[发明专利]用于具有低空载功率的切换模式电源的负载改变检测

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求本发明人于2012年10月10日提交的、序列号为61／712,183并且标题为“Intermediate Valley Switching Mode Converter”的共同待决的美国临时申请的根据35U.S.C119(e)的优先权。本申请通过引用将序列号为61／712,183的美国临时申请整体并入本文。

技术领域

本发明总体涉及功率转换器的领域。更具体而言，本发明涉及配置为使切换模式电源的空载功率最小化的功率转换器架构。

背景技术

电源或功率转换器将电功率的一种形式和电压转换为另一种的期望形式和电压。交流到直流电源将交流电压(例如共用事业公司供应的115或230伏特交流(AC))转换成经调节的直流(DC)电压。直流到直流电源将一个电平的直流电压(例如400V)转换成例如12V的另一直流电压。

切换模式电源SMPS是包含开关调节器的电源。SMPS在全饱和与全截止之间以高速率主动切换晶体管。所得矩形波形继而通过低通滤波器(通常为电感器和电容器(LC)电路)以实现近似的输出电压。

SMPS利用变化的占空比使用高频开关(晶体管)来维持输出电压。由切换引起的输出电压变化由LC滤波器滤除。SMPS可以用于降压(step-down)电源电压以及提供升压(step-up)功能和反转输出功能。SMPS通过暂时存储输入能量并且继而以不同电压释放能量至输出来将输入电压电平转换成另一电平。存储可以在诸如电感器和／或变压器之类的电磁部件或者诸如电容器之类的静电部件中。负载耦合至输出以利用所递送的能量。当没有负载耦合至功率转换器的输出时，存在空载功率状况。空载功率消耗是当功率转换器耦合至输入电源但是未连接负载(诸如当将功率充电器插入墙壁插座但是没有移动电话或其它手持设备连接时)时由功率转换器消耗的能量。

通过引入诸如由脉宽调制(PWM)操作的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的高速复合半导体开关，近来的SMPS拓扑结构现在能够以大幅增加的切换频率操作，诸如高达1.0MHz。然而，为了减小SMPS的空载功率，需要最小化切换频率和每个脉冲传送至次级侧的功率量。

传送至次级侧的功率是P=Wp*fs，其中Wp是每个脉冲传送的能量并且fs是主开关的切换频率。为了最小化空载功率，所传送的功率P必须尽可能小，这是因为其必然由基本负载消耗。否则在没有负载连接的情形下输出电压上升。脉冲必须具有最小脉冲宽度以确保一些能量传送至次级侧。为了最小化传送的功率P，需要减小每个脉冲传送的能量Wp和切换频率fs。

现代SMPS控制器通过测量在变压器绕组处的反射电压来控制输出电压和电流。如果每个脉冲所传送的能量非常低，则非常难于检测输出电压，这是因为反射的脉冲受寄生效应影响。如果频率非常低，则仅可以通过大的延迟检测输出电压的改变。因此，对于负载改变的快速响应几乎不可能。

发明内容

一些实施例涉及用于最小化由功率转换器消耗的空载功率的功率转换器电路和方法。功率转换器电路包括变压器和耦合至初级绕组的主开关。主开关通过受控驱动电路接通(ON)和断开(OFF)。在主开关接通时，启动通过初级绕组的初级电流。