专利名称：具有升压辅助线圈电源的开关式调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关式功率调节器电路，尤其是一种具有辅助线圈电 源的开关式功率变换器，其辅助线圈电源包括一个用来增加可用电压的电 压提升电路。
背景技术：
为了给开关式功率变换器的控制电路提供电源，辅助线圈时常被采用， 尤其是在启动时候变换器输出电压升高不足，或者使用中变换器输出或输 入的内部低压辅助电源失效或者效率很低，例如在高压输入变换器中。由 于辅助电源通常不需要提供太大电流，用来滤除辅助电源输出的大的交变
电流的滤波电容或LC电路与变换器的输出滤波器相比是非常小的。因此， 辅助电源的电压能够比变换器的输出端更迅速的提升，并且比变换器本身 的输出更早的作为控制电路的电压源来使用。
但是，即使是辅助线圈电源装置也需要时间，使得用来^l除来自辅助 电源的大的交变电流的变化量的滤波电容或者LC电路达到足够的电压来驱 动控制电路。因此，在变换器切换电路在控制电路没有辅助线圈驱动的时 候仍然需要一个启动延迟时间。
因此，提供一种辅助电源电路以及一种在开关式功率调节器的启动周 期中更早的时候为控制电路以及/或者其它电路提供驱动电压的方法就非 常有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够由一个辅助线圈在开关式 变换器的启动周期中更早的为控制电路以及/或者其它电路提供驱动电压 的开关式变换器，以及这种开关式变换器的驱动方法。
为解决上述技术问题，本发明开关式变换器的技术方案是，包括一个 感应存储元件，该感应存储元件包括至少一个初级线圈和一个辅助线圈。 所述辅助线圈连接到一个电压提升电路，所述电压提升电路由于交变的磁 感应切换使得辅助线圈的可用电压足够高，因此就可以在开关式变换器的 启动周期中更早的为控制电路以及/或者其它电路提供驱动电压。电压提升 电路可以使用辅助线圈的漏电感，从而降低漏电感的增加，或者使用另外 的电感作为电压提升电路的感应存储元件。
为了提高驱动电压提升的速度，电压提升电路的切换速度比开关式变 换器的切换速度更高。由驱动开关式变换器的控制电路提供的极性信息， 并用来主动调整辅助线圈的输出。电压提升电路可以与开关式变换器的控 制电路，以及可选择性的与切换电路集成在一个单独的晶圆上。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1本发明开关式变换器一个实施例的结构图2A为图1所示的实施例中电压提升电路12的一个实施例的结构图； 图2B为图1所示的实施例中电压提升电路12的另一个实施例12A的 结构图；图3A为图2A中电压提升电路12的信号图3B为图2B中电压提升电路12A的信号图4为图2A中电压提升电路12的另一个实施例的信号图。
具体实施例方式
本发明提供了一种为开关式功率变换器内部的控制电路以及/或者其 它电路提供电源的电路及方法。所述电路由一个开关式功率变换器的辅助 线圈驱动，并且包括一个用来提高辅助线圈的可用电压的电压提升电路， 使得控制电路以及/或者其它电路在开关式功率变换器的启动周期中，在其 它被动滤波整流辅助电源电路供电之前提供足够的驱动电压。
如图1所示为本发明开关式功率变换器的一个实施例。切换控制器10 提供一个切换控制信号CS，用来控制一个由晶体管N1构成的切换电路。当 晶体管Nl导通时，感应存储元件由于输入电压Vw加载到电感Ll而由电感 Ll驱动，使得电感L1的电流线性增长。当晶体管N1断开时，电感L1释放 功率，并通过二极管D1流入电容C1，使得输出端OUT的电压增加。所述变 换器可以采用buck变换器(buck converter)电路，其能够根据一个通过 电阻Rl产生的反馈电流1。ut，以及由输入电压V^通过电阻R2产生的输入感 应电流Iin控制提供给输出端OUT的电压。 一个电流分流器电路(current splitter circuit) 13接收电流IQUT以及Iin，并且由于电容C2通过二极管 D10和Dll中的至少一个进行充电从而在辅助电源电压VAux提供最初的驱动 电流。
电流分流器电路13提供的为电容C2充电的电流足够驱动控制器10，但是在没有电压提升电路12对电容C2进一步充电的情况下不够驱动晶体 管N1的栅极从而使其进行切换动作。在首次切换晶体管N1为电容器C2再 次充电，使得电压维持在足够高的水平从而驱动控制器10，并且在多次切 换之后产生辅助电源电压V皿的同时，电压提升电路12启动。本发明所描 述的包含有电压提升电路12的辅助电源电路如图1所示，其在晶体管Nl 的第一个切换周期之后，控制器10的驱动电流和切换晶体管Nl的栅极的 电流就产生了。图1中所述的buck变换器仅仅是本发明应用电压提升电路 的开关式电源电路的一个实例。但是，其它形式的开关式电源电路以及本 发明下文描述的技术也可以构成本发明其它形式的开关式电源电路的实施 例。
在本发明中，用来驱动控制器10的临时电源(或者其它可选延时电源) 由电压提升电路12提供，其接收来自于电感Ll的一个辅助线圈aux的信 号，并且产生一个辅助电源电压VAUX。因为在晶体管Nl导通的时候，输入 电压V^加载到Ll的初级线圈，辅助线圈aux上就会产生电压，并且大小为 VINXNaux/N，其中V^是输入电压V^的值，N皿是辅助线圈aux的圈数，N是 电感L1的初级线圈的圈数。在启动时，输入电压V^也在增加，可能增加的 非常缓慢。例如，如果设计电源是60Hz的交流电源，调整后的波形为120Hz 半正弦波形，其提升速率很慢。因此，辅助线圈aux的可用电压提升的也 很慢，有可能延迟为电源控制器10供电的电源电压V皿提高到足够高的时 间。
本发明中，电压提升电路12通过使电源电压V皿提高到比辅助线圈aux的可用电压的最大值更高，更早的为电源控制器10提供了可用的并足够大
的电源电压VAUX。多种适合于提高电源电压VAUX的电压提升电路将在特定的 附图中被进一步描述。本发明实施例中， 一些电压提升电路需要有控制信
号CSA和CSB， 一些则不需要。因此，当控制器10在下文描述中由于驱动 电压提升电路12而包括特定的电路，下文对于特定的电压提升电路将有非 常清楚的说明指出，应用控制器10时，可能只提供需要的信号。在本发明 的一些实施例中， 一个时钟提升电路14提供一个脉冲提升信号CSB，其速 率足以比切换控制信号CS更高(例如4MHz相比100KHz)，从而使辅助线圈 aux的可使用的相关的低电压获得数倍的提升，从而使得电源电压V腿在功 率切换变换器电路的启动周期中较早的达到需要的水平。另外一个控制信 号CSA，与切换控制信号CS相同，可以用来指示线圈aux的电压的极性， 并用来与电压提升电路12 —起主动调整辅助线圈aux所提供的电压，在没 有所需要的感应电流的启动极性的指示，以及辅助线圈与感应存储元件的 初级线圈的极性对应关系的情况下，提供输出电压V皿的正负极的识别。
另外，因为提升动作有可能使得电源电压VAUX的电压值达到比所需要的
水平更高，在成倍提升脉冲信号的例子中，脉冲数决定了提升量，而一个 过压电路16可以终止时钟提升电路14产生提升所用的脉冲信号。过压电 路16像稳压器一样，可以确保电源电压VAux多余的电压增加，在达到一个 极限电压时通过对电源电压V皿放电而完全被阻止。最后，由于特定的工作 环境例如由于突然的脉冲而造成的空载，以及由于辅助线圈电压变小而造 成的低电压，电源电压Vaux会降到很低。 一个欠压探测器18可以继续利用电压提升电路12提供电压提升从而恢复电源电压VAUX。
在本发明的一个较佳实施例中，由于设计电感L1，在正常负载情况下， 辅助线圈aux所提供的电压对所需要的通过被动调整得到的电源电压VAUX 来说足够大。主动提升动作和可选的主动调整能够在启动阶段的早期被终 止，在欠压发生时被再次启动。
图2A所示的为图1中所示的电压提升电路12。辅助线圈aux耦合连接 到一个由晶体管N4构成的提升幵关，该提升开关由控制信号CSA控制，从 而提供使电感Ll的辅助线圈aux和可选的附加电感L2短接的提升脉冲。 电感L2为可选元件，如果辅助线圈aux的漏电感不足以提供提升电压，电 感L2与辅助线圈aux串联。辅助线圈aux输出的主动调整由一对直接连接 根据辅助线圈aux的电流方向而短接的端子AUX1或AUX2的晶体管N2和N3 完成，使得节点VB。。sTA有正电压。反相器I1将控制信号CSB反相，从而提供 适当的极性来控制晶体管N3。 二极管D3和D4确保耦合到由晶体管N4构成
的提升开关的任意一个节点的电压都至多为一个二极管的压降(例如， -0. 7V)。 二极管Dl和D2将能量通过正脉冲传递至提供电源电压V皿的电容 C2。正电源的提供如图所示，负电源也可以通过元件极性的变化来实现。
图3A所示的内容关于图1中所采用的如图2A所示的电压提升电路12 的实施例。轨迹L描述了电感L1初级线圈的电流。控制信号CS显示了切 换控制信号控制电感L1中电流方向的情形。控制信号CSA提供了三个提升 脉冲，使得电源电压V肌根据节点V画TA的电压的大小在每个控制信号CSA 的脉冲结束之后被同步提升。在第三个脉冲之后，电源电压V皿已经超过过压极限VQl，激发了终止控制信号CSA脉冲的产生的过压探测器16的输出 ov。以电压、为例，其电压值足够低，从而使得电源电压V皿能够持续产 生提升脉冲。在提升脉冲终止之后，开关式功率变换器就开始稳定工作， 之后辅助电源的运转继续工作，通常不需要提升动作，除非发生了空载， 以及上文提到的低压运转。在这种实施例中，主动调整发挥作用，在节点 VB,B和节点V,ta交替提供正电压，电源电压V 的衰减仅仅在电感Ll当前 没有电流的时候发生，这时处于不连续状态(DCM)。
图2B所示为图1中的电压提升电路的另外一种实施例电压提升电路 12A。在电压提升电路12A中，二极管D5串联连接到只有在二极管D5的阳 极接正极时才导通的提升切换晶体管N5。控制信号CSA用来控制晶体管N5， 将辅助线圈aux的漏电感，连同当控制信号CSA的脉冲信号有效时的可选 提升电感L2—起短接。在每个控制信号CSA的提升脉冲的最后，所提升的 通过辅助线圈aux和提升电感L2的电压Vx加载到电容C3从而在节点V,tc 产生一个电压，从而通过二极管Dl给所述的电容C2充电，这与上文中图 2A的电压提升电路12相类似。图2B所示的电压提升电路12A与图2A所示 的电压提升电路12相比具有使用更少的元件的优点，但是没包含图2A所 示的电压提升电路12的主动调整功能，以及因此根据通过辅助线圈aux(以 及通过提升电感L2)的电流的信号极性而产生的已提升的电源电压VAux。
图3B所示的内容关于图1中所采用的如图2A所示的电压提升电路12 的实施例。轨迹L描述了电感L1初级线圈的电流。控制信号CS显示了切 换控制信号控制电感L1中电流方向的情形。控制信号CSA提供了三个提升脉冲，使得电源电压V皿根据节点VB。。sT。的电压的大小在每个控制信号CSA 的脉冲结束之后被同步提升。在第三个脉冲之后，电源电压Vm已经超过过 压极限V。u激发了终止控制信号CSA脉冲的产生的过压探测器16的输出
OV。以电压L为例，其电压值足够低，从而使得电源电压VAux能够持续产
生提升脉冲。电源电压V皿的波动与图2A所示的电压提升电路12相比会稍 微高一些，这是因为电容C2仅在电流L增加的时候充电，此时辅助线圈端 AUX1相对于AUX2端为正电压。
上述实施例中，电感Ll初级线圈相对于辅助线圈aux的匝数比要足够 小，从而使得启动时，最初的脉冲迅速对电容C2进行充电之后，在每个切 换周期中最大负载时辅助线圈aux中有足够的能量对电容C2进行充电。但 是，这样的操作会由于电容C2在启动后产生的电压比连接到辅助电源的电 路所需要的电压更高，从而明显降低整个功率变换器的效率，这会导致在 C2的电压调整控制器10的驱动电路所用的电压到一个更低的值时而浪费能 源。本发明的其它实施例中，可以提高电感L1的匝数比，减少启动后电容 C2的电压，在启动中的一个微小的延时之后，电压提升电路会使电压提高。
图4所示的内容关于图1所示的电路中采用的如图2A所示的电压提升 电路另一个实施例。图4所示内容与图3A相似，这些附图中的区别将在下 文中描述。当辅助提升电路12如图4所示的方式工作时，其采用的电路也 可以是如图2B所示的电压提升电路12A。与图3A中所示的工作方式相比， 图4中，控制信号CSA在电源电压VAux提升到过压极限I,以及终止产生控 制信号CSA的脉冲之前，为几个周期的控制信号CS提供提升脉冲。在提升
14脉冲被终止，以及开关式功率变换器稳定工作之后，辅助电源继续工作， 并仅在需要的时候提供提升动作。
本发明在相关的较佳实施例中已经被明确的描述，在没有超出本发明 的描述范围，本领域技术人员能够理解前述内容以及形式上的各种变化。
权利要求
1.一种开关式电源电路，其特征在于，包括一个感应存储元件，其将所述开关式电源电路的输入耦合连接到所述开关式电源电路的输出，并且具有一个初级线圈和一个辅助线圈；一个切换电路，用来控制对所述感应存储元件提供功率，该功率从连接到所述开关式功率电路的输入的输入电压源提供给所述感应存储元件的初级线圈；一个控制电路，耦合连接到所述切换电路，用来根据所述开关式功率电路的输出端提供的反馈信号产生控制信号驱动所述切换电路；一个电压提升电路，具有一个耦合连接到所述感应存储元件的辅助线圈的提升输入端，所述感应存储元件至少在所述开关式功率电路启动时由提升输出提供控制电路的电源，其中电压提升电路在提升输出端提供的电压足以比所述开关式功率电路启动式提升输入端的电压更高。
2. 根据权利要求1所述的开关式功率电路，其特征在于，所述电压提升电路利用所述辅助线圈的漏电感，通过在一段时间内充分的短接辅助线 圈，并在这段时间结束之后在辅助线圈的提升输出端产生一个提升过了的 并且通过辅助线圈的可用电压。
3. 根据权利要求1所述的开关式功率电路，其特征在于，所述电压提 升电路包括一个与所述辅助线圈串联连接的第二感应存储元件，其中所述 电压提升电路通过在一段时间内充分短接串联连接的第二感应存储元件和 辅助线圈，并且在这段时间结束之后，在串联连接的第二感应存储元件和 辅助线圈的提升输出端，得到一个穿过所述辅助线圈的可用电压。
4. 根据权利要求1所述的开关式功率电路，其特征在于，所述电压提 升电路包括一个主动切换开关，用来根据一个提升脉冲信号提供一个穿过 辅助线圈的低阻抗通路，在提升脉冲信号结束之后，所述辅助线圈的漏电 感或者与所述辅助线圈串联的电感会产生一个电压，该电压足以比穿过辅 助线圈的可用的开路电压更高。
5. 根据权利要求4所述的开关式功率电路，其特征在于，所述提升脉 冲信号是一个多脉冲信号，并且所述开关式功率电路中切换电路的切换速 率的周期数倍于该提升脉冲信号。
6. 根据权利要求5所述的开关式功率电路，其特征在于，还包括一个 第一探测器，用来探测所述电压提升电路的输出值超过一个第一预定电压， 并且根据所述第一探测器的输出终止所述提升脉冲信号。
7. 根据权利要求6所述的开关式功率电路，其特征在于，还包括一个 第二探测器，用来探测所述电压提升电路的输出值低于一个第二预定电压， 并且根据所述第二探测器的输出重新启动所述提升脉冲信号。
8. 根据权利要求1所述的开关式功率电路，其特征在于，还包括至少 一个主动调整开关，用来辨别与电压提升电路输出对应的辅助线圈输出的 极性，电压提升电路的提升输出能够在感应存储元件被加载或者失去加载 的时候产生。
9. 根据权利要求8所述的开关式功率电路，其特征在于，至少一个主 动调整开关，该开关与控制所述切换电路的控制信号协调一致。
10. —种控制开关式功率电路的方法，其特征在于，包括 切换感应存储元件初级线圈的输入电压源，使功率传送到开关式功率电路的输出，其中感应存储元件具有初级线圈和辅助线圈；控制切换时间，使其与由开关式功率电路的输出提供的反馈信号一致; 提升所述感应存储元件辅助线圈的电压，用来为至少在开关式功率电 路的启动阶段起控制作用的控制电路提供能源，该电压的提升使得提升输 出电压足以比开关式功率电路启动阶段是的辅助线圈的电压更高。
11. 根据权利要求IO所述的控制开关式功率电路的方法，其特征在于， 所述电压的提升包括充分短接辅助线圈在辅助线圈的漏电感中存储能量， 然后终止短接从而提升辅助线圈的可用电压并且将辅助线圈接至提升输 出。
12. 根据权利要求IO所述的控制开关式功率电路的方法，其特征在于， 所述电压的提升包括充分的短接串联连接的辅助线圈和另一个提升电感， 用来在该提升电感中存储能量，然后终止短接，使辅助线圈产生一个可用 电压并将辅助线圈接至提升输出。
13. 根据权利要求IO所述的控制开关式功率电路的方法，其特征在于,所述电压的提升包括根据提升脉冲信号主动切换通过辅助线圈的低阻抗通路； 提升脉冲信号结束时通过辅助线圈的低阻抗通路断开，所述辅助线圈的漏电感或者与辅助线圈串联的电感产生一个足以比辅助线圈的开路可用电压更高的电压。
14. 根据权利要求13所述的控制开关式功率电路的方法，其特征在于， 所述提升脉冲信号是一个多脉冲信号，并且切换的切换速率的周期数倍于 该提升脉冲信号。
15. 根据权利要求14所述的控制开关式功率电路的方法,其特征在于， 还包括第一探测步骤，探测所述电压提升电路的输出值超过一个第一预定电压；当第一探测步骤探测到电压提升电路的输出值超过所述第一预定电压 时，停止提升脉冲信号的产生。
16. 根据权利要求15所述的控制开关式功率电路的方法，其特征在于， 还包括第二探测步骤，探测所述电压提升电路的输出值低于一个第二预定电压；当第二探测步骤探测到电压提升电路的输出值低于所述第二预定电压 时，继续产生提升脉冲信号。
17. 根据权利要求16所述的控制开关式功率电路的方法，其特征在于， 还包括主动调整辅助线圈的输出，使得当感应存储元件在加载或者失去加 载的时候能产生电压提升。
18. 根据权利要求17所述的控制开关式功率电路的方法，其特征在于， 主动调整根据控制所述切换电路的控制信号而发生。
19. 一种集成电路，其特征在于，包括一个切换控制电路，用来根据为所述集成电路提供的反馈信号，控制 一个对穿过一个初级线圈的外部感应存储元件加载的开关；一个电压提升电路，将输入耦合连接到一个提升输入端，使得集成电 路耦合连接到外部感应存储元件的辅助线圈，所述电压提升电路至少在集成电路启动阶段从提升输出为切换控制电路提供电源，所述电压提升电路 在提升输出端提供的电压足以比集成电路启动阶段时提升输入的电压更 高，所述电压提升电路包括一个主动开关，其根据提升脉冲信号提供一个 穿过所述辅助线圈的低阻抗通路。
20. 根据权利要求19所述的集成电路，其特征在于，所述提升脉冲信 号是一个多脉冲信号，并且所述开关式功率电路中切换电路的切换速率的 周期数倍于该提升脉冲信号。
21. 根据权利要求20所述的集成电路，其特征在于，还包括一个第一 探测器，用来探测所述电压提升电路的输出值超过一个第一预定电压，并 且根据所述第一探测器的输出终止所述提升脉冲信号。
22. 根据权利要求20所述的集成电路，其特征在于，还包括一个第二 探测器，用来探测所述电压提升电路的输出值低于一个第二预定电压，并 且根据所述第二探测器的输出重新启动所述提升脉冲信号。
23. 根据权利要求19所述的集成电路，其特征在于，还包括至少一个 主动调整开关，用来辨别与电压提升电路输出对应的辅助线圈输出的极性， 电压提升电路的提升输出能够在感应存储元件被加载或者失去加载的时候 产生。
24. 根据权利要求23所述的集成电路，其特征在于，至少一个主动调 整开关，该开关与控制所述切换电路的控制信号协调一致。
全文摘要
本发明涉及具有升压辅助线圈电源的开关式调节器。本发明公开了一种开关式功率变换器电路中，在变换器启动阶段前面为控制电路或其它电路提供驱动电压，具有提升功能的辅助线圈电源。一个电压提升电路具有一个输入端，耦合连接到所述辅助线圈，至少在开关式功率变换器的启动阶段由辅助线圈提升可用电压。提升后的电压比在开关式功率变换器启动阶段通过辅助线圈的电压更大。电压提升电路可以主动切换速度相比开关式功率变换器的切换速率更高，从而增加驱动电压的上升速度。开关式功率变换器控制电路可以提供极性信息，用来主动调整辅助线圈的输出。
文档编号H02M1/08GK101630901SQ20091000570
公开日2010年1月20日 申请日期2009年1月24日 优先权日2008年1月30日
发明者卡尔·汤普森, 玛洛·L·盖塔洛, 约翰·L.·梅尔森 申请人:美国思睿逻辑有限公司