用于開關式電源的峰值功率限制和過功率保護的制作方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及開關式電源，具體地涉及用于開關式電源的峰值功率限制和過功率保 護。
【背景技術】
[0002] 開關式電源是并入開關調節器以有效地轉換電力的電子電源。開關式電源從像 主電源之類的源向諸如個人計算機之類的負載傳送功率，同時轉換電壓和電流特性。開關 式電源的傳輸晶體管在低耗散的全接通與全關斷狀態之間不斷地切換，并且在高耗散轉換 中花費非常少的時間，這使得浪費的能量最小化。電壓調節通過變化接通時間和關斷時間 (即，可以改變占空比和周期）實現。具有隔離拓撲的開關式電源包括變壓器，并且因而能 夠產生比輸入更高或者更低的電壓的輸出。一些變換器使用用于能量存儲的變壓器，而其 他變換器使用分立的電感器。
[0003] 在每種情況下，例如由于負載處的短路或者錯誤導致的負載需求的非期望的增 加，能夠導致非常高的功耗。保護免受這樣的過功率和短路情況是期望的。

【發明內容】

[0004] 根據一種具有含初級側和次級側的變壓器的開關式功率變換器的逐周期操作的 方法的一個實施例，該方法包括：在當前周期期間通過將連接到主級側的晶體管從接通狀 態切換到關斷狀態而將初級側處的輸入電壓變換到次級側處的輸出電壓；檢測在關斷狀 態中跨晶體管的電壓中的波谷；確定在下一切換周期中晶體管將在哪個波谷處從關斷狀態 切換到接通狀態；以及確定用于初級側的最大峰值電流限制，超過該最大峰值電流限制則 在下一切換周期中從接通狀態切換到關斷狀態，根據輸入電壓和波谷確定最大峰值電流限 制，在該波谷處晶體管將在下一切換周期中從關斷狀態切換到接通狀態。
[0005] 根據具有含初級側和次級側的變壓器的開關式功率變換器的逐周期操作的方法 的另一個實施例，該方法包括：在當前周期期間通過將連接到初級側的晶體管從接通狀態 切換到關斷狀態而將初級側處的輸入電壓變換到次級側處的輸出電壓；檢測在關斷狀態中 跨晶體管的電壓中的波谷；確定在下一切換周期中晶體管將在哪個波谷處從關斷狀態切換 到接通狀態；以及如果在當前切換周期中滿足或者超過用于初級側的最大峰值電流限制并 且先前確定的波谷是針對其確定最大峰值電流限制的較高的波谷，則強制晶體管在比先前 確定的波谷更早的波谷中從關斷狀態切換到接通狀態，從而允許增加所傳送的功率。
[0006] 本領域技術人員在閱讀以下詳細描述之后，并且在觀看附圖之后將認識到附加特 征和優點。
【附圖說明】
[0007] 附圖的元件相對于彼此不一定成比例。同樣的附圖標記標注對應的部分。各個圖 示的實施例的特征可以被組合除非它們互相排斥。在附圖中描述實施例，并且在以下描述 中詳述實施例。
[0008] 圖1圖示了開關式功率變換器的框圖。
[0009] 圖2是圖示用于圖1的開關式功率變換器的各種切換相關信號的波形圖。
[0010] 圖3示出了用于圖1的開關式功率變換器的根據輸出電壓和電流的不同峰值功率 限制和過功率保護OPP操作區域。
[0011] 圖4是示出在基于中斷的切換周期期間所執行的峰值電流設置和波谷切換程序 的流程圖。
[0012] 圖5是更加詳細地圖示圖4的峰值電流設置程序的流程圖。
[0013] 圖6是更加詳細地圖示圖4的波谷切換程序的流程圖。
【具體實施方式】
[0014] 根據本文所描述的實施例，提供用于開關式電源的峰值功率限制和過功率保護。 峰值功率限制技術通過控制最大峰值電流實現逐周期的峰值功率限制，并且使用高電壓測 量以折返最大峰值電流。提供快速和慢速過功率保護方案二者。快速和慢速過功率保護反 應事件是可編程的（例如，忽略/自動重啟/閉鎖/加電復位）并且可以用非對稱的并且 可編程的向上/向下計數器分別處理以在反應事件之前提供有效的濾波。在快速過功率保 護的情況下，保護輸出和輸出整流器免于過電流操作。可以檢測標志以確定峰值功率限制 是有效的。在慢速過功率保護的情況下，即使未達到這里的峰值功率限制，也保護系統免于 連續的過功率操作（熱保護）。
[0015] 在一個實施例中，對于功率變換器提供具有折返和波谷數反射的峰值功率限制， 該功率變換器使用針對峰值功率限制的峰值電流限制。使用輸入（高）電壓的測量與 QRM(準諧振模式）波谷數一起導出用于當前電壓和波谷的峰值電流限制以產生精確的峰 值功率限制。附加地或者備選地，可以使用強制波谷切換以降低QRM波谷數。如果達到峰 值電流限制但波谷數比存儲在峰值功率限制表中的更高，則由于比預先計算更高的切換周 期導致還未達到峰值功率，并且因此可以降低波谷數。只有達到峰值電流限制并且波谷數 等于最小允許QRM波谷，才達到峰值功率并且發生峰值功率限制。可以與用于快速過功率 保護的計數器一起使用峰值功率限制。
[0016] 提供用于開關式電源的峰值功率限制（PPL)和過功率保護（OPP)技術。PPL通過 控制最大峰值電流IPK_提供逐周期的峰值功率限制并且使用測量的高（輸入）電壓VBulk 折返最大峰值電流，其中VBulk是系統的高、整流AC電壓輸入。PPL提供充分的靈活性，正如 由iLpkmax(VBulk，N1)針對任何波谷N= 1、2、3、4…給出的存儲在具有高電壓Vbulk的索引的 表中（最大峰值電流表符合頻率規律）的最大峰值電流和最小允許QRM(準諧振模式）波 谷（N)。例如，如果有4個QRM波谷，則可以有四個對應的表。在每個表中，單獨的峰值電流 限制值與對于相應的波谷的單獨的輸入電壓值相關聯。與輸入電壓和在下一切換周期中晶 體管將在其處從關斷狀態切換到接通狀態的波谷相關聯的單獨的峰值電流值被選擇為最 大峰值電流限制。此外，波谷數N可以被推進（強制）使得峰值功率操作不具有模糊性，正 如由N N〇pp (Vgulk)萍卩iLpkmax (VBulk) -^Lpkmax(vBulk，N(jpp(vBulk))給出。這可以降低所請求的表 的量，以使只需一個表結合波谷數N和峰值電流限制。本文在具有如圖1所示的隔離拓撲 的開關式電源的背景下描述峰值功率限制和強制波谷切換實施例。
[0017] 參考圖1，示例性開關式功率變換器可以包括諸如DC-DC反激式變換器之類的功 率變換單元100,其具有傳輸晶體管101、諸如變壓器102之類的磁元件以及諸如整流器、電 容器等之類的其他部分（未示出）。功率變換單元100具有提供有DC電壓、高電壓％^的 輸入以及向負載103提供輸出電壓Vtw的輸出。傳輸晶體管101可以是金屬氧化物半導體 場效應晶體管（MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)等，并且被配置為根據相應的控制信 號Vm將變壓器102的初級繞組（P)連接到電壓Vbm。開關式功率變換器可以進一步包括 提供電流感測信號的電流感測（Isen)模塊104,電流感測信號例如，表示流過變壓器102的 初級繞組的電流的（初級）電流感測電壓Ves。切換控制模塊105被配置為生成控制信號 Vm，該控制信號被供應至用于根據控制信號VJt通（導通）和關斷（非導通）晶體管101 的傳輸晶體管101。如果傳輸晶體管101是MOSFET或者IGBT，則控制信號Vm可以被施加 到其柵極。
[0018] 切換控制單元105被配置為控制功率變換單元100的切換操作。在以下示例中， 切換控制單元105被配置為控制功率變換單元100至少在某些環境下操作在準諧振（QR) 模式，即自振蕩模式中。切換控制單元105可以進一步被配置為將電流感測電壓Ves與基準 電壓進行比較。控制信號Vm被設置為當電流感測信號Ves等于或者超過基準電壓時關斷流 到變壓器102中的初級電流。
[0019] 在準諧振模式中，當跨晶體管101的電壓Vd處于（局部）極小值（也被稱為電壓 波谷或者波谷）時，傳輸晶體管101可以被接通。為實現此，開關式功率