CN104052290B - 具有次级到初级消息传送的开关功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明的各实施方式总体上涉及具有次级到初级消息传送的开关功率变换器。具体地，纯初级电源使得能够从隔离电源的次级侧到初级侧传输信号或消息。为了使得能够在不干扰初级侧感测的情况下稳健检测消息以用于输出调节，可配置阻抗电流路径被配置在初级绕组和地之间。初级侧控制器控制可配置阻抗电流路径，以在正常模式期间具有相对低的阻抗，而在消息传送模式期间具有相对高的阻抗。

Description

具有次级到初级消息传送的开关功率变换器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月13日递交的、Jianming Yao等人的题为“SwitchingPower Converter Secondary to Primary Messaging”的第61/780,231号美国临时申请以及于2013年10月1日递交的、Jianming Yao等人的题为“Switching Power Converter withSecondary to Primary Messaging”的第14/043,593号美国发明专利申请的权益，上述申请的内容通过引用并入于此。

技术领域

公开的实施例涉及电源，并且更特别地涉及从隔离电源的次级侧到初级侧传输消息。

背景技术

在常规的隔离开关电源（诸如反激式功率变换器）中，位于电源的初级侧上的开关控制器通过基于一个或多个反馈信号控制开关的导通时间和断开时间来调节到负载的功率，一个或多个反馈信号表示输出功率、输出电压和/或输出电流。一些隔离电源使用次级到初级电路（通常采用光隔离器器件）来从电源的次级侧到初级侧控制器传达反馈信号。其它隔离电源则采用纯初级调节（primary-only regulation），电源控制器仅依赖于初级侧感测来获得用于保持输出调节的反馈信号。仅使用初级侧感测的优点是电源可以在没有诸如光隔离器之类的隔离器件的情况下操作，隔离器件显著增加了电源的成本、尺寸和复杂性。

发明内容

一种开关功率变换器包括次级到初级的消息传送能力。变压器将开关功率变换器的初级侧与开关功率变换器的次级侧隔离。变压器包括耦合到开关功率变换器的输入的初级绕组和耦合到开关功率变换器的输出的次级绕组。第一初级侧开关耦合到变压器的初级绕组。第一初级侧开关基于对第一初级侧开关的开关来控制通过初级绕组的电流。初级侧控制器基于初级侧的感测来控制第一初级侧开关的开关以调节开关功率变换器的输出，并且在正常模式和消息传送模式之间选择。初级侧控制器另外基于通过初级绕组的电流的初级侧感测来检测在消息传送模式期间在次级侧上生成的数字消息。

在一个实施例中，初级侧控制器还控制在初级绕组和地之间的可配置阻抗电流路径。特别地，初级侧控制器控制可配置阻抗电流路径，以在正常模式期间具有第一阻抗并且在消息传送模式期间具有第二阻抗，其中第二阻抗高于第一阻抗。

说明书中描述的特征和优点不是无所不包的，并且特别是，考虑到附图、说明书和权利要求，许多附加的特征和优点对本领域普通技术人员而言将是显而易见的。而且，应当注意到，说明书中使用的语言已经主要出于可读性和指导性目的被选择，而不被选择以划定或限制发明的主题。

附图说明

图1是图示了具有次级到初级的消息传送能力的开关功率变换器的实施例的电路图。

图2是图示了近似于具有次级到初级的消息传送能力的开关电源的电路当其以正常模式操作时的电路图。

图3是图示了近似于具有次级到初级的消息传送能力的开关电源的电路当其以消息传送模式操作时的电路图。

图4描绘了由具有次级到初级的消息传送能力的开关电源生成的示例波形。

图5描绘了图示具有次级到初级的消息传送能力的开关电源的示例操作的时序图。

图6是图示了具有次级到初级的消息传送能力的开关功率变换器的可替换实施例的电路图。

具体实施方式

附图和下列描述仅通过说明的方式与本发明的优选实施例相关。应当注意到，根据下列讨论，本文公开的结构和方法的可替换实施例将容易被认为是可以在不背离要求保护的发明的原理的情况下被采用的可行的替换方式。

现在将详细参考本发明的若干实施例，其示例被图示于附图中。注意到，只要可行，相似或相同的附图标记可以用于附图中并且可以指示相似或相同的功能。附图仅出于说明的目的描绘了本发明的实施例。本领域技术人员将容易根据下列描述认识到，本文所图示的结构和方法的可替换实施例可以在不背离本文描述的发明的原理的情况下被采用。

纯初级电源使得能够在不使用光耦合器或类似器件的情况下从次级侧到初级侧传输信号或消息。例如，在一个实施例中，消息从次级侧被发送到初级侧以通知初级侧控制器改变次级条件（诸如在开关功率变换器的输出处的有限动态负载变化、过压条件或欠压条件）。在另一实施例中，耦合到电源的次级侧的电子器件可以传送消息到初级侧控制器，该消息指示期望的操作条件（诸如电压设置水平）和/或检测的故障条件（诸如过温条件）。初级侧控制器然后可以响应于具体条件而迅速改变开关。例如，当次级侧上的检测器检测到负载已经被断开时，消息可以从次级侧被发送到初级侧。初级侧控制器然后可以将开关周期减小到非常低的频率，以便在最小功耗的情况下将输出电压保持在被调节的水平。消息还可以当负载被重新连接到开关功率变换器并且输出电压开始下降时被传达。单独使用反馈调节，在初级侧控制器检测到输出电压的变化并且对其做出反应之前将由于开关周期之间的相对长的时期而观察到大量的延迟。然而，使用次级到初级的消息使得初级侧控制器能够迅速检测并且响应，因此改善了对于改变次级侧条件的动态响应。

经由通过初级绕组的电流的初级侧感测而在初级侧上检测消息。为了使得能够在不干扰初级侧感测的情况下稳健检测消息以用于输出调节，可配置阻抗电流路径被配置在初级绕组和地之间。初级侧控制器控制可配置阻抗电流路径，以在常规操作期间具有相对低的阻抗，而当传达消息时在消息传送模式期间具有相对高的阻抗。

图1是图示了提供功率到负载102（例如，电子器件）的开关功率变换器100（例如，初级侧反激式开关功率变换器）的实施例的电路图。输入电压VIN（典型地为整流的AC电压）被输入到功率变换器100。初级侧控制器110使用具有导通时间（T_ON）和断开时间（T_OFF）的驱动信号来控制功率开关S1的导通状态和断开状态，以保持调节的输出电压Vout或调节的输出电流Iout或两者。当功率开关S1在其导通时间期间被接通（例如关闭）时，能量储存在变压器T1的初级绕组Np中。在S1的导通时间期间，跨变压器T1的次级绕组Ns的电压为负并且二极管D1被反向偏置，从而阻止能量传送到负载102。在该状态中，能量经由电容器C1被提供到负载102。当功率开关S1被关断（打开）时，储存在初级绕组Np104中的能量被释放到次级绕组Ns。二极管D1变为正向偏置，使得能够将储存在变压器T1中的能量传送到负载102并且对电容器C1再充电。

初级侧控制器110可以使用驱动信号112来控制开关S1的开关，驱动信号112实施例如脉冲宽度调制（PWM）控制或脉冲频率调制（PFM）控制。为了实现期望的输出调节，初级侧控制器110基于反馈信号Vsense114和Isense116的初级侧感测来控制开关，其中Vsense114表示跨变压器T1的辅助绕组Na的被反映的电压，并且Isense116表示通过初级绕组Np的初级侧电流。使用已知的初级侧感测技术，控制器110可以基于Vsense114和Isense116的测量结果来近似输出电压Vout和输出电流Iout，从而使得控制器110能够保持调节的输出电压或电流。

在一个实施例中，Vsense114由包括耦合到变压器T1的辅助绕组Na的电阻器R1、电阻器R2的分压器生成。在可替换实施例（未示出）中，Vsense114可以直接从初级绕组Np得出（例如，使用跨初级绕组Np的分压器电路）。

而且，在一个实施例中，Isense116当开关S2被接通（关闭）时被测量为跨感测电阻器Rs的电压。在一个实施例中，感测电阻器Rs相对于检测电阻器Rd具有低阻抗。例如，在一个实施例中，感测电阻器Rs具有1至10欧姆的数量级的阻抗，而检测电阻器Rd具有相对高的阻抗（例如，1000欧姆的数量级）。因此，当开关S2导通时，通过Rs的电流提供通过初级绕组Np的电流的良好近似。

次级侧控制器120生成用于传达到初级侧控制器110的消息。该消息可以编码由次级侧控制器120感测的各种次级侧特性。例如，次级侧控制器120可以感测输出电压Vout（例如，经由分压器R4、R5）并且编码与动态负载变化（例如，当电子器件重新连接到开关功率变换器时）、过压条件（例如，当Vout超出过压阈值时）或欠压条件（例如，当Vout降到欠压阈值以下时）相关的信息。在另一实施例中，消息可以编码由负载102自己生成的信息，例如标识作为负载102被连接的电子器件的信息，或者标识作为负载102被连接的电子器件的操作模式（例如，低功率模式）的信息。

为了生成消息，编码器/驱动器电路122控制开关S3的开关，以根据表示编码消息的电压脉冲的模式将Vout耦合或解耦到次级绕组Ns。在一个实施例中，电阻器R3与开关S3串联耦合，以防止当开关S3导通时输出电压Vout到次级绕组Ns的短路。在如下文将更详细解释的消息模式期间，该脉冲被反映到初级绕组Np上并且可以在初级侧上被检测。

在一个实施例中，控制器110通过控制开关S2的状态在正常模式和消息传送模式之间切换。在控制器110的正常模式期间，开关S2被接通（关闭）。在该状态下，感测电阻器Rs和检测电阻器Rd并联连接并且提供从初级绕组Np到地（GND）的电流路径。图2图示了提供当开关S2被置于导通状态时（在正常模式期间）开关电源100的近似的电路。这里，开关S2被建模为短路（因为开关是导通的），并且检测电阻器Rd因为其阻抗大大高于感测电阻器Rs的阻抗而被建模为开路。因此，如上所述，Rs和Rd的并联组合由Rs来近似。图2中还省略了次级控制器120，因为在该模式中不生成消息（即，开关S3保持断开）。如可以从图2的电路观察到的，在当开关S2导通时的正常模式期间，开关电源100与反激式功率变换器相似地（或相同地）操作。

为了实现消息传送模式，控制器110关断开关S2。典型地，仅在功率开关S1的断开时间期间实现消息传送模式。图3图示了提供当开关S1和S2处于断开状态时（在消息模式期间）开关电源100的近似的电路。这里，开关S2和感测电阻器Rs因为开关S2是断开的而被建模为开路。而且，开关S1因为开关S1是断开的而被建模为电容器CS1（表示开关S1的寄生电容）。因此，初级绕组Np经由寄生电容器CS1和检测电阻器Rd耦合到地。

当在消息传送模式期间在次级绕组Ns上生成电压峰值（voltagespike）时，电压峰值被反映在初级绕组Np上并且可以经由检测信号118被控制器110检测为跨检测电阻器Rd的电压。控制器110然后可以解码该消息并且相应地调整操作。

如从图1-图3可以观察到的，开关S2、感测电阻器Rs和检测电阻器Rd共同形成了由初级侧控制器110控制、从初级绕组到地的可配置阻抗电流路径。特别地，当开关S2在正常操作期间被接通时，从初级绕组到地存在相对低的阻抗路径，并且其由感测电阻器Rs的电阻近似。Rs的特定值被选择以确保Isense116的准确检测，以出于输出调节的目的估计在正常模式期间通过初级绕组Np的电流。当开关S2在消息传送模式期间被断开时，从初级绕组到地存在相对高的阻抗路径，并且其由检测电阻器Rd的电阻近似。相对于仅使用感测电阻器Rs产生的电压，这有效地放大了在消息传送模式期间在检测点118产生的电压。在消息传送模式期间增加该电流路径的阻抗有益于增加消息的信噪比并且确保消息可以在检测点118被准确检测。

图4图示了开关电源100在消息传送模式期间的示例操作波形。出于示例的目的，所描绘的与电源100相关的波形提供近似+5VDC的输出，尽管实施例不限于任何特定的电压水平。消息驱动信号402包括控制次级侧开关S3的一系列脉冲。消息驱动信号402中的每个导通/断开脉冲造成如信号404中所示的跨次级绕组Ns的电压峰值，信号404由于变压器T1的电感和杂散电容而振荡并且衰减。例如，在一个实施例中，响应于消息驱动信号402的每个脉冲，跨次级绕组Ns生成信号404中的10V峰间值（peak-to-peak）的电压峰值。跨次级绕组Ns的电压404被跨初级绕组Np反映，并且生成跨电阻器Rd的被反映的电压406，其可以被初级侧控制器110检测为检测信号118。在一个实施例中，被反映的电压406是近似500mV峰间值的信号，其提供高信噪比并且导致可靠的信号。相比之下，使用典型的感测电阻器Rs的常规初级侧架构（例如，图2的配置中的电路）将产生跨感测电阻器Rs、仅约10mV峰间值的被反映的电压。因此，图1的可配置阻抗电流路径相对于常规架构有益地放大了消息并且实现了更可靠的检测。

图5是图示了在一个实施例中开关S1和开关S2的导通时间和断开时间的控制的时序图。如上所述，开关S1的导通周期和断开周期由控制器110控制，以便保持输出电压Vout或输出电流Iout的调节。开关S2被控制以处于导通状态而无论何时开关S1处于导通状态，以便提供通过电流感测电阻器Rs到地的初级电流的低阻抗路径并且实现初级侧电流的可靠感测。在开关S1的断开时间期间，初级侧控制器110控制开关S2处于导通状态以引起正常操作模式，并且控制开关S2处于断开状态以引起消息传送模式。在一个实施例中，当从正常模式过渡到消息传送模式时，在开关S1关断之后、开关S2关断之前，强制执行防护带时段（guard band period）。类似地，当从消息传送模式过渡到正常模式时，在将开关S1接通回来之前、开关S2被接通回来之后，强制执行防护带时段。防护带时段确保无论何时开关S1被接通，开关S2都是完全导通的，以使得S2的开关不干扰Isense116和Vsense114的初级侧感测。在一个实施例中，次级控制器120可以检测开关S2何时被关断，以便智能地确定何时发起次级到初级的消息传送信号。进一步地，在一个实施例中，控制器110不一定必须在开关S1的每个断开时段期间将开关电源100置于消息传送模式中，而相反可能以变化的间隔这样做。

图6图示了具有次级到初级的消息传送能力的开关电源600的可替换实施例。该实施例类似于图1的实施例，但是省略了开关S2和检测电阻器Rd。相反，控制器610通过感测在初级绕组Np和功率开关S1的漏极的接头处的电压618来检测消息。假设反激式变换器以与以上讨论的图4的示例中的参数类似的参数操作，信号618的幅度一般是高电压信号（例如，110V峰间值的量级）并且因此具有稳健的信噪比。为了使得控制器610能够检测该高电压范围中的信号，高电压检测电路可以用于该实施例中。

在又另一实施例中，控制器610可以经由Isense信号116检测消息。尽管该信号将由于Rs的低电阻而具有相对低的峰间值电压，但是其在某些情况下仍能够足以准确地检测消息。

在阅读本公开内容之后，本领域技术人员将领会到还有用于具有次级到初级的消息传送的电源的另外的可替换设计。因此，虽然已经图示并且描述了本发明的特定实施例和应用，但是将要理解，本发明不限于本文公开的精确构造和组成部分，并且可以在本文公开的本发明的方法和装置的布置、操作和细节方面进行对于本领域技术人员而言将显而易见的各种修改、改变和变化而不背离本发明的范围。

Claims (20)

1.一种开关功率变换器，包括：

变压器，将所述开关功率变换器的初级侧与所述开关功率变换器的次级侧隔离，所述变压器包括耦合到所述开关功率变换器的输入的初级绕组和耦合到所述开关功率变换器的输出的次级绕组；

第一初级侧开关，耦合到所述变压器的所述初级绕组，所述第一初级侧开关用于基于所述第一初级侧开关的开关来控制通过所述初级绕组的电流；

初级侧控制器，用于感测一个或多个初级侧信号并且用于基于所述一个或多个初级侧信号来控制所述第一初级侧开关在导通状态和断开状态之间的开关以调节所述开关功率变换器的所述输出，并且用于在正常模式和消息传送模式之间选择，所述消息传送模式发生在所述第一初级侧开关的所述断开状态中的至少一个断开状态期间，并且在所述消息传送模式期间用于检测在所述开关功率变换器的所述次级侧上生成的数字消息，所述数字消息被编码为在所述次级绕组上生成的一系列脉冲，并且所述一系列脉冲被反映到所述初级绕组上，所述一系列脉冲基于通过所述初级绕组的所述电流的初级侧感测在所述初级绕组上被检测。

2.根据权利要求1所述的开关功率变换器，还包括：

可配置阻抗电流路径，在所述初级绕组和地之间，所述初级侧控制器控制所述可配置阻抗电流路径，以在所述正常模式的期间具有第一阻抗并且在所述消息传送模式期间具有第二阻抗，所述第二阻抗高于所述第一阻抗。

3.根据权利要求2所述的开关功率变换器，其中所述可配置阻抗电流路径包括：

第二初级侧开关，被所述初级侧控制器控制，所述第二初级侧开关用于在在所述正常模式的期间的第一状态和在所述消息传送模式期间的第二状态之间切换，所述第一状态用于使所述可配置阻抗电流路径具有所述第一阻抗，而所述第二状态用于使所述可配置阻抗电流路径具有所述第二阻抗。

4.根据权利要求3所述的开关功率变换器，其中所述可配置阻抗电流路径还包括：

感测电阻器，与所述第二初级侧开关串联，所述感测电阻器当所述第二初级侧开关接通时提供从所述初级绕组到地的第一电流路径；

检测电阻器，与所述第二初级侧开关和所述感测电阻器的串联组合并联，所述检测电阻器当所述第二初级侧开关关断时提供从所述初级绕组到地的第二电流路径。

5.根据权利要求1所述的开关功率变换器，还包括：

次级侧控制器，在所述开关功率变换器的所述次级侧上，所述次级侧控制器被配置为在所述开关功率变换器的所述消息传送模式期间引起表示所述数字消息的、跨所述开关功率变换器的所述次级绕组的一系列电压峰值，所述一系列电压峰值被反映在所述初级绕组上；

其中所述初级侧控制器检测被反映在所述初级绕组上的所述一系列电压峰值。

6.根据权利要求5所述的开关功率变换器，还包括：

次级侧开关，耦合到所述变压器的所述次级绕组，其中所述次级侧开关当所述次级侧开关被脉冲导通和脉冲断开时生成跨所述变压器的所述次级绕组的电压峰值。

7.根据权利要求6所述的开关功率变换器，

其中所述次级侧控制器经由次级侧控制信号控制所述次级侧开关的开关，以将所述开关功率变换器的输出电压耦合或解耦到所述次级绕组。

8.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中在所述正常模式的期间，所述初级侧控制器检测表示通过所述初级绕组的电流的电流感测信号，并且基于所述电流感测信号控制所述第一初级侧开关的开关。

9.根据权利要求3所述的开关功率变换器，其中所述初级侧控制器控制所述第二初级侧开关的开关，以当所述第一初级侧开关导通时以所述正常模式操作并且在所述第一初级侧开关的断开时间的至少一部分期间以所述消息传送模式操作。

10.根据权利要求9所述的开关功率变换器，其中所述初级侧控制器控制开关在紧随关断所述第一初级侧开关的第一防护带时段之后关断所述第二初级侧开关以进入所述消息传送模式，并且所述初级侧控制器在接通所述第一初级侧开关之前的第二防护带时段之前接通所述第二初级侧开关以进入所述正常模式。

11.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中所述数字消息包括以下各项中的至少一项：标识瞬变负载条件的信息、标识在所述负载处的欠压条件的信息以及标识在所述负载处的过压条件的信息。

12.一种用于控制开关功率变换器的方法，所述开关功率变换器包括具有耦合到所述开关功率变换器的输入的初级绕组和耦合到所述开关功率变换器的输出的次级绕组的变压器，以及耦合到所述变压器的所述初级绕组的第一初级侧开关，所述变压器将所述开关功率变换器的对应于所述初级绕组的初级侧与所述开关功率变换器的对应于所述次级绕组的次级侧电隔离，所述第一初级侧开关由初级侧开关控制器控制，所述方法包括：

通过所述初级侧开关控制器感测在所述开关功率变换器的所述初级侧上生成的一个或多个初级侧反馈信号；

基于所述一个或多个初级侧反馈信号，通过所述初级侧开关控制器控制所述第一初级侧开关在导通状态和断开状态之间的开关，以调节所述开关功率变换器的所述输出；

在以正常模式操作所述初级侧开关控制器和以消息传送模式操作所述初级侧开关控制器之间选择，所述消息传送模式发生在所述第一初级侧开关的所述断开状态中的至少一个断开状态期间；并且

在所述消息传送模式的期间检测在所述开关功率变换器的所述次级侧上生成的数字消息，所述数字消息被编码为在所述次级绕组上生成的一系列脉冲，并且所述一系列脉冲从所述次级绕组被反映在所述初级绕组上，所述一系列脉冲经由通过所述初级绕组的电流的初级侧感测在所述初级绕组上被检测。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

通过所述初级侧开关控制器控制在所述初级绕组和地之间的可配置阻抗电流路径，以在正常模式的期间具有第一阻抗并且在消息传送模式的期间具有第二阻抗，所述第二阻抗高于所述第一阻抗。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在所述开关功率变换器的所述消息传送模式的期间生成表示所述数字消息的、跨所述开关功率变换器的所述次级绕组的一系列电压峰值，所述一系列电压峰值被反映在所述初级绕组上；

其中检测所述数字消息包括检测被反映在所述初级绕组上的所述一系列电压峰值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中生成所述一系列电压峰值包括：

控制次级侧开关的开关，以将所述开关功率变换器的输出电压耦合或解耦到所述次级绕组。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：

在所述正常模式的期间，当所述电流路径具有所述第一阻抗时，检测表示通过所述初级绕组的电流的电流感测信号；并且

基于所述电流感测信号，控制所述第一初级侧开关的开关。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括：

控制第二初级侧开关的开关，以当所述第一初级侧开关导通时以所述正常模式操作，并且在所述第一初级侧开关的断开时间的至少一部分期间以所述消息传送模式操作。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

在紧随关断所述第一初级侧开关的第一防护带时段之后进入所述消息传送模式；

在接通所述第一初级侧开关之前的第二防护带时段之前进入所述正常模式。

19.根据权利要求12所述的方法，其中所述数字消息包括以下各项中的至少一项：标识瞬变负载条件的信息、标识在所述负载处的欠压条件的信息以及标识在所述负载处的过压条件的信息。

20.一种开关功率变换器，包括：

变压器，包括耦合到所述开关功率变换器的输入的初级绕组和耦合到所述开关功率变换器的输出的次级绕组；

第一初级侧开关，耦合到所述变压器的所述初级绕组，所述第一初级侧开关基于开关所述第一初级侧开关来控制通过所述初级绕组的电流；

第二初级侧开关，在正常模式的期间的第一状态和在消息传送模式期间的第二状态之间切换，其中当所述第二初级侧开关处于在所述正常模式的期间的所述第一状态时，所述第二初级侧开关使通过所述初级绕组和所述第一初级侧开关的电流路径具有第一阻抗，并且其中当所述第二初级侧开关处于在所述消息传送模式期间的所述第二状态时，所述第二初级侧开关使通过所述初级绕组和所述第一初级侧开关的所述电流路径具有第二阻抗，所述第二阻抗高于所述第一阻抗；

初级侧控制器，在所述开关功率变换器的所述初级侧上，所述初级侧控制器用于感测一个或多个初级侧信号并且用于基于所述一个或多个初级侧信号来控制所述第一初级侧开关在导通状态和断开状态之间的开关，用于控制所述第二初级侧开关的开关，以在所述正常模式和所述消息传送模式之间选择，所述消息传送模式发生在所述第一初级侧开关的所述断开状态中的至少一个断开状态期间，并且在所述消息传送模式期间用于检测在所述开关功率变换器的次级侧上生成的数字消息，所述数字消息被编码为在所述次级绕组上生成的一系列脉冲，并且所述一系列脉冲在所述消息传送模式期间从所述次级绕组被反映在所述初级绕组上。