用于单级功率变换器的脉冲频率调制模式转换制造技术

提供了一种开关功率变换器，其响应于用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压和用于恒流操作的峰电压的比较来在恒压脉冲频率调制操作和恒流操作之间转换。

Pulse frequency modulation mode conversion for single stage power converters

A switch power converter is provided in response to the conversion of the constant voltage pulse frequency modulation operation and the constant current operation in response to the peak voltage for the constant voltage pulse frequency modulation operation and the peak voltage for the constant current operation.

【技术实现步骤摘要】
用于单级功率变换器的脉冲频率调制模式转换
本申请涉及开关功率变换器，更特别地，涉及具有利用脉冲频率调制的恒压和恒流操作模式的开关功率变换器。
技术介绍
诸如反激式变换器的单级开关功率变换器使由控制器所控制的功率开关循环以向负载输送功率。在反激式变换器操作启动例如以对放完电的电池充电时(全负载条件)，控制器使功率开关循环以使得输出电流和输出电压都从其初始零值上升。但是输出电流不能超过最大输出电流，否则诸如功率开关的部件会被损坏。在达到最大输出电流限时，控制器将切换成将输出电流保持在最大电流限的恒流操作模式。图1示意了反激式变换器的恒流模式100中的操作期间的输出电压。随着电池被渐进地充电，恒流模式100中的输出电压将逐渐上升直到在转换点110达到期望的输出电压(Vdesired)，在这之后控制器转换到操作在恒压模式105中。由于控制器驱动全负载，所以其在恒压模式105期间利用恒定开关频率的脉宽调制来调节功率开关的循环。随着负载降低(例如，随着电池被充电)，连同用于脉宽调制的占空比的减小，输出电流继续在恒压模式105中减小。但是即便脉宽被渐进地减小，当负载继续减小时脉宽调制操作也将最终使负载过驱动。因此，控制器将转换到恒压脉冲频率模式，以用于如图2所示的轻负载操作，图2示意了随输出负载变化的开关频率。特别地，在等于最大负载值的某个分数的预定负载值时，开关功率变换器将从脉宽调制(PWM)操作模式转换到脉冲频率操作模式(PFM)。当在PWM模式中操作时，控制器将开关频率保持在最大值Fmax。但是在PFM模式中，随着负载减小，控制器将从该最大值逐渐降低。尽管脉冲频率调制模式使得控制器能够在低负载期间在不过驱动负载的情况下增加效率，但是控制器操作在恒压模式中。因此，本领域中存在对于在低负载条件期间的附加的控制操作模式的需要。附图说明图1示意了利用脉宽调制的恒压操作模式和对全负载供应最大允许电流的恒流模式之间的转换的、作为输出电流的函数的输出电压。图2示意了利用脉宽调制的恒压操作模式和利用脉冲频率调制的恒压操作模式之间的转换的、基于输出功率的开关频率。图3是反激式变换器的电路图，反激式变换器包括初级侧控制器，初级侧控制器配置为提供恒压脉冲频率调制模式和供应作为图1的最大允许电流的分数的电流的恒流模式之间的转换。图4示意了恒压脉冲频率调制模式和第一恒流操作模式之间的转换以及恒压脉宽调制模式和第二恒流模式之间的转换的、作为输出电流的函数的输出电压和开关频率。图5示意了作为输出电流的函数的峰值电压，该峰值电压用于控制用于恒流模式和恒压脉冲频率调制模式的功率开关的关断时间，其中，恒流模式和恒压脉冲频率调制模式之间的转换被禁止。图6A示意了峰值电压，该峰值电压用于控制用于恒流模式和恒压脉冲频率调制模式的功率开关的关断时间，其中，恒压脉冲频率调制模式和恒流模式之间的转换被使能。图6B示意了用于图6A的模式的开关频率。图7是根据公开的一个方面的用于使能恒压脉冲频率调制模式和恒流模式之间的转换的控制器的图示。图8是用于图7的控制器的操作的方法的流程图。通过参阅下文的详细说明将最佳地理解本公开文本的实施方式及其优势。应该意识到，类似的附图标记用于标识一个或多个附图中的类似元件。具体实施方式提供了一种控制器，其将恒压脉冲频率调制模式转换为恒流模式，并且反之亦然。在恒流和恒压控制模式之间的这样的转换对于诸如的对电池直充的应用来说是有利的，在电池的直充中，在脉冲频率调制模式操作期间能够被驱动到电池的最大电流受到限制。取决于负载的需求，可以相应地调整最大电流限。下面的描述将针对反激式变换器中模式控制的实现，但是将应当理解，本文公开的构思容易适用于其他类型的单级开关功率变换器，例如降压、降压-升压或升压变换器。此外，尽管常规上在负载减小时利用脉冲频率调制(PFM)操作，但是本文公开的PFM模式能够适用于为重或全负载操作利用PFM操作的系统。图3中示出了示例的反激式变换器300，其具有控制器305，控制器305配置为如本文进一步讨论地在恒压脉冲频率调制操作和恒流控制之间转换。反激式变换器300在控制器305接通功率开关晶体管Q4时接收驱动变压器T1的主机绕组310的经整流输入电压VIN。在反激式开关功率变换器300中，功率开关晶体管Q4是MOSFET(NMOS)晶体管，但是将应当理解在替代实施例中可以使用双极结型晶体管(BJT)功率开关。为了使功率开关晶体管Q4循环接通，控制器305对其栅极充电。基于经整流输入电压VIN和变压器T1的磁化阻抗，初级绕组310中的初级绕组电流从零斜升为峰电流值，在这之后，控制器305关断功率开关晶体管Q4以完成开关循环。为了感测何时已经取得期望的峰电流，控制器305接收例如来自耦接在功率开关晶体管Q4和接地之间的感测电阻器Rs上的电压的ISENSE信号。当ISENSE到达与期望的峰电流关联的峰电压时，控制器305关断功率开关晶体管Q4。控制器305响应于反馈电压(VSENSE)来确定峰电压，反馈电压通过由串联电阻对R1和R2形成的分压器从辅助绕组415上的反射电压导出。当控制器305关断功率开关晶体管Q4时，耦接到变压器T1的第二绕组320的整流二极管D1变得正向偏置，以使得变压器T1中存储的磁能被输送为负载电容器C1滤波的负载两端的输出电压VOUT。将应当理解，在替代实施例中可以由同步整流(SR)开关取代整流二极管D1。到负载的这种能量输送在辅助绕组315上产生反射电压，其是二极管D1两端的电压降和输出电压VOUT的函数。当这种能量输送竭尽时，次级绕组320中的电流将下降为零，以使得二极管D1两端没有电压降，在这之后，辅助绕组315两端的反射电压直接与输出电压VOUT成比例。这个时间被指示为变压器重置时间(Trst)并且代表通过VSENSE来采样反射电压以获得输出电压VOUT的准确估计的理想时间。应当理解，可以使用光耦合器来感测输出电压VOUT，以代替这样的“仅初级”感测。关于导出峰电压，通常使控制器305包括用于控制功率开关晶体管Q4的循环的恒压调节模块或功能以在PFM和PWM操作模式中将输出电压VOUT保持在恒定值。类似地，通常使控制器305包括恒流调节模块或功能，以在恒流模式中(在从PWM操作的转换中)控制功率开关晶体管Q4的循环。控制器305已经修改这些调节模块以在操作在脉冲频率调制模式中时(对于恒压操作)时使能到恒流模式的转换(类似地，从恒流模式到恒压模式的转换)。为了更好地领会如何实现这些有利的转换，现在将回顾用于控制器305的操作的一些理论。在恒流操作期间反激式变换器100在全负载的平均输出电流(IO)可以表达为：其中，n为变压器T1匝数比(n＝Np/Ns)，Ipri_pk为峰初级电流，Treset为变压器重置时间，并且Tp为对于功率开关晶体管Q4的先前循环的开关周期。再次参考图3，要注意，控制器305内的恒流调节模块(未示意)和恒压调节模块(未示意)通过针对在感测电阻器Rs之间感测的ISENSE电压设置期望的峰电压(Vpeak)来工作。在功率开关晶体管Q4的每个循环中，对应的调节模块(恒压或恒流)将在获得期望的峰电压时打开功率开关晶体管Q4。现在将讨论用于恒流操作的峰电压(Vi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种调节开关功率变换器中的功率开关的方法，包括：当操作在具有电流开关周期的恒压脉冲频率调制操作模式中时，为功率开关的当前循环确定用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压；响应于电流开关周期，为功率开关的当前循环确定用于恒流操作的峰电压；确定用于恒流操作的峰电压是否小于或等于用于恒压频率调制操作的峰电压；以及响应于确定用于恒流操作的峰电压小于或等于用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压，转换到用于功率开关的当前循环的恒流操作模式。

【技术特征摘要】
2017.01.09 US 15/401,4981.一种调节开关功率变换器中的功率开关的方法，包括：当操作在具有电流开关周期的恒压脉冲频率调制操作模式中时，为功率开关的当前循环确定用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压；响应于电流开关周期，为功率开关的当前循环确定用于恒流操作的峰电压；确定用于恒流操作的峰电压是否小于或等于用于恒压频率调制操作的峰电压；以及响应于确定用于恒流操作的峰电压小于或等于用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压，转换到用于功率开关的当前循环的恒流操作模式。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：只要用于功率开关的随后循环的恒流操作的峰电压保持小于或等于用于功率开关的随后循环的恒压脉冲频率调制操作的峰电压，就为功率开关的随后循环保持恒流操作模式。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：响应于确定用于功率开关的附加的随后循环的恒流操作的峰电压大于用于功率开关的附加的随后循环的恒压脉冲频率调制操作的峰电压，在功率开关的附加的随后循环中转换到恒压脉冲频率调制操作模式。4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于恒流操作的峰电压还响应于用于功率开关的先前循环的变压器重置时间。5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于恒流操作的峰电压还响应于轻负载比例常数(Kcc_light)。6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于恒流操作的峰电压是否小于或等于用于恒压频率调制操作的峰电压包括：确定用于恒压频率调制操作的峰电压与用于恒流操作的峰电压的比是否小于1。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：响应于用于恒流操作的峰电压等于感测电阻器电压，使功率开关在功率开关的当前循环中循环关断。8.根据权利要求7所述的方法，其中，使功率开关在功率开关的当前循环中循环关断包括：使反激式变换器中的NMOS功率开关晶体管循环关断。9.一种用于控制功率开关的循环的控制器，包括：恒压调节模块，其被配置为：响应于控制电压确定用于恒压脉冲频率调制操作的峰电压，以及确定用于脉冲频率调制的电流开关周期；恒流调节模块，其被配置为响应于电流开关周期确定用于恒流操作的峰电压；以及模式转换检测模块，其被配置...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹株永，F·史，
申请(专利权)人：戴洛格半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US