用于开关电源的功率转换器及其操作方式制造技术

一种开关电源，包括功率转换器，功率转换器包括变压器、低侧开关和高侧开关。低侧开关通过变压器的初级绕组从电源电压汲取电流。高侧开关将来自变压器的初级绕组的电流放电到缓冲电容器。控制器同步地控制低侧开关和高侧开关的断开和闭合。功率转换器可以包括在反激式转换器中。功率转换器可以产生经调节的输出电压。

【技术实现步骤摘要】
用于开关电源的功率转换器及其操作方式
本专利技术涉及开关电源领域。更特别地，本专利技术涉及用于开关电源的反激式功率转换器及其操作方式。
技术介绍
离线开关电源从交流(AC)电源接收电能并提供用于给负载供电的电压调节的直流(DC)输出。一种示例性离线电源包括功率因数校正(PFC)级和DC-DC转换器级。PFC级接收AC输入信号，进行整流并使得来自AC源的电流与AC电压保持大致同相，从而使得电源表现为AC源的电阻负载。DC-DC转换器级从PFC级接收整流输出并生成可以用于给负载供电的电压调节的DC输出。PFC级的整流输出通常处于较高的电压并且比DC-DC级的输出更宽松地调节。反激式功率转换器(或者更简单地，反激式转换器)可以应用于DC-DC功率转换器。反激式转换器使用变压器，变压器将来自反激式转换器的输入端的能量传输至其输出端并且提供在反激式转换器的输入端和输出端之间的电隔离。通过闭合开关将输入电压(例如PFC级的整流输出电压)施加在变压器初级绕组的两端；结果，初级绕组电流流动并且变压器中的磁通量增加，在变压器中存储能量。当开关被断开时，电压被消除并且初级绕组电流降低，同时磁通量减小。结果在变压器的次级绕组中感生电流。该感生电流给输出电容器充电以产生用于给负载供电的输出电压。开关电源可以经受各种负载条件。对于这种电源重要的是，高效地操作以最小化电量使用。因此，需要适应不同的负载条件并实现高效操作的改进的开关电源技术。还需要使用反激式功率转换器的这种开关电源技术。
技术实现思路
根据实施例，开关电源包括功率转换器，该功率转换器包括变压器、低侧开关和高侧开关。低侧开关通过变压器的初级绕组从电源电压汲取电流。高侧开关将来自变压器的初级绕组的电流放电到缓冲电容器。控制器同步地控制低侧开关和高侧开关的断开和闭合。功率转换器可以包括在反激式转换器中。功率转换器可以产生经调节的输出电压。附图说明以下参照特定的示例性实施例并结合附图描述本专利技术，其中：图1示出根据本专利技术实施例的两级离线电源的结构框图；图2示出根据本专利技术实施例的适用于DC-DC转换器的反激式转换器；图3示出根据本专利技术实施例的反激式转换器的电压波形；图4示出根据本专利技术实施例的反激式转换器的电压波形；图5示出根据本专利技术实施例的反激式转换器和控制电路；图6示出根据本专利技术实施例的用于DC-DC转换器的控制器集成电路；图7示出根据本专利技术实施例的高电压电阻器；图8示出根据本专利技术实施例的双向高电压电阻器；图9示出根据本专利技术实施例的反激式转换器的控制电路；图10示出根据本专利技术实施例的反激式转换器的另一控制电路；图11示出根据本专利技术实施例的用于反激式转换器的控制电路中的差分信号转换器；图12示出根据本专利技术实施例的反激式转换器的开关频率和功率的关系曲线图；图13示出根据本专利技术实施例的用于反激式转换器的控制电路中的振荡器；图14示出根据本专利技术实施例的用于反激式转换器的控制电路中的比较器。具体实施方式本专利技术涉及用于开关电源的反激式功率转换器及其操作方式。反激式转换器可以用于离线开关电源。根据本专利技术的实施例，反激式转换器在变压器初级侧采用两个同步操作的晶体管开关。晶体管开关中的第一个将变压器初级绕组耦合至接地节点，在本文称为“低侧”开关。两个晶体管开关中的第二个将变压器初级绕组经由缓冲电容器耦合至输入电压，在本文称为“高侧”开关。在反馈回路中控制开关以在变压器次级侧生成调节的DC输出电压。根据本专利技术的实施例，根据负载条件，反激式转换器可以在频率控制反馈回路或电流控制反馈回路中操作。根据另一实施例，反激式转换器在频率控制反馈回路和电流控制反馈回路之间无缝地过渡。在本专利技术的又一实施例中，低侧和高侧开关中的一个或两个按照零伏特开关(ZVS)操作。在本文描述本专利技术的这些和其他方面。图1示出根据本专利技术实施例的两级离线电源100的结构框图。如图1所示，功率因数校正(PFC)级102具有耦合至交流(AC)源的输入端。PFC级102对AC输入信号进行整流并使得从AC源汲取的电流与AC电压保持大致同相，从而使得电源100表现为AC源的电阻负载。PFC级102产生宽松调节的电压VDC，其作为输入被提供给DC-DC转换器104。使用输入VDC，DC-DC转换器级104产生可用于给负载供电的电压调节的DC输出VO。VDC的电平优选地处于较高电压并且比DC-DC转换器级104的输出VO更宽松地调节。PFC级102的输出VDC的标称电平可以是例如大约380伏的直流，而DC-DC转换器级104的电压调节的输出VO可以是例如大约12.0伏的直流。图2示出根据本专利技术实施例的反激式转换器150。反激式转换器适合用于开关电源的DC-DC转换器，例如图1的DC-DC转换器104。反激式转换器150从源VIN接收输入电压，该输入电压可以是PFC级输出VDC，或者可以从某个其他源接收，例如电磁干扰(EMI)滤波器。如图2所示，输入电压源VIN耦合至电容器CSN的第一端以及变压器T1的初级绕组的第一端。电容器CSN用作缓冲电容器。在电容器CSN两端形成具有图2所示极性的电压VCSN。变压器T1的初级绕组的第二端耦合至开关SW1(“低侧”开关)的第一端和开关SW2(“高侧”开关)的第一端。在低侧开关SW1和高侧开关SW2之间的节点处以及在变压器T1的初级绕组的第二端处形成电压开关SW1的第二端耦合至第一接地节点。开关SW2的第二端耦合至电容器CSN的第二端。开关SW1和SW2可以是功率MOSFET晶体管；因此，体二极管被示出与开关SW1和SW2的每一个相关联。通过信号LOWOUT来控制开关SW1，同时通过信号HIGHOUT来控制开关SW2。优选地由相应的MOSFET分别实现低侧开关SW1和高侧开关SW2。变压器T1的次级绕组的第一端耦合至齐纳二极管D1的阳极。二极管D1的阴极耦合至电容器C1的第一端。变压器T1的次级绕组的第二端耦合至电容器C1的第二端和第二接地节点。第一和第二接地节点优选地彼此隔离。通过断开和闭合开关SW1和SW2来操作反激式转换器150。变压器T1将来自反激式转换器150的输入端的能量传递至其输出端，并且提供反激式转换器150的输入端和输出端之间的隔离。在操作中，当开关SW1闭合(开关转向“ON”)时，在变压器T1的初级绕组两端施加电压源VIN。结果，初级绕组中的电流和变压器T1中的磁通量增加，这在变压器T1中存储能量。当开关SW1之后断开(开关转向“OFF”)时，初级绕组中的电流和磁通量降低。结果，在变压器T1的次级绕组中感生出电流，该电流给电容器C1充电存储能量，从而生成用于给负载供电的输出电压VO。可以通过调节开关SW1的开关占空比(例如通过控制峰值输入电流)、开关SW1的开关频率或者两者来控制传递至负载的能量的量。控制占空比在本文被称为峰值电流控制，然而，控制开关频率在本文被称为频率控制。当SW1断开而开关SW2在闭合位置(开关SW2处于“ON”)时，变压器T1的初级绕组中的电流可以通过开关SW2到达缓冲电容器CSN。可替代地，当开关SW1断开并且开关SW2在断开位置(开关SW2处于“OFF”)时，变压器T1的初级绕组中的电流可以通过开关SW2的体二极管。优选地控制高侧开关SW2以使得当低侧开关SW1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电源，包括：具有变压器的功率转换器、用于通过所述变压器的初级绕组从电源电压汲取电流的低侧开关和用于将来自所述变压器的初级绕组的电流放电到缓冲电容器的高侧开关；以及控制器，用于同步地控制所述低侧开关和所述高侧开关的打开和闭合。

【技术特征摘要】
2015.12.18 US 14/9756921.一种开关电源，包括：具有变压器的功率转换器、用于通过所述变压器的初级绕组从电源电压汲取电流的低侧开关和用于将来自所述变压器的初级绕组的电流放电到缓冲电容器的高侧开关；以及控制器，用于同步地控制所述低侧开关和所述高侧开关的打开和闭合。2.根据权利要求1所述的开关电源，其中，所述功率转换器是被配置为执行DC-DC功率转换的反激式转换器。3.根据权利要求2所述的开关电源，其中，所述高侧开关被反复地闭合和断开以在反馈回路中形成调节的输出电压，所述输出电压由在所述变压器的次级绕组中感应的电流形成。4.根据权利要求3所述的开关电源，其中，在每个开关循环过程中，所述高侧开关保持断开而所述低侧开关闭合然后断开，以及其中所述低侧开关保持断开而所述高侧开关闭合然后断开。5.根据权利要求4所述的开关电源，其中，所述高侧开关闭合的时间短于所述低侧开关断开的时间。6.根据权利要求4所述的开关电源，其中，所述高侧开关闭合，然后在所述低侧开关闭合之前立即断开。7.根据权利要求4所述的开关电源，其中，在所述低侧开关的操作期间在所述低侧开关和所述高侧开关之间的节点处产生第一电压，以及其中当所述电源电压大于所述第一电压时，所述高侧开关闭合，以及其中当第一电压电源电压下降到电源电压的电平时，所述高侧开关断开。8.根据权利要求7所述的开关电源，其中，所述第一电压在所述高侧开关闭合之前振荡至少一个循环。9.根据权利要求4所述的开关电源，其中，所述高侧开关和所述低侧开关中的一个或两个根据零伏特开关操作。10.根据权利要求4所述的开关电源，其中，所述高侧开关和所述低侧开关二者根据零伏特开关操作而不管电源的负载如何。11.根据权利要求3所述的开关电源，其中，所述功率转换器产生调节的输出电压并且被配置为选择性地在以下操作：(1)频率控制模式，其中，在反馈回路中控制开关频率以调节输出电压；和(2)电流控制模式，其中，在反馈回路中控制针对每个开关循环的所述变压器的初级绕组中的峰值电流，用于调节输出电压。12.根据权利要求11所述的开关电源，其中，在低于第一负载功率阈值时，所述功率转换器在频率控制模式下操作，以及其中，当负载功率超过所述第一负载功率阈值时，所述功率转换器过渡到电流控制模式。13.根据权利要求12所述的开关电源，其中，当负载功率下降到低于第...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新年，
申请(专利权)人：虹冠电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71