CN101562397A - 基于第三绕组检测的双模式恒电流控制方法及其电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于第三绕组检测的双模式恒电流控制方法及其电路。该恒流控制方法采用双模式控制，即在负载较低时，采用频率与原边峰值电流同时随反馈电压同向变化调节，在负载较高时，采用频率随反馈电压线性变化而原边峰值电流不变的方式调节。该双模式控制既可避免低负载时工作于音频段，又能降低较高负载时的损耗，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及隔离式电压变换器，具体涉及隔离式电压变换器的恒流控制。
背景技术
随着电子技术的发展和环保要求的提高，效率和稳定性成为电压变换器至关重要的设计因素。
隔离式电压变换器可用于对安全性要求高的适配器和充电器，它包括原边电路和副边电路，通过变压器隔离。在应用中，工作过程包括一恒流充电控制过程和一恒压控制过程，输出电压与输出电流关系见图1。在B区间，对负载进行充电，当输出电压Vo小于输出电压阈值Vth时，变换器保持输出电流Io在输出电流上限值Ith附近不变而使电压Vo变化，使得快速稳定将输出电压充至电压阈值Vth，B区间的控制即为恒流控制。在A区间，当输出电压Vo到达输出电压阈值Vth时，变换器处于正常工作状态，此时保持输出电压Vo不变以对负载提供稳定电源，同时对输出电流Io进行调节。为实现恒流控制调节，需要检测输出端电流，根据输出信号的反馈控制原边开关管的工作。通常，采用副边电流检测电路用于恒流控制，通过光耦从副边获取信号，但这种方式结构复杂、损耗大、效率低。现有的不采用副边电流检测电路的方案往往需要复杂的模式实现恒流控制，通过检测输入电压、输出二极管导通时间和原边峰值电流限制等信号实现。
在恒流控制中，应尽量采用结构简单、效率高的方案。
发明内容
本发明的目的在于保护一种隔离式电压变换器电路，它包括隔离式电压变换器主电路，含原边绕组、与所述原边绕组连接的开关器件和副边绕组；第三绕组，与所述原边绕组耦合；控制电路，耦合到所述第三绕组获得与所述第三绕组耦合电压成正比的反馈信号，控制所述开关器件的开通和关断，进一步控制副边输出电流恒定。其中当所述反馈信号小于一参考电压时，所述控制电路根据反馈信号同向调节频率和原边峰值电流，当反馈信号大于所述参考电压时，所述控制电路根据所述反馈信号同向调节频率并保持原边峰值电流不变。
其中所述控制电路包括频率控制单元、峰值电流控制单元和RS触发器，所述频率控制单元接收所述反馈信号并输出频率受调的脉冲信号至所述RS触发器置位输入端，所述峰值电流控制单元接收所述反馈信号并输出受调的峰值电流控制信号至所述RS触发器复位输入端，所述RS触发器输出端耦接所述开关器件的门极。所述频率控制单元包括：电流转换器，将所述反馈信号转换成成正比的电流信号；电流镜像，将所述电流信号进行镜像；晶振，接收电流镜像输出信号，产生频率随该输出信号变化的所述脉冲信号，当所述反馈信号低于所述参考电压时，所述脉冲信号的频率以较低的变化速率随所述反馈信号同向变化，当所述反馈信号高于所述参考电压时，频率以较高变化速率随所述反馈信号线性变化。所述峰值电流控制单元包括：比较器，比较所述反馈信号与所述参考电压；受控开关，受所述比较器输出控制，当所述反馈信号大于所述参考电压时，所述受控开关关断，当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述受控开关开通；函数运算模块，连接所述受控开关，在所述受控开关开通时接收所述反馈信号，输出相应电压信号；转换电路，当所述受控开关接通时，接收所述电压信号，输出成正比的峰值电流电压值，当所述受控开关关断时，输出固定的峰值电流电压上限值；峰值电流比较器，同相端接收原边电流信号，反相端接收所述峰值电流电压值，输出端连接所述RS触发器复位端。当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述峰值电流电压值的平方与所述频率之积与所述反馈信号比例保持恒定。
控制电路可进一步包括欠压保护电路、过温保护电路之中的一种或全部，其输出与所述RS触发器的输出经一与门控制所述开关器件的门极。所述开关器件可为MOSFET器件。
本发明还保护一种开关模块电路，包含漏极节点、源极节点和反馈节点，其中反馈节点接收来自第三绕组的信号控制漏极节点和源极节点间的电气耦合或断开。该开关模块电路可进一步包含一电源输入节点，从第三绕组获得能量。该开关模块电路，内部包含开关器件和控制电路，其中所述开关器件一端连接漏极节点，另一端连接源极节点；所述控制电路接收来自所述反馈节点的反馈信号，控制所述开关器件的开通和关断。当所述反馈信号小于一参考电压时，所述控制电路根据反馈信号同向调节频率和原边峰值电流，当反馈信号大于所述参考电压时，所述控制电路根据反馈信号同向调节频率并保持原边峰值电流不变。
本发明的目的还在于保护一种隔离式电压变换器恒流控制方法，该方法包括：经原边采样获取副边输出电压反馈信号；根据反馈信号调节系统频率和原边峰值电流，当频率脉冲为高时触发开通原边开关器件，当原边电流达到原边峰值电流触发关断原边开关器件。其中所述经原边采样通过一第三绕组。当所述反馈信号小于一参考电压时，所述频率以较小的变化率和原边峰值电流同时随反馈信号同向变化，当反馈信号大于所述参考电压时，所述频率随反馈信号以较大的变化率线性变化而原边峰值电流不变。当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述峰值电流电压值的平方与所述频率之积与所述反馈信号比例保持恒定。
该发明通过第三绕组采用原边检测的方式，不需要光耦等器件，通过控制频率和峰值电流实现恒流控制，简化了电路，降低了成本。
附图说明
图1为隔离式电压变换器工作状态示意图；
图2为本发明的包含开关模块的隔离式电压变换器系统示意图；
图3为本发明开关模块电路的双模式恒流控制波形示意图；
图4为本发明的开关模块电路示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
基于规范描述和方便阅读的考虑，逐一定义本发明专利申请文件中出现的术语如下：本发明中的隔离式电压变换器包括直流-直流反激式变换器、交流-直流反激式变换器或其它类型的变换器。需要说明的是，上述术语仅作为指称其意指的名称之一，因此凡意指与其相同或近似的名称均应视为其等价物。
图2为隔离式电压变换器系统20示意图。该系统20包括原边绕组L1，副边绕组L2，第三绕组L3，含开关器件的开关模块21、由电阻R1、电阻R2组成的反馈电路，二极管D1、电容C1组成的供电网络，由二极管D构成的副边整流器，电感L与滤波电容Co。其中原边绕组L1、副边绕组L2、第三绕组L3耦合在变压器T。开关模块21内部包含一开关器件和一控制电路。原边绕组L1一端连接输入电压Vin，一端连接开关器件的漏极Drain。开关器件的源极Source接地。开关模块21内的控制电路接收来自第三绕组L3的反馈电压FB，控制开关器件的开通和关断。原边电路将直流信号通过开关器件的开通和关断转换成脉冲信号，经过变压器T的转换并经副边电路二极管D的整流和由电感L与滤波电容Co组成的滤波网络滤波输出电压信号Vo，以对充电器进行充电或对负载进行供能。
电压变换器系统20还可进一步包括一AC-DC整流电路22，将AC信号经整流网络和滤波网络进行整流和滤波，输出直流信号Vin，提供给原边绕组L1。开关模块21含有四个输入输出节点，分别为漏极节点Drain，源极节点Source，反馈节点FB和电源输入节点Vcc。开关模块21在输出电压小于电压阈值Vth时，采用恒流控制，调节输出电压Vo，输出恒定的电流Io。反馈节点FB接收来自第三绕组L3的信号，控制开关模块21内开关器件的动作，以调节电压变换器系统20。当输出电压Vo升高时，第三绕组L3上的感应电压也升高，经过分压电阻R1、R2分压，FB处电压大致正比于输出电压Vo，由此可见，该控制方法通过检测第三绕组L3的输出电压间接获取副边输出电压信号，属于原边控制方式，排除了光耦等器件，提高了效率。其中本发明的恒流控制采用双模式控制。
图3为本发明的双模式恒流控制波形图。由图可见，该恒流控制包括集电流峰值控制、频率控制的双重控制模式和仅频率控制的单重控制模式。对于图2的电压变换器系统20，在断续模式DCM和临界模式(Critical)工作状态下，满足公式1：
Ip＝(Vo×Toff)/Lp，其中Ip为原边峰值电流，Toff为原边开关器件关断时间，Lp为原边绕组电感量；
公式2：
Io＝Toff×Ip×N2/N1/2Ts，其中Io为输出电流平均值，N2/N1为副边绕组和原边绕组匝比，Ts为一个周期时间。
由公式1和公式2可得：IO＝Lp×Ip 2÷2VO÷Ts＝Lp×Ip 2×Fs÷2Vo。对一特定的电压变换系统，Lp固定。因此Io由原边电流峰值Ip、系统频率Fs和输出电压Vo共同确定。在恒流控制中，Io恒定，因此Ip 2×Fs÷Vo＝C，其中C为一常数，代表定值。针对这个特点，本发明的恒流控制分为两个模式。
第一种模式为当输出电压Vo小于一电压参考值Vr1时，Ip随Vo变化，使得Ip 2×Fs÷Vo＝C1。该模式中原边电流峰值Ip和频率Fs都随Vo增大而增大，称双重控制模式，见图3的前半段。Fs与Ip一起随Vo呈同方向变化，即当Vo减小时，Ip值和Fs同时减小，Vo增大时，Ip值和Fs同时增大。当Vo从Vr1下降到零时，Fs从F2下降到F1，Ip从原边电流上限Ith下降到零值。Fs与Vo不一定呈线性关系，Ip与Vo亦不一定呈线性关系，只需满足Ip 2×Fs÷Vo＝C1的关系，其中C1为一常数，即峰值电流平方与频率之积与输出电压比例保持恒定。同时Ip与Fs的变化与Vo同向变化，即Ip与Fs随Vo增大而增大。
第二种模式为当输出电压Vo大于电压参考值Vr1时，采用频率控制模式，在这种情况下，Ip固定在原边峰值电流上限水平Ip1，其为输出电流到达输出电流上限Ith时的原边峰值电流，Fs/Vo＝C2，其中C2为一特定常数。因此只有Fs随Vo输出而变化。相对电流峰值及频率的双重控制模式，在频率控制模式中，频率随反馈信号的变化率较大。
在输出电压较低的情况下，双重控制模式相对频率控制模式具有运行稳定，损耗低的优点。因在Vo＝0时，Fs处于F1水平。若在低输出电压时采用频率控制模式，当Vo接近零值时，因Fs/Vo＝C2，Fs亦接近零值，频率很低，系统将运行到音频，产生噪音。而F1可设置为音频之上，避免了这一缺点。当输出电压较高时，采用频率控制模式相对双重控制模式，原边电流具有较低的有效值，运行损耗低。
图4所示为采用本发明恒流控制模式的一个开关模块电路40实施例示意图。开关模块电路40包含漏极节点Drain、源极节点Source、反馈节点FB和电源输入节点Vcc。反馈节点FB接收来自图2所示第三绕组L3经过分压后的反馈电压FB，其正比于系统输出电压Vo。Vcc接收来自供电网络C1与D1输出的直流电压。在另一种实施方式中，Vcc亦可由其它电源供电。Drain连接原边绕组L1。Source接地。开关模块电路40由控制电路和开关器件S组成。开关器件S可为MOSFET器件。其中控制电路包含频率控制单元41、峰值电流控制单元42和RS触发器U6。频率控制单元41接收反馈电压FB调节系统工作频率，输出频率信号到RS触发器U6的置位端S。峰值电流控制单元42接收反馈电压FB，输出电流峰值控制信号到RS触发器U6的复位端R。RS触发器U6的输出端连接S门极，控制开关器件S的开通和关断，用于在副边输出恒流信号。当频率信号升高时，RS触发器U6被置位，开关器件S开通。当开关器件S漏极电流增大到设定的原边峰值电流时，RS触发器U6被复位，开关器件S关断。当下一个周期来临，频率信号升高时，开关器件S再次开通。
继续图4的说明。频率控制单元41包括由放大器U1、电阻R1和晶体管Q3组成的电流转换器，晶体管Q1、晶体管Q2组成的电流镜像以及受电流镜像输出控制的晶振。当输出电压Vo增大时，FB线性增大，流过晶体管Q3的电流亦线性增大，该电流经过电流镜像输入到晶振，以一定的函数控制晶振的频率，该函数可以为简单的线性函数。当Vo＜Vr1时，即VFB＜VFB_r1时，Fs以一较低的斜率随VFB同向变化。当VFB＞VFB_r2时，以一较大的斜率随VFB变化，见图3。
峰值电流控制单元42包括一比较器U2(用于控制受控开关K选通该单元)、受控开关K、一函数运算模块f(x)、由比较器U3、电阻R2与晶体管Q6组成的电流转换器，晶体管Q4、晶体管Q5、电阻R3组成的电流镜像、电阻R4与电流源Ics组成的固定电压生成器和峰值电流比较器U5。当VFB＜VFB_th时，受控开关K被选通，函数运算模块输出V1，V1值随VFB增大而减小，通过电流转换器和电流镜像获得正比于V1的电流I1。此时峰值电流电压值Vlimit＝(Ics-I1)×R4。Vlimit即正比于原边峰值电流Ip。V1与VFB的函数关系f(x)根据Ip 2×Fs÷Vo＝C，由VFB与FS的关系式共同确定，即只需满足Vlimit 2×Fs÷VFB＝C3，即峰值电流电压值Vlimit的平方与频率Fs之积与反馈信号VFB比例保持恒定。峰值电流比较器U5同相端接收正比于原边电流的原边电流信号，反相端接收Vlimit。例如取A端电压VA为原边电流信号，其中VA为流经开关器件S导通电阻Ron产生的电压，其正比于原边电流；当VA＞Vlimit，比较器U5输出高电平的电流峰值控制信号，RS触发器U6被复位，开关器件S被关断。直到下一个频率脉冲信号高电平的到来，开关器件S才被再次开通。当VFB＞VFB_th时，K呈断开状态，Vlimit＝Ics×R4，它的值对应图3中原边峰值电流上限值Ip1。
开关模块电路40还可进一步包括欠压保护电路44和过温保护电路43。欠压保护电路44和过温保护电路43的输出信号与RS触发器的输出信号一起经过与门U7控制开关器件S的门极。当Vcc大于欠压门限电压时，U4输出高电平，开关器件S才允许被开通。同样，当温度过高时，过温保护电路43输出低电压，开关器件S被关断。
以上公开内容仅涉及优选实施例或实施例，可产生许多修改方案而不脱离所附权利要求提出的本发明的精神和范围，不应解释为对本发明保护范围的限定。本说明书所描述的特定实施例仅用于说明目的，本领域技术人员在本发明的精神和原理内，可得出多种修改、等同方案。本发明涵盖的保护范围以所附权利要求书为准。因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (21)
1.一种隔离式电压变换器电路，包括：
隔离式电压变换器主电路，含原边绕组、与所述原边绕组连接的开关器件和副边绕组；
第三绕组，与所述原边绕组耦合；
控制电路，耦合到所述第三绕组获得反馈信号，控制所述开关器件的开通和关断，以控制副边输出电流保持恒定。
2.如权利要求1所述的电路，其中当所述反馈信号小于一参考电压时，所述控制电路根据反馈信号同向调节频率和原边峰值电流，当反馈信号大于所述参考电压时，所述控制电路根据所述反馈信号同向调节频率并保持原边峰值电流不变。
3.如权利要求2所述的电路，其中所述控制电路包括频率控制单元、峰值电流控制单元和RS触发器，所述频率控制单元接收所述反馈信号并输出频率受调的脉冲信号至所述RS触发器置位输入端，所述峰值电流控制单元接收所述反馈信号并输出受调的峰值电流控制信号至所述RS触发器复位输入端，所述RS触发器输出端耦接所述开关器件的门极。
4.如权利要求3所述的电路，其中所述频率控制单元包括：
电流转换器，将所述反馈信号转换成成正比的电流信号；
电流镜像，将所述电流信号进行镜像；
晶振，接收电流镜像输出信号，产生频率随该输出信号变化的所述脉冲信号，当所述反馈信号低于所述参考电压时，所述脉冲信号的频率以较低的变化速率随所述反馈信号同向变化，当所述反馈信号高于所述参考电压时，频率以较高的变化速率随所述反馈信号线性变化。
5.如权利要求3或4所述的电路，其中所述峰值电流控制单元包括：
比较器，比较所述反馈信号与所述参考电压；
受控开关，受所述比较器输出控制，当所述反馈信号大于所述参考电压时，所述受控开关关断，当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述受控开关开通；
函数运算模块，连接所述受控开关，在所述受控开关开通时接收所述反馈信号，输出随所述反馈信号增大而减小的电压信号；
转换电路，当所述受控开关接通时，接收所述电压信号，输出成正比的峰值电流电压值，当所述受控开关关断时，输出固定的峰值电流电压上限值；
峰值电流比较器，同相端接收原边电流信号，反相端接收所述峰值电流电压值，输出端连接所述RS触发器复位端。
6.如权利要求5所述的电路，其中当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述峰值电流电压值的平方与所述频率之积与所述反馈信号比例保持恒定。
7.如权利要求3所述的电路，其中所述控制电路进一步包括欠压保护电路、过温保护电路之中的一种或全部，其输出与所述RS触发器的输出经与门控制所述开关器件的门极。
8.如权利要求1所述的电路，其中所述开关器件为MOSFET器件。
9.一种开关模块电路，包含漏极节点、源极节点和反馈节点，其中反馈节点接收来自第三绕组的信号控制漏极节点和源极节点间的电气耦合或断开。
10.如权利要求9所述的开关模块电路，进一步包含一电源输入节点，从第三绕组获得能量。
11.如权利要求9或10所述的开关模块电路，内部包含开关器件和控制电路，其中所述开关器件一端连接漏极节点，另一端连接源极节点；所述控制电路接收来自所述反馈节点的反馈信号，控制所述开关器件的开通和关断。
12.如权利要求11所述的开关模块电路，其中当所述反馈信号小于一参考电压时，所述控制电路根据反馈信号同向调节频率和原边峰值电流，当反馈信号大于所述参考电压时，所述控制电路根据反馈信号同向调节频率并保持原边峰值电流不变。
13.如权利要求12所述的开关模块电路，包括频率控制单元、峰值电流控制单元和RS触发器，所述频率控制单元接收所述反馈信号输出频率受调的脉冲信号至所述RS触发器置位输入端，所述峰值电流控制单元接收所述反馈信号输出受调的峰值电流控制信号至所述RS触发器复位输入端，所述RS触发器输出端耦接所述开关器件的门极。
14.如权利要求13所述的开关模块电路，其中所述频率控制单元包括：
电流转换器，将所述反馈信号转换成成正比的电流信号；
电流镜像，将所述电流信号进行镜像；
晶振，接收电流镜像输出信号，产生频率随所述输出信号变化的所述脉冲信号，当所述反馈信号低于所述参考电压时，所述脉冲信号频率以较低的变化速率随所述反馈信号同向变化，当所述反馈信号高于所述参考电压时，频率以较高的变化速率随所述反馈信号线性变化。
15.如权利要求13或14所述的开关模块电路，其中所述峰值电流控制单元包括：
比较器，比较所述反馈信号与所述参考电压；
受控开关，受所述比较器输出控制，当所述反馈信号大于所述参考电压时，所述受控开关关断，当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述受控开关开通；
函数运算模块，连接所述受控开关，在所述受控开关开通时接收所述反馈信号，输出随所述反馈信号增大而减小的电压信号；
转换电路，当所述受控开关接通时，接收所述电压信号，输出成正比的峰值电流电压值，当所述受控开关关断时，输出固定的峰值电流电压上限值；
峰值电流比较器，同相端接收流经原边电流信号，反相端接收所述峰值电流电压值，输出端连接所述RS触发器复位端。
16.如权利要求15所述的电路，其中当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述峰值电流电压值的平方与所述频率之积与所述反馈信号比例保持恒定。
17.如权利要求13所述的开关模块电路，进一步包括欠压保护电路、过温保护电路之中的一种或全部，其输出与所述RS触发器的输出经与门控制所述开关器件的门极。
18.一种隔离式电压变换器恒流控制方法，包括：
经原边采样获取副边输出电压反馈信号；
根据反馈信号调节系统频率和原边峰值电流，当频率脉冲为高时触发开通原边开关器件，当原边电流达到原边峰值电流触发关断原边开关器件。
19.如权利要求18所述的恒流控制方法，其中所述经原边采样通过位于原边侧的第三绕组进行。
20.如权利要求18所述的恒流控制方法，其中当所述反馈信号小于一参考电压时，所述频率以较小的变化率和原边峰值电流同时随反馈信号同向变化，当反馈信号大于所述参考电压时，所述频率随反馈信号以较大的变化率线性变化而原边峰值电流不变。
21.如权利要求20所述的恒流控制方法，其中当所述反馈信号小于所述参考电压时，所述峰值电流电压值的平方与所述频率之积与所述反馈信号比例保持恒定。
Priority Applications (3)
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