伏秒積分電纜補償電路及其利用方法
【專利摘要】本申請案涉及伏秒積分電纜補償電路及其利用方法。電力轉換器(例如，電池充電器)包括經配置以將源電壓及電流遞送到負載的電纜，其中預期所述電纜在負載電流增加時使某一電壓下降。所述電力轉換器還包括具有反饋調整晶體管的調節器，所述反饋調整晶體管經配置以在所述負載電流增加時逐漸地補償所述下降的電纜電壓。所述晶體管具有柵極電容及電阻，所述柵極電容及電阻形成經配置以在所述負載電流增加時對所述轉換器的輸出波形的伏秒乘積濾波以導出與所述負載電流相關的平均電壓的積分器。所述調節器經配置以增加所述晶體管的柵極電壓經過所述晶體管的閾值區且將所述晶體管逐漸地接通。所述晶體管經配置以施加耦合到所述調節器的反饋感測接點的調整電阻以增加所述源電壓，從而補償所述電纜電壓降且改善負載電壓調節。
【專利說明】伏秒積分電纜補償電路及其利用方法
[0001]優先權主張
[0002]本申請案請求在2012年12月21日提出申請的標題為“伏秒積分電纜補償電路(Volt-second Integration Cable Compensation Circuit) ”的第 61 / 745，303 號美國專利申請案的優先權，其教示內容以引用方式并入本文中。
【技術領域】
[0003]本發明一般來說涉及電池充電器及AC線適配器，所述AC線適配器在電壓源與例如用于便攜式電子裝置(包括但不限于移動電話及智能電話)的充電器的負載之間具有電纜。
【背景技術】
[0004]反激導出式充電器及類似適配器(下文中一般地稱為“轉換器”)通常在電壓源與負載之間具有電纜。此電纜在負載電流增加時下降某一電壓，除非由源控制器集成電路(IC)補償。使用來自調節器的次級側的光學耦合的反饋的初級側控制器不能并入有電纜補償，因此通常在調節器外部完成此功能。光耦合的反饋通常稱作電流隔離且防止輸出與輸入之間的連續導電路徑。盡管使用光學反饋路徑來調節遞送到調節器輸出的電壓，但使用常見反饋環路機制不能完成檢測由于電纜的線電阻所致的跨越其的電壓降。此外，在沒有其自己具有隔離的某種精心制作的額外電路的情況下，初級側控制器通常不能夠越權控制次級側調節器的參考電壓。
[0005]位于初級側上的控制器通常采用初級側調節(PSR)技術而基于指示負載電流的初級側電流信息調整轉換器的調節參考。然而，PSR遭受瞬時響應限制，其對于某些應用性能要求來說可為不適當的。而是，使用低成本次級側分流調節器來產生光學耦合到基于反饋信號電平控制電力轉換的初級側控制器的誤差信號。
【發明內容】
[0006]本發明的實施例包括電纜補償電路。轉換器具有經配置以在負載電流增加時補償跨越電纜的電壓降以增加及調節負載電壓的調節器。所述調節器具有經配置以在所述負載電流增加時逐漸地補償所述電纜的電壓降的反饋調整晶體管。所述晶體管具有寄生電容及柵極電阻，所述寄生電容及柵極電阻形成經配置以在所述負載電流增加時對反激式輸出波形的伏秒乘積濾波以導出與所述負載電流相關的平均電壓的積分器。所述晶體管的柵極電壓經配置以穿過所述晶體管的閾值區而增加且將所述晶體管逐漸地接通，且所述晶體管經配置以調整耦合到所述調節器的反饋感測節點的電阻以增加源電壓以便在所述負載電流增加時補償電纜電壓降。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]為更完整地理解本發明及其特征，現在結合附圖來參考以下說明，附圖中:[0008]圖1是具有光耦合反激式調節器且無電纜補償的轉換器的局部示意圖；
[0009]圖2是具有光耦合反激式調節器及遠程感測電纜補償的轉換器的局部示意圖；
[0010]圖3是具有光耦合反激式調節器及本地感測電纜補償的轉換器的局部示意圖；
[0011]圖4是具有光耦合反激式調節器及經放大感測電纜補償的轉換器的局部示意圖；
[0012]圖5是具有光耦合反激式調節器及V-S積分電纜補償的轉換器的局部示意圖；
[0013]圖6A及圖6B是在主動電纜補償之前的不具有負載的5W轉換器板的參數的圖表；
[0014]圖7A及圖7B是在V-S積分電纜補償之后的具有負載的5W轉換器板輸出電壓的參數的圖表；
[0015]圖8是在主動電纜補償之前及之后的具有負載的5W負載板輸入電壓的參數的圖表;
[0016]圖9及10是描繪Vtjut及Vltjad處的電壓的波形圖；
[0017]圖11是描繪響應于不具有補償的負載階躍的Vwt及Vltjad的波形圖；
[0018]圖12是描繪響應于不具有補償的去載階躍的Vwt及Vltjad的波形圖；
[0019]圖13是描繪響應于具有V-S積分補償的負載階躍的Vtjut及Vltjad的波形圖；及
[0020]圖14是描繪響應于具有V-S積分補償的去載階躍的Vtjut及Vltjad的波形圖。
【具體實施方式】
[0021]下文所論述的圖1到14及在本專利文件中用于描述本發明的原理的各種實施例僅以說明方式進行且決不應解釋為限制本發明的范圍。所屬領域的技術人員將理解，可以任何類型的適合布置的裝置或系統來實施本發明的原理。
[0022]圖1是具有光耦合分流調節器電路12且無電纜補償電路的反激式轉換器10的局部示意圖。在不具有電纜補償的情況下，負載電壓Vltjad在負載電流IlMd通過電纜電阻RwiM增加時直接下降。雖然此電路可適合低電流設計，但其對于較高電流應用是不足的，因為VlMd下降到不可接受的電壓。
[0023]可見反激式轉換器10包括輸入變壓器14，其接受脈動源電壓Vs且將經變壓、經整流且經濾波電壓Vrat耦合到電纜16。電纜16的線電阻在每一電纜線18上標記為RwiM，且每一線的相關聯電壓降標記為VwiM。電纜16的終端處的所遞送負載電壓為VlMd，其為V0Ut-2VwireO線18提供連續電路徑，其中一者標記為正⑴線且另一者標記為負線(_)。
[0024]分流調節器電路12基于電纜16的近端處的Vwt提供光耦合反饋誤差信號FB。光學耦合器Tl提供用于反饋信號FB的電流隔離。分流調節器電路12不計及電纜線18中的每一者的電阻RwiM，即使這些電阻RwiM形成與負載電流Iltjad成正比的電壓降VwiM。分流調節器電路12從由具有增益k的電阻性分壓網絡電阻器Rfbl及Rfb2控制的Vrat分接反饋信號，其中將所述反饋信號與由分流調節器Z1確立的內部參考電壓VMf相比較。分流調節器Z1產生與kV-與Vref之間的電壓差成正比的電流以形成反饋誤差信號FB，其調制功率級(未展示)工作循環以調節輸出電壓V。#由于不存在電纜補償，因此負載電壓'_在負載電流Iltjad增加時直接下降。調節器12還包括修整組件Rtl、Rtjpt及Cfb。
[0025]圖2是具有光耦合分流調節器電路22的反激式轉換器20的局部示意圖，其包括遠程感測電纜補償網絡。相同參考編號指代包括參照圖1所描述的那些元件的相同元件。分流調節器22響應于電纜16的近端處的Vrat以及經由線24從電纜16的負載電壓Vltjad導出的遠程感測電壓Vre兩者。電壓Vre由一對遠程感測電阻器Rrel及Rre2確立，所述對遠程感測電阻器Rm及R?2在Vltjad的負端子與近端接地之間形成具有增益k的電阻性分壓網絡。有利地，晶體管T1響應于Vrat與Nrs之間的電壓關系以形成光耦合反饋信號FB，其中電壓參考13為電纜電阻的函數。遠程感測線24運載極少量電流且因此其電壓降是可忽略的。此允許轉換器20補償電纜線18的電阻及其所得電壓降。有利地，補償隨著電纜長度而自動地調整，這是因為其計及來自電纜線18的不同電阻的不同電壓降。
[0026]圖3是具有光耦合分流調節器32的反激式轉換器30的局部示意圖，其包括本地感測電纜補償網絡。特定來說，轉換器30借助額外本地感測電阻Rsmse來實施線性電纜補償。在一些實施例中，本地感測電阻Rsmse經設計為印刷電路板(PCB)銅的窄區段，其具有與電纜線電阻Rwiie成正比的電阻。此轉換器30比遠程感測轉換器20簡單，但其可較不準確，不隨著電纜長度而調整，且招致額外損失。
[0027]圖4是具有光耦合分流調節器42的反激式轉換器40的局部示意圖，其包括經放大感測電纜補償網絡。特定來說，轉換器40借助額外本地感測電阻Rsense及放大器44來實施線性電纜補償。此方法使用較低值本地感測電阻器Rsmse以減小損失，且使用放大器44來放大Vsense信號。在此方法中，補償招致較高復雜性，不隨著電纜長度而調整，且空載損失可增加。
[0028]圖5是具有包括V-S積分電纜補償的光耦合分流調節器52的反激式轉換器50的局部示意圖。特定來說，轉換器50借助晶體管M1(例如MOSFET晶體管)所支持的伏秒(V_s)積分來使用非線性電纜補償。晶體管M1具有寄生柵極電容Ciss以及電阻器Rinti及Rint2,寄生柵極電容Ciss以及電阻器Rinti及Rint2形成對反激式輸出波形的伏秒乘積濾波以導出與輸出電流Iltjad大體成比例的平均電壓Vint的積分器。在Vsk的V-s乘積增加時，柵極電壓Vint穿過晶體管M1的閾值區而增加且將晶體管M1逐漸地接通，使得晶體管M1作為響應將包括Rfb3的調整電阻施加到調節器52的反饋感測網絡。作為響應，此將電壓Vrat增加所要的量。在整流之前調節器52從變壓器14的次級側分接電壓Vse。且將其饋送到由電阻器Rintl&Rint2形成的電阻性分壓網絡。此電阻性分壓網絡之間的節點耦合到晶體管札的柵極。可憑經驗選擇Rintl及Rint2的值以借助晶體管M1的Ciss形成積分器，其對V.的平均值求積分且將晶體管M1逐漸地接通。
[0029]圖6A及圖6B是在實施主動電纜補償之前的不具有負載的5W源轉換器的參數的圖表。參照圖6A，其描繪展示使用不具有負載的5W(1A下的5V-容量)源轉換器板(使用具有如圖1中所展示的調節器12的轉換器10，調節器12不具有電纜補償)的測試數據的圖表。圖6B展示使用具有如圖5中所展示的調節器52的轉換器50的不具有負載的測試數據，調節器52包括電纜補償。如在此處可見，圖5的調節器52的電纜補償網絡可本質上在空載操作性能上不產生差別。
[0030]圖7A及圖7B是在實施V-s積分電纜補償之前及之后的具有負載的5W源板的參數的圖表。參照圖7A及圖7B，其描繪展示使用具有負載的相同測試板的源電壓測試數據的圖表，從而比較使用不具有電纜補償的調節器12(如圖1中所展示)與使用包括電纜補償的調節器52 (如圖5中所展示)的電路參數。這些圖表圖解說明在負載電流11(^增加時針對電纜線電阻的有利補償。
[0031]圖8是在主動V-s電纜補償之前及之后的具有負載的5W測試板的參數的圖表。所述5W測試板通過具有大約0.3歐姆的總電阻的電纜耦合到5W源轉換器板。特定來說，所述圖表圖解說明對應于圖7A及7B的具有及不具有用于操作參數的耦合的V-s電纜補償的那些電流的電流下的負載電壓VlMd。圖8圖解說明使用補償調節器52實現的有效電纜線補償。
[0032]圖9及10是依據針對兩個不同輸入參數關于負載電流繪制的圖7A、7B及8的Vwt及Vltjad下的電壓的圖。特定來說，圖9及10圖解說明描繪不具有電纜補償的轉換器10的Vout及Vltjad以及具有V-S電纜補償調節器52的轉換器50的Vtjut及Vltjad的曲線圖。對于包括不具有電纜補償的調節器12的轉換器10，展示電壓Vrat及'_在負載電流Iltjad增加時線性地減小，其中線A反映Vwt且線B反映VlMd，其不具有電纜補償。盡管Vrat由于一些源阻抗而稍微下降，但看到％_由于電纜電阻而顯著下降。對于具有V-s電纜補償調節器52的轉換器50，線C展示包括電壓補償的Vwt在晶體管M1針對高于0.5A的電流而接通時增加。類似地，線D展示包括電壓補償的Vltjad基于Vwt而增加。線D展示Vltjad較緊密地跟隨原始源電壓Vrat線A，即使是在負載電流增加時。
[0033]圖11-14分別是描繪響應于不具有補償的負載階躍、響應于不具有補償的去載階躍、響應于具有補償的負載階躍及響應于具有補償的去載階躍的Vrat的波形圖。特定來說，展示不具有及具有主動電纜補償(使用關于具有如圖5中所展示的調節器52的轉換器50所細述的V-s積分技術)的5W板上的負載階躍。在所有情形中，頂部波形描繪以每格IOOmV的ac耦合Vrat以展示瞬時響應細節，且底部波形描繪經由具有0.3歐姆總電阻的電纜到電子負載的輸入處的每格5V的VlMd。
[0034]圖11將以IOOmV / diV的ac耦合Vtjut展示為由于正1_A負載階躍而不具有補償的信號E。圖13將Vrat展示為由于相同正1-A負載階躍而具有補償的信號F。圖12將Vwt展示為由于負1-A負載階躍而不具有補償的信號G，且圖14將Vrat展示為由于相同負1-A負載階躍而具有補償的 信號H。所展示的延遲為在進行到源的連接之后的電子負載響應時間，且注意，主動電纜補償不影響瞬時響應。由于信號的ac耦合，未展示Vwt的DC電平。
[0035]盡管以上說明已描述使用V-S積分的主動電纜補償的特定實施例，但可對主動電纜補償機制作出各種改變。舉例來說，主動電纜補償機制不限于與圖5的電路一起使用。此外，圖6A到14中所展示的操作特性僅為實例且不將主動電纜補償機制限制于任何特定組操作特性。
[0036]陳述貫穿本專利文件使用的某些詞語及短語的定義可為有利的。術語“耦合”及其派生詞是指兩個或兩個以上元件之間的任何直接或間接連通，而不論那些元件是否彼此物理接觸。術語“傳輸”、“接收”及“傳遞”以及其派生詞涵蓋信息的直接及間接傳遞。術語“包括”及“包含”以及其派生詞意指包括而不限于。術語“或”為包括性的，意指及/或。短語“與……相關聯”以及其派生詞可意指包括……、包括在……內、與……互連、含有…、含在……內、連接到……或與……連接、耦合到……或與……耦合、可與……通信、與……協作、與……交錯、與……并置、接近于……、粘合到……或與……粘合、具有……、具有……的性質、與......具有關系等等。
[0037]雖然本發明已描述某些實施例及大體相關聯方法，但所屬領域的技術人員將明了這些實施例及方法的更改及排列。因此，實例性實施例的以上說明并不界定或約束本發明。在不背離以上權利要求書所界定的本發明精神及范圍的情況下，也可能有其它改變、替代及更改。
【權利要求】
1.一種供在轉換器中使用的方法，所述轉換器經配置以將源電壓提供到在所述源電壓與負載之間延伸的電纜，其中所述電纜在到所述負載的負載電流增加時使電纜電壓下降，所述方法包含: 將輸出波形提供到具有反饋調整晶體管的調節器，所述反饋調整晶體管經配置以在所述負載電流增加時逐漸地補償所述下降的電纜電壓；及 使用所述晶體管的柵極電容及電阻作為積分器以在所述負載電流增加時對所述轉換器的輸出波形的伏秒乘積濾波，以導出與所述負載電流相關的平均電壓； 其中所述晶體管為信號級MOSFET且所述晶體管的柵極電壓增加經過所述晶體管的閾值區且將所述晶體管逐漸地接通，所述晶體管施加耦合到所述調節器的反饋感測節點的調整電阻以增加所述源電壓。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述轉換器包含輸入變壓器，所述輸入變壓器接收輸入電壓且遞送經整流次級輸出電壓及經整流次級分接電壓，所述經整流次級分接電壓用來形成耦合到所述晶體管的柵極的所述柵極電壓。
3.根據權利要求2所述的方法，其中由耦合到所述經整流次級分接電壓的電阻性分壓網絡來形成所述柵極電壓。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述調節器耦合于所述經整流次級輸出電壓與接地之間且向所述晶體管提供反饋 調整路徑。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述晶體管具有耦合到所述調節器的所述反饋感測節點的漏極電壓。
6.根據權利要求4所述的方法，其中至少部分地由耦合到所述經整流次級輸出電壓的電阻性分壓網絡來形成反饋感測電壓。
7.根據權利要求4所述的方法，其中將反饋調整電阻器耦合于所述反饋感測電壓與所述晶體管之間。
8.—種經配置以經由電纜將源電壓及電流遞送到負載的轉換器，其中預期所述電纜在所述負載電流增加時使電纜電壓下降，所述轉換器包含: 調節器，其具有反饋調整晶體管，所述反饋調整晶體管經配置以在所述負載電流增加時逐漸地補償所述下降的電纜電壓，所述晶體管具有柵極電容及外部電阻，所述柵極電容及外部電阻形成經配置以在所述負載電流增加時對所述轉換器的輸出波形的伏秒乘積濾波以導出與所述負載電流相關的平均柵極電壓的積分器； 其中所述調節器經配置以增加所述晶體管的柵極電壓經過所述晶體管的閾值區且將所述晶體管逐漸地接通，所述晶體管經配置以施加耦合到所述調節器的反饋感測節點的調整電阻以增加所述負載電壓。
9.根據權利要求8所述的轉換器，其中: 所述轉換器進一步包含輸入變壓器，所述輸入變壓器經配置以接收輸入電壓且遞送經整流次級輸出電壓及經整流次級分接電壓；且 所述經整流次級分接電壓經配置以部分地用于形成所述晶體管的所述柵極電壓。
10.根據權利要求9所述的轉換器，其進一步包含整流器及電阻性分壓網絡，所述電阻性分壓網絡耦合到所述次級輸出電壓且經配置以形成所述柵極電壓。
11.根據權利要求9所述的轉換器，其中所述調節器耦合于所述經整流次級輸出電壓與接地之間且經配置以向所述晶體管提供反饋感測調整路徑。
12.根據權利要求11所述的轉換器，其中所述晶體管具有耦合到所述調節器的所述反饋感測節點的漏極電壓。
13.根據權利要求11所述的轉換器，其中反饋感測電壓至少部分地由耦合到所述經整流次級輸出電壓的電阻性分壓網絡形成。
14.根據權利要求13所述的轉換器，其中反饋調整電阻器耦合于所述反饋感測電壓與所述晶體管之間。
15.根據權利要求8所述的轉換器，其中所述調節器包括經配置以提供反饋誤差信號以調節轉換器輸出電壓的光學耦合器。
16.一種經配置以在使用電纜將負載電流遞送到負載時調節源電壓的調節器，其包含: 反饋調整晶體管，其經配置以在所述負載電流增加時逐漸地補償下降的電纜電壓，所述晶體管具有柵極電容及柵極外部電阻，所述柵極電容及柵極外部電阻形成經配置以在所述負載電流增加時對所述調節器的輸出波形的伏秒乘積濾波以導出與所述負載電流相關的平均電壓的積分器； 其中所述晶體管為信號級MOSFET且所述調節器經配置以增加所述晶體管的柵極電壓經過所述晶體管的閾值區且將所述晶體管逐漸地接通，所述晶體管經配置以施加耦合到所述調節器的反饋感測節點的調整電阻以增加所述源電壓。
17.根據權利要求16所述的調節器，其進一步包含整流器及電阻性分壓網絡，所述電阻性分壓網絡經配置以形成所述柵極電壓，其中所述積分器經配置以對所述整流器的輸出波形的伏秒乘積濾波。`
18.根據權利要求16所述的調節器，其中外部電容連接于所述晶體管柵極與GND之間，以提供額外伏秒積分濾波。
19.根據權利要求16所述的調節器，其中所述調節器經配置以向所述晶體管提供反饋感測調整路徑。
20.根據權利要求19所述的調節器，其進一步包含將所述晶體管的漏極耦合到所述調節器的所述反饋感測節點的反饋調整電阻。
【文檔編號】H02M3/156GK103887971SQ201310712600
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2012年12月21日
【發明者】烏爾里克·B·格克 申請人:德州儀器公司