使用多個控制器的功率轉換器的制造方法
【專利說明】使用多個控制器的功率轉換器
[0001]優先權要求
[0002]根據專利合作條約(PCT)第8條，本申請要求享有2013年3月8日提交的第13/791，459號美國專利申請的優先權。
[0003]背景信息
[0004]公開內容的領域
[0005]本公開內容涉及電源(power supply)，且更具體地，涉及用于電源的控制電路。
[0006]
[0007]開關模式電源被廣泛地用在家用電器或工業電器中，以用于將低頻(例如，50Hz或60Hz)高壓交流(ac)輸入電壓轉換到所需要的直流(dc)輸出電壓電平。例如，開關模式電源可被包括在電子設備(諸如，用于移動電子設備的電池充電器)中。多種類型的開關模式電源因其調節良好的輸出、效率高以及尺寸小連同它們的安全特征和保護特征而流行。開關模式電源的流行拓撲包括反激、正激、升壓、降壓、半橋和全橋、以及包括諧振類型的許多其他拓撲。
[0008]開關模式電源可包括能量傳遞元件、功率開關以及運行以調節功率轉換器輸出電壓的值的控制電路。能量傳遞元件(例如，親合電感器)可包括彼此電流(galvanically)隔離的初級繞組和次級繞組。初級繞組可被耦合到功率轉換器的輸入側上的電路，諸如，功率開關。次級繞組可被耦合到功率轉換器的輸出側上的、將經調節的輸出電壓遞送到電力負載的電路。
[0009]功率開關(例如，高壓功率開關)可被耦合到能量傳遞元件的初級繞組，以通過該初級繞組來控制電流。功率轉換器的控制電路可感測輸出電壓，并且響應于感測到的輸出電壓來控制功率開關的狀態，以控制從初級繞組到次級繞組的能量傳遞。
【附圖說明】
[0010]參照下面的附圖描述了本公開內容的非限制性和非窮舉性的實施方案，其中在各個圖中，相同的參考數字可指代相同的部分。
[0011]圖1是包括初級控制器、次級控制器和功率開關的一個示例功率轉換器的示意圖。
[0012]圖2是包括初級控制器、次級控制器和功率開關的一個示例集成電路封裝件的功能框圖。
[0013]圖3是描述功率轉換器的示例次級控制器的運行的流程圖。
[0014]圖4是描述功率轉換器的示例初級控制器的運行的流程圖。
[0015]圖5是描述功率轉換器的示例初級控制器和示例次級控制器的運行的流程圖。
[0016]圖6例示了在示例初級控制器和示例次級控制器的運行期間生成的多種波形。
[0017]圖7A是包括磁耦合通信鏈路的一個示例集成電路封裝件的功能框圖。
[0018]圖7B是包括光耦合通信鏈路的一個示例集成電路封裝件的功能框圖。
[0019]圖8是包括示例初級控制器和示例次級控制器的一個示例非隔離式功率轉換器的示意圖。
[0020]圖9例示了在示例初級控制器和示例替代次級控制器的運行期間生成的多種替代波形。
[0021]在附圖的所有多個視圖中，對應的參考字符可以指示對應的部件。技術人員應理解，圖中的元件是為了簡化和清楚的目的而示出的，并且未必按比例繪制。為了便于理解各種實施方案，通常未描繪在商業可行的實施方案中有用或必需的那些常見但是眾所周知的元件。
【具體實施方式】
[0022]在下面的描述中，闡明了許多具體細節以提供對本發明的透徹理解。然而，本領域普通技術人員將明了，實施本發明無需采用所述具體細節。在其他情況下，為了避免使本發明模糊，沒有詳細描述眾所周知的材料或方法。
[0023]在此說明書全文中提到的“ 一個實施方案”、“一實施方案”、“一個實施例”或“一實施例”意指，關于該實施方案或實施例描述的具體特征、結構或特性被包括在本發明的至少一個實施方案中。因此，在該說明書全文中多個地方出現的短語“在一個實施方案中”、“在一實施方案中”、“一個實施例”或“一實施例”未必全都指相同的實施方案或實施例。再者，所述具體特征、結構或特性可以在一個或多個實施方案或實施例中以任何合適的組合和/或子組合結合。具體特征、結構或特性可被包括在集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供所描述的功能的其他合適的部件內。
[0024]根據本公開內容的功率轉換器包括(例如，通過通信鏈路)彼此電流隔離(galvanically isolated)的初級控制器和次級控制器。初級控制器可被親合，以控制功率開關的狀態，從而控制從功率轉換器的輸入到功率轉換器的輸出的能量傳遞。次級控制器可被耦合到功率轉換器的輸出處的電路部件，以感測該功率轉換器的輸出量。盡管初級控制器和次級控制器彼此電流隔離，但是次級控制器可向初級控制器傳輸信號，以控制初級控制器如何切換功率開關。例如，次級控制器可響應于感測到的功率轉換器的輸出量向初級控制器傳輸信號。
[0025]在一些實施例中，本公開內容的初級控制器和次級控制器可被包括在一個隔離式功率轉換器(例如，反激轉換器)中，其中隔離式功率轉換器的輸入端子與隔離式功率轉換器的輸出端子通過一個能量傳遞元件(例如，耦合電感器)電流隔離。在這些實施例中，初級控制器可被耦合到隔離式功率轉換器的初級側上的電路，諸如，功率開關。次級控制器可被耦合到隔離式功率轉換器的次級側上的電路，以感測隔離式功率轉換器的輸出量。
[0026]在一些實施例中，本公開內容的初級控制器和次級控制器可被包括在一個非隔離式功率轉換器(例如，非隔離式降壓轉換器)中，其中該非隔離式功率轉換器的輸入端子與輸出端子并未電流隔離。當被用在非隔離式功率轉換器中時，初級控制器和次級控制器可彼此電流隔離(例如，通過通信鏈路)，盡管該非隔離式功率轉換器的輸入端子與輸出端子并未電流隔離。
[0027]初級控制器和次級控制器可運行，以調節功率轉換器的、遞送到負載的輸出量(例如，電壓和/或電流)。例如，初級控制器和次級控制器可運行，以響應于感測到的輸出電壓將功率轉換器的輸出電壓調節到期望的輸出電壓值。盡管初級控制器和次級控制器可響應于感測到的輸出電壓來調節輸出電壓，但是在一些實施例中，初級控制器和次級控制器可響應于感測到的輸出電壓和/或感測到的輸出電流來調節功率轉換器的輸出電壓和/或輸出電流。
[0028]次級控制器被耦合以向初級控制器傳輸能量請求信號(在下文中“請求信號”)。初級控制器被耦合以當初級控制器接收到請求信號時將功率開關設置成接通狀態(0Nstate)(例如，閉合的開關)。因此，本公開內容的次級控制器可控制何時將功率開關設置成接通狀態。在初級控制器將功率開關設置成接通狀態之后，初級控制器確定何時將功率開關設置成斷開狀態(例如，開路)。因此，初級控制器可控制何時將功率開關關斷。換言之，初級控制器可控制功率開關保持在接通狀態多長時間。如在下文中所描述的，次級控制器可包括定時電路，該定時電路控制可由初級控制器將功率開關設置成接通狀態的頻率。換言之，次級控制器可控制將功率開關設置成接通狀態的速度(例如，最大速度)。
[0029]初級控制器可包括設置功率開關的狀態的電路(例如，圖2的初級開關控制電路250)。一般而言，初級控制器可將功率開關維持在斷開狀態，直到從次級控制器接收到請求信號。響應于該請求信號，初級控制器可將功率開關設置成接通狀態。在將功率開關設置成接通狀態之后，初級控制器可響應于多種不同的條件中的一個或多個(本文中被稱為“關斷條件”)來確定何時將開關設置成斷開狀態。在一些實施例中，初級控制器可感測通過功率開關的開關電流，并且當功率開關在接通狀態時，在開關電流達到閾值電流限制時，將功率開關設置成斷開狀態。在其他實施例中，初級控制器可被耦合以將功率開關設置成接通狀態且達一設置的時間段，該時間段在本文中被稱為“傳導時段”。初級控制器可在傳導時段期滿之后將功率開關設置成斷開狀態。在一些實施例中，關斷條件(例如，閾值電流限制和/或傳導時段)可以是固定量。在其他實施例中，初級控制器可調整關斷條件，例如，響應于負載條件。
[0030]次級控制器包括控制何時向初級控制器傳輸請求信號的電路。例如，次級控制器可包括定時電路和次級開關控制電路(例如，圖2的次級開關控制電路256)，該定時電路和該次級開關控制電路控制向初級控制器發送請求信號的頻率，這進而控制將功率開關設置成接通狀態的頻率。該次級開關控制電路可響應于感測到的功率轉換器的輸出量(例如，輸出電壓)和該定時電路的狀態來生成請求信號，如在下文中所描述的。
[0031]該定時電路可在第一狀態和第二狀態中的一個狀態運行。一般而言，該定時電路可在第一狀態運行，直到通過該次級開關控制電路觸發該定時電路才在第二狀態運行。如本文中所描述的，當該定時電路在第二狀態時，可防止該次級開關控制電路傳輸請求信號。當通過該次級開關控制電路觸發該定時電路時，該定時電路可從第一狀態轉變到第一狀態，并且保持在第二狀態達一個時間段，該時間段在本文中被稱為“保持時段”。在該定時電路在第二狀態達一個保持時段之后，該定時電路可轉變回到第一狀態。該定時電路可停留在第一狀態，直到通過該次級開關控制電路觸發該定時電路，如上文所描述的。
[0032]該次級開關控制電路被耦合以感測功率轉換器的輸出電壓，并且確定該輸出電壓是否小于期望的輸出電壓。當感測到的輸出電壓小于期望的輸出電壓并且定時電路在第一狀態時，該次級開關控制電路可向初級控制器傳輸請求信號并且觸發該定時電路。例如，該次級開關控制電路可向初級控制器傳輸請求信號，并且還生成觸發定時電路的觸發信號。由于初級控制器響應于該請求信號將功率開關設置成接通狀態，所以該定時電路可以近似在功率開關被設置成接通狀態的同時轉變到第二狀態。
[0033]如上文所描述的，當該次級開關控制電路確定輸出電壓小于期望的輸出電壓并且確定該定時電路在第一狀態時，該次級開關控制電路可傳輸請求信號。在其他情況下，諸如，當該定時電路在第二狀態或該輸出電壓大于期望的輸出電壓時，該次級開關控制電路可停止(withhold)請求信號的傳輸。換言之，當該定時電路在第二狀態和/或該輸出電壓大于期望的輸出電壓時，該次級開關控制電路可決定不傳輸請求信號.
[0034]在一個實施例中，當功率轉換器的輸出電壓大于期望的輸出電壓并且該定時電路在第一狀態時，該次級開關控制電路可停止請求信號的傳輸，直到輸出電壓下降到小于期望的輸出電壓的值。在此實施例中，當輸出電壓下降到小于期望的輸出電壓時，該次級開關控制電路可傳輸請求信號并且觸發該定時電路。在另一個實施例中，當輸出電壓小于期望的輸出電壓并且該定時電路在第二狀態時，該次級開關控制電路可停止請求信號的傳輸，直到該定時電路轉變到第一狀態。在此實施例中，假設當該定時電路轉變到第一狀態時輸出電壓仍在小于期望的輸出電壓的電平處，該次級開關控制電路可響應于該定時電路進入第一狀態而傳輸請求信號并且觸發該定時電路回到第二狀態。
[0035]該次級開關控制電路可控制向初級控制器傳輸請求信號的速度。因此，該次級開關控制電路可控制將功率開關設置成接通狀態的速度，因為初級控制器可響應于每個請求信號而將功率開關設置成接通狀態。該次級開關控制電路可響應于功率轉換器的輸出處的負載的量來控制發送請求信號的速度。例如，在較重的負載期間(此時功率轉換器的輸出可傾向于比在輸出處的較輕的負載期間更快地下降到期望的輸出以下)，次級開關控制電路可傾向于以較大的速度傳輸請求信號。在輸出處的負載減小的實施例中，該次級開關控制電路可傾向于以比當輸出處存在較重的負載時更低的速度傳輸請求信號。
[0036]該定時電路的保持時段可設置請求信號可被傳輸的最大速度，這是因為當該定時電路在第二狀態時，該次級開關控制電路停止請求信號的傳輸。因此，該定時電路的保持時段可設置可將功率開關設置成接通狀態的最大速度。換言之，該保持時段可近似等于兩個連續的請求信號之間或功率開關兩次連續轉變到接通狀態之間的最小時間。例如，在重負載期間，該次級開關控制電路可傳輸近似間隔該定時電路的一個保持時段的請求信號。
[0037]該保持時段可被設置成一個值，該值允許足夠的時間量以用于將能量傳遞到功率轉換器的輸出側。在功率轉換器是隔離式功率轉換器的實施例中，該保持時段可被設置成一個值，該值允許在初級控制器已經將功率開關從接通狀態切換到斷開狀態之后向次級側的能量傳遞。由于該初級控制器確定功率開關保持在接通狀態多長時間，所以該定時電路的保持時段和功率開關的關斷條件可被選擇成使得在將功率開關設置成斷開狀態之后傳遞足夠量的能量。
[0038]初級控制器可響應于功率轉換器的輸出處的負載條件來調整關斷條件(例如，閾值電流限制和/或傳導時段)。例如，該初級控制器可基于初級控制器接收請求信號的速度來調整關斷條件。如上文所描述的，該初級控制器可傾向于在輸出為較重的負載的時間期間以較大的速度接收請求信號。在一些實施例中，該初級控制器可基于該初級控制器在一時間段內接收到多少請求信號來確定負載條件。在其他實施例中，該初級控制器可基于兩個連續的請求信號之間的時間的量來確定負載條件。
[0039]—般而言，該初級控制器可調整關斷條件，使得當輸出處的負載較重時，功率開關被保持在接通狀態達更長的時間段。例如，該初級控制器可在較重負載期間增大功率開關的閾值電流限制和/或傳導時段，使得功率開關被保持在接通狀態達更