CN101162869A - 一种开关电源输出电压的采样反馈电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了应用于开关电源电路中的一种开关电源输出电压的采样反馈电路，其采用分离元件构成，结构简单，系统稳定性强，成本低。本发明包括电压采样电路、误差放大电路、隔离转换电路，开关电源的输出电压Vo通过电压采样电路的电压信号输入端输入，进行分压得到采样信号，且电压输入信号Vo同时作为误差放大电路的供电，采样信号通过误差放大电路的采样信号输入端输入，转换为电流型误差信号输出到隔离转换电路的误差电流信号输入端，进行电气隔离得到反馈输出信号Vfb。

Description

一种开关电源输出电压的采样反馈电路

技术领域

本发明涉及一种电压信号的反馈电路，尤其涉及一种开关电源输出电压的采样反馈电路。

背景技术

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，开关电源在电源技术中占有重要地位，现代电源大都采用此项技术，其优点是降低原材料消耗，小型化，系统动态反应快，效率高，有效抑制噪声污染。

当今绝大部分开关电源都是采用PWM脉宽调制技术，先对市电进行基本的整流滤波，把交流信号变为直流。而后通过开关器件的高频开关动作，把该直流电压转变为高频的交流电压，利用变压器的隔离和耦合作用，在电源输出侧感应出一隔离的高频交流电压，并对之进行整流滤波，产生对负载提供的直流电压。

为使输出直流电压稳定，必须对该电源输出电压的误差信号进行采样与放大，并反馈到输入端，通过PWM比较器，改变开关器件导通截止的占空比，完成一个负反馈来调节输出电压的稳定性，控制输出电压纹波的大小。

本发明是一个开关电源输出电压的采样反馈电路，能够把输出电压偏离稳压值的误差信号采样放大，并通过光藕的隔离，反馈到电源输入端。该电路可广泛地应用在各种开关电源设备中，其产生的反馈信号能够很好地反映误差信号，进而精确控制开关电源中开关器件的占空比，起到稳定输出电压的作用。

比如图1中一种单端正激结构的电源，Vin是市电整流滤波后的直流电压，MOS管起到开关的作用，它的高频开关动作会使变压器原边绕组上产生一高频交流电压。利用变压器的耦合作用，在副边会感应出一高频交流电压，通过二极管和电容的整流滤波，产生一直流电压Vo供给负载。如果MOS管开关的占空比恒定，则在Vin或负载变化的时候，Vo不能稳定，这就需要通过电压采样反馈电路把Vo的误差扰动信号放大并反馈到开关电源的输入侧。通过PWM调制器，把该反馈信号与一恒定频率和伏值的三角波进行比较，输出一个占空比可以调节的方波信号，再经过功率驱动电路，控制MOS管开关的占空比，对电源输出电压Vo进行调节，由于这是一个负反馈的过程，所以Vo可以稳定在一定要求范围内。

在开关电源中，输出电压采样反馈电路是很关键的部分，它的设计直接影响到整个电源系统的稳定性与性能，当今开关电源系统对其反馈电路的要求基本为：

1、具有快速的输入、输出动态响应和高度的稳定性；

2、很高的输出电压精度；

3、能够实现输入输出的电气隔离。

在开关电源发展过程中，输出电压反馈电路产生了多种结构与变形，主要可以归结为以下几种：

(1)从当今的应用上来说，最简单的结构就是采用电阻分压，但该结构不能做到电气隔离，且精度较低，不能改变放大倍数及进行频率补偿，稳定性差。所以这种方法已经很少使用。

(2)现在有少部分电源采用运放进行误差放大反馈，但这种方法仍然不能做到电气隔离，且对运放要求较高。

(3)采用变压器辅助绕组进行电压采样反馈的电路虽然能够实现电气隔离，但当电源的负载变化较大时，稳压效果很差。而且该电路的反应速度较慢，不能适应高频的开关电源。

(4)线形稳压器TL431结合光耦隔离是现在中小功率开关电源中采用最多的电压反馈电路。但因为tl431耐压只有40V左右，如果开关电源的输出电压较高，就算采用电阻分压，也常常会在开机时被尖峰电压损坏。所以需要添加辅助绕组提供光藕和tl431的工作电压，这就增加了变压器绕制的复杂性，并且在某些应用中会干扰到主输出回路的绕组。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题，本发明提出了结构简单，稳定性强的一种开关电源输出电压的采样反馈电路。

本发明采用如下技术方案：

一种开关电源输出电压的采样反馈电路，包括电压采样电路、误差放大电路、隔离转换电路，开关电源的输出电压Vo通过电压采样电路的电压信号输入端输入，进行分压得到采样信号，且电压输入信号Vo同时作为误差放大电路的供电，采样信号通过误差放大电路的采样信号输入端输入，转换为电流型误差信号输出到隔离转换电路的误差电流信号输入端，进行电气隔离得到反馈输出信号Vfb。

所述的电压采样电路包括滑动变阻器VR1，电阻R5和电阻R6，电阻R6的一端作为电压信号输入端，接电压输入信号Vo，另一端与滑动变阻器VR1、电阻R5的一端串联，电阻R5的另一端接地，滑动变阻器VR1的抽头作为电压采样电路的采样信号输出端与误差放大电路的采样信号输入端连接。

所述的误差放大电路包括电阻R1、R2、R3、R4，电容C1，稳压二极管ZD1，三极管Q1；其中，三极管Q1的基极作为误差放大电路的采样信号输入端，电阻R3与稳压管ZD1串接，其相连端与三极管Q1的发射极相连，稳压二极管ZD1的阳极接地，电阻R3的另一端作为误差放大电路的供电输入端接开关电源的输出电压Vo，电阻R1一端接开关电源的输出电压Vo，另一端作为误差放大电路的误差电流信号输出上端与隔离转换电路的误差电流信号输入上端连接，三极管Q1的集电极作为误差放大电路的误差电流信号输入下端与隔离转换电路的误差电流信号输出下端连接，电阻R2的一端接三极管Q1的集电极，另一端接电阻R1的另一端，电阻R4的一端与电容C1的一端串联，电阻R4的另一端接三极管Q1的基极，电容C1的另一端接三极管Q1的集电极。

所述的隔离转换电路包括光耦OP1，电阻R7、R8、R9，电容C2，二极管D1；其中，光耦OP1的发光二极管阳极作为隔离转换电路的误差电流信号输入上端，光耦OP1的发光二极管阴极作为隔离转换电路的误差电流信号输出下端，光耦OP1的光敏三极管与二极管D1、电阻R7串接，二极管D1的阳极接电源Vc，电阻R9和电容C2串联，与光耦OP1的光敏三极管两端并联，电阻R8一端作为隔离转换电路的反馈信号输出端，输出信号Vfb，另一端接地。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明完全采用分立元件组成，结构简单，成本低。在误差放大电路里，利用了三极管的电信号放大原理，用稳压管保证三极管发射极电压恒定，把基极发射极间反映的电压误差信号，放大为三极管的集电极电流信号，进行反馈。这样便不需要采用TL431之类的线性调整器芯片或者运算放大器芯片来进行误差信号的放大，简化了电路结构，节约了成本。

2、本发明的稳定性高，该电路中采用电阻R1对光耦中发光二极管进行限流，在三极管关断时，利用电阻R2对发光二极管进行旁路，防止了发光二极管的误触发与在其上产生较大的反相偏压。因此，只需要选择耐压合适的三极管，就能直接利用开关电源的输出电压Vo给光耦和三极管提供工作电压，而不需要采用变压器辅助绕组的方式来单独提供电压，特别是在输出电压Vo较高的情况下。这也使得该电路结构更进一步简化，并且提高了系统稳定性，并适应性广，对输出十伏到几百伏的开关电源都能适用。

3、本发明将电容C1和电阻R4组成误差放大器的频率补偿电路利用到本发明的反馈电路中，采用不同的值便可改变误差放大电路的幅频与相频特性。通过合理取值可以保证电路的传输函数有足够的相位裕度，使采用该反馈电路的开关电源系统大大减少振荡现象的产生，进一步提高了系统运行稳定性。

4、本发明的输入和输出端采用光电耦合器进行信号的传递，是电-光-电的转换，所以两端无直接电气连接，干扰大大减小，使系统的运行更加稳定。

5、本发明在光耦输出端采用电阻R9和电容C2组成对高频信号的泻放通路，能够有效地滤除高频干扰，增强反馈信号的稳定性。

6、本发明采用电阻R8可以限制反馈输出Vfb的最大值。在电流较大的时候，其阻值远大于光敏三极管等效电阻，被旁路，不起作用；当电流较小的时候，其阻值小于光敏三极管等效电阻，电流主要从电阻R8上流过，反馈输出Vfb的最大输出值就是电阻R8与电阻R7分压得到的值。通过限制该值使得本发明电路能更灵活地与整个开关电源系统相匹配，限制脉宽调制信号的最大占空比。另外，实现此功能仅需要一个电阻，电路结构简单。

附图说明

图1是一种开关电源的电路结构图。

图2是本发明的结构框图。

图3是本发明的电原理图。

图4是本发明的一实施例的电路图。

图5是本发明一实施例中，Vo有正负6V正常误差波动时关键节点的波形测试图。

图6是本发明另一实施例中，Vo有正负50V大幅误差波动时关键节点的波形测试图。

具体实施方式

以下通过本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的目的、电路结构和优点作进一步描述。

如图1所示的是一个广泛应用的正激式开关电源的基本电路结构，该开关电源产生的直流输出电压为电压输入信号Vo。该电压输入信号Vo输入至本发明的采样反馈电路，经过处理得到电压反馈信号Vfb，作为本发明电路的输出信号，反馈给开关电源的PWM(脉宽调制)模块。

如图2所示，一种开关电源输出电压的采样反馈电路，包括电压采样电路1、误差放大电路2、隔离转换电路3；

所述的电压采样电路1的作用是把电压输入信号Vo进行分压采样。电压输入信号Vo通过电压采样电路1的电压信号输入端输入，通过电阻分压得到Vo的采样信号输出至误差放大电路2。其包括滑动变阻器VR1，电阻R5和电阻R6；电阻R6的一端作为电压采样电路1的电压信号输入端，接入电压输入信号Vo，另一端与滑动变阻器VR1、电阻R5的一端串联，电阻R5的另一端接地，滑动变阻器VR1的抽头作为电压采样电路1的采样信号输出端与误差放大电路2的采样信号输入端也就是三极管Q1的基极连接；

所述的误差放大电路2的作用是把采样信号进行误差放大。电压输入信号Vo作为误差放大电路2的供电，与其供电输入端连接，采样信号通过误差放大电路2的采样信号输入端输入，转换为电流型误差信号从误差放大电路2的误差电流信号输出上端输出到隔离转换电路3的误差电流信号输入上端。该误差放大电路2包括电阻R1、R2、R3、R4，电容C1，稳压二极管ZD1，三极管Q1；电阻R3与稳压管ZD1串接，其相连端与三极管Q1的发射极相连，稳压二极管ZD1的阳极接地，电阻R3的另一端作为误差放大电路2的供电输入端接开关电源的输出电压Vo，电阻R1一端接开关电源的输出电压Vo，另一端作为误差放大电路2的误差电流信号输出上端与隔离转换电路3的作为误差电流信号输入上端的光耦OP1的发光二极管阳极连接，三极管Q1的集电极作为误差放大电路2的误差电流信号输入下端与隔离转换电路3的作为误差电流信号输出下端的光耦OP1的发光二极管阴极连接，以构成电流回路；电阻R2的一端接三极管Q1的集电极，另一端接电阻R1的另一端；电阻R4的一端与电容C1的一端串联，电阻R4的另一端接三极管Q1的基极，电容C1的另一端接三极管Q1的集电极。

所述的隔离转换电路3的作用是把误差放大电路2输出的电流型误差信号进行电气隔离，转换为电压反馈信号Vfb，自反馈信号输出端输出。其包括光耦OP1，电阻R7、R8、R9，电容C2，二极管D1；光耦OP1的光敏三极管与二极管D1、电阻R7串接，二极管D1的阳极接电源Vc，电阻R9和电容C2串联，与光耦OP1的光敏三极管两端并联，电阻R8一端作为隔离转换电路3的反馈信号输出端，输出信号Vfb，另一端接地。

本发明的电路的工作过程及原理：

开关电源工作时，其直流输出电压为Vo。要使输出电压Vo稳定，必须经过采样反馈电路对其偏离稳压值的误差信号进行采样与放大，再反馈给开关电源的前级控制端，进行PWM(脉宽调制)，再利用负反馈进行稳压控制。

电阻R5、电阻R6、滑动变阻器VR1组成的电压采样电路将电压输入信号Vo分压采样，该采样电压跟随电压输入信号Vo的波动变化，从而控制三极管Q1的基极电压。由于三极管Q1的发射极接一稳压二极管ZD1，使得三极管Q1的发射极稳定在一个较为固定的电位。所以三极管Q1的基极发射极结电压随其基极电压而变化，即和电压输入信号Vo的变化量成正比。

根据三极管特性，集电极电流与基极发射极结电压成正比，则三极管Q1的集电极电流也和电压输入信号Vo的变化量成正比。光耦OP1的发光二极管与三极管Q1的集电极串联，流过的电流基本一样，由此可知，光耦OP1的发光二极管上的电流与Vo的变化量成正比。本发明电路中，电阻R1为光耦OP1限流，电阻R3为稳压管ZD1限流。电阻R2起保护作用，当三极管Q1导通时，发光二极管的阻抗比电阻R2小得多，电阻R2被旁路，不起作用；当三极管Q1关断时，发光二极管的阻抗比电阻R2大得多，电阻R2把发光二极管旁路掉，较小的漏电流主要从电阻R2上流过，保证了发光二极管两端电压接近0V，使其不导通，防止误触发与在二极管上的较大的反相偏压。本电路特点是把三极管Q1当作一个误差放大器使用，其发射极相当于运放的正端，基极相当于负端，发射极电流相当于误差放大输出。在三极管Q1的集电极与基极间加入电阻R4与电容C1，就相当于在误差放大器的输出与输入间加入负反馈，起到频率补偿作用，可根据不同电源主结构的传递函数设定相应的值，使得整个开关电源调节系统更加稳定，如果设置不当或没有该频率补偿网络，系统可能会不稳定，出现振荡。

由于开关电源的输入输出端会存在很大的电磁干扰，非常需要进行电气隔离，本发明电路采用光电耦合器，将电信号转换为光信号再转回电信号，来完成两端的电气隔离。在Vc的供电下，光耦OP1的光敏三极管能够流过与发光二极管成正比例的电流。电阻R7起限流作用，二极管D1为防止电压反灌。当流过的电流不同，电阻R7的电压降就不同，而Vc与二极管D1的压降基本恒定，则输出的误差放大反馈信号Vfb的小信号电压变化量与光敏三极管流过的电流变化量成正比。由上可知，反馈信号Vfb与开关电源输出电压Vo的扰动量成正比，能够很好地反映开关电源输出电压的误差并进行了放大，起到开关电源输出电压Vo误差信号反馈的作用。电阻R9和电容C2起到虑除高频干扰的作用。电阻R8接在Vfb和地之间，在电流较大的时候，其阻值远大于光敏三极管等效电阻，被旁路，不起作用；当电流较小的时候，其阻值小于光敏三极管等效电阻，电流主要从电阻R8上流过，可以使Vfb不超过某一设定值，限制后级PWM控制器的输出占空比。

下面以一具体实施例说明本发明的优点：

1、输入设定：

开关电源的输出直流电压Vo的稳定值为195V；

纹波电压：3％以内，即Vo的正常波动范围是195V正负6V。

2、参数选择：

(1)稳压管ZD1的稳压值可以取2V-10V之间的任意值，其他元件参数根据该值计算得到。本例中选取稳压值为6.2V的稳压管。

设稳压管ZD1的稳压值为Vz，则Vo正常时，电阻R5、R6，滑动变阻器VR1的采样分压要为Vz+0.7V，即比Vz高一个三极管发射结的压降。电阻R5的阻值范围一般取1K～10K欧姆(自选设定)，电阻R6与滑动变阻器VR1要根据电阻R5的阻值来计算。本例中电阻R5取5K欧姆。为使电阻电阻R5、R6和滑动变阻器VR1组成的电路分得电压为6.9V，即比6.2V稳压管的稳压值高0.7V，本例中取电阻R6为250K欧姆，滑动变阻器VR1为20K欧姆的滑动变阻器，通过调节滑动变阻器VR1，可使分压为6.9V。

(2)根据误差放大倍数的要求来选择三极管Q1的β值，一般选择为100左右，此外三极管Q1的耐压值要比输出电压Vo的最大值高20％。本例中选取型号为q2n3439的NPN管。

(3)限流电阻R1、R3根据输出电压的大小选取，一般取Vo值的500倍欧姆。本例中取100K欧姆。

(4)保护电阻R2一般取10K欧姆左右。

(5)频率补偿电阻R4和电容C1一般由系统所要求的相位裕度所决定，电阻R4的取值范围为200K～500K欧姆，电容C1为2nF～10nF。本例中电阻R4取270K欧姆，电容C1取6.8nF。

(6)光耦OP1选择电流传输比为1左右。本例中选择型号为PC817B。

(7)二极管D1选择普通二极管即可。本例中为1N4007。

(8)根据Vc的不同可以选择不同的限流电阻R7，一般为Vc的值的1000倍欧姆。本例中取4.3K欧姆。

(9)电阻R9和电容C2根据需要虑除高频干扰的频宽要求进行选择，一般电阻R9在几百到几千欧姆，电容C2在几nF到1uF之间。本例中电阻R9取2.2K欧姆，电容C2取47nF。

(10)电阻R8的选择要根据Vfb的最大值要求进行选择，设Vfb的最大值为Vfbmax，则Vc×R7/(R7+R8)＝Vfbmax，由此公式选择电阻R8的值。本例中取12K欧姆，可以限制Vfb最大值不超过2.5V。

具体参数汇总如下：

电阻R1：100K欧姆；    电阻R2：10K欧姆；

电阻R3：100K欧姆；    电阻R4：270K欧姆；

电阻R5：5K欧姆；      电阻R6：250K欧姆；

电阻R7：4.3K欧姆；    电阻R8：12K欧姆；

电阻R9：2.2K欧姆；    滑动变阻器VR1：20K滑动变阻器；

电容C1：6.8nF/400V；  电容C2：0.047uF/100V；

二极管D1：1n4007；    稳压二极管ZD1：6.2V稳压管；

三极管Q1：NPN管q2n3439；

光耦OP1：PC817B。

3、结果分析

图5为输入电压Vo(195V)有正负6V正常误差波动时关键节点的波形测试图；其中，Vo为开关电源的输出电压；Vbe为三极管Q1上的基射极电压；Id为流过发光二极管上的电流；Ic为光敏三极管上感应到的电流；Vfb为电压反馈电路输出的误差放大信号。

由图5可见，当Vo在其稳压值195V附近正负6V波动的情况下，Vfb能够很好地跟随扰动，相位相反，为负反馈，响应很快，几乎没有延迟，其波动范围为1.5V～2V，适合其后面PWM比较器的输入要求。

此情况为电源正常工作时的情况。由图5可见，当Vo在其稳压值195V附近正负6V波动的情况下，Vfb能够很好地跟随Vo的扰动信号，且相位相反，为负反馈，响应很快，几乎没有延迟，幅值在1.5V～2V范围内波动，变化较为平滑，没有尖峰或毛刺，这些测试波形都说明该电路具有高稳定性的优点。

图6为输入电压Vo(195V)有正负50V大幅误差波动时关键点的波形测试图；其中各信号定义如图5。

图6所示的情况是在Vo稳压值195V附近正负50V波动，属于大信号响应，一般为电源开机、关机或者非正常运作时候的情况。

由图6可见，Vfb仍然能够很好地跟随Vo的波动而变化，具有较高的响应速度。

当Vo过低时，三极管Q1截止，发光二极管中电流降为0，光敏三极管也不感应出电流，Vfb输出饱和为最大电压，由于有电阻R8的作用，使Vfb最大为2.5V，而不是Vc的4V，起到限制后级PWM比较器输出最大脉宽的作用。

当Vo过高时，发光二极管电流较大，光敏三极管处于饱和状态，集射极饱和压降大概为0.3V，Vfb输出最低电压0.3V，低于PWM比较器正向端锯齿波的伏值，使其输出波形占空比为0。可以关断开关MOS管一段时间，等Vo下降到正常195V稳压范围内再进行调制。

可见，Vfb在非正常情况下仍然能够很好地跟随Vo的波动而变化，具有较高的响应速度，并不会因为Vo的大幅急剧变化而影响工作稳定性。

Claims (4)

1.一种开关电源输出电压的采样反馈电路，其特征在于：包括电压采样电路(1)、误差放大电路(2)、隔离转换电路(3)，开关电源的输出电压Vo通过电压采样电路(1)的电压信号输入端输入，进行分压得到采样信号，且电压输入信号Vo同时作为误差放大电路(2)的供电，采样信号通过误差放大电路(2)的采样信号输入端输入，转换为电流型误差信号输出到隔离转换电路(3)的误差电流信号输入端，进行电气隔离得到反馈输出信号Vfb。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源输出电压的采样反馈电路，其特征在于：所述的电压采样电路(1)包括滑动变阻器(VR1)，电阻(R5)和电阻(R6)，电阻(R6)的一端作为电压信号输入端，接电压输入信号Vo，另一端与滑动变阻器(VR1)、电阻(R5)的一端串联，电阻(R5)的另一端接地，滑动变阻器(VR1)的抽头作为电压采样电路(1)的采样信号输出端与误差放大电路(2)的采样信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种开关电源输出电压的采样反馈电路，其特征在于：所述的误差放大电路(2)包括电阻(R1、R2、R3、R4)，电容(C1)，稳压二极管(ZD1)，三极管(Q1)；其中，三极管(Q1)的基极作为误差放大电路(2)的采样信号输入端，电阻(R3)与稳压管(ZD1)串接，其相连端与三极管(Q1)的发射极相连，稳压二极管(ZD1)的阳极接地，电阻(R3)的另一端作为误差放大电路(2)的供电输入端接开关电源的输出电压Vo，电阻(R1)一端接开关电源的输出电压Vo，另一端作为误差放大电路(2)的误差电流信号输出上端与隔离转换电路(3)的误差电流信号输入上端连接，三极管(Q1)的集电极作为误差放大电路(2)的误差电流信号输入下端与隔离转换电路(3)的误差电流信号输出下端连接，电阻(R2)的一端接三极管(Q1)的集电极，另一端接电阻(R1)的另一端，电阻(R4)的一端与电容(C1)的一端串联，电阻(R4)的另一端接三极管(Q1)的基极，电容(C1)的另一端接三极管(Q1)的集电极。

4.根据权利要求1所述的一种开关电源输出电压的采样反馈电路，其特征在于：所述的隔离转换电路(3)包括光耦(OP1)，电阻(R7、R8、R9)，电容(C2)，二极管(D1)；其中，光耦(OP1)的发光二极管阳极作为隔离转换电路(3)的误差电流信号输入上端，光耦(OP1)的发光二极管阴极作为隔离转换电路(3)的误差电流信号输出下端，光耦(OP1)的光敏三极管与二极管(D1)、电阻(R7)串接，二极管(D1)的阳极接电源Vc，电阻(R9)和电容(C2)串联，与光耦(OP1)的光敏三极管两端并联，电阻(R8)一端作为隔离转换电路(3)的反馈信号输出端，输出信号Vfb，另一端接地。

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