CN101277070A - 一种切换式电源转换器及脉宽调制控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉宽调制控制电路，应用于一次侧反馈控制的切换式电源转换器，该切换式电源转换器包含一变压器、一功率开关、一电流传感电阻以及该脉宽调制控制电路，该变压器具有一次侧绕组、二次侧绕组以及一辅助绕组。该脉宽调制控制电路包含一取样保持电路、一跨导电路、一误差放大器以及一脉宽调制发生器。

Description

一种切换式电源转换器及脉宽调制控制电路

技术领域

本发明涉及一种切换式(switching-mode)电源转换器及脉宽调制(pulsewidth modulation；PWM)控制电路，特别是一种应用于一次侧(primary-side)反馈控制的切换式电源转换器及脉宽调制控制电路。

背景技术

图1为现有的反激式变换器(flyback converter)100，交流电压源101所提供的交流电压V_AC经电磁干扰(Electro-Magnetic Interference；EMI)滤波器102及桥式整流器(bridge rectifier)104滤波及整流后，得到具有涟波的直流输入电压Vi，耦合至变压器TX的一次侧绕组(primary-side winding)Lp，功率开关SW与变压器TX的一次侧绕组Lp串联，控制器106输出脉宽调制信号Vpwm切换功率开关SW，以转换输入电压Vi至变压器TX的二次侧(secondary-side)产生输出电压Vo。电阻R3与变压器TX的一次侧绕组Lp串联，用以检测一次侧绕组电流Ip。为了调节(regulate)输出电压Vo，稳压调整器110及光耦合(optical coupler)108从变压器TX的二次侧取一与输出电压成正比的反馈信号Vfb给控制器106，控制器106根据反馈信号Vfb以及一次侧绕组电流Ip来控制脉宽调制信号Vpwm的责任周期(duty cycle)，从而稳定输出电压Vo。

反激式变换器100以提供精准的输出电压调节，但由于需要二次侧反馈相关的电路，因而控制系统的成本较高。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种具有低成本优势的，应用于一次侧反馈控制的切换式电源转换器及脉宽调制控制电路。

本发明的脉宽调制控制电路，应用于一次侧反馈控制的切换式电源转换器，该切换式电源转换器包含一变压器、一功率开关、一电流传感(currentsensing)电阻以及一脉宽调制控制电路。该变压器具有一次侧绕组、二次侧绕组以及一辅助绕组，其中该辅助绕组的电压经过整流后，输出一直流的反馈电压；与该一次侧绕组串联的该功率开关，受该脉宽调制控制电路产生的脉宽调制信号切换，该电流传感电阻配置于该功率开关与接地之间，将该一次侧绕组的电流转换为一传感电压。

本发明第一实施例的脉宽调制控制电路包含一取样保持(sample and hold)电路、一跨导(transconductor)电路、一误差(error)放大器以及一脉宽调制发生器。其中，该取样保持电路对该传感电压作峰值取样后，再将传感电压的峰值保持在输出端；该跨导电路耦接至该取样保持电路的输出端，将传感电压的峰值转换为一电流信号；该误差放大器具有二输入端，一输入端耦接该电流信号及该反馈电压，另一输入端耦接至一固定参考电压，该误差放大器产生一误差信号；该脉宽调制发生器根据该误差信号决定该脉宽调制信号的责任周期。

本发明第二实施例的脉宽调制控制电路包含一第一取样保持电路、一第二取样保持电路、一运算处理单元、一跨导电路、一误差放大器以及一脉宽调制发生器。其中，该第一取样保持电路对该传感电压作峰值取样后，将该传感电压的峰值保持在输出端；该第二取样保持电路对该传感电压作初始值取样后，将该传感电压的初始值保持在输出端；该运算处理单元将该传感电压的峰值减去该初始值，产生一传感电压变化量；该跨导电路耦接至该运算处理单元的输出端，将该传感电压变化量转换为一电流信号；该误差放大器具有二输入端，一输入端耦接该电流信号及该反馈电压，另一输入端耦接至一固定参考电压，该误差放大器产生一误差信号；该脉宽调制发生器根据该误差信号决定该脉宽调制信号的责任周期。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有的反激式变换器；

图2(a)为本发明的第一实施例的切换式电源转换器；

图2(b)为图2(a)中的脉宽调制信号、一次侧绕组电流及二次侧绕组电流在不连续导通模式的波形图；

图3(a)为本发明的第二实施例的切换式电源转换器；

图3(b)为图3(a)中的脉宽调制信号、一次侧绕组电流及二次侧绕组电流在连续导通模式的波形图。

其中，附图标记：

100-反激式变换器

101、202-交流电压源

102、204-EMI滤波器

104、206-桥式整流器

106-控制器

108-光耦合器

110-稳压调整器

200b、300b-脉宽调制信号的波形

202b、302b-一次侧绕组电流的波形

204b、304b-二次侧绕组电流的波形

20、30-切换式电源转换器

200、300-脉宽调制控制电路

212-误差放大器

214-PWM发生器

220、330-取样保持电路

221、224-晶体管

222、225-电容

223-缓冲器

240-跨导电路

331-单脉冲产生电路

350-运算处理单元

具体实施方式

图2(a)为本发明的第一实施例的切换式电源转换器20，交流电压源202所提供的交流电压V_AC经EMI滤波器204及桥式整流器206滤波及整流后，产生直流输入电压Vi，耦合至变压器TX的一次侧绕组Lp，功率开关SW与变压器TX的一次侧绕组Lp串联，PWM发生器214产生脉宽调制信号Vpwm来切换功率开关SW，将输入电压Vi转换为输出电压Vo。

图2(b)为图2(a)中的脉宽调制信号Vpwm、一次侧绕组电流Ip及二次侧绕组电流Is在不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode；DCM)的波形图。

在图2(b)中，波形200b表示脉宽调制信号Vpwm，波形202b表示一次侧绕组电流Ip，波形204b表示二次侧绕组电流Is。在脉宽调制信号Vpwm的责任期间(on-duty period)Ton，功率开关SW导通，一次侧绕组电流Ip从0逐渐增加至峰值(peak value)I_PK，一次侧绕组Lp因此储存能量

$\frac{1}{2}\mathrm{Lp}\×{I_{\mathrm{PK}}}^2=\frac{1}{2}\mathrm{Lp}{(\frac{V1}{\mathrm{Lp}}\×\mathrm{Ton})}^2=\frac{1}{2}\×\frac{{V1}^2}{\mathrm{Lp}}\×{\mathrm{Ton}}^2$ [公式1]

其中V1为一次侧绕组Lp上的跨压。在脉宽调制信号Vpwm的非责任期间(off-duty period)Toff，功率开关SW关闭，储存在一次侧绕组Lp的能量传递到二次侧绕组Ls，二次侧绕组电流Is从峰值I_SK逐渐减少到0。与二次侧绕组连接的二极管D1用来整流，其正向电压(forward voltage)为Vf，Ro为二次侧的输出阻抗，Io为二次侧绕组电流Is的平均值，输出电容Co两端的电压为输出电压Vo。在非责任期间Toff，变压器TX的二次侧消耗能量为

Vo×I o×Toff+Io²×Ro×Toff+Io×Vf×Toff        [公式2]

实际上，一次侧绕组Lp储存的能量，不仅传递给二次侧绕组Ls，还传递给一次侧的辅助绕组Laux，但是，辅助绕组Laux消耗的能量非常小，故可以忽略不计。因此，公式1等于公式2，均除以Toff可得

$\mathrm{Vo}\×\mathrm{Io}+{\mathrm{Io}}^2\×\mathrm{Ro}+\mathrm{Io}\×\mathrm{Vf}=\frac{1}{2}\×\frac{{V1}^2}{\mathrm{Lp}}\×\frac{{\mathrm{Ton}}^2}{\mathrm{Toff}}$ [公式3]

又因为二次侧绕组Ls上的跨压

V2＝Vo+Io×Ro+Vf                        [公式4]

公式3除以Io，代入公式4可得

$V2=\mathrm{Vo}+\mathrm{Io}\×\mathrm{Ro}+\mathrm{Vf}=\frac{1}{2}\×\frac{{V1}^2}{\mathrm{Lp}}\×\frac{{\mathrm{Ton}}^2}{\mathrm{Toff}}\×\frac{1}{\mathrm{Io}}$ [公式5]

由公式5可知，当二次侧平均电流Io因为负载增加而增大时，二次侧绕组Ls上的跨压V2及输出电压Vo都将下降，反之则上升。

辅助绕组Laux在变压器TX的一次侧，其绕组电流Iaux经二极管D2整流，对电容C1充电产生直流的反馈电压Vfb，辅助绕组Laux上的跨压

V3＝Vf2+Vfb                          [公式6]

其中，电压Vf2为二极管D2的正向电压。假设绕组Lp、Ls及Laux的匝数比为n1∶n2∶n3，则二次侧绕组电压

V2＝(n2/n3)×V3＝N×V3               [公式7]

其中，N为二次侧绕组Ls对辅助绕组Laux的匝数比。

电阻R1及R2串联，可视为电阻分压器，电阻R2两端的电压为Vfb1，Vfb 1＝Vfb×[R2/(R1+R2)]

电流传感电阻R_CS与一次侧绕组Lp串联，可将一次侧绕组电流Ip转换为传感电压V_CS。

脉宽调制控制电路200包含一取样保持电路220、一跨导电路240、一误差放大器212以及一脉宽调制发生器214。该取样保持电路220包含MOS晶体管221及224、电容222及225、一缓冲器(buffer)223以及一反相器226。

在脉宽调制信号Vpwm为逻辑高准位时(如图2(b)的Ton)，由于晶体管221导通，传感电压V_CS传递至电容222充电，当脉宽调制信号Vpwm转为逻辑低准位时(如图2(b)的Toff)，晶体管221关闭，使得电容222的取样电压为一次侧绕组电流的峰值I_PK(如图2(b)所示)乘上电流传感电阻R_CS，即传感电压V_CS的峰值V_PK，此时晶体管224导通，充电至电容222的传感电压峰值V_PK通过缓冲器223传递至电容225并保持住，传感电压峰值V_PK通过一电压转换电流的跨导电路240后，可得到一电流Ix，

Ix＝V_PK/Rx                          [公式8]

误差放大器212具有二输入端，其反相输入端耦接该传感电流Ix以及电阻R1与R2的串接点，该串接点电压Vfb1正比于反馈电压Vfb；误差放大器212的非反相输入端耦接至一固定参考电压Vref。

由图2(a)可看出，流经电阻R1的电流I1为流经电阻R2的电流I2及流经电阻Rx的电流Ix的总和，即

I1＝I2+Ix                           [公式9]

反馈电压Vfb扣除电流流经电阻R1的压降即为误差放大器212的反相输入端电压Vfb1，

Vfb-I1×R1＝Vfb1                    [公式10]

由于整个反馈系统稳定后，误差放大器212的反相输入端电压Vfb1将等于误差放大器212的同相输入端电压Vref，即

Vfb1＝Vref                          [公式11]

将公式11及公式9代入公式10，又因I2＝Vfb1/R2，可得到

Vfb＝Vref×[1+(R1/R2)]+Ix×R1       [公式12]

假设二极管D1及D2具有相同的正向电压，即Vf＝Vf2，根据公式4、公式6及公式7可得

Vo＝Vfb×N+(N-1)Vf-Io×Ro          [公式13]

由公式13可推知，当二次侧平均电流Io因为负载增加而突增加时，输出电压Vo将下降；由公式5可知，当二次侧平均电流Io因为负载增加而突增加时，二次侧绕组Ls上的跨压V2将下降，由公式6及公式7可推导出反馈电压Vfb也随之下降，再由公式10可推导出误差放大器212的反相输入端电压Vfb1也随之下降，因而使得误差放大器212的输出端的误差信号Ve有误差值ΔVe产生，脉宽调制发生器214检测该误差值ΔVe后，则提高该脉宽调制信号Vpwm的责任周期，此时一次侧绕组Lp上的电流Ip也升高，传感电压V_CS也升高，电流Ix也升高，由公式12可得知Vfb也升高。

再由公式13可推导出输出电压Vo也将随Vfb升高而上升，可以抵消因二次侧平均电流Io增加所造成的下降。

图3(a)为本发明第二实施例的切换式电源转换器30，图3(b)为图3(a)中的脉宽调制信号Vpwm、一次侧绕组电流Ip及二次侧绕组电流Is在连续导通模式(Continuous Conduction Mode；CCM)的波形图。在图3(b)中，波形300b表示脉宽调制信号Vpwm，波形302b表示一次侧绕组电流Ip，波形304b表示二次侧绕组电流Is。在脉宽调制信号Vpwm的责任期间Ton，功率开关SW导通，一次侧绕组电流Ip从初始值I_P0逐渐增加至峰值I_PK，在脉宽调制信号Vpwm的非责任期间Toff，功率开关SW关闭，储存在一次侧绕组Lp的能量传递到二次侧绕组Ls，因此二次侧绕组电流Is从峰值I_SK逐渐减少到I_S0。

与本发明的第一实施例相比较，第二实施例的脉宽调制控制电路300增加一取样保持电路330及一运算处理单元350。取样保持电路330与取样保持电路220相比较，取样保持电路330增加一单(one shot)脉冲产生电路331；在该脉宽调制信号Vpwm由逻辑低准位转为逻辑高准位时，该单脉冲产生电路331制造一短的脉冲，该取样保持电路330利用该短脉冲对传感电压V_CS作初始值取样后，将传感电压的初始值V_P0保持在输出端，该传感电压初始值V_P0正比于图3(b)中的初始电流I_P0；取样保持电路220与本发明的第一实施例一样，在输出端输出传感电压V_CS的峰值V_PK；该运算处理单元350将该传感电压的峰值V_PK减去该初始值V_P0，产生一传感电压变化量；跨导电路240在第二实施例中耦接至该运算处理单元350的输出端，将该传感电压变化量转换为电流Ix。

在本发明的第二实施例中，将该传感电压变化量转换为电流Ix，当切换式电源转换器操作在连续导通模式时，能够达到进行更为精确控制的效果。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1. 一种脉宽调制控制电路，应用于一次侧反馈控制的切换式电源转换器，该切换式电源转换器包含一变压器、一功率开关、一电流传感电阻以及该脉宽调制控制电路；该变压器具有一次侧绕组、二次侧绕组以及一辅助绕组，其中，该辅助绕组的电压经过整流后输出一直流的反馈电压；该功率开关与该一次侧绕组串联，受该脉宽调制控制电路产生的一脉宽调制信号切换；该电流传感电阻配置于该功率开关与接地之间，将该一次侧绕组的电流转换为一传感电压，其特征在于，该脉宽调制控制电路包含：

一取样保持电路，该取样保持电路在对该传感电压作峰值取样后，将该传感电压的峰值保持在输出端；

一跨导电路，该跨导电路耦接至该取样保持电路的输出端，将该传感电压的峰值转换为一电流信号；

一误差放大器，具有二输入端，一输入端耦接该电流信号及该反馈电压，另一输入端耦接至一固定参考电压，该误差放大器产生一误差信号；

一脉宽调制发生器，该脉宽调制发生器根据该误差信号决定该脉宽调制信号的责任周期。

2. 根据权利要求1所述的脉宽调制控制电路，其特征在于，该取样保持电路在该脉宽调制信号为逻辑高准位时对该传感电压作峰值取样，在该脉宽调制信号转为逻辑低准位时再将传感电压的峰值保持在输出端。

3. 根据权利要求1所述的脉宽调制控制电路，其特征在于，该反馈电压经过一电阻分压器分压后，再耦接至该误差放大器的一输入端。

4. 一种脉宽调制控制电路，应用于一次侧反馈控制的切换式电源转换器，其特征在于，该切换式电源转换器包含一变压器、一功率开关、一电流传感电阻以及该脉宽调制控制电路；该变压器具有一次侧绕组、二次侧绕组以及一辅助绕组，其中，该辅助绕组的电压经过整流后输出一直流的反馈电压；该功率开关与该一次侧绕组串联，受该脉宽调制控制电路产生的一脉宽调制信号切换；该电流传感电阻配置于该功率开关与接地之间，将该一次侧绕组的电流转换为一传感电压，该脉宽调制控制电路包含：

一第一取样保持电路，该第一取样保持电路对该传感电压作峰值取样后，将传感电压的峰值保持在输出端；

一第二取样保持电路，该第二取样保持电路对该传感电压作初始值取样后，将传感电压的初始值保持在输出端；

一运算处理单元，将该传感电压的峰值减去该初始值，产生一传感电压变化量；

一跨导电路，耦接至该运算处理单元的输出端，将该传感电压变化量转换为一电流信号；

一误差放大器，具有二输入端，一输入端耦接该电流信号及该反馈电压，另一输入端耦接至一固定参考电压，该误差放大器产生一误差信号；

一脉宽调制发生器，根据该误差信号决定该脉宽调制信号的责任周期。

5. 根据权利要求4所述的脉宽调制控制电路，其特征在于，该第一取样保持电路在该脉宽调制信号为逻辑高准位时对该传感电压作峰值取样，在该脉宽调制信号转为逻辑低准位时再将传感电压的峰值保持在输出端。

6. 根据权利要求4所述的脉宽调制控制电路，其特征在于，该第二取样保持电路包含一单脉冲产生电路，在该脉宽调制信号由逻辑低准位转为逻辑高准位时，该单脉冲产生电路制造一脉冲，该第二取样保持电路利用该脉冲对该传感电压作初始值取样后，将传感电压的初始值保持在输出端。

7. 根据权利要求4所述的脉宽调制控制电路，其特征在于，该反馈电压经过一电阻分压器分压后，再耦接至该误差放大器的一输入端。

8. 一种具有一次侧反馈控制的切换式电源转换器，其特征在于，包含：

一变压器，具有一次侧绕组、二次侧绕组以及一辅助绕组，其中，该辅助绕组的电压经过整流后输出一直流的反馈电压；

一功率开关，与该一次侧绕组串联，该功率开关受一脉宽调制信号切换；

一电流传感电阻，配置于该功率开关与接地之间，将该一次侧绕组的电流转换为一传感电压；

一取样保持电路，该取样保持电路对该传感电压作峰值取样后，将该传感电压的峰值保持在输出端；

一跨导电路，耦接至该取样保持电路的输出端，将该传感电压的峰值转换为一电流信号；

一误差放大器，具有二输入端，一输入端耦接该电流信号及该反馈电压，另一输入端耦接至一固定参考电压，该误差放大器产生一误差信号；

一脉宽调制发生器，根据该误差信号决定该脉宽调制信号的责任周期。

9. 根据权利要求8所述的切换式电源转换器，其特征在于，还包含一电阻分压器，其中该反馈电压经过该电阻分压器分压后，再耦接至该误差放大器的一输入端。

10. 根据权利要求8所述的切换式电源转换器，其特征在于，该取样保持电路在该脉宽调制信号为逻辑高准位时对该传感电压作峰值取样，在该脉宽调制信号转为逻辑低准位时再将传感电压的峰值保持在输出端。

11. 一种具有一次侧反馈控制的切换式电源转换器，其特征在于，包含：

一变压器，具有一次侧绕组、二次侧绕组以及一辅助绕组，其中该辅助绕组的电压经过整流后输出一直流的反馈电压；

一功率开关，与该一次侧绕组串联，该功率开关受一脉宽调制信号切换；

一电流传感电阻，配置于该功率开关与接地之间，将该一次侧绕组的电流转换为一传感电压；

一第一取样保持电路，该第一取样保持电路对该传感电压作峰值取样后，再将传感电压的峰值保持在输出端；

一第二取样保持电路，该第二取样保持电路对该传感电压作初始值取样后，再将传感电压的初始值保持在输出端；

一运算处理单元，将该传感电压的峰值减去该初始值，产生一传感电压变化量；

一跨导电路，耦接至该运算处理单元的输出端，将该传感电压变化量转换为一电流信号；

一误差放大器，具有二输入端，一输入端耦接该电流信号及该反馈电压，另一输入端耦接至一固定参考电压，该误差放大器产生一误差信号；

一脉宽调制发生器，根据该误差信号决定该脉宽调制信号的责任周期。

12. 根据权利要求11所述的切换式电源转换器，其特征在于，还包含一电阻分压器，其中，该反馈电压经过该电阻分压器分压后，再耦接至该误差放大器的一输入端。

13. 根据权利要求11所述的切换式电源转换器，其特征在于，该第一取样保持电路在该脉宽调制信号为逻辑高准位时对该传感电压作峰值取样，在该脉宽调制信号转为逻辑低准位时再将传感电压的峰值保持在输出端。

14. 根据权利要求11所述的切换式电源转换器，其特征在于，该第二取样保持电路包含一单脉冲产生电路，在该脉宽调制信号由逻辑低准位转为逻辑高准位时，该单脉冲产生电路制造一脉冲，该第二取样保持电路利用该脉冲对该传感电压作初始值取样后，将传感电压的初始值保持在输出端。

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