精確的輸出功率檢測的製作方法
2023-10-06 08:43:39
精確的輸出功率檢測的製作方法
【專利摘要】一種開關功率變換器，其向負載提供經調節的輸出功率。開關功率變換器包括變壓器和開關，該變壓器包括耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至開關功率變換器的輸出的次級繞組；以及在變壓器的初級側的輔助繞組，該開關耦合至變壓器的初級繞組。跨次級繞組的輸出電壓被反映為跨輔助繞組的反饋電壓。開關功率變換器基於變壓器的復位時間來檢測輸出電流。基於所檢測的輸出功率，開關功率變換器控制開關的開關以提供經調節的輸出功率。
【專利說明】精確的輸出功率檢測
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求於2013年6月19日提交的美國臨時專利申請N0.61/837，079的權益，其全部內容通過引用合併到本文中。
【背景技術】
[0003]本公開內容總體上涉及開關電源，更具體地涉及一種具有初級側感測和反饋的功率極限檢測。
[0004]反激功率變換器包括用於從電源向負載遞送電功率的功率級。圖1圖示了示例反激功率變換器100。功率級中的開關102將負載104電耦合至電源(未示出)或者將負載104從電源上去耦合(未示出)，並且耦合至開關102的開關控制器106控制開關102的導通時間和關斷時間。該開關102的導通時間和關斷時間可以通過控制器106基於表示輸出功率、輸出電壓或輸出電流的反饋信號以調節該輸出功率、輸出電壓或輸出電流而修改。能量在開關102導通時存儲在變壓器108的氣隙中而在開關102關斷時被傳送至負載。
[0005]功率變換器100通過測量輸出電壓V_out來檢測輸出功率，從而將其反饋至初級側控制器106。將輸出電壓V_out與參考電壓Vkef比較，並且將得到的誤差信號V。饋送到控制器106中用於控制開關102。使用圖1所示的輸出電壓，由下式給出輸出功率P。:
I/ KVr\^
[0006]P0 = JLmFsw(EFF)
[0007]其中，Lm為變壓器108的磁化電感，Fsff為開關102的開關頻率，EFF為功率變換器100的工作效率，K為常數。不同功率變換器之間的磁化電感Lm和工作效率EFF可以有很大變化，並且V。根據負載變化。
[0008]圖2圖示了跨輸出電壓範圍的通過變換器100檢測的輸出功率。，Pout上邊界202和Pwt下邊界204分別表示輸出功率基於Lm、Vc和EFF的可能值的範圍的高邊界和低邊界。具體地，功率極限檢測範圍208指示在給定功率極限閾值電壓206處所檢測的輸出功率的可能值的範圍。如圖2A所示，變換器100的功率極限檢測範圍208很大，意味著變換器100確定輸出功率的精度很低。
[0009]圖3圖示了在功率變換器具有很大變化的功率極限檢測範圍時大量的設計考慮。功率變換器通常被設計成在正常工作範圍310內工作，其包括在最大額定功率閾值311以下的輸出功率的電平。如果正常工作功率範圍310與最小功率極限檢測閾值215重疊，則通過功率變換器100檢測的輸出功率可能產生故障功率極限觸發。為了防止正常工作功率範圍310與功率極限檢測閾值215之間的重疊，在正常工作範圍310與功率極限檢測範圍208之間設計了很小的工作裕度312。這增加了最大額定功率閾值311與最大功率極限檢測點217之差。然而，功率變換器100可以在最大額定功率閾值311之上工作很短一段時間。相應地，為了防止對變換器100的熱損壞，變換器100被設計成工作高達最大功率極限檢測點217。因為從最大額定功率閾值311至最大功率極限檢測點217的範圍很大，所以將功率變換器的部件的熱設計和工作額定值超裕度涉及以實現高達最大功率極限檢測點217的安全工作模式。
【發明內容】
[0010]本文中所描述的實施方式包括一種用於感測開關功率變換器的輸出功率的系統和方法。開關功率變換器包括變壓器，該變壓器包括耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至開關功率變換器的輸出的次級繞組、以及在變壓器的初級側的輔助繞組。開關耦合至變壓器的初級繞組。初級繞組中的電流響應於開關導通而生成，而非響應於開關關斷而生成。跨次級繞組的輸出電壓在開關的關斷周期期間被反映為跨輔助繞組的反饋電壓。輸出功率檢測器基於變壓器的復位時間來檢測開關功率變換器的輸出電流。輸出功率檢測器生成指示輸出功率的控制信號並且向控制器提供控制信號，該控制器被配置成控制開關的開關以調節輸出功率。
[0011]與取決於向變壓器的磁化電感的功率變換器的輸入電壓的知識的方法相比，通過使用變壓器的初級側的反饋電壓來檢測開關功率變換器的輸出功率，該開關功率變換器能夠更精確地檢測輸出功率。相應地，開關功率變換器的實施方式向負載提供了在開關功率變換器或者負載的功率極限之上的功率輸出。
[0012]說明書中所描述的特徵和優點不全是包括性的，具體地，鑑於附圖、說明書和權利要求，本領域技術人員將很清楚很多其他特徵和優點。此外，應當注意，說明書中所使用的語言主要被選擇用於易讀性目的和說明目的，而非選擇用於描寫或限制本發明的主題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]通過結合附圖考慮以下詳細描述，可以很容易理解各個實施方式的教導。
[0014]圖1圖示了示例反激功率變換器；
[0015]圖2圖示了通過示例反激功率變換器檢測的示例輸出功率電平；
[0016]圖3圖示了示例反激功率變換器的示例功率輸出範圍；
[0017]圖4圖示了具有初級側功率檢測的開關功率變換器的一個實施方式；
[0018]圖5A圖示了通過具有初級側功率檢測的開關功率變換器檢測的輸出功率；以及
[0019]圖5B圖示了具有初級側功率檢測的開關功率變換器的示例功率輸出範圍。
【具體實施方式】
[0020]附圖和以下描述僅通過說明的方式涉及各個實施方式。應當注意，根據以下討論，可以很容易地將本文中所公開的結構和方法的備選實施方式認識為可以在不脫離要求保護的本發明的原理的情況下採用的可變備選。
[0021]現在，將詳細地參考若干實施方式，其示例在附圖中示出。應當注意，只要可行，相似的或者相同的附圖標記可以在附圖中使用，並且可以指示相似的或者相同的功能。附圖僅出於說明目的描繪了本發明的實施方式。本領域技術人員根據以下描述將很容易理解的是，本文中所說明的結構和方法的備選實施方式可以在不脫離本文中所描述的本發明的原理的情況下採用。
[0022]本文中所描述的開關功率變換器的實施方式被配置成使用初級側電壓反饋來感測輸出功率。與依賴於不同功率變換器之間可以有很大變化的因子的表示例如包括在功率變換器中的變壓器的磁化電感的方法相比，通過基於初級側反饋來檢測輸出功率，本文中所描述的開關功率變換器的多種實施方式能夠更精確地檢測輸出功率。
[0023]圖4圖示了具有初級側功率檢測的開關功率變換器400的一個實施方式。該開關功率變換器400包括變壓器、開關403、開關控制器401和輸出功率檢測電路405等部件，該變壓器具有初級繞組402、次級繞組416和輔助繞組408。
[0024]功率變換器400從AC電源(未示出)接收AC功率，將該AC功率整流以提供經調節的DC輸入電&V_IN。輸入電壓V_IN耦合至初級繞組402。在開關403的導通周期期間，因為二極體D1被反向偏置，所以能量存儲在初級繞組402中。在開關403的導通周期期間，電阻器Rsense以跨電阻器Rsense的電壓的形式感測初級側峰值電流IPEAK。在開關403的關斷周期期間，因為二極體D1變為正向偏置，所以初級繞組402中存儲的能量被釋放給次級繞組416並且跨電容器Ctl向負載LI傳送。二極體D1對次級繞組416上的輸出電壓進行整流，並且電容器Ctl對次級繞組416上的輸出電壓進行濾波，以用於輸出為跨負載LI的輸出電壓412。在開關403的關斷周期期間，輸出電壓V。被反映為跨輔助繞組408的反饋電
? ^SENSE0
[0025]輸出功率檢測電路405使用初級側電流Ipeak和反饋電壓Vsense來確定跨負載LI的功率輸出Pwt。通過使用Ipeak,輸出功率檢測電路405確定開關403的關斷周期期間的平均輸出電流Ιο。在一個實施方式中，輸出功率檢測電路405通過以下等式來確定平均輸出電流10:
rnnoci T — i I I I MC^)
[。。26] PS
[0027]其中，Nps為初級繞組402與次級繞組416的匝數比。Ipeak為導通時間期間初級開關的峰值電流值。值tret為次級繞組416的復位時間，其對應於變壓器的次級側的電流脈衝的持續時間。tret的一個測量值為從初級電流Ipeak的下降沿到跨輔助繞組408的電壓Vsense的下降沿的持續時間。值％為開關403的開關周期的時段、或者開關403的導通時間與關斷時間之和。通過使用所確定的輸出電流Itl,輸出功率檢測電路405根據等式Ptjut = V0^10來確定輸出功率Ptjut並且生成表示所確定的輸出功率的控制信號406。
[0028]初級側開關控制器401從輸出功率檢測電路405接收指示輸出功率Ptjut的控制信號406並且至少部分基於該控制信號406來調節開關403的開關。開關控制器401生成用於導通或關斷開關403的控制信號414以調節輸出電壓Vtl和輸出電流開關控制器401可以採用大量調製技術中的任一調製技術，比如脈衝寬度調製(PWM)或脈衝頻率調製(PFM)，以基於反饋電壓Vsense來控制開關403的導通和關斷狀態以及佔空比，從而調節輸出功率P-。
[0029]在一個實施方式中，開關控制器401被配置成控制開關403的開關以將輸出功率Pwt維持在期望電平。例如，當以恆定的輸出電壓工作時，開關控制器401控制開關403以增加或減少穿過負載的電流從而實現期望輸出功率Pwt。在一個實施方式中，開關控制器401獨立於變壓器的磁化電感的表示來控制開關403的開關。
[0030]與取決於至功率變換器400的輸入電壓或者變壓器的磁化電感的知識的方法相t匕，通過使用初級側反饋來檢測輸出功率Ptjut,輸出功率檢測電路405能夠更精確地檢測PoutO圖5A圖示了跨輸出電壓V。範圍的通過檢測電路405檢測的輸出功率。Ptjut上邊界502和Ptjut下邊界504分別表示由輸出功率檢測電路405檢測的輸出功率電平的高邊界和低邊界。即，對於給定輸出電壓Vtl，輸出功率檢測電路405檢測用上邊界502和下邊界504表示的容限內的輸出功率。例如，給定功率極限閾值電壓506，輸出功率檢測電路405檢測在低功率電平檢測極限值515與高功率電平檢測極限值517之間的功率極限檢測範圍508內的來自功率變換器400的功率輸出。該功率極限閾值電壓506指示用於功率變換器400的電壓額定值或者由功率變換器400驅動的負載的電壓額定值。例如，功率變換器400或負載的熱設計基於在功率極限閾值506以下遞送輸出電壓的功率變換器400。
[0031]圖5B圖示了根據本文中所描述的各個實施方式的功率變換器400的示例功率輸出範圍。圖5B所示的示例功率輸出範圍表示恆定電壓比如功率極限閾值電壓506下的功率變換器400的各個功率輸出。橫跨功率額定值511以下的功率輸出範圍的正常工作模式510表示功率變換器400或者負載LI可以安全地工作持續延長的一段時間的功率電平。功率額定值511表示功率變換器400或負載LI的熱設計和工作額定值。然而，在很短的一段時間內，功率變換器400可以在受限工作模式512下工作，以從功率額定值511延伸至峰值功率電平513。該峰值功率電平513表示功率變換器400或負載LI的工作範圍的上邊界。例如，峰值功率電平513由負載LI的製造商來指定為負載LI汲取的功率的上邊界。因為功率極限檢測範圍508在功率電平513之上，所以功率變換器400可以安全地在受限工作模式512下工作，即使功率變換器400或者負載LI被設計成在功率額定值511下工作。
[0032]在一個實施方式中，開關控制器401監測功率變換器400的功率輸出在功率額定值511之上的時間量。例如，開關控制器401在輸出功率從正常工作模式510向受限工作模式512過渡時開始定時器。如果功率變換器400以受限工作模式512工作的時間量超過時間閾值或者佔空比閾值，則開關控制器401檢測故障狀態。作為響應，開關控制器401降低向負載遞送的輸出功率以降低部件載荷和熱損耗。
[0033]由於其相對較小的功率極限檢測範圍，本文中所描述的功率變換器400可以用於以接近該負載的功率極限閾值來向負載遞送功率。當以接近功率極限閾值的功率電平來驅動負載時，精確的功率電平檢測對於避免對負載的熱損壞很重要。在一個實施方式中，功率變換器400被合併到電源中，其被設計成在額定功率電平或額定功率電平之上工作很短一段時間。例如，功率變換器400用來向印表機提供功率。在列印任務期間，印表機可能偶然以受限工作模式512工作很短持續時間，以汲取超過功率額定值511但是在峰值功率513範圍內的功率。由於受限工作模式512在功率極限檢測範圍508以下，所以印表機的熱設計可以被額定用於以功率額定值511來工作並且仍然能夠以受限工作模式512安全地工作很短一段時間。
[0034]雖然本文中已經圖示和描述了具體的實施方式和應用，然而，應當理解的是，這些實施方式不限於本文中所公開的精確的構造和部件，並且可以在不脫離所附權利要求中定義的這些實施方式的精神和範圍的情況，對這些實施方式的方法和裝置的布置、操作和細節做出各種修改、變化和變更。
[0035]在閱讀本公開內容時，本領域技術人員將理解系統的另外的備選設計。因此，雖然已經圖示和描述了本發明的具體的實施方式和應用，然而，應當理解的是，本發明不限於本文中所公開的精確的構造和部件，可以在不脫離涉及本文中的主題的任何權利要求中所定義的本發明的精神和範圍的情況下對本文中所公開的本發明的方法和裝置的布置、操作和細節進行本領域技術人員將很清楚的各種修改、變化和變更。
【權利要求】
1.一種開關功率變換器，包括: 變壓器，包括耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至所述開關功率變換器的輸出的次級繞組、以及在所述變壓器的初級側的輔助繞組，跨所述次級繞組的輸出電壓被反映為跨所述輔助繞組的反饋電壓； 開關，耦合至所述變壓器的所述初級繞組，所述初級繞組中的電流響應於所述開關被接通而生成並且響應於所述開關被關斷而不生成，所述反饋電壓在所述開關的關斷周期期間跨所述輔助繞組生成； 輸出功率檢測器，被配置成基於所述變壓器的復位時間來檢測所述開關功率變換器的輸出電流，並且基於所檢測的所述輸出電流和所述反饋電壓來生成表示所述開關功率變換器的輸出功率的控制信號；以及 控制器，耦合至所述開關，所述控制器被配置成基於表示所述開關功率變換器的所述輸出功率的所述控制信號來控制所述開關的開關以調節所述開關功率變換器的所述輸出功率。
2.根據權利要求1所述的開關功率變換器，其中所述輸出功率檢測器被配置成通過以下來檢測所述輸出電流: 使用跨所述輔助繞組的所述反饋電壓來檢測所述變壓器的所述復位時間。
3.根據權利要求2所述的開關功率變換器，其中檢測所述變壓器的所述復位時間包括: 檢測在所述開關的接通周期期間所述變壓器的所述初級側的電流； 檢測所述初級側電流的下降沿與跨所述輔助繞組的所述反饋電壓的下降沿之間的時間；以及 確定所述變壓器的所述復位時間作為所述檢測時間。
4.根據權利要求2所述的開關功率變換器，其中所述輸出功率檢測器被配置成基於所述變壓器的所述復位時間與所述開關的開關周期時段之比來檢測所述輸出電流。
5.根據權利要求1所述的開關功率變換器，其中所述控制器被配置成控制所述開關的開關以在功率極限之上向負載遞送功率。
6.根據權利要求5所述的開關功率變換器，其中所述控制器還被配置成: 監測向所述負載遞送的功率在所述功率極限之上的時間量；以及 響應於所述時間量超過時間閾值而生成故障狀態。
7.根據權利要求6所述的開關功率變換器，其中所述控制器還被配置成響應於生成所述故障狀態來降低所述開關功率變換器的所述輸出功率。
8.一種用於控制開關功率變換器的方法，所述開關功率變換器包括變壓器和第一開關，所述變壓器具有耦合至輸入電壓的初級繞組、耦合至所述開關功率變換器的輸出的次級繞組、以及在所述變壓器的初級側的輔助繞組，所述第一開關耦合至所述變壓器的所述初級繞組，跨所述次級繞組的輸出電壓被反映為跨所述輔助繞組的反饋電壓，所述方法包括: 基於所述變壓器的復位時間來檢測所述開關功率變換器的輸出電流； 基於所檢測的所述輸出電流和所述反饋電壓來生成表示所述開關功率變換器的所述輸出功率的控制信號；以及 基於表示所述開關功率變換器的所述輸出功率的所述控制信號來控制所述開關的開關以調節所述開關功率變換器的所述輸出功率。
9.根據權利要求8所述的方法，其中檢測所述輸出電流包括: 使用跨所述輔助繞組的所述反饋電壓來檢測所述變壓器的所述復位時間。
10.根據權利要求9所述的方法，其中檢測所述變壓器的所述復位時間包括: 檢測在所述開關的接通周期期間所述變壓器的所述初級側的電流； 檢測所述初級側電流的下降沿與跨所述輔助繞組的所述反饋電壓的下降沿之間的時間；以及 確定所述變壓器的所述復位時間作為所述檢測時間。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述輸出電流基於所述變壓器的所述復位時間與所述開關的開關周期的時段之比來檢測。
12.根據權利要求8所述的方法，其中調節所述開關功率變換器的所述輸出功率包括控制所述開關的開關以在功率極限之上向負載遞送功率。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括: 監測向所述負載遞送的功率在所述功率極限之上的時間量；以及 響應於所述時間量超過時間閾值來生成故障狀態。
14.根據權利要求12所述的方法，還包括響應於生成所述故障狀態來降低所述開關功率變換器的所述輸出功率。
【文檔編號】H02M3/335GK104242661SQ201410274117
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2013年6月19日
【發明者】史富強, D·阮, H·H·布伊, 李勇, 姚建明 申請人:戴樂格半導體公司