具有改进的动态负载响应的反激式变换器的制作方法

具有改进的动态负载响应的反激式变换器
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求2019年6月27日提交并且名称为
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flyback converter with improved dynamic load response
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的美国临时专利申请62/867,663号的权益，该临时专利申请的内容以引用方式并入本文。
技术领域
3.本申请涉及反激式变换器，并且更具体地涉及具有改进的动态负载响应的反激式变换器。


背景技术：

4.隔离开关功率变换器诸如反激式变换器通常用于ac
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dc和dc
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dc变换中，其中输入电源与一个或多个输出端之间存在电气隔离。反激式变换器是一种升降压变换器，其中电感器被分开以形成变压器，从而既可以改变输出电压大小，又可以实现初级至次级隔离。反激式变换器中的控制器控制功率开关晶体管的循环以调节输出电压。图1示出了现有技术的反激式变换器，其包括耦接到变压器t的初级绕组t1的功率开关晶体管s1。功率开关晶体管s1的接通和断开循环由初级侧控制器u1控制。当初级侧控制器u1使功率开关晶体管循环接通时，连接到初级绕组t1的输入端上的输入电压v_in使得初级绕组电流流过初级绕组t1。功率开关晶体管s1的接通时间(on
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time)结束时的初级绕组峰值电流取决于输入电压v_in、变压器t的磁化电感以及功率开关晶体管s1的接通时间。当功率开关晶体管s1导通时，耦接到变压器的次级绕组t2的输出二极管d1防止次级绕组电流流动。或者，输出二极管d1可由同步整流开关晶体管替换。
5.当功率开关晶体管s1关断时，变压器中存储的磁能使得次级绕组电流流动并以输出电压(v_out)对输出电容器c1充电。次级侧控制器u2检测输出电压与预设参考电压之间的差值，并且基于该差值生成控制信号。该信息需要被传送到初级侧控制器u1，同时保持电气隔离。光隔离器通常被用于该应用。
6.图2中示出了用于图1的sr反激式变换器的反馈回路。次级侧控制器包括误差放大器(ea)，该误差放大器将输出电压v_out与参考电压v_ref进行比较以生成误差信号。具有积分滤波器的补偿器对误差信号进行滤波并使其平滑，以形成控制信号，该控制信号被驱动到光隔离器中。在由变压器提供的电气隔离的初级侧上，在光耦合器的输出端处放置滤波器以使所接收的控制信号平滑。或者，可由光耦合器自身的寄生效应产生滤波。初级侧控制器响应于经滤波的所接收的控制信号而控制功率开关晶体管的循环。在图2中，变压器和功率开关晶体管以及任何相关联的部件(诸如输出电容器c1)由电路象征性地表示。通过反馈回路所得的对输出电压的调节将该输出电压调节为等于由参考电压设置的期望值。然而，在光耦合器的输出处的滤波减小了反馈回路带宽并延迟了所接收的控制信号响应。该延迟降低了动态负载响应速度，这导致输出电压对于瞬态负载变化有异乎寻常的过冲和下冲。
7.因此，本领域存在对具有次级侧输出电压检测和改进的动态响应的反激式变换器的需要。


技术实现要素：

8.根据本公开的第一方面，提供了一种用于具有次级侧调节的反激式变换器的次级侧控制器，该次级侧控制器包括：误差放大器，该误差放大器被配置为响应于输出电压和参考电压之间的差值而生成误差信号；补偿器，该补偿器被配置为补偿该误差信号以产生闭环控制信号；输出状态监测器，该输出状态监测器被配置为确定该反激式变换器是否已发生阈值负载变化，其中该次级侧控制器被配置为响应于不存在该阈值负载变化而利用该闭环控制信号来驱动光耦合器，并且响应于该阈值负载变化而利用开环控制信号来驱动该光耦合器。
9.根据本公开的第二方面，提供了一种反激式变换器的次级侧调节的方法，该方法包括：在该反激式变换器的负载变化小于阈值负载变化的时期期间：将输出电压与参考电压进行比较以生成误差信号，并且在补偿器中处理误差信号以在次级侧控制器中产生闭环控制信号，并且将该闭环控制信号传输到初级侧控制器；以及在该反激式变换器的负载变化大于阈值负载变化的周期期间：生成开环控制信号，该开环控制信号不涉及在次级侧控制器中使用补偿器，并且将该开环控制信号传输到初级侧控制器。
10.根据本公开的第三方面，提供了具有次级侧调节的反激式变换器，该反激式变换器包括：次级侧控制器，该次级侧控制器被配置为响应于该反激式变换器的负载变化大于阈值水平而在开环时期期间生成开环控制信号，并且被配置为在开环时期终结之后生成闭环控制信号，该次级侧控制器包括多路复用器，该多路复用器被配置为选择开环控制信号或闭环控制信号以提供所选择的控制信号；光隔离器，所述光隔离器被配置为传输所选择的控制信号；以及初级侧控制器，该初级侧控制器被配置为响应于从该光隔离器接收到所选择的控制信号而控制功率开关晶体管的循环。
11.通过考虑以下具体实施方式可更好地理解这些有利特征。
附图说明
12.图1示出了具有次级侧输出电压检测的ssr常规反激式变换器。
13.图2示出了用于图1的常规ssr反激式变换器的反馈回路。
14.图3a示出了根据本公开的一个方面的具有改进的动态响应的ssr反激式变换器。
15.图3b示出了根据本公开的一个方面的用于图3a的ssr反激式变换器的控制回路。
16.图4示出了用于图3b的改进的控制回路中的输出状态监测器的一些示例性输入信号。
17.通过参考以下具体实施方式来最好地理解本公开的实施方案及其优点。应当理解，类似的附图标号用于标识附图中的一个或多个附图中示出的类似元件。
具体实施方式
18.图3a中示出了具有改进的动态响应的ssr反激式变换器300。ssr反激式变换器300的一些特征如针对图1的ssr反激式变换器所讨论。例如，ssr反激式变换器300包括初级侧
控制器u1，该初级侧控制器控制功率开关晶体管s1的接通和断开循环，以调节输出电压v_out。当功率开关晶体管s1导通时，次级侧控制器u2保持同步整流(sr)开关晶体管断开以防止次级绕组电流在变压器t的次级绕组t2中流动。当功率开关晶体管s1关断时，变压器t中存储的磁能使得次级绕组电流流动并以输出电压(v_out)对输出电容器c1充电，以便以输出电流(i_out)为负载供电。通过初级绕组t1的初级绕组峰值电流取决于输入电压(v_in)、变压器t的磁化电感以及功率开关晶体管s1的接通时间。
19.次级侧控制器u2包括用于检测sr开关晶体管的漏极d处的漏极电压的端口。类似地，次级侧控制器u2包括用于检测sr开关晶体管的源极s处的源极电压的端口。源极电压是次级侧控制器的接地电压，使得sr开关晶体管的漏极电压还是其漏极至源极电压。为了检测功率开关晶体管s1何时接通或断开，次级侧控制器u2将sr开关晶体管的漏极至源极电压与同步整流领域中已知的对应阈值电压进行比较。次级侧控制器u2还包括用于检测输出电压的端口，使得可生成误差信号。
20.为了提供改进的动态响应，次级侧控制器u2被配置为根据负载使用反馈回路或以开环操作模式生成控制信号。如果负载的施加超过阈值水平，则次级侧控制器u2以开环操作模式生成控制信号。相比之下，如果负载变化不满足该阈值水平，则次级侧控制器u2以闭环操作模式生成控制信号。
21.闭环操作模式如关于图2所讨论。具体地，如图3b所示针对ssr反激式变换器300修改了关于图2所讨论的常规反馈回路，以提高对瞬态负载变化的动态响应速度。在闭环操作模式(没有显著的负载瞬态)期间，次级侧误差放大器(ea)响应于输出电压(v_out)和参考电压(v_ref)之间的差值来生成误差信号。补偿器和积分器例如利用比例积分微分(pid)控制对误差信号进行补偿和积分，以产生闭环控制信号，该闭环控制信号由多路复用器(mux)进行选择以驱动光隔离器。滤波器对从光隔离器接收的控制信号进行滤波，使得初级侧控制器可以相应地控制电路中的功率开关的循环。在图3b中，变压器和功率开关晶体管以及任何相关联的部件(诸如输出电容器c1)由电路象征性地表示，如关于图2所讨论。
22.因此，可以理解，除了包括多路复用器之外，在闭环操作模式下用于ssr反激式变换器300的反馈回路如关于图2的常规反馈回路所讨论的那样操作。为了检测瞬态负载变化是否满足阈值水平，次级侧控制器u2包括输出状态监测器，该输出状态监测器监测负载瞬态(无论是来自负载的增加还是负载的减少)是否足够大。如果负载瞬态足够大，则输出状态监测器驱动如由预设设置模块表示的预设(开环)控制信号，以将开环控制信号呈现给多路复用器。例如，该预设设置模块可包括查找表，该查找表用于将特定输出电压变化映射到开环控制信号中。输出状态监测器还通过多路复用器来控制选择，使得该多路复用器响应于阈值变化来选择开环控制信号。采用这种方式，尽管存在滤波器延迟，但可响应于输出电压的阈值变化来快速调节用于初级侧控制器的所接收的控制信号。
23.需注意，动态负载变化可能是由突然施加负载或突然去除负载而引起的。响应于充分施加负载，输出电压将下降到第一阈值水平之下。类似地，响应于突然去除负载，输出电压将上升到第二阈值水平之上。输出状态监测器通过引起控制信号的开环生成来响应这两种状况。该控制信号的开环值取决于实施方式。例如，在一个实施方案中，输出监测器响应于负载的阈值施加而将控制信号设置为最大值。在此类实施方案中，控制信号响应于负载的增加而增加。但在另选的实施方案中，控制信号响应于负载的增加而减小。在此类实施
方案中，输出状态监测器响应于负载的阈值增加而将控制信号设置为最小值。响应于负载的阈值去除而对控制信号的设置无疑与响应于负载的阈值施加而对控制信号的设置相反。在控制信号响应于负载的增加而增加的实施方案中，输出状态监测器响应于检测到负载的阈值去除而将控制信号设置为最小值。相反地，对于控制信号响应于负载的增加而减小的实施方案，输出状态监测器响应于检测到负载的阈值去除而将控制信号设置为最大值。输出状态监测器对控制信号的设置是通过预设设置模块进行的。
24.如果输出状态监测器检测到阈值增大，则输出状态监测器还可命令补偿器调节其频率响应中的极点、零点或增益，使得补偿器在其响应带宽上具有暂时增大。当多路复用器最终再次选择在开环模式终止之后由补偿器生成的闭环控制信号时，补偿器因此可由于其频率响应调节而快速对瞬态响应作出反应。多路复用器针对开环控制信号进行选择的瞬态时段可以是固定的，或者可以是相对于输出电压变化的量值自适应的。例如，输出状态监测器可具有关于检测负载的施加的若干阈值。取决于阈值水平，输出状态监测器可检测到不同量的负载瞬态。开环模式也可被称为旁路模式，因为当开环模式激活时，补偿器被绕过。
25.关于选择开环控制模式，输出状态监测器可响应许多不同的因素。例如，如图4所示，输出状态监测器可使用输出电压的变化率、输出电流的变化率、输出电压的大小、功率开关晶体管s1的开关频率或这些因素的任何组合来选择旁路操作模式。例如，输出状态监测器可将输出电压与对应的阈值电压进行比较，以确定输出电压是否已由于负载的瞬态变化而改变阈值量(正或负)。为了检测输出电流，输出状态监测器可检测在连接在sr开关晶体管的源极和ssr反激式变换器300的接地输出端口之间的检测电阻器(未示出)上的电压。输出状态监测器可将这些各种因素与对应的阈值进行比较，以确定是否已发生足够大小的负载瞬态。
26.关于从旁路模式恢复到闭环控制，输出状态监测器可以使用看门狗定时器，该看门狗定时器为旁路模式建立最小激活时间。此外，看门狗定时器可基于已检测到的瞬态状况的严重性而自适应。或者，其可监测输出电压是否已稳定以作为返回到常规闭环操作的指示。开关频率也可用作该转变的标准。如先前所讨论，输出状态监测器还可调节补偿器的动态响应速度。例如，可针对其中不调用旁路模式的不太显著的瞬态负载变化来执行此类闭环调节。
27.如本领域技术人员现在将理解并取决于手头的特定应用，在不脱离本公开的范围的前提下，可以对本发明的设备的材料、装置、配置和使用方法进行多种修改、替换和变化。鉴于此，本公开的范围不应限于本文所示和所述的具体实施方案的范围，因为它们仅作为其一些示例，而是应与下文所附权利要求书及其功能等同物的范围完全相称。