[发明专利]具有初级侧和次级侧之间的数据通信功能的隔离开关电源转换器

说明书

本公开发明专利名为“具备初级侧和次级侧之间的数据通信能力的隔离开关电源转换器。”本发明公开了一种隔离开关电源转换器，其具有在电压器次级侧和初级侧之间进行信号通信的功能。所述隔离开关电源转换器包括变压器、初级侧开关、次级侧开关、初级侧控制器和次级侧控制器。所述变压器包括与所述输入端和所述输出端进行信号通信的初级绕组和次级绕组。所述初级侧控制器位于所述初级侧上,并且所述次级侧控制器位于所述次级侧上。所述初级侧控制器提供用于操作所述初级侧开关的控制信号。所述次级侧控制器用于检测所述次级侧开关上的电压，并提供用于操作所述次级侧开关的控制信号。并且，所述次级侧控制器可以在设定时间内断开所述次级侧开关以将数据信号传输到所述初级侧控制器。

技术领域

本申请涉及开关电源转换器，并且更具体地讲，涉及用于将数据信号从隔离开关电源转换器的次级侧传输到初级侧的系统。

背景技术

隔离开关电源转换器向负载提供可调节电力，同时提供负载和电源(诸如交流(AC)电源)之间的电气隔离。为了提供电气隔离，隔离开关电源转换器(例如，反激转换器)包括具有通过桥式二极管整流器耦接到AC电源的初级绕组的变压器，并且包括耦接到输出节点的次级绕组。耦接到初级绕组的部件统称为电源转换器电路的初级侧。类似地，耦接到次级绕组的部件统称为电源转换器电路的次级侧。输出节点向负载提供可调节输出电压和/或可调节输出电流。整流器(诸如二极管桥)对AC电源进行整流以向隔离开关电源转换器提供整流输入电压。

初级侧电源开关(也称为电源开关晶体管或简称为“电源开关”)控制能量到输出负载的递送。在电源开关的第一(闭合)状态下，已整流输入电压为初级绕组电流供电，该初级绕组电流通过初级绕组和电源开关传导到接地部中。通过初级绕组电流的传导将能量存储在变压器中。当电源开关接通时，次级侧整流器(诸如输出二极管或同步整流器开关晶体管)防止次级绕组电流在次级绕组中流动。在电源开关的第二(断开)状态下，初级绕组电流停止，并且次级侧整流器允许次级绕组电流传导，从而对输出电容器充电并向负载供应能量。

尽管输出二极管是无源的，并且因此不需要同步整流器控制来执行次级绕组电流的次级侧整流。但与使用同步整流器相比，使用输出二极管降低了效率。因此，广泛使用同步整流以提高效率。同步整流器开关晶体管通常是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。为了控制同步整流器(SR)开关MOSFET的开关，SR控制器监测SR MOSFET上的漏极至源极电压。基于该漏极至源极电压，SR控制器检测初级侧电源开关是否已经断开，使得可以接通SR开关晶体管。例如，如果SR开关晶体管是n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管，则SR控制器通过将SR开关晶体管的栅极至源极电压增加到高于其阈值电压来接通SR开关晶体管。

初级侧还包括用于控制电源开关的闭环控制回路以调节输出电压(或输出电流)的初级侧控制器。为了正确调节输出电压，初级侧控制器需要以某种方式测量输出电压。例如，具有初级反馈的转换器实施方案中的初级侧控制器可以通过检测辅助绕组在变压器重置时间的电压来间接测量输出电压。但通常更准确的是，次级侧控制器直接测量输出电压并且通过隔离信道(诸如光隔离器)将输出电压的测量值传输到初级侧控制器。由于通过次级侧控制器测量输出电压，因此该调节方式可以被定义为次级侧调节。在次级侧调节中，光耦合器将输出电压的测量值反馈到初级侧控制器。然而，光耦合器具有占用空间多，成本增加，可靠性等方面的限制。并且不同光耦合器的电流传输比存在较大的差异性。有关基于光耦合器的通信的另一个问题是其传输速度相对较低。尽管高速数字隔离器可用作光耦合器替代方案，但数字隔离器对于低成本隔离开关电源转换器而言可能过于昂贵。