[发明专利]隔离开关模式电源中变压器通量密度的控制

说明书

技术领域

本发明一般涉及开关模式电源领域，并且更具体地，涉及隔离开关模式电源的变压器通量密度的控制。

背景技术

开关模式电源(SMPS)是熟知类型的功率转换器，由于其小的大小和重量及其高效率而具有范围广泛的应用。例如，SMS在个人计算机和诸如移动电话的便携式电子装置中广泛使用。SMPS通过在高频率（通常数十到几百kHz）对诸如功率MOSFET的开关元件进行开关而实现这些优点，开关的频率或占空比定义将输入电压转换成期望输出电压所使用的效率。

图1示出具有多个开关装置Q1–Q6的标准隔离SMPS。使用开关装置Q1-Q4控制跨变压器T1的初级侧的电压。使用开关装置Q5和Q6实现跨变压器T1的次级侧电压的整流。

如图1所示，隔离SMPS Q1-Q4的初级侧上的开关装置在全桥式配置中。其它常见的初级侧拓扑是半桥或推拉式。

图1也示出使用中心抽头变压器的隔离SMPS中用于变压器T1的次级侧的标准拓扑。这产生了在变压器T1的次级侧上只使用两个开关装置的全波整流，与使用四个开关装置用于全波整流的单个次级绕组和全桥形成对比。要注意的是，开关装置Q1-Q6具有在开关装置符号中未示出的内体漏极二极管。由于能够使用其它类型，因此，开关装置不限于使用N-MOSFET、P-MOSFET或IGBT。

隔离SMPS的限制是为了防止饱和，变压器的磁通量必须保持平衡。传统上，为平衡磁通量，使用了完全开关循环中的对称占空比。

更具体地，图2中示出用于对称占空比开关的时序图。如果D₁和D₂是分别用于开关装置对（pair）Q1/Q4和Q2/Q3的占空比，则开关周期表示为T。为使变压器磁通量平衡，在每个开关周期中Q1/Q4和Q2/Q3的接通时间应该相同。因此，占空比D₁和D₂应相同。下面陈述使用此类方案的完全开关循环：

1. 时间期：0到D₁T/2：Q1/Q4在传导，并且能量从输入源传送到次级侧。

2. 时间期：D₁T/2到T/2：Q5和Q6均在传导，并且电流通过两个次级侧绕组续流以便使变压器通量平衡。

3. 时间期T/2到T/2+ D₂T/2：Q2/Q3在传导，并且能量被传送到次级侧。

4. 时间T/2+ D₂T/2到T：与2中相同。

然而，与使用对称占空比平衡磁通量有关的一个问题是控制环必须在开关频率的一半运行，这产生了差的负载瞬变响应。也就是说，保持占空比D₁和D₂与开关循环中相同的约束与无此限制的情况相比产生了输出电压控制的减半波长。这产生了差的负载瞬变响应，该响应要求在输出的大电容解耦合组（bank）以便使在瞬变期间的电压偏移保持在可接受级别。

另一方面，如果允许占空比不对称，因而在开关循环内变化，则变压器中的磁通量必须以另一种方式平衡，即，不但输出电压，而且磁通量密度均必须调节。这要求增大控制器复杂性。工业标准PID控制器不能处理此类MIMO系统。

发明内容

鉴于已知SMPS控制策略中的问题，本发明旨在提供用于生成控制信号以控制SMPS的占空比使得SMPS的磁通量密度得以平衡的设备和方法。

根据本发明，提供有可操作以生成控制信号以控制开关模式电源的占空比的控制电路。控制电路包括通量密度计算器和调节器。通量密度计算器可操作以接收包括由控制电路生成的控制信号的反馈信号并且可操作以生成取决于反馈控制信号的平均通量密度信号。调节器可操作以接收生成的平均通量密度信号，并且可操作以依据平均通量密度信号和参考通量密度信号来生成控制信号以控制开关模式电源的占空比。

此外，本发明提供具有此类控制电路的开关模式电源。

另外，本发明提供了一种生成控制信号以控制开关模式电源的占空比的控制方法。方法包括接收包括以前生成的控制信号的反馈信号，生成取决于反馈控制信号的平均通量密度信号，以及依据平均通量密度信号和参考通量密度信号生成控制信号以控制开关模式电源的占空比。

这些特征提供多个优点。例如，由于SMPS的变压器中的磁通量密度通过占空比控制信号来平衡，因此，占空比不要求对称，并且现在能够是非对称的，从而提供了对负载瞬变的改进响应。