CN101483353A

CN101483353A - 一种PFM控制的buck型辅助电源

Info

Publication number: CN101483353A
Application number: CNA2009100210526A
Authority: CN
Inventors: 段晓飞
Original assignee: China Aerospace Times Electronics Corp
Current assignee: China Aerospace Times Electronics Corp
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2029-02-05
Also published as: CN101483353B

Abstract

本发明公开了一种PFM控制的buck型辅助电源，包括一个与输入电压+VIN连接的Buck变换主电路，其特征在于，Buck变换主电路的控制输入端连接一个PFM控制电路，该PFM控制电路包括一个由运算放大器构成的弛张振荡器，其输出脉冲控制buck变换主电路中主开关管的导通和关断，使buck变换主电路输出辅助源电压VCC，辅助源电压VCC通过一个反馈电路连接弛张振荡器，当辅助源电压高于设定的输出电压时，反馈电路使弛张振荡器输出脉冲占空比下降，控制buck变换主电路输出电压降低；当辅助源电压低于设定的输出电压时，反馈电路使弛张振荡器输出脉冲占空比增大，控制buck变换主电路输出电压升高，从而保持辅助源输出电压的稳定。

Description

一种PFM控制的buck型辅助电源

技术领域

本发明涉及一种在高功率密度电源模块中，为控制电路供电的PFM控制、非隔离低功率输出辅助电源。

背景技术

在传统的高功率密度电源模块中，因采取的电路拓扑不同，辅助电源通常由以下几种方法构成：一是由绕在大功率电感上的辅助绕组提供辅助源电压；二是由绕在主变压器上的辅助绕组提供辅助源电压；三是采用专用PWM(脉宽调制)控制器的串连开关电路提供辅助源电压。这三种典型的辅助源电路如图1所示。

采用图1(a)中电路的辅助源，多用于正激电路拓扑的中、大功率模块电源。在使用平板电感的大功率电源模块中，电感绕组和辅助源绕组通常无法采用三明治绕法进行绕制，绕组间耦合程度低，其输出电压随着输出电流的增大而升高，增大了整流器件的电压应力，降低可靠性，在严重情况下，辅助源电压会超过芯片最大工作电压，使控制电路带来不可修复的损坏。

采用图1(b)中电路的辅助源，多用于反激电路拓扑的小功率模块电源。这种辅助源电路的输出电压不随输入变化而变化，但在输出电压大范围可调的场合中，其输出电压会随输入电压和负载的变化而变化，为使辅助源提供稳定的工作电压，通常在辅助电源的输出电路中使用简单的线性稳压电路稳定输出电压，但是线性电路功耗大，降低了模块电源的变换效率。

采用图1(c)中电路的辅助源，多用于大功率全砖模块电源中。采用该方案的辅助电源，无辅助绕组，其供电电路为独立电路，输出电压不随输入电压和负载的变化而变化。由于其功率器件与控制电路集成在一起，虽然体积较小，但是其应用场合受到功率器件耐压的限制，无法应用到48V母线系统中；另外，这种控制芯片其工作频率为固定值，工作方式为PWM控制，相对于频率可变的PFM控制，其空载特性和轻载特性较差。

明内容

在传统的辅助电源电路中，采用辅助绕组的辅助电源，其输出电压随输出电压和负载电流的变化而变化；采用专用PWM控制器的串连开关辅助电源，其应用场合适用性差，且空载和轻载相应特性较差，本发明的目的就是解决这些辅助源方案中存在的问题，提供一种采用运算放大器构成PFM控制的buck(非隔离的降压开关电源电路)型辅助电源。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种PFM控制的buck型辅助电源，包括一个与输入电压+VIN连接Buck变换主电路，其特征在于，Buck变换主电路的控制输入端连接一个PFM控制电路，该PFM控制电路包括一个由运算放大器构成的弛张振荡器，其输出脉冲控制buck变换主电路中主开关管的导通和关断，使buck变换主电路输出辅助源电压VCC，辅助源电压VCC通过一个反馈电路连接弛张振荡器，当辅助源电压高于设定的输出电压时，反馈电路使弛张振荡器输出脉冲占空比下降，控制buck变换主电路输出电压降低；当辅助源电压低于设定的输出电压时，反馈电路使弛张振荡器输出脉冲占空比增大，控制buck变换主电路输出电压升高，从而保持辅助源输出电压的稳定。

上述方案中，所述输入电压+VIN通过一个线性稳压电路连接PFM控制电路，为PFM控制电路提供稳定的工作电压。

所述弛张振荡器包括一个高速运算放大器、充放电电阻R6和充放电电容C4，充放电电容一端接地，另一端接运算放大器的反相输入端；充放电电阻一端接运算放大器的反相输入端，另一端接运算放大器的输出端；运算放大器正相输入端通过分压电阻接工作电压V+，运算放大器的正相输入端和输出端之间并接一个可提高电路稳定性的滞环电阻R4。

所述反馈电路包括包括一个三极管、一个稳压二极管，稳压二极管的阴极接辅助源电压VCC，稳压二极管的阳极接三极管的基极，三极管的集电极输出一个反馈信号至运算放大器的反相输入端。

与现有技术相比，本发明不需要辅助绕组，输出电压稳定，解决了传统单端正激变换器中，辅助电源电压随输入电压和负载电流变化而变化的问题，且具有轻载特性好的优点，外围电路简单，便于集成，适用于各种高功率密度的电源模块中。

附图说明

图1为三种传统的辅助源电路结构图。其中图1(a)为在滤波电感上绕制辅助源绕组；图1(b)为在主变压器上绕制辅助源绕组；图1(c)为用专用串连开关做辅助源。

图2为本发明PFM控制buck型辅助电源结构框图。

图3为图2中Buck变换主电路原理图。

图4为图2中弛张振荡器原理图。

图5为输入电压变化时的PFM驱动波形。其中图5a为额定负载下，输入为18V时的PFM驱动波形；图5b为36V输入下的PFM驱动波形。

图6为输出负载变化时的PFM驱动波形。其中图6a为额定输入28V，空载时的PFM驱动波形，图6b为满载时的PFM驱动波形。

图7为本发明PFM控制buck型辅助电源的一个具体实施例原理图。

体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明采用“PFM控制buck型辅助电源”，解决辅助电源不稳的问题。

在28VDC和48VDC两个母线系列中，辅助电源电压通常为12V，采用buck变换器即可满足设计要求。

辅助电源的负载一般为控制芯片、保护电路和驱动电路供电，输出电流最大为100mA，额定工作电流为40mA左右，负载电流较小，因此选用轻载特性好的PFM控制，提供稳定的输出电压，解决辅助电源电压不稳的问题。

本发明PFM控制的buck型辅助电源结构如图2所示。图2中，由PFM控制电路中运算放大器构成弛张振荡器，其输出脉冲控制buck变换主电路中主开关管Q的导通和关断，经电感、电容滤波后输出辅助源电压VCC，当辅助源电压高于设定的输出电压时，反馈电路工作，使弛张振荡器输出脉冲占空比下降，使得输出电压降低；反之，当辅助源电压低于设定的输出电压时，反馈电路工作，使弛张振荡器输出脉冲占空比增大，使得输出电压升高，从而保持辅助源输出电压的稳定。

如图3所示，辅助电源选用buck变换器，控制主开关管Q的占空比，即可保证在输入电压变化及负载变化的情况下，保持输出电压的稳定。

输出电压基本计算公式为：Vo＝D×Vi

其中，Vi为输入电压；Vo为输出电压；D为占空比。

在图3中，Q占空比D的控制有PWM(脉冲宽度调制)和PFM(脉冲频率调制)两种方式，其中，PFM控制是保持导通(或者关断)时间不变，控制脉冲频率变化来稳定输出电压，具有空载相应好、损耗低的优点，非常适用于辅助电源这种低功率应用场合，因此，在本发明方案中，选用PFM控制电路对主开关管Q进行控制。

辅助电源的PFM控制电路由弛张振荡器及反馈电路构成(图2)，图4为PFM控制电路的核心部分，由运算放大器构成弛张振荡器电路。由图4可知，弛张振荡器包括一个高速运算放大器、充放电电阻R6和充放电电容C4，充放电电容一端接地，另一端接运算放大器的反相输入端；充放电电阻一端接反相端，另一端接运算放大器输出端；运算放大器正相端通过分压电阻R3接工作电压V+，通过分压电阻R5接地。运算放大器的正相端和输出端之间并接一个可提高电路稳定性滞环电阻R4。

该弛张振荡器的频率T＝0.69(R6*C4)，其占空比由运算放大器反向端电压的充、放电斜率来控制，如果改变电容C4的充电电流，即可改变充电斜率，也就是保持关断时间不变，改变导通时间，从而改变占空比和振荡频率，达到PFM控制的目的。

采用本方案的辅助电源，其运算放大器选用常用高速运放即可，功率器件选用为了验证PFM控制buck型变换器电路，我们在某型号模块电源项目中对该方案进行了验证，试验结果如图5、图6所示。

由图5和图6可知，当输入电压和负载电流变化时，主开关管Q的驱动脉冲中，关断时间不变，导通时间不变，脉冲频率随输入电压和负载电流的变化而变化，达到了PFM控制的目的。

同时，在该模块电源项目中，PFM控制buck型辅助电源与采用辅助绕组绕在输出储能电感上的传统辅助电源做了对比试验，试验结果如表1所示：

表1

由表1可知。作为比较的常规辅助电源在输出空载时，辅助电源电压为11V左右，当输出电流为30A满载时，辅助电源电压已经升高到18V左右，到达了控制芯片所能承受的最大值，可靠性大幅下降。而本方案采用的辅助电源电路，其输出电压始终保持稳定，不随输入电压和输出电流的变化而变化。

通过试验结果可知，本发明设计的PFM控制buck型辅助电源，其电路为独立电路，不受负载变化的影响，仅和输出电压有关，且输出电压满足辅助电源的使用要求。

图7为本发明PFM控制的buck型辅助电源的一个具体实施例电路原理图。在封装结构为全砖，输入电压范围18～36V，总输出功率200W的LPF24S××-200I系列模块电源中，应用了该发明电路，

在该系列模块电源中，辅助源为单独电路，为模块的控制、驱动、保护电路供电，不受输入电压变化和负载变化的影响，输出电压为12V，最大输出电流100mA，满足模块电源的使用要求。

图7由线性稳压电路、控制电路、buck变换主电路等部分构成。上电后，线性稳压电路为控制电路提供稳定的工作电压，控制电路开始工作，其输出脉冲信号驱动buck变换器主电路，主电路输出电压VCC建立后，通过反馈电路控制脉冲宽度和频率，保持输出电压的稳定。

线性稳压电路由电阻R1、R2、三极管V1、二极管V3、稳压管V4构成，为控制芯片提供所需的工作电压。其输出电压由稳压管V4设定，选择V4为12V稳压管，则该线性稳压电路可为反馈及控制电路提供稳定的11V工作电压。

运算放大器LM358、电阻R3～R7、电容C4构成弛张振荡器，R3～R5的阻值为100kΩ，C4的容量为1000pF，实测占空比为0.7，由输出电压计算公式为Vo＝D×Vi可知，在输入电压为17V时，输出电压为12V。如果反馈电路不工作，则弛张振荡器的频率和占空比不变，输出电压随输入电压的升高而升高，当输入电压为36V时，此时的辅助电源输出将为：0.7×36＝25.2V。

电阻R16、R17、稳压管V2、三极管V8构成反馈电路，稳压管的阴极接辅助源电压VCC，稳压管的阳极接三极管的基极，三极管的集电极输出一个反馈信号至运算放大器的反相端。当辅助电源输出电压超过12V时，三极管V8进入放大区工作，对C4充电电流开始分流，使得弛张振荡器的输出导通时间减小、占空比下降，使得输出电压降低，从而保持输出电压稳定。

三极管V5、二极管V7、电感L1、电容C6构成buck变换主电路。由于辅助电源电路仅对开关电源的控制电路供电，其负载电流通常为40mA，因此，主开关管选择SOT-89封装的三极管V5即可满足设计要求。

在传统的辅助源供电电路中，模块电源保护关断时，辅助源也同时关断，使得保护电路因失去供电电压而形成“打嗝”保护模式，如果需要使模块电源关断模式得以保持，就必须增加附加电路。本发明的辅助源为独立电路，在模块电源进入保护关断模式后，其输出电压仍为12V，持续为保护电路供电，使模块电源可以持续保持工作状态。采用本发明的辅助电源解决了辅助电源输出电压变化范围大的问题，其动态相应及在模块电源空载、满载情况下均能提供稳定的输出电压。由于辅助源为独立电路，不需用在变压器上或者储能电感上增加辅助绕组，降低了变压器、电感的设计和生产难度，提高了产品的可靠性。

Claims

1、一种PFM控制的buck型辅助电源，包括一个与输入电压+VIN连接Buck变换主电路，其特征在于，Buck变换主电路的控制输入端连接一个PFM控制电路，该PFM控制电路包括一个由运算放大器构成的弛张振荡器，其输出脉冲控制buck变换主电路中主开关管的导通和关断，使buck变换主电路输出辅助源电压VCC，辅助源电压VCC通过一个反馈电路连接弛张振荡器，当辅助源电压高于设定的输出电压时，反馈电路使弛张振荡器输出脉冲占空比下降，控制buck变换主电路输出电压降低；当辅助源电压低于设定的输出电压时，反馈电路使弛张振荡器输出脉冲占空比增大，控制buck变换主电路输出电压升高，从而保持辅助源输出电压的稳定。

2、如权利要求1所述的PFM控制的buck型辅助电源，其特征在于，所述输入电压+VIN通过一个线性稳压电路连接PFM控制电路，为PFM控制电路提供稳定的工作电压。

3、如权利要求1或2所述的PFM控制的buck型辅助电源，其特征在于，所述弛张振荡器包括一个高速运算放大器、充放电电阻R6和充放电电容C4，充放电电容一端接地，另一端接运算放大器的反相输入端；充放电电阻一端接运算放大器的反相输入端，另一端接运算放大器的输出端；运算放大器正相输入端通过分压电阻接工作电压V+，运算放大器的正相输入端和输出端之间并接一个可提高电路稳定性的滞环电阻R4。

4、如权利要求1或2所述的PFM控制的buck型辅助电源，其特征在于，所述反馈电路包括包括一个三极管、一个稳压二极管，稳压二极管的阴极接辅助源电压VCC，稳压二极管的阳极接三极管的基极，三极管的集电极输出一个反馈信号至运算放大器的反相输入端。