具有接近波谷开关的电源、电路和方法技术

本发明专利技术提供一种具有接近波谷开关的电源、电路和方法，所述电源包括准谐振转换器。所述转换器包括开关元件，所述开关元件不仅在所述波谷处打开，而且还在靠近所述波谷的ΔtNVW的窗口范围中打开，其中所述开关元件上的所述电压处于其最小值。这有利地减小开关损耗并且维持效率与频率变化之间的平衡。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本专利技术要求2015年3月6日提交的美国临时申请No.62/129,546的权益，所述美国临时申请全文以引用方式并入本文。
本专利技术涉及电路，并且更具体地讲但不排他性地，涉及具有接近波谷开关的电源、电路和方法。
技术介绍
油开关模式电源(SMPS)包括开关元件(也称为“初级开关”)，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，以将交流(AC)源转化为经调节的DC输出电压。开关元件的开关可由脉冲宽度调制(PWM)或其他控制方案来控制。SMPS可包括转换器，该转换器将直流(DC)电压转换成另一种DC电压。例如，SMPS可包括准谐振转换器。在典型的准谐振转换器中，当开关元件上的电压在谐振下处于其最小值时打开开关元件以减小开关损耗，该最小值也称为“波谷”。美国专利No 7,791,909公开了准谐振转换器的例子，该准谐振转换器使用MOSFET作为开关元件，该专利以引用方式全文并入本文中。在‘909专利中，用作开关元件的MOSFET被禁止在消隐时期TB期间打开(例如，参见图1A)。在消隐时期到期之后，当在超时时期内检测到MOSFET的源漏电压的波谷VDS时打开MOSFET。如果在超时时期内未检测到波谷，则MOSFET被迫打开。在这种情况下，由于MOSFET打开时MOSFET上的可能高的VDS电压，MOSFET可具有较高开关损耗，这也称为“硬开关”。‘909专利的准谐振转换器的基本操作示于图1A-图1D中。在图1A-图1D中，电流Ids为MOSFET的漏源电流，VDS为MOSFET的源漏电压，TB为消隐时期，TS为开关时间，TW为等待时期，并且TSmax为超时时期。如图1A所示，在MOSFET关断之后，直到在消隐时期到期之后检测到波谷之后才打开MOSFET。图1B示出其中在一个谐振周期之后在等待时期期间检测到波谷的情况并且图1C示出其中在第一谐振周期内在等待时期期间检测到波谷的情况。图1D示出其中在等待时期内未检测到波谷的情况。在该情况下，在超时时期到期之后，MOSFET被迫打开。图2示出开关频率对具有波谷开关的准谐振转换器中的输出功率的曲线图，所述准谐振转换器诸如‘909专利中的准谐振转换器(参见曲线210)和具有波谷开关的其他准谐振转换器(参见曲线220)。在图2的例子中，点A、B、C和D分别对应于图1A、图1B、图1C和图1D的情况。注意到开关频率中的变化取决于波谷何时被检测到。为了确保波谷开关，超时时期应该长于消隐时期加谐振环时期。也就是说，TSmax＞TB+TRING其中TSmax为超时时期，TB为消隐时期，并且TRING为谐振环时期。这导致相对较宽的频率变化(参见图2)，该相对较宽频率变化在需要有限开关频率范围的应用中是不期望的。另外，当超时时期到期时MOSFET被迫打开，从而导致硬开关和较大开关损耗。
技术实现思路
在一个实施例中，具有接近波谷开关的开关模式电源包括准谐振转换器。转换器包括开关元件，该开关元件不仅在波谷处打开，而且还在靠近波谷(也称为“接近波谷”)的ΔtNVW的窗口范围中打开，其中开关元件上的电压处于其最小值，从而减小开关损耗并且维持效率与由波谷开关引起的频率变化之间的平衡。本领域的一般技术人员将在阅读本公开的全文后容易明白本专利技术的这些和其他特征，本公开的全文包括附图和权利要求书。附图说明图1A-图1D示出波形，该波形示出具有波谷开关的准谐振转换器的基本操作。图2示出开关频率对具有波谷开关的准谐振转换器中的输出功率的曲线图。图3和图4示出根据本专利技术的实施例的在准谐振转换器的开关元件上的电压的波形。图5示出示例性计算，该示例性计算比较波谷开关与接近波谷开关。图6示出根据本专利技术的实施例的具有接近波谷开关的SMPS。图7示出根据本专利技术的实施例的图6的SMPS的节点的波形。图8和图9示出根据本专利技术的实施例的图6的SMPS的示例性操作的波形。在不同图示中使用相同参考标记指示相同或相似部件。具体实施方式在本专利技术中，提供许多特定细节，诸如电路、部件和方法的例子，以提供对本专利技术的实施例的透彻理解。然而，本领域的一般技术人员将认识到，可在没有这些特定细节中的一者或多者的情况下实践本专利技术。在其他情况下，未示出或描述熟知细节以免模糊本专利技术的方面。由于MOSFET上的可能高的VDS电压，固定频率开关或硬开关具有高开关损耗，该MOSFET被用作SMPS的开关元件。纯波谷开关(本文中也称为“波谷开关”)通过在MOSFET上的VDS电压的最小值处打开MOSFET来减小开关损耗，但是由于变化的谐振环时期而遭受开关频率的较大变化。利用系统开关频率带限制，需要新方法来维持效率与频率变化之间的平衡，诸如现在描述的接近波谷开关。本专利技术的实施例涉及具有接近波谷开关的SMPS。与仅在波谷处打开开关元件相反，其中开关元件上的电压在谐振下处于其最小值，本专利技术的实施例允许不仅在波谷处而且还在接近波谷的时间点处打开开关元件。例如，开关元件可根据消隐时期相对于接近波谷检测窗口结束的时间在谐振下被打开。接近波谷检测窗口有利地允许开关元件在开关元件上的电压下降或上升的情况下被打开，允许在消隐时期之后有更多机会来打开开关元件，并且从而防止其中开关元件在超时时期到期时被迫打开的情况。接近波谷开关以图3开始被进一步说明。图3示出根据本专利技术的实施例的在准谐振转换器的开关元件上的电压的波形。在图3的例子中，曲线251是开关元件的源漏电压VDS的波形，该开关元件包括MOSFET。与仅在波谷处(如在波谷开关中)打开MOSFET相反，MOSFET还允许在本文中称为“接近波谷窗口”ΔtNVW的时间周期期间打开，该“接近波谷窗口”被配置为在VDS电压下降或上升的情况下靠近VDS电压的波谷点。在一个实施例中，为了减小开关损耗，接近波谷窗口ΔtNVW应被配置为在VDS电压的波谷点附近，或在VDS谐振环相对于输入电压V输入的负半周期内。接近波谷开关可根据消隐时期相对于接近波谷窗口ΔtNVW到期的时间而被允许。例如，当消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW内结束时，MOSFET可被立即打开。当消隐时期TB在接近波谷窗口ΔtNVW之外结束时(即，在接近波谷窗口ΔtNVW之后)，MOSFET可在下一个允许的接近波谷窗口ΔtNVW处或在等待时期TW结束时被打开。图4示出根据本专利技术的实施例的在准谐振转换器的开关元件上的电压的另一个波形。在图4的例子中，曲线301是开关元件的源漏电压VDS的波形，该开关元件包括MOSFET。在准谐振转换器中，MOSFET耦合到变压器的初级绕组。当MOSFET被关断时，其源漏电压在由初级绕组的电感和MOSFET(或一些其他电容器)的寄生电容形成的谐振电路所指示的谐振频率下发生谐振。在图4的例子中，源漏电压VDS的峰值对应于输入电压V输入加反射输出电压VO(即，nVO，其中n为变压器的匝数比)。曲线301的正弦部分表示在MOSFET关断之后在谐振下的源漏电压VDS。在4的例子中，波谷302为在MOSFET关断之后在谐振下的波谷。波谷302为在谐振下的MOSFET的源漏电压的最小值。还在图4中示出的是曲线301的一部分的放大版本，该曲线301示出波谷302。在一个实施例中，接近波谷开关涉及在接近波谷302的时间点处打开M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有接近波谷开关的电路，所述电路包括：控制器，所述控制器被配置为检测耦合到变压器的初级绕组的金属氧化物半导体场效应晶体管的漏源谐振电压相对于输入电压的过零，以响应于检测到所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零而生成指示接近波谷窗口时间周期发生的信号，并且当消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期内结束时，在所述接近波谷窗口时间周期期间的时间范围内打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管，在所述消隐时期期间禁止所述金属氧化物半导体场效应晶体管被打开。

【技术特征摘要】
2015.03.06 US 62/129,546;2016.02.25 US 15/053,2631.一种具有接近波谷开关的电路，所述电路包括：控制器，所述控制器被配置为检测耦合到变压器的初级绕组的金属氧化物半导体场效应晶体管的漏源谐振电压相对于输入电压的过零，以响应于检测到所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零而生成指示接近波谷窗口时间周期发生的信号，并且当消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期内结束时，在所述接近波谷窗口时间周期期间的时间范围内打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管，在所述消隐时期期间禁止所述金属氧化物半导体场效应晶体管被打开。2.根据权利要求1所述的电路，其中当所述消隐时期在所述接近波谷窗口时间周期之外结束时，所述控制器被配置为在下一个接近波谷窗口时间周期处或在等待时期结束时打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管。3.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器在所述接近波谷窗口时间周期期间但是在所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压到达其最小电压之前打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管。4.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器在所述接近波谷窗口时间周期期间但是在所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压到达其最小电压之后打开所述金属氧化物半导体场效应晶体管。5.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器包括：钳位电路，所述钳位电路被配置为钳制所述金属氧化物半导体场效应晶体管的感测源漏电压以生成钳位电压；复制电路，所述复制电路在所述控制器内生成所述钳位电压的复制；以及过零检测电路，所述过零检测电路从所述钳位电压的所述复制检测所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零。6.根据权利要求1所述的电路，其中当电容与所述变压器的所述初级绕组的电感在所述金属氧化物半导体场效应晶体管被关断时发生谐振时，生成所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压。7.根据权利要求5所述的电路，其中所述电容包括在所述金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极处的集总寄生电容。8.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制器包括：单触发电路，所述单触发电路响应于检测到所述金属氧化物半导体场效应晶体管的所述漏源谐振电压的所述过零而生成指示所述接近波谷窗口时间周期发生的所述信号。9.一种具有接近波谷开关的方法，所述方法包括：在谐振下感测初级开关的漏源谐振电压，当变压器的初级绕组的电感与电容在所述初级开关关断时发生谐振时，所述初级开关处于谐振状态，所述初级开关耦合到所述所述变压器；允许所述初级开关在接近波谷窗口时间周期期间的时间范围内打开，所述接近波谷窗口时间周期在所述初级开关的所述漏源谐振...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶志波，陈荣昇，林立，韦凯方，谢志贤，崔恒硕，唐岳弘，
申请(专利权)人：快捷半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US