专利名称：一种控制设备和准谐振开关功率转换器的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于控制准谐振开关转换器的开关频率的控制设备和准谐振开关功率转换器。
背景技术：
开关模式电源受电磁干扰(EMI)影响。在由包括在电源中的开关转换器调制电压和电流时生成EMI噪声，并且该电噪声可以转移至ac电源线。EMI噪声通过传导影响一些电子系统的操作；此外，在电源线上EMI引入的噪声可以从电源线辐射或泄漏并且影响其他电子设备。传导和辐射的电噪声可以不利地影响或干扰电子设备的操作。 为了处理EMI相关的问题，存在限定可以由各种类型电子设备(并且尤其是电源)产生的EMI的最大量的规范。因此，在电源设计中的重要步骤是保持EMI发射位于由适用的规范指定的限制内。在电源中，可以通过添加输入滤波器和制止电流和/或电压开关波形的边缘来控制EMI。执行这些任务所需的额外部件可能不期望地增加电源的尺寸和重量。此外，它们经常使得设计过程复杂并且增加生成成本噪声滤波部件增加成本并且经常在发现EMI超出合规限制时在最终设计过程期间在试错基础上被添加。频率调制(有时或称为跳动、或抖动)是可以促进开关模式电源符合EMI发射规范的技术。事实上，一方面开关转换器的发射集中于开关频率及其较高阶谐波处。另一方面，EMI规范构思了在任何给定谐波处的峰值能量而非总的发射能量的限制。通过调制开关频率，执行许多边带并且发射频谱围绕这些频带散射这降低了谐波的峰值幅度，并且使得它们更易于保持在EMI发射限制之下。通常，该技术应用至其中开关转换器的操作频率由振荡器确定的电源。根据给定的时间分布改变振荡器频率将调制开关转换器的操作频率并在其EMI发射上执行上述的扩频动作。这在专利文献以及科学文献中广泛使用。存在其他类型的开关转换器，其中开关频率并非由振荡器确定。这些转换器的示例是旧式振铃扼流圈转换器(RCC)和电流转变模式(TM)升压功率因子校正(PFC)预调节器和准谐振(QR)回扫转换器。在这些示例中，电源开关的接通被同步至其磁存储设备(电感器或变压器)的退磁而非由振荡器提供的时钟信号。因此，它们的开关频率依赖于输入电压、输出负载和与磁设备相关联的电感。开关频率对输入电压的依赖性为这些转换器提供了自然的、为线路频率的两倍的开关频率调制。这在TM升压PFC预调节器中尤其明显，该预调节器根据整流的线路电压直接操作，从而使得它们的输入电压在线路半循环中从零值到峰值并且继而再次至零值期间全程改变。在QR回扫转换器中，如在电源线上操作的大多数非功率因子校正转换器中那样，前端级由具有下游电容器滤波器的全波整流器桥构成，其提供了来自ac线路的未经调节的dc总线。滤波器电容器通常足够大以具有在线路频率两倍处的、叠加在dc电平上的相对低的纹波。该纹波使用基于其幅度的深度来在线路频率两倍处的调制开关频率。在线路频率两倍处的该自然调制提供在EMI降低方面的实际益处，对于使用平均(AV)检测方法尤其如此。可惜之处在于，该效果强烈依赖于输入电压和输出功率，而输入电压和输出功率影响在线路半循环中的频率偏离和中心频率。普遍趋势是，自然频率调制倾向于随着输入电压增加和/或输出负载减少而降低。附加地，该低频调制对于准峰值(QP)检测方法而言并非非常有效。在该类型转换器中，频率调制的BO减少可以通过在低频自然调制上叠加较高频率的受迫调制来改进，这对于QP检测也提供了显著的益处。
实用新型内容本公开的一个实施例在于提供与已知的准谐振开关转换器不同的准谐振开关转换器的开关频率的控制设备。本公开的一个实施例是用于控制准谐振开关功率转换器的控制设备，该转换器被配置成将输入信号为转换DC输出信号。功率转换器包括功率开关，连接至所述输入信号并且适于调节所述DC输出信号；以及磁存储元件。该控制设备配置成根据所述磁存储元件的退磁来确定功率开关的开关频率。该控制设备由源自反馈电路的反馈信号供电，该反馈电路耦合至功率转换器的输出信号。该控制设备实现通过控制控制变量来调节DC输出信号的控制回路，并且包括调制器，该调制器配置成根据至少一个调制信号调制所述控制变量，该至少一个调制信号具有高于控制回路的带宽的频率。本公开的一个实施例是一种控制设备，其用于控制准谐振开关功率转换器，所述转换器被配置成将输入信号转换为DC输出信号，所述控制设备包括控制回路，配置成控制所述功率转换器的功率开关的开关频率，接收从所述功率转换器的输出信号得到的反馈信号，以及通过控制控制变量来调节所述DC输出信号；以及调制器，配置成根据调制信号调制所述控制变量，所述调制信号具有高于所述控制回路的带宽的频率，所述调制器进一步配置成使用经调制的控制变量使得所述控制回路控制所述功率开关关断的关断时间。本公开的另一实施例是一种准谐振开关功率转换器，其用于将输入信号转换为DC输出信号，所述功率转换器包括输入端子，配置成接收所述输入信号；输出端子，配置成提供所述DC输出信号；功率开关，耦合至所述输入端子并且配置成调节所述DC输出信号；磁存储元件；反馈电路，耦合至所述输出端子；以及控制设备，包括控制回路，配置成确定所述功率转换器的功率开关的开关频率，接收从所述功率转换器的输出信号得到的反馈信号，以及通过控制控制变量来调节所述DC输出信号；以及调制器，配置成根据调制信号调制所述控制变量，所述调制信号具有高于所述控制回路的带宽的频率，所述调制器进一步配置成使用经调制的控制变量使得所述控制回路控制所述功率开关关断的关断时间。
通过在所附附图中的以非限制性示例的方式示出的本公开的一些实施例的下面的详细描述，本公开的特征和优势将变得显然，在附图中[0019]图I示出了电流模式受控的准谐振(QR)回扫转换器的原理示意图；图2是图I中的转换器中的起作用的一些信号的时间图；图3示出了电压模式控制的准谐振(QR)回扫转换器的原理示意图；图4是图3的转换器中的起作用的一些信号的时间图；图5示出了根据本公开的具有控制设备的准谐振回扫转换器；图6示出了根据本公开的第一实施例的开关转换器的开关频率的控制设备以及控制设备中起作用的一些信号的时间图；图7示出了根据本公开的第一实施例的变体的开关转换器的开关频率的控制设备以及控制设备中起作用的一些信号的时间图；·图8示出了根据本公开的第二实施例的开关转换器的开关频率的控制设备以及控制设备中起作用的一些信号的时间图；图9示出了根据本公开的第二实施例的变体的开关转换器的开关频率的控制设备以及控制设备中起作用的一些信号的时间图；图10示出了根据本公开的第三实施例的开关转换器的开关频率的控制设备以及控制设备中起作用的一些信号的时间图；图11示出了图10中的控制设备的可变增益块的一种实现方式；图12示出了图10中的控制设备的可变增益块的另一种实现方式；图13示出了图12中的可变增益块中起作用的信号的时间图；图14示出了根据图10中的控制设备的可变增益块的另一实现方式以及起作用的一些信号的时间图；图15示出了根据本公开的电流模式控制TM升压预调节器的控制核芯；图16示出了不使用专用振荡器而是通过PWM脉冲系列的分频来生成方波调制信号的可能方式；图17示出了方波调制信号的发生器的另一可能实现方式；图18示出了图17的电路中的起作用的时间图。
具体实施方式
图I示出了根据现有技术的电流模式控制的准谐振(QR)回扫转换器。该转换器包括变压器1，具有初级绕组Lp和次级绕组Ls ;初级绕组Lp与瞬态DC输入信号Vin耦合，并且与功率开关Ql耦合，功率开关Ql借由让电流Ip通过的感测电阻Rs连接至接地GND。次级绕组Ls连接至在次级绕组Ls的端子之间串联布置的二极管Dl和电容器Cout。输出电压Vout为跨电容器Cout的电压。用于控制功率开关Ql的集成的控制设备IOA具有管脚INV，管脚INV接收表示通过隔离的反馈11的输出Vout的信号Vf。控制设备IOA包括误差放大器14,适于放大表不输出电压Vout的信号和参考电压Vref之间的误差电压；以及补偿网络，配置成补偿误差放大器14，其与管脚INV和误差放大器14的输出耦合。控制设备IOA包括PWM比较器15，其适于将误差放大器的输出信号与跨感测电阻Rs的信号进行比较。PWM比较器的输出信号是置位-复位触发器17的复位信号R，该置位-复位触发器17的置位信号是在管脚Z⑶处与辅助绕组Laux耦合的零电流检测器(Z⑶)18的输出信号。置位-复位触发器17的输出信号Q是开关Ql的控制信号。功率开关Ql根据转换器的磁存储设备(在此情形中是变压器I)的退磁而接通。具体而言，功率开关Ql的接通被同步至所述退磁而非振荡器提供的时钟信号。图I中的转换器的开关周期Tsw可以划分成如图2所示的三个子间隔功率开关Ql的接通时间(Ton)，次级整流器Dl的再循环时间(Tfw)(即，变压器I退磁所需时间)，以及从变压器退磁(即，当通过Dl的电流降至零的瞬间)至功率开关的下一接通所经过的延迟时间Tv。该时间通常固定在退磁之后的变压器电压振铃的半周期处，从而使得接通随着在开关Ql两端的最小电压而出现(谷开关)。可以写出
[0039
权利要求1.ー种控制设备，其用于控制准谐振开关功率转换器，所述转换器被配置成将输入信号转换为DC输出信号，其特征在于，所述控制设备包括 控制回路，配置成控制所述功率转换器的功率开关的开关频率，接收从所述功率转换器的输出信号得到的反馈信号，以及通过控制控制变量来调节所述DC输出信号；以及调制器，配置成根据调制信号调制所述控制变量，所述调制信号具有高于所述控制回路的带宽的频率，所述调制器进ー步配置成使用经调制的控制变量使得所述控制回路控制所述功率开关关断的关断时间。
2.根据权利要求I所述的控制设备，其特征在于，其中所述控制变量是所述功率转换器的功率开关的接通时间段。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其特征在于，其中所述控制回路包括 误差放大器，配置成提供表示所述反馈信号和參考信号之间的差值的误差信号；以及 PWM比较器，配置成将所述误差信号与斜坡信号进行比较，所述调制器配置成周期性地改变所述斜坡信号的斜率。
4.根据权利要求2所述的控制设备，其特征在于，其中所述控制回路包括 误差放大器，配置成提供表示所述反馈信号和參考信号之间的差值的误差信号；以及 PWM比较器，配置成将所述误差信号与斜坡信号进行比较，所述调制器配置成将所述调制信号添加至所述误差信号。
5.根据权利要求I所述的控制设备，其特征在于，其中所述控制变量是通过所述功率转换器的功率开关的电流的峰值电流值。
6.根据权利要求5所述的控制设备，其特征在于，其中所述控制回路包括 误差放大器，配置成提供表示所述反馈信号和參考信号之间的差值的误差信号；以及 PWM比较器，配置成将所述误差信号与流经所述功率开关的电流的感测信号进行比较，所述调制器配置成将所述调制信号添加至所述误差信号和所述电流感测信号之一。
7.根据权利要求5所述的控制设备，其特征在于，其中所述控制回路包括 误差放大器，配置成提供表示所述反馈信号和參考信号之间的差值的误差信号；以及 PWM比较器，配置成将所述误差信号与流经所述功率开关的电流的感测信号进行比较，所述调制器包括可变增益电路，所述可变増益电路配置成接收所述电流感测信号和所述调制信号并且基于所述调制信号周期性地改变所述可变增益电路的增益。
8.根据权利要求7所述的控制设备，其特征在于，其中所述可变増益电路配置成接收多个调制信号并且基于所述多个调制信号改变所述可变增益电路的增益。
9.根据权利要求8所述的控制设备，其特征在于，其中所述可变増益电路包括电阻分压器，所述电阻分压器包括 第一电阻，配置成接收所述电流感测信号； 多个第二电阻，耦合至所述第一电阻；以及 多个开关，分别耦合至所述第二电阻，所述开关配置成分别由所述多个调制信号控制。
10.根据权利要求7所述的控制设备，其特征在于，其中所述可变増益电路包括电阻分压器，所述电阻分压器包括 第一电阻，配置成接收所述电流感测信号； 第二电阻，耦合至所述第一电阻；开关，与所述第一电阻和接地端子之间的所述第二电阻耦合；以及运算放大器，具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入配置成接收所述调制信号，所述第二输入耦合至所述开关和所述第二电阻之间的节点，所述输出耦合至所述开关的控制端子。
11.根据权利要求7所述的控制设备，其特征在于，其中所述可变増益电路包括电阻分压器，所述电阻分压器包括 第一电阻，配置成接收所述电流感测信号； 第二电阻，耦合至所述第一电阻；以及 开关，与所述第一电阻和接地端子之间的所述第二电阻耦合，所述开关配置成由所述调制信号控制。
12.根据权利要求I所述的控制设备，其特征在于，其中所述控制回路包括 误差放大器，配置成提供表示所述反馈信号和參考信号之间的差值的误差信号； PWM比较器，具有输入和输出，所述输入耦合至所述误差放大器的输出；以及 置位-复位触发器，具有耦合至所述PWM比较器的输出的输入，并且配置成提供方波信号，所述调制器配置成从所述方波信号得到所述调制信号。
13.根据权利要求12所述的控制设备，其特征在于，其中所述调制器配置成将所述调制信号生成为具有预定持续时间的高电平和低电平的方波。
14.一种准谐振开关功率转换器，其用于将输入信号转换为DC输出信号，其特征在干，所述功率转换器包括 输入端子，配置成接收所述输入信号； 输出端子，配置成提供所述DC输出信号； 功率开关，耦合至所述输入端子并且配置成调节所述DC输出信号； 磁存储兀件； 反馈电路，耦合至所述输出端子；以及 控制设备，包括 控制回路，配置成确定所述功率转换器的功率开关的开关频率，接收从所述功率转换器的输出信号得到的反馈信号，以及通过控制控制变量来调节所述DC输出信号；以及调制器，配置成根据调制信号调制所述控制变量，所述调制信号具有高于所述控制回路的带宽的频率，所述调制器进ー步配置成使用经调制的控制变量使得所述控制回路控制所述功率开关关断的关断时间。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，其特征在于，其中所述控制回路包括 误差放大器，配置成提供表示所述反馈信号和參考信号之间的差值的误差信号；以及 PWM比较器，适于将所述误差信号与流经所述功率开关的电流的感测信号进行比较，所述调制器包括可变增益电路，所述可变増益电路配置成接收所述电流感测信号和所述调制信号并且基于所述调制信号周期性地改变所述可变增益电路的增益。
16.根据权利要求15所述的功率转换器，其特征在于，其中所述可变増益电路配置成接收多个调制信号并且基于所述多个调制信号改变所述可变增益电路的增益。
17.根据权利要求16所述的功率转换器，其特征在于，其中所述可变増益电路包括电阻分压器，所述电阻分压器包括第一电阻，配置成接收所述电流感测信号； 多个第二电阻，耦合至所述第一电阻；以及 多个开关，分别耦合至所述第二电阻， 所述开关配置成分别由所述多个调制信号控制。
18.根据权利要求15所述的功率转换器，其特征在于，所述可变増益电路包括电阻分压器，所述电阻分压器包括 第一电阻，配置成接收所述电流感测信号； 第二电阻，耦合至所述第一电阻； 开关，与所述第一电阻和接地端子之间的所述第二电阻耦合；以及运算放大器，具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入配置成接收所述调制信号，所述第二输入耦合至所述开关和所述第二电阻之间的节点，所述输出耦合至所述开关的控制端子。
19.根据权利要求15所述的功率转换器，其特征在于，所述可变増益电路包括电阻分压器，所述电阻分压器包括 第一电阻，配置成接收所述电流感测信号； 第二电阻，耦合至所述第一电阻；以及 开关，与所述第一电阻和接地端子之间的所述第二电阻耦合，所述开关配置成由所述调制信号控制。
专利摘要本公开涉及一种控制设备和准谐振开关功率转换器。具体而言，描述了一种用于QR开关功率转换器的控制设备，所述功率转换器适于将输入信号转换为DC输出信号，并且其包括连接至所述输入信号并且适于调节所述DC输出信号的功率开关以及磁存储装置。控制设备能够确定所述功率开关的开关频率并且由从反馈电路得到的反馈信号供应，该反馈电路耦合至功率转换器的输出信号；所述控制设备实现通过控制控制变量来调节DC输出信号的控制回路。控制设备包括适于根据至少一个调制信号调制所述控制变量的调制装置，该至少一个调制信号具有高于控制回路的带宽的频率。
文档编号H02M3/28GK202652070SQ20122014301
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月5日 优先权日2011年4月4日
发明者S·德西莫内, C·阿德拉格纳 申请人:意法半导体股份有限公司