專利名稱：光電耦合感測中的改進或與其相關的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及信號的光電耦合，其可以在信號的發送和接收之間需要電氣隔離時使用。
背景技術：
在例如功率變換器中，輸入(例如120V交流線路、240V交流干線或者來源于未調節直流的線路或干線)和輸出(5V直流、19V已調節直流)之間的電氣隔離常常是強制性的。主要的轉換電路可以通過變壓器提供隔離，然而很可能需要從輸出(變壓器次級側)到輸入(變壓器初級側)的一定形式的反饋，以至于初級側的控制電路可能影響調節。在此路徑中隔離也是必需的，并且一種實現方式是用光電耦合器來實現。存在很多用于多種不同應用的可購買的光電耦合器設備。對于功率變換器，合適的設備例如可以是來自FairchildSemiconductor 的 M0C205 和 H11A817。不利的是，為了隔離的目的而用光電耦合連接取代有線連接的一個后果是光電設備消耗功率。下一代交流/直流膝上型電腦適配器需要滿足在待機功耗上越來越嚴格的限制，其中所述限制由歐洲委員會的生態化設計指令(EcoDesign Directive)、能源之星(EnergyStar)規范和其他規范以及由設備制造商制定的商業規范強制推行。當前，提出了滿足30mW待機功率限制的設計。達到如此低的待機功耗要求所采取的每一步都要減少不必要的功率損耗。這包括減少例如偏置功率、電壓感測損耗和控制反饋系統損耗的步驟。這些交流/直流適配器的大體構造具有兩個功率轉換級。第一級用于控制適配器的功率因數，而第二級用于調節并隔離輸出。在典型設計中，第二級由控制電路和開關組成以便控制從第一級到第二級的供電連接，從而滿足負載需求所要求的輸出調節。需要一定種類的反饋信號(FB)以允許控制電路感測輸出的狀態。這種信號本質上可能是線性的或滯后的。線性FB信號與輸出成正比或成反比，滯后FB信號具有指示控制器的切換/不切換命令的兩種狀態。然后控制器適當地操作功率級開關。不利的是，FB信號的產生通常在輸出高于期望的控制設定點(其通常與輕負載或無負載下的操作相關聯)時損耗最多。這主要是由于用于橫跨必要的隔離阻障轉移FB信號的光電耦合器的操作感測是，在線性FB信號的情況下，當輸出電壓(Vo)大于所需的調節設定點(Vset)時，光電耦合器LED中的電流增長到其最大值。在滯后FB信號的情況下，當輸出電壓(Vo)大于所需的調節設定點(Vset)時，光電耦合器LED里的電流被開啟。兩種情況的凈效應是最大LED電流發生在最小負載下。很明顯，開啟LED需要電流。與其相關聯的功率損耗通常可能為28mW (例如通過適當的偏壓電阻器從19V輸出獲取大約1.5mA)或對于新設計來說占總待機功率預算的大約 95%。光電耦合器配置的興起是因為當輸出電壓為零時，例如在啟動事件中，所需要的光電耦合器LED的狀態是關閉，這是唯一可用的LED狀態，因為沒有功率源可用于開啟LED。控制器的默認操作接著開始切換以增加輸出電壓，該輸出電壓正是對系統進行調節所需要的。在典型適配器配置(圖1)中，第一級10提供來自例如240/110伏的干線/線路輸入的中間直流電壓到輸出11上。第一級可以是功率因數校正級，但是其準確的功能與本發明沒有密切的關系。第二級12提供調節并且被顯示為耦合到回掃(flyback)級的變壓器，但是這僅僅是可被使用的多種類型的第二級中的一種。第二級的顯著要求是其能夠在施加負載時將輸出(Vo)調節到期望電平，以及其提供輸出與例如大致90V直流的中間電壓的電氣隔離。調節將受到應用控制信號114到開關15的影響，其中開關15將變壓器初級繞組16連接到中間級供電，由此供應更多的功率到次級(輸出)側。控制器設備或電路16響應于FB信號17指示輸出電壓是否在期望電壓Vset之上或之下而產生控制信號14。FB信號17由光電耦合器接收并如下產生，其中該光電耦合器包含光敏晶體管18和發光二極管(LED)19。FB光電耦合器18、19即U4被運算放大器100驅動，該運算放大器100放大輸出的有條件形式(Vo)與期望電壓Vset之間的差值，以便經過LED 19的電流在Vo>Vset時存在并且在VcKVset時消失。此FB由控制器16接收，該控制器16用于控制開關15以將輸出電壓調節到對應于Vset的電壓，因此LED 19中的電流被放大器有效地設置，從而維持Vo在Vset或在高于Vset的調節范圍內的數值。如果Vo下降到Vset以下，光電I禹合器電流變為零。零電流表明占空比應該被增加以增大Vo。次級側電路包括第二光電耦合器，該第二光電耦合器包含LED 101和光敏晶體管102。這被提供用于過壓保護(OVP)。OVP光電耦合器(101，102)正常情況下不被驅動。如果OVP事件發生，則穩壓二極管104將固定電位/箝位(clamp)并且電流將流入LED 101，LEDlOl通過光敏晶體管102和控制器輸入線路103向初級側的控制器16指示OVP事件。在此方案中，在輕載或無載操作期間出現困難，此時輸出電壓(Vo)傾向于被調節級的開關動作提升并且在其大多數時間處于Vset之上，該輸出電壓(Vo)僅因為不能避免的雜散負載而緩慢下降。這些雜散負載之一是光電耦合器LED中的電流本身，其中該光電耦合器LED在Vo>VSet時開啟。因此最終在LED中損失的28mW成為阻止設計實現期望性能的最小極限負載。顯而易見，將待機功率減少到整體轉換器滿足30mW目標的定點需要可替換的方法。
發明內容
本發明提供如在權利要求中所述的裝置。根據本發明，一種功率變換器包括:調節隔離級，其中所述調節隔離級向其次級側上的負載及其初級側上的控制器提供經調節的輸出，所述控制器被布置成通過匹配所述初級側的供電與所述次級側的負載需求來保持所述輸出基本處于調節中；監控電路，其中所述監控電路接收所述輸出以及代表調節電平的參考值，所述監控電路產生指示所述輸出與所述參考值相關聯的反饋信號；
第一耦合器，其中所述第一耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述反饋信號到所述控制器；發生器電路，其中所述發生器電路被布置成在所述次級側起作用的情況下產生心跳信號；以及第二耦合器，其中所述第二耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述心跳信號到所述控制器；其中所述第一稱合器是包含發光設備和光敏設備的光電稱合器，所述發光設備和光敏設備被布置成使得當所述監控電路表明所述輸出低于所述參考值時，所述反饋信號驅動所述發光設備開啟；以及當所述反饋信號如此指示且所述心跳信號存在時，所述控制器增加所述供電。優選地，所述第二耦合器是包含發光設備和光敏設備的光電耦合器。有利的是，所述第二耦合器將過壓保護信號從次級側傳遞到控制器。過壓事件可以通過延長第二耦合器的發光設備中的連續電流來傳遞，此外，心跳信號可以是不同于傳遞過壓事件的持續電流。可替代地，心跳信號可以是脈沖群。
具體實施例方式本發明提供了光電耦合器的感測相對于上述布置被轉換的方案，即光電耦合器LED在VcKVset時開啟并且在Vo>Vset時關閉。轉換FB信號的工作感測以使得光電耦合器LED在VcKVset時開啟并且在Vo>VSet時關閉意味著LED電流和功率損耗在Vo>VSet的時間里為零，正如許多控制器在低負載或無負載時的正常情況那樣。轉換FB信號感測消除了此時的LED功率損耗。此外，由于LED在此期間不再加載輸出，因此針對Vo>VSet的時間比例進一步增加，這意味著開關必須再次開啟以滿足需求的時序/定時(timing)被延長,產生更多的功率節約。為了實現此方法，很必要考慮到在兩種不同的情況下FB LED是關閉的事實。首先，在啟動期間或當Vo太低而不足以開啟LED時，在此情況下的校正系統響應是在調節級中開始切換以增加Vo。其次，當Vo>Vset時，此時的校正系統響應是等待Vo降到Vset以下。在此情況下調節級不被切換。因此，為了有效控制，這些情況必須是彼此可區分的，并且在當前實施例中，這可按如下實現。除了用于FB信號的耦合器外，第二耦合器(光電耦合器或磁耦合器)通常作為過壓保護(OVP)網絡的一部分被包括在設計里。傳統上，該第二光電耦合器僅被激活以便用信號通知OVP事件，然后該OVP事件觸發控制器以迫使系統關閉。該第二光電耦合器可以被設定在系統啟動并運行時產生心跳信號的額外功能。心跳信號允許上述兩種情況彼此加以區分。工作方案是(a)如果FB LED由于Vo>VSet而關閉并且心跳信號存在，則不需要調節級切換，或(b)如果FB LED由于Vo=O而關閉并且心跳信號不存在，則需要調節級切換。可設想，心跳信號可能有很多形式，以下成功地用于說明這點。OVP LED中的高電流低占空比脈沖群例如每大約10毫秒一個10微秒脈沖。這可能由簡單的低成本非精密的振蕩器產生。控制器延遲于是為10毫秒，這是系統區分啟動條件所需的最大時間，并且這一添加的延遲通常是可接受的。OVP LED中的穩定電流明顯低于用信號通知OVP事件的LED電流。這可能比脈沖方式更簡單。區分低光電耦合器電流與OVP情況是相對簡單的。區分低穩定電流與光電耦合器‘暗電流’(尤其是在溫度、時間和電流轉移率變化的情況下)要求謹慎的設計。現在將參照圖2描述本發明的示例性實施例。在部件與圖1的布置中的那些部件相同或者等效的情況下，已經使用了共同的參考標記。FB光電耦合器(18，19)由放大器100驅動。應注意的是，當與圖1的布置對比時，輸入連接具有本質上相反的極性，因此，當VcKVset時，LED19中存在電流，而當Vo>VSet時，不存在電流。在此實施例中，OVP光電耦合器(101，102)被弛張振蕩器產生的心跳信號驅動，該弛張振蕩器由運算放大器20形成，該運算放大器20以例如大約每8毫秒一個10微秒脈沖的脈動形式打開LED 101。心跳信號可以由控制器16通過在103處的信號檢測到。如果OVP事件發生，則穩壓二極管104將固定電位/箝位并且電流流入LED 101以通過光敏晶體管102和線路103向初級側的控制器16指示0VP。該控制器被布置成區分短路信號與由OVP信號引起的直流電平并且適當地影響開關15的控制。在一些應用中，運算放大器100可以被比較器取代，以使得光電耦合器18，19提供的FB是分別對應于LED 18中有電流/LED 18中無電流的命令/無命令信號。此外，驅動第二耦合器的網絡可以被布置成監控次級側的一般功能并且在次級側出現無功能或錯誤功能的情況下抑制心跳信號，因為在心跳信號中斷的情況下，控制器16可以被布置成關掉
或重啟。
權利要求
1.一種功率變換器，其包括: 調節隔離級，其中所述調節隔離級向其次級側上的負載及其初級側上的控制器提供經調節的輸出，所述控制器被布置成通過匹配所述初級側的供電與所述次級側的負載需求來保持所述輸出基本處于調節中； 監控電路，其中所述監控電路接收所述輸出以及代表調節電平的參考值，所述監控電路產生指示所述輸出與所述參考值相關聯的反饋信號； 第一耦合器，其中所述第一耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述反饋信號到所述控制器； 發生器電路，其中所述發生器電路被布置成在所述次級側起作用的情況下產生心跳信號；以及 第二耦合器，其中所述第二耦合器被布置成在不損害隔離的情況下傳遞所述心跳信號到所述控制器；其中 所述第一耦合器是包含發光設備和光敏設備的光電耦合器，所述發光設備和光敏設備被布置成使得當所述監控電路表明所述輸出低于所述參考值時，所述反饋信號驅動所述發光設備開啟；以及當所述反饋信號如此指示且所述心跳信號存在時，所述控制器增加所述供電。
2.根據權利要求1所述的功率變換器，其中所述第二耦合器是包含發光設備和光敏設備的光電稱合器。
3.根據權利要求1或2所述的功率變換器，其中第二耦合器從所述次級側傳遞過壓保護信號到所述控制器。
4.根據從屬于權利要求2的權利要求3所述的功率變換器，其中通過延長所述第二耦合器的所述發光設備中的連續電流來傳遞過壓事件。
5.根據之前權利要求中任一項所述的功率變換器，其中所述心跳信號是脈沖群。
6.根據權利要求1到4中任一項所述的功率變換器，其中所述心跳信號是連續電流并且在僅從屬于權利要求4的情況下不同于其中所述的連續電流。
7.一種功率變換器，其基本上如在此參考附圖的圖2所述。
全文摘要
本發明提供一種獨立調節功率變換器，其具有關于參考電平(Vset)的光電耦合輸出反饋(Vo)，以便調節變換器控制器。反饋信號的感測使得光電耦合器LED在Vo<Vset時開啟并且在Vo>Vset時關閉，其效果是在Vo>Vset的時間段內LED的電流和功率消耗為零，正如許多控制器在低負載或無負載時的正常情況那樣。在如此環境下這樣節約功率。另外，由于在此時間段內LED不加載輸出，因此Vo>Vset的時間比例增加，這意味著開關必須再次開啟以滿足需求的時序/定時被延長，產生更多的功率節約。
文檔編號H02M3/335GK103098361SQ201180021828
公開日2013年5月8日 申請日期2011年4月28日 優先權日2010年4月30日
發明者C·吉爾摩 申請人:德州儀器考克有限公司