CN104242661B - 精确的输出功率检测 - Google Patents

Abstract

一种开关功率变换器，其向负载提供经调节的输出功率。开关功率变换器包括变压器和开关，该变压器包括耦合至输入电压的初级绕组、耦合至开关功率变换器的输出的次级绕组；以及在变压器的初级侧的辅助绕组，该开关耦合至变压器的初级绕组。跨次级绕组的输出电压被反映为跨辅助绕组的反馈电压。开关功率变换器基于变压器的复位时间来检测输出电流。基于所检测的输出功率，开关功率变换器控制开关的开关以提供经调节的输出功率。

Description

精确的输出功率检测

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年6月19日提交的美国临时专利申请NO.61/837,079的权益，其全部内容通过引用合并到本文中。

背景技术

本公开内容总体上涉及开关电源，更具体地涉及一种具有初级侧感测和反馈的功率极限检测。

反激功率变换器包括用于从电源向负载递送电功率的功率级。图1图示了示例反激功率变换器100。功率级中的开关102将负载104电耦合至电源(未示出)或者将负载104从电源上去耦合(未示出)，并且耦合至开关102的开关控制器106控制开关102的导通时间和关断时间。该开关102的导通时间和关断时间可以通过控制器106基于表示输出功率、输出电压或输出电流的反馈信号以调节该输出功率、输出电压或输出电流而修改。能量在开关102导通时存储在变压器108的气隙中而在开关102关断时被传送至负载。

功率变换器100通过测量输出电压V_out来检测输出功率，从而将其反馈至初级侧控制器106。将输出电压V_out与参考电压V_REF比较，并且将得到的误差信号V_C馈送到控制器106中用于控制开关102。使用图1所示的输出电压，由下式给出输出功率P₀：

其中，L_M为变压器108的磁化电感，F_SW为开关102的开关频率，EFF为功率变换器100的工作效率，K为常数。不同功率变换器之间的磁化电感L_M和工作效率EFF可以有很大变化，并且V_C根据负载变化。

图2图示了跨输出电压范围的通过变换器100检测的输出功率。，P_out上边界202和P_out下边界204分别表示输出功率基于L_M、V_C和EFF的可能值的范围的高边界和低边界。具体地，功率极限检测范围208指示在给定功率极限阈值电压206处所检测的输出功率的可能值的范围。如图2A所示，变换器100的功率极限检测范围208很大，意味着变换器100确定输出功率的精度很低。

图3图示了在功率变换器具有很大变化的功率极限检测范围时大量的设计考虑。功率变换器通常被设计成在正常工作范围310内工作，其包括在最大额定功率阈值311以下的输出功率的电平。如果正常工作功率范围310与最小功率极限检测阈值215重叠，则通过功率变换器100检测的输出功率可能产生故障功率极限触发。为了防止正常工作功率范围310与功率极限检测阈值215之间的重叠，在正常工作范围310与功率极限检测范围208之间设计了很小的工作裕度312。这增加了最大额定功率阈值311与最大功率极限检测点217之差。然而，功率变换器100可以在最大额定功率阈值311之上工作很短一段时间。相应地，为了防止对变换器100的热损坏，变换器100被设计成工作高达最大功率极限检测点217。因为从最大额定功率阈值311至最大功率极限检测点217的范围很大，所以将功率变换器的部件的热设计和工作额定值超裕度涉及以实现高达最大功率极限检测点217的安全工作模式。

发明内容

本文中所描述的实施方式包括一种用于感测开关功率变换器的输出功率的系统和方法。开关功率变换器包括变压器，该变压器包括耦合至输入电压的初级绕组、耦合至开关功率变换器的输出的次级绕组、以及在变压器的初级侧的辅助绕组。开关耦合至变压器的初级绕组。初级绕组中的电流响应于开关导通而生成，而非响应于开关关断而生成。跨次级绕组的输出电压在开关的关断周期期间被反映为跨辅助绕组的反馈电压。输出功率检测器基于变压器的复位时间来检测开关功率变换器的输出电流。输出功率检测器生成指示输出功率的控制信号并且向控制器提供控制信号，该控制器被配置成控制开关的开关以调节输出功率。

与取决于向变压器的磁化电感的功率变换器的输入电压的知识的方法相比，通过使用变压器的初级侧的反馈电压来检测开关功率变换器的输出功率，该开关功率变换器能够更精确地检测输出功率。相应地，开关功率变换器的实施方式向负载提供了在开关功率变换器或者负载的功率极限之上的功率输出。

说明书中所描述的特征和优点不全是包括性的，具体地，鉴于附图、说明书和权利要求，本领域技术人员将很清楚很多其他特征和优点。此外，应当注意，说明书中所使用的语言主要被选择用于易读性目的和说明目的，而非选择用于描写或限制本发明的主题。

附图说明

通过结合附图考虑以下详细描述，可以很容易理解各个实施方式的教导。

图1图示了示例反激功率变换器；

图2图示了通过示例反激功率变换器检测的示例输出功率电平；

图3图示了示例反激功率变换器的示例功率输出范围；

图4图示了具有初级侧功率检测的开关功率变换器的一个实施方式；

图5A图示了通过具有初级侧功率检测的开关功率变换器检测的输出功率；以及

图5B图示了具有初级侧功率检测的开关功率变换器的示例功率输出范围。

具体实施方式

附图和以下描述仅通过说明的方式涉及各个实施方式。应当注意，根据以下讨论，可以很容易地将本文中所公开的结构和方法的备选实施方式认识为可以在不脱离要求保护的本发明的原理的情况下采用的可变备选。

现在，将详细地参考若干实施方式，其示例在附图中示出。应当注意，只要可行，相似的或者相同的附图标记可以在附图中使用，并且可以指示相似的或者相同的功能。附图仅出于说明目的描绘了本发明的实施方式。本领域技术人员根据以下描述将很容易理解的是，本文中所说明的结构和方法的备选实施方式可以在不脱离本文中所描述的本发明的原理的情况下采用。

本文中所描述的开关功率变换器的实施方式被配置成使用初级侧电压反馈来感测输出功率。与依赖于不同功率变换器之间可以有很大变化的因子的表示例如包括在功率变换器中的变压器的磁化电感的方法相比，通过基于初级侧反馈来检测输出功率，本文中所描述的开关功率变换器的多种实施方式能够更精确地检测输出功率。

图4图示了具有初级侧功率检测的开关功率变换器400的一个实施方式。该开关功率变换器400包括变压器、开关403、开关控制器401和输出功率检测电路405等部件，该变压器具有初级绕组402、次级绕组416和辅助绕组408。

功率变换器400从AC电源(未示出)接收AC功率，将该AC功率整流以提供经调节的DC输入电压V_IN。输入电压V_IN耦合至初级绕组402。在开关403的导通周期期间，因为二极管D₁被反向偏置，所以能量存储在初级绕组402中。在开关403的导通周期期间，电阻器R_SENSE以跨电阻器R_SENSE的电压的形式感测初级侧峰值电流I_PEAK。在开关403的关断周期期间，因为二极管D₁变为正向偏置，所以初级绕组402中存储的能量被释放给次级绕组416并且跨电容器C₀向负载L1传送。二极管D₁对次级绕组416上的输出电压进行整流，并且电容器C₀对次级绕组416上的输出电压进行滤波，以用于输出为跨负载L1的输出电压412。在开关403的关断周期期间，输出电压V₀被反映为跨辅助绕组408的反馈电压V_SENSE。

输出功率检测电路405使用初级侧电流I_PEAK和反馈电压V_SENSE来确定跨负载L1的功率输出P_out。通过使用I_PEAK，输出功率检测电路405确定开关403的关断周期期间的平均输出电流I₀。在一个实施方式中，输出功率检测电路405通过以下等式来确定平均输出电流I₀：

其中，N_ps为初级绕组402与次级绕组416的匝数比。I_PEAK为导通时间期间初级开关的峰值电流值。值t_rst为次级绕组416的复位时间，其对应于变压器的次级侧的电流脉冲的持续时间。t_rst的一个测量值为从初级电流I_PEAK的下降沿到跨辅助绕组408的电压V_SENSE的下降沿的持续时间。值t_p为开关403的开关周期的时段、或者开关403的导通时间与关断时间之和。通过使用所确定的输出电流I₀，输出功率检测电路405根据等式P_out＝V₀*I₀来确定输出功率P_out并且生成表示所确定的输出功率的控制信号406。

初级侧开关控制器401从输出功率检测电路405接收指示输出功率P_out的控制信号406并且至少部分基于该控制信号406来调节开关403的开关。开关控制器401生成用于导通或关断开关403的控制信号414以调节输出电压V₀和输出电流I₀。开关控制器401可以采用大量调制技术中的任一调制技术，比如脉冲宽度调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)，以基于反馈电压V_SENSE来控制开关403的导通和关断状态以及占空比，从而调节输出功率P_out。

在一个实施方式中，开关控制器401被配置成控制开关403的开关以将输出功率P_out维持在期望电平。例如，当以恒定的输出电压工作时，开关控制器401控制开关403以增加或减少穿过负载的电流从而实现期望输出功率P_out。在一个实施方式中，开关控制器401独立于变压器的磁化电感的表示来控制开关403的开关。

与取决于至功率变换器400的输入电压或者变压器的磁化电感的知识的方法相比，通过使用初级侧反馈来检测输出功率P_out，输出功率检测电路405能够更精确地检测P_out。图5A图示了跨输出电压V₀范围的通过检测电路405检测的输出功率。P_out上边界502和P_out下边界504分别表示由输出功率检测电路405检测的输出功率电平的高边界和低边界。即，对于给定输出电压V₀，输出功率检测电路405检测用上边界502和下边界504表示的容限内的输出功率。例如，给定功率极限阈值电压506，输出功率检测电路405检测在低功率电平检测极限值515与高功率电平检测极限值517之间的功率极限检测范围508内的来自功率变换器400的功率输出。该功率极限阈值电压506指示用于功率变换器400的电压额定值或者由功率变换器400驱动的负载的电压额定值。例如，功率变换器400或负载的热设计基于在功率极限阈值506以下递送输出电压的功率变换器400。

图5B图示了根据本文中所描述的各个实施方式的功率变换器400的示例功率输出范围。图5B所示的示例功率输出范围表示恒定电压比如功率极限阈值电压506下的功率变换器400的各个功率输出。横跨功率额定值511以下的功率输出范围的正常工作模式510表示功率变换器400或者负载L1可以安全地工作持续延长的一段时间的功率电平。功率额定值511表示功率变换器400或负载L1的热设计和工作额定值。然而，在很短的一段时间内，功率变换器400可以在受限工作模式512下工作，以从功率额定值511延伸至峰值功率电平513。该峰值功率电平513表示功率变换器400或负载L1的工作范围的上边界。例如，峰值功率电平513由负载L1的制造商来指定为负载L1汲取的功率的上边界。因为功率极限检测范围508在功率电平513之上，所以功率变换器400可以安全地在受限工作模式512下工作，即使功率变换器400或者负载L1被设计成在功率额定值511下工作。

在一个实施方式中，开关控制器401监测功率变换器400的功率输出在功率额定值511之上的时间量。例如，开关控制器401在输出功率从正常工作模式510向受限工作模式512过渡时开始定时器。如果功率变换器400以受限工作模式512工作的时间量超过时间阈值或者占空比阈值，则开关控制器401检测故障状态。作为响应，开关控制器401降低向负载递送的输出功率以降低部件载荷和热损耗。

由于其相对较小的功率极限检测范围，本文中所描述的功率变换器400可以用于以接近该负载的功率极限阈值来向负载递送功率。当以接近功率极限阈值的功率电平来驱动负载时，精确的功率电平检测对于避免对负载的热损坏很重要。在一个实施方式中，功率变换器400被合并到电源中，其被设计成在额定功率电平或额定功率电平之上工作很短一段时间。例如，功率变换器400用来向打印机提供功率。在打印任务期间，打印机可能偶然以受限工作模式512工作很短持续时间，以汲取超过功率额定值511但是在峰值功率513范围内的功率。由于受限工作模式512在功率极限检测范围508以下，所以打印机的热设计可以被额定用于以功率额定值511来工作并且仍然能够以受限工作模式512安全地工作很短一段时间。

虽然本文中已经图示和描述了具体的实施方式和应用，然而，应当理解的是，这些实施方式不限于本文中所公开的精确的构造和部件，并且可以在不脱离所附权利要求中定义的这些实施方式的精神和范围的情况，对这些实施方式的方法和装置的布置、操作和细节做出各种修改、变化和变更。

在阅读本公开内容时，本领域技术人员将理解系统的另外的备选设计。因此，虽然已经图示和描述了本发明的具体的实施方式和应用，然而，应当理解的是，本发明不限于本文中所公开的精确的构造和部件，可以在不脱离涉及本文中的主题的任何权利要求中所定义的本发明的精神和范围的情况下对本文中所公开的本发明的方法和装置的布置、操作和细节进行本领域技术人员将很清楚的各种修改、变化和变更。

Claims (14)

1.一种开关功率变换器，包括：

变压器，包括耦合至输入电压的初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组、以及在所述变压器的初级侧的辅助绕组，跨所述次级绕组的输出电压被反映为跨所述辅助绕组的反馈电压；

开关，耦合至所述变压器的所述初级绕组，所述初级绕组中的电流响应于所述开关被接通而生成并且响应于所述开关被关断而不生成，所述反馈电压在所述开关的关断周期期间跨所述辅助绕组生成；

输出功率检测器，被配置成基于所述变压器的复位时间来检测所述开关功率变换器的输出电流，并且基于所检测的所述输出电流和所述反馈电压来生成表示所述开关功率变换器的输出功率的控制信号；以及

控制器，耦合至所述开关，所述控制器被配置成基于表示所述开关功率变换器的所述输出功率的所述控制信号来控制所述开关的开关以调节所述开关功率变换器的所述输出功率。

2.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中所述输出功率检测器被配置成通过以下来检测所述输出电流：

使用跨所述辅助绕组的所述反馈电压来检测所述变压器的所述复位时间。

3.根据权利要求2所述的开关功率变换器，其中检测所述变压器的所述复位时间包括：

检测在所述开关的接通周期期间所述变压器的所述初级侧的电流；

检测所述初级侧电流的下降沿与跨所述辅助绕组的所述反馈电压的下降沿之间的时间；以及

确定所述变压器的所述复位时间作为所述初级侧电流的下降沿与所述反馈电压的下降沿之间的时间。

4.根据权利要求2所述的开关功率变换器，其中所述输出功率检测器被配置成基于所述变压器的所述复位时间与所述开关的开关周期时段之比来检测所述输出电流。

5.根据权利要求1所述的开关功率变换器，其中所述控制器被配置成控制所述开关的开关以在功率极限之上向负载递送功率。

6.根据权利要求5所述的开关功率变换器，其中所述控制器还被配置成：

监测向所述负载递送的功率在所述功率极限之上的时间量；以及

响应于所述时间量超过时间阈值而生成故障状态。

7.根据权利要求6所述的开关功率变换器，其中所述控制器还被配置成响应于生成所述故障状态来降低所述开关功率变换器的所述输出功率。

8.一种用于控制开关功率变换器的方法，所述开关功率变换器包括变压器和第一开关，所述变压器具有耦合至输入电压的初级绕组、耦合至所述开关功率变换器的输出的次级绕组、以及在所述变压器的初级侧的辅助绕组，所述第一开关耦合至所述变压器的所述初级绕组，跨所述次级绕组的输出电压被反映为跨所述辅助绕组的反馈电压，所述方法包括：

基于所述变压器的复位时间来检测所述开关功率变换器的输出电流；

基于所检测的所述输出电流和所述反馈电压来生成表示所述开关功率变换器的输出功率的控制信号；以及

基于表示所述开关功率变换器的所述输出功率的所述控制信号来控制所述开关的开关以调节所述开关功率变换器的所述输出功率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中检测所述输出电流包括：

使用跨所述辅助绕组的所述反馈电压来检测所述变压器的所述复位时间。

10.根据权利要求9所述的方法，其中检测所述变压器的所述复位时间包括：

检测在所述开关的接通周期期间所述变压器的所述初级侧的电流；

检测所述初级侧电流的下降沿与跨所述辅助绕组的所述反馈电压的下降沿之间的时间；以及

确定所述变压器的所述复位时间作为所述初级侧电流的下降沿与所述反馈电压的下降沿之间的时间。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述输出电流基于所述变压器的所述复位时间与所述开关的开关周期的时段之比来检测。

12.根据权利要求8所述的方法，其中调节所述开关功率变换器的所述输出功率包括控制所述开关的开关以在功率极限之上向负载递送功率。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

监测向所述负载递送的功率在所述功率极限之上的时间量；以及

响应于所述时间量超过时间阈值来生成故障状态。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括响应于生成所述故障状态来降低所述开关功率变换器的所述输出功率。