振操作模式，在准谐振操作模式期间，初级侧控制器电路减少在一个或多个相应的主开关开关周期中主开关的一个或多个关断时间中的所检测到的波谷数量。

在一个示例中，对于每个主开关周期，初级侧控制器电路将所检测到的波谷数量减少一个。

在另一个示例中，初级侧控制器电路被配置为在参考电压比电源控制器输出电压大预定义的阈值电压时，停止减少每个主开关开关周期的波谷数量。在一个示例中，预定义的阈值电压是初级侧控制器电路的补偿器部件的误差窗口范围。在一个示例中，初级侧控制器电路被配置为在电源控制器输出电压大于参考电压时退出启动操作模式。

在一个示例中，次级侧控制器被配置为产生电源控制器输出电压和参考电压的表示，并且通过通信链路将这些表示发送到初级侧控制器电路。在一个示例中，次级侧控制器被配置为在控制器输出电压达到参考电压之前接通。在一个示例中，次级侧控制器驱动通信链路。在一个示例中，次级侧控制器被配置为产生具有输出电压和参考电压的数字表示的经编码的数字数据流，并且通信链路是单向高速数字数据链路。

另一个示例提供了一种在启动操作模式下操作开关式电源控制器的方法。根据该方法，初级侧控制器电路产生具有占空比值增加的固定开关频率脉冲宽度调制(pwm)信号来驱动主开关，其中主开关用所存储的能量对电感装置充电，并且主开关将所存储的能量放电到次级侧上的电容器中，以产生电源控制器输出电压。基于电源控制器输出电压与参考电压的比较，初级侧控制器电路停止pwm信号的占空比的增加，并开始准谐振操作模式。在准谐振操作模式期间，初级侧控制器电路减少在一个或多个相应的主开关开关周期中主开关的一个或多个关断时间中所检测到的波谷数量。

一个示例包括，对于初级侧控制器电路的每个主开关周期，初级侧控制器电路将所检测到的波谷数量减少一个。在一个示例中，当参考电压比电源控制器输出电压大预定义的阈值电压时，初级侧控制器电路停止减少每个主开关开关周期的波谷数量。

在一个示例中，预定义的阈值电压是初级侧控制器电路的补偿器部件的误差窗口范围。在一个示例中，当电源控制器输出电压大于参考电压时，初级侧控制器电路退出启动操作模式。

在一个示例中，次级侧控制器产生电源控制器输出电压和参考电压的表示，并且通过通信链路将这些表示发送到初级侧控制器电路。在一些示例中，次级侧控制器在控制器输出电压达到参考电压之前接通。在一个示例中，次级侧控制器驱动通信链路。在一个示例中，次级侧控制器产生具有输出电压和参考电压的数字表示的经编码的数字数据流，并且通信链路是单向高速数字数据链路。

在一个示例中，开关式电源控制器是反激式转换器数字准谐振控制器。

所公开的准谐振开关式电源控制器、转换器和方法的实施方案为上述那些提供了附加或其他优点。通过下面的详细描述以及附图，本领域技术人员将容易理解这些优点。

附图简述

图1是示例性准谐振开关式电源转换器和包括初级侧电路和次级侧电路的混合信号控制器的示意性俯视图。

图2示出了用于图1所示的准谐振开关式电源转换器的启动输出电压(v输出)、平均主开关(ms)栅源电压(c^平均)和数字链路波形的示例波形。

图3示出了主开关(ms)的漏源电压和输出电压(v输出)的示例波形。

图4是在上电复位时发起的示例启动序列的流程图，其中主控制器退出欠压锁定。

图5示出了在启动期间的典型输出电压和主开关漏源电压波形的示例。

具体实施方式

现在将详细参考所公开的发明的各实施方案，附图中示出了各实施方案的一个或多个示例。通过解释本技术的方式提供了每个示例，而不是对本技术的限制。实际上，对于本领域技术人员而言将明显的是，在不脱离本技术的范围的情况下，可以在本技术中进行各种修改和更改。例如，示出或描述为一个实施方案的一部分的特征可以与另一个实施方案一起使用以产生又一个另外的实施方案。因此，意图是本主题涵盖所附权利要求及其等效物的范围内的这种修改和变化。

本公开描述了一种用于准谐振开关式电源控制器的多模式启动方法，该方法包括启动斜坡模式，随后是波谷减少模式。初始启动斜坡电压涉及增加主开关导通时间，以使电源控制器部件快速上电。随后的波谷减少模式通过减少每个周期的波谷数量来减少关断时间，从而有效地增加了导通时间。因此，通过将每个开关周期的波谷数量减少一个(或多个)，使准谐振开关式电源转换器具有更快的启动时间，同时获得准谐振操作模式的好处。

图1示出了示例性准谐振开关式电源转换器10，其由交流(ac)/直流(dc)反激式转换器12和混合信号控制器14实现，包括初级侧控制器电路16、次级侧控制器电路18和单向高速数字链路20，该单向高速数字链路20将变化的输出电压和目标参考电压的数字表示从次级侧控制器电路18传输到初级侧控制器电路16。

初级侧控制器电路16包括栅极驱动器22、数字控制器24、解码器26和上电复位(por)电路71。初级侧控制器电路16连接到初级侧主开关34(ms)的栅极32。数字控制器24将低功率脉冲宽度调制(pwm)信号36提供给栅极驱动器22的输入。栅极驱动器22接收低电压pwm信号，并且产生高电压pwm驱动输入信号(c)，其施加到主开关栅极32以周期性地接通和断开高电流主开关34。主开关34控制通过电感装置的电流，在本示例中，该电感装置由变压器35实现，该变压器35包括初级绕组38和次级绕组40，当电流流过主开关34时，初级绕组38和次级绕组40被电感耦合在一起。

准谐振开关式电源转换器10将输入ac电压(vac)转换成输出dc电压(v输出)和输出dc电流(i输出)以向负载(r负载)供电。在本示例中，电源是交流电压(vac)，该交流电压经整流以产生输入电压(v总线)。初级侧控制器电路16为高电流主开关34提供高电压pwm输入，以周期性地接通和断开主开关34。在初级绕组38中流动的电流在次级绕组40中感应出电流，该感应出的电流驱动电流通过输出电路27以产生负载(r负载)两端的输出电压(v输出)。

在一些示例中，准谐振开关式电源转换器10还包括辅助绕组41，该辅助绕组41电感耦合到初级绕组38和次级绕组40。初级侧控制器电路16的反馈电路43部件(fb)接收辅助绕组电容器(c辅助)两端的辅助绕组电压(v辅助)。辅助绕组电压与主开关导通时间相关。在变压器或电感器退磁后，辅助绕组电压开始在信号峰值和信号谷值之间振荡。反馈电路43针对在辅助绕组电压(v辅助)中检测到的每个波谷产生波谷信号45的数字表示。

次级侧控制器电路18包括模数转换器(adc)42、编码器/有限状态机(fsm)44和欠压锁定(uvlo)电路47。模数转换器42将输出电压(v输出)和参考电压(v参考)转换成数字值(例如，v输出[n]、v参考[n])，并且编码器/有限状态机44将数字值编码成输出电压和参考电压的相应数字表示(例如，d输入)。单向高速数字链路20将变化的输出电压和经编码的参考电压的经编码的数字表示(例如，d输出)传输到初级侧控制器电路16中的解码器26。解码器26将输出电压和参考电压的相应数字表示转换成数字电压值(例如，v输出[n]、v参考电压[n])，它们被输入到数字控制器24中，以基于关于电流输出电压(v输出)和电流参考电压(v参考)的反馈来控制栅极驱动器22。

图2示出了用于图1所示的准谐振开关式电源转换器10的输出电压49(v输出)、平均主开关(ms)栅源电压51(c^平均)和数字链路表示52(即，{d输入[n]，d输出[n]})的示例输出波形的图表。

在启动操作模式46的示例中，初级侧控制器电路16的数字控制器24和栅极驱动器22部件产生具有占空比值增加的固定开关频率(fsw)pwm信号36，以驱动反激式转换器主开关(ms)开关34。主开关的开关继而用经整流的ac输入(v总线)对变压器35的变压器磁化电感充电，并将所存储的能量放电到输出电压电容器(c输出)中。输出电压(v输出)开始缓慢地朝向目标参考电压(v参考)斜升。在一段时间之后，输出电压(v输出)达到欠压锁定(uvlo)电路47的uvlo阈值50，从而使次级侧控制器电路18能够接通并且还驱动单向数字链路20。在一些示例中，次级侧控制器电路18不包括uvlo电路，在这种情况下，次级侧控制器电路18可以在启动斜坡操作模式46下在较早的时间接通。

一旦次级侧控制器电路18接通(例如，当v输出达到uvlo50时)，它就开始将变化的输出电压和目标参考电压的数字表示52(即，{v输出[n]，v参考[n]})发送到数字链路20，该数字链路20将数字表示(d输入，d输出)的经编码版本传送到初级侧控制器电路16的解码器26部件。该信息由初级侧控制器电路16的数字控制器24以以下方式进行处理：当输出电压(v输出)接近目标参考电压(v参考)时，pwm占空比的斜率不再增加并且初级侧控制器电路16切换到准谐振波谷减少模式58。在一些示例中，当输出电压(v输出)在初级侧控制器电路16的内部数字补偿器部件的误差窗口54的范围内时，初级侧控制器电路16停止增加pwm占空比的斜率，该内部数字补偿器部件将输出电压(v输出)与目标参考电压(v参考)进行比较。在某些示例中，数字补偿器是比例-积分-微分(pid)数字补偿电路。只要输出电压(v输出)与参考电压(v参考)之间的差大于预定义的阈值电压(例如，在某些示例中约为150mv)，则初级侧控制器电路16保持在准谐振波谷减少模式58下，并在每个开关周期中继续减少波谷的数量。在一些示例中，波谷的数量在每个开关周期减少一个。以这种方式，可以实现从启动斜坡模式到正常稳态操作60的平稳且良好受控的过渡，同时使启动时间以及部件峰值电流和电压应力最小化。

图3示出了在波谷减少模式58和正常操作模式60期间的主开关(ms)漏源电压(vds)和输出电压(v输出)的示例波形。在波谷减少模式58下，初级侧控制器电路16的数字控制器24部件从反馈电路43接收在退磁完成之后开始的在振荡辅助绕组电压(v辅助)中检测到的每个波谷的相应波谷信号45。在启动期间，通常在输出电压足够高时才能检测到波谷。在一些示例中，在达到阈值输出电压之后，初级侧控制器电路16将确定一个周期的关断时间中的波谷数量，然后在开关周期的关断时间内开始减少波谷数量。在一些示例中，初级侧控制器电路16通过在每个开关周期中将波谷的数量减少一个(例如，通过在波谷数量比前一周期中切断的波谷数量少一个时接通主开关)来减少关断时间。在一些示例中，对于一个或多个周期，每个开关周期切断一个以上的波谷。通过将每个开关周期的波谷数量减少一个(或多个)，使准谐振开关式电源转换器10具有更快的启动时间，同时获得准谐振操作模式的好处。

在图3所示的示例中，在波谷减少模式58期间，初级侧控制器电路16最初在与波谷减少模式58中的第一周期中的第四波谷信号(vs4)一致的时间接通主开关34。在下一个周期中，初级侧控制器电路16在与波谷减少模式58中的第二周期中的第三波谷信号(vs3)一致的时间接通主开关34。在下一个周期中，初级侧控制器电路16在与波谷减少模式58中的第三周期中的第二波谷信号(vs2)一致的时间接通主开关34。在输出电压(v输出)和参考电压(v参考)之间的差已经下降到低于预定义阈值电压(例如150mv)之后，出现第四周期。结果，电源转换器10进入正常操作模式。在一些示例中，在正常操作模式期间，初级侧控制器电路16接通主开关34以与在波谷减少操作模式58中的信号波谷数一致(例如，在图3所示的示例中为第二波谷)。

图4是通过接收到上电复位(por)信号发起的示例启动序列的流程图，其中初级侧控制器电路16退出欠压锁定。根据该方法，上电复位电路71检测施加到初级侧控制器电路16的功率，并产生将整个电路16复位到已知状态的复位脉冲(图4，框70)。初级侧控制器电路16增加pwm栅极驱动器的占空比(图4，框72)。初级侧控制器电路16继续增加pwm栅极驱动器的占空比，直到在参考电压(v参考)和输出电压(v输出)之间的差超出pid误差窗口的宽度为止(图4，框74)。初级侧控制器电路16减少准谐振波谷的数量(例如，每个周期减少一个)(图4，框76)。初级侧控制器电路16继续减少准谐振波谷的数量(例如，每个周期减少一个)，直到在参考电压(v参考)和输出电压(v输出)之间的差超出预定阈值(例如，在一些示例中约为150mv)为止(图4，框78)。当在参考电压(v参考)和输出电压(v输出)之间的差超出预定阈值时，初级侧控制器电路16进入正常操作模式(图4，框80)。

图5示出了在启动期间的典型输出电压和主开关漏源电压波形的示例，其示出了通过本文所述的准谐振开关式电源转换器10的示例而实现的平滑模式过渡。

本文描述的系统的各实施方案可以与任何开关电源(smps)结合使用，在所述smps中，能量在初级行程期间存储在电感装置(例如，绕组、电感器或变压器)中，并在次级行程期间传递到输出。这种smps的示例包括反激式转换器、降压转换器和降压-升压转换器。

尽管已参照本发明的具体实施方案来详细描述本说明书，但应理解的是，本领域的技术人员在理解前述内容之后可容易构想出这些实施方案的替代物、变化和等同物。本领域的一般技术人员可对本发明做出这些和其它修改和变化，而不背离在附属权利要求中更具体陈述的本发明的范围。此外，本领域的一般技术人员将理解的是，前述描述仅作为示例，并不意图限制本发明。