[发明专利]光电耦合感测中的改进或与其相关的改进

说明书

技术领域

本发明涉及信号的光电耦合，其可以在信号的发送和接收之间需要电气隔离时使用。

背景技术

在例如功率变换器中，输入（例如120V交流线路、240V交流干线或者来源于未调节直流的线路或干线）和输出（5V直流、19V已调节直流）之间的电气隔离常常是强制性的。主要的转换电路可以通过变压器提供隔离，然而很可能需要从输出（变压器次级侧）到输入（变压器初级侧）的一定形式的反馈，以至于初级侧的控制电路可能影响调节。在此路径中隔离也是必需的，并且一种实现方式是用光电耦合器来实现。存在很多用于多种不同应用的可购买的光电耦合器设备。对于功率变换器，合适的设备例如可以是来自Fairchild Semiconductor的MOC205和H11A817。

不利的是，为了隔离的目的而用光电耦合连接取代有线连接的一个后果是光电设备消耗功率。

下一代交流/直流膝上型电脑适配器需要满足在待机功耗上越来越严格的限制，其中所述限制由欧洲委员会的生态化设计指令（EcoDesign Directive）、能源之星（Energy Star）规范和其他规范以及由设备制造商制定的商业规范强制推行。当前，提出了满足30mW待机功率限制的设计。

达到如此低的待机功耗要求所采取的每一步都要减少不必要的功率损耗。这包括减少例如偏置功率、电压感测损耗和控制反馈系统损耗的步骤。这些交流/直流适配器的大体构造具有两个功率转换级。第一级用于控制适配器的功率因数，而第二级用于调节并隔离输出。在典型设计中，第二级由控制电路和开关组成以便控制从第一级到第二级的供电连接，从而满足负载需求所要求的输出调节。需要一定种类的反馈信号（FB）以允许控制电路感测输出的状态。这种信号本质上可能是线性的或滞后的。线性FB信号与输出成正比或成反比，滞后FB信号具有指示控制器的切换/不切换命令的两种状态。

然后控制器适当地操作功率级开关。不利的是，FB信号的产生通常在输出高于期望的控制设定点（其通常与轻负载或无负载下的操作相关联）时损耗最多。这主要是由于用于横跨必要的隔离阻障转移FB信号的光电耦合器的操作感测是，在线性FB信号的情况下，当输出电压（Vo）大于所需的调节设定点（Vset）时，光电耦合器LED中的电流增长到其最大值。在滞后FB信号的情况下，当输出电压（Vo）大于所需的调节设定点（Vset）时，光电耦合器LED里的电流被开启。两种情况的净效应是最大LED电流发生在最小负载下。

很明显，开启LED需要电流。与其相关联的功率损耗通常可能为28mW（例如通过适当的偏压电阻器从19V输出获取大约1.5mA）或对于新设计来说占总待机功率预算的大约95%。

光电耦合器配置的兴起是因为当输出电压为零时，例如在启动事件中，所需要的光电耦合器LED的状态是关闭，这是唯一可用的LED状态，因为没有功率源可用于开启LED。控制器的默认操作接着开始切换以增加输出电压，该输出电压正是对系统进行调节所需要的。

在典型适配器配置（图1）中，第一级10提供来自例如240/110伏的干线/线路输入的中间直流电压到输出11上。第一级可以是功率因数校正级，但是其准确的功能与本发明没有密切的关系。第二级12提供调节并且被显示为耦合到回扫（flyback）级的变压器，但是这仅仅是可被使用的多种类型的第二级中的一种。第二级的显著要求是其能够在施加负载时将输出（Vo）调节到期望电平，以及其提供输出与例如大致90V直流的中间电压的电气隔离。

调节将受到应用控制信号114到开关15的影响，其中开关15将变压器初级绕组16连接到中间级供电，由此供应更多的功率到次级（输出）侧。控制器设备或电路16响应于FB信号17指示输出电压是否在期望电压Vset之上或之下而产生控制信号14。FB信号17由光电耦合器接收并如下产生，其中该光电耦合器包含光敏晶体管18和发光二极管（LED）19。

FB光电耦合器18、19即U4被运算放大器100驱动，该运算放大器100放大输出的有条件形式（Vo）与期望电压Vset之间的差值，以便经过LED 19的电流在Vo>Vset时存在并且在Vo<Vset时消失。此FB由控制器16接收，该控制器16用于控制开关15以将输出电压调节到对应于Vset的电压，因此LED 19中的电流被放大器有效地设置，从而维持Vo在Vset或在高于Vset的调节范围内的数值。如果Vo下降到Vset以下，光电耦合器电流变为零。零电流表明占空比应该被增加以增大Vo。