用于开关模式电源的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种电子设备，并且更特别地涉及一种用于开关模式电源的系统和方法。
【背景技术】
[0002]电源系统普遍存在于许多电子应用设备中，从计算机到汽车。一般地，电源系统内部的电压通过操作以电感器或变压器加载的开关以执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换来产生。一类这样的系统包括开关模式电源(SMPS)。SMPS通常比其他类型的功率转换系统更有效率，这是因为功率转换通过该电感器或变压器受控的充电和放电来执行，并减少由于阻性电压降上的功率耗散导致的能量损失。
[0003]SMPS通常包括至少一个开关和电感器或变压器。其中，一些具体的拓扑包括降压转换器、升压转换器、反激转换器、以及其他转换器。控制电路通常用来打开和关闭该开关以使该电感器充电和放电。在一些应用中，供给负荷的电流和/或供给负荷的电压经由反馈环受到控制。
[0004]SMPS的一种应用为锂离子电池充电。由于锂离子电池在超过上限电压时易被损坏，所以通常以恒定电流对电池充电直到输出电压达到目标电压。因此，这样的电池充电器可以使用被配置用于提供恒定电流的SMPS。由于这样的电池充电器可以将从来自墙壁插座的AC电流转换为DC电流，所以使用变压器的反激转换器被普遍用来提供从AC市电到被充电的电池的电流隔离。
【发明内容】
[0005]根据一个实施例，一种操作开关模式电源的方法包括通过使用容性耦合到变压器的次级绕组的传感器检测第一电压瞬态，来检测变压器的次级绕组的电压下降。基于检测到第一电压瞬态的时间，耦合到变压器的次级绕组的次级开关被接通。
【附图说明】
[0006]为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图来给出以下说明，其中:
[0007]图1a-C图示一个实施例的反激开关模式功率转换器的示意图以及相关联的波形示意图；
[0008]图2图示一个实施例的传感器电路；
[0009]图3a_c图示描绘一个实施例的同步整流器控制器的操作的波形示意图；
[0010]图4图示一个实施例的同步整流器控制器的集成电路；
[0011]图5a_b图示一个实施例的谐振功率转换器和相关联的波形示意图；
[0012]图6图示一个实施例的方法流程图；
[0013]在不同的图中，相同的附图标记一般指代相同的部件，除非另有指示。图被绘制以清楚地图示优选实施例的相关特征，而不一定按比例画出。为了更清楚地示出某些实施例，附图数字标记后面可能伴随有指示相同结构、材料或过程步骤的变化的字母。
【具体实施方式】
[0014]本发明优选实施例的制作和使用在下面详细论述。然而，应该理解，本发明提供了许多可应用的创新理论，它们可以在各种特定的背景中实施。论述的特定实施例仅以特定的方式示出以制作和使用本发明，而不在于限制本发明的范围。
[0015]本发明将关于具体情境中的优选实施例描述一种用于反激式配置的开关模式电源的系统和方法。本发明的实施例也可以被应用到其他开关模式电源配置以及包括其他电路的其他系统和应用中，所述开关包括但不限于功率系统和电机控制系统。
[0016]在本发明的实施例中，次级侧同步整流器控制器被实现为使用容性耦合到开关模式电源中的变压器的次级绕组的传感器。当传感器检测到瞬变时，耦合到次级绕组的次级侧开关被激活。该瞬变可以对应于由耦合到变压器的初级侧的开关在所述开关被打开时引起的瞬变。
[0017]在一个实施例中，钳位电路被耦合到传感器的输入。因此，如果在传感器检测到次级绕组上的电压瞬变的同时检测到通过钳位电路的电流，那么作为初级侧开关接通的结果，该次级侧开关的激活可以被避免。在一些实施例中，次级开关的关断时间通过测量该次级绕组的去磁时间确定，并且基于前一个周期的去磁时间来关断该次级侧开关。在某些情况下，次级侧开关的定时可以包括死区，所述死区阻止次级侧开关与初级侧开关同时接通。该死区可以通过使用延迟电路和计数器实现。
[0018]图1图示了开关模式反激转换器100，其包括二极管桥式整流器102、变压器106、受控于位于初级侧的控制器126的初级侧开关晶体管122，以及受控于位于次级侧的次级控制器集成电路(IC) 140的初级侧开关晶体管122。二极管桥整流器102将例如可以代表AC市电电压的AC电压Vac转换为耦合到变压器106的初级绕组108的DC电压Vin。来自整流操作的剩余波纹通过输入滤波电容器104滤波。初级侧开关晶体管122的开关动作将变压器106的初级绕组108磁化和去磁，从而以DC输出Vout将功率从初级绕组108传输到次级绕组110。在次级绕组110处的输出电流被受控于次级侧控制器IC140的次级侧开关晶体管112整流，次级侧控制器IC140起到同步整流器的作用。
[0019]如所示，次级绕组110不具有从变压器106的次级侧耦合到变压器106的初级侧的反馈网络。相反地，开关模式反激式转换器100通过监控磁性耦合到变压器106的辅助绕组116的电压获得它的反馈电压。来自辅助绕组116的该反馈电压由管脚ZCD处的控制器126经由分压器监控，所述分压器使用电阻器132和134实现。此外，控制器126可以通过监控在管脚CS处耦合到初级侧开关晶体管122的源极的电流感测电阻器124两端的电压执行初级侧电流的测量。基于取自管脚ZCD和CS处的反馈，控制器126在通过栅极电阻器148耦合到初级侧开关晶体管122的栅极的管脚GD处产生开关样式，以维持大致稳定的输出电压和/或输出电流。在操作期间，功率经由辅助绕组116、二极管118和电容器120向控制器126提供。在启动期间，控制器126可以经由电阻器128和二极管130接收来自电压Vin的功率。在实施例中，实施例的开关模式反激式转换器100的输出电压通过使用低通滤波器滤波，所述低通滤波器包括电感器144和输出电容器114。
[0020]次级侧控制器IC140经由管脚GD提供开关信号给次级侧开关晶体管112，以提供同步整流和提供从变压器106的次级侧向控制器126的通信。在一个实施例中，次级绕组110的状态经由管脚PC输入到次级侧控制器IC140，所述管脚PC经由电容器136被耦合到次级绕组110。
[0021]参看图lb，当节点GD例如在时间^敦活初级侧开关晶体管122时，初级绕组电流Ip上升。初级电流IP上升的斜率基本上与输入电压Vin的电压水平成比例，并且基本上与初级绕组108和变压器的电感L成反比例。即
[0022]dlin/dt = Vin/L
[0023]当初级侧开关晶体管122被激活时，初级绕组108两端的电压基本等于电压Vin，并且次级绕组I1两端的电压基本等于-N22/N21.Vin，其中N21代表初级绕组108的匝数，并且N22代表次级绕组110的匝数。由于在接通时间段^月间，由于初级绕组108和次级绕组110具有相反的绕组指向而使次级绕组110上的电压Vw为负，当初级侧开关晶体管122被激活时，经过次级绕组110的电流Is为零。
[0024]当开关晶体管122例如在时间tl被解除激活时，初级绕组108两端的电压和次级绕组110两端的电压逆转极性，并且上升直到次级绕组110两端的电压基本上对应于输出电压Vout。当初级侧开关晶体管122被解除激活时，初级绕组108被去磁并且将感性存储在初级绕组108中的能量输送到次级绕组110和输出Vout。如所示，当初级侧开关晶体管122被关断时，初级电流Ip在时间tl处下降到零。当初级侧开关晶体管122被激活时，经过次级绕组110的为零的电流Is在时间tl处急剧上升并且然后开始下降。
[0025]由于位于辅助绕组116和初级绕组108之间的感性耦合，初级侧开关晶体管122被激活期间(即，当驱动电压GD为高时)，辅助电压Vw的电压水平基本对应于
[0026]Vw = N23/N21.Vin
[0027]其中N23表示辅助绕组116的匝数。当初级侧开关晶体管122没有被激活时(即，当节点GD为低时)，辅助电压Vaux的电压水平基本对应于
[0028]Vaux = N23/N22.Vout
[0029]只要经过次级绕组110的电流Is没有下降到零。当次级侧电流Is下降到零时，即当变压器变为完全去磁时，次级侧电压以及因此辅助绕组电压Vw变为零。在当变压器106已经去磁的同时，寄生效应、例如变压器的寄生电容可能导致辅助电压Vw的振荡或瞬时振荡，如在Vw图线中时间t2开始时。瞬时振荡发生的原因是变压器106的次级侧的同步整流器逆转极性并对次级绕组110呈现为开路。因此，初级侧开关晶体管122的漏极处的阻抗呈现为并联谐振